Модели, методы и средства повышения эффективности разработки и функционирования интегрированных информационных систем в социальной сфере

Актуальность темы

Основным содержанием современного этапа развития человечества является переход к обществу, в котором определяющая роль принадлежит информации. Информация становится стратегическим ресурсом. Инфраструктуру общества формируют способы и средства сбора, обработки, хранения и распределения информации. В этих условиях одной из характерных особенностей современного этапа научно-технического прогресса является широкое и интенсивное использование математических методов, средств информатики и вычислительной техники в системах управления различного уровня. Информация и различные системы ее обработки становятся социально образующими факторами, так как оказывают влияние на условия жизни людей. Реформирование системы социального обеспечения, и в частности системы социального страхования, невозможно без создания соответствующей технической и информационной поддержки. В этой связи, повышение качества и эффективности создаваемой автоматизированной информационно-управляющей системы Фонда социального страхования Российской Федерации, а также сокращение сроков и затрат на её разработку и внедрение являются важными народнохозяйственными задачами.

Крупный вклад в развитие теории и прикладных методов создания автоматизированных информационно-управляющих систем для сложных объектов внесли труды многих отечественных и зарубежных ученых. В их числе: А. А. Воронов, В. М. Глушков, Д. М. Гвишиани, С. В. Емельянов, Н. Н. Моисеев, Г. С. Поспелов, В. А. Трапезников, Н. И. Архипова, В. Н. Бурков, А. В. Бутрименко, В. М. Вишневский, В. В. Кульба, И. И. Попов, Г. В. Росс, А. Г. Романенко и другие.

Эффективное использование вычислительной техники в социальных системах требует значительных трудозатрат на создание программного и информационного обеспечения соответствующих систем обработки данных.

Одним из направлений повышения эффективности создаваемых систем является использование при их разработке формальных методов и моделей проектирования программного и информационного обеспечения и современных средств управления сверхбольшими распределенными базами данных.

Решение проблем создания эффективной ИИС, функционирующей на базе быстродействующей СУБД, позволит перейти на качественно новый, более прогрессивный уровень в использовании средств вычислительной техники в управлении Фондом социального страхования РФ. Именно назревшая необходимость организационной перестройки технологии административного управления на современном уровне делают актуальной проблему разработки интегрированной информационной системы, оптимальной по архитектуре, технологии обработки заданий и управлению распределением ресурсов, от качества которой будет существенно зависеть эффективность управления соответствующими структурами Фонда СС.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационными планами научных исследований РАН по комплексной проблеме «Кибернетика» (раздел 1.12.4 «Разработка методологии проектирования проблемно-ориентированных АСУ»), в рамках постановлений Правительства РФ и правительства Москвы и плана информатизации г. Москвы, планами научных работ по федеральной государственной программе «Интеграция» (проект «Информационное общество»), планами работ по комплексной автоматизации Фонда социального страхования Российской Федерации.

Цель работы является разработка моделей, методов и инструментальных средств повышения эффективности создания и функционирования распределенных интегрированных информационных систем и высокоэффективной системы управления сверхбольшими базами данных.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата системного анализа и исследования операций, реляционной алгебры, методов оптимизации и других разделов современной теории управления.

Научная новизна. В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта проектирования и эксплуатации автоматизированных систем управления социальными системами впервые:

— предложена новая информационная технология создания, ведения и использования сверхбольших баз данных в ИИС в социальной сфере с использованием разработанной высокоэффективной СУРБД Ну Tech;

— разработаны и использованы в СУРБД Ну Tech модификации косвенного метода реализации операций реляционной алгебры, и эффективный метод доступа к данным, основанный на предложенной технологии обработки инвертированных списков с использованием битовых последовательностей;

— поставлены и решены задач синтеза оптимальных логических структур БД с использованием критериев минимума суммарного времени загрузки БД, обслуживания множества запросов пользователей и корректировок БД, минимума суммарной длины путей доступа к искомым данным и минимума времени обслуживания оперативных запросов к БД.

— на основе расширенных возможностей СУРБД Ну Tech, принципов модульности и типизации разработаны функциональная структура и подсистемы Единой интегрированной информационной системы Фонда социального страхования РФ.

Практическая ценность. Предложенные модели и инструментальные средства позволяют создавать эффективные распределенные интегрированные информационные системы для управления крупными структурами федерального и муниципального уровня в социальной сфере. Использование предложенных методов, алгоритмов и средств проектирования ИИС и СУРБД Ну Tech позволяет снизить трудоемкость и приведенные общие затраты на разработку, внедрение и функционирование создаваемых систем в среднем в 10−50 раз.

Разработанные методы, алгоритмы, программные средства и СУРБД Ну Tech могут быть использованы при создании автоматизированных информационно-управляющих систем широкого класса и назначения в научно-исследовательских институтах, проектных организациях и вычислительных центрах, разрабатывающих, внедряющих и эксплуатирующих автоматизированные системы управления.

Внедрение. Эффективность разработанных в диссертационной работе методов, моделей и СУРБД Ну Tech подтверждена положительным опытом их широкого использования при проектировании ИИС различного уровня и назначения для подразделений и центрального аппарата Фонда социального страхования РФ. При непосредственном участии автора они использованы при проектировании, внедрении и эксплуатации функциональных подсистем Единой интегрированной информационной системы ФСС РФ.

Использование разработанных моделей, методов и СУРБД Ну Tech позволило существенно сократить временные и стоимостные затраты на проектирование, внедрение и эксплуатацию ИИС, повысить их функциональные характеристики. Официально подтвержденный экономический эффект от внедрения разработанных моделей, методов и СУРБД Ну Tech составил около 8,5 млн. рублей.

Содержание работы. Содержание работы распределено по главам следующим образом.

В первой главе показано место системы социального страхования в проводимых в стране реформах. Проведен анализ основных особенностей организации управления социальными системами.

С учетом особенностей функционирования Фонда социального страхования РФ разработаны требования к Единой интегрированной информационной системе, сформулированы основные принципы создания таких систем и проблемы их разработки.

Проведен анализ эффективности систем управления базами данных различных типов и сформулированы основные требования к ее характеристикам в интегрированной информационной системе Фонда СС. Показано, что базы данных Фонда относятся к классу условно-постоянных с большими объемами данных и относительно низкой динамикой изменений, для которых основным критерием эффективности СУБД является производительность при выполнении локальных и распределенных запросов. Сформулированы требования к методам доступа и способам реализации реляционных операций и выполнения транзакций, которых следует придерживаться при разработке СУБД такого класса.

Во второй главе предложена новая информационная технология создания, ведения и использования сверхбольших баз данных с использованием разработанной высокоэффективной СУРБД Ну Tech.

Показаны преимущества использования инвертированных списков при отработке сложных незапланированных запросов к БД, к которым можно отнести: поиск ведется в ассоциаторе без обращения к самим даннымвремя поиска не зависит от длины записи и слабо зависит от длины ключавремя поиска практически не зависит от числа записей-целей и от общего числа записей в БД.

Предложен метод увеличения эффективности отработки атомарных и сложных запросов в пределах одного отношения за счет использования инвертированных списков и новой технологии хранения и обработки индексных массивов, реализующей идею битовых строк.

Предложен метод увеличения эффективности отработки массовых операций над отношениями, используя косвенную материализацию результата, исключающую промежуточный доступ к данным. Показана возможность предварительного сужения исходных множеств записей перед отработкой массовых операций, что влияет на эффективность отработки последних, так как в ряде случаев значительно уменьшает объемы обрабатываемых данных. Использование инвертированных списков при выполнении операции слияния позволило отказаться от сортировки временных отношений и уменьшить время выполнения операций этого класса примерно на порядок.

Предложены методы повышения эффективности дифференциальной организации файлов БД, позволяющие использовать преимущества инвертированных списков при поиске и обеспечить эффективный способ отработки транзакций при модификации данных. Эти методы позволили полностью отказаться от коррекции индексов при модификации и, как следствие, время выполнения операций редактирования таблиц стало сравнимо со временем записи в последовательный файл.

Предложена конкретная физическая организация данных в СУБД, позволяющая сочетать приемлемое сжатие данных с небольшими затратами процессорного времени на распаковку и эффективную отработку операций ввода-вывода.

На основе предложенных модификаций операций реляционной алгебры в базах данных и соответствующих методов доступа разработана система управления сверхбольшими базами данных (НуTech), защищенная патентом Российской Федерации, и получившая сертификат качества Минобороны РФ и лаборатории доктора Добба.

В третьей главе рассмотрены модели и задачи синтеза оптимальных логических структур локальных и сетевых БД, возникающие на этапе их технического проектирования. Предложена постановка задач синтеза оптимальных логических структур БД с использованием критериев минимума суммарного времени загрузки БД, обслуживания множества запросов пользователей и корректировок БД, минимума суммарной длины путей доступа к искомым данным и минимума времени обслуживания оперативных запросов к БД.

Исследованы основные методы реализации поиска при обходе дерева связей — последовательный, ориентированный на итеративный анализ значении экземпляров групп, и параллельный, оперирующии подмножествами групп. Получены аналитические зависимости для решения задачи синтеза структур при использовании параллельного метода поиска.

Сформулированы дополнительные ограничения, возникающие при синтезе оптимальных логических структур для сетевых БД. Предложены методы уменьшения размерности задачи синтеза при использовании параллельного метода поиска.

Разработаны эффективные алгоритмы решения поставленных задач и соответствующее программное обеспечение.

В четвертой главе представлена разработанная на основе использования расширенных возможностей СУРБД Ну Tech и принципов модульности и типизации структура Единой интегрированной информационной системы Фонда социального страхования РФ.

В архитектуре ЕИИС использованы типовые решения и в аппаратной и в программной частях, что позволяет максимально унифицировать техническое и программное обеспечение и, следовательно, упростить обслуживание ЕИИС и снизить стоимость ее создания.

Высокая эффективность СУБД Ну Tech позволила снизить требования к аппаратным средствам, что, учитывая масштабный характер системы, немаловажно. Это оказалось возможным за счет применения методов повышения эффективности функционирования систем управления сверхбольшими базами данных, изложенные в данной диссертации.

Взаимодействие пользователей с базой данных ЕИИС «СОЦСТРАХ» реализуется на основе технологий: «персональная ЭВМ», «файл-сервер», «клиент-сервер», «клиент-агент-сервер» при поддержке стандарта языка SQL для внутрисистемного и внесистемного информационного взаимодействия (через ODBC) в зависимости от объемов баз данных, количества пользователей, наличия необходимых средств вычислительной техники, подготовленности персонала в конкретном исполнительном органе Фонда.

Построение АРМов ЕИИС «СОЦСТРАХ» выполняется с помощью средств быстрой разработки приложений (RAD) Borland Delphi, Borland С++ Builder, поддерживающих драйвер ODBC, обеспечивающий взаимодействие с СУБД Ну Tech унифицированным образом.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях» Москва, 1995 г., «Управление в XX веке: итоги и перспективы», Москва, 1998 г., «Проблемы управления безопасностью сложных систем», Москва, 1999 г., «Проблемы управления муниципальными системами», Москва 1999 г., на международных выставках «Комтек», «Информатика», «Cebit» в 1993, 1994 и 1995 г., на научных семинарах «Информационные ресурсы Москвы» .

Публикации. Результаты проведенных автором научных исследований опубликованы в 13 научных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения и содержит 197 страниц машинописного текста, 14 рисунков, 3 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие результаты.

1. Проведен анализ основных особенностей организации управления социальными системами. С учетом особенностей функционирования Фонда социального страхования РФ разработаны требования к Единой интегрированной информационной системе, сформулированы основные принципы создания таких систем и проблемы их разработки.

2. Проведен анализ эффективности систем управления базами данных различных типов и сформулированы основные требования к ее характеристикам в интегрированной информационной системе Фонда СС. Показано, что базы данных Фонда относятся к классу условно-постоянных с большими объемами данных и относительно низкой динамикой изменений, для которых основным критерием эффективности СУБД является производительность при выполнении локальных и распределенных запросов. Сформулированы требования к методам доступа и способам реализации реляционных операций и выполнения транзакций, которых следует придерживаться при разработке СУБД такого класса.

3. Показаны преимущества использования инвертированных списков при отработке сложных незапланированных запросов к БД, к которым можно отнести: поиск ведется в ассоциаторе без обращения к самим даннымвремя поиска не зависит от длины записи и слабо зависит от длины ключавремя поиска практически не зависит от числа записей-целей и от общего числа записей в БД.

4. Предложен метод увеличения эффективности отработки атомарных и сложных запросов в пределах одного отношения за счет использования инвертированных списков и новой технологии хранения и обработки индексных массивов, реализующей идею битовых строк.

5. Предложен метод увеличения эффективности отработки массовых операций над отношениями, используя косвенную материализацию результата, исключающую промежуточный доступ к данным. Показана возможность предварительного сужения исходных множеств записей перед отработкой массовых операций, что влияет на эффективность отработки последних, так как в ряде случаев значительно уменьшает объемы обрабатываемых данных. Использование инвертированных списков при выполнении операции слияния позволило отказаться от сортировки временных отношений и уменьшить время выполнения операций этого класса примерно на порядок.

6. Предложены методы повышения эффективности дифференциальной организации файлов БД, позволяющие использовать преимущества инвертированных списков при поиске и обеспечить эффективный способ отработки транзакций при модификации данных. Эти методы позволили полностью отказаться от коррекции индексов при модификации и, как следствие, время выполнения операций редактирования реляционных таблиц стало сравнимо со временем записи в последовательный файл.

7. Предложена конкретная физическая организация данных в СУБД, позволяющая сочетать приемлемое сжатие данных с небольшими затратами процессорного времени на распаковку и эффективную отработку операций ввода-вывода.

8. На основе предложенных модификаций операций реляционной алгебры в базах данных и соответствующих методов доступа разработана система управления сверхбольшими базами данных (НуTech), защищенная патентом Российской Федерации, и получившая сертификат качества Минобороны РФ и лаборатории доктора Добба.

9. Исследованы основные методы реализации поиска при обходе дерева связей — последовательный, ориентированный на итеративный анализ значений экземпляров групп, и параллельный, оперирующий подмножествами групп.

Получены аналитические зависимости для решения задачи синтеза структур при использовании параллельного метода поиска.

Ю.Предложена постановка задач синтеза оптимальных логических структур БД с использованием критериев минимума суммарного времени загрузки БД, обслуживания множества запросов пользователей и корректировок БД, минимума суммарной длины путей доступа к искомым данным и минимума времени обслуживания оперативных запросов к БД.

1 ¡-.Сформулированы дополнительные ограничения, возникающие при синтезе оптимальных логических структур для сетевых БД. Предложены методы уменьшения размерности задачи синтеза при использовании параллельного метода поиска.

12. Представлена разработанная на основе использования расширенных возможностей СУРБД Ну Tech структура Единой интегрированной информационной системы Фонда социального страхования РФ.