ISOIEC 9075-152023 信息技术.数据库语言SQL.第15部分多维数组（SQLMDA）标准立项发展报告

信息技术数据库语言SQL第15部分：多维数组（SQL/MDA）标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InformationTechnology—DatabaseLanguagesSQL—Part15:MultidimensionalArrays(SQL/MDA)摘要随着遥感观测、地球科学、生物信息学及金融风控等领域的飞速发展，大规模多维数组数据（如卫星影像时间序列、气候模式输出、基因表达矩阵等）已逐渐成为数据管理与分析的核心对象。然而，传统的关系型数据库管理系统在处理此类维度化数据时，长期面临语义表达不足、查询语法欠缺、存储效率低下等瓶颈。为填补这一标准化空白，国际标准化组织与国际电工委员会联合发布了ISO/IEC9075-15:2023《信息技术数据库语言SQL第15部分：多维数组（SQL/MDA）》。本标准基于多年科学阵列数据库研究与应用实践，在SQL标准体系中首次引入多维数组（MDA）类型系统、数组表达式、隐式与显式变换操作及流式处理语义，使SQL具备了直接建模与查询大规模栅格数据的能力。本报告系统梳理了该标准的立项背景、研制历程、技术框架及核心创新点，详细解析了标准的关键内容与其在遥感、气象、生命科学等典型领域的应用价值，并对该标准未来在云数据库、AI一体化及跨域融合等方向的发展趋势进行了展望。该标准的发布标志着关系数据库标准体系向“关系+数组”混合数据管理范式的重大演进，对于促进科学数据与商业数据融合管理具有里程碑意义。关键词：多维数组；SQL/MDA；ISO/IEC9075；数据库标准；栅格数据；科学数据处理；查询语言Keywords:MultidimensionalArrays;SQL/MDA;ISO/IEC9075;DatabaseStandards;RasterData;ScientificDataProcessing;QueryLanguage一、引言1.1研究背景自1986年SQL标准首次发布以来，ISO/IEC9075系列标准始终是关系数据库管理系统（RDBMS）语言接口的基石。历经数十年的持续修订，SQL标准已涵盖对象关系特性（SQL/OLB）、OLAP能力、XML处理、Java例程等丰富功能，支持了全球范围内商业与开源数据库的繁荣发展。然而，标准的演进始终围绕着以“标量+表”为核心的关系数据模型展开，对于以数组、张量、密集栅格为基本形态的科研密集型数据（scientificdata），SQL体系始终缺乏第一公民级别的原生表达支持。进入21世纪以来，大数据与人工智能浪潮极大加速了科学数据的规模化产出。单个遥感影像数据集动辄以TB甚至PB计，气候模式模拟输出常以数十维的大规模数组形式存储，基因组测序产生的表达矩阵也高度依赖维度化组织。与此同时，数据仓库与数据湖的架构融合，使得越来越多的关系数据库需要直接承载栅格与张量形态的分析负载。这一现实需求催生了“使用SQL查询多维数组”的技术诉求。1.2标准立项的必要性在缺少统一标准的情况下，各数据库产品均以私有扩展方式实现对数组数据的支持。例如，PostgreSQL社区通过PostGIS栅格扩展支持二维影像数据，OracleGeoRaster提供面向地理空间栅格的管理能力，而科学计算领域则大量采用NetCDF、HDF5等文件格式与SciDB、Rasdaman等专用阵列数据库系统。上述方案虽然各具特色，但语言互不兼容，语义差异显著，导致应用层适配成本高昂、数据共享困难、生态割裂严重。解决上述互操作性与可移植性问题的根本出路，是在SQL标准框架内建立一套统一、完备、可扩展的多维数组语言规范，使不同数据库系统能够以一致的方式表达与处理数组数据。1.3发展历程ISO/IEC9075-15:2023正是在上述背景下应运而生的。该标准由ISO/IECJTC1/SC32（数据管理与交换分技术委员会）下设的WG3（数据库语言工作组）负责制定，由德国不来梅雅各布大学的PeterBaumann教授担任项目编辑。项目自启动至正式发布历时近十年，期间充分考虑了对已有SQL标准各部分的兼容性要求，吸收了阵列数据库领域的丰富实践经验，并经过多轮国际投票与专家评审。2023年6月1日，该标准由国际电工委员会正式发布，标准状态为现行。二、标准主要内容2.1标准定位与范围ISO/IEC9075-15:2023作为ISO/IEC9075系列的第15部分，其篇幅超过1,400页，是SQL标准体系中篇幅最大、内容最为复杂的分册之一。该标准并非对现有SQL功能的简单修补，而是在保持既有SQL语义完整性的前提下，新增了一套完备的多维数组（MultidimensionalArrays，MDA）类型子系统。2.2核心技术与创新点标准的核心创新体现在以下技术层面：（1）数组类型系统（ArrayTypes）标准明确定义了从元素类型、维度数、索引范围到数组值构造的完整类型语法。数组元素的索引以整数区间表达，可支持任意维度的稠密数组（densearray），并为稀疏数组（sparsearray）提供了MEDA语法形式。（2）数组表达式与操作符借鉴集合与列表代数，标准引入了一套闭合的数组表达式运算体系，包括数组构造、切片（slicing）、维度缩减投影、聚合操作、合并排序、集合运算（并、交、差）等原子操作。这些操作符遵循“闭合”原则，即任何数组操作的输出仍为数组，从而支持表达式的任意嵌套与组合，具备与关系代数相当的逻辑完备性。（3）索引查询与隐式变换标准设计了索引查询（indexquery）和交叉查询的机制，以支持基于数组位置信息的精确检索。同时，针对SQL中“集合”与“数组”之间的天然阻抗失配，标准定义了隐式变换（implicitcasting）规则：当数组与表进行交互时，允许以行序遍历方式将数组隐式转换为一组带位置坐标的标量行，从而在不破坏原有SQL语义的前提下实现数组与关系数据的无缝互操作。（4）流式语义标准规定所有数组操作均以流式方式执行，即仅遍历必要的处理单元而非预先对整体数组进行物化。这一设计保证了在大规模影像或栅格数据上执行查询时，内存占用被控制在常数级别，从而支持在数据库管理系统内部直接进行可扩展的阵列处理（包括服务器端阵列渲染），显著提升了分析效率。（5）MEDA（MDA嵌入式语法）此外，为便于在应用程序中快速构造数组表达式，标准还定义了MEDA语法，允许以字符串形式嵌入数组查询，并作为整体表达式在SQL语句中使用，增强了标准的易用性与可嵌入性。2.3兼容性设计值得强调的是，ISO/IEC9075-15:2023在设计过程中高度重视与已有SQL标准的兼容性。标准充分遵循了ISO/IEC9075-1（框架）、ISO/IEC9075-2（基础）等部分中确立的类型派生规则和语法约定，确保新增的多维数组能力不致破坏数十年来SQL生态的兼容性根基。无论从语法层面还是语义层面，该标准都力求与SQL:2023其他部分保持一致性。三、标准应用与行业影响3.1典型应用场景在具体应用场景中，ISO/IEC9075-15:2023的价值已经得到充分验证。以遥感领域为例，借助该标准的数组查询能力，用户可以通过一句SQL实现对覆盖全国范围的多时相卫星影像进行时间序列分析，如提取指定时间窗口内的植被指数变化曲线，而无需在数据库外部进行复杂的文件级数据处理。在气象领域，大气模式输出的四维数组（经度、纬度、高度、时间）可以直接存储于支持SQL/MDA的数据库中，科研人员能够以统一查询语言完成垂直剖面提取、区域平均、极端事件识别等操作。在地球科学与生命科学领域，该标准同样展现出广阔的应用前景。3.2已有产品支持目前，国际上已有多个数据库系统实现了对SQL/MDA标准的早期采纳与支持，其中包括开源阵列数据库管理系统Rasdaman、基于PostgreSQL的MobilityDB以及商业化的OracleDatabase和IBMDb2等。这些实践不仅验证了标准的技术可行性，也为后续更大范围的产业落地积累了宝贵经验。在中国，武汉大学、中国人民大学等高校的科研团队也在同步开展相关标准的追踪研究与原型系统验证工作。3.3行业意义ISO/IEC9075-15:2023的发布对于数据库标准化进程具有深远意义。它为科学数据与商业数据的融合管理提供了一座标准化的桥梁，使得空间信息、时序观测、模拟输出等大规模数组形态数据，能够从传统的文件型管理方式平滑迁移至数据库管理系统之中。该标准构建了“关系+数组”的混合数据管理范式，为应对数据密集型科学发现（data-intensivescientificdiscovery）时代的存储与分析需求奠定了坚实的语言层基础。四、主要参与单位介绍ISO/IEC9075-15:2023标准制定工作中，德国不来梅雅各布大学（JacobsUniversityBremen）承担了核心的技术研发与标准起草工作，发挥了最为关键的作用。雅各布大学是一所位于德国不来梅市的国际化研究型大学，以精英化教育和高水平科研著称。该校的计算机科学学科长期致力于科学数据管理与大规模阵列数据库系统的研究，其研究团队在PeterBaumann教授的带领下，自20世纪90年代初便开始系统研究大规模多维数组的建模理论与查询语言设计问题，并在长期的理论探索与工程实践中逐步形成了完整的阵列代数理论体系。这一理论成果于2001年首次公开发表，对后续SQL/MDA标准的技术路线产生了深远影响。依托上述理论储备，雅各布大学团队主导开发了开源阵列数据库系统Rasdaman，该系统实现了对大规模多维栅格数据的高效存储、索引与查询处理，是SQL/MDA概念验证与技术验证的主要原型平台。在标准制定过程中，雅各布大学团队不仅负责起草了标准的主体技术文本，还组织开展了多轮跨系统互操作性测试，为标准中各项语法和语义的严谨性提供了坚实的实验依据。可以说，雅各布大学的研究积累和持续投入，是ISO/IEC9075-15:2023从学术构想走向国际标准的关键推动力量。此外，该标准的制定还得到了来自德国联邦教育与研究部资助的多项科研项目的支持，以及国际科学理事会世界数据系统（ISC-WDS）框架下多个数据机构的实践反馈，为标准内容的全面性和实用性提供了有力保障。五、结论与展望ISO/IEC9075-15:2023的正式发布，是SQL标准化40年演进历程中的一个重要里程碑。它不仅首次将多维数组作为一等公民引入SQL语言体系，更以完备的类型系统、闭合的运算体系和流式执行语义，为关系数据库处理大规模科学数据提供了统一、标准的语言接口。展望未来，该标准的发展将呈现以下趋势：其一，随着云计算与云数据库服务的普及，SQL/MDA有望成为云原生数据仓库中栅格与张量数据管理的标准接口，推动空间数据上云、气象数据共享、金融时序分析等应用场景的标准化进程。其二，在人工智能与大数据深度融合的背景下，SQL/MDA的数组抽象与深度学习框架中的张量模型具有天然的映射关系，未来可能出现SQL/MDA与AI推理引擎的深度集成，使数据库管理系统直接支撑机器学习工作流中的张量数据管理与预处理操作。其三，随着各主要数据库厂商对新标准的逐步采纳，跨数据库的阵列查询可移植性将得到显著提升，进而推动形成更加开放、协同的科学数据管理生态。我们有理由相信，ISO/IEC9075-15:2023将在科学数据管理、商业智能、空间信息处理等多个领域发挥日益重要的作用，并持续引领数据库技术向更加融合、更加智能的方向演进。参考文献[1]ISO/IEC9075-15:2023,Informationtechnology—DatabaselanguagesSQL—Part15:Multidimensionalarrays(SQL/MDA),ISO/IEC,2023.[2]ISO/IEC9075-1:2023,Informationtechnology—DatabaselanguagesSQL—Part1:Framework(SQL/Framework),ISO/IEC,2023.[3]ISO/IEC9075-2:2023,Informationtechnology—DatabaselanguagesSQL—Part2:Foundation(SQL/Foundation),ISO/IEC,2023.[4]BaumannP.,etal.TheArrayDatabaseArchitectureandItsApplicationtoEarthObservationData[J].IEEEGeosc