煤炭安全管理時(shí)序數(shù)據(jù)可視化方式研究

譚章祿，劉 潔，吳 琦

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）管理學(xué)院，北京100083）

煤炭企業(yè)安全管理過(guò)程中存在著海量的時(shí)序數(shù)據(jù)，當(dāng)管理人員面對(duì)這些實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)時(shí)，難以從中快速高效地獲取有效信息并及時(shí)做出決策。近年來(lái)，有不少學(xué)者將可視化技術(shù)應(yīng)用到展示時(shí)序數(shù)據(jù)的過(guò)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(shí)現(xiàn)信息的交互。因此通過(guò)探究煤炭安全管理時(shí)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(guò)程中的問(wèn)題，幫助企業(yè)管理人員準(zhǔn)確把握煤炭實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

1 時(shí)序數(shù)據(jù)可視化研究現(xiàn)狀

時(shí)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?yàn)橛脩粽故靖鼮橹庇^的時(shí)序數(shù)據(jù)的規(guī)律和趨勢(shì)，方便用戶根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果做出科學(xué)決策。煤炭作為我國(guó)的主體能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已將時(shí)序數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到煤炭領(lǐng)域中，通過(guò)計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)[1]、數(shù)據(jù)挖掘[2-3]等方法對(duì)相關(guān)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。然而，目前學(xué)者針對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)最優(yōu)可視化展示方式的研究較少，因此通過(guò)對(duì)煤炭安全管理時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示方式的研究，基于時(shí)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(kāi)展眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)，選擇最為有效的可視化展示方式，從而幫助管理者及時(shí)有效地做出管理決策，全面提高煤炭安全管理水平。

2 時(shí)序數(shù)據(jù)可視化的管理任務(wù)及展示方式

時(shí)序數(shù)據(jù)代表了數(shù)據(jù)的某一個(gè)維度隨時(shí)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(duì)于管理人員來(lái)講，時(shí)序數(shù)據(jù)可視化的管理任務(wù)是通過(guò)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(shí)間序列存在的規(guī)律，即整體走勢(shì)、其中包含的周期和循環(huán)等，并對(duì)其中的關(guān)鍵點(diǎn)，例如：離群點(diǎn)、異常值、拐點(diǎn)等進(jìn)行觀察，從而分析其出現(xiàn)的原因。

2.1 趨勢(shì)任務(wù)

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

2.2 循環(huán)與周期任務(wù)

時(shí)間序列分析之前需要對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分解，其中分解中包括周期性波動(dòng)和循環(huán)波動(dòng)。目前的研究一般運(yùn)用雷達(dá)圖、螺旋圖來(lái)表示二維時(shí)序數(shù)據(jù)循環(huán)與周期任務(wù)變化的規(guī)律。雷達(dá)圖可以用來(lái)表現(xiàn)一個(gè)周期數(shù)值的變化，也可以用來(lái)表現(xiàn)對(duì)象主要參數(shù)的相對(duì)關(guān)系。螺旋圖在展示周期性特征數(shù)據(jù)時(shí)具有很好地展示效果。

2.3 數(shù)值點(diǎn)識(shí)別任務(wù)

數(shù)值點(diǎn)識(shí)別包括對(duì)于離群點(diǎn)、峰谷值和拐點(diǎn)的識(shí)別。離群點(diǎn)是指在一系列時(shí)間序列數(shù)據(jù)中，遠(yuǎn)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(shí)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(gè)特征值就是拐點(diǎn)，例如從上升趨勢(shì)突然轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?shì)的點(diǎn)[6]。目前，散點(diǎn)圖和折線圖是展示二維數(shù)值點(diǎn)常用的方法。散點(diǎn)圖可以直觀地表示觀測(cè)數(shù)據(jù)的分布情況以及變化趨勢(shì)[7]；折線圖能夠分析事物變化的規(guī)律。

3 時(shí)序數(shù)據(jù)可視化方式的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)驗(yàn)旨在探究煤炭安全管理時(shí)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(duì)煤炭安全管理時(shí)序數(shù)據(jù)可視化展示方式進(jìn)行最優(yōu)選擇，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤炭企業(yè)安全隱患，進(jìn)行科學(xué)有效的決策。

3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象選取了35名具有相關(guān)礦業(yè)知識(shí)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(wú)色盲色弱現(xiàn)象。在35名被試中，剔除了3名坐姿不標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)偏差較大的樣本數(shù)據(jù)，最終對(duì)32個(gè)樣本進(jìn)行分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用Tobii Pro Nano 60眼動(dòng)儀，采樣率60 Hz，準(zhǔn)確度0.3°理想環(huán)境下，精確度0.10°RMS理想環(huán)境下，頭動(dòng)范圍35 cm×30 cm。設(shè)備可以自動(dòng)記錄被試者在觀察刺激材料時(shí)注視、眼跳、眨眼等指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)材料

為了實(shí)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(shí)序數(shù)據(jù)可視化方式的綜合分析比較。針對(duì)趨勢(shì)任務(wù)和數(shù)值點(diǎn)識(shí)別任務(wù)，以我國(guó)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(jìn)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(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局網(wǎng)站的事故統(tǒng)計(jì)為依據(jù)，對(duì)我國(guó)2011—2019年各月煤礦安全事故死亡人數(shù)進(jìn)行可視化方式展示。

實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)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(shì)任務(wù)，選擇折線圖、平行坐標(biāo)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(dá)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(diǎn)識(shí)別任務(wù)，選擇折線圖和散點(diǎn)圖2種可視化展示方式。

3.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，為提高實(shí)驗(yàn)采樣率，被試者在開(kāi)始眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)之前均需進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，先讓被試者閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)，隨后屏幕將根據(jù)煤炭安全管理時(shí)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(wèn)題，被試帶著問(wèn)題去觀看實(shí)驗(yàn)材料，瀏覽完圖片之后屏幕將呈現(xiàn)該問(wèn)題的答案供被試者進(jìn)行選擇。為了進(jìn)一步測(cè)試被試者的認(rèn)知效應(yīng)，眼動(dòng)儀也在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)間3種眼動(dòng)指標(biāo)，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用Tobii pro眼動(dòng)儀自帶的Ergo－LAB軟件將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用EXCEL表格對(duì)導(dǎo)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，處理完成后借助SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 不同影響因素下眼動(dòng)指標(biāo)的差異性分析

選取了對(duì)認(rèn)知負(fù)荷有顯著性影響的3種眼動(dòng)指標(biāo)，分別為平均瞳孔直徑、眨眼頻率、平均注視時(shí)間。其中，平均瞳孔直徑和平均注視時(shí)間與認(rèn)知負(fù)荷成正比，當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷增大時(shí)，這2種眼動(dòng)指標(biāo)也會(huì)隨之增大[8-9]；而眨眼頻率與認(rèn)知負(fù)荷成反比，當(dāng)認(rèn)知任務(wù)較為困難時(shí)，眨眼頻率會(huì)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(dòng)指標(biāo)差異性分析。運(yùn)用SPSS19.0軟件進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不同管理任務(wù)類型的差異性分析見(jiàn)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(dòng)指標(biāo)，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(shí)間F（2，221）=4.588，P=0.011＜0.050，3種眼動(dòng)指標(biāo)的顯著性P值均小于0.05，說(shuō)明3種眼動(dòng)指標(biāo)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(jìn)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(dòng)指標(biāo)差異性分析，不同數(shù)據(jù)維度的差異性分析見(jiàn)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(dòng)指標(biāo)，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(shí)間F（1，222）=4.195，P=0.042＜0.050，3種眼動(dòng)指標(biāo)中只有平均注視時(shí)間的顯著性P值小于0.05，說(shuō)明平均注視時(shí)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(dòng)指標(biāo)的差異性，不同可視化展示方式的差異性分析見(jiàn)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(dòng)指標(biāo)，其中平均瞳孔直徑在趨勢(shì)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(diǎn)識(shí)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(shuō)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(guò)比較眨眼頻率和平均注視時(shí)間2種眼動(dòng)指標(biāo)，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(dòng)指標(biāo)在不同管理任務(wù)類型層面下也存在顯著性差異。綜上說(shuō)明，3種眼動(dòng)指標(biāo)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(píng)價(jià)分析

針對(duì)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的每道問(wèn)題均設(shè)置了一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)答案，根據(jù)被試者回答問(wèn)題正確與否分別計(jì)算得分，其中回答正確計(jì)1分，不正確計(jì)0分，隨后運(yùn)用SPSS19.0軟件針對(duì)不同可視化展示方式進(jìn)行單樣本統(tǒng)計(jì)量的檢驗(yàn)，可視化展示方式的綜合分析見(jiàn)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(shuō)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(shì)任務(wù)時(shí)，折線圖、平行坐標(biāo)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(shuō)明展示多維數(shù)據(jù)的趨勢(shì)任務(wù)時(shí)，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(biāo)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(shí)，可以得到雷達(dá)圖和螺旋圖的均值分別為0.59和0.91，說(shuō)明螺旋圖的展示效果相較于雷達(dá)圖更好。在展示二維數(shù)據(jù)的數(shù)值點(diǎn)識(shí)別任務(wù)時(shí)，可以得到折線圖和散點(diǎn)圖的均值，分別為0.91和0.94，說(shuō)明這2種可視化展示方式的效果較好，且散點(diǎn)圖的均值比折線圖較高，說(shuō)明展示二維數(shù)據(jù)的數(shù)值點(diǎn)識(shí)別任務(wù)，散點(diǎn)圖展示效果比折線圖更好。

5 結(jié) 語(yǔ)

為探究煤炭安全管理時(shí)序數(shù)據(jù)的最優(yōu)可視化展示方式，開(kāi)展眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)間3種眼動(dòng)指標(biāo)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(guò)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(shì)任務(wù)時(shí)，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(shí)，螺旋圖展示效果最好；展示二維數(shù)據(jù)的數(shù)值點(diǎn)識(shí)別任務(wù)時(shí)，散點(diǎn)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(jì)提供一定的指導(dǎo)，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(guò)程中的問(wèn)題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)企業(yè)安全隱患，進(jìn)行科學(xué)有效的決策，降低煤炭安全管理事故的發(fā)生率。