CC BY
21MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 1 (141). 2018
B.M. Ветошкин
доктор техническихнаук, профессор, ВУНЦ ВВС «ВВАим. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»;
О.В. Саяпин
кандидат технических наук, доцент, 27 Центральный научно-исследовательский институт Минобороны России;
C.B. Чискидов
кандидат технических наук, доцент, Академия гражданской защиты МЧС России;
МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ БАЗ ДАННЫХ
Представленная методика направлена на ликвидацию технологической неопределенности процесса накопления и систематизации информации о проектируемой автоматизированной системе для формирования обоснованных требований к её подсистемам и видам обеспечения, а также на сокращение сроков разработки и внедрения. Реализация предложенного подхода позволит методологически обеспечить, технологически определить и инструментально оснастить процессы анализа информационного содержания функционирования сложных организационно-технических систем.
Разработка автоматизированной системы (АС) является многоплановой, чрезвычайно сложной и трудоёмкой задачей, предполагающей разработку всех видов ее обеспечения, а также осуществления совокупности организационных мероприятий, обеспечивающих функционирование создаваемой системы. Проектирование автоматизированных систем проходит в крайне противоречивых и сложных условиях. С одной стороны, стоимость создаваемых технических и программных систем достаточно высока, при этом информационные потребности пользователей нечетко определены, плохо сформулированы и меняются в процессе проектирования, увеличивая его сроки. С другой стороны, процесс совершенствования видов обеспечения АС настолько стремителен, что при длительных сроках проектирования систем они к моменту ввода в эксплуатацию оказываются устаревшими.
Указанные обстоятельства усиливают необходимость определения научно-методических
основ и технологических стандартов для формирования концептуального облика системы в виде согласованной совокупности требований к ней, её составным частям и видам обеспечения. Такая система требований должна быть инвариантной по отношению к быстрой эволюции технических средств автоматизации, их программного обеспечения и всей информационной технологии. Здесь необходимо отметить, что активные зарубежные исследования последних лет в данном направлении уже воплощены в ряде технологическихрешений [1].
Основой автоматизации процессов функционирования организационно-технических систем являются современные информационные технологии (ИТ), базирующиеся на максимально широком использовании вычислительной техники, объединении ее в различные классы сетей, создании локальных и территориально-распре-деленных банков данных, реализующих режимы видеообработки, развитии систем искусственно-
го интеллекта, обеспечивающих решение труд-ноформализуемых задач принятия решений и дружественный интерфейс пользователям информационно-расчетных систем. Фундаментом современных ИТ является концепция интегрированных систем баз данных (СБД), состоящая в централизации функций накопления и распределения информации, позволяющая не только устранить многие трудности развития автоматизированных систем, но и определяющая основные технологические аспекты проектирования перспективных систем обработки данных для разных сфер применения. Теоретической базой таких технологий являются различные методологии проектирования систем баз данных [2-8].
Проектирование баз данных представляет собой длительный и трудоемкий процесс, требующий привлечения специалистов высокой квалификации. Будучи семиотической моделью определенной части, непрерывно изменяющегося реального мира, базы данных должны постоянно обновляться, чтобы адекватно отображать реальную действительность. Поэтому для сопровождения и эксплуатации информационных систем требуется постоянное использование процедур проектирования (трансформации и ведения) баз данных, образующих в рамках АС единую систему автоматизированного проектирования (сопровождения).
Использование процедур автоматизированного проектирования СБД направлено на уменьшение стоимости и времени разработки систем обработки данных, сокращение доли рутинных, нетворческих работ (связанных со сбором и редактированием исходных данных) и затрат на разработку прикладных систем и может служить основой для формирования требований ко всем видам обеспечения автоматизированной системы. Однако проектирование баз данных до сих пор остается скорее искусством, чем наукой. Основными ресурсами проектировщика баз данных служат собственные интуиция и опыт, причем качество получаемого при этом результата чрезвычайно сложно оценить. Во многих завершённых автоматизированных системах слабым местом оказывается структура базы данных. Основная проблема проектирования заключается в определении назначения элементов данных, их наилучшей взаимной связи и системы условий, которым должны удовлетворять значения элементов, вводимые в базуданных.
Создание систем автоматизированного проектирования баз данных требует разработки специальной теории, постановки, формализации и решения ряда сложных научно-технических задач, создания соответствующих технических и программных комплексов. Затраты на эти виды работ будут полностью компенсированы за счет значительного сокращения сроков проектирования, повышения качества проектных решений, а также многократного использования таких систем в процессе сопровождения и развития систем баз данных.
В широком смысле проектирование СБД автоматизированных систем представляет собой процесс выработки и документирования решений по составу информационных элементов (имен атрибутов и соответствующих им множеств допустимых значений); по организации элементов в структуры, соответствующие принятым в системе уровням представления данных, и определению связей структур различных уровней (отображений друг в друга); по определению ограничений целостности СБД и соответствующих процедур их контроля; по разграничению доступа к СБД и описанию процессов первоначальной загрузки и ведения баз данных; по разработке или выбору требуемого программного обеспечения, а также формированию организационно-методических и инструктивных материалов.
Содержательная формулировка проблемы эффективного проектирования СБД заключается в создании за минимальное время детально продуманной системы баз данных, обладающей свойствами расширяемости (учет новых требований) и целостности. Эту проблему удобно рассматривать в сопоставлении с этапами жизненного цикла системы, которые можно считать общепринятыми [3, 9-10]. Жизненный цикл системы БД делится на две фазы: фазу системного анализа и проектирования и фазу эксплуатации. В течение первой фазы проектировщик осуществляет сбор и анализ требований всех категорий пользователей и выполняет проектирование БД. В течение второй фазы осуществляется машинная реализация системы, сбор статистики и анализ функционирования.
Детализацию содержания фаз будем представлять следующими этапами.
Фаза моделирования, системного анализа и проектирования:
МВЛН 01? СОММШШСЛТКЖ EC:í^UГIF»:PM]E:^rT. Iss. 1 (141). 2018
— функциональное моделирование;
— информационно-логическое проектирование;
— концептуальное проектирование;
— логическое проектирование;
— физическое проектирование.
Фаза реализации, функционирования и модификации:
— реализация БД;
— анализ функционирования;
— модернизация и адаптация.
Здесь не нашли отражения два важнейших этапа создания автоматизированной системы: выбор (или разработка) системных технических средств (комплекса средств автоматизации, вычислительных комплексов и т.д.) и системного программного обеспечения (операционных систем и систем управления базами данных). Основой для решения этих вопросов являются этапы инфологического и концептуального проектирования, которые позволяют обоснованно сформировать систему требований, определяющих желаемый облик создаваемой АС и ее технического и программного обеспечений. Только после того, как будут приняты основные проектные решения по составу и типам вычислительного комплекса, операцион-
ным системам и системам управления базами данных, специалисты по этим компонентам на основе концептуального проекта смогут приступить к логическому и физическому проектированию БД, а также к завершению разработки специального математического и программного обеспечений.
Схема, представленная на рисунке 1, иллюстрирует содержание и взаимосвязь этапов фазы моделирования, системного анализа и проектирования информационной базы. Реализация этой фазы основывается на разработке модели функционирования организационно-технической системы (ОТС), состоящей в структурном описании ее процессов и функций, и структурировании информационного содержания процессов, функций и задач (ин-фологическое и концептуальное проектирование СБД).
Модель функционирования ОТС в общем случае представляет собой максимально полное описание функциональных областей, процессов, функций, задач, документов и отрабатывающих их типов должностных лиц в процессе деятельности анализируемой ОТС. Модель функционирования служит основой для планирования процессов создания автоматизирован-
Рис. 1. Содержание и взаимосвязь этапов фазы системного анализа и проектирования
информационной базы
ных систем, а также разработки их основных видов обеспечения.
Одним из результатов информационно-функционального анализа является инфологи-ческая модель данных системы, соответствующая анализируемой части предметной области. Мифологическая модель данных формализуется семантической сетью в виде инфологического графа (ИЛГ) и описывается тройкой:
Мил=<8ил,Рил,0ил>,
где Бил — ИЛГ, включающий множество типов информационных объектов (сущностей) и их информационных связей, задаваемых именами своих типов и составом типов своих свойств (характеристик, атрибутов), а также множествами их значений; Рил — правила интерпретации инфологического графа данных; Оил — закономерности предметной области, существенные для контроля целостности и согласованности информационной модели.
Инфологическая модель (ИЛМ) данных обеспечивает первоначальную (предварительную) формализацию описания информационного содержания автоматизируемых процессов, согласовывая и объединяя в себе представления всех категорий пользователей. Основными критериями оценки качества ИЛМ являются её полнота и простота понимания, детальность, ясность и согласованность описания элементов.
Концептуальное проектирование имеет целью формирование обобщенной точки зрения на создаваемую информационную систему для всех категорий пользователей создаваемой автоматизированной системы, независимой от технических и системных программных средств, а также создание модели обработки данных (транзакций) в виде последовательности взаимосвязанных действий с базой данных в процессе её ведения.
Концептуальная модель (КМ) информационной системы понимается как математически точное формализованное описание элементов данных, их семантических связей и организационной структуры с указанием ограничений целостности и согласованности данных, а также соответствующих алгоритмов их контроля. Кроме того, КМ должна быть ясной и однозначно понимаемой, легко трансформируемой при изменении требований или появлении новых приложений. Перечисленным требова-
ниям к описанию КМ наилучшим образом удовлетворяет расширенные и уточненные формальные средства описания реляционной модели данных [8]. В этом случае
Мк=<8к,Рк,0к>,
где Бк — схема модели реляционного типа; Рк — система операций реляционной алгебры; Ок — система алгоритмов, описывающих процедуры контроля целостности и согласованности модели.
Логическое проектирование состоит из двух взаимосвязанных процессов: проектирование логической модели БД (формулирование КМ на языке описания данных конкретной СУБД) и проектирование программ обработки данных (модели транзакций на языке манипулирования данными конкретной СУБД). В результате этого этапа разрабатывается логическая схема данных и структурированное описание обрабатывающих программ в терминах языковых средств конкретной системы управления данными.
Физическое проектирование состоит в определении способов размещения базы данных на носителях информации и в окончательной отладке программ обработки данных, специфицированных на предыдущих этапах. Результатом этого этапа является полностью готовая к внедрению система баз данных.
Итак, процесс проектирования СБД определяется как процесс преемственной последовательной трансформации и наследования свойств моделей различных уровней:
где Мл, Мф — модели данных логического и физического уровней, имеющие соответствующие концептуальной модели компоненты.
Данный процесс целесообразно реализо-вывать в рамках единой интегрированной системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющей проектировщику СБД накапливать информацию, необходимую для проведения проектных расчетов, анализировать решения и запоминать их варианты, разрабатывать проектную документацию, возвращаться с любого последующего этапа на любой предыдущий в случае получения неудовлетворительных результатов, получать по запросам необходимую справочную информацию о состоянии проекта и т.п. Поэтому в ба-
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 1 (141). 2018
зах данных САПР накапливаются метаданные (данные о данных, которые будут содержаться в разрабатываемых БД) создаваемой АС. Они играют роль базы знаний, которая может передаваться, использоваться и пополняться на стадиях опытной и практической эксплуатации АС. Созданная АС должна содержать в своих базах данных информацию о самой себе, которая необходима и может быть быстро доступна персоналу для решения возникающих проблем.
Заключение
Разработка концептуальных проектов систем БД основывается на анализе функционирования и структурном представлении информационных процессов функционирования конкретных организационно-технических систем. В результате такой деятельности выявляются, формализуются и систематизируются знания о деятельности автоматизируемых ОТС. При этом объем баз знаний определяется масштабами и задачами автоматизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Данилин A.B., Слюсаренко А.И. Архитектура предприятия. — М.: Интуит, 2007.
2. Марка Д, МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. — М.: Метатехноло-гия, 1993.
3. Мартин Дж. Организация баз данных в вы-числительныхсистемах. — М.: Мир, 1980.
4. Мартин Дж. Планирование развития автоматизированных систем. — М.: Финансы и статистика, 1984.
5. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных. - М.: Мир, 1985.
6. Гейн К., Сарсон Т. Структурный системный анализ: средства и методы. — М.: Эйтекс, 1993.
7. Ветошкин В.М. Основы теории концептуального проектирования баз данных для автоматизированных систем. — М: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1992.
8. Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных, 7-е издание.: Пер. с англ. — М: Издательский дом «Вильяме», 2001. — 1072 с.
9. Ветошкин В.М. Теоретические основы систем баз данных. — М: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2003.
10. ВендровА.М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем. — М.: Финансы и статистика, 2000.
