книги / Моделирование систем

171

Особенности использования ППМ GPSS для моделирования систем, формализуемых в виде Q-схем, рассмотрены в гл. 8, там же приводятся примеры программ, генерированных пакетом GPSS.

Создание ППМ является крупным достижением в автоматиза­ ции моделирования больших систем. Однако любой ППМ, создан­ ный на базе ЯИМ, характеризуется некоторой узостью представле­ ний, диктуемой особенностями языка, что является одним из сла­ бых мест традиционных способов имитационного моделирования. В настоящее время проводится много работ по созданию систем моделирования для целых классов объектов, в основу которых положены идеи типизации способов описания структуры и динами­ ки моделируемой системы S. Например, широко распространенной типовой математической схемой, используемой при моделировании организационно-производственных и информационно-вычислитель­ ных процессов, является Q-схема. Для создания машинных про­ грамм моделирования таких процессов могут быть привлечены такие ЯИМ, как GPSS, SIMSCRIPT и т. д. Тем не менее существуют (и продолжают разрабатываться) ППМ, в основу которых положе­ ны алгоритмические языки общего назначения, позволяющие дета­ льно и адекватно описать специфику процесса функционирования определенного класса систем и создать более эффективные про­ граммы моделирования, причем такие ППМ, ориентированные на определенный класс объектов, способные успешно конкурировать с известными ЯИМ при решении задач моделирования конкретного класса систем.

Примеры дискретных, непрерывных и комбинированных ЯИМ приведены в табл. 5.3.

172

Наиболее эффективно использование НИМ при исследовании и разработке систем на основе метода машинного моделирования при реализации диалоговых процедур и концепции базы данных моделирования.

5.4. БАЗЫ ДАННЫХ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Расширение возможностей моделирования различных классов систем S неразрывно связано с совершенствованием средств вычис­ лительной техники и техники связи. Перспективным направлением является использование для целей моделирования иерархических многомашинных информационно-вычислительных систем и связан­ ных с ними телекоммуникационными сетями удаленных персональ­ ных ЭВМ, работающих в режиме телеобработки.

При создании больших систем S их компоненты разрабатыва­ ются различными коллективами, которые используют средства моделирования при анализе и синтезе отдельных подсистем. При этом разработчикам необходим доступ как к коллективным, так и индивидуальным средствам моделирования, а также оперативный обмен результатами моделирования отдельных взаимодействую­ щих подсистем. Таким образом, появляется необходимость в созда­ нии диалоговых систем моделирования коллективного пользова­ ния, для которых характерны следующие особенности: возмож­ ность одновременной работы многих пользователей, занятых раз­ работкой одной системы S; доступ пользователей к программно­ техническим ресурсам системы моделирования, включая распреде­ ленные банки данных и пакеты прикладных программ моделирова­ ния; обеспечение диалогового режима работы с различными вычис­ лительными машинами и устройствами, включая цифровые и ана­ логовые вычислительные машины, установки физического модели­ рования, элементы реальных систем и т. п.; диспетчирование работ в автоматизированных системах моделирования (ACM) и оказа­ ние различных услуг пользователям, включая обучение работе с диалоговой системой моделирования; использование сетевых тех­ нологий.

173

Рассмотрим основные моменты связанные с разработкой рас­ пределенной базы данных моделирования (РБДМ).

Ключевые аспекты разработки баз данных. Технология баз дан­ ных (БД) относится к числу основных компьютерных технологий

ипредставляет собой совокупность методов и средств определения

иманипулирования интегрированными в базу данными [2, 14, 16]. Важной целью применения технологии БД является создание раз­ деляемого между функционально связанными приложениями ин­ формационного ресурса с обеспечением независимости внешнего, логического представления БД от способов ее нутренней, физичес­ кой организации в памяти компьютера. Для достижения поставлен­ ной цели технология БД использует соответствующий набор тех­

нологических инструментов.

Современное представление технологии БД определяется тем, что в основу этой технологии положено применение реляционной модели данных (РМД), базирующейся на строгом аппарате реляци­ онной алгебры и математической логики. Технологические опера­ ции определения и манипулирования БД выполняются с исполь­ зованием систем реляционного исчисления. Реляционный подход в целом рассматривается в качестве идеологии создания баз дан­ ных и баз знаний [2, 14, 52]. Такой подход является наиболее эффективным при решении многих задач моделирования сложных систем S.

С одной стороны, широкое применение РМД позволило раз­ решить одну из серьезнейших проблем достижения модельной од­ нородности баз данных, создаваемых в средах различных систем управления базами данных (СУБД), поскольку практически все со­ временные СУБД используют модели, приводимые к реляционной. С другой стороны, опора на реляционную модель существенно ограничивает возможности определения данных в БД и, тем самым, предопределяет соответствующие границы применения всей техно­ логии БД.

Такой подход, безусловно, оправдан при проектировании БД

втех случаях, когда администратор БД владеет схемой соответст­ вия множества данных в реляционной модели с множеством данных

ореальном мире. В тоже время, интеграционные тенденции, харак­ терные для современного этапа развития компьютеризированных технологий (в том числе и в моделировании систем), ставят на повестку дня проблему построения интегрированных распределен­ ных баз данных (ИРБД), для которых обеспечение схемной однород­ ности на основе РМД в силу целого ряда причин оказывается недостаточно. Это не означает требования революционных изме­ нений принципов реляционного подхода при проектировании БД

вусловиях построения ИРБД. Это означает только то, что при определении и построении ИРБД реляционный подход должен

применяться с учетом классической схемы проектирования баз дан­ ных [2,52], согласно которой необходимо знать, каким образом был

174

выполнен полный цикл этапов моделирования заданной предмет­ ной области в виде реляционных схем интегрируемых БД. Оче­ видно, что расширение границ применения реляционного подхода, при этом, позволит проектировать новые БД уже с учетом воз­ можности их будущей интеграции и ИРБД. Характерным примером реализации расширения реляционного подхода для разработки распределенных приложений на основе интегрированных реляцион­ ных баз данных стало создание методов и средств С4£Е-техноло- гий [15].

С учетом сказанного, все основные понятия и определения тех­ нологии баз данных будут формулироваться именно с ориентацией на реализацию расширенного реляционного подхода для достиже­ ния цели методологического определния ИРБД. Полная технологи­ ческая схема определения и манипулирования интегрированными в базу данными представлена на рис. 5.6.

База данных. База данных составляет ключевое понятие тех­ нологии БД и стержневой объект управления в системах баз дан­ ных. Определение базы данных в качестве разделяемого инфор­ мационного ресурса компьютеризированных технологий требует уточнения самих понятий данные и информация. Иногда база дан­ ных трактуется в качестве «подобия электронной картотеки», «хра­ нилища для некоторого набора занесенных в компьютер файлов данных», подразумевая под термином файл «абстракный набор данных, не обязательно совпадающий с физическим дисковым фай­ лом». Очевидно, что при таком взгляде данные и информация рассматриваются в качестве синонимов. Как следствие, и с т и н н ы м становится утверждение о том, что в этом случае любые данные, извлеченные любым способом из БД, являются информацией.

Классическое определение «база данных это — данные и связи между ними» представляется более точным и уместным с учетом высказанных выше соображений. Тогда данные, извлеченные из БД на основе установленных связей, являются информацией. В противном случае извлеченные из БД данные требуют ин­ терпретации. Безусловно, хранящиеся в БД фрагменты связанных данных также соответствуют понятию информации. Вне связей данные являются информацией только в том случае, если они типизированы, или классифицированы, н известна примененная классификационная схема. С учетом применения реляционного подхода связи между данными можно разделить на связи совметности (совместность атрибутивных значений табличного опре­ деления прикладного объекта) и связи соответствия (совместность атрибутивных значений межтабличного определения прикладного объекта).

Таким образом, в дальнейшем под термином база данных будем понимать совокупность связанных данных, с одной стороны, являющихся информацией, и с другой стороны, составляющих основу для получения информации, как произвольных комбинаций

175

составляла главное направление развития. Хорошо известна много­ летняя деятельность рабочей группы CODASYL [2] по созданию развитого ЯОД. Однако вывести языки определения данных на уровень общих языков программирования не удалось по целому ряду причин [3].

Вторую группу составляют методы и средства м анипулиро­ вания данными, реализующие информативное связывание данных в динамике, в процессе доступа в БД. На начальных этапах языки манипулирования данными (ЯМД) сводились к определению про­ стого C/lLL-интерфейса, однако на рубеже 80-х годов тенденция развития ЯМД практически перекрыла направление разработки ЯОД. Благодаря широкому применению реляционной модели язы­ ки манипулирования смогли пройти путь становления до уровня общих языков программирования. Наиболее известным представи­ телем семейства ЯМД на сегодняшний день является язык SQL (<Structured Query Language) [2], составляющий основу и являющийся сам международным стандартом ЯМД.

У многих пользователей зачастую складывается впечатление, что независимо от типа спроектированной БД посредством языка SQL можно получить доступ к любой информации на основе хра­ нящихся данных в БД. На самом деле это далеко не так. Язык SQL действительно обеспечивает произвольный доступ к таблицам БД в любых сочетаниях и комбинациях. Но получение информации из БД при этом ограничивается возможностями связей между дан­ ными, хранящимися в БД. При отсутствии этих связей обычной практикой является встраивание обработки связей между данными в программный код приложений. Тогда можно выделить два основ­ ных компонента манипулирования БД:

—собственно язык манипулирования как инструмент;

—процедуры связывания данных и управления извлечением ин­

формации из БД, реализованные средствами ЯМД.

Для реляционного подхода наиболее распространен процедур­ ный способ управления извлечением информации из БД. При этом возможны три основных метода реализации этого способа:

1) модули связывания и манипулирования данными встраива­ ются в приложения путем программирования в профессиональных средах (M S Visual Studio, С+ Л-Builder, Dlphi);

2)модули связывания и манипулирования разрабатываются на языках SQL-ceрверов и хранятся непосредственно в серверной БД, становясь также разделяемыми информационными ресурсами;

3)модули связывания и манипулирования оформляются в ви­ де системных динамических загружаемых библиотек DLL, фор­ мируя таким образом доступ в БД в виде системного Windowsресурса..

ближает совокупное содержание таких БД к классическому опреде­ лению. Характерно, что получаемая таким образом реализация БД по полной технологической схеме рис. 5.6 остается в границах реляционного подхода.

Разновидности систем баз данных. В зависимости от способов определения и манипулирования связанными данными системы БД можно разделить на следующие основные разновидности.

Системы с файловыми базами данных в качестве БД использу­ ют простые структурированные файлы в форматах dbf, bd и др., а все информативные связи определяются и обрабатываются в при­ ложениях, использующих такие БД. Эффективность организации структурированных файлов обычно повышается путем построения индексов и других систем указателей, что, вообще говоря, характер­ но при создании картотек. Индексируются, как правило, ключевые поля структур с целью убыстрения доступа (за счет сортировки индексов), обеспечения уникальности значений полей, запрета на существование неопределенных значений и т. п. К числу наиболее существенных недостатков систем файловых БД (только в смысле их использования) можно отнести полную зависимость от приложе­ ний. Доступ к информации файловых БД возможен только посред­ ством содержащего программные связи приложения. Очевидно, что как разделяемый информационный ресурс файловые БД могут су­ ществовать только в симбиозе с обеспечивающими связывание данных приложениями. Программная реализация связей на SQL- серверах или в виде ALL-библиотек естественно придает файловым БД совершенно новое качество реально разделяемого информаци­ онного ресурса.

К противоположной разновидности относятся такие системы БД, в которых все связи между данными определены как данные и хранятся в БД. Такие системы можно назвать системами с п ред ­ метными базами данных. Суть названия предметная БД заключа­ ется в достижении полной независимости предметных баз данных от приложений. Предметные БД являются полноценными, самосто­ ятельными ресурсами компьютеризированных технологий, что со­ ставляет главное преимущество их применения. В тоже время, полное определение всех связей между данными порождает сущест­ венную сложность проектирования таких БД.

Промежуточные варианты организации баз данных, при кото­ рых связи распределяются между приложениями и БД, определяют разновидность систем с прикладны м и базами данных. Суть на­ звания отражает слабо или сильно выраженную ориентацию ор­ ганизации прикладной БД на потребности использующих ее прило­ жений. Очевидно, что как компромиссный вариант, прикладные БД могут выступать в качестве оптимизируемого информационного ресурса компьютеризированных технологий. Прикладные базы дан­ ных находят широкое применение при моделировании на ЭВМ конкретных систем S.

178

Предметная область. Первичным источником связанных данных при проектировании баз данных любых разновидностей является соответствующая предметная область, которая будет рассматри­ ваться как совокупность знаний и данных об объектах и процессах, подлежащих проектированию и хранению в БД. В данном случае в качестве предметной области рассматривается проблема имитаци­ онного моделирования сложных систем на ЭВМ.

Знания о предметной области, как это уже отмечалось в п. 3.1, посвященном методике разработки и машинной реализации моде­ лей систем S, могут быть получены из разнообразных источников, таких, как:

—фундаментальные законы и устойчивые закономерности, те­ оретические знания прикладных наук о процессах в моделируемой системе S;

—эвристические знания в виде принятых правил, соглашений

иобозначений, характерных для систем S;

—экспертные знания и экспертные оценки специалистов в об­ ласти моделирования конкретных систем S;

—существующие базы данных, компьютеризированные систе­ мы, технологии и проекты.

Перечисленные источники знаний о предметной области «моде­ лирование систем» не являются источниками собственно данных, а определяют методологические принципы выделения прикладных объектов и процессов, а также методы приобретения и связывания данных о выделенных объектах и процессах. Источники знаний о предметной области определяют выбор классификационной схемы формализованного описания объектов и процессов, которая в про­ цессе проектирования БД отображается в результирующей реляци­ онной схеме.

Таким образом, процесс проектирования базы данных по полной технологической схеме есть процесс пошагового отображения ис­ ходной классификационной схемы предметной области в реляцион­ ную схему реализации базы данных. Выбор той или иной методо­ логической основы процесса проектирования БД определяет вид реализованных в БД связей между данными и характеризует интег­ рационные возможности построенной БД.

Важным методологическим признаком проектируемой БД и ее интеграционных возможностей является естественная или искус­ ственная природа выделения прикладных объектов и процессов, связанные данные о которых будут храниться в проектируемой БД. Особое значение это обстоятельство приобретает при применении

объектно-ориентированного подхода к проектированию баз данных

ипостроению ИРБД.

Впрактике моделирования сложных систем S при проектирова­ нии локальных баз данных (ЛБД) применение классификационных схем зачастую осуществляется интуитивно, с твердым убеждением

втом, что выбранный способ определения данных БД естествен для

решения данной задачи. На самом деле, проектировщик ЛБД про­ сто принимает одну из существующих классификационных схем (например, традиционную схему построения базы данных «система S — концептуальная модель М к — машинная модель М*» из литературы). В тоже время, отсутствие знаний о правилах форми­ рования и связывания атрибутивных значений даже в такой БД может привести к искажению и ошибкам в трактовке извлекаемых из БД данных как информации.

Концептуальный анализ н проектирование баз данных. Выбор или конструирование классификационной схемы выделения объектов и процессов составлет суть анализа предметной области (в данном случае это «моделирование сложных систем S»). Отображение клас­ сификационной схемы в результирующую реляционную схему опре­ деляет многошаговый процесс проектирования БДМ.

Прежде всего, под формализованным представлением предмет­ ной области будет пониматься классификационное выделение объектов и процессов, что в терминах объектно-ориентированного подхода соответствует классификационному определению абстрак­ ций сущностей и поведения [2,16]. Классифицирование может выпо­ лняться путем классической категоризации, концептуальной класте­ ризации или с применением методов теории прототипов. Абстрак­ ции сущностей определяют классы объектов предметной области и выражаются через совокупности характерных свойств объектов данного класса, в тоже время, отличающих объекты данного клас­ са от объектов других классов. Абстракции поведения выражают правила взаимодействия объектов через общие или связанные свой­ ства.

Таким образом, выбранная или сконструированная классифика­ ционная схема с применением той или иной классификационной методологии определяет систему формирования универсума проек­ тируемой БД. Принципиально важным для технологии баз данных является принцип отделения классификационной схемы в виде сово­ купности элементов моделирования представлений данных от со­ бственно системы классифицированных данных БД. Именно ре­ ализация этого принципа способна привести к разрешению пробле­ мы построения определенной категории объектно-ориентированных баз данных. Элементы моделирования представлений д а н н ы х также включаются в состав универсума.

Проектирование концептуального представления системы клас­ сифицирования предметной области на основе выбранной класси­ фикационной схемы называется концептуальным проектированием

предметной области, в результате которого строится концептуаль­ ная модель семейства концептуально однородных баз данных. Оче­ видно, что выбор готовых проектных решений относит проектиру­ емую базу данных к семейству БД с однородным концептуальным представлением. Например, типизация классификации данных о мо­ дели системы S (концептуальная модель, типовая математическая

180