基于CiteSpace的國內(nèi)棉紡智能化研究圖譜分析

曹吉強，王 勇，唐新軍，陳 超

(1.新疆大學紡織與服裝學院，烏魯木齊 830017; 2.安徽工程大學紡織服裝學院，安徽蕪湖 241000; 3.新疆工程學院機電工程學院，烏魯木齊 830023; 4.東華大學紡織學院，上海 201620; 5.濟寧如意新材料技術(shù)有限公司，山東濟寧 272000)

隨著人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+云系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等科學技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，全球紡織制造業(yè)有關(guān)自動化、連續(xù)化、智能化的研究迅速展開，相關(guān)研究為傳統(tǒng)紡紗裝備改造升級指明了方向，為企業(yè)產(chǎn)能的提高提供了必要支撐[1]。而提高紡織企業(yè)產(chǎn)能的重要條件之一就是紡織機械的高端化和智能化，因此，智能紡織裝備與系統(tǒng)成為當前的研究熱點[2]。目前，中國紡織強國的目標已基本實現(xiàn)，棉紡產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能占全球規(guī)模的50%左右，化纖產(chǎn)量占世界70%，貿(mào)易占全球 1/ 3，其中棉紡紗機械在中國紡織機械市場的占比份額高達60%[3]。同時，棉紡智能化發(fā)展也存在一些不足：首先，棉紡產(chǎn)業(yè)鏈中智能化設(shè)備占比率較低；其次，國際高端紡織機器設(shè)備國產(chǎn)所占比例不高，國產(chǎn)智能化水平相對落后；再次，棉紡智能化企業(yè)中多為大型企業(yè)，中小型棉紡企業(yè)智能化很少；最后，還存在國產(chǎn)棉紡企業(yè)智能化成果轉(zhuǎn)化率低、發(fā)展受限，在軋花、染整織造等產(chǎn)業(yè)的智能化研究均較緩慢[4]。Watson等[5]和Gates等[6]通過對棉紡企業(yè)智能化現(xiàn)狀的了解，認為紡織行業(yè)需將有限的資金和研究經(jīng)歷投入智能化工作中；董奎勇[7]通過對棉紡企業(yè)智能化現(xiàn)狀的分析，認為紡織行業(yè)需加強紡織制造業(yè)的戰(zhàn)略定力，加快紡織車間智能化，加快“專精特新”紡織企業(yè)的發(fā)展，加快紡紗機械科技創(chuàng)新和提升高端紡紗機械的智能化，基本實現(xiàn)紡織產(chǎn)業(yè)“十四五”末期的目標，即實現(xiàn)國產(chǎn)紡織裝備國內(nèi)市場占有率穩(wěn)定在80%左右，國產(chǎn)紡織裝備出口金額占比保持在全球的20%以上[8]。

本文借助中國知網(wǎng)(以下簡稱CNKI)數(shù)據(jù)庫對棉紡智能化相關(guān)文獻利用CiteSpace科學可視化分析軟件進行定量分析研究，通過圖譜分析了研究單位、科研機構(gòu)和作者以及關(guān)鍵詞的研究現(xiàn)狀，從學術(shù)研究方面著重分析國內(nèi)棉紡智能化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及研究熱點，為中國紡織機械智能化完成自主創(chuàng)新研發(fā)與夯實紡織強國提供參考，保障中國未來棉紡織業(yè)智能化快速發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來源及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過對CNKI數(shù)據(jù)庫中，在2002—2021年時間跨度內(nèi)，分別以“棉紡”和“智能”為主題詞檢索可分別得到有效文獻6581篇和175.44萬篇，本文以“棉紡”含“智能”為主題詞檢索，查找全數(shù)據(jù)庫中含有棉紡智能化內(nèi)容的文獻，并篩除檢索引擎中的報紙和成果等非文獻類型，同時從文獻結(jié)果中刪除關(guān)鍵詞為“智能紡織品”的文獻資料。最后，在文獻中分別選出約140篇文獻作為可視化分析的樣本，其中含21篇專利。

1.2 處理方法

基于可視化圖譜分析法，利用CiteSpace科學文獻可視化分析軟件和數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計分析軟件，以圖譜和視圖的方式將各年度文獻的數(shù)量、研究單位與作者和關(guān)鍵詞等內(nèi)容進行統(tǒng)計，可視化分析了棉紡織智能化發(fā)展的演變，并采用可視化分析理論和學科專業(yè)知識對可視化圖譜闡述和論述。

2 棉紡智能化發(fā)展圖譜分析

2.1 研究文獻量對比分析

研究領(lǐng)域的文獻量代表了研究的熱度和水平，結(jié)合圖1年份趨勢圖來看，近20年棉紡智能化文獻量隨時間大體呈現(xiàn)增加趨勢，文獻量均呈線性增加。從圖1中發(fā)展趨勢線來看，2002年研究文獻量較少，之后維持在每年4篇左右，從2013年開始棉紡智能化的相關(guān)研究成為熱點，研究文獻量有所增長，到了2016年出現(xiàn)驟增，這歸結(jié)于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，由于疫情的影響，2020年文獻量有所減少，但隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的融入，預計2022年以后文獻量持續(xù)增加，棉紡智能化會成為今后幾年棉紡織領(lǐng)域關(guān)注的重點。

圖1 2002—2021年棉紡智能化文獻量分布Fig.1 Distribution of cotton textile intelligence literature research between 2002 and 2021

2.2 研究單位與作者圖譜分析

為明晰棉紡智能化領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，采用可視化圖譜分析了主要研究單位和研究作者的分布。

圖2直觀地表示棉紡智能化領(lǐng)域的研究單位，字體越大說明其發(fā)文量越多，研究單位字節(jié)之間的連線越密、越寬，代表了合作文獻越多、聯(lián)系越緊密。機構(gòu)之間的網(wǎng)絡(luò)密度為0.0299，表明各企業(yè)單位和科研院所之間交流較少和合作不夠緊密，從稀疏和比較細的連線也可得出，研究單位整體較為分散，多數(shù)為獨立的研究機構(gòu)，并且與企業(yè)間沒有形成良好的合作局面。字體大小體現(xiàn)出“中國紡織工程學會”在棉紡智能化領(lǐng)域具有較多的研究文獻量，反映其具有較高的研究水平，對中國棉紡織業(yè)智能化發(fā)展方面做出了巨大的貢獻；從科研高校的角度分析，其中最為突出的高校是“東華大學”和“江南大學”，尤其是在棉紡機械智能化和預測系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[9]，而在綜合管理和工藝設(shè)計管理系統(tǒng)方面“浙江大學”提供面向棉紡企業(yè)的系統(tǒng)策略[10-11]，需進一步加強校企在應(yīng)用領(lǐng)域的合作研究，將實驗研發(fā)階段的產(chǎn)品實現(xiàn)小試生產(chǎn)；最后，通過文獻和專利的分析發(fā)現(xiàn)各紡機企業(yè)數(shù)量越來越多，尤其是研究紡織機械的單位數(shù)量增多，進一步推動紡機智能化的發(fā)展。

圖2 2002—2021年棉紡智能領(lǐng)域研究單位圖譜Fig.2 Analysis graph of research units in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

圖3為棉紡智能化研究作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜，各作者之間網(wǎng)絡(luò)密度為0.0244，與研究單位表現(xiàn)結(jié)果類似，研究作者的聯(lián)系同樣較為分散，合作者聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)稀疏，僅有3個較大的合作網(wǎng)絡(luò)，其中“袁春妹”和“程隆棣”的合作網(wǎng)絡(luò)較多，說明兩位研究者具有較強的企業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗可以有效指導企業(yè)智能化的發(fā)展。

圖3中分散在外圈的研究者都是以個體研究者的形式呈現(xiàn)，說明了棉紡智能化領(lǐng)域的研究作者尚未出現(xiàn)大批量、聚集性的合作，研究合作者偏少可能是由于企業(yè)注重專利權(quán)的保護未將所做創(chuàng)新型研究公布。同時，還查閱了文獻來源，《棉紡織技術(shù)》、《紡織機械》和《東華大學(碩博論文)》均出版了較多棉紡織智能化相關(guān)的文章，其中，《棉紡織技術(shù)》期刊發(fā)文量最大，從文獻來源角度表現(xiàn)出其在棉紡智能化領(lǐng)域的重要引領(lǐng)作用。

圖3 2002—2021年棉紡智能化領(lǐng)域研究作者圖譜Fig.3 Analysis graph of authors in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

2.3 研究關(guān)鍵詞熱點及研究趨勢

為了探究棉紡智能化的研究熱點和發(fā)展趨勢，以關(guān)鍵詞聚類圖譜、關(guān)鍵詞時間線圖譜和突現(xiàn)詞圖譜分析了棉紡智能化研究的熱點和趨勢。

關(guān)鍵詞作為文獻中的重要組成部分，可以突出文章的核心內(nèi)容，采用關(guān)鍵詞分析圖譜可以有效認清各關(guān)鍵詞概念之間的關(guān)系[12]。圖4為2002—2021年棉紡智能化關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜，由圖4可得到節(jié)點數(shù)和邊數(shù)分別為N=159、E=495，說明關(guān)鍵詞共現(xiàn)研究方面聯(lián)系密切，將關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析后，繼而又做聚類對比，得到關(guān)鍵詞主要分布在9個較大的方向。

如圖4所示用線條做了劃分，關(guān)鍵詞越大說明文獻量越多，且在文獻中出現(xiàn)的頻次越多，說明文章主題之間聯(lián)系越緊密，其中，中心詞“智能化(0.20)”排在了第五位，“棉紡行業(yè)(0.32)”、“紡織行業(yè)(0.27)”、“紡織機械(0.26)”、“棉紡設(shè)備(0.22)”分別排在前四位，紡織機械和棉紡設(shè)備在紡織領(lǐng)域中具有突出作用，與上文研究單位注重紡織機械的研究結(jié)果相匹配。通過對文獻的詳細閱讀分析，其內(nèi)容中不乏含有ERP、CPS、PLM、MES等智能化信息系統(tǒng)的整合與應(yīng)用[13-14]，同時國內(nèi)生產(chǎn)的紡紗機械裝備與各種紡紗關(guān)鍵器材其技術(shù)性能均有顯著提高[15-16]，有的已接近國外水平，可以取代進口[17]，上述系統(tǒng)和裝備與關(guān)鍵器材的應(yīng)用，促進了棉紡企業(yè)信息的數(shù)字化和管理的智能化的實施。圖4中關(guān)鍵詞“轉(zhuǎn)型升級”主要在智能化方面升級，不僅要依賴紡織裝備的自動化、連續(xù)化和高速化[18-19]，生產(chǎn)工藝智能化還要依靠數(shù)字化與信息化[20]。雖然智能化研究已屬研究熱點，但聚類圖譜顯示研究之間交叉少，說明文獻量少，整體發(fā)展和工藝連續(xù)和承接性方面還有欠缺，發(fā)展還較為緩慢。

圖4 2002—2021年棉紡智能化關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜Fig.4 Co-occurrence analysis spectrum of keywords in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

在棉紡智能化領(lǐng)域每個新關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，意味著其領(lǐng)域內(nèi)某項舊技術(shù)被取代或者升級，另外，也可反饋棉紡智能化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢以及今后發(fā)展需要關(guān)注的重點。圖5為棉紡智能化關(guān)鍵詞時間線分析圖譜，可以通過具體關(guān)鍵詞分析出在2002年到2004年各年度的關(guān)注點，以及每個聚類里關(guān)鍵詞的發(fā)展情況，從聚類的9個方面分析棉紡智能化的圖譜，研究年限最久的是紡織機械，主要體現(xiàn)在細紗機和粗紗機等設(shè)備方面，直至2021年仍然是研究熱點。從關(guān)鍵詞時間線上可以看出，“數(shù)字化”“智能化”和“節(jié)能”連線密集程度上最為密集，即為目前棉紡智能化研究熱點關(guān)鍵詞。自2004年在棉紡設(shè)備細紗機上采取智能化措施開始到2009年信息化的普及再到2014年工業(yè)信息的數(shù)字化和自動化實施，逐步實現(xiàn)棉紡智能化技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展。同時，從2009年開始棉紡織企業(yè)進入了轉(zhuǎn)型升級期，在2016年“綠色、節(jié)能、減排”和“工業(yè)4.0”等關(guān)鍵詞匯進入廣大企業(yè)家的視野后，在傳統(tǒng)棉紡設(shè)備上改造升級實現(xiàn)企業(yè)的智能化成為大部分棉紡企業(yè)采取的措施，這需要在紡織機械連續(xù)化、自動化和信息化的基礎(chǔ)上一步步實現(xiàn)[21-22]。隨著棉紡智能化的創(chuàng)新發(fā)展，結(jié)合國內(nèi)對關(guān)鍵詞時間線圖譜聚類分析，“數(shù)字化”“智能化”和“節(jié)能”將成為未來研究的熱點，其中“智能化”未來的發(fā)展趨勢更關(guān)注云平臺、人工智能等科學技術(shù)[23]，這也符合紡織行業(yè)技術(shù)特征的發(fā)展在智能化研究方式上的轉(zhuǎn)變。

圖5 2002—2021年棉紡智能化關(guān)鍵詞時間線分析圖譜Fig.5 Timeline analysis graph of keywords in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

為了更好地把握2002—2021年棉紡行業(yè)的熱點方向與前沿，對棉紡智能化文獻突現(xiàn)詞做圖譜分析，如圖6所示，通過對近20年研究突現(xiàn)詞強度和熱點趨勢分析，可知棉紡領(lǐng)域智能化的影響力逐漸在擴大，強度值排在前列。圖6中顯示被引強度最高的前5個突現(xiàn)詞分別是“紡紗機械(1.61)”、“粗細聯(lián)(1.61)”、“紡紗行業(yè)(1.29)”、“智能制造(1.1)”和“網(wǎng)絡(luò)化(1.06)”；從開始和結(jié)束的時間發(fā)現(xiàn)，突現(xiàn)詞出現(xiàn)的時間節(jié)點與論文數(shù)量增長相一致，集中在2014年；從圖6中可以看出，自2002年以來，隨著時間的推移和研究作者方向的轉(zhuǎn)變，2021年棉紡智能化的研究熱點為“棉紡織”“環(huán)錠紡”和“紡織行業(yè)”，而“智能”貫穿在三個突現(xiàn)詞的各環(huán)節(jié)中。值得注意的是，“網(wǎng)絡(luò)化”“粗細聯(lián)”和“紡織機械”在2014年突現(xiàn)，其強度分別為1.61、1.06和0.7，說明從2014年開始紡織行業(yè)對棉紡智能化研究重視程度加大，智能化成為大型企業(yè)和科研院所正在研究和攻克的熱點。另外，從閱讀文獻中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)既然注重紡織工業(yè)的發(fā)展及帶來的經(jīng)濟效益，就要加大在紡織機械產(chǎn)品研發(fā)方面的投入[24]。通過分析突現(xiàn)詞還發(fā)現(xiàn)，中國在計算機軟件、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等方面，以及在基礎(chǔ)學科方面與紡織相結(jié)合的研究較少，還需要不斷推進具有自動感知、智慧決策、自動執(zhí)行功能的高端智能軟件的開發(fā)和應(yīng)用[25-26]。

圖6 2002—2021年棉紡智能化文獻突現(xiàn)詞圖譜Tab.6 The map of bursts words in cotton textile intelligence between 2002 and 2021

3 結(jié) 論

棉紡智能化是紡織強國的重要標志，本文通過文獻圖譜特征分析得出中國棉紡智能化整體向好發(fā)展?；贑NKI文獻數(shù)據(jù)，采用CiteSpace軟件對國內(nèi)棉紡智能化研究趨勢、研究單位和研究作者以及研究關(guān)鍵詞做系統(tǒng)的圖譜分析。研究結(jié)果表明中國棉紡織企業(yè)智能化發(fā)展有以下特點：首先，棉紡織智能化發(fā)展研究熱度逐年升高，研究熱點也圍繞智能化展開；其次，中國棉紡智能化的研究開發(fā)工作存在研究單位和研究作者網(wǎng)絡(luò)密度較小、交流溝通少及研究單位和研究作者之間合作不夠緊密，尚未出現(xiàn)大批、聚集性合作的單位和企業(yè)及團隊，以東華大學、江南大學為主研究單位說明了中國棉紡智能化還處于研發(fā)探索階段，高校應(yīng)加強與企業(yè)的合作交流，實現(xiàn)企業(yè)和研究院所以及大小企業(yè)之間的信息互通互享，建立共享資源平臺和培訓機構(gòu)，形成較為成熟的智能化體系團隊，逐步攻克智能化核心領(lǐng)域，促進棉紡智能化企業(yè)的發(fā)展；最后，在突現(xiàn)詞圖譜中智能化研究已屬研究熱點，應(yīng)加強計算機軟件、大數(shù)據(jù)分析和人工智能和基礎(chǔ)學科的研究投入，通過分析得到數(shù)字化、智能化和節(jié)能是棉紡智能化企業(yè)研究的熱點詞匯也成為今后棉紡織企業(yè)的研究趨勢。目前，紡織行業(yè)在國內(nèi)制造業(yè)已處于領(lǐng)先，為了促進國產(chǎn)紡織機械智能化的推廣以及提升市場占有額，建議政府單位、研究機構(gòu)、各大院校以及企業(yè)持續(xù)重視對紡紗設(shè)備與紡紗關(guān)鍵器材的智能化及配套設(shè)施的研發(fā)與使用，并研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紡織機械智能化設(shè)備及配套系統(tǒng)，為棉紡織產(chǎn)業(yè)智能化的自立自強提供參考方向。