Информационные системы. Лекции

71

Концептуальный уровень соответствует описанию предметной области в це- лом, т.е. определяет объекты, их характеристики и отношения, представляющие инте- рес для всех приложений. Концептуальная схема отражает семантическое восприятие информационного содержания БД обо всей отображаемой предметной области.

Внутренний уровень определяет данные, представляющие интерес для проек- тирования и эксплуатации системы. Он охватывает логический и физический уровни. Логический уровень описывается посредством внутренней схемы, которая определяет различные типы хранимых записей, представления хранимых полей, последователь- ность полей и т.д. Физический уровень соответствует схеме организации данных в сре- де запоминания и хранения.

Для описания данных и связей между ними на каждом уровне абстракции ис- пользуется такое средство абстракции как модель. Существует множество моделей, от- ражающих различные аспекты реального мира: физические, позволяющие понять фи- зические свойства, математические, представляющие собой абстрактное описание мира с помощью математических знаков. Модель данных позволяет увидеть информацион- ное содержание (семантику) данных.

Процесс функционирования фактографических БнД состоит в следующем:

при вводе данных

-сбор данных о предметной области;

-структурирование отобранных данных в соответствии с требованиями СУБД (перевод данных на язык СУБД);

-ввод данных;

-обработка данных;

при обработке и поиске информации

-формулирование запроса на обработку информации на ЕЯ;

-перевод запроса на язык СУБД;

-ввод запроса;

-поиск и обработка информации;

-формирование выходной продукции.

Упрощенная схема взаимодействия пользователя с интегрированной АИС включает средства обработки документальной информации (ПС), фактографической информации (СУБД) и пакет прикладных программ (ППП) для решения пользователь- ских задач.

Предметная область ФИПС

Понятие предметной области

Каждая ФИПС ориентирована на выполнение определенных задач и функций в соответствующей области функционирования организационной системы. Сфера функ- ционирования организационной системы, о которой необходимо хранить информацию в базе данных ФИПС носит название предметной области (ПО) БД ФИПС. База дан- ных, являющаяся основной составляющей ФИПС, представляет собой, с этой точки

72

зрения, динамическую модель ПО, состояния которой адекватно отображают динамику изменений самой ПО. Для построения модели ПО, отображающей динамику самой ПО,

используются понятия объект, свойство, связь, время, т.е. ПО рассматривается как Некоторая

объектная система.

Объект - это то, о чем в системе должна накапливаться информация. Синони- мами термина " объект" служат слова "реалия", "сущность". Объекты могут иметь ма- териальную и нематериальную природу. Примеры объектов - студент, дисциплина, преподаватель, кафедра. Выбор объектов производится в соответствии с целевым на- значением системы. Совокупность объектов ПО образует её объектное ядро. С точки зрения приложений одни объекты считаются простыми, элементарными, неделимыми атомарными, бесструктурными; другие - сложными, составными, имеющими опреде- лённый состав и структуру. Каждый объект в конкретный момент времени характери- зуется определённым состоянием. Это состояние описывается с помощью ограничен- ного набора свойств и связей (отношений) с другими объектами.

Под свойством понимается некоторая характеристика объекта, позволяющая установить его сходство и различие по отношению к другим объектам. Различают ин- дивидуальные и общие свойства объекта. Первые присущи лишь единичным экземпля- рам объекта. Такими свойствами отличаются друг от друга, например, товары одного наименования. Общие свойства характерны целому классу объектов. Важными являют- ся свойства объекта, по которым его можно идентифицировать в модели ПО.

Под отношением понимается форма связи между объектами. Различают внеш- ние и внутренние отношения. Внешние отношения отражают связи между объектами, не затрагивая при этом их внутренние связи. Внутренние отношения выявляют свойст- ва объектов или обуславливают их зависимость от данного отношения.

Использование времени в качестве одной из основных составляющих объектной системы позволяет строить динамические модели ПО, в которых отражается зависи- мость от времени состояний системы.

Описание предметной области

Информацию о состоянии объектной системы можно получить путем регистра- ции отдельных фактов, относящихся к тем или иным процессам и/или явлениям. Опи- сание ПО осуществляется через символическое представление этих фактов. При этом фактам ставят в соответствие данные, описанные посредством конкретных языковых средств.

Данные об одних и тех же фактах в различных приложениях ФИПС могут иметь различные представления, т.е. форму выражения знаний о ПО. Это определяется тем, что видение одних и тех же совокупностей фактов в различных приложениях, опреде- ляемое спецификой решаемых задач, может быть различным.

Одна из основных задач проектирования АИС заключается в построении таких представлений, которые позволили бы описывать широкий класс ПО и могли бы быть эффективно использованы для решения прикладных задач.

73

Поскольку БД создается для пользователей ФИПС, все пользователи должны понимать язык описания ПО. Общедоступным является описание на естественном язы- ке (Е.Я.). При этом достаточно использовать предложения Е.Я., позволяющие одно- значно именовать объекты и формулировать утверждения о том, что они обладают не- которыми свойствами, либо о том, что конкретные объекты находятся в определенных взаимоотношениях. Поскольку БД представляет собой описание состояния ПО на фор- мальном языке, всегда предполагается, что соотнесение представления объектов в БД их реальным прообразам достигается только через описание состояния ПО на Е.Я.

Введение формального языка приводит к необходимости однозначного перевода описания на одном языке в описание на другом языке и к необходимости их эквива- лентной интерпретации (рис.4). Данное требование достигается введением абстрактных состояний ПО, определяемых формально и служащих однозначной интерпретацией описания состояния как на Е.Я., так и на формальном языке.

Рис. 4. Схема эквивалентной интерпретации описания ПО на естественном и формальном языках

Описание на естественном и формальном языках эквивалентны, если одно из

них является результатом перевода другого и если их интерпретацией служит одно и то же абстрактное состояние.

Произвольный формальный язык, используемый для описания ПО, базируется на конкретном наборе первичных понятий, в терминах которых формулируется описа- ние. Универсальность формального языка обеспечивается высокой общностью, абст- рактностью системы базисных понятий и правил порождения новых понятий, допус- кающих интерпретацию в любой ПО. В силу своей абстрактности такие средства опи- сания стали называться концептуальными. В теории БД проблема описания ПО тракту- ется как концептуальное моделирование ПО. Центральным понятием является понятие концептуальной схемы (модели) ПО.

Развитие исследований в области БД привело к появлению ряда языков описа- ния состояния ПО, каждый из которых обладает тем или иным понятийным базисом. Как правило, используемая в них система понятий, отражает специфику подхода к мо- делированию внешнего мира, принятого в языке.

Применительно к некоторым областям гуманитарного исследования, например исторического, понятие ПО, ее описание и моделирование имеет определенную специ- фику. Выше дано определение ПО как результат целенаправленного отражения фраг-

75

сти.

Структуры данных

Способы структуризации данных Одним из основных способов структуризации данных является использование

абстракций. Абстракция позволяет облегчить и улучшить процесс понимания сложных

предметов путем сосредоточения внимания только на их существенных свойствах и связях. В моделировании данных абстракция используется для образования категорий данных.

При структуризации данных применяются два типа абстракции: обобщение и агрегация. Обобщение позволяет трактовать класс подобных различных объектов как один поименованный обобщённый тип объекта. В обобщении подчеркивается общая природа объектов. В случае многоуровневой иерархии обобщений структура обобще- ния образует родовую иерархию, что приводит к появлению понятий родовой и видо- вой сущности. Пример иерархии обобщений приведен на рис. 5.

Рис. 5. Пример иерархии обобщений

Агрегация позволяет рассмотреть связь между элементами данных, как новый элемент более высокого уровня. Например, связь между сущностями СТУДЕНТ, ДИСЦИПЛИНА, ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, ОЦЕНКА, имеющая смысловое описание "сту- дент по фамилии _____получил на экзамене по дисциплине ____ у преподавателя по фамилии ____оценку____", может быть представлена агрегатированным элементом -

ЭКЗАМЕН :

На основе обобщения и агрегации можно из одних категорий строить другие бо- лее общие, что активно используется в различных МД.

Схема структуры данных Каждый класс МД использует определенный набор типов структур данных для

изображения объектов, их свойств и взаимосвязей. Типы структур данных обычно та-

76

ковы, что структура одного типа формируется путём агрегации или обобщения из структур других типов. Определение структуры данных некоторого типа на формали- зованном языке называется её схемой. Схема задаёт совокупность свойств, соответст- вующих данному типу структуры. Реализацией схемы является конкретная структура данных соответствующего типа. Правила композиции схемы и правила генерации реа- лизации схемы регламентируются языком описания данных (ЯОД), на котором и зада- ются схемы структур данных.

Типы структур данных Современные ФИПС используют несколько разных типов структур данных, ка-

ждый из которых ориентирован на формализованное представление данных опреде- ленных предметных областей. Именно многообразие ПО приводит к необходимости создания соответствующих им структур данных, наиболее адекватно передающих их специфику, в идеале для каждой ПО необходимо создание своей собственной модели данных и, соответственно, структур данных. Однако за созданием модели данных сле- дует этап логического моделирования БД, а затем и физической реализации БнД на ЭВМ, что предполагает разработку соответствующего программного обеспечения.

Разработка программных средств реализации БнД с учетом специфики каждой ПО и, следовательно, структуры ее данных - слишком дорогое "удовольствие". С этой точки зрения наиболее желательно иметь одну программную среду, реализующую одну универсальную структуру данных. Компромисс находится посередине. На практике используют структуры данных трех наиболее распространенных типов.

Наиболее простая и в то же время самая распространенная в использовании -

плоская структура данных.

Плоская структура данных включает следующие составляющие (рис. 6):

-поле - наименьшая поименованная единица данных;

-запись - поименованная совокупность полей;

-файл - поименованная совокупность экземпляров записей;

-набор файлов - поименованная совокупность файлов, обрабатываемых систе-

мой.

Рис.6. Плоская структура данных

Операции над данными

Операции над данными - допустимые действия над некоторой реализацией БД для перевода её из одного состояния в другое. Динамические свойства модели данных определены множеством операций над данными.

Любая операция над данными включает в себя две компоненты: селекцию и действие. Селекция определяет критерий отбора данных, над которыми должно быть произведено действие. Действие определяет характер операции.

Селекция может быть выполнена разными способами: с использованием логиче-

77

ской позиции данного, значений данного, связей между данными или комбинацией указанных способов.

Действие в МД обычно выражается одной из следующих операций:

-идентификация данного и нахождение его позиции в БД;

-выборка данных из БД;

-вю1ючение(добавление) новых данный в БД;

-удаление данных из БД.

Существенный признак, по которому различают операции, определяется спосо- бом получения результата. По этому признаку выделяют навигационные и специфика- ционные операции. Операцию называют навигационной, если её результат получается путём прохождения по связям, реализованным в структуре БД. Результат её выполне- ния представлен единичным объектом БД, например, значением атрибута. Если в опе- рации определяются только требования к результату, но не задаётся способ его получе- ния, то такие операции называют спецификационными. Данные операции могут спе- цифицировать новую структуру, определяемую на структуре БД. Ей в общем случае соответствует множество объектов, существующих в БД.

Рассмотренные выше процедуры выполняются по схеме "селекция-действие". Однако существуют и другие операции, выполняемые по другим схемам и реализую- щие более сложные функции, например, функцию поддержания целостности. Такие обобщённые операции над БД называют процедурами БД. Это механизм изменения со- стояния БД, обладающий высокой общностью. Процедура рассматривается как единая макрооперация. Использование процедур позволяет существенно расширить динамиче- ские свойства МД.

Здесь рассмотрены только общие аспекты реализации операций над данными,

поскольку множество операций над данными и характер их реализации определяется конкретной моделью данных. При рассмотрении конкретных моделей будут проанали- зированы и их возможности по обработке данных.

Ограничения целостности

Логические ограничения, накладываемые на данные, называются ограничениями целостности. Они вместе со схемой структур данных отражают свойства данных.

Ограничения вводятся в МД в целях повышения её семантичности и связанной с этим адекватностью отражения реального мира в модели, а также для расширения возмож- ностей поддержания целостности данных, т.е. обеспечения непротиворечивости дан- ных заданным ограничениям при переводе БД из одного состояния в другое.

МД поддерживают два вида ограничений целостности: внутренние и явные. Внутренние ограничения целостности интегрированы со структурами. Они представ-

лены правилами композиции допустимых структур данных и в конкретной схеме БД находят своё отражение в структурных спецификациях и правилах выполнения опера- ций. Например, иерархическим присуще внутреннее ограничение: связи между данны- ми должны иметь иерархическую, древовидную структуру.

СУБД проверяет непротиворечивость системы ограничений и при своём функ-

78

ционировании обеспечивает целостность данных в БД по отношению к заданным огра- ничениям.