海洋油氣安全生產(chǎn)領(lǐng)域的知識圖譜研究

胡瑾秋教授 張來斌教授 馬 曦 陳怡玥

（中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249）

0 引言

海洋石油是一個風(fēng)險以及收益都非常巨大的行業(yè)。海上油氣田的勘探、開發(fā)基本上是通過海上平臺和浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）實現(xiàn)的。因為開發(fā)條件的限制，海上平臺空間狹小，人員、設(shè)備、開采、集輸作業(yè)集中在有限的區(qū)域內(nèi)，極易發(fā)生危險。因此，強(qiáng)化海洋石油開發(fā)中的安全問題是一個重要的課題。隨著海洋石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展，海洋石油生產(chǎn)安全領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究也逐漸受到國內(nèi)外廣泛學(xué)者的關(guān)注[1-13]。

知識圖譜[14]（Knowledge Graph/Vault）又稱為科學(xué)知識圖譜，在圖書情報界稱為知識域可視化或知識領(lǐng)域映射地圖，是顯示知識發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一系列各種不同的圖形，用可視化技術(shù)描述知識資源及其載體，挖掘、分析、構(gòu)建、繪制和顯示知識及它們之間的相互聯(lián)系。在學(xué)術(shù)研究中應(yīng)用知識圖譜可有效地反映研究領(lǐng)域的基本情況和發(fā)展趨勢[15-17]。

本文選擇Web of Science（WOS）數(shù)據(jù)庫收錄的海洋石油生產(chǎn)安全科學(xué)領(lǐng)域的文章作為研究對象，初步繪制了該領(lǐng)域的知識圖譜，以期對該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究發(fā)展提供有價值的信息。

1 數(shù)據(jù)來源

為較大限度的檢索海洋油氣生產(chǎn)安全領(lǐng)域的發(fā)表文章，在一定范圍內(nèi)調(diào)研了該領(lǐng)域的主要研究課題[1-14]有：重大事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機(jī)理、安全檢測與監(jiān)測、動態(tài)風(fēng)險評估和事故預(yù)警、關(guān)鍵設(shè)施健康狀態(tài)及結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)控、事故預(yù)防與控制（安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)）、重大事故應(yīng)急技術(shù)及裝備和典型事故仿真及模擬軟件。在WOS中檢索對應(yīng)主題在2000-2018年的題錄共4757條，其中“Offshore Oil Accident”主題相關(guān)題錄577條，“Offshore Oil MonitorDetect”主題相關(guān)題錄1732條，“Offshore Oil Risk”主題相關(guān)題錄1720條，“Offshore Mechanical Integrity”主題相關(guān)題錄244條，“Offshore Accident PreventionSafety Standardization”主題相關(guān)題錄114條，“Offshore Oil Emergency”主題相關(guān)題錄285條，“Offshore Accident Simulation”主題相關(guān)題錄85條，刪去重復(fù)文獻(xiàn)后共4025篇。

2 研究方法

文章運(yùn)用CiteSpaceV軟件對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，主要包括研究時空分析、關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析、主題聚類分析和研究前沿趨勢分析。通過對研究時間分布、國家機(jī)構(gòu)與作者合作等空間分析，不同研究者和研究機(jī)構(gòu)的影響力及相互合作關(guān)系；從關(guān)鍵詞共現(xiàn)中了解到展示海洋油氣生產(chǎn)安全領(lǐng)域的演進(jìn)過程；通過主題聚類圖和前沿趨勢進(jìn)行研究前沿和未來研究趨勢分析。

3 海洋油氣生產(chǎn)安全研究現(xiàn)狀分析

3.1 文獻(xiàn)時間分布特征

2000-2012年期間，關(guān)于海洋油氣安全生產(chǎn)領(lǐng)域論文數(shù)量以約13%的增長率穩(wěn)定提升；自2012年后每年論文數(shù)量明顯提升，關(guān)注度逐年加大；在2018年論文數(shù)量進(jìn)入快速發(fā)展階段，增速達(dá)25%，具體，如圖1?？梢娫谖磥韼啄?，海洋油氣安全生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)的研究將繼續(xù)以較高的熱度持續(xù)發(fā)展。

圖1 2000-2018年海洋油氣生產(chǎn)安全領(lǐng)域論文數(shù)年度趨勢Fig.1 Annual trend of number of papers in the field of offshore oil and gas safety in 2000-2018

3.2 文獻(xiàn)空間分布特征

3.2.1 發(fā)文國家/地區(qū)分析

通過研究國家及機(jī)構(gòu)的發(fā)文情況，有助于了解各國科研單位的研究力量分布和研究合作情況。

繪制國家發(fā)文情況分布，如圖2，從國家合作分布來看，各國之間表現(xiàn)出較緊密的合作。

圖2 國家發(fā)文量與中心性分布Fig.2 The volume and central distribution of national publications

發(fā)文量與中心性分析，見表1，其中美國（555篇）、中國（415篇）、挪威（403篇）、英國（298篇）、加拿大（202篇）發(fā)文數(shù)量位居前五位；從中心性來看，挪威（0.50）、中國（0.48）、美國（0.32）、英國（0.30）、加拿大（0.24）位居前五位，我國以中心性0.48位于第二位。由此來看，雖然我國在此領(lǐng)域的發(fā)表文章略低于美國，但中心性與排名第一的挪威十分接近，表明我國與全球?qū)W術(shù)合作研究較為緊密，今后應(yīng)繼續(xù)保持。

表1 國家發(fā)文量與中心性分布Tab.1 The volume and central distribution of national publications

3.2.2 發(fā)文機(jī)構(gòu)分析

繪制機(jī)構(gòu)分布，如圖3，可見國際機(jī)構(gòu)之間也維持著較多的學(xué)術(shù)合作。

圖3 發(fā)文機(jī)構(gòu)與合作分析Fig.3 Analysis on the organization and cooperation of issuing documents

發(fā)文量與中心性分析，見表2，可以看出在發(fā)文量方面，挪威斯塔萬格大學(xué)（76篇）、加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)（74篇）、挪威科技大學(xué)（52篇）、中國石油大學(xué)（38篇）、德州農(nóng)工大學(xué)（27篇）排名前五。在發(fā)文量前十的機(jī)構(gòu)中中國科研機(jī)構(gòu)就包括中國石油大學(xué)、中國海洋大學(xué)和大連海事大學(xué)三位，說明了我國科研機(jī)構(gòu)是全球該領(lǐng)域研究的重要力量。

表2 機(jī)構(gòu)發(fā)文量與中心性分析Tab.2 Analysis on the volume and centrality of the documents issued by the organization

3.2.3 作者合作分析

分析作者共被引分布，如圖4，從施引文獻(xiàn)的標(biāo)題中提取聚類命名術(shù)語進(jìn)行聚類，采用對數(shù)似然比（Log-Likelihood Ratio, LLR）算法聚類方法對共被引作者進(jìn)行聚類，由聚類命名可以看出分析文章中有一部分可能是對海洋生態(tài)環(huán)境的研究，剩余部分是對海洋油氣安全領(lǐng)域的研究。

圖4 發(fā)文作者共被引分析Fig.4 Analysis of cited authors

排除匿名發(fā)文，被引作者排名，見表3，前三的有Camilli R（45篇）、Hazen TC（42篇）和Kostka JE（38篇）。

表3 被引作者頻次排序Tab.3 Frequency ranking of cited authors

3.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

主題詞反映了文章研究領(lǐng)域，主題詞共現(xiàn)圖譜，如圖5。在主題詞共現(xiàn)圖譜的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以文章題目命名的聚類，基本與檢索題錄時使用的主題詞一致。主題詞頻次排序（表4）前5的有Offshore Oil（海洋油氣）、Oil Spill（溢油）、Gas Industry（油氣工業(yè)）、Marine Environment（海洋環(huán)境）和Offshore Structure（海上結(jié)構(gòu)）。進(jìn)一步挖掘各細(xì)分領(lǐng)域的研究發(fā)展情況，進(jìn)行主題聚類與研究前沿趨勢分析。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類分析Fig.5 Keywords co-occurrence and cluster analysis

3.4 研究主題聚類分析

文獻(xiàn)共被引反映一個學(xué)科或一個研究領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)。知識基礎(chǔ)是有利于進(jìn)一步明確研究熱點的本質(zhì)概念。如果把研究前沿定義為一個研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，那么研究前沿的引文就構(gòu)成了相應(yīng)的知識基礎(chǔ)。

表4 主題詞出現(xiàn)頻次排序Tab.4 Ranking of occurrence frequency of subject words

進(jìn)行共被引網(wǎng)絡(luò)聚類，生成圖6的網(wǎng)狀圖，從施引文獻(xiàn)的標(biāo)題中提取聚類命名術(shù)語，聚類名稱可反映研究前沿領(lǐng)域，采用LLR聚類方法得到最大的6種聚類：Archaeal Communities（古生菌群）、Oil Spill Problem（溢油問題）、Biological Effect（生態(tài)圈影響）、Emerging Challenge（新興的挑戰(zhàn)）、Oil Spill Tracking Application（溢油跟蹤應(yīng)用）、Offshore Platform（海上平臺）。

由聚類結(jié)果看出海洋油氣安全領(lǐng)域的研究主要分布在后5個區(qū)域中，這5個研究區(qū)域中的主要施引文獻(xiàn)，見表5。

圖6 引文共被引聚類圖譜Fig.6 The cluster map of co-citation

3.5 研究前沿趨勢分析

從每一研究區(qū)域的時間線發(fā)展情況來看（圖7），溢油問題類的研究一直以來備受研究關(guān)注，在2013年出現(xiàn)了關(guān)鍵性的研究成果；新興挑戰(zhàn)類的研究在2010年和2013年都出現(xiàn)了重要的文章發(fā)表；海上平臺類的研究在2004年的研究成果受到高頻次的引用，近年來突破性研究成果較少。為進(jìn)一步挖掘各細(xì)分領(lǐng)域的研究發(fā)展情況，分別針對海洋油氣事故研究和海洋油氣應(yīng)急技術(shù)研究領(lǐng)域開展進(jìn)一步分析。

圖7 共被引文獻(xiàn)時間線Fig.7 Time line of co-citation documents

表5 五個聚類領(lǐng)域下的主要施引文獻(xiàn)

3.5.1 海洋油氣事故研究前沿趨勢分析

進(jìn)行共被引網(wǎng)絡(luò)聚類，生成圖8的網(wǎng)狀圖，從施引文獻(xiàn)的標(biāo)題中提取聚類命名術(shù)語，聚類名稱可反映研究前沿領(lǐng)域，采用LLR聚類方法得到最大的5種聚類：Major Accident（重大事故）、Sustainable Response Strategies（持續(xù)響應(yīng)策略）、Challenging Oil Bioremediation（挑戰(zhàn)石油生物修復(fù)）、Prestige Oil Spill（威望號原油泄漏）與Preventing Offshore Oil（防止海上溢油）。

圖8 海洋油氣事故研究共被引文獻(xiàn)聚類Fig.8 Clustering of co-citationcited articles in the study of offshore oil and gas accidents

3.5.2 海洋油氣應(yīng)急技術(shù)前沿趨勢分析

分析作者共被引分布，同樣從施引文獻(xiàn)標(biāo)題中提取聚類命名術(shù)語進(jìn)行聚類，得到最大的4種聚類分別為：Evacuation Operation（逃生操作）、Emergency Condition（應(yīng)急狀態(tài)）、Gas Industry（油氣產(chǎn)業(yè)）與Training Standard（培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)）。同時進(jìn)行共被引網(wǎng)絡(luò)聚類，生成圖9的網(wǎng)狀圖，從施引文獻(xiàn)的標(biāo)題中提取聚類命名術(shù)語，聚類名稱可反映研究前沿領(lǐng)域，采用LLR聚類方法得到一個聚類，即Offshore Emergency Condition（海上應(yīng)急狀態(tài)）?？梢娫诤Ｑ笥蜌鈶?yīng)急技術(shù)的研究方面相對其他研究方向較為獨立，研究合作相對較少。

圖9 海洋油氣應(yīng)急救援研究共被引文獻(xiàn)聚類Fig.9 The co-citation clustering of research on offshore oil and gas emergency rescue

4 結(jié)論

基于WOS數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果，運(yùn)用科學(xué)知識圖譜的方法對海洋油氣生產(chǎn)安全領(lǐng)域的發(fā)表成果分析結(jié)果如下：

（1）海洋油氣安全領(lǐng)域整體發(fā)文量呈上升趨勢，其中該領(lǐng)域的7個主要研究主題，包括重大事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機(jī)理、安全檢測與監(jiān)測、動態(tài)風(fēng)險評估和事故預(yù)警、關(guān)鍵設(shè)施健康狀態(tài)及結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)控、事故預(yù)防與控制（安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)）、重大事故應(yīng)急技術(shù)及裝備、典型事故仿真及模擬軟件，發(fā)文量也表現(xiàn)出相似同步的上升趨勢。

（2）從發(fā)文國家來看，美國是發(fā)文量最多的國家，挪威表現(xiàn)出最活躍的國際學(xué)術(shù)合作。中國發(fā)文量與中心性都位于第二，機(jī)構(gòu)發(fā)文量排名前九中有三位是中國科研機(jī)構(gòu)，說明我國對于海洋油氣安全領(lǐng)域研究基數(shù)大且在國際間合作密切。

（3）對引文共被引進(jìn)行分析，挖掘出了以施引文獻(xiàn)標(biāo)題命名聚類名稱的6類主要研究前沿領(lǐng)域，得到每個領(lǐng)域的時間線發(fā)展情況和關(guān)鍵文獻(xiàn)。對作者共被引進(jìn)行分析，Camilli R和Hazen TC是在海洋油氣安全領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的學(xué)者。

（4）進(jìn)行主題詞共現(xiàn)分析，主題詞反映了主要研究領(lǐng)域，“海洋油氣”和“溢油”是該領(lǐng)域文獻(xiàn)使用頻率最高的兩個關(guān)鍵詞，對關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜進(jìn)行聚類，得到與檢索題錄時使用的關(guān)鍵詞一致的聚類結(jié)果。