Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-61

ского процесса для двух MES-систем, входящих в Factory Suite – Scout и InTrack.

Следует, однако, отметить, что весьма популярный за рубежом пакет InTouch

имеет недостаточную техническую поддержку дистрибьюторами в России.

Industrial SQL Server – мощная система управления базами данных ре-

ального временим. Собирает и хранит историю производственного процесса, по-

зволяет работать при этом с сотнями устройств ввода-вывода и

управления, а

также с узлами InTouch и InControl. Обеспечивает высокое быстродействие – за-

пись 40000 параметров процесса в секунду на сервере Dual Pentium Pro 200. Час-

тота записи параметров – до 1 мс.

InBatch – мощная гибкая система управления процессами дозирования и

смешения. Она специально разработана для моделирования и автоматизации до-

зирования и смешения материалов. С помощью InBatch пользователи в метал-

лургической

, химической промышленности, промышленности строительных ма-

териалов могут моделировать свои процессы, осуществлять их имитацию, со-

поставлять с реальными данными и управлять реальными процессами.

InTrack – автоматизированная система управления производством. Объ-

ектно-ориентированная система InTrack позволяет моделировать процессы, кон-

тролировать материально-технические запасы, автоматизировать сбор данных,

определять очередность работы для составления графиков и т

.д. Содержит гра-

фическую среду моделирования, встроенный язык, интерфейсы с СУБД.

При выборе того или иного интегрированного пакета управления произ-

водством обычно используют группы различных критериев и ограничений, в ча-

стности:

• показатели эффективности операционных систем и СУБД (возмож-

ность поддержки распределенных рабочих мест, возможность неогра-

ниченного роста числа пользователей

и т.п.);

• характеристики пакета в целом (открытость архитектуры, возмож-

ность поэтапного внедрения, удобство интерфейса пользователя, на-

личие русской версии, стоимость внедрения и т.п.);

• требования к аппаратной платформе (возможность поддержки типо-

вых аппаратных средств, независимость от сетевых решений);

• авторитет фирмы – производителя (наличие опыта и результаты вне-

дрения

в России, наличие центров поддержки и т.п.).

Заметим в заключение, что реализация этих пакетов зачастую требует

коренного преобразования существующей управленческой технологии метал-

лургического предприятия, реструктуризации и реорганизации служб, замены и

подготовки персонала.

2.7. Контрольные вопросы

1. Что такое компьютер? Какие основные компоненты он в себя включает?

2. Перечислите основные

функции процессора. С какой целью в компьютер ус-

танавливают сопроцессоры?

3. В чем заключаются особенности использования внешней и внутренней памя-

ти?

4. На какие классы подразделяют программное обеспечение компьютера?

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-62

5. Что такое системное программное обеспечение, какие функции оно выполня-

ет и на какие классы условно подразделяется?

6. Дайте определение операционной системе. Чем вызвана необходимость ис-

пользования операционных систем?

7. Раскройте смысл выражений: «однопользовательский и многопользователь-

ский режим», «вытесняющая и невытесняющая многозадачность», «много-

процессорная обработка». Какие требования предъявляются к современным

операционным

системам?

8. Перечислите критерии эффективности работы следующих систем: пакетной

обработки, разделения времени и реального времени. В чем заключается осо-

бенность функционирования этих систем и для решения каких задач они ис-

пользуются ?

9. Сформулируйте назначение и назовите основные функции операционных

оболочек компьютера. Приведите примеры известных программ-оболочек. В

чем состоят их

принципиальные отличия от операционных систем?

10. Для каких целей используется сервисное программное обеспечение (утили-

ты)? Приведите примеры известных программ-утилит.

11. Сформулируйте назначение, перечислите виды и основные функции при-

кладного программного обеспечения компьютера. На какие группы подраз-

деляют прикладные программы?

12. В чем заключаются особенности программного обеспечения технологических

процессов?

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-1

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ 3-2

3.1. Традиционный подход к организации данных 3-2

3.2. Система баз данных 3-6

3.2.1. Данные 3-7

3.2.2. Аппаратное обеспечение 3-9

3.2.3. Программное обеспечение 3-9

3.2.4. Пользователи 3-10

3.3. Преимущества и недостатки современного подхода к

организации данных 3-11

3.4. Классификация систем баз данных 3-13

3.5. Архитектура клиент/сервер 3-16

3.5.1. Компоненты приложений клиент/сервер 3-17

3.5.2. Разделение клиента и сервера 3-19

3.5.3. Преимущества и

перспективы системы клиент/сервер 3-22

3.6. Общие понятия реляционного подхода к организации

данных 3-22

3.6.1. Базовые понятия реляционных баз данных 3-25

3.6.2. Общая характеристика реляционной модели данных 3-29

3.6.3. Манипулирование данными с помощью языка запросов SQL 3-31

3.7. Основы проектирования реляционных баз данных 3-33

3.7.1. Основные требования при проектировании БД 3-33

3.7.2. Основы классической методологии проектирования БД 3-34

3.7.3. Основные этапы проектирования базы

данных 3-37

3.7.4. Обеспечение свойств БД в процессе проектирования 3-40

3.8. Проектирование реляционных баз данных с

использованием принципов нормализации 3-43

3.8.1. Первая нормальная форма 3-44

3.8.2. Вторая нормальная форма 3-45

3.8.3. Третья нормальная форма 3-47

3.9. Семантическое моделирование данных. Диаграммы

«сущность–связь» 3-48

3.9.1. Основные понятия 3-48

3.9.2. Методология IDEF1 3-51

3.10. Информационное моделирование с помощью CASE-

средства ERwin 3-55

3.10.1. Общая характеристика программы ERwin 3-55

3.10.2. Этапы построения информационной модели

в ERwin 3-57

3.11. Проектирование базы данных доменного производства 3-59

3.11.1. Концептуальное и логическое проектирование 3-59

3.11.2. Физическая реализация информационной модели 3-66

3.12. Контрольные вопросы 3-72

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-2

Глава 3. ОСНОВЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ

Основными функциями любой информационной системы являются хра-

нение данных и их обработка. Под термином «данные» мы будем понимать лю-

бую информацию об объектах окружающего мира, представленную в формали-

зованном виде, пригодном для ее передачи, хранения и обработки при помощи

некоторого процесса. Для обеспечения

процесса хранения и обработки данных

средствами вычислительной техники во все современные информационные сис-

темы входит специальная программа, а точнее, комплекс программных средств,

называемых системой управления базами данных (СУБД). Эта система обеспе-

чивает создание, сопровождение

и использование специальных хранилищ дан-

ных – баз данных (БД), которые являются современной формой организации

хранения и доступа к информации.

В данном разделе мы познакомимся с основными принципами организа-

ции данных, дадим классификацию баз данных по ряду признаков, рассмотрим

особенности клиент/серверной архитектуры построения информационных сис-

тем. Далее мы перейдем к

рассмотрению основ моделирования данных и харак-

теристик реляционной модели организации данных, принятой в настоящее время

на вооружение большинством фирм-разработчиков коммерческих версий СУБД.

Завершающей частью данного раздела будет характеристика современных мето-

дов и средств проектирования баз данных.

3.1. Традиционный подход к организации данных

Как организовать хранение данных в компьютере,

чтобы наилучшим об-

разом, быстро и надежно извлекать и обрабатывать нужную информацию? Про-

стейший подход состоит в разработке для отдельной прикладной задачи одной

или нескольких компьютерных программ, называемых прикладными програм-

мами. Напомним, что программы, выполняемые под управлением операционной

системы, в частности Windows, называют приложениями. Для каждого прило-

жения во внешней памяти компьютера

создается один или несколько файлов для

размещения, хранения и извлечения из них информации о каком-нибудь элемен-

те предметной области. Процедура размещения и извлечения информации в

файле зависит от его типа, который в общем случае подразделяется на две кате-

гории:

• файл последовательного доступа;

• файл произвольного доступа.

Файл последовательного

доступа представляет собой последовательность

записей данных в виде строк произвольной длины, разделенных запятыми или

специальными символами, обозначающими переход на новую строку. Особен-

опровождение (ведение, поддержка) данных – термин, объединяющий действия по

добавлению, удалению или изменению хранимых в компьютере данных.

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-3

ностью данного типа файла является отсутствие возможности упорядочить хра-

нимые записи, размещение и извлечение записей в такой файл производится по-

строчно в определенной последовательности. Файл произвольного доступа со-

стоит из записей фиксированной длины, которая указывается при его создании.

Все записи в таком файле упорядочены, каждая имеет свой номер, что позволяет

быстро

переместиться на любую запись, минуя предыдущие.

К примеру, если рассматривать в качестве предметной области доменное

производство (рис. 3.1), то фрагмент такой информационной системы будет со-

держать следующие приложения:

• приложение для мастера печи, осуществляющего выбор системы за-

грузки, управление тепловым режимом конкретной печи и т.п.;

• приложение для отдела

снабжения, решающего задачи по бесперебой-

ному обеспечению работы доменного цеха материалами и топливно-

энергетическими ресурсами;

• приложение для главного технолога, решающего задачи по анализу

технологии доменной плавки, например оптимальному распределению

материалов и топливно-энергетических ресурсов между несколькими

печами цеха;

• приложение для технического управления предприятием, решающего

задачи управления технологией доменного производства

, анализа пер-

спективных решений, планирования работы цеха и т.п.

Каждое приложение (прикладная программа) использует для обработки

данные, расположенные в одном или нескольких файлах. Чтобы приложение

правильно считывало данные из файлов, последние должны быть организованы

по определенным правилам, которые «понятны» приложению. Другими слова-

ми, при разработке прикладной программы необходимо продумать

и реализо-

вать хранение данных таким образом, чтобы осуществлять доступ к ним наибо-

лее эффективным способом. Критерием эффективности в большинстве случаев

является скорость доступа к данным, которая зависит от множества факторов, в

частности типа накопителя, способа доступа к записям файла, размера файла

и др. В этом случае говорят, что логика

организации файлов данных встроена в

само приложение, т.е. в код его программы.

Такой подход, который в литературе принято называть традиционным,

был характерен для начальных этапов развития информационных систем, но

может встречаться и сейчас, когда специалист в области, не связанной с вычис-

лительной техникой непосредственно, создает свою персональную информаци-

онную

систему, пользуясь известными ему инструментами. Каковы недостатки

такой организации данных?

Избыточность данных. Некоторые элементы данных неизбежно исполь-

зуются во многих приложениях. Поэтому они записываются в несколько файлов,

т.е. одни и те же данные хранятся в разных местах. Примером является файл

данных, содержащий информацию о характеристиках шихтовых материалов (см.

рис

. 3.1). Такое положение называют избыточностью данных. Это, в свою оче-

редь, делает проблематичным обеспечение непротиворечивости информации,

поскольку избыточность данных требует наличия нескольких процедур ввода и

своевременного обновления, как правило, разными пользователями.

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-4

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ ПРИЛОЖЕНИЯ ФАЙЛЫ ДАННЫХ

МАСТЕР

Выбор системы

загрузки

ОТДЕЛ

СНАБЖЕНИЯ

Управление теп-

ловым режимом

Гранулометрический состав

железорудных материалов

Рудная нагрузка

Химический состав ч

на

Свойства шлака

Управление га-

зодинамическим

режимом

Гранулометрический состав

железорудных материалов

Режим загр

зки

Учет материалов

Учет топливно-

энергетических

ресурсов

Расход шихтовых материалов

Состав шихтовых материалов

Расход топливно-

эне

гетических

ес

ур

сов

Состав топливно-

эне

гетических

ес

ур

сов

Расчет шихтовых

материалов

Оптимальное

распределение

комбинированно-

го дутья между

печами цеха

Режимные и конструктивные

параметры всех печей цеха

Расход топливно-

энергетических ресурсов по

всех печам цеха

Гранулометрический состав

железорудных материалов

Величина подачи

Режим загрузки

Режимные и конструктивные

параметры всех печей цеха

Ду

тьевые параметры

Расход шихтовых материалов

Состав шихтовых материалов

ТЕХНОЛОГИ-

ЧЕСКАЯ

ГРУПП

Рис. 3.1. Традиционный подход к организации данных

Проблемы непротиворечивости данных. Одной из причин нарушения

непротиворечивости данных является их избыточность, что связано, как уже от-

мечалось, с хранением одной и той же информации в нескольких местах. При

появлении новой информации, необходимой пользователям различных струк-

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-5

турных подразделений, ее надо ввести в разных местах. Зачастую по разным

причинам выполнить это не удается или ввод осуществляется с искажениями. В

результате об одном и том же объекте предметной области в разных местах хра-

нится различная информация.

Ограниченная доступность данных. В современных условиях, когда ис-

ключительно важна оперативность управления

, лицо с соответствующими пра-

вами доступа должно иметь возможность получить данные за приемлемый отре-

зок времени. Если же данные разбросаны по нескольким файлам, доступность

данных ограничена.

Сложности в организации и управлении. Жесткая зависимость между

данными и использующими их программами создает серьезные проблемы в ве-

дении данных и делает использование их

менее гибким. Разработчики приклад-

ных программ, написанных, например, на языках программирования Basic, Pas-

cal или С, размещают нужные им данные в файлах, организуя их наиболее удоб-

ным для себя образом с целью достижения максимальной эффективности работы

программы (повышение скорости доступа к данным, оптимизация расположения

данных во внешней памяти, реализация усиленных средств защиты данных

др.). Система программирования накладывает на структуру загрузочного модуля

прикладной программы специфичную для этой системы логику обработки дан-

ных. Одни и те же данные могут иметь в разных приложениях совершенно раз-

ную организацию (разную длину и последовательность размещения записей,

разные форматы одних и тех же полей и т.п.). Обобществить

такие данные очень

трудно. Например, любое изменение структуры или способа доступа к файлу

данных, производимое одним из разработчиков, приводит к необходимости из-

менения другими разработчиками тех прикладных программ, которые исполь-

зуют записи этого файла. Кроме того, из-за избыточности данных в файлах

трудно реализовать новые изменения данных во всей предметной области

Дополнительные трудности создания информационных систем на базе

файловых систем проявились в следующем:

• недостаточность средств защиты хранимых данных;

• низкопроизводительная работа в многопользовательской среде;

• отсутствие процедур восстановления данных после возникновения от-

казов;

• отсутствие средств манипулирования данными;

• высокая стоимость программирования и сопровождения;

• негибкость к изменениям и др

Попытки интеграции, объединения данных до появления технологии сис-

тем баз данных наталкивались на ряд трудностей. Информационные системы

ориентированы, главным образом, на хранение, выбор и модификацию постоян-

но существующей информации о предметной области. Понятно, что эта инфор-

мация каким-то образом должна быть упорядочена, т.е. структурирована. Логи-

ческая структура информации

зачастую очень сложна, и хотя структуры органи-

зации данных различны в разных информационных системах, между ними часто

бывает много общего. Стремление выделить и обобщить общую часть информа-

ционных систем, ответственную за управление сложно структурированными

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-6

данными, явилось, пожалуй, главной побудительной причиной создания систем

управления базами данных (СУБД).

3.2. Система баз данных

В основе системы баз данных лежит принцип отделения данных, точнее,

структуры данных, от процедурных предложений (управляющих команд) при-

кладных программ. Это позволяет накапливать, обрабатывать и манипулировать

данными посредством специальных хранилищ – баз данных. База данных

(БД) –

это именованная совокупность данных, организованных по определенным пра-

вилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулиро-

вания данными, не зависимая от прикладных программ. Необходимо отметить,

что база данных является информационной моделью, которая отображает со-

стояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области. Су-

ществуют различные модели организации данных

, наиболее распространенной

из которых является реляционная модель. Сопровождение баз данных, а также

обеспечение взаимосвязи данных с прикладными программами осуществляется

посредством специальной программы, точнее, комплекса программных средств

– системы управления базами данными (СУБД). Система управления базами

данных (СУБД) – комплекс программ и языковых средств, предназначенных для

создания, сопровождения и использования баз данных.

Все работы по обслуживанию СУБД осуществляет человек – администра-

тор базы данных (АБД). Прикладные программы (приложения), осуществляю-

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ ПРИЛОЖЕНИЯ ДАННЫЕ

МАСТЕР

Выбор системы

загрузки

ОТДЕЛ

СНАБЖЕНИЯ

Управление теп-

ловым режимом

Управление га-

зодинамическим

режимом

Учет материалов

Учет топливно-

энергетических

ресурсов

Расчет шихтовых

материалов

Оптимальное

распределение

комбинированно-

го дутья между

печами цеха

СУБД

АБД

База

данных

ТЕХНОЛОГИ-

ЧЕСКАЯ

ГРУПП

Рис. 3.2. Организация системы баз данных

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-7

щие доступ к базе данных, могут в общем случае добавлять, выбирать, копиро-

вать, корректировать, а также удалять данные, однако при этом они не мо-

гут изменять метод (модель), при помощи которого эти данные созданы. На

рис. 3.2 представлен фрагмент информационной системы доменного производ-

ства, основанной на системе баз данных.

Очевидно,

что для помещения информации в БД, ее хранения, манипули-

рования данными, обеспечения различным пользователям доступа к БД необхо-

дима система – система баз данных. На рис. 3.3 показана упрощенная схема

системы баз данных, которая содержит четыре главных компонента системы, а

именно:

• данные;

• аппаратное обеспечение;

• программное обеспечение;

• конечные пользователи,

прикладные программы.

Рассмотрим эти компоненты подробнее.

3.2.1. Данные

В начале раздела было дано определение термина «данные» как формали-

зованного представления информации из какой-либо предметной области. Осо-

бенностью организации данных в БД является то, что они являются интегриро-

ванными и общими. Эти два аспекта, интеграция и разрешение общего доступа,

представляют собой наиболее важное преимущество использования системы баз

данных.

База данных

Система управления базой данных (СУБД)

…….

Конечные

пользователи

Прикладные

программы

…….

Файлы

данных

Рис. 3.3. Упрощенная схема системы баз данных

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-8

Под понятием интегрированные данные подразумевается возможность

представить БД как объединение нескольких отдельных файлов данных, полно-

стью или частично не перекрывающихся. Например, база данных может содер-

жать файл «ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ», включающий записи о номере печи, геометри-

ческих характеристиках ее конструктивных элементов, количестве чугунных ле-

ток и др., а также файл «ШИХТОПОДАЧА»,

в котором регистрируется инфор-

мация о загружаемых в эту печь материалах (рис. 3.4). Допустим, что для кон-

троля процесса загрузки нам потребуется узнать некоторые геометрические ха-

рактеристики доменной печи. Очевидно, что нет необходимости дополнительно

включать такую информацию в файл «ШИХТОПОДАЧА», поскольку ее всегда

можно получить путем обращения к файлу «ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ».

Файлы

…..

Номер печи

ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

Высота Диаметр колошника

…..

Номер подачи

Тип материала

Записи данных

ШИХТОПОДАЧА

Рис. 3.4. Фрагмент организации данных в базе данных

Одним из следствий интегрированности базы данных является то, что лю-

бой конкретный пользователь обычно имеет отношение к какой-то небольшой

части всей БД. Иначе говоря, такая база данных может восприниматься различ-

ными пользователями по-разному, т.е. иметь несколько назначений, соответст-

вующих различным внешним представлениям о хранимых данных. В этом

со-

стоит основное различие между базой данных и файлом: несколько назначений

может иметь и файл, но соответствует при этом он только одному пред-

ставлению.

Под понятием общие данные подразумевается возможность использова-

ния отдельных областей данных в БД несколькими различными пользователями,

т.е. каждый из этих пользователей может иметь доступ к

одной и той же области

данных (даже в одно и то же время), причем различные пользователи могут ис-

пользовать эти данные для разных целей. В приведенном выше примере инфор-

мация из файла «ШИХТОПОДАЧА» может совместно использоваться, разде-

ляться: мастером печи – для контроля процесса загрузки, экономическим отде-

лом – для подсчета количества

и стоимости загруженных в печь материалов за

определенный срок, отделом снабжения – для подсчета статистических показа-

телей расхода определенного материала с целью планирования предстоящих его

запасов и т.п.