Тема 9. информационные хранилища. Olap-технология

В настоящее время в связи с широким распространением систем поддержки принятия решений организации стремятся сконцентрировать основное внимание на способах использования накопленных оперативных данных в этих системах, имея целью полу­чить за счет этого дополнительный рост своей конкурентоспособности. Прежние системы оперативной обработки проектировались без учета какой-либо поддержки подобных бизнес-требований, а потому преобразование обычных OLTP-систем в системы поддержки принятия решений оказалось чрезвычайно сложной зада­чей. Как правило, типичная организация имеет множество различных систем операци­онной обработки с перекрывающимися, а иногда и противоречивыми определениями, например, с разными типами, выбранными для представления одних и тех же данных. Основной задачей организации является преобразование накопленных архивов данных в источник новых знаний, причем таким образом, чтобы пользователю было предостав­лено единое интегрированное и консолидированное представление о данных организа­ции. Концепция хранилища данных была задумана как технология, способная удовле­творить требования систем поддержки принятия решений и базирующаяся на инфор­мации, поступающей из нескольких различных источников оперативных данных.

Наиболее упорным и удачливым сторонником технологии хранилищ данных оказал­ся Билл Инмон (Bill Inmon), который за активное продвижение этой концепции был удостоен почетного титула “отца – основателя хранилищ данных”. Хранилище данных – предметно-ориентированный, интегрированный, привязанный ко времени и неизменяемый набор данных, предназначенный для под­держки принятия решений.

В определении Инмона указанные характери­стики данных понимаются следующим образом.

Предметная ориентированность. Хранилище данных организовано вокруг основных предметов (или субъектов) организации (например, клиенты, това­ры и продажи), а не вокруг прикладных областей деятельности (выписка счета клиенту, контроль товарных запасов и продажа товаров). Это свойство отражает необходимость хранения данных, предназначенных для поддержки принятия решений, а не обычных оперативно-прикладных данных.

Интегрированность. Смысл этой характеристики состоит в том, что оперативно-прикладные данные обычно поступают из разных источников, которые часто имеют несогласованное представление одних и тех же данных, напри­мер, используют разный формат. Для предоставления пользователю единого обобщенного представления данных необходимо создать интегрированный источник, обеспечивающий согласованность хранимой информации.

Привязка ко времени. Данные в хранилище точны и корректны только в том случае, когда “они привязаны к некоторому моменту или промежутку времени. Привязанность хранилища данных ко времени следует из большой длительно­сти того периода, за который была накоплена сохраняемая в нем информация, из явной или неявной связи временных отметок со всеми сохраняемыми дан­ными, а также из того факта, что хранимая информация фактически пред­ставляет собой набор моментальных снимков состояния данных.

Неизменяемость. Это означает, что данные не обновляются в оперативном режиме, а лишь регулярно пополняются за счет информации из оператив­ных систем обработки. При этом новые данные никогда не заменяют прежние, а лишь дополняют их. Таким образом, база данных хранилища постоянно пополняется новыми данными, последовательно интегрируемы­ми с уже накопленной информацией.

Каким бы ни было определение, конечной целью создания хранилища данных является интеграция корпоративных данных в едином репозитории, обращаясь к которому пользователи смогут составлять запросы, генерировать отчеты и выполнять анализ данных. Хранилище данных является рабочей средой для систем поддержки принятия решений, которая извлекает данные, хранимые в различных оперативных источниках, организует их и передает лицам, ответственным за принятие решений в данной организации. Подводя итог, можно сказать, что технология хранилищ дан­ных – это технология управления данными и их анализа.

Технология OLAP. Основной вопрос при обработке информации заключается в том, как обрабатывать все более и более крупные базы данных, содержащие данные с постоянно усложняю­щейся структурой, сохранив при этом приемлемое время реакции системы на запрос. Архитектура “клиент/сервер” позволяет организациям устанавливать специализиро­ванные серверы, оптимизированные для решения задач специфического управления данными. Для таких бизнес-приложений, как анализ рынка и финансовое прогнозиро­вание, требуется использовать запросо-центрированные схемы баз данных, которые, по сути, имеют вид многомерных массивов. Эти приложения характеризуются необходи­мостью извлекать большое количество записей из очень больших наборов данных и мгновенно вычислять на их основе итоговые значения. Предоставление поддержки для таких приложений является основным назначением всех OLAP-инструментов. Оперативная аналитическая обработка (OLAP) – это динамический синтез, анализ и консолидация больших объемов многомерных данных.

Термин “OLAP” был предложен Коддом в 1993 году и определяет архитектуру, которая поддерживает сложные аналитические приложения. Большинство OLAP- приложений создается на основе специализированных многомерных СУБД или ММ СУБД (multi-dimensional DBMS) с ограниченным набором данных и настраиваемым пользовательским интерфейсом приложений. OLAP-архитектура предусматривает определенные уровни с четким разделением функций между приложением и СУБД. На основе этого разделения появилось новое поколение OLAP-инструментов, предос­тавляющих такие возможности, которые позволяют обычным СУБД конкурировать со специализированными технологиями ММ СУБД.

Отметим, что таблица в реляционной СУБД может представлять многомерные данные только в двух измерениях. В OLAP-технологии серверы баз данных для хранения данных и связей между ними используют многомерные структуры. Многомерные структуры лучше всего представлять как кубы данных, которые, в свою очередь, могут состоять из других кубов данных. Каждая сторона куба является размерностью.

Многомерные базы данных очень компактны и обеспечивают простые средства просмотра и манипулирования элементами данных, обладающих многими взаимо­связями. Подобный куб легко может быть расширен с целью включения новой раз­мерности, например, содержащей количество сотрудников компании в каждом горо­де. Над данными в кубе могут выполняться операции матричной арифметики, что позволяет легко вычислить значение среднего дохода на одного сотрудника компании посредством применения простой матричной операции ко всем ячейкам куба:

средний_доход_на_сотрудника = общий_доход / количество_сотрудников.

Рассмотрим проблемы обеспечения OLAP-системы данными, что напрямую связано со складами данных (Datawarehouse). Любая крупная и давно существующая корпорация обладает несколькими базами данных, относящимися к разным видам деятельности. Данные могут иметь разные представления, а иногда могут быть даже несогласованными (например, из-за ошибки ввода в одну из баз данных). Это нехорошо даже для OLTP-систем (выше уже говорилось о все более часто возникающих потребностях в интеграции корпоративных информационных OLTP-систем) и в принципе непригодно для OLAP-систем, которые должны обрабатывать общие исторические согласованные корпоративные данные. Более того, для оперативной аналитической обработки требуется привлечение внешних источников данных, которые тем более могут обладать разными форматами и требовать согласования. Видимо, на подобных рассуждениях и возникла концепция склада данных как предметно-ориентированного, интегрированного, неизменчивого, поддерживающего хронологию набора данных, организованного для целей поддержки управления.

В основе концепции склада данных лежат две основные идеи:

1.Интеграция разъединенных детализированных данных (детализированных в том смысле, что они описывают некоторые конкретные факты, свойства, события и т.д.) в едином хранилище. В процессе интеграции должно выполняться согласование рассогласованных детализированных данных и, возможно, их агрегация. Данные могут поступать из исторических архивов корпорации, оперативных баз данных, внешних источников.

2.Разделение наборов данных, используемых для оперативной обработки, и наборов данных, применяемых для решения задач анализа.

Последнее, на что обращается внимание в этом разделе, - это рынки данных (Data Mart). Рынок данных по своему исходному определению - это набор тематически связанных баз данных, которые содержат информацию, относящуюся к отдельным аспектам деятельности корпорации. По сути дела, рынок данных - это облегченный вариант склада данных, содержащий только тематически объединенные данные. В последнее время все более популярной становится идея совместить концепции склада и рынка данных в одной реализации и использовать склад данных в качестве единственного источника интегрированных данных для всех рынков данных.

Как было сказано выше, проблемой больших информационных хранилищ является то, что накладные расходы на внешнюю память возрастают нелинейно при возрастании объема хранилища. Следовательно, встает проблема архивации данных. Одним из современных направлений и разработок в этой области является применение фрактальных методов в архивации.Понятия фрактал и фрактальная геометрия, появившиеся в конце 70-х, с середины 80-х прочно вошли в обиход математиков и программистов. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает состоящий из фрагментов. Оно было предложено Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался.

Как уже говорилось, одним из основных свойств фракталов является самоподобие. В самом простом случае небольшая часть фрактала содержит информацию о всем фрактале. Определение фрактала, данное Мандельбротом, звучит так: "Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому". Фракталы с большой точностью описывают многие физические явления и образования реального мира: горы, облака, турбулентные (вихревые) течения, корни, ветви и листья деревьев, кровеносные сосуды, что далеко не соответствует простым геометрическим фигурам.

Для того, чтобы представить все многообразие фракталов удобно прибегнуть к их общепринятой классификации. Существует три класса фракталов.

1. Геометрические фракталы. Фракталы этого класса самые наглядные. В двухмерном случае их получают с помощью ломаной (или поверхности в трехмерном случае), называемой генератором. За один шаг алгоритма каждый из отрезков, составляющих ломаную, заменяется на ломаную-генератор в соответствующем масштабе. В результате бесконечного повторения этой процедуры получается геометрический фрактал.

2.Алгебраические фракталы. Это самая крупная группа фракталов. Получают их с помощью нелинейных процессов в n-мерных пространствах. Наиболее изучены двухмерные процессы. Интерпретируя нелинейный итерационный процесс, как дискретную динамическую систему, можно пользоваться терминологией теории этих систем: фазовый портрет, установившийся процесс, аттрактор и т.д.

3.Стохастические фракталы. Еще одним известным классом фракталов являются стохастические фракталы, которые получаются в том случае, если в итерационном процессе хаотически менять какие-либо его параметры. При этом получаются объекты очень похожие на природные - несимметричные деревья, изрезанные береговые линии и т.д. Двумерные стохастические фракталы используются при моделировании рельефа местности и поверхности моря .

Одни из наиболее мощных приложений фракталов лежат в компьютерной графике. Во-первых, это фрактальное сжатие изображений, и, во-вторых, построение ландшафтов, деревьев, растений и генерирование фрактальных текстур. Достоинства алгоритмов фрактального сжатия изображений - очень маленький размер упакованного файла и малое время восстановления картинки. Фрактально упакованные картинки можно масштабировать без появления пикселизации. Но процесс сжатия занимает продолжительное время и иногда длится часами. Алгоритм фрактальной упаковки с потерей качества позволяет задать степень сжатия, аналогично формату jpeg. В основе алгоритма лежит поиск больших кусков изображения подобных некоторым маленьким кусочкам. И в выходной файл записывается только какой кусочек какому подобен. При сжатии обычно используют квадратную сетку (кусочки - квадраты), что приводит к небольшой угловатости при восстановлении картинки, шестиугольная сетка лишена такого недостатка.

Применение фрактальных методов в архивации помогает решать проблемы сжатия больших объемов информационных массивов.