傅衍杰，鄒自明，佟繼周

(中國科學院空間科學與應用研究中心，北京 100190)

衛(wèi)星和望遠鏡觀測精度的提高，使科學研究進入“數(shù)據(jù)雪崩”時代［1］。與此同時，數(shù)據(jù)網(wǎng)格、云計算等新技術(shù)的涌現(xiàn)，使得在協(xié)同環(huán)境下實現(xiàn)大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)的共享成為可能。在這樣的背景下，虛擬觀測臺(Virtual Observatory①在天文領域，VO翻譯為“虛擬天文臺”已成為共識。然而，隨著VO研究的跨學科發(fā)展，本文認為在空間科學領域VO翻譯為“虛擬觀測臺”更為貼切。但這不應影響兩種翻譯方法所表達含義的一致性。)應運而生，并迅速受到空間和天文學界的重視。2002年前后大批VO研究計劃相繼啟動。這些VO項目按照學科可分為天文學和空間科學兩類:在天文學領域，以美國國家虛擬天文臺(NVO)、歐洲虛擬天文臺(EURO-VO)、中國虛擬天文臺(China-VO)等為代表組成了國際虛擬天文臺聯(lián)盟(IVOA)［2］;在空間科學領域，美國宇航局(NASA)的“Live With Sun”計劃(VxO)按照“先學科后集成”的思路，提出了虛擬磁層觀測臺(VMO)、虛擬太陽觀測臺(VSO)、虛擬空間物理觀測臺(VSPO)、虛擬日地觀測臺(VHO)、虛擬宇宙線觀測臺(ViCRO)、虛擬電離層熱層中間層觀測臺(VITMO)、虛擬輻射帶觀測臺(ViBRO)、虛擬高能粒子觀測臺(VEPO)等8個子學科VO，并通過相互間共享接口實現(xiàn)最終集成［3］。

要構(gòu)建一個VO，其核心是體系結(jié)構(gòu)設計。目前，按照體系結(jié)構(gòu)，VO可分為3類:(1)Query-Triggered型體系結(jié)構(gòu)，以查詢作為科研的觸發(fā)點，重點關注資源的檢索發(fā)現(xiàn)，以VMO為典型。(2)Application-Triggered型體系結(jié)構(gòu)則認為學科應用才是科研的起點，數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、訪問、傳輸?shù)裙δ鼙环庋b在學科應用中，以印度虛擬天文臺(India VO)［4］為典型。(3)Hybrid型體系結(jié)構(gòu)，是當前主流的體系結(jié)構(gòu)，通常采用面向服務的思想，服務與服務之間通過數(shù)據(jù)管道進行IO操作，以NVO為典型。

隨著VO體系結(jié)構(gòu)研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，緊密結(jié)合學科數(shù)據(jù)應用特點，作針對性的體系結(jié)構(gòu)設計才是VO發(fā)展的關鍵。為此，在天文領域，IVOA專門針對天文主流數(shù)據(jù)形式——星表，制定基于XML的表列數(shù)據(jù)集合規(guī)范(VOTable)［5］，以滿足數(shù)據(jù)互操作的需求。VOTable包含星表的表數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，不僅支持與應用軟件進行互操作，還可以基于VO Query Language(VOQL)進行查詢［6］。因而，利用VOTable，天文VO更容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致訪問以及學科應用的集成。在IVOA的最新報告［7］中，天文VO的體系結(jié)構(gòu)被分為3層:用戶層、基礎設施層和資源層。其中，用戶層主要包含基于瀏覽器、桌面和腳本的應用;基礎設施層主要指資源注冊、數(shù)據(jù)訪問和VO核心;資源層是一個數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的集合。

與天文數(shù)據(jù)不同，空間科學數(shù)據(jù)具有以下特點:(1)只有行星科學的PDS［7］標準和日地空間物理的SPASE［8］標準，缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理模型;(2)以文件卷宗為數(shù)據(jù)歸檔的主要組織方式，難以構(gòu)建類VOQL的學科查詢語言;(3)數(shù)據(jù)格式復雜多樣(CDF、netCDF、DAT、HDF、CDFML等)，且無主流格式。因而，在數(shù)據(jù)管道的過程中，往往需要引入閱讀和格式轉(zhuǎn)換工具;(4)不同觀測對象的數(shù)據(jù)之間存在相關性，如日冕物質(zhì)拋射與磁場擾動的時序因果關系。

為適應空間科學數(shù)據(jù)的特點，致力于構(gòu)建面向行星科學和日地空間物理兩大學科的VO體系結(jié)構(gòu)，使它具有如下特征:(1)與NASA“先學科后集成”的策略不同，在一個框架內(nèi)實現(xiàn)行星和日地兩個學科數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一;(2)提供支持閱讀和格式轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)管道，實現(xiàn)異構(gòu)學科應用和VO服務的高度集成;(3)通過“定位－檢索－閱讀－選擇－傳輸－轉(zhuǎn)換－模式計算－仿真可視化”的無縫鏈接，構(gòu)建具有空間科學特色的科學工作流;(4)基于空間天氣事件，提供面向科學問題的數(shù)據(jù)關聯(lián)發(fā)現(xiàn);(5)通過元數(shù)據(jù)收割機制進行節(jié)點間的信息交換，實現(xiàn)資源全局發(fā)現(xiàn)。

1 空間科學虛擬觀測臺的體系結(jié)構(gòu)

1.1 關鍵問題

空間科學虛擬觀測臺的目標是實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源、計算資源、存儲資源和知識資源的無縫鏈接與全面共享，為空間科學研究提供虛擬化的應用集成環(huán)境。為此，在體系結(jié)構(gòu)設計中著力解決如下4個問題:

(1)行星科學和日地空間物理的數(shù)據(jù)管理模型異構(gòu)

PDS和SPASE分屬行星科學和日地空間物理學。研究對象的差異帶來兩者在屬性選取上的區(qū)別。因而，要融合兩個學科數(shù)據(jù)，就必須實現(xiàn)兩個學科數(shù)據(jù)標準的統(tǒng)一。為此，依據(jù)應用集成和研究熱點的需求，對PDS和SPASE的屬性交集進行遴選得到公共核心屬性，如:觀測平臺、觀測設備、觀測區(qū)域、觀測要素等，并在數(shù)據(jù)模型中構(gòu)建統(tǒng)一的核心描述屬性層。

(2)分布式資源信息的實時同步

要達到虛擬觀測的效果，就必須支持自動把新注冊的資源信息實時同步到其它節(jié)點，使得每一個節(jié)點都能發(fā)現(xiàn)全局的數(shù)據(jù)資源。當前，關系數(shù)據(jù)庫的實時同步技術(shù)，是一個業(yè)界尚未完全攻克的難點。這就需要繞開底層技術(shù)，從業(yè)務流的角度解決實時同步問題。

(3)與空間模式的互操作和應用集成

空間模式之間IO標準差異大，物理數(shù)據(jù)存儲格式不一，使得VO難以無縫地以數(shù)據(jù)倉庫的形式為空間模式提供數(shù)據(jù)支持。為此，需要一種特殊的數(shù)據(jù)管道服務，不僅支持多協(xié)議的數(shù)據(jù)訪問，還能依據(jù)管道兩端的格式要求，自動實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。

(4)面向科學問題的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)

常規(guī)數(shù)據(jù)檢索，檢索結(jié)果與學科數(shù)據(jù)需求的吻合度往往較低。因此，面向科學問題的增值型數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，將會是VO未來發(fā)展方向之一。空間科學VO將利用空間天氣事件與觀測數(shù)據(jù)的因果時序關聯(lián)，構(gòu)建具有學科內(nèi)涵的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)。

1.2 概念框架

VO概念框架(圖1)的構(gòu)成應包括資源、服務、應用和接入點等4類基本要素。其中，資源是多樣化的，數(shù)據(jù)、計算和存儲等都屬于資源;服務是VO的特定功能單元，它通過對外提供明確的接口實現(xiàn)資源注冊、發(fā)現(xiàn)、訪問、同步等核心功能的封裝;應用旨在為科研人員提供模式計算、結(jié)果分析和科學可視化等工具;接入點是VO和用戶的橋梁，一方面用戶通過接入點與VO進行交互，另一方面系統(tǒng)利用接入點進行資源信息收集，并將其存儲在資源注冊器中。這4類要素通過自由組合與相互作用構(gòu)成不同的功能實體，通過在VO物理節(jié)點上進行部署，形成對應的概念節(jié)點。在此原則下，一個物理節(jié)點可以同時包含資源、服務、應用和接入點等要素構(gòu)成綜合節(jié)點;也可以只提供數(shù)據(jù)資源訪問構(gòu)成數(shù)據(jù)節(jié)點;或者以學科應用為唯一支撐構(gòu)成應用節(jié)點，甚至僅依靠注冊器構(gòu)成注冊節(jié)點。節(jié)點間的交互通過服務實現(xiàn)，如:為實現(xiàn)資源的全局發(fā)現(xiàn)，資源注冊器之間通過收割服務進行元數(shù)據(jù)的同步。

圖1 空間科學虛擬觀測臺的概念框架Fig.1 Conceptual framework of the Chinese Space Science VO

1.3 層次結(jié)構(gòu)與協(xié)議

依據(jù)概念框架所闡述的原則，把空間科學VO的體系結(jié)構(gòu)分為3層(圖2):資源層、服務層和應用層。

資源層是物理數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的匯集?！拔锢頂?shù)據(jù)”層是分布式的文件數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括科學數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，用以支持物理數(shù)據(jù)訪問和存儲?！霸獢?shù)據(jù)”層又分為兩層:標準描述屬性層和核心描述屬性層。其中，“標準描述屬性”層是XML數(shù)據(jù)系統(tǒng)，針對行星科學和日地空間物理學分別采用PDS4和SPASE標準，以保留與NASA VxO的學科應用軟件進行互操作的可能;“核心描述屬性”層采用關系數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建，目的是實現(xiàn)資源的快速發(fā)現(xiàn)?！昂诵拿枋鰧傩浴敝饕獊碜杂凇皹藴拭枋鰧傩浴?，但并不排除基于應用集成的需要，增加新屬性的可能。

圖2 空間科學虛擬觀測臺的層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Layers of the Chinese Space Science VO

服務層是面向服務的中間件集合，這些服務共同構(gòu)成VO的基礎設施。服務層主要提供5類服務:(1)面向資源，提供資源注冊、發(fā)現(xiàn)、存儲與訪問服務;(2)面向拓撲組織，提供資源同步收割服務;(3)面向VO用戶，提供用戶管理服務;(4)面向系統(tǒng)安全，提供安全監(jiān)控服務;(5)面向應用集成，提供數(shù)據(jù)格式化管道服務;(6)面向虛擬化需求，提供透明訪問服務。

應用層是一個學科應用池，提供數(shù)據(jù)計算、分析、可視化和知識發(fā)現(xiàn)的虛擬實驗環(huán)境。它既支持單一學科應用，也支持多個學科應用間的耦合。應用耦合的IO標準異構(gòu)問題，通過服務層的“數(shù)據(jù)格式化管道服務”解決。

資源層、服務層和應用層之間的交互，主要通過數(shù)據(jù)訪問與存儲服務提供文件、XML和數(shù)據(jù)庫等3個層次的讀寫接口實現(xiàn)。圖3反映的交互關系如下:(1)資源注冊、審核、發(fā)布只需要對“核心描述屬性”進行讀寫;(2)“同步收割服務”通過交換和合并各注冊器的“核心描述屬性”，最終實現(xiàn)資源全局同步;(3)資源發(fā)現(xiàn)服務檢索通過“核心描述屬性”定位物理數(shù)據(jù)實體及其對應的標準描述屬性，并利用“數(shù)據(jù)訪問服務”將其傳送到“數(shù)據(jù)格式化管道”?！皵?shù)據(jù)格式化管道服務”依據(jù)“標準描述屬性”的描述，對物理數(shù)據(jù)進行格式化后提交給學科應用服務，如NASA SPICE軌道分析應用就是在PDS標簽的支持下，對物理數(shù)據(jù)進行訪問、解析和抽取的。

圖3 資源層、服務層和應用層之間的交互Fig.3 Interactions between the resource，service and application layers

1.4 核心服務

1.4.1 基于空間天氣事件的資源關聯(lián)發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)屬性(載荷、儀器設備等)進行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)。但是，這種“實體－屬性”式的關聯(lián)與科研的思維方式相去甚遠。依據(jù)學科知識，對數(shù)據(jù)進行因果溯源和關聯(lián)分析，才是找到新問題的關鍵。在空間科學領域，空間天氣事件(日冕物質(zhì)拋射、磁場擾動、質(zhì)子事件等)與衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)的因果時序關聯(lián)，可以分為3類:(1)先兆特征型;(2)伴隨發(fā)生型;(3)后續(xù)效應型。為此，把空間天氣事件在時序區(qū)間、觀測平臺、載荷類型上與數(shù)據(jù)的關聯(lián)關系視為知識庫，并在其監(jiān)督下進行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)。

空間科學VO的資源發(fā)現(xiàn)服務(圖4)屬于半監(jiān)督檢索系統(tǒng)，由查詢構(gòu)造引擎、查詢結(jié)果引擎和監(jiān)督知識庫構(gòu)成?！安樵儤?gòu)造引擎”在“監(jiān)督知識庫”的指導下，把學科數(shù)據(jù)需求轉(zhuǎn)化為符合SQL標準的可執(zhí)行命令;“查詢結(jié)果引擎”對原始的SQL結(jié)果對象進行解析、分類、排序后，結(jié)構(gòu)化地展現(xiàn)結(jié)果。圖4展現(xiàn)了數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的流程:(1)在“空間天氣事件關聯(lián)知識庫”監(jiān)督下，把用戶的學科數(shù)據(jù)需求描述為學科查詢;(2)依據(jù)“學科數(shù)據(jù)模型”，構(gòu)建一個邏輯上的數(shù)據(jù)視圖。該視圖為學科查詢涉及的所有數(shù)據(jù)，并把“學科查詢”轉(zhuǎn)化為“數(shù)據(jù)視圖查詢”;(3)根據(jù)數(shù)據(jù)庫表屬性的關聯(lián)關系，把視圖查詢分解為表實體的關聯(lián)查詢，并構(gòu)造符合SQL語法規(guī)范的語句;(4)提交SQL語句到數(shù)據(jù)庫引擎;(5)獲得SQL結(jié)果對象;(6)對結(jié)果分類;(7)對結(jié)果排序并展現(xiàn)給用戶。

圖4 基于空間天氣事件的資源關聯(lián)發(fā)現(xiàn)Fig.4 Cross search of resources based on space science events

1.4.2 基于推拉式收割的元數(shù)據(jù)同步

數(shù)據(jù)庫實時同步技術(shù)一直是業(yè)界的一個技術(shù)難題。為實現(xiàn)分布式資源的全局發(fā)現(xiàn)，提出了同步收割服務(圖5)，其思路是利用VO的資源注冊、審核、發(fā)布的業(yè)務流，實現(xiàn)資源信息的全局同步。由于空間科學VO采用“分布注冊、中心審核、全局同步”的模式，資源在某一子節(jié)點進行注冊的同時，也把元數(shù)據(jù)寫入中心節(jié)點;當中心節(jié)點完成審核進行資源發(fā)布時，再把全局元數(shù)據(jù)推送到每一個子節(jié)點的注冊器上。

圖5 元數(shù)據(jù)收割同步服務Fig.5 Sychronization service for metadata harvesting

2 原型實現(xiàn)和應用實例

在基于空間天氣事件的資源關聯(lián)發(fā)現(xiàn)(圖6)方面，空間科學VO以太陽質(zhì)子事件為切入點，著力維護3類數(shù)據(jù)表達:空間科學數(shù)據(jù)索引庫、太陽質(zhì)子事件編目庫和太陽質(zhì)子事件關聯(lián)庫。在3類數(shù)據(jù)表達中，最核心的是太陽質(zhì)子事件關聯(lián)庫，它作為“橋梁”，構(gòu)建起從質(zhì)子事件到科學數(shù)據(jù)的關聯(lián)映射關系。該關聯(lián)關系主要分為4部分:(1)質(zhì)子事件;(2)與質(zhì)子事件對應的觀測平臺(科學衛(wèi)星或地面臺站);(3)與質(zhì)子事件對應的觀測設備;(4)質(zhì)子事件與科學數(shù)據(jù)在時間屬性上的關聯(lián)類型(先兆特征型、伴隨發(fā)生型、后續(xù)效應型);(5)質(zhì)子事件與科學數(shù)據(jù)在時間屬性上的映射跨度。針對某一質(zhì)子事件，系統(tǒng)首先依據(jù)其所關聯(lián)的觀測平臺和觀測設備，在空間科學數(shù)據(jù)索引庫中確定具體的數(shù)據(jù)范圍。如果是先兆特征型關聯(lián)，則以質(zhì)子事件爆發(fā)的時間點為終點進行前溯;如果是伴隨發(fā)生型關聯(lián)，則以質(zhì)子事件最大通量的時間點為中心，進行中心時間區(qū)間截取;如果是后續(xù)效應型關聯(lián)，則以質(zhì)子事件結(jié)束的時間點為起點進行后推，從而最終確定關聯(lián)數(shù)據(jù)。

空間科學VO以開源關系型數(shù)據(jù)庫MYSQL為基礎，構(gòu)建元數(shù)據(jù)同步服務。由于服務層上的資源注冊、審核等業(yè)務流程最終總會轉(zhuǎn)化為對資源層上MYSQL數(shù)據(jù)庫的具體操作。為此，在主節(jié)點的服務層和資源層之間，對SQL執(zhí)行語句進行監(jiān)控、截取和分析，記錄導致數(shù)據(jù)庫變動的增加、刪除、更新等3類修改性操作。子節(jié)點的守護進程則通過定時從主節(jié)點收割數(shù)據(jù)庫變動記錄并在本地執(zhí)行的方式，最終實現(xiàn)同步。這種同步方式，是在各節(jié)點的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)一致的前提下實現(xiàn)的。它要求空間科學VO具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理模型，因而具有一定的限制性。利用該思路繞過數(shù)據(jù)視圖的關聯(lián)操作，規(guī)避數(shù)據(jù)庫的實體與實體、實體與屬性間的一對多、多對多等復雜的主外鍵關系，使得數(shù)據(jù)庫變動的監(jiān)控和記錄在實現(xiàn)上具有可行性，在邏輯上具有完備性。

以中國科學院信息化專項項目“空間科學主題數(shù)據(jù)庫及應用環(huán)境建設”為依托，基于上文所闡述的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了空間科學VO的原型。如圖7，空間科學VO由1個主節(jié)點和4個學科子節(jié)點組成。其中，主節(jié)點、太陽、地磁和中高層大氣節(jié)點分別位于中國科學院空間科學與應用研究中心、中國科學院國家天文臺、中國科學院地質(zhì)與地球物理所、中國科學技術(shù)大學，且都統(tǒng)一部署了資源注冊、發(fā)現(xiàn)、存儲與訪問、同步收割、透明訪問、用戶管理、安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)格式化管道等服務。圖8展示了空間科學VO的典型門戶，系統(tǒng)在門戶上提供的基于語義、核心屬性、目錄樹導航的常規(guī)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的格式判斷、閱讀和轉(zhuǎn)換，基于IDL的數(shù)據(jù)可視化等服務。而軌道衛(wèi)星環(huán)境 (雙星)節(jié)點位于海南觀測站，只提供資源訪問服務。在與空間模式無縫集成方面，圖9展示了研究人員利用全球空間天氣密度模式(NRLMSISE-00 Model 2001)進行計算，并基于Google Earth實現(xiàn)結(jié)果的科學可視化，從而進一步揭示不同大氣成分的全球密度分布規(guī)律。

圖6 基于質(zhì)子事件的數(shù)據(jù)關聯(lián)發(fā)現(xiàn)Fig.6 Cross search of data based on events

圖7 空間科學虛擬觀測臺拓撲Fig.7 Topological structure of the VO

圖8 空間科學虛擬觀測臺門戶Fig.8 Portal interface of the VO

圖9 基于Google Earth的全球大氣密度模式計算Fig.9 Interface for computing patterns of global atmospheric density distribution

3 討論和總結(jié)

本文面向空間科學的數(shù)據(jù)特點，對空間科學VO做針對性的體系結(jié)構(gòu)設計，并結(jié)合“空間科學主題數(shù)據(jù)庫及應用環(huán)境建設”項目的實踐，解決了4個問題:(1)在三層式的數(shù)據(jù)模型中，通過對SPASE和PDS進行核心屬性抽取，進一步推動兩個學科數(shù)據(jù)管理模型的統(tǒng)一;(2)在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)一致的前提下，利用同步收割服務，實現(xiàn)資源信息的延遲性全局同步;(3)增加數(shù)據(jù)格式化管道服務，以解決數(shù)據(jù)IO異構(gòu)問題，構(gòu)建一個包括“數(shù)據(jù)查詢、定位、獲取、閱讀、轉(zhuǎn)換和可視化”的科學工作流雛形，為模式計算提供支持;(4)利用“質(zhì)子事件關聯(lián)”構(gòu)建面向科學問題的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)。

天文雖以星表為主流數(shù)據(jù)格式，卻依然存在數(shù)據(jù)格式異構(gòu)的問題［10］。本文通過“數(shù)據(jù)格式化管道”解決數(shù)據(jù)IO異構(gòu)的思路，對于天文VO將有一定的適應性。此外，通過建立抽取系統(tǒng)，對“標準描述屬性層”的元數(shù)據(jù)標準封裝文件(VOTable、PDS標簽、SPASE標簽等)進行屬性抽取，以降低數(shù)據(jù)清洗成本的思路是值得肯定的。

然而，本文仍有一些問題值得進一步探討:(1)本文僅在體系結(jié)構(gòu)設計上借助業(yè)務流實現(xiàn)資源信息的延遲性同步，并沒有從數(shù)據(jù)庫技術(shù)角度根本上解決實時同步的問題;(2)在三層式的數(shù)據(jù)模型中，大部分“核心描述屬性(DB)”是通過對“標準描述屬性(XML)”進行屬性抽取獲得的。但是，目前系統(tǒng)僅支持靜態(tài)抽取，我們將會進一步致力于發(fā)展XML動態(tài)抽取技術(shù)，以支持抽取屬性的動態(tài)選擇以及屬性值變化時同步的動態(tài)觸發(fā);(3)如何在質(zhì)子事件關聯(lián)的基礎上，通過構(gòu)建更復雜的多空間天氣事件的聯(lián)合關聯(lián)檢索，如:CME、磁暴、太陽風暴等，從而提高數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的科學價值，將會是空間VO在新科研形勢下的一個重點發(fā)展方向。

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［9］Space Physics Archive Search and Extract［EB/OL］.http://www.spase-group.org/.

［10］劉超，田?？?，高丹，等.異地異構(gòu)天文數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一訪問 ［J］.天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊，2008，5(2):145－155.Liu Chao，Tian Haijun，Gao Dan，et al.Integrated Access of Distributed and Heterogeneous Astronomical Dara Resources ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of Chian，2008，5(2):145－155.