支持有效時(shí)間的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的不一致性分析

張燕超

摘 要：資源描述框架（RDF）是一個(gè)元數(shù)據(jù)模型，是由W3C建立的基礎(chǔ)設(shè)施，使得Web上的數(shù)據(jù)機(jī)器可讀。近年來(lái)，語(yǔ)義網(wǎng)的快速發(fā)展和RDF的普遍應(yīng)用，產(chǎn)生了大量的含有時(shí)態(tài)信息的RDF數(shù)據(jù)，并涉及到各個(gè)方面領(lǐng)域的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的一致性能提高時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的一致性檢測(cè)和恢復(fù)也有助于提高數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的可靠性和高效性，對(duì)于時(shí)態(tài)信息處理也能提供可靠的保證，也能提高時(shí)態(tài)信息處理的效率。研究了對(duì)傳統(tǒng)RDF引入時(shí)間信息的建模方式，通過(guò)添加有效時(shí)間的時(shí)間標(biāo)簽的方式構(gòu)建了支持有效時(shí)間的時(shí)態(tài)RDF模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)存在的不一致性情況進(jìn)行了分析和研究，并提出了相關(guān)的檢測(cè)和修復(fù)的算法。

關(guān)鍵詞：時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型；有效時(shí)間；時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的不一致性

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The resource description framework （RDF） is a metadata model，the infrastructure established by the W3C，which makes the data machines on Web readable.In recent years，the rapid development of semantic web and the widespread application of RDF have produced a lot of RDF data containing temporal information and related key data in various fields.Consistent performance of temporal RDF data to improve the accuracy of temporal RDF data，temporal data consistency detection and recovery also helps to improve the reliability and efficiency of the database system，the temporal information processing can also provide a reliable guarantee，also can improve the efficiency of temporal information processing.This paper presents a modeling way of introducing the time information of traditional RDF，temporal RDF models support valid time through constructing the time tag time effective way，inconsistency on the basis of temporal RDF data are analyzed and studied，and put forward the related detection and repair algorithm.

Key words：temporal data model；effective time；inconsistency of temporal data

1 引 言

資源描述框架RDF（resource description framework）是由萬(wàn)維網(wǎng)協(xié)會(huì)W3C提出的一個(gè)語(yǔ)義框架[1]，被廣泛應(yīng)用在描述語(yǔ)義網(wǎng)[2]中的各類海量數(shù)據(jù)，可以用三元組（主語(yǔ)、謂語(yǔ)、賓語(yǔ)）的形式來(lái)描述語(yǔ)義網(wǎng)上的任何數(shù)據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的深入發(fā)展，語(yǔ)義網(wǎng)中的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)也在快速的累積中，RDF數(shù)據(jù)的涉及到各個(gè)領(lǐng)域，而這些RDF數(shù)據(jù)常常帶有時(shí)間信息。時(shí)態(tài)信息在信息系統(tǒng)中扮演著日益重要的角色，因此，對(duì)于RDF數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)建模具有重要意義，時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的一致性檢測(cè)和恢復(fù)也有助于提高時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的可靠性和高效性[3]，特別是對(duì)電子商務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持系統(tǒng)等信息系統(tǒng)有著越來(lái)越重要的意義和保障[4-6]。

時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的一致性研究中文獻(xiàn)[7，8]都是基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的多版本來(lái)進(jìn)行，文獻(xiàn)[7]需要追溯過(guò)去的版本中的所有的不一致性數(shù)據(jù)，操作復(fù)雜耗時(shí)。提出了一種方法來(lái)檢測(cè)和修復(fù)多時(shí)態(tài)多版本XML數(shù)據(jù)庫(kù)中因?yàn)樽匪莞聦?dǎo)致數(shù)據(jù)不一致性。因?yàn)橹С侄鄷r(shí)態(tài)多版本XML，要恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性要通過(guò)糾正過(guò)去所發(fā)生的所有錯(cuò)誤和不一致性。文獻(xiàn)[8]對(duì)于時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)提出了新的框架，確定一個(gè)子類的一階一致性約束，利用調(diào)度理論有效的映射到約束圖來(lái)解決問(wèn)題。這個(gè)方法優(yōu)于普通的近似啟發(fā)式算法，但是是對(duì)一個(gè)子類做出的約束，并不能更好的包含所有時(shí)態(tài)RDF圖，應(yīng)該一步推廣一致性約束。這篇文獻(xiàn)是針對(duì)于查詢中出現(xiàn)不確定性的結(jié)果進(jìn)一步做一致性檢測(cè)和恢復(fù)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)本身就會(huì)還有不一致性和不正確性。文獻(xiàn)[9]提出了時(shí)態(tài)XML的一致性要求，并提出了環(huán)路檢測(cè)來(lái)檢測(cè)和修復(fù)存在的不一致性數(shù)據(jù)，算法思路比較嚴(yán)謹(jǐn)。但是考慮數(shù)據(jù)不一致性很不全面，分類太簡(jiǎn)單，現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)一定會(huì)更復(fù)雜。因?yàn)镽DF的特殊性，并不適用于時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的一致性分析。

對(duì)傳統(tǒng)的RDF三元組進(jìn)行了時(shí)態(tài)擴(kuò)充，通過(guò)增加有效時(shí)間的時(shí)間標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行建模，針對(duì)有效時(shí)間的現(xiàn)實(shí)意義提出了時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)存在的不一致性，并對(duì)每一類的不一致性提出了檢測(cè)和修復(fù)的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的實(shí)施性。

2 時(shí)態(tài)RDF模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種類型的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)模型，其中主要是基于關(guān)系模型的時(shí)態(tài)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)以及相應(yīng)的查詢語(yǔ)言[10]。除了關(guān)系模型，Chawathe首次提出了管理歷史的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[11]，他擴(kuò)展了交換對(duì)象模型，使它可以表示更新，借助“增量（deltas）”來(lái)跟蹤它們。Claudio Gutierrez[12]首次提出了對(duì)于時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)模型的建立，時(shí)間RDF三元組的基礎(chǔ)上添加時(shí)間標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)性，如（s，p，o）：[T]，其中T就是時(shí)態(tài)信息。后續(xù)的時(shí)態(tài)RDF模型的研究都是在此時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行更多的語(yǔ)義和時(shí)間信息的表達(dá)上的擴(kuò)展[13，14]，例如時(shí)態(tài)信息[T]更新為[n：T]，表示在T時(shí)間內(nèi)這個(gè)時(shí)態(tài)RDF三元組真存在n次，還有進(jìn)行雙時(shí)態(tài)擴(kuò)展，同時(shí)支持有效時(shí)間和事務(wù)時(shí)間。還有更多的時(shí)態(tài)和語(yǔ)義的邏輯分析與推理，基本都停留在理論上的分析。

2.1 有效時(shí)間標(biāo)簽

對(duì)RDF數(shù)據(jù)引入時(shí)間信息，要對(duì)RDF模型進(jìn)行時(shí)態(tài)信息的擴(kuò)展，就要考慮一下幾個(gè)方面的問(wèn)題，再選擇其中比較合適和符合實(shí)際應(yīng)用條件的模式。

1.版本化和時(shí)間標(biāo)簽化：版本化就是當(dāng)RDF數(shù)據(jù)有更改時(shí)，通過(guò)快照的方式保存更改前后的RDF數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)。加入時(shí)間的方法很簡(jiǎn)便，但是會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余，產(chǎn)生大量的重復(fù)的RDF數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)空間的開銷也會(huì)增大，對(duì)于跨版本的查詢操作復(fù)雜需要查詢多個(gè)RDF數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)消耗時(shí)間。時(shí)間標(biāo)簽化就是直接對(duì)RDF三元組添加時(shí)間戳，對(duì)于每一個(gè)改變的三元組加上時(shí)間標(biāo)簽，保留了RDF中分布式和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，添加了時(shí)間信息，只是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)比版本化的復(fù)雜。帶時(shí)間標(biāo)簽的RDF數(shù)據(jù)模型只要增加和修改更改的數(shù)據(jù)，增長(zhǎng)方式會(huì)遠(yuǎn)小于版本化的時(shí)態(tài)RDF模型，可以消除大部分的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)冗余。

2.事務(wù)時(shí)間和有效時(shí)間：事務(wù)時(shí)間是捕捉并保存每次操作前后的RDF數(shù)據(jù)的變化，對(duì)于在過(guò)去時(shí)間段存儲(chǔ)的RDF數(shù)據(jù)只能方便查詢。有效時(shí)間是用來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界中RDF數(shù)據(jù)存在的狀態(tài)，對(duì)于RDF數(shù)據(jù)的每個(gè)時(shí)間階段的狀態(tài)可以保存也可以進(jìn)行任意的修改，發(fā)現(xiàn)過(guò)去一段時(shí)間的RDF數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤可以直接更改數(shù)據(jù)的有效時(shí)間。兩者以不同的方式來(lái)展現(xiàn)RDF數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性，保存的都是有更新的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)冗余度會(huì)大大降低，存儲(chǔ)需要的空間也會(huì)緩慢增長(zhǎng)。

綜上所述可以通過(guò)添加時(shí)間標(biāo)簽來(lái)擴(kuò)展時(shí)態(tài)信息，來(lái)建立時(shí)態(tài)RDF模型，用時(shí)間標(biāo)簽來(lái)標(biāo)記RDF數(shù)據(jù)三元組，且表示有效時(shí)間。以下就是時(shí)態(tài)RDF模型的基本定理：

定義1.一個(gè)時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的組成分為兩部分，時(shí)間標(biāo)簽和RDF三元組，用符號(hào)表示（s，p，o）：[t].（s，p，o）：[t1，t2]表示{（s，p，o）：[t]|t1≤ t≤ t2}。其中spo代表RDF三元組中的主體、謂詞和客體。t是一個(gè)自然數(shù)，用來(lái)代表時(shí)間，表示在t時(shí)刻s的p屬性值為o是有效的。

添加有效時(shí)間區(qū)間的時(shí)間標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行時(shí)間信息的擴(kuò)充，模擬現(xiàn)實(shí)世界中RDF數(shù)據(jù)每個(gè)時(shí)間段的存在狀態(tài)，保留了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性，也簡(jiǎn)化了時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

定義2.有效時(shí)間區(qū)間[start，end]中，start+1≤end，單位時(shí)間設(shè)為1；

為了表示時(shí)間上的連續(xù)，即使使用秒數(shù)作為單位時(shí)間在現(xiàn)實(shí)中時(shí)間也是不連續(xù)的，為了下文的使用方便和自然，將單位時(shí)間設(shè)為1，t和t + 1兩個(gè)時(shí)刻就表示是時(shí)間上的連續(xù)。

3 時(shí)態(tài)RDF的不一致性

盡管現(xiàn)在從語(yǔ)義網(wǎng)上提取信息的技術(shù)有了很大的進(jìn)步，例如DBpedia、Freebase、YAGO等都是采用自動(dòng)化提取技術(shù)，但是產(chǎn)生的RDF知識(shí)庫(kù)仍然面臨著存在大量的噪音和與事實(shí)不一致的問(wèn)題，這些不一致性的數(shù)據(jù)一般用不確定的數(shù)據(jù)來(lái)概括，需要添加一些額外的一致性約束。本節(jié)就是針對(duì)添加了有效時(shí)間標(biāo)簽的RDF數(shù)據(jù)模型，根據(jù)有效時(shí)間的現(xiàn)實(shí)意義，分析時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)存在的不一致性，并對(duì)存在的所有類型的不一致性進(jìn)行檢測(cè)與修復(fù)。

3.1 生命區(qū)間的定義

定義3 節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間lifespan ：一個(gè)節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間是這個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有入邊和出邊的有效時(shí)間的并集的最大集合。在只有（s，p，o）[start，end]一條數(shù)據(jù)的情況下，s是父節(jié)點(diǎn)，o是子節(jié)點(diǎn)，lf[start，end]就是節(jié)點(diǎn)s和節(jié)點(diǎn)o的生命區(qū)間。

s節(jié)點(diǎn)的p屬性值為O在[start，end]時(shí)間都有效，證明s節(jié)點(diǎn)和o節(jié)點(diǎn)是存在的，因此，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間要包含節(jié)點(diǎn)的所有出邊和所有入邊的有效時(shí)間。

算法1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間

輸入：節(jié)點(diǎn)的URI（唯一性）

計(jì)算生命區(qū)間時(shí)輸入節(jié)點(diǎn)node，通過(guò)遍歷這個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有的出邊入邊，計(jì)算所有邊的有效時(shí)間的并集的最大集合，也就是找到最早的開始點(diǎn)和最晚的結(jié)束點(diǎn)。算法的復(fù)雜度是O（n），n是存儲(chǔ)的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)記錄的條數(shù)，要計(jì)算時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)中所有節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間，則是節(jié)點(diǎn)數(shù)*n。

3.2 三元組重復(fù)的不一致性

主體、屬性、客體都是相同的，即RDF三元組是一樣的，表示為（s，p，o）[T1]和（s，p，o）[T2]，其中T1和T2只要有重合的部分就是存在不一致性。

有效時(shí)間區(qū)間是唯一確定的，如果有重疊其中一個(gè)有效時(shí)間區(qū)間一定是與事實(shí)不符存在不一致性的。對(duì)于T1和T2的關(guān)系是間斷的，可以解釋為在T1和T2這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)s的p屬性值為o，但是在T1和T2間隔的時(shí)間內(nèi)這個(gè)信息失效了，所以不存在不一致性。

檢測(cè)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)是否存在上述的不一致性，每一條時(shí)態(tài)RDF記錄進(jìn)行逐一匹配，發(fā)現(xiàn)有相同的時(shí)態(tài)RDF三元組且時(shí)間上并不是有間隔的就說(shuō)明存在不一致性。用R代表（s，p，o）[start，end]）是一條時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)記錄，Ri表示第i條記錄，Ri+1就是下一條記錄。

算法2 檢測(cè)時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)是否存在三元組重復(fù)的不一致性

修復(fù)重復(fù)三元組不一致性，首先在時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄中匹配（s，p，o）三元組，找到三元組完全一樣的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)記錄，再通過(guò)比較兩個(gè)時(shí)間區(qū)間的起始時(shí)間點(diǎn)R1.start、R2.start和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)R1.end、R2.end，計(jì)算出要修改的時(shí)間區(qū)間，對(duì)一條記錄的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行修改，再刪除另外一條記錄。

3.3 生命區(qū)間的不一致性

父節(jié)點(diǎn)s和子節(jié)點(diǎn)o連接的邊e，但是這條邊是有效時(shí)間Te超過(guò)了父節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間lf（s）就是存在不一致性。

只有主體s存在，主體s的p屬性值為o的信息才會(huì)有意義，否則就是與事實(shí)不一致。

檢測(cè)時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)是否存在生命區(qū)間的不一致性，要對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比節(jié)點(diǎn)的所有邊的有效時(shí)間和節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間，有一個(gè)邊的有效時(shí)間超過(guò)了節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就存在生命區(qū)間的不一致性，時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)就存在生命區(qū)間的不一致性。只有所有節(jié)點(diǎn)都不存在不一致性，時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)才不存在生命區(qū)間的不一致性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)是對(duì)上文中提出的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的不一致性監(jiān)測(cè)和修復(fù)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在LUBM（Lehigh University Benchmark）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上隨機(jī)生成有效時(shí)間添加時(shí)間標(biāo)簽，在對(duì)不同數(shù)量的數(shù)據(jù)集上分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比和說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如表1所示。

LUBM是關(guān)于1000所高校的RDF數(shù)據(jù)，為了得到時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)，為每個(gè)RDF三元組隨機(jī)生成整數(shù)來(lái)表示有效時(shí)間標(biāo)簽，分別對(duì)不同數(shù)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行不一致性檢測(cè)和修復(fù)。

時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在phpmysql的test數(shù)據(jù)庫(kù)中，以共建立了三張表，其中URI表將所有的RDF三元中的s、p、o的URI用節(jié)點(diǎn)名ID表示。TRDF表中osp表示的是RDF三元組的主體、屬性和客體。Start和end是有效時(shí)間的兩個(gè)時(shí)間端點(diǎn)，隨機(jī)生成時(shí)，要求end>start即可。Attribute and lifespan表中ID就是代表RDF三元組中的spo的URI對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)ID。生命區(qū)間是要計(jì)算的，初始化都為0。

首先檢測(cè)500條時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)的不一致性，節(jié)點(diǎn)內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)的ID和節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間lf.start和lf.end。首次計(jì)算節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間，集合節(jié)點(diǎn)的所有入邊和出邊的有效時(shí)間。在500條記錄的基礎(chǔ)上添加新的紀(jì)錄就會(huì)產(chǎn)生不一致性。如圖1所示增加500條后出現(xiàn)的不一致性條數(shù)，修改后就不會(huì)存在不一致性的數(shù)據(jù)。

每增加1 000條時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的每一種不一致性是在逐漸增加的，因此數(shù)據(jù)量很大時(shí)，對(duì)于存在的不一致性數(shù)據(jù)需要進(jìn)行修復(fù)。生命區(qū)間的不一致性產(chǎn)生的數(shù)量最多也是因?yàn)橐婚_始計(jì)算節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間只有500條時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)于后續(xù)添加的有效時(shí)間又是隨機(jī)產(chǎn)生，超過(guò)節(jié)點(diǎn)的生命區(qū)間的可能性也就很高了。

5 總 結(jié)

針對(duì)RDF三元組添加有效時(shí)間的時(shí)間標(biāo)簽來(lái)表示的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了在有效時(shí)間上的不一致性研究和分析，提出了兩種類型的不一致性，分別是三元組重復(fù)的不一致性和生命區(qū)間的不一致性，對(duì)于兩種類型的不一致性分別進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。

未來(lái)工作：1.時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)會(huì)時(shí)常更新，對(duì)于每次更新都要進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)不一致性消耗太大，檢測(cè)和修復(fù)不一致性算法的效率還有待提高。2.對(duì)于支持有效時(shí)間的時(shí)態(tài)RDF數(shù)據(jù)之間的推理、蘊(yùn)含等內(nèi)置函數(shù)和數(shù)據(jù)間關(guān)系和結(jié)構(gòu)都沒(méi)有討論和研究。3.對(duì)有效時(shí)間的確定與驗(yàn)證沒(méi)有進(jìn)行討論，對(duì)于不確定時(shí)間的處理也需要另行研究。

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