Olap запросы. OLAP-системы

OLAP (от англ. OnLine Analytical Processing - оперативная аналитическая обработка данных, также: аналитическая обработка данных в реальном времени, интерактивная аналитическая обработка данных) - подход к аналитической обработке данных, базирующийся на их многомерном иерархическом представлении, являющийся частью более широкой области информационных технологий - бизнес-аналитики ().

Каталог OLAP-решений и проектов смотрите в разделе OLAP на TAdviser.

С точки зрения пользователя, OLAP -системы представляют средства гибкого просмотра информации в различных срезах, автоматического получения агрегированных данных, выполнения аналитических операций свёртки, детализации, сравнения во времени. Всё это делает OLAP-системы решением с очевидными преимуществами в области подготовки данных для всех видов бизнес-отчетности, предполагающих представление данных в различных разрезах и разных уровнях иерархии - например, отчетов по продажам, различных форм бюджетов и так далее. Очевидны плюсы подобного представления и в других формах анализа данных, в том числе для прогнозирования.

Требования к OLAP-системам. FASMI

Ключевое требование, предъявляемое к OLAP-системам - скорость, позволяющая использовать их в процессе интерактивной работы аналитика с информацией. В этом смысле OLAP-системы противопоставляются, во-первых, традиционным РСУБД , выборки из которых с типовыми для аналитиков запросами, использующими группировку и агрегирование данных, обычно затратны по времени ожидания и загрузке РСУБД , поэтому интерактивная работа с ними при сколько-нибудь значительных объемах данных сложна. Во-вторых, OLAP-системы противопоставляются и обычному плоскофайловому представлению данных, например, в виде часто используемых традиционных электронных таблиц, представление многомерных данных в которых сложно и не интуитивно, а операции по смене среза - точки зрения на данные - также требуют временных затрат и усложняют интерактивную работу с данными.

При этом, с одной стороны, специфичные для OLAP-систем требования к данным обычно подразумевают хранение данных в специальных оптимизированных под типовые задачи OLAP структурах, с другой сторны, непосредственное извлечение данных из существующих систем в процессе анализа привело бы к существенному падению их производительности.

Следовательно, важным требованием является обеспечение макимально гибкой связки импорта-экспорта между существующими системами, выступающими в качестве источника данных и OLAP-системой, а также OLAP-системой и внешними приложениями анализа данных и отчетности.

При этом такая связка должна удовлетворять очевидным требованиям поддержки импорта-экспорта из нескольких источников данных, осуществления процедур очистки и трансформации данных, унификации используемых классификаторов и справочников. Кроме того, к этим требованиям добавляется необходимость учёта различных циклов обновления данных в существующих информационных системах и унификации требуемого уровня детализации данных. Сложность и многогранность этой проблемы привела к появлению концепции хранилищ данных , и, в узком смысле, к выделению отдельного класса утилит конвертации и преобразования данных - ETL (Extract Transform Load) .

Модели хранения активных данных

Выше мы указали, что OLAP предполагает многомерное иерархическое представление данных, и, в каком-то смысле, противопоставляется базирующимся на РСУБД системам.

Это, однако, не значит, что все OLAP-системы используют многомерную модель для хранения активных, "рабочих" данных системы. Так как модель хранения активных данных оказывает влияние на все диктуемые FASMI-тестом требования, её важность подчёркивается тем, что именно по этому признаку традиционно выделяют подтипы OLAP - многомерный (MOLAP), реляционный (ROLAP) и гибридный (HOLAP).

Вместе с тем, некоторые эксперты, во главе с вышеупомянутым Найджелом Пендсом , указывают, что классификация, базирующаяся на одном критерии недостаточно полна. Тем более, что подавляющее большинство существующих OLAP-систем будут относиться к гибридному типу. Поэтому мы более подробно остановимся именно на моделях хранения активных данных, упомянув, какие из них соответствуют каким из традиционных подтипов OLAP.

Хранение активных данных в многомерной БД

В этом случае данные OLAP хранятся в многомерных СУБД , использующих оптимизированные для такого типа данных конструкции. Обычно многомерные СУБД поддерживают и все типовые для OLAP операции, включая агрегацию по требуемым уровням иерархии и так далее.

Этот тип хранения данных в каком-то смысле можно назвать классическим для OLAP. Для него, впрочем, в полной мере необходимы все шаги по предварительной подготовке данных. Обычно данные многомерной СУБД хранятся на диске, однако, в некоторых случаях, для ускорения обработки данных такие системы позволяют хранить данные в оперативной памяти . Для тех же целей иногда применяется и хранение в БД заранее рассчитанных агрегатных значений и прочих расчётных величин.

Многомерные СУБД , полностью поддерживающие многопользовательский доступ с конкурирующими транзакциями чтения и записи достаточно редки, обычным режимом для таких СУБД является однопользовательский с доступом на запись при многопользовательском на чтение, либо многопользовательский только на чтение.

Среди условных недостатков, характерных для некоторых реализаций многомерных СУБД и базирующихся на них OLAP-систем можно отметить их подверженность непредсказуемому с пользовательской точки зрения росту объёмов занимаемого БД места. Этот эффект вызван желанием максимально уменьшить время реакции системы, диктующим хранить заранее рассчитанные значения агрегатных показателей и иных величин в БД, что вызывает нелинейный рост объёма хранящейся в БД информации с добавлением в неё новых значений данных или измерений.

Степень проявления этой проблемы, а также связанных с ней проблем эффективного хранения разреженных кубов данных, определяется качеством применяемых подходов и алгоритмов конкретных реализаций OLAP-систем.

Хранение активных данных в реляционной БД

Могут храниться данные OLAP и в традиционной РСУБД . В большинстве случаев этот подход используется при попытке «безболезненной» интеграции OLAP с существующими учётными системами, либо базирующимися на РСУБД хранилищами данных . Вместе с тем, этот подход требует от РСУБД для обеспечения эффективного выполнения требований FASMI-теста (в частности, обеспечения минимального времени реакции системы) некоторых дополнительных возможностей. Обычно данные OLAP хранятся в денормализованном виде, а часть заранее рассчитанных агрегатов и значений хранится в специальных таблицах. При хранении же в нормализованном виде эффективность РСУБД в качестве метода хранения активных данных снижается.

Проблема выбора эффективных подходов и алгоритмов хранения предрассчитанных данных также актуальна для OLAP-систем, базирующихся на РСУБД, поэтому производители таких систем обычно акцентируют внимание на достоинствах применяемых подходов.

В целом считается, что базирующиеся на РСУБД OLAP-системы медленнее систем, базирующихся на многомерных СУБД, в том числе за счет менее эффективных для задач OLAP структур хранения данных, однако на практике это зависит от особенностей конкретной системы.

Среди достоинств хранения данных в РСУБД обычно называют большую масштабируемость таких систем.

Хранение активных данных в «плоских» файлах

Этот подход предполагает хранение порций данных в обычных файлах. Обычно он используется как дополнение к одному из двух основных подходов с целью ускорения работы за счет кэширования актуальных данных на диске или в оперативной памяти клиентского ПК.

Гибридный подход к хранению данных

Большинство производителей OLAP-систем, продвигающих свои комплексные решения, часто включающие помимо собственно OLAP-системы СУБД , инструменты ETL (Extract Transform Load) и отчетности, в настоящее время используют гибридный подход к организации хранения активных данных системы, распределяя их тем или иным образом между РСУБД и специализированным хранилищем, а также между дисковыми структурами и кэшированием в оперативной памяти.

Так как эффективность такого решения зависит от конкретных подходов и алгоритмов, применяемых производителем для определения того, какие данные и где хранить , то поспешно делать выводы о изначально большей эффективности таких решений как класса без оценки конкретных особенностей рассматриваемой системы.

OLAP (англ. on-line analytical processing) – совокупность методов динамической обработки многомерных запросов в аналитических базах данных. Такие источники данных обычно имеют довольно большой объем, и в применяемых для их обработки средствах одним из наиболее важных требований является высокая скорость. В реляционных БД информация хранится в отдельных таблицах, которые хорошо нормализованы. Но сложные многотабличные запросы в них выполняются довольно медленно. Значительно лучшие показатели по скорости обработки в OLAP-системах достигаются за счет особенности структуры хранения данных. Вся информация четко организована, и применяются два типа хранилищ данных: измерения (содержат справочники, разделенные по категориям, например, точки продаж, клиенты, сотрудники, услуги и т.д.) и факты (характеризуют взаимодействие элементов различных измерений, например, 3 марта 2010 г. продавец A оказал услугу клиенту Б в магазине В на сумму Г денежных единиц). Для вычисления результатов в аналитическом кубе применяются меры. Меры представляют собой совокупности фактов, агрегированных по соответствующим выбранным измерениям и их элементам. Благодаря этим особенностям на сложные запросы с многомерными данными затрачивается гораздо меньшее время, чем в реляционных источниках.

Одним из основных вендоров OLAP-систем является корпорация Microsoft . Рассмотрим реализацию принципов OLAP на практических примерах создания аналитического куба в приложениях Microsoft SQL Server Business Intelligence Development Studio (BIDS) и Microsoft Office PerformancePoint Server Planning Business Modeler (PPS) и ознакомимся с возможностями визуального представления многомерных данных в виде графиков, диаграмм и таблиц.

Например, в BIDS необходимо создать OLAP-куб по данным о страховой компании, ее работниках, партнерах (клиентах) и точках продаж. Допустим предположение, что компания предоставляет один вид услуг, поэтому измерение услуг не понадобится.

Сначала определим измерения. С деятельности компании связаны следующие сущности (категории данных):

Точки продаж
- Сотрудники
- Партнеры

Также создаются измерения Время и Сценарий, которые являются обязательными для любого куба.
Далее необходима одна таблица для хранения фактов (таблица фактов).
Информация в таблицы может вноситься вручную, но наиболее распространена загрузка данных с применением мастера импорта из различных источников.
На следующем рисунке представлена последовательность процесса создания и заполнения таблиц измерений и фактов вручную:

Рис.1. Таблицы измерений и фактов в аналитической БД. Последовательность создания
После создания многомерного источника данных в BIDS имеется возможность просмотреть его представление (Data Source View). В нашем примере получится схема, представленная на рисунке ниже.

Рис.2. Представление источника данных (Data Source View) в Business Intellingence Development Studio (BIDS)

Как видим, таблица фактов связана с таблицами измерений посредством однозначного соответствия полей-идентификаторов (PartnerID, EmployeeID и т.д.).

Посмотрим на результат. На вкладке обозревателя куба, перетаскивая меры и измерения в поля итогов, строк, столбцов и фильтров, можем получить представление интересующих данных (к примеру, заключенные сделки по страховым договорам, заключенные определенным работником в 2005 году).

OLAP (OnLine Analytical Processing) – это название не конкретного продукта, а целой технологии оперативной аналитической обработки, предполагающей анализ данных и получение отчетов. Пользователю предоставляется многомерная таблица, автоматически суммирующая данные в различных разрезах и позволяющая оперативно управлять вычислениями и формой отчета.

Хотя в некоторых изданиях аналитическую обработку называют и онлайновой, и интерактивной, однако прилагательное "оперативная" как нельзя более точно отражает смысл технологии OLAP. Разработка руководителем решений по управлению попадает в разряд областей наиболее ложно поддающихся автоматизации. Однако сегодня имеется возможность оказать помощь управленцу в разработке решений и, самое главное, значительно ускорить сам процесс разработки решений, их отбора и принятия.

Системы поддержки принятия решений обычно обладают средствами предоставления пользователю агрегатных данных для различных выборок из исходного набора в удобном для восприятия и анализа виде. Как правило, такие агрегатные функции образуют многомерный набор данных, нередко называемый гиперкубом или метакубом, оси которого содержат параметры, а ячейки – зависящие от них агрегатные данные – причем храниться такие данные могут и в реляционных таблицах, но в данном случае речь идет о логической организации данных, а не о физической реализации их хранения.

Вдоль каждой оси данные могут быть организованы в виде иерархии, представляющей различные уровни их детализации.

По измерениям в многомерной модели откладывают факторы, влияющие на деятельность предприятия (например: время, продукты, филиалы компании и т.п.). Полученный OLAP-куб затем наполняется показателями деятельности предприятия (цены, продажи, план, прибыли, бытки и т.п.). Необходимо отметить, что в отличие от геометрического куба грани ОLAP-куба не обязательно должны иметь один размер. Наполнение это может вестись как реальными данными оперативных систем, так и прогнозируемыми на основе исторических данных. Измерения гиперкуба могут носить сложный характер, быть иерархическими, между ними могут быть установлены отношения. В процессе анализа пользователь может менять точку зрения на данные (так называемая операция смены логического взгляда), тем самым, просматривая данные в различных разрезах и разрешая конкретные задачи. Над кубами могут выполняться различные операции, включая прогнозирование и условное планирование (анализ типа “что, если”).

Благодаря такой модели данных пользователи могут формулировать сложные запросы, генерировать отчеты, получать подмножества данных. Оперативная аналитическая обработка позволяет значительно упростить и ускорить процесс подготовки и принятия решений руководящим персоналом. Оперативная аналитическая обработка служит цели превращения данных в информацию. Она принципиально отличается от традиционного процесса поддержки принятия решений, основанного, чаще всего, на рассмотрении структурированных отчетов.

OLAP-технология относится к виду интеллектуального анализа и предполагает 12 принципов:

1. Концептуальное многомерное представление . Пользователь-аналитик видит мир предприятия многомерным по своей природе, соответственно и OLAP-модель должна быть многомерной в своей основе.

2. Прозрачность . Архитектура OLAP-системы должна быть открытой, позволяя пользователю, где бы он ни находился, связываться при помощи аналитического инструмента – клиента – с сервером.

3. Доступность . Пользователь-аналитик OLAP должен иметь возможность выполнять анализ, базирующийся на общей концептуальной схеме, содержащей данные всего предприятия в реляционной БД, также как и данные из старых наследуемых БД, на общих методах доступа и на общей аналитической модели. OLAP-система должна выполнять доступ только к действительно требующимся данным, а не применять общий принцип "кухонной воронки", который влечет ненужный ввод.

4. Постоянная производительность при разработке отчетов . При увеличении числа измерений или объема базы данных пользователь-аналитик не должен чувствовать существенного снижения производительности.

5. Клиент-серверная архитектура . Большинство данных, которые сегодня требуется подвергать оперативной аналитической обработке, содержатся на мэйнфреймах с доступом на пользовательские рабочие станции через ЛВС. Это означает, что OLAP-продукты должны быть способны работать в среде клиент-сервер.

6. Общая многомерность . Каждое измерение должно применяться безотносительно своей структуры и операционных способностей. Базовые структуры данных, формулы и форматы отчетов не должны смещаться в сторону какого-либо одного измерения.

7. Динамическое управление разреженными матрицами . Физическая схема OLAP-инструмента должна полностью адаптироваться к специфической аналитической модели для оптимального управления разреженными матрицами. Разреженность (измеряется в процентном отношении пустых ячеек ко всем возможным) – это одна из характеристик распространения данных.

8. Многопользовательская поддержка . OLAP-инструмент должен предоставлять возможности совместного доступа запроса и дополнения нескольких пользователей-аналитиков при условии сохранения целостности и безопасности.

9. Неограниченные перекрестные операции . Различные операции вследствие их иерархической природы могут представлять зависимые отношения в OLAP-модели, т. е. являются перекрестными. Их выполнение не должно требовать от пользователя-аналитика вновь определять эти вычисления и операции.

10. Интуитивная манипуляция данными . Взгляд пользователя- аналитика на измерения, определенный в аналитической модели, должен содержать всю необходимую информацию, чтобы выполнять действия с OLAP-моделью, т.е. они не должны требовать использования системы меню или иных множественных операций с пользовательским интерфейсом.

11. Гибкие возможности получения отчетов . Средства формирования отчетов должны представлять собой синтезируемые данные или информацию, следующую из модели данных в ее любой возможной ориентации. Это означает, что строки, столбцы или страницы отчета должны отображать несколько измерений OLAP-модели одновременно с возможностью показать любое подмножество элементов (значений), содержащихся в измерении, причем в любом порядке.

12. Неограниченная размерность и число уровней агрегации . Исследование о возможном числе необходимых измерений, требующихся в аналитической модели, показало, что одновременно пользователем- аналитиком может использоваться до 19 измерений. Отсюда вытекает рекомендация о числе измерений, поддерживаемой OLAP-системой. Более того, каждое из общих измерений не должно быть ограничено по числу определяемых пользователем-аналитиком уровней агрегации.

В качестве специализированных OLAP-систем, предлагаемых в настоящее время на рынке, можно указать CalliGraph, Business Intelligence.

Для решения простых задач анализа данных возможно использовать бюджетное решение – офисные приложения Excel и Access компании Microsoft, которые содержат элементарные средства OLAP-технологии, позволяющие создавать сводные таблицы и строить на их основе различные отчеты.

Применение OLAP системы позволяет автоматизировать стратегический уровень управления организацией. OLAP (Online Analytical Processing – аналитическая обработка данных в реальном времени) представляет собой мощную технологию обработки и исследования данных. Системы, построенные на основе технологии OLAP, предоставляют практически безграничные возможности по составлению отчетов, выполнению сложных аналитических расчетов, построению прогнозов и сценариев, разработке множества вариантов планов.

Полноценные OLAP системы появились в начале 90-х годов, как результат развития информационных систем поддержки принятия решений. Они предназначены для преобразования различных, часто разрозненных, данных, в полезную информацию. OLAP системы могут организовать данные в соответствии с некоторым набором критериев. При этом не обязательно, чтобы критерии имели четкие характеристики.

Свое применение OLAP системы нашли во многих вопросах стратегического управления организацией: управление эффективностью бизнеса, стратегическое планирование, бюджетирование, прогнозирование развития, подготовка финансовой отчетности, анализ работы, имитационное моделирование внешней и внутренней среды организации, хранение данных и отчетности.

Структура OLAP системы

В основе работы OLAP системы лежит обработка многомерных массивов данных. Многомерные массивы устроены так, что каждый элемент массива имеет множество связей с другими элементами. Чтобы сформировать многомерный массив, OLAP система должна получить исходные данные из других систем (например, ERP или CRM системы), или через внешний ввод. Пользователь OLAP системы получает необходимые данные в структурированном виде в соответствии со своим запросом. Исходя из указанного порядка действий, можно представить структуру OLAP системы.

В общем виде, структура OLAP системы состоит из следующих элементов:

база данных . База данных является источником информации для работы OLAP системы. Вид базы данных зависит от вида OLAP системы и алгоритмов работы OLAP сервера. Как правило, используются реляционные базы данных, многомерные базы данных, хранилища данных и т.п.
OLAP сервер . Он обеспечивает управление многомерной структурой данных и взаимосвязь между базой данных и пользователями OLAP системы.
пользовательские приложения . Этот элемент структуры OLAP системы осуществляет управление запросами пользователей и формирует результаты обращения к базе данных (отчеты, графики, таблицы и пр.)

В зависимости от способа организации, обработки и хранения данных, OLAP системы могут быть реализованы на локальных компьютерах пользователей или с использованием выделенных серверов.

Существует три основных способа хранения и обработки данных:

локально . Данные размещаются на компьютерах пользователей. Обработка, анализ и управление данными выполняется на локальных рабочих местах. Такая структура OLAP системы имеет существенные недостатки, связанные со скоростью обработки данных, защищенностью данных и ограниченным применением многомерного анализа.
реляционные базы данных . Эти базы данных используются при совместной работе OLAP системы с CRM системой или ERP системой . Данные хранятся на сервере этих систем в виде реляционных баз данных или хранилищ данных. OLAP сервер обращается к этим базам данных для формирования необходимых многомерных структур и проведения анализа.
многомерные базы данных . В этом случае данные организованы в виде специального хранилища данных на выделенном сервере. Все операции с данными осуществляются на этом сервере, который преобразует исходные данные в многомерные структуры. Такие структуры называют OLAP кубом. Источниками данных для формирования OLAP куба являются реляционные базы данных и/или клиентские файлы. Сервер данных осуществляет предварительную подготовку и обработку данных. OLAP сервер работает с OLAP кубом не имея непосредственного доступа к источникам данных (реляционным базам данных, клиентским файлам и др.).

Виды OLAP систем

В зависимости от метода хранения и обработки данных все OLAP системы могут быть разделены на три основных вида.

1. ROLAP (Relational OLAP – реляционные OLAP системы) – этот вид OLAP системы работает с реляционными базами данных. Обращение к данным осуществляется напрямую в реляционную базу данных. Данные хранятся в виде реляционных таблиц. Пользователи имеют возможность осуществлять многомерный анализ как в традиционных OLAP системах. Это достигается за счет применения инструментов SQL и специальных запросов.

Одним из преимуществ ROLAP является возможность более эффективно осуществлять обработку большого объема данных. Другим преимуществом ROLAP является возможность эффективной обработки как числовых, так и текстовых данных.

К недостаткам ROLAP относится низкая производительность (по сравнению с традиционными OLAP системами), т.к. обработку данных осуществляет сервер OLAP. Другим недостатком является ограничение функциональности из-за применения SQL.

2. MOLAP (Multidimensional OLAP – многомерные OLAP системы). Этот вид OLAP систем относится к традиционным системам. Отличие традиционной OLAP системы, от других систем, заключается в предварительной подготовке и оптимизации данных. Эти системы, как правило, используют выделенный сервер, на котором осуществляется предварительная обработка данных. Данные формируются в многомерные массивы – OLAP кубы.

MOLAP системы являются самыми эффективными при обработке данных, т.к. они позволяют легко реорганизовать и структурировать данные под различные запросы пользователей. Аналитические инструменты MOLAP позволяют выполнять сложные расчеты. Другим преимуществом MOLAP является возможность быстрого формирования запросов и получения результатов. Это обеспечивается за счет предварительного формирования OLAP кубов.

К недостаткам MOLAP системы относится ограничение объемов обрабатываемых данных и избыточность данных, т.к. для формирования многомерных кубов, по различным аспектам, данные приходится дублировать.

3. HOLAP (Hybrid OLAP – гибридные OLAP системы). Гибридные OLAP системы представляют собой объединение систем ROLAP и MOLAP. В гибридных системах постарались объединить преимущества двух систем: использование многомерных баз данных и управление реляционными базами данных. HOLAP системы позволяют хранить большое количество данных в реляционных таблицах, а обрабатываемые данные размещаются в предварительно построенных многомерных OLAP кубах. Преимущества этого вида систем заключаются в масштабируемости данных, быстрой обработке данных и гибком доступе к источникам данных.

Существуют и другие виды OLAP систем, но они в большей степени являются маркетинговым ходом производителей, чем самостоятельным видом OLAP системы.

К таким видам относятся:

WOLAP (Web OLAP). Вид OLAP системы с поддержкой web интерфейса. В этих системах OLAP есть возможность обращаться к базам данных через web интерфейс.
DOLAP (Desktop OLAP). Этот вид OLAP системы дает возможность пользователям загрузить на локальное рабочее место базу данных и работать с ней локально.
MobileOLAP . Это функция OLAP систем, которая позволяет работать с базой данных удаленно, с использованием мобильных устройств.
SOLAP (Spatial OLAP). Этот вид OLAP систем предназначен для обработки пространственных данных. Он появился как результат интеграции географических информационных систем и OLAP системы. Эти системы позволяют обрабатывать данные не только в буквенно-цифровом формате, но и в виде визуальных объектов и векторов.

Преимущества OLAP системы

Применение OLAP системы дает организации возможности по прогнозированию и анализу различных ситуаций, связанных с текущей деятельностью и перспективами развития. Эти системы можно рассматривать как дополнение к системам автоматизации уровня предприятия. Все преимущества OLAP систем напрямую зависят от точности, достоверности и объема исходных данных.

Основными преимуществами OLAP системы являются:

согласованность исходной информации и результатов анализа . При наличии OLAP системы всегда есть возможность проследить источник информации и определить логическую связь между полученными результатами и исходными данными. Снижается субъективность результатов анализа.
проведение многовариантного анализа . Применение OLAP системы позволяет получить множество сценариев развития событий на основе набора исходных данных. За счет инструментов анализа можно смоделировать ситуации по принципу «что будет, если».
управление детализацией . Детальность представления результатов может изменяться в зависимости от потребности пользователей. При этом нет необходимости осуществлять сложные настройки системы и повторять вычисления. Отчет может содержать именно ту информацию, которая необходима для принятия решений.
выявление скрытых зависимостей . За счет построения многомерных связей появляется возможность выявить и определить скрытые зависимости в различных процессах или ситуациях, которые влияют на производственную деятельность.
создание единой платформы . За счет применения OLAP системы появляется возможность создать единую платформу для всех процессов прогнозирования и анализа на предприятии. В частности, данные OLAP системы, являются основой для построения прогнозов бюджета, прогноза продаж, прогноза закупок, плана стратегического развития и пр.

Целью курсовой работы является изучение технологии OLAP, понятие ее реализации и структуры.

В современном мире компьютерные сети и вычислительные системы позволяют анализировать и обрабатывать большие массивы данных.

Большой объем информации сильно усложняет поиск решений, но дает возможность получить намного точнее расчеты и анализ. Для решения такой проблемы существует целый класс информационных систем, выполняющих анализ. Такие системы называют системами поддержки принятия решений (СППР) (DSS, Decision Support System).

Для выполнения анализа СППР должна накапливать информацию, обладая средствами ее ввода и хранения. Всего можно выделить три основные задачи, решаемые в СППР:

· ввод данных;

· хранение данных;

· анализ данных.

Ввод данных в СППР осуществляется автоматически от датчиков, характеризующих состояние среды или процесса, или человеком-оператором.

Если ввод данных осуществляется автоматически от датчиков, то данные накапливаются по сигналу готовности, возникающему при появлении информации или путем циклического опроса. Если же ввод осуществляется человеком, то они должны предоставлять пользователям удобные средства для ввода данных, проверяющих их на правильность ввода, а так же выполнять необходимые вычисления.

При вводе данных одновременно несколькими операторами, необходимо решать проблемы модификации и параллельного доступа одних и тех же данных.

СППР предоставляет аналитику данные в виде отчетов, таблиц, графиков для изучения и анализа, именно поэтому такие системы обеспечивают выполнение функции поддержки принятия решений.

В подсистемах ввода данных, называемых OLTP (On-linetransactionprocessing), реализуется операционная обработка данных. Для их реализации используют обычные системы управления БД (СУБД).

Подсистема анализа может быть построена на основе:

· подсистемы информационно-поискового анализа на базе реляционных СУБД и статических запросов с использованием языка SQL;

· подсистемы оперативного анализа. Для реализации таких подсистем применяется технология оперативной аналитической обработки данных OLAP, использующая концепцию многомерного представления данных;

· подсистемы интеллектуального анализа. Данная подсистема реализует методы и алгоритмы DataMining .

С точки зрения пользователя, OLAP-системы представляют средства гибкого просмотра информации в различных срезах, автоматического получения агрегированных данных, выполнения аналитических операций свёртки, детализации, сравнения во времени. Благодаря всему этому OLAP-системы являются решением с большими преимуществами в области подготовки данных для всех видов бизнес-отчетности, предполагающих представление данных в различных разрезах и разных уровнях иерархии, таких как, отчетов по продажам, различных форм бюджетов и других. OLAP-системы имеет большие плюсы подобного представления и в других формах анализа данных, в том числе для прогнозирования.

1.2 Определение OLAP -систем

Технология комплексного многомерного анализа данных получила название OLAP. OLAP - это ключевой компонент организации ХД.

OLAP-функциональность может быть реализована различными способами, как простейшими, такими как анализ данных в офисных приложениях, так и более сложными - распределенными аналитическими системами, основанными на серверных продуктах.

OLAP (On-LineAnalyticalProcessing) – технология оперативной аналитической обработки данных использующая средства и методы для сбора, хранения и анализа многомерных данных и целях поддержки процессов принятия решений.

Основное назначение OLAP-систем - поддержка аналитической деятельности, произвольных запросов пользователей-аналитиков. Целью OLAP-анализа является проверка возникающих гипотез.

Механизм OLAP является на сегодня одним из популярных методов анализа данных. Есть два основных подхода к решению этой задачи. Первый из них называется Multidimensional OLAP (MOLAP) – реализация механизма при помощи многомерной базы данных на стороне сервера, а второй Relational OLAP (ROLAP) – построение кубов "на лету" на основе SQL запросов к реляционной СУБД. Каждый из этих подходов имеет свои плюсы и минусы. Их сравнительный анализ выходит за рамки этой статьи. Мы же опишем нашу реализацию ядра настольного ROLAP модуля.

Такая задача возникла после применения ROLAP системы, построенной на основе компонентов Decision Cube, входящих в состав Borland Delphi. К сожалению, использование этого набора компонент показало низкую производительность на больших объемах данных. Остроту этой проблемы можно снизить, стараясь отсечь как можно больше данных перед подачей их для построения кубов. Но этого не всегда бывает достаточно.

В Интернете и прессе можно найти много информации об OLAP системах, но практически нигде не сказано о том, как это устроено внутри. Поэтому решение большинства проблем нам давалось методом проб и ошибок.

Схема работы

Общую схему работы настольной OLAP системы можно представить следующим образом:

Алгоритм работы следующий:

Получение данных в виде плоской таблицы или результата выполнения SQL запроса.
Кэширование данных и преобразование их к многомерному кубу.
Отображение построенного куба при помощи кросс-таблицы или диаграммы и т.п. В общем случае, к одному кубу может быть подключено произвольное количество отображений.

Рассмотрим как подобная система может быть устроена внутри. Начнем мы это с той стороны, которую можно посмотреть и пощупать, то есть с отображений.

Отображения, используемые в OLAP системах, чаще всего бывают двух видов – кросс-таблицы и диаграммы. Рассмотрим кросс-таблицу, которая является основным и наиболее распространенным способом отображения куба.

Кросс-таблица

На приведенном ниже рисунке, желтым цветом отображены строки и столбцы, содержащие агрегированные результаты, светло-серым цветом отмечены ячейки, в которые попадают факты и темно-серым ячейки, содержащие данные размерностей.

Таким образом, таблицу можно разделить на следующие элементы, с которыми мы и будем работать в дальнейшем:

Заполняя матрицу с фактами, мы должны действовать следующим образом:

На основании данных об измерениях определить координаты добавляемого элемента в матрице.
Определить координаты столбцов и строк итогов, на которые влияет добавляемый элемент.
Добавить элемент в матрицу и соответствующие столбцы и строки итогов.

При этом нужно отметить то, что полученная матрица будет сильно разреженной, почему ее организация в виде двумерного массива (вариант, лежащий на поверхности) не только нерациональна, но, скорее всего, и невозможна в связи с большой размерностью этой матрицы, для хранения которой не хватит никакого объема оперативной памяти. Например, если наш куб содержит информацию о продажах за один год, и если в нем будет всего 3 измерения – Клиенты (250), Продукты (500) и Дата (365), то мы получим матрицу фактов следующих размеров:

Кол-во элементов = 250 х 500 х 365 = 45 625 000

И это при том, что заполненных элементов в матрице может быть всего несколько тысяч. Причем, чем больше количество измерений, тем более разреженной будет матрица.

Поэтому, для работы с этой матрицей нужно применить специальные механизмы работы с разреженными матрицами. Возможны различные варианты организации разреженной матрицы. Они довольно хорошо описаны в литературе по программированию, например, в первом томе классической книги "Искусство программирования" Дональда Кнута.

Рассмотрим теперь, как можно определить координаты факта, зная соответствующие ему измерения. Для этого рассмотрим подробнее структуру заголовка:

При этом можно легко найти способ определения номеров соответствующей ячейки и итогов, в которые она попадает. Здесь можно предложить несколько подходов. Один из них – это использование дерева для поиска соответствующих ячеек. Это дерево может быть построено при проходе по выборке. Кроме того, можно легко определить аналитическую рекуррентную формулу для вычисления требуемой координаты.

Подготовка данных

Данные, хранящиеся в таблице необходимо преобразовать для их использования. Так, в целях повышения производительности при построении гиперкуба, желательно находить уникальные элементы, хранящиеся в столбцах, являющихся измерениями куба. Кроме того, можно производить предварительное агрегирование фактов для записей, имеющих одинаковые значения размерностей. Как уже было сказано выше, для нас важны уникальные значения, имеющиеся в полях измерений. Тогда для их хранения можно предложить следующую структуру:

При использовании такой структуры мы значительно снижаем потребность в памяти. Что довольно актуально, т.к. для увеличения скорости работы желательно хранить данные в оперативной памяти. Кроме того, хранить можно только массив элементов, а их значения выгружать на диск, так как они будут нам требоваться только при выводе кросс-таблицы.

Библиотека компонентов CubeBase

Описанные выше идеи были положены в основу при создании библиотеки компонентов CubeBase.

TСubeSource осуществляет кэширование и преобразование данных во внутренний формат, а также предварительное агрегирование данных. Компонент TСubeEngine осуществляет вычисление гиперкуба и операции с ним. Фактически, он является OLAP-машиной, осуществляющей преобразование плоской таблицы в многомерный набор данных. Компонент TCubeGrid выполняет вывод на экран кросс-таблицы и управление отображением гиперкуба. TСubeChart позволяет увидеть гиперкуб в виде графиков, а компонент TСubePivote управляет работой ядра куба.

Сравнение производительности

Данный набор компонент показал намного более высокое быстродействие, чем Decision Cube. Так на наборе из 45 тыс. записей компоненты Decision Cube потребовали 8 мин. на построение сводной таблицы. CubeBase осуществил загрузку данных за 7сек. и построение сводной таблицы за 4 сек. При тестировании на 700 тыс. записей Decision Cube мы не дождались отклика в течение 30 минут, после чего сняли задачу. CubeBase осуществил загрузку данных за 45 сек. и построение куба за 15 сек.

На объемах данных в тысячи записей CubeBase отрабатывал в десятки раз быстрее Decision Cube. На таблицах в сотни тысяч записей – в сотни раз быстрее. А высокая производительность – один из самых важных показателей OLAP систем.