基于粒子群優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享仿真

包空軍，張新敬

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1 引言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的帶動(dòng)下，各類(lèi)數(shù)據(jù)信息可以實(shí)現(xiàn)方便快捷的網(wǎng)上傳輸或共享等各類(lèi)功能。但在部分共享機(jī)制的實(shí)時(shí)性差，且只能在用戶使用數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出個(gè)性化差異服務(wù)，也無(wú)法有效避免數(shù)據(jù)在共享過(guò)程中的泄露或被攻擊等安全問(wèn)題。

相關(guān)學(xué)者提出如下研究成果：文獻(xiàn)[1]建立一種基于群集數(shù)據(jù)庫(kù)的信息共享方案，主要功能是將虛擬化的單位數(shù)據(jù)信息擴(kuò)展為集群形式，使網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)在不需要調(diào)試的情況下，就可以直接運(yùn)行在集群形式的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)用戶的數(shù)據(jù)庫(kù)信息的相互共享。此方案實(shí)施方式較為簡(jiǎn)便，但不能保證共享信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，相對(duì)來(lái)說(shuō)綜合性能較差；文獻(xiàn)[2]則是通過(guò)建立一種共享平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的遠(yuǎn)程共享。此平臺(tái)框架主要提供數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)及制作等服務(wù)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)特性和中間件關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享目的，利用預(yù)設(shè)制作系統(tǒng)中的資源共享技術(shù)，及WEBGIS共同組成數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，向用戶提供線上數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享服務(wù)。但在同一平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享時(shí)，信息傳輸誤差大，時(shí)效性較差；文獻(xiàn)[3]提出構(gòu)建一種基于多源數(shù)據(jù)分析的簇內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)信息共享方案，通過(guò)數(shù)據(jù)特征集中展現(xiàn)和集中分布的方式達(dá)成目的，可自動(dòng)選擇多個(gè)客戶進(jìn)行多組數(shù)據(jù)重傳輸，降低簇內(nèi)傳輸次數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程分享。但因簇內(nèi)傳輸次數(shù)越多，費(fèi)用及各種開(kāi)銷(xiāo)較大，且容易忽略用戶個(gè)性化需求。

為此，本文方法從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境入手，提出一種基于粒子群優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享方法。對(duì)大量結(jié)構(gòu)差異較大的數(shù)據(jù)庫(kù)信息實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸及共享，并對(duì)傳輸速度、個(gè)性化服務(wù)及成本費(fèi)用進(jìn)行全面分析，完成高效共享。利用粒子群優(yōu)化方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息看做粒子進(jìn)行初始化參數(shù)等操作處理，完成最優(yōu)傳輸數(shù)據(jù)庫(kù)。能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享技術(shù)提供有力支持。同時(shí)，還考慮到客戶共享服務(wù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等硬件問(wèn)題，構(gòu)建了共享服務(wù)平臺(tái)，一方面斷絕客戶在進(jìn)行遠(yuǎn)程共享時(shí)出現(xiàn)信息泄露的情況，另一方面降低傳輸時(shí)間、提高時(shí)效性，使用戶獲得的信息是實(shí)時(shí)信息。仿真結(jié)果證明，通過(guò)基于粒子群優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享研究，可以有效改善上述忽略個(gè)性化服務(wù)及準(zhǔn)確性差等問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享整體構(gòu)架

數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享的整體構(gòu)架。主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、最優(yōu)數(shù)據(jù)庫(kù)選取模塊、數(shù)據(jù)信息共享轉(zhuǎn)換模塊及用戶共享平臺(tái)模塊。整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)采集各類(lèi)實(shí)時(shí)信息，并將全部記錄與數(shù)據(jù)進(jìn)行大面積覆蓋。而建立整體構(gòu)架主要起到將數(shù)據(jù)信息與物體間形成可靠緊密聯(lián)系的作用，將實(shí)際物體作為共享源頭來(lái)自主性傳遞信息，再根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終，形成數(shù)據(jù)與實(shí)物信息一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。同時(shí)在進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)設(shè)立訪問(wèn)權(quán)限[4]，確保數(shù)據(jù)安全，提高安全性能。

最優(yōu)數(shù)據(jù)庫(kù)選取模塊可以說(shuō)是整個(gè)遠(yuǎn)程共享傳輸過(guò)程的地基，只有對(duì)根源部位進(jìn)行加固處理才能保證整個(gè)過(guò)程的完美實(shí)施，通過(guò)對(duì)信息目標(biāo)函數(shù)求解并分析實(shí)時(shí)的量子信息狀態(tài)，將粒子看做數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行最新?tīng)顟B(tài)更新，直至符合要求。

數(shù)據(jù)信息共享轉(zhuǎn)換模塊主要通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行調(diào)試，能夠保證數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及格式的統(tǒng)一性，以便確保傳輸?shù)耐昝缹?shí)現(xiàn)。

共享平臺(tái)模塊是整體構(gòu)架中的核心部分，建立數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享平臺(tái)，給用戶提供方便快捷的功能如：信息查詢(xún)、信息反饋及安全性能檢測(cè)等。

3 基于粒子群優(yōu)化的最佳數(shù)據(jù)庫(kù)選取

為保證數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享的安全性能及效率問(wèn)題，建立基于粒子群優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)[5]，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解完成最優(yōu)數(shù)據(jù)庫(kù)信息輸出。首先，將量子機(jī)制引入到量子力學(xué)勢(shì)場(chǎng)(即無(wú)電流場(chǎng))中，就會(huì)出現(xiàn)粒子一直向低勢(shì)能方向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，所以根據(jù)此種特性，通過(guò)粒子群優(yōu)化方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，以此獲取最優(yōu)共享數(shù)據(jù)庫(kù)[6-7]。

在粒子群優(yōu)化方法中，根據(jù)薛定諤方程公式對(duì)隨時(shí)間變化的量子狀態(tài)的方差進(jìn)行分析表述[8]，其方程如下

(1)

式中，x代表在[0，1]區(qū)間內(nèi)呈均勻狀態(tài)分布的隨機(jī)函數(shù)，h表示普朗克常數(shù)值，mp表示粒子的常規(guī)質(zhì)量，G表示勢(shì)能量函數(shù)，?2表示普拉斯公式中的算數(shù)分子，F(xiàn)表示波頻函數(shù)，在上述方程過(guò)程中，F(xiàn)(x，t)是未知的，它的平方值就是粒子出現(xiàn)的概率及密度函數(shù)的體現(xiàn)。在此之上，勢(shì)能分布方程G(x)可表示為

G(x)=εδ(x)

(2)

式中，ε0，δ(x)表示狄拉克函數(shù)δ(·)，根據(jù)上述兩個(gè)公式求解可得公式F(x)，其表達(dá)含義如下

(3)

(4)

在勢(shì)阱中分布的粒子滿足薛定諤方程原理，在粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通常下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)位置都是未知的，需要通過(guò)計(jì)算獲得該位置[9]。本文令e-2|x|/l=α，α為[0，1]，實(shí)現(xiàn)在范圍內(nèi)滿足正態(tài)函數(shù)的隨機(jī)分布，就會(huì)獲得以下關(guān)系式

(5)

其中，將l重新定義為l=2β|x-xk|，xk則表示數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程共享時(shí)，為達(dá)成目的的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。即為xk=minK，這樣就會(huì)有以下關(guān)系式

(6)

式中，β表示長(zhǎng)期控制參數(shù)，Δx表示粒子運(yùn)動(dòng)距離。粒子位置的重新變更公式如下

xi(t+1)=xi(t)±Δxi(t)

(7)

同時(shí)，為了增強(qiáng)共享多樣性及尋優(yōu)性能，假設(shè)粒子群組就為量子機(jī)制系統(tǒng)，把所有搜索范圍當(dāng)做勢(shì)能場(chǎng)[10]，這時(shí)，期望粒子運(yùn)動(dòng)到最優(yōu)位置的概率就會(huì)大大增加。

如果將粒子群全部收斂至局部?jī)?nèi)吸引粒子pij旁，就會(huì)出現(xiàn)粒子群收斂效果。其中，pij就為第i維吸引粒子在第j個(gè)粒子上的表現(xiàn)，有

(8)

上述公式是以全局為基準(zhǔn)進(jìn)行粒子尋優(yōu)，以此進(jìn)行推斷可得局部粒子尋優(yōu)的更新公式為

(9)

通過(guò)上述分析可知，充分利用與粒子相關(guān)的全部信息的尋優(yōu)方法，較適用于局部?jī)?nèi)使用。

采用粒子群優(yōu)化方法對(duì)粒子進(jìn)行尋找最優(yōu)目標(biāo)時(shí)，就可將數(shù)據(jù)庫(kù)信息看做粒子，對(duì)其參數(shù)采取初始化數(shù)據(jù)等措施，并分組進(jìn)行粒子運(yùn)動(dòng)的位置更新，對(duì)兩組粒子的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行更進(jìn)。每隔n代，就會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)粒子替換較差粒子，直到符合最終條件為止，輸出最優(yōu)粒子，即為最優(yōu)數(shù)據(jù)庫(kù)輸出方案。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)信息格式共享轉(zhuǎn)換機(jī)制

數(shù)據(jù)格式的互相轉(zhuǎn)換機(jī)制是現(xiàn)階段使用最為廣泛的一種解決信息遠(yuǎn)程共享的方案，也是在進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享時(shí)必不可少的預(yù)處理步驟。其主要是通過(guò)把其它格式的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成在共享時(shí)可以使用的數(shù)據(jù)格式[11]。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的通用性，除了數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的傳輸格式外，還會(huì)帶有文本形式的交換格式，如現(xiàn)有的Arc/InfoE00格式、MID/MIF格式、Map GIS等數(shù)據(jù)格式文件，通過(guò)交換格式可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互相共享及轉(zhuǎn)換。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換時(shí)還必須保證以下幾點(diǎn)要求才能合理徹底地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的遠(yuǎn)程共享，并保證其共享質(zhì)量及其它指標(biāo)的合理實(shí)現(xiàn)[12]。

1)由于不同的傳輸空間的實(shí)體描述方法不同及數(shù)據(jù)模型都各有不同，所以在只考慮格式轉(zhuǎn)換不考慮其它因素的情況下，容易丟失源數(shù)據(jù)因而造成不能準(zhǔn)確表達(dá)相應(yīng)信息的狀況，這時(shí)就需要對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程較為復(fù)雜，所以在進(jìn)行遠(yuǎn)程共享之前就要把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈募鼡Q為可識(shí)別格式數(shù)據(jù)，之后再進(jìn)行內(nèi)部交換，此時(shí)如果數(shù)據(jù)需要進(jìn)行不間斷更新，為了保證數(shù)據(jù)之間格式的一致性，就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻繁轉(zhuǎn)換以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享。

進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制的好處在于，在實(shí)施遠(yuǎn)程共享前利用此機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)先采取一個(gè)預(yù)處理措施，以保證后續(xù)工作的有效實(shí)施。從而保證數(shù)據(jù)信息的完整性及共享效率，避免在共享時(shí)產(chǎn)生不必要的因素影響進(jìn)度。

5 數(shù)據(jù)庫(kù)信息共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

為了打造更好的用戶體驗(yàn)，將針對(duì)若干組數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享模式，通過(guò)上述方法尋優(yōu)得到最佳共享方式。并以物聯(lián)網(wǎng)為環(huán)境基礎(chǔ)，構(gòu)建遠(yuǎn)程共享平臺(tái)。并根據(jù)不同用戶需求設(shè)立不同共享機(jī)制，引入興趣約束，分析用戶興趣差異，為其提供個(gè)性化服務(wù)，保證實(shí)現(xiàn)最優(yōu)共享方案。

現(xiàn)在我國(guó)信息共享平臺(tái)的基本情況是：大對(duì)數(shù)是面向互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的個(gè)性化網(wǎng)站，不能保證用戶的信息安全及傳輸效率等問(wèn)題。所以建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享平臺(tái)是很有必要的，讓其在不同數(shù)據(jù)庫(kù)下都能實(shí)現(xiàn)信息交換、流程控制和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。平臺(tái)主要通過(guò)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理機(jī)制，能夠有效消除由數(shù)據(jù)數(shù)量較大、數(shù)據(jù)庫(kù)信息差異性較大及共享時(shí)間較長(zhǎng)等因素引起的共享結(jié)果不理想。

通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高度共享和協(xié)同辦公，保證數(shù)據(jù)共享的簡(jiǎn)便性、可靠性、安全性、高效性及透明性。

由圖2可知，此數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享平臺(tái)主要由5大層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。主要有用戶交互層：其工作解決集成服務(wù)器與轉(zhuǎn)換機(jī)制之間的連接口與數(shù)據(jù)接口的問(wèn)題。流程整合層：其主要實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的信息轉(zhuǎn)換問(wèn)題。應(yīng)用整合層：其主要將不同用戶的數(shù)據(jù)信息特征聯(lián)系在一起，進(jìn)行協(xié)同工作，并提供相關(guān)服務(wù)包括：監(jiān)控、規(guī)劃及設(shè)計(jì)等管理。應(yīng)用接口層：其則是為用戶提供在信息界面上的統(tǒng)一入口，為用戶提供直觀便捷的服務(wù)，信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施：將內(nèi)部與外部的數(shù)據(jù)組成統(tǒng)一的整體，從而實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的共享機(jī)轉(zhuǎn)換。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享與交換平臺(tái)模型

6 仿真研究

從數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享的信息丟失率和共享效率兩個(gè)方面入手分析，測(cè)試不同方法下其各類(lèi)性能。其中共享效率結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法信息共享完整性對(duì)比結(jié)果

從圖3可以看出，利用本文方法的數(shù)據(jù)庫(kù)信息共享效率曲線，明顯高于其它三種方法。說(shuō)明基于粒子群優(yōu)化算法能夠充分反應(yīng)數(shù)據(jù)信息粒子的時(shí)間效益，得到信息粒子的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)位置，從而保障了信息精確性和安全性。

從圖4的仿真結(jié)果可以分析得出，本文方法的信息共享丟失率曲線明顯低于其它三種方法，相對(duì)于文獻(xiàn)的方法，利用本文所提方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程共享，可以依據(jù)電子力學(xué)勢(shì)場(chǎng)特性，并有效地求解出最優(yōu)目標(biāo)，從而滿足了遠(yuǎn)程共享機(jī)制對(duì)其整合質(zhì)量的需求。在進(jìn)行共享時(shí)的準(zhǔn)確率及綜合效果都是較好的，在很大程度上保證了用戶的信息安全及共享質(zhì)量。

圖4 不同方法信息共享丟失率對(duì)比結(jié)果

仿真結(jié)果證明基于本文方法的遠(yuǎn)程共享整體質(zhì)量較高，極大地保障了數(shù)據(jù)庫(kù)信息的可靠性和完整性。

由表1可以看出，基于本文方法的數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享的各個(gè)指標(biāo)性能都是極為優(yōu)異的，其中在實(shí)施遠(yuǎn)程共享時(shí)最為重要的就是傳輸效率及信息泄露可能性。

表1 不同遠(yuǎn)程共享方法實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

本文方法很好的做到了在保證信息高效傳輸?shù)耐瑫r(shí)，又提過(guò)共享平臺(tái)完美地確保了用戶的信息安全問(wèn)題。在最大程度上保證用戶權(quán)益改善現(xiàn)階段出現(xiàn)的問(wèn)題。

7 結(jié)論

本文提出一種基于粒子群優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)信息遠(yuǎn)程共享方法，針對(duì)遠(yuǎn)程共享時(shí)常出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究。通過(guò)粒子群優(yōu)化求解目標(biāo)法得出最優(yōu)傳輸數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用戶的在線共享及傳輸?shù)榷喾N功能服務(wù)，保證共享效率及安全性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的共享數(shù)據(jù)庫(kù)不僅能保證共享信息的實(shí)效性，還能引入興趣度約束，提高用戶體驗(yàn)。

本文提出的方法通過(guò)各種技術(shù)集成才能真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享的高速和透明性，其中數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換技術(shù)就起到很好的輔助作用，幫助簡(jiǎn)化用戶操作流程，提高共享效率，深化共享應(yīng)用的深度及廣度。且具有簡(jiǎn)單性、開(kāi)放性、規(guī)范性、靈活性、可擴(kuò)充性等各類(lèi)優(yōu)點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域中數(shù)據(jù)庫(kù)信息的遠(yuǎn)程共享。