Bancos de Dados Temporais: Teoria e Prática

Nina Edelweiss Instituto de Informática

Universidade Federal do Rio Grande do Sul E-mail: nina@inf.ufrgs.br

Resumo Bancos de Dados Temporais permitem armazenar todos os estados de uma aplicação (presentes, passados e futuros), registrando sua evolução com o passar do tempo. Informações temporais são associadas aos dados armazenados (tempo de transação e/ou tempo de validade) para identificá-los ao longo do tempo. Modelos de dados temporais são também utilizados nos processos de modelagem de aplicações, devido ao seu poder de representar não somente os aspectos estáticos da aplicação, mas também seus aspectos dinâmicos e sua evolução temporal. Neste curso serão apresentados conceitos básicos de modelagem temporal e de bancos de dados temporais, aspectos relativos a consultas sobre bancos de dados temporais, análise da evolução de esquemas conceituais quando forem utilizados bancos de dados temporais, diferentes formas de implementação e algumas aplicações onde dados temporais são fundamentais.

Abstract The whole temporal evolution of an application, including all the assumed states (past, present and future), can be available when Temporal Databases are used. The identification of data along time is made associating temporal information to stored data (transaction and/or valid time). Temporal data models are also used in application modeling processes, due to their ability of representing not only the static aspects, but also the dynamic ones and the evolution of the application with time. The issues presented in this course include basic concepts of temporal modeling and temporal databases, temporal queries, and considerations about schema evolution in temporal databases, different implementation forms, and some applications that require temporal data.

1 Introdução A maior parte das aplicações atuais têm necessidade de manipular, de alguma maneira, informações históricas – dados relativos a estados passados da aplicação. Os SGBD convencionais, no entanto, não proporcionam suporte a estas informações. A necessidade de suprir esta lacuna fez com que nos últimos 20 anos muitas pesquisas tenham sido realizadas na área de Bancos de Dados Temporais, com o objetivo de definir conceitos e estratégias para tratar de informações históricas. As

publicações destas pesquisas foram reunidas em diversas coletâneas de bibliografias [Bolour 82, McKenzie 86, Stam 88, Soo 91, Kline 93, Tsotras 96, Wu 97].

Bancos de Dados Temporais permitem armazenar todos os estados de uma aplicação (presentes, passados e futuros), registrando sua evolução com o passar do tempo [Clifford 95, Edelweiss 94, Jensen 97, Özsoyoglu 95, Tansel 93, Zaniolo 97]. Para que isto seja possível, informações temporais são associadas aos dados armazenados, identificando quando a informação foi definida ou o tempo de sua validade.

A noção de tempo, como datas, períodos, duração de validade de informações, intervalos temporais, surge em diferentes níveis: (i) na modelagem de dados, (ii) na linguagem de recuperação e manipulação de dados, e (iii) no nível de implementação do SGBD.

No presente curso serão abordados diversos aspectos relativos a Bancos de Dados Temporais. No capítulo 2 será feita uma breve apresentação de conceitos relativos a representação de informações temporais, sendo os diferentes tipos de Bancos de Dados Temporais apresentados no capítulo 3. O capítulo 4 apresenta algumas considerações a respeito de consultas realizadas sobre Bancos de Dados Temporais. Diferentes enfoques para modelos de dados temporais, base ados em modelos relacionais, E-R e orientados a objetos serão vistos no capítulo 5. A evolução do esquema conceitual com o passar do tempo é outro aspecto importante, necessário para a representação da evolução da aplicação que está sendo modelada. As implicações desta evolução quando se trabalha com Bancos de Dados Temporais são abordadas no capítulo 6. Alguns aspectos de implementação de BD Temporais são analisados no capítulo 7 e, para concluir, no capítulo 8 são analisadas algumas áreas de aplicação nas quais a utilização deste tipo de bancos de dados é importante.

2 Conceitos de Representação Temporal Este capítulo tem por finalidade introduzir o leitor nos principais conceitos relativos à representação de aspectos temporais em bancos de dados. A forma de representação escolhida se reflete em interpretações diferentes dos conceitos temporais. As definições completas dos conceitos aqui apresentados podem ser encontradas em [Jensen 94], num glossário consensual de termos relativos a Bancos de Dados Temporais elaborado pela comunidade desta área através de uma discussão realizada através de correio eletrônico.

2.1 Dimensão Temporal Os modelos de dados tradicionais apresentam duas dimensões, representando (1) as instâncias dos dados (linhas de uma tabela), e (2) os

atributos de cada instância (colunas desta tabela). Cada atributo de uma instância apresenta um só valor. Se for feita uma alteração deste valor, o anterior é perdido. Por exemplo, se o atributo representa o salário de um funcionário, o banco de dados somente armazena o último valor.

Os modelos temporais acrescentam mais uma dimensão aos modelos tradicionais – a dimensão temporal. Esta dimensão associa alguma informação temporal a cada valor. Caso o valor de um atributo seja alterado, o valor anterior não é removido do banco de dados – o novo valor é acrescentado, associado a alguma informação que define, por exemplo, seu tempo inicial de validade. Todos os valores definidos ficam armazenados no banco de dados. No exemplo anterior, todos os valores do salário do funcionário ficam armazenados, cada um associado ao seu tempo de validade. Deste modo é possível acessar toda a história dos atributos, sendo possível analisar sua evolução temporal.

2.2 Ordem no Tempo A dimensão temporal é composta por uma seqüência de pontos consecutivos no tempo, que recebe o nome de eixo temporal. A definição de uma ordem a ser seguida no tempo é fundamental quando utilizada alguma representação temporal. O mais comum é que se assuma que o tempo flui linearmente; isto implica em uma total ordenação entre quaisquer dois pontos no tempo. Em alguns casos pode ser considerado tempo ramificado ("branching time"). Para estes a restrição linear é abandonada permitindo a possibilidade de dois pontos diferentes serem sucessores (ramificação no futuro) ou antecessores (ramificação no passado) imediatos de um mesmo ponto. Uma ramificação no futuro implica que podem ser considerados múltiplos possíveis desenvolvimentos futuros do domínio (por ex., diferentes hipóteses da história futura), enquanto que uma ramificação no passado admite múltiplas histórias passadas do domínio em questão. A combinação "passado linear, futuro ramificado" trabalha com uma só história passada e admite múltiplas histórias futuras, representando desta maneira a realidade atual de uma forma bastante fiel. Uma última opção de ordenação temporal é considerar o tempo circular. Esta forma pode ser utilizada para modelar eventos e processos recorrentes.

2.2.1 Tempo Totalmente Ordenado A maior parte dos modelos temporais se baseia no tempo linearmente ordenado. A ordenação total do tempo pode ser definida com mais precisão através da teoria dos conjuntos, conforme mostrado a seguir [Antunes 97].

Seja T o conjunto não vazio de todos os pontos do tempo. Por definição, T é um conjunto totalmente ordenado pela relação BEFORE (ANTES ), a qual satisfaz à seguinte condição:

∀ ta, tb : ta, tb ∈ T ∧ ta ≠ tb → (ta BEFORE tb ∨ tb BEFORE ta) Para que a relação BEFORE seja uma relação de ordem estrita total é

necessário que possua as seguintes propriedades: Irreflexibilidade: ∀ t : t ∈ T → ¬(t BEFORE t) Transitividade: ∀ ta, tb, tc : ta, tb, tc ∈ T ∧ ta BEFORE tb ∧ tb BEFORE tc

→ ta BEFORE tc Assimetrias: ∀ ta, tb : ta, tb ∈ T ∧ ta BEFORE tb → ¬(tb BEFORE ta) A relação BEFORE é equivalente à relação “ < ” utilizada no âmbito dos

números inteiros, sendo este operador muitas vezes utilizado para representar a ordem temporal.

2.3 Tempo Absoluto e Tempo Relativo Outro conceito importante é o que diferencia tempo absoluto de relativo. Tempo absoluto consiste de uma informação temporal que define um tempo específico, definido com uma granularidade determinada, associado a um fato. Exemplo: Flávio nasceu no dia 30/08/73.

Um tempo é relativo quando sua validade é relacionada à validade de outro fato, ou ao momento atual. Exemplo: o salário aumentou ontem; a loja abriu dois meses depois da abertura do Shopping.

2.4 Variação Temporal Duas formas basicamente diferentes de variação temporal podem ser consideradas: tempo contínuo e tempo discreto. Supõe -se que o tempo é contínuo por natureza. Entretanto, sem grande perda de generalidade, o tempo pode ser considerado como discreto. Esta segunda forma de representação simplifica consideravelmente a implementação de modelos de dados.

Modelos de dados que suportam uma noção discreta de variação temporal são baseados em uma linha de tempo composta de uma seqüência de intervalos temporais consecutivos, que não podem ser decompostos, de idêntica duração. Estes intervalos são denominados chronons. A duração particular de um chronon não é necessariamente fixada no modelo de dados, podendo ser definida em implementações particulares do modelo de dados.

Considerando variação temporal discreta, a definição de informações ao longo do tempo, sob ponto de vista de sua validade, pode ser feita das seguintes formas (Figura 2.1):

• variação ponto a ponto – o valor definido vale somente no ponto temporal onde foi definido. Não existe valor válido nos pontos para os quais não foram definidos valores;

• variação por escada – o valor fica constante desde o ponto em que foi definido até o instante em que outro valor seja definido. Corresponde, geralmente, à definição de valores em conseqüência da ocorrência de eventos (variação por eventos);

• variação temporal definida por uma função – existe uma função que define os valores e que permite a interpolação para obter os valores nos pontos não definidos. Esta função de interpolação pode ser definida pelo usuário ou incluída na modelagem conceitual.

chronon

t

v

PONTO A PONTO

t

v

DEFINIDA POR UMA FUNÇÃO

t

v

EM ESCADA

Figura 2.1: Formas de variação temporal discreta

2.5 Granularidade Temporal A granularidade temporal de um sistema consiste na duração de um chronon. Entretanto, dependendo da aplicação considerada, às vezes é necessário considerar simultaneamente diferentes granularidades (minutos, dias, anos) para permitir uma melhor representação da realidade. Por exemplo, em um determinado segmento modelado, a granularidade pode ser diária (o chronon equivale a um dia), enquanto que em outro segmento a granularidade pode ser mensal. Embora o chronon do sistema seja único, é possível manipular estas diferentes granularidades através de funções e operações disponíveis nos sistemas gerenciadores do banco de dados que implementam o mode lo.

2.6 Elementos Primitivos de Representação Temporal

2.6.1 Instante no Tempo O conceito de instante, representando um particular ponto no tempo, depende da forma de variação temporal considerada. Quando é considerado tempo contínuo, um instante é um ponto no tempo de

duração infinitesimal. Neste caso os instantes são isomórficos com os números reais, o que significa que entre dois pontos do tempo sempre existe um outro ponto no tempo.

Quando, no entanto, é considerada a variação temporal discreta, um instante é representado por um dos chronons da linha de tempo suportada pelo modelo. Na variação discreta, os instantes são isomórficos aos números inteiros ou a um subconjunto destes. Assim, entre dois pontos do tempo consecutivos não existe outro ponto do tempo. Diz-se que um evento ocorre no tempo t se ocorre em qualquer tempo durante o chronon representado por t. Um chronon, que é a menor duração de tempo suportada por um SGBD temporal, pertence à representação discreta de tempo.

Considerando a ordem de variação temporal linear, temos a existência de um instante especial, correspondente ao instante atual (now), o qual se move constantemente ao longo do eixo do tempo. Este ponto define o que é considerado como passado (qualquer ponto anterior a este) e como futuro (qualquer ponto posterior a ele).

2.6.2 Intervalo Temporal Um intervalo temporal é caracterizado pelo tempo decorrido entre dois instantes – um subconjunto de pontos do eixo temporal. Depende também da forma de representação temporal definida no modelo. Quando é considerado tempo contínuo, o intervalo consiste de infinitos instantes de tempo. Na variação discreta um intervalo é representado por um conjunto finito de chronons consecutivos.

É representado pelos dois instantes que o delimitam. Dependendo da pertinência ou não dos instantes limites ao intervalo este pode ser aberto (os limites não pertencem ao intervalo), semiaberto (um dos limites pertence ao intervalo) ou fechado (ambos os limites pertencem ao intervalo). Quando um dos limites é representado pelo instante atual (now) temos a representação de um intervalo particular cujo tamanho varia com a passagem do tempo.

Um intervalo temporal é representado por [t1, t2], onde t1 é o primeiro ponto do intervalo (limite inferior) e t2 é o último (limite inferior). O próprio eixo temporal T pode ser considerado um intervalo de tempo, identificado pela expressão [«, »], onde o símbolo « o instante temporal de início da contagem de tempo e o símbolo » representa o final. Para qualquer intervalo temporal, uma das duas fórmulas a seguir deve ser verdadeira:

t1 < t2 ou t1 = t2. A segunda representa um intervalo cuja duração é exatamente um

chronon.

Um intervalo temporal também é totalmente ordenado pela relação BEFORE, sendo possível, através dos operadores first e last [Clifford 88], extrair-lhe o primeiro e o último ponto de tempo. É o que se passa a demonstrar.

Seja I, um intervalo de tempo e I ⊆ T, então: first ( I ) é o elemento t ∈ I tal que, ∀ t' ∈ I : t BEFORE t' ∨ t = t' last ( I ) é o elemento t ∈ I tal que, ∀ t' ∈ I : t' BEFORE t ∨ t' = t Para que um conjunto de pontos do tempo seja realmente considerado

um intervalo, é necessário que sejam consecutivos, isto é, não pode haver qualquer lacuna entre eles. Esta condição é formalmente representada pela expressão abaixo:

Seja I ⊆ T um intervalo, então ∀ ta ∈ I : ta ≠ last ( I ) → ∃ tb ∈ I : ( ta BEFORE tb ∧

¬∃ tc ∈ T : ta BEFORE tc ∧ tc BEFORE tb )

2.6.3 Elemento Temporal Elemento temporal é uma união finita de intervalos de tempo. Estes intervalos podem ser disjuntos, o que realmente o diferencia dos demais e enriquece o seu poder de expressão – por exemplo, um possível elemento temporal seria a união dos intervalos [25, 40] e [51, 70]. O elemento temporal é fechado para as operações de união, interseção e complemento da teoria dos conjuntos, isto é, qualquer destas operações sobre um elemento temporal produz um novo elemento temporal. Como estas operações encontram contrapartida nos operadores booleanos or, and e not, isto produz uma substancial simplificação na habilidade do usuário de expressar consultas temporais. Tendo em vista que todos os intervalos temporais são subconjuntos do eixo temporal T, um elemento temporal, sendo composto por diversos intervalos temporais, também o é. Tanto um intervalo temporal como um instante temporal ([t, t]) são elementos temporais.

Em termos de modelagem, o elemento temporal se mostra superior ao uso da primitiva intervalo de tempo pois, quando os intervalos são usados como rótulos temporais, os objetos são fragmentados em várias tuplas, uma para cada intervalo. Outro aspecto importante desta primitiva temporal é que possibilita a representação da “reencarnação” de objetos com facilidade. Um exemplo da necessidade deste aspecto seria uma pessoa ser funcionário de uma empresa durante o intervalo [1992, 1995], tendo saído da empresa em 1995 e sendo readmitida dois anos depois (1997). A validade da existência desta pessoa na empresa seria a união dos intervalos [1992, 1995] U [1997, »].

2.6.4 Duração Temporal A representação de um duração temporal pode também ser considerada como primitiva. Durações temporais podem ser basicamente de dois tipos, dependendo do contexto em que são definidas: fixas e variáveis. Uma duração fixa independe do contexto de sua definição. Um exemplo típico de uma duração fixa é uma hora que tem sempre, independentemente do contexto de sua utilização, a duração de 60 minutos. Já a duração variável depende do contexto, sendo um exemplo típico a duração de um mês, que pode ser de 28, 29, 30 ou 31 dias.

2.7 Limites do Tempo O conceito de limites no tempo pode variar dependendo da representação temporal utilizada. Quando considerados somente pontos no tempo, os limites do tempo se referem a considerar ou não o tempo como infinito. O conceito de tempo infinito consiste em considerar que todo ponto no tempo apresente sempre um sucessor e um antecessor. Em modelos orientados a objetos este conceito fica limitado, por exemplo, ao tempo de vida de um objeto. No caso das teorias baseadas em intervalos, os limites do tempo se referem geralmente à pertinência ou não dos pontos limites ao intervalo, definindo se os intervalos são abertos ou fechados em um ou em ambas as extremidades.

2.8 Representação Temporal Expl ícita e Implícita A definição de tempo pode ser feita de forma explícita, através por exemplo da associação de um valor temporal a uma informação na forma de um rótulo temporal (timestamping), ou de forma implícita através da utilização de uma linguagem de lógica temporal.

A associação explícita de tempo às informações consiste em associar a cada valor atribuído a um atributo, o valor que corresponde à sua primitiva temporal. A representação temporal implícita é feita através da manipulação de conhecimentos sobre a ocorrência de eventos ou do relacionamento de intervalos de tempo como, por exemplo: a aula de lógica temporal ocorreu ontem.

2.9 Tempo de Transação e Tempo Válido Três diferentes conceitos temporais podem ser identificados em aplicações de bancos de dados [Snodgrass 85]: (i) tempo de transação, tempo no qual o fato é registrado no banco de dados; (ii) tempo de validade, tempo em que o valor é válido na realidade modelada; e (iii) tempo definido pelo usuário, consistindo de propriedades temporais definidas explicitamente pelos usuários em um domínio temporal e manipuladas pelos programas de aplicação. Estes tempos são ortogonais, podendo ser tratados separadamente ou em conjunto. O tempo de transação é suprido

automaticamente pelo sistema gerenciador de banco de dados, enquanto que o tempo de validade é fornecido pelo usuário.

O tempo de validade pode ser representado de formas distintas, dependendo do elemento temporal básico utilizado no modelo. Quando for utilizado o elemento temporal ponto no tempo, o tempo de validade pode ser representado: (i) através de um ponto no tempo indicando o início da validade, permanecendo o valor válido até que inicie o tempo de validade de outro valor; ou (ii) através de dois pontos no tempo, o primeiro indicando o início da validade e segundo, o final da validade. Nos modelos que utilizam o intervalo temporal como elemento temporal básico, o tempo de validade é definido através do intervalo de validade do valor.

3 Bancos de Dados Temporais Um banco de dados temporal é aquele que apresenta alguma forma implícita de representação de informações temporais. Podem ser utilizados o tempo de transação e/ou o de validade para representar esta informação temporal. Conforme a forma utilizada, os bancos de dados podem ser classificados em quatro tipos diferentes: bancos de dados instantâneos, de tempo de transação, de tempo de validade e bitemporais.

3.1 Bancos de Dados Instantâneos Corresponde aos bancos de dados convencionais, onde são armazenados somente os valores presentes. A cada modificação no valor de uma propriedade, o valor anteriormente armazenado é destruído e somente o último valor está disponível. A figura 3.1 apresenta algumas atualizações feitas em momentos diferentes em um banco de dados instantâneo. Cada estado do banco de dados corresponde a um instantâneo (snapshot). A manutenção de informações temporais neste tipo de banco de dados somente pode ser realizada explicitamente, pela inclusão de atributos definidos sobre o domínio tempo, e pela sua manipulação através dos programas de aplicação.

Estados Passados

Estado Atual

João Silva, 01/jan/92, 800,00

Mara Dias, 01/mar/91, 1.200,00

Figura 3.1: Banco de Dados Instantâneo

3.2 Bancos de Dados de Tempo de Transação Uma alternativa para armazenamento de informações temporais é associar a cada valor definido o tempo de transação, sob forma de um rótulo temporal (timestamp). Este tempo é fornecido automaticamente pelo SGBD, sendo esta operação transparente ao usuário. A alteração do valor de uma propriedade não destrói o valor anteriormente definido, ficando todos os valores armazenados no banco de dados. O estado atual do BD é composto pelos últimos valores definidos para cada uma das propriedades. Bancos de dados deste tipo são denominados de bancos de dados de tempo de transação. Na figura 3.2 estão representadas atualizações do salário de um funcionário.

t1

t2

t3

tpresente

01/jan/92

01/jun/92

01/jan/93

Momento Atual

900

1000

800

História do salário de João

Tempo

Figura 3.2: Banco de Dados de Tempo de Transação

Caso o dia em que é procedida a atualização do salário não coincida com o dia em que começa a sua validade, a data de início de validade pode ser armazenada como um atributo explícito, como mostrado na figura 3.3.

t1

t2

t3

tpresente

03/jan/92

25/mai/92

10/jan/93

Momento Atual

(900, 01/jun/92)

(1000, 01/jan/93)

(800, 01/jan/92)

História do salário de João

Tempo

Figura 3.3: Banco de Dados de Tempo de Transação

3.3 Bancos de Dados de Tempo de Validade Um terceiro tipo de banco de dados, denominado banco de dados de tempo de validade, associa a cada informação somente o tempo de sua validade no mundo real. Este pode representar o início de sua validade (ponto no tempo, variação por degraus), a validade somente naquele ponto no tempo (variação discreta), ou seu intervalo de validade. O tempo de validade deve sempre ser fornecido pelo usuário. Em bancos de dados de tempo de validade não se tem acesso ao tempo em que a informação foi definida, sendo armazenado somente o tempo em que a mesma é válida. A figura 3.4 apresenta um exemplo deste tipo de banco de dados, também atualizando o salário de um funcionário.

t1

t2

t3

tpresente

800

900

1000

01/jun/92

01/jan/92

01/jan/93

Tempo

História do salário de João

Momento Atual

Figura 3.4: Banco de Dados de Tempo de Validade

Este tipo de banco de dados permite se sejam corrigidas informações do passado - se alguma das informações tiver sido registrada incorretamente, é feita uma nova definição com a data de validade correspondente, sendo que somente a versão atual dos dados é a disponível.

3.4 Bancos de Dados Bitemporais A forma mais completa de armazenar informações temporais são os bancos de dados bitemporais, nos quais os tempos de transação e de validade são associados a cada informação. Toda a história do banco de dados fica armazenada. É possível ter acesso a todos os estados passados do banco de dados - tanto a história das transações realizadas, como a história da validade dos dados. O estado atual do banco de dados é constituído pelos valores atualmente válidos. Valores futuros podem ser definidos através do tempo de validade, sendo possível recuperar o momento em que estes valores foram definidos para eventuais alterações.

Como exemplo deste tipo de banco de dados apresentamos, na figura 3.5, toda a história da atualização do salário do funcionário João. Pode -se saber não somente o valor atual do salário, como o valor que era válido em qualquer data passada e ainda aqueles valores que se acreditava como válidos mas que em datas posteriores foram modificados.

História das transaçõesdo salário de João

História da validadedo salário de João

01/jan/92

800

800

900

900

1000

1000

03/jan/92

25/mai/92

10/jan/93

01/jun/92

01/jan/93

Tempo de Transação

MomentoAtual

Tempo de Validade

Figura 3.5: Banco de Dados Bitemporal

4 Consultas a Bancos de Dados Temporais Quando é utilizado um banco de dados temporal, é importante que também esteja disponível uma linguagem de consulta temporal. Esta linguagem deve possibilitar a recuperação de todas as informações armazenadas no banco de dados (temporais ou não), de modo a que seja tirado real proveito do acréscimo da dimensão temporal. Consulta temporais permitem: • fornecer valores de propriedade s cujo domínio é temporal. Exemplo:

fornecer o valor da propriedade que armazena a data de nascimento de uma pessoa;

• se referir a um determinado instante ou intervalo temporal. Exemplo: qual o valor do salário no dia 01/01/94;

• recuperar valores com base em restrições temporais. Exemplo: recuperar todos os valores do salário antes do dia 01/01/94;

• fornecer informações temporais (datas, intervalos). Exemplo: qual a data em que foi alterado o salário de um funcionário.

Para que isto seja possível, as linguage ns de consultas temporais devem ser enriquecidas para manipular a dimensão temporal, e ter capacidade de dedução sobre tempo com base nas informações temporais armazenadas. Isto é possibilitado através da utilização de lógica temporal, a qual permite inferências de valores não explicitamente armazenados.

4.1 Problemas no Processamento de Consultas Temporais O processamento de consultas temporais apresenta diversos problemas além daqueles usualmente enfrentados. Entre eles podemos citar: • o grande volume de dados armazenado em um banco de dados

temporal implica na necessidade de novos métodos de indexação (estruturas e algoritmos de busca);

• métodos tradicionais de indexação só podem ser utilizados para valores com algum tipo de ordenação completa, com estruturas de acesso para intervalos;

• manipulação de informações incompletas, devido a valores incompletos ou inexistentes, a partir dos quais devem ser inferidas informações. Podem ser devido (i) à incerteza quanto à existência do objeto em certos pontos no tempo, ou (ii) à indeterminação temporal, causada por eventos cujo tempo de ocorrência não é conhecido

4.2 Tipos de Bancos de Dados e Diferentes Histórias As consultas temporais que podem ser formuladas a um banco de dados temporal dependem do tipo de banco de dados e da história considerada.

Os bancos de dados instantâneos não apresentam suporte para informações temporais, não permitindo portanto consultas temporais.

Nos bancos de dados de tempo de transação podem ser feitas consultas a (i) valores atuais das informações armazenadas, (ii) valores definidos em tempos passados. O tempo de transação associado implicitamente à informação identifica o instante para o qual se quer a informação. A validade das informações somente pode ser armazenada através de atributos explícitos, e sua recuperação seria através destes atributos. Exemplo: recuperar o salário de um funcionário no dia (tempo de transação) 01/01/97.

Nos bancos de dados de tempo de validade podem ser recuperadas informações válidas em momentos presentes e passado s, além de valores armazenados sob forma de previsão para o futuro, de acordo com a atual percepção da história dos dados. Exemplo: recuperar o salário válido de um funcionário no dia 01/01/98.

Os bancos de dados bitemporais permitem que sejam feitas consultas a respeito de valores atuais, passados e futuros, considerando o tempo de transação e o de validade. Qualquer estado do banco de dados pode ser consultado (atual, passado, ou previsto para o futuro). Quando

considerado o estado atual do banco de dados, a recuperação é sobre a atual percepção dos dados. Os estados passados representam valores que se acreditava válidos em datas passadas e que, posteriormente, foram redefinidos. O conjunto de todos estes estados (passados, atual e futuros) de um banco de dados caracteriza a sua história. Um banco de dados bitemporal permite que se tenha registro de todas as histórias passadas. A história presente corresponde ao conhecimento presente a respeito do presente, a respeito do passado e a respeito do futuro. Uma história passada corresponde ao conhecimento que existia naquele momento a respeito do presente, do passado e do futuro, sendo definida por um tempo de transação – informações definidas após este tempo não devem ser consideradas, uma vez que não eram conhecidas. A consulta deve definir, através de alguma cláusula que define o tempo de transação que deve ser considerado como limite, o instante correspondente à história considerada.

4.3 Consultas Temporais Vamos analisar, a seguir, as diferentes formas que podem apresentar as consultas quando utilizados bancos de dados temporais. Para maior generalidade serão considerados somente bancos de dados bitemporais, os quais englobam os outros tipos de bancos de dados. Uma consulta apresenta dois componentes ortogonais: um componente de seleção e um de saída (projeção).

O componente de seleção geralmente é representado através de uma condição lógica. Quando a condição envolve valores temporais é utilizada lógica temporal. Diversos operadores para tratar valores temporais são necessários, tais como operadores booleanos (antes, depois, durante) e operadores que retornam valores temporais (depois, agora, início_de_intervalo, distância_temporal). As condições podem envolver valores de dados e valores temporais associados aos dados (tempo de transação e/ou de validade).

Conforme o componente de seleção, as consultas ser classificadas em: (1) consultas de seleção sobre dados - quando as condições são

estabelecidas somente sobre valores de dados. Exemplo: selecionar o salário do funcionário de nome Carlos. É importante ressaltar que quando forem utilizados tipos de dados temporais, tais como datas e horas, a utilização destes na condição de seleção representa uma seleção sobre dados e não uma seleção temporal. Exemplo deste último caso: selecionar o nome dos empregados que apresentam data de nascimento posterior a 01/01/1980;

(2) consultas de seleção temporal - são as consultas nas quais somente informações temporais associadas aos dados (tempo de transação e/ou tempo de validade) são analisadas pela condição de seleção. Exemplo:

selecionar todos os empregados da empresa durante o período de 01/01/96 a 01/01/97.

(3) consultas de seleção mista - a condição de seleção atua não somente nos dados mas também nas informações temporais associadas a eles. Exemplo: selecionar todos os empregados do departamento denominado entregas que estavam habilitados para dirigir automóveis durante o período de 01/01/95 a 01/07/95. Analisando agora o componente de saída, na consulta podem ser

solicitados valores de dados e/ou valores relativos às informações temporais associadas aos dados. Podemos ter, portanto: (1) consultas de saídas de dados - nas quais as informações selecionadas

correspondem exclusivamente a valores de dados. Exemplo: selecionar o nome dos funcionários do departamento entregas”;

(2) consultas de saídas temporal - recuperam informações abstraídas das informações temporais associadas aos dados. Deste modo podem ser recuperados pontos no tempo, intervalos temporais e durações temporais. Exemplo: selecionar todos os períodos nos quais qualquer empregado do departamento de entregas estava habilitado a dirigir automóveis;

(3) consultas de saída mista - recuperam simultaneamente valores de dados e valores temporais associados a estes dados. Exemplo: selecionar os valores de salário com os respectivos tempos de validade para o empregado chamado João entre 01/01/95 e 01/01/96”. Analisando as possíveis combinações entre os componentes de seleção

e de saída de uma consulta observamos que a única combinação que não pode ser utilizada é a de seleção temporal com saída temporal - devemos ter algum dado envolvido em pelo menos um dos componentes.

A recuperação de valores de uma determinada história do banco de dados depende da condição estabelecida no componente de seleção. Por exemplo, para recuperar informações relativas a dados de um determinado dia do passado é necessário que o componente de seleção apresente alguma seleção temporal - a seleção do instante passado considerado. Para recuperar dados referentes a uma história passada o componente de seleção deve definir a data-base desta história (algo como conforme se acreditava em 01/01/60).

Na recuperação de dados históricos podem ser considerados valores válidos (considerando o tempo de validade associado ao valor) ou instantes em que os valores foram definidos (ao considerar o tempo de transação. Pode-se, por exemplo, consultar o valor válido para o salário de um funcionário em um determinado dia, e a data em que este valor foi definido.

4.4 Consultas e o Paradigma de Orientação a Objetos Modelos de dados orientados a objetos requerem propriedades especiais para a recuperação de informações. Os objetos apresentam atributos (propriedades) cujos valores são definidos em domínios específicos. Os domínios podem ser simples (como, por exemplo, inteiros e reais) ou complexos, representados por nomes de classes, listas e conjuntos. Os valores assumidos por estas propriedades são instâncias das classes especificadas como domínios. Assim, o valor de uma propriedade cujo domínio é uma classe será uma instância desta classe – um objeto.

Várias soluções podem ser adotadas para a recuperação de valores de propriedades cujos domínios são classes, como por exemplo: (i) devolver o identificador do objeto recuperado, embora este identificador seja usualmente interno ao sistema e, portanto, não acessível ao usuário; (ii) listar os valores de todas as propriedades do objeto, identificando os objetos referentes às propriedades recursivamente até que todas as propriedades sejam definidas em domíni os simples; (iii) listar somente os valores referentes a propriedades simples do objeto identificado; ou (iv) fornecer o(s) valor(es) de alguma(s) propriedade(s) identificada(s) pelo modelo como especial para esta finalidade.

As propriedades cujo domínio são listas ou conjuntos também podem apresentar objetos (instâncias de classes). A recuperação de informações para estes casos requer que todos os objetos sejam devolvidos pela linguagem de consulta.

Outro problema envolvido na recuperação de informações em um modelo de dados orientado a objetos consiste na possível hierarquia de classes existente. Uma classe pode apresentar um conjunto de subclasses e um conjunto de superclasses. Quando o domínio de uma propriedade for uma classe, todas as subclasses desta (diretas ou indiretas) são também possíveis domínios desta propriedade. A recuperação de informações deve navegar através de toda a hierarquia para fornecer todos os valores definidos.

Informações temporais são geralmente associadas aos objetos (representando a vida do objeto – tempo de criação, eventuais intervalos de suspensão e tempo em que sua existência terminou) e aos atributos (representando os tempos de definição de seus valores). Nos dois casos podem ser utilizados tempos de transação e/ou de validade. A linguagem de consulta deve permitir a recuperação de valores temporais de objetos e de seus atributos, os quais devem ser analisados em conjunto com a solução adotada para a recuperação de informações de domínios complexos.

4.5 Linguagens de Consulta Textuais e Visuais A maioria dos modelos de dados temporais apresentam linguagens de consulta textuais, geralmente derivadas do SQL. Dentre estas, a mais conhecida é TSQL2, a ser apresentada na seção 5.1.2 deste texto. A linguagem textual de consulta exige que o usuário conheça sua sintaxe, esteja bastante familiarizado com o esquema do banco de dados e saiba quais os objetos que podem mudar de valor ao longo do tempo. Uma linguagem visual de consulta permite a recuperação de informações sem que o usuário conheça a sintaxe da linguagem de consulta. A consulta pode ser realizada de uma forma amigável, através da utilização de símbolos visuais (ícones, diagramas, sinais) e um conjunto de regras para utilização dos mesmos na recuperação de informações. A representação visual dos objetos do banco de dados e de seus relacionamentos, possibilita ao usuário uma melhor percepção da realidade, o que não acontece com o uso de linguagens de consulta textual, como SQL.

Algumas propostas de linguagens visuais de consulta pa ra bancos de dados temporais têm sido publicadas recentemente [Carvalho 97, Kouramajian 95, Oberweis 94]. No Visual Query System TF-ORM [Carvalho 97] a consulta é realizada através de um interface gráfico, formado por diversas janelas. Uma destas apresenta uma representação gráfica do esquema conceitual (Figura 4.1) no modelo TF-ORM [Edelweiss 93]. O usuário realiza a consulta navegando sobre este esquema gráfico e selecionando os elementos de interesse para elaboração da consulta. Os elementos selecionados vão sendo apresentados em outra janela, onde aparece somente a parte do esquema conceitual envolvida na consulta, e sobre a qual se definem as condições impostas à consulta.

Figura 4.1: Esquema conceitual TF-ORM gráfico

Além destas duas janelas, o sistema possui um conjunto de janelas para serem utilizados no complemento da consulta - definição de restrições, temporais ou não, sobre os elementos selecionados no esquema conceitual gráfico ou sobre a consulta como um todo (Figuras 4.2).

Figura 4.2: Janela onde é definido o tempo de consulta

5 Modelos de Dados Temporais A representação dos aspectos temporais na especificação de um sistema de informação é importante por mais de um motivo: (i) o sistema pode apresentar informações temporais a serem introduzidas no banco de dados que o representa, sob forma de informação propriamente dita; (ii) processos a serem executados podem apresentar interações temporais, interações estas que devem também ser representadas; (iii) determinadas tarefas podem apresentar pré-condições à sua execução, as quais podem ser representadas através de restrições temporais; e (iv) condições de integridade temporal do banco de dados podem ser necessárias. Para que isto tudo seja possível, é necessário que seja utilizado um modelo de dados temporal adequado.

Um modelo de dados deve apresentar uma estrutura de objetos que podem ser manipulados por esta linguagem, uma linguagem para atualizar estes objetos (update), uma linguagem de consulta, e algum mecanismo para expressar restrições de integridade.

Os modelos de dados temporais também devem apresentar estas características, acrescentando a possibilidade de representar informações temporais, efetuar consultas temporais, e permitir a definição de restrições de integridade temporal. Para este último aspecto geralmente é utilizada lógica temporal de primeira ordem.

Os seguintes aspectos devem ser considerados ao ser analisado um modelo de dados temporal: • identificar o tipo de rótulo temporal utilizado pelo modelo (ponto no

tempo, intervalo temporal, elemento temporal, duração); • analisar a forma de variação temporal dos atributos (podem ou não

variar com o tempo, todos ou alguns); • verificar se os rótulos temporais são explícitos ou implícitos; • homogeneidade temporal; • apresentação e funcionalidades da linguagem de consulta.

Em lugar de definir novos modelos para tratar dos aspectos temporais, diversos modelos de dados tradicionais foram estendidos para possibilitar a representação de aspectos temporais.

5.1 Extensões do Modelo Relacional Os modelos relacionais se baseiam na representação de relacionamentos entre elementos. Ao ser utilizado um modelo temporal, estes relacionamentos devem ser representados ao longo do tempo. Informações adicionais a serem acrescentadas: • tempo de início do relacionamento; • variação do relacionamento com o tempo; • término do relacionamento; • reincarnação de relacionamentos; • restrições de integridade referencial com respeito à dimensão temporal.

Um banco de dados relacional apresenta um conjunto de relações, sendo que cada relação é composta por um conjunto de tuplas. Uma instância deste banco de dados é definida pelo conjunto de relações e de todas suas tuplas.

Ao ser feita a extensão temporal para um banco de dados relacional, três formas podem ser utilizadas para representar a temporização, dependendo do nível ao qual o tempo é associado: (1) ao banco de dados como um todo – neste caso, cada estado do banco

de dados é armazenado completo, com o rótulo temporal. Alterações elementares do BD criam um novo estado;

(2) às relações – cada relação é temporizada. Para cada estado, todas as tuplas desta relação devem ser armazenadas, com o rótulo temporal correspondente. Informações globais sobre existência da relação podem ser armazenadas desta maneira;

(3) às tuplas – cada tupla é temporizada. Uma alteração elementar de valores de uma relação definem uma nova tupla, e somente esta precisa ser armazenada. Como importantes extensões do modelo relacional podem ser citados

os modelos HRDM (Historical Relational Data Model) [Clifford 87, 93], IXRM

(Interval-extended Relational Model) [Lorentzos 93] e TRM (Temporal Relational Model) [Navathe 88, 93].

5.1.1 TSQL2 – Temporal Structured Query Language As pesquisas em bancos de dados temporais vêm sendo desenvolvidas já há 15 anos, resultando na proposta de diversos modelos e linguagens de consulta temporais. A consolidação destas propostas está sendo buscada pela comunidade que pesquisa a área, através da definição de uma linguagem de consulta temporal de consenso. A construção desta linguagem foi feita através de uma discussão via correio eletrônico, que teve início em 1993. Foram envolvidos na discussão pesquisadores de 8 países, abrangendo 4 continentes. A linguagem resultante foi denominada TSQL2 [Snodgrass 95].

A linguagem se baseia em SQL por ser esta a linguagem de consulta mais utilizada atualmente. As seguintes característica foram buscadas na definição do TSQL2: • suporte a períodos de tempo. Em SQL somente date, time, timestamp,

interval; • suporte a múltiplas granularidades. Em SQL somente year, month,

day, hour, minute, second. Incluir: semestre - semana - estações do ano - ...;

• suporte a múltiplas representações. Exemplo: terceira semana de 1999. Em SQL: dia/mes/ano;

• suporte a múltiplas linguagens. Exemplo: 29 de setembro de 1997; • suporte a múltiplos calendários (lunar – acadêmico – fiscal - eras

geográficas); • suporte a tempo indeterminado. Exemplo: entre 1 e 15 de julho; • suporte a tempo histórico.

A linguagem TSQL2 [Snodgrass 95] foi definida para o modelo temporal relacional BCDM – Bitemporal Conceptual Data Model.

O Modelo BCDM Trata-se de um modelo conceitual muito simples, que captura a semântica essencial das variações temporais das relações. O modelo foi definido sem levar em consideração problemas de capacidade de armazenamento, que sem dúvida, estão presentes em implementações de bancos de dados temporais.

No modelo BCDM o tempo é considerado linear e discreto. É feito suporte a ambos os tempos – de transação e de validade, implementando, portanto, um BD bitemporal. São utilizados rótulos que representam elementos bitemporais. A associação temporal é implícita, sendo o rótulo temporal associado às tuplas, na forma abaixo:

X = ( a1, a2, … , an / t )

onde ai são os valores dos atributos da tupla, e t representa o rótulo bitemporal.

A cada tupla é associado um subconjunto arbitrário do domínio dos tempos válidos – um fato é válido na realidade modelada durante cada um dos chronons deste subconjunto. Por sua vez, a cada chronon de tempo de validade é associado um subconjunto dos tempos de transação – o fato é válido durante este particular chronon, ou seja, está presente na relação durante cada um dos chronons de tempo de transação do subconjunto. Este o conceito de elemento bitemporal.

O exemplo a seguir mostra este tipo de rótulo temporal. Considere a seguinte relação com tuplas definidas (UC: until changed):

Empregado Depto T João compras { (5,10),…, (5,15),…, (9,10),…, (9,15),

(10,5),…, (10,20),…, (14,5),…, (14,20), (15,10),…,(15,15),…,(19,10),…,(19,15) }

João vendas { (UC,10),…,(UC,15) }

A primeira tupla associa João ao departamento de compras, durante diversos intervalos temporais. A segunda associa este mesmo funcionário ao departamento de vendas. A interpretação dos rótulos temporais está apresentada nas figuras 5.2 e 5.3.

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

TT

TV

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

TT

TV

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

TT

TV

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

TT

TV

(João, compras) (João, compras)

(João, compras)(João, vendas)

(João, compras)

Figura 5.1: Interpretação do elemento bitemporal

0 5 10 15 20 25 TT

0

5

10

15

20

TV

Emp Dept Ts Te Vs Ve

João compras 5 9 10 15

João compras 10 14 5 20

João compras 15 19 10 15

João vendas 20 UC 10 15

elemento bitemporal particionado pelo tempo de transação

Figura 5.2 – Interpretação do elemento bitemporal – tempo de transação

A Linguagem de consulta TSQL2 Na linguagem TSQL2 a seleção e a projeção são feitas sobre o rótulo temporal, envolvendo, portanto, tempo de transação e de validade. Foram definidos diversos operadores de seleção: • extratores – que têm por objetivo extrair alguma informação temporal

do rótulo. Por exemplo, o operador BEGIN extrai o início de validade de uma atributo;

• construtores – constróem elementos temporais a partir de elementos temporais. Por exemplo, INTERSECT retorna o conjunto de intervalos temporais resultante da interseção de dois intervalos considerados;

• de comparação – operadores lógicos que comparam intervalos temporais. Por exemplo, OVERLAPS verifica se dois intervalos têm intervalos temporais em comum.

Exemplos de consultas em TSQL2 “Listar o nome dos funcionários que estiveram empregados em janeiro de 1992”

SELECT Name FROM Employee WHERE VALID (Employee) OVERLAPS PERIOD ‘[01/01/1992,

01/31/1992]’ “Listar o nome dos funcionários que foram registrados como empregados em janeiro de 1992”

SELECT Name FROM Employee WHERE TRANSACTION(Employee) OVERLAPS PERIOD ‘[01.01.92,

31.01.92]’ “Listar o nome de todos os empregados que trabalharam na empresa ao mesmo tempo em que João esteve no departamento de brinquedos”

SELECT E1.Name FROM Employee E1, Employee E2 WHERE E2.Name = João AND E2.Dept = “Brinquedos”

AND VALID(E1) OVERLAPS VALID(E2)

Suporte à indeterminação temporal no TSQL2 Na linguagem de consulta TSQL2 foi providenciado suporte à indeterminação temporal, pois esta está presente na maioria das aplicações. A linguagem permite consultas tais como: • recuperar valores válidos durante um determinado dia; • um fato registrado para ocorrer daqui a 6 meses; • um fato que ocorreu a mais de 5 anos.

Para que isto possa ser possível, os atributos sobre os quais se pode fazer consultas incompletas devem ser identificados como tal durante a definição do esquema. Por exemplo:

CREATE TABLE Employee (Birthdate INDETERMINATE DATE) Pode, também, ser definida a faixa de credibilidade que se quer na

resposta solicitada, como no exemplo abaixo: SELECT Warehouse, Lot#, Part# VALID R FROM Receive AS R, InProduction AS IP WITH CREDIBILITY 0 WHERE MODEL = ‘ABC’ AND R OVERLAPS IP WITH PLAUSIBILITY 65

5.2 Extensões do Modelo E-R Os seguinte requisitos foram identificados como necessários a um modelo ER temporal [Antunes 97]: • a dimensão temporal deve estar “embutida” no modelo. Desta forma,

enquanto que no modelo ER convencional os conjuntos de entidades apresentam apenas duas dimensões, a das tuplas e a dos atributos, no modelo ER temporal passam a apresentar três: a das tuplas, a dos atributos e a do tempo;

• deve oferecer uma notação especial para diferenciar entidades temporizadas (que estão associadas ao tempo) de entidades não temporizados (que não estão associadas com o tempo);

• deve permitir que uma entidade temporizada se associe com uma entidade não temporizada;

• deve permitir que um relacionamento entre entidades possa ser definido como temporizado ou como não temporizado, não importando qual seja a classificação temporal destas entidades;

• deve permitir que em uma mesma entidade possam conviver atributos temporizados e atributos não temporizados;

• a restrição de cardinalidade que define o grau de participação de uma entidade em um conjunto de relacionamentos temporizados deve considerar os pontos do tempo. Por outro lado, em se tratando de conjunto de relacionamentos não temporizados, a cardinalidade não deve levar em conta os pontos do tempo, mantendo a mesma semântica do modelo ER convencional. Várias extensões à abordagem entidade -relacionamento original têm

sido propostas com o objetivo de incorporar a possibilidade de modelar propriedades temporais, entre as quais se destacam: a abordagem ERT (Entity Relationship Time Model) [Loucopoulos 91], a abordagem TER (Temporal Entity-Relationship Model) [Tauzovich 91], a abordagem TEER (Temporal Enhanced Entity-Relationship Model) [Elmasri 93] e a abordagem TempER [Antunes 97].

5.2.1 O Modelo TempER Este modelo foi desenvolvido com o objetivo de atender a todos os

requisitos colocados no início da seção 5.2. O modelo foi concebido com base, principalmente, no modelo ERT. As principais diferenças entre as abordagens situam-se na simbologia e na primitiva temporal adotada - o elemento temporal em lugar do intervalo de tempo. Em uma visão geral, as principais características do modelo de dados TempER são as seguintes: • oferece uma simbologia que diferencia elementos temporizados de

elementos não temporizados, semelhante à do modelo ERT; • permite que se associe em um mesmo diagrama entidades

temporalizadas com não temporalizadas. As entidades não temporalizadas passam a ser denominadas de “perenes”, sendo assumido que estas também apresentam uma dimensão temporal implícita, igual a todo o conjunto de pontos do eixo temporal. As entidades temporalizadas passam a ser denominadas de “transitórias”;

• qualquer que seja a classificação das entidades em relação ao tempo, sejam elas perenes ou transitórias, ortogonalmente sempre apresentam duas perspectivas: uma não temporal e uma temporal. Quando se focaliza os conjuntos de entidades pela perspectiva não temporal estes apresentam apenas duas dimensões (tuplas x atributos não temporais). Por outro lado, quando se focaliza estes mesmos conjuntos pela perspectiva temporal, eles apresentam três dimensões (tupla x atributos temporais x eixo temporal);

• no tocante aos relacionamentos, ou as entidades se associam entre si na perspectiva temporal (relacionamentos temporais) ou na perspectiva não temporal (relacionamentos não temporais);

• possibilita que as restrições de cardinalidade levem em consideração os momentos do tempo de validade de um relacionamento temporal;

• faz uso de um dicionário de dados para descrever os atributos, evitando que estes sejam explicitados graficamente. Isto contribui para tornar os diagramas mais administráveis visualmente. As figuras 5.3 e 5.4 apresentam, respectivamente, um esquema

TempER e seu correspondente ER convencional, e um exemplo de povoamento de entidades e de relacionamentos para este esquema.

Modelo ER convencional

entidade EMPREGADO atributos: ( cod: NATURAL ; nome: STRING ; sal: REALP; datAdmissão: DATE ; datDemissão: DATE ) identificador: (cod )

entidade DEPTO atributos: ( sigdep: STRING ; nomdep: STRING ; datCriação: DATE ; datFecham: DATE ) identificador: (sigdep)

relacionamentoLOTAÇÃO atributos: ( datinicLot: DATE ; datfimLot: DATE )

Modelo ER temporal - TempER

Empregado Lotação Depto( 1, 1 ) ( 0, N )

Tr T

entidade EMPREGADO atributos: ( cod: NATURAL, Intemporal; nome: STRING, Intemporal; at-sal: REALP, Temporal ) identificador: (cod )

relacionamentoLOTAÇÃO atributos: ( - )

entidade DEPTO atributos: ( sigdep: STRING, Intemporal; nomdep: STRING, Intemporal ) identificador: (sigdep)

Empregado Lotação Depto( 1, N ) ( 0, N )

Tr

Figura 5.3 – Exemplo de esquema TempER e o correspondente ER

5.3 Extensões de Modelos Orientados a Objetos O tratamento de tempo em modelos de dados orientados a objetos está presente em diversos modelos recentemente apresentados [Cheng 93, Su 91, Wuda 92, Wuu 93]. Entretanto, a representação de aspectos temporais em bancos de dados orientados a objetos tem sido feita nestes modelos de uma forma bastante limitada. Em sua grande maioria os aspectos temporais são tratados da mesma forma como o foram nos modelos

relacionais, não sendo levada em consideração a natureza da orientação a objetos e dos problemas que podem advir da utilização deste paradigma.

[ 3,10 ] U 1001 e1 Gadia 180 [ 3, 6 ]

[ 20, » ] 220 [ 7, 10] U [ 20, 25]250 [ 26, » ]

[ 7, 35 ] 1002 e2 Segev 110 [ 7, 20]180 [ 21, 35]

[ 2, 20 ] U 1003 e3 Clifford 200 [ 2, 20] U [ 30, 35] [ 30, » ] 250 [ 36, » ]

[ 25, » ] 1004 e6 Snodgrass 100 [ 25, 30 ]130 [ 31, » ]

[ 5, 25 ] 1005 e8 Jajodia 100 [ 5, 25 ]

[ 10, » ] 1006 e4 Tansel 170 [ 10, 20]

190 [ 21, » ]

O I D cod nome at-salExistência

Entidade Empregado

O I DEMPREGADO

O I DDEPTO

ValidadeTemporal

[ 3, 10 ] U 1001 9011[ 20, 30 ]

[ 31, » ] 1001 9013

[ 7, 20 ] 1002 9011

[ 21, 35 ] 1002 9014

[ 2, 10 ] U 1003 9011[ 15, 18] U[ 30, 35 ]

[ 11,14 ] U 1003 9012[ 19, 20 ]

[ 36, » ] 1003 9014

[ 25, » ] 1004 9014

[ 5, 15 ] 1005 9012

[ 16, 25 ] 1005 9013

[ 10, 20 ] 1006 9012

[ 21, » ] 1006 9014

Relacionamento Lotação

Entidade Depto

O I D sigdep nomdepExistência

[ 1, » ] 9011 defin financeiro[ 3, 20 ] 9012 desis sistemas

[ 10, » ] 9013 depro produção[ 21, » ] 9014 deinf informática

[ 7, 30 ] 9015 demat materiais

Figura 5.4 – Exemplo de povoamento de entidades e relacionamentos em TempER

A utilização de um modelo temporal orientado a objetos tem por finalidade a representação de todos os estados assumidos pelo objeto durante sua existência. Para que isto seja possível é necessário que o modelo permita a representação do comportamento que o objeto deve apresentar durante sua evolução. Os seguintes aspectos devem ser considerados nestes modelos: • a forma utilizada para a representação temporal - a temporização pode

ser efetuada em dois níveis diferentes: (1) nos objetos, representando a evolução do objeto como um todo, sendo registrados o instante em que o objeto é criado, suas eventuais suspensões de atividade, o final de sua existência, e possíveis ressurreições; e (2) nos atributos, representando a variação temporal do valor de um atributo de um objeto;

• como se dará a alteração durante a evolução, tanto no nível de classes como no de objetos das classes – de forma contínua, discreta ou por degraus; e

• a possibilidade de migração de objetos entre classes; e • a eventual evolução dos esquemas conceituais (criação de novas

classes, alterações nas hierarquias de generalização/agregação, alteração de atributos, etc.). Deste aspectos acima citados, o mais complexo é a possibilidade de

migração de objetos entre classes. Quando permitido, geralmente é restrito à migração entre classes / subclasses. A migração genérica entre quaisquer duas classes apresenta restrições semânticas muito fortes. Mesmo nos casos de migração entre classes / subclasses, diversas restrições e mecanismos são impostos a esta migração. Entre elas: (1) quando a migração é por especialização com herança simples, novas propriedades são acrescentadas ao objetos, devendo seus valores ser definidos pelo usuário ou considerados nulos; (2) quando for por especialização com herança múltipla, todas as propriedades das novas superclasses devem ser adicionadas ao objeto, sendo seus valores também definidos pelo usuário ou considerados nulos; (3) quando for por generalização por herança simples, todas as propriedades específicas das subclasses devem ser removidas do objetos; e (4) quando for por generalização por herança múltipla, além das propriedades específicas das subclasses, todas aquelas que foram herdadas de outras subclasses devem também ser removidas.

5.3.1 TF-ORM TF-ORM (Temporal Functionality in Objects With Roles Model) [Edelweiss 93, 94a] é um modelo de dados orientado a objetos que utiliza o conceito de papéis para representar os diferentes comportamentos dos objetos. Neste modelo é considerada a representação temporal dada por rótulos bitemporais, sendo o elemento temporal primitivo o ponto no tempo. A variação temporal é discreta, por escada, e a menor granularidade o minuto.

O modelo TF-ORM apresenta três diferentes tipos de classes: (i) recurso - define a estrutura de um recurso (dado ou documento) em termos dos papéis que este recurso pode apresentar durante seu ciclo de vida, com propriedades, mensagens permitidas e estados; (ii) agente - nas quais pode ser representada a parcela de trabalho não estruturado dos sistemas de informação, que é o poder decisão humana; (iii) processo - integram as classes de recursos e agentes, permitindo a descrição do trabalho realizado. Cada classe é definida por um nome, um papel básico e um conjunto de outros papéis.

A utilização do conceito de papéis tem por objetivo separar a representação dos aspectos estáticos de um objeto dos seus aspectos dinâmicos. Através da utilização deste conceito são evitados problemas de migração entre classes - um mesmo objeto pode desempenhar simultaneamente mais de uma papel, pode mudar de papel dinamicamente (mudar seu comportamento) e pode, ai nda, desempenhar mais de uma instância de uma mesmo papel no mesmo momento.

Um papel básico descreve as características iniciais de uma instância e as propriedades globais que controlam sua evolução. As propriedades do papel básico se aplicam a todos os demais papéis e ao contrário dos outros papéis que podem ser instanciados mais de uma vez, somente pode apresentar uma instância. Cada papel é definido por: (i) um nome; (ii) um conjunto de propriedades; (iii) um conjunto de estados, que o objeto neste papel pode apresentar; (iv) um conjunto de mensagens que o papel pode receber ou enviar; (v) um conjunto de regras de transição de estado e regras de integridade. Através das regras de transição de estados são definidos os diferentes comportamentos possíveis quando desempenhando um determinado papel. A figura 5.5 apresenta um exemplo de modelagem, expresso na linguagem de definição TF-ORM. É feita a definição de uma classe de agente PERSON (pessoa), que apresenta três papéis além do papel básico: employee (empregado), teacher (professor) e student (estudante). Cada um destes papéis apresenta propriedades próprias, e regras que definem seu comportamento.

O tempo é acrescentado tanto ao nível de objetos (para definir criação, suspensões, término das instâncias) como ao nível das propriedades. As propriedades podem ser estáticas (tem o mesmo valor durante todo o ciclo de vida da instância) ou dinâmicas (a propriedade pode assumir diferentes valores com o passar do tempo). As propriedades dinâmicas possuem um rótulo bitemporal - tempo de transação e um tempo de validade - associados. Uma informação é considerada válida quando o tempo de validade é atingido e continuará neste estado até o início da validade de outro valor. Para definição das propriedades, o modelo apresenta um conjunto de classes pré-definidas para serem usadas como domínio, chamadas tipos de dados. O modelo apresenta ainda um conjunto de propriedades pré -definidas como oId, rId, class_instance e class_end, destinadas a armazenar respectivamente o identificador da classe, o identificador do papel, o início de vida da instância da classe e o momento em que ela deixa de existir. A linguagem de consulta [EDE 94b] apresenta a seguinte estrutura:

SELECT <cláusula de especificação> FROM <cláusula de identificação> WHERE/WHEN <cláusula de busca> [ ON <cláusula de instante temporal>]

agent class ( PERSON, < base_role, static properties = {(person_id, integer)}, dynamic properties = { (name, string), (address, string)}, rules = { ... } >, < employee, dynamic properties = {(department, string), (salary, real),

(hired, date), (holidays, interval(closed, date), … }, states = {hired, in_holidays, fired}, messages = { new_salary(Oid, Value) from Control.Salaries, ask_vacations(oid, Period) to Control.Holidays, … }, decisions = { get_vacations( Period), … }, rules = { init: add_role ⇒ state( hired ), holidays: state(hired), decision(get_vacancies( Period) ⇒ msg(ask_vacancies(oid, Period), state (hired), salary: state(hired), msg(new_salary(oid, Value) ⇒

sate(hired); (Value > salary), … } > < teacher, dynamic properties = { (gratification, real), (start, date), … }, … > < student, static properties = { (student_number, integer) }, dynamic properties = { (courses, string), (start, date), … }, … > )

Figura 5.5 – Exemplo de modelagem TF-ORM

A cláusula de especificação SELECT, define as saídas da consulta. Três tipos de saídas são identificadas: saída de dados, saída temporal e saída mista. A saída de dados é obtida quando são especificadas as partes do objeto que devem ser mostradas pela consulta. Para obter uma saída de dados a cláusula de especificação pode ser composta: (i) pelo nome de uma ou mais propriedades; (ii) pelo símbolo especial "*", quando forem solicitados os valores de todas as propriedades do(s) objeto(s) identificado(s). Para obter a saída temporal, as seguintes palavras especiais podem ser utilizadas na cláusula de especificação: DATE (quando solicitada uma data de validade), TRANSACTION_DATE (data de

transação), PERIOD (intervalo limitado por datas de validade). A saída mista é obtida quando os elementos da saída de dados e da saída temporal forem combinados na cláusula de especificação.

A cláusula FROM é utilizada para identificar as classes e papéis participantes da consulta. A qualificação do papel através do nome da classe a que corresponde não se faz necessária quando o esquema sobre o qual está sendo definida a consulta apresentar todos os papéis com nomes únicos.

A cláusula WHERE é utilizada para buscar informações correspondentes ao instante de tempo considerado (snapshot do banco de dados). A utilização da cláusula WHEN aumenta o universo de busca, incluindo dados passados e futuros, além dos atuais. O acréscimo da cláusula AS ON fixa uma história anterior à história atual do banco de dados, de acordo com a qual os valores devem ser recuperados. Todas as informações que foram inseridas no banco de dados após a data especificada na cláusula AS ON são desconsideradas na consulta.

6 Evolução de Esquemas em Bancos de Dados Temporais O esquema conceitual de um banco de dados representa os requisitos de dados da aplicação. Durante a existência de um sistema de banco de dados seu esquema conceitual pode mudar (evoluir) devido a modificações ocorridas, por exemplo, na legislação vigente, nos requisitos dos usuários e nos requisitos dos dados. As modificações de um esquema com o passar do tempo são uma regra e não uma exceção na vida de um banco de dados.

A maioria dos sistemas cedo ou tarde apresenta a necessidade de alterar sua representação (caracterizada pelo esquema), para adaptar-se a situações tais como [Moreira 97]: • ocorrência de mudanças na parte da realidade que é relevante ao

sistema; • alterações nos requisitos ou erros ocorridos durante as fases de análise

e projeto do sistema; • aumento do domínio do sistema; • necessidade de melhoria no desempenho do sistema.

Três são as possíveis modificações feitas em um esquema durante sua evolução: adicionar novas informações (por ex., definir um novo atributo), remover informações do esquema (por ex., remover um atributo), e modificar informações existentes (por ex., modificar o tipo de um atributo).

A modificação do esquema conceitual pode afetar o sistema de diversas formas. Dois problemas fundamentais devem ser considerados [Goralwalla 97]:

• semântica da alterações efetuadas no esquema – efeitos das alterações no esquema na representação da aplicação, podendo ser perdidas informações importantes. O enfoque tradicional para solucionar este problema é definir um conjunto de invariantes do esquema que devem ser preservadas nas modificações efetuadas (por ex., atributos que não podem mudar). Sempre que uma nova versão do esquema é definida, deve ser feita uma verificação da integridade deste esquema, analisando as invariantes do esquema. As invariantes geralmente são representadas através de condições que devem ser sempre satisfeitas, representando as restrições de integridade estrutural do modelo de dados. A nova versão do esquema somente deve ser aceita se as invariantes forem satisfeitas;

• propagação das alterações – consiste nos efeitos da alteração na consistência da base de dados já existente. Este problema é tradicionalmente resolvido através de adaptação da base dados existente ao novo esquema - no instante de tempo em que uma nova versão de um esquema se torna válida, algumas adaptações se fazem necessárias na extensão do banco de dados, para que os valores válidos naquele momento, definidos de acordo com o esquema anterior, possam corresponder à nova versão do esquema. Esta adaptação não deve destruir os dados passados, como era feito nos bancos de dados estáticos. Como exemplo de adaptação, quando na nova versão do esquema é removido um atributo temporal, todos os valores definidos para este atributo devem ter sua validade temporal terminada. A evolução do esquema pode também afetar a implementação de métodos e dos programas de aplicação. Vários estudos sobre a evolução de esquemas foram desenvolvidos

considerando modelos relacionais, entidade -relacionamento e orientados a objetos. Entretanto, a maioria destes estudos não trata de bancos de dados temporais - somente uma versão do esquema pode existir a cada instante, devendo toda extensão do banco de dados ser adaptada para esta versão. Recentemente tem sido analisada a possibilidade de tratar da evolução de esquemas quando utilizados bancos de dados temporais na extensão do BD [Ariav 91, Kim 95, McKenzie 90, Roddick 92] e também para armazenar as diferentes versões de esquemas [DeCastro 95-97, Goralwalla 97, Edelweiss 95-97, Roddick 94, Zaniolo 97].

6.1 Modificação, Evolução e Versionamento de Esquemas Estes três termos têm sido utilizados como sinônimos. No glossário de conceitos de bancos de dados temporais [Jensen 94] são apresentadas as três definições a seguir.

• Modificação de Esquemas – uma modificação de esquema ocorre quando o SGBD permite modificações na definição do esquema de uma base de dados populada;

• Evolução de Esquemas – ocorre quando o SGBD permite modificações da definição do esquema de uma base de dados populada sem causar perda de informações. Estas alterações devem ser propagadas de modo a garantir a consistência e a integridade dos dados armazenados;

• Versionamento de Esquemas – acontece quando o SGBD permite a visualização de todos os dados, tanto retrospectivamente quanto prospectivamente, através das várias versões de esquemas definidas pelo usuário. Pode ser parcial, quando são permitidas somente alterações sobre o esquema corrente, ou total, quando as alterações podem ser efetuadas sobre qualquer versão do esquema. Como alguns dos aspectos relativos a versionamento de esquemas total ainda estão em aberto, somente o versionamento parcial é considerado na maioria dos trabalhos sobre este assunto, assim como neste texto – portanto, somente o esquema atual pode ser modificado.

6.2 Como Tratar Evolução de Esquemas em Bancos de Dados Temporais

Sistemas de bancos de dados não temporais apresentam um esquema estático e uma correspondente base de dados também estática. Para manipular a evolução de esquemas, o enfoque tradicional tem sido o de modificar o esquema conceitual e fazer as alterações necessárias na extensão do banco de dados, de modo a adaptá-la ao novo esquema. Desta forma, somente o último esquema (atual) fica armazenado.

Quando é utilizado um banco de dados temporal, a utilização desta forma de manipulação da evolução do esquema implica em eventual perda ou alteração das informações passadas – os dados passados continuam disponíveis, mas precisam ser adaptados ao novo esquema, para que possam ser consultados de acordo com o esquema atual. Como o princípio que rege o conceito de bancos de dados temporais é o de não perder informações passadas, a evolução do esqu ema conceitual deveria permitir a recuperação de informações passadas de acordo com o esquema vigente naquele momento. Uma melhor representação da realidade requer que, quando ocorrer a evolução do esquema conceitual, todas as versões deste esquema (a atual e as passadas) estejam disponíveis.

As seguintes formas podem ser utilizadas para armazenar os dados e os esquemas em bancos de dados temporais: • múltiplos repositórios – esta solução requer a criação de tantos

repositórios quantas forem as versões do esquema. Neste caso, cada repositório é formado de acordo com a versão do esquema correspondente. Quando um novo repositório é inicializado, as tuplas

são copiadas do repositório antigo de acordo com as mudanças aplicadas ao esquema;

• repositório único com esquema global – é utilizado um repositório único para os dados da extensão, armazenados de acordo com um esquema global que inclui todos os atributos introduzidos pelas sucessivas mudanças do esquema. Se algum atributo for excluído ou tiver seu domínio restringido, a mudança não será executada fisicamente, mas será gravada em um catálogo, já que nenhum dado pode ser descartado do repositório, sob pena de jamais poder ser recuperado novamente. Se, ao contrário, a mudança propuser a adição de um novo atributo ou a extensão de um domínio, todo o repositório vai ter de ser convertido para o novo formato. Se a mudança para o novo domínio produzir um novo domínio incompatível com o antigo, dois atributos deverão ser mantidos com o mesmo nome às vistas do usuário, correspondendo a domínios diferentes e pertencendo a diferentes versões do esquema;

• repositório único com múltiplos esquemas – é também utilizado um repositório único, mas todas as diferentes versões do esquema ficam disponíveis. As diversas versões do esquema ficam armazenadas em um (meta-) banco de dados, também temporal. A recuperação de informações é feita de acordo com o esquema válido no momento considerado, possibilitando desta maneira uma representação mais fiel da realidade. Existe, evidentemente, um aumento do tempo despendido para avaliar as consultas, uma vez que o esquema adequado deve ser selecionado - é possível que uma mesma consulta utilize mais de uma versão do esquema conceitual. A este caso denominamos banco de dados temporal generalizado, e será detalhado mais adiante. Um conceito importante na utilização de bancos de dados temporais é

o de vacuuming (gerar vácuo) [Snodgrass 95]. Neste caso é permitida a eliminação física de dados temporais não relevantes, para os quais o custo de armazenamento é significativo. O mesmo conceito pode ser estendido para o armazenamento de esquemas – eliminar versões antigas do esquema, principalmente aquelas às quais não correspondem dados armazenados na extensão.

6.3 Banco de Dados Temporal Generalizado Um novo tipo de sistema de banco de dados temporal, ao qual denominamos banco de dados temporal generalizado [Edelweiss 95], mais geral do que os sistemas temporais convencionais, deveria ser utilizado para permitir a evolução de esquemas em bancos de dados tempor ais. Trata-se de um sistema de banco de dados que apresenta um esquema temporal. Cada versão do esquema constitui um novo esquema, ao qual é associada alguma informação temporal (tempo de transação e/ou validade

do esquema). Um esquema temporal é estruturado como uma ou duas (no caso bitemporal) seqüências de esquemas.

"meta-esquema" caracterizado pelas

invariantes do esquema

seqüência de esquemas que constitui o

“ esquema dinâmico” conjunto de esquemas corretos

conjunto de estados do BD

válidos para o esquema inicial A

conjunto de estados do BD

válidos para o esquema B

conjunto de estados do BD

válidos para o esquema C

seqüência de estados

do BD Temporal

A

B

C

* *

*

a1

a2

a3

a4

b1

b2 b3

c1

c2

c3

Figura 6.1: Parte da vida de um sistema de banco de dados temporal

“generalizado”.

Na figura 6.1 é apresentada uma idéia geral do comportamento de um banco de dados temporal generalizado. Quando um banco de dados temporal generalizado é criado, apresenta um esquema inicial (esquema A da figura 6.1) e um correspondente estado inicial da extensão do banco de dados (a1). Durante o tempo em que este esquema é válido são feitas atualizações no banco de dados, criando novos estados do banco de dados (a2, a3 e a4), todos pertencendo ao mesmo universo de bancos de dados estáticos que satisfazem o esquema A. Os estados a1, a2, a3 e a4 compõem o banco de dados dinâmico do esquema.

Uma modificação no esquema gera um novo esquema (B), e um novo estado do banco de dados (b1), correspondendo a este novo esquema, deve ser construído. Este novo estado do banco de dados deve pertencer ao universo de bancos de dados estáticos aceitos pelo esquema B. Quando a construção do novo estado do banco de dados (b1) é feita adequadamente, os dois estados a4 e b1 apresentam os mesmos conteúdos de informações - qualquer informação que um usuário possa obter de a4 também pode ser obtida de b1, e vice-versa. Entretanto, sendo os dois esquemas correspondentes a estes estados diferentes, a sintaxe da consulta a ser construída para obter a informação em a4 possivelmente será diferente da

sintaxe da consulta de b1. Também a apresentação das respostas nos dois casos pode ser diferente. O importante é que a “essência”, a informação que está sendo recuperada, seja a mesma.

Neste tipo de banco de dados os esquemas e as correspondentes extensões do banco de dados podem variar com o passar do tempo, sendo que todas as diferentes situações que existiram no passado são sempre acessíveis. Consultas temporais podem ser feitas neste tipo de banco de dados, e para avaliar estas consultas devem ser considerados tanto a evolução do esquema conceitual como a evolução da extensão do banco de dados. A existência de diversas versões do esquema deve ser levada em consideração nas operações de recuperação de informações passadas, quando deve ser utilizado o esquema válido naquele momento. Caberá ao sistema gerenciador do ba nco de dados a tarefa de identificar os dados através de sua correspondente versão de esquema. Esta necessidade aumenta a complexidade do sistema como um todo, uma vez que requer o armazenamento de múltiplas versões do esquema conceitual.

6.4 Formas de Armazenar Múltiplos Esquemas Uma forma de armazenar as diferentes versões dos esquemas é através da utilização de um (meta-) banco de dados temporal. Deste modo, a evolução de esquemas pode ser tratada de modo similar à evolução da extensão do banco de dados. Informações temporais devem ser acrescentadas às diferentes modificações efetuadas no esquema, representando o tempo de transação e/ou tempo de validade de cada modificação. A forma utilizada para representar estas informações temporais define o tipo do (meta-) banco de dados temporal que armazena a evolução do esquema conceitual.

Considerando os quatro tipos de bancos de dados temporais vistos anteriormente, o esquema conceitual pode ser representado por um banco de dados instantâneo (caso normal), de tempo de transação, de tempo de validade ou bitemporal.

Esquemas Instantâneos

O esquema visto como um meta-banco de dados instantâneo tem, em qualquer instante de tempo considerado, somente uma instância ou uma versão. A transição de uma versão de um esquema pa ra outra versão deve obedecer às invariantes do esquema, associadas ao modelo de dados utilizado para representar o esquema. Nenhuma informação temporal é associada às modificações do esquema, sendo que somente a última versão do esquema pode ser referenciada em uma consulta.

A extensão de um banco de dados que utiliza um esquema instantâneo pode ser de qualquer dos tipos de bancos de dados vistos - instantâneo ou temporal. A definição de uma nova versão para o esquema conceitual implica na necessidade de adaptar as estruturas e os valores armazenados

na extensão do banco de dados de modo a satisfazer o novo esquema conceitual. Quando na extensão são utilizados dados históricos, estes também devem ser adaptados ao novo esquema, pois será este a ser utilizado para recuperar estas informações. A figura 6.2 representa um esquema que evolui, apresentando modificações em três tempos diferentes (t1, t2 e t3). Em cada um destes instantes de tempo são efetuadas as necessárias modificações na extensão do banco de dados.

Esquema

Extensão

t1 t3t2

transformaçãode ocorrências

transformaçãode ocorrências

transformaçãode ocorrências

Figura 6.2: Esquema instantâneo

Esquemas de Tempo de Transação

Quando a evolução do esquema conceitual é representada através de um meta-banco de dados de tempo de transação as sucessivas versões do esquema conceitual são acessíveis, cada uma delas associada com o correspondente tempo de validade. Transformações elementares no esquema (como por exemplo, a definição de um novo atributo) geram uma nova versão do esquema. Como neste tipo de banco de dados não são utilizados tempos de validade, uma nova versão do esquema se torna válida no momento de sua definição, permanecendo válida até que nova versão seja definida. A cada vez que uma modificação elementar no esquema for efetuada, definindo uma nova versão do esquema, devem ser feitas as necessárias adaptações na extensão do banco de dados. Na figura 6.3 estão representadas três versões de um esquema conceitual, cada uma delas válidas a partir do instante de tempo de sua definição (t1, t2 e t3). As três versões ficam acessíveis para eventuais consultas.

A extensão do banco de dados pode ser representada por qualquer um dos três tipos de bancos de dados temporais: de tempo de transação, de tempo de validade ou bitemporal. A utilização de um meta-banco de dados temporal para armazenar a evolução de um esquema não faz sentido quando utilizado um banco de dados instantâneo na extensão. Quando na extensão for utilizado um banco de dados de validade ou um banco de

dados bitemporal pode acontecer de uma determinada informação, inserida no banco de dados sob uma determinada versão do esquema, se tornar válida somente sob outra versão do esquema - as adaptações feitas na extensão cada vez que uma nova versão de esquema for definida devem considerar a possibilidade desta situação.

Esquema

Extensão

t3t2

transformaçãode ocorrências

t1

transformaçãode ocorrências

transformaçãode ocorrências

Figura 6.3: Esquema de tempo de transação

Esquemas de Tempo de Validade

A representação da evolução de um esquema conceitual através de um meta-banco de dados de tempo de validade é feita associando a cada alteração efetuada no esquema o instante de tempo em que esta alteração se tornará válida. O tempo em que é efetuada a transação no meta-banco de dados não é registrado. Uma nova versão do esquema se torna válida a cada instante em que um novo tempo de validade de uma alteração é alcançado. O mesmo tempo de validade pode ser associado a mais de uma modificação elementar do esquema - desta maneira um conjunto de alterações simultâneas podem ser efetuadas, definindo uma nova versão do esquema. A consistência do esquema será testada para o conjunto de alterações, de uma só vez.

Não faz muito sentido modificar um esquema para tempos passados. Isto significaria uma modificação retroativa na extensão do banco de dados relativa ao esquema modificado, o que não é nem possível nem significativo. As modificações permitidas em tempos de validade para esquemas conceituais deveriam ser efetuadas somente sobre tempos futuros - em partes do esquema que se tornarão válidas em tempos posteriores à modificação realizada.

Na figura 6.4 está representada a evolução de um esquema representado através de um banco de dados de tempo de validade. No tempo t1 iniciou a validade de uma versão deste esquema, sendo feitas as necessárias adaptações na extensão do banco de dados. Em t2 é definida uma alteração que terá validade a partir do tempo t4. A versão do esquema válida em t2 continua sendo a anterior, que iniciou em t1. Em t3 é feita

outra alteração no esquema, também válida somente em t4. A versão de esquema válida continua sendo aquela definida no tempo t1. Ao ser alcançado o tempo t4 as alterações feitas anteriormente iniciam sua validade, definindo uma nova versão do esquema. Neste momento são feitas as necessárias transformações na extensão do banco de dados, para adequá-lo à nova versão do esquema. Como está sendo utilizado um meta-banco de dados de tempo de validade, os instantes de tempo t2 e t3 não ficam armazenados - somente o tempo t4 é associado às alterações definidas.

t1 t4t2Esquema

Extensão

transformaçãode ocorrências

transformaçãode ocorrências

t3

Figura 6.4: Esquema de tempo de validade

Esquemas Bitemporais

A evolução de um esquema conceitual também pode ser representada através de um meta-banco de dados bitemporal. Neste caso, a cada alteração efetuada no esquema são associados dois tempos - o tempo de transação e o tempo de validade. O tempo de transação informa quando foi efetuada a alteração, enquanto que o tempo de validade define a partir de que instante esta transformação do esquema se torna válida. Também neste caso o tempo de validade deveria ser igual ou posterior ao tempo de transação, pois não faz sentido alterar versões passadas do esquema.

A consistência de uma nova versão do esquema conceitual é verificada a cada vez que é alcançado um novo tempo de validade associado a alguma transformação. Neste momento também são efetuadas as necessárias alterações na extensão do banco de dados, para satisfazer a nova versão válida do esquema. Os tempos de transação armazenados somente servem para informar quando foram efetuadas as transformações do esquema - na recuperação de informações do banco de dados sempre são consideradas as versões válidas do esquema, portanto, os tempos de validade associados às informações do meta-banco de dados. A figura 6.4 também pode ser interpretada como representando esquemas bitemporais, sendo que neste caso os tempos t2 e t3 também devem ser armazenados.

6.5 Exemplo de Versionamento de Esquemas em TSQL2 As possibilidades de evolução de um esquema conceitual e as conseqüentes alterações que devem ser efetuadas na extensão do banco de dados dependem do modelo de dados que estiver sendo utilizado. A linguagem de consulta TSQL2 [Snodgrass 95] apresenta suporte a versionamento de esquemas de tempo de transação, sendo os esquemas prévios armazenados sob forma de versões. Somente o esquema atual pode ser modificado (versionamento parcial).

No modelo de dados do TSQL2 os fatos são representados por tuplas compostas de um número arbitrário de atributos explícitos e de um atributo temporal implícito (tempo de transação e/ou tempo de validade). A introdução de versionamento de esquemas neste modelo afeta a composição e os métodos de recuperação e atualização dos atributos explícitos.

Seja R = (A1, … , An) um esquema relacional bitemporal. Se não existisse versionamento de esquema, a tupla x teria a forma (a1,…, an|t). Com a introdução do versionamento de esquema, o esquema relacional R é considerado completo – R contém a união de todos os atributos que foram definidos durante a existência da tabela. O domínio de cada atributo desta tabela é tal que contenha todos os dados armazenados para cada esquema. Uma função de visualização V(t1) mapeia Rt1 a um subconjunto dos atributos no esquema St1, ativo no momento t1. A função V’(t2) mapeia de St2 para R. Deste modo, os dados armazenados em t1 podem ser mapeados para o formato especificado em t2 através de função V(V’(t1), t2). O exemplo a seguir, apresentado em [Snodgrass 95], ilustra como é feita a evolução de esquemas neste modelo.

Consideremos a seguinte história estrutural da tabela Empregado: 01/01/93 – tabela Empregado: Id NUM(6), Nome CHAR(30), Salario NUM(5,2) 01/02/93 – acréscimo dos seguintes atributos: Sexo CHAR(1), Estadocivil CHAR(1) 01/03/93 – removido o atributo Estadocivil 01/04/93 – o atributo Salario é redefinido: Salario NUM(5) 02/04/93 – o atributo é novamente redefinido como: Salario NUM(5,2)

Após feitas todas estas modificações, o esquema completo para esta tabela é o seguinte:

Id NUM(6),

Name CHAR(30), Estadocivil CHAR(1), Salario NUM(5,2).

As funções V e V’ estão disponíveis em todos os pontos de tempo, para converter do esquema armazenado para o esquema completo R, e depois do esquema R para o esquema que deve ser considerado na consulta.

6.6 Exemplo de Evolução de Esquemas em um Modelo Temporal Orientado a Objetos

Considerando um modelo temporal orientado a objetos, a história de um objeto pode ser representada pela seqüência de valores assumidos por seus atributos durante sua existência. Na extensão de um banco de dados temporal são armazenados: (1) valores de propriedades estáticas, que não apresentam rótulos temporais, uma vez que são sempre válidas, e (2) valores de propriedades dinâmicas, rotuladas com os tempos de transação e/ou de validade.

Neste exemplo consideramos que as versões do esquema são armazenadas em um meta-banco de dados de tempo de validade - uma nova versão do esquema será, portanto, produto de um conjunto de alterações e lementares na versão anterior do esquema. Ao ser alcançado o tempo de início de validade de uma nova versão do esquema, esta deve ser validada, sendo verificado se está de acordo com as invariantes do modelo. No caso da versão ser válida, a extensão do banco de dados deve ser adaptada a ela.

6.6.1 As Invariantes de um Modelo Temporal Orientado a Objetos Um modelo temporal orientado a objetos genérico apresenta, pelo menos, as seguintes invariantes: • unicidade de nomes:

♦ as classes devem apresentar nomes únicos; ♦ em uma classe, nomes de propriedades e de mensagens

(representando os métodos) devem ser únicos; • para toda propriedade deve ser definido um domínio; • todos os nomes de classes e propriedades utilizados em condições (pré

e pós- condições e regras de integridade ) devem estar definidos; • toda superclasse referenciada em uma subclasse deve estar definida; • todas as classes componentes de uma classe agregada devem estar

definidas.

6.6.2 A Evolução do Esquema Existem modificações elementares que não podem ocorrer sozinhas - modificações complementares são necessárias para garantir a corretude do

esquema. Este é o motivo pelo qual foi escolhido um meta-banco de dados de validade para armazenar o esquema.

As modificações elementares que podem ser efetuadas no modelo aqui utilizado são as seguintes: • criação de uma nova classe, destruição de uma classe existente,

renomeação de uma classe; • criação de uma nova propriedade, destruição de uma propriedade,

renomeação de uma propriedade, modificação do domínio de uma propriedade, alteração do tipo (estático - dinâmico) de uma propriedade;

• alterações de interfaces de comunicação entre classes - criação de uma nova mensagem (método), remoção ou renomeação de uma mensagem existente, modificação nos parâmetros de uma mensagem. Nas figuras 6.5 e 6.6 é apresentado um exemplo de evolução de um

esquema (2 versões), utilizando um DDL genérica. Na primeira versão (figura 6.5) é definida apenas uma classe de empregados de uma empresa (Employee), que apresenta duas propriedades - uma propriedade considerada inicialmente como estática, o nome do empregado (name) e uma propriedade dinâmica para representar seu salário (salary). Na segunda versão deste esquema (figura 6.6) o tipo da propriedade que representa o nome foi trocado para dinâmica pois foi constatado que o nome de uma pessoa pode mudar (casamento, separação). Além disso, na segunda versão foi acrescentada outra classe para modelar os departamentos da empresa (Department), apresentando as propriedades dinâmicas nome do departamento (dept_name) e o gerente do departamento (dept_manager). O gerente do departamento é um empregado, sendo representado por uma instância desta classe. Na classe dos empregados foi, ainda, acrescentada um propriedade dinâmica para indicar qual o departamento em que este empregado está trabalhando (dept).

(Class Employee static properties = {(name, string)} dynamic properties = {(salary, real)} messages = { reg(Name: string, Salary: real) from Outer_World, new_sal (Salary: real) from Outer_World, end_employment from Outer_World } )

Figura 6.5: Primeira versão do esquema

Figura 6.6: Segunda versão do esquema

6.6.3 Adaptação da Extensão do Banco de Dados como Conseqüência da Evolução do Esquema

As seguintes adaptações são necessárias na extensão do banco de dados temporal que implementa um modelo orientado a objetos: • criação de uma nova classe – não implica em adaptação da extensão; • remoção de uma classe existente – terminar a validade de todas as

propriedades dos objetos desta classe e fechar o intervalo de existência dos objetos desta classe;

• renomeação de uma classe – como os objetos da extensão são identificados pelos seus identificadores próprios (oId), não será necessária nenhuma adaptação da extensão. Deverá, entretanto, existir uma forma de identificar os nomes das duas classes como correspondendo à mesma classe (por ex., um dicionário de sinônimos);

• definição de nova propriedade estática – a definição desta propriedade deve ser feita na extensão para todas as instâncias desta classe, com o valor inicial null;

• definição de nova propriedade dinâmica – não implica em adaptação, uma vez que valores para esta propriedade somente serão definidos a partir deste momento;

• remoção de uma propriedade estática – não implica em adaptação, uma vez que não será definido nenhum valor para esta propriedade segundo o novo esquema;

• remoção de uma propriedade dinâmica – terminar a validade dos valores definidos para esta propriedade;

(Class Employee dynamic properties = { (name, string), (salary, real), (dept, DEPARTMENT)} messages = { reg(Name: string, Salary: real, Dept: DEPARTMENT) from Outer_World, new_sal(Salary: real) from Outer_World, new_dept(Dept: DEPARTMENT) from Outer_World, end_employment from Outer_World } ) (Class Department dynamic properties = {(dept_name, string), dept_manager, EMPLOYEE)} messages = { dept_name(Name: string) from Outer_World, new_mgr(Mgr: EMPLOYEE) from Outer_World, dismiss_mgr from Outer_World } )

• renomeação de uma propriedade – neste caso também deverá ser introduzida a correspondência entre os dois nomes em um dicionário de sinônimos;

• alteração no tipo (domínio) de uma propriedade – adaptações devem ser feitas em todos os valores armazenados para esta propriedade, para adaptá-los ao novo domínio. Os valores válidos de propriedades dinâmicas devem ter sua validade encerrada quando terminar a validade do esquema anterior. Se o valor que a propriedade apresentar puder ser adaptado ao novo tipo (ex., inteiro para real), deverá ser feita esta adaptação e o valor adaptado tem seu início de validade coincidente com o início da validade do novo esquema. Se, no entanto, isto não for possível (ex., inteiro para string), um novo valor deverá ser definido pelo usuário, juntamente com o início de sua validade. A mesma adaptação de tipos de valores deve ser feita para as propriedades estáticas;

• modificação de propriedade estática para dinâmica – todas as instâncias da classe deverão receber a definição desta propriedade com o novo tipo, com o valor que a propriedade estática apresentava e com o tempo de validade igual ao do início da validade da nova versão do esquema;

• quando uma propriedade dinâmica tem seu tipo alterado para estático é necessária a definição da propriedade estática para todas as instâncias da classe, com o último valor válido da propriedade dinâmica;

• alterações em mensagens – não se refletem na extensão da base de dados.

7 Implementação de Bancos de Dados Temporais Embora as pesquisas em BD temporais se estendam já por mais de 20 anos, poucos sistemas realmente utilizáveis existem. Existem, sim, várias experiências sob forma de protótipos, nos quais se baseiam estudos de problemas encontrados (de armazenamento e recuperação de informações), e mapeamentos de modelos temporais para BD tradicionais, nos quais os rótulos temporais são explicitamente representados e manipulados.

Como exemplos de implementações de BD Temporais, podemos citar o Temporal ODBMS TIGUCAT [Özsu 95], em desenvolvimento na Universidade de Alberta, no Canadá; o BD Postgres, que apresenta suporte ao tempo de transação.

A implementação do conceito de tempo pode ser realizada de três formas de acordo com o grau de integração crescente do conceito de tempo no SGBD. Estas categorias são [Edelweiss 94]: • a manipulação dos dados temporais é realizada explicitamente pelo

usuário. O SGBD só pode armazenar dados dos tipos tradicionais como

inteiros, strings, reais etc. Toda a semântica associada ao tempo está contida na lógica dos programas de aplicação. Neste nível o usuário deve conhecer a semântica associada ao tempo e assegurar a validade das operações sobre os dados temporais;

• a manipulação dos dados temporais é realizada por meio de ações associadas a propriedades definidas como temporais. Isto corresponde a extensões semânticas de tipos de dados normais. Esta solução pode ser aplicada em SGBDs extensíveis pela definição de ações semânticas associadas a tipos de dados temporais. Neste caso todas as aplicações compartilham o código associado aos novos tipos de dados. A grande fraqueza é o isolamento entre as operações e o esquema conceitual. É impossível representar as propriedades temporais no esquema conceitual pois a semântica temporal é definida por modificações na manipulação de dados tradicionais (reais, string). Uma solução deste tipo é apresentada como uma extensão do SGBD INGRES [Overmeyer 82];

• as propriedades temporais são tratadas por uma extensão do modelo de dados e da linguagem de manipulação. Neste caso a semântica temporal se torna estrutural, isto é, ela pertence ao modelo de dados e, portanto, não pode ser alterada pelas aplicações. A definição de um esquema conceitual inclui as propriedades temporais. O principal inconveniente consiste na necessidade de ser desenvolvida uma nova versão do SGBD incluindo as extensões.

7.1 Aspectos Fundamentais na Implementação de BD Temporal O conceito de BD Temporais supõe que o conceito de tempo seja implícito, como no caso da terceira categoria acima apresentada. Segundo [Tansel 93], acrescentar suporte temporal a um SGBD ocasiona um impacto importante sobre todos os seus componentes. A arquitetura simplificada de um SGBD convencional é apresentada na figura 7.1. O administrador do BD (DBA) e sua equipe projetam o BD, gerando o esquema conceitual físico. Este esquema, expresso em uma linguagem de definição de dados (DDL), é processado pelo compilador desta linguagem e armazenado no catálogo do sistema. Os usuários, por sua vez, preparam suas consultas, e as submetem ao processador de consultas. Cada consulta é, inicialmente, analisada léxica e sintaticamente, com base nas informações que constam do catálogo do sistema, sendo depois otimizada, para que sua execução seja eficiente. Um plano de avaliação da consulta é enviado ao avaliador da consulta. Enquanto a consulta está sendo avaliada, este componente acessa o BD através do gerenciador de dados armazenados, o qual implementa controle de concorrência, gerenciamento de transações, recovery, buffering e métodos de acesso a dados.

DBA

DDL

Compilador DDL

Catálogo do Sistema

Usuários

Consultas

Processador de Consultas

Avaliador daConsulta

Gerenciador de DadosCompartilhados

BD Temporal

Figura 7.1 – Arquitetura simplificada de um SGBD tradicional [Tansel 93]

O acréscimo de informações temporais implícitas ao BD influencia cada uma das partes do SGBD, que devem ser adaptadas para permitir consultas eficientes. A seguir, vamos analisar superficialmente alguns aspectos influenciadas pelo acréscimo de tempo ao BD (detalhes podem ser encontrados em [Tansel 93]. (1) DDL – as linguagens de consulta também são utilizadas para definição

de dados (por ex., CREATE TABLE do SQL) e para atualização de dados (por ex., INSERT, DELET e UPDATE do SQL). Para manipular informações temporais, estas linguagens de consulta devem permitir a definição de domínios temporais e oferecer suporte a tempo de transação e/ou validade.

(2) Catálogo do Sistema – vai depender do tipo de BD temporal utilizado. Geralmente é feito suporte somente a esquemas de tempo de transação.

(3) Otimização de Consultas – a otimização de consultas temporais é bem mais complicada do que no caso de consultas convencionais. O primeiro problema para a otimização é o grande número de dados envolvidos. O tempo despendido na consulta pode ser muito elevado dependendo do volume de dados, justificando que seja despendido um tempo maior na otimização da consulta. Um segundo problema para a otimização são os predicados envolvidos em consultas temporais, que são mais difíceis de serem otimizados, gerando cada um diversos predicados de consultas tradicionais (por exemplo, o operador

OVERLAP é traduzido por dois predicados aplicados sobre os rótulos temporais). Por outro lado, existe maior possibilidade de otimizar uma consulta quando envolve tempo – como o tempo está sempre avançando, em uma só direção, o ponto no tempo mais recente é o maior valor do seu domínio. Esta ordenação natural pode auxiliar na otimização da consulta – por exemplo, no caso de dados relativos a salários com rótulos temporais de intervalos de validade, onde termina a validade de um salário inicia imediatamente a validade de outro valor. A otimização semântica de consultas pode utilizar as restrições de integridade definidas para a aplicação (como no caso do salário), além de condições adicionais. A otimização de consultas pode ser local (de uma só consulta) e/ou global (de diversas consultas simultaneamente), sempre envolvendo a geração de um plano de otimização, o qual consiste de uma expressão algébrica associada a métodos de acesso.

(4) Avaliação de Consultas – várias técnicas foram analisadas para melhor a eficiência da avaliação de consultas. Entre elas podemos citar: (i) a proposta de separar os dados históricos dos atuais (técnica denominada de particionamento temporal). Como um grande número de consultas se refere a dados atuais, e como estes geralmente são estáveis, a separação tem apresentado bons resultados; (ii) para proporcionar avaliação eficiente das consultas diversos novos métodos de indexação temporal têm sido propostos para BD temporais, procurando evitar que um número muito elevado de dados seja analisado para a consulta; e (iii) por serem uma das operações mais comuns e ao mesmo tempo mais dispendiosas na avaliação de consultas, os joins têm sido muito analisados, sendo desenvolvidos vários algoritmos novos para esta operação.

(5) Gerenciador dos Dados Armazenados – com relação aos dados armazenados, três aspectos importantes devem ser analisados: as estruturas de armazenamento (incluindo layout de página), o controle de concorrência, e a recuperação (recovery). ♦ Estruturas de armazenamento - várias estruturas de

armazenamento têm sido propostas, incluindo encadeamento reverso (todas as versões históricas de uma determinada chave são encadeadas em ordem reversa), listas de acesso (um bloco de valores temporais e de identificadores de tuplas associadas entre o armazenamento corrente e o histórico), clustering (armazenar versões históricas em conjunto, em um conjunto de blocos), stacking (armazenando um conjunto fixo de versões históricas) e encadeamento celular (encadeando blocos de versões históricas “clusterizadas”).

♦ Controle de concorrência – diversos pesquisadores têm analisado a possibilidade de adaptar técnicas existentes de controle de concorrência e de gerência de transações para apresentar suporte ao tempo de transação. Também tem sido analisada a forma de rotular com tempo conjuntos distribuídos, e como fazer a integração de índices temporais com o controle de concorrência.

♦ Recovery – BD de tempo de transação podem ser facilmente utilizados para recuperação, em caso de falhas, uma vez que todos os estados passados estão disponíveis. Mesmo que parte dos dados atuais seja perdida devido à falha, um estado passado pode ser reconstruído.

7.2 Implementações sobre Bancos de Dados Comerciais Tradicionais A utilização de um modelo de dados temporal no nível de modelagem, com grande poder de expressão, não implica que seja necessária a existência de um banco de dados correspondente a este modelo. Podem ser utilizados BD comerciais, com todas as características de robustez que apresentam, desde que seja possível mapear adequadamente o modelo temporal para o modelo do BD utilizado. Além disso, é interessante que o modelo de consulta do modelo temporal seja também mapeado para a linguagem de consulta do BD utilizado, de modo a tornar a implementação totalmente transparente ao usuário.

Diversos trabalhos têm sido realizadas mapeando modelos ricos em expressividade para bancos de dados comerciais, inclusive apresentando outras formas de representação conceitual [Oliveira 95].

Por exemplo, uma forma genérica de mapear um modelo temporal OO para o modelo relacional tradicional é descrita a seguir. Para cada classe é criada uma tabela, onde são armazenados o identificador do objeto (OId) e suas propriedades estáticas (que não apresentam variação com o tempo). Para cada propriedade dinâmica deve ser criada uma tabela especial, que traz todos os valores da propriedade com as informações temporais associadas (tempo de transação e/ou validade, pontos no tempo ou intervalos). As tabelas são unidas pelo valor do OId. A cada novo valor de uma propriedade dinâmica, uma nova tupla é inserida nesta tabela. Nota-se, portanto, que em lugar de uma tabela a implementação deve trabalhar com diversas tabelas, representando explicitamente todos os valores temporais na forma de atributos.

8 Modelagem de Aplicações através de Modelos Temporais

Informações temporais, tais como valores temporais, restrições temporais e características de evolução temporal, estão presentes em grande número

de aplicações do mundo real. Modelos de dados temporais podem ser utilizados para modelar (especificar) estas aplicações. Isto porque, ao construir a especificação de um sistema de informação, não só a estrutura dos dados manipulados deve ser definida, mas também sua dinâmica - seu comportamento com a passagem do tempo. A representação dos aspectos temporais na especificação de um sistema de informação é importante por mais de um motivo: (i) o sistema pode apresentar informações temporais a serem introduzidas no banco de dados que o representa, sob forma de informação propriamente dita; (ii) processos a serem executados podem apresentar interações temporais, interações estas que devem também ser representadas; (iii) determinadas tarefas podem apresentar pré-condições à sua execução, as quais podem ser representadas através de restrições temporais; e (iv) condições de integridade temporal do banco de dados podem ser necessárias.

A modelagem de aspectos temporais é um importante tópico da modelagem de sistemas de informação. Através destes aspectos são representadas as características dinâmicas das aplicações e a interação temporal entre diferentes processos. A possibilidade de armazenar, manipular e recuperar dados temporais deve ser considerada quando da escolha de um método de modelagem.

Diversas aplicações nas quais as informações temporais são fundamentais, podem ser identificadas. Entre elas podemos citar: (1) registros de informações acadêmicas, nas quais devem ser

armazenados todos os conceitos obtidos pelos alunos nos respectivos semestres;

(2) em diversas áreas de empresas, tais como contabilidade (datas de contas a pagar e receber, pagamentos efetuados e recebidos, fluxo de caixa), orçamento (previsão do orçamento futuro em função das despesas passadas e dos prováveis despesas e de prováveis recebimentos, tomadas de decisão (ba seadas em informações históricas), controle de estoques e em processos de importação / exportação;

(3) aplicações financeiras, como no mercado de ações, aplicações bancárias;

(4) companhias seguradoras, no planejamento de planos a serem oferecidos e onde os valores das apólices geralmente são baseados nas informações passadas dos clientes;

(5) sistemas de reservas (de companhias aéreas, de hotéis, de trens); (6) Sistemas de Informação Geográficos, para a representação da

evolução das áreas representadas e para o planejamento de obras futuras;

(7) área médica, onde o registro das informações históricas de pacientes é fundamental;

(8) bancos de dados multimídia, onde evolução da apresentação é fundamental;

(9) modelagem de workflow (fluxo de trabalho), onde o modelo a ser construído deve representar não somente os aspectos estáticos da aplicação, mas também seus aspectos dinâmicos e sua possível evolução.

A seguir serão analisadas um pouco mais a fundo as últimas áreas acima apresentadas.

8.1 Sistemas de Informação Geográficos Sistemas de Informação Geográficos (SIGs) são sistemas automatizados usados para armazenar, analisar, manipular e visualizar dados geográficos, ou seja, dados que representam objetos e fenômenos em que a localização geográfica é uma característica inerente à informação e indispensável para analisá-la [Câmara 96]. Caracterizam-se por integrar, em uma única base de dados, dados espaciais, descritivos (convencionais) e temporais. Os seguintes aspectos caracterizam um dado geográfico (georrefenciado) [Lisboa 97]: • a descrição da entidade geográfica que cada dado representa; • a localização geográfica da entidade que o dado representa; • o relacionamento entre a entidade geográfica com outras entidades

representadas no sistema; e • o momento ou intervalo de tempo em que a entidade geográfica existe

ou é válida. Um dos aspectos fundamentais para a representação de dados geográficos é, portanto, a possibilidade de representação de aspectos temporais associados aos dados. O tempo é um conceito essencial para a compreensão e a modelagem de fenômenos espaciais em diversas aplicações, tais como: ciências biofísicas, pesquisa epidemiológica, ciências políticas, econômicas e sociais, e várias aplicações de tempo real para gerenciamento e planejamento [Faria 98]. A utilização, em SIGs, de um modelo espaço-temporal aumenta a sua capacidade de análise, possibilitando o estudo da evolução dos fenômenos geográficos [Garaffa 98]. Exemplos de evolução de entidades geográficas são (i) o surgimento de novas entidades geográficas, como no caso em que uma propriedade agrícola é dividida em duas, (ii) a mutação em entidades, como no caso de alteração de limites de uma propriedade, (iii) a fusão de entidades, como no caso de uma propriedade ser englobada em uma outra que lhe era vizinha, e (iv) o desaparecimento de uma entidade, que pode ocorrer quando uma árvore é cortada.

A variação temporal das entidades geográficas pode ocorrer de forma contínua, como no caso da alteração do perfil do solo em razão de erosão,

ou discreta, como no exemplo anterior de alteração de limites de propriedades. Para que toda a história de uma região seja conhecida é necessário que a evolução da entidades desta região seja registrada, possibilitando a recuperação de situações passadas.

As consultas a SIGs podem envolver tanto o estado de um fenômeno quanto a sua distribuição espacial e temporal. Os sistemas gerenciadores de SIGs devem responder consultas que devolvam valores de atributos, localizações e períodos temporais. Deve, ainda, permitir relacionamentos espaciais entre entidades (por ex., proximidade, vizinhança), simulação e comparação de cenários alternativos baseados na combinação de camadas de dados, e previsões para o futuro através de análise de tendências.

8.1.1 Modelos temporais para SIGs Nas aplicações de SIGs atuais a representação de aspectos temporais não têm sido levada em consideração. A maior parte dos sistemas existentes não considera tempo ou, no máximo, associa alguma informação temporal a alguns atributos, sob forma de datas. Não existem mecanismos para a manipulação de versões antigas dos dados geográficos. Entretanto, a identificação da necessidade de representação de aspectos temporais em aplicações de SIGs têm originado diversas pesquisas de implementação de SIGs temporais, procurando representar os requisitos temporais específicos desta área, além de definir operações de recuperação de informações temporais, e de manipulação de versões. Em alguns modelos para SIGs já aparece alguma representação temporal: • o modelo GeoOOA [Kosters 97] diferencia classes temporais de não-

temporais. Classes temporais armazenam as informações temporais relativas à evolução do objeto como um todo (tempo de criação e de término de sua existência) em um atributo especial;

• projeto “TEMPEST” [Peuquet 95] da Universidade de Pensylvania, USA; • na modelagem do estudo de caso apresentado em [Garaffa 98],

integrado no programa Pró-Guaíba da Secretaria de Coordenação e Planejamento do Estado do Rio Grande do Sul, foi incluída alguma representação temporal. Na modelagem foi utilizado um modelo orientado a objetos, proposto em [Lisboa 96], sendo este estendido com alguns aspectos temporais. A temporização é feita à nível de propriedades, através da utilização de domínios temporais. São identificadas as classes que apresentam atributos cujos valore s devem ser armazenados;

• alguns trabalhos acadêmicas estão em desenvolvimento, como por exemplo, a implementação de um banco de dados espaço-temporal para aplicações de SIGs, usando o SGBDOO O2 [Faria 98].

8.2 Aplicações Médicas O registro do histórico de paci entes é fundamental para os diagnósticos. Nestes registros geralmente constam informações relativas a medicamentos utilizados (quando e durante quanto tempo), seus efeitos, sintomas apresentados e diagnósticos efetuados (quando), duração de enfermidades e resultados de exames realizados (quando). A análise destas informações pode ser utilizada para diversas finalidades: • pelo médico pessoal do paciente, como apoio a novos diagnósticos; • pelo sistema de saúde, para análises epidemiológicas, procurando em

um conjunto significativo de pacientes encontrar os mesmos sintomas e os mesmos diagnósticos em determinados períodos;

• por pesquisadores, analisando também conjuntos de registros de pacientes, procurando verificar, por exemplo, quais os medicamentos mais eficazes para um determinado diagnóstico, em relação ao tempo de cura. Os projetistas de sistemas de informação médica perceberam, há longo

tempo, a necessidade de armazenar e manipular as informações relacionadas com o tempo. Um dos primeiros sistemas a atender esta necessidade foi Time Oriented Database: TOD desenvolvido por Wiederhold e outros em Stanford [Wiederhold 75, Edelweiss 94]. No sistema TOD as informações clínicas relativas a consultas são organizadas de forma cronológica, sendo preenchido um formulário para cada visita realizada pelo paciente.

8.3 Bancos de Dados Multimídia Os objetos constituintes de Bancos de Dados Multimídia apresentam claramente um dimensão temporal, que se refere à ordem de apresentação dos objetos. Isto pode ser observado em situações como as que seguem: • o objeto X deve ser apresentado antes do objeto Y; • o objeto X deve ser apresentado simultaneamente ao objeto Y – por ex.,

apresentação de uma imagem e de voz ao mesmo tempo; Como pode ser observado nos exemplos acima, nestes tipos de aplicação o tempo é relativo, não absoluto. Além disso, muitas vezes temos um relacionamento forte entre o tempo e o espaço a ser utilizado pelo objeto em sua apresentação. Exemplo: “Encontre todas as seqüências de vídeos nas quais um automóvel, após virar à esquerda, vira para a direita”. Neste exemplo, existe uma combinação de inferência espacial (fazer curva) e temporal (primeiro à esquerda, depois à direita). A utilização de linguagens temporais de manipulação e de consulta neste tipo de aplicações, permite: • fazer consultas temporais a estes bancos de dados; • construir apresentações multimídia.

Bancos de dados de áudio e de vídeo são um exemplo claro da necessidade de representar aspectos temporais neste tipo de aplicações [Hjelsvold 95]. Um banco de dados de vídeo pode ser visto como uma coleção de conjuntos parcialmente ordenados, na qual existem relacionamentos temporais entre os elementos de uma mesma seqüência de imagens e de sons.

8.4 Modelagem de Workflow Um workflow (fluxo de trabalho) é geralmente definido como uma seqüência de tarefas (processos) a serem executados por sistemas automatizados ou por pessoas, com o objetivo de realizar um processo de negócio [Georgakoupoulos 95, Joosten 94]. Workflows estão sendo utilizados em diversas áreas de negócios, tais como aplicações bancárias, médicas e de comércio eletrônico. Um dos maiores problemas detectados na gerência de workflow é o controle dos problemas decorrentes da coordenação das atividades. Mesmo nos processos administrativos mais comuns não é possível controlar todas as atividades envolvidas – além da complexidade natural dos processos desenvolvidos, existe um grande volume de informações manipuladas por diversas pessoas. A necessidade de desenvolver sistemas que gerenciem o workflow com efici ência levou ao desenvolvimento de técnicas de modelagem específicas para estas aplicações. A representação de todos os processos que compõem uma aplicação, através de um modelo, tem por objetivo permitir o entendimento do conjunto de processos e da seqüência de sua execução. Desta análise pode resultar uma eventual reengenharia dos processos envolvidos, com o objetivo de sanar erros detectados e de obter uma melhor distribuição do trabalho. O modelo obtido servirá como base, mais tarde, para o processo de gerência deste workflow.

No modelo de um workflow deverão ser representados, além dos processos, das atividades de que os processos são compostos, dos agentes responsáveis por cada atividade, as restrições temporais à execução de cada uma das atividades. Estas restrições temporais é que definem a seqüência válida de atividades serem executadas, e o seu sincronismo entre atividades. A possibilidade de representar informações temporais em um modelo de workflow é de fundamental importância, para possibilitar a representação deste sincronismo. Diferentes técnicas têm sido propostas para modelagem de workflow. Não se tratam, entretanto, de modelos temporais – os aspectos de tempo necessários à representação do sincronismo entre atividades devem ser definidos explicitamente. Em [Nicolao 98] existe uma proposta de utilização do modelo temporal TF-ORM neste tipo de modelagem. O sincronismo entre as atividades (papéis de classes processo) é representado através das regras de transição de estado, condicionadas pelas condições expressas em lógica temporal.

9 Conclusões Analisando as pesquisas realizadas na área de BD temporais, os estágios a seguir podem ser identificados [Jensen 97]: (1) desenvolvimento de conceitos – 1956 a 1985

♦ análise dos diferentes tipos de tempo (transação e validade) ♦ desenvolvimento de modelos conceituais temporais

(2) linguagens de consulta temporais – 1978 a 1994 ♦ Relacional – 1978 a 1990 ♦ OO – 1990 a 1994

(3) implementação – 1988 em diante ♦ estruturas de armazenamento ♦ algoritmos de operação ♦ indexação temporal

(4) consolidação – 1993 em diante ♦ terminologia [Jensen 94] ♦ TSQL2, SQL/Temporal no SQL3 Existe, ainda, muito a ser feito nesta área. Principalmente na parte de

implementação de BD temporais, e nas pesquisas em áreas que necessitam dos conceitos de tempo, tais como SIGs, Data Warehousing, Sistemas de Suporte à Decisão, mineração de dados, etc.

Neste texto procuramos trazer os principais conceitos envolvidos na área de Bancos de Dados Temporais, desde os conceitos teóricos, nomenclatura empregada, possibilidade de evolução dos esquemas e como pode ser tratada, até chegar a formas de implementação, e analisar algumas aplicações que podem ser beneficiadas deste tipo de armazenamento de dados. É um texto básico, podendo mais detalhes ser encontrados nas referências bibliográficas indicadas.

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