Abstract

Введение

В настоящее время технология баз данных используется во многих программных приложениях, которые связаны с тем или другим видом обработки информации. Это могут быть сложные (или не очень) вычисления, автоматизация разных производственных процессов, решения повседневных задач или интеграция разных областей деятельности с помощью глобальных сетей. Некоторые из этих программных продуктов, предназначенные для одного пользователя с одним компьютером, другие используются рабочими группами в количества 20-30 человек через локальную сеть, третьи служат сотням пользователей и содержат огромное количество байт. В последнее время технология баз данных используется в объединении с интернет-технологией для поддержки мультимедийных программных приложений в открытых и закрытых сетях. Базы данных позволяют упростить и автоматизировать некоторые повседневные операции, увеличивают безопасность хранения, ускоряет поиск нужных данных.

Моделирования динамических систем реальной сложности с распределенными параметрами (ДСРП) и модельная поддержка их создания является актуальной проблемой для всех областей техники и технологии. Реальные ДС предъявляют такие требования к системам моделирования, которым удовлетворяют параллельные вычислительные системы. Архитектура параллельных вычислительных систем развивается значительно быстрее техники параллельного программирования и моделирования. Поэтому важной задачей моделирования есть разработка проблемно ориентированной параллельной моделирующей среды (ПОПМС) для динамических сетевых объектов с распределенными параметрами. В качестве динамического объекта с распределенными параметрами рассматривается шахтная вентиляционная сеть (ШВС). Проблемная ориентация среды заключается в дружественном для пользователя описании объекта моделирования и решаемых задач, в специфическом представлении результатов моделирования, а также в создании общего интерфейса пользователя. Одной из важных составных частей проблемной ориентации является также база данных (БД) моделей и их параметров. Представления данных, которые используются при моделировании сетевых объектов, в виде базы данных облегчает работу пользователя с ними и оберегает данные от несанкционированного изменения или удаления. Разрабатываемая ПОПМС ориентирована на работу в глобальной сети Интернет, поэтому разработка базы данных приобретает некоторые специфичные для Интернета особенности.

Работа относится к проблематике кафедры ЭВМ Донецкого национального технического университета (ДонНТУ), решаемой в рамках государственной программы разработки конкурентно способных средств моделирования сложных систем и договоров о научном сотрудничестве со Штутгартским университетом по разработке параллельной моделирующей среды.

Целью данной работы является разработка, отладка и экспериментальные исследования базы данных для параллельной моделирующей среды, ориентированной на решение задач моделирования шахтных вентиляционных сетей (ШВС) для сети Интернет, рассматриваемых как динамические объекты с распределенными параметрами.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

1. Характеристика шахтных вентиляционных сетей как объектов моделирования.

2. Рассмотрение современных типов систем управления базами данных, выбор СУБД на основе требований сетевых объектов с распределенными параметрами к ПОПМС.

3. Разработка структуры базы данных для ПОПМС.

4. Разработка интерфейса пользователя базы данных для ПОПМС.

5. Имплементация и экспериментальные исследования базы данных для ПОПМС для сетевого объекта с распределенными параметрами.

Теоретический анализ проблемы

Вентиляционные сети играют важную роль для решения задач безопасности в шахтах, где они обеспечивают распределение воздуха между объектами проветривания. ШВС включает объекты проветривания, выработки, которые подают и отводят воздух, вентиляционные сооружения и источники тяги – вентиляторы главного проветривания, которые устанавливаются на поверхности, и подземные вспомогательные вентиляторы местного проветривания. Объектами проветривания являются очистные и подготовительные забои, а также горные выроботки, в которых правилами безопасности регламентируется значения затрат воздух и концентрации вредных примесей. Выработки, которые подают и отводят воздух, – это стволы, штреки, поклоны, шурфы, по которым попадают свежие струи воздуха к объектам проветривания и отводятся на поверхность исходные струи с вредными примесями. Объекты проветривания, выработки, которые подают и отводят воздух, создают шахтную вентиляционную сеть.

Рассматривая сети как объекты управления можно выделить следующие их особенности: сложность топологии как по числу ветвей, так и по характеру их соединения; взаимная связь между расходом воздуха в разных ветвях, которая вызовет возмущение по расходам воздуха во всех ветвях при управлении некоторой і-ой схемой проветривания участка; изменяемость топологии и аэродинамических параметров ветвей сети при проведении горных работ; наличие диагональных выработок и путей истока воздух, которые могут вызвать неустойчивые режимы проветривания; размещения регулирующих органов, учитывая задаче стойкости вентиляционных потоков и минимизации истоков, которые обеспечивают изменение затрат воздуха в соответствии с задачами управления проветриванием; наличие иерархии регулирующих органов; необходимость в изменении размещения регуляторов по мере развития горных работ; наличие в сети шлюзов из регулюємим аэродинамическим сопротивлением, обеспечивающих стойкость вентиляционных струй и отсутствие резких изменения газовой обстановки при прохождении транспорта; наличие забоев подготовительных выработок, которые проветриваются с помощью вспомогательных вентиляторов; значительная протяжность выработок, которые составляют ШВС, разряженность источников метановыделения и путей истока воздух по длине выработки; влияние естественной тяги на воздухораспределение в зависимости от точек влияния на воздушные потоки; необходимость обеспечения ШВС правилами безопасности воздухораспределения в нормальных и аварийных режимах работы шахты [1].

Целью изучения динамических свойств ШВС как объектов управления является получения системы дифференциальных уравнений, которые описывают динамику изменений вектора затрат воздуха во всех ветвях с учетом всех приведенных особенностей сетей как многосвязных объектов с иерархическим расположением регулирующих органов. Эту задачу будет решать проблемно ориентированная параллельная моделирующая среда для СОРП. В данной работе будет разрабатываться база данных, которая описывает структуру и параметры для введенной пользователем ШВС. При этом работа с базой данных от пользователя будет скрыта, т.е для пользователя не предусматривается интерфейс для работы с базой данных непосредственно. Заносить информацию в базу данных будет сама моделирующая среда. На основании данных о топологии и параметрах ШВС система моделирования будет осуществять моделирование введенной пользователем ШВС, после чего результаты моделирования заносятся в базу данных и происходит их визуализация.

Сложность сетей и их систем управления как объектов моделирования, многочисленные постановки задач при исследовании и проектировании таких систем с помощью вычислительных машин определяют следующие требования к математическим моделям. Модели должны отражать процессы в сетях с реальной сложностью. Большие размерности сетей, где число ветвей больше 200 и число узлов больше 50, вызывают значительные трудности и возможные ошибки при их формальном описании дифференциальными уравнениями. Поэтому при составлении модели с использованием ЭВМ необходимо иметь минимум информации по структуре и параметрам объекта. Сетевые модели должны решать задачи реального времени для связи с реальными компонентами систем управления. При этом необходимо исследовать все этапы их разработки (моделирование алгоритмов и структур, вплоть до обучения пользовательского персонала).

Топология сети

Характер процессов в отдельных выработках в значительной степени определяется топологией вентиляционных схем, то есть их местонахождением в ШВС по отношению к вентиляторам, источникам аэродинамических нарушений и управляющих воздействий, источникам метановыделення. Топология СДОРП задается ориентированным графом G(U, V) с множеством узлов |U| = n и ветвей |V| = m. Граф кодируется следующей таблицей:

где AKJ и EKK – соответственно номер начального и конечного узла ветви, при этом J, Kє(1, 2, …, n); QI – идентификатор ветви графа, при этом Q – расход воздуха, I – номер ветви и Iє (1, 2, …, m); PAR – физические параметры ветвей графа (удельное аэродинамическое сопротивление, длина ветви, площадь поперечного сечения и др.), задаваемые каждый в своей колонке таблицы; AEI – активный элемент (вентилятор, генератор, компрессор и др. – в зависимости от физической природы сетевого объекта) в I-й ветви; VECOMI – вербальный комментарий, объясняющий технологическое назначение ветви I. Аэродинамические процессы вызываются w <= m вентиляторами и характеризуются вектором расходов Q = (Q₁, Q₂, …, Q_m)^T и давлений P = (P₁, P₂, …, P_m)^T в ветвях.

В j-ой ветви, рассматриваемой как объект с распределенными параметрами, процессы изменения расхода Q_j и давления P_j описываются системой уравнений:

где r_j – удельное аэродинамическое сопротивление воздуховода, p – плотность воздуха, F_j – площадь сечения воздуховода, а – скорость звука в воздухе, RR_j – регулируемое сопротивление, – пространственная координата, отсчитываемая вдоль оси воздуховода в пределах его длины l_j, т.е. 0 <= <= lj.

Граничными условиями для (1) являются давления в начальном и конечном узлах ветви

которые в общем случае зависят от расходов.

Для моделирования сетевого динамического объекта (СДО) необходимо произвести его формальное описание, которое включает:

- таблицу кодирования (таблица 1) и топологические характеристики, которые могут быть получены из нее и использованы в уравнениях;

- m пар уравнений типа (1), записанных для каждой ветви СДО

- n узловых граничных условий – давлений в узлах, являющихся некоторыми функциями f_k расходов Q_u, инцидентных узлам и обеспечивающих смыкание решений

- w характеристик вентиляторов (или других активных элементов), работающих на сеть

- w₀ открытых выходов в атмосферу, где давления принимаются постоянными и равными атмосферному давлению

Аппроксимируя уравнения (1) по методу прямых, получим для k-го элемента Q_j ветви длиной уравнения:

Граничные условия для уравнений воздушных потоков в ветвях делятся на внешние и внутренние. К внешним относятся давления в начальных узлах, чьи ветви соединены с атмосферой, и давления в узлах, к которым подключены вентиляторы. Внутренние граничные условия – это давления в узлах сети, которые должны быть вычислены при решении системы уравнений.

Внутренние граничные условия определяются в соответствии со следующим уравнением:

где – алгебраическая сумма расходов в элементах ветвей, инцидентных граничному узлу, i – номер ветви, l = , M_i – число элементов i-ой ветви.

На основе уравнений (6) и (7) должна генерироваться система уравнений для всей сети, аппроксимирующая систему (2).

Выбор системы управления баз данных (СУБД)

Выбор системы управления баз данных представляет собой сложную многопараметрическую задачу и является одним из важных этапов при разработке приложений баз данных. Выбранный программный продукт должен удовлетворять как текущим, так и будущим потребностям предприятия, при этом следует учитывать финансовые затраты на приобретение необходимого оборудования, самой системы, разработку необходимого программного обеспечения на ее основе, а также обучение персонала. Кроме того, необходимо убедиться, что новая СУБД способна принести предприятию реальные выгоды [2].

Одним из главных критериев выбора СУБД является выбор используемой модели данных. Основными видами используемыми в настоящее время моделями данных являются реляционные и объектные. Мэри Лумис, один из идеологов СУБД Versant, очень кратко и точно сформулировала актуальность объектного подхода к базам данных: "Модель данных более близка сущностям реального мира. Объекты можно сохранить и использовать непосредственно, не раскладывая их по таблицам. Типы данных определяются разработчиком и не ограничены набором предопределенных типов". Когда сложный объект заносится в реляционную базу, обязательна процедура декомпозиции его данных для их размещения в таблице. [3] В объектной технологии все сложности структур данных скрываются внутри объектов, а доступ к информации осуществляется через простой унифицированный интерфейс. Реляционная технология также предлагает простой унифицированный интерфейс, однако формат хранения данных упрощен настолько насколько это возможно, поэтому все проблемы, связанные с обработкой сложной информации, ложатся на плечи пользователей и программистов.

Так как объекты позволяют моделировать комплексные данные очень просто, объектное программирование лучше всего подходит для разработки сложных приложений. Поскольку в данной работе объекты реального мира имеет не очень сложное поведение и разрабатываемая база данных не будет содержат мультимедийного представления данных, то была выбрана реляционная модель данных.

Одним из основных преимуществ реляционного подхода к организации баз данных (БД) является то, что пользователи реляционных БД получают возможность эффективной работы в терминах простых и наглядных понятий таблиц, их строк и столбцов без потребности знания реальной организации данных во внешней памяти. Способ хранения данных, использующийся в реляционной модели минимизирует их дублирование и исключает определенные типы ошибок обработки, возникающие при других способах хранения данных. Данные хранятся в виде таблиц со столбцами. Согласно реляционной модели, не все виды таблиц одинаково приемлемы. С помощью процесса, называемого нормализацией, нежелательная таблица может быть преобразована в две или более приемлемых.

Одно из преимуществ реляционной модели состоит в том, что в столбцах содержатся данные, связывающие одну строку с другой. Это делает связи между строками видимыми для пользователя [4].

Реляционная модель данных, содержащая набор четких предписаний к базовой организации любой реляционной системы управления базами данных (СУБД), позволяет пользователям работать в ненавигационной манере, т.е. для выборки информации из БД человек должен всего лишь указать список интересующих его таблиц и те условия, которым должны удовлетворять выбираемые данные. СУБД скрывает от пользователя выполняемые ей последовательные просмотры таблиц, выполняя их наиболее эффективным образом. Очень важная особенность реляционных систем состоит в том, что результатом выполнения любого запроса к таблицам БД является также таблица, которую можно сохранить в БД и/или, по отношению к которой можно выполнять новые запросы.

По мнению разработчиков приложений, самой большой инновацией в реляционных базах данных является использование задекларированного языка запросов SQL - Structured Query Language (теперь все чаще название языка понимается как Standard Query Language). Большинство языков программирования являются процедурными. Программист указывает компьютера, что делать шаг за шагом, специфицирую процедуры. В SQL же программист говорит: «Я хочу данные, которые отвечают следующему критерию» и планировщик запросов реляционная система управления баз данных (РСУБД) изображает как взять их. Есть 2 преимущества в использовании языка запросов. Во-первых запросы больше не зависят от представления данных. Во-вторых это повышенная программная надежность [5].

Теперь перейдем к вопросу выбора конкретной РСУБД. Это достаточно сложный вопрос, так как существует много критериев выбора и много продуктов представлено на рынке. В настоящее время к наиболее популярным РСУБД можно отнести такие продукты как Oracle 7x, Informix, IBM DB-2, CA OpenIngres, Sybase SQL Server, Microsoft SQL Server, MySQL .

В качестве хранилища информации для ПОМПС, ориентированной для работы в Интернете была выбрана СУБД MySQL. Причин для такого выбора множество. Во-первых, MySQL всегда позиционировалась разработчиками как самая быстрая база (они открыто заявляли, что некоторые функции не будут реализованы, потому что отрицательно влияют на скорость обработки). Во-вторых, работа с базой довольно простая - многие конструкции стандарта SQL не поддерживаются, поэтому изучить язык запросов можно довольно быстро. И что особенно важно - MySQL очень тесно интегрирована с популярными языками программирования для разработки веб-сайтов, в первую очередь, с PHP, где поддержка ее встроена в сам язык, так что для работы с БД не требуется каких-либо дополнительных библиотек или средств. И последний аргумент в выборе базы данных для построения сайта - распространение MySQL под open-source лицензией GPL, бесплатно для некоммерческого использования.

Следует заметить, что программное обеспечение MySQL (TM) представляет собой очень быстрый многопоточный, многопользовательский, надежный SQL-сервер баз данных. Сервер MySQL предназначен как для критических по задачам производственных систем с большой нагрузкой, так и для встраивания в программное обеспечение массового распространения.

В качестве результатов экспериментальных исследований на рис.2 приведена диаграмма классов для моделирования пользовательских данных для базы данных ПОМПС.

Рис.2 Диаграмма классов ШВС на языке UML

Заключение

В работе выполнен выбор СУБД для разрабатываемой базы данных на основании проведенного анализа существующих СУБД. Также разработана диаграмма классов для моделирования пользовательских данных на языке UML.

В данной работе был проведен анализ проблемной области по проблематики моделирования динамических объектов с распределенными параметрами. При анализе были рассмотрены уже выполненные работы в исследуемой области и среди них были найдены аналоги разрабатываемой ПОМПС. Но эти аналоги были рассчитаны либо на моделирования динамических объектов со сосредоточенными параметрами, либо реализации ПОМПС не использовались базы данных и эти среды не были рассчитаны на работу в среде Интернет. Моя же разработка направлена на создание ПОМПС для моделирования динамического объекта с распределенными параметрами (с использованием технологии баз данных) в среде Интернет.

Список используемой литературы

1. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии /Абрамов Ф.А., Фельдман Л.П., Святный В.А. – Киев: Наук. мысль,1981.-284 с.

2. А.Аносов. Критерии выбора СУБД Источник: http://www.citforum.ru/database/articles/criteria/

3. Андреев А. М.Проблема создания современных бизнес-приложений СУБД

4. Теория и практика построения баз даних. 8-е изд./ Д.Крёнке. – СПб.:Питер, 2003.-800с.

5. P.Greenspum. Chapter 11: Choosing a Relational Database Источник: http://www.http://philip.greenspun.com/wtr/dead-trees/index.htm.