智能家居本體在關系數據庫中的存儲方法研究

唐紹華

摘 要隨著智能家居數據規(guī)模的不斷增大，結構清晰、查詢效率高、語義完整，可擴展性好的本體存儲模式是解決現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方法的不足，結合智能家居領域本體特點，給出了一種基于關系數據庫特點的存儲智能家居本體的關系模式，最后通過實例證明了該方案的有效性和可行性。

關鍵詞智能家居 本體存儲 關系數據庫

一、引 言

智能家居以住宅為平臺，利用計算機、物聯網、網絡通信等技術將智能家居用戶生活有關的設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、藝術性。本體是共享概念化明確的形式化規(guī)范，由哲學概念引入到人工智能領域，智能家居系統(tǒng)所采集的數據包括傳感器的數據、設備本身的運行狀態(tài)數據、用戶和設備交互的數據，客戶端產生的數據、用戶自身的使用習慣和生活場景數據等等，隨著智能家居數據規(guī)模的不斷增大及語義Web的快速發(fā)展和廣泛應用，選擇一種合適的本體存儲方法尤為重要。

本文在分析傳統(tǒng)本體存儲方法的基礎之上，提出了一種結構清晰、查詢效率高、語義完整，可擴展性好的基于改進的關系數據庫的方法實現對本體進行存儲，最后通過相關的實驗驗證了該理論的可行性和有效性。

二、相關研究

目前，國內外的很多專家和學者對本體的存儲問題已經進行了相關的研究并取得了一定的成就，主要包括文本式存儲、內存式存儲、關系數據庫式存儲、基于面向對象數據庫存儲、基于圖數據庫的存儲。

（1）基于內存的存儲方式?；趦却娲鎯Ψ绞骄哂泻芨叩倪\行效率，不存在磁盤更新的問題，但只能處理很少量的數據，記憶能力差，主要適用于小規(guī)模本體的高效存儲管理。

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

（3）關系數據庫式存儲?；陉P系數據庫技術成熟，較好的事物處理能力和訪問機制，能充分利用SQL語言的優(yōu)勢，是目前本體存儲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、存儲模式設計復雜，可擴展性和語義支持較差等問題，傳統(tǒng)的基于關系模式的存儲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）基于面向對象數據庫存儲?；诿嫦驅ο髷祿炫c面向對象技術能很好對接，不需要對本體進行拆分或轉換，語義完整性 較高，本體查詢效率高，但在存儲復雜關系本體時有些不足，推理能力不強，學術界已有相關研究，但研究不多，具有一定的研究潛力，在本體存儲系統(tǒng)中也有部分應用。

（5）基于圖數據庫的存儲。基于圖的存儲方式能解決本體與本體存儲介質邏輯結構不匹配的問題，應用在小規(guī)模查詢上，性能較高，一旦應用于大規(guī)模的智能家居系統(tǒng)性能會急劇下降，無法提高總TPS，不適合大規(guī)模的數據計算。

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

三、設計規(guī)則

在智能家居本體模型構建過程中，采用了從整體到部分，從上到下的方式來對智能家居領域知識進行分類和提取，在智能家居體系中，可以分為用戶本體、環(huán)境本體和設備本體，根據關系數據庫和智能家居本體的特點，設計一個合適的關系數據庫存儲智能家居本體，需要滿足以下原則。

原則 1：較好的規(guī)范化程度，設計出的存儲模式需要滿足3NF 和BCNF要求，盡量避免同名異義和同義異名的情況，以實現對本體數據的有效管理和應用。

原則 2：模式結構清晰，易于理解，能夠提高查詢效率，有利于相互交流，方便開發(fā)人員設計實現。

原則 3：模式結構穩(wěn)定，為了實現海量和動態(tài)存儲智能家居本體，存儲模式具有較好的穩(wěn)定性，即本體的變化不會引起或者微弱影響著數據庫表結構的變化，從而增加數據庫系統(tǒng)的維護代價。

原則 4：較高的查詢效率。存儲的最終目的就是進行查詢，所以該指標是衡量存儲模式好壞的一個重要標準。當一個表中的數據量過大或表連接過多時，都將影響查詢效率，所以在設計存儲模式時應該避免此類問題。

原則 5：為重要的概念單獨創(chuàng)建表。包括本體中的類、屬性、類關系中的父類、子類、類實例、屬性實例等，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計，查詢頻率較低，在設計時可以將其存儲在同一張表中，從而減少關系數據庫中表的個數，提高存儲效率。

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，在存儲屬性實例時，將數據類型屬性實例與對象屬性實例分開存儲，這主要考慮到后者相比較前者而言，查詢頻度高，動態(tài)變化較大；在存儲屬性關系時，考慮到屬性關系分為兩種，如果分開存儲將會產生四張表，加上其查詢頻度不高，所以就不區(qū)分。

四、關系模式設計

根據智能家居本體存儲模式設計規(guī)則，結合 OWL 語法的構詞分析和關系數據庫存儲數據的特點，并在保證 OWL 語義完整性的基礎上，提出如下的關系數據庫存儲智能家居本體的設計模式。

（1）設計思路

①類的存儲。設計表classes存儲本體類信息，包括類編號、類名，其中類編號是主鍵；

②屬性的存儲。設計表property存儲本體屬性，包括屬性編號、屬性名、定義域、值域，其中屬性編號是主鍵，定義域是外鍵，值域存放屬性的取值范圍；

③實例的存儲。實例存儲包括類實例存儲和屬性實例存儲，類實例存儲：設計表InstanceClass存儲類實例，包括編號、實例名稱、類編號，其中類編號是外鍵；屬性實例存儲：設計表InstanceDataTypeProperty存儲數據屬性，包括屬性編號、實例編號、實例屬性值，其中屬性編號和實例編號組成主鍵；設計表InstanceObjectProperty存儲對象屬性，包括屬性編號、實例A編號、實例B編號，實例A和實例B表示對象屬性聯系的兩個實例

④關系的存儲。

類關系的存儲：設計表SubClassRelation 和OtherClassRelation分別存儲父子類關系（subclass or super class）和其他類關系如等價類（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、類關系類型、類關系描述；

屬性關系的存儲：屬性之間的關系可以分為子屬性/父屬性關系（sub property or super property）、等價關系（equivalent property）、不相交關系（disjoint property）、翻轉關系（inverse of）、傳遞關系（transitive）、對稱關系（symmetric）、函數關系（functional）、逆函數關系（inverse functional）等幾類，因為子屬性/父屬性關系、等價關系、翻轉關系和不相交關系是表達兩個關系之間的關系，是雙目運算，而其他四個屬性表達的是一個屬性的特性，是單目運算，所以在存儲時將兩者分開存儲在Unary Property Relation和Dual Property Relation中，設計表UnaryPropertyRelation存儲屬性關系，包括屬性關系類型（傳遞、對稱、函數和逆函數關系四種）、屬性編號，其中屬性關系類型包括傳遞、對稱、函數和逆函數關系四種，設計表UnaryPropertyRelation存儲其他屬性關系（父子屬性關系、等價關系、翻轉關系和不相交關系四種），包括屬性關系類型、屬性A編號、屬性B編號；

實例關系的存儲：設計表InstanceRelation存儲本體實例關系，包括實例關系類型、實例A編號、實例B編號，兩個實例之間的關系可以分為相同實例（same individual as）、不同實例（different from）兩種。

⑤約束關系的存儲：OWL中的約束包括all Values From、some Values From、min Cardinality、max Cardinality以及has Value等，設計表Restriction存儲本體約束關系，包括約束類型、屬性編號、約束描述信息。

（2）模式結構

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）

本文提出的設計模式有以下幾個特點：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；模式結構簡單，易于理解，能夠明確地描述本體與本體之間的關系；模式結構穩(wěn)定，當本體發(fā)生變化是，只要增加、修改或刪除相應表中的一些元組，不需要對數據庫模式進行修改；維護代價較小，根據查詢頻度，例如對于類之間的三種關系，設計時分為父類子類關系和其他關系進行存儲，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，設計存儲在一張表中；根據實際情況，屬性實例存儲時，分為數據類型屬性和對象屬性兩種存儲模式，數據類型屬性的變動性較小，同對象屬性相比，查詢頻度也低，如果放在一張表中，將會降低查詢和維護效率。

（3）性能優(yōu)化

為了優(yōu)化基于關系數據庫的智能家居本體的存儲和查詢效率，可以在關系數據庫中建立索引、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據表可以建立相關視圖；數據更新：對于簡單的自動刪除和更新操作可以通過建立外鍵約束來實現，對于復雜的更新操作可以通過建立觸發(fā)器來實現，如父子類表、對象屬性表、約束關系表。

五、實驗結果與分析

（1）測試方法

本實驗設計了 7組數據，測試的本體數據集是建立的智能家居本體，用 protégé 本體編輯器把該本體數據分別以文本模式、垂直模式、混合模式和新設計的基于關系數據庫的模式進行存儲。每一組使用7 個具體查詢來測試存儲模式的性能，7 個查詢分別為：1） 設備類的所有子類；2） 空調類的所有等價類；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） 設備類的所有實例是什么；7） 制冷空調實例的當前溫度屬性的值是什么。

（2）測試結果

對每一條查詢進行 100 次，計算所需的時間，實驗結果如表1所示。從類、屬性和實例 3 個方面對比了 4種模式的性能，發(fā)現在相同查詢條件的情況下，本文設計的基于關系數據庫的存儲模式要比垂直模式和 DLDB 混合模式的查詢時間短，說明本文設計的基于關系數據庫的存儲模式查詢性能更好，同時由于智能家居領域本體是一個大規(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 語

對本體存儲模式分析的基礎上，結合智能家居本體與關系數據庫存儲本體的特點，提出了一種基于關系數據庫的智能家居本體存儲模式，該模式可以存儲各種類型的智能家居本體，存儲本體信息較完整，結構穩(wěn)定性很好，并能在當前流行的RDBMS 中較好地實現根據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)器和存儲過程等技術提高智能家居本體存儲和查詢效率。

參考文獻

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