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《地理與地理信息科學(xué)雜志》2014年第四期

1模式匹配的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1．1更新信息傳播空間數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性是GIS的“生命”，直接影響著其使用價(jià)值與可持續(xù)發(fā)展。伴隨著GIS空間數(shù)據(jù)更新理論研究和工程實(shí)踐的不斷深入，更新信息傳播問題已成為生產(chǎn)單位、應(yīng)用部門及學(xué)術(shù)界共同面臨的新問題。由于數(shù)據(jù)庫間在數(shù)據(jù)模式和數(shù)據(jù)實(shí)例之間存在多種潛在的語義差異，當(dāng)利用一個(gè)新版GIS數(shù)據(jù)庫中的更新變化要素及其相關(guān)信息對(duì)另一個(gè)GIS數(shù)據(jù)庫中的對(duì)應(yīng)要素進(jìn)行更新（即更新信息傳播）時(shí)，必須首先在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫間進(jìn)行模式匹配操作建立模式映射關(guān)系，以引導(dǎo)和簡(jiǎn)化變化發(fā)現(xiàn)、實(shí)體識(shí)別、更新集成等操作，從而在保證更新傳播實(shí)施效率的同時(shí)，最大限度地維護(hù)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的自治性、完整性、正確性和一致性［6，7］。

1．2語義查詢處理目前使用的空間數(shù)據(jù)查詢方式大都是基于關(guān)鍵字匹配技術(shù)，如果用戶輸入的查詢關(guān)鍵字與被查數(shù)據(jù)模式元素的名稱不盡相同或有所偏差，則不能返回真正需要的信息或者會(huì)返回很多無用的信息。為解決傳統(tǒng)查詢方式的不足，提出了語義查詢技術(shù)［8］。語義查詢又稱語義檢索、概念匹配，是指在相關(guān)技術(shù)（如本體等）的支持下，首先使用戶的查詢請(qǐng)求和被檢索的內(nèi)容在語義上都是可被計(jì)算機(jī)理解、處理的，在此基礎(chǔ)上對(duì)用戶查詢語句（如Select語句）和被查數(shù)據(jù)模式元素進(jìn)行匹配，然后重寫查詢語句中的關(guān)鍵字使其與被查數(shù)據(jù)模式名稱相一致，從而返回準(zhǔn)確的查詢數(shù)據(jù)。

1．3地理服務(wù)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地理服務(wù)是利用地理數(shù)據(jù)和相關(guān)的功能實(shí)現(xiàn)諸如地址匹配、地圖繪制、路程安排等基本地理操作任務(wù)的Internet應(yīng)用，它允許開發(fā)者將GIS功能集成到自己的Web應(yīng)用中，而不用自己在本地實(shí)現(xiàn)該GIS功能［9］。隨著越來越多的網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)的出現(xiàn)，快速準(zhǔn)確找到用戶需要的地理信息服務(wù)顯得尤為重要［10］。在服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程中，一旦服務(wù)請(qǐng)求者和提供者使用不同的術(shù)語表示同一個(gè)概念或者是同樣的詞表示不同的涵義，就會(huì)發(fā)生找不到匹配的服務(wù)和找到的服務(wù)不能完全滿足需求的情況。另外，地理服務(wù)版本差異造成的語義異構(gòu)也將增加服務(wù)發(fā)現(xiàn)的難度。與語義查詢類似，通過模式匹配也可以有效解決這類問題。

2模式匹配相關(guān)研究內(nèi)容綜述

近些年來，模式匹配作為數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用中的基礎(chǔ)性問題受到了全球的普遍關(guān)注，在數(shù)據(jù)庫、人工智能、信息檢索、知識(shí)管理、語義Web等眾多領(lǐng)域引起了廣泛的討論和研究。概括而言，當(dāng)前對(duì)模式匹配問題的研究主要集中在匹配實(shí)施方法、匹配效率優(yōu)化、匹配結(jié)果表達(dá)、匹配質(zhì)量評(píng)價(jià)4個(gè)方面。

2．1匹配實(shí)施方法研究目前，大多數(shù)系統(tǒng)的模式匹配任務(wù)是在圖形界面支持下靠操作員手動(dòng)完成的，該方式不僅要求操作員充分了解模式元素的語義內(nèi)涵，而且隨著待匹配模式元素?cái)?shù)據(jù)的增加，其費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、易出錯(cuò)的缺陷也將變得更加突出。另外，用戶需求的變化、數(shù)據(jù)源的變化等都可能造成模式的變化，從而導(dǎo)致這些模式間的匹配關(guān)系發(fā)生變化。顯然，如果僅僅依靠手工匹配無法適應(yīng)這種復(fù)雜動(dòng)態(tài)的匹配需求。為了盡量減少模式匹配過程中用戶的參與，提出了多種自動(dòng)（或半自動(dòng)）的匹配方法及系統(tǒng)。Rahm等根據(jù)匹配所依據(jù)的信息類型及其結(jié)合方式對(duì)各種模式匹配方法進(jìn)行了層次式劃分（圖2），結(jié)合圖2的分類體系又對(duì)2001年以前的典型匹配方法及系統(tǒng)進(jìn)行了比較權(quán)威的總結(jié)和評(píng)述［13］。在此分類體系基礎(chǔ)上，Shvaiko等根據(jù)所用技術(shù)的特征（Heu－risticorformal，Implicitorexplicit）對(duì)其中基于模式的匹配方法做了更為詳細(xì)的劃分［14］。潘超等則進(jìn)一步總結(jié)了2010年之前的主要方法及系統(tǒng)［15］。本文依據(jù)圖2所示的分類結(jié)果，對(duì)模式匹配方法的基本策略和問題做簡(jiǎn)要評(píng)述。（1）單匹配，主要利用某一種類型的信息識(shí)別語義相關(guān)模式元素，可進(jìn)一步劃分為基于模式的匹配和基于實(shí)例的匹配兩類。1）基于模式的匹配方法，主要通過對(duì)比模式元素本身所包含的信息（如名稱標(biāo)簽、描述性元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)關(guān)系等）判斷元素是否匹配。由于數(shù)據(jù)模式設(shè)計(jì)本身是一項(xiàng)靈活性很大的主觀活動(dòng)，不同的設(shè)計(jì)者可能采用不同的機(jī)制和元素來抽象和模擬相同的現(xiàn)實(shí)事物或現(xiàn)象，并且所形成的模式結(jié)構(gòu)的語義信息大部分隱含在設(shè)計(jì)者的大腦中，而模式元素本身所承載的一部分外在顯式信息對(duì)模式匹配而言是不明確、不完整、易混淆的。因此，該類方法往往產(chǎn)生錯(cuò)配、漏配等情況，質(zhì)量和效果不高。針對(duì)這一情況，文獻(xiàn)［16］提出了基于信息論的模式匹配模型，嘗試解決模式信息丟失或者不完整情況下的模式匹配問題。2）基于實(shí)例的匹配方法，主要依據(jù)屬性字段數(shù)據(jù)值的統(tǒng)計(jì)概括信息（如最大值、最小值、平均值、方差）或部分重疊對(duì)應(yīng)實(shí)體的屬性值，來匹配識(shí)別兩個(gè)數(shù)據(jù)集（如關(guān)系表）之間語義相關(guān)的屬性字段，一般不能確定數(shù)據(jù)集之間的匹配關(guān)系。由于概括信息是確定屬性是否匹配的必要但不充分信息，因此如果單獨(dú)用其進(jìn)行匹配常常會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)配或漏配現(xiàn)象。針對(duì)這種情況有兩種改進(jìn)途徑：一是將概括信息與其他類型的信息結(jié)合構(gòu)成混合匹配；二是通過進(jìn)一步分析比較數(shù)據(jù)集之間部分對(duì)應(yīng)實(shí)體（或重復(fù)記錄）的屬性值來確定相關(guān)的屬性，但這種方式目前通常以預(yù)先手動(dòng)建立實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，自動(dòng)化程度低，屬性相關(guān)性對(duì)比分析和度量模型較單一，尚沒有充分考慮語義相關(guān)屬性在具體屬性值上的各種表達(dá)差異，仍有很大的擴(kuò)展改進(jìn)空間。（2）多匹配，主要利用多種類型的信息或方法識(shí)別語義相關(guān)模式元素，可以進(jìn)一步劃分為混合匹配與復(fù)合匹配兩大類。1）混合匹配主要通過綜合使用多種匹配指標(biāo)或信息源（如名稱信息、元數(shù)據(jù)描述信息、數(shù)據(jù)約束信息、實(shí)例概括統(tǒng)計(jì)信息、屬性依賴關(guān)系等）來確定匹配元素。混合匹配在確定一對(duì)模式元素是否匹配時(shí)，同時(shí)考慮了多種匹配標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不符合標(biāo)準(zhǔn)的候選成員能夠較早地被刪除。因此，這種方法與單獨(dú)執(zhí)行多種匹配方法相比，可以減少比較模式信息的遍歷次數(shù)，不僅能取得較好的匹配性能和效果，而且匹配效率也得到了提高。但由于多種來源的信息具有不同的表達(dá)形式，一般并不能被直接應(yīng)用于混合匹配，常常需要制定高效的策略和規(guī)則對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化處理?；旌掀ヅ渌罁?jù)的匹配信息和規(guī)則往往由設(shè)計(jì)者事先規(guī)定，一般不易進(jìn)行調(diào)整和修改，靈活性較低。2）復(fù)合匹配主要通過對(duì)多個(gè)獨(dú)立匹配方法（如基于模式的匹配、基于實(shí)例的匹配、混合匹配等）所取得結(jié)果的組合分析來確定匹配元素。復(fù)合匹配允許用戶根據(jù)應(yīng)用需要，靈活地選擇現(xiàn)有方法并按不同的順序（如并行順序、串行順序、混合順序）加以執(zhí)行。在串行執(zhí)行時(shí)，前面匹配方法所取得的匹配結(jié)果，可以用作后面匹配方法的輸入，從而達(dá)到反復(fù)修改匹配結(jié)果的目的。復(fù)合匹配是以單個(gè)匹配方法為基礎(chǔ)的，為保證其效率和效果，不僅要盡可能地提高每個(gè)成員匹配方法的效率和效果，而且應(yīng)該選擇正確的執(zhí)行順序、制定合理的結(jié)果重用和組合策略［19］。靜態(tài)組合的匹配算法和人工調(diào)節(jié)的匹配參數(shù)難以適應(yīng)自動(dòng)匹配的要求，如何對(duì)現(xiàn)有的匹配算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇、搭配、組合、重用以及對(duì)匹配參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)是復(fù)合匹配面臨的一個(gè)有待深入研究的重要問題。每種匹配技術(shù)都各有其優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，綜合使用多種匹配信息或方法能夠充分發(fā)揮不同技術(shù)間的互補(bǔ)性優(yōu)勢(shì)，有效提高匹配系統(tǒng)的匹配質(zhì)量和通用性。但隨著匹配信息或方法的增加，系統(tǒng)的復(fù)雜性也將隨之增加。

2．2匹配效率優(yōu)化研究當(dāng)前模式匹配的難點(diǎn)，不僅在于缺乏切實(shí)可行的判別模式元素是否匹配相關(guān)的策略和規(guī)則，更在于依據(jù)判別規(guī)則執(zhí)行模式匹配的代價(jià)偏高，必須進(jìn)行大量的計(jì)算比較才能確定獲取潛在的匹配元素。模式匹配中最常用的兩兩比較法，也稱嵌套循環(huán)法或笛卡爾法，是將兩個(gè)待匹配模式元素集合做笛卡爾乘積，根據(jù)用戶所定義的規(guī)則和策略，對(duì)結(jié)果集中的每對(duì)元素進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果滿足所定義的規(guī)則條件，則認(rèn)為它們是匹配元素。該方法簡(jiǎn)單，能夠最大限度地保證匹配結(jié)果的質(zhì)量和精度，但是隨著待匹配元素?cái)?shù)量的不斷增加，所需的處理時(shí)間和系統(tǒng)資源的消耗將呈指數(shù)級(jí)增長，在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和使用價(jià)值并不高。因此，必須加強(qiáng)模式匹配效率優(yōu)化模型及算法的研究。目前，只有少數(shù)幾個(gè)系統(tǒng)考慮處理了模式匹配的執(zhí)行效率問題，根據(jù)模式匹配策略的不同，提出了不同的模式匹配執(zhí)行效率優(yōu)化技術(shù)。概括而言，現(xiàn)有模式匹配執(zhí)行效率優(yōu)化所采取的基本策略主要有如下5種［20］：1）分而治之，先將待匹配的模式元素集劃分為不同的塊（Blocks）、區(qū)（Partitions）或簇（Clusters），然后在塊（區(qū)或簇）之間執(zhí)行模式匹配。該策略降低了匹配比較的搜索空間，效率較高，但可能降低匹配質(zhì)量。2）模式過濾，依據(jù)相關(guān)的上下文信息或通過問卷調(diào)查預(yù)先排除掉一些模式元素，從而降低比對(duì)次數(shù)，提升匹配效率。3）避免重復(fù)，在模式匹配執(zhí)行過程避免一些相同子任務(wù)的重復(fù)執(zhí)行。4）改善數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用諸如索引、Hash表等特殊類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少待匹配模式元素間的比較次數(shù)，從而提高執(zhí)行效率。5）優(yōu)化模式元素相關(guān)性度量模型（如編輯距離等）的計(jì)算效率等。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，勢(shì)必出現(xiàn)大模式的匹配問題。大模式的“大”不僅意味著數(shù)量的大，還代表著模式種類多、結(jié)構(gòu)雜、差別大、變化快等。由于目前尚沒有對(duì)大模式匹配問題給予充分的考慮和有效的處理，若采用現(xiàn)有策略執(zhí)行匹配將會(huì)因時(shí)間復(fù)雜度過高而得不到理想的匹配結(jié)果。針對(duì)大模式匹配執(zhí)行效率問題，可通過大模式聚類分割技術(shù)加以解決［21］。目前這一技術(shù)仍需攻克3個(gè)核心問題：如何分割模式；如何選擇需要進(jìn)行匹配的模式片斷；如何避免模式分割可能造成的結(jié)果遺漏。

2．3匹配結(jié)果表達(dá)研究匹配結(jié)果（模式映射）表達(dá)的主要任務(wù)是存儲(chǔ)和組織通過匹配識(shí)別發(fā)現(xiàn)的相關(guān)模式元素及其映射關(guān)系，并構(gòu)建相應(yīng)的存取和檢索方法，以引導(dǎo)和簡(jiǎn)化各種應(yīng)用處理中的其他操作。目前，有一些匹配工具把模式映射保存在純文本文件中，而且不同工具定義的模式映射文件格式不同，缺乏足夠的語義表現(xiàn)力和處理能力，使得模式映射的讀取過程較煩瑣，造成不同系統(tǒng)間難于共享模式映射，通用性不強(qiáng)；還有一些匹配工具使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和管理模式映射，但由于模式映射的半結(jié)構(gòu)化特征，往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)表中出現(xiàn)很多值為NULL的字段，從而造成非常大的冗余，使得很多復(fù)雜的匹配關(guān)系（如條件匹配、部分匹配、計(jì)算匹配等［22］）無法得到有效的表達(dá)，且每當(dāng)待匹配元素?cái)?shù)目發(fā)生變化時(shí)，將可能導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)重構(gòu)，不便于模式映射的管理和維護(hù)。針對(duì)上述模型及方法的不足，一些學(xué)者開始嘗試?yán)没谶壿嫷恼Z言（如一階邏輯、描述邏輯、Datalog等）或半結(jié)構(gòu)化模型（如XML、RDF等）來表達(dá)和存儲(chǔ)模式映射。例如，文獻(xiàn)［23］利用一階邏輯表達(dá)XML模式與OWL本體間的語義映射；為評(píng)價(jià)對(duì)比現(xiàn)有基于邏輯的映射語言的共性與差別，文獻(xiàn)［24］采用分布式一階邏輯來統(tǒng)一現(xiàn)有的各種映射語言；文獻(xiàn)［25］采用巴克斯范式（Backus－NaurForm，BNF）來表達(dá)語義映射；文獻(xiàn)［26］提出了一種新的映射語言———RDFMappingSchema來表達(dá)XML數(shù)據(jù)和RDF數(shù)據(jù)之間的語義映射；文獻(xiàn)［27］在BRICKS系統(tǒng)中采用XML來存儲(chǔ)和管理模式映射。目前大部分模式匹配研究的重點(diǎn)仍集中在如何發(fā)現(xiàn)和找到語義相關(guān)元素匹配對(duì)，有關(guān)匹配結(jié)果表達(dá)的研究才剛剛起步［28］，有些表達(dá)語言或模型的提出尚處于思想萌芽階段，也只是僅僅給出了一些示例性的表達(dá)結(jié)果，仍缺乏系統(tǒng)性的研究，更沒有形成統(tǒng)一的表達(dá)語言或模型。即使是同一種語言或模型，表達(dá)映射的方式也不盡相同，所支持的功能和算子差別較大［29］。匹配結(jié)果表達(dá)的研究仍然面臨著許多開放性問題，如表達(dá)模型能夠支持的映射關(guān)系類型及語義轉(zhuǎn)換函數(shù)種類、匹配結(jié)果的檢索與編輯、匹配結(jié)果的有效性檢驗(yàn)、匹配結(jié)果的可視化等。

2．4匹配質(zhì)量評(píng)價(jià)研究雖然人們對(duì)模式匹配問題進(jìn)行了廣泛研究，但大部分的自動(dòng)匹配方法還停留在高度實(shí)驗(yàn)階段，而得不到廣泛的實(shí)際性應(yīng)用。其中也有一些較為實(shí)用的系統(tǒng)出現(xiàn)，而這些系統(tǒng)卻依舊需要大量的人機(jī)交互或后處理工作，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際需要。當(dāng)前有關(guān)自動(dòng)匹配質(zhì)量的研究主要集中在質(zhì)量評(píng)價(jià)模型和策略上，概括而言，各種自動(dòng)匹配方法及系統(tǒng)的匹配質(zhì)量可以從有效性（Effectiveness）、效率（Efficiency）、通用性（Genericity）和易用性（Ease－of－use）4個(gè)方面加以評(píng)價(jià)［30］：1）有效性：主要考慮匹配結(jié)果的正確性和召回率，通常用Precision和Recall兩個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)及F－Measure（a）、F－Measure、Overall等幾個(gè)綜合指標(biāo)加以衡量。2）效率：主要考慮系統(tǒng)執(zhí)行匹配時(shí)所消耗的資源，如時(shí)間、內(nèi)存等，通常情況下只采用時(shí)間指標(biāo)來評(píng)價(jià)匹配效率。3）通用性：主要考慮系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、所支持的數(shù)據(jù)模型或類型及系統(tǒng)是否可以支持在線匹配或離線匹配。目前還沒有評(píng)價(jià)匹配系統(tǒng)通用性的定量指標(biāo)或模型。4）易用性：不論全自動(dòng)匹配能否實(shí)現(xiàn)，用戶的參與及交互總是需要的，易用性主要考慮通過自動(dòng)匹配能夠節(jié)省多少人力，一般應(yīng)綜合考慮匹配執(zhí)行的預(yù)處理與后處理兩個(gè)階段。然而，現(xiàn)有的評(píng)價(jià)策略常常將預(yù)處理階段的人力參與忽略掉，只考慮后處理階段用于添加遺漏匹配、移除或修改錯(cuò)誤匹配的人力參與。上述的有效性指標(biāo)可在一定程度上反映模式匹配后處理階段的人力參與情況，但由于這些指標(biāo)的取值介于0～1，直接用其評(píng)價(jià)人力參與情況還不太恰當(dāng)。針對(duì)這種情況，Bogdan等提出了簡(jiǎn)單可用性（SimpleUsability）模型和簡(jiǎn)單成本（SimpleCost）模型，這兩個(gè)模型分別根據(jù)人機(jī)交互過程中拖拽、單擊、雙擊3種不同的鼠標(biāo)行動(dòng)及其執(zhí)行成本來評(píng)價(jià)人力參與情況。以上單因素評(píng)價(jià)模型彼此間是相互矛盾的，僅利用其中的任何一種都不能全面客觀地評(píng)價(jià)匹配系統(tǒng)，因此，需要將這些指標(biāo)綜合起來考慮，對(duì)匹配系統(tǒng)進(jìn)行總體上的質(zhì)量評(píng)價(jià)，這實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)模糊決策難題。文獻(xiàn)從有效性和效率兩方面討論分析了匹配系統(tǒng)的總體評(píng)價(jià)方法，但卻忽略了通用性和易用性兩方面的因素。總體而言，目前人們雖然認(rèn)為自動(dòng)匹配的質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制是一個(gè)很重要的問題，卻沒有高度重視它，自動(dòng)匹配質(zhì)量問題的研究還沒有全面深入地展開。

3結(jié)語

經(jīng)過近30年的不懈努力，模式匹配問題研究已取得了較為豐富的學(xué)術(shù)成果，從最初的利用元素自身的各種信息進(jìn)行模式匹配，到后來集成各種類型的結(jié)構(gòu)信息、數(shù)據(jù)實(shí)例信息來輔助匹配，再到近年來為模式匹配方法尋找理論支持，提供人性化的用戶干預(yù)工具等。但由于模式匹配本身的主觀性與復(fù)雜性，目前仍然存在著一些問題和不足?，F(xiàn)有大多數(shù)研究主要集中在匹配方法上，一般只專注于不同模式之間的簡(jiǎn)單匹配（即1∶1匹配），不能有效識(shí)別復(fù)雜匹配（即1∶N、M∶l和M∶N匹配），應(yīng)用往往局限于特定領(lǐng)域或特定模式，通用性有待提高。對(duì)模式匹配的不確定性、模式通用表達(dá)模型、匹配方法的質(zhì)量評(píng)價(jià)、模式結(jié)果的后處理分析、匹配結(jié)果的存儲(chǔ)管理及可視化維護(hù)等問題尚缺乏整體系統(tǒng)的分析和全面深入的研究。從文獻(xiàn)資料上看，目前針對(duì)空間數(shù)據(jù)模式匹配的研究仍比較薄弱，有關(guān)空間數(shù)據(jù)模式匹配問題的闡述大多是一些附帶的概念性解釋，缺乏針對(duì)性的深入分析，僅有少數(shù)研究側(cè)重于具體方法的設(shè)計(jì)及原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。與空間數(shù)據(jù)模式種類多、規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)相比，現(xiàn)有研究尚不能滿足一個(gè)理想模式匹配系統(tǒng)在通用性、強(qiáng)壯性、靈活性、交互性和擴(kuò)展性等方面的要求。因此，很有必要進(jìn)一步積極開展針對(duì)空間數(shù)據(jù)模式匹配的系統(tǒng)性研究工作，從而為空間數(shù)據(jù)資源的高效共享與靈性服務(wù)提供理論支持與技術(shù)保障。

作者：王育紅景海濤薛華柱單位：河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院