1 Понятие информационной модели

Информационные системы – это компьютерные технологии, предназначенные для работы с большими объемами информации, относящейся к определенной сфере научной или практической деятельности, к сфере планирования и так далее. Компонентой информационной системы является хранимая определенным образом информация, то есть база данных [4].

В наиболее общей форме база данных – это компьютерный эквивалент организованного списка информации. Обычно эта информация имеет общий предмет или цель [2].

Если база данных не делает больше ничего, кроме хранения информации в таблице, польза от нее будет такой же, как и от списка на бумаге. Но так как база данных хранит информацию в электронном формате, можно по-разному манипулировать этой информацией и значительно расширить ее полезность.

Например, в телефонной книге любого города страны информация организована понятным образом, что позволяет найти в определенном городе человека или организацию. Однако если существует необходимость найти номера телефонов всех людей страны, имеющих одинаковую фамилию, эти телефонные книги не смогут помочь, так как поиск такой информации в них не предусмотрен.

Когда информация, опубликованная в телефонной книге, хранится в базе данных, она занимает гораздо меньше места, ее легче и дешевле воспроизводить и распространять, и, если база данных построена корректно, информация из нее может извлекаться различными способами. Настоящая мощь базы данных не в ее способности хранить информацию; она в способности быстро выдавать точную информацию, которую необходимо получить.

Таким образом, информационная система – это база данных по определенной тематике, а также программные средства для создания базы данных и обработки данных [4]. К обработке данных относятся: обновление данных, поиск данных в базе данных и различного рода вычисления на основе данных.

В базе данных могут храниться данные об однотипных объектах: сведения о жителях города, или сведения о телефонах города, или сведения об автомашинах, имеющихся в конкретном городе. Такие однотипные объекты могут быть описаны с помощью их признаков (реквизитов). Для жителей это пол, возраст, адрес и так далее. Для машин – номер, марка, дата регистрации, год выпуска и др. Благодаря тому, что в базе данных используются одни и те же реквизиты, данные могут быть структурированы (например, занесены в таблицу). Это, в свою очередь, позволяет еще более «автоматизировать» работу с базой данных, то есть создать более эффективную информационную систему. В случае подобной, структурированной базы данных, информационная система называется системой управления базами данных.

Итак, система управления базами данных (СУБД) – это программное средство для создания баз данных и для работы с ними. При этом база данных обычно содержит сведения о большом числе однотипных объектов.

Простые программы баз данных, такие, как компонента Database из пакета Microsoft Works, могут хранить информацию только в виде таблицы, которая часто называется однородным (сплошным, «плоским») файлом. Эти простые базы данных часто называются двумерными («плоскими») базами данных. Более сложные программы баз данных, такие, как система управления базами данных Microsoft Access, могут хранить информацию в нескольких связанных таблицах, создавая, таким образом, то, что называется реляционными базами данных. Если информация в реляционной базе данных организована правильно, можно рассматривать эти несколько таблиц как единое место хранения и извлекать электронным способом информацию из этих таблиц в том порядке, в каком требуется.

При разработке информационной системы промышленного предприятия лесного комплекса необходимо учитывать структуру производства, характеристику выпускаемой продукции, применяющиеся материалы и технологические процессы их обработки, использующееся оборудование, должности сотрудников, участвующих в производственном процессе и другие параметры. Реализация данного условия является сложной задачей, которая может быть решена только при всестороннем анализе деятельности предприятия с определением всех взаимосвязей между его составляющими.

В целом любое предприятие можно рассматривать как сложную и большую систему, имеющую отличительные признаки:

- наличие структуры, благодаря которой можно узнать, как устроена система, из каких подсистем и элементов состоит, каковы их функции и взаимосвязи, как система взаимодействует с внешней средой;

- наличие единой цели функционирования, то есть частные цели подсистем и элементов должны быть подчинены цели функционирования системы;

- устойчивость к внешним и внутренним возмущениям. Это свойство подразумевает выполнение системой своих функций в условиях внутренних случайных изменений параметров и дестабилизирующих воздействий внешней среды;

- комплексный состав системы, то есть элементами и подсистемами большой системы являются самые разнообразные по своей природе и принципам функционирования объекты;

- способность к развитию. В основе развития систем лежат противоречия между элементами системы. Снятие противоречий возможно при увеличении функционального разнообразия, а это и есть развитие.

Изучение, анализ и синтез больших систем проводятся на основе системного подхода, который предполагает учет основных свойств таких систем.

Главный принцип системного подхода заключается в рассмотрении отдельных частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, анализ влияния внешней среды. Интерпретация и конкретизация системного подхода реализуется в структурном, блочно-иерархическом и объектно-ориентированном подходах.

Результатом системного анализа является построение некоторой модели системы, отображающей основные свойства рассматриваемой предметной области. Под моделью понимается некоторое представление о системе, отражающее наиболее существенные закономерности ее структуры и процесса функционирования и зафиксированное на некотором языке или в другой форме. Процесс построения и последующего применения моделей для получения информации о системе-оригинале получил название моделирование.

При разработке компьютерных программ, характеризующих свойства отдельных систем, долгое время господствовала теория алгоритмов, согласно которой необходимо было разработать последовательность элементарных действий, каждое из которых требовалось преобразовать в понятные компьютеру инструкции, и при этом любая вычислительная задача могла быть решена. Исходным понятием этой методологии являлось понятие алгоритма, под которым, в общем случае, понимается некоторое предписание выполнения точно определенной последовательности действий, направленных на достижение заданной цели или решения поставленной задачи. В настоящее время все более широкое применение находит объектно-ориентированный подход, при котором обработка данных осуществляется на основе наличия или отсутствия требуемой информации с учетом свойств и методов программируемых объектов.

При использовании имитационного моделирования объекта или модели их описание осуществляется не косвенно, а непосредственно при обязательном структурном подобии. Это значит, что каждому существенному с точки зрения решаемой задачи элементу объекта ставится в соответствие свой элемент модели.

Существуют различные методы имитационного моделирования сложных систем. На первых этапах технологического проектирования наиболее широкое применение нашли логико-лингвистические модели. В настоящее время произошли качественные изменения в этом направлении, связанные с повсеместным применением электронных баз данных. Однако до настоящего времени нет единого универсального подхода к разработке сложных информационных систем, адекватно отражающих технологические процессы.

В качестве модели представления экономических объектов, в том числе производственных процессов, все более широкое использование находят информационные модели. Информационная модель — это отражение предметной области в виде информации. Предметная область представляет собой часть реального мира, которая исследуется или используется. Отображение предметной области в информационных технологиях представляется моделями нескольких уровней: концептуальной моделью; логической моделью; математической моделью; алгоритмической моделью; моделью в виде программного кода.

При разработке информационной модели необходимо обеспечить принцип системного единства, который призван обеспечить целостность системы во взаимосвязи отдельных элементов и объекта проектирования в целом на основе иерархичности составляющих промышленного предприятия подсистем.

Принцип совместимости позволяет обеспечить совместное функционирование составных частей информационной системы предприятия при сохранении открытости системы в целом. Система должна быть развивающейся, то есть изменяющейся во времени. Открытой называется такая система, которую нельзя рассматривать изолированно от окружающей среды; такие системы активно взаимодействуют с внешней средой, причем это взаимодействие не может быть, как правило, прослежено полностью, во всех аспектах. Такие системы обеспечивают возможность внедрения в эксплуатацию отдельных компонентов по частям по мере их готовности, с последующим расширением базового варианта. При этом обеспечивается возможность совершенствования системы за счет включения в ее состав новых высокоэффективных методов и средств разработки приложений.

Использование на промышленных предприятиях компьютерных информационных технологий для подготовки производства и управления предусматривает представление технико-экономической информации в виде данных, которые хранятся и обрабатываются в системах управления базами данных (СУБД). При этом необходимо адекватно отобразить предметную область процесса выпуска продукции и оперативно предоставлять пользователю требуемую информацию. Обеспечение этих условий реализуется путем использования в СУБД определенной модели данных. Под моделью данных понимается некоторая абстракция, которая, будучи применена к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними.

При разработке информационной системы необходимо обеспечить ее открытость, возможность всестороннего описания всех ее элементов различных уровней с определением взаимосвязей между ними. Данный подход при разработке информационной модели предприятий лесного комплекса может быть реализован на основе реляционной модели данных, поскольку эта модель относится к классу теоретико-множественных и широко используется при разработке сложных информационных систем. Для данной модели разработан развитый математический аппарат - реляционная алгебра и реляционное исчисление, в котором для реляционных баз данных могут использоваться хорошо известные теоретико-множественные операции: объединение; пересечение; вычитание; соединение и др. Достоинством реляционной модели является простота и наглядность, понятность и удобство физической реализации. Реляционная база данных с математической точки зрения представляет собой конечный набор конечных отношений различной арности между заранее определенными множествами элементарных данных. Теория реляционных баз данных является областью приложений математической логики и современной алгебры, поскольку предусматривает выполнение различных алгебраических операций и опирается на точный математический формализм. Согласно этой модели любой элемент системы и связи между ними можно выразить в виде множеств, характеризующих свойства этого элемента.

Реляционный подход в настоящее время представляет наиболее развитую идеологию построения баз данных. Реляционные модели основываются на понятии «отношение». Наглядной формой представления отношения является привычная для человеческого восприятия двумерная таблица. Кроме того, реляционная модель базируется на серьезных теоретических обоснованиях реляционной алгебры и реляционных исчислений. Основным недостатком этой модели является отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей. Однако при анализе сложных систем рассматривается объект со всеми имеющимися характеристиками и связями, поэтому указанный недостаток модели в таких случаях не оказывает существенного влияния на эффективность представления и обработки данных. Кроме того, развитие формального аппарата представления и манипулирования данными в рамках реляционной модели сделали ее наиболее перспективной для использования в системах представления знаний, что обеспечивает качественно иной подход к обработке данных в больших информационных системах.

Для отображения данных предметной области - структуры промышленного предприятия, и проектирования реляционной базы данных необходимо разработать информационно-логическую модель. Для этого на первом этапе выделяются информационные объекты и устанавливаются связи между ними. Информационный объект представляет собой описание некоторой сущности предметной области — реального объекта, процесса, явления или события. Информационный объект образуется совокупностью логически взаимосвязанных реквизитов, представляющих качественные и количественные характеристики сущности. Информационные объекты можно выделить на основе описания предметной области путем определения функциональных зависимостей между реквизитами. Для каждого информационного объекта определяются ключевые реквизиты, которые и указываются в информационно-логической модели. Также в модели выделяются одно-многозначные связи между объектами. Информационно-логическая модель промышленного предприятия представлена на рисунке 1 лабораторного практикума [3].

В качестве информационных объектов приняты основные структурные элементы производственного процесса — характеристика и состав выпускаемой продукции, использующиеся технологические процессы, оборудование, перечень основных подразделений предприятия, сотрудников с учетом их должностей и другие данные. Следует учесть, что данная модель является учебной и не претендует на всестороннее отражение деятельности предприятия. Связи между объектами информационно-логической модели характеризуются однозначными, одно-многозначными и много-многозначными отношениями и для их реализации в модель включены как объекты-справочники, так и дополнительные объекты-связки: операции в технологическом процессе, детали в изделии и др. (рисунок 1 [3]).

Информационно-логическая модель представлена в каноническом виде с распределением объектов по уровням. На нулевом уровне размещены объекты, не подчиненные никаким другим объектам. Уровень остальных объектов определяется наиболее длинным путем объекту от нулевого уровня. Такое расположение объектов характеризует их иерархическую подчиненность.

Разрабатываемая студентами в процессе выполнения лабораторных работ в рамках курса обучения дисциплине «Информационные технологии в лесном комплексе» информационная система (модель) лесопильно-деревообрабатывающего предприятия «Производство» является приложением, предназначенным для хранения и обработки данных об организации и технологии конкретного производства. Основой данной информационной системы является реляционная база данных с информацией, хранящейся в нескольких связанных таблицах.

Основными элементами реляционной базы данных являются таблицы, представляющие сущности, в которых столбцы представляют атрибуты сущностей, а строки описывают экземпляры сущностей [1].

Сущность – множество однотипных объектов, называемых экземплярами (кортежами). Каждый экземпляр характеризуется набором свойств, называемых атрибутами сущности. Каждый экземпляр индивидуален и отличается от всех остальных экземпляров в множестве. Примером сущности может служить понятие «должность», а примерами экземпляров – инженер, станочник и др. В разрабатываемой студентами информационной системе данную сущность реализует таблица «Должности».

Таблица – множество ячеек с данными, образующих строки и столбцы прямоугольной таблицы. Таблица реализует сущность в понятии реляционной модели данных. Строки таблицы представляют экземпляры сущности и называются записями. Столбцы таблицы представляют атрибуты сущности и называются полями.

Каждая запись в таблице «Сотрудники» информационной системы лесопильно-деревообрабатывающего предприятия «Производство» представляет одного сотрудника, являющегося экземпляром сущности «Все сотрудники предприятия».

Атрибут представляет собой определенное свойство (характеристику) данной сущности. Рекомендуется в качестве атрибутов выделять атомарные свойства сущности. Примером атрибута сущности «должность» является «Оклад».

Поле таблицы – столбец в прямоугольной таблице. Поле таблицы реализует атрибут в понятии реляционной модели, при этом данные, хранящиеся в ячейках одного столбца, должны принадлежать одному домену. Домен определяет набор допустимых значений и операций над данными, то есть данные в ячейках одного столбца должны быть одного типа.

Первичный ключ – атрибут или группа атрибутов (тогда это составной первичный ключ), однозначно идентифицирующих каждый экземпляр сущности [1].

Ключевое поле – поле, представляющее первичный ключ или являющееся частью составного первичного ключа. В разрабатываемой информационной системе «Производство» первичным ключом являются поля «Код» в таблицах-справочниках [3].

Альтернативный ключ – обычные поля или комбинации атрибутов, отличающиеся от первичного ключа сущности, но также претендующие на эту роль.

Связь – это логическое отношение между сущностями, выражающее некоторое ограничение или правило. В реляционной модели вводится понятие реляционной связи – это связь между записями, основанная на совпадении (или ином предикате) значений атрибутов, по которым устанавливается связь. Примерами реляционных связей в информационной системе «Производство» являются связи между таблицами-справочниками и таблицами связи [3].

Внешний ключ – атрибут или комбинация атрибутов сущности, соответствующие первичному ключу другой сущности, связанной с данной. Иными словами, внешний ключ представляет собой уникальный идентификатор записи в другой сущности, с которой данная сущность связана реляционным отношением.

Преимуществом хранения информации в нескольких связанных таблицах по сравнению с одной таблицей является устранение избыточности данных.

Реляционные связи обладают свойством, называемым кардинальностью. Кардинальность выражает количество экземпляров сущности, участвующих в отношении.

Некоторые отношения, для которых определены кардинальности участвующих в нем сущностей, имеют специальные названия, такие как: «один-ко-многим», «один-к-одному», «многие-ко-многим».

Примером отношения «один-к-одному» может служить отношение «каждый сотрудник имеет ровно одну фамилию». Примером отношения «один-ко-многим» является отношение «несколько сотрудников могут состоять в одинаковой должности», связывающее таблицу «Сотрудники» с таблицей «Должности».

Нередко при проектировании информационных систем возникают отношения «многие-ко-многим». Такие связи должны быть разрешены через связи других типов, например, с помощью введения промежуточной сущности эта связь приводится к двум отношениям «один-ко-многим» [1]. Примером такого отношения является связь таблицы «Детали» с таблицей «Продукция» через таблицу «Детали в изделии» [3]. Такая связь определяет возможность использования одних и тех же деталей в различных видах продукции.

Информационная модель в базе данных представляется в виде схемы данных.

Схема данных – представление набора всех сущностей, входящих в данную информационную модель, и связей между ними.

Поддержка целостности данных – предотвращение некорректного изменения данных в связанных сущностях, нарушающего установленное отношение между ними.

В системе управления базами данных Microsoft Access обеспечена поддержка целостности данных, позволяющая автоматически согласовывать изменения и удалять данные в полях связанных таблиц в реляционных отношениях «один-к-одному» и «один-ко-многим» [1]. СУБД Access позволяет осуществлять разработку сложных информационных моделей, в том числе и модель промышленного предприятия.

Контрольные вопросы:

1. Объясните взаимосвязь информационной системы и базы данных.

2. Охарактеризуйте информационную модель и методы ее исследования.

3. Какие виды связей существуют между объектами в реляционной модели данных?

4. Поясните назначение информационно-логической модели предметной области.

5. Перечислите основные элементы реляционной базы данных.