автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Исследование и разработка метода обеспечения структурной интероперабельности информационных систем на основе метамоделей

Введение.

Глава 1. Проблемы обеспечения интероперабельности информационных систем.

1.1. Проблемы интеграции в КИС.

1.2. Анализ уровней решения проблемы интеграции в КИС.

1.3. Существующие объектно-ориентированные подходы к системному метамоделированию.

1.4. Обзор подходов к формализации основных понятий, используемых при исследовании структурного аспекта обеспечения интероперабельности.

1.5. Анализ структурных отображений данных при динамике функционирования ИС.

1.6. Выводы.

Глава 2. Математические модели для представления концептуальных словарей данных в структурно-интероперабельных ИС.

2.1. Метамодели.

2.2. Семантическая сеть для представления концептуальных словарей.

2.3. Язык формализации.

2.4. Модель семантической сети для представления концептуальных словарей.

2.5. Базовая метамодель.

2.6. Выводы.

Глава 3. Демонстрация возможности эффективного использования разработанных моделей и методов для интеграции информационных систем КИС МЭИ (ТУ).

3.1. Функциональность и архитектура ИРИС ООП МЭИ (ТУ)

3.2. Функциональность и архитектура общеуниверситетского портала.

3.3. Решение проблемы интеграции портала с ИРИС ООП.

3.4. Выводы.

Актуальность темы исследования. Особенностью существующего положения дел в области автоматизации и информатизации управления деятельностью предприятий является наличие значительного количества наработок в виде эксплуатируемых программных комплексов информационных систем (ИС), многие из которых морально устарели. Данные, имеющиеся в этих ИС, очень ценны, но фрагментарны, а сами эти ИС обычно не позволяют фиксировать факты, относящиеся к нескольким взаимосвязанным предметным областям.

Предприятиям требуются корпоративные информационные системы (КИС), охватывающие все или большинство бизнес-процессов предприятий, однако создание КИС «с нуля» является весьма ресурсоемким, и по временньгм затратам, и в финансовом отношении. Повторное использование имеющихся наработок было бы весьма целесообразным. Во-первых, вложения в имеющиеся наработки необходимо сохранить. Во-вторых, имеющийся негативный опыт повисания унаследованных ИС «мертвым грузом» диктует необходимость поиска таких методов разработки ИС, при которых новые ИС, разработанные на основе новых архитектурных принципов и новой технологической базы, не повторили бы, став унаследованными, судьбу своих предшественников.

Для преодоления указанных проблем ИС должны создаваться как интероперабельные, т.е. способные к совместной деятельности и взаимному использованию. Традиционным способом обеспечения интероперабельности является стандартизация. Данный подход, выражающийся в стандартизации интерфейсов и протоколов, успешно применяется для согласования систем по последовательностям происходящих событий (т.е., поведению). Однако, для интеграции информационных систем должно быть обеспечено и согласование по структурам данных. При этом, весьма часто встречаются случаи, когда структуры данных, которые должны быть согласованы, неизвестны заранее, и поэтому не могут быть стандартизованы. В данной работе согласованность ИС по структурам данных выделена как новый объект исследования, названный структурной интероперабельностъю.

Исследованием проблемы интероперабельности и смежными с ней вопросами занимались как отечественные, так и зарубежные ученые: J1.A. Калиниченко, М.Р. Когаловский, В.В. Липаев, Е.Н. Филинов, А.В. Горбатов, G. Booch, М. L. Brodie, P. Coad, A. Naumenko.

Однако, проблема интероперабельности является весьма многогранной. Важной задачей остается обеспечение структурной интероперабельности таким образом, чтобы была возможность согласовывать структуры данных ИС с «чужими» структурами данных без внесения изменений в программную реализацию ИС (слабая структурная связность). Эта задача важна для обеспечения доступности ИС и приобретает особую актуальность в связи с задачами разработки портальных технологий и публикации корпоративных данных в Internet. В настоящее время решения этой задачи не существует, поскольку отсутствуют унифицированные средства для представления в ИС информации, описывающей структуры данных. В данной диссертационной работе такие средства предложены и математически обоснованы.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является обеспечение согласованности информационных систем по структурам данных (структурная интероперабельность). Предметом исследования является проблема обеспечения структурной интероперабельности информационных систем, при которой ИС обладает способностью адаптироваться к структурам данных партнерских ИС без необходимости внесения изменений в алгоритмы исходной ИС (слабая структурная связность).

Цель и задачи работы. Целью исследования является разработка метода обеспечения структурной интероперабельности информационных систем при условии слабой структурной связности.

Основными задачами диссертационной работы являются:

• Анализ проблем интеграции корпоративных данных.

• Исследование и анализ взаимосвязи между данными в информационных системах и концептуальным моделированием.

• Разработка формальной модели, обеспечивающей единообразное представление концептуальных словарей данных и их взаимосвязей.

• Формальное определение базового объектно-ориентированного концептуального словаря, позволяющего определять в своих терминах специализированные концептуальные словари.

Методы исследования. В качестве методологической основы работы использовались методы концептуального моделирования, теории баз данных, математический аппарат теории множеств, теории отношений, исчисление предикатов первого порядка.

Научная новизна основных результатов.

• Рассмотрен новый объект исследования, представляющий собой структурную интероперабельность, выделенную внутри технической интероперабельности информационных систем.

• Предложена новая модель (в виде семантической сети) для представления взаимосвязанных моделей и метамоделей, расположенных на различных метауровнях.

• Предложен новый метод обеспечения структурной интероперабельности информационных систем, заключающийся в явном представлении в ИС информации о структурах данных.

• Предложен новый подход к формальному описанию многоуровневых моделей, основанный на применении декларативного языка Alloy, обеспечивающий их автоматизированный анализ и верификацию.

• Предложен новый подход к представлению семантики данных ИС, основанный на использовании метамодельных сервисов как архитектурных компонент ИС, позволяющий использовать существующие проверенные механизмы управления перманентными данными, такие, как реляционные СУБД.

Методы исследования.

В качестве методологической основы работы использовались методы концептуального моделирования, теории баз данных, математический аппарат теории множеств, теории отношений, исчисление предикатов первого порядка.

Практическая значимость.

Полученные научные результаты позволяют создавать новые архитектуры информационных систем, обладающих свойством структурной интероперабельности. Такие архитектуры позволяют эффективно строить корпоративные информационные системы как интегрированные семантически и территориально распределенные сообщества ИС, унифицированно решать задачи публикации многообразия корпоративных данных в Internet, обеспечить эффективное использование унаследованных систем в составе КИС.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Общий объем работы 201 с. сквозной нумерации, включая 28 рис., 3 табл., и список использованных источников из 48 наименований.

3.4. Выводы

В данной главе получены следующие основные результаты:

1. Определена задача интеграции общеинститутского портала с ИРИС ООП МЭИ (ТУ).

2. Подробно описана функциональность и архитектура общеинститутского портала, разработанного под руководством директора ИВЦ МЭИ (ТУ) A.J1. Конина и под техническим руководством автора данной работы. Портал МЭИ (ТУ) эксплуатируется с ноября 2001 г.

3. Подробно описана функциональность и архитектура ИРИС ООП МЭИ (ТУ).

4. Интеграция портала МЭИ (ТУ) с ИРИС ООП осуществлена с использованием разработанных формализаций семантической сети и базовой метамодели.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Показано, что исследование структурного аспекта решения проблемы интеграции в КИС должно осуществляться с помощью методов концептуального моделирования. Известные подходы MDA и RM-ODP неудовлетворительно обеспечивают решение таких задач.

2. Уточнены основные понятия (концепты), необходимые для унифицированного представления концептуальных словарей, требуемых для описания структурных отображений данных, характерных для динамики функционирования ИС.

3. Предложен метод обеспечения структурной интероперабельности информационных систем, основанный на использовании унифицированных средств представления в ИС информации о структурах данных.

4. Разработана модель формальной семантической сети для описания концептуальных словарей данных, необходимых для решения задачи обеспечения структурной интероперабельности ИС, определяющая отношения между концептуальными категориями, их внутреннюю структуру и семантику.

5. Разработана формальная спецификация созданной модели семантической сети (для представления концептуальных словарей данных) на языке логического типа Alloy.

6. Разработана формальная спецификация для представления самоописывающего объектно-ориентированного концептуального словаря средствами построенной семантической сети.

7. При непосредственном участии автора выполнена разработка общеинститутского портала и проекта интеграции портала с ИРИС ООП МЭИ (ТУ). Реализация проекта основана на разработанных формализациях семантической сети и базовой метамодели.

1. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных: Пер. с англ. 7-е издание. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 1072 с.

2. Артемьев В., Кузнецов С. Обзор возможностей применения ведущих СУБД для построения хранилищ данных (DataWarehouse), Материалы 3-ей ежегодной конференции "Корпоративные базы дайн ых'98", Центр Информационных Технологий

3. Щавелев JI.B. Оперативная аналитическая обработка данных: концепции и технологии, Материалы конференции "Корпоративные информационные системы" 99, Центр Информационных Технологий

4. Кузнецов С. Информационная система: как ее сделать?, Computer World #1/96

5. Артемьев В.И. Разработка Intranet-приложений, раздел 4.2 Взаимодействие lnternet/intranet-приложения с СУБД, Центр Информационных Технологий, 1998

6. Кузнецов С. Подходы к интеграции баз данных и Internet, материалы технической конференции «Корпоративные Базы Данных'2000», Центр Информационных Технологий, 2000

7. Кузнецов С. Internet и базы данных. О взаимоотношении WWW и СУБД, LAN Magazine, #2/96

8. Игумнов Е. Основные концепции и подходы при создании контекстно-поисковых систем на основе реляционных баз данных, Центр Информационных Технологий, 20019. http://Чуww.de 1 phi-group.сom

9. Baac JI. Управление знаниями: как оценить результат? // PC WEEK (RE). -2002.-№22(340)

10. Буч Г. Объектно ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++: Пер. с англ. - 2-е изд. - М.: "Издательство Бином", СПб.: "Невский диалект", 1998. - 560 с.

11. Интероперабельные информационные системы: архитектуры и технологии. Брюхов Д.О., Задорожный В.И., Калиниченко JI.A., Курошев М.Ю., Шумилов С.С., СУБД, №4/95, стр. 96-113, http://www.csu.ac .ru/osp/dbms/1995/04/somxe/interop.html

12. Калиниченко JI.A. СИНТЕЗ: язык определения, проектирования и программирования интероперабельных сред неоднородных информационнных ресурсов (вторая редакция) Сентябрь 1993.

13. Kalinichenko L.A. Emerging semantic-based interoperable information system technology. Computers as our better partners. Proceedings of the International IISF/ACM Symposium, Tokyo, World Scientific, 1994.

14. Расева E., Сикорский P. Математика метаматематики. M.: Наука, 1972. -592с.

15. Мальцев А.И. Алгебраические системы. М.: Наука, 1970. - 392 с.17.3амулин А.В. Типы и модели данных //Банки данных: Материалы 3-й

16. Всесоюзной конф. (Таллин, 24-26 сентября 1985 г.). Таллин: ТПИ, 1985

17. Когаловский М.Р. Абстракции и модели в системах баз данных //СУБД № 4-5/98.

18. Марк Д. А., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования SADT, издательство Метатехнология, 1993

19. Jackson М. Principles of Program Design. Orlando, FL: Academic Press, 1975

20. Jackson M. System Development. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 198322.0rr K. Structured Systems Development, New York, NY: Yourdon Press, 1971

21. Yonezawa A., Tokoro M., Object-Oriented Programming, Cambridge, MA:The MIT Press, p. 2., 1987

22. Parnas D., On the Criteria to the Be Used in Decomposing Systems into Modules, in Classics in Software Engineering. New York, NY: Yourdon Press, 1979

23. Liskov В., Zilles S. An Introduction to Formal Specifications of Data Abstractions. Current Trends in Programming Methodology: Software Specification and Design vol/1/ Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1977

24. Guttag J., Abstract Data Types and the Development of Data Structures, in Programming Language Design, New York, NY: Computer Society Press, 1980

25. Shaw M. Abstraction Techniques in Modern Programming Languages. IEEE Software, Vol. 1, No. 4, October 1984.

26. Nygaard K., Dahl O-J, The Development of the Simula Languages, in History of Programming Languages, New York, NY: Academic Press, 1981, p. 460

27. Rand A., Introduction to Objectivist Epistemology, New York, NY: New American Library, 1979

28. Minsky M., The Society of Mind, New York, NY: Simon and Schuster, 1986

29. Jones A. The Object Model: A Conceptual Tool for Structuring Software, in Operating Systems, ed. R. Bayer et al., New York, NY: Springer-Verlag, 1979

30. Williams L., The Object Model, in Software Engineering Boulder, CO: Software Engineering Research, 1986

31. Kay A., The Reactive Engine. Salt Lake City, Utah: The University of Utah, Department of Computer Science, 1969

32. Zilles S., Types, Algebras and Modeling, in On Conceptual Modeling: Perspectives from Artificial Intelligence, Databases, and Programming Languages, ed. M. Brodie, J. Mylopoulos, and J. Schmidt. New York, NY: Springer-Verlag, 1984

33. Большой энциклопедический словарь / Под. ред. Прохорова A.M. М.: Норинт, 2002.- 1456 с.

34. Вагг A., Feigenbaum Е., The Handbook of Artificial Intelligence. Vol. 1. Los Altos, CA:William Kaufmann, 1981, p.216.

35. L.Apostel. Towards the Formal Study of Models in the Non-Formal Sciences, in "The Concept and the Role of the Model in Mathemathics and Natural and Social Sciences". Dordrecht: Reidel, 1960, pp.1-37.

36. Naumenko A. Triune Continuum Paradigm: a paradigm for general system modeling and its applications for UML and RM-ODP, EPFL, Lausanne, 2002

37. Naumenko A., Wegmann A. MDA and RM-ODP: two approaches in modern ontological engineering, EPFL, Lausanne, 2002

38. OMG. "Model Driven Architecture (MDA) FAQ." Object Management Group, Inc. www .ото, org/mda/faq m da. htm, July 2001.43 .J. F. Sowa. Knowledge Representation: Logical, Philosophical, and Computational Foundations, Brooks/Cole, 2000.

39. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления. -М.: Энергоиздат, 1981. 232 с.

40. Расширенные семантические сети для представления и обработки структур знаний. Системы и средства информатики, вып. 4/РАН. Институт проблем информатики. М., 1993, с. 70-83

41. D. Jackson. "A Comparison of Object Modelling Notations: Alloy, UML and Z". MIT Lab for Computer Science. August 1999. http://sdg.lcs.mi t. edu/~dnj/pubs/al lov-compari son, pd f

42. D. Jackson. "Alloy: A Lightweight Object Modelling Notation". Technical Report 797, MIT Laboratory for Computer Science, Cambridge, MA, February 2000. http://sdg.lcs.mit.edu/~dnj/pubs/alloy-journal.pdf