Информационное обеспечение АИС

Раздел  I. Информационное обеспечение АИС

  Системы управления базами данных (СУБД): модели данных, классификация СУБД, их основные характеристики.

  Процессы  обработки информации всегда являлись основой человеческой деятельности и объединение таких процессов  с информационными ресурсами, со временем стали называть информационными системами (ИС). ИС – это комплекс, состоящий из информационной базы (хранилища информации) и процедур, позволяющих накапливать, хранить, корректировать, осуществлять поиск, обработку и выдачу информации. С появлением вычислительной техники ИС пережили качественный, революционный процесс развития превратившись в автоматизированные информационные системы (АИС), т.е. – информационные системы, физической и функциональной компонентами которых является программно-технический комплекс и средства связи.

  Современные АИС представляют собой чрезвычайно  сложные человеко-машинные комплексы, интегрированные (неразрывно связанные) в национальную и мировую информационные среды. Именно эта интеграция и создает эффективную научно-техническую базу информационного общества, так как изолированные АИС в настоящее время малоэффективны.

  Эффективность АИС во многом определяется их качеством  и доверием к ним пользователей. Качество изделий, процессов проектирования, производства и услуг является одной из узловых проблем, определяющей уровень жизни человека и состояние народного хозяйства, что полностью относится и к области информационных технологий. В АИС входят следующие основные компоненты:

аппаратные  средства вычислительной техники;

аппаратные  средства телекоммуникации (связи);

программные средства реализации функций АИС;

информационные  базы данных (БД);

документация, регламентирующая функции и применение всех компонент АИС;

специалисты, обслуживающие и использующие программно-технические средства.

     Аппаратные  компоненты АИС имеют достаточно универсальный характер и относительно слабо зависят от функционального  назначения конкретной информационной технологии. Хотя при их выборе всегда учитывается ряд технических  характеристик, анализ и испытания этих компонент могут проводиться достаточно традиционными методами и средствами, разработанными в области сложного приборостроения.

     Остальные компоненты АИС составляют их интеллектуальную часть, определяющую назначение, функции и качество решения задач в конкретной области человеческой деятельности. Эти компоненты могут отличаться принципиальной новизной, большим разнообразием характеристик, которые трудно формализуются и требуют глубокого исследования методов проверки их значений.

     Архитектурная, техническая и программно-информационная совместимость различных АИС  может быть обеспечена только путем  стандартизации и сертификации программно-технических  средств в соответствии с требованиями международных и государственных  стандартов. Для этого необходима стандартизация, сертификация и каталогизация средств, процессов и услуг, а также проведение единой технической политики при создании (приобретении) совместимых аппаратных и программных средств, организации взаимодействия и интеграции АИС различных уровней и назначения.

     Любая реальная АИС действует в окружающей ее информационной среде, которую часто  называют инфраструктурой.

     Под инфраструктурой в экономике  понимаются структуры, которые обеспечивают функционирование производственных систем, но непосредственно в технологических процессах производства продукции не участвуют. В их число входят: дороги, линии электропередач, системы снабжения ресурсами и т.д.

     Под инфраструктурой автоматизированных информационных систем обычно понимают телекоммуникационные сети и связываемые ими объекты: серверы, автоматизированные рабочие места, каталоги сетевых информационных ресурсов и т.п. Информационными ресурсами являются информационные базы (банки и базы данных) различного назначения и другие информационные структуры.

     В настоящее время особенно быстро развиваются телекоммуникационные компоненты инфрастуктуры АИС. В  области технологий передачи данных открывает новые горизонты в  использовании сетей. Раньше, на начальной  фазе внедрения таких технологий, возникало немало проблем – это и недостаток опыта использования, и относительно слабая совместимость, и ограниченный выбор оборудования. Но пожалуй основной преградой являлся изначально слабый пользовательский спрос, что в случае компьютерных сетей выражается в отсутствии адекватных технологии приложений.

     Таким образом при создании сетей передачи данных нового поколения возникает  необходимость решения сразу  комплекса задач, лежащих как  в области телекоммуникаций, так  и в области информационных технологий. Современное состояние телекоммуникационных технологий представляет собой весьма пеструю картину. С одной стороны “всемирная паутина” (Internet) опутала весь земной шар и ближний космос, с другой – не иссякает критический поток со стороны пользователей данной “паутины”. Самый распространенный – что Интернет неудовлетворительно обеспечивает поиск нужной информации и доступ к ней, то есть не обеспечивает нужного качества тех услуг, ради которых она и создавалась. Кроме того имеется ощутимый разрыв в возможностях пользования этими услугами между различными группами населения и различными странами. Этот разрыв не только не сокращается, но наоборот увеличивается. Национальные правительства и международные организации постоянно ощущают значительный дефицит ресурсов, которые бы они могли и хотели использовать для сокращения такого разрыва.

     В связи с этим возникают проблемы безопасности использования АИС, которые  здесь будут только обозначены, а  детально будут рассматриваться  во второй юните.

     Быстрое развитие и использование информационных технологий не только открывает новые возможности, но и создает новые проблемы перед мировым сообществом, которые безусловно влияют на экономическую, социальную, культурную и образовательную деятельность и могут коренным образом повлиять на формы правления, творчество, сотрудничество, обмен идеями и знаниями, а также на повседневную жизнь Такими проблемами являются:

психобиологические, оказывающие отрицательное психологическое  и физическое воздействие на пользователей;

культурные, угрожающие национальной культурной самобытности пользователей;

социально-экономические, увеличивающие неравенство возможностей получения доступа к качественным ИТ;

политические, способствующие разрушению гражданского общества в национальных государствах;

бесконтрольное и несанкционированное использование чужой интеллектуальной собственности;

технологические угрозы нанесения ущерба или разрушения самим АИС.

Классификация, состав и структура  АИС

     В информационном обществе автоматизированные информационные системы используются практически во всех областях человеческой деятельности. Далее будет приведена классификация АИС по признаку их применения:

автоматизированная  система управления (АСУ) – организационно-техническая  система, созданная с применением  автоматизированных информационных технологий для повышения эффективности процессов управления различными объектами;

     автоматизированная  система научных исследований (АСНИ) – автоматизированная информационная система, предназначенная для информационно  – аналитического обеспечения научно-исследовательских работ; 

экспертная  система – автоматизированная информационная система, которая использует экспертные знания для обеспечения высокоэффективного решения задач в узкой предметной области;

     автоматизированная  система контроля измерений (АСКИ) –автоматизированная информационная система, предназначенная для сбора, анализа и хранения показателей, которые считываются с контрольно-измерительных приборов;

     система автоматизированного проектирования (САПР) – организационно-техническая  система, состоящая из программно-технического комплекса автоматизации проектирования, пользователями которого являются сотрудники подразделений проектной организации;

     автоматизированная  система обучения – автоматизированная информационная система, которая включает в себя преподавателя, студентов, комплекс учебно-методических и дидактических материалов, автоматизированную систему обработки данных и предназначенная для поддержки процесса обучения с целью повышения его эффективности;

     автоматизированная  справочная система – справочное руководство, содержание которого создается, хранится и доводится до пользователя с использованием автоматизированных информационных технологий;

     автоматизированная  библиотечная система – автоматизированная информационная система, обеспечивающая доступ к данным библиотечных каталогов и фондов, а также сбор, обработку и хранение соответствующей информации;

     автоматизированная  система перевода – автоматизированная система, предназначенная для перевода текстов с одного языка на другой, составной частью такой системы является автоматизированный словарь;

     автоматизированная  информационная юридическая система  –автоматизированная информационная система в предметной области  юриспруденции;

     автоматизированные  системы военного назначения – АИС, предназначенные для управления боевыми действиями, военными объектами, системами ПВО и т.д.

     Разумеется  можно привести еще много примеров АИС, но данный перечень имеет достаточно представительный характер.

Практически все АИС имеют в своем составе  следующие компоненты:

физическая  компонента – материальная основа носителя информационной системы;

информационная  компонента – организованная определенным образом система записей данных (информационная база), характеризующаяся  определенным языком, на котором выполнены образующие ее записи; 

функциональная  компонента – система процедур управления, обновления, поиска и завершающей  обработки данных.

АИС и  ее компоненты могут быть сосредоточены  в одном месте, если взаимодействие между компонентами АИС (или между  частями одного компонента) происходит посредством каналов связи, то такая АИС называется распределенной.

     Информационное обеспечение АИС

Основные понятия

     Во  всех областях человеческой деятельности, где необходимо проводить исследования, анализ, выработку и принятие решений с последующим их контролем – основным ресурсом этих действий является информация. Информационные ресурсы – это все виды информации, доступные пользователю и необходимые для выполнения стоящих перед ним задач и (или) повышающие эффективность его деятельности.

     Если  провести аналогию с природными и  производственными ресурсами, то можно  сказать, что для превращения  природных ресурсов (полезные ископаемые, вода и т.д.) в производственные их подвергают определенной первичной  обработке, например, обогащение полезных ископаемых. Информационные ресурсы, для того, чтобы они могли быть использованы в вышеперечисленных процессах, также должны быть подвергнуты определенной обработке. После первичной обработки они накапливаются в информационных фондах предприятий, организаций и др. Информационные фонды – это информационные ресурсы, организованные специальным образом для повышения эффективности информационной работы.

     Сбор, упорядочение, хранение, обработку  и выдачу пользователям информационных ресурсов осуществляют АИС. Под информационным обеспечением АИС понимается система реализованных решений по объемам, размещению и формам организации информации, циркулирующей в АИС при ее функционировании. Специфическими формами организации информации в АИС являются:

     база  данных (БД) – поименованная, целостная, единая система данных, организованная по определенным правилам, которые предусматривают общие принципы описания, хранения и обработки данных;

     база  знаний (БЗ) – формализованная система  сведений о некоторой предметной области, содержащая данные о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений и правила использования в задаваемых ситуациях этих данных для принятия новых решений. 

В БЗ центральным  понятием является – представление  знаний в информационных системах, т.е. формализация метапроцедур, используемых биологическими объектами при решении интеллектуальных задач.

     Базы  данных являются ядром информационного  обеспечения АИС. В них должна быть представлена информация, отражающая различные направления деятельности организации и пригодная для проведения всестороннего анализа. Хранилище данных, которое является следующим этапом развития БД выполняет следующие функции:

     собирает  информацию из различных источников, прежде всего из оперативных приложений АИС, а также от внешних источников, например, организаций по исследованию рынка, лабораторий по оценке качества, консалтинговых компаний и независимых аналитиков;

     интегрирует данные в логические модели по определенным предметным областям;

     хранит  информацию таким образом, чтобы она была легко доступна и понятна различным категориям пользователей;

     предоставляет данные разнообразным приложениям.

     АИС работает с двумя разными типами информации:

     постоянно изменяемые базы данных систем оперативной  обработки содержат детальную информацию по определенному процессу;

     аналитические данные содержат обобщенные сведения по достаточно широкой предметной области, которая может охватывать различные  направления деятельности.

     База  данных – совокупность предназначенных  для машинной обработки данных, которая служит для удовлетворения нужд большого количества пользователей (в рамках одной или нескольких организаций). Более формальное определение базы данных (БД) – поименованная, целостная, единая система данных, организованная по определенным правилам, которые предусматривают общие принципы описания, хранения и обработки данных.

     Создание  информационной инфраструктуры требует  создания особенно больших баз данных, способных обслуживать одновременно тысячи пользователей. Данные в базе данных располагаются так, чтобы их можно было легко найти и обработать. Эти задачи выполняются системой управления базами данных. Система управления базами данных – специальный комплекс программ, осуществляющий централизованное управление базой данных. СУБД позволяет управлять данными в базе данных, вести базы данных, обеспечивает многопользовательский доступ к данным. 

Различаются централизованные и распределенные базы данных. Централизованная база данных хранится в памяти одной вычислительной системы. Если эта вычислительная система является компонентом сети ЭВМ, возможен распределенный доступ к такой базе данных – доступ к ней пользователей различных ЭВМ данной сети. Такой способ использования баз данных часто применяют в локальных сетях персональных ЭВМ.

     Появление сетей ЭВМ позволило наряду с централизованными создавать и распределенные базы данных. Распределенная база данных состоит из нескольких, возможно, пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых в различных ЭВМ вычислительной сети. Однако пользователь распределенной базы данных не обязан знать, каким образом ее компоненты размещены в узлах сети, и представляет себе эту базу данных как единое целое. Работа с такой базой данных осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных (СУРБД). Данные, содержащиеся в распределенной базе данных, их представление на всех уровнях архитектуры СУРБД и размещение в сети описываются в системном справочнике, который сам может быть декомпозирован и размещен в различных узлах сети.

     Части распределенной базы данных, размещенные на отдельных ЭВМ сети, управляются собственными (локальными) СУБД и могут использоваться одновременно как самостоятельные локальные базы данных. Локальные СУБД не обязательно должны быть одинаковыми в разных узлах сети. Объединение неоднородных локальных баз данных в единую распределенную базу данных является сложной научно-технической проблемой. Ее решение потребовало проведения большого комплекса научных исследований и экспериментальных разработок.

     Базы  данных можно разделить на базы данных первого поколения: иерархические, сетевые; второго поколения: реляционные; третьего поколения: объектно-ориентированные, обектно-реляционные.

  Система управления базой данных и ее основные функции

Систе́ма  управле́ния ба́зами да́нных (СУБД) — специализированная программа (чаще комплекс программ), предназначенная для манипулирования базой данных. 

Основные  функции СУБД 1.управление данными  во внешней памяти (на дисках); 2.управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша; 3.журнализация изменений и восстановление базы данных после сбоев; 4.поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными). Классификация СУБД По типу управляемой базы данных СУБД разделяются на: Сетевые, Иерархические, Реляционные, Объектно-реляционные, Объектно-ориентированные По архитектуре организации хранения данных : локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере), распределенные СУБД (части СУБД могут размещаться на двух и более компьютерах)

Система управления базами данных обладает следующими возможностями:

1) позволяет  определять базу данных, что обычно  осуществляется с помощью языка  определения данных (DDL – Data Definition Language). Язык DDL предоставляет пользователям  средства указания типа данных и их структуры, а также средства задания ограничений для информации, хранимой в базе данных;

2) позволяет  вставлять, обновлять, удалять  и извлекать информацию из  базы данных, что обычно осуществляется  с помощью языка управления  данными (DML – Data Manipulation Language). Наличие централизованного хранилища всех данных и их описаний позволяет использовать язык DML как общий инструмент организации запросов, который иногда называют языком запросов (query language). Наличие языка запросов позволяет устранить присущие файловым системам ограничения, при которых пользователям приходится иметь дело только с фиксированным набором запросов или постоянно возрастающим количеством программ, что порождает другие, более сложные проблемы управления программным обеспечением.

3) предоставляет  контролируемый доступ к базе  данных с помощью перечисленных  ниже средств:

• системы  обеспечения безопасности, предотвращающей  несанкционированный доступ к базе данных со стороны пользователей;

• системы  поддержки целостности данных, обеспечивающей непротиворечивое состояние хранимых данных;

• системы  управления параллельной работой приложений, контролирующей процессы их совместного  доступа к базе данных;

• системы  восстановления, позволяющей восстановить базу данных до предыдущего непротиворечивого состояния, нарушенного в результате сбоя аппаратного или программного обеспечения;

• доступного пользователям каталога, содержащего  описание хранимой в базе данных информации.

СУБД  обладают как многообещающими потенциальными преимуществами, так и недостатками.

Преимущества  СУБД

1. Контроль  за избыточностью данных. Как  уже говорилось, традиционные файловые  системы неэкономно расходуют  внешнюю память, сохраняя одни  и те же данные в нескольких  файлах. При использовании базы  данных, наоборот, предпринимается попытка исключить избыточность данных за счет интеграции файлов, чтобы избежать хранения нескольких копий одного и того же элемента информации.

2. Непротиворечивость  данных. Устранение избыточности  данных или контроль над ней  позволяет сократить риск возникновения противоречивых состояний. Если элемент данных хранится в базе только в одном экземпляре, то для изменения его значения потребуется выполнить только одну операцию обновления, причем новое значение станет доступным сразу всем пользователям базы данных. А если этот элемент данных с ведома системы хранится в базе данных в нескольких экземплярах, то такая система сможет следить за тем, чтобы копии не противоречили друг другу.

3. Совместное  использование данных. Файлы обычно  принадлежат отдельным лицам или целым отделам, которые используют их в своей работе. В то же время база данных принадлежит всей организации в целом и может совместно использоваться всеми зарегистрированными пользователями. При такой организации работы большее количество пользователей может работать с большим объемом данных. Более того, при этом можно создавать новые приложения на основе уже существующей в базе данных информации и добавлять в нее только те данные, которые в настоящий момент еще не хранятся в ней, а не определять заново требования ко всем данным, необходимым новому приложению.

4. Поддержка  целостности данных. Целостность  базы данных означает корректность  и непротиворечивость хранимых  в ней данных. Целостность обычно  описывается с помощью ограничений, т.е. правил поддержки непротиворечивости, которые не должны нарушаться в базе данных. Ограничения можно применять к элементам данных внутри одной записи или к связям между записями. Например, ограничение целостности может гласить, что зарплата сотрудника не должна превышать 40 000 рублей  в год или же что в записи с данными о сотруднике номер отделения, в котором он работает, должен соответствовать реально существующему отделению компании.

5. Повышенная  безопасность. Безопасность базы  данных заключается в защите базы данных от несанкционированного доступа со стороны пользователей. Без привлечения соответствующих мер безопасности интегрированные данные становятся более уязвимыми, чем данные в файловой системе. Однако интеграция позволяет определить требуемую систему безопасности базы данных, а СУБД привести ее в действие. Система обеспечения безопасности может быть выражена в форме учетных имен и паролей для идентификации пользователей, которые зарегистрированы в этой базе данных. Доступ к данным со стороны зарегистрированного пользователя может быть ограничен только некоторыми операциями (извлечением, вставкой, обновлением и удалением).  

6. Применение  стандартов. Интеграция позволяет  определять и применять необходимые  стандарты. Например, стандарты отдела  и организации, государственные и международные стандарты могут регламентировать формат данных при обмене ими между системами, соглашения об именах, форму представления документации, процедуры обновления и правила доступа. 7. Повышение эффективности с ростом масштабов системы. Комбинируя все рабочие данные организации в одной базе данных и создавая набор приложений, которые работают с одним источником данных, можно добиться существенной экономии средств. В этом случае бюджет, который обычно выделялся каждому отделу для разработки и поддержки их собственных файловых систем, можно объединить с бюджетами других отделов (с более низкой общей стоимостью), что позволит добиться повышения эффективности при росте масштабов производства. Теперь объединенный бюджет можно будет использовать для приобретения оборудования той конфигурации, которая в большей степени отвечает потребностям организации. Например, она может состоять из одного мощного компьютера или сети из небольших компьютеров.

8. Возможность  нахождения компромисса для противоречивых требований. Потребности одних пользователей или отделов могут противоречить потребностям других пользователей. Поскольку база данных контролируется администратором базы данных, он может принимать решения о проектировании и способе использования базы данных, при которых имеющиеся ресурсы всей организации в целом будут использоваться наилучшим образом. Эти решения обеспечивают оптимальную производительность для самых важных приложений, причем чаще всего за счет менее критичных.

9. Повышение доступности данных и их готовности к работе. Данные, которые пересекают границы отделов, в результате интеграции становятся непосредственно доступными конечным пользователям. Потенциально это повышает функциональность системы, что, например, может быть использовано для более качественного обслуживания конечных пользователей или клиентов организации. Во многих СУБД предусмотрены языки запросов или инструменты для создания отчетов, которые позволяют пользователям задавать непредусмотренные заранее вопросы и почти немедленно получать требуемую информацию на своих терминалах, не прибегая к помощи программиста, который для извлечения этой информации из базы данных должен был бы создать специальное программное обеспечение. 

10. Улучшение  показателей производительности. В СУБД предусмотрено много стандартных функций, которые программист обычно должен самостоятельно реализовать в приложениях для файловых систем. На базовом уровне СУБД обеспечивает все низкоуровневые процедуры работы с файлами, которую обычно выполняют приложения. Наличие этих процедур позволяет программисту сконцентрироваться на разработке более специальных, необходимых пользователям функций, не заботясь о подробностях их воплощения на более низком уровне.

11. Упрощение  сопровождения системы за счет независимости от данных. В файловых системах описания данных и логика доступа к данным встроены в каждое приложение, что делает программы зависимыми от данных. Для изменения структуры данных, например для увеличения длины поля с адресом с 40 символов до 41 символа или для изменения способа хранения данных на диске, может потребоваться существенно преобразовать все программы, на которые эти изменения способны оказать влияние. В СУБД подход иной: описания данных отделены от приложений, а потому приложения защищены от изменений в описаниях данных. Эта особенность называется независимостью от данных. Наличие независимости программ от данных значительно упрощает обслуживание и сопровождение приложений, работающих с базой данных.

12. Улучшенное  управление параллельностью. В некоторых файловых системах при одновременном доступе к одному и тому же файлу двух пользователей может возникнуть конфликт двух запросов, результатом которого будет потеря информации или утрата ее целостности. В свою очередь, во многих СУБД предусмотрена возможность параллельного доступа к базе данных и гарантируется отсутствие подобных проблем.

13. Развитые  службы резервного копирования  и восстановления. Ответственность  за обеспечение защиты данных  от сбоев аппаратного и программного  обеспечения в файловых системах возлагается на пользователя. Так, может потребоваться каждую ночь выполнять резервное копирование данных. При этом в случае сбоя может быть восстановлена резервная копия, но результаты работы, выполненной после резервного копирования, будут утрачены, и данную работу потребуется выполнить заново. В современных СУБД предусмотрены средства сокращения объема потерь информации от возникновения различных сбоев.