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《艦船科學技術雜志》2016年第四期

摘要:

隨著海上GIS數據系統的持續發展，對于海洋地理數據存儲提出了新的需求，傳統中心化的存儲方式逐漸被分布式gis數據庫所替代，這些數據庫分別處于不同的海上平臺，能夠實現大規模的數據交互和集約化的數據處理，顯著提高了當前GIS系統的應用能力。然而，海洋分布式GIS數據在查詢過程中，需要完成多個數據庫之間的數據和消息傳遞，存在較大的時延，嚴重降低了海洋GIS系統的運行效率和用戶體驗。針對以上問題，本文提出了一種基于用戶查詢行為的海洋分布式GIS動態優化策略，引入數據庫查詢的效用概念，對GIS數據查詢請求進行動態優化，從而能夠明顯提高分布式GIS系統的運行效率。

關鍵詞:

分布式GIS系統;用戶查詢;動態優化

目前，艦船采用的GIS系統中，數據存儲大多使用的是分布式GIS數據庫存儲模式，不同來源、類型、供應商的數據被存儲在不同的數據中心中。當某些地理信息資源被開放，則用戶可以訪問該特定資源，從而構建和使用分布式的GIS平臺。這一工作模式為不同種類數據之間的互操作提供可能，同時結合艦載數據中心強大的數據處理能力，使得海上GIS系統運行多業務的能力大大提高。然而，海上分布式GIS系統本質上是一系列獨立運行的數據庫集合［1－4］。在分布式GIS平臺中處理查詢請求，往往需要將數據或消息從一個數據中心發送到另一個數據網絡，這一過程往往會存在較大的時延和處理資源，導致系統負擔加重以及數據庫運行效率下降，大大降低了用戶的使用體驗。在數據庫應用領域，對于數據庫的優化是研究熱點之一，主要存在內存優化方法，SQL語句優化方法，I/O優化等幾個方面，分別從靜態調整數據庫表的結構、優化系統資源的使用規則、提高數據庫I/O的速率等方面入手，提高數據庫的性能表現［5］。然而，對于海上分布式GIS平臺來說，對數據的查詢行為不只存在于本地數據庫中，還存在不同艦船之間數據庫的交互、數據的傳遞和處理等過程，因而傳統的本地數據庫優化方法難以起到作用。針對以上問題，本文首先對分布式GIS數據庫的優化問題進行深入研究和比較，引入了效用概念，并對數據庫的查詢過程進行建模，提出一種基于用戶查詢行為的動態優化策略，對該策略進行描述和分析。

1基于用戶查詢行為的動態優化策略

1.1方法的總體框架本文采用動態優化策略的經典方法，首先將用戶請求進行分解，生成簡單的搜索策略;然后，利用簡單的優化策略進行迭代合并，生成更加復雜的策略，對組合策略進行篩選之后，繼續迭代直到生成完整的策略，且該策略能夠在最小的開銷下實現較好的優化效果，則該策略為最優策略。因而本文提出方法的總體框架如圖1所示。在該方法中，收到用戶查詢請求之后，首先對用戶請求進行分析，根據用戶提供的SQL語句形成查詢樹，建立層次化的查詢結構。在此基礎上，對用戶的查詢請求進行分解。形成簡單的查詢條目，為每個查詢條目生成簡單的查詢策略。在具備簡單的查詢策略之后，將這些策略放入策略組合器中，進行迭代組合。方法采用遍歷的形式，將所有的策略兩兩組合，選出最優，之后再與簡單策略進行組合，選出最優，直到所有的策略選取完畢，且無法得出更優的策略時，則最后獲得的策略為最優策略。而策略的優劣判斷由策略定價與篩選模塊決定，該模塊中包含了一系列的策略效用與收益的計算規則，并根據當前系統的狀態對規則進行動態調整。本文采用貪心算法，能夠有效減少對于策略空間的搜索開銷。方法的關鍵在于對于策略是否最優的判斷，與傳統方法不同，本文引入了策略的效用和收益概念，通過系統當前的資源利用情況以及數據的存儲結構等，計算執行策略所需的資源和效果。

1.2策略評價方法本文的主要改進在于將博弈論引入海上GIS數據庫查詢過程，采用博弈論方法對數據庫查詢過程進行建模，并通過求解納什平衡的方法求解出系統的最優方案。在本文中，每個查詢任務的所有子查詢任務為博弈的參與者，其行為空間為其在策略組合中所處的位置，與傳統的查詢策略評價相比，本文采用的方法有以下幾點優勢:1)利用博弈論的方法，將整個過程建模成為了一個具有競爭性的資源分配過程，能夠通過分析和求解平衡狀態，來獲取整個查詢策略的執行效果;2)采用博弈論的方法，由于在算法實施中，所得結果始終按照梯度向平衡狀態移動，因此使得在算法設計過程中，能夠有效地減少算法的遍歷次數，減少算法的復雜度，并且實現快速收斂。基于以上描述，首先引入成本概念，由于在分布式數據庫中，在查詢數據的過程中，往往需要通過通信網絡，將數據在不同的數據庫或數據中心之間轉移。因此，定義查詢成本是本地成本的總和(I/O成本、CPU成本在每個站點上)和站點之間傳輸數據的成本。則對于每個任務來說，其效用函數為需要資源量與分配資源量差值的倒數，其中m為需要訪問外部數據庫的次數，因而當需要訪問外部數據庫越頻繁，則該任務的效用函數越小。a為常數系數，可以根據具體的實驗結果和用戶偏好，設置a的值，使得系統達到不同的性能表現。因而對于任務i來說，其最優資源占用為X。對于任一策略組合，其效用函數應當盡可能接近X。當系統中的任務確定之后，則可利用式(1)～式(4)計算出任務i所需要的最優資源占用為X，之后根據策略組合，根據策略的成本模型，計算出該策略所需要占用的資源，與X進行比較，則整個策略評價算法的流程如圖3所示。以上流程的關鍵在于計算任務合適的資源占用量X，其中策略的資源占用計算可以使用合適的開銷計算模型，當前關于該模型的研究成果較為豐富，可以分為時延敏感型模型、資源敏感型模型等，可以根據實際的需要選擇合適的模型進行計算。

2結語

本文主要討論了海上分布式GIS平臺中，對于用戶查詢請求的優化方法。在對分布式GIS數據庫特點進行深入研究的基礎上，結合對于數據庫優化方法的分析，對比了多種方法的優劣，并結合實際應用場景，提出了一種基于用戶查詢行為的動態優化策略。提出了策略效用概念，定義了策略的效用函數，采用博弈論的方法進行了數學建模，并給出了策略比較、組合、篩選的算法。

作者：張潔 單位：鄭州旅游職業學院 信息工程系 解放軍信息工程大學 信息系統工程學院