時態數據庫綜述
2024-07-21 02:08:49
供稿：網友
時態數據庫綜述
摘要：本文是時態數據庫的一個綜述，概要的介紹時態數據庫的產生背景，研究動向，然后介紹了時態數據庫的分類和現有的比較典型的模型，最后介紹了時態管理和時態數據庫設計方面的問題。
l 背景
傳統的數據庫技術能反映現實世界中的數據，但是它僅僅能體現現實世界中數據的當前狀態，只反應了一個對象在某一個時刻的狀態(快照)，不聯系其過去和未來。這就是人們常說得快照數據庫（snapshot database）。現代的信息流包含事件的時態信息(temporal information), 其中有時刻信息(instant information), 時間區間信息(interval information)和相對時間信息(之前、之后、重疊)等等。
日益廣泛的數據庫應用要求了管理被處理事件的歷史性信息，和系統中元事件的時態信息。需要迫切解決兩個問題：一是要求管理被處理事件的歷史性信息，如與人事、財務、金融和自然災害等有關的歷史資料，從中可看出事物發展的本質規律；二是要求管理數據庫系統中元事件的時態信息，如增查，刪改的時刻和時間區間、在多用戶系統中對鎖定排隊及資源競爭協調的時標等，這些數據有助于提高數據庫系統的可靠性和效率。因此引入時態數據庫。
l 研究動向
在20世紀70年代初，許多人就開始探索在數據庫和信息系統中處理時間信息。
80年代初期，時態數據庫研究開始繁榮，在1982-1986年間，一共有80多篇關于時態數據庫的論文。到了80年代中期，已經提出了近百種時態數據庫的方案，經過十多年的發展和相互學習，逐漸合并為十多種公認的模型。
kahn ketal在1977年在《人工智能》雜志上的文章中研究了關于“時態知識”的問題。
j. ben zvi于1979—1982年對時態數據庫作了開創性研究，他的博士論文(加州大學洛杉磯分校，1982) 總結了他的一系列工作。ben zvi 的貢獻突出在下列幾點∶
(1)，他提出了時態數據庫模型，引入了時間間隔 ( time period ),后來被學術界改稱為時間區間。
(2)，在1979—1982這個關系規范型研究的熱點時期，ben zvi 突破思想禁區，提出并研究了非1nf 的tdb 。
(3) 以時間區間作字段值，刷新了人們認為數據庫字段值只能是一個數或串的觀念。
(4)引入了后來被稱為雙時態的概念，即用有效時間表示被管理對象在庫中生命周期，用事務時間表示數據庫本身的歷史。
(5)．引入了時態索引結構。
1982年j. clifford 在紐約大學完成了博士論文“a logical frame work for the temporal semantics and natural language querying of historical database ”及相關的一組文章，對歷史數據庫的開創性作了重要貢獻。它注意到了被管理對象的生命周期 (lifespan), 研究了在關系、元組、字段值上加時態信息的技術細節，引入了歷史關系模型，歷史關系代數，研究了歷史數據庫中投影、選擇、連接的特殊要求和特殊規律，研究了歷史關系模型與傳統關系模型的兼容性，即當把區間縮小為一點〔now, now〕時歷史數據庫即退化為傳統快照數據庫，且相應的時態代數運算退化為傳統快照關系運算。
美國南加利福尼亞大學的s. ginsburg 教授原是形式語言，特別是上下文無關文法研究的先驅者。他于1983年提出對象歷史模型(object history)。
l 時態數據庫的分類
按spipada和snodgrass的意見，時態數據庫按功能可分為三類∶
(1) 事務數據庫。數據庫本身被查刪改的時間稱為事務時間(transaction time)，事務數據庫支持事務時間，他按事務時間編址，保存了所有狀態演變中過去的狀態。事務的關系是一種三維結構，由元組，屬性和事務時間三維構成。
(2) 歷史數據庫。被管理對象的生命周期稱為有效時間(valid time)，歷史數據庫和事務數據庫類似，只是用有效時間代替了事務時間，代之以靜態狀態序列，而是用每個關系記錄一個歷史的狀態。歷史的關系也是一個三維結構，由元組，屬性和有效時間構成。
(3)時態數據庫，既能管理對象歷史，又能管理數據庫本身的歷史，又叫雙時態數據庫。他具有前兩者的優點，支持事務時間和有效時間。時態關系是一個四維結構，由元組，屬性，事務時間和有效時間構成。
l dbms的時態信息四種處理方法
事件常常都伴有時態信息，傳統的數據庫只通過用戶定義時間來記錄時態信息，dbms沒有管理事件時態信息的機制。下表列出了dbms處理時態信息的四種方式。
l 時態管理的問題
長期以來，在沒有使用時態數據庫的年代里，企業及機關管理歷史性數據都是把多個快照(即在不同時刻保存的數據庫的備份)放在一起，構成了歷史。
(1)．取多大的時間間隔保存快照? 如果間隔太大，則不足以保證數據的準確詳實，如果間隔太小，則數據冗余多，占存貯空間大。
(2)．傳統關系數據庫中，一個表的多個快照，不能簡單地同時裝入內存，不能簡單地使用傳統的選擇、投影、連接運算進行操作和查詢。因為同一元組同一屬性下的值在不同快照中可能不同，必須作較復雜的、非通用的編程。
(3)．傳統數據庫中，對數據庫本身歷史的維護支持不足，一般只有供恢復回退用的事務日志( transaction log ), 缺乏相應的事務查詢命令(例如快速地查出誰對某一字段作了超過十次的修改)。
l 現有時態數據庫模型
80年代中期，已經提出的近百種時態數據庫的方案，經過十多年的發展和相互學習，逐漸合并為十多種公認的模型，其中有十三種被收入世界第一本關于時態數據庫專著《temporal database—theory, design and implementation》。
(1). time relational model, 該模型是ben zvi 在1979--1982在博士論文中提出，是tdb領域的先驅性研究工作。它開創了對時態數據庫、時態查詢語言的研究。
(2). hrdm (historical relational data model )，j. clifford ，1982.
(3). tempsql, sharshi. k. gadia & sunil, s. nair, 1985.
(4). ixrm (interval-extended relational model )，nikos a. lorentzos,1987.
(5). trm 及tsql (temporal extensions to the relational model ) k. b. navathe，1987.
(6). hsql ( historical query language )，n. l. sarda 1987.
(7). tquel，r. snodgrass , 1985.
(8). trc (temporal relational calculus )，abdullah tansel ,1992
(9). teer, (temporal query language for enhanced entity relationship model ),r. elmasri , 1985.
(10). tdm (temporal data model based on time sequeuce)，arie segev & arie shosham, 1988.
(11). oodaplex (object oriented aplex)，u. dayal，1989.
(12). object history, s. ginsburg, tanaka, 唐常杰等, 1983。
(13). temporal deductive databases, marianne bandinet 等，1989。
上述13個tdb模型從不同的需求、觀點出發，各自獨立地建立了一套術語、概念、數學模型，并形成了一套各自獨立的理論體系。
l 時態數據庫在具體實現過程中的困難
(1)數據量大。時態數據庫旨在管理歷史數據,隨著時間的流逝,新的數據源源不斷的進入數據庫,為了保證ｔｄｂ在大數據量的時空效率,必須有高效的數據存儲組織和時態索引機制。
(2)在實際應用的時態查詢中,選擇、投影和連接運算占了主要資源。對時態選擇、時態投影和時態連接的優化成了ｔｄｂ查詢優化的技術焦點。
(3)在索引上,由于加入了時態效應,對傳統的ｈａｓｈ和ｂ樹、ｂ+樹都需要在時態上進行擴展才能滿足ｔｄｂｍｓ的要求。
l 時態數據管理和人工智能
在人工智能領域，主要研究時態推理機制。這有兩種類型：
（1）主要進行數據及其聯系的解釋 這種系統可用來支持包含了時間問題的自然語言理解。j.f.allen的“時區演算”就是代表。
（2）建立未來的活動的計劃 這種系統可用在工廠調度資源的使用，稱為“智能調度”，其問題是：在一定的時間限制內，制定能正確使用資源已解決給定調度問題的計劃。
l 參考文獻
《特種數據庫技術》 何新貴，唐長杰 科學出版社2000
《時態數據庫技術》 黃楠，劉愛琴 微機發展 2002年第1期
