基于Citespace的边坡离散元研究文献计量分析_刘汉雄.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202206051开放科学（资源服务）标识码（OSID）基于 Citespace 的边坡离散元研究文献计量分析刘汉雄（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉430056）摘要：基于 Web of science 数据库，以 20102021 年检索的 851 篇边坡离散元期刊论文为样本，利用 Citespace 对该领域内论文发表数量、国家/地区和机构、作者和期刊以及高中心性关键词进行文献计量和可视化分析。结果表明：目前中国处于边坡离散元研究领先地位，国际合作较少，核心发文机构为中国科学院和中国地质大学；GEOTECHNIQUE 和 ENG GEOL 杂志为边坡离散元研究的代表性期刊，涉及学科主要为工程技术和地学；自 20102021 年离散元在边坡方向研究的总体发展脉络清晰，前期以完善基础知识为主，后期则着重于结合工程实际。研究结果有助于理清边坡离散元的整体研究脉络，对研究现状和热点提供分析。关键词：边坡；离散元；Web of Science 数据库；Citespace；可视化图谱中图分类号：P642.22文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0063 07 0 引言离散元方法是由美国学者Cundall 教授于1979 年基于分子动力原理提出的，用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。因岩体内部存在结构面，而非完整的连续介质，故传统的有限元法或边界元法解决问题存在极大误差，而离散元方法原理简单，计算结果更接近实际情况。在近 40 年的发展中，离散元方法广泛应用于岩土、矿冶、农业、食品、化工和环境等多个相关领域。在 1986 年第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会上，王泳嘉教授首次向我国岩石力学与工程界介绍了离散元法的基本原理及几个应用例子1-2。离散元方法目前主要研究层面在于逐渐向着精细化(微观机制)和复杂化(如多场耦合)发展3。边坡离散元方法研究旨在准确模拟边坡宏观/微观的动态变化，对解决现有实际问题具有重大意义。文献计量分析型文章是基于相关数据库从不同角度如科学类别、高产作者、机构和关键词等方面对目标论点多角度分析，确定研究规律，预测研究趋势4-5。Citespace 是一款由美国德雷克塞尔大学陈超美团队开发的能够对大量文献进行可视化分析6，因其数据好获取、能快速梳理繁杂信息生成图谱，功能全面，能清晰的从各方面展现某个知识领域或学科在一定时间内的发展，目前已广泛应用于多个领域7-9。边坡离散元研究已经取得巨大发展，逐渐建立以实例为基础构建的边坡模型以解决各类问题，如预测滑坡危险性、重建滑坡演化过程、模拟滑坡的运动特性、模拟滑坡运动学过程和沉积特征、对滑坡进行力学分析、模拟颗粒柱崩塌时岩屑运动及其破坏力的评价、路堑边坡开挖稳定性及加固处治机理宏细观分析、模拟斜坡在振动试验台下的动力响应、基于能量原理的顺层路堑边坡突滑失稳机制、运用 EDEM 软件采用簇颗粒方法手动创建道砟离散元模型、评价大型边坡的破坏影响、分析岩崩和岩崩过程中的岩石破碎、基于离散元的铣挖法施工关键参数研究、预测岩崩块体轨迹及速度、柔性障碍在自然环境下的响应10-24。目前，国内已有大量边坡方向研究的综述性文章，比如从风险管理框架入手的风险管理、滑坡灾害风险区划分与预测研究、基于机器学习的区域滑坡危险性评价、边坡倾倒变形机理的稳定性分析、浅层滑坡的文献计量分析，多为对边坡风险评价或稳定性分析的论述性文章，少有关于边坡离散元研究的相关综述25-29。本文主要基于 Citespace 对近 11 年的边坡离散元研究论文提取相关信息并生成可视化图谱，以大量论文为样本，以宏观视角分析其分布及发展规律，论述其不足并给出相应建议。收稿日期：2022 09 13作者简介：刘汉雄（1985），男，湖北武汉人。高级工程师，硕士，主要从事公路与桥梁工程勘察设计工作。E-mail：。刘汉雄：基于 Citespace 的边坡离散元研究文献计量分析 63 1 数据采集与分析方法 1.1 数据采集以 WOS 核心合集数据库作为文献来源，文献类型选择Article，检索跨度为2010 年1 月2021 年8 月，检索主题为“discrete element and slope”或“distinct element and slope”为主题词检索，共得到 851 篇有效文献，将检索文献的记录内容选择为全纪录与引用的参考文献后以纯文本格式导出。1.2 分析方法将 851 条数据导入 CiteSpace 5.8.R1 软件，时间分区为 20102021 年，切片单位 1，阈值 Top50，裁剪功能根据实际网络的可读性选择寻径网络或最小生成树两种裁剪方式。对文献进行关键词共现、机构合作、作者合作、文献共引、作者共引以及期刊共引分析，得到各个方向的分析结果，绘制可视化分析图谱。2 结果分析 2.1 论文发表数量变化20102021 年边坡离散元研究在 WOS 核心文集中变化，见图 1。发文量在不同年份呈现波动性增长，总体呈上升趋势，2020 年相关专题年发文量从 36 篇增至127 篇。表明越来越多的学者使用离散元方法研究边坡，近几年相关文章逐年发文量波动性上升，预计未来十年，边坡离散元研究将登上一个新台阶。393742605672 71781019412774201020112012201320142015201620172018201920202021020406080100120140论文篇数/篇出版年份图120102021 年在 WOS 核心文集中发文量变化 由于离散元软件运算复杂，门槛较高，2012 年以前年发文量均在 40 篇以下。自 2013 年以来，研究文章逐年上升，在五年中年，发文量达到了 100 篇以上。说明目前正处于边坡离散元研究的发展期，随着年发文量的增加，也预示着该课题的相关研究正在不断深入，表明近 11 年内的研究热点主题具有重要意义。2.2 国家/地区和机构20102021 年边坡离散元研究发文国家/地区合作网络，见图 2。节点数 66 个，289 条连线，图谱中对应节点的大小反应国家/地区发文量的多少，表明共有 66 个国家/地区参与了边坡离散元研究，共有 289 次合作。合作网络密度仅为 0.137，反映出各个国家/地区之间的合作交流较少，国际资源不整合，不利于该研究方向的发展进步。发文前 10 名的国家/地区，见表 1。总结了各个国家/地区的总发文量、自 2010 年的发文起始年、中心性。近十年发文总量第一的中国发表 330 篇，占全部数量的 39%。美国发表 151 篇，位列第二，加拿大发表 71 篇。SWITZERLANDUSAITALYGERMANYPEOPLES R CHINAENGLANDIRANJAPANCANADAFRANCEAUSTRALIA图220102021 年发文国家/地区合作网络 表120102021 年发文前 10 名的国家/地区国家数量起始年中心性中国33020100.37美国15120100.28加拿大7120100.15德国6820100.12法国6720100.22英格兰6620100.15意大利5820100.09澳大利亚4820100.10日本3420110.06伊朗3320100 中心性是测量节点在网络中重要性的指标，也是作为桥梁的中介能力指标，以此衡量文献的重要性和信息控制能力，在可视化图谱中则表现为中心性大于 0.10 时节点外圈会出现紫环以作重点标注且节点亮度更加突出。中国的中心性达到了 0.37，位居列表第一，表明中国在国际合作中占主导地位，其次是美国。法国发文数量排名第五，但中心性排名第三，表明法国相关文章虽数量少但颇具代表性。参与研究的机构有 329 家，发文量前二十家机路基工程 64 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）构，见表 2。16 个来机构自中国，其余 4 个分别来自法国、伊朗、加拿大、意大利。发文量第一的机构是中国科学院，是中国自然科学最高学术机构，中心性 0.17，发文量 50 篇，其次为中国地质大学21 篇，同济大学 11 篇，前七名均为中国机构，表明中国已有多个机构在此方向进行了深入研究。前二十家发文机构中，高校占 90%，表明研究多停留在理论层面，工程应用方面还存在欠缺。表220102021 年边坡离散元研究发文机构 TOP20机构起始年中心性数量中国科学院（中国）20100.1750中国地质大学（中国）20140.0321同济大学（中国）20150.0117四川大学（中国）20160.0616成都理工大学（中国）20130.0415河海大学（中国）2018015清华大学（中国）20120.0114格勒诺布尔大学（法国）20150.0113阿米尔卡比尔理工大学（伊朗）20130.0110西南交通大学（中国）20200.0210天津大学（中国）20180.0110西蒙弗雷泽大学（加拿大）2010010中国地质科学院（中国）20120.029重庆大学（中国）20200.018浙江大学（中国）201808米兰比科卡大学（意大利）20150.017山东大学（中国）201707台湾大学（中国）20140.027中国矿业大学（中国）20120.016长安大学（中国）20190.016 边坡离散元研究发文机构图谱，见图 3。Hohai UnivSichuan UnivChina Univ GeosciChongqing UnivShandong UnivNatl Taiwan UnivTsinghua UnivChinese Acad Geol SciUniv Milano BicoccaChengdu Univ TechnolChinese Acad SciZhejiang UnivTianjin UnivSouthwest Jiaotong UnivTongji UnivAmirkabir Univ Techno图320102021 年边坡离散元研究发文机构图谱 来自同一国家的机构往往具有较多的合作关系。从机构合作（连线数量）、发文数量（节点大小）及中心性（节点外紫圈）三方面来看，中国科学院均为研究的代表性机构。美国虽发文总量排名第二，但在机构统计中前二十名却未出现美国发文机构，说明美国在边坡离散元研究机构众多，但其相关核心机构几乎没有。2.3 作者和期刊作者共线分析，主要识别团队间的合作情况及各个团队对课题的研究深度。共 365 个节点和198 条连线，合作网络密度仅为 0.003。即共有365 人进行过研究，但只有 198 次合作，超过半数作者只在此方向发表过一篇文章，以发文量为度量选取部分相关作者显示在图谱中。20102021 年边坡离散元研究发文作者合作网络，见图 4。NENGPAN JULONGQI LIDOUG STEADSHAORUI SUNJIHONG WEIHUILIN LEKAMRAN GOSHTASBISEYED SALEH BEHBAHANIKAVEH AHANGARIPARVIZ MQAREFVANDCHUN LIUCHIAMING LOMINGLANG LINJIE HULIPING LISHANGQU SUNWEI CHENCONGXIN CHENTINTING LIUYUN ZHENGDA HUANGDONGMING GUWENGANG ZHANGZHEN WANGWEIYA XUHUANLING WANGFRANCOIS NICOTFELIX DARVEZINAN LIJINGQING LVFAMING ZHANGMENGLOG DONGFENG DAITAO ZHAOGIOVANI BATTISTA CROSTAYIKUI WANGXIEKANG WANGMING LEIMENGCHIA WENGDOMINIQUE DAUDONPASCAL VILLARDVINCENT RICHEFEUGUILHEM MOLLONSHICHUN ZHAOZHIXIANG YUMARCANDRE BRIDEAU图420102021 年边坡离散元研究发文作者合作网络发文量最高为 5 篇，且仅有 3 位作者在近十年发表论文 5 篇，其次，有 9 位作者发文量为 4 篇，4 位作者发文 3 篇，余后大量作者在近十年总发文量仅有 12 篇。且发文量前三名均是从 2018 年才开始投入边坡离散元研究，而发文量为 34 篇的作者，也是在 20122021 年间才开始此方面的研究，后来居上，表明前人对边坡离散元研究较零碎，因为相关理论未完善，相应的数值分析软件也正在发展中。作者多为以研究边坡为主的研究者，在研究边坡的过程中使用过 12 次离散元方法，也未能深入。究其根源，离散元堆积模型的宏观力学性质与单元力学参数间的关系不明确，现代工程中常常面临着多场和流固耦合问题，难以直接获得特定力学性质的模型，定量建模困难。20102021 年（8 月）全球边坡离散元研究在 Web of science 核心论文集中所发表的 851 篇期刊论文，排名前十名的 10 本期刊的载文情况，见表 3。载文最多的期刊为 GEOTECHNIQUE（318篇），其次为 ENG GEOL（315 篇）、INT J ROCKMECH MIN（314 篇）、COMPUT GEOTECH（237篇）和 ROCK MECH ROCK ENG（224 篇）。期刊所属专题类别多数为工程技术和地学两大类，综合性期刊也占前十分之一，仅涉及到此三类期刊，表明发文内容比较聚焦。2021 年 6 月查询数量排名前十名载文期刊的影响因子，除去综合性期刊，刘汉雄：基于 Citespace 的边坡离散元研究文献计量分析 65 其余期刊影响因子 38，均为高影响因子期刊，反映目前高质量文章数量较多，但结合发文机构和作者的相关分析，核心发文机构和核心作者较少，研究缺乏领头人和核心研究机构。表320102021 年边坡离散元研究发文期刊统计期刊名称（缩写）数量起始年中心性学科及分区国家期刊影响因子（2020年）GEOTECHNIQUE31820100.18工程技术2区英国5.458ENG GEOL31520100.04地学2区荷兰6.755INT J ROCK MECH MIN31420100.01工程技术2区英国7.135COMPUT GEOTECH23720100.12工程技术2区英国4.956ROCK MECH ROCK ENG22420100.08工程技术2区奥地利6.730CAN GEOTECH J18020100.30地学3区加拿大3.725NATURE16420100综合性期刊1区英国49.962GEOMORPHOLOGY15720100.01地学2区荷兰4.139INT J NUMER ANAL MET15720100.06工程技术3区美国4.264LANDSLIDES15720100.02地学2区德国6.578 2.4 研究主题辨识与发展研究主题呈现多元化，进一步对 WOS 核心论文集论文关键词进行聚类分析，聚焦研究主题，得到关键词知识图谱，见图 5。将中心性大于等于0.01 的关键词根据年份区分，见表 4。可表明逐年的研究热点及研究的总体发展脉络。到 2010 年截止，关键词主要分为两大类，第一类是“模型”、“离散元方法”、“运行方式”和“数值模拟”等与离散元相关的内容，第二类是“崩塌”、“边坡”、“泥石流”、“稳定性”和“演变”等与边坡研究相关的词条。Numerical analysisGranular flowDemNumerical modellingSlopeElement methodDebris flowBehaviorRock slopeMobilityStability analysisTrace elementMotionMotionEarthquakeEvolution图520102021 年边坡离散元研究发文关键词图谱 表420102021 年边坡离散元研究发文关键词相关信息年份关键词（中心度）年份关键词（中心度）年份关键词（中心度）年份关键词（中心度）2010模型（0.11）2011公式（0.02）2013地球化学（0.01）2015机械特性（0.01）离散元方法（0.11）扩展（0.03）地表（0.06）历史记录（0.01）仿真（0.08）3DEC（0.02）数值分析（0.04）约束（0.01）崩塌（0.09）岩石（0.11）动力学（0.01）2016道渣（0.01）边坡（0.11）2012DEM（0.08）沉积（0.03）联系（0.01）运行方式（0.07）土（0.02）光学性质微粒（0.01）稳定性（0.10）动态（0.05）2014盆地（0.03）2017识别（0.02）数值模拟（0.08）矿物含有（0.01）力学（0.02）压力（0.01）强度（0.07）断裂（0.03）试验（0.01）流体流动（0.01）演变（0.12）算法（0.02）有限元法（0.03）汶川地震（0.01）形变（0.05）单斜辉岩（0.02）台湾（0.01）2018效果（0.01）泥石流（0.07）晶体结构（0.01）雪崩（0.01）切变强度（0.02）系统（0.06）摩擦力（0.10）UDEC(0.01)落石（0.02）岩质边坡（0.03）流动性（0.02）形态学（0.01）块（3DEC）(0.01)沉积（0.01）2013地震（0.07）剪切试验（0.01）2020表现（0.01）砂土（0.01）稳定性分析（0.03）几何结构（0.01）能量（0.01）岩屑崩落（0.01）颗粒材料（0.04）渗透性（0.02）裂纹扩展（0.01）2011破坏（0.08）颗粒（0.03）2015机制（0.02）离散小波变换（0.01）颗粒流（0.07）颗粒流（0.02）稀土元素（0.04）2021数值模拟（0.01）微量元素（0.12）有限元（0.03）起源（0.02）土石混合（0.01）2011 年“颗粒流”、“公式”和“3DEC”等词条表明研究内容主要是离散元相关软件的发展；路基工程 66 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）20122013 年“DEM”、“断裂”、“颗粒”、“地震”、“地表”和“矿物结构”等词条说明离散元与边坡的结合处于快速发展时期；20142017 年“盆地”、“雪崩”、“汶川地震”、“台湾”、“渗透”和“识别”等涉及到地质灾害的词条，说明这几年内大型地质灾害频繁发生，边坡研究需要深入进行，从而促使研究边坡的数值模拟手段即离散元方法与边坡的结合更进一步；20182021 年的词条主题是边坡岩体内部研究，主要关键词为“表现”、“效果”、“裂纹扩展”、“土石混合”和“识别”等，从边坡岩体内部的结构及其组成成分等方面借助离散元方法去解决实际工程问题。20102021 年边坡离散元研究发文关键词聚类，见图 6。共聚类得到 12 个颜色不同的分区，聚类序号越小则所包含的关键词越多，其聚类包括研究内容（#0 寒武纪富 Mo-Ni 硫化物的黑色页岩；#1 数值模拟研究；#2 动态破坏；#3 岩质边坡；#4 线网支护系统；#5 岩体；#6 实地考察；#7 颗 粒 介 质；#8 二 维 Cahn-hilliard 方 程 问 题；#9 二维瞬态热传导问题；#10 锰循环；#11 历史重建），聚类结果又可以分为三大类，#0、#3、#5、#6 为边坡相关研究，#1、#7、#8 为离散元相关软件和理论研究，#2、#4、#9、#10、#11 大体为离散元应用于实际边坡研究。表明除基础研究之外，边坡离散元研究的最终目的还是应用于实际工程，即解决实际问题，这也是今后研究核心主题。#7 granular media#1 numerical studies#2 dynamic fragmentation#3 rock slope#6 field investigation#0 cambrian blackshale-hosted mo-ni#10 mn cycling#4 wire-mesh retaining system#5 rock mass#8 2d cahn-hilliard equation#9 2d transient heat conduction problem#11 historical reconstruction图62010 年2021 年边坡离散元研究发文关键词聚类 据统计，边坡离散元研究应用于实际工程的相关文章 WOS 中共发文 96 篇，主要分为：采矿工程中的应用30；工程边坡的稳定性分析（如桥梁两侧岩石边坡的稳定性分析、水电站岸坡变形机理及稳定性研究、洞穴发育和地表沉降研究和公路边坡的三维数值分析）31-34；边坡风险评估及预测35。以在工程边坡的稳定性分析为主，采矿工程中的应用和边坡风险评估及预测次之。2.5 离散元软件目前，领域内使用的的离散元软件主要分为商用软件和开源软件两种，其使用各有优势。2.5.1 商用软件UDEC（二维）和 3DEC（三维）主要模拟离散块体，用于模拟荷载条件下力学过程及采矿过程的工程问题；PDF2D（二维）和 PDF3D（三维）是基于二维圆盘单元和三维圆球单元模拟大量颗粒元的非线性相互作用下的总体流动以及材料混合，包括破损累积破裂、动态破坏以及地震响应问题；EDEM 通过建立参数化模型来模拟颗粒固体系统，支撑导入 CAD 模型；GDEM 软件基于 CDEM 算法实现了有限元与离散元的融合，且结合 GPU 算法，保证了模拟过程的高效性；目前由国内自主研发了离散元软件 StreamDEM，具有推广应用的前景。2.5.2 开源软件Yade 是用 c+编写的 DEM 算法的模块化和可扩展工具包，由此派生出 Woo，采用 OpenMP 并行，主要应用于岩土领域；ESyS-Particle 软件开发重点为地球科学应用，包括 Python 脚本，为模拟设置和实时数据分析提供了灵活性；MechSys 包含 DEM 模块，使用球形元素和球多面体模拟粒子碰撞，包括弹性力和内聚力来模拟损伤和断裂过程且可以处理 DEM 和晶格 Boltzmann 方法（LBM）之间的耦合。近几年，离散元商用软件和开源软件的发展以及商业化，降低了离散元软件的使用门槛，更有利于今后离散元方法应用于实际工程，预测这也是今后十年的发展趋势。3 结语随着岩石力学和岩土工程等领域研究和应用需求的不断精细化和复杂化，以及离散元法理论和数值计算软件的发展，可以预见未来十年离散元法，将在工程领域迎来巨大的发展机遇和应用前景。（1）边坡离散元研究主要涉及工程技术和地学两大类，近几年发展迅速，高质量文献数量逐年增加，但该方向的核心机构和领头人较少，这样会导致此课题的研究多停留在相对浅显的层面，可能会导致此研究方面发展势头不足。（2）20102021 年相关主题脉络明确，边坡离散元研究在 20102017 年的发展中逐渐成熟，自 20182021 年，研究层面已转移至将理论应用于工程实际，这将是今后十年边坡离散元研究的大趋势。刘汉雄：基于 Citespace 的边坡离散元研究文献计量分析 67（3）近十一年，中国在使用离散元方法研究边坡方面在各个国家中位列榜首且中心性最强，在国际合作中占主导地位。但发文机构中高校众多，即研究大部分仅局限于理论水平，与实际工程相结合还有一定距离。参考文献(References)：1 王泳嘉.离散单元法:一种适用于节理岩石力学分析的数值方法C/第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会论文集.吉安:中国岩石力学与工程学会,1986.WANG Y J.Discrete element method;A numerical method suitable foranalysis in jointed rockC/Proceedings of the First National Symposiumon Numerical Analysis and Model Test in Geomechanics.Jian:ChinaSociety of Rock Mechanics and Engineering,1986.2 王泳嘉.离散元法及其在岩石力学中的应用 J.金属矿山,1986（8）:13 17,5.WANG Y J.Discrete element method and its application in rockmechanics J.Metal Mine,1986（8）:13 17,5.3 刘春,乐天呈,施斌,等.颗粒离散元法工程应用的三大问题探讨 J.岩石力学与工程学报,2020,39（6）:1142 1152.DOI:10.13722/ki.jrme.2019.0977.LIU C,LE T C,SHI B,et al.Discussion on three major problems ofengineering application of the particle discrete element method J.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2020,39（6）:1142 1152.DOI:10.13722/ki.jrme.2019.0977.4 WU 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