杜丹蕾　周新林

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關(guān)系數(shù)據(jù)庫的模糊優(yōu)先權(quán)查詢研究

杜丹蕾1周新林2

（1.湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院；2.湖南祁陽縣大忠橋二中；湖南 永州425199）

關(guān)系數(shù)據(jù)庫在計算機(jī)發(fā)展過程中一直扮演著非常重要的角色，特別是近年大數(shù)據(jù)等概念的提出，進(jìn)一步推進(jìn)了關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，對于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的查詢經(jīng)典的方法是通過SQL進(jìn)行查詢，但在實際應(yīng)用中許多情況還需要應(yīng)用模糊查詢思路來進(jìn)行查詢，基于此，文章通過對模糊集和詞計算進(jìn)行研究，分析了經(jīng)典的基于詞計算的模糊查詢方法，并應(yīng)用權(quán)值方法對其進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建了基于加權(quán)改進(jìn)的詞計算模糊查詢算子，對提高特定情況下的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的模糊查詢效率和適應(yīng)性具有非常重要意義。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫；模糊理論；模糊優(yōu)先權(quán)查詢

1　引　言

關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為目前計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中使用最廣泛的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在大部分的應(yīng)用系統(tǒng)中都是以關(guān)系數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)的存儲[1]，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查找過程中，通常對于一個查找條件，其只有真和假兩種結(jié)果，也就是要么滿足要么不滿足。而隨著計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，特別是近年大數(shù)據(jù)技術(shù)的提出，傳統(tǒng)的關(guān)系查詢條件已經(jīng)很難滿足其需求。更多的情況下需要對關(guān)系數(shù)據(jù)庫執(zhí)行模糊查詢[2-5]。

模糊查詢技術(shù)的模糊性理論基礎(chǔ)，最早是在1965年由美國加州大學(xué)的L.A.扎德教授在研究模糊控制中被提出，成為目前模糊理論的基礎(chǔ)，這一理論由于其在復(fù)雜系統(tǒng)中特別是具有人為干預(yù)的系統(tǒng)中表現(xiàn)出極佳的便捷性[6]，在一定程度上彌補了經(jīng)典數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)的不足，使得其迅速的在信息系統(tǒng)、控制等領(lǐng)域得到了重視，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，目前該理論已經(jīng)發(fā)展成為了一門極具特色和完善的理論，在電子通信、控制、大數(shù)據(jù)、人工智能和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7-10]。在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，目前已經(jīng)有許多的研究致力于應(yīng)用模糊理論來對數(shù)據(jù)庫查詢技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)庫查詢技術(shù)的實際應(yīng)用能力，這類研究中主要是用于解決實際問題中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息查詢的不確定性，在傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上通過引入“不確定性”讓其更加符合實際問題[11]。從目前的研究來看，在這類問題的解決上主要有兩種，其一是通過在關(guān)系數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上構(gòu)建模糊型數(shù)據(jù)庫，這種方法主要是通過以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用模糊理論對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計[12]，構(gòu)建模糊型數(shù)據(jù)庫。還有一種就是不構(gòu)建模糊數(shù)據(jù)庫，只是在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中通過引入模糊邏輯從而實現(xiàn)用戶的模糊查詢，由于這種方式可以不需要重新構(gòu)建模糊數(shù)據(jù)庫[13]，使用極為方便，這種方式也是目前研究的主流，針對這種研究，目前國外的研究較多，也比較深入[14]，如FQAS組織就針對如何實現(xiàn)模糊查詢的方法，每年都要舉行國際討論會，就方法的靈活運用和創(chuàng)新進(jìn)行探討，而國內(nèi)對這方面的研究較少，目前主要是集中在高校和各大互聯(lián)網(wǎng)公司，如百度在其研究院就專門設(shè)立了相應(yīng)的模糊查詢研究算法課題對模糊查詢技術(shù)進(jìn)行研究，但是從目前已經(jīng)取得的研究成果和相關(guān)文獻(xiàn)資料來看，成果應(yīng)用并不是很理想[15]。

通過對模糊理論進(jìn)行研究和分析，文章結(jié)合目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫的特點，采用詞計算和模糊集理論相結(jié)合的方法實現(xiàn)對關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的信息的模糊查詢，提高了在特定情況下的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的模糊查詢的效率和結(jié)果可靠性。

2　模糊理論與詞計算

2.1 模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)

要實現(xiàn)對關(guān)系數(shù)據(jù)庫的模糊查詢就需要應(yīng)用到模糊理論相關(guān)基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)庫中通常為了方便數(shù)據(jù)存儲，在儲存過程中將數(shù)據(jù)分為多種類型進(jìn)行存儲[16]，如常見的整形、字符串型、布爾型和文本型等，并且在不同的數(shù)據(jù)庫中其類型的劃分不相同，當(dāng)在處理的這些數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息無法全部滿足用戶的查詢要求的時候，我們可以定義一個抽象數(shù)據(jù)類型來進(jìn)行表示，也就是模糊數(shù)據(jù)類型，這一抽象數(shù)據(jù)類型必須要注意以下幾點：

（1）必須根據(jù)該數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對該數(shù)據(jù)的范圍進(jìn)行確定，即處理過程中需要確定一個描述該數(shù)據(jù)的集合。

（2）該數(shù)據(jù)類型可以滿足模糊數(shù)學(xué)理論中的相關(guān)的模糊集合的運算，即滿足交、并和補等集合運算。

以上就是數(shù)據(jù)庫中在應(yīng)用模糊集合進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢處理的兩大基礎(chǔ)，了解這一基礎(chǔ)之后，我們還要對模糊集中的相關(guān)運算進(jìn)行了解，為了后續(xù)研究過程中的相關(guān)運算分析，本節(jié)基于模糊數(shù)學(xué)理論，給出了在模糊數(shù)學(xué)中實現(xiàn)模糊集合的各種運算的定義如下：

（1）若A’表示模糊集合A的補集，那么其必須滿足如下關(guān)系：

同時在模糊集數(shù)學(xué)理論中，通常還需要對普通集合進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將普通集轉(zhuǎn)換為模糊集或者將模糊集轉(zhuǎn)換為普通集，這一過程中我們還需要用到一個重要的集合——α截集，這以及和通常采用如下方式進(jìn)行描述：

假設(shè)A表示U上的模糊集合，那么有如下關(guān)系成立：

2.2 詞計算相關(guān)概念

詞計算這一概念最早是在1996年，由哈弗大學(xué)Zadeh教授提出，其是在語言變量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門全新的技術(shù)，其非常適合于對各種感知信息技術(shù)及數(shù)據(jù)的處理，其在計算過程中打破了傳統(tǒng)的數(shù)值計算方式，采用詞的形式來進(jìn)行計算和處理。在詞計算過程中通常采用短語和句子進(jìn)行直接運算等[17]。

詞計算與粒計算密切相關(guān)，在Zadeh教授首次提出粒的概念以來，后續(xù)相關(guān)研究人員就對信息粒度化的相關(guān)處理思想進(jìn)行了研究和分析嗎，并且Zadeh后續(xù)也引入了模糊約束的頻繁集合的概念，同時對其進(jìn)行了深入的研究和分析，詞技術(shù)主要是在模糊計算的基礎(chǔ)上將模糊計算數(shù)學(xué)原理與自然語言進(jìn)行有效的融合，在此基礎(chǔ)上，使得詞計算得到了廣泛的應(yīng)用[18]。

在詞計算處理過程中，所有參與計算的信息將都是通過自然語言表示的命題構(gòu)成，這些自然語言進(jìn)行表示的命題的集合組成初始數(shù)據(jù)集IDS，處理過程中，通過初始數(shù)據(jù)集以自然語言形式的問題進(jìn)行推斷，最終得到一個較為完美的自然語言表示的解決方案，該解決方案在詞計算過程中被稱為終結(jié)數(shù)據(jù)集TDS，因此，整個詞計算過程就是將初始數(shù)據(jù)集中的自然語言命題進(jìn)行推斷得到終結(jié)數(shù)據(jù)集的自然語言形式的命題，其整個計算過程概念轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以采用如圖1所示進(jìn)行表示。

圖1.詞計算的概念結(jié)構(gòu)圖

3　關(guān)系數(shù)據(jù)庫中基于詞計算的經(jīng)典模糊查詢

經(jīng)典模糊查詢就是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，在SQL查詢條件語句的基礎(chǔ)上，使用SQL語句提供的NOT、AND和OR等邏輯運算符，有時候也使用SQL提供的%和-通配符等，通過這些語句根據(jù)模糊集合數(shù)學(xué)理論實現(xiàn)一些具有模糊概念的查詢條件語句集合，進(jìn)而使得查詢的結(jié)果具有一定的模糊性，如對于一個班級表中，需要查詢所有的男同學(xué)的信息，就可以使用SELECT *FROM MEN_INFO WHERE ENAME LIKE‘%IN%’來進(jìn)行查詢帶有IN的同學(xué)的名字，這種方法在經(jīng)典的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中就是一種可行的模糊處理方法。

雖然采用這種方法可以實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的模糊查詢，但是這種處理方法只能構(gòu)造一些極為簡單的模糊查詢，即使構(gòu)造再復(fù)雜，嵌套再多的變化語，也只能局限于對條件和熟悉上的查詢，也就是字與字的相似性及匹配問題，其實質(zhì)還是基于數(shù)值來進(jìn)行處理的，無法實現(xiàn)正真的模糊查詢，在這種情況下相關(guān)研究人員就通過在經(jīng)典的關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢過程中構(gòu)建隸屬度函數(shù)，同時引入詞計算來建立模糊化的模型從而對相關(guān)問題進(jìn)行模糊化處理，將一些不確定性的詞計算機(jī)模糊集合問題，轉(zhuǎn)換為經(jīng)典的數(shù)值處理問題，然后再來完成相應(yīng)的查詢操作，這就是目前發(fā)展起來的經(jīng)典的模糊查詢，也就是一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的SQL語言的擴(kuò)展模糊查詢方法。如在用戶管理系統(tǒng)中的查詢過程中，如果要實現(xiàn)對用戶的個人偏好和傾向進(jìn)行查詢，那么在經(jīng)典的模糊處理過程中，我們需要根據(jù)這一概念集合模糊集合的概念對其進(jìn)行擴(kuò)展處理，使得擴(kuò)展后的SQL語句在查詢過程中能夠體現(xiàn)出一些用于描述用戶個人偏好的關(guān)鍵詞語，如“極高”，“極低”等，而要實現(xiàn)這一目的，根據(jù)經(jīng)典的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL模糊化查詢就需要進(jìn)行以下兩個方面的考慮和設(shè)計：

對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫查詢語句SQL語句的語法進(jìn)行擴(kuò)展；

對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫查詢語句SQL語句的語義進(jìn)行擴(kuò)展。

采用SQL語法格式，我們進(jìn)行查詢處理如下：

SELECT<列名>FROM<表名>WHERE<條件語句>

采用經(jīng)典的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的SQL語句模糊化處理，我們就可以對其進(jìn)行模糊擴(kuò)展如下：

<條件語句> => <語言限定詞><子條件語句序列>

<子條件語句序列> => <子條件語句>或者<子條件語句序列>

<子條件語句>=><語言限定詞><原子條件語句序列>

<原子條件語句序列>=><原子條件語句>AND/OR<原子條件語句>

<原子條件語句>=>

<屬性>=><模糊數(shù)值>

以上就是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中基于SQL語句擴(kuò)展的經(jīng)典的基于詞計算的模糊化查詢處理過程，其實質(zhì)就是一個逐步分解的過程，在原有的SQL語句基礎(chǔ)上，利用模糊集合理論對其進(jìn)行分解處理，直到能夠處理的原子表達(dá)式為止。這種方法中借助了詞計算處理的特點，利用詞計算和模糊化集合原理，實現(xiàn)了對SQL語句的擴(kuò)展分解，實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的模糊查詢。

4　基于加權(quán)改進(jìn)的詞計算模糊查詢

前文對關(guān)系數(shù)據(jù)庫中利用對SQL語言的擴(kuò)展實現(xiàn)了基于詞計算的模糊查詢進(jìn)行了詳細(xì)介紹，但是從經(jīng)典的基于詞計算的模糊查詢可以看出，其查詢只是對SQL語句進(jìn)行了分解處理，將其從語義上結(jié)合詞計算原理進(jìn)行了簡單的擴(kuò)展，進(jìn)而實現(xiàn)對關(guān)系數(shù)據(jù)庫模糊查詢，而在實際應(yīng)用中，很多時候在查詢的時候其使用的搜索條件是帶有個人偏好的，比如在出租房屋信息查詢中，部分人關(guān)注的是租金，而另外部分人關(guān)注的可能是房屋面積或者交通情況等。因此，將這些影響查詢結(jié)果的偏好進(jìn)行轉(zhuǎn)化, 在查詢中引入“權(quán)重”的概念，對經(jīng)典的基于詞的模糊查詢進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)計過程中，根據(jù)模糊集合的相關(guān)定義，文章使用模糊集合A來表示查詢條件，同時對其在不同的運算條件下進(jìn)行分別定義如下：

AW表示合取式查詢，其表示查詢過程中進(jìn)行模糊邏輯與運算；

AW表示析取式查詢，查詢過程中進(jìn)行的是模糊邏輯或運算。

上述定義中，相關(guān)運算方式參見前文對模糊邏輯運算的定義部分，w表示其權(quán)值，其取值范圍為[0，1]，其值越大表示查詢的原子條件A在整個查詢整體的結(jié)果集中的作用就越大，被關(guān)注的程度越大，反之越小。

同時，在處理過程中，文章假設(shè)模糊集合A是位于查詢條件子句中的一個原子詞，w為預(yù)期對應(yīng)的查詢子句的權(quán)重，其取值與上述定義保持一致為[0，1]，該權(quán)值用來在詞計算過程中表示模糊集合A在整個查詢超過過程中的被重視程度。

基于上述定義和假設(shè)，文章在經(jīng)典的基于詞計算的模糊查詢的方法基礎(chǔ)上，在查詢前首先設(shè)定一個權(quán)值w，然后在上述定義的合取式查詢方法AW和析取式查詢方法AW中通過如下方式來設(shè)置記錄項t的屬性與模糊集合A的隸屬度，其設(shè)置方法如下：

基于上述原理，文章通過定義一種類SQL語句，同時規(guī)定其關(guān)鍵字WEIGHT用于表示權(quán)重，基于定義的類SQL語句和上述原理得到了文章改進(jìn)后的基于加權(quán)改進(jìn)的詞計算模糊查詢的語句如下：

SELECT A FROM R

WITH γ

上式中，wk表示第k個條件Ak的權(quán)重值，同時基于上述查詢的兩種查詢方法的匹配度采用如下公式進(jìn)行計算：

以上是基于加權(quán)改進(jìn)的詞計算模糊查詢的整個設(shè)計實現(xiàn)過程，通過與經(jīng)典的基于詞計算模糊查詢方法對比分析，可以看出，改進(jìn)后的基于詞計算的模糊查詢，其具有更好的適應(yīng)性，可以適應(yīng)多種不同查詢偏好的需求，這樣可以使其應(yīng)用更為廣泛，更加適合實際應(yīng)用需求。

5　結(jié)　語

隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷推廣，很多實際問題采用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的SQL語句查詢已經(jīng)無法滿足相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的需求，模糊化查詢是未來計算機(jī)數(shù)據(jù)庫查詢領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向，基于此，文章通過對模糊理論和詞計算進(jìn)行研究和分析，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基于詞計算的經(jīng)典模糊查詢方法上，提出了一種改進(jìn)的基于加權(quán)改進(jìn)的詞計算模糊查詢方法，給出了該方法的具體實現(xiàn)過程以及基于權(quán)值的模糊匹配度的計算方法，該方法相對于經(jīng)典的基于詞計算的模糊查詢方法，采用權(quán)值方法對其進(jìn)行計算優(yōu)化，可以有效的提高查詢效率和適應(yīng)不同客戶的偏好需求，對提高關(guān)系數(shù)據(jù)庫模糊查詢技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有非常重要的意義。

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（責(zé)任編校：宮彥軍）

2016－01－16

湖南省教育廳科學(xué)研究項目（項目編號13c335）；2015年永州市指導(dǎo)性科技計劃項目第一批第5號項目資助。

杜丹蕾(1981－)，女，湖南衡東人，講師，碩士，研究方向為數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)。周新林(1969－)，男，湖南永州人，中一，大學(xué)本科，研究方向為中學(xué)數(shù)學(xué)教育及數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

TP392

A

1673-2219（2016）10-0113-03