中国智慧水利研究知识图谱分析

刘宇轩 ，位 涛 ，刘仲秋

（1. 山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271000；2. 黄河口水文水资源勘测局，山东 东营 257000）

0 引言

随着信息技术的发展，水利呈现出网络化、智能化和交互性的发展趋势。智慧水利便是依托互联网、物联网、云计算及 3S 等技术手段，实现水利信息的采集、存储、管理、应用、共享的标准化及智能化水利应用管理平台[1]。目前，智慧水利在我国工程管理[2]、洪水预报[3]、引水供水[4]等方面已取得积极成效，提高了水利治理能力的现代化水平。2020 年水利部出台《智慧水利总体方案》，并在全国范围开展智慧水利先行先试工作[5]，学界因此出现了智慧水利研究的高潮。为系统梳理近年来中国智慧水利研究进展和热点剖析，基于 CiteSpace.5.7.R5 软件分析 2010—2020 年中国智慧水利领域的历史演变和研究热点，以期为智慧水利的发展提供一定的研究方向。

CiteSpace 软件是目前学者普遍采用的文献计量分析软件，借助知识图谱的形式，全面展现某一领域的研究进展和热点[6]。本研究以“智慧 + 水利”作为主题词进行检索，统计了 2010—2020 年收录在中国知网（CNKI）上的所有中文期刊与硕博论文，并剔除作者信息不全、关键词缺失、主题明显不相关的文献，最终得到 974 篇有效文献，包含期刊论文 843 篇与硕博论文 131 篇。借助 CiteSpace.5.7.R5 软件，生成知识图谱，用以研究中国智慧水利发展演变。同时本研究结合了水利部相关文件、重大会议等内容，以更为全面地分析我国智慧水利发展现状。

1 知识图谱结果与分析

1.1 文献发表总数分析

本研究统计了 974 篇有效文献的时间分布关系，2010—2020 年历年智慧水利研究文献发文量趋势图如图1 所示。2010 年以来我国智慧水利相关文献发文量整体呈上升趋势，经过 2010—2012 年和 2013—2016 年 2 个稳固发展阶段后，自 2017 年以来，进入快车道，2020 年年发文量达到 299 篇，是 2016 年的 6.4 倍；同时在相关文件和重大会议方面，2017—2020 年与智慧水利有关的会议共计 17 次，而 2010—2017 有关智慧水利的会议只有 5 次。通过梳理 2017—2020 年相关文献和重大会议内容表明：2017 年以来的快速增长阶段，与 2017 年水利部部长陈雷 2 次召开重大会议强调“要加大水利科技创新力度，积极推进智慧水利建设，以水利信息化带动水利现代化[7]”，以及 2017 年发布的《2017 中国水利发展报告》中关于深化水利改革发展，加强水利发展前景的预测[8]等内容有关，促进了我国智慧水利研究的爆发式增长。

图1 2010—2020 年历年智慧水利研究文献发文数量趋势图

1.2 关键词共现分析

通过关键词可以反映该领域内的热点问题及演进方向。利用 CiteSpace 软件生成的关键词知识图谱如图2 所示，按频次排序的前 20 项关键词信息如表1 所示。

图2 中每个十字节点代表1 个关键词，节点越大，表示该关键词出现的频次越高。2010—2020 年智慧水利领域内研究热点主要集中在智慧水利、水利信息化、物联网、智慧水务等方面，同时这几个关键词的频次均在 40 次以上，且中介中心度均大于 0.1，因此可以反映近年来智慧水利领域研究的核心热点问题。进一步概括智慧水利领域相关的关键词可知：1）智慧水利的中介中心度最高，与之相关的关键词有水利现代化、物联网、大数据、云计算等，解释了智慧水利运用了物联网、云计算、大数据等新一代的信息通信技术[9]；2）与智慧水利相关的关键词还表现在感知、共享、智能、管理等方面，这反映了智慧水利的特征表现在感知全面化、互联泛在化、数据规范化、共享实时化、应用智能化和服务社会化等方面[10]；3）河长制、湖长制、高质量发展、水利改革发展等关键词反映了国家政策在智慧水利发展中起到的关键作用。

表1 关键词频次和中介中心度

图2 智慧水利关键词共现网络知识图谱

1.3 关键词聚类分析

为进一步研究智慧水利领域的研究热点，展示研究领域的分布情况，利用 CiteSpace 软件进行关键词聚类分析，并按照聚类大小提取前 10 项聚类网络，聚类知识图谱如图3 所示，聚类网络信息如表2 所示。同时聚类图谱的模块值（Modularity Q）为 0.87，大于 0.3，说明划分出来的聚类结构是显著的，表2 中各项聚类平均轮廓值（Silhouette 值）均大于 0.7，说明聚类合理[11]。

表2 关键词共现网络聚类表

图3 智慧水利研究关键词聚类知识图谱

根据得到的 10 项聚类结果及模块中的主要关键词，对智慧水利领域的研究热点进行归纳，现有研究主要包含以下几类：

1）智慧水利的技术路线。2020 年全国水利工作会议提出“充分运用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、5G、BIM、电子签章、区块链等技术，推动信息技术与水利业务深度融合[12]”，从顶层设计上提出有关智慧水利的技术路线，这也一直是学者研究的重点方向。智慧水利的技术路线主要由聚类 0“大数据”、聚类 2“水利工程”、聚类 4“区块链”组成。随着云计算、大数据、物联网、BIM 等技术的逐渐完善和普及，利用何种信息技术与水利工程结合，进而简化水利枢纽的管理难度一直是研究的热点。赵然杭等[13]认为智慧水利是以物联网、大数据、云计算、人工智能、虚拟现实、智慧模型等为代表的新信息技术，融合数据采集、分析、决策、控制、反馈等信息流程为一体，实现自主生存、思考、应对、学习的面向水利应用的规模信息生态系统；王雪松[14]认为智慧水利就是利用信息化、智能化、数据化帮助传统水利迈向现代化水利的一个过程；蔡阳[15]认为智慧水利旨在应用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，实现对水利对象及活动的透彻感知、全面互联、智能应用与泛在服务，从而促进水治理体系和能力现代化；王超锋等[16]认为智慧水利是由物联网设备、各类通信网络和现代信息技术构成的水利网络信息服务环境。

2）智慧水利的应用方向。智慧水利的应用方向也是学者研究的热点，由聚类 3“智慧水务”、聚类 5“数字水利”、聚类 7“水利水电”、聚类 9“智慧城市”组成。2019 年水利部部长鄂竟平指出“要将工作重心转到水利工程补短板，水利工程强监管上来，重点补好防洪工程、供水工程、生态修复工程、信息化工程等方面的短板，加强对江河湖泊、水资源、水利工程、水土保持、水利资金、行政事务工作的监管。”近年来，部分学者围绕补短板与强监管，将智慧水利与水利工程管理、洪水预报等方面相结合，并取得一定的成效。罗朝传等[17]设计了一套智慧灌区管理系统，通过引入物联网、云平台和人工智能等技术促进了灌区水资源的合理配置，保障了灌区的可持续发展；郭晓宁[18]在 BIM 技术应用的基础上，应用物联网、GIS 及“互联网 +”等技术，建立了涔天河智慧水库管理平台，提高了库区的现代化、智能化水平；陈胜等[19]通过合成语音技术播报洪水预警信息，将危险区的预警与防汛责任人和应急响应措施自动关联，实现业务一体化、自动化，从而更好地服务于小流域的防洪减灾实际工作；黄强等[20]通过建立水利大数据中心和应用智能计算技术，提高了洪水预报、供水调度、水质污染等方面的科学预判水平，构建了智慧城市建设的基础。2017 年水利部提出“为推进数字水利向智慧水利转变，要积极推进水利行业智慧水务、智慧水利建设。”江西省和太湖流域管理局积极探索，在智慧水务方面取得积极成效，构建了江西智慧水利和智慧太湖体系。

3）智慧水利的发展要求。在习近平总书记提出的“节水优先，空间均衡，系统治理，两手发力”的治水思路下，2020 年全国水利工作会议提出“要落实大数据共治共享任务，启动国家水利大数据中心和水利部综合监管平台建设，建立信息资源协同共享与更新机制，实施国家水文数据库建设”的发展要求。 唐慧慈等[21]通过建立智慧河湖长信息平台，实现了防汛抗旱、水资源管理、水政执法、农村供水等水利信息系统资源及数据整合共享，达到“直观展示、实时监视、协同理事、智能考核、安全好用”的总体目标；部分机构和学者从新时代水利改革发展的要求出发，围绕“保护与发展”“水利现代化”等方面进行研究。智慧水利的发展要求主要由聚类 1“风景园林”、聚类 6“高质量发展”、聚类 8“水利行业”组成。方子杰等[22]认为通过加快推进覆盖防汛抗旱、水资源管理、农村水利、水土保持、大坝安全监测、河湖管理等全方位全过程的智慧水利建设，可以提升行业强监管能力，推动新时代水利高质量发展。

1.4 智慧水利研究热点演进

为进一步研究智慧水利领域内研究热点随时间变化的动态演进，运用 CiteSpace 软件构建智慧水利领域关键词时间线视图，2010—2020 年中国智慧水利领域内前 10 个聚类的演进过程如图4 所示。

图4 智慧水利研究关键词时间线视图

根据关键词时间线视图，2010—2020 年智慧水利演进过程可大致划分为以下 3 个研究阶段：

1）2010—2011 年是我国智慧水利研究的起步阶段。在 2010 年之前，智慧水利领域研究主要集中在大数据、水利工程、高质量发展、水利水电等主题方面。2011 年，中央一号文件《中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定》的颁布，要求“强化水利科技支撑，推进水利信息化建设，提高水资源调控、水利管理和工程运行的信息化水平，以水利信息化带动水利现代化”[23]，带来了云计算、物联网等在数字水利方面的应用探索。总体上看，在这一阶段，我国智慧水利研究方向主要以信息技术与水利工程的结合为主。

2）2012—2016 年是我国智慧水利稳步前进的阶段。随着我国云计算、物联网、4G 技术的广泛应用，大数据在这一阶段研究最为活跃，并影响着其他关键词的演进。同时“十六字”治水方针的颁布加快了智慧水务发展，这一阶段主要围绕水资源管理和体系构建方向开展研究。

3）2017 年至今是我国智慧水利研究的爆发阶段。在这一阶段我国提出了一系列推动智慧水利快速发展的要求。2017 年中央经济工作会议要求“积极开展智慧水利建设，引领和带动水利现代化发展”，2018 年出台的《加快推进新时代水利现代化的指导意见》要求“全方位推进智慧水利建设，建设全要素动态感知的水利监测体系、高速泛在的水利信息网络、高度集成的水利大数据中心，大幅提升水利信息化、智能化水平”[24]，催生了如区块链、智慧工程、安全监测等新兴的研究热点。同时《关于全面推行河长制的意见》颁布，要求“加强水资源保护，落实最严格水资源管理制度，严守水资源开发利用控制；加强水环境治理，实现河湖环境整洁优美、水清岸绿”[25]，使得河（湖）长制及水利风景区成为研究热点，并推动新时代水利发展改革进程。综合来看，在这一阶段各项关键词聚类都得到了较快的演进，我国关于智慧水利的研究探讨进入快车道。

2 结语

本研究基于 CiteSpace 软件，对 2010—2020 年中国知网上有关智慧水利领域的中文期刊与硕博论文进行了梳理，并结合相关的政策、会议要求等进行分析，得出以下主要结论：

1）2010—2020 年中国智慧水利的研究热点主要集中在智慧水利、水利信息化、物联网、智慧水务等方面，反映了智慧水利的内涵和特征。同时河长制、湖长制、高质量发展、水利改革发展等关键词也反映了国家政策在智慧水利的发展中起到关键作用。

2）2010—2020 年中国智慧水利的研究方向主要划分为智慧水利的技术路线、应用方向和发展要求。智慧水利的技术路线一直是最核心的研究方向，时刻影响着智慧水利领域各个方向的演变。而新时代水利发展改革和高质量发展的要求，使得河长制、水安全保障研究热度逐渐升高，利用智慧水利监测系统提高水资源管理水平，强化水利行业监管，打好节水攻坚战，维护水生态文明，实现水资源高质量发展，成为新阶段水利发展的要求。

3）2010—2020 年中国智慧水利的研究大致分为起步、稳步前进、快速演进 3 个阶段。未来随着信息技术的不断发展，水资源管理要求不断提高，如何将先进信息技术融入水利工程管理，并优化管理效率，提高智慧化水平仍将是智慧水利发展的核心问题。

虽然借助 CiteSpace 软件可以梳理 2010—2020 年中国智慧水利历史演变过程和研究热点，为相关学者提供一定的研究思路，但由于 CiteSpace 软件无法确切反映关键词的内在联系和预测研究方向，有关智慧水利的未来研究趋势仍需进一步完善。