Efficient bulk-loading methods for temporal and multidimensional index structures

Nahezu alle naturwissenschaftlichen Bereiche profitieren von neuesten Analyse- und Verarbeitungsmethoden für große Datenmengen. Diese Verfahren setzten eine effiziente Verarbeitung von geo- und zeitbezogenen Daten voraus, da die Zeit und die Position wichtige Attribute vieler Daten sind. Die effiziente Anfrageverarbeitung wird insbesondere durch den Einsatz von Indexstrukturen ermöglicht. Im Fokus dieser Arbeit liegen zwei Indexstrukturen: Multiversion B-Baum (MVBT) und R-Baum. Die erste Struktur wird für die Verwaltung von zeitbehafteten Daten, die zweite für die Indexierung von mehrdimensionalen Rechteckdaten eingesetzt. Ständig- und schnellwachsendes Datenvolumen stellt eine große Herausforderung an die Informatik dar. Der Aufbau und das Aktualisieren von Indexen mit herkömmlichen Methoden (Datensatz für Datensatz) ist nicht mehr effizient. Um zeitnahe und kosteneffiziente Datenverarbeitung zu ermöglichen, werden Verfahren zum schnellen Laden von Indexstrukturen dringend benötigt. Im ersten Teil der Arbeit widmen wir uns der Frage, ob es ein Verfahren für das Laden von MVBT existiert, das die gleiche I/O-Komplexität wie das externe Sortieren besitz. Bis jetzt blieb diese Frage unbeantwortet. In dieser Arbeit haben wir eine neue Kostruktionsmethode entwickelt und haben gezeigt, dass diese gleiche Zeitkomplexität wie das externe Sortieren besitzt. Dabei haben wir zwei algorithmische Techniken eingesetzt: Gewichts-Balancierung und Puffer-Bäume. Unsere Experimenten zeigen, dass das Resultat nicht nur theoretischer Bedeutung ist. Im zweiten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, ob und wie statistische Informationen über Geo-Anfragen ausgenutzt werden können, um die Anfrageperformanz von R-Bäumen zu verbessern. Unsere neue Methode verwendet Informationen wie Seitenverhältnis und Seitenlängen eines repräsentativen Anfragerechtecks, um einen guten R-Baum bezüglich eines häufig eingesetzten Kostenmodells aufzubauen. Falls diese Informationen nicht verfügbar sind, optimieren wir R-Bäume bezüglich der Summe der Volumina von minimal umgebenden Rechtecken der Blattknoten. Da das Problem des Aufbaus von optimalen R-Bäumen bezüglich dieses Kostenmaßes NP-hart ist, führen wir zunächst das Problem auf ein eindimensionales Partitionierungsproblem zurück, indem wir die Daten bezüglich optimierte raumfüllende Kurven sortieren. Dann lösen wir dieses Problem durch Einsatz vom dynamischen Programmieren. Die I/O-Komplexität des Verfahrens ist gleich der von externem Sortieren, da die I/O-Laufzeit der Methode durch die Laufzeit des Sortierens dominiert wird. Im letzten Teil der Arbeit haben wir die entwickelten Partitionierungsvefahren für den Aufbau von Geo-Histogrammen eingesetzt, da diese ähnlich zu R-Bäumen eine disjunkte Partitionierung des Raums erzeugen. Ergebnisse von intensiven Experimenten zeigen, dass sich unter Verwendung von neuen Partitionierungstechniken sowohl R-Bäume mit besserer Anfrageperformanz als auch Geo-Histogrammen mit besserer Schätzqualität im Vergleich zu Konkurrenzverfahren generieren lassen

An Efficient Algorithm for Bulk-Loading xBR+ -trees

A major part of the interface to a database is made up of the queries that can be addressed to this database and answered (processed) in an efficient way, contributing to the quality of the developed software. Efficiently processed spatial queries constitute a fundamental part of the interface to spatial databases due to the wide area of applications that may address such queries, like geographical information systems (GIS), location-based services, computer visualization, automated mapping, facilities management, etc. Another important capability of the interface to a spatial database is to offer the creation of efficient index structures to speed up spatial query processing. The xBR + -tree is a balanced disk-resident quadtree-based index structure for point data, which is very efficient for processing such queries. Bulk-loading refers to the process of creating an index from scratch, when the dataset to be indexed is available beforehand, instead of creating the index gradually (and more slowly), when the dataset elements are inserted one-by-one. In this paper, we present an algorithm for bulk-loading xBR + -trees for big datasets residing on disk, using a limited amount of main memory. The resulting tree is not only built fast, but exhibits high performance in processing a broad range of spatial queries, where one or two datasets are involved. To justify these characteristics, using real and artificial datasets of various cardinalities, first, we present an experimental comparison of this algorithm vs. a previous version of the same algorithm and STR, a popular algorithm of bulk-loading R-trees, regarding tree creation time and the characteristics of the trees created, and second, we experimentally compare the query efficiency of bulk-loaded xBR + -trees vs. bulk-loaded R-trees, regarding I/O and execution time. Thus, this paper contributes to the implementation of spatial database interfaces and the efficient storage organization for big spatial data management

Explicit parametric solutions of lattice structures with proper generalized decomposition (PGD): applications to the design of 3D-printed architectured materials

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s00466-017-1534-9Architectured materials (or metamaterials) are constituted by a unit-cell with a complex structural design repeated periodically forming a bulk material with emergent mechanical properties. One may obtain specific macro-scale (or bulk) properties in the resulting architectured material by properly designing the unit-cell. Typically, this is stated as an optimal design problem in which the parameters describing the shape and mechanical properties of the unit-cell are selected in order to produce the desired bulk characteristics. This is especially pertinent due to the ease manufacturing of these complex structures with 3D printers. The proper generalized decomposition provides explicit parametic solutions of parametric PDEs. Here, the same ideas are used to obtain parametric solutions of the algebraic equations arising from lattice structural models. Once the explicit parametric solution is available, the optimal design problem is a simple post-process. The same strategy is applied in the numerical illustrations, first to a unit-cell (and then homogenized with periodicity conditions), and in a second phase to the complete structure of a lattice material specimen.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Bulk-load Operations for Multidimensional Data Structures

Import 03/11/2016Tato bakalářská práce se věnuje problematice hromadného vkládání vícerozměrných dat do stromových datových struktur, jmenovitě B-stromu a R-stromu. Cílem této práce je navrhnout a naimplementovat algoritmus pro hromadné vkládání dat do výše zmíněných struktur a porovnat rychlost hromadného vkládání s vkládáním po jednotlivých záznamech.This bachelor thesis deals with the issues of multidimensional data bulk loading in tree data structures, namely B-tree and R-tree. The goal of this thesis is to design and implement alghorithm for data bulk loading into data structures mentioned above and to compare bulk loading with the one-by-one insertion.460 - Katedra informatikyvelmi dobř

A Framework for Index Bulk Loading and Dynamization

In this paper we investigate automated methods for externalizing internal memory data structures. We consider a class of balanced trees that we call weight-balanced partitioning trees (or wp-trees) for indexing a set of points in Rd. Well-known examples of wp-trees include fed-trees, BBD-trees, pseudo quad trees, and BAR trees. These trees are defined with fixed degree and are thus suited for internal memory implementations. Given an efficient wp-tree construction algorithm, we present a general framework for automatically obtaining a new dynamic external data structure. Using this framework together with a new general construction (bulk loading) technique of independent interest, we obtain data structures with guaranteed good update performance in terms of I /O transfers. Our approach gives considerably improved construction and update I/O bounds of e.g. fed-trees and BBD-trees

Multidimensional Range Queries on Modern Hardware

Range queries over multidimensional data are an important part of database workloads in many applications. Their execution may be accelerated by using multidimensional index structures (MDIS), such as kd-trees or R-trees. As for most index structures, the usefulness of this approach depends on the selectivity of the queries, and common wisdom told that a simple scan beats MDIS for queries accessing more than 15%-20% of a dataset. However, this wisdom is largely based on evaluations that are almost two decades old, performed on data being held on disks, applying IO-optimized data structures, and using single-core systems. The question is whether this rule of thumb still holds when multidimensional range queries (MDRQ) are performed on modern architectures with large main memories holding all data, multi-core CPUs and data-parallel instruction sets. In this paper, we study the question whether and how much modern hardware influences the performance ratio between index structures and scans for MDRQ. To this end, we conservatively adapted three popular MDIS, namely the R*-tree, the kd-tree, and the VA-file, to exploit features of modern servers and compared their performance to different flavors of parallel scans using multiple (synthetic and real-world) analytical workloads over multiple (synthetic and real-world) datasets of varying size, dimensionality, and skew. We find that all approaches benefit considerably from using main memory and parallelization, yet to varying degrees. Our evaluation indicates that, on current machines, scanning should be favored over parallel versions of classical MDIS even for very selective queries