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        信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)指標(biāo)多維度異常發(fā)現(xiàn)算法分析

        2020-06-07 04:53:04郝成亮劉超劉洪波臧洪睿王宇
        電腦知識(shí)與技術(shù) 2020年35期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)庫(kù)

        郝成亮 劉超 劉洪波 臧洪睿 王宇

        摘要:當(dāng)今,信息化建設(shè)快速發(fā)展,數(shù)據(jù)庫(kù)作為信息系統(tǒng)的重要組成部分,是信息系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障條件之一。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)種類和數(shù)量的不斷增加以及IT架構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,也直接增加了信息系統(tǒng)運(yùn)維人員的工作量和工作難度,同時(shí)提出了更高的運(yùn)維要求,從而使得數(shù)據(jù)庫(kù)的故障處理難度急劇增長(zhǎng)。為了提升數(shù)據(jù)庫(kù)缺陷分析能力,故障處置,本文將分析比較五種數(shù)據(jù)庫(kù)指標(biāo)多維度異常的相關(guān)算法,并在這些算法的基礎(chǔ)上提出更加適合電力信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)指標(biāo)多維度異常發(fā)現(xiàn)的算法。

        關(guān)鍵詞:信息系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫(kù);多維度異常;檢測(cè)算法

        中圖分類號(hào):TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1009-3044(2020)35-0018-03

        開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

        隨著社會(huì)信息化的高速發(fā)展建設(shè),信息系統(tǒng)所承接的業(yè)務(wù)也越來(lái)越多,種類也越來(lái)越復(fù)雜多樣。大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都需要信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)。因此,數(shù)據(jù)庫(kù)作為信息系統(tǒng)的“倉(cāng)庫(kù)”,是能夠支撐系統(tǒng)健康穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。然而為了存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)量是不斷增加的,種類也更加多元化,再加上IT架構(gòu)復(fù)雜性的增長(zhǎng),運(yùn)維人員疲于應(yīng)付巡檢和故障檢修,從而使得數(shù)據(jù)庫(kù)的故障處理難度急劇增長(zhǎng)。

        由于數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)分析的指標(biāo)較為固定,因此關(guān)聯(lián)分析方法主要從頻繁模式的生成和篩選上有所改變,這其中還涉及數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)類型與傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析的數(shù)據(jù)類型有所差異的問(wèn)題,例如運(yùn)維系統(tǒng)產(chǎn)生的告警數(shù)據(jù)往往包含事件描述,事件發(fā)生的時(shí)間,這在傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析中都是不曾出現(xiàn)的。

        1 五種算法介紹

        1.1 Apriori算法

        Apriori算法是最早也是最經(jīng)典的頻繁項(xiàng)集挖掘算法,它作為一種先驗(yàn)算法可以在一堆數(shù)據(jù)集中尋找數(shù)據(jù)之間的某種聯(lián)系,即從大量數(shù)據(jù)中找出不同項(xiàng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則。因此可應(yīng)用的領(lǐng)域相對(duì)廣泛。例如,商業(yè)活動(dòng)中顧客的消費(fèi)數(shù)據(jù)挖掘;網(wǎng)絡(luò)中入侵攻擊檢測(cè);高校學(xué)生信息數(shù)據(jù)管理及移動(dòng)通信中用戶特征推薦等。以便商場(chǎng)掌握顧客的消費(fèi)情況,然后商場(chǎng)可通過(guò)這些有價(jià)值的數(shù)據(jù)來(lái)提升自己的服務(wù),如促銷活動(dòng)、庫(kù)存商品管理、消費(fèi)者關(guān)系維護(hù)等。通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析和挖掘,作為決策制定的重要參考價(jià)值。

        (1)商業(yè)活動(dòng)數(shù)據(jù)挖掘

        在商業(yè)活動(dòng)中,企業(yè)利用Apriori算法處理日常運(yùn)營(yíng)中所積累的消費(fèi)者海量交易數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析,能夠獲得不同產(chǎn)品之間的價(jià)格關(guān)系,從而企業(yè)可根據(jù)數(shù)據(jù)掌握顧客的消費(fèi)習(xí)慣及趨勢(shì),進(jìn)而企業(yè)可進(jìn)行定向的推廣服務(wù)和活動(dòng),從而節(jié)約了成本預(yù)算并可帶來(lái)更大的收益。

        (2)網(wǎng)絡(luò)安全檢測(cè)

        在網(wǎng)絡(luò)安全中,可利用Apriori算法通過(guò)自學(xué)習(xí)的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)用戶的行為進(jìn)行檢測(cè),以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)入侵攻擊行為,并快速鎖定攻擊者。因此提高了網(wǎng)絡(luò)安全地檢測(cè)效率,提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

        (3)高校學(xué)生數(shù)據(jù)管理

        在高校中,由于學(xué)生數(shù)量眾多,個(gè)人信息各不相同,如籍貫、專業(yè)、家庭情況等,因此增加了學(xué)校管理部門(mén)的工作難度。因此學(xué)校管理部門(mén)在工作當(dāng)中可利用Apriori算法來(lái)進(jìn)行學(xué)生相關(guān)數(shù)據(jù)的管理工作,并可對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速挖掘,從而輔助高校管理部門(mén)快速獲得需求數(shù)據(jù),準(zhǔn)確獲得相關(guān)信息,提高了工作效率。

        (4)移動(dòng)通信

        隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,移動(dòng)通信領(lǐng)域的服務(wù)也越來(lái)越多樣化。通常運(yùn)營(yíng)商利用Apriori算法,對(duì)電信增值服務(wù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘來(lái)回去用戶特征和用戶習(xí)慣,從而間接地反映了市場(chǎng)特點(diǎn)和趨勢(shì)。這些數(shù)據(jù)也可以為運(yùn)營(yíng)商提供輔助參考,方便其在業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)和業(yè)務(wù)方面做出合適的決策。

        Apriori算法作為基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的頻繁項(xiàng)集算法,其通過(guò)在候選項(xiàng)集合是掃描檢測(cè)中進(jìn)行遞推計(jì)算。在這種算法中,頻繁項(xiàng)集是指其中所有支持度大于最小支持度的項(xiàng)集。

        Apriori算法采用的是層次搜索的迭代方法,因此避免了復(fù)雜的理論推導(dǎo)過(guò)程,只需簡(jiǎn)單的處理即可實(shí)現(xiàn)。但因?yàn)閷哟嗡阉鞯椒?,也帶?lái)了一定的缺點(diǎn),如:

        需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行多次掃描;

        會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程中產(chǎn)生較多的中間項(xiàng)集合;

        僅使用唯一支持度;

        算法的適應(yīng)面廣度不夠。

        1.2 FP-growth算法

        FP-Growth算法是一種基于Apriori原理的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)分析算法,其通過(guò)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一種叫模式樹(shù)(Frequent Pattern Tree)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上來(lái)發(fā)現(xiàn)頻繁項(xiàng)集。其中,F(xiàn)P-tree是一種由頻繁項(xiàng)頭表和前綴樹(shù)構(gòu)成的。FP-Growth算法則基于以上的結(jié)構(gòu)加快了挖掘過(guò)程。

        FP-Growth算法的作用是用于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中頻繁模式,因?yàn)槠淅昧薃priori算法的原理,并只對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行兩次掃描,因此加快了數(shù)據(jù)的挖掘過(guò)程,運(yùn)行速率更快。在FP-Growth算法中,數(shù)據(jù)集都集中存儲(chǔ)在頻繁模式樹(shù)中,隨后可通過(guò)查找元素項(xiàng)的條件基和構(gòu)建條件頻繁模式樹(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)頻繁項(xiàng)集,重復(fù)執(zhí)行該動(dòng)作后,最終在頻繁模式樹(shù)中只包含了一個(gè)元素,其包含以下步驟:

        (1)為每個(gè)頻繁項(xiàng)構(gòu)建條件投影數(shù)據(jù)庫(kù)和投影頻繁模式樹(shù);

        (2)對(duì)每個(gè)新構(gòu)建的頻繁模式樹(shù)重復(fù)(1)中的工作,最終新構(gòu)建的頻繁模式樹(shù)為空或只包含一條路徑;

        (3)若最終獲得的頻繁模式樹(shù)為空,則其前綴可視為FP。若其只包含一條路徑,則通過(guò)列舉出所有可能的組合并與此樹(shù)的前綴連接即可得到FP。

        與Apriori算法是通過(guò)生成候選項(xiàng)集再進(jìn)行頻繁檢測(cè)相比,F(xiàn)P-Growth算法是將數(shù)據(jù)集都存儲(chǔ)在頻繁模式樹(shù)中來(lái)發(fā)現(xiàn)頻繁項(xiàng)集或頻繁相對(duì)。因此,F(xiàn)P-Growth算法的執(zhí)行速度要比Apriori算法快兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

        1.3 DLG算法

        DLG(Directed Link Graph)算法即引入了關(guān)聯(lián)圖結(jié)構(gòu),采用的是鄰接表存儲(chǔ)方式。它的原理是當(dāng)k>=3時(shí),則對(duì)頻繁k-1項(xiàng)集進(jìn)行掃描,并將這些候選集在關(guān)聯(lián)圖中連接生成,當(dāng)k<3時(shí),候選集仍需要由Apriori算法生成。

        與Apriori算法相比,DLG算法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)關(guān)聯(lián)圖連接各節(jié)點(diǎn),從而快速找出候選集,進(jìn)行反復(fù)使用,但是它的缺點(diǎn)依然明顯,即在判定頻繁集擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的過(guò)程時(shí),仍然需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行反復(fù)的掃描,并且在項(xiàng)集小于3時(shí)仍是采用Apriori的連接方法,因此中間的工作量并沒(méi)有減少,效率并沒(méi)有提高。

        1.4 FUP算法

        增量關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘(Fast Update Pattern)算法的提出同樣是基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的概念,并且根據(jù)了Apriori算法以及實(shí)際情況中數(shù)據(jù)集不斷增大的情況。因此,F(xiàn)UP算法在創(chuàng)建候選集的步驟中也使用了Apriori算法連接步驟。

        而與Apriori算法不同之處在于FUP算法同時(shí)將數(shù)據(jù)集增量的情況考慮了進(jìn)去。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)更新時(shí),利用FUP算法無(wú)須再對(duì)原有數(shù)據(jù)集進(jìn)行重新執(zhí)行動(dòng)作,在原有數(shù)據(jù)集上已發(fā)現(xiàn)的頻繁集基礎(chǔ)上進(jìn)行更新。因此,避免了重復(fù)掃描的過(guò)程,提高了工作效率。

        1)FUP算法的定義

        假設(shè)DB為原數(shù)據(jù)集,db為新增數(shù)據(jù)集,[Lk]為DB的k項(xiàng)集,[Ck]為DB和db中的候選k項(xiàng)集。

        2)算法步驟:

        (1)對(duì)于原始數(shù)據(jù)集DB進(jìn)行支持度計(jì)數(shù),得到初始頻繁1項(xiàng)集;

        (2)在產(chǎn)生候選k項(xiàng)集合[Ck]時(shí),對(duì)于新增數(shù)據(jù)集db,重新計(jì)算頻繁k項(xiàng)集的[Lk],并指出其中不滿足支持度的項(xiàng)目;

        (3)迭代進(jìn)行步驟(2), 直至算法不再產(chǎn)生新的候選集合。

        1.5 FIUA2算法

        快速增量更新算法(Fast Incremental Update Algorithm)是基于樹(shù)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)規(guī)則,針對(duì)增量項(xiàng)集提出的更新算法,即在最小支持度不變的情況下,將新增數(shù)據(jù)集db添加到原數(shù)據(jù)集DB中時(shí),增量更新的挖掘。

        FIUA2算法的原理是基于樹(shù)結(jié)構(gòu)算法,并保留了樹(shù)結(jié)構(gòu)算法在原數(shù)據(jù)集DB中的頻繁項(xiàng)集,無(wú)須再產(chǎn)生新的候選項(xiàng)集,在挖掘過(guò)程中只需要獲取新增數(shù)據(jù)集db中的新增頻繁項(xiàng)集k,因此新的結(jié)果為原數(shù)據(jù)集中的頻繁項(xiàng)集與新增數(shù)據(jù)集中的新增頻繁項(xiàng)集的并集。

        FIUA2算法與前文提到的樹(shù)結(jié)構(gòu)算法類似,因而同樣會(huì)面臨因?yàn)闃?shù)的子節(jié)點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致的算法效率低的問(wèn)題。

        2 五種算法的比較

        2.1 Apriori算法

        Apriori算法使用了其本身的性質(zhì)來(lái)生產(chǎn)候選項(xiàng)集,雖然在產(chǎn)生候選項(xiàng)目集時(shí)循環(huán)產(chǎn)生的組合過(guò)多,但很大程度上壓縮了頻繁集的大小,提升了檢測(cè)的性能和相關(guān)異常指標(biāo)的監(jiān)測(cè)精度。在解決復(fù)雜環(huán)境下,問(wèn)題的快速發(fā)現(xiàn)和提前預(yù)判方面,提供了有價(jià)值的參考決策,顯著降低了故障對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行的影響。雖然Apriori算法不能較大程度地提高工作人員的工作效率,但在工作質(zhì)量方面卻提供了有力保證。因此,通過(guò)使用Apriori算法可實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷和精確定位,并能夠最大限度降低故障對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行的影響,提升運(yùn)維能力的自動(dòng)化、智能化技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)運(yùn)維工作從“事后堵漏式補(bǔ)救”向“事先主動(dòng)式管理”的運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變。

        2.2 Fp-growth算法

        Fp-growth算法是利用樹(shù)形結(jié)構(gòu),省去了產(chǎn)生候選頻繁集的過(guò)程,直接得到頻繁集,一定程度上減了少數(shù)據(jù)庫(kù)的掃描次數(shù),從而提高了算法的效率。但是算法擴(kuò)展性相對(duì)于其他算法來(lái)說(shuō)不夠優(yōu)秀,在解決復(fù)雜環(huán)境下的問(wèn)題或者故障的快速診斷和定位方面,無(wú)法做到高精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)。

        2.3 DLG算法

        與Apriori算法和Fp-growth算法相比較,DLG算法實(shí)際上并沒(méi)有減少候選集合生成的數(shù)量,仍需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行多次掃描,因此并未正在提高工作效率。此外,在數(shù)據(jù)庫(kù)智能化運(yùn)維方面進(jìn)行應(yīng)用時(shí),在異常指標(biāo)監(jiān)測(cè)和故障快速定位方面的精度并沒(méi)有顯著的提高,在日常運(yùn)行的效率方面仍然與Arpior算法有不小的差距。

        2.4 FUP算法

        FUP算法的支持度計(jì)數(shù)操作除了通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄執(zhí)行字符串比較函數(shù)進(jìn)行逐行掃描外,還對(duì)其進(jìn)行了修剪操作,候選集的生成由Apriori算法連接來(lái)獲得,F(xiàn)UP算法與Apriori算法的作用一樣,在提高工作人員工作質(zhì)量,以及降低故障對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行的影響方面都具有比較優(yōu)異的性能。但是與Apriori算法相比較,F(xiàn)UP算法又增加了修剪操作等一些額外的操作,因此在運(yùn)行效率方面沒(méi)有Apriori算法更加高效。

        2.5 FIUA2算法

        FIUA2算法在運(yùn)行效率方面要強(qiáng)于其他算法,但是實(shí)現(xiàn)比較困難,在某些數(shù)據(jù)集上性能會(huì)下降。因此不滿足數(shù)據(jù)庫(kù)智能運(yùn)維技術(shù)普遍應(yīng)用的具體需求,并且較大的實(shí)現(xiàn)難度使得工作質(zhì)量難以得到有效的保障。

        3 MADA算法

        基于前文的五種算法的介紹和比較可以發(fā)現(xiàn),在數(shù)據(jù)庫(kù)智能化運(yùn)維方面,Apriori算法相對(duì)于Fp-growth算法、DLG算法、FUP算法、FIUA2算法不僅能夠最大限度地降低故障對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響,提升運(yùn)維人員工作質(zhì)量,并且能夠提升信息系統(tǒng)運(yùn)維能力的自動(dòng)化、智能化技術(shù)水平,在對(duì)運(yùn)維人員工作效率的提升方面相對(duì)于其他算法也沒(méi)有顯著降低,具備著最好的綜合性能。

        因此,在Apriori算法基礎(chǔ)上本文提出改進(jìn)后的MADA數(shù)據(jù)庫(kù)指標(biāo)多維度異常發(fā)現(xiàn)算法(Multi-dimensional anomaly detection algorithm for database indicators)。與Apriori算法類似,MADA算法是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的每個(gè)項(xiàng)進(jìn)行掃描,并抓取其中滿足最小支持度條件的項(xiàng),在其中挖掘頻繁a項(xiàng)集的集合,并將該集合標(biāo)記為L(zhǎng)a;然后,在La中找出頻繁b項(xiàng)集的集合Lb,接著利用Lb找出Lc,以此類推,直到不能再找到頻繁n項(xiàng)集。其中,每找出一個(gè)Ln需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一次掃描。

        3.1 MADA算法概念

        1)定義[item_k(k=1,2,...,m)]為一個(gè)項(xiàng),[(itemset)]為項(xiàng)集,則項(xiàng)的集合稱為[itemset={item_1,item_2,...,item_m}],其中,k指項(xiàng)集中包含的項(xiàng)的數(shù)量。

        2)在[(itemset)]項(xiàng)集中,某一個(gè)事物T被稱為該項(xiàng)集的一個(gè)子集,且每個(gè)事務(wù)有且只有一個(gè)標(biāo)識(shí)符Tid。因此,所有的事物T組合起來(lái)形成了事物集不,從而形成了關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)的事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

        3)支持度(support):

        [support(A?B)=P(A?B)]

        4)置信度(confidence):

        [confidence(A?B)=P(B|A)]

        [P(B|A)=support(A?B)support(A)=support(A?B)support_count(A)]

        5)強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則是指在被發(fā)現(xiàn)的頻繁項(xiàng)集所產(chǎn)生的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則包含以下流程:

        (1)在[itemset]項(xiàng)集中,產(chǎn)生[itemset]的所有非空子集s是頻繁項(xiàng)集;

        (2)對(duì)于[itemset]的每個(gè)非空子集s,如果[support_count(l)support_count(s)≥min_conf],則輸出[s?(l-s)],其中[min_conf]為最小置信度閾值。

        3.2 MADA算法實(shí)現(xiàn)步驟

        MADA算法實(shí)現(xiàn)包含以下過(guò)程:

        1)首先通過(guò)算法對(duì)所有事務(wù)進(jìn)行掃描,獲得候選1項(xiàng),并最終生成所有候選項(xiàng)集合C1。然后根據(jù)最小支持度條件,對(duì)候選項(xiàng)集中每個(gè)候選項(xiàng)項(xiàng)進(jìn)行計(jì)數(shù),并去除不滿足條件的項(xiàng),最終生成由頻繁1構(gòu)成的頻繁項(xiàng)集L1;

        2)基于(1)中的步驟,對(duì)L1中進(jìn)行掃描獲得候選2項(xiàng),并生成集合C2。同樣根據(jù)最小支持度條件,然后對(duì)C2中每個(gè)候選項(xiàng)進(jìn)行計(jì)數(shù),從C2中刪除不滿足的項(xiàng),從而獲得頻繁2項(xiàng)集L2;

        3)以此類推,基于以上步驟可得到,對(duì)Lk-1中進(jìn)行掃描獲得候選k項(xiàng)。并生成Ck。然后對(duì)Ck中的每個(gè)候選項(xiàng)進(jìn)行計(jì)數(shù),從Ck中刪除不滿足的項(xiàng),最終獲得頻繁k項(xiàng)集Lk。

        4 總結(jié)

        本文通過(guò)介紹五種數(shù)據(jù)庫(kù)多維度指標(biāo)研究相關(guān)的算法,并對(duì)這五種算法的原理、流程及適合的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。結(jié)合現(xiàn)行數(shù)據(jù)庫(kù)智能化運(yùn)維過(guò)程中碰到的實(shí)際問(wèn)題,在原先Apriori算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)微的調(diào)整,提出了MADA算法。該算法能夠更好地契合自身系統(tǒng)的需求,達(dá)到降低數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)維工作人員工作量,提高工作效率的要求。

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        【通聯(lián)編輯:光文玲】

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