Актуальность. В настоящее время руководителям различных подразделений современных предприятий требуется, помимо сводных данных, оформляемых в виде разнообразных отчетов, оперативный доступ к детальным сведениям по любым объектам предметной области (ПрО). Эта потребность делает актуальным использование в системах организационного управления (СОУ) процедурно-ориентированных средств, которые обеспечивают универсальность обработки данных без специфики конкретного функционального подразделения. Такие универсальные средства должны обеспечивать единообразный пользовательский интерфейс, автоматически настраиваемый на любые таблицы базы данных (БД), и типовой набор стандартных функций обработки: навигация, чтение, поиск, добавление, изменение, удаление данных. Универсальность в значительной степени обеспечивают любые программы-оболочки, которые используют метаданные словаря данных БД и реализуют интерфейс для построения запросов к БД. Среди продуктов корпорации Oracle (Oracle является лидером в сфере ИТ для решения задач в области БД [57]) есть как простые программы, наподобие Oracle SQL Plus, так и достаточно развитые, например, Allround Automations PL/SQL Developer и Quest Software TOAD for Oracle. Однако все эти средства ориентированы на профессиональных разработчиков, требуют специальной квалификации и знания структуры БД и поэтому плохо подходят для использования конечными пользователями. В связи с этим существует потребность в разработке собственных процедурно-ориентированных средств для работы с БД в терминах ПрО.
Необходимым условием функционирования любых универсальных систем является наличие системного описания структуры и семантики данных ПрО и модели его представления. Для получения такого описания требуется методика проектирования концептуальной информационной модели ПрО (КИМПО). О нетривиальности проектирования высококачественной КИМПО говорят многие классики. Большой вклад в вопросы информационного моделирования внесли такие зарубежные ученые: Э. Кодд, К. Дейт, Дж. Мартин, Ч. Бахман, П. Чен, Р. Баркер и др., — а также отечественные исследователи: М. Р. Когаловский, М. М. Виноградов, А. М. Вендров, С. Д. Михновский, И. Л. Чудинов и др.
В известных работах процесс проектирования КИМПО сводится к декларативному описанию технологии в виде последовательности действий на основе интеграции информационных потребностей пользователей, однако не предлагаются способы их реализации, т. е. не дают готовых «рецептов в приготовлении» такой модели. Поэтому, как сказал известный классик Р. Баркер, процесс построения КИМПО считается своего рода искусством [65]. В результате такие интеграционные методики направлены на инфологическое (вербальное) представление ПрО без формализации выявления объектов и связей между ними. При этом разнообразные САБЕ-средства играют вспомогательную роль и фактически позволяют лишь систематизированно описывать результаты работы аналитиков и взаимодействия их с представителями ПрО. Кроме того, одним из основных недостатков интеграционного подхода является постоянное развитие КИМПО в связи с расширением запросов пользователей с течением времени и, как следствие, необходимые, даже в будущем, реальные объекты ПрО зачастую могут не полностью быть выявлены в виде информационных элементов КИМПО или вообще отсутствовать. Эти проблемы традиционного подхода в значительной степени преодолеваются интеграционной методикой Чудинова И.Л.-Исаева И.В. [18], которая позволяет после традиционного определения состава сущностей ПрО формализовано определить наличие и тип связи между сущностями. Но и здесь не решаются задачи установления обязательности связей и выявления связей между сущностями при отсутствии атрибутов связи, что предлагается исследовать в настоящей работе.
В отличие от интеграционного подхода, ориентированного на анализ текущих информационных потребностей пользователей, декомпозиционный подход, основанный на методах системного анализа, ориентирован и на будущие потребности пользователей в информации и позволяет получить полный перечень информационных элементов КИМПО. Вопросам в области системного анализа посвящены труды зарубежных учёных: М. Хаммер, Дж. Чапли, С. Янг, Р. Акофф и др.- среди отечественных работ можно выделить исследования томской школы, представителями которой являются Ф. И. Перегудов, Ф. П. Тарасенко, В. 3. Ямпольский, В. А. Силич и др. Однако для проектирования КИМПО применение декомпозиционного подхода является затруднительным ввиду сложности его реализации, и в связи с этим не приемлемо для информационного моделирования достаточно сложных ПрО.
Итак, для формализации процесса проектирования КИМПО необходимо развитие интеграционной методики, основанной на анализе доменов, в части установления обязательности связи и выявления дополнительных связей между сущностями, а также для выявления базовых объектов ПрО и соответствующих им сущностей, еще не существующих в КИМПО, предлагается декомпозиционная методика проектирования.
Для представления результатов проектирования КИМПО необходима некоторая модель, которая используется универсальными средствами обработки данных КИМПО. На первый взгляд в качестве такой модели системного описания структуры и семантики данных могли бы выступать, например, готовое описание из репозитария Oracle Designer или словаря данных БД. Однако недостаточная семантическая выразительность этих источников: отсутствие русскоязычных семантических названий объектов и описания связей между объектами, — не позволяет использовать их для работы пользователей с универсальными средствами в терминах ПрО.
В то же время в новом направлении в IT-индустрии системы управления знаниями (СУЗ), для описания знаний ПрО используются такие модели, как семантические сети и онтологии. Для получения семантических моделей для некоторой ПрО эксперты в области знаний применяют формальный язык представления знаний, среди которых RDF, RDFS, OWL, утвержденных W3C. Однако в связи с отсутствием интеграции сформированной семантической модели ПрО с БД невозможно представить в СУЗ описание структуры данных КИМПО, используемое приложениями СОУ.
Таким образом, несмотря на разнообразие существующих моделей представления информационной модели ПрО, перечисленные выше обстоятельства обусловили необходимость разработки собственной модели представления системного описания структуры и семантики данных.
Целью работы является разработка и исследование метаописаний информационной базы в автоматизированных системах организационного управления для работы конечных пользователей в терминах предметной области с универсальными средствами обработки данных и анализа структуры данных.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи исследования:
1. Провести анализ известных методик информационного моделирования ПрО, применяемых в автоматизированных системах организационного управления.
2. Осуществить развитие интеграционной методики, предложенной Чудиновым И. Л. и Исаевым И. В., в части:
2.1. функциональной зависимости между атрибутами различных сущностей при отсутствии атрибутов связи;
2.2. выявления связи на основе анализа доменов неключевых атрибутов;
2.3. установления обязательности связи между сущностями на основе атрибутов связи.
3. Предложить методику проектирования КИМПО, используя известный в системном анализе метод декомпозиции [32] с интерпретацией стандартных моделей-оснований для рассматриваемой ПрО.
4. Создать описание КИМПО в виде системного справочника, содержащего не только традиционное описание структуры, но и семантики данных.
КИМПО и обеспечивающего возможность создания универсальных средств обработки данных в СОУ с пользовательским интерфейсом в терминах ПрО.
5. Разработать информационно-программный комплекс, включающий приложение по актуализации системного справочника и универсальные средства обработки данных.
Объектом исследования является концептуальная информационная модель предметной области для автоматизированных систем организационного управления.
Предметом исследования являются метаописания информационной базы в автоматизированных системах организационного управления.
Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа, теория множеств, теория реляционной модели данных, а также методы структурного программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. В развитии интеграционной методики проектирования КИМПО:
1.1. Впервые разработан механизм разрешения функциональной зависимости между атрибутами различных сущностей.
1.2. Предложено формализованное выявление связи типа М: М на основе анализа доменов неключевых атрибутов.
1.3. Предложен формальный аппарат определения обязательности связи между сущностями на основе атрибутов уникального ключа сущности, на стороне которой связь является подчиненной.
1.4. Предложены правила формирования наименования различных типов сущностей КИМПО, атрибутов и связей между сущностями в рамках реляционной модели данных.
2. Предложена методика проектирования КИМПО на основе метода декомпозиции с интерпретацией стандартных моделей-оснований для выявления базовых объектов и соответствующих им сущностей для СОУ.
3. Предложена модель описания структуры и семантики данных КИМПО в виде системного справочника, обеспечивающего возможность создания процедурно-ориентированных универсальных средств обработки данных с пользовательским интерфейсом в терминах ПрО.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Предложенная в работе методика хорошо масштабируется и может быть использована для информационного моделирования различных ПрО, в том числе промышленных предприятий и вузов как СОУ, для которых обязательным принципом информатизации является создание единой информационной среды. Декомпозиционная методика проектирования КИМПО применена в ТПУ для выявления новых сущностей и связей информационной базы единой информационной среды вуза.
2. Методика проектирования КИМПО использована в процессе создания БД в ООО «Томскнефтегазпереработка» при разработке программных комплексов для сферы организационного управления.
3. Структура системного справочника учитывает только специфику реляционной модели данных и может быть использована для любых реляционных СУБД.
4. Приложение по актуализации системного справочника устанавливает соответствие системного описания текущей структуре БД из различных источников готовых метаданных. Универсальные средства обработки данных достаточно просто настраиваются на работу с любыми БД Oracle. Разработанный ИПК универсальных средств внедрён в единую информационную среду ТПУ, а также в ООО «Томскнефтегазпереработка», ООО «ФлексСофт».
5. Основные положения разработанной методики проектирования КИМПО используется в учебном курсе «Базы данных», который преподаётся студентам Национального исследовательского Томского политехнического университета. Некоторые результаты диссертационного исследования, в частности декомпозиционная методика проектирования, описаны в учебном пособии «Базы данных» / И. Л. Чудинов, В. В. Осипова. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 140 с.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», ООО «Томскнефтегазпереработка», ООО «ФлексСофт», что подтверждено соответствующими документами. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Анализ функциональной зависимости между атрибутами различных сущностей позволяет выявить новые сущности и связи между ними для КИМПО.
2. Обязательность связи между сущностями в КИМПО может быть установлена на основе анализа доменов атрибутов уникальных ключей рассматриваемых сущностей.
3. Корректное именование разных типов сущностей, атрибутов и связей позволяет унифицированно представить КИМПО конечным пользователям в универсальных средствах обработки данных.
4. На основе идей метода декомпозиции системного анализа посредством интерпретации моделей-оснований для ПрО может быть реализована методика проектирования КИМПО для СОУ, позволяющая получить полный перечень объектов ПрО, в том числе не выявленных в рамках существующей КИМПО.
5. Модель описания структуры и семантики ПрО может быть реализована в виде системного справочника, интегрированного с описанием БД. На основе системного справочника может быть создан информационно-программный комплекс универсальных средств, обеспечивающий работу конечных пользователей с любыми данными БД с интерфейсом в терминах ПрО.
Личный вклад:
1. Механизм разрешения функциональной зависимости между атрибутами различных сущностей, правила формирования наименования различных типов сущностей КИМПО, атрибутов и связей между ними в рамках реляционной модели данных разработаны автором лично. Зависимость обязательности связи между сущностями от вхождения атрибутов связи в состав уникального ключа сущности установлена автором в развитии идей, предложенных И. Л. Чудиновым.
2. Интерпретация моделей-оснований известной методики декомпозиции для рассматриваемой системы выполнена автором лично.
3. Системное описание структуры и семантики данных КИМПО в виде системного справочника разработано автором лично.
4. Приложение по актуализации системного справочника и универсальная информационно-справочная система разработана автором лично, универсальная система актуализации данных — в соавторстве с И. В. Исаевым.
Апробация работы.
Основные результаты работы представлены в виде докладов на следующих конференциях:
• VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии (МСИТ-2008)» (г. Томск, ТПУ, 26−28 февраля 2008 г.);
• II Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (г. Петрозаводск, ПетрГУ, 15−18 сентября 2008 г.);
• IX Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям «YM-2008» (г. Кемерово, КемГУ, 28−30 октября 2008 г.);
• VI Международная научно-методическая конференция «Новые образовательные технологии в вузе (НОТВ-2009)» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2−5 февраля 2009 г.);
• Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР — 2009» (г. Томск, ТУ СУР, 12−15 мая 2009 г.);
• III Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (г. Петрозаводск, ПетрГУ, 2125 сентября 2009 г.);
• VIII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии (МСИТ-2010)» (г. Томск, ТПУ, 3−5 марта.
2010 г.);
• III Международная конференция «Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы (ИКВТС-2010)» (г. Улан-Удэ, БГУ, 6−11 сентября 2010 г.);
• VII Международная научно-практическая конференция «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий (ИНФО-2010)» (г. Сочи, МИЭМ, 1−10 октября 2010 г);
• VI Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (г. Томск, 13−16 октября 2010 г.);
• X Международная конференции по электронному бизнесу «WHICEB-2011» (Китай, г. Вухан, Китайский университет геологии, 28−29 мая.
2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ: 2 — в рецензируемых отечественных изданиях, рекомендованных ВАК, 10 — в материалах российских и международных конференций. Личный вклад автора в каждой публикации составляет 50−100%.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы из 101 наименования и 5 приложений. Общий объём работы составляет 140 страниц, включая 55 рисунков.
Выводы к главе 4.
1. На основе предложенных требований разработан ИПК универсальных средств, необходимый для получения детальных сведений по любым объектам КИМПО конечных пользователей в терминах ПрО. Созданная БД СС представляет собой автономное хранилище системного описания структуры и семантики данных КИМПО, для поддержания которого в актуальном состоянии разработано приложение по актуализации СС.
2. Основными результатами реализации ИПК являются:
• повышение эффективности использования БД за счет предоставления авторизованного доступа к данным большему числу заинтересованных лиц;
• сокращение расходов на автоматизацию и информационную поддержку простых задач и задач разового характера;
• ускорение процессов ввода в эксплуатацию предметно-ориентированных программных продуктов, зависящих от данных, для актуализации которых не созданы специализированные средства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы разработки средств информационного моделирования в автоматизированных СОУ для работы конечных пользователей в терминах ПрО с универсальными средствами обработки данных и анализа структуры данных БД.
В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты:
1. Проведён анализ известных методик информационного моделирования ПрО, применяемых в автоматизированных СОУ, на основе которого обоснована предложенная методика проектирования КИМПО.
2. Предложено развитие интеграционной методики Чудинова-Исаева в части:
2.1. функциональной зависимости между атрибутами различных сущностей;
2.2. формализованного выявления связи типа М: М на основе анализа доменов неключевых атрибутов;
2.3. формализованного установления обязательности связи между сущностями на основе атрибутов связи;
2.4. правил наименования различных типов сущностей ПрО, атрибутов и связей между ними.
3. Разработана методика проектирования КИМПО, основанная на методе декомпозиции с интерпретацией стандартных моделей-оснований.
4. Разработано описание КИМПО в виде системного справочника, содержащего не только традиционное описание структуры, но и семантики данных и обеспечивающего возможность создания универсальных средств обработки данных с пользовательским интерфейсом в терминах ПрО.
5. Разработан информационно-программный комплекс, включающий приложение по актуализации СС и универсальные средства обработки данных в СОУ с пользовательским интерфейсом.
