演繹數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)庫)

時(shí)間：2022-12-02 20:30:01 | 來源：信息時(shí)代

時(shí)間：2022-12-02 20:30:01 來源：信息時(shí)代

    演繹數(shù)據(jù)庫 : 一種具有邏輯運(yùn)算和演繹推理能力的數(shù)據(jù)庫,是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與邏輯程序設(shè)計(jì)和人工智能AI技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。演繹數(shù)據(jù)庫是在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它不僅繼承了關(guān)系數(shù)據(jù)庫許多優(yōu)點(diǎn)(如查詢語言的非過程性和集合運(yùn)算),而且在數(shù)據(jù)模型和查詢語言方面具有更強(qiáng)的表達(dá)能力。演繹數(shù)據(jù)庫是智能數(shù)據(jù)庫中研究最早,也是研究得最多的一個(gè)分支。
20世紀(jì)60年代,大量的商業(yè)應(yīng)用與事務(wù)處理使計(jì)算機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了數(shù)據(jù)處理時(shí)代,并由此產(chǎn)生了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),從而使大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和控制成為現(xiàn)實(shí)。70年代,由于邏輯程序設(shè)計(jì)和人工智能中的專家系統(tǒng)、知識(shí)工程及知識(shí)庫系統(tǒng)的出現(xiàn),使知識(shí)的存儲(chǔ)、管理和控制成為迫切的需要。在這種情況下,基于邏輯的演繹數(shù)據(jù)庫和基于知識(shí)處理的智能數(shù)據(jù)庫就成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的必然產(chǎn)物。
早期,人們將演繹數(shù)據(jù)庫作為智能數(shù)據(jù)庫的典型代表。當(dāng)時(shí),主要是從邏輯程序設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行智能數(shù)據(jù)庫的研究。這是指數(shù)據(jù)庫工作者將AI技術(shù)引進(jìn)到傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,以改進(jìn)、擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫的性能和執(zhí)行效率而形成的新型數(shù)據(jù)庫。其性能體現(xiàn)在演繹(推理)能力的擴(kuò)充、語義知識(shí)的引入、知識(shí)的獲取、知識(shí)和數(shù)據(jù)的有效組織與管理等方面; 而效率則指數(shù)據(jù)庫對用戶查詢的快速響應(yīng)與查詢優(yōu)化上。
演繹數(shù)據(jù)庫起源于一階謂詞邏輯的研究,是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與AI中的演繹、推理技術(shù)相結(jié)合的初期產(chǎn)物。早在1978年H.Gallaire就提出了演繹數(shù)據(jù)庫的概念。通常,演繹數(shù)據(jù)庫是在傳統(tǒng)的DBMS的基礎(chǔ)上增加一個(gè)推理機(jī)制和建立一組規(guī)則來實(shí)現(xiàn)的,它能在原來的(關(guān)系)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上演繹出更多的新數(shù)據(jù),并能在一定程度上用來存儲(chǔ)與管理知識(shí)。在演繹數(shù)據(jù)庫之后,80年代又出現(xiàn)了基于謂詞邏輯的知識(shí)庫系統(tǒng),它具有存儲(chǔ)與管理大量知識(shí)的功能,這比演繹數(shù)據(jù)庫又前進(jìn)了一大步,并隨后成為數(shù)據(jù)庫界的研究熱點(diǎn)。
與關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論類似,演繹數(shù)據(jù)庫是以一階謂詞邏輯作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ),它和關(guān)系數(shù)據(jù)庫及邏輯程序設(shè)計(jì)(語言)有著密切的聯(lián)系。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系在一階謂詞演算中可用謂詞表示,關(guān)系代數(shù)中的五種基本操作均可用一階謂詞演算公式來實(shí)現(xiàn)。同關(guān)系數(shù)據(jù)庫的發(fā)展一樣,演繹數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫研究是典型的理論研究驅(qū)動(dòng)的。
追根溯源,早在1970年,E.F.Codd提出關(guān)系模型時(shí),尤其在討論關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算語言時(shí),便指出了關(guān)系數(shù)據(jù)理論與集合論和一階謂詞邏輯的聯(lián)系。隨后,A.V.Aho和J.D.Ullman在討論“數(shù)據(jù)查詢語言的普遍性”時(shí),提出關(guān)系語言的邏輯基礎(chǔ)和該語言缺乏遞歸表達(dá)能力,需要開展演繹數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫系統(tǒng)的研究。以后這些研究又在遞歸查詢算法、主動(dòng)數(shù)據(jù)庫、模糊演繹數(shù)據(jù)庫等方面相繼取得了一些進(jìn)展,并逐漸形成了幾個(gè)獨(dú)立的研究方向。1984年在美國召開的第一屆專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會(huì)議上,正式提出“結(jié)合AI發(fā)展數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)成為今后數(shù)據(jù)庫的主要研究方向”。以后,由于AI中的專家系統(tǒng)及知識(shí)工程等技術(shù)的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬,一度使人們對智能數(shù)據(jù)庫的發(fā)展產(chǎn)生了很大的興趣,隨后人們發(fā)現(xiàn)提高遞歸查詢算法的效率已成為演繹數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫研究領(lǐng)域面臨的主要問題。20世紀(jì)90年代,演繹數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫在理論研究和實(shí)踐上取得了較大的成果,這主要?dú)w功于將AI的理論與技術(shù)(如知識(shí)表示、非精確推理、非經(jīng)典邏輯、機(jī)器學(xué)習(xí)等)引入數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域來改進(jìn)演繹算法,實(shí)現(xiàn)智能檢索、查詢優(yōu)化和知識(shí)庫的管理與校驗(yàn)等。
演繹數(shù)據(jù)庫一般包括內(nèi)涵數(shù)據(jù)庫(intensional database,IDB)和外延數(shù)據(jù)庫(extensional database,EDB)兩部分。其中,IDB用于存儲(chǔ)推理規(guī)則(虛關(guān)系),而EDB用于存儲(chǔ)原有數(shù)據(jù)(實(shí)數(shù)據(jù))和實(shí)關(guān)系。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(或演繹數(shù)據(jù)庫)中實(shí)際存在的數(shù)據(jù)及其關(guān)系稱為實(shí)關(guān)系或基本關(guān)系。從演繹數(shù)據(jù)庫的實(shí)關(guān)系中,經(jīng)公理(一組規(guī)則及一個(gè)推理機(jī)制)演繹、導(dǎo)出的新關(guān)系稱為虛關(guān)系。這樣,演繹數(shù)據(jù)庫通過少量的規(guī)則,即可使系統(tǒng)具有演繹、推理能力,從而實(shí)現(xiàn)從(關(guān)系)數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)存數(shù)據(jù)(實(shí)數(shù)據(jù))中演繹和導(dǎo)出新數(shù)據(jù)(虛數(shù)據(jù))。同其他智能數(shù)據(jù)庫相比,演繹數(shù)據(jù)庫的推理是為查詢數(shù)據(jù)服務(wù)的,演繹數(shù)據(jù)庫的著眼點(diǎn)是將AI的演繹推理思想用于數(shù)據(jù)庫技術(shù),以求得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身性能的提高和功能的增強(qiáng)。Reiter等人指出,在等價(jià)及域封閉限制條件下,關(guān)系數(shù)據(jù)庫可視為僅含有基本文字的合式公式集。關(guān)系中的一個(gè)屬性域被看作具有多類型變元的謂詞。這樣,就建立了關(guān)系數(shù)據(jù)庫與一階謂詞邏輯的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這種對應(yīng)關(guān)系,利用一階邏輯的一組公理,就能方便地用精確語義描述出沒有直接存入數(shù)據(jù)庫中的那些隱含關(guān)系,進(jìn)而利用一階邏輯的形式推理算法,在內(nèi)涵數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)演繹推理,提供用戶所需的新數(shù)據(jù)(虛數(shù)據(jù)與虛關(guān)系)。
通常,演繹數(shù)據(jù)庫具有如下特點(diǎn):
(1)在DDB中只存儲(chǔ)少量實(shí)數(shù)據(jù),而大量虛數(shù)據(jù)是通過少量邏輯規(guī)則演繹推導(dǎo)出來,這一特點(diǎn)可以克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中因龐大的數(shù)據(jù)量過載負(fù)荷所引起的占用存儲(chǔ)空間大、檢索效率低、安全性可靠性差,以及RDBMS規(guī)模龐大難以實(shí)現(xiàn)的問題。
(2) DDB除具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所沒有的演繹推理功能外,所占用存儲(chǔ)空間總比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫少,系統(tǒng)容易維護(hù)、擴(kuò)充,其冗余更小。
(3)一般,關(guān)系數(shù)據(jù)庫用戶視圖只是一種虛關(guān)系,只具有極其初級(jí)的演繹功能,而基于規(guī)則的DDB中的視圖被定義為規(guī)則推理的一種特例,這些規(guī)則可享有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中視圖的全部功能。
(4)數(shù)據(jù)完整性在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中是用關(guān)系模式相關(guān)的若干限制條件來約束的,在DDB中可用規(guī)則形式來確保關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間設(shè)定的語義要求,DDB的一致性、完整性比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫更易于維護(hù)。
(5) DDB使用Horn子句規(guī)則,可提供遞歸定義能力,具有比關(guān)系數(shù)據(jù)模型更強(qiáng)的表達(dá)能力,這包括可定義復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型、更強(qiáng)的數(shù)據(jù)操縱能力和支持更完善的完整性約束條件,并最終為系統(tǒng)提供一個(gè)具有數(shù)據(jù)操縱與宿主語言功能的統(tǒng)一的說明性語言。
(6) DDB演繹功能的增加,使數(shù)據(jù)庫不僅能為具體提問提供答案和推理證據(jù),并可能回答諸如“(what-if)”這類高級(jí)提問。
近年來,通過采用計(jì)算智能(神經(jīng)計(jì)算、遺傳算法和模糊運(yùn)算)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(AGENT)技術(shù),提高了演繹數(shù)據(jù)庫與知識(shí)庫的智能化程度和解決復(fù)雜問題的能力,改進(jìn)了智能數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu),為演繹數(shù)據(jù)庫與知識(shí)庫的發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊的前景。