8.2. Банки даних
Найбільш високою формою організації інформаційного забезпечення для великих систем є банки даних, що являють собою сукупністю засобів для централізованого накопичення і колективного використання даних у САПР. Банк даних є проблемно-орієнтованою інформаційно-довідковою системою, яка забезпечує введення необхідної інформації, автономно від завдань ведення і збереження інформаційних масивів та видачу необхідної інформації за запитом користувача або програми. Банк даних може бути визначений як система програмних, мовних, організаційних і технічних засобів призначених для зберігання і багатоцільового використання інформації.
Банки даних повинні забезпечувати:
скорочення часу пошуку даних;
багатократність використання даних;
простоту і зручність звернення до даних користувачів;
достовірність зберігання даних.
Основними частинами банку даних є база даних (БД), що являє собою систематизовані взаємозв’язані сукупності даних і систему управління базами даних (СУБД), що забезпечує необхідні маніпуляції з інформаційними масивами. Дані, які можуть використовуватися при функціонуванні САПР або є результатом її роботи утворюють БД системи.
База даних – це самі дані, що знаходяться у запам’ятовуючих пристроях ЕОМ і структуровані відповідно до прийнятих у даному банку даних правил.
Система управління базами даних сукупність програмних засобів, що забезпечують функціонування банку даних. За допомогою СУБД проводиться запис даних в БД, їх вибірка по запитах користувачів і прикладних програм, забезпечується захист даних від спотворень і несанкціонованого доступу і т.п. Файли даних найчастіше спеціально створюються для використання конкретними програмами (підпрограмами), які реалізують введення даних з файлу у певній послідовності.
До недоліків розміщення даних певних предметних САПР у файлах даних можна віднести наступні.
Надмірність даних. Деякі елементи даних, що необхідні для САПР використовуються в багатьох прикладних програмах. Оскільки дані потрібні декільком прикладним програмам вони часто записуються в декілька файлів, при цьому одні і ті ж дані зберігаються в різних місцях. Таке положення називають надмірністю даних. Воно робить проблематичним забезпечення несуперечності даних і обумовлює недолік складність в управлінні. Проблеми несуперечності даних. Однією з причин порушення несуперечності даних є їх надмірність, що пов’язана зі зберіганням однієї і тієї ж інформації в декількох місцях. При необхідності оновлення інформації її потрібно змінити у всіх файлах. У результаті про один і той же об’єкт наочної області в різних місцях зберігається різна інформація.
Обмеження по доступності даних. У сучасних умовах особа з відповідними правами доступу повинна мати можливість одержати дані за прийнятний відрізок часу. Якщо ж дані містяться в різних файлах доступність даних, що утворені з цих файлів обмежена.
Для вирішення вищезгаданих проблем були розроблені системи з базами даних, що є сукупністю спеціально організованих даних розрахованих на застосування у великій кількості прикладних про грам конкретної наочної області робота з якими забезпечується спеціальним пакетом прикладних програм системою управління базами даних з метою створення масивів даних, їх оновлення іотримання довідок.Основна відмінність БД від файлу даних полягає в тому, що файл даних може мати декілька призначень, але відповідає одному уявленню про збережені дані, БД також має декілька призначень, але відповідає різним уявленням про збережені дані. Програмний модуль, що входить в склад САПР при своїй роботі звертається за необхідною інформацією не до якогось масиву інформації, як це мало місце в автономних програмах, а до СУБД. Остання організовує пошук необхідної інформації в складній інформаційній структурі БД, а впорядковування і представлення цієї інформації в необхідному об’ємі представляється відповідному модулю.
Відмінність у методах використання файлів даних і БД проілюстрована на рис. 8.1 і 8.2.
Рис. 8.1. Відповідність між прикладними програмами і файлами даних
Рис. 8.2. Використання універсальних методів доступу
Основні вимоги до БД наступні:
− цілісність даних їх несуперечність і достовірність;
− універсальність, тобто наявність у БД всіх необхідних даних і можливості доступу до них в процесі вирішення проектної задачі;
− відкритість БД для внесення до неї нової інформації;
− наявність мов високого рівня взаємодії користувачів з БД;
− секретність, тобто неможливість несанкціонованого доступу до інформації і її змін;
− оптимізація організації БД мінімізація надмірності даних. Одним з принципів побудови САПР є інформаційна узгодженість частин її програмного забезпечення, тобто придатність результатів виконання однієї проектної процедури для використання іншою проектною процедурою без їх трудомісткого ручного перетворення користувачем. Звідси витікають наступні умови інформаційної узгодженості:
використання програмами однієї і тієї ж підсистеми САПР єдиної БД;
використання єдиної внутрішньої мови для представлення даних.
Комплексна автоматизація процесу проектування об’єкту передбачає інформаційну узгодженість не тільки окремих програм підсистем САПР, але і самих підсистем між собою. Способом досягнення цієї узгодженості є єдність інформаційного забезпечення. Основні способи інформаційного узгодження підсистем САПР досягаються або створенням єдиної БД, або сполученням декількох БД за допомогою спеціальних програм, які перекодовують інформацію приводячи її до необхідного вигляду. Складність розробки БД визначається тим, що формування структури БД можливе тільки після розробки алгоритмів, що реалізовуються при проектуванні. При цьому необхідно, щоб ступінь розробки алгоритмів був доведений до машинної реалізації, оскільки структура БД повинна зважати на специфіку автоматизованого перетворення інформації при вирішенні проектних задач, з метою ефективного використання обчислювальної техніки. Проте для розробки програм необхідні відомості про структуру БД. Отже, інформаційне забезпечення САПР і спеціальне програмне забезпечення повинні створюватися паралельно.
Інформація, яка використовується при проектуванні може бути розділена на статичну і динамічну (рис 8.3). Статична інформація характеризується порівняно рідкісними змінами і використовується тільки в режимі читання. До цієї інформації слід віднести дані технічного завдання на проектування і довідкові дані, які характеризуються великим об’ємом. Формування, завантаження і коректування довідкових даних здійснюються виключно адміністратором бази даних, тобто програмістом системного профілю, що формує БД. Об’єм даних технічного завдання на проектований об’єкт значно менший об’єму довідкових даних. Коло осіб, які мають право вносити зміни в дані технічного завдання більш обмежено ніж коло осіб, які мають право проводити коректування довідкових даних.
Рис. 8.3. Інформаційна схема проектування:
Пп – елементарний процес проектування; інформаційні зв’язки;
керуючі зв’язки; аналіз результатів
Динамічна інформація складається з даних, які накопичені для виконання певних процесів проектування (проміжні дані) і даних, що є результатом проектування при виконанні цих процесів. Проміжні дані змінюються при функціонуванні САПР. Вносити корективи до проектних результатів має право тільки головний конструктор проекту при відповідному обґрунтуванні. Широко використовується у САПР фактографічна інформація, яка складає основу БД. Ця інформація є числовими і літерними довідковими даними про матеріали, ціни, комплектуючі вироби спроектовані у САПР, їх зарубіжні і вітчизняні аналоги і т.п. Сюди ж відносяться дані, необхідні для виконання розрахунків: коефіцієнти, таблиці, апроксимовані графічні залежності і т.д. При формуванні БД в першу чергу належить дослідити інформацію, яка використовуватиметься для вирішення проектно-конструкторських завдань. До цього слід підходити з двох позицій: з погляду корисності інформації, з позиції ефективності обробки інформації і пропускної спроможності обчислювальної техніки та людини.
СУБД виступає як сукупність програмних засобів, призначених для створення, ведення і сумісного використання БД багатьма користувачами, вона повинна забезпечувати:
ефективне виконання різних функцій наочної області;
простоту фізичної реалізації БД;
можливість централізованого і децентралізованого управління БД;
мінімізацію надмірності збережуваних даних;
надання користувачеві за його запитом несуперечливої інформації;
простоту розробки, ведення і вдосконалення прикладних програм.
СУБД реалізує два інтерфейси:
між логічними структурами даних у програмах і БД;
між логічною і фізичною структурами БД.
Структурна схема СУБД приведена на рис. 8.4. Маніпулятор є ядром СУБД. У його функції входить управління компонентами системи, організація їх взаємодії, здійснення зв’язку з операційною системою ЕОМ і адміністратором банку даних, виконання основних операцій над БД, контроль і захист цілісності та секретності даних, редагування виводу, кодування (декодування) і стиснення (розширення) даних, збір статистики і ведення протоколу.
Рис. 8.4. Структурна схема СУБД
Адміністратор банку даних здійснює зовнішню координацію всієї роботи банку і виконує дії, які не піддаються формалізації. Перш за все він відповідає за розробку концептуальної моделі наочної області. Концептуальна модель повинна бути трансформована в модель даних, що підтримується конкретною СУБД. Отже, адміністраторові необхідно спроектувати логічну модель. Виходячи з логічної моделі він повинен спроектувати фізичну (внутрішню) модель, яка забезпечуватиме необхідні операційні характеристики. Таким чином, у його фікції входить створення БД, узгодження їх вимозі користувачів, управління завантаженням баз, розподіл паролів та інше.
Запит який надійшов у банк даних проходить етап попередньої обробки, на якому здійснюється синтаксичний і логічний контроль, що включає перевірку пароля абонентів, неприпустимих поєднань ознак і т.д. При виявленні помилок запит до подальшої обробки не приймається, а на друк видається інформація про помилки. Наступний етап інтерпретація запиту полягає в розпізнаванні виду запиту: на видачу показника і документів, на формування робочих масивів, на зміну або поповнення БД. На цьому етапі запит з мови запитів перекладається на мову маніпулювання даними.
Відповідно до пошукового розпорядження відбуваються звернення до робочої області пам’яті і вибірка шуканих даних або коректування даних в базі. Знайдені в БД дані ретельно контролюються і аналізуються, потім редагуються, а на друк видається інформація про помилки. Розробка банків даних і їх основних інваріантних компонентів, тобто СУБД, є складним завданням, що вимагає значних витрат часу і високої кваліфікації розробників у області системного програмування. У зв’язку з цим при побудові інформаційного забезпечення САПР конкретних технічних об’єктів на основі банків даних необхідно зробити аналіз існуючих банків даних і застосовувати у САПР розроблені раніше. Слід мати на увазі, що інформаційне забезпечення САПР може бути організоване і на основі більш простої, але спеціально розробленої інформаційної структури. Подібні орієнтовані інформаційні структури при відносній простоті і невисоких вимогах до конфігурації технічних засобів можуть реалізувати набір необхідних функції по обробці даних для чого повинне бути розроблене необхідне програмне забезпечення. Така альтернатива до використання банків даних пояснюється тим, що універсальні інформаційні системи у вигляді банків даних розраховані на рішення задач з великою номенклатурою різних параметрів і характеристик об’єктів тому застосування їх при створенні САПР з відносно невеликою номенклатурою даних виявляється недоцільним або неможливим.
Однією з найважливіших характеристик СУБД є модель даних, яка нею підтримується. Існують три моделі даних: ієрархічна, мережева і реляційна. Вибір тієї або іншої моделі даних для побудови інформаційного забезпечення САПР залежить від вимог, які пред’являються до інформаційної бази створюваною САПР. Велике значення при виборі СУБД мають засоби взаємодії користувачів з БД. Непрограмісти якими є більшість користувачів САПР взаємодіють з БД за допомогою мов маніпулювання даними з використанням засобів телеобробки. При цьому, СУБД САПР повинна включати мову маніпулювання даними, що доступні непрограмістові і засоби доступу до даних через термінал. При виборі для САПР відповідної СУБД слід враховувати наступні вимоги:
можливість забезпечення мультипрограмного режиму;
незалежність даних від конкретних пакетів програм;
наявність засобів, що дозволяють скоротити дублювання даних в інформаційній базі;
можливість відновлення БД;
сумісність СУБД з операційною системою ЕОМ і т.д. Бази даних організовуються на основі принципів системного підходу, що передбачає:
не надмірність даних;
незалежність даних від програм рішення задач;
вибір структур даних, орієнтованих на всі вирішувані системою завдання;
можливість доповнення, розвитку і оновлення даних;
типізація алгоритмів обробки даних.
Організація, структура і склад БД залежать від інформаційних моделей проектованих об’єктів від методів отримання проектних рішень і від використовуваних у САПР технічних та програмних засобів. З іншого боку, всі перераховані чинники залежать від структури БД. Основною особливістю БД в порівнянні з масивами записів є наявність зв’язків між структурними одиницями даних. Бази даних іноді визначають як не надлишкову сукупність елементів даних. Деякі записи повторюються для того щоб забезпечити можливість відновлення даних при їх випадковій втраті. У цьому випадку має місце мінімальна надмірність БД. Бази даних є об’єктом, що постійно розвивається (до них додаються нові записи, а у існуючі включаються нові елементи даних). З метою підвищення ефективності функціонування БД змінюється їх структура. Використовувані на практиці способи побудови БД реалізуються у вигляді ієрархічних (деревовидних), мережевих або реляційних моделей (моделей відносин) даних.