唐紹華

摘 要隨著智能家居數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷增大，結(jié)構(gòu)清晰、查詢效率高、語義完整，可擴(kuò)展性好的本體存儲(chǔ)模式是解決現(xiàn)代家居本體共享和重用的有效方法，通過分析智能家居中本體存儲(chǔ)方法的不足，結(jié)合智能家居領(lǐng)域本體特點(diǎn)，給出了一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)的存儲(chǔ)智能家居本體的關(guān)系模式，最后通過實(shí)例證明了該方案的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞智能家居 本體存儲(chǔ) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫

一、引 言

智能家居以住宅為平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)將智能家居用戶生活有關(guān)的設(shè)備集成的智能管理系統(tǒng)，從而提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性。本體是共享概念化明確的形式化規(guī)范，由哲學(xué)概念引入到人工智能領(lǐng)域，智能家居系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)包括傳感器的數(shù)據(jù)、設(shè)備本身的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、用戶和設(shè)備交互的數(shù)據(jù)，客戶端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、用戶自身的使用習(xí)慣和生活場景數(shù)據(jù)等等，隨著智能家居數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷增大及語義Web的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，選擇一種合適的本體存儲(chǔ)方法尤為重要。

本文在分析傳統(tǒng)本體存儲(chǔ)方法的基礎(chǔ)之上，提出了一種結(jié)構(gòu)清晰、查詢效率高、語義完整，可擴(kuò)展性好的基于改進(jìn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方法實(shí)現(xiàn)對本體進(jìn)行存儲(chǔ)，最后通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論的可行性和有效性。

二、相關(guān)研究

目前，國內(nèi)外的很多專家和學(xué)者對本體的存儲(chǔ)問題已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的研究并取得了一定的成就，主要包括文本式存儲(chǔ)、內(nèi)存式存儲(chǔ)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫式存儲(chǔ)、基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、基于圖數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)。

（1）基于內(nèi)存的存儲(chǔ)方式?；趦?nèi)存存儲(chǔ)方式具有很高的運(yùn)行效率，不存在磁盤更新的問題，但只能處理很少量的數(shù)據(jù)，記憶能力差，主要適用于小規(guī)模本體的高效存儲(chǔ)管理。

（2）文本存儲(chǔ)方式。文本方式簡單快捷、管理方便、可擴(kuò)展性好，能完整保留語義下信息，但查詢性能差，系統(tǒng)效率低，很難適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)。

（3）關(guān)系數(shù)據(jù)庫式存儲(chǔ)?；陉P(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)成熟，較好的事物處理能力和訪問機(jī)制，能充分利用SQL語言的優(yōu)勢，是目前本體存儲(chǔ)管理本體的主要方式；但也存在如與本體之間存在模式不匹配、存儲(chǔ)模式設(shè)計(jì)復(fù)雜，可擴(kuò)展性和語義支持較差等問題，傳統(tǒng)的基于關(guān)系模式的存儲(chǔ)模式主要有水平模式、垂直模式、分解模式和混合模式四種。

（4）基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫與面向?qū)ο蠹夹g(shù)能很好對接，不需要對本體進(jìn)行拆分或轉(zhuǎn)換，語義完整性 較高，本體查詢效率高，但在存儲(chǔ)復(fù)雜關(guān)系本體時(shí)有些不足，推理能力不強(qiáng)，學(xué)術(shù)界已有相關(guān)研究，但研究不多，具有一定的研究潛力，在本體存儲(chǔ)系統(tǒng)中也有部分應(yīng)用。

（5）基于圖數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)?；趫D的存儲(chǔ)方式能解決本體與本體存儲(chǔ)介質(zhì)邏輯結(jié)構(gòu)不匹配的問題，應(yīng)用在小規(guī)模查詢上，性能較高，一旦應(yīng)用于大規(guī)模的智能家居系統(tǒng)性能會(huì)急劇下降，無法提高總TPS，不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫并不是本體存儲(chǔ)最佳方式，本體中有豐富的語義信息，其邏輯性比關(guān)系模式復(fù)雜，但是關(guān)系數(shù)據(jù)庫有著相對成熟的技術(shù)作為支撐，有很多中間軟件可以配合其一起使用，適合大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其特點(diǎn)是效率高、易管理、便于查找。

三、設(shè)計(jì)規(guī)則

在智能家居本體模型構(gòu)建過程中，采用了從整體到部分，從上到下的方式來對智能家居領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行分類和提取，在智能家居體系中，可以分為用戶本體、環(huán)境本體和設(shè)備本體，根據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫和智能家居本體的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)合適的關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)智能家居本體，需要滿足以下原則。

原則 1：較好的規(guī)范化程度，設(shè)計(jì)出的存儲(chǔ)模式需要滿足3NF 和BCNF要求，盡量避免同名異義和同義異名的情況，以實(shí)現(xiàn)對本體數(shù)據(jù)的有效管理和應(yīng)用。

原則 2：模式結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，能夠提高查詢效率，有利于相互交流，方便開發(fā)人員設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

原則 3：模式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為了實(shí)現(xiàn)海量和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)智能家居本體，存儲(chǔ)模式具有較好的穩(wěn)定性，即本體的變化不會(huì)引起或者微弱影響著數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的變化，從而增加數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的維護(hù)代價(jià)。

原則 4：較高的查詢效率。存儲(chǔ)的最終目的就是進(jìn)行查詢，所以該指標(biāo)是衡量存儲(chǔ)模式好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)一個(gè)表中的數(shù)據(jù)量過大或表連接過多時(shí)，都將影響查詢效率，所以在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)模式時(shí)應(yīng)該避免此類問題。

原則 5：為重要的概念單獨(dú)創(chuàng)建表。包括本體中的類、屬性、類關(guān)系中的父類、子類、類實(shí)例、屬性實(shí)例等，從而減少表與表之間的連接，提高查詢效率。

原則 6：對詞頻度低的概念合并處理。如對不同的約束信息通過模式的設(shè)計(jì)，查詢頻率較低，在設(shè)計(jì)時(shí)可以將其存儲(chǔ)在同一張表中，從而減少關(guān)系數(shù)據(jù)庫中表的個(gè)數(shù)，提高存儲(chǔ)效率。

原則 7：對同一概念的不同情況靈活處理。如對于屬性這一概念，在存儲(chǔ)屬性實(shí)例時(shí)，將數(shù)據(jù)類型屬性實(shí)例與對象屬性實(shí)例分開存儲(chǔ)，這主要考慮到后者相比較前者而言，查詢頻度高，動(dòng)態(tài)變化較大；在存儲(chǔ)屬性關(guān)系時(shí)，考慮到屬性關(guān)系分為兩種，如果分開存儲(chǔ)將會(huì)產(chǎn)生四張表，加上其查詢頻度不高，所以就不區(qū)分。

四、關(guān)系模式設(shè)計(jì)

根據(jù)智能家居本體存儲(chǔ)模式設(shè)計(jì)規(guī)則，結(jié)合 OWL 語法的構(gòu)詞分析和關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，并在保證 OWL 語義完整性的基礎(chǔ)上，提出如下的關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)智能家居本體的設(shè)計(jì)模式。

（1）設(shè)計(jì)思路

①類的存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)表classes存儲(chǔ)本體類信息，包括類編號(hào)、類名，其中類編號(hào)是主鍵；

②屬性的存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)表property存儲(chǔ)本體屬性，包括屬性編號(hào)、屬性名、定義域、值域，其中屬性編號(hào)是主鍵，定義域是外鍵，值域存放屬性的取值范圍；

③實(shí)例的存儲(chǔ)。實(shí)例存儲(chǔ)包括類實(shí)例存儲(chǔ)和屬性實(shí)例存儲(chǔ)，類實(shí)例存儲(chǔ)：設(shè)計(jì)表InstanceClass存儲(chǔ)類實(shí)例，包括編號(hào)、實(shí)例名稱、類編號(hào)，其中類編號(hào)是外鍵；屬性實(shí)例存儲(chǔ)：設(shè)計(jì)表InstanceDataTypeProperty存儲(chǔ)數(shù)據(jù)屬性，包括屬性編號(hào)、實(shí)例編號(hào)、實(shí)例屬性值，其中屬性編號(hào)和實(shí)例編號(hào)組成主鍵；設(shè)計(jì)表InstanceObjectProperty存儲(chǔ)對象屬性，包括屬性編號(hào)、實(shí)例A編號(hào)、實(shí)例B編號(hào)，實(shí)例A和實(shí)例B表示對象屬性聯(lián)系的兩個(gè)實(shí)例

④關(guān)系的存儲(chǔ)。

類關(guān)系的存儲(chǔ)：設(shè)計(jì)表SubClassRelation 和OtherClassRelation分別存儲(chǔ)父子類關(guān)系（subclass or super class）和其他類關(guān)系如等價(jià)類（equivalent class）、不相交類（disjoint class），其中表SubClassRelation主要包括父類ID、子類ID，表OtherClassRelation主要包括類編號(hào)、類關(guān)系類型、類關(guān)系描述；

屬性關(guān)系的存儲(chǔ)：屬性之間的關(guān)系可以分為子屬性/父屬性關(guān)系（sub property or super property）、等價(jià)關(guān)系（equivalent property）、不相交關(guān)系（disjoint property）、翻轉(zhuǎn)關(guān)系（inverse of）、傳遞關(guān)系（transitive）、對稱關(guān)系（symmetric）、函數(shù)關(guān)系（functional）、逆函數(shù)關(guān)系（inverse functional）等幾類，因?yàn)樽訉傩?父屬性關(guān)系、等價(jià)關(guān)系、翻轉(zhuǎn)關(guān)系和不相交關(guān)系是表達(dá)兩個(gè)關(guān)系之間的關(guān)系，是雙目運(yùn)算，而其他四個(gè)屬性表達(dá)的是一個(gè)屬性的特性，是單目運(yùn)算，所以在存儲(chǔ)時(shí)將兩者分開存儲(chǔ)在Unary Property Relation和Dual Property Relation中，設(shè)計(jì)表UnaryPropertyRelation存儲(chǔ)屬性關(guān)系，包括屬性關(guān)系類型（傳遞、對稱、函數(shù)和逆函數(shù)關(guān)系四種）、屬性編號(hào)，其中屬性關(guān)系類型包括傳遞、對稱、函數(shù)和逆函數(shù)關(guān)系四種，設(shè)計(jì)表UnaryPropertyRelation存儲(chǔ)其他屬性關(guān)系（父子屬性關(guān)系、等價(jià)關(guān)系、翻轉(zhuǎn)關(guān)系和不相交關(guān)系四種），包括屬性關(guān)系類型、屬性A編號(hào)、屬性B編號(hào)；

實(shí)例關(guān)系的存儲(chǔ)：設(shè)計(jì)表InstanceRelation存儲(chǔ)本體實(shí)例關(guān)系，包括實(shí)例關(guān)系類型、實(shí)例A編號(hào)、實(shí)例B編號(hào)，兩個(gè)實(shí)例之間的關(guān)系可以分為相同實(shí)例（same individual as）、不同實(shí)例（different from）兩種。

⑤約束關(guān)系的存儲(chǔ)：OWL中的約束包括all Values From、some Values From、min Cardinality、max Cardinality以及has Value等，設(shè)計(jì)表Restriction存儲(chǔ)本體約束關(guān)系，包括約束類型、屬性編號(hào)、約束描述信息。

（2）模式結(jié)構(gòu)

①classes（classId，name） ②property（propertyId，name，domain，range）

③InstanceClass（ID，Name，ClassID） ④InstanceDataTypeProperty（PropertyID，InstanceID，Value）

⑤InstanceObjectProperty（PropertyID，InstanceAID，InstanceBID） ⑥SubClassRelation（SubClassID，SuperClassID）

⑦OtherClassRelation（ClassID，ClassRelationType，ClassRelationDescription）⑧UnaryPropertyRelation（PropertyRelationType，PropertyID）⑨DualPropertyRelation（PropertyRelationType，PropertyAID，PropertyBID）⑩InstanceRelation（InstanceRelationType，InstanceAID，InstanceBID）?Restriction（RestrictionType，PropertyID，RestrictionDescription）

本文提出的設(shè)計(jì)模式有以下幾個(gè)特點(diǎn)：盡可能的保留了本體的語義信息，并使用 OWL 自身的語法元素作為表名或字段名；模式結(jié)構(gòu)簡單，易于理解，能夠明確地描述本體與本體之間的關(guān)系；模式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，當(dāng)本體發(fā)生變化是，只要增加、修改或刪除相應(yīng)表中的一些元組，不需要對數(shù)據(jù)庫模式進(jìn)行修改；維護(hù)代價(jià)較小，根據(jù)查詢頻度，例如對于類之間的三種關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)分為父類子類關(guān)系和其他關(guān)系進(jìn)行存儲(chǔ)，查詢效率明顯提高；而五種不同的約束信息的查詢頻度較低，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)在一張表中；根據(jù)實(shí)際情況，屬性實(shí)例存儲(chǔ)時(shí)，分為數(shù)據(jù)類型屬性和對象屬性兩種存儲(chǔ)模式，數(shù)據(jù)類型屬性的變動(dòng)性較小，同對象屬性相比，查詢頻度也低，如果放在一張表中，將會(huì)降低查詢和維護(hù)效率。

（3）性能優(yōu)化

為了優(yōu)化基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的智能家居本體的存儲(chǔ)和查詢效率，可以在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中建立索引、視圖和觸發(fā)器。索引：對查詢頻率比較高的字段通過建立索引，如類表、屬性表、實(shí)例表的主鍵上建立索引，除此之外，其他表不需要建立除了主鍵之外的索引；視圖：對查詢頻率較高的數(shù)據(jù)表可以建立相關(guān)視圖；數(shù)據(jù)更新：對于簡單的自動(dòng)刪除和更新操作可以通過建立外鍵約束來實(shí)現(xiàn)，對于復(fù)雜的更新操作可以通過建立觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，如父子類表、對象屬性表、約束關(guān)系表。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）測試方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了 7組數(shù)據(jù)，測試的本體數(shù)據(jù)集是建立的智能家居本體，用 protégé 本體編輯器把該本體數(shù)據(jù)分別以文本模式、垂直模式、混合模式和新設(shè)計(jì)的基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的模式進(jìn)行存儲(chǔ)。每一組使用7 個(gè)具體查詢來測試存儲(chǔ)模式的性能，7 個(gè)查詢分別為：1） 設(shè)備類的所有子類；2） 空調(diào)類的所有等價(jià)類；3） 用戶基本需求屬性的所有子屬性；4） 用戶基本需求屬性的定義域是什么；5） 用戶基本需求屬性的值域是什么；6） 設(shè)備類的所有實(shí)例是什么；7） 制冷空調(diào)實(shí)例的當(dāng)前溫度屬性的值是什么。

（2）測試結(jié)果

對每一條查詢進(jìn)行 100 次，計(jì)算所需的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從類、屬性和實(shí)例 3 個(gè)方面對比了 4種模式的性能，發(fā)現(xiàn)在相同查詢條件的情況下，本文設(shè)計(jì)的基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)模式要比垂直模式和 DLDB 混合模式的查詢時(shí)間短，說明本文設(shè)計(jì)的基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)模式查詢性能更好，同時(shí)由于智能家居領(lǐng)域本體是一個(gè)大規(guī)模本體，因此說明本文模式在處理大規(guī)模本體是具有良好的性能。

六、結(jié) 語

對本體存儲(chǔ)模式分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能家居本體與關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)本體的特點(diǎn)，提出了一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的智能家居本體存儲(chǔ)模式，該模式可以存儲(chǔ)各種類型的智能家居本體，存儲(chǔ)本體信息較完整，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好，并能在當(dāng)前流行的RDBMS 中較好地實(shí)現(xiàn)根據(jù)語義查詢智能家居本體等功能，能利用RDBMS 完整性、索引、視圖、觸發(fā)器和存儲(chǔ)過程等技術(shù)提高智能家居本體存儲(chǔ)和查詢效率。

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