基于遠距離工業通信的空間數據庫建模方法研究
2008-12-31 00:00:00袁燦崔曉燕
計算機應用研究 2008年11期
（北京郵電大學 自動化學院， 北京 100876）
摘要：為適應遠距離工業通信數據顯著的空間特征和復雜的結構特征，在現有空間數據庫技術的基礎上，充分考慮專業工程技術人員的實際需要，提出了基于遠距離工業通信領域數據資源共享的空間數據庫建模方法。該模型定義了一組基于關系型的適應遠距離工業通信網絡運行規則的層次結構，并引入了QR-樹的空間索引機制。其結果表明，該模型不僅能較好地解決分類誤差，而且其索引機制與傳統索引機制相比有較高的檢索、插入與刪除等操作性能。
關鍵詞：空間數據庫；地理信息系統；R-樹；QR-樹
中圖分類號：TP31113文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2008)11-3379-03
Spatial database modeling method study based on remote industrial communication
YUAN Can，CUI Xiao-yan
(School of Automation， Beijing University of Posts Telecommunications， Beijing 100876， China)Abstract:To adapt to the obvious spatial characteristic and complex structure of the remote industrial communication data，proposed the spatial database modeling method based on sharing data resources of the remote industrial communication field.The model took full consideration to the needs of engineers and technicians， and it defined a set of hierarchical structure based on the relational data model， which was designed to match the remote industrial communication network operating rules. Moreover，established a QR-tree spatial index mechanism.Finally，the result indicated that solved classification error，and compared with the traditional indexing mechanism， presented a better operating performance of retrieval， insertion and deletion.
Key words:spatial database; GIS; R-tree; QR-tree
隨著現代通信技術的不斷發展，工業通信技術在工廠自動化和過程自動化中的應用迅速增長。特別是隨著網絡通信的多樣化和通信速度的提高，無線通信技術在現代化的生產中占有越來越重要的地位。在工業控制領域，很多控制系統都需要對現場的設備和數據進行集中管理，這些領域包括供水、供電、石油、鐵路、環保、礦山、交通、工廠、遠程檢測等領域的實時監控管理[1]。由于有線傳輸方式的高成本、不靈活等特性決定了它已經不適合遠距離的實時監控；無線廣域通信技術將廣泛用于供水管網遙測遙控、電力輸配遠程測控、油田油井的遙測遙控、鐵路信號遙測遙控、工廠儀表信號遠傳等領域。所以建立有效的數據庫系統對管理一個高效、優質和精確的遠距離工業通信網絡成為了一個非常重要的課題。本文針對遠距離工業通信系統特有的網絡結構以及現代化企業的生產管理系統綜合化、網絡化的發展趨勢，為遠距離工業通信系統設計一套以GIS為核心的新型關系型空間數據庫模型方法。該模型采用分層結構，減少了分類誤差，能精確定位到坐標點，而且其索引機制與傳統索引機制相比有較高的檢索、插入與刪除等操作性能，彌補了以往數據庫的不足。
1構建基于GIS技術的空間數據庫的必要性和要求
11構建以GIS為核心的空間數據庫的必要性
遠距離工業通信網絡是網絡技術和GIS技術在工業應用中的融合。無線工業通信網絡故障分析需要查詢不同的文件或數據庫的相關資料，利用GIS技術可以將與空間位置相關的文本數據以三維圖形方式顯示出來，可以模擬實際網絡模型，顯示網絡節點和線路所在的空間位置。所以利用GIS技術的優勢在于管理人員能夠全面了解網絡的分布狀況，直觀地看到故障點的地理位置及故障區所處的地理環境和交通線路，將故障點和故障類型精確地標注在對應的坐標空間上以便進行維護所需費用預算，盡快搶修故障。
GIS的地理數據采用分層方法組織。每層對應同一類空間實體，包含一種或幾種不同的信息服務于某一特定的用途或目的[2]，再采用圖層疊加的方式將不同數據加載在同一地圖上。由于這種新型的空間數據庫是由一組數據表構成，然后與通信設備的標志圖形文件掛接，能方便地修改空間數據內容與結構，管理軟件通過菜單的形式訪問空間數據庫，結合圖形文件靈活地訪問最新數據，避免了直接將數據掛接到圖形文件里所形成的地質數據修改只能單點修改、不能統一修改的缺陷。
可見在GIS中，地圖已經不僅是簡單的圖形，而成為一種新的數據類型—空間數據。利用數據庫中數據的空間關系，各種來源的數據表可結合在一張地圖上以供分析[3]，使空間數據更形象、更直觀地與通信設備的標志圖形緊密地連接起來，使遠距離工業通信空間數據庫的使用者感到最大程度的便利。
12系統對空間數據庫的要求
由于遠距離工業通信網結構復雜并且其狀態是動態變化的，此數據庫要滿足完備性和靈活性的要求。完備性是指它要能存儲各種類型的通信網結構，及與此結構對應的通信方式；靈活性是指它要便于動態查詢和修改操作。
此外，這種新型的空間數據庫描述的空間結構必須準確，能精確地定位到每個坐標點，實現空間數據和屬性數據的無縫集成及一體化存儲管理。
2基于遠距離工業通信領域的空間數據庫設計
空間數據[4]是用于表示空間物體的位置、形狀、大小和分布特征等諸方面信息的數據，適用于描述所有二維、三維及多維分布的關于區域的現象。遠距離工業通信網中的空間數據的特點是不僅包括信號設備的空間關系(即拓撲關系)的信息，還包括表示通信設備本身的空間位置及信號處理狀態信息?？臻g數據庫系統[5]是一個存儲空間和非空間數據的數據庫系統，它是隨著GIS的開發和應用發展起來的數據庫新技術，在它的數據模型和查詢語言中能提供空間數據模型，可以進行空間索引，并且提供空間查詢和其他空間分析的方法。
21空間數據庫的建模方法
GIS空間數據庫包括表示目標的位置信息和拓撲關系的空間數據及表示空間實體特性的屬性數據。因此從整體上把遠距離工業通信的數據也劃分為空間數據和非空間數據兩大類?？臻g數據放在基礎空間數據庫，非空間屬性數據存放于各專業基礎數據庫。
空間數據模型是描述地理實體的數據組織方法，矢量數據模型通過記錄XY坐標表示地理實體的位置，由點、線、面、體為基本元素構成地理圖形。它的空間坐標連續，適用于遠距離工業通信對高精度制圖和精確定位的要求。柵格數據模型則采用分層疊加的方式，如圖1所示，將不同的類空間實體對應的圖層疊加起來，然后與矢量數據模型相結合，較好地解決了分類誤差[6]。例如以電力輸配遠程測控區域的電子地圖為背景，其網絡架構分為監控中心主站、網絡代理服務器、數據傳輸終端、監控終端四個部分。在電力輸配遠程測控層中構造主站層，主要完成人機交互工作；網絡代理服務器層，主要負責網絡數據鏈路建立和數據收發的透明中轉；數據傳輸終端層，完成信息的上送與下發；監控終端層，主要完成數字量與模擬量的采集等。用不同的圖形元素代表監控中心主站、網絡代理服務器、數據傳輸終端、監控終端等設備，每個圖層均對應一個圖形文件和一個屬性數據文件，并將這些設備與其屬性數據庫連接起來。根據這些通信設備所傳送的信息，可以精確地定位到地理背景圖的具體坐標系中。
為了使系統數據庫管理模塊具有更大的適用性，再對每個非空間數據進行整體分析，并將數據庫劃分為基礎數據庫、專業基礎數據庫、專業數據庫、三維模型數據庫四個層次。基礎空間數據庫綜合利用了給予區域和基于對象的數據模型，基于區域的模型表示高層信息，基于對象的模型表示二維信息?；A空間數據庫中存儲的數據主要有地理地圖數據、影像數據、元數據。專業基礎數據庫層在具體工程項目的基礎上，確定了數據對象關系和分層標準。各個專業數據庫層依據其實際情況作為出發點，按照各自的組網方式組織數據，并按工程項目進行統一管理，以表的形式進行存儲。三維模型庫主要存放通過地理結構建模、屬性結構建模這兩種建模方式生成的三維模型成果數據，如圖2所示。
22空間數據庫的索引機制
R-樹[7]索引技術由于具有深度平衡、節點大小是磁盤頁面大小的整數倍、適合于以磁盤頁為傳輸單位的數據處理系統等優點，被一些大型商用數據庫如Oracle Spatial、MapInfo、IBM DB2 Spatial Extender和IBM Informix Spatial Data Blade所采用。R-樹索引的缺點是插入、刪除過程比較復雜，可能產生振蕩現象；樹的結構決定于空間目標的插入順序，當目標差異較大、數據量較多時，不能有效地將鄰近目標組織在同一節點上；當空間維數較高或索引目標很多時，空間檢索性能會因中間節點目錄矩形的重疊增加或重復存儲及樹的深度增加而急劇下降?；谶h距離工業通信中空間數據庫的高靈活度和高精確度的要求，使筆者不得不重新引入一種新的索引方法，而QR-樹[8]用略高于R-樹的存儲空間取得了優越的查找能力和優秀的插入、刪除性能。因此本文引入了基于GIS空間數據庫的有效索引結構QR-樹。
221索引原理
QR-樹是結合2K叉樹（K為空間的維數）和R-樹而提出的一種空間索引結構，也可以把它看做一棵特殊的四叉樹。設d＞0，n=d-1i=0(2K)i，QR-樹由一棵深度為d的四叉樹Qt和n棵R-樹組成，這棵四叉樹的每個節點均指向一棵與其對應索引空間相關聯的R-樹。Qt共有n個節點，按寬度遍歷方法進行編號，依次為Qt0，Qt1，…，Qtn-1。同時Qt將整個數據空間S劃分成個數為n的d級子空間，依次記為S0，S1，…，Sn-1。每一級的所有子空間兩兩互不相交，且一起構成整個索引空間S。n棵R-樹(Rt0，Rt1，…，Rtn)分別與Qt的n個節點及Qt劃分的n個子空間相關聯[i(i=0，1，…，n-1)，QtiSiRti]。Si與Rti相關聯，即用于Rti索引屬于Si的空間目標。另外，QR-樹也可以看做是一群R-樹分別索引不同空間范圍的目標實體。兩種特殊情況是：a)當四叉樹的深度為1時，QR-樹即為R-樹；b)當所有R-樹的深度均為1或 0時，QR-樹即為空樹[9]。如圖3所示，用深度為2的四叉樹將整個二維平面索引空間IS0劃分成四個子索引空間：IS1，IS2，IS3，IS4。圖4為QR-樹的結構圖，四叉樹的每個節點均與一個索引子空間ISi和一棵R-樹Ri相關聯(0≤i≤4)。圖5為與索引子空間ISi對應的R-樹的結構圖，顯然所有的索引信息都存在于RT0～RT5的R-樹上。由公式n=d-1t=0(2K)i可知，此維度為2，深度為2的QR-樹共有5個節點，即由5棵R-樹組成。
空間數據庫的空間實體主要由點、線、面、體四種基本類型構成；每個空間實體的內部記錄拓撲關系，利用QR-樹的分塊索引結構；它的查找空間往往不再是整個索引空間，而是按從最大矩形到最小矩形的范圍進行檢索，并將空間目標鎖定在最小外接矩形存儲在索引中，這樣就能根據指定的坐標快速定位到某一空間目標上，所以QR-樹的查找性能明顯優于R-樹。與R-樹相比，QR-樹以略高的存儲空間開銷換取了更高的檢索、插入與刪除等操作的性能。
2.2.2索引算法描述
1)數據的插入首先確定將要插入數據的所屬子區域（最小包含該數據的子區域）及其關聯節點，然后再將其插入到對應的R-樹中。如圖4中，插入數據矩形r8，首先求出最小包圍它的子區域為IS1，然后將其插入到RT1中。
2）數據的刪除首先確定將要刪除數據的所屬子區域（最小包含該數據的子區域）及其關聯節點，然后再將其從對應的R-樹中刪除。如圖4中，刪除數據矩形r9，首先求出最小包圍它的子區域為IS4，然后從RT4中刪除。
3）數據的查詢首先給定要查找的矩形區域，從根節點開始遍歷所有子區域，如果被查找的矩形包含于子區域（最小包含該數據的子區域），則返回該子區域中的所有圖元；如果該子區域與查找的矩形相交，則必須對所有與矩形區域相交的子區域及其關聯的R-樹進行查找，直至找到最小涵蓋數據的區域。
3基于遠距離工業通信領域的空間數據庫實現
基于遠距離工業通信領域的空間數據庫建立應該立足于較高的起點，在合理的資金利用范圍內必須著重考慮系統的先進性；空間數據庫的建立應該考慮地理空間數據的變化，具備隨時更新的能力，并力求在空間數據庫建立和維護階段做到連續性；空間數據庫的建立須采用工業標準數據庫管理系統，保證數據的安全性、一致性；最后空間數據庫要保證人機交互的易用性。實現過程如圖6所示，分為以下五個步驟：
a)進行數據的收集。資料是獲取數字地形數據的基礎，對資料的分析和選擇是否正確直接影響數字地形圖數據的質量。主要收集的數據包括數字高層數據和遙感影像數據。
b)進行數據的處理。數據處理分為三個階段：第一階段是對數字高層數據的影像糾錯和無縫拼接，以及對遙感影像數據的編輯、定向、幾何校正、拼接、分塊；第二階段是數字正射影像圖，即利用數字高層模型對數字化的數據進行投影差修改，再鑲嵌影像，根據圖幅范圍生成影像數據；第三階段是對數字地形圖進行GPS編輯和矢量化。
c)進行質量檢測。數據質量幾乎是所有數據庫系統的一個重要屬性。在基于遠距離工業通信領域的空間數據庫系統中，數據質量尤為重要，只有優質的數據才能保障工業生產的順利進行。本文采取三種方法保證空間數據的質量：（a）傳統手工方法，主要是人工將數字化數據與數據源進行比較，如目測法，繪制到透明圖上與原圖疊加比較，屬性部分與原屬性進行對比。（b）元數據方法，采用跟蹤元數據了解數據質量的狀態和變化。（c）地理相關法，用空間數據的地理特征要素自身的相關性來分析數據的質量。
d)將遠距離工業通信基礎數據庫和空間數據庫相結合，并保證數據庫系統的互操作性這是基于工業通信領域空間數據庫實現中最重要的一個環節，它將數據統一地轉換為通用的模型、通用的格式和單個文件，然后通過公共界面滿足不同用戶的連接需求。
e)人機交互的建立。一個良好的用戶界面決定了系統的易用性和可用程度，本空間數據庫超越傳統GIS靜態文本與圖形的表達方式，加入了語音、動畫、視頻等多種媒體表現方式。
4結束語
開展以GIS為核心的遠距離工業通信領域數據資源共享空間數據庫模型和索引算法的研究，使其具有了完備的數據庫結構，提供了一個多指標綜合、集成的平臺，能夠直觀地綜合分析多個單一指標，為其在工業通信領域提供了廣泛的應用前景；能夠為用戶提供快速、動態、準確的管理決策功能，提高工作效率，實現管理控制的科學化、自動化。筆者下一步工作的重點是在現有遠距離工業通信數據資源共享空間數據庫的基礎上，加上工業通信的高實時性特點，使它更能適應工業通信實時性的要求。
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