基于知識圖譜的地鐵施工安全研究可視化分析

王乾坤， 亢顯衛， 朱 科

(武漢理工大學 a. 土木工程與建筑學院； b. 三亞科教創新園， 湖北 武漢 430070)

當下國內外都在大力推進地鐵建設，施工安全事故頻發，因此有很多專家和學者對地鐵施工安全開展研究，用來指導實際地鐵工程建設安全風險管理，降低施工事故發生概率和減少損失。如Jiang等[1]提出一種基于本體論和案例推理的決策方法改進地鐵施工安全風險管理決策；Kaewunruen等[2]引入數字孿生輔助生命周期評價方法評估地鐵站風險；Rafie等[3]采用失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)和模糊推理系統(Fuzzy Inference System，FIS)相結合，對地鐵基坑施工建設中路面沉降風險進行預測；Potapova[4]以地鐵深基坑施工為例，建立巖土工程風險的級聯模型，改進施工風險管理基本途徑；丁烈云等[5]從組織、技術、環境、管理等四個方面構建地鐵施工安全評價標準；吳賢國等[6]構建基于復雜網絡的N-K模型對地鐵施工安全風險耦合分析，評估多風險因素耦合作用的影響；劉文等[7]利用迭代自組織數據分析算法(Iterative Selforganizing Data Analysis Techniques Algorithm，ISODATA)探索盾構施工的安全風險規律及管理對策；Shi等[8]主要研究地鐵車站基坑施工對周邊建筑物變形和沉降的影響分析；沈衛平等[9]開發智慧互聯系統為實現地鐵盾構施工安全風險控制提供技術支持。根據文獻查閱分析，國內外已有眾多學者在地鐵施工安全領域開展研究，將成果用于指導施工安全風險管理，但缺乏對該領域研究系統全面地梳理總結，也缺乏對該領域研究熱點和演進趨勢的系統性分析。

科學知識圖譜是以知識域為對象，以圖象形式直觀地展現科學知識發展進程與結構關系[10]，顯示知識單元或知識群之間網絡、結構、互動、交叉或演化等隱含關系，既是可視化的知識圖像，又是系列化的知識圖譜，被廣泛應用于歸納分析某一類學科知識的發展規律。因此，近些年知識圖譜在各領域被廣泛應用，關鍵技術已相對成熟，如一些學者對煤礦安全生產[11]、駕駛安全[12]及科學領域[13]等多領域研究演變進行可視化分析，探究各領域的研究熱點和發展前沿。

基于上述分析，本文將應用知識圖譜分析工具CiteSpace V軟件，結合文獻計量方法分析地鐵施工安全領域研究熱點及演進趨勢，依據國內中國知網(CNKI)數據庫和國際WoS(Web of Science)數據庫在1998—2021年收錄的高質量文獻，通過高級檢索、篩選過濾及閱讀分析獲取主題為“地鐵施工安全”的研究文獻作為樣本。通過文獻計量方法，對國內和國際研究文獻發表、機構分布、作者合作和關鍵詞分析，形成知識圖譜可視化展示，探索近24年地鐵施工安全領域的研究熱點和趨勢，對該領域的研究發展進行梳理總結，形成較為系統性、科學性和全面性的研究文獻分析，為后續學者深入創新研究提供參考。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

為了保障本文分析數據的可靠性，盡可能全面系統地分析地鐵施工安全領域的研究現狀，以“地鐵施工安全”為主題檢索高質量、高水平的期刊文獻。國內數據選擇具有權威性的中國知網(CNKI)數據庫，初步檢索出1998年1月—2021年12月與主題相關文獻2687篇，為保障研究文獻的科研性和權威性，篩選出SCI、EI、北大核心、CSSCI、CSCD來源期刊文獻496篇。國際數據選擇最豐富權威的Web of Science核心數據庫，通過高級檢索同時間段期刊文獻1384篇，具體檢索篩選條件見表1。

表1 期刊文獻數據來源

1.2 研究方法

文獻計量方法能夠對一類科學技術研究現狀和發展趨勢進行描述、評價和預測[14]，而知識圖譜能夠利用可視化技術直觀展示科學知識的結構關系，具有很好的知識導航功能。常用的知識圖譜繪制工具有CiteSpace,Ucinet,VOSviewer,SPSS和Histcite等[15]。通過文獻資料調研對比后發現，由美國Drexel大學陳超美教授[16]開發的CiteSpace軟件具有操作技術簡單易懂、可視化效果好及文獻分析功能全面等優點，因此選擇CiteSpace V軟件進行知識圖譜可視化研究分析。

分別以國內CNKI數據庫和國際WoS數據庫檢索地鐵施工安全領域中較為權威性和科研性的期刊文獻為基礎數據，應用軟件對文獻進行知識圖譜可視化研究分析，梳理總結國內和國際地鐵施工安全領域研究的演進趨勢和研究熱點，為后續研究者深入創新研究提供參考。

2 地鐵施工安全研究可視化分析

2.1 研究論文產出分析

分析論文產出可以全面了解該研究領域的發展規律，更加科學合理地判斷學科領域研究趨勢。通過兩個權威數據庫檢索地鐵施工安全領域研究論文，按年份繪制論文發表趨勢，如圖1所示。

圖1 地鐵施工安全研究論文發表趨勢

從圖1中看出變化趨勢可分為2個階段：初始萌芽增長階段(1998—2007年)：該階段國內和國際發文量均不高，雖有逐年增長趨勢，但每年發文量都在14篇以內，其部分原因為該時期地鐵項目建設處于起步推動階段，研究成果相對較少；快速發展變化階段(2008—2021年)：從2008年國內和國際上發文量迅速突破，隨后國內發文量呈小幅度波動變化，平均每年發文量保持約30篇，呈現較穩定的發展趨勢，而國際發文量逐漸增長，尤其是2013年后逐年呈指數增長趨勢，發文量最高的是2020年246篇，該階段增長趨勢的部分原因是地鐵項目投資建設增大，推動一些專家投入地鐵施工安全領域研究以解決科學技術問題，同時更多學者追求發表高質量、高水平文章，使得國際上該領域研究文獻增長迅速。

2.2 研究機構分布分析

分析研究機構分布可以挖掘出在地鐵施工安全領域具有較高影響力和較多科研成果的科研單位，能夠進一步為讀者學習和交流提供參考[11]。通過CiteSpace V分別分析國際和國內發表文獻的機構分布，設置Selection Criteria: Top 50 Per Slice，各系數的閾值(c,cc,ccv)三個時間分區為(2,2,20)，(1,1,20)和(2,2,20)。其中c為最低被引次數；cc為本時間切片中共被引次數；ccv為規范化以后共被引次數[17]。分別繪制發表文獻機構分布圖譜，如圖2,3所示。

圖2 國際研究文獻機構分布圖譜

圖3 國內研究文獻機構分布圖譜

通過國際和國內研究文獻機構分布圖譜分析，能發現近些年地鐵施工安全領域研究集中在國內部分高校和地鐵建設相關企業，且可看出一些高校和企業研究共現關聯，如華中科技大學和武漢地鐵集團相關聯，同濟大學和上海交通大學相關聯，北京交通大學和北京市軌道交通建設管理有限公司相關聯，西南交通大學和中鐵第四勘察設計院集團有限公司相關聯等，說明在研究中一些高校優勢聯合，共同開展地鐵施工安全研究，還有一些企業委托學校開展科研項目，以解決實際工程施工安全問題，促進學?？蒲邪l展，推動企業技術進步，同時保障地鐵項目施工安全管理。

根據圖譜節點大小表示機構發文頻次大小，列出在該領域發文量前10名的科研機構，見表2?？梢耘袛喑龅罔F施工安全領域研究以中國重點高校為主，其中華中科技大學發表文獻104篇，同濟大學發表文獻97篇，北京交通大學發表文獻76篇等，這些國內知名高校開展地鐵施工安全研究并發表相關文獻最多，在該領域具有較高的權威性和影響力，其研究團隊引領著地鐵施工安全領域的發展，為解決中國地鐵項目建設中的安全問題提供了科研支持。在后續的研究中可加強高校間的資源共享和學術交流，共同為我國的地鐵施工安全領域作出更大的貢獻。

表2 地鐵施工安全研究文獻機構分布

2.3 研究作者特征分析

通過文獻計量和知識圖譜分析高發文量作者間的合作關系，從而了解該領域中的科研領軍人物，為其他讀者學習和深入了解該領域知識提供參考。通過CiteSpace V分別分析國際和國內發表文獻的作者關系網絡，設置Selection Criteria: Top 50 Per Slice，各系數的閾值(c，cc，ccv)三個時間分區為(2，2，20),(2，2，20)和(2，2，20)，對1998—2021年地鐵施工安全領域研究文獻繪制發文作者關系圖譜，如圖4，5所示。在國際研究文獻作者關系圖譜中有節點數量N=678個，作者連線E=727條，網絡密度Density=0.0032。在國內研究文獻作者關系圖譜中有節點數量N=73個，連線E=71條，網絡密度Density=0.0274。

圖4 國際研究文獻作者合作關系圖譜

圖5 國內研究文獻作者合作關系圖譜

關系圖譜中節點大小反映該作者發表文獻頻次，連線反映科研作者合作關系，從而根據圖譜列出國際和國內發表文獻頻次前10名的作者，如表3所示。通過國內外文獻作者圖譜和發文頻次表分析發現張立茂、吳賢國、張頂立等學者發表文獻數量最多，作為地鐵施工安全領域專家，為我國地鐵建設安全問題開展大量研究。同時從圖譜可以發現一些學者相關聯，他們以團隊形式開展地鐵施工安全研究并發表文章，如吳賢國、丁烈云和駱漢斌等，作為華中科技大學地鐵施工項目科研團隊，既發表了眾多科研成果，又為武漢地鐵項目施工安全管理作出了巨大貢獻。

表3 地鐵施工安全研究作者發文頻次

3 地鐵施工安全研究熱點及趨勢分析

3.1 關鍵詞時線共現分析

通過CiteSpace V分別分析國際和國內發表文獻的關鍵詞共現網絡，設置Selection Criteria: Top 50 Per Slice，各系數的閾值(c，cc，ccv)三個時間分區為(2，2，20),(4，3，20)和(4，3，20)，對1998—2021年文獻以一年為一個時間切片繪制關鍵詞共現網絡圖譜，如圖6，7所示。其中國際研究文獻圖譜分析產生節點N=113個，連線E=575條，網絡密度Density=0.0909，出現詞頻最多的為施工、模型、預測、安全行為、管理、設計及數值模擬等關鍵詞；國內研究文獻圖譜分析產生節點N=480個，連線E=965條，網絡密度Density=0.0084，出現詞頻最多的為地鐵施工、地鐵車站和隧道、數值模擬、施工技術、安全管理及風險管理等關鍵詞。

圖6 國際研究文獻關鍵詞共現網絡圖譜

圖7 國內研究文獻關鍵詞共現網絡圖譜

3.2 研究熱點分析

分析地鐵施工安全領域研究文獻關鍵詞可以較科學地識別出該領域的研究熱點[18]。通過CiteSpace V軟件和LLR(Loglikelihood Ratio Test)算法對該領域研究關鍵詞聚類，其中國際研究文獻聚類Q值為0.8728(>0.3)，Mean Silhouette值為0.7954(>0.5)；國內研究文獻聚類Q值為0.8687(>0.3)，Mean Silhouette值為0.9202(>0.5)，表明聚類結構合理且聚類效果較好，研究熱點分析更加科學合理。因數據量較大，聚類詞條較多，選擇排名前10的國內外研究文獻關鍵詞聚類結果展示，如圖8，9所示。

圖8 國際文獻關鍵詞聚類圖譜

圖9 國內文獻關鍵詞聚類圖譜

通過聚類標簽分析總結，地鐵施工安全領域研究熱點主要為以下幾個方面：

(1)地鐵施工安全研究對象方面。根據聚類結果分析較多學者的研究對象為地鐵車站、地鐵隧道和地鐵基坑，包含了地鐵項目中的主要工程。如Luo等[19]運用層次分析法和模糊物元法評估下穿既有運營車站的地鐵車站施工風險等級；劉文等[7]研究地鐵盾構施工安全風險規律和管理對策；吳賢國等[20]結合粗糙集理論和貝葉斯網絡評估地鐵盾構施工風險；Xing等[21]通過理論分析和有限元數值模擬，分析降水和基坑開挖施工對既有運營車站的影響；Kaewunruen[2]和Rafie[3]等分別以地鐵車站、基坑為對象研究施工安全風險。

(2)地鐵施工安全技術應用方面。根據聚類標簽分析學者關注的施工技術有淺埋暗挖、盾構、信息化施工、三維建模等方面。如房倩等[22]制定風險控制標準，保障地鐵車站淺埋暗挖施工技術安全水平；沈衛平等[9]開發智慧互聯系統實現地鐵盾構信息化施工，提高現場施工風險管理；王洪德等[23]應用結構熵權法和可信性測度評估地鐵信息化施工安全風險等級；Wang等[24]建立地鐵深基坑三維有限元模型，利用監測數據和數值模擬基坑支護結構變形程度和安全水平。

(3)地鐵施工安全研究內容和方法方面。根據聚類標簽分析眾多學者研究主要為地表沉降、有限元分析、風險評估和安全管理等方面。如Samantra等[25]結合模糊集理論和分層風險分解結構對地鐵車站建設風險評估分析；Topal等[26]收集地鐵隧道施工地表沉降監測數據，利用數值模擬分析沉降對施工安全的影響；王乾坤等[27]通過事故樹分析(Fault Tree Analysis，FTA)建立評價指標體系，利用相互作用矩陣研究地鐵深基坑施工耦合風險等級；余群周等[28]研究地鐵施工安全風險巡視組織、流程管理和制度，以改進現場施工安全管理。

3.3 研究趨勢分析

通過分析關鍵詞出現頻率的變化強度，可以判斷該領域研究前沿內容[29]。對國內和國際地鐵施工安全研究文獻關鍵詞突現分析，判斷近年在該領域較為突出和重點的研究方面，選擇部分近些年突現且突變強度大的關鍵詞，如表4所示。

表4 1998—2021年地鐵施工安全研究文獻關鍵詞突現分析

根據上表近年突現關鍵詞分析地鐵施工安全領域研究趨勢，主要為以下兩個方面：

(1)目前地鐵施工安全研究熱點對象為地鐵車站和隧道。說明在地鐵項目建設中這兩部分工程施工安全問題復雜，仍需要大量研究以解決實際工程安全管理難題。如Wu等[30]結合網絡分析法(Analytic Network Process，ANP)和模糊綜合評價法(Fuzzy Comprehension Evaluation Method，FCE)，提出模糊ANP綜合評價模型評估地鐵車站施工風險；Yang等[31]修正Peck公式預測地鐵車站頂管預施工法對地表沉降的影響；文艷芳等[32]構建PSR-IAHP(Pressure-State-Response, Improved Analytic Hierarchy Process)模型研究地鐵隧道施工坍塌風險耦合機理；Pan等[33]構建耦合度計算模型，評估地鐵隧道盾構施工安全風險系統耦合程度。

(2)目前地鐵施工安全研究熱點內容和方法為風險評價、數值模擬和貝葉斯網絡等。說明近些年的地鐵施工安全研究中，較多學者利用數值模擬、數學模型等對地鐵施工進行風險評價。如Wang等[34]建立概念模型，通過數值模擬分析地鐵基坑降水和帷幕深度對地表沉降的影響；彭濤等[35]利用層次分析法和模糊綜合評價研究臨近地鐵的深基坑施工風險等級；Liu等[36]利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)和專家打分法(Expert Grading Method,EGM)對地鐵車站施工潛在風險進行識別和評價；Zhou等[37]通過專家調查法識別地鐵深基坑施工風險因素，利用支持向量機(Support Vector Machine,SVM)和地表沉降等監測數據做風險預測。

4 研究方向與展望

通過檢索整理WoS和CNKI兩個權威數據庫在1998—2021年間收錄的地鐵施工安全研究文獻，利用知識圖譜和文獻計量分析其研究熱點和趨勢，總結論述各研究主題的基本特點，分析未來地鐵施工安全研究的發展方向和路徑。

(1)研究對象方面。通過大量研究文獻數據分析出目前主要以地鐵車站[2,8,19,22,25,30,31,36]、地鐵基坑[3,4,21,24,27,34,35,37]、地鐵隧道[7,9,20,26,32,33]為對象開展地鐵施工安全研究，即涵蓋了地鐵項目建設中的主要工程，且絕大部分學者是對各部分工程施工風險進行評估分析，研究解決了一些地鐵施工安全問題。但地鐵項目施工環境條件復雜，存在的安全風險問題較多，從深度科研角度分析這些研究對象較為寬泛，已有的研究內容難以細致全面，因此在后續的地鐵施工安全研究中，可進一步縮小研究對象和范圍，細化研究內容，如針對地鐵基坑圍護結構施工安全、地鐵基坑支撐體系施工安全、地鐵車站吊裝施工安全、地鐵隧道施工管片結構安全等較小范圍的對象開展研究，使該領域研究內容更加細致全面。

(2)研究技術應用方面。通過大量研究文獻數據分析出目前主要從淺埋暗挖[22]、盾構[7,20,33]、信息化施工[9,23]、三維建模[34]等技術方面研究地鐵施工安全，可以發現包含了地鐵車站深基坑和地鐵隧道的重要施工技術。目前已有團隊研究地鐵盾構施工安全管理信息系統[9]、地鐵施工安全管理事件數據庫[38]、地鐵施工監控預警系統[39]等。也有一些學者研究地鐵施工模型信息可視化[40]，利用BIM二次開發[41]實現安全風險自動監測和可視化分析等?，F階段物聯網、無線通信、云計算、人工智能、數字孿生等技術不斷創新發展，因此在未來的研究中可以將信息化模型、無線傳感器、大數據分析、數字孿生等相結合，研究更加智能化、信息化、動態化、數據化、可視化的地鐵施工安全管理技術。

(3)研究內容和方法方面。通過大量研究文獻數據分析，目前主要研究內容為利用各種模型方法對地鐵施工安全風險進行評價和預測，包括本體論[1]、失效模式與影響分析[3]、模糊推理系統[3]、N-K模型[6]、迭代自組織數據分析算法[7]、層次分析法[19,32,35,36]、模糊理論[19,25,30,35]、貝葉斯網絡[20]、熵權法[23]、粗糙集理論[20]、事故樹分析法[27]、網絡結構[30]、專家調查法[37]、支持向量機[37]、有限元分析[21,24]和數值模擬[21,24,26,34]等重要的安全風險評估分析方法。地鐵建設環境條件復雜，安全風險管理需要不斷創新融合成熟適用的研究方法，以保障風險評估結果更加科學，因此在未來的研究中可以探索文本挖掘、主題提取、關聯挖掘等方法對非結構化數據研究分析，實現風險定性分析、定量分析和大數據分析方法相結合開展地鐵施工安全研究。

綜上所述，地鐵施工安全研究對象和內容將更加深化細致，與當下信息化模型、無線通信、物聯網、云計算、數字孿生等新興技術相結合，不斷創新融合成熟適用的理論方法，實現施工風險定性分析、定量分析和大數據分析相結合研究，不斷推動地鐵施工安全領域研究創新發展。

5 研究結論

利用CiteSpace V對國內外地鐵施工安全領域的研究文獻綜述，檢索在1998—2021年間WoS和CNKI兩個權威數據庫收錄的地鐵施工安全研究文獻進行知識圖譜可視化分析，得到結論：

(1)研究文獻產出方面，1998—2007年為初始萌芽增長階段，該階段國內和國際發文量都較少；2008—20021年為快速發展變化階段，該階段發表文獻量增長變化加快，國內研究每年保持約30篇，呈穩定發展趨勢，國際文獻自2013年后呈逐年指數增長趨勢，極大地推動該領域研究的創新發展。

(2)研究機構分布方面，地鐵施工安全領域研究集中在國內部分高校和地鐵建設相關企業。其中華中科技大學發表文獻104篇，同濟大學發表文獻97篇，北京交通大學發表文獻76篇，在該領域具有較高的權威性和影響力。也發現高校和企業聯合研究，如華中科技大學和武漢地鐵集團、北京交通大學和北京市軌道交通建設管理有限公司等，實現校企聯合開展科研項目，促進學?？蒲袑嵺`提升，為解決實際工程安全問題提供科研支持。

(3)研究作者合作關系方面，發現張立茂、吳賢國、張頂立、丁烈云和駱漢斌等學者發表文獻數量最多。其中張立茂發表43篇，吳賢國發表41篇，最為突出，作為地鐵施工安全領域的專家，為我國地鐵建設安全問題投入大量研究，發表眾多科研成果，解決了地鐵建設施工大量的安全問題。

(4)研究熱點方面，較多學者以地鐵車站、隧道和基坑等為研究對象，關注淺埋暗挖、盾構、信息化施工、三維建模等施工技術，立足于對地表沉降、數值模擬、風險評估等方面開展研究。

(5)研究趨勢方面，集中在利用數值模型、貝葉斯網絡等方法對地鐵車站和隧道施工中的安全風險進行評價分析，以解決地鐵車站和隧道工程施工中的安全管理難題，加強現場施工安全管理。

(6)研究方向與展望方面，地鐵施工安全研究對象和內容更加深化細致，與當下信息化模型、無線通信、物聯網、云計算、數字孿生等新興技術相結合，不斷融合成熟適用的理論方法，實現風險定性分析、定量分析和大數據分析相結合研究，不斷推動地鐵施工安全領域研究創新發展。