智慧水電廠數據可視化大屏視覺表現研究

李 欣，任 杰, 王 翔

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

隨著大數據及存儲技術的不斷發展，使得多元化海量監控數據不斷積累，導致各個行業對數據分析的依賴亦不斷加強，現階段數據已是最受重視的資源。數據可視化依托數據挖掘、人機交互等技術，可將海量數據轉化為容易區分和理解的信息形式，通過挖掘數據內部規律，找出對各類用戶最有價值信息。國家下發《水電發展“十三五”規劃》[1]，要求探索和開展智慧水電和智慧流域建設。隨著我國流域電廠網絡化、智能化、信息化技術的提升，在其建設和運維過程中已積累了多維度的海量數據[2]，并且該海量數據中隱藏各維度信息。因此運用數據可視化技術搭建數據可視化大屏，既可實現生動形象展示各類實時數據，又可直觀展示數據中隱藏信息，從而達到輔助水電廠工作人員獲取現場設備信息，對水電廠設備管理決策起到輔助和服務作用。近年來，數據可視化技術也被應用于智慧水電廠各個專業中，實現數據分析和展示。

1 大屏數據可視化

數據可視化理論在首屆IEEE Visualization Conference會議提出，涉及圖形學、生物醫學、計算機圖像、物理等交叉領域[3，4]。隨著計算機技術的發展，數據可視化的研究重點轉變為基于大數據技術探索數據可視化展示方法、智慧交互界面設計、動態數據可視化分析。數據可視化借助計算機圖形化技術，將數據中隱藏的信息，通過視覺感知，進行清晰直觀的表現，是基于大數據分析的最終步驟。

大屏數據可視化即是在數據可視化技術的基礎上應用大面積顯示設備為顯示載體進行可視化界面設計。大屏數據可視化在具備數據可視化優勢的基礎上，因其顯示載體面積優勢，更具有多種類展示信息易于調動觀察者情緒；更豐富展示、設計、表現企業文化，傳播企業精神的優勢。因此大屏數據可視化在數據分析、監控預警領域具有重要作用。優秀的大屏數據可視化設計可為決策者們迅速掌握數據隱藏信息，精準完成決策提供支撐。

2 大屏數據可視化初始設計原則

大屏可視化系統一般是由設計師和開發人員共同設計完成，而大屏數據可視化其設計核心是所有的展示信息須真實可靠，即展示效果基于數據。因此在設計最初需指定初始設計原則以便進行數據與指標篩選。初始設計原則如下：

（1）具備關聯數據展示

監測數據種類繁多，數據可視化設計之初，在展示單一專業單一數據集的同時必須能夠對各專業關聯數據集進行展現。

（2）具備展示數據可靠性

大屏數據可視化設計最終是基于數據的展示，任何設計一定在保證數據的真實性、可靠性的前提下進行。

（3）確定關鍵指標

盡管大屏數據展示具備大型顯示載體，但仍無法實現展示所有信息，因此在視覺設計之初，應重點考慮數據與業務指標重要程度，大屏展示信息應為關鍵指標。

（4）確定視覺場景模式

大屏數據可視化應根據展示數據的特性，選擇最優可視化方式（可視化方式包括柱圖、餅圖、折線圖、氣泡圖、樹圖等），將數據直觀地展現出來，達到幫助用戶理解數據，顯示包含海量數據中內在規律或信息。

3 視覺表現

視覺表現融合交互處理的理論、方法和技術，并充分利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據或信息轉換成圖形或圖像，在顯示載體進行顯示[5，6]。視覺表現的優勢即是清晰有效的傳達數據信息，以實現用視覺的方式去思考；既兼顧數據的真實性，同時又具有視覺引導性。因此視覺表現設計是大屏數據可視化中最關鍵環節。

視覺表現設計主要由圖形設計、字體設計、圖形布局以及色彩運用組成。

3.1 圖形的確定

圖形最有助于引發視覺刺激，并且能夠更高效的傳遞信息、吸引觀眾。在視覺表現設計中，圖形的設計與使用可改善純文字接受方式的業務需求。視覺表現中除數據信息外，還涉及文本信息，不同信息類型需不同的圖形表現形式，出色的視覺表現可通過適合的圖表將數據關系表達出來，因此確定最優圖形類型尤為重要。典型圖形類型主要有：柱狀圖，餅圖，折線圖，面積圖，氣泡圖，散點圖，區域熱力地圖。

（1）柱狀圖：展示數據隨時間變化的同類型數據，或部分和整體的關系；

（2）餅圖：方便表達數據的部分和整體關系,適用于離散性數據和持續性數據；

（3）面積圖：表述數據的時間序列關系并能夠清晰表示出量；

（4）散點圖：展示兩組變量之間的關系，在數據量較大時,可展示關聯性；

（5）氣泡圖：較方便用來展示名義比較和排行關系；

（6）區域熱力地圖：展示分類數據，利用強烈的色彩對照感表現地理區域或數據列表情況；

（7）曲線圖：反映時間變化且橫軸上的數據類反映事物隨時間或間隔的變化。

如圖1典型圖形展示所示，信息類型的差異會呈現出圖形形態的差異，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量較多信息，而柱狀圖更容易通過高低來反映信息差異；曲線圖和面積圖均表示信息隨時間跨度變化，但圖形中顯示類別較多時，條形圖由于減少相互間的遮擋與疊加，故會比面積圖更清晰顯示各類別的變化趨勢。

圖1 典型圖形展示

圖形選擇與注意事項詳見表1。

表1 應用注意事項

3.2 色彩運用

色彩直接吸引觀眾，是審美要素之一。在優秀的大屏可視化設計中，僅用圖形表現信息是不夠的，為使大屏可視化設計清晰、完整、美觀地向用戶傳達信息，元素的色彩設計必不可少。

3.2.1 基調色

基調色是大屏展示設計配色方案的主色調，通常是在界面占比較大的顏色。在大屏展示設計中每一種顏色都代表了一種獨特的信號，例如深色背景突出莊重與理性，同時更易聚焦視覺，直觀傳達高等級信息。因此觀眾可在可視化界面中使用的顏色來了解所顯示的數據類型以及他們之間的關系與差異。

3.2.2 調色組合

人眼受到不同顏色的刺激時，由于顏色之間的相互干擾，會產生特殊的視覺效果。特定的顏色組合可能會產生錯覺，難以實現期待結果。人眼對純度的認知很大程度基于周圍環境，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，要適當考慮環境色對可視化圖表的影響；使用色彩明度與飽和度差異顯著、對比鮮明的配色，盡顯避免使用鄰近色配色，同時若顏色過于相似(例如淺灰與更淺的灰)也要避免，因為人眼難以發現兩者間的區別；相反，也要避免強烈的對比色，如紅配綠或藍配黃；色彩明度與飽和度差異要顯著、對比鮮明，盡量避免使用鄰近色配色。

3.2.3 語義色

語義色是指行業規范要求或約定俗成形成規范的顏色。以智慧水電廠大屏設計為例，在水電廠中有些特定的國標的顏色是要遵循的，其次還要考慮用戶的色彩使用習慣。在智慧水電廠數據可視化中，通常運用黃、綠、藍色來表示特定信息。

綜合本章節視覺表現設計原則，設計如北京中水科水電科技開發有限公司最新一代監控系統軟件主要功能模塊啟動界面，在該啟動界面設計中綜合考慮暖色調：紅色、橙色、黃色；冷色調：青色、藍色；中性色調：紫色；并且在設計中充分調整其比例、輕重、色環的位置；字體設計中兼顧占比面積與顯示效果，突出重點信息；因此啟動界面帶給用戶視覺和心理上的舒適感。

4 智慧水電廠數據可視化應用

各流域水電廠均部署了各層級的在線監測系統、監控系統等各類信息獲取系統，且系統積累了各專業設備運行的大量數據，為水電廠數據可視化提供了數據支持；計算機、人工智能、大數據分析技術的發展，為智慧水電廠建設提供了技術支持。由此智慧水電廠數據可視化應用得到了廣泛實用機會。

4.1 智慧水電廠數據可視化的設計流程

按前述設計原則，智慧水電廠數據可視化設計流程主要有：

（1）信息收集：明確用戶需求，確定大屏場地環境以及各類硬件參數；

（2）分析轉化：歸納用戶需求，完成由用戶需求向設計轉化；

（3）可視化頁面設計：信息架構設計，視覺風格制定，信息元素設計，大屏設計；

（4）大屏搭建：大屏搭建及定制合適的組件開發；

（5）效果度量：用戶滿意度反饋。

4.2 智慧水電廠重點信息可視化

圖2是某水電廠各類重點數據可視化展現，綜合多種圖形設計，通過各類型圖形展示，滿足水電廠重要基礎信息可視化。在設計中不同信息運用不同培訓增加層次感，方法簡單直觀，是一種基礎可視化設計。

圖2 某水電廠基礎數據可視化展現

4.3 智慧水電廠交互信息可視化

圖3是某水電廠交互信息可視化的一個案例，展現水庫調度中氣象信息與水情信息潛在關系。此設計既展示大量水情數據，又同時展示氣象數據，通過對圖形選取，左右側布局，可清晰的展示每一種數據，便于各專業數據間的對比，通過該可視化信息，為水電廠運營部門提供決策輔助信息，達到優化運維工作目的。

圖3 某水電廠交互信息可視化展現

4.4 智慧水電廠空間信息可視化

圖4是某水電廠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，以重點突出流動方向和位置，同時流向采用漸變顏色并組成漸變顏色飛線組，達到飛線軌跡色彩豐富直觀的目的。通過預測技術可將某行政區域內數據進行預估，有助于水電廠相關部門進行合理調度。

圖4 某水電廠點位軌跡可視化展現

5 結束語

大屏數據可視化設計既是運用設計方法為用戶展示優秀圖片，又是視覺美學兼顧數據邏輯的研究。在基于科學的數據邏輯上，本文提出了大屏展示初始設計原則和視覺表現原則，通過多類型圖形選擇，多維數據間關系展示，三維交互展示在智慧水電廠數據可視化中得到應用。大屏數據可視化對智慧水電廠獲取有效、準確與美的可視化數據服務，輔助決策、運營調度創新起著不可忽視的推動作用。