基于文献计量的国内井下定位研究分析

张情清，王德志，刘 昶，李 威

（1. 华北科技学院矿山安全学院，廊坊 065201；2. 华北科技学院计算机学院，廊坊 065201）

0 引言

随着我国社会的高速发展，对于矿产资源的需求在不断增加。虽然我国煤矿的智能化水平越来越高，但是依然无法完全取代人工，仍然需要人员进入矿井去工作。但是，煤矿作业环境十分复杂及恶劣，有效保障井下人员及设备安全、提高生产率是煤矿以及国家都十分重视的问题［1］。

据统计，俄罗斯单个井下事故造成的人员死亡为0.7 人，而中国2018 年的煤矿安全事故近300 起，造成了近400 人死亡。其中导致人员伤亡的重要原因之一就是矿井的智能化程度较低，无法对矿井中作业人员进行有效定位和监控，延误了救援的时间，造成了惨痛的人员伤亡［2］。

2016 年修订的《煤矿安全规程》指出，煤矿企业必须建立矿井安全避险系统，认真检查入井人员的数量和状态，同时还要对人员的运动和位置进行实时监测，充分发挥系统安全保障作用［3］。

分析国内井下定位领域的研究进展、研究热点以及未来的趋势，对于全面了解井下定位的相关技术及其发展具有重要的意义。此外，还有利于为井下定位的后续发展提供参考，为井下人员的精准定位和减少人员伤亡以及财产损失做出贡献。

本文利用CiteSpace 对知网CNKI中关于井下定位研究的相关文献分别对作者、机构、关键词等进行可视化展示并进行分析，发现对井下定位进行研究的作者、团队以及机构越来越多，但合作较少；射频识别技术和超宽带技术是井下定位的主要技术。针对以上发现的问题，提出合理的建议，以期井下定位在我国的研究水平不断提高。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

为确保数据来源的充分合理，本次研究收集中国知网（CNKI）关于井下定位的数据进行分析。采用高级检索，以“主题=井下定位”，时间范围设置为“1991-01-01—2022-12-31”，共检索文献1250 篇，为保证数据的准确性，经过筛选，去除会议文献、科技成果、报纸，以及剔除相关度较低的文献，最终得到有效文献1164篇，检索时间为2023年3月14日。

经过文献检查，发现有效的文献发表时间为2003—2022 年之间，所以在使用CiteSpace 进行文献可视化时，将日期设置为2003-JAN 到2022-DEC。

1.2 研究方法

知识图谱是近年来新兴的用于学术科研的工具，在搭建信息网络和利用数据资源等方面具有十分广泛的应用空间。知识图谱不仅能定量、客观、形象、真实地展示学科结构，而且还可以把研究热点、演化路径以及发展趋势更加具体化展现出来［4］。文献计量学（Bibliometrics）将文献计量特征和文献体系作为研究对象，进行定量分析，评价某个研究领域的发展现状和水平，进而对未来的发展趋势做出预测［5］。

在知识图谱的应用工具中，CiteSpace 针对文献的可视化和计量化分析在科学统计方面十分实用［6］。CiteSpace 是一个基于Web 的Java 应用程序，专注于检测和分析研究前沿的演变以及作者之间的关系［7］。它还能被用来捕获爆发性的关键字，这些关键字可以被用来研究前沿的预测因子。

本研究基于科学文献计量的方法，借助CiteSpace 6.1.R6 版本以及Excel 对1164 篇井下定位相关的有效文献进行知识图谱的绘制与展示。通过对年度发文量、作者共现图、机构共现图以及关键词相关图分析井下定位领域的研究现状、研究热点和发展趋势。

2 发文数量分析

根据发文数量随时间变化的分布图可以很直观地看出不同时间区间研究者们对该研究领域的关注程度。发文量趋势分析能够有效展现一个研究主题在时间纵深上的发展脉络，有利于进一步把握该研究主题的变化。

经过查看与筛选，发现井下定位有效文献日期为2003—2022年，所以本文利用Excel对从CNKI 按照时间区间2003—2022 年进行检索得到的各年度文献数量绘制曲线图并进行分析，以期寻找国内井下定位研究发文数量变化和时间的关系，如图1所示。

图1 2003—2022年年度发文量

根据发文数量以及曲线的趋势，可以将发文量分为三个阶段：

第一阶段：2003—2014 上升期，这段时间是对井下定位研究的快速成长期，越来越多的研究人员和研究团队涌入，使得井下定位这一领域百花齐放。

第二阶段：2014—2016 下降期，这段时间发文的数量明显减少，但是质量和水平却是在不断提升。

第三阶段：2016—2022 平稳期，这段时间处于平稳发展期，研究人员、研究团队有了稳定的结构，研究成果的水平不断提高。

3 作者共现分析

每个领域都有自己的核心研究作者和核心研究机构，核心作者和核心机构可以代表该领域的研究水平，对该领域的发展以及未来方向的确定有着重要的影响，通过对核心作者以及核心机构的分析有助于更加深刻准确地掌握相关研究领域的研究动态以及趋势。

为了找到井下定位领域研究的中坚力量和核心作者群体，本文将国内文献导入CiteSpace软件， Time Slicing 为From “2003-JAN” To“2022-DEC”，#Years Per Slice 为1，Node Types为“Author”，点击“Go”，运行CiteSpace，绘制井下定位领域的作者共现图谱。

其中崔丽珍发文量最高为11 篇，其次是莫树培（8篇），排在第三的是包建军（7篇）。

本文使用普莱斯提出的计算公式来计算核心作者发文量［8］。

式中，M为论文篇数，Nmax为最高产作者的论文数，把论文发表数在M篇以上的作者称为高产作者。

在井下定位领域，Nmax的值为11，则M的值为2.484，取整数为3。故将Node Labels 中被引频次的Threshold 设置为3，最终的作者合作共现图，如图2 所示。根据统计，发文3 篇及3篇以上的作者有46 位，其发文量之和为189 篇，未超过该领域发文总量的一半，表明井下定位领域的核心研究作者群还未形成。

在作者共现图中，通过节点的大小来表示作者发文数量，节点越大，发文量越多，反之发文量越少；颜色代表发文的年份，颜色越冷表示发文年份越早，颜色越暖表示发文年份越晚；节点之间的连线代表作者间合作关系，连线的粗细代表作者之间合作关系的强度，作者之间的合作越密切，连线越粗。

由图2 可知，图谱共含512 个节点、283 条连线、网络密度0.0022，说明到2022 年底为止该研究领域各作者之间的合作网络密度较低，各作者以及团队之间的联系与合作较少，大部分作者处于独立研究的一个状态，长期下去，不利于井下定位领域的研究发展，作者以及团队间的合作有待加强。

从作者共现图可以看出，形成了一部分作者之间合作的网络，依据开始合作年份由远及近，合作网络包括以陈丹丹、吕明为代表的合作组合，以黄友锐、唐超礼为代表的合作组合，以汪金花、郭云飞为代表的合作组合和以崔丽珍、郭倩倩为代表的合作组合。

图2 作者共现图

同时，利用CiteSpace 6.1.R6软件的Burstness检测分析功能分析突现性前13 名的作者，发现莫树培（突现强度4.66）形成最高的突现强度，在2019—2020 年影响力较大，紧接着就是发文量第一的崔丽珍（突现强度2.49），剩下的11 位作者的突现强度都在2附近，说明他们对于井下定位领域也产生了一定的影响。作者突现图如图3所示。

图3 Top13作者突现图

4 机构共现分析

通过对研究机构的分析，可以帮助学者对国内该领域的研究现状及研究实力有更为清晰的了解，可以看出哪些机构在井下定位研究领域发挥着重要的作用，哪些机构之间联系比较紧密，哪些机构为井下定位研究做出了重要贡献。

和作者共现图一样，时间范围、切片大小都不变，Node Types为“Institution”，点击“GO！”，运行CiteSpace，绘制井下定位领域的研究机构共现图谱，如图4所示，节点的大小表示发文数量，连线代表机构之间有合作，连线的粗细表示合作的强度。

从机构发文频次来看，发文量最多的机构是中国矿业大学（发文132篇），其次是安徽理工大学（发文54 篇），排在第三的是辽宁工程技术大学（发文44篇）。

从发文机构图可以看出高校是井下定位领域研究的主要力量，不少的公司等机构也参与到该领域的研究中。

由图4 可知，图谱共含413 个节点、138 条连线、网络密度0.0016，说明到2022 年底为止该研究领域各机构之间的合作网络密度较低，反映出研究该领域的机构之间的联系与合作较少，大部分机构处于独立研究该领域的一个状态，孤立的机构较多，只有个别几个机构间进行过合作。

图4 机构共现图

5 关键词分析

5.1 关键词共现分析

关键词是对文章核心内容的高度凝练，几个词就可以很好地表征该篇论文的思想内容，是文献计量研究不可或缺的指标，通过分析关键词共现可以把握领域的研究热点和研究重点［9］。关键词的频次能够体现该领域内最受关注的热门词汇，中心性度量了节点在网络中位置的重要性，反映了其在整个关键词共现网络中的重要程度，通过分析词频，可以确定该研究领域的研究热点以及发展趋势［10］。

利用CiteSpace对关键词进行共现，操作方法和作者共现一样，只不过Node Types=“Keyword”，点击“GO！”，生成关键词共现图，并计算中心性，如图5 所示，节点503 个、连线839 条、密度为0.0066。和前面节点、连线意义相同，节点大小表示关键词频次，频次越高则节点越大；连线代表两个关键词有联系，某个节点的连线越多，说明其中心性越强，研究深度和范围就越广。关键词共现图线条众多，连接复杂，说明在井下定位研究领域中各关键词之间联系密切，井下定位研究涉及的领域广泛。

从图5 可以看出，其中人员定位中心性最强，为0.39，围绕其展开的有定位系统、井下定位、矿井等多个领域。

将频次大于10 的关键词绘制表格，结果见表1，从而得到排名前十的关键词，分别为人员定位、煤矿、井下定位、定位、煤矿井下、定位系统、精确定位、矿井、射频识别和定位算法。其中，人员定位、煤矿、井下定位、定位、煤矿井下和定位系统出现频次超过50次。

图5 关键词共现图

表1 频次大于10的关键词

5.2 关键词突现分析

突现关键词在定义上表示某一时期内，受到学者大量关注并且出现频次突增的关键词［11］，从一定程度上可以表示该时期相关研究的前沿及趋势。对CNKI 数据进行突现分析，得到2003—2022 年井下定位相关研究的关键词突现图，如图6 所示。将关键词突现图分为两部分，2003—2012 年为第一部分，2012—2022 年为第二部分。第一部分中，突现强度最大的是射频识别（强度为6.31），说明这段时间运用射频识别技术进行井下定位是研究热点。李靖等［12］介绍了基于RFID 技术的井下人员定位管理系统在山西高河能源有限公司的应用情况，发现该系统运行稳定，实现了对井下作业人员的综合管理，提高了矿井抵抗灾害的能力，保障了矿井的安全生产。张鹏［13］设计一种基于无线射频识别技术（RFID）和控制器局域网（CAN）的井下人员定位系统，可以在发生矿难后提供井下人员的大概位置，为救援提供帮助，在平时也可以进行人员的考勤。

第二部分中，突现强度最大的是超宽带（强度为8.77），说明这段时间井下定位的研究热点转到了超带宽技术。刘书伦等［14］针对目前常用的井下人员定位技术存在的问题，提出了一种基于到达时间差的超宽带技术的井下人员定位系统，经实验验证，该系统有效提高了井下人员定位精度。张海军等［15］针对煤矿井下复杂环境中非视距（NLOS）干扰影响无线信号传输问题，设计了一种基于超宽带（UWB）的井下人员定位系统。测试结果表明：该系统抗NLOS干扰能力较强，并且可以实现一段时间内的应急通信。

5.3 关键词聚类分析

为进一步挖掘各研究热点之间的关系，本文在关键词共现基础上将联系紧密的关键词进行分组，这一过程称为聚类，通过聚类能够对研究热点中的多条线索进行解读和追踪。关键词聚类的参数设定与共现基本相同，采用LLR算法并以“K”为标识来提取聚类标签，经过整理后聚类结果如图7所示，共得到12个聚类。

在进行聚类以后，聚类图中有两个参数需要注意，即Q值（Modularity，聚类模块值）和S值（Silhouette，聚类平均轮廓值），这两个用来表示聚类结果的好坏。当Q大于0.3 时，认为聚类结构是显著的；当S大于0.5时，认为聚类是合理的；而当S大于0.7则代表这个聚类结果是令人信服的。由关键词聚类图可知，本次运行中，中文关键词聚类Q=0.6057>0.3，S=0.8835>0.7，由此可见，本次中文文献关键词聚类结果适用于分析。

可将聚类结果总结为五类：第一类：物联网，包括#6 物联网；第二类：定位，包括#0 人员定位、#1 井下定位、#3 定位、#7 定位算法和#17定位引擎；第三类：煤矿，包括#2煤矿；第四类：矿井，包括#4 煤矿井下、#5 井下巷道和#8 矿井；第五类：自组网，包括#9 分站和#18以太网。

6 结论与展望

6.1 总结

本文借助CiteSpace软件对知网CNKI中关于井下定位领域的1164 篇文献进行可视化分析，梳理该领域的研究热点、发展脉络以及研究前沿，使得对井下定位领域有更加全面的认识。

图6 关键词突现图

图7 关键词聚类图

经过接近二十年的探索与发展，我国在井下定位领域的研究与相关技术的应用正处于一个稳定发展的时期，虽然近几年发文数量有所下降，但是相关技术的研究与应用的热度还是很高；该领域的研究人员和研究机构数量众多，但是它们之间的交流合作较少；射频识别技术与超宽带技术是井下定位的主要技术，但是近几年超宽带技术的热度和应用次数超过了射频识别技术，可知煤矿井下的情况越来越复杂，并且对于定位的要求也是越来越高。

6.2 展望

针对以上发现的问题，提出如下建议，为接下来井下定位的发展提供一定的参考价值。

（1）加强研究学者之间的联系。加强研究者们在井下定位领域的交流与合作有利于促进知识的交汇融通，从而有效提升该领域的研究水平和拓展研究范围，创作出更多高质量的研究成果，形成更多的核心研究团队，使得井下定位研究紧跟国际步伐。

（2）拓宽机构之间的合作关系。高校与公司机构均有宝贵的资源，包括人才与设备，它们之间加强合作有利于资源的共享，可以提升研究人员的硬件与软件条件，从而为研究人员创造更好的实验条件，进而产生更多高水平的研究成果，为井下定位的发展注入更多的动力。

（3）加深对超宽带技术的研究与应用。煤矿井下情况复杂，已经存在的定位系统在应用过程中依然存在一些缺点，例如，信道衰落、穿透力弱以及抗干扰能力不强等。超宽带技术（UWB）的优点是信道衰落小、信号稳定性强并且有较强的穿透力，所以对于复杂的井下，超宽带技术可以很好地发挥作用，满足井下定位的需求［16］。因此，加深对于超宽带技术的研究与应用非常有必要，不仅可以实时掌握井下人员的运动情况，同时还可以在灾害发生以后为救援提供帮助，最大可能减少人员伤亡与财产损失，提高生产率。