章 引

科学结构图谱，通过可视化技术，以直观形象的图谱形式展现高度抽象的科学，特别是自然科学基础研究的宏观结构，揭示了科学热点前沿间的关联关系与发展进程。运用文献计量学的理论和方法周期性绘制科学结构图谱，可以快速、和形象化地把握科学总体态势，分析各个国家、机构在不同学科或主题上的优势领域和发展重点，监测科学发展的演变路径和变化趋势，追踪各个国家科研优势领域的动态变迁过程，鉴别主题交叉融汇趋势和潜在突破领域，辅助确定未来研发方向和创新机制，支撑科技发展规划和战略决策分析。因此，科学结构课题组自2007年起开展相关研究，每两年绘制一期科学结构图谱，周期性监测科学研究结构及其演变规律，监测科学发展趋势。

对科学知识体系结构及其演化趋势的研究一直是科技界发现研究热点、遴选优先领域、规划学科发展和制定科学政策的重要基础。传统的研究方法通过检索和分析相关文献以了解学科发展，追踪同行科学研究者的科研活动来掌握学科趋势，通过专家研讨、评议及专门的规划研究进一步判断可能的突破方向。但随着科技创新进入多学科交叉融汇的阶段，面对海量科技文献，限于固有的专业认知体系，科学研究者有时难以观察到不熟悉但相关联的领域，也难以把握它们之间的复杂结构和相互影响，更难以发现隐藏在复杂关系下的致变因素和潜在的发展趋势。

因此，本书研制的科学结构图谱利用大量科学论文之间同被引关系的聚类分析，超越传统的学科分类，直接体现科学研究者相互引证所表征的知识的相互作用及知识的流动、融汇和演变，帮助科学研究者了解隐藏在大规模的复杂关联的数据下面的科学研究结构及其变化，努力帮助科学研究者把握大问题尺度上和交叉融汇机制下的知识结构、新兴领域及其相互关系，逐步帮助科学研究者揭示演变趋势、预警新兴领域、发掘潜在合作对象、遴选优先领域等，辅助决策者对科学发展的规划。

本书以科睿唯安(Clarivate Analytics)公司的ESI为信息源，提取了2010～2015年9546个研究前沿中包含的高被引论文，通过同被引聚类分析，得到了232个研究领域，形成了全球视野的科学结构图谱，可视化地展现了2010～2015年的科学研究宏观结构及其内在关系，揭示了国际社会普遍关注的热点研究领域。在此基础上，通过2002～2007年、2004～2009年、2006～2011年、2008～2013年和2010～2015年五个时期科学结构的演化变迁轨迹，分析了各个学科研究领域的演变情况。通过引入生物学第三代多样性计量方法，度量了各国研究领域的学科多样性。同时，基于科学结构图谱，从国家科学研究的结构上反映了中国及代表性国家在不同研究领域的活跃程度及其变化趋势，通过国际合著率描述了中国及代表性国家国际合作的总体趋势。通过可视化展现中国及代表性国家政府科学资助基金在科学结构图谱上的资助分布，对比分析不同国家科学资助或同一国家不同资助机构的资助布局。

本书的结构如下：章，引言；第二章，研究方法与数据，介绍了绘制科学结构图谱的理论和方法；第三章，科学结构及其演变，绘制了232个研究领域组成的科学结构图谱2010~2015，分析其主要特点，通过五期科学结构图谱的时序分析展示了科学结构的演变；第四章，研究领域的学科交叉性，通过分析232个研究领域与14个学科之间的关系揭示了研究领域的学科交叉性及在科学结构图谱上的分布；第五章，中国及代表性国家科学研究活跃度，通过观察中国及代表性国家在每个研究领域中的论文份额分布，讨论各国在不同研究领域中的相对优势；第六章，中国及代表性国家的国际合作，通过国际合著分析度量知识的国际流动；第七章，科学结构图谱上的科学资助情况分析，基于科学结构图谱分析了中国及代表性国家的政府科学资助基金对各个研究领域的资助布局；第八章，结语。

本书术语解释

科学结构图谱：或称为科学知识图谱，是一种显示科学知识结构关系与发展进程的图形，反映了科学知识之间的结构、互动、交叉、演化等诸多关系。

高被引论文(highly cited paper)：ESI对过去10年SCI 论文被引频次进行统计，将22个学科领域中被引频次TOP1% 的论文遴选为高被引论文。

研究前沿(research front，RF)：ESI以SCI近6年的高被引论文为基础，利用论文之间的同被引关系聚类产生的一系列论文集合。

研究领域(research area，RA)：在研究前沿基础上的再次聚类得到的一系列高被引论文集合。

同被引(co-cited)：一组论文共同被其他论文引用。

核心论文(core paper)：研究领域中的高被引论文。

施引论文(citing paper)：引用核心论文的论文。

重力模型(gravity model)：对象之间关联强度的可视化方法，基本思想是把对象间的关联强度看作原子之间的引力和斥力，当力平衡时就形成各个对象之间的相对位置。

平均年(mean year)：一组论文的出版年的平均值。

国家核心论文份额：该国发表的核心论文数占世界核心论文数的比例。

国家施引论文份额：该国引用核心论文的论文数占世界引用核心论文的论文数的比例。

国际合著率：一国有多国著者的论文数占该国总论文数的比例。

国家论文计数方法：由于存在国际合著论文，一个国家的论文量因为不同的计数方法而不同，计算方法包括：①全计数法(complete counting)；②分数化全计数法(complete-normalized counting)，也称分数计数法(fractional counting)；③作者直接计数法(straight counting)；④整体计数法(whole counting)；⑤分数化整体计数法(whole-normalized counting)。采用方法②③⑤计算时所有国家份额之和等于，采用方法①④计算时所有国家份额之和超过。本书中论文份额统计采用分数计数法，国际合著率统计采用整体计数法。

第二章 研究方法与数据

科学结构图谱的主体分析单元是热点研究领域，它通过对高被引论文的同被引关系聚类产生。本期科学结构图谱的构建，首先对高被引论文的同被引关系进行聚类分析，产生若干研究领域；其次根据各个研究领域间的关联强度利用重力模型计算其相对位置并可视化，通过平行映射保持与前期图谱位置的稳定性和连续性；接着通过文本分析对研究领域中论文的题目和摘要抽取特征词以标识各个研究领域的内容；后参考在研究领域之上的三层同被引聚类，由科技情报研究人员审核、修改以确定该研究领域的命名及所属的研究大类。

一、利用同被引聚类确定研究领域

同被引指一组论文共同被其他论文引用，反映了在学科分类、发表期刊、作者机构、研究项目等方面看似毫无关联的该组论文可能存在着某种关系。当该组论文同时被引用的次数逐渐增加时，它们之间的内在关联不断加强。因此，同被引现象通过作者自发的引用行为反映了科学研究内容和科学研究活动的聚合关系，可以超越传统的学科分类限制，反映了科学研究内容的自组织与科学结构的演变。

本书沿用前四期科学结构图谱的同被引聚类方法，并沿用《科学结构地图2012》中的聚类参数。研究前沿取自ESI于2016年3月公布的2010年1月至2015年12月的研究前沿，共9546个，其中包含45657篇高被引论文。施引论文集选自SCI和SSCI，时间范围为2010～2015年。通过同被引聚类，形成232个研究领域，其中包含3464个研究前沿，19850篇高被引论文(核心论文)。

科学论文间的引用反映了科学研究的动态交互。同被引是指一组论文同时被其他论文引用，如图2-1所示，论文A、B、C同时被论文1、2、3引用。如果论文A、B、C 频繁同被引，可以推测它们拥有相同或相近的研究主题。

图2-1 通过同被引分析确定研究领域A、B、C 为核心论文

使用同被引的方法，计算高被引论文两两之间的同被引关系，并根据同被引关系对高被引论文进行聚类形成若干论文簇，称为"研究前沿"；在此基础上利用同被引关系对上述研究前沿再次聚类，得到的若干论文簇，称为"研究领域"。高被引论文、研究前沿及研究领域之间的关系如图2-2所示。

图2-2 高被引论文、研究前沿、研究领域的关系

二、科学结构图谱可视化

科学结构图谱采用重力模型算法 形象描述了研究领域之间的相互关系，确定各个研究领域在二维空间中的布局位置，绘制成图谱。为了使两次科学结构图谱纵向可比，本书采用平行映射算法对重力模型进行了改进。各研究领域除受本期其他研究领域的关系(引力和斥力)影响外，还受前一期科学结构图谱中研究领域的引力，即后一期科学结构图谱中研究领域的相对位置参考了前一期科学结构图谱的位置。有学者研究表明，全领域的科学结构具有"共识性科学结构"(consensus map of science)，本书作者通过试验也发现新一期科学结构与科学结构2002~2007、科学结构2004~2009的布局存在一致性。为了减少算法的参数对科学结构布局的影响，通过平行映射，可以得到时间相异但形态更加一致的科学结构图谱，从而支持后续科学结构的演化分析。

本书采用三种可视化方法展现科学结构中研究领域的位置布局，每种方法各有利弊，可以互补：①点线图，用圆圈表示研究领域，圆圈半径表示研究领域的扩展度(即研究领域中包含核心论文的数量)，圆圈之间的连线表示研究领域的关联关系。这种方法可清晰地展现研究领域的具体位置及关联关系，缺点是当研究领域中核心论文数相差悬殊时，圆圈大小难以反映此悬殊情况。②密度图，使用了高斯函数表示研究领域扩展度在二维平面上的密度分布。这种方法无法直观反映研究领域之间的关联关系，但揭示出研究领域中核心论文密度的分布情况。③三维地形图，使用地理信息系统的三维可视化模块进行展示(附录1)。这种方法将研究领域扩展度分布在三维空间中，使科学结构图谱具有立体感，更加直观，但与密度图一样无法直观反映研究领域之间的关联关系，而且研究领域的具体位置不如二维图清晰。

三、科学结构演变轨迹

研究领域的演变可以归纳为新增、消失、分化、合并、延续五种模式，但是在知识的演变过程中，分化和融合具有相互转化、相互渗透的辩证统一关系，融合往往意味着另一种形式的分化，再精细的分化也总是伴随着不同学科知识的交叉和融合，由此形成一种演变模式综合交错的演变路径。本书采用图2-3 所示的演变轨迹流图展现研究领域演变路径。研究领域的演变关系基于两个时期科学结构共同时间窗内(4年)的重叠度(重叠论文)，重叠论文越多，表明研究领域之间的继承关系越强。

图2-3 研究领域演变轨迹