Лекции по "Информационным системам в экобиотехнологии"

Суб'єктами державного управління на регіональному рівні є державні управління екології та природних ресурсів областей, міст Києва та Севастополя. Хоча в екологічному законодавстві  України відсутнє поняття "регіональна інформаційна система", так само як і "регіональна система екологічного управління", логічно стверджувати, що регіональні інформаційні системи (РІС) повинні створювати такий інформаційний простір, який потрібен для забезпечення функціонування державних управлінь екології та природних ресурсів і їх органів на підпорядкованих їм територіях.

Розвиток регіональних інформаційних  систем передбачається в Основних напрямах державної екологічної політики України. При цьому слід підкреслити  особливу роль регіональних інформаційних систем на етапі переходу України до збалансованого розвитку і гармонізації співіснування суспільства і природи.

Нині в Україні розвиваються також спеціалізовані інформаційні системи: інформаційні системи заповідних територій, депресивних територій, потенційно небезпечних об'єктів, басейнові інформаційні системи та ін. Діючи в межах регіонів, іноді на міжрегіональному й міждержавному рівнях, ці системи потребують належного структурного та організаційного оформлення. Питання їх взаємодії з регіональними інформаційними системами потребує насамперед свого законодавчого розв'язання. Крім того, потребують розв'язання питання обміну інформацією, що стосується міжрегіональних проблем (у тому числі й міждержавного характеру): транскордонне перенесення забруднень, надзвичайні ситуації природного і техногенного характеру.

Дисципліна «Інформаційні системи  в екобіотехнології»

Лекція 3. Бази даних як інформаційні моделі

План

1. Файлові системи. 

2. Поняття бази даних.

3. Проектування та створення баз даних у середовищі  MS Access.

4. Система управління базами даних.

1. Файлові системи

Усі програми і дані зберігаються в довготривалій (зовнішньої) пам'яті  комп'ютера у вигляді файлів.

Файл - це певна кількість інформації (програма або дані), що має ім'я і зберігається в довготривалій (зовнішньої) пам'яті.

Назва файлу складається з двох частин, розділених крапкою: власне ім'я файлу і розширення, що визначає його тип (програма, дані і т. д.). Власне ім'я файлу дає користувач, а тип файлу зазвичай задається програмою автоматично при його створенні. Тип файлу або розширення:

• Виконувані програми exe, com
• Текстові файли txt, rtf, doc
• Графічні файли bmp, gif, jpg, png, pds та ін
• Web-сторінки htm, html
• Звукові файли wav, mp3, midi, kar, ogg
• Відеофайли avi, mpeg
• Код (текст) програми на мовах програмування bas, pas, cpp та ін

На кожному носії інформації (гнучкому, жорсткому або лазерному диску) може зберігатися велика кількість файлів. Порядок зберігання файлів на диску визначається встановленої файловою системою (ФС).

Файлова система - це система зберігання файлів та організації каталогів.

 Для дисків з невеликою кількістю файлів (до декількох десятків) зручно застосовувати однорівневу файлову систему, коли каталог (зміст диска) являє собою лінійну послідовність імен файлів. Для відшукання файлу на диску достатньо вказати лише ім'я файлу.

Якщо на диску зберігаються сотні і тисячі файлів, то для зручності пошуку файли організовуються в багаторівневу ієрархічну файлову систему, яка має «деревоподібну» структуру (має вид перевернутого дерева).

Початковий, кореневої, каталог містить  вкладені каталоги 1-го рівня, у свою чергу, в кожному з них бувають вкладені каталоги 2-го рівня і т. д. Необхідно відзначити, що в каталогах всіх рівнів можуть зберігатися і файли.

Для полегшення розуміння цього  питання скористаємося аналогією  з традиційним "паперовим" способом зберігання інформації. У такій аналогії файл представляється як деякий має назву документ (текст, малюнок тощо) на паперових аркушах. Наступний за величиною елемент файлової структури називається каталогом. Продовжуючи «паперову» аналогію, каталог будемо представляти як папку, в яку можна вкласти безліч документів, тобто файлів. Каталог також отримує власне ім'я (уявіть, що воно написано на обкладинці папки).

Каталог сам може входити до складу іншого, зовнішнього по відношенню до нього каталогу. Це аналогічно тому, як папка вкладається в іншу папку більшого розміру. Таким чином, кожен каталог може містити всередині себе безліч файлів і вкладених каталогів (їх називають підкаталогами). Каталог самого верхнього рівня, який не вкладено ні в які інші, називається кореневим каталогом.

А тепер повну картину файлової структури уявіть собі так: вся зовнішня пам'ять комп'ютера - це шафа з безліччю висувних ящиків. Кожен ящик - аналог диска; в ящику - велика папка (кореневий  каталог); в цій папці безліч папок  і документів (підкаталогів і файлів) і т.д. Найбільш глибоко вкладені папки зберігають у собі лише документи (файли) або можуть бути порожніми.

Шлях до файлу. Для того щоб знайти файл в ієрархічній файловій структурі  необхідно вказати шлях до файлу. У шлях до файлу входять записувані через роздільник "\" логічне ім'я диска і послідовність імен вкладених один в одного каталогів, в останньому з яких знаходиться даний потрібний файл.

2. Поняття бази даних

База даних (БД) - це сукупність взаємозв'язаних даних, що зберігаються разом. Основними та невід'ємними властивостями БД є такі:

- для даних допускається така мінімальна надлишковість, яка сприяє їх оптимальному використанню в одному чи кількох застосуваннях;

- незалежність даних від програм;

- для пошуку та модифікації даних використовуються спільні механізми;

- як правило, у складі БД  існують засоби для підтримки  її цілісності та захисту від неавторизованого доступу

На відміну від файлових систем БД зорієнтована для підтримки даних  для кількох застосувань. На практиці ця властивість інколи порушується. Часом, це просто помилка у виборі засобів для реалізації проекту і ситуація нагадує відоме прислів'я про стрілянину з гармати по горобцям.

Взаємозв'язаність даних полягає в тому, що доступ до певної групи даних якогось застосування загалом полегшує доступ до інших груп даних цього ж застосування. В умовах орієнтації БД на велику кількість застосувань виникає необхідність у підтримці значного числа різноманітних зв'язків між даними. Саме у розумінні тісного логічного зв'язку використані слова про збереження разом даних. Розглянемо приклад, який ілюструє вказану властивість у порівнянні з простими ФС.

   Приклад про мішок з різнокольоровими кульками.

Нехай у мішку є багато різнокольорових  кульок, і завдання полягає в тому, щоб знайти кульку певного кольору, витягаючи їх по одній з мішка. Якщо операції витягання кульки з мішка повністю незалежні між собою, то цей приклад є аналогом технології роботи у рамках простих ФС з послідовним доступом. Якщо ж припустити, що кульки зв'язані між собою різнокольоровими мотузками, тоді пошук кульки можна пришвидшити, використавши на черговому кроці мотузку потрібного кольору. Цей варіант прикладу є аналогом технології роботи з взаємозв'язаними (мотузками) даними, що характерно для функціонування БД.

Вимога мінімізації надлишковості полягає у мінімальній кількості копій для одних і тих же даних з урахуванням орієнтації на кілька застосувань. Ці надлишкові копії використовуються для підтримки зв'язків між даними. Як приклад, розглянемо відомості, що зберігаються у відділі кадрів деякого підприємства про своїх співробітників. Користувачами цієї інформації виступають адміністрація, профспілкова організація та бухгалтерія підприємства. Адміністрацію цікавлять дані про кваліфікацію, професійний рівень і досвід роботи, профспілки використовують відомості соціально-побутового характеру, а бухгалтерія оброблює ті дані, що потрібні для нарахувань заробітної плати та підрахунку податків, інших нарахувань та відрахувань. Хоча інформація і різнорідна, але все ж має значну спільну частину.  Всім користувачам потрібні службовий номер, прізвище, ім'я, по-батькові співробітника, його рік народження, дані про умови праці. Інформація про сімейний стан та склад сім'ї використовується бухгалтерією і профспілками. Якщо для зберігання даних застосувати технологію ФС, то можливі два крайні варіанти: а)незалежні один від одного файли, відсортовані згідно з потребами того чи іншого користувача, передбачають значну надлишковість даних; б)всі дані знаходяться у одному файлі, відсортованому так, як потрібно одному з користувачів (наприклад, адміністрації) - надлишковість при цьому практично відсутня, але зручно працювати тільки одному з користувачів. Концепція БД займає проміжне становище між вищеописаними крайніми позиціями.

Про незалежність даних часто говорять, як про одну з основних властивостей БД.  Під цим поняттям розуміється можливість зміни структури даних без зміни програм, що її використовують, а також рівень самоінтерпретованості даних. Міра незалежності даних тісно пов'язана з ступенем необхідної деталізації відомостей про організацію їх зберігання. Користувачу при підвищенні ступеня незалежності даних треба менше задавати (і знати) "процедурної" інформації щодо доступу до даних. Зауважимо, що певний (хоч і досить низький) рівень незалежності мають сучасні ФС: при доступі до файлу достатньо вказати його ім'я, а інформація про треки та сектори непотрібна.

Під цілісністю БД розуміють несуперечливість між собою даних, що в ній зберігаються. Наприклад, для кадрових відомостей рік народження співробітника не може бути більшим року призначення на посаду або поточного року або заробітна плата певного службовця не може більш ніж у 5 разів перевищувати середнє арифметичне від заробітної плати його підлеглих. Щоб запобігти виникненню таких ситуацій при модифікації і поповненнях БД, співвідношення між даними контролюються спеціальними засобами підтримки цілісності БД. Для цього існує служба адміністратора бази даних (АБД) або є така функція у СУБД.

Оскільки однією з основних властивостей БД є орієнтація на широке коло застосувань, то природно передбачити засоби захисту від неавторизованого доступу (навмисного чи ненавмисного) користувачів до даних. З цією метою в БД встановлюється  система паролів та ідентифікацій користувачів, а також розподіл даних і користувачів на групи з різноманітними взаємними правами.

Сфери використання інформаційних  застосувань БД різноманітні: банківська справа, транспорт, медицина, страхування, освіта, промисловість тощо.

По-перше, будь-яка інформаційна система призначена для збирання, збереження і обробки інформації. Тому, в основі будь-якої інформаційної системи лежить середовище збереження і доступу до даних. Середовище повинно забезпечити рівень надійності збереження та ефективність доступу відповідно до сфери застосування інформаційної системи. Інформаційні системи, як правило, передбачають можливість роботи із системою з кількох робочих місць. Деякі з кінцевих користувачів змінюють вміст бази даних (вводять, поновлюють, вилучають дані). Інші виконують операції, які пов'язані з вибіркою з бази даних. Треті роблять і те, і друге. Проблема полягає в тому, що таку колективну роботу треба виконувати узгоджено, і бажано, щоб узгодженість цих дій забезпечувалась автоматично. Під узгодженістю дій ми розуміємо те, що користувач, який формує звіти, не зможе скористатися даними, які почав, але ще не закінчив формувати інший користувач. Користувач, що хоче поновити або вилучити дані, не зможе виконати операцію доти, доки не закінчиться аналогічна операція над тими ж даними, яку раніше розпочав, але ще не закінчив інший користувач. За підтримки узгодженості дій усі результати, що їх отримують від інформаційної системи, будуть відповідати узгодженому стану бази даних, тобто будуть достовірні і несуперечні.

Цілісності бази даних інформаційної  системи досягають перш за все  шляхом використання трансакцій. Трансакція - це логічна одиниця роботи. Система, яка підтримує трансакції, гарантує максимум із того, що можна гарантувати, а саме - якщо під час виконання деяких змін виникне помилка, тоді всі ці зміни будуть відмінені. Таким чином, трансакція або повністю виконується, або повністю скасовується ("все" або "нічого"). Стандартним прикладом трансакції є переказ суми грошей із рахунку А на рахунок Б. Очевидно, що в цьому разі необхідні дві зміни: списати гроші з рахунку А і їх зарахувати на рахунок Б. Якщо користувач вкаже, що обидві зміни стосуються однієї і тієї ж трансакції, тоді система зможе реально гарантувати, що обидві зміни будуть або виконані, або ні. Усі розвинуті СУБД підтримують поняття трансакції.

По-друге, інформаційні системи зорієнтовані на кінцевого користувача, наприклад, кредитного інспектора. Такий користувач може бути далеким від світу комп'ютерів. Для нього термінал, персональний комп'ютер або робоча станція являють собою лише засіб його власної професійної діяльності. Тому інформаційна система повинна мати простий, зручний, легкий щодо засвоєння користувацький інтерфейс для ефективного виконання певних дій. Інколи цей інтерфейс може бути графічним із меню, кнопками, підказками тощо. Зараз популярні графічні інтерфейси. Наявність розвинутих інтерфейсних засобів є обов'язковою для будь-якої сучасної інформаційної системи.

У мережевій інформаційній технології організація обробки даних може бути централізованою або децентралізованою (розподіленою). Централізована організація даних є найпростішою для реалізації - на одному сервері міститься єдина копія бази даних, усі операції з базою даних забезпечуються цим сервером. Перевагою такого способу є легка підтримка бази даних в актуальному стані, а недоліком - розмір бази даних обмежений розміром зовнішньої пам'яті сервера; усі запити спрямовуються до єдиного сервера, а звідси обмеження на паралельну обробку; база даних може бути недоступною для віддалених користувачів за появи помилок зв'язку або повністю виходить з ладу в разі відмови центрального сервера.

Розподілена організація даних  передбачає поділ інформаційної  бази на кілька фізичних розділів, які  розміщуються на кількох серверах. Кожний клієнт (група клієнтів) користується своєю базою даних, яка може бути або частиною загальної інформаційної бази, або копією всієї інформаційної бази. Переваги цього методу - більшість запитів задовольняються локальними базами, що зменшує час відповіді; підвищується доступність даних і надійність їх збереження; система залишається частково дієздатною, якщо вийде з ладу один сервер. Є і недоліки - частина віддалених запитів або трансакцій може вимагати доступу до всіх серверів, що збільшує час отримання відповіді, тощо.