（计算机应用技术专业论文）基于时态数据库的学籍管理系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着数据库与信息技术的深入和发展，时态信息处理己成为许多新 一代数据库与信息系统的关键技术。时态数据库将时间作为数据的属性 纳入系统的管理范畴，存储和管理多个时间状态的数据。在过去的二十 年里，时态数据库的理论研究己经取得了丰硕的成果，但是时态数据库 技术的应用仍然停留在初级阶段。目前应该在现有模型的融合和实现上 多做研究，同时不应该脱离现有的数据库和数据库发展的主流来研究专 门的时态数据库，应考虑如何在主流数据库上增加时态信息处理的功能。 论文中首先介绍了时态数据库的基本概念及其分类，研究了时态数 据库的实现方案，简述了时态数据库的特点以及发展时态数据库的意义。 其次，对目前时态数据模型“标准化”的代表成果t s q l 2 进行了深入 研究，在分析了t s q l 2 的双时态概念模型的定义以及双时态机制后，从 元组演算的角度，给出了双时态关系代数；分析比较了t s q l 2 的面向存 储的表示数据模型中的几种表示模式的存储方法；给出了这两种模型的 语义等价的描述，指出了各种表示模式的转化方法。然后研究了目前支 持t s q l 2 的查询语言a t s q l 2 的设计思想；从双时态关系代数分析它的 构造方法和原理；并结合实例，说明a t s q l 2 的使用方法。 最后，以武汉工程大学学籍管理中的存在的问题为背景，结合武汉 工程大学的学籍管理特点，提出了一种面向特定应用的、基于状态的时 态关系数据模型，并在此基础上开发了武汉工程大学的基于时态数据库 的学生学籍管理系统。此系统是在关系数据库的基础上，通过添加时态 查询模块来实现对时态学籍管理信息的处理。 本文的主要贡献在于： ( 1 ) 针对学生学籍管理业务流程，提出了一种面向特定应用的、基于状 态的时态关系数据模型，这种模型不仅能记录事实的变化历史、数 据库状态的变迁历史，还能有效的记录学生学籍管理中的业务流程 历史，使时态数据能更好的记录了事物发生发展的历史，为动态分 武汉工程大学硕士学位论文 析和预测提供丰富的数据，能进行过去、现在、将来的对比分析和 预测。 ( 2 ) 基于时态数据库的学生学籍管理系统的开发验证了目前在现有的关 系数据库基础上实现时态信息的处理是可行的，并给以后的时态数 据库的应用积累了一些技术和经验。 关键词：时态数据库；时态数据模型；t s q l 2 ；a t s q l 2 ；学生学籍管理 系统 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed a t a b a s et e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo f t e m p o r a li n f o r m a t i o nd i s p o s a lh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nm a n y n e wd a t a b a s e sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m s t e m p o r a ld a t a b a s e ss t o r ea n d m a n a g ed i f f e r e n tt i m e - s t a t ed a t a ，t a k i n gt i m ea s o n eo ft h ed a t aa t t r i b u t e s m a n a g e db ys y s t e m w i t h i nt h ep a s tt w e n t yy e a r s ，r e s e a r c h e so ft e m p o r a l d a t a b a s eh a v ea c q u i r e dg r e a ta c h i e v e m e n t s h o w e v e r ，t h e r ei sn oc o m p l e t e t e m p o r a ld a t a b a s em a n a g e m e ms y s t e my e tb yn o w ，w h i c hr e s u l t s i nt h e a p p l i c a t i o n so ft e m p o r a ld a t a b a s et e c h n o l o g yb e i n gi nt h ei n i t i a ls t a g e a t p r e s e n t ，m o r ea t t e n t i o n ss h o u l db ef o c u s e do nt h er e s e a s c ho fi n t e g r a t i o no f t h ee x i s t i n gm o d e l sa n di m p l e m e n t a t i o no ft e m p o r a ld a t a b a s e s ，a n dt h e r e s e a r c ho ft e m p o r a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts h o u l dn o tb es e p a r a t e df r o mt h e e x i s t i n gd a t a b a s ea n di t sm a j o rd e v d o p m e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no f t e m p o r a ld a t a b a s e s ，p u t sb a s i cr e s e a r c ho nt h eq u o m o d o so fi m p l e m e n t a t i o n o ft e m p o r a ld a t a b a s e s ，d e s c r i b e st h et r a i ta n ds i g n i f i c a n c eo ft e m p o r a l d a t a b a s e ss i m p l y s e c o n d l y ，t h i sp a p e rp u t si n d e p t hr e s e a r c ho nt s q l 2o nb e h a l fo ft h e c u r r e n tt e m p o r a ld a t am o d e l s t a n d a r d i z e d ”，a n a l y s i st h eb i t e m p o r a l c o n c e p t u a ld a t am o d e lo ft s q l 2 ，g i v e s t h eb i t e m p o r a lr e l a t i o na l g e b r af r o m t h ep e r s p e c t i v eo ft u p l ec a l c u l u s ；t h i sp a p e ra l s oa n a l y s i st h er e p r e s e n t a t i o n d a t am o d e lo ft s q l 2 ，c o m p a r e ss e v e r a lm e t h o d so fs t o r a g eo fr d m ， d e s c r i b e st h es e m a n t i ce q u i v a l e n to ft h e s em o d e l s ，p o i n t so u tt h ec o n v e r s i o n m e t h o d so fav a r i e t yo fm o d e l s a n dt h e n ，t h i sp a p e ra l s or e s e a r c h st e m p o r a l q u e r yl a n g u a g ea t s q l 2w h i c hb a s e do nt s q l 2 ，a n a l y s i sm e t h o d so fi t s s t r u c e t u r ea n dp r i n c i p l e sf r o mt h ea s p e c t so fb i t e m p o r a lr e l a t i o na l g e b r a ， d e m o n s t r a t e st h eu s eo fa t s q l 2w i t he x a m p l e s i i i 武汉工程大学硕士学位论文 l a s t l y ，t h e a u t h o r p r o p o s e s a s p e c i f i ca p p l i c a t i o n o r i e n t e d a n d s t a t e s - b a s e dt e m p o r a lr e p r e s e n t a t i o n a ls c h e m ei nt h eb a c k g r o u n do fs t u d e n t s t a t u sm a n a g e m e n to fw u h a ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ，an e w l ys t a t u so f s t u d e n tm a n a g e m e n ts y s t e mi sb u i l tu ps u b s e q u e n t l y t h es y s t e mi sb a s e do n r e l a t i o n a l d a t a b a s e ，b ya d d i n gt e m p o r a lq u e r ym o d u l et o a c h i e v et h e t e m p o r a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri s ： ( 1 ) as p e c i f i ca p p l i c a t i o n o r i e n t e da n d s t a t e s b a s e dt e m p o r a lr e p r e s e n t a t i o n a l s c h e m ei sb e i n gp r o p o s e da i m i n ga tb u s i n e s sp r o c e s so fs t u d e n ts t a t u s m a n a g e m e n t t e m p o r a ld a t ab a s e do n t h i sm o d e lc a nn o to n l yr e c o r dt h e h i s t o r yo f t h ef a c t si nr e a l w o r l d ，a n dt h ee v o l u t i o nh i s t o r i c a lo fd a t a b a s e s t a t e s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l l yr e c o r d st h eh i s t o r yo fb u s i n e s sp r o c e s s i n g ， w h i c hc a np r o v i d e si n f o r m a t i o na b o u tt h i n g sa ta n yt i m ef o rc o m p a r i n g t h ep a s t ，t h ec u r r e n t ，t h ef u t u r eo f t h i n g s ( 2 ) s t u d e n ts t a t u sm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt e m p o r a ld a t a b a s et e s t i f y s t h a ti m p l e m e n t a t i o no ft e m p o r a li n f o r m a t i o nb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l r e l a t i o nd a t a b a s e si sf e a s i b l e ，a n da l lt h e s ew o r kp r o v i d e st e c h n o l o g i e s a n d e x p e r i e n c ef o rf u t u r ei m p l e m e n t a t i o no ft e m p o r a ld a t a b a s e k e y w o r d s ：t e m p o r a ld a t a b a s e ；t e m p o r a ld a t am o d e l ；t s q l 2 ；a t s q l 2 ； s t u d e n ts t a t u sm a n a g e m e n ts y s t e m ( s s m s ) i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：翔氟 妒9 年6 月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密0 。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：与笨1 ) ，3 年l ，月弘e t 指导教师签名：寥砝彬 z 罐年占月垆日 第1 章绪论 第1 章绪论 时间是自然界无所不在的客观属性，所有信息都具有相应的时态属 性。随着数据库和信息技术的深入和发展，信息系统面i 瞄着许多新的应 用，对时态信息处理的需求越来越迫切【l 】。 传统的数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 虽然定 义了时间数据类型，但它没有对时间作专门的处理，而只是作为一般属 性值进行存储和管理。传统数据库管理系统也提供了一些修改操作( d m l ) 实现了数据库状态之间的变迁，但随着时间的改变，新的状态会覆盖旧 的状态，数据修改语句一旦提交，旧的状态就会在数据库管理系统中消 失。因此，传统数据库只反映了一个对象在某一时刻的状态( 快照) ，而不 联系其过去和未来，传统数据库管理系统只是保存了数据库的最近状态， 不能记录数据库状态的变迁历史。 然而，现实中很多新的应用都需要保留和管理被处理对象的历史信 息或数据库系统中元事件的时态信息，例如，保留与自然灾害( 地震、 气象、水文、洪涝等) 有关的历史资料，保留人事、财务、金融方面的 历史资料等，旨在方便揭示事物发展的本质规律【2 】；保留数据库被删除、 修改的时间，保留多用户系统中对锁定排队以及资源竞争协调的时标等， 以提高数据库系统的可靠性和效率。 传统数据库管理系统保存历史数据并不困难，通过备份不同时刻的 数据就可以实现，只是要求更多的磁盘空间。然而困难的是如何实现多 个时间状态的数据的管理功能，例如提供种能够查询多个时间状态的 数据的查询语言( 即具有时态语义的查询语言，t e m p o r a lq u e r y l a n g u a g e ) ；如何才能维护时态数据库状态的一致性。 时态数据库的产生和发展源于传统数据库的时态危机，传统的关系 数据库无法彻底解决一些时态处理问题：它们虽然可以通过二维关系表 武汉工程大学硕士学位论文 示时间的跨度，但不免造成数据冗余；又或者使用三维表，定义一个时 间维，但这样又无法准确地划分时间段 3 1 。为了解决这些问题，研究者对 以往的数据库系统进行一次改革，在传统的数据库系统中加上时态属性， 并且对与时间有关的问题进行新的定义和操作，这样就建立了一种新的 数据模型时态数据模型。在这种模型上对时间问题进行定义，然后 对这个模型进行关系代数的定义和操作，进而可以实现查询语言的定义 或改进。这就形成了一种新的数据库，即时态数据库【4 1 。 虽然理论上时态数据库拥有传统数据库无法比拟的优点，但迄今为 止，在实践中还没有真正实现一个既具有传统数据库的功能，如数据定 义、存储、完整性控制等，又能实现时态处理的完整的时态数据库。也 没有出现过能够进行时态处理的商业数据库管理系统。这就使得时态数 据库的理论得不到实际应用的检验，阻碍了时态数据库的推广和发展。 究其根本原因在于：理论研究多、实际应用少；数据模型多、软件工具 少；以模型划分的门派多、支持时态处理的厂商少【5 1 。因此，在时态数据 模型和查询语言的基础上，如何实现一个实用的时态数据库对于推动时 态数据库的研究已经到了刻不容缓的地步。 1 2 国内外研究现状与发展方向 时态信息的需求与技术实际上一直伴随着数据库技术的发展而产生 和发展。关于时态数据库的起源与发展，国际时态数据库权威学者a t a n s e l 、j c l i f f o r d 、s j a j o d i a 、a s e g e v 和r t s n o d g r a s s 等在1 9 9 3 年共同 主编的( ( t e m p o r a ld a t a b a s e ：t h e o r y ，d e s i g n ，a n di m p l e m e n t a t i o n ) ) 收集了此 前时态数据库几乎所有的重要成果。我国学者唐常杰教授对时态数据库 技术前2 0 年的发展做了系统回顾。但是，到2 l 世纪的今天，时态信息 处理的研究与应用出现了许多新的进展。通过多年的研究，参阅大量文 献，特别是国内外最新研究动态和应用成果，可以将时态信息技术的起 源与发展分为三个时期：开创期( 1 9 8 2 年以前) 、发展期( 1 9 8 3 年至1 9 9 3 年) 、 思索与应用期( 1 9 9 4 年以来。 2 第1 章绪论 1 2 1 开创期 时态特性是信息的客观存在，早在7 0 年代就有人关注到时态信息的 应用。例如，1 9 7 0 年g w i e d e r h o l d 和j f f r i e s 研制的医疗系统在处理时 态信息方面作了较早的尝试；1 9 7 7 年，k a h nk e t a l ( ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) ) 上发表的( ( m e c h a n i z i n gt e m p o r a lk n o w l e d g e 反应了早期关于时态信息 的基础性研究工作。到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，数据库技术的日渐 成熟和大容量高速存储设备的发展为时态数据库技术的产生与应用创造 了条件。加州大学洛杉矶分校j b e n z v i 和纽约大学的j c l i f f o r d 在1 9 8 2 年完成的博士论文是时态数据库技术开创期的两个标志性成果。 j b e n z v i 在1 9 7 9 年到1 9 8 2 年间对时态数据库技术进行了系统的研 究，在1 9 8 2 年完成的博士论文t h et i m er e l a t i o n a lm o d e l ) ) 。其主要贡 献包括：提出了时态数据库模型，以时间区间作字段值，提出了n i n f ( 非 m ) 的t d b ( t e m o r a ld a t a b a s e ，时态数据库) ，突破了数据库字段值只 能是一个数或串的局限，引入了后来被称为双时态( b i t e m p o r a l ) 的概念， 即用有效时间( v a l i dt i m e ) 表示被管理对象在库中生命周期，用事务时间 ( t r a n s a c t i o nt i m e ) 表示数据库本身的历史，引入了时态索引结构。这些概 念和思想一直沿用至今，标志着时态数据库的形成。 同样是在1 9 8 2 年，纽约大学的j c l i f f o r d 完成了其博士论文a l o g i c a lf r a m ew o r kf o r t h et e m p o r a ls e m a n t i c sa n dn a t u r a ll a n g u a g e q u e r y i n go fh i s t o r i c a ld a t a b a s e ) ) ，并发表了一系列论文。他的主要贡献 是对历史数据库做了开创性工作，提出了h r d m ( h i s t o r i a lr e l a t i o n a l d a t am o d e l ) 模型。他研究了在关系、元组、字段值上加入时态信息的技 术细节，引入了历史关系模型、历史关系代数，将传统关系数据库当作 历史数据库的一种特例，即当把区间缩小为一点m o w ，n o w 时的历史数 据库。此后的2 0 多年来，j c l i f f o r d 博士一直活跃在时态数据库前沿。可 以说时态数据库是在1 9 8 2 年正式形成的。 3 武汉工程大学硕士学位论文 1 2 2 发展期 1 9 8 2 年以后，t d b 的研究开始走向繁荣时期。此后的十年中，计算 机学术界对时态数据库给予了极大的关注，发表了数以千计的论文( 以e 1 检索为例，1 9 8 2 年到1 9 9 4 年间包含“t e m p o r a ld a t a b a s e 和“t e m p o r a l i n f o r m a t i o n ”的论文有2 0 0 0 多篇) ；学术界提出了数以百计的时态数据库 模型和时态信息处理方法。此阶段，国际上一些有名大学和研究机构涌 现出一大批研究学者，形成了一批专门的时态数据库研究团体。最主要 的研究团体集中在美国纽约大学、依阿华州立大学、加州大学伯克利分 校、南加利福尼亚大学、亚利桑那大学、h p 公司和b e l l 公司的专业实验 室等。 这个时期标志性成果是a t a n s e l 、j c l i f f o r d 、s g a d i a 、s j a j o d i a 、 a s e g e v 和r t s n o d g r a s s 等在1 9 9 3 年共同编辑出版的t e m p o r a l d a t a b a s e ：t h e o r y , d e s i g n ，a n di m p l e m e n t a t i o n ) ) ，该书被称为“世界第一本关 于时态数据库专著。该书对此前国际时态数据库技术的研究给出了全面 的总结。书中列出二十年来t d b 文献5 0 0 余篇，文献作者遍及美国、欧 洲、中国、日本、印度、瑞士、土耳其等。收录了国际时态数据库方面 重要学者的研究成果和时态数据库模型。书中列出这1 3 种最有影响的时 态数据模型，除了前面提到j b e n z v i 和j c l i f f o r d 的模型外，其他1 1 种 模型如下： 1 t e m p s q l ，s h a r s h i k g a d i a & s n a i r ，1 9 8 5 2 i x r m ( i n t e r v a l e x t e n d e dr e l a t i o n a lm o d e l ) ，n i k o s a l o r e n t z o s ，19 8 7 3 t r m ( t e m p o r a lr e l a t i o n a lm o d e l ) & t s q l ，s b n a v a t h e ，19 8 7 4 h s q l ( h i s t o r i c a lq u e r yl a n g u a g e ) ，n l s a r d r a ，19 8 7 5 t q u e l ，r t s n o d g r a s s ，19 8 5 6 t r c ( t e m p o r a l r e l a t i o n a lc a l c u l u s ) ，a b d u l l a ht a n s e l ，19 9 2 7 t e e r ( t e m p o r a lq u e r yl a u g u a g ef o re n h a n c e de n t i t y r e l a t i o n s h i pm o d e l ) ，r e l m a s r i ，19 8 5 4 第1 章绪论 8 t d m ( t e m p r a ld a t am o d e lb a s e do nt i m es e q u e u c e ) ，a r i e s e g e v & a r i es h o s h a m ，1 9 8 8 9 o o d a p l e x ( o b j e c to r i e n t e da p l e x ) ，u d a y a l ，19 8 9 10 o b j e c t h i s t o r y ，s g i n s b u r g ，t a n a k a ，c j t a n g ，19 8 3 1 1 t e m p o r a ld e d u c t i v ed a t a b a s e ，m a r i a n n eb a n d i n e ta n ds oo n ， 1 9 8 9 这段时期重要特征是时态数据库理论研究和时态数据模型探讨，因 而时态模型多，原型系统少，实际应用少。 1 2 3 思索与应用期 经过2 0 世纪8 0 年代末的“百花齐放 ，19 9 3 年a t a n s e l 、j c l i f f o r d 等人的( ( t e m p o r a ld a t a b a s e ：t h e o r y ，d e s i g n ，a n di m p l e m e n t a t i o n ) ) 可以说是 划上了一个“分号 。此后，学术界的观点和认识逐步趋向“统一，从早 期的基于关系代数，到后来的c a l c u l u s b a s e d 、d a t a l o g b a s e d 、o o 等， 现在基本上采用扩充s q l 模型，时态模型没有新的突破。1 9 9 4 年后人们 开始进入“思索”阶段，如何将时态数据模型“标准化”和“产品化是这个时 期重要特征。 在“标准化 方面，代表性成果是r t s n o d g a r s s 等人在19 9 4 年提出 的双时态数据模型t s q l 2 ，t s q l 2 是对s q l 9 2 语言标准时态的扩充， 并提出将t s q l 2 的相关结构集成到s q l 3 标准。1 9 9 6 年已将增加有效时 间和事务时间的s q l t e m p o r a l 方案分别于5 月和1 0 月提交到i s o 和 a n s i 委员会，但是，时态数据模型标准化的道路还需要探索。美国 c h r i s t i a ns j e n s e n 、j c l i f f o r d 、r t s n o d g a r s s 等在2 0 0 0 年合作编写的 ( ( t e m p o r a ld a t a b a s em a n a g e m e n t ) ) 是这阶段重要文献。 在“产品化”方面代表性成果是瑞士t i m e c o n s u l t 公司于19 9 8 年推出 的t i m e d b 2 0 ，目前已发布b e t a4 。t i m e d b 是一个双时态关系数据库系 统，支持j a v a 、j d b c 。它基于s q l 查询语言，支持时态查询语a t s q l 2 ( a p p l i e dt s q l 2 ) 。a t s q l 2 基本模型源于r t s n o d g r a s s 的t s q l 2 语言， 并结合丹麦a a l b o r g 大学的m i c h a e lb o e h l e n 提出的c h r o n o l o g 模型和瑞 武汉工程大学硕士学位论文 士a n d r e a ss t e i n e r 的b i t e m p o r a lc h r o n o s q l 模型。a t s q l 2 的语句( 包括 查询、更新和断言等) 被编译成标准的s q l 9 2 语句在后台执行，这种方 法确保了它在不同的平台和不同的数据库管理系统中的兼容性。但是目 前t i m e d b 还在完善之中，仍然没有能够真正“产品化 。 这个时期的另一个重要特征是“时态信息的应用”。8 0 年代中后期， 由于计算机相关技术的迅速发展，特别是网络与多媒体等技术的发展。 应用领域的许多新需求能够得以实现，时态信息的应用就是一个重要方 面。主要应用领域包括：地理信息系统、农业信息系统，电信信息系统， 电子商务，智能决策支持系统，数据仓库与数据挖掘等，特别是时空 ( s p a t i o t e m p o r a l ) 信息技术和多媒体信息技术的时态应用。但是，由于时 态数据库理论与模型还不够成熟，时态信息产品还没有形成，这个时期 的应用大多只是借助了时态数据库的一些概念，仍是在传统的关系数据 库上实现时态关系和时态操作【l 】。 目前，时态信息技术仍处于研究和发展阶段，其研究主要来自两个 领域：人工智能和数据库【6 7 8 】。其研究核心仍然是时态数据模型和时态推 理 6 , 7 , 8 1 。现在，时态数据模型研究朝着统一化和标准化的方向发展，时态 数据库的查询语言朝着产品化的方向发展。但是这些方面的工作仍然任 重而道远。作为数据库领域主流模型理论和应用研究的一个补充，时态 数据库模型不会脱离和抛弃关系数据库这一主流，而是在关系数据库上 添加处理时态信息的能力【l 6 1 。“时态“将作为一个功能性修饰词【2 1 。时态 信息的产品将朝着嵌入式“、基于主流数据库技术与平台、面向领域的、 面向应用的中间件和软件构架发展【l 】。另外，时态数据库的有效时间反映 了事物发生发展的过程，有助于揭示事物发展的本质规律，同时它的事 务时间反映了系统中元事件的时态信息，有助于提高数据库系统的可靠 性和效率，因此t d b 在历史+ 现状一未来的机制上，在d m 和k d d 方 面的应用将是大有可为鲥引。 1 3 本文工作 针对目前时态数据库的研究现状和发展趋势，本文主要进行了以下 6 第1 章绪论 几方面的研究工作： 1 理论研究 鉴于时态数据模型逐步统一化和标准化，以及时态数据库查询语言 逐步产品化的发展趋势，深入地研究和分析了时态数据模型t s q l 2 和时 态数据库查询语言a t s q l 2 。其中，t s q l 2 是目前“标准化”的时态数据 模型，a t s q l 2 是目前“产品化的时态数据库查询语言。 2 应用研究 在深入研究时态数据模型的基础上，以武汉工程大学学籍管理为背 景，并结合其业务流程特点，采用国家教育部颁布的教育管理信息化 标准中的元数据，构建了武汉工程大学基于时态数据库的学生学籍管 理系统。 目前，时态数据模型还没有得到完全统一，本文的创新点在于： ( 1 ) 在研究分析其他时态数据模型的基础上，结合武汉工程大学学 籍管理中对时态信息的处理要求，提出了一种面向特定应用的、基于状 态的时态关系模式。 ( 2 ) 在上述模式下，结合国家教育部颁布的教育管理信息化标准 中的元数据，建立了学生学籍基础库。 1 4 论文安排 本文共分六章，各章的主要内容如下： 第l 章主要阐述了本文的选题依据、研究意义以及相关的国内外研 究现状和发展，最后说明了本文的主要工作。 第2 章介绍了时态数据库的一些基本概念，研究了时态数据库的分 类、时态数据库的实现方案以及时态数据库的特点。 第3 章讨论了时态数据模型t s q l 2 的设计框架；分析了t s q l 2 双 时态概念模型的定义、双时态机制，并且从元组演算的角度，给出了双 时态关系代数；研究了t s q l 2 面向存储的表示数据模型，结合实例，说 明了几种表示模式存储方法，并且比较了这些表示模式的的优缺点；最 后给出了这两种模型的语义等价的定义，指出了各种表示模式的转化方 7 武汉工程大学硕士学位论文 法。 第4 章讨论了时态查询语言a t s q l 2 的设计思想；分析它的构造方 法和原理；结合实例，说明a t s q l 2 的使用方法。 第5 章探讨了基于时态数据库的学生学籍管理系统开发背景、必要 性、可行性以及系统构架，结合学生学籍管理的时态需求分析，给出了 基于时态数据模型的概念设计和逻辑表示模式设计。 第6 章介绍了基于时态数据库的学生学籍管理系统的开发环境，给 出了数据表设计中的相关事宜及数据表结构，然后重点介绍了系统实现 中的时态查询模块，展示了部分系统运行界面。 最后进行了论文总结。 第2 章时态数据库技术研究 第2 章时态数据库技术研究 传统的数据库管理系统只反映了一个对象在其发展全过程中某一个 时刻的状态，并不能很好地反映与存储其过去和未来的相关信息。所以， 随着数据库技术的广泛应用，人们对时态信息的管理提出了两个要求：一 是要求管理被处理事件的历史性信息；二是要求管理数据库系统中元事 件的时态信息【6 1 。为此，引入了时态数据库的概念。 2 1 基本概念 时态数据库中比较基本和关键的概念，主要包括时间模型( t i m e m o d e l ) 、时间元素( t i m ee l e m e n t ) 、事件( e v e n t ) 和状态( s t a t e ) 、时间粒 度( t i m eg r a n u l a r i t y ) 与时间量子( c h r o n o n ) 、有效时i n - ( v a l i dt i m e ) 与事务 时间( t r a n s a c t i o n t i m e ) 。 2 1 1 时间模型 在自然界中，时间每时每刻都存在、连续发生且一去不复返，它在 时间轴上是连续不问断的。从计算机科学的角度看，如何量化时间，这 关系到如何确定时间模型。因为如果按照现实世界的本来面目来记录时 问，则数据量过于庞大，而且人们往往并不需要获取现实世界所有时间 的状态。解决这一问题的方法是对时间建模，这样使得它不仅能应用到 数据模型中，而且能满足不同应用场合的要求。 基于对时间轴结构的选择，可以对时间模型作如下几种划分【l o 】。 1 连续模型( c o n t i n u o u sm o d e l ) 连续模型把时间同构于实数，每一个实数对应一个时间点。因此， 在时间轴的两个时间点之间，可以存在其它的时间点。这种模型能够最 精确的为时间建模，但是由于现代计算机基于数字逻辑的工作方式，不 可能无失真的记录时间。在许多实时控制场合，例如工业控制领域，需 9 武汉工程大学硕士学位论文 要记录大量随时间不断变化的数据。在这种情况下，往往采取采样的方 式记录数据变化，对相邻时间点之间的数据使用插值的方法得到。 2 步进模型( s t e p w i s em o d e l ) 步进模型把数据的状态看成是时间的函数。当时间点上的数据状态 发生变化时才记录状态变化，否则保持不变。在这种模型下，时间序列 任一点上数据的值对应着上一次数据改变时所保持的状态，如果要查询 当前数据的取值，需要回溯。 3 离散模型( d i s c r e t em o d e l ) 离散模型把时间和整数映射起来，在相邻的两个时间点之间不存在 另一个时间点。任一时间点均有前驱和后继时间点。在实际应用中，该 模型适用于记录那些在关键时间点上才有意义的数据。 4 恒定模型( n o nt e m p o r a lm o d e l ) 顾名思义，有些数据是不随时间变化的，例如：籍贯、出生地等。这 些数据是它本身固有的属性，但在另一种情况下往往会有时态属性。例 如：住址、身份、工作单位等。在建模时通常没有充分考虑值随时间变化 的情况，发生变化时，则用最新值进行替换。 2 1 2 时间元素 时间元素指的是时间属性值的元素，它对正确有效的表达记录的时 间属性有着重要的意义。在计算机系统中描述基本的时间元素一般有以 下三种形式【1 1 】： 1 基于点( p o i n t b a s e d ) 的时间元素 基于点的时间元素又称为时间点，它把时间看成是一个个离散的点， 这些离散化的时间点的间隔大小适度时，就可以准确的描述现实世界事 件发生及变化的状况。比如现实的生活中用年、月、日、小时、分、秒、 毫、秒等不同单位描述时间就是时间点的体现。可以看出，时间点是时 间轴上的一点，并且与时间粒度相关的。 1 0 第2 章时态数据库技术研究 2 基于区i n ( i n t e r v a l b a s e d ) 的时间元素 基于区间的时间元素的基本单位为时间跨度( t i m es p a n ) 或时间区间 ( t i m ei n t e r v a l ) 。时间跨度通过时间长度表示持续的一段时间。例如“一年 零二个月”在计算机系统里表示为一个整数。时间区间通过时间段的起始 点和终止点表示持续的一段时间。一般用 和】，分别表示左右闭区间， “( ”和“) ”分别表示左右开区间。利用时间区间也可以方便地描述时间，令 露，只分别表示时间轴上的两个时间点，当只：只，时间区间便可理解为延 续时间为o 的一段时间，即时间轴上的某个时间点。 3 时态元素( t e m p o r a le l e m e n t ) 时态元素是指有限个时间区间的并集。这些时间区间的有穷并集称 为时态元素，例! z h 1 9 8 0 ，1 9 9 0 ) ，【1 9 9 2 ，1 9 9 4 ) ) 。采用时态元素的优点 是使之在理论上具有更好的代数结构，使之具有封闭性。 2 1 3 时间量子与时间粒度 时间量子( c h r o n o n ) 是计算机所能支持的最小的、不可分割的时间间 隔。客观世界中的时间，离散化的程度可以任意小，但是计算机系统的 离散化程度是受到机器性能的影响与制约的。可见，时间量子是系统记 录时间属性的精确程度的一个度量，时间量子越小，系统记录的精确度 就越高【1 2 1 。时间粒度( t i m eg r a n u l a r i t y ) 是指描述时间数据的最小单位， 用于表示时间点之间的离散化程度。时间粒度反映了时态信息系统中时 间点描述的最小单位，时间粒度越小，离散的时间点就越多，描述的事 件变化的信息就越精细准确；反之，描述的事件变化的信息越粗糙。所 以，时间粒度的大小是要受到时间量子的限制的。 2 1 4 事件与状态 事件和状态是时态数据库中最重要的一对基本概念之一。事件和状 态具有二重性和二元性【1 3 】。一个对象( 实体) 在其生命期( l i f e s p a n ) 里有不 同的状态，事件是对象从一个状态变化到另外一个状态的过程【1 3 】。一般 武汉工程大学硕士学位论文 来说，在数据库中事件采用时刻的方式表示，而状态则采用时间区间表 示，类似于空间中的点和线的关系。事件和状态具有二元性，由事件可 以导出状态，由状态可以导出事件。但两者不是对等的【1 3 】，个事件的 产生标志着一个状态的开始，相应的另一个事件的产生，标志着该状态 的结束【1 4 1 。事件和状态是可以相互转换的，当事件以一个更小的时间单 位来表示时，事件就变成了一个单一状态。 2 1 5 有效时间与事务时间 有效时间【6 ，1 2 ，1 5 ，1 6 1 是指一个对象( 事件) 在现实世界中存在的那段时 间，或者该对象在现实世界中为真的时间。它既可以是过去和现在的时 间，也可以是将来的时间。有效时间可以是单一的时间点、单一的时间 区间，或者是时间点的集合、时间区间的有限集合，也可以是整个时间 域。也就是说，元组的属性可以在任意的时间点、任意的时间区间里取 值为真。与用户自定义时间不同，当查询语句被检测到有时态语义的时 候，有效时间是由数据库系统解释的，而且有效时间是可以被更新，其 提供和更新是由用户来完成的【1 2 】。 有效时间，常用 f r o m ，t o 区间来表示，其中f r o m 表示有效时间起 始值，t o 为有效时间截止值，即事物处于某一状态时的起始时间和截止 时间。但是，由于在实际应用中，存在截止时间为未来某个未知时刻的 情况。所以，引入了时间变元n o w 6 , 1 2 , 1 3 , 1 7 , 1 8 , 1 9 。该值会随着当前时间的 变化而变化，记录着随时间变化的信息，它的有效值依赖于当前时间。 时间变元