分享：基于知识图谱的埋地管道研究现状与创新性分析

埋地管道运输作为一种具有良好经济性、快捷性和可靠性的运输方式，近年来得到快速发展[1-4]。据统计，发达国家三分之二以上的油气均是通过埋地管道进行运输的[5-6]。随着我国西部大开发战略的推进以及“一带一路”倡议的实施，管道运输行业的规模也得到了飞速提升[7-9]。2023年5月，在陕西省西安市举行的中国-中亚峰会为“一带一路”注入了新动力，也为埋地管道的发展输送了新活力[10]。因此，系统全面地了解我国在埋地管道及其检测领域的研究现状、把握和指导研究态势和方向，对该领域的研究开展综合系统的分析具有很大的必要性[11-15]。 

知识图谱（MKD）分析是一种借助现代计算信息技术开展的信息文本挖掘分析手段，已广泛应用在文献信息收集与分析方面[16-19]。利用知识图谱可以通过聚类和共现等方式具体形象地展示某个科学研究领域的核心结构、研究热点以及作者机构等关键信息和隐含关系[20-21]。伍其兵等[22]将知识图谱分析应用于掺氢天然气管道领域的研究分析中，梳理了国内外研究现状并对未来演进趋势进行了预测；吴张中[23]将科学知识分析应用于油气管道地质灾害风险管理中，为管道地质灾害风险评价及防治的智能辅助决策提供了可行路径。 

综上，笔者采用成熟的信息可视化软件CITESPACE和VOSVIEWER进行优势互补[24-26]，对国内外埋地管道领域的研究文献开展知识图谱分析，系统揭示该领域的研究现状与发展趋势。通过对比分析国内外研究的差异与特色，进一步预测国内未来研究方向，并提出创新性研究建议。研究成果对埋地管道及相关领域的工程实践具有重要参考价值。 

1.   数据来源与发文量分析

国内研究中以中国知网（CNKI）作为数据的来源，为了确保数据的全面性和前沿性，检索时间设置为2000年1月至2022年12月。同时为了使研究更具代表性和准确性，选取中文核心期刊、EI期刊等高水平具有代表性的文献，再对检索到的文献进行去重等优化整理后得到有效文献样本334篇[27]。国外研究中样本文献数据来源于国外收录范围最全面、最广泛的Web of Science文献收录库，并选择Web of Science核心合集，检索2000至2023年间关于埋地管道及其检测防护领域的英文文献，将检索到的文献进行筛选和剔除，最终得到370篇有效文献[28]。 

为了更加直观地了解和观察埋地管道相关文献产出和发展情况，将选取的国内外相关文献进行年限产出情况分析，制成2000-2022年的文献时序图，如图1所示。 

图  1  发文量时间图谱

Figure  1.  Publication volume time map

通过分析2001-2023年国内外埋地管道研究领域的发文量，提出以下两个主要发现： 

（1）国内外发文量自2000年来均为增长趋势，总体上分为三个阶段。第一阶段（2000至2005年）为缓慢发展阶段，国内外年均发文量均为十篇以内，相关领域的研究还处于萌芽阶段。第二阶段（2005至2015年）为快速发展阶段，年均发文量呈波动式上升，整体增长稳定，埋地管道领域的研究较为火热，具有良好的研究热度。第三阶段（2015年至今）为稳定发展阶段，国内外发文量保持较高的稳定状态，说明经过第一、二阶段的发展，经过理论和实践的积累和沉淀，埋地管道研究领域的行业体系已初步建成，相关研究已相对成熟。 

（2）在第三阶段（2015年至今），虽然国内外的发文量均为增长状态，但是国外的发文量明显多于国内，导致这种现象与不同国家埋地管道发展差异有关。但也说明未来我国在该领域的研究仍具有很大的发掘空间，尤其是在我国“一带一路”等国家战略的推进下，未来国内研究需进一步聚焦该领域。 

国内外关键词共现.   聚类分析

共现、聚类分析是构建知识图谱中最常见的方式。共现分析是一种文献计量方法，通过量化分析文献中作者、关键词、机构等特征信息的共同出现频率，构建可视化知识图谱，揭示这些要素间的关联性及其潜在规律。聚类分析是基于共现分析的特征分类方法，通过度量特征项间的关联强度，将密切相关的特征聚合为不同簇团，并以知识图谱形式可视化呈现分析结果[29-31]。 

国内外关键词共现   聚类图谱

为了分析国内外埋地管道在管道相关研究文献中出现的频次，探究埋地管道的发展历程，分别在CNKI和Web of Science文献收录库中以“油气管道”作为主题进行搜索，同时设置相应的文献出版时间段。在此基础上，再以“埋地管道”作为主题词在检索结果中进行搜索，对所得文献进行筛选处理后，留下具有代表性的高质量文献，得到不同时间段埋地管道在整个管道领域研究中的研究文献占比和发展情况，如表1所示。 

由表1可见，国内外关于油气管道领域的研究文献量整体呈大幅上涨趋势，其中涉及埋地管道的文献也呈增长趋势，且国内的增加量和占比大于国外。 

为了进一步对埋地管道领域的相关研究进行分析，运用Citespace软件对CNKI中的334篇相关文献进行关键词共现分析，设置关键词出现的最小次数为3次，并对关键词数据进行清洗和去重处理，最后得到由297个关键词和691条节点连线共同组成的关键词共现图谱，网络密度为0.0134，如图2所示。图中每个圆圈节点代表一个关键词，由共现图谱可见，在埋地管道研究领域，阴极保护、腐蚀、检测、防腐层以及数值模拟等为高频关键词，视为研究领域中的重点和热点，占主导地位。 

图  2  国内关键词共现图谱

Figure  2.  Domestic keyword co-emergence map

为了探索研究不同关键词之间的联系，在关键词共现图谱的基础上对其进行聚类，得到关键词聚类图谱，对聚类后的不同领域进行深度分析，如图3所示。关键词共现聚类后，共形成7大聚类，分别为：埋地管道（#0），该类别领域主要以弱磁检测和小波变换等检测方面为研究点；腐蚀（#1），其中主要涉及防腐层和杂散电流的研究；阴极保护（#2），主要涉及破损点和腐蚀检测；涂层（#3），其中外检测和涂层技术为重点；综述（#4）；泄漏（#5）；在线监测（#6）。 

图  3  国内关键词聚类图谱

Figure  3.  Domestic keyword clustering map

在关键词的共现、聚类知识图谱中，节点、字体以及区域的相对大小代表不同的重要程度，字体越大、节点越大表示关键词出现的次数越多，重要性越高。连接线表示不同关键词之间的关联程度，连线密集的关键词节点即处于核心位置或对信息的流动起到控制作用。由图2和图3可见，在埋地管道领域，阴极保护、腐蚀和检测技术为核心研究主题，这同时也反映了该领域的中心度。埋地管道、阴极保护以及检测领域与其他区域连线极为密集，说明该领域的研究大多需要这两方面的知识支撑，这对未来研究和实践也具有一定的指导意义。 

在国外文献的研究调查中，运用VOSviewer将从Web of Science核心文集中检索筛选得到的370篇文献进行知识图谱分析，共得到1 427个关键词，设置关键词出现的频次阈值为4，保留80个高频关键词后得到2000-2022年国外埋地管道研究领域关键词聚类图谱，如图4所示。在此基础上选取各类别频次前十的关键词进行汇总，如表2所示。 

图  4  国外关键词聚类图谱

Figure  4.  Foreign keyword clustering map

通过观察国外埋地管道研究领域关键词聚类图谱（图4）并分析关键词分类和频次表（表2），可知主要关键词为探地雷达、泄漏检测、管道、神经网络、深度学习以及反演，其中探地雷达出现的频次最高，说明国外较早将探地雷达应用于埋地管道领域，且现阶段应用成熟[30]。同时从研究类别上分析，国外在埋地管道领域的研究大致分为五类，分别为管道检测领域、管道特性分析领域、腐蚀保护领域、检测信号领域和其他领域。其中，管道检测领域以探地雷达和神经网络研究为主，管道特征分析主要涉及泄漏检测和噪声研究，腐蚀保护领域以阴极保护和腐蚀为主，而检测信号领域则侧重信号变换和处理等方面的研究。 

对比国内外关于埋地管道领域中的研究工作，可以归纳以下三点：（1）国内研究的主攻方向和研究热点比较集中，而国外的研究方向较为分散、研究领域更为广泛。（2）国外在埋地管道的检测防护方面，注重腐蚀泄漏后的检测，而国内主要关注对管道的保护和防护，例如管道防腐层等。（3）国外广泛将神经网络和深度学习应用于该领域，神经网络和深度学习属于现阶段的高端技术，国内也有例如在线检测等的高端技术，但是规模和广泛性略逊色于国外[31]。这对国内行业研究的科研工作者也具有一定借鉴和指导作用。 

2.2   国内外关键词中心度与联系强度表

为了对国内外埋地管道研究领域进行更加具体、形象的分析，在上述关键词共现、聚类分析的基础上，对其进行归并同义词、删减无关词等优化处理，并选取国内外出现频次前二十的高频关键词，国内外埋地管道研究领域关键词的频次、中心度、总强度以及首现年份的共现指标表，如表3、4所示。 

对关键词共现指标表进行分析，通常认为某研究领域内出现频率高、中心度高以及强度高的关键词为该领域的研究中心和热点话题。由表3可知，国内关于埋地管道的研究，埋地管道、腐蚀、阴极保护、检测以及防腐蚀层等为中心热点话题；由表4可知，国外以探地雷达、管道和泄漏检测等为主要研究方向。由此可知国内外研究中心热点存在相似之处的同时也包含一些差异，这主要和国内外埋地管道的基本情况和政策有关。 

作者.   机构共现分析

3.1   作者共现分析

作者共现水平在一定程度上可以体现，该研究领域的学术影响力和学术氛围，可为该领域的发展提供指导。经过数据处理，选取作者出现频次不低于3次为阈值，得到作者共现图谱，如图5所示。 

图  5  国内作者共现图谱

Figure  5.  Domestic authors co-appear the map

由作者共现图谱可知，在调查范围内，中国在埋地管道研究领域的科研工作者共计206人，图中显示了以何仁洋为例的25位主要研究人员。图谱中节点之间的连线代表作者之间的交流合作，图中共有节点连线62条，代表作者之间共合作了62次。整体来看，国内埋地管道研究领域的研究人员联系较为密切，但是存在团队情况，在团队内的人员合作甚多，团队与团队之间的交流合作则相对较少。这种情况在一定程度上限制了该领域学术的发展和进步，在未来的研究工作中，学者们尤其需要注意。 

在上述分析的基础上，筛选出发文量前20的研究工作者，制得作者、发文量与年份的共现指标表，如表5所示。通过表5可有效了解该领域研究现阶段研究热度以及未来发展前景。 

由表5可见，何仁洋作者发文量最多，且发文较早。此外，周鹏、柳言国、王新华和杨永等作者发文也较多[32-33]。由表5还可见，近五年的发文量较丰富，其中何腾蛟、刘艳军、杜艳霞以及何萌等作者的文献占多数[34-35]。由此可见，该领域的研究仍保持较高的热度，后续研究工作仍具有较大可开发性。 

3.2   机构共现分析

在对埋地管道研究领域的作者进行分析的基础上，对研究机构和单位进行分析，得到机构、单位的共现分析表，如表6所示。 

由表6可见：发文量在十篇及以上的机构单位共有8家，且这些研究机构大多集中在石油高校以及与石油行业相关的研究院中[36-38]，这些机构具有先进的理论研究成果和成熟的技术手段，相关研究工作的可靠性高，在埋地管道领域的研究中起引领作用。 

4.   发展趋势预测与综合评价

4.1   时间线图与发展预测

通过CiteSpace软件生成的关键词图谱经过处理可以形成关键词的时间线图，如图6所示关键词以时间轴的方式呈现，通过关键词的时间线图可以清晰了解埋地管道相关领域研究的演进过程，便于研究未来该领域的发展趋势和提供相关指导。 

图  6  国内埋地管道发展时间线图

Figure  6.  Timeline map of domestic buried pipeline development

由图6可见，在埋地管道研究的初期，类似防腐蚀层、涂层防护、机理分析等前期管道保护处理的研究居多，这些研究大多可以归类于埋地管道建设工程建设时期。在近些年的研究中，仿真研究、塌陷分析、检测优化、信号分析以及维修策略等后期检测维护方面的研究较为火热。这种发展演变过程和我国国情、政策以及管道行业的发展有关，在2000年左右，我国的埋地管道行业属于起步时期，大多工程属于建设时期，因此多注重在埋入地下前对管道进行防腐蚀层等防护处理工作，这和前期的研究热点相呼应。随着我国城镇化建设、西气东输等与管道行业相关的国家策略的推进以及埋地管道工作年限的增长[39]，管道腐蚀、生锈和塌陷等缺陷逐渐产生，因此缺陷检测、信号分析和维修策略等逐渐成为近些年的研究热点。 

如今，埋地管道相关方面的研究已趋于稳定状态，但是随着国家的发展和社会的进步，管道运输业的规模将继续稳定增长。众所周知，在长期大量运输情况下，相比于铁路运输和公路运输，采用管道运输是最安全、最有效的。与此同时，近四十年来我国石油行业和天然气行业的跨越式进步也带动着我国管道行业的发展，截至2022年，我国油气管道里程已达到15.5万千米[40]，且放眼全球，我国的管网系统未来将继续保持较快的速度稳步增长，管网系统安全问题的重要性未来将稳步提高，尤其是在埋地管道方面更为突出。 

因此，该领域的前期理论研究和后期实践检测在未来将继续保持较高热度，同时，科研工作者们对该领域的发掘空间仍然很大。 

4.2   管道安全评价与创新性研究

在埋地管道研究领域，管道安全评价分析是至关重要的。结合关键词共现、聚类图谱和时间线图分析，腐蚀是管道安全性的重要影响因素之一，因此对管道腐蚀情况进行评估，采取防腐措施是保障管道安全的重要环节。同时，阴极保护、涂层质量和管道泄漏问题也需要得到重视。阴极保护和涂层能够有效防止管道内腐蚀和外部环境的侵蚀，而管道泄漏可能造成环境污染和安全事故，因此对泄漏风险进行评估，并建立有效的泄漏监测和应急处理措施至关重要。另外，定期对埋地管道进行内部和外部检测也是保障管道安全的重要手段，这有利于对埋地管道的安全性进行全面评估，及时发现问题并采取相应的措施，以保障管道系统的安全运行。 

在未来埋地管道发展中，管道检测和信号分析会继续保持研究热度，结合埋地管道检测的实际操作和对国内外相关文献的调查发现两个问题：（1）该领域的检测缺少搭载装置，对检测的快速性和高效性影响较大；（2）在进行埋地管道非开挖缺陷检测时，常见的方法有瞬变电磁法、漏磁检测法以及弱磁检测法[41-42]，但是单一方式检测效果具有局限性，且信号特征不够明显。 

针对检测设备繁多、检测效率低等问题，未来可以在可搭载瞬变电磁检测设备的自动小车上进行相关的创新性研究。同时可针对自动小车的稳定性和平稳性展开创新性研究。 

针对单一检测方式信号特征不够明显、具有局限性的问题，未来的研究可以采取多种检测方式联合检测。与此同时，对多种信号进行优势互补、融合加强以及特征突显的数据处理技术也具有良好的研究前景。 

5.   结论

（1）学术界对埋地管道研究领域给予了长期的高度关注，该领域的研究也长期保持较高的热度。从2000年至今整体发展大致可分为三个阶段：第一阶段（2000-2005年）缓慢发展阶段；第二阶段（2005-2015年）快速发展阶段；第三阶段（2015年至今）稳定发展阶段。未来我国在该领域的研究仍具有很大的发掘空间。 

（2）关于埋地管道，国内研究的主攻方向和研究热点比较集中，而国外的研究方向更广泛；国外在埋地管道检测防护上注重腐蚀泄漏后的检测，而国内主要关注对管道的防护，缺陷检测在近些年才逐渐发展，同时国内在高端检测领域的研究规模和广泛性略逊色于国外。 

（3）国内在该领域已具有一批高发文量的研究专家，且在石油高校和相关领域研究院中已形成一些专业型研究团队，他们具有先进的理论研究成果和成熟的技术手段，相关研究工作的可靠性高，在埋地管道领域的研究中起引领作用。 

（4）在埋地管道领域，前期理论研究和后期实践检测在未来将继续保持较高热度。该领域在多方式联合检测、信号特征突显等数据处理技术以及自动检测小车研发等方面，具有良好的创新性研究前景。 

文章来源——材料与测试网