Проектирование систем на основе концептуального моделирования предметной области

Методология проектирования информационных систем на основе концептуального (понятийного) моделирования предметной области (ПО) — одна из наиболее часто используемых. Она представляет собой структурированный процесс создания систем, который обычно разбивается на следующие шаги: анализ, проектирование, программирование, тестирование и внедрение.

При концептуальном моделировании ПО и применении технологии БД наиболее сложной задачей является выявление информационных и функциональных (динамических) связей между объектами реального мира.

Информационная структура ПО содержит все объекты и их связи, которые необходимы для построения ИС, а функциональная структура определяет, каким образом используются и обрабатываются эти объекты. Информационная и функциональная структуры совместно обеспечивают полную спецификацию информационной системы.

Создание ДИС на основе методологии концептуального проектирования предполагает четыре этапа проектирования [61]:

сбор и анализ информационных потребностей пользователей и системный анализ предметной области;

построение концептуальной (понятийной) модели предметной области;

создание концептуальной модели базы данных; разработку системы с помощью инструментальных средств выбранной СУБД.

Первый очень важный этап разработки системы — анализ требований может быть определен как этап понимания задач приложений. Именно здесь пользователи будущей системы должны сформулировать, а разработчики понять, что должна делать система, какие у нее особенности, какие понятия используются в задачах, какие ситуации предметной области должны моделироваться в базе данных.

На втором этапе разработчики системы должны определить устойчивые свойства данных и описать информационные и технологические процессы, использующие данные, их взаимосвязь и характеристики. Иногда эту работу определяют [50] как построение концептуальной (инфологической) модели предметной области, содержащей описание понятий, не ориентированное ни на какую конкретную даталогическую модель.

Концептуальная модель предметной области ориентирована на восприятие человека (пользователя и разработчика), а не на обработку данных в ЭВМ [63]. Именно с помощью этой модели разработчики ИС (да и сами пользователи) достигают высокого уровня понимания существа информационных потребностей пользователей. В настоящее время для построения концептуальной модели предметной области обычно используют два подхода. При первом подходе модель ПО строится на основе интеграции спецификаций информационных потребностей, а при втором — на основе непосредственного анализа самой ПО.

В первом случае более широко применяются инструментальные средства системных программных продуктов, которые интегрируются в единую программную систему, обеспечивающую обработку доступной информации как на этапе анализа, так и на этапе проектирования прикладной системы.

В методологиях проектирования, основанных на непосредственном создании концептуальной модели предметной области, основной задачей является получение формального (независимого от СУБД) описания предметной области, которая должна моделироваться в БД. При этом система проектирования и методология проектирования должны поддерживать как получение от пользователей знаний о свойствах предметной области, так и отображение этих упорядоченных и организованных знаний в набор предварительных описаний, составляющих собственно концептуальную модель предметной области.

Концептуальная модель включает описание понятий предметной области и информационных процессов, протекающих в ней, т. е. содержит всю необходимую для проектирования системы информацию. Информации должно быть достаточно, чтобы принимать правильные решения при проектировании не только БД, но и программной реализации задач.

Однако не все понятия и операции, используемые при описании в рамках информационных процессов ПО, должны моделироваться в БД системы. Ряд семантических преобразований данных осуществляется при реализации приложений. Например, такие преобразования могут выполняться задачами, обеспечивающими специфическую обработку информации для формирования выходных отчетов. Поэтому основной проблемой третьего этапа является принятие решения о выделении из множества понятий концептуальной модели предметной области таких объектов, которые должны моделироваться в БД.

На первых трех этапах проводится не зависящий от технических и системных программных средств анализ целей и назначения проектируемой ДИС и моделируются основные информационные и технологические процессы ее функционирования. Результаты, полученные на этих этапах, имеют фундаментальный характер и не изменяются при развитии технической и программной базы ИС. Напротив, заключительный этап проектирования тесно связан с возможностями инструментальных средств конкретных СУБД.

Данный этап в свою очередь разбивают на следующие шаги:

логическое проектирование БД;

физическое проектирование БД;

реализация приложений.

В соответствии с вышеизложенным методология проектирования ИС на основе концептуального моделирования ПО может быть представлена в виде последовательности этапов, изображенных на рис. 1.4.

Основу данной методологии составляет жестко регламентированная последовательность шагов, каждый из которых должен завершаться формальной спецификацией вне зависимости от того, насколько точно сформулированы спецификации предыдущих этапов проектирования. Такая стратегия проектирования обычно гарантирует разработку удовлетворительной системы при условии, что требования к системе фиксируются и их изменение не допускается до тех пор, пока система не предъявляется пользователям. Однако в этом случае ошибки проектирования могут быть обнаружены только на последних стадиях проектирования (либо при тестировании системы, либо во время проведения ее испытаний), что требует пересмотра всех спецификаций проекта и ведет к значительным трудозатратам.

Для поддержания методологии проектирования на основе концептуального моделирования ПО широко применяются языки спецификаций, непроцедурные языки программирования, инструментальные средства отладки программ и т. д. Однако возможность повышения производительности проектирования ИС при данном подходе остается ограниченной, так как на этапе внедрения часто выясняется, что важные требования к ИС остались неучтенными в созданной системе, а исправление допущенных ошибок требует больших трудозатрат.

Среди наиболее крупных работ в области концептуального моделирования, появившихся в последнее время, можно отметить модели Броуди, Кинга и Милополуоса [85], проект DATAID [75], где рассмотрены три модели концептуального моделирования, а также модель, используемую в методике REMORA [81]. Значительным теоретическим достижением является также проект DIADA [84], в котором предложена трехуровневая структура инструментальных средств проектирования интерактивных информационных систем с интенсивным использованием данных.

Особенность указанных методологий заключается в интегрированном рассмотрении понятий, используемых для моделирования структурных и поведенческих свойств объектов реального мира.

Структурные свойства описываются с помощью абстракций типизации, агрегации, обобщения и ассоциации, а для описания поведенческих аспектов чаще всего употребляется концепция события.

Абстракции обеспечивают четкое, структурированное представление об объектах предметной области, их классах и взаимосвязях между объектами и классами объектов.

События, отражая факт изменения происшедшего в одном или нескольких объектах, позволяют адекватно учесть динамические процессы, происходящие в ПО.