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基丁o d m o 的对象数据库时态扩展模型 摘要 人们在研究时态数据模型的时候，大都把注意力集中时态关系模型上，然而 由于关系数据库自身的种种不足，在对象数据模型基础上研究时态数据成为了一 种必然。由此，本文的目的是研究对象数据库的数据模型，对对象数据模型进行 时态扩展以实现一个时态对象数据模型。 目前对象数据库还没有实现标准化，所以对象数据库的研究应用还没有得到 重视，而对象数据库o d m g 标准f 在努力规范促使各对象数据库产品的标准化。 于是本文通过对时态数据库技术和0 d m g 对象模型的研究，提出了在o d m g 对 象模型进行了时态扩展的方法。 本文的对o d m g 对象模型的时态扩展方法是通过定义新的抽象数据类型及 相关操作来实现的。本文定义了时间相关类型，以表示和操作时间，并给出了时 间其的详细设计和实现描述。本文还采用扩展时态方法中的时念属性模式，定义 了了时态属性( 和时态联系) 类型，以实现时态数据的表示和操作，并且给出了 时态属性( 和时态联系) 类型的详细设计和实现描述。 在数据操作方面，本文分析了对象数据库的操作特点，设计了一定的代数操 作来实现数据库的操作。本文通过调用时态属性( 和时态联系) 的方法来实现时 态数据的增、删、改、查；另外本文通过设计一个时态内连接操作t i i o i i l 来获得 时态属性的同步变化情况。 本文的时态扩展方法可以作为一个时态对象数据模型，为丌发时念对象数据 库作借鉴。 由于时态对象模型可以很好的实现属性异步变化，也可以通过代数操作实现 属性同步变化的查淘，并且由于对象数据模型本身有建模、数据处理、模式演变、 祸合性、阻抗匹配等优势，因此随着对象数据库标准化的推进，对象数据库会得 到有良好的应用，尤其是时态对象数据库具有良好的应用前景。 关键词：对象模型，o d m g 对象模型，时间相关类型，时态属性，时态联系 兰王竺里竺旦堕型墨塾塑壁堕查芝垦堡型 一坚! ! ! 生 a b s t r a c t p e o d l ea l m o s tf o c u st h ea t t e n t i o no 玎t e t n p o r a lr e h t i o nm o d e lw h i l et h e y s t u d y i n gt e m p o r a ld a t am o d e l ，h o w e v e r ，b e c a u s eo “h ev a r i e t yo ft h eb u 萨j n r e l a t i o nd a t a b a s ei t s e l f ，t h er e s e a r c ho ft 色m p o r a ld a t ab a s e do 0 b j e c td a t am o d e l h a sc o m et ob ear e c e n tt r e n d t _ l l ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st os t u d yt h ed a t an l o d e lo f o b j e c td a t a b a s e ，t oe x t e n dt h eo b j e c td a t am o d e lw j t ht i l e s oa st oa c h i e v ea t e m p o r a lo b j e c td a t am o d e l 0 b j e c td a t a b a s eh a sn o ty e tb e e ns t a n d a r d i z e ds o 白r ，s ot h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f0 b j e c td a t a b a s eh a v e n tg o te n o u 曲r e g a r d s h o w e v e rt h e0 b j e c t d a t a b a s eo d m gs t a n d a r di s w o r k i n g h a r dt os t a n d a t d i z ea i l d u i g e t h e s t a n d a r d i z a t i o no fe v e r y0 b j e c td a t a b a s cp r o d u c t t h i sa r t i c l ew i l ls t u d yt h ct c m p o r a l d a i a b a s et e c h n i q u ea n d0 d m g0 b j e c tm o d e lf i r s t ，t h e nb r i n gf o n a r dam e t h o dt o e x t e n dt h eo d m g0 b j e c tm o d e lw i l ht i m e ，t l l f o u 班 t h em e t h o do fe x t e n d i i l gt oo d m go b j e c tm o d e lw i t ht i l l l ei sa c h i e v c db y d e f i n i n gn e wa b s t r a c td a t at y p ea n dc o r r e h t i v eo p e r a t j o 璐t h i sa n i c l ed c f 抽e st i l n e r e l a t e dt y p e st or c p r e s e m 删m a n i p u l a t et j m e ，姐dp r e n tt h ed e t a i k dd e s 垃na n d i m p l e m e n t a t j o nd e s c r i p t i o n so ft j l n ec o n o e r n i n gt y p e s t h j sa r t i c l ea d o p tt h et e m p o r a i a t t r i b u t ep a t t e mi nt h et e m p o r a l l ye x i e n s i o nm e t h o d ，a n dd e 助e st e l p o r a la t t r i b u t e ( t e m p o r a la s s o c i a t j o n ) t y p ei no r d e r t oi m p l e m e mt h er e p r e s e m a t i o n a l l dm a n i p u l a t i o n o ft e n l p o r a ld a t a ，a n dp r e s e mt h ed e t l e dd e s i g na n di 珈p k m e n t a t i o nd e s c r i p t i o n so f t h et e m p o r a la t t r i b u t e ( t e m p o r a la s s o c i a t i o n ) t y p e o nt h ed a t am a n i p u l a t i o na s p e c t ，t h i sa n j c l ea n a l y z e so p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f o b j e c td a t a b a s e ，d e s 远n sac e n a i l io fa l g e b r ao p e r a t j o n st oi m p l e m e mt h eo p e r a t i o n s o fd a t a b a s e b yu t i l i z i i i gt h em e t h o do ft e 瑚p o r a l a t t r i b u t e ( t e l p o r a la s s o c i a t i o n ) ，t h i s a n i c l ei m p l e m e n t si n s e r t ，d e l e t e ，m o d i f 弧a n dq u e r yo ft e m p o r a ld a ta o nt h eo t h e r h a n d ，t h i sa r t i c l ed e f i n e sat 埒o j i lo p e r a i i o nt oo b t a i nt h es y n c h f o n i z e dc h a n g i n g c o n d i t i o n so ft e 珊d o r a la t t 矗b u t e i i 兰三竺坚鱼塑型叁塑塑生! ! 查芏壁塑型垒堕竺竺 t 1 l et e m p o r a le x t e n s i o nm e t h o di nt h i sa r t i c l er e p r c s e n t sat e m p o r a lo b j e c td a t a m o d e l ，a n dc a nb ear e f c r c n c et ot h ed e v e l o p m e mo ft e m p o r a lo b j e c td a t a b a s e s i n c et h et e m p o r a lo b j e c tm o d e lc a np e r f e c t l ya c h i e v et h ec h a n g eo fa l t r i b u t e a s y n c h r o n i s ma n da l s oc a na c h i e v et h eq u e r yo ft h es y n c n i z e dc h a n g i n g n d i t i o n s o ft e m p o r a la t t r i b u t et l l r o u g ha l g e b r ao p e r a t i o n a n db e c a u s et h eo b j e dd a t al n o d e l i t s e l fh a st h ea d v a n t a g eo fi n o d e l i n g ，d a t ap r o c c s s i n g ，p a t t e me v o h ，e m e n t ，0 d u p l i i l g e t c o d b m se s p e c i a l l yt o d b m sh a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p c c t s k e y w o r d s ：o b j e c tm o d e lo d m go b j e c tm o d e l ， t i m er e l a t e dt ) r p e ，t e m p o r a l a t t r i b u t e ， t e i i l p o r a lr e l a t i o n s h i p 一 基于o d m g 的对象数据库时态扩展模型第1 章综述 1 1 研究背景 第1 章综述 现代应用要求灵活的操作时态信息，时态数据库技术就是在这种需求的推动 f 发展起来的。对于工业控制、历史资料( 如自然灾害，人事，财务等方而) 管 理等应用来说，时态数据库应用的需求更为突出，因此人们开始了对时态信息的 研究，并提出了各种各样的时态数据模型。 人们在研究时态数据模型的时候，大都把注意力集中在了关系模型和时态信 息结合起来的方向卜，并提出了多种时态关系模型。而由于关系数据库缺乏对复 杂对象的表述能力、数据库访问方式和程序语言不匹配、不支持面向对象中的一 些概念等的种种不足，时态关系模型在实际应用中自然面临着许多问题。 面向对象数据库能够管理复杂对象( 如列表、矩阵、数组等) 、模拟复杂对 象的复杂行为、具有强有力的类型定义工具；使用面向对象方法进行时态数据库 建模，可以使得开发起来具有简洁性和规范性；而结合采用的面向对象数据库， 将数据库系统的特性与面向对象程序设计语言的特性结合起来，能有效解决数据 库编程语言所提供的数据类型与程序设计语言的不一致的问题，使得从一个环境 转换到另一个环境时不再需要附加很多代码【2 】。因此在对象数据模型基础上研究 时态数据成为了一种必然。 1 2 对象数据库的发展和应用现状 对象数据库在我国的研究还很少得到重视，我国现有的文献书籍中，一般都 是翻译国外的文章，仅对对象数据库系统的一般概念进行介绍，对于对象数据模 型、对象查询模型并没有多少深入描述。并且对象数据库的应用存我国很少，一 方面由于对象数据库的启动有一定理论和应用风险，另一方面是开发者对对象数 据库及其产品不熟悉。 对象数据库在国外的研究和应用早就得到一定程度的重视。目前已有不少公 基于o d m g 的对象数据库时态扩展模型 第l 章综述 司都在使用对象数据库系统作为其数据库平台，还有不少学者和机构在对象数据 库方面进行了大量的研究。 在对象数据的标准化方面，0 d m g 组织已经提出了o d m g 3 0 标准：主要包 括0 d m g 数据模型，0 d l 对象定义语占，o q l 对象查询语言，j a v a 、s m a l l t a u ( 、 c + + 绑定接口等。对于o d m g 对象模型，本文将在第3 章详细描述。虽然o d m g 1 9 9 3 年提出0 d m g l 0 至今已有十余年，然而市面上完全支持0 d m g 标准的对 象数据库产品还是很少，各对象时念数据库仍然使用各自的数据模型。表1 1 中 总结了主要的几个商业对象数据库系统产品对0 d m g 标准的支持情况1 3 】f 舢。 表1 一l 各商业数据库系o d m g 的支持情况 对象数据库系统 0 d l 0 0 lj a v a 绑定c + + 绑定s t n a l l n l l 【绑定 f a s t o b j e c t不支持支持支持不完全支持不支持 g e m s t o e 支持不支持不支持支持支持 j a s n 讧n e 不支持支持不支持支持不支持 m s t i s 支持支持 支持支持支持 不支持0 0l o b j e c 洲t y d b 口】部分支持部分支持支持 支持 但提供0 0 s o l o b j e c t s l o f e不支持不支持支持不完全支持 不支持 v t r s a n t 不支持不支持支持支持 不支持 可见各对象数据库产品或者不支持使用功能强大的o q l 等，或者不能完 全支持从j a v a 、c + + 绑定到o d m g 的转换，几乎还没有完全遵循o d m g 标准 各方面的产品。 1 3 时态关系数据库的研究现状 1 ，3 1 时态关系数据库的发展与现状f 1 】【3 8 】 j b e nz v i 在1 9 8 2 年提出了时态数据库模型，以时问区间作字段值，提出 了n l n f ( 非1 n f ) 的t d b ，突破了数据库字段值只能是个数或串的局限，引入 了后来被称为双时态的概念，即用有效时间表示被管理对象在库中生命周期，用 事务时间表示数据库本身的历史，引入了时态索引结构。同时，j c l i f f o r d 对 历史数据库的做了开创性工作，提出了h r d m 模型，研究了在关系、元组、字段 值上加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 基于o d m g 的对象数据库时态扩展模型 第l 章综述 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( n o w ，n o w ) 时的历 史数据库。 1 9 8 2 年以后的十年中，计算机学术界对时态数据库给予了极大的关注，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。这段时期重要特征 是时态数据库理论研究和时念数据模型探讨，因而模型多，但原型系统少，实际 应用少。 1 9 9 4 年后，如何将时态数据模型“标准化”和“产品化”是这个时期重要 目标，而广泛应用和实践则是这个时期重要特征。r s n o d g r a s s 等人1 9 9 4 年提 出的双时态数据模型t s q l 2 【柏】是对s q l 9 2 语言标准的时态扩充，并提出将 t s q l 2 集成到s q d 标准，但是，时态数据模型标准化的道路还需要探索。在 “产品化”方面代表性成果是瑞士n m e c o n s u l t 公司1 9 9 8 年推出的t j m e d b ，但 是目前t i m e d b 还在完善之中，仍在没有能够真j f “产品化”。由于时态数据库 理论与模型还不够成熟，时念信息产品还没有形成，这时期的应用大多都是只借 助时态数据库的一些概念，时态信息的管理与操作的实现还是采用传统的数据库 技术与相关应用领域的技术( g i s ，m u l t i i l l e d i a 等) 相结合来完成的。 1 。3 2 两种不同策略的时态关系模型 时态关系模型可以从两个方面考虑【5 l ：基于元组的观点( o b j e c tv e r s i o n i n g ) 和基于属性的观点( a t t r i b u t ev e r s i o n i n g ) 。 1 基于元组的时态模型 基于元组的时态模型的策略是：将时问信息添加到元组上，保持表的1 n f ( 第 。范式) 关系。如表1 2 所示。 表1 2 基于元组的时态关系表 n a m et i t l es a l a r v v a l i d1 n m e s m i t h l e c t u r e r 3 6 0 02 0 0 3 0 9 0 l ：2 0 0 4 一0 8 3 1 s m i t hl e c t i l r e f3 8 0 02 0 0 4 - 0 9 0 1 ：n o w b r o w nl e c t u r e r3 6 0 02 0 0 2 一0 9 0 1 ：2 0 0 3 0 8 - 3 1 b r o w n砧s i s t a n tp r o f b s s o f4 2 0 0 2 0 0 3 一0 9 0 1 ：2 0 0 4 0 8 3 1 b f o w na s s i s t a n tp r o f b s s o r4 6 0 02 0 0 4 0 9 0 1 ：n o w j o n e sp r o f e s s o r6 5 0 02 0 0 4 一0 9 0 1 ：n o w 纂于0 d m g 的对象数据库时态扩展模型 第1 章综述 由于1 n f ( 第一范式) 关系有很好的理论基础，所以大量的时态关系模型都 将时间信息添加在元组( 每条记录) 上，这样可以保持表的1 n f ( 第一范式) 关系。 然而如表1 2 所示，s m i l h 的姓名和职务在表中重复存储两次，b r o w n 的姓名重复 存储三次、支持重复存储两次，因此这种方法将产生大量的数据冗余。 2 基于属性的时态模型 基于属性的时态模型的策略是：将时间信息添加到属性( 即字段) 上，元组 巾的每个属性作为一个属性值与时态标签的序对( v a l u e ，p e r i o d ) ，整个元组表 现为嵌套的，形成的时态表为n 1 n f 关系。如表1 3 所示。 表l 一3 基于属性的时态关系表 n a m e t i t i ev a l i dt i m e s l a r y v a l i dt i m e s m i t hl e c t u r e2 0 0 3 0 9 ：n o w 3 6 0 02 0 0 3 0 9 0 1 ：2 0 0 4 - 0 8 3 l 3 8 0 02 0 0 4 0 9 ：w b r o w nh c t u r e2 0 0 3 0 9 - 0 1 ：2 0 0 4 _ 0 8 - 3 1 3 6 0 0 加0 0 2 m 9 0 1 ：2 ( ) 0 3 - 0 8 - 3 1 a s s i s t a n tp r o 2 0 0 4 - 0 9 _ 0 1 ：n o w 4 2 0 02 0 0 3 0 9 - 0 1 ：2 0 ( ) 4 - 0 8 3 1 4 6 0 02 0 0 4 0 9 一0 1 ：n o w j o n e s p r o f e s s o r 2 0 0 4 _ 0 9 一0 1 ：n 0 w 6 5 0 02 0 0 4 m 9 - 0 1 ：n o w 嵌套元组的n 1 n f ( 非第一范式) 关系的时态表1 6 1 f 4 1 1 为也有的其优点，它可 以有效减少数据冗余，可以直观的看出不同属性的各自的异步变化。然而n 1 n f ( 非第一范式) 的关系表的约束、代数操作等理论基础不够完善，实现起来常遇 到很多问题。 1 3 3 几个时态关系模型及其特点 经过多年时态数据库的研究，学术界产生了大量的时态关系数据模型，这些 时态关系数据模型有的支持双时态，而有的只支持有效时间；有的是通过将时态 添加在属性上以维持第一范式，而有的通过嵌套元组以支持将时态添加到属性 上。如表卜4 所示1 7 】。 表1 4 各时态关系数据模型概要 时态关系模型作者时间维时态基于属性元组 t r mj b e nz v i有效时间、事务时间元组 l r 硼 j e 】i f f o r d有效时闻属性、元组 r mn i k o sa l o 咒n t z o s有效时间属性( 属性集合) 基于o d m g 的对象数据库时态扩展模型 第1 章综述 t r m 及t s o ls b n a v a t h e有效时间、事务时间元纽 1 d d m a i i a v 有效时间元组 t o u e l r s n o d 掣a s s 有效时间、事务时间元组 h s o ln ls a r d a 有效时间元组 h 0 u d t a s e l 有效时间 属性 s h a r 蜘k g a d i a t e m p s q l有效时间和事务时间属性 s u n i l s n a j r s q l 3有效时间、事务时问元组 t s o l 2 有效时间、事务时间元织 1 4 时态对象数据库 由于国内对象象数据的研究应用的不足，国内文献中，很难发现对时态对象 模型的研究，更少有时态对象数据库实现和应用研究。然而国外学者对时念对象 数据库进行研究获得了一定的成果。 时态对象数据库是本文的主要研究内容，因此，这里将对时态对象数据库的 实现方法、时态模式及时态对象模型作一个概括的介绍。 1 4 1 面向对象的时态数据库的实现方法 面向对象的时态数据库的实现方法可以分为以下几种【8 1 ： ( 1 ) 可扩展面向对象的时态模型( t c n i p o r a le x t e n s i b l eo b j e c tm o d e i s ) 在对象数据库基础上，添加中间层，通过中间层，扩展时态支持。在这种方 法中，底层对象数据库模型不改变。t o o d a p l l e x l 9 l - t i g u k 舡以及 0 0 r n l p d b m 【1 l 】等面向对象的时态模型都属于此类。 ( 2 ) 时态扩展对象模型f r c m p o r a le x t e d e do b j e c tm o d e l ) 在对象数据库模型上，增加时态支持，原有对象数据模型，对象定义语言， 对象操作语言，对象查询语言等方面都添加了时态特性，即扩展了对象数据库模 型本身。 ( 3 ) 基于应用的面向对象的时态模型f r e m p o r a la p p l i c a l i o nt a n e do b j e c t m o d e n 针对某些应用领域对时态信息的特殊需要而设计的面向对象的时态数据库 系统，如应用于软件工程领域的版本控制( v e r s i o nm a n a g e m e n t ) 模型。 幕丁o d m g 的对象数据库时态扩展模型 第l 章综述 1 4 2 时态对象模型的两种模式 实现对象模型的时态扩展有两种时态模式【1 2 l ：对象时态模式( o b j e c t v e r s i o n i n g ) 、属性时态模式( a t t “b u t ev e r s i o n i n g ) 。 1 对象时态模式( o b j e c tv e r s i o n i n g ) 对象时态模式将考虑的对象作为整体，统一附于时间标签( 有效时间、事务 事件或双时念) ，每当这个对象的状念发生改变的时候，则产生一个新的时态对 象的版本。如图1 1 所示。 0 b j e c t 属性l ：属性值l 属性2 ：属性值1 有效时间：时间l 事务时间：时间1 o b j e c t 属性l ，f 属性2 属性值2 属性值1 有效时间：时间2 事务时间：时间2 o b j e c t 图1 1 对象时态模式 o b j e c t 2 属性时态模式( a t t r i b u t ev e r s i o n i n g ) 属性时态模式将对象的属性根据需求分为具有时态特性的属性和一般属性 ( 即不带时态特性的属性) 。每个具有时态特性的属性用一组( 属性值。时阃) 来表示，每当这个时态属性的状态发生改变，则添加一组新的( 属性值，时间) 版本。如图1 2 所示。 o b j e c t 一般属性1 ：属性值1 一般属性2 ：属性值i 时态属凯瑶霈 ，睡箍! 卜+ 崾孺卜 蝴慨篇，需一需一 图1 2 属性时态模式 鄙截 搁恫 螂删 时时 属属 凤凤 k 孔 时时性性一效务属属有事 锄位 拥搁 雌雠 时时 属属 矾吼 n c ：i 时时性性效务属属一有事 持于o d m g 的对象数据库时态扩展模型 第l 章综述 现有的时态对象数据模型中，大多数对象模型的时态扩展都是建立在属性时 态的模式一t 。而在工业控制领域的多数系统是建立在对象时态的模式上的，通过 在对象层次上添加对象版本，加入简单的时惫信息。 1 4 3 时态对象模型 对象时态数据库的研究产生了如下几种典型的面向对象时态数据模型： 1 t e e r 模型【1 3 】 t e e r 并不是一个真工f 的面向对象模型，但它是最早的非关系模型的时态扩 展。 t e e r 模型是e e r 模型的时态扩展，它将可以将时态信息添加在实体、关系 和属性上。t e e r 用时态元素( t e m p o r a l e k m e n t ) 用来表示实体或关系的生命期 ( 1 i f e s p a n ) ，其中时态元素可以是时间区间，也可以是时闻区问的集合。 t e e r 模型中，时态属性的值等于其时间域到其属性值域的映射函数的值。 如：实体e 有一组属性a 1 ，a ，；实体e 的生命期( 1 i f e s p a n ) 为时间元素t ( e ) ： 则时态属性值a ( e ) = t ( e ) 一d o m ( a 0 。 t e e r 模型中，关系r = 由一个时间元素t ( r ) 来表示其生命期，时间元素 t ( r ) 代表所有参与了这个关系的实体的时间元素的子集，即t ( r ) ( 1 伍1 ) n t ( e z ) n n t ( e n ) ) 。与获得实体属性的值方法一样，关系属性的值a ( r ) = t ( r ) ，d o m ( a i ) 。 2 t o o d a p l e x 模型【9 j 0 0 d a p l e x 是一种建立在d a p l e x 函数上的对象数据模型。o o d a p l e x 中，现实世界中的实体表示成对象，对象的性质、联系和操作都通过o o d a p i 正x 映射函数来构造。 t o o d a p i 正x 模型中，时间点，时间点集合等都作为抽象对象来处理。然后， o o d a _ p l e x 映射爵数将表示时间的对象和数据的快照值关联起来，对时变性质 和时变行为进行构建。 这样r1 0 0 d a _ p l e x 模型可以灵活的将时态信息添加在属性层面或者对象层 面上，并且为查询语言提供了很大的优势，因为0 0 d a p l e x 模型是由映射函数 基丁o d m 0 的对象数据库时态扩展模型 第1 章综述 来处理信息的，进行了时态扩展后仍然用映射函数来处理时态信息，所以它不需 要建立特殊的面向时间的结构，非时态信息和复杂时态对象可以用统一的方式来 处理。 3 基于t s ( 时间序列) 的时态数据模型1 1 4 】 时间序列定义为：一个实体在时间域上的值的序列，且这些值按时间有序。 时间序列模型将时态数据定义成元组 s ，t ，a ) ，其中s 是一个对象的标识，t 是 时削，a 是属性值。则t s ( 时间序列) 定义成 ，其中包括对象标识s ，和 元组对( t ，a ) 的序列。同一类型的对象的t s 的合集叫做时间序列合集t s c ( t i m e s e q u e n c ec 0 l l e c t i o n ) 。然后，时问序列模型通过时间序列合集( t s c ) 来构建时 态数据和时态关系。 4 t o o d m ，t o o a ，t 0 0 s q l 模型i ”l 这个模型中，类型( t ) j p e ) 封装了对象的属性、操作和约束。每个对象有一 个唯一的对象标识，对象的状态由其属性的值来表示。 时间序列合集( t i m e - s e q u e n c cc 0 1 l e c t i o n ) 类型用来构建对象的属性值的历史， 并对构成对象的属性的集合的历史进行构建。每个时间序列对象都具有历史属性 和修正历史属性。每个历史属性包括一对元组( a t l ) 的序列，a 表示属性值，t l 表示时态元素，t l 是时间轴上的有限单元。 这样，在属性层面上扩展的时态也可以看成是扩展在对象层面上。因为，每 个属性拥有其历史，对象历史可以通过对构成对象的属性集合的历史的切片来建 奇：。 5 t o o b i s l l 纠 t o o b i s 通过设计在对象数据模型上扩展新的数据类型来实现时态对象数据 模型，t o o b i s 通过t o d l 、t o q l 的实现在法国的对象数据库系统0 2 进行了管 理信息系统的应用与实现，是目前开发最完善的并进行了实际应用的时态数据库 系统之一。 1 d o b i s 支持两种时态模式( 属性时态模式和对象时态模式) 。为了支持两 种时态模式的同步进行，t o o b i s 对关系、属性、对象进行了较复杂的分析与设 计。 基于0 d m g 的对象数据库时态扩展模型 第l 章综述 1 5 本文的研究内容和意义 1 5 1 研究内容 鉴于前面介绍的我国对象数据库的研究现状，本文将在对象数据模型方面进 行概括的阐述，并着重对0 d m g 对象模型进行阐述。本文将重点描述o d m g 对 象模型卜进行时态扩展的设计，以及扩展时态后的操作。由此本文章节介绍如下： 第1 章，综述。首先介绍研究背景，然后分别介绍对象数据库、时态关系数 据库和时态对象数据库的国内外研究现状，最后说明本文的研究内容和意义。 第2 章，时态数据库技术。描述时态数据库开发的相关概念和技术，为第4 章的时态数据扩展提供技术背景支持。 第3 章，o d m g 对象数据模型。对对象数据模型进行概括的阐述，并着重对 o d m g 对象模型进行清晰的阐述。 第4 章，o d m g 对象模型的时态扩展。首先，从总体上描述如何扩展o d m g 对象模型；然后，对扩展的时间类型进行详细设计和描述；最后，对扩展的时态 数据类型进行详细设计和描述。 第5 章，时态数据操作。给出一个小的案例，分别从单个类的角度和多个类 的角度介绍对象数据库的数据操作，并着重对时态操作设计、实现进行描述。 第6 章，总结与展望。阐述了本文的工作、意义、不足和以后的工作，并对 对象数据库及时态对象数据库的应用前景进行了展望。 1 5 2 研究意义 首先，鉴于国内一些文献书籍中对象数据模型的模糊、甚至错误描述，本文 参考大量国外文献，对对象数据模型、尤其是o d m g 对象模型进行了清晰的描 述，提供了一定的对象数据库的概念的参考。 其次，本文在o d m g 对象模型上进行时态扩展，给出了详细的设计及实现 细节描述，可作为一个时态对象数据模型，为开发时态对象数据库作借鉴。 再次，本文提出了时态数据的一些操作，做为查询模型的时态扩展初步探讨， 有一定理论和应用意义。 苎三旦里坚璺堕翌墨垫塑壁堕查芏墨堡型 茎! 至堕查墼塑! ! 垫苎 第2 章时态数据库技术 2 1 时间模型 时间在时间轴上是连续存在的，如果按现实世界的本来面目来记录时间，则 数据量过于庞大，且计量复杂。由此需要对时间建立模型，时间模型可以确定了 计算机如何量化时间和确定某个时间点或者时问段。 基于对时间轴结构的选择，时间模型可以划分如下几种模型1 7 】。 1 连续模型( c 咖t i 珊咖sm o d d ) 连续模型把时间看作同构于实数，每一个实数对应于一个时间点。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，所以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，需要记录大量随时问不断变化的数据。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采取插值的方法得到。 2 步进模型( s t e p w i s em o d d ) 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。 图2 - 1 采用步进模型登记的某个教师身份变动信息。可以看到，李明的身份 白1 9 9 3 年至今发生了3 次变动，从而只记录三个点的信息。如果查询李明目前 的身份，虽然当前时间点上没有登记，但并不是返回空值，而是沿着时问轴回溯， 找到最近发生的状态变化，得到当前的身份为“副教授”。 步进模型与连续模型不同之处在于，任意两个时间点之问不能通过插值的方 法取值。 李明的身份 助教 讲师副教授当前身份? 。l 1 _ 时间轴1 9 9 31 9 9 82 0 0 2 图2 1 某教师的身份变动信息 苎王竺里坚垒竺塑墨丝塑堕壁查芏壁丝型 兰! 童堕查塾塑堡i ! 苎 3 离散模型( d i s c 雎t em o d d ) 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 问点。任一时间点有前驱和后继时间点。 在实际应用中，该模型适用予记录那些在关键时间点上才有意义的数据。 例如：考虑某单位的人员工资发放总额，1 3 月的工资发放总额分别为1 9 万元、1 8 万元和2 0 万元。 4 恒定模型( n 伽r m p o r a lm o d e l ) 有些数据是不随时间变化的，例如：籍贯、出生地等。这些数据只有其本身 固有的属性。但是大部分数据在一种情况下没有时态属性，但在另一种情况f 往 往会有时态属性。例如：住址、身份、工作单位等。在一般情况下，在建模时通 常没有充分考虑这些值随时间变化的情况。如果发生变化时，就采用最新值进行 替换。 2 2 时态元素与时态关系 2 2 1 时态基本元素 时间元素( t i m ee l e t n e n t ) i l 】【3 9 】就是表示时间属性值的元素。一般采用下面的 时态元素：时间点，时问区间，时间跨度，时间集合。 1 时间点 基于点的时间元素( p o i n t b a s e d ) ，又称为时问点( t j m ei n s t a n t ) ，或称时 刻( t i t n ep o i n t s ) 。这种描述方法是把时间看成一个个离散的时问点，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。 时帕_ 点是时间轴上的一点，它是和时间粒度是相关的。例如1 9 9 5 年3 月1 f ，时间粒度精确到“天”。如果系统使用的最小时间粒度是“秒”，则浚时间点 在系统内的表示必须换算成1 9 9 5 年3 月1 日0 时o 分0 秒。 2 时间区间 基于区间( i n t e n ，a l b a s e d ) 的时间元素中，时间的基本单位为时间段或者 1 1 薹= ；竺坚竺塑翌墨塾塑壅坠查芝量竖型! 坠望兰_ 型茎塑堕i ! i ! 塑 时间区间( t i l l l ei n t e m l ) 。一般通过描述时间段的起始和终止点来描述时间区间。 例如( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 表示1 9 9 5 年至1 9 9 6 年。时间的区间的表示方法根据两端时 间点是否封闭分为4 种，如图2 2 。 利用时涮区问也可以方便的描述时间点。例如：令p i = p j ，这时的时间区间 口r 以理解为延续时间为0 的一段时问，即时问轴上的某个时间点。 在这四种区矧的表达方式中，一般采用前端封闭，尾端丌放的形式，主要的 是考虑时间区洲兼容时间点的表示方式和时间区间的比较谓词的缘故。 四种区问【苎：问含义 图例 1 ) ，j ，p ， p s f5p 一 2 ) 【pj ，p f )p 。s f p 一”一o 3 ) ( p f ，p ，】 p r p j o _ _ _ 4 ) ( p ，pr )，。f p 0 一 o p ，“：分别表示两个时田点； ：分剐表示，- 矗闭怪间： ( ) ：分布表示左右丌区间。 图2 2基于时间区间的时间描述方法 3 时间跨度 时阳j 跨度( t j l n es p a n ) 是指持续的一段时问，表示时问的长度。例如：“1y e a r 3 m m h ”，“3 0 天”、“2 8 小时”等。在数据库系统内，一般用一个整数表示时间 跨度。 4 时间集合 用单一的时问点或者单。的时间区问来表达时问属性在有些信息系统中是 不能够满足要求的，例如表2 1 中的“发车时间”一般是用一些时间点的集合来 表示。 时间集合( t i m es e t ) 也称“时态域”( t e 珈【p o r a ld o 脚i n ) ，“时态域”是一些 时间区间( j n t e 九，a 1 ) 的有穷并集，例如 【1 9 8 0 - 1 9 9 0 】，【1 9 9 2 - 1 9 9 4 】， 2 0 0 0 ，2 0 0 4 ，2 0 0 8 。 表2 1 公交车始发站时间表 车号始发站发车时间 2 5 6 4 2 康乐村 6 ：0 0 ，9 ：0 0 ，1 2 ：0 0 ，1 5 ：o o ，1 8 ：0 0 ，2 1 ：0 0 2 5 6 4 3 天河广场7 ：o o ，1 0 ：o o ，1 3 ：o o ，1 6 ：o o ，1 9 ：o o ，2 2 ：0 0 基于0 d m g 的对象数据库时态扩展模型 第2 章时态数据库技术 2 2 2 时态关系 时态关系简单来说就是时间之间的运算，它一般分为三类：时态区间之阃的 关系、时态区间与时问点之间的关系、时间点之间的关系。 1 时态区间与时态区间关系 a l l e n 对时态关系研究做了j 丌创性工作，指出了1 3 种时态区刚关系。这1 3 种关系分别是：b e f o r e ，a f l e r d u f i n 舀c o n t a i n s ，o v e r l a p s ，o v e r l a p p e d _ b y ，m e e t s ， m e t b y ，s t a r s ，s t a n e d by ，f i n j s h e s ，f i n i s h e d b y ，e q u a l s 。 其中b c f o r c 和a f i e r ，d u 血g 和c o n t a i n s ，o v e r l a p s 和o v e r l a p p e d b y ，m e e t s 和 m e t - b y ，s t a r s 和s t a r t e d - b y ，f i n i s h e d 和f i n i s h e d - b y 分别是相反的关系。 2 时态区间与时间点之间的时态关系 在a l l e n 的时态区间关系基础上，学者给出了时间区间与时间点的5 种关系 1 9 ：b e f o r e ，a f t e r ，m e e t s ( 或者s t a n s ) ，i n c t b y ( 或者f i n i s h e s ) ，d u r i n g 。 3 时间点之间的时态关系 时间点与时间点之间的关系共有3 种；b c f o r e ，a f ie r ，e q u a l s 。 2 2 3 时间粒度 时间粒度指时态信息系统中时间点描述的最小单位【2 们。例如： ( 1 ) 一个人的出生年月用天作时州粒度。 ( 2 ) 火车时刻表用分作时间粒度。 一般的时态数据都存在一个对态粒度的属性。例如一个人的年龄通常精确到 年，航班起飞的时问精确到分等等。 一个理想的时态数据库应能根据具体情况调整时间粒度。时态关系数据库提 供转换函数s c a l e 和c a s t 来实现粒度之间的转换。 各时间粒度之间的转换函数集台描述了一个粒度有向图。图2 3 就是一个在 公历系统中的粒度图。 兰王旦旦坚鱼塑型墨塑塑堕盟查芝垦堡型