Содержание к диссертации
* ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 15
Обобщённое представление процесса проектирования схемы БД 15
Особенностц и проблемы разработки концептуальной схемы данных единой информационной среды вуза 18
1.2.1. Особенности систем организационного управления с точки зрения
*. информационного моделирования 18
Особенности единой информационной среды с точки зрения информационного моделирования 19
Особенности вуза с точки зрения информационного моделирования21
1.3. Основные подходы к проектированию баз данных 25
1.4. Обзор известных методик концептуального проектирования 28
1.4.1. Методика логического проектирования реляционных баз данных с
# использованием расширенной модели «сущность-связь» 29
i,4.2,IDEFlX 31
1.4.3,CASE*MethodP.EapKepa 32
1.4AORM 32
Выводы к главе 1 34
2. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДИК КОНЦЕПТУАЛЬНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ 35
2.1. Обоснование критериев анализа 35
% 2.2. Результаты анализа 40
2.2.1. Методика логического проектирования реляционных баз данных с
использованием расширенной модели «сущность-связь» 40
Модель данных Extended Entity-Relationship Model 40
Методика LRDM 44
2.2.2. IDEF1X 45
Модель данных IDEF1X 45
Методика IDEF1X 48
2.2.3. CASE*MethodP. Баркера 50
2.2,3.1. Модель данных Barker ER 50
2.23.2. Методика Case*Method 53
2.2.4. ORM 55
Модель данных FORML 55
Процедура CSDP 57
2.2.5. Результаты анализа 59
Выводы к главе 2 62
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ИНТЕГРАЦИОННОЙ
МЕТОДИКИ ПОСТРОЕНИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ СХЕМЫ ДАННЫХ 63
Общее описание предлагаемого подхода 63
Модель данных КИМПО 65
Основные понятия 65
Отношения между типами сущностей в КИМПО 70
О природе ассоциативных отношений (связей) 70
О природе категориальных отношений 73
Типы ассоциативных и категориальных отношений в КИМПО...82
3.2.3. Домены 90
Отношения между доменами 90
Сложные домены 93
3.2.4. Отображение КИМПО в другие модели данных 95
3.3. Определение вспомогательных абстракций, используемых в процессе
определения наличия и типа отношения между типами сущностей 95
3.3.1, Классификация пар атрибутов по видам соответствия 95
3.3,2- ЕСлассификация пар множеств атрибутов по видам сопоставимости ,97
3.4. Формализация процесса определения наличия и типа отношений между
типами сущностей 100
3.4.1. Выявление отношений на основе анализа ключевых атрибутов
анализируемых сущностей 100
4 3 ALL Формальные признаки существования ассоциативных отношений
(связей) 101
3.4Л.2. Формальные признаки существования категориальных отношений
3.4.L3. Формальные признаки существования кластеров категориальных
отношений 103
3.4,2. Выявление отношений на основе анализа ключевых атрибутов одной
сущности и неключевых атрибутов другой 105
3.5. Алгоритмы определения отношений между типами сущностей 106
3,5 Л. Определение отношений между отдельными типами сущностей „, Л Об
Интеграция подсхем в единую схему 110
К вопросу о формализации выявления связей на основе анализа неключевых атрибутов, определённых на пересекающихся доменах 114
3.6. Моделирование временных аспектов данных 117
3*6 Л. Проблема учёта временных аспектов данных 117
3.6,2- Концептуальные основы моделирования временных аспектов 120
Типовые варианты моделирования истории состояний объектов предметной области...» 124
Использование вариантов моделирования истории при построении концептуальной схемы данных 137
Выводы к главе 3 138
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ВУЗЕ 139
4Л. Интеграционная методика концептуального моделирования данных „.Л 39
4ЛЛ. Общая схема взаимодействия участников моделирования 139
4.L2. Подготовительный этап 142
4.L3- Этап анализа и описания информационных потребностей 144
4.L3.L Идентификация информационных потребностей пользователей
4.1.3.2, Представление информационных потребностей пользователей в
виде исходных сущностей 149
4.1.4. Этап уточнения и интеграции информационных представлений 154
4.1.4Л. Уточнение множества исходных информационных представлений
(сущностей) 155
4.1.4.2, Преинтеграция 160
4.1.4.3. Интеграция и разрешение конфликтов 161
4.1.5, Моделирование временных аспектов данных 165
4.2, Анализ предложенной интеграционной методики 166
Применение в создании концептуальной схемы данных ЕИС ТПУ 168
Применение в учебном процессе 170
4.5, Применение для генерации тестовых заданий но разделу «Нормализация
отношений» в дисциплине «Базы данных» 172
Выводы к главе 4 , „175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 178
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 192
ПРИЛОЖЕНИЯ 194
Приложение L Отображение КИМПО в другие модели данных 194
Приложение 2, Сравнение предложенной интеграционной методики с
существующими методиками 197
Приложение 3. Результаты применения интеграционной методики при
разработке ИБ ЕИС ТПУ 199
Приложение 4. Документы о внедрении результатов диссертационного
исследования 204
Введение к работе
В 1980-е- 1990-е годы автоматизация управления деятельностью предприятий (в том числе и в системах организационного управления различного уровня) в России в части обработки и использования данных двигалась в основном по экстенсивному пути. Это проявлялось в создании множества различных АРМов, которые были автономными или объединялись в независимые комплексы (подсистемы), обслуживающие отдельные подразделения предприятия. Создание и внедрение сложіїьіх интегрированных информационных систем «под ключ» было доступно лишь немногим крупным и финансово обеспеченным организациям.
Стремительное развитие компьютерных информационных технологий и широкая доступность аппаратного обеспечения с одной стороны, и постоянно растущие потребности в оперативной и полной информации с другой стороны обусловили необходимость качественного изменения подходов к информатизации. Как показала практика, простое увеличение инвестиций в автоматизацию управленческих работ в совокупности с наращиванием количества информации, доступной субъектам, не обеспечивает ожидаемых эффектов в виде увеличения производительности и достижения конкурентных преимуществ. Обязательными требованиями интенсификации процессов информатизации являются эффективная организация и использование данных и связанный с этим переход от множества слабосвязанных АРМов к интегрированной информационной системе.
В последнее время интеграция и совместное использование информационных ресурсов для решения управленческих, производственных, образовательных задач, приняли статус всеобщей тенденции, девиз которой выражается фразой: «создавать данные один раз и использовать их многократно» ("create data once, use it many times").
В проектных организациях, занимающихся производством высокотехнологичных продуктов всё более широкое применение получает стратегия CALS (Continuous Acqusition and Lifecycle Support), «направленная на
7 более тесную интеграцию предприятий путем упрощения бизнес-процессов и применения стандартов и технологий к разработке, управлению, обмену и использованию деловой и технической информации» [121]. Данная стратегия показала свою эффективность при автоматизации основной деятельности промышленных предприятий, обеспечивая эффективную интегрированную информационную поддержку участников всех этапов жизненного цикла производимых изделий.
В системах организационного управления (СОУ) различного уровня, к числу которых относятся и вузы, интеграционная тенденция проявляется в не меньшей степени. Как подтверждение этому объявление о создании единой информационной среды (ЕИС) становится сегодня обязательным принципом информатизации систем подобного типа. В масштабах страны развернута программа «Единая информационно-образовательная среда», в регионах — программы создания единого информационного пространства. В отдельных организациях утверждаются проекты создания корпоративных ЕИС, Вузы не являются исключением. Ориентация на сквозную информационную поддержку процессов, связанных с проектированием, производством, обеспечением, распространением и сопровождением конечных продуктов, предполагаемая стратегией CALS, не в полной мере соответствует специфике вуза как СОУ. Более естественной оказывается организация ЕИС на основе интегрированного описания объектов предметной области (ПрО), так или иначе связанных с деятельностью вуза.
Создание ЕИС в вузе характеризуется рядом особенностей, важнейшей из которых является сложность ПрО. Это проявляется в большом количестве различных типов объектов (сотрудники, абитуриенты, студенты, выпускники, подразделения, приказы, организации, здания, помещения, проекты и т.д.), сфер деятельности (образовательная, научно-исследовательская, хозяйственная, финансовая, административная, международная), форм учёта (бухгалтерский, кадровый, военный, профсоюзный). Личность является и объектом, и субъектом управления, и конечным продуктом, и «орудием труда». Одна и та
-л/
8 же личность может быть одновременно и сотрудником, и студентом или
аспирантом и т.п.
Необходимым условием успешного функционирования ЕИС организации является использование всеми её компонентами единой информационной базы (ИБ), которая является отражением совокупной потребности в данных со стороны подсистем в составе ЕИС.
Качество ИБ ЕИС напрямую зависит от эффективности концептуального моделирования данных ПрО (концептуального проектирования ИБ ЕИС).
Вопросам моделирования данных посвящено множество работ. Значительный вклад принадлежит зарубежным исследователям, таким как Э. Кодд, К. Дейт, Дж, Мартин, Ч. Бахман, Э. Сибли, Д. Цикритзис, Ф. Лоховски, Дж. Ульман, П. Чен, Д. Хаббард, Дж. М Смит и Д. К, Смит, Ж. Абриаль, Б. Лангефорс, Р. Баркер, Г. Нийссен, Т. Халпин, Р. Эльмасри, С. Навасе, М. Хаммер, Д. МакЛеод, Д. Шипман, Дж. Милопулос, Р. Хапл, С. Эбайтбул, Р. Кинг, Т. Тиори, Д. Янг, Дж» Фрай, В. Стори, Д. Дей и др.
Среди отечественных авторов можно отметить М- Р. Когаловского, М. М- Виноградова, В. В- Когутовского, А. М. Вендрова, М. Ш, Цаленко, О. М. Вейнерова, С. Д. Михновского и др.
В последние десятилетия теория информационного моделирования развивалась преимущественно в направлении повышения семантической выразительности языков моделирования с целью обеспечения возможностей более точного представления ПрО в получаемых схемах данных. При этом проблемам повышения формальности и упрощения на этой основе процесса моделирования уделялось гораздо меньше внимания, а сам процесс концептуального проектирования был признан своего рода искусством (см,, например, [76]).
Как следствие, существующие подходы к моделированию данных, поддерживаемые популярными программными средствами (такими как Computer Associates AUFusion ERwin Data Modeler, Oracle Designer, Microsoft Office Visio, Sybase Power Designer, IDS Prof. Scheer ARIS и др.)* являясь
9 универсальными, в значительной мере не учитывают особенности создания ЕИС. Фактически они лишь позволяют зафиксировать в декларативной форме (в виде концептуальной схемы данных) знания разработчика, автоматически преобразовать её в логическую схему данных для выбранной СУБД и сгенерировать физическую структуру БД.
Кроме того, помимо точного отображения реальной действительности одно из предназначений концептуальной схемы данных, декларируемое практически каждым из существующих подходов, - быть средством взаимодействия аналитиков со специалистами ПрО и конечными пользователями в процессе проведения и верификации качества анализа. Это предполагает, что носители знаний о ПрО (работники организации) владеют используемым языком моделирования (были специально ему обучены). Практика показывает, что данное предположение является идеализированным и редко выполняется. Одной из причин такой ситуации является неизбежный конфликт между выразительной мощью языка моделирования и простотой его понимания неподготовленными людьми.
В связи с вышесказанным представляется актуальным поиск новых подходов и методик информационного моделирования, которые позволяют более полно учитывать особенности концептуального проектирования в условиях создания ЕИС организации и предлагают более высокий уровень формальности процедуры концептуального проектирования»
Цель работы и задачи исследовании. Целью диссертационной работы является разработка моделей и алгоритмов формирования концептуальной схемы данных ЕИС вуза, обеспечивающих повышение эффективности концептуального проектирования ИБ ЕИС.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1, Исследование существующих методик информационного
моделирования с точки зрения эффективности применения к проектированию ИБ ЕИС и обоснование необходимости разработки альтернативного подхода к концептуальному проектированию ИБ ЕИС.
10 2- Разработка формального аппарата представления концептуальной схемы данных, ориентированного на фрагментированный и распределённый характер анализа информационных потребностей с возможностью автоматической интеграции в единую схему данных. Разработка алгоритмов интеграции фрагментов концептуальной схемы.
Разработка концепции учёта истории изменений состояния объектов ПрО в схеме ИБ ЕИС,
Разработка конструктивной интеграционной методики проектирования концептуальной схемы данных, основанной на предложенных модели данных и алгоритмах.
5- Апробация разработанных методологических средств при проектировании ИБ ЕИС вуза и в учебном процессе вуза.
Объектом исследования является информационное моделирование систем организационного управления.
Предметом исследования являются концептуальные модели данных и основанные на них процедуры формирования концептуальных схем данных для проектирования ИБ ЕИС вуза.
Методы исследований, В работе использованы методы системного анализа, теории множеств, теории реляционных баз данных.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1- Впервые предложены критерии для сравнительного анализа методик проектирования концептуальной схемы данных с точки зрения их применимости для концептуального проектирования ИБ ЕИС вуза,
2. Предложен формальный аппарат представления концептуальной схемы данных. Новая концептуальная модель данных предоставляет более развитые возможности по моделированию категориальных отношений по сравнению с существующими концептуальными моделями данных (отношение «пересечение типов» не имеет аналогов в исследованных современных концептуальных моделях данных).
На основе предложенного формального аппарата представления концептуальной схемы данных разработаны новые алгоритмы определения наличия и типа связей между элементарными фрагментами схемы данных, которые позволяют уменьшить вероятность возникновения ошибок и упростить процесс проектирования,
Предложена новая методика концептуального проектирования, позволяющая увеличить эффективность проектов (особенно больших) за счет повышения степени алгоритмизации и автоматизации.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Предложенный в работе подход хорошо масштабируется и может быть использован для информационного моделирования различных ПрО, но особенно эффективен в рамках крупных проектов по созданию ЕИС в системах организационного управления, аналогичных вузу.
Предложенная методика проектирования концептуальной схемы данных используется в процессе создания ИБ ЕИС Томского политехнического университета, а также в ООО «ТВ-система» при разработке программных комплексов для сферы организационного управления.
Предложенная модель данных и основанная на ней методика концептуального проектирования реляционной БД преподаётся студентам Томского политехнического университета и применяется ими в ходе выполнения курсовой работы «Проектирование концептуальной схемы данных предметной области» по дисциплине «Базы данных».
Предложенный формальный аппарат определения отношений между сущностями может быть использован для генерации тестовых заданий по разделу «Нормализация отношений» в дисциплине «Базы данных».
Концептуальная модель данных и алгоритмы выявления связей, положенные в основу концепции организации информационного описания ЕИС, позволяют динамически строить связи между заранее не известными структурами данных и могут использоваться при создании универсальной справочной системы для обслуживания нерегламентных запросов к ИБ ЕИС,
12 Основные положения, выносимые на защиту:
Для построения (в том числе развития) концептуальной схемы данных предметных областей, относящихся к системам организационного управления, целесообразно использовать подход, ориентированный на анализ и интеграцию информационных потребностей пользователей. Существующие методики проектирования БД не в полной мере формализуют этап концептуального проектирования и развития схемы данных, а также не учитывают особенности проектирования в условиях единой информационной среды вуза.
Описание доменов атрибутов и отношений между ними является альтернативным инструментом фиксации базовых знаний о ПрО по отношению к декларативному описанию ПрО и служит основой формализованного определения наличия и типов отношений между типами сущностей,
Предложенный подход составляет основу конструктивной интеграционной методики концептуального моделирования, выгодно отличающейся более высоким уровнем формализации, который позволяет упростить процесс формирования концептуальной схемы данных за счёт его декомпозиции.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены в виде докладов на следующих конференциях: «Современные средства и системы автоматизации — гарантия высокой эффективности производства» (г. Томск, 14-15 ноября 2002 г.), 4-я научно-практическая конференция «Современные средства и системы автоматизации» в рамках Всероссийского конгресса «Системы и средства автоматизации управления» (г, Томск, 21-23 октября 2003 г.), «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (г. Бийск, 22-23 апреля 2004 г.)* Международный научный симпозиум «KORUS-2004» (г, Томск, 2004 г.), 3-я Всероссийская научно-практическая конференция-выставка «Единая образовательная информационная среда: проблемы и пути развития» (г, Омск, 2004 г.), 5-я Всероссийская конференция «Системы и средства автоматизации» (г. Томск, 2004 г.)-
13 Всего по теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 1 статья и 8 докладов.
Личный вклад:
Концептуальная модель данных и методика концептуального проектирования ИБ ЕИС разработаны автором на основе ранее предложешюй И, Л, Чудиновым методики проектирования «КИМПО».
Формальные признаки существования ассоциативных и категориальных отношений между типами сущностей, кластеров категориальных отношений и основанные на них алгоритмы выявления отношений между отдельными сущностями и интеграции подсхем разработаны автором в развитие идей, предложенных И. Л. Чудиновым.
Критерии сравнительного анализа методик концептуального проектирования предложены лично автором.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка источников из 136 наименований и 4-х приложений. Содержит 53 рисунка и 9 таблиц.
В первой главе с точки зрения информационного моделирования последовательно рассматриваются особенности: систем организационного управления, единой информационной среды, вуза. Рассматриваются основные подходы к проектированию баз данных. На основе проведённого анализа особенностей ПрО делается вывод о целесообразности использования интеграционного подхода для проектировании ИБ ЕИС вуза. Кратко рассматриваются наиболее известные методики проектирования, реализующие интеграционный подход и обосновывается необходимость анализа данных методик с точки зрения критериев, учитывающих особенности и проблемы разработки концептуальной схемы данных в условиях ЕИС вуза.
Во второй главе осуществляется анализ рассмотренных выше методик проектирования с точки зрения их применимости для проектирования ИБ ЕИС вуза. Проводится выявление и обоснование критериев анализа, учитывающих основные особенности информационного моделирования при создании ЕИС
14 вуза. Делается вывод о недостаточной степени соответствия существующих методик требованиям этапа концептуального проектирования ИБ ЕИС и необходимости разработки альтернативного интеграционного подхода.
В третьей главе излагаются теоретические основы предлагаемого подхода концептуального проектирования. Описывается модель данных КИМПО, предназначенная для описания информационных представлений о ПрО с целью дальнейшей их реализации в реляционной БД. Предлагается формальный аппарат определения наличия и типов отношений между сущностями, включающий формальные признаки существования ассоциативных отношений, категориальных отношений и кластеров категориальных отношений и основанные на них формализованные алгоритмы определения отношений между типами сущностей. Рассматриваются вопросы моделирования временных аспектов данных в контексте проектирования ИБ ЕИС, Предлагается концепция моделирования истории и разработанные на её основе типовые варианты моделирования истории состояния объектов.
В четвёртой главе излагается разработанная интеграционная методика концептуального моделирования данных. Описываются особенности и результаты её применения в вузе при проектировании ИБ ЕИС и в учебном процессе.
Похожие диссертации на Модели и алгоритмы формирования концептуальной схемы данных единой информационной среды вуза
