Размещено на http://www.allbest.ru/

Базы данных в управлении производственным процессом

В этой лекции мы обсудим следующие темы: что такое база данных, для чего она нужна и почему так важно проектирование базы данных; происхождение и развитие баз данных; что такое система управления базой данных (СУБД) и как она взаимодействует с базой данных; типы систем и модели баз данных; недостатки той или иной модели.

Также здесь рассматриваются структуры программ, применяемых на электростанциях и подходы к разработке БД для них.

Введение в базы данных

Хорошие решения требуют достоверной информации, которую приходится извлекать из неупорядоченных данных. Данными можно более эффективно управлять, если их разместить в базе данных.

Прародителями современных баз данных можно считать компьютерные файловые структуры (системы файлов). Хотя системы файлов сейчас постепенно отходят в прошлое, все же понимать их очень важно, поскольку основные свойства систем файлов являются источником некоторых важнейших ограничений в управлении данными.

Чтобы понять движущую идею проектирования баз данных, необходимо уяснить различие между неупорядоченными данными и упорядоченными, структурированными данными. Неупорядоченные данные - это "сырье", необработанные сведения.

Предположим, что на электростанции ведется учет оборудования, включая оборудование на 0,4 кВ. Количество единиц оборудования составляет более 1000 шт. При этом требуется учитывать следующую информацию: паспортные данные, данные по ремонтам, релейной защите и автоматике, контрольно-измерительным приборам, относящимся к данному оборудованию (присоединению) и др.

Принимая во внимание столь обильный фактический материал, нельзя всерьез думать о том, что можно извлечь какую-то продуктивную информацию, например, об эффективности диагностики оборудования. С другой стороны, если мы предварительно обработаем фактический материал и сопоставим информацию о дефектах с диагностическими признаками, то сможем выяснить, насколько эффективен тот или иной признак.

Для достоверной, своевременной и значимой информации необходимы точные данные. Такие данные должны создаваться и храниться должным образом в формате, обеспечивающем простоту доступа и обработки. Поскольку данные представляют собой важнейший базовый ресурс, ими необходимо тщательнейшим образом управлять. Управление данными - это дисциплина, которая изучает методы создания, надлежащего хранения и извлечения данных.

Как правило, эффективное управление данными предполагает использование компьютерных баз данных. База данных - это интегрированная компьютерная структура совместного доступа, в которой размещаются следующие сведения:

данные конечных пользователей, т.е. сведения, отражающие сферу интересов конечного пользователя;

метаданные (metadata) или данные о данных, с помощью которых осуществляется интегрирование (объединение) данных.

Метаданные описывают свойства данных и совокупность отношений, которыми связаны данные, хранящиеся в БД. В некотором смысле база данных представляет собой очень хорошо организованную электронную картотеку, в которой мощное программное обеспечение, называемое системой управления базой данных, помогает управлять содержимым этой картотеки.

Система управления базой данных (СУБД) представляет собой совокупность программ, с помощью которых осуществляются управление структурой базы данных и контроль доступа к данным, хранящимся в ней. СУБД позволяет нескольким приложениям или пользователям осуществлять совместный доступ к данным.

В состав СУБД входит язык запросов, позволяющий оперативно реагировать на нерегламентированные запросы (запрос - это просто вопрос к БД, а нерегламентированный запрос - это запрос к БД, возникающий в определенной ситуации и требующий немедленного выполнения). Например, если конечный пользователь имеет дело с большим количеством данных об испытаниях оборудования, то ему могут потребоваться оперативные ответы, допустим, на такие вопросы:

каковы результаты испытаний за последние несколько лет;

в скольких из них было превышение нормативных значений;

как диагностические признаки соотносятся с дефектами.

СУБД помогает создать рабочую среду, в которой конечным пользователям обеспечивается более удобный и хорошо управляемый доступ к данным, нежели имевшийся у них перед тем, как СУБД стала стандартным средством управления данными. Такой доступ позволяет конечным пользователям быстро реагировать на изменения в рабочей среде. Доступность данных в сочетании с инструментальными средствами, преобразующими данные в удобную форму представления, дает возможность конечным пользователям получать быстрые и информационно емкие решения.

Рис. 1 иллюстрирует роль СУБД при взаимодействии между пользователем и базой данных. В сущности СУБД играет роль посредника между пользователем и БД, транслируя запросы пользователя в сложный код, необходимый для выполнения таких запросов. СУБД скрывает от прикладных программ, использующих БД, ее сложную внутреннюю структуру. Прикладные программы могут быть написаны программистом на каком-либо языке программирования (например, на VB) или созданы с помощью сервисных программ СУБД.

Рис. 1 СУБД управляет взаимодействием между конечным пользователем и БД

Нужно всегда помнить, что СУБД представляет собой приобретенный вами коммерческий программный продукт и у вас нет возможности вносить в него какие-либо изменения. Поэтому, когда мы говорим о проектировании базы данных, то имеем в виду проектирование структуры БД, которая будет использована для хранения и управления данными, а не разработку программного обеспечения СУБД. После завершения проектирования базы данных СУБД берет на себя управление всеми сложными процедурами, необходимыми для перевода представления структуры данных проектанта в форму, удобную для компьютера.

Хорошая база данных не получается случайно, структура ее содержимого должна тщательно прорабатываться. Даже хорошая СУБД будет плохо работать с неудачно спроектированной базой данных. Правильно спроектированная БД облегчает управление данными и становится ценным поставщиком информации. Плохо спроектированная БД, вероятнее всего, станет накопителем избыточной информации, т.е. неоправданного дублирования данных. Избыточность, как правило, затрудняет выявление ошибок в данных.

База данных содержит избыточные данные, если одна и та же информация об одном и том же логическом объекте хранится в разных местах (логическим объектом, сущностью - entity - считается персона, местоположение или предмет, сведения о которых подлежат сбору и хранению). Например, избыточность данных имеет место: паспортные данные оборудования хранятся и в файле оборудования, и в протоколе испытаний. Избыточность данных может стать источником несовместимости данных, когда трудно определить, какая информация является правильной, а какая нет (например, если было заменено нормативное значение диагностического признака только в файле паспортных данных, а в других остался прежним). В отчетах, выполненных на основе такой информации, могут содержаться противоречивые сведения в зависимости от того, какая из версий данных была использована. Короче говоря, неконтролируемая избыточность данных - типичный признак плохо спроектированной БД.

Предыстория и развитие баз данных

Документация, используемая на электростанциях и других энергообъектах, традиционно представляет собой коллекцию папок с документами, каждая из которых помечается и хранится, например протоколы испытаний, кабельный журнал, журнал уставок. Упорядочивание данных внутри папок с документами определяется предполагаемым использованием данных. В идеальном случае содержимое каждой папки было логически взаимосвязано. Например, папки по испытаниям трансформаторов должны содержать данные об испытаниях - отдельная папка на каждый трансформатор. Фактически поиск и использование данных среди возрастающего количества бумажной Документации становятся настолько долгими и обременительными, что возможность извлечения какой-либо полезной информации в нужные сроки постепенно сводится к нулю.

Прародителем БД была система файлов, которая фактически является электронным хранилищем данных, аналогичным традиционному хранению документов.

У системы файлов, так же как и у традиционного хранения документов в папках, имеются следующие недостатки.

Поскольку маловероятно, что данные, хранящиеся в разных местах, будут всегда согласованно обновляться, "островки информации" часто содержат различные версии одних и тех же данных. Результат использования системы файлов легко предсказать: хотя такой подход легко реализуется на начальных стадиях компьютерной обработки данных, по мере роста системы она, скорее всего, выйдет из-под контроля. Очевидно, что системы файлов не могут удовлетворять современным требованиям, предъявляемым к информационным системам.

Изменение в любой файловой структуре (например, добавление или удаление поля) влечет за собой переделку всех программ, использующих этот файл. Такая модификация необходима, потому что система файлов обладает структурной зависимостью (structural dependence), т.е. доступ к файлу зависит от его структуры.

Даже изменение свойств данных файла, например, изменение типа поля с integer (целое) на decimal (десятичное) потребует изменений во всех программах, использующих этот файл. Поскольку необходимо поменять все программы доступа к данным при любых изменениях характеристик данных файла, говорят, что система файлов обладает зависимостью по данным (data dependence).

Практический смысл зависимости по данным состоит в разнице между логическим форматом данных (как видит данные человек) и физическим форматом данных (как "видит" данные компьютер). Поэтому всякая программа, получающая доступ к файлу, должна сказать компьютеру не только что надо делать, но и как делать. Именно поэтому каждая программа должна содержать строки кода, в которых задаются способ открытия файлов конкретного типа, спецификация его записей и определения полей. Зависимость по данным, таким образом, делает систему файлов чрезвычайно громоздкой и с точки зрения программирования, и с точки зрения управления.

Если в файловой системе возникли трудности с обработкой данных, то весьма вероятно, что в различных местах хранятся одинаковые данные. Если же они встречаются в нескольких местах, то имеет место избыточность данных.

Неконтролируемая избыточность может стать причиной возникновения следующих проблем:

противоречивость данных (data inconsistency). О противоречивости данных говорят, когда в нескольких местах имеются различные противоречащие друг другу варианты одних и тех же данных. Противоречивость данных тесно связана с недостаточным обеспечением целостности данных. Ошибки оператора наиболее вероятны при вводе сложных элементов в несколько разных файлов и/или при часто повторяющемся вводе в один или более файл. Фактически любая ошибка ввода данных, например, связанная с неправильно введенным именем или некорректным номером телефона, является причиной нарушения целостности данных.

Аномалия данных. В идеальном случае изменение значения поля должно выполняться только в одном месте. Тем не менее избыточность данных приводит к тому, что возникает необходимость производить такие изменения во множестве различных мест. Обратите внимание, что аномалии данных существуют именно потому, что в целях обеспечения целостности данных любые изменения в каждом поле необходимо правильно выполнить во многих местах. Аномалии данных в общем случае подразделяются так:

аномалии модификации. Возникают при необходимости вносить исправления во множество различных файлов. В больших системах файлов такие исправления, возможно, придется делать в сотнях, а может, и тысячах записей. Очевидно, что при этом вероятность возникновения несовместимости в данных очень высока;

аномалии включения. Возникают при добавлении, например, нового оборудования. Также необходимо ввести данные в различные файлы. Опять-таки в этом случае высока вероятность несовместимости данных;

аномалии удаления. Если трансформатор удаляется из списка, то все его компоненты (например, релейная защита, данные испытаний) будут связаны с несуществующим оборудованием. Для разрешения этой проблемы мы должны изменить все записи, в которых встречается данный трансформатор.

Использовать систему базы данных, конечно же, намного привлекательнее, чем работать с системами файлов, где имеется столько проблем. В отличие от систем файлов с большим количеством не связанных друг с другом файлов, база данных состоит из логически взаимосвязанных данных, размещенных в едином хранилище. Поэтому БД предоставляет конечным пользователям иной способ управления данными, доступа к ним и хранения. Система управления базой данных обладает целым рядом преимуществ по сравнению с системой управления файлами и обеспечивает решение проблемы несовместимости данных, аномалии данных, зависимости по данным и структурной зависимости.

Более того, текущее поколение программного обеспечения СУБД позволяет централизованно хранить не только структуры данных, но и взаимосвязи таких структур, а также маршруты доступа к этим структурам. Современные СУБД также берут на себя заботу об определении, хранении и управлении всеми необходимыми маршрутами доступа к этим компонентам.

Термин система базы данных относится к организации компонентов, определяющих и регулирующих сбор, хранение, управление и использование данных в среде базы данных. С точки зрения общего управления система базы данных состоит из пяти основных частей: аппаратные средства, программное обеспечение, люди, процедуры и данные.

Оборудование. Сюда относятся все системные аппаратные средства. Главный элемент оборудования системы базы данных, который проще всего идентифицировать, это компьютер, который может быть карманным компьютером, ноутбуком, персональным компьютером (ПК) или универсальным компьютером (mainframe). В состав оборудования также входит вся компьютерная периферия, представляющая собой физические устройства, обслуживающие ввод/вывод. К периферии относятся и электронные устройства, используемые для подключения дополнительных компьютеров и организации сети. Сети компьютеров особенно важны для баз данных, хранящих информацию, доступ к которой необходимо обеспечивать с удаленных мест.

Программное обеспечение. Сюда входят комплекты компьютерных программ, используемых в системе базы данных. Хотя, как правило, под программным обеспечением понимают именно СУБД, тем не менее, для выполнения всех функций системы базы данных требуется программное обеспечение трех видов: системное программное обеспечение, программное обеспечение СУБД, а также прикладные программы и утилиты.

Системное программное обеспечение управляет всеми компонентами оборудования и обеспечивает доступ к нему всем другим приложениям, работающим на компьютере. Примеры системного программного обеспечения: DOS, OS/2, операционные системы семейства Windows, UNIX.

Программное обеспечение СУБД управляет базой данных. Примерами СУБД являются приложения Access и SQL Server корпорации Microsoft, Oracle корпорации Oracle и DB2 фирмы IBM.

Прикладные программы (приложения) и утилиты предназначены для получения доступа к данным и манипулирования ими в среде СУБД, а также в вычислительных средах, где необходимо выполнять такие действия. Они в большинстве случаев используются для составления отчетов и таблиц, помогающих в принятии решений.

¦ Люди. Сюда относятся все пользователи системы базы данных.

Если взять за основу функциональные обязанности, то в системе базы данных можно выделить пять основных групп пользователей: системные администраторы, администраторы базы данных, проектировщики базы данных, системные аналитики/программисты и конечные пользователи.

Члены каждой группы выполняют не только свои основные, но и различные дополнительные функции.

Системные администраторы наблюдают за основными операциями системы.

Администраторы базы данных (DBA) управляют работой СУБД и обеспечивают функционирование базы данных.

Проектировщики базы данных проектируют структуру БД. Они, в сущности, являются архитекторами базы данных. Если БД спроектирована плохо, то даже лучшие прикладные программисты и самые просвещенные DBA не смогут обеспечить ее должное функционирование.

Системные аналитики и программисты пишут и реализуют прикладные программы. Они проектируют и создают формы ввода данных, отчеты и процедуры, с помощью которых конечные пользователи получают доступ к данным и возможность манипулирования ими.

Конечные пользователи - это те, кто использует прикладные программы для выполнения ежедневных операций предприятия. Конечные пользователи высшего уровня используют информацию, полученную из базы данных, для решения тактических и стратегических задач предприятия.

Процедуры. Процедуры - это инструкции и правила, которые управляют проектированием и использованием системы БД. Процедуры - очень важный, хотя зачастую незаслуженно забытый компонент системы.

Они играют важнейшую роль на предприятии, поскольку устанавливают стандарты ведения деятельности в рамках предприятия. Процедуры также используются для организации наблюдения и аудита как за вводимой в БД информацией, так и за информацией, порождаемой на основе этих данных.

Данные. Под термином "данные", "информация" или "сведения" понимается весь фактический материал, хранящийся в базе данных.

Данные (еще раз подчеркнем) являются необработанным "сырьем", которое подлежит соответствующему структурированию, а принятие решения о том, какую информацию необходимо поместить в БД и каким образом ее упорядочить, является важнейшей частью работы проектировщиков базы данных.

Очевидно, что база данных добавляет некое новое измерение в структуру управления предприятия. В целом эта административная структура зависит от размера предприятия, его предназначения и культуры его производства. Поэтому системы баз данных могут создаваться и функционировать на самых разных уровнях сложности и с весьма широким диапазоном правил и стандартов.

Кроме понимания того, что уровень сложности разрабатываемой системы базы данных определяется сферой деятельности предприятия и его масштабом, руководство предприятия должно принимать во внимание еще и тот факт, что разработка базы данных должна быть экономически выгодна и эффективна как с тактической, так и со стратегической точки зрения. Разработка системы стоимостью в миллион долларов для решения копеечной проблемы едва ли может служить примером правильного выбора системы базы данных или верного проектного решения. Очевидно, что существующие технические решения на основе применения базы данных склоняют чашу весов в сторону использования таких систем. Учитывая высокий уровень требований, предъявляемых к базам данных и современным технологиям, нелишним будет обсудить несколько различных типов систем управления базами данных.

база система управление модель

Типы систем управления базами данных