基于知识图谱原理的微量物证领域合作关系与关键词演变分析
李光耀1, 黄星1, 孙振文1, 朱军1,*, 乔婷1, 王萍1, 周正1, 郑继利1, 周志宇2
1.公安部物证鉴定中心,北京 100038
2.南京市公安局,南京 210005
* 通信作者简介:朱军,男,陕西安康人,博士,研究员,研究方向为理化检验。E-mail: zhujun001cn@126.com

第一作者简介:李光耀,男,河北唐山人,硕士,助理研究员,研究方向为微量物证。E-mail: 991928789@qq.com

摘要

本文采用VOSviewer等科技知识谱图分析工具,对Web of Science核心期刊中微量物证相关文献进行大数据视野下的分析研究,主要聚焦在两个方面,即全球范围内微量物证领域发表研究成果较多的国家、机构、作者以及他们之间的合作关系;微量物证领域文献关键词在不同时期的特点以及演变趋势与方向。研究结果可以帮助读者掌握微量物证的研究热点与发展趋势,还可以快速直观地了解到全球微量物证领域发表研究成果较多的机构(国家)和作者以及他们的合作关系与合作内容,为国内法庭科学微量物证领域相关工作者提供交流和学习的信息参考。

关键词: 微量物证; 知识图谱; 共现分析; 关键词; 演变; 文献
中图分类号:DF794.3 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2022)03-0302-08
Cooperative Relationship and Keyword Evolution Revealed from Knowledge Graph Entwining about Trace Evidence
LI Guangyao1, HUANG Xing1, SUN Zhenwen1, ZHU Jun1,*, QIAO Ting1, WANG Ping1, ZHOU Zheng1, ZHENG Jili1, ZHOU Zhiyu2
1. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China
2. Nanjing Municipal Public Security Bureau, Nanjing 210005, China
Abstract

Driven by big data and visualization technologies, knowledge graph has been rapidly developed about its theory and methods in recent years, therewith having provided a new way to understand the realm of knowledge. The knowledge graph can directly reveal the characteristics and principles of scientific activities. Here, VOSviewer, a tool for knowledge graph to map and parse, was adopted to analyze the large quantity of literatures relating to trace evidence from Web of Science. The results were derived from the main countries, institutions and authors who had contributed more publications about trace evidence worldwide. Meanwhile, there was a manifest of both the characteristics and evolution trend of keywords about trace evidence in different periods. Consequently, this survey brought forth a quick way to know the institutions/countries and authors who had published more articles of researches about trace evidence, together with a comprehension being learnt into their partnership and cooperation. Besides, such a survey can help grasp the research hotspots and developing trends of trace evidence. Certainly, an informative reference could be also provided for communication and learning among relevant peers in the field of trace evidence through a survey of the kind.

Key words: trace evidence; knowledge graph; concurrence analysis; keyword; evolution; literature

随着时代的发展, 新型化、智能化犯罪不断增多, 犯罪分子的反侦查意识不断增强, 如指纹、DNA等关键犯罪证据越来越难以提取。在“ 以审判为中心的诉讼制度改革” 的要求下, 微量物证成为完善证据链、提供侦查方向的关键物证[1]。全面掌握国际微量物证领域的科研情报信息、积极追踪技术前沿, 对加强我国微量物证技术的发展具有重要的意义。在大数据和可视化技术的推动下, 科学知识图谱的理论和方法在近几年取得了飞速发展, 为我们提供了一种认识知识世界的新方式。知识图谱可以将科学活动的特点和规律直接揭示出来, 正如科学计量学界的权威专家刘则渊教授概括:“ 一图展春秋, 一览无余; 一图胜万言, 一目了然。” 本文以知识图谱原理为基础, 对微量物证领域合作关系与关键词演变趋势进行分析。

1 微量物证文献数据的提取和概况
1.1 文献数据提取

为了保证数据的权威性, 本文以Web of Science数据库中的“ 核心合集” 为数据来源, 以“ trace evidence” 进行主题检索, 考虑到部分微量生物物证文献会对我们检索准确性产生干扰, 故附加检索条件NOT “ DNA or RNA” , 共检索出390篇相关文献, 时间跨度为1951— 2019年。

1.2 文献的主要来源期刊

微量物证文献在国际权威期刊的发表情况对于国内微量物证的学者或相关从业人员进行研究或者投稿交流具有一定的参考意义。经统计, 本研究中的390篇核心文献来源于170余家期刊, 具体信息见表1。由表1可知, 微量物证文献发表期刊非常集中, Journal of Forensic SciencesForensic Science International和Science Justice 3家期刊发文量高达163篇, 占发表文献总量的42%。

表1 Web of Science核心合集中微量物证文献主要来源期刊 Table 1 Main-source periodicals relating to trace evidence in the assemblage core of Web of Science
2 微量物证领域合作关系分析

共现分析的基本原理是对一组词两两统计它们在同一组文献中出现的次数, 形成共现矩阵, 随后可对其进行统计分析和可视化展示, 发现它们之间的亲疏关系。本文采用知识图谱分析工具VOSviewer进行分析, 共现关系图中的节点大小代表词的出现频率大小, 颜色代表时间序列, 连接强度由连线的粗细反映, 连接强度计算公式如式(1)所示:

Si, j= Ci, j/WiWj (1)

公式(1)中Ci, j为项目i和j共现的总次数, WiWj是指项目i和j各自出现的总次数, Si, j表示项目i和项目j的相似度[2]

2.1 国家(地区)合作关系分析

图1为微量物证发表文献的国家(地区)分布图。由图可见, 微量物证领域研究成果较多的国家分别是:美国、英国、澳大利亚、中国、德国、意大利、荷兰和西班牙等。不难发现, 英美两国明显处于合作网络的中心位置, 其中美国的发文量达到167篇, 明显处于领先位置。我国研究成果的发表情况与美国和英国的差距还是显著的。

图1 微量物证发表文献的国家(地区)分布图Fig.1 Country-based distribution of publications about trace evidence

2.2 机构合作关系分析

上述文献共来自409家机构, 将发文量在2篇以上的机构进行可视化制图, 如图2所示, 节点的大小代表此家机构发文量的多少, 节点的颜色代表此家机构平均发文的时间。图2A中共有47个群组, 群组内机构之间构成合作关系, 将图2A的局部放大便可以得到每个群组内机构之间的合作关系图, 图2B和图2C就是由联邦调查局(FBI)和伦敦大学学院(UCL)所在群组图放大而来。

图2 微量物证发文机构及合作关系Fig.2 Network of organizations having publications on trace evidence and cooperation among them

1) 由图2A不难发现, 发文量最大的机构为FBI, 其发文量显著高于其他机构。

2)还有几家机构也拥有较大的发文量, 分别是:

UCL、荷兰法庭科学研究所(Netherlands ForensicInstitute, NFI)、斯托尼法证公司(Stoney Forensic, Inc.)、佛罗里达州国际大学(Florida International University)、澳大利亚联邦警察局(Australian Fede-ral Police)、洛桑大学(University Lausanne)、澳大利亚弗林德斯大学(Flinders University Australia)、中华人民共和国公安部(Ministry Public Security)、纽约州立大学奥尔巴尼分校(Suny Albany)等机构, 由此可以看出, 目前国际上关于微量物证领域发表文献数量较多的机构基本属于警察/政府系统、高校和社会司法鉴定机构三类。

3)在图2A中观察节点颜色可获知此机构的平均发文时间, 由此便可识别出近十几年来微量物证领域发表研究成果快速增加的研究机构, 由图2A不难发现:Netherlands Forensic Institute、Stoney Forensic Inc.、Suny Albany、Ministry Public Security和UCL这5家机构近年来发表了较多研究成果。

FBI和UCL发表研究成果较多, 故以此两个机构为例, 分析这两个机构所在群组内机构的合作关系。由图2B和2C可清晰地发现与FBI或UCL存在合作关系的机构, 由图2B可知, FBI与Floraida International University和西弗吉尼亚大学(West Virginia University)等机构存在合作关系。由图2C可知, UCL与University Lausanne和法庭科学技术服务公司(Forensic Science Service, Inc.)等机构存在合作关系。

2.3 作者的合作关系分析

上述文献共有951个作者, 可视化结果如图3所示, 图3A中共有951个节点, 节点的大小代表此作者发文量的多少, 节点的颜色代表此作者平均发文时间。图3A中共有260个群组, 将图3A的局部放大便可以得到每个群组内作者之间的合作关系, 图3B就是由Morgan. R. M.所在群组图放大而来。

图3 微量物证文献的作者合作关系图Fig.3 Network of cooperation among authors who had contributions about trace evidence

由图3A可知, 作者Morgan的发文量较多, 经查询, 作者Morgan所在单位为UCL, 具体院系为UCL Centre for the Forensic Sciences和UCL Department of Security and Crime Science两个机构。为了更加全面地了解作者Morgan, 借助ScienceDirect文献网站查询了其个人信息如下:作者Morgan(女, 博士)毕业于牛津大学, 现任伦敦大学学院法庭科学中心主任和安全与犯罪科学系教授, 伦敦地质学会法庭地质学小组委员会成员, 重点研究物证在侦查犯罪中的作用。

为了进一步探究Morgan的作者合作关系网, 将作者Morgan所在的区域放大, 得到了图3B。由图3B可知, 与Morgan存在合作关系的作者可分为5个小组, 共36人, 其中Morgan显然处于整个合作关系网络的核心位置。下面重点介绍下与Morgan存在合作关系的前两个作者群。

第一组是以Bull为中心的13人, 详见图3B右侧。其中, 作者Bull(男, 博士)来自牛津大学环境中心(Oxford University Centre for the Environment), 毕业于牛津大学, 其在牛津大学环境中心任职已有三十余年, 研究兴趣主要包括岩溶研究、沉积学、环境重建(地质学和法庭学)以及最近的法庭地球科学。作者Bull与作者Morgan在法庭地质学领域存在着较多的合作关系, 如:

1)在20个案件的调查过程中, 将738个土壤和沉积物样本的分析合并到一个数据库中进行回顾性比较和分类 [3]

2)进行了三项实验, 以确定在涉嫌文件欺诈的案件中进行法庭孢粉学分析的可能性, 证明了法庭孢粉学在协助法庭调查方面具有巨大的潜力[4]

3)研究了室内花粉的时空分布及其对法庭科学调查取证的意义[5]

4)利用原子力显微镜(AFM)对石英砂颗粒表面形貌进行了研究[6]

5)以4个刑事案件为研究对象, 探讨了粒度分布分析在刑事案件调查中的应用[7]

6)以服装纤维为材料进行了微量物证颗粒的转移和持久性研究[8]等。

第二组是以Parkin和Gherghel二人为中心的9人, 详见图3B左侧。其中, 作者Parkin来自伦敦大学学院化学系(UCL Department of Chemistry), Gherghel来自伦敦大学学院安全与犯罪科学系(UCL Department of Security and Crime Science), 他们在法庭科学领域, 尤其是挥发性化学物质(气味)及其转移方面合作较多。如:

1)进行了挥发性有机化合物(VOC)在衣物之间的转移研究, 突出显示了在法庭科学重建场景(例如性侵犯案件)中使用VOC的潜力[9]

2)进行了香精在衣物之间的转移研究, 使用固相微萃取-气相色谱-质谱(SPME-GC-MS)方法对影响香精气味转移的三个变量进行了评估[10]

3)优化、验证和分析了用于化妆品行业中痕量VOC的分析方法, 并将其用于商业香水的分析[11]

3 微量物证文献关键词演变分析

微量物证的关键词主要聚焦在分析仪器、检验对象、数据分析方法(证据意义)三大方面, 本部分将按照这三个方面进行趋势演化分析。将文献的关键词(出现频次大于2)进行共现分析, 如图4所示, 考虑到微量物证文献发表随时间的变化趋势(图5), 将关键词分为三大阶段(表2), 并结合共现关系对每一阶段关键词的三大方面进行分析。

图4 微量物证文献的关键词共现图Fig.4 Graph of concurrent keywords about trace evidence

图5 微量物证文献的年份分布图Fig.5 Annual distribution of publications about trace evidence

表2 微量物证文献不同时期的主要关键词分布 Table 2 Distribution of main keywords about trace evidence falling into publications in various periods
3.1 第一时期(1951— 2000年):起步阶段

此阶段微量物证相关文献发文量较少, 年均发文量一般小于5篇。由于这一阶段时间跨度达50年, 为了更好地发现关键词演化的趋势, 将第一阶段分为前、后两个时期。

前期(1951— 1985年)是微量物证领域文献发表的“ 启蒙时期” , 微量物证相关文献开始相继出现, 但发文量一直处于低迷状态, 相隔10年才产出一篇文献, 到80年代才稍有起色。从这一时期的关键词和对应文献不难发现, 学者们开始意识到微量物证的潜在重要意义, 显微镜是这个时期的主要仪器, 微量物证的范围主要是颗粒物质(各种颗粒、碎片)和纤维物质(动物毛发、人发、合成纤维等), 如Palenik等[12]介绍了洛卡德交换定律以及显微镜下微小颗粒在具体案件中的证据价值; Petraco[13]回顾了7年中在常规个案工作中微量证据的发生情况, 他将微量物证分为两大类, 即纤维物质和颗粒状物质, 常规的收集方法是胶带法和真空吸尘器法; Laposata等[14]以1975年以来向圣路易斯法医办公室报告的13起爆炸死亡事件为基础, 介绍了借助于射线检查发现爆炸死亡尸体内爆炸残留物(金属碎片等)的证据意义。

后期(1986— 2000年)是微量物证领域文献发表的“ 拓展时期” , 每年都有几篇微量物证相关文献发表。在20世纪80— 90年代, 各种现代分析仪器开始应用到微量物证的检验中, 这一时期的关键词开始变得更加丰富, 检验仪器从显微镜拓展到光谱、色谱和质谱, 如扫描电子显微镜能谱仪(SEM-EDX)、X射线衍射、发射光谱仪(ES)、原子吸收分光光度计(AAS)、红外分光光度计、紫外可见分光光度计、显微傅里叶红外光谱(Micro-FTIR)、薄层扫描仪气相色谱仪、电泳-离子色谱、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等。检验对象也变得更加具体, 如油脂、染料、挥发性矿物油、塑料、橡胶、纤维、鞋油、炸药、灰尘、玻璃碎片、子弹附着物等, 此外, 关键词还拓展到了碳同位素和法庭地质学-孢粉, 这意味着检验对象范围在深度和维度上得到了进一步的拓展。通过这一时期关键词的共现关系发现, 开始出现多仪器联合使用检测目标物的文献, 如Petraco[15]介绍了偏振光显微镜(PLM)、Micro-FTIR、X射线衍射、扫描电子显微镜/能谱仪在子弹附着物检验中的应用。

3.2 第二时期(2001— 2010年):快速发展阶段

这一时期微量物证相关文献的发表呈现快速增长状态, 从2篇/年持续增长到15篇/年。

1)从仪器的角度来看, 此阶段仪器相关关键词主要聚集在:激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)、FTIR、SEM EDX、高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)、气相色谱-火焰离子化检测器(GC-FID)、气相色谱质谱联用(GC-MS)、同位素比值质谱、表面增强拉曼光谱等。跟上一阶段相比, 分析仪器的先进性和分辨率得到进一步提高, 如LA-ICP-MS、HPLC-MS、表面增强拉曼光谱等仪器的应用; 出现了新的仪器, 如同位素比值质谱(IRMS), IRMS可针对微量物证的稳定同位素进行分析, 如Farmer等[16]应用IRMS分析建筑白漆, 建筑涂料的普通分析技术是FTIR, 但FTIR存在一定局限性, IRMS并不是仅仅根据改性剂或油的类型来区分树脂样品, 而是利用与样品相关的其他因素进行溯源, 例如添加到醇酸配方中的油产出的地理位置, 这样就能更加充分地挖掘微量物证所包含的证据信息; 此外就是多仪器协同使用更加普遍, 如Turillazzi等 [17]介绍了共焦激光扫描显微镜与电感耦合等离子体原子发射光谱协同作用对爆炸残留物进行检验, Mehltretter等[18]利用体视显微镜、FTIR、热解气相色谱/质谱(Py-GC-MS)和SEM EDS对电工胶带粘结剂进行了检验。

2)从检验对象的角度来看, 上一阶段出现过的法庭地质学类关键词在这一阶段得到了加强, 地质、土壤和孢粉等关键词出现的频次明显增多。这一时期关键词更加具体和丰富, 检验对象范围得到了很大程度的扩大, 出现了胡椒喷雾产品辣椒素类、表面活性剂、聚氨酯泡沫、汽车气囊残留物、单纤维无机抗菌剂、有机枪弹残留物(OGSR)、子弹的铅分析等新的检验对象关键词。据此也不难发现, 微量物证的检验对象范围与社会生活息息相关, 如胡椒喷雾产品辣椒素类、汽车气囊残留物、聚氨酯泡沫等物证的检验价值与社会发展及其普遍使用密切相关, 如高频关键词聚氨酯泡沫得到关注, 是由于聚氨酯泡沫塑料在家庭和商业场所中的广泛使用。

3)从方法论角度来看, 这一时期关键词显示了微量物证检验数据的分析与数据库建设的发展趋势。如似然比、多元数据、证据评估、胶带数据库、多变量数据等关键词开始出现, 检验结果和数据的分析与评估处理开始得到更多的重视, 如Aitken等[19]描述了评估多元数据证据价值的五种方法:两个基于显著性检验, 三个基于似然比评估。Koons等[20]对玻璃物证元素成分数据匹配准则准确性进行了研究, 他们以209个不相关的玻璃物证样品中的10种元素的浓度数据为基础, 评估发生统计学上II型错误的概率。

3.3 第三时期(2011— 2019年):稳定阶段

这一时期, 微量物证文献发表处于高位稳定状态, 维持在20~30篇/年。这阶段的关键词从数量和内容上都较前两个阶段更加丰富, 并且体现出微量物证开始受其他新兴技术/产业的影响。

1)从仪器的角度来看, 在上一阶段质谱仪相关关键词开始增多, 这种趋势在第三阶段得到了延续, 并且仪器的先进性和功能性进一步提升, 如实时直接分析质谱(DART-MS)、四极杆飞行时间质谱仪(Q-TOF质谱)、二维GC× GC-MS等关键词。还有一些新的仪器关键词开始出现, 如时域核磁共振(TD-NMR)、原子力显微镜(AFM)、光子活化分析(PAA)等, 这些新关键词的出现拓宽了微量物证的检验方法、扩大了检验对象范围。如聚合物泡沫作为接触微量物证具有巨大的潜力, 可用于重建罪犯的动态, 可以使用诸如红外光谱法或显微镜法之类的技术来进行此类物品的辨别, 然而, 在泡沫由聚醚氨基甲酸酯制成的情况下, 这种方法的辨别能力不能令人满意, 这时TD-NMR可以作为关键补充技术进行鉴别[21]; AFM是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器, 以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息, 在枪弹、炸药和压敏胶残留物的检测中, 原子力显微镜可以确定微量物质的弹性模量、粘附力、能量耗散和介电特性等信息, 配备高分辨率光学显微镜的AFM-Raman技术可能成为表征和理解微量痕迹物证转移和持久性的重要法庭科学工具[22]; Starovoitova等 [23]探讨了光子活化分析(PAA)应用于犯罪现场证据识别和个性化的可行性, 使用30 Mev电子束产生的辐射光子激活不同刀具的不锈钢刀片样品, 借助于γ 能谱仪鉴定了合金元素和杂质。

2)从检验对象的角度来看, 有些关键词词频较上一阶段进一步增强, 成为此阶段的高频关键词, 如法庭地质学相关关键词(土壤、真菌、孢粉、花粉、硅藻)。关键词的内容也变得更加丰富和具体, 如化妆品类关键词中的香水、眼影粉、指甲油、唇膏等更加具体的物质。微量物证的检验对象与社会经济发展与技术进步密切相关, 这一阶段关键词开始出现纳米颗粒、纳米级土壤有机质、极小颗粒(VSP)、3D打印枪支、纤维(无人机)等新的关键词, 如3D打印技术的迅速发展造就了一种新兴的枪械, Black等[24]用DART-MS鉴定3D打印枪支中的聚合物和有机枪弹残留物; 无人机在犯罪现场的使用越来越普遍, Bucknell等[25]对无人机对犯罪现场纺织品证据的影响进行了调查研究。

3)从方法论角度来看, 微量物证与数理统计分析相关关键词联系更加紧密, 如匹配准则、评价、多元分析、主成分分析(PCA)、聚类分析、线性判别分析(LDA)、粒子组合分析、模式识别、遗传算法等关键词频繁出现。还有就是对于常规物证提取等操作方法中潜在的影响进行了深入的研究, 如胶带粘取纤维在第一阶段就已经出现, 胶带粘取是微量物证常用的取样方法, Jones等[26]研究了四个因素对胶带法从表面回收目标纤维的影响, 即胶带类型、胶带存储温度、胶带粘取方法、表面; 丁腈手套是物证鉴定过程中普遍使用的, Pirrie等[27]从实验室常用的七种品牌的无粉末丁腈手套外表面采集样本, 并使用自动矿物分析对存在的颗粒类型进行特征描述, 所有被检查的手套表面都有大量直径小于10 μ m的颗粒, 这些颗粒可能会从手套转移到物证上, 也可能会转移到任何戴无粉末丁腈手套的人身上。

4 总结与展望

本文基于知识图谱原理, 对Web of Science 数据库“ 核心合集” 中微量物证大量相关文献数据进行分析, 以可视化的方式揭示了全球范围内微量物证领域的合作关系与关键词演化趋势。研究结果表明:

1)微量物证文献发表的学术期刊相对集中, 发表文献最多的期刊是Journal of Forensic SciencesForensic Science International, 共计125篇。

2)国际上微量物证的研究机构与作者主要还是在英美等发达国家, 其中FBI和UCL两家机构发表研究成果较多, FBI与Floraida International University和West Virginia University等机构存在合作的关系, UCL与University Lausanne和Forensic Science Service, Inc. 等机构存在合作的关系; 来自UCL的作者Morgan.R.M.的发文量较多, Morgan与Oxford University Centre for the Environment的Bull.P.A.和UCL Department of Chemistry的Parkin.Ivan.P合作关系密切。在我国微量物证技术的发展中, 需要关注追踪国际研究前沿, 加强交流和学习, 这需要掌握国际上微量物证领域发表研究文献活跃的机构和学者的研究信息, 作为有益参考。

3)从1951— 2019年的关键词演变分析来看, 微量物证鉴定不断从单一检验向综合检验发展, 检验仪器从最初的显微镜, 到单一分析仪器如光谱、色谱等, 到最后的多种类仪器协同使用; 还有就是新功能仪器和高分辨仪器的不断涌现, 大大拓展了微量物证的检验范围和能力, 如原子力显微镜、实时直接分析质谱、同位素质谱仪等仪器的应用。先进仪器的不断涌现与多仪器的综合检验相结合大大提高了检验的准确性和可靠性, 这也是微量物证发展的重要趋势之一。

4)微量物证的研究对象范围受社会经济技术发展的影响, 微量物证对象范围本来就没有严格的边界, 而是随着社会发展和人类生活的丰富而不断变化, 如随着汽车安全气囊的普及, 气囊残留物检验开始出现; 随着泡沫塑料在家庭和商业场所中的广泛使用, 聚氨酯泡沫也作为检验对象开始出现; 随着近几年3D打印技术的发展, 3D打印枪支聚合物和射击残留物的检验开始出现。随着社会的发展, 检验目标不断向精细化和具体化发展, 微量物证最开始的检验对象为纤维和颗粒, 至今已经涵盖纤维、涂料、化妆品、玻璃、爆炸残留物、射击残留物、胶带、地质学相关等众多内容, 其中化妆品已细化到唇膏(口红)、香水、香料、眼影粉等具体内容。

5)微量物证检验与数理统计分析的联系越来越密切, 数据库的建设与检索匹配越来越重要。今后微量物证检验必然要伴随着大量数据的统计分析, 以及数据整合与数据库建设, 所以, 今后微量物证的发展必然与大数据处理、新一代算法、人工智能等新一代数理分析技术相互结合。

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