我国水利信息化应用研究热点主题及趋势探析

张 科 ，王亚红

（1.陕西省水资源与河库调度中心,陕西 西安 710004；2.宝鸡市凤翔区水资源事务中心,陕西 宝鸡 721400）

0 引言

水利工程部已先后在2018年、2019年公开颁布了《有关加速推动智能水利工程健康发展的指示若干意见》《智能水利工程总体设计实施方案》,两者对我国水利现代化建设奠定了总的基调,从国家层面正式推行了“智慧水利”的发展[1]。截至目前,可以了解到信息化技术在水利行业中的应用范围主要覆盖三个阶段即设计阶段、施工阶段与工程管理阶段。设计阶段应用到的技术包括BIM设计、云大物移智、智慧工地、建设管理、工程数字资源池、调度系统等,施工阶段应用到的技术包括“云大物移智”“BIM+GIS”等,工程管理阶段应用大数据、云计算、物联网、BIM技术、数字加密技术的工程数据资源中心、智能视频监控、BIM+GIS 工程可视化系统、自动化控制系统等[2]。通过各阶段的信息技术应用,提高了规划设计质量和效率、提升了施工管理效率和水平、保障了调度运行安全和有序。但不可避免地由于各种因素使得信息化技术在水利行业的实际应用过程仍然会出现很多问题,为使水利行业内的人更加了解并正确使用信息化技术,实现“智慧水利”的美好愿景,有必要对水利行业信息化技术的应用现状展开深入研究。本文主要运用文献计量分析,运用CiteSpace可视化数据分析软件系统,根据绘制的组织间协作网络、关键词共现、信息聚类和时序图等图谱,对CNKI数据库中1996 年～2021 年有关中国水利产业及信息化科技应用研究成果的有关文章进行可视化计算分析,并阐述其目前以及未来发展的科研热点和趋势。

1 研究工具及数据来源

1.1 研究工具

本研究成果主要使用由美国德雷塞尔学院陈超美教授开发的信息系统科学计算可视式调查资料分析应用软件系统CiteSpace作为研发开发工具,主要用于解析某些科学技术或调查领域的研究热门和发展趋势。CiteSpace是将信息进行系统科学的计算,应用文献计量学法与信息资源发掘计算集成法将数据可视化的方式,通过信息系统科学计算可视化图像、建立节点之间的关系,来解析研究对象间的共现关联和共引关系等。通过使用CiteSpace,能够探析该领域科学研究的基本特征和主要发展途径,从而寻找其研究热点和研究发展的趋势[3]。为此,本文作者使用了CiteSpace软件绘制了可视化分析图像,并通过对各个图像特征进行细致的理解和剖析,探索水利行业信息化技术的应用进程和变化规律,从而能够客观性地解析和评价该领域的研究全景。

1.2 数据来源

本文以CNKI为基础文献检索系统,并选用了CNKI数据库系统完成了高等级搜索,在高等级搜索中选取了“文献”的主题搜索,搜索条件为“水利信息化”or“‘水利工程’and‘信息化技术’”,共获得论文1502 篇（2021 年12 月14 日检索）。剔除了学术会议报告、科技成果和报纸的资料外,共计1291条。将目标论文根据CiteSpace所需的引用文献格式进行导出并转码,获得目标论文研究样本信息库。

2 结果与分析

2.1 基本情况统计

发文数量随年份的分布状况。图1展示了中国水利与信息化部科研论文在国内学术网络与出版总库（CNKI）中发文数量随年份变化的状况。从图中可看出,探究性学术论文于1996年首次发表,从1996 年～2000 年期间发文数量一直较低,均在五篇以内；从2000 年之后发文数量才逐步上升,至2017 年发文数量到达了高峰,当年发文为114篇,此后每年发文量幅度较小,呈现平稳之态。由此可知信息化科技在水利行业中的运用已引起了国内学者们的普遍重视,并且随着年份的变化研究深度也在发生着不同的变化。

图1 1996年～2021年水利行业信息化技术应用研究文献发表情况图

2.2 高产机构及核心作者群

运行CiteSpace,设置时间跨度为1996年～2021年,时间切片为1year,节点类别为机构,TOPN=50,把三组c,cc,ccv都设置为2,2,20,其它参数为默认设置,从而得到了节点数为806,连线数为1,密度为0的机构共现络知识图像（见图2）,从得到的信息图像中可看出,水利部水文局、水利部水利资讯中心、江西省水利工程署等机构的信息节点较大,节点越大表示被引用频次越高,进而表明了这些机构在中国水利信息化研究领域具有一定的权威性。但从图中也可以得到信息节点间的连接数只有一条,连接数代表节点间的联系,而连接数量越多说明节点内部联系就越紧密,由此可知各机构内部基本没有什么联系,缺乏协同意识。和机构设置图一样,运行软件得到节点数为1732,连线数为1542,密度为0.001的作者共现络知识图谱（见图3）。从图中可以看出,唐文哲、吴泽昆、张亚坤、余自业、蔡阳等人节点数较大且具有明显的内部合作关系,展现了本行业较强的专业学术水平。

图2 高产机构共现图谱

图3 核心作者群共现图谱

2.3 研究热点主题

研究热点体现了对某一研究领域的研究重心和倾向,对进一步理解和分析这一领域的研究内涵,有着非常重大的意义。关键词作为每一本论文中最主要的核心凝练,在某一领域关键词出现频次较高就体现了这一领域的重要科研热点。关键词聚集分析的方法主要是以关键问题字共现分析方法为基础,把关键字共现网络关系利用聚合统计的方式,精简为数量相对减少聚集的过程。本论文采用关键词聚类分析的方式对水利工程信息化应用领域的研究热点领域展开深入剖析,以探索当前水利产业信息化应用领域的研究最热主题。

执行于CiteSpace,设置节点类型为关键词,所选择的三组c,cc,ccv依次是2,2,20；2,2,20；3,3,20。其它的参数设置也与机构参数相似,在关键词知识网络图像的基础上,通过选择LLR算法,可以获得如图4所示关键词聚类的网络图像。图中展示了“水利信息化”“智慧水利”“水利工程”“水利部”“水利现代化”“云计算”“信息管理系统”“水利行业”等八个聚类,反映了当前中国水利信息化领域的研讨热点。

图4 关键词聚类网络图谱

在关键词聚类分析法知识的图谱基本上,从“ClusterExplorer”中可以得出对数似然率（聚类标记词提取计算之一）,得出关键字共现网络聚类表（见表1）。表中聚类大小主要指该类团中的标签词数量,其中数量小于10的类团没有突出的代表性,剪影度主要是指该类团中标签词之间的黏合度,一般在0～1之间,越接近1的类团黏性越强。

表1 关键词共现网络聚类表

对各种聚类分析法中的标签词加以分析后发现,各聚类分析法的研究内容之间具有互相交错现象,从而可以把当前水利工程信息化技术应用研究内容概括为“水利信息化”“水利工程”“信息化技术”等三个主要范畴。

1）“水利信息化”研究主题。“水利信息化”领域包含“gis”“金水工程”“发展思路”“数据仓库”“遥感技术”等关键词。水利工程信息化是指全面利用现代信息,进一步开发和使用水利信息资源的一项工作手段,内容涉及水利信息的收集、传输、贮存与管理,由此来提高水利业务活动的效率与效能。我国自1995年启动建立了我国水情电脑广域网起,信息化技术在中国水利领域广泛的使用就开始全国大范围的推广与实施。2001年以后,中国水利工程部组织确定了“以水利工程信息化建设推动水利工程现代化发展”的发展,同年开展座谈会将水利工程信息化工程建设定名为“金水工程建设”。Arcgis、3S、BIM等空间信息技术均被使用在水利信息化领域中。

2）“水利工程”研究主题。“水利”领域包含“水利”“信息化技术”“信息技术”“信息化建设科技”“管理”等关键字。水利是指为了管理和控制大自然的地表水和地下水,以实现除害兴利目的而修筑的系统工程,之后又被称为“金水工程”。2012 年中央一号文件,以实施“金水工程”为具体措施和工作重点,以国家防洪抗旱指挥系统和全国水资源信息系统的建设为当前重点任务,要为下一个目标“十二五”的工作实现奠定基础,在这之后水利工程建设在国家的推断下不断呈现新的面貌与发展。

3）“信息化技术”研究主题。“信息化技术”领域包含“智慧水利”“大数据”“资源整合”“webgis”“物联网”等关键词。水利产业中所包含的信息化技术通常分为空气信息和新一代的计算机技术,其中空气信息又一般分为“3S”信息,即遥感（RS）、全国位置控制系统（GPS）、地域信息系统（GIS）这三种。新兴信息系统,主要指利用物联网、移动互联网、云计算技术、区块链、BIM（建筑工程信息系统）科技、互联网、人工智能等全新信息系统。自20 世纪80 年代遥感、GIS、图像识别技术被引进土壤资源丧失研究管理工作后,利用遥感影象进行土壤资源缺乏动态监测管理工作就变成了常规[4]。2005 年之后,中国长江流域科研院所空气信息技术应用研究院（后又称长科院空气所）也纷纷依托GIS、遥感、计算机技术、物联网等现代科学技术,探讨了水利工程行业智能化模式,来推动空气信息系统与水利工程行业的多维融合[5]。经过近几年的发展,他们已经在智能流域管理技术手段及决策支撑平台开发、空天一体化综合监控系统建设、流域内水旱灾害监控及应急管理等各项工作中做出了许多优秀成果,为以后的进一步开创了先河。

2.4 研究趋势

突现词通常是某一时期内被引用频率突然提高的关键词,也可用于反映在某一时间阶段内的研究趋势。鉴于此,为深入研究当前中国水利产业信息化技术的发展,运用了CiteSpace,将参数设置为“Burstterms”,将突现的时间最小值调至五,从而得到了关键词突现图（见图5）。

图5 关键词突现图

从图中可以得知,在1996年～2000年间的突现词为“水利信息化”；2001年～2005年间的突现词为“水利现代化”；2002年～2009年间突现词为“水利部”；2003年～2007年间突现词为“国家防汛抗旱指挥系统”；2009年～2015年间突现词为“顶层设计”：2010年～2014年间突现词为“信息安全”；2013年～2018年间突现词为“云计算”；2015年～2019年间突现词为“物联网”；2016年～2021年间突现词为“大数据”。其中“大数据”突现率一直持续至今,说明该研究目前为我国水利行业信息化技术应用的主要发展趋势。

此外,关键字时限图谱既能够用来表现某一科学研究主题中随持续时间而变动的重点科学研究内容,也可以在一定程度上体现某一时间段内某一聚团的重点科学研究趋向,所以运用了CiteSpace,在关键字的共现分析方法基本上,按时限区段制作了关键字时限图谱（见图6）。

图6 关键词时序图谱

在图中可以发现在各个时代中的技术关注点都有所不同。这样,即可将当前水利工程信息化技术应用研究的发展阶段区分为基础发展时代、稳步发展时代、创新时期三种技术发展阶段,以便于更进一步地分析当前水利工程产业中信息化技术应用的发展阶段。

1）基础发展时期（1996年～2005年）。在这一阶段随着我国综合国力的提升,国家水利行业在起步发展时期。值得一提的是,1998年发表在OA’98办公自动化的国际学术会议文章集中张世平等人就初步给出了综合水利信息业务网构建方法和实践要义,并提出了在综合水利工程信息化建设网运营之时,要同步进行视频、数据、话音等多媒体业务等综合信息的传输,这对网络组的技术需求较高等[6]。2001年水利部水利信息中心总工程师张建云,分析了此前我国水利行业信息化技术应用的现状,虽然我国从1995年就开始全面建设水情计算机广域网,还初步建成了“国家水温数据库”,提升了我国防汛信息的时效性,但技术水平低、专业技术人员缺乏,还是无法满足现代城市水利信息的工作要求。同时,他还认为未来的中国水利信息化研究要从基本信息系统建设、基础数据库系统、综合信息系统三方面的研究不断深入[7]。2001年～2003年期间由于我国洪涝灾害频发,国家颁布了《全国水利信息化规划》,提出全面总结了近年来水利信息化工作发展和建设我国防洪抗旱指挥工程发展的成功经验,并研究和部署了新形势下怎样做好水利信息化工作的发展和建设我国防洪抗旱指挥工程,这标志着我国水利行业信息化技术的应用正式开始在全国范围内进行更大深度的推广与应用。

2）稳步发展时期（2006年～2013年）。在这一阶段,我国对水利工程产业信息化的研究工作逐步增加,呈现了一种长期稳定的发展态势,包括以“金水工程”命名的水利工程信息化建设项目,都获得了重要发展,进一步提高了水利工作的技术含量与水平,推动了水利工程现代化的发展进程[8]。这一时期蔡阳、詹全忠等人在水利信息化研究工作中取得了突出的成绩,他们认为如何做好水利信息系统的运行保障工作室是当前亟待解决的问题[9]。因此这个阶段涌现出大量信息化技术在实际应用中的研究成果。此外,与我国水利部省级工作人员们在开展了少有的技术协作交流活动后,研究了“以信息系统集成为基础、组件设计为方式、领域结构为支持、信息系统门户系统为窗口”的面向工程信息化建设发展交易中介件与应用服务网络平台的新结构。该平台通过建立的Portlet库,可以方便搭建水利信息门户；通过业务组件库,可以方便实现应用整合,由此实时水雨情交换与查询系统的全面推广应用已见实效[10]。

3）新时期（2014至今）。在这一时期,随着物联网、信息化、虚拟化、人工智能、5G等新兴科技的发展,智慧水利成为当前水利领域的重要研究内容和发展方向[11]。基于水安全、水资源、水生态、水环境、水行政这五个方面的智慧水利应用层在新时代背景下也通常被用于城市供水、农业灌溉、河湖水质检测、水工建筑安全监控以及洪旱灾害风险评估与预警的工作中。可以看到,未来一段时间内依托GIS、BIM、3S等一系列新型技术的支持下,智慧水利仍然是水利行业从业工作者的学习与研究方向。

3 总结与展望

论文内容以水利行业的信息化应用情况为主要研究主体,并利用国际文献计量与分析软件CiteSpace,对CNKI数据库中每个年度（1996年～2021年）的主要相关论文内容进行了可视化数据分析,并通过对研究论文中的主要源期刊论文数据、发文机构和科研学术合作、关键词聚类和时序图等信息图谱与数据的解析,总结了中国水利行业信息化技术应用情况研究的主要特征概况、研究主体及其科研导向。

研究结果表明:

1）就目前中国水利与信息化领域研究性文献的发文量分析,总体发文数量大致呈现逐渐增加态势,且从2001年以来发文数量逐步增加后至2017年一直热度不减,之后每年均保持相当的数量,说明水利信息化的研究从逐渐受到关注变成热门以后就开始保持一个平稳的变化与发展了。

2）从研究高产机构分析,研究机构间的发文数量悬殊很大,而组织内部连线数量却很少,研究表明各组织之间大多是相互独立研发,与其他组织间并没有协同。而研究也表明水利行业在信息化技术应用研发的主体研究能力方面,与我国的研发组织大多在不同的水利企事业单位内部建立了一定关联,其中首先以我国水利部机构为研究核心,向水利行业信息化技术应用提供了关键性的研发支撑并贡献了主要的成果,其次是学校机构特别是河海大学和北京科技大学,发文数量上都领先于其他组织,这都是该领域研发的主要驱动力。未来还可以增进各科学研究院校与公司之间的参与和协作,以扩大双方科研深度,并共同吸收科研经验成果。

3）在中国水利产业信息化科技应用的研发热点方面,主要概括为三大研发导向,依次是：信息技术应用手段导向与信息技术建设管理导向。1996年～2021年,水利产业与信息化技术应用研究热点始终围绕着防洪抗旱、环保生态建设和信息化技术等重大问题,其研究层次不断深入,研究方式也从传统理论框架和因素分析方法,逐步发展为以实际工程和数据应用导向的计量与验证分析方法,为以后水利信息化发展明晰了方向。