CC BY
19
УДК 004.652.5
Н.А. Соловьев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
Л.А.Юркевская, кандидат технических наук, доцент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
С.А. Щелоков, кандидат технических наук, доцент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: povtas@mail.osu.ru
СЕМАНТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БАЗ ДАННЫХ ФРЕЙМОВО-СЛОТОВОЙ НОРМАЛЬНОЙ ФОРМЫ
Статья посвящена реализации объектно-ориентированного подхода к проектированию автоматизированных информационных систем на основе совершенствования концептуального моделирования реляционных баз данных. В основе предлагаемого подхода лежит процесс описания концептуальной модели в виде семантической сети, в вершинах которой находятся фреймы и слоты. Объектно-ориентированная программа полностью реализует выбранный метод аналитической обработки информации, а одномерные массивы, организованные в гиперкубы, не требуют нормализации структур реляционных баз данных. Понятие первичного ключа в отношениях базы данных не используется. Для связи объектного приложения с массивами информации вместо первичного ключа используются указатели в слотах и ссылки на фреймы. Моделируется процесс взаимодействия объектов автоматизированной информационной системы с массивами данных в виде гиперкубов, интерпретированных на основе нормальной фреймово-слотовой формы. Семантическое моделирование баз данных апробировано в системах квалиметрического анализа качества продукции и услуг: автомобилей, использования компьютерных средств, работы преподавателей, что подтверждает результативность предложенного подхода к концептуальному моделированию баз данных автоматизированных систем.
Ключевые слова: автоматизированная информационная система, база данных, концептуальное моделирование, семантические сети, фреймы, слоты, информационно-логическая модель.
Введение. Основой современных автоматизированных информационных систем (АИС) являются базы данных (БД). Повышение сложности построение и использования БД становится объективным процессом развития АИС всех предметных областей инфокоммуникационных технологий. При этом эффективность использования БД во многом закладывается на этапе концептуального проектирования [1, 2].
Обеспечение качества БД на ранних этапах проектирования освещено в работах известных российских ученых: Азарова С.С., Стогния А.А., Советова Б.Я., Цихановского В.В., зарубежных исследователей Кодд Э., Чен П., Баркер Р., Дейт К., Фагин Р. и других. Обобщая результаты исследований [3, 4], можно сделать вывод, что в настоящее время сложилась совокупность методов, моделей и средств концептуального моделирования БД, разработаны методологические принципы использования этих моделей на последующих этапах проектирования АИС. Вместе с тем, существующие средства концептуального моделирования опираются в основном на интеллект разработчика и имеют существенные трудности нормализации БД, сложности формализации ограничений, накладываемых на домены и ключи. Современный
объектно-ориентированный подход к программной реализации АИС также входит в противоречие с известными методами нормализации. В связи с повышением сложности БД возникает необходимость разработки принципиально иных подходов к этапу концептуального проектирования. Это определяет актуальность проведения исследований в области автоматизации этапа концептуального проектирования БД с оперативной коррекцией нормальных форм в процессе разработки.
Постановка задачи. Задача состоит в том, чтобы на основе фреймово-слотовой нормальной формы (ФСНФ) БД, предложенной А.А. Стогний [3], разработать методику концептуального моделирования предметной области АИС в виде семантической модели (рисунок 1), в вершинах которой находятся фреймы и слоты, а затем интерпретировать слоты, представленные в виде гиперкубов, как совокупность одномерных массивов данных.
Решение задачи. Структура компонент-концептуального моделирования АИС предлагается представить кортежем вида
S=<W, {М}, Р, ^ а, ier}, Е, G, В, I, С>.
Исследуемая система S требует раскрытия ее целостности W (интегральное свойство, не сводимое к сумме свойств отдельных элементов). Множество
И] I M'|i 1 р:' I .и ;нп ев сюимадрис iiiiic инф армацнокн ыз функциональны К у : пав
сыта по ллш голь
Диво
Л Comsat /
Условные ofjrotiaietntfL:
_w Мех фреймовые связи внутри ИФУ
-*■ Мех фреймовые связи жежду ИФУ
I | ФрСЙМ
! J Сяет-
Рисунок 1. Компоненты формирования баз данных
членений {М} системы выделяет в ней различные аспекты, а анализ взаимосвязи членений раскрывает целостность. Для осуществления синтеза членений необходимо исследование свойств Р, отношений R, связей а с другими системами, фиксация ее организации (структуры, иерархии). Последняя группа касается отношений системы со средой Е, целей системы G, описания поведения В, информационного аспекта I и основанных на нем методов управления С.
Синтез набора понятий, в рамках которого проводится концептуальное моделирование АИС, основан на следующих базовых теориях и представлениях, покрывающих предметную область: иерархические многоуровневые системы (Org, Str, ier, W}; неформальные структуры и связи (Org, R, а, В), фреймы и семантические сети (Str, Org, Р, а, В, I, С); типология информационных потоков (I, С) и личностей (R, В, С); дерево целей (Str, G); элементы теории принятия решений и нечетких множеств (Org, I, С). Эта база концептуальных понятий позволяет выполнить адекватное членение предметной области АИС.
Отличие ФСНФ от существующих форм состоит в том, что в качестве сущностей выступают
фреймы, а записи таблиц заполняются слотовыми атрибутами. ФСНФ БД займет место между НФБК и 4НФ, то еесть каждый детерминант будет потенциальным ключом. Причинно-следственные процессы в такой интерпретации структуры АИС опираются на концепции фреймов и семантических сетей.
Нотация фрейма задаётся в виде: {ИМЯ ФРЕЙМА {<<ИМЯ СЛОТА> ЗНАЧЕНИЕ СЛОТА >; >}}
Список базовых элементов БД АИС предлагается представить четырьмя фреймами, отражающими четыре выделенных уровня интерпретации АИС:
{РОЛЬ <лицо> <указатель>;<связи> <указатели>; <действия> <указатели>};
{ДЕЙСТВИЕ <действия> <виды действий>; <цели> <значения>; <правила выбора> <реализации>; <данные> <типы данных>; <источник> <указатель>; <исполнитель> <указатель>; <получатель> <указатель>; <затраты> <значения>; <последствия> <значения>};
{ДОКУМЕНТ <структура> <вид>; <данные> <типы данных>; <источник> <указатель>; <получатель> <указатель>; <носитель> <вид>};
{ЛИЦО <идентификатор> <данные>; <мотивы>
<список>; <стимулы> <список>; <приоритеты> <значения шкалы>; <связи> <указатели>; <роль> <указатель>; <внешняя оценка> <значения>}.
Для фиксации фрейма ДЕЙСТВИЕ предлагаются следующие слоты:
<действия> (Б) - проблемы, ситуации, задачи, решения и операции; <цели> (Ь) - критерии, ожидаемые результаты; <данные> (I) - исходная информация; <правила выбора> (С) - инструкции, решающие правила, таблицы решений, отношения предпочтения; <источник> - указатель на роль, инициирующую действие; <исполнитель> - указатель на роль (конкатенация фреймов "РОЛЬ - ДЕЙСТВИЕ" по слотам <исполнитель> - <действие>; <получатель> - указатель на роль, инициируемую действием; <затраты> - расход ресурсов; <последствия> -оценки результатов альтернативных действий.
ДЕЙСТВИЕ является основным процедурным элементом концептуальной модели. Оно обобщает следующие интуитивные процедурные представления: задача, ситуация, проблема, решение, операция. Принятие решений означает определение семейства задач 2, множество входов I (данных) и отображения С: на множество выходов
(целей). Иногда удается дать конструктивное описание такой схемы в виде алгоритма, однако это возможно далеко не всегда. В действительности требуется только, чтобы была определена решаемая задача, но не требуется существования какого-либо алгоритма. Поскольку в соответствии с фреймом ДЕЙСТВИЕ формирование решения зависит от того, как определен кортеж <2, Ь, I, Б, С, РОЛЬ>,
разновидности процедурных представлений определяются конкретизацией значений кортежа слотов этого фрейма.
Задачей будем называть пару <условия, цель> или в обозначениях фрейма ДЕЙСТВИЕ - <[, Ь>, где I - условия (понимаются как семантически организованные данные); ситуацией - задачу вида <! Ь - неизвестна >; проблемой - задачу вида <! - неизвестна, Ь>. Соответственно, решение будет рассматриваться как пара <Б, С>, тогда решение задачи означает определение отображений С: Б ^ Б и Б: I ^ Ь; разрешение ситуаций означает определение множества Ь и сводится к решению задачи; решение проблемы означает определение класса задач 2, который выделит множество данных I, что позволит зафиксировать множество ситуации и т. д. Полностью определенное, безальтернативное действие будет называться операцией.
Используя предложенный подход, реализован проект АИС квалиметрической оценки качества продукции и услуг, семантическая модель БД которой показана на рисунке 2 [5].
Семантическое моделирование данных предметной области в объекты заключается в логическом преобразовании двумерных массивов информации в гиперкубы. Для АИС квалиметрической оценки качества продукции и услуг использован метод аналитической обработки на основе средневзвешенного геометрического показателя качества. На основе выбранного метода разработаны классы объектной программы. Для хранения названий проектов и проведения оценки качества реализован массив
Рисунок 2. Семантическая модель базы данных системы квалиметрической оценки качества продукции и услуг
Рисунок 3. Схема связи таблиц с проектными переменными
NameProject. Каждый проект несет в себе опреде- А Образец ленный набор глобальных переменных (Б^,К), которые необходимо хранить в массивах BProject, LProject, KProject. Индексы последних массивов ссылаются на основной массив NameProject.
Для хранения замеров характеристик образцов в проекте необходима организация многомерной структуры данных (рисунок 4).
Измерения гиперкуба при объектно-ориентированной разработке базируются на индексах массивов NameProject, NameParam и NameModel. Аналогично реализованы остальные промежуточные и выходные интерпретации массивов в гиперкубы АИС квалиметрической оценки качества продукции и услуг.
Проект
/ Значение параметра /
Параметр —>
Рисунок 4. Гиперкуб «Замеры характеристик»
Рисунок 5. Реализация гиперкуба «Замеры характеристик»
Предложенная методика концептуального моделирование апробирована в трех предметных областях: оценка качества автомобилей (рисунки 6), анализ деятельности преподавателей (рисунок 7) и сравнительной оценке использования программных средств (рисунок 8), что подтверждает результативность семантического моделирования БД с объек-
тно-ориентированным подходом к разработке АИС.
Таким образом, новизной предлагаемого метода в теории реляционных БД является переход от традиционного представления информационно-логической и даталогической моделей БД в виде диаграммы сущность - связь (ER-диаграммы) к семантической объектной модели данных.
Рисунок 6. Квалиметрическая система оценки качества автомобилей
X Риуя-тат (23. Ю.И13 22:40:11)
Гкмгмшь Уче$чн нагрузив Пс-:э 3 атуЛЬ качества [дты Рабата Пекалтегъ ШКМ Группы Нзучнаи рйота Обс1|(Л начеты
№анае И .П. 0.4751 02149 0Н45 0.747
Кэлеоте« Ф.М. 0.472? 0.0451 ОШ С.5177
ГЪтрсеаОС 0.670? о.т* 1.ЭТЕ2
01дарЧ|К А.П. еда» игле ¡ПМ9 0,4217
К,ти*ва В.П аж адиэ 03484 0.445Э
1.4
и :■ 0.1 ас <М
а: ч
Ш
I I
I Р
Ивана!И.П. Петрова О.С. \yrniwBa В.П. КалиииниФ.М. С^дорчукА-.П.
и 1
0.8 а.б
0.4 0.2 0
и.
ш ■■
гп г
Ива -юв И.П Петрова О.С Купииом В,П. КЫЙ»ли01 Ф.М. Сидар^теАП
Рисунок 7. Оценка качества труда преподавателей
оЬ1 Показатели качества | д
Наименование проект
а Компьютеры V Рассчитать к
Номер образца „ Оперативная Процессор пандть Итоговый показатель
36,047 27,735 45,482
2 37,86 29,343 47,916
Рисунок 8. Оценка качества использования компьютерных средств
Выводы
1. Применение фреймов и слотов не противоречит принципам нормализации схем отношений в реляционных базах данных. Фреймы и слоты становятся сущностями, содержание фреймов и слотов определяют необходимые атрибуты отношений.
2. Организация фреймов и слотов в семантическую сеть АИС позволяет интерпретировать
обработку информации на трех уровнях: документооборота; аналитической обработки; выдачи рекомендаций для лица, принимающего решения.
3. Использование фреймов и слотов в базах данных АИС открывает перспективы для автоматизации процессов проектирования БД с использованием методов искусственного интеллекта на основе парадигмы объектно-ориентированного программирования.
Литература
1. Дейт, К. Введение в системы баз данных, 8-е издание: Пер. с англ. - Москва: Издательский дом «Вильямс», 2006. - 1328 с.
2. Советов, Б.Я. Базы данных: теория и практика: учебник / Б.Я.Советов, В.В. Цихановский, В.Д. Чертовской - Москва: Юрайт, 2012. - 464 с.
3. Стогний, А.А. Построение концептуальной модели систем управления. /Азаров С.С., Барсук Я.И. Стогний А.А. // УСиМ, - 1988. - № 2.
4. Fagin R. A Normal Form for Relational Databases. That Is Based On Domains and Keys //CACM Transactions on Database Systems, 1981. - Vol. 6, №3. - P. 387-415.
5. Shchelokov S.A. Implementation of semantic model of database programmed quality assessment system. SWorld Journal Volume J11510 - 023. / S.A.Shchelokov// Published by: Scientific, world, Ltd. This volume contains research papers of scientists in the field of Technical sciences. URL, 2015. - pp. 134 - 144.
