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.
КОНСПЕКТ ОБЗОРНОЙ ЛЕКЦИИ
Для
студентов специальности
Т1002 «Программное обеспечение информационных технологий»
(Л.В. Рудикова, к.ф.-м.н., доцент)
Вопрос 31. АРХИТЕКТУРА СУБД. РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
1. Понятие базы данных.
2. Трехуровневая архитектура базы данных.
3. Жизненный цикл базы данных.
4. Архитектура СУБД.
5. Реляционная модель данных.
6. Проектирование реляционных баз данных.
7. Нормальные формы отношений.
8. Реляционная алгебра.
1. Понятие базы данных.
Система с базой данных – это любая информационная система на базе компьютера, в которой данные могут совместно использоваться многими приложениями.
Информационная система – автоматическая система, организующая данные и выдающая информацию.
Информационно-управляющая система – система, обеспечивающая информационную поддержку менеджмента.
Данные – разрозненные факты.
Информация – организованные и обработанные данные.
Под базой данных понимается множество взаимосвязанных элементарных групп данных (информации), которые могут обрабатываться одной или несколькими прикладными системами. Система базы данных состоит из базы данных; программного обеспечения общего назначения, которая называется системой управления базой данных (СУБД) , и служит для управления базой данных; соответствующего оборудования и людей.
Каждая СУБД должна удовлетворять следующим требованиям:
· обеспечивать пользователю возможность создавать новые БД и определять их схему (логическую структуру данных) с помощью специального языка - языка определения данных ; поддерживать разнообразные представления одних и тех же данных;
· позволять «запрашивать » данные и изменять их с помощью языка запросов , или языка манипулирования данными ; допускать интеграцию и совместное использование данных различными приложениями;
· поддерживать хранение очень больших массивов данных, измеряемых гигабайтами и более, в течение долгого времени, защищая их от случайной порчи и неавторизованного использования, а также - обеспечивать модификацию БД и доступ к данным путем запросов, т.е. гарантировать безопасность и целостность данных;
· контролировать доступ к данным одновременно для многих пользователей; исключать влияние запроса одного пользователя на запрос другого и не допускать одновременный доступ, который может испортить данные, т.е. гарантировать управление параллельным доступом к данным.
Система с базой данных состоит из следующих компонентов:
· Пользователи, т.е. люди, которые используют данные.
· Приложения, т.е. программы пользователей, которым требуются данные из системы.
· СУБД – программное обеспечение, которое управляет доступом к данным и обеспечивает указанные функциональные возможности системы с базой данных.
· Данные, т.е. строки, хранящиеся в файлах.
· Система-хост – компьютерная система, в которой хранятся файлы. Доступ к строкам данных осуществляется системой-хостом. Роль СУБД состоит в том, чтобы генерировать запросы, позволяющие использовать функциональные возможности системы управления файлами системы-хоста для обслуживания различных приложений. СУБД – это дополнительный уровень программного обеспечения, надстроенный над программным обеспечением системы-хоста.
Таким образом, систему с БД можно представить в виде следующей последовательности уровней:
На самом нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в физических файлах (физическая память БД). На верхнем уровне – приложений с их собственными представлениями одних и тех же физических данных. Каждой представление БД – это определенная логическая структура, построенная из лежащих в основе физических данных. Чтобы обеспечить интерфейс между физической памятью БД и ее разнообразными логическими версиями (множеством поддерживаемых представлений) СУБД, в свою очередь должна состоять из нескольких уровней.
2. Трехуровневая архитектура базы данных.
Различие между логическим и физическим представлением данных официально признано в 1978 году, когда комитет ANSI / SPARC предложил обобщенную структуру систем баз данных. Эта структура получила название трехуровневой архитектуры. Три уровня архитектуры следующие: внутренний, концептуальный и внешний.
Внутренний уровень – это уровень, определяющий физический вид базы данных, наиболее близкий к физическому хранению и связан со способами сохранения информации на физических устройствах хранения. С данным уровнем связаны дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т.д. За этот уровень отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа будут использоваться для извлечения и обновления данных и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия системы управления базами данных. Пользователи не касаются этого уровня.
Концептуальный уровень – структурный уровень, определяющий логическую схему базы данных. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование базы данных, которое включает анализинформационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема, логическое описание всех элементов данных и отношений между ними.
Внешний уровень – структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждая пользовательская группа получает свое собственное представление данных в БД. Каждое такое представление данных дает ориентированное на пользователя описание элементов данных, из которых состоит представление данных, и отношений между ними. Его можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность таких пользовательских представлений данных и дает внешний уровень.
|
Представления пользователей и приложений |
|
|
Отображения |
|
|
Концептуальная схема |
Концептуальный уровень |
|
Отображение |
Внутренний уровень |
|
Система-хост |
|
|
Хранящиеся данные |
Рис. Уровни СУБД
3. Жизненный цикл базы данных.
Процесс проектирования, реализации иподдержания системы базы данных называется жизненным циклом базы данных (ЖЦБД). Процедура создания системы называется жизненным циклом системы (ЖЦС).
Понимание и правильный подход к ЖЦБД очень важен и требует детального рассмотрения, так как в его основе лежит подход, ориентированный на данные . Элементы данных более стабильны, чем выполняемые функции системы. Создание правильной структуры данных требует сложного анализа классов единиц данных и отношений между ними. Если построить логичную схему базы данных, то в дальнейшем можно создать любое количество функциональных систем, использующих эту схему. Функционально-ориентированный подход можно применять лишь для создания временных систем, которые рассчитаны на недолгое время функционирования.
ЖЦБД состоит из следующих этапов:
1. Предварительное планирование – планирование БД, выполняемое в процессе разработки стратегического плана БД. В процессе планирования собирается следующая информация:
· какие прикладные программы используются, и какие функции они выполняют;
· какие файлы связаны с каждым из этих приложений;
· какие новые приложения и файлы находятся в процессе работы.
Данная информация помогает определить, как используется информация приложений, определить будущие требования к системе БД.
Информация этого этапа документируется в виде обобщенной модели данных.
2. Проверка осуществимости . Здесь определяется технологическая, операционная и экономическая осуществимость плана создания БД, т. е.:
· технологическая осуществимость – есть ли технология для реализации запланированной БД?
· операционная осуществимость – есть ли средства и эксперты, необходимые для успешного осуществления плана создания БД?
· экономическая целесообразность – можно ли определить выводы? Окупится ли запланированная система? Можно ли оценить издержки и выгоду?
3. Определение требований включает выбор целей БД, выяснение информационных требований к системе и требований к оборудованию и программному обеспечению. Таким образом, на данном этапе сбора данных и определения требований создаётся общая информационная модель , выражающаяся в следующих задачах:
· Определяются цели системы путём анализа информационных потребностей. Здесь также обязательно указывается, какую именно БД следует создавать (распределённую, целостную) и какие коммуникационные средства необходимы. Выходной документ – комментарий, описывающий цели системы.
· Определение пользовательских требований: документация в виде обобщённой информации (комментарии, отчёты, опросы, анкеты и т. д.); фиксация функций системы и определение прикладных систем, которые будут выполнять эти требования. Данные представляются в виде соответствующих документов.
· Определение общих требований к оборудованию и программному обеспечению, связанных с поддержанием желаемого уровня быстродействия. (Выяснение количества пользователей системы, числа входных сообщений в день, количество распечаток). Данная информация используется для выбора типов компьютеров и СУБД, объёма дисков, количества принтеров. Данные этого этапа излагаются в отчёте, содержащем примерные конфигурации оборудования и программного обеспечения.
· Разработка плана поэтапного создания системы, включающий выбор исходных приложений.
4. Концептуальное проектирование – создание концептуальной схемы БД. Спецификации разрабатываются в той степени, которая необходима для перехода к реализации.
Основным выходным документом является единая инфологическая модель (или схема БД на концептуальном уровне ). При разработке данной модели используются информация и функции, которые должна выполнить система, определённые на этапе сбора и определения требований к системе. На данном этапе желательно также определить: 1) правила для данных; 2) правила для процессов; 3) правила для интерфейса.
5. Реализация – процесс превращения концептуальной модели в функциональную БД. Он включает в себя следующие этапы.
1) Выбор и приобретение необходимой СУБД.
2) Преобразование концептуальной (инфологической) модели БД в логическую и физическую модель данных:
· на основе инфологической модели данных строится схема данных для конкретной СУБД, при необходимости реализуется денормализация БД с целью ускорения обработки запросов во всех критичных по времени приложениях;
· определяются, какие прикладные процессы необходимо реализовать в схеме данных как хранимые процедуры;
· реализовать ограничения, предназначенные для обеспечения целостности данных и реализации правил для данных;
· спроектировать и сгенерировать триггеры для реализации всех централизованно определённых правил для данных и правил целостности данных, которые не могут быть заданы как ограничения;
· разработать стратегию индексирования и кластеризации; выполнить оценку размеров всех таблиц, кластеров и индексов;
· определить уровни доступа пользователей, разработать и внедрить правила обеспечения безопасности и аудита. Создать роли и синонимы для обеспечения многопользовательского доступа с согласованными уровнями полномочий доступа.
· разработать сетевую топологию БД и механизм бесшовного доступа к удалённым данным (реплицированная или распределённая БД).
3) Построение словаря данных, который определяет хранение определений структуры данных БД. Словарь данных также содержит информацию о полномочиях доступа, правилах защиты данных и контроля данных.
4) Заполнение базы данных.
5) Создание прикладных программ, контроль управления.
6) Обучение пользователей.
6. Оценка и усовершенствование схемы БД. Включает опрос пользователей с целью выяснения функциональных неучтенных потребностей. При необходимости вносятся изменения, добавление новых программ и элементов данных по мере изменения и расширения потребностей.
Таким образом, ЖЦБД включает в себя:
· Изучение предметной области и представление соответствующей документации (1-3).
· Построение инфологической модели (4).
· Реализация (5).
· Оценка работы и поддержка БД (6).
4. Архитектура СУБД.
Рис. Главные компоненты СУБД
Данные, метаданные - содержат не только данные, но и информацию о структуре данных (метаданные ). В реляционной СУБД метаданные включают в себя системные таблицы (отношения), имена отношений, имена атрибутов этих отношений и типы данных этих атрибутов.
Часто СУБД поддерживает индексы данных. Индекс - это структура данных, которая помогает быстро найти элементы данных при наличии части их значения (например, индекс, который находит кортежи конкретного отношения, имеющие заданное значение одного из атрибутов). Индексы - часть хранимых данных, а описания, указывающие, какие атрибуты имеют индексы - часть метаданных.
Менеджер памяти -получает требуемую информацию из места хранения данных и изменяет в нем информацию по требованию расположенных выше уровней системы.
В простых системах БД менеджером памяти может служить система файлов операционной системы. Однако для повышения эффективности, СУБД обычно осуществляет прямой контроль памяти. Менеджер памяти состоит из двух компонентов:
· Менеджер файлов контролирует расположение файлов на диске и получает блок или блоки, содержащие файлы, по запросу менеджера буфера (диск в общем случае делится на дисковые блоки - смежные области памяти, содержащие от 4000 до 16000 байт).
· Менеджер буфера управляет основной памятью. Он получает блоки данных с диска через менеджер файлов и выбирает страницу основной памяти для хранения конкретного блока. Он может временно сохранять дисковый блок в основной памяти, но возвращает его на диск, когда страница основной памяти нужна для другого блока. Страницы также возвращаются на диск по требованию менеджера транзакций.
Процессор «запроса» - обрабатывает запросы и запрашивает изменения данных или метаданных. Он предлагает лучший способ выполнения необходимой операции и выдает соответствующие команды менеджеру памяти.
Процессор (менеджер) запросов превращает запрос или действие с БД, которые могут быть выполнены на очень высоком уровне (например, в виде запроса SQL ), в последовательность запросов на хранимые данные типа отдельных кортежей отношения или частей индекса на отношении. Часто самой трудной частью обработки запроса является его организация , т. е. выбор хорошего плана запроса или последовательности запросов к системе памяти, отвечающей на запрос.
Менеджер транзакций - отвечает за целостность системы и должен обеспечить одновременную обработку многих запросов, отсутствие интерференции запросов (сложение, min , max ) и защиту данных в случае выхода системы из строя. Он взаимодействует с менеджером запросов, т. к. должен знать, на какие данные воздействуют текущие запросы (для избежания конфликтных ситуаций), и может отложить некоторые запросы и операции для избежания конфликтов. Менеджер транзакций взаимодействует также с менеджером памяти, т. к. схемы защиты данных обычно включают в себя хранение файла регистрации изменений данных. При правильном порядке выполнения операции файл регистрации будет содержать запись изменений, поэтому можно заново выполнить даже те изменения, которые не достигли диска из-за сбоя в системе.
Типичные СУБД позволяют пользователю сгруппировать несколько запросов и/или изменений в одной транзакции. Транзакция - это группа операций, которые необходимо выполнить последовательно, как одно целое.
Как правило, система БД поддерживает одновременно множество транзакций. Именно правильное выполнение всех таких транзакций и обеспечивает менеджер транзакций . Правильное выполнение транзакций обеспечивается ACID -свойствами (atomicity , consistency , isolation , durability ):
· атомарность - выполнение либо всех транзакций, либо ни одной из них (например, изъятие денег из банкомата и внесение соответственного дебета в счет клиента должны быть единственной атомарной транзакцией, не допускается выполнение каждой из этих операций по отдельности);
· непротиворечивость - состояние, при котором данные соответствуют всем возможным ожиданиям (например, условие непротиворечивости для БД авиационных линий состоит в том, что ни одно из мест в самолете не бронируется для двух пассажиров);
· изоляция - при параллельном выполнении двух или более транзакций их результаты должны быть изолированы друг от друга. Одновременное выполнение двух транзакций одновременно не должно привести к результату, которого не было бы, если они выполнялись последовательно (например, при продаже билетов на один и тот же рейс в случае свободного последнего места при одновременном запросе двух агентов, запрос одного должен быть выполнен, другого - нет);
· долговременность - после завершения транзакции результат не должен бытьутрачен в случае сбоя системы, даже если этот сбой происходит сразу после завершения транзакции.
Рассмотрим также 3 типа обращения к СУБД:
1. Запросы - вопросы по поводу данных могут генерироваться двумя способами:
a) с помощью общего интерфейса запросов (например, реляционная СУБД допускает запросы SQL , которые передаются процессору запросов, а также получает ответы на них);
б) с помощью интерфейсов прикладных программ - запросы передаются через специальный интерфейс (через этот интерфейс нельзя передавать произвольные запросы);
2. Модификации - это операции по изменению данных. Они также могут выполняться либо с помощью общего интерфейса, либо через интерфейс прикладной программы;
3. Модификации схемы - это команды администраторов БД, которые имеют право изменять схему БД или создавать новую БД.
Архитектура клиент/сервер. Во многих вариантах современного ПО реализуется архитектура клиент/сервер : один процесс (клиент) посылает запрос для выполнения другому процессу (серверу). Как правило, БД часто разделяется на процесс сервера и несколько процессов клиента.
В простейшей архитектуре клиент/сервер вся СУБД является сервером, за исключением интерфейсов запроса, которые взаимодействуют с пользователем и посылают запросы или другие команды на сервер. Например, реляционная СУБД часто использует язык SQL для представления запросов от клиента к серверу. Затем сервер БД предоставляет клиенту ответ в виде таблицы (отношения). Существует тенденция увеличения нагрузки на клиента, т. к. при наличии множества одновременно работающих пользователей БД с сервером могут возникнуть проблемы.
5. Реляционная модель данных.
РМД некоторой предметной области представляет собой набор отношений, изменяющихся во времени. При создании информационной системы совокупность отношений позволяет хранить данные об объектах предметной области и моделировать связи между ними.
Отношение представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные. Математически под N -арным отношением R понимают множество декартова произведения D 1 D 2 … D n множеств (доменов ) D 1, D 2 , …, D n (), необязательно различных:
R D 1 D 2 … D n ,
где D 1 D 2 … D n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется их своего домена.
Домен - это семантическое понятие. Домен можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных имеющих определенный смысл. Домен характеризуется следующими свойствами:
· Домен имеет уникальное имя (в пределах базы данных).
· Домен определен на некотором простом типе данных или на другом домене.
· Домен может иметь некоторое логическое условие , позволяющее описать подмножество данных, допустимых для данного домена.
· Домен несет определенную смысловую нагрузку .
Атрибут отношения есть пара вида <Имя_атрибута: Имя_домена>. Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения. Часто имена атрибутов отношения совпадают с именами соответствующих доменов.
Отношение R , определенное на множестве доменов, содержит две части: заголовок и тело.
Заголовок отношения – это фиксированное количество атрибутов отношения:
Заголовок отношения описывает декартово произведение доменов, на котором задано отношение. Заголовок статичен, он не меняется во время работы с базой данных. Если в отношении изменены, добавлены или удалены атрибуты, то в результате получим уже другое отношение (пусть даже с прежним именем).
Тело отношения содержит множество кортежей отношения. Каждый кортеж отношения представляет собой множество пар вида <Имя_атрибута: Значение_атрибута>:
таких что значение атрибута принадлежит домену . Тело отношения представляет собой набор кортежей, т.е. подмножество декартового произведения доменов. Таким образом, тело отношения собственно и является отношением в математическом смысле слова. Тело отношения может изменяться во время работы с базой данных - кортежи могут изменяться, добавляться и удаляться.
Отношение обычно записывается в виде:
или короче
,
или просто
Число атрибутов в отношении называют степенью (или -арностью ) отношения. Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.
Схемой отношения называется перечень имен атрибутов данного отношения с указанием домена, к которому они относятся:
Если атрибуты принимают значения из одного и того же домена, то они называются -сравнимыми, где – множество допустимых операций сравнений, заданных для данного домена. Например, если домен содержит числовые данные, то для него допустимы все операции сравнения, тогда . Однако, и для доменов, содержащих символьные данные, могут быть заданы не только операции сравнения по равенству и неравенству значений. Если для данного домена задано лексикографическое упорядочение, то он имеет также полный спектр операций сравнения.
Схемы двух отношений называются эквивалентными , если они имеют одинаковую степень и возможно такое упорядочение имен атрибутов в схемах, что на одинаковых местах будут находиться сравнимые атрибуты, то есть атрибуты, принимающие значения из одного домена:
Пусть
– схема отношения . 
– схема отношения после упорядочения
имен атрибутов. Тогда
~ 
Таким образом, для эквивалентных отношений выполняются следующие условия:
· Таблицы имеют одинаковое количество столбцов.
· Таблицы содержат столбцы с одинаковыми наименованиями.
· Столбцы с одинаковыми наименованиями содержат данные из одних и тех же доменов.
· Таблицы имеют одинаковые строки с учетом того, что порядок столбцов может различаться.
Все такие таблицы есть различные изображения одного и того же отношения.
Свойства отношений. Свойства отношений непосредственно следуют из приведенного выше определения отношения. В этих свойствах в основном и состоят различия между отношениями и таблицами.
· В отношении нет одинаковых кортежей .
· Кортежи не упорядочены (сверху вниз) .
· Атрибуты не упорядочены (слева направо) .
· Все значения атрибутов атомарны .
Рис. Схематическое изображение отношения
Реляционная модель представляет собой базу данных в виде множества взаимосвязанных отношений. В каждой связи одно отношение может выступать как основное, а другое отношение выступает в роли подчиненного. Таким образом, один кортеж основного отношения может быть связан с несколькими кортежами подчиненного отношения. Для поддержки этих связей оба отношения должны содержать наборы атрибутов, по которым они связаны. В основном отношении это первичный ключ отношения , который однозначно определяет кортеж основного отношения. В подчиненном отношении для моделирования связи должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу основного отношения. Однако здесь этот набор атрибутов уже является вторичным ключом или внешним ключом , т.е. он определяет множество кортежей отношения, которые связаны с единственным кортежем основного отношения.
6. Проектирование реляционных баз данных.
При проектирование реляционной БД должны быть решены следующие проблемы:
1) С учетом семантики предметной области необходимо наилучшим способом представить объекты предметной области в виде абстрактной модели данных (даталогическое проектирование). Т.е. - определиться со схемой БД: из каких отношений должны состоять БД, какие атрибуты должны быть у этих отношений, каковы связи между отношениями.
2) Обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных (физическое проектирование БД).
После проведения этапа даталогического проектирования должны быть получены следующие результирующие документы:
· Построение корректной схемы данных ориентируясь на реляционную модель данных.
· Описание схемы БД в терминах выбранной СУБД.
· Описание внешних моделей в терминах выбранной СУБД.
· Описание декларативных правил поддержки целостности БД.
· Разработка процедур поддержки семантической целостности БД.
Итак, задача проектирования реляционной БД состоит в выборе схемы базы из множества альтернативных вариантов.
Корректной называется схема БД, в которой отсутствуют нежелательные зависимости между атрибутами отношений. Процесс разработки корректной схемы БД называется логическим проектированием .
Проектирование схемы БД можно выполнить двумя методами:
· Метод декомпозиции (разбиения) – исходное множество отношений, входящих в схему БД заменяется другим множеством отношений, являющихся проекциями исходных отношений! При этом число отношений возрастает.
· Метод синтеза – компоновка схемы БД из заданных исходных элементарных зависимостей между объектами предметной области.
Классическое проектирование БД связано с теорией нормализацией , которая основана на анализе функциональных зависимостей между атрибутами отношений. Функциональные зависимости определяют устойчивые отношения между объектами и их свойствами в рассматриваемой предметной области.
Метод декомпозиции представляет собой процесс последовательной нормализации схем отношений: каждая новая итерация соответствует нормальной форме более высокого порядка и обладает лучшими свойствами по сравнению с предыдущей. Т.о., изначально предполагается существование универсального отношения, содержащего все атрибуты БД, затем на основе анализа связей между атрибутами осуществляется (или – делается попытка осуществить) декомпозиция универсального отношения, т.е. переход к нескольким отношениям меньшей размерности, причем исходное отношение должно восстанавливаться с помощью операции естественного соединения.
Итак, каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношений находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений.
В теории реляционных БД обычно выделяют следующие нормальные формы:
первая нормальная форма (1 NF );
· вторая нормальная форма (2 NF );
· третья нормальная форма (3 NF );
· нормальная форма Байса-Кодда (BCNF );
· четвертая нормальная форма (4 NF );
· пятая нормальная форма или форма проекции - соединения (5 NF или PYNF ).
Основные свойства нормальных форм:
· каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;
· при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.
Схемы БД называются эквивалентными , если содержание исходной БД можно получить естественным соединением отношений, входящих в результирующую схему, и при этом не появляется новых кортежей в исходной БД.
7. Нормальные формы отношений.
В основе процесса нормализации лежит адекватное отражение предметной области в виде таблиц, содержащих данные о моделируемом объекте, и возможность изменения состояния базы данных с течением времени. Как правило, из-за несоответствия модели данных предметной области могут возникнуть аномалии, которые проявляются при выполнении соответствующих операций:
· Аномалии вставки (INSERT) – хранение в одном отношении разнородной информации.
· Аномалии обновления (UPDATE) –избыточность данных отношения из-за хранения разнородной.
· Аномалии удаления (DELETE) – хранение разнородной информации в одном отношении.
Следует учитывать также возникающие неопределенные ( NULL ) значения . В разных СУБД при выполнении различных операций (сравнение, объединение, сортировка, группировка и др.) два NULL -значения могут быть или не быть равными друг другу, по разному влиять на результат выполнения операций по определению средних значений и нахождения количества значений. Для исключения ошибок во многих СУБД существует возможность замены NULL -значения нулем при выполнении расчетов, объявление всех NULL -значений равными друг другу и т.п.
Нормализация – разбиение таблицы на несколько, которые обладают лучшими свойствами при обновлении, вставке и удалении данных. Т.е. нормализация представляет собой процесс последовательной замены таблицы ее полными декомпозициями до тех пор, пока все они не будут находиться в 5НФ, однако, на практике достаточно привести таблицы к НФБК.
Процедура нормализации основывается на том, что единственными функциональными зависимостями в любой таблице должны быть зависимости вида , где - первичный ключ, а - некоторое другое поле. Поэтому в процессе нормализации следует избавиться от всех "других" функциональных зависимостей, т.е. от тех, которые имеют иной вид, чем .
Если заменить на время нормализации коды первичных (внешних) ключей, то следует рассмотреть 2 случая:
1. Таблица имеет составной первичный ключ, например и поле , которое функционально зависит от части этого ключа, например, от (от полного ключа не зависит). Рекомендуется сформировать другую таблицу, содержащую и ( – первичный ключ), и удалить из первоначальной таблицы:
Заменить , первичный ключ , ФЗ
на , первичный ключ
и , первичный ключ .
2. Таблица имеет первичный (возможный) ключ , поле , которое не является возможным ключом, но функционально зависит от , а также – другое неключевое поле , функционально зависящее от : . Рекомендуется сформировать таблицу содержащую и ( - первичный ключ), и – удалить из первоначальной таблицы: Следует заметить, что для проведения таких операций первоначально следует иметь, в качестве входных данных некоторые «большие» (универсальные) отношения.
Опр.1. Отношение находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда ни одна из его строк не содержит в любом своем поле одного значения и ни одного из ключевых полей отношения не пусто.
По опр.1, любое отношение будет находиться в 1НФ, т.е. отношение, удовлетворяющее свойствам отношений: в отношении нет одинаковых кортежей; кортежи не упорядочены; атрибуты не упорядочены и различаются по наименованию; все значения атрибутов атомарны.
Опр.2. Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в 1НФ и нет неключевых атрибутов, зависящих от части сложного ключа (т.е. все поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом).
Если потенциальный ключ является простым, то отношение автоматически находится в 2НФ.
Чтобы устранить зависимость атрибутов от части сложного ключа, необходимо произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. Атрибуты, которые зависят от части сложного ключа, выносятся в отдельное отношение.
Атрибуты отношения называются взаимно-независимыми , если ни один из них не является функционально зависимым от другого.
Опр.3. Отношение находится в третьей нормальной форме (3НФ) тогда и только тогда, когда отношение находятся в 2НФ и все неключевые атрибуты взаимно независимы (т.е. ни одно из неключевые полей отношения не зависит функционально от любого другого неключевого поля).
Чтобы устранить зависимость неключевых атрибутов, нужно произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. При этом те неключевые атрибуты, которые являются зависимыми, выносятся в отдельное отношение.
При приведении отношений при помощи алгоритма нормализации к отношениям в 3НФ предполагается, что все отношения содержат один потенциальный ключ. Это не всегда верно. Бывают случаи, когда отношение может содержать несколько ключей.
Опр.4. Отношение находится в нормальной форме Байса-Кодда (НФБК) тогда и только тогда, когда детерминанты всех функциональных зависимостей являются потенциальными ключами (либо - если любая функциональная зависимость между его палями сводится к полной функциональной зависимости от возможного ключа).
Если отношение находится в НФБК, то оно автоматически находится в 3НФ, что следует из определения 4. Чтобы устранить зависимость от детерминантов, не являющихся потенциальными ключами, следует провести декомпозицию, вынося эти детерминанты и зависимые от них части в отдельное отношение.
Бывают случаи, когда отношение не содержит никаких функциональных зависимостей. Т.е. отношение является полностью ключевым, т.е. ключом отношения является все множество атрибутов. Т.о., мы имеем многозначную зависимость, т.к. взаимосвязь между атрибутами все-таки имеется.
Опр.5. Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.
Отношения с нетривиальными многозначными зависимостями возникают, как правило, в результате естественного соединения двух отношений по общему полю, которое не является ключевым ни в одном из отношений. Реально это ведет к хранению в одном отношении информации о двух независимых сущностях.
Для устранения нетривиальных многозначных зависимостей можно декомпозировать исходное отношение на несколько новых.
Опр.6. Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ) тогда и только тогда, когда любая имеющаяся зависимость соединения является тривиальной.
Опр.6. тождественно также следует определению.
Опр.7. Отношение не находится в 5НФ, если в отношении найдется нетривиальная зависимость соединения.
Т.о. если в каждой полной декомпозиции все проекции исходного отношения содержат возможный ключ, можно сделать вывод о том, что отношение находится в 5НФ. Отношение, не имеющее ни одной полной декомпозиции также находится в 5НФ.
Не зная ничего о том, какие потенциальные ключи имеются в отношении и как взаимосвязаны атрибуты, нельзя утверждать, что данное отношение находится в 5НФ или в других нормальных формах.
Возможным ключом отношения называется набор атрибутов отношения, который полностью и однозначно (функционально полно) определит значения всех остальных атрибутов отношения. В общем случае в отношении может быть несколько возможных ключей. Среди всех возможных ключей отношения как правило выбирают один, который считается главным и который называют первичным ключом отношения.
Взаимно-независимые атрибуты – это атрибуты, не зависящие один от другого. Если в отношение существует несколько ФЗ, то каждый атрибут или набор атрибутов, от которого зависит другой атрибут, называется детерминантом отношения.
9. Реляционная алгебра.
Реляционная алгебра представляет собой основу доступа к реляционным данным. Основная цель алгебры – обеспечить запись выражений. Выражения могут использоваться для:
· определения области выборки , т.е. определения данных для их выбора, как результата операции выборки;
· определения области обновления , т.е. определения данных для их вставки, изменения или удаления, как результата операции обновления;
· определение (именованных) виртуальных отношений , т.е. представление данных для их визуализации через представления;
· определение снимка, т.е. определение данных для сохранения в виде «мгновенного снимка» отношения;
· определение правил безопасности, т.е. определение данных, для которых осуществляется контроль доступа;
· определение требований устойчивости, т.е. определение данных, которые входят в область для некоторых операций управления одновременным доступом;
· определение правил целостности, т.е. некоторых особых правил, которым должна удовлетворять база данных, наряду с общими правилами, представляющими часть реляционной модели и применяемыми к каждой базе данных.
В реализациях конкретных реляционных СУБД сейчас не используется в чистом виде ни реляционная алгебра, ни реляционное исчисление. Фактическим стандартом доступа к реляционным данным стал язык SQL (Structured Query Language).
Реляционная алгебра, определенная Коддом состоит из 8 операторов, составляющих 2 группы:
- традиционные операции над множествами (объединение, пересечение, вычитание, декартово произведение);
- специальные реляционные операции (выборка, проекция, соединение, деление).
Кроме того, в состав алгебры включается операция присваивания, позволяющая сохранить в базе данных результаты вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, дающая возможность корректно сформировать заголовок (схему) результирующего отношения.
Краткий обзор операторов реляционной алгебры.
Выборка – возвращает отношение, которое содержит все кортежи определенного отношения, удовлетворяющие некоторым условиям. Операция выборки называется также операцией ограничения (restrict - ограничение, сейчас чаще принимается выборка - SELECT ).
Проекция – возвращает отношение, содержащее все кортежи (т.е. - под кортежи) определенного отношения после исключения из него некоторых атрибутов.
Произведение – возвращает отношение, содержащее всевозможные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадлежащих соответственно двум определенным отношениям.
Объединение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат или одному из двух определенных отношений, или обоим.
Пересечение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат одновременно двум определенным отношениям.
Вычитание – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат первому из двух определенных отношений и не принадлежат второму.
Соединение (естественное) – возвращает отношение, кортежи которого - это сочетание двух кортежей (принадлежащих соответственно двум определенным отношениям), имеющих общее значение для одного или нескольких общих атрибутов этих двух отношений (и такие общие значения в результирующем кортеже появляются только один раз, а не дважды).
Деление – для двух отношений, бинарного и унарного, возвращает отношение, содержащее все значения одного атрибута бинарного отношения, которые соответствуют (в другом атрибуте) всем значениям в унарном отношении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных, 6-е издание: Пер. с англ. – К.; М.; СПб.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 848 с.
2. Конноли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 1120 с.
3. Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация. – СПб.: Питер, 2001. – 304 с.
4. Фаронов В.В., Шумаков П.В. Delphi 4. Руководство разработчика баз данных. – М.: «Нолидж», 1999. – 560 с.
5. Дж. Грофф, П.Вайнберг. SQL: Полное руководство: Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2001. – 816 с.
6. Кен Гетц, Пол Литвин, Майк Гилберт. Access 2000. Руководство разработчика. Т.1, 2. Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2000. – 1264 с, 912 c.
7. Маклаков С.В BPwin и EPwin. CASE-средства разработки информационных систем. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001. – 304 с.
8. Ульман Д., Уидом Д. Введение в системы баз данных / Пер. с англ. – М.: «Лори», 2000. – 374 с.
9. Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных: Учебник для высших учебных заведений / Под ред. Проф. А.Д.Хомоненко. – Спб.: КОРОНА принт, 2000. – 416 с.
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.
(ИС - информационная система!)
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.
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.
9. Особенности натурного анализа
Натурным моделированием называют проведение исследования на реальном объекте с последующей обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия. Натурное моделирование подразделяется на научный эксперимент, комплексные испытания и производственный эксперимент. Научный эксперимент характеризуется широким использованием средств автоматизации, применением весьма разнообразных средств обработки информации, возможностью вмешательства человека в процесс проведения эксперимента. Одна из разновидностей эксперимента - комплексные испытания, в процессе которых вследствие повторения испытаний объектов в целом (или больших частей системы) выявляются общие закономерности о характеристиках качества, надежности этих объектов. В этом случае моделирование осуществляется путем обработки и обобщения сведений о группе однородных явлений. Наряду со специально организованными испытаниями возможна реализация натурного моделирования путем обобщения опыта, накопленного в ходе производственного процесса, т.е. можно говорить о производственном эксперименте. Здесь на базе теории подобия обрабатывают статистический материал по производственному процессу и получают его обобщенные характеристики. Необходимо помнить про отличие эксперимента от реального протекания процесса. Оно заключается в том, что в эксперименте могут появиться отдельные критические ситуации и определиться границы устойчивости процесса. В ходе эксперимента вводятся новые факторы возмущающие воздействия в процесс функционирования объекта.
10. Изучение аналогов и образцов
Динамика перемен в современном мире обеспечивается преимущественного за счет интенсивной проектной деятельности, к которой способны только субъекты культурно-технологического развития, а не просто исполнители. Главным фактором развития становится производство новых знаний - детерминирование интеллектуальных технологий, что предполагает уход человека из сферы непосредственного преобразования вещества и энергии на уровень управления и творческой деятельности. Постоянно ускоряющийся темп научно-технического прогресса предъявляет особые требования к современному человеку. Знания быстро устаревают, и возникает постоянная потребность в обновлении и приобретении все новых знаний. В таких условиях имеющихся у человека знаний недостаточно и он вынужден их добывать и производить все более ускоренными темпами.
Успешность и качество жизни зависит от способности человека проектировать - самостоятельно выявлять проблемы, противоречия и задачи окружающей действительности (предпроектные исследования), создавать что-либо новое (не бывшее ранее) более эффективное, позволяющее преодолевать возникающую проблему, то есть за счет «выхода» за пределы познанной реальности и создания новой, пока еще не ставшей.
Проектирование в реальной действительности осуществляется по некоторым устоявшимся правилам и закономерностям. Проектирование всегда предполагает некоторое приращение к исходному состоянию объекта проектирования. Результат проектирования может быть представлен как некоторая исходная система (ИС) и добавка (приращение) А.
Процесс выявления проблемы и поиск ее решения происходит по определенной схеме. Часто эта схема не осознается (остается в подсознании). Весь процесс проектирования может быть условно разделен на три больших этапа :
Этот этап связан с выявлением проблемы. Основой возникновения проблемы в форме, пригодной для выполнения логических или эвристических процедур по ее разрешению, является некоторый дискомфорт, явное или скрытое неудобство, которое испытывает человек в определенной ситуации жизнедеятельности, обозначаемой в качестве проблемной. Осознание интуитивно ощущаемого дискомфорта (физического, психического, интеллектуального, духовного) и неудобства приводят к пониманию человеком сущности проблемы и ее формулированию, что является одним из условий разрешения проблемы. При этом проблема преобразуется в задачу, где известны объект изучения и /или преобразования, исходные условия и состояние, а так же (при необходимости) ограничения на будущие возможные решения. Предпроектные исследования позволяют предотвратить повторение уже созданных проектов и направить творческую мысль на выявление действительно реальных проблем и формулирование задач, решение которых позволит устранить проблему на более высоком уровне качества.
Второй этап имеет целью создание собственно проекта в виде описаний, схем, чертежей, алгоритмов, программ, расчетов и т.п. Процесс создания проекта заключается в построении мыслительных образов будущей реальности (идей) эвристическими, ассоциативно-интуитивными, рациональными, алгоритмическими и другими способами, активизирующими креативную функцию сознания, и в последующем переводе сформировавшихся мыслительных образов в доступную для зрительного восприятия и понимания форму (визуализация или конструирование). Создание доступного для восприятия образа (облика) идеи решения проблемы обеспечивается взаимно обусловленными видами мыслительной деятельности человека - исследовательской и проектной. При их определенном сходстве они отличаются, прежде всего, объектом познания, а также методами и последовательностью выполнения процедур. Исследование и проектирование можно разделить по типу моделей. Исследование - познавательная модель, ориентированная на процесс получения знания о реально существующем мире и его элементах. Эту модель можно построить для процесса обучения и для процесса научного исследования - это процесс производства знаний о явлениях, свойствах, состояниях существующего, имеющегося в наличии реального объекта или их совокупности. Исследовать можно только то, что есть в реальном мире. Проектирование - это прагматическая модель, строится в ситуациях, когда необходимо осуществить какое-либо преобразование реального мира с целью получения другого иного результата - это процесс производства знания о несуществующей (виртуальной) реальности, которая может состояться при определенных условиях.
Проектирование и исследование, познавательные и прагматические модели не могут существовать друг без друга. Они могут рассматриваться, как взаимно обусловленные процедуры процесса удовлетворения потребности человека.
11. Изучение нормативов
Нормативы - это методические указания в строительстве, это совокупность принятых органами исполнительной власти нормативных актов технического, экономического и правового характера, регламентирующих осуществление градостроительной деятельности, а также инженерных изысканий, архитектурно-строительного проектирования и строительства.
Изучение нормативов играет основную, важную роль, так как нормы в строительстве охватывают громаднейшую область проектирования. Например:
раздел Безопасность включает (Противопожарные нормы, нагрузки и воздействия, основания зданий и сооружений) и многое другое,
Раздел Конструкции охватывает всевозможные бетонные и железобетонные, алюминиевые, асбестоцементные и прочие конструкции
Раздел Инженерные сети и системы охватывает канализацию зданий, наружные сети и сооружения, отопление, вентиляция и кондиционирование, а так же газоснобжение, расчет стальных трубопроводов и многое другое.
Раздел Транспорт охватывает магистральные трубопроводы, Промышленный транспорт, Трамвайные и троллейбусные линии и многое другое.
Так же есть и другие разделы напримергидротехнические сооружения, Градостроительство, организация, производство и приёмка работ, сметные нормы и другие
Качество владения этими знаниями формирует пользу, прочность, красоту, и экономичность сооружаемого объекта.
Главным направлением деятельности Компании «Метод» с момента ее основания и по настоящее время является разработка изобретающих компьютерных программ на основе методов концептуального проектирования технических систем.
Концептуальное проектирование - это отдельный вид проектной деятельности. Её результат - варианты концепций проектируемой технической системы (ТС) как в целом, так и ее отдельных частей.
Концепция ТС имеет различные формы представления, отличающиеся уровнем проработки (конкретности). Это:
Функциональная схема, в которой указан набор элементов ТС, выполняющих ту или иную техническую функцию, и способ их взаимодействия.
Принцип действия , определяющий взаимосвязь между физическими (химическими и т.п.) явлениями, протекающими в ТС на различных этапах ее жизненного цикла.
Принцип изменения , указывающий, как надо изменить материалы, конструкцию, режимы работы и взаимодействие устройства с окружающей средой, чтобы улучшить его характеристики.
Конструктивная схема , которая определяет состав ТС, взаимное расположение и взаимосвязь между ее элементами, особенности их конструктивного исполнения, используемые материалы, оптимальное соотношение параметров элементов и другие существенные признаки. Обычно, для краткости изложения, конструктивная схема ТС представляется в виде отличительной формулы . В ней перечисляются только те конструктивные признаки, которые отличают проектируемую ТС от ее прототипа.
Основной объем задач концептуального проектирования приходится решать на ранних стадиях разработки ТС: при разработке концепт - проекта и эскизном проектировании. Иными словами, тогда, когда определяется облик будущего изделия. Однако, и в дальнейшем, на этапах рабочего проектирования, испытаний, постановки на производство разработчики сталкиваются со сложными техническими проблемами. Их устранение так же требует методов концептуального проектирования.
Место и объем концептуального проектирования как отдельной поисковой процедуры поясняет следующая схема.
Концептуальное проектирование - это важнейшая составляющая процесса создания нового изделия. В конечном итоге, именно число проработанных концепций будущего изделия определяет его новизну и качество , а, следовательно, его конкурентоспособность и объем продаж .
Практическое применение методов концептуального проектирования показало, что они незаменимы при решении таких задач, как:
- разработка новых устройств и технологий;
- повышение качества и снижение издержек производства;
- прогноз развития конкретной области техники;
- получение приоритета в заданной области техники;
- управление знаниями и интеллектуальной собственностью предприятия.
Изобретательство и концептуальное проектирование
Изобретательство и концептуальное проектирование являются родственными видами деятельности, отличающимися, в основном, своим целями.
Изобретательство - это индивидуальная инициативная деятельность. Цель изобретателя состоит в создании изобретения, т.е. технического решения, обладающего мировой новизной . Изобретательство, как вид человеческой деятельности, сродни искусству. Поэтому очень часто создание изобретения несет в себе элемент случайности . Многие замечательные изобретения появляются «ни тогда» и «ни там», как того требует реальное производство. Это одна из главных причин трудностей внедрения изобретения в практику.
Случайный характер изобретательства может задержать развитие техники не на годы, а на тысячелетия! Например, древним грекам были известны все элементарные технические устройства, которые использовал Эдисон в своем фонографе для записи и воспроизведении звука. Они знали о свойствах струн колебаться при дуновении ветра, о колебании мембран барабанов, применяли рычаг для увеличения силы и использовали дощечки, покрытые воском, для записи слов. Однако соединить все эти знания вместе в одном устройстве они не смогли. Кстати, изобретению фонографа Эдисон также обязан счастливому случаю.
В отличие от изобретательства, концептуальное проектирование - это плановая производственная деятельность . Её цель - решить техническую проблему, которая поставлена перед разработчиками, в заданный срок. При этом, обычно, не ставится задача найти принципиально новое техническое решение, т.е. изобретение.
Если техническое решение находится после установленного срока, то, как правило, реализовать его практически не удается. Использование такого решения в текущем проекте невозможно, т.к. упущено время. В следующем проекте аналогичного изделия этому решению также обычно не находится места, т.к. появляются новые требования и новые решения.
Цель концептуального проектирования - обеспечение планомерности решения технической проблемы - достигается за счет применения современных информационных технологий. В отличие от изобретательства, в котором преобладает творческое начало человека, концептуальное проектирование - это, в первую очередь, технология. Именно она позволяет гарантировать нужный результат в установленные сроки.
ТРИЗ и концептуальное проектирование
ТРИЗ - теория решения изобретательских задач - была разработана Альтшулером Г.С. и его учениками в СССР в период 50 - 80-х годов прошлого века. Эта методология успешно развивается и в настоящее время. Методы ТРИЗ используют как отдельные изобретатели, так и консультационные фирмы во многих странах мира.
ТРИЗ и концептуальное проектирование являются родственными методологиями. У них одна и та же цель - плановое, целенаправленное решение технических проблем, но различные методы.
Основной арсенал ТРИЗ - это эвристические методы , состоящие из специальных алгоритмов, инструкций, методических рекомендаций и т.п., которые ориентированы на использование их человеком. Методы ТРИЗ помогают изобретателю проанализировать техническую проблему, придумать решение и расширить область его применения.
Более широкое использование методов ТРИЗ в инженерной практике ограничено необходимостью предварительного обучения . Овладеть этими методами на должном уровне можно только после длительного обучения на специальных курсах у опытного преподавателя.
Соответствующей реакцией на проблему обучения стало создание компьютерных программ, реализующих методы ТРИЗ. Однако, это не позволяет полностью избежать предварительного обучения. В этих программах компьютер используется как вспомогательное средство. С его помощью изобретатель, в основном, регистрирует результаты решения технической проблемы, а также находит подходящие эвристические приемы и технические примеры. При работе с такими компьютерными программами весь объем творческих операций изобретатель должен выполнить сам.
В концептуальном проектировании для решения технических проблем используются формальные методы и большие базы знаний , которые могут быть реализованы только в виде компьютерных программ. Пользователю совсем необязательно знать, какие методы (алгоритмы) применяются в этих программах. Ему достаточно указать техническую проблему, нажать кнопку «Решить» и выбрать лучшее из найденных решений. Таким образом, методы концептуального проектирования позволяют любому инженеру целенаправленно решать технические проблемы без предварительной методической подготовки.
Несмотря на указанные различия, подходы ТРИЗ и концептуальное проектирование не исключают, а дополняют друг друга. Методы ТРИЗ незаменимы при поиске направлений решения технической проблемы. Они помогают инженеру перейти от сложной технической проблемы к типовым изобретательским задачам. После этого можно применить методы концептуального проектирования. Уже сейчас изобретающие программы на основе методов концептуального проектирования могут решать некоторые изобретательские задачи средней степени сложности. Это обеспечивают обширные базы конкретных инженерных знаний и сложные формальные алгоритмы, которые используются в этих программах.
Кроме того, как показывает наш опыт, наилучших результатов при работе с современными изобретающими программами добиваются инженеры, владеющие ТРИЗ.
К этому надо добавить, что полностью формализовать весь процесс решения технических проблем не удастся никогда. Очевидно, что со временем область применения изобретающих компьютерных программ будет расширяться, но они никогда полностью не заменят в этом деле человека. И вызвано это не тем, что еще не решены какие-то математические проблемы или не хватает быстродействия и памяти у существующих компьютеров. Проблема только в одном: компьютер не изобретает, потому что он этого не хочет!
Инновационный потенциал основан на результатах первых двух этапов инновационного цикла, т.е. на результатах фундаментальных и прикладных исследований. Эти результаты могут быть выражены в разных видах - от идеи, характеризующей саму возможность практического применения, до опытных образцов, обеспеченных чертежно-технической документацией, технологией производства, испытанных и апробированных на производстве.
Апробированный результат научно-исследовательской работы (НИР) и научно-исследовательской опытно-конструк-торской работы (НИОКР) является предпочтительным для применения на предприятиях, так как дает возможности развития предприятия при определенных рисках. Первый вид испытанных научных результатов (идея НИР) является основой инновационного потенциала и отличается высокими рисками, которые практически оценить очень сложно. Поэтому такие результаты имеют развитие приоритетно на основе государственного управ-ления, которое выступает венчурным капиталистом.
Результаты научных исследований, которые планируются к переходу в стадию инновационной диффузии, являются основой для новой стадии исследований, которая характерна актуальностью выполнения НИР технико-технологических и инновационных исследований.
Инновационные исследования определяют пути перехода от результатов НИР к инновационной диффузии и включают организационно-экономические исследования, выбор предприятий и организаций для внедрения в производство новшеств, нововведений и инноваций.
Таким образом, к особенностям инновационного развития относятся вопросы, характерные для ранних стадий проектирования технических объектов и систем в техновещественном развитии отраслей жизнедеятельности общества. Второй составляющей инновационного развития является инновационное исследование, определенное выбором предприятия и формированием партнерских отношений его с научной организацией, университетом, т.е. с разработчиком новшества, нововведения, инновации.
В таком подходе к организации управления инновационным развитием в условиях региона обеспечивается неразрывность инновационного цикла как необходимого условия для развития инновационной деятельности.
Моделирование на ранних стадиях проектирования призвано решать задачу концептуального проектирования, т.е. определять и использовать такие технико-технологические решения, которые в дальнейшем могут обеспечивать конкурентные преимущества создаваемому техническому объекту, системе, предприятию, отрасли и территории (региону).
Концептуальное моделирование имеет особенности, характерные для ранних стадий проектной деятельности (включая идею) и завершая эскизным проектированием, что определяет создание новых и перспективных технико-технологических решений, обеспечивающих инновационный потенциал конкурентными преимуществами.
Результирующими от созданной идеи могут быть: 1) проект; 2) программа; 3) направление научной и опытно-конструк-торской работы. Создание на основе полученного технико-технологического решения проекта определяет возможности бизнес-планирования, т.е. получение обоснованного организационно-экономического плана работы. Программа включает процесс исследований, результатом которых является комплекс взаимоувязанных инновационных проектов. Достижение организационно-экономической эффективности по программе осуществляется поэтапно на основе согласованного выполнения комплекса проектов. Отличительной особенностью инновационного направления является большая доля научных исследований, направленных на изыскание таких технико-технологиче-ских решений, которые могут обеспечить конкурентные преимущества предприятию в его развитии. Направление включает программы и проекты.
Ведение проектных работ по каждому из трех направлений опирается на интеллектуальный потенциал профессионалов, использующих методы научно-технического творчества, и требует в современных условиях поддержки на основе информационных технологий для решения неформализованных научно-технических задач.
Концептуальное проектирование, включающее поиск идей, отличается планированием целевых показателей, параметров, индикаторов создаваемого технического объекта или системы. С позиции инноваций при проектировании отрицательный результат, имеющий даже научную ценность, рассматривается как неудача. Согласно когнитивной психологии, каждый проектировщик, конструктор имеет свою персональную когнитивную карту, которая определяет схему его видения образа объекта проектирования и процесса его реализации, поэтому задачей является выбор инновационного образа технического проектирования объекта.
Процесс работы связан с наличием у разработчика некоторой мыслительной модели, которая имеет текущее состояние и постоянно меняется в процессе познания, что и является процессом концептуального проектирования с инструментальным использованием когнитивных моделей (лат. cognition - знание, познание). В исследованиях технической направленности эти модели находят применение в качестве имитационных, которые ориентированы на прогнозирование поведения оператора при взаимодействии его со сложными техническими системами.
Концептуальное проектирование характерно целесообразностью использования методов опосредованного познания, т.е. моделирования. Характеризуя модели, используемые на ранних стадиях проектирования, отметим приоритетность внимания к особенностям построения иерархических структур моделирования, имеющих место информационных процессов, а также на принятии решений.
Исследование задачи структурного и параметрического синтеза в процессе проектирования на ранних стадиях с когнитивных позиций в сложных технических системах показывает два явно выраженных этапа: 1) этап структурного синтеза и 2) этап параметрического синтеза описании функционирования. Этапы включают существенные звенья познавательной направленности. Когнитивное моделирование при компьютерной поддержке повышает эффективность проектирования. Задачи структурирования, компоновки изделия и параметризации представляются наиболее перспективными с позиции когнитивного моделирования.
Например, при создании дизеля структура изделия может меняться несущественно и основные трудности будут связаны с параметрическим синтезом. Обратная ситуация - при создании продуктов питания нового поколения и примерно равнозначная значимость структурного и параметрического синтезов - для сферы строительства. При этом могут быть исключения для каждой из указанных отраслей по соотношению задач структурного и параметрического синтеза, что определяется созданием гибкой производственной системы.
Формирование структуры осуществляется эвристическим путем (методы научно-технического творчества), или структура выбирается из набора решений. Моделировать структурные и параметрические (функциональные) этапы в единой модели одновременно весьма сложно и может частично решаться только при компьютерной поддержке в системе «человек-машина». При этом параметрический этап (функционирования) отличается использованием теории анализа и подобия. Создание теории функционирования для сложных технических систем возможно лишь для отдельных аспектов.
На ранних стадиях проектирования находят применение грубые промежуточные компоновочные чертежи и подобные модели (вербальные, на основе последовательного приближения).
Содержательные модели представляют собой словесные постановки задачи, программы и планы развития систем, «деревья» целей, управления, проектирования и др., которые широко используют системный подход, опирающийся на понятия системы, подсистемы, элемента структуры, иерархии, свойства (параметров), цели, функции и т.п. Это позволяет выявить специфику и закономерности сложных систем, разбить на подсистемы и организовать их взаимодействие с учетом влияния внешней среды. Далее проявляется возможность перехода к использованию формализованных методов.
Рассматривая модели, используемые при решении задач проектирования, можно выделить:
Иерархическое описание и стратегии его формирования;
Теоретико-множественные модели;
Модели представления знаний: например: продукция как форма предоставления знаний; фреймы; сценарии; предикатные модели; модели представления данных.
При проектировании под сценарием понимается система предположений о течении изучаемого процесса, на основе которой разрабатывается один из возможных вариантов прогноза, строится план (тоже сценарий) осуществления чего-либо. Сначала разрабатывается базовый сценарий, который показывает наиболее вероятное воздействие всех событий на показатели благополучия и параллельно строится пессимистический сценарий. Далее, чтобы помочь руководителю принять адекватное решение, разрабатываются две стратегии упреждающих действий:
В отношении событий, поддающихся контролю, намечаются действия, направленные на то, чтобы желательные события происходили, а нежелательные - нет;
В отношении событий, не поддающихся контролю, намечаются действия, которые усиливают благоприятные последствия и смягчают неблагоприятные.
Результатом такой проработки является так называемый «форсированный сценарий». Имеются примеры удачного использования сценариев при проектировании для описания действий пользователя с несколькими уровнями наглядного объяснения. Результаты позволяют продемонстрировать, насколько детально должна быть представлена информация, предназначенная для использования в адаптивных интерфейсах. Сценарии являются способом представления информации и удобны для представления стереотипных знаний, определяющих типичные ситуации конкретной предметной области. В интеллектуальных системах сценарии используются в процедурах понимания естественно-языковых текстов, планирования поведения, принятия решения, повышения эффективности обучения.
Такой подход к проектированию на ранних стадиях с позиции когнитивного моделирования обеспечивает саму возможность ведения стратегии инновационного развития. При этом удается оттеснять стратегию развития по имитационной модели, которая развита в российском обществе. При создании компьютерной поддержки процесса концептуализации необходимо активнее использовать интеллектуальный потенциал профессионалов из разных сфер знаний, научных организаций, предприятий, отраслей.
Когнитивное моделирование технико-технологических объектов и систем определяет возможность комплексной увязки в информационную технологию трех компонентов: 1) концептуализации; 2) структурирования и 3) параметризации. Концептуализация должна быть целенаправленной, что предполагает применение категориального анализа и теории парадигмы.
При когнитивной направленности структурирования определяется возможность порождения новых инвариантных структур.
На основе вербальных моделей через создание блок-схем процесс проектирования выходит на компоновку, которую выполняет специалист, и он должен быть обеспечен персонифицированной системой поддержки. Для параметризации компонентов изделия характерны интеграционные работы, что определяет целесообразность использования когнитивной компьютерной графики. Концептуальное проектирование носит коллективный характер, что определяет особенности информационной технологии поддержки этой деятельности.
Следует отметить, что чем более ранняя стадия проектирования (стадия идеи) рассматривается, тем более конкурентной может быть создаваемое изделие, технический объект или система, технология.
Подходы, модели, используемые при создании технических систем, могут быть использованы в аналитической системе управления не только для разработки технико-технологических решений, но и для выработки решений системного управления инновационным развитием организации, предприятия, отрасли, региона.
Развитию инновационного потенциала характерна система «университет - промышленность», так как необходимо совмещение знаний этих двух сфер знаний.
Основные понятия, классификация
