李仕旺，潘 躍，呂曉艷

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)研究及其在鐵路中的應(yīng)用

李仕旺，潘 躍，呂曉艷

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

在大數(shù)據(jù)時代背景下，數(shù)據(jù)的復(fù)雜性越來越高，需要數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將不可見現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷膱D形符號，因此數(shù)據(jù)可視化的角色越來越重要。本文從數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的概念和技術(shù)特點入手，對數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進行研究，將其成功應(yīng)用于中國鐵路客票發(fā)售與預(yù)訂系統(tǒng)（以下簡稱鐵路客票系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)分析與展現(xiàn)中，并對未來數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了展望和探討，進一步證實數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用技術(shù)是呈現(xiàn)和解釋大規(guī)模數(shù)據(jù)的關(guān)鍵核心和發(fā)展方向。

大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)可視化；鐵路客票系統(tǒng)；鐵路數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的起源可以追溯到20世紀中期，即計算機圖形學(xué)時代和數(shù)據(jù)可視化發(fā)展的萌芽時期，人們就開始研究如何在計算機中表示圖形；而到了20世紀80年代后期，科學(xué)計算的可視化才被提出并逐漸發(fā)展起來?？茖W(xué)計算可視化（Visualization in Scientific Computing）的誕生為數(shù)據(jù)可視化奠定重要基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）是信息圖形、信息可視化、科學(xué)可視化和統(tǒng)計圖形的結(jié)合體，實現(xiàn)了科學(xué)可視化與信息可視化領(lǐng)域的統(tǒng)一。數(shù)據(jù)可視化所研究的內(nèi)容是數(shù)據(jù)的視覺表現(xiàn)形式，也是運用計算機圖形學(xué)和圖像處理等技術(shù)，通過對數(shù)據(jù)集的可視化設(shè)計，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像展現(xiàn)出來并進行交互處理的技術(shù)。通過數(shù)據(jù)可視化可以清晰有效地傳達和溝通信息，從數(shù)據(jù)中發(fā)掘隱含的規(guī)律和趨勢，為輔助決策提供堅實的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)可視化是對大型數(shù)據(jù)集的可視化，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機圖形處理能力越來越強，使得人們在表現(xiàn)數(shù)據(jù)的時候不再局限于通過觀察關(guān)系型數(shù)據(jù)來分析數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以借助計算機的強大處理能力、計算機圖形學(xué)算法和可視化算法將大量的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為靜態(tài)或者動態(tài)圖像呈現(xiàn)給人們并具有一定的人機交互，是分析、挖掘數(shù)據(jù)，尋找數(shù)據(jù)間的關(guān)系或者數(shù)據(jù)規(guī)律趨勢的最佳工具。

1 數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

可視化是數(shù)據(jù)的圖形化表示形式，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)能夠?qū)⒋罅繌?fù)雜的信息通過圖表的方式使之一目了然地解釋出來，并有效地突出核心數(shù)據(jù)，方便用戶快速洞察問題所在。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)主要有以下3大特點：

（1）與用戶的交互性強。一般情況下用戶都是信息傳播中的接受者，而強交互性特點將改變這一局面，在管理和開發(fā)數(shù)據(jù)上用戶可以很方便地以交互式的操作進行。

（2）數(shù)據(jù)顯示的多維性。針對多維數(shù)據(jù)進行可視化分析，將每一維數(shù)據(jù)的值進行分類、排序、組合和顯示，從而看到表示對象或事件的數(shù)據(jù)的多個屬性或變量。

（3）最直觀的可視性特點。數(shù)據(jù)的顯示方式有多種，可以用圖像、曲線、二維圖形、三維體和動畫來等顯示，并可對其模式和相互關(guān)系進行可視化分析。

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的交互性、多維性、可視性特性為數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的實現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)通過對數(shù)據(jù)的預(yù)處理、映射、繪制和顯示4步來實現(xiàn)，從而能夠通過視覺來理解多維數(shù)據(jù)上的復(fù)雜模式。在進行數(shù)據(jù)可視化的過程中使用到了描述數(shù)據(jù)可視化相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要分為以下3點：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)。原始數(shù)據(jù)大多是來自平面文件或者是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，因此需要對它們進行數(shù)據(jù)格式化和標準化，通過數(shù)據(jù)的變換然后對其進行壓縮、解壓縮處理，使數(shù)據(jù)更易于存儲和讀取。針對不同的可視化方法和內(nèi)容，為了滿足可視化要求，需要對原始數(shù)據(jù)做進一步的變換處理。處理方法包括數(shù)據(jù)規(guī)范化處理、濾波處理、平滑處理、網(wǎng)格重新劃分、坐標變換、幾何變換、線性變換、分割與邊緣檢測、特征檢測增強、提取查色表操縱和特征映射等。

（2）數(shù)據(jù)映射技術(shù)。映射就是將數(shù)據(jù)按幾何畫法或者幾何投影的方式表示出來，它完成了數(shù)據(jù)的建模，是可視化技術(shù)的關(guān)鍵。在可視化處理的數(shù)據(jù)類型上，僅在鐵路客票數(shù)據(jù)上也是千差萬別，需要多種映射技術(shù)。應(yīng)用圖形中可識別的變量是驗證維數(shù)的基準；為了匹配數(shù)據(jù)的范圍，需要使用縮放比例和偏移量等相關(guān)技術(shù)來處理；使用衍生值（殘差、logs）法是強調(diào)變化突出主題的利器；通過隨機抖動區(qū)分重疊，通過投影技術(shù)來取得統(tǒng)計量；對于高維信息，其中的隱藏關(guān)系較多，則需要使用多視圖來進行處理。

（3）繪制和顯示技術(shù)?？梢暬瘮?shù)據(jù)顯示就是將集合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像，并安裝用戶的指定格式進行輸出，最終實現(xiàn)人機交互。使用者為了更好的理解數(shù)據(jù)含義，對呈現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容方式上必須是簡潔易懂、強調(diào)突出、省時高效。如何高效地提供數(shù)據(jù)可視化服務(wù)是數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的終極目標，通過可視化技術(shù)來開發(fā)相應(yīng)的可視化工具或平臺。在傳統(tǒng)可視化顯示技術(shù)上有柱形圖、折線圖、餅圖、面積圖、股價圖和雷達圖等，目前流行的還有地圖數(shù)據(jù)可視化，三維立體圖、和弦圖、單詞云圖和人際關(guān)系圖等。在可視化技術(shù)上有基于投影的技術(shù)、面向像素的技術(shù)、基于圖標的技術(shù)、基于層次和圖形的技術(shù)、3D技術(shù)、動態(tài)和交互技術(shù)等。

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的意義在于如何分析所獲得的大量、多維和復(fù)雜的數(shù)據(jù)，提供直覺的、可交互的可視化環(huán)境，使用者可以靈敏地獲得相關(guān)信息，由此可見發(fā)展數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的意義十分重大。主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）在每天的生產(chǎn)系統(tǒng)上，數(shù)據(jù)量是非常龐大的，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)能夠加快數(shù)據(jù)的處理速度，使數(shù)據(jù)得到有效利用。

（2）實現(xiàn)人機交互，可視化技術(shù)改變了文字或數(shù)字等信息的呈現(xiàn)方式，使用者能夠更容易地觀察到傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律。

（3）在科學(xué)計算上更方便地對計算過程實現(xiàn)引導(dǎo)和控制，數(shù)據(jù)可視化為計算機輔助提供技術(shù)手段，為計算機輔助協(xié)同設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

（4）可視化技術(shù)簡化了人工處理數(shù)據(jù)制作圖表的流程，用戶可以方便地以交互的方式管理和開發(fā)數(shù)據(jù)。

（5）可視化技術(shù)將數(shù)據(jù)的多個屬性或變量進行處理，并可對其模式和相互關(guān)系進行可視化分析，為管理者提供輔助決策的基礎(chǔ)。

2 在鐵路中的應(yīng)用意義

目前鐵路客票系統(tǒng)中的各業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是分散建立、獨立運行的，但彼此之間都存在著一定的相互關(guān)系。在進行鐵路客運業(yè)務(wù)和售票組織策略決策的時候，往往需要對客票數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，但由于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相對分散，因此要從客票數(shù)據(jù)中提取有用的數(shù)據(jù)一般都是通過數(shù)據(jù)庫查詢語言、大數(shù)據(jù)處理等手段來獲取，效率相對較低。隨著鐵路市場化改革的推進，鐵路客票數(shù)據(jù)量更加龐大、維度更加復(fù)雜，為了提高使用效率，需要對客票數(shù)據(jù)進行分析處理，將不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)區(qū)分處理，并通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對客票數(shù)據(jù)進行處理和展現(xiàn)。鐵路客票數(shù)據(jù)可視化研究能夠讓鐵路客票數(shù)據(jù)更加直觀，為客運業(yè)務(wù)的輔助決策提供參考依據(jù)。通過研究可視化技術(shù)，進行鐵路客票數(shù)據(jù)的可視化，使用可視化技術(shù)抽取客票數(shù)據(jù)，將客票數(shù)據(jù)賦予表現(xiàn)力，使客運業(yè)務(wù)人員能夠直觀感受到數(shù)據(jù)，并能輕易發(fā)現(xiàn)問題。

3 客票數(shù)據(jù)可視化案例

3.1 時間趨勢可視化

在鐵路客票系統(tǒng)中，時間序列數(shù)據(jù)無處不在。如每天售票情況、旅客發(fā)送情況等。在時間數(shù)據(jù)中，用戶最普遍想要得到的是從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)趨勢，是在上升還是在下降，是否存在周期性循環(huán)規(guī)律。要從中找出這些變化，就需要超越單個數(shù)據(jù)點，縱觀全局。例如，圖1是鐵路客票系統(tǒng)手機渠道一段時間內(nèi)的售出折線圖，從圖表上看，手機購票的效果是比較積極的，總體呈上升趨勢；但是如果只觀察當前圖表的一部分數(shù)據(jù)，也會有一定的周期性規(guī)律，結(jié)論也會因此而不一樣。

圖1 鐵路客票手機渠道售出趨勢圖

盡管我們都希望了解全局情況，但是關(guān)注細節(jié)同樣也很有價值，數(shù)據(jù)值的異常點、不規(guī)則區(qū)段、劇烈上升/下降的數(shù)據(jù)點（排除異常數(shù)據(jù)），這些地方也是應(yīng)該給予重點關(guān)注的地方；高屋建瓴，了解整個事件的背景，對甄別細節(jié)有幫助作用。

3.2 比例數(shù)據(jù)可視化

關(guān)于比例最受關(guān)注的是數(shù)據(jù)的總體分布，通過比例來呈現(xiàn)各部分和與其他部分的相對關(guān)系。餅圖是較為傳統(tǒng)的圖表之一，它作為一個整體，把它切成楔形，每一個部分代表一個整體，需要注意的是餅圖需要有良好的數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)，并且盡量不要將一個餅圖分成太多的部分。餅圖的設(shè)計應(yīng)該是直觀、清晰的，而且能夠讓注意力集中在要表現(xiàn)的重點，在實現(xiàn)上有2種方式：（1）將最大的2部分分別按順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，其他部分在下面；（2）順時針從小到大排序，圖2就是鐵路客票系統(tǒng)各渠道售票比例圖的2種顯示方式。

圖2 鐵路客票系統(tǒng)各渠道售出比例餅圖

3.3 單詞云數(shù)據(jù)可視化

單詞云（wordle）是一種數(shù)據(jù)可視化的形式，在數(shù)據(jù)處理上需要進行分類處理、歸并同義格式轉(zhuǎn)換等。單詞云使用單詞進行繪圖，每個單詞具有一定的權(quán)值，單詞的大小由這些權(quán)值來決定；然后再對單詞在指定的展現(xiàn)區(qū)域上進行空間隨機排序從而構(gòu)成單詞云。圖3是某時段用戶乘車的熱門區(qū)間，文字字體越大說明該區(qū)間越熱門，需求越旺盛。讀者能夠由此快速找出重點區(qū)段，例如北京-北戴河、北京西-成都等，效果一目了然。

3.4 客票席位數(shù)據(jù)可視化

在客票系統(tǒng)業(yè)務(wù)上，描述具體席位的特征、狀態(tài)等信息的數(shù)據(jù)構(gòu)成席位數(shù)據(jù)，席位數(shù)據(jù)的匯總信息構(gòu)成運能，運能信息是客票系統(tǒng)進行客運統(tǒng)計的基礎(chǔ)指標信息。對席位信息的可視化實現(xiàn)是進行客運營銷分析的有力武器，通過可視化技術(shù)實現(xiàn)對列車席位狀態(tài)的描述，列車的開行情況描述（客座率、收入率等）。以旅客列車客座率為例，客座率是列車運營效率的指標，采用可視化技術(shù)表現(xiàn)客座率可以直觀地了解鐵路運力和線路資源使用情況，圖4則是鐵路客票系統(tǒng)列車客座率的可視化效果。

圖4 鐵路客票系統(tǒng)列車客座率儀表盤

圖4的圖表類型是儀表盤，儀表盤可以反映各指標的完成情況，同時也可以作為監(jiān)控系統(tǒng)各部分使用情況的手段，例如實時查詢操作系統(tǒng)后臺各部分的CPU使用率、內(nèi)存利用率和日志空間狀態(tài)等。

3.5 售票數(shù)據(jù)可視化

客票售票數(shù)據(jù)記為存根，它是鐵路客票系統(tǒng)每個席位售出的原始憑證，進行退票、結(jié)帳、財務(wù)清算、運輸統(tǒng)計和營銷分析的基本依據(jù)。通過可視化技術(shù)對售票情況、旅客發(fā)送量情況等進行分析，對了解鐵路客票系統(tǒng)的運行情況具有重大意義，圖5是鐵路客票系統(tǒng)旅客發(fā)送量可視化分析圖。

圖5 鐵路客票系統(tǒng)旅客發(fā)送量可視化分析圖

圖5是基于地圖的熱力圖，地圖可視化是將地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視的形態(tài)，顯示突出數(shù)據(jù)特征。對于熱力圖來說，使用的顏色不需要太花，從而給數(shù)據(jù)增加不可承受之重，熱力圖中采用統(tǒng)一色系是較好的設(shè)計方案。

4 結(jié)束語

在輔助決策方面，通過可視化分析現(xiàn)有鐵路的運營數(shù)據(jù)，挖掘客流與地域、季節(jié)、節(jié)日、天氣等因素的關(guān)系，可以清晰地分析鐵路的布局與市場潛在用戶，充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，總結(jié)出具有可行性的輔助決策方案，促使鐵路的整體建設(shè)更加完善。在鐵路建設(shè)背后，高新技術(shù)是基礎(chǔ)，對目標受眾的精準數(shù)據(jù)分析（其中包括旅客成份、出行習(xí)慣、出行規(guī)律、年齡分布等）具有很大的應(yīng)用空間。通過可視數(shù)據(jù)挖掘方法，對鐵路數(shù)據(jù)進行探索性分析，并將結(jié)果用可視化方法予以呈現(xiàn)，進而形成鐵路建設(shè)方面的指導(dǎo)意見。

在運營方面，可以為高效調(diào)度和安全保障提供服務(wù)。列車調(diào)度需要精準預(yù)測未來某一段時間的客流量，為列車的調(diào)度提供合適的參考，在這一方面可視化數(shù)據(jù)分析體現(xiàn)出了其他工具所無法比擬的優(yōu)勢。鐵路作為一種特殊的行業(yè)，需要一些精準的信息，線路上的很多傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并不僅是讓鐵路相關(guān)人員了解目前的狀態(tài)，還可以利用可視化技術(shù)把這些數(shù)據(jù)變活，有的放矢地指導(dǎo)相關(guān)的工作人員仔細檢查列車和線路狀態(tài)，及早規(guī)避可能出現(xiàn)的問題，為鐵路的正常運營提供監(jiān)控和預(yù)警。

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責任編輯 方 圓

Data visualization technology and its application in railway

LI Shiwang, PAN Yue, LV Xiaoyan
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

In the era of big data, the data was more and more complicated, data visualization technology was required in order to make the invisible phenomena into the visible graphic symbol, and data visualization played an increasingly important role. This paper researched on the data visualization technology from its concept and technical characteristics. The visualization technology was successfully applied to the China Railway Ticketing and Reservation System. The future applications of railway data with data visualization technology were discussed. Data visualization technology was the key of presentation and interpretation large-scale data.

big data; data visualization; Railway Ticketing and Reservation System; railway data

U293.22∶TP39

A

1005-8451（2015）10-0023-04

2015-03-04

李仕旺，研究實習(xí)員；潘 躍，助理研究員。