Банки данных

{toc_noshowall}Перспективным направлением в области исследования и разработки методов организации информации в автоматизированных системах управления является создание банков данных. Главное их назначение — объединение данных, заимствованных из различных источников с целью информационного обеспечения решения комплекса задач.

Банк данных является более совершенной, более гибкой формой информационного обеспечения по сравнению с традиционными формами. Создание и использование банков данных обусловлено появлением новых технических средств — носителей информации с прямым доступом, которые позволяют эффективно использовать данные, реализовать оптимальную структуру банка данных. 

 Банк данных (БД) это комплекс, включающий специальные структуры организации информации, алгоритмы, специальные языки, программные и технические средства, в совокупности обеспечивающие создание и эксплуатацию эффективных систем накопления информации, поступающей от нескольких источников, ее обновление, корректировку и многоаспектное использование в интересах ряда систем, а также прямую связь с пользователем для получения ответов на произвольные, в том числе незапланированные, запросы.

Основные принципы разработки БД

  1. Независимость данных. Она означает, что при изменении в описаниях данных не требуется обязательного изменения программ, в которых используются эти данные. Независимость данных достигается отделением описания данных от программ обработки данных. Соединение данных с программой и учет описаний, задающих преобразование физически хранимых данных к виду, требуемому программой, реализуется системой управления БД.
  2. Формирование и поддержание связей между данными. Эти связи определяются при создании конкретного БД, а поддержание их осуществляется автоматически. Установленные связи используются при поиске данных.
  3. Неизбыточность данных, т. е. одни и те же данные в памяти ЭВМ должны повторяться минимальное число раз. Это упрощает организацию связей между избыточными информационными элементами, что обеспечивает выдачу пользователям данных с обновленными значениями.
  4. Защита и сохранность данных. Это означает создание средств, ограничивающих доступ к данным и исключающих их порчу в памяти ЭВМ.
  5. Прямой доступ к данным, что обеспечивает оперативную связь пользователя с БД и позволяет улучшить качество управления за счет предоставления нужной информации в момент запроса. Принцип требует использования запоминающих устройств большой емкости с прямым доступом (ЗУ на дисках).

 

 

БД состоит из совокупности хранимых данных и комплекса средств, обеспечивающих накопление, обслуживание и использование данных в интересах пользователей.

В структурном отношении БД состоит из следующих элементов:

  1. базы данных (или нескольких баз);
  2. системы управления базой данных;
  3. совокупности программ пользователей, которые непосредственно обращаются за данными в базу. Эти программы описывают задачи, решаемые пользователями;
  4. системы управления совокупностью программ пользователей и процессом их прохождения в ЭВМ.

База данных является хранилищем специально организованных и логически связанных информационных элементов. Она состоит из самих данных и их описания; между данными, находящимися в базе, поддерживаются установленные связи. База данных представляет собой информационную модель управляемого объекта.

Система управления базой данных является программно-логическим аппаратом, организующим систему хранения данных, а также обеспечивающим средства занесения, обновления и выборки данных.

Системы (п. 2 и п. 4) могут быть высоко автоматизированными и входить в состав развитых операционных систем современных ЭВМ, но в них в качестве компонента может входить и человек.

С БД взаимодействуют:

пользователи-программисты, задающие процедуры обработки данных для решения прикладных задач на проблемно- и процедурно-ориентированных языках;

пользователи, которые задают поисковые предписания (запросы) и получают в результате реализации процесса поиска в БД информационное сообщение, удовлетворяющее заданным параметрам запроса;

администраторы, несущие ответственность за формирование базы данных, безопасность, правильность данных и эффективность их многоцелевого использования.

При создании БД необходимо достижение соглашения между всеми пользователями по вопросу состава и структуры данных.

В функционировании БД можно выделить следующие основные процедуры:

  1. генерация базы данных — формирование логической и физической структур базы данных;
  2. обслуживание, состоящее из первоначальной загрузки базы данных, корректировки и обновления данных, а также реорганизации базы данных для повышения эффективности в условиях изменяющихся потребностей пользователей;
  3. использование банков данных при решении задач и обработке запросов пользователей.

Для реализации этих процедур используются следующие языковые средства: язык описания данных, язык обслуживания, язык пользователя и командный язык.

Язык описания данных является в основном инструментом администратора БД и предназначен для описания логической и физической структур данных, а также задания правил, по которым система управления базой данных обеспечивает защиту и сохранность данных.

Пользователь применяет либо традиционные процедурно-ориентированные языки программирования (КОБОЛ, ФОРТРАН, ПЛ/1), либо специализированные языки конкретных БД.

Непосредственный доступ к данным при обслуживании и использовании БД производится при помощи операторов командного языка, включаемых в прикладные программы. Языки программирования, которые могут включать операторы командного языка, называются включающими языками.

В связи с тем, что с БД взаимодействуют различные пользователи с различными целями, естественно выделилось несколько уровней представления данных:

физический;

логический;

системно-логический.

Системно-логический уровень представления данных описывается схемой базы, содержащей логическое описание данных и их связей в базе данных. Физический уровень представления данных задается физической схемой, описывающей расположение данных в памяти ЭВМ.

Логический уровень представления информации пользователем определяется соответствующей подсхемой, задающей описание подмножества базы данных и правило преобразования его в структуру, на которую ориентирован применяемый пользователем язык программирования.

Генерация базы данных. Администрация БД совместно с пользователями анализирует задачи пользователей, условия использования ими базы данных и на основе этого составляет описание базы данных (на языке описания данных для схем). В результате трансляции описания образуется схема базы данных и формируется физическая схема размещения данных на носителях.

 

 

Пользователь задает подсхему (на языке описания данных для подсхем), которая выделяет необходимое программе подмножество базы данных и определяет правила структурных преобразований информации.

Использование БД

Использование БД

Система управления базой данных выделяет программе рабочую область. В процессе работы программа формирует в рабочей области параметры обращения и связывается с системой управления с помощью операторов командного языка.

Система управления банком данных анализирует параметры обращения и, используя схему и соответствующую подсхему, определяет процедуру обращения к базе данных и запрашивает у операционной системы (ОС) ЭВМ физический ввод-вывод.

ОС производит пересылку данных между внешней памятью и системными буферами и возвращает управление системе управления БД, которая пересылает данные из системных буферов в рабочую область программы. Затем управление передается следующему оператору программы пользователя, если доступ к базе данных произошел правильно, в противном случае — в специальное место программы пользователя. 

Независимо от проблемной ориентации БД процесс обращения пользователей в банк за получением информации включает запросы трех основных типов:

  1. детерминированные по информационному содержанию и регулярные по времени поступления;
  2. детерминированные по содержанию и случайные по времени;
  3. полностью произвольные, для которых ни содержание, ни время поступления не известны. Количественные соотношения между указанными типами запросов и способ их реализации зависят от специфики системы, обслуживаемой БД.

Как содержание информационных потоков, так и их движение в АСУП определяются устойчивым стандартным характером системы планирования и учета. Поэтому регулярные задачи и стандартные запросы составляют основную часть потока заявок в БД АСУП. Количество запросов третьего типа в известной степени является мерой неопределенности технологического процесса и в условиях промышленного предприятия должно стремиться к минимуму.

Основным носителем информации, сопровождающей движение материальных потоков предприятия, пока еще является бумажный документ. Поэтому в составе БД АСУП необходима мощная система редактирования и контроля документальной информации при вводе-выводе, ориентированная на структуру и содержание производственных документов. Преобладание регулярных изменений и стандартных запросов позволяет унифицировать соответствующие процедуры и упростить их программирование.

Функциональной основой информационного фонда БД АСУП являются нормативно-справочные и оперативные планово-учетные данные, сопровождающие движение материальных потоков. Поэтому восстановление информации может быть связано не только с затратами машинного времени, но и со значительными потерями данных в пространстве. Для уменьшения возможных

потерь БД АСУП должен располагать эффективном системой защиты и быстрого восстановления данных, причем защита должна преследовать следующие цели:

предохранение информации от искажения или разрушения;

обеспечение требуемой степени секретности отдельных массивов данных по отношению к определенным категориям показателей.

Таким образом, специфику организации и функционирования БД АСУП определяют:

преобладание регулярных и стандартных запросов на получение и корректировку данных:

большое количество массивов разнородной производственной информации;

значительный удельный вес документальных форм обмена информацией;

относительно высокая стоимость времени восстановления информационного фонда.

БД АСУП можно представить в виде совокупности следующих функциональных систем:

  • хранения централизованного фонда (базы) данных;
  • обслуживания задач;
  • обработки стандартных запросов;
  • обработки произвольных запросов;
  • пополнения и корректировки данных;
  • редактирования и терминальной связи;
  • управления функционированием БД.

«Клиентами» БД являются библиотека задачБЗ (комплекс стандартным образом оформленных программ, реализующих выполнение определенных этапов обработки информации) и терминальные пользователиТП (персонал АСУП, обеспеченный средствами связи с БД).

Система хранения централизованного фонда (базы) данных (СХД) включает библиотеку массивов и аппаратурно-программный комплекс, обеспечивающий упорядоченное размещение информации, идентификацию файлов и блоков памяти и доступ к элементам информации. В составе аппаратурнопрограммного комплекса СХД можно выделить подсистемы:

  • технического обеспечения (иерархическая система физических устройств памяти различных типов);
  • учета состояния файлов и блоков памяти; защиты и восстановления информации;
  • сервисных средств обеспечения эксплуатации СХД и совершенствования ее структуры.
  • Циклическая схема календарных периодов управления вызывает необходимость в организации специальной службы времени и периодической переклассификации информационного фонда.
  • интерпретация внешних запросов пользователей и управление их реализацией;
  • организация операционной памяти БД и управление обменом данными между отдельными системами;
  • организация взаимодействия с центральным супервизором.

В соответствии с характером групп запросов и методами их выполнения можно выделить три контура функционирования БД АСУП:

  • регулярных задач (РЗ);
  • стандартных запросов (СЗ);
  • произвольных запросов (ПЗ).

В рамках контура РЗ реализуется решение детерминированного комплекса задач управления производством, отражающего алгоритмизированную административную деятельность управленческого персонала.

Контур СЗ охватывает пользователей и системы БД, обеспечивающие реализацию стандартных, заранее запрограммированных запросов на получение и корректировку данных. В смысле функционирования контур СЗ принципиально не отличается от контура РЗ за исключением того, что запрос реализуется терминальным пользователем.

В контуре ПЗ реализуются случайные разовые запросы терминальных пользователей на получение и корректировку данных. При этом выполнению запроса предшествует подготовка соответствующей программы с помощью средств СОПР.

Преобладание регулярных задач определяет главенствующую роль контура РЗ с точки зрения функционирования БД АСУП.

В контур РЗ входят блоки 1—11. В контур СЗ дополнительно входят блоки 12—15, которые выполняют подготовку стандартного запроса к включению в контур РЗ. Блоки 16—19 обеспечивают обработку произвольных запросов и генерацию программ их выполнения. После включения программы в библиотеку произвольный запрос переводится в категорию стандартного и входит в контур СЗ, а затем — в РЗ. Это обеспечивает возможность унификации процедур реализации запросов в БД АСУП и стандартизацию интерфейса «пользователь — база данных».

Дале представлена взаимосвязь функциональных систем БД АСУП и блок-схема функционирования БД с использованием контура РЗ.

Поскольку БД является составной частью АСУП, он должен создаваться и развиваться в соответствии с внедрением АСУП и расширением ее функций.

Процесс разработки и внедрения БД АСУП можно условно разделить на три этапа.

Взаимосвязь функциональных систем БД АСУП

Взаимосвязь функциональных систем БД АСУП

Укрупненная блок-схема функционирования БД с использованием контура РЗ в качестве основной стандартной цепи реализации запросов (блоки I—II)

Укрупненная блок-схема функционирования БД с использованием контура РЗ в качестве основной стандартной цепи реализации запросов (блоки I—II) 

На первом этапе разрабатывается общая структура базы данных с учетом развития АСУП, создаются основные массивы и аппарат, реализующий решение регулярных задач и наиболее важных стандартных запросов, принимаются основные решения по организации БД, создаются «носители» всех функциональных систем и стандартных межсистемных интерфейсов. Последнее необходимо для расширения функций БД и повышения эффективности его работы в дальнейшем.

На втором этапе вводится полностью в строй система автоматической обработки стандартных запросов, расширяются функции системы обслуживания задач, пополнения и корректировки, создается программная база для реализации автоматической обработки произвольных запросов.

На третьем этапе функции БД дополняются автоматической обработкой произвольных запросов. 

Вопрос о структуре БД является основным при разработке АСУ предприятием, так как от этого зависит эффективность решения задач АСУ. Очевидно, что БД должен отвечать следующим требованиям:

  • должен быть адекватен информационной модели предприятия и содержать информацию о номенклатуре продукции предприятия, технологии ее изготовления, запасах, фактическом и плановом состоянии производства, снабжения, сбыта;
  • при решении задач АСУП допускается создание промежуточных массивов информации, но они не должны храниться;
  • должен быть организован по минимуму избыточной информации; реализация задач АСУП на основе БД должна осуществляться за минимально возможное машинное время;
  • должен обеспечивать малое время доступа к информации.

Перечисленным требованиям лучше всего отвечает БД, состоящий из следующих массивов: предметов труда, состава изделий, рабочих мест, технологии. Для уменьшения времени реализации задач АСУП можно включить в БД еще один массив — полного состава изделий.

Массивы предметов труда и рабочих мест называются главными, а массивы технологии и состава изделий — связующими. «Вход» в систему, т. е. обращение к любому массиву, осуществляется только через главные массивы. Число главных массивов должно быть больше или равно числу связующих массивов.

Записи любого массива имеют системную часть и часть, зависящую от пользователя.

Массив предметов- труда. Под предметом понимается изделие, узел, деталь, покупной материал. Следует отметить, что длина части, зависящей от пользователя, определяется самим пользователем и ограничивается объемом памяти ЭВМ. Системная часть задается жестко и от пользователя не зависит. Она содержит следующую информацию: адрес предмета; номер предмета; счетчики обращений. Длина записи постоянна.

Массив состава изделий. «Вход» в массив состава осуществляется только через массив предметов. Системная часть записи массива состава содержит следующую информацию: адреса «принимающих» и «входящих» в массив предметов; адрес составляющей сборки в массиве состава; адрес последующего и предыдущего использования данного предмета в массиве состава. Длина массива постоянна.

Массив рабочих мест. Системная часть массива рабочих мест содержит следующую информацию: адрес последующей записи массива рабочих мест; адрес записи первой операции, производимой на рабочем месте; код рабочего места; счетчик числа использований рабочих мест. Длина одной записи постоянна.

Массив технологии. «Вход» в массив осуществляется через массив предметов или через массив рабочих мест. Системная часть массива технологии должна содержать следующую информацию: адреса, посредством которых происходит обращение к массиву предметов и массиву рабочих мест; адрес последующей операции в данном массиве.

БД может быть записан на магнитные диски, тогда для ведения банка понадобится 6 шестидисковых пакетов типа ЕС-5052.

Массив полного состава изделий. Это вспомогательный массив. Заголовком записи массива полного состава является номер предмета «принимающего». Запись состоит из номеров узлов и деталей «входящих», а также реквизитов «количество на изделие» и «цех-потребитель». Записи упорядочены по возрастанию номеров «входящих».

Кроме описанных массивов, в БД могут входить дополнительные массивы, например заявок, потребителей и т. д. Эти массивы охватываются адресными связями с основными массивами банка. Число и структура дополнительных массивов зависят от конкретного предприятия и разрабатываемой АСУ.