Конструирование информационных систем на основе интероперабельных сред информационных ресурсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Брюхов, Дмитрий Олегович

• Брюхов, Дмитрий Олегович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Брюхов, Дмитрий Олегович

Введение.

Глава 1 Основные составляющие этапа конструирования информационных систем, требующие алгоритмизации.

1.1 Промежуточный слой.

1.2 Методы создания ИС.

1.2.1 Методы объектного анализа и проектирования ИС.

1.2.2 Методы создания ИС из компонентов.

1.3 Композиционный подход к проектированию ИС на основе интероперабельных сред информационных компонентов.

1.3.1 Общее описание подхода.

1.3.2 Этап конструирования.

1.3.3 Особенности композиционного подхода к проектированию ИС

1.4 Пример композиционного проектирования ИС.

1.5 Выводы по главе.

Глава 2 Поиск релевантных спецификаций.

2.1 Основные понятия.

2.2 Спецификация онтологий на языке СИНТЕЗ.

2.3 Функции корреляции.

2.4 Композиция ассоциаций.

2.5 Процесс поиска релевантных элементов спецификаций.

2.6 Пример поиска релевантных спецификаций.

2.6.1 Спецификации онтологических понятий.

2.6.2 Отображение понятий спецификаций компонентов/требований в понятия общей онтологии.

2.6.3 Установление ассоциаций между понятиями спецификации требований и компонентов.

2.6.4 Список релевантных элементов спецификаций.

2.7 Выводы по главе.

Глава 3 Разрешение конфликтов между спецификациями требований и компонентов.

3.1 Виды конфликтов.

3.2 Описание преобразований на языке СИНТЕЗ.

3.3 Подход к разрешению структурных конфликтов.

3.3.1 Основные понятия.

3.3.2 Правила структурных преобразований.

3.3.3 Дерево типа.

3.3.4 Алгоритм поиска релевантных путей.

3.4 Пример релевантных путей.

3.5 Выводы по главе.

Глава 4 Конструирование композиций компонентов, уточняющих спецификации требований.

4.1 Основные понятия.

4.1.1 Понятие уточнения.

4.1.2 Редукт типа.

4.1.3 Композиция типов.

4.2 Спецификация редуктов.

4.3 Спецификация композиционных типов и взглядов.

4.4 Поиск повторно используемых фрагментов.

4.5 Композиция фрагментов спецификаций.

4.6 Пример конструирования композиций классов компонентов, уточняющих класс спецификации требований.

4.7 Выводы по главе.

Глава 5 Архитектура инструментария средств поддержки конструирования ИС из компонентов.

5.1 Общая архитектура.

5.2 Сценарий работы эксперта-конструктора ИС.

5.3 Программные средства поиска релевантных спецификаций.

5.4 Программные средства разрешения структурных конфликтов между спецификациями требований и компонентов.

5.5 Программные средства выявления фрагментов компонентов и их композиция в спецификации, уточняющие спецификации требований.

5.6 Программные средства поддержки репозитория метаинформации

5.7 Программные средства реализации ИС.

5.8 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструирование информационных систем на основе интероперабельных сред информационных ресурсов»

Идея конструирования информационных систем (ИС) из компонентов развивается на протяжении многих лет. По существу, речь идет о мегапрограммировании (Дж.Видерхольд) - крупноблочном конструировании систем. Согласно этой идее, целесообразнее осуществлять капиталовложения в создание компонентов, которые можно было бы многократно использовать, чем всякий раз осуществлять разработку ИС сверху - вниз: от спецификаций требований к работающей системе. Несмотря на очевидную привлекательность идеи и многочисленные исследования и разработки в этой области, достигнутые результаты не соответствуют существенно возросшим в последнее время технологическим возможностям.

Сеть Интернет наводнена компонентами. Развивающиеся технологии промежуточного слоя (такие, как, например, CORBA, Java RMI, DCOM, .NET, или в последнее время Web Services) обеспечивают техническую возможность конструирования распределенных, интероперабельных ИС, как из программных, так и из информационных компонентов. Эти технологии, также, позволяют накапливать репозитории компонентов для их дальнейшего использования при создании новых ИС. Развитие Интернет уже в ближайшем будущем позволит рассматривать его как базу данных с моделью данных, соответствующей стандарту XML. При этом, сайты образуют информационные компоненты, пригодные для использования в составе ИС. Технологии промежуточного слоя и Интернет интегрированы и могут использоваться совместно при создании ИС.

Что же достигнуто в области конструирования ИС из компонентов. Главным образом развиваются методы и средства компонентно-базированного проектирования ИС. При этом традиционно рассматриваются программные компоненты. Примерами таких технологий являются Microsoft's .NET и SunSoft's JavaBeans. Существующие средства создания программ, такие как Microsoft's Visual Studio, Inprise's Delphi и Protosoft's Power Builder позволяют конструировать программы из готовых компонентов, включая компоненты .NET, ActiveX и JavaBeans. Отличительной чертой этих средств является их ориентированность на неполные спецификации компонентов и предварительное, детальное знание программистом возможностей этих компонентов. Эти средства хороши для работы с "локальными" библиотеками, когда предполагается их хорошее знание разработчиком. Такой подход является также небезопасным, поскольку из-за неполноты спецификаций невозможно убедиться в адекватности компонентов спецификации требований.

Наряду с такими технологиями, методы Объектного Анализа и Проектирования (ОАП) предлагают графические нотации и методологии для проектирования ИС. Основной используемой нотацией методов ОАП в последнее время является унифицированный язык UML. По сути, эти методы реализуют традиционное проектирование сверху - вниз. Средства, которые предоставляются методами ОАП (такими, например, как Rational Rose от Rational Software и Paradigm Plus от Platinum) для повторного использования, требуют глубокого знания разработчиком используемых компонентов, что находит применение для использования библиотек программ (например, использование графических библиотек в средствах визуального проектирования). Часто названные средства используются комбинированно -анализ и проектирование ИС осуществляется на основе методов ОАП, а реализация системы осуществляется с использованием средств визуального программирования (например, Delphi, Power Builder).

Таким образом, известные методы и средства не позволяют использовать потенциальные возможности компонентов, накапливаемых в Интернет, не являются масштабируемыми по числу накопленных компонентов, не позволяют конструировать системы из компонентов различных видов - программных, информационных, являются небезопасными.

Данная работа является исследованием, выполненным в соответствии с композиционным подходом к конструированию ИС, развиваемым в рамках проекта СИНТЕЗ в Лаборатории композиционных методов проектирования информационных систем Института проблем информатики РАН. Этот подход ориентирован на преодоление указанных основных ограничений существующих технологий. Он предназначен для корректной композиции существующих компонентов, семантически интероперабельных в контексте конкретного применения. В отличие от системной, технической интероперабельности (обеспечиваемой инфраструктурами промежуточного слоя), подход рассматривает интероперабельность в более широком, семантическом аспекте. Семантическая интероперабельность означает комбинацию нескольких способностей: способности решения вопроса о релевантности имеющихся компонентов разрабатываемому применению, о соответствии их прикладных контекстов контексту применения, а также о том, что интероперабельная композиция ресурсов будет непротиворечивой в контексте разрабатываемого применения.

Анализ текущего состояния технологических приемов проектирования систем из компонентов и исследований в этой области показывает, что в настоящее время не известны результаты, которые позволяли бы конструировать ИС как композицию компонентов, семантически интероперабельных в контексте спецификации требований, и уточняющую спецификацию требований.

В диссертационной работе осуществляется исследование и разработка методов и средств композиционного подхода, ориентированных на создание ИС из компонентов, технически интероперабельных в рамках некоторого промежуточного слоя.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка алгоритмов конструирования И С из компонентов, технически интероперабельных в рамках некоторого промежуточного слоя. Достижение цели предполагает решение следующих задач:

1. разработка алгоритмов поиска компонентов, онтологически релевантных спецификации требований;

2. разработка алгоритмов разрешения конфликтов между спецификациями требований и компонентов;

3. разработка алгоритмов выявления фрагментов спецификации компонентов, которые могли бы служить уточнением соответствующих фрагментов спецификации требований;

4. разработка алгоритмов построения композиции таких фрагментов в спецификацию, уточняющую спецификацию требований;

5. создание инструментария эксперта-конструктора ИС на основе перечисленных алгоритмов.

Методы исследования

При решении поставленных в работе задач использовались методы объектного проектирования, методы теории множеств, теории графов, теории уточнения спецификаций.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

• предложен оригинальный подход к конструированию ИС из программных и информационных компонентов, технически интероперабельных в рамках некоторого промежуточного слоя;

• предложена онтологическая модель и на ее основе разработаны алгоритмы поиска релевантных спецификаций по описаниям связанных с ними понятий на естественном языке;

• разработан метод разрешения различных рассогласований между спецификациями требований и компонентов, объединяющий в себе два известных подхода в области интеграции схем баз данных -применение набора предопределенных правил структурных преобразований, и применение языка высокого уровня для описания функций разрешения конфликтов;

• разработан оригинальный метод конструирования композиции фрагментов спецификации компонентов с использованием операций над типами. Этот метод основан на понятии уточнения - уточняющие спецификации, образуемые при конструировании таких композиций, могут использоваться всюду вместо уточняемых спецификаций требований, так что пользователи не замечают этой замены.

Практическая ценность

Предлагаемый в диссертационной работе композиционный подход к конструированию ИС может быть использован для создания информационных систем как в рамках одного предприятия, так и в рамках Интернет. Использование данного подхода позволяет ускорить процесс создания новых ИС. Это также повышает надежность систем за счет использования уже проверенных, протестированных компонентов и уменьшает время на отладку и тестирование систем. Все вместе это ведет к снижению стоимости разработки ИС. Благодаря используемым методам спецификации и поиска компонентов, композиционный подход является масштабируемым по числу накопленных компонентов.

Разработанные алгоритмы могут использоваться и в других задачах. В частности, они использовались при создании предметного посредника для электронных библиотек (в методе регистрации неоднородных коллекций и в методе проектирования персонализированных виртуальных электронных библиотек, создаваемых для конкретных пользователей).

Разработанный на базе этих алгоритмов инструментарий может быть применен также для создания ИС в различных прикладных областях, например, в ИС для научных исследований, электронных библиотеках для образования, интеллектуальных системах управления и принятия решений, и других.

Результаты диссертационной работы использованы в проектах, выполняемых по планам ИЛИ РАН, в проектах РФФИ 97-07-90369 и 00-0790086, в проекте ИНТ AC INTAS-94-1817, а также в совместном проекте с Siemens Corporate Research and Development.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях ADBIS (Москва 1995, Москва 1996, Познань 1998, Марибор 1999, Вильнюс 2001, Дрезден 2003), на Международном симпозиуме по персонализации и рекомендационным системам в электронных библиотеках (Дублин 2001), на Российских конференциях по электронным библиотекам RCDL (Протвино 2000, Петрозаводск 2001, Дубна 2002), на семинаре Московской секции ACM SIGMOD (Москва 1998), на научных семинарах по проекту СИНТЕЗ лаборатории Композиционных методов проектирования информационных систем Института проблем информатики РАН.

На защиту выносятся следующие, полученные автором результаты:

• композиционный подход к конструированию ИС из информационных компонентов, технически интероперабельных в рамках некоторого промежуточного слоя;

• метод и реализующие его алгоритмы поиска элементов спецификаций компонентов, релевантных элементам спецификации требований, на основе онтологической модели;

• метод и реализующие его алгоритмы разрешения структурных конфликтов между спецификациями требований и компонентов;

• метод и реализующие его алгоритмы выявления фрагментов спецификаций компонентов, которые могли бы служить уточнением соответствующих фрагментов спецификации требований;

• метод и реализующие его алгоритмы построения композиции таких фрагментов в спецификацию, уточняющую спецификацию требований;

• разработанный на основе перечисленных алгоритмов инструментарий эксперта-конструктора ИС.

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации автором опубликовано 8 работ.

Структура работы

Текст диссертации включает введение, пять глав, заключение, список литературы и два приложения.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Брюхов, Дмитрий Олегович

Основные результаты работы сводятся к следующему:

• предложен подход к конструированию ИС из информационных компонентов, технически интероперабельных в рамках некоторого промежуточного слоя;

• разработаны алгоритмы поиска элементов спецификаций компонентов релевантных элементам спецификации требований, на основе онтологической модели;

• разработаны алгоритмы разрешения конфликтов между спецификациями требований и компонентов;

• разработаны алгоритмы выявления фрагментов спецификаций компонентов, которые могут служить уточнением соответствующих фрагментов спецификации требований;

• разработаны алгоритмы построения композиции таких фрагментов в спецификацию, конкретизирующую спецификацию требований;

• на основе перечисленных алгоритмов разработан инструментарий эксперта-конструктора ИС.

Разработанные алгоритмы могут использоваться и в других задачах. В частности, разработанные алгоритмы использовались при разработке метода регистрации неоднородных коллекций в предметном посреднике для электронных библиотек [12] и метода проектирования персонализированных виртуальных цифровых библиотек, создаваемых для конкретных пользователей или групп пользователей [11].

Заключение

Диссертационная работа посвящена разработке и программной реализации алгоритмов композиционного подхода к проектированию информационных систем на основе интероперабельных сред информационных компонентов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Брюхов, Дмитрий Олегович, 2003 год

1. Abiteboul S., Hull R. Restructuring hierarchical database objects // Theoretical Computer Science, 62:3-38, 1988

2. Abrial J.-R. B-Technology. Technical overview II BP International Ltd., 1992, 73 p.

3. Abrial J.-R. The В Book: assigning programs to meaning // Cambridge University Press, 1996

4. Back R.-J., von Wright J. Refinement Calculus: A systematic Introduction II Springer Verlag, 1998

5. Booch G. Object-Oriented Design with Applications // Redwood City, CA: Benjamin/Cummings, 1991

6. Briukhov D.O., Shumilov S.S. Ontology Specification and Integration Facilities in a Semantic Interoperation Framework // In Proc. of the International Workshop ADBIS'95, Springer, 1995, pp. 195-200

7. Брюхов Д.О., Задорожный В.И., Калиниченко JI.A., Курошев М.Ю., Шумилов С.С. Интероперабельные информационные системы: архитектуры и технологии // Системы Управления Базами Данных # 4/95, 1995, стр. 96-113

8. Briukhov D.O. Interfacing of Object Analysis and Design Methods with the Method for Interoperable Information Systems Design // In Proc. of the Third International Workshop ADBIS'96, Moscow, MEPhI, 1996, pp. 165-170

9. Брюхов Д.О., Калиниченко JI.A., Скворцов H.A. Композиционное проектирование информационных систем: методы и средства // Системы и средства информатики. Вып. 10, М.: Наука, 2000, с. 128-147

10. Briukhov D.O., Kalinichenko L.A., Skvortsov N.A. Personalization through Specification Refinement and Composition // In Proc. of the Joint DELOS-NSF Workshop on Personalisation and Recommender Systems in Digital Libraries, Ireland, DCU, 2001, pp. 43-48

11. Collet C., Huhns M. and Shen W-M. Resource Integration Using a Large Knowledge Base in Carrot // Computer, 24(12), Dec. 1991

12. EI A Interim Standard: CDIF-Framework for Modeling and Extensibility II EIA, 1991

13. Fankhauser P., Neuhold E. J. Knowledge Based Integration of Heterogeneous Databases II Integrated Publication and Information Systems Institute (GMD-IPSI), Darmstadt, 1993

14. Fankhauser P. A Methodology for Knowledge-Based Schema Integration II PHD-Thesis, Technical University of Vienna, December 1997

15. Geller J., Perl Y., Neuhold E.J. Structural Schema Integration in Heterogeneous Multi-Database Systems using the Dual Model // In Proc. of the First International Workshop on Interoperability in Multidatabase Systems, Kyoto. Japan, 1991, pp. 200-203

16. Gruber T.R. A translation approach to portable ontologies. // Knowledge Acquisition, 5(2), 1993, pp. 199-220

17. Hayne S. and Ram S. Multi-User View Integration System (MUVIS): An Expert System for View Integration // In Proc. of the 6-th International Conference on Data Engineering, 1990

18. Jacobson I. et al. Object-Oriented Software Engineering A Use Case-Driven Approach 11 Addison-Wesley, 1992

19. Калиниченко JI.A. СИНТЕЗ: язык определения, проектирования и программирования интероперабелъных сред неоднородных информационных ресурсов II Российская Академия Наук, Институт проблем информатики РАН, Москва, 1993

20. Kalinichenko L.A., Briukhov D.O., Kapsner F. Features of the SYNTHESIS component-based information systems development method // In Proceedings of the CAiSE'98 Workshop on "Component-based Information Systems Engineering", Pisa, June 1998.

21. Klass W., Fankhauser P., Muth P., Rakow Т., Neuhold E.J. Database Integration using the Open Object-Oriented Database System VODAK // In Object-Oriented Multibase Systems, A Solution for Advanced Applications, Chap. 14, Prentice Hall, 1996

22. Kosky A. Transforming Databases with Recursive Data Structures II PhD thesis, Department of Computer and Information Science, University of Pennsylvania, November 1995

23. Kracker M. A Fuzzy Concept Network Model // In Proc. of the IEEE International Conference on Fuzzy Systems (FUZZ-IEEE'92), 1992

24. Larson J., Navathe S. and Elmasri R. A Theory of Attribute Equivalence in Databases with applications to schema integration // IEEE Trans. Softw. Eng. 15, 4, Apr. 1998, pp. 449-463

25. Lenat D. and Guha R.V. Building Large Knowledge-Based Systems: Representation and Inference in the Cyc Project II Addison-Wesley, Reading, Mass., 1990

26. Liskov В., Wing J.M. Specifications and their use in defining subtypes // In Proc. of OOPSLA 1993, ACM SIGPLAN Notices, vol. 28, N 10, October 1993

27. Lumpe M. A Pi-Calculus Based Approach to Software Composition // Ph.D. thesis, University of Bern, Institute of Computer Science and Applied Mathematics, January 1999

28. Mili R., Mili A., Mittermeir R. Storing and retrieving software components: a refinement based systems // IEEE Transactions on Software Engineering, v. 23, N7, July 1997

29. Navathe S., Elmasri R. and Larson J. Integrating User Views in Database Design // IEEE Comput., 19(1), Jan. 1986, pp.50-62

30. Object Analysis and Design: Comparison of Methods / Hutt A. (editor) // Object Management Group, John Wiley and Sons, 1994

31. Object Analysis and Design: Description of Methods / Hutt A. (editor) // Object Management Group, John Wiley and Sons, 1994

32. Object Management Group. CORBA 2.3.1 /ПОР Specification II OMG document 99-10-07, 1999

33. PLATINUM Paradigm Plus Reference Manual II PLATINUM technology, 1996

34. Robertson S. E., Jones K. S. Relevance weighting of search terms // J. Amer. Soc. for Information Sci., Vol. 27, 1976, pp. 129-146

35. Rumbaugh J. et al. Object Oriented Modeling and Design // Prentice Hall, 1991

36. Сэлтон Г. Автоматическая обработка, хранение и поиск информации II М.: Советское радио, 1973

37. Salton G. The State of Retrieval System Evaluation // Technical Report, Cornell University, Computer Science Department, Number TR91-1206, p. 17, May 1991

38. Savasere A., Sheth A., Gala S., Navathe S. and Marcus H. On pplymg Classification to Schema Integration // In Proc. of IEEE First International Workshop on Interoperability in Multidatabase Systems, Kyoto. Japan, 1991, pp. 258-261

39. Sheth A., Larson J., Cornelio A. and Navathe S. A Tool for Integrating Conceptual Schemata and User Views // In Proc. of the 4th International Conference on Data Engineering, 1998

40. Sheth A. and Gala S. Attribute Relationships: An Impediment in Automating Schema Integration // NSF Workshop on Heterogeneous Database Systems, Chicago, Dec. 1989

41. Spaccapietra S., Parent C. View Integration: A Step Forward in Solving structural Conflicts // IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, Oct. 1992

42. Thalheim B. Database Component Ware // In Proc. of the Fourteenth Australasian Database Conference (ADC2003'), Conferences in Research and Practice in Information Technology, Vol. 17, ACS, 2003, pp. 169-179

43. Thalheim B. Component Construction of Database Schemes // Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2503, 2002, pp. 20-34

44. Фаулер M. и др. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования II М.:Мир, 1999

45. Эдди С.Э. XML: справочник // Питер, 1999

46. Эммерих В. Конструирование распределенных объектов. Методы и средства программирования интероперабельных объектов в архитектурах OMG/CORBA, Microsoft/COM и Java/RMI// М.:Мир, 2002

47. Yu С., Sun W., Dao S. and Keirsey D. Determining Relationships Among Attributes for Interoperability of Multi-Database Systems // In Proc. of the First International Workshop on Interoperability in Multidatabase Systems, Kyoto. Japan, 1991, pp. 251-257

48. Yu C., Jia В., Sun W. and Dao S. Determining Relationships Among Names in Heterogeneous Databases // Special SIGMOD Issue on Semantic Issues in Multidatabase Systems, ACM Press, Vol. 20, No. 4, Dec. 1991

49. Zaremski A.M., Wing J.M. Specification matching of software components // ACM Transactions on Software Engineering and Methodology, v. 6, N 4, October 1997