基于知识图谱的飞行仿真研究可视化分析*

2022-11-24王江南

湘潭大学自然科学学报 2022年5期

张原，李超，王江南

(海军航空大学航空基础学院，山东烟台 264001)

0 引言

飞行模拟是指根据飞行器的实际运动，对飞行器进行系统、全面、复杂的研究和分析的过程.首先，通过飞行原理、飞机性能工程和空气动力学的基本理论建立模型，其次根据建立的模型进行相关的模拟试验和研究.飞行仿真研究主要关注飞机研发、制造和运行的总周期.分行仿真根据研究着重点不同和方法差异，分为半实物仿真、实物仿真和数字仿真三种.前两种仿真方式通过对配置一些外接设备，例如操作杆，方向舵，油门杆，等等，来构造类似于真实空中飞行的驾驶舱操作环境，常常用于飞行员的模拟训练和事故征候的分析.数字仿真主要通过计算机设备建立模型，编写代码从而实现飞行模拟仿真的目的，往往用于对飞机飞行过程中的性能分析和改进研究.纵观飞行仿真的发展进程，飞行仿真先后经过了物理仿真、模拟机仿真、数字机仿真、基于图形工作站的三维可视多媒体交互式仿真和虚拟环境(VE)与虚拟现实(VR)等五个阶段[1].

科学知识图谱常用于研究某一领域知识发展过程和该领域前后发展知识之间关系，一方面可以梳理按照时间顺序的知识间的联系，并以可视化的方式展现出来，另一方面可以对所研究领域的研究者和研究机构之间的联系进行聚类分析，将大量的期刊文献进行统计分析后以网络节点图的形式展现出来，进一步的研究期刊作者之间、期刊研究机构之间的内在联系，实现期刊文献的可视化分析，从而辅助研究者开展该领域的研究工作[2].科学知识图谱随着深度学习、大数据技术以及人工智能的发展更加火热[3]，当前应用领域广泛，例如管理科学[4]、医疗护理[5]、新闻教育[6]等领域.

基于CiteSpace V[7]可视化软件，以中国知网CNKI上的核心期刊为数据源，对飞行仿真研究领域科学知识图谱进行分析.检索飞行仿真领域近31年(1992—2022年)刊登期刊，分析论文产出时间图谱，学科、作者、机构合作关系，关键词突变，等等；通过 CiteSpace V 分析软件对飞行仿真研究领域的相关研究成果关系、发展历程以及各学科之间的分布状况进行分析，从而对飞行仿真领域的前沿技术、核心期刊源进行全面的熟悉.

1 飞行仿真研究成果可视化分析

1.1 数据来源

2022年3月，以“飞行仿真”为主题在CNKI 上检索最近31年(1992-2022)的文献，共得到3 065 条文献，根据相关研究表明，大量飞行仿真领域高质量论文更多地集中在少数核心期刊，因此在高级检索中，将“SCI 源期刊、EI 源期刊、北京大学核心期刊、CSSCI、CSCD”列为检索条件，同时关键词选择精确，得到1 031篇论文.经过滤、剔除无关会议、声明等无效数据，得到有关飞行仿真期刊1 013篇.将其导为Refworks文本文件，通过CiteSpace V对下载的文献数据进行调整格式，“Time Slicing”选择分析时间自1992-2022年，“Years Per Slice”设为1，选择“Top N Per Slice”的数值为50，代表统计一年时间段内频数最高的50个节点，并根据 1992 年至2022年期间的分析绘制研究者和研究机构之间的合作关系图谱，从而对飞行仿真研究领域进行深层次、可视化的研究.

1.2 论文产出时间图谱

论文产出是衡量某一领域研究成果的数量和质量的重要指标.将飞行仿真31年的核心期刊论文进行时间图谱的分析，分析结果如图1所示.1992-2002年，我国飞行仿真研究发文量较低，均在20篇/年以下，处于我国飞行仿真领域研究的萌芽期，符合普赖斯曲线缓慢增长的初级阶段特点；2003-2009年，七年时间内，我国飞行仿真领域的研究突飞猛进，发文量不断增多，呈现震荡增长趋势，并于2009年达到巅峰，发文量高达82篇/年，占总研究成果的7.95%；2010-2017年，八年时间里，该领域论文发文量趋于平稳，发文量也大致维持在54篇/年的平均水平，2018-2022年，该领域发文量呈现小幅下降趋势.

图1 1992-2022年飞行仿真研究论文产出时间图谱Fig.1 1992-2022 flight simulation research paper output time map

通过统计历年飞行仿真领域的高水平文献来源，统计结果表明文献来源居于前列的分别是《系统仿真学报》(165篇)、《计算机仿真》(108篇)、《飞行力学》(82篇)、《导弹与制导学报》(38篇)、《北京航空航天大学学报》(37篇)、《航空学报》(31篇)、《火力与指挥控制》(30篇)、《电光与控制》(25篇)、《航天控制》(22篇)、《测控技术》(21篇).根据上述分析可以看出，飞行仿真领域居于重要地位的期刊发文量占比超50 %，说明我国飞行仿真领域已形成了以《系统仿真学报》《计算机仿真》和《飞行力学》为中心的核心期刊群.其中，《系统仿真学报》为核心期刊和CSCD，《计算机仿真》和《飞行力学》为核心期刊.可以看出，由以上三个期刊组成的核心期刊群可以代表飞行仿真领域研究的最新前沿成果，为从事该领域研究的工作人员提供了重要的方向指导.此外，对《系统仿真学报》、《计算机仿真》和《飞行力学》三个高水平期刊进行时序分析，结果如图2所示.

图2 飞行仿真领域核心期刊群时序分析图Fig.2 Time sequence analysis diagram of core journal groups in the field of flight simulation

由图2可知，我国飞行仿真研究成果，《系统仿真学报》期刊于2006年和2009年发文量达到峰值，分别是28和29篇.根据2021年CNKI统计的数据显示，《系统仿真学报》期刊的复合影响因子为1.279，综合影响因子为0.862.《计算机仿真》在2017年发文量达到峰值，为13篇，《计算机仿真》期刊的复合影响因子为0.757，综合影响因子为0.589.《飞行力学》于2008年达到峰值，为7篇，《飞行力学》期刊的复合影响因子为0.738，综合影响因子为0.541.整体来看，核心期刊群发文量最高年度为2009年，达到40篇，发文量此高年度为2006年，达到32篇；而根据影响因子和发文数量来看，《系统仿真学报》是我国飞行仿真领域最具权威性的核心期刊.

1.3 学科分布

通过对飞行仿真领域近30年的研究果分析，对全部的期刊的所属学科进行汇总分类，其分类结果表1所示.其中居于首位的是航空航天科学与工程方向，该方向文献数量为613篇，占全部飞行仿真研究成果的60.51 %；其次是计算机软件及计算机应用方向成果居于第二位，为313篇，占比为30.90 %；武器工业与军事技术方向数量为127篇，占比12.54 %；自动化技术方向发文数量为105篇，占比10.36 %；安全科学与灾害防治方向发文数量18 篇，占比1.40 %.

表1 飞行仿真研究成果学科分布

通过统计分析论文创作的基金支持，结果表明在所检索的核心期刊中受到国家自然科学基金支持的居于首位，数量为154篇，占比15.20 % ；航空科学基金支持的期刊数量为65篇，占比6.42 %；国家高技术研究发展计划支持的期刊数量为30篇，占比2.96 %.

2 飞行仿真研究合作图谱分析

2.1 作者合作图谱

在图3中，作者节点之间的连接线粗细程度表示两者之间合作次数，密度为0.02，表明研究者之间的合作较弱.即飞行仿真领域还尚未形成合作密切的关系网.但是，从图3可以看出，小规模、小范围的合作较多，而这些网络大多发生在同院校师生之间的小范围之间，如中北大学电子测试技术重点实验室的刘伟、刘一鸣等组成的最大关系网如图4所示.在飞行仿真领域，该关系网中的研究者平均产文数量约为2 篇，研究者之间的合作关系有17 条.通过分析表明，我国飞行仿真领域的研究者该加强相互之间的合作关系，打破信息孤岛，通过合作促发展，此外还应加强团队之间的合作，以前序研究成果为载体，发展飞行仿真领域相关研究.

图3 飞行仿真研究作者合作关系Fig.3 Cooperative relationship between authors of flight simulation research

图4 飞行仿真研究作者合作关系子图Fig.4 Sub-graph of cooperation relationship between authors of flight simulation research

2.2 机构合作图谱

机构合作图谱表征的是某一特定领域中的科研机构的分布以及相互之间的合作关系，深层次的分析本领域的科研机构，增进本领域的研究发展.通过CiteSpace V软件对1992-2022年的研究者所属机构进行可视化分析，其结果如图5所示，其中有537个节点，43对合作关系，关系图密度为0.000 3.

图5 飞行仿真领域机构合作网络Fig.5 Institutional cooperation network in the field of flight simulation

飞行仿真研究领域发文量居于前5的机构包括中北大学电子测试技术国家重点实验室(32篇)、中国商飞北京民用飞机技术研究中心(31篇)、北航航空科学与工程学院(30篇)、国防科大智能科学学院(27篇)、西工大自动化学院(19篇)，上述机构发文量较多.

2.3 关键词共现图谱

关键词是一篇文章内容和看法的核心，通过对关键词共现分析可深层次的研究某领域的本质关系.对1 013篇核心期刊统计分析得到关键词频次分布，居于前10的分别为：飞行仿真(185次)，仿真(87次)、飞行控制(44 次)、无人机(38 次)、飞行模拟(36次)、飞行模拟器(29次)、直升机(29次)、飞行仿真转台(25次)、视景仿真(21次)、实时仿真(19次)、虚拟仿真(16次).经CiteSpace V分析的关键词共现知识图谱如图6所示，阈值设为10.

图6 飞行仿真领域关键词共现分析Fig.6 Keyword co-occurrence analysis in the field of flight simulation

由图6可以看出，关键词共现分析图节点数为759个，连接线1283条，网络密度0.004 5.该图谱中，字体大小代表关键词出现次数多少.根据 CiteSpace的中心度指标，从图谱中可知，关键词中飞行仿真(0.47)、仿真(0.22)、飞行模拟(0.15)等重要关键词在该网络中起到了枢纽功能.经过分析关键词出现频次和每一关键词的中心度指标，上述节点可看作共现网络的重点，表征了飞行仿真领域的主要方向.

2.4 飞行仿真文献共引分析

表2为被引文献次数排名前5的文献，平均被引用次数约106次，平均下载次数1 499次，说明该类文献具有较高的学习作用.被引次数较高的文献涉及仿真技术、飞行仿真、飞行视景和实时仿真等，文献均来源于该领域权威性的重点期刊.其中，在期刊《宇航学报》上，李尚义发表的《三轴飞行仿真转台总体设计及其关键技术》，被引次数达到了130次，在高被引文献TOP5中占比24.48%，1 016次的下载量，提出的飞行转台设计方案为后续研究者对飞行仿真研究工作提供了重要启发.

表2 飞行仿真研究成果共引分析

2.5 关键词突变分析

科学知识图谱可以反映研究成果的发展过程，通过 CiteSpace V 软件对关键词突变分析掌握当下飞行仿真研究领域热点和前沿动态.突变词分析结果如图7所示.突变词“视景仿真”的突变强度最大，达到6.02，其突变时间段为2005-2009年，说明该时间段学者们集中关注“虚拟环境”和“虚拟现实”阶段下的飞行仿真研究；2000年以前，主要围绕飞行仿真系统设计及其关键技术进行研究[7]；2000-2005年期间，研究方向主要为直升机非线性运动方程分析[8]、飞机飞行所处三维空间大气紊流场的研究[9]、军机视景仿真的建模优化[10]等的研究问题上，故在该阶段“飞行控制系统”和“视景仿真”突变强度变得较大；2006—2010年，“飞行模拟器”[11]相关的半实物或者实物仿真成为研究热点，“半实物仿真”和“飞行模拟器”突变强度达到4.5以上；2011—2019年，研究热点又演变为交互式仿真阶段的“飞行试验”[12]、“无人机”[13]以及虚拟现实的“可视化”[14]方向.