Objetos móveis: modelagem e consulta

1. Objetos móveis: modelagem e consulta Cássio Leonardo Rodrigues Raul Fernandes Herbster

2. Roteiro • Motivação • Contextualização • Problemática • Objetos Móveis • Abordagem de Modelagem • Avaliação de Consultas • Comentários Finais

3. Motivação • Aplicações que manipulam objetos cujas características espaciais se modificam com o passar do tempo • Aplicações SIG envolvendo tempo • Aplicações de tempo real para monitoração de veículos • Aplicações de realidade virtual

4. Contextualização • A cidade Lyon pretende oferecer um novo serviço de transporte público • Em cada terminal de ônibus, o usuário pode consultar informações a respeito dos ônibus que circulam

5. Contextualização • Jean quer saber quais os ônibus que estarão dentre 5 min naquele terminal

6. Contextualização • Marie quer saber quais os ônibus estão a um raio de 5 km de distância daquele terminal

7. Contextualização • Mais exemplos • Quais aviões passaram pelo território aéreo da Venezuela na última semana? • Quais os satélites mais próximos à rota da nave espacial nas próximas 4 horas? • Quão rápido a Floresta Atlântica está sendo desmatada? • Rotas de migração de aves e baleias

8. Problemática Definir modelos para armazenamento e consulta de objetos móveis

9. Objetivos • Discutir abordagens para modelar objetos móveis • Analisar consultas a objetos móveis

10. Objetos Móveis • São objetos que se movem no espaço ao longo do tempo • Posição e/ou extensão • Exemplos • Trajetórias de transportes públicos • Evolução da área atingida por um câncer em um paciente

11. Abordagem de Modelagem • Criação de tipos e operações entre os tipos • Associar uma álgebra aos tipos e operações criadas • Modelo Abstrato • Modelo Discreto

12. Criação de Tipos • Tipos básicos • point – descreve um ponto no plano 2D • region – descreve uma região no plano 2D • time – descreve dimensões de tempo válidas • Tipos estendidos • mpointtime point • mregiontime region

13. Criação de Tipos mpoint mregion

14. Operações attime mpoint ×time  point minvalue,maxvalue mpoint  point start,stop mpoint  time duration mpoint  real const point  mpoint

15. Operações mdistance mpoint  mpoint  mreal visits mpoint  mregion  mpoint trajectory mpoint  line inside point  region  bool length line  real

16. Modelo Abstrato • Para os seguintes tipos e operações tipospoint,time,real,mpoint,mreal operações attimempoint× time  point mdistancempoint× mpoint mreal

17. Modelo Abstrato • Para os tipos

18. Modelo Abstrato • Para as operações • Sejam r, s valores do tipo mpoint e t tempo

19. Modelo Abstrato

20. Modelo Discreto • Modelos abstratos não podem ser implementados • São necessárias representações finitas • Modelos discretos são aproximações • Descrições finitas de conjuntos infinitos • Há dificuldades de mapear modelos abstratos em modelos discretos • Tipos de dados, operações

21. Modelo Discreto • Para os seguintes tipos e operações tipospoint,time,real,mpoint operações attimempoint× time  point

22. Modelo Discreto • Para os tipos

23. Modelo Discreto • Para as operações

24. Consultas flights(id:string,from:string,to:string,route:mpoint) “Quais os destinos distantes em no máximo 3 horas de Fortaleza?” SELECT id FROM flights WHERE from = “FOR” AND duration(route) <= 3.0

25. Consultas flights(id:string,from:string,to:string,route:mpoint) weather(kind:string,area:mregion) “Quais são os vôos que passaram através de uma tempestade tropical?” SELECT id FROM flights, weather WHERE kind = “snow storm” AND duration(visits(route,area)) > 0

26. Avaliação de Consultas • Exemplo da frota de táxis • Qual o táxi mais próximo de um endereço específico? • Nós próximos 15 minutos, quais táxis estarão pelo menos 3 km próximos de um endereço de um cliente? • Quantos táxis viajaram mais de 5 km até chegar ao endereço de um cliente

27. Avaliação de Consultas • Objetivos • Definição de um conjunto conciso de tipos de dados para objetos móveis • Definir um esquema de avaliação de consulta a objetos móveis • 1 e 2 devem se basear soluções industriais prontas (off-the-shelf)

28. Idéia básica

29. Representação de um ponto móvel

30. Representação de um ponto móvel

31. Modelo de dados • A trajetória é uma relação em cada elemento tem os seguintes atributos • (sequence#, (x, y), t, b) • Exemplo: (3, (50,75), 1000, true) • Em uma trajetória típica de 10 km de extensão, cada trecho tem cerca de 500 m

32. Modelo de dados • Definição do tipo trajetória CREATE TYPE trajectory AS OBJECT (SEQUENCE# integer, x integer, y integer, t real, b boolean); • Definição do tipo objeto móvel CREATE TYPE m_o AS OBJECT (id integer, T trajectory, color integer, driver person_id);

33. Predicados de consulta • Nos próximos 20 minutos, quais táxis estarão sempre pelo menos 5 minutos próximos de um endereço de um cliente, sem sair da sua trajetória original? • A consulta SQL equivalente é SELECT obj FROM M_O WHERE obj WITHIN cost minutes FROM R ALONG EXISTING PATH ALWAYS BETWEEN StartTime AND EndTime

34. Custo = 5 min StartTime = 40 min EndTime = 60 min R = (50,50)

35. Custo = 5 min StartTime = 40 min EndTime = 60 min R = (50,50)

36. Custo = 5 min StartTime = 40 min EndTime = 60 min R = (50,50)

37. Esquema de processamento da consulta • Processamento de consulta em duas fases: • Filtragem • Refinamento • Filtragem • Consulta SQL é mapeada para uma janela de consulta 3D, chamada Q • Trajetórias que intersectam Q são recuperadas e são armazenadas em um conjunto S

38. Q = (R,StartTime), (R,EndTime+Custo) Custo = 5 min StartTime = 40 min EndTime = 60 min R = (50,50)

39. R = (50,50)

40. Custo = 5 min StartTime = 40 min EndTime = 60 min

41. Esquema de processamento da consulta • Refinamento • Para cada trajetória T pertencente a S, vamos considerar a coordenada temporal em que T cruza o ponto R • e1 = tempo em que T intersecta R pela primeira vez • e2 = tempo em que T intersecta R pela segunda vez • ... e assim por diante

42. Esquema de processamento da consulta • Situação hipotética em que a consulta é satisfeita • Se e1 – StartTime > Cost • O objeto móvel está mais 5 min longe. Logo deve ser descartado e1 e2 e3 e4 ST ST + Cost ET ET + Cost e1 ST ST + Cost ET ET + Cost

43. Esquema de processamento da consulta • Se e1 – StartTime  Cost • Precisamos analisar e1 em relação ao tempo final ET. Se e1 > ET então a trajetória deve ser selecionada • Situação ocorre quando o custo é maior que o intervalo em que o predicado deve valer e1 ST ST + Cost ET ET + Cost e1 ST ET ST + Cost ET + Cost

44. Esquema de processamento da consulta • se ET > e1, temos que analisar a subtrajetória entre e1 e ET com relação a e2, e3 etc. • Esse processo é feito recursivamente, atribuindo-se e1 a StartTime • Se não existe nenhum e2, a trajetória deve ser eliminada de S • No final, as trajetórias que permanecem em S são a resposta da consulta e1 ST ST + Cost ET ET + Cost

45. Comentários Finais • Solução simples e poderosa • Permite tratamento de geometrias que se modificam ao longo do tempo • Modelagem e consulta • Tipos de dados espaço-temporal podem ser usados para estender qualquer SGBD • Banco de dados e mobilidade

46. Referências • Martin Erwig,  Ralf Hartmut Güting,  Markus Schneider and Michalis Vazirgiannis. “Spatio-Temporal Data Types:An Approach to Modeling and Querying Moving Objects in Databases”. GeoInformatica Vol. 3, No. 3, 1999. • Michalis Vazirgiannis  and Ouri Wolfson. “A Spatiotemporal Model and Language for Moving Objects on Road Networks”. C.S. Jensen et al. (Eds.): SSTD 2001, LNCS 2121, pp. 20-35, 2001