Программные продукты и системы

Логическим результатом более полувековой истории развития систем БД являются создание и промышленная эксплуатация автоматизированных информационных систем (АИС) с моделью статического изоморфного соответствия пользовательского представления предметной области (ПрО) и схемы БД. Пассивность создаваемых АИС и стремление к максимальной эффективности обработки данных являются основными причинами статического соответствия модели ПрО и схемы БД. Кроме этого, АИС создаются разработчиками систем в результате сложного процесса проектирования и разработки, а пользователи АИС имеют к этому весьма опосредованное отношение, что не позволяет своевременно создавать и адаптировать АИС к изменяющимся условиям их использования.

Поэтому целесообразна разработка АИС с высокой степенью независимости модели ПрО и БД и их системным динамическим соответствием в процессе существования. Это позволит создавать и поддерживать концептуальную модель ПрО, предоставляющую пользователям очень широкие возможности для адекватного представления ПрО в системе, а БД будет максимально ориентированной на эффективную организацию и обработку данных. Таким образом, затраты на поддержание динамического соответствия концептуальной модели ПрО и схемы БД будут компенсироваться требуемой адекватностью отражения ПрО в информационной системе и высокой эффективностью обработки данных, создав условия для возникновения самоорганизации в АИС.

Самоорганизующиеся АИС имеют ряд существенных свойств, отличающих их от пассивных систем:

-    взаимодействие с внешней средой на семантическом уровне, что, в свою очередь, требует максимального учета семантики в концептуальной модели ПрО [1];

-    открытость системы на всех уровнях (в организации и обработке данных, в моделировании ПрО и др.) для обеспечения высокой адаптивности к изменениям внешней среды и внутренней организации системы [2–3];

-    система строится из адаптивных элементов, постоянно увеличивающих согласованность своего взаимодействия, что способствует приобретению свойств интенсивных систем (функционирование в ограниченном объеме с возрастанием организованности и сложности в процессе существования системы);

-    несмотря на высокую внутреннюю сложность, внешне система представляется достаточно простой для удобства пользователей, являющихся специалистами в своих ПрО, но не в области вычислительной техники [1];

-    пользователи для АИС представляются не множеством изолированных однородных объектов, а системой объектов, организованных преимущественно в сетевую структуру, что позволяет распределять обязанности администрирования системы среди достаточно большого числа иерархически привилегированных пользователей и естественным образом реализует механизм областей видимости для каждого пользователя системы [1];

-    взаимодействие с внешней средой как с системой способствует повышению интенсивности их взаимодействия и возникновению процесса коэволюции, существенно ускоряющего темпы их развития, а также созданию на этой основе принципиально новой системы более высокого иерархического уровня (сверхсистемы) [1];

-    активность системы, базирующаяся на способности самостоятельно принимать решения и выполнять различные действия на основе своих внутренних потребностей, но в интересах внешней среды, создает условия для превращения ее в инфраструктуру, на основе которой будет формироваться деятельность системы пользователей.

Поэтому создание активных самоорганизующихся АИС, способных на основе концептуальной модели ПрО самостоятельно формировать БД и поддерживать корректное отображение объектов ПрО в БД, является актуальной задачей. Данную задачу целесообразно решать на основе системного подхода, рассматривающего концептуальную модель ПрО и схему БД как независимые системы, между которыми устанавливается определенное соответствие, автоматически поддерживаемое АИС. Данное соответствие концептуальной модели ПрО и схемы БД должно являться системно-изоморфным соответствием, базирующимся на двух отображениях. В [4] показано, что целесообразен системный изоморфизм, при котором концептуальная модель ПрО полностью отображается в схему БД, а схема БД частично отображается в концептуальную модель ПрО. Такой системный изоморфизм позволяет пользователю полностью получать из АИС информацию о реальном мире в соответствии со своим представлением, что обеспечивает логическую корректность системы, а также необходимое подобие и допустимое разнообразие концептуальной модели ПрО и схемы БД, которые, в свою очередь, будут претерпевать непрерывные эволюционные изменения в течение всего существования АИС.

При построении модели системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и схемы БД использованы следующие обозначения: M – модель ПрО; R – схема БД; RM – часть схемы БД, соответствующая M; Re – часть схемы БД, представляющая дополнительную информацию, недоступную пользователям; V – общий объем БД, заданной схемой R; VM – объем БД, заданной схемой RM; Ve – объем БД, заданной схемой Re.

Схема БД является композицией RM и Re:

R=RM°Re.

Объем БД равен сумме объемов VM и Ve:

V=VM+Ve.

Системный изоморфизм M и R обозначим как MÛR .

При этом подобие M и R базируется на изоморфизме MºRM, где º означает взаимно-однозначное отображение M и RM друг в друга. Степень подобия M и R определяется величиной отношения VM/V, а степень разнообразия равна Ve/V=1–VM/V. В случае VM/V®1 степень подобия M и R высокая, так как Ve®0, а при VM/V®0 степень подобия M и R низкая, так как V»Ve и система обрабатывает преимущественно свою собственную информацию, то есть работает сама на себя, а не на внешнюю среду. Таким образом, системный изоморфизм M и R заключается в разумном сочетании степени их подобия и разнообразия, а точнее, в определении объема информации Ve, порождаемой самой системой, и ее изменении в процессе существования АИС.

Концептуальная модель ПрО является понятийной моделью. Каждое понятие в формально-математическом смысле представляется тремя составляющими:

-    имя, выделяющее данное понятие среди других понятий;

-    содержание понятия, определяющее состав и значения свойств объектов, соответствующих данному понятию;

-    объем понятия – множество объектов, соответствующих данному понятию.

В АИС имя понятия является идентификатором, содержание понятия задается набором свойств и предикатом, накладывающим ограничения на значения свойств, а объем понятия формируется из БД. Следовательно, для получения объема понятия необходимо иметь некоторый запрос, позволяющий получить информацию о требуемых объектах из БД. Таким образом, наличие запросов к БД для каждого понятия, которые будем называть базовыми SQL-запросами, является конструктивным механизмом реализации соответствия коцептуальной модели ПрО и схемы БД.

Для моделирования ПрО в АИС используются два типа понятий:

-    простые понятия, объекты которых представляются атомарными данными (например, объекты понятия «фамилия»: Иванов, Петров, Сидоров и др.);

-    сложные понятия, объекты которых являются композициями (агрегатами) объктов понятий более низкого уровня (например, понятие «человек», являющееся агрегатом понятий «фамилия», «имя», «отчество», включает объекты <Иванов, Иван, Иванович>, <Петров, Петр, Петрович>, <Иванов, Иван, Петрович> и др.).

Между понятиями могут устанавливаться четыре типа отношений:

·     агрегация задает отношение между понятием-агрегатом и другими понятиями, называемыми компонентами, и позволяет формировать целостные объекты понятия-агрегата как композиции объектов понятий-компонентов;

·     классификация задает отношение разбиения (деления) множества объектов класса на подклассы в соответствии с основанием классификации;

·     обобщение устанавливает отношение между родовым и видовыми понятиями, называемыми категориями, и позволяет формировать обобщенный объект родового понятия путем выделения общих частей из объектов видовых понятий;

·     абстрагирование устанавливает отношение между понятием-образом и конкретным понятием и позволяет формировать объекты понятия-образа путем огрубления объектов конкретного понятия. Учитывая, что отношения агрегации, классификации и обобщения также являются определенными видами абстрагирования, будем считать, что отношение абстрагирования реализуется способами формирования образов, отличными от способов реализации указанных отношений. Например, формирование понятия-образа может осуществляться:

·     отбрасыванием несущественных свойств конкретного понятия;

·     отбрасыванием свойств конкретного понятия, существенных для конкретных объектов, но не существенных в определенной ситуации, соответствующей понятию-образу;

·     созданием обобщенного понятия с интегральными характеристиками, формируемыми на основе свойств конкретного понятия;

·     созданием обобщенного понятия, объекты которого будут иметь усредненные характеристики групп объектов конкретного понятия и др.

Таким образом, отношение абстрагирования устанавливается между понятием-образом и конкретным понятием путем задания пользователем правила формирования объектов понятия-образа на основе объектов и свойств конкретного понятия. Реализация предложенного (обобщенного) отношения абстрагирования делает АИС открытой на уровне моделирования ПрО.

Для графического изображения отношений различных типов используются следующие символы:

V1             V2 – агрегация;

V1             V2 – классификация;

V1             V2 – обобщение;

V1             V2 – абстрагирование.

В таблице 1 приведены допустимые операции изменения концептуальной модели ПрО пользователем.

В АИС принято создавать и поддерживать БД в рамках реляционной модели данных (РМД). РМД характеризуется высокой универсальностью и широко поддерживается существующими СУБД. Поэтому отображение концептуальной модели ПрО в БД реляционного типа не снижает общности модели системно-изоморфного динамического отображения концептуальной модели ПрО в схе- му БД.

В таблице 2 приведены допустимые операции изменения схемы БД, требующие корректировки базовых SQL-запросов, отображающих понятия  концептуальной модели ПрО в БД.

На основании допустимых изменений модели ПрО и БД разработана целостная модель системно-изоморфного динамического отображения концептуальной модели ПрО и схемы БД, включающая подмодели:

– начального отображения концептуальной модели ПрО в схему БД;

– формирования отображения концептуальной модели ПрО в схему БД в третьей нормальной форме (3НФ);

– модификации отображения концептуальной модели ПрО в схему БД при изменении модели ПрО;

– модификации отображения концептуальной модели ПрО в схему БД при изменении схемы БД.

Модель начального отображения концептуальной модели ПрО в схему БД задает отображение понятий модели ПрО в БД, представленную в форме универсального отношения [5].

Для обеспечения допустимой эффективности обработки данных и устранения коллизий реляционной БД с использованием операций из таблицы 2 разработана модель модификации системы базовых SQL-запросов, рассмотренная в [5].

Модель модификации системы базовых SQL-запросов в случае изменения концептуальной модели ПрО с помощью операций из таблицы 1 рассмотрена в [6].

Предложенная система моделей позволяет формировать в АИС системно-изоморфное соответствие концептуальной модели ПрО и схемы БД и динамически поддерживать его в актуальном состоянии на основе системы базовых SQL-запросов при независимом эволюционном изменении модели ПрО и/или БД.

Таблица 2

Для апробации результатов разработана система на языке C++ в среде Borland Developer Studio 2006 с хранением данных в СУБД MySQL 5.0, подтвердившая полную работоспособность и высокую эффективность разработанной модели системного динамического соответствия концептуальной модели ПрО и схемы БД и метода реализации этой модели в самоорганизующейся АИС.

Таким образом, разработанная модель системно-изоморфного динамического соответствия концептуальной модели ПрО и схемы БД обеспечивает следующие возможности:

·     организацию информационной системы с эволюционным изменением концептуальной модели ПрО и/или схемы БД;

·     полную независимость модели ПрО и организации данных;

·     формирование начального отображения концептуальной модели ПрО в схему БД и поддержку динамического соответствия между ними на основе системного изоморфизма при изменениях модели ПрО и схемы БД;

·     логическую корректность функционирования системы (АИС выдает одинаковые последовательности ответов на одну и ту же последовательность пользовательских запросов независимо от организации БД);

·     высокую надежность функционирования системы, базирующуюся на формальных методах организации и обработки данных и постоянной готовности АИС к реализации  запросов пользователей.

Кроме того, разработанная модель обеспечивает высокую эффективность функционирования системы, базирующуюся на независимости базы данных и использовании эффективных методов ее обработки.

Литература

1. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е. Системный подход к концептуальному моделированию предметной области в самоорганизующейся информационной системе // Программные продукты и системы. 2009. № 4. С.73–79.

2. Дрождин В.В. Открытость структур в эволюционной модели данных // Программные продукты и системы. 2009. № 2. С. 135–137.

3. Дрождин В.В., Володин А.М. Автономный компонент организации данных // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сб. стат. VIII Всеросс. науч.-технич. конф. Пенза: ПГПУ, 2008. С. 7–14.

4. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е., Герасимова Е.В., Кузнецов Р.Н., Севостьянов Р.Ю. Модель системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и схемы базы данных // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сб. стат. IX Междунар. науч.-технич. конф. Пенза: ПГПУ, 2009. С. 44–49.

5. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е. Формирование системы SQL-запросов для отображения объектного пользовательского представления предметной области в базу данных // Проблемы информатики. 2008. № 1. С. 48–50.

6. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е. Модификация системы SQL-запросов при изменении пользовательского объектного представления предметной области // Изв. ПГПУ им. В.Г. Белинского. Физико-математические и технические науки. Пенза: ПГПУ. 2008. № 8 (12). С. 106–110.