李 欣，任 杰, 王 翔

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038 ；2.白鶴灘水力發(fā)電廠(chǎng)，四川 涼山 615421）

隨著大數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得多元化海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不斷積累，導(dǎo)致各個(gè)行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)分析的依賴(lài)亦不斷加強(qiáng)，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)已是最受重視的資源。數(shù)據(jù)可視化依托數(shù)據(jù)挖掘、人機(jī)交互等技術(shù)，可將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為容易區(qū)分和理解的信息形式，通過(guò)挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部規(guī)律，找出對(duì)各類(lèi)用戶(hù)最有價(jià)值信息。國(guó)家下發(fā)《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[1]，要求探索和開(kāi)展智慧水電和智慧流域建設(shè)。隨著我國(guó)流域電廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化技術(shù)的提升，在其建設(shè)和運(yùn)維過(guò)程中已積累了多維度的海量數(shù)據(jù)[2]，并且該海量數(shù)據(jù)中隱藏各維度信息。因此運(yùn)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)搭建數(shù)據(jù)可視化大屏，既可實(shí)現(xiàn)生動(dòng)形象展示各類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又可直觀(guān)展示數(shù)據(jù)中隱藏信息，從而達(dá)到輔助水電廠(chǎng)工作人員獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，對(duì)水電廠(chǎng)設(shè)備管理決策起到輔助和服務(wù)作用。近年來(lái)，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)也被應(yīng)用于智慧水電廠(chǎng)各個(gè)專(zhuān)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和展示。

1 大屏數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化理論在首屆IEEE Visualization Conference會(huì)議提出，涉及圖形學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像、物理等交叉領(lǐng)域[3，4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榛诖髷?shù)據(jù)技術(shù)探索數(shù)據(jù)可視化展示方法、智慧交互界面設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化分析。數(shù)據(jù)可視化借助計(jì)算機(jī)圖形化技術(shù)，將數(shù)據(jù)中隱藏的信息，通過(guò)視覺(jué)感知，進(jìn)行清晰直觀(guān)的表現(xiàn)，是基于大數(shù)據(jù)分析的最終步驟。

大屏數(shù)據(jù)可視化即是在數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用大面積顯示設(shè)備為顯示載體進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)。大屏數(shù)據(jù)可視化在具備數(shù)據(jù)可視化優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，因其顯示載體面積優(yōu)勢(shì)，更具有多種類(lèi)展示信息易于調(diào)動(dòng)觀(guān)察者情緒；更豐富展示、設(shè)計(jì)、表現(xiàn)企業(yè)文化，傳播企業(yè)精神的優(yōu)勢(shì)。因此大屏數(shù)據(jù)可視化在數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控預(yù)警領(lǐng)域具有重要作用。優(yōu)秀的大屏數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)可為決策者們迅速掌握數(shù)據(jù)隱藏信息，精準(zhǔn)完成決策提供支撐。

2 大屏數(shù)據(jù)可視化初始設(shè)計(jì)原則

大屏可視化系統(tǒng)一般是由設(shè)計(jì)師和開(kāi)發(fā)人員共同設(shè)計(jì)完成，而大屏數(shù)據(jù)可視化其設(shè)計(jì)核心是所有的展示信息須真實(shí)可靠，即展示效果基于數(shù)據(jù)。因此在設(shè)計(jì)最初需指定初始設(shè)計(jì)原則以便進(jìn)行數(shù)據(jù)與指標(biāo)篩選。初始設(shè)計(jì)原則如下：

（1）具備關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)展示

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)之初，在展示單一專(zhuān)業(yè)單一數(shù)據(jù)集的同時(shí)必須能夠?qū)Ω鲗?zhuān)業(yè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集進(jìn)行展現(xiàn)。

（2）具備展示數(shù)據(jù)可靠性

大屏數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)最終是基于數(shù)據(jù)的展示，任何設(shè)計(jì)一定在保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性的前提下進(jìn)行。

（3）確定關(guān)鍵指標(biāo)

盡管大屏數(shù)據(jù)展示具備大型顯示載體，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)展示所有信息，因此在視覺(jué)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)指標(biāo)重要程度，大屏展示信息應(yīng)為關(guān)鍵指標(biāo)。

（4）確定視覺(jué)場(chǎng)景模式

大屏數(shù)據(jù)可視化應(yīng)根據(jù)展示數(shù)據(jù)的特性，選擇最優(yōu)可視化方式（可視化方式包括柱圖、餅圖、折線(xiàn)圖、氣泡圖、樹(shù)圖等），將數(shù)據(jù)直觀(guān)地展現(xiàn)出來(lái)，達(dá)到幫助用戶(hù)理解數(shù)據(jù)，顯示包含海量數(shù)據(jù)中內(nèi)在規(guī)律或信息。

3 視覺(jué)表現(xiàn)

視覺(jué)表現(xiàn)融合交互處理的理論、方法和技術(shù)，并充分利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)或信息轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，在顯示載體進(jìn)行顯示[5，6]。視覺(jué)表現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)即是清晰有效的傳達(dá)數(shù)據(jù)信息，以實(shí)現(xiàn)用視覺(jué)的方式去思考；既兼顧數(shù)據(jù)的真實(shí)性，同時(shí)又具有視覺(jué)引導(dǎo)性。因此視覺(jué)表現(xiàn)設(shè)計(jì)是大屏數(shù)據(jù)可視化中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

視覺(jué)表現(xiàn)設(shè)計(jì)主要由圖形設(shè)計(jì)、字體設(shè)計(jì)、圖形布局以及色彩運(yùn)用組成。

3.1 圖形的確定

圖形最有助于引發(fā)視覺(jué)刺激，并且能夠更高效的傳遞信息、吸引觀(guān)眾。在視覺(jué)表現(xiàn)設(shè)計(jì)中，圖形的設(shè)計(jì)與使用可改善純文字接受方式的業(yè)務(wù)需求。視覺(jué)表現(xiàn)中除數(shù)據(jù)信息外，還涉及文本信息，不同信息類(lèi)型需不同的圖形表現(xiàn)形式，出色的視覺(jué)表現(xiàn)可通過(guò)適合的圖表將數(shù)據(jù)關(guān)系表達(dá)出來(lái)，因此確定最優(yōu)圖形類(lèi)型尤為重要。典型圖形類(lèi)型主要有：柱狀圖，餅圖，折線(xiàn)圖，面積圖，氣泡圖，散點(diǎn)圖，區(qū)域熱力地圖。

（1）柱狀圖：展示數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的同類(lèi)型數(shù)據(jù)，或部分和整體的關(guān)系；

（2）餅圖：方便表達(dá)數(shù)據(jù)的部分和整體關(guān)系,適用于離散性數(shù)據(jù)和持續(xù)性數(shù)據(jù)；

（3）面積圖：表述數(shù)據(jù)的時(shí)間序列關(guān)系并能夠清晰表示出量；

（4）散點(diǎn)圖：展示兩組變量之間的關(guān)系，在數(shù)據(jù)量較大時(shí),可展示關(guān)聯(lián)性；

（5）氣泡圖：較方便用來(lái)展示名義比較和排行關(guān)系；

（6）區(qū)域熱力地圖：展示分類(lèi)數(shù)據(jù)，利用強(qiáng)烈的色彩對(duì)照感表現(xiàn)地理區(qū)域或數(shù)據(jù)列表情況；

（7）曲線(xiàn)圖：反映時(shí)間變化且橫軸上的數(shù)據(jù)類(lèi)反映事物隨時(shí)間或間隔的變化。

如圖1典型圖形展示所示，信息類(lèi)型的差異會(huì)呈現(xiàn)出圖形形態(tài)的差異，其中柱形圖與條形圖形式近似，二者在兩軸所表示位置空間為互換，顯然條形圖更易于展示數(shù)量較多信息，而柱狀圖更容易通過(guò)高低來(lái)反映信息差異；曲線(xiàn)圖和面積圖均表示信息隨時(shí)間跨度變化，但圖形中顯示類(lèi)別較多時(shí)，條形圖由于減少相互間的遮擋與疊加，故會(huì)比面積圖更清晰顯示各類(lèi)別的變化趨勢(shì)。

圖1 典型圖形展示

圖形選擇與注意事項(xiàng)詳見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)用注意事項(xiàng)

3.2 色彩運(yùn)用

色彩直接吸引觀(guān)眾，是審美要素之一。在優(yōu)秀的大屏可視化設(shè)計(jì)中，僅用圖形表現(xiàn)信息是不夠的，為使大屏可視化設(shè)計(jì)清晰、完整、美觀(guān)地向用戶(hù)傳達(dá)信息，元素的色彩設(shè)計(jì)必不可少。

3.2.1 基調(diào)色

基調(diào)色是大屏展示設(shè)計(jì)配色方案的主色調(diào)，通常是在界面占比較大的顏色。在大屏展示設(shè)計(jì)中每一種顏色都代表了一種獨(dú)特的信號(hào)，例如深色背景突出莊重與理性，同時(shí)更易聚焦視覺(jué)，直觀(guān)傳達(dá)高等級(jí)信息。因此觀(guān)眾可在可視化界面中使用的顏色來(lái)了解所顯示的數(shù)據(jù)類(lèi)型以及他們之間的關(guān)系與差異。

3.2.2 調(diào)色組合

人眼受到不同顏色的刺激時(shí)，由于顏色之間的相互干擾，會(huì)產(chǎn)生特殊的視覺(jué)效果。特定的顏色組合可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，難以實(shí)現(xiàn)期待結(jié)果。人眼對(duì)純度的認(rèn)知很大程度基于周?chē)h(huán)境，高純度底色上的色彩顯得純度低，而一些低純度的底色的色彩相反，要適當(dāng)考慮環(huán)境色對(duì)可視化圖表的影響；使用色彩明度與飽和度差異顯著、對(duì)比鮮明的配色，盡顯避免使用鄰近色配色，同時(shí)若顏色過(guò)于相似(例如淺灰與更淺的灰)也要避免，因?yàn)槿搜垭y以發(fā)現(xiàn)兩者間的區(qū)別；相反，也要避免強(qiáng)烈的對(duì)比色，如紅配綠或藍(lán)配黃；色彩明度與飽和度差異要顯著、對(duì)比鮮明，盡量避免使用鄰近色配色。

3.2.3 語(yǔ)義色

語(yǔ)義色是指行業(yè)規(guī)范要求或約定俗成形成規(guī)范的顏色。以智慧水電廠(chǎng)大屏設(shè)計(jì)為例，在水電廠(chǎng)中有些特定的國(guó)標(biāo)的顏色是要遵循的，其次還要考慮用戶(hù)的色彩使用習(xí)慣。在智慧水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)可視化中，通常運(yùn)用黃、綠、藍(lán)色來(lái)表示特定信息。

綜合本章節(jié)視覺(jué)表現(xiàn)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)如北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司最新一代監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要功能模塊啟動(dòng)界面，在該啟動(dòng)界面設(shè)計(jì)中綜合考慮暖色調(diào)：紅色、橙色、黃色；冷色調(diào)：青色、藍(lán)色；中性色調(diào)：紫色；并且在設(shè)計(jì)中充分調(diào)整其比例、輕重、色環(huán)的位置；字體設(shè)計(jì)中兼顧占比面積與顯示效果，突出重點(diǎn)信息；因此啟動(dòng)界面帶給用戶(hù)視覺(jué)和心理上的舒適感。

4 智慧水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用

各流域水電廠(chǎng)均部署了各層級(jí)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等各類(lèi)信息獲取系統(tǒng)，且系統(tǒng)積累了各專(zhuān)業(yè)設(shè)備運(yùn)行的大量數(shù)據(jù)，為水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)可視化提供了數(shù)據(jù)支持；計(jì)算機(jī)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，為智慧水電廠(chǎng)建設(shè)提供了技術(shù)支持。由此智慧水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用得到了廣泛實(shí)用機(jī)會(huì)。

4.1 智慧水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)可視化的設(shè)計(jì)流程

按前述設(shè)計(jì)原則，智慧水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)流程主要有：

（1）信息收集：明確用戶(hù)需求，確定大屏場(chǎng)地環(huán)境以及各類(lèi)硬件參數(shù)；

（2）分析轉(zhuǎn)化：歸納用戶(hù)需求，完成由用戶(hù)需求向設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化；

（3）可視化頁(yè)面設(shè)計(jì)：信息架構(gòu)設(shè)計(jì)，視覺(jué)風(fēng)格制定，信息元素設(shè)計(jì)，大屏設(shè)計(jì)；

（4）大屏搭建：大屏搭建及定制合適的組件開(kāi)發(fā)；

（5）效果度量：用戶(hù)滿(mǎn)意度反饋。

4.2 智慧水電廠(chǎng)重點(diǎn)信息可視化

圖2是某水電廠(chǎng)各類(lèi)重點(diǎn)數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)，綜合多種圖形設(shè)計(jì)，通過(guò)各類(lèi)型圖形展示，滿(mǎn)足水電廠(chǎng)重要基礎(chǔ)信息可視化。在設(shè)計(jì)中不同信息運(yùn)用不同培訓(xùn)增加層次感，方法簡(jiǎn)單直觀(guān)，是一種基礎(chǔ)可視化設(shè)計(jì)。

圖2 某水電廠(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)

4.3 智慧水電廠(chǎng)交互信息可視化

圖3是某水電廠(chǎng)交互信息可視化的一個(gè)案例，展現(xiàn)水庫(kù)調(diào)度中氣象信息與水情信息潛在關(guān)系。此設(shè)計(jì)既展示大量水情數(shù)據(jù)，又同時(shí)展示氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)圖形選取，左右側(cè)布局，可清晰的展示每一種數(shù)據(jù)，便于各專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)間的對(duì)比，通過(guò)該可視化信息，為水電廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)部門(mén)提供決策輔助信息，達(dá)到優(yōu)化運(yùn)維工作目的。

圖3 某水電廠(chǎng)交互信息可視化展現(xiàn)

4.4 智慧水電廠(chǎng)空間信息可視化

圖4是某水電廠(chǎng)空間信息可視化的案例，此案例中地圖選擇突出行政邊界的方法，以重點(diǎn)突出流動(dòng)方向和位置，同時(shí)流向采用漸變顏色并組成漸變顏色飛線(xiàn)組，達(dá)到飛線(xiàn)軌跡色彩豐富直觀(guān)的目的。通過(guò)預(yù)測(cè)技術(shù)可將某行政區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估，有助于水電廠(chǎng)相關(guān)部門(mén)進(jìn)行合理調(diào)度。

圖4 某水電廠(chǎng)點(diǎn)位軌跡可視化展現(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

大屏數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)既是運(yùn)用設(shè)計(jì)方法為用戶(hù)展示優(yōu)秀圖片，又是視覺(jué)美學(xué)兼顧數(shù)據(jù)邏輯的研究。在基于科學(xué)的數(shù)據(jù)邏輯上，本文提出了大屏展示初始設(shè)計(jì)原則和視覺(jué)表現(xiàn)原則，通過(guò)多類(lèi)型圖形選擇，多維數(shù)據(jù)間關(guān)系展示，三維交互展示在智慧水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)可視化中得到應(yīng)用。大屏數(shù)據(jù)可視化對(duì)智慧水電廠(chǎng)獲取有效、準(zhǔn)確與美的可視化數(shù)據(jù)服務(wù)，輔助決策、運(yùn)營(yíng)調(diào)度創(chuàng)新起著不可忽視的推動(dòng)作用。