Введение к работе
Актуальность темы. Разработка информационных систем (ИС) на сегодня остается актуальной областью программной инженерии. Несмотря на богатый опыт и множество методологий и CASE-средств, исследования в данной сфере продолжаются. Их основной целью является повышение скорости разработки ИС, упрощение процедур модификации и снижение затрат. Это вызвано с одной стороны конкуренцией среди разработчиков, с другой – скоростью изменения условий использования создаваемых систем (предметных областей). При этом создаваемая информационная система уже не может быть «товаром, отчуждаемым от производителя и покупаемым потребителем», она должна быть гибким инструментом, способным эволюционировать вместе с предметной областью. Выходом из такой ситуации является создание конфигурируемых информационных систем.
В таких системах соответствие предметной области фиксируется на момент поставки ИС потребителю и может быть изменено в любой момент времени с минимальными затратами и без потери работоспособности имеющейся конфигурации.
Поскольку изменения в предметной области касаются не только бизнес-процессов, но и состава используемой информации, возникает проблема хранения данных с изменяемой структурой. Под данными с изменяемой структурой понимается набор данных с заранее определенной и строго зафиксированной структурой, которая может быть модифицирована в соответствии с изменениями предметной области. Основные отличия информации с изменяемой структурой от близкой по свойствам слабоструктурированной информации проявляются в процессе работы с ней:
для данных с изменяемой структурой необходимо определять и фиксировать схему перед началом ее использования. База данных (БД), предназначенная для хранения данных с изменяемой структурой в любой момент ее использования конечными пользователями должна быть идентична по свойствам реляционной БД, и в то же время поддерживать изменение структуры без нарушения работоспособности ИС.
схема данных с изменяемой структурой должна быть предписывающей, а не описывающей, как в случае слабоструктурированных данных. Конечный пользователь системы должен вносить данные в актуализированную на момент использования структуру, а не определять ее посредством ввода данных.
К настоящему времени накоплен значительный опыт в разработке БД, чья физическая структура не зависит от модели хранимых данных предметной области. Подобные решения могут быть обобщены термином структурно-независимая база данных (СНБД). СНБД предназначена для использования в рамках отдельно взятой сферы применения информационных систем (экономическая, медицинская и т.п.) и способна сохранять работоспособность и функциональность при любом изменении модели данных с минимальными затратами. В известных источниках, посвященных затронутой проблематике, отсутствует формальное описание моделей СНБД, а так же алгоритмов или методов их получения, что затрудняет массовое использование и не позволяет в полной мере использовать имеющийся потенциал подобных решений.
В связи с этим, разработка концептуальной и формальной моделей СНБД, а также метода проектирования на их основе конкретных реализаций СНБД является актуальной научной задачей и составляет научно-техническую проблему, имеющую важное значение.
Цель диссертационного исследования состоит в разработке концептуальной и математической модели структурно-независимых баз данных, а также метода их проектирования на основе указанных моделей, позволяющего получать СНБД для отдельных сфер применения.
Объектом исследования конфигурируемые информационные системы, базы и хранилища данных.
В качестве предмета исследования в диссертации рассматриваются модели, методы, средства и способы хранения данных в информационных системах.
Для достижения сформулированной цели в диссертации были поставлены следующие основные задачи:
1. Разработать концептуальную модель структурно-независимых баз данных, включающую в себя отсутствующие в известных частных моделях баз данных механизмы манипуляции структурами пользовательских данных.
2. Разработать формальную модель структурно-независимой базы данных, соответствующую концептуальной модели и обеспечивающую типизацию метаданных, описывающих сущности, атрибуты и связи между ними.
3. Разработать метод проектирования структурно-независимых баз данных, позволяющих хранить как данные, так и структуры пользовательских данных. Метод должен позволять учитывать типизацию сущностей, связей и типов данных предметной области.
4. Провести проверку разработанного метода на известном примере базы данных для хранения пользовательских структур данных.
5. Провести проверку разработанного метода на примере получения новой структурно-независимой базы данных.
6. Провести количественную оценку производительности разработанной новой структурно-независимой базы данных.
Методы исследования. Основу методологии диссертационного исследования составили: методы системного анализа, математического моделирования, прикладные методики и модели, используемых при организации хранения данных, математический аппарат теории множеств и теории отношений, а также реляционная алгебра Кодда.
Научной новизной обладают следующие полученные результаты:
-
Понятие и концептуальная модель структурно-независимых баз данных, отличающаяся от известных моделей баз данных для хранения структур пользовательских данных наличием механизмов манипуляции структурами данных, а также правилами преобразования между различными уровнями абстракции моделей данных.
-
Предложенная впервые формальная модель структурно-независимых баз данных, включающая в себя следующие модели:
-
формальная модель структуры СНБД;
-
формальная модель механизмов манипуляции структурами данных в рамках структурно-независимых баз данных;
-
формальная модель механизмов манипуляции данными в рамках структурно-независимых баз данных.
Метод проектирования структурно-независимых баз данных, отличающийся от известных методов проектирования баз данных учетом типизации сущностей, связей и данных в рамках предметной области, а не конкретного их состава в рамках отдельно взятой пользовательской структуры данных. Предложенный метод, в отличие от известных, ориентирован на разработку логических моделей баз данных, предназначенных не только для хранения пользовательских данных, но также и структур этих данных.
Практическую значимость имеют следующие результаты:
1. Метод проектирования структурно-независимых баз данных с учетом особенностей предметной области.
2. Структурно-независимая база данных SiDB.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Понятие и концептуальная модель структурно-независимых баз данных.
2. Формальная модель структурно-независимых баз данных.
3. Формальные модели механизмов манипуляции данными и структурами данных в рамках структурно-независимых баз данных
4. Метод проектирования структурно-независимых баз данных на основе предложенных формальных моделей.
5. Структурно-независимая база данных SiDB как результат применения предложенного метода.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на предприятиях ООО НПП «Дейманд» и ОАО МРСК Северного Кавказа, что подтверждается соответствующими актами. Также результаты используются в ходе продолжающихся грантов РФФИ № 12-07-00202-а и № 12-07-31190, госбюджетной НИР № 12355 и послужили основной для создания учебно-методических материалов по дисциплинам «Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления» и «Технологии разработки информационных систем на основе моделей», читаемых в ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» для студентов специальности 230102 - Автоматизированные системы обработки информации и управления, а также для бакалавров и магистров направления 230100 – Информатика и вычислительная техника.
Апробация работы. Научные результаты, полученные в исследовании, докладывались и обсуждались на 4 международных и 4 всероссийских конференциях и коллоквиумах:
-
Мавлютовские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция (Уфа, 2009);
-
VII Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (Таганрог, 2009);
-
Пятая международная конференция по Программному обеспечению и технологиям данных (the Fifth International Conference on Software and Data Technologies) ICSOFT 2010, (Греция, Афины, 2010)
-
Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы построения информационных систем и процессов» (Таганрог, 2010)
-
VIII Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (Таганрог, 2010);
-
II Международная научно-техническая конференция «Технологии разработки информационных систем» (Таганрог, 2011);
-
6-ой весенний/летний коллоквиум молодых исследователей в области программной инженерии «SYRCoSE 2012» (Пермь, 2012);
-
III Международная научно-техническая конференция «Технологии разработки информационных систем» (Таганрог, 2012).
За цикл работ по теме диссертационного исследования в 2012 году автор удостоен стипендии Мэра города Таганрога.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования нашли отражение в 1 монографии, 3 статьях, опубликованных в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, в 7 статьях, опубликованных по результатам докладов на международных и всероссийских конференциях, в тезисах 6 докладов на всероссийских и региональных конференциях. Всего по теме диссертации имеется 17 публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников (87 наименований) и приложений. Работа изложена на 123 страницах, содержит 29 рисунков, 2 таблицы и 2 приложения.
Похожие диссертации на Разработка и исследование моделей и метода проектирования структурно-независимых баз данных для конфигурируемых информационных систем
-
