基于知识图谱的高校实验室安全研究发展趋势探讨

张慧琴， 李中凯， 王 鹏

（1.中国矿业大学a.外国语言实验中心；b.机电工程学院，江苏徐州 221116；2.山东科技大学实验室与设备管理处，山东青岛 266000）

0 引 言

保障实验室安全是高校开展实验室建设与管理工作的根本要求。实验室安全管理必须坚持以人为本的原则［1］，通过安全管理措施、安全教育培训、安全风险评估和信息化管理等手段，实现高校实验室的安全运行，并通过实验室工作实践，培养大学生的安全意识与实验技能，为我国社会主义现代化培养德智体美劳全面发展的建设者和接班人。

随着教育部在2015 年开展高校实验室安全检查工作以来，各高校的实验室安全管理水平显著提升，面向高校实验室安全的科学研究快速发展，成效显著。例如，借鉴美国高校的环境、健康与安全（EHS）管理体系，上海交通大学［2］和清华大学［3］等探索采用EHS管理模式，实现高校实验室的可持续安全管理。阳富强等［4-5］提出了基于事故致因模型的实验室安全管理模型和基于扎根理论的实验室风险评估模型，对实验室安全管理进行了许多建模研究。李平等［6］开展了文献挖掘视角的国内实验室安全综述，采用CiteSpace可视化分析软件研究，探讨了诸如研究文献从2002 年起快速增长，实验室安全研究队伍和规模不断扩大，以及安全管理、生物安全和安全教育等热点话题。上述工作从模式模型、软件技术等方面，推动了我国高校实验室安全领域的科学研究。但是，自教育部2015 年开展高校实验室安全检查工作以来，高校实验室安全领域取得了哪些理论与实践创新成果，其所蕴含的高校实验室安全研究的知识图谱与发展趋势是怎样的，还缺乏系统梳理与总结。

因此，本文面向精炼文献集合，采用基于CiteSpace软件［7］的文献可视化方法，挖掘近8 年来我国高校实验室安全领域的研究学者、单位、关键词和突现词等信息，展示高校实验室安全研究的知识图谱，并探讨实验室安全研究所取得的典型成效和发展趋势，为高校实验室安全管理的科学研究提供综述指导。

1 材料与方法

1.1 分析的文献集合

实验目标是从中文文献集合，分析我国高校实验室安全研究的知识图谱。从中国知网（CNKI）数据库中抽取文献，在高级检索中选择“学术期刊”类别，设置主题＝“高校实验室安全”，出版年度的时间范围为2015 ～2022 年，来源类别选择为：EI来源期刊、北大核心和CSSCI。一次检索共获得460 篇文献，删除1 篇征稿启事，剩余集合包含459 篇文献。阅读各文献标题，发现文献与高校实验室安全研究紧密相关，则形成文献数据集进行分析。

1.2 文献可视化工具

CiteSpace是美籍华人科学家陈超美教授开发的一款文献可视化分析软件，能够在时间区间内免费使用，具有高效的文献大数据处理能力和数据可视化效果［7］。使用CiteSpace 6.1.R3（64 位）软件，运行于Windows 10 操作系统，需要安装Java 17 支持环境。把CNKI的文献导出为Refworks 格式，进而在CiteSpace中进行文献读入与转换，并放置于数据（Data）文件夹，开展基于文献集合的作者（Author）、机构（Institute）和关键词（Keyword）的频度与共现分析。还可以开展面向上述3 个属性的包含2 个或2 个以上属性的联合分析，例如，获得作者及其机构的共现关系图等。实验中借助了CNKI系统本身提供的年度发文量、各期刊发文量占比和文献被引次数等可视化数据，结合CiteSpace软件和总结与提炼法，进行高校实验室安全研究文献集合的知识图谱分析。

2 知识图谱研究

2.1 年度发文量与主要期刊

高校实验室安全领域的年度发文量和发文期刊，代表了该领域的年度研究文献增量和高影响力期刊。采用CNKI 的数据统计功能，获得了2015 年1 月至2022 年10 月的年度发文量数据趋势，如图1 所示，每个柱状代表了年度发文数量，同时，该图的右侧纵坐标表示了年度累积发文量。可以看出，年度发文量总体呈增量趋势，但由于文献数据集合限定为核心期刊，仅占中文期刊相关文献量的近1／5，所以年度发文总数较少。从年度累积发文量来看是快速上升的趋势，尤其是2018 ～2020 年的累积发文量快速增长，说明高校实验室安全专项检查工作促进了高校实验室安全研究的发展。2021 年和2022 年1 ～10 月的发文量少量下降，说明实验室安全领域研究由数量上升逐步进入高质量发展阶段。

图1 高校实验室安全研究文献的年度分布

表1 展示了数据集合中发文量排名前10 的核心期刊，以发文数量和复合影响因子排序。《实验技术与管理》发文量占比56.05%，《实验室研究与探索》占比36.55%，两刊合计发文量占92.6%，远高于表中其他期刊，说明上述两刊是高校实验室研究领域的顶刊，作为推动高校实验室安全科学研究的重要平台，具有广泛的阅读群体和学术影响力。

表1 发文量排名前10 的核心期刊

2.2 作者、单位的合作关系

使用CiteSpace 软件对文献数据集合进行可视化分析，在所建立分析项目的基础配置页面，选择数据源为CNKI，偏好语言为中文；基础运算参数选择默认配置，即LRF ＝3，LBY ＝5，e值为1.0；选择条件设置为TopN ＝30，即在每个时间切片选择前30 个高被引或共现元素，进行共现关系运算，时间切片为1 a。

（1）作者发文量及其共现网络。仅选择节点类型为“作者”进行共现网络分析，获得作者的文献产量和共现关系图。表2 展示了作者共现网络中排名前10的作者姓名、单位及其发文数量，需要注意的是，CiteSpace的作者共现统计，把文献的所有作者均计入，并非仅针对第一作者。福州大学的阳富强发文量排名第一，主要从事高校实验室安全管理模型研究。浙江大学的冯建跃主要从事高校实验室安全检查研究。上海交通大学的彭华松主要从事实验室EHS 管理系统研究，开展了高校生物实验室、化学实验室等环境安全管理研究工作。此外，清华大学的黄开胜、艾德生，南开大学的王满意、张锐、宁信等都是实验室安全研究领域的高产作者。

表2 高产作者的发文量及其所属单位

图2 的作者共现关系图谱，共获得796 个作者姓名，1 478 条连接边，表达了作者的发文量及其在文献中的合著关系。把作者姓名显示阈值设置为3，即在网络图中仅显示发文量在3 篇及以上的作者的姓名，其他节点及其连线也表示作者与共现关系，但由于发文量过少而暂不显示其姓名。

图2 高校实验室安全研究的作者共现图谱

可以看出该领域的研究团队主要包括：①冯建跃、阮俊、俞欢军、李兆阳和张银珠团队；②彭华松、谢亚萍和刘闯团队；③黄开胜、艾德生和江轶团队；④阳富强、毛亚军、洪溢都团队；⑤王满意、宁信、虞俊超和张锐团队等。冯建跃、彭华松、杜奕、王羽、史天贵和张新祥等作者有共同发文联系，而阳富强、黄开胜和王满意等团队较独立，与其他研究团队的联络不多。这说明高校实验室安全研究的团队有不同侧重点，团队之间联系还不够紧密，发文合作主要发生于团队内部或依托共同的合作项目。

（2）发文单位的合作关系。仅选择节点类型为单位（Institution），进行文献可视化运算，截取发文量在5篇以上的单位及其发文数量，如表3 所示。这里，CiteSpace的单位分析是到作者标注的二级单位，即作者在文献中所标注的单位全称。可以看出，福州大学、北京大学、上海交通大学、浙江大学、南开大学、清华大学、吉林大学和北京理工大学等是实验室安全研究的高发文量高校。生成了发文单位的共现网络，如图3所示，图中共包括469 个节点和312 条边，即单位的连接数少于单位数，说明了部分共同作者属于同一单位的情况。可以看出，浙江大学、北京大学、清华大学、上海交通大学、北京理工大学，包括杭州电子科技大学的节点之间具有连接线，说明上述单位具有文献的合作关系，而福州大学、南开大学和吉林大学的研究相对独立。以上说明了当前高校实验室安全研究已开展了校际合作，但还局限于有限范围之内，更广泛的校际联合研究还需要被重视。

表3 发文量在5 篇以上的单位名称及其发文数

图3 主要发文单位的共现网络

2.3 高被引文献分析

使用CNKI自带的文献被引频次数据，在实验所选的文献数据集合中，通过倒排序方式，选择被引数排名前10 的高被引文献，见表4。其中，最高被引文献是天津科技大学黄坤等［8］发表的“我国高校实验室安全管理现状分析与对策”，全面阐述了实验室安全问题的产生原因及当前高校的主要应对策略。第二高频被引文献是冯建跃发表的“高校实验室安全检查指标体系的研究”［9］，创新设计了“高校实验室安全检查项目表”，建立了高校实验室安全检查的指标体系。其他高被引文献分别研究了高校实验室安全事故的行为原因［10-11］，探讨了实验室的安全管理体系［12-15］，提出了信息化技术辅助实验室安全管理新趋势［16］，并总结高校实验室安全检查的3 年工作［17］，为高校实验室安全管理提供了指导方向。

表4 文献集合中排名前10 的高被引文献

列表中的实验室安全领域研究高被引文献，均来自《实验室研究与探索》和《实验技术与管理》这两大实验室研究方面的顶刊，说明上述两刊在促进高校实验室安全科学研究，保障实验室环境、健康与安全方面，发挥了重要指导作用。

2.4 关键词共现图谱与聚类

（1）关键词共现分析。运算参数与前述实验相同，在CiteSpace软件中仅选择节点类型为“Keyword”，通过运算生成词频统计数据和关键词共现网络，分别如表5 和图4 所示。

表5 实验室安全高频关键词

图4 实验室安全关键词共现图谱

表5 中列出排名前20 位的高频关键词，展示了关键词出现的频数和首现年份，关键词以出现频数从高到低排序，节点的中心性（Centrality）表达了该关键词在共现网络中的相对连接强度。

可以看出，“安全管理”“安全教育”“实验室”和“高校”的出现频度高，且首现年份早，说明它们是高校实验室安全研究的共性关键词；“安全文化”“安全检查”“生物安全”“消防安全”和“信息化”是实验室安全的重要策略与技术；同时，面向“新工科”的“风险评估”“安全隐患”“环境安全”和“安全体系”在近5年被逐步重视。

图4 表达了高校实验室安全的关键词共现图谱，图中发现462 个关键词节点，存在694 条边。在图中仅显示出现频度大于等于2 的节点的名称，关键词字号的大小表示了该词出现的频度。在该图中发现主要的关键词，如安全管理、实验室、高校、安全教育等。

（2）关键词聚类与时间线分析。由于共现图中节点数量太多，难以直接获得关键词的连接强度聚类，并发掘聚类内部的关键词演进关系，所以需开展关键词的聚类与时间线分析。基于图4 的关键词共现图谱，在CiteSpace 中使用聚类分析功能，初始共获得17 个聚类。为了把握主要的聚类信息，选择显示前10 个聚类，获得关键词聚类结果和聚类名称如图5 所示。图中使用不同的节点颜色，表示了不同的关键词聚类，共显示出从＃0 至＃9 的共10 个聚类，聚类的名称取为该聚类中隶属度最高的关键词名称。

图5 关键词聚类图（显示前10个聚类）

列出聚类信息表，如表6 所示，表达了聚类的名称、聚类元素数量和主要关键词。其中，S（Silhouette）值代表了聚类的紧密程度，S 值越高说明聚类元素越紧密。LLR（Log-Likelihood Ratio）法获得的每个聚类中隶属度排名前4 的主要关键词，是对该聚类名称和主要研究技术或面向因素的解释。例如安全教育是高校实验室安全管理的一个重要方面，安全教育的研究包括防范措施、三位一体理念和微课方法等；实验室安全检查，面向安全生产目标，营造实验室安全文化并需具备实验风险的应急预案；信息化促进构建实验室保障体系，有助于促进实验室的隐患排查，从而进行高效的实验室运行管理等。

表6 关键词共现聚类信息表

使用CiteSpace的Timeline View功能，获得了关键词聚类及其时间线图谱如图6 所示。可以看出，每个聚类中关键词组具有一定的时间演进关系，例如，在安全管理聚类，关键词从管理制度，发展到动态管理、风险防控和绩效，又进一步发展到过程安全、监管系统和专项治理，体现了高校实验室安全管理的动态性、全面性和全程性的发展趋势。发现生物安全的出现年份较其他关键词晚，“管理对策”“双一流”“大数据”和“疫情防控”是生物安全聚类的演进关键词，说明随着我国高校双一流建设的开展，采用管理对策加强实验室生物安全，采用大数据［18］、韧性理论［19］等技术保障实验室生物安全和疫情防控效果，是近3 年内高校实验室安全研究的一个重要方向。

图6 各聚类包含关键词的时间线分析

（3）突现词汇分析。突现词汇分析表达了知识图谱中关键词的突现情况，能够协助发现不同研究阶段的显著特征。在控制面板的Burstness 页面，设置γ ＝0.4 作为突现词的阈值，获得共13 个突现词汇，如图7所示。

图7 高校实验室安全研究突现关键词

结合研究实践，我们发现信息化在2015 年已开始应用于高校实验室安全领域，进行基于信息化的实验室安全检查、危化品管理、高压气瓶和重要实验设备的管理等；通过安全督查，促进高校实验室的安全生产，并把企业生产领域的7S标准化管理理念，引入高校实验室的安全管理过程；随着我国生物学科的发展，生物安全自2017 年开始被逐步重视，包括建设生物实验室的EHS管理体系、重视实验动物福利伦理和规范实验废弃物处置等；自2017 年起地方高校也逐步重视实验室安全问题、安全教育和规章制度建设，构建高校实验室安全体系，并不断开展实验室安全检查与交流工作，提高实验室安全管理水平。

2.5 典型成效分析

上述基于词频及其共现关系的知识图谱，展示了高校实验室安全研究的作者与单位、高频关键词和关键词的聚类与时间线发展特征。但是，由于有些文献的核心内容并未在关键词中体现，我们采用文献阅读与分类法，总结了如表7 所示的高校实验室安全研究方向及其典型成效。

表7 高校实验室安全研究的典型成效

可以看出，实验室安全管理模型是从顶层视角构建实验室安全管理的定量化或定性化模型，指导实验室安全建设与风险辨识。由于人的安全意识是导致实验室安全事故发生的重要原因，安全教育与安全文化是实验室安全的重要研究方向，提出并落实了教育、培训与文化建设措施。面向可持续发展目标，实验室环境安全与环境保护受到重视，提出对于化学危废物、动物实验废弃物、辐射防护和能耗监测等方面的技术措施。进而，采用信息化进行危化品、危险设备和特种设备管理，成为当前高校实验室安全的重要研究与应用方向，具体包括二维码技术、智能试剂柜和基于物联网的管理信息系统等，实现基于互联网＋高校实验室安全管理体系。但由于团队对高校实验室安全领域研究还不够深入，所提上述典型成效分析还不够深入和细致，有待更进一步的文献阅读与梳理。

3 发展趋势探讨

结合《教育部关于加强高校实验室安全工作意见》（教技函［2019］36 号）和《教育部办公厅关于开展加强高校实验室安全专项行动的通知》（教科信厅函［2021］38 号）要求，提出以下高校实验室安全研究发展趋势。

（1）加强高校实验室安全管理人员队伍建设。为满足不断发展的新工科、新文科、新农科和新医科建设需求，高校实验室不断扩展，包括新建实验大楼和已有实验室的改造与扩建等，需要具有相关学科知识背景和技能的实验室管理人员进行规划和管理。建议高校配备数量得当的专职安全管理人员，不得兼职，使其全身心投入实验室安全管理工作。专职安全管理人员应具备实验室安全管理的专业知识和一定的管理能力。同时鼓励高校配备有注册安全工程师资质的人员从事实验室安全管理。当前国内高校还面临实验室管理人员队伍不够健全、专业和人员流动性较大等问题，怎样建立稳健的实验室人员管理体系，有效提升实验室安全管理能力，是实验室管理需进一步研究的问题。

（2）加强安全教育与涉及危险源实验的风险评估。高校要建设实验室安全教育体系，把实验室安全教育纳入大学生的实践培养环节，明确涉及各种实验室风险的具体培养要求。强化各级、各类实验室安全教育，让实验人员充分了解实验安全操作规程、各种应急处置和废弃物处理等基本安全知识。另外，高校要建立涉及实验相关反应的机理分析与危化品实验审核制度，强化指导教师的实验全程监控与管理，落实危化品实验安全责任制。凡涉及各类危化品、病原微生物、辐射源及射线装置、危险性机械加工和强电强磁与激光设备等危险源的教学、科研项目，必须经相关部门的风险评估之后方可进行与开展。

（3）加强实验室安全管理的信息化、高效化和标准化。加强数字化、信息化建设，充分利用信息技术，对重大危险源实施实时监控，严格全周期、可追溯管理。在已有采用信息化系统实现设备、耗材采购管理和实验室门禁管理基础上，强化利用信息系统提高实验室调度和利用效率的研究，采用数字系统优化大型实验仪器的使用与共享，提高大型仪器的利用率，有助于降低高校实验室能耗和碳排放。以标准化的文件制度和成熟的安全文化作为有力支撑，提升高校实验室安全管理水平，形成系统、科学的高校实验室安全管理体系。

4 结 语

教育部实验室安全检查工作从2015 年启动，总结梳理教育部开展此项工作以来，在高校实验室安全领域所取得的一系列理论及实践成果，本文采用基于CNKI数据库和CiteSpace软件的文献集合可视化分析法，挖掘2015 ～2022 年高校实验室安全研究核心期刊文献集合，获得了实验室安全研究知识图谱。梳理了高校实验室安全研究的主要作者团队、高水平研究单位，通过共现网络分析得出还需加强实验室安全研究的校际合作和顶层设计。高被引文献分析展示了高校实验室安全研究方面还存在的主要问题、事故原因和提出的管理策略等。基于关键词的共现、聚类与突现分析，挖掘出高校实验室安全管理的10 个类别，并展示了每个类别中关键词的时间演化序列。进一步，总结了安全管理模型、安全文化、环境保护、危化品和危险源管理等实验室安全这几个重要方面的典型成效，探讨了今后在实验室管理队伍、实验风险评估和信息化、标准化管理等方面的研究展望，以期促进高校实验室安全研究方面理论与实践的可持续发展。