宣曉冬 周燦 姜山 鄭成航

（1 浙江省自然科學(xué)基金委員會辦公室 浙江杭州 310006 2 浙江大學(xué)國家環(huán)境保護燃煤大氣污染控制工程技術(shù)中心 浙江杭州 310027 3 中國科學(xué)院武漢文獻情報中心 湖北武漢 430071）

0 引言

隨著生態(tài)文明建設(shè)持續(xù)推進，我國大氣污染治理技術(shù)得到迅速發(fā)展，主要大氣污染物排放量呈下降趨勢，大氣重污染天數(shù)顯著減少，環(huán)境空氣質(zhì)量總體改善［1-2］，但與人民期盼仍有差距，亟需提升大氣污染防治技術(shù)精細化水平，實現(xiàn)大氣防治從“通用技術(shù)”向“難特”“協(xié)同”技術(shù)轉(zhuǎn)型。例如散煤污染物治理技術(shù)，非電行業(yè)煙氣污染物治理技術(shù)，SO3、細顆粒物、重金屬等多種污染物協(xié)同脫除技術(shù)［3-5］；從“粗放”向“效能”轉(zhuǎn)型，例如節(jié)能技術(shù)改造、優(yōu)化運行、降耗技術(shù)［6］；從重點工業(yè)行業(yè)向全行業(yè)拓展延伸等［7-8］，大氣污染防治工作仍任重道遠。為此，亟需開展大氣污染防治技術(shù)發(fā)展態(tài)勢分析，為進一步明確我國大氣污染防治技術(shù)發(fā)展方向提供參考。

隨著各國對大氣污染問題的持續(xù)關(guān)注，重點工業(yè)源大氣污染防治技術(shù)研究不斷加強，發(fā)表科技論文數(shù)和申請專利數(shù)均顯著增加［9-11］。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，全面分析該領(lǐng)域相關(guān)論文和專利情況，掌握研究及應(yīng)用全局，是進一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)。本文采用文獻計量分析方法，以Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫中收錄的論文為文獻分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以Incopat 等專利數(shù)據(jù)庫為專利分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Incites 和VOSviewer 等分析工具進行數(shù)據(jù)挖掘和可視化分析，并結(jié)合產(chǎn)業(yè)與政策相關(guān)信息，厘清我國大氣污染防治技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀、聚焦研究熱點、審視研究局限、探明發(fā)展前景動向，為該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、政策配套提供支持。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

基于數(shù)據(jù)挖掘的研究熱點與前沿分析一般分為決策需求分析、檢索式構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)可視化挖掘和成果分析5 個階段（圖1）。以Web of Science 核心合集SCI-EXPANDED 數(shù)據(jù)庫為來源進行文獻計量分析，檢索文獻日期2000 年1 月1 日至2019 年12 月31 日。通過對原始數(shù)據(jù)的檢索合并和清洗，共得到相關(guān)SCI 論文35 622 篇，結(jié)合Incites 和VOSviewer 評估分析工具，從學(xué)科分布、論文產(chǎn)出趨勢、國家和研究機構(gòu)發(fā)文情況、研究熱點關(guān)鍵詞等方面進行分析。

圖1 基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)展態(tài)勢分析流程

利用Incopat 等專利數(shù)據(jù)庫，對大氣污染物防治技術(shù)相關(guān)專利進行檢索和分析，利用關(guān)鍵詞設(shè)計檢索策略，檢索專利日期2000 年1 月1 日至2018 年12 月31 日。對檢索結(jié)果進行清洗、合并、去重，該領(lǐng)域共涉及專利計8 212 件，同族專利計5 028 件，結(jié)合專利分析工具，從專利產(chǎn)出趨勢、國家和研究機構(gòu)申請情況等方面進行分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 基于論文分析的大氣污染防治技術(shù)研究態(tài)勢

（1）主要研究學(xué)科分布。從大氣污染防治技術(shù)論文分屬的學(xué)科看，24.5%可歸屬環(huán)境科學(xué)與工程，16.6%屬化學(xué)工程，15.5%屬動力工程及工程熱物理，15.3%屬物理、化學(xué)，12.6%屬大氣科學(xué)，5.4%屬計算機科學(xué)與技術(shù)，論文還涉及材料科學(xué)與工程、經(jīng)濟學(xué)、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生等多個學(xué)科。上述結(jié)果表明大氣防治技術(shù)涉及多學(xué)科交叉。

圖2 大氣污染防治技術(shù)學(xué)科分布

（2）研究論文產(chǎn)出趨勢。科技論文是基礎(chǔ)研究產(chǎn)出的主要表現(xiàn)形式。從時間跨度對檢索出的35 622 篇文獻進行分析?？梢钥闯?，大氣污染防治技術(shù)論文數(shù)量一直處于增長狀態(tài)，從2000 年的550 篇/a 增至2019 年的2 865 篇/a，表明大氣污染防治基礎(chǔ)研究得到持續(xù)關(guān)注。2000 年至2019 年，美國發(fā)表論文總數(shù)位居第一（6 194 篇），其次是中國（4 461 篇）、英國（3 535 篇）、德國（1 889 篇）、法國（1 564 篇）、日本（1 268 篇）、加拿大（1 190 篇）和意大利（1 021 篇）。近幾年，中國在該領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量增長較快，2013 年之前發(fā)文數(shù)量不足300 篇，2013 年開始研究人員逐漸加大對大氣污染防治技術(shù)的研究力度，2016 年后發(fā)文數(shù)量和增速超過美國。

（3）主要國家發(fā)文影響力分析。針對發(fā)文數(shù)量排名前8 的國家，選取論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、高被引論文數(shù)量、國際合作論文占比、產(chǎn)-研合作論文占比等指標，分析發(fā)表論文的影響力。在論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力方面，美國位居第一（1.33），英國（1.31）和加拿大（1.28）排名靠前，中國略高于世界平均水平（1.02）位居第七；在高被引論文數(shù)量方面，美國排名第一（74 篇）、英國排名第二（48 篇）、中國排名第三（43 篇）；在國際合作論文占比方面，英國、德國、法國、意大利和加拿大的國際合作論文占比較高（均超過50%），中國為29.32%；在產(chǎn)-研合作論文占比方面，法國占比最高（7.28%），其次是美國（4.87%）、日本（4.62%）、英國（4.58%）、德國（4.28%），中國排第七（2.93%）（表1）。以上分析數(shù)據(jù)表明，在該領(lǐng)域美國和英國整體發(fā)文的影響力較大；德國、法國、意大利在論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產(chǎn)-研合作占比等指標均優(yōu)于中國。因此，我國研究者在研究方向、研究內(nèi)容等方面需綜合考慮強化論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產(chǎn)研合作占比等指標，提升發(fā)文的影響力。

表1 發(fā)文數(shù)量前8 國家合作與影響力

（4）主要研究機構(gòu)發(fā)文影響力分析。針對發(fā)文數(shù)量排名前20 名研究機構(gòu)，選取論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、高被引論文占比、國際合作論文占比、產(chǎn)-研合作論文占比等指標，分析其發(fā)文的影響力（表2）。論文發(fā)表數(shù)量前20 的機構(gòu)中美國占9家，法國占5 家，中國和德國各2 家，印度和俄羅斯各1 家。法國國家科學(xué)研究中心發(fā)表論文860 篇，數(shù)量位居第一；中國科學(xué)院發(fā)表論文735 篇，位居第二；美國能源部發(fā)表論文687篇，位居第三；加利福尼亞大學(xué)發(fā)表論文622 篇，位居第四；美國國家航空航天局發(fā)表論文454 篇，位居第五。在論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力方面，美國國家大氣研究中心（2.20）、美國國家海洋大氣管理局（2.06）和德國馬普學(xué)會（2.05）排名前三；在高被引論文占比方面，美國馬里蘭大學(xué)（5.08）、美國國家大氣研究中心（4.50）和美國科羅拉多大學(xué)（4.33）位居前三位；在國際合作論文占比方面，排名靠前的機構(gòu)有法國凡爾賽大學(xué)（82.44%）、德國馬普學(xué)會（81.97%）、法國巴黎薩克雷大學(xué)（73.38%）和法國原子能和替代能源委員會（69.42%）。在產(chǎn)-研合作論文占比方面，美國國家航空航天局（13.22%）、美國科羅拉多大學(xué)（10.10%）、美國馬里蘭大學(xué)（9.14%）和美國國家海洋大氣管理局（8.48%）表現(xiàn)較為突出。以上分析數(shù)據(jù)表明，美國、法國、德國等國研究機構(gòu)在論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、高被引論文占比、國際合作論文占比、產(chǎn)-研合作論文占比等指標方面均有一定優(yōu)勢。

表2 論文發(fā)表數(shù)量前20 機構(gòu)合作與影響力

（5）大氣污染防治技術(shù)研究熱點分析。為揭示大氣污染防治研究的主要焦點和趨勢，對檢索結(jié)果中論文涉及的主題關(guān)鍵詞，利用Vosviewer 的聚類與可視化功能，通過關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系，繪制大氣污染物防治技術(shù)的研究熱點隨時間變化的分布（圖3）?？梢钥闯?，大氣污染防治技術(shù)研究主要針對多種污染物（PM10、PM2.5、氣溶膠、有機污染物、二氧化碳等），涉及污染物濃度精準預(yù)測、減排裝置狀態(tài)信息感知與故障診斷、治理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控、區(qū)域污染源智慧檢測與管控等基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)，呈現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進數(shù)字技術(shù)與大氣污染物減排技術(shù)深度融合的新趨勢。因此，大氣污染防治技術(shù)研究進一步發(fā)展的潛能主要在于利用各種信息通訊技術(shù)，感知、分析、整合各類信息，對污染物排放控制做出智能響應(yīng)，從而更有效地解決環(huán)境質(zhì)量問題。

圖3 大氣污染防治研究關(guān)鍵詞隨時間共現(xiàn)分布

2.2 基于大氣污染物智能化管控技術(shù)的專利產(chǎn)出分析

（1）專利產(chǎn)出趨勢。專利反映了應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)情況及意向競爭市場。利用Incopat 等專利數(shù)據(jù)庫，對大氣污染物智能化管控技術(shù)相關(guān)專利檢索分析。從時間跨度對檢索出的5 028 件專利進行分析?？梢钥闯?，大氣污染智慧防治技術(shù)專利申請數(shù)量總體處于增長狀態(tài)（圖4），2000—2010 年專利申請量低于200件/a，2011年后超過200 件/a，2018年達到597 件。2008 年起，中國專利申請量迅猛增長，遠超其他國家，總數(shù)達到2 961 件。進一步對專利的優(yōu)先權(quán)區(qū)域進行分析，德國70.81%的專利優(yōu)先權(quán)在國外，本土僅為29.19%；中國高達90.54%的專利優(yōu)先權(quán)在本國，國外占比僅9.46%（表3），因此建議我國加強在大氣污染物智能化管控技術(shù)領(lǐng)域的國際專利布局。

表3 典型國家專利優(yōu)先權(quán)分布

圖4 大氣污染物智能化管控專利申請數(shù)量變化趨勢

（2）研究機構(gòu)專利申請情況分析。2000—2018 年間，全球排名前20 的專利權(quán)人中（圖5），中國占據(jù)了8 席，包括5 家高校和3 家企業(yè)。而國外機構(gòu)均為企業(yè)，其中日本5 家、美國4家，德國、韓國和法國各1 家。從專利內(nèi)容看，日本五十鈴集團、豐田汽車和本田汽車，美國福特全球科技，韓國現(xiàn)代汽車以及法國標致雪鐵龍等側(cè)重于汽車尾氣凈化裝置故障診斷及優(yōu)化調(diào)控；日本電裝公司和三菱重工實業(yè)有限公司，美國康明斯、羅伯特·博世有限公司和通用電氣側(cè)重于氣態(tài)污染物減排裝置的優(yōu)化調(diào)控。中國專利權(quán)人中，濰柴動力股份有限公司側(cè)重于汽車尾氣凈化裝置故障診斷及優(yōu)化調(diào)控，其余專利權(quán)人側(cè)重于燃燒過程優(yōu)化及燃燒煙氣污染物治理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控。

圖5 大氣污染物智能化管控排名前20 的專利權(quán)人

綜合以上分析，大氣污染防治技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究表現(xiàn)活躍，中國發(fā)文數(shù)量排名靠前，但論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產(chǎn)-研合作占比等指標排名相對較為不足，整體發(fā)文的國際影響力有待進一步提高?；谘芯繜狳c分析，大氣污染防治技術(shù)進一步發(fā)展?jié)撃艹尸F(xiàn)出大氣污染物智能化管控趨勢。針對大氣污染物智能化管控專利申請，中國專利申請量持續(xù)增加，但全球布局較為薄弱，專利擁有量大的企業(yè)相對較少。

2.3 大氣污染防治技術(shù)發(fā)展前景分析

發(fā)展大氣污染物智能化管控技術(shù)得到國家和地方政策的大力支持［12-15］，進一步推動了智慧環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)調(diào)研［16］，我國智慧環(huán)保市場規(guī)模2010 年為127 億元，2018 年增長為521 億元，年同比增長基本在10%以上（圖6），但對比萬億級的整個環(huán)保市場，目前智慧環(huán)保的市場規(guī)模仍較小，未來增長空間巨大；同時隨著國家污染防治攻堅戰(zhàn)的推進和智慧環(huán)保技術(shù)的發(fā)展，作為以末端治理為主的傳統(tǒng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)市場趨于飽和，以智慧環(huán)保為代表的新型環(huán)保產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊。

圖6 中國智慧環(huán)保市場規(guī)模走勢

3 結(jié)論

本文針對大氣污染防治領(lǐng)域已發(fā)表論文和已申請專利進行數(shù)據(jù)挖掘和可視化分析。結(jié)論如下：

（1）基于論文分析，大氣污染防治研究涉及多學(xué)科交叉；全球范圍內(nèi)發(fā)文數(shù)量呈現(xiàn)增長態(tài)勢。中國發(fā)文數(shù)量居全球首列，美國和英國整體發(fā)文影響力較高；德國、法國、意大利在論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產(chǎn)-研合作占比等指標均相對較優(yōu)。

（2）通過關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率分析知大氣污染防治技術(shù)研究主要針對多種污染物（PM10、PM2.5、氣溶膠、有機污染物、二氧化碳等），涉及污染物濃度精準預(yù)測、減排裝置狀態(tài)信息感知與故障診斷、治理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控、區(qū)域污染源智慧檢測與管控等基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)，呈現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進數(shù)字技術(shù)與大氣污染物減排技術(shù)深度融合的新趨勢。

（3）基于大氣污染物智能化管控技術(shù)申請專利分析，全球范圍內(nèi)專利申請量逐年增加，中國專利申請總量位居第一，但專利多布局在國內(nèi)；從專利內(nèi)容看，國外側(cè)重于汽車尾氣凈化裝置故障診斷及優(yōu)化調(diào)控；中國專利權(quán)人側(cè)重于燃燒過程優(yōu)化及燃燒煙氣污染物治理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控。

為持續(xù)改善我國環(huán)境空氣質(zhì)量，打造人工智能應(yīng)用新場景，提升我國在智慧環(huán)保領(lǐng)域、尤其是大氣污染智能化減排領(lǐng)域的國際核心競爭力，結(jié)合我國的研究優(yōu)勢及產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，建議通過多學(xué)科交叉與深度融合，強化論文學(xué)科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產(chǎn)-研合作占比等，提升發(fā)文的國際影響力；進一步出臺相關(guān)政策推動企業(yè)和研究機構(gòu)全球?qū)＠季?。針對多污染物濃度精準預(yù)測、減排裝置狀態(tài)信息感知與故障診斷、治理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控、區(qū)域污染源智慧檢測與管控等，開展前沿基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，多層次全方位提升污染治理水平，為關(guān)鍵技術(shù)突破和應(yīng)用提供源頭創(chuàng)新思路與科學(xué)支撐。