Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОДЕЛІ ТА АЛГОРИТМИ РОЗРОБКИ БАЗ ДАНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ З ВИКОРИСТАННЯМ ЦІЛЬОВОГО ПРОГРАМУВАННЯ

Петриченко Олександр Вячеславович

05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Харків - 2003

Анотація

Петриченко Олександр Вячеславович. Моделі та алгоритми розробки баз даних (БД) інформаційних систем (ІС) з використанням цільового програмування. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2003.

Дисертація присвячена питанням розробки моделей та алгоритмів синтезу раціональних структур баз даних інформаційних систем для підвищення їх ефективності.

Запропоновані в роботі моделі, алгоритми і розроблені на їх основі елементи інформаційної технології проектування БД ІС можуть бути використані при організації проектування багатьох класів ІС, які автоматизують організаційне управління підприємствами. Розроблені комплекси математичних моделей, що описують структури БД ІС, дозволяють автоматизувати процеси проектування структур БД ІС незалежно від використання в ході проектування концепцій структурної або об'єктно-орієнтованої методології. Розроблено структуру СППР, що реалізує запропонований підхід і процедури синтезу раціональної логічної структури БД ІС.

Ключові слова: база даних; багатокритеріальна оптимізація; нечіткі пріоритети; цільове програмування; особа, яка приймає рішення; рівень прагнення; система підтримки прийняття рішень.

Аннотация

Петриченко Александр Вячеславович. Модели и алгоритмы разработки баз данных информационных систем с использованием целевого программирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена вопросам разработки моделей и алгоритмов синтеза рациональных структур баз данных (БД) информационных систем (ИС) для повышения их эффективности. В соответствии с этим, в первом разделе проведен анализ методов, средств и технологий проектирования ИС и создания БД ИС, а также моделей и методов оптимизации, применяемых для решения задачи автоматизированного проектирования рациональной структуры БД ИС. В результате такого анализа определены основные задачи исследования: разработать модели и процедуры оптимизации, которые обеспечивают синтез рациональных по многим заданным критериям эффективности структур БД ИС; исследовать возможные способы интерпретации в процедурах оптимизации нечеткости информации и естественного языка ЛПР, а также реализовать полученные процедуры в виде математического обеспечения систем поддержки принятия решений (СППР); разработать и реализовать СППР как подсистему системы автоматизации проектирования ИС.

Второй раздел посвящен усовершенствованию метода формализованного описания предметных областей, спецификации информационных требований пользователей, а также анализа информационных структур пользователей и построения канонических структур локальных и сетевых БД. Суть изменений в методе состоит в модификации и разработке набора процедур: диалоговой процедуры структуризации предметной области; процедуры нормализации информационной структуры; диалоговой процедуры выделения ключей и зависимых от них атрибутов.

В результате выполнения описанных выше процедур пользователь получает каноническую структуру БД ИС, которая подлежит дальнейшей оптимизации на основе определенных критериев оптимальности. Среди рассмотренных методов многокритериальной оптимизации для решения задачи синтеза рациональной структуры БД ИС наиболее приемлемым классом моделей и методов было признано целевое программирование (ЦП). Для решаемой задачи была получена модель целевого программирования.

В третьем разделе определены основные принципы, на основании которых будут строиться процедуры решения задачи синтеза структуры БД как задачи ЦП. При проектировании рациональной структуры БД с использованием подхода ЦП проектировщику, используя свои знания и опыт, трудно задать уровни стремления (цели). В работе предлагается дать возможность проектировщику задавать не только целевой уровень, но и максимально возможный уровень достижения цели. Для расширения процедуры уровня стремления предлагается использовать подход поддержки принятия решений, который допускает представления желаний лица, принимающего решения (ЛПР) в виде двух уровней - стремления и резервирования.

В работе предложена модификация метода интерактивного последовательного ЦП с использованием аппарата теории нечетких множеств. Модификация выполнена для того, чтобы заменить в модели задачи весовые коэффициенты, которые нечувствительны к текущему значению целевой функции, так как они являются константами в границах одной итерации.

Четвертый раздел посвящен вопросам применения результатов диссертационной работы, которые были получены в предыдущих разделах, при разработке БД для отдела аспирантуры Харьковского национального университета радиоэлектроники.

Разработана структура СППР, которая реализует предложенный метод и процедуры синтеза рациональной логической структуры БД ИС. Структура СППР состоит из базы моделей; интерфейса пользователя; репозитария метаданных; базы методов, которая включает методы обслуживания базы моделей, методы нормализации и оптимизации, методы генерации SQL-кода и методы доступа к данным. В процессе разработки структуры СППР в диссертации были расширены и переформулированы требования к описанию структур хранения данных и выходных документов.

Сравнив объем человеко-часов, потраченных на проектирование структуры БД для модуля “Аспирантура” АИС “Университет” с объемом человеко-часов, потраченных проектировщиком (с использованием предложенного метода и разработанных процедур), получаем следующий результат: используя методы, процедуры и инструментальное средство, которое их реализует, в сравнении с использованием классических структурных (SSADM, ІDEF) и объектных (UML, RUP) методик проектирования получаем выигрыш во времени разработки структуры БД в 56 раз. Предложенные в работе модели, алгоритмы и разработанные на их основе элементы информационной технологии проектирования БД ИС могут быть использованы при организации проектирования многих классов ИС, которые автоматизируют организационное управление предприятиями.

Ключевые слова: база данных; многокритериальная оптимизация; нечеткие приоритеты; целевое программирование; лицо, принимающее решение; уровень стремлений; система поддержки принятия решений.

Abstract

Petrichenko Alexander Vyatscheslavovitsch. Models and algorithms of database development for the information systems using goal programming. Мanuscript.

PhD work for getting candidate's degree on speciality 05.13.06 automated management systems and progressive information technologies. Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2003

This PhD work is devoted to the problems of the developing models and algorithms of the efficient database structures synthesis in order to increase their performance. The proposed models, algorithms and developed on their base elements of the information technology of database design could be used for design of different classes of information systems, which automate organisational enterprise management. The developed complexes of mathematical models, which describe database structures allow for automated design regardless of using structural or object-oriented methodologies. This paper describes the developed structure of expert support system which implements the offered approach and synthesis procedures of efficient logical structure of information system database.

Keywords: database, decision maker, fuzzy priority, level of aspiration, multicriteria optimization, goal programming, decision support system.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сьогодні проектування інформаційних систем (ІС) лишається однією з найскладніших для вирішення проблем. Для полегшення праці проектувальників ІС наприкінці ХХ сторіччя були запропоновані технології та деякі інструментальні засоби автоматизації проектування ІС та їх окремих елементів.

Найпоширенішими на сьогодні методами проектування баз даних (БД) є реляційні методи, що ґрунтуються на формальному апараті реляційної алгебри і функціональних залежностей.

Вагомий внесок у теорію і практику моделювання та оптимізації подібних систем внесли видатні вітчизняні вчені: Маміконов А. Г., Кульба В. В., Косяченко С. А., а також закордонні дослідники К. Дейт, Дж. Ульман та інші. Але у цьому напрямку існують деякі невирішені проблеми, а саме: застосування цих методів у рамках традиційних підходів до проектування ІС (структурного або об'єктного) зводиться до того, що проектувальники БД розробляють їх самостійно, практично без участі експертів предметної області (ПрО). При цьому передбачається, що користувачі забезпечують розроблювачів необхідною інформацією для рішення поставленої задачі, погоджують запропоновані розроблювачем варіанти рішення і т.д., що стає причиною виникнення багатьох помилок, викликаних різним розумінням понять ПрО розроблювачами та експертами ПрО та підвищує витрати часу на розробку ІС.

У зв'язку з цим тема дисертації має важливе наукове та прикладне значення, оскільки направлена на вирішення актуальної наукової задачі розробки методів та моделей синтезу раціональної структури БД за багатьма критеріями, що поповнить базу нових інформаційних технологій України, а реалізація запропонованого підходу у вигляді засобів автоматизації та успішне впровадження на відповідних підприємствах дозволить підвищити ефективність управління в нових економічних умовах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розроблювані в дисертаційній роботі результати застосовані в межах держбюджетних науково-дослідних робіт № 108 (номер держреєстрації 0102U003727) “Дослідження методології розробки інформаційних технологій, методів та моделей створення основних компонентів типової розподіленої логістичної інформаційної управляючої системи” і № 134 (номер держреєстрації 0101U001763) “Розробка інформаційно-аналітичної системи з розподіленим штучним інтелектом (“Університет”)” у Харківському національному університеті радіоелектроніки. Особистий внесок автора в зазначених НДР як співвиконавця полягає в розробці: нових математичних методів аналізу й синтезу БД ІС; нових інформаційних технологій вирішення задач проектування складних ІС; інструментарію підтримки прийняття рішень.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності проектування БД ІС із використанням методів та моделей розробки БД ІС, діалогових процедур та інструментальних засобів підтримки прийняття рішень.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз існуючих формалізованих моделей, прикладних методів та інформаційних технологій синтезу раціональних структур БД ІС;

- розробити моделі та алгоритми багатокритеріальної оптимізації (БКО) з використанням цільового програмування (ЦП), що забезпечують синтез раціональних за багатьма заданими критеріями ефективності структур БД ІС;

- розглянувши існуючі процедури математичного програмування, що застосовуються у БКО, дослідити можливі способи інтерпретації в цих процедурах нечіткості інформації та природної мови особи, яка приймає рішення (ОПР);

- на базі проведених досліджень та існуючих відкритих стандартів репозитаріїв розробити і реалізувати систему підтримки прийняття рішень (СППР) для забезпечення підтримки процесу прийняття рішень та синтезу раціональних структур БД ІС, а також реалізувати отримані методи, моделі та процедури у вигляді математичного забезпечення такої системи.

Об'єкт дослідження - процес розробки БД складних ІС.

Предмет дослідження - моделі та алгоритми розробки БД ІС.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети використовувалися методи теорії графів та теорії множин (аналіз інформаційної моделі системи, що проектується), методи математичного програмування та ЦП побудова багатокритеріальних моделей оптимізації та синтезу БД ІС, елементи теорії нечітких множин (удосконалення математичних моделей синтезу БД ІС).

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі вирішення поставлених задач автором особисто отримано такі результати:

- удосконалено метод структурного аналізу предметної області, а саме, на основі структурного підходу реалізовано елементи, властиві об'єктній методології, а також розглянуто суміжні області методів та напрямки їх можливого розвитку, що дає змогу використовувати переваги об'єктної методології у рамках структурного підходу;

- удосконалено методи та моделі формалізації предметної області та одержання раціональної за заданими критеріями логічної структури бази даних інформаційних систем у рамках математичного забезпечення інтелектуальних СППР, а саме: адаптовано математичну модель предметної області та процедури інформаційного наповнення й аналізу даних для подальшого ефективного використання знань про предметну область, що містяться в отриманих математичних моделях, а також обгрунтовано їх використання; це дало змогу не тільки оптимізувати процес розробки баз даних, але й скоротити час розробки;

- удосконалено існуючі методи цільового програмування щодо проектування раціональних за заданими критеріями структур БД ІС, а саме за допомогою елементів теорії нечітких множин модифіковано метод інтерактивного послідовного цільового програмування. Використання теорії нечітких множин у рамках модифікованого методу спрощує процес нормалізації критеріїв, прискорює процедуру пошуку рішень, а також дає можливість ураховувати переваги ОПР у термінах, близьких до природних.

Усі зазначені результати з урахуванням досягнутого рівня новизни є теоретичною основою вирішуваної наукової задачі.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані в роботі моделі, алгоритми і розроблені на їх основі елементи концепції проектування БД ІС є частиною наукової програми кафедри ІУС ХНУРЕ зі створення автоматизованої підсистеми підтримки рішення задач, призначеної для здійснення всіх етапів процесу проектування БД ІС у залежності від характеру ПрО і типу об'єкта автоматизації. Розроблені у дисертації методи і моделі, що є науково-методичною основою для створення інструментальних засобів підтримки прийняття рішень, описані алгоритмічно й реалізовані у вигляді СППР. У процесі розробки структури СППР у дисертації було розширено і переформульовано вимоги до опису структур збереження даних і вихідних документів. Отримані теоретичні та практичні результати можуть бути використані при організації проектування складних ІС.

Науково-технічний ефект полягає у підвищенні ступеня автоматизації процесів прийняття рішень та проектування раціональних структур БД ІС, за вимогами ОПР.

Економічний ефект пов'язаний із підвищенням ефективності проектування БД ІС завдяки впровадженню наукових результатів дисертаційної роботи у вигляді інструментального засобу (СППР). Це дає можливість скоротити в 56 разів час розробки раціональної структури БД ІС, а також запобігти типовим можливим помилкам при переході від стадії технічного завдання безпосередньо до проектування ІС згідно із сучасними вимогами до такого класу систем.

Соціальний ефект полягає в зниженні трудомісткості, забезпеченні зручностей і умов роботи проектувальників ІС за рахунок використання запропонованих моделей та методів, а також СППР.

Результати дисертаційних досліджень упроваджені при створенні нового CASE-засобу проектування БД, який розробляється НДПІАСУтрансгаз, що засвідчено актом про впровадження результатів дисертаційної роботи № 12/005 від 12.05.2003 р.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто. В публікаціях, що написано в співавторстві, авторові належать такі результати: в [1] автор виконав модифікацію елементів математичного забезпечення СППР, запропонувавши підхід, що полягає в одночасному вираженні прагнень ОПР стосовно рівнів цілей для багатьох критеріїв оптимізації на основі багаторівневого ранжування, виконав побудову функцій належності та зведення цієї задачі до задачі класичного ЦП; у [2] автор виконав постановку задачі аналізу існуючих формалізованих методів проектування ІС, зазначив суміжні області методів та напрямки їх можливого розвитку; у [3] автор провів удосконалення концепції побудови формалізованих моделей прийняття рішень для застосування їх у рамках СППР, запропонував алгоритм пошуку рішення для задач проектування БД ІС та розробив моделі синтезу раціональних за заданими критеріями структур БД ІС у вигляді багатокритеріальних моделей ЦП; у [4] автором визначено можливість вирішення задачі синтезу структури БД ІС як задачі багатокритеріального ЦП, наведено узагальнений математичний опис цієї задачі як задачі нелінійного ЦП і показано перехід від узагальненої математичної постановки до методів її вирішення та формалізовано структуру СППР щодо синтезу раціональних структур інформаційного забезпечення ІС; у [5] автором виконано загальну постановку задачі ЦП для проектування БД ІС управління організацією; у [6] запропоновано вдосконалення математичної моделі задачі синтезу раціональної за заданими критеріями логічної структури БД та розширений варіант інтервальних методів ЦП; у [7] автором викладено ідею побудови функції корисності окремих цілей на основі нечітких пріоритетів. У зв'язку з обмеженим обсягом автореферату повний перелік робіт наведено у дисертаційній роботі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на таких конференціях та семінарах: Міжнародний молодіжний форум “Радіоелектроніка і молодь у XXI стодітті” (Харків, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002 рр.), “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (ХарківТуапсе, 1997, 1998, 2000 рр.) та International Conference ISTA'2001 (2001, Kharkiv, Ukraine).

2. Основний зміст роботи

У вступі відзначено актуальність дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і задачі дослідження, наведено відомості про зв'язки обраного напрямку досліджень із планами організації, де виконана робота. Дано стислу анотацію отриманих у дисертації рішень, визначено їх практичну цінність, обґрунтованість. Наведено дані про використання результатів проведених досліджень в народному господарстві.

У першому розділі проведено аналіз методів, засобів і технологій проектування ІС, а також методів створення БД ІС, моделей і методів БКО, що окреслюють клас моделей, методів, технологій та інструментальних засобів, необхідних для рішення задачі автоматизованого проектування структури інформаційного і програмного забезпечень ІС. Найдоцільніше проектувати будь-яку ІС із використанням композиції структурного підходу, що найповніше відповідає прийнятим в Україні нормативним документам, і об'єктно-орієнтованої методології з використанням мови моделювання UML і відповідних інструментальних засобів.

Існуючі на сьогодні інструментальні засоби і CASE-технології спрямовані в основному на автоматизацію окремих етапів і задач проектування ІС і, як правило, на розробку та генерацію програмного коду додатків. Така спрямованість не забезпечує комплексного рішення задач аналізу і синтезу ІС, а також одержання раціональних проектних рішень.

Існуючі моделі та методи синтезу раціональних структур БД ІС є, як правило, однокритеріальними. Однак проектування ІС носить багатокритеріальний характер, тобто прийняття рішень здійснюється на основі понад десятка критеріїв, що найчастіше не відбито в існуючих моделях.

Існуючі методи БКО не в повній мірі враховують сучасні вимоги до людино-машинних процедур, які все чіткіше диктують нові правила взаємодії ОПР та СППР із використанням природної мови. Серед розглянутих методів БКО найбільш придатним класом для рішення задачі оптимізації інформаційного забезпечення ІС визначено ЦП.

ОПР найчастіше оперує специфічними термінами й оцінками, що відрізняються від прийнятих оцінок якості рішення в чіткій оптимізації. Необхідно надати ОПР можливість задавати свої переваги у формі, зрозумілій спеціалісту-нематематику.

Закордонні та вітчизняні CASE-засоби в області автоматизації проектування БД забезпечують в основному інформаційну підтримку процесу проектування, полегшують рутинну роботу проектувальників щодо формування структурних і графічних діаграм і документування описів структур БД. При цьому в цих засобах практично відсутнє комплексне рішення задач проектування БД і одержання раціональних проектних рішень. Основним компонентом САПР повинна бути СППР. Ця СППР повинна забезпечувати підтримку процесу синтезу раціональних структур інформаційного забезпечення ІС.

Згідно з отриманими під час аналізу результатами автором було сформульовано основні задачі дослідження, які наведено вище.

Другий розділ присвячено вдосконаленню в рамках структурної методології методу формалізованого опису ПрО, специфікації інформаційних вимог користувачів, а також аналізу інформаційних структур користувачів і побудові канонічних структур БД. Як було зазначено вище, перспективним підходом до підвищення ефективності рішень, що приймаються, у слабоформалізованих ПрО є створення інтелектуальних СППР, які включають знання, що містяться у математичних моделях.

Із аналізу методів об'єктної методології було виявлено їх основні поняття та відображення елементів ПрО у об'єктних моделях. Аналіз методів об'єктної методології показав, що кожен із них має сильні та слабкі сторони на тлі їх загального достатньо неопрацьованого математичного апарату. Деякі з них можуть бути використані на етапах проектування та конструювання моделей, деякі - для аналізу та розробки інформаційних систем орієнтованих на обробку великих об'ємів даних, інші - для аналізу та формування вимог, а також для високорівневого проектування. Отже, виникає проміжна задача: сформулювати математичний опис елементів об'єктної моделі в рамках структурної методології.

Розвиток такого підходу є корисним як із методологічної точки зору, так і з точки зору техніки проектування та розробки програмних систем: зникають дві розрізнені характеристики ПрО - дані та функції описуються як об'єкти. Математичний опис цих об'єктів дозволить провести оптимізацію моделей та отримати раціональну структуру БД ІС. Як було зазначено вище, перспективним підходом до підвищення ефективності рішень, що приймаються, у слабоформалізованих ПрО є створення інтелектуальних СППР, які включають знання, що містяться у математичних моделях.

Суть змін у методі полягає у модифікації та розробці набору процедур:

- діалогова процедура структуризації ПрО регламентує заповнення ОПР набору таблиць, що відбивають відносини між об'єктами ПрО та їхніми властивостями. Деякі дані використовуються для додаткової структуризації та перевірки несуперечності формалізованої моделі ПрО;

- процедура нормалізації інформаційної структури в автоматичному режимі усуває дублюючі зв'язки та цикли між об'єктами ПрО. За бажанням ОПР надлишкові зв'язки можуть зберігатися;

- діалогова процедура виділення ключів допомагає користувачу вибрати найоптимальніші ключі, що унікально ідентифікують об'єкт ПрО.

Вихідними даними для формування моделі ПрО користувачів є результати передпроектних обстежень та аналізу об'єктів інформатизації та відповідних бізнес-процесів, що наводяться у відповідних стандартних формах матеріалів обстеження (документах) або з використанням мов візуального моделювання (ІDEF, ARІS, UML і т.і.).

Для інформаційного наповнення моделі ПрО і побудови відносин між елементами ПрО було взято за основу діалогову процедуру, яку вперше запропонував В.В. Кульба та колектив співавторів. Ця процедура дозволить ОПР (розроблювачу БД) повно і несуперечливо ввести необхідні дані: перелік функцій та задач, що автоматизуються; користувачів задач; об'єктів та інформаційних елементів, що їм належать. Орграф інформаційної структури будується на базі парних відносин між об'єктами, а також між об'єктами й інформаційними елементами. Розроблювач БД, використовуючи знання про ПрО, у ручному режимі вводить пари відносин “об'єкт-об'єкт”.

На відміну від методу В.В. Кульби, запропоновано зосередити увагу на побудові перш за все відносин між об'єктами і об'єктами та інформаційними елементами, а інші відношення, призначені для чіткішої структуризації ПрО, перевірки на цілісність і несуперечність вихідних даних, залишити допоміжними (необов'язковими). У випадку розробки розподіленої БД усі відношення є обов'язковими, тому що склад кластера розподіленої БД визначається в результаті об'єднання інформаційних вимог різних користувачів у групи.

З урахуванням указаних вище змін було сформульовано вдосконалений метод побудови моделі ПрО. Отримана в результаті застосування процедур модель ПрО використовується при формуванні специфікацій інформаційних вимог користувачів.

Результатом формалізації ПрО є бінарна модель специфікації інформаційних вимог користувачів, на основі якої будується орграф інформаційної структури ПрО. Орграф може містити надлишкові та дублюючі зв'язки, цикли, має досяжні й недосяжні (висячі) вершини. Це визначає мету таких процедур: процедури нормалізації (видалення дублюючих і надлишкових зв'язків), процедури формування множини незалежних інформаційних елементів (груп), процедури виділення ключів і залежних від них атрибутів у групах.

Із метою забезпечення мінімальної надмірності збережених даних потрібно виявити множину дублюючих елементів у структурах даних. У зв'язку з цим запропоновано процедуру видалення надлишкових зв'язків, що дозволяє коректно обробляти циклічні зв'язки на орграфі інформаційної структури.

В основі процедури лежить ідея виключення тих вершин орграфа, шляхи через які вже враховано. Реалізовано процедуру у вигляді рекурсивної функції . Як параметри цієї функції задаються вершина (для якої буде сформовано множину досяжності) та множина вже пройдених вершин (щоб не повторювати пройдений шлях у випадку наявності циклів на орграфі). Вершина, через яку не повинен проходити шлях (-а вершина), при виклику процедури заноситься до множини як елемент цієї множини. Функція повертає множину раніше пройдених вершин, доповнену тими, котрі безпосередньо досяжні з вершини , що задається як параметр. Причому для кожної інцидентної вершини, що задається як параметр, викликається ця функція з параметрами і , і значенню присвоюється значення, що повертається функцією , (доповнене вершинами, інцидентними -й). У дисертаційній роботі наведено наглядний приклад реалізації цієї процедури.

Наступним етапом нормалізації інформаційних структур користувачів є виділення типів інформаційних елементів у групах ключів і атрибутів. У роботі запропоновано діалогову процедуру, що дозволяє розроблювачу БД у явному вигляді розділити інформаційні елементи на ключі та залежні від них атрибути. У ході діалогу експерту ПрО пропонується розглянути кожну групу інформаційних елементів і виконати ряд кроків.

Для кожної інформаційної групи в інтерактивному режимі користувачу пропонується вказати один чи декілька наборів інформаційних елементів, які однозначно ідентифікують групу. В процесі вибору діалогова процедура розраховує розмір отриманих наборів, а також, залежно від прагнення ОПР, може автоматично створити штучний ключ для групи інформаційних елементів.

Із сукупності обраних ключів цієї групи вибирається той, довжина якого мінімальна (визначається як сума довжин атрибутів, що складають ключ). Якщо два чи більше ключів мають однакову довжину, то перевага віддається тому, який складається з меншого числа елементів (у випадку складного ключа). Якщо ж ключі мають однакову довжину і складаються з однакового числа елементів, то користувачу пропонується вибрати той з них, що здається йому більш прийнятним.

При виконанні цього алгоритму користувач у будь-який момент має можливість змінювати послідовність проходження груп, повертатися до призначення ключів у вже пройдених групах, повертатися на попередні етапи проектування БД.

У результаті виконання наведених вище процедур користувач отримує канонічну структуру БД ІС, що підлягає подальшій оптимізації на основі певних критеріїв оптимальності.

Запропонований метод формалізації ПрО дозволяє будувати складні критерії, що досить точно відбивають вимоги, висунуті користувачем до майбутньої інформаційної структури. На жаль, для роботи з такими критеріями необхідно застосовувати евристико-аналітичні методи, що, по суті, означає синтез неуніверсальних методів, орієнтованих на рішення конкретних задач. Таким чином, виникає додаткова задача побудови декількох уніфікованих критеріїв, що відбивають деякі елементарні вимоги користувача.

Ураховуючи особливості сучасних СУБД та принципи їх побудови, основними критеріями ефективності синтезу раціональних логічних структур БД є: мінімум часу завантаження інформації до БД, мінімум часу обслуговування заданої множини запитів користувача, мінімум сумарного числа зв'язків між записами тощо. У дисертаційній роботі використано чотири критерії. Критерій мінімуму сумарного часу завантаження інформації до БД та критерій мінімуму сумарного часу обслуговування запитів користувача запропоновано Сиротюком В. О. і Косяченко С. А.

Автором дисертаційної роботи розроблено додаткові критерії для синтезу оптимальної структури БД ІС, а саме: критерій кількості та обсягу таблиць залежно від потужності зв'язків, а також критерій кількості таблиць залежно від довжини ключових полів і полів даних.

Багатокритеріальні моделі прийняття рішень з елементами невизначеності дозволяють адаптувати її до конкретних умов прийняття рішень за рахунок структури та параметрів залежно від вимог задачі, ситуації, що склалася, та системи переваг ОПР. Модель задачі прийняття рішень може мати такий вигляд:

, (1)

де вектор рішень, вектор критеріїв; область припустимих рішень, вектор рівнів вимог ОПР. Таким чином, ця модель окреслює коло змін, які необхідно провести у методі формалізації ПрО, для того, шоб використовувати знання про ПрО, що містяться у математичних моделях, отриманих за допомогою цього методу.

Як було зазначено вище, рівень прагнень визначає область задовільних значень у просторі критеріїв:

. (2)

Серед розглянутих методів БКО для рішення задачі оптимізації БД ІС (з урахуванням наявності рівнів прагнень ОПР) найбільш прийнятним класом моделей і методів було визнано ЦП. Для розв'язуваної в цій роботі задачі побудови раціональної структури БД ІС модель ЦП буде мати вигляд:

(3)

з обмеженнями, що відбивають цілі:

; ; ; , (4)

де позитивне та негативне відхилення від цільового рівня ; - відповідають ненегативній вазі, доданій до цих відхилень; нормоване значення -го критерію.

Додаткові структурні обмеження моделі ЦП (3), (4) наведено в дисертаційній роботі, але відсутні в авторефераті через його обмежений обсяг.

Сформульовані вище багатокритеріальні моделі синтезу раціональних логічних структур БД є нелінійними задачами цілочисельного цільового програмування. При рішенні практичних задач подібні моделі мають такі характеристики: велика розмірність; неоднорідність внеску складових до значення критеріїв; трансформованість критеріїв до різних спрощених постановок залежно від прийнятих допущень; можливість згортки критеріїв в один.

У третьому розділі автором визначено основні принципи, на підставі яких будуватимуться процедури рішення задачі синтезу раціональної за заданими критеріями структури БД як задачі ЦП.

При проектуванні раціональної структури БД із використанням підходу ЦП проектувальнику, використовуючи свої знання і досвід, а також знання і досвід експерта ПрО, важко задати рівні прагнення (цілі). Методологія ЦП вимагає обов'язкового завдання мети, наприклад, у нашому випадку, виходячи із фізичного змісту цільових функцій, для першого критерію потрібно задати величину зв'язності записів. На підставі викладеного вище напрошується припущення, що проектувальнику необхідно дати можливість задавати не тільки цільовий рівень, але й максимально можливий рівень досягнення для випадку, коли важко визначитися з цільовим.

Для розширення процедури рівня прагнення пропонується використовувати підхід підтримки прийняття рішень, що допускає відбиття переваг ОПР (проектувальника) двома рівнями прагнення і резервування. Вибір рішення ґрунтується на таких припущеннях:

Припущення 1. Рішення, в якому оцінки за всіма локальними критеріями задовольняють відповідні рівні резервування, переважніше за будь-яке рішення, у якого хоча б одна оцінка за локальним критерієм гірше його рівня резервування.

Припущення 2. За умови досягнення всіх рівнів резервування, рішення, у якого оцінки за всіма локальними критеріями задовольняють відповідні рівні прагнення, має перевагу над будь-яким іншим рішенням, у якого хоча б одна оцінка за локальним критерієм гірше його рівня прагнення.

Розглянутий підхід може бути реалізовано на основі методології ЦП. На відміну від розглянутої раніше процедури із завданням рівня прагнення до моделі вводиться другий параметр контролю рівень резервування для кожної цільової функції.

Повна модель включає такі обмеження:

(5)

де і рівні прагнення і резервування відповідно; і змінні відхилення поточних значень від рівнів прагнення і резервування відповідно; позитивне та негативне відхилення від цільового рівня .

Показано, що завдання нечітких вагових коефіцієнтів у задачах оптимізації приводить до наочніших результатів, а також дає можливість урахувати переваги ОПР у термінах, близьких до природної мови. Такий метод може бути використано при проектуванні раціональних структур БД ІС. Використання апарату нечітких множин при формалізації прагнень ОПР спрощує процес нормалізації критеріїв, прискорює процедуру пошуку рішень, а також дозволяє використати інтервальні методи.

У роботі запропоновано модифікацію методу інтерактивного послідовного ЦП (ISGP, Interactive Sequential Goal Programming) таким чином, щоб замінити в задачі вагові коефіцієнти , нечутливі до поточного значення цільової функції, тому що вони є константами в межах однієї ітерації.

Метод базується на тому припущенні, що ОПР може встановлювати цілі прагнення в інтерактивному процесі навчання. На кожній ітерації аналізується поточне компромісне рішення (головне рішення) і множина альтернативних рішень, одержуваних при послідовному досягненні цілей. Кожна ітерація дослідження недомінуючих рішень складається з розрахункової фази і фази оцінювання цільових рівнів за допомогою альтернативних рішень. Усі рішення (головне та альтернативні) формуються в розрахунковій фазі, а ОПР виявляє своє відношення до цих рішень у формі нового цільового рівня в оцінній фазі. З використанням цієї нової інформації процес повертається до розрахункової фази наступної ітерації. У випадку одержання задовільного для системи переваг ОПР головного чи альтернативного рішень процедура пошуку рішення припиняється.

Уведемо функцію приналежності мети нечіткій підмножині цілей:

, (6)

де загальний рівень задоволення ОПР, .

Тоді постановка задачі для варіанта головного рішення буде мати вигляд:

, (7)

за умов ^,

та при додаткових структурних обмеженнях, які наведено у дисертаційній роботі, але відсутні у авторефераті через його обмежений обсяг.

Вибір виду функції належності залежить від конкретних задач, і вона може мати вигляд як найпростішої лінійної, так і достатньо складної кусково-неперервної. У роботі окрему увагу приділено розробці інтерактивної процедури побудови функцій належності у діалоговому режимі.

У загальному вигляді правила побудови функцій належності такі (у випадку максимізації критерію):

1. Якщо значення критерію нижче допустимого рівня, значення функції належності дорівнює 0.

2. Якщо значення критерію вище рівня цілі, значення функції належності дорівнює 1.

3. Якщо значення критерію знаходиться в інтервалі оптимізації, значення функції належності задаються як прямо пропорційна опукла функція від значення критерію (лінійна, кусково-лінійна).

Вигляд постановки задачі для допоміжного рішення:

, (8)

за умов ; ,

та при додаткових структурних обмеженнях, які наведено у дисертаційній роботі, де критерій, значення якого фіксується у допоміжному рішенні.

Таким чином, функція належності буде відбивати рівень задоволення ОПР, величина загальний рівень задоволення, у той час як величини і відбивають лише абсолютне відхилення цільової функції від мети і не несуть яскраво вираженої якісної інформації.

Виходячи зі сказаного вище, є сенс застосовувати теоретичний підхід на базі нечітких множин у СППР.

Четвертий розділ присвячено питанням використання результатів дисертаційної роботи, які було отримано в попередніх розділах, при розробці БД для відділу аспірантури Харківського національного університету радіоелектроніки.

Розроблено структуру СППР, що реалізує запропонований підхід і процедури синтезу оптимальної логічної структури БД ІС. Структура СППР складається з бази моделей, інтерфейсу користувача, репозитарію метаданих, бази методів, яка включає методи обслуговування бази моделей, методи нормалізації та оптимізації, методи генерації SQL-коду та методи доступу до даних. У процесі розробки структури СППР у дисертації було розширено і переформульовано вимоги до опису структур збереження даних і вихідних документів.

СППР дозволила ОПР увести неформалізовані дані про ПрО до репозитарію, провести опитування експертів в інтерактивному режимі для збору даних про введені об'єкти ПрО та їхні властивості, потім подати свої переваги щодо майбутньої структури інформаційного забезпечення у вигляді параметрів багатокритеріальної моделі оптимізації. Після проведення нормалізації та оптимізації структури результат аналізується ОПР для ухвалення рішення про генерацію моделі чи про коректування вихідних даних (інформації ПрО, переваг ОПР, констант оптимізації тощо).

Порівнявши обсяг людино-годин, витрачених на проектування структури БД для модуля “Аспірантура”, який реалізує зазначені вище задачі, у рамках держбюджетної теми № 134 (номер держреєстрації 0101U001763) “Розробка інформаційно-аналітичної системи з розподіленим штучним інтелектом (“Університет”)” у Харківському національному університеті радіоелектроніки з обсягом людино-годин, витрачених розробниками БД (із використанням запропонованого методу і розроблених процедур), одержуємо такий результат: використовуючи методи, процедури та інструментальний засіб, який їх реалізує, у порівнянні з використанням класичних структурних (SSADM, ІDEF) і об'єктних (UML, RUP) методик проектування одержуємо виграш у часі розробки оптимальної за заданими критеріями структури БД у 56 разів.

Таким чином, було доведено практичну цінність отриманих результатів. Запропоновані моделі, методи і діалогові процедури довели свою ефективність при проектуванні БД різних ІС, що дозволило підвищити ефективність проектування систем такого класу.

У додатках наведено акт про впровадження результатів дисертаційної роботи, схеми репозитарію розробленого програмного комплексу СППР, а також результати вирішення задачі синтезу оптимальної структури БД модуля “Аспірантура” ІАС “Університет” за допомогою розробленого програмного комплексу.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення таких наукових задач: доопрацьовано метод формалізації ПрО та одержано раціональну за заданими критеріями логічної структури БД ІС; розроблено моделі синтезу оптимальних за заданими критеріями структур БД ІС у вигляді багатокритеріальних моделей цільового нелінійного цілочисельного програмування; модифіковано існуючі методи ЦП щодо проектування раціональних за заданими критеріями структур БД ІС із використанням елементів математичного апарату нечітких множин. У практичному відношенні виконана робота є внеском у розв'язання задачі проектування раціональних за заданими критеріями структур БД ІС.

1. Проведений аналіз методик і технологій проектування ІС дозволяє зробити висновок, що головною проблемою під час розробки ІС є проблема розробки структури БД ІС. Сучасні підходи, які використовуються при розробці БД ІС, не дають можливості отримати найефективніші проектні рішення за короткий проміжок часу без істотних помилок. Виходячи з цього, визначено головну наукову задачу дисертаційної роботи і поставлено задачі дослідження.

2. Відповідно до визначених у роботі цілей створення і функціонування ІС вдосконалено методи структурного аналізу ПрО, а саме, на основі математичного апарату структурної методології реалізовано механізми, властиві об'єктній методології, а також зазначені суміжні області методів та напрямки їх можливого розвитку, що дає змогу використовувати переваги об'єктної методології у рамках математичного апарату структурних методів.

3. Удосконалено методи та моделі формалізації ПрО та одержання раціональної за заданими критеріями логічної структури баз даних інформаційних систем у рамках математичного забезпечення інтелекутальних СППР, а саме: адаптовано математичну модель ПрО та процедури інформаційного наповнення й аналізу даних для подальшого ефективного використання знань про ПрО, що містяться в отриманих математичних моделях, а також обгрунтовано її використання; на основі цього розроблено моделі синтезу раціональних за заданими критеріями структур БД ІС у вигляді багатокритеріальних моделей цільового нелінійного цілочисельного програмування, що показано формулами (3), (4); це дало змогу не тільки оптимізувати процес розробки БД, але й скоротити час розробки;.

4. Згідно із запропонованими у роботі вдосконаленням математичної моделі задачі синтезу раціональної за заданими критеріями логічної структури БД модифіковано існуючі методи ЦП. Так, для одержання гарантованого рішення запропоновано використовувати підхід "прагнення-резервування" при завданні критичного і бажаного значень, а також для гнучкого відображення прагнення ОПР запропоновано використовувати математичний апарат теорії нечітких множин.

5. Було проведено дослідження отриманих моделей і алгоритмів, яке полягає у порівнянні запропонованих у роботі моделей і алгоритмів з існуючими елементами методів і технологій розробки БД ІС. Усі виведені формули базуються на аксіомах і теоремах теорії графів, теорії множин та математичного програмування. Достовірність отриманих результатів оцінювалась математичними розрахунками і програмною реалізацією (у вигляді розрахункових елементів програмного комплексу).

6. Розроблено структуру СППР, що реалізує запропоновані метод і процедури синтезу раціональної логічної структури БД ІС. У процесі розробки структури СППР у дисертації було розширено і переформульовано вимоги до опису структур збереження даних і вихідних документів. Для одержання практично значущих результатів розглянуто конкретні приклади використання відповідних моделей і алгоритмів при автоматизації діяльності відділу аспірантури Харківського національного університету радіоелектроніки.

7. Результати дисертаційних досліджень впроваджено при створенні нового CASE-засобу проектування БД, який розробляється НДПІАСУтрансгаз, що засвідчено актом про впровадження результатів дисертаційної роботи № 12/005 від 12.05.2003 р.

алгоритм інформаційний програмування

Список опублікованих робіт

Стопченко Г.И., Петриченко А.В., Бабак Д.В. Модификация метода интерактивного последовательного целевого программирования на основе нечетких множеств для задач принятия решений // Вестник Национального университета “ХПИ”. Тематический выпуск: Новые решения в современных технологиях. - Харьков: НТУ “ХПИ”. - 2002. № 3. С. 4349.

Микитенко Л.Л., Микитенко В.Л., Старовойтов А.Г., Петриченко А.В. Сравнительный анализ подходов к проектированию информационных систем // Вісник Кременчуцького Державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2001. - Вип. 2(11). - С. 300-305.

Левыкин В.М., Стопченко Г.И., Петриченко А.В. Интеллектуальные системы поддержки принятия решения в задачах организационного управления // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2002 № 1(14). С. 212214.

Петриченко А.В. Применение моделей и методов целевого программирования при проектировании ИУС // Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій ім. Ю.І.Кравченка: “Нові технології”. - Кременчук: КДПУ, 2003. - Вип. 1(2). - С. 75-78.

Петриченко А.В. Методы целевого программирования в задачах принятия многокритериальных решений // 2-й Молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”: Тез.докл. Харьков: ХТУРЕ, 1998. - С. 42.

Бабак Д.В., Петриченко А.В., Ковалев А.В., Печеник Н.В. Нечеткое целевое программирование с вложенными приоритетами в задачах принятия решения // 4-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”: Тез.докл. Харьков: ХТУРЭ, 2000. С. 160163.

Стопченко Г.И., Петриченко А.В., Бабак Д.В. Концепция стремления/резервирования при решении многокритериальных задач на основе СППР // 6-я Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (“Новые информационные технологии”): Сб. научных трудов. - Харьков, 2000. - С. 203205.

Петриченко А.В. Применение целевого программирования в методе анализа иерархий // 5-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”; Тез.докл: Харьков: ХТУРЕ, 2001. - С.360361.

Размещено на Allbest.ru

...