基建工程數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)建與應(yīng)用研究

[摘 要] 完整而規(guī)范的數(shù)據(jù)倉庫既能解決異構(gòu)數(shù)據(jù)源集成問題，也為多維數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)支撐。本文基于基建工程數(shù)據(jù)倉庫研究和建設(shè)的實(shí)際做法，闡述了基于數(shù)據(jù)倉庫的決策支持系統(tǒng)架構(gòu)與相應(yīng)的商業(yè)智能開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建，系統(tǒng)建設(shè)中數(shù)據(jù)倉庫的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集的ETL設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析的OLAP設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)展示的報(bào)表設(shè)計(jì)，希望通過探索和研究，為基本建設(shè)工程領(lǐng)域構(gòu)建規(guī)范化數(shù)據(jù)倉庫提供參考和借鑒意義。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)倉庫；ETL；OLAP；Report

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 21. 085

[中圖分類號(hào)] TP392 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2016）21- 0163- 06

0 引 言

經(jīng)過多年發(fā)展，基本建設(shè)工程領(lǐng)域各個(gè)業(yè)務(wù)部門開發(fā)并使用各類管理信息系統(tǒng)，積累了大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)互不聯(lián)通，相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源被分割在不同的系統(tǒng)中，無法實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)綜合查詢與分析，同時(shí)，在現(xiàn)有系統(tǒng)中，統(tǒng)計(jì)查詢僅僅作為一種輔助功能，直接基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行簡單的瀏覽查詢和統(tǒng)計(jì)匯總。因此，如何將異構(gòu)的數(shù)據(jù)資源集成在一起，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨表、全面靈活的統(tǒng)計(jì)查詢與分析，為基建工程精細(xì)管理與科學(xué)決策提供信息化手段支撐，成為目前的重要研究課題。本文提出了一種基于數(shù)據(jù)倉庫的基建工程決策支持系統(tǒng)框架、搭建了自主集成的商業(yè)智能平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)闡述基建工程數(shù)據(jù)倉庫的建設(shè)，以及數(shù)據(jù)倉庫之上的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫，有效解決數(shù)據(jù)不一致、冗余、異構(gòu)等問題；同時(shí)，基于數(shù)據(jù)倉庫的基建工程決策支持系統(tǒng)支持多維數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，更好地支撐基建工程管理和決策[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與平臺(tái)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)據(jù)倉庫的基建工程決策支持系統(tǒng)框架主要包括：數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶訪問層。

1.1.1 數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層是數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，基建工程業(yè)務(wù)涉及的數(shù)據(jù)源主要分布于工程計(jì)劃、房屋土地、住房、兩項(xiàng)普查等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層采用統(tǒng)一的ETL調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、加載，消除數(shù)據(jù)間的不一致和冗余，按數(shù)據(jù)倉庫模型結(jié)構(gòu)重新組織數(shù)據(jù)并加載到數(shù)據(jù)倉庫，形成能夠?qū)Q策提供支持的多重粒度級(jí)的數(shù)據(jù)倉庫標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

1.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要包括操作數(shù)據(jù)層（ODS）、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層（EDW）和數(shù)據(jù)集市層（DM）3層。ODS層與EDW層共同構(gòu)成企業(yè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)。ODS層主要實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)整合、共享和準(zhǔn)實(shí)時(shí)運(yùn)營監(jiān)控等功能，EDW層為中央數(shù)據(jù)倉庫，將不同的OLTP數(shù)據(jù)集中到面向主題、集成、穩(wěn)定、隨時(shí)間變化的統(tǒng)一數(shù)據(jù)層中，主要為企業(yè)提供分析決策服務(wù)。DM層是針對(duì)各部門的特殊分析需要設(shè)計(jì)獨(dú)立數(shù)據(jù)集市（即EDW的子集），建立維度匯總信息，為不同部門業(yè)務(wù)應(yīng)用建立匯總數(shù)據(jù)區(qū)。

1.1.4 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層是訪問數(shù)據(jù)倉庫信息的核心，它接收用戶請(qǐng)求訪問數(shù)據(jù)倉庫，生成各種形式的復(fù)雜報(bào)表，并以多種方式展現(xiàn)，包括預(yù)定義報(bào)表、多維分析、即席查詢、數(shù)據(jù)挖掘等。

1.1.5 用戶訪問層

用戶訪問層是數(shù)據(jù)服務(wù)與決策人員、管理人員、分析人員和業(yè)務(wù)人員等用戶之間的接口，該層提供用戶對(duì)數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)的瀏覽、請(qǐng)求、存取等服務(wù)，以及向用戶的數(shù)據(jù)交付。

1.2 自主集成的基于Pentaho的BI平臺(tái)

針對(duì)基建工程決策支持系統(tǒng)框架，在開源的商業(yè)智能BI（Business Intelligence）平臺(tái)基礎(chǔ)上構(gòu)建自主集成的BI平臺(tái)。構(gòu)建平臺(tái)分兩步走：首先是開源商業(yè)智能BI平臺(tái)選型，其次是自主集成商業(yè)智能平臺(tái)。

1.2.1 開源商業(yè)智能平臺(tái)選型

選擇開源的商業(yè)智能BI平臺(tái)的依據(jù)有：平臺(tái)具有開放性、靈活性和功能全面。開放性是指源代碼開放，在此基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)靈活性；靈活性是指平臺(tái)小巧，可移植，可集成；功能全面是指具有通用商業(yè)智能平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展現(xiàn)功能。通過追蹤權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Gartner從2010-2016年的年度BI報(bào)告[3]，開源BI平臺(tái)Pentaho連續(xù)6年入圍商業(yè)智能魔力四象限圖，因此，我們選擇Pentaho作為決策支持系統(tǒng)的商業(yè)智能平臺(tái)。Pentaho滿足通用商業(yè)智能平臺(tái)數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展現(xiàn)的功能[4]，此外，Pentaho主要目標(biāo)是和商業(yè)BI抗衡，市面上已經(jīng)有一些基于Pentaho的決策支持系統(tǒng)研發(fā)的實(shí)例可供參考[5-7]。然而，Pentaho在頁面框架設(shè)計(jì)的靈活性和報(bào)表展現(xiàn)的美觀性兩方面能力較弱，同時(shí)，考慮到對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析的需求，基于Pentaho平臺(tái)我們提出一種自主集成的商業(yè)智能BI平臺(tái)。

1.2.2 自主集成BI平臺(tái)

自主集成的商業(yè)智能平臺(tái)分為數(shù)據(jù)持久化層、服務(wù)層、控制層、表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)持久化層集成了文件訪問、Hibernate和JDBC，Hibernate是一個(gè)開源框架，是對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系映射的框架，支持各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對(duì)JDBC做了輕量級(jí)的封裝，因此，能夠很好地支持對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的訪問。數(shù)據(jù)持久層之下集成了Hadoop生態(tài)圈的HDFS、Hbase、Hive和Spark，支持批量數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和增量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問[8-17]。服務(wù)層包含Pentaho的即席查詢、多維分析展示、OLAP引擎、多維立方體構(gòu)建等功能組件，并集成了數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)件Weka，大數(shù)據(jù)分析構(gòu)件Mahout、MLLib，ETL構(gòu)件Kettle、Sqoop等。控制層采用Spring MVC，分離了控制器、模型對(duì)象、分派器以及處理程序?qū)ο蟮慕巧@種分離讓他們更容易進(jìn)行定制。表現(xiàn)層則采用基于Web前端開源框架Bootstrap的ACE頁面框架模板，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的頁面設(shè)計(jì)。平臺(tái)對(duì)每一層都提供了相應(yīng)的支持，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，可以方便訪問已有的公共構(gòu)件。上述技術(shù)均是基于Java實(shí)現(xiàn)，符合開放源碼基礎(chǔ)軟件要求。

2 系統(tǒng)建設(shè)

本文以基建工程的“基本建設(shè)與房地產(chǎn)資源”兩項(xiàng)普查數(shù)據(jù)和基建工程各處室在用的18個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源建立數(shù)據(jù)倉庫，在數(shù)據(jù)倉庫之上建立多維數(shù)據(jù)模型，利用自主集成平臺(tái)中Pentaho的OLAP引擎Mondrian對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度、多層次分析，并通過Saiku將分析結(jié)果展現(xiàn)出來。利用ACE頁面框架做報(bào)表展現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)倉庫建模

數(shù)據(jù)倉庫模型是針對(duì)特定的數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，在整個(gè)數(shù)據(jù)倉庫的建模過程中，一般需要經(jīng)歷四個(gè)過程：業(yè)務(wù)建模，生成業(yè)務(wù)模型，主要解決業(yè)務(wù)層面的分解和程序化；領(lǐng)域建模，生成領(lǐng)域模型，主要是對(duì)業(yè)務(wù)模型進(jìn)行抽象處理；邏輯建模，生成邏輯模型，主要是將領(lǐng)域模型的概念實(shí)體以及實(shí)體之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)庫層次的邏輯化；物理建模，生成物理模型，主要解決邏輯模型針對(duì)不同關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的物理化以及性能等一些具體的技術(shù)問題[1]。本節(jié)重點(diǎn)介紹基建工程數(shù)據(jù)倉庫的業(yè)務(wù)建模、邏輯建模和物理建模。

2.1.1 業(yè)務(wù)建模

結(jié)合基建工程業(yè)務(wù)特點(diǎn)，將基建工程數(shù)據(jù)倉庫內(nèi)容規(guī)劃為公共基礎(chǔ)、工程建設(shè)管理、土地、住房管理、環(huán)保綠化和空余房地產(chǎn)等六大業(yè)務(wù)管理主線，在每個(gè)業(yè)務(wù)主線內(nèi)，考慮相應(yīng)的業(yè)務(wù)主線需要分析的業(yè)務(wù)主題（圖1）。

公共基礎(chǔ)主題：指地區(qū)、單位、坐落和分棟四類基礎(chǔ)信息，公共基礎(chǔ)主題是數(shù)據(jù)倉庫中最基礎(chǔ)、最核心的內(nèi)容，所有的業(yè)務(wù)活動(dòng)都是圍繞地區(qū)、單位、坐落和分棟展開，與其他主題產(chǎn)生緊密聯(lián)系。

工程建設(shè)管理主題：存放機(jī)場(chǎng)、地下工程、地面工程、人防工程等設(shè)施數(shù)質(zhì)量情況，泵類、風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、配電屏（柜）、控制臺(tái)、變壓器、除濕機(jī)、空調(diào)、電加熱器和鍋爐等設(shè)備數(shù)質(zhì)量情況。

土地主題：存放土地資源信息，包括土地資源總量，按城鄉(xiāng)、按地域、按地勢(shì)資源分布信息。

住房管理主題：存放公寓房、經(jīng)濟(jì)適用房、住用人員等相關(guān)實(shí)體，包括：住房數(shù)質(zhì)量情況，住用情況。

環(huán)保綠化主題：存放污染治理、綠化資源、放射性污染源等相關(guān)實(shí)體，包括：污染源總體情況與污染設(shè)施總體情況，綠化資源總量與分布情況，放射源與射線裝置的種類、用途、數(shù)量、分布、使用和管理狀況。

空余房地產(chǎn)主題：存放空余房地產(chǎn)、租賃管理等相關(guān)實(shí)體，包括：儲(chǔ)備房地產(chǎn)、整坐落空余房地產(chǎn)、成片空余營區(qū)數(shù)質(zhì)量情況，租賃坐落、項(xiàng)目、審批、繳費(fèi)辦證情況。

2.1.2 邏輯建模

目前業(yè)界較為流行的數(shù)據(jù)倉庫的邏輯建模方法主要有范式建模法，維度建模法，實(shí)體建模法等。對(duì)于本系統(tǒng)來說，ODS層模型的表結(jié)構(gòu)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)保持一致，因此，其邏輯模型采用與關(guān)系數(shù)據(jù)庫相一致的實(shí)體關(guān)系模型。EDW層數(shù)據(jù)模型依據(jù)圖3的主題劃分建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。同時(shí)，根據(jù)部門業(yè)務(wù)決策分析需求，采用維度建模法建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集市（DM，Data Market）模型。例如，住房管理業(yè)務(wù)關(guān)注從不同地區(qū)、不同單位、不同人員類型、不同戶型、不同住房性質(zhì)等角度來掌握住房的面積、出售情況、套數(shù)、住用率，空置率等，因此，按照事實(shí)表，維表來構(gòu)建住房星型數(shù)據(jù)模型（圖2）。

2.1.3 物理建模

物理建模是將前面的邏輯數(shù)據(jù)模型落地的一個(gè)過程。首先是生成創(chuàng)建表的腳本，其次是針對(duì)數(shù)據(jù)集市的需要，按照維度建模的方法，生成事實(shí)表和維表等。在這里，我們介紹住房管理主題物理建模的方法。住房管理主題物理建模其實(shí)是建立住房管理多維立方體，該立方體為OLAP分析服務(wù)。本文借助Pentaho的Schema workbench來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)立方體，構(gòu)建物理的事實(shí)表和維度表。如圖3所示，該立方體包括一個(gè)住房事實(shí)表（圖3的zffact表），多個(gè)維度表（例如，人員類別表見圖3的rylb表，住房性質(zhì)表見圖3的zfxingzhi表等）。

將源數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)倉庫的過程有兩種形式，一種是進(jìn)入數(shù)據(jù)庫后再進(jìn)行清洗和轉(zhuǎn)換，另一種是首先進(jìn)行清洗轉(zhuǎn)換再進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。自主開發(fā)的集成平臺(tái)中已經(jīng)集成了Kettle和Sqoop兩個(gè)數(shù)據(jù)ETL工具。其中，Kettle是集成在Pentaho中的開源ETL工具，支持將源數(shù)據(jù)庫（一般是關(guān)系數(shù)據(jù)庫）中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗轉(zhuǎn)換后再裝載入數(shù)據(jù)倉庫。Sqoop是用于Hadoop大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相互轉(zhuǎn)移的開源工具。目前主要是將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)抽取到數(shù)據(jù)倉庫中，因此，本文采用Kettle實(shí)現(xiàn)從源數(shù)據(jù)層到數(shù)據(jù)倉庫層的數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和加載。圖4是采用Kettle加載住房管理主題數(shù)據(jù)集市的過程。

2.3 數(shù)據(jù)分析應(yīng)用實(shí)例

在數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)上，基建工程分析決策系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)了：采用ACE頁面框架實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，例如，采用文本描述與餅圖展示相結(jié)合的方式統(tǒng)計(jì)住房數(shù)質(zhì)量情況，為進(jìn)一步優(yōu)化配置住房資源提供科學(xué)的決策依據(jù)，如圖5；采用Pentaho的Mondrian和MDX實(shí)現(xiàn)多維交叉分析功能，并利用Saiku實(shí)現(xiàn)多維分析展現(xiàn)，例如，從使用單位、戶型分類、住房質(zhì)量等多個(gè)維度掌握住房分布情況，支持下鉆、旋轉(zhuǎn)等操作，并支持自定義多維分析，為住房精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)支持，如圖6。

將源數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)倉庫的過程有兩種形式，一種是進(jìn)入數(shù)據(jù)庫后再進(jìn)行清洗和轉(zhuǎn)換，另一種是首先進(jìn)行清洗轉(zhuǎn)換再進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。自主開發(fā)的集成平臺(tái)中已經(jīng)集成了Kettle和Sqoop兩個(gè)數(shù)據(jù)ETL工具。其中，Kettle是集成在Pentaho中的開源ETL工具，支持將源數(shù)據(jù)庫（一般是關(guān)系數(shù)據(jù)庫）中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗轉(zhuǎn)換后再裝載入數(shù)據(jù)倉庫。Sqoop是用于Hadoop大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相互轉(zhuǎn)移的開源工具。目前主要是將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)抽取到數(shù)據(jù)倉庫中，因此，本文采用Kettle實(shí)現(xiàn)從源數(shù)據(jù)層到數(shù)據(jù)倉庫層的數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和加載。圖4是采用Kettle加載住房管理主題數(shù)據(jù)集市的過程。

2.3 數(shù)據(jù)分析應(yīng)用實(shí)例

在數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)上，基建工程分析決策系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)了：采用ACE頁面框架實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，例如，采用文本描述與餅圖展示相結(jié)合的方式統(tǒng)計(jì)住房數(shù)質(zhì)量情況，為進(jìn)一步優(yōu)化配置住房資源提供科學(xué)的決策依據(jù)，如圖5；采用Pentaho的Mondrian和MDX實(shí)現(xiàn)多維交叉分析功能，并利用Saiku實(shí)現(xiàn)多維分析展現(xiàn)，例如，從使用單位、戶型分類、住房質(zhì)量等多個(gè)維度掌握住房分布情況，支持下鉆、旋轉(zhuǎn)等操作，并支持自定義多維分析，為住房精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)支持，如圖6。

3 結(jié) 語

本文闡述了基于數(shù)據(jù)倉庫的基建工程決策支持系統(tǒng)架構(gòu)與商業(yè)智能開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建，詳細(xì)介紹了基建工程數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)分析與展現(xiàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。后續(xù)工作將在數(shù)據(jù)倉庫及多維分析基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在項(xiàng)目計(jì)劃動(dòng)態(tài)排序、工程建設(shè)“三超”評(píng)估、房地產(chǎn)資源配置優(yōu)化、保障能力評(píng)估、基建工程管理制度輔助決策等方面進(jìn)行更深層次的知識(shí)挖掘。

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