автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Метод создания и реализации графического интерфейса пользователя для работы со схемами баз данных

РОССИЙСКАЯ А К А Д Е и II Я НАУК р Г 6 Ой ИШСЛЙТЕЛЬНЫП ЦЕНТР

На правах рукописи

О

ЛВ КУОК лонг

(®ТОД СОЗДАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕЙСА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ РАБОТЫ СО СХШАШ БАЗ ДАННЫХ

Специальность 05.13.11 "Мзтеиатнческое и програшшое обеспечение вычислительных машин, кошшексов я сетей"

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-матсиатачесгаа наук

Москва - 1994

Робота выполнена в Вычислительном центре РАН.

Научный руководитель о.н.с. кандидат ф-м-н Филиппов В.И.

Официальные оппоненты доктор физ -virev ••■»уч, ггргфогсср

Сотников А.Н.

кандидат физ.-матем.наук

Пирин С.И.

Ведущая организация Институт системного анализа РАН.

Зашито состоится ¿¿'/¿^¿¿^ 199"^'года в

часов на заседании специализированного совета K002.S2.01 при Вычислительном центре РАН по адресу: 117967, Москва, ул. Вавилова, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Математического института им. В.А.Стеклова.

Автореферат разослан ¿■¿¿¿"С¿.Х- года

Ученный секретарь

специализированного совета K002.32.0i доктор физ.-матем.наук

К.В.Рудаков

I. ОбЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАбОТЫ

Актуальность темы

В процессе создания и эксплуатации баз данных (БД), центральное место занимает схема БД по следующим причинам:

- Схема БД дает представления пользователю о его сохраняемых данных. Для того, чтобы эффективно вксплуатироввть БД пользователь должен иметь точное и ясное представление о БД.

- Спроектированная схема БД часто используется в процессе ввода данных, модификации данных и формулировки запросов к БД. Она является обьектом изменения по мере того, как развиваотоя требования относительно сохранения и использования данных в предметной области. Поэтому схема БД должна быть представлена в удобной для понимания, использования и изменения форме.

- Для обеспечения корректности схем БД, нуано разработать средства, оказывающие помощь пользователю в проектировании схем БД.

Из вышеуказанного вытекает актуальность проектирования п представления схем БД. Иными словами, для эффективного использования систем БД нуяно:

- обработать требования пользователя о предметной области для создания соответствующей БД3 ,

- представить схемы БД в удобном для пользователей виде}

- организовать общение пользователя со схемой БД при вводе и модификации данных, формулировке запросов и т.п.

Эти задачи привели к вопросу о необходимости создания для СУБД диалоговых средств проектирования и представления схем БД. Системы проектирования и представления с одной стороы облегчает работу проекровщиков БД и с другой стороны выступают в качестве средства точного выражения представлений обычных пользователей о реальном мире, моделируемом в БД.

Цель диссертационной реботы: построение достаточно мощных

средств общения для пользователя при работе со схемами БД.

В соответствии о поставленной целью, основными задачами работы являются:

- анализ меюдоь и среди 1 в ириснлированин схем БД;

- обоснование требований к схемам БД;

- анализ "человеко-машинных" интерфейсов к БД;

- обоснование требований к интерфейсу пользователя;

- построение синтаксиса и семантики визуального языка пиктограмм (ВЯЛ) проектирования схем БД;

- проектирование и реализация системы графического изображения и проектирования схем БД в соответствии с выбранными основами подхода.

Предмет исследования составляют алгоритмы проектирования схем БД, языки общения систем БД, диалоговые графические интерфейсы с БД, визуальные программные системы, а также методы в средотва, применяемые для их построения.

Метода исследования: в данной работе были использованы методы системного анализе, теории формальных грамматик, теории графов.

При реализации системы графического изображения и проектирования схем ЦЦ использовалось системное программное обеспечение современной персональной ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следуюцем:

- Поотроены формальные определения и метод разбора ВЯЛ для общения пользователя с системой БД.

- Обоснованы основные принципы и требования к созданию графического интерфейса пользователя (ГИП) в СУБД.

- Построена общая архитектура системы, соответствующей предлагаемым основам диалогового и графического проектирования схем БД.

- Программно реализована система ГИП для работы со схемами БД для конкретной СУБД КОМПАС. При етом были решены следующие задачи:

в. задача визуализации схем БД сетевой модели;

б. проблема автоматического изображения диаграмм схемы БД сетевой модели;

в. вопрос применения современной методологии объектно-ориентированного программирования (ООП) в реализации ГИЛ с изображеггкзминфэрмации в виде графов.

г. задача обоснования подхода к созданию ГШ на основе системы управления интерфейсам! пользователя (СУИП),

Практическая ценность.

Использование предлоиеных подходов к проект1грованим схем БД позволяет построить графический интерфейс с БД. Такой интерфейс обеспечивает взаимодействие пользователя с БД и польной визуальной среде при проектировании и переопределении схем БД, а также дает возможность проведения исследования над многими связанными с ним роботами такими, как графическая формулировка запросов к БД.

Публикация. По теме диссертации опубликовано три статьи.

Структура и объем рэСотц.

Диссертационная работа состоит из введения» четырех глав, заключения, списка литературы и содерхшт 130 страниц текста, 15 рисунков. В списке литературы ость 68 названий.

2. СОДЕЕШИЕ РАбОТЫ

Во введешш рассмотрены вопросы, связанные с актуальностью работы. Здесь ставятся цели работы, описывается содержание каждой глав» диссертационной работы.

В первой главе приведен анализ процесса конструирования БД в целом, роди схем БД в эксплуатации системы БД , и такгго методов и средств проектирования схем БД. В конце главы формулируется основная задача диссертационной работы проектирования и графического представления схем БД.

В начале главы подчеркивается, что проектирование БД - ото процесс обработки требований пользователя и их преобразования в БД. Ото процесс сложиий, динамичный п нуждающийся в взаймодействии с проектировщиком БД. Работы в области проектирования и представления схем БД могут быть отнесены к одному из двух направлений:

Построение систем, базирующихся на алгоритмах, поддерживающих процесс проектирования схем.

~ Создание интерфейсов для работы со схемами.

Рассмотрены ети два направления. Для каждого ис них ухааааь основные положительные и отрицательные черты.

В настоящее время чаше всего работы посвяшают проблеме построения таких моделей данных, как "сущности-связи" (Е-И модель), модель данных семантической сети, модель данных графа событий, и.т.п. Эти модели данных позволяют пользователю выразить свое представление о предметной области и проектировать схему БД.

Е-й модель имеет все преимущества сетевой и реляционной моделей и считается, как обобщение или расширение етих моделей. Схема БД Е-И модели состоится из сущностей и связей с возможностью выражения зависимости данных. В реализации, сиотемы Е-К модели обычно соответствуют Е-Н схемы к схемам сетевой и реляционной моделей. Системы, базирующихся на Е-й модели были созданы как фронт-онд для СУБД.

Работая с моделью семантической сети пользователь мокет проектировать схемы БД, которые состоятся из объектов и помеченных именами отношений мея(ду объектами. Затем описанная пользователем семантическая сеть транслируется в схемы реляционных БД в нормальных формах с помощью експертной сиотемы.

Начиная с описания БД на графе событий (по существу он является графом типа сети Петри) мокет генерироваться диаграмма конструирования концептуальной схемы. После втого в фазе логического проектирования концептуальная схема трансформируется в логическую схему БД сетевой модели или реляционной модели данных.

Как показано, новые модели данных строятся для удобства пользователя при проектированию схем БД, однако в конечном итоге, схемы преображаются в схемы реляционной или сетевой моделей. Разработчики стремятся, чтобы пользователь легче представлял и проектировал схему БД. Тем не менее, в реализованных вариантах етих систем, пользовательские интерфейсы

были построены без специальной методологии и остались по оущеотву не развитыми.

Задача представления схем БД заключается в создании более современных иредота, болев "дружоигьоньых" интбрфьйооь, который позволяют пользователю "визуальным" образом общаться о БД, манипулировать данными, свести к минимуму затраты усилий при работе о системой и доотичь максимума пользы при вксплуатации системы. Одним из вакных свойств, органически присущих инструментальным средствам БД, является в высокой степени дру«эственный характер их пользовательских интерфейсов. Существуют различные интерфейсные средства, такие как язык ключевых слов, меню, заполнение форм и т.п. Одним из таких "дружественных" интерфейсов является графический интерфейс. Использование граф!ческих интерфейсов в взаимодействии о БД переносит способ общения в область чрезвычайно развитого визуального восприятия человека. Это относится к процессу коструирования и изображения схем БД: вместо того, чтобы текстом описывать свое представление о схеме БД, пользователю предоставляется возмоаность "рисования" диаграмм схем БД о помощью графического редактора и ВЯЛ.

Приведены следующие преимущества графического изображения схем БД:

возможность быстрого восприятия схемы БД для пользователя к проектировщика;

упрощение тихгачюгх действий пользователя для формулировки запросов к БД, таких как выделение интересующей его подсхемы, выранение запроса и т.п.

- обеспечение удобной документации для спроектированных

БД;

- еффективность при переопределении схем БД в процессе сопровоядения схем БД.

Язык Описония Данных (ЯОД) большинства СУБД может быть представлен в виде графа. БД основанные на сетевой и иерархической моделях данных описаны структурами, которые имеют близкое сходство с графами. Реляционная БД моает быть отображена в графовую структуру типа Е-й графа, где каждый узел

соответствует одному отношению и какдое ребро - паре внешнего ключа и первичного ключа. Гро<£и - удобное средство общения с системой и для проектировщика, и для пользователя.

По втим причинам программное обеспечение для изображения и манипулирования графом должно быть фундаментальной компонентой субсистем, оброзущих интерфейсы о СУБД.

В разделе 1.3.3. изложена тенденция развития интерфейсов пользователя в СУБД и перечислены их особенности и недостатки. В подавляющем болшинство СУБД для ПЭВМ предусматривается интерактивный регаш работы пользователей. При отом широко используются интерфейсы в стиле меню с указанием для пользователя альтернативных, вариантов выбора воэмокных действий II способов кх инициирования, с отображением текущего состояния системы БД и диагностикой ошибок. В некоторых развитых СУБД предусматривается несколько уровней пользовательских интерфейсов, предьявляющих различные требования к квалификации пользователей. Такие возможности предусмотрены, например, в системах dBaselll PLUS и dBASEIY, П:Вазе, Paradox, в некоторых системах (Paradox,PoxBa6e+) включены развитые графические возможности для поддергаш широко известного табличного языка QBE, экранных форм, и такие деловой графики (разнообразного двухмерного и трехмерного графического представления данных).

Некоторые СУБД позволяют графически изображать схемы БД, но чете всего ети изображения носят примитивный характер. Например, в системе ИНЕС поддерживаются структуры данных типа сетей - ориентировашшх графов произвольного вида. Произвольная сеть представляется в описании дашшх ИНЕС как совокупность иерархий ("деревьев"), связанных ссылками. Что касается графического представления, то в ИНЕС схема БД изображается на екрано алфавитно-цифрового (а не графического) дисплея и транслируется в формальный текст описания дашшх. Использованный метод изображения простой! связи изображаются с помощью вертикальных и горизонтальных линний.

К числу главных недостатков таких изображений следует отнести то обстоятельство, что вти системы не поддерживают полных свойств БД , и забота об ©том со всеми вытекющими отсюда

последствиями возлагается на пользователя конкретной системы БД. В средствах систем не предусмотрены механизмы поддержки концепции представления (VIEW), играющей важную роль в технологии ВЦ. Вооьмя слрбие позмэжностл представлены пользователю для спецификации ограничений целостности данных.

Разработанная фирмой ?iioroSoft система WINDOWS широко используется как стандартная графическая оболочка операционной системы для ПЭВМ. Ото привело к активной разработке ГИП для многих систем в разных отраслях применения (СУБД, текстовые процессоры, электронные таблицы, компьютеризированное издательство, САПР,...). В отих ГИП графические пиктограммы постепенно заменяют текстовые заголовки и варианты в меню. Тем не менее большинство систем только начали использовать простые пиктограммы. Одним из направлений совершенствования ПОТ является создание ВЯП. ВЯЛ использует пиктограммы как елементы языка для визуального представления объектов и действий в предметной области.

Другим недостатком вышеперечисленных систем является отсутствие ВЯП.

Во разделе 1.4. первой главы обоснованы основные требования, предъявляемые к интерфейсным оистемам: удобство, простота обучения и использования, модифицируемость и эффективность. Излагаются принципы и методики их построения.

Во второй главе даны формальные определения ВЯП, также метод построения системы управления пиктограммами и способ разбора ВЯП. В частности изложен ВЯП для проектирования схем БД в сетевой модели, полный синтаксис которого дается в приложении.

Результатом процесса проектирования схем БД является схема БД, которая по существу состоится из обозначений объектов .и связей между ними. В графическом интерфейсе одной из главных компонент является визуальное языковое средство проектирования схемы.

Для того, чтобы построить какую-либо систему ГИП, которая использует пиктограмы в общении с пользователем, прежде всего надо создать систему управления пиктограммами. Система

управления пиктограммами предоставляет пользователю средства для создания, сохранения, преобразования и использования пиктограмм. Пиктограммы сохраняются в базе данных пиктограмм (БДП). Даш прсдотавлония пиктограмм, основный функции и также механизм управления пиктограммами.

В раздело 2.2. изложено визуальная грамматика (ВГ) в виде четверки C=(H,T,S,P), где

N - конечное множество нетерминалов. T=IÖJTgp, здесь ID - шюаество пиктограмм; Tgp35 {&,*»+) - графические операторы для размещения пиктограмм на плоокооти;

- & - горизонтальная конкатонация.

- *■ - вертикальная конкатенация.

- + - накладывание графических изображений пиктограмм. 8 - начальный символ.

Р - uhojkqotbo продукций (правил), а именно: а. Х-»а &CID С. X+Y YCN

в. X-»proo-ioon

1

Ы

М - объект-пиктограмма

г. X -» ОР

/ \

И1 «2 Mj, Mg€T

д. X ■* proo-Ioon

Ы£, Ыд - объект-пиктограммы Где, ргоа-1соп - процесс-пиктограмма в БДП и ореТ3р. Правила в., г., д. имеют форму бинарного дерева. Это соответствует тому факту, что все процесс-пиктограммы и графические операторы имеют не более чем две области размещения пиктограмм на плоскости.

Доказано, что С - Контекстно-Свободного языка (КС-языка). По отой причине можно применить восходящий алгоритм разбора для того, чтобы решить прииадлекит ли визуальное предложение языку, порожденному грамматикой 0.

Визуальное предложение представляет собой

последовательность каких-либо операций, которая образуется путем соответственного размещения пиктограмм на плоскости.

К грамматике в придобавлена семантические правила следующим путем:

1. Каждый нетерминал связан о множеством синтезированных атрибутов.

2. Каждая продукция связана с одним семантическим правилом, которое определит значения атрибутов нетерминалов, находяющихся в левой части продукции в зависимости от значения атрибутов нетерминалов, находящихся в правой части.

Грамматика 0 - атрибутная грамматика с синтезпровашшми атрибутам. Синтезированными атрибутами, связанными с каждым нетерминалом X являются значения следутадах выражений:

- ЛАМЕ(X) - имя объекта, которому следует связываться о X в дереве разбора.

- СТ(Х) - значение, присвойенное поддереву, порожденному X в дереве разбора.

Значение СТ(3) синтезированного атрибута начального символа Б, полученное по окочанию процесса генерации значения значение данного визуального предложения.

Интепретор ВЯЛ выполняет функцию разбора визуальных предложений. Интепретор ВЯЛ (рис.1.) включает в себя следующие компоненты:

- базу данных пиктограмм (БДП);

- грамматику С, которая определяет правила порождений визуальных предложений посредством размещения пиктограмм на плоскости;

- анализатор входного визуального предложения (АВП), который дает структурное дерево данного предложения;

Структурное дерево Дерево разбора Рис. 1. Интепретор визуального языка пиктограмм

- компонента синтаксического разбора (КСР) произведет разбор структурного дерева для получения значения и результата выполнения визуального предложения;

Для выполнения втой задачи АВП использует информацию в

БДП.

Как показано выше, БДП огранизована в виде миожеотва кортежей-троек i=(i~image, i-name, i-type). Для какдой процесо-пиктограммы (пиктограммы, имеющей i-type=PROCESS) в продукциях Р визуальной грамматики G добавляется информация о правилах размещения ее операндов на плоскости. Правила размещения пиктограмм на плоскости показывают число пиктограмм-операндов и их позиции (области) размещения на плоскости. Пусть даны область плоскости и процесс-пиктограмма. Действующая процесс-пиктограмма определяет некоторые

суб-области, в которых находятся пиктограммы-операнды.

Область, которая содержит некоторые пиктограммы, но не содержит никакой процесс-пиктограммы называется составной пиктограммой.

Для анализа визуального предложения определяют порядок

просмотра пиктограмм, размещающихся на плоскости.

Изложен алгоритм конструирова!шя структурированного дерева визуального предложения.

Значение дерева разбора, т.е. оНачьит) исходного визуального предложения, определяется путем конструирования дерева с помеченными дугами, или дерева значения (ДЗ) втого предложения.

Для генерации ДЗ визуального предлогсения, компонента генерации значения визуального предложения (КГЗ) анализирует дерево разбора, применяя соответствующее семантическое правило, связанное с синтаксической продукцией.

Для генерации значения мы рассмотрим дерево разбора к для каждого узла применим семантическое правило, связанное о использованной продукцией. Таким образом, атрибуты вычисляются походящим путем.

В третьей главе рассматривается программная реализация системы графического изображения и прооптирования схем БД для СУБД КОМПАС. Сначала излагаются основные принципы гфоектирования системы. Подробно описывается структура системы, метод визуализации диаграмм схемы БД, особенности человеко-магаиного взаимодействия и архитектуры системы и их способ реализации.

В соответствии с сформулированными в предыдущих главах общими основами решения проблемы проектирования и представления схенм БД Сила разработана система графического изображения и проектирования схем БД для СУБД КОМПАС [1,2]. ГРАФическем Интерфейсом КОМпаса (ГРАФИКОМ) называется графический

интерфейс, поддерживающий процесс проектирования и задания запросов в СУБД КОМПАС. Сначала рассматриваются основные принципы проектирования системы ГРАФИКОМ. Как для всякого интерфейса "человеко-машиного" типа, при построении ГРАФИКОМ должны соблюдаться все введенные в разделе 1.4. принципы п требования. Подробно представлена общая структура системы, учитываящая все ее составляющие компоненты (рис.2). Далее изложен проект визуализации схем БД СУБД КОМПАС.

Для визуализации схем БД приведет следующие

структурированные графические объекты:

1«

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ

► Ц'рафический дизайнер

Фронтальный компонент

ГРАФИЧЕСКОЕ ЯДРО

Компонент манипулирования графическими диаграмами формами и таблицами

Компонент управления меню диалога

Выдача на акран

Интерфейсный компонент

РОП

ВАЗЫ ДАННЫХ

Графический запрос

Рис. 2. Структура системы ГРАФИКОМ

1. Узлы о меткой, которые имеют некоторые особенности (элементы).

2. Дуги о "оконечными" элементами и "структурированными" матками. Один из концов дуги мокет не заканчиваться в узло. Дуги могут быть толстые и тонкие, прерывистые и непрерывные.

Излокено решение проблемы автоматического изобрааония схем БД, которое состоит из двух последовательных шагов:

1. Автоматического размещения узлов диаграммы на плоскости.

2.' Автоматического изображения связей мевду узлами при их

определенном размещении на плоскости.

Приведена стратегия рисования аккуратной диаграммы, которая заключается в следующих критериях:

1. Минимизация общей длины линий связи.

2. Минимизация пересечений между линиями связи.

В конце раздела 3.3.2 подробнее изложен алгоритм расположения на плоскости узлов диаграммы схемы БД сетевой модели. При расположении узлов графа схемы БД следует придерживаться следующих правил:

1) располагать объекты, подчиненные системе, выше либо левее прочих;

2) располагать объекты ниже тех, которым они подчинены в соответствии с иерархическими связями;

3) не слишком удалять их по горизонтали от стариих, т.е. стремиться не допускать острых углов мевду ребрами и горизонтом.

В раздело 3.4.1. введен принцип реализации идей ООП в создании ГШ. На основе анализа структуры объектов ИП, действия над ними и их свойств наследствования определены следующие классы объектов, используя полиморфизм:

-Графические объекты диаграммы.

-Объект меню.

-Объект таблицы.

-Объект формы.

-Объект строки текстого редактора.

Представлена возможность графического проектирования схем БД системы ГРАФИКОМ.

На основе системы ГРАФИКОМ проведен анализ методологии проектирования СУИП: компоненты СУИПа, проблема взаимодействия с задачей, механизм управления диалогом. По принципу СУШ также реализована система графического программирования СР (3), описание которой дано в конце главы.

В заключении приведены основные результаты.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Дан анализ значимости' проектирования и представления схем БД, особенностей и недостаков подходов к проектированию схем БД. Сделан обзор возможностей интерфейсов пользователей для работы со схемами разных СУБД. Выведены преимущества ПОТ.

2. Введены формальные определения ВЯЛ , метод построения системы управления пиктограмами и способ разбора ВЯЛ. В частности, изложен ВЯЛ для проектирования схем баз данных в сетевой модели.

3. Построена общая архитектура системы, соответствующей предлагаемому подходу к проектированию и представлению схем БД.

4. Выполнена программная реализация системы ГРАФИКОМ -графический интерфейс изображения и проектирования схем БД для СУБД КОМПАС. При отом были решены следующие задачи:

а. задача визуализации схем БД сотовой модели;

б. проблема автоматического изображения диаграмм схемы БД

сетевой модели;

5. Обоснован подход к созданию ГИП на основе СУИП и парадигмы ООП. Создана система графического программирования GP путем применения етого подхода.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лонг Л.К., Шкотин A.B., Система графического проектирования схем баз данных (проект)// Автоматизация программирования. М.: ВЦ АН СССР Х991. -С.44-52.

2. Лонг Д.К. Графический интерфейс пользователя для объектно-ориентированной СУБД КОМПАС.// Автоматизация программирования. М.: ВЦ АН СССР 1991. -C.G3-69.

3. Зуй Н.С., Лонг Л.К., Нгок Б.К. Система GP и программирование на блок-схеме. Доклад Исслед. Инот. Вычисл. Тех и Авт. АН ВР, 1990, №з!.