Методи і моделі об'єктного представлення та інтеграції реляційних баз даних

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 004.652.5

МОДЕЛІ і МЕТОДИ ОБ'ЄКТНОГО представлення та ІНТЕГРАЦІЇ реляційних БАЗ ДАНИХ

Спеціальність 05.13.06 - Інформаційні технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

неізвестний Олексій Сергійович

Одеса 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі системного програмного забезпечення Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор Кунгурцев Олексій Борисович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри системного програмного забезпечення.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Мещеряков Володимир Іванович, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри інформатики;

кандидат технічних наук, доцент Гожий Олександр Петрович, Чорноморський державний університет ім. Петра Могили, декан факультету комп`ютерних наук, завідувач кафедри інформаційних технологій та програмних систем.

Захист відбудеться «1» жовтня 2009 року о 13:30 на засіданні спеціалізованої вченої ради в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1, ауд. 400А

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1.

Автореферат розісланий «21» серпня 2009 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.С. Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з актуальних проблем в галузі розробки та експлуатації автоматизованих інформаційних систем (АІС) є проблема представлення та одержання необхідної інформації з АІС для широкого кола користувачів. інформаційний об'єктний реляційний модель

Оскільки найбільш розповсюджені АІС використовують реляційні бази даних (РБД), методи доступу до даних вимагають знань структури РБД, призначення і найменування таблиць та їхніх полів, зв'язків між таблицями і мови запитів SQL. Отримання інформації, не передбаченої програмами користувача, чи створення нової такої програми вимагає високої кваліфікації відповідних фахівців.

Об'єктно-орієнтовані бази даних (ООБД) дозволяють спростити доступ до даних АІС завдяки використанню зрозумілих операцій. Однак сьогодні ООБД не можуть конкурувати із РБД через низку причин: високу ресурсоємність, складність підтримки цілісності та відмовостійкості, низьку ефективність при використанні великих і складних вибірок. Крім цього, їхнє застосування передбачає проектування нових систем, а не модернізацію існуючих. Оскільки більшість АІС, що експлуатуються сьогодні, використовують в основі РБД, їхнє перепроектування пов'язане з великими матеріальними витратами.

Нові можливості при доступі до даних при збереженні реляційної структури бази даних (БД) можна одержати, створюючи об'єктне настроювання (адаптер або шлюз). Відомі рішення у цій сфері (наприклад OpenODB) дозволяють представити структуру РБД в об'єктній формі. Однак це представлення не ґрунтується на термінології предметної області (ТПО) і вимагає спеціальних мов для доступу до даних. Отже, зазначені надбудови істотно не вирішують проблему спрощення методів доступу до даних.

Існуючий стандарт SQL3 дозволяє створювати об'єктно-орієнтовані запити до системи управління базою даних (СУБД), однак не дає рішень щодо побудови наочних представлень вмісту РБД, має дуже обмежену сферу застосування і обмежену підтримку комерційними продуктами.

У зв'язку із глобалізацією в різних сферах діяльності актуальним стає також забезпечення спільного використання розрізнених РБД. Зокрема подібні проблеми виникають у великих організаціях, де історично склалися самостійні інформаційні структури підрозділів або філій, заснованих на використанні РБД. Інтеграція подібних баз даних пов'язана з великими труднощами, обумовленими узгодженням структур, найменуванням відношень та їхніх атрибутів, приведенням типів, стикуванням СУБД.

Відомі способи інтеграції, засновані на створенні сховищ даних, фізичній інтеграції РБД або створенні деякого прикладного програмного забезпечення (ПЗ), що поєднує декілька РБД, мають істотні недоліки, пов'язані з необхідністю модифікації існуючих програм користувачів, великими часовими і матеріальними витратами, значним ускладненням структури системи.

На підставі викладеного можна стверджувати, що дослідження, спрямовані на поширення кола активних користувачів, скорочення часу одержання інформації з АІС та інтеграції незалежних РБД, є вельми актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до планів НДР кафедри системного програмного забезпечення ОНПУ № 583-73 «Методи й засоби побудови автоматизованих інформаційних систем обробки інформації і управління» (№ держ. реєстр. 0100U001400), № 329-73 «Програмні засоби автоматизованих систем. Розробка та дослідження методів та засобів автоматизованих систем» (№ держ. реєстр. 0107U001979).

Метою дослідження є скорочення часу одержання інформації, розширення кола активних користувачів та створення можливості спільного використання даних окремих АІС з реляційними базами даних шляхом створення об'єктного представлення та відповідних методів доступу до даних АІС.

Для досягнення цієї мети в роботі розв'язані такі задачі:

- проаналізовані існуючі способи представлення та здобуття інформації, що використовуються в АІС, виділені найбільш перспективні з них;

- удосконалено об'єктну модель (ОМ) РБД шляхом використання термінології відповідної предметної області з урахуванням обмеження доступу для різних категорій користувачів;

- удосконалено метод доступу до даних АІС з використанням ОМ та об'єктної мови запитів, призначеної для програмістів та кінцевих користувачів, що оперує поняттями предметної області;

- розроблено об'єднану об'єктну модель (ООМ) для спільного об'єктного представлення окремих РБД шляхом визначення складних об'єктів, їх атрибутів та погоджування типів даних;

- розроблено метод доступу для сумісної експлуатації окремих АІС з використанням ООМ, об'єктної мови запитів, та розподіленням запитів між окремими об'єктними моделями, формуванням відповіді на запит;

- розроблено технології створення об'єктного словника даних (ОСД), що реалізує ОМ для окремої АІС, та центрального об'єктного словника (ЦОСД), який реалізує ООМ для інтегрованої АІС;

- виконано практичну реалізацію розроблених методів та технологій у вигляді програмної системи;

- розроблену програмну систему впроваджено у промисловій та медичних організаціях м. Одеси.

Об'єкт дослідження. Представлення та здобуття інформації з автоматизованих інформаційних систем з реляційними базами даних.

Предмет дослідження. Методи доступу різних категорій користувачів до даних окремої АІС або множини АІС на основі об'єктного представлення.

Методи дослідження. В процесі побудови ОМ РБД і ООМ використані методи реляційної алгебри та теорії множин.

Для розробки мов формування запитів до об'єктного представлення для програмістів (O_SQL) і кінцевих користувачів (P_SQL), а також їхньої трансляції в SQL використана теорія трансляції.

Для найменування об'єктів та атрибутів ОМ та ООМ використана теорія ймовірності. При побудові інструментальних засобів використана теорія об'єктно-орієнтованого проектування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку та поглибленні теоретичних і методологічних основ побудови об'єктного представлення РБД і розробці та удосконаленні методів доступу до даних РБД на підставі об'єктного представлення в рамках однієї або декількох АІС. У дисертаційній роботі отримані такі нові наукові результати:

- одержала подальший розвиток об'єктна модель окремої РБД, яка відрізняється від інших тим, що вона відображає ієрархією об'єктів з атрибутами відповідно до прав доступу кожного користувача, містить множини атрибутів для класифікації та визначення об'єктів, де кожне ім'я отримано зі словника предметної області та відображає можливі зв'язки між об'єктами;

- одержав подальший розвиток метод доступу до окремої РБД, який відрізняється від інших тим, що він реалізує технологію побудови об'єктного словника даних відповідно об'єктної моделі, використовує спеціальні мови запитів для програмістів та кінцевих користувачів із застосуванням термінології об'єктної моделі, представляє результати запитів у термінології об'єктної моделі;

- вперше розроблена об'єднана об'єктна модель для інтеграції окремих АІС, яка містить складні об'єкти та атрибути, посилання до об'єктів та атрибутів окремих ОМ АІС, функції узгодження типів атрибутів, реалізує обмеження доступу;

- вперше розроблений метод доступу до інтегрованих АІС, що реалізує технологію побудови центрального об'єктного словника відповідно об'єднаної об'єктної моделі, аналізує та розподіляє запити між окремими ОМ, узгоджує типи даних, зберігає проміжні результати та формує відповідь на запит.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі запропонованої ОМ створене програмне забезпечення «DictManager». На підставі запропонованої граматики O_SQL і P_SQL та методів трансляції розроблений транслятор «TransSQL». DictManager і TransSQL були використані в стоматологічних клініках «ЛЕОДЕНТ» і ТОВ «ГАЛСІ», що дозволило розширити коло користувачів існуючої АІС у 2,2 рази, забезпечити користувачам можливість самостійно формувати необхідні звіти для поточної роботи без залучення фахівців, скоротити час отримання даних у 3 - 5 разів. Проведено інтеграцію нової АІС із раніше створеною БД, що дозволило скоротити час отримання інформації одночасно із двох БД у 3 рази, залучити до роботи з системою нових співробітників (15 замість 10 у минулому). Аналогічне програмне забезпечення було створено для ВКФ «КРІОПРОМ» ТОВ, де виконано інтеграцію АІС різних філій, що дозволило одночасно використовувати ці АІС, залучити до роботи з системою 13 нових користувачів, скоротити час одержання інформації з окремих систем у 6 разів та з інтегрованої системи у 3,3 рази.

Особистий внесок здобувача. Запропоновано математичну модель об'єктного представлення РБД [5]. Удосконалено спеціалізовану мову запитів до об'єктного представлення [3, 4]. Розроблено спеціалізовану мову для непідготовлених користувачів (P_SQL) [4, 6, 9]. Запропоновано методику об'єднання РБД на підставі об'єктного представлення [1, 2]. Розроблено механізм класифікації об'єктів і ідентифікації екземплярів об'єктів [2, 3, 8]. Розроблено технологію побудови об'єднаного об'єктного представлення РБД [3, 8, 10]. Розроблено метод доступу та механізм трансляції запитів до об'єднаного об'єктного представлення РБД [4, 7, 8]. Запропоновано механізм приведення типів даних [8].

Апробація наукових результатів дисертації. Результати дослідження доповідались і обговорювались на XXXVII науково-практичній конференції студентів і молодих учених ОНПУ (м. Одеса, 17 - 19 травня 2006 р.), на Сьомій міжнародній науково-практичній конференції СІЕТ-2006 (м. Одеса, 22 - 26 травня 2006 р.), на Другій міжнародній науково-практичній інтернет-конференції «Сучасні проблеми й шляхи їхнього рішення в науці, транспорті, виробництві й освіті 2006» (15 - 25 грудня 2006 р.), на Восьмій міжнародній науково-практичній конференції СІЕТ-2007 (м. Одеса, 21 - 25 травня 2007 р.), на Міжнародній науково-практичній інтернет-конференції «Сучасні напрямки теоретичних і прикладних досліджень 2008» (15 - 25 березня 2008 р.), на науковому семінарі кафедри системного програмного забезпечення ОНПУ «Інтелектуальні системи і сучасні інформаційні технології» (м. Одеса, 24 лютого 2008 р.), на Дев'ятій міжнародній науково-практичній конференції СІЕТ-2008 (м. Одеса, 19 - 23 травня 2008 р.), на розширеному засіданні кафедри КІСМ (м. Одеса, 17 березня 2009 р.).

Публікації. За результатами дослідження опубліковані 10 наукових праць, у тому числі 6 статей у спеціалізованих журналах, рекомендованих ВАК України, 4 - у збірниках наукових праць конференцій.

Структура дисертації Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, восьми додатків. Об'єм дисертації - 180 сторінок, з них додатків - 36 сторінок. Дисертація містить 46 рисунків, 7 таблиць та посилання до 92 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, вимогам ВАК України, наукову новизну та практичне значення; визначено об'єкт та предмет дослідження, сформульована мета та задачі, особистий вклад автора в роботу.

У першому розділі визначені основні категорії користувачів АІС: системні адміністратори й розроблювачі БД, програмісти широкого профілю (прикладні програмісти), непрограмісти (кінцеві користувачі), користувачі інтегрованої БД, а також їхні вимоги до системи.

Виконано аналіз існуючих засобів представлення інформації, що є в РБД, і зроблено висновок про те, що існуючі засоби представлення структури РБД недостатні для розуміння вмісту й організації РБД усіма категоріями користувачів. Також проведений аналіз існуючих методів доступу до РБД і зроблений висновок про те, що більшість СУБД не надають засобів спілкування мовою, що оперує ТПО.

Проведено аналіз технології «Language Integrated Query (LINQ)» (Microsoft), що надає можливість доступу до бази даних і джерелам XML даних за допомогою розширення запитів з.NET Framework. Зроблено висновок про те, що LINQ не дозволяє використати ТПО, вимагає істотного відновлення програмного забезпечення й додаткового вивчення засобів роботи з нею. Проведено аналіз існуючих рішень у сфері побудови ООБД і ОБД. Проаналізовано особливості побудови ООБД, побудованих на СУБД Cache', GemStone, ITASCA, Objectivity/DB, ObjectStore, Versant. Визначено такі недоліки ООБД: низька ефективність при використанні довільних, великих і складних вибірок; неможливість застосування об'єктного підходу для існуючих РБД; висока ресурсоємність; складність підтримки цілісності й відмовостійкості; необхідність серйозного відновлення існуючого програмного забезпечення. Визначено, що стандарт SQL3 дозволяє створювати об'єктно-орієнтовані запити до СУБД, однак не дає рішень щодо побудови наочних представлень вмісту РБД, має дуже обмежену сферу застосування і обмежену підтримку комерційними продуктами.

Проаналізовано існуючі засоби побудови об'єктно-реляційних адаптерів і шлюзів. Зроблено висновок про неможливість повною мірою використання зазначених технології для РБД, оскільки ці засоби не дозволяють іменувати або перейменовувати таблиці й їхні атрибути в ТПО, потребують від користувача вивчення спеціальних мов запитів або зберігають звичайний SQL як засіб спілкування, не надаючи можливості створювати запит, оперуючи поняттями об'єктів і їхніх атрибутів.

Проведено дослідження існуючих рішень для інтеграції РБД. Зроблено висновок про те, що існуючі засоби відображення вмісту РБД (словники) не задовольняють такі вимоги: простота розгортання, обслуговування й підтримка актуальності, не можуть підтримувати процес автоматизованої побудови об'єктного представлення РБД і процес інтеграції розрізнених РБД у рамках однієї організації або кола розв'язуваних завдань. Зроблено висновок про необхідність створення об'єктного представлення як надбудови над існуючою РБД, що дозволяє іменувати відношення й атрибути відношень у ТПО, створення мови запитів до об'єктного представлення, близького за синтаксисом до SQL, розробка мови запитів для непідготовлених користувачів, створення механізму інтеграції розрізнених РБД на підставі об'єктного представлення й методу доступу до інтегрованих РБД.

У другому розділі розроблена ОМ РБД, що дозволяє йменувати відношення і їхні атрибути в ТПО, приховує несуттєву інформацію від користувача, дозволяє обмежувати доступ до об'єктів і атрибутів, удосконалено метод доступу до даних АІС, що включає технологію створення ОСД відповідно до ОМ, трансляцію з об'єктно-орієнтованих мов запитів, перетворення відповідей.

Проаналізовано існуючі засоби представлення великих обсягів інформації. Показано перспективність об'єктного й ієрархічного представлення даних.

Запропоновано ОМ РБД. Сформульовано основні вимоги, що ставляться до ОМ:

- наочне представлення структури РБД і інформації, що міститься в ній;

- виконання функцій надбудови над РБД, що не модифікує її структуру, але дозволяє забезпечити доступ користувачів на рівні ТПО;

- можливість застосування для створення різних довідкових систем.

Запропоновано структуру ОМ, що має два рівні. Перший (зовнішній) рівень реалізує інтерфейс користувачів і представляє сутності предметної області, їхні атрибути, а також зв'язки між сутностями - асоціації, які реалізовані в системі. Другий рівень передбачає посилання на внутрішнє представлення даних і підтримує доступ до РБД.

Обґрунтовано застосування словника предметної області (СПО) для іменування об'єктів і атрибутів ОМ у ТПО з використанням синонімів. Для цього запропонований математичний опис СПО:

, (1)

де - множина термінів, - частота появи кожного терміна.

, ,.

Кожний термін являє собою впорядковану за спаданням частот множину імен (синонімів) терміна:

.

.

Множина частот появи терміна:

.

Дано математичний опис РБД:

,

де - множина відношень, що входять у РБД; - множина полів відношень, , де - належність відношенню ; - ключові поля; - інформаційні поля.

Представлено математичний опис об'єкта ОМ:

, (2)

де - упорядкована за спаданням частот появи множина імен об'єкта, , де - ім'я об'єкта, - синонім імені об'єкта; - упорядкована за спаданням частот появи множина імен атрибутів об'єкта, , , де - ім'я атрибута об'єкта -го об'єкта, - синонім імені атрибута об'єкта; - зв'язок між об'єктами й відношеннями; - зв'язок між атрибутами об'єктів і полями відношень; - множина прихованих атрибутів; - множина типів атрибутів, де , - тип -го атрибута, - посилання на головний об'єкт, які використовуються тільки в підлеглих об'єктах.

Визначено об'єктне представлення РБД як

,

де - множина зв'язків між об'єктами.

Показано відповідність між об'єктним представленням і моделлю РБД:

, .

Запропоновано представлення множини користувачів АІС . Кожний елемент множини являє собою кортеж

,

де - унікальний код користувача; - множина доступних об'єктів для користувача ; - множина доступних атрибутів об'єктів , де ( позначає належність атрибута об'єкту); - тип доступу до атрибута (читання або модифікація).

Уведення дозволяє залежно від користувача відображати тільки дозволені для нього об'єкти й атрибути, а також установити обмеження на дозволені над ними дії.

Враховуючи доступ користувачів до даних, ОМ набуває вигляду

.

Метод доступу до даних РБД через об'єктне представлення передбачає реалізацію моделі у вигляді об'єктного словника даних, створення об'єктно-орієнтованих мов запитів до ОСД, трансляцію запитів та перетворення їх результатів. На рис. 1 представлені основні елементи методу.

На рис. 2 зображені зв'язки ОСД із РБД. Тут О1, О2, О3 позначають об'єкти, а R1, R2, R3 - відповідні їм відношення. Pr1, Pr2, Pr3 є полями відношень R1, R2, R3 відповідно. Цим полям відповідають атрибути Aо1, Aо2, Aо3 об'єктів О1, О2, О3. Зв'язок між відношеннями позначений V1 (зв'язок між R1 і R2) і V2 (зв'язок між R2 і R3). Зв'язок між відношеннями й об'єктами позначений Dor1 (зв'язок між О1 і R1), Dor2 (зв'язок між О2 і R2) і Dor3 (зв'язок між О3 і R3). Приховані внутрішні ключі позначені як As. Зв'язок між об'єктами позначений Doo1 (зв'язок між О2 і О1) і Doo2 (зв'язок між О2 і О3).

ОСД відображає тільки видимі об'єкти й їхні атрибути, а також зв'язки між об'єктами (рис. 3).

Кожний об'єкт відповідає деякій таблиці в РБД. Усі об'єкти підрозділяються на два типи: основні, що перебувають на верхньому рівні ієрархії об'єктів і є самостійними, і допоміжні, які є складовою частиною інших об'єктів. Об'єкт містить множину атрибутів, які підрозділяються на дві групи: власні атрибути, що посилаються на поля в таблицях, пов'язаних з об'єктами, і невласні атрибути. Множина невласних атрибутів, у свою чергу, складається з атрибутів-підоб'єктів і атрибутів-покажчиків на об'єкти.

Технологія створення ОСД передбачає наступні операції. Одержання метаданих РБД. Формування об'єктів і атрибутів на підставі аналізу структури РБД та окремих таблиць. Іменування об'єктів і атрибутів у ТПО з використанням СПО та залученням експерта. Уведення даних, щодо обмеження доступу до даних для користувачів, та реалізація обмеження доступу на рівні об'єктів і атрибутів. Встановлення зв'язків між об'єктами ОСД.

Метод доступу до даних через ОСД передбачає створення спеціалізованих мов запитів. Для програмістів широкого профілю - O_SQL, для кінцевих користувачів - P_SQL. Обидві мови маніпулюють об'єктами та атрибутами, а не відношеннями й полями відношень, що виключає необхідність вивчання структури РБД. Мова O_SQL за своїми можливостями наближається до звичайного SQL. Мова P_SQL розроблена для непідготовлених користувачів і дозволяє конструювати нескладні запити з використанням шаблонів самостійно, не відволікаючи на це більш кваліфікований персонал.

Розроблено модель перетворення запитів з O_SQL/P_SQL в SQL. Пропонується запит мовою SQL представити у вигляді кортежу:

,

де - множина відношень БД, що беруть участь у запиті (визначається фразою FROM); - множина ієрархічних зв'язків між відношеннями ; - множина атрибутів відношень із множини ; - множина умов вибору запиту; - множина функцій, використаних у запиті.

Запит мовою O_SQL/P_SQL має вигляд

,

де - множина об'єктів, що беруть участь у запиті; - множина ієрархічних зв'язків між об'єктами ; - множина атрибутів об'єктів із множини ; - множина умов вибору запиту; f_k - множина функцій, використаних у запиті.

При перетворенні запиту з O_SQL/P_SQL в SQL множина відображаються в :

.

У третьому розділі визначені умови можливої інтеграції локальних БД; запропонована ООМ, що передбачає використовування окремих ОМ, створення складних об'єктів на підставі класифікації локальних об'єктів, а також формування їхніх атрибутів; розроблено метод доступу до інтегрованих АІС, який реалізує ООМ у вигляді ЦОСД, передбачає аналіз і розподілення запитів, формування відповіді. Показано, що інтеграція має сенс, якщо в СПО інтегрованих АІС є загальні поняття.

,

де - множина термінів з -ї предметної області, а - множина термінів з -ї предметної області.

Установлено необхідність класифікації об'єктів локальних ОСД. Уведено визначення об'єктів, що належать до одного класу.

Визначення. Два об'єкти, що належать до різних ОСД, вважаються належними до одного класу, якщо вони представляють одне поняття в об'єднаній предметній області та мають атрибути, що представляють однакові поняття в об'єднаній предметній області.

Запропоновано ввести поняття атрибутів, що класифікують (КА), які ідентифікують сутність об'єкта й дозволяють віднести його до певного класу. Атрибути, що класифікують, можуть бути одиночними або об'єднаними в множини (МКА).

Модель об'єкта (2) з використанням МКА буде мати такий вигляд:

,

де - множина груп КА, , кожна група .

Розроблено процедуру віднесення об'єктів до одного класу. Якщо

,

то об'єкти мають загальні імена або синоніми імен.

Об'єкти належать до одного класу, якщо хоча б один із МКА одного об'єкта збігається хоча б з одним МКА іншого об'єкта.

,

де і .

Об'єкти є кандидатами на належність до одного класу, якщо перетинання їх МКА не є порожнім.

.

Для об'єктів-кандидатів пропонується виконувати додатковий аналіз.

Установлено, що деякі значення атрибутів відношень типу «текст» можуть характеризувати відношення (наприклад - «посада» містить список посад). Відмінною рисою таких атрибутів є можливість появи їхніх значень у СПО як термінів предметної області. Запропоновано називати такі атрибути визначальними атрибутами (ВА).

Використання ВА дозволяє підвищити ступінь автоматизації процесу формування складних об'єктів шляхом зіставлення не тільки імен, синонімів і типів атрибутів локальних об'єктів, але і їхніх значень у відповідних БД. За допомогою ВА складного об'єкта існує можливість ідентифікації екземплярів об'єкта, необхідних для формування загальної відповіді на запити, які використовують інформацію з різних ОСД.

Формування ВА відбувається в такий спосіб. Будується множина значень текстового поля (атрибута).

,

де - функція, що добуває різні значення атрибута. Якщо

, (3)

де - множина термінів з -ї предметної області, де даний атрибут потрапляє в категорію ВА для відповідного локального об'єкта, а множина B може бути використана при класифікації об'єктів.

При формуванні об'єднаних класів здійснюється перевірка (4), що дозволяє уточнити належність об'єктів до одного класу

, (4)

де - множина значень атрибута з першого об'єкта-кандидата; - множина значень атрибута із другого об'єкта-кандидата.

Якщо нерівність (4) і

справедливі, то об'єкти належать до одного класу.

Остаточно об'єкт в моделі ОМ має вигляд

.(5)

Сформульовано визначення складного об'єкта:

,

де - упорядкована за спаданням частот появи множина імен складного об'єкта, , де - ім'я об'єкта, - синонім імені об'єкта; - множина локальних імен складного об'єкта (якщо у лише один елемент, то об'єкт належить одному ОСД), - упорядковане за спаданням частот появи множина імен атрибута складного об'єкта; - посилання на головний об'єкт, що використовується тільки в підлеглих об'єктах.

Оскільки окремі РБД звичайно розробляються різними людьми і в різних програмних середовищах, при інтеграції неминуче виникає необхідність приведення типів через різні формати або довжини полів, що представляють ту саму сутність. Запропоновано процедуру приведення основних типів даних, що надходять із різних РБД. Функції приведення типів розташовуються в спеціальній службовій таблиці, а в атрибуті складного об'єкта зберігається посилання на елемент цієї таблиці.

Кожний -й атрибут -го об'єкта являє собою кортеж:

,

де - ім'я атрибута загального об'єкта; - посилання на відповідний ОСД; - посилання на відповідний об'єкт в ; - посилання на відповідний атрибут об'єкта , що входить в атрибут складного об'єкта; - посилання на функцію перетворення типів, якщо , то перетворення не потрібно; - тип атрибута складного об'єкта; - множина унікальних значень атрибута (заповнюється тільки для текстових атрибутів, значення яких потрапляють у СПО).

Сформульовані правила іменування складних об'єктів:

1. Якщо до одного класу належить більше ніж два об'єкти, то ім'я складного об'єкта визначається як ім'я екземпляра, що зустрічається найчастіше.

,

де - ім'я складного об'єкта; - функція, що повертає максимальне значення із представлених; - функція, що підраховує кількість появ кожного терміна; - функція, що повертає ім'я об'єкта і його синоніми; - об'єкт, що входить у клас.

2. Якщо ймовірність появи імен екземплярів однакова, то вибирається ім'я найбільш «потужного» об'єкта (того, в якого більше атрибутів), оскільки ймовірність запитів до такого об'єкта вище, ніж у менш «потужних».

,

де - функція, що повертає кількість атрибутів об'єкта.

Визначено правила іменування атрибутів складного об'єкта:

3. Якщо атрибут складного об'єкта відображає більш двох атрибутів об'єктів, то ім'я атрибута складного об'єкта визначається як ім'я атрибуту локального об'єкта, що зустрічається найчастіше.

,

де - ім'я атрибута складного об'єкта; - функція, що повертає ім'я атрибута і його синоніми; - атрибут, що входить у клас.

4. Якщо ймовірність появи імен атрибутів об'єктів однакова, то вибирається ім'я з найбільш «потужного» об'єкта (того, в якого більше атрибутів), оскільки ймовірність запитів до такого об'єкта вище, ніж у менш «потужних».

,

де - функція, що повертає кількість атрибутів об'єкта.

Розроблено алгоритми для формування КА та формування складних об'єктів.

Модель складного об'єкта (класу) можна подати у вигляді:

.

На підставі моделі складного об`єкта запропоновано таку ООМ:

,

де - множина імен складних об'єктів; - множина ОСД; - множина зв'язків між складними об'єктами; - множина користувачів з описаними обмеженнями на доступ.

Розроблено метод доступу який передбачає технологію створення ЦОСД відповідно до ООМ, аналіз та розподілення запитів, синтез проміжних запитів та зберігання проміжних результатів, обмеження доступу та приведення типів даних.

На рис. 4 представлені основні елементи методу.

Технологія створення ЦОСД включає такі етапи: визначення доцільності проведення інтеграції, пошук і формування загальних об'єктів і їхніх атрибутів, формування апарата приведення типів, формування структури ЦОСД і внутрішньої БД для зберігання проміжних результатів запитів, формування обмеження доступу до об'єктів і атрибутів, створення представлення для користувачів.

Аналізатор запитів вирішує такі задачі: визначення належності об'єктів і атрибутів до конкретних ОСД; складання об'єднаної відповіді, якщо запит був складений таким чином, що потрібне розкладання запиту на підзапити; перетворення відповіді в об'єктну форму; приведення типів даних атрибутів, якщо це необхідно.

Стратегія виконання розподілених запитів реалізує метод об'єднання таблиць за допомогою вкладених циклів.

У четвертому розділі описані розроблені програмні комплекси, що реалізують технологію побудови ОСД і трансляцію запитів до ОСД і ЦОСД, наведений приклад побудови ОСД і виконання інтеграції двох РБД, отримані залежності для оцінки ефективності застосування ОСД і ЦОСД, а також наведені дані експериментальної перевірки ефективності.

На підставі ОМ розроблено ПЗ для побудови ОСД - DictManager.

Розроблено алгоритм трансляції запитів з мов P_SQL і O_SQL у SQL. Реалізовано програму TransSQL, що здійснює трансляцію запитів з мов P_SQL і O_SQL у SQL-запит до РБД і наступне перетворення результату шляхом підстановки термінів ОСД.

Реалізовано механізм виділення МКА в поєднуваних словниках і наведений результат його роботи. Розроблено структуру ЦОСД із внутрішньої БД для збереження проміжних результатів запитів.

На базі DictManager розроблено програмний комплекс С-DictManager, що реалізує технологію побудови ЦОСД на основі розроблених моделей.

Для зручності користувачів розроблений інтерфейс, що дозволяє конструювати запит на O_SQL і P_SQL, з використанням шаблонів і довідників.

Запропоновано оцінку ефективності об'єктного представлення, що має такі складові:

1. Скорочення терміну навчання персоналу.

2. Скорочення часу на побудову довідкових систем.

3. Скорочення часу одержання інформації з АІС для кінцевих користувачів.

4. Скорочення часу одержання інформації з АІС, обумовлене використанням O_SQL.

5. Скорочення часу одержання інформації з окремих АІС, обумовлене використанням ЦОСД.

Для визначення скорочення часу на навчання персоналу був проведений наступний експеримент. 26-ти студентам 2-го курсу Одеського національного політехнічного університету (ОНПУ), спеціальності «Автоматизовані системи» була запропонована структура БД на твердому носії, сформована адміністратором БД зі збереженням іменування відносин і їхніх атрибутів у тім виді, як вони зберігаються в БД.

Дана група була поділена на дві підгрупи по 13 чоловік, кожній з підгруп був даний логічно цілісний фрагмент бази даних АІС стоматологічної поліклініки складає з 11 відносин, у середньому по 7 атрибутів у кожній, кількість зв'язків між відносинами - 8. Засікався час, за яке випробувані успішно виконали завдання. На детальне вивчення структури БД і зв'язків між відносинами, а також проходження тесту випробувані затратили від 25 до 60 хвилин, середній час 38 хвилин 23 секунди.

Для одержання достовірних результатів, цим же випробуваним через два тижні було запропоновано сформоване об'єктне представлення цієї ж БД у вигляді ОСД із іменами об'єктів і атрибутів узятими зі СПО. Групам був наданий фрагмент БД відмінний від попереднього. Засікався час, за яке випробувані успішно виконали завдання. На детальне вивчення структури БД і зв'язків між відносинами, а також проходження тесту випробувані затратили від 20 до 45 хвилин, середній час 26 хвилин 11 секунд. Експериментально доведено, що час, використаний на вивчення структури БД, при застосуванні ОСД скорочується в 1,6--2,4 рази. Експериментально доведено, що використання ОСД скорочує час написання довідкових систем у 2,34 рази.

Скорочення часу, що обумовлене застосуванням O_SQL/P_SQL, запропоновано оцінювати за формулою:

,

де - час на складання запиту; - час на одержання результату; - час на складання запиту при використанні ОСД; - час на одержання результату при використанні ОСД; - час на трансляцію запиту у SQL та перетворення відповіді від РБД у об'єктну форму.

Експериментально доведено, що час на складання O_SQL-запитів на підставі структури ОСД, скоротився в середньому в 1,6 рази. Експериментально доведено, що час на одержання результату від АІС при використанні конструктора запитів мови P_SQL для непідготовленого користувача скорочується в 5-10 разів.

Скорочення часу, обумовлене застосуванням ЦОСД при інтеграції РБД, оцінюється за формулою:

,

де - час на формування документа, що описує вимоги до звіту й інформацію, яка повинна бути відбита у звіті; - час на перетворення відповіді у відповідну форму з перетворенням типів; - час на складання запиту при використанні ЦОСД; - час на очікування відповіді від РБД і його перетворення в об'єктну форму з приведенням типів; - час на формування загальної відповіді.

Експериментально встановлене скорочення часу на одержання узагальнених даних при використанні ЦОСД у 3 рази, що підтверджує розрахунки.

Усі оцінки ефективності застосування наведені на рис. 5.

DictManager і TransSQL були використані в стоматологічних клініках «ЛЕОДЕНТ» і ТОВ «ГАЛСІ», що дозволило розширити коло користувачів існуючої АІС у 2,2 рази, забезпечити користувачам можливість самостійно формувати необхідні звіти для поточної роботи без залучення фахівців, скоротити час отримання даних у 3-5 разів. Проведено інтеграцію нової АІС із раніше створеною БД, що дозволило скоротити час отримання інформації одночасно із двох БД у 3 рази, залучити до роботи з системою нових співробітників (15 замість 10 у минулому). Аналогічне програмне забезпечення було створено для ВКФ «КРІОПРОМ» ТОВ, де виконано інтеграцію АІС різних філій, що дозволило одночасно використовувати ці АІС, залучити до роботи з системою 13 нових користувачів, скоротити час одержання інформації з окремих систем у 6 разів та з інтегрованої системи у 3,3 рази.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена проблема побудови об'єктного представлення РБД, доступу до даних АІС через об'єктне представлення, а також спільного доступу до даних окремих АІС на підставі сумісного використання об'єктних представлень, що дозволило скоротити час одержання інформації і розширити коло користувачів.

1. Аналізом літературних джерел і досвідом роботи автора встановлено, що існуючі методи доступу до даних в РБД суттєво обмежують коло користувачів АІС, вимагають багато часу на виконання запитів, які не запрограмовані для існуючих робочих місць. Також показано, що сумісне використання окремих АІС з РБД передбачає створення складного нового ПЗ, або внесення великих змін в існуюче.

2. В процесі розвитку теоретичних основ об'єктного представлення даних РБД останнє було поширено за рахунок використання словника предметної області, створення ієрархії об'єктів та урахування прав доступу користувачів.

3. В процесі вдосконалення методу доступу до даних через об'єктне представлення були запропоновані мови запитів для кінцевих користувачів та програмістів, методика побудови відповідних трансляторів, та технологія створення об'єктного словника даних, що реалізує об'єктну модель.

4. Встановлено, що для інтеграції РБД на рівні об'єктних представлень необхідно проаналізувати сумісність предметних областей, створити складні об'єкти та їх атрибути шляхом аналізу об'єктних словників окремих РБД, визначити процедури погодження типів даних та вдосконалити локальні об'єктні моделі шляхом введення класифікуючих та визначальних атрибутів.

5. Для доступу до даних окремих РБД розроблено технологію створення центрального об'єктного словника, що реалізує об'єктну модель інтегрованої системи, запропоновано аналіз вмісту запита, його розподілення між окремими РБД та формування відповіді з окремих складових частин.

6. Для аналізу ефективності застосування об'єктних моделей та методів доступу до даних отримані залежності, що дозволяють оцінити скорочення часу на отримання інформації з окремої або інтегрованої АІС.

7. Для проведення випробувань та практичного застосування методу доступу до окремої РБД розроблено програмний комплекс DictManager (реалізує побудову ОСД) та транслятор TransSQL. Підтверджено скорочення часу на отримання інформації з РБД.

8. Для проведення випробувань та практичного застосування методу доступу до інтегрованих РБД розроблено програмний комплекс С-DictManager, що реалізує побудову ЦОСД.

9. Розроблені програмні комплекси впроваджені в стоматологічних клініках «ЛЕОДЕНТ» та ТОВ «ГАЛСІ», що дозволило скоротити час на одержання інформації кінцевими користувачами у 3 - 5 разів. Скорочено витрати часу на одержання інформації із двох об'єднаних АІС виробничого підприємства ВКФ «КРІОПРОМ» ТОВ у 3 рази.

10. Отримані в роботі наукові розробки і програмні засоби впроваджені в навчальний процес при викладанні дисципліни «Організація баз даних та знань» кафедри СПЗ Одеського національного політехнічного університету.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кунгурцев А.Б. Интеграция баз данных на основе объектного представления / А.Б. Кунгурцев, А.С. Неизвестный // Збірник наукових праць Одеського інституту сухопутних військ. Одесса: ОІСВ, 2006. №12. С. 63 - 65.

2. Кунгурцев А.Б. Методика объединения корпоративных баз данных (БД) на основании центрального объектного словаря / А.Б. Кунгурцев, А.С. Неизвестный // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2006». Одесса, 2006. С. 27 - 28.

3. Кунгурцев А.Б. Обработка запросов к центральному объектному словарю корпоративной сети / А.Б. Кунгурцев, А.С. Неизвестный // Современные информационные и электронные технологии: Восьмая междунар. науч.-практ. конф., 21 - 25 мая, 2007 г.: труды. Одесса, 2007. C.72

4. Кунгурцев А.Б. Обработка запросов к центральному объектному представлению реляционной базы данных / А.Б. Кунгурцев, А.А. Завалин, А.С. Неизвестный // Східно-Європейський журнал передових технологій. 2007. №3/2(27). С. 147 - 156.

5. Кунгурцев А.Б. Математическая модель объектного представления реляционной БД / А.Б. Кунгурцев, А.С. Неизвестный // Тр. Одесск. политехн. ун-та - №1 (27). 2007. С. 130 - 135.

6. Кунгурцев А.Б. Структура центрального объектного словаря для распределенной базы данных / А.Б. Кунгурцев, А.С. Неизвестный // Современные информационные и электронные технологии: Девятая междунар. науч.-практ. конф. 19 - 23 мая 2008 г.: труды. Одесса, 2008. C. 55.

7. Неизвестный А.С. Транслятор запросов от объектного представления корпоративной базы данных / А.С. Неизвестный, А.А. Негри // Збірник праць міжнародній науково-практичній Інтернет-конференції. 2008. С. 61.

8. Неизвестный А.С. Формирование общих объектов при интеграции реляционных баз данных на уровне объектных представлений / А.С. Неизвестный // Східно-Європейський журнал передових технологій. 2008. №3/3(33). С. 4 - 6.

9. Кунгурцев А.Б. Конструктор запросов к объектному представлению реляционной базы данных для конечного пользователя / А.Б. Кунгурцев, А.С. Неизвестный // Холодильна техніка і технологія. Одеса: ОНАХ, 2008. №2(112). С. 69 - 72.

10. Кунгурцев А.Б. Технология доступа к данным интегрируемых автоматизированных информационных систем на уровне объектных представлений / А.Б. Кунгурцев, А.С. Неизвестный // Холодильна техніка і технологія. Одеса: ОНАХ, 2008. №5(115). С. 51 - 56.

АНОТАЦІЯ

Неізвестний О. С. Методи і моделі об'єктного представлення та інтеграції реляційних баз даних. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.06 -- Інформаційні технології -- Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2009.

Дисертація присвячена зменшенню часу отримання інформації з АІС та розширенню кола користувачів системи.

Проаналізовані проблеми, які виникають при роботі користувачів із АІС. Виконаний аналіз дозволів удосконалити об'єктну модель окремої РБД. На базі розробленої моделі був створений метод доступу до окремої РБД, що реалізує технологію побудови об'єктного словника даних відповідно об'єктної моделі.

Також для вирішення проблеми інтеграції РБД розроблена об'єднана об'єктна модель. На базі розробленої моделі був створений метод доступу до інтегрованих АІС, що реалізує технологію побудови центрального об'єктного словника відповідно об'єднаної об'єктної моделі.

Розроблені системи DictManager, TransSQL, C-DictManager. Здійснено практичне випробування розробленої систем у ВКФ «КРІОПРОМ» ТОВ, та стоматологічних клініках «ЛЕОДЕНТ» і ТОВ «ГАЛСІ». Отримано позитивний техніко-економічний ефект.

Ключові слова: реляційна база даних, адаптер-шлюз, мова запитів, словник предметної області, трансляція запитів, метод доступу, об'єктне представлення.

SUMMARY

Neizvestnyy A.S. Models and methods of objective representation and integration of relational databases. - the Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.13.06 - the Information technology - the Odessa national polytechnical university, Odessa, 2009.

The dissertation is devoted reduction of time of reception of the information from АИС and to expansion of a circle of users of system.

Problems which arise at work of users from the automated information system (AIS) are analyzed. The made analysis has allowed to improve objective model separate RDB. On the basis of the developed model the access method to separate RDB which realises technology of construction of the objective dictionary of data according to objective model has been created.

Also the incorporated objective model is developed for the decision of a problem of integration RDB. On the basis of the created model the access method to integrated AIS which realises technology of construction of the central objective dictionary according to incorporated objective model has been created.

Developed systems DictManager, TransSQL, C-DictManager. Practical test of the developed systems in ВКФ «КРІОПРОМ» ТОВ, and stomatologic clinics "ЛЕОДЕНТ" and ТОВ «ГАЛСІ» is carried out. Positive technical-economic effect has been obtained.

Keywords: relational database, the adapter-sluice, language of inquiries, the subject domain dictionary, translation of inquiries, access method, objective representation.

АННОТАЦИЯ

Неизвестный А.С. Модели и методы объектного представления и интеграции реляционных баз данных. - Рукопись

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Информационные технологии - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2009.

Целью работы являются сокращения времени получения информации, расширение круга активных пользователей и общее использование данных отдельных АИС с реляционными базами данных путем создания объектного представления и соответствующих методов доступа к данным АИС.

Проведен анализ существующих способов представления информации, содержащейся в РБД. Сделан вывод о том, что существующие средства представления структуры РБД недостаточны для понимания содержимого и организации РБД всеми категориями пользователей и необходимости построения объектного представления РБД.

Определены основные категории пользователей локальной и интегрированной БД.

В работе усовершенствована объектная модель отдельной РБД, которая отображает иерархию объектов с атрибутами соответственно правам доступа каждого пользователя, содержит множества атрибутов для классификации и определения объектов, где каждое имя получено из словаря предметной области, отображает возможные связи между объектами.

Усовершенствован метод доступа к отдельной РБД, реализующий технологию построения объектного словаря данных соответствующей объектной модели, использует специальные языки запросов для программистов и конечных пользователей с применением терминологии объектной модели, представляет результаты запросов в терминологии объектной модели. Метод позволяет расширить круг пользователей АИС и ускорить получение информации из АИС для конечных пользователей.

Предложены языки запросов для доступа к данным через ОМ для всех категорий пользователей.

Определены критерии целесообразности интеграции АИС на основании ОМ.

Введено понятие классифицирующих атрибутов позволяющих отнести объекты различных автоматизированных информационных систем к одному классу.

В работе впервые разработана объединенная объектная модель для интеграции отдельных АИС, которая содержит сложные объекты и атрибуты, ссылки на объекты и атрибуты отдельных ОМ АИС, функции согласования типов атрибутов, реализует ограничение доступа, которая дает возможность ускорить получение информации относительно содержимого интегрированной АИС.

Предложена модель сложного объекта и его атрибута. Разработаны правила формирования и именования сложного объекта и его атрибута.

Впервые разработан метод доступа к интегрированным АИС, который реализует технологию построения центрального объектного словаря соответственно объединенной объектной модели, анализирует и распределяет запросы между отдельными ОМ, согласовывает типы данных, сохраняет промежуточные результаты и формирует ответ на запрос. Метод позволяет существенно сократить время получения информации из отдельных АИС.

Разработаны программные комплексы DictManager - для реализации ОСД, TransSQL - для реализации транслятора запросов, C-DictManager - для реализации ЦОСД.

Результаты работы внедрены в стоматологических клиниках «ЛЕОДЕНТ», ООО «ГАЛСИ», и ПКФ «КРИОПРОМ» ООО, позволило значительно расширить круг пользователей АИС и сократить время получения информации из систем. Также результаты работы введены в учебный процесс курса «Организация баз данных и знаний» кафедры системного программного обеспечения Одесского национального политехнического университета.

Доказана эффективность предложенных моделей и методов.

Ключевые слова: реляционная база данных, адаптер-шлюз, язык запросов, словарь предметной области, трансляция запросов, метод доступа, объектное представление.

Размещено на Allbest.ru

...