Модельные представления и алгоритмы проверки правил в активных базах данных Зудов, Антон Борисович

Введение к работе

Актуальность темы. Обработка событий, возникающих в базах данных (БД) и соответствующих по уровню абстракции терминам предметной области, требует применения событийно-ориентированной системы, по отношению к которой БД является объектом мониторинга. В качестве средств построения систем обработки событий используются различные программные продукты и технологии, выбор которых зависит от специфики моделируемых бизнес-процессов, так как на сегодняшний день не существует единого стандарта обработки событий БД.

В некоторых случаях для решения данной задачи достаточно функциональности систем управления базами данных (СУБД) и механизмов триггеров. Логика обработки событий при этом должна быть относительно простой, ограниченной жесткими временными рамками и не предполагающей возникновения большого числа промежуточных событий. Если же промежуточных событий много, используются программные средства, в том числе системы обработки сложных событий, позволяющие описывать одни события как композицию других.

Во многих предметных областях существуют бизнес-процессы, подразумевающие обработку промежуточных событий. Однако эти процессы изменяются настолько динамично, что требуется постоянная проверка вносимых пользователем изменений. Системы обработки сложных событий и аналогичные им по функциональности имеют средства автоматической проверки обработчиков событий, позволяющие выявлять ошибки и защищать данные. Вместе с тем существующие средства не подразумевают проверку случаев, в которых промежуточное событие оказывается элементарным, так как подобные события выявляются с помощью СУБД.

Концепция активных баз данных (АБД) учитывает возможность наличия промежуточных элементарных событий, что означает принципиальную возможность полной проверки изменений, вносимых пользователями в логику обработки событий. В качестве обработчиков событий в АБД используются активные правила, хранимые наравне с традиционным наполнением БД и обеспечивающие реагирование на события без необходимости ожидания команд от внешнего приложения. Функциональность системы управления активной базой данных (СУАБД) включает проверку активных правил, позволяющую в том числе выявлять конфликты правил, связанные с промежуточными элементарными событиями.

Расширение интенсиональной части БД в соответствии с концепцией АБД отражено в нотациях SQL3, О++ и таких специализирован-

ных средствах обработки событий современных СУБД, как правила PostgreSQL и автономные транзакции Oracle.

Существенный вклад в развитие концепции АБД, в частности в разработку моделей представления и методов анализа взаимодействий обработчиков событий, внесли J. Widom, A. Aiken, E. Baralis, С. В. Шибанов, С. Д. Кузнецов. Классификацию моделей, функций и прототипов СУАБД предложили N. W. Paton и O. Diaz. Математические модели взаимодействия активных правил были разработаны J. Bailey, A. Couchot. Важные исследования, касающиеся рекурсии активных правил, содержащих параметры только вещественного типа, провели Timothy J. Hickey, Saumya K. Debray.

Однако вне внимания исследователей остались правила, в которых возможен рекурсивный запуск через промежуточное событие. В связи с этим существует проблема проверки активных правил в процессе их исполнения и проектирования. Первый аспект проблемы связан с отсутствием удовлетворительных способов безопасного выполнения рекурсивных активных правил. Второй аспект заключается в необходимости формального описания критериев проверки активных правил и способов выявления потенциальных сценариев взаимодействия. Третий аспект относится к составу компонент, необходимых для полной реализации функциональности систем обработки событий БД.

Цель диссертационной работы – теоретическое обоснование и исследование модельных представлений и алгоритмов проверки правил в активных базах данных, обеспечивающих расширение функциональных возможностей интенсиональной части базы данных, сокращение времени и количества ошибок при вводе данных.

Задачи исследования:

1. исследование областей применения и особенностей функциональности систем управления активными базами данных для формализации критериев проверки взаимодействия активных правил;

2. разработка модельных представлений статической и динамической проверки активных правил базы данных;

3. разработка математических, прагматических моделей функционирования и взаимодействия компонент системы управления активными базами данных;

4. разработка системы управления активными базами данных и экспериментальная оценка эффективности применения предложенных моделей.

Объектом исследования является система управления активными базами данных.

Предметом исследования являются математические модели описания событий и активных правил, алгоритмы обработки данных СУАБД и анализа взаимодействий активных правил.

Соответствие паспорту научной специальности. Область исследования соответствует п. 3 «Исследование методов и разработка средств кодирования информации в виде данных. Принципы создания языков описания данных, языков манипулирования данными, языков запросов. Разработка и исследование моделей данных и новых принципов их проектирования» и п. 4 «Исследование и разработка средств представления знаний. Принципы создания языков представления знаний, в том числе для плохо структурированных предметных областей и слабоструктурированных задач; разработка интегрированных средств представления знаний, средств представления знаний, отражающих динамику процессов, концептуальных и семиотических моделей предметных областей».

Методы исследования основаны на теоретических положениях интервального анализа, теории графов, конечных автоматов, механизма регулярных выражений и алгебры событий.

Научная новизна работы:

1. Разработано модельное представление динамической проверки активных правил в виде дерева, отличающееся заданием экземпляров событий вершинами графа, а активных правил – дугами, что позволяет снизить время ввода данных на 15 %.

2. Разработан алгоритм интервального оценивания областей значений активных правил, отличающийся использованием полученных ранее оценок в качестве критерия интервального метода дробления бруса, что позволяет расширить функциональные возможности интенсиональной части базы данных при обработке событий с вещественными атрибутами.

3. Предложено модельное представление активных правил, отличающееся заданием областей значений правил в виде конечного автомата, что позволяет расширить функциональные возможности интенсиональной части базы данных при обработке событий со строковыми атрибутами.

4. Предложено модельное представление статической проверки активных правил в виде деревьев, отличающееся заданием областей значений вершинами, а фактов инициируемости правил – дугами графа, что позволяет снизить количество ошибок при вводе данных об активных правилах приблизительно в 8 раз.

5. Предложена методика построения системы управления активными базами данных, отличающаяся разделением процесса исполне-

ния правил на стадию динамической проверки и стадию записи изменений в базу данных и вынесением функциональности по статической проверке в клиентское приложение, что позволяет моделировать бизнес-процессы, в которых возникают промежуточные элементарные события.

Практическая значимость исследований. Результаты исследования позволяют строить СУАБД, обеспечивающую выполнение проверки рекурсивного вызова активных правил, и могут применяться в областях, в которых возможны промежуточные элементарные события. Примерами таких областей являются геоинформационные системы, базы данных движущихся объектов, базы данных операторов мобильной связи, социальные сети, гетерогенные базы данных, системы электронной коммерции, облачные сервисы, системы обеспечения электронного взаимодействия.

Достоверность и обоснованность научных и практических результатов работы подтверждается использованием апробированного математического аппарата; экспериментальными данными тестовой эксплуатации разработанных программных средств; практическим применением полученных результатов, подтвержденных актами о внедрении; апробацией на научно-технических конференциях.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. модельное представление взаимодействующих активных правил в виде графа экземпляров событий и алгоритмы динамической проверки активных правил для выявления фактических и потенциальных шаблонов взаимодействия;

2. алгоритм оценивания областей значений в виде вещественных интервалов для выявления возможности опосредованного инициирования активных правил с вещественными параметрами;

3. модельное представление областей значений в виде конечных автоматов для выявления возможности опосредованного инициирования активных правил со строковыми параметрами;

4. модельное представление и алгоритм статической проверки активных правил для проверки терминальности и конфлюентности;

5. методика построения системы управления активными базами данных с поддержкой обработки промежуточных элементарных событий базы данных.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования использованы при разработке программных средств управления активными правилами в составе информационной системы электронной карты города Пензы, используемой МУП «ОГСАГиТИ» и Администрацией города Пензы, что подтверждается актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Надежность и качество» (2010), «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (2010), «Актуальные вопросы современной науки и образования» (2010), «Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах» (2011), «Университетское образование» (2012).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 13 печатных работ, из которых 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Личный вклад. Автором был выполнен основной объем исследований: сформулированы задачи анализа активных правил, предложены и обоснованы варианты их решения; определены основные характеристики, архитектура, а также разработан прототип СУАБД, используемый в составе электронной карты города Пензы. Поддержку электронной карты осуществляет МУП «ОГСАГиТИ».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и пяти приложений. Объем работы – 168 страниц основного текста, включая 67 рисунков.