автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Методы организации базы данных в автоматизированной системе управления безопасностью движения поездов

| иоит^ьиьш экземпляр )

На правах рукописи

Беляев Сергей Николаевич ^^^

Методы организации базы данных в автоматизированной системе управления безопасностью движения поездов

Специальность: 05.22.08 - Управление процессами перевозок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТе).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЛисенковВ.М.

доктор технических наук, профессор Шалягин Д.В., кандидат технических наук,. доцент Камнев В. А.

Ведущая организация: Департамент безопасности движения и экологии ОАО «Российские железные дороги».

Защита состоится_

_2004 года в_

У е-^иэ/ег

на заседании диссертационного Совета

Д218.005.07 при Московском государственном университете путей сообщения по адресу:

127994, ГСП-4, г.Москва, ул. Образцова 15, МИИТ, ауд.

/ГО у

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

В. И. Шелухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Дальнейшее повышение безопасности перевозок пассажиров и грузов на железных дорогах при условии рационального использования ресурсов, выделенных для этой цели, возможно только на основе совершенствования системы управления безопасностью перевозок (СУБП).

Необходимость совершенствования СУБП обусловлена: изменениями организационной структуры управления железнодорожным транспортом; в целом, законодательной среды его функционирования и необходимостью гармонизации нормативной базы управления безопасностью с международными рекомендациями в области безопасности продукции и услуг.

В этой связи по заданию Департамента безопасности движения и экологии ОАО «Российские железные дороги» ведутся работы по повышению эффективности функционирования СУБП. Одним из направлений этих работ является создание Автоматизированной системы управления безопасностью движения поездов (АСУ БД), автоматизирующей следующие функции:

- надзора за своевременностью и качеством исполнения технологических процессов, влияющих на безопасность перевозок;

- контроля остаточного ресурса технических средств;

- расчета показателей безопасности перевозок;

- формирования рекомендаций по оперативному устранению нарушений условий безопасного движения и предотвращению их возникновения.

Для реализации АСУ БД необходима база достаточно полных и достоверных данных о своевременности и качестве исполнения технологических операций по техническому обслуживанию и ремонтам технических средств, о текущем состоянии технических средств и их

остаточных ресурсах, о случаях переходов

состояния, об опасных отказах технических средств и опасных ошибках персонала.

Для организации высокоэффективной АСУ БД необходимо корректное и продуманное проектирование отношений в базе данных (БД), составляющей ее основу. БД должна отвечать определенным требованиям и иметь структуру, не содержащую избыточных информационных элементов и взаимосвязей.

В настоящее время не существует типовых и формализованных методов всех этапов организации БД, поэтому их разработка и реализация является актуальной задачей.

Процесс разработки БД содержит три этапа: концептуальное, логическое и физическое проектирование.

Не все этапы в равной степени разработаны и поддаются формализации. Так этапы логического и физического проектирования достаточно формализованы и автоматизированы, в то время как этап концептуального проектирования наименее разработан в этом отношении. Вместе с тем это первый и наиболее важный этап, результаты выполнения которого влияют на все последующие фазы разработки и на качество готовой БД в целом.

Концептуальное проектирование связано с определением последовательности этапов разработки, а также совокупности применяемых методов. Состав задач концептуального проектирования включает в себя: описание информационных требований, синтез концептуальной схемы (КС) БД, определение структуры системы БД (СБД), планирование ее разработки. Однако включение того или иного шага в общий процесс проектирования и выбор последовательности их выполнения являются в настоящее время нерешенной проблемой.

Эффективность процесса концептуального проектирования во многом зависят от уровня формализации описания данных, который определяется

4

применяемой концептуальной,моделью данных (КМД). Несмотря на наличие ряда КМД различных классов: логических, объектных, бинарных и т.д. проблема создания новых моделей БД сохраняет свою актуальность.

Из всего вышесказанного следует, что особое внимание необходимо уделить разработке методов проектирования БД на концептуальном этапе.

В диссертации, кроме того, разработана общая методика логического проектирования БД с использованием метода нормализации отношений. Актуальность этой работы. обусловлена необходимостью сокращения избыточности хранимых данных, а следовательно, экономии объема используемой памяти, уменьшения затрат на многократные операции обновления избыточных копий и устранения - возможности возникновения противоречий из-за хранения в разных местах сведений об одном.и том же объекте.

Целью работы является разработка методов организации баз данных в автоматизированной системе управления безопасностью движения поездов: концептуального проектирования систем баз данных, логического проектирования баз данных, графических моделей баз данных концептуального и логического уровней.

Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов дискретной математики, включающий методы теории множеств и теоретико - графовые модели.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана модель БД, положенная в основу создания системы проектирования баз данных, которая отличается от существующих тем, что отражает информационные потребности пользователя как на концептуальном, так и на логическом уровнях;

- предложен метод оптимизации структур БД, позволяющий проводить оптимизацию уже на первом этапе проектирования, что

значительно сужает дерево поиска оптимального варианта структуры;

5

- осуществлен выбор и обоснование формализованных методов и процедур, являющихся единой методологией проектирования баз данных;

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами их использования при разработке эскизного и технического проектов АСУ БД; разрабатываемой по заданию ОАО «Российские железные дороги».

Практическая ценность диссертации заключается в разработке БД для системы АСУ БД, не содержащей избыточных хранимых данных и взаимосвязей.

Реализация результатов работы. Методы организации базы данных использованы при проектировании баз данных для АСУ БД.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на четвертой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в пяти печатных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности. темы диссертации, сформулированы цель и задачи.

В первой главе произведен анализ существующей многоуровневой автоматизированной системы безопасности движения поездов (МАСУ БД). Показана невозможность в этой системе своевременного выявления тенденций к ухудшению безопасности, движения и невозможность принятия соответствующих корректирующих мер.

Также в этой главе описываются информационные.и.управляющие функции АСУ БД.

Сформулированы задачи, которые необходимо исследовать в диссертационной работе.

Во второй главе произведен анализ проблем; возникающих-при проектировании баз данных на выделенных этапах проектирования (рис. 1).

Рис.1. Этапы проектирования базы данных

Определены основные шаги концептуального проектирования БД методик разработки АС (табл. 1).

Таблица 1.

Основные шаги концептуального проектирования БД методик разработки ЛС

Условные обозначения:

- наличие общих предложений по проведению шага

- наличие методики и средств для выполнения шага

- автоматизированные процедуры выполнения шага

Проведенный анализ существующих методик и проблем концептуального проектирования БД сложной структуры и большой

размерности позволяет сделать вывод о том, что существующие методики проектирования ориентированы, в основном, на процессы спецификации и анализа требований. Для создания БД сложной структуры и большой размерности необходимо разработать методику концептуального проектирования, предусматривающую прохождение всех шагов проектирования.

Для анализа КМД в работе используется классификация МД, приведенная в таблице 2. Согласно классификации МД разбиваются по двум признакам:

- по уровню требований к категоризации данных на структурированные и неструктурированные модели;

- по использованию формальной системы для описания данных, на математические и эвристические.

Таблица 2.

Классификация концептуальных моделей данных

Модели Неструктури рованные МД Структурированные МД

Математические модели Логические модели Теоретико-множественные модели Модели, основанные на абстрактных типах данных

Эвристические модели Теоретико-графовые модели; семантические сети; (Ьвеймовые модели Семантические модели

Структурируемые вершины Неструкту- рируемые вершины Модели не-использующие «связь» Объектные модели Мотели тип л «объект-спязь»

МД с п-арными связями Бинарные МД

МД с атрибутами для обьек-тов и связей . МД с атрибутами только для объектов МД с атрибутами для объектов «1:п» «п:т» МД без атрибутов

На основании выполненного анализа обоснован выбор класса моделей «объект-связь» с парными связями и атрибутами для объектов и связей для целей концептуального проектирования, основными составляющими которой являются: сущности, которые по одинаковым признакам классифицируются в типы сущностей, связи между сущностями, атрибуты, множества значений (домены).

Логическое моделирование несет в себе сравнительно малую семантическую нагрузку по сравнению с концептуальным. В наиболее распространенном случае (реляционный подход) логическое проектирование сводится к тому, чтобы правильно сформировать объекты, их атрибуты и взаимосвязи с учетом требований ликвидации избыточности, нормализации и целостности данных.

В отличие от концептуального проектирования БД, где все усилия разработчика должны быть направлены в основном на структуризацию данных без рассмотрения особенностей реализации и вопросов эффективности обработки, при разработке логических структур можно выделить следующие критерии эффективности проектирования:

- уменьшение объема памяти, необходимого для хранения информации;

- уменьшение времени поиска требуемой информации;

- освобождение набора отношений от аномалий добавления, изменения и удаления.

В третьей главе на основе проведенного анализа процесса проектирования БД предлагается методика концептуального проектирования СБД. Методика предполагает использование следующих моделей: организационной модели, модели информационного следования и КМД.

Предложенная методика, основанная на существующих методиках, включает ряд этапов.

Первый этап концептуального проектирования относится к этапу

построения организационной модели, на котором осуществляется процесс

10

спецификации требований пользователей к системе. В результате построения организационной схемы определяется круг возможных пользователей, множество решаемых задач, документируется описание данных.

Далее строится модель информационного следования, при построении которой осуществляется анализ требований на полноту и непротиворечивость:

- проверяется наличие описания всех функций, задач и их данных;

- устанавливается следование данных в системе;

- определяются источники и потребители информации.

После того, как выполнено и уточнено описание всех задач предметной области (ПО) и в организационной' схеме и схеме информационного, следования не обнаружено противоречий, формируется структура СБД с помощью выбранной КМД.

На последнем этапе концептуального проектирования производится планирование разработки СБД. Эксперты оценивают сложность проектирования и эффективность построения отдельных предметных БД (ПБД), на основе которых выполняется назначение приоритетов построения ПБД на разработку и внедрение.

Модель предметной области может быть представлена в виде семерки:

Мпр0=< Р,Н,Р,0,У'х ,Увы* ,я >,

(1)

где

- множество автоматизируемых функций;

- множество задач (процедур) обработки данных;

- множество пользователей;

О = {о„\т = \,М}

множество объектов и процессов

автоматизации;

- множество входных данных; - множество выходных данных;

- полное множество информационных элементов

предметной области;

- множество отношений (взаимосвязей) между компонентами

Модель спецификаций информационных требований пользователей можно представить в виде:

где к - индекс пользователя, - структурные элементы предметной

области, Я - отношение между элементами. Структурными элементами моделей являются элементы множеств

Полное множество структурных

элементов обозначается через

Построение модели информационного следования включает в себя анализ информационных требований пользователей и формирование графов информационных структур.

В результате использования рассмотренных в диссертации методов упорядочения и исключения дублируемых элементов и избыточных взаимосвязей сформирована структурированная матрица смежности элементов

и соответствующий ей орграф ^й информационной структуры

(Эь(£)к,ик). Матрица (рис.2) и граф С^ (рис.3) не содержат

дублируемых элементов в группах данных и избыточных взаимосвязей между группами.

0 = {оят = \,М),

Г* = {у,|/ей. V™ = е Ьвых)

Рис.2. Структурированная матрица смежности В,

Рис.3. Орграф к-й информационной структуры С^ , 17к )

Разработанные процедуры и методы формирования и анализа информационных структур последовательно используются для каждого информационного требования пользователей множества S, в результате выполнения которых формируются множества структурированных матриц

и соответствующих им орграфов

13

Модели синтеза оптимальных логических структур БД разработаны с использованием критериев минимума времени загрузки информации в БД, минимума времени обслуживания заданного множества запросов пользователя и минимума суммарного числа связей между записями. •

Исходными данными для задач синтеза оптимальных логических структур БД являются параметры концептуальных структур БД, а также характеристики требований по обработке, формализуемые путем задания параметров множества запросов к БД и корректировок БД.

Результатом решения задач синтеза оптимальных логических структур БД является определение числа и состава логических записей, выбор структуры связей между записями.

Таким образом, произведен расчет основных характеристик структур БД: значение- суммарного числа просматриваемых указателей связи и сравниваемых экземпляров групп, среднее значение суммарного числа выбираемых при поиске экземпляров групп. Конкретные значения этих характеристик зависят от структуры запросов, определяющей различные варианты поиска данных.

Далее, в третьей главе, произведено создание графических моделей баз данных концептуального и логического уровней (рис.4, рис.5).

Рис.4. Граф - концептуальная модель реляционной базы данных Граф вк - есть концептуальная модель БД, включающая описание сущностей и их взаимосвязей и являющаяся представлением точки зрения пользователя на предметную область. Модель удовлетворяет критерию открытости: при введении дополнительных данных необходимо лишь расширить носитель моделей за счет дополнения новыми элементами множеств сущностей, атрибутов и связей.

В графе (рис.5) отражены логические связи между элементами данных, не зависящие от их содержания и среды хранения. Данная логическая модель ориентированна на реляционную СУБД.

Далее разработаны правила преобразования моделей концептуального уровня в модели логического уровня в зависимости от степени бинарной связи и класса принадлежности сущности.

Рис.5. Граф Оь - логическая модель реляционной базы данных

Также, в третьей главе, произведена разработка общей методики логического проектирования баз данных с использованием процедуры нормализации отношений баз данных.

Для выполнения процедуры нормализации необходимо первоначально иметь в качестве входных данных какие-либо «большие» таблицы, например, универсальные отношения, которые содержат в себе все представляющие интерес атрибуты.

При создании баз данных АСУ БД предлагаются следующие шаги нормализации универсального отношения:

- определение составного первичного ключа таблицы (универсального отношения);

- выявление полей, функционально зависящих от части составного первичного ключа;

- формирование новых таблиц из данных универсального отношения, исходя из полученных функциональных зависимостей;

- выделение в отдельные таблицы функциональных зависимостей между полями не входящими в первичный ключ;

- замена текстовых первичных и внешних ключей на цифровые (ввод в таблицы дополнительных идентификаторов).

Для того, чтобы проектируемая логическая модель удовлетворяла основным критериям эффективности проектирования (целостность данных, непротиворечивость данных, избыточность данных, исключение проблемы вставки и удаления данных), предлагается выполнить следующие этапы процедуры проектирования:

- представить каждую независимую сущность, ассоциативную сущность, характеризующую сущность и обозначающую сущность базовыми таблицами;

- определить первичные и внешние ключи этих таблиц;

- специфицировать ограничения, связанные с каждым из внешних ключей;

- представить каждое свойство (атрибут сущности) как поле в базовой таблице;

- для. того чтобы исключить в проекте непреднамеренные нарушения каких-либо принципов нормализации, выполнить описанную выше процедуру нормализации;

- если в процессе,нормализации было произведено разделение каких-либо таблиц, то следует модифицировать инфологическую модель базы данных и повторить перечисленные этапы;.

- указать ограничения целостности проектируемой базы данных и дать (если это необходимо) краткое описание полученных таблиц и их полей.

В четвертой главе произведено применение предложенных методов организации БД для проектирования базы данных АСУ БД (рис.6).

Рис. 6. Структурная схема информационных потоков АСУ БД

В диссертации представлены два варианта построения общей структуры базы данных АСУ БД. Выбран вариант, в котором аналитический центр сетевого уровня разгружен от дополнительной нагрузки, связанной с обработкой информации, полученной от различных источников (компонентов подсистемы ввода первичной информации), в котором вся информационная нагрузка накладывается на ИВЦ и ГВЦ, а аналитический центр сетевого уровня работает только с теми данными, которые необходимы непосредственно для расчета показателей безопасности движения поездов и выдачи выходных форм.

Из-за большого объема объектов рассматриваемой предметной области, выделенной с помощью анализа форм статистической отчетности используемой из технического задания на систему, было принято решение о разбиении базы дынных по смысловому содержанию на отдельные области, для упрощения проектирования БД-РЦ (рис.7).

Рис.7. Структурная схема организации БД-РЦ. 19

Важнейшей структурной составляющей автоматизированной системы безопасности движения поездов (АСУ БД) является нормативно-справочная информация (НСИ). Известны случаи перекодировки справочников, в результате чего возникают проблемы, связанные с нарушением ссылочной целостности (для значений внешнего ключа в экземпляре родительской сущности не существует соответствующее значение родительской сущности). Поэтому разработан метод поддержания таблиц НСИ в актуальном состоянии. Кроме кодов в таблицах базы, данных АСУ БД предлагается ввести дополнительные поля - уникальные идентификаторы, которые будут являться первичными ключами в таблицах НСИ (табл.3).

Таблица 3.

Таблица «Станции» с использованием идентификаторов

Уникальный Идентифика- Код. Дата Дата Наименование

идентифика- тор станции станции начала окончания станции

тор станции

1 1 19001 10.01.02 15.06.02 Люблино

2 1 19001 15.06.02 20.08.02 ЛЮБЛИНО_

3 2 19930 10.01.02 01.01.3000 Лефортово

4 3 23010 10.01.02 01.01.3000 Бирюлево

5 1 19001 20.08.02 01.01.3000 Люблино

Далее в четвертой главе произведено проектирование БД-РЦ АСУ БД с использованием методики изложенной в третей главе, включая этапы определения предметной области, создания концептуальной, логической и частично физической модели. На рис.8 представлена логическая модель области «Полигоны».

Модаль ПОЛИГОНОВ (ПОЛИГОНЫ)

Рис.8 Логическая модель области «Полигоны»

Также, в четвертой главе, произведен расчет дискового пространства БД РЦ АСУ БД. При условии хранения данных за 10 лет имеем объем необходимой дисковой памяти БД РЦ около 0,5 ТБ.

В приложениях приведены схемы логических и физических моделей областей баз данных аналитического центра АСУ БД.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в пяти печатных работах.

В итоге выполнения диссертации получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ методов проектирования баз данных. Показано, что при всем многообразии методов создания БД в настоящее время отсутствует единая методология их проектирования. Установлены преимущества и недостатки различных подходов к проектированию структур баз данных и делается вывод о необходимости усовершенствования методики их проектирования. .

2. Обосновано применение комбинированного подхода к проектированию систем баз данных, позволяющего снизить размерность

решаемых задач. Установлен состав задач концептуального этапа проектирования системы баз данных.

3. Разработана методика, концептуального проектирования систем баз данных, предусматривающая взаимосвязь и решение сформулированных задач концептуального проектирования СБД, включающая методику построения- организационной модели базы данных, методику построения модели информационного следования и метода нормализации информационных структур.

4. Выполнено формализованное описание основных компонентов концептуальной и логической структур баз данных с разработкой метода расчета основных характеристик структур баз данных.

5. Разработана методика создания графических моделей концептуального и логического уровней с разработкой правил преобразования модели концептуального уровня в модель логического уровня.

6. Определена последовательность шагов общей методики логического проектирования.

7. Разработана общая структура базы данных АСУ БД.

8. Разработан метод поддержания таблиц НСИ в актуальном состоянии при помощи добавления дополнительных полей в структуры таблиц.

9. Осуществлено проектирование БД-РЦ АСУ БД, включая определение предметной области системы, построение концептуальной, логической и физической моделей данных.

10. Произведен расчет необходимого дискового пространства БД-

РЦ АСУ БД.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Беляев С.Н. Смысловое содержание информации, используемой в банке данных автоматизированной системы управления безопасности движения поездов (АСУ БД); сетевого уровня. // Труды четвертой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» . - М.: МИИТ,2003г.-с.П-2.

2. Беляев С.Н. Основные критерии качества проектирования баз данных // Журнал «Объединенный научный журнал» . - М.: 2003 г. № 24. С. 70-71.

3. Беляев С.Н. Структура таблиц нормативно-справочной информации базы данных аналитического цента сетевого уровня автоматизированной системы управления безопасности движения поездов // Труды четвертой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», второе издание . - М.: МИИТ, 2003 г. - с. И-40.

4. Беляев С.Н., Лисенков В.М. Методика концептуального проектирования систем баз данных автоматизированной системы управления безопасности движения поездов // Труды четвертой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», второе издание . - М: МИИТ,2003г.-с.11-41.

5. Беляев С.Н. Основные этапы методики проектирования баз данных автоматизированной системы управления безопасностью движения поездов // IV Международная научно-практическая конференция «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» - М.: МГИУ, 2003 г. - С. 177179.

Беляев Сергей Николаевич^ - 7 4 1 ^ Методы организации базы данных в автоматизированной системе управления безопасностью движения поездов

05.22.08 - Управление процессами перевозок

Подписано к печати

Формат бумаги 60x84/16 Объем 1,5 п.л. Заказ № ¿ВО. Тираж 80 экз. 127994, Москва, ул. Образцова, 15, Типография МИИТа

Введение.

1. Анализ автоматизированных систем управления безопасностью движения поездов.

1.1. Анализ функций МАСУ БД.

1.2. Информационные функции управления безопасностью движения и надзора, автоматизируемые АСУ БД.И

1.3. Управляющие функции управления безопасностью движения и надзора, автоматизируемые АСУ БД.

1.4. Задачи исследования.

2. Анализ проблем технологии построения баз данных.

2.1. Анализ проблем проектирования баз данных.

2.2. Анализ методик проектирования баз данных на концептуальном уровне.

2.3. Анализ моделей данных концептуального уровня.

2.4. Анализ методов проектирования баз данных.

Выводы по главе 2.

3. Методология проектирования баз данных.

3.1. Методика концептуального проектирования систем баз данных.

3.2. Построение организационной модели базы данных.

3.3. Построение модели информационного следования базы данных.

3.3.1. Методы нормализации информационных структур пользователей.

3.4. Метод построения концептуальной структуры базы данных.

3.5. Методы проектирования логических структур баз данных.

3.5.1. Формализованное описание исходных данных.

3.5.2. Методы расчета основных характеристик структур БД.

3.5.3. Методика проектирования реляционных логических структур БД.

3.6. Создание графических моделей баз данных концептуального и логического уровней.

3.6.1. Создание графической модели баз данных концептуального уровня.

3.6.2. Создание графической модели баз данных логического уровня.

3.6.3. Разработка правил преобразования модели концептуального уровня в модель логического уровня.

3.7. Разработка общей методики проектирования баз данных.

3.7.1. Цели проектирования.

3.7.2. Нормализация. Функциональные и многозначные зависимости.

3.7.3. Процедура нормализации.

3.7.4. Общая процедура логического проектирования.

Выводы по главе 3.

4. Разработка структуры базы данных аналитического центра АСУ БД.

4.1. Проектирование общей структуры базы данных АСУ БД.

4.2. Структура таблиц НСИ АСУ БД.

4.3. Определение предметной области БД-РЦ АСУ БД.

4.4. Построение концептуальной модели БД-РЦ АСУ БД.

4.5. Определение дискового пространства БД-РЦ АСУ БД.

Выводы по главе 4.

Рост объемов и сложности обрабатываемой информации, увеличение требований к достоверности и полноте информации в автоматизированных системах (АС) обуславливает необходимость совершенствования их программного и информационного обеспечения.

Информационные системы (ИС), разрабатываемые на основе автоматизированных баз данных, позволяют образовывать гибкие структуры данных, объединяемые в специальным образом организованные базы данных (БД). Для организации высокоэффективной АС необходимо корректное и продуманное проектирование отношений в БД, составляющей ее основу. Каждая БД должна обладать строго определенной совокупностью значений параметров, отвечать необходимым требованиям и иметь структуру, не содержащую избыточных информационных элементов и взаимосвязей.

В настоящее время не существуют типовой структуры для АС и формализованных методов проектирования структур БД, поэтому их разработка и реализация является актуальной задачей.

Начиная с 70-х годов широкое распространение получила технология разработки и эксплуатации АС, основанная на концепции автоматизированных баз данных [16, 19].

База данных представляет систему информационных, программных, языковых и технологических средств, предназначенную для централизованного хранения и коллективного использования данных [21].

Основные составляющие автоматизированной БД: собственно база данных и система управления базами данных.

База данных - поименованная структурированная совокупность данных, относящаяся к конкретной предметной области (ПО) [9] . Для АС, где данные имеют сложную структуру (сотни и тысячи типов элементов) и большую размерность (до 10 - 100 Гб и более), они организуются в систему баз данных (СБД), состоящую из множества относительно независимых предметных баз данных (ПБД). Каждая ГТБД используется несколькими приложениями.

При создании баз данных используют предметный и прикладной подходы проектирования. В общем случае предметный подход используется для построения первоначальной информационной структуры, а прикладной — для ее совершенствования с целью повышения эффективности обработки данных.

Далее будем рассматривать проектирование отдельных реляционных предметных БД.

Объект исследования диссертационной работы - система однородных БД, представляющих информацию о ПО сложной структуры и большой размерности.

Система управления базами данных (СУБД) - это специализированный комплекс программных средств, обеспечивающий ввод, накопление, хранение, поиск и выдачу данных [23] .

Создание, внедрение и эксплуатация БД являются весьма сложной проблемой. В проектировании БД выделяют две основные задачи [11, 22]: разработка БД и разработка СУБД. Наличие множества универсальных и специализированных СУБД позволило свести задачу разработки СУБД к выбору типовой СУБД на соответствующем этапе проектирования, удовлетворяющей предъявляемым требованиям.

Проектирование БД для новой ПО является самостоятельной задачей. В соответствии с многоуровневой архитектурой в разработке БД выделяют три этапа: концептуальное, логическое и физическое проектирование. Их структура и основные задачи рассмотрены в [9, 29].

Концептуальное проектирование заключается в спецификации информационных требований пользователей и синтезе их в проект системы баз данных. Логическое проектирование связано с построением схемы БД, удовлетворяющей предъявляемым к ней требованиям. На этапе физического проектирования определяются характеристики методов доступа и структур хранения относительно выбранной логической схемы.

Не все этапы в равной степени разработаны и поддаются формализации [29,31].

Реляционные методы проектирования [27] и методы отображения реляционных структур данных [27] в иерархические и сетевые, а также средства современных СУБД позволили формализовать и автоматизировать процессы логического и физического проектирования. Этап концептуального проектирования является наименее разработанным и формализованным [28]. В то же время это первый и наиболее важный этап, результаты выполнения которого влияют на все последующие фазы разработки и качество готовой системы ПБД [31,45].

Из всего вышесказанного следует, что разработка методов и средств проектирования БД на концептуальном этапе является актуальной задачей.

Решение этой задачи связано с определением последовательности этапов разработки, а также совокупности применяемых методов и средств. Состав задач концептуального проектирования БД рассматривается в [16, 22]. Для систем БД это: описание информационных требований, синтез концептуальной схемы (КС) БД, определение структуры СБД, планирование ее разработки. Однако включение того или иного шага в общий процесс проектирования и выбор последовательности их выполнения являются в настоящее время дискуссионной проблемой.

Эффективность процесса и результатов концептуального проектирования во многом зависят от уровня формализации описания данных, который определяется применяемой концептуальной моделью данных (КМД). Несмотря на наличие ряда КМД различных классов: логических, объектных, бинарных и т.д. [35, 38] проблема создания новых моделей БД сохраняет свою актуальность [2,13].

Задачей диссертации является разработка методов организации банка данных в разрабатываемой Автоматизированной системе безопасности движения поездов (АСУ БД).

Целью создания АСУ БД является повышение безопасности движения поездов, сокращение потерь различных видов, в том числе потерь здоровья и жизни пассажиров, а также товарных качеств грузов, путем автоматизации выполнения ряда информационных и управляющих функций системы управления безопасности движения [65].

Система АСУ БД проектируется как многоуровневая система, функционирует на всех иерархических уровнях управления железнодорожными перевозками (Министерство транспорта и связи, Открытое акционерное общество «РЖД», управления железных дорог и отделения железных дорог), поэтому разработка модели базы данных в этой системе является задачей повышенной сложности.

База данных системы должна иметь распределенную структуру, т.е. распределена по всей сети железных дорог России. В диссертации будет детально рассмотрена централизованная часть банка дынных системы АСУ БД — банк данных сетевого уровня или банк данных аналитического центра.

В банке данных аналитического центра содержится вся необходимая информация для расчета фактических показателей безопасности движения поездов, технических средств и функционирования персонала.

В диссертации разработана экспериментальная модель базы данных аналитического центра с последующим применением этой модели на железнодорожном транспорте.

Целью работы является разработка методологии проектирования баз данных.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- создание метода концептуального проектирования систем баз данных;

- создание графических моделей баз данных концептуального и логического уровней;

- создание методики логического проектирования баз данных.

Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов дискретной математики, включающий методы теории множеств, и теоретико - графовые модели.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана эффективная двухуровневая модель БД, положенная в основу создания системы проектирования баз данных, которая отличается от существующих тем, что отражает информационные потребности пользователя как на концептуальном, так и на логическом уровнях;

- предложен метод многокритериальной оптимизации структур БД, позволяющий проводить оптимизацию уже на первом этапе проектирования, что значительно сужает дерево поиска оптимального варианта структуры;

- осуществлен выбор и обоснование формализованных методов и процедур, являющихся единой методологией проектирования баз данных;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- работоспособностью и соответствием предъявляемым требованиям к проектированию баз данных.

Практическая ценность работы.

Внедрение предложенной системы проектирования позволяет сэкономить время разработки базы данных.

Реализация результатов работы. Разработанная система проектирования использована при проектировании баз данных для АСУ БД.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в пяти печатных работах.

Выводы по главе 4.

1. Разработана общая структура построения базы данных АСУ БД, используя многоуровневый информационный обмен: линейное подразделение - отделение - ИВЦ дороги - ГВЦ МПС.

2. Разработана структурная схема базы данных аналитического центра сетевого уровня АСУ БД (БД-РЦ).

3. Разработан метод поддержания таблиц НСИ в актуальном состоянии при помощи добавления дополнительных полей (идентификаторов) в структуры таблиц.

4. Произведено проектирование БД-РЦ АСУ БД, включая определение предметной области системы, построение концептуальной, логической и физической моделей данных.

5. Произведен расчет необходимого дискового пространства БД-РЦ

АСУ БД.

Заключение

В итоге выполнения диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проанализированы системы безопасности железнодорожного транспорта. Показана актуальность создания АСУ БД.

2. Выполнен анализ методов проектирования баз данных. Показано, что, несмотря на многообразие методов создания БД в настоящее время отсутствует единая методология их проектирования. На базе описанных выше исследований устанавливаются преимущества и недостатки различных подходов к проектированию структур баз данных и делается вывод о необходимости усовершенствования методики их проектирования.

3. На основании проведенного анализа существующих подходов и методик проектирования баз данных обосновано применение комбинированного подхода к проектированию систем баз данных, позволяющего снизить размерность решаемых задач. Установлен состав задач концептуального этапа проектирования системы баз данных.

4. Разработана методика концептуального проектирования систем баз данных, предусматривающая взаимосвязь и решение сформулированных задач концептуального проектирования СБД, включающая методику построения организационной модели базы данных, методику построения модели информационного следования и метода нормализации информационных структур.

5. Выполнено формализованное описание основных компонентов концептуальной и логической структур баз данных с разработкой метода расчета основных характеристик концептуальных структур баз данных.

6. Разработана методика создания графических моделей концептуального и логического уровней с разработкой правил преобразования модели концептуального уровня в модель логического уровня.

7. Приведена последовательность шагов общей методики логического проектирования.

8. Разработана общая структура построения базы данных АСУ БД, используя многоуровневый информационный обмен, с разработкой структурной схемы базы данных аналитического центра сетевого уровня АСУ БД.

9. Разработан метод поддержания таблиц НСИ в актуальном состоянии при помощи добавления дополнительных полей в структуры таблиц.

10. Произведено проектирование БД-РЦ АСУ БД, включая определение предметной области системы, построение концептуальной, логической и физической моделей данных.

11 .Произведен расчет необходимого дискового пространства БД-РЦ

АСУ БД.

1. Бабанова Н.И. Применение двухуровневой графовой модели для проектирования реляционных баз данных // Труды СКГТУ, выпуск 7, Владикавказ: Терек 2000.

2. Базы и банки данных знаний: Учебник для вузов по спец. "Автоматизированные системы обработки информации и управления" / Г.И. Ревунков, Э.Н. Самохвалов, В.В. Чистов; Под ред. В.Н. Четверикова. -М.: Высшая школа, 1992. 367 с.

3. Беляев С.Н. Основные критерии качества проектирования баз данных // Журнал «Объединенный научный журнал» . — М.: 2003 г. № 24. С. 70-71.

4. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных сетей. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 235 с.

5. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование информационной базы автоматизированной системы на основе СУБД: Практическое руководство. -М.: Финансы и статистика, 1982. — 174 с.

6. Ю.Болтинсткий В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1968.-408 е., ил.

7. Брешников A.B. Оперативная разработка баз данных средствами системы CLARION M.: Машиностроение, 1995. - 63 с.

8. Бритов П.А., Липчинский Е.А. Практика построения Хранилищ Данных: Система SAS. // СУБД, № 4.5, 1998, с. 60.

9. Вейнеров О.М., Самохвалов Э.Н. Проектирование баз данных. М.: Высшая школа, 1990. — 140 с.

10. Дедегкаев А.Г., Яровая-Бабанова Н.И. Анализ информационных потоков и построение канонической структуры базы данных для подсистем "База данных городских инфраструктур". / Труды СКГТУ, выпуск 6, Владикавказ: Терек, 1999.

11. Дедегкаев А.Г., Бабанова Н.И. Запрещенные фигуры оптимизации структур локальных баз данных на этапе логического проектирования. / Сб. трудов аспирантов, Владикавказ, 2000.

12. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных: Учеб. для студентов вузов по направлению и спец. "Информационные системы в экономике" М.: Финансы и статистика, 1995. — 208 с.

13. Дюран Б., Одел П. Кластерный анализ М.: Статистика, 1977. - 128 с.

14. Ерема-Еременко A.A., ,Мииховский С.Д. Модель и язык описания предметной области // Банки данных: Тез. докл. 2 Всесоюз. Конф. Секция

15. Методы и системы проектирования баз данных. Ташкент, 1983. - С. 20-22.

16. Интерактивная разработка информационных систем / Геловани В.А., Безруков Д.И., Братков В.Г. и др. // Техническая кибернетика. 1986. № 2.-С. 48-70.

17. Инфологическая модель в системе автоматизированного проектирования баз данных: концепции построения и реализации / Вейнеров О.М., Савинков В.М., Жадан Н.В., Казаров М.С. // Прикладная информатика, 1987.-Вып. 2.-С. 59-75.

18. Калиниченко Л.А. Методы и средства интеграции неоднородных баз данных. М: Наука, 1983. - 424 с.

19. Крахт В.А., Росталу Э.П. Проектирование баз данных на основе реляционно-решетчатой концептуальной модели предметной области // УС и М. -1981. № 4. - С. 22 - 28.

20. Кульба В.В., Ковалевский С.С., Косяченко С.А., Сиротюк В.О. Теоретические основы проектирования оптимальных структур распределенных баз данных. -М.: Российская академия наук. Институт проблем управления, 1999.- 660 с.

21. Мартин Дж. Планирование развития автоматизированных систем. М.: Финансы и статистика. 1984, — 196 с.

22. Мейер Д. Теория реляционных баз данных. М.: Мир, 1987. — 608 с.

23. Савинков В.М., Вейнеров О.М., Казаров М.С. Основные концепции автоматизации проектирования баз данных // прикладная информатика. — М.: Финансы и статистика, 1982. Вып. 1. - С. 30 -41.

24. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирования структур баз данных: в 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 287 с.

25. Филиппов В.Н. Теоретико множественный подход к моделям данных // Банки данных: Материалы 3 Всесоюз. конф. — Таллин. 1985. С. 16-25.

26. Хаббард Дж. Автоматизированное проектирование баз данных. М.: Мир, 1984.-296 с.

27. Цаленко М.Ш. Семантические и математические модели баз данных. -М.: ВИНИТИ, 1985. 208 с.

28. Церелик Г.Г. Системы распределения баз данных. Львов: Свит, 1990. -167 с.

29. ANSI/X3/SPARC. Study group on data base management systems interim report FDT // Bull. ASM-SIGMOD. 1975. Vol. 7, N 2.

30. Abrial I.R. Data semantics // Data Base Management / Amsterdam: North — Holland, 1974. P. 1-59.

31. Atzeni D., Carboni E. INCOD (A system for interactive conceptual design) revisited after the implementation of a prototypen // Entity Relationship Approach to Information modeling and Analysis. - Amsterdam: North — Holland, 1983. - P. 449 - 464.

32. Batini C., Lenzerini M., Navathe S.B. A Comparative Análisis of Methodologies for Database Shema Integration //ACM Computing Survies. -1986. V. 18. - N 4. - P. 332 - 364.

33. Bekke J.H. Semantic data modeling in relation environments: Diss. — Delft, 1991.-VIII, 140 p.

34. Borgida A., Mylopolus I., Wong H.K.T. Generalization/Specialization as a Basis for Software Specification // On Conceptual Modelling. Berlin: Springer - Verlag, 1984. - P.87 - 117.

35. Bravaco R.R., Yadav S.B. A Methodology to model the dynamic structure of an organization // Inf. Syst. 1985. - V.10. - N 3. - P. 299 - 317.

36. Brodie M.L. On the development of Data Models // On Conceptual Modelling. -Berlin: Springer-Verlag, 1984.-P. 19-47.

37. Brodie M.L., Silva E. Active and Passive Component Modelling: ACM / PCM // Information Systems design methodologies: a comparative review -Amsterdam: North Holland, 1982. - P. 41 - 92.

38. Burns R.N., Dennis A.R. Sleeting the Appropriate application development methodology // Data Base. — 1985. — V. 17. — N 1.-P. 19-23.

39. Chen P.P. Application of the entity relationship model // Lect. Notes in Comp. S. - 1982. - V.132. - P.87 - 113.

40. Chen P.P. Preliminary framework for Entity — Relationship models // Entity — Relationship Approach to Systems Analysis and Design. — Amsterdam: North -Holland, 1981.-P. 103-119.

41. Chen Q.A Rule Based objects/task Modelling approach // SIGMOD Record. - 1986. - V.5. - N2. — P.72 - 83.

42. Chiang T.C., Beryeron R.I. A data base management system with an ER conceptual model // Entity-Relationship Approach to System Analysis and Design.- Amsterdam: North-Holland, 1981. P. 467- 476.

43. Codd E.F. Extenting the data base relational model to capture more meaning // ACM Trans, on Database Systems. 1979. - V.4. - N 4. - P. 397 - 434.

44. Comparision of analysis techniques for information Requirment determination / Yadav S.B., Bravaco R.R., Chatfield A.T., Rajkumar T.M. // Comm. ACM. -1988. V. 31. -N 9. - P. 1090 - 1097.

45. Dawson K.S., Parker L.M.P. From Entity-Relationship Diagrams to Forth Normal Form: A Pictorial Aid to Analysis // Computer Journal. 1988. - V. 31. -N 3. — P. 258-268.

46. Elmasri R., Weeldreyer J., Hevnel A. The category concept: An extension to the entity-relationship model // Data and Knowledge Engineering. 1985. — V. 1.-N1.-P. 75-116.

47. Ellis V. A Refined model for definition as System requirements // Data Base Journal. 1982. - V. 2. - N 3. - P. 2 - 9.

48. Entity-relationship approach ER'93: 12th Intern. Conf. on Entity-Relationship Approach. - Berlin: Springer, 1994. - X. 530 p.

49. Feldman D., Miller P. Entity Model Clustering: Structuring a Data Model by Abstraction // The Computer Journal. 1986. - V. - 29. - N 4. - P. 348 - 361.

50. Fitzgerald G., Stokes N., Wood J.R.G. Feature Analysis of Contemporary Information Systems Methodologies // The Computer Journal. 1985. - V. 28. -N3.-P. 223-230.

51. Grodolla M. An extended Entity-Relationship model: Fundamentals and pragmatics. Berlin et. al.: Springer, 1994. - X, 136 p.

52. Hammer M., Mcleod D. Database Description witch SDM: A Semantic Database Model // ACM Trans on Database Systems. -1981.- V.6. N 3. - P. 351-386.

53. ISO TS 97/SC5/W63 N 095. Concept and terminology for the conceptual schema and information base, 1982.

54. Knuth E., Halasz F. SDLA System Description and Logical Analysis // Information system design methodologies: comparative review. — Amsterdam: Noth-Holand, 1982. P. 143 - 172.

55. Marti R.W. Integrating Database and Program Description using an ER-Data Dictionary // Entity-Relationship Approach to Software Engineering. -Amsterdam: North-Holland, 1983. P. 797 - 391.

56. Ng A., Paul J.F. A Formal definition of entity-relationship Model // Entity-Relationship Approach to System Analysis and Design. — Amsterdam: North-Holland, 1981. P. 211 - 230.

57. Parrelo B., Overbeek R., Lusk E. The design of entity-relationship models for general lager systems // Data and Knowledge Engineering. 1985. - V. 1. - N l.-P. 155-180.

58. Smith J.M., Smith D.C.P. Principles of data base Conceptual design // Lect. Notes in Comp Sci. 1982. - V. 132. - P. 144 - 146.

59. Zhao L., Roberts S.A. As Object Oriented Data Model for Data Modelling. Implementation and Acces // The Computes Journal. - 1998. - V. 31. - N 2. -P. 116- 124.

60. Техническое задание на АСУ БД 18391774.19300.004-2. Департамент безопасности движения и экологии Министерства путей сообщения. М.: 2001.-78 с.