1. 引言
近年来，智慧城市建设如火如荼，随着其建设的不断深入，智慧消防也应运而生 [1]。智慧消防受到学界、政府和业界的广泛关注，不仅是由于智慧城市的引导，更是符合了现代经济社会发展的需要。当前我国经济蓬勃发展，新老事物背后隐藏的安全隐患给消防与应急事业带来巨大的挑战，面对日益复杂的灾害发展态势，传统消防应用已不能满足现实需要。在此背景下，作为新一轮技术革命的产物，兼具科技性、智能性特点的智慧消防，当之无愧地成为了破局的关键。所谓智慧消防，就是综合利用各种现代化的技术手段，从数据采集到功能应用，实现管理和救援的智能化。促进智慧消防发展一方面可以优化消防监督管理，提升社会治理能力，另一方面也能够促进应急救援工作的科学化。此外，在“全灾种、大应急”的背景下，智慧消防为人民群众的生命财产安全、企业生产安全以及国家社会安全保驾护航。
GIS技术是实现智慧消防的重要支撑。作为地理测绘与计算机学科交叉融合下产生的技术工具，GIS不仅能够实现空间事物可视化，还能实现人机交互功能，其强大的空间分析功能为现实世界构建模型与求解提供了可能性。有鉴于此，早在本世纪初，彼时智慧消防尚未形成关注重点，部分学者已经开始探索利用GIS技术解决消防与应急领域中现实问题。2017年公安部颁布的智慧消防指导意见，进一步促进了智慧消防产业的繁荣，“GIS + 智慧消防”的概念逐渐变得炙手可热 [2]。然而，基于GIS的智慧消防研究虽成果众多但缺乏系统梳理，其研究脉络和热点内容未明。因此，引入知识图谱 [3] 对现有研究成果展开梳理显得十分重要，不仅能够把握其热点和趋势，进一步推动该领域研究的发展，还能促进交叉学科融合，响应习总书记关于加强交叉学科协同创新的倡议。
本文基于中国知网(CNKI)数据库，利用文献可视化分析软件CiteSpace对近20年来基于GIS的智慧消防研究领域的文献进行统计整理，梳理其研究热点及发展趋势，以期为该领域进一步研究提供理论借鉴。
2. 数据与方法
2.1. 数据来源
本文数据来源于中国知网，检索时间跨度为2000年1月1日至2021年6月1日，通过构建篇名检索式“SU = 消防*GIS OR应急*GIS OR救援*GIS OR灭火*GIS OR火灾*GIS”进行检索，共检索文献1003篇。为保证文献数据的准确性和代表性，经笔者筛选、剔除非研究性文献，得出研究样本926篇。同时，为保证关键词共现分析的可靠性，预先对同义关键词进行合并。
2.2. 节点中心性算法
节点中心性是度量节点在网络中重要程度的指标，其大小与节点重要性呈正相关，计算公式如下：
(1)
式中，Ci为节点中心性；节点s和t之间的最短路径为gst条，这其中经过节点i的最短路径数量为
条。
2.3. 关键词聚类算法
由于关键词数量可能是巨量的，人工归纳不足以快速简洁地总结出聚类标签。为了简化关键词数量，CiteSpace通过聚类(cluster)算法以生成聚类标签，在每个聚类中提取排序最高的特征词，以此来表征整个聚类。谱聚类算法计算公式如下：
(2)
式中，余弦值越大表明词汇对差异度越小；cij表示节点i和节点j的共现频率；Si和Sj代表词i和词j各自出现的频率。
3. 结果与分析
3.1. 发文量与期刊分布
由图1可知，近20年来基于GIS的智慧消防研究发文总量不断增加，其年发文量总体呈“山”字型，高峰期出现在2009~2011年，发文量超发文总量的五分之一，其中，发文量最高的年份为2010年。2009~2011年该领域文献的研究内容主要涉及应急救援、地震应急、应急指挥等方面，推测发文高峰的原因与2008年国内四川地震灾害事件密切相关，涌现出一批面向震害应急的GIS技术应用研究 [4] [5]。2003~2007年该领域发文量迅速增长，曲线较为陡峭，这与GIS学科的发展趋势总体相符，该时段GIS学科蓬勃发展，各地GIS教研室、学科点相继成立，推动了GIS工具在智慧消防领域的广泛应用。2012年以后，基于GIS的智慧消防研究有所下降，但发文量仍维持在年均48篇的水平，热度不减。
Figure 1. Number of publications in the past 20 years
图1. 近20年来基于GIS的智慧消防研究发文数量
近20年来刊登的基于GIS的智慧消防研究文献数量排名前20名的期刊及载文数量如矩形树状图2所示，期刊名称后面的数字表示刊文量，包括《中国安全科学学报》、《测绘与空间地理信息》等期刊。分析可知，该领域刊文量前20名的期刊共刊文231篇，主要集中在安全科学、消防科学、地理科学、测绘科学、计算机科学等领域的期刊，这也反映了基于GIS的智慧消防研究的交叉学科研究的性质特点 [6]，兼具学术性与应用性。
Figure 2. Top 20 journals in this field
图2. 该领域中刊文量前20的期刊
3.2. 作者和发文机构分布
以作者为节点类型，得到作者合作关系图谱(图3)，节点间连线代表合作关系，其粗细程度反映合作强度。从图3中可以看出，作者合作网络较稀疏，连线较细或无连线，反映各学者及团队间合作联系少，合作强度小。其中，高被引作者有刘红桂团队(江苏地震局)、曹彦波团队(云南地震局)、袁纪武团队(中国石化安全工程研究院)、张继权团队(东北师范大学)以及赵保华团队(中国科学技术大学)，上述团队引用率较高的文章主要刊登在2010年前后，主要涉及基于GIS的地震应急救援 [7] 和草原火灾评估 [8] 等方向研究。
发文量最高的机构如表1所示，经查询可知，发文量前10的机构主要集中在高校及研究所中的土木建筑、测量测绘、遥感遥测、公共安全、防灾减灾、计算机信息技术等实验室。在CiteSpace中运行Batch Mode得到网络信息汇总表，其中高被引机构如表2所示，对应作者合作关系图谱(图3)中部分高被引团队的所在单位。
Table 1. Top 10 institutions by volume
表1. 发文量前10名机构
Table 2. Top 10 highly cited institutions
表2. 前10名高被引机构
3.3. 关键词共现及聚类分析
在关键词共现图谱(图4)中，节点大小与关键词频次呈正相关，进一步统计关键词词频及其中心性(表3)，可以找出其中关键节点。其中，中心性 ≥0.10的关键词有11项，分别是GIS、应急管理、辅助决策、应急指挥、空间数据库、空间分析、WebGIS、森林火灾、地震应急、三维GIS (3D GIS)以及ArcGIS，涵盖了近20年来基于GIS的智慧消防研究的兴趣热点。其研究热点之一，是在构建空间数据库的基础上，利用网页端GIS技术或桌面端的GIS软件，搭建针对自然灾害或事故灾难的应急管理系统，提供辅助决策、应急指挥等功能；研究热点之二，是三维GIS的蓬勃发展，现阶段三维GIS结合BIM技术、激光雷达、无人机测绘等技术，标志着空间可视化迈向新的阶段，为智慧消防提供可视化技术支撑。从图4和表3中，我们还可以得出，基于GIS的智慧消防研究结合了多种技术，在不同的研究方向和场所中得到应用。
Table 3. Keyword frequency and centrality
表3. 关键词频次与中心性
按应用方向划分，基于GIS的智慧消防研究主要用于风险评估 [9]、防灾减灾 [10]、灭火救援 [11]、应急疏散 [12]、消防规划 [13]、智能巡检 [14]、演练训练 [15]、消防管理 [16] 等方面。其中，风险评估研究以城市和森林草原的火灾风险评估为主；防灾减灾研究涉及各类自然灾害，如应用GIS手段进行防洪防汛预警、地震灾害救援；灭火救援研究包括室内火灾模拟、预案可视化编制、指挥调度系统设计以及救援路径规划；应急疏散研究以疏散路径优化为主，其中用到的路径算法主要有Dijkstra算法、蚁群算法、遗传算法等；消防规划主要包括消防站布局选址、应急避难场所选址以及应急广播电台选址布置等。
从应用场所看，基于GIS的智慧消防研究覆盖了海陆空等研究区，如海上救援、森林草原火灾、交通网络(公路、铁路、地铁、机场、港口、隧道)、商业综合体、出租屋、水库大坝、核生化区、石油化工区、矿井煤矿、地下车库、燃气管道等。近几年古城镇、历史街区也成为热点研究场所。
从应用技术来看，ArcGIS Engine、WebGIS、三维GIS、BIM、物联网(IoT)技术常被用作二次开发的有力工具，基于以上技术集成各种智慧消防系统。近年来，GIS结合无人机、大数据、云计算、RFID标签技术的研究也逐渐兴起。此外，MySQL、空间句法、计算流体动力学、红外技术、FDS、Mobile GIS、多agent智能体、SOA技术、FDS数值模拟、室内定位技术也较为常见。
研究涉及的GIS软件包括ArcGIS、SuperMap GIS、ArcGIS Engine、Skyline、MapInfo等，其中常见的GIS空间分析手段包括缓冲区分析、网络分析、空间插值等。
通过关键词聚类分析，可以对联系紧密的关键词进行归类，简化关键词数量，更有助于归纳总结出研究的热点和重点。图5、图6分别是逐年切片和每5年切片得到的关键词聚类图谱，图示结果与前述总结的研究热点基本相符。与图4关键词共现图谱相比，聚类图谱还增加了城市火灾、气象信息服务系统、应急避难场所、大气污染等标签，说明该类文献也值得引起关注，如气象信息服务是应急管理系统的重要功能之一；应急避难场所规划评估研究近年频现；因突发事件或应急救援所产生的污染问题及其后续处理也受到广泛关注。
3.4. 突现关键词分析
在CiteSpace中运用Bursts Detection功能，得到突现关键词如表4所示，突现关键词即短时间内数量发生明显增长的关键词，能够反映关键词的兴衰。GIS是本文文献数据检索的关键词，因此突现词分析中热度持续不降。地震次生灾害在04~10年得到重点关注，此时段WebGIS技术也得到广泛应用。空间数据库是智慧消防与应急的数据库基础，也是应急救援、指挥和管理系统的重要成分，空间数据库发展到2011年，三维GIS逐渐兴起，近年来BIM技术也促进了三维GIS的发展。借助GIS工具对消防站布局规划开展评估和设计，是智慧消防的热点研究内容之一，类似的基于GIS的智慧消防评估工作还包括城市火灾及森林草原火灾的风险评估。近几年，针对物联网、BIM、大数据的智慧消防研究热度居高不下，推动了GIS技术与其他技术的交叉融合，共同为智慧消防构筑技术支撑。
Figure 6. Keyword clustering map every 5 years
图6. 每5年切片的关键词聚类图谱
3.5. 关键词时间线分析
在CiteSpace中进行TimelineView分析，得到2000~2021年基于GIS的智慧消防研究关键词聚类的时间线知识图谱(图7)，图谱右侧为聚类标签。由图7可得，2010~2013年是各聚类的研究成果井喷式出现的时段，趋势与2.1节中发文量统计结果相符，推测其一方面与08年四川地震后国家政府的对消防及应急安全领域的重视密切相关，另一方面得益于“十二五”规划期间消防部队信息化提上日程。
总的来说，基于GIS的智慧消防研究可分为理论提出阶段(2000~2007年)、应用繁荣阶段(2008~2016年)和指导发展阶段(2017~2021年)。理论提出阶段(2000~2007年)中，热点关键词主要包括GIS模型、事故救援、决策支持、基础设施、监控系统等。在此期间，部分学者开始将GIS手段引入到消防与应急领域中，初步分析了GIS在消防应急领域中的意义，并提出了许多理论构想。第二阶段为应用繁荣阶段(2008~2016年)，本期出版文献数量显著增加，研究方向与内容更加多元。这一时期涌现出大量新兴关键词，诸如移动GIS、三维GIS、协作GIS、虚拟现实、空间分析、应急疏散、空间分析、最短路径、布局规划等，奠定了相关研究的基础格局。第三阶段为指导发展阶段(2017~2021年)，2017年部局下发关于智慧消防的指导意见文件，对智慧消防的概念、主攻方向等问题进行了把握与指导，这一时段内涌现出“一张图”、大数据、应急管理系统等关键词，研究方向和内容贴近政策导向，立足现实需求。
Figure 7. The evolution path map of smart fire protection research based on GIS in the past 20 years
图7. 近20年来基于GIS的智慧消防研究演化路径图谱
4. 结论与展望
本文利用CiteSpace文献计量软件，对近20年来基于GIS的智慧消防研究进行分析，展现了该领域近20年来的演化路径、发展现状和研究热点，得出以下主要结论：
1) 基于GIS的智慧消防研究兼具场景多样化、内容多元化、技术综合化等特点，体现了多学科交叉融合特质。相关研究经历了理论提出阶段(2000~2007年)、应用繁荣阶段(2008~2016年)和指导发展阶段(2017~2021年)，研究内容实现了从二维到三维、从静态到动态、从数字化到自动化、从智能化到智慧化、从学界探索到政府指导的跨越。
2) 未来基于GIS的智慧消防研究发展方向应朝着技术手段综合化、灾害防控精细化、消防设施智慧化、应急管理信息化、风险评估科学化、救援指挥高效化的方向发展，实现智慧消防规划路线的发展目标。
NOTES
*通讯作者。