对象关系数据库系统中的时间和空间数据处理的优化

摘要

公开一种处理时间数据的方法，系统和程序。接收规定映射函数的空间查询，所述映射函数识别一个或多个对象的一组时间值。从一个或多个对象中的每个对象的每组时间值中自动抽取地理位置。根据所述地理位置产生点对象。根据点对象产生一个或多个空间对象。

说明书

技术领域

本发明涉及时间和空间数据处理。

背景技术

全球定位系统是一组绕地球运行的卫星，使具有地面GPS接收器的人们能够正确地指出他们的地理位置。GPS为美国国防部所有并由其运行，不过可用于全球的一般应用。

在任意指定时间，所述一组卫星中的四颗卫星在地平线上方。每个卫星包含一个计算机，一个原子时钟，和一个无线电装置。每颗卫星了解其轨道，并且具有一个时钟。这样，每颗卫星连续广播其不断变化的位置和时间。在地面上，每个GPS接收器包含一个计算机，所述计算机通过从所述四颗卫星中的三颗获得方位，“三角测量”其位置。结果是呈经度和纬度形式的地理位置。

当GPS接收器连续三角测量位置时，结果是称为GPS数据的一组值。每个值提供某一时间的经度和纬度。GPS数据可以“时间序列”数据的形式保存在表格中(即，时间序列指的是可在国际商用机器公司的IBMInformixTimeseries DataBlade模块中得到的数据类型)。时间序列数据包括特定类型的对象(例如汽车)的GPS数据。此外，如果可收到四颗或更多卫星的信号，那么除了经度和纬度之外，GPS接收器还可包括确定高度的能力。

随着GPS接收器的激增，正在开发更多的时间空间应用。例如，一种时间应用可使用时间序列数据来识别下行4点到5点之间关于某一公司的所有股票交易。空间应用可使用时间序列数据来识别在下午4点到5点之间汽车行驶了多远。

时间/空间应用能够实现许多功能，例如记录卡车在路上进行了多少次停车；确定个人的汽车是否以及何时离开某地(例如校园)和所述汽车是否以及何时返回；确定集装箱何时被装上船，在船上运载时，集装箱待在何处，以及在集装箱到达目的地(例如港口)之前需要多长时间；确定转接航班何时到达机场；和确定出租汽车是否在特定时间到达特定地点。

图1图解说明了用户把时间数据转换成可利用空间查询询问的空间数据的现有处理。在图1的该例子中，用户希望提交确定汽车100是否从特定银行104之前通过的结构化查询语言(SQL)请求。关系数据库管理系统(RDBMS)软件使用结构化查询语言(SQL)接口。SQL接口已进化成RDBMS软件用标准语言，从而已被美国国家标准化组织(ANSI)和国际标准化组织(ISO)采用。

汽车100具有计算GPS数据的GPS接收器，和把GPS数据路由给服务器(未示出)的计算机系统。用户把GPS数据加载到表格中，从而产生时间序列数据110。表1图解说明时间序列数据的表格。时间序列数据的表格的每一行包括时间，经度和纬度。经度和纬度用度数表示。

表1

  时间  经度  纬度  00:00:01  37度  37度  …  …  …

通过第一SQL转换114，用户把时间序列数据110转换成规定经度和纬度(即，X，Y)值的点对象120。借助SQL转换，用户把时间和点对象120保存到表2中，表2说明了在点对象的产生之后保存的数据。

表2

  时间  点  00:00:01  (X，Y)  …  …

通过第二SQL转换124，用户把点对象120转换成反映汽车100的行驶线路的线对象130。表3说明在产生路线之后保存的一行数据，该行具有起始时间和路线。

表3

  时间  路线  00:00:01  点1，点2，...

线对象130是一种可利用空间查询140询问的空间对象。于是，在产生线对象130之后，用户提交空间查询140，确定汽车行驶的线路是否与建筑物位置相交。选择语句(1)是用户提交的空间查询140，包括相交函数。在选择语句(1)中，用户指定“car.line”，它是用户产生的空间对象。

select intersect(car.line，building.location)         (1)

where building.location where build.name＝′AMB′and car.id＝′taxi′)

从而，在可对时间数据进行空间查询之前，汽车100的实时位置经过许多中间步骤(即，第一和第二SQL转换114，124)。另外，在第一SQL转换124中会丢失多数时间功能性。这种解决方案把汽车100的时间序列数据110保存在数据库表中，并(借助第一SQL转换114)查询该表，从而建立点对象120。该解决方案查询点对象(它是第一SQL转换114的结果)，从而产生路线对象130。

从而，在时间/空间应用中，数据被加载到时间序列数据表中，并在时间域中进行选择。这种选择以时间为基础。数据被转换以便在空间域中使用。随后，在空间域中完成数据的分析和空间对象的呈现。在加载大量数据的情况下，使用IBMInformixTimeseries RealTime Loader(RTL)(可从国际商用机器公司获得)来加载数据。为了简化空间处理，数据点被从时间域中的时间序列转移到空间点。随后使用空间点来建立线对象，所述线对象随后被用于路线分析。这种域转换费时，降低及时数据的价值，以及产生冗余。

于是，本领域需要改进的时间/空间数据处理。

发明内容

提供一种处理时间数据的方法，系统和程序。接收规定映射函数的空间查询，所述映射函数识别一个或多个对象的一组时间值。从一个或多个对象中的每个对象的每组时间值(temporal value)中自动抽取地理位置。从所述地理位置产生点对象。从点对象产生一个或多个空间对象。

所述一组时间值最好包括时间序列数据(timeseries data)。可选的是，每组时间值包括相关对象的所有时间序列数据。另一方面，每组时间值包括相关对象的一部分时间序列数据。

地理位置最好包括经度和纬度值。

可选的是，一个或多个空间对象是特定于厂商的对象。

最好相对于一个或多个空间对象评估空间查询。

可选的是，映射函数接收对象的一组时间值的一部分作为自变量(argument)。

可选的是，通过评估一个函数，确定一个或多个对象的每组时间值。

可选的是，映射函数可具有多个自变量。

本发明的所述实现提供用于改进的时间/空间数据处理方法，系统和程序。

附图说明

现在参见附图，其中相同的附图标记表示对应的部分：

图1图解说明用户把时间数据转换成可用空间查询询问的空间数据的现有处理。

图2以方框图的形式，图解说明根据本发明的某些实现的计算环境。

图3以方框图的形式图解说明根据本发明的某些实现，映射函数在确定汽车是否从特定银行之前通过的请求中的应用。

图4A图解说明根据本发明的某些实现，在数据库引擎中实现的逻辑。

图4B图解说明根据本发明的某些实现，在时间/空间模块中实现的逻辑。

图5图解说明根据本发明的某些实现的计算机系统的体系结构的一种实现。

具体实施方式

本发明的实现提供直接把数据从时间域转移到空间域，从而减少收集数据和使用数据之间的时滞，以及消除冗余的功能。

图2以方框图的形式，图解说明根据本发明的某些实现的计算环境。客户计算机200执行一个或多个客户应用202。客户应用110可以是任意类型的应用。

基于位置的计算机210包括一个位置感知设备(location awaredevice)214，例如GPS接收器。位置感知设备214能够连续地或者周期地产生时间值。在一些实现中，时间值包括时间和相关的经度，纬度。在一些实现中，时间值还可包括其它信息，例如车辆识别，行驶速度等。在一些实现中，时间固有地包含日期。

客户计算机200通过网络，例如局域网(LAN)，广域网(WAN)或因特网与服务器计算机220连接。基于位置的计算机210通过无线接口(例如蜂窝电话机或者蜂窝数字分组数据(CDPD)调制解调器)与因特网连接。因特网是连接的计算机网络的全球集合(即网络的网络)。

基于位置的计算机210从位置感知设备214读取时间值，并通过与因特网的无线连接，把时间值发送给服务计算机22。虽然为了便于理解，图解说明了一个基于位置的计算机210，不过一般来说，多个基于位置的计算机210正在与服务器计算机220通信。

服务器计算机220包括一个数据库引擎230，数据库引擎230包括处理映射函数252的时间/空间模块250。时间/空间模块250在其执行期间，可把数据保存在存储缓冲区254中。数据库引擎230还包括数据库260，数据库260包括一个或多个对象，一个或多个点对象，以及一个或多个空间对象的时间序列数据。特别地，从基于位置的计算机210接收的特定对象(例如汽车)的时间值被保存在时间序列数据中。时间/空间模块250内部把时间序列数据转换成点对象，并把点对象转换成可由客户应用202利用空间查询处理的空间对象。在本发明的一些实现中，术语“时间/空间数据系统”240被用于表示时间/空间模块250和数据库260。

在一些实现中，数据库引擎130可以是可从国际商用机器公司获得的IBMInformixDynamic Server(IDS)。

在一些实现中，时间/空间模块250被实现成服务器扩展。另外，当客户应用220向服务器计算机220提交包括映射函数252的空间查询时，用来处理空间查询或映射函数252的中间数据不在客户计算机200和服务器计算机220之间移动。

在一些实现中，利用IBMInformixDynamic Server上的MapInfo SpatialWare，Spatial DataBlade或Geodetic DataBlade来实现时间/空间模块250。

在一些实现中，为时间序列数据的优化处理提供新的映射函数252。对映射函数252的输入是一组时间值(即，时间序列数据的一部分或者全部，它可被称为“剪辑”(clip))和零或更多的其它自变量。在一些实现中，所述其它自变量可包括例如投影(projection)数据。映射函数252的输出是路线(即，一种空间对象)。在一些实现中，映射函数252采取timeSeriesToPath函数(2)的形式。

timeSeriesToPath(＜set of temporal values＞，(2)

＜list of additional arguments＞)

对象的时间序列数据保存利用位置感知设备(例如GPS接收器)产生时间值的特定类型对象(例如汽车)的数据。时间值包括时间以及经度、纬度值。在一些实现中，参考保存在时间序列数据中的数据，用起始时间和终止时间定义该组时间值。

图3以方框图的形式，图解说明根据本发明的一些实现，映射函数在确定汽车300是否从特定银行304之前通过的请求中的应用。在本例中，在图3中，处理确定汽车300是否从特定银行304之前通过的请求。汽车300具有计算时间值的位置感知设备(例如GPS接收器)，和把时间值发送给服务器(未示出)的计算机系统。汽车300的时间值被加载入位于服务器的时间序列数据库中。随后，可提交查阅时间序列数据310的空间查询。即，用户不必把时间序列数据310转换成空间数据并查询空间数据。相反，可提交包括映射函数252的空间查询340。映射函数的第一自变量规定全部或部分时间序列数据310(即，规定一组时间值)。例如，用选择语句(3)举例说明空间查询340：

select intersect(timeSeriesToPath(startTime，endTime，...)，(3)

building.location where build.name＝′AMB′and car.id＝′taxi′)

从而，时间/空间数据系统240把现有技术(图1)的选择和转换步骤压缩成单一操作。时间值的处理中涉及的步骤被减少，冗余数据被消除，时间序列功能适用于选择语句。中间步骤的消除减少了把位置数据加入数据库时的时间和位置数据可用作供查询的空间数据时的时间之间的时滞。

图4A图解说明根据本发明的一些实现，在数据库引擎230中实现的逻辑。控制开始于方框400，数据库引擎230接收带有映射函数252的空间查询。在方框405，从第一记录开始，数据库引擎230为所述查询选择要处理的下一记录。在方框410，数据库引擎230调用时间/空间模块250来处理所选记录的映射函数252。在方框420，数据库引擎230确定是否存在要处理的其它记录。如果是，那么处理返回方框405，否则，处理前进到方框430。在方框430，数据库引擎230相对于一个或多个空间对象评估空间查询。

图4B图解说明根据本发明的一些实现，在时间/空间模块250中实现的逻辑。控制开始于方框440，时间/空间模块250取回在映射函数252中规定的一组时间值(即与所选记录相关的对象的全部或部分时间序列)。在一些实现中，该组时间值被接收为表格的全部或部分。在方框450，时间/空间模块250从时间序列数据中的时间值中抽取经度，纬度数据(X，Y)。在方框460，时间/空间模块250产生点对象。为位于服务器220的存储缓冲区254中的每对经度、纬度实例化一个点对象。点对象是一种空间对象，并且具有两种方法，一种用于纬度，一种用于经度。

在方框470，时间/空间模块250根据点对象产生一个空间对象。在不同的实现中，可产生不同类型的空间对象。在一些实现中，至少一个空间对象是为位于服务器220的存储缓冲区254中的该组点对象实例化的路线对象。路线对象是一种空间对象，具有诸如长度和终点之类的方法。

在方框480，该空间对象被返回。随后，可相对于作为评估映射函数252的结果而返回的一个或多个空间对象，评估包括映射函数252的空间查询。

从而，本发明的实现避免了需要建立表格来把时间数据转换成空间数据的现有处理。

选择语句(3)引用(reference)单个对象(即，一辆出租车)，但是由于相对于数据库160评估选择语句，因此选择语句可引用一组对象，例如所有出租车。

在选择语句(4）中，car.id＝“黄色出租车#123”，timeSeriesToPath函数的评估导致具有对应一组时间值(即，在timeSeriesToPath函数中选择的全部或部分时间序列数据)的(黄色出租车#123的)一个空间对象的产生。持续由该组时间值规定的时间间隔，相对于产生的空间对象评估选择语句(4)。此外，如果建筑物位置和在timeSeriesToPath函数规定的时间间隔中，具有标识“黄色出租车#123”的汽车的路线相交，那么选择语句(4)的评估返回“真”。

select intersect(timeSeriestToPath(startTime，endTime，...)，(4)

building.location where build.name＝′AMB′and

car.id＝′Yellow Cab#123′

由于选择语句由数据库引擎230(例如RDBMS)执行，因此可提交诸如选择语句(5)之类的查询。

(5)

select car.id，intersect(timeSeriestToPath(startTime，EndTime，...)，

building.location where build.name＝′AMB′and car.type＝′taxi′

选择语句(5)中的timeSeriestToPath函数的评估产生其类型为“出租车”的每辆汽车的一个空间对象。例如，如果存在类型为“出租车”的六辆汽车，那么产生六个空间对象。这六个空间对象中的每一个具有相关的时间序列数据，从而这六个空间对象中的每一个具有一组时间值(即，在timeSeriestToPath函数中选择的全部或部分时间序列数据)。随后，相对于每个空间对象评估选择语句(5)，返回类型为出租车的汽车(即，car.type＝“出租车”)的汽车标识符(即car.id)和相交函数的结果(它或者为真或者为假)。特别地，选择语句(5)的评估返回表4。在表4中，第一列表示出租车标识符，第二列表示在规定的时间间隔内，出租车是否与该建筑物相交。

表4

  出租车标识符  出租车的路线与建筑物相交  黄色出租车#1  假  黄色出租车#2  真  Joe的出租车服务  假  你驾驶出租车  真  红蓝出租车#16  假  Udrive Bipedal出租车  假

在一些实现中，映射函数采取不同的格式，以便与特定于厂商的空间产品兼容，在方框470中组成的空间对象取决于底层的空间产品。例如，如果特定于厂商的空间产品返回线条，那么映射函数252的格式可以是timeSeriesToLine()，由时间/空间模块250组成的空间对象可以是线对象。

一种产品是可从国际商用机器公司获得的IBMInformixGeodetic DataBlade模块。如果Geodetic DataBlade被安装，那么timeSeriesToPath函数的“路线”部分会被修改，以表示所需的空间对象(例如，GeoString，GeoPolygon，GeoString等)，对应的空间对象会由时间/空间模块250组成。另一种产品是可从国际商用机器公司获得的IBMInformixSpatial DataBlade模块。如果IBMInformixSpatial DataBlade模块被安装，那么映射函数252可引用下述空间对象ST_LineString，ST_Multiline，ST_Polygon等，时间/空间模块可返回对应对象。对象名前的“ST”前缀指示由标准团体，开放式GIS联盟定义的对象。有关开放式GIS联盟的更多信息可从http：//www.opengis.org获得。Mapinfo SpatialWare模块是来自MapInfo公司的产品，并且在Mapinfo Spatialware模块的情况下，会返回特定于Mapinfo Spatialware′s实现的对象。

选择语句(6)举例说明当利用可从IBMInformixSpatialDataBlade模块获得的ST_CROSSES函数时，包括图3的汽车例子的映射函数252的空间查询。ST_CROSSES函数确定几何形状是否彼此交叉。

select ST_CROSSES(ST_BUFFER(building.location，50)，(6)TimeSeriesToLineString(withinR(track，′2001-07-01

8:00:00.00000′::datetime year to fraction(5)，

′minute′，

45，

′future′)，5)

from car_track，building

where building.name＝′BIG BANK′and car_track.id＝′taxi′；

在选择语句(6)中，ST_BUFFER函数(可从IBMInformixSpatial DataBlade模块获得)识别围绕某点的缓冲区。在本例中，围绕代表建筑物位置的点选择为50的半径。映射函数252是TimeSeriesToLineString。

withinR函数的评估得到对于一个对象的一组时间值。对于withinR函数，轨迹(track)识别保持该对象的时间序列数据的特定表格；日期和时间文本串“2001-07-018:00:00.00000”提供该组时间值的起始时间；“datetime year to fraction(5)”导致日期和时间文本串到具有以5为因子的分辨率的日期-时间的数据类型的转换；minute代表时间间隔；数字45代表时间间隔的大小；“future”代表时间的方向。在一些实现中，时间间隔可以是：秒，分，小时，天，星期，月或年。在一些实现中，方向可以是未来(即，时间间隔从起始时间开始前进)或者向后(即，时间间隔从起始时间开始后退)。在选择语句(6)中，该组时间值从规定的日期和时间前进45分钟时间。数字5代表映射函数的投影(projection)，是(如同关于映射函数(2)说明的)附加自变量的一个例子。

处理TimeSeriesToLineString()函数的结果是一个空间对象。随后，ST_CROSSES函数评估该空间对象是否跨越围绕代表建筑物位置的点的缓冲区。

选择语句(7)利用(可从MapInfo SpatialWare模块获得的)ST_OVERLAP函数举例说明包括图3的汽车例子的映射函数252的空间查询。如果在两个空间对象之间存在公共点，那么ST_OVERLAP函数返回TRUE。

   select ST_OVERLAP(                (7)HG_CIRCLE(building.lat，building.lng，50)，TimeSeriesToPolyLine(withinR(track，′2001-07-0108:00:00.00000′::datetime year to fraction(5)，

      ′hour′，

      8，

      ′future′))

from car_track，building

where building.name＝′BIG BANK′and car_track.id＝′taxi′；

在选择语句(7)中，HG_CIRCLE函数(可从MapInfoSpatialWare模块获得)识别围绕由纬度(building.lat)和经度(building.lng)指定的建筑物的点的半径50的圆。映射函数是TimeSeriesToPolyLine。withinR函数的评估得到一个对象的一组时间值。在选择语句(7)中，该组时间值从规定的日期和时间前进8小时的时间间隔。这种情况下，映射函数252接收一组时间值作为自变量，而不存在任何另外的自变量。

处理TimeSeriesToPolyLine()函数的结果是一个空间对象。随后，ST_OVERLAP函数评估该空间对象是否与围绕代表建筑物位置的点的缓冲区重叠。

选择语句(8)利用(可从IBMInformixGeodetic Datablade获得的)GeoPoint函数举例说明包括图3的汽车例子的映射函数252的空间查询。如果地理空间时间范围相交，并且该区间中的任意点小于或等于地理距离，那么GeoPoint函数返回TRUE。

    select within(                             (8)

GeoPoint((building.lat，building.lng)，building.altitude

    ′ANY′)，

TimeSeriesToGeoString(withinR(track，′2001-07-01

8:00:00.00000′::datetime year to fraction(5)，

         ′day′，

1，

         ′future′))

50：geodistance)

from car_track，building

where building.name＝′BIG BANK′and car_track.id＝′taxi；

在选择语句(8)中，GeoPoint函数(可从IBMInformixGeodetic Datablade模块获得)识别由纬度(building.lat)和经度(building.lng)指定的建筑物的点。高度(building.altitude)被用于绘制围绕建筑物的点的球体。映射函数252是TimeSeriesToGeoString。withinR函数的评估得到一个对象的一组时间值。在选择语句(8)中，该组时间值从规定的日期和时间前进1天的时间间隔。这种情况下，映射函数252接收一组时间值作为自变量，而不存在任何另外的自变量。

处理TimeSeriesToPolyLine()函数的结果是一个空间对象。随后，within函数评估该空间对象是否在GeoPoint函数产生的球体的50单位之内。所述50单位由within函数的“50:geodistance”自变量规定。

选择语句(6)、(7)和(8)利用withinR时间序列函数得到不同周期(例如分，小时，天)内、但是具有相同的起始时间的空间对象。

此外，选择语句(6)、(7)和(8)举例说明在三种不同的空间环境中使用的一个数据集。如果不利用时间/空间数据系统240，那么管理员不得不管理数据的三份副本，并把每份副本转换成一种不同的格式。这种冗余数据的消除既释放了数据资源又释放了处理资源。

总之，现有的解决方案复杂并且数据吞吐量较低。另一方面，时间/空间数据系统240减少了从时间序列数据被加载入数据库260直到时间序列数据被呈现为空间对象为止，临时数据在服务器220中花费的时间。此外，时间/空间数据系统240减少了中间数据移动(staging)所需的存储器的数量。时间/空间数据系统240直接把数据从时间域变换到空间域，从而减少了从接收时间序列数据到空间数据准备好供查询之间的时滞。

总之，本发明的实现消除了现有系统为把数据从时间域批量转换到空间域而需要的步骤。这使得数据更易于获得，减少了数据实例的数目，并使更多的时间序列功能在数据的处理/分析期间可用。数据直接从时间序列变成在空间分析中使用的空间对象。

IBM，Informix和DataBlade是国际商用机器公司在美国和/或其它国家的注册商标。SpatialWare是MapInfo公司在美国和/或其它国家的注册商标。

其它实现细节

通过利用标准的编程和/或工程技术来产生软件、固件、硬件或它们的任意组合，所公开的保持关于网络组件的信息的技术可被实现成方法、设备或制造产品。这里使用的术语“制造产品”指的是在硬件逻辑电路(例如集成电路芯片，可编程门阵列(PGA)，专用集成电路(ASIC)等)或计算机可读介质，例如磁存储介质(比如硬盘驱动器，软盘，磁带等)，光学存储器(CDROM，光盘等)，易失性和非易失性存储装置(例如EEPROM、ROM、PROM、DRAM、SRAM、固件、可编程逻辑等)中实现的代码或逻辑。计算机可读介质中的代码由处理器访问和执行。用其实现优选实施例的代码还可通过传输介质，或者通过网络从文件服务器获取。这种情况下，其中实现所述代码的制造产品可包括传输介质例如网络传输线路，无线传输介质，通过空中传播的信号，无线电波，红外线信号等。从而，“制造产品”可包括其中包含所述代码的介质。另外，“制造产品”可包括其中包含，处理和执行所述代码的硬件组件和软件组件的组合。当然，本领域的技术人员会认识到在不脱离本发明的范围的情况下，可对该结构做出许多修改，并且制造产品可包括本领域中已知的任何信息承载介质。

图4A-4B的逻辑描述了按照特定顺序发生的具体操作。在备选实现中，一些逻辑操作可按照不同的顺序执行，修改或删除。此外，一些步骤可被加入到上述逻辑中，并且仍然符合所述实现。此外，这里描述的操作可顺序发生，或者一些操作可被并行处理，或者被描述成由单一进程执行的操作可由分布式进程执行。

图解说明的图4A-4B的逻辑被描述成用软件实现。所述逻辑可用硬件或者用可编程和不可编程门阵列逻辑来实现。

图5图解说明根据本发明的一些实现的计算机系统200、210、220的体系结构的一种实现。计算机系统200、210、220可实现具有处理器502(例如微处理器)，存储器503(例如易失性存储装置)，和存储器506(例如非易失性存储区，比如磁盘驱动器，光盘驱动器，磁带驱动器等)的计算机体系结构500。操作系统505可在存储器503中执行。存储器506可包括内部存储装置或者连接的或者网络可访问的存储器。存储器506中的计算机程序504按照本领域中已知的方式被加载入存储器503中并由处理器502执行。该体系结构还包括能够与网络通信的网卡508。输入装置10被用于把用户输入提供给处理器502，可包括键盘、鼠标、铁笔、麦克风、触敏显示屏、或者本领域中已知的任何其它激活或输入机构。输出装置512能够呈现从处理器502，或者其它组件，例如显示监视器，打印机，存储器等传来的信息。

计算机体系结构500可包括本领域中已知的任何计算设备，例如大型机，服务器，个人计算机，工作站，膝上型计算机，手持式计算机，电话设备，网络设备，虚拟化设备，存储器控制器等。可以使用本领域中已知的任何处理器52和操作系统505。