基于文献计量法的火灾灾害研究现状及展望*

张嬿妮，黄罗鑫，温心宇，杨 丹，凌诗月

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710000；
2.西安科技大学 西安市城市公共安全与消防救援重点实验室，陕西 西安 710000)

近年来，我国火灾灾害虽总体呈下降趋势，但由于基数较大、地域特征明显，有关火灾的科研热度与应用场景日趋增长、丰富。孙卓尔等[1]综述14篇相关文献，总结出受热过程中短路熔痕的理化反应和组织变化规律，提出以热分析技术模拟火场热环境，有助于火灾调查人员更准确地推断火场短路熔痕类型和熔痕受热破坏程度；
庞松颖等[2]通过对24篇文献进行论述，总结火灾现场汽油残留成分痕迹检验研究进展，提出一些基于汽油火灾研究领域探索新思路；
Johansson等[3]对45篇文献进行综述，讨论火灾动力学理论与实际应用的发展及支撑情况，提出火灾灾害研究对实际应用起积极推动作用，未来二者将产生更为紧密的联系。

国内有关学者虽然对部分火灾领域的研究进行了论述，但尚缺乏宏观、系统的研究。本文运用文献计量法对火灾灾害领域进行研究。文献计量法常被用于评价和量化某科研领域的发展状况[4]，而Citespace(引文空间)作为文献计量法常用的软件工具之一，常被用于某学科方向的科学文献可视化研究工作中[5-6]。本文研究数据来源于Web of Science检索平台，设置检索语法为“TS=Fire AND TI=(Accident investigation OR Fire analysis)”,数据读取时间为2021年3月10日，根据数据库收录情况，选取2014—2020年作为数据区间，检索出1 157篇文献，对火灾灾害发展进行阶段性总结。研究结果可为火灾灾害领域内相关学者把握学科现状，研讨未来发展提供参考依据。

通过对检索文献逐一筛选，并利用Citespace对剩余文献进行数据清洗，最终得到有效文章590篇，将其按时序进行整理并绘制帕累托图，如图1所示，近年来火灾研究领域发文量从2014年63篇/年，增长至2020年132篇/年，增长率约为109.5%。

图1 2014—2020年火灾灾害研究领域发文量分布Fig.1 Distribution of papers number in fire research field from 2014 to 2020

整体来看，该领域的发展可分为2个阶段，即2014—2018年稳定发展期以及2019—2020年蓬勃增长期。在2019年出现发文量激增现象，这种情况可能与该时期全球气候异常、火灾起数屡创新高相关，尤其是大型森林火灾(亚马逊森林大火、美国加州大火、澳大利亚大火等)、大型建筑(群)火灾(巴黎圣母院火灾、日本冲绳古城火灾等)频发，使得火灾灾害成为全球相关领域学者关注重点。

2.1 国家合作及地理分布

2014—2020年期间，相关国家/地区在火灾领域内研究文献的产出情况如图2所示。目前全球主要有30个国家在关注此领域，其中我国(共产出158篇文献，约占总数量20.4%)是文献产出最多的国家，其次为美国(共产出81篇文献，约占总数量10.5%)，这与两国火灾灾害现状密切相关。有关数据显示，中美两国为全球火灾发生起数和造成死亡人数较高的国家，由此可以推断未来两国在火灾灾害领域的学术研究热度将持续升温。此外，全球火灾领域学术研究热点地区主要分布在东亚、西欧以及北美洲等地区。

图2 2014—2020年相关国家/地区火灾领域内研究文献产出情况Fig.2 Output of research literature on fire in relevant countries/regions from 2014 to 2020

如图3所示为2014—2020年相关国家/地区火灾领域内学术合作关系和弦图，绘图代码中发文阈值取8。由图3可知，我国在火灾灾害研究领域与其他国家合作活跃度最高(共合作发文62篇约占总发文量39.2%)，其中与澳大利亚(约占总发文量6.3%，下同)、美国(5.7%)、英国(5.0%)、比利时(4.4%)、加拿大(3.8%)合作最为密切。合作活跃度较高的依次还有美国、澳大利亚、法国、英国、西班牙等，而上述国家除西班牙外均与我国的合作发文较其他国家比例最高，这表明中国正在成为全球火灾灾害研究领域的中坚力量。

图3 2014—2020年火灾领域内相关国家/地区学术合作关系Fig.3 Academic cooperation among relevant countries/regions in fire field from 2014 to 2020

2.2 机构及期刊表现分析

如表1所示为2014—2020年，在火灾研究领域，载文量排名前5的机构及期刊相关数据。在机构表现方面，涉及火灾研究领域的机构共223家，载文量排名前5的机构分别为：中国科学技术大学、中国矿业大学、美国森林服务局、科英布拉大学以及清华大学。其中，中国机构占3/5，中国科学技术大学不仅是发文量最高的机构，其合作发文排名亦为最高，而独立出版排名最高的为中国矿业大学。由图4(a)可见，相比于中国科学技术大学，其余4个机构2014—2020年期间的发文情况均未有明显上升趋势。

由表1可知，中国科学技术大学有Ji Jie、Hu Longhua等人，其研究方向为受限空间火羽流对可燃物影响[7]以及固体可燃物火蔓延痕迹[8]；
中国矿业大学的Zhu Guoqing、Ji Jingwei等人主要从事火灾数字模型建立及应用[9-10]、大型钢结构的火灾特性及调查[11]等方面研究；
而美国森林服务局的Nelson,Ralph M.,Jr和Cohn,Gregory M.等的研究内容主要为森林、灌木火灾的调查及分析[12-13]。

在期刊表现方面，载发文量较高的期刊分别为《Fire Safety Journal》、《Fire Technology》、《Fire and Materials》、《International Journal of Wildland Fire》以及《Engineering Structures》，发表文献共计142篇，约占总量23.87%，涵盖工程、材料科学以及林学等学科类别。影响因子最高的期刊为《Engineering Structures》。结合图4(b)可见，以上火灾研究领域期刊呈现出差异性、波动性。

表1 火灾领域载文量排名前5的机构及期刊相关数据(2014—2020年)Table 1 Relevant data of top 5 institutions and journals by number of publications in fire field (2014—2020年)

图4 火灾领域载文量排名前5的机构及期刊载文趋势(2014—2020年)Fig.4 Publication trends of top 5 institutions and journals by number of publications in fire field (2014—2020年)

3.1 学术热点研究

图5所示为具有290个节点及495个链接的关键词共现网络示意，表2所示总结了火灾领域关键词类别词频排名前3的信息。其中词频表示该关键词出现的次数，中心性表示1个节点在网络中处于核心地位的程度，指标越大重要度越高。结合图5及表2，可得以下结论：各类别词频排名第1是：Forest Fire(森林火灾)、Model(模型)和Behavior(行为)，其中Forest Fire与Drones(无人机，强度指数0.58，下同)、Wildfire(野火，0.55)、Climate(气候，0.50)联系强度最高；
Model与Creep(蔓延，0.61)、Air(通风，0.56)联系强度最高；
Behavior与Resistance(耐火性，0.63)、Propagation(传播，0.5)联系强度最高。

图5 火灾领域关键词共现网络示意Fig.5 Schematic diagram for keywords co-occurrence network in fire research field

为进一步探究火灾研究领域的热点情况，基于LLR算法对关键词进行聚类并绘制耦合网络，如图6所示。图谱计算结果显示Q=0.756，S=0.894，表明网络模块度(Q)显著性较好，网络同质性(S)恰当，聚类匹配程度较高。

表2 火灾领域词频排名前3的关键词类别信息(2014—2020年)Table 2 Category information of top 3 keywords by word frequency in fire field (2014—2020年)

图6 关键词聚类耦合网络Fig.6 Clustering coupling network of keywords in fire research field

如图6所示为聚类程度较高的10个聚类，其中#0-fire resistance(耐火性)、#4-steel column(钢柱)与#9-progressive collapse(渐进倒塌过程)是学术研究较为集中的领域，且随着时间推移逐步得到发展；
类似随时间变迁的聚类还有#3-co-firing(共燃)和#8-welding spatter(焊接飞溅)。

综合上文分析，通过数据清洗、信息筛选，最终可以归纳出火灾灾害研究领域的主要热点分布情况，具体如下：

1)基于无人飞行器的森林火灾(野火)侦测调查。主要研究内容有：机载红外成像对林火余烬调查[14]；
基于无人机智能化算法、多设备搭载的火灾检测法[15-16]；
机载激光雷达对火灾后树木分布情况的量化[17]等。

研究手段/方法主要包括：无人机红外辐射计、森林火灾检测指数、新式机载传感系统等。此外，美国森林服务局等机构，在基于无人飞行器的森林火灾(野火)侦测调查领域有所建树，南京森林警察学院对其也有一定关注。

2)基于火灾现场整体模型搭建的计算机模拟火灾事故技术与研究。主要研究内容有：利用数字重建进行火灾分析和调查[18]；
基于火灾模拟计算流体动力学对纵火现场进行调查[19]；
火场炭黑痕迹数字建模对火灾事故研究的技术支持[20]等。

研究手段/方法主要包括：火灾现场模拟重建技术、CFD技术、FDS模拟、粒子沉积理论等。中国矿业大学、中国科学技术大学等机构在该领域的研究成果较为丰富、活跃度较高。

3)火灾下建筑物构件的耐火、倒塌行为研究。主要研究内容有：火灾中钢结构立柱坍塌行为试验研究与分析[21]；
暴露在极端火灾中的混凝土耐火性能及坍塌事件分析[22]；
钢制门户框渐进式坍塌火灾测试及数据研究[23-24]等。

研究手段/方法主要包括：建筑物构件坍塌行为的受热响应分析、构件耐火性实验、构件数值模拟、构件倒塌模型的研究开发等。同济大学、清华大学等机构在该领域具有较为丰硕的成果，且已建立相关研究体系。

4)池火燃烧特性试验及现象调查。主要研究内容有：基于人工智能和热力学的纵火案件调查研究[25]；
隧道火灾中的池火现象调查[26]；
基于汽油等物质的池火燃烧特性实验与研究[27]等。

研究手段/方法主要包括：可燃池燃烧特性测量、热力学建模、FDS模拟等。清华大学、东北大学等机构在该领域的研究较为深入。

5)火灾碎片实验与分析方法。主要研究内容有：利用GC/MS对火灾碎片残留可燃物进行实验和化学分析以加快调查进度[28]；
使用LIES进行火灾碎片分析，得出可燃物为轻质油且其燃烧碳层较厚的结论[29]等。

研究手段/方法主要包括：气相色谱及质谱法、可燃液体成分模拟、火灾残骸化学分析、激光诱导光谱分析、锥形量热仪等。该领域中阿尔卡拉大学、中国科学技术大学等机构有较多研究，同时提出了相关创新性课题，活跃度较高。

此外，对上述结论进一步分析，可得出以下2个结论：

结论1：就各研究方向所聚焦的火灾类型而言，A类火灾，即固体物质火灾占比较大，多见于木制物燃烧、钢制物和混凝土受热行为。其次为B类火灾，即液体或可熔化固体物质火灾，多见于易燃烃类液体、常用家装高聚物基复合材料。以及E类火灾，即带电物体和精密仪器等物质的火灾，多见于电路短路、电池自燃等。

结论2：就我国与其他国家在火灾灾害研究领域的差异而言，我国学者明显更加偏向于建筑类火灾、基于计算机模拟火灾等研究，而以美国为代表的发达国家则更注重森林火灾、火灾事故调查以及火场无人机等研究。

3.2 发展趋势及学术前沿

在关键词共现过程中，若以时间为轴可以对所呈现关键词进行时区可视化图谱绘制，进一步揭示关键词之间的共现关系，如图7所示。显然在火灾研究领域中，早期学者更加注重“大课题”研究，例如火灾行为及参数判断(关键词为：behavior/行为;temperature/温度；
下同)、模型搭建及模拟(model/模型;design/设计;simulation/模拟)、大构件受热研究(column/柱;beam/梁;structure/结构;performance/性能表现)以及森林火灾的研究(forest/森林;climate/气候)等。

图7 火灾研究领域关键词时区分布图谱Fig.7 Time zone distribution map of keywords in fire research field

虽然在上述研究方向上，近几年依旧有学者在逐步推进，但从大的研究趋势来看该领域研究正在逐渐注重数据细节的挖掘，其研究对象和研究手段更加具体化、精细化，例如对材料微观结构的探究(micro structure/微观结构)、基于有限元分析的科研探索(finite element analysis/有限元分析)、基于计算流体力学建模的火灾模拟(CDF modelling/CDF模拟)以及对烟气、扩散火等的模拟研究(smoke/烟气;diffusion flame/扩散火焰)等。

此外，在关键词的数据处理中对其突现分布情况进行分析，如图8所示为2014—2020年火灾研究领域排名前12的关键词突现分布情况，其中各时间节点代表着该领域研究方向的兴衰趋势和某一时期内的研究前沿情况。

图8 火灾研究领域排名前12的关键词突现分布情况(2014—2020年)Fig.8 Emergence distribution of top 12 keywords in fire research field (2014—2020年)

目前研究前沿，即目前仍处于爆发区间的研究方向有：火灾风险研究(risk/风险)、热释放速率研究(heat release rate/热释放速率)、对点火器(源)的调查研究(ignition/点火)以及基于数值模拟的火灾调查(numerical simulation/数值模拟)等，其代表作者主要有：Tang Yibo、Huang Youbo、Xu Yanying、Cicione,Antonio等人，所研究内容主要包括：煤自燃风险来源及控制预防措施的研究[30]、基于CFD不同热释放速率对隧道天花板温度和纵向衰减数值的影响研究[31]、点火位置与火焰传播对泡沫核心材料燃烧行为的调查研究[32]、对棚户区的火灾模拟实验及数值模型开发等[33]。

3.3 文献共被引分析

被引的高文献量可以大概反映出1个学科领域高质量论文数量，同时这些高被引文献也处于该领域的学术研究基石或开创性地位。

如表3所示为2014—2020年火灾研究领域5篇高质量被引文献，总体来看这些文献的研究方向基本包括：对森林火灾(野火)诱(起)因调查研究、对火场可用于鉴定物证的分析探讨(火场遗留火灾碎片、池火痕迹、钢结构物体等)以及基于数字建模和火场模拟的火灾研究等，这与上文所得结论相吻合，表3中排名为本文所研究领域的该文献共被引频次排名，被引频次指该文献在所有领域的整体被引频次。

通过数据还可以发现，在共被引文献中Jolly,W.Matt等人所发表的《Climate-induced variations in global wildfire danger from 1979 to 2013》不仅为本文研究时期火灾领域内被引排名第1的引文，也是在所有领域整体被引次数最高的文章，达到了520次。此外，收录文献的5个期刊与前文所述该领域期刊载文量排名前5的期刊中仅有1个相同，这表明火灾灾害学科领域交叉性较强，对学者专业能力方面具有较高的要求，也表明该领域科研工作将持续处于较高的活跃度。

表3 火灾领域被引频次前5的文献(2014—2020年)Table 3 Top 5 literature by cited frequency in fire field (2014—2020年)

1)2014—2020年，火灾领域发文量呈持续上升趋势，发文增长率约达109.5%，并在2019年从稳定发展期进入蓬勃增长期。

2)我国正在成为全球火灾研究领域的中坚力量；
我国在火灾研究领域与其他国家合作活跃度较高；
中国科学技术大学在该领域内载文量、合作发文排名较高；
《Fire Safety Journal》和《Engineering Structures》分别为载文量和影响因子最高的期刊。

3)目前该领域研究前沿与研究热点存在差异，未来该领域的研究将更加注重对火灾微观机理研究，而非针对某种特定火灾类型进行深入发掘。

4)火灾领域是1个交叉性较强的学科领域，该领域未来科研活动将持续处于较高的活跃度。

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