譚章祿，劉 潔，吳 琦

（中國礦業(yè)大學（北京）管理學院，北京100083）

煤炭企業(yè)安全管理過程中存在著海量的時序數(shù)據(jù)，當管理人員面對這些實時更新的數(shù)據(jù)時，難以從中快速高效地獲取有效信息并及時做出決策。近年來，有不少學者將可視化技術(shù)應(yīng)用到展示時序數(shù)據(jù)的過程中，可視化能夠以更加直觀的形態(tài)展示圖形，并幫助用戶實現(xiàn)信息的交互。因此通過探究煤炭安全管理時序數(shù)據(jù)的最優(yōu)可視化展示方式，從而更為清晰直觀地呈現(xiàn)企業(yè)安全管理過程中的問題，幫助企業(yè)管理人員準確把握煤炭實時動態(tài)。

1 時序數(shù)據(jù)可視化研究現(xiàn)狀

時序數(shù)據(jù)是眾多應(yīng)用領(lǐng)域的決策基礎(chǔ)，可視化方式的正確選擇，能夠為用戶展示更為直觀的時序數(shù)據(jù)的規(guī)律和趨勢，方便用戶根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果做出科學決策。煤炭作為我國的主體能源，在國民經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。近年來，國內(nèi)外研究學者已將時序數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到煤炭領(lǐng)域中，通過計量經(jīng)濟學[1]、數(shù)據(jù)挖掘[2-3]等方法對相關(guān)時序數(shù)據(jù)進行分析預測。然而，目前學者針對時序數(shù)據(jù)最優(yōu)可視化展示方式的研究較少，因此通過對煤炭安全管理時序數(shù)據(jù)進行可視化展示方式的研究，基于時序數(shù)據(jù)不同數(shù)據(jù)維度和管理任務(wù)類型層面下開展眼動實驗，選擇最為有效的可視化展示方式，從而幫助管理者及時有效地做出管理決策，全面提高煤炭安全管理水平。

2 時序數(shù)據(jù)可視化的管理任務(wù)及展示方式

時序數(shù)據(jù)代表了數(shù)據(jù)的某一個維度隨時間發(fā)生變化[4]，所以不同數(shù)據(jù)維度下選擇的可視化展示方式是有區(qū)別的。對于管理人員來講，時序數(shù)據(jù)可視化的管理任務(wù)是通過觀察整體數(shù)據(jù)值的走向以及數(shù)據(jù)值之間的關(guān)系，從中發(fā)現(xiàn)時間序列存在的規(guī)律，即整體走勢、其中包含的周期和循環(huán)等，并對其中的關(guān)鍵點，例如：離群點、異常值、拐點等進行觀察，從而分析其出現(xiàn)的原因。

2.1 趨勢任務(wù)

趨勢變動反映了客觀事物的主要變化趨勢[5]。常用的展示多維時序數(shù)據(jù)趨勢任務(wù)的可視化展示方式有：折線圖、平行坐標圖和主題河流圖。一般來說，折線圖主要用于反映事物發(fā)展變化的規(guī)律和趨勢。平行坐標圖能很好地處理多維時序數(shù)據(jù)信息，幫助用戶識別多元數(shù)據(jù)時間變化總體趨勢以及每個數(shù)據(jù)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線所屬的時間范圍。主題河流圖是一種常用的展示時間序列數(shù)據(jù)的可視化形式，能夠有效展示多個主題的整體趨勢。

2.2 循環(huán)與周期任務(wù)

時間序列分析之前需要對時間序列進行分解，其中分解中包括周期性波動和循環(huán)波動。目前的研究一般運用雷達圖、螺旋圖來表示二維時序數(shù)據(jù)循環(huán)與周期任務(wù)變化的規(guī)律。雷達圖可以用來表現(xiàn)一個周期數(shù)值的變化，也可以用來表現(xiàn)對象主要參數(shù)的相對關(guān)系。螺旋圖在展示周期性特征數(shù)據(jù)時具有很好地展示效果。

2.3 數(shù)值點識別任務(wù)

數(shù)值點識別包括對于離群點、峰谷值和拐點的識別。離群點是指在一系列時間序列數(shù)據(jù)中，遠離序列一般平均水平的極端值，也稱為異常值。峰谷值是指在所考慮的時間間隔內(nèi)出現(xiàn)的最大和最小瞬間值。從數(shù)據(jù)圖中尋找的另一個特征值就是拐點，例如從上升趨勢突然轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔莸狞c[6]。目前，散點圖和折線圖是展示二維數(shù)值點常用的方法。散點圖可以直觀地表示觀測數(shù)據(jù)的分布情況以及變化趨勢[7]；折線圖能夠分析事物變化的規(guī)律。

3 時序數(shù)據(jù)可視化方式的眼動實驗設(shè)計

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

實驗旨在探究煤炭安全管理時序數(shù)據(jù)在不同數(shù)據(jù)維度和管理任務(wù)類型層面下，哪種可視化展示方式效果最好。以期幫助煤炭管理人員對煤炭安全管理時序數(shù)據(jù)可視化展示方式進行最優(yōu)選擇，從而及時發(fā)現(xiàn)煤炭企業(yè)安全隱患，進行科學有效的決策。

3.2 實驗對象

實驗研究對象選取了35名具有相關(guān)礦業(yè)知識背景的煤炭企業(yè)管理人員，由于煤炭企業(yè)的特殊性質(zhì)，被試均為男性，視力或校正視力均正常，無色盲色弱現(xiàn)象。在35名被試中，剔除了3名坐姿不標準、數(shù)據(jù)偏差較大的樣本數(shù)據(jù)，最終對32個樣本進行分析。

3.3 實驗設(shè)備

實驗采用Tobii Pro Nano 60眼動儀，采樣率60 Hz，準確度0.3°理想環(huán)境下，精確度0.10°RMS理想環(huán)境下，頭動范圍35 cm×30 cm。設(shè)備可以自動記錄被試者在觀察刺激材料時注視、眼跳、眨眼等指標的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.4 實驗材料

為了實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)維度和管理任務(wù)類型層面下煤炭安全管理時序數(shù)據(jù)可視化方式的綜合分析比較。針對趨勢任務(wù)和數(shù)值點識別任務(wù)，以我國2009—2015年煤礦安全管理各隱患主題數(shù)據(jù)的發(fā)生次數(shù)為依據(jù)，分別用可視化圖形進行展示；而循環(huán)與周期任務(wù)展示的數(shù)據(jù)需要較大的數(shù)據(jù)量，因此以國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局網(wǎng)站的事故統(tǒng)計為依據(jù)，對我國2011—2019年各月煤礦安全事故死亡人數(shù)進行可視化方式展示。

實驗中的實驗材料共涉及7幅可視化圖形，其中展示多維數(shù)據(jù)的趨勢任務(wù)，選擇折線圖、平行坐標圖和主題河流圖3種可視化展示方式；展示二維數(shù)據(jù)的循環(huán)與周期任務(wù)，選擇雷達圖和螺旋圖2種可視化展示方式；展示二維數(shù)據(jù)的數(shù)值點識別任務(wù)，選擇折線圖和散點圖2種可視化展示方式。

3.5 實驗設(shè)計

實驗開始前，為提高實驗采樣率，被試者在開始眼動實驗之前均需進行校準。校準完成后，先讓被試者閱讀實驗指導語，隨后屏幕將根據(jù)煤炭安全管理時序數(shù)據(jù)的不同數(shù)據(jù)維度和管理任務(wù)類型依次呈現(xiàn)7幅圖片，且在每幅圖片前均設(shè)置了問題，被試帶著問題去觀看實驗材料，瀏覽完圖片之后屏幕將呈現(xiàn)該問題的答案供被試者進行選擇。為了進一步測試被試者的認知效應(yīng)，眼動儀也在實驗過程中記錄了被試者的平均瞳孔直徑、眨眼頻率和平均注視時間3種眼動指標，以便對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗結(jié)束后，用Tobii pro眼動儀自帶的Ergo－LAB軟件將實驗數(shù)據(jù)導出，用EXCEL表格對導出的實驗數(shù)據(jù)進行分析整理，處理完成后借助SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

4.1 不同影響因素下眼動指標的差異性分析

選取了對認知負荷有顯著性影響的3種眼動指標，分別為平均瞳孔直徑、眨眼頻率、平均注視時間。其中，平均瞳孔直徑和平均注視時間與認知負荷成正比，當認知負荷增大時，這2種眼動指標也會隨之增大[8-9]；而眨眼頻率與認知負荷成反比，當認知任務(wù)較為困難時，眨眼頻率會降低[10]。

4.1.1 管理任務(wù)類型的差異性分析

分別探究不同管理任務(wù)類型層面的眼動指標差異性分析。運用SPSS19.0軟件進行獨立樣本t檢驗，不同管理任務(wù)類型的差異性分析見表1。

表1 不同管理任務(wù)類型的差異性分析Table 1 Difference analysis of differentmanagement task types

分別得到不同管理任務(wù)類型層面的眼動指標，其中平均瞳孔直徑F（2，221）=21.233，P=0＜0.05；眨眼頻率F（2，221）=13.717，P=0＜0.05；平均注視時間F（2，221）=4.588，P=0.011＜0.050，3種眼動指標的顯著性P值均小于0.05，說明3種眼動指標在不同管理任務(wù)類型下均有顯著性差異。

4.1.2 數(shù)據(jù)維度的差異性分析

進一步從不同數(shù)據(jù)維度層面，探究多維和二維數(shù)據(jù)的眼動指標差異性分析，不同數(shù)據(jù)維度的差異性分析見表2。

表2 不同數(shù)據(jù)維度的差異性分析Table 2 Difference analysis of different data dimensions

可以分別得到不同數(shù)據(jù)維度層面的眼動指標，其中平均瞳孔直徑F（1，222）=1.241，P=0.267＞0.05；眨眼頻率F（1，222）=3.352，P=0.068＞0.050；平均注視時間F（1，222）=4.195，P=0.042＜0.050，3種眼動指標中只有平均注視時間的顯著性P值小于0.05，說明平均注視時間在不同數(shù)據(jù)維度層面存在顯著差異。

4.1.3 可視化展示方式的差異性分析

分別探究不同可視化展示方式下眼動指標的差異性，不同可視化展示方式的差異性分析見表3。分別得到3種管理任務(wù)類型層面下可視化展示方式的眼動指標，其中平均瞳孔直徑在趨勢任務(wù)層面，可視化展示方式F（2，93）=7.365，P=0.001＜0.050；在循環(huán)與周期任務(wù)層面，可視化展示方式F（1，62）=7.920，P=0.007＜0.050；在數(shù)值點識別任務(wù)層面，可視化展示方式F（1，62）=13.891，P=0＜0.05，平均瞳孔直徑的顯著性P值均小于0.05，說明平均瞳孔直徑在3種管理任務(wù)類型層面下的可視化展示方式均有顯著性差異。同理，通過比較眨眼頻率和平均注視時間2種眼動指標，在3種管理任務(wù)類型層面下可視化展示方式的F值和顯著性水平，可以得到這2種眼動指標在不同管理任務(wù)類型層面下也存在顯著性差異。綜上說明，3種眼動指標在不同管理任務(wù)類型層面下可視化展示方式均有顯著性差異。

表3 不同可視化展示方式的差異性分析Table 3 Difference analysis of different visual disp lay methods

4.2 可視化展示方式的綜合評價分析

針對眼動實驗設(shè)置的每道問題均設(shè)置了一項標準答案，根據(jù)被試者回答問題正確與否分別計算得分，其中回答正確計1分，不正確計0分，隨后運用SPSS19.0軟件針對不同可視化展示方式進行單樣本統(tǒng)計量的檢驗，可視化展示方式的綜合分析見表4。

表4 可視化展示方式的綜合分析Table 4 Comprehensive analysis of visual display mode

從表4可以看出，不同可視化展示方式層面的sig.（雙側(cè)）均為0，說明不同數(shù)據(jù)維度和管理任務(wù)類型層面下，可視化展示方式的效果均有顯著性差異。在展示多維數(shù)據(jù)的趨勢任務(wù)時，折線圖、平行坐標圖和主題河流圖的均值分別為0.94、0.66和0.72，其中，折線圖的均值最高，說明展示多維數(shù)據(jù)的趨勢任務(wù)時，折線圖展示效果最好，主題河流圖的展示效果次之，平行坐標圖的展示效果欠佳。在展示二維數(shù)據(jù)的循環(huán)與周期任務(wù)時，可以得到雷達圖和螺旋圖的均值分別為0.59和0.91，說明螺旋圖的展示效果相較于雷達圖更好。在展示二維數(shù)據(jù)的數(shù)值點識別任務(wù)時，可以得到折線圖和散點圖的均值，分別為0.91和0.94，說明這2種可視化展示方式的效果較好，且散點圖的均值比折線圖較高，說明展示二維數(shù)據(jù)的數(shù)值點識別任務(wù)，散點圖展示效果比折線圖更好。

5 結(jié) 語

為探究煤炭安全管理時序數(shù)據(jù)的最優(yōu)可視化展示方式，開展眼動實驗，并對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，可以得到以下結(jié)論：平均瞳孔直徑、眨眼頻率和平均注視時間3種眼動指標在不同管理任務(wù)類型、不同數(shù)據(jù)維度和可視化展示方式層面均有顯著性差異。通過比較7幅可視化展示圖形的展示方式，可以得到：展示多維數(shù)據(jù)的趨勢任務(wù)時，折線圖展示效果最好；展示二維數(shù)據(jù)的循環(huán)與周期任務(wù)時，螺旋圖展示效果最好；展示二維數(shù)據(jù)的數(shù)值點識別任務(wù)時，散點圖展示效果最好。研究結(jié)果為煤炭安全管理可視化界面設(shè)計提供一定的指導，從而幫助煤炭管理人員更為清晰直觀地呈現(xiàn)煤炭企業(yè)安全管理過程中的問題，及時發(fā)現(xiàn)企業(yè)安全隱患，進行科學有效的決策，降低煤炭安全管理事故的發(fā)生率。