Концептуальное моделирование в технологиях баз...

Онтологическое моделирование: состояние, направления исследований и применения Онтологическое моделирование: состояние, направления исследований и применения Звенигород, 20-21 мая 2008 г.Звенигород, 20-21 мая 2008 г. 11

Концептуальное моделированиеКонцептуальное моделированиев технологиях баз данных в технологиях баз данных и онтологические моделии онтологические модели

М.Р. КогаловскийМ.Р. КогаловскийИнститут проблем рынка РАНИнститут проблем рынка РАН

22Онтологическое моделирование: состояние, направления исследований и применения Онтологическое моделирование: состояние, направления исследований и применения

Звенигород, 20-21 мая 2008 г.Звенигород, 20-21 мая 2008 г.

СодержаниеСодержание• Ранние системы баз данных и методы их проектированияРанние системы баз данных и методы их проектирования

• Трехсхемная технология ANSI/Трехсхемная технология ANSI/X3/X3/SPARC SPARC

• Концептуальное моделирование предметной областиКонцептуальное моделирование предметной области

• Инфологический подход к проектированию баз данных Инфологический подход к проектированию баз данных

• Роль концептуальной схемы в системах баз данныхРоль концептуальной схемы в системах баз данных

• Средства концептуального моделированияСредства концептуального моделирования

• Концептуальные схемы баз данных и онтологии, сходства Концептуальные схемы баз данных и онтологии, сходства и различияи различия

• Терминологические замечанияТерминологические замечания

• Актуальные проблемы концептуального моделированияАктуальные проблемы концептуального моделирования

• Заключение Заключение



Ранние системы баз данныхРанние системы баз данных• Истоки технологий баз данныхИстоки технологий баз данных

• Ранние БД – технологический элемент приложенийРанние БД – технологический элемент приложений

• Двухуровневая архитектура систем БД, Двухуровневая архитектура систем БД, независимость данныхнезависимость данных

• Методы и критерии проектирования ранних БД, Методы и критерии проектирования ранних БД, ориентированные на реализациюориентированные на реализацию

• Диаграммы Бахмана – прообраз современных Диаграммы Бахмана – прообраз современных средств визуального проектированиясредств визуального проектирования

• Рождение индустриального производства СУБДРождение индустриального производства СУБД

• Востребованность стандартизации в технологиях БДВостребованность стандартизации в технологиях БД

• Создание Рабочей группы Создание Рабочей группы ANSI/X3/SPARCANSI/X3/SPARC (1972) (1972)(SPARC = The Standards Planning and Requirements Committee)(SPARC = The Standards Planning and Requirements Committee)

• Архитектурные исследования – Архитектурные исследования – CODASYL, Senko, CODASYL, Senko, Nijssen, Palmer Nijssen, Palmer и др.и др.



Трехсхемная технология ANSI/Трехсхемная технология ANSI/X3/X3/SPARCSPARC• Промежуточный отчет Рабочей группы (1975)Промежуточный отчет Рабочей группы (1975)

• Предложенный подход к стандартизацииПредложенный подход к стандартизации• Обобщенная архитектурная модель Обобщенная архитектурная модель ANSI/SPARCANSI/SPARC

и независимость данныхи независимость данных• Уровни архитектуры, механизмы междууровневого Уровни архитектуры, механизмы междууровневого

отображения, обеспечение независимости данныхотображения, обеспечение независимости данных

• Концептуальный уровень, концептуальная схемаКонцептуальный уровень, концептуальная схема

• Роль концептуальной схемы в контексте отчета:Роль концептуальной схемы в контексте отчета:

+ интегрированное представление информационных потребностей + интегрированное представление информационных потребностей сообщества пользователей, независимое от реализации сообщества пользователей, независимое от реализации + описание контента базы данных + описание контента базы данных + обеспечение разделения данных, содержащихся в базе данных + обеспечение разделения данных, содержащихся в базе данных + основа устойчивости архитектуры, управления доступом + основа устойчивости архитектуры, управления доступом

• Новый взгляд на этапы проектирования базы данных, Новый взгляд на этапы проектирования базы данных, концептуальное проектирование.концептуальное проектирование.



Архитектура ANSI/Архитектура ANSI/X3/X3/SPARCSPARC

В н утр ен н ий ур о ве нь

М еханизм отоб раж ения "конц ептуал ь ны й-внутренний "

К о н це п туал ь н ы й уро в е нь

М еханизм отоб ра ж ения "внеш ний-конц ептуал ь ны й "

В н еш ни й ур о ве нь



Что такое концептуальное моделирование?Что такое концептуальное моделирование?• Концептуальное моделирование – общая проблема для Концептуальное моделирование – общая проблема для

технологий баз данных, ИИ и программной инженериитехнологий баз данных, ИИ и программной инженерии

• Наведение мостов: Наведение мостов: + Joint SIGMOD/SIGPLAN Conf. on Data: Abstraction, Definition and Structure (1976) + Joint SIGMOD/SIGPLAN Conf. on Data: Abstraction, Definition and Structure (1976) + The Workshop on Data Abstraction, Databases and Conceptual Modelling + The Workshop on Data Abstraction, Databases and Conceptual Modelling (1980)(1980) + Монография « + Монография «On ConceptualOn Conceptual ModellingModelling: : Perspectives from Artificial Intelligence, Perspectives from Artificial Intelligence, Databases and Programming Languages” (1984) Databases and Programming Languages” (1984)

• Концептуальное моделирование (КМ) предметной области (ПО) – Концептуальное моделирование (КМ) предметной области (ПО) – моделирование понятий (концептов) и концептуальных структур ПОмоделирование понятий (концептов) и концептуальных структур ПО

• В процессе КМ выявляются, анализируются и описываются В процессе КМ выявляются, анализируются и описываются релевантные его целям понятия ПО, связи между ними, релевантные его целям понятия ПО, связи между ними, ограничения, которым они должны удовлетворятьограничения, которым они должны удовлетворять

• Цель КМ – синтез концептуальной модели ПОЦель КМ – синтез концептуальной модели ПО

• Концептуальная модель ПО - это абстрактная модель, независимая Концептуальная модель ПО - это абстрактная модель, независимая от аспектов ее реализации и определяющая концептуальную от аспектов ее реализации и определяющая концептуальную структуру ПО, релевантную целям моделирования.структуру ПО, релевантную целям моделирования.



Семантика концептуальной моделиСемантика концептуальной модели• КМ может в различной степени отражать семантику предметной КМ может в различной степени отражать семантику предметной

области (соответствовать разным семантическим уровням)области (соответствовать разным семантическим уровням)• Семантический уровень концептуальной модели зависит от Семантический уровень концептуальной модели зависит от

возможностей выразительных средств, используемых для ее возможностей выразительных средств, используемых для ее представленияпредставления

• Лучшими выразительными средствами для этих целей являются Лучшими выразительными средствами для этих целей являются естественные языки, но такие модели не структурированы, не естественные языки, но такие модели не структурированы, не обеспечивают однозначной интерпретацииобеспечивают однозначной интерпретации

• КМ предметной области, используемые в традиционных КМ предметной области, используемые в традиционных технологиях баз данных и в онтологическом моделировании технологиях баз данных и в онтологическом моделировании различаются, главным образом, их семантическим уровнемразличаются, главным образом, их семантическим уровнем

• Возможности средств представления семантики предметной Возможности средств представления семантики предметной области в значительной мере связаны с тем, что представляет области в значительной мере связаны с тем, что представляет собой атомарный факт, какие понятия принимаются как собой атомарный факт, какие понятия принимаются как предопределенные, какие более крупные информационные предопределенные, какие более крупные информационные структуры образуют осмысленные конструкции структуры образуют осмысленные конструкции

• Разнообразие инструментов концептуального моделирования Разнообразие инструментов концептуального моделирования связано с разными вариантами ответа на эти вопросы. связано с разными вариантами ответа на эти вопросы.



Концептуальное моделирование в БД (1)Концептуальное моделирование в БД (1)• Концептуальная модель ПО в технологиях БД – это Концептуальная модель ПО в технологиях БД – это

концептуальная схема (КС) базы данныхконцептуальная схема (КС) базы данных

• Механизмы синтеза КС – абстракции Механизмы синтеза КС – абстракции ((J.SmithJ.Smith && D.SmithD.Smith) ) ии иерархии абстракцийиерархии абстракций

• Абстракция состояний и абстракция трансформаций Абстракция состояний и абстракция трансформаций (поведения) (поведения)

• В области БД главное - абстракции состояний. В области БД главное - абстракции состояний. Но: объектный подход Но: объектный подход

• Два вида абстракций: агрегация и обобщениеДва вида абстракций: агрегация и обобщение

• Обобщение образует новый объект из класса других объектовОбобщение образует новый объект из класса других объектов

• Агрегация образует объект как отношение между другими Агрегация образует объект как отношение между другими объектамиобъектами. .



Концептуальное моделирование в БД (2)Концептуальное моделирование в БД (2)• Назначение КС в технологиях баз данных:Назначение КС в технологиях баз данных:

+ абстрактное определение контента БД достаточно + абстрактное определение контента БД достаточно выразительным образом для пользователей, выразительным образом для пользователей, разработчиков и системного персонала разработчиков и системного персонала + возможность проектирования БД на уровне независимом + возможность проектирования БД на уровне независимом от специфики используемой СУБД от специфики используемой СУБД

• Концептуальная схема базы данных – тиКонцептуальная схема базы данных – ти’’повая модель повая модель предметной области (абстракция обобщения)предметной области (абстракция обобщения)

• Инструмент представления концептуальной схемы - Инструмент представления концептуальной схемы - концептуальная модель данных концептуальная модель данных

• Концептуальной моделью данных называют модель, Концептуальной моделью данных называют модель, используемую на стадии концептуального используемую на стадии концептуального проектирования базы данныхпроектирования базы данных

• Концептуальную схему многие отождествляют с Концептуальную схему многие отождествляют с концептуальной моделью данныхконцептуальной моделью данных

• Иначе говоря, результат моделирования отождествляютИначе говоря, результат моделирования отождествляютс инструментом моделирования.с инструментом моделирования.



Инфологический подход (1)Инфологический подход (1)• Инфологический подход (И.П.) – вклад шведской школы ИС в Инфологический подход (И.П.) – вклад шведской школы ИС в

область КМ , истоки - работы Б. Лангефорша начала 1960-х гг.область КМ , истоки - работы Б. Лангефорша начала 1960-х гг.

• В течение полутора десятилетий серия работ Б. Лангефорша, В течение полутора десятилетий серия работ Б. Лангефорша, А. Солвберга, Я. Бабенко и др. А. Солвберга, Я. Бабенко и др.

• Адаптация И.П. к технологиям баз данных – Б. СундгренАдаптация И.П. к технологиям баз данных – Б. Сундгрен

• И.П. в большей мере, чем традиционные технологии БД, И.П. в большей мере, чем традиционные технологии БД, акцентирует концептуальные и семантические аспекты данных акцентирует концептуальные и семантические аспекты данных

• Предполагается использование моделей данных, которые Предполагается использование моделей данных, которые естественным для человеческого восприятия образом естественным для человеческого восприятия образом представляют реальностьпредставляют реальность

• Наиболее подходящим для этого выразительным средством Наиболее подходящим для этого выразительным средством являются ЕЯ, однако свойственная им неоднозначность являются ЕЯ, однако свойственная им неоднозначность ограничивает их использование для этих целей.ограничивает их использование для этих целей.



Инфологический подход (2)Инфологический подход (2)• Авторы И.П. предложили в качестве средства инфологического Авторы И.П. предложили в качестве средства инфологического

моделирования модель данных, основанную на логике моделирования модель данных, основанную на логике предикатов, расширенной поддержкой концепции временипредикатов, расширенной поддержкой концепции времени

• По сути, эта модель представляет собой ограниченную версию По сути, эта модель представляет собой ограниченную версию естественного языкаестественного языка

• Деятельность по моделированию предметной области при Деятельность по моделированию предметной области при разработке информационных систем и систем баз данных в И.П. разработке информационных систем и систем баз данных в И.П. разделяется на две сферы – инфологическую и даталогическую разделяется на две сферы – инфологическую и даталогическую

• Разработка ориентированной на человека модели предметной Разработка ориентированной на человека модели предметной области, независимой от технологий реализации, относится к области, независимой от технологий реализации, относится к инфологической сфереинфологической сфере

• Модель реальности такого рода называется инфологической Модель реальности такого рода называется инфологической моделью предметной области, а используемый инструмент моделью предметной области, а используемый инструмент моделирования называется моделирования называется инфологической моделью данныхинфологической моделью данных. .



Инфологический подход (3)Инфологический подход (3)• Для целей реализации инфологическая модель предметной Для целей реализации инфологическая модель предметной

области отображается в среду СУБД. Результат отображения области отображается в среду СУБД. Результат отображения называется называется даталогической моделью даталогической моделью предметной области предметной области

• Таким образом, даталогическая модель предметной области Таким образом, даталогическая модель предметной области описывает представление инфологической модели ПО в описывает представление инфологической модели ПО в компьютерной среде. компьютерной среде.

• Сфера моделирования, связанная с созданием и использованием Сфера моделирования, связанная с созданием и использованием даталогической модели предметной области, называется даталогической модели предметной области, называется даталогической сферойдаталогической сферой

• В системах баз данных даталогическая модель предметной В системах баз данных даталогическая модель предметной области представляет собой области представляет собой схему базы данныхсхему базы данных. С точки зрения . С точки зрения архитектурны ANSI/X3/SPARC, это архитектурны ANSI/X3/SPARC, это концептуальная схема базы концептуальная схема базы данныхданных

• Модели данных, используемые для представления даталогической Модели данных, используемые для представления даталогической модели предметной области, естественно называть модели предметной области, естественно называть даталогическими моделями данныхдаталогическими моделями данных..



Роль концептуальной схемы в БД (1)Роль концептуальной схемы в БД (1)• Публикация отчета Публикация отчета ANSI/X3/SPARC ANSI/X3/SPARC вызвала продолжительную вызвала продолжительную

дискуссию, какой должна быть КСдискуссию, какой должна быть КС• Предмет дискуссий: должна ли КС одновременно выполнять две Предмет дискуссий: должна ли КС одновременно выполнять две

функции:функции: + функцию модели предметной области, синтезированной + функцию модели предметной области, синтезированной в результате ее системного анализа в результате ее системного анализа + посредника между пользовательскими представлениями + посредника между пользовательскими представлениями БД и хранимой БД, описывающего контент базы данных БД и хранимой БД, описывающего контент базы данных

• Другой вопрос: КС для экспертов или для пользователей?Другой вопрос: КС для экспертов или для пользователей?• Отчет ANSI/Отчет ANSI/SPARCSPARC: она должна выполнять обе функции, должна : она должна выполнять обе функции, должна

иметь машино-читаемую форму и должна быть представлена на иметь машино-читаемую форму и должна быть представлена на хорошо определенном и потенциально стандартизуемом языкехорошо определенном и потенциально стандартизуемом языке

• Т. Стил (рук. Рабочей группы): КС предназначена только для Т. Стил (рук. Рабочей группы): КС предназначена только для экспертов, и концептуальная модель данных, средствами экспертов, и концептуальная модель данных, средствами которой она будет специфицироваться, должна быть дескриптивной которой она будет специфицироваться, должна быть дескриптивной моделью, основанной на формальной логике моделью, основанной на формальной логике

• Для ее представления должна быть создана концептуальная Для ее представления должна быть создана концептуальная модель данных, позволяющая удерживать семантику предметной модель данных, позволяющая удерживать семантику предметной области в КС. области в КС.



Роль концептуальной схемы в БД (2)Роль концептуальной схемы в БД (2) Отчет Отчет ISO TCISO TC97/97/SCSC5/5/WGWG3 3

• Для формирования точки зрения на роль КС в системах БД , Для формирования точки зрения на роль КС в системах БД , определения концепций и терминологии для языков КС с целью определения концепций и терминологии для языков КС с целью обеспечения основы для стандартизации в данной области обеспечения основы для стандартизации в данной области в 1977г. была создана Рабочая группа в 1977г. была создана Рабочая группа ISO TCISO TC97/97/SCSC5/5/WGWG3 3

• В 1982 г. Рабочая группа выпустила отчет:В 1982 г. Рабочая группа выпустила отчет:Concepts and terminology for the conceptual schema and the information base. Ed. by J.J. van Griethauzen. ISO TC97/SC5/WG3.

• Аналогично подходу ANSI/SАналогично подходу ANSI/SPARCPARC, на КС в отчете возлагаются , на КС в отчете возлагаются две функции: две функции: (1) это - средство обеспечения устойчивого базиса для отображения (1) это - средство обеспечения устойчивого базиса для отображения

между внешними и внутренней схемами базы данных между внешними и внутренней схемами базы данных (2) это - основа коммуникации между причастными к системе базы (2) это - основа коммуникации между причастными к системе базы данных людьми. данных людьми.

• В отчете предложена терминология КСВ отчете предложена терминология КС• Для иллюстрации требований к выразительным средствам КС Для иллюстрации требований к выразительным средствам КС

рассмотрены: рассмотрены: ER-ER-модель; модель, основанная на логике предикатов; модель; модель, основанная на логике предикатов; модели бинарных и модели бинарных и n-n-арных отношений; подробно рассмотрена арных отношений; подробно рассмотрена модель данных «объект-роль» Фалкенберга. модель данных «объект-роль» Фалкенберга.



Роль концептуальной схемы в БД (3)Роль концептуальной схемы в БД (3) Отчет Отчет ISO TCISO TC97/97/SCSC5/5/WGWG3 3

• Для выполнения указанных функций нужно иметь языки описания Для выполнения указанных функций нужно иметь языки описания КС в форме, «понятной» компьютеру, и в форме, понятной человекуКС в форме, «понятной» компьютеру, и в форме, понятной человеку

• Эти роли может выполнять как один, так и разные языкиЭти роли может выполнять как один, так и разные языки• Механизмы поддержки КС должны обеспечивать легкую ее Механизмы поддержки КС должны обеспечивать легкую ее

модификацию с тем, чтобы отражать те изменения, которые модификацию с тем, чтобы отражать те изменения, которые происходят в предметной области происходят в предметной области

• Представления информации о предметной области для различных Представления информации о предметной области для различных пользователей не должны противоречить декларациям КС пользователей не должны противоречить декларациям КС (согласованность внешних схем и КС)(согласованность внешних схем и КС)

• Наконец, КС должна быть устойчивым инвариантом относительно Наконец, КС должна быть устойчивым инвариантом относительно возможных изменений во внутренней схеме базы данныхвозможных изменений во внутренней схеме базы данных

• Эти требования к КС рассматриваются как минимум, которому Эти требования к КС рассматриваются как минимум, которому должна удовлетворять любая модель данных, претендующая должна удовлетворять любая модель данных, претендующая на роль концептуальной модели данныхна роль концептуальной модели данных

• Выпуском отчета Выпуском отчета TCTC97/97/SCSC5/5/WGWG3 деятельность ISO по 3 деятельность ISO по стандартизации концептуальной модели завершилась. стандартизации концептуальной модели завершилась.



Роль концептуальной схемы в БД (4)Роль концептуальной схемы в БД (4)• Ряд специалистов (У. Кент и др.) высказался за два языка КС : Ряд специалистов (У. Кент и др.) высказался за два языка КС :

+ Расщепить КС на два слоя – на описание ПО и коллективную + Расщепить КС на два слоя – на описание ПО и коллективную (центральную) схему (центральную) схему + Описание ПО - ее семантическая концептуальная модель + Описание ПО - ее семантическая концептуальная модель + Коллективная схема – описание контента БД + Коллективная схема – описание контента БД + Семантическая модель ПО относится к инфологической сфере , + Семантическая модель ПО относится к инфологической сфере , используется лишь на стадии проектирования БД используется лишь на стадии проектирования БД + Коллективная схема относится к даталогической сфере, + Коллективная схема относится к даталогической сфере, используется и на стадии проектирования, и на стадии используется и на стадии проектирования, и на стадии функционирования системы БД функционирования системы БД + Итак, должны существовать две взаимосвязанные версии + Итак, должны существовать две взаимосвязанные версии концептуальной модели ПО: концептуальной модели ПО: (1) КМ, которую можно назвать КС предметной области (1) КМ, которую можно назвать КС предметной области (2) КС базы данных в смысле отчета ANSI/SPARC, (2) КС базы данных в смысле отчета ANSI/SPARC, порождаемая отображением первой в среду используемой порождаемая отображением первой в среду используемой СУБД. СУБД.



Средства концептуального моделированияСредства концептуального моделирования• Языки описания концептуальных моделей предметной Языки описания концептуальных моделей предметной

области в технологиях баз данных воплощают области в технологиях баз данных воплощают функциональность дескриптивных средств функциональность дескриптивных средств концептуальных моделей данныхконцептуальных моделей данных

• Эти модели данных не зависят от реализации проектируемой Эти модели данных не зависят от реализации проектируемой системысистемы

• Примеры таких языков - ER-диаграммы, диаграммы классов Примеры таких языков - ER-диаграммы, диаграммы классов UML UML + язык + язык OCLOCL, язык ODL стандарта ODMG , язык ODL стандарта ODMG и др. и др.



Концептуальные модели данных (1)Концептуальные модели данных (1)• В процессе эволюции технологий баз данных был В процессе эволюции технологий баз данных был

разработан целый ряд концептуальных моделей данных:разработан целый ряд концептуальных моделей данных:

+ модель «сущностей-связей» ( + модель «сущностей-связей» (ERER-модель) Чена -модель) Чена

+ модель «объектов-ролей» + модель «объектов-ролей» ORMORM Фалкенберга Фалкенберга

+ ее прототип – методология моделирования + ее прототип – методология моделирования NIAM NIAM

Найсена ( Найсена (NijssenNijssen''s Information Analysis Methodologys Information Analysis Methodology) )

+ модели, основанные на бинарных семантических + модели, основанные на бинарных семантических

сетях - модель данных Абриаля, которая сетях - модель данных Абриаля, которая

интегрирует идеи семантических сетей и языков интегрирует идеи семантических сетей и языков

программирования, программирования,

+ язык + язык FORALFORAL Сенко Сенко

+ модель Браччи, Паолини и Пелагетти. + модель Браччи, Паолини и Пелагетти.



Концептуальные модели данных (2)Концептуальные модели данных (2)• Другие модели семантического уровня:Другие модели семантического уровня:

+ расширенная реляционная модель RM/T Кодда, + расширенная реляционная модель RM/T Кодда, + функциональная модель + функциональная модель DAPLEXDAPLEX Шипмана Шипмана + семантическая реляционная модель Шмида и + семантическая реляционная модель Шмида и Свенсона, Свенсона, + модель SDM Хаммера и Маклеода [ + модель SDM Хаммера и Маклеода [SDMSDM] ] + инфологическая модель Бо Сундгрена + инфологическая модель Бо Сундгрена + модель + модель Taxis Taxis Милопулоса и др. Милопулоса и др.

• Были разработаны также подходы: Были разработаны также подходы: + IAM Бабенко + IAM Бабенко + подход Бахмана и Дайя к концепции роли в моделях + подход Бахмана и Дайя к концепции роли в моделях данных и многие другие данных и многие другие

• Язык Язык SYNTHESIS SYNTHESIS • Высокоуровневые модели данных называют семантическими Высокоуровневые модели данных называют семантическими

моделямимоделями• Работы Работы D.D. SmithSmith && D.D. Smith Smith по методам абстракции данных. по методам абстракции данных.



Проект Проект TAXISTAXIS (1) (1)• Язык Язык TAXIS – TAXIS – воплощает концептуальную модель данных воплощает концептуальную модель данных

высокого семантического уровня для концептуальноговысокого семантического уровня для концептуальногомоделирования предметной областимоделирования предметной области

• Исследовательский проект на стыке ИИ и технологий баз Исследовательский проект на стыке ИИ и технологий баз данных, начало 80-х гг., университет Торонто, данных, начало 80-х гг., университет Торонто, Дж. Милопулос и др. Дж. Милопулос и др.

• Основан на объектном подходе и семантических сетях Основан на объектном подходе и семантических сетях

• Объекты могут быть обладать свойствами/атрибутамиОбъекты могут быть обладать свойствами/атрибутами

• Объекты организуются в классы, классы сами являются Объекты организуются в классы, классы сами являются объектами 1-го класса и могут быть членами метаклассов объектами 1-го класса и могут быть членами метаклассов

• Поэтому классы могут также обладать собственными Поэтому классы могут также обладать собственными свойствами свойствами

• Поддерживается иерархия классов и отношения Поддерживается иерархия классов и отношения специализации классов и наследования свойств объектов. специализации классов и наследования свойств объектов.



Проект Проект TAXISTAXIS (2) (2)• В В TAXIS TAXIS имеются возможности для моделирования имеются возможности для моделирования

активностей: транзакции (кратковременные активности) активностей: транзакции (кратковременные активности) и скрипты (долговременные активности) и скрипты (долговременные активности)

• Скрипты строятся на основе сетей Петри, узлами которых Скрипты строятся на основе сетей Петри, узлами которых являются транзакции являются транзакции

• Предусмотрены средства описания пользовательских Предусмотрены средства описания пользовательских интерфейсов на основе объектной парадигмы интерфейсов на основе объектной парадигмы

• Имеется возможность моделирования требований к Имеется возможность моделирования требований к создаваемой системе: язык моделирования требований создаваемой системе: язык моделирования требований Requirement Modeling LanguageRequirement Modeling Language ( (RMLRML) )

• Разработана методология и инструментальная средаРазработана методология и инструментальная средапроектирования баз данных и информационных систем.проектирования баз данных и информационных систем.



Отечественные проектыОтечественные проекты• Влияние инфологического подхода на отечественные разработки Влияние инфологического подхода на отечественные разработки

в области проектирования баз данных в области проектирования баз данных • В 1980-е гг. в СССР был выполнен ряд исследовательских В 1980-е гг. в СССР был выполнен ряд исследовательских

проектов, связанных с созданием высокоуровневых проектов, связанных с созданием высокоуровневых концептуальных моделей данных , например Михновский (1983), концептуальных моделей данных , например Михновский (1983), Вейнеров и др.(1985), Фурсин (1987), Замулин (1990) Вейнеров и др.(1985), Фурсин (1987), Замулин (1990)

• В ИПИ РАНВ ИПИ РАН разработан язык высокого уровня СИНТЕЗ разработан язык высокого уровня СИНТЕЗ (Калиниченко,1993)(Калиниченко,1993)

• СИНТЕЗ воплощает семантическую модель данных для СИНТЕЗ воплощает семантическую модель данных для концептуального моделирования предметной области, концептуального моделирования предметной области, позволяющий специфицировать и концептуальную схему позволяющий специфицировать и концептуальную схему предметной области и активности предметной области и активности

• Язык развивается и поддерживается до настоящего Язык развивается и поддерживается до настоящего времени и используется в качестве базового языка в ряде времени и используется в качестве базового языка в ряде исследовательских проектов. исследовательских проектов.



Индустриальные технологии (1)Индустриальные технологии (1)• Сложившиеся индустриальные технологии КМ основаны, Сложившиеся индустриальные технологии КМ основаны,

главным образом, на двухверсионности КСглавным образом, на двухверсионности КС

• В индустриальных технологиях КМ доминируют методыВ индустриальных технологиях КМ доминируют методыOA&D OA&D и объектные модели данных, и объектные модели данных, UML UML и и ER-ER-модель модель

• Язык Язык UML cUML c конца 1990-х гг. при поддержке OMG быстро конца 1990-х гг. при поддержке OMG быстро стал стандартом де-фактостал стандартом де-факто

• UML UML поддерживается большинством коммерческих поддерживается большинством коммерческих CASECASE--инструментовинструментов

• В CASE-инструментах, поддерживающих язык UML, В CASE-инструментах, поддерживающих язык UML, концептуальная модель предметной области концептуальная модель предметной области специфицируется в терминах диаграммы классов UML специфицируется в терминах диаграммы классов UML с комментариями или с комментариями или OCL-OCL-декларациямидекларациями

• Язык OCL (Язык OCL (Object Constrain LanguageObject Constrain Language) стандарта ) стандарта UMLUML служит служит для декларации ограничений, налагаемых на элементы для декларации ограничений, налагаемых на элементы диаграммы классов.диаграммы классов.



Индустриальные технологии (2)Индустриальные технологии (2)• Построенные в среде Построенные в среде CASE-CASE-инструментов спецификации инструментов спецификации

отображаются в даталогическую среду, генерируя КС базы отображаются в даталогическую среду, генерируя КС базы данных на языке SQL, ODL стандарта ODMG или др. языках данных на языке SQL, ODL стандарта ODMG или др. языках описания данных концептуальной модели данных,описания данных концептуальной модели данных,которая поддерживается используемой СУБДкоторая поддерживается используемой СУБД

• Сгенерированные «машино-ориентированные» КС баз данных Сгенерированные «машино-ориентированные» КС баз данных поддерживаются механизмами используемых СУБДподдерживаются механизмами используемых СУБД

• Поддержка инфологических КС механизмами СУБД не Поддержка инфологических КС механизмами СУБД не обеспечивается индустриальными технологиямиобеспечивается индустриальными технологиями

• В последние годы оказывают влияние разработки В последние годы оказывают влияние разработки SW SW

• Научные системы - RDF, Научные системы - RDF, RDFSRDFS и и OWLOWL, программные средства , программные средства инженерии онтологийинженерии онтологий

• Специальные разработки, например, расширение языка Специальные разработки, например, расширение языка XMXML L – – Conceptual XMLConceptual XML ( (CC--XMLXML). ).



Концептуальные схемы и онтологии:Концептуальные схемы и онтологии:сходствасходства

• Оба эти артефакта - порождаются в результате Оба эти артефакта - порождаются в результате концептуального моделирования предметной области концептуального моделирования предметной области

• Как онтология, так и концептуальная схема, являются Как онтология, так и концептуальная схема, являются частичными описаниями концептуализации предметной частичными описаниями концептуализации предметной области, представляющими структуру и ограничения (правила) области, представляющими структуру и ограничения (правила) моделируемой предметной области моделируемой предметной области

• И онтология, и концептуальная схема являются И онтология, и концептуальная схема являются абстрактнымиабстрактными моделями предметной области, представляющими различные моделями предметной области, представляющими различные по характеру представления ее концептуальной структуры в по характеру представления ее концептуальной структуры в форме, независимой от реализации систем, в которых они форме, независимой от реализации систем, в которых они используются используются

• И онтологии, и концептуальные схемы используются для И онтологии, и концептуальные схемы используются для семантического моделирования предметной области в семантического моделирования предметной области в различных системах, в системах семантической интеграции различных системах, в системах семантической интеграции информации из множества источников и обеспечения информации из множества источников и обеспечения коммуникаций в предметной области коммуникаций в предметной области

• Одни и те же языки концептуального моделирования частоОдни и те же языки концептуального моделирования частоиспользуются для представления онтологий и КСиспользуются для представления онтологий и КС..



Концептуальные схемы и онтологии:Концептуальные схемы и онтологии:различия - 1различия - 1

• В обоих случаях моделируется «предметная область», но в англоязычной В обоих случаях моделируется «предметная область», но в англоязычной литературе по БД используют термины Enterprise или Application Domain, а литературе по БД используют термины Enterprise или Application Domain, а в литературе по онтологическому моделированию – Universe of Discourse в литературе по онтологическому моделированию – Universe of Discourse или Subject Domainили Subject Domain

• Термины БД подчеркивают ограниченность ПО информационными Термины БД подчеркивают ограниченность ПО информационными потребностями конкретных приложений или конкретного сообщества потребностями конкретных приложений или конкретного сообщества пользователейпользователей

• В отличие от КС при разработке онтологии стремятся как можно к большей В отличие от КС при разработке онтологии стремятся как можно к большей степени ее общности и независимости от информационных потребностей степени ее общности и независимости от информационных потребностей отдельных приложений или групп пользователей. Поэтому онтология отдельных приложений или групп пользователей. Поэтому онтология включает относительно общие знаниявключает относительно общие знания

• Онтология может повторно использоваться различными приложениями, Онтология может повторно использоваться различными приложениями, КС не предназначена для повторного использованияКС не предназначена для повторного использования

• В КС традиционных систем БД и в онтологиях используются разного рода В КС традиционных систем БД и в онтологиях используются разного рода семантические отношения между понятиями. В КС ограничиваются, как семантические отношения между понятиями. В КС ограничиваются, как правило, отношениями агрегации и обобщения. В онтологиях более правило, отношениями агрегации и обобщения. В онтологиях более богатый набор конкретизированных семантических отношенийбогатый набор конкретизированных семантических отношений

• Даталогические КС зависят от реализации систем БД, а онтологии Даталогические КС зависят от реализации систем БД, а онтологии являются абстрактными моделями предметной области, независимыми являются абстрактными моделями предметной области, независимыми от реализации использующих их систем.от реализации использующих их систем.



Концептуальные схемы и онтологии:Концептуальные схемы и онтологии:различия - 2различия - 2

• КС в технологиях БД оперирует только типами сущностей (классами) и КС в технологиях БД оперирует только типами сущностей (классами) и типами связей, а некоторые онтологии имеют дело и с индивидамитипами связей, а некоторые онтологии имеют дело и с индивидами

• КС, как и онтология, описывает концептуальную структуру ПО, но онтология КС, как и онтология, описывает концептуальную структуру ПО, но онтология должна включать еще определения используемых понятий должна включать еще определения используемых понятий

• Онтология – это теория ПО, а КС базы данных – описание ееОнтология – это теория ПО, а КС базы данных – описание ееконцептуальной структуры концептуальной структуры

• Семантика КС - результат неформального соглашения между ее Семантика КС - результат неформального соглашения между ее разработчиками, пользователями и системным персоналом. Онтология – разработчиками, пользователями и системным персоналом. Онтология – теория ПО, являющаяся результатом консенсуса достаточно широкого теория ПО, являющаяся результатом консенсуса достаточно широкого сообщества относительно единой трактовки смысла описываемых понятий сообщества относительно единой трактовки смысла описываемых понятий

• КС инфологической сферы используется в традиционных технологиях БД КС инфологической сферы используется в традиционных технологиях БД только на стадии проектирования базы данных. Онтология используется только на стадии проектирования базы данных. Онтология используется на стадии исполненияна стадии исполнения

• КС в традиционных технологиях БД строится на основе гипотезы замкнутого КС в традиционных технологиях БД строится на основе гипотезы замкнутого мира (мира (Close World AssumptionClose World Assumption), онтология – напротив, на гипотезе открытого ), онтология – напротив, на гипотезе открытого мира (мира (Open World AssumptionOpen World Assumption), как в системах, основанных на знаниях), как в системах, основанных на знаниях

• Сфера применения онтологий шире, чем КС баз данных. Онтологии Сфера применения онтологий шире, чем КС баз данных. Онтологии используются не только в области ИС и систем БД, но и в инженерии используются не только в области ИС и систем БД, но и в инженерии знаний, в программной инженерии и в других областях информационных знаний, в программной инженерии и в других областях информационных технологий.технологий.



Терминологические некорректностиТерминологические некорректности• Концептуальную схему БД Концептуальную схему БД называют называют онтологией ПОонтологией ПО

• Схему БДСхему БД называют называют моделью данныхмоделью данных

• Модель данныхМодель данных и и модель базы данных модель базы данных рассматриваются как рассматриваются как синонимы, и этими терминами обозначают структуру БД синонимы, и этими терминами обозначают структуру БД (определяемую схемой БД); эта трактовка «перекочевала» в (определяемую схемой БД); эта трактовка «перекочевала» в стандарты XMLстандарты XML

• Модель ПОМодель ПО отождествляется с отождествляется с моделью данныхмоделью данных (результат (результат vsvs инструмент моделирования) инструмент моделирования)

• Концептуальная модель ПОКонцептуальная модель ПО отождествляется с отождествляется с концептуальной концептуальной моделью данныхмоделью данных

• Концептуальная схема БД Концептуальная схема БД отождествляется с отождествляется с концептуальной концептуальной моделью данных моделью данных

• ЭллипсисЭллипсис наименований терминов, например, термин наименований терминов, например, термин концептуальная модель концептуальная модель без указания объекта моделирования. без указания объекта моделирования. Но существуют концептуальные модели ПО и концептуальные Но существуют концептуальные модели ПО и концептуальные модели данных. модели данных.



Актуальные проблемы Актуальные проблемы концептуального моделирования (1)концептуального моделирования (1)

• Хотя КМ в технологиях БД представляет собой продвинутую Хотя КМ в технологиях БД представляет собой продвинутую область, исследования в этой области продолжаютсяобласть, исследования в этой области продолжаются

• Авторитетным центром концентрации интересов и форумом для Авторитетным центром концентрации интересов и форумом для обсуждения результатов, полученных в области концептуального обсуждения результатов, полученных в области концептуального моделирования, повидимому, остается стартовавшая в 1979 году моделирования, повидимому, остается стартовавшая в 1979 году международная конференция международная конференция Entity-Relationship Approach to Entity-Relationship Approach to Information Modeling and Analysis (Information Modeling and Analysis (ERER). ). В 2007 г. состоялась В 2007 г. состоялась уже 26-я конференция этой серии уже 26-я конференция этой серии

• Конференция Конференция ER ER первоначально планировалась как форум для первоначально планировалась как форум для обсуждения направлений развития и практического применения обсуждения направлений развития и практического применения предложенной П. Ченом (1976) в качестве концептуальной модели предложенной П. Ченом (1976) в качестве концептуальной модели данных сегодня широко известной модели «сущностей-связей» данных сегодня широко известной модели «сущностей-связей»

• Однако позднее, в 1996 г., название конференции изменилось для Однако позднее, в 1996 г., название конференции изменилось для приведения его в соответствие с расширившейся ее тематикой. приведения его в соответствие с расширившейся ее тематикой. Новое название явно обозначает направленность на проблематику Новое название явно обозначает направленность на проблематику концептуального моделирования концептуального моделирования

• Главная часть нового названия конференции теперь - Conceptual Главная часть нового названия конференции теперь - Conceptual Modeling – ER. Modeling – ER.



Актуальные проблемы Актуальные проблемы концептуального моделирования (2)концептуального моделирования (2)

• Актуальные проблемы КМ (по тематике конференций Актуальные проблемы КМ (по тематике конференций ERER):): + Взаимосвязь концептуального и онтологического моделирования + Взаимосвязь концептуального и онтологического моделирования + Концептуальное моделирование, управляемое онтологией + Концептуальное моделирование, управляемое онтологией + Разработка онтологий на основе концептуальной схемы+ Разработка онтологий на основе концептуальной схемы + Объектный подход в концептуальном моделировании + Объектный подход в концептуальном моделировании + Оценка качества и метрики концептуальных моделей, в частности, + Оценка качества и метрики концептуальных моделей, в частности,

определение метрик для UML-диаграмм определение метрик для UML-диаграмм + + CCвязь технологий концептуального моделирования и технологий вязь технологий концептуального моделирования и технологий SWSW + Методы извлечения информации для формирования концептуальной + Методы извлечения информации для формирования концептуальной

модели предметной области из текстовых и XML-документов, модели предметной области из текстовых и XML-документов, например, извлечение информации о концептуальных связях например, извлечение информации о концептуальных связях

+ Подходы к КМ для нетрадиционных и актуальных областей + Подходы к КМ для нетрадиционных и актуальных областей применения, например, электронный бизнес, электронное обучение, применения, например, электронный бизнес, электронное обучение, науки о жизни, разработка веб-приложений, создание систем, науки о жизни, разработка веб-приложений, создание систем, оперирующих темпоральными и/или пространственными данными, оперирующих темпоральными и/или пространственными данными, ГИС и системы пространственных данных, системы с агентной и ГИС и системы пространственных данных, системы с агентной и веб-сервисной архитектурой веб-сервисной архитектурой + Инструментальные проблемы, лучшая практика использования UML, + Инструментальные проблемы, лучшая практика использования UML, XMLXML-технологии в КМ: расширение для этих целей языка XML, -технологии в КМ: расширение для этих целей языка XML, использование спецификаций RDF и использование спецификаций RDF и OWLOWL..



ЗаключениеЗаключение• Концептуальное моделирование предметной области Концептуальное моделирование предметной области

в технологиях баз данных – важный этап процесса в технологиях баз данных – важный этап процесса проектирования баз данных проектирования баз данных

• В этой области продолжаются активные исследования В этой области продолжаются активные исследования и инструментальные разработки, направленные на и инструментальные разработки, направленные на создание более эффективных технологий разработки создание более эффективных технологий разработки систем баз данных и информационных систем систем баз данных и информационных систем

• Разработка концептуальной схемы базы данных Разработка концептуальной схемы базы данных в технологиях баз данных и создание онтологии в технологиях баз данных и создание онтологии предметной области – близкие виды деятельности.предметной области – близкие виды деятельности.

• Хотя эти артефакты обладают некоторым сходством,Хотя эти артефакты обладают некоторым сходством,между ними имеются также рассмотренные выше между ними имеются также рассмотренные выше существенные различия, что приводит в ряде случаев существенные различия, что приводит в ряде случаев к подмене понятий.к подмене понятий.



ЛитератураЛитература1.1. ANSI/X3/SPARC Study Group on Data Base Management ANSI/X3/SPARC Study Group on Data Base Management

Systems. Interim Report.Systems. Interim Report. SIGFDT Bull., ACM, v. 7, no. 2 (1975).SIGFDT Bull., ACM, v. 7, no. 2 (1975).2.2. Brodie M.L., Mylopoulos J., Schmidt J.W. (eds.): On Conceptual Brodie M.L., Mylopoulos J., Schmidt J.W. (eds.): On Conceptual

Modelling, Perspectives from Artificial Intelligence, Databases, Modelling, Perspectives from Artificial Intelligence, Databases, and Programming Languages. Springer-Verlag, 1984.and Programming Languages. Springer-Verlag, 1984.

3.3. ISO TC97/SC5/WG3. Concepts and terminology for the ISO TC97/SC5/WG3. Concepts and terminology for the conceptual schema and the information base. conceptual schema and the information base. Ed. by J.J. van Griethauzen. 1982.Ed. by J.J. van Griethauzen. 1982.

4.4. Peter Pin-Shan ChenPeter Pin-Shan Chen.. The entity-relationship model The entity-relationship model - - toward a toward a unified view of dataunified view of data.. ACM TODS, v.1 ACM TODS, v.1,, n.1, March 1976 n.1, March 1976..

5.5. Smith J.M. and Smith D.C.P. Database Abstraction: Aggregation Smith J.M. and Smith D.C.P. Database Abstraction: Aggregation and Generalization. ACM TODSand Generalization. ACM TODS, 2(2): 1977. , 2(2): 1977.

6.6. Sundgren B. An infological approach to data bases. – Stockholm: Sundgren B. An infological approach to data bases. – Stockholm: National Central Bureau of StatisticsNational Central Bureau of Statistics,, 1973. 1973.

7.7. Цикритзис Д., Лоховски Ф.. Модели данных /Пер. с англ. Цикритзис Д., Лоховски Ф.. Модели данных /Пер. с англ. – М.: Финансы и статистика, 1985.– М.: Финансы и статистика, 1985.

и др. (всего 63 источника - см. текст доклада).и др. (всего 63 источника - см. текст доклада).



Спасибо за внимание.Спасибо за внимание.

Вопросы?Вопросы?

Концептуальное моделирование в технологиях баз...

Documents