基于VizQL的汽車工業(yè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊國丹

（西南交通大學(xué)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與信息化支撐技術(shù)四川省重點實驗室，成都 611756）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平日益提高，汽車也走進了千家萬戶。中國汽車保有量繼2020 年底趕超美國成為全球第一之后，繼續(xù)保持高速的增長，2021 年中國的汽車保有量將突破3 億大關(guān)［1］。隨之產(chǎn)生的海量的、不同形式的、不同來源的數(shù)據(jù)應(yīng)該如何更好地為汽車產(chǎn)業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)、制造過程優(yōu)化、營銷和銷售、服務(wù)和售后賦能是我們亟待解決的重要問題之一。

針對上述問題，本文設(shè)計了基于VizQL 的汽車行業(yè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，幫助汽車研發(fā)人員更直觀地了解市場需求、產(chǎn)品特性和競爭對手情況，有利于進行產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)；幫助企業(yè)進行生產(chǎn)計劃和流程優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量；幫助企業(yè)了解消費者需求、市場趨勢和競爭對手情況，從而制定更合適的營銷策略和銷售計劃，提高銷售效率和市場占有率；幫助汽車企業(yè)和經(jīng)銷商提高售后服務(wù)質(zhì)量，滿足消費者需求。

1 相關(guān)工作

數(shù)據(jù)可視化是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形或圖表等視覺元素的過程。通過將數(shù)據(jù)可視化，我們可以更直觀地看到數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、趨勢和模式，進而更好地理解和分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化可以使得大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)更易于理解和溝通，使得數(shù)據(jù)分析更加高效、準(zhǔn)確。

文獻［2］提出了一個數(shù)據(jù)可視化推薦系統(tǒng)DeepEye，通過將一組算子轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)集，以一種強制的方式自動可視化給定的數(shù)據(jù)集。文獻［3］提出了一個可視化推薦引擎SeeDb，在給定的數(shù)據(jù)子集中，SeeDb智能地探索可視化空間，評估其最有趣的可視化推薦。

一些針對于實際場景的數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)，包括：鄧智豪［4］通過數(shù)字駕駛艙的方式實現(xiàn)了自定義可視化分析引擎的系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景來定制適合業(yè)務(wù)的可視化面板；丁超凡［5］使用Web 技術(shù)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計了交通數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)，通過多角度分析，呈現(xiàn)交通特性和演變規(guī)律。

2 VizQL

2.1 VizQL概念

VizQL 是由斯坦福大學(xué)的Polaris［6］系統(tǒng)演化而來，它是數(shù)據(jù)可視化查詢語言，它允許用戶通過拖放和點擊的方式直接操作可視化元素，從而輕松地探索和分析數(shù)據(jù)。VizQL將用戶的可視化請求轉(zhuǎn)換為SQL 查詢，然后將查詢結(jié)果渲染為交互式可視化。通過VizQL，用戶可以直接在可視化過程中進行數(shù)據(jù)操作，例如對圖表中的數(shù)據(jù)點進行篩選、排序、聚合等操作，而無需手動編寫代碼或執(zhí)行SQL 查詢。這種交互式的數(shù)據(jù)探索方式使得數(shù)據(jù)分析變得更加直觀和靈活，降低了使用者的技術(shù)門檻，并幫助用戶更快速地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息。VizQL的主要優(yōu)勢之一是其高度的可擴展性。它支持多種數(shù)據(jù)源，包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、文本文件、Web 數(shù)據(jù)等，并且可以將多個數(shù)據(jù)源組合在一起，以便更好地分析和理解數(shù)據(jù)。此外，VizQL還支持自定義計算字段、多維度分析、動態(tài)參數(shù)控制等高級功能，以滿足各種數(shù)據(jù)分析需求。

2.2 VizQL的工作原理

2.2.1 表代數(shù)

首先需要定義一個正式的機制來指定表配置，為此定義了一個代數(shù)。一個完整的表配置由這個表中的三個單獨的表達(dá)式組成。其中兩個表達(dá)式定義了表的x軸和y軸的配置，將表劃分為行和列。第三個表達(dá)式定義了表格的z 軸，它將顯示劃分為多個層次。

這個表代數(shù)中的操作數(shù)是數(shù)據(jù)庫的維度和度量字段的名稱。我們將用X、Y和Z來表示維度場（如數(shù)據(jù)庫表中的企業(yè)名稱、企業(yè)地址等），用P、Q和R來表示度量場（如數(shù)據(jù)庫表中的企業(yè)年收入、月收入等）。我們以下述方式為每個字段分配有序集：對維度字段，我們分配字段的維度域的成員；對度量字段，我們分配包含字段名的單個元素集。

將集合分配給符號反映了兩種類型字段在表結(jié)構(gòu)中的編碼方式的差異。維度字段將表劃分為行和列，而度量字段將在空間上編碼為窗格中的軸。在代數(shù)中，一個有效的表達(dá)式是一個由一個或多個符號組成的有序序列，在每對相鄰的符號之間有運算符，并用括號來改變運算符的優(yōu)先級。代數(shù)中的運算符是交集（×）、閾值（/）和關(guān)聯(lián)（+），按優(yōu)先順序列出。每個運算符的精確語義是根據(jù)其對操作數(shù)集的影響來定義的。

其中關(guān)聯(lián)的運算為

交集的運算為

閾值運算為

其中：R表示要分析的數(shù)據(jù)集；r被定義為一條記錄；X(r)表示記錄r的字段X的值。

對每個運算符使用上述集合語義，代數(shù)中的每個表達(dá)式可以簡化為單個集合，集合中的每個條目是零個或多個維度值與零個或多個度量字段名的有序連接。我們稱這個表達(dá)式的集求值為規(guī)范化集形式。表達(dá)式的規(guī)范化集合形式?jīng)Q定表的一個軸：表軸被劃分為列（或行或?qū)樱?，因此?guī)范化集合中的集合條目和列之間有一一對應(yīng)關(guān)系。

2.2.2 生成數(shù)據(jù)庫查詢

通過上述生成可視化規(guī)范查詢對應(yīng)于生成數(shù)據(jù)庫查詢，該查詢選擇用于分析的數(shù)據(jù)子集，然后篩選、排序?qū)⒔Y(jié)果分組到窗格中，最后將數(shù)據(jù)傳遞給圖形編碼。

首先我們先選擇數(shù)據(jù)源，對于維度字段X，用戶可以將字段的域的子集指定為有效。如果filter(x)是用戶選擇的子集，那么表示x的過濾器的關(guān)系是Xinfilter(X)。

對于度量字段P，用戶可以將字段的域的子集定義為有效。如果min(P)和max(P)是這個子集的用戶定義范圍，那么表示P的過濾器的關(guān)系是(P≥min(P)&P≤max(P) )。

所以我們可以將上述關(guān)系表示為第一階段的SQL語句：SELECT*WHERE{filters} 。

其次將檢索到的記錄劃分為對應(yīng)于表中每個窗格。正如前文所討論的，表軸表達(dá)式的規(guī)范化集合形式?jīng)Q定了表的配置。表被劃分為與這些集合中的條目相對應(yīng)的行、列和層。假設(shè)Row(i)是表示第i行選擇標(biāo)準(zhǔn)的代表，Col(j)是表示第j列選擇標(biāo)準(zhǔn)的代表，Layer(k)是表示第k層選擇標(biāo)準(zhǔn)的代表。如果表的y軸是由規(guī)范化集定義的：{x1y1P,x1y2P,x2y1P,x2y2P}。

那么可以通過一下查詢檢索到要分區(qū)到第i行、第j列、第k層交匯處的窗格中的記錄：

最后一步就是轉(zhuǎn)換每個窗格內(nèi)的記錄。如果可視化規(guī)范包括聚合，則必須為數(shù)據(jù)庫中的每個度量值分配聚合運算符。如果用戶沒有指定運算符，那么我們默認(rèn)地為度量值設(shè)定聚合運算符為SUM。度量值的運算符由兩個組成，定義為

所以最終形式的SQL語句為

3 系統(tǒng)展示

本文基于VizQL 開發(fā)了汽車工業(yè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的應(yīng)用進行情況說明。

我們根據(jù)指定的數(shù)據(jù)源，選擇不同的場景需求，可以指定以下可視化分析界面，不同類型界面見圖1、圖2、和圖3。

圖1 服務(wù)站分布可視化分析界面

圖2 維修售后數(shù)據(jù)可視化分析界面

圖3 實體關(guān)系可視化分析界面

4 結(jié)語

本文提出了一種基于VizQL 的汽車行業(yè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，通過利用VizQL 語言實現(xiàn)對汽車行業(yè)數(shù)據(jù)可視化的轉(zhuǎn)換，使用戶可以獲得更豐富的可視化界面和分析界面。在未來的工作中，交互式響應(yīng)率和交互歷史是一個值得關(guān)注的問題。