基于文獻計量的國內井下定位研究分析

張情清，王德志，劉 昶，李 威

（1. 華北科技學院礦山安全學院，廊坊 065201；2. 華北科技學院計算機學院，廊坊 065201）

0 引言

隨著我國社會的高速發展，對于礦產資源的需求在不斷增加。雖然我國煤礦的智能化水平越來越高，但是依然無法完全取代人工，仍然需要人員進入礦井去工作。但是，煤礦作業環境十分復雜及惡劣，有效保障井下人員及設備安全、提高生產率是煤礦以及國家都十分重視的問題［1］。

據統計，俄羅斯單個井下事故造成的人員死亡為0.7 人，而中國2018 年的煤礦安全事故近300 起，造成了近400 人死亡。其中導致人員傷亡的重要原因之一就是礦井的智能化程度較低，無法對礦井中作業人員進行有效定位和監控，延誤了救援的時間，造成了慘痛的人員傷亡［2］。

2016 年修訂的《煤礦安全規程》指出，煤礦企業必須建立礦井安全避險系統，認真檢查入井人員的數量和狀態，同時還要對人員的運動和位置進行實時監測，充分發揮系統安全保障作用［3］。

分析國內井下定位領域的研究進展、研究熱點以及未來的趨勢，對于全面了解井下定位的相關技術及其發展具有重要的意義。此外，還有利于為井下定位的后續發展提供參考，為井下人員的精準定位和減少人員傷亡以及財產損失做出貢獻。

本文利用CiteSpace 對知網CNKI中關于井下定位研究的相關文獻分別對作者、機構、關鍵詞等進行可視化展示并進行分析，發現對井下定位進行研究的作者、團隊以及機構越來越多，但合作較少；射頻識別技術和超寬帶技術是井下定位的主要技術。針對以上發現的問題，提出合理的建議，以期井下定位在我國的研究水平不斷提高。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

為確保數據來源的充分合理，本次研究收集中國知網（CNKI）關于井下定位的數據進行分析。采用高級檢索，以“主題=井下定位”，時間范圍設置為“1991-01-01—2022-12-31”，共檢索文獻1250 篇，為保證數據的準確性，經過篩選，去除會議文獻、科技成果、報紙，以及剔除相關度較低的文獻，最終得到有效文獻1164篇，檢索時間為2023年3月14日。

經過文獻檢查，發現有效的文獻發表時間為2003—2022 年之間，所以在使用CiteSpace 進行文獻可視化時，將日期設置為2003-JAN 到2022-DEC。

1.2 研究方法

知識圖譜是近年來新興的用于學術科研的工具，在搭建信息網絡和利用數據資源等方面具有十分廣泛的應用空間。知識圖譜不僅能定量、客觀、形象、真實地展示學科結構，而且還可以把研究熱點、演化路徑以及發展趨勢更加具體化展現出來［4］。文獻計量學（Bibliometrics）將文獻計量特征和文獻體系作為研究對象，進行定量分析，評價某個研究領域的發展現狀和水平，進而對未來的發展趨勢做出預測［5］。

在知識圖譜的應用工具中，CiteSpace 針對文獻的可視化和計量化分析在科學統計方面十分實用［6］。CiteSpace 是一個基于Web 的Java 應用程序，專注于檢測和分析研究前沿的演變以及作者之間的關系［7］。它還能被用來捕獲爆發性的關鍵字，這些關鍵字可以被用來研究前沿的預測因子。

本研究基于科學文獻計量的方法，借助CiteSpace 6.1.R6 版本以及Excel 對1164 篇井下定位相關的有效文獻進行知識圖譜的繪制與展示。通過對年度發文量、作者共現圖、機構共現圖以及關鍵詞相關圖分析井下定位領域的研究現狀、研究熱點和發展趨勢。

2 發文數量分析

根據發文數量隨時間變化的分布圖可以很直觀地看出不同時間區間研究者們對該研究領域的關注程度。發文量趨勢分析能夠有效展現一個研究主題在時間縱深上的發展脈絡，有利于進一步把握該研究主題的變化。

經過查看與篩選，發現井下定位有效文獻日期為2003—2022年，所以本文利用Excel對從CNKI 按照時間區間2003—2022 年進行檢索得到的各年度文獻數量繪制曲線圖并進行分析，以期尋找國內井下定位研究發文數量變化和時間的關系，如圖1所示。

圖1 2003—2022年年度發文量

根據發文數量以及曲線的趨勢，可以將發文量分為三個階段：

第一階段：2003—2014 上升期，這段時間是對井下定位研究的快速成長期，越來越多的研究人員和研究團隊涌入，使得井下定位這一領域百花齊放。

第二階段：2014—2016 下降期，這段時間發文的數量明顯減少，但是質量和水平卻是在不斷提升。

第三階段：2016—2022 平穩期，這段時間處于平穩發展期，研究人員、研究團隊有了穩定的結構，研究成果的水平不斷提高。

3 作者共現分析

每個領域都有自己的核心研究作者和核心研究機構，核心作者和核心機構可以代表該領域的研究水平，對該領域的發展以及未來方向的確定有著重要的影響，通過對核心作者以及核心機構的分析有助于更加深刻準確地掌握相關研究領域的研究動態以及趨勢。

為了找到井下定位領域研究的中堅力量和核心作者群體，本文將國內文獻導入CiteSpace軟件， Time Slicing 為From “2003-JAN” To“2022-DEC”，#Years Per Slice 為1，Node Types為“Author”，點擊“Go”，運行CiteSpace，繪制井下定位領域的作者共現圖譜。

其中崔麗珍發文量最高為11 篇，其次是莫樹培（8篇），排在第三的是包建軍（7篇）。

本文使用普萊斯提出的計算公式來計算核心作者發文量［8］。

式中，M為論文篇數，Nmax為最高產作者的論文數，把論文發表數在M篇以上的作者稱為高產作者。

在井下定位領域，Nmax的值為11，則M的值為2.484，取整數為3。故將Node Labels 中被引頻次的Threshold 設置為3，最終的作者合作共現圖，如圖2 所示。根據統計，發文3 篇及3篇以上的作者有46 位，其發文量之和為189 篇，未超過該領域發文總量的一半，表明井下定位領域的核心研究作者群還未形成。

在作者共現圖中，通過節點的大小來表示作者發文數量，節點越大，發文量越多，反之發文量越少；顏色代表發文的年份，顏色越冷表示發文年份越早，顏色越暖表示發文年份越晚；節點之間的連線代表作者間合作關系，連線的粗細代表作者之間合作關系的強度，作者之間的合作越密切，連線越粗。

由圖2 可知，圖譜共含512 個節點、283 條連線、網絡密度0.0022，說明到2022 年底為止該研究領域各作者之間的合作網絡密度較低，各作者以及團隊之間的聯系與合作較少，大部分作者處于獨立研究的一個狀態，長期下去，不利于井下定位領域的研究發展，作者以及團隊間的合作有待加強。

從作者共現圖可以看出，形成了一部分作者之間合作的網絡，依據開始合作年份由遠及近，合作網絡包括以陳丹丹、呂明為代表的合作組合，以黃友銳、唐超禮為代表的合作組合，以汪金花、郭云飛為代表的合作組合和以崔麗珍、郭倩倩為代表的合作組合。

圖2 作者共現圖

同時，利用CiteSpace 6.1.R6軟件的Burstness檢測分析功能分析突現性前13 名的作者，發現莫樹培（突現強度4.66）形成最高的突現強度，在2019—2020 年影響力較大，緊接著就是發文量第一的崔麗珍（突現強度2.49），剩下的11 位作者的突現強度都在2附近，說明他們對于井下定位領域也產生了一定的影響。作者突現圖如圖3所示。

圖3 Top13作者突現圖

4 機構共現分析

通過對研究機構的分析，可以幫助學者對國內該領域的研究現狀及研究實力有更為清晰的了解，可以看出哪些機構在井下定位研究領域發揮著重要的作用，哪些機構之間聯系比較緊密，哪些機構為井下定位研究做出了重要貢獻。

和作者共現圖一樣，時間范圍、切片大小都不變，Node Types為“Institution”，點擊“GO！”，運行CiteSpace，繪制井下定位領域的研究機構共現圖譜，如圖4所示，節點的大小表示發文數量，連線代表機構之間有合作，連線的粗細表示合作的強度。

從機構發文頻次來看，發文量最多的機構是中國礦業大學（發文132篇），其次是安徽理工大學（發文54 篇），排在第三的是遼寧工程技術大學（發文44篇）。

從發文機構圖可以看出高校是井下定位領域研究的主要力量，不少的公司等機構也參與到該領域的研究中。

由圖4 可知，圖譜共含413 個節點、138 條連線、網絡密度0.0016，說明到2022 年底為止該研究領域各機構之間的合作網絡密度較低，反映出研究該領域的機構之間的聯系與合作較少，大部分機構處于獨立研究該領域的一個狀態，孤立的機構較多，只有個別幾個機構間進行過合作。

圖4 機構共現圖

5 關鍵詞分析

5.1 關鍵詞共現分析

關鍵詞是對文章核心內容的高度凝練，幾個詞就可以很好地表征該篇論文的思想內容，是文獻計量研究不可或缺的指標，通過分析關鍵詞共現可以把握領域的研究熱點和研究重點［9］。關鍵詞的頻次能夠體現該領域內最受關注的熱門詞匯，中心性度量了節點在網絡中位置的重要性，反映了其在整個關鍵詞共現網絡中的重要程度，通過分析詞頻，可以確定該研究領域的研究熱點以及發展趨勢［10］。

利用CiteSpace對關鍵詞進行共現，操作方法和作者共現一樣，只不過Node Types=“Keyword”，點擊“GO！”，生成關鍵詞共現圖，并計算中心性，如圖5 所示，節點503 個、連線839 條、密度為0.0066。和前面節點、連線意義相同，節點大小表示關鍵詞頻次，頻次越高則節點越大；連線代表兩個關鍵詞有聯系，某個節點的連線越多，說明其中心性越強，研究深度和范圍就越廣。關鍵詞共現圖線條眾多，連接復雜，說明在井下定位研究領域中各關鍵詞之間聯系密切，井下定位研究涉及的領域廣泛。

從圖5 可以看出，其中人員定位中心性最強，為0.39，圍繞其展開的有定位系統、井下定位、礦井等多個領域。

將頻次大于10 的關鍵詞繪制表格，結果見表1，從而得到排名前十的關鍵詞，分別為人員定位、煤礦、井下定位、定位、煤礦井下、定位系統、精確定位、礦井、射頻識別和定位算法。其中，人員定位、煤礦、井下定位、定位、煤礦井下和定位系統出現頻次超過50次。

圖5 關鍵詞共現圖

表1 頻次大于10的關鍵詞

5.2 關鍵詞突現分析

突現關鍵詞在定義上表示某一時期內，受到學者大量關注并且出現頻次突增的關鍵詞［11］，從一定程度上可以表示該時期相關研究的前沿及趨勢。對CNKI 數據進行突現分析，得到2003—2022 年井下定位相關研究的關鍵詞突現圖，如圖6 所示。將關鍵詞突現圖分為兩部分，2003—2012 年為第一部分，2012—2022 年為第二部分。第一部分中，突現強度最大的是射頻識別（強度為6.31），說明這段時間運用射頻識別技術進行井下定位是研究熱點。李靖等［12］介紹了基于RFID 技術的井下人員定位管理系統在山西高河能源有限公司的應用情況，發現該系統運行穩定，實現了對井下作業人員的綜合管理，提高了礦井抵抗災害的能力，保障了礦井的安全生產。張鵬［13］設計一種基于無線射頻識別技術（RFID）和控制器局域網（CAN）的井下人員定位系統，可以在發生礦難后提供井下人員的大概位置，為救援提供幫助，在平時也可以進行人員的考勤。

第二部分中，突現強度最大的是超寬帶（強度為8.77），說明這段時間井下定位的研究熱點轉到了超帶寬技術。劉書倫等［14］針對目前常用的井下人員定位技術存在的問題，提出了一種基于到達時間差的超寬帶技術的井下人員定位系統，經實驗驗證，該系統有效提高了井下人員定位精度。張海軍等［15］針對煤礦井下復雜環境中非視距（NLOS）干擾影響無線信號傳輸問題，設計了一種基于超寬帶（UWB）的井下人員定位系統。測試結果表明：該系統抗NLOS干擾能力較強，并且可以實現一段時間內的應急通信。

5.3 關鍵詞聚類分析

為進一步挖掘各研究熱點之間的關系，本文在關鍵詞共現基礎上將聯系緊密的關鍵詞進行分組，這一過程稱為聚類，通過聚類能夠對研究熱點中的多條線索進行解讀和追蹤。關鍵詞聚類的參數設定與共現基本相同，采用LLR算法并以“K”為標識來提取聚類標簽，經過整理后聚類結果如圖7所示，共得到12個聚類。

在進行聚類以后，聚類圖中有兩個參數需要注意，即Q值（Modularity，聚類模塊值）和S值（Silhouette，聚類平均輪廓值），這兩個用來表示聚類結果的好壞。當Q大于0.3 時，認為聚類結構是顯著的；當S大于0.5時，認為聚類是合理的；而當S大于0.7則代表這個聚類結果是令人信服的。由關鍵詞聚類圖可知，本次運行中，中文關鍵詞聚類Q=0.6057>0.3，S=0.8835>0.7，由此可見，本次中文文獻關鍵詞聚類結果適用于分析。

可將聚類結果總結為五類：第一類：物聯網，包括#6 物聯網；第二類：定位，包括#0 人員定位、#1 井下定位、#3 定位、#7 定位算法和#17定位引擎；第三類：煤礦，包括#2煤礦；第四類：礦井，包括#4 煤礦井下、#5 井下巷道和#8 礦井；第五類：自組網，包括#9 分站和#18以太網。

6 結論與展望

6.1 總結

本文借助CiteSpace軟件對知網CNKI中關于井下定位領域的1164 篇文獻進行可視化分析，梳理該領域的研究熱點、發展脈絡以及研究前沿，使得對井下定位領域有更加全面的認識。

圖6 關鍵詞突現圖

圖7 關鍵詞聚類圖

經過接近二十年的探索與發展，我國在井下定位領域的研究與相關技術的應用正處于一個穩定發展的時期，雖然近幾年發文數量有所下降，但是相關技術的研究與應用的熱度還是很高；該領域的研究人員和研究機構數量眾多，但是它們之間的交流合作較少；射頻識別技術與超寬帶技術是井下定位的主要技術，但是近幾年超寬帶技術的熱度和應用次數超過了射頻識別技術，可知煤礦井下的情況越來越復雜，并且對于定位的要求也是越來越高。

6.2 展望

針對以上發現的問題，提出如下建議，為接下來井下定位的發展提供一定的參考價值。

（1）加強研究學者之間的聯系。加強研究者們在井下定位領域的交流與合作有利于促進知識的交匯融通，從而有效提升該領域的研究水平和拓展研究范圍，創作出更多高質量的研究成果，形成更多的核心研究團隊，使得井下定位研究緊跟國際步伐。

（2）拓寬機構之間的合作關系。高校與公司機構均有寶貴的資源，包括人才與設備，它們之間加強合作有利于資源的共享，可以提升研究人員的硬件與軟件條件，從而為研究人員創造更好的實驗條件，進而產生更多高水平的研究成果，為井下定位的發展注入更多的動力。

（3）加深對超寬帶技術的研究與應用。煤礦井下情況復雜，已經存在的定位系統在應用過程中依然存在一些缺點，例如，信道衰落、穿透力弱以及抗干擾能力不強等。超寬帶技術（UWB）的優點是信道衰落小、信號穩定性強并且有較強的穿透力，所以對于復雜的井下，超寬帶技術可以很好地發揮作用，滿足井下定位的需求［16］。因此，加深對于超寬帶技術的研究與應用非常有必要，不僅可以實時掌握井下人員的運動情況，同時還可以在災害發生以后為救援提供幫助，最大可能減少人員傷亡與財產損失，提高生產率。