基于谱图量化的能源相关路面研究热点分析

栗培龙，魏晓凤，朱德健，毕嘉宇

(1.长安大学道路结构与材料交通运输行业重点实验室，西安 710064; 2.长安大学公路学院，西安 710064)

在沥青路面建设中传统沥青混合料及其施工工艺流程对环境带来了诸多不利影响，制约了交通行业的绿色发展[1]，同时热电[2]、压电[3]、光伏[4]等路面的出现加速了路面建设从能源消耗向能源制造的功能转变。随着传统路面向智慧化、智能化、功能化、人性化转变，路面网、互联网、能源网等多网融合的趋势日益显著。但目前中外学者对路面网和能源网两网融合的相关研究较少。且由于多学科交叉的特点，所需阅读的文献数量大，传统文献阅读方式效率低，知识点庞杂为研究带来极大困难，费时费力。为此，提出能源相关路面的概念，并为快速有效地建立起能源相关路面的知识框架，精准把握能源相关路面相关研究的动态，推荐采用文献可视化计量分析工具：Citespace。

能源相关路面是将能源与路面工程相结合，以便实现交通、能源与环境的协调发展。能源相关路面的研究主要包括能源路面和路面能源两方面。能源路面是指通过控制路面建设期间各环节的能源消耗，减少二氧化碳温室气体排放量，实现路面和环境良好的相容性；而路面能源是指通过将路面表面能源如太阳能、光能、热能、荷载等转化为电能或其他可被利用的能源，实现路面与环境良性共生。路面能源为“人-车-路”协调智能化发展提供了可能性，具有很大的发展潜力。

在优化文献阅读方式方面，目前文献可视化计量分析软件已广泛应用于环境保护[5]、能源[6]、生物[7]、应急救援[8]及灾害防治[9]等领域。常用的文献可视化计量分析软件有Citespace、Ucinet、Vosviewer等。与其他文献计量软件相比，Citespace软件操作简单，对同一组数据可多角度绘制图谱，且图谱展示清晰。同时在文献研究层次上，Citespace软件可同时实现研究方向的发展脉络与知识交叉等宏观计量以及某一学术机构或个人的学术贡献等微观计量。

基于此，借助Citespace可视化软件，在Web of Science数据库中以energy pavement为主题词进行文献检索，并分别从文献共被引分析、机构分析及作者分析三个维度等对能源相关路面研究热点及进展进行分析探究，为后续研究提供参考。研究框架如图1所示。

图1 研究流程图

1 数据来源及处理方法

在Web of Science核心合集中以energy pavement为主题，通过article精炼后总共获得2 311条有效文献。选用Citespace5.3R4软件工具分析有效文献。在软件设置中，将时间年限设为1997年1月—2020年11月，时间切片为1年。文本处理中术语来源全选，阈值为40，即选取的对象为每一年中的前40个。为更全面地反映研究热点，节点类型和剪枝类型需根据图谱展示结果做相应调整。此外，为了在对被引文献，作者和机构进行分析时能进一步获取研究主题，采用关键词和LLR(log-likelihood rate)对数似然率算法对图谱进行聚类[10]。聚类时部分聚类由于内部相关性不高、可分析性较差故在图谱中难以显示，聚类序号不连续。软件参数设置界面如图2所示。

图2 Citespace软件参数设置界面

2 热点主题内容分析

2.1 研究进展分析

对能源相关路面以往每年的发文量进行整理并汇总如图3所示。可以看出，2010年以前能源相关路面的研究较少，从2009—2010年开始相关研究突增，随后随年份增长相关研究整体也呈现增长趋势。这符合现阶段道路发展建设的需求。

图3 1997年1月—2020年11月“能源相关路面”发文数量变化

采用文献分析法分析能源相关路面的研究进展，如图4所示。图4中节点越大，表明文献被引用的频率越高，文献的影响力也越大。Santamouris[11]的文章对应节点最大，被引达67次，引用频次最高，因而在能源相关路面领域内具有最重要的影响力。能源相关路面中被引频次最高的前6篇文献及其对应的聚类如表1所示。

表1 被引次数最高的前6篇文献

相近研究主题的文献组成聚类，形成知识群组。结合Citespace软件，由于图4中各聚类板块的颜色最浅，代表研究的年份越接近2020年。因此各知识群组分别代表了能源相关路面的热点主题。由于能源相关路面“多学科交叉”的特性，通过共被引图谱对各热点主题进行宏观和微观追踪分析，认识各热点主题对应的学科分布将十分有助于对能源相关路面展开研究。

2.2 热点主题宏观分析

由图4可知，最大的热点主题是聚类#0沥青太阳能采集器，其次是聚类#1全寿命周期评估，聚类#2温拌沥青，聚类#3热岛效应等。基于对能源相关路面的基本认识，可知目前对能源路面的研究较多，如聚类#1，聚类#2，聚类#3；对路面能源的研究相对较少，最突出的主题为聚类#0。对能源路面和路面能源的主要热点主题进行宏观分析如下。

图4 1997—2020年“能源相关路面”参考文献共被引聚类分析图谱

热点主题#0沥青太阳能采集器。最早提出路面可作为能源收集器是在2001年。路面能源主要包括光能、太阳热能、地热能、由于行驶的车辆和行人而产生的机械能、雨水和风等。该主题以研究沥青太阳能采集器为代表，研究内容涉及能源收集、热传导、导电沥青混凝土、冰雪融化、空气对流、电磁等。旨在通过收集路面能源减少外界环境对既有路面的损害。该主题中引用率较高的文献主要有Bobes-Jesus等[15]在2013年发表的关于沥青太阳能集热器的文献综述，该综述集中阐述沥青太阳能集热器现有的研究进展，包括太阳能收集过程的主要传热机制、不同收集方法及热能收集所涉及变量的影响、对沥青热行为的研究类型等。其次，Pan 等[16]在2015年发表的文章中不仅指出有关水力沥青路面(hydronic asphalt pavement, HAP)的研究现状，还提出未来发展应关注HAP的施工技术、养护技术和长期的使用性能。总体来看，该主题的研究热点集中在压电路面、光伏路面、热电路面，相关研究仍处于探索阶段：理论分析较多且没有形成各自独立的评价标准和规范体系，因而也无法有效地指导实践。通过对路面能源的收集与转化，不仅能有效缓解能源短缺的现状，还能通过集能融雪的技术解决路面结冰、抗滑性低的既有弊端。可以预测，随着智慧公路、智能公路的发展，能源收集技术的提高和应用必将会有更大的发展空间。

热点主题#1全寿命周期评价(life cycle assessment, LCA)。LCA研究产品从获取材料到生产、建造、维修/修复、使用和处置的整个生命周期的环境方面的潜在影响[17]。该研究基础中施引文献首次被共同引用的时间为2008—2011年。以Huang等[18]2009年发表的文章为基础，相关研究涉及路网可持续性、被动式冷却、热拌沥青、施工工艺、寿命周期评估等多项内容。此后在2011年沥青分支下由Santero等[13]发表的综述被引频次达到了整个聚类中的最高值，是2011年该聚类中最有影响力的施引文献。以往的评估模型侧重建立评估道路与环境关联性的基本框架，却无统一的量化标准。而文献[16]指出了现有的关于道路与环境相互作用的全寿命周期评估模型中存在的不足，细化并补充了路面粗糙度和交通延误等尚未考虑在内的影响因素。此外，由聚类#1还可知当下学者们的研究主题多为：采用数据挖掘及建立模型的方法分析包括能源消耗、轮胎-路面相互作用在内的LCA各个阶段的环境影响。

热点主题#2温拌沥青。最早提出通过改进“温拌沥青”可促进公路的可持续发展这一观点是在2002年。与其他热点主题明显不同，该热点主题主要改进沥青路面的生产技术。在2012年该热点主题研究成果显著增长，发文数量达19篇，其中以Rubio等[12]的研究为核心形成关联网络。Rubio等[12]在2012年发表的综述中涉及温拌沥青、全寿命周期评估、分子动力学模拟等领域，提出通过使用有机添加剂、化学添加剂、水基或含水发泡工艺3种技术可实现施工时温拌沥青对高温的要求，从而有效降低拌合沥青对环境的不利影响。尽管该技术已运用于实践并取得良好评价，但该技术目前仍缺乏完整的指导理论和规范指标。

热点主题#3热岛效应。最早定义热岛这一概念的是Manley[19]。此后有关学者基于主题#3开始建立起热岛效应与道路建设之间的联系。聚类#3中施引文献首次被共同引用的时间为2008—2009年。此后对热岛效应的研究主要集中在沥青可再生路面、水泥混凝土路面、雨水收集、生命周期评估、养护维修策略等研究模块。由图4可知，Santamouris[11,20]在2013、2014年发表的相关研究文献的burst值明显高于其他文献，说明这两篇文献短期内被大量引用，对2013—2014年的研究具有重要指引作用。Santamouris[11]在2013年发表的利用降温路面缓解城市热岛的文章中指出，在环境气候影响下与路面结构有关的温度参数主要有热导率、热容性、路表面对流换热等；Qin[14]在2015年发表的综述中对Santamouris[11]提出的降温路面做了补充。尽管两人的成果对主题#3的研究具有重要参考，但仍没有解决水对透水和保水路面热性能产生的不利影响。此外，随着近两年道路研究向微细观方向发展的趋势，也有学者提出通过控制路面粗糙度、轮胎与路面的接触等减少车辆行驶产生的能耗，间接缓解热岛效应。

2.3 热点主题微观分析

除了可由聚类的排序、分布及内容等从宏观上把握能源相关路面研究所涉及的知识领域，还可从微观上把握能源相关路面某一篇文献的研究进程。图谱中红色的点为具有突发性、爆破性的关键文献，即在特定时间内被高频引用的文献。关键文献不仅代表当时的研究热点，对之后的研究热点的发现和迁移也起到关键作用。它的出现既可能与国家或地方政策有关，也可能是某一领域取得了重大性发现。近几年能源相关路面中部分关键文献如表2所示。可以看出，对Santero等[25]在2011年发表的文章的关注度从2015年开始一直持续至2020年，表明截至2020年11月，对全寿命周期评估的研究是能源相关路面最新的研究热点。

表2 被引文献突变强度排序

3 热点主题研究机构及作者合作分析

在社会网络分析理论的形成中，Granovetter[26]提出社会网络“弱连接优势”的概念并认为新观点和新信息一定来自与其他不同群体中的个体间的弱关系，处于结构洞未知的个体透过信息过滤可获得更多竞争优势与创新能力。由于能源相关路面多学科交叉的特点，基于已有知识储备快速定位和解读各机构学者的研究方向及研究内容，精准定位、快速捕捉相关学术交流活动、访学活动等对缩短研究进程、挖掘创新点具有重要意义。

3.1 机构合作分析

机构合作网络图谱如图5所示。可以看出，Chang’an Univ.(Chang’an University)和Univ.lllinois(University of Illinois Urbana-Champaign)节点较大，表明Chang’ an Univ.(Chang’an University)和Univ.lllinois(University of Illinois Urbana-Champaign)在能源相关路面发表的论文数量较多且影响力很大。各点间连线越粗表明二者间合作越紧密。参考各机构的研究主题更有利于针对性地、快捷有效地获得全面系统的认识。此外，Harbin Inst.Technol.(Harbin Institute of Technology)、Tongji Univ.(Tongji University)、Rutgers State Univ.(Rutgers, The State University of New Jersey)等机构的“burst”值较高，表明其发表的论文被引用率突增，该机构在该领域的研究最具权威性。通过对发文数量较多或具有“burst”特性的机构的追踪，可以获取各机构的最新研究动态。能源相关路面中发文频次大于43的机构如表3所示。

图5 机构合作网络聚类分析图谱

由表3可知，在能源相关路面领域研究成果最多的前三名机构分别为：Chang’ an Univ.(Chang’an University)、Univ.Illinois(University of Illinois Urbana-Champaign)、Southeast Univ.(Southeast University)。以Chang’ an Univ.(Chang’an University)为例，2019年，太阳能-路面和谐共生的概念被提出，在阐述利用太阳能优势的同时也指出了这一应用对环境的负面影响[22]。可以预测，有效建立起路面-环境的和谐共生将是中国下一阶段能源相关路面研究工作的热点之一。

表3 研究能源相关路面的主要机构(发文频次≥43)

3.2 作者合作分析

为使作者合作网络图谱中各研究主题更加鲜明，将聚类方式改为“title term”。对得到的作者合作网络聚类图谱中各主要聚类的代表学者及作者发文数量整理如表4所示。

表4 各聚类名称及其代表学者

其中聚类#0、聚类#2、聚类#3为路面能源方向，涉及路面能源收集与转换。聚类7、聚类#10为能源路面方向，对应的热点主题为温拌沥青。

以所含作者数量最多的聚类#0为例，对聚类#0研究最活跃的作者为Al-Qadi I L。如文献[17]提出了基于环境和经济绩效相结合的生命周期解释(life cycle interpretation,LCI)评估方法，并对常规热拌沥青玛蹄脂碎石(stone mustic asphalt,SMA)和添加化学添加剂的温拌SMA进行了LCA和寿命周期成本分析(life cycle cost analysis,LCCA)。实验后证明了温拌SMA显著的环境效益。由图谱中与Al-Qadi I L有关联的作者的分布可知，Al-Qadi I L发表的多篇论文也被El-Khatib A、Singhvi P引用，并用于研究温拌沥青相关内容，对能源相关路面在温拌沥青方向的研究热点的推进影响力很大。由聚类间关系可知，Lytton R L、Santamouris M都位于聚类间交界处，说明他们为不同主题的联络者，其研究领域具有跨学科属性；现有的研究集中在少数几位学者当中，并且各研究主题下的代表学者几乎与其他聚类的研究学者没有较多沟通。但是，必要的沟通更有利于加速整个研究的进程。

4 结论

借助Citespace软件，分别从文献共被引、机构合作、作者合作3个维度分析探究了能源相关路面的研究热点。得出如下结论。

(1)现阶段研究的热点主题涉及沥青太阳能采集器、全寿命周期评估、温拌沥青、热岛效应等多个研究基础。当前研究热点集中在全寿命周期评估、能源收集两个研究方向。

(2)Santamouris[11]在2013年发表的文献对应节点最大，被引频率最高，其影响力也最大；其burst值较高，短期内该文献受到的关注度较大，对后续研究的意义也越大；两篇文献间的连线越粗，二者在研究主题或内容上就越相似，共被引联系就越紧密。

(3)Chang’an Univ.(Chang’an University)和Univ.lllinois(University of Illinois Urbana-Champaign)在能源相关路面发表的论文数量较多且影响力很大。Harbin Inst.Technol.(Harbin Institute of Technology)、Tongji Univ.(Tongji University)、Rutgers State Univ.(Rutgers, The State University of New Jersey)等机构在各自领域的研究最具权威性。

(4)能源相关路面的学科交叉性较强，研究仍处于初级研究阶段，缺乏相应的细化标准和指导规范，因而将能源相关路面的理论应用于实践还需要进一步研究。