автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка концептуальной схемы, обеспечивающей повышение эффективности использования реляционных СУБД в АСУ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ В АСУ

1.1. Основные принципы построения современных систем управления базами данных.

1.2. Анализ требований к концептуальной модели и особенностей реляционного подхода к её построению.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ СХЕМЫ.

2.1. Постановка задачи нормализации. Свойство непотерянного соединения

2.2. Построение концептуальной схемы. Основные её свойства.

2.3. Анализ концептуальной схемы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПРОЦЕДУР ПОСТРОЕНИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ СХЕМЫ

3.1. Определение основных структурных элементов концептуальной схемы.

3.2. Выбор способа организации метаданных в словаре системы. III

3.3. Разработка процедур генерации R метасхемы и манипулирования метаданными.

3.4. Программная реализация. Основные архитектурные решения.

Курс на интенсификацию производства, повышение его эффективности и качества работы во всех звеньях народного хозяйства определяются постановкой новых сложных социально-экономических задач, выдвинутых ХХУ1 съездом Коммунистической партии Советского Союза и последующими Пленумами ЦК КПСС [ 1,2,3 ] . К числу узловых проблем развития экономики на современном этапе относится ускорение научно-технического прогресса и дальнейшее совершенствование управления экономикой. Реализация целевых комплексных программ по решению важнейших научно-технических задач развития народного хозяйства страны, утвержденных на одиннадцатую пятилетку, открывает новый этап использования резервов ускорения научно-технического прогресса. Эти программы представляют собой составную часть государственных планов экономического и социального развития и определяют важнейшие направления научно-технических исследований на современном этапе [ I ].

Одно из таких направлений связано с совершенствованием управления экономикой, в частности, с разработкой и внедрением автоматизированных систем управления (АСУ). Опыт создания АСУ о показал, что дальнейшее совершенствование управления при возрастающих объемах информации требует всестороннего и научно обоснованного применения современных средств обработки данных. В связи с этим прежде всего следует отметить разработку принципиально новых подходов к созданию и использованию информационной базы АСУ, т.е. реализацию концепции баз данных, позволяющей осуществить интегрированную организацию хранения данных для многопланового применения в различных приложениях. При этом функции организации доступа к базе данных, её генерации и ведения возлагаются на специальный программный комплекс - систему управления базами данных (СУБД) [ 39,50 ] .

К настоящему времени накоплен достаточный опыт по созданию СУБД. Советскими специалистами разработаны сиотемы, ориентированные как на сравнительно простые базы данных в АСУ предприятий (СИОД, НСИ-ДОС, БАНК, БАЙКАЛ), так и на большие базы данных, используемые в автоматизированных системах плановых расчётов, АСУ министерств и ведомств (ОКА, НАБОБ, СЕДАН, ИНЕС и др.) [37,8, 9,45 ] . СУБД обеспечивают существенные преимущества для организации информационных систем (ИС) в АСУ. Их использование способствует решению таких проблем, как сокращение сроков проектирования ИС, повышение эффективности их функционирования и способности адаптироваться к постоянно изменяющимся условиям применения. Помимо развития традиционного способа взаимосвязи пользователей ИС с данными - через прикладные программы, ориентация на СУБД сделала возможным организацию непосредственного общения пользователей с СУБД без написания прикладных программ [49,36 ] . Опыт использования информационных систем в АСУ показал, что существенным тормозом повышения их эффективности является несоответствие между быстро растущими информационными потребностями пользователей системы и ограниченными возможностями программистов по разработке и внедрению новых прикладных программ. Устранение этого несоответствия может быть достигнуто за счёт повышения эффективности работы пользователей СУБД (т.е. прикладных программистов и конечных пользователей) [6l] . Это вызывает необходимость комплексных исследований в области теории и практики создания СУБД.

Существенный вклад в эти исследования внесли теоретические и практические работы советских специалистов. Исследовательские работы по созданию СУБД, базирующейся на концепции трехуровневой модели данных, ведутся коллективами разработчиков в ЦЭМИ АН СССР (проект МУССОН), в ИК АН УССР (проект ПАЛЬМА), в Таллинском политехническом институте (проект ДАРЕС) и др. [8,9,44] .

Однако, выполненные исследования и практические разработки не исчерпывают многогранную проблематику вопросов создания эффективной СУБД. Важность таких исследований подчеркивается и необходимостью реализации соответствующей темы, утвержденной ГКНТ СССР и Госпланом СССР в рамках комплексной программы по решению важнейших научно-технических проблем развития народного хозяйства (тема 0.80.21.01.05 "Разработать и ввести в эксплуатацию системы управления базами данных реляционного типа для ЕС ЭВМ").

Диссертационная работа посвящена проблеме построения концептуальной схемы - основного и важнейшего компонента концептуального уровня СУБД. Целью работы является исследование принципов и методов построения концептуальной схемы, обеспечивающей повышение эффективности работы пользователей и администраторов данных в реляционной СУБД.

В рамках поставленной цели решаются следующие задачи:

- исследовать и разработать принципы построения концептуальной реляционной схемы, учитывая необходимость удовлетворения основных требований к ней;

- исследовать вопросы внешнего и внутреннего представления данных, сопоставимого с представлением данных на концептуальном уровне;

- разработать методы и процедуры построения концептуальной схемы.

Согласно основным положениям, защищаемым в диссертационной работе, предложенный подход к построению концептуальной схемы обеспечивает более высокий уровень производительности труда пользователей СУБД и администраторов данных по сравнению с "класси

О 11 о ческой" реляционной моделью, а программная реализация предложенного подхода является рациональной с точки зрения разработки СУБД. Это способствует повышению эффективности функционирования информационных систем в АСУ.

Научная новизна проведенных наследований заключается в следующем.

1. Разработаны принципы построения концептуальной схемы, позволяющие повысить "семантичность" реляционной модели, обеспечить высокий уровень независимости и семантической целостности данных.

2. Предложен новый подход к представлению и определению внешней канонической модели.

3. Разработан способ представления графа отношений как основного элемента концептуальной схемы.

4. Предложен рациональный с точки зрения построения СУБД способ представления метаданных, и разработаны алгоритмы манипулирования ими.

5. Найдены эффективные решения программной реализации предложенного подхода в рамках СУБД с послойной программной архитектурой.

Практическая ценность результатов работы заключается в возможности их использования при разработке концептуального уровня реляционной СУБД. Реализация предложенного подхода способствует повышению эффективности функционирования и разработки СУБД, что находит своё проявление в следующем:

- повышение производительности труда прикладных программистов и администраторов данных, при сохранении достаточно высокого уровня независимости и семантической непротиворечивости данных, поступающих в распоряжение пользователей;

- обеспечение высокой производительности СУБД ;

- рациональная и эффективная с точки зрения затрат на разработку программная реализация, основанная на повышении универсальности применения программного обеспечения СУБД.

Реализация результатов работы выполнена на концептуальном уровне СУБД ПАЛЬМА-ОС У.М.4.2., разработка которой ведётся в Институте кибернетики имени В.М.Глушкова АН УССР в соответствии с темой 01.05, утвержденной ГКНТ СССР и Госпланом СССР в рамках проблемы 0.80.21. Данная версия системы внедрена на Вычислительном центре Министерства автомобильного транспорта Армянской ССР.

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и приложения.

14. Результаты работы использованы в исследованиях по созданию реляционной СУБД, проводимых в Институте кибернетики имени В.М.Глушкова АН УССР по теме 0.80.21.01.05, утвержденной ГКНТ СССР и Госпланом СССР. Практическая реализация выполнена в рамках СУБД ПАЛЬМ-ОС на базе четвертой версии системы ПАЛЬМ-ОС V.M.4.2. Реализация предложенного подхода способствовала повышению эффективности функционирования и разработки СУБД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. МАТЕРИАЛЫ ХХУ1 съезда КПСС. М.: Политиздат, 1981. - 223 с.

2. ПРОДОВОЛЬСТВЕННАЯ программа СССР на период до 1990 года и меры по её реализации: Материалы майского Пленума ЦК КПСС 1982 года. М.: Политиздат, 1982. - III с.

3. МАТЕРИАЛЫ Пленума Центрального Комитета КПСС, 22 ноября 1982 г. М.: Политиздат, 1982. - 30 с.

4. БАКАЕВ А.А., КРАМАРЕНКО Р.П., КОСТРУБА Т.В. К вопросу о выборе концептуальной и внутренней моделей данных в СУБД с многослойной архитектурой. Кибернетика, 1982, £ 2, с. 25-30.

5. БАКАЕВ А.А., КРАМАРЕНКО Р.П., КОСТРУБА Т.В. Проблема независимости данных и её решение в СУБД ПАЛЬМА. Управляющие системы и машины, 1981, №4, с. 15-18.

6. БАНКИ данных. Секция I: Теоретические проблемы. Тез.докл.

7. Всесоюз. конф. (г.Тбилиси, 10-15 ноября 1980 г.). Тбилиси, 1980. - 163 с.

8. БАНКИ данных. Секция 2: Разработка программного обеспечения.Тез. докл. I Всесоюз. конф. (г.Тбилиси, 10-15 ноября 1980 г.). Тбилиси, 1980. - 39 с.

9. БАНКИ данных. Секция 3: Промышленные и экспериментальные средства программного обеспечения. Тез.докл. I Всесоюз. конф.г.Тбилиси, 10-15 ноября 1980 г.). Тбилиси, 1980. - 255 с.

10. БЕРЖ К. Теория графов и её применение. М.: Иностр. лит., 1962. - 320 с.

11. БЕРЗТИСС А.Т. Структуры данных. М.: Статистика, 1974,- 408 с.

12. ГЛУШКОВ В.М., БАКАЕВ А.А., КРАМАРЕНКО.Р.П., КОСТРУБА Т.В. Многоуровневая реляционная модель данных в СУБД ПАЛЬМА.- Кибернетика, 1980, № 6, с. 32-36.

13. ГЛУШКОВ л В.М. Основы безбумажной информатики. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1982.- 552 с.

14. ГЛУШКОВ В.М., БАКАЕВ А.А., КРАМАРЕНКО Р.П. Система управления базами данных ПАЛЬМА. -Управляющие системы и машины, 1980, № 5, с. 94-97.

15. ДЕЙТ К. Введение в системы баз данных. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 464 с.

16. ДОНОВАН Дж. Системное программирование. М.: Мир, 1975.- 540 с.

17. ДРИБАС В.П., КУРСКОВА Г.Л., СТОЛЯРОВ Г.К. Введение в реляционные модели базы данных. Шнек, 1977. - 54 с. (Препринт/ инс-т математики АН БССР; № 4(20)).

18. ДРИБАС В.П. Модель данных с многозначной классификацией объектов. В кн.: Банки данных. Секция I. Теоретические проблемы: Тез. докл. I Всесоюз. конф. (г.Тбилиси, 10-15 ноября 1980 г.). Тбилиси, 1980, с. 87-93.

19. ДРИБАС В.П. 0 выборе модели сетевой базы данных для пользователя-непрограммиста. В кн.: Реляционные и сетевые модели баз данных. Языки и вопросы реализации: Тез. докл. семинара РГБД (г.Пярну, 16-18 окт. 1979 г.). Таллин, 1979, с. 31-32.

20. ЕРШОВ А.П. Введение в теоретическое программирование. М.: Наука, 1977. - 288 с.

21. ЕРШОВ Ю.Л., ПАЛЮТИН Е.А. Математическая логика. М.: Наука, 1979. - 320 с.

22. ИНФОРМАЦИОННЫЕ системы общего назначения. Аналитический обзор систем управления базами данных : Пер. с англ. /Под ред. Е.Л.Щенко. М.: Статистика, 1975. - 472 с.

23. КЛЕМОНС Э. Средства внешней схемы для обеспечения обновления базы данных. В кн.: Модели данных и системы баз данных: Труды совместного советско-американского семинара (г.Москва, 14-23 ноября 1977 г.). М.: Наука, 1979, с. 152-175.

24. КНУТ Д. Искусство программирования для ЭВМ. т.1. Основные алгоритмы. М.: Мир, 1976. - 735 с.

25. КОГАЛОВСКИЙ М.Р., КОГУТОВСКИЙ В.В., ШШЕЬСКШ К.И., ВИНОГРАДОВ М.М. Мультипроцессорная система управления базами данных МУССОН. Прикладная информатика, 1981, вып.1, с. 211-229.

26. КОГУТОВСКШ В.В., КОГАЛОВСКИЁ М.Р. Концепции и языковые спецификации модели плексов. В кн.: Реляционные и сетевые модели баз данных. Языки и вопросы реализации: Тез. докл. семинара РГБД, (г.Пярну, 16-18 окт. 1979 г.). Таллин, 1979,с. 9-II.

27. КОСТРУБА Т.В. Об одном методе композиции групп данных в реляционных СУБД. В кн.: Проблемы построения автоматизированных систем управления на транспорте, Киев: ИК АН УССР, 1979,с. 75-80.

28. КОСТРУБА Т.В. Об одном способе оптимизации обработки логических запросов в реляционных СУБД. В кн.: Применение математических методов в экономических исследованиях и планировании. Киев: Ж АН УССР, 1980, с. 3-10.

29. КРАМАРЕНКО Р.П., КОСТРУБА Т.В. Анализ отношений объектов в реляционных СУБД. В кн.: Банки данных и информационно-поисковые системы. Киев: ИК АН УССР, 1980, с. 73-78.

30. КРАМАРЕНКО Р.П., КОСТРУБА Т.В. Использование ассоциаторов связей для операций соединения отношений в СУБД ПАЛЬМ. -Управляющие системы и машины, 1981, № I, с. 96-99.

31. КРАМАРЕНКО Р.П., СКЛЯРОВ А.В., ЛОЗНИЦА Я.С. Управление памятью в системе ПАЛЬМ. В кн.: Банки данных и информационно-поисковые системы. Киев: Ж АН УССР, 1980, с. 96-106.

32. КРАХТ В.А., РООТАЛУ Э.П. Проектирование баз данных на основе реляционно-решетчатой концептуальной модели предметной области. Управляющие системы и машины, 1981, J6 4, с. 22-28.

33. КРИСТОФИДЕС Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1979. - 432 с.

34. КУЗИН Л.Т. Основы кибернетики, т.2. Основы кибернетических моделей. М.: Энергия, 1979. - 584 с.

35. МАКАРОВСКИЙ Б.Н. Информационные системы и структуры данных.- М.: Статистика,.1980. 199 с.

36. МАРТИН Дж. Организация баз данных в вычислительных системах.- 2-е изд., доп. М.: Мир, 1980. - 662 с.

37. МИХНОВСКИЙ С.Д. Автоматизация проектирования баз данных. Общий анализ проблемы. Управляющие системы и машины, 1981, № 4, с. 35-44.

38. МОДИН А.А., ЯКОВЕНКО Е.Г., ПОГРЕБНОЙ Е.П. Справочник разработчика АСУ. М.: Экономика, 1978. - 582 с.

39. OPE 0. Теория графов. М.: Наука, 1980. - 336 с.

40. РАЗМЫСЛОВ Ю.П. Язык DSL'JL в реляционной модели Кодда. -Алгоритмы и организация решения экономических задач. М., 1978, вып. II, с. 20-35.

41. РЕЗНШЕНКО В.А. Связь между функциональными зависимостями и иерархическими декомпозициями первого порядка. В кн.: Банки данных и информационно-поисковые системы. Киев: ИК АН УССР, 1980, с. 13-18.

42. РЕЛЯЦИОННЫЕ и сетевые модели баз данных. Языки и вопросы реализации: Тез. докл. семинара РГБД (г.Пярну, 16-18 окт. 1979 г.). Таллин, 1979, - 50 с.

43. САВИНКОВ В.М., КАЗАРОВ М.С., РЫСЕВИЧ Ю.К. Использование систем управления базами данных в АСУ. Алгоритмы и организация решения экономических задач, 1979, вып.13, с. 29-39.

44. ФРИД Э. Элементарное введение в абстрактную алгебру. М.: Мир, 1979. - 260 с.

45. ЦАЛЕНКО М.Ш. Реляционные модели базы данных. Алгоритмы и организация решения экономических задач, 1977, вып.9, с. 1836.

46. ШАРМАН Дж. К.Х. Концептуальная схема в СУБД: Пер. с англ./ Переводчик А.Е.Яшунин. Киев, 1981. - 198 с. - (Перевод/ Всесоюз. центр, переводов научно-технической литературы и документации; й КГ - 42458).

47. ARORA S.K., SMITH К.С. A theory of well-connected relations.-Information Sciences, 1979, Ho. 19, p. 97-134.

48. ASTRAHAN M.M. , CHAMBERLIN D.D. , KING V/.F. , TRAIGER I.L. System-R: A relational data base management system.- Lecture Notes in Computer Science, 1976, Vol. 39, Data base Systems, p. 139-149.

49. BEERI C., BERNSTEIN P.A., GOODMAN N.A. Sophisticate's introduction to data base normalisation theory.- In: Proc. 4th Intern. Conf. Very Large Data Bases. West Berlin, 1978,p. 113-124.

50. BILLER H., NEUHOLD E.J. Semantics of data bases: the semantics of data models.- Inform. Systems, 1978, Vol. 3,p. 11-30.

51. CODD E.F. Further normalization of the data base relational model.- In: Data Басе Systems: Courant computer sciencs symp. 6. New-Jersy, 1972, p. 33-65.

52. CODD E.F. Recent investigation in relational data base systems.- In: Proc. IFIP Congress 74. North-Holland, 1974,p. 1017-1021.

53. CODD E.F. Relational database: A practical foundation for productivity.- Comm. ACM, 1982, Vol. 25, No. 2, p.123-139.

54. DELOBEL C. An overview of the relational data theory.- In: Information Processing 80: Proc. IFIP Congress 80. Amsterdam, 1980, p. 413-426.

55. DELOBEL C., CASEY R.C. Decomposition of a data base and the theory of Boolean switching functions.- IBM J. Res. and Devel., 1973, Vol. 17, No. 5, p. 374-336.

56. DELOBEL C. Normalization and hierarchical dependencies in the relational data model.- ACM Trans. Database Systems, 1978, Vol. 3, No. 3, p. 201-222.

57. DIJKSTRA E.W. The structure of the "THE"-multiprogramming system.- Comm. ACM, 1968, Vol. 11, No. 5, p. 341-346.

58. FAGIN R. Multivalued dependencies and a new normal form for relational data bases.- ACM Trans. Database Systems, 1977, Vol. 2, No. 3, p. 262-278.

59. FLORY A., KOULOUMDJIAN J., A model and a method for logical data base design.- In: Proc. 4th Intern. Conf. Very Large Data Bases. West Berlin, 1978, p. 333-341.

60. FOUCAUT 0., ROLLAND C. Concepts for design of an information system conceptual schema and its utilization in the REMORA project.- In: Proc. 4th Intern. Conf.Very Large Data Bases.West Berlin, 1978, p. 342-350.

61. KIM W. Relational data base systems.- ACM Computing Surveys, 1979, Vol. 11, Ho. 3, p. 185-211.

62. KING W.F. Relational data base systems: where we stand today.- In: Information Processing 80: Proc. IFIP Congress 80. Amsterdam, 1980, p. 369-381.

63. KLEEFSTRA W.J. Data base description with a single name category data model.- In: Proc. 4th Intern. Conf. Very Large Data Bases. West Berlin, 1978, p. 177-185.

64. SCHMID H.A. Datenbank- Technologie. Architectur und inple-mentierung von datenbanksystemen.- Der GMD Spriegel, 1976, Vol. 3, p. 76-122.

65. SENEO M.E., ALTMAN E.B., ASTRAHAN Ы.М., FEHDER P.L. Data structure and accessing in data base system.- IBM System J., 1973, Vol. 12, No. 1, p. 30-93.

66. SUNDGREN B. Data base design in theory and practice. Towards an integrated methodology.- In: Proc. 4th Intern. Conf. Very Large Data Bases. West Berlin, 1978, p. 3-16.

67. SUPPORT for repetitive transactions and ad hoc queries in System R./ Chamberlin D.D., Astrahan M.M., King W.F. et al.-AGM Trans. Database Systems, 1981, Vol. 6, No. 1, p. 70-94.

68. TOTH K.C., BAHMQUD S.A., RIORDON J.S., SHERIF 0. The ADD System: an architecture for distributed data bases.- In: Proc. 4th Intern. Conf. Very Large Data Bases. V/est Berlin, 1978, p. 462-471.

69. WA1IG C.P., WEDEKIim H.H. Segment synthesis in logical data base design.- IBM J. Res. and Devel., 1975, Vol. 19, No. 1, p. 231-243.