數(shù)據(jù)可視化的先驅(qū)
——南丁格爾

管會生

（蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

因?yàn)橐咔榈木壒?，今年的國際護(hù)士節(jié)顯得十分特別，中國在此次的抗疫中也展示了中國廣大醫(yī)護(hù)人員救死扶傷的勇氣與擔(dān)當(dāng)。截至2019 年底，中國護(hù)士總數(shù)達(dá)到445 萬人；在4.26 萬名援鄂醫(yī)療隊員中，護(hù)士就有2.86 萬人，占援鄂人員總數(shù)的70%。

弗洛倫斯·南丁格爾（Florence Nightingale，1820.5.12—1910.8.13，享 年90 歲），1853 年 任倫敦慈善醫(yī)院的護(hù)士長，是護(hù)理專業(yè)的創(chuàng)始人和現(xiàn)代護(hù)理教育的奠基人。南丁格爾創(chuàng)辦的護(hù)士訓(xùn)練學(xué)校開辦了30 年，共培養(yǎng)了1 005 名學(xué)生，她們活躍在歐美各國，弘揚(yáng)著南丁格爾精神，國際上稱這個時期為“南丁格爾時代”（period of Nightingale）。1901 年，81 歲的南丁格爾因操勞過度，雙目失明，但仍繼續(xù)宣傳自己有關(guān)護(hù)理的思想和主張。1907 年，國際紅十字會設(shè)立南丁格爾獎（Nightingale Ward）。1912 年，國際護(hù)士會將南丁格爾的生日5 月12 日定為國際護(hù)士節(jié)，并首次頒發(fā)南丁格爾獎。截止2019 年，南丁格爾獎已頒發(fā)47 屆（兩年一屆），世界各國共有超過1 400 名卓越護(hù)理人員獲獎。中國自1983 年首次參加第29 屆南丁格爾獎評選以來，共參加了19 屆評選，82 人獎獲；福建醫(yī)科大學(xué)護(hù)理學(xué)院院長李紅（2017 年當(dāng)選為美國護(hù)理科學(xué)院院士）就是中國的第82 位獲獎?wù)摺?/p>

通過數(shù)據(jù)研究規(guī)律、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，貫穿了人類社會發(fā)展的始終。人類科學(xué)發(fā)展史上的不少進(jìn)步都和數(shù)據(jù)的采集分析直接相關(guān)，如現(xiàn)代醫(yī)學(xué)流行病學(xué)的開端。

數(shù)據(jù)可視化是指將大型數(shù)據(jù)集或大型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以圖形圖像形式表示，并利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具發(fā)現(xiàn)（挖掘）其中未知信息的處理過程。最初，可視化技術(shù)被大量應(yīng)用于統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域，用來繪制統(tǒng)計圖表，如圓環(huán)圖、柱狀圖、餅圖、時間序列圖、等高線圖、散點(diǎn)圖等。20 世紀(jì)50 年代，隨著計算機(jī)的出現(xiàn)和計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，人們開始利用計算機(jī)技術(shù)在電腦屏幕上繪制各種圖形圖表，可視化技術(shù)開啟了全新的發(fā)展階段。進(jìn)入21 世紀(jì)，數(shù)據(jù)可視化又被逐步應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析、商務(wù)智能工具等平臺中，有效促進(jìn)了人類對不同類型數(shù)據(jù)的分析與理解。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，每時每刻都有海量數(shù)據(jù)在不斷生成，需要我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行及時、全面、快速、準(zhǔn)確的分析，以呈現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的價值，這就更需要可視化技術(shù)協(xié)助我們更好地理解和分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化已成為大數(shù)據(jù)分析最后的一環(huán)和對用戶而言最重要的一環(huán)。

1 數(shù)據(jù)可視化經(jīng)典案例一（1854年）

數(shù)據(jù)可視化用于疫情監(jiān)控，可追溯到1854年倫敦發(fā)生的大規(guī)?；魜y。這次霍亂長時間得不到控制。后來John Snow 醫(yī)師用標(biāo)點(diǎn)地圖的方法，研究了當(dāng)?shù)厮植己突魜y患者分布之間的關(guān)系（如圖1 所示），發(fā)現(xiàn)在一口水井周圍，霍亂患病率明顯較高，借此找到了霍亂暴發(fā)的原因——被污染的水井。關(guān)閉這些水井后，霍亂發(fā)病率明顯開始下降，霍亂終于得以控制。此例成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)流行病學(xué)初創(chuàng)時期的首個案例，也是數(shù)據(jù)可視化這一研究方向的首個案例。

圖1 反映當(dāng)?shù)厮植己突魜y患者分布之間的關(guān)系圖

2 數(shù)據(jù)可視化經(jīng)典案例二（1857年）

19 世紀(jì)計算機(jī)尚未出現(xiàn)，因此沒有現(xiàn)在的數(shù)據(jù)可視化軟件。1857 年，為說服維多利亞女王改善英國軍隊醫(yī)院的醫(yī)療條件，南丁格爾特地設(shè)計了一張極坐標(biāo)下的圓形直方圖，也稱圓餅圖、玫瑰圖、“雞冠花圖”（Coxcomb diagram），用這張圖直觀傳達(dá)了1854 年4 月—1856 年3 月兩年間，每個月在克里米亞戰(zhàn)爭中死亡的士兵數(shù)量以及死亡原因，非常直觀簡潔地說明了在她管理的野戰(zhàn)醫(yī)院內(nèi)，死亡率在不同季節(jié)的變化以及3 類死亡原因的占比，直觀明了、一目了然，如圖2[1]所示，以此揭示克里米亞戰(zhàn)地醫(yī)院真實(shí)的醫(yī)療環(huán)境與衛(wèi)生條件[2]。

這種極坐標(biāo)下的圓形直方圖，是1801 年威廉普萊費(fèi)爾發(fā)明的，在200 多年前這是一種非常新穎的數(shù)據(jù)展示形式，但由于繪制較難而沒有流行起來，直到1857 年南丁格爾繪制出這張“雞冠花圖”之后，才逐漸被人們熟知和接受。這張圖替代了原英國軍方準(zhǔn)備用幾萬文字描述的統(tǒng)計分析報告，結(jié)論就是：由于醫(yī)療衛(wèi)生條件太差，戰(zhàn)地醫(yī)院死于可預(yù)防傳染病的人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于戰(zhàn)爭期間戰(zhàn)場上的直接傷亡人數(shù)。這是“雞冠花圖”在數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域最經(jīng)典、最實(shí)際的應(yīng)用案例，也是護(hù)理學(xué)科與數(shù)字學(xué)科相結(jié)合在發(fā)展初期的首個案例[2]。

圖2 南丁格爾繪制的“雞冠花圖”

1854 年—1856 年，英國、法國、土耳其等國與沙皇俄國爆發(fā)了克里米亞戰(zhàn)爭。當(dāng)時由于沒有護(hù)士護(hù)理傷病員，且戰(zhàn)地救護(hù)條件十分惡劣，英軍負(fù)傷士兵的死亡率竟高達(dá)42%。1854 年10月21 日，南丁格爾主動申請參加戰(zhàn)地救護(hù)工作，率領(lǐng)38 名優(yōu)秀護(hù)士奔赴克里米亞戰(zhàn)地醫(yī)院，并成為該院的護(hù)士長，由此開創(chuàng)了現(xiàn)代戰(zhàn)地護(hù)理事業(yè)。參戰(zhàn)士兵傷病員由于得到了及時認(rèn)真的醫(yī)療護(hù)理，在短短的半年時間內(nèi)，傷病員的死亡率降至2.2%。南丁格爾在分析了大量傷亡資料檔案后，得出的驚人結(jié)論就是：“士兵死亡原因大多是因?yàn)楦腥炯膊∫约爸貍麊T得不到及時救護(hù)所致”[3]。這就是南丁格爾設(shè)計“雞冠花圖”的背景。

僅僅使用了一張圖，就充分展示并說明了所收集到的所有數(shù)據(jù)資料！一張圖的可視性、直觀性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過了長篇大論的文字報告。后來世人稱南丁格爾為“數(shù)據(jù)可視化的先驅(qū)”，她被譽(yù)為“在統(tǒng)計的圖形顯示方法上，是一個真正的先驅(qū)”。1859 年，南丁格爾被選為英國皇家統(tǒng)計學(xué)會的第一個女成員，后來她還成為美國統(tǒng)計協(xié)會的名譽(yù)會員[3]。

3 數(shù)據(jù)可視化經(jīng)典案例三（2020年）

2020 年疫情突發(fā)以來，央視新聞每天報道“多個省市區(qū)確診病例連續(xù)多日零新增”時（如圖3 所示），以及《人民日報》新媒體每天報道“新冠肺炎全球疫情形勢”時（如圖4 所示），數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的展示均采用的是我們久違了的“雞冠花圖”。

圖3 央視新聞每天報道“多個省市區(qū)確診病例連續(xù)多日零新增”數(shù)據(jù)

圖4 《人民日報》新媒體每天報道“新冠肺炎全球疫情形勢”數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)可視化經(jīng)典案例四（Excel軟件）

目前已有各類圖表軟件可以完成數(shù)據(jù)可視化的工作，效果很好。以2009—2019 年淘寶天貓雙十一11 年交易額對比表[1]為例，借助我們最熟悉的Excel 數(shù)字圖表功能，對同一組數(shù)據(jù)可繪制出瀑布圖、柱形圖和旭日圖3 種不同類型的數(shù)據(jù)圖表，如圖5 所示。從圖中可看到，雖然圖表類型不同，但是它們所揭示的“交易額發(fā)展趨勢”卻是相同的，直觀清晰、一目了然。圖表的繪制工作也非常簡單，從數(shù)據(jù)到圖表的展示，只需一鍵便可完成。有興趣的讀者可以試試Excel“插入”圖表的“推薦圖表”功能。

再以4 月27 日—5 月10 日兩周14 天來全球214 個國家與地區(qū)以及美國、中國疫情統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例（見表1），采用Excel 中類型為“堆積面積圖”的數(shù)字圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果如圖6 所示。

圖5 2009—2019 年淘寶天貓雙十一交易額對比表及Excel 下的3 種數(shù)字圖表

表1 14 天全球214 個國家與地區(qū)以及美國、中國疫情數(shù)據(jù)統(tǒng)計對照表

圖6 4 月27 日—5 月10 日兩周內(nèi)全球214 個國家和地區(qū)與美國的疫情數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表1 可知，4 月27 日—5 月10 日兩周14天內(nèi)，全球累計確診由300.28 萬升至405.14 萬，新增105 萬例；累計死亡新增73 575 例。美國累計確診由96.59 萬升至130.97 萬，新增34.38 萬例；累計死亡新增23 923 例。這14 天內(nèi)，中國累計確診由84 341 例升至84 435 例，新增94 例；累計死亡新增“0”例。其實(shí)，3 月10 日，武漢16 家方艙醫(yī)院就全部休艙了；3 月13 日，湖北新增疑似病例為“0”例；4 月26 日，武漢在院新冠肺炎患者清“0”。第一次感覺“關(guān)門大吉”這個詞是如此真切，第一次知道數(shù)字“0”是如此美好，歷此坎坷，記憶永存！

從圖6 中可以看出，全球214 個國家和地區(qū)的“新冠肺炎疫情形勢”與美國的疫情發(fā)展趨于一致。數(shù)據(jù)可以證明，美國作為超級大國，由于防控不當(dāng)，這次確實(shí)“引領(lǐng)”了世界疫情蔓延的趨勢！

5 數(shù)據(jù)可視化經(jīng)典案例五（霍普金斯大學(xué)全球疫情數(shù)據(jù)可視化平臺）

關(guān)注國際疫情的讀者一定對“據(jù)美國霍普金斯大學(xué)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示......”這句話不陌生，因?yàn)檫@個風(fēng)靡全球的疫情數(shù)據(jù)可視化平臺——霍普金斯大學(xué)新冠病毒病例數(shù)據(jù)，日訪問量平均為10 億次，最高曾達(dá)20 億次，在時效性、直觀性等方面超越了美國疾控中心（CDC），已成為全球權(quán)威信源。

霍普金斯大學(xué)的全球疫情數(shù)據(jù)可視化平臺如圖7 所示，除了各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)的實(shí)時播報之外，還有依據(jù)214 個國家/地區(qū)的行政區(qū)劃圖，按確診病例人數(shù)標(biāo)注地圖（Map）并二維平面顯示的功能。該平臺的成功，一方面在于其數(shù)據(jù)更新及時，另一方面也因?yàn)槠鋬?yōu)秀的數(shù)據(jù)展示形式——交互式“儀表盤”（dashboard）。事實(shí)證明，這一數(shù)據(jù)可視化方式非常適合疫情監(jiān)控。不僅如此，目前該研究團(tuán)隊更重要的目標(biāo)是通過建立完善的數(shù)據(jù)，進(jìn)而“模擬疫情動態(tài)、科學(xué)指導(dǎo)防疫”，讓我們看到了大數(shù)據(jù)應(yīng)用于疫情防控的真正曙光！

圖7 霍普金斯大學(xué)全球疫情數(shù)據(jù)可視化平臺

圖8 所示為新冠病毒感染人數(shù)超過30 000 例的國家排名，數(shù)據(jù)來源仍為美國約翰斯霍普金斯大學(xué)。

圖8 新冠病毒感染人數(shù)超過30 000 例國家排名

全球最具影響力的霍普金斯大學(xué)全球疫情數(shù)據(jù)可視化平臺——實(shí)時追蹤C(jī)OVID-19 的交互式網(wǎng)絡(luò)儀表盤，實(shí)質(zhì)上是第三方數(shù)據(jù)整合的項目，最初由霍普金斯大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程中心兩名中國博士生董恩盛和杜鴻儒主導(dǎo)。從1 月22 日“儀表盤”項目上線開始，平臺經(jīng)過不斷升級，兩個多月后成為今天的權(quán)威信源。“儀表盤”也可視為GIS 系統(tǒng)的典型應(yīng)用，其研發(fā)采用了ESRI 公司的ArcGIS 系列開發(fā)工具。ESRI 公司是業(yè)內(nèi)知名的地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）提供商。中國疾控中心就曾聯(lián)合ESRI 推出“新型冠狀病毒感染的肺炎疫情分布系統(tǒng)”，其功能與霍普金斯大學(xué)的“儀表盤”近似。眾所周知，GIS 可將地圖獨(dú)特的視覺效果和數(shù)據(jù)庫操作、地理分析功能集成在一起，已經(jīng)在城市規(guī)劃設(shè)計、地理水文、交通測繪、移動通訊、公共衛(wèi)生等很多行業(yè)得到了成功應(yīng)用，特別是結(jié)合病例統(tǒng)計數(shù)、時間和地理信息形成的疫情地圖，是GIS 系統(tǒng)非常生動的應(yīng)用。

6 結(jié) 語

靜態(tài)的Excel 圖表已使用近30 年了，社會現(xiàn)實(shí)中我們詮釋數(shù)據(jù)的方式和數(shù)據(jù)本身之間存在著巨大的鴻溝。想像閱讀書本一樣閱讀數(shù)據(jù)流，目前還只是IT 人追求的夢想，但使用數(shù)據(jù)可視化工具讀取識別和分析處理原始數(shù)據(jù)，一定會成為未來信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢和工具模式。數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域未來將會融入更多更大的信息平臺，甚至完全建立在AI+VR+AR+Web3D（人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D 網(wǎng)頁和全息技術(shù)）之上！

目前國內(nèi)外流行的大數(shù)據(jù)可視化工具和系統(tǒng)平臺很多，大多是既開源又專有的，并具有這些特征：能夠連接到其他軟件接收輸入數(shù)據(jù)，能夠處理不同類型的傳入數(shù)據(jù)，能夠在分析過程中與數(shù)據(jù)集進(jìn)行交互、應(yīng)用不同種類的過濾器調(diào)整結(jié)果，能夠?yàn)槠渌浖峁┹斎霐?shù)據(jù)，如大數(shù)據(jù)可視化的一站式商店Jupyter、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用可視化平臺Tableau AI 等。受篇幅所限，這里僅列舉普遍受到用戶認(rèn)可和歡迎的可視化工具軟件和系統(tǒng)平臺如下：

以上18 種可視化工具是大量在線或獨(dú)立的系統(tǒng)平臺和實(shí)用工具的一部分。使用這些工具可以幫助我們以更加優(yōu)雅的方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一系列清晰易懂的圖像圖表，甚至轉(zhuǎn)化為一段動漫演繹。原始數(shù)據(jù)本身可能看不出具有什么價值，但借助可視化所做的決策，幫助這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了其本身蘊(yùn)含的驅(qū)動價值！這，就是數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)有之義。