Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ класса мультиаспектных информационных систем 15
1.1. Определение класса мультиаспектных информационных систем 15
1.2. Особенности мультиаспектных информационных систем 17
1.3. Обзор существующих технологий разработки 24
1 .4. Оценка стоимости разработки и модернизации 29
1.5. Аспектный подход к разработке 36
1.5.1. Представление МАИС объединением аспектов ее пользователей 37
1.5.2. Воможность независимой разработки функциональных задач 37
1.5.3. Однозначность составления описаний задач 38
1.5.4. Независимость структуры данных и алгоритма 39
1.5.5. Возможность реализации хранилища данных на реляционных СУБД 41
Выводы по первой главе 43
Глава 2. Общие принципы проектирования мультиаспектной информационной системы 44
2.1. Декомпозиция на аспекты и задачи 44
2.2. Свойства процесса проектирования 45
2.2.1. Идентичность описаний задач в аспектном подходе 45
2.2.2.Свойство однозначности построения структур данных 45
2.2.3.Свойство однозначности построения алгоритмов 50
2.3. Представление алгоритма графом технологии 55
2.3.1. Формальное описание графа технологии 55
2.3.2. Задание алгоритма задачи на графе технологии 56
2.4. Представление структуры данных 59
2.4.1. Формальное описание структуры данных 59
2.4.2. Описание структуры данных с помощью графа технологии 61
2.5. Требования аспектного подхода 63
2.6. Описание задачи спецификацией 65
2.6.1. Грамматика для построения спецификаций 65
2.6.2. Преобразование алгоритма, определенного на графе технологии, в спецификацию 66
Выводы по второй главе 68
Глава 3. Теоретические основы построения алгоритмо-ориентированной структуры данных 69
3.1. Понятия, их реквизиты и связи 69
3.1.1. Определение понятий и их реквизитов 69
3.1.2. Переход от понятий к функциональным зависимостям 70
3.1.3. Свойства понятия, реализующего многозначную зависимость 73
3.2. Свойства алгоритмо-ориентированной структуры данных 75
3.3. Этапы построения алгоритмо-ориентированной структуры 77
3.3.1. Построение структуры данных для ключевых атрибутов понятия 78
3.3.2. Добавление в структуру данных атрибутов вложенных понятий
3.3.3. Согласование структур данных композиционного и вложенного понятий
3.4. Реализация алгоритмо-ориентированной структуры данных на реляционной СУБД 95
3.4.1. Типы отношений базы данных 95
3.4.2. Свойство соединения без потерь 96
3.4.3. Лемма о свойствах схемы базы данных 97
Выводы по третьей главе 100
Глава 4. Методика и алгоритмы построения мультиаспектнои
информационной системы 101
4.1. Уровни графа технологии 101
4.2. Методика проектирования задачи 102
4.3. Построение структуры данных 106
4.3.1. Алгоритм построения схемы базы данных 106
4.3.2. Язык описания вычисляемых реквизитов 108
4.4. Построение графа технологии задачи 109
4.5. Выполнение спецификаций задачи 115
4.5.1. Формат и типы правил спецификаций 115
4.5.2. Пример построения спецификации 117
4.5.3. Алгоритм работы интерпретатора 119
4.6. Построение спецификаций задачи 122
Выводы по четвертой главе 127
Глава 5. Оценка эффективности методики построения мультиаспектнои информационной системы 128
5.1. Создание мультиаспектнои информационной системы 128
5.2. Добавление новых задач и модернизация структуры данных 131
5.2.1. Пример добавления новой задачи 131
5.2.2. Пример модернизации структуры данных 134
5.3. Модернизация мультиаспектнои информационной системы 136
5.3.1. Типовые задачи модернизации 136
5.3.2. Сравнение трудозатрат на модернизацию АСУ Кафедра и МАИС 138
Выводы по пятой главе 141
Выводы и заключение 142
Список литературы
- Особенности мультиаспектных информационных систем
- Идентичность описаний задач в аспектном подходе
- Переход от понятий к функциональным зависимостям
- Добавление новых задач и модернизация структуры данных
Введение к работе
В настоящее время существует множество информационных систем организационного управления, используемых в небольших организациях и подразделениях. Несмотря на разнообразие средств реализации и областей применения, эти системы имеют одинаковую архитектуру и множество особенностей, что позволяет выделить их в отдельный класс мультиаспектных информационных систем (МАИС). По мере появления новых функциональных задач и изменений требований к существующим задачам появляется необходимость модернизации и наращивания информационных систем. В данное время модернизация МАИС требует привлечения группы разработчиков: проектировщиков, специалистов по базам данных и программистов. Это приводит к большим трудозатратам на модернизацию и согласование отдельных компонентов системы. Одной из особенностей эксплуатации МАИС является постоянное внесение изменений в ее компоненты. Для повышения эффективности функционирования МАИС необходимо сократить трудозатраты на модернизацию, а также сократить долю участия в ней специалистов-разработчиков.
Создание для МАИС готовых решений с настройками под конкретную область применения и под конкретного пользователя, подобных ERP-системам, является неэффективным из-за отсутствия типового набора прикладных задач и больших различий в бизнес-процессах, существующих в организациях. Следовательно, необходима технология разработки, при которой будут снижены трудозатраты на модернизацию и развитие, и при которой модернизация полностью или частично может быть выполнена конечным пользователем без специальной квалификации. Известные методы и средства снижения затрат на разработку и модернизацию информационных систем, такие, как методология быстрой разработки, разработка с повторным использованием компонентов, декомпозиция на независимые подсистемы, применение CASE - средств, - являются неэффективными из-за особенностей архитектуры МАИС. Необходима новая технология разработки
информационной системы, для которой модернизация и наращивание ее функциональных возможностей могут быть выполнены без привлечения проектировщика, специалиста по базе данных и программиста, что существенно сократит временные затраты и трудозатраты. Современные методологии разработки информационных систем не содержат теоретических положений, необходимых для построения МАИС, обладающих перечисленными качествами. Отсутствие теоретического обоснования не позволяет применять конкретные варианты эффективных с точки зрения трудозатрат реализаций МАИС для всего класса систем. Поэтому появилась необходимость в разработке методики создания информационных систем указанного класса, включающей в себя теоретические основы, набор формальных моделей и алгоритмов.
Целью диссертационной работы является создание методики проектирования мультиаспектной информационной системы, реализующей возможность быстрой реорганизации - модернизации системы и наращивания ее функциональных возможностей при сокращении трудозатрат на ее разработку и снижении требований к квалификации разработчиков.
Объект исследования: мультиаспектная информационная система.
Предмет исследования: процесс разработки и модернизации информационной системы.
Выделены следующие задачи, решаемые в диссертационной работе:
Провести анализ мультиаспектных информационных систем. Определить класс МАИС и их особенности. Сформулировать требования к их построению, эксплуатации и модернизации.
Провести сравнительный анализ методов разработки информационных систем данного класса.
Разработать аспектный подход к построению мультиаспектных информационных систем и сформулировать его требования к описаниям алгоритма и структуры данных.
Разработать модели для описания алгоритмов и структур данных при использовании аспектного подхода к проектированию и исследовать их взаимодействие.
Разработать грамматику для описания алгоритмов задач МАИС.
Разработать теоретические основы построения алгоритмо-ориентированнои структуры данных, удовлетворяющей требованиям аспектного подхода и требованиям реляционной модели представления данных.
Разработать методику проектирования МАИС.
Разработать алгоритмы построения базы данных, спецификаций задачи и работы интерпретатора для МАИС.
9. Реализовать МАИС на основе предложенной методики.
10.Провести анализ эффективности предложенной методики.
Научная новизна: в диссертационной работе получены новые научные результаты:
Предложен новый подход к построению мультиаспектных информационных систем, основанный на использовании алгоритмо-ориентированных структур данных. Данный подход позволяет сократить затраты на разработку межмодульного интерфейса.
Разработаны модели описания задач с помощью графа технологии, схемы данных и спецификации. Исследовано взаимодействие указанных моделей.
Разработана формальная модель алгоритмо-ориентированнои структуры данных, для которой выполняются свойства единственности пути, включения всех ограничений, а также свойства сохранения зависимостей, соединения без потерь и соответствия третьей нормальной форме. Доказаны соответствующие леммы.
Разработана грамматика для описания графа технологии и спецификации задачи.
Достоверность научных положений диссертационной работы подтверждена корректным использованием математического аппарата и математических моделей, результатами практических экспериментов и внедрений во внешние организации.
Практическая ценность состоит в разработке:
инженерной методики проектирования информационной системы;
алгоритмов создания схемы базы данных и построения спецификации;
алгоритмического языка составления графа технологии и спецификации задачи;
алгоритма интерпретатора спецификаций, реализующего выполнение задач информационной системы.
Разработанная методика и инструментальные средства позволяют сократить трудозатраты на разработку и модернизацию информационной системы, снижают требования к квалификации разработчиков, дают возможность проводить наращивание и модернизацию силами пользователей.
Методы исследований: результаты диссертационной работы получены на основе использования научных положений теории системного анализа, теории качества, теории множеств, теории графов, теории алгоритмов, реляционной алгебры, теории нормализации баз данных, теории исчисления предикатов, теории формальных языков, теории вычислимости, теории компиляторов, процессной теории описания систем и др.
Структура работы соответствует решению поставленных задач.
Первая глава посвящена анализу мультиаспектных информационных систем и методик их разработки. В рамках анализа выделен класс систем, определены его особенности и область применения. Анализ проводился на примере информационной системы кафедры вуза. В результате проведенного анализа были сформулированы требования к архитектуре, процессу разработки, эксплуатации и модернизации мультиаспектной информационной системы.
Был проведен обзор типовых МАИС, в результате которого выявлено отсутствие мультиаспектных систем, удовлетворяющих поставленным требованиям из-за больших временных и трудозатрат на модернизацию и наращивание. Был рассмотрен вариант создания МАИС на основе технологии ERP-систем и сделан вывод о несоответствии ERP-технологии требованиям к разработке МАИС из-за жесткости определения структуры бизнес-процессов.
Был проведен сравнительный анализ существующих технологий
(моделей) разработки информационных систем, в результате которого был
сделан вывод о неэффективности их использования для систем данного
класса. Были рассмотрены следующие технологии разработки: каскадная
модель, инкрементная модель, макетирование (прототипирование),
спиральная модель, компонентно-ориентированная модель, модель быстрой
разработки приложений, экстремальное программирование,
унифицированный процесс разработки (RUP). Был сделан вывод о необходимости создания новой технологии разработки и модернизации систем данного класса.
Было проведено исследование зависимости трудозатрат на создание и модернизацию информационной системы от различных параметров. Исследование базировалось на анализе стоимостной модели СОСОМО II, предложенной Боэмом. На основании полученных зависимостей был сделан вывод о необходимости декомпозиции системы на простые типовые компоненты.
Был проведен сравнительный анализ методов декомпозиции для мультиаспектных информационных систем. Исследовалась декомпозиция на модули и декомпозиция на объекты. Оценка пригодности перечисленных методов декомпозиции для разработки МАИС выполнялась на основе метрик связности и сцепления, а также объектных метрик. Была выявлена неэффективность стандартных методов декомпозиции для данного класса систем, поскольку при сокращении трудозатрат на разработку компонентов
10 существенно возрастают трудозатраты на разработку межмодульного интерфейса.
В качестве альтернативы стандартным методам декомпозиции был предложен аспектный подход для создания мультиаспектных информационных систем. Сформулированы его основные положения и требования:
представление МАИС объединением аспектов ее пользователей;
возможность независимой разработки функциональных задач;
однозначность составления описаний задач;
независимость структуры данных и алгоритмов;
возможность реализации хранилища данных на реляционных СУБД. На основании сделанного вывода об отсутствии теоретической базы для
разработки мультиаспектных информационных систем были сформулированы цели диссертационной работы:
теоретическое обоснование возможности применения аспектного подхода для создания наращиваемых информационных систем,
создание методики разработки и модернизации мультиаспектных информационных систем в рамках аспектного подхода,
исследование эффективности предложенной методики.
Во второй главе сформулированы теоретические положения аспектного подхода к построению мультиаспектных информационных систем. Сформулирован принцип декомпозиции на аспекты и задачи. Определены требования к процессу проектирования для достижения свойств однозначности построения структур данных и однозначности построения алгоритмов при независимой разработке задач информационной системы.
Доказана лемма о том, что для достижения свойства однозначности построения структур данных необходимо и достаточно провести декомпозицию на атомарные реквизиты, указать полное множество функциональных зависимостей, определенных на множестве атомарных
реквизитов, и применить однозначное преобразование множеств реквизитов и функциональных зависимостей в множество структур данных.
Доказана лемма о том, что свойство однозначности построения алгоритма будет достигнуто, если выполняются следующие условия:
выполняется свойство однозначности построения структур данных;
описание алгоритма составляется как последовательность выполнения операторов, управляемая готовностью данных;
операторы выделяются на основе алгоритмических зависимостей и обладают функциональной связностью;
между множеством входных данных и результатом существует единственная последовательность операторов;
при построении алгоритма учитываются все алгоритмические зависимости между входными, выходными и промежуточными данными.
Разработана модель представления алгоритма задачи на основе графа технологии. Приведено формальное описание и графическое представление графа технологии. Разработана модель представления алгоритмо-ориентированной структуры данных. Приведено формальное описание и графическое представление моделей. Доказана возможность преобразования модели данных в модель графа технологии. Разработаны требования аспектного подхода для построения корректного графа технологии: включения всех ограничений и единственности пути. Разработаны требования аспектного подхода для построения алгоритмо-ориентированной структуры данных: включения всех ограничений и единственности пути.
Разработана аспектная грамматика для составления спецификаций на основе графа технологии. Доказано взаимно-однозначное соответствие между алгоритмом, заданным графом технологии, и спецификацией, построенной на основе аспектной грамматики.
В третьей главе разработаны принципы построения алгоритмо-ориентированной структуры данных аспектного подхода. Разработан и исследован процесс формализации описания структуры данных. Разработаны
12 этапы построения алгоритмо-ориентированнои структуры данных. Доказано выполнение требований аспектного подхода для алгоритмо-ориентированнои структуры данных (единственность пути и включение всех ограничений).
Доказана возможность реализации алгоритмо-ориентированнои структуры данных с помощью реляционной базы данных. Разработан типовой набор схем отношений реляционной базы данных и правила его составления. Доказаны свойства реляционной модели алгоритмо-ориентированнои структуры данных: соответствие третьей нормальной форме, соединение без потерь и сохранение зависимостей.
В четвертой главе разработана методика проектирования МАИС. Предложена последовательность выполнения этапов проектирования, их исполнители, входные и выходные данные для каждого этапа проектирования. Разработан алгоритм построения структуры базы данных на основе формальных правил, описанных в третьей главе. Разработан язык для задания правил вычисления реквизитов понятий базы данных.
Разработана методика описания графа технологии для задания алгоритма задачи. Сформирован базовый набор типовых функций графа технологии. Разработаны методики построения графа технологии для решения задач просмотра, удаления, добавления и редактирования реквизитов понятий базы данных. Разработана структура информационной системы, обладающая свойствами, описанными во второй главе. Разработан алгоритм построения спецификации задачи на основе графа технологии. Сформирован базовый набор операторов спецификации. Разработан алгоритм работы интерпретатора для выполнения спецификации задачи.
В пятой главе проведен сравнительный анализ мультиаспектной информационной системы, построенной с применением предложенной методики, и информационной системы АСУ Кафедра, построенной на основе реляционной базы данных. Практическая реализация рассмотрена на примере информационной системы кафедры вуза. По результатам сравнения этапов разработки было выявлено, что аспектный подход имеет преимущества,
13 поскольку позволяет выполнять автоматически: нормализацию схемы базы данных, построение датологической модели, составление запросов к базе данных, создание пользовательского интерфейса, реализацию алгоритмов задач и компонентов базы данных. При аспектном подходе добавление новых задач выполняет конечный пользователь без привлечения проектировщика базы данных, разработчика интерфейса и программиста. При изменении структуры данных в МАИС нет необходимости изменять существующие запросы к базе данных, изменение спецификаций базы данных выполняется автоматически.
Были определены типовые задачи модернизации. На основании количества задач модернизации, выполненных за учебный год, получены следующие данные: трудозатраты на модернизацию сократились на 75%, 87,5% задач модернизации было выполнено конечным пользователем без привлечения разработчиков. Оценка времени выполнения запросов к базе данных при выполнении задач в АСУ Кафедра и МАИС показала, что это величины одного порядка. Были сделаны выводы об эффективности использования новой методики для построения мультиаспектных информационных систем.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Апробация работы: содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено:
на научных семинарах кафедры системы обработки информации и управления МГТУ им. Н.Э.Баумана;
на одиннадцатой международной научной конференции по проблемам книговедения «Книга и мировая цивилизация».
Публикации: основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах.
14 Результаты диссертационной работы были внедрены:
на кафедре автоматизированных систем и вычислительной техники Московского Государственного Университета Пищевых Производств при разработке автоматизированной системы комбината хлебопродуктов (АИС КХП);
в ОАО научно-исследовательском институте систем автоматизации при разработке автоматизированных систем управления специального назначения (АСУ СН).
Особенности мультиаспектных информационных систем
Рассмотрим особенности МАИС на примере АСУ в образовании [13, 21, 22, 23, 35, 92, 101]. Речь идет об информационных системах, выполняющих организационно-административные функции подразделений вуза, таких, как кафедры, деканаты, учебно-методический отдел, бухгалтерия, отдел кадров. Особенностью работы указанных подразделений является: - нечеткость разделения задач между подразделениями (так, к примеру, на кафедре могут дублироваться некоторые задачи деканата, бухгалтерии, учебного отдела); - наличие потоков документов, проходящих через несколько подразделений, чаще всего от периферии к центру (например, от кафедр или деканатов в общую бухгалтерию или в отдел кадров через бухгалтерию или отдел кадров факультета); - необходимость согласования данных, хранящихся в подразделениях; - изменчивость перечня, состава и формы документов, выдаваемых подразделением.
Количество и состав подразделений в вузе, распределение между ними задач, направления и состав документопотоков различается в отдельных вузах, что мешает созданию типовой ИС и внедрению ее в различных вузах. Распределение задач между подразделениями изменяется со временем, например, некоторые функции передаются между подразделениями. Со временем изменяются требования к форме и составу документов, изменяются направления документопотоков. Перечисленные факторы влияют на структуру ИС, выдвигая требования к ее гибкости.
Если рассматривать информационную систему одного подразделения, то следует отметить ее главные отличия: - множество пользователей, решающих похожие, но не одинаковые задачи; - использование одного рабочего места разными пользователями; - обработка одних и тех же данных разными задачами; - обращения одного пользователя к разнородным задачам; - периодичность выполнения задач и предсказуемость объема обрабатываемых данных.
В силу вышесказанного, мультиаспектную информационную систему можно представить как систему, сильносвязанную по данным и функциям, с настройкой под конкретного пользователя. Схематически это показано на рис. 1.1. PWn +Ї) Функциональные 7? у подсистемы Интерфейс пользователя Хранилище данных
Схема сильносвязанной информационной системы Особенности мультиаспектной информационной системы (МАИС) рассмотрим на примере информационной системы кафедры вуза, поскольку последняя является типичным представителем мультиаспекных систем и обладает всеми особенностями систем данного класса.
Основными задачами кафедры вуза как структурной единицы в системе высшего образования являются проведение учебного процесса и повышение его качества [2, 21, 79]. Деятельность кафедры заключается в управлении методической базой, успеваемостью учащихся, адекватностью преподавателей и подготовкой кадров. Для достижения этих целей кафедра должна иметь: - учебные планы подготовки специалистов (для выпускающей кафедры); - программы читаемых дисциплин; - контингент обучаемых студентов; - профессорско-преподавательский и учебно-вспомогательный персонал; - учебно - техническую базу; - финансово - экономическое обеспечение; - организационное обеспечение; - систему управления.
В процессе функционирования кафедре необходимо решать не только внутренние организационно - методические и учебные задачи, но также поддерживать взаимодействие с другими подразделениями университета (деканатами и кафедрами, учебно - методическим управлением, ректоратом, отделом кадров и т.д.).
Идентичность описаний задач в аспектном подходе
При проектировании задачи составляется формализованное описание задачи на основе сведений о предметной области. В аспектном подходе описание задачи состоит из описания структуры данных и описания алгоритма [5]. Это обусловлено требованием независимости структуры данных и алгоритмов. Из требования однозначности составления описаний задач следуют требования однозначности составления описаний структур данных и однозначности составления описаний алгоритмов. Описание структуры данных задачи - это формальное описание переменных, используемых для выполнения задачи, и их характеристик в терминах некоторой формальной модели. Исходными данными для построения описания структуры данных являются сведения об объектах предметной области, их связях и реквизитах. Описание алгоритма задачи - это формальное описание функциональных преобразований, необходимы для получения результата выполнения задачи на основе множества входных данных. Исходными данными для построения описания алгоритма задачи являются сведения о входных и выходных данных задачи, а также их алгоритмических зависимостях.
Идентичность описаний задач означает, что на основе одних и тех же сведениях о предметной области, при независимом проектировании одинаковых задач будут получены совершенно идентичные описания структур данных и совершенно идентичные описания алгоритмов. Для получения идентичных описаний при независимой разработке должны выполняться два условия: построение структуры данных и построение алгоритма задачи тоже должны быть однозначным.
Свойство однозначности построения структур данных
Дадим формальное определение свойства однозначности построения структур данных и сформулируем требования его достижения.
Структура данных задачи содержит сведения об объектах, их реквизитах и связях, которые необходимы для выполнения задачи. Для выполнения требования возможности реализации хранилища данных на реляционных СУБД структура данных задачи должна быть приводима к реляционной модели представления данных. В реляционной модели структура данных задается с помощью множества схем отношений. Каждая схема отношения задается набором атрибутов и множеством функциональных зависимостей. Исходными данными для построения реляционной модели являются множество реквизитов предметной области и множество функциональных зависимостей. Реквизиты — это поименованные характеристики объектов предметной области. Функциональные зависимости - это зависимости между реквизитами, такие, что при совпадении определяющих реквизитов зависимостей зависимые реквизиты будут также совпадать. Рассмотрим процесс построения структуры данных для двух задач.
Пусть разрабатываются структуры данных для некоторых задач Z, и Z;.
Исходными данными для разработки структур данных являются множества реквизитов R и Rj и множества функциональных зависимостей F H Fj, определенные на соответствующих множествах реквизитов. На основе множеств реквизитов и функциональных зависимостей для каждой из задач составляются описания структур данных. Описания структур данных задаются множествами описаний переменных: для задачи Zi и ;для задачи Z-. Для составления описаний переменных используются преобразования Dj = p iR F ) и D} = р (Rj ,FJ), где р№ - преобразование множеств реквизитов и функциональных зависимостей к множеству структур данных.
Процесс разработки информационной системы обладает свойством однозначности построения структур данных, если при независимой разработке задач информационной системы, реализующих одни и те же объекты предметной области, будут получены одинаковые описания структур данных для этих задач: DiJ н p№{RutFij), где DiJ = Dl f]Dj, R J = R f)RJ, FiJ =F f]FJ. Однозначность построения структур данных означает, что эквивалентные подмножества реквизитов и функциональных зависимостей должны быть отображены на эквивалентные подмножества структур данных. То есть, если любые две задачи Zi и ZJt имеют множество общих реквизитов R = Rif]Rj и множество общих функциональных зависимостей F" =/ 0 , то структуры данных этих компонентов Dl =pRF(Ri,Fi) и DJ =pRF(RJ,Fj) должны иметь общие элементы D DT\DJ, причем, DiJ sPRF{R Fy).
Переход от понятий к функциональным зависимостям
При построении алгоритмо-ориентированной структуры прежде всего необходимо определить понятие предметной области, для которого составляется описание структуры. Затем для понятия нужно определить множество его реквизитов R = {R,} и привести множество реквизитов к множеству атомарных атрибутов A = {Аі} путем декомпозиции. Требование атомарности следует из леммы об однозначности построения структуры данных. В дальнейшем будем называть множество атрибутов, выделенных из множества реквизитов, реквизитными атрибутами. Кроме реквизитных атрибутов алгоритм о-ориентированная структура данных содержит ф множество вспомогательных атрибутов. Вспомогательные атрибуты являются идентификаторами, необходимыми для задания функциональных зависимостей. В частности, вспомогательные реквизиты необходимы для задания ключей понятий.
Понятие задается ключом понятия к и множеством атомарных атрибутов А = {А-,} получаемых из множества реквизитов R путем декомпозиции его элементов. При этом каждый из атомарных реквизитов функционально зависит от ключа понятия: к - At, V/.
Возможный ключ понятия Р определяется как детерминант функциональной зависимости, в зависимой части которой находится все множество реквизитов понятия Р. Каждый возможный ключ понятия Р определяется как подмножество атомарных реквизитов понятия Р. Выполняется условие: ki ={Aj}Jj=[ - возможный ключ О (V/,y: к, -» Лу и :(кІ \А,)- А; ), где AfeA, А} є А, А, &А - атомарные атрибуты понятия Р. Далее возможный ключ понятия Р будет записываться как кі - Р, что эквивалентно записи к, -»А}, V/, Aj еА. Понятие может иметь несколько возможных ключей. Первичный ключ или просто ключ - это один из множества возможных ключей.
Понятие может быть композиционным и вложенным. Композиционное понятие — это понятие, реквизитом которого может считаться другое понятие. Вложенное понятие - это понятие, которое может рассматриваться в качестве реквизита композиционного понятия. Одно понятие может быть как вложенным, так и композиционным. Например, понятие учебный план является композиционным для вложенных в него понятий кафедра или дисциплина. Реквизитные атрибуты Название кафедры и Название дисциплины доступны как из вложенных понятий, так и из композиционного понятия, причем, в композиционном понятии они фигурируют именно как реквизиты вложенных понятий.
Переход от понятий к функциональным зависимостям
Для формального описания алгоритма построения структуры данных необходимо установить соответствие между понятиями и функциональными зависимостями. Понятия являются неформальными определениями, связанными с предметной областью, а функциональные зависимости могут использоваться для доказательств свойств структуры данных.
Утверждение: Существует взаимно-однозначное соответствие между вложенным понятием и детерминантом функциональной зависимости, определенной на множестве атрибутов композиционного понятия.
Доказательство: Пусть имеется исходное понятие Р, определяемое множеством атомарных атрибутов A ={Aj}, j=l.J. Понятие Р состоит из множества вложенных понятий {р }, i=l..I. Каждое вложенное понятие р определяется множеством атомарных атрибутов А = {А)}, i=l..I, j=l..Ji.
Причем, атрибуты вложенных понятий являются атрибутами композиционного понятия (это следует из определения вложенности понятий) - Vi,j:AljeA. Пусть на множестве атрибутов понятия Р определено множество функциональных зависимостей F = {fk"},k=l..K, и для каждого вложенного понятия на множестве его атрибутов определено множество функциональных зависимостей F ={//}, k=l..Ki. Из определения вложенности понятий следует, что множество функциональных зависимостей F каждого из вложенного понятия р является проекцией множества функциональных зависимостей F" композиционного понятия Р на множество атрибутов А понятия р : Vi: F = Проекция Ai(F).
Добавление новых задач и модернизация структуры данных
Методика создания мультиаспектной информационной системы была применена для создания информационной системы кафедры вуза. Как отмечалось в первой главе, информационная система кафедры является типичным представителем класса мультиаспектных информационных систем. До применения новой методики на кафедре функционировала информационная система, называвшаяся АСУ Кафедра. АСУ Кафедра была реализована в СУБД MS Access и состояла из подсистем учета успеваемости и расчета учебной нагрузки. С применением аспектного подхода к построению мультиаспектных информационных систем была создана новая информационная система для выполнения тех же функций, которые выполняла АСУ Кафедра. В таблице 1 приведены этапы разработки АСУ Кафедра и МАИС, а также указано, какие из этапов выполнялись автоматически, а какие - вручную. Ниже перечислены этапы разработки и особенности их реализации для АСУ Кафедра и МАИС:
1. Определение круга будущих пользователей и набора выполняемых ими задач. Для АСУ Кафедра было выполнено максимально полно. Для МАИС были определены только задачи, необходимые на конкретный момент.
2. Определение понятий, реквизитов и связей между понятиями. Для АСУ Кафедра были определены все понятия, используемые в учебном процессе, их связи и реквизиты. Для МАИС - только используемые в определенных на первом этапе задачах. Также для МАИС специалист-предметник задал набор вычисляемых реквизитов и определил предикаты для их вычислений.
3. Нормализация схемы данных. Для АСУ Кафедра выполнена разработчиком базы данных. Для МАИС выполнена автоматически в рамках построения алгоритмо-ориентированной структуры данных.
4. Построение датологической модели. Для АСУ Кафедра создание структуры таблиц и схемы данных выполнялись разработчиком базы данных. Для МАИС таблицы и схемы данных были созданы автоматически.
5. Разработка алгоритмов выполнения задач. Для АСУ Кафедра проектировщик определял наборы входных, выходных и промежуточных данных и алгоритмы обработки. Для МАИС при проектировании задачи конечный пользователь указывал входные и выходные данные.
6. Реализация алгоритмов задач. Для АСУ Кафедра на основе составленного алгоритма разработчик базы данных формировал параметрические запросы к базе данных. На основе часто выполняемых действий была создана библиотека процедур. Для МАИС спецификации задач были составлены автоматически, на основе сведений о связях между данными и предикатах для вычисления реквизитов.
7. Реализация пользовательского интерфейса. Для АСУ Кафедра создание форм для ввода/редактирования данных, а также отчетов для отображения результатов было выполнено разработчиком интерфейса. Для МАИС фрагменты спецификации задачи, реализующие отображение экранных форм, были сгенерированы автоматически.
8. Тестирование и отладка. Для АСУ Кафедра потребовалось выполнить отладку запросов к базе данных. Для МАИС отладка запросов не потребовалась.
Из перечня этапов видно, что создание мультиаспектной информационной системы менее трудоемко, чем создание стандартной информационной системы. В перечне этапов не указано, что перед созданием МАИС необходимо создать инструментарий, а также базовую библиотеку операторов. Но трудозатраты на создание инструментария окупаются при создании информационной системы, реализующей более 40 задач конечного пользователя. Трудозатраты на создание библиотеки операторов для МАИС примерно соответствуют трудозатратам на создание библиотеки процедур при создании АСУ Кафедра.
Рассмотрим на примере наращивание функциональных возможностей информационной системы при традиционном и аспектном подходах. Существует подсистема учета успеваемости. Добавляется новая задача: составить список отличников кафедры по итогам сессии. И в АСУ Кафедра, и в МАИС существуют все таблицы и хранятся все данные, необходимые для выполнения новой задачи. Для реализации новой задачи необходимо создать экранные формы для ввода исходных данных: номера учебного года и номера семестра (полугодия), а также экранную форму для отображения результата: списка ФИО студентов, номеров их зачеток и названий групп. Выходные значения нужно отсортировать по группам, а внутри групп - по фамилиям студентов. При вводе исходных данных сначала выбирается учебный год, затем номер семестра
В АСУ Кафедра для добавления новой задачи необходимо выполнить следующие действия: во-первых, привлечь разработчика базы данных для формирования запроса. Во-вторых, привлечь разработчика интерфейса для добавления новых элементов интерфейса. Разработчик базы данных должен сформировать запросы к таблицам. Для новой задачи потребуются три запроса. В первом запросе из базы данных выбираются годы обучения. Во
втором выбираются студенты, сдавшие сессию за указанное полугодие в указанном году. В третьем из результатов третьего запроса выбираются студенты - отличники. В запросах необходимо указать все таблицы, все связи между таблицами, а также сформировать предикат, определяющий условия выборки записей. Поскольку запрос будет обрабатывать большое количество записей, то для оптимизации времени его выполнения желательно разбить исходный запрос на несколько. При создании пользовательского интерфейса для новой задачи необходимо задать форму для ввода исходных данных, разместить на ней элементы ввода. Далее, установить соответствие между элементами ввода и параметрами запроса к базе данных. Затем необходимо создать отчет, определить его поля на основе набора атрибутов, получаемых при выполнении запроса. Отчет создается на основе третьего из перечисленных запросов. Для нового отчета задаются формат и оформление, а также устанавливается связь с формой ввода исходных данных. Формирование запроса и пользовательского интерфейса выполняются вручную. Кроме того, затрачивается дополнительное время на отладку сложного запроса. Время создания новой задачи - один или два дня. Если знаний и умений конечного пользователя для выполнения указанных действий недостаточно, и необходимо привлечение разработчиков базы данных, то появляются дополнительные временные расходы. Затрачивается время на согласование и на привлечение специалистов.
