空氣氣溶膠放射性監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)研究

周俊宇，曾 雄，鄭小菁，石 睿*

（1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站，四川 成都 611139；2.四川輕化工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，四川 宜賓 644002）

環(huán)境放射性輻射來源主要包括天然輻射和人工放射性[1]。四川省是核大省，涉核研究及應(yīng)用單位分布較多，同時隨著輻射的應(yīng)用越來越廣，對輻射的監(jiān)管和監(jiān)測成為四川省生態(tài)環(huán)境部門的重要工作之一，其特殊性和敏感性也成為公眾關(guān)注的重要話題[2]，其中，對空氣氣溶膠放射性的監(jiān)測是環(huán)境輻射監(jiān)測中的重要內(nèi)容[3]。從“十一五”開始，我國環(huán)境輻射監(jiān)測系統(tǒng)開始規(guī)模建設(shè)，到“十三五”末，全國空氣自動監(jiān)測站已超過500個，環(huán)境輻射自動監(jiān)測網(wǎng)覆蓋了全國所有地級以上城市及重要邊境口岸等敏感地區(qū)[4]。截至2020年，四川省內(nèi)已建成國、省控環(huán)境輻射自動監(jiān)測站共計50個，全面覆蓋了全省各市州[5]。環(huán)境輻射監(jiān)測內(nèi)容主要包括：空氣氣溶膠放射性核素監(jiān)測[6]、總α/總β活度濃度監(jiān)測[7-8]、γ輻射劑量率[9]等。雖然目前我國環(huán)境輻射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已成規(guī)模，但還存在監(jiān)測點自動化程度偏低、軟件功能不完善等問題[10]。特別在應(yīng)急情況下，如何確保第一時間實時掌握事故現(xiàn)場及周邊環(huán)境輻射水平是該系統(tǒng)還需進一步改進和關(guān)注的問題。

要充分發(fā)揮監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值，則需要對數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。數(shù)據(jù)可視化成為日常辦公指揮調(diào)度等場景的一部分[11]。本文從軟件層面出發(fā)，希望通過建立一套針對環(huán)境放射性監(jiān)測數(shù)據(jù)實時展示和分析的可視化系統(tǒng)，進一步擴展自動化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)功能，為輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的“最后一公里”提供技術(shù)參考。以四川省2016-2020年5年間監(jiān)測的氣溶膠放射性核素活度濃度和總α、總β活度濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，利用Python語言與Echarts工具結(jié)合的可視化繪圖庫PyEcharts，設(shè)計和研究環(huán)境輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。

1 PyEcharts

1.1 PyEcharts簡介

ECharts是開源可視化庫，提供了直觀、交互性豐富、高度定制化的可視化圖表。

PyEcharts是用于生成Echarts圖表的類庫，可使用PyEcharts工具包進行數(shù)據(jù)分析從而實現(xiàn)可視化展示[12]。PyEcharts實現(xiàn)了30多種常用的可視化圖表功能，支持主流Python Web開發(fā)框架。PyEcharts類庫由國內(nèi)企業(yè)開發(fā)維護。

1.2 PyEcharts工具包的安裝和使用

輸入終端指令“pip install PyEcharts”，可安裝PyEcharts工具包。根據(jù)可視化展示需求導(dǎo)入PyEcharts模塊圖庫，如“from PyEcharts.Line，Pie”，表示導(dǎo)入柱狀圖、扇形等圖庫。

1.3 PyEcharts的配置項

PyEcharts模塊定義豐富的圖表配置類，主要分為全局配置項和系列配置 項[4]，（如圖1所示）。

圖1 PyEcharts全局配置項

全局配置項定義了圖表的全局通用性配置，包含圖例（Legend Opts），視覺映射（Visual Map Opts），提示框（Tooltip Opts）等22種配置項。

系統(tǒng)配置項定義了圖表及坐標(biāo)等樣式，包括文字樣式（Text Style Opts），線樣式（Line Style Opts），標(biāo)記點（Mark Point Item）等17種配置項。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 數(shù)據(jù)讀取

Pandas工具為解決數(shù)據(jù)分析任務(wù)創(chuàng)建。Pandas 納入大量庫數(shù)據(jù)模型，可使用.read_excel（）函數(shù)讀取Excel表中的數(shù)據(jù)。

1.4.2 數(shù)據(jù)整理和清洗

從整個Excel表中篩選出放射性核素活度濃度和總α、總β活度濃度的數(shù)據(jù)，用.iloc[∶]選擇數(shù)據(jù)的行/列范圍，使用.dropna（）函數(shù)濾除缺失數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)可視化的實現(xiàn)

2.1 氣溶膠中放射性核素數(shù)據(jù)可視化

四川省輻射環(huán)境自動監(jiān)測站針對氣溶膠放射性核素活度濃度監(jiān)測主要包括9種核素：7Be、228Ac、234Th、226Ra、228Ra、40K、131I、134Cs、137Cs，每月監(jiān)測上述9種核素。為便于查看數(shù)據(jù)，使用頁面組件Page，分為分季度展示和綜合展示。

季度展示使用時間軸組件Timeline，把數(shù)據(jù)以時間作為唯一變量，不同時間點下數(shù)據(jù)不同，一個時間點繪制一張可視化圖表。根據(jù)年度和季度繪制一張可視化圖表，把2016年-2020年的數(shù)據(jù)串聯(lián)起來，以放射性元素種類為橫坐標(biāo)，放射性核素活度濃度為縱坐標(biāo)的柱狀圖（Bar），便于查看季度的詳細數(shù)據(jù)。最后，把五年空氣氣溶膠中放射性核素活度濃度檢測結(jié)果放在一張表中綜合展示，繪制以年份-季度-次數(shù)為橫坐標(biāo)，放射性核素活度濃度為縱坐標(biāo)的折線圖（Line），便于展示五年內(nèi)核素活度濃度變化趨勢（如圖2所示）。

圖2 綜合展示（以成都市大熊貓基地2016-2020年監(jiān)測結(jié)果示例）

2.2 氣溶膠中總α、總β數(shù)據(jù)可視化

氣溶膠中總α、總β活度濃度監(jiān)測是一季度一次，五年內(nèi)的數(shù)據(jù)相對較少，可把每個監(jiān)測站的總α、總β數(shù)據(jù)做成兩個折線放在一張圖中，以年份-季度為橫坐標(biāo)，活度濃度為縱坐標(biāo)（如圖3所示）。

圖3 總α、總β展示（以廣安市小平故居2016-2020年監(jiān)測結(jié)果示例）

3 可視化大屏系統(tǒng)

大屏數(shù)據(jù)可視化是以大屏為展示載體數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)可視化具有高度視覺沖擊力，以直觀的方式向受眾揭示數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律，傳達數(shù)據(jù)價值。大屏數(shù)據(jù)可視化可更宏觀、直觀、智能地展示環(huán)境放射性監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢、區(qū)域分布情況、各地區(qū)橫縱向比較等 信息[13]。在PyEcharts中使用page.rendet（）方法進行布局，然后保存為json文件，使用page.save_resize_html（‘ ’，cfg_file=”json文件地址”，dest=’ ’），生成布局好的網(wǎng)頁（如圖4所示）。

圖4 可視化大屏系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)輪播

對各監(jiān)測站的詳細數(shù)據(jù)進行循環(huán)輪播，滾動信息包括：日期、監(jiān)測站、核素和核素濃度。在div盒子里添加〈el-table〉標(biāo)簽，設(shè)置表格屬性，〈el-table-column〉設(shè)置列屬性，在〈script〉標(biāo)簽下設(shè)置滾動方法。

3.2 地圖分布

將監(jiān)測站以經(jīng)緯度在地圖上分布，使用的是PyEcharts中的地理坐標(biāo)系（Geo），可以直觀看出監(jiān)測站的地理分布。在〈script〉中添加點擊函數(shù)，點擊地圖上的坐標(biāo)點會跳轉(zhuǎn)至監(jiān)測站的詳細數(shù)據(jù)頁面。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，環(huán)境放射性監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長。把抽象的數(shù)據(jù)通過可視化的方式以圖形展示，可以更形象地表達數(shù)據(jù)的內(nèi)在價值，為企業(yè)決策提供直觀的數(shù)據(jù)支撐。本文以四川省2016-2020年5年間全省具有代表性的地、市、州自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展了空氣氣溶膠放射性監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)研究。在最終開發(fā)形成的HTML可視化大屏中，五大可視化區(qū)域一目了然，圖表種類豐富。通過數(shù)據(jù)可視化可直觀地了解四川省環(huán)境氣溶膠的放射水平狀況，還能通過扇形圖、柱狀圖等了解到最值和平均值。可視化技術(shù)將這些關(guān)鍵信息整合輸出，簡潔美觀。

4.2 展望

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的制定，對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測成為環(huán)境保護的重要內(nèi)容。通過建立生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)智能平臺，結(jié)合人工智能信息技術(shù)，支撐生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌規(guī)劃防治等工作，已成為未來生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護的趨勢。對數(shù)據(jù)的整合加工、交互共享和挖掘數(shù)據(jù)價值是監(jiān)測數(shù)據(jù)被有效應(yīng)用的基礎(chǔ)，而數(shù)據(jù)可視化是數(shù)據(jù)價值的直觀體現(xiàn)。本文研究了空氣氣溶膠放射性監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，是對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)開發(fā)的有益探索。