Open Library - открытая библиотека учебной информации. На основе концептуального проектирования

Предпосылкой создания своей методологии явился такой диагноз С.П.Никанорова существующему положению в развитии организаций: происходит накопление несистемных решений, повсеместно распространяется сиюминутное, ситуационное мышление, которое приводит к, так называемому, феномену складывания - процессу произвольного возникновения чего-то под действием многих факторов, которые проявляются стихийно. Если что-то неэффективно работает, то часто говорят: «Так сложилось, никто не виноват». Следствием складывания являются неконтролируемые области жизни и возникающие проблемы, которые требуют действий для их решения.
У кого возникают проблемы? Они могут быть только у субъектов, то есть у тех, кто имеет возможности и имеет интересы. Проблема для субъекта и состоит в несоответствии интересов возможностям. Субъекты могут приблизительно одинаково воспринимать то, что происходит, но они относят его к своим интересам и возможностям, которые не поднимаются выше определенного уровня. Поэтому то, что происходит, не воспринимается ими как единая цельная проблема, что и приводит к несистемным решениям.
Какие есть подходы к решению этих проблем? Некоторые субъекты надеются управиться с ними с помощью проблемно-ориентированного подхода, при котором исследуются выявленные недостатки, сдерживающие достижение субъектом его целей. Рафинированная форма этого подхода - системный анализ, который использует идеологию целенаправленных систем. Но устранить феномен складывания с помощью проблемно- ориентированных методов невозможно, так как возникают не отдельные проблемы, а клубок проблем. И если стараться решить какую-нибудь одну проблему, то клубок проблем только увеличивается и спутывается, как и обычный клубок ниток при вытягивании одной нити. Надо разрубить клубок с помощью нормативного подхода, который основан на полагании желаемого класса систем. При создании систем этот подход должен координироваться с проблемно-ориентированным подходом. Нелепо устранять недостатки изжитой системы. Надо не проблемы решать, а строить все заново, подчиняя этой идее и свои интересы, и свои возможности. Рафинированной формой нормативного подхода являются системы с идеалом, к которому они должны стремиться.
Недостатком этих подходов, возникших в 60-х годах 20-го столетия и являющихся продуктами гонки вооружений, является отсутствие представления о развитии, в частности, о переходе из устаревшего качества в новое качество, которое задается последовательностью целей.
В начале 1970-х годов, задолго до осознания широкими кругами разработчиков бесперспективности создания автоматизированных систем на базе традиционных методологий, С.П. Никаноров сформировал новый методологический подход, в котором объектом автоматизированного проектирования являлись не АСУ, а системы организационного управления (СОУ) . К этим системам отнесены любые организации, в которых осуществлялось производство, управление, проектирование, обучение и другие виды деятельности с использованием компьютерных информационных систем. Идея о необходимости и проблемах проектирования организаций рассмотрена в предисловии к переведенной под его редакцией книге С.Янга ( в разделе 1).
На основе этого подхода к 1978-му году был выпущен технический проект автоматизированной системы проектирования (АСП) СОУ . Эта
АСП должна была разрешить проблему обеспечения управляемости процесса проектирования в условиях непрерывных изменений внутренней и окружающей среды, как проектируемой системы, так и проектирующей ее системы с помощью методов математического концептуального моделирования предметной области. Должен был быть обеспечен теоретический контроль проектных процессов, начиная от формирования первичного замысла и заканчивая рабочим проектированием и созданием организации.
Сущность методологии. Перед непосредственным проектированием системы организационного управления формируется ее общая математическая концептуальная модель. Процесс проектирования сводится к управляемой конкретизации общей модели и последующей ее интерпретации. Это обеспечивает целостность проекта системы, в отличие от традиционной технологии, когда проект является совокупностью автономно разрабатываемых частей. Полученный дедуктивным способом проект затем сопоставляется с исходными требованиями. При выявлении несоответствий концептуальная модель корректируется и затем осуществляется повторное проектирование.
Таким образом, в этой методологии процесс математической концептуализации является итерационным, и он не сводится к однозначной формализации объекта и процесса проектирования, как это имеет место, например, при проектировании теплоэнергетического комплекса, осуществляемого системой МАВР.
В разработанном техническом проекте АСП СОУ методы моделирования и проектирования были ориентированы на логически направленное и поэтому управляемое теоретическое и инструментально-технологическое проектирование. Прежде всего, обеспечивалась полнота понятийного пространства проектирования за счет логического формирования всевозможных комбинаций элементов понятийной конструкции с применением морфологического и иных методов. А математическая экспликация давала возможность оперировать понятийными конструкциями вне зависимости от прикладного содержания и знакового оформления.
Функции системы АСПСОУ показаны в табл.7.1. Теоретизация предметной области основывается на выявлении проблем, установлении их системной природы и возможных путей решения. При проектировании знаковой системы определяется состав баз данных, формы документов и т.п.
Таблица 7.1 Функции Выход Вход 1. Определение и реализация концепции теоретизации предметной области
Операционная трактовка теоретических схем. Определение процедур управления с их входами и выходами
Проектирование знаковой реализации СОУ и пространственно-временной привязки.
Документирование проекта СОУ 1. Модель (теория) предметной области
Проект системы организационного управления 1. Метамодели,
описывающие поня-тия организационных систем управления и их элементов
Метамодели формализованных теорий
Для реализации этой методологии был разработан набор теоретических схем, названных конструктами, используемых для формирования с помощью логических методов теории предметной области и модели объекта проектирования. Разработка конструктов и последующий синтез конкретных теорий с контролируемым формированием производных понятий осуществлялись с использованием математического аппарата теории структур Бурбаки . Были созданы различные технологии оперирования конструктами, позволяющие на их базе формировать сложные и при этом легко изменяемые понятийные схемы.
Из описания функциональной структуры видно, что, в отличие от системы концептуального программирования ПРИЗ (см.раздел 2), теории предметной области и модели объекта проектирования являются не входом, а выходом системы АСП СОУ. А уже затем формируются проекты СОУ, как производный результат логического вывода на построенных моделях предметной области и последующей интерпретации абстрактных математических конструкций. Входом в процесс проектирования являются сформированные с использованием заранее создаваемых абстрактных метаматематических схем (конструктов), метамодели, описывающие понятия СОУ и их элементов, и метамодели, описывающие имеющиеся формализованные теории, необходимые для моделирования СОУ. К ним относятся теории технических систем, теории производственных систем, теории целенаправленных систем и т.д. Новым здесь явилось также использование аксиоматического представления теорий.
Функциональная структура АСП СОУ
Универсальность этой методологии предопределяется сформированной общей метамоделью проектируемой системы с использованием
конструктов, которые имеются в памяти системы, и возможностями ее конкретизации при проектировании. Если при интерпретации конкретизированной метамодели с помощью понятий охватываемой предметной области, СОУ и ее элементов выявляется ее неадекватность, то выбираются, либо другие способы конкретизации, либо корректируется общая концептуальная модель.
Математические модели понятий формируются с использованием различных теорий таких, таких, как теория структур, теория множеств, категорная теория систем и т.д., в разных знаковых формах - текстах, таблицах, формулах, графиках и т.д., в разных языках, шрифтах и с разным размещением на различных носителях. Это может быть выражено с помощью, предложенной в 70-х годах С.П.Никаноровым, теоретической схемы, названной «логосинотопотех». В ней выделялась логическая сущность («лог»), представляющий ее знак («син») и место расположения знака («топ») на носителе («тех»). Главным в этой схеме было семантическое отношение: «лог» раскрывает смысл знакового представления «син».
В этом подходе объектом проектирования является и функциональная структура организации и процесс ее проектирования. Методология включает дедуктивный и индуктивный этапы проектирования. Дедуктивный этап осуществляется с помощью предварительно разработанных и сохраняемых в памяти метасистемы концептуальных аксиоматических описаний необходимых областей знаний в разных математических формах - теоретико- множественной, категорной, теоретико-системной конструктов в шкалах множеств Н. Бурбаки. Потом для сформированных метамоделей системы осуществляется выбор методов и, в конечном итоге, выбор технологий с использованием базы разных теорий, моделей, методов и средств.
Индуктивный этап наступает при контроле адекватности сформированных проектов и последующем итеративном корректировании начальных теоретических схем.
Применяемость рассматриваемой методологии для проектирования организаций ограничена ориентацией на специалистов высокой квалификации, владеющих инструментарием создания и использования математических конструктов, осуществляемого в течение последних трех десятков лет научным коллективом, возглавляемым С.П. Никаноровым.
В настоящее время имеется несколько сотен конструктов и набор методов оперирования ими. Силами сравнительно небольшого коллектива специалистов был разработан информационно-программный инструментарий для автоматизированной поддержки формирования математических метамоделей предметных областей с использованием накапливаемой базы конструктов. Были созданы автоматизированная система , обеспечившая запросный режим и выполнение операций синтеза, порождения, визуализации и т.д., синтаксический и семантический анализаторы, а также лингвистический интерпретатор родов структур. Дальнейшее развитие инструментария ориентировалось на поддержку процесса проектирования организационных процедур и форм документов.
К сожалению, для реализации этой методологии при ее появлении не были разработаны детальный технологический проект и полная инструментальная система. Для получения промышленного результата требовалось задействовать мощные организации, специализирующиеся на разработке информационно-программного обеспечения, на что была нужна серьезная государственная поддержка. Когда-то академик В.М.Глушков, директор Киевского института кибернетики, говорил, что создание общегосударственной автоматизированной системы (ОГАС) необходимо финансировать так же, как космические программы или атомную промышленность. Но, к сожалению, этого не произошло.
Рассматривая эту методологию с современных позиций, видно, что в ней недостаточно внимания уделялось непосредственному, конкретному моделированию и развитию действующих организаций в рамках теорий производственных и экономических систем. Она была ориентирована на разработку новых систем, что соответствовало существовавшей в тот период времени ориентации на создание автоматизированных систем производства, проектирования и управления.
Хотя формально тогда и требовалось проведение предварительного обследования и анализа действующих систем, согласно имеющейся регламентирующей документации, и даже были разработаны детальные методики диагностического обследования и моделирования организаций, но на практике это осуществлялось редко. При отсутствии соответствующего инструментария данный этап требовал огромных усилий и времени, а результат работы проектировщиков учитывался по сданному госкомиссии проекту новой системы и ее опытному внедрению.
При выбранном методе дедуктивного формирования проекта становится затруднительным переход к имеющемуся разнообразию содержания реальных процессов, при котором осуществляется модельная интерпретация, когда элементы модели отображают конкретные элементы систем организационного управления, обозначаемые терминами исходной области знаний. В метамодельной интерпретации термам теоретических конструкций приписываются так называемые лингвистические переменные. Но как перейти к конкретным элементам системы организационного управления, если предварительно не построена ее исходная модель? И как формировать для нее математическую модель с заданным набором определенных ограничений и целевой функцией, адекватной реальности?
Такие модели нужно было создавать при развитии действующих организаций и накапливать модели-прототипы для использования при проектировании новых систем. Но надо помнить, что использование этих моделей в наглядном виде стало возможным только после появления компьютеров с большим быстродействием и огромной памятью, а также инструментальных средств, обеспечивающих формирование таких моделей. Без таких моделей невозможно производить операционное сопоставление теоретических результатов с требованиями, заданными в исходной области знаний и определять адекватность использованных абстрактных схем.
С другой стороны, если имеется конкретная содержательная модель, построенная в понятиях исходной области знаний, а инструментальная система может логически обрабатывать и нематематические понятия, то необходимо обосновать целесообразность применения математических концептуальных моделей в условиях использовании сетей компьютеров с большой памятью и быстродействием.
При использовании рассматриваемой методологии следует учитывать, что, уменьшая разнообразие и удерживая разработку системы в определенных теоретических границах, применение конструктов одновременно огрубляет предметную область, ограничивая возможности понятийного моделирования профессионалов. Когда конструкт создается, то рассматривается и идеализируется некоторая сторона сущности. Будучи созданным, конструкт может иметь много материальных и знаковых воплощений, но при этом он отображает лишь математический аналог некоторой стороны сущности, а не саму содержательную сторону сущности, которую адекватно может воспринимать профессионал в этой области. При этом природа знаний в предметных областях зачастую такова, что фразы, с помощью которых общаются профессионалы, являются лишь намеком на образы реальной сущности, возникающие у них при обучении и в результате приобретения опыта. Эти образы активизируются при восприятии фразы в сознании специалиста, но для передачи смысла фраз специалистам из других областей знаний соответствующие образы требуют расшифровки намеков.
Проблемой является и обеспечение теоретического контроля процесса создания конструктов, в частности, обоснования выбора аспектов сущности, лежащих в основе разработки математических конструкций, и корректности ее выполнения. Используемые математические конструкты должны обеспечивать интеграцию методов и средств, имеющихся в разных предметных областях, выполняя функцию их теоретической надстройки. Учитывая огромную масштабность и сложность областей знаний, которые необходимо охватывать современному разработчику, эти конструкты могут выполнять и гносеологическую функцию.
В при анализе этого подхода отмечено, что он ориентирован на прямое обеспечение при проектировании систем желаемых их свойств. Но для его реализации необходимо накопить требуемые конструкты, обеспечивающие такие возможности, опробовать необходимые методы синтеза, конкретизации и интерпретации и их программное обеспечение, доведя его до промышленного уровня. Ограниченность применения этого подхода может быть связана с проблемами перехода от общих конструктов к имеющемуся понятийному разнообразию исходной области знаний, а также с тем, что его эффективно могут реализовать только специалисты, умеющие работать с конструктами.
Полная библиография публикаций по концептуальному анализу и проектированию за период с 1967 по 2003 год приведена в . В ней представлено 742 публикации, сгруппированные по алфавиту авторов, по годам публикации и по тематике. Авторский указатель охватывает 189 авторов, а тематический - 83 рубрики.

Концептуальное проектирование порой называют техническим . Его основными этапами являются:

1) предварительное проектирование,

2) эскизное (рабочее или техно-рабочее) проектирование,

3) изготовление, испытания и доводка опытного образца системы (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Этапы концептуального проектирования.

Стадия концептуального проектирования начинается с детального анализа первичных данных и уточнения концептуальной модели данных, после чего проектируется архитектура системы . При этом оценивается возможность использования существующих ИС и выбирается соответствующий метод их преобразования. После построения проекта уточняется исходный бизнес-план. Выходными компонентами этой стадии являются концептуальная модель данных, модель архитектуры системы и уточнённый бизнес-план.

В ходе выполнения последующих стадий проектирования предполагается более глубокая и детализированная проработка решений, выработанных на данной стадии. При этом не исключается появление необходимости их существенного изменения. Хотя действующие нормативные документы предусматривают возможность, внесение изменений в проект или программу (концепцию), как правило, это связано с потерями финансовых, материальных и трудовых ресурсов как со стороны “Заказчика”, так и “Разработчика”. Указанные потери могут оказаться весьма значительными, если необходимо вносить весомые изменения в первоначальные проектные решения и чем позже эта потребность возникает. Отсюда следует особая значимость данной стадии проектирования для успешного создания АИС, а также ответственность Разработчиков и Заказчика при выполнении работ и согласовании итогового документа.

На стадии разработки , интеграции и тестирования должна быть создана тестовая БД и тесты. Проводится разработка, прототипирование и тестирование баз данных и приложений в соответствии с проектом. Отлаживаются интерфейсы с существующими системами. Описывается конфигурация текущей версии ПО. На основе результатов тестирования проводится оптимизация БД и приложений. Приложения интегрируются в систему, проводится их тестирование в составе системы и испытания системы. Основными результатами стадии являются готовые приложения, проверенные в составе системы на комплексных тестах, текущее описание конфигурации ПО, скорректированная по результатам испытаний версия системы и эксплуатационная документация на систему.

В результате такого проектирования должна быть получена логическая структура системы (подсистемы, модуля и др.), схемы вводы, вывода, представления, преобразования данных и т.п.

В соответствии с уставными правилами и документацией проекта заключительный этап создания системы предполагает комплексное тестирование всех её компонентов, обучение пользователей, постоянное администрирование и др.

Стадия внедрения включает в себя действия по установке и внедрению баз данных и приложений. Основной результат стадии – готовая к эксплуатации и перенесенная на программно-аппаратную платформу Заказчика версия системы, документация сопровождения и акт приёмочных испытаний по результатам опытной эксплуатации.

На стадии эксплуатации осуществляется постоянный (лучше – автоматический) контроль работоспособности системы (мониторинг) с целью отслеживания состояния объектов, своевременного выявления ошибок и нештатных ситуаций, её развития.

Стадии сопровождения и развития включают процессы и операции, связанные с регистрацией, диагностикой и локализацией ошибок, внесением изменений и тестированием, проведением доработок, тиражированием и распространением новых версий ПО в места его эксплуатации, переносом приложений на новую платформу и масштабированием системы. Стадия развития фактически является повторной итерацией стадии разработки.

Результатом концептуальной стадии проектирования АИС является итоговый документ – “Концептуальный проект”, “Аванпроект”, “Пилотный проект” или “Концепция и программа создания…”. В дальнейшем будут преимущественно использоваться термины “Концептуальный проект” и “Концепция” или “программа создания…”.

Концептуальное проектирование системы характеризуется сжатыми сроками. По этой причине выполнение работ, связанных с ним и предпроектным обследованием объекта могут осуществляться параллельно или перекрываться по времени их выполнения.

При проектировании, в т.ч. при решении проблем автоматизации процессов, обычно изначально принимается один из двух вариантов: создание системы решающей сиюминутные задачи или включающей и перспективные задачи (“на вырост”), учитывающие будущие потребности.

В первом случае можно выбрать недорогое решение и быстро его реализовать. Однако высока вероятность, что достаточно скоро такую систему потребуется в значительной степени модернизировать или заменить.

Во втором случае потребуется более серьёзная проработка требований и технических решений, влекущая за собой увеличение сроков выполнения и стоимости проекта. Но в этом случае возможно на гораздо больший период времени продлить эффективное функционирование созданной таким образом системы. Однако большие инвестиции сопряжены с бóльшими рисками. Поэтому рекомендуется разбивать предстоящие работы на небольшие этапы, реализация которых способна принести конкретный и ощутимый результат, обеспечивающий решение поставленной задачи. В этом случае при минимальных инвестициях можно обеспечить быструю отдачу и создать фундамент дальнейшего развития системы, способствующий, в том числе, изучению полученных результатов, корректировки дальнейших действий и т.п. Таким образом, разработка системы приобретает цикличный характер. И хотя подобный подход несколько более затратный, чем комплексное решение масштабной задачи, он позволяет уменьшить высокие риски, связанные с изменениями требований к разрабатываемой системе.

Не следует упускать из виду, что быстрое развитие науки, техники и технологий приводит к быстрому старению используемых методов и систем, что отрицательно влияет на эффективность их использования. При этом поэтапно вносить изменения в отдельные компоненты системы значительно проще, чем заменять её полностью. Кроме того, обычно требуется обеспечить быстрый возврат инвестиций, что достаточно сложно организовать при внедрении комплексных решений.

Можно выделить три основных вида проектирования объектов и систем по степени их сложности, объёму и ряду других показателей: крупные, средние и малые (мелкие) проекты.

При реализации крупных проектов обычно прибегают к помощи хорошо зарекомендовавших себя крупных компаний-интеграторов, в том числе консалтинговых и внедренческих организаций.

Для реализации средних проектов стараются обойтись своими силами и (или) используют готовые решения, которые стремятся адаптировать под конкретные требования организации-заказчика.

Малые проекты характеризуются использованием готовых решений и, в ряде случаев, адаптацией их под конкретные условия использования.

Проектирование ИС начинается с составления в текстовой и (или) графической форме плана работ. На первом этапе проектирования необходимо выяснить требования пользователей к системе и, на основании этих требований, сформировать макет системы. Предпочтительно осуществлять проектирование модульным методом. Проектирование информационных систем непосредственно связано с их программированием, поэтому значительная часть проектных работ связана с программированием ИС.

Модульное программирование – метод разработки программ, предполагающий разбиение программы на независимые модули. Считается, что модуль должен обладать оптимальными размерами (как правило, целиком помещаться на экране дисплея) и что разделение большой программы на модули облегчает её разработку, отладку и сопровождение.

Программный модуль, объединяющий в себе данные (свойства) и операции над ними (методы), называют объектом.

Объект – абстрактное множество предметов, все предметы которого имеют одни и те же характеристики.

На выбор средств проектирования могут существенно повлиять следующие особенности методов проектирования:

· ориентация на создание уникального или типового проекта;

· итерационный характер процесса проектирования;

· возможность декомпозиции проекта на составные части, разрабатываемые группами исполнителей ограниченной численности с последующей интеграцией составных частей;

· жёсткая дисциплина проектирования и разработки при их коллективном характере;

· необходимость отчуждения проекта от разработчиков и его последующего централизованного сопровождения.

ER-модели
Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В 1976 году Чен (Chen) предложил для проектирования ИС (баз данных) использовать ER-модели (Entity Relationship model – модель «сущность-связь»), представляющие концептуальные модели данных. Они получили широкое распространение в современных CASE-системах, поддерживающих автоматизированное проектирование ИС и обычно используются на этапе информационно-логического моделирования.

ER-модель наглядно изображает структурные блоки информации и логические взаимосвязи между ними. Основными понятиями являются сущность, связь и атрибут (см. Таблицу).

Таблица понятий: сущность, связь и атрибут.

Тип связи указывается индексами «1» или «М» над соответствующей линией. Например, связь «Руководство» имеет тип «один ко многим»: один сотрудник может руководить многими проектами; связь «Участие» имеет тип «многие ко многим»: один сотрудник может участвовать во многих проектах, и в проекте могут участвовать много сотрудников. На рисунке приведен пример ER-диаграммы.

На основе ER-моделей последовательно формируют реляционные БД.

Важным параметром ИС является простота её использования, включающая обеспечение качества проектной документации. При проектировании следует ориентироваться на следующие документы:

ГОСТ 24.602-86 . Автоматизированные системы управления. Состав и содержание работ по стадиям создания. (Введён с 01.01.89.–М.: Изд-во стандартов, 1986.–12 с.).

ГОСТ 34.601-90 . Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания (Введён с 29.12.90, 24.601-86. 24.602-86. 1997 г.).

ГОСТ 34.602-89 . Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы. Введ. 01.01.90.

ГОСТ 34.603-92 . Информационная технология. Виды испытаний автоматизированных систем.

РД 50-640-87 . Системы автоматизированного проектирования. Порядок выполнения работ при создании систем: Инструкция.–М.: Изд-во стандартов, 1987.–28 с. и др.

Одна из архитектур БД называется ANSI/SPARC.

Основной идеей является выделение трехуровневой абстракции в описании данных. Цель – отделение пользовательского представления БД от ее физического представления.

Причины, по которым желательно такое разделение:

Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к общим данным, используя собственное представление о них;

Пользователи не должны иметь дело с подробностями физического хранения данных;

Администратор БД должен иметь возможность изменять структуру БД, не оказывая влияние на представления пользователей;

Внутренняя структура БД не должна зависеть от изменений физических аспектов хранения информации, таких как переключение на новое устройство и т.д.;

Выделяются три уровня архитектуры БД – внешний, концептуальный и внутренний.

Внешний уровень – представление БД с точки зрения пользователей, состоит из нескольких внешних представлений, обычно соответствующих группам пользователей. Различные представления могут по-разному отображать одни и те же данные, также они могут включать вычисляемые данные, не хранящиеся в БД.

Концептуальный уровень – обобщенное представление схемы БД. Уровень описывает, какие данные хранятся в БД и какие связи хранятся между ними. Концептуальная схема – это полное представление требований к данным со стороны организации, оно не зависит от способа хранения данных. На концептуальном уровне представлены следующие компоненты:

1. Все элементы данных.

2. Ограничения, накладываемые на элементы данных.

3. Семантическая информация о данных.

4. Информация о мерах обеспечения безопасностей и поддержки целостности данных.

Внутренний уровень – описывает реализацию БД и предназначен для обеспечения оптимальной производительности системы и экономного использования ее ресурсов с учетом конкретной СУБД.

Внутреннему уровню соответствует следующая информация:

1. Описание подробностей хранения с указанием реальных размеров сохраняемых элементов.

2. Распределение дискового пространства для хранения данных и индексов.

3. Сведения о физической организации данных.

4. Сведения о сжатии данных и методах их шифрования.

Ниже внутреннего уровня лежит физический , который контролируется операционной системой под руководством СУБД, их функции на этом уровне четко не разделены.

Два подхода к концептуальному проектированию: восходящий и нисходящий.

При восходящем подходе проектирование начинается с самого нижнего уровня с выделения атрибутов. После этого выявляются взаимосвязи между ними, то есть функциональные зависимости, затем с использованием специальных алгоритмов, основанных на функциональных зависимостях, строятся схемы БД.

Восходящий подход лучше использовать для проектирования простых БД, так как с ростом числа атрибутов установить все взаимосвязи между ними затруднительно, кроме того, на начальных стадиях проектирования больших систем трудно выделить все атрибуты.

Нисходящий подход начинается с выявления нескольких высокоуровневых сущностей и связей между ними. После этого в несколько этапов производится уточнение модели, при этом появляются новые сущности, связи и атрибуты.

Также существует смешанная стратегия проектирования, в этом случае восходящий и нисходящий подход используются для различных частей системы, а затем результаты сводятся воедино.

Понятие сущности.

При описании любой предметной области человек пользуется понятиями отдельных предметов, фактов или событий, которые он выделяет из окружающего мира, отличая их от всех остальных и идентифицируя определенным образом. Поэтому основной составляющей семантической модели являются сущности.

Сущность (entity) – «предмет», который может быть идентифицирован некоторым способом, отличающим его от других предметов. Предмет используется в широком смысле, например в системе управления учебным процессом в качестве предметов используются реальные предметы (учебный корпус, аудитория, преподаватели, факты, сессия и т.д.).

Характеристики сущности. Проблема уникальности сущности.

В общем случае, сущность – тип или класс различимых объектов. Основанием отнесения сущности к определенному классу является наличие у сущности характеристик (атрибутов), присущих классу. Отличие сущности от остальных сущностей класса производится на основании значений этих же характеристик.

Значения большинства характеристик сущности меняются с течением времени, но это не означает исчезновение сущности и появление новой → возникает необходимость выявления характеристик сущности, которые не меняются во времени и однозначно идентифицируют сущность.

Проблема состоит в том, что на практике неизменные атрибуты найти невозможно. Даже в случае, если такие атрибуты находятся (№ зачетки и № паспорта), то в процессе эксплуатации системы может возникнуть необходимость модификации этих атрибутов, например, для исправления сделанных ошибок.

С точки зрения реального мира, такое исправление может соответствовать как модификации данного атрибута (первичного ключа), так и создания новой сущности. Одним из решений подобной проблемы может быть введение суррогатных ключей сущности. Недостаток данного подхода – удаление модели от реального мира, то есть модель содержит информацию, отсутствующую в предметной области.

Таким образом, концептуальное проектирование начинают в выявления в предметной области сущностей, определения характеристик этих сущностей, определения наборов атрибутов, уникально определяющих сущности; из этих наборов выбирают первичный ключ или вводят суррогат.

В формате IDEFX сущность определяют следующим образом:

Все наборы атрибутов, которые могли рассматриваться как ключи, помечаются АК (альтернативный ключ).

Связи. Понятие связи.

Предметы, события и личности в предметной области находятся в определенных взаимосвязях. При построении семантической модели необходимо выявить эти взаимосвязи. Включение взаимосвязи в модель приводит к появлению новых атрибутов или сущностей, в зависимости от типов взаимодействия.

Пусть в предметной области существует факт – «студент обучается в группе». Это означает наличие взаимосвязи между сущностями студент и группа. При более детальном анализе выявляются дополнительные факты: студент одновременно может учиться только в одной группе, группа может состоять из многих студентов.

Такие взаимодействия отражаются как связи «один ко многим» и в стандарте IDEFX отражаются следующим образом:

В результате построения связи у сущности «студент» появился новый атрибут, помеченный FK (foreign key). Значение этого атрибута должно совпадать со значением первичного ключа сущности «группа».

В стандарте IDEFX связи «один ко многим» классифицируют по следующим признакам:

1) по возможности null-значения;

2) по степени зависимости связываемых сущностей;

3) по кардинальности;

1. Классификация связи по возможности null-значения . Продолжим пример со студентом. В какой-то момент времени студент может не принадлежать группе, например, когда студент находится в академическом отпуске или при переводе со специальности на специальность. Таким образом, атрибут «номер группы» в сущности «студент», кроме значения первичного ключа сущности «группа», может принимать null-значение.

Такая связь (с возможностью null-значения внешнего ключа) отмечается ромбом у сущности-предка.

Рассмотрим другой пример – «сотрудник работает в отделе». Проводим рассуждения, аналогичные предыдущему примеру. Если «каждый сотрудник должен работать в отделе», то между сущностями «сотрудник» и «отдел» имеется связь «один ко многим» без возможности неопределенного значения внешнего ключа. Она отображается также, только ромб у сущности-предка отсутствует.

2. Классификация связи по степени зависимости связываемых сущностей . Иногда при идентификации предмета реального мира используются характеристики, присущие другим предметам, например, специализация идентифицируется кодом специальности, которой она принадлежит и собственным номером.

071901 – первые 4 цифры – номер специальности, остальные – номер специализации. При этом номер специализации уникален в рамках специальности.

Сущности, подобные сущности «специализация», называются слабыми или зависимыми, и отображаются прямоугольниками со скругленными углами:

Связь называются идентифицирующей связью «один ко многим» и отображается не пунктирной линией и переносом первичного ключа сущности-предка в состав первичного ключа сущности-потомка. Разумеется, идентифицирующая связь не может допускать неопределенного значения внешнего ключа.

Ранее описанные связи являлись не идентифицирующими, отображались пунктирной линией, и первичный ключ сущности-предка переносится в состав не ключевых атрибутов.

3. Классификация связи по кардинальности . Стандарт IDEFX поддерживает следующие кардинальности связи (рис 4):

Например, в группе должен быть хотя бы 1 студент.

Обычно при реализации базы данных сущности, между которыми есть связи «1 к 1», решаются в виде общей таблицы. Однако с семантической точки зрения объединять такие таблицы нельзя, так как получается сущность с непонятным значением.

Роль внешнего ключа.

Иногда для более точного описания предметной области вводится понятие роли атрибута для внешнего ключа. Роль – значение, которое атрибут несет, в сущности. Например, в примере о кураторе группы атрибут «табельный номер преподавателя» в сущности «группа» может играть роль «куратор». Если связь построена в обратном направлении, то внешний ключ играет роль «курируемая группа».

Бывают ситуации, когда введение роли внешнего ключа обязательно.

1) Например, когда между двумя сущностями присутствуют две или более связи → опишем бухгалтерскую проводку, которая характеризуется номером в пределах одной даты и суммой. Счет характеризуется номером, названием и разделом баланса. Между сущностями можно выделить две связи:

– «проводка кредитует счет» - один и тот же счет может кредитоваться различными проводками, а проводка кредитует только один счет → связь «один ко многим»; проводка не может не иметь счета кредитования, то есть связь не допускает неопределенного значения внешнего ключа; счет кредитования не участвует в идентификации проводки, поэтому связь не идентифицирующая;

- «проводка дебетует счет» - первичный ключ к сущности «счет» должен дважды войти в состав не ключевых атрибутов сущности «проводка», то есть обойтись без роли внешнего ключа нельзя:

2) в случае рекурсивной связи - когда родитель и потомок совпадают. Пример – иерархия подчинения в организации, когда для данного работника необходимо учитывать его непосредственного начальника:

Чтобы у пользователя были более четкие понятия о функционировании той или иной системы, проектировщик создает концептуальную модель того или иного приложения. В этих целях используется различная документация, графики, спецификация, диаграммы и так далее. Чтобы вы могли точно понять, что такое концептуальная модель, какие она преследует, в данной статье мы решили более подробно остановиться на этом понятии.

Значение термина

Концептуальная модель - это определенная схема. Она в целях формирования смысловой структуры некоего объекта использует различные понятия и связи между ними. Однако стоит учитывать тот момент, что концептуальная модель системы абстрактна. Но это не единственное значение термина. Кроме того, существует понятие "концептуальная модель Смысл данного термина состоит в том, что для описания какой-либо сферы используется перечень связанных между собой понятий. В этих целях используются классификация определений, их характеристики и свойства, а также законы происходящих в них процессов.

Основные задачи

Стоит отметить, что концептуальная модель создается в первую очередь для облегчения восприятия информации обычным пользователем. Другими словами, разрабатывается узконаправленное и подробное описание действия структуры. Чтобы добиться данного результата, необходимо в первую очередь сделать эту модель наиболее простой (с этой целью используют минимальное количество значений). А во-вторых, постараться максимально ориентировать ее на выполнение определенных задач (то есть максимально ограничить работу пользователя с нефигурирующими значениями в данной области).

Основные цели

Концептуальная модель преследует следующие цели:

Создать простую, последовательную и удобную в использовании и изучении структуру. С этой целью области задач разделяются на понятия, которые можно использовать для работы с разными объектами.

Сохранить устойчивость терминологии. Это достигается тем, что концептуальная модель данных, состоящая на начальном этапе из словаря терминов, используется для распознавания каждого действия и объекта, расписанного в программе.

Как доказано, неиспользование данной терминологии приводит к тому, что для определения одной схемы используются несколько понятий, или один и тот же термин применяется для описания различных схем.

Разработка концептуальной модели

Этот процесс заключается в создании первоначальной схемы. В дальнейшем разработчик сможет применять ее для реализации программного обеспечения. Чтобы дать описание сложной системе, используется некий алгоритм поведения компонентов данной системы, отражая, таким образом, их взаимодействие между собой. Бывают случаи, когда информации, содержащейся в описании, оказывается недостаточно, чтобы понять и изучить объект моделирования. Чтобы исправить данное упущение, следует возвратиться к этапу составления оглавления и добавить те данные, отсутствие которых было установлено при формализации объекта. Причем, как показывает практика, подобных возвратов может быть несколько. Кстати, создание рассматриваемых в статье схем для простых структур не оправдано.

В нашли применение разные концептуальные модели, имеющие различную структуризацию. Чаще всего их схемы ориентируются на математические теории. Это приводит к проблемам выбора подходящей системы описания необходимого объекта моделирования. Так, к примеру, для дискретных схем принято использовать процессно-ориентировочные структуры. Чтобы составить непрерывную конструкцию, используют потоковые диаграммы системной динамики. Концептуальная разрабатывается с использованием специального языка, который закреплен в самой конструкционной структуре. Дабы упростить построение и программирование той или иной схемы, используются специально разработанные приемы технологии программирования.

Важные компоненты

Следует знать, что концептуальная модель включает в себя ряд важных элементов. В первую очередь к ним относятся исследование объектов и изучение их действий. То есть пользователь должен изучить список всех видимых для него приложений и манипуляций, которые он может совершать над каждым объектом в отдельности. Естественно, что в разработке системы могут (и, скорее всего, будут) присутствовать и другие объекты, однако они будут скрыты от пользователя.

Заключение

В ряде случаев при создании объектов концептуальной модели используют принцип структурной организации многоуровневых систем. Таким образом, разработчик достигает более легкого проектирования понятного для пользователя объекта. Подобное построение способствует управлению реализацией системы, а также облегчает создание структур команд приложения. То есть разработчик может определить, какие действия применимы к различным объектам, какие из них могут быть обобщены. Это дает возможность сделать структуру команд наиболее доступной для восприятия пользователем. То есть вместо того, чтобы изучать огромное количество объектно-ориентировочных команд, необходимо всего лишь освоить обобщенные. Анализируя все вышесказанное, можно сказать, что концептуальная модель - это всего лишь схема, которая определяет свойства элементов планируемой структуры и ее причинно-следственные связи, необходимые для достижения поставленной цели конструирования.

Предполагает выявление существующих связей между отдельными элементами данных и сопоставления таких отношений в организованном смысле слова. При проектирования базы данных существует несколько типов: концептуальное проектирование базы данных, логическое проектирование БД, физическое проектирование БД. Наиболее простым, является пожалуй логическое и физическое проектирование базы данных. Концептуальное проектирование баз данных — немного более неоднозначное, поскольку на этом этапе нет никакой прямой работы с . Сам процесс — это исключительно упражнение в выявлении соответствующих данных.
Две основные вещи, которые выявляются в концептуальном проектировании базы данных сущности и связи, то есть данные, являющиеся реальными объектами материального мира и отношений, сеть из связей, соединяющих одно юридическое лицо с другим неопределенное время. Здесь возникает центральное понятие этого типа конструкции: модель сущность-связь. Это не характеристика общей организации и структуры, которые будут присущи логической схеме базы данных; это её предшественник.

Кардинальность отношений являются неотъемлемой частью инфологической модели которая используется при концептуальном проектировании базы данных. Кардинальность может выразиться регулярно, когда предприятие испытывает особые отношения с другим субъектом. В реальной модели они обозначены точками, в которой предприятие на ветвях схемы имеет ссылки с одним или несколькими лицами. Различные “атрибуты”, такие как имена, качество и количество, связанные с сущностями и связями изображены на модели.

Заключительные соображения в развитии модели «сущность-связь» для концептуального проектирования баз данных относятся: назначение каждого наблюдаемого атрибута для конкретного домена и двойная проверка, чтобы убедиться, что всё в этой модели имеет смысл. Просмотрев всё, что влечет за собой поиск и отфильтровать все повторяющиеся данные, убедившись, что все атрибуты, связанные с правильными сущностями и отношениями между ними, подтверждают, что все связи в схеме не логичны. Если соединения не логичны в контексте реального мира, они должны быть логичными, по крайней мере, на абстрактном уровне.

Логическая схема базы данных на концептуальном этапе. Процесс, создающий порядок и последовательность, чтобы эти отношения были ранее сопоставлены и организует их таким образом, чтобы они могли быть использованы для проектирования физической базы данных. Выполнение задач в физические результаты проектирования базы данных происходит в базе данных, которая является функциональной и хорошо структурированной с учётом работы, проделанной при концептуальном проектировании базы данных и с логической структурой базы данных.