автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка информационных регистров на основе расширения объектного подхода

На правах рукопиа

ГРИШКОВ Владимир Игоревич

Разработка информационных регистров на основе расширения объектного подхода

Специальность 05.13.01: Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СПИИРАН 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Поляков Александр Олегович

«

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воробьев Владимир Иванович

кандидат технических наук, доцент

Малышев Валерий Николаевич

Ведущая организация: Институт интеллектуальных систем и технологий СПбГПУ

Защита состоится « 4 » декабря 2003 г. в 13°° часов на заседании диссертационного совета Д 002.199.01 Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, В.О., 14-я линия, дом 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской академии наук

Автореферат разослан <

Ученый секрета диссертационнс

-гсоэ-^

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Разработка автоматизированной информационной системы (АИС) с базами данных большого объема со сложными внутренними взаимосвязями является достаточно сложной задачей, не всегда имеющей возможность положительного решения с заданными сроками и точностью нахождения тех или иных данных. Это связано с тем, что, во-первых, в подобных проектах большое значение имеет правильный выбор архитектуры, которая эффективно поддерживала бы строго ограниченный набор средств работы с данными. При появлении новых требований даже хорошо спроектированная архитектура может утратить эффективность. Во-вторых, большое число взаимосвязей данных и их увеличение по мере использования и развития АИС, также может привести к некорректной работе системы управления данными. Это относится ко всем общепринятым формальным моделям: реляционным, сетевым, фреймовым и т.д.

Стандартная трехуровневая архитектура проектирования АИС предполагает проектирование сразу трех уровней, а эффективность преобразования одно уровня в другой обычно не рассматривается вследствие плохой формализуемости концептуальной схемы. Поэтому способ стандартного проектирования может отрицательно сказаться на общей эффективности системы, в частности с высокоподвижными информационными ресурсами.

В альтернативу стандартным подходам к проектированию необходима разработка новой концепции, которая позволяла бы строить достаточно эффективные АИС, работающие с подвижными информационными ресурсами и, в тоже время, свободной от недостатков присущих известным способам проектирования.

Актуальность такого подхода достаточно очевидна при решении задач создания современных автоматизированных информационных систем, отличительной особенностью которых в сравнении с ранее распространенными проектами, является повышение требований к точности представления концептуального уровня на нижележащих уровнях и отражение реалий существующей динамики взаимосвязей данных. В частности, актуальность разработки информационных регистров социального (медико-социального) направления содержит в себе две главные компоненты - актуальность исследовательской научной постановки проблемы и актуальность прикладной, прагматической постановки.

Многие важные аспекты такого рода работ в медицинском, системном и медико-техническом плане с различных сторон рассмотрены в работах Р.М.Юсупова, Р.И.Полонникова и др.

Предлагаемое исследование имеет существенные постановочные отличия, связанные не только с подходом к построению структуры АИС, но и с их ориентацией на создание социальных регистров. Это следует из того, что:

- системы управления накапливаемом в регистре информационным ресурсом, в том числе и система обеспечения реабилитации инпяпиппп стществуют

как некоторая вертикаль управления, начиная с самого верхнего, Федерального уровня;

- системы управления ресурсом не являются независимыми вертикалями, но существенно переплетаются и интегрируются по горизонтали на всех уровнях. Система реабилитации инвалидов является, таким образом, частью, одной из вертикалей общей Федеральной системы информационной системы;

- системы управления такого рода существуют в рамках собственных ресурсных ограничений, в том числе и по финансированию. Информационное обеспечение систем управления является одной из главных их компонент, определяющей работоспособность и само существование управления.

Отсюда следуют главные аспекты формирования практической постановки исследования:

1. Требуется построить информационную систему - информационный регистр, являющуюся частью уже действующей вертикали управления Федерального уровня.

2. Разрабатываемая система управления должна быть интегрирована не только по вертикали управления от Федерального до местного уровня, но и по горизонтали с системами общего управления человеческим ресурсом - паспортной службой, медицинскими службами, пенсионным фондом и так далее.

3. Создаваемая система должна иметь возможность легко интегрироваться в уже существующие системы управления всех уровней.

Целью работы является разработка концепции многовариантного представления объектов на базе расширения объектного подхода к проектированию АИС для решения задачи построения медико-социальной АИС - информационного регистра.

Достижение цели предполагает решение следующих задач:

- формирование логического уровня представления данных с учетом минимизации потерь преобразования при переходе к физическому уровню;

- формирование концептуальной модели представления объектов при неполном формировании информационных элементов и связей между ними;

- разработка расширения объектного подхода для обеспечения возможности построения АИС для прикладных областей с трудно формализуемым концептуальным уровнем.

Защищаемые положения. В соответствии со сформированной целью исследования к защищаемым положениям относятся:

1. Разработка основ построения многоуровневой модели проектирования АИС.

2. Формирование модели низкоуровневого представления данных в задачах с высокоподвижными информационными ресурсами.

3. Разработка формализмов стержневого и виртуального объектов как расширения объектного подхода на концептуально-логическом уровне проектирования.

Гкмин'. >'-■'>

£ '

•> т ео

4. Практическая реализация инструментария создания автоматизированных рабочих мест для сопровождения работы АИС информационных регистров различного уровня.

Используемый формальный аппарат. В реализации проекта АИС использованы формализмы объектного подхода, аппараты ассоциативной и реляционных алгебр. На физическом уровне используется механизм сбалансированных деревьев. Показано, что задача математического моделирования структуры СУБД в заданных приближенных условиях и ограничениях не дает практической пользы из-за существенно динамических свойств объектов БД. Предлагается альтернативный вариант, основанный на предлагаемых формализмах расширения объектного подхода, который обеспечивает надежность и функциональную пригодность предлагаемой концепции АИС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предлагается четырехуровневая концептуальная модель АИС оптимальная в прикладных областях с неполным описанием информационных элементов и множества информационных запросов пользователей.

2. На концептуально-логическом уровне вводится два новых формализма объектного подхода: стержневой и виртуальный объекты.

3. Разработана модель стержневого объекта позволяющая выполнять операции чтения записи корректировки и поиска данных без потерь свойственных реляционным СУБД.

4. Предлагаемая модель виртуального объекта позволяет вводить ассоциативные связи между информационными элементами, а также выполнять теоретико-множественные операции реляционной алгебры и применять аппарат ассоциативной алгебры.

5. Выполнена реализация инструментария на базе предложенной концепции.

Практическая ценность работы связана с важностью задачи управления социальными ресурсами и тем обстоятельством, что имеющиеся на сегодня информационные технологии и программные средства не позволяют адекватно подойти к проблеме автоматизации информационного обеспечения указанных задач. Это определяется в первую очередь тем, что имеющиеся информационные технологии с одной стороны слишком сложны в использовании, требуют достаточно много средств и времени на разработку соответствующего проекта. В то же время, они в должной мере не обеспечивают масштабируемость системы класса АИС, либо не обеспечивают достаточного уровня оперативности внедрения и качества (в основном надежности и, в то же время, разнообразия) функционирования информационного обеспечения управления ресурсами.

Предлагаемый подход в значительной мере позволяет снять все перечисленные проблемы, а именно достигается практически любая заданная масштабируемость проекта в «горячем режиме» функционирующей прикладной АИС, достигается высокая надежность и мобильность информационного обеспече-

ния, при этом затраты на разработку, текущую эксплуатацию и дальнейшее развитие АИС остаются в допустимых пределах.

Реализация и внедрение. Работа проводится в исполнение утвержденной Правительством Федеральной программы «Социальная поддержка инвалидов на 2000-2005 гг.».

Диссертационная работа является составной частью договорной НИР на внедрение современных информационных технологий деятельности учреждений Государственной службы МСЭ (договор N 03033 -г. Калининград, договор N 03039 г. Псков) выполненной автором в научном контакте с организацией СП.АРМ и Научно-практическим центром освидетельствования, протезирования и реабилитации инвалидов им. А.Г.Альбрехта.

По результатам работы разработана и внедрена информационная система \

реабилитационного центра инвалидов, внедрены несколько систем местного уровня МСЭ, разработан проект системы уровня СПб региона.

В настоящее время рассматриваются вопросы ввода в строй системы регионального уровня и масштабирования проекта на Федеральный уровень.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались на: Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям СПб, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 25-28 мая 1999 г.; Международной конференции: «Intelligent Systems and Information Technologies in Control» (IFAC) СПб/Псков, 19-23 июня 2000 года; VII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика-2000" - СПб, 5-8 декабря 2000, СПб, 2000 г., Международном научно-практическом семинаре «Телемедицина - становление и развитие», СПб, 2000 г., а также на заседании ученого совета СПИИРАН и семинарах Научно-практического центра освидетельствования, протезирования и реабилитации инвалидов им. А.Г.Альбрехта.

Публикации: Научные результаты работы по теме диссертационной работы изложены в пяти печатных трудах в академических и университетских изданиях.

Объем и структура работы: Диссертация выполнена в объеме 131 страницы основного текста, содержит введение, четыре главы, заключение, приложение, список цитированной литературы и оглавление, а также приложение.

\

2. Общая характеристика работы

В первой главе показывается необходимость разработки нового подхода к организации представления данных в АИС, которая проистекает из задачи устранения известных недостатков стандартного подхода, для чего для поднятия общей эффективности системы с высокоподвижными информационными ресурсами требуется пересмотр трехуровневой системы проектирования с приведением традиционной схемы к новому набору и соотношению уровней, позволяющему приблизить структуру АИС к концептуальному уровню.

Отмечается что, что фундаментальным свойством объектного подхода к моделированию является близость к способу концептуализации реального мира человеком. Понятия объектного подхода вещь, свойство и отношение име-

ют принципиальное значение в любой отрасли знания. Эти понятия лежат в основе объектного подхода и являются базовыми для раскрытия сущности и структуры любой предметной области. Концептуальный и логический уровень объектной концепции очень близки, поскольку оба они используют абстракцию называемую «объект», и именно эта близость делает легким переход от концептуального моделирования к логическому. Тем не менее, при разработке АИС в медико-социальной сфере это разделение препятствует достижению адекватности представления. Поэтому целесообразна постановка задачи расширения объектного подхода - введения концептуально-логического уровня.

Во второй главе рассматриваются возможности описания изменчивости БД на двух уровнях, физическом и логическом в рамках уже известных подходов к проектированию СУБД.

В части физического уровня представления данных наибольшее внимание уделяется механизмам деревьев, как структур чисто топологических, не несущих в себе особенностей взаимосвязи логической модели данных и их физического размещения. На основании теоремы Адельсона-Вельского и Ландиса оценивается эффективности операции поиска в модифицированном сбалансированном дереве по предложенной в работе формуле

Тср~1.2 р ^(№1с+2), где М-количество узлов дерева, к - количество узлов дерева, помещаемого в один физический блок. При операции сравнения задействуется введенная функция сортировки Б, которая сравнивает средний узел в листе с искомым значением и вносит задержку р. Формула дает оценку при самом неудачном сбалансированном дереве. Как видно из формулы выбранная структура является оптимальной для типичных операций с СУБД.

Показано, что на логическом уровне удобно работать с разряженным упорядоченным деревом, которое отражается на физический уровень: 0({<П,У,>},{с1})^{<1>}>

где в - орграф, {<п, у,>} множество узлов и значений логической структуры, {с!}- множество дуг, {<С>} упорядоченное множество узлов модифицированного сбалансированного дерева (рис.1):

^(уи|^значение (у1)=значение [у2]

(уЗ)=значение

(у4)=значение Рис.1. Разряженное упорядоченное дерево

Как видно из рис. 1 данная логическая структура представляет собой упорядоченный орграф без циклов. Такая структура принципиально может нести на своем уровне некоторую семантическую нагрузку.

В качестве языка управления данными предлагается язык управления разряженными упорядоченными графами на основании однозначного соответствия узлов графа и физически реализующего его модифицированного сбалансированного дерева. В силу этого обстоятельства не происходит трансляции из алгебраической системы правил и отношений реализованной в виде

декларативного языка SQL по конечному множеству правил Р в операции записи чтения файла БД, что повышает эффективность системы.

На уровень языка управления данными вводится функция сортировки F. Данная функция позволяет упорядочить блоки модифицированного сбалансированного дерева (В* -дерева). Функция сортировки F реализует любые типы сортировок, в том числе и стандартные: числовую, символьную, восходящую и нисходящую. Благодаря возможности отключения F, возможно достичь максимальной производительности операций записи в БД, когда необходимый порядок следования записываемых узлов контролируется внешним пользователем (некоторым приложением).

В третьей главе, исходя из детального анализа концепции объектного подхода показано, что специфика применения объектно-ориентированного подхода для организации и управления БД требует уточненного толкования классических концепций и некоторого их расширения.

Для этого вводится два формализма объектного подхода как его расширения. Во-первых, вводится понятие стержневого объекта, который отвечает за хранение данных на рассмотренном выше логическом уровне.

Самый общий случай хранения стержневых объектов с возможностью кодировки значений, а также самих свойств, представляется следующим образом. Для каждого значения свойства порождается ссылка в прямом и обратном словаре свойства - ветка разряженного упорядоченного графа AQ. Прямой словарь значений свойства с кодом "pi": AQ(l,"pl")=<B> AQ( 1 ,"р 1 ",<V>)=<B> где <V> - значение кода, <В> - код значения

Обратный словарь кодов значения свойства "Cpl" (добавляется символ "С" к коду свойства): AQ(l,"Cpl")=<V> AQ( 1 ,"Ср 1 ",<B>)=<V> Структура экземпляров стержневого класса: AQ( 1 ,<qqo>,<OID>)=KonH4ecTBO экземпляров AQ(l,<qqo>,<OID>,<qqw>)=<qqzno>_..._<qqznN>, где {qqzn} -коды значений свойств, qqo - код объекта, {<qqw>}-K^bi свойств.

В предложенном варианте идет автоматическое создание индекса по любому свойству объекта, что позволяет эффективно отрабатывать любые поисковые запросы пользователя:

AQ(1, "Ср 1 ",<qqznk>,<qqo>,<OID>)

Кодировка значений свойств (множество {<qqzn>}) может быть общей для всех объектов, тогда поддерево AQ(l,"Cpl") и поддерево AQ(l,"Cpl") будет использоваться всеми объектами.

Во-вторых, для избавления от поведенческой составляющей объекта в стандартном понятии объектного подхода предлагается понятие виртуального объекта.

Пусть имеется множество виртуальных объектов О {о!,..,оп} таких, что реально они не существуют в БД (нет никаких записей в деревьях). Но существует функция порождения С (constructor) , вычисляемые свойства {Р}, отдельные для каждого объекта. {Р} могут вычисляться только в момент вызова {Р}. Вводя виртуальные объекты можно формально свести объектный подход к реляционному. Это достигается за счет изоляции поведенческой составляющей (методов) на момент существования О. Реально она есть в функции С (при создании). С О можно работать как с объектными кортежами. На О можно исследовать операции характерные для реляционной алгебры. Основное преимущество объектных картежей заключается в экономии машинной памяти; например пусть есть два кортежа <al,bl,cl> и <а1,Ы,с2> их легко соединить в объектный кортеж с вершинами <al,bl,cl:c2>. Правила соединения вершин могут бьггь различными.

Связь О с стержневыми объектами может быть только через С (в момент создания) или деструктор D в момент удаления. О - это единственное звено соприкасающееся с реляционным подходом. Функция С должна иметь по крайней мере два аргумента: направление и текущий о.

Объектные кортежи хорошо согласуются с аппаратом ассоциативной алгебры. Отношения (связь между классами) в ассоциативной алгебре можно определить формально. Аппарат ассоциативной алгебры позволяет выстраивать схемы БД. Введем обозначения:

• А_ В, С - обозначает классы (большие буквы);

• R(A, В) - обозначает отношение между классами;

• ai.. an -объекты (экземпляры) класса А;

• (ambic) - связь 1:1 n-го объекта класса А с k-м объектом класса В

• {awfefe) - отсутствие связи n-го объекта класса А с к объектом класса В

Для перевода объектных кортежей в аппарат ассоциативной алгебры следует учесть, что ассоциативная алгебра работает со схемами классов, поэтому необходим перевод виртуальных объектов в схему классов. Схема класса С -это конечное подмножество Ds, С = {S,/S, eDs} , где S, - имя атрибута класса С). Тогда класс с со схемой С- это конечное множество отображений {ot, оъ ..., ок} из Си Q (множество типов), причем каждое отображение о с должно удовлетворять следующему ограничению: o(sJ с Q. Такие отображения о названы объектными кортежами. Соответственно, объектом о класса с называется множество {s,:Sj / s,} является именованным (имеющим имя подмножеством соответствующего {QJts, с Q).

Поскольку Ds можно рассматривать как объединение всех схем классов С Ds = С] yj С2и.... и Ст. где m - число классов существующих в системе^, то

множество всех объектов всех классов 0= c¡и c2\j.... и ст можно рассматривать как множество отображений из домена Ds в то же самое множество Q. Сказанное позволяет перевести виртуальный объект в аппарат ассоциативной алгебры.

Реализация виртуального объекта выполнена с использованием логической структуры упорядоченного разряженного дерева. Получение экземпляров виртуального объекта должно определяться пользователем. При описании объекта должен быть создан метод-конструктор Order, в котором описывается способ получения экземпляров виртуального объекта относительно его родителя и значений свойств виртуального объекта.

Сигнатура метода Order определяется следующим образом:

Order(parl,par2,par3,par4,parS). I

где: pari - направление движения по объектам, может принимать следующие значения: 1 - получение следующего экземпляра объекта относительно текущего (рагЗ) или -1 - получение предыдущего экземпляра объекта относительно текущего (рагЗ); раг2 - условие на экземпляры объектов; рагЗ - текущий OID виртуального объекта. Если равен «» (пусто), то происходит получение первого (последнего - в зависимости от pari) экземпляра виртуального объекта. Если не равен «», то - получение следующего (предыдущего) экземпляра виртуального объекта; par4 - OID объекта-родителя, связь реализована через кластерный ключ; раг5 -искать подобъекты или нет.

Получение экземпляров виртуального объекта происходит всегда относительно текущего кода экземпляра объекта-родителя (раг4). При первом вызове Order рагЗ будет равен «». Если parl=l или -1, то метод должен вернуть следующий (предыдущий) OID виртуального объекта относительно текущего кода экземпляра объекта-родителя. Если parl=0, то должна быть выполнена проверка того, является ли текущий код экземпляра виртуального объекта (рагЗ) правильным с точки зрения пользователя или нет. Метод должен вернуть 1, если код - правильный, и 0 - если нет. Если возвращается 0, то код экземпляра не обрабатывается. ,

Для каждого нового экземпляра виртуального объекта создается дерево вида: Obj (<ОГО>,<свойство>)=<значение>.

С помощью виртуального объекта выполняется преобразование в реляци- \

онную модель.

Пусть существует домен Dom {Dom <?D), содержащий значения, являющиеся уникальными идентификаторами, и каждому объекту о существующему в системе ставиться в соответствие одно и только одно значение из этого домена т.е. О *-+Doid- Поскольку любое о (оеО) рассматривается как отображение из Ds в Q, и каждому такому отображению соответствует определенное значение OID (OID е. Dom), то О можно рассматривать как подмножество прямого произведения Doiu> Ds\\ Q:

О с Doid*. Dsy. Q

Исходя из того, что Q ~ (Q / Q= F. D,, D eD} предыдущее выражение

О

можно переписать как

О = R {R/R с Don}x Dsx Q, Q= Г D, Doid e D, Ds e D ; (3)

Поскольку каждому Q ставиться в соответствие множество dorn1 (Q) именованных атрибутов s, для которых это Q является доменом Q=dom(s), s е dom'l(Q), dorn' (Q) с Dstq более точным будет выражение

О = R {R/R с А>л>х doni'(Q)* Q,Q = Г D„ D, е D, Dom fD.fteD } Это выражение можно переписать как

0 = К/К/ЯсГ Di, D, eJ),Di = Dom, D2=Dsj

0S/<=o

Видно, что множество О является реляционной системой. Каждому значению <di,...,dn> атрибута Q, со схемой [Db...,D„ ], входящему в атрибут sJ5 объекта ок соответствует кортеж <OIDk, Sj, di,...,dn> отношения R, со схемой [D0id:OID, S, Di,...,Dn ]. Каждому свойству Q, ставиться в соответствие отношение R„ содержащее значения всех свойств этого качества, принадлежащих всем существующим в системе объектам. Любой набор данных представленный в виде О (множество объектов) может быть сохранен в виде R (множество отношений).

Особо следует подчеркнуть, что поведенческая составляющая виртуальных объектов существует только на момент их создания и «замораживается» после их создания.

На данном этапе получена возможность перехода к рассмотрению новой, четырехуровневой схемы проектирования АИС. Схема АИС во взаимодействии ее уровней представляется в следующем виде (рис. 2).

1. Концептуальный уровень. Этот уровень, формирующий множество информационных требований пользователя.

2. Концептуально-логический уровень. Обеспечивает единство и целостность совокупности БД, поддерживаемых АИС. Обеспечивает работу «конструктора» виртуальных и стержневых объектов. Служит обратной связью для системного аналитика при масштабировании, реорганизации и сопровождении системы. Уровень представляет собой модель данных, выполненную на тран-закционной многомерной модели данных Cache'. Реализация концептуально-логического уровня на СУБД Cache обеспечивает масштабируемость АИС.

3. Логический уровень. Уровень представляется в виде разряженных упорядоченных деревьев, которые легко отображаются как в объектные кортежи, тах и в реляционные. Для работы с этими деревьями имеется низкоуровневый язык, что позволяет достаточно эффективно реализовывать пользовательские запросы к базам данных.

4. Физический уровень. Благодаря тому, что разряженные упорядоченные деревья однозначно отображаются на сбалансированные деревья, обеспечивается эффективное преобразование логического уровня в физический. Тем ca-

ll

мым преодолевается основной недостаток реляционной модели, принципиально непригодной для обеспечения эффективного соответствия. Известно, что реляционная модель обязана включать в себя оптимизатор запросов, что резко тормозит производительность системы.

Концептуальный уровень

Концептуальный уровень

ЙЯ+ИШЧЯМЯМ«

Концептуально-логический уровень

Рис. 2. Концептуальная схема автоматизированной информационной системы

Далее рассматриваются вопросы моделирования оптимальной по надежности и по скорости доступа структуры БД и на логическом и на физическом уровне. Задачи синтеза оптимальной логической структуры БД являются зада-12

чами линейного и нелинейного целочисленного программирования с булевыми переменными, для решения которых известны точные и приближенные алгоритмы. Основными исходными данными для постановки и решения задач синтеза оптимальной логической структуры БД являются оПш- интенсивность выполнения Л,-го информационного требования; - матрица инциденции между информационными элементами и связями. В этом случае получается множество типов логических записей {Ь}, на основании которых можно сформировать множество виртуальных объектов {о} на концептуально-логическом уровне проектирования.

При постановке задачи эффективной обработки всего множества пользовательских запросов, и отсутствии жестких ограничений на размер БД, все [ множество виртуальных объектов изоморфно отображается в стержневые объ-

екты. Стержневые объекты работают со сбалансированными деревьями напрямую, скорость работы которых исследовалась во второй главе. В этом случае отпадает надобность в проектировании физического уровня.

В четвертой главе в соответствии с поставленной практической задачей исследования в настоящей главе предлагается реализация полученных в

Целевые программы социального развития региона

" Лечебно- •• л-

профшгакт,

учреждения V -V

Рис. 3. Схема взаимодействия региональных структур социальной сферы в рамках решения задач реабилитации и социальной защиты инвалидов

первых трех главах результатов для проектирования прикладной АИС. Рассмотрение начинается с построения концептуального уровня (рис.3).

Основные информационные массивы, формирующие единое информационное пространство информационных регистров в простейшем случае могут быть представлены в виде отношений Я. Например, состав информационных блоков региональных регистров населения -NJ.

/ I

где: Я{< аЬг,..,атг >}и К{<х^,..,хкг >} - общие и специализированные данные; ъ - индикатор специализированных «поставщиков» информации на региональном уровне; 1 - индикатор специализированных информационных направлений в регионе; ] - идентификатор региона.

Показано, что задача контекстно-зависимого управления может быть сведена к задаче имитации и моделирования изменчивости взаимодействующих БД различных служб и вертикалей управления социальными ресурсами.

В приложении для пояснения непосредственной реализации проекта рассматриваются основные аспекты реализации практической работы с действующей системой, реализованной в рамках предлагаемого четырехуровневого подхода. В частности приводятся примеры интерфейсов пользователей АИС. В системе автоматизации бюро МСЭ существует несколько разных рабочих мест. Каждое рабочее место включает в себя подмножество виртуальных объектов.

Внешний вид рабочего места представляет собой окно, содержащее кнопки, информационные поля и поля для ввода (на рис. 4 представлено рабочее

Информационные

Кнопки

О Ц ЕпалетмГ «В»

у П Ддаас паи1«с*ц

Ш>$йМЕЯ|ве**!Я

чив 1 Г 1 'Ч Ч I ИЙЬ

1*> ч.

. тттштттттш* *

Рис. 4. Пример вида рабочего окна врача-эксперта

место врача-эксперта). На белом фоне - поля для ввода данных. Выделенным шрифтом на сером фоне пишутся названия этих полей. Кнопки существуют двух видов - обычные, на панелях, и в виде подчеркнутых надписей синего цвета рядом с треугольником (расположены на рабочем поле).

Для всех окон существует понятие активной строки, которая выделяется цветом. Активной строка становится в том случае, если «щелкнуть» по ней левой кнопки мыши. Активная строка выделяет виртуальные объекты, с которыми в данный момент работает пользователь.

¡, Общие выводы по работе

По первому защищаемому положению: «Разработка основ построения многоуровневой модели проектирования АИС» получены следующие результаты:

1. Показано, что фундаментальным свойством объектного подхода к моделированию является близость к способу концептуализации реального мира человеком. Понятия объектного подхода вещь, свойство и отношение имеют принципиальное значение в любой отрасли знания. Эти понятия являются базовыми для раскрытия сущности и структуры любой предметной области. Эти же понятия лежат в основе объектного подхода.

2. Отмечено, что концептуальный и логический уровни объектной концепции очень близки, поскольку оба они используют абстракцию называемую «объект», и именно эта близость делает легким переход от концептуального моделирования к логическому. Показывается целесообразность постановки задачи расширения объектного подхода - введения концептуально-логического уровня.

По второму защищаемому положению «Формирование модели низкоуровневого представления данных в задачах с высокоподвижными информационными ресурсами» получены следующие результаты:

1. Доказано, что логическое разряженное упорядоченное дерево обладает важнейшими для исследуемой задачи свойствами универсальности, прозрачности представления и сохранения исходного контекста. Все другие «не топологические» механизмы своим устройством несут меньшую семантическую нагрузку, что недопустимо для существенно динамических объектов. Кроме того, данная логическая структура идеально отражается на физическую структуру хранения.

2. Доказано, что на выбранном логическом уровне происходит более эффективная трансляция по сравнению с алгебраической системой правил и отношений <А,алПл> в операции записи чтения файла БД. Показано, что использование реляционной модели обладающей важнейшим качеством замкнутости по операциям позволяет строить корректно только контекстно-независимый

уровень языка манипулирования данными, то есть, в конечном счете, строить успешно работающие промышленные продукты, содержащие в себе объекты с низкой динамикой своего существования.

3. Выявлено, что попытки семантического моделирования манипуляци-онного аспекта данных в рамках одного логического уровня представления не дают в известных подходах значимых практических результатов. Показано, что для достижения практических результатов необходимо разделение логического уровня на два так, чтобы не помещать на один логический уровень и средства языка, и средства метаязыка.

По третьему защищаемому положению «Разработка формализмов стержневого и виртуального объектов как расширения объектного подхода на концептуально-логическом уровне проектирования» получены следующие результаты:

1. Доказана необходимость выделения концептуально-логического уровня АИС как отдельной реализационной структуры и разработана концепция АИС в виде четырехуровневой архитектуры, как расширения современной концепции объектного программирования. .

2. Предложена концепция в виде двух соподчиненных структур: концептуально-логического уровня, осуществляющего семантический и синтаксический контроль конструкций языка управления данными и собственно логического уровня, осуществляющего непосредственно функции работы с разряженными упорядоченными деревьями.

3.Введены новые формализмы расширения объектного подхода в виде концепции объектов: «виртуальный объект», «стержневой объект».

3. Концепция виртуального объекта позволяет выполнять стандартные аналитические запросы OLAP систем.

4. Реализована возможность создания и сопровождения многоуровневых представлений БД и возможность конструирования уровней в процессе эксплуатации приложений.

По четвертому защищаемому положению «Практическая реализация инструментария создания автоматизированных рабочих мест для сопровождения работы АИС информационных регистров различного уровня» получены следующие результаты:

1. Выработана концепция реализации перечисленных выше механизмов и структур в рамках стандартов ODMG и SQL, что позволяет считать разработанную АИС сертифицированным промышленным продуктом.

2. Разработано и представлено рабочее место системного аналитика, обеспечивающее сопровождение АИС

3. Разработаны и представлены рабочие места для проведения необходимых видов работ в АИС, являющиеся типовой основой, допускающей свою специализацию без существенных изменений для каждой практической реализации реальных рабочих мест в различных практических приложениях.

4. Список публикаций по теме диссертации

1. Гришков В.И., Поляков А.О. Постобъектный подход к представлению знания / В сб. докладов международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. 25-28 мая 1999 г. СПб, Изд-во ЛЭТИ, 1999. с. 244-247.

2. Гришков В.И. Применение интернет-серверных технологий в медицине. / В сб. материалов международного научно-практического семинара «Телемедицина - становление и развитие» под редакцией Р.М.Юсупова и Р.И.Полонникова. СПб., Изд-во СПИИРАН. 2000. с. 76-78.

3. Гришков В.И. Технология оптимизации объектных субд по производительности. В трудах конференции «Intelligent Systems and Information Technologies in Control» (IFAC) СПб/Псков, 19-23 июня 2000 г., Изд-во СПбГТУ. 2000. с. 432-434.

4. Гришков В. И. Исследование динамики структуризации СУБД / В материалах VII международной конференции «Региональная информатика»-2000. СПб, Изд-во СПОИСУ. 2000. с. 132-133.

5. Гришков В. И. Исследование возможностей объектного представления данных в прикладных системах / В сб. Труды СПИИРАН под редакцией Р.М.Юсупова. СПб., Изд-во СПИИРАН. 2003. Вып.1, Т.З. с. 75-83

18

Подписано в печать 24.10.2003. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 080 Издательство ООО «Анатолия» 199178, Санкт-Петербург, В. О., 14-я линия, 39. Издательская лицензия ЛП 000067 от 20.01.99 ПЛД № 69-462 от 30.12.99

'¿00 5 -ft

f 1769 5

Введение.

Глава 1.

Анализ и выбор направления создания новой концепции проектирования объектных автоматизированных информационных систем.

1.1. Проектирование АИС.

1.2. Объектный подход.

1.3. Формально-логический уровень объектного подхода.

1.3.1. Основные необходимые понятия.

1.3.2. Объектная модель данных.

1.3.3. Язык объектных запросов.

1.4. Роль ОСУБД в архитектуре ODMG.

1.5. Ограниченность современной объектной концепции.

Выводы по первой главе.

Глава 2.

Расширение объектного подхода.

Физический и логический уровни проектирования.

2.1. Физический уровень.

2.1.1. Физические структуры.

2.1.2. Модифицированное В-дерево.

2.2. Логический уровень.

2.2.1. Логическая модель данных.

2.2.2. Реляционные модели и алгебры.

2.2.3. Недостатки реляционной модели.

2.2.4. Семантические сети.

2.2.5. Особенности языков обработки данных.

2.2.6. Разряженное упорядоченное дерево на логическом уровне.

Выводы по второй главе.

Глава 3.

Расширение объектного подхода на концептуально-логическом уровне проектирования.

3.1. Классы объектов.

3.2. Отношения между классами.

3.3. Стержневые объекты.

3.4. Виртуальные объекты.

3.5. Семантика атрибутов виртуального объекта.

3.6. Преобразование объектной модели в реляционную.

3.7. Многовариантное представление информационных объектов.

3.8. Реализация виртуального объекта.

3.9 Аналитическая обработка данных.

3.10. Реализация физического и логического уровней АИС на основе промышленной СУБД Cache.

3.11. Представление схемы взаимодействия уровней АИС.

3.10. Структура инструментария АИС.

3.13. Оценка эффективности АИС.

3.13.1 Синтез оптимальной логической структуры.

3.13.2 Синтез оптимальной физической структуры.

Выводы по третьей главе.

Глава 4.

АИС информационных регистров.

4.1. Список задач информационной системы регистров.

4.2. Концептуальный уровень представления АИС социальных регистров обеспечения реабилитации инвалидов.

4.3. Социальные регистры как динамический информационный объект.

4.4. Множество информационных требований пользователей.

4.5. Вопросы формирования и актуализации регистров населения.

4.6. Пример возможных вариантов структур регистров различного уровня. 122 Выводы по четвертой главе.

Актуальность темы. Разработка автоматизированной информационной системы (АИС) с базами данных (БД) большого объема со сложными внутренними взаимосвязями является достаточно сложной задачей, не всегда имеющей возможность положительного решения с заданными сроками и точностью нахождения тех или иных данных. Это связано с тем, что, во-первых, в подобных проектах большое значение имеет правильный выбор архитектуры, которая эффективно поддерживала бы строго ограниченный набор средств работы с данными. При появлении новых требований даже хорошо спроектированная архитектура может утратить эффективность. Во-вторых, большое число взаимосвязей данных и их увеличение по мере использования и развития АИС, также может привести к некорректной работе системы управления данными. Это относится ко всем общепринятым формальным моделям: реляционным, сетевым, фреймовым и т.д.

Стандартная трехуровневая архитектура проектирования АИС предполагает проектирование сразу трех уровней и эффективность преобразования одно уровня в другой обычно не рассматривается вследствие плохой формализуемости концептуальной схемы. Поэтому способ стандартного проектирования может отрицательно сказаться на общей эффективности системы, в частности с высокоподвижными информационными ресурсами.

В альтернативу стандартным подходам к проектированию, необходима разработка новой концепции, которая позволяла бы строить высокоэффективные АИС, работающие с подвижными информационными ресурсами и, в тоже время, свободной от недостатков присущих известным способам проектирования.

Актуальность такого подхода достаточно очевидна при решении задач создания современных автоматизированных информационных систем, отличительной особенностью которых в сравнении с ранее распространенными проектами, является повышение требований к точности представления концептуального уровня на нижележащих уровнях и отражение реалий существующей динамики взаимосвязей данных. В частности, актуальность разработки информационных регистров социального (медико-социального) направления содержит в себе две главные компоненты - актуальность исследовательской научной постановки проблемы и актуальность прикладной, прагматической постановки.

Многие важные аспекты такого рода работ в медицинском, системном и медико-техническом плане с различных сторон рассмотрены в работах Р.М.Юсупова и Р.И.Полонникова [2, 3], Е.П.Попечителева [4,5], В.М. Ахутина [6], в работах [7-9] и др.

Предлагаемое исследование имеет существенные постановочные отличия, связанные не только с подходом к построению структуры АИС, но и с их ориентацией на создание социальных регистров. Это следует из того, что:

- системы управления накапливаемом в регистре информационным ресурсом, в том числе и система обеспечения реабилитации инвалидов, существуют как некоторая вертикаль управления, начиная с самого верхнего, Федерального уровня;

- системы управления ресурсом не являются независимыми вертикалями, но существенно переплетаются и интегрируются по горизонтали на всех уровнях. Система реабилитации инвалидов является, таким образом, частью, одной из вертикалей общей Федеральной системы информационной системы;

- системы управления такого рода существуют в рамках собственных ресурсных ограничений, в том числе и по финансированию. Информационное обеспечение систем управления является одной из главных их компонент, определяющей работоспособность и само существование управления.

Отсюда следуют главные аспекты формирования практической постановки исследования:

1. Требуется построить информационную систему - информационный регистр, являющуюся частью уже действующей вертикали управления Федерального уровня.

2. Разрабатываемая система управления должна быть интегрирована не только по вертикали управления от Федерального до местного уровня, но и по горизонтали с системами общего управления человеческим ресурсом — паспортной службой и МВД, социальными службами, медицинскими службами, пенсионным фондом и так далее.

3. Создаваемая система должна иметь возможность легко интегрироваться в уже существующие системы управления всех уровней.

Ясно, что все перечисленные требования в известном смысле являются взаимоисключающими. Действительно, требуется построить открытую в общесистемном смысле информационную систему в условиях очень жестких ресурсных ограничений по всем существенным параметрам - финансовым, временным и технологическим. Дополнительно возникает и такое ограничение: система должна базироваться на стандартных, инженерно распространенных и доступных аппаратных и программных платформах, без каких-либо специальных модификаций обеспечивать естественную интеграцию различных аппаратных и программных платформ.

Управление информационными ресурсами присутствует на всех стадиях развития общества и чем выше уровень развития, тем выше требования к этому управлению. К настоящему времени хорошо известно большое число систем обеспечения медико-социального характера [47], поэтому важно рассмотрение отличительных качественных характеристик самого объекта исследования и его информационного обеспечения, то есть следующих моментов:

1. Объект подвижен и изменчив.

2. Подвижность и изменчивость объекта исследования предъявляет соответствующие требования к информационному обеспечению, выступает как некоторые «показатели», указывающие насколько изменяется структура и состав информационного обеспечения во временном процессе действия управления. Причем как «в большом», на отрезках времени «больших» относительно изменчивости самого ресурса, так и «в малом», на отрезках времени, сопоставимых с периодом управления и даже меньших.

В разных практических ситуациях показатели, сравнительные оценки подвижности и изменчивости выступают по-разному. Их действие не всегда совершенно очевидно и понятно, требует анализа для правильного восприятия.

К примеру, информационная база даже самой современной банковской системы в своем ядре почти ничем не отличается от гроссбуха столетней давности, унаследовала в своей основе даже терминологию. Этим и обусловлен тот факт, что первыми автоматизированными системами стали системы учета «стабильно представимых» структур данных, в частности банковские системы. Благодаря малой подвижности информационной базы, стала возможной разработка и внедрение этих систем практически «сразу и одномоментно», а также их длительная эксплуатация без кардинальных переработок. Более того, стало возможно не только окупить разработку этих систем, но и их дальнейшее развитие и модификацию с достаточно малыми затратами.

Исторически сложилась ситуация, когда системы обработки «стабильных в представлении» структур данных стали основой и примером для создания всех прочих систем. Именно банковские системы и подобные им по постановке, стали предтечей и прообразом всех остальных систем автоматической обработки данных. Прообразом далеко не всегда удачным и адекватным, поскольку деньги, будучи наиболее подвижным физическим объектом, как информационный объект очень малоподвижны. Их описание, то есть назначение, признаки, характеристики и способы применения остаются неизменными на протяжении столетий.

Иначе ситуация сложилась, например, с ископаемыми ресурсами. Будучи физически очень малоподвижными (месторождения только открывают и исчерпывают, а это достаточно длительные процессы), как информационный объект эти ресурсы куда более подвижны.

Постоянно и достаточно быстро меняются технологии, а значит способы поиска и переработки, наконец, меняются способы использования этих ресурсов. А значит, необходимо меняется и информационная компонента, информационная база системы управления этими ресурсами. Попытки создавать автоматизированные системы для информационного обеспечения таких ресурсов, в частности «регистры ископаемых» при всей очевидной насущности проблемы, как правило, проваливались буквально до последних десятилетий, до внедрения современных информационных технологий. Только в последнее время в наиболее развитых странах появились автоматизированные информационные системы этих ресурсов, а задача интеграции этих систем все еще остается открытой.

Аналогичная ситуация сложилась и с земельными кадастрами. К примеру, в СССР попытки автоматизировать земельный кадастр не прекращались со времен начала внедрения вычислительной техники, но создание действующей информационной системы «земельный кадастр России» начато только сейчас и, насколько известно, ведется с переменным успехом.

Причина та же, что и с ископаемыми ресурсами - являясь физически малоподвижным ресурсом, в информационном аспекте земля оказалась весьма подвижной - опять же в силу развития сельскохозяйственных и других технологий и политико-экономических тенденций. Привычки работы с хорошо формализуемыми информационными объектами по типу банковских систем и здесь сослужили плохую службу: в СССР и затем в России пришлось вложить в автоматизацию земельного кадастра весьма значительные ресурсы с практически нулевым результатом.

Можно упомянуть и успешно внедренные и распространяющиеся системы обслуживания пассажиров, резервирования билетов и гостиничного бизнеса. Будучи физически «максимально подвижным» в информационном отношении, пассажир не изменился за последнее столетие, неизменными остаются основные функции - перемещение, ожидание, занятие места в гостиницах и в транспортных средствах, меняются лишь способы реализации этих функций, так что здесь образец банковских систем сыграл положительную роль.

Совершенно иное дело — социально-демографический ресурс. Здесь разработчик имеет дело с наиболее подвижным в информационном плане объектом. Эта подвижность определяется тем, что она и есть сама жизнь общества, совокупность различных процессов, составляющих жизнедеятельность общества и индивида. Информационная компонента управления этим объектом должна быть открытой системой в самом прямом смысле общей теории систем - в смысле обеспечения и реального учета непрерывного взаимодействия со своим окружением, а не в программистском смысле свободы добавления новых программистских разработок.

Именно такое положение в социальной системе занимают медицинские и реабилитационные подсистемы, поскольку они должны быть ориентированы, прежде всего, на изменение медицинского и социального статуса своих объектов учета, а именно на их улучшение, а не только на фиксацию текущего состояния, что, конечно, не всегда в полной мере достижимо. То есть в аспекте подвижности информационной базы мы должны выделять и обозначать ее относительно других подсистем как «сверхподвижную».

Цель работы. Целью работы является разработка концепции расширения объектного подхода к проектированию АИС для решения задачи построения медико-социальной АИС — информационного регистра.

В результате проведенного выше рассмотрения общей начальной постановочной задачи можно утверждать, что такая цель ведет к постановке и решению задачи, требующей отображения «сверхподвижного» информационного ресурса. Это в свою очередь, требует развития концепции информационного объекта в сторону учета его динамических свойств, то есть учета особенностей объекта, динамика которого существенным образом зависит от внешних информационных потоков и множества взаимодействующих информационных систем, реально существующих в разных режимах.

Для выполнения поставленной социально важной задачи в настоящей диссертационной работе представляется необходимым провести исследования, разработки и апробацию их результатов, конкретизирующих указанную выше основную цель настоящей работы.

Используемый формальный аппарат. В реализации проекта АИС использованы формализмы объектного подхода, аппараты ассоциативной и реляционных алгебр. На физическом уровне используется механизм сбалансированных деревьев. Показано, что задача математического моделирования структуры СУБД в заданных приближенных условиях и ограничениях не дает практической пользы из-за существенно динамических свойств объектов БД. Предлагается альтернативный вариант, основанный на предлагаемых формализмах расширения объектного подхода, который обеспечивает надежность и функциональную пригодность предлагаемой концепции АИС.

Научная новизна. Научная новизна разработки заключается в том, что:

1. Показывается ограниченность стандартного трехуровневого подхода к проектированию АИС, слабым местом которого является эффективность преобразования одно уровня в другой, вследствие плохой формализуемости концептуальной схемы. В итоге, существующий подход плохо применим к системам с высоко подвижными информационными ресурсами.

2. Выбирается физический уровень представления данных на базе модифицированных сбалансированных деревьев.

3. Обосновывается выбор логического уровня реализованного в виде упорядоченных разряженных деревьев и языка управления такими структурами.

4. На концептуально-логическом уровне вводится два новых типа объектов: стержневой и виртуальный, которые предлагается использовать в качестве расширения стандартной объектной модели.

5. С использованием двух новых типов объектов строится четырехуровневая структура АИС, выполненная на объектной СУБД Cache'. Реализация указанного расширения выполнена в рамках стандартов ODMG, SQL, как воплощение инструментального подхода к проектированию АИС, работающей в режиме непрерывного конструирования и развития.

6. Предлагается программное обеспечение, реализующее практическую информационную открытость и масштабируемость АИС.

7. Обсуждается эффективность четырехуровневой логической структуры АИС.

Практическая ценность. Практическая значимость работы определяется важностью задачи управления социальными ресурсами и тем обстоятельством, что имеющиеся на сегодня информационные технологии и программные средства не позволяют адекватно подойти к проблеме автоматизации информационного обеспечения указанных задач. Это определяется в первую очередь тем, что имеющиеся информационные технологии в первую очередь слишком сложны в использовании, требуют достаточно много средств и времени на разработку соответствующего проекта. В то же время, они в должной мере не обеспечивают масштабируемость системы класса АИС, либо не обеспечивают достаточного уровня оперативности внедрения и качества (в основном надежности и в то же время, разнообразия) функционирования информационного обеспечения управления ресурсами.

Предлагаемый подход в значительной мере позволяет снять все перечисленные проблемы, а именно достигается практически любая заданная масштабируемость проекта в «горячем режиме» функционирующей прикладной АИС, достигается высокая надежность и мобильность информационного обеспечения, при этом затраты на разработку, текущую эксплуатацию и дальнейшее развитие АИС остаются в допустимых пределах.

Сказанное особенно важно для обеспечения существующей Федеральной программы информационного обеспечения системы социальной поддержки инвалидов. Утвержденная Правительством Федеральная программа предусматривает создание единой автоматизированной информационно-справочной системы по проблемам инвалидности и инвалидов. Основными функциями системы являются:

1. планирование развития отраслей реабилитационной индустрии;

2. подготовка решений по вопросам финансирования комплексных программ реабилитации;

3. проведение многоуровневого анализа различных аспектов проблем инвалидности;

4. сбор, хранение, обработка и оперативное предоставление информации потребителям различных уровней - федерального, регионального, муниципального, в том числе и инвалиду, по следующим основным направлениям: текущее информационное обслуживание; социальное прогнозирование и планирование; комплексное изучение проблем социальной защиты инвалидов;

5. обеспечение формирования и выполнения индивидуальных программ реабилитации (ИПР) на базе: учета инвалидов; учета потребностей инвалидов; предоставления необходимой информации разработчикам и исполнителям индивидуальной программы реабилитации (ИПР);

6. обеспечение координации действий всех участников процесса реабилитации.

Объект исследований. Объектом исследования является система «информационный регистр» работающая в медико-социальной сфере. Предметом исследований является четырехуровневая система проектирования АИС.

Защищаемые положения. В соответствии со сформированной задачей исследования к защищаемым положениям относятся:

1. Разработка основ построения многоуровневой модели проектирования АИС.

2. Формирование модели низкоуровневого представления данных в задачах с высокоподвижными информационными ресурсами.

3. Разработка формализмов стержневого и виртуального объектов как расширения объектного подхода на концептуально-логическом уровне проектирования.

4. Практическая реализация инструментария создания автоматизированных рабочих мест для сопровождения работы АИС информационных регистров различного уровня.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались на: Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям СПб, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 25-28 мая 1999 г ; Международной конференции: «Intelligent Systems and Information Technologies in Control» (IFAC) СПб/Псков, 19-23 июня 2000 года; VII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика-2000" - СПб, 5-8 декабря 2000, СПб, 2000 г., Международном научно-практическом семинаре «Телемедицина - становление и развитие», СПб, 2000 г., а также на заседании ученого совета СПИИРАН и цикле семинаров Научно-практического центра освидетельствования, протезирования и реабилитации инвалидов им. А.Г.Альбрехта.

Публикации: Научные результаты работы по теме диссертационной работы изложены в пяти печатных трудах в академическом и университетских изданиях.

Выводы по четвертой главе

В главе разработаны положения, соответствующие четвертому защищаемому положению, а именно:

1. Из анализа концептуальной модели АИС показано, что корпоративный характер совокупности интегрированных в нее БД сохраняется на всех уровнях масштабирования от Федерального до самого нижнего, местного.

2. Выявлено, что при масштабировании существенно меняется характер задач и связей создаваемой АИС.

3. Показано, что помимо отображения динамики процессов эксплуатации БД модель данных является многовариантной. Причем эта многовариантность существенно различна на разных уровнях масштабируемости АИС.

3. Разработаны схемы организации АИС и схемы взаимодействия информационных потоков и баз данных;

5. Выделены основные информационные элементы и их концептуальные взаимосвязи для практической реализации рабочих мест на базе предложенного инструментария.

Заключение. Общие выводы по работе

В результате рассмотрения общей начальной постановочной задачи проведения работ и формирования направлений научных исследований установлено, что задача управления (создания АИС на основе ОСУБД) в защищаемой постановке работ является задачей, требующей отображения «сверхподвижного» информационного ресурса. Это потребовало развития концепции виртуального информационного объекта, динамика которого существенным образом зависит от внешних информационных потоков и множества взаимодействующих информационных систем, реально существующих в разных режимах, взаимодействие с которыми необходимо по сути практической работы АИС при дополнительном учете требования реализации динамического поливариантного объекта в рамках стандартов современных ОСУБД.

По первому защищаемому положению: «Разработка основ построения многоуровневой модели проектирования АИС» выявлено следующее:

1. Стандартный трехуровневый подход проводит четкое разделение между смыслом информации и различными формами ее представления, определяя соответственно три уровня концептуальный, логический и физический. Отсюда делается вывод, что трехуровневая архитектура предполагает проектирование сразу трех уровней, а эффективность преобразования одно уровня в другой обычно не рассматривается, вследствие плохой формализуемости концептуальной схемы. Способ стандартного проектирования может отрицательно сказаться на общей эффективности системы с высокоподвижными информационными ресурсами.

2. Фундаментальным свойством объектного подхода к моделированию является близость к способу концептуализации реального мира человеком. Понятия объектного подхода вещь, свойство и отношение имеют принципиальное значение в любой отрасли знания. Эти понятия являются базовыми для раскрытия сущности и структуры любой предметной области. Эти же понятия лежат в основе объектного подхода.

3. Ограниченность объектной концепции проявляется в том, что реально существующие объектные системы и языки программирования в той или иной степени всегда выходят за ее рамки.

По второму защищаемому положению «Формирование модели низкоуровневого представления данных в задачах с высокоподвижными информационными ресурсами» выполнено следующее:

1. Доказано, что механизм физического представления данных с помощью модифицированных сбалансированных деревьев является одним из самых оптимальных алгоритмов хранения, удаления и записи данных.

2. Показано, что логическое разряженное упорядоченное дерево обладает важнейшими для исследуемой задачи свойствами универсальности, прозрачности представления и сохранения исходного контекста. Все другие «не топологические» механизмы своим устройством несут меньшую семантическую нагрузку, что недопустимо для существенно динамических объектов. Кроме того, данная логическая структура идеально отражается на физическую структуру хранения.

3. Отмечается тот факт, что реляционная модель при всех недостатках ее как универсального средства, обладает важнейшим качеством замкнутости по операциям, поскольку она основана на алгебраическом формализме. Практически это означает, что использование реляционной модели позволяет строить корректно только контекстно-независимый уровень языка манипулирования данными, то есть, в конечном счете, строить успешно работающие промышленные продукты, содержащие в себе объекты с низкой динамикой своего существования.

4. Выявлено, что попытки семантического моделирования манипуляцион-ного аспекта данных в рамках одного логического уровня представления не дают в известных подходах значимых практических результатов. Показано, что для достижения практических результатов необходимо разделение логического уровня на два так, чтобы не помещать на один логический уровень и средства языка, и средства метаязыка.

Из сказанного делается вывод о необходимости выделения метаязыка описания данных в промежуточный «концептуально-логический» уровень представления.

По третьему защищаемому положению «Разработка формализмов стержневого и виртуального объектов как расширения объектного подхода на концептуально-логическом уровне проектирования» выполнено следующее:

1. Показана необходимость выделения концептуально-логического уровня АИС как отдельной реализационной структуры и разработана концепция АИС в виде четырехуровневой архитектуры ОСУБД, как расширение современной концепции объектного программирования.

3. Предложена концепция в виде двух соподчиненных структур: концептуально-логического уровня, осуществляющего семантический и синтаксический контроль конструкций метаязыка управления данными и собственно логического уровня, осуществляющего непосредственно функции работы с разряженными упорядоченными деревьями.

4. Введены новые формализмы расширения объектного подхода в виде концепции объектов: «виртуальный объект», «стержневой объект».

5. Показано, что математическое моделирование с использованием аппарата линейного и нелинейного программирования в случае разрабатываемой и внедряемой АИС не актуально, в силу того, что встроенное моделирование в динамике изменения баз данных практически невозможно и, фактически, излишне.

6. Предлагаемая архитектура АИС основанная на разработанной концепции может оставаться оптимальной по времени доступа и расходу ресурса.

По четвертому защищаемому положению «Практическая реализация инструментария создания автоматизированных рабочих мест для сопровождения работы АИС информационных регистров различного уровня» выполнено следующее:

1. Выработана концепция реализации перечисленных выше механизмов и структур в рамках стандартов ODMG и SQL, что позволяет считать разработанную АИС на базе предложенного инструментария сертифицированным промышленным продуктом.

2. Разработано и представлено рабочее место системного аналитика, обеспечивающее сопровождение АИС.

3. Разработаны и представлены рабочие места для проведения необходимых видов работ в АИС, являющиеся типовой основой, допускающей свою специализацию без существенных изменений для каждой практической реализации реальных рабочих мест в различных практических приложениях.

1. Федеральная целевая программа «Социальная поддержка инвалидов на 2000-2005 годы».

2. Сб. материалов международного научно-практического семинара «Телемедицина — становление и развитие» под редакцией Р.М.Юсупова и Р.И.Полонникова. СПб., Изд-во СПИИРАН, 2000

3. Телемендицина. Новые информационные технологии на пороге XXI века. / Под редакцией Р.М.Юсупова и Р.И.Полонникова. СПб., Изд-во СПИИРАН, 1998

4. Попечителев Е.П. Методы медико-биологических исследований. Системные аспекты. Житомир. Изд-во ЖИТИ, 1997

5. Попечителев Е.П. Методы медико-биологических исследований. Ленинград, Изд-во ЛЭТИ, 1982

6. Ахутин В.М. Биотехнические системы. Теория и проектирование. Ленинград, Изд-во ЛГУ, 1981

7. Кудрявцев Ю.С. Состояние парка медицинского оборудования в государственных учреждениях Санкт-Петербурга. В вестнике Северо-западного регионального отделения АМТН, вып.6, 2002, стр.94-104

8. Анцев Г.В., Сарыяев В.А., Соколов Г.П. Особенности технического со-повождения медицины критических состояний и предотвращения экстремальных ситуаций. В вестнике Северо-западного регионального отделения АМТН, вып.6, 2002, стр. 166-190.

9. Тукабаев П.Т. Системотехнический подход к активным биотехническим системам. СПб, Изд-во СПбГПУ, 2002

10. Codd E.F. A relational model of data for large shared data banks //Comm. ACM, v. 13, no. 6, 1970, p. 377-387.

11. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. Системы и модели . M.: Радио и связь. 1982.- 152 с

12. Кирстен В., Ирингер М., Шульте П. Объектно-ориентированная разработка приложений в среде постреляционной СУБД Cache'. СПб, Изд-во «Мор-сар АВ», 2000

13. Поспелов Г.С., Поспелов Д.А. Влияние методов теории искусственного интеллекта на решение традиционных задач управления. Изд. Научного совета по комплексной проблеме «Кибернетика», АН СССР, М., 1977.

14. Ерофеев А.А., Поляков А.О. Интеллектуальные системы управления. Изд. СПбГТУ, СПб, 1999.

15. Как работать над терминологией. Основы и методы КНТТ АН СССР. -М.: Наука, 1968.-76 с.

16. CODASYL DBTG Report. New York: ACM, 1969. - 191 p.

17. ANSI/X3/SPARC Study Group on Data Base Management Systems. Interim Report. FDT Bull. ASM-SIGMOD. v. 7, no. 2 (1975), p. 1-140.

18. Когаловский М.Р. Архитектура механизмов отображения данных в многоуровневых СУБД //Техника реализации многоуровневых систем управления базами данных. М.: ЦЭМИ АН СССР, 1982, с. 3-19.

19. Мальцев А.И. Алгебраические системы. М.: Наука, 1970. - 392 с.

20. Codd E.F. Relational database: a practical foundation for productivity //Comm. ACM, v. 25, no. 2, 1982, p. 109-117

21. Пржиялковский B.B. Абстракции в проектировании баз данных //СУБД, 1-2/98, с. 90-97.

22. Замулин А.В. Типы и модели данных //Банки данных: Материалы 3-й Всесоюзной конф. (Таллин, 24-26 сентября 1985 г.). Таллин: ТЛИ, 1985, с. 315

23. Замулин А.В. Системы программирования баз данных и знаний. — Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1990.-351 с.

24. Кирстен В. От ANS MUMPS к ISO М-технологии С-Петербург 1995

25. Dreyer W., Kotz Dittrich A., Schmidt D. "Research Perspectives for Time Series Management Systems" SIGMOD Record, Vol. 23 No. 1, 1994

26. Дейт К."Введение в системы баз данных", Диалектика, Киев Москва 1998 (стр. 90)

27. Stroustrup В. The С++ Programming Language // Addison-Wesley, Reading, Mass., 1986

28. Peckham J., Maryanski F. Semantic Data Models // ACM Сотр. Surv.- 20, N3.- 1988.- 153-189

29. Stanley Y. W. Su. Extensions to the Object-Oriented Paradigm // СОМР-SAC'89 13th Annu. Int. Comput. Software and Appl. Conf., Orlando, Fla, Sept. 20-22, 1989.- 197-199

30. Atkinson M, Bansilhon F, David DeWitt, Dittrich K, Maier D, Zdonik S. The Object-Oriented Database System Manifesto // 1st Int. Conf. Deductive and Object-Oriented Databases, Kyoto, Japan, Dec. 4-6,1989

31. Mingsen G., Stanley Y.W. Herman Su Lam An Association Algebra For Processing Object-Oriented Databases 7th International Conference on Data Engineering, April 8-12 Kobe, Japan

32. Bancilhon F., Ferran G. ODMG-93: the object database standard. Data Engineering Bulletin, December 1994, v. 17., N 4

33. The Object Database Standard: ODMG-93. Ed. by R. G.G. Cattell, Morgan Kaufmann Publ., 1994, p. 169

34. Object Query Language, ODMG, Document 94-12-50 of OMG

35. Мамиконов А.Г., Кульба B.B. Лутковский Ю.П. Анализ предметной области банков данных и построение оптимальных структур баз данных с учетом требований к достоверности информации Ин-т проблем управления. М., 1988

36. Гришков В.И., Поляков А.О. Постобъектный подход к представлению знания / В сб. докладов международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. 25-28 мая 1999 г. СПб, Изд-во ЛЭТИ, 1999, стр. 244-247.

37. Гришков В.И. Применение интернет-серверных технологий в медицине. / В сб. материалов международного научно-практического семинара «Телемедицина становление и развитие» под редакцией Р.М.Юсупова и Р.И.Полонникова. СПб., Изд-во СПИИРАН, 2000 стр. 76-78.

38. Гришков В.И. Технология оптимизации объектных СУБД по производительности. В трудах конференции «Intelligent Systems and Information Technologies in Control» (IFAC) СПб/Псков, 19-23 июня 2000 г., Изд-во СПбГТУ, 2000, стр.432-434.

39. Гришков В. И. Исследование динамики структуризации СУБД / В материалах VII международной конференции «Региональная информатика»-2000. СПб, Изд-во СПОИСУ, 2000, стр. 132-133.

40. Гришков В. И. Исследование возможностей объектного представления данных в прикладных системах / В сб. Труды СПИИРАН под редакцией Р.М.Юсупова. СПб., Изд-во СПИИРАН, 2003, Вып.1, Т.З. стр. 75-83

41. Concepts and terminology for the conceptual schema and the information base. ISO/TC97/WG3. N.Y., 1982

42. Assessment guidelines for conceptual schema language protocol. ISO/TG97/SC5/WG3 N.Y., 1984

43. Лекторский BA Субъект Объект Познание M: Наука, 1980

44. Уемов АИ Вещи Свойства Отношения М: АН СССР 1963

45. Уемов АИ Основы формального аппарата параметрической общей теории систем М: Мир 1984

46. Brodie M.L. On conceptual modeling. N.Y. 1984

47. Дюк В.А., Энгельгарт В.В. Информационные технологии в медико-биологических исследованиях СПб, Изд-во ПИТЕР, 2003.

48. Дейт К. Введение в системы баз данных, Изд-во Наука, 198049 Codd ассоциации

49. Полонников Р. И. Информационные взаимодействия биообъектов. Телемедицина. Новые информационные технологии на пороге 21 века. СПб, 1998. с. 99-1

50. Зайцева .А. Ассоциативная идентификация. Труды СПИИРАН. Вып. 1 ТЗ. 2003 с. 118-125 2003

51. Назаретов. М.Н. Ким Д.П. Робототехника и гибкие автоматизированные производства, кн. 6. Высшая школа. 1986

52. Павлов В.М. О месте «аналитической формы слова» и «аналитической конструкции» в грамматической системе. Типология Грамматика Аналитика. Наука. 1998. с. 235-245

53. Башляр Г. Новый рационализм. Биробиджан Тривиум. 2000

54. Косарев Ю.А. Пиотровский Р.Г. Осипов А.Н. Проблемы возникающие при моделировании естественного языка Теоретические и прикладные задачи интеллектуальных информационных технологий. СПИИРАН. 1998. с. 234-240

55. Александров В.В. Развивающиеся структуры и проблемно-ориентированные среды. Теоретические и прикладные задачи интеллектуальных информационных технологий СПИИРАН. 1998. с. 32-43

56. Шпаков М.В. Технологии управления бизнес-процессами в корпоративных информационных ситемах Информационные технологии и интеллектуальные методы. Выпуск 3. СПИИРАН. 1999. с. 220-228

57. Трубин П.А. Шилов Н.Г. Организация объектно-ориентированной среды информационной поддержки принятия решений «Асситент». Информационные технологии и интеллектуальные методы. Выпуск 3. СПИИРАН. 1999. с. 229-235

58. Поляков А.О. Смирнов Ю.М. Турчак А.А. Информационные основы организации управления холдинговыми компаниями. СПбГПУ. 2002.