Системно-изоморфное динамическое соответствие концептуальной модели предметной области и схемы базы данных Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

СИСТЕМНО-ИЗОМОРФНОЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ СООТВЕТСТВИЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И СХЕМЫ БАЗЫ ДАННЫХ

Р.Е. Зинченко (Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского,

[email protected])

На основе анализа существенных свойств самоорганизующихся информационных систем предложена модель динамического соответствия концептуальной модели предметной области и схемы БД, поддерживаемая в рамках системного изоморфизма. Приведены допустимые операции модификации модели предметной области и схемы БД, обеспечивающие их независимую эволюцию и учитываемые в модели динамического соответствия.

Ключевые слова: самоорганизующаяся информационная система, моделирование предметной области, база данных, системный изоморфизм.

Логическим результатом более полувековой истории развития систем БД являются создание и промышленная эксплуатация автоматизированных информационных систем (АИС) с моделью статического изоморфного соответствия пользовательского представления предметной области (ПрО) и схемы БД. Пассивность создаваемых АИС и стремление к максимальной эффективности обработки данных являются основными причинами статического соответствия модели ПрО и схемы БД. Кроме этого, АИС создаются разработчиками систем в результате сложного процесса проектирования и разработки, а пользователи АИС имеют к этому весьма опосредованное отношение, что не позволяет своевременно создавать и адаптировать АИС к изменяющимся условиям их использования.

Поэтому целесообразна разработка АИС с высокой степенью независимости модели ПрО и БД и их системным динамическим соответствием в процессе существования. Это позволит создавать и поддерживать концептуальную модель ПрО, предоставляющую пользователям очень широкие возможности для адекватного представления ПрО в системе, а БД будет максимально ориентированной на эффективную организацию и обработку данных. Таким образом, затраты на поддержание динамического соответствия концептуальной модели ПрО и схемы БД будут компенсироваться требуемой адекватностью отражения ПрО в информационной системе и высокой эффективностью обработки данных, создав условия для возникновения самоорганизации в АИС.

Самоорганизующиеся АИС имеют ряд существенных свойств, отличающих их от пассивных систем:

- взаимодействие с внешней средой на семантическом уровне, что, в свою очередь, требует максимального учета семантики в концептуальной модели ПрО [1];

- открытость системы на всех уровнях (в организации и обработке данных, в моделировании ПрО и др.) для обеспечения высокой адаптивности к изменениям внешней среды и внутренней организации системы [2-3];

- система строится из адаптивных элементов, постоянно увеличивающих согласованность своего взаимодействия, что способствует приобретению свойств интенсивных систем (функционирование в ограниченном объеме с возрастанием организованности и сложности в процессе существования системы);

- несмотря на высокую внутреннюю сложность, внешне система представляется достаточно простой для удобства пользователей, являющихся специалистами в своих ПрО, но не в области вычислительной техники [1];

- пользователи для АИС представляются не множеством изолированных однородных объектов, а системой объектов, организованных преимущественно в сетевую структуру, что позволяет распределять обязанности администрирования системы среди достаточно большого числа иерархически привилегированных пользователей и естественным образом реализует механизм областей видимости для каждого пользователя системы [1];

- взаимодействие с внешней средой как с системой способствует повышению интенсивности их взаимодействия и возникновению процесса коэволюции, существенно ускоряющего темпы их развития, а также созданию на этой основе принципиально новой системы более высокого иерархического уровня (сверхсистемы) [1];

- активность системы, базирующаяся на способности самостоятельно принимать решения и выполнять различные действия на основе своих внутренних потребностей, но в интересах внешней среды, создает условия для превращения ее в инфраструктуру, на основе которой будет формироваться деятельность системы пользователей.

Поэтому создание активных самоорганизующихся АИС, способных на основе концептуальной модели ПрО самостоятельно формировать БД и поддерживать корректное отображение объектов ПрО в БД, является актуальной задачей. Данную задачу целесообразно решать на основе системного подхода, рассматривающего концептуальную модель ПрО и схему БД как независимые системы, между которыми устанавливается определенное соответствие, автоматически поддерживаемое

АИС. Данное соответствие концептуальной модели ПрО и схемы БД должно являться системно-изоморфным соответствием, базирующимся на двух отображениях. В [4] показано, что целесообразен системный изоморфизм, при котором концептуальная модель ПрО полностью отображается в схему БД, а схема БД частично отображается в концептуальную модель ПрО. Такой системный изоморфизм позволяет пользователю полностью получать из АИС информацию о реальном мире в соответствии со своим представлением, что обеспечивает логическую корректность системы, а также необходимое подобие и допустимое разнообразие концептуальной модели ПрО и схемы БД, которые, в свою очередь, будут претерпевать непрерывные эволюционные изменения в течение всего существования АИС.

При построении модели системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и схемы БД использованы следующие обозначения: М - модель ПрО; К - схема БД; КМ - часть схемы БД, соответствующая М; Ке - часть схемы БД, представляющая дополнительную информацию, недоступную пользователям; V - общий объем БД, заданной схемой К; VM - объем БД, заданной схемой КМ; Ve - объем БД, заданной схемой Ке.

Схема БД является композицией КМ и Ке:

К=КМ°Ке.

Объем БД равен сумме объемов VM и Ve:

V=Vм+Ve.

Системный изоморфизм М и К обозначим как М^К .

При этом подобие М и К базируется на изоморфизме М=КМ, где = означает взаимнооднозначное отображение М и КМ друг в друга. Степень подобия М и К определяется величиной отношения VM/V, а степень разнообразия равна Ve/V=1-VM/V. В случае VM/V^1 степень подобия М и К высокая, так как Ve^0, а при VM/V^0 степень подобия М и К низкая, так как V»Ve и система обрабатывает преимущественно свою собственную информацию, то есть работает сама на себя, а не на внешнюю среду. Таким образом, системный изоморфизм М и К заключается в разумном сочетании степени их подобия и разнообразия, а точнее, в определении объема информации Ve, порождаемой самой системой, и ее изменении в процессе существования АИС.

Концептуальная модель ПрО является понятийной моделью. Каждое понятие в формально-математическом смысле представляется тремя составляющими:

- имя, выделяющее данное понятие среди других понятий;

- содержание понятия, определяющее состав и значения свойств объектов, соответствующих данному понятию;

- объем понятия - множество объектов, соответствующих данному понятию.

В АИС имя понятия является идентификатором, содержание понятия задается набором свойств и предикатом, накладывающим ограничения на значения свойств, а объем понятия формируется из БД. Следовательно, для получения объема понятия необходимо иметь некоторый запрос, позволяющий получить информацию о требуемых объектах из БД. Таким образом, наличие запросов к БД для каждого понятия, которые будем называть базовыми ОДЬ-запросами, является конструктивным механизмом реализации соответствия ко-цептуальной модели ПрО и схемы БД.

Для моделирования ПрО в АИС используются два типа понятий:

- простые понятия, объекты которых представляются атомарными данными (например, объекты понятия «фамилия»: Иванов, Петров, Сидоров и др.);

- сложные понятия, объекты которых являются композициями (агрегатами) объктов понятий более низкого уровня (например, понятие «человек», являющееся агрегатом понятий «фамилия», «имя», «отчество», включает объекты <Иванов, Иван, Иванович>, <Петров, Петр, Петрович>, <Иванов, Иван, Петрович> и др.).

Между понятиями могут устанавливаться четыре типа отношений:

• агрегация задает отношение между понятием-агрегатом и другими понятиями, называемыми компонентами, и позволяет формировать целостные объекты понятия-агрегата как композиции объектов понятий-компонентов;

• классификация задает отношение разбиения (деления) множества объектов класса на подклассы в соответствии с основанием классификации;

• обобщение устанавливает отношение между родовым и видовыми понятиями, называемыми категориями, и позволяет формировать обобщенный объект родового понятия путем выделения общих частей из объектов видовых понятий;

• абстрагирование устанавливает отношение между понятием-образом и конкретным понятием и позволяет формировать объекты понятия-образа путем огрубления объектов конкретного понятия. Учитывая, что отношения агрегации, классификации и обобщения также являются определенными видами абстрагирования, будем считать, что отношение абстрагирования реализуется способами формирования образов, отличными от способов реализации указанных отношений. Например, формирование понятия-образа может осуществляться:

• отбрасыванием несущественных свойств конкретного понятия;

• отбрасыванием свойств конкретного понятия, существенных для конкретных объектов, но не существенных в определенной ситуации, соответствующей понятию-образу;

• созданием обобщенного понятия с интегральными характеристиками, формируемыми на основе свойств конкретного понятия;

• созданием обобщенного понятия, объекты которого будут иметь усредненные характеристи-

ки групп объектов конкретного понятия и др.

Таким образом, отношение абстрагирования устанавливается между понятием-образом и конкретным понятием путем задания пользователем правила формирования объектов понятия-образа

Таблица 1

Операции модификации модели ПрО Графическое изображение модификации модели ПрО

Добавление понятия, связанного отношением агрегации (часть-целое) . - а) _ _. б) ( целое ; 1 1 ^ часть

Добавление понятия, связанного отношением классификации (класс-подкласс) а) . - .б)... (^^ласс^ 'ч класс ) 1 1 подкласс } С^подкла^

Добавление понятия, связанного отношением обобщения (род-вид) . _ _а). б) род (^РОД 'у >---' П-- вид 1__^ ... вид N___) вид

Добавление понятия, связанного отношением абстрагирования (образ-конкретное понятие) . - . -а). . б) образ С образ ( конкретное \ конкретное ^ V понятие у \ понятие

Добавление понятия с трансляцией отношения а) б) в) т т ^ -. ________*-----_______*------__ ; новое понятие ; новое понятие } новое понятие ^ -----#---- — ——---( конкретное ^ (^подкласс) С,^^ вид ) ^..^понятие ^^У

Декомпозиция понятия на два связанных понятия а) б) в) _ ч образ ( целое / ( Род " ___-г-"' ,-—Т— исходное ^ '' конкретное ^ ^^ понятие '' часть С вид ^ понятие

Добавление отношения между понятиями а) б) в) г) 1 понятие 1 ) х— ^ —^ и --------^ — —,-------^ — —^^ ( конкретное (понятие 2-У С часть _) (подкласс) С вид ) понятие

Обратные операции:

- удаление понятия обратно добавлению понятия;

- композиция двух понятий обратна декомпозиции понятия;

- удаление отношения между понятиями обратно включению отношения.

Примечание: изменения, вносимые в модель ПрО, обозначены пунктирными линиями.

на основе объектов и свойств конкретного понятия. Реализация предложенного (обобщенного) отношения абстрагирования делает АИС открытой на уровне моделирования ПрО.

Для графического изображения отношений различных типов используются следующие символы:

V1-► V2 - агрегация;

V1 > ► V2 - классификация;

V1-► V2 - обобщение;

V1 Ф ►V2 - абстрагирование.

В таблице 1 приведены допустимые операции изменения концептуальной модели ПрО пользователем.

В АИС принято создавать и поддерживать БД в рамках реляционной модели данных (РМД). РМД характеризуется высокой универсальностью и широко поддерживается существующими СУБД. Поэтому отображение концептуальной модели ПрО в БД реляционного типа не снижает общности модели системно-изоморфного динамического отображения концептуальной модели ПрО в схему БД.

В таблице 2 приведены допустимые операции изменения схемы БД, требующие корректировки базовых ОДЬ-запросов, отображающих понятия концептуальной модели ПрО в БД.

На основании допустимых изменений модели ПрО и БД разработана целостная модель системно-изоморфного динамического отображения концептуальной модели ПрО и схемы БД, включающая подмодели:

- начального отображения концептуальной модели ПрО в схему БД;

- формирования отображения концептуальной модели ПрО в схему БД в третьей нормальной форме (3НФ);

- модификации отображения концептуальной модели ПрО в схему БД при изменении модели ПрО;

- модификации отображения концептуальной модели ПрО в схему БД при изменении схемы БД.

Модель начального отображения концептуальной модели ПрО в схему БД задает отображение понятий модели ПрО в БД, представленную в форме универсального отношения [5].

Для обеспечения допустимой эффективности обработки данных и устранения коллизий реляционной БД с использованием операций из таблицы 2 разработана модель модификации системы базовых ОДЬ-запросов, рассмотренная в [5].

Модель модификации системы базовых SQL-запросов в случае изменения концептуальной модели ПрО с помощью операций из таблицы 1 рассмотрена в [6].

Предложенная система моделей позволяет формировать в АИС системно-изоморфное соответствие концептуальной модели ПрО и схемы БД и динамически поддерживать его в актуальном со-

стоянии на основе системы базовых SQL-запросов при независимом эволюционном изменении модели ПрО и/или БД.

Таблица 2

Для апробации результатов разработана система на языке C++ в среде Borland Developer Studio 2006 с хранением данных в СУБД MySQL 5.0, подтвердившая полную работоспособность и высокую эффективность разработанной модели системного динамического соответствия концептуальной модели ПрО и схемы БД и метода реализации этой модели в самоорганизующейся АИС.

Таким образом, разработанная модель системно-изоморфного динамического соответствия концептуальной модели ПрО и схемы БД обеспечивает следующие возможности:

• организацию информационной системы с эволюционным изменением концептуальной модели ПрО и/или схемы БД;

Операция модификации схемы БД Графическое изображение модификации схемы БД

Декомпозиция отношения

ID an I D a1 ak + ID ak+1 an

Иерархическая декомпозиция

ID i ■■ an ID a a D I D ay an

Композиция отношений II >i ai ak + ID ID ak+1 an ID a1 an

Деление отношения

1 ID a1 an

1 2 3 m ID ai an k

1 1

+

k+1 ID a1 an

1 1 1

m 1 1 1

Объединение отношений

D I ai ■.. I a

■ 1 2 ^^^ 3 m ID a1 an

k l

: k+1 D | ai ■.. | a

1 1 1

m 1 1

Декомпозиция атрибута

ID ai ai an — ID a1 a,1 a,2 an

Слияние атрибутов

ID 1 ■•• a, a. an — ID a1 .. a a

• полную независимость модели ПрО и организации данных;

• формирование начального отображения концептуальной модели ПрО в схему БД и поддержку динамического соответствия между ними на основе системного изоморфизма при изменениях модели ПрО и схемы БД;

• логическую корректность функционирования системы (АИС выдает одинаковые последовательности ответов на одну и ту же последовательность пользовательских запросов независимо от организации БД);

• высокую надежность функционирования системы, базирующуюся на формальных методах организации и обработки данных и постоянной готовности АИС к реализации запросов пользователей.

Кроме того, разработанная модель обеспечивает высокую эффективность функционирования системы, базирующуюся на независимости базы данных и использовании эффективных методов ее обработки.

Литература

1. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е. Системный подход к концептуальному моделированию предметной области в самоорганизующейся информационной системе // Программные продукты и системы. 2009. № 4. С.73-79.

2. Дрождин В.В. Открытость структур в эволюционной модели данных // Программные продукты и системы. 2009. № 2. С. 135-137.

3. Дрождин В.В., Володин А.М. Автономный компонент организации данных // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сб. стат. VIII Всеросс. науч.-технич. конф. Пенза: ПГПУ, 2008. С. 7-14.

4. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е., Герасимова Е.В., Кузнецов Р.Н., Севостьянов Р.Ю. Модель системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и схемы базы данных // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сб. стат. IX Междунар. науч.-технич. конф. Пенза: ПГПУ, 2009. С. 44-49.

5. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е. Формирование системы SQL-запросов для отображения объектного пользовательского представления предметной области в базу данных // Проблемы информатики. 2008. № 1. С. 48-50.

6. Дрождин В.В., Зинченко Р.Е. Модификация системы SQL-запросов при изменении пользовательского объектного представления предметной области // Изв. ПГПУ им. В.Г. Белинского. Физико-математические и технические науки. Пенза: ПГПУ. 2008. № 8 (12). С. 106-110.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ДИСКРЕТНО-ЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА

А. Ф. Антипин (Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета,

г. Стерлитамак, [email protected])

Предложено с помощью дискретно-логического регулятора сократить потери быстродействия системы регулирования, основанной на системе типовых продукционных правил. Проведен сравнительный анализ быстродействия дискретно-логических регуляторов. Показано, что дискретно-логический регулятор по быстродействию превосходит более чем в четыре раза регулятор, основанный на системе типовых продукционных правил.

Ключевые слова: дискретно-логический регулятор, фаззификация, система типовых продукционных правил, минимизация времени отклика, четкие термы, карта битов, блок-схема системы регулирования.

В современных регуляторах, основанных на системе типовых продукционных правил (ТПР), обработка всех правил вычислительным процессором регулятора выполняется последовательно и может продолжаться и после определения требуемого значения параметра объекта управления, что влечет за собой потери быстродействия и избыточное использование вычислительных ресурсов.

Дискретно-логический регулятор (ДЛР) [1] позволяет сократить потери быстродействия за счет преобразования числовых физических величин системы в набор четких термов по аналогии с фаззификацией из теории нечеткой логики [2], с заменой системы типовых продукционных правил на БД правил и управляющих воздействий.

Логические основы минимизации времени отклика

В ДЛР минимизация времени отклика стала возможной благодаря интерпретации числовой физической величины эквивалентной совокуп-

ностью четких термов, представленной на рисунке 1, где ZР - рабочее состояние числовой физической величины Z; ZН , ZА - нижнее и верхнее аварийные состояния соответственно; ZН, -нижнее и верхнее сигнальные состояния соответственно.

Из рисунка 1 следует, что в любой момент 1 должен быть активен только один четкий терм Т числовой физической величины Z и, как следствие, только одно продукционное правило.

Структура ДЛР позволяет заменить систему типовых продукционных правил на базу правил и управляющих воздействий, которая представляет собой упорядоченную систему значений управляющих воздействий на объект управления и механизм формирования уникального номера продукционного правила, необходимый для установки требуемого значения воздействия.

Номер активного, действующего в текущий момент 1 продукционного правила для системы