一个演绎工程数据库模型

一个演绎 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 数据库模型 Vol131 No16 第 31 卷第 6 期( )自 然 科 学 版 东 南 大 学 学 报 ()Nov. 2001 2001 年 11 月JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY Natural Science Edition 一个演绎工程数据库模型 1231 邵家玉邵媛媛张家明周伯鑫 1 () 东南大学自动控制系 ,南京 2100962 () 南京爱立信熊猫通信有限公司 ,南京 2111003 () 深圳中兴通讯股份有限公司南京研究所 ,南京 210007 摘要 : 本文将演绎数据库和工程数据库结合起来 ,在分析了它们各自发展现状的基础上 ,给出 了一个基于知识的工程数据库模型 ,该模型可以有效地解决上述工程应用问题. 本文着重分析 了在实际工程应用环境中知识的新特点 ,给出了演绎工程数据库模型的形式化描述 ,并讨论了 在此情况下的推理问题. 最后用知识规则统一表示了数据库完整性约束. 关键词 : 数据模型 ; 演绎 ; 工程 ; 数据库 () 文章编号 : 1001 - 0505 20010620124205 中图分类号 : TP311 . 13文献标识码 : A ( ) ( ) 几十年来 ,演绎数据库 deductive database , DDB和工程数据库 engineering database , EDB一直是数据库领域中非常活跃的研究方向 ,在各自领域的理论 、技术及系统等方面都取得了许多成果 ,至今还有许多 新的研究成果不断面世. DDB 的研究是典型的理论驱动的 ,它和人工智能 、专家系统 、知识库等领域的发 展紧密相关 ,集中于理论研究方面 ,实用性一直是 DDB 急待解决的问题. EDB 的研究是典型的应用驱动 1 的 ,集中于对工程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的支持和工程环境的提供. 因而这两方面的研究具有很强的互补性. DDB 一般使 2 () 用的是关系模式 ,用一阶逻辑支持知识的运用,不支持复杂对象 特别是复杂的非结构化工程对象的管 理 , EDB 一般使用的是关系 对象模型 , EDB 发展至今 ,对工程复杂对象可以有很好的支持 ,但 EDB 缺乏对 工程设计 、 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 、制造 、装配过程中出现的经验知识的有效支持. 因此将这两方面的研究结合起来 ,将逻辑 、 知识 、推理引入到工程数据库中 ,以支持复杂的工程对象的工程知识的管理和工程设计环境为核心 ,以基 () 于规则 知识的 EDB 查询语言作为接口语言将是 EDB 的一个发展方向. ( ) 我单位致力于开发一个演绎工程数据库 称之为 SE2DEBASE, SE2DEBASE 为工程环境中工程设计 、 工艺 、制造 、装配支持智能化提供了一个比较完善的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . DDB 和 EDB 的结合首先要解决的就是数据模型问题 ,本文在详细调查分析国内外相关问题研究的现状的基础上 ,给出了一个 SE2DEBASE 的演绎工 程数据库模型 SE2DEDM. 1 国内外相关问题的研究 1 . 1 演绎数据库和工程数据库结合研究 2 Ullman给出了将逻辑引入数据库后带来的一系列语义和语法问题 ,并对经典逻辑数据库的推理 、查 () 询优化等进行了详细的讨论. 面向对象演绎数据库 DOOD是近年来的一个研究热点 ,出现了一些 DOOD 3 4 的原型系统. 传统演绎数据库对工程复杂对象缺乏有效的支持 , COM通过扩充关系模型和 DATALOG 5 () () 获得对非第一范式和嵌套关系的描述. ANGEL用面向对象 OO特征扩展非第一范式 ,支持元组 tuple、 ( ) () () 集合 set、抽象数据类型 ADT等类型构造符 ,支持嵌套 环,但它对知识的支持有限 ,只支持用“事件 条 () 件 动作”表达的完整性约束 用规则表示,模型的知识推理能力很弱. 演绎数据库与工程数据库的结合问题没有得到深入的研究 ,上述研究都没有解决工程环境中的知识推理问题. 本文以对工程环境中的知识 、约束 、规范 、经验等的支持为突破口 ,将演绎数据库与工程数据库 有机地结合起来 ,提出了一种适用于工程应用环境的演绎工程数据模型 SE2DEDM. 收稿日期 : 2001201218 . 作者简介 : 邵家玉 ,男 ,1971 年生 ,博士 ,讲师. 1 . 2 工程应用对工程数据库的要求6 比之传统的事务数据库 ,工程应用对工程数据库提出了如下许多新的要求: )1 嵌套 、递归 、多媒体等复杂数据类型的支持. )2 模式演化 ,数据模型的动态变化 ,要求不仅能对数据操作 ,还能对数据模式操作. )3 有较高的查询速度. )4 数据约束 ,包括数据完整性及语法 、语义等各种约束. ) 5 支持版本管理和支持长事务. )支持智能等.6 1 . 3 工程数据库数据模型的开发方式 为使工程数据系统能够胜任对工程数据的管理和工程应用的要求 ,工程数据库模型一般有以下几 7 做法: ) 1使用构造 DBMS 生成器 ,允许用户利用模块集成工具箱构造一个定制的 DBMS ,该方法对于动态 化的管理对象 ,适应性和可扩充性很强. 但由于其中的诸多问题无法解决 ,所以该方法仅停留在研究阶段 成功的报道并不多. 这种方法主要可以解决工程数据模型的多样性及动态变化等问题. ) 2使用扩展关系模型 ,即非第一范式和嵌套关系模型 ,以支持复杂的工程数据. 这种方法可以有效 解决复杂工程数据类型的支持问题. ) 3与其他如演绎 、面向对象 、语义数据模型相结合. 这种方法通过相互间取长补短可以解决工程数库中的诸多实际问题 ,并且可以充分利用数据库发展的新技术 ,可以利用各种数据模型的优点. 这种方 不足之处是涉及的问题较多 ,工作量较大且各种数据模型的集成 、数据模型的具体实现等都是较大的 点. 本文为了适应数据库技术 、工程应用技术的发展要求 ,采用这种方法建立 SE2DEBASE. 2 演绎工程数据库模型 SE2DEDM 2 . 1 SE2DEDM 中演绎数据模型部分 由于高阶逻辑的复杂性 ,所以和大多数演绎数据库一样 ,SE2DEDM 采用一阶逻辑表示知识和进行 () 理. 一阶逻辑数据库操作语言的典范首推 DATALOG ,一阶逻辑是基于平关系 flat relation的 ,在复杂对 的表示方面 ,存在着明显的缺陷. 所以现在的演绎数据库均采用扩充关系模型的复杂对象模型或直接采 1 ,4 ,5 ,8 面向对象模型,并扩充 DATALOG 以支持复杂对象模型和面向对象模型. SE2DEBASE 研究的出发 是在总结前人研究成果的基础上 ,着重解决工程数据库在引入知识后所面临的一系列实际问题. 2 . 2 DEDBASE 中工程数据模型 :关系 对象模型 7 传统的数据模型在复杂的工程应用中都暴露出一些不足,层次 、网状数据模型可以较为方便地模现实世界中的层次 、网状数据 , 语义比较丰富 ,但它们的管理复杂 ,需要复杂的导航 ,不便于广大非计算 专业的工程设计人员掌握. 关系数据模型结构简单 ,具有完善的理论基础 ,操作简便 ,用户易于接收 ,但 () 缺乏完善的语义支持 ,并且这几种模型对于复杂的工程数据管理 如图形 、图像等非结构化数据,均无 () 效的解决途径. 面向对象 OO模型实现了数据和操作的封装 ,为复杂对象的管理提供了一条有效的方法 该模型支持对象标识 、继承 、重用 、动态联编等特性. OO 模型中的对象标识为对象共享和更新提供了极的方便 ,但是以关系为基础的 OODB 把一切都作为对象的处理方法本身存在很大的缺陷 ,因为在这样的 统中 ,对象有一个标识且封装了一个值 ,而这个值只能是平结构的值 ,故只能包含其他对象的标识 ,而不 接包含其他复杂值. 这样 ,每当用户需要定义一个复杂值的时候 ,便需要定义一个新类 ,这会导致类层次 急剧增长 ,同时 ,还使得 OO 中对复杂对象的操作倒退到 20 世纪 60 年代 CODASAL 系统那样的繁琐5 航. 鉴于此 ,SE2DEDBASE 中不仅支持传统 OO 中的对象概念 ,也支持值的概念. 即在 SE2DEDM 中 ,只 () 表的实例才作为对象 具有对象标识. 而子表结构中的实例一律作为值处理. SE2DEDM 中的值不再是 关系 ,而是突破第一范式的限制 ,采用非第一范式以支持对复杂工程数据的管理. 4 ,9 ,10 综上所述 ,基于知识的工程数据库模型 SE2DEDM 是用扩充的 DATALOG支持的关系 对象模型2 . 3 SE2D EDM ( 在演绎工程数据库 SE2DEBASE 中 ,工程数据 、设计规范 、约束 、经验 设计 、工艺 、制造和装配过程 () 东南大学学报 自然科学版第 31 卷126 ) 的等均采用知识的形式表达 ,用规则来描述. 定义 1 SE2SEBASE 工程数据集 D ,定义为 SE2DEBASE 所管理的各种工程数据的集合. 即 D = { d | d 为工程数据} ,这里的 d 即包括传统的结构化事务数据 ,也包括非结构化的工程数据 ,如图形 、图像 、长文 本等. D 相当于演绎数据库中的事实 , d 用 DATALOG 可形式化定义为 H : - 即只有规则头 ,可将存储在数据库中的工程数据视为事实. 定义 2 约束集 C 为工程应用环境中所要满足的约束的集合 ,形式为 : C = {〈c , p , f 〉 c 为约束 , p 为 约束的性质 , f 为 true 或 flase 表示约束是否可用} , c 的 DATALOG 形式化定义为 : - B , B , , B , C, C, , C 1 2 n 1 2 m ( ) 式中 , B ,, B 为规则体 , C,, C为约束成立的条件. 如 :在设计电机时 ,若用关系模式 Et , p表示1 n 1 m p 电机类型与功率之间的关系 ,并且存在约束“如果电机类型为 TY110 ,那么它功率必须介于 50 和 120 之 间”,则约束可表示如下 : ( ) : - Et , p, t =‘TY110’p ?50p t =‘TY110’ p ?120 ( ) : - Et , p, p 在工程环境中 ,约束之间存在着应用的差别 ,有的约束是在设计过程中必须满足的 ,而有的只是对设 计的结果具有优化效果 ,我们用 p 表示该约束的性质描述 , p = 0 表示该约束在条件成立时必须满足的 , p = 1,100 表示该约束对结果的优化效果的贡献程度. 定义 3 基本规则集 R , R = { r r 为规则} , r 的 DATALOG 形式化定义为 H : : - B , B , , B , C, C, , C 1 2 n 1 2 m C为规则成立应用的条件. 这是 SE2DEBASE 中知识的一 , 式中 , H 为规则头 ; B ,, B 为规则体 ; C,m 1 n 1 般性描述. 如 ( ) ( )P X , Y: - L X , Y ( ) ( ) ( )P X , Y: - P X , Z, P Z , Y 表示如果点 X , Y 之间存在一条连接线 ,那么 X , Y 之间存在一条路径 ,如果 X , Z 之间和 Z , Y 之间分别存 在一条路径 ,则 X , Y 之间存在一条路径. 定义 4 规范集 N ,是指在工程环境和工程设计 、工艺 、制造 、装配过程中所必须遵守工程规范集合. N 的形式和基本规则一样 ,有些规范可能表现为约束形式. 定义 5 经验集 E , E 基本上由 E和 E组成 , E是指一些形式化经验集合 E= {〈e , p , f 〉} , E是工 r c r r c 程实例经验集合 E= {〈c , p , f 〉} . c () p 是对经验的性质描述 ,表明经验的有效程度 对结果的贡献程度,可称之为经验值. 定义 6 在 SE2DEDM 中 ,外延数据库 D即为 D ,内涵数据库定义为 D= { C , R , N , E} .e i D即为演绎数据库中的实关系 ,给出了数据库中的事实 ,对它的管理即为数据库的管理 ,具有表示直 e 接、查询速度快等优点 ,但它有占用空间大的缺点 , D为虚关系 ,是一种用规则表示的关系 ,它具有表示简 i 单、不占据空间 ,并能参与推理等优点 ,但它有查询速度慢等缺点. 为避免在工程实际应用中出现这种缺 [ 6 ] 陷 ,我们定义一种虚 实关系 E.i 定义 7E是虚 实关系的集合 ,以规则的方式建立 ,开始它是 D,此后可根据需要 ,当进入大批量查i e 询状态时 ,以实关系形式出现 ,以获得较高的查询速度 ,当进入存储状态时 ,以虚关系形式出现 ,以收缩空 间减少存储开销. 定义 8 SE2DEDM 中数据库是 1 个 4 元组 D=〈D, D, E, I〉, D, D, E定义如上 , I为推理机.b e i i e e i i e 2. 4 知识的管理 () ( ) SE2DEBASE 不仅提供通常的知识 规则创建 、查询 、修改 、删除等功能 ,还提供知识 规则的启动和 禁用功能. 用户在进入某种工程环境时 ,可自行选择对那些不是必须使用只是对结果有优化作用的规则 ( () (( ) ) ) p ?0是否使用 ,禁用 forbid是使该规则在当前环境中无效 f 为 flase,启动 start是使该规则在当前环 () 境中起作用 f 为 true. () ( ) 另外 ,SE2DEBASE 还提供对 p 值的管理 ,包括 p 值的提升 increase、降值 decrease操作. 2 . 5 推 理2 ,3 ,9 关于推理机制的研究 ,国内外有相当多的报道,在 SE2DEDM 中沿用 TOP2DOWN 和 BOTTOM2UP 方法 ,并使 2 种方法有机地结合起来 ,以解决推理效率问题. 这里着重介绍 SE2DEDM 在工程环境中所面 的新问题 : ) 1在推理过程中 ,推理机 I负责扫描规则库 ,并根据用户对规则是否可用的设定从中提取相关的 e () 用规则 f 为 true进行推理. ) ( ) 2推理结果的多样性 ,由于非必用规则 p ?0的 p 值不同以及规则冲突等原因 , I提供多种推理e 程 ,可获得多种推理结果 ,获得优化方案. 并提交用户审定. ) 3规则的自调整 ,根据用户对规则的使用情况以及结果的评价 ,对规则的 p 值提出调整建议. ) 4长事务的支持 ,工程事务不同于传统事务 ,具有长期性 ,应用规则进行推理更会发生长事务的 题 ,SE2DEBASE 提供工程事务管理功能 , 以解决推理长事务问题. 关于长事务的管理机制 , 可参见文 11 . 2 . 6 自动生成 由于有了知识支持 ,在工程设计 、工艺 、制造 、装配过程中 ,根据现有的工作基础和在 SE2DEBASE 中 示的各种国家 、行业 、企业的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 、规范和经验 ,就可以实现某些过程的自动生成. 自动生成的概念与演 () 数据库中基于事例 case的推理在某种程度上是一致的. 这样 ,在工程设计 、工艺 、制造 、装配过程中 ,就可以在 SE2DEBASE 的支持下 ,自动形成工程设计 造 、装配的下一过程 ,不仅可以缩短产品开发周期 ,还可以提高产品设计 、制造 、装配的标准化. 2 . 7 数据库完整性约束的支持 在数据库中 ,约束的支持程度也是影响数据库产品性能和产品形象的一个重要方面. 现代的各 12 DBMS 产品多少都具有一定的完整性约束检查功能 ,不过其实现的程度随 DBMS 而异,基本上没有一 DBMS 完全支持各种数据库完整性约束 ,由于 SE2DEDM 支持知识表示与推理 ,因此更加易于表达完整 约束. 下面给出 SE2DEDM 对各种完整性约束的支持. 2 . 7 . 1 域完整性约束 域完整性约束的主要内容包括 : 属性值必须是域中的值 、对属性值能否是 NULL 的限制等 ,这是最 单 、最基本的约束 ,一般的 DBMS 都有域完整性约束的检查功能. 但是传统的 DBMS 对它的支持比较简单 ,属性域范围较大 ,如有关系模式 P ( )P i , n , s 表示一个人的身份证号、姓名 、性别 ,在传统的数据库中对属性值的限制一般可设置为 s 为 2 个字( ) s 值必须为‘男’或‘女’‘男’或‘女’,而在 SE2DEDM 中可以用规则很方便地表示诸如 ( ) : - P i , n , s s ?‘男’, s ?‘女’ 2. 7 . 2 实体完整性约束和引用完整性约束 实体完整性约束是指每一个实体对应一个主键 ,如 P 中每个人只能有 1 个 i ,可用函数依赖表示 P : i ?n , s ,在 SE2DEDM 中可用规则表示为 ( ) ( ): - P i, n, s, P i, n, s n?n1 1 1 1 2 2 1 2 ( ) ( ) : - P i, n, s, P i, n, s s?s1 1 1 1 2 2 1 2 同样可以表示引用完整性约束. 2 . 7 . 3 一般性完整性约束 在 SE2DEDM 中可用规则很方便地表示多值依赖 、连接依赖和其他一般数据库系统无法支持的一般 完整性约束. 综上所述 ,SE2DEDM 支持完善的完整性约束 ,为数据库应用系统提供了极大的方便. 3 结语 本文为解决传统工程数据库系统不能对工程应用环境出现的各种知识进行有效推理的问题 ,为了 () 东南大学学报 自然科学版第 31 卷128 逻辑知识真正地引入工程数据库 ,将其与演绎数据库结合起来 ,详细地分析了工程应用环境中的知识推理的一些新问题 ,并给出演绎工程数据库 SE2DEBASE 的形式化描述. SE2DEBASE 不仅增强了工程设计 、工 艺 、制造 、装配过程中的智能化 ,而且可以有效地缩短工程产品的开发周期 ,为产品降低成本 、快速变型 、多 品种 、小批量 、柔性制造提供了有效的支持 ,并可使产品快速抢占市场. 参 考 文 献 () 1 王 浩 ,张奠成. 演绎的面向对象数据库研究. 计算机研究与发展 ,1998 ,35 4:289,2952 () Ullman D. Principles of database and knowledge2base system Volume I , II. Rockville : Computer Science Press , 1988. 96,171 , 734 2 ,979 ⁄ 3 Barja M L , Fernandes A A , Paton N W , et al . Design and implementation of ROCK & ROLL : a deductive objec2toriented () database system. Information Systems , 1995 , 203:185,211 郭德培 ,叶道兵 ,周傲英 ,等. 一种复杂对象数据模型及逻辑查询语言. 见 :徐秋元主编. 第十一届全国数据库学术会议论 4 文集. 西安 :西北工业大学出版社 ,1993. 42,52 李战怀 ,徐秋元 ,蒋泽军. 一种适用于工程数据管理的数据模型. 见 :徐秋元主编. 第十一届全国数据库学术会议论文集. 西安 :西北工业大学出版社 ,1993. 313,318 5 徐洁磬 ,王银根. 知识库在 CAD 中应用的探索. 见 :徐秋元主编. 第十一届全国数据库学术会议论文集. 西安 :西北工业大 学出版社 ,1993. 528,540 6 吴炜煜. 工程数据管理系统. 北京 :清华大学出版社 ,1996. 27,29 () 王修伦 ,孙永强. DODM :演绎型对象数据模型. 计算机研究与发展 ,1998 ,35 8:744,748 7 周傲英 ,施伯乐. 知识库系统 KBASE + ———数据模型 、语言及实现. 见 : 徐秋元主编. 第十一届全国数据库学术会议论文 集. 西安 :西北工业大学出版社 ,1993. 510,520 8 袁 军 ,王能斌 ,陈 钢. 集合作为函数符号的逻辑程序语言. 见 : 徐秋元主编. 第十一届全国数据库学术会议论文集. 9 西安 :西北工业大学出版社 ,1993. 541,547 10 () 11 齐 进 ,周伯鑫 ,徐南荣. 支持合作过程的工程数据库设计事务模型. 计算机研究与发展 ,1998 , 35 10:891,89512 王能斌. 数据库系统. 北京 :电子工业出版社 ,1995. 22,24 A Deductive Engineering Data base Model 1231Shao J iayu Shao Yuanyuan Zhang J iaming Zhou Boxin 1( ) Department of Automatic Control , Southeast University , Nanjing 210096 , China2( )Nanjing Ericsson Panda Communication Co . Ltd. , Nanjing 211100 , China 3( )Nanjing Institute of Zhongxin Telecommunication Ltd. Corp . , Nanjing 210007 , China Abstract : Deductive database and engineering database are integrated. Their developments are presented and an en2 gineering database model is given based on knowledge which can solve the above problem effectively. The emphasis is given to different properties of the knowledge and the inference problem under the engineering environment . The nor2 mal description of the deductive engineering database is also presented. Finally , the expressing of integrity constraints is given via rules. Key words : data model ; deductive ; engineering ; database