ASCM系統(tǒng)中XML數(shù)據(jù)關(guān)系化存儲(chǔ)研究

陳 姍，王麗娟，張光輝

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450002)

XML(eXtensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)具有自定義性、可移植性及其可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)，便于表達(dá)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，常作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換的中介［1～4］，同時(shí) XML將其數(shù)據(jù)內(nèi)容與應(yīng)用程序分開(kāi)存儲(chǔ)，可大大提高數(shù)據(jù)交換和聯(lián)合查詢(xún)的效率.關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理中的高效性、穩(wěn)定性、可移植性和可擴(kuò)展性是其他技術(shù)無(wú)法比擬的，該技術(shù)可在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)處理XML數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù).XML和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的結(jié)合可解決異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成問(wèn)題.

目前XML數(shù)據(jù)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)方法很多，有的是直接把XML數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，有的先把XML文檔模式映射到關(guān)系模式，然后再把XML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到映射后的關(guān)系模式中.國(guó) 內(nèi) 外 研 究 學(xué) 者 提 出 Edge，STORED［5］，DTD［6］，XPARENT［7］等許多技術(shù)方案.但目前的研究成果主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，涉及農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用較少，特別是將XML數(shù)據(jù)關(guān)系化存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈管理ASCM(Agriculture supply chain management)系統(tǒng)方面還鮮見(jiàn)報(bào)道.

ASCM系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是數(shù)據(jù)更新速度快，其查詢(xún)效率的高低直接影響到農(nóng)資供應(yīng)商、種植商(農(nóng)戶(hù))、批發(fā)市場(chǎng)、零售商、消費(fèi)者等主體的經(jīng)濟(jì)效益.為高效率的實(shí)現(xiàn)ASCM系統(tǒng)中各農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的不同來(lái)源、格式、特點(diǎn)、性質(zhì)的異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，基于XML的ASCM系統(tǒng)信息集成框架，本文提出一種XML數(shù)據(jù)到關(guān)系數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換方法，盡可能多地保持XML模式信息以便文檔重構(gòu)，為建立統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)資源信息共享平臺(tái)［8～11］奠定基礎(chǔ).

1 ASCM系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

基于XML的ASCM系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)共分為應(yīng)用層、集成層、數(shù)據(jù)層(如圖1所示).應(yīng)用層:為農(nóng)戶(hù)等主體提供統(tǒng)一的界面查看全局模式;并以XML的格式顯示來(lái)自底層的查詢(xún)結(jié)果.集成層:是應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間傳遞數(shù)據(jù)的工具.由中介器和包裝器構(gòu)成，中介器和包裝器通過(guò)ORB/IIOP通信.查詢(xún)分析器接收并檢查查詢(xún)語(yǔ)句的語(yǔ)法，查詢(xún)分解器根據(jù)元數(shù)據(jù)字典將全局查詢(xún)分解成針對(duì)各個(gè)局部數(shù)據(jù)庫(kù)的若干子查詢(xún)并交給相應(yīng)的包裝器，集成器將包裝器返回的查詢(xún)結(jié)果整合后以全局模式的形式返回給用戶(hù)，元數(shù)據(jù)字典存儲(chǔ)數(shù)據(jù)源的鏈接信息、公共數(shù)據(jù)模型以及公共數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)源的映射規(guī)則.包裝器負(fù)責(zé)將子查詢(xún)轉(zhuǎn)換成符合每個(gè)數(shù)據(jù)源模型和模式的查詢(xún)，并把查詢(xún)結(jié)果轉(zhuǎn)換成XML格式然后返回給中介器.數(shù)據(jù)層:由分布的異構(gòu)數(shù)據(jù)源構(gòu)成，是整個(gè)集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供者.主要功能是接受農(nóng)戶(hù)等主體的具體查詢(xún)請(qǐng)求，并將查詢(xún)結(jié)果以關(guān)系數(shù)據(jù)的形式返回給包裝器.

圖1 ASCM系統(tǒng)框架Fig.1 ASCM system framework

2 ASCM系統(tǒng)中XML數(shù)據(jù)到關(guān)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ASCM系統(tǒng)中XML文檔存儲(chǔ)的關(guān)鍵是如何建立XML文檔在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系表，其轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2所示.主要包括模式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2大部分.

圖2 XML數(shù)據(jù)到關(guān)系數(shù)據(jù)表的轉(zhuǎn)換過(guò)程Fig.2 Conversion process of XML data to relational data

2.1 模式轉(zhuǎn)換

在分析DTD模式文檔的基礎(chǔ)上，采用基于模式的結(jié)構(gòu)映射方法，首先簡(jiǎn)化并解析DTD文檔，然后將簡(jiǎn)化后的DTD文檔繪制成DTD圖并存儲(chǔ)在ASCM系統(tǒng)的映射模型庫(kù)中，根據(jù) DTD圖產(chǎn)生DTD內(nèi)聯(lián)圖，同時(shí)存儲(chǔ)到映射模型庫(kù)和RDB中.DTD內(nèi)聯(lián)圖到關(guān)系模式的映射方法存儲(chǔ)在ASCM系統(tǒng)映射模型庫(kù)中，方便相應(yīng)的XML文檔根據(jù)DTD內(nèi)聯(lián)圖進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換.

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)XML實(shí)例文檔建立XML樹(shù)，并存儲(chǔ)在RDB中，根據(jù)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的DTD內(nèi)聯(lián)圖和ASCM系統(tǒng)映射模型庫(kù)中模式映射的方法，將XML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的關(guān)系表中.

3 ASCM系統(tǒng)中XML模式到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換

ASCM集成系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成XML數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，其中的關(guān)鍵部分是實(shí)現(xiàn)XML模式到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，還要考慮到XML數(shù)據(jù)的語(yǔ)義保持和自身的順序性、層次性等特點(diǎn).基于ASCM系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換步驟如下.

3.1 DTD圖到DTD內(nèi)聯(lián)圖的轉(zhuǎn)換

DTD文檔的結(jié)構(gòu)可以由圖G=(V，E)來(lái)表示.其中V是圖中結(jié)點(diǎn)的集合，E是圖中邊的集合.結(jié)點(diǎn)v表示元素或?qū)傩孕畔?，e表示結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系.每個(gè)結(jié)點(diǎn)由對(duì)應(yīng)元素或?qū)傩缘拿Q(chēng)標(biāo)注，屬性名稱(chēng)前加@以示區(qū)分.每條邊e包含以下信息:“，”:只有一個(gè)值;“* ”:有0到多個(gè)值;“+”:有 1到多個(gè)值;“?”:多個(gè)值選擇.默認(rèn)情況下邊信息為“，”.

農(nóng)戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)信息XML文檔對(duì)應(yīng)的DTD如farmerInfo.dtd 所示，根據(jù) DTD 的簡(jiǎn)化規(guī)則［12，13］簡(jiǎn)化DTD，簡(jiǎn)化后的DTD按照轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)換為DTD圖:元素和屬性直接轉(zhuǎn)換為DTD圖的結(jié)點(diǎn)，元素與子元素或?qū)傩缘年P(guān)系轉(zhuǎn)換為結(jié)點(diǎn)之間的邊，箭頭由父元素指向子元素或?qū)傩?轉(zhuǎn)換后的農(nóng)戶(hù)信息DTD圖如圖3所示.

farmerInfo.dtd

＜!ELEMENT農(nóng)戶(hù)信息(農(nóng)戶(hù)*)＞

＜!ELEMENT農(nóng)戶(hù)(名字，農(nóng)資需求+，農(nóng)產(chǎn)品出售*，地址*，電話(huà))＞

＜!ATTLIST農(nóng)戶(hù)id ID#REQUIRED＞

＜!ELEMENT名字(#PCDATA)＞

＜!ELEMENT農(nóng)資需求(名字*，數(shù)量*)＞

＜!ELEMENT農(nóng)產(chǎn)品出售 (名字*，數(shù)量*)＞

＜!ELEMENT數(shù)量(#PCDATA)＞

＜!ELEMENT地址(城市，地區(qū))＞

＜!ELEMENT城市(#PCDATA)＞

＜!ELEMENT地區(qū)(#PCDATA)＞

＜!ELEMENT電話(huà)(#PCDATA)＞

圖3 農(nóng)戶(hù)信息DTD圖Fig.3 Farmers'information DTD figure

ASCM系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，信息更新速度快，查詢(xún)效率的高低直接關(guān)系到農(nóng)戶(hù)、農(nóng)資供應(yīng)商、零售商等主體的經(jīng)濟(jì)效益，因此應(yīng)該最大程度地提高查詢(xún)效率.如果將DTD圖中的結(jié)點(diǎn)直接映射為關(guān)系表，那么對(duì)于ASCM系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中嵌套較深、子元素或?qū)傩詡€(gè)數(shù)較多的DTD文檔來(lái)說(shuō)，在查詢(xún)時(shí)會(huì)過(guò)多的使用連接操作，從而影響查詢(xún)效率的提高.對(duì)于DTD圖中只有唯一值的結(jié)點(diǎn)，即邊信息是“，”的結(jié)點(diǎn)，我們稱(chēng)之為可內(nèi)聯(lián)結(jié)點(diǎn)，可以將該結(jié)點(diǎn)信息內(nèi)聯(lián)到父結(jié)點(diǎn)中保存，以此達(dá)到減少生成關(guān)系表數(shù)目的目的.本文在DTD圖的基礎(chǔ)上采用內(nèi)聯(lián)方法實(shí)現(xiàn)XML模式到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換，該方法中最重要的是實(shí)現(xiàn)DTD圖到內(nèi)聯(lián)圖的轉(zhuǎn)換，具體轉(zhuǎn)算法如圖4.

根據(jù)DTD內(nèi)聯(lián)圖構(gòu)造算法，對(duì)農(nóng)戶(hù)信息DTD圖進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷，根據(jù)圖中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)的信息以及結(jié)點(diǎn)之間邊的信息進(jìn)行處理，得到的農(nóng)戶(hù)信息DTD內(nèi)聯(lián)圖如圖5所示.

3.2 DTD內(nèi)聯(lián)圖到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換

在農(nóng)戶(hù)信息DTD內(nèi)聯(lián)圖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)XML模式到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換，主要考慮2個(gè)方面:一方面是充分利用圖中結(jié)點(diǎn)的信息;另一方面還要考慮XML數(shù)據(jù)的順序性和層次性，為以后XML數(shù)據(jù)的重構(gòu)做好準(zhǔn)備.

DTD內(nèi)聯(lián)圖到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換思想是:將內(nèi)聯(lián)圖中每個(gè)結(jié)點(diǎn)e轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式的一個(gè)表T，e中可內(nèi)聯(lián)的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為表T中的字段.如果結(jié)點(diǎn)e不是根結(jié)點(diǎn)，添加parentID字段來(lái)存儲(chǔ)父結(jié)點(diǎn)位置;對(duì)于入度大于1的共享結(jié)點(diǎn)e，添加parentType字段來(lái)保存父結(jié)點(diǎn)的類(lèi)型;如果e是普通的元素類(lèi)型結(jié)點(diǎn)，添加endID字段來(lái)存儲(chǔ)最后一個(gè)子元素的編號(hào);如果e是葉子元素類(lèi)型結(jié)點(diǎn)，則在e對(duì)應(yīng)的表中添加字段名作為字段來(lái)存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)本身.對(duì)于可內(nèi)聯(lián)的結(jié)點(diǎn)f，如果f是元素類(lèi)型而不是屬性類(lèi)型，添加字段f.ID和f.endID存儲(chǔ)本元素相關(guān)信息;如果f是屬性或葉子元素類(lèi)型結(jié)點(diǎn)，添加同名字段名來(lái)存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)本身.如果e是元素結(jié)點(diǎn)，標(biāo)注e.ID作為關(guān)系e的主鍵，否則讓e.ID和e.parentID共同作為關(guān)系e的主鍵.根據(jù)上述轉(zhuǎn)換策略，可以把農(nóng)戶(hù)信息DTD內(nèi)聯(lián)圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式，得到的結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 農(nóng)戶(hù)信息關(guān)系模式Fig.6 Farmers'information relational schema

4 ASCM系統(tǒng)中XML數(shù)據(jù)到關(guān)系數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

4.1 XML 樹(shù)的構(gòu)造

模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中用DTD圖來(lái)表示XML文檔的模式信息，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中使用XML樹(shù)表示XML文檔的數(shù)據(jù)信息.XML樹(shù)構(gòu)造方法和DTD圖構(gòu)造方法相同，結(jié)點(diǎn)表示XML文檔中的元素，邊表示元素間的父子關(guān)系.ASCM系統(tǒng)中農(nóng)戶(hù)信息實(shí)例文檔見(jiàn)圖7，按照全局順序編碼方法［14］對(duì)應(yīng)的XML樹(shù)見(jiàn)圖8.

4.2 XML文檔信息到關(guān)系表的轉(zhuǎn)換過(guò)程

根據(jù)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的DTD內(nèi)聯(lián)圖、關(guān)系模式和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的XML樹(shù)，可以將XML文檔數(shù)據(jù)插入到相應(yīng)的關(guān)系表中.具體轉(zhuǎn)換思想是:遍歷XML樹(shù)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)元素e，求出它在DTD內(nèi)聯(lián)圖中對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)d，如果d是不可內(nèi)聯(lián)的結(jié)點(diǎn)，說(shuō)明e可能包含有其他的元素或?qū)傩?，這些元素或?qū)傩詰?yīng)保存到d對(duì)應(yīng)的表中;如果d是可內(nèi)聯(lián)的，e包含的信息保存在父結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的表中.

根據(jù)模式轉(zhuǎn)換結(jié)果圖6可知farmerInfo.xml可產(chǎn)生7個(gè)關(guān)系表，根據(jù)圖6的關(guān)系表和字段，參考轉(zhuǎn)換思想，依次添加圖7和圖8的數(shù)據(jù)信息，得到農(nóng)戶(hù)信息farmerInfo.xml生成的關(guān)系數(shù)據(jù)表，如表1～7所示.字段ID、內(nèi)聯(lián)結(jié)點(diǎn)f的字段f.ID均表示元素結(jié)點(diǎn)的全局順序;如果元素結(jié)點(diǎn)e.ID=e.endID，表示元素結(jié)點(diǎn)e在XML樹(shù)T中是一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn);parentType表示父結(jié)點(diǎn)類(lèi)型，主要用于區(qū)分共享結(jié)點(diǎn)的父結(jié)點(diǎn)來(lái)源，由父結(jié)點(diǎn)名稱(chēng)表示.其中表5地址表及其字段對(duì)應(yīng)圖6中的地址關(guān)系模式，元組值(11，2，13，12，12，鄭州市，13，13，金水區(qū))表示地址元素結(jié)點(diǎn)的全局順序?yàn)?1，它的父元素結(jié)點(diǎn)編號(hào)為2(即農(nóng)戶(hù)結(jié)點(diǎn))，最后一個(gè)子元素為地區(qū)，地址結(jié)點(diǎn)的內(nèi)聯(lián)結(jié)點(diǎn)城市的全局順序?yàn)?2，該城市結(jié)點(diǎn)的最后一個(gè)子元素編號(hào)為12，因此該城市結(jié)點(diǎn)是葉子結(jié)點(diǎn)，內(nèi)容為“鄭州市”，地址結(jié)點(diǎn)的內(nèi)聯(lián)結(jié)點(diǎn)地區(qū)的全局順序?yàn)?3，該地區(qū)結(jié)點(diǎn)是葉子結(jié)點(diǎn)，內(nèi)容為“金水區(qū)”.表6名字表及其字段對(duì)應(yīng)圖6中的名字關(guān)系模式，元組值(6，5，6，農(nóng)資需求，碳酸氫銨)表示該名字結(jié)點(diǎn)的全局順序?yàn)?，父元素結(jié)點(diǎn)編號(hào)是5(即農(nóng)資需求)，該名字結(jié)點(diǎn)是葉子結(jié)點(diǎn)，父元素類(lèi)型為農(nóng)資需求，內(nèi)容為“碳酸氫銨”.

表1 農(nóng)戶(hù)信息表Table1 Farmers'information table

表2 農(nóng)資需求表Table2 Products demand table

表3 農(nóng)產(chǎn)品出售Table3 Products sales table

表4 農(nóng)戶(hù)表Table4 Farmers'table

表5 地址表Table5 Address table

表6 名字表Table6 Name table

表7 數(shù)量表Table7 Amount table

5 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)ASCM系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)更新快等特點(diǎn)，在模式映射的基礎(chǔ)上提出一種內(nèi)聯(lián)算法，將XML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)表中，可較大程度減少生成的關(guān)系表數(shù)量，直接提高ASCM系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢(xún)效率.整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程包括模式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2部分，模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中重點(diǎn)介紹了DTD內(nèi)聯(lián)圖的構(gòu)造算法和DTD內(nèi)聯(lián)圖到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換思想，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程充分考慮到了XML數(shù)據(jù)順序性、查詢(xún)效率等問(wèn)題，盡量保證信息的完整性，為實(shí)現(xiàn)ASCM系統(tǒng)信息共享提供一種有效的方法和手段.

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