0 引　言

“十五五”规划建议明确指出，我国将强化深海极地考察支撑保障体系，加快建设海洋强国。作为实现这一战略目标的核心装备，破冰船在极地运输、航道开通与维护以及资源开发中扮演着重要角色^[1]。随着全球气候变化导致北极航行窗口期的延长，以及国际社会在极地地区合作与竞争的加剧，对极地船舶的结构可靠性、作业性能、动力系统效率和科考保障能力提出了前所未有的高要求。当前，破冰船领域既有的综述类研究多集中在破冰船总体设计、结构材料以及动力系统等方面。然而，这些回顾多以定性分析为主，缺乏基于数据支撑的定量分析。

本文采取定量与定性分析相结合的方式，以破冰船领域国外核心文献为研究对象，以BERTopic模型为研究方法，自动识别破冰船研究领域的核心主题群，进而进行归纳解读，为破冰船领域文献分析提供方法论创新。本文不仅有助于学者把握国际前沿技术动态，还可以识别未来趋势和技术热点，为我国破冰船设计、制造和极地科考平台建设提供参考。

1 研究现状 1.1 “破冰船”领域研究现状

破冰船的设计与性能研究是应对海洋科考、极地航道及资源探索等重大国家需求的重要工作。在技术设计层面，吴刚等^[2]对适用于我国国情的不同等级破冰船的总体船型、推进系统、防寒系统设计及结构冰载荷模拟、冰带构件优化设计等内容进行总结，旨在提取关键技术并探讨后续研发方向。Holbert^[3]综述了建造极地破冰船所面临的结构材料挑战，强调选择合适强度、韧性和可焊性的钢材等级的重要性，并评估了韧脆转变温度对船舶故障的影响。王超等^[4]聚焦于破冰船阻力性能预报的研究，将其视为破冰能力的关键指标，并系统介绍了实船试验、模型试验和理论预报等主要研究手段。针对极地航行船舶操纵性远超常规水域复杂度的挑战，刘小健等^[5]详细阐述了与操纵性相关的风、浪、流、浅水、低温和能见度等极地环境因素，并提出了包括经验公式法、有限元法和离散元法在内的船-冰相互作用力计算方法。在动力系统方面，桂阳等^[6]通过对世界主要破冰船数据进行搜集、整理、分析，对各类推进系统及主推进器的应用现状和特点进行总结，以期为我国自主研发破冰船提供参考。前人多对破冰船的技术领域进行了总结，但尚未有研究将主题建模技术应用于破冰船领域的文献分析之中。

1.2 主题建模研究现状

主题建模（Topic Modeling）作为文本挖掘的核心技术，是一种旨在从大规模文档集合中自动识别并抽取潜在语义主题的非监督机器学习方法，在组织和归纳海量信息方面至关重要^[7]。Blei等^[8]首次提出潜在狄利克雷分配（LDA）模型。LDA引入狄利克雷先验，构建了完整的3层贝叶斯概率图模型，有效提升了模型的泛化能力与可解释性。然而，LDA及其变体基于“词袋”（Bag-of-Words）假设，只关注词汇出现的频率，却忽略了词汇间的上下文和顺序关系，难以充分刻画文本的深层语义结构。随着深度学习和预训练语言模型的发展，主题建模进入了语义嵌入驱动的阶段。Grootendorst^[9]提出的BERTopic模型可以利用BERT捕获复杂的语义关联，结合UMAP降维和HDBSCAN聚类，能够实现主题的细粒度识别。相比传统LDA模型，BERTopic的显著优势在于：它能突破“词袋”假设的局限，基于词语的语义上下文进行主题抽取，且无需预设主题数量，能根据数据结构自动确定主题簇。

鉴于BERTopic在语义理解方面的优越性能，同时考虑到目前的破冰船领域文献综述均为定性分析，因此本研究首次将BERTopic模型应用于破冰船文献的定量分析之中，利用其强大的语义嵌入能力，捕捉传统方法难以发现的词汇关联和潜在主题，填补了该研究领域方法论的空白。这一新颖的方法为破冰船这一高度专业化的工程领域提供了一个可靠的、数据驱动的研究热点分析工具，使学者能够更精准、更细致地识别研究热点，从而为我国自主研发破冰船及未来技术路线的规划提供切实参考。

2 研究设计 2.1 研究思路

如图1所示，本研究遵循“数据构建—主题挖掘—主题识别”的逻辑路径。首先，通过定向检索和人工筛选，构建了国外破冰船文献语料库。之后运用BERTopic主题模型技术，对语料库进行深度语义挖掘。在向量化阶段，本研究选用了sentence-transformers库中的all-MiniLM-L6-v2预训练模型。该模型经过大规模预训练，能够在极低的计算开销下提供与BERT-base等大型模型相当的语义表征能力，实现了推理速度与语义精度的最佳平衡，确保了语料库向量化处理的高效性与准确性。随后采用UMAP对生成的高维向量进行降维，再利用HDBSCAN算法基于密度对降维结果进行聚类。聚类完成后，通过c-TF-IDF算法自动提取每个主题排名前十的代表性关键词，并计算每篇文档的主题归属概率，从而构建起国外学者对破冰船报道的主题结构图谱。最后对识别出的核心主题进行深入的文献分析。

2.2 数据采集

本研究以科学引文索引中的核心合集为数据来源，以确保研究的权威性与准确性。本文采用高级检索功能，设定检索主题词为“icebreaker（破冰船）”，构建了一个包含“标题、作者、摘要、出版时间”的专门文献语料库，并以.csv格式进行保存。本研究在检索时特别在“国家/地区”选项中排除了“中国”，以确保所获取的文献均来源于境外。截至2025年10月16日，初步获得相关文献897篇。为确保文献内容与研究主题的高相关性，通过人工筛查，剔除了与主题关联度低的文献，最终遴选出692篇文献作为本研究的分析样本。

如图2所示，破冰船研究的发文量整体呈现显著增长态势，其演变轨迹与极地通航可行性进程及地缘战略格局的变迁高度耦合。2001−2010年为研究的早期平稳阶段，年均发文量较低且增速缓慢，这一时期学界多聚焦于气候变化的自然科学观测，商业航运的物理可行性尚未得到完全证实^[10]。自2011年起，受北极海冰范围屡创历史新低及商业通航潜力凸显的双重驱动，年发文量开始稳步攀升；2018年的首次激增得益于中国发布《中国的北极政策》白皮书，该文件正式提出共建“冰上丝绸之路”，为北极地区的互联互通与合作开发提供了政策蓝本^[11]，极大地激发了相关领域的学术产出。此后，研究进入高产爆发期，并于2020年达到峰值。这一高点的出现与俄罗斯出台《俄罗斯联邦至2035年北极地区发展和国家安全保障战略》密切相关，其将北方海航道打造为“世界级海上交通走廊”的战略意图，引发了全球学界的高度关注^[12]。2021−2023年，随着乌克兰危机导致北极地缘局势突变，北极研究已从单纯的经济合作转向能源安全与军事竞争，发文量依然保持高位。

2.3 数据预处理

本研究在构建语料库后，对英文文本进行了系统的数据预处理，以提高后续主题建模的准确性和有效性。具体步骤如下：1）字段提取：从语料文件中提取“标题”“作者”“摘要”和“出版时间”字段，并将四者合并为一个完整文本单元，作为一条语料数据进行表示与处理。2）文本分词：依托Python的NLTK库对合并后的文本进行分词处理。以英文空格为切分依据，将文本拆分为独立的单词或短语，以便后续词汇级操作。3）去停用词：在分词结果的基础上，利用NLTK自带的英文停用词表，去除如the、is、and等高频但无实际语义贡献的词语，从而降低噪声，提升模型的主题识别性能。4）词形还原：使用NLTK库将不同形态的词语还原为词元，以统一语义并减少词汇冗余，从而提高主题模型的聚合能力和准确性。

2.4 BERTopic主题建模

BERTopic模型结合BERT词向量、HDBSCAN聚类及c-TF-IDF技术，创建了密集的语义聚类。本研究建模流程具体如下：1）Embeddings（词嵌入）：本研究选择Sentence-BERT模型all-MiniLM-L6-v2将文本转化为高维向量，以实现高效且准确的语义嵌入。2）Dimensionality Reduction（降维）：默认采用UMAP算法降低高维嵌入向量的维度，旨在避免维度灾难并保留数据的局部结构。3）Clustering（聚类）：默认运用HDBSCAN算法，根据数据密度创建语义相似的文档集群，并将离群点标记为噪声。4）Vectorizers（矢量化）：使用CountVectorizer将集群内文本转化为词频向量矩阵，以保证主题表示质量。5）c-TF-IDF（主题表示）：基于c-TF-IDF算法，通过比较词频和逆文档频率，提取出与主题关联度最高、最具代表性的关键词。

2.5 模型参数设置

对UMAP降维和HDBSCAN聚类算法进行参数精细调整是确保主题识别质量和结果稳定性的关键步骤。作者经过反复调整与试验，确定n_components（投影维数）为5，metric（距离度量）选用cosine（余弦相似度），这是语义嵌入空间中的标准选择，用于精确衡量文档间的方向差异；min_dist（最小距离）设置为0.2，确保降维后的数据点保持适度的区分度和连贯性；min_cluster_size（最小聚类规模）设置为14，定义了被识别为有效主题所需的最小文档数量。CountVectorizer的stop words设置为 'english'，用以滤除英文语料中高频出现但缺乏主题区分价值的功能性词汇，如冠词、介词等，从而确保c-TF-IDF算法能够专注于提取具有实质语义内容的关键术语，进而有效提升最终主题表示的质量和准确性。

3 结果与讨论 3.1 主题建模结果

本研究通过 BERTopic 模型对文献语料库进行深度挖掘，最终识别出8个具有高语义连贯性的潜在主题。针对每个识别出的主题，模型提取了前10个最具代表性的关键词，并依据其在主题内的权重呈降序排列，详见表1。这些主题关键词为后续深入理解和命名研究焦点提供了坚实的语义基础。

3.2 主题分析

由表1可知，目前针对破冰船的研究主要集中在8个方面。为便于分析，本文对涉及各个主题的文档进行了归类汇总，并选取了代表性文献进行论述。

3.2.1 冰区性能

该主题文献数量占比最高，是破冰船研究领域的核心内容。研究聚焦于破冰船在保障冬季海上交通中所面临的性能评估、实时监测与推进建模等关键技术挑战。Kouts等^[13]通过对破冰船船体振动信号的采集和分析，确立了一种基于舰船-冰相互作用的振动强度指标，为现场导航决策提供即时依据。此外，Montewka等^[14]将研究目标提升至战略层面的航行规划，提出了一种工程模型与数据驱动模型耦合的混合性能预测框架，为特定船型在北波罗的海航行时提供速率建议与被困概率预测服务，有助于船舶选择经济、安全的航线。而在基础物理建模层面，Gramuzov等^[15]采用复合冰模型进行试验，解决了冰区模型试验向全尺寸破冰船的尺度外推难题。该主题的研究群落涵盖了从现场实时诊断、航行优化决策到基础推进性能的尺度验证的完整链条，共同致力于提升破冰船在严酷环境下的作业效能和安全性。

3.2.2 气候观测

破冰船是北极气候系统研究中不可或缺的大型科学考察平台。主要通过其长期漂流能力和先进机载或舰载遥感设备，为理解复杂的极地气候提供关键现场观测数据。Engelmann等^[16]利用部署在破冰船“极星号”（Polarstern）上的多波长激光雷达，连续监测了北极上空高达30 km的气溶胶和云层，揭示了气溶胶颗粒对高空卷云形成的调控作用，并深入探讨了北极霾和混合相云的微物理特性。Kupiszewski等^[17]利用瑞典破冰船“奥丁号（Oden）”作为平台，获取了垂直分辨的气溶胶粒子浓度、痕量气体和气象数据。研究发现本地源和来自边缘冰区（MIZ）的前体气体运输是夏季北极内部云凝结核（CCN）的主要来源，进而影响低层云的形成和海冰的融化与冻结过程。Ansmann等^[18]同样基于“极星号”破冰船上的先进激光雷达观测，提供了一个完整的北极中部气溶胶特性年度周期（2019−2020年）。该研究系统总结了对流层气溶胶的光学特性、CCN和冰核颗粒（INP）水平的季节性变化，并强调了夏季高效的清除过程和冬季升高的气溶胶含量之间的强烈对比。

3.2.3 极地生态

破冰船已成为获取和分析极地海洋哺乳动物种群生态学数据的移动实验室。Hoef等^[19]利用破冰船“希利号”（Healy）在白令海东部调查了斑海豹、带纹海豹和髯海豹。该研究创新性地提出了一种空间分层自相关回归模型，成功解决了海冰动态和上冰率未知导致的精度问题，首次为东白令海的3种海豹提供了可靠的丰度估计。此外，Bengtson等^[20]利用破冰船和舰载直升机平台，在南极罗斯海和阿蒙森海对食蟹海豹、威德尔海豹、罗斯海豹和豹海豹进行了大范围调查。其结合卫星遥测数据修正上冰概率，获得了这4种南极海豹的分布、密度和丰度，为南极生态管理提供了关键基线信息。

3.2.4 遥感监测

破冰船是极地海冰特性观测、遥感验证和自动化冰情监测的关键基础设施，对于提升极地航行安全和气候模型精度至关重要。Singha等^[21]利用“极星号”破冰船获取的高分辨率C波段和L波段合成孔径雷达（SAR）图像，分析了年轻冰、变形冰等不同冰型的后向散射特性，有助于改进海冰遥感算法。Dowden等^[22]将研究重点转向自动化监测，提出一种应用于船载摄像头的深度学习语义分割方法，通过SegNet和PSPNet101等神经网络，实现了对一年冰、多年冰等海冰类型的实时自动化检测和分类，直接服务于冰区航行安全。为了确保遥感数据的可靠性，Hyun等^[23]利用破冰船搭载的直升机作为低空平台，提出一种高分辨率图像采集和镶嵌方法。该方法通过补偿海冰漂移造成的位置畸变，生成了精确的现场参考数据集，从而为卫星SAR等低分辨率海冰产品的准确性验证提供了高精度标准。这预示着未来冰情监测将走向高度自动化和实时化，为无人自主航行系统提供基础数据支持。

3.2.5 水文地形

破冰船是深入研究北冰洋与北欧海之间水团交换、深层水循环和极地海盆地形的不可替代的移动平台，有助于理解全球大洋环流和气候变迁。Marnela 等^[24]利用“奥丁号”在弗拉姆海峡获取了水文剖面、示踪剂（SF6）和声学多普勒流速剖面仪（LADCP）数据，精确估算了北欧海水团，特别是北极中间水（AIW）向北冰洋的输送量，证实了主要再循环区域的偏南性。Rudels等^[25]探究了弗拉姆海峡以北及东格陵兰流沿线的水团冷却、盐度变化，并揭示了深海溢流羽流的特性，为深层水形成机制提供了关键现场证据。在基础数据积累方面，Jakobsson^[26]利用了包括破冰船考察在内的多源数据，改进了国际北冰洋水深图（IBCAO）。这项工作通过新的海床描绘，明确指出北冰洋的浅海大陆架面积占比远高于其他大洋，直接揭示了其环流对海平面变化的高度敏感性。

3.2.6 生化耦合

破冰船是进行极地海洋生态学和生物地球化学考察的科研平台。首先，Anderson等^[27]利用“奥丁号”的考察数据，深入研究了东西伯利亚海沿大陆边缘的陆架-海盆相互作用，成功追踪了富含营养盐、低氧、低pH的架底水的传输路径，并确定了其在门捷列夫海岭区域的形成与向深海的输送过程。Cooper等^[28]将考察重点放在了浅海的食物网耦合，其基于白令海北部的春季采样，研究了海冰覆盖、浮游生物-底栖生物耦合与眼镜海雕分布的联系，发现尽管水柱叶绿素低，但海冰藻类生物量高，证实了该区域在冬季末期已具备较高的生物活性。考虑到海冰本身的生态变化，Melnikov等^[29]记录了冰内盐度和营养盐的季节性变化，并发现冰藻生物量与历史数据存在显著差异，推测这可能与北极海冰融化加剧有关。

3.2.7 电力推进

本主题的研究聚焦于破冰船在内的特种船舶所采用的电力推进系统（IPS）。首先，Bolvashenkov等^[30]强调了对多电源牵引驱动系统进行运营效率分析的必要性，指出传统的确定性方法无法准确评估其随机特性。研究人员利用随机模型，对破冰船上常见的多发电机-牵引电机系统的运行效率和概率属性进行了创新性评估，以期在保证可靠性的前提下，实现最佳的经济运行方案。Hansen等^[31]梳理了从直流到交流驱动乃至吊舱式推进器的技术演进，并预示了集成电力系统将向多能源整合和能量储存方向发展。Marques等^[32]着眼于提高包括破冰船在内的大型海船电力驱动的效率。他们认为，提高效率的关键在于减少功能单元的数量，并提出了具体的简化功能电路的技术方案，以适应破冰船高位移、频繁换向的动态运行模式。

3.2.8 海冰结构

本主题利用破冰船在南极进行海冰厚度、结构和动态过程的长期、高分辨率现场观测。Uto等^[33]利用“白濑号”（Shirase）破冰船在南极对夏季陆缘固定冰的冰厚和雪深分布进行了长期电磁感应观测，通过高分辨率数据识别了新老冰区界限，并指出冰厚和雪深的年际变化主要受连续破裂事件的范围和持续时间影响。Toyota等^[34]利用“宗谷号”（Soya）破冰船在鄂霍次克海南部获取的冰厚数据和冰样，分析了该区域海冰的厚度分布、纹理和地层结构。研究发现鄂霍次克海海冰结构与南极相似，主要通过动态增厚过程形成，并提出一个能解释冰厚分布的概率概念模型。Sugimoto等^[35]同样基于“白濑号”在南极吕佐霍尔姆湾进行了十年的电磁感应冰厚监测。该研究揭示了该区域海冰厚度的强烈年际变异性，特别是记录到异常厚的冰层与异常的偏北风导致的海冰辐合和变形紧密相关，强调了区域海冰动力学的作用。以上工作通过获取高精度冰厚和结构数据，加深了对海冰年际变化、动态增厚过程和外部大气驱动力的理解，为海冰模型和极地航行安全提供了基础性科学数据。

4 结　语

本研究基于Web of Science核心期刊构建了专门的文献语料库，并创新性地运用了BERTopic模型进行深度语义挖掘，共识别出国外破冰船领域的8个核心研究主题。文献解析结果表明，国际破冰船的研究范畴正从传统的船体结构与推进性能，加速向气候变化监测、生态系统保护、自动化冰情监测等高附加值、高战略意义的交叉领域拓展。这一发现不仅揭示了国际极地科技竞争的新动向，更为我国深入实施“海洋强国”与极地战略、高质量共建“冰上丝绸之路”提供了科学的决策依据。特别是在破冰船关键技术“自主可控”与极地装备体系化建设方面，本研究旨在通过数据驱动的方式，服务于国家对极地权益维护与资源开发的顶层战略需求，为我国参与全球极地治理提供坚实支撑。然而，本研究也存在一定的局限性。本文的语料库仅基于单一数据库，未能完全涵盖该领域的全球学术成果。因此，未来的研究可以考虑从多个数据库汇总更全面的相关文献，并进一步从中外对比的角度出发，深入探讨破冰船研发领域的技术路径与前沿热点。