автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Исследование принципов и разработка основных технологических решений построения интегрированных информационных систем

ВВЕДЕНИЕ.

Содержание работы.

ГЛАВА 1 ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ТРЕБОВАНИЯ.

1.1. Информация. Информационные системы. Общие понятия.

1.2. Классификация информационных систем.

1.3. Основные требования к интегрированной информационной системе на примере медицинской информационной системы (МИС).

1.3.1. Интеграция информационных потоков.

1.3.2. Синтез централизованных и распределенных технологий.

1.3.3. Компонентная архитектура.

1.3.4. Открытость и поддержка стандартов.

1.3.5. Масштабируемость и переносимость.

1.3.6. Надежность и отказоустдйчивость.

1.3.7. Обеспечение безопасности и конфиденциальности информации.

1.4.Традиционные методы и средства построения информационных систем. 47 1.4.1. Наиболее распространенные модели и методы организации проектов, связанных с разработкой программного обеспечения.

1.4.1.1. Модель управления проектом: Модель Водопада.

1.4.1.2. Спиральный метод, или метод быстрого прототипирования.

1.4.3. Базы данных в информационных системах.

1.4.4. Архитектура клиент/сервер, 2 и 3-звенные архитектуры.

1.5. Недостатки традиционных методов и средств построения информационных систем.

1.5.1. Что плохо в классическом методологии проектирования.

1.5.2. Объектный и реляционный подход. Сравнение.

1.5.3. Объектно-ориентированные БД. Существующие ограничения.58 ^

1.6. Принципы интеграции в ИС.

1.6.1. Компонентная интеграция.

1.6.2. Функциональная интеграция.

1.6.3. Системная интеграция.

1.6.4. Технологическая интеграция.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2 ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

2.1. Создание логической модели предметной области - прямой и обратный инжиниринг.

2.2. Прямой инжиниринг. Реализация объектов в реляционной БД.

2.3. Обратный инжиниринг. Механизм для описания объектной модели предметной области.

2.3.1. Основные понятия.

2.3.1.1. Информационный объект.

2.3.1.2. Тип ИО.

2.3.1.3. Методы ИО.

2.3.1.4. Иерархия.

2.3.1.5. Статус ИО.

2.3.1.6. Ярлык ИО.

2.3.1.7. Составные объекты.

2.3.2. Связи объекта.

2.3.2.1. Прямые ссылки.

2.3.2.2. Обратные ссылки.

2.3.2.3.Косвенные ссылки.

2.3.3. Операции над ИО.

2.3.3.1. Выделенные операции.

2.3.3.2. Программные модули.

2.3.3.3. Процедуры.

2.3.3.4. Параметры.

2.3.3.5. Деактуализация.

2.3.3.6. Летопись.

2.4. Механизм авторизации и прав доступа.

2.4.1. Метаполъзователи.

2.4.1.1. Сотрудник.

2.4.1.2. Подразделение.

2.4.1.3. Должность.

2.4.1.4. Роль в группе.

2.4.1.5. Абстрактный метапользователь.

2.4.1.6. Предикат.

2.4.1.7. Иерархия.

2.4.1.8. Права.

2.5. Концепция электронного рабочего стола.

2.5.1. Понятие рабочего стола.

2.5.1.1. Как объекты попадают на рабочий стол.

2.6. Реализация информационного и документального потока на основе механизма ИО.

2.6.1. Владение ИО.

2.6.1.1. Оригинал.

2.6.1.2. Копия.

2.6.1.3. Копия без права пересылки.

2.6.1.4. Пересылка.

2.6.1.5. Уведомление.

2.6.1.6. Пересылка с ограничениями.

2.6.2. Логическая блокировка ИО.

2.6.2.1. Две стратегии блокировки.

2.6.3. Механизм поиска информации.

2.7. методы построения пользовательского интерфейса в ИС.

2.7.1. Боткинский лист.

2.7.2. Электронный рабочий стол.

ГЛАВА 3 ИНТЕГРИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА МЕДИЦИНСКОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ИНТЕРИН.

3.1. Характеристики системы.

3.2. Основные функции и прикладные задачи медицинской информационной системы.

Актуальность проблемы. Мы являемся современниками очередной промышленной революции, вызванной бурным развитием в последние годы информационных и коммуникационных технологий. Результатом ее стало появление нового предмета труда и нового вида продукции - информации как таковой.

Изменения в технологии и производстве происходят настолько быстро, что создается впечатление хаотичности и неорганизованности. Классические системы управления оказываются неспособными вынести нагрузку непрерывно возрастающих объемов информации.

В период электронного представления информации индустриальная революция предлагает технологию управления информацией, основанную на глобальных коммуникациях. Компьютерные системы становятся орудием труда, для которого предметом и результатом выступает информация, а коллективный доступ к этой информации становится самым распространенным способом организации производства. Таким образом, назначение компьютерных систем постепенно смещается от автоматизации ручного труда отдельных работников к информатизации деятельности всего персонала. Информация превращается в главный корпоративный ресурс.

Особенно ярко это проявляется в медицине, где обеспечение своевременного доступа к информации становится критичным, когда речь идет о жизни людей. Владение нужной информацией, актуальной или исторической -часто единственное, чего не хватает врачу, чтобы своевременно и квалифицированно оказать пациенту необходимую медицинскую помощь. Рутинный документооборот, утерянные копии документов, территориально разнесенная информация об одном и том же пациенте, отсутствие квалифицированных методов поиска - все это отнимает у медицинских специалистов время и энергию и значительно снижает эффективность их деятельности. Кроме того, объемы информации, которые врач должен постоянно держать в голове, чтобы быть способным оценить состояние каждого пациента, безусловно, огромны. Когда же объем обрабатываемой информации превышает значение некоторого критического параметра, индивидуального для каждого человека, упорядочение и систематизация этой информации становятся невозможными. Для того, чтобы оставаться способным обрабатывать непрерывно возрастающие объемы данных, необходим переход к новому способу сбора и обработки информации, который можно рассматривать как некоторую индивидуальную информационную революцию, результатом которой должно стать начало использования в профессиональной деятельности специалиста нового инструмента - компьютерной информационной системы.

Цель работы. Целью работы является исследование принципов и разработка методов, технологических решений и инструментальных средств для создания интегрированных информационных систем, воплощающих различные подходы к решению задач обработки информации.

Методы исследования. Проведенные в работе исследования базируются на использовании аппарата теории баз данных, информационных систем, технологии программирования и методов объектно-ориентированного проектирования и реализации систем.

Научная новизна. В диссертации предложены и обоснованы основные требования к интегрированным информационным системам.

Предложена и обоснована архитектура и методы построения интегрированных информационных систем, обеспечивающих интеграцию и обработку фактографической информации, документов и информационных потоков.

Предложена модель объектного метауровня над БД, позволяющая использовать объектный подход при создании логической модели предметной области. Предложен новый аппарат для описания моделей предметных областей - информационные объекты, исследованы его свойства и обоснована адекватность.

Предложены информационные модели программных средств динамического построения форм и документов без изменения физической схемы базы данных.

Предложены модели прямого и обратного инжиниринга и расширения традиционных методов проектирования информационных систем с применением этих моделей.

Предложены смешанные н интегрированные стратегии построения информационных систем, в которых слабые стороны одних методов проектирования компенсируются сильными сторонами других.

Практическая значимость. Практическая ценность работы состоит в расширении возможностей проектирования и реализации интегрированных информационных систем. Предложенные и исследованные модели и технологические разработки дают эффективные и качественные решения задачи создания информационных систем, позволяют расширить существующие способы проектирования и реализации и могут быть использованы при создании интегрированных информационных систем различного назначения.

Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы в Институте программных систем РАН при разработке и реализации интегрированной информационной системы для комплексных медицинских учреждений. Система внедрена в Медицинском центре Банка России и в настоящее время используется для организации лечебно-диагностического процесса.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: на международном форуме «Стратегия здоровья-97» (Анталья, 1997), на международном семинаре «Распределенный искусственный интеллект и многоагентные системы» ПА1МА8-97 (Санкт-Петербург, 1997), на научных семинарах в Институте программных систем РАН и в Вычислительном центре РАН.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Основной текст содержит 130 страниц, 2 таблицы и 11 рисунков. Список литературы содержит 38 наименования.

1.7. Выводы

Построение информационных систем для сложных, плохо структурированных и трудно формализуемых предметных областей, таких как медицина, требует удовлетворение следующим требованиям: поддержка хранения и обработки фактографической информации с одновременным обеспечением основных функций существующих информационно-поисковых систем и систем обработки данных; поддержка хранения и обработки документов, построенных на фактографической информации с обеспечением основных функций существующих систем документооборота; моделирование бизнес-процессов на основе данных и документов, возможность определения "мягкого" и регулируемого регламента работы с фактографической информацией и документами; применение методов компонентного проектирования ИС как для фактографических БД, так и для архивов документов и информационных потоков; разработка процедур компонентного изменения ИС при изменении бизнес-процедур, видов деятельности, применяемых приложений и географического размещения предприятия; постоянная актуализация логической модели ИС для учета изменений в деятельности предприятий; возможность определения дополнительных регулируемых механизмов авторизации и прав доступа при работе с фактографической информацией и документами; построение интерфейса пользователя, интегрирующая в себе различные способы представления информации, в том числе манипулирование данными, документами, средств анализа информации, интеграция информации различного характера (графического, текстового, временных рядов).

Как было указано в разделе 1.3, с точки зрения требований предметной области следующие свойства являются важными для обеспечения соответствия информационной системы к современным требованиям: интеграция информационных потоков; синтез централизованных и распределенных технологий; компонентная архитектура; открытость и поддержка стандартов; масштабируемость и переносимость; надежность и отказоустойчивость системы; обеспечение безопасности и конфиденциальности информации.

Для проектирования информационной системы удовлетворяющей указанным требованиям, разработчику необходимо решать следующие проблемы: существуют предметные области, где построение эффективной информационной системы связано с обработкой фактографической информации, построением документов на основе фактографии, организацией документооборота, организацией частичного регламента работы с фактографией и документами, но в настоящее время не существует методологии и инструментальных средств построения информационных систем для таких предметных областей;

Ввиду плохо структурированности предметной области и наличия динамических изменений применение систем "рабочих потоков" (workflow) не удается, следовательно при проектировании информационной системы для таких предметных областей необходимо разработать гибкие "мягкие" модели регламента работы с информацией и документами. При анализе предметной области невозможно получить исчерпывающую информацию для оценки требований к системе с точки зрения заказчика, заказчик не имеет достаточной информации о проблеме обработки данных и традиционные инструменты, используемые для разработки и дальнейшей модификации ИС сложны для пользователей и прикладных разработчиков. Следовательно, требуется дополнение традиционных средств разработки информационных систем инструментальными средствами моделирования предметной области, предназначенных для прикладного разработчика. Методы, используемые в рамках "каскадной" схемы являются громоздкими, и практически неспособны обеспечить устойчивость больших интегрированных решений в мире с постоянно меняющимися требованиями к ИС. Поэтому методологию разработки информационных систем необходимо дополнить средствами обратного логического моделирования, основанных на объектном моделировании предметной области и не требующих изменения схемы данных.

Для решения приведенных методологических, архитектурных и технологических проблем, связанных с построением ИИС, предлагается: - использование классической "каскадной" модели построения ИС; использование в дополнение к "каскадной" модели механизма прямого объектного моделирования для построения логической модели динамической части предметной области без изменения физической модели; использование в дополнение к "каскадной" модели механизма обратного объектного моделирования для построения логической модели предметной области на основе уже построенной физической модели; использование промышленную реализацию реляционной СУБД для хранения данных; использование промышленную реализацию реляционной СУБД с механизмом сохраненных процедур для реализации механизмов прямого и обратного объектного моделирования;

Глава 2

Основные технологические решения построения интегрированных информационных систем 2.1. Создание логической модели предметной области -прямой и обратный инжиниринг

Как было показана в главе 1, при построении интегрированной информационной системы возникают следующие архитектурные, реализационные, и модельные проблемы: в настоящее время отсутствует инструментальные средства и средства моделирования, которые позволяли бы: моделирования документов на основе данных, моделирования бизнес-процессов на основе данных и документов, "мягкого" моделирования рабочих потоков и бизнес-процессов для плохо формализуемых предметных областей, средств построения форм или документов для продвинутого пользователя или прикладного разработчика, средств построения гибких и удобных моделей авторизации и прав доступа к информации, позволяющие моделировать существующие в реальной жизни схемы авторизации; изменение логической модели предметной области без изменения физической модели БД; логическое моделирование на основе уже имеющихся схем БД; построение интерфейса пользователя, интегрирующая в себе различные способы представления информации, в том числе манипулирование данными, документами, средств анализа информации, интеграция информации различного характера (графического, текстового, временных рядов)

Использование объектной надстройки над реляционной БД позволяет: обеспечение надежности за счет средств СУБД обеспечение высокой производительности при обработки данных за счет средств СУБД использование преимуществ 3-х звенной архитектуры: разделение бизнес-процессов в отдельный слой в ИС независимость физической и логической моделей, инкапсуляция данных обеспечение историчности информации

Использование инструментальных средств динамического моделирования документов с репозитарным способом хранения информации позволяет: создание и модификация форм и содержания документов пользователем без участия разработчика системы; возможность построения запросов к хранилищам данных; создание и изменение документов без изменения схемы данных

Недостатки репозитарного способа организации хранения и обработки информации: низкая производительность сложных запросов сложность построения запросов при анализе и сложной обработке данных

Предлагаемая последовательность построения ИС, первая итерация: Построения концептуальной модели предметной области - используются традиционные методологии и промышленные инструментарии Построение логической модели - используется традиционные методологии и промышленные инструментарии + методология ОМД (объектное моделирование документов) в части предметной области с часто изменяемой логической моделью

Построение физической модели - используется традиционные методологии и промышленные инструментарии + методология ОМД (объектное моделирование документов) с инструментарием РОРБД (репозитарий объектов в реляционной базе данных) в части предметной области с часто изменяемой логической моделью

Построение объектной модели предметной области на основе построенной в шаге 3 физической модели - используется методология ИО (информационные объекты)

Построение механизма авторизации на основе объектной модели-используется модель "метапользователь" и свойства методологии ИО, построение интегрированного динамического интерфейса - используются модели "Боткинский лист" и "Рабочий стол" и свойства методологии ИО Последующие итерации - модификация и развитие ИС: изменение логической модели представляет из себя изменение объектной модели, что в силу инкапсуляции данных не затрагивает схему данных пользователь получает инструменты объектного моделирования - РОРБД и МИО, которые позволяют модифицировать физическую и логическую модели ИС независимо друг от друга.

В Рис. 8 приведена укрупненная схема архитектуры ИИС, удовлетворяющая указанным требованиям и интегрирующая предлагаемые технологические решения.

Рабочий стол

Иерархия объектов

Универсальный язык описания документов (HTML)

Экранные формы, отчеты запросы

Конструктор документов

Редактор справочников et ш о. гг Механизм

0 аг информационных е -о объектов

0) аз rQ fQ »О О О § (обратное объектное моделирование)

Конструктор классов прямое объектное моделирование)

Рис. 8. Общая архитектура ИИС.

2.2. Прямой инжиниринг. Реализация объектов в реляционной БД1

Поскольку доступ к объектам, созданным этим способом, вычислительно дорог, создаваемые этим способом объекты должны быть не очень сложной природы. Способ предпочтителен для создания классов объектов, обладающих свойством однородности. Например, такое моделирование может быть применено таким объектам (или документам), как осмотры, дневники, формы заполнения результатов исследований и т.д.

Основные свойства предлагаемого способа описания классов объектов в

БД:

Простота построения новых классов - использование механизма наследования (в том числе множественного)

Полиморфизм - возможность работать с объектами, абстрагируясь от их класса (Например, обрабатывается список разнородных документов, операция показать выполняется над списком автоматически. При этом обработка каждого элемента списка вызывает метод показать именно для данного класса, причем при написании кода можно не задумываться о том, какие классы документов будут обрабатываться. Достаточно лишь того, чтобы у всех документов, попавших в список, был реализован метод показать)

Одна из модификаций предлагаемой парадигмы ООП - это описание утилит (глобальных модулей) и методов классов на любом языке программирования (например: Forms, Reports, SQL и т.д.). Реализован словарь языков программирования, который позволит распознавать, каким образом обрабатывать вызов того или иного модуля (утилит или методов класса) Инкапсуляция - структура объекта включает в себя как данные, так и методы работы с ним. При этом данные могут быть как встроенных типов, так и типов классов.

Способ описания классов заимствован из языков объектно-ориентированного программирования, а сами описания хранятся в БД в виде

1 Предлагаемая модель разработана совместно с И.А.Фохтом. фиксированного набора связанных друг с другом таблиц (элементов описания класса).

При описании классов используются механизмы множественного наследования, инкапсуляции данных, полиморфизм, а также механизм свойств как способ управления объектом посредством данных.

Методы, присущие объектам, могут быть реализованы на различных языках программирования, наиболее предпочтительный и рекомендуемый -использование сохраненных процедур самой БД. Использование сохраненных процедур БД для реализации механизма объектов позволяет удовлетворить описанные в главе 1 требования к ИС, в МИС в частности.

Рассмотрим схему реализации описания класса средствами реляционной БД (Рис. 9):

Родитель

В&ЩИМЭ С*1Ь

1ртуапьный

Элемент

Родитель

Класс

Имя

Й5 СО и 3

Метод Имя вдимость &1р-ту ально с-ть

J 1 0

Поле Иь-ш

Втдимэ сть Мощность

СЬойство

Имя

ЩИМОС1Ь

Мощность

Рис. 9. Схема реализации описания классов

Описание классов состоит из таблиц КЛАСС, РОДИТЕЛЬ, ПОЛЕ, МЕТОД, СВОЙСТВО, ДОСТУП:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными результатами, полученными в данной работе, являются: Предложены и обоснованы основные требования к интегрированным информационным системам.

Предложена и обоснована новая архитектура для интегрированных информационных систем.

Предложены методы построения информационных систем интегрированного типа, обеспечивающих обработку и интеграцию фактографической информации, документов и информационных потоков.

Предложена модель объектного метауровня над БД, позволяющая использовать объектный подход при создании логической модели предметной области. Предложен новый аппарат для описания моделей предметных областей - информационные объекты, исследованы его свойства и обоснована адекватность.