基于云計(jì)算的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索

霍玉兵

(華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì), 河北 秦皇島 066012)

0 引言

隨著工程建筑業(yè)的發(fā)展，巖土工程勘察也取得了一定的進(jìn)步，巖土工程勘察也逐漸受到了重視。巖土工程勘察是施工建設(shè)中的重要步驟[1]，通過巖土工程勘察可以準(zhǔn)確地了解施工前待施工場地的部分地理?xiàng)l件[2]，施工影響因素等，可以利用巖土工程勘察數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)具體的施工方案[3]，因此，巖土工程勘察對(duì)施工來說十分重要。在巖土工程勘察的過程中，為了保證勘察的有效性，需要記錄很多的勘察數(shù)據(jù)[4]。在大量勘察現(xiàn)場生成了眾多數(shù)據(jù)，匯聚形成了復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫，在復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫中查找有用的信息十分困難，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫模糊檢索。例如施工地的地形特點(diǎn)，自然環(huán)境變化數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性數(shù)據(jù)等，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合[5]，將所有勘察到的數(shù)據(jù)輸送到勘察數(shù)據(jù)庫中，因此，在巖土工程勘察的過程中[6]，往往會(huì)涉及眾多的數(shù)據(jù)報(bào)表，為了增加報(bào)表的數(shù)據(jù)處理效率，提高數(shù)據(jù)安全性[7]，研究人員設(shè)計(jì)了巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫可以儲(chǔ)存各種各樣的勘測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一記錄。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展[8]，巖土工程勘察技術(shù)也得到了進(jìn)步，各種圖形勘察數(shù)據(jù)也紛亂錯(cuò)雜，匯總到巖土勘察數(shù)據(jù)庫后，相關(guān)人員在調(diào)用時(shí)遇到了困境，因此需要根據(jù)關(guān)鍵詞進(jìn)行模糊檢索，挖掘需要使用的數(shù)據(jù)。

在這種情況下，相關(guān)的研究人員提出了巖土勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索方法[9]。但經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的模糊檢索方法檢索速度慢，檢索數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此本文提出基于云計(jì)算設(shè)計(jì)新的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索方法。因云計(jì)算技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分格運(yùn)算，大大增加了數(shù)據(jù)檢索效率，對(duì)巖土工程勘察的工作具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索方法設(shè)計(jì)

1.1 勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索框架

在巖土工程勘察數(shù)據(jù)模糊檢索的過程中，為了增加檢索的準(zhǔn)確度，需要對(duì)基于云計(jì)算的勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于此構(gòu)建的檢索框架如圖1所示。

圖1 時(shí)態(tài)檢索框架

由圖1可知，為了保證模糊檢索的效率，該框架在啟動(dòng)階段即生成了勘察數(shù)據(jù)檢索模型，將模型中輸出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥P(guān)系數(shù)據(jù)庫中，保證此時(shí)數(shù)據(jù)的安全性，進(jìn)行模糊檢索操作。在模糊檢索的初期，為了確定用戶檢索的關(guān)鍵詞狀態(tài)，需要預(yù)先進(jìn)行用戶時(shí)態(tài)查詢，保證此時(shí)的時(shí)態(tài)元組在標(biāo)準(zhǔn)的檢索范圍內(nèi)，然后需要使用檢索算法，找到符合時(shí)態(tài)約束條件的關(guān)鍵字節(jié)點(diǎn)，并將其用作時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)映射搜索的輸入節(jié)點(diǎn)[10]，得到該時(shí)態(tài)檢索的結(jié)果，再根據(jù)時(shí)態(tài)排序機(jī)制，對(duì)檢索的結(jié)構(gòu)相似性和內(nèi)容相似性對(duì)進(jìn)行排序，并將輸出的時(shí)態(tài)檢索結(jié)果返回給用戶。

時(shí)態(tài)信息檢索模型是時(shí)態(tài)信息檢索過程的模擬和抽象代表。該時(shí)態(tài)信息檢索模型使用了有限長單位沖激響應(yīng)濾波器 (finite impulse response,FIR) 信息收集技術(shù)，搜索目標(biāo)是獲取與時(shí)間范圍內(nèi)與關(guān)鍵詞密切相關(guān)的信息。為了更好地滿足用戶檢索的時(shí)態(tài)需求，時(shí)態(tài)信息檢索模型需要解決以下問題，即如何定義時(shí)態(tài)查詢、如何定義搜索結(jié)果、如何計(jì)算搜索結(jié)果的依賴關(guān)系、如何定義檢索到的數(shù)據(jù)模型等。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息檢索的特點(diǎn)，以及對(duì)大量時(shí)間相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用程序的需求，本方法選擇將大量的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。因此，數(shù)據(jù)庫中實(shí)體和實(shí)體之間的關(guān)系呈時(shí)態(tài)相關(guān)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)映射將每個(gè)實(shí)體建模作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將實(shí)體之間的連接作為建模邊緣。這種建模方法很好地說明了實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)性，但是無法區(qū)分時(shí)態(tài)和實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，對(duì)實(shí)體之間聯(lián)系的理解容易被誤導(dǎo)，可能出現(xiàn)檢索不理想的情況。因此，為了更好地表達(dá)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫的實(shí)體時(shí)態(tài)特性信息，還需要采用基于云計(jì)算設(shè)計(jì)巖土勘察數(shù)據(jù)檢索加密算法。

1.2 巖土勘察數(shù)據(jù)檢索加密算法設(shè)計(jì)

由于巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫具有特殊性，因此為了保證檢索的準(zhǔn)確性，需要對(duì)基于云計(jì)算技術(shù)的檢索加密算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。云計(jì)算技術(shù)可以根據(jù)分布式計(jì)算法則，將巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分解成無數(shù)個(gè)小的數(shù)據(jù)程序，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別處理并反饋，即利用云計(jì)算網(wǎng)格作用，在短時(shí)間內(nèi)高效檢索巖土勘察數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。計(jì)算初始查找時(shí)間，計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中，T代表初始查找時(shí)間；n代表檢索系數(shù)；TDP代表解密時(shí)間。根據(jù)該公式可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，檢測此時(shí)的檢索元祖，公式如式(2)、式(3)所示。

式中，G代表初始檢索元祖；G0代表優(yōu)化后的檢索元祖；N代表錯(cuò)檢元祖數(shù)量；f代表屬性值。使用式(1)～式(3)實(shí)現(xiàn)檢索數(shù)據(jù)加密，生成48位的子密鑰。

1.3 生成巖土工程數(shù)據(jù)庫加密秘鑰

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫加密算法，可以生成巖土工程數(shù)據(jù)庫加密秘鑰。將明文不斷變換成密文，利用搭建的密文轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密變換，保證巖土工程數(shù)據(jù)加密的安全性。采用云計(jì)算技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，保證加密數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)秘鑰的實(shí)時(shí)生成。本文選取交易密鑰(tradekey,TK)，生成索引初級(jí)秘鑰，需要將加密的數(shù)據(jù)秘鑰輸入到數(shù)據(jù)字典中，在使用MK函數(shù)進(jìn)行秘鑰更換，保證秘鑰生成的穩(wěn)定性，為了避免秘鑰更換后的隨機(jī)性，需要根據(jù)管理員的IP重新生成索引秘鑰，保證秘鑰與索引數(shù)據(jù)之間始終具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，需要將秘鑰生成的數(shù)據(jù)庫取值設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，保證秘鑰的有效性，實(shí)現(xiàn)檢索秘鑰的有效加密。

1.4 實(shí)現(xiàn)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索

為了保證基于云計(jì)算的巖土工程勘察數(shù)據(jù)檢索的實(shí)時(shí)性，還需要繪制檢索的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖。為了保證時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖的準(zhǔn)確性，要確認(rèn)此時(shí)的檢索初始節(jié)點(diǎn)，如果數(shù)據(jù)庫包含部分時(shí)態(tài)實(shí)體，并且實(shí)體之間包含時(shí)態(tài)連接，則必須設(shè)置時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)映射，并且每個(gè)實(shí)體和實(shí)體之間的連接不必是時(shí)態(tài)。除此之外，還需要保證時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖中的各個(gè)檢索數(shù)據(jù)具有時(shí)態(tài)特性，避免存在離散的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，便于時(shí)態(tài)區(qū)間的連接，設(shè)計(jì)的檢索時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖如圖2所示。

圖2 時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖

由圖2可知，在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖中，由幾個(gè)分布不均勻的節(jié)點(diǎn)相互連接，保證時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖的數(shù)據(jù)時(shí)態(tài)關(guān)聯(lián)性，除此之外，為了保證時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)圖中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)態(tài)能與檢索的時(shí)態(tài)呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要搭建臨時(shí)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。在臨時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，特定時(shí)間的約束下相互關(guān)聯(lián)的臨時(shí)元組形成了一個(gè)集合，該集合可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中關(guān)系模式的默認(rèn)外鍵關(guān)系，連接時(shí)態(tài)元組，方便進(jìn)行元組集合。時(shí)態(tài)搜索的結(jié)果不是單個(gè)相關(guān)的時(shí)態(tài)元組，而是相關(guān)連接的時(shí)態(tài)元組集合，可以根據(jù)集合建立時(shí)態(tài)元組連接樹，時(shí)態(tài)元組連接樹中的元組集合包含所有的檢索關(guān)鍵詞。對(duì)于整個(gè)元組樹，如果刪除該元組樹中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，就無法保證檢索集合完整。因此，臨時(shí)元組連接樹中每個(gè)元組的連接都必須遵守時(shí)間限制。

2 實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的基于云計(jì)算的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫模糊檢索方法的有效性，搭建了實(shí)驗(yàn)檢測平臺(tái)，將其與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模糊檢索方法進(jìn)行對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，避免實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤差，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，增加特殊的密文索引，增加數(shù)據(jù)庫的索引效率。因此，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值化索引改造，將所有索引樹種的關(guān)鍵詞識(shí)別節(jié)點(diǎn)改造成設(shè)計(jì)的密文索引，為了增加密文索引的適用性，本文選用了B+型密文索引樹，對(duì)不同的關(guān)鍵詞進(jìn)行特征記憶，不間斷地進(jìn)行檢索，直到找到滿足查詢條件的所有節(jié)點(diǎn)為止，此時(shí)設(shè)計(jì)的密文索引示意圖如圖3所示。

圖3 密文索引示意圖

由圖3可知，為了保證整個(gè)密文索引實(shí)驗(yàn)的完整性，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，首先需要進(jìn)行密文索引匹配，記錄此時(shí)符合密文匹配要求的節(jié)點(diǎn)數(shù)值。如果此時(shí)經(jīng)過檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)B+樹的內(nèi)存比現(xiàn)有的數(shù)據(jù)文件小，則此時(shí)需要進(jìn)行鍵位順序排列，保證B+樹的處理效率，如果此時(shí)B+樹無法進(jìn)行數(shù)據(jù)排序識(shí)別，則需要根據(jù)此時(shí)B+樹不斷進(jìn)行有序性加密，保證加密后的數(shù)據(jù)符合原有的加密順序。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)加密前一定要驗(yàn)證此時(shí)B+樹的儲(chǔ)存狀態(tài)。

為了提高索引的效率，首先需要在B+樹中查詢快速加密的明文，如果此時(shí)查詢到了加密明文，則證明此時(shí)系統(tǒng)存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。狡猾的攻擊者可以從系統(tǒng)最薄弱的部分開始攻擊，因此必須對(duì)B+樹進(jìn)行二次加密，以保持敏感信息的安全。加密B+樹時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)有的方案，在保存時(shí)加密整個(gè)B+樹。查詢時(shí)，首先需要解密B+樹，然后根據(jù)B+樹找到數(shù)據(jù)文件的加密記錄，解密符合標(biāo)準(zhǔn)的記錄。對(duì)索引文件使用節(jié)點(diǎn)加密法，無須解密整個(gè)索引文件，只需要解密幾個(gè)節(jié)點(diǎn)即可查詢索引文件，從而快速提高系統(tǒng)的查詢性能。因此，可以根據(jù)B+樹的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行后續(xù)的模糊檢索實(shí)驗(yàn)，此時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)參數(shù)

由表1可知，對(duì)于Enc-node，查詢B樹所花費(fèi)的時(shí)間代價(jià)不會(huì)增加。這主要是因?yàn)閷?duì)B+樹查詢的結(jié)點(diǎn)數(shù)一般為B+樹的深度，那么需要解密的結(jié)點(diǎn)數(shù)也為B+樹的深度，并不會(huì)隨著葉結(jié)點(diǎn)的增加而增加。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中表1的節(jié)點(diǎn)參數(shù)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)以及密文索引示意圖，繪制出此時(shí)B+數(shù)的深度變化性能示意圖，如圖4所示。

圖4 深度變化性能示意圖

由圖4可知，此時(shí)的測試平臺(tái)的深度加密狀態(tài)符合測試需求，因此分別使用本文設(shè)計(jì)的巖土工程模糊檢測方法和傳統(tǒng)的模糊檢測方法進(jìn)行模糊檢測，設(shè)置1～10個(gè)不同關(guān)鍵詞，根據(jù)關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)，進(jìn)行10次測試。使用不同方法進(jìn)行檢索，檢驗(yàn)不同方法檢索耗時(shí)的多少。耗時(shí)越少，說明該方法性能越好，效率越高。檢索耗時(shí)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，在關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)逐漸增加的情況下，本文設(shè)計(jì)的模糊檢索方法耗時(shí)與傳統(tǒng)的模糊檢索方法耗時(shí)也都在逐漸增加；本文設(shè)計(jì)的模糊檢索方法在連續(xù)10次的測試中，檢索耗時(shí)都低于傳統(tǒng)模糊檢索方法的耗時(shí)；在關(guān)鍵詞最多為10個(gè)的情況下，傳統(tǒng)的模糊檢索方法耗時(shí)為6.865 s，而本文設(shè)計(jì)的模糊檢索方法耗時(shí)為1.591 s，是傳統(tǒng)模糊檢索方法耗時(shí)大約1/4的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)模糊檢索方法的耗時(shí)，說明本文設(shè)計(jì)的模糊檢索方法實(shí)際應(yīng)用性能較好，檢索工作效率較高，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的方法在能夠?qū)崿F(xiàn)成功檢索的基礎(chǔ)上，具有一定的省時(shí)性。

3 結(jié)束語

綜上所述，在巖土工程勘察的大數(shù)據(jù)時(shí)代，掌握巖土工程勘察數(shù)據(jù)模糊檢索方法對(duì)提取重要的巖土工程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度檢索有重要意義，因此本文解決了傳統(tǒng)的巖土工程勘察數(shù)據(jù)模糊檢索的耗時(shí)長、準(zhǔn)確率低的問題，設(shè)計(jì)了新的巖土工程勘察數(shù)據(jù)模糊檢索方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的檢索方法能實(shí)現(xiàn)成功檢索，且連續(xù)幾次的檢索耗時(shí)均較低，因此本文設(shè)計(jì)法檢索方法具有省時(shí)性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。