4. Процесс проектирования бд

Эффективность современных информационных систем (ИС) в сфере управления во многом определяется результатом проектирования базы данных, являющейся информационной моделью предметной об­ласти (ПрО). Традиционно процесс проектирования баз данных включа­ет три этапа:

1. Концептуальное проектирование, в результате которого собранные требования к данным ПрО анализируются и оформляются в виде кон­цептуальной информационной модели предметной области (КИМПО);

2. Выбор СУБД, в среде которой физически будет реализована база данных;

3. Проектирование физической структуры БД, при котором концеп­туальная схема БД преобразуется во внутреннюю схему БД, решаются вопросы физического размещения и организации эффективного доступа к БД.

Последние 2 этапа проектирования, как правило, не представляют сложностей для их выполнения. Так, выбор СУБД зависит от известных факторов, выполнение которых позволит удовлетворить основным тре­бованиям создаваемого проекта ИС. После того, как был принято реше­ние об использовании выбранной СУБД, этап физического проектиро­вания БД благодаря существованию современных CASE-средств полно­стью автоматизирован и не требует непосредственного участия челове­ка. В отличие от последних этапов, концептуальное проектирование традиционно представляет собой сложный процесс, плохо поддающий­ся формализации, отсутствуют готовые рецепты в «приготовлении» КИМПО для сложной ПрО, к числу которых относятся и вузы. Поэтому этот процесс рассматривается как своего рода искусство [11].

Любая методика проектирования схемы БД определяется:

] процедурой - последовательностью действий формирования модели ПрО;

] моделью данных (понятиями и нотацией) - язык, на котором будет описана полученная модель ПрО.

Далее рассмотрим каждый этап процесса проектирования БД в со­ответствии с этим определением.

4.1. Построение концептуальной информационной модели ПрО

4.1.1. Основные подходы для концептуального моделирования

На сегодняшний день существует ряд методик построения концеп­туальной схемы данных ПрО. В зависимости от основного используе­мого метода (анализа или синтеза), к которому они сводятся, можно вы­делить следующие подходы к концептуальному проектированию: де­композиционный и интеграционный. Оба эти подхода позволяют по­строить концептуальную схему данных в виде объектов ПрО и связей между ними. Однако использование только одного из подходов не дает гарантии выявления полного перечня типов объектов ПрО. Далее опи­шем каждый подход и его применение для концептуального проектиро­вания.

4.1.1.1. Декомпозиционный подход

Декомпозиционный подход базируется на системном анализе ПрО и предполагает последовательное, многоуровневое разбиение модели­руемой системы на подсистемы до тех пор, пока не станет очевидным информационное поле составных частей. Это позволяет учесть не толь­ко существующие, но и будущие потребности. Главным недостатком такого подхода является сложность его реализации (необходимо актив­ное участие руководителей различных уровней). Успех и значение де­композиционного метода состоит не только и не столько в том, что сложное целое расчленяется на все менее сложные и, в конечном счете, простые части, а в том, что, будучи соединены надлежащим образом, эти части снова образуют единое целое. В результате последовательная декомпозиция системы на подсистемы приводит к формированию ие­рархической древовидной структуры [12].

Для проведения декомпозиции необходимо сформировать сово­купность оснований декомпозиции - стандартных моделей, учитываю­щих специфику ПрО, - и определить порядок их использования. Высо­кий уровень абстрактности этих моделей позволяет использовать их для любых типов систем, причем для описания различных аспектов систем. Однако, чтобы применить формальную модель к рассматриваемой сис­теме, необходимо придать ей конкретное содержание, т.е. решить, какие аспекты реальной системы включать как элементы модели избранного типа, а какие нет, считая их несущественными.

Для выявления основных типов объектов ПрО предлагается ис­пользовать методику декомпозиции целей, описанную в [13] для приме­нения в системах организационного управления (система управления, объектом которой являются коллективы людей). В соответствии с мето­дикой после формулирования глобальной цели системы определяются основания декомпозиции глобальной цели на подцели, которые, как правило, являются неэлементарными, и последующие этапы связаны с их дальнейшей декомпозицией с использованием выявленных основа­ний в качестве соответствующих классификаторов. Для каждой итера­ции процедуры декомпозиции необходимо определять основные разде­лы требований и уточнение полученных в результате предыдущих эта­пов требований с учетом интерпретации оснований декомпозиции. Ос­новная проблема использования выбранной методики состоит в нетри­виальности интерпретации типовых оснований декомпозиции к рас­сматриваемой ПрО.

Системный анализ позволяет проводить анализ проблем управле­ния большими и сложными системами. Система представляет собой ко­нечное множество связей и отношений, выделенных из среды по при­знаку их причастности к конечному продукту деятельности системы. Система с очень большим числом подсистем и элементов разнообраз­ной природы называется большой, а система с непредсказуемым пове­дением - сложной. К числу больших и сложных систем относятся большинство оргсистем. Системный подход позволяет упорядочить ис­ходную информацию о сложной системе, понизить уровень ее сложно­сти, неопределенности, осуществить решение задач проектирования и управления сложными по отношению к интеллектуальным возможно­стям человека объектами.

Важнейшим понятием системного подхода является цель - долго­срочный желаемый результат, недостижимый за рассматриваемый про­межуток времени, но доступный в будущем. Сформулировать цель зна­чит определить тот конечный результат, ради которого создается и дей­ствует система. Для формулирования глобальной цели системы, пред­ставления ее как системы подцелей разного уровня, имеющих более конкретный характер, необходимо осуществить системную декомпози­цию глобальной цели, результатом которой является построение дерева целей и функций.

Методика построения дерева целей и функций [14] предназначена для анализа оргсистем и основана на следующих положениях: —1 использование принципа декомпозиции; —1 использование достаточно общих оснований декомпозиции; —1 использование некоторых дополнительных принципов и ограниче­ний.

Иерархическая многоуровневая структура целей и функций являет­ся прямым результатом использования принципа декомпозиции в про­цессе структуризации целей системы. Разбиение цели i-ro уровня на подцели (i+l)-ro уровня осуществляется путем использования стандарт­ных оснований декомпозиции - стандартных моделей системного ана­лиза, описывающих инвариантные характеристики сложных систем, и определения порядка их использования. Высокий уровень абстрактно­сти этих моделей позволяет использовать их для любых типов систем, причем для описания различных аспектов систем. Однако, чтобы при­менить формальную модель к рассматриваемой системе, необходимо придать ей конкретное содержание, т.е. решить, какие аспекты реальной системы включать как элементы модели избранного типа, а какие нет, считая их несущественными.

К числу дополнительных принципов и ограничений для построения ДЦФ относятся:

—1 принцип полноты - достижение совокупности возникающих при декомпозиции целей должно быть достаточным условием для достиже­ния глобальной цели;

—1 принцип суперпозиции целей - цели одного уровня дерева должны быть относительно независимыми, для того чтобы цель любого уровня являлась аддитивной суммой входящих в нее подцелей; —1 принцип конечности декомпозиции - алгоритм декомпозиции дол­жен завершать свою работу за конечное число шагов, а результатом его работы должно быть конечное дерево.

Принцип полноты учитывается, если в ДЦФ все цели являются су­щественными, т.е. без достижения существенной цели невозможно дос­тижение цели более высокого уровня ДЦФ, тем самым из ДЦФ исклю­чаются несущественные цели. Принцип конечности выполняется, когда при достижении элементарной цели процесс декомпозиции прекращает­ся, т.е. на основе имеющейся информации и опыта элементарная цель может считаться заведомо достижимой.

Далее необходимо выяснить, какие стандартные модели как осно­вания декомпозиции предлагает использовать методика построения ДЦФ. Для декомпозиции глобальной цели оргсистемы при соблюдении описанных выше основных положений и принципов используются ба­зовые модели системного анализа, к числу которых относятся также модель черного ящика, модель состава системы и модель структуры (рис. 4.1). Эти виды моделей широко используются для формирования моделей организаций. Например, модель черного ящика используется для описания взаимодействия организации с окружающей средой. Мо­дель состава используются для отображения состава функций организа­ции, целей, задач, персонала и т.д. Модель структуры используется для отображения структуры подчиненности в организации, коммуникаци­

онных взаимодействий и т.д. Указанные виды моделей систем исполь­зуются чаще всего в статическом варианте, но они также могут исполь­зоваться и в динамическом варианте [12]

Модели на уровне

Структуры

состава

ВХОДОВ-ВЫХОДОВ

О	о
о	о

О о	о
о	о

Сис­тема

Л

О

Модель состава

Модель структуры

Модель черного ящика

Рис. 4.1. Базовые модели системного анализа

Поскольку оргсистемы, как правило, являются большими и слож­ными, их выходы - конечные продукты деятельности - отличаются значительным разнообразием и составляют следующий классификатор:

• материальная продукция;

• энергия;

• информация;

• кадры;

• финансы.

Информационные и ресурсные входы любой оргсистемы опреде­ляются ее взаимодействиями с системами целеполагания (рис. 4.2), к числу которых относятся:

• вышестоящие системы - формирующие глобальную цель и основ­ные требования к конечному продукту деятельности системы;

• нижестоящие (подведомственные) системы - возможности которых определяют объем и качество конечного продукта, при этом их объективные потребности должны своевременно удовлетворяться исследуемой системой;

• актуальная среда - объединяющая в себе системы, которые потреб­ляют конечные продукты деятельности исследуемой системы и, следовательно, предъявляют основные требования как к количест­ву, так и к качеству конечных продуктов.

Рис. 4.2. Модель взаимодействия системы с системами окружающей среды

Цели, требования и ограничения перечисленных типов систем, а также собственные цели исследуемой системы и образуют основные классы входных воздействий на исследуемую систему.

В совокупности целеполагагающие системы как входы и классифи­катор конечных продуктов как выходы составляют модель черного ящика исследуемой системы.

Далее рассмотрим «внутреннее содержание» (структуру) иссле­дуемой системы. Основными элементами любой оргсистемы, как из­вестно, являются субъект деятельности, объект деятельности и средства деятельности (рис. 4.3). Субъект деятельности (кадры - К) - человек, который осуществляется производство конечных продуктов. Объект деятельности (предметы труда - ПД) - собственно конечные продукты, их составляющие либо промежуточные объекты, являющиеся объекта­ми преобразования. Средства деятельности (СД) - средства, с помощью которых обеспечивается выполнение этапов жизненного цикла конеч­ных продуктов.

		ПД
Ресурсы —►				—► КП
	сд		к

Рис. 4.3. Модель состава оргсистемы

Кроме того, необходимо выявить взаимодействие элементов струк­туры оргсистемы по достижению намеченных целей, сделать описание того, как достичь конечных результатов. Так как действия по производ­ству конечных продуктов осуществляется в процессе деятельности, то модель структуры представляет собой модель процесса и опирается на модель жизненного цикла деятельности по производству конечных продуктов, представленную на рис. 4.4. Для получения любого КП сис­темы, необходимо осуществить его жизненный цикл, состоящий из сле­дующих этапов: выявление потребности в КП, обеспечение производст­ва КП и его потребления.

Выявление по­	—►	Производство	—►	Потребление
требности в КП		КП		КП

Рис. 4.4. Модель жизненного цикла конечного продукта

Перечисленных стандартных моделей и соответствующих им осно­ваний декомпозиции достаточно для построения ДЦФ оргсистемы. Де­тальность такого дерева определяется полнотой соответствующих клас­сификаторов. Представленная в дереве совокупность целей дает при этом полное описание того, что должно быть достигнуто в результате деятельности системы. Эта структура инвариантна оргсистеме и дает наглядное представление об алгоритме построения ДЦФ для конкрет­ной системы.

Ниже рассмотрим применение описанной методики построения ДЦФ для исследуемой системы вуз.

1. Построение ДЦФ начинается с формулирования глобальной цели ис­следуемой системы. Глобальная цель описывает конечный продукт дея­тельности системы в наиболее общей, качественной форме, удобной для последующей декомпозиции. Для любого вуза глобальной целью, по- видимому, является обеспечение подготовки специалистов с высшим образованием, научных кадров в различных областях знаний, проведе­ние фундаментальных и прикладных научных исследований, а также распространения знаний среди населения (повышения квалификации, образовательные курсы).

2. Далее производим построения ДЦФ, производя интерпретацию опи­санных в методике стандартных моделей и соответствующих им осно­ваний декомпозиции.

2.1. Принимая во внимание представленный в методике классифи­катор конечных продуктов, выделяем конечные продукты деятельности вуза как системы:

• Специалисты различной квалификации

• Ученые

• Фундаментальные и прикладные знания

• Изобретения (результаты интеллектуальной деятельности)

Перечисленный состав конечных продуктов выделен по признакам

существенности для вуза в настоящее время. Естественно, что каждый из перечисленных классов может быть подвергнут дальнейшей деком­позиции. Так специалисты могут разделены по уровням квалификации (бакалавры, магистры), по профилям обучения (гуманитарные, техниче­ские), по специальностям и т.д. В такой детализации, однако, нет необ­ходимости при построении ДЦФ для выявления основных типов объек­тов ПрО ввиду отсутствия существенных различий в технологии подго­товки специалистов.

2.2. К системам целеполагания, которые взаимодействуют с вузом как с системой, относятся:

• органы управления ВПО (Федеральное агентство по образования, Министерство образования и науки) - в качестве вышестоящей сис­темы, определяющей основные требования к конечным продуктам вуза;

• предприятия (как «заказчики» конечных продуктов) и собственно население (потребности которого удовлетворяются вузом) - в качест­ве подведомственных систем;

• население (как потребители конечных продуктов) - в качестве ак­туальной среды.

Если на этих первых этапах предлагаемые методикой основания соответствовали требованиям рассматриваемой ПрО, то на последних этапах необходимо применить усилия для интерпретации типовых ос­нований декомпозиции в условиях исследуемой системы.

3. Определяем основные разделы требований выявленных систем, ока­зывающих влияние на вуз, к его конечным продуктам.

   1. Уточнение требований целесообразно осуществить в соответствии с этапами жизненного цикла производства КП: выявление потребности в КП - производство КП - потребление (использование) КП.

   2. Дополнительное уточнение требований, сформулированных на предыдущем этапе предлагается провести с учетом элементов, участ­вующих в производстве конечного продукта и отношением между ни­ми: средства труда - предметы труда - кадры.

Далее для рассматриваемой ПрО в соответствии с методикой при­водим интерпретацию требований, выявленных для вышестоящей сис­темы, к конечному продукту - специалистам, выпускаемых вузом.

• Выявление потребности - обеспечение возможности получения высшего образования.

о Предмет труда:

• абитуриент, желающий получить высшее образование;

• документ, подтверждающий полученные им необходимые зна­ния (аттестат, диплом).

о Средства труда:

• абитуриент (с помощью своих знаний);

• денежные средства (для платного обучения), о Кадры:

• приемная комиссия.

• Производство КП - подготовка дипломированного специалиста (обучение населения для получения высшего образования).

о Предмет труда:

• студент, получающий высшее образование, о Средства труда:

• преподаватель (с помощью своих знаний);

• оборудование;

• учебная литература; о Кадры:

• преподаватель.

• Потребление КП - выпуск специалиста, о Предмет труда:

• Выпускник-специалист, получивший высшее образование;

• диплом.

о Средства труда:

• студент (с помощью своих знаний), о Кадры:

• государственная аттестационная комиссия.

В результате использования методики построения ДЦФ, руково­дствуясь принципами элементарности и существенности целей и функ­ций, уже при декомпозиции на 3-ем уровне выявляются следующие ти­пы объектов ПрО:

w Абитуриент w Студент w Выпускник ш Преподаватель w Документ w Оборудование w Литература

Каждый объект имеет собственные характеристики-свойства, кото­рые в дальнейшем будут определены.

Несмотря на принцип полноты, который утверждается декомпози­ционным подходом, этот процесс не может гарантировать абсолютную полноту анализа, т.к. необходимо придерживаться принципа сущест­венности: в модель включаются только компоненты, существенные по отношению к целям анализа. К тому же с течением времени необходимо развитие информационной модели, что является нетривиальным для де­композиционного подхода. Далее для дополнения типов объектов вуза рассмотрим применение интеграционного подхода.