Введение к работе
Актуальность. Ряд современных информационных систем, работающих с базами данных, таких, например, как электронные системы учета информации об объектах культурного наследия, требуют возможности оперативного изменения структуры хранимых данных. Процесс изменения структуры данных (добавление новой сущности, изменение перечня атрибутов, изменение типа атрибута и т.д.) в подобных системах является неотъемлемой частью жизненного цикла и служит для поддержания их актуальности.
Для реализации требований интенсивно меняющейся предметной области (ПрО) информационная система (ИС) должна быть в состоянии обеспечить определенное количество изменений за короткий период времени, т.е. быть гибкой. Недостаточная гибкость может ограничить использование ИС, не позволяя пользоваться ею для решения определенных задач и создавая необходимость реализовывать специализированный функционал. Кроме того, недостаточная гибкость может уменьшить продолжительность жизни системы. Гибкость предотвращает перепроектирование системы для обеспечения изменений ПрО.
Изучением вопросов увеличения гибкости ИС и уменьшения затрат на их программирование и эксплуатацию занимаются следующие ученые: Р. Банкер, Ф. Бернш-тайн, Б. Боэм, Л. Бродский, Т. Бэрд, Д. Гебауер, Р. Доусинг, Н. Дункан, Д. Зенг, Л. Жао, С. Мельник, Е. Монтейро, С. Мукержи, К. Паттен, А. Савидис, Д. Тернер, О. Хансет, М. Хатлинг, Ф. Шобер и др.
Одной из основных проблем в области построения ИС, допускающих изменение структуры хранимых данных, является необходимость участия в модификации специально подготовленных работников или программистов. Возможность модификации структуры данных таких систем без продолжительного перепроектирования достигается использованием метода хранения данных, допускающего настройку концептуальной модели.
Значительный вклад в развитие информационных систем с настраиваемой концептуальной моделью данных (КМД) внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Л. Бродский, В.Э. Вольфенгаген, А. Гаврилов, Д. Джонсон, С. Завозкин, А. Зуенко, Р. Игнатович, А.С. Клещев, Д. Кондраков, Л. Лядова, С. Мельник, Р. Морс, П. Надкарни, П. Олейник, В.А. Орлов, Е. Павлова, Л. Рейнгольд, Д. Рябко, А. Симановский, М. Стоун-брейкер, А. Тенцер, Л. Черняк, М. Шпаков и др.
Несмотря на интенсивные исследования в области информационных систем с настраиваемой КМД, научной проблемой остается низкий уровень гибкости их разработки, сопровождения, использования и управления.
Существующие методы хранения данных и построенные на них информационные системы с настраиваемой КМД не предоставляют возможность их интенсивной модификации, что не обеспечивает должного уровня гибкости при интенсивном потоке требований о модификации системы в связи с изменением ПрО.
Использование метода хранения формируемых представлений данных (ФПД), их объектно-реляционное отображение и использование принципа модульности позволяют обеспечить: возможность оперативного изменения пользователем структуры данных
системы в режиме реального времени без привлечения специалистов в области программирования и баз данных, полноценную информационно-справочную систему, прозрачность доступа к данным и настраиваемость интерфейса под нужды конкретного пользователя, а также информационную безопасность. Методология ФПД тесно связана с методологией концептуального метода проектирования баз данных, т.е. систематический подход к созданию, применению и управлению базами данных и метаданных.
Объект исследования - информационные системы с настраиваемой концептуальной моделью данных в аспекте их гибкости при ограничениях, налагаемых особенностями и спецификой ПрО.
Под гибкостью информационной системы понимается ее способность изменять состояние или поведение системы в соответствии с изменяющимися требованиями со стороны ПрО (вводом/изменением понятий ПрО, ростом числа задач хранения и обработки информации, дополнением функционала и т.д.).
ИС с настраиваемой КМД — это ИС, дающие пользователю возможность изменения в режиме реального времени структуры данных, состояния или поведения системы без привлечения специалистов в области программирования и баз данных.
Под базой метаданных (БМД) понимается структурированный организованный набор данных, описывающих особенности ПрО, для которой создается система, условия ее работы и характеристики процессов и пользователей. Банк данных (БнД) - это хранилище, способное осуществлять накопление и обработку наряду с фрагментами информации также фрагменты метаинформации. Концептуальный метод проектирования банков данных (КМП) понимается как систематический подход к созданию, применению и управлению БД и БМД, обеспечивающий учет изменений ПрО или ее представления, в том числе увеличения степени подробности или обобщения информации. Объектно-реляционное отображение (ОРО) - запись объектов программы в реляционную БД, отображение объекта и его представления в виде набора таблиц. Модель сущность-атрибут-значение - модель представления данных, предполагающая хранение описания сущностей и их атрибутов в БД, а также хранение значений атрибутов в одной общей таблице. Под информационной безопасностью понимается защищенность информации и поддерживающей ее инфраструктуры от любых случайных или злонамеренных воздействий, результатом которых может явиться нанесение ущерба самой информации, ее владельцам или поддерживающей инфраструктуре.
Целью работы является повышение гибкости разработки, сопровождения, использования и управления ИС с настраиваемой КМД за счет разработки методов хранения, формирования и обработки представлений данных из описаний объектов БД.
Основные задачи исследования. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:
анализ существующих методов хранения и обработки данных в современных информационных системах;
разработку количественного метода оценки гибкости ИС на базе предложенной модели гибкости;
разработку метода хранения формируемых представлений данных, позволяющего существенно повысить уровень гибкости ИС с настраиваемой КМД;
разработку модели базы ФПД (БФПД);
автоматизацию процедур формирования и обработки представлений данных из описаний объектов, хранящихся в БФПД;
создание методики разработки информационных систем на основе ФПД;
создание и внедрение в производство ИС, поддерживающей модель данных на основе разработанного метода хранения формируемых представлений данных.
Методы исследования. Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретически с помощью математических доказательств с использованием методов теории массового обслуживания, теории реляционных баз данных, теории множеств. При выполнении диссертации использовались: метод концептуального проектирования баз данных (Вольфенгаген В.Э.), теория Тенцера, теория объектов, методы типизации объектов данных, методы объектно-ориентированного программирования, методы формализованного представления систем (Волкова В.Н., Денисов А.А.), методы эргономического проектирования пользовательского интерфейса. Для исследования эффективности разработанного метода хранения сущностей и атрибутов было проведено имитационное моделирование на ПЭВМ, создана база формируемых представлений данных и автоматизированная информационная система мульти-приложений (АИСМП).
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обоснованы теоретически с помощью надежных методов исследования, а также подтверждается данными, полученными в результате экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке:
— математической модели, позволяющей количественно оценить уровень гибко
сти информационной системы;
метода хранения формируемых представлений данных, позволяющего существенно повысить уровень гибкости ИС с настраиваемой КМД;
модели базы ФПД;
методов формирования и обработки представлений данных из описаний объектов, хранящихся в БФПД;
— методики разработки ИС на основе формируемых представлений данных.
Практическая ценность результатов работы заключается в:
— возможности модификации структуры данных АИС в кратчайшие сроки без при
влечения специалистов;
— возможности применения разработанной модели для количественной оценки
гибкости информационной системы;
обеспечении экономии труда, затрачиваемого на прикладное программирование;
снижении усилий, затрачиваемых на сопровождение БнД в составе АИС за счет упрощения внесения изменений при его модернизации, упрощения обучения новых пользователей;
возможности внедрения в существующую ИС на основе изложенных методов и методик программных алгоритмов и модулей для увеличения гибкости системы и уменьшения стоимости ее сопровождения без привлечения новых аппаратных средств и программистов;
возможности использования методики разработки, физической модели и диаграмм для ускорения и формализации процесса проектирования информационной системы на основе ФПД.
Реализация результатов работы. Результаты работы в целом, инструментальные средства, базы данных и отдельные компоненты использованы при построении АИС различного назначения в организациях Генерального штаба Министерства обороны РФ, в организационном управлении Генеральной прокуратуры РФ, на предприятиях ЗАО «Научно производственный центр информационных региональных систем», ООО «Ансер ПРО», Комитете по культурному наследию города Москвы, о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения, а также используются в учебном процессе кафедры «Персональные компьютеры и сети» МГУПИ при изучении дисциплины «Управление большими базами данных».
Апробация работы. Основные результаты работ были изложены на конференциях и семинарах: Научная конференция МГУПИ «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук» - МГУПИ, 26 мая 2008 года, Международная научно-практическая Интернет-конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2009» - Одесса, июнь 2008, Международная научно-практическая Интернет-конференция «Актуальные проблемы аппаратно-программного и информационного обеспечения науки, образования, культуры и бизнеса». МГУПИ, 25-26 ноября 2008 года, Московская государственная академия приборостроения и информатики, научных семинарах кафедры «Персональные компьютеры и сети» под руководством д.т.н., проф. Б. М. Михайлова, 22 октября 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 1 [ 1 ] в ведущем рецензируемом журнале, определяемом Высшей аттестационной комиссией.
Вклад автора в проведенное исследование.
Все результаты проведенного исследования получены автором самостоятельно.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из сокращений, введения, 4 глав, выводов, заключения, библиографии (80 наименований) и 9 приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 43 таблицы.
