На правах рукописи

ЗИНЧЕНКО Роман Егорович

МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ

ПОДДЕРЖКИ СИСТЕМНОГО ИЗОМОРФИЗМА

КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И БАЗЫ ДАННЫХ

Специальность 05.13.17 – Теоретические основы

информатики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пензенский государственный педагогический университет имени В. Г. Белинского».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ДРОЖДИН Владимир Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЯКИМОВ Александр Николаевич;

кандидат технических наук, доцент ПИКУЛИН Василий Васильевич

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физических измерений

Защита состоится 7 апреля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.186.01 при ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» и на сайте университета http://www.pnzgu.ru.

Автореферат разослан 4 марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Е. И. Гурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматизированные информационные системы (АИС) нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Современные АИС являются пассивными системами, не способными в процессе функционирования модифицироваться пользователями для учета особенностей предметной области и самостоятельно оптимизировать организацию и обработку данных. Вследствие этого они обладают рядом существенных недостатков: модель предметной области (ПрО) часто представляется в форме внешней схемы базы данных (БД), реализованной в рамках даталогической модели данных, ориентированной на внутреннюю обработку информации; требуется сложный и трудоемкий процесс проектирования и создания АИС для учета различных ситуаций, возникающих в процессе решения задачи информационного обслуживания.

Для учета специфики ПрО и повышения эффективности использования АИС целесообразно:

1) возложить часть проектирования системы на самих пользователей, обладающих хорошими знаниями о предметной области, что позволит обеспечить высокую адекватность ПрО;

2) более полно учитывать семантику ПрО в информационной модели и обеспечивать высокую эффективность обработки данных, что делает целесообразным использование моделей разных типов для отражения ПрО и организации базы данных.

Высокая сложность предметных областей и решаемых задач не позволяет быстро и за одну итерацию создавать хорошие информационные системы, поэтому они проектируются и создаются поэтапно, что часто требует доработки уже используемых подсистем. С другой стороны, в процессе эксплуатации АИС постепенно уменьшается ее адекватность внешней среде, вследствие изменения среды и решаемых задач, а модель ПрО фиксирована в системе. Это снижает качество удовлетворения информационных потребностей пользователей и требует изменения системы.

Таким образом, тесная взаимосвязь модели ПрО и БД на основе их статического соответствия требует больших затрат на модификацию системы в случае изменения модели ПрО или БД.

Для удобства преобразования информации из реляционной БД в объектную форму в прикладных программах часто используют системы объектно-реляционного отображения, или ORM-системы (Object-Relational Mapping). Применение технологии ORM при разработке АИС позволяет абстрагировать бизнес-логику и интерфейс пользователя от источника данных, что делает программное приложение относительно независимым от используемой системы управления базами данных (СУБД). Однако существующие реализации технологии ORM не предполагают динамической адаптации механизма объектно-реляционного отображения к изменению внешней среды, т.е. к изменению схемы объектной модели слоя бизнеслогики и/или схемы БД.

Повышение эффективности создания АИС осуществляется на основе использования CASE-технологий (Computer-Aided Software Engineering), реализующих инструментальную поддержку технологии проектирования и позволяющих создавать программные приложения с использованием парадигмы модельно-ориентированной разработки MDD (Model Driven Development). Применение CASE-технологий обеспечивает стандартизацию процесса разработки АИС и снижает трудоемкость сопровождения программных приложений. Однако сложность CASE-средств позволяет выполнять изменение программной системы в процессе эксплуатации только ее разработчиками. Следовательно, технологии CASE и MDD, упрощая разработку АИС, не решают проблему их эволюции в процессе эксплуатации.

Следовательно, трансляция концептуальной модели ПрО в БД с применением технологий ORM и CASE недостаточно эффективна для поддержки функционирования эволюционных АИС.

Рассматриваемым вопросам большое внимание уделяли Дж. Мартин, Д. Ульман, К. Дейт, Э. Кодд, М. Ш. Цаленко, М. Р. Когаловский, Т. В. Гавриленко и др. Однако проблема логической и физической независимости данных в полном объеме не решена до настоящего времени.

Поэтому одной из важнейших задач создания дружественных (ориентированных на конкретных пользователей) АИС с высокой эффективностью обработки данных является реализация динамического соответствия модели ПрО и БД.

Объектом исследования являются процессы согласования концептуальной модели ПрО и БД при их независимых изменениях.

Предметом исследования являются способы эффективного отображения концептуальной модели ПрО в БД.

Цель работы заключается в создании модели динамической поддержки соответствия концептуальной модели ПрО и БД в форме системного изоморфизма и алгоритмов, обеспечивающих ее эффективную реализацию.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих моделей отображения концептуальной модели предметной области в базу данных.

2. Разработка модели динамической поддержки соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма.

3. Разработка способа динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых SQL-запросов.

4. Разработка алгоритмов динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных.

5. Разработка структуры программного компонента, реализующего модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных.

6. Разработка структурной модели информационной системы, использующей динамическую поддержку соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма.

Методы исследования. В процессе исследования использовались положения теории систем, дискретной математики, теории множеств, алгебраических систем, математической логики, теоретических основ информатики и баз данных.

Научная новизна:

1. Предложено включить формализованную концептуальную модель предметной области в структуру АИС. Это обеспечит взаимодействие пользователей с АИС на семантическом уровне и позволит создавать и модифицировать систему в процессе функционирования без разработки новых и модификации существующих приложений.

2. В отличие от известных статических моделей соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме математического изоморфизма предложено и обосновано использование соответствия в форме системного изоморфизма, позволяющего АИС содержать в базе данных дополнительную информацию, что предоставляет возможность приобретения системой новых функций, например, создание и поддержка базы данных самой АИС, динамическое согласование модели предметной области и базы данных.

3. Впервые предложена логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, определяющая корректное функционирование АИС при независимых изменениях модели предметной области и базы данных.

4. Предложен способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых SQL-запросов, позволяющий использовать для ведения базы данных существующие СУБД и обеспечивать эффективность обработки данных без снижения быстродействия, обеспечиваемого СУБД.

5. Разработаны алгоритмы поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющие восстанавливать его при нарушениях вследствие независимых модификаций модели предметной области и базы данных.

6. Предложена структура информационной системы с динамической поддержкой соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма, впервые позволяющая пользователям модифицировать АИС в процессе ее функционирования, что обеспечивает высокую адекватность системы внешней среде и увеличивает срок ее эксплуатации.

Теоретическая ценность. Предложенная логическая модель и алгоритмы динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД обеспечивают их независимые изменения с сохранением целостности системы, что является существенным шагом к созданию самоорганизующихся информационных систем.

Практическая ценность. Разработанная структура программноинформационного компонента динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных обеспечивает автоматическую корректировку их соответствия в реальном времени, что позволяет осуществлять разработку АИС без создания новых приложений и снижает время и затраты на их создание и сопровождение.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, определяющая корректное функционирование АИС при независимых изменениях модели предметной области и базы данных.

2. Способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых SQL-запросов, позволяющий использовать существующие СУБД и осуществлять эффективную обработку данных в АИС.

3. Алгоритмы поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющие автоматически содержать систему базовых SQL-запросов и базу данных АИС в актуальном состоянии.

4. Структурная модель информационной системы с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющая пользователям создавать АИС и модифицировать ее в процессе эксплуатации.

Внедрение результатов работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, использованы:

– в научно-исследовательской работе по теме «Разработка модели самоорганизующейся информационной среды», выполненной Пензенским государственным педагогическим университетом имени В. Г. Белинского в 2008–2010 гг. по тематическому плану Федерального агентства по образованию;

– в разработке подсистемы организации и обработки данных систем видеонаблюдения ООО НПФ «ГЕМУС»;

– в научно-исследовательской работе по теме «Развитие и актуализация информационной системы оценки качества подготовки студентов вузов по дисциплине «Русский язык и культура речи», выполненной Пензенским государственным педагогическим университетом имени В. Г. Белинского в 2008–2010 гг. по Государственному контракту № П46 от 09.04.2008 г.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:

на VI, VII, VIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (г. Пенза, 2006, 2007, 2008);

на II Международной научно-практической конференции «Инновации в управлении и образовании: технико-технологические и методические аспекты» (г. Тула, 2009);

на IX Международной научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике», посвященной 70-летию Пензенского государственного педагогического университета имени В. Г. Белинского (г. Пенза, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах автора, 5 из которых в журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 129 наименований. Работа содержит 140 страниц основного текста, 38 рисунков, 3 таблицы, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулирована цель и определены задачи исследования; показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов; приведены сведения об апробации и внедрении работы.

Первая глава посвящена эволюции архитектуры АИС, анализу концептуального моделирования ПрО и методам отображения модели ПрО в БД, используемых в существующих АИС.

Эволюция архитектуры АИС осуществляется в направлении повышения ее гибкости и обеспечения длительной адекватности внешней среде.

Анализ концептуального моделирования ПрО показывает, что наиболее широко для моделирования ПрО используются ER-модель П. Чена, семантические сети, объектная модель, модель потоков данных и др. Все эти модели являются преимущественно логическими и отражают определенные стороны объектов и их взаимодействие в ПрО. Необходимость отражения сложных ПрО требует максимального учета в концептуальной модели семантики ПрО.

Для организации и обработки данных используются как традиционные иерархическая, сетевая и реляционная, так и достаточно новые объектная, многомерная и другие модели данных. Ориентация моделей данных на обработку информации требует их эффективной реализации.

Учитывая разные цели концептуальной модели и модели данных, что проявляется в различном представлении одной и той же ПрО, при создании АИС возникает задача согласования и установления соответствия между этими моделями, обеспечивающего возможность их независимых изменений и корректную обработку данных в системе.

Во второй главе осуществляется разработка модели динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД и организации АИС, использующей соответствие такого типа.

На основе системного подхода предполагается, что концептуальная модель ПрО и БД являются относительно самостоятельными системами, между которыми устанавливается определенное соответствие.

В существующих АИС принято статическое изоморфное соответствие концептуальной модели ПрО и БД, требующее полного отображения концептуальной модели ПрО в БД, и наоборот. Динамическая поддержка изоморфного соответствия является очень трудоемкой, поэтому в существующих АИС используется именно статическое соответствие, устанавливаемое на этапе проектирования системы, а изменение концептуальной модели ПрО и/или БД требует перепроектирования АИС и приводит к существенным изменениям программного обеспечения системы.

Однако статическое изоморфное соответствие концептуальной модели ПрО и БД неприемлемо для АИС, в которых эти подсистемы могут изменяться относительно независимо (эволюционировать), а система должна самостоятельно поддерживать соответствие между ними.

В работе впервые предлагается использовать динамическую поддержку соответствия концептуальной модели ПрО и БД в форме системного изоморфизма, обеспечивающего полное отображение концептуальной модели ПрО в БД и частичное отображение БД в концептуальную модель ПрО. Системный изоморфизм введен Ю. А. Урманцевым как обладающее свойствами рефлексивности и симметричности отношение между объектами-системами одной и той же или разных R-систем (систем объектов данного рода). Поэтому пользователь полностью получит из АИС информацию о реальном мире в соответствии со своим представлением, что обеспечивает логическую корректность системы, а система может содержать некоторую дополнительную информацию, которая не будет «видна» извне:

– информацию об отложенных модификацих БД при удалении из концептуальной модели ПрО различных понятий и отношений;

– информацию об объектах внешней среды, взаимодействующих с системой, и отношениях между ними, воспринимаемую и накапливаемую системой самостоятельно;

– закономерности (знания) о поведении внешней среды и функционировании системы, вырабатываемые системой самостоятельно и используемые для повышения корректности, надежности и эффективности ее функционирования.

Динамическая поддержка модели соответствия в форме системного изоморфизма определяет:

– начальное отображение концептуальной модели ПрО в БД;

– формирование отображения концептуальной модели ПрО в БД, представленную в третьей нормальной форме (3НФ);

– модификацию отображения концептуальной модели ПрО в БД при их независимых изменениях.

В качестве механизма, обеспечивающего динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, предлагается система базовых SQL-запросов, ставящая в соответствие каждому понятию модели ПрО множество объектов, содержащихся в БД.

Концептуальную модель ПрО графически можно представить в виде, приведенном на рисунке 1, где Oi j – i-й компонент уровня j, включающий в себя хотя бы один объект уровня j – 1 и, возможно, объекты более низких уровней j – 2, j – 3, …, а также собственные свойства.

O1 (Oik 1,..., O jj, Z11, Z12,..., Z1r1 )... Os (Oik 1,..., O jj, Zs1, Zs2,..., Zsrs ) O1 ( X 11, X 12,..., X 1n1 ) O2 ( X 21, X 22,..., X 2n2 )... Om ( Xm1, Xm2,..., Xmnm ) Рисунок 1 – Графическое представление концептуальной модели ПрО Формальное описание концептуальной модели ПрО включает определение понятий и отношений между понятиями.

Понятия, представляющие различные типы объектов ПрО:

где V – множество всех понятий модели ПрО; nv – имя понятия; vs – состав понятия; vc – содержание понятия.

Между понятиями определяются отношения в виде где Rv – совокупность различных отношений между всеми понятиями ПрО;

rv – отношение типа trv между понятиями v1 и v2; nr – имя отношения; trv – тип отношения: агрегация (часть-целое) – понятие v2 является компонентом (частью) понятия-агрегата v1; классификация – понятие v2 является подклассом класса v1; обобщение (род-вид) – каждое видовое понятие v является категорией родового понятия v1; абстрагирование – понятие v2 является конкретизацией понятия-образа v1.

Тогда концептуальная модель ПрО имеет вид Формальное описание БД задается совокупностью составляющих его отношений.

Схема отношения:

где aj – имя атрибута, 1 j n.

Каждый атрибут aj определен на домене D:

Отношение ri со схемой Ri:

Ключ отношения ri со схемой Ri:

где dig, dig,..., dim, diq, diq2,..., dim – значения ключа кортежей g и q (g отношения ri.

Схема базы данных:

где I – количество отношений в базе данных.

Для обеспечения соответствия концептуальной модели ПрО и БД разработана модель системного изоморфизма в виде логической модели:

где R = RM ° R e, M RM; M – модель предметной области; R – схема базы данных; RM – часть схемы базы данных, соответствующая M; Re – часть схемы базы данных, определяющая дополнительную информацию.

Изменение логической модели системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД во времени:

где T – время существования АИС.

Для оценки системного изоморфизма введены коэффициенты подобия и разнообразия концептуальной модели ПрО и БД.

Степень логического подобия M и R : = RM / R.

Степень логического разнообразия M и R : = Re / R = 1 – RM / R = 1 –.

Оценки логического соответствия:

– при 0 – логическое подобие M и R низкое, так как R Re.

Формирование начального отображения концептуальной модели ПрО осуществляется в БД, представленную в форме универсального отношения U. При этом SQL-запрос для каждого понятия будет являться проекцией универсального отношения.

Для повышения эффективности функционирования АИС целесообразно приведение БД из универсального отношения к 3НФ (алгоритмы проектирования БД в 3НФ известны и в работе не рассматриваются). При этом осуществляется модификация системы базовых SQL-запросов для обеспечения системно-изоморфного соответствия концептуальной модели ПрО и БД.

Поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении модели ПрО потребовала разработки способа обеспечения соответствия в случае добавления и удаления понятий, добавления и удаления отношений между понятиями, включения понятия с трансляцией отношения, декомпозиции и слияния понятий.

Автоматически реализуемый системой способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении модели ПрО заключается в следующем:

– корректировка формального описания концептуальной модели ПрО;

– в случае необходимости корректировка БД;

– модификация системы базовых SQL-запросов.

Например, поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при добавлении нового понятия-агрегата «сотрудник» в модель ПрО (рисунок 2,а) осуществляется следующим образом.

Рисунок 2 – а) Добавление в концептуальную модель ПрО понятия-агрегата «сотрудник»; б) модификация схемы БД для хранения информации об объектах понятия-агрегата «сотрудник»

Фрагмент ПрО на рисунке 2,а формально представляется записью:

Добавление нового понятия требует изменения БД путем включения нового отношения, предназначенного для хранения информации об объектах нового понятия (рисунок 2,б).

Формирование базового SQL-запроса для нового понятия производится путем естественного соединения нового отношения БД и базового SQL-запроса понятия-компонента. Базовый SQL-запрос для понятия «сотрудник» будет иметь вид где v_Человек – имя базового SQL-запроса, формирующего объем понятия-компонента «Человек».

В общем случае базовый SQL-запрос нового понятия Oi j, связываемого с понятием Okj 1, имеет вид где R1 – отношение, содержащее объекты понятия Oi j ; v_V2 – базовый SQL-запрос, формирующий объем понятия Okj 1.

Разработанная модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД позволила реализовать обобщенную операцию абстрагирования, предоставляющую возможность формировать понятия-образы путем:

– отбрасывания несущественных свойств конкретного понятия;

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

– создания обобщенного понятия с интегральными характеристиками, формируемыми на основе свойств конкретного понятия;

– создания обобщенного понятия-образа, объекты которого будут иметь усредненные характеристики групп объектов конкретного понятия.

Обобщенная операция абстрагирования позволяет получать принципиально новые представления ПрО, обладающие существенно более высоким уровнем абстрагирования и обобщения, чем в существующих информационных системах. Поддержка отношения абстрагирования делает АИС открытой для формирования специфических типов объектов, обладающих большой выразительной способностью для представления объектов реального мира, и предоставляет пользователям мощные средства для адекватного моделирования предметной области.

Поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении БД потребовала разработки способа обеспечения соответствия в случаях декомпозиции, иерархической декомпозиции и композиции отношений, деления и объединения отношений, декомпозиции и слиянии атрибутов отношений.

Автоматически реализуемый системой способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении схемы БД заключается в следующем:

– корректировка схемы БД;

– модификация системы базовых SQL-запросов.

Например, поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при декомпозиции отношения «Человек» на два отношения, с включением в первое отношение атрибутов с наиболее часто используемой информацией, а во второе – атрибутов с более редко используемой информацией, приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – а) Фрагмент исходной схемы БД; б) фрагмент схемы БД после декомпозиции отношения «Человек» на два отношения Модификация системы базовых SQL-запросов заключается в замене исходного отношения на естественное соединение двух отношений. Базовый SQL-запрос для формирования объема понятия «Человек» для схемы БД на рисунке 3 имеет вид В общем случае базовый SQL-запрос при декомпозиции отношения имеет вид где R1 и R2 – отношения, содержащие полную информацию об объектах.

Особенность организации АИС с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД заключается в возможности совершенствования системы в процессе ее функционирования путем повышения адекватности отражения реального мира в концептуальной модели ПрО и повышения эффективности обработки данных вследствие оптимизации БД.

В третьей главе определяется способ организации системы базовых SQL-запросов, разрабатываются операции динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД и их программная реализация, а также приводятся результаты апробации разработанного программно-информационного компонента.

Система базовых SQL-запросов может быть реализована в форме полных запросов, включающих только отношения БД, и в форме системы распределенных запросов, включающих отношения БД и базовые SQLзапросы понятий более низкого уровня.

Оценка каждого способа организации системы базовых SQLзапросов осуществлялась на основе количества модифицируемых SQL-запросов, а также временной и емкостной сложности модификации одного базового SQL-запроса. Система базовых SQL-запросов в форме полных запросов показала экспоненциальные оценки, пропорциональные O(an–k), а в форме распределенной системы запросов – оценки, пропорциональные O(a) 0, где a – среднее количество понятий, определенных на основе некоторого понятия на каждом уровне концептуальной модели ПрО; k – уровень, на котором находится модифицируемое понятие; n – количество уровней в модели ПрО.

Таким образом, показано, что система базовых SQL-запросов может быть организована очень эффективно и требовать минимальных затрат на поддержание.

На основе разработанных способов динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД и организации системы базовых SQL-запросов в форме распределенных запросов разработан набор операций, приведенный в таблице 1, в которой приняты следующие обозначения:

M, M' – концептуальная модель предметной области до и после выполнения операции;

Q, Q' – система базовых SQL-запросов до и после выполнения операции;

v, v' – существующее или добавляемое понятие;

r – отношение между понятиями концептуальной модели предметной области;

R, R' – схема БД до и после выполнения операции;

R, R1, R2 – существующие отношения БД;

А – подмножество атрибутов отношения R БД;

ai, aj – атрибуты отношения R БД;

p – предикат или некоторое правило, используемое при выполнении операции.

Предложенный механизм базовых SQL-запросов позволил реализовать и обработку данных в АИС. Для этого система базовых SQL-запросов была расширена запросами типа insert, update и delete. Показано, что понятия-подклассы для обработки данных используют SQL-запросы типа insert, update и delete из понятия-класса, а для понятий-образов запросы типа insert, update и delete не создаются, так как понятие-образ является представлением данных с высокой степенью абстрагирования и обобщения, а объекты его объема формируются как интегральные объекты из объектов конкретного понятия.

Таблица 1 – Операции динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД Начальное отображение понятий в форме универсального отношения Формирование отображения понятий представленную в 3НФ Добавление понятия в концептуальную модель ПрО Добавление понятия с трансляцией отношения Декомпозиция понятия концептуальной модели ПрО Композиция понятий Удаление понятия из концептуальной тиями концептуальной модели ПрО Удаление отношения между поняM, v, v' > < M' > Иерархическая декомпозиция Декомпозиция атрибута Оценки временной сложности операций:

2 : T = O(1–3) + O(n m), где O(1–3) – сложность шагов 1–3 алгоритма;

n – количество понятий; m – количество отношений в базе данных;

3 – 16 : временная сложность операций определяется временной сложностью реализации операций языков DDL и DML СУБД, поддерживающих БД.

Для реализации операций динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД разработан набор алгоритмов, представленных программными процедурами, связанными по входу и выходу. Алгоритм реализации операции 4 приведен на рисунке 4.

Подобным образом реализованы все операции из таблицы 1. Это позволило сформировать целостный программно-информационный компонент, обладающий высокой автономностью и взаимодействующий с модулем ведения концептуальной модели ПрО и СУБД.

обеспечения ссылочной целостности SQL-запросов для понятий Ci и Cj Для апробации предложенных модели и алгоритмов разработана экспериментальная программная оболочка, включающая программный компонент в качестве одной из подсистем и позволяющая создавать АИС пользователями системы без проектирования и написания программного кода.

Экспериментальная система подтвердила теоретические показатели эффективности динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, а также открытость создаваемых АИС на уровнях концептуальной модели ПрО и базы данных. Это позволяет утверждать, что впервые достигнута реальная независимость концептуальной модели ПрО и БД, являющаяся одним из важнейших требований к информационным системам.

В приложении представлены программный код основных модулей программно-информационного компонента и документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработана формализованная концептуальная модель ПрО, позволяющая представлять в виде понятий объекты реального мира и их свойства, а также отношения агрегации, обобщения, классификации и абстрагирования между понятиями.

2. Определен набор допустимых модификаций концептуальной модели ПрО и схемы БД, приводящих к нарушению их соответствия, и алгоритмы восстановления системного изоморфизма между ними.

3. Разработана логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, обеспечивающая следующие возможности:

– полную независимость модели ПрО и организации данных, что преобразует запросы пользователей в неспецифические воздействия и впервые позволяет АИС самостоятельно формировать, поддерживать и совершенствовать корректную, надежную и эффективную организацию данных, соответствующую формализованной концептуальной модели ПрО;

– формирование начального отображения концептуальной модели ПрО в БД и поддержку динамического соответствия между ними в форме системного изоморфизма при изменениях модели ПрО и схемы БД;

– логическую корректность и высокую надежность функционирования системы, базирующиеся на формальных методах организации и обработки данных;

– высокую эффективность функционирования системы, базирующуюся на независимости базы данных и возможности ее оптимизации в процессе функционирования АИС.

4. Разработан способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД на основе системы базовых SQL-запросов, расширяющий возможности АИС без снижения быстродействия обработки данных, обеспечиваемой системой управления базами данных.

5. Определены формальные операции и алгоритмы их реализации, осуществляющие динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД.

6. Разработаны структура и организация программного компонента, выполняющего динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД в процессе функционирования АИС.

7. Разработана структурная модель АИС с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, позволяющая существенно упростить администрирование и сопровождение АИС и предоставляющая пользователям средства для поддержки адекватности системы внешней среде длительное время, что существенно увеличивает срок эксплуатации АИС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

2. Зинченко, Р. Е. Системно-изоморфное динамическое соответствие концептуальной модели предметной области и схемы базы данных / Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. – 2010. – № 1. – С. 71–75.

3. Зинченко, Р. Е. Обобщенная операция абстрагирования как реализация принципа открытости самоорганизующейся информационной системы / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Е. В. Герасимова // Программные продукты и системы. – 2010. – № 2. – С. 82–89.

4. Зинченко, Р. Е. Обработка данных в информационной системе с динамическим соответствием модели предметной области и схемы базы данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. Физико-математические и технические науки. – 2010. – № 18 (28). – С. 145–150.

5. Зинченко, Р. Е. Эволюция архитектуры информационных систем / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. – 2010. – № 4. – С. 59–63.

6. Зинченко, Р. Е. Оптимизация SQL-запросов / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, А. А. Масленников // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. VI Всерос. науч.-техн.

конф. – Пенза, 2006. – С. 34–36.

7. Зинченко, Р. Е. Стратегии оптимизации SQL-запросов / Р. Е. Зинченко // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. VII Всерос. науч.-техн. конф. – Пенза, 2007. – С. 10–12.

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

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

10. Зинченко, Р. Е. Отображение концептуальной модели предметной области в модель базы данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, А. А. Масленников // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. VIII Всерос. науч.-техн. конф. – Пенза, 2008. – С. 208–210.

11. Зинченко, Р. Е. Информатизация предприятия на основе самоорганизующейся информационной системы / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Инновации в управлении и образовании: технико-технологические и методические аспекты : материалы II Междунар. науч.-практ. конф. – Тула, 2009. – С. 91–93.

12. Зинченко, Р. Е. Модель системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и схемы базы данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Е. В. Герасимова, Р. Н. Кузнецов, Р. Ю. Севостьянов // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике :

сб. ст. IX Междунар. науч.-технич. конф. – Пенза, 2009. – С. 44–49.

13. Зинченко, Р. Е. Методы адаптации и поколения развития программного обеспечения / А. Б. Баканов, В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Р. Н. Кузнецов // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. Физикоматематические и технические науки. – 2009. – № 13 (17). – C. 66–70.

МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ

СИСТЕМНОГО ИЗОМОРФИЗМА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И БАЗЫ ДАННЫХ

Специальность 05.13.17 – Теоретические основы информатики Подписано в печать 03.03.2011. Формат 60Ч841/16.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: [email protected]