Доменно-ориентированная модель данных с учетом свойств упорядоченности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Ратников, Сергей Владимирович

• Ратников, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ратников, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

I. Упорядоченность данных в системах управления данными

1.1 Модели данных и поддержка семантики.

1.2 Упорядоченность данных в моделях данных.

1.2.1 Иерархическая и сетевая модели данных

1.2.2 Реляционная модель данных

1.2.3 Объектно-ориентированные модели данных

1.2.4 Расширение реляционной модели с учетом семантики

1.3 Реализация упорядоченности данных в СУБД.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ

2 Разработка модели данных упорядоченного множества элементов на основе доменно-ориентированного подхода

2.1 Последовательности данных.

2.2 Операции над последовательностями.

2.2.1 Семантика операций над линейно упорядоченными последовательностями

2.2.2 Семантика операций над частично упорядоченными последовательностями

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ

3 Реализация операций над упорядоченными данными в доменно-ориентированной системе

3.1 Модель навигации.

3.2 Описание упорядоченности данных в доменно-ориентированной системе

3.3 Подход к проектированию информационных систем, поддерживающих упорядоченность

3.4 Оценка применения методов реализации упорядоченности доменно-ориентированных структур

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Доменно-ориентированная модель данных с учетом свойств упорядоченности»

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

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

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

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

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

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

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

Доменно-ориентированная модель характеризуется:

- наличием доменов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

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

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

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

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

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

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

Научная новизна.

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

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

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Доменно-ориентированная модель данных упорядоченного множества элементов.

2) Операции над линейно и частично упорядоченными данными.

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

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

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:

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

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

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

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

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

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

61 наименования. Работа содержит 113 страницы текста,

22 рисунка, 7 страниц библиографии, 1 приложение.

1 Упорядоченность данных в системах управления данными

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Ратников, Сергей Владимирович

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

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

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

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

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

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

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

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

ИАИС ОУ - интегрированная автоматизированная информационная система управления образовательным учреждением

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ратников, Сергей Владимирович, 2006 год

1. Линьков, А. Б. Баканов, В.В. Дрождин / Сборникматериалов II всероссийской научно-техническойконференции.- Пенза: ПГПУ,2003.-С. 13-15.

2. Буч. Г., Рамбо Дж., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ. М.: ДМК, 2000.-432 е.,

3. Голованов М. Иерархические структуры данных в реляционных БД // RSDN Magazine.-2002. №1.- С.34

4. Григорьев Е. Представления идентифицируемых сложных объектов в реляционной базе данных. //Открытые системы.-2000. №1-2.-С.79.

5. Дарвин X., Дейт К. Дж. Основы будущих систем баз данных: третий манифест.: Пер. с англ.-М.: Янус-К, 2004.- 656 с.

6. Дворецкий А.Ю. Применение технологии СОМ для создания доменно-ориентированных БД // Сборник материалов III Всероссийской научно-технической конференции. Пенза: ПГПУ,2003.-С.3-5.

7. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных.:Пер. с англ.- 7-е изд.- М. : Издательский дом «Вильяме»,2002.-1072 с.

8. Джон М. Смит. Абстракции баз данных: Агрегация и обобщение / Джон М. Смит, Диана К. Смит //СУБД.- 1996. №2.-С. 141.

9. Доменно-ориентированная нумерационная система управления базами данных // Отчет о научно-исследовательской работе. №63-1-8. ПГУ.-1999

10. Доменно-ориентированная система управления данными / В.М. Линьков, В.В. Дрождин, В.И. Горбаченко, А. А. Дружаев, М.А. Иванцов, А. Л. Белоусов и др. // Отчет о НИР, № гос. регистрации 01.9.70.006285. Пенза: ПГУ.- 1999

11. Кайт Том. Oracle для профессионалов. Пер. с англ./ТомКайт- СПб.: ООО «ДиаСофтЮП», 2003.-672 с.

12. Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация. СПб.: Питер, 2002.-304 с.

13. Кодд Е.Ф. Реляционная модель данных для больших совместно используемых банков данных // СУБД.-1995. №1.-С.145-160.

14. Колгановский М.Р. Абстракции и модели в системах баз данных // СУБД.-1998. №4-5.

15. Конноллн Томас, Каролин Бегг. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. 3-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом "Вильяме",2003.-1440 с.

16. Крёнке Д. Теория и практика построения баз данных. СПб.: Питер, 2003.-800 с.

17. Кузнецов С.Д. Основы современных баз данных. -М.:"Финансы yi статистика", 1997.-345 с.

18. Кузнецов С.Д. Третий манифест Дейта и Дарвена: немного формализма. // Открытые системы.- 2000. №7-8.

19. Леоненков А. В. Самоучитель UML. СПб.: БХВ-Петербург, 2001.-304 с.

20. Линьков В.М. Интервальные вычисления и поддержка целостности БД. / В.М. Линьков, А.А. Дружаев // Сборник докладов межвузовской конференции "Математические методы решения прикладных физико-технических задач". Пенза: ПАИИ.-1999

21. Линьков В.М. Нумерационная доменноориентированная методология построения баз данных //

22. Материалы всероссийской научно-техническойконференции.- Пенза.- 1997. С.З.

23. Линьков В.М. Нумерационные методы в проектировании систем управления данными.- Пенза: ПГТУ, 1994.-156 с.

24. Линьков В.М. Структура системы распределения внутренних системных номеров / В.М. Линьков, А. А. Масленников / Сборник материалов всероссийской научно-технической конференции.- Пенза: ПГПУ, 2001.-С. 45.

25. Линьков В.М., Метелкин А.Д., Аликов Е.Н. Система компонентной разработки информационных систем // Сборник материалов1 Всероссийской научно-технической конференции.- Пенза: ПГПУ, 2001.-С 3-6.

26. Лисовский К.Ю. IBM DB2 и объектно-ориентированные информационные системы // Материалы конференции «Корпоративные базы данных' 96».-С. 167-171.

27. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах.- М.: "Мир", 1980.-664 с.

28. Пржиялковский В. В. Абстракции в проектировании баз данных //СУБД.-1998,№1-2.-С.90-97.

29. Принципы построения информационных систем с использованием доменно-ориентированной модели / Линьков В.М., Дружаев А.А., Иванцов М.А., Дрождин В. В.,

30. Колгушкин A. A. // Информационные системы в образовании (ИТО): X юбилейная международная конференция.- М.:1. МИФИ.-2000.1

31. Ратников С.В. Об одном подходе к моделированию упорядоченности данных / В.М. Линьков, С.В. Ратников/ Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки. №2(11) 2004.- С. 155-162.

32. Ратников С.В. ■ Поддержка последовательности данных в реляционной модели данных / Проблемы информатики в образовании, управлении и технике: Сборник материалов IV всероссийской научно-технической конференции. Пенза: ПГПУ, 2004.- С. 60-62.

33. Ратников С.В. Реализация упорядоченности данных в СУБД / Проблемы информатики в образовании, управлении и технике: Сборник материалов III всероссийской научно-технической конференции. Пенза: ПГПУ, 2003.- С. 4042.

34. Ратников С. В. Основные операции над частично-упорядоченными последовательностями / Проблемы информатики в образовании, управлении и технике:

35. Сборник материалов IV всероссийской научно-технической конференции. Пенза: ПГПУ, 2004.-С. 48-50.

36. Системы баз данных третьего поколения: Манифест // СУБД.-1995.-№2.-С.143-159.

37. Фаулер М., Скотт К. UML.Основы.-Пер. с англ. -СПб.: Символ-плюс, 2002.-192 с.

38. Цаленко М.Ш. Реляционные модели баз, данных.-В сб.: Алгоритмы и организация решения экономических задач. Вып 9. М. "Статистика", 1977.4 6.Цаленко М.Ш. Моделирование семантики в базах данных. М.: Наука, 1989.-288 с.

39. Цикритзис Д. Модели данных / Цикритзис Д., Лоховски Ф. М.:"Финансы и статистика", 1985.-344 с.

40. Чемберлин Д. Анатомия объектно-реляционных баз данных // СУБД.-1998.-№1-2.

41. Чертовской В. Д. Базы и банки данных: Учебное пособие. СПб.: Изд-во МГУП, 2001.-220 с.

42. Шекхар Ш., Чаула С. Основы пространственных баз данных: Пер. с англ. М.:Кудиц-Образ, 2004.- 336 с.

43. Duffy D. Domain Architectures: Models and Architectures for UML Applications.-Wiley,.2004.-406.

44. Date C.J. The Relational Database Dictionary. -O'Reilly, 2006. 122 p.

45. Fagin R. A Normal Form for Relational Database that is based on Domains and Keys // ACM Transactions on Database Systems, 1981. P. 387-415.

46. Joel Richardson. 'Supporting Lists in Data Model // Proc. 18th VLDB Conference, 1992. P. 127-138.

47. Hassan Gomaa. Designing Software Product Lines with UML. Addison Wesley, 2004.-736 p.

48. M. Kifer, G. Lausen. F-Logic: A Higher-Order Language for Reasoning about Objects, Inheritance, and Scheme // Proc. ACM SIGMOD Int. Conf. Manag. Data, Portland, Oreg., USA,1 1989, №2. P.134-146.

49. Praveen Seshadri, Miron Livny. The Design and Implementation of a Sequence Database. System // Proc. 22nd VLDB Conference, 1996. P. 99-110.

50. Praveen Seshadri. SEQ: A Model for Sequence Databases // Proc. 11th Int. Conf. on Data Engineering, 1995. P. 232-239.

51. Praveen Seshadri. Management of sequence data. Ph.D. Dissertation, Winconsin-Madison, 1996.

52. Agrawal R.Efficient Similarity Search In Sequence Databases//Proc.4th FODO Conf, 1993.-P.69-84.

53. Tom Pender. UML Bible. Wiley, 2003. - ,984 p.