はじめに
このチュートリアルでは、Python の Matplotlib ライブラリを使ってサンキー図を作成する方法を学びます。サンキー図は、システムを通じたエネルギーや物質の流れを視覚化するために一般的に使用されるフローダイアグラムの一種です。複数の入力と出力を持つ複雑なシステムの分析に特に役立ちます。
VM のヒント
VM の起動が完了したら、左上隅をクリックしてノートブックタブに切り替え、Jupyter Notebook を使って練習しましょう。
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必要なライブラリをインポートする
Matplotlib を使ってサンキー図を作成するために必要なライブラリをインポートします。matplotlib.sankeyモジュールからSankeyクラスと、Matplotlib のpyplotモジュールをインポートします。
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.sankey import Sankey
データを定義する
次に、サンキー図を使って視覚化したいデータを定義します。この例では、Moran と Shapiro の「Fundamentals of Engineering Thermodynamics」の例 8.6 のデータを使用します。このデータは、ランキンサイクルを通じたエネルギーの流れを表しています。エネルギーの流れを値のリストとして定義します。
Hdot = [260.431, 35.078, 180.794, 221.115, 22.700,
142.361, 10.193, 10.210, 43.670, 44.312,
68.631, 10.758, 10.758, 0.017, 0.642,
232.121, 44.559, 100.613, 132.168] ## MW
グラフと軸を作成する
グラフオブジェクトを作成し、それに 1 セットの軸を追加します。また、グラフのタイトルも設定します。
fig = plt.figure(figsize=(8, 9))
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1, xticks=[], yticks=[],
title="Rankine Power Cycle: Example 8.6 from Moran and "
"Shapiro\n\x22Fundamentals of Engineering Thermodynamics "
"\x22, 6th ed., 2008")
サンキー図を作成する
Sankeyクラスのインスタンスを作成し、手順 3 で作成した軸オブジェクトを渡します。また、流量値の形式と測定単位を設定します。そして、addメソッドを使って図に流量を追加します。各流量の色をfacecolorパラメータで指定し、各流量のラベルをlabelsパラメータで指定します。また、各流量のパス長をpathlengthsパラメータで指定し、各流量の向きをorientationsパラメータで指定します。最後に、connectパラメータを使って流量を接続します。
sankey = Sankey(ax=ax, format='%.3G', unit=' MW', gap=0.5, scale=1.0/Hdot[0])
sankey.add(patchlabel='\n\nPump 1', rotation=90, facecolor='#37c959',
flows=[Hdot[13], Hdot[6], -Hdot[7]],
labels=['Shaft power', '', None],
pathlengths=[0.4, 0.883, 0.25],
orientations=[1, -1, 0])
sankey.add(patchlabel='\n\nOpen\nheater', facecolor='#37c959',
flows=[Hdot[11], Hdot[7], Hdot[4], -Hdot[8]],
labels=[None, '', None, None],
pathlengths=[0.25, 0.25, 1.93, 0.25],
orientations=[1, 0, -1, 0], prior=0, connect=(2, 1))
sankey.add(patchlabel='\n\nPump 2', facecolor='#37c959',
flows=[Hdot[14], Hdot[8], -Hdot[9]],
labels=['Shaft power', '', None],
pathlengths=[0.4, 0.25, 0.25],
orientations=[1, 0, 0], prior=1, connect=(3, 1))
sankey.add(patchlabel='Closed\nheater', trunklength=2.914, fc='#37c959',
flows=[Hdot[9], Hdot[1], -Hdot[11], -Hdot[10]],
pathlengths=[0.25, 1.543, 0.25, 0.25],
labels=['', '', None, None],
orientations=[0, -1, 1, -1], prior=2, connect=(2, 0))
sankey.add(patchlabel='Trap', facecolor='#37c959', trunklength=5.102,
flows=[Hdot[11], -Hdot[12]],
labels=['\n', None],
pathlengths=[1.0, 1.01],
orientations=[1, 1], prior=3, connect=(2, 0))
sankey.add(patchlabel='Steam\ngenerator', facecolor='#ff5555',
flows=[Hdot[15], Hdot[10], Hdot[2], -Hdot[3], -Hdot[0]],
labels=['Heat rate', '', '', None, None],
pathlengths=0.25,
orientations=[1, 0, -1, -1, -1], prior=3, connect=(3, 1))
sankey.add(patchlabel='\n\n\nTurbine 1', facecolor='#37c959',
flows=[Hdot[0], -Hdot[16], -Hdot[1], -Hdot[2]],
labels=['', None, None, None],
pathlengths=[0.25, 0.153, 1.543, 0.25],
orientations=[0, 1, -1, -1], prior=5, connect=(4, 0))
sankey.add(patchlabel='\n\n\nReheat', facecolor='#37c959',
flows=[Hdot[2], -Hdot[2]],
labels=[None, None],
pathlengths=[0.725, 0.25],
orientations=[-1, 0], prior=6, connect=(3, 0))
sankey.add(patchlabel='Turbine 2', trunklength=3.212, facecolor='#37c959',
flows=[Hdot[3], Hdot[16], -Hdot[5], -Hdot[4], -Hdot[17]],
labels=[None, 'Shaft power', None, '', 'Shaft power'],
pathlengths=[0.751, 0.15, 0.25, 1.93, 0.25],
orientations=[0, -1, 0, -1, 1], prior=6, connect=(1, 1))
sankey.add(patchlabel='Condenser', facecolor='#58b1fa', trunklength=1.764,
flows=[Hdot[5], -Hdot[18], -Hdot[6]],
labels=['', 'Heat rate', None],
pathlengths=[0.45, 0.25, 0.883],
orientations=[-1, 1, 0], prior=8, connect=(2, 0))
ラベルとフォーマットを追加する
サンキー図のパッチに対して、各パッチのtext属性を使ってラベルを追加します。また、テキストを太字にフォーマットし、フォントサイズを大きくします。
diagrams = sankey.finish()
for diagram in diagrams:
diagram.text.set_fontweight('bold')
diagram.text.set_fontsize('10')
for text in diagram.texts:
text.set_fontsize('10')
グラフを表示する
最後に、pyplotモジュールのshowメソッドを使ってサンキー図を表示します。
plt.show()
まとめ
このチュートリアルでは、Python の Matplotlib ライブラリを使ってサンキー図を作成する方法を学びました。matplotlib.sankeyモジュールのSankeyクラスを使って図を作成し、各パッチのtext属性を使って図にラベルとフォーマットを追加しました。サンキー図は、複雑なシステムを通るエネルギーや物質の流れを視覚化するための便利なツールです。