Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В основе большинства современных информационных систем лежит система баз данных. Можно сказать, что база данных является моделью некоторой предметной области, а система управления базами данных (СУБД) - инструментом моделирования предметных областей. Приложение базы данных - программная система, использующая ресурсы системы баз данных и предназначенная для решения некоторой совокупности задач в некоторой предметной области.
Чтобы база данных, как модель предметной области, в большей степени соответствовала некоторой части реального мира и, соответственно, была более понятной конечному пользователю необходимо, чтобы СУБД основывалась на модели данных, близкой предметной области.
Наиболее распространенные, в настоящее время, реляционные СУБД обладают относительно слабыми возможностями для представления семантики данных предметной области. Основным предметом критики реляционных СУБД присущая этим системам некоторая ограниченность при использовании в предметных областях, в которых требуются сложные структуры данных.
Примерами подобных областей являются предметные области медицинской и социальной сферы, связанные с обработкой значительных по объему массивов данных о населении. В этих областях основная часть данных, возникающих в ходе деятельности организаций, представлена в виде документов. Структура данных большинства реальных документов может быть представлена как разреженное иерархическое дерево с горизонтальными связями. При отображении такой структуры в реляционную базу необходимо учитывать следующие особенности:
Упорядоченность данных.
Явная иерархическая организация данных.
Разреженность данных, которая проявляется в виде отсутствия полей.
Избыточность данных - дублирование информации. Соответственно в реляционной модели:
Кортежи отношений не упорядочены.
Связи представляются неявно с помощью значений.
Возможно только отсутствие значений атрибутов, а не самих атрибутов.
Отношение должны быть нормализованы.
Таким образом, в реляционной системе все эти особенности не поддерживаются на уровне модели данных и могут быть реализованы только во внешнем представлении. Поэтому при использовании реляционных СУБД для автоматизации подобных областей представление семантики данных предметной области большей частью ложится на уровень приложений к базе данных. В результате усложняется построение информационной системы, а если предметная область постоянно изменяется, то также развитие и сопровождение информационной системы.
В связи с этим наиболее перспективным является построение СУБД, основанной на расширенной модели данных, которая позволяет более полно отобразить семантику данных предметной области. При этом разработка информационных систем становится в большей степени описательной, декларативной, что позволяет облегчить процесс создания информационных систем. Поэтому работы в данном направлении являются актуальными.
Современные промышленные СУБД имеют набор интерфейсов к внешним инструментам проектирования и разработки приложений или снабжаются инструментальными средствами собственного производства. Для предметных областей медицинской и социальной сферы характерны:
Высокая динамика изменения ситуации (например, законодательства), поэтому требуется постоянное изменение и развитие информационной системы в процессе эксплуатации.
Отсутствие единого механизма работы организаций в различных регионах.
Большое количество незапланированных запросов.
Большое количество выходных документов. С
5. Недостаток квалифицированных администраторов баз данных и пользователей.
Соответственно выдвигаются следующие требования к системе автоматизации: ,
Необходимы развитый инструмент для визуального проектирования структуры базы данных и изменения этой структуры в процессе эксплуатации, развитый инструмент для визуального построения приложений и изменения приложений в процессе эксплуатации, а также простой механизм обновления информационной системы.
Необходим простой механизм адаптации информационной системы к местным условиям.
Необходим развитый визуальный инструмент для поиска и аналитической обработки данных.
Необходим развитый визуальный инструмент для построения печатных форм.
Необходимо обеспечить простое администрирование системы и простой интерфейса для конечного пользователя.
Для построения и использования информационной системы необходимо одинаково хорошо владеть всеми инструментальными средствами, которые могут значительно отличаться друг от друга. Поэтому для повышения степени автоматизации и снижения трудоемкости процессов создания и эксплуатации информационных систем необходимо совмещение этих инструментов в рамках единого универсального визуального инструмента. Это позволяет значительно облегчить работу пользователей, ускорить разработку информационных систем и упростить их сопровождение, что и определяет актуальность разработки подобных систем.
Целью работы является разработка расширенной реляционной модели данных и универсального визуального инструментального средства для совершенствования процессов построения и сопровождения информационных систем.
Задачи исследования
Анализ моделей данных, используемых в базах данных, и существующих расширенных моделей, общая постановка задачи исследования.
Разработка расширенной модели данных, включающей как неформальные семантические понятия, так и формальные элементы для их интерпретации.
Разработка физического и внешнего уровней программной системы, совмещающей инструменты проектирования, разработки и использования информационных систем в рамках единой визуальной инструментальной среды.
Обоснование применимости разработанного инструментального средства для выбранного класса задач и иллюстрация на конкретном примере.
Методы и средства исследования. При решении поставленных задач используются формализмы теории множеств, реляционной модели данных, нотация UML, языки и стандарты платформы XML, язык программирования М.
Положения, выносимые на защиту
Расширенная модель данных, основанная на высокоуровневой интерпретации модели данных RM/T и включающая в себя механизмы логической реструктуризации хранимого дерева и механизм интеграции физических деревьев в модель данных.
Методы реализации физического уровня инструментального средства, поддерживающего предложенную модель данных и предполагающие использование М-системы в качестве среды реализации физического уровня, использование кластерных индексов в качестве основной структуры хранения данных, кодирование слов значений суррогатными кодами.
Механизмы унификации программирования информационной системы и унификации создания, хранения, обработки и представления данных для реализации внешнего уровня инструментального средства, поддерживающего предложенную модель данных.
Практическая реализация информационной системы с помощью разработанного инструментального средства.
Научная новизна
Разработана высокоуровневая интерпретация расширенной реляционной модели данных RM/T, которая обеспечивает отображение семантики данных предметной области в простой и понятной форме для конечного пользователя за счёт использования для описания молекулярных типов RM/T высокоуровневой структуры - упорядоченного логического дерева с горизонтальными связями с возможностью логической реструктуризации дерева.
Разработана расширенная модель данных, основанная на предложенной интерпретации модели данных RM/T и включающая в себя: механизмы логической реструктуризации хранимого
дерева - ссылочные и виртуальные объекты, механизм интеграции физических деревьев в предложенную модель данных - объект типа массив. С помощью ссылочных и виртуальных объектов решаются: задача представления горизонтальных связей как логических иерархических и задача инвертирования иерархии без создания дополнительных структур хранения. С помощью объектов типа массив обеспечивается возможность работы как с логическими деревьями, так и с физическими деревьями единым образом и решается задача представления результатов аналитической обработки данных.
Предложены методы реализации физического уровня инструментального средства, предполагающие: использование М-системы в качестве среды реализации физического уровня, использование кластерных индексов в качестве основной структуры хранения данных, кодирование слов значений суррогатными кодами. Применение М-системы обеспечивает низкоуровневый интерфейс к структурам хранения, развитые средства СУБД и позволяет построить собственную СУБД. С помощью кластерных индексов осуществляется чтение данных в последовательности иерархического обхода и извлечение поддеревьев. С использованием кодирования слов значений обеспечивается устранение избыточности, свойственной иерархической организации данных, на уровне хранения.
Предложены механизм унификации программирования информационной системы и механизм унификации создания, хранения, обработки и представления данных. Согласно механизму унификации программирования, всё программирование - взаимодействие с базой данных, описание логики работы приложения, реализация пользовательского интерфейса -выполняется на стороне сервера. Согласно механизму унификации создания, хранения, обработки и представления данных, всё взаимодействие пользователя с информационной системой осуществляется через экранные формы инструментального средства. Механизмы унификации легли в основу разработки единой универсальной визуальной инструментальной среды построения и использования информационных систем.
Обоснованность и достоверность. Достоверность научных положений определяется корректностью используемых моделей данных и стандартов, всесторонней апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах, докладах на Международных и Всероссийских научных конференциях, положительными результатами практического использования разработанной системы в различных отечественных организациях.
Практическая ценность работы. В результате работы реализована программная среда qWORD-XML, основанная на предложенной интерпретации модели данных RM/T и объединяющая различные инструменты в рамках единого универсального визуального инструментального средства.
С использованием предложенной модели данных разработка, развитие и сопровождение информационных систем становятся в большей степени описательными, декларативными.
С использованием предложенного единого инструментального средства ускоряется разработка информационных систем, упрощается их сопровождение, облегчается работа пользователей.
Наиболее предпочтительным является использование среды qWORD-XML для автоматизации предметных областей медицинской и социальной сферы.
Реализация результатов работы. С помощью предложенной инструментальной среды qWORD-XML разработаны и внедрены следующие информационные системы:
Автоматизированная информационная система «Медико-социальная экспертиза» (АИС МСЭ) - для ФГУ «Главное бюро МСЭ по Ленинградской области» (с 2002 г.), ФГУ «Главное бюро МСЭ по Тюменской области» (с 2003 г.), ФГУ «Главное бюро МСЭ по Калининградской области» (с 2003 г.)
Медицинская информационная система qMS - для Санкт-Петербургского научно-практического центра медико-социальной экспертизы, протезирования и реабилитации инвалидов имени Г.А. Альбрехта, Всероссийского центра Экстремальной и Радиационной Медицины МЧС России (с 2005 г.)
Предложенные в работе рекомендации по применению технологии XML, построению и использованию систем управления базами данных, организации баз данных были использованы при проведении научно-исследовательских работ в ходе международного проекта 6-й рамочной
программы Европейской Комиссии 507592-2 ILIPT «Интеллектуальная логистика для инновационных производственных технологий».
Апробация работы. Основные результаты и положения работы обсуждались на Международной научной конференции «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (ОМ-2005) (ТРТУ, 2005 г.), на Санкт-Петербургском семинаре «Информатика и компьютерные технологии» (СПИИРАН, 2006 г.), на 4-й Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (УИТ-2006) (СПбГЭТУ, 2006 г.).
Публикации. По теме работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна работа в рецензируемом журнале из перечня ВАК («Известия ВУЗов. Приборостроение»).
Структура и объём работы. Диссертация объемом 137 машинописных страниц содержит введение, четыре главы и заключение, список литературы (115 наименований), 5 таблиц, 66 рисунков.
