基于语料库的航空航天工程前沿知识图谱研究

基于语料库的航空航天工程前沿知识图谱研究

空间技术是最全面的科技领域。它在物理、数学、电子、信息技术、材料科学、科学知识、航空医学、天线等学科中融合了许多领域。它是对现代社会最具影响力的高科技之一，也是竞争中最激烈的领域之一。空间技术的发展极大地促进了生产力的发展和社会的进步,为扩大人类生存空间提供了可能,它已成为世界各国现代化建设的重要内容。预计到2050年,全球空间技术产业将超过2000亿美元。因此,空间技术的开拓性和综合性决定了其所具有的巨大社会和经济效益。该领域目前的热点分布有:行星际空间,宇宙设备与技术,基础天文学和天体物理学、设备、技术以及天文观测;超声速和高超声速条件下的边界转捩、湍流、大攻角非定常流动分离导致的复杂流场及其控制、增升、减阻、高升阻比气动构型;高温气体动力学与气动防热;超燃冲压发动机内流空气动力学;喷流干扰如推力转向;隐身空气动力学与气动/隐身一体化设计;地面效应空气/流体力学;低RE数流动与微流体力学;气动声学、气体光学、气动物理学;流-固耦合力学;低雷诺数流动、仿生流体力学、微流体力学和“微自适应控制”(MAFC)理论;航空测控技术、航空运输技术、主动控制、高超声速飞行器以及各军事民用领域的飞行器、载人航天、深空探测、人造卫星的应用等[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。工程技术日新月异,航空航天领域的学者、工程专家对以上的热点问题都进行了深入的探讨。科学知识可视化图谱是在信息技术的推动下,新近发展出来的一个新领域,当前已经成为科学计量学的一个新热点。陈悦和刘则渊认为科学知识图谱是显示科学知识的发展进程与结构关系的一种图形,它是揭示科学知识及其活动规律的科学计量学从数学表达转向图形表达的产物,是显示科学知识地理分布的知识地图转向以图像展现知识结构关系与演进规律的结果。华人学者陈超美是引文分析可视化的主要代表人物,为信息可视化领域做出了巨大的贡献。他自1998年以来,他在《美国信息科学与技术会刊》等国际权威期刊上陆续发表了大量的关于知识可视化的学术论文。陈超美基于Java程序语言开发出了科学文献分析与知识图谱可视化软件CiteSpace,通过对科学文献题录数据(特别是引文数据和关键词数据)的分析和处理,通过图谱展现出科学发展的演化趋势以及科学发展的前沿领域。他利用CiteSpace软件,通过共引分析与共词分析考察了1990-2003年“恐怖主义”研究的学科前沿和发展趋势,还考察了1981-2003年“物种灭绝”领域的研究进展和演进过程。本文试图利用CiteSpaceII软件,用引文分析学的方法研究有关航空航天科学、工程的有关问题。1航空工程期刊本章研究数据来源是根据2006年JCR在航空航天工程领域(Engneering,Aerospace)所列的24种期刊。2008年1月,我们检索了SCI(Thomson-ISI)网络版——WebofScience检索系统中的科学引文索引扩展版数据库,获得了24种航空航天工程专业期刊的科学文献索引数据(也称为题录)。这些航空航天科学文献绝大部分为论文(article),但也含有少量其他类型的文献,例如评论(review)、讨论(discussion)、通讯(letter)、人物传记(biographical-item)等等。我们仅保留了文献类型为论文的数据,去除了其他文献类型的数据,得到了条航空航天专业期刊论文的31063条题录数据,我们用这些数据建立了本文研究所需要的原始数据库。表1展示了航空航天工程的24种期刊。《欧洲航空局公告》(EsaBulletin-EuropeanSpaceAgency)是由欧洲航空局出版的,是在法国的一个多种语言的杂志,季刊,影响因子是24种期刊中最高的,是国际航空航天工程界的权威杂志。《航空航天科学进展》(ProgressinAerospaceSciences)也是一本国际综合性航空杂志,由1961年创刊,是由美国Pergamon——ElsevierScienceLtd出版的,其刊载了广泛的有关航空航天科学及其应用的研究论文,对专家学者最近的工作做了的有序和简练的总结,包括了对更多的读者提供了航空航天领域最新进展提供了的更充分的细节,对科研军事组织、产业和大学都有很深远的影响。期刊中《航空科学和技术》(AerospaceScienceandTechnology)在法国发行,《人造卫星通信和网络国际杂志》《航空学杂志》《航行器工程和航空航天技术》《机械工程师学会会报;G辑:航空航天工程杂志》和《国际涡轮机与喷气发动机杂志》在英国发行,俄国、日本、荷兰分别有一种期刊,他们发行的时间都比较短,其余都是在美国发行。2阈值选取及时序本节在此利用CiteSpace-II进行文献共引分析,分析对象为WebofScience中检索出的24种航空航天工程期刊的2000-2007年8年的篇英语文献记录,时间区选择1年,阈值选择为(5,2,10),(5,2,15)和(5,2,15),分别在前、中、后三个时间分区中设定引文数量、共引频次和共引系数三个层次的阈值,其中具体每一个两年分区的阈值是由线性内插值来决定的,结果如表2所示。图1中网络由452个节点和1921条连线组成中。图中每个节点都表示一位作者,节点向外延伸的不同颜色的圆圈描述了该著者在不同年份的引文时间序列,圆圈的厚度与相应年份的引文数成正比。带有粉红色圆圈标记的节点表示该作者是从一个聚类跃迁到另外一个聚类的关键节点。图上显示出由五个聚类围绕C0核心知识群而形成的四个前沿知识群。2.1计算气动噪声的方程模型图1中的C0聚类位于整个网络的中心,主要由较早时期(20世纪80、90年代)的连线组成,其他聚类都是由其引发而出。C0聚类是航空航天工程引文网络中的核心知识群。航空航天工程与现代空气动力学、流体力学、热力学、热能工程、流体机械工程都关系密切,都提出了一系列复杂流动问题,其中包括高速流、低速流、管道流、燃烧流、冲击流、振荡流、涡流、湍流、旋转流、多相流等等。C0聚类中主要是空气动力学、计算流体力学,是航空航天工程的基础。网络中最大的两个关键节点都位于C0聚类,分别是罗(Roe)1981年发表在《计算物理杂志》(JournalofComputationalPhysics)上的《近似黎曼问题解、参数向量和差分格式》(ApproximateRiemannSolvers,ParameterVectors,andDifferenceSchemes)、斯帕拉特(PRSpalart)与奥马拉斯(SRAllmaras)1992年在30届航空科学与展览会以上发表的《空气动力流计算用的一方程湍流模型》(AOne-equationTurbulenceModelforAerodynamicFlows)。罗1981年发表的《近似黎曼问题解、参数向量和差分格式》一文认为许多为解决双曲线连续性的数值格式是基于探索通过考虑黎曼问题解决而获得正确的信息。该研究成果发表以后,为计算流体力学中通量差分裂方法提供了基础,随后Roe与其同事发表了大量的有关的数值格式的论文,形成了有名的Roe的近似黎曼解方法、Roe的一阶迎风格式、一维非线性守恒系的Roe方法以及Roe的迎风偏置通量差分裂方法,从而为计算流体力学对航空航天工程的研究提供了一个新的研究领域和研究方法。斯帕拉特与奥马拉斯1992年的文章《空气动力流计算用的一方程湍流模型》发展了湍流转换方程和湍流模型,因此能够在二维或三维空间进行任何结构和纳维-斯托解决的兼容。这个模型显示出流动包括高升力系统和机翼-机身连接的一个好的候选者。因此,Spalart-Allmaras(SA)一方程模型模型成为计算流体力学中简化湍流模型中继Baldwin-Lomax(BL)模型、Johnson-King(JK)非平衡代数模型、Baldwin-Barth(BB)一方程模型后的较新的一方程模型,为航空航天工程的数值模拟计算提供了新的应用方法。90年代以来,随着高速计算机的发展,CFD技术的不断成熟并逐渐应用于声学领域,计算气动声学的研究取得了迅猛发展。作为气动声学(aeroacoustics)和计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,简称CFD)结合的一门交叉学科分支,计算气动声学自80年代中期开始逐步兴起,在90年代成为气动声学的研究热点,如今己经成为工程应用的重要研究手段。其基本思路是基于N-S方程或Euler方程求解获得声场。泰姆(CKWTam)则为计算气动声学做出了很大的贡献。其《计算气动声学的DRP有限差分方法》突破了传统的计算流体力学计算定常流的低阶模式,而用了高阶有限差分格式直接计算各种流。Tam的另一篇论文《计算气动声学-问题和方法》,系统地研究了计算气动声学的存在的问题,并且提出了一些解决的方法。对系统的研究计算气动声学做出了贡献。近年来,他比较关注精密湍流噪音问题。欧拉方程是对无粘性流体微团应用牛顿第二定律得到的运动微分方程,是无粘性流体动力学中最重要的基本方程,应用十分广泛。大多数学者航空航天学者都是对基本的欧拉方程的提出数值解。Jameson在《运用Runge-Kutta时步法通过有限元方法的欧拉方程的数值解》文中提出了把有限元离散与三阶耗散设计、RungeKutta时序格式相结合,产生了对解决任意几何领域欧拉方程解的一个有效方法。这个方法用一个O网来决定机翼的定常跨音速流。这篇论文运用时步法有限体积方法的欧拉方程的数值模拟,也是对欧拉方程数值解的一个初步尝试,随后掀起了各种对欧拉方程数值方法改进的热潮。对欧拉方程运用和改进研究,一直是航空航天工程领域的持续的课题。也产生了许多的课题如多栏方法的二维跨音速绕流的欧拉方程的解、欧拉方程的隐式格式、欧拉方程的自动选择格子细化、复杂构型的欧拉方程解、飞机欧拉方法改进、运用隐含格式欧拉方程的多栏解、二维欧拉方程的有限体积解、航行器编队的欧拉方程的多格子解、运用欧拉方程机翼设计的控制理论等。这些改进的欧拉方程的解为航行器设计的计算空气动力学、计算流体力学的最优化提供了深厚的基础。另外一个小节点是Hicks等1978写的论文《通过数值最优化的飞机设计》,这篇论文评估通过数值最优化实现计算机机翼设计的现实性。设计项目包含了一个全部潜力和非粘滞空气动力学编码与共轭梯度最优化算法。选择了三个设计问题证明了设计技术。从三个案例的显示这个技术能够充分精确的促进设计。这篇论文是飞机设计的计算机数值模拟的开端。为以后飞机设计的最优化与数值模拟开了先河。理论流体力学的基本方程是纳维-斯托克斯方程,简称N-S方程。纳维-斯托克斯方程由一些微分方程组成,通常只有通过一些边界条件或者通过数值计算的方式才可以求解。聚类C0一个节点TJPOINSOT等于1992发表的论文《可压缩粘性流的直接模拟的边界条件》讨论了纳维斯托方程的边界条件。运用特征相关关系通过欧拉方程和普通纳维斯托方程获得的边界一个新的公式。强调了原始的边界条件与现代运用湍流直接模拟的非耗散算法是相容的。这些方法有较低的离散错误和需要精确度边界条件以避免数值的不稳定性和控制在反映在计算边界的伪流。目前的公式试图提供这样的条件。提供了反映和非反映边界条件的处理。这个方法提供了亚音速和超音速流的方法。尽管没有给出好姿态的数学证明,这个方法为需要好姿态的纳维斯托方程的用边界条件正确数值和例子揭示了提供了所有参考文献方法的重要的改进。2.2小聚类聚类的主要内容是太阳逻辑C1聚类为航空航天工程中航行器飞行轨道最优化的知识群,其论文节点主要涉及航空器编队飞行的若干文献。可以看到连接C1和C0聚类的,靠近C1聚类的有三个关键点,这三个点分别是Lawden于1963年的著作《空间航行的最优化轨道》(OptimalTrajectoriesForSpaceNavigation),提出了有名的Lawden方程;Betts1998年写《轨道最优化数字化方法纵览》,综述了对轨道最优化的数字方法;Hull1997年的论文《最佳控制问题到参数最优化问题的转换》,他认为许多现存的最佳控制的问题其实就是参数最优化的问题,于是他鉴于这些方法的相似性,可以通过数值综合技术、时序综合技术和未知的参数最优化问题来分类,可以把这些技术分成显性和隐性的方法。这三个节点可以说是连接C0和C1聚类的桥梁,因为工程的问题始终是最优化的问题,这里主要是有关航空器飞行最优化的一系列问题。C1聚类中又有三个小聚类分别为C11,C12,C13。C11主要是卫星编队飞行的研究;C12主要是太阳帆的有关研究,C13是飞行控制的最新进展。C11聚类中最大的节点是Clohessy等人1966写的论文《人造卫星交会的末端控制系统》,这个点被引的次数最多,其实该点也是整个C1类的基础,为以后的飞行编队问题提供了早期的探索。C11聚类中包括的节点主要是有关卫星编队飞行的研究。自上世纪90年代后期开始,国际上关于小卫星的研究越来越引起世界航天领域的极大兴趣和广泛关注。目前,关于小卫星及其应用的研究也已进入了一个新的阶段。作为小卫星应用的一个重要方面,小卫星的编队飞行技术也被普遍认为是未来小卫星应用模式的必然趋势。2008年飞行科学家设想用超导磁体实现太空飞船编队飞行,超导电磁体可使宇宙飞船无需燃料供。这些论文都是考虑非线性和椭圆参考轨道等因素,对卫星编队周期性绕飞的条件,设计各种优化的绕飞轨道,这些对长期编队飞行是提出了很多有益的借鉴。两个小聚类C11与C12中间的一个节点是Hargraves与Paris运用非线性规划和排列的直接轨道的最优化描述了直接轨道最优化的方法。Gill等人提出了大规模约束最优化的一个SQP算法,指出联系二次规划方法对目标和约束中使用平滑非线性功能解决约束组优化问题证明是高效的。C11与C13之间的点是与hulldg相连,是Dachwald一本书《运用演化神经网络的行星间太阳帆航天器轨道的最优化设计》。小聚类C12的主要内容是太阳帆的有关研究。随着微电子技术、材料科学、空间技术的飞速发展,太阳帆已经得到了世界各国的广泛关注。太阳帆是一种无引擎的航天器,采用独特的推进方式:以太阳光光压为推进动力。光是由没有静态质量但有动量的光子构成的,当光子撞击到某种介质的表面上时将被反射,太阳帆的工作原理,就是将照射过来的太阳光反射回去,由于光子反射与入射动量的变化从而产生了光对太阳帆的作用力。聚类C12中的小节点McInnes的《太阳帆:应用技术、动力和任务》系统地介绍了太阳帆的有关技术、动力和任务等。随后许多学者从不同角度研究了太阳帆,如Murphy等人升级太阳帆子系统设计理念,Coverstone运用太阳帆脱离地球同步轨道的技术,Dachwald与Wie太阳帆轨道最优化对近地小行星的截取、影响和偏斜,Mengali运用非理想太阳帆三维行星间终端的最优化,Murphy20米太阳帆系统实证Laue等人20米太阳帆地面测试系统的太阳帆测试仪的结构和展开测试。小聚类C13的主要内容是飞行控制。主要的节点是Kaplan的1976《现代航空动力学和控制》,考察了基本航空器动力学的物理航空器的动力和控制的基本原理。Harpold和Graves描述了航天飞机进入轨道指南的设计。Lane等人1992的文章《高阶CMAC神经网络的理论与发展》为航空航天工程的学者提供了新的视野,运用高阶神经网络方法对航空飞行进行控制。如Kim与Calise进行了运用神经网络的非线性飞行控制的研究。Howell提供了动力系统方法在最初轨道设计的有用性。提供了发射和返回约束的方法。另外,发现在不同时间、不同情况的发射的相似解。Murphy与Wie讨论了升级航空器的鲁棒推进控制。2.3多目标跟踪的数据体系聚类C2为追踪和估计的知识群,主要涉及到目标估计和追踪的一系列问题。Bar-Shalom是这个聚类的主要代表人物,这个聚类的大部分节点都是他的著作。最大的节点是Bar-Shalom与Li等人1993《估计和追踪,原理、技术和软件》一文采用了基本的标准估计与最新的适合技术相结合阐明了在随机环境中的状态估计和设计。第二大节点是Bar-Shalom与Li二人《多目标多传感器追踪:原理和技术》一书介绍了多目标与多传感器的原理和技术。Bar-Shalom和Tse《杂波环境中概率数据互联的追踪》一文最早提出概率数据互联滤波器(PDAF),被学者们广泛的应用于雷达目标跟踪等领域中。聚类C2种其它的节点是Bar-Shalom与其合作者们在追踪与数据互联方面做了大量的工作。聚类C2中另一个关键人物是Blackman,他主要研究的也是多目标跟踪问题,代表作有《雷达应用的多目标跟踪》、《现代追踪系统的设计和分析》、《多目标轨迹的多重假设跟踪》。这些著作为以后的粒子过滤器的定位航行和追踪、定位估计的贝耶斯过滤、普遍存在的本地估计的粒子过滤器、浓缩条件密度繁殖的可视化追踪、运用meanshift非刚性目标的实时追踪、有判别力追踪特征的在线选择、粒子可视化追踪的数据融合提供了基础。C2的边缘还有几个点,这几个点主要是一些辅助飞行控制与估计的计算方法。连接C2和C0的点是Goldberg的论文《遗传算法在搜索、最优化和机器学习的应用》,这个节点和其他的两个聚类也有关系,可以看作是重要的桥梁。作者以指南的形式为科研人员提供了计算机技术、数学工具和研究结果,用来促进在许多问题上遗传算法的应用。遗传算法被广泛的应用在工程领域,尤其是对最优化的问题,有很大的贡献。除了遗传算法外,计算机实验的设计与分析也是至关重要,因此,Sacks等人1989年的论文计算机实验的设计与分析也为工程的研究者提供了很好的方法。2.4航天器姿态的决定与控制聚类C3是关于姿态描述的知识群,连接核心知识群C0与这个知识群C3的关键节点是Golub等人的《矩阵计算》一书,这本书系统地介绍了矩阵计算的基本理论和方法。内容包括:矩阵乘法、矩阵分析、线性方程组、正交化和最小二乘法、特征值问题、Lanczos方法、矩阵函数及专题讨论等。矩阵计算是工程技术人员的有效工具,应用在各个领域,也是姿态描述的重要工具。聚类C3的最大的节点是Shuster《姿态描述的综述》一书,这本书以一致的符号和一套惯例对姿态描述的进行了综述。全面的给出了不同姿态描述间的关系和动力方程。Shuster的其他作品也包含在这个聚类中,主要有Shuster与Oh的《来自矢量观察的三轴姿态决定》、Shuster《航空器姿态的最大似然估计》提出了航天器姿态的最大似然估计矩阵、Shuster的《航天器姿态的卡尔曼滤波和QUEST模型》提出了一个QUEST算法、Shuster《寻求更好的姿态》、Shuster《姿态估计中的约束:不受约束的估计》、Shuster《统一姿态的概率分布》等。这个聚类中的还有几个重要的代表人物Markley,Crassidis,Junkins,Mortari。他们几人对姿态决定、姿态估计、姿态描述都做出了很大的贡献。较早的论文一些节点如Wahba的《航天器姿态的最小二乘估计》最早提出了Wahba问题;Wertz《航天器姿态的决定与控制》提出了航天器姿态的决定与控制问题;与C2聚类连接的一个大点Lefferts、Markley、Shuster提出了航天器姿态估计的卡尔曼滤波。卡尔曼滤波被广泛应用在姿态估计中。许多参数用来表示姿态,例如欧拉角。2.5压电元件的智能结构聚类C4是关于压电材料技术的知识群,而连接中心聚类C0和聚类C4的关键节点是Sunar与Rao1999年发表的著作《通过压电材料技术的柔性结构传感和控制的最新进展》。C4中最大的点是Crawley等人1987年的论文《运用压电制导器作为智能结构的基础》,介绍了压电制导器做为智能结构的现状。压电元件在智能结构中具有广泛应用前景,受到国内外研究人员的高度关注。Crawley1994年的《航天的智能结构:技术综述和评估》一文中也提到了航天智能结构的中压电技术。另一个重要节点是Lee的《分布传感器或制动器的多层压电材料层合板理论》一文,这篇文章运用压电现象影响柔性板的分布控制和挠度、转矩、叶片、收缩和伸展度发展了压电板理论。这个新发展的理论能够对压电板的电动机械(主动)和机械电动(感知)行为进行建模。引入了解释这些压电传感器和制动器的物理概念的普遍函数。发现了互惠关系是所有压电板的普遍特征。Reddy的《复合材料层合板简单高阶理论》发展了一个高阶的层合板修剪变形理论。这个理论包括了与Whitney和Pagano相同的一阶变形理论。2.6气动弹性分析方法聚类C5是关于气动弹性理论的知识群,而连接中心聚类C0和聚类C5的关键节点是Seifert、Darabi与IWygnanski1996年发表的著作《周期性刺激的机翼迟滞》。聚类C5的主要内容是气动弹性。气动弹性是又称气动弹性理论,是空气动力学和弹性力学的交叉学科,是研究空气动力同弹性结构变形之间相互作用的规律及其在工程技术中的应用的学科。其主要的研究课题有包括颤振、变形发散、抖振、操纵反效以及突风响应等。C5聚类中有两个节点都是介绍气动弹性的理论和方法的。即Bisplinghoff等人1955年发表的《气动弹性》(Aeroelasticity)一文。另一个节点是杜克大学机械工程材料科学系的Dowell编的《气动弹性力学现代教程》一书,已经出了三版,他认为气动弹性领域的问题是来自于气体结构和他们周围和内部的空气流动,可以分为静态和动态的气动弹性,如果包括反馈控制,那么;也包括气动弹性伺服。Dowell是这领域杰出的科学家,已经活跃在这个领域三十多年,对这个领域有很多的贡献。也都包括在这个聚类中,如聚类较大地一个点,与Hall合作的《流固耦合建模》一文,本文强调了最新进展和未来的挑战。Hall、Thomas与Dowell的《跨音速非定常空气动力流的特征正交分解技术》提供了一个非定常小湍流的结构降序模型的新方法。C5聚类中最大的点是斯坦福大学的Karpel的《运用状态空间气弹模型颤动主动抑制和阵风减缓的设计》一文。这篇文章为主动抑制和阵风减缓控制系统提供了一个分析设计的技术。聚类中的第2大点是南安普敦大学Jeffrey、Zhang与Hurst的《单因素高升力机翼上Gurney襟翼的气动弹性》一文。这篇文章测量了包括压力、激光多普勒风力测定速率。建议Gurney襟翼下游双涡流结构的平均速率矢量和流线型。其他重要的节点还有以色列理工大学的Karpel《完整气动伺服弹性最优化的降阶模型》。他认为最近发展的基于气动伺服弹性建模技术扩展到与飞机结构和控制设计相关的几乎所有气动伺服模型方法的应用上。综述了不同技术,并且组合了完整设计最优化格式,压力、静态空气弹性、闭环振动、控制边际、时间反应和连续阵风约束放在一个普通基本模型中。这个降阶模型和相关的灵敏度分析的设