基于标准挖掘与标准二维图技术的天然气储运领域研发方向识别

摘要：基于标准挖掘与标准二维图技术，结合统计概率文本分析法和非线性降维技术模型，对天然气储运领域的技术研究方向展开识别。以148项天然气储运国家标准为样本，通过统计概率文本分析法提取60个技术关键词并构建文本-关键词矩阵，利用非线性降维技术生成的天然气技术标准布局图中，共存在90个空白点，针对已识别出的这些标准空白点，从可行性、先进性、重要性、经济性和风险程度5个维度进行系统性评估，进而筛选出高置信度技术方案，将其作为值得深入研发的技术机会。研究结果表明，天然气储运领域的标准化程度不均衡，空白点多集中于流量计量与在役检测环节，相关标准亟需优先布局。

关键词：天然气；储运；标准二维图技术

天然气储运领域对能源供应的稳定性和安全性至关重要，同时在优化能源结构和提升能源利用效率方面发挥着关键作用 [1] 。随着技术的发展和市场需求的变化，新的技术挑战和机遇不断涌现，非常规天然气资源的开发对储运技术提出了更高要求，而数字化、智能化技术的融入则推动智能化储运系统研发成为行业新热点。在此背景下，准确识别技术研发方向，对于推动技术进步、保障能源安全以及促进环境可持续发展，均具有至关重要的现实意义 [2] 。此外，全球气候变化带来的压力和环境保护的迫切需求，也促使行业对天然气储运过程中的能效提升和环境影响控制给予更多关注，这进一步凸显了该领域技术研发的重要性。

通过标准挖掘与标准二维图技术，为天然气储运领域的技术研发方向提供了科学支撑。不仅揭示了技术发展趋势与核心热点，精准识别出潜在的技术机遇和研发空白，还优化了技术布局，为相关标准制定和政策规划提供了重要参考 [3] 。这些成果有助于推动天然气储运技术的发展，促进产业创新，优化能源结构，为天然气储运行业的高质量发展和国家能源安全筑牢根基。通过识别技术发展中的薄弱环节与现实需求，为标准制定提供了依据，推动技术标准的完善升级 [4] 。同时，也能为政府部门和行业组织制定相关政策提供科学指引，有效促进天然气储运行业的健康有序发展。采用基于词频-逆文档频率(TF-IDF)与生成式地形映射（GTM）的研究方法，用于识别和分析天然气储运领域的技术研究方向，在推动天然气储运技术创新与优化能源结构方面，具有重要的应用背景和研究价值。

1 基于TF-IDF 和GTM 模型的标准二维图技术构建方法

1.1 研究方法

TF-IDF作为一种统计概率文本分析方法，其主要功能是评估某一词语在文件集或语料库中特定文档的重要性。该算法被用来挖掘和提取天然气储运标准文档中的关键词和重要技术主题。通过计算每个词语在文档中的出现频率（TF）及在全部文档中的逆频率（IDF），能够精准识别出那些在特定文档中高频出现且在整体文档集中较为罕见的词语，这类词语通常是技术文档的核心关键词〔5〕。

GTM模型则用于将提取的高维关键词数据映射至低维空间，进而构建标准二维图技术。作为一种非线性降维技术，GTM通过径向基函数神经网络将高维数据映射到低维潜在空间，以此揭示数据的拓扑结构。GTM模型不仅助力实现技术标准分布情况的可视化，还成功识别出技术热点与空白区域。借助该模型，复杂的技术标准数据可转化为更易于理解和分析的形式，从而为识别技术发展的主要方向与潜在技术机会提供支持〔6〕。

通过上述方法的结合，不仅能够精准识别天然气储运领域的技术空白点，还能对这些空白点进行有效解读，为技术发展和标准制定提供科学依据。这种基于TF-IDF和GTM模型的研究方法，为天然气储运领域技术研究方向的识别提供了全新视角与工具，有助于推动产业创新及国家能源结构优化。

1.2 构建流程

以专题标准文本为对象，技术机会的挖掘可分为4个步骤：①界定技术主题与标准范围并完成文本收集。②运用TF-IDF方法提取关键词并构建词-篇矩阵。③通过GTM模型生成标准气泡坐标，并经逆映射将空白点还原为关键词组合，指示潜在创新技术创新机会。④按可行性、先进性、重要性、经济性和风险性这5个维度组织专家打分，筛选高置信技术方案。标准二维图技术构建思路和流程见图1。

图1 标准二维图技术构建思路和流程

1.2.1 领域标准文本收集

需要获取与某技术问题主题紧密关联的专题标准数据集，作为技术解决方案的初始输入数据。标准数据集的确定需要明确技术主题和标准性质两方面的信息，从而明确标准范围和数据来源，并据此收集标准文本信息。

1.2.2 提取关键词构建词-篇矩阵

采用TF-IDF算法对收集到的标准文本进行深度挖掘，提取其中的关键词与技术主题，再基于这些关键词与对应文本，构建起能够反映二者关联的词-篇矩阵，清晰呈现关键词在各文本中的分布情况以此表征标准文本信息〔5〕。

1.2.3 标准二维图构建和空白点识别

利用GTM模型对词-篇矩阵进行科学处理，生成直观展示标准文本关联与分布的气泡坐标。那些具备新颖性、独特性且隐含创新价值的技术，可通过标准空白点进行测度，这些空白点意味着对已建立规则、主流发展趋势及既有模式的革新与突破。然而，GTM所呈现的标准坐标中，空白点本身无法直接进行阐释，需要通过逆映射操作，将坐标中未被现有标准覆盖的空白点转化为具体的关键词组合，这些组合可直接指向潜在的创新方向。因此，在这一环节得到由关键词组合表征的标准空白点，将作为潜在技术机会进入下一阶段的分析〔6〕。

1.2.4 技术机会评价与发现

针对探测出的潜在技术机会，不同技术方案在解决技术问题的效能及创新程度上存在明显差异，其成为真正技术机会的可能性也各不相同，因此需要进一步开展评价以提高结果置信度。由空白点还原得到的潜在技术机会，需从可行性、先进性、重要性、经济性和风险程度这5个维度构建评价原则，通过专家量化评分对已识别出的空白点进行系统性评估。最终筛选出得分较高的高置信度技术方案，作为后续值得深入研发的技术机会。

2 天然气储运标准二维图技术实证分析

2.1 研究样本与数据处理

从全国标准信息公共服务平台（National Public Service Platform for Standards Information）全面检索天然气储运相关标准，并从该平台获取对应标准信息及文档。

为精准获取天然气储运领域的标准文件，首先开展关键词和主题检索。检索过程中，聚焦天然气储运领域的标准规范，排除了天然气勘探与开采相关标准。同时，保留了与天然气储运技术机会相关的标准，包括天然气成分测量、流量计量以及管道材料部件（如钢板、钢管、阀门等）类标准〔7〕。针对标准文件存在的多版本及草案情况，进行了去重处理，对相同标准号的信息予以合并，仅保留已发布的标准文件，且以最新版本为准，最终确定148项有效标准文件。

在此基础上，结合领域技术专家意见，筛选出200个最具解释力的关键词，再利用TF-IDF算法，选取TF-IDF值大于0.1的名词词语，得到天然气标准文本前60个技术关键词，见表1。

表1 天然气标准文本前60个技术关键词
（此处应列出60个关键词，原文未提供具体内容）

基于上述筛选出最具解释力的关键词，构建采用二进制表达的词- 篇矩阵，得到标准文本-关键词特征向量矩阵见表2。在该矩阵中，当某一标准主题文档包含所确定的关键词时，对应关键词对应的向量元素赋值为1，反之，则赋值为0。

2.2 天然气储运标准二维图绘制

在构建标准文本-关键词特征矩阵后，研究进一步生成标准二维图术。通过参数优化，最终确定潜在变量的映射点为12×12的网格方格，高斯基函数配置为64个径向基函数，每个基函数的方差设定为0.3，权重正则化系数设为0.001，训练周期为300次【8】，得到基于GTM模型的天然气标准二维图见图2。在图2中，横坐标和纵坐标表示方向，坐标值单位为量纲一（即纯数值），通过一对横纵坐标即可定位一个空白点，图2中空白区域即为标准空白点，意味着不存在与该关键词组合相对应的标准文本。

图2 基于GTM模型的天然气标准二维图

为更为准确地分析标准布局情况，依据映射关系进一步计算了标准二维图上每一个位置的标准密度信息，并以气泡图的形式呈现，天然气技术标准布局图见图3。图3中气泡的大小直观反映了对应位置的标准分布数量。气泡越大，表明该位置的标准数量越多。气泡越小，则说明该位置的标准数量越少。

图3 天然气技术标准布局图

2.3 天然气储运标准二维图结果分析

2.3.1 天然气储运领域标准布局现状分析

在当前的整体标准体系中，天然气国家标准具备较高的权威性与指导性。天然气标准词云图见图4，该词云图基于收集到的148项天然气储运标准全文进行文本挖掘分析，通过中文分词技术提取全文高频词并生成列表，词出现的频次越高，在词云图中呈现的字号越大〔9〕。

图4 天然气标准词云图

由图4可见，天然气、石油、工业、液化、测定等词汇在词云图中十分醒目。这些高频词的出现表明，我国当前天然气储运标准主要涵盖以下领域：天然气管道输送系统（包括储罐、站场、库站）的投产、运行与维护，在用油气管道系统的检测、完整性管理及维修，专用油气输送管、油井管、非金属及复合材料管及其连接件的产品标准与方法标准，以及天然气的计量分析方法等。这些标准针对天然气相关的技术要求、操作规程、产品质量等方面作出了详细规范〔10〕。

这些国家标准为中国天然气工业的发展提供了坚实的技术支持与保障，对提升天然气产业的质量水平和安全性能具有重要意义。随着技术的持续发展与市场需求的动态变化，这些标准也将不断迭代更新、优化完善【11】。

2.3.2 天然气储运领域标准空白点分析

由图3的标准空白点识别结果可知，目前天然气储运领域仍存在较多潜在的技术机会，针对这些空白点，可通过GTM逆向映射确定其代表的关键词组合以图3中的7号、8号、11号这3个局部标准空白点为例进行说明，其对应的关键词向量矩阵见表3、表4及表5。

表3 7号标准空白点关键词向量矩阵

表4 8号标准空白点关键词向量矩阵

表5 11号标准空白点关键词向量矩阵

表3中，空白点7对应的关键词包括流量计、分数、质量、气体、单位、产品、管道、验收等，由此可推断其代表的潜在标准机会可能与天然气管道流量计量相关。

表4中，空白点8对应的关键词包括质量、气体、产品、温度、流量计、单位、验收、材料等，据此可推测其可能指向天然气成分测定相关的标准机会。

表5中，空白点11对应的关键词为燃烧、温度、油、产品、验收、分数、材料、气体、燃烧、方式、保护、气体等，由此可判断其代表的潜在标准机会可能是天然气管道缺陷检测。

空白点是从标准二维图角度识别出的潜在技术机会，但并非所有空白点都能成为可实现的技术机会。部分技术空白组合可能缺乏实际意义，还有一些空白组合因受技术或经济因素限制，可操作性较低。为更精准地把握可行技术机会，需要专业人员在识别结果的基础上，综合考量技术可行性、先进性、重要性、经济性和风险程度等多方面因素，对这些空白点进行进一步的综合判断。综上可见，我国天然气国家标准体系在多个领域仍存在完善空间。未来可在借鉴国际先进经验的基础上，结合我国产业发展实际需求，进一步推动相关标准的研制工作，从而更好地助力天然气行业发展与国家能源安全保障【12】。

基于标准挖掘与标准二维图的天然气储运领域研发方向识别展开研究，为该领域的技术创新与标准制定提供了科学依据。通过深入解析标准文献中的技术信息，不仅揭示了技术发展的现状与趋势，还精准识别出潜在的技术机会和研发空白。研究成果有助于推动天然气储运技术的发展，同时能为政策制定与行业管理提供支有力支撑，进而促进天然气储运行业的可持续发展 [13] 。未来，随着技术的持续进步和市场需求的动态变化，天然气储运领域将迎来更多挑战与机遇。进一步深化标准挖掘与标准二维图技术的应用，有助于更精准地识别和把握这些机遇 [14] 。与此同时，在加强交流与合作，借鉴先进经验的基础上，结合产业发展需求，不断完善和优化天然气储运领域的标准体系，将为我国天然气产业的高质量发展提供有力保障