Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие методы и средства проектирования и разработки постреляционных и объектно-ориентированных баз данных 20
1.1. Обзор существующих моделей, методов и средств анализа и синтеза структур баз данных 21
1.2. Формулировка и анализ требований к структурам баз данных, методам и средствам их автоматизированного проектирования 3 5
1.3 Описание и основные характеристики постреляционной СУБД Cache 52
1.4. Задачи разработки методов и системы автоматизированного проектирования постреляционных и объектно- ориентированных баз данных на основе СУБД Cache...58
Глава 2. Разработка моделей и методов формализации предметных областей пользователей, анализа и построения объектной канонической структуры баз данных 69
2.1. Разработка методов построения модели предметной области, спецификаций информационных требований пользователей и бизнес-процессов 69
2.2. Формализованные процедуры конструирования классов объектно-ориентированных баз данных 77
2.3. Модели и методы построения и анализа объектных моделей требований пользователей 88
2.4. Модели и методы построения и анализа обобщенной объектной модели классов предметной области 102
2.5. Методы построения объектной канонической структуры БД, выделения базовых и наследуемых классов 105
Глава 3. Разработка моделей и методов синтеза оптимальных логических структур объектно-ориентированных баз данных 117
3.1. Формализованное описание исходных данных 119
3.2. Постановки и модели задач синтеза оптимальных логических структур ООБД 127
3.3. Разработка точного алгоритма решения задачи синтеза оптимальной логической структуры ООБД 132
3.4. Разработка эвристического алгоритма решения задачи синтеза оптимальной логической структуры ООБД...141
Глава 4. Разработка моделей и методов управления процессами сопровождения и развития баз метаданных репозитария САПР баз данных 153
4.1. Анализ и формулировка требований к базе метаданных и функциям репозитария САПР БД. Разработка логической структуры БмД репозитария САПР БД 155
4.2. Методы анализа и реструктуризации объектной канонической структуры БД при изменении требований пользователей 165
4.2.1. Методы реструктуризации объектной канонической структуры БД при изменении информационных требований пользователей 167
4.2.2. Методы анализа вновь поступающих требований пользователей и построения модифицированной объектной канонической структуры БД 170
4.2.3. Методы анализа и реструктуризации объектной канонической структуры БД при удалении информационных требований пользователей 174
4.3.Методы анализа и реструктуризации объектной канонической структуры БД 175
4.4. Методы и алгоритмы построения эффективных рациональных логических структур БД объектно-ориентированного, реляционного и иерархического типов 196
Краткие выводы 205
Заключение 208
- Обзор существующих моделей, методов и средств анализа и синтеза структур баз данных
- Разработка методов построения модели предметной области, спецификаций информационных требований пользователей и бизнес-процессов
- Разработка точного алгоритма решения задачи синтеза оптимальной логической структуры ООБД
- Анализ и формулировка требований к базе метаданных и функциям репозитария САПР БД. Разработка логической структуры БмД репозитария САПР БД
Введение к работе
Актуальность темы. В современных условиях глобализации бизнеса, требующего резкого снижения затрат на выполнение производственных функций, мобильности персонала, возможности доступа к требуемой информации и работы с ней в любой точке мира, повышение эффективности инвестиций в информатизацию организаций и предприятий обеспечивается многими факторами, одним из которых является сокращение затрат на проектирование, разработку, реинжениринг и внедрение АИУС и баз данных (БД), эффективное управление информационными ресурсами. Комплексное решение данных задач может быть обеспечено разработкой и широким применением формализованных моделей и прикладных методов анализа и синтеза оптимальных структур информационного и программного обеспечения АИУС, управления сопровождением и развитием БД, созданием CASE - средств и промышленной технологии автоматизированного проектирования (ПТАП) АИУС. Существующие в настоящее время инструментальные средства и CASE-технологии направлены в основном на автоматизацию отдельных этапов и задач проектирования АИУС и, как правило, на разработку и генерацию программного кода приложений и не охватывают задачи проектирования и сопровождения БД различных типов. Предлагаемые на рынке информационных технологий средства и системы проектирования и сопровождения АИУС не в полной мере удовлетворяют требованиям разработчиков систем, особенно корпоративных АИУС. Анализ развития методов и инструментальных средств автоматизации проектирования и их влияние на продуктивность разработок показывает, что на протяжении 15-20 лет в этой области не наблюдалось качественных изменений. Качествен-
7 ный скачок возник лишь в последнее время при использовании в разработках CASE-технологий принципов объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования, объектно-ориентированных баз данных, принципов модульности, типизации и клонирования.
Центральное и важное место в АИУС различного класса и назначения занимают базы данных, на которые возложены функции хранения, интеграции и консолидации информационных ресурсов организации. От эффективности и качества их построения во многом зависит эффективность разрабатываемых информационных систем. Поэтому разработка систем автоматизированного проектирования БД (САПР БД) в составе ПТАП АИУС является важной и актуальной задачей. Создание САПР БД в составе промышленной технологии автоматизированного проектирования АИУС позволяет уменьшить стоимость и время разработки информационного и программного обеспечения АИУС; повысить качество проектных решений; сократить долю рутинных работ, связанных со сбором, редактированием и анализом исходных данных; обеспечить более четкое понимание целей и задач проектирования и во многом типизировать процесс проектирования; снизить уровень потребления материальных и трудовых ресурсов.
В тоже время существующие методологии разработки, а также инструментальные и программные средства автоматизации проектирования и сопровождения БД, как правило, не обеспечивают комплексных решений, не поддерживают многих важных функций, таких как оптимизацию процедур синтеза структур БД, проектирование объектно-ориентированных и постреляционных БД, синтез логических структур базы метаданных репозитария системы проектирования, реорганизации БД при изменении требований пользователей и других задач.
Особую важность при этом приобретают работы по разработке методологии и инструментальных средств автоматизированного проектирования постреляционных и, особенно, объектно-ориентированных баз данных (ООБД). ООБД по сравнению с традиционными (например, реляционными БД) обеспечивают следующие важные преимущества: в ООБД хранятся не только данные, но и методы их обработки, инкапсулированные в одном объекте; ООБД позволяют обрабатывать мультимедийные данные; ООБД допускают работу на высоком уровне абстракции; ООБД позволяют пользователям создавать структуры данных любой сложности. Объектно-ориентированный подход к проектированию БД и в целом АИУС является альтернативой широко используемым структурным методам. При объектно-ориентированном подходе объект инкапсулирует как непосредственно данные, так и методы их обработки, т.е. данные не отделяются от методов (процедур) их обработки.
Основу информационного обеспечения современной САПР БД составляет репозитарии, база метаданных которого содержит необходимую системную, проектную и эксплуатационную информацию. Использование единого репозитария обеспечивает разработчиков БД всей необходимой информацией о результатах моделирования, анализа и синтеза структур БД, управления сопровождением БД в процессе эксплуатации САПР для принятия решений при разрешении различного рода конфликтов и противоречий, координации совместной работы коллектива разработчиков и пользователей в процессе проектирования, а также для корректировки и модификации структур БД с учетом изменяющихся требований пользователей на разработку АИУС.
Поэтому в основе построения и функционирования современной САПР БД должна использоваться методология оптимального анализа и синтеза постреляционных и объектно-
9 ориентированных БД, управления процессами сопровождения и развития БмД репозитария САПР, включающая:
объектно-ориентированные методы анализа и структуризации предметных областей, построения и нормализации объектных моделей требований пользователей и объектных канонических структур БД, формирования логических структур базы метаданных (БмД) репозитария;
формализованные модели и методы синтеза оптимальных по различным критериям эффективности логических структур ООБД;
формализованные методы и процедуры эффективного управления информационными ресурсами БД на основе БмД репозитария.
Большие масштабы работ по информатизации общества, созданию АИУС и тематических БД различного класса и назначения и в то же время отсутствие моделей, методов и инструментальных средств оптимизации и автоматизации разработки и эксплуатации постреляционных и объектно-ориентированных БД, создания на этой основе САПР ООБД, ориентированной на комплексное, взаимосвязанное решение задач моделирования предметных областей АИУС и спецификации требований пользователей, концептуального и логического проектирования ООБД и БмД репозитария, управления сопровождением и развитием ООБД и БмД, обусловливает актуальность выполненных научных исследований.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с исследованиями в рамках проблем РАН 2.4.5 «Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы»; 3.3 «Системы автоматизации, математические методы исследования сложных управляющих систем и процессов, CALS-технологии», а также Программ №14 и №16 отделения ЭММПУ
10 РАН «Проблемы анализа и синтеза модульных интегрированных технических и социальных систем управления».
Цель работы. Целью работы является разработка комплекса формализованных моделей, прикладных методов и инструментальных средств автоматизированного анализа и синтеза оптимальных структур объектно-ориентированных и постреляционных баз данных АИУС.
Разработанные модели, методы и средства должны обеспечивать :
- моделирование предметных областей АИУС, автоматизиро
ванную спецификацию информационных и функциональных
требований пользователей, декомпозицию предметных об
ластей и категоризацию пользователей;
формализованный анализ, структуризацию и нормализацию информационных и функциональных требований пользователей, построение объектных моделей требований пользователей и объектных канонических структур БД;
синтез оптимальных по заданным критериям эффективности логических структур ООБД;
синтез эффективных логических структур базы метаданных (БмД) репозитария системы проектирования;
формализованный анализ и реструктуризацию объектных моделей требований пользователей и объектных канонических структур БД при изменении информационных и функциональных требований пользователей;
построение эффективных рациональных логических структур БД объектно-ориентированного, реляционного и иерархического ТИПОВ;
автоматизацию решения задач анализа и синтеза структур ООБД, управления сопровождением и развитием БмД репозитария .
Методы исследований. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата теории множеств, методов кластерного анализа, теории графов, теории структур данных, математического программирования и оптимизации на сетях и графах.
Научная новизна. В результате проведенных научных исследований, анализа современных требований к системам баз данных и обобщения опыта разработки и внедрения БД АИУС различного класса и назначения впервые:
сформулированы требования к методам и средствам системы автоматизированного проектирования БД постреляционного и объектно-ориентированного типов, а также к БмД репозитария САПР;
разработана формализованная методология проектирования оптимальных структур постреляционных и объектно-ориентированных БД, сопровождения и развития ООБД. Основу предложенной методологии составляет комплекс моделей, методов и процедур анализа и синтеза, последовательного эквивалентного преобразования данных и результатов решения специфических для каждого этапа проектирования БД задач;
предложена функциональная структура и определены основные характеристики САПР БД, ориентированной на комплексное взаимосвязанное решение задач автоматизации этапов анализа, проектирования, разработки, внедрения и сопровождения постреляционных и объектно-ориентированных БД и удовлетворяющей современным требованиям к системам БД;
разработаны методы декомпозиции предметных областей пользователей БД АИУС, конструирования классов, объектно-ориентированного анализа информационных и функциональных требований пользователей БД, построения и нормализации объектных моделей требований пользователей и объектных
12 канонических структур БД, выделения базовых и наследуемых классов;
- поставлены и решены задачи синтеза оптимальных по
заданным критериям эффективности логических структур ООБД
при ряде структурных и системных ограничений, а также ог
раничений целостности данных и эффективности использова
ния ресурсов ООБД;
разработаны методы оптимального управления сопровождением и развитием базы метаданных репозитария САПР БД, обеспечивающие автоматизированную реструктуризацию объектных канонических структур БД, построение рациональных логических структур БД объектно-ориентированного, реляционного, постреляционного и иерархического ТИПОВ;
разработана система автоматизированного проектирования (САПР) ООБД «Cache DBD» , функционирующая на основе постреляционной СУБД Cache и обеспечивающая в диалоговом режиме анализ предметных областей АИУС, синтез рациональных и оптимальных объектно-ориентированных канонических и логических структур БД различных типов, модификацию структур ООБД при изменении требований пользователей, а также автоматическую выдачу соответствующей проектной документации .
Разработанные методология, модели, методы и САПР ООБД по сравнению с существующими методами и средствами обеспечивают комплексное решение задач проектирования и управления ООБД, оптимизацию структур ООБД на различных уровнях их представления, что в целом повышает эффективность и качество разрабатываемых систем баз данных, сокращает сроки и стоимость создания АИУС.
Практическая ценность. Предложенные методы и САПР «Cache DBD» позволяют создавать эффективные структуры
13 объектно-ориентированных, постреляционных, а также традиционных БД АИУС различного класса и назначения. Использование предложенных методов, алгоритмов и программ автоматизации проектирования структур БД позволяет уменьшить приведенные общие затраты на разработку, внедрение, сопровождение и эксплуатацию БД в среднем в 5-10 раз.
Разработанные методы, алгоритмы и инструментальные средства могут быть использованы при разработке, коммерческих БД, БД АИУС широкого класса и назначения в научно-исследовательских, проектных организациях и вычислительных центрах, коммерческих организациях, разрабатывающих и внедряющих АИУС, а также при разработке системы тематических БД в рамках работ по программе информатизации.
Внедрение. Эффективность разработанных в диссертационной работе моделей, методов и системы автоматизированного проектирования и управления БД подтверждена положительным опытом их использования при разработке портала филиала корпорации InterSystems, информационного хранилища системы управления документооборотом «DMS0», автоматизированной системы обработки данных экоаналитического контроля Заполярного филиала ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский Никель» и других систем, а также в учебном процессе при подготовке студентов по дисциплине "Проектирование баз данных".
Использование разработанных методов и средств позволило существенно сократить временные и стоимостные затраты на разработку и эксплуатацию БД АИУС, повысить качество вырабатываемых проектных решений. Официально подтвержденный экономический эффект от внедрения разработанных моделей, методов и инструментальных средств составил свыше 1 млн. рублей.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конференции «Современные информационные технологии» (Москва, 2000), девятой и одиннадцатой международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2001, 2003), третьей, четвертой и шестой международных конференциях «Проблемы регионального и муниципального управления» (Москва, 2001, 2002, 2004), одиннадцатом международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2002), научных сессиях МИФИ (Москва, 2002, 2003).
Публикации. Результаты проведенных автором научных исследований опубликованы в 18 научных трудах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений и содержит 288 страниц машинописного текста, 4 6 рисунков, 43 таблицы, а также список литературы (11 стр. наименований) .
Содержание работы. Содержание работы распределено по главам следующим образом.
В первой главе приведен обзор существующих моделей, методов, средств и информационных технологий анализа и синтеза структур баз данных (БД) различных типов, сформулированы требования к структурам БД и базам метаданных репозитария в современных условиях, а также методам и средствам их автоматизированного проектирования. Показано, что перспективным направлением развития средств и систем формирования, хранения и эксплуатации информационных ресурсов, включая Интернет/Интранет - ресурсы, является использование принципов объектно-ориентированной ме-
15 тодологии при проектировании БД и объектно-ориентированных моделей данных для хранения и обработки разнообразных данных, включая мультимедийные данные и данные сложной (не реляционной) структуры. Предложена функциональная структура САПР БД, ориентированная на комплексное решение задач автоматизации этапов анализа, проектирования, разработки, внедрения и сопровождения постреляционных БД и объектно-ориентированных БД (ООБД). Сформулирована постановка задач научных исследований, приведенных в диссертационной работе.
Во второй главе предложена совокупность взаимосвязанных графовых и матричных моделей и методов описания предметных областей пользователей АИУС, спецификации информационных требований пользователей, кластерного анализа информации и категоризации пользователей; анализа и структуризации информационных и функциональных требований пользователей; построения и нормализации объектных моделей требований пользователей для каждого кластера и обобщенных объектных канонических структур БД. В результате выполнения процедур данного этапа проектирования БД формируется оптимальная объектная каноническая структура БД, содержащая минимальный набор требуемых классов, объектов и отношений между ними, которая в дальнейшем используются при построении рациональных и оптимальных логических структур ООБД и БмД репозитария.
В третьей главе рассматриваются постановки задач и модели синтеза оптимальных логических структур ООБД. Предложено формализованное описание исходных данных, сформулированы критерии эффективности разработки логических структур ООБД, а также ограничения задач синтеза логических структур.
Синтез логических структур ООБД рассматривается в работе как поиск оптимального варианта отображения объектных канонических структур в такие логические структуры, в которых сохраняются синтаксические и семантические свойства и особенности элементов . и взаимосвязей предметных областей АИУС и обеспечивается эффективность функционирования АИУС при заданных потоках запросов пользователей и транзакций. Основными критериями эффективности синтеза логических структур ООБД являются минимум суммарного времени формирования структуры, загрузки и использования ООБД, минимум обслуживания множества запросов пользователей и выполнения транзакций к ООБД. В качестве ограничений при решении задач синтеза оптимальных логических структур ООБД используются структурные и технологические ограничения, к которым относятся ограничения на число объектов данных в составе логических записей, на длину формируемых логических записей, на допустимое время блокирования записей при выполнении транзакций и другие. В результате решения задач синтеза определяются оптимальные характеристики логических структур ООБД (состав и структуры логических записей и взаимосвязей, точки входа в структуры и др. характеристики); оптимальные структуры запросов и транзакций к ООБД.
В четвертой главе рассмотрены модели и методы управления процессами сопровождения и развития баз метаданных репозитария САПР на этапе эксплуатации ООБД. Рассмотрены методы формирования логической структуры БмД репозитария в виде взаимосвязанных разделов метаданных; анализа и реструктуризации объектных моделей требований пользователей и объектной канонической структуры БД при изменении требований пользователей; анализа и преобразования объектной канонической структуры БД с учетом ограничений на логиче-
17 ские структуры БД разных типов и построения эффективных рациональных логических структур БД объектно-ориентированного, реляционного и иерархического типов.
В приложении П1 приведено описание разработанной на основе предложенных в работе моделей, методов и алгоритмов системы автоматизированного проектирования ООБД «Cache DBD». САПР «Cache DBD» (Cache DataBase Designer)предназначена для автоматизированной и информационной поддержки процессов моделирования и анализа предметных областей АИУС, спецификации информационных и функциональных требований пользователей, проектирования объектных канонических и оптимальных логических структур ООБД, рациональных логических структур постреляционных БД и БД традиционных типов, а также сопровождения ООБД в диалоговом режиме. Ядром САПР является постреляционная СУБД Cache. Программное обеспечение САПР "Cache DBD" состоит из трех комплексов программ, ориентированных на решение специфических задач проектирования БД объектно-ориентированного, реляционного и иерархического типов. Программное обеспечение реализовано на языках программирования Cache Object Script и Microsoft Visual Basic. Центральное место в САПР "Cache DBD" занимает база метаданных (БмД) репозитария, разработанная на основе концепции единой архитектуры данных СУБД Cache, что обеспечивает независимость хранения данных в репозитарии от способа их представления.
Отличительными особенностями САПР "Cache DBD" являются: комплексное, взаимосвязанное решение задач моделирования предметных областей, спецификации, кластеризации и нормализации информационных и функциональных требований пользователей, формирования и анализа объектных моделей требований пользователей, концептуального и логического
проектирования объектно-ориентированных, постреляционных, реляционных и иерархических БД, формирования и сопровождения базы метаданных репозитария; наличие развитого сервисного программного обеспечения для поддержки графического интерфейса пользователей с системой; гибкость программного обеспечения, построенного по модульному принципу; высокое качество вырабатываемых проектных решений за счет использования формализованных процедур проектирования и многовариантности расчетов; наличие встроенной информационной базы проектных данных и базы метаданных предметных областей (БмД репозитария). Описание САПР "Cache DBD" иллюстрируется компьютерными экранными формами (интерфейсом пользователей), используемыми для решения функциональных задач проектирования БД и принятия решений разработчиками.
В приложениях П2-П7 приводится описание разработанной логической структуры БмД репозитария на языке описания объектов СУБД Cache, учитывающей перечисленные выше требования .
В приложениях П2-П7 содержатся описания общих типов данных и их характеристик, поддерживаемых СУБД Cache, а также методов преобразования форматов представления данных, обеспечивающих унификацию типов данных для моделей различных уровней представления БД (канонического, логического, физического).
В приложение П4 приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для разделов «Описание объектной модели», «Описание схемы БД» и метаданных моделей данных, описывающих логические и физические структуры БД различных типов.
В приложении П5 приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для раздела «Описание бизнес-процессов» .
В приложении Пб приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для раздела «Описание понятий» .
В приложении П7 приводится схема подструктуры логической структуры БмД репозитария для раздела «Описание реструктуризации моделей данных».
Обзор существующих моделей, методов и средств анализа и синтеза структур баз данных
Базы данных (БД) являются наиболее важным элементом автоматизированных информационно-управляющих систем (АИ-УС) , на которые возложены функции хранения, интеграции, консолидации и использования информационных ресурсов организации [1-10].
Начальным этапом проектирования БД является этап моделирования предметных областей пользователей, системного анализа и структуризации информации. На данном этапе выявляются требования к структурам БД, разрабатываются спецификации информационных требований пользователей и бизнес-процессов, определяется состав хранимой в БД информации и ее структура. В результате решения задач данного этапа формируется модель предметной области и каноническая (концептуальная) структура БД, которая отражает наиболее характерные и устойчивые свойства и характеристики данных и взаимосвязей предметной области. К основным проблемам, с которыми сталкиваются разработчики при проведении предпроектного анализа, относятся сложность и трудоемкость данного процесса, невысокая достоверность анализа при большом числе элементов и связей, противоречивость и несогласованность требований пользователей, необходимость частого проведения реинжениринга бизнес-процессов обследуемой организации [1-4,11-16]. В известных системах моделирования, как правило, используется следующие способы для представления результатов анализа [3,4,12-14,17-25]: диаграммы декомпозиции процессов; V потоковые диаграммы; V- IDEF - диаграммы (Integrated DEFinition - интегрированные диаграммы-описания); RADs-диаграммы (Role Activity Diagrams - диаграммы ролевых действий); V Action Workflow - диаграммы рабочих потоков процес сов; У стандартная системная документация; формализованные методы анализа и структуризации предметных областей пользователей, построения канонических структур БД; UML (Unified Modeling Language) - унифицированный язык моделирования, предназначенный для описания, визуализации и документирования предметных областей пользователей по объектно-ориентированному принципу. Рассмотрим характеристики данных систем. Системы моделирования, использующие методы декомпозиции процессов, применяются при представлении и анализе функциональной иерархии деятельности предприятий, потоков процессов и данных, используемых материалов и продукции и т.п. Декомпозиция процессов эффективна при анализе отдельного, выделенного пользователем по какому-либо признаку объекта. Системы моделирования, включающие потоковые диаграммы, используются при описании последовательности и порядка действий процессов. Информационное содержание каж дого блока диаграммы составляет описание простого действия или процедуры. Несмотря на распространенность и простоту данных систем моделирования, они обладают довольно бедной семантикой. Системы моделирования, построенные на базе стандартов IDEF - диаграмм, используют два конструктивных элемента моделирования - блоки и стрелки. В блоках отражаются действия или функции системы, а стрелками помечается информация или ресурсы, необходимые для выполнения действий в блоках, с которыми они связаны. Стрелки могут показывать входные и выходные воздействия, механизмы, влияющие на исполнение действий, а также управляющие воздействия. RADs-диаграммы основаны на концепции моделирования бизнес-процессов, включающей понятия ролей и взаимодействий между ними. При этом роль определяется как целенаправленная деятельность, подчиняющаяся набору правил ведения бизнеса. Роли вырабатывают и принимают определенные решения типа "что делать" и "когда" в соответствии с правилами. Правила ведения бизнеса предприятия отображают его политику, ответственность, стандарты, порядки и т.д. Роли могут назначать исполнение действий во взаимодействии с другими ролями. Системы моделирования, основанные на RADs-диаграммах, являются развитием систем моделирования на потоковых диаграммах. Системы моделирования, основанные на диаграммах рабочих потоков процессов (Action Workflow), позволяют отображать процессы представления договорных отношений между людьми. Диаграмма строится в виде эллипса, на котором каждая из четырех крайних точек, отмеченных треугольником, представляет определенную стадию договорных отношений: подготовка; переговоры; выполнение; принятие решений. Внутри эллипса помещается информация об условиях выполнения договора. Количество диаграмм определяется числом возможных договорных отношений в организации. Например, системы класса Workflow обеспечивают решение трех задач: разработку описания бизнес-процесса; управление выполнением бизнес-процесса; интеграции используемых в процессе приложений.
Средства описания бизнес-процесса предназначены для формирования формального описания процесса в виде упорядоченного множества операций, правил их выполнения, связанных с ними объектов, исполнителей и событий. Полученное описание или спецификация процесса используется для контроля и управления выполнением процесса на основе поступающих в систему данных. В качестве этих данных выступают результаты выполнения отдельных операций, данные реализации прикладных систем, архивов и баз. Средства управления выполнением процесса предоставляют пользователю и/или прикладной системе информацию, необходимую выполнения для каждой операции, а выявленные на этапе выполнения несоответствия служат основанием для пересмотра спецификации процесса.
Разработка методов построения модели предметной области, спецификаций информационных требований пользователей и бизнес-процессов
Под предметной областью пользователей будем понимать информацию о совокупности объектов автоматизации и их характеристиках, которая представляется в виде специальных структур данных, хранится в базах данных (БД) и используется пользователями для решения различных функциональных задач АИУС. Каждый объект автоматизации характеризуется поведением и состоянием. Состояние объекта описывается множеством информационных элементов и их значениями. Поведение объекта описывается множеством функций и задач обработки данных, часть из которых составляют его интерфейс и доступны другим объектам при решении функциональных задач, а часть используется для реализации самого интерфейса
Описание предметной области пользователей включает следующие основные компоненты: автоматизируемые функции и задачи обработки данных и их характеристики, пользователи, информационные элементы и отношения между ними, метаданные информационных элементов и задач обработки данных, отношения между информационными элементами и задачами.
Модель предметной области может быть представлена в виде семерки: Mnp0= F,H,P,0,VB\VBb,x,R , где / = {f.\i = \j\ - множество автоматизируемых функций; // = {/;./ = l,j} - множество задач обработки данных; P={Pk\k = hK}- множество пользователей; 0={о„,\т = \,М\ - множество объектов и процессов автоматизации; У л ={v,\le.Lin! - множество входных данных; утх = {V/\f eLmJ - множество выходных данных; V = V " uV""" - полное множество информационных элементов предметной области; /? = {/-,.f.v = ЇГРї - множество отношений (взаимосвязей) между компонентами {F, Н, Р, О, VBX, VBb,x} . Выделяются следующие виды отношений: - ri(F,H) - отношение "функции-задачи". Каждый кортеж отношения гх определяет реализацию в рамках конкретной функции определенных задач обработки данных; -r2 (F,О)-отношение "функции-объекты". Каждый кортеж отношения г2 характеризует принадлежность объекта автоматизации той или иной функции; -r3 (F,Р)-отношение "функции-пользователи". Каждый кортеж отношения г3 характеризует использование той или иной функции пользователем; -r4 (F,V)-отношение "функции - информационные элементы". Каждый кортеж отношения г4 определяет использование входных и получение выходных информационных элементов при реализации определенной функции; -г5 (Н,Р)-отношение "задачи-пользователь". Каждый кортеж отношения г5 определяет соответствие тех или иных задач обработки данных информационным потребностям пользователей; -гб (Н,О)-отношение "задачи-объекты". Каждый кортеж отношения г6 определяет множество задач обработки данных для каждого из объектов информатизации; -r7 (H,V)-отношение "задачи-данные". Каждый кортеж отношения г7 определяет использование входных и формирование выходных информационных элементов при выполнении определенных задач обработки данных; Множество входных и выходных информационных элементов задачи определяют множество сообщений, которыми обмениваются объекты между собой посредством интерфейса и используются внутри объектов для реализации интерфейса. -г8 (О,V)-отношение "объекты-данные". Каждый кортеж отношения г8 характеризует информационное содержание (состояние) определенного объекта.
Разработка точного алгоритма решения задачи синтеза оптимальной логической структуры ООБД
Пусть Q = {qk/k = l,K0} - множество запросов пользователей к ООБД. Каждый запрос qk eQ должен однозначно определять необходимое для его реализации дерево поиска, т.е. множество обрабатываемых классов (вершин дерева) и связей между ними. Пусть Lk - множество возможных точек входа для А:-го запроса
(к = 1,К0) в объектную каноническую структуру БД. Тогда запрос пользователя можно задать с помощью матрицы используемых им классов А3= 4 и матрицы связей F3=/ /., реализуемых Ат-м запросом при поиске через 7-ю точку входа. Здесь: а ек=1, если при реализации к-го запроса через 7-ю точку входа используется класс є; a sk=0 в противном случае; f. =1, если связь (єє ) используется при реализации А--го запроса через 1-ю точку входа; /с =0 в противном случае. Основными характеристиками множества запросов являются: fi = {/3 ..// . = \} - множество средних значений суммарного числа просматриваемых при реализации А:-го запроса из 1-й точки входа внешних ключей и объектов классов; Р = {P/f = \} - множество средних значений суммарного числа выбираемых при реализации к -го запроса из 1-й точки входа объектов классов; o = {a-,,...,ot,...,ov(i} - вектор частот использования запросов. Временными параметрами отдельного запроса являются: tnc - среднее время просмотра внешнего ключа и сравнения выбранного объекта с признаком, задаваемым в условии запроса; te- среднее время поиска и выбора объекта -го класса из ООБД. Методы расчета количественных и временных характеристик запросов пользователей, зависящие от выбранной стратегии и варианта поиска, организации указателей связей и других характеристик, приведены в [6,9,10] .
Рассмотрим формализованное описание транзакций. Транзакции инициируются, как правило, администратором ООБД и включают следующую последовательность операций: составление транзакции на языке манипулирования данными выбранной ООСУБД; поиск модифицируемых данных; блокирование найденных для модификации данных (фиксация транзакции); выполнение шагов транзакции без физической записи результатов обработки во внешнюю память; проверка результатов выполнения всех шагов транзакции. Если все шаги завершены удачно, то результаты обработки фиксируются во внешней памяти и администратору ООБД выдается сообщение об удачном завершении транзакции. Если хотя бы один из шагов транзакции по каким-либо причинам незавершен, то результаты обработки не вносятся в ООБД и администратору выдается сообщение об откате транзакции; снятие захватов (освобождение) заблокированных записей. Обозначим через T={ts/s = l,S0} - множество транзакций. Транзакция к БД задается с помощью матрицы используемых ею классов Ат=аЧ и матрицы связей FT=/ ,, реализуемых s -й 126 транзакцией при ее выполнении через /-ю точку входа, матрицы модифицируемых классов Wt= , где и.=1, если m-я транзакция модифицирует класс є; vv = 0, в противном случае. Количественными характеристиками транзакций являются: вектор частот использования транзакций Л = {, ,...,,..., }, где частота использования транзакции s-ro типа; множества средних значений количества объектов классов, модифицируемых при реализации транзакции, Г = {y5/e = l,e0,s = \,S0}, где ys - среднее значение количества корректируемых объектов класса є при выполнении s-й транзакции; р = {р. \ fl, = 1} - множество средних значений суммарного числа просматриваемых при реализации 5-й транзакции из 1-й точки входа внешних ключей и объектов классов; Р = {рк-1Гс с- = 1} - множество средних значений суммарного числа выбираемых при реализации 5 -й транзакции из 1-й точки входа объектов классов. Временными параметрами транзакции являются, помимо рассмотренных выше, для запросов пользователей средних времен поиска и просмотра элементов также среднее время установления (снятия) блокировки объекта t6n и среднее время корректировки объекта tKOp. Для описания процесса ввода и загрузки данных в БД определяется количество загружаемых внешних ключей для каждой связи объектной канонической структуры БД у., которое зависит от количества загружаемых объектов классов и выбранной системы указателей связи. Параметр уС. является элементом множества Y = {yec./e,e = l,e0} загружаемых внешних ключей. Времен 127 ными параметрами отдельной операции ввода и загрузки данных являются: tcn- среднее время слияния (композиции) классов в логическую запись; t3 - среднее время загрузки одной логической записи в БД; ty - время формирования внешнего ключа. Методы расчета количественных и временных параметров ввода и загрузки данных в БД приводятся в [6,9,14] .
Анализ и формулировка требований к базе метаданных и функциям репозитария САПР БД. Разработка логической структуры БмД репозитария САПР БД
В современных автоматизированных системах (АС) выделяют две категории информационных ресурсов - данные и метаданные. Метаданные описывают свойства не только собственно данных, но информационной системы в целом, отдельных механизмов ее функционирования, поддерживаемых технологий, пользователей и т.д. [4,9,69,94] .
Особую роль играют метаданные в CASE-средствах автоматизации проектирования БД АС, в которых они организуются в виде специальным образом организованных баз метаданных (БмД) [4,94]. БмД содержат адресно-справочную, содержательную и словарную (лингвистическую) информацию о предметных областях и базах данных. Целями создания БмД являются: информационная поддержка управления процессами проектирования, функционирования и развития БД с целью оптимизации затрат на их создание и эксплуатацию; повышение эффективности использования информационных ресурсов организаций и предприятий; обеспечение непротиворечивости, целостности и полноты данных, имеющихся в различных БД; обеспечение координации работ по описанию предметных областей пользователей, информационных потоков, по созданию и ведению БД, внедрению типовых проектных решений; обеспечение процессов автоматизации проектирования БД и приложений АС. БмД используются также как средство стандартизации описания типов данных и используемой терминологии, а также ведения общесистемных языковых средств (классификаторов, тезаурусов, словарей) для БД разных типов; конвертирования, трансляции и интеграции различных типов и структур БД. Метаданные, входящие в БмД могут оставаться неизменными на протяжении всего жизненного цикла АС. Однако в большинстве случаев изменения, происходящие в предметной области пользователей БД, обусловливают необходимость внесение изменений, как в данные, так и в метаданные. Эта связано с темпоральными свойствами данных, которые приводят к эволюции структур БД. В случае изменения данных современная САПР БД должна быть способна одновременно поддерживать метаданные в рамках прежней и новых структур БД. Серьезные трудности могут возникнуть также при сопровождении индивидуальных сущностей предметной области (классов), изменяющихся во времени, а также при их добавлении или удалении, что вызывает необходимость обеспечения сопоставимости значений свойств таких сущностей в разные временные периоды. В таких случаях необходимо обеспечить корректное одновременное, совместное использование данных, относящихся к старой и новой структурам БД. Для создания и ведения БмД, сбора, обработки и загрузки метаданных используются специализированные информационные системы - репозитарии [4,30,37]. Под репозитарием в САПР БД понимается разделяемая БмД с информацией об артефактах проектирования, требующая, помимо предоставляемых СУБД, специализированных функций управления метаданными. При этом под разделяемостью БмД подразумевают, что субъекты, использующие репозитарии должны придерживаться определенных соглашений о форматах хранимых в репозитарии объектов метаданных и связей между ними. Под артефактами проектирования понимаются данные управления проектами и системной конфигурации [37,39]. Существующие в настоящее время репозитарии реализуют различные форматы и способы хранения метаданных, что осложняет решение проблемы мобильности приложений, повторного использования и интеграции информационных ресурсов и информационных технологий, а также реинжиниринга информационных систем. Для преодоления указанных трудностей проводятся работы по разработке стандартов метаданных, ориентированных на различные информационные технологии [38,3 9]. Первой разновидностью метаданных БД является, как известно, схема БД. Так, в СУБД реляционного типа описание структуры таблиц реляционной БД представляется в виде специальных таблиц, дополнительно включаемых в ту же БД. БД, реализующие данную возможность, называются самоописываемыми [30] . Идея самоописываемых БД была использована также для систем управления БД иерархического и объектно-ориентированного типов. Стандарты SQL92-SQL99 предлагают вариант реализации принципа самоописываемости БД, при котором в схеме любой создаваемой БД формируется стандартный набор базовых таблиц (схема определения), содержащих БД. При этом стандарт SQL92 определяет 24 таблицы, входящих в схему определения БД. Содержимое этих таблиц должно изменяться при изменении схемы БД с использованием определенных операций. Непосредственный доступ к содержимому таблиц схемы определения не допускается. Для обеспечения доступа к метаданным специфицируется набор из 23 представлений, называемых информационной схемой, доступ к которой открыт с привилегией на выборку данных.
Рассмотрим особенности функционирования и характеристики репозитариев БмД. Первыми реализациями систем управления БмД - репозитариями, являлись так называемые системы словаря-справочника данных (С/СД) [40,94]. Их основными задачами являлись формирование и обновление метаданных, а также ведение перекрестных ссылок между словарными статьями для администрирования и управления БД. Словарная часть С/СД описывает состав данных, их семантику, виды использования. Справочная часть, в свою очередь, определяет характер представления данных (типы данных, форматы) их размещение и способы доступа к ним.
