利用主題圖實現(xiàn)城市圈電子政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合模型的構(gòu)建

利用主題圖實現(xiàn)城市圈電子政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合模型的構(gòu)建

［分類號］TP3931引言城市圈（CityCircle）是指在城市群中出現(xiàn)的以一個大城市為核心，周邊城市共同參與分工、合作，構(gòu)成一個人口和產(chǎn)業(yè)密集、分工明確、各具特色、優(yōu)勢互補(bǔ)的圈域經(jīng)濟(jì)一體化的區(qū)域[1-2]。區(qū)域信息一體化建設(shè)是城市圈融合和發(fā)展的重要前提，城市間電子政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合是其中的重點(diǎn)、難點(diǎn)。由于城市間的差異、建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，城市圈很難重新建立統(tǒng)一的電子政務(wù)系統(tǒng)。因此，如何將各城市已有的電子政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，從而使縱向結(jié)構(gòu)的各城市電子政務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)橫向數(shù)據(jù)共享是一個亟待解決的課題。目前，絕大多數(shù)電子政務(wù)系統(tǒng)均采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RelationalDataBaseManagementSystem,RDBMS）進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，城市間多電子政務(wù)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有如下特性。（1）數(shù)據(jù)異構(gòu)性。城市間各電子政務(wù)系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和存儲方式不盡相同，以及數(shù)據(jù)管理模式和應(yīng)用流程的差異，形成了系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)異構(gòu)。（2）數(shù)據(jù)成分復(fù)雜性。政務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來自于各個行業(yè)和部門，而且不斷有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，因此數(shù)據(jù)成分相對復(fù)雜。（3）數(shù)據(jù)主題性。盡管政務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大且成分復(fù)雜，但從使用角度分析，可以針對部門間相關(guān)數(shù)據(jù)的交叉和關(guān)聯(lián)，按業(yè)務(wù)流程將數(shù)據(jù)分為多個不同的主題，使數(shù)據(jù)組織清晰化。（4）數(shù)據(jù)環(huán)境不一致性。各系統(tǒng)采用不同的計算機(jī)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及硬件和體系結(jié)構(gòu)的差異，形成了數(shù)據(jù)環(huán)境的不一致性。本文在深入探討主題圖在知識組織、信息資源定位等方面優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，針對上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特性，構(gòu)建基于主題圖的城市圈電子政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合模型。該模型通過對異構(gòu)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行逆向工程，利用ER模型及OAI技術(shù)生成相關(guān)主題圖，并利用主題圖的可融合性進(jìn)行主題圖合并，從而實現(xiàn)異地異構(gòu)電子政務(wù)系統(tǒng)問數(shù)據(jù)的整合，支持跨政府部門的業(yè)務(wù)協(xié)同，增強(qiáng)電子政務(wù)系統(tǒng)集成能力和協(xié)調(diào)能力。該方法具有計算量相對較小、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時可保證數(shù)據(jù)整合的語義性、可擴(kuò)展性和靈活性。2主題圖應(yīng)用的可行性一個結(jié)構(gòu)完整的電子政務(wù)系統(tǒng)至少應(yīng)該包括用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層三個層次。用戶層對用戶身份進(jìn)行管理并提供交互界面；應(yīng)用層是相關(guān)應(yīng)用、服務(wù)程序的集合；數(shù)據(jù)層則是所有數(shù)據(jù)資源的集合，在電子政務(wù)系統(tǒng)中一般是指RDBMS。利用主題圖技術(shù)對多電子政務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合是在各政務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層之間增加了一個第三方主題圖索引層，如圖1所示。在該層中從各RDBMS提取數(shù)據(jù)，利用主題圖構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)化的語義索引。應(yīng)用層根據(jù)用戶層的操作發(fā)出對數(shù)據(jù)的檢索請求，索引層響應(yīng)并對其進(jìn)行初步的語義檢索處理，然后根據(jù)檢索結(jié)果指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)或者為RDBMS提供經(jīng)過數(shù)據(jù)整理和語義加工后的檢索關(guān)鍵詞，將最終檢索結(jié)果返回用戶層。圖1主題圖索引層2.1關(guān)系型數(shù)據(jù)庫關(guān)系型數(shù)據(jù)庫將復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)歸納為一系列“二維表格”，利用這種二元關(guān)系來表達(dá)實體類型及實體間的聯(lián)系[3]。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計主要包括關(guān)系模式（RelationalSchema）設(shè)計和完整性約束（IntegrityConstraints）申明兩部分[4]。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的各個屬性相互關(guān)聯(lián)，相互依賴，相互制約，從而構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的整體。為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余、邏輯錯誤和操作異常，提高存取效率和準(zhǔn)確率，在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計時必須遵循相應(yīng)的規(guī)則（關(guān)系模式）[5]。因此為實現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫向主題圖的轉(zhuǎn)換，必須依從一定的策略，從數(shù)據(jù)的語義層次提取這些模式信息。2.2可行性分析主題圖實質(zhì)上是一個獨(dú)立于具體信息資源的、動態(tài)的、結(jié)構(gòu)化的索引，通過對主題關(guān)系實例的訪問可檢索到相關(guān)的實際資源，從而指引用戶到特定的地址獲取信息[6]。因此，利用主題圖對多電子政務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合是對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一個映射與導(dǎo)航，將抽象、孤立的數(shù)據(jù)組織起來，形成結(jié)構(gòu)化的語義網(wǎng)絡(luò)。利用這種方法可以有效避免異地異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等大量繁瑣的計算過程。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫合并方法雖然可以解決異構(gòu)數(shù)據(jù)合并問題，但是無法很好解決語義異構(gòu)問題，而主題圖的應(yīng)用可以解決這一問題。對于數(shù)據(jù)庫和主題圖之間轉(zhuǎn)換的可行性，給出一個簡單實例。假設(shè)某政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表如表1、表2和表3所示。圖2主題圖轉(zhuǎn)換及合并如圖2所示，根據(jù)主題圖TAO（TopicsAssociationsOccurrences）三要素的原理，可以對三個表格信息進(jìn)行分析，識別出數(shù)據(jù)信息中的主題（Topic）、聯(lián)系（Association）與事件（Occurrence）。實例中主題包括：單位、員工、職務(wù)、學(xué)歷、國土局等，其中單位、員工等是主題類型；聯(lián)系類型包括：任職、領(lǐng)導(dǎo)、工作關(guān)系等；事件包括：法人、張三等。將識別出的信息分別用XTM規(guī)定的元素節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述，生成XTM文檔，分別形成三個子主題圖。由于主題圖具有良好的可擴(kuò)展性與可融合性，因此可以在全局模式的指導(dǎo)下對建立的三個子主題圖進(jìn)行相似度分析，對高相似度或者一致的主題按一定規(guī)則進(jìn)行合并，把子主題圖按照自底而上的模式合并，形成全局主題圖。這種方式可以方便實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改甚至數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的變化。3模型構(gòu)建多系統(tǒng)間數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)在于對異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一化，而對數(shù)據(jù)的交互操作是模型設(shè)計的關(guān)鍵。本模型利用OAI技術(shù)形成元數(shù)據(jù)集合，從而實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，通過對各政務(wù)系統(tǒng)的DBMS分別進(jìn)行逆向工程，在元數(shù)據(jù)倉儲的基礎(chǔ)上按照相關(guān)規(guī)則生成局部子主題圖并遵循一定原則進(jìn)行合并，利用生成的全局主題圖實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互操作。3.1模型概述圖3數(shù)據(jù)整合模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，將模型設(shè)計為三個模塊：數(shù)據(jù)處理模塊，主題圖生成模塊，主題圖合并模塊。（1）數(shù)據(jù)處理模塊：本模塊主要是將數(shù)據(jù)庫進(jìn)行解析，通過對異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[7]、數(shù)據(jù)庫ER模式的抽取、元數(shù)據(jù)創(chuàng)建、元數(shù)據(jù)收割等手段，形成元數(shù)據(jù)倉儲，為高層應(yīng)用服務(wù)。（2）主題圖生成模塊：本模塊利用底層形成的元數(shù)據(jù)倉儲，依照主題圖模板和規(guī)則文檔生成主題圖[8]。（3）主題圖合并模塊：由于主題圖具有良好的擴(kuò)展性和可重用性，全局主題圖可以分為若干個局部主題圖分別構(gòu)建，采用自底而頂?shù)姆绞竭M(jìn)行逐級合并，最終構(gòu)成一個總的全局主題圖。3.2ER模型提取關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和語義信息都包含在概念數(shù)據(jù)模式（ER模式）中，向主題圖轉(zhuǎn)換的一個關(guān)鍵問題是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫ER模型的提取，利用ER模型所包含的語義信息來指導(dǎo)主題圖的構(gòu)建。ER模型的提取一般采用數(shù)據(jù)庫逆向工程（DataBaseReverseEngineering,DBRE）方法完成。數(shù)據(jù)庫逆向工程指獲取現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的語義信息，把關(guān)系模式轉(zhuǎn)化為概念模式，最后用易于人類理解的概念模式來表示結(jié)果。一般來說，RDBMS數(shù)據(jù)字典中保存了當(dāng)前“最終”模式狀態(tài)[9]，因此本文設(shè)計了一個ERGenerator來從數(shù)據(jù)字典中提取ER模式，如圖4所示。圖4ERGeneratorERGenerator通過JDBC對RDBMS進(jìn)行連接以后，得到一個Connection對象，可以從這個對象獲得RDBMS的各種信息。獲取這些信息的方法是通過ResultSetMetaData類和DataBaseMetaData類實現(xiàn)，使用ResultSetMetaData獲得數(shù)據(jù)表的信息，使用DataBaseMetaData獲得數(shù)據(jù)庫的信息，主要步驟如下：（1）建立數(shù)據(jù)庫連接使用ResultSetMetaData類和DataBaseMetaData類，需要使用JDBCAPI與數(shù)據(jù)庫連接。首先加載連接數(shù)據(jù)庫的JDBC驅(qū)動程序，然后調(diào)用java.sql包中DriverManager類的getConnection方法，獲得一個Connection對象。此Connection對象是java.sql包中接口Connection的一個實現(xiàn)，表示與該數(shù)據(jù)庫的一次連接，代碼如下：（3）獲取實體關(guān)系信息ER圖中的關(guān)系通過FK來表示，根據(jù)程序?qū)K的讀取，可以獲取實體間的關(guān)系。DataBaseMetaData類提供getImportedKeys方法得到已經(jīng)References到他表的字段。通過這個接口可以很方便地得到有關(guān)FK的信息，代碼如下：在實驗室構(gòu)建ERGenerator時采用CA公司的CASE工具Erwin對其進(jìn)行輔助操作。3.3OAI元數(shù)據(jù)收割模塊由于各電子政務(wù)系統(tǒng)RDBMS中數(shù)據(jù)信息的異構(gòu)特征，該模型采用OAI元數(shù)據(jù)收割技術(shù)來進(jìn)行元數(shù)據(jù)提取。OAI（OpenArchivesInitiative）元數(shù)據(jù)收割協(xié)議（OAIProtocolforMetadataHarvesting,OAI-PMH）廣泛應(yīng)用于資源整合、跨庫檢索、學(xué)科信息門戶建立、個性化服務(wù)等領(lǐng)域。OAI協(xié)議最大的特色是通過相對簡單的、獨(dú)立于應(yīng)用程序以外的元數(shù)據(jù)收割協(xié)議，來實現(xiàn)異構(gòu)分布元數(shù)據(jù)資源之間便捷的互操作[10]。本模型利用OAI技術(shù)進(jìn)行跨庫元數(shù)據(jù)收割的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模塊由三個步驟組成：（1）將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)資源處理成數(shù)字對象存儲在數(shù)字倉儲中，建立元數(shù)據(jù)庫，然后對元數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化組織，從而形成數(shù)據(jù)提供者（DataProvider,DP），為OAI元數(shù)據(jù)收割提供元數(shù)據(jù)信息。（2）利用元數(shù)據(jù)收集器對數(shù)據(jù)提供者提供的元數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。圖5OAI元數(shù)據(jù)收割（3）對收集的元數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理：①元數(shù)據(jù)過濾，將不符合要求的元數(shù)據(jù)過濾掉；②元數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將過濾后的元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式；③元數(shù)據(jù)索引，對整理好的元數(shù)據(jù)進(jìn)行索引。經(jīng)過上述規(guī)范化處理形成元數(shù)據(jù)集合[11]。OAI元數(shù)據(jù)收割模塊可以將異構(gòu)元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合規(guī)范的元數(shù)據(jù)格式，形成元數(shù)據(jù)集合（倉儲），為高層應(yīng)用服務(wù)，以實現(xiàn)對異構(gòu)信息資源的互操作。3.4主題圖生成與合并（1）主題圖生成模塊圖6主題圖自動生成如圖6所示，主題圖生成模塊主要完成主題圖的自動生成環(huán)節(jié)，其核心是在元數(shù)據(jù)倉儲基礎(chǔ)上，根據(jù)提取的ER模式信息，按照規(guī)范生成主題圖并進(jìn)行校驗與可視化。該模塊分為三個步驟：①主題圖初步生成。利用OAI元數(shù)據(jù)收割模塊進(jìn)行元數(shù)據(jù)收割，按照數(shù)據(jù)資源規(guī)范和數(shù)據(jù)集規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，形成元數(shù)據(jù)倉儲。按照一定的主題圖規(guī)范生成初步的主題圖并輸出。②語義合法性校驗。對于初步生成的主題圖參照ER模型及SCTM約束語言進(jìn)行語義合法性檢驗，并對其進(jìn)行完善[12]。③可視化及系統(tǒng)集成。主題圖生成后應(yīng)對其進(jìn)行可視化工作，提供基于主題圖的瀏覽、檢索界面及接口[13]，并將主題圖以二維圖的形式表達(dá)出來。同時采用Java語言進(jìn)行開發(fā)，將其與電子政務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成，建構(gòu)電子政務(wù)系統(tǒng)的索引層。一般可以借助Omnigator或StarTree等工具進(jìn)行主題圖可視化。為實現(xiàn)主題圖界面的靈活化，本模型采用XML語法及XSLT配合StarTree來實現(xiàn)。（2）主題圖合并模塊由于本模型的主題圖生成采用由底而頂、逐漸擴(kuò)大的方式構(gòu)建，所以主題圖合并模塊是整個模型中的關(guān)鍵技術(shù)。主題圖遵循的合并原則有：①當(dāng)兩個主題被合并，代表同一事物的主題和聯(lián)系將被合并，并刪除重復(fù)項。②當(dāng)兩個主題被合并，結(jié)果是一個主題，其特征元素是原來兩個元素的并集[14]。兩個主題如果滿足下列條件之一則視為描述同一概念：①兩者具有一個或多個相同的主題提示符。②兩者在同一范圍定義中有相同的主題提示符。③它們是對同一個可尋址事物的具體化[15]?；谝陨显瓌t，本文采用類程序語言來描述主題圖合并采用的三種方法：①主題合并4結(jié)語本文針對城市圈建設(shè)中多電子政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合課題，在深入分析主題圖技術(shù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，提出在電子政務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用層及數(shù)據(jù)層之間建立一個