автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Модель и алгоритмы динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных

На правах рукописи

О

Р7

ЗИНЧЕНКО Роман Егорович

МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ СИСТЕМНОГО ИЗОМОРФИЗМА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И БАЗЫ ДАННЫХ

Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики

4841524

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2011

2 4 МАР 2011

4841524

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пензенский государственный педагогический университет имени В. Г. Белинского».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

ДРОЖДИН Владимир Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ЯКИМОВ Александр Николаевич;

кандидат технических наук, доцент ПИКУЛИН Василий Васильевич

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

физических измерений

Защита состоится 7 апреля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.186.01 при ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» и на сайте университета http://www.pnzgu.ru.

Автореферат разослан 4 марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор (У Е. И. Турин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматизированные информационные системы (АИС) нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Современные АИС являются пассивными системами, не способными в процессе функционирования модифицироваться пользователями для учета особенностей предметной области и самостоятельно оптимизировать организацию и обработку данных. Вследствие этого они обладают рядом существенных недостатков: модель предметной области (ПрО) часто представляется в форме внешней схемы базы данных (БД), реализованной в рамках даталогической модели данных, ориентированной на внутреннюю обработку информации; требуется сложный и трудоемкий процесс проектирования и создания АИС для учета различных ситуаций, возникающих в процессе решения задачи информационного обслуживания.

Для учета специфики ПрО и повышения эффективности использования АИС целесообразно:

1) возложить часть проектирования системы на самих пользователей, обладающих хорошими знаниями о предметной области, что позволит обеспечить высокую адекватность ПрО;

2) более полно учитывать семантику ПрО в информационной модели . и обеспечивать высокую эффективность обработки данных, что делает целесообразным использование моделей разных типов для отражения ПрО и организации базы данных.

Высокая сложность предметных областей и решаемых задач не позволяет быстро и за одну итерацию создавать хорошие информационные системы, поэтому они проектируются и создаются поэтапно, что часто требует доработки уже используемых подсистем. С другой стороны, в процессе эксплуатации АИС постепенно уменьшается ее адекватность внешней среде, вследствие изменения среды и решаемых задач, а модель ПрО фиксирована в системе. Это снижает качество удовлетворения информационных потребностей пользователей и требует изменения системы.

Таким образом, тесная взаимосвязь модели ПрО и БД на основе их статического соответствия требует больших затрат на модификацию системы в случае изменения модели ПрО или БД.

Для удобства преобразования информации из реляционной БД в объектную форму в прикладных программах часто используют системы объектно-реляционного отображения, или ORM-системы (Object-Relational Mapping). Применение технологии ORM при разработке АИС позволяет

абстрагировать бизнес-логику и интерфейс пользователя от источника данных, что делает программное приложение относительно независимым от используемой системы управления базами данных (СУБД). Однако существующие реализации технологии ORM не предполагают динамической адаптации механизма объектно-реляционного отображения к изменению внешней среды, т.е. к изменению схемы объектной модели слоя бизнес-логики и/или схемы БД.

Повышение эффективности создания АИС осуществляется на основе использования CASE-технологий (Computer-Aided Software Engineering), реализующих инструментальную поддержку технологии проектирования и позволяющих создавать программные приложения с использованием парадигмы модельно-ориентированной разработки MDD (Model Driven Development). Применение CASE-технологий обеспечивает стандартизацию процесса разработки АИС и снижает трудоемкость сопровождения программных приложений. Однако сложность CASE-средств позволяет выполнять изменение программной системы в процессе эксплуатации только ее разработчиками. Следовательно, технологии CASE и MDD, упрощая разработку АИС, не решают проблему их эволюции в процессе эксплуатации.

Следовательно, трансляция концептуальной модели ПрО в БД с применением технологий ORM и CASE недостаточно эффективна для поддержки функционирования эволюционных АИС.

Рассматриваемым вопросам большое внимание уделяли Дж. Мартин, Д. Ульман, К. Дейт, Э. Кодд, М. Ш. Цаленко, М. Р. Когаловский, Т. В. Гав-риленко и др. Однако проблема логической и физической независимости данных в полном объеме не решена до настоящего времени.

Поэтому одной из важнейших задач создания дружественных (ориентированных на конкретных пользователей) АИС с высокой эффективностью обработки данных является реализация динамического соответствия модели ПрО и БД.

Объектом исследования являются процессы согласования концептуальной модели ПрО и БД при их независимых изменениях.

Предметом исследования являются способы эффективного отображения концептуальной модели ПрО в БД.

Цель работы заключается в создании модели динамической поддержки соответствия концептуальной модели ПрО и БД в форме системного изоморфизма и алгоритмов, обеспечивающих ее эффективную реализацию.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих моделей отображения концептуальной модели предметной области в базу данных.

2. Разработка модели динамической поддержки соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма.

3. Разработка способа динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых 5(ЗЬ-запросов.

4. Разработка алгоритмов динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных.

5. Разработка структуры программного компонента, реализующего модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных.

6. Разработка структурной модели информационной системы, использующей динамическую поддержку соответствия концептуальной модели ■ предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма.

Методы исследования. В процессе исследования использовались положения теории систем, дискретной математики, теории множеств, алгебраических систем, математической логики, теоретических основ информатики и баз данных.

Научная новизна:

1. Предложено включить формализованную концептуальную модель предметной области в структуру АИС. Это обеспечит взаимодействие пользователей с АИС на семантическом уровне и позволит создавать и модифицировать систему в процессе функционирования без разработки новых и модификации существующих приложений.

2. В отличие от известных статических моделей соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме математического изоморфизма предложено и обосновано использование соответствия в форме системного изоморфизма, позволяющего АИС содержать в базе данных дополнительную информацию, что предоставляет возможность приобретения системой новых функций, например, создание и поддержка базы данных самой АИС, динамическое согласование модели предметной области и базы данных.

3. Впервые предложена логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, определяющая корректное функционирование АИС при независимых изменениях модели предметной области и базы данных.

4. Предложен способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых ЗС^Ь-запросов, позволяющий использовать для ведения базы данных существующие СУБД и обеспечивать эффективность обработки данных без снижения быстродействия, обеспечиваемого СУБД.

5. Разработаны алгоритмы поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющие восстанавливать его при нарушениях вследствие независимых модификаций модели предметной области и базы данных.

6. Предложена структура информационной системы с динамической поддержкой соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма, впервые позволяющая пользователям модифицировать АИС в процессе ее функционирования, что обеспечивает высокую адекватность системы внешней среде и увеличивает срок ее эксплуатации.

Теоретическая ценность. Предложенная логическая модель и алгоритмы динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД обеспечивают их независимые изменения с сохранением целостности системы, что является существенным шагом к созданию самоорганизующихся информационных систем.

Практическая ценность. Разработанная структура программно-информационного компонента динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных обеспечивает автоматическую корректировку их соответствия в реальном времени, что позволяет осуществлять разработку АИС без создания новых приложений и снижает время и затраты на их создание и сопровождение.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, определяющая корректное функционирование АИС при независимых изменениях модели предметной области и базы данных.

2. Способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых БС^Ь-запросов, позволяющий использовать существующие СУБД и осуществлять эффективную обработку данных в АИС.

3. Алгоритмы поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющие автоматически содержать систему базовых 5С>Ь-запросов и базу данных АИС в актуальном состоянии.

4. Структурная модель информационной системы с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющая пользователям создавать АИС и модифицировать ее в процессе эксплуатации.

Внедрение результатов работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, использованы:

- в научно-исследовательской работе по теме «Разработка модели самоорганизующейся информационной среды», выполненной Пензенским государственным педагогическим университетом имени В. Г. Белинского в 2008-2010 гг. по тематическому плану Федерального агентства по образованию;

- в разработке подсистемы организации и обработки данных систем видеонаблюдения ООО НПФ «ГЕМУС»;

- в научно-исследовательской работе по теме «Развитие и актуализация информационной системы оценки качества подготовки студентов вузов по дисциплине «Русский язык и культура речи», выполненной Пензенским государственным педагогическим университетом имени В. Г. Белинского в 2008-2010 гг. по Государственному контракту № П46 от 09.04.2008 г.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:

- на VI, VII, VIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (г. Пенза, 2006, 2007, 2008);

- на П Международной научно-практической конференции «Инновации в управлении и образовании: технико-технологические и методические аспекты» (г. Тула, 2009);

- на IX Международной научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике», посвященной 70-летию Пензенского государственного педагогического университета имени В. Г. Белинского (г. Пенза, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах автора, 5 из которых в журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 129 наименований. Работа содержит 140 страниц основного текста, 38 рисунков, 3 таблицы, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулирована цель и определены задачи исследования; показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов; приведены сведения об апробации и внедрении работы.

Первая глава посвящена эволюции архитектуры АИС, анализу концептуального моделирования ПрО и методам отображения модели ПрО в БД, используемых в существующих АИС.

Эволюция архитектуры АИС осуществляется в направлении повышения ее гибкости и обеспечения длительной адекватности внешней среде.

Анализ концептуального моделирования ПрО показывает, что наиболее широко для моделирования ПрО используются ЕЯ-модель П. Чена, семантические сети, объектная модель, модель потоков данных и др. Все эти модели являются преимущественно логическими и отражают определенные стороны объектов и их взаимодействие в ПрО. Необходимость отражения сложных ПрО требует максимального учета в концептуальной модели семантики ПрО.

Для организации и обработки данных используются как традиционные иерархическая, сетевая и реляционная, так и достаточно новые объектная, многомерная и другие модели данных. Ориентация моделей данных на обработку информации требует их эффективной реализации.

Учитывая разные цели концептуальной модели и модели данных, что проявляется в различном представлении одной и той же ПрО, при создании АИС возникает задача согласования и установления соответствия между этими моделями, обеспечивающего возможность их независимых изменений и корректную обработку данных в системе.

Во второй главе осуществляется разработка модели динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД и организации АИС, использующей соответствие такого типа.

На основе системного подхода предполагается, что концептуальная модель ПрО и БД являются относительно самостоятельными системами, между которыми устанавливается определенное соответствие.

В существующих АИС принято статическое изоморфное соответствие концептуальной модели ПрО и БД, требующее полного отображения концептуальной модели ПрО в БД, и наоборот. Динамическая поддержка изоморфного соответствия является очень трудоемкой, поэтому в существующих АИС используется именно статическое соответствие, устанавливаемое на этапе проектирования системы, а изменение концептуальной модели ПрО и/или БД требует перепроектирования АИС и приводит к существенным изменениям программного обеспечения системы.

Однако статическое изоморфное соответствие концептуальной модели ПрО и БД неприемлемо для АИС, в которых эти подсистемы могут изменяться относительно независимо (эволюционировать), а система должна самостоятельно поддерживать соответствие между ними.

В работе впервые предлагается использовать динамическую поддержку соответствия концептуальной модели ПрО и БД в форме системного изоморфизма, обеспечивающего полное отображение концептуальной модели ПрО в БД и частичное отображение БД в концептуальную модель ПрО. Системный изоморфизм введен Ю. А. Урманцевым как обладающее свойствами рефлексивности и симметричности отношение между объектами-системами одной и той же или разных К-систем (систем объектов данного рода). Поэтому пользователь полностью получит из АИС информацию о реальном мире в соответствии со своим представлением, что обеспечивает логическую корректность системы, а система может содержать некоторую дополнительную информацию, которая не будет «видна» извне:

- информацию об отложенных модификацих БД при удалении из концептуальной модели ПрО различных понятий и отношений;

- информацию об объектах внешней среды, взаимодействующих с системой, и отношениях между ними, воспринимаемую и накапливаемую системой самостоятельно;

- закономерности (знания) о поведении внешней среды и функционировании системы, вырабатываемые системой самостоятельно и используемые для повышения корректности, надежности и эффективности ее функционирования.

Динамическая поддержка модели соответствия в форме системного изоморфизма определяет:

- начальное отображение концептуальной модели ПрО в БД;

- формирование отображения концептуальной модели ПрО в БД, представленную в третьей нормальной форме (ЗНФ);

- модификацию отображения концептуальной модели ПрО в БД при их независимых изменениях.

В качестве механизма, обеспечивающего динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, предлагается система базовых 8<ЗЬ-запросов, ставящая в соответствие каждому понятию модели ПрО множество объектов, содержащихся в БД.

Концептуальную модель ПрО графически можно представить в виде, приведенном на рисунке 1, где 0( - 1-й компонент уровня у, включающий в себя хотя бы один объект уровня ] - 1 и, возможно, объекты более низких уровней] - 2, ] - 3,..., а также собственные свойства.

о\ю1\ 01 г\2,..., ) ... о*(о*-1,.... о/, ..., г*,)

X . I \

О?(.ol о\, Y\, П2,..., К1(1) ... 02Л0\ ol Kvj, Yv2, ..., Yv,v) / —* \ *

0}(Xl1,Xl2,...,XlKl) Ol2(X2x,X22,...,X2„2) ... O^Xmlt Xm2,..., Хт„т) Рисунок 1 - Графическое представление концептуальной модели ПрО

Формальное описание концептуальной модели ПрО включает определение понятий и отношений между понятиями.

Понятия, представляющие различные типы объектов ПрО:

V= {v| v= <nv, V» vc>},

где V - множество всех понятий модели ПрО; nv - имя понятия; v, - состав понятия; vc - содержание понятия.

Между понятиями определяются отношения в виде

Rv = {r„ I rv = <Vb V2, Пг, tn>},

где Rv - совокупность различных отношений между всеми понятиями ПрО; rv - отношение типа между понятиями Vj и Уг", пг - имя отношения; tn -тип отношения: агрегация (часть-целое) - понятие Vj является компонен-

том (частью) понятия-агрегата V]', классификация - понятие \'г является подклассом класса VI; обобщение (род-вид) - каждое видовое понятие у2 является категорией родового понятия абстрагирование - понятие является конкретизацией понятия-образа V).

Тогда концептуальная модель ПрО имеет вид

М= (V, Я„).

Формальное описание БД задается совокупностью составляющих его отношений.

Схема отношения:

{аиаг, •■•, ап],

где а; - имя атрибута, 1 <_/' < п.

Каждый атрибут <2у определен на домене

Ос = ¿от (аД £>={£,, .....1 < £ <

Отношение г,- со схемой Л,:

с ДчХДдХ ... х Д„. Ключ отношения г( со схемой

= {<зг,1, ..., а,т} С

ЧТО

где ((¿Д, ..., ^), ..., - значения ключа кортежей gяq(gфq)

отношения г,.

Схема базы данных:

где I - количество отношений в базе данных.

Для обеспечения соответствия концептуальной модели ПрО и БД разработана модель системного изоморфизма в виде логической модели:

где ° М- модель предметной области; схема базы

данных; часть схемы базы данных, соответствующая % — часть схемы базы данных, определяющая дополнительную информацию.

Изменение логической модели системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД во времени:

ПО = Ш, при МЛ = чш, о < (< Т,

где Т- время существования АИС.

Для оценки системного изоморфизма введены коэффициенты подобия и разнообразия концептуальной модели ПрО и БД.

Степень логического подобия !Ми 31: а = зу/

Степень логического разнообразия М к = 13(=\- %=\~а.

Оценки логического соответствия:

- при а —> 1 - логическое подобие Мм ¡1 высокое, так как %, -> 0;

- при а 0 - логическое подобие Мн % низкое, так как

Формирование начального отображения концептуальной модели

ПрО осуществляется в БД, представленную в форме универсального отношения и. При этом SQL-запрос для каждого понятия будет являться проекцией универсального отношения.

Для повышения эффективности функционирования АИС целесообразно приведение БД из универсального отношения, к ЗНФ (алгоритмы проектирования БД в ЗНФ известны и в работе не рассматриваются). При этом осуществляется модификация системы базовых 5<2Ь-запросов для обеспечения системно-изоморфного соответствия концептуальной модели ПрО и БД.

Поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении модели ПрО потребовала разработки способа обеспечения соответствия в случае добавления и удаления понятий, добавления и удаления отношений между понятиями, включения понятия с трансляцией отношения, декомпозиции и слияния понятий.

Автоматически реализуемый системой способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении модели ПрО заключается в следующем:

- корректировка формального описания концептуальной модели

ПрО;

- в случае необходимости корректировка БД;

- модификация системы базовых БОЬ-запросов.

Например, поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при добавлении нового понятия-агрегата «сотрудник» в модель ПрО (рисунок 2,а) осуществляется следующим образом.

сотрудник

1ИК

\ ,

Студент

Ю.Челоаек (FK) 10_П одр азделение Ю_Должмость

! Ю.Фамилия | Ш_Имя \ Ю_Отчеетво ; Ш_Дата_рождвния

а)

б)

Рисунок 2 - а) Добавление в концептуальную модель ПрО понятия-агрегата «сотрудник»; б) модификация схемы БД для хранения информации об объектах понятия-агрегата «сотрудник»

Фрагмент ПрО на рисунке 2,а формально представляется записью: VI = <сотрудник, счеловек,:подразделение, :должность>, 0> Уг = <студент, счеловек, :группа, :специальность>, 0> У3 = <человек, <:фамилия, :имя, .'отчество, :дата рождения>, 0> Г\ = <УЬ Уз, являются частью, часть-целое> гг — <Уг, Уз, являются частью, часть-целое>

Добавление нового понятия требует изменения БД путем включения нового отношения, предназначенного для хранения информации об объектах нового понятия (рисунок 2,6).

Формирование базового 8(2Ь-запроса для нового понятия производится путем естественного соединения нового отношения БД и базового 8С)Ь-запроса понятия-компонента. Базовый SQL-запрос для понятия «сотрудник» будет иметь вид

где у_Человек - имя базового запроса, формирующего объем понятия-компонента «Человек».

В общем случае базовый SQL-запрос нового понятия О/, связываемого с понятием 0{~1, имеет вид

где Ш - отношение, содержащее объекты понятия 0(; у_У2 - базовый SQL-запрос, формирующий объем понятия ОЦ~1.

Select * From Сотрудник Join у_Человек,

Select * From R1 Join v_V2,

Разработанная модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД позволила реализовать обобщенную операцию абстрагирования, предоставляющую возможность формировать понятия-образы путем:

- отбрасывания несущественных свойств конкретного понятия;

- отбрасывания свойств конкретного понятия, существенных для конкретных объектов, но не существенных в определенной ситуации, соответствующей понятию-образу;

- создания обобщенного понятия с интегральными характеристиками, формируемыми на основе свойств конкретного понятия;

- создания обобщенного понятия-образа, объекты которого будут иметь усредненные характеристики групп объектов конкретного понятия.

Обобщенная операция абстрагирования позволяет получать принципиально новые представления ПрО, обладающие существенно более высоким уровнем абстрагирования и обобщения, чем в существующих информационных системах. Поддержка отношения абстрагирования делает АИС открытой для формирования специфических типов объектов, обладающих большой выразительной способностью для представления объектов реального мира, и предоставляет пользователям мощные средства для адекватного моделирования предметной области.

Поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении БД потребовала разработки способа обеспечения соответствия в случаях декомпозиции, иерархической декомпозиции и композиции отношений, деления и объединения отношений, декомпозиции и слиянии атрибутов отношений.

Автоматически реализуемый системой способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при изменении схемы БД заключается в следующем:

- корректировка схемы БД;

- модификация системы базовых 8(2Ь-запросов.

Например, поддержка системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД при декомпозиции отношения «Человек» на два отношения, с включением в первое отношение атрибутов с наиболее часто используемой информацией, а во второе - атрибутов с более редко используемой информацией, приведена на рисунке 3.

Ю_Человвк

Ю_Фамилия

Ю_Имя

Ю_Отчество

IDJIacnopT

10_Дата_рождекия

Ю_Адрес

10_Учена я_степень

Ш_Учено9_званив

ID_Pocr

Ю_Вес

Человек!

ЮЧеловек

Ю_Фамилия

Ю_Имя

Ю_Отчество

Ю_Паспорт

I О^Дата^рождения

Ю_Ддрес

Человек_2

Ю_Человек

10_Ученая_степ©нь

Ю_Ученое_звание

Ю_Рост

ID_Bec

а) б)

Рисунок 3 - а) Фрагмент исходной схемы БД; б) фрагмент схемы БД после декомпозиции отношения «Человек» на два отношения

Модификация системы базовых SQL-запросов заключается в замене исходного отношения на естественное соединение двух отношений. Базовый SQL-запрос для формирования объема понятия «Человек» для схемы БД на рисунке 3 имеет вид

Select * From Человек_1 Join Человек_2.

В общем случае базовый SQL-запрос при декомпозиции отношения имеет вид

Select * From R1 Join R2,

где R1 и R2 - отношения, содержащие полную информацию об объектах.

Особенность организации АИС с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД заключается в возможности совершенствования системы в процессе ее функционирования путем повышения адекватности отражения реального мира в концептуальной модели ПрО и повышения эффективности обработки данных вследствие оптимизации БД.

В третьей главе определяется способ организации системы базовых SQL-запросов, разрабатываются операции динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД и их программная реализация, а также приводятся результаты апробации разработанного программно-информационного компонента.

Система базовых SQL-запросов может быть реализована в форме полных запросов, включающих только отношения БД, и в форме системы распределенных запросов, включающих отношения БД и базовые SQL-запросы понятий более низкого уровня.

Оценка каждого способа организации системы базовых SQL-запросов осуществлялась на основе количества модифицируемых SQL-запросов, а также временной и емкостной сложности модификации одного базового SQL-запроса. Система базовых SQL-запросов в форме полных запросов показала экспоненциальные оценки, пропорциональные О(а"'к), а в форме распределенной системы запросов - оценки, пропорциональные О(а) = 0, где а - среднее количество понятий, определенных на основе некоторого понятия на каждом уровне концептуальной модели ПрО; к - уровень, на котором находится модифицируемое понятие; п - количество уровней в модели ПрО.

Таким образом, показано, что система базовых SQL-запросов может быть организована очень эффективно и требовать минимальных затрат на поддержание.

На основе разработанных способов динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД и организации системы базовых SQL-запросов в форме распределенных запросов разработан набор операций, приведенный в таблице 1, в которой приняты следующие обозначения:

¡W, М - концептуальная модель предметной области до и после выполнения операции;

Q, Q' - система базовых SQL-запросов до и после выполнения операции;

V, v'- существующее или добавляемое понятие;

г - отношение между понятиями концептуальной модели предметной области;

схема БД до и после выполнения операции;

R,R1,R2- существующие отношения БД;

А - подмножество атрибутов отношения R БД;

a¡, cij-атрибуты отношения R БД;

р - предикат или некоторое правило, используемое при выполнении операции.

Предложенный механизм базовых SQL-запросов позволил реализовать и обработку данных в АИС. Для этого система базовых SQL-запросов была расширена запросами типа insert, update и delete. Показано, что понятия-подклассы для обработки данных используют SQL-запросы типа insert, update и delete из понятия-класса, а для понятий-образов запросы типа insert, update и delete не создаются, так как понятие-образ является представлением данных с высокой степенью абстрагирования и обобщения, а

объекты его объема формируются как интегральные объекты из объектов конкретного понятия.

Таблица 1 - Операции динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД

Операция Формат операции

Начальное отображение понятий концептуальной модели ПрО в БД в форме универсального отношения 6i : <ß, '

Формирование отображения понятий концептуальной модели ПрО в БД, представленную в ЗНФ 62 : < <М, Q, -><£>', 3£>

Добавление понятия в концептуальную модель ПрО 63: <М, Q, V [, v', r]>

Добавление понятия в концептуальную модель ПрО с трансляцией отношения 04: < М, Q, Я, V, г> н> < SVf, g', ЗС>

Декомпозиция понятия концептуальной модели ПрО 05: < М, Q, Я, V, /" > < М, ÖX >

Композиция понятий концептуальной модели ПрО Об: < £W, Q, Я., V, v'> -> < М, Q\ SC>

Удаление понятия из концептуальной модели ПрО 67:<Я£У>-»<ЛГ>

Добавление отношения между понятиями концептуальной модели ПрО 08: < H Q, Я, v, v', r> < fAC, Q',

Удаление отношения между понятиями концептуальной модели ПрО 09 : < v, v' > —> < ЛС >

Декомпозиция отношения БД 0lo:<ß, R,A>-*<Q\%>

Иерархическая декомпозиция отношения БД 0„:<ß, Я, R, a>-*<Q\%>

Композиция отношений БД 012 :<Q, Я1,Я2>-><0',#>

Деление отношения БД 0i3 '• <Q> Я, R,p>-^<Q\X>

Объединение отношений БД 0i4: <Q, Rh R2>-><Q',%>

Декомпозиция атрибута отношения БД 015 : < Q, R, ahp> < Q\ 3C>

Слияние атрибутов отношения БД 016 : < Q, R> ah dj,p > < Q\ sc>

Оценки временной сложности операций:

0!: Т = О (и);

02 : Т = 0(1-3) + О(п ■ т), где 0(1-3) - сложность шагов 1-3 алгоритма; л - количество понятий; т - количество отношений в базе данных;

0з- 016: временная сложность операций определяется временной сложностью реализации операций языков DDL и DML СУБД, поддерживающих БД.

Для реализации операций динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД разработан набор алгоритмов, представленных программными процедурами, связанными по входу и выходу. Алгоритм реализации операции 64 приведен на рисунке 4. Подобным образом реализованы все операции б из таблицы 1. Это позволило сформировать целостный программно-информационный компонент, обладающий высокой автономностью и взаимодействующий с модулем ведения концептуальной модели ПрО и СУБД.

Поиск понятия С, в концептуальной. .. модели ПрО

Ввод нового понятия Си связанного с существующим понятием С/ отношением Г

[найдено]

не найдено]

Включение понятия С,-в концептуальную модель ПрО

Добавление в схему БД таблицы для хранения объема понятия С,

Анализ необходимости модификации схемы БД

[не требуется]

Установление отношения г между понятиями С, и С) в модели ПрО

Добавление в таблицы БД внешних ключей для обеспечения ссылочной целостности

Анализ необходимости модификации схемы БД

Модификация базовых ЙСДхзапросов для понятий С/ И С(

Анализ необходимости модификации системы базовых 5(2Ь-запросов

Рисунок 4 - Схема алгоритма операции 04

Для апробации предложенных модели и алгоритмов разработана экспериментальная программная оболочка, включающая программный компонент в качестве одной из подсистем и позволяющая создавать АИС пользователями системы без проектирования и написания программного кода.

Экспериментальная система подтвердила теоретические показатели эффективности динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, а также открытость создаваемых АИС на уровнях концептуальной модели ПрО и базы данных. Это позволяет утверждать, что впервые достигнута реальная независимость концептуальной модели ПрО и БД, являющаяся одним из важнейших требований к информационным системам.

В приложении представлены программный код основных модулей программно-информационного компонента и документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработана формализованная концептуальная модель ПрО, позволяющая представлять в виде понятий объекты реального мира и их свойства, а также отношения агрегации, обобщения, классификации и абстрагирования между понятиями.

2. Определен набор допустимых модификаций концептуальной модели ПрО и схемы БД, приводящих к нарушению их соответствия, и алгоритмы восстановления системного изоморфизма между ними.

3. Разработана логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, обеспечивающая следующие возможности:

- полную независимость модели ПрО и организации данных, что преобразует запросы пользователей в неспецифические воздействия и впервые позволяет АИС самостоятельно формировать, поддерживать и совершенствовать корректную, надежную и эффективную организацию данных, соответствующую формализованной концептуальной модели ПрО;

- формирование начального отображения концептуальной модели ПрО в БД и поддержку динамического соответствия между ними в форме системного изоморфизма при изменениях модели ПрО и схемы БД;

- логическую корректность и высокую надежность функционирования системы, базирующиеся на формальных методах организации и обработки данных;

- высокую эффективность функционирования системы, базирующуюся на независимости базы данных и возможности ее оптимизации в процессе функционирования АИС.

4. Разработан способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД на основе системы базовых SQL-запросов, расширяющий возможности АИС без снижения быстродействия обработки данных, обеспечиваемой системой управления базами данных.

5. Определены формальные операции и алгоритмы их реализации, осуществляющие динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД.

6. Разработаны структура и организация программного компонента, выполняющего динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД в процессе функционирования АИС.

7. Разработана структурная модель АИС с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, позволяющая существенно упростить администрирование и сопровождение АИС и предоставляющая пользователям средства для поддержки адекватности системы внешней среде длительное время, что существенно увеличивает срок эксплуатации АИС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Зинченко, Р. Е. Системный подход к концептуальному моделированию предметной области в самоорганизующейся информационной системе / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. -2009.-№4.-С. 73-79.

2. Зинченко, Р. Е. Системно-изоморфное динамическое соответствие концептуальной модели предметной области и схемы базы данных / Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. - 2010. - № 1. -С. 71-75.

3. Зинченко, Р. Е. Обобщенная операция абстрагирования как реализация принципа открытости самоорганизующейся информационной систе-

мы / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Е. В. Герасимова // Программные продукты и системы. - 2010. - № 2. - С. 82-89.

4. Зинченко, Р. Е. Обработка данных в информационной системе с динамическим соответствием модели предметной области и схемы базы данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. Физико-математические и технические науки. - 2010. - № 18 (28). -С. 145-150.

5. Зинченко, Р. Е. Эволюция архитектуры информационных систем /

B. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. -2010.-№4.-С. 59-63.

Публикации в других изданиях

6. Зинченко, Р. Е. Оптимизация SQL-запросов / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, А. А. Масленников // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. VI Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза, 2006. - С. 34-36.

7. Зинченко, Р. Е. Стратегии оптимизации SQL-запросов / Р. Е. Зинченко // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. VII Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. -

C. 10-12.

8. Зинченко, Р. Е. Формирование системы SQL-запросов для отображения объектного пользовательского представления предметной области в базу данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Проблемы информатики. -2008.-№ 1.-С. 48-50.

9. Зинченко, Р. Е. Модификация системы SQL-запросов при изменении пользовательского объектного представления предметной области /

B. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. Физико-математические и технические науки. - 2008. - № 8 (12). - С. 106-110.

10. Зинченко, Р. Е. Отображение концептуальной модели предметной области в модель базы данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, А. А. Масленников // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сб. ст. VIII Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза, 2008. -

C. 208-210.

11. Зинченко, Р. Е. Информатизация предприятия на основе самоорганизующейся информационной системы / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Инновации в управлении и образовании: технико-технологические и мето-

дические аспекты : материалы II Междунар. науч.-практ. конф. - Тула, 2009. - С. 91-93.

12. Зинченко, Р. Е. Модель системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и схемы базы данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Б. В. Герасимова, Р. Н. Кузнецов, Р. Ю. Севостьянов // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. IX Междунар. науч.-технич. конф. - Пенза, 2009. - С. 44-49.

13. Зинченко, Р. Е. Методы адаптации и поколения развития программного обеспечения / А. Б. Баканов, В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Р. Н. Кузнецов // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. Физико-математические и технические науки. - 2009. - № 13 (17). - С. 66-70.

Научное издание

ЗИНЧЕНКО Роман Егорович

МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ СИСТЕМНОГО ИЗОМОРФИЗМА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И БАЗЫ ДАННЫХ

Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики

Подписано в печать 03.03.2011. Формат 60Ч841/16. Усл. печ. л. 1,1. Заказ № 001950. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@mail.pnzgu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ АРХИТЕКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ, МОДЕЛЕЙ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И МЕХАНИЗМОВ СООТВЕТСТВИЯ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТ1ЮЙ ОБЛАСТИ И БАЗЫ ДАННЫХ.

1Л. Эволюция архитектуры автоматизированных информационных систем.

1.2. Концептуальное моделирование предметной области.

1.2Л. ЕЯ-модель.

1.2.2. Семантическая сеть.

1.2.3. Объектная модель.

1.2.4. Модель потоков данных.

1.2.5. Функциональная модель.

1.2.6. Структурная модель предметной области.

1.2.7. Синтетическая методика моделирования предметной области.

1.2.8. Концептуальное моделирование предметной области на основе онтологии.

1.2.9. Технология концептуального моделирования предметной области «Браво».

1.2.10. Сравнительный анализ существующих методологий моделирования предметной области.

1.3. Существующие модели отображения модели предметной области в базу данных.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ СООТВЕТСТВИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И БАЗЫ ДАННЫХ.

2.1. Определение свойств модели динамического соответствия.

2.2. Разработка модели динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД.

2.3. Разработка структурной модели информационной системы с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ И АПРОБАЦИЯ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ СИСТЕМНОГО ИЗОМОРФИЗМА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И БАЗЫ ДАННЫХ.:.

3.1. Организация системы базовых БС^-запросов, отображающих понятия концептуальной модели ПрО в БД.

3.2. Разработка операций формирования базовых 8С>Ь-запросов, отображающих понятия концептуальной модели ПрО в БД.

3.3. Разработка операций ввода и модификации данных в АИС с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД.

3.3.1. Механизм модификации данных в АИС с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели

ПрО и БД.

3.3.2. Ввод данных.

3.3.3. Модификация данных.

3.3.4. Удаление данных.

3.4. Программная реализация компонента динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД.

3.5. Апробация разработанного программно-информационного компонента информационной системы.

Выводы по главе 3.

Актуальность

Автоматизированные информационные системы (АИС) нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Современные АИС являются пассивными системами, не способными в процессе функционирования модифицироваться пользователями для учета особенностей предметной области и самостоятельно оптимизировагь организацию и обработку данных. Вследствие этого они обладают рядом существенных недостатков: модель предметной области (ПрО) часто представляется в форме внешней схемы базы данных (БД), реализованной в рамах диалогической модели данных, ориентированной на внутреннюю обработку информации; требуется сложный и трудоемкий процесс проектирования и создания АИС для учета различных ситуаций, возникающих в процессе решения задачи информационного обслуживания.

Для учета специфики ПрО и повышения эффективности использования АИС целесообразно:

1) возложить часть проектирования системы на самих пользователей, обладающих хорошими знаниями о предметной области, что позволит обеспечшь высокую адекватность ПрО;

2) более полно учитывать семантику ПрО в информационной модели и обеспечивать высокую эффективность обработки данных, что делает целесообразным использование моделей разных типов для отражения ПрО и организации базы данных.

Высокая сложность предметных областей и решаемых задач не позволяет быстро и за одну итерацию создавать хорошие информационные системы, поэтому они проектируются и создаются поэтапно, что часто требует доработки уже используемых подсистем. Кроме этого, в процессе эксплуатации АИС постепенно уменьшается ее адекватность внешней среде вследствие изменения среды и решаемых задач, а модель ПрО фиксирована в системе. Это снижает качество удовлетворения информационных потребностей пользователей и требует изменения системы.

Таким образом, тесная взаимосвязь модели ПрО и БД на основе их статического соответствия требует, больших затрат на модификацию системы в случае изменения модели ПрО или БД.

Для удобства преобразования информации из реляционной БД в объектную форму в- прикладных программах^ часто используют системы объектно-реляционного отображения;, или: ORM-сиетемы (Object-Relational; Mapping): Применение технологии,, ORM при разработке АИС позволяет абстрагировать бизнес-логику и интерфейс пользователя; от источника? данных, что делает программное приложение относительно: независимым; от используемой систехмьг управления базами данных (СУБД). Однако существующие реализации- технологии ORM не предполагают динамической адаптации механизма объектно-реляционного отображения к изменению внешней, среды, т.е. к изменению схемы объектной модели слоя бизнес-логики и/или схемы БД.

Повышение эффективности создания- ЛИС осуществляется на основе использования CASE-технологий (Computer-Aided Software Engineering), реализующих инструментальную поддержку технологии проектирования и позволяющих создавать программные приложения с использованием парадигмы модельно-ориентированной разработки MDD (Model Driven Development). Применение CASE-технологий; обеспечивает стандартизацию процесса разработки АИС и снижает трудоемкость сопровождения программных приложений. Однако сложность CASE-средств: позволяет выполнять изменение программной системы в. процессе эксплуатации только ее разработчиками. Следовательно, технологии CASE и MDD, упрощая разработку АИС, не решают» проблему их эволюции в процессе эксплуатации. Следовательно, трансляция концептуальной модели ПрО в БД с применением технологий ORM и CASE недостаточно эффективна для поддержки функционирования эволюционных АИС.

Рассматриваемым вопросам большое внимание уделяли Дж. Мартин, Д. Ульман, К. Дейт, Э. Кодд, М. Ш. Цаленко, М. Р. Когаловский, Т. В. Гавриленко и др. Однако проблема логической и физической независимости данных в полном объеме не решена до настоящего времени. Поэтому одной из важнейших задач создания дружественных (ориентированных на конкретных пользователей) АИС с высокой эффективностью обработки данных является реализация динамического соответствия модели ПрО и БД.

Объектом исследования являются процессы согласования концептуальной модели ПрО и БД при их независимых изменениях.

Предметом исследования являются способы эффективного отображения концептуальной модели ПрО в БД.

Цель работы заключается в создании модели динамической поддержки соответствия концептуальной модели ПрО и БД в форме системного изоморфизма и алгоритмов, обеспечивающих ее эффективную реализацию.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих моделей отображения концептуальной модели предметной области и базы данных.

2. Разработка модели динамической поддержки соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма.

3. Разработка способа динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых 8С)Ь-запросов.

4. Разработка алгоритмов динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных.

5. Разработка структуры программного компонента, реализующего модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных.

6. Разработка структурной модели информационной системы, использующей динамическую поддержку соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма.

Методы исследования. В процессе исследования использовались положения теории систем, дискретной математики, теории множеств, алгебраических систем, математической логики, теоретических основ информатики и основ баз данных.

Научная новизна:

1. Предложено включить формализованную концептуальную модель предметной области в структуру АИС. Это обеспечит взаимодействие пользователей'с АИС на семантическом уровне и позволит создавать и модифицировать систему в процессе функционирования без разработки новых и модификации существующих приложений.

2. В отличие от известных статических моделей соответствия концептуальной модели предметной области и базы,данных в форме математического изоморфизма, предложено и обосновано использование соответствия в форме системного изоморфизма, позволяющего АИС содержать в базе данных дополнительную информацию, что предоставляет возможность приобретения системой новых функций, например, создание и поддержка базы данных самой АИС. динамическое согласование модели предметной области и базы данных.

3. Впервые предложена логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, определяющая корректное функционирование АИС при независимых изменениях модели предметной области и базы данных.

4. Предложен способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых 8С>Ь-запросов, позволяющий использовать для ведения базы данных существующие СУБД и осуществлять обработку данных без снижения быстродействия, обеспечиваемого СУБД.

5. Разработаны алгоритмы поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющие восстанавливать его при нарушениях вследствие независимых модификаций модели предметной области и базы данных.

6. Предложена структура информационной системы с динамической поддержкой соответствия концептуальной модели предметной области и базы данных в форме системного изоморфизма, впервые позволяющая пользователям модифицировать АИС в процессе ее функционирования, что обеспечивает высокую адекватность системы внешней среде и увеличивает срок ее эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма' концептуальной модели предметной области и базы данных, определяющая корректное функционирование АИС при независимых изменениях модели предметной обласш и базы данных.

2. Способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных на основе системы базовых БС^Ь-запросов, позволяющий использовать существующие СУБД и осуществлять эффективную обработку данных в АИС.

3. Алгоритмы поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющие автома I ически содержать систему базовых 8С)Ь-запросов и базу данных АИС в актуальном состоянии.

4. Структурная модель информационной системы с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных, позволяющая пользователям создавахь АИС и модифицировать ее в процессе эксплуатации.

Теоретическая ценность. Предложенная логическая модель и алгоритмы динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД обеспечивают их независимые изменения с сохранением целостности системы, что является существенным шагом к созданию самоорганизующихся информационных систем.

Практическая ценность. Разработанная структура программно-информационного компонента динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели предметной области и базы данных обеспечивает автоматическую корректировку их соответствия в реальном времени, что позволяет осуществлять разработку АИС без создания новых приложений и снижает время и затраты на их создание и сопровождение.

Выводы по главе 3

1. Разработана организация системы базовых SQL-запросов с распределенными запросами, позволяющая эффективно формировать и поддерживать в актуальном состоянии базовые SQL-запросы.

2. Разработаны операции и алгоритмы их реализации, обеспечивающие динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД на основе системы актуальных базовых SQL-запросов. Предложенные операции позволяют системе автоматически восстанавливать соответствие концешуаль-ной модели ПрО и БД в форме системного изоморфизма в случае его нарушения вследствие их независимой модификации.

3! Реализована эффективная обработка данных в АИС с использованием системы базовых SQL-запросов, расширенной SQL-запросами шпа insert, update и delete. Формирование и поддержка базовых SQL-запросов всех типов осуществляется автоматически самой АИС на основе концептуальной модели ПрО и поддерживаемой БД.

4. Разработана структура программно-информационного компонента, который может включаться в АИС для реализации динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД. Наличие такого компонента позволяет АИС приобретать принципиально новые свойства.

5. Разработана экспериментальная программа-оболочка с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, позволяющая пользователям создавать АИС без написания программного кода.

6. Апробация программно-информационного компонента подтвердила его работоспособность и высокую эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработана формализованная концептуальная модель ПрО, позволяющая представлять в виде понятий объекты реального мира и их свойства, а также отношения агрегации, обобщения, классификации и абстрагирования между понятиями. I

2. Определен набор допустимых модификаций концептуальной модели ПрО и схемы БД, приводящих к нарушению их соответствия, и способы восстановления корректного соответствия между ними.

3. Разработана логическая модель динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, обеспечивающая следующие возможности:

- полную независимость модели ПрО и организации данных, что преобразует запросы пользователей в неспецифические воздействия и впервые позволяет АИС самостоятельно формировать, поддерживать и совершенствовать корректную, надежную и эффективную организацию данных, соответствующую формализованной концептуальной модели ПрО;

- формирование начального отображения концептуальной модели ПрО в БД и поддержку динамического соответствия между ними в форме системного изоморфизма при изменениях модели ПрО и схемы БД;

- логическую корректность и высокую надежность функционирования системы, базирующиеся на формальных методах организации и обработки данных;

- высокую эффективность функционирования системы, базирующуюся на независимости базы данных и возможности ее оптимизации в процессе функционирования АИС.

4. Разработан способ динамической поддержки системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД на основе системы базовых 8С)Ь-запросов, расширяющий возможности АИС без снижения быстродействия обработки данных, обеспечиваемой системой управления базами данных.

5. Определены формальные операции и алгоритмы их реализации, осуществляющие динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД.

6. Разработаны структура и организация программного компонента, выполняющего динамическую поддержку системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД в процессе функционирования АИС.

7. Разработана структурная модель АИС с динамической поддержкой системного изоморфизма концептуальной модели ПрО и БД, позволяющая существенно упростить администрирование и сопровождение АИС и поддерживать высокую адекватность системы внешней среде длительное время, что существенно увеличивает срок эксплуатации АИС.

1. Бабак, В. Ф. Совершенствование методологии проектирования информационных систем / В. Ф. Бабак, И. Н. Рыженко. URL: http://w\vw.info-svstem.ru/is/article/article perfect designis.html (дата обращения: 06.11.2010).

2. Баканов, А. Б. Методы адаптации и поколения развития программного обеспечения / А. Б. Баканов, В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Р. Н. Кузнецов // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. Физико-математические и технические пауки. -№ 13 (17).-2009.-С. 66-70.

3. Боярский, К. К. Концептуальные модели в базах знаний / К. К. Боярский, Е. А. Каневский, Г. В. Лезин // Информационные, вычислительные и управляющие системы. СПб. : СПб ГИТМО (ТУ), 2002. - Вып. 6. - С. 57-62.

4. Варламов^ О. О. Эволюционные базы данных и знаний для адаптивного синтеза интеллектуальных систем. Миварное информационное пространство / О. О. Варламов. М. : Радио и связь, 2002. - 282 с.

5. Вендров, А. М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем : учебник / А. М. Вендров. М. : Финансы и статистика, 2006. - 352 с.

6. Войшвилло, Е. К. Логика : учеб. для студ. высш. учеб. заведений / Е. К. Войшвилло, М. Г. Дегтярев. М. : Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2001. - 528 с.

7. Гавриленко, Т. В. Представление знаний о динамической предметной области методами теоретико-множественного анализа : автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.13.01 / Т. В. Гавриленко. Сургут, 2004. - 21 с.

8. Гаврилова, Т. А. Базы знаний интеллектуальных систем : учебник для вузов / Т. А. Гаврилова, В. Ф. Хорошевский. СПб. : Питер, 2001. - 384 с.

9. Грскул, В. И. Проектирование информационных систем / В. И. Грекул, Г. II. Денищенко, Н. Л. Коровкина. Бином : Лаборатория знаний, 2008. - 304 с.

10. Гуков, Л. И. Макетирование, проектирование и реализация диалоговых информационных систем / Л. И. Гуков, Е. И. Ломако, А. В. Морозова и др. М. : Финансы и статистика, 1993. - 320 с.

11. Дейт, К. Введение в системы баз данных / К. Дейт. М. : Вильяме, 2006. — 1328 с.

12. Диго, С. М. Базы данных: проектирование и использование : учебник / С. М. Диго. М. : Финансы и статистика, 2005. - 592 с.

13. Дрождин, В. В. Открытость структур в эволюционной модели данных /

14. B. В Дрождин. // Программные продукты и системы. 2009. -№ 2. - С. 135-137.

15. Дрождин, В. В. Системный подход к построению модели данных эволюционных баз данных / В. В. Дрождин // Программные продукты и системы. -2007. -№3,- С. 52-55.

16. Дрождин, В. В. Системный подход к концептуальному моделированию предметной области в самоорганизующейся информационной системе / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. 2009. - № 4.1. C. 73-79.

17. Дрождин, В. В. Формирование системы 8С>Е-запросов для отображения объектного пользовательского представления предметной области в базу данных / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Проблемы информатики. 2008. - № 1. - С. 48-50.

18. Дрождин, В. В. Эволюция архитектуры информационных систем /

19. B. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. — 2010. — № 4.1. C. 59-63.

20. Дрождин, В. В. Обобщенная операция абстрагирования как реализация принципа открытости самоорганизующейся информационной системы / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, Е. В. Герасимова // Программные продукты и системы. -2010.-№2.-С. 82-89.

21. Дрождин, В. В. Оптимизация БС^Ь-запросов / В. В. Дрождин, Р. Е. Зинченко, А. А. Масленников // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. VI Всерос. науч.-техн. конф. Пенза, 2006. - С. 34-36.

22. Евстигнеев, В. А. Применение теории графов в программировании / В. А. Евстигнеев. М.: Наука, 1985. - 352 с.

23. Зинченко, Р. Е. Системно-изоморфное динамическое соответствие концептуальной модели предметной области и схемы базы данных / Р. Е. Зинченко // Программные продукты и системы. 2010. - № 1. - С. 71-75.

24. Зинченко, Р. Е. Стратегии оптимизации БС^Ь-запросов / Р. Е. Зинченко // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сб. ст. VII Всерос. науч.-техн. конф. — Пенза, 2007. — С. 10-12.

25. История развития СУБД (материалы с сервера дистанционного обучения Бийского технологического института). иИГ: http://do.bti.secna.ru/lib/book it/istor razv.html (дата обращения: 06.11.2010).

26. Калянов, Г. II. Моделирование, анализ, реорганизация и автоматизация бизнес-процессов / Г. Н. Калянов. М. : Финансы и статистика, 2006. - 240 с.

27. Князева, Е. I I. Синергетика. Нелинейность времени и ландшафты коэволюции / Е. Н. Князева, С. П. Курдюмов. М.: КомКнига, 2007. - 272 с.

28. Конноли, Т. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика / Т. Конноли, К. Бегг. — М. : Вильяме, 2003. 1440 с.

29. Корнеев, В. В. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации / В. В. Корнеев, А. Ф. Гареев. С. В. Васютин, В. В. Райх. М. : Нолидж, 2000. - 352 с.

30. Крёнке, Д. Теория и практика построения баз данных / Д. Крёнке. СПб. : Питер, 2005. - 859 с.

31. Кузнецов, С. Д. Концептуальное проектирование реляционных баз данных с использованием языка UML / С. Д. Кузнецов. URL: http://citforum.ru/database/articles/umlbases.shtml (дата обращения: Об. 11.2010).

32. Кузнецов, С. Д. Крупные проблемы и текущие задачи исследований в области баз данных / С. Д. Кузнецов ; Институт системного программирования РАН, 2005. URL: http://citforum.ru/database/articles/problems/ (дата обращения: 06.11.2010).

33. Кузнецов, С. Д. Методы оптимизации выполнения запросов в реляционных СУБД / С. Д. Кузнецов // Итоги науки и техники. Вычислительные науки. -1989.-Т. 1.-С. 76-153.

34. Кузнецов, С. Д. Основы современных баз данных / С. Д. Кузнецов. URL: http://citforum.fu/databasc/osbd/contents.shtml (дата обращения: 06.11.2010).I

35. Кузнецов, С. Д. Ландшафт области управления данными: аналитический обзор / С. Д. Кузнецов, М. Н. Гринев. URL: http://citforum.ru/database/datamanai2cmcntovervicw/ (дата обращения: 06.11.2010).

36. Леоненков, А. В. Обьектно-ориентированный анализ и проектирование с использованием UML и IBM Rational Rose / А. В. Леоненков ; Интернет-университет информационных технологий. — Бином. Лаборатория знаний, 2006. -320 с.

37. Липаев, В. В. Системное проектирование сложных программных средств для информационных систем / В. В. Липаев. -М. : Синтег, 2002. 268 с.

38. Мартин, Дж. Организация баз данных в вычислительных системах / Дж. Мартин. М.: Мир, 1980. - 662 с.

39. Мацяшек, JT. А. Анализ и проектирование информационных систем с помощью UML 2.0 / JI. А. Мацяшек. М. : Вильяме, 2008. - 816 с.

40. Мейер, Д. Теория реляционных баз данных / Д. Мейер. М. : Мир, 1987. -608 с.

41. Миндалёв, И. В. Информационные системы : электронный учебно-методический комплекс / И. В. Миндалёв. URL: hUp://www. k g au. r u/i st i k i / i s/ (дата обращения: 06.11.2010).

42. Пушников, А. Ю. Введение в системы управления базами данных. Ч. 2. Нормальные формы отношений и транзакции : учебное пособие / А. Ю. Пушников. -Уфа : Изд-во Башкирского ун-та, 1999. 138 с.

43. Рассел, С. Искусственный интеллект: современный подход / С. Рассел, П. Норвиг. М. : Вильяме, 2006. - 1408 с.

44. Роланд, Ф. Д. Основные концепции баз данных / Ф. Д. Ролланд. М. : Вильяме, 2002. - 256 с.

45. Система. Симметрия. Гармония / под ред. В. С. Тюхтина и Ю. А. Урман-цева. М. : Мысль, 1988. - 315 с.

46. Смит, Дж. Принципы концептуального проектирования баз данных / Дж. Смит, Д. Смит // Требования и спецификации в разработке программ : пер. с англ. М. : Мир, 1984. - 344 с.

47. Технология управления знаниями «Браво». URL: http://bravosoft.ru (дата обращения: 06.11.2010).

48. Тимофеев, Д. В. Реализация инструмента для построения баз данных и приложений на основе расширенной реляционной модели / Д. В. Тимофеев. URL: http://www.sparm.com/press/db-tool.html (дата обращения: 06.11.2010).

49. Труды Симпозиума «Онтологическое моделирование» / под. ред. Л. А. Калиниченко (Звенигород, 19-20 мая 2008 г.). М. : ИПИ РАН, 2008. - 303 с.

50. Урманцев, Ю. А. Симметрия природы и природа симметрии. Философские и естественно-научные аспекты / Ю. А. Урманцев. М. : КомКнига, 2006. -232 с.

51. Урманцев, Ю. А. Эволюционика, или общая теория развития систем природы, общества и мышления / Ю. А. Урманцев. М. : Либроком,'2009. - 240 с.

52. Хомоненко, А. Д. Базы данных : учебник для высших учебных заведений / А. Д. Хомоненко, В. М. Цыганков, М. Г. Мальцев. СПб. : КОРОНА принт, 2004. -736 с.

53. Цаленко, М. Ш. Моделирование семантики в базах данных / М. Ш. Ца-ленко. М.: Наука, 1989. - 288 с.

54. Цикритзис, Д. Модели данных : пер. с англ. / Д. Цикритзис, Ф. Лоховски. -М. : Финансы и статистика, 1985. 334 с.

55. Чарнецки, К. Порождающее программирование: методы, инструменты, применение. Для профессионалов / К. Чарнецки, У. Айзенекер. СПб. : Питер, 2005.-731 с.

56. Чен, П. Модель «сущность-связь» шаг к единому представлению о данных / П. Чен // Системы управления базами данных. - 1995. - № 3. - С. 137-158.

57. Шлеер, С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях / С. Шлеер, С. Меллор. Киев : Диалектика, 1993. - 240 с.

58. Akoka, J. Conceptual Modeling / J. Akoka, M., Bouzeghoub I. Comyn-Wattiau, E. Metais // ER '99 : 18th International Conference on Conceptual Modeling. -LNCS 1728. 1999. - Springer.

59. Ambler, S. W. Refactoring Databases: Evolutionary Database Design / S. W. Ambler, P. J. Sadalage. Addison-Wesley Professional, 2006. - 384 p.

60. ANSI/X3/SPARC Study Group on Data Base Management Systems: (1975), Interim Report. FDT, ACM SIGMOD bulletin. Vol. 7. -№ 2.

61. Ashrafi, N. Object Oriented Systems Analysis and Design / N. Ashrafi, H. Ashrafi. Prentice Hall, 2008. - 648 p.

62. Assche, F. van. Object Oriented Approach in Information Systems / F. van Assche, B. Moulin, C. Rolland. North-Holland, 1991.

63. Atzeni, P. Database Systems: Concepts, Languages & Architectures / P. Atzeni, S. Ceri, S. Paraboschi, R. Torlone. McGraw-Hill Higher Education, 1999.

64. Barzdins, J. Databases and Information Systems / J. Barzdins, A. Caplinskas // 4th International Baltic Workshop. Kluwer, 2001.

65. Boggs, W. Boggs M. Mastering- UML with Rational'Rose 2002 / W. Boggs, M. Boggs. SYBEX, Inc, 2002. - 848 p.

66. Chen, P. P. Conceptual Modeling Current Issues and Future Directions / P. P. Chen, J. Akoka, H. Kangassalo, B. Thalheim // LNCS 1565. - 1999. - Springer.

67. Churcher, C. Beginning Database Design: From Novice to Professional / C. Churcher. Apress, 2007. 300 p.

68. Codd, E. F. A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks / E. F. Codd // Communications of the ACM. 1970. - June. - Vol. 13. - № 6.

69. Codd, E. F. Extending the Database Relational Model to Capture More Meaning. / E. F. Codd // ACM Transactions on Database Systems. 1979. - December. -Vol. 4,-№4.

70. Cohen, J. Object-Oriented Technology and Domain Analysis / J. Cohen, L. M. Northrop // Proceedings of the Fifth International Conference on Software Reuse. -IEEE Computer Society Press, 1998. P. 86-93.

71. Connolly, T. M. Database Systems: A Practical Approach to Design, Implementation and Management / T. M. Connolly, C. E. Begg. Addison Wesley, 2009. -1400 p.

72. Coronel, C. Database Systems: Design, Implementation and Management / C. Coronel, S. Morris, P. Rob. Course Technology, 2009. - 700 p.

73. Date, C. J. SQL and Relational Theory: How to Write Accurate SQL Code / C. J. Date. O'Reilly Media, 2009. - 432 p.

74. Nicola, A. De. A Software Engineering Approach to Ontology Building / A. De Nicola, M. Missikoff, R. Navigli // Information Systems. 2009. - № 34 (2). - Elsevier.-P. 258-275.

75. Elmasri, R. Fundamentals of Database Systems / R. Elmasri. Sh. B. Navath. -Addison Wesley, 2010. 1200 p.

76. Fowler, M. A. Survey of Object-Oriented Analysis and Design Methods / M. A. Fowler // Proceedings of the 19th international conference on Software engineering (Boston, Massachusetts, United States). 1997. - P. 653-654.

77. Frost, R. Database Design and Development: A Visual Approach / R. Frost, J. Day, C. Van Slyke. Prentice Hall, 2005. - 528 p.

78. Garcia-Molina, H. Database Systems: The Complete Book / H. GarciaMolina, J. D. Ullman, J. Widom. Prentice Hall, 2009. - 1248 p.

79. Gómez-Pérez, A. Ontological Engineering: With Examples from the Areas of Knowledge Management, E-commerce and the Semantic Web / A. Gómez-Pérez, M. Fernández-López, O. Corcho. Springer, 2004.

80. Gray, J. Data Management: Past, Present, and Future / J. Gray // IEEE Computer. 1996. - October. - Vol. 29. - № 10. - P. 38-46.

81. Grubcr, T. Ontology. In the Encyclopedia of Database Systems / T. Gruber ; Ling Liu and M. Tamer Ózsu (Eds.). Springer-Verlag, 2008.

82. Härder, Th. DBMS Architecture Still an Open Problem / Th. Härder // Datenbanksysteme in Business, Technologie und Web. Gesellschaft für Informatik (Gl), 2005.-P. 2-28.

83. Harrington, J. L. Object-Oriented Database Design Clearly Explained / J. L. Harrington. Morgan Kaufmann, 1999. - 312 p.

84. Harrington, J. L. Relational Database Design Clearly Explained / J. L. Harrington. Morgan Kaufmann, 2002. - 416 p.

85. Hoberman, S. Data Modeling Made Simple: A Practical Guide for Business and IT Professionals / S. Hoberman. Take IT With You, 2009. - 360 p.

86. Hofler, J. A. Modern Database Management / J. A. Hofier, M. Prescott, H. Topi. Prentice Hall, 2008. - 736 p.

87. IDEF5. Ontology Description Capture Method. URL: http://idef.com/IDEF5.htm (дата обращения: 06.11.2010).

88. Information integration for Concurrent Engineering (IICE). IDEF5 Method Report, Knowledge Based Systems, Inc. University Drive East, College Station, Texas 1994.

89. Jacobson, I. Object-oriented software engineering: a use case driven approach /1. Jacobson. ACM Press, 1992. - 534 p.

90. Kelly, S. Domain-Specific Modeling: Enabling Full Code Generation / S. Kelly, J.-P. Tolvanen. John Wiley & Sons, New Jersey, 2008. - 428 p.

91. Kendall, К. E. Systems Analysis and Design / К. E. Kendall, J. E. Kendall. -Prentice Hall, 2010. 600 p.

92. Kifer, M. Database Systems: An Application Oriented Approach, Compete Version / M. Kifer, A. Bernstein, Ph. M. Lewis. Addison Wesley, 2005. - 1272 p.

93. Klanten, R. Data Flow: Visualising Information in Graphic Design / R. Klan-ten, N. Bourquin, S. Ehmann, F van Heerden. Die Gestalten Verlag, 2008. - 256 p.

94. Mannino, M. V. Database Design, Application Development, and Administration / M. V. Mannino. McGraw-Hill/Irwin, 2008.°- 724 p.

95. Mizoguchi, R. Tutorial on ontological engineering: part 3: Advanced course of ontological engineering / R. Mizoguchi // New Generation Computing. Ohmsha & Springer-Verlag. - 2004. - Vol! 22 (2). - P. 198-220.

96. Muller. R. J. Database Design for Smarties: Using UML for Data Modeling / R. J. Muller. Morgan Kaufmann, 1999. - 464 p.

97. Papazoglou, M. P. Object-Oriented and Entity-Relationship Modeling / M. P. Papazoglou // OOER '95 : 14th International Conference, LNCS 1021. Springer, 1995.

98. Satzinger, J. W. Systems Analysis and Design in a Changing World / J. W. Satzinger, R. B. Jackson, S. D. Burd. Course Technology, 2008. - 704 p.

99. Shelly, G. J. Systems Analysis and Design / G. B. Shelly, H. J. Rosenblatt. -Course Technology, 2009. 742 p.

100. Silberschatz, A. Database Research, Achievements and Opportunities Into the 21st Century / A. Silberschatz, M. Stonebraker, J. Ullman, editors // Stanford Univeisity, Stanford, CA, USA, Technical Report: CS-TR-96-1563. Year of Publication, 1996.

101. Silberschatz, A. Database Systems Breaking Out of the Box / A. Silberschatz. S. Zdonik // ACM Computing Surveys. 1996. - December. - Vol. 28. - № 4.

102. Silverston, L P. The Data Model Resource Book / L. Silverston, P. Agnew // Universal Patterns for Data Modeling. Wiley. 2009. - Vol. 3.-648 p.

103. Simsion, G. Data Modeling Essentials, Third Edition / G. Simsion, G. Witt. -Morgan Kaufmann, 2004. 560 p.

104. Singh, P. K. Database Management System Concepts / P. K. Singh. -V.K. (India) Enterprises, 2009.

105. Song I.-Y., Liddle S. W., Ling T. W., Scheuermann P. Conceptual Modeling / I.-Y. Song, S. W. Liddle, T. W. Ling, P. Scheuermann // ER 2003 : 22nd International Conference on Conceptual Modeling, LNCS 2813. 2003. - Springer.

106. Spinellis, D. Beautiful Architecture: Leading Thinkers Reveal the Hidden Beauty in Software Design / D. Spinellis, G. Gousios. O'Reilly Media, 2009. - 432 p.

107. Stephens, R. Beginning Database Design Solutions / R. Stephens. Wrox, 2008.-552 p.

108. Stephens, R. Database Design / R. Stephens, R. Plew. Sams, 2000. - 528 p.

109. Taylor. R. N. Software Architecture: Foundations, Theory and Practice / R. N. Taylor, N. Medvidovic, E. M. Dashofy. Wiley, 2009. - 750 p.

110. Ullman, J. D. First Course in Database Systems / J. D. Ullman, J. Widom. -Prentice Hall, 2008. 592 p.

111. Vasconcelos, A. Information System Architecture Evaluation: From Software to Enterprise Level Approaches / A. Vasconcelos, P. Sousa. J. Tribolet // 12th European Conference On Information Technology Evaluation (ECITE 2005). Turku, Finland, 2005.

112. Vasconcelos, A. Information System Architecture Metrics: an Enterprise Engineering Evaluation Approach / A. Vasconcelos, P. Sousa, J. Tribolet // The Electronic Journal Information Systems Evaluation. 2007. - Vol. 10. - Issue 1. - P. 91-122.

113. West, M. Developing High Quality Data Models / M. West. Elsevier Science Ltd, 2010.-448 p.

114. Whitten, J. Systems Analysis and Design Methods / J. Whitten, L. Bentley. -McGraw-Hill/Irwin, 2005. 768 p.

115. Yudelson, M. Towards User Modeling Meta-ontology / M. Yudelson, T. Gavrilova, P. Brusilovsky // Lecture Notes in Computer Science. 2005. - Springer. -Vol. 3538/2005. - P. 448^152.