Доменно-ориентированная модель данных с учетом свойств упорядоченности

Актуальность работы. В настоящее время огромное i ^ количество приложении требует поддержки сложных типов данных и оптимальной организации данных. При этом большое значение имеет учет семантических свойств используемых данных. Упорядоченность, как один из аспектов семантики данных, играет большую роль в обеспечении эффективного функционирования автоматизированных информационных систем. Во многих прикладных задачах, где порядок не является существенным в принятии решений, мы абстрагируемся от существующих последовательностей данных. Однако в большинстве случаев решаются такие прикладные задачи, в которых упорядоченность элементов имеет существенное значение. К таким задачам, например, относят, формирование на основе последовательности данных разнообразной отчетной документации, анализ данных по фондовым биржам, системы управления проектами требуют. хранения приоритетных списков задач, традиционные бизнес-системы (системы управления предприятием, управления ресурсами, кадровый учет и т. п.) широко используют последовательности определенных данных, упорядоченные по некоторым критериям.

Важной проблемой является то, что во многих прикладных областях, когда требуется учитывать специфику хранимых данных (например, такое естественное свойство данных как упорядоченность), модели данных, в частности реляционная модель, используется главным образом для обеспечения хранения данных, а большая.

часть логики, связанной с предметной областью, не рассматривается в модели.

Добавление поддержки упорядоченности данных, хранящихся в базе данных, может привести к значительному повышению производительности и приобретению преимуществ управления для многих приложений.

В тоже время, обеспечение упорядоченности серьезная проблема реализации. На практике большинство моделей данных, поддерживаемых коммерческими системами, предусматривают главным образом, так называемую внутреннюю упорядоченность данных, которая тесно связана со структурами баз данных. Соблюдение внутренней упорядоченности не вызывает трудностей. Контроль же явной упорядоченности (упорядоченность, расширяющая возможности логического представления данных) обычно связан с проверкой значений множества данных.

Анализ такого семантического свойства моделей данных, как упорядоченность, показал, что существующие модели данных ограничены в средствах поддержки последовательности данных. Для этого требуется модель данных, которая в наиболее естественной форме выражает как структуру отдельных объектов, так и отношения между ними. При этом модель данных должна отражать не только статические отношения между объектами, но и поведение и ограничения, которые на них накладываются. Этому требованию наиболее соответствует доменноориентированная модель данных.

Доменно-ориентированная модель данных является развитием объектно-ориентированного подхода к проектированию баз данных и предложена В. М. Линьковым [9, 1*0, 24, 25, 26, 27, 28, 34, 35] .' В данной модели используется положение, сходное с суррогатными ключами расширенной реляционной модели Кодда или объектными идентификаторами сущности (в контексте доменно-ориентированной БД — идентификаторы сущности).

Доменно-ориентированная модель характеризуется:

— наличием доменов.

— связанной с доменами нумерацией (применение нумераций заключается в использовании номера в качестве внутреннего ключа).

— наличием механизма идентификации сущностей (нумерация является функцией генерации уникальных номеров для элементов домена).

— использованием нумераций для предоставления связей между сущностями и значениями атрибутов (номер выполняет не только роль уникального идентификатора, но и содержит информацию о связи с другими объектами).

Доменно-ориентированная база данных представляет собой множество взаимосвязанных и определенным образом взаимодействующих друг с другом доменов. Домены реализуются в виде отдельных программных компонентов, обладающих определенным интерфейсом для взаимодействия с пользователями, пользовательскими приложениями и другими доменами. Каждый домен предназначен для манипулирования некоторой семантически однородной информацией и включает в себя множество однотипных данных, т. е. элементов. Любой элемент домена снабжается уникальным числовым идентификатором (внутренним системным номером), который остается неизменным в течение всего времени существования элемента. Интерфейс.

I ¦ ¦1 I домена содержит. операции, ' предназначенные для управления элементами домена и доменом в целом.

Таким образом, интегрируя в себе данные, описание данных (метаданные) и функции управления данными, домен имеет возможность осуществлять детальный учет семантических свойств не только отдельных объектов предметной области, но и различных их совокупностей, в том числе упорядоченных последовательностей данных.

Следовательно, возникает необходимость в развитии доменно-ориентированной модели данных для учета такого естественного семантического свойства данных как упорядоченность.

Кроме того, представление домена в виде отдельной самостоятельной программной единицы позволяет широко использовать компонентные методы. разработки программного обеспечения при создании доменно-. ориентированных систем обработки данных, что, в свою очередь, дает возможность создавать открытые информационные системы. В диссертационной работе предлагается инкапсулировать в системный компонент домен механизмы поддержки упорядоченности в виде компонентных методов, основанных на представлении элемента как упорядоченной совокупности однотипных объектов. Предлагаемый подход к проектированию информационных систем позволяет реализовать разработчикам доменов оригинальные механизмы управления упорядоченностью, специфичные для конкретной предметной области, за счет реализации адекватных структур данных, что в дальнейшем упрощает проектирование и разработку доменно-ориентированных систем, поддерживающих упорядоченность данных. В работе проводятся исследования, связанные с расширением доменноориентированной модели данных для учета упорядоченности данных, предназначенной для построения систем управления данными.

Объектомисследования является организация обработки упорядоченных структур данных в базах данных с учетом семантики предметной области.

Предметом исследования является модель реализации семантических свойств упорядоченных структур данных в доменно-ориентированных системах управления базами данных.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование упорядоченности данных в доменно-ориентированных информационных системах, определение операций над последовательностями, которые позволят специфицировать возможные преобразования над упорядоченными данным, разработка алгебраического языка манипулирования данными и разработка подхода к реализации операций над упорядоченными данными в доменно-ориентированной системе управления данными.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1) Анализ существующих механизмов поддержки упорядоченности данных в моделях данных.

2) Разработка модели данных упорядоченного множества элементов на основе доменно-ориентированного подхода. 1 ¦' ч'3) Исследование. семантики операций над линейно и частично упорядоченными данными.

4) Разработка модели навигации для доменно-ориентированных информационных систем.

5) Разработка описания упорядоченности данных в доменно-ориентированной системе.

6) Разработка подхода к проектированию доменно-ориентированных информационных систем, поддерживающих упорядоченность данных.

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

Научная новизна.

1) Разработана модель данных упорядоченного множества элементов на основе доменно-ориентированного подхода, позволяющая, в отличие от традиционных моделей данных, учесть упорядоченность данных с целью их эффективного представления и управления.

2) Исследование семантики операций над линейно и частично упорядоченными данными позволило разработать набор операций над последовательностями, учитывающий свойство упорядоченности данных.

3) Разработана модель навигации в доменно-ориентированной системе управления данными, на основе которой предложены общие операции выбора направления движения среди упорядоченных данных.

4) Разработано описание упорядоченности данных в доменно-ориентированной системе, обеспечивающее независимость прикладных программ от изменения упорядоченности данных, что открывает возможность разработки оригинальных механизмов представления упорядоченности данных.

5) В рамках предложенной модели разработан подход к проектированию доменно-ориентированных информационных систем, обеспечивающий в спроектированной системе поддержку упорядоченности и сокращение времени доступа к хранимой информации'.

Теоретическая ценность. Предложена модель данных упорядоченного множества элементов на основе доменно-ориентированного подхода и набор операций, сохраняющих упорядоченность данных, что позволило учесть такое важное семантическое свойство, как упорядоченность.

Практическая ценность. Разработанный подход к проектированию доменно-ориентированных информационных систем использовался при создании доменов, поддерживающих упорядоченность данных, в рамках подсистемы учета кадров, входящей в интегрированную автоматизированную информационную систему управления образовательным учреждением и проведенная оценка времени доступа к хранимой информации показала ее сокращение примерно в три раза.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Доменно-ориентированная модель данных упорядоченного множества элементов.

2) Операции над линейно и частично упорядоченными данными.

3) Модель навигации для доменно-ориентированных информационных систем. /4) Описание упорядоченности данных в доменно 1 ¦ t ориентированной системе.

5) Подход к проектированию доменно-ориентированных информационных систем, поддерживающих упорядоченность.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:

— на II, III, IV, V Всероссийской научно-технической конференции. «Проблемы информатики в образовании, управлении и технике» (г. Пенза, 2002,2003,2004,2005);

— на международной научно-методической конференции «Компьютеризация обучения и проблемы гуманизации образования в техническом вузе» (г. Пенза, 2003).

Реализация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, использованы в НИР, проводимой в рамках гранта «Создание интегрированной автоматизированной информационной системы управления образовательным учреждзением «за № З/ГК-1701 от 15-октября 2002 г, предоставлен Министерством образования РФв фундаментальной НИР по тематическому плану «Исследование алгебраических логико-комбинаторных методов в задачах информационного моделирования» по заданию Федерального агентства по образованию РФ, 2006 г.

Результаты работы внедрены в интегрированную автоматизированную информационную систему управления образовательным учреждением (документы о внедрении приведены в приложении А).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах автора (в том числе в журнале, рекомендованном ВАК России).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из.

61 наименования. Работа содержит 113 страницы текста,.

22 рисунка, 7 страниц библиографии, 1 приложение.

1 Упорядоченность данных в системах управления данными.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1) На основе анализ’а моделей данных предложена модель данных упорядоченного множества элементов на основе доменно-ориентированного подхода, позволяющая, в отличие от традиционных моделей данных, учесть упорядоченность данных. Предложенная модель позволяет единообразно описывать отношение порядка между данными в прикладных системах хранения и обработки данных.

2) Специфицирован набор операций над последовательностями, сохраняющий упорядоченность данных, что позволило разработать алгебраический язык манипулирования данными аналогично реляционной алгебре.

3) Разработана модель навигации в доменно-ориентированной системе управления данными, на основе которой предложены общие операции выбора направления движения среди упорядоченных данных.

4) Разработано описание упорядоченности данных в доменно-ориентированной системе, обеспечивающее независимость прикладных программ от изменения упорядоченности данных, что открывает возможность разработки оригинальных механизмов представления упорядоченности данных.

5) Разработан подход к проектированию доменно-ориентированных информационных систем, обеспечивающий в спроектированной системе поддержку упорядоченности и сокращение времени доступа к хранимой информации.

6) Осуществлена реализация доменов с использованием предложенного подхода ' для обеспечения поддержки упорядоченности данных в доменно-ориентированной системе управления данными. Разработанные домены («Подразделения», «ФИО») использованы в интегрированной автоматизированной информационной системе управления образовательным учреждением в рамках подсистемы учета кадров. Проведенная оценка применения упорядоченности данных при использовании реляционного и объектного доменно-ориентированного подхода к реализации баз данных, показала сокращение времени доступа к хранимой информации примерно в три раза.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ. , БД — база данных 1 ¦ мДКНФ — доменно-ключевая нормальная форма ООБД — объектно-ориентированная БД ПО — программное обеспечение СУБД — система управления базами данных ВСН — внутрисистемный номер

ИАИС ОУ — интегрированная автоматизированная информационная система управления образовательным учреждением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена вопросам повышения эффективности представления и. учета упорядоченности данных в доменно-ориентированной модели данных.