时序多维空间数据的描述和显示方法研究
── 一种为科学的决策提供信息的模式
成邦文 杨宏进 石林芬 王娅莉 吴晓梅 韩睿
摘要：在社会、经济和科技领域，需要处理和分析分布于多维空间的数据。本文研究这类数据的可视化问题，提出了“时序多维空间数据的分解结构模式”以及“三维空间数据投影”的方法，并对其计算机界面的设计和实现进行了计论。
关键词：多维空间数据表，管理信息系统、决策支持系统。
一、引言
由于计算机技术的迅速发展，目前在管理领域内计算机的应用已从一般事务处理和管理信息系统向决策分析、咨询和综合信息系统的方向发展。如何利用数据信息和资料为管理和决策提供咨询和服务，愈来愈受到人们的普遍关注。
描述社会、经济、科技系统的数据往往都是多指标、多个样本、指标又具有层次结构的多维系统，这些数据按时间排列在一起，构成了一个具有时序的多维动态数据空间。除定量数据外，还常用定性指标，即用文字描述系统难以量化的特征和属性。这些定量数据和定性指标，包含有反映对象系统发展水平、态势、结构及其主要特征的极为重要的信息。然而，由于多维数据空间的复杂性和不可见性，这些重要的信息往往不易于人们分析、理解和掌握。利用先进的计算机技术，把反映复杂系统的多维空间数据以图表并茂的形式进行分析和显示，揭示出其中所蕴藏的丰富内涵，使管理者和决策者能迅速地掌握系统的主要特征及动态行为，获得对系统的深刻的认识，增强洞察能力，这对于提高管理水平、帮助和改善决策具有重要的意义。然而，在研制这类计算机应用系统，进行总体设计时，必须要解决以下两个问题：
·如何把描述社会、经济与科技系统的这样一个复杂时序多维空间数据有机地组合起来，在总体上，数据结构上给出一个模式。
·如何变不可见为可见，把多维空间数据蕴含的丰富的信息展现出来，即对其显示方法和模式进行研究。
针对上述两个问题，本文提出了“时序多维空间数据的分解结构模式”以及“三维空间数据投影”的方法，针对多维空间动态数据提供了一个简单的、直观的、图文并茂的描述和显示模式。其实质，是通过两次降维处理，把多维空间数据转变为一系列可以相互切换的二维可见空间。实践表明，基于该方法设计和建立的综合信息系统，适应管理和决策的特点，符合人们认识、分析和思考问题的规律，便于管理人员使用，可为领导决策迅速提供系统的、综合的、有比较、有分析的信息，并且可以用表格和各种形象直观、简洁明了的图形展现出来，使决策人员对所观注的内容有一目了然的把握和了解，起到良好的咨询作用。
二、时序多维空间数据的分解结构模式
复杂系统多维空间数据的总体结构，应适应管理和决策的模式，满足管理和决策对信息的需求，以下特点是需要注意并加以考虑的：
上述信息查询过程也即认识过程表明：从管理者和决策主体的视角看，描述复杂系统的时序多维空间数据，是由一系列的有待查询的“问题”组成。就单个“问题”而言，它包含有反映复杂系统某一侧面或某一局部特征的较为全面而详细的信息。所有“问题”的总和，就构成了描述复杂系统的多维数据空间，全面地反映了系统。在结构模式上，“问题”是最基本的构成单元；在信息查询上，“问题”是最基本的切入点──计算机应用系统和应用人员之间的中介。根据以上分析，可以提出如图1所示的时序多维空间数据的分解结构模式。图中，专题是为查询和提供信息的方便而设置的，它是由具有某种共同特征或属性的“问题”单元所组成的集合。专题和问题的设置是根据具体的对象系统以及管理和决策的需求而确定的。每一个“问题”单元，包含有定性和/或定量两个方面的全面而详细的文字信息和数据，并分别以指标的形式存贮在数据库中。描述问题单元的定量数据，具有如图2所示的三维空间结构，是三维空间的数据表。图中指标是为描述问题单元而专门设置并以数据的形式出现的。分项指标是将指标按管理和决策的需求而进行的结构分解，一个指标可以有多个分类，对应于每一个的分类，可以得到若干个分项指标。以上结构模式，把对复杂系统的描述分解为一系列的三维空间数据表，以专题作为入口在多层次水平上反映复杂系统状况，形成了一个视角从大到小，内容由粗到细的信息系统。
图1 时序多维空间分解结构模式
图2 问题单元定量数据三维空间结构
三、三维空间数据的显示
通过以上所述的结构分解，就把对多维空间数据蕴含信息的显示转变为对三维空间数据的显示问题。显然，三维空间数据的显示，是分析、理解、认识和把握系统的有效工具，它应能满足以下基本要求：
三维空间数据投影，是能满足上述要求的方法。该方法运用机械制图的投影原理，把三维空间数据的不同层面投影到座标平面，用二维可视空间表示三维空间数据。该方法要点如下：
在表达方法上，对三维空间数据用主视表（图）、俯视表（图）、侧视表（图）这三张二维数据表（图）进行显示。主视表（图）是三维空间数据表在X-Z座标平面（图2）上的投影，它是主要指标在各年代的数据组成的表，反映了各项指标的大小及其趋势性变化。俯视表（图）是三维空间数据在Y-Z座标平面的投影，是某一项选定指标按某种分类的各分项指标在各年代的数据组成的表，反映了指标内部结构的变化。这张表是随着主要指标的变化或指标分类类别的变化而变化的。侧视表是三维空间数据在X-Y座标平面上的投影，是由若干个指标在同一分类下的各分项指标数据值组成的表，反映了同一年份各主要指标的结构的差异，此表是随着年代的变化而变化的。上述三张表中，第一张是主要的，后两张是辅助性的。
在表达方式上，采用表、图、文并茂的形式，对应于每一张表都伴有相应的统计图形，显示指标的大小及其趋势性变化、结构以及结构的变化。此外，定性指标也伴随着主视表，在需要时，可以提供有关信息。
在操作步骤上，采用图3所示的切换方式。进行信息查询，涉及到某一具体问题时，首先显示反映主要信息及其趋势的主视表（图），使用户首先掌握最主要、最基本的信息，在此基础上，视情况可以切换到俯视表或侧视表，以便进一步了解更详细的有关结构及其变化趋势的信息。俯视表和侧视表是在主视表的基础上进行切换而产生的，是动态变化的。
图3 三维空间数投影显示操作
四、用户界面的设计与实现
应用以上思路建立计算机应用系统，为管理和决策提供咨询，其实用性到底如何，在很大程度上取决于用户界面的好环。在设计用户接口时，应采用以下技术上的措施：
图4是笔者研制的“科技统计综合信息系统”中某一主视表（图）用户界面示意图。图中，左下方按扭用于选择图形，右下方按扭可以使表、图位置互换。表上方带圆点的按扭可以使屏幕切换到三维空间数据的侧视表（图），而表左方带圆点的按扭可以使屏幕切换到俯视表（图）。表最左边带圆点的小按扭可以对各项指标给出文字说明。
图4 主视表(图)界面示意图
参 考 文 献