竇旭蒙 梁毅 蘇航

摘 要：為克服面向農(nóng)業(yè)企業(yè)畫像系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲方面存在的弊端，使數(shù)據(jù)存儲工作達(dá)到更加精簡、高效、可擴展目的，對農(nóng)企畫像系統(tǒng)的業(yè)務(wù)場景和數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，提出一套通用存儲模型。該模型由通用操作算子表達(dá)式、解析映射器、操作算子實現(xiàn)集和存儲介質(zhì)組成，以服務(wù)的形式對外開放，對上屏蔽掉底層復(fù)雜的存儲工作，對下屏蔽掉上層復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景，達(dá)到降低系統(tǒng)開發(fā)維護(hù)成本，提高系統(tǒng)工作效率的目的。為農(nóng)企畫像系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲工作提供了一套通用的解決方案，對該領(lǐng)域同類型系統(tǒng)存儲工作具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)企業(yè);畫像系統(tǒng);存儲模型;操作算子;異構(gòu)數(shù)據(jù);服務(wù)化

DOI：10. 11907/rjdk. 182810 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP306 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）008-0036-06

Research on Big Data Storage Model for Portrait System of

Agricultural Enterprises

DOU Xu-meng，LIANG Yi，SU Hang

（Faculty of Information Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： In order to improve the disadvantages of the portrait system for agricultural enterprises in data storage， and make the data storage work more concise， efficient and extensible， this paper analyzes the business scenarios and data sources of the agribusiness portrait system and proposes a general storage model. The model is composed of general operator expression， analytic mapper， operator implementation set and storage medium， and is open to the public as a service. The model can be done to block out the underlying complex storage work and on the upper block complex business scenarios， reduce the system development and maintenance costs， improve the work efficiency of the system to work on agribusiness portrait system data storage provides a general solution， the storage of the same kind of system about the field work has a certain guiding significance.

Key Words： agricultural enterprise; portrait system; storage model; operation primitives; heterogeneous data; servicing

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年項目（61202074）;農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點實驗室開放基金項目（2017，2018）

作者簡介：竇旭蒙（1994-），男，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部計算機學(xué)院碩士研究生，研究方向為軟件工程與理論;蘇航（1978-），男，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部計算機學(xué)院講師、碩士生導(dǎo)師，研究方向為軟件自動化、程序分析與變換;梁毅（1975-），女，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部計算機學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向為計算機體系結(jié)構(gòu)、海量數(shù)據(jù)處理、云計算、高性能計算。本文通訊作者：竇旭蒙。

0 引言

大數(shù)據(jù)應(yīng)用的主要目的是通過對日志數(shù)據(jù)的分析得到精確的指標(biāo)結(jié)果[1]，基于此需求，畫像概念應(yīng)運而生。畫像即信息標(biāo)簽化，是對研究個體進(jìn)行特征標(biāo)簽化描述，從而得到精準(zhǔn)的信息反饋[2]。畫像系統(tǒng)研究已有不少成果：Chen[3]通過分析網(wǎng)站上用戶的行為數(shù)據(jù)，得到不同用戶對于環(huán)境問題的關(guān)心程度;劉廣東[4]通過分析用戶的購買行為，實現(xiàn)對用戶的商品推送;王雪[5]通過分析各企業(yè)的公示數(shù)據(jù)，對企業(yè)運營狀況、資產(chǎn)、經(jīng)營規(guī)模等方面進(jìn)行歸類，為政府、銀行等提供參考。

農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展帶動了農(nóng)業(yè)企業(yè)對信息的需求，因此，以農(nóng)業(yè)企業(yè)為研究主體的畫像系統(tǒng)（以下簡稱“農(nóng)企畫像系統(tǒng)”）也隨之誕生[6]。農(nóng)企畫像系統(tǒng)有助于對農(nóng)業(yè)企業(yè)屬性特征、行為趨勢進(jìn)行精準(zhǔn)評估和分類，確保農(nóng)業(yè)企業(yè)管理的公平性和要素配置的高效性，對農(nóng)業(yè)企業(yè)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。本文以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息所提出的農(nóng)企畫像系統(tǒng)為依托，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲相關(guān)技術(shù)的研究。

數(shù)據(jù)存儲在農(nóng)企畫像系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)數(shù)據(jù)輪轉(zhuǎn)都要依賴存儲服務(wù)，而存儲服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計和性能指標(biāo)直接影響整個系統(tǒng)性能和結(jié)果精準(zhǔn)度[7]。目前的畫像系統(tǒng)由于各功能模塊都涉及到數(shù)據(jù)的存儲操作，數(shù)據(jù)存儲服務(wù)大多散落在各功能模塊中并由其獨自維護(hù)[8]，不但增加了業(yè)務(wù)模塊與存儲模塊的耦合度，沒有做到上層業(yè)務(wù)模塊與底層存儲模塊分離，而且不利于系統(tǒng)擴展。系統(tǒng)后期維護(hù)和功能迭代無形增加了更多開支[9]。

針對上述弊端，田野[10]提出了異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲統(tǒng)一管理思想;譚振強[11]等為解決關(guān)系型數(shù)據(jù)庫只能滿足二維關(guān)系問題，提出了一種存儲中間處理模塊，實現(xiàn)二維關(guān)系與多維關(guān)系間的靈活轉(zhuǎn)變;李林[12]提出了一種基于海量圖片數(shù)據(jù)的存儲模型。以上研究只是針對某種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲模型上的優(yōu)化，不適應(yīng)本文多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的研究背景。劉基陽[13]在汽車行業(yè)背景下，對異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提出了通用訪問中間件。但該研究的數(shù)據(jù)源和業(yè)務(wù)場景全部基于汽車行業(yè)下，對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域無法起到直接的指導(dǎo)作用?；趯?shù)據(jù)存儲相關(guān)工作的研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)企畫像領(lǐng)域目前尚無學(xué)者根據(jù)該領(lǐng)域產(chǎn)生的異構(gòu)數(shù)據(jù)特點進(jìn)行研究，實現(xiàn)對該領(lǐng)域異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和通用訪問，使得農(nóng)企畫像系統(tǒng)對異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲仍使用獨立維護(hù)的做法，不利于系統(tǒng)的擴展和穩(wěn)定。而且農(nóng)企畫像系統(tǒng)還需考慮數(shù)據(jù)存儲服務(wù)以何種形式對外提供[14]，以及存儲服務(wù)與存儲工具如何尋址映射[15]，存儲服務(wù)與其它模塊如何做到高度解耦等問題[16]。

本文提出一種通用存儲模型，該模型與狹義的存儲模型不同[17]，可以理解為一套存儲架構(gòu)，由通用操作算子表達(dá)式、解析映射器、操作算子實現(xiàn)集和底層存儲介質(zhì)4部分組成，以服務(wù)的形式對外開放。存儲模型對外服務(wù)的實現(xiàn)依賴于通用操作算子表達(dá)式，通用操作算子表達(dá)式依賴于底層的操作算子實現(xiàn)，集和存儲介質(zhì)兩者之間通過解析映射器進(jìn)行尋址映射。該模型可對上屏蔽掉底層復(fù)雜的存儲工作，對下屏蔽掉上層復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景，降低系統(tǒng)耦合程度和開發(fā)維護(hù)成本，提高系統(tǒng)工作效率和擴展性[18]，為農(nóng)企畫像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲提供了一套通用解決方案，對該領(lǐng)域同類型系統(tǒng)存儲工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)源分析

畫像系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源廣泛、類型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多樣。王藝霖[19]研究的電信用戶畫像系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來源于網(wǎng)絡(luò)文本、系統(tǒng)日志以及終端數(shù)據(jù)，以結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化結(jié)合的形式存在。數(shù)據(jù)處理流程分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)分析、畫像結(jié)果應(yīng)用等步驟。本文研究的農(nóng)企畫像系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理過程方面與王藝霖所研究的畫像系統(tǒng)大致相同，如圖1所示。

[行為日志][網(wǎng)絡(luò)爬蟲][企業(yè)報表][數(shù)據(jù)采集層][數(shù)據(jù)獲取][爬蟲程序][報表解析][日志收集][數(shù)據(jù)加工][缺失值處理][合法性檢驗][數(shù)據(jù)變換][冗余去除][文本過濾][數(shù)據(jù)分析層][標(biāo)簽提取][機器學(xué)習(xí)庫][深度學(xué)習(xí)庫][畫像展示]

圖1 農(nóng)企畫像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

基于對已有畫像系統(tǒng)和農(nóng)企畫像系統(tǒng)相關(guān)工作調(diào)研，可對農(nóng)企畫像系統(tǒng)數(shù)據(jù)源從4個維度進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分為網(wǎng)絡(luò)原始文本、企業(yè)原始報表、企業(yè)行為日志、圖片數(shù)據(jù)、清洗加工后中間數(shù)據(jù)、特征項、標(biāo)簽項、系統(tǒng)配置等類型。數(shù)據(jù)來源分為網(wǎng)絡(luò)爬蟲、批量上傳、清洗加工、分析處理、用戶輸入等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化。從數(shù)據(jù)操作特點分為定時批量讀寫、實時少量讀寫。表1是對系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)源特點的歸納總結(jié)。

表1 農(nóng)企畫像系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

2 通用存儲模型設(shè)計

農(nóng)企畫像系統(tǒng)存儲模型架構(gòu)如圖2所示，存儲模型由上到下分為3部分。

（1）中間件：由通用操作算子集和解析映射器組成。通用操作算子集由多個基礎(chǔ)操作算子表達(dá)式組成，算子表達(dá)式代表了數(shù)據(jù)操作的最細(xì)粒度，具有標(biāo)準(zhǔn)性、通用性、穩(wěn)定性特點。例如算子表達(dá)式可以表示數(shù)據(jù)的增加操作，任何存儲系統(tǒng)都不可能缺少增加數(shù)據(jù)的操作，且該操作不會因為上層業(yè)務(wù)邏輯和場景的變化而變化。因此，整套操作算子表達(dá)式可以達(dá)到通用的效果。算子表達(dá)式中會帶有各種操作維度的參數(shù)，解析映射器會根據(jù)這些參數(shù)將算子表達(dá)式對數(shù)據(jù)的操作準(zhǔn)確映射到目標(biāo)算子上。即使上層業(yè)務(wù)或底層存儲工具動態(tài)增減，只要通過算子表達(dá)式中的參數(shù)配合解析映射器，即可實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲操作。因此該模型具有通用性、用戶低感知性、高可擴展性和高容錯性等特點。

（2）操作算子實現(xiàn)集：由多個操作算子實現(xiàn)組成。操作算子表達(dá)式依賴于操作算子實現(xiàn)，而操作算子實現(xiàn)又依賴于底層異構(gòu)數(shù)據(jù)庫提供的操作接口，完成數(shù)據(jù)與存儲工具之間的交互。操作算子實現(xiàn)集應(yīng)提供對底層所有存儲工具的操作支持，通過算子實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸或相互組合，完成算子表達(dá)式功能。

（3）存儲介質(zhì)：由多種異構(gòu)數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)存儲介質(zhì)的動態(tài)增減，能夠?qū)r(nóng)企畫像系統(tǒng)產(chǎn)生的多源、異構(gòu)、海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲。

3 操作算子定義

由于農(nóng)企畫像系統(tǒng)中異構(gòu)數(shù)據(jù)復(fù)雜、業(yè)務(wù)場景多樣，導(dǎo)致數(shù)據(jù)操作類型多種多樣。本文從數(shù)據(jù)源特點與系統(tǒng)應(yīng)用場景出發(fā)，提出一套具有高度通用性的操作算子表達(dá)式[20]。操作算子表達(dá)式的目的是制定一套標(biāo)準(zhǔn)、通用、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)操作規(guī)范。算子表達(dá)式格式如下：

算子表達(dá)式定義規(guī)則：operationType：returnValue→operationCondition;其中operationCondition=（data，specialCondition）。

operationType代表算子表達(dá)式操作類型，returnValue代表算子表達(dá)式操作結(jié)果，operationCondition代表算子表達(dá)式操作條件值，operationCondition由data和specialCondition組成，其中data代表操作數(shù)據(jù)，specialCondition代表具體的操作條件。用戶在使用算子表達(dá)式時，如果operationCondition包含的兩項參數(shù)有具體值則可作為操作條件傳入;若某項為空，直接采用置空處理即可。算子表達(dá)式中各項指標(biāo)的值如表2-表5所示。

例如，對于網(wǎng)頁文本數(shù)據(jù)，若獲取某一時間段內(nèi)某個網(wǎng)頁的文本數(shù)據(jù)，算子表達(dá)式可以定義為：select：collection→operationCondition;在operationCondition中，data值為text，specialCondition值為webCrawlerName和time。用戶在使用算子表達(dá)式時只需傳入操作類型、期望返回值、操作條件，即可完成對數(shù)據(jù)的操作。算子表達(dá)式具有一定的通用性，即使將本例更換數(shù)據(jù)類型、操作類型，只要遵循定義規(guī)范，依然可以定義出符合要求的算子表達(dá)式，這充分體現(xiàn)了算子表達(dá)式的通用性、穩(wěn)定性特點。

表2 operationType值及含義

表3 returnValue值及含義

表4 data值及含義

表5 specialCondition值及含義

算子表達(dá)式的操作請求最終是依靠算子實現(xiàn)集完成的?？梢园阉阕颖磉_(dá)式看作是任務(wù)策劃者，把算子實現(xiàn)集看作任務(wù)的實施者。算子實現(xiàn)集提供了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)最細(xì)粒度的操作實現(xiàn)，是整套存儲模型的中流砥柱。算子表達(dá)式和算子實現(xiàn)之間可以是一對多、一對一、多對一、多對多的邏輯關(guān)系。

為使存儲模型達(dá)到上下屏蔽、動態(tài)可擴展，在算子表達(dá)式和算子實現(xiàn)集之間引入解析映射器。解析映射器可將算子表達(dá)式的傳入?yún)?shù)進(jìn)行解析，然后通過映射將請求轉(zhuǎn)交給對應(yīng)的算子實現(xiàn)。即使上層算子表達(dá)式或下層算子實現(xiàn)發(fā)生變化，只要解析映射器始終保有一份最新的映射關(guān)系，即可完成數(shù)據(jù)存儲工作，同時也屏蔽了上下層的互相感知。三者關(guān)系如圖3所示。

圖3 通用存儲模型架構(gòu)

以上3種組件協(xié)助工作，首先完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲;其次做到上層業(yè)務(wù)與下層存儲互相屏蔽的解耦效果;最后使整個存儲模型具有通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定化、可擴展特點。

4 操作算子實現(xiàn)

本文以農(nóng)企畫像系統(tǒng)中的特征值處理為例，對存儲模型實現(xiàn)過程進(jìn)行描述。特征值的分析依賴多種數(shù)據(jù)源，其中包含網(wǎng)頁文本、企業(yè)報表、操作日志等，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣，讀寫場景也各不相同，需要使用不同的存儲工具，例如不同類型的數(shù)據(jù)庫。如果不使用本文提出的存儲模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則需要在業(yè)務(wù)代碼中嵌入不同數(shù)據(jù)庫的操作代碼，使得開發(fā)人員不能將精力完全集中于業(yè)務(wù)層面，需要兼顧數(shù)據(jù)存儲相關(guān)功能的代碼開發(fā)。使用本文存儲模型時，只需按照算子表達(dá)式的規(guī)范定義好算子表達(dá)式，傳入對應(yīng)的查詢條件，即可得到多種查詢結(jié)果。整個處理流程分為調(diào)用存儲模型及數(shù)據(jù)處理兩部分。

業(yè)務(wù)層面調(diào)用存儲模型偽代碼如下：

Input：compantName公司名稱，startTime查詢起始時間，endTime查詢結(jié)束時間，webCrawlerName爬蟲名稱，reportName報表名稱

Output：combineData含有網(wǎng)頁文本，企業(yè)報表，操作日志的數(shù)據(jù)組合

Initialization：combineData， list

1：function dataSelect（webCrawlerName，reportName，compantName，startTime，endTime）

2：list.get（0）.data ← text

3：list.get（0）.operationCondition ← webCrawlerName[×]time

4：list.get（1）.data ← report

5：list.get（1）.operationCondition ← compantName[×]reportName

6：list.get（2）.data ← log

7：list.get（2）.operationCondition ← compantName[×]time

8：combineData.text ← select×collection×list.get（0）

9：combineData.report ← select×collection×list.get（1）

10：combineData.log ← select×collection×list.get（2）

11：return combineData

12：end function

如上偽代碼表示業(yè)務(wù)邏輯層只需組織好操作所需的條件，按照操作規(guī)范對算子表達(dá)式進(jìn)行調(diào)用即可得到操作結(jié)果。存儲模型內(nèi)部在接收到用戶的調(diào)用請求后，將算子表達(dá)式進(jìn)行拆分解析，按照解析條件調(diào)用映射器，得到對應(yīng)的映射地址，然后調(diào)用算子完成目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)操作，流程如圖4所示。

解析映射器是用動態(tài)可配置方式實現(xiàn)對目標(biāo)數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)表、目標(biāo)字段的記錄和修改，確保算子表達(dá)式請求能準(zhǔn)確對應(yīng)到某個算子實現(xiàn)上，并且算子實現(xiàn)能夠準(zhǔn)確操作對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)庫、表名以及字段。本文解析映射器實現(xiàn)主要通過幾張記錄關(guān)鍵維度信息的表，具體關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖5所示。

存儲模型內(nèi)部處理偽代碼如下（以操作日志查詢?yōu)槔?，無論數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何變化，存儲模型內(nèi)部的工作原理都是相同的）：

Input：operationType操作類型，operationCondition操作算子條件

Output：combineData.log日志數(shù)據(jù)（可能為空）

Initialization：combineData

1：function select（operationType，operationCondition）

2：desTableId ← tableMapping（operationCondition.compantName）

3：desDatabase ← databaseMapping（desTableId）

4：combineData.log← databaseMapping（desTableId）

5：log← databaseMapping（desTableId）

6：if log.isEmpty（），goto step 7，else goto step 8

7：combineData.log ← text

8：combineData.log ← null

9：return combineData.log

10：end function

5 結(jié)語

本文以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息所農(nóng)企畫像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出農(nóng)企領(lǐng)域的通用存儲模型，將數(shù)據(jù)存儲工作從業(yè)務(wù)邏輯中拆分出來，實現(xiàn)模塊間的松耦合，增強系統(tǒng)的可迭代和可維護(hù)性。提出的操作算子表達(dá)式具有標(biāo)準(zhǔn)性、通用性、穩(wěn)定性特點，可為該領(lǐng)域同類系統(tǒng)提供一種數(shù)據(jù)存儲的通用解決方案和操作規(guī)范;使用者只需按規(guī)范對算子表達(dá)式進(jìn)行調(diào)用，即可實現(xiàn)特定業(yè)務(wù)場景下的數(shù)據(jù)存儲工作。算子表達(dá)式底層依賴算子實現(xiàn)集支持，算子實現(xiàn)集從農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)源和操作場景出發(fā)，完成對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的各類型存儲操作。有了算子表達(dá)式和算子實現(xiàn)集的共同協(xié)作，整個存儲模型就可做到對上屏蔽底層數(shù)據(jù)源，對下屏蔽上層業(yè)務(wù)邏輯的效果，實現(xiàn)對異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理。進(jìn)一步提出解析映射器概念，將解析映射器作為算子表達(dá)式與算子實現(xiàn)集溝通的橋梁，滿足用戶數(shù)據(jù)源的尋址映射、底層數(shù)據(jù)源的地址切換、存儲工具的動態(tài)擴增等需求;提升了通用存儲模型的靈活性、低感知度，增強了存儲模型的通用性。

本文研究還可延伸，未來可在通用存儲模型響應(yīng)性能方面實現(xiàn)優(yōu)化，加入多級緩存手段，同時對緩存命中率進(jìn)一步優(yōu)化，實現(xiàn)性能和數(shù)據(jù)訪問準(zhǔn)確性方面的提升和突破。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）