Методы организации базы данных в автоматизированной системе управления безопасностью движения поездов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.08, кандидат технических наук Беляев, Сергей Николаевич

• Беляев, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Беляев, Сергей Николаевич

Введение.

1. Анализ автоматизированных систем управления безопасностью движения поездов.

1.1. Анализ функций МАСУ БД.

1.2. Информационные функции управления безопасностью движения и надзора, автоматизируемые АСУ БД.И

1.3. Управляющие функции управления безопасностью движения и надзора, автоматизируемые АСУ БД.

1.4. Задачи исследования.

2. Анализ проблем технологии построения баз данных.

2.1. Анализ проблем проектирования баз данных.

2.2. Анализ методик проектирования баз данных на концептуальном уровне.

2.3. Анализ моделей данных концептуального уровня.

2.4. Анализ методов проектирования баз данных.

Выводы по главе 2.

3. Методология проектирования баз данных.

3.1. Методика концептуального проектирования систем баз данных.

3.2. Построение организационной модели базы данных.

3.3. Построение модели информационного следования базы данных.

3.3.1. Методы нормализации информационных структур пользователей.

3.4. Метод построения концептуальной структуры базы данных.

3.5. Методы проектирования логических структур баз данных.

3.5.1. Формализованное описание исходных данных.

3.5.2. Методы расчета основных характеристик структур БД.

3.5.3. Методика проектирования реляционных логических структур БД.

3.6. Создание графических моделей баз данных концептуального и логического уровней.

3.6.1. Создание графической модели баз данных концептуального уровня.

3.6.2. Создание графической модели баз данных логического уровня.

3.6.3. Разработка правил преобразования модели концептуального уровня в модель логического уровня.

3.7. Разработка общей методики проектирования баз данных.

3.7.1. Цели проектирования.

3.7.2. Нормализация. Функциональные и многозначные зависимости.

3.7.3. Процедура нормализации.

3.7.4. Общая процедура логического проектирования.

Выводы по главе 3.

4. Разработка структуры базы данных аналитического центра АСУ БД.

4.1. Проектирование общей структуры базы данных АСУ БД.

4.2. Структура таблиц НСИ АСУ БД.

4.3. Определение предметной области БД-РЦ АСУ БД.

4.4. Построение концептуальной модели БД-РЦ АСУ БД.

4.5. Определение дискового пространства БД-РЦ АСУ БД.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы организации базы данных в автоматизированной системе управления безопасностью движения поездов»

Рост объемов и сложности обрабатываемой информации, увеличение требований к достоверности и полноте информации в автоматизированных системах (АС) обуславливает необходимость совершенствования их программного и информационного обеспечения.

Информационные системы (ИС), разрабатываемые на основе автоматизированных баз данных, позволяют образовывать гибкие структуры данных, объединяемые в специальным образом организованные базы данных (БД). Для организации высокоэффективной АС необходимо корректное и продуманное проектирование отношений в БД, составляющей ее основу. Каждая БД должна обладать строго определенной совокупностью значений параметров, отвечать необходимым требованиям и иметь структуру, не содержащую избыточных информационных элементов и взаимосвязей.

В настоящее время не существуют типовой структуры для АС и формализованных методов проектирования структур БД, поэтому их разработка и реализация является актуальной задачей.

Начиная с 70-х годов широкое распространение получила технология разработки и эксплуатации АС, основанная на концепции автоматизированных баз данных [16, 19].

База данных представляет систему информационных, программных, языковых и технологических средств, предназначенную для централизованного хранения и коллективного использования данных [21].

Основные составляющие автоматизированной БД: собственно база данных и система управления базами данных.

База данных - поименованная структурированная совокупность данных, относящаяся к конкретной предметной области (ПО) [9] . Для АС, где данные имеют сложную структуру (сотни и тысячи типов элементов) и большую размерность (до 10 - 100 Гб и более), они организуются в систему баз данных (СБД), состоящую из множества относительно независимых предметных баз данных (ПБД). Каждая ГТБД используется несколькими приложениями.

При создании баз данных используют предметный и прикладной подходы проектирования. В общем случае предметный подход используется для построения первоначальной информационной структуры, а прикладной — для ее совершенствования с целью повышения эффективности обработки данных.

Далее будем рассматривать проектирование отдельных реляционных предметных БД.

Объект исследования диссертационной работы - система однородных БД, представляющих информацию о ПО сложной структуры и большой размерности.

Система управления базами данных (СУБД) - это специализированный комплекс программных средств, обеспечивающий ввод, накопление, хранение, поиск и выдачу данных [23] .

Создание, внедрение и эксплуатация БД являются весьма сложной проблемой. В проектировании БД выделяют две основные задачи [11, 22]: разработка БД и разработка СУБД. Наличие множества универсальных и специализированных СУБД позволило свести задачу разработки СУБД к выбору типовой СУБД на соответствующем этапе проектирования, удовлетворяющей предъявляемым требованиям.

Проектирование БД для новой ПО является самостоятельной задачей. В соответствии с многоуровневой архитектурой в разработке БД выделяют три этапа: концептуальное, логическое и физическое проектирование. Их структура и основные задачи рассмотрены в [9, 29].

Концептуальное проектирование заключается в спецификации информационных требований пользователей и синтезе их в проект системы баз данных. Логическое проектирование связано с построением схемы БД, удовлетворяющей предъявляемым к ней требованиям. На этапе физического проектирования определяются характеристики методов доступа и структур хранения относительно выбранной логической схемы.

Не все этапы в равной степени разработаны и поддаются формализации [29,31].

Реляционные методы проектирования [27] и методы отображения реляционных структур данных [27] в иерархические и сетевые, а также средства современных СУБД позволили формализовать и автоматизировать процессы логического и физического проектирования. Этап концептуального проектирования является наименее разработанным и формализованным [28]. В то же время это первый и наиболее важный этап, результаты выполнения которого влияют на все последующие фазы разработки и качество готовой системы ПБД [31,45].

Из всего вышесказанного следует, что разработка методов и средств проектирования БД на концептуальном этапе является актуальной задачей.

Решение этой задачи связано с определением последовательности этапов разработки, а также совокупности применяемых методов и средств. Состав задач концептуального проектирования БД рассматривается в [16, 22]. Для систем БД это: описание информационных требований, синтез концептуальной схемы (КС) БД, определение структуры СБД, планирование ее разработки. Однако включение того или иного шага в общий процесс проектирования и выбор последовательности их выполнения являются в настоящее время дискуссионной проблемой.

Эффективность процесса и результатов концептуального проектирования во многом зависят от уровня формализации описания данных, который определяется применяемой концептуальной моделью данных (КМД). Несмотря на наличие ряда КМД различных классов: логических, объектных, бинарных и т.д. [35, 38] проблема создания новых моделей БД сохраняет свою актуальность [2,13].

Задачей диссертации является разработка методов организации банка данных в разрабатываемой Автоматизированной системе безопасности движения поездов (АСУ БД).

Целью создания АСУ БД является повышение безопасности движения поездов, сокращение потерь различных видов, в том числе потерь здоровья и жизни пассажиров, а также товарных качеств грузов, путем автоматизации выполнения ряда информационных и управляющих функций системы управления безопасности движения [65].

Система АСУ БД проектируется как многоуровневая система, функционирует на всех иерархических уровнях управления железнодорожными перевозками (Министерство транспорта и связи, Открытое акционерное общество «РЖД», управления железных дорог и отделения железных дорог), поэтому разработка модели базы данных в этой системе является задачей повышенной сложности.

База данных системы должна иметь распределенную структуру, т.е. распределена по всей сети железных дорог России. В диссертации будет детально рассмотрена централизованная часть банка дынных системы АСУ БД — банк данных сетевого уровня или банк данных аналитического центра.

В банке данных аналитического центра содержится вся необходимая информация для расчета фактических показателей безопасности движения поездов, технических средств и функционирования персонала.

В диссертации разработана экспериментальная модель базы данных аналитического центра с последующим применением этой модели на железнодорожном транспорте.

Целью работы является разработка методологии проектирования баз данных.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- создание метода концептуального проектирования систем баз данных;

- создание графических моделей баз данных концептуального и логического уровней;

- создание методики логического проектирования баз данных.

Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов дискретной математики, включающий методы теории множеств, и теоретико - графовые модели.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана эффективная двухуровневая модель БД, положенная в основу создания системы проектирования баз данных, которая отличается от существующих тем, что отражает информационные потребности пользователя как на концептуальном, так и на логическом уровнях;

- предложен метод многокритериальной оптимизации структур БД, позволяющий проводить оптимизацию уже на первом этапе проектирования, что значительно сужает дерево поиска оптимального варианта структуры;

- осуществлен выбор и обоснование формализованных методов и процедур, являющихся единой методологией проектирования баз данных;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- работоспособностью и соответствием предъявляемым требованиям к проектированию баз данных.

Практическая ценность работы.

Внедрение предложенной системы проектирования позволяет сэкономить время разработки базы данных.

Реализация результатов работы. Разработанная система проектирования использована при проектировании баз данных для АСУ БД.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в пяти печатных работах.

Заключение диссертации по теме «Управление процессами перевозок», Беляев, Сергей Николаевич

Выводы по главе 4.

1. Разработана общая структура построения базы данных АСУ БД, используя многоуровневый информационный обмен: линейное подразделение - отделение - ИВЦ дороги - ГВЦ МПС.

2. Разработана структурная схема базы данных аналитического центра сетевого уровня АСУ БД (БД-РЦ).

3. Разработан метод поддержания таблиц НСИ в актуальном состоянии при помощи добавления дополнительных полей (идентификаторов) в структуры таблиц.

4. Произведено проектирование БД-РЦ АСУ БД, включая определение предметной области системы, построение концептуальной, логической и физической моделей данных.

5. Произведен расчет необходимого дискового пространства БД-РЦ

АСУ БД.

Заключение

В итоге выполнения диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проанализированы системы безопасности железнодорожного транспорта. Показана актуальность создания АСУ БД.

2. Выполнен анализ методов проектирования баз данных. Показано, что, несмотря на многообразие методов создания БД в настоящее время отсутствует единая методология их проектирования. На базе описанных выше исследований устанавливаются преимущества и недостатки различных подходов к проектированию структур баз данных и делается вывод о необходимости усовершенствования методики их проектирования.

3. На основании проведенного анализа существующих подходов и методик проектирования баз данных обосновано применение комбинированного подхода к проектированию систем баз данных, позволяющего снизить размерность решаемых задач. Установлен состав задач концептуального этапа проектирования системы баз данных.

4. Разработана методика концептуального проектирования систем баз данных, предусматривающая взаимосвязь и решение сформулированных задач концептуального проектирования СБД, включающая методику построения организационной модели базы данных, методику построения модели информационного следования и метода нормализации информационных структур.

5. Выполнено формализованное описание основных компонентов концептуальной и логической структур баз данных с разработкой метода расчета основных характеристик концептуальных структур баз данных.

6. Разработана методика создания графических моделей концептуального и логического уровней с разработкой правил преобразования модели концептуального уровня в модель логического уровня.

7. Приведена последовательность шагов общей методики логического проектирования.

8. Разработана общая структура построения базы данных АСУ БД, используя многоуровневый информационный обмен, с разработкой структурной схемы базы данных аналитического центра сетевого уровня АСУ БД.

9. Разработан метод поддержания таблиц НСИ в актуальном состоянии при помощи добавления дополнительных полей в структуры таблиц.

10. Произведено проектирование БД-РЦ АСУ БД, включая определение предметной области системы, построение концептуальной, логической и физической моделей данных.

11 .Произведен расчет необходимого дискового пространства БД-РЦ

АСУ БД.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Беляев, Сергей Николаевич, 2004 год

1. Бабанова Н.И. Применение двухуровневой графовой модели для проектирования реляционных баз данных // Труды СКГТУ, выпуск 7, Владикавказ: Терек 2000.

2. Базы и банки данных знаний: Учебник для вузов по спец. "Автоматизированные системы обработки информации и управления" / Г.И. Ревунков, Э.Н. Самохвалов, В.В. Чистов; Под ред. В.Н. Четверикова. -М.: Высшая школа, 1992. 367 с.

3. Беляев С.Н. Основные критерии качества проектирования баз данных // Журнал «Объединенный научный журнал» . — М.: 2003 г. № 24. С. 70-71.

4. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных сетей. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 235 с.

5. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование информационной базы автоматизированной системы на основе СУБД: Практическое руководство. -М.: Финансы и статистика, 1982. — 174 с.

6. Ю.Болтинсткий В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1968.-408 е., ил.

7. Брешников A.B. Оперативная разработка баз данных средствами системы CLARION M.: Машиностроение, 1995. - 63 с.

8. Бритов П.А., Липчинский Е.А. Практика построения Хранилищ Данных: Система SAS. // СУБД, № 4.5, 1998, с. 60.

9. Вейнеров О.М., Самохвалов Э.Н. Проектирование баз данных. М.: Высшая школа, 1990. — 140 с.

10. Дедегкаев А.Г., Яровая-Бабанова Н.И. Анализ информационных потоков и построение канонической структуры базы данных для подсистем "База данных городских инфраструктур". / Труды СКГТУ, выпуск 6, Владикавказ: Терек, 1999.

11. Дедегкаев А.Г., Бабанова Н.И. Запрещенные фигуры оптимизации структур локальных баз данных на этапе логического проектирования. / Сб. трудов аспирантов, Владикавказ, 2000.

12. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных: Учеб. для студентов вузов по направлению и спец. "Информационные системы в экономике" М.: Финансы и статистика, 1995. — 208 с.

13. Дюран Б., Одел П. Кластерный анализ М.: Статистика, 1977. - 128 с.

14. Ерема-Еременко A.A., ,Мииховский С.Д. Модель и язык описания предметной области // Банки данных: Тез. докл. 2 Всесоюз. Конф. Секция

15. Методы и системы проектирования баз данных. Ташкент, 1983. - С. 20-22.

16. Интерактивная разработка информационных систем / Геловани В.А., Безруков Д.И., Братков В.Г. и др. // Техническая кибернетика. 1986. № 2.-С. 48-70.

17. Инфологическая модель в системе автоматизированного проектирования баз данных: концепции построения и реализации / Вейнеров О.М., Савинков В.М., Жадан Н.В., Казаров М.С. // Прикладная информатика, 1987.-Вып. 2.-С. 59-75.

18. Калиниченко Л.А. Методы и средства интеграции неоднородных баз данных. М: Наука, 1983. - 424 с.

19. Крахт В.А., Росталу Э.П. Проектирование баз данных на основе реляционно-решетчатой концептуальной модели предметной области // УС и М. -1981. № 4. - С. 22 - 28.

20. Кульба В.В., Ковалевский С.С., Косяченко С.А., Сиротюк В.О. Теоретические основы проектирования оптимальных структур распределенных баз данных. -М.: Российская академия наук. Институт проблем управления, 1999.- 660 с.

21. Мартин Дж. Планирование развития автоматизированных систем. М.: Финансы и статистика. 1984, — 196 с.

22. Мейер Д. Теория реляционных баз данных. М.: Мир, 1987. — 608 с.

23. Савинков В.М., Вейнеров О.М., Казаров М.С. Основные концепции автоматизации проектирования баз данных // прикладная информатика. — М.: Финансы и статистика, 1982. Вып. 1. - С. 30 -41.

24. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирования структур баз данных: в 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 287 с.

25. Филиппов В.Н. Теоретико множественный подход к моделям данных // Банки данных: Материалы 3 Всесоюз. конф. — Таллин. 1985. С. 16-25.

26. Хаббард Дж. Автоматизированное проектирование баз данных. М.: Мир, 1984.-296 с.

27. Цаленко М.Ш. Семантические и математические модели баз данных. -М.: ВИНИТИ, 1985. 208 с.

28. Церелик Г.Г. Системы распределения баз данных. Львов: Свит, 1990. -167 с.

29. ANSI/X3/SPARC. Study group on data base management systems interim report FDT // Bull. ASM-SIGMOD. 1975. Vol. 7, N 2.

30. Abrial I.R. Data semantics // Data Base Management / Amsterdam: North — Holland, 1974. P. 1-59.

31. Atzeni D., Carboni E. INCOD (A system for interactive conceptual design) revisited after the implementation of a prototypen // Entity Relationship Approach to Information modeling and Analysis. - Amsterdam: North — Holland, 1983. - P. 449 - 464.

32. Batini C., Lenzerini M., Navathe S.B. A Comparative Análisis of Methodologies for Database Shema Integration //ACM Computing Survies. -1986. V. 18. - N 4. - P. 332 - 364.

33. Bekke J.H. Semantic data modeling in relation environments: Diss. — Delft, 1991.-VIII, 140 p.

34. Borgida A., Mylopolus I., Wong H.K.T. Generalization/Specialization as a Basis for Software Specification // On Conceptual Modelling. Berlin: Springer - Verlag, 1984. - P.87 - 117.

35. Bravaco R.R., Yadav S.B. A Methodology to model the dynamic structure of an organization // Inf. Syst. 1985. - V.10. - N 3. - P. 299 - 317.

36. Brodie M.L. On the development of Data Models // On Conceptual Modelling. -Berlin: Springer-Verlag, 1984.-P. 19-47.

37. Brodie M.L., Silva E. Active and Passive Component Modelling: ACM / PCM // Information Systems design methodologies: a comparative review -Amsterdam: North Holland, 1982. - P. 41 - 92.

38. Burns R.N., Dennis A.R. Sleeting the Appropriate application development methodology // Data Base. — 1985. — V. 17. — N 1.-P. 19-23.

39. Chen P.P. Application of the entity relationship model // Lect. Notes in Comp. S. - 1982. - V.132. - P.87 - 113.

40. Chen P.P. Preliminary framework for Entity — Relationship models // Entity — Relationship Approach to Systems Analysis and Design. — Amsterdam: North -Holland, 1981.-P. 103-119.

41. Chen Q.A Rule Based objects/task Modelling approach // SIGMOD Record. - 1986. - V.5. - N2. — P.72 - 83.

42. Chiang T.C., Beryeron R.I. A data base management system with an ER conceptual model // Entity-Relationship Approach to System Analysis and Design.- Amsterdam: North-Holland, 1981. P. 467- 476.

43. Codd E.F. Extenting the data base relational model to capture more meaning // ACM Trans, on Database Systems. 1979. - V.4. - N 4. - P. 397 - 434.

44. Comparision of analysis techniques for information Requirment determination / Yadav S.B., Bravaco R.R., Chatfield A.T., Rajkumar T.M. // Comm. ACM. -1988. V. 31. -N 9. - P. 1090 - 1097.

45. Dawson K.S., Parker L.M.P. From Entity-Relationship Diagrams to Forth Normal Form: A Pictorial Aid to Analysis // Computer Journal. 1988. - V. 31. -N 3. — P. 258-268.

46. Elmasri R., Weeldreyer J., Hevnel A. The category concept: An extension to the entity-relationship model // Data and Knowledge Engineering. 1985. — V. 1.-N1.-P. 75-116.

47. Ellis V. A Refined model for definition as System requirements // Data Base Journal. 1982. - V. 2. - N 3. - P. 2 - 9.

48. Entity-relationship approach ER'93: 12th Intern. Conf. on Entity-Relationship Approach. - Berlin: Springer, 1994. - X. 530 p.

49. Feldman D., Miller P. Entity Model Clustering: Structuring a Data Model by Abstraction // The Computer Journal. 1986. - V. - 29. - N 4. - P. 348 - 361.

50. Fitzgerald G., Stokes N., Wood J.R.G. Feature Analysis of Contemporary Information Systems Methodologies // The Computer Journal. 1985. - V. 28. -N3.-P. 223-230.

51. Grodolla M. An extended Entity-Relationship model: Fundamentals and pragmatics. Berlin et. al.: Springer, 1994. - X, 136 p.

52. Hammer M., Mcleod D. Database Description witch SDM: A Semantic Database Model // ACM Trans on Database Systems. -1981.- V.6. N 3. - P. 351-386.

53. ISO TS 97/SC5/W63 N 095. Concept and terminology for the conceptual schema and information base, 1982.

54. Knuth E., Halasz F. SDLA System Description and Logical Analysis // Information system design methodologies: comparative review. — Amsterdam: Noth-Holand, 1982. P. 143 - 172.

55. Marti R.W. Integrating Database and Program Description using an ER-Data Dictionary // Entity-Relationship Approach to Software Engineering. -Amsterdam: North-Holland, 1983. P. 797 - 391.

56. Ng A., Paul J.F. A Formal definition of entity-relationship Model // Entity-Relationship Approach to System Analysis and Design. — Amsterdam: North-Holland, 1981. P. 211 - 230.

57. Parrelo B., Overbeek R., Lusk E. The design of entity-relationship models for general lager systems // Data and Knowledge Engineering. 1985. - V. 1. - N l.-P. 155-180.

58. Smith J.M., Smith D.C.P. Principles of data base Conceptual design // Lect. Notes in Comp Sci. 1982. - V. 132. - P. 144 - 146.

59. Zhao L., Roberts S.A. As Object Oriented Data Model for Data Modelling. Implementation and Acces // The Computes Journal. - 1998. - V. 31. - N 2. -P. 116- 124.

60. Техническое задание на АСУ БД 18391774.19300.004-2. Департамент безопасности движения и экологии Министерства путей сообщения. М.: 2001.-78 с.