CC BY
126
УДК 004.652.5
ОБЪЕКТНО-РЕЛЯЦИОННОЕ ОТОБРАЖЕНИЕ РАСЧЁТНЫХ МОДЕЛЕЙ В КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ПРЕДПРИЯТИЙ8
Фомин Игорь Николаевич, генеральный директор консалтингового агентства «EnergoKB Group»,
Россия, Москва, ignik16@yandex.ru
На рубеже XX и XXI веков наблюдается повышенный интерес к технологиям отраслевой реализации корпоративных информационных систем (КИС) в научном и в ИТ-сообществах. Над задачами создания универсальных корпоративных и биллинговых систем работали Е. В. Ильина и А. В. Гусев в России и С. Видсор из японского подразделения Oracle и множество других учёных и практиков по всему миру. Результатом этих исследований стало понимание, что хранение, обработка и представление человеку информации в КИС различается в зависимости от отраслевой принадлежности системы. Структура хранения данных зависит от прикладных задач, и при разработке информационных систем важнейшей задачей является определение моделей, по которым должна структурироваться информация при вводе, хранении и обработке. В электроэнергетике, в энергосетевых, в энергогенерирующих и особенно в энергосбытовых предприятиях основной целью обработки информации об энергопотреблении является расчёт цены и стоимости выработанной, переданной и потреблённой электроэнергии (биллинг энергии), который осуществляют посредством отраслевых информационных биллинговых систем.
Информационная биллинговая система - это программный или программноаппаратный комплекс, который выполняет все задачи автоматизации энергосбытовой деятельности, осуществляет учёт первичной информации, возникающей на этапах бизнеспроцесса, учёт и расчёт различных учётных показателей, и на основании всего этого формирующий расчётные модели для осуществления расчёта стоимости потреблённой энергии в различных аналитических разрезах. Биллинговые системы укрупнённо состоят из блока обработки информации и хранилища данных, представляющего собой программный комплекс, предназначенный для извлечения, очистки, проверки и загрузки данных из источников в базу данных с многомерной структурой [1].
При реализации механизмов автоматического ценообразования и автоматизированного расчёта стоимости электроэнергии требуется найти и формализовать расчётные модели, по которым множество договорных, административных и технических условий
электроснабжения имели бы отражение в компьютерных информационных системах.
Расчётная модель - это описание электроэнергетической системы, предназначенное для построения математической модели процесса производства, передачи и потребления электрической энергии и мощности, с помощью которой рассчитываются реализуемые в этой электроэнергетической системе объемы производства и потребления электрической энергии и мощности и соответствующие им цены [2]. Целью описываемого в статье исследования стал поиск возможности сематического и объектно-реляционного описания расчётных моделей электроснабжения для реализации их в биллинговых информационных системах.
При проектировании систем автоматизации энергосбытовой деятельности,
реализующих расчётные модели, требуется оригинальный подход к формированию структуры данных и отражения оптимизационных процедур и функций. Для этого на ранних этапах исследования были определены функциональные характеристики биллинговых
8 Статья рекомендована к опубликованию в журнале "Прикладная информатика"
11
систем, произведена декомпозиция основных процедур и функций, в [3,4] формально описаны выявленные типовые этапы бизнес-процесса автоматизированного биллинга.
Для систематизации информационной структуры данных биллинговой системы удобно использовать фреймовую концепцию представления знаний, идея которой состоит в концентрации всех знаний о некотором классе объектов в единой структуре данных, что позволяет связать декларативные и процедурные знания о рассматриваемом объекте [5]. Этим объектом могут быть приборы учёта, абстрактные точки на линии электропередачи, где они установлены, реальные объекты электроснабжения, а также договоры, документы, действия по изменению электрических схем и пр. Фреймовой концепцией построения информационной структуры данных решается задача структуризации информационной структуры данных об энергопотреблении.
Поскольку было определено, что объектно-ориентированное программирование является концептуальной основой автоматизации энергосбыта, то при исследовании производился поиск сущностей, являющихся иерархическими фреймами, к которым применимы понятия абстрагирования, инкапсуляции, модульности, типизации, устойчивости [5].
Рис. 1 - Типовая фреймовая сеть представления знаний
На Рис. 1 изображена типовая фреймовая сеть, которая может структурировать знания о заданной предметной области. Слоты фреймов Fn различаются по своему функциональному назначению. Для хранения и обработки информации об энергопотреблении, с целью биллинга, можно определить различные слоты теории фреймов
[5]:
• слоты-идентификаторы (I; имя объекта) - специальные слоты, по которым идентифицируется фрейм (имеется у каждого фрейма);
• слоты-значения (D; поля объекта) - содержат заданные (константные) значения (например, учётные или расчётные показатели). Эти слоты могут так же играть роль формальных параметров подпрограмм, прикрепленных к фрейму;
• слоты-программы или подпрограммы (P; методы объекта) - реализуют расчетные алгоритмы, используя в качестве входных значений слоты-значения своего фрейма или слоты-значения Dx фрейма Fx, связанного с ним;
• слоты-ссылки (L; в совокупности определяют структуру фреймовой сети (подобно связям в таблицах БД или наследования в ООП) - хранят ссылки на другие фреймы Fx
12
информационной структуры.
Наполняемость фреймов слотами различна (различно количество слотов и их функциональное назначение) и устанавливается на этапе проектирования информационной структуры.
Для описания понятия «расчётная модель» с точки зрения набора взаимосвязанных фреймов каждый объект этой сети фреймов должен отражать реальные или абстрактные сущности предметной области, которые имеют конкретные значения в энергосбыте. Каждый набор сущностей, из которых формируются данные структуре электроснабжения, можно описать системой взаимосвязанных или несвязанных фреймов {Fj, F2, F3... Fn} или объектов в объектно-ориентированном программировании с таблицами в базе данных, каждый из которых содержит в себе набор слотов (полей) {I, D, P... L} (рис. 2). Таким образом, эта система связанных фреймов образовывает некую семантическую сеть, которой и является понятие «расчётная модель».
Рис. 2 - Элементы расчётной модели электроснабжения в фреймовой сети
Расчётная модель - это семантическая сеть, формирующаяся информационной моделью предметной области. В фреймовой концепции расчётная модель имеет вид ориентированного графа, вершины которого соответствуют реальным и абстрактным сущностям предметной области, а его рёбра задают отношения между ними.
Семантическая сеть является одним из способов представления расчётной модели, а слоты-значения фреймов определяют измерения массивов данных. Измерения - ключевая концепция многомерных баз данных. Многомерное моделирование предусматривает использование измерений для предоставления максимально возможного контекста для измеряемых фактов [1].
Потребители, субъекты рынков, их объекты электроснабжения, с токоприёмниками, точками измерения, учёта, подключения, поставки образуют технологическую цепочку энергосбытовой деятельности. Они имеют массу атрибутов и свойств, характерных учётных показателей. Они могут выражаться типовыми фреймами {Fjt F2, F3...Fn} или объектами в объектно-ориентированном программировании с набором слотов-идентификаторов, слотов назначения, а также слотов-ссылок {I, D, P...L}, в совокупности определяющих структуру фреймовой сети, которая по сути является расчётной моделью для каждого конкретного потребителя. Таким образом появляется возможность с помощью описанной информации построить некую концептуальную модель прикладной области и информационной системы,
13
оперирующей сущностями предметной области. Причем динамические объекты представляются единицами переменной информации, векторами или электронными документами, а статические объекты — единицами условно-постоянной информации в виде списков, номенклатур, ценников, справочников, классификаторов и т.п.
Изучив множества расчётных и учётных показателей, которые должна обрабатывать биллинговая информационная система, сущности предметной области с их атрибутами и свойствами было определено, что реляционная модель позволяет отражать в виде кортежей или строк реляции соответствие объекта объектно-ориентированной прикладной модели, конкретному событию в типовом бизнес-процессе автоматизированного биллинга электроэнергии, а атрибуты или столбцы таблицы позволяют отражать характеризующие признаки, параметры объекта, события или явления.
Применение к реляционным моделям данных и реляционным языкам обработки данных реляционной алгебры и реляционного исчисления позволяет применять процедурные языки обработки реляционных таблиц и непроцедурный язык создания запросов. Это позволяет производить манипулирование данными с помощью действий непосредственно в ячейке таблиц, без применения меню или сложных манипуляций [6].
Реляционные базы данных существенно расширяют число типов манипуляций данными, менее чувствительны к изменениям в физическом окружении, не требуют дополнительное преобразование файлов при дополнении к формату записи в файле новых полей. Таким образом, применение реляционных моделей в рассматриваемой прикладной области, основанных на логических отношениях, позволяет соблюсти принципы иерархичности и продукционности. Этот эмпирический вывод основывается на опыте создания различных биллинговых информационных систем с использованием различных СУБД. Во всех этих случаях приходилось на этапе концептуального проектирования создавать не концептуальную модель данных, а непосредственно реляционную схему базы данных, состоящую из определений реляционных таблиц, подвергающихся адаптации. При этом постоянно приходилось производить преобразование функциональной модели, созданной ранее, в нормализованную реляционную модель, что является нормой при проектировании структуры базы данных отраслевых информационных систем.
В большинстве биллинговых информационных систем информация представлена с использованием реляционной модели данных. В соответствии с принципами иерархичности и реляционности данные в такого рода системах представлены как некие множества данных, определяющих расчётные и учётные показатели, состоящие из полей, взаимосвязанные между собой таким образом, что в результате группировки эти показатели, характеризующие предметную область, представляются в виде строк таблиц. Совокупность таких таблиц и образует реляционную базу данных [7]. Иерархичность, основанная на реляционности (на строго определённых связях), позволяет легко описывать такие модели математически, формировать технические задания на разработку информационных биллинговых систем. Эти свойства являются важнейшей причиной широкого распространения реляционных моделей.
При исследовании деятельности энергосбытовых предприятий было определено, что для моделирования структур баз данных и проектирования биллинговых информационных систем важно учитывать сущности объектов предметной области и их свойства. Для этого на этапах имитационного моделирования бизнес-процесса использовались объектноориентированные методики описания прикладной области, а для построения в информационных системах расчётных моделей лучше всего использовать объектноориентированный подход к разработке информационных систем. Для этого используются объектно-ориентированные системы и языки программирования, которые обладают средствами для поддержки такого подхода, позволяют точно описывать реально существующие объекты [8].
14
Применение объектно-реляционных моделей при построении биллинговых информационных систем позволяет обеспечить управление вводом, выводом и хранением учётных и расчётных показателей, представленных в виде фреймовой структуры, с повторяющимися и изменяющимися объектами данных, описывающими объекты расчётной модели. Кроме того, это предоставляет удобство пользования базами данных, обеспечивающее ускорение создания биллинговых информационных систем и упрощение управления существующими в таких системах учётными и расчётными показателями.
Для более полного описания объектно-реляционных моделей для хранения информации об энергопотреблении можно ещё указать, что в такого рода базах данных обязательно присутствуют поля для записи уникального идентификатора фрейма из сформированной фреймовой сети, средства формирования каталогов, таблиц или набора таблиц с описанием структур объектов и их атрибутов, входящих в тот или иной фрейм, описывающий прикладную область. Именно связи различных каталогов и таблиц в физическом смысле формируют расчётную модель как описание электроэнергетической системы, предназначенное для построения математической модели процесса производства, передачи и потребления электрической энергии и мощности.
Также важным свойством объектно-реляционной модели базы данных информационнобиллинговых систем является наличие функции поиска и извлечения определенного фрейма или множества показателей, по сути являющиеся набором срок таблицы базы данных, имя которой поставлено в соответствие с именем этого множества. Применение теории множеств даёт возможность математического описания процессов построения расчётных моделей.
Формирующиеся в этих моделях отношения «многие-ко-многим» формируют наборы данных di, d2, d3,... dn из множества данных D для каждого /-того объекта электроснабжения и для каждой /-той расчётной модели в отношении этого объекта. При этом каждому значению d1} d2, d3,... dn соответствует некоторое значение отношений «многие-ко-многим» множества отношений {r1t r2, r3,... rn}. Таким образом, набор данных об объекте предметной области, описанной в структуре объектно-реляционной базы данных, можно описать как:
F = {I, L, {ri, Г2, Гз,... Гп}}
Описание всевозможных отношений сущностей предметной области с использованием теории реляционных баз данных даёт возможность описывать математически объектную привязку и учитывать влияние видов данных в этих моделях, их атрибутов и значений этих атрибутов.
В современных языках программирования требуется, чтобы переменные объявлялись как принадлежащие к определенному типу данных. Определение типа переменных равносильно указанию множества, из которого переменным присваиваются значения [9]. Тип данных представляет собой множество объектов со списком стандартных операций над ними.
Таким образом, атрибут может рассматриваться как переменная отношения L метаданных, а фрейм может перечислять имена атрибутов а:
F = {I, {aiF, a2F, a3 , a/}, {ru r2, гз,... rn}}.
В реальных биллинговых информационных системах такими атрибутами фреймов могут быть различные значения элементов расчётной модели, влияющие на алгоритм и метод расчёта стоимости, среди которых такие учётные показатели, как «Ценовая категория», «Уровень напряжения», «Тарифные группы», «Тип договора» и др.
Исходя из фреймовой теории представления знаний, представив расчётную модель энергоснабжения в виде сематической сети, появляется практическая возможность конструирования универсальной структуры базы данных, которая связывает значения таблиц, как связываются слоты фреймов (Рис. 3).
Определяя значения объектов оптового рынка электроэнергии и мощности (ОРЭМ) и розничного рынка электроэнергии (РРЭ), задавая параметры расчёта цены и стоимости через
15
ценовые категории и тарифные группы, в информационных биллинговых системах определяется метод расчёта стоимости потреблённой электроэнергии, описанные в [10]. В зависимости от применяемого метода расчёта, производится расчёт предельных уровней цен (ПУЦ) для потребителей, находящихся в ценовых зонах (ЦЗ) или в неценовых зонах (НЦЗ) оптового рынка Российской федерации.
Рис. 3 - Объектно-реляционная структура расчетной модели электроснабжения на РРЭ
Объектно-реляционное описание понятия «расчётная модель энергопотребления», иллюстрирует хранение условно-постоянной и накапливаемой переменной информации в базах данных биллинговых информационных систем и наглядно показывает, как
16
формируются и хранятся данные, необходимые для производства расчётов стоимости потреблённой электроэнергии. Формализованное таким образом представление понятия «расчётная модель» даёт развитие теоретических основ методологии и инструментария проектирования, разработки и сопровождения биллинговых информационных систем субъектов розничного рынка электроэнергии, решает задачи типизации КИС путём применения объектных технологий и позволяет разрабатывать новые методы автоматизированных расчётов, программные средства, базы данных, корпоративные хранилища данных, базы знаний, и прочие корпоративные технологии.
Литература
1. Kimball R. The Data Warehouse Toolkit: Practical Techniques for Building Dimensional Data Warehouses / John Wiley & Sons, New York, 1996. - 324р;
2. Правительство Российской Федерации, «Основные положения функционирования розничных рынков электрической энергии», Постановление Правительства РФ № 442 от 4 мая, Москва 2012 г.;
3. Фомин И. Н., Методика поэтапного автоматизированного расчёта стоимости потреблённой электроэнергии // Труды Академэнерго, Москва, 2013 № 3, с. 103-115;
4. Фомин И. Н., Учётные и расчётные функциональные характеристики автоматизированной системы для расчёта цены и стоимости электроэнергии // Проблемы управления в социальноэкономических и технических системах ИЦ "Наука", Саратов, 2013. с. - 135-138;
5. Минский М., Фреймы для представления знаний / М. Минский. - М.: Мир, 1979 - 234с.;
6. Codd E. F., Relational Completeness of Data Base Sublanguages, Database Systems, 1970. p. 65-98;
7. Тиори Т., Фрай Дж., Проектирование структур баз данных, / Т. Тиори, Дж. Фрай. - М.: Москва, Мир, 1, 1985, с.18-19;
8. Буч Г., Объектно-ориентированное проектирование с примерами применений, / Г. Буч, М.: Диалектика, Киев & И.В.К., Москва, 1992;
9. Хаггарти Р., Дискретная математика для программистов / Р. Хаггарти - М.: Техносфера, 2003. -320 с.;
10. Фомин И. Н., Интегральный и интервальный метод расчёта энергопотребления в информационных биллинговых системах // Наука и образование, Межотраслевой институт «Наука и образование», Екатеринбург, 2015 г., № 1(8), с. 11-14.
УДК 004.045:519.681
ТЕОРИЯ ОБЪЕКТНО-СОБЫТИЙНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ И ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Пекунов Владимир Викторович, д.т.н., Россия, Иваново, pekunov@mail.ru
Модели императивных программ для цифровых ЭВМ в явном или неявном виде обычно имеют графовое представление, отражающее или непосредственно модель переходов между состояниями, исполняемую неким универсальным вычислителем, или функциональную модель специальной машины, осуществляющей такие переходы с трансформациями данных, сопровождаемой тем или иным описанием правил переходов/трансформации.
Первый подход, характерный для классических конечных автоматов, машин Тьюринга и Поста, сетей Петри, достаточно громоздок. Это резко снижает его практическую ценность для моделирования программ, хотя работы в этом направлении ведутся [5].
Второй подход, несомненно, позволяет строить более компактные модели. Помимо классических блок-схем, UML-диаграмм деятельности (Activity diagram) и иных схожих формализмов отметим возможность применения ряда имитационных моделей, описывающих структуру и поведение программ (кусочно-линейные агрегаты Бусленко [1], событийные
17
