基于知识图谱的地铁施工安全研究可视化分析

王乾坤， 亢显卫， 朱 科

(武汉理工大学 a. 土木工程与建筑学院； b. 三亚科教创新园， 湖北 武汉 430070)

当下国内外都在大力推进地铁建设，施工安全事故频发，因此有很多专家和学者对地铁施工安全开展研究，用来指导实际地铁工程建设安全风险管理，降低施工事故发生概率和减少损失。如Jiang等[1]提出一种基于本体论和案例推理的决策方法改进地铁施工安全风险管理决策；Kaewunruen等[2]引入数字孪生辅助生命周期评价方法评估地铁站风险；Rafie等[3]采用失效模式与影响分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)和模糊推理系统(Fuzzy Inference System，FIS)相结合，对地铁基坑施工建设中路面沉降风险进行预测；Potapova[4]以地铁深基坑施工为例，建立岩土工程风险的级联模型，改进施工风险管理基本途径；丁烈云等[5]从组织、技术、环境、管理等四个方面构建地铁施工安全评价标准；吴贤国等[6]构建基于复杂网络的N-K模型对地铁施工安全风险耦合分析，评估多风险因素耦合作用的影响；刘文等[7]利用迭代自组织数据分析算法(Iterative Selforganizing Data Analysis Techniques Algorithm，ISODATA)探索盾构施工的安全风险规律及管理对策；Shi等[8]主要研究地铁车站基坑施工对周边建筑物变形和沉降的影响分析；沈卫平等[9]开发智慧互联系统为实现地铁盾构施工安全风险控制提供技术支持。根据文献查阅分析，国内外已有众多学者在地铁施工安全领域开展研究，将成果用于指导施工安全风险管理，但缺乏对该领域研究系统全面地梳理总结，也缺乏对该领域研究热点和演进趋势的系统性分析。

科学知识图谱是以知识域为对象，以图象形式直观地展现科学知识发展进程与结构关系[10]，显示知识单元或知识群之间网络、结构、互动、交叉或演化等隐含关系，既是可视化的知识图像，又是系列化的知识图谱，被广泛应用于归纳分析某一类学科知识的发展规律。因此，近些年知识图谱在各领域被广泛应用，关键技术已相对成熟，如一些学者对煤矿安全生产[11]、驾驶安全[12]及科学领域[13]等多领域研究演变进行可视化分析，探究各领域的研究热点和发展前沿。

基于上述分析，本文将应用知识图谱分析工具CiteSpace V软件，结合文献计量方法分析地铁施工安全领域研究热点及演进趋势，依据国内中国知网(CNKI)数据库和国际WoS(Web of Science)数据库在1998—2021年收录的高质量文献，通过高级检索、筛选过滤及阅读分析获取主题为“地铁施工安全”的研究文献作为样本。通过文献计量方法，对国内和国际研究文献发表、机构分布、作者合作和关键词分析，形成知识图谱可视化展示，探索近24年地铁施工安全领域的研究热点和趋势，对该领域的研究发展进行梳理总结，形成较为系统性、科学性和全面性的研究文献分析，为后续学者深入创新研究提供参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

为了保障本文分析数据的可靠性，尽可能全面系统地分析地铁施工安全领域的研究现状，以“地铁施工安全”为主题检索高质量、高水平的期刊文献。国内数据选择具有权威性的中国知网(CNKI)数据库，初步检索出1998年1月—2021年12月与主题相关文献2687篇，为保障研究文献的科研性和权威性，筛选出SCI、EI、北大核心、CSSCI、CSCD来源期刊文献496篇。国际数据选择最丰富权威的Web of Science核心数据库，通过高级检索同时间段期刊文献1384篇，具体检索筛选条件见表1。

表1 期刊文献数据来源

1.2 研究方法

文献计量方法能够对一类科学技术研究现状和发展趋势进行描述、评价和预测[14]，而知识图谱能够利用可视化技术直观展示科学知识的结构关系，具有很好的知识导航功能。常用的知识图谱绘制工具有CiteSpace,Ucinet,VOSviewer,SPSS和Histcite等[15]。通过文献资料调研对比后发现，由美国Drexel大学陈超美教授[16]开发的CiteSpace软件具有操作技术简单易懂、可视化效果好及文献分析功能全面等优点，因此选择CiteSpace V软件进行知识图谱可视化研究分析。

分别以国内CNKI数据库和国际WoS数据库检索地铁施工安全领域中较为权威性和科研性的期刊文献为基础数据，应用软件对文献进行知识图谱可视化研究分析，梳理总结国内和国际地铁施工安全领域研究的演进趋势和研究热点，为后续研究者深入创新研究提供参考。

2 地铁施工安全研究可视化分析

2.1 研究论文产出分析

分析论文产出可以全面了解该研究领域的发展规律，更加科学合理地判断学科领域研究趋势。通过两个权威数据库检索地铁施工安全领域研究论文，按年份绘制论文发表趋势，如图1所示。

图1 地铁施工安全研究论文发表趋势

从图1中看出变化趋势可分为2个阶段：初始萌芽增长阶段(1998—2007年)：该阶段国内和国际发文量均不高，虽有逐年增长趋势，但每年发文量都在14篇以内，其部分原因为该时期地铁项目建设处于起步推动阶段，研究成果相对较少；快速发展变化阶段(2008—2021年)：从2008年国内和国际上发文量迅速突破，随后国内发文量呈小幅度波动变化，平均每年发文量保持约30篇，呈现较稳定的发展趋势，而国际发文量逐渐增长，尤其是2013年后逐年呈指数增长趋势，发文量最高的是2020年246篇，该阶段增长趋势的部分原因是地铁项目投资建设增大，推动一些专家投入地铁施工安全领域研究以解决科学技术问题，同时更多学者追求发表高质量、高水平文章，使得国际上该领域研究文献增长迅速。

2.2 研究机构分布分析

分析研究机构分布可以挖掘出在地铁施工安全领域具有较高影响力和较多科研成果的科研单位，能够进一步为读者学习和交流提供参考[11]。通过CiteSpace V分别分析国际和国内发表文献的机构分布，设置Selection Criteria: Top 50 Per Slice，各系数的阈值(c,cc,ccv)三个时间分区为(2,2,20)，(1,1,20)和(2,2,20)。其中c为最低被引次数；cc为本时间切片中共被引次数；ccv为规范化以后共被引次数[17]。分别绘制发表文献机构分布图谱，如图2,3所示。

图2 国际研究文献机构分布图谱

图3 国内研究文献机构分布图谱

通过国际和国内研究文献机构分布图谱分析，能发现近些年地铁施工安全领域研究集中在国内部分高校和地铁建设相关企业，且可看出一些高校和企业研究共现关联，如华中科技大学和武汉地铁集团相关联，同济大学和上海交通大学相关联，北京交通大学和北京市轨道交通建设管理有限公司相关联，西南交通大学和中铁第四勘察设计院集团有限公司相关联等，说明在研究中一些高校优势联合，共同开展地铁施工安全研究，还有一些企业委托学校开展科研项目，以解决实际工程施工安全问题，促进学校科研发展，推动企业技术进步，同时保障地铁项目施工安全管理。

根据图谱节点大小表示机构发文频次大小，列出在该领域发文量前10名的科研机构，见表2。可以判断出地铁施工安全领域研究以中国重点高校为主，其中华中科技大学发表文献104篇，同济大学发表文献97篇，北京交通大学发表文献76篇等，这些国内知名高校开展地铁施工安全研究并发表相关文献最多，在该领域具有较高的权威性和影响力，其研究团队引领着地铁施工安全领域的发展，为解决中国地铁项目建设中的安全问题提供了科研支持。在后续的研究中可加强高校间的资源共享和学术交流，共同为我国的地铁施工安全领域作出更大的贡献。

表2 地铁施工安全研究文献机构分布

2.3 研究作者特征分析

通过文献计量和知识图谱分析高发文量作者间的合作关系，从而了解该领域中的科研领军人物，为其他读者学习和深入了解该领域知识提供参考。通过CiteSpace V分别分析国际和国内发表文献的作者关系网络，设置Selection Criteria: Top 50 Per Slice，各系数的阈值(c，cc，ccv)三个时间分区为(2，2，20),(2，2，20)和(2，2，20)，对1998—2021年地铁施工安全领域研究文献绘制发文作者关系图谱，如图4，5所示。在国际研究文献作者关系图谱中有节点数量N=678个，作者连线E=727条，网络密度Density=0.0032。在国内研究文献作者关系图谱中有节点数量N=73个，连线E=71条，网络密度Density=0.0274。

图4 国际研究文献作者合作关系图谱

图5 国内研究文献作者合作关系图谱

关系图谱中节点大小反映该作者发表文献频次，连线反映科研作者合作关系，从而根据图谱列出国际和国内发表文献频次前10名的作者，如表3所示。通过国内外文献作者图谱和发文频次表分析发现张立茂、吴贤国、张顶立等学者发表文献数量最多，作为地铁施工安全领域专家，为我国地铁建设安全问题开展大量研究。同时从图谱可以发现一些学者相关联，他们以团队形式开展地铁施工安全研究并发表文章，如吴贤国、丁烈云和骆汉斌等，作为华中科技大学地铁施工项目科研团队，既发表了众多科研成果，又为武汉地铁项目施工安全管理作出了巨大贡献。

表3 地铁施工安全研究作者发文频次

3 地铁施工安全研究热点及趋势分析

3.1 关键词时线共现分析

通过CiteSpace V分别分析国际和国内发表文献的关键词共现网络，设置Selection Criteria: Top 50 Per Slice，各系数的阈值(c，cc，ccv)三个时间分区为(2，2，20),(4，3，20)和(4，3，20)，对1998—2021年文献以一年为一个时间切片绘制关键词共现网络图谱，如图6，7所示。其中国际研究文献图谱分析产生节点N=113个，连线E=575条，网络密度Density=0.0909，出现词频最多的为施工、模型、预测、安全行为、管理、设计及数值模拟等关键词；国内研究文献图谱分析产生节点N=480个，连线E=965条，网络密度Density=0.0084，出现词频最多的为地铁施工、地铁车站和隧道、数值模拟、施工技术、安全管理及风险管理等关键词。

图6 国际研究文献关键词共现网络图谱

图7 国内研究文献关键词共现网络图谱

3.2 研究热点分析

分析地铁施工安全领域研究文献关键词可以较科学地识别出该领域的研究热点[18]。通过CiteSpace V软件和LLR(Loglikelihood Ratio Test)算法对该领域研究关键词聚类，其中国际研究文献聚类Q值为0.8728(>0.3)，Mean Silhouette值为0.7954(>0.5)；国内研究文献聚类Q值为0.8687(>0.3)，Mean Silhouette值为0.9202(>0.5)，表明聚类结构合理且聚类效果较好，研究热点分析更加科学合理。因数据量较大，聚类词条较多，选择排名前10的国内外研究文献关键词聚类结果展示，如图8，9所示。

图8 国际文献关键词聚类图谱

图9 国内文献关键词聚类图谱

通过聚类标签分析总结，地铁施工安全领域研究热点主要为以下几个方面：

(1)地铁施工安全研究对象方面。根据聚类结果分析较多学者的研究对象为地铁车站、地铁隧道和地铁基坑，包含了地铁项目中的主要工程。如Luo等[19]运用层次分析法和模糊物元法评估下穿既有运营车站的地铁车站施工风险等级；刘文等[7]研究地铁盾构施工安全风险规律和管理对策；吴贤国等[20]结合粗糙集理论和贝叶斯网络评估地铁盾构施工风险；Xing等[21]通过理论分析和有限元数值模拟，分析降水和基坑开挖施工对既有运营车站的影响；Kaewunruen[2]和Rafie[3]等分别以地铁车站、基坑为对象研究施工安全风险。

(2)地铁施工安全技术应用方面。根据聚类标签分析学者关注的施工技术有浅埋暗挖、盾构、信息化施工、三维建模等方面。如房倩等[22]制定风险控制标准，保障地铁车站浅埋暗挖施工技术安全水平；沈卫平等[9]开发智慧互联系统实现地铁盾构信息化施工，提高现场施工风险管理；王洪德等[23]应用结构熵权法和可信性测度评估地铁信息化施工安全风险等级；Wang等[24]建立地铁深基坑三维有限元模型，利用监测数据和数值模拟基坑支护结构变形程度和安全水平。

(3)地铁施工安全研究内容和方法方面。根据聚类标签分析众多学者研究主要为地表沉降、有限元分析、风险评估和安全管理等方面。如Samantra等[25]结合模糊集理论和分层风险分解结构对地铁车站建设风险评估分析；Topal等[26]收集地铁隧道施工地表沉降监测数据，利用数值模拟分析沉降对施工安全的影响；王乾坤等[27]通过事故树分析(Fault Tree Analysis，FTA)建立评价指标体系，利用相互作用矩阵研究地铁深基坑施工耦合风险等级；余群周等[28]研究地铁施工安全风险巡视组织、流程管理和制度，以改进现场施工安全管理。

3.3 研究趋势分析

通过分析关键词出现频率的变化强度，可以判断该领域研究前沿内容[29]。对国内和国际地铁施工安全研究文献关键词突现分析，判断近年在该领域较为突出和重点的研究方面，选择部分近些年突现且突变强度大的关键词，如表4所示。

表4 1998—2021年地铁施工安全研究文献关键词突现分析

根据上表近年突现关键词分析地铁施工安全领域研究趋势，主要为以下两个方面：

(1)目前地铁施工安全研究热点对象为地铁车站和隧道。说明在地铁项目建设中这两部分工程施工安全问题复杂，仍需要大量研究以解决实际工程安全管理难题。如Wu等[30]结合网络分析法(Analytic Network Process，ANP)和模糊综合评价法(Fuzzy Comprehension Evaluation Method，FCE)，提出模糊ANP综合评价模型评估地铁车站施工风险；Yang等[31]修正Peck公式预测地铁车站顶管预施工法对地表沉降的影响；文艳芳等[32]构建PSR-IAHP(Pressure-State-Response, Improved Analytic Hierarchy Process)模型研究地铁隧道施工坍塌风险耦合机理；Pan等[33]构建耦合度计算模型，评估地铁隧道盾构施工安全风险系统耦合程度。

(2)目前地铁施工安全研究热点内容和方法为风险评价、数值模拟和贝叶斯网络等。说明近些年的地铁施工安全研究中，较多学者利用数值模拟、数学模型等对地铁施工进行风险评价。如Wang等[34]建立概念模型，通过数值模拟分析地铁基坑降水和帷幕深度对地表沉降的影响；彭涛等[35]利用层次分析法和模糊综合评价研究临近地铁的深基坑施工风险等级；Liu等[36]利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)和专家打分法(Expert Grading Method,EGM)对地铁车站施工潜在风险进行识别和评价；Zhou等[37]通过专家调查法识别地铁深基坑施工风险因素，利用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)和地表沉降等监测数据做风险预测。

4 研究方向与展望

通过检索整理WoS和CNKI两个权威数据库在1998—2021年间收录的地铁施工安全研究文献，利用知识图谱和文献计量分析其研究热点和趋势，总结论述各研究主题的基本特点，分析未来地铁施工安全研究的发展方向和路径。

(1)研究对象方面。通过大量研究文献数据分析出目前主要以地铁车站[2,8,19,22,25,30,31,36]、地铁基坑[3,4,21,24,27,34,35,37]、地铁隧道[7,9,20,26,32,33]为对象开展地铁施工安全研究，即涵盖了地铁项目建设中的主要工程，且绝大部分学者是对各部分工程施工风险进行评估分析，研究解决了一些地铁施工安全问题。但地铁项目施工环境条件复杂，存在的安全风险问题较多，从深度科研角度分析这些研究对象较为宽泛，已有的研究内容难以细致全面，因此在后续的地铁施工安全研究中，可进一步缩小研究对象和范围，细化研究内容，如针对地铁基坑围护结构施工安全、地铁基坑支撑体系施工安全、地铁车站吊装施工安全、地铁隧道施工管片结构安全等较小范围的对象开展研究，使该领域研究内容更加细致全面。

(2)研究技术应用方面。通过大量研究文献数据分析出目前主要从浅埋暗挖[22]、盾构[7,20,33]、信息化施工[9,23]、三维建模[34]等技术方面研究地铁施工安全，可以发现包含了地铁车站深基坑和地铁隧道的重要施工技术。目前已有团队研究地铁盾构施工安全管理信息系统[9]、地铁施工安全管理事件数据库[38]、地铁施工监控预警系统[39]等。也有一些学者研究地铁施工模型信息可视化[40]，利用BIM二次开发[41]实现安全风险自动监测和可视化分析等。现阶段物联网、无线通信、云计算、人工智能、数字孪生等技术不断创新发展，因此在未来的研究中可以将信息化模型、无线传感器、大数据分析、数字孪生等相结合，研究更加智能化、信息化、动态化、数据化、可视化的地铁施工安全管理技术。

(3)研究内容和方法方面。通过大量研究文献数据分析，目前主要研究内容为利用各种模型方法对地铁施工安全风险进行评价和预测，包括本体论[1]、失效模式与影响分析[3]、模糊推理系统[3]、N-K模型[6]、迭代自组织数据分析算法[7]、层次分析法[19,32,35,36]、模糊理论[19,25,30,35]、贝叶斯网络[20]、熵权法[23]、粗糙集理论[20]、事故树分析法[27]、网络结构[30]、专家调查法[37]、支持向量机[37]、有限元分析[21,24]和数值模拟[21,24,26,34]等重要的安全风险评估分析方法。地铁建设环境条件复杂，安全风险管理需要不断创新融合成熟适用的研究方法，以保障风险评估结果更加科学，因此在未来的研究中可以探索文本挖掘、主题提取、关联挖掘等方法对非结构化数据研究分析，实现风险定性分析、定量分析和大数据分析方法相结合开展地铁施工安全研究。

综上所述，地铁施工安全研究对象和内容将更加深化细致，与当下信息化模型、无线通信、物联网、云计算、数字孪生等新兴技术相结合，不断创新融合成熟适用的理论方法，实现施工风险定性分析、定量分析和大数据分析相结合研究，不断推动地铁施工安全领域研究创新发展。

5 研究结论

利用CiteSpace V对国内外地铁施工安全领域的研究文献综述，检索在1998—2021年间WoS和CNKI两个权威数据库收录的地铁施工安全研究文献进行知识图谱可视化分析，得到结论：

(1)研究文献产出方面，1998—2007年为初始萌芽增长阶段，该阶段国内和国际发文量都较少；2008—20021年为快速发展变化阶段，该阶段发表文献量增长变化加快，国内研究每年保持约30篇，呈稳定发展趋势，国际文献自2013年后呈逐年指数增长趋势，极大地推动该领域研究的创新发展。

(2)研究机构分布方面，地铁施工安全领域研究集中在国内部分高校和地铁建设相关企业。其中华中科技大学发表文献104篇，同济大学发表文献97篇，北京交通大学发表文献76篇，在该领域具有较高的权威性和影响力。也发现高校和企业联合研究，如华中科技大学和武汉地铁集团、北京交通大学和北京市轨道交通建设管理有限公司等，实现校企联合开展科研项目，促进学校科研实践提升，为解决实际工程安全问题提供科研支持。

(3)研究作者合作关系方面，发现张立茂、吴贤国、张顶立、丁烈云和骆汉斌等学者发表文献数量最多。其中张立茂发表43篇，吴贤国发表41篇，最为突出，作为地铁施工安全领域的专家，为我国地铁建设安全问题投入大量研究，发表众多科研成果，解决了地铁建设施工大量的安全问题。

(4)研究热点方面，较多学者以地铁车站、隧道和基坑等为研究对象，关注浅埋暗挖、盾构、信息化施工、三维建模等施工技术，立足于对地表沉降、数值模拟、风险评估等方面开展研究。

(5)研究趋势方面，集中在利用数值模型、贝叶斯网络等方法对地铁车站和隧道施工中的安全风险进行评价分析，以解决地铁车站和隧道工程施工中的安全管理难题，加强现场施工安全管理。

(6)研究方向与展望方面，地铁施工安全研究对象和内容更加深化细致，与当下信息化模型、无线通信、物联网、云计算、数字孪生等新兴技术相结合，不断融合成熟适用的理论方法，实现风险定性分析、定量分析和大数据分析相结合研究，不断推动地铁施工安全领域研究创新发展。