基于知识图谱的矿山应急救援研究与发展

耿 璐,王海宁

(中国计量大学 质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018)

我国是世界上少数几个矿种齐全的国家之一。现已发现矿产173种,已探明的矿产种类共有159种,矿产探明储存潜在价值位于世界第三[1]。但由于我国矿种数目过多、分布广泛、矿下情况复杂及违章生产等原因,导致矿山事故频发,矿山应急救援体系面临诸多问题。2022年应急管理部就矿山安全生产有关情况进行通报,2020年全国共发生矿山事故434起、死亡573人,同比下降19.1%和22%[2];2021年全国矿山共发生事故356起、死亡503人,同比减少78起、70人,同比下降16%和12.7%[3]。虽然当前矿山事故的发生次数和死亡人数都有所下降,但死亡率仍然较高。因此当事故发生时,及时且必要的矿山应急救援就显得格外重要,这是安全生产的最后一道防线。

我国一直在加强矿山应急救援建设。自1956年至2021年我国共颁布了5部关于矿山救援标准化建设的法律法规。有数据显示,有效的应急救援能将事故损失降到无应急救援的6%[4]。为了使我国的矿山应急救援朝着更好的方向发展,诸多学者提供了自己的思路。卢新明等[5]提出一旦出现灾变,可以利用综合指挥调度系统的空间管理功能,实现对人员物资的快速调度优化从而把安全生产损失降到最低;孙继平[6]提出利用煤矿井下位置监测系统定位人员,矿井救灾通信系统联络外界以及井下紧急避险系统进行灾后应急救援;同时,在2011年孙继平[7]又提出基于物联网技术为事故提供有效的应急救援。随着我国科技的飞速发展,例如“5G”的出现,越来越多的学者提出要将人工智能应用于矿山救援中[8],赵颖旺等[9]提出建立智能数据库,将救援数据远程提供给救援专家,及时把握黄金救援期,以提高矿山应急救援效率。

为了使矿山应急救援的整体网络构架更加清晰,本文基于文献计量学的手段对CNKI和Web of Science数据库中的相关文献进行可视化分析,深入研究矿山应急救援的研究热点,并预测其发展趋势,为加强矿山应急救援体系建设,促进智能化、标准化发展和减少矿山安全生产事故伤亡提供一种新方向。

1 研究思路与方法

在坚持“以人为本,可持续发展”和安全生产的背景下,本文以“矿山应急救援”为主要研究内容,CNKI和Web of Science数据库中检索到的文献为数据来源,检索方式都采用高级检索,选择“应急救援”以及“矿山”作为关键词,CNKI数据库中的检索表达式为(TKA=‘应急救援’and TKA=‘矿山’),Web of Science数据库中的检索表达式为(((TS=(Mine)) OR TS=(Mines)) AND TS=(Emergency rescue)),筛选出国内作者,检索时间设置为:2002年1月1日到2022年10月31日,通过对数据进行筛选、合并后,确定中文有效文献1 084篇,英文有效文献177篇,共1 261篇文献,具体文献分布情况如表1。

表1 矿山应急救援文献类型分布

本文主要通过VOSviewer和CiteSpace这两个软件对国内矿山应急救援研究内容进行可视化分析,时间跨度为20年,时间切片为一年,总结该领域的研究现状以及未来发展趋势。其中,VOSviewer软件用于分析矿上应急救援的关键词聚类以及相应的合著者分析,CiteSpace软件用于探究矿山应急救援的前沿发展情况。当前,已经有很多学者使用上述软件来绘制科学知识图谱,用以分析各自研究领域的现状与热点[10-13]。

2 文献产出与分析

2.1 文献时序分析

通过研究矿山应急救援的文献发表时间分布,可以了解其研究发展趋势。对两个数据库收集的文献进行统计分析,矿山应急救援的发展主要可分为3个阶段:萌芽阶段、稳定发展阶段和快速发展阶段,具体如图1。

图1 矿山应急救援文献时间分布Figure 1 Time distribution of mine emergency rescue literature

萌芽阶段(2002-2009年):2002-2005年每年矿山应急救援的文献产出量都在10篇左右,这表明该时期学者们仍在探索阶段,研究较为浅显。2002年颁布的《中华人民共和国安全生产法》催生了第一篇关于矿山安全的文献《对话矿山安全队》[14],该文详细介绍了我国当时拥有的矿山应急救援设备。同时,2003年国家成立矿山救援指挥中心,全面负责矿山救护队标准化建设工作。2006年提出的“十一五”安全生产科技发展规划[15]则明确了安全发展的指导原则,进一步推动了该领域的发展,促进了2006—2009年文献产出量的增加。

发展阶段(2010—2015年):2010—2015年我国正处于矿山开采的高峰时期,矿山安全事故频发。同时2009年修订的《中华人民共和国矿山安全法》[16]中提出矿山企业应当建立由专职或者兼职人员组成的救护和医疗急救组织,建立标准化应急救援体系,配备必要的装备、器材和药物。在该阶段,学者们更加意识到安全生产以及应急救援的重要性,与矿山应急救援相关的文献快速增加。

趋于成熟阶段(2016年—至今):2016年国家颁布了《煤矿安全规程》[17],至此有关矿山安全应急救援的发文量从回落趋势转变为继续上升趋势,业内学者以及社会对其重视程度也达到了一个新的高度,预计2022年该领域的文献数量可以达到75篇。该规程明确要求保障煤矿安全生产和从业人员的人身安全与健康,防止煤矿事故与职业病危害,促使矿山企业更加注重员工的生命财产安全。同时2021年,应急管理部修订了《矿山救护队标准化考核规范》,进一步调整了相关标准化技术指标,使其更适应矿山企业安全生产要求。

2.2 合著者分析

通过对相关矿山安全应急救援文献作者进行分析,可以识别出该领域的主要研究学者,或者是推动该领域深入研究的核心人物。利用VOSviewer软件对该领域的文献进行合著者共现分析,研究其分布情况,能够直观地了解该领域的发展现状,具体如图2。

图2 矿山应急救援合著者分析Figure 2 Co-author analysis of mine emergency rescue

根据图2(a),中文文献发文量最多的是郑万波,共发表95篇,其次是姚三巧、吴燕清、白玉萍。从图中我们可以看出,郑万波和吴燕清之间的合作最为频繁,二者将矿山应急救援的体系及平台作为研究重点,提出加强应急救援指挥平台的建设[18-19]以及深入矿山风险管理的研究[20],提高应急救援的可靠性;姚三巧与白玉萍二者则是专注于矿山应急救援人员的生理及心理上的变化[21-22],关注施救者的安全与健康。

根据图2(b),英文文献发文量最多的是Wang Kai(王凯),共发表9篇,其次是Jiang Shuguang(蒋曙光)、Wu Zhengyan(吴征艳)。同时,通过查询各作者所属机构可以发现,联系紧密的作者基本所属同一机构,Wang Kai(王凯),Jiang Shuguang(蒋曙光)、Wu Zhengyan(吴征艳)这三名作者同属于中国矿业大学的安全工程学院;Wu Bing(吴兵),Lei Baiwei(雷柏伟)则同属于中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院。由此可见,各个作者大多为组内合作,各机构之间缺乏深度合作,不利于作者们相互探讨与交流。

2.3 机构合作分析

矿山应急救援研究热点和发展趋势与其发文机构密切相关。通过分析发文量较多的机构可以了解该领域目前的研究水平和前沿趋势。探究研究机构的分布,将网络节点设置为“机构”,同时将高校与其所属二级学院进行筛选合并,利用CiteSpace绘制机构合作分布图,具体如图3。

图3 矿山应急救援研究发文机构分析Figure 3 Analysis of mine emergency rescue research institutions

分析图3可以发现,中文文献中西安科技大学是发文量最多的机构,中煤科工集团重庆研究院有限公司仅次于它,同时中国矿业大学(北京)、中国矿业大学以及重庆大学发文量也较多。英文文献中China University of Mining and Technology(中国矿业大学)是发文量最多的机构,其次是Xi’an University of Science and Technology(西安科技大学)。从单位性质上来看,高校机构占比较大,是中坚力量,其次是各公司的救护大队,政府的产出量反而不高。同时,图谱中的节点大多孤立存在或者联系较少,研究机构位置分散,合作较少。这说明国内还没有形成稳定的合作团体,不利于该领域的深入研究,各机构之间的合作有待加强。

2.4 关键词共现分析

关键词作为一篇文章的重要组成部分,是对文章的高度概括,它能充分体现一篇文章的要点以及文章的创新点。因此,进行文章关键词的深入分析对掌握研究领域的发展有着至关重要的作用。关键词共现是指两个或两个以上的关键词出现在同一篇文章中。关键词共现作为一种常见的文献计量方法,通常用来反映文献之间的关联性及差异性[23],高频率出现的关键词对矿山应急救援领域的发展起着导向作用。

本文利用VOSviewer对检索出的1 261条文献进行分析,通过图谱节点的大小来表现关键词的发展趋势以及研究热点,具体如图4。

图4 矿山应急救援研究关键词分析Figure 4 Keyword analysis of mine emergency rescue research

1)通过分析图4(a),可以将矿山应急救援中文文献的关键词划分成4个聚类。

矿山事故(蓝色聚类):该聚类贯彻以人为本的理念,利用大数据开展矿山应急救援活动。聚类中的数值模拟、地理信息系统、避灾路线、人员定位等关键词都建立在大数据与人工智能技术上,通过大数据的计算与定位,尽可能减少矿山事故的人员伤亡,保障群众的生命安全。秦亮[24]提出在矿山应急救援中,通过引进各种互联网手段,可以有效驱动矿山救援技术的创新,提高矿山救援技术的水平,增强矿山应急救援的综合效能。贺洁茹等[25]指出可以使用UWB非对称双边双程测距技术对矿下人员进行定位,能够达到厘米级的定位精度。

矿山应急救援(红色聚类):从该聚类可以看出,矿山应急救援与体系建设、安全避险、物联网和救生舱紧密联系,同时也是出现次数较多的关键词。该聚类通过构建一系列矿山应急救援体系,利用完善的标准化体系进行高效的救援与自救工作,能够有效减少人员伤亡、财产损失。例如王云[26]就提出要编制矿山救援预案,进一步促进应急救援体系标准化、科学化。

矿山应急救援队伍(绿色聚类):该聚类以矿山应急救援队伍建设和应急救援指挥中心为主,建立应急救援指挥中心统一调度应急救援装备和物资以及提高矿山救援队伍的能力,对救援过程中的问题提出应对措施,最终达到减少人员伤亡和财产损失,提高应急救援效率的目的。武玉梁[27]提出构建平时训练、应急救援、信息、安全生产)四位一体的TRIP应急救援模式,有效响应救援。郭凤美[28]提出依托增幅局域网建立规范统一的救援监管体系,建立全灾种、大应急人才体系,提升应急救援能力。

安全生产(橙色和紫色聚类):该聚类以矿山安全管理部门为主,对矿山应急救援进行研究。该聚类中应急管理部、安科院以及技术研究所出现次数较多,为我国矿山应急救援的发展提供了较多的理论基础,为我国进一步研究矿山安全生产提供了理论支持和发展方向。

2)通过分析图4(b),也可以将矿山应急救援英文文献的关键词划分成为四个聚类。

Mangement(管理)(红色聚类):该聚类以管理为中心,着重推进mining(采矿业)、level(分级)、prevention(预防)、rescue work(救援工作)等方向的研究。同时,person(个人)、decision maker(决策者)等关键词都表明该聚类的研究始终坚持“以人为本”的理念,以期达到构建安全生产环境的理想目标。

Effect(影响)(蓝色聚类):该聚类中的关键词主要涉及应急救援的各类parameter(参数),例如speed(速度)、temperature(温度)、fire(火)等,这些参数都能影响到矿山应急救援的效率。因此,针对这些参数进行研究,制定对应措施,就能有效提高矿山应急救援能力,减少人员伤亡、财产损失。

Theory(理论)(黄色聚类):该聚类中涉及的reference(参考)、basis(准则)、point(观点)、case study(专题研究)等关键词,明确表明该聚类主要是围绕矿山应急救援的基础理论进行研究,为后续的应用研究打好坚实的基础。

Function(机能)(绿色聚类):该聚类研究较多的关键词是efficiency(效能)、equipment(设备)、requirement(必要条件)、structure(体系),同时也涉及到Internet(网络)、record(数据)等关键词。通过关键词分析可以发现该聚类主要研究方向是利用大数据支持矿山应急救援,提高矿山应急救援的效率。

3)根据对比1)和2)关键词聚类的分析,可以看出我国矿山应急救援的研究热点主要聚焦于矿山应急救援理论、矿山应急救援体系、应急救援智能技术以及应急救援资源这四类。同时,中英文文献各自的侧重点不同,中文文献更加偏向于研究标准化矿山应急救援体系,而英文文献更加偏向于研究基础理论。

2.5 关键词时线图分析

本研究利用可视化软件内置的LLR算法对比发文量、引文聚类和关键词共现进行分析,得出关键词热点时线图。该图展现出来的是以时间顺序排列的高频关键词,并以关键词共现的形式呈现,从而捋清矿山应急救援的关键词发展的时间线以及趋势,具体如图5。

图5 矿山应急救援关键词时线分析Figure 5 Mine emergency rescue keyword time-line analysis

1)分析图5(a)可知,中文文献中矿山应急救援存在8条时间线,这代表各关键词热点的具体事件分布,从中可以发现关键词热点主要分布在2004年至2019年。关键词中最早凸显的是“瓦斯检测基本条件”、“应急救援”和“指挥中心”,这表明在2003年瓦斯检测、应急救援和指挥中心是矿山应急救援的研究热点,也是矿山应急救援的起点。在2004年关键词热点开始涉及矿山企业的生产安全和抢险救援,在此基础下矿山应急救援领域的研究开始迅速发展,项乘浪等[29]就基于知识图谱分析了国内安全智慧化发展的趋势,其中“动态监管”以及“安全生产应急通信人员定位”是主要研究方向。信息社会的快速发展是推动矿山应急救援研究的中坚力量,依赖于信息化的发展,逐渐在数字矿山、体系建设、应急决策、救援队伍培训等方向深入研究。高校作为研究矿山应急救援的主要力量,对该领域各方面的研究也比较深入。例如王金安等[30]提出关于应对西露天矿地质灾害的应急救援智能调度系统,杨三军等[31]则是研究构建了应急救援能力评级指标体系。经过多年的发展,信息化和智能化已经成功应用在应急救援队伍、应急救援装备以及风险辨识等多个方向,构成了矿山应急救援体系。

2)分析图5(b)可知,英文文献中矿山应急救援存在11条时间线,大部分关键词热点集中在2017年至2022年。由于英文文献数据量较小,节点大小相近,表明各关键词出现次数较为相近,因此本文通过分析关键词热点聚类研究其发展趋势。

#0、#3、#5、#8、#14主要以大数据为主,涉及大量有关numerical simulation(数值模拟)的关键词热点,例如demand forecast(需求预测)、ventilation simulation control(通风模拟控制)、real-time WebGIS(实时WebGIS)、full-size experiment(全尺寸实验)等关键词热点;#1中的关键词热点主要与human behavior(人的行为)相关,包括decision(决策)、human error(人为错误)等;#2中主要涉及gas explosion(瓦斯爆炸)的相关数据,包括deflagration(燃爆)、flame(火焰)、radius(半径)等关键词热点;#4、#5、#7、#18则是涉及应急救援的各类参数与理论,包括resilience(恢复力)、fire(火)、acceptable risk level(可接受风险水平)、dynamic pressure evolution law(动态压力演化规律)等关键词。

3)分析近几年中英文文献中的关键词热点可以发现,最近几年较为突出是“云模型”“三维模型”“人民至上”“应急管理体系”“dynamic pressure evolution law(动态压力演化规律)”“performance analysis(性能分析)”等关键词热点。从中可以发现矿山应急救援的研究朝着智能化预测、应急救援体系标准化以及提高群众自救能力的方向发展。

3 矿山应急救援研究趋势

通过对矿山应急救援发文量和近几年的关键词进行分析,可以看出未来我国矿山应急救援研究发展的总体趋势。从近几年的云模型构建、云计算、人工智能、numerical simulation(数值模拟)等关键词中可以看出未来我国矿山应急救援的研究方向朝着智能化发展。同时,从专业培训、救援资源、救援装备、acceptable risk level(可接受风险水平)、dynamic pressure evolution law(动态压力演化规律)等关键词中也可以看出矿山应急救援未来会朝着标准化的理念发展。

3.1 应急救援智能化

1)应急救援平台智能化

应急救援平台可作为应急救援工作的枢纽,利用先进的云计算与物联网技术实现矿山的智能化管理和运营,从而提高矿山从业人员的安全保障,促进矿山的和谐可持续发展。利用数值模拟、物联网、三维可视化等互联网技术作为智慧矿山的核心系统,构建智慧矿山应急救援平台。

2)应急救援设备智能化

随着互联网的发展,通过引进各种大数据手段能够有效驱动矿山救援技术的创新,提高矿山救援技术的水平。通过运用信息与通信技术感应人员定位,将GPS、GIS等技术应用于救援装备,可以有效提高应急救援效率。通过开发多功能救灾机器人代替人工救援,能够达到有效缩短救援过程以及减少二次事故中救援人员伤亡的效果。

3.2 应急救援体系标准化

1)应急救援队伍标准化

应急救援队伍是应急管理的基础,是应急管理和救援有效性的决定性因素。加强应急救援队伍建设,提升协同应急能力。依托公安、消防组建应急救援队伍,加强人员配备、器材装备和专业训练。由政府统一培训大纲、课件以及最终考核标准,对组织内部的人员进行专业化培训,培养主动应急、积极应急、智慧应急的综合性人才,提高其专业性。同时运用奖励验收机制,对培训中表现优秀的人员进行补贴奖励,提高其学习积极性。

2)应急救援物资标准化

应急物资是应对突发事件的重要保障。强化应急物资储备能力,能有效提高应急物资效率以及保障灾后重建工作:①制定完善的保障应急物资质量和统一标准的法律法规,完善应急物资全流程标准化的规章制度;②健全应急物资协调互助机制,明确政府各部门在保障应急物资流通协调工作中的职能,提高调用效率;③构建应急物资智慧管理平台,并融入应急决策指挥系统。

3)应急救援设备标准化

应急救援设备是矿山安全生产的重要装备,主要分成个体自救、安全避险以及救援设备三大类:①针对个体自救设备标准存在标龄较长,标准不统一、重复以及较少等情况,在分析现有标准提出相应改进的基础上,借鉴国内外先进的标准管理方案,建设新的标准,解决新设备无标准,旧标准技术指标不统一等问题;②目前安全避险设备存在种类繁复但功能不全、产品技术落后的情况,需针对安全避险这一大类设备制定管理标准,其中包括设备分类、设备定义、相应生产要求以及使用要求等;③随着技术革新,救援设备更新换代,需对现有标准进行修订,同时与《煤矿压风自救系统使用管理规范》整合,申报为强制性国家标准[31]。

4 结 语

本文通过分析2002年至2022年CNKI和Web of Science数据库中有关于矿山应急救援的相关文献,利用CiteSpace和VOSviewer这两种可视化软件进行计量学分析,主要研究内容包括矿山应急救援研究时序分析、合著者分析、机构合作分析、关键词共现分析以及研究前沿分析。

1)从时间分布上看,该领域研究先后经历萌芽阶段、稳定发展阶段以及快速发展阶段。萌发阶段作者均在探索阶段,研究较为浅显,刚提出矿山应急救援这个概念;发展阶段则更加意识到安全生产以及应急救援标准化的重要性,深究安全生产事故原因,寻找相应措施面对;趋于成熟阶段则将矿山应急救援转向互联网技术,运用先进技术提高应急救援能力以及标准化规章制度规范应急救援队伍。

2)从合著者分析得出,中文文献发表文献量较多的是郑万波、姚三巧、吴燕清、白玉萍等,英文文献发文量较多的则是Wang Kai(王凯)、Jiang Shuguang(蒋曙光)、Wu Zhengyan(吴征艳)。从图中可以看出,各个作者之间缺乏深度合作,大多以单一机构为中心或是固定的合作机构,大部分机构之间交流较少,没有形成核心作者群,不利于相互探讨与交流。从单位性质上来看,高校机构占比较大,是中坚力量,企业和政府中的作用产出量不高,需要加强各机构之间的合作。

3)从关键词共现图和时线图上看,该领域中英文文献都具有4个关键词聚类,中文文献是矿山事故、矿山应急救援、矿山应急救援队伍、安全生产。英文文献则是Mangement(管理)、Effect(影响)、Theory(理论)、Function(机能)。这些聚类涵盖了矿山应急救援领域的大部分研究内容以及研究热点,二者皆聚焦于矿山应急救援理论、矿山应急救援体系、应急救援智能技术以及应急救援资源。同时,中英文文献各自的侧重点不同,中文文献更加偏向于研究标准化体系,而英文文献更加偏向于研究理论。

4)随着互联网技术的发展,未来矿山应急救援技术会呈现出多元化、智能化、标准化的发展趋势。可以通过互联网与大数据构建矿山应急救援平台,引进人工智能手段开发救援机器人,提高应急救援效率,减少人员伤亡。同时,应急救援队伍、应急救援物资以及应急救援设备也将朝着高精度、标准化的目标不断发展。在智能化和标准化双管齐下的作用下,矿山应急救援的深度和广度将进一步提高。