Введение к работе
Представленная диссертационная работа посвящена разработке и исследованию формальной математической модели динамической информационной структуры для использования ее в качестве аппарата моделирования мультимедийной базы данных (ММБД), ориентированной на динамическую визуализацию активного множества информационных элементов и контекстный поиск комплексировашгой информации в базе.
Актуальность темы. Развитие и доступность средств компьютерной обработки изображений, упрощающих использование изображений в качестве информационных объектов базы данных (БД), позволили эффективно решать задачу совместного или комплексного хранения и использования разнотипной информации в одном контексте. Развитие мультимедиа (ММ-)технологий, предполагающих связывание и комплексное использование сложных по организации разнотипных объектов, вместе с увеличением количества информации, используемой одним приложением, и усложнением структурных взаимосвязей между информационными элементами, привело к необходимости определения новой логической модели данных, отличающейся от традиционных динамичностью информационной структуры.
Характерной особенностью динамической информационной структуры (ДИС) является тот факт, что не все связи между элементами подобной структуры заданы исходно (статически), а могут устанавливаться динамически в процессе функционирования информационной системы (ИС). Система управления базой комплексированных данных (СУБКД), поддерживающая динамическую визуализацию данных, функционирует переводя систему из состояния в состояние, каждое из которых определяется неким активным подмножеством информационных элементов. Такая идеология логической схемы ИС удобна для организации и формального определения операции контекстного поиска.' Однако, современные ИС, ориентированные на динамичность представления данных, проектируются либо на уровне байтового обмена и не имеют какой-либо научной идеологии, либо имеют в своем аппарате различные модификации статических методов, имитирующих эту динамичность. Это в значительной степени сужает потенциальные возможности ИС, как в смысле эффективности поиска информации в одном приложении или интегрированной среде нескольких приложений, так и в смысле разнообразия функциональных возможностей СУБКД.
Формализация динамической модели данных (ДМД) не только позволила бы более наглядно представлять множество взаимосвязей между данными, но и инициализировала бы разработку новых быстрых методов и алгоритмов поиска, ориентированных на такую модель.
Анализ работ, посвященных формализации ДМД,' позволяет выявить ряд существенных недостатков их использования в качестве аппарата моделирования ДИС.
-
Попытка имитировать динамичность информационной структуры в рамках традиционных подходов (сетевой, иерархический, реляционный) приводит к нарастающей сложности описания структуры и аппарата манипулирования данными.
-
Моделирование ДИС сетевыми моделями с объектно-ориентированными свойствами не достаточно эффективно из-за отсутствия хорошо разработанного формального аппарата манипулирования данными.
-
Формализация ДИС в рамках гипертекстовой технологии сложна из-за отсутствия набора формальных методов описания гипертекстовой структуры и аппарата манипулирования данными.
Перечисленные проблемы значительно сужают потенциальные возможности ИС, содержащих сложную по своей структуре разнотипную информацию, ухудшая эффективность использования таких систем, что позволяет констатировать актуальность темы диссертационной работы.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании формальной математической модели ДИС для улучшения эффективности СУБКД за счет упорядочения структуры данных и расширения функциональных возможностей СУБКД посредством динамической визуализации информационных взаимосвязей.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач.
Основные задачи:
1. Построение математической модели комплексированных данных, позволяющей
оперировать неким активным подмножеством объектов с учетом статики и динамики
оперирования с ними.
-
Исследование свойств построенной модели в аспекте ее адекватности моделируемой структуре, устранения аномалий доступа, синтеза принципов и алгоритмов.
-
Построение алгебры (исчисления) активных подмножеств информационных объектов с определением объектов информационного пространства и набора операций манипулирования объектами, исследованием свойств предложенных операций и полноты информационного пространства.
-
Разработка и реализация полного языка оперирования комплексными данными с доказательством логической и физической независимости данных.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются: методы теории сетей Петри, методы математического анализа, комбинаторных исследований и методы теории множеств. .-....,,,
Научная новизна исследования заключается в следующем:
разработана формальная концептуальная модель мультимедийной информационной структуры, предполагающая динамическую визуализацию срезов информационного пространства в процессе функционирования; . ...
определены понятия ограниченных сетей Петри и их подкласса, ограниченных TS-
сетей Петри, для использования в качестве аппарата моделирования динамических информационных структур;
- сформулированы и доказаны теоремы, следствия и утверждения, раскрывающие
особые свойства ограниченных сетей Петри и ограниченных TS-сетей Петри, главными
из которых являются:
теорема о разрешимости задачи определения достижимости любого сценария и о принадлежности этой задачи классу NP- полных комбинаторных задач для ограниченных сетей Петри;
теорема о существовании достаточного признака определения достижимости любого сценария и ограниченности разметки в ограниченной сети Петри;
теорема о возможности преобразования любой ограниченной сети Петри с достижимыми переходами в позиционпо эквивалентную сеть, удовлетворяющую достаточному признаку достижимости;
теорема о свойствах ограниченных TS-сетей Петри;
построена алгебра (исчисление) над множеством ограниченных TS-сетей Петри, порожденном из класса примитивных ограниченных сетей единственного типа, с доказательством полноты информационного пространства;
разработан символьный язык, описывающий динамическую информационную структуру средствами ограниченных TS-сетей Петри, с формальным аппаратом манипулирования комплектированными данными, с доказательством полноты языка и поддержки физической и логической независимости описания данных.
Достоверность научных положений подтверждается результатами синтеза логической схемы мультимедийного медицинского атласа «Система кроветворения» выполненного по методам и алгоритмам, предложенным в диссертации.
Практическая значимость. Использование математического аппарата ограниченных сетей Петри для моделирования ММБД позволяет легко и наглядно представлять структуру динамического информационного пространства такой БД и сводит многие проблемы ДИС (алгоритмы контекстного поиска, выявление возможных аномалий доступа, реструктуризации БД и т.п.) к известным задачам теории сетей Петри. Введенное понятие ограниченной TS-сети, отражающее специфику ДИС, предполагает возможность формального описания процессов функционирования и модификации ММБД. Построенная алгебра TS-сетей позволяет осуществлять тождественные преобразования сетевых моделей ДИС, что предполагает формальное определение правил конструирования сетей. Алгоритм построения ярусного макета и разработанный на его' основе символьный язык описания данных позволяют эффективно решать задачи проектирования и администрирования ММБД автоматически с использованием компьютерной обработки. Все теоретические положения диссертации доведены до вида алгоритмов, позволяющих синтезировать логические схемы БД, поддерживающих динамические
информационные структуры.
Апробация результатов. Полученные результаты апробированы в докладах на конференциях: Республиканской научно-технической конференции «Биомедицинские приборы и системы» (Рязань, 1994), 2-ой Всероссийской с участием стран СНГ конференции «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (РОАИ-95) (Ульяновск, 1995), в докладах на научных конференциях в рамках Дней Науки в НовГУ (Новгород, 1995), (Новгород, 1996), (Новгород, 1997).
Публикации: По теме диссертации написано 5 работ, из них 2 опубликовано и 3 депонировано в ВИНИТИ.
Все научные и практические результаты получены соискателем самостоятельно.
Структура: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных источников, включающего 72 наименования. Она изложена на 117 страницах машинописного текста и содержит 31 рисунок .
