時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)漫談

【摘 要】所有信息都具有相應(yīng)的時(shí)態(tài)屬性，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫是一種與時(shí)間有關(guān)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。本文介紹了時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本概念和特征，以及時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀與展望。

【關(guān)鍵詞】時(shí)態(tài);時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫;技術(shù)

一、引言

時(shí)間是自然界無處不在的客觀屬性，真實(shí)的事件無不打上時(shí)間的烙印。客觀世界中的事物都具有時(shí)間的屬性，因此在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中管理時(shí)間信息是必要且迫切的。所有的信息是隨時(shí)間變化的，這種隨著時(shí)間變化的信息稱為時(shí)態(tài)信息。它本身沒有時(shí)間性，需要應(yīng)用時(shí)間元素來記錄信息的時(shí)態(tài)屬性，這種記錄時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)反映時(shí)態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫就是時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫。

描述現(xiàn)實(shí)世界的帶有時(shí)間屬性的信息系統(tǒng)，特別是以時(shí)態(tài)信息為關(guān)鍵特征的信息系統(tǒng)，稱為時(shí)態(tài)信息系統(tǒng)。例如金融方面的會(huì)計(jì)、銀行系統(tǒng)，檔案管理方面的人事檔案、醫(yī)療記錄系統(tǒng)，行程安排中的飛機(jī)、火車、旅館等項(xiàng)目的管理系統(tǒng)，科學(xué)應(yīng)用方面的氣候、地理系統(tǒng)等等。隨著數(shù)據(jù)庫與信息技術(shù)的深入和發(fā)展，信息系統(tǒng)面臨許多新的應(yīng)用和需求，對(duì)時(shí)態(tài)信息處理的需求越來越迫切，時(shí)態(tài)信息在信息系統(tǒng)中扮演著日益重要的角色。

二、時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫的基本概念

在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫中存在著三種基本的時(shí)間體系。（?。┯脩糇远x時(shí)間，是指用戶根據(jù)自己的需要或理解定義的時(shí)間。（2）有效時(shí)間，是指一個(gè)對(duì)象或者事件在現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生并保持的那段時(shí)間。（3）事務(wù)時(shí)間，是指一個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)象進(jìn)行操作的時(shí)間，是一個(gè)事實(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的時(shí)間。它記錄著對(duì)數(shù)據(jù)庫修改或更新的各種操作歷史，對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有事務(wù)或數(shù)據(jù)庫狀態(tài)變遷的歷史。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫有兩個(gè)時(shí)間變?cè)狽ow和UC， Now隨著當(dāng)前時(shí)間的變化而變化，記錄了隨時(shí)間變化的信息，它的有效值依賴于當(dāng)前時(shí)間。UC是主要用于事務(wù)時(shí)間中的時(shí)間變?cè)硎局钡皆撛M改變的時(shí)間。

按表示時(shí)態(tài)信息的方式，可以將數(shù)據(jù)庫分成四個(gè)基本類型。（！）快照數(shù)據(jù)庫。它是以在特定時(shí)刻的瞬間快照建立模型，反映了現(xiàn)實(shí)世界某一個(gè)瞬間的情況。（2）回滾數(shù)據(jù)庫。它按事務(wù)時(shí)間編址，保存了過去每次事務(wù)提交之前的初始狀態(tài)。（3）歷史數(shù)據(jù)庫。它支持有效時(shí)間，可以顯著增加系統(tǒng)包含的信息量，也便于對(duì)信息進(jìn)行處理。（4）雙時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫。它既支持事務(wù)時(shí)間，又支持有效時(shí)間。雙時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫集成了前三種數(shù)據(jù)庫的功能特性，由一個(gè)四維結(jié)構(gòu)的時(shí)態(tài)關(guān)系組成。其中兩維是屬性和元組，另外兩維是事務(wù)時(shí)間和有效時(shí)間，時(shí)態(tài)關(guān)系可以看成是一個(gè)歷史關(guān)系的序列。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間維概念，時(shí)間維指的是有效時(shí)間維和事務(wù)時(shí)間維。對(duì)于數(shù)據(jù)庫中的元組來說，有效時(shí)間反映的是元組屬性在現(xiàn)實(shí)中為真的時(shí)間，事務(wù)時(shí)間是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中沒有邏輯刪除的時(shí)間?？梢园延行r(shí)間的維看成是一個(gè)數(shù)軸，數(shù)軸中的取值可以是從過去的某一時(shí)刻起，到現(xiàn)在甚至是將來的某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，而元組的有效時(shí)間取值就是在這個(gè)時(shí)間軸上取有限個(gè)時(shí)間點(diǎn)，或者是有限個(gè)時(shí)間片段。

傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，例如Oracle、SQL Server和Sybase等都不支持時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的管理操作。雖然它們基本上都支持某些時(shí)間數(shù)據(jù)類型，但是并不提供相應(yīng)的語義操作，時(shí)間包含的特殊語義只能由用戶自己判別。一個(gè)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（TDBMS）需要支持以下功能：（1）一種時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)定義語言。（2）一種時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)操縱語言。（3）一種時(shí)態(tài)查詢語言。（4）時(shí)態(tài)約束，例如時(shí)態(tài)外鍵一致性約束。

三、時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀與展望

目前時(shí)態(tài)信息技術(shù)仍處于研究和發(fā)展階段，人們從不同的角度提出了各種時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫模型;另一方面由于實(shí)際應(yīng)用的需求，時(shí)態(tài)信息處理的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬，在應(yīng)用中也提出了許多方法和技術(shù)，大大促進(jìn)了時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫的發(fā)展。雖然在理論上已經(jīng)證明了時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫擁有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所無法企及的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)踐中很難真正實(shí)現(xiàn)一個(gè)既具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的功能，例如數(shù)據(jù)定義、存儲(chǔ)、完整性控制等，又能實(shí)現(xiàn)時(shí)態(tài)處理的完整的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫，能夠進(jìn)行時(shí)態(tài)處理的成熟的商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)也不多見。這就使得時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫的理論得不到充分的實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，給時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫的推廣和進(jìn)一步發(fā)展蒙上一層陰影。

現(xiàn)有時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究中的不足可以歸納為以下幾點(diǎn)。（?。r(shí)態(tài)數(shù)據(jù)運(yùn)算體系不完備，缺乏系統(tǒng)和有力的數(shù)學(xué)理論支持。（2）時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型不夠成熟，國際標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善。大多數(shù)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型都是傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)查詢語言也是對(duì)當(dāng)前查詢語言例如SQL的擴(kuò)展，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)查詢功能有限，效率較低。（3）技術(shù)研究大多局限在數(shù)據(jù)庫的時(shí)態(tài)屬性，而忽視了其他信息的時(shí)態(tài)屬性，例如知識(shí)庫的時(shí)態(tài)特征和應(yīng)用。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)技術(shù)更多地還停留在數(shù)據(jù)處理上，關(guān)于時(shí)態(tài)邏輯和推理方面的研究，主要成果是符號(hào)演算和推理能力較強(qiáng)，但是信息處理能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致與時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫和時(shí)態(tài)信息處理研究相脫離。關(guān)于時(shí)態(tài)知識(shí)與邏輯方面，目前主要包括時(shí)間區(qū)間邏輯運(yùn)算的擴(kuò)充等，時(shí)態(tài)知識(shí)數(shù)據(jù)庫模型的研究程度還不夠深入。（4）在電子商務(wù)、地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)、智能決策支持系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫，特別是時(shí)空信息技術(shù)和多媒體信息系統(tǒng)方面，時(shí)態(tài)信息處理技術(shù)得到空前的重視和應(yīng)用。但是由于成熟的時(shí)態(tài)模型和軟件產(chǎn)品并不多，大部分與時(shí)態(tài)相關(guān)的應(yīng)用只是借鑒當(dāng)前一些時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型，在實(shí)際應(yīng)用中仍然只能采用傳統(tǒng)技術(shù)，其時(shí)態(tài)部分的解釋是由應(yīng)用程序而非數(shù)據(jù)庫本身來進(jìn)行的。

新一代信息系統(tǒng)對(duì)時(shí)態(tài)信息處理技術(shù)的需求迫切而廣泛，因此具有廣闊的市場發(fā)展前景，時(shí)態(tài)信息處理理論、技術(shù)和應(yīng)用的研究及實(shí)踐活動(dòng)方興未艾。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型正朝著統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫查詢語言朝著產(chǎn)品化方向發(fā)展。由于SQL是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫查詢語言，所以時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫模型現(xiàn)在基本上都采用擴(kuò)充SQL模型，例如TSQL2模型、ATSQL查詢語言等等。另一方面，由于時(shí)態(tài)信息需求的多元化，導(dǎo)致時(shí)態(tài)信息的應(yīng)用也是多元化的。

四、結(jié)語

有別于傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫記錄中的元組部分屬性帶有時(shí)變的特性，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的一些基本概念、理論和性質(zhì)等方面都發(fā)生改變。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化是大勢(shì)所趨，時(shí)態(tài)信息應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。由于時(shí)態(tài)只是信息的重要屬性，時(shí)態(tài)信息產(chǎn)品將朝著嵌入式、面向領(lǐng)域的、面向應(yīng)用的中間件和軟件構(gòu)件等方向發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 湯庸. 高級(jí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社， 2008.

作者簡介：王曉東（1971—），男，漢族，湖北十堰人，副教授，主要研究方向：軟件開發(fā)。