Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Сиротюк Олег Владимирович. Разработка моделей, методов и инструментальных средств анализа и синтеза оптимальных структур объектно-ориентированных баз данных в автоматизированных информационно-управляющих системах : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.06 : М., 2005 288 c. РГБ ОД, 61:05-5/2282

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1. Существующие методы и средства проектирования
и разработки постреляционных и объектно-
ориентированных баз данных
2 0

1.1.Обзор существующих моделей, методов и средств ана
лиза и синтеза структур баз данных 21

1.2. Формулировка и анализ требований к структурам баз данных, методам и средствам их автоматизированного

проектирования 3 5

1.3 Описание и основные характеристики постреляционной

СУБД Cache 52

1.4. Задачи разработки методов и системы автоматизиро
ванного проектирования постреляционных и объектно-
ориентированных баз данных на основе СУБД Cache....58
КРАТКИЕ ВЫВОДЫ 67

Глава 2. Разработка моделей и методов формализации
предметных областей пользователей, анализа и построе
ния объектной канонической структуры баз дан
ных
69

2.1. Разработка методов построения модели предметной
области, спецификаций информационных требований поль
зователей и бизнес-процессов 69

2.2. Формализованные процедуры конструирования классов
объектно-ориентированных баз данных 77

  1. Модели и методы построения и анализа объектных моделей требований пользователей 88

  2. Модели и методы построения и анализа обобщенной объектной модели классов предметной области 102

  3. Методы построения объектной канонической структуры БД, выделения базовых и наследуемых классов 105

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ 114

Глава 3. Разработка моделей и методов синтеза опти
мальных логических структур объектно-ориентированных
баз данных
117

  1. Формализованное описание исходных данных 119

  2. Постановки и модели задач синтеза оптимальных логических структур ООБД 127

  3. Разработка точного алгоритма решения задачи синтеза оптимальной логической структуры ООБД 132

  4. Разработка эвристического алгоритма решения задачи синтеза оптимальной логической структуры ООБД...141 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ 150

Глава 4. Разработка моделей и методов управления про
цессами сопровождения и развития баз метаданных репо-
зитария САПР баз данных
153

  1. Анализ и формулировка требований к базе метаданных и функциям репозитария САПР БД. Разработка логической структуры БмД репозитария САПР БД 155

  2. Методы анализа и реструктуризации объектной канонической структуры БД при изменении требований пользователей 165

4.2.1. Методы реструктуризации объектной канони
ческой структуры БД при изменении информационных
требований пользователей 167

  1. Методы анализа вновь поступающих требований пользователей и построения модифицированной объектной канонической структуры БД 170

  2. Методы анализа и реструктуризации объектной канонической структуры БД при удалении информационных требований пользователей 174

4.3.Методы анализа и реструктуризации объектной кано
нической структуры БД 175

4.4. Методы и алгоритмы построения эффективных рацио
нальных логических структур БД объектно-
ориентированного, реляционного и иерархического ти
пов 196

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ 205

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 208

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 213

ПРИЛОЖЕНИЯ 224

Приложение П1. Система автоматизированного проектирования объектно-ориентированных, реляционных и иерархических баз данных на основе СУБД

Cache 225

ПІ. 1. Описание архитектуры системы 228

П1.2. Информационное обеспечение системы 230

П1. 3 . Программное обеспечение системы 24 0

ПІ.4. Пример практического использования, разработанных в диссертации моделей и методов анализа и синтеза

структур ООБД 253

Приложение П2. Описание общих типов данных 275

Приложение ПЗ. Описание методов преобразования форма
тов представления данных 277

Приложение П4. Описание подструктуры логической струк
туры БмД репозитария для разделов «Описание объектной
модели», «Описание схемы БД» и метаданных моделей дан
ных 278

Приложение П5. Описание подструктуры логической структуры БмД репозитария для раздела «Описание бизнес-

процессов» 285

Приложение Пб. Описание подструктуры логической струк
туры БмД репозитария для раздела «Описание поня
тий» 287

Приложение П7. Описание подструктуры логической струк
туры БмД репозитария для раздела «Описание реструкту
ризации моделей данных» 287

Введение к работе:

Актуальность темы. В современных условиях глобализации бизнеса, требующего резкого снижения затрат на выполнение производственных функций, мобильности персонала, возможности доступа к требуемой информации и работы с ней в любой точке мира, повышение эффективности инвестиций в информатизацию организаций и предприятий обеспечивается многими факторами, одним из которых является сокращение затрат на проектирование, разработку, реинжениринг и внедрение АИУС и баз данных (БД), эффективное управление информационными ресурсами. Комплексное решение данных задач может быть обеспечено разработкой и широким применением формализованных моделей и прикладных методов анализа и синтеза оптимальных структур информационного и программного обеспечения АИУС, управления сопровождением и развитием БД, созданием CASE - средств и промышленной технологии автоматизированного проектирования (ПТАП) АИУС. Существующие в настоящее время инструментальные средства и CASE-технологии направлены в основном на автоматизацию отдельных этапов и задач проектирования АИУС и, как правило, на разработку и генерацию программного кода приложений и не охватывают задачи проектирования и сопровождения БД различных типов. Предлагаемые на рынке информационных технологий средства и системы проектирования и сопровождения АИУС не в полной мере удовлетворяют требованиям разработчиков систем, особенно корпоративных АИУС. Анализ развития методов и инструментальных средств автоматизации проектирования и их влияние на продуктивность разработок показывает, что на протяжении 15-20 лет в этой области не наблюдалось качественных изменений. Качествен-

7 ный скачок возник лишь в последнее время при использовании в разработках CASE-технологий принципов объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования, объектно-ориентированных баз данных, принципов модульности, типизации и клонирования.

Центральное и важное место в АИУС различного класса и назначения занимают базы данных, на которые возложены функции хранения, интеграции и консолидации информационных ресурсов организации. От эффективности и качества их построения во многом зависит эффективность разрабатываемых информационных систем. Поэтому разработка систем автоматизированного проектирования БД (САПР БД) в составе ПТАП АИУС является важной и актуальной задачей. Создание САПР БД в составе промышленной технологии автоматизированного проектирования АИУС позволяет уменьшить стоимость и время разработки информационного и программного обеспечения АИУС; повысить качество проектных решений; сократить долю рутинных работ, связанных со сбором, редактированием и анализом исходных данных; обеспечить более четкое понимание целей и задач проектирования и во многом типизировать процесс проектирования; снизить уровень потребления материальных и трудовых ресурсов.

В тоже время существующие методологии разработки, а также инструментальные и программные средства автоматизации проектирования и сопровождения БД, как правило, не обеспечивают комплексных решений, не поддерживают многих важных функций, таких как оптимизацию процедур синтеза структур БД, проектирование объектно-ориентированных и постреляционных БД, синтез логических структур базы метаданных репозитария системы проектирования, реорганизации БД при изменении требований пользователей и других задач.

Особую важность при этом приобретают работы по разработке методологии и инструментальных средств автоматизированного проектирования постреляционных и, особенно, объектно-ориентированных баз данных (ООБД). ООБД по сравнению с традиционными (например, реляционными БД) обеспечивают следующие важные преимущества: в ООБД хранятся не только данные, но и методы их обработки, инкапсулированные в одном объекте; ООБД позволяют обрабатывать мультимедийные данные; ООБД допускают работу на высоком уровне абстракции; ООБД позволяют пользователям создавать структуры данных любой сложности. Объектно-ориентированный подход к проектированию БД и в целом АИУС является альтернативой широко используемым структурным методам. При объектно-ориентированном подходе объект инкапсулирует как непосредственно данные, так и методы их обработки, т.е. данные не отделяются от методов (процедур) их обработки.

Основу информационного обеспечения современной САПР БД составляет репозитарии, база метаданных которого содержит необходимую системную, проектную и эксплуатационную информацию. Использование единого репозитария обеспечивает разработчиков БД всей необходимой информацией о результатах моделирования, анализа и синтеза структур БД, управления сопровождением БД в процессе эксплуатации САПР для принятия решений при разрешении различного рода конфликтов и противоречий, координации совместной работы коллектива разработчиков и пользователей в процессе проектирования, а также для корректировки и модификации структур БД с учетом изменяющихся требований пользователей на разработку АИУС.

Поэтому в основе построения и функционирования современной САПР БД должна использоваться методология оптимального анализа и синтеза постреляционных и объектно-

9 ориентированных БД, управления процессами сопровождения и развития БмД репозитария САПР, включающая:

объектно-ориентированные методы анализа и структуризации предметных областей, построения и нормализации объектных моделей требований пользователей и объектных канонических структур БД, формирования логических структур базы метаданных (БмД) репозитария;

формализованные модели и методы синтеза оптимальных по различным критериям эффективности логических структур ООБД;

формализованные методы и процедуры эффективного управления информационными ресурсами БД на основе БмД репозитария.

Большие масштабы работ по информатизации общества, созданию АИУС и тематических БД различного класса и назначения и в то же время отсутствие моделей, методов и инструментальных средств оптимизации и автоматизации разработки и эксплуатации постреляционных и объектно-ориентированных БД, создания на этой основе САПР ООБД, ориентированной на комплексное, взаимосвязанное решение задач моделирования предметных областей АИУС и спецификации требований пользователей, концептуального и логического проектирования ООБД и БмД репозитария, управления сопровождением и развитием ООБД и БмД, обусловливает актуальность выполненных научных исследований.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с исследованиями в рамках проблем РАН 2.4.5 «Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы»; 3.3 «Системы автоматизации, математические методы исследования сложных управляющих систем и процессов, CALS-технологии», а также Программ №14 и №16 отделения ЭММПУ

10 РАН «Проблемы анализа и синтеза модульных интегрированных технических и социальных систем управления».

Цель работы. Целью работы является разработка комплекса формализованных моделей, прикладных методов и инструментальных средств автоматизированного анализа и синтеза оптимальных структур объектно-ориентированных и постреляционных баз данных АИУС.

Разработанные модели, методы и средства должны обеспечивать :

- моделирование предметных областей АИУС, автоматизиро
ванную спецификацию информационных и функциональных
требований пользователей, декомпозицию предметных об
ластей и категоризацию пользователей;

формализованный анализ, структуризацию и нормализацию информационных и функциональных требований пользователей, построение объектных моделей требований пользователей и объектных канонических структур БД;

синтез оптимальных по заданным критериям эффективности логических структур ООБД;

синтез эффективных логических структур базы метаданных (БмД) репозитария системы проектирования;

формализованный анализ и реструктуризацию объектных моделей требований пользователей и объектных канонических структур БД при изменении информационных и функциональных требований пользователей;

построение эффективных рациональных логических структур БД объектно-ориентированного, реляционного и иерархического ТИПОВ;

автоматизацию решения задач анализа и синтеза структур ООБД, управления сопровождением и развитием БмД репозитария .

Методы исследований. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата теории множеств, методов кластерного анализа, теории графов, теории структур данных, математического программирования и оптимизации на сетях и графах.

Научная новизна. В результате проведенных научных исследований, анализа современных требований к системам баз данных и обобщения опыта разработки и внедрения БД АИУС различного класса и назначения впервые:

сформулированы требования к методам и средствам системы автоматизированного проектирования БД постреляционного и объектно-ориентированного типов, а также к БмД репозитария САПР;

разработана формализованная методология проектирования оптимальных структур постреляционных и объектно-ориентированных БД, сопровождения и развития ООБД. Основу предложенной методологии составляет комплекс моделей, методов и процедур анализа и синтеза, последовательного эквивалентного преобразования данных и результатов решения специфических для каждого этапа проектирования БД задач;

предложена функциональная структура и определены основные характеристики САПР БД, ориентированной на комплексное взаимосвязанное решение задач автоматизации этапов анализа, проектирования, разработки, внедрения и сопровождения постреляционных и объектно-ориентированных БД и удовлетворяющей современным требованиям к системам БД;

разработаны методы декомпозиции предметных областей пользователей БД АИУС, конструирования классов, объектно-ориентированного анализа информационных и функциональных требований пользователей БД, построения и нормализации объектных моделей требований пользователей и объектных

12 канонических структур БД, выделения базовых и наследуемых классов;

- поставлены и решены задачи синтеза оптимальных по
заданным критериям эффективности логических структур ООБД
при ряде структурных и системных ограничений, а также ог
раничений целостности данных и эффективности использова
ния ресурсов ООБД;

разработаны методы оптимального управления сопровождением и развитием базы метаданных репозитария САПР БД, обеспечивающие автоматизированную реструктуризацию объектных канонических структур БД, построение рациональных логических структур БД объектно-ориентированного, реляционного, постреляционного и иерархического ТИПОВ;

разработана система автоматизированного проектирования (САПР) ООБД «Cache DBD» , функционирующая на основе постреляционной СУБД Cache и обеспечивающая в диалоговом режиме анализ предметных областей АИУС, синтез рациональных и оптимальных объектно-ориентированных канонических и логических структур БД различных типов, модификацию структур ООБД при изменении требований пользователей, а также автоматическую выдачу соответствующей проектной документации .

Разработанные методология, модели, методы и САПР ООБД по сравнению с существующими методами и средствами обеспечивают комплексное решение задач проектирования и управления ООБД, оптимизацию структур ООБД на различных уровнях их представления, что в целом повышает эффективность и качество разрабатываемых систем баз данных, сокращает сроки и стоимость создания АИУС.

Практическая ценность. Предложенные методы и САПР «Cache DBD» позволяют создавать эффективные структуры

13 объектно-ориентированных, постреляционных, а также традиционных БД АИУС различного класса и назначения. Использование предложенных методов, алгоритмов и программ автоматизации проектирования структур БД позволяет уменьшить приведенные общие затраты на разработку, внедрение, сопровождение и эксплуатацию БД в среднем в 5-10 раз.

Разработанные методы, алгоритмы и инструментальные средства могут быть использованы при разработке, коммерческих БД, БД АИУС широкого класса и назначения в научно-исследовательских, проектных организациях и вычислительных центрах, коммерческих организациях, разрабатывающих и внедряющих АИУС, а также при разработке системы тематических БД в рамках работ по программе информатизации.

Внедрение. Эффективность разработанных в диссертационной работе моделей, методов и системы автоматизированного проектирования и управления БД подтверждена положительным опытом их использования при разработке портала филиала корпорации InterSystems, информационного хранилища системы управления документооборотом «DMS0», автоматизированной системы обработки данных экоаналитического контроля Заполярного филиала ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский Никель» и других систем, а также в учебном процессе при подготовке студентов по дисциплине "Проектирование баз данных".

Использование разработанных методов и средств позволило существенно сократить временные и стоимостные затраты на разработку и эксплуатацию БД АИУС, повысить качество вырабатываемых проектных решений. Официально подтвержденный экономический эффект от внедрения разработанных моделей, методов и инструментальных средств составил свыше 1 млн. рублей.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конференции «Современные информационные технологии» (Москва, 2000), девятой и одиннадцатой международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2001, 2003), третьей, четвертой и шестой международных конференциях «Проблемы регионального и муниципального управления» (Москва, 2001, 2002, 2004), одиннадцатом международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2002), научных сессиях МИФИ (Москва, 2002, 2003).

Публикации. Результаты проведенных автором научных исследований опубликованы в 18 научных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений и содержит 288 страниц машинописного текста, 4 6 рисунков, 43 таблицы, а также список литературы (11 стр. наименований) .

Содержание работы. Содержание работы распределено по главам следующим образом.

В первой главе приведен обзор существующих моделей, методов, средств и информационных технологий анализа и синтеза структур баз данных (БД) различных типов, сформулированы требования к структурам БД и базам метаданных репозитария в современных условиях, а также методам и средствам их автоматизированного проектирования. Показано, что перспективным направлением развития средств и систем формирования, хранения и эксплуатации информационных ресурсов, включая Интернет/Интранет - ресурсы, является использование принципов объектно-ориентированной ме-

15 тодологии при проектировании БД и объектно-ориентированных моделей данных для хранения и обработки разнообразных данных, включая мультимедийные данные и данные сложной (не реляционной) структуры. Предложена функциональная структура САПР БД, ориентированная на комплексное решение задач автоматизации этапов анализа, проектирования, разработки, внедрения и сопровождения постреляционных БД и объектно-ориентированных БД (ООБД). Сформулирована постановка задач научных исследований, приведенных в диссертационной работе.

Во второй главе предложена совокупность взаимосвязанных графовых и матричных моделей и методов описания предметных областей пользователей АИУС, спецификации информационных требований пользователей, кластерного анализа информации и категоризации пользователей; анализа и структуризации информационных и функциональных требований пользователей; построения и нормализации объектных моделей требований пользователей для каждого кластера и обобщенных объектных канонических структур БД. В результате выполнения процедур данного этапа проектирования БД формируется оптимальная объектная каноническая структура БД, содержащая минимальный набор требуемых классов, объектов и отношений между ними, которая в дальнейшем используются при построении рациональных и оптимальных логических структур ООБД и БмД репозитария.

В третьей главе рассматриваются постановки задач и модели синтеза оптимальных логических структур ООБД. Предложено формализованное описание исходных данных, сформулированы критерии эффективности разработки логических структур ООБД, а также ограничения задач синтеза логических структур.

Синтез логических структур ООБД рассматривается в работе как поиск оптимального варианта отображения объектных канонических структур в такие логические структуры, в которых сохраняются синтаксические и семантические свойства и особенности элементов . и взаимосвязей предметных областей АИУС и обеспечивается эффективность функционирования АИУС при заданных потоках запросов пользователей и транзакций. Основными критериями эффективности синтеза логических структур ООБД являются минимум суммарного времени формирования структуры, загрузки и использования ООБД, минимум обслуживания множества запросов пользователей и выполнения транзакций к ООБД. В качестве ограничений при решении задач синтеза оптимальных логических структур ООБД используются структурные и технологические ограничения, к которым относятся ограничения на число объектов данных в составе логических записей, на длину формируемых логических записей, на допустимое время блокирования записей при выполнении транзакций и другие. В результате решения задач синтеза определяются оптимальные характеристики логических структур ООБД (состав и структуры логических записей и взаимосвязей, точки входа в структуры и др. характеристики); оптимальные структуры запросов и транзакций к ООБД.

В четвертой главе рассмотрены модели и методы управления процессами сопровождения и развития баз метаданных репозитария САПР на этапе эксплуатации ООБД. Рассмотрены методы формирования логической структуры БмД репозитария в виде взаимосвязанных разделов метаданных; анализа и реструктуризации объектных моделей требований пользователей и объектной канонической структуры БД при изменении требований пользователей; анализа и преобразования объектной канонической структуры БД с учетом ограничений на логиче-

17 ские структуры БД разных типов и построения эффективных рациональных логических структур БД объектно-ориентированного, реляционного и иерархического типов.

В приложении П1 приведено описание разработанной на основе предложенных в работе моделей, методов и алгоритмов системы автоматизированного проектирования ООБД «Cache DBD». САПР «Cache DBD» (Cache DataBase Designer)предназначена для автоматизированной и информационной поддержки процессов моделирования и анализа предметных областей АИУС, спецификации информационных и функциональных требований пользователей, проектирования объектных канонических и оптимальных логических структур ООБД, рациональных логических структур постреляционных БД и БД традиционных типов, а также сопровождения ООБД в диалоговом режиме. Ядром САПР является постреляционная СУБД Cache. Программное обеспечение САПР "Cache DBD" состоит из трех комплексов программ, ориентированных на решение специфических задач проектирования БД объектно-ориентированного, реляционного и иерархического типов. Программное обеспечение реализовано на языках программирования Cache Object Script и Microsoft Visual Basic. Центральное место в САПР "Cache DBD" занимает база метаданных (БмД) репозитария, разработанная на основе концепции единой архитектуры данных СУБД Cache, что обеспечивает независимость хранения данных в репозитарии от способа их представления.

Отличительными особенностями САПР "Cache DBD" являются: комплексное, взаимосвязанное решение задач моделирования предметных областей, спецификации, кластеризации и нормализации информационных и функциональных требований пользователей, формирования и анализа объектных моделей требований пользователей, концептуального и логического

проектирования объектно-ориентированных, постреляционных, реляционных и иерархических БД, формирования и сопровождения базы метаданных репозитария; наличие развитого сервисного программного обеспечения для поддержки графического интерфейса пользователей с системой; гибкость программного обеспечения, построенного по модульному принципу; высокое качество вырабатываемых проектных решений за счет использования формализованных процедур проектирования и многовариантности расчетов; наличие встроенной информационной базы проектных данных и базы метаданных предметных областей (БмД репозитария). Описание САПР "Cache DBD" иллюстрируется компьютерными экранными формами (интерфейсом пользователей), используемыми для решения функциональных задач проектирования БД и принятия решений разработчиками.

В приложениях П2-П7 приводится описание разработанной логической структуры БмД репозитария на языке описания объектов СУБД Cache, учитывающей перечисленные выше требования .

В приложениях П2-П7 содержатся описания общих типов данных и их характеристик, поддерживаемых СУБД Cache, а также методов преобразования форматов представления данных, обеспечивающих унификацию типов данных для моделей различных уровней представления БД (канонического, логического, физического).

В приложение П4 приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для разделов «Описание объектной модели», «Описание схемы БД» и метаданных моделей данных, описывающих логические и физические структуры БД различных типов.

В приложении П5 приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для раздела «Описание бизнес-процессов» .

В приложении Пб приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для раздела «Описание понятий» .

В приложении П7 приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для раздела «Описание реструктуризации моделей данных».

Подобные работы
Саркисова Ирина Олеговна
Разработка методов и моделей адаптивного тестового контроля в системе подготовки и аттестации персонала транспортных предприятий
Зайцев Константин Сергеевич
Разработка моделей и методов повышения эффективности разработки и функционирования автоматизированных информационно-управляющих систем в социально-экономической сфере
Елисеева Наталья Владимировна
Разработка метода и средств представления модели знаний в задачах автоматизированной конструкторско-технологической подготовки производства
Сиротюк Владимир Олегович
Разработка и исследование моделей и методов анализа и синтеза оптимальных структур баз данных иерархического и сетевого типов
Семчевский Анатолий Константинович
Разработка системы автоматического дозирования кислорода на базе твердоэлектролитной ячейки
Баринов Александр Петрович
Разработка системы информационной поддержки контроля производственных процессов на базе терм-связности элементов электронного документооборота
Ванин Александр Сергеевич
Разработка и исследование адаптивной системы вытяжки ленты на базе нейронного управления
Тамаров Павел Александрович
Разработка и моделирование подсистемы управления терминалами автоматизированных обучающих систем на базе ВЦКП
Черный Сергей Петрович
Разработка и исследование систем управления пиролизными установками мобильного типа на базе нечеткой логики
Высоцкий Юрий Иванович
Исследование и разработка методов и средств автоматизации построения обучающих курсов в диалоговых системах на базе ЭВМ

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net