CC BY
7Труды МАИ. Выпуск № 83
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 004.652
Методы конвертации параметрических моделей модулей компонентов при проектировании радиотехнических систем
1 Ä lÄ Ä Л Ä Ä Ä
Кузнецов А.С. , Кузнецов С.Н. , Постникова В.Н.
1 Государственный музей А.С. Пушкина, ул. Пречистенка, 12/2, Москва, 101000, Россия Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3,
125993, Россия *e-mail: askuznetsov.gmp@gmail. com **e-mail: serghei-k@mail.ru * * *e-mail: apostnikov@mtu-net. ru
Аннотация
Рассматриваются методы повышения производительности баз данных, реализованных на основе СУБД MS SQL Server 2012, при выполнение процедуры конвертации параметрических моделей модулей компонентов в системах проектирования радиотехнических систем (РТС). Приводится алгоритм процедуры конвертации моделей модулей, реализованный по методу с временными таблицами и дается программа данной процедуры, написанная на языке T-SQL. Кроме того, в статье проводится сравнительный анализ различных методов реализации функции выполнения иерархического запроса, которая входит в процедуру конвертации и является наиболее ресурсоемкой. Показано, что при реализации процедуры конвертации, при большом числе модулей, входящих в иерархическое дерево (более
1000), целесообразно использовать структуру БД с временными таблицами, а при выполнение функции иерархического запроса - метод, в котором применяется тип данных HierarchyID.
Ключевые слова: системы автоматизированного проектирования, база данных, конвертация модулей компонентов, иерархические запросы, оптимизация запросов, проектирование радиотехнических систем.
Введение
При разработке радиотехнических систем для авиационной и космической технике все шире используется системное проектирование, основанное на модульном принципе построения аппаратуры. Такой подход позволяет значительно сократить время и стоимость разработки РТС за счет использования модулей различной производственной готовности [1].
Основой информационного обеспечения таких систем проектирования являются базы данных (БД), с помощью которых осуществляется хранение и выборка как параметрических моделей модулей РТС, так и параметрических моделей целых проектов РТС, которые представляют собой совокупность модулей различной производственной готовности и различного иерархического уровня. При этом в процессе проектирования РТС, возникает необходимость осуществлять конвертацию параметрических моделей модулей и их характеристик из формата хранения модуля в формат хранения проекта. Отличие форматов заключается в том, что в таблице параметрических моделей модулей для идентификации каждого
модуля используется уникальный ключ, а в таблице параметрических моделей проектов для идентификации модулей применяется составной ключ, который позволяет привязать параметрическую модель модуля к формату параметрической модели проекта РТС. Процедура конвертации заключается в генерации составных ключей для каждого модуля, входящего в параметрическую модель проекта РТС.
Постановка задачи
Время выполнения процедуры конвертации модулей во многом зависит как от структуры самой БД, так и от алгоритмов выполнения отдельных функций, входящих в данную процедуру. Уменьшить время выполнения процедуры конвертации и тем самым повысить производительность всей САПР можно путем использования возможностей современных СУБД.
В предлагаемой статье рассматриваются различные варианты построения БД, реализованной на основе СУБД MS SQL Server 2012, позволяющие решать указанные выше задачи, а также дается оценка их производительности.
Методы конвертации параметрических моделей модулей компонентов.
Возможности современных СУБД позволяют реализовать структуру БД таким образом, что все необходимые операции, связанные с процедурой конвертации проводятся не со всей базой данных, хранящейся на RAID - массиве сервера, а только с ограниченным объемом данных, которые размещаются в оперативной памяти сервера. Такая структура БД позволяет значительно сократить время
выполнения процедуры конвертации. При этом возможно использовать один из двух методов, поддерживаемых СУБД MS SQL Server 2012 [2,3]:
• Реализация БД с использованием курсора.
• Реализация БД с применением временных таблиц.
В первом случае используется так называемый курсор, который представляет собой область в оперативной памяти сервера БД, в которой сохраняются последовательно выбранные модули компонентов. После этого осуществляется построчная процедура конвертации, которая заключается в присвоение каждому модулю уникального составного ключа.
Во втором случае, при запуске процедуры конвертации формируется временная таблица, которая аналогична таблице, где хранятся параметрические модели модулей, но с дополнительными двумя столбцами, в которые записываются уникальные составные ключи модулей. При выборе требуемого модуля, его параметры сохраняются во временной таблице и одновременно этому модулю присваивается уникальный составной ключ, который соответствует формату текущего проекта. После того, как в таблицу записано полное иерархическое дерево всех выбранных модулей компонентов, происходит их конвертация, которая заключается в генерации составного ключа и модификации иерархических связей. После выбора и конвертации всех требуемых модулей происходит запись данных из временной таблицы в модель проекта.
В принципе и в первом и во втором случаях уменьшение времени выполнения процедуры конвертации происходит за счет того, что все необходимые операции
проводятся только с ограниченным (выбранным) числом модулей, записанных либо во временную таблицу, либо в курсор. Кроме того все операции, связанные с добавлением, удалением и конвертацией модулей осуществляется в оперативной памяти сервера, что также повышает производительность БД.
Однако, в отличие от варианта с временными таблицами, при использование курсора процесс конвертации проводится последовательно (построчно), что увеличивает время конвертации, особенно при большом числе модулей и сложной, многоуровневой иерархической структуре модели проекта. Поэтому, в таких случаях, с точки зрения производительности, целесообразно использовать структуру БД с временными таблицами. Алгоритм процедуры конвертации, реализованный по методу с временными таблицами приведен на рис. 1
БД. модулей компонентов | РТС
Запуск процедуры конвертации
1 г
Формирование временной таблицы параметрической модели РТС
^ <
Выполнение иерархического запроса
< г
Сохранение данных во временной таблице параметрической модели РТС
1 г
Конвертация данных во временной таблице пара мет ри чес кой модели РТС
Б А моделей проектов РТС
Сохранение конвертированных данных из временной таблицы в параметрическую модель проекта РТС
1 г
Закрытие процедуры конвертации
Рис.1. Алгоритм процедуры конвертации, реализованной по методу с временными
таблицами.
Данный алгоритм включает в себя последовательность выполнения следующих функций:
• Запуск процедуры конвертации. Осуществляется с помощью команды: EXEC dbo. procDIC_COMPO_IMP_TO_MODEL_N;
• Формирование временной таблицы параметрической модели проекта РТС. Временная таблица используется для хранения всех выбранных компонентов в
формате проекта. Структура временной таблицы повторяет структуру таблицы БД, в которой размещаются данные о параметрических моделях модулей. Однако, во временной таблице столбец [CMP_ID], в котором хранится уникальный ключ компонента, заменяется на столбец [DC_ID]. Также добавляется еще один столбец [DC_FN_ID]. Два этих столбца используются для хранения составного ключа, который привязывает модель модуля к формату модели проекта РТС. Формирование ключа осуществляется с помощью функции «Sequence».
• Выполнение иерархического запроса. Данная функция позволяет осуществить выбор требуемых модулей компонентов из всего иерархического дерева и запись их во временную таблицу.
• Функция конвертация компонентов во временной таблице сводится к генерации для каждого компонента составного ключа, который распределяется по двум столбцам [DC_ID] и [DC_FN_ID] , а также обновление массива ссылок на дочерние элементы, т.е. модификации иерархических связей в столбце [CMP_PID_ID].
• Сохранение нового варианта модели проекта в БД При этом происходит перезапись данных из временной таблицы TеmpDB, находящийся в оперативной памяти сервера СУБД SQL Server в БД моделей проектов, размещенной на RAID -массиве сервера.
• Закрытие процедуры конвертации сводится к удаление временной таблицы и очистке системной базы данных TEMPDB .
Программа процедуры конвертации модулей, написанная на языке T-SQL, приведена ниже.
GO
SET QUOTEDIDENTIFIER ON GO
ALTER PROCEDURE [dbo].[procDICCOMPOIMPTOMODELN] @DIC_COMPO_ID int, @MDLCOMPO_ID int AS
BEGIN
DECLARE @MODEL_ID int
Set @MODEL_ID =(NEXT VALUE FOR seqMODEL generateID)
IF OBJECT_ID('[#MODEL_COMPO]','U') IS NOT NULL
DROP TABLE [#MODEL_COMPO]
CREATE TABLE [dbo].[#MODEL_COMPO] (
[DC ID] int NOT NULL,
[DC NAME] nvarchar(max) NULL,
[DIC PID ID] int NOT NULL,
[[DC FN ID] int NOT NULL,
[DC FN PID ID] int NOT NULL,
[P COMPANY] int NULL,
[DC TYPE] int NOT NULL,
DCTEMPLATE int NOT NULL , [MODEL MDL ID] int NULL
CONSTRAINT [PK MODEL COMPO TMP] PRIMARY KEY CLUSTERED
(
[DCID] ASC
)WITH (PAD INDEX = OFF, STATISTICSNORECOMPUTE = OFF, IGNORE DUP KEY = OFF, ALLOWROWLOCKS = ON, ALLOWPAGELOCKS = ON) ON [PRIMARY] ) ON [PRIMARY]
Методы формирования иерархических запросов
Из всех функций, которые входят в процедуру конвертации наиболее ресурсоемкой является функция выполнения иерархического запроса. Это объясняется тем, что при иерархическом запросе происходит прохождение полного дерева иерархии и выборка всех модулей, входящих в данное иерархическое дерево. Очевидно, что чем выше число модулей компонентов входит в иерархическое дерево и чем больше количество уровней иерархии, тем больше времени требуется для выполнения иерархического запроса, т.е. можно записать:
Тиз =f(N, К) (1)
Где: Г из - среднее время выполнения иерархического запроса; N- число модулей компонентов, входящих в иерархическое дерево; К - количество уровней иерархии. Среднее время используется для исключения факторов, связанных с загрузкой сервера другими программами в момент выполнения запроса.
В базах данных, построенных на основе современных СУБД MS SQL Server для формирования иерархического запроса нашли применение в основном два метода -метод типа «parent-child» и метод, в котором используется тип данных Hierarchy© [4, 5].
В первом случае для выборки данных применяются CTE-выражения (common table expression), которые выполняют рекурсивные вычисления, в том числе и по
древовидным структурам. Для выборки данных по второму методу используют функции расширения, которые были введены в СУБД, начиная с MS SQL Server 2008., например, функция GetLevel, которая позволяет формировать уровень HierarchyID и соответствующий дополнительный столбец в таблице. Тип данных HierarchyID — это системный тип данных, размер которого может меняться в зависимости от структуры дерева (его глубины) и среднего числа потомков.
Основным преимуществом метода HierarchyID, по сравнению с методом Parent/Child, является возможность избавиться от циклов и рекурсивных запросов CTE , выполнение которых требует больших временных затрат.
Как правило, модули, входящие в радиотехническую систему, распределяются по четырем иерархическим уровням - система, комплексы, устройства и функциональные узлы [6]. Для такого варианта структуры РТС иерархический запрос, реализованный по методу Parent/Child и написанный на языке T-SQL,
выглядит следующим образом:
With ParamCTE(CMP_ID, CMP_NAME,CMP_PID_ID,level) AS
(SELECT CMPID, CMPNAME, CMP_PID_ID,0 As level FROM COMPO WHERE CMPID= @cmp_par
UNION ALL SELECT E.CMPID, E.CMPNAME, E.CMPPIDID, level +1 FROM COMPO AS E JOIN paramCTE AS M ON E. CMPPIDID=M.CMPID) SELECT CMPID, CMP_NAME,CMP_PID_ID, level from paramCTE
Таблица с результатами запроса, реализованного по данному методу, представлена на рис.2.
CMPJD СМР_ЫАМЕ CMP_F
1 1 Система NULL
2 1000 Комплекс_К_1 1
3 1100 Комплекс_К_2 1
4 1101 Устройство_У1 1000
5 1102 Устройстео_У2 1100
6 1103 Функциональный узел_Ф1 1101
7 1104 Функциональный узел_ФЗ 1102
8 1105 Функциональный узел_Ф2 1101
9 1106 Функциональный узел_Ф4 1107
10 1107 Устройство_УЗ 1000
11 1108 Функциональный узел_Ф5 1107
CMP.COMPANYJD CMP_TYPE PROTOPRTJD
6170 1 1216
6170 2 1216
6170 2 1216
6170 3 1216
6170 3 1216
6170 4 1216
6170 4 1216
6170 4 1216
6170 4 1216
6170 3 1216
6170 4 1216
Рис.2 . Результат запроса реализованного по методу Parent/Child
В указанную таблицу входят следующие атрибуты:
CMP_ID - первичный ключ каждого модуля.
CMP_NAME - название модуля.
CMP_PID_ID - внешний ключ, который соответствует первичному ключу
предка для данного модуля.
CMP_TYPE - иерархический уровень, к которому принадлежит данный
модуль
PROTOPRT_ID- внешний ключ, который соответствует номеру проекта, к которому принадлежат модули, входящие в таблицу.
При такой структуре построения БД потомок определяет своего предка по записи в столбце СМР_РГО_ГО.
Иерархический запрос для того же самого варианта построения РТС, сформированный по методу типа данных Шегаг^уГО, записывается как:
select hid.ToString(), hid.GetLevel(), * from COMPOOS where level <4
Таблица с результатами запроса, реализованного по методу типа данных HierarchylD, представлена на рис.3.
EM PL STRING CMP ID HID
CMP NAME
CMP TYPE PROTOPRT ID level
1 / 1 (к Система 1 1 0
2 /1/ 2 0*58 Комплекс_К1 2 1 1
3 /2/ G14677 (к68 Комплекс_К2 2 1 1
4 /1/1/ 653361 0х5АС0 Устройство_У1 3 1 2
5 /2/1/ 653362 ОхбАСО Устройство_УЗ 3 1 2
6 /1/1/1/ 653363 &5AD6 Функциональный узел_Ф1 4 1 3
7 /2/1/1/ 653364 Qx6AD6 Функциональный узел_Ф4 4 1 3
8 /1/1/2/ 653366 &5ADA Функциональный узел_Ф2 4 1 3
Э /2/1/2/ 653370 Qx6ADA Функциональный узел_Ф5 4 1 3
10 /1/2/ 653371 Qx5B40 Устройство_У2 3 1 2
11 /1/2/1/ 653372 Qx5B56 Функциональный узел_ФЗ 4 1 3
Рис.3. Результат запроса, реализованного по методу типа данных HierarchyID.
В таблице использованы следующие атрибуты:
EMPL_STRING - положение модуля в иерархии в текстовом формате.
CMP_ID - первичный ключ модуля.
HID - иерархический тип значений HierarchyID.
CMP_NAME - название модуля.
CMP_TYPE - иерархический уровень, к которому принадлежит данный модуль.
PROTOPRT_ID- внешний ключ, который соответствует номеру проекта, к которому принадлежат модули, входящие в таблицу.
LEVEL - логический столбец, уровень вложения модуля.
Значение типа данных HierarchylD описывает положение модуля в иерархической структуре РТС. Другими словами, значение типа данных HierarchylD содержит список всех модулей, которые нужно пройти от корня иерархии до заданного модуля. В текстовом формате, который использован в столбце «EMPL_STRING», уровень иерархии разделяется символом "/". Номер каждого отдельного модуля представляет собой набор числовых значений, разделенных точкой (в нашем случае это одно число). В цифровом формате значения типа данных HierarchylD хранятся в столбце «HID».
Такой вариант построения БД позволяет значительно сократить время ответа на иерархический запрос. Это объясняется тем, что в столбце HID прописывается путь не только к предку модуля, как в столбце CMP_PID_ID, но и к потомку данного модуля. В связи с этим отсутствует необходимости проходить циклически всю иерархию.
На рис. 4 приведены зависимости среднестатистического времени выполнения иерархического запроса от общего числа модулей (N), входящих в иерархическое дерево, для двух, рассмотренных выше, вариантов построения базы данных: Т'из -база данных, реализованная по методу Parent/Child, Т2из - база данных, реализованная по методу, в котором используется тип данных HierarchyID.
т
-'из с
5
2 1
0,5 0,2
Рис.4. Зависимости среднестатистического времени выполнения иерархического запроса от общего числа модулей, входящих в иерархическое дерево.
Для исключения влияния аппаратных средств на результат сравнительного анализа различных вариантов построения БД все измерения проводились на одном и том же сервере, имеющем следующие параметры: процессор - Intel Xeon E5620 2.4GHz, ОЗУ - 8Gb, ОС windows 2008 R2, 64 разрядная.
Как видно из графиков, при построении БД по методу Parent/Child, Тиз изменяется от 0,2 сек. (при N=100) до 6 сек. (при N=10000). В тоже время, при использование метода, в котором применяется тип данных HierarchyID,
среднестатистическое время выполнения запроса (Тиз) с увеличением N растет незначительно и изменяется от 0,2 сек. (при N=100) до 0,4 сек. (при N=10000)., т.е. при N=10000 время выполнения запроса будет в 15 раз меньше, чем в первом случае. При дальнейшем увеличении N разница во времени выполнения запроса возрастает еще сильнее. Однако, следует заметить, что при небольшом числе компонентов, входящих в иерархическое дерево (в данном случае N < 1000 ), разница во времени выполнения запроса между первым и вторым вариантами построения БД практически равна нулю.
Выводы
Таким образом, на основание проведенных исследований можно сделать вывод, что при реализации процедуры конвертации, при больших значениях N (N > 1000), с целью повышения производительности информационного обеспечения САПР целесообразно использовать структуру БД с временными таблицами, а при выполнение функции иерархического запроса - метод, в котором применяется тип данных Hierarchy©.
В тоже время, при небольшом числе модулей (N < 1000), как при реализации процедуры конвертации, так и при выполнение иерархических запросов, производительность БД не существенно зависит от ее структуры. В этом случае имеет смысл применять БД с более простой структурной реализацией, например, с использованием курсора, а для выполнения иерархических запросов - метод Parent/Child.
Библиографический список
1.Ушкар М.Н Автоматизация системного проектирования информационных радиосистем // Электронный журнал «Труды МАИ», 2014, выпуск № 78: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=53558 (дата публикации 02 декабря 2014).
2.Использование курсоров и циклов в Transact-SQL: http://info-comp.ru/obucheniest/352-cursors-loops-in-transact-sql.html (дата публикации 23.04.2014).
3.Фернандо Герреро. Применение псевдовременных таблиц. Журнал «SQL Magazine OnLine», 2001, № 3: http://www.osp.ru/data/www2/win2000/sql/2001/03/730.htm.
4.Ян Либерман, ORDPATH - новый подход к работе с иерархиями (деревьями) в SQL Server 2008, RSDN Magazine, 2007, №4: http://rsdn.ru/article/db/ordpath.xml (дата обращения: 12.03.2015).
5.Kent Tegels, Model Your Data Hierarchies With SQL Server 2008, MSDN Magazine. Issues and Downloads. 2008, URL: https://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc794278.aspx (дата обращения: 18.02.2015).
6.Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств. ГОСТ Р 52003-2003. - М.: Изд-во стандартов, 2003.
