Эффективные методы проектирования баз данных для задач управления сервисными производственными системами

Перспективы развития современного общества тесно связаны с глобальным использованием информации. Национальные информационные ресурсы являются макроэкономической ценностью, потенциальным источником общественного богатства. Информация как носитель знания стала стратегическим фактором, который воздействует на структуру всей экономики и общественной жизни и в конечном счете определяет темпы развития всего общества.

Информатизация современного общества представляет собой экспоненциально нарастающее производство, переработку и использование огромных массивов информации во всех сферах человеческой деятельности.

Наряду с ускоренным развитием компьютерной техники, информационные технологии (ИТ) в области создания информационных систем (ИС) и приложений баз данных (БД) совершили за последние годы гигантский скачок вперед. В XXI веке, после решения «проблемы 2000 года» и обновления парка компьютерного оборудования, создание информационных систем и технологий и их внедрение на предприятиях приобрело черты целой индустрии ИТ с присущими ей особенностями:

• интеллектуальная специфика программной продукции, ее виртуальность (за исключением компьютерного оборудования);

• высокотехнологичные средства производства, позволяющие быстро и эффективно создавать качественные программные продукты в соответствии с растущими потребностями предприятий;

• инновационность отрасли, непрерывное развитие и усовершенствование всех составляющих ИТ-сферы — компьютерного оборудования, телекоммуникационных систем, программного обеспечения (ПО), информационных услуг.

Актуальность темы

Необходимость разработки новых эффективных методов проектирования ИС обусловлена многими факторами:

• высокими темпами развития индустрии информационных технологий;

• увеличением потребительского спроса на программную продукцию;

• большим разнообразием видов ПО, большая часть которых так или иначе связана с построением ИС и приложений БД;

• увеличением объемов обрабатываемой информации на предприятии, необходимостью ее структуризации и интеграции в единую систему управления и принятия решений;

• информатизацией всех уровней современной экономики, включая малые и средние предприятия;

• государственной политикой в области информатизации, ИТ-стандартов и информационной безопасности.

Помимо увеличения объемов информации, усложняются и методы ее обработки. Совершенствуются технологии создания ИС и приложений БД на фоне появления новых программно-инструментальных средств и систем управления базами данных (СУБД). Для создания крупных ИС привлекаются трудозатраты в сотни человеко-лет и современная технологическая база, задействованы высококвалифицированные специалисты таких профессий, как системные аналитики, менеджеры проектов, программисты, тестировщики ПО, администраторы БД, системные интеграторы.

Объективная потребность контролировать процесс создания сложных ИС, прогнозировать и гарантировать стоимость разработки, сроки и качество результатов привела к необходимости перехода от кустарных способов к индустриальным технологиям и инженерным методам и средствам создания ПО. Поэтому на каждом из этапов создания ИС актуально применение эффективных методов и приемов, позволяющих снизить издержки, повысить продуктивность процесса разработки ПО, улучшить качество производимой ИТ-продукции и предоставляемых ИТ-услуг.

Решению различных теоретических и практических проблем построения ИС в технических системах посвятили свои работы ведущие специалисты A.M. Вендров, АЛО. Грачев, М. Гутман, Н. Елманова, Д. П. Зегжда, П. Д. Зегжда, Ю. А. Зеленков, Д. Зенкин, В. Х. Инмон, JI. Калиниченко, Г. Н. Калянов, А. Коберн, Е. Ф. Кодд, С. Б. Кодд, JI. Козленко, С. Д. Кузнецов, А. Лукутин, И. Лукьяненко, Ю. А. Подколзин, Дж. Рой, Дж.М. Смит, Д. К. Смит, М. Стоунбрейкер, Д. Т. Чанг, П.П.-Ш. Чен, С. Чаудхари и др.

Цслыо диссертационной работы является разработка методологических и теоретических основ проектирования автоматизированных ИС и приложений БД в сервисных производственных системах.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

• исследование и разработка эффективных методов проектирования БД с возможностью интеграции в единую систему сбора и обработки информации на предприятии;

• разработка концепции и построение объектно-реляционных моделей технических объектов с произвольным набором атрибутов;

• разработка новых методов проектирования иерархических структур данных, отличающихся большей производительностью, и их сравнительная оценка на основе выбранных критериев качества;

• апробация предложенных методов проектирования, разработка информационно-управляющей БД производственных объектов на предприятии;

• разработка эффективных методов переноса накопленной информации в новые структуры БД на основе анализа проблем интеграции и совместимости данных;

• исследование возможности и разработка концепции произвольных запросов к БД и их применение для формирования отчетов;

• разработка новых технологий представления в БД графической и другой информации нестандартного типа, ее параметризация и использование для автоматизации документооборота;

• анализ источников угрозы и разработка новых схем обеспечения защиты информации в БД, отличающихся большей надежностью.

Объектом исследования являются информационные системы и приложения баз данных в сервисных производственных системах, функционирующие в архитектуре «клиент-сервер».

Предметом исследования являются методы автоматизации проектирования баз данных и их приложений в производственных системах на всех этапах «жизненного цикла» программного продукта — от анализа и проектирования до внедрения и сопровождения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы объектно-ориентированного проектирования и программирования, аппарат реляционной алгебры, теория множеств, методы оптимизации и математической статистики.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Созданы методологические и теоретические основы проектирования БД с интеграцией в единую систему сбора и обработки информации на предприятии. Предложены новые схемы представления данных и организации единого информационного пространства в целях интеграции различных служб предприятия в единую систему управления и принятия решений.

2. Разработана концепция создания информационной модели для задач управления техническим обслуживанием объектов грузоподъемного оборудования, которая является обобщением существующих моделей и служит основой для проектирования других более сложных иерархических моделей объектов производственных систем.

3. Впервые разработана универсальная структура данных для хранения и обработки информации об объектах производства, которая принципиально отличается от других решений тем, что позволяет неограниченно увеличить количество разнородных параметров, характеризующих техническое состояние объекта, и повысить эффективность обслуживания производства.

4. Предложены новые иерархические модели, не содержащие рекурсию, преимущество которых по критерию производительности по сравнению с известными подтверждено результатами вычислительного эксперимента.

5. Предложена новая формализованная методика конструирования информационно-управляющих моделей производственных объектов любой степени сложности для решения задачи единого информационного учета всего парка технологического оборудования, эксплуатируемого на предприятии.

6. Разработаны эффективные алгоритмы и типовые программные модули синхронизации данных между различными подсистемами СУБД, позволяющие исключить потери накопленной информации при ее преобразовании и переносе в новые управляющие структуры.

7. Предложены новые нетрадиционные методы формирования отчетной документации на основе анализа потребностей современных предприятий в автоматизации документооборота, которые отличаются от известных методов наличием обратной связи с приложением БД, гибкостью изменения старых и создания новых отчетов по результатам произвольных запросов к БД.

8. Сформулированы принципы и условия эффективного управления сервисными ресурсами. Предложены новые методы хранения и обработки нестандартных типов данных, которые невозможно реализовать встроенными средствами СУБД. Поставлена и решена задача параметризации технических чертежей производственных объектов и управления графическими построениями путем установления связи между объектами чертежа и их числовыми параметрами, хранимыми в БД.

9. Предложены новые нетрадиционные средства защиты информации от несанкционированного доступа и алгоритм их функционирования, отличающиеся нестандартным подходом и большей надежностью для обеспечения информационной безопасности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методология проектирования иерархических, объектно-реляционных и многомерных структур данных.

2. Новая информационная модель описания производственных объектов, позволяющая неограниченно увеличивать количество атрибутов и добавлять описания новых классов оборудования без изменения структуры данных.

3. Новые безрекурсивные методы организации иерархии данных и результаты вычислительного эксперимента по сравнительной оценке их эффективности на основе известных критериев качества.

4. Методика конструирования информационных моделей производственных объектов произвольной сложности и разработанная на предприятии база данных автоматизированной системы технической подготовки производства (АСТПП).

5. Эффективные алгоритмы преобразования информации, накопленной в устаревших системах, и ее переноса с минимизацией ошибок в разработанные управляющие структуры.

6. Новые методы автоматизации документооборота посредством произвольных запросов к БД, параметризации технических чертежей и управления графическими построениями.

7. Новые средства защиты информации в БД, обеспечивающие более высокий уровень информационной безопасности.

Практическая ценность и реализация основных результатов работы.

В основу диссертации положены научные результаты, полученные лично автором при непосредственной разработке прикладных информационных систем и технологий для предприятий северо-западного региона России:

• база данных комплексного обследования крановых путей CraneRoad (1999;2005 г., ЗАО «РАТТЕ»);

• автоматизированное рабочее место обследователя грузоподъемных кранов Cranes (1997;2002 г., ЗАО «РАТТЕ»);

• информационные системы документооборота и платежных операций DeloPro (1998;2000 г.), Vouchers (2001;2005 г., ЗАО «РАТТЕ»);

• программно-аппаратный комплекс информационной защиты сервера от несанкционированного доступа Security Removal Gangster Program on Hard Disk (2000;2001 г., ЗАО «АМН»);

• автоматизированные ИС учета состояния технологического оборудования: сосудов, аппаратов и клапанов SOS, грузоподъемных машин GPM, учета влияния коррозии COR (2000;2005 г., ООО «ПО КИНЕФ»).

Основные теоретические положения диссертации использованы в учебном процессе СПбГПУ:

• на кафедре транспортных и технологических систем механико-машиностроительного факультета по дисциплине «Основы автоматизированного проектирования» для студентов по направлению 551 800 — «Технологические машины и оборудование», специальностям 170 900 — «Подъемно-транспортные и строительные машины» и 220 900 -«Автоматизация технологических производств» (2002 г.);

• на кафедре информационных машиностроительных технологий механико-машиностроительного факультета по дисциплинам «Машиностроительная информатика» и «Технические средства САПР» в рамках инженерной и магистерской подготовки (1999 г.);

• на кафедре информатики Института международных образовательных программ при постановке автором нового курса «Базы данных» для студентов специальности 80 801 — «Прикладная информатика в дизайне» (2002;2003 учебный год).

Эффективность реализованных методов, алгоритмов и программного обеспечения подтверждена 4 актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты научных разработок, выполненных автором по теме диссертации, представлены на следующих международных и российских конференциях: «Совершенствование учебного процесса при подготовке инженеров-механиков» (СПб, СПбГТУ, 1994 г.), «Вакуумная наука и техника» (Гурзуф, 1994 г.), «Инновационные наукоемкие технологии для России» (СПб, СПбГТУ, 1995 г.), «Прогрессивные конструкции и технологии в машиностроении» (СПб, СПбГТУ, 1996 г.), «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПб, СПбГПУ, 1997 г., 2002 г., 2003 г.), «Современные научные школы: перспективы развития» (СПб, СПбГТУ, 1998 г.), «XXVII неделя науки СПбГТУ» (СПб, СПбГТУ, 1998 г.), «XXIX неделя науки СПбГТУ» (СПб, СПбГТУ, 2000 г.), «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (СПб, СПбГПУ, 2002 г.), «Оптимизация транспортных машин» (Ульяновск, УлГТУ, 2003 г.), «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (СПб, СПбГПУ, 2003 г.), «Современные проблемы информатизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникациях» (Воронеж, ВорГТУ, 2004 г.), «Формирование профессиональной культуры специалистов XXI века в техническом университете» (СПб, СПбГПУ, 2004 г.), «Информационные технологии моделирования и управления» (Воронеж, ВорГТУ, 2004 г.), The 30th International Conference for the Resource Management and Performance Evaluation of Enterprise Computing Systems (Las Vegas, USA, 2004), а также на заседаниях и научно-методических семинарах кафедр информатики и информационных машиностроительных технологий СПбГПУ (1999;2005 г.).

Публикации. Общее количество публикаций автора составляет 65 наименований. По теме диссертации опубликовано 37 научных трудов общим объемом 54 п. л., среди которых 1 монография, 11 статей (в т. ч. 4 из списка ВАК для докторских диссертаций), 14 тезисов докладов, 8 учебных пособий, 16 работ без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация включает перечень сокращений, введение, 7 глав, заключение, библиографию из 150 наименований и 8 приложений. Основное содержание работы изложено на 296 страницах текста, в т. ч. 19 таблиц, 72 рисунка.

7.4. Выводы.

В данной главе представлены примеры практической реализации разработанных методов проектирования ИС и приложений БД на предприятиях северо-западного региона России.

В автоматизированной ИС учета состояния технологического оборудования (раздел 7.1) реализованы методы проектирования объектно-реляционных и иерархических структур БД и приложений, описанные в разделах 3.2, 3.3, 4.1−4.4, 4.4, принципы представления графических объектов (раздел 4.5), динамически генерируемые отчеты по результатам произвольных запросов пользователя (раздел 4.3.2), а также концепции эволюционной интеграции ИС, предложенные в разделе 3.4.

При разработке приложений БД комплексного обследования объектов ГПМ (раздел 7.2) использованы методы системного анализа (раздел 2.5), эффективные процедуры синхронизации данных (раздел 4.1), методы хранения нестандартных типов данных (разделы 4.4.1−4.4.7), принципы формирования отчетов на основе шаблонов документов MS Office (раздел 4.3.1).

Программно-аппаратный комплекс отслеживания попыток НСД к серверу (раздел 7.3) построен на основе технических средств защиты и правил информационной безопасности, систематизированных в главе 6.

264 Заключение.

В новых экономических условиях, когда создание ИС, БД и их приложений поставлено на индустриальную основу, оно нуждается в эффективных методах и технологиях, способствующих повышению производительности ИС, качества программной продукции и уровня информационной безопасности. В данной работе применены новые подходы и разработаны новые методы проектирования объектно-реляционных, иерархических и многомерных структур данных, а также приложений БД в технических областях применения.

Основные научные положения диссертационной работы и их практическая реализация представляют собой дальнейшее развитие теории проектирования баз данных и решение научной проблемы — разработки эффективных методов построения информационных систем и приложений БД, что имеет практическую ценность для задач управления сервисными производственными системами.

В диссертации получены следующие новые теоретические и практические результаты:

1. В результате проведенных исследований современных технологий проектирования баз данных разработаны новые схемы описания производственных объектов для организации на предприятии единого информационного пространства и более эффективного решения задач технического обслуживания производства.

2. На основе обобщения существующих моделей разработана информационная модель объектов грузоподъемного оборудования, которая служит прототипом при проектировании более сложных иерархических моделей других производственных объектов.

3. Решена задача автоматизации многофункционального учета производственных объектов, что позволило неограниченно увеличить количество разнородных параметров, характеризующих техническое состояние объектов, и тем самым повысить эффективность обслуживания производства.

4. Разработаны средства многоуровневой классификации производственных объектов. Предложены новые методы организации иерархии, не содержащие рекурсию. Результаты проведенного вычислительного эксперимента показали улучшение производительности безрекурсивных методов от 4 до 125 раз в зависимости от глубины иерархии и объема данных.

5. Предложена методика конструирования информационно-управляющих моделей производственных объектов любой сложности, которая позволила решить задачу единого информационного учета эксплуатируемого на предприятии основного и вспомогательного технологического оборудования.

6. На основе разработанных информационных моделей построена система управления мероприятиями по экспертизе промышленной безопасности и ремонту производственных объектов, которая успешно реализована на практике и эксплуатируется на предприятиях северо-западного региона России.

7. Разработаны эффективные алгоритмы преобразования данных, что позволило практически исключить потери накопленной информации при ее миграции в новые управляющие структуры. Реализованы новые средства хранения и обработки нестандартных типов данных, встречающихся в задачах управления информационными потоками, которые невозможно реализовать традиционными методами.

8. Исследованы потребности современных предприятий в автоматизации документооборота. Разработаны новые методы формирования отчетной документации по результатам произвольных запросов к базе данных.

9. Решена задача параметризации технических чертежей производственных объектов, хранимых в базе данных, для более эффективного управления графическими построениями.

10. В результате анализа источников угрозы информационной безопасности и существующих технических средств защиты в базах данных разработана и внедрена система управления с более высоким уровнем защиты информации от несанкционированного доступа.

Информационные технологии в области баз данных и их приложений развиваются стабильно высокими темпами, и дальнейшие исследования в ИТ-сфере будут актуальными с учетом следующих главных тенденций:

• дальнейшее развитие объектно-реляционных технологий, принципов наследования, тенденция к отказу от традиционной нормализации реляционных отношений, нарушающих естественные иерархические связи между объектами и их атрибутами в конкретной предметной области;

• интеграция в единое информационное пространство, организация хранилищ данных на основе их многомерного представления и моделирования изменения состояния объектов во времени;

• реализация концепции оперативной аналитической обработки информации (OLAP), создание систем принятия решений для аналитиков, экономистов, руководителей с целью более эффективного управления информационными процессами на предприятии в реальном режиме времени;

• взаимодействие баз данных и универсальных сетевых технологий Интернет/Интранет по принципу «тонких» клиентов, тесно граничащих с задачами обеспечения информационной безопасности;

• практическая реализация разработанных методов проектирования ИС и создание приложений БД в новых областях практического применения. Хранилища и базы данных служат основой современных информационных систем. Накапливаемая в них информация представляет собой наиболее ценный материал, и эффективные методы ее хранения и обработки чрезвычайно важны для получения новых знаний.