На правах рукописи
Кульков Сергей Сергеевич
Разработка комплексной автоматизированной
информационной системы для создания, хранения и
предоставления информации в области химии и
химической технологии
05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации
(химическая технология, нефтехимия и нефтепереработка,
биотехнология) 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (технические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени Кандидата технических наук Москва, 2007
Работа выполнена на кафедре кибернетики химико-технологических процессов Российского химико-технологического университета (РХТУ) им. Д.И. Менделеева Научные руководители: доктор технических наук, профессор Кольцова Элеонора Моисеевна кандидат технических наук, доцент Павличева Елена Николаевна
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Малинецкий Георгий Геннадьевич заместитель директора по научной работе института прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук кандидат технических наук, доцент Дударов Сергей Павлович доцент кафедры компьютерно-интегрированных систем в химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева
Ведущая организация: Государственная научно-техническая библиотека России
Защита состоится « 27 » сентября 2007 г. в 13 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.204.03 в РХТУ им. Д.И. Менделеева по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., д.
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им.
Д.И. Менделеева
Автореферат разослан «25» августа 2007 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Женса А.В.
Д 212.204.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На современном этапе развития цивилизации, когда осуществляется переход от индустриального к обществу знаний, где доминируют продукты интеллектуального труда, одной из важнейших составляющих является процесс информатизации, в том числе и в сфере образования. Особенность этого явления состоит в том, что доминирующим видом деятельности в сфере общественного производства является сбор, накопление, продуцирование, обработка, хранение, передача и использование информации, осуществляемые на основе современных средств вычислительной техники, а также на базе разнообразных средств информационного обмена.
К настоящему времени в науке в ряде предметных областей, в том числе в химии – накоплено большое количество знаний и информации, требующее очень большого объема работ по ее обобщению, систематизации для создания условий широкого использования этой информации учеными и специалистами. Все большую важность и значимость приобретают вопросы информационного обеспечения использования результатов фундаментальных исследований в прикладных разработках, в создании новых материалов, продуктов и технологий.
В высшем учебном заведении важнейшим звеном по переработке и предоставлению информации являются информационно-библиотечные, научные интеллект центры. Они берут на себя функции по структуризации и упорядочиванию накопленной в университете информации для наиболее быстрого предоставления информации по запросу пользователей. Активно участвуя в построении единого информационно-образовательного пространства Университета, информационный центр связывает приоритеты своей деятельности с созданием условий полного и оперативного обеспечения информацией студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава, научных работников на основе прогрессивных информационнокоммуникационных технологий. Таким образом, автоматизация информационнобиблиотечного центра, а значит и ускорение процессов переработки и предоставления информации позволяет существенно увеличить эффективность образовательной, инновационной и научной деятельности университета.
В диссертации разрабатываются модели и алгоритмы для реализации комплексной автоматизированной информационной системы для создания, хранения и предоставления информации в области химии, химической технологии и смежных отраслей знаний.
Актуальность работы подтверждается тем, что тематика диссертации связана с реализацией планов в рамках национального проекта «Образование». По этому проекту в высших учебных заведениях основной упор делается на инновационное образование, в том числе на создание электронных библиотек и обеспечение постоянного доступа пользователей к информационным ресурсам.
Цель работы. Разработка моделей и алгоритмов для реализации комплексной автоматизированной информационной системы для создания, хранения и предоставления информации в области химии, химической технологии и смежных отраслей знаний.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать модель построения комплексной автоматизированной информационной системы и формирование структуры базы данных 2. Разработать алгоритмы и программную реализацию взаимодействия различных модулей автоматизированной информационной системы.
4. Разработать модель постоянного удаленного доступа пользователей к ресурсам автоматизированной информационной системы.
5. Разработать алгоритм и программную реализацию дифференцированного 7. Разработать модуль ввода (пополнения) информации в базы данных (БД) и 8. Разработать эффективные модули поиска и предоставления информации по БД и ЭК, в том числе полнотекстовым, предусмотреть возможность электронной доставки документов по запросам пользователей электронных учебных пособий и проверочной системы оценки знаний.
представленные к защите и имеющие научную новизну, заключаются в следующем:
1. Разработана модель построения комплексной автоматизированной информационной системы и алгоритмы взаимодействия различных модулей обеспечения взаимодействия различных типов СУБД, реляционной MySQL 3. Разработана модель постоянного удаленного доступа пользователей к ресурсам автоматизированной информационной системы.
(механизм авторизации) к информационным ресурсам.
Практическая значимость работы. Разработанная универсальная комплексная автоматизированная информационная система для создания, хранения и предоставления информации может быть адаптирована для условий работы вузовских информационнобиблиотечных комплексов.
Разработанная комплексная автоматизированная система успешно внедрена в работу в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Входящие в состав комплексной автоматизированной системы модули управления, поиска по ЭК, мониторинга и ввода в БД переданы на тестирование в ГПНТБ России на предмет включения в поставку автоматизированной информационно-библиотечной системы «ИРБИС» и последующего распространения в библиотеках страны.
Созданы мультимедийные электронные учебные пособия по курсам «Методы синергетики в химии и химической технологии» и «Численные методы решения уравнений математической физики и химии», которые используются в учебном процессе РХТУ.
профессиональных периодических изданиях, в выступлении с докладами на международных конференциях и опубликовании текстов этих докладов, содержащих результаты настоящей диссертации.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-2003"; 16th Int. Congr. of Chem. and Process Engineering (CHISA-2004), Восьмая межвузовская учебно-методическая конференция «Современные тенденции подготовки химиков технологов: Международный опыт и Российские традиции»;
Международная конференция ЛИБКОМ 2006 (с. Ершово, Московская область);
В 2006 г. на ВВЦ проходила III Всероссийская научно-практическая конференция «Образовательная среда сегодня и завтра», в рамках которой была организована выставка достижений высших учебных заведений. Представленная на выставке разработка «Интернет-портал ИБЦ РХТУ», являющаяся составной частью данной диссертационной работы, удостоена медали лауреата ВВЦ.
Работы по созданию модулей электронной библиотеки, как части комплексной автоматизированной системы выполнялись по программе научно-образовательных проектов, выполняемых в РХТУ им. Д.И. Менделеева при поддержке BP p.l.c Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, практической реализации, выводов и списка цитируемой литературы (80 ссылок), и включает 48 рисунков, 11 схем и 10 таблиц.
Общий объем диссертации составляет 130 страниц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются основные положения и цель, а также задачи исследования. Определяется научная новизна, практическая значимость, приводятся основные результаты работы.
автоматизированных информационных и информационно-библиотечных систем для хранения и предоставления информации, средствам поиска по электронным каталогам;
базам данных, как библиографическим, так и полнотекстовым по химии, химической технологии и смежным отраслям знаний; электронным библиотекам. Исследуется состояние и результаты использования различных автоматизированных информационных систем. На основании проведенного обзора делается вывод о том, что в настоящее время, к сожалению, не существует единой информационной системы для вузов, которая бы удовлетворяла всем необходимым требованиям в комплексе, а именно:
- связь воедино различных информационных и библиотечных сервисов (электронные каталоги, базы данных, электронные библиотеки, справочные ресурсы и др.) - обеспечение постоянного (24 часа в день, 365 дней в году) удаленного доступа пользователей к ресурсам информационной системы, удаленное обслуживание пользователей - дифференциация доступа различных категорий пользователей (студенты, аспиранты, преподаватели) к различным ресурсам информационной системы - удаленное пополнение баз данных и других ресурсов информационной системы В соответствии с целью работы и на основании выводов, сделанных в результате анализа литературы, сформулирована постановка задач исследования, а именно, создание комплексной автоматизированной информационной системы для создания, хранения и предоставления информации в области химии и химической технологии.
автоматизированной информационной системы, а также разработке алгоритмов обработки, поиска и предоставления информации.
Алгоритм методики имеет следующие этапы:
• Проведение анализа существующих типов информации в области химии и химической технологии, используемых в образовательной и научной среде.
Выделение основных групп информации. Выбор способа хранения данных.
• Разработка функциональной структуры системы, определение основных Определение перекрестных связей.
• Разработка методов и алгоритмов модулей системы Информация, используемая в процессе обучения и научной деятельности в вузах химико-технологического профиля, крайне разнородна. Эта информация включает в себя следующее основные данные: лекции, семинарские занятия, методические пособия, результаты лабораторных исследований, статьи в журналах, библиографические базы данных, сборники трудов научных конференций, патенты и многое другое. Такая информация сложно поддается классификации и типизации. Очевидно, что хранение накопленных данных и знаний в данной области и наличие инструментов их обработки является насущной необходимостью. Однако, задача создания таких инструментов чрезвычайно сложна именно из-за крайней неопределенности, нетипизированности накопленной информации и отсутствии общепринятых подходов к решению подобных проблем.
Функциональным назначением комплексной автоматизированной информационной системы являются: сбор, хранение, анализ, обработка и предоставление информации различным категориям пользователей в образовательной и научной деятельности.
Справедливо представление о комплексной информационной системе как многомодульной, имеющей иерархическую структуру. Система должна иметь возможность самоадаптации к изменяющейся внешней среде, а программное обеспечение и электронные компоненты должны соответствовать принципу обратной совместимости.
Такое построение комплексной информационной системы дает следующие преимущества:
гибкость, модульность, параллельность, охват, экономичность, технологичность.
Созданная информационная система включает распределенные базы данных, а также системы управления базами данных. Базы данных системы предназначены для сбора и хранения информации. Системы управления базами данных предназначены для управления базами данных, обеспечения их целостности и защиту от несанкционированного доступа. При формировании модели структуры БД системы пришлось разработать специальные программные модули для обмена данными между различными типами БД – табличными реляционными (MySQL) и свободно-текстовой БД CDS/ISIS, рекомендованной ЮНЕСКО для хранения библиографической информации. В MySQL хранится служебная и вспомогательная информация, такая например как:
структура полей БД для заполнения пользователями, статистика поисковых запросов, права доступа пользователей к различным модулям системы, информация о должниках, корзина заказов, текущее состояние обработки заказанных документов и др. Между таблицами БД существуют различные перекрестные связи.
Основным преимуществом СУБД MySQL является упорядоченность информации и простые механизмы извлечения и записи данных. CDS ISIS же представляется удобной СУБД для хранения неструктурированной информации, но, к сожалению, в настоящее время не существует простой технологии, позволяющей быстро извлекать и записывать данные из БД ISIS. Поэтому в работе была создана уникальная структура БД реляционной СУБД MySQL, используя которые мы можем уйти от необходимости каждый раз структурировать информацию, т.е. приводить ее к табличному виду.
В работе последовательно построена каноническая модель БД. Каноническая структура реляционной БД подразумевает безызбыточность информации, т.е. в таблицах хранится лишь такая информация, которая не может быть получена никакими функциями над уже имеющимися данными.
На основе анализа общих закономерностей построения информационных систем в диссертации сформирована обобщенная модель структуры реляционной БД.
Пусть O есть некоторое множество попарно непересекающихся объектов, O2 – отношение подчиненности на O и : 2{0,1,2} - функция, которая каждой паре объектов (o2,o1) в ставит в соответствие число (o2,o1){0,1,2}, называемое характеристикой подчиненности o2 объекту o1, так, что если o2o1 и для некоторой таблицы в o2, внешний ключ K12 которой ссылается на первичный ключ K1 объекта o1, имеет место K12 K10, то (o2,o1)2. Тогда тройка (O,,) называется базой данных, если выполнены следующие два условия:
• условие определенности первичного ключа - для первичного ключа K любой информационной таблицы (t,S)IT(O) справедливо S[K];
• условие ссылочной целостности объектов - для любых двух таблиц из разных объектов в O если внешний ключ одной из них ссылается на первичный ключ другой, то эта другая таблица должна быть непременно родительской в своем объекте, т.е. в неродительские таблицы одних объектов нет ссылок из таблиц других объектов.
Вместе с условием ссылочной целостности таблиц эти условия есть условия целостности базы данных.
Введем следующие четыре операции действий над БД: Select - чтение, Insert запись, Delete - стирание и Update - обновление. Каждая из них является функцией от пяти аргументов и записывается в форме Nam(u,,,o,), где Nam - имя операции, Nam{Select, Insert, Delete, Update}, =(O,,) - база данных, u - субъект базы, - ее состояние доступа, o - объект в и - способ адресации данных. Операция действует лишь на данные в базе, изменяя значения таблиц в O и сохраняя параметры,.
Результатом операции является база данных, однотипная с.
Первые две операции - Select и Insert - выполняются как select и insert независимо от отношения и его характеристики в базе B, а именно:
Insert(u,,,o,d)=(O*,,), где O*=O-{o} {insert(u,,o,d)};
Select(u,,,o,P}=(O*,,), где O*={select(u,,o,P)}.
Операции же Update и Delete выражаются через update и delete в зависимости от параметров и базы B следующим образом.
Delete(u,,,o,)=Update(u,,,o,)=; в противном случае Delete(u,,,o,)=(O*,,) и Update(u,,,o,)=(O',,), где O* (O') получается из O по следующим индуктивным правилам:
• заменяется на delete(u,,o,) (соответственно на update(u,,o,));
для любых o1, o2 в O* (соответственно в O') таких, что o2o1, в таблице (t2,S) в o2, внешний ключ K12 которой ссылается на первичный ключ K родительской таблицы (t,s) в o1, при (o2,o1)=1 из S удаляется всякое s', для которого s'[K12]s[K], а при (o2,o1)=2 каждое такое s'[K12] заменяется Операции Select, Insert, Delete, Update называются операциями манипулирования с базами данных, а три последние, т.е. Insert, Delete, Update - операциями модификации баз данных.
Рассматривая задачу реализации хранения произвольной неструктурированной информации в реляционной базе данных, можно видеть, что она распадается на две части - задачу реализации сущностей, и задачу представления структур сущностей. Атрибуты сущностей рассматриваются как столбцы соответствующих таблиц. Структура данных для объектов, представляющих сущности, может быть следующая:
• Сами объекты представляются уникальным идентификатором (ID), перечень которых хранится в соответствующей таблице. ID не имеет никакого содержательного смысла, а имеет лишь одно свойство — он никогда не изменяется, только появляется и исчезает. ID олицетворяет объект в самом абстрактном виде, без каких-либо его свойств.
• Произвольное количество различных свойств (атрибутов) объектов хранится в других таблицах, по одной на каждый обрабатываемый тип свойства.
Практически в библиотечно-библиографических системах достаточно только одной таблицы, содержащей атрибуты текстового типа. Атрибутам может приписываться различный содержательный смысл (пользовательская семантика) из расширяемого списка семантик.
Отношение «Сущности» состоит из одного атрибута – ID сущности - автонумеруемое целое. Отношение «Свойства сущностей» имеет атрибуты ID сущности, ID свойства — автонумеруемое целое, Название сущности. Связь между «основными» и «подчинёнными» структурами описывается Отношением «Метаструктура» ID_структуры-родителя, ID_структуры-потомка.
Между таблицами БД существуют различные перекрестные связи. В общем виде структуру таблиц можно представить следующей схемой (рис.1) – таблица категорий, таблица сущностей, таблица записей и таблица значения сущностей. Как мы видим, такая структура позволяет уйти от ограничения накладываемыми табличностью БД и формировать БД с неограниченным набором полей (сущностей).
По данной схеме реализована структура таблиц БД следующих модулей комплексной информационной системы: электронная библиотека, авторизация пользователей, заказ литературы и обработка заказов.
В CDS/ISIS хранятся непосредственно сами записи каталогов и БД. Пространство ISIS обращается к множеству ресурсов ISIS, которые соответствуют стандарту базы данных ISIS: один файл с основными данными, один инвертированный файл, файлы точности данных, технические требования одного формата, одна таблица полей выбора, и т.д. Приложение ISIS может открывать несколько пространств ISIS.
В третьей главе рассматривается модель построения комплексной автоматизированной информационной системы. Реализация предоставления информации конечному пользователю в системе выбрана на основе интернет-технологий.
Разработанные модули, из которых состоит автоматизированная система:
1. Модуль ввода информации в электронный каталог и базы данных Включает в себя автоматизированной рабочее место (АРМ) «Каталогизатор» АБИС «ИРБИС» а также возможность удаленного ввода записей в каталоги и баз данных с помощью разработанного модуля через 2. Модуль поиска информации по базам данных, в т.ч. полнотекстовым и 3. Модуль заказа документов;
4. Модуль «Электронная библиотека»;
5. Модуль электронной доставки документов;
6. Модуль дифференцированного доступа к системе и персонификации 8. Модуль «Интернет-портал»;
9. Модуль для создания мультимедийных электронных учебных пособий и проверочной системы оценки знаний.
10. Модуль сбора и учета статистики.
Разработанная модульная структура комплексной автоматизированной информационной системы допускает подключение внешних программных продуктов в качестве дополнительных компонентов. Структурная схема системы приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема комплексной автоматизированной информационной системы Основу для модуля «Электронная библиотека» (Рис.3) составляет автоматизированная информационно-библиотечная система (АИБС) «ИРБИС».
Материалы электронной библиотеки хранятся в файловом виде на сервере, ссылки на источники размещены в полях БД. Текстовые материалы электронной библиотеки проиндексированы. Индекс хранится в СУБД MySQL.
«