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1、第十二章 数据库技术新发展112.1 数据库技术三个发展阶段 v12.1.1 第一代数据库系统v层次和网状数据库系统v (1)1969年IBM公司研制的层次模型的数据库管理系统IMSv (2)美国数据库系统语言协商会CODASYL下属的数据库任务组DBTG对数据库方法进行了系统的研究、探讨，于20世纪60年代未70年代初提出了若干报告，称为DBTG报告。DBTG报告确定并建立了数据库系统的许多概念、方法和技术。DBTG所提议的方法是基于网状结构的。它是数据库网状模型的典型代表。212.1 数据库技术三个发展阶段v共同特点1.支持三级模式的体系结构2.用存取路径来表示数据之间的联系，这是数据库系
2、统和文件系统的主要区别之一。3.独立的数据定义语言4.导航的数据操纵语言312.1 数据库技术三个发展阶段v12.1.2 第二代数据库系统关系数据库系统v关系数据库是以关系模型为基础的。关系模型概括地讲由三部分组成：1.数据结构2.关系操作3.数据完整性412.1 数据库技术三个发展阶段v关系模型的主要特点：v1.关系模型的概念单一，实体以及实体之间的联系都用关系来表示；v2.以关系代数为基础，形式化基础好；v3.数据独立性强，数据的物理存储和存取路径对用户隐蔽；v4.关系数据库语言是非过程化的，将用户从编程数据库记录的导航式检索中解脱出来，大大降低了用户编程的难度。512.1 数据库技术三个
3、发展阶段v12.1.3 新一代数据库技术的研究和发展v一、新应用领域的需求v新的数据库应用领域，如计算机辅助设计管理(CADCAM)、计算机集成制造(CIM)、办公信息系统(OIS)、地理信息系统(GIS)、知识库系统和实时系统等，需要数据库的支持，而其所需的数据管理功能有相当一部分是传统的数据库系统所不能支持的。612.1 数据库技术三个发展阶段v它们通常需要数据库系统支持以下功能：v(1)存储和处理复杂对象。这些对象不仅内部结构复杂，很难用普通的关系结构来表示，而且相互之间的联系也有复杂多样的语义。v(2)支持复杂的数据类型。包括抽象数据类型、半结构或无结构的超长数据、时间和版本数据等。还
4、要具备支持用户自定义类型的可扩展能力。v(3)需要常驻内存的对象管理以及支持对大量对象的存取和计算。v(4)实现程序设计语言和数据库语言无缝地集成。v(5)支持长事务和嵌套事务的处理。712.1 数据库技术三个发展阶段v二、传统数据库系统的局限性v1面向机器的语法数据模型v2数据类型简单、固定v3结构与行为分离v4阻抗失配v5被动响应v6存储、管理的对象有限v7事务处理能力较差 812.1 数据库技术三个发展阶段v三、新一代数据库技术的特点v1面向对象的方法和技术对数据库发展的影响最为深远v2数据库技术与多学科技术的有机结合v3面向应用领域的数据库技术的研究 912.1 数据库技术三个发展阶段
5、v四、第三代数据库系统v1第三代数据库系统应支持数据管理、对象管理和知识管理v2第三代数据库系统必须保持或继承第二代数据库系统的技术v3第三代数据库系统必须对其他系统开放 1012.2 数据库新技术1112.2 数据库新技术v12.2.1 数据模型的发展v数据模型应满足三方面要求：一是能比较真实的模拟现实世界；二是容易为人们所理解；三是便于在计算机上实现。1212.2 数据库新技术1312.2 数据库新技术v一、物理层v数据抽象的最低层，用来描述数据物理存储结构和存储方法。v二、逻辑层v数据抽象的中间层，描述数据库数据整体的逻辑结构。v三、概念层v概念层次的数据模型称为概念数据模型，简称概念模
6、型。v数据库的发展集中表现在数据模型的发展。1412.2 数据库新技术v然而，随着数据库应用领域对数据库需求的增多，传统的关系数据模型开始暴露出许多弱点。为了使数据库用户能够直接以他们对客观世界的认识方式来表达他们所要描述朗世界，人们提出并发展了许多新的数据模型。v1对传统的关系模型(1NF)进行扩充，引入了少数构造器，使它能表达比较复杂的数据类型，增强其结构建模能力，这样的数据模型称为复杂数据模型。v2提出和发展相比关系模型来说全新的数据构造器和数据处理原语，以表达复杂的结构和丰富的语义。v3是将上述语义数据模型和OO程序设计方法结合起来提出了面向对象的数据模型。1512.2 数据库新技术v
7、12.2.2 数据库技术与其他相关技术相结合1612.2 数据库新技术v一、分布式数据库系统分布式数据库应具有以下特点：(1)数据的物理分布性。(2)数据的逻辑整体性。(3)数据的分布独立性(也称分布透明性)。(4)场地自治和协调。(5)数据的冗余及冗余透明性。1712.2 数据库新技术v二、并行数据库系统v并行数据库系统试图通过充分利用通用并行计算机的处理机、磁盘等硬件设备的并行数据处理能力来提高数据库系统的性能。v并行数据库系统自出现以来，已经取得了一系列引入注目的进展，主要的原因有两个：v第一，关系数据模型和SQL语言的广泛采纳。关系查询存在着内在的三种并行性：操作间独立并行、操作间流水
8、线并行和操作内并行。v图124数据库查询内在的三种并行性v第二，近十几年来，计算机的处理能力得到了非常迅速的提高，高性能CPU、大容量内存、高速战盘阵列以及高带宽通信网络的出现为高性能数据处理提供了充分的硬件支持。1812.2 数据库新技术v三、知识库系统v知识库系统是数据库和人工智能两种技术结合的产物。v在数据库技术中引入人工智能技术，多年来是沿着数据库的智能化和智能化的数据库这两个途径发展的。v1数据库的智能化v所谓数据库的智能化是指把数据库视为一个AI系统或专家系统，借鉴AI技术来提高DBMS的表达、推理和查询能力。v2智能化的数据库v所谓智能化的数据库是指扩大数据库的功能，使其不但具有
9、传统数据库的现有功能，还具有一些AI能力，以提高数据库的演绎、推理功能和智能化的程度。1912.2 数据库新技术四、主动数据库v主动数据库的主要目标是提供对紧急情况及时反应的能力，同时提高数据库管理系统的模块化程度。v主动数据库通常采用的方法是在传统数据库系统中嵌入ECA(即事件条件动作)规则，在某一事件发生时引发数据库管理系统去检测数据库当前状态，看是否满足设定的条件，若条件满足，便触发规定动作的执行。2012.2 数据库新技术v主动数据库的研究主要集中于解决以下问题：1.主动数据库的数据模型和知识模型。2.执行模型。3.条件检测。4.事务调度。5.体系结构。6.系统效率。2112.2 数据
10、库新技术v五、多媒体数据库多媒体是指多种媒体，如数字、正文、图形、图像和声音的有机集成，而不是简单的组合。其中数字、字符等称为格式化数据；文本、图形、图像、声音、视频等称为非格式化数据，非格式化数据具有数据量大、处理复杂等特点。2212.2 数据库新技术v多媒体数据库实现对格式化和非格式化的多媒体数据的存储、管理和查询，其主要特征有：（1）多媒体数据库应能够表示多种媒体的数据。（2）多媒体数据库应能够协调处理各种媒体数据，正确识别各种媒体数据之间在空间或时间上的关联。2312.2 数据库新技术v六、模糊数据库系统v模糊数据库系统可以定义为：存储、组织、管理和操作模糊数据的数据库系统。它除了具有
11、普通数据库系统的公共特性外，在以下方面体现了模糊性：存储的是以各种形式表示的模湖数据；数据结构和数据之间的联系是模糊的；数据上的运算和操作也是模糊的；对数据的约束，包括完整性和安全性，是模糊的：用户使用数据库的窗口一用户视图是模糊的：数据的一致性和无冗余性的定义也是模糊的。v精确数据可以看成是模糊数据的特例。2412.2 数据库新技术v研究内容和关键技术：1.模糊数据的表示和语义解释2.模糊数据模型，包括结构模糊数据的构造、模糊数据上的模糊操作和运算的定义。3.模糊数据库管理系统的实现技术。4.模糊数据库和模糊知识库的结合。2512.2 数据库新技术v12.2.3 面向应用领域的数据库新技术2
12、612.2 数据库新技术v数据仓库的建立能充分利用已有的数据资源，把数据转换为信息，从中挖掘出知识，提炼成智慧，最终创造出效益。v1从数据库到数据仓库事务处理环境不适宜DSS应用的原因：事务处理和分析处理的性能特性不同数据集成问题数据动态集成问题历史数据问题数据的综合问题2712.2 数据库新技术v 要提高分析和决策的效串和有效性，分析型处理及其数据必须与操作型处理和数据相分离。必须把分析数据从事务处理环境中提取出来，按照DSS 处理的需要进行重新组织建立单独的分析处理环境，数据仓库正是为了构建这种新的分析处理环境而出现的一种数据存储和组织技术。2812.2 数据库新技术v2数据仓库的定义和特
13、点2912.2 数据库新技术v数据仓库数据的四个基本特征：数据仓库的数据是面向主题的 数据仓库的数据是集成的 数据仓库的数据是不可更新的 数据仓库的数据是随时间不断变化的 3012.2 数据库新技术v3.分析工具数据仓库系统的重要组成部分(1)联机分析处理技术及工具(2)数据挖掘技术和工具3112.2 数据库新技术4基于数据库技术的DSS解决方案vDW十OLAP十DM DSS的可行方案3212.2 数据库新技术3312.2 数据库新技术v这一DSS构架以数据库中的大量数据为基础其特点是：(1)在底层的数据库中保存了大量的事务级细节数据。这些数据是整个DSS系统的数据来源。(2)数据仓库对底层数
14、据库中的事务级数据进行集成、转换、综合，重新组织成面向全局的数据视图，为DSS提供数据存储和组织的基础。3412.2 数据库新技术(3)OLAP从数据仓库中的集成数据出发，构建面向分析的多维数据模型，再使用多维分析方法从多个不同的视角对多维数据进行分析、比较，分析活动从以前的方法驱动转向了数据驱动，分析方法和数据结构实现了分离。(4)数据挖掘以数据仓库和多维数据库中的大量数据为基础，自动地发现数据中的潜在模式，并以这些模式为基础自动地作出预测。数据挖掘表明知识就隐藏在日常积累下来的大量数据之中，仅靠复杂的算法和推理并不能发现知识，数据才是知识的真正源泉。数据挖掘为AI技术指出了一条新的发展道路
15、。3512.2 数据库新技术v二、工程数据库（Engineering Data Base）工程数据库是一种能存储和管理各种工程设计图形和工程设计文档，并能为工程设计提供各种服务的数据库。工程数据库管理系统是用于支持工程数据库的数据库管理系统，基于工程数据库中数据结构复杂，相互联系紧密，数据存储量大的特点，工程数据库管理系统的功能与传统数据库管理系统有很大不同主要应具有以下功能：3612.2 数据库新技术 (1)支持复杂对象(如图形数据、工程设计文档)的表示和处理；(2)可扩展的数据类型；(3)支持复杂多样的工程数据的存储和集成管理；(4)支持变长结构数据实体的处理；(5)支持工程长事务和嵌套事
16、务的并发控制和恢复；(6)支持设计过程中多个不同数据版本的存储和管理；(7)支持模式的动态修改和扩展；(8)支持多种工程应用程序等。3712.2 数据库新技术三、统计数据库（Statistical Database）v统计数据库是一种用来对统计数据进行存储、统计、分析的数据库系统。v统计数据具有以下的基本特性：1.分类属性和统计属性2.多维性3.分类属性的层次结构4.微数据(Micro Data)和宏数据(Macro Data)3812.2 数据库新技术v统计数据库研究的问题和技术：1.数据模型2.查询语言和用户接口3.统计数据的物理组织4.时序数据5.统计数据库安全性3912.2 数据库新技
17、术四、空间数据库(Spatial Database)v空间数据是用于表示空间物体的位置、形状、大小和分布特征等诸方面信息的数据，适用于描述所有二维、三维和多维分布的关于区域的现象。v(1)空间数据模型v空间数据模型是描述空间实体和空间实体关系的数据模型。4012.2 数据库新技术(2)空间数据查询语言 空间数据查询包括位置查询、空间关系查询和属性查询 基本方式有：v面面查询：例如查询与某一面状物A相邻的多边形。v线线查询：例如查询某一河流A的所有支流。v点点查询：例如查询两点之间的距离。v线面查询：例如查询铁路A穿过的所有城镇。v点线查询：例如查询某一河流A(线)上的所有桥梁(点)。v点面查询：例如查询某一城市A地图中的所有医院(点)。4112.2 数据库新技术(3)空间数据库管理系统v空间数据库管理系统的主要功能是提供对空间数据和空间关系的定义和描述；提供空间数据查询语言，实现对空间数据的高效查询和操作：提供对空间数据的存储和组织：提供对空间数据的直观显示等。42