Характеристика современных автоматизированных информационных систем

С формальной точки зрения высказывание является символом, обозначающим логическое значение. Содержательное высказывание является повествовательным предложением, содержащим утверждение о некотором предмете. Предикат в содержательном смысле оказывается повествовательным предложением, содержащим утверждение о произвольных предметах, принадлежащих соответствующим предметным областям.

5.13 Моделирование и описание предметной области АИС.

Предметная область – это совокупность объектов реального или предполагаемого мира, рассматриваемых в пределах данного контекста, который понимается как отдельное рассуждение, фрагмент научной теории или теория в целом и ограничивается рамками данного контекста.

под простым объектом предметной области – понимается носитель совокупности характеризующих его свойств, через которые проявляется сущность объекта и которые неотделимы от него.

Ядром (основой) любой АИС является информационная база (ИБ), строгое определение которой будет дано ниже. ИБ представляет статичную, информационную модель предметной области АИС, т.е. содержит систематизированное описание совокупности объектов, свойств объектов и связей между объектами в предметной области. Совокупность функций, выполняемых объектами, моделируется программным обеспечением АИС.

Описание предметной области, уровни моделирования

Единая информационная база может одновременно, или в различные моменты времени, обеспечить совершенно разные функциональные требования пользователей АИС. Совместно используя общую информацию, эти пользователи устанавливают диалог друг с другом через систему. Очевидно, для того, чтобы эта связь была полезной и надежной, должно существовать общее понимание информации, представленной в ИБ. Объекты и события, к которым относится общее понимание информации – это объекты и события предметной области.

Предметная область состоит из реальных и абстрактных объектов, которые называют сущностями. Можно считать также, что она состоит из классов сущностей – например, люди, подразделения фирмы, даты. Классификация основывается на сходстве и учитывает характеристики, общие для нескольких сущностей. В предметной области также рассматриваются некоторые общие свойства, которыми обладают сущности, которые их классифицируют, связывают и т. д. в данной предметной области. Они могут обозначаться как “классификации”, “правила”, “законы” или “ограничения”, касающиеся состояния и поведения сущностей в предметной области.

Все то, что считается частью предметной области, зависит от времени, то есть выбранные объекты и события могут со временем изменяться. Это в равной степени относится и к классификациям, правилам, законам, но как правило, частота их изменения будет меньше.

Разработка любой АИС начинается с системного анализа предметной области, в результате которого создается концептуальная схема предметной области представляющая собой непротиворечивую совокупность высказываний, истинных для данной предметной области, включая возможные состояния, классификации, законы, правила.

Концептуальное представление концентрирует внимание на смысле информации, именно концептуальная схема описывает это представление. На базе концептуальной схемы создаются внешние схемы, описания которых сосредоточены на том, как представлена информация для пользователя. Описание внутреннего физического представления, данных в вычислительной системе содержится во внутренней схеме.

Такая трехсхемная архитектура описания предметной области АИС признана достаточно широко на уровне международной научно-технической общественности.

5.14 Концептуальная схема предметной области.

Концептуальная схема указывает, какие сущности могут существовать в предметной области, то есть какие сущности существуют, существовали или могли когда-либо существовать. Подобно этому, она указывает, какие и события возможны для этих сущностей, или являются обязательными для них. Все это будет формализовано и введено в ЭВМ для представления в базе данных. Анализируется и записывается в концептуальную схему и другая информация о сущностях и их фактическом состоянии в определенный момент или период времени.

Концептуальную схему и информационную базу будем рассматривать как находящиеся на концептуальном уровне и обеспечивающие концептуальное представление информации о предметной области.

Концептуальная схема описывает общие правила предметной области, которые в значительной мере могут управлять ее поведением. Эти правила, описание которых находится в концептуальной схеме, определяют также, что может, а что не может происходить в информационной базе. По этой причине необходимо рассмотреть также механизмы манипулирования одержимыми информационной базы и концептуальной схемы.

Статические аспекты концептуальной схемы – это определение понятий, используемых для описания допустимых состояний концептуальной схемы и информационной базы. Динамические аспекты учитывают во-первых,

изменения в концептуальной схеме, отражающие изменения в отобранной части реального мира – во-вторых, описания манипуляций, необходимых для ознакомления с содержимым концептуальной схемы и информационной базы.

Конструкции, используемые в концептуальной схеме и информационной базе, опираются на простейшие конструкции, выражающие фундаментальные понятия формальной логики в качестве теоретического обоснования.

Так как выбор того, что считать общими классификациями, правилами и т.д. предметной области, в определенной степени произволен, очевидно, что выбор того, что поместить в концептуальную схему, а что в информационную базу – произволен в той же степени. Однако на практике системный аналитик должен учитывать ряд факторов при определении границы концептуальной схемы. Среди них могут быть:

-описание классов (типов) сущностей проблемной области, а не отдельных экземпляров;

-описание понятий, менее подверженных изменению;

-включение правил или ограничений, имеющих широкое воздействие на поведение предметной области.

-Должны соблюдаться следующие общие принципы:

1.Все общие классификации, правила, законы предметной области должны быть описаны в концептуальной схеме.

2.Концептуальная схема должна включать в себя только концептуальные аспекты предметной области, исключая, таким образом, все аспекты представления данных, физической организации данных и методов доступа, а также все аспекты внешнего представления пользователя – такие, как форматы сообщений, структуры данных, и т.д.

Поэтому, назначение концептуальной схемы определяется следующим образом:

1)обеспечить общую основу для понимания общего поведения предметной области;

2)определить допустимую эволюцию и манипулирование информацией о предметной области;

3)обеспечить основу для интерпретации внешних и внутренних синтаксических форм;

4) обеспечить основу для преобразований между различными внешними и внутренними схемами.

Современные CASE-системы включают в себя средства для обработки концептуальной схемы, которые удовлетворяют следующим требованиям:

-обеспечивают основные концепции, пригодные для адекватного описания как статических, так и динамических аспектов предметной области;

-обеспечивают язык, на котором можно выразить концептуальную схему таким образом, чтобы она была понятна пользователям;

-обеспечивают язык описания концептуальной схемы, который может интерпретироваться ЭВМ;

-предусматривают удобные средства ведения изменений в концептуальной схеме, отражающих изменения в общих области;

Концептуальная схема – заполнение и ведение

Информационный процессор

Информационный процессор позволяет обеспечивать динамику в концептуальной схеме и информационной базе. Сообщение, выражающее изменение в предметной области, должно содержать или сопровождаться командным предложением, ссылающимся на описание действия, или самим описанием действия – для того, чтобы допустимое действие произвело соответствующее изменение в концептуальной схеме и информационной базе. Информационный процессор интерпретирует команду и изменяет информационную базу или концептуальную схему в соответствии с ограничениями и правилами поведения. Эти правила не только определяют непротиворечивость полученной совокупности предложений в концептуальной схеме и информационной базе, но также решают: можно ли вообще изменять концептуальную схему и информационную базу в зависимости от того, какие предложения в них уже имеются.

Если сообщение содержит команду для извлечения совокупности предложений, имеющихся в концептуальной схеме и информационной базе или выводимой из них, информационный процессор интерпретирует команду. Он выдает сообщение, содержащее соответствующую совокупность предложений в соответствии с ограничениями или правилами поведения, которые определяют, когда и какая совокупность предложений, присутствующих в концептуальной схеме и информационной базе, должна быть результатом команды. Эти правила должны включать правила, логического вывода, в случае применения выводимых предложений.

результат допустимого действия – это функция “управляющих предложений” формулирующих правила и ограничения предложений, подлежащих изменению или выборке, и входного сообщения, включающего командное предложение и дополнительные предложения, если это необходимо.

Заполнение концептуальной схемы

Первоначально информационному процессору известны только правила, встроенные в него самого. Этот базовый набор правил обеспечивает информационный процессор механизмом интерпретации, который дает возможность распознавать и интерпретировать некоторый минимальный язык. Этот язык позволяет следующее:

-расширить язык для включения конструкций, подходящих для описания проблемной области;

-указывать команды;

-указывать полномочия;

-устанавливать новые правила поведения и логического вывода, относящиеся к концептуальной схеме и информационной базе,

вести описания действий для допустимых действий.

Затем, информационный процессор должен быть снабжен набором алгоритмов, позволяющих ему выводить новые предложения из уже имеющихся. Эти встроенные правила поведения составляют

схему АИС.

Процесс наблюдения, абстрагирования и формулирования концептуальной схемы обычно итеративный. Это похоже на поведение исследователя при создании теории, дальнейшее экспериментирование – необходимо для прояснения некоторых аспектов теории.

Выбор необходимых высказываний о предметной области, которые должны быть записаны в концептуальной схеме, в известной степени произволен. Определении границы концептуальной схемы производится на базе системного анализа различных факторов. Анализируются различия между предложениями, выражающими общие законы и правила, которым должны подчиняться возможные сущности в предметной области, и предложения, устанавливающие факты о конкретных сущностях в предметной области в соответствии с законами и правилами, описываемыми в концептуальной схеме. Такое разделение определяется практическими соображениями по вопросам проектирования и сопровождения АИС, так как некоторые предложения являются обобщениями, а другие несут информацию о деталях. Обобщениями являются:

-описание классов (типов) сущностей в предметной области (а не отдельных экземпляров);

-описание понятий, менее подверженных изменению;

-правила или ограничения, имеющие широкое воздействие на поведение предметной области.

Принцип концептуализации требует, чтобы концептуальная схема включала в себя только и исключительно концептуальные аспекты предметной области. Аспекты и конструкции, относящиеся к другим компонентам или свойствам АИС не должны входить в концептуальную схему.

5.15 Основные модели данных.

Способ отображения сущностей, атрибутов и связей на структуры данных определяется моделью данных. Существуют 4 основные модели данных – списки, реляционные базы данных, иерархические и сетевые структуры.

Рассмотрим их подробнее.

Самый простой тип – это список – структура данных в виде линейной последовательности. Древовидные иерархические структуры широко используются в повседневной человеческой деятельности. В графической диаграмме схемы базы данных вершина графа используется для интерпретации типов сущностей, а дуги – для интерпретации типов связей между типами сущностей.

Основными внутренними ограничениями иерархической модели данных являются следующие:

–все типы связей должны быть функциональными, т.е. 1:1, 1:М, М:1;

–структура связей должна быть древовидной.

Иерархическая древовидная структура, ориентированная от корня, удовлетворяет следующим условиям:

–иерархия всегда начинается с корневого узла;

–на первом уровне иерархии может находиться только корневой узел;

–на нижних уровнях находятся порожденные узлы;

–каждый исходный узел может иметь один или несколько непосредственно порожденных узлов, называемых подобными;

–доступ к каждому порожденному узлу выполняется через его непосредственно исходный узел;

–существует единственный иерархический путь доступа к узлу начиная от корня дерева.

Другими словами, иерархическая модель представления знаний (или дерево) – структура данных, в которой каждый узел имеет только одного “родителя”, т.е. господствующий узел и неограниченное количество “потомков”, т.е. узлов, над которыми данный узел господствует.

Сетевые модели данных также базируются на использовании графовой формы представления данных. Вершины графа используются для интерпретации типов сущностей, а дуги – типов связей. Сетевая модель представления знаний – структура данных, в которой каждый объект, в отличие от иерархического представления, может иметь более одного господствующего узла.

В 70-х годах начали активно проводиться теоретические исследования реляционной модели данных. С появлением персональных ЭВМ реляционные модели стали доминировать на рынке информационных

систем. Реляционное представление знаний – представление знаний в виде отношений.

В соответствии с реляционной моделью данных данные представляются в виде совокупности таблиц, над которыми могут выполняться операции,

формулируемые в терминах реляционной алгебры или реляционного исчисления

5.16 Системы БД.

Система баз данных – это компьютеризированная система хранения записей, т.е. компьютеризированная система, основное назначение которой – хранить информацию, предоставляя пользователям средства ее извлечения и модификации. К информации может относиться все, что заслуживает внимания отдельного пользователя или организации, использующей систему.

В состав системы баз данных входит четыре главных компонента:

данные

аппаратное обеспечение

программное обеспечение

пользователи

Данные. СБД бывают однопользовательские и многопользовательские.

Однопользовательская система – это система, к которой одновременно к базе данных может получить доступ не более одного пользователя.

Многопользовательская система – это система, в которой к базе данных могут получить доступ сразу несколько пользователей.

Основная задача большинства многопользовательских систем – позволить каждому отдельному пользователю работать с ней так, как он мог бы работать с однопользовательской системой. Различия между двумя видами систем проявляются в их внутренней структуре, и поэтому практически не видны конечному пользователю. В общем случае данные в базе данных являются интегрированными и разделяемыми.

Под понятием интегрированности подразумевается возможность представить базу данных как объединение нескольких отдельных файлов данных. полностью или частично исключающие избыточность хранения информации.

Под понятием разделяемости данных подразумевается возможность использования отдельных элементов, хранимых в базе данных несколькими различными пользователями. Имеется в виду, что каждый из пользователей сможет получить доступ к одному и тому же элементу данных, возможно, для достижения разных целей.

Аппаратное обеспечение. К аппаратному обеспечению системы относится следующее:

тома вторичной (внешней) памяти, используемые для хранения информации, а также соответствующие устройства ввода вывода. контроллеры устройств, каналы ввода-вывода и т.д.

Между собственно физической базой данных и пользователями системы располагается уровень программного обеспечения – СУБД.

Все запросы пользователей на доступ к базу данных обрабатываются СУБД. Все имеющиеся средства добавления файлов или таблиц, выборки и обновления данных в этих файлах или таблицах также предоставляет СУБД. Основная задача СУБД – предоставить пользователю БД возможность работать с ней, не вникая в детали на уровне аппаратного обеспечения.

Пользователей можно разделить на три большие и отчасти перекрывающиеся группы:

Прикладные программисты, которые отвечают за написание прикладных программ, использующих БД

Конечные пользователи, которые работают с системой баз данных непосредственно через рабочую станцию или терминал.

Администраторы БД

5.17 Концепция БД.

Первоначально (начало 60-х годов) использовалась файловая система хранения. Для решения преимущественно инженерных задач, характеризующихся

небольшим количеством данных и значительным объемом вычислений, данные хранились непосредственно в программе. Применялся последовательный способ организации данных, имелась их высокая избыточность, идентичность логической и физической структур и полная зависимость данных. С появлением экономико-управленческих задач (информационная система руководства - MIS), отличающихся большими объемами данных и малой долей вычислений, указанная организация данных оказалась неэффективной. Требовалось упорядочение данных, которое, как выяснилось, возможно было проводить по двум критериям: использование (информационные массивы); хранение (базы данных). Первоначально применяли информационные массивы, но вскоре стало ясно превосходство баз данных. Использование файлов для хранения только данных было предложено Мак Гри в 1959 году. Были разработаны методы доступа (в том числе произвольного) к таким файлам, при этом физическая и логическая структуры уже различались, а физическое расположение данных можно было менять без изменения логического представления.

В 1963 году С. Бахманом была построена первая промышленная база данных IDS с сетевой моделью данных, которая все еще характеризовалась избыточностью данных и их использованием только для одного приложения. Доступ к данным осуществлялся с помощью соответствующего программного обеспечения. В 1969 году сформировалась группа, создавшая набор стандартов CODASYL для сетевой модели данных.

Фактически начала использоваться современная архитектура базы данных. Под архитектурой понимается разновидность (обобщение) структуры, в которой какой-либо элемент может быть заменен на другой элемент, характеристики входов и выходов которого идентичны первому элементу. Существенный скачок в развитии технологии баз данных дала предложенная М. Коддом в 1970 году парадигма реляционной модели данных. Под парадигмой понимается научная теория, воплощенная в систему понятий, отражающих существенные черты действительности. Теперь логические структуры могли быть получены из одних и тех же физических данных, т.е. доступ к одним и тем же физическим данным мог осуществляться различными приложениями по разным путям. Стало возможным обеспечение целостности и независимости данных.

В конце 70-х годов появились современные СУБД, обеспечивающие физическую и логическую независимость, безопасность данных, обладающие развитыми языками БД. Последнее десятилетие характеризуется появлением распределенных и объектно-ориентированных баз данных, характеристики которых определяются приложениями средств автоматизации проектирования и интеллектуализации БД.

Прежде чем рассматривать процедуры работы с базой данных, дадим набор характеристик БД и пояснения к нему.

Существует два подхода к построению БД, базирующихся на двух подходах к созданию автоматизированной системы управления (АСУ).