智慧水电厂数据可视化大屏视觉表现研究

李 欣，任 杰, 王 翔

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038 ；2.白鹤滩水力发电厂，四川 凉山 615421）

随着大数据及存储技术的不断发展，使得多元化海量监控数据不断积累，导致各个行业对数据分析的依赖亦不断加强，现阶段数据已是最受重视的资源。数据可视化依托数据挖掘、人机交互等技术，可将海量数据转化为容易区分和理解的信息形式，通过挖掘数据内部规律，找出对各类用户最有价值信息。国家下发《水电发展“十三五”规划》[1]，要求探索和开展智慧水电和智慧流域建设。随着我国流域电厂网络化、智能化、信息化技术的提升，在其建设和运维过程中已积累了多维度的海量数据[2]，并且该海量数据中隐藏各维度信息。因此运用数据可视化技术搭建数据可视化大屏，既可实现生动形象展示各类实时数据，又可直观展示数据中隐藏信息，从而达到辅助水电厂工作人员获取现场设备信息，对水电厂设备管理决策起到辅助和服务作用。近年来，数据可视化技术也被应用于智慧水电厂各个专业中，实现数据分析和展示。

1 大屏数据可视化

数据可视化理论在首届IEEE Visualization Conference会议提出，涉及图形学、生物医学、计算机图像、物理等交叉领域[3，4]。随着计算机技术的发展，数据可视化的研究重点转变为基于大数据技术探索数据可视化展示方法、智慧交互界面设计、动态数据可视化分析。数据可视化借助计算机图形化技术，将数据中隐藏的信息，通过视觉感知，进行清晰直观的表现，是基于大数据分析的最终步骤。

大屏数据可视化即是在数据可视化技术的基础上应用大面积显示设备为显示载体进行可视化界面设计。大屏数据可视化在具备数据可视化优势的基础上，因其显示载体面积优势，更具有多种类展示信息易于调动观察者情绪；更丰富展示、设计、表现企业文化，传播企业精神的优势。因此大屏数据可视化在数据分析、监控预警领域具有重要作用。优秀的大屏数据可视化设计可为决策者们迅速掌握数据隐藏信息，精准完成决策提供支撑。

2 大屏数据可视化初始设计原则

大屏可视化系统一般是由设计师和开发人员共同设计完成，而大屏数据可视化其设计核心是所有的展示信息须真实可靠，即展示效果基于数据。因此在设计最初需指定初始设计原则以便进行数据与指标筛选。初始设计原则如下：

（1）具备关联数据展示

监测数据种类繁多，数据可视化设计之初，在展示单一专业单一数据集的同时必须能够对各专业关联数据集进行展现。

（2）具备展示数据可靠性

大屏数据可视化设计最终是基于数据的展示，任何设计一定在保证数据的真实性、可靠性的前提下进行。

（3）确定关键指标

尽管大屏数据展示具备大型显示载体，但仍无法实现展示所有信息，因此在视觉设计之初，应重点考虑数据与业务指标重要程度，大屏展示信息应为关键指标。

（4）确定视觉场景模式

大屏数据可视化应根据展示数据的特性，选择最优可视化方式（可视化方式包括柱图、饼图、折线图、气泡图、树图等），将数据直观地展现出来，达到帮助用户理解数据，显示包含海量数据中内在规律或信息。

3 视觉表现

视觉表现融合交互处理的理论、方法和技术，并充分利用计算机图形学和图像处理技术，将数据或信息转换成图形或图像，在显示载体进行显示[5，6]。视觉表现的优势即是清晰有效的传达数据信息，以实现用视觉的方式去思考；既兼顾数据的真实性，同时又具有视觉引导性。因此视觉表现设计是大屏数据可视化中最关键环节。

视觉表现设计主要由图形设计、字体设计、图形布局以及色彩运用组成。

3.1 图形的确定

图形最有助于引发视觉刺激，并且能够更高效的传递信息、吸引观众。在视觉表现设计中，图形的设计与使用可改善纯文字接受方式的业务需求。视觉表现中除数据信息外，还涉及文本信息，不同信息类型需不同的图形表现形式，出色的视觉表现可通过适合的图表将数据关系表达出来，因此确定最优图形类型尤为重要。典型图形类型主要有：柱状图，饼图，折线图，面积图，气泡图，散点图，区域热力地图。

（1）柱状图：展示数据随时间变化的同类型数据，或部分和整体的关系；

（2）饼图：方便表达数据的部分和整体关系,适用于离散性数据和持续性数据；

（3）面积图：表述数据的时间序列关系并能够清晰表示出量；

（4）散点图：展示两组变量之间的关系，在数据量较大时,可展示关联性；

（5）气泡图：较方便用来展示名义比较和排行关系；

（6）区域热力地图：展示分类数据，利用强烈的色彩对照感表现地理区域或数据列表情况；

（7）曲线图：反映时间变化且横轴上的数据类反映事物随时间或间隔的变化。

如图1典型图形展示所示，信息类型的差异会呈现出图形形态的差异，其中柱形图与条形图形式近似，二者在两轴所表示位置空间为互换，显然条形图更易于展示数量较多信息，而柱状图更容易通过高低来反映信息差异；曲线图和面积图均表示信息随时间跨度变化，但图形中显示类别较多时，条形图由于减少相互间的遮挡与叠加，故会比面积图更清晰显示各类别的变化趋势。

图1 典型图形展示

图形选择与注意事项详见表1。

表1 应用注意事项

3.2 色彩运用

色彩直接吸引观众，是审美要素之一。在优秀的大屏可视化设计中，仅用图形表现信息是不够的，为使大屏可视化设计清晰、完整、美观地向用户传达信息，元素的色彩设计必不可少。

3.2.1 基调色

基调色是大屏展示设计配色方案的主色调，通常是在界面占比较大的颜色。在大屏展示设计中每一种颜色都代表了一种独特的信号，例如深色背景突出庄重与理性，同时更易聚焦视觉，直观传达高等级信息。因此观众可在可视化界面中使用的颜色来了解所显示的数据类型以及他们之间的关系与差异。

3.2.2 调色组合

人眼受到不同颜色的刺激时，由于颜色之间的相互干扰，会产生特殊的视觉效果。特定的颜色组合可能会产生错觉，难以实现期待结果。人眼对纯度的认知很大程度基于周围环境，高纯度底色上的色彩显得纯度低，而一些低纯度的底色的色彩相反，要适当考虑环境色对可视化图表的影响；使用色彩明度与饱和度差异显著、对比鲜明的配色，尽显避免使用邻近色配色，同时若颜色过于相似(例如浅灰与更浅的灰)也要避免，因为人眼难以发现两者间的区别；相反，也要避免强烈的对比色，如红配绿或蓝配黄；色彩明度与饱和度差异要显著、对比鲜明，尽量避免使用邻近色配色。

3.2.3 语义色

语义色是指行业规范要求或约定俗成形成规范的颜色。以智慧水电厂大屏设计为例，在水电厂中有些特定的国标的颜色是要遵循的，其次还要考虑用户的色彩使用习惯。在智慧水电厂数据可视化中，通常运用黄、绿、蓝色来表示特定信息。

综合本章节视觉表现设计原则，设计如北京中水科水电科技开发有限公司最新一代监控系统软件主要功能模块启动界面，在该启动界面设计中综合考虑暖色调：红色、橙色、黄色；冷色调：青色、蓝色；中性色调：紫色；并且在设计中充分调整其比例、轻重、色环的位置；字体设计中兼顾占比面积与显示效果，突出重点信息；因此启动界面带给用户视觉和心理上的舒适感。

4 智慧水电厂数据可视化应用

各流域水电厂均部署了各层级的在线监测系统、监控系统等各类信息获取系统，且系统积累了各专业设备运行的大量数据，为水电厂数据可视化提供了数据支持；计算机、人工智能、大数据分析技术的发展，为智慧水电厂建设提供了技术支持。由此智慧水电厂数据可视化应用得到了广泛实用机会。

4.1 智慧水电厂数据可视化的设计流程

按前述设计原则，智慧水电厂数据可视化设计流程主要有：

（1）信息收集：明确用户需求，确定大屏场地环境以及各类硬件参数；

（2）分析转化：归纳用户需求，完成由用户需求向设计转化；

（3）可视化页面设计：信息架构设计，视觉风格制定，信息元素设计，大屏设计；

（4）大屏搭建：大屏搭建及定制合适的组件开发；

（5）效果度量：用户满意度反馈。

4.2 智慧水电厂重点信息可视化

图2是某水电厂各类重点数据可视化展现，综合多种图形设计，通过各类型图形展示，满足水电厂重要基础信息可视化。在设计中不同信息运用不同培训增加层次感，方法简单直观，是一种基础可视化设计。

图2 某水电厂基础数据可视化展现

4.3 智慧水电厂交互信息可视化

图3是某水电厂交互信息可视化的一个案例，展现水库调度中气象信息与水情信息潜在关系。此设计既展示大量水情数据，又同时展示气象数据，通过对图形选取，左右侧布局，可清晰的展示每一种数据，便于各专业数据间的对比，通过该可视化信息，为水电厂运营部门提供决策辅助信息，达到优化运维工作目的。

图3 某水电厂交互信息可视化展现

4.4 智慧水电厂空间信息可视化

图4是某水电厂空间信息可视化的案例，此案例中地图选择突出行政边界的方法，以重点突出流动方向和位置，同时流向采用渐变颜色并组成渐变颜色飞线组，达到飞线轨迹色彩丰富直观的目的。通过预测技术可将某行政区域内数据进行预估，有助于水电厂相关部门进行合理调度。

图4 某水电厂点位轨迹可视化展现

5 结束语

大屏数据可视化设计既是运用设计方法为用户展示优秀图片，又是视觉美学兼顾数据逻辑的研究。在基于科学的数据逻辑上，本文提出了大屏展示初始设计原则和视觉表现原则，通过多类型图形选择，多维数据间关系展示，三维交互展示在智慧水电厂数据可视化中得到应用。大屏数据可视化对智慧水电厂获取有效、准确与美的可视化数据服务，辅助决策、运营调度创新起着不可忽视的推动作用。