戚 湧，李千目

（南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

基于e交通學(xué)的交通大數(shù)據(jù)MetaData交換構(gòu)架

戚 湧，李千目

（南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

基于 e交通學(xué)的交通大數(shù)據(jù)系統(tǒng)是通過構(gòu)建由大型高性能計(jì)算機(jī)組成的集群系統(tǒng)來處理海量的交通數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及計(jì)算服務(wù)，不僅所需的環(huán)境十分嚴(yán)格，而且成本高、部署周期長(zhǎng)、維護(hù)困難；不僅如此，隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)復(fù)雜度的增加，以及計(jì)算強(qiáng)度的加大，通過增加Server數(shù)量來增加其處理對(duì)海量交通數(shù)據(jù)的能力會(huì)變的十分困難，甚至需要對(duì)集群的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)和部署，這不僅需要大量的人力成本和財(cái)力，而且造成了巨大的浪費(fèi)。MetaData交換及部署能力成為當(dāng)今大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能交通系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。面對(duì)海量交通數(shù)據(jù)，如何存儲(chǔ)、管理、處理和應(yīng)用MetaData是十分關(guān)鍵的問題。本文提出的交通大數(shù)據(jù)MetaData交換系統(tǒng)（Traffic Big Data Metadata Exchange System，TBMES）實(shí)現(xiàn)分布式交通信息交換與互訪。該構(gòu)架通過實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)與交通信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)接，讓交通信息傳遞具有連續(xù)性、真實(shí)性；宏觀交通數(shù)據(jù)和微觀交通數(shù)據(jù)無縫對(duì)接，既可分析路網(wǎng)交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)，又可評(píng)價(jià)重要道路節(jié)點(diǎn)的交通效率，全面掌握區(qū)域交通運(yùn)營(yíng)狀態(tài)；使得交通組織管理可視化、可量化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化；系統(tǒng)的輸出結(jié)果，可為決策者提供決策的理論支持，促進(jìn)交通決策科學(xué)化。

e交通學(xué)；交通大數(shù)據(jù)；MetaData

0 引言

汽車行業(yè)高速發(fā)展加快智慧城市的進(jìn)程，也帶來了交通事故與交通擁堵等嚴(yán)重的社會(huì)問題。日益嚴(yán)重的交通擁堵引起的環(huán)境污染、事故頻發(fā)和經(jīng)濟(jì)損失不可估量?；趀交通學(xué)的交通大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的出現(xiàn)與建設(shè)有助于改善或解決這些問題?；趀交通學(xué)的交通大數(shù)據(jù)系統(tǒng)是通過構(gòu)建由大型高性能計(jì)算機(jī)組成的集群系統(tǒng)來處理海量的交通數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及計(jì)算服務(wù)，不僅所需的環(huán)境十分嚴(yán)格，而且成本高、部署周期長(zhǎng)、維護(hù)困難；不僅如此，隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)復(fù)雜度的增加，以及計(jì)算強(qiáng)度的加大，通過增加Server數(shù)量來增加其處理對(duì)海量交通數(shù)據(jù)的能力會(huì)變的十分困難，甚至需要對(duì)集群的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)和部署，這不僅需要大量的人力成本和財(cái)力，而且造成了巨大的浪費(fèi)。MetaData交換及部署能力成為當(dāng)今大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能交通系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。面對(duì)海量交通數(shù)據(jù)，如何存儲(chǔ)、管理、處理和應(yīng)用MetaData是十分關(guān)鍵的問題。

交通大數(shù)據(jù)挖掘與分析系統(tǒng)建設(shè)過程需要采用MetaData進(jìn)行統(tǒng)一管理[1-3]。交通MetaData是對(duì)交通信息資源的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，是數(shù)據(jù)一致和資源共享的基礎(chǔ)，部署到片域（Block）和各個(gè)區(qū)域級(jí)（Area），搭建成為分布式的星型互訪網(wǎng)格。其布局拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 TBMES邏輯構(gòu)架Fig.1 TBMES logical framework

本文提出的交通大數(shù)據(jù) MetaData交換系統(tǒng)(Traffic Big Data Metadata Exchange System, TBMES)實(shí)現(xiàn)分布式交通信息交換與互訪。該構(gòu)架通過實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)與交通信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)多類型的 MetaData匯聚，讓交通信息傳遞具有連續(xù)性、真實(shí)性；宏觀交通數(shù)據(jù)和微觀交通數(shù)據(jù)無縫對(duì)接，提供標(biāo)準(zhǔn)接口支撐MetaData發(fā)布與搜索服務(wù)，既可分析路網(wǎng)交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)，又可評(píng)價(jià)重要道路節(jié)點(diǎn)的交通效率，全面掌握區(qū)域交通運(yùn)營(yíng)狀態(tài)；提供交通MetaData的 catalog service與同步管理使得交通組織管理可視化、可量化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化；系統(tǒng)的輸出結(jié)果和訪問接口功能，可為決策者提供決策的理論支持，促進(jìn)交通決策科學(xué)化。

1 TBMES構(gòu)架

TBMES構(gòu)架包含兩個(gè)子系統(tǒng)：MetaData匯聚與 catalog管理子系統(tǒng)（MD&IM）、MetaData同步子系統(tǒng)（MDS）。本系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

MD&IM主要提供MetaData Database的接口，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)成MetaData與 catalog管理的主要應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，是可部署于交通大數(shù)據(jù)互訪和分析處理平臺(tái)的軟件。MD&IM包括MetaData Network Gate、MetaData Server和MetaData Database等組件。MetaData Network Gate是支持TBMES的核心組件，提供Server代理、Server注冊(cè)管理、網(wǎng)格客戶管理等具體實(shí)現(xiàn)。MetaData Server主要承擔(dān)了MetaData（MetaData catalog）的發(fā)布，不同的MetaData Server通過申請(qǐng)和注冊(cè)，在 TBMES中融入本節(jié)點(diǎn)MetaData信息，同時(shí)還支持接受 WebServer對(duì)MetaData的指令，例如可以透明地訪問任一節(jié)點(diǎn)上的MetaData。按照MetaData統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各MetaData利用MetaData編輯器傳到MetaData Database中。

圖2 TBMES組成結(jié)構(gòu)Fig.2 TBMES composition structure

圖3 MD&IM構(gòu)架Fig.3 MD&IM Structure

MDS包含MetaData交換組件和MetaData Network Gate注冊(cè)管理組件。MDS主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)中心節(jié)點(diǎn)的MetaData交換的維護(hù)，主要為Block和各個(gè)區(qū)域級(jí)中心節(jié)點(diǎn)的MetaData系統(tǒng)之間的交換、實(shí)現(xiàn)MetaData的全網(wǎng)同步；同時(shí)MDS還負(fù)責(zé)各級(jí)中心MetaData Network Gate以及 catalog service的發(fā)現(xiàn)與注冊(cè)。其功能組件布局如圖4所示。

圖4 MDS組件組成Fig.4 Components of MDS

2 MD&IM子系統(tǒng)構(gòu)架

MD&IM 是系統(tǒng)提供互訪服務(wù)的基礎(chǔ)，主要完成互訪服務(wù)系統(tǒng)涉及的 MetaData匯聚、MetaData發(fā)布、MetaData交換以及MetaData使用，并對(duì)MetaData catalog進(jìn)行管理與維護(hù)。MD&IM由MetaData匯聚發(fā)布、MetaData的catalog管理與 catalog service、MetaData維護(hù)等組件組成，其在各級(jí)中心都部署有MetaData Database、MetaData匯聚發(fā)布、MetaData catalog管理與 catalog service以及MetaData維護(hù)等組件。

MetaData catalog管理具有兩級(jí)結(jié)構(gòu)。Block中心節(jié)點(diǎn)為互訪服務(wù)MetaData統(tǒng)一入口和管理中心，提供全網(wǎng)MetaData發(fā)布服務(wù)并管理各區(qū)域級(jí)節(jié)點(diǎn)；區(qū)域級(jí)分節(jié)點(diǎn)是本省交通MetaData集中管理者，不僅可以發(fā)布中心節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一的MetaData，也可以向本省用戶提供自有MetaData發(fā)布服務(wù)。本子系統(tǒng)將基于商用MetaData catalog管理軟件進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)其中的 MetaData管理、MetaData catalog管理和catalog service等功能進(jìn)行定制和擴(kuò)展，以符合交通MetaData標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2.1 MetaData匯聚發(fā)布

MetaData的匯聚發(fā)布組件負(fù)責(zé)規(guī)范化和格式化的生成MetaData文件。在Block和區(qū)域級(jí)中心的本地，MetaData匯聚和發(fā)布組件根據(jù)應(yīng)用 MetaData模板和預(yù)定義的匯聚規(guī)則，通過人工和自動(dòng)兩種方式生成本地應(yīng)用MetaData的MetaData文件，這些MetaData其中的描述部分從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的MetaData Database中取出，并且人工匯聚的部分必須經(jīng)過驗(yàn)證和審核來發(fā)布；本地MetaData Network Gate經(jīng)由本地 MetaData提供服務(wù)獲取本地的應(yīng)用MetaData文件，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換和整理存入本地MetaData Database，最后進(jìn)行 MetaData catalog發(fā)布。其主要流程圖如圖5所示。

圖5 MetaData匯聚發(fā)布組件流程圖Fig.5 Flow chart of MetaData assembly release component

該組件中的匯聚功能主要實(shí)現(xiàn)：a 可配置的用戶界面以適應(yīng)交通MetaData標(biāo)準(zhǔn)；b 支持MetaData標(biāo)準(zhǔn)自定義，以適應(yīng)不同部門不同領(lǐng)域的交通MetaData的匯聚；c MetaData文檔的檢查，支持DTD、XML、Schema等XML文檔驗(yàn)證機(jī)制；d 靈活的匯聚手段，支持MetaData的手工匯聚和自動(dòng)匯聚；e采用XML編碼格式，以適應(yīng)數(shù)據(jù)交換；f支持在線方式的MetaData維護(hù)。

該組件的發(fā)布功能主要發(fā)布形式有：a以 Web表單形式呈現(xiàn)給用戶的HTML頁面；b 經(jīng)過XSLT轉(zhuǎn)換成用戶界面友好的HTML頁面；c MetaData的原始 XML文檔；d 經(jīng)過剪輯的（分片段的）XML文本；e 可下載的XML文件等。

該組件構(gòu)架的優(yōu)點(diǎn)在于支持多類數(shù)據(jù)平臺(tái)與多種操作系統(tǒng)；支持對(duì)多MetaData Database的匯聚；支持MetaData的高效發(fā)布；支持對(duì)MetaData提取。

MetaData匯聚與發(fā)布組件主要分為以下三部分：MetaData編輯、MetaData文件的自動(dòng)生成以及MetaData catalog的發(fā)布：（1）MetaData編輯。由MetaData匯聚界面負(fù)責(zé)MetaData的人工匯聚。MetaData編輯器向用戶提供交通信息MetaData標(biāo)準(zhǔn)信息，并允許用戶根據(jù)MetaData標(biāo)準(zhǔn)增補(bǔ)MetaData記錄。MD&IM提供了靈活定制的模版，使得手工錄入的MetaData經(jīng)過驗(yàn)證審核后能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換為符合 XMI規(guī)范的XML文件并導(dǎo)入本地MetaData Database中；（2）MetaData文件的自動(dòng)生成。MetaData的自動(dòng)生成，即通過特定的接口規(guī)則和MetaData規(guī)范，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲取相關(guān)的信息來生成MetaData；（3）MetaData catalog發(fā)布。即，catalog service系統(tǒng)根據(jù) catalog service的要求，從交通信息資源MetaData Database中導(dǎo)出注冊(cè)成功的交通信息資源信息，生成資源Catalog List，并導(dǎo)入 catalog庫(kù)中。catalog發(fā)布的 catalog數(shù)據(jù)格式采用XML。

2.2 MetaData catalog管理與catalog service

MetaData的 catalog管理負(fù)責(zé)MetaData catalog的 Create、Updata、Delete等維護(hù)操作，生成 MetaData catalog tree，基于分類編目規(guī)則進(jìn)行各catalog項(xiàng)的著錄，給MetaData的管理和存取提供一個(gè)定義良好的 catalog結(jié)構(gòu)。

MetaData catalog service通過訪問 MetaData Database的 catalog tree來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航的功能，是數(shù)據(jù)互訪的基礎(chǔ)，連接著數(shù)據(jù)的提供者與使用者，提供標(biāo)準(zhǔn)的MetaData catalog檢索服務(wù)。

MetaData catalog管理與服務(wù)的流程如圖 6所示。

（1）catalog創(chuàng)建。在建立MetaData catalog庫(kù)之前，根據(jù)交通信息的分類體系（通過XML記錄），完整定義交通信息分類信息，以及每個(gè)分類所具有的特征。catalog service組件根據(jù)資源分類索引和catalog條目格式要求，自動(dòng)篩選MetaData Database中的記錄，把符合特征的 MetaData歸并到相應(yīng)的catalog中，形成MetaData catalog。

圖6 Metadata catalog service體系結(jié)構(gòu)Fig.6 Metadata catalog service architecture

（2）catalog更新。catalog service組件提供了維護(hù)catalog系統(tǒng)的功能，具體包括維護(hù) catalog結(jié)構(gòu)樹和 catalog條目信息。當(dāng)需要修改和更新資源條目信息時(shí)，catalog service支持后臺(tái)管理員操作。

（3）catalog刪除。為了維護(hù)系統(tǒng)的一致性，當(dāng)刪除某個(gè)MetaData時(shí)，在catalog tree中的相應(yīng)信息也被刪除。

（4）catalog檢索。MetaData全文查詢支持模糊檢索、區(qū)域檢索、組合檢索、相關(guān)短語檢索。并為用戶提供數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)產(chǎn)品的檢索入口。

（5）MetaData訪問接口。實(shí)現(xiàn)對(duì) MetaData catalog管理和 catalog service提供標(biāo)準(zhǔn)的訪問接口。本組件也將基于商用MetaData catalog管理軟件進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)其提供的 catalog管理和 catalog訪問接口進(jìn)行再次封裝，滿足交通MetaData catalog管理和訪問的需求。

2.3 MetaData的維護(hù)

（1）MetaData的導(dǎo)入導(dǎo)出。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)減少不必要的重復(fù)，大批量MetaData操作的時(shí)候主要通過專門的 MetaData導(dǎo)入導(dǎo)出組件來錄入和導(dǎo)出MetaData。若批量MetaData（XML文件）符合規(guī)范，并通過審核，就可以將其導(dǎo)入到指定的MetaData Database當(dāng)中。也可以將MetaData Database中的MetaData記錄導(dǎo)出成XML文件。

（2）MetaData的格式轉(zhuǎn)換。MetaData格式轉(zhuǎn)換支持各種MetaData標(biāo)準(zhǔn)，以及從XML格式文本到RDBMS關(guān)系表、層次性 catalog數(shù)據(jù)庫(kù)的相互轉(zhuǎn)換。其中將會(huì)采用XSLT和ORM等標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。

（3）MetaData的數(shù)據(jù)庫(kù)配置管理?？晒芾矶鄠€(gè)待發(fā)布的MetaData Database，提供包括MetaData Database地址信息配置等多項(xiàng)功能。

（4）離線維護(hù)。提供數(shù)據(jù)庫(kù)熱備份，避免在組件故障的情況下對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的影響。

3 MDS

（1）各級(jí)中心間的MetaData交換與裁剪。各級(jí)中心節(jié)點(diǎn)間的 MetaData交換過程按照 PULL和PUSH兩種模式進(jìn)行。PULL模式提供一般交通信息資料的MetaData同步服務(wù)，時(shí)效性較弱；而PUSH模式則為實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的交通資料，如交通、天氣預(yù)警等提供時(shí)效性更強(qiáng)的MetaData同步服務(wù)。

PULL模式：當(dāng)Block中心節(jié)點(diǎn)的MetaData Network Gate向區(qū)域級(jí)中心的MetaData Network Gate發(fā)起數(shù)據(jù)收割請(qǐng)求，區(qū)域級(jí)中心節(jié)點(diǎn)Network Gate從本地MetaData catalog庫(kù)中抽取更新的MetaData catalog項(xiàng)發(fā)給 Block中心 MetaData Network Gate，Block中心接受這些 catalog項(xiàng)，收集整理存入Block中心MetaData catalog；當(dāng)區(qū)域級(jí)中心節(jié)點(diǎn)MetaData Network Gate向Block中心節(jié)點(diǎn)MetaData Network Gate發(fā)起MetaData匯聚請(qǐng)求時(shí)，Block中心節(jié)點(diǎn) Network Gate從本地 MetaData catalog中抽取更新的 MetaData catalog項(xiàng)發(fā)送給區(qū)域級(jí)中心MetaData Network Gate，區(qū)域級(jí)中心節(jié)點(diǎn) MetaData Network Gate獲得上述catalog項(xiàng)后將其存入本地MetaData catalog。

PUSH模式：當(dāng)本地MetaData文件有更新時(shí)，國(guó)家或區(qū)域級(jí)中心節(jié)點(diǎn)將更新的 MetaData文件以消息的形式PUSH至本地MetaData Network Gate，Network Gate對(duì)消息進(jìn)行驗(yàn)證后存入本地MetaData catalog，同時(shí)將消息PUSH至所有鄰近節(jié)點(diǎn)的MetaData Network Gate，同理運(yùn)行，直到全體節(jié)點(diǎn)收到PUSH的MetaData更新消息，并存入本地的MetaData catalog。

其具體流程圖可見圖7。

圖7 MetaData交換與裁剪流程圖Fig.7 MetaData exchange and clipping flow chart

（2）各類服務(wù)注冊(cè)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)。MetaData Network Gate注冊(cè)管理組件負(fù)責(zé)對(duì) catalog service和Network Gate進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)注冊(cè)、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)發(fā)現(xiàn)。完成對(duì)MetaData catalog service以及 Network Gate服務(wù)的分布式管理。

4 結(jié)束語

基于e交通學(xué)的交通大數(shù)據(jù)系統(tǒng)是通過構(gòu)建由大型高性能計(jì)算機(jī)組成的集群系統(tǒng)來處理海量的交通數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及計(jì)算服務(wù)，不僅所需的環(huán)境十分嚴(yán)格，而且成本高、部署周期長(zhǎng)、維護(hù)困難；不僅如此，隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)復(fù)雜度的增加，以及計(jì)算強(qiáng)度的加大，通過增加Server數(shù)量來增加其處理對(duì)海量交通數(shù)據(jù)的能力會(huì)變的十分困難，甚至需要對(duì)集群的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)和部署，這不僅需要大量的人力成本和財(cái)力，而且造成了巨大的浪費(fèi)。MetaData交換及部署能力成為當(dāng)今大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能交通系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。面對(duì)海量交通數(shù)據(jù)，如何存儲(chǔ)、管理、處理和應(yīng)用MetaData是十分關(guān)鍵的問題。本文提出的 TBME部署到 Block和各個(gè)Area，形成一個(gè)分布式互訪交換網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)交通大數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和互訪策略管理。該構(gòu)架通過實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)與交通信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)接，讓交通信息傳遞具有連續(xù)性、真實(shí)性；宏觀交通數(shù)據(jù)和微觀交通數(shù)據(jù)無縫對(duì)接，既可分析路網(wǎng)交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)，又可評(píng)價(jià)重要道路節(jié)點(diǎn)的交通效率，全面掌握區(qū)域交通運(yùn)營(yíng)狀態(tài)；使得交通組織管理可視化、可量化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化；系統(tǒng)的輸出結(jié)果，可為決策者提供決策的理論支持，促進(jìn)交通決策科學(xué)化。

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A Framework of Traffic Big Data Metadata Exchange System Based on e Traffic Theory

QI Yong, LI Qian-mu
(School of Computer science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Traffic data of e traffic based on traffic data by constructing a cluster system composed of large high performance computer to handle the mass storage and computing services, not only the environment is very strict,but also high cost, long period and difficult maintenance deployment; not only that, with the growth of data quantity,complex business the increase of the degree of increase and the strength calculation, by increasing the number of servers to increase its ability to deal with the massive traffic data will become very difficult, or even need to cluster structure design and deploy again, which not only requires a lot of manpower and financial costs, but also caused a huge waste. Metadata exchange and deployment capability has become the focus of the research on large data driven intelligent transportation system. In the face of mass traffic data, how to store, manage, process and apply metadata is a key problem. The metadata exchange system proposed in this paper realizes the unified management and sharing strategy management of large traffic data. It is deployed to the chip level and each regional center to form a distributed shared Exchange network. The frame through the real-time traffic data and traffic information platform for real-time data docking, let the traffic information transmission is continuous, authenticity; macroscopic traffic data and microscopic traffic data seamlessly, which can analysis traffic network situation, and evaluation of road node traffic efficiency, grasp the regional transportation performance comprehensively; the traffic organization management visualization, quantitative, systematic and automation; output of the system, can provide decision support for the theory of decision makers, to promote traffic scientific decision-making.

: e Traffic theory; Traffic big data; Metadata

TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.10.001

本文著錄格式：戚湧，李千目. 基于e交通學(xué)的交通大數(shù)據(jù)MetaData交換構(gòu)架[J]. 軟件，2017，38（10）：01-06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)(S2016G9070)；江蘇省重大研發(fā)計(jì)劃社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(BE2017739)

戚湧(1970-)，教授，研究方向：交通大數(shù)據(jù)；李千目(1979-)，教授，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘。