Проектирование кубов данных. Создание куба ОLAP средствами Microsoft Query

Рис. 2. Срез OLAP-куба

Вращение (рисунок 3) - операция изменения расположения измерений, представленных в отчете или на отображаемой странице. Например, операция вращения может заключаться в перестановке местами строк и столбцов таблицы. Кроме того, вращением куба данных является перемещение внетабличных измерений на место измерений, представленных на отображаемой странице, и наоборот.

Аннотация: В настоящей лекции рассматриваются основы проектирования кубов данных для OLAP-хранилищ данных. На примере показана методика построения куба данных с помощью CASE-инструмента.

Цель лекции

Изучив материал настоящей лекции, вы будете знать:

• что такое куб данных в OLAP-хранилище данных ;
• как проектировать куб данных для OLAP-хранилищ данных ;
• что такое измерение куба данных ;
• как факт связан с кубом данных ;
• что такое атрибуты измерения ;
• что такое иерархия ;
• что такое метрика куба данных ;

и научитесь:

• строить многомерные диаграммы ;
• проектировать простые многомерные диаграммы .

Введение

Технология OLAP - это не отдельно взятый программный продукт , не язык программирования . Если постараться охватить OLAP во всех его проявлениях, то это совокупность концепций, принципов и требований, лежащих в основе программных продуктов, облегчающих аналитикам доступ к данным.

Аналитики являются основными потребителями корпоративной информации. Задача аналитика состоит в том, чтобы находить закономерности в больших массивах данных. Поэтому аналитик не будет обращать внимания на отдельно взятый факт , что в определенный день покупателю Иванову была продана партия шариковых авторучек, - ему нужна информация о сотнях и тысячах подобных событий. Одиночные факты в ХД могут заинтересовать, к примеру, бухгалтера или начальника отдела продаж, в компетенции которого находится сопровождение определенного контракта. Аналитику одной записи недостаточно - ему, например, может понадобиться информация обо всех контрактах точки продажи за месяц, квартал или год. Аналитика может не интересовать ИНН покупателя или его телефон, - он работает с конкретными числовыми данными, что составляет сущность его профессиональной деятельности.

Централизация и удобное структурирование - это далеко не все, что нужно аналитику. Ему требуется инструмент для просмотра, визуализации информации. Традиционные отчеты, даже построенные на основе единого ХД, лишены, однако, определенной гибкости. Их нельзя "покрутить", "развернуть" или "свернуть", чтобы получить необходимое представление данных. Чем больше "срезов" и "разрезов" данных аналитик может исследовать, тем больше у него идей, которые, в свою очередь , для проверки требуют все новых и новых "срезов". В качестве такого инструмента для исследования данных аналитиком выступает OLAP .

Хотя OLAP и не представляет собой необходимый атрибут ХД, он все чаще и чаще применяется для анализа накопленных в этом ХД сведений.

Оперативные данные собираются из различных источников, очищаются, интегрируются и складываются в ХД. При этом они уже доступны для анализа при помощи различных средств построения отчетов. Затем данные (полностью или частично) подготавливаются для OLAP -анализа. Они могут быть загружены в специальную БД OLAP или оставлены в реляционном ХД. Важнейшим элементом использования OLAP являются метаданные , т. е. информация о структуре, размещении и трансформации данных . Благодаря им обеспечивается эффективное взаимодействие различных компонентов хранилища.

Таким образом, OLAP можно определить как совокупность средств многомерного анализа данных, накопленных в ХД . Теоретически средства OLAP можно применять и непосредственно к оперативным данным или их точным копиям. Однако при этом существует риск подвергнуть анализу данные, которые для этого анализа не пригодны.

OLAP на клиенте и на сервере

В основе OLAP лежит многомерный анализ данных . Он может быть произведен с помощью различных средств, которые условно можно разделить на клиентские и серверные OLAP -средства.

Клиентские OLAP-средства представляют собой приложения, осуществляющие вычисление агрегатных данных (сумм, средних величин, максимальных или минимальных значений) и их отображение, при этом сами агрегатные данные содержатся в кэше внутри адресного пространства такого OLAP-средства .

Если исходные данные содержатся в настольной СУБД , вычисление агрегатных данных производится самим OLAP -средством. Если же источник исходных данных - серверная СУБД , многие из клиентских OLAP -средств посылают на сервер SQL -запросы, содержащие оператор GROUP BY , и в результате получают агрегатные данные, вычисленные на сервере.

Как правило, OLAP -функциональность реализована в средствах статистической обработки данных (из продуктов этого класса на российском рынке широко распространены продукты компаний Stat Soft и SPSS) и в некоторых электронных таблицах. В частности, неплохими средствами многомерного анализа обладает Microsoft Excel 2000. С помощью этого продукта можно создать и сохранить в виде файла небольшой локальный многомерный OLAP -куб и отобразить его двух- или трехмерные сечения.

Многие средства разработки содержат библиотеки классов или компонентов, позволяющие создавать приложения, реализующие простейшую OLAP -функциональность (такие, например, как компоненты Decision Cube в Borland Delphi и Borland C++Builder). Помимо этого многие компании предлагают элементы управления ActiveX и другие библиотеки, реализующие подобную функциональность.

Отметим, что клиентские OLAP -средства применяются, как правило, при малом числе измерений (обычно рекомендуется не более шести) и небольшом разнообразии значений этих параметров - ведь полученные агрегатные данные должны умещаться в адресном пространстве подобного средства, а их количество растет экспоненциально при увеличении числа измерений . Поэтому даже самые примитивные клиентские OLAP -средства, как правило, позволяют произвести предварительный подсчет объема требуемой оперативной памяти для создания в ней многомерного куба.

Многие (но не все) клиентские OLAP -средства позволяют сохранить содержимое кэша с агрегатными данными в виде файла, что, в свою очередь , позволяет не производить их повторное вычисление . Отметим, что нередко такая возможность используется для отчуждения агрегатных данных с целью передачи их другим организациям или для публикации. Типичным примером таких отчуждаемых агрегатных данных является статистика заболеваемости в разных регионах и в различных возрастных группах, которая является открытой информацией, публикуемой министерствами здравоохранения различных стран и Всемирной организацией здравоохранения. При этом собственно исходные данные, представляющие собой сведения о конкретных случаях заболеваний, являются конфиденциальными данными медицинских учреждений и ни в коем случае не должны попадать в руки страховых компаний и тем более становиться достоянием гласности.

Идея сохранения кэша с агрегатными данными в файле получила свое дальнейшее развитие в серверных OLAP-средствах, в которых сохранение и изменение агрегатных данных, а также поддержка содержащего их хранилища осуществляются отдельным приложением или процессом, называемым OLAP-сервером . Клиентские приложения могут запрашивать подобное многомерное хранилище и в ответ получать те или иные данные. Некоторые клиентские приложения могут также создавать такие хранилища или обновлять их в соответствии с изменившимися исходными данными.

Преимущества применения серверных OLAP -средств по сравнению с клиентскими OLAP -средствами сходны с преимуществами применения серверных СУБД по сравнению с настольными: в случае применения серверных средств вычисление и хранение агрегатных данных происходит на сервере, а клиентское приложение получает лишь результаты запросов к ним, что позволяет в общем случае снизить сетевой трафик, время выполнения запросов и требования к ресурсам, потребляемым клиентским приложением. Отметим, что средства анализа и обработка данных масштаба предприятия, как правило, базируются именно на серверных OLAP -средствах, например, таких как Oracle Express Server , Microsoft SQL Server 2000 Analysis Services, Hyperion Essbase, продуктах компаний Crystal Decisions, Business Objects, Cognos, SAS Institute. Поскольку все ведущие производители серверных СУБД производят (либо лицензировали у других компаний) те или иные серверные OLAP -средства, выбор их достаточно широк, и почти во всех случаях можно приобрести OLAP - сервер того же производителя, что и у самого сервера баз данных.

Отметим, что многие клиентские OLAP -средства (в частности, Microsoft Excel 2003, Seagate Analysis и др.) позволяют обращаться к серверным OLAP-хранилищам , выступая в этом случае в роли клиентских приложений, выполняющих подобные запросы. Помимо этого имеется немало продуктов, представляющих собой клиентские приложения к OLAP -средствам различных производителей.

Технические аспекты многомерного хранения данных

В многомерных ХД содержатся агрегатные данные различной степени подробности, например, объемы продаж по дням, месяцам, годам, по категориям товаров и т.п. Цель хранения агрегатных данных - сократить время выполнения запросов, поскольку в большинстве случаев для анализа и прогнозов интересны не детальные, а суммарные данные. Поэтому при создании многомерной базы данных всегда вычисляются и сохраняются некоторые агрегатные данные.

Отметим, что сохранение всех агрегатных данных не всегда оправданно. Дело в том, что при добавлении новых измерений объем данных, составляющих куб, растет экспоненциально (иногда говорят о "взрывном росте" объема данных). Если говорить более точно, степень роста объема агрегатных данных зависит от количества измерений куба и членов измерений на различных уровнях иерархий этих измерений . Для решения проблемы "взрывного роста" применяются разнообразные схемы, позволяющие при вычислении далеко не всех возможных агрегатных данных достичь приемлемой скорости выполнения запросов.

Как исходные, так и агрегатные данные могут храниться либо в реляционных, либо в многомерных структурах. Поэтому в настоящее время применяются три способа хранения данных.

• MOLAP ( Multidimensional OLAP) - исходные и агрегатные данные хранятся в многомерной базе данных. Хранение данных в многомерных структурах позволяет манипулировать данными как многомерным массивом, благодаря чему скорость вычисления агрегатных значений одинакова для любого из измерений . Однако в этом случае многомерная база данных оказывается избыточной, так как многомерные данные полностью содержат исходные реляционные данные.
• ROLAP (Relational OLAP) - исходные данные остаются в той же реляционной базе данных, где они изначально и находились. Агрегатные же данные помещают в специально созданные для их хранения служебные таблицы в той же базе данных.
• HOLAP ( Hybrid OLAP) - исходные данные остаются в той же реляционной базе данных, где они изначально находились, а агрегатные данные хранятся в многомерной базе данных.

Некоторые OLAP -средства поддерживают хранение данных только в реляционных структурах, некоторые - только в многомерных. Однако большинство современных серверных OLAP -средств поддерживают все три способа хранения данных. Выбор способа хранения зависит от объема и структуры исходных данных, требований к скорости выполнения запросов и частоты обновления OLAP -кубов.

Отметим также, что подавляющее большинство современных OLAP -средств не хранит "пустых" значений (примером "пустого" значения может быть отсутствие продаж сезонного товара вне сезона).

Основные понятия OLAP

Тест FAMSI

Технология комплексного многомерного анализа данных получила название OLAP (On-Line Analytical Processing). OLAP - это ключевой компонент организации ХД. Концепция OLAP была описана в 1993 году Эдгаром Коддом, известным исследователем баз данных и автором реляционной модели данных. В 1995 году на основе требований, изложенных Коддом, был сформулирован так называемый тест FASMI (Fast Analysis of Shared Multidimensional Information) - быстрый анализ разделяемой многомерной информации, включающий следующие требования к приложениям для многомерного анализа :

• Fast (Быстрый) - предоставление пользователю результатов анализа за приемлемое время (обычно не более 5 с), пусть даже ценой менее детального анализа;
• Analysis (Анализ) - возможность осуществления любого логического и статистического анализа, характерного для данного приложения, и его сохранения в доступном для конечного пользователя виде;
• Shared (Разделяемый) - многопользовательский доступ к данным с поддержкой соответствующих механизмов блокировок и средств авторизованного доступа;
• Multidimensional (Многомерный) - многомерное концептуальное представление данных, включая полную поддержку для иерархий и множественных иерархий (это ключевое требование OLAP);
• Information (Информация) - приложение должно иметь возможность обращаться к любой нужной информации, независимо от ее объема и места хранения.

Следует отметить, что OLAP-функциональность может быть реализована различными способами, начиная с простейших средств анализа данных в офисных приложениях и заканчивая распределенными аналитическими системами, основанными на серверных продуктах.

Многомерное представление информации

Кубы

OLAP предоставляет удобные быстродействующие средства доступа, просмотра и анализа деловой информации. Пользователь получает естественную, интуитивно понятную модель данных, организуя их в виде многомерных кубов (Cubes) . Осями многомерной системы координат служат основные атрибуты анализируемого бизнес-процесса. Например, для продаж это могут быть товар, регион, тип покупателя. В качестве одного из измерений используется время. На пересечениях осей измерений (Dimensions) находятся данные, количественно характеризующие процесс - меры (Measures). Это могут быть объемы продаж в штуках или в денежном выражении, остатки на складе, издержки и т. п. Пользователь, анализирующий информацию, может "разрезать" куб по разным направлениям, получать сводные (например, по годам) или, наоборот, детальные (по неделям) сведения и осуществлять прочие манипуляции, которые ему придут в голову в процессе анализа.

В качестве мер в трехмерном кубе, изображенном на рис. 26.1 , использованы суммы продаж, а в качестве измерений - время, товар и магазин. Измерения представлены на определенных уровнях группировки: товары группируются по категориям, магазины - по странам, а данные о времени совершения операций - по месяцам. Чуть позже мы рассмотрим уровни группировки (иерархии ) подробнее.

Рис. 26.1.

"Разрезание" куба

Даже трехмерный куб сложно отобразить на экране компьютера так, чтобы были видны значения интересующих мер. Что уж говорить о кубах с количеством измерений , большим трех. Для визуализации данных, хранящихся в кубе, применяются, как правило, привычные двумерные, т. е. табличные представления, имеющие сложные иерархические заголовки строк и столбцов.

Двумерное представление куба можно получить, "разрезав" его поперек вдоль одной или нескольких осей (измерений ): мы фиксируем значения всех измерений , кроме двух, - и получаем обычную двумерную таблицу. В горизонтальной оси таблицы (заголовки столбцов) представлено одно измерение , в вертикальной (заголовки строк) - другое, а в ячейках таблицы - значения мер. При этом набор мер фактически рассматривается как одно из измерений : мы либо выбираем для показа одну меру (и тогда можем разместить в заголовках строк и столбцов два измерения ), либо показываем несколько мер (и тогда одну из осей таблицы займут названия мер, а другую - значения единственного "неразрезанного" измерения ).

Архитектура OLAP-приложений

Все, что говорилось выше про OLAP, по сути, относилось к многомерному представлению данных. То, как данные хранятся, грубо говоря, не волнует ни конечного пользователя, ни разработчиков инструмента, которым клиент пользуется.

Многомерность в OLAP-приложениях может быть разделена на три уровня.

• Многомерное представление данных - средства конечного пользователя, обеспечивающие многомерную визуализацию и манипулирование данными; слой многомерного представления абстрагирован от физической структуры данных и воспринимает данные как многомерные.
• Многомерная обработка - средство (язык) формулирования многомерных запросов (традиционный реляционный язык SQL здесь оказывается непригодным) и процессор, умеющий обработать и выполнить такой запрос.
• Многомерное хранение - средства физической организации данных, обеспечивающие эффективное выполнение многомерных запросов.

Первые два уровня в обязательном порядке присутствуют во всех OLAP-средствах. Третий уровень, хотя и является широко распространенным, не обязателен, так как данные для многомерного представления могут извлекаться и из обычных реляционных структур; процессор многомерных запросов в этом случае транслирует многомерные запросы в SQL-запросы, которые выполняются реляционной СУБД.

Конкретные OLAP-продукты, как правило, представляют собой либо средство многомерного представления данных (OLAP-клиент - например, Pivot Tables в Excel 2000 фирмы Microsoft или ProClarity фирмы Knosys), либо многомерную серверную СУБД (OLAP-сервер - например, Oracle Express Server или Microsoft OLAP Services).

Слой многомерной обработки обычно бывает встроен в OLAP-клиент и/или в OLAP-сервер, но может быть выделен в чистом виде, как, например, компонент Pivot Table Service фирмы Microsoft.

/ В кубистической манере. Применение OLAP-кубов в практике управления крупных компаний

Вконтакте

Одноклассники

Константин Токмачев , системный архитектор

В кубистической манере.
Применение OLAP-кубов в практике управления крупных компаний

Возможно, уже прошло то время, когда вычислительные ресурсы корпорации тратились только на регистрацию информации и бухгалтерскую отчетность. При этом управленческие решения принимались «на глазок» в кабинетах, на совещаниях и заседаниях. Возможно, и в России пора вернуть корпоративным вычислительным комплексам их главный ресурс – решение задач управления на основе зарегистрированных в компьютере данных

О пользе бизнес-аналитики

В контуре управления корпорацией между «сырыми» данными и «рычагами» воздействия на управляемый объект располагаются «показатели работы» – KPI. Они образуют как бы «приборное табло», отражающее состояние различных подсистем управляемого объекта. Оснастить фирму информативными показателями работы и контролировать их расчет и полученные значения – труд бизнес-аналитика. Существенную помощь в организации аналитической работы корпорации способны оказать автоматизированные службы анализа, такие как утилита MS SQL Server Analysis Services (SSAS) и ее главный диспозитив – OLAP-куб.

Прямо здесь нужно сделать еще одно замечание. Скажем, в американской традиции специальность, ориентированная на работу с OLAP-кубами, называется BI (Business Intelligence) . Не должно быть никаких иллюзий, будто бы американское BI соответствует русскому «бизнес-аналитик». Без обид, но нередко наш бизнес-аналитик – это «недобухгалтер» и «недопрограммист», специалист с нечеткими знаниями и с небольшим окладом, реально не обладающий никаким собственным инструментарием и методологией.

Специалист же BI – это, по сути, прикладной математик, высококлассный специалист, ставящий на вооружение фирмы современные математические методы (то, что называлось Operations Researh – методы исследования операций). BI больше соответствует бывшей когда-то в СССР специальности «системный аналитик», выпускавшейся факультетом ВМК МГУ им. М.В. Ломоносова. OLAP-куб и службы анализа могут стать перспективной основой рабочего места русского бизнес-аналитика, возможно, после некоторого повышения его квалификации в сторону американского BI.

В последнее время возникла еще одна вредная тенденция. Благодаря специализации утрачено взаимопонимание между разными категориями работников корпорации. Бухгалтер, менеджер и программист, как «лебедь, рак да щука» в басне И.А. Крылова, тянут корпорацию в разные стороны.

Бухгалтер занят отчетностью, его суммы и по смыслу и по динамике не имеют прямого отношения к бизнес-процессу фирмы.

Менеджер занят своим отрезком бизнес-процесса, но не способен оценить глобально, на уровне фирмы в целом, итоги и перспективы своих действий.

Наконец, программист, бывший когда-то (благодаря образованию) проводником передовых технических идей из сферы науки в сферы бизнеса, превратился в пассивного исполнителя фантазий бухгалтера и менеджера, так что уже не редкость, когда ИТ-отделами корпораций подруливают бухгалтеры и вообще все, кому не лень. Безынициативный, малограмотный, но относительно высокооплачиваемый программист 1С – настоящий бич российских корпораций. (Почти как отечественный футболист.) О так называемых «экономистов и юристов» я уже не говорю, о них давно все сказано.

Так вот, позиция бизнес-аналитика, оснащенного наукоемким аппаратом SSAS, владеющего азами программирования и бухучета, способна консолидировать работу фирмы в отношении анализа и прогноза бизнес-процесса.

Преимущества OLAP-кубов

OLAP-куб – это современное средство анализа базы данных корпоративной вычислительной системы, позволяющее обеспечить сотрудников всех уровней иерархии требуемым набором показателей, которые характеризуют производственный процесс фирмы. Дело не только в том, что удобный интерфейс и гибкий язык запросов к кубу MDX (MultiDimensional eXpressions) позволяют сформулировать и вычислить необходимые аналитические показатели, но в замечательной скорости и легкости, с которой это делает OLAP-куб. Причем эти скорость и легкость, в известных пределах, не зависят от сложности расчетов и объема базы данных.

Некоторое представление об OLAP-
кубе может дать «сводная таблица» MS Excel. У этих объектов схожая логика и похожие интерфейсы. Но, как будет видно из статьи, функциональность OLAP несравненно богаче, а производительность несравненно выше, так что «сводная таблица» остается локальным настольным продуктом, тогда как OLAP – продукт корпоративного уровня.

Почему OLAP-куб так хорошо подходит для решения аналитических задач? OLAP-куб устроен так, что все показатели во всех возможных разрезах заранее вычислены (полностью или частично), и пользователю остается только «вытянуть» мышью требуемые показатели (измерения measures) и разрезы (размерности dimensions), а программе – перерисовать таблички.

Все возможные аналитики во всех разрезах образуют одно огромное поле, вернее, не поле, а как раз многомерный OLAP-куб. С каким бы запросом пользователь (менеджер, бизнес-аналитик, руководитель) ни обратился к службе аналитики, скорость ответа объясняется двумя вещами: во-первых, требуемая аналитика может быть легко сформулирована (либо выбрана из списка по имени, либо задана формулой на языке MDX), во-вторых, как правило, она уже вычислена.

Формулировка аналитики возможна в трех вариантах: это либо поле базы данных (вернее, поле warehouse), либо расчетное поле calculation, определяемое на уровне дизайна куба, либо выражение языка MDX при интерактивной работе с кубом.

Это означает сразу несколько привлекательных особенностей OLAP-кубов. По сути, исчезает барьер между пользователем и данными. Барьер в виде прикладного программиста, которому, во-первых, нужно объяснить проблему (поставить задачу). Во-вторых, придется подождать, пока прикладной программист создаст алгоритм, напишет и отладит программу, потом ее, возможно, будет модифицировать. Если сотрудников много и их требования разнообразны и изменчивы, то нужна целая команда прикладных программистов. В этом смысле OLAP-куб (и квалифицированный бизнес-аналитик) в плане аналитической работы заменяет целую команду прикладных программистов, подобно тому, как мощный экскаватор с экскаваторщиком при рытье канавы заменяет целую бригаду гастарбайтеров с лопатами!

При этом достигается еще одно весьма важное качество получаемых аналитических данных. Поскольку OLAP-куб – один на всю фирму, т.е. это одно и то же поле с аналитиками на всех, то исключается досадный разнобой в данных. Когда руководителю приходится задавать одну и ту же задачу нескольким независимым сотрудникам, чтобы исключить фактор субъективности, а они все равно приносят разные ответы, которые каждый берется как-то объяснить, и т.п. OLAP-куб обеспечивает единообразие аналитических данных на разных уровнях корпоративной иерархии, т.е. если руководитель захочет детализировать некий интересующий его показатель, то он непременно придет к данным более низкого уровня, с которыми работает его подчиненный, причем это будут как раз те данные, на основании которых рассчитан показатель более высокого уровня, а не какие-то еще данные, полученные каким-то другим путем, в какое-то другое время и т.п. То есть вся фирма видит одну и ту же аналитику, но на разных уровнях укрупнения.

Приведем пример. Допустим, руководитель контролирует дебиторскую задолженность. Пока KPI просроченной дебиторской задолженности «горит зеленым светом», значит, все в норме, никаких управленческих действий не требуется. Если цвет изменился на желтый или красный – что-то не так: разрезаем KPI по отделам продаж и сразу видим подразделения «в красном». Следующий разрез по менеджерам – и продавец, чьи клиенты просрочили платежи, определен. (Далее сумму просрочки можно разрезать по покупателям, по срокам и т.п.) Руководитель корпорации может прямо обратиться к нарушителям на любом уровне. Но вообще-то тот же KPI (на своих уровнях иерархии) видят и начальники отделов, и менеджеры по продажам. Поэтому, чтобы исправить ситуацию, им даже не нужно ждать «вызова на ковер»… Разумеется, сам KPI по смыслу не обязательно должен быть суммой просрочки – он может быть средневзвешенным сроком просрочки или вообще скоростью оборота дебиторской задолженности.

Отметим, что комплексность и гибкость языка MDX совместно с быстрым (порой, мгновенным) получением результата позволяет решать (с учетом этапов разработки и отладки) сложные задачи управления, которые в иных условиях, возможно, вообще не ставились бы из-за трудоемкости для прикладных программистов и исходной неопределенности в постановке. (Затянутые сроки решения прикладными программистами аналитических задач из-за плохо понятой постановки и долгие модификации программ при изменении условий часто встречаются на практике.)

Обратим внимание еще и на то, что каждый сотрудник фирмы может собрать с общего поля аналитик OLAP именно тот урожай, что ему требуется для работы, а не довольствоваться той «полоской», которая ему нарезана в коммунальных «стандартных отчетах».

Многопользовательский интерфейс работы с OLAP-кубом в режиме клиент-сервер позволяет каждому работнику независимо от других иметь свои (даже собственного изготовления при некотором навыке) блоки аналитики (отчеты), которые, будучи раз определены, автоматически обновляются – проще говоря, всегда находятся в актуальном состоянии.

То есть OLAP-куб позволяет сделать аналитическую работу (которой вообще-то занимаются не только записные аналитики, но, по сути, почти все сотрудники фирмы, даже логисты и менеджеры, контролирующие остатки и отгрузки) более избирательной, «с лица не общим выраженьем», что создает условия для совершенствования работы и повышения производительности труда.

Подводя итог нашему введению, отметим, что применение OLAP-кубов способно поднять управление фирмой на более высокий уровень. Единообразие аналитических данных на всех уровнях иерархии, их достоверность, комплексность, легкость создания и модификации показателей, индивидуальность настройки, высокая скорость обработки данных, наконец, экономия средств и времени, потраченных на поддержку альтернативных путей аналитики (прикладные программисты, самостоятельные расчеты работника), открывают перспективы применения OLAP-кубов в практике крупных российских компаний.

OLTP + OLAP: контур обратной связи в цепи управления фирмой

Теперь рассмотрим общую идею OLAP-кубов и их точку приложения в управленческой цепи корпорации. Термин OLAP (OnLine Analytical Processing) был введен британским математиком Едгаром Коддом в дополнение к им же ранее введенному термину OLTP (OnLine Transactions Processing). Об этом еще будет сказано, но Е. Кодд, разумеется, предложил не только термины, но и математические теории OLTP и OLAP. Не вдаваясь в детали, в современной интерпретации OLTP – это реляционная база данных, рассмотренная как механизм регистрации, хранения и выборки информации .

Методология решения

Такие ERP-системы (Enterprice Resource Planning), как 1С7, 1С8, MS Dynamics AX, имеют программные интерфейсы, ориентированные на пользователя (ввод и корректировка документов и т.п.), и реляционную базу данных (DB) для хранения и выборки информации, представленную сегодня программными продуктами типа MS SQL Server (SS).

Отметим, что информация, зарегистрированная в базе данных ERP-системы, и в самом деле представляет весьма ценный ресурс. Дело не только в том, что зарегистрированная информация обеспечивает текущий документооборот корпорации (выписку документов, их корректировку, возможность распечатки и сверки и т.п.) и не только в возможности расчета бухгалтерской отчетности (налоги, аудит и т.п.). С точки зрения управления намного важнее, что OLTP-система (реляционная база данных) – это, по сути, актуальная цифровая модель деятельности корпорации в натуральную величину.

Но, чтобы управлять процессом, недостаточно регистрировать информацию о нем. Процесс должен быть представлен в виде системы числовых показателей (KPI), характеризующих его ход. Кроме того, для показателей должны быть определены допустимые интервалы значений. И только если значение показателя выходит за пределы допустимого интервала, должно последовать управляющее воздействие.

Относительно подобной логики (или мифологии) управления («управление по отклонению») сходятся и древнегреческий философ Платон, создавший образ кормчего (киберноса), который налегает на весло, когда лодка отклоняется от курса, и американский математик Норберт Винер, создавший науку кибернетику в преддверии эры компьютеров.

Кроме привычной системы регистрации информации методом OLTP, нужна еще одна система – система анализа собранной информации. Эта надстройка, которая в контуре управления играет роль обратной связи между руководством и объектом управления, и есть система OLAP или, короче говоря, OLAP-куб.

В качестве программной реализации OLAP мы будем рассматривать утилиту MS Analysis Services, входящую в состав стандартной поставки MS SQL Server, сокращенно SSAS. Отметим, что по замыслу Е. Кодда OLAP-куб в аналитике должен дать ту же исчерпывающую свободу действий, которую система OLTP и реляционная база данных (SQL Server) дают в хранении и выборке информации.

Материально-техническое обеспечение OLAP

Теперь рассмотрим конкретную конфигурацию внешних устройств, прикладных программ и технологических операций, на которых основана автоматизированная работа OLAP-куба.

Будем считать, что корпорация использует ERP-систему, например, 1С7 или 1С8, в рамках которой в обычном порядке идет регистрация информации. База данных этой ERP-системы располагается на некоем сервере и поддерживается программой MS SQL Server.

Будем считать также, что на другом сервере установлено матобеспечение, включающее MS SQL Server с утилитой MS Analysis Services (SSAS), а также программы MS SQL Server Managment Studio, MS C#, MS Excel и MS Visual Studio. Эти программы в совокупности образуют требуемый контекст: инструментарий и необходимые интерфейсы разработчика OLAP-кубов.

На сервере SSAS установлена свободно распространяемая программа blat, вызываемая (с параметрами) из командной строки и обеспечивающая почтовый сервис.

На рабочих станциях сотрудников, в рамках локальной сети, среди прочего установлены программы MS Excel (версии не менее 2003), а также, возможно, специальный драйвер для обеспечения работы MS Excel с MS Analysis Services (если только соответствующий драйвер уже не включен в MS Excel).

Для определенности будем считать, что на рабочих станциях сотрудников установлена операционная система Windows XP, а на серверах – Windows Server 2008. Кроме того, пусть в качестве SQL Server используется MS SQL Server 2005, причем на сервере с OLAP-кубом установлены Enterprise Edition (EE) или Developer Edition (DE). В этих редакциях возможно использовать т.н. «полуаддитивные меры», т.е. дополнительные агрегатные функции (статистики), отличные от обычных сумм (например, экстремум или среднее значение).

Дизайн OLAP-куба (OLAP-кубизм)

Скажем несколько слов о дизайне самого OLAP-куба. На языке статистики OLAP-куб – это множество показателей работы, рассчитанных во всех необходимых разрезах, например, показатель отгрузки в разрезах по покупателям, по товарам, по датам и т.п. Из-за прямого перевода с английского в русской литературе по OLAP-кубам показатели называются «мерами», а разрезы – «размерностями». Это математически корректный, но синтаксически и семантически не очень удачный перевод. Русские слова «мера», «измерение», «размерность» почти не отличаются по смыслу и написанию, в то время как английские «measure» и «dimension» отличны и по написанию и по смыслу. Поэтому мы отдаем предпочтение аналогичным по смыслу традиционным русским статистическим терминам «показатель» и «разрез».

Существует несколько вариантов программной реализации OLAP-куба в отношении OLTP-системы, где идет регистрация данных. Мы рассмотрим только одну схему, самую простую, надежную и быструю.

В этой схеме OLAP и OLTP не имеют общих таблиц, и аналитики OLAP рассчитываются максимально детально на стадии обновления куба (Process), предшествующей стадии использования. Эта схема называется MOLAP (Multidimensional OLAP). Ее минусы – асинхронность с ERP и большие затраты памяти.

Хотя формально OLAP-куб можно построить с использованием в качестве источника данных всех (тысяч) таблиц реляционной базы данных ERP-системы и всех (сотен) их полей в качестве показателей или разрезов, реально этого делать не стоит. Наоборот. Для загрузки в куб правильнее подготовить отдельную базу данных, называемую «витрина» или «хранилище» (warehouse).

Несколько причин заставляют поступить именно так.

• Во-первых, привязка OLAP-куба к таблицам реальной базы данных наверняка создаст технические проблемы. Изменение данных в таблице может инициировать обновление куба, а обновление куба – не обязательно быстрый процесс, так что куб будет в состоянии перманентной перестройки; при этом еще процедура обновления куба может блокировать (при чтении) данные таблиц базы, тормозя работу пользователей по регистрации данных в ERP-системе.
• Во-вторых , наличие слишком большого количества показателей и разрезов резко увеличит область хранения куба на сервере. Не забудем, что в OLAP-кубе хранятся не только исходные данные, как в OLTP-системе, а еще и все показатели, просуммированные по всем возможным разрезам (и даже по всем сочетаниям всех разрезов). Кроме того, соответственно, замедлятся скорость обновления куба и в конце концов скорость построения и обновления аналитик и основанных на них пользовательских отчетов.
• В-третьих , слишком большое количество полей (показателей и разрезов) создаст проблемы в интерфейсе разработчика OLAP, т.к. списки элементов станут необозримы.
• В-четвертых, OLAP-куб весьма чувствителен к нарушениям целостности данных. Куб не может быть построен, если ключевые данные не находятся по ссылке, прописанной в структуре связей полей куба. Временное или постоянное нарушение целостности, незаполненные поля – обычное дело в базе данных ERP-системы, но это категорически не годится для OLAP.

Можно еще добавить, что ERP-систему и OLAP-куб следует располагать на разных серверах, чтобы разделить нагрузку. Но тогда при наличии общих таблиц для OLAP и OLTP возникает еще и проблема сетевого трафика. Практически неразрешимые -проблемы появляются в этом случае при необходимости консолидации в один OLAP-куб нескольких разнородных ERP-систем (1С7, 1С8, MS Dynamics AX).

Наверное, можно и дальше громоздить технические проблемы. Но самое главное, вспомним, что, в отличие от OLTP, OLAP – не средство регистрации и хранения данных, а средство аналитики. Это означает, что не нужно «на всякий случай» грузить и грузить «грязные» данные из ERP в OLAP. Наоборот, нужно сначала выработать концепцию управления фирмой, хотя бы на уровне системы KPI, и далее сконструировать прикладное хранилище данных (warehouse), расположенное на том же сервере, что и OLAP-куб, и содержащее небольшое рафинированное количество данных из ERP, необходимых для управления.

Не пропагандируя дурные привычки, OLAP-куб в отношении OLTP можно уподобить известному «перегонному кубу», посредством которого из «забродившей массы» реальной регистрации извлекается «чистый продукт».

Итак, мы получили, что источник данных для OLAP – это специальная база данных (warehouse), расположенная на том же сервере, что и OLAP. Вообще это означает две вещи. Во-первых, должны существовать особые процедуры, которые будут создавать warehouse из баз данных ERP. Во-вторых, OLAP-куб асинхронен со своими ERP-системами.

Учитывая сказанное выше, предлагаем следующий вариант архитектуры вычислительного процесса.

Архитектура решения

Пусть на разных серверах располагается множество ERP-систем некой корпорации (холдинга), аналитические данные по которым мы хотели бы консолидировано видеть в пределах одного OLAP-куба. Подчеркнем, что в описываемой технологии мы объединяем данные ERP-систем на уровне warehouse, оставляя неизменным дизайн OLAP-куба.

На сервере OLAP мы создаем образы (пустые копии) баз данных всех этих ERP-систем. На эти пустые копии мы периодически (еженощно) выполняем частичную репликацию баз данных соответствующих активно работающих ERP.

Далее запускаются SP (stored procedure), которые на том же сервере OLAP без сетевого трафика на основе частичных реплик баз данных ERP-систем создают (или пополняют) хранилище (warehouse) – источник данных OLAP-куба.

Потом запускается стандартная процедура обновления/построения куба по данным warehouse (операция Process в интерфейсе SSAS).

Прокомментируем отдельные моменты технологии. Какую работу выполняют SP?

В результате частичной репликации, в образе некоторой ERP-системы на сервере OLAP появляются актуальные данные. Кстати, частичная репликация может выполняться двумя способами.

Во-первых, из всех таблиц базы данных ERP-системы в ходе частичной репликации копируются лишь те, что нужны для построения warehouse. Это управляется фиксированным списком имен таблиц.

Во-вторых, частичность репликации может означать также, что копируются не все поля таблицы, а лишь те, что участвуют в построении warehouse. Список полей для копирования либо задается, либо динамически создается в SP по образу копии (если в копии таблицы исходно имеются не все поля).

Конечно, возможно не копировать строки таблиц целиком, но только добавлять новые записи. Однако это создает серьезные неудобства при учете редакций ERP «задним числом», что часто встречается в реально работающих системах. Так что проще, не мудрствуя лукаво, копировать все записи (или обновлять «хвост» начиная с некоторой даты).

Далее, главная задача SP – преобразовать данные ERP-систем к формату warehouse. Если имеется только одна ERP-система, то задача преобразования в основном сводится к выкопировке и, возможно, переформатированию нужных данных. Но если в одном и том же OLAP-кубе необходимо консолидировать несколько ERP-систем разной структуры, то преобразования усложняются.

Особенно сложной является задача консолидации в кубе нескольких различных ERP-систем, если множества их объектов (справочники товаров, контрагентов, складов и т.п.) частично пересекаются, объекты имеют один смысл, но естественно по-разному описаны в справочниках разных систем (в смысле кодов, идентификаторов, названий и т.п.).

Реально такая картина возникает в большом холдинге, когда несколько составляющих его автономных однотипных компаний осуществляют примерно одни и те же виды деятельности примерно на одной и той же территории, но используют собственные и не согласованные системы регистрации. В этом случае при консолидации данных на уровне warehouse не обойтись без вспомогательных таблиц мэппинга.

Уделим некоторое внимание архитектуре хранилища warehouse. Обычно схему OLAP-куба представляют в виде «звезды», т.е. как таблицу данных, окруженную «лучами» справочников – таблицами значений вторичных ключей. Таблица – это блок «показателей», справочники – это их разрезы. При этом справочник, в свою очередь, может быть произвольным несбалансированным деревом или сбалансированной иерархией, например, многоуровневой классификацией товаров или контрагентов. В OLAP-кубе числовые поля таблицы данных из warehouse автоматически становятся «показателями» (или измерениями measures), а посредством таблиц вторичных ключей могут быть определены разрезы (или размерности dimensions).

Это наглядное «педагогическое» описание. На самом деле архитектура OLAP-куба может быть значительно сложнее.

Во-первых, warehouse может состоять из нескольких «звездочек», возможно, связанных через общие справочники. В этом случае OLAP-куб будет объединением нескольких кубов (нескольких блоков данных).

Во-вторых, «луч» звездочки может быть не одним справочником, но целой (иерархической) файловой системой.

Во-третьих, на базе существующих разрезов dimension средствами интерфейса разработчика OLAP могут быть определены новые иерархические разрезы (скажем, с меньшим числом уровней, с другим порядком уровней и т.п.)

В-четвертых, на базе существующих показателей и разрезов при использовании выражения языка MDX могут быть определены новые показатели (calculations). Важно отметить, что новые кубы, новые показатели, новые разрезы автоматически полностью интегрированы с исходными элементами. Следует отметить также, что неудачно сформулированные показатели calculations и иерархические разрезы могут заметно затормозить работу OLAP-куба.

MS Excel как интерфейс с OLAP

Отдельный интерес представляет интерфейс пользователя с OLAP-кубами. Естественно наиболее полный интерфейс предоставляет сама утилита SSAS. Это и инструментарий разработчика OLAP-кубов, и интерактивный конструктор отчетов, и окно интерактивной работы с OLAP-кубом посредством запросов на языке MDX.

Кроме самого SSAS, существует много программ, обеспечивающих интерфейс с OLAP, в большей или меньшей степени охватывающих их функциональность. Но среди них есть одна, которая, на наш взгляд, имеет неоспоримые преимущества. Это MS Excel.

Интерфейс с MS Excel обеспечивает специальный драйвер, отдельно загружаемый или включенный в поставку Excel. Он не охватывает всей функциональности OLAP, но с ростом номеров версий MS Excel этот охват становится все шире (скажем, в MS Excel 2007 появляется графическое изображение KPI, чего не было в MS Excel 2003 и т.п.).

Разумеется, кроме достаточно полной функциональности, главное преимущество MS Excel – повсеместное распространение этой программы и тесное знакомство с ней подавляющего числа офисных пользователей. В этом смысле в отличие от других интерфейсных программ фирме ничего не нужно дополнительно приобретать и никого не нужно дополнительно обучать.

Большим преимуществом MS Excel как интерфейса с OLAP является возможность дальнейшей самостоятельной обработки данных, полученных в отчете OLAP (т.е. продолжение исследования данных, полученных из OLAP на других листах того же Excel, уже не средствами OLAP, но обычными средствами Excel).

Еженощный цикл обработки facubi

Теперь опишем ежедневный (еженощный) вычислительный цикл эксплуатации OLAP. Расчет ведется под контролем программы facubi, написанной на C# 2005 и запускаемой посредством Task Scheduler на сервере с warehouse и SSAS. В начале facubi обращается к интернету и считывает текущие курсы валют (используются для представления ряда показателей в валюте). Далее выполняются следующие действия.

Во-первых, facubi запускает SP, выполняющие частичную репликацию баз данных различных ERP-систем (элементов холдинга), доступных в локальной сети. Репликация выполняется, как мы говорили, на заранее подготовленные «подворья» – образы удаленных ERP-систем, расположенные на сервере SSAS.

Во-вторых, посредством SP выполняется отображение из реплик ERP на хранилище warehouse – особую DB, являющуюся источником данных OLAP-куба и расположенную на сервере SSAS. При этом решаются три главные задачи:

• данные ERP подводятся под требуемые форматы куба; речь идет и о таблицах, и о полях таблиц. (Иногда требуемую таблицу нужно «вылепить», скажем, из нескольких листов MS Excel.) Аналогичные данные могут иметь разный формат в разных ERP, например, ключевые поля ID в справочниках 1С7 имеют 36-значный символьный код длиной 8, а поля _idrref в справочниках 1С8 – шестнадцатеричные числа длиной 32;
• по ходу обработки ведется логический контроль данных (в том числе прописывание «умолчаний» default на месте пропущенных данных, где это возможно) и контроль целостности, т.е. проверка наличия первичных и вторичных ключей в соответствующих классификаторах;
• консолидация кодов объектов, имеющих один и тот же смысл в разных ERP. Например, соответствующие элементы справочников разных ERP могут иметь один и тот же смысл, скажем, это один и тот же контрагент. Задача консолидации кодов решается посредством построения таблиц мэппинга, где различные коды одних и тех же объектов приводятся к единству.

В-третьих, facubi запускает стандартную процедуру обновления данных куба Process (из состава процедур утилиты SSAS).

Согласно контрольным спискам программа facubi рассылает почтовые сообщения о ходе выполнения этапов обработки.

Выполнив facubi, Task Scheduler запускает по очереди несколько файлов excel, в которых заранее созданы отчеты на базе показателей OLAP-куба. Как мы говорили, MS Excel имеет специальный программный интерфейс (отдельно загружаемый или встроенный драйвер) для работы с OLAP-кубами (с SSAS). При запуске MS Excel включаются программы на MS VBA (типа макросов), которые обеспечивают обновление данных в отчетах; отчеты при необходимости модифицируются и рассылаются по почте (программа blat) пользователям согласно контрольным спискам.

Пользователи локальной сети, имеющие доступ к SSAS-серверу, получат «живые» отчеты, настроенные на OLAP-куб. (В принципе они сами, без всякой почты, могут обновлять OLAP-отчеты в MS Excel, лежащие на их локальных компьютерах.) Пользователи вне локальной сети либо получат оригинальные отчеты, но с ограниченной функциональностью, либо для них (после обновления OLAP-отчетов в MS Excel) будут вычислены особые «мертвые» отчеты, не обращающиеся к серверу SSAS.

Оценка результатов

Мы говорили выше об асинхронности OLTP и OLAP. В рассматриваемом варианте технологии цикл обновления OLAP-куба выполняется ночью (скажем, запускается в 1 час ночи). Это означает, что в текущем рабочем дне пользователи работают со вчерашними данными. Поскольку OLAP – это не средство регистрации (посмотреть последнюю редакцию документа), а средство управления (понять тенденцию процесса), такое отставание обычно не критично. Впрочем, при необходимости даже в описанном варианте архитектуры куба (MOLAP) обновление возможно проводить несколько раз в сутки.

Время выполнения процедур обновления зависит от особенностей конструкции OLAP-куба (большей или меньшей комплексности, более или менее удачных определений показателей и разрезов) и от объема баз данных внешних OLTP-систем. По опыту процедуры построения warehouse занимают от нескольких минут до двух часов, процедура обновления куба (Process) – от 1 до 20 минут. Речь идет о комплексных OLAP-кубах, объединяющих десятки структур типа «звездочка», о десятках общих «лучей» (справочников-разрезов) для них, о сотнях показателей. Оценивая объемы баз данных внешних ERP-систем по документам отгрузки, мы говорим о сотнях тысяч документов и, соответственно, миллионах товарных строк в год. Историческая глубина обработки, интересующая пользователя, составляла три – пять лет.

Описанная технология эксплуатируется в ряде крупных корпораций: с 2008 года в «Русской рыбной компании» (РРК) и компании «Русское море» (РМ), с 2012 года в компании «Санта-Бремор» (СБ). Часть корпораций является по преимуществу торгово-закупочными фирмами (РРК), другие – производственными (заводы по переработке рыбы и морепродуктов РМ и СБ). Все корпорации являются крупными холдингами, объединяющими по несколько фирм с независимыми и различными системами компьютерного учета – начиная от стандартных ERP-систем типа 1C7 и 1C8 и заканчивая «реликтовыми» учетными системами на базе DBF и Excel. Добавлю, что описанная технология эксплуатации OLAP-кубов (без учета этапа разработки) либо вообще не требует специальных сотрудников, либо входит в круг обязанностей одного штатного бизнес-аналитика. Задача годами крутится в автоматическом режиме, ежедневно снабжая различные категории сотрудников корпораций актуальной отчетностью.

Плюсы и минусы решения

Как показывает опыт, вариант предложенного решения достаточно надежен и прост в эксплуатации. Он легко модифицируется (подключение/отключение новых ERP, создание новых показателей и разрезов, создание и модификация Excel-отчетов и списков их почтовой рассылки) при инвариантности управляющей программы facubi.

MS Excel как интерфейс с OLAP обеспечивает достаточную выразительность и позволяет быстро приобщиться к OLAP-технологии разным категориям офисных сотрудников. Пользователь получает ежедневные «стандартные» OLAP-отчеты; используя интерфейс MS Excel с OLAP, может самостоятельно создавать OLAP-отчеты в MS Excel. Кроме того, пользователь может самостоятельно продолжить исследование информации OLAP-отчетов, используя обычные возможности своего MS Excel.

«Рафинированная» БД warehouse, в которой консолидировано (в ходе построения куба) несколько разнородных ERP-систем, даже без всякого OLAP позволяет решать (на сервере SSAS, методом запросов на языке Transact SQL или методом SP и др.) множество прикладных задач управления. Напомним, структура БД warehouse унифицирована и существенно проще (в плане количества таблиц и числа полей таблиц), чем структуры БД исходных ERP.

Особо отметим, что в предложенном нами решении имеется возможность консолидации в одном OLAP-кубе различных ERP-систем. Это позволяет получить аналитику по всему холдингу и сохранить многолетнюю преемственность в аналитике при переходе корпорации на другую учетную ERP-систему, скажем, при переходе от 1C7 к 1С8.

Мы использовали модель куба MOLAP. Плюсы этой модели – надежность в эксплуатации и высокая скорость обработки запросов пользователя. Минусы – асинхронность OLAP и OLTP, а также большие объемы памяти для хранения OLAP.

В заключение приведем еще один аргумент в пользу OLAP, который, возможно, был бы более уместным в Средние века. Поскольку его доказательная сила покоится на авторитете. Скромный, явно недооцененный британский математик Е. Кодд в конце 60-х годов разработал теорию реляционных БД. Сила этой теории была такова, что сейчас, по прошествии 50 лет, уже трудно найти базу данных не реляционного типа и язык запроса к БД, отличный от SQL.

Технология OLTP, основанная на теории реляционных БД, была первой идеей Е. Кодда. По сути, концепция OLAP-кубов – это вторая его идея, высказанная им в начале 90-х годов. Даже не будучи математиком, вполне можно ожидать, что вторая идея окажется столь же эффективной, как первая. То есть в плане компьютерной аналитики идеи OLAP скоро захватят мир и вытеснят все другие. Просто потому, что тема аналитики находит в OLAP свое исчерпывающее математическое решение, и это решение «адекватно» (термин Б. Спинозы) практической задаче аналитики. «Адекватно» же означает у Спинозы, что и сам Бог не придумал бы лучше…

1. Ларсон Б. Разработка бизнес-аналитики в Microsoft SQL Server 2005. – СПб.: «Питер», 2008.
2. Codd E. Relational Completeness of Data Base Sublanguages, Data Base Systems, Courant Computer Science Sumposia Series 1972, v. 6, Englwood cliffs, N.Y., Prentice – Hall.

Вконтакте

Что такое OLAP сегодня, в общем-то знает каждый специалист. По крайней мере, понятия "OLAP" и "многомерные данные" устойчиво связаны в нашем сознании. Тем не менее тот факт, что эта тема вновь поднимается, надеюсь, будет одобрен большинством читателей, т. к. для того, чтобы представление о чем-либо с течением времени не устаревало, нужно периодически общаться с умными людьми или читать статьи в хорошем издании...

Хранилища данных (место OLAP в информационной структуре предприятия)

Термин "OLAP" неразрывно связан с термином "хранилище данных" (Data Warehouse).

Приведем определение, сформулированное "отцом-основателем" хранилищ данных Биллом Инмоном: "Хранилище данных - это предметно-ориентированное, привязанное ко времени и неизменяемое собрание данных для поддержки процесса принятия управляющих решений".

Данные в хранилище попадают из оперативных систем (OLTP-систем), которые предназначены для автоматизации бизнес-процессов. Кроме того, хранилище может пополняться за счет внешних источников, например статистических отчетов.

Зачем строить хранилища данных - ведь они содержат заведомо избыточную информацию, которая и так "живет" в базах или файлах оперативных систем? Ответить можно кратко: анализировать данные оперативных систем напрямую невозможно или очень затруднительно. Это объясняется различными причинами, в том числе разрозненностью данных, хранением их в форматах различных СУБД и в разных "уголках" корпоративной сети. Но даже если на предприятии все данные хранятся на центральном сервере БД (что бывает крайне редко), аналитик почти наверняка не разберется в их сложных, подчас запутанных структурах. Автор имеет достаточно печальный опыт попыток "накормить" голодных аналитиков "сырыми" данными из оперативных систем - им это оказалось "не по зубам".

Таким образом, задача хранилища - предоставить "сырье" для анализа в одном месте и в простой, понятной структуре. Ральф Кимбалл в предисловии к своей книге "The Data Warehouse Toolkit" пишет, что если по прочтении всей книги читатель поймет только одну вещь, а именно: структура хранилища должна быть простой, - автор будет считать свою задачу выполненной.

Есть и еще одна причина, оправдывающая появление отдельного хранилища - сложные аналитические запросы к оперативной информации тормозят текущую работу компании, надолго блокируя таблицы и захватывая ресурсы сервера.

На мой взгляд, под хранилищем можно понимать не обязательно гигантское скопление данных - главное, чтобы оно было удобно для анализа. Вообще говоря, для маленьких хранилищ предназначается отдельный термин - Data Marts (киоски данных), но в нашей российской практике его не часто услышишь.

OLAP - удобный инструмент анализа

Централизация и удобное структурирование - это далеко не все, что нужно аналитику. Ему ведь еще требуется инструмент для просмотра, визуализации информации. Традиционные отчеты, даже построенные на основе единого хранилища, лишены одного - гибкости. Их нельзя "покрутить", "развернуть" или "свернуть", чтобы получить желаемое представление данных. Конечно, можно вызвать программиста (если он захочет придти), и он (если не занят) сделает новый отчет достаточно быстро - скажем, в течение часа (пишу и сам не верю - так быстро в жизни не бывает; давайте дадим ему часа три). Получается, что аналитик может проверить за день не более двух идей. А ему (если он хороший аналитик) таких идей может приходить в голову по нескольку в час. И чем больше "срезов" и "разрезов" данных аналитик видит, тем больше у него идей, которые, в свою очередь, для проверки требуют все новых и новых "срезов". Вот бы ему такой инструмент, который позволил бы разворачивать и сворачивать данные просто и удобно! В качестве такого инструмента и выступает OLAP.

Хотя OLAP и не представляет собой необходимый атрибут хранилища данных, он все чаще и чаще применяется для анализа накопленных в этом хранилище сведений.

Компоненты, входящие в типичное хранилище, представлены на рис. 1.

Рис. 1. Структура хранилища данных

Оперативные данные собираются из различных источников, очищаются, интегрируются и складываются в реляционное хранилище. При этом они уже доступны для анализа при помощи различных средств построения отчетов. Затем данные (полностью или частично) подготавливаются для OLAP-анализа. Они могут быть загружены в специальную БД OLAP или оставлены в реляционном хранилище. Важнейшим его элементом являются метаданные, т. е. информация о структуре, размещении и трансформации данных. Благодаря им обеспечивается эффективное взаимодействие различных компонентов хранилища.

Подытоживая, можно определить OLAP как совокупность средств многомерного анализа данных, накопленных в хранилище. Теоретически средства OLAP можно применять и непосредственно к оперативным данным или их точным копиям (чтобы не мешать оперативным пользователям). Но мы тем самым рискуем наступить на уже описанные выше грабли, т. е. начать анализировать оперативные данные, которые напрямую для анализа непригодны.

Определение и основные понятия OLAP

Для начала расшифруем: OLAP - это Online Analytical Processing, т. е. оперативный анализ данных. 12 определяющих принципов OLAP сформулировал в 1993 г. Е. Ф. Кодд - "изобретатель" реляционных БД. Позже его определение было переработано в так называемый тест FASMI, требующий, чтобы OLAP-приложение предоставляло возможности быстрого анализа разделяемой многомерной информации ().

Тест FASMI

Fast (Быстрый) - анализ должен производиться одинаково быстро по всем аспектам информации. Приемлемое время отклика - 5 с или менее.

Analysis (Анализ) - должна быть возможность осуществлять основные типы числового и статистического анализа, предопределенного разработчиком приложения или произвольно определяемого пользователем.

Shared (Разделяемой) - множество пользователей должно иметь доступ к данным, при этом необходимо контролировать доступ к конфиденциальной информации.

Multidimensional (Многомерной) - это основная, наиболее существенная характеристика OLAP.

Information (Информации) - приложение должно иметь возможность обращаться к любой нужной информации, независимо от ее объема и места хранения.

OLAP = многомерное представление = Куб

OLAP предоставляет удобные быстродействующие средства доступа, просмотра и анализа деловой информации. Пользователь получает естественную, интуитивно понятную модель данных, организуя их в виде многомерных кубов (Cubes). Осями многомерной системы координат служат основные атрибуты анализируемого бизнес-процесса. Например, для продаж это могут быть товар, регион, тип покупателя. В качестве одного из измерений используется время. На пересечениях осей - измерений (Dimensions) - находятся данные, количественно характеризующие процесс - меры (Measures). Это могут быть объемы продаж в штуках или в денежном выражении, остатки на складе, издержки и т. п. Пользователь, анализирующий информацию, может "разрезать" куб по разным направлениям, получать сводные (например, по годам) или, наоборот, детальные (по неделям) сведения и осуществлять прочие манипуляции, которые ему придут в голову в процессе анализа.

В качестве мер в трехмерном кубе, изображенном на рис. 2, использованы суммы продаж, а в качестве измерений - время, товар и магазин. Измерения представлены на определенных уровнях группировки: товары группируются по категориям, магазины - по странам, а данные о времени совершения операций - по месяцам. Чуть позже мы рассмотрим уровни группировки (иерархии) подробнее.

Рис. 2. Пример куба

"Разрезание" куба

Даже трехмерный куб сложно отобразить на экране компьютера так, чтобы были видны значения интересующих мер. Что уж говорить о кубах с количеством измерений, большим трех? Для визуализации данных, хранящихся в кубе, применяются, как правило, привычные двумерные, т. е. табличные, представления, имеющие сложные иерархические заголовки строк и столбцов.

Двумерное представление куба можно получить, "разрезав" его поперек одной или нескольких осей (измерений): мы фиксируем значения всех измерений, кроме двух, - и получаем обычную двумерную таблицу. В горизонтальной оси таблицы (заголовки столбцов) представлено одно измерение, в вертикальной (заголовки строк) - другое, а в ячейках таблицы - значения мер. При этом набор мер фактически рассматривается как одно из измерений - мы либо выбираем для показа одну меру (и тогда можем разместить в заголовках строк и столбцов два измерения), либо показываем несколько мер (и тогда одну из осей таблицы займут названия мер, а другую - значения единственного "неразрезанного" измерения).

Взгляните на рис. 3 - здесь изображен двумерный срез куба для одной меры - Unit Sales (продано штук) и двух "неразрезанных" измерений - Store (Магазин) и Время (Time).

Рис. 3. Двумерный срез куба для одной меры

На рис. 4 представлено лишь одно "неразрезанное" измерение - Store, но зато здесь отображаются значения нескольких мер - Unit Sales (продано штук), Store Sales (сумма продажи) и Store Cost (расходы магазина).

Рис. 4. Двумерный срез куба для нескольких мер

Двумерное представление куба возможно и тогда, когда "неразрезанными" остаются и более двух измерений. При этом на осях среза (строках и столбцах) будут размещены два или более измерений "разрезаемого" куба - см. рис. 5.

Рис. 5. Двумерный срез куба с несколькими измерениями на одной оси

Метки

Значения, "откладываемые" вдоль измерений, называются членами или метками (members). Метки используются как для "разрезания" куба, так и для ограничения (фильтрации) выбираемых данных - когда в измерении, остающемся "неразрезанным", нас интересуют не все значения, а их подмножество, например три города из нескольких десятков. Значения меток отображаются в двумерном представлении куба как заголовки строк и столбцов.

Иерархии и уровни

Метки могут объединяться в иерархии, состоящие из одного или нескольких уровней (levels). Например, метки измерения "Магазин" (Store) естественно объединяются в иерархию с уровнями:

Country (Страна)

State (Штат)

City (Город)

Store (Магазин).

В соответствии с уровнями иерархии вычисляются агрегатные значения, например объем продаж для USA (уровень "Country") или для штата California (уровень "State"). В одном измерении можно реализовать более одной иерархии - скажем, для времени: {Год, Квартал, Месяц, День} и {Год, Неделя, День}.

Архитектура OLAP-приложений

Все, что говорилось выше про OLAP, по сути, относилось к многомерному представлению данных. То, как данные хранятся, грубо говоря, не волнует ни конечного пользователя, ни разработчиков инструмента, которым клиент пользуется.

Многомерность в OLAP-приложениях может быть разделена на три уровня:

• Многомерное представление данных - средства конечного пользователя, обеспечивающие многомерную визуализацию и манипулирование данными; слой многомерного представления абстрагирован от физической структуры данных и воспринимает данные как многомерные.
• Многомерная обработка - средство (язык) формулирования многомерных запросов (традиционный реляционный язык SQL здесь оказывается непригодным) и процессор, умеющий обработать и выполнить такой запрос.
• Многомерное хранение - средства физической организации данных, обеспечивающие эффективное выполнение многомерных запросов.

Первые два уровня в обязательном порядке присутствуют во всех OLAP-средствах. Третий уровень, хотя и является широко распространенным, не обязателен, так как данные для многомерного представления могут извлекаться и из обычных реляционных структур; процессор многомерных запросов в этом случае транслирует многомерные запросы в SQL-запросы, которые выполняются реляционной СУБД.

Конкретные OLAP-продукты, как правило, представляют собой либо средство многомерного представления данных, OLAP-клиент (например, Pivot Tables в Excel 2000 фирмы Microsoft или ProClarity фирмы Knosys), либо многомерную серверную СУБД, OLAP-сервер (например, Oracle Express Server или Microsoft OLAP Services).

Слой многомерной обработки обычно бывает встроен в OLAP-клиент и/или в OLAP-сервер, но может быть выделен в чистом виде, как, например, компонент Pivot Table Service фирмы Microsoft.

Технические аспекты многомерного хранения данных

Как уже говорилось выше, средства OLAP-анализа могут извлекать данные и непосредственно из реляционных систем. Такой подход был более привлекательным в те времена, когда OLAP-серверы отсутствовали в прайс-листах ведущих производителей СУБД. Но сегодня и Oracle, и Informix, и Microsoft предлагают полноценные OLAP-серверы, и даже те IT-менеджеры, которые не любят разводить в своих сетях "зоопарк" из ПО разных производителей, могут купить (точнее, обратиться с соответствующей просьбой к руководству компании) OLAP-сервер той же марки, что и основной сервер баз данных.

OLAP-серверы, или серверы многомерных БД, могут хранить свои многомерные данные по-разному. Прежде чем рассмотреть эти способы, нам нужно поговорить о таком важном аспекте, как хранение агрегатов. Дело в том, что в любом хранилище данных - и в обычном, и в многомерном - наряду с детальными данными, извлекаемыми из оперативных систем, хранятся и суммарные показатели (агрегированные показатели, агрегаты), такие, как суммы объемов продаж по месяцам, по категориям товаров и т. п. Агрегаты хранятся в явном виде с единственной целью - ускорить выполнение запросов. Ведь, с одной стороны, в хранилище накапливается, как правило, очень большой объем данных, а с другой - аналитиков в большинстве случаев интересуют не детальные, а обобщенные показатели. И если каждый раз для вычисления суммы продаж за год пришлось бы суммировать миллионы индивидуальных продаж, скорость, скорее всего, была бы неприемлемой. Поэтому при загрузке данных в многомерную БД вычисляются и сохраняются все суммарные показатели или их часть.

Но, как известно, за все надо платить. И за скорость обработки запросов к суммарным данным приходится платить увеличением объемов данных и времени на их загрузку. Причем увеличение объема может стать буквально катастрофическим - в одном из опубликованных стандартных тестов полный подсчет агрегатов для 10 Мб исходных данных потребовал 2,4 Гб, т. е. данные выросли в 240 раз! Степень "разбухания" данных при вычислении агрегатов зависит от количества измерений куба и структуры этих измерений, т. е. соотношения количества "отцов" и "детей" на разных уровнях измерения. Для решения проблемы хранения агрегатов применяются подчас сложные схемы, позволяющие при вычислении далеко не всех возможных агрегатов достигать значительного повышения производительности выполнения запросов.

Теперь о различных вариантах хранения информации. Как детальные данные, так и агрегаты могут храниться либо в реляционных, либо в многомерных структурах. Многомерное хранение позволяет обращаться с данными как с многомерным массивом, благодаря чему обеспечиваются одинаково быстрые вычисления суммарных показателей и различные многомерные преобразования по любому из измерений. Некоторое время назад OLAP-продукты поддерживали либо реляционное, либо многомерное хранение. Сегодня, как правило, один и тот же продукт обеспечивает оба этих вида хранения, а также третий вид - смешанный. Применяются следующие термины:

• MOLAP (Multidimensional OLAP) - и детальные данные, и агрегаты хранятся в многомерной БД. В этом случае получается наибольшая избыточность, так как многомерные данные полностью содержат реляционные.
• ROLAP (Relational OLAP) - детальные данные остаются там, где они "жили" изначально - в реляционной БД; агрегаты хранятся в той же БД в специально созданных служебных таблицах.
• HOLAP (Hybrid OLAP) - детальные данные остаются на месте (в реляционной БД), а агрегаты хранятся в многомерной БД.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки и должен применяться в зависимости от условий - объема данных, мощности реляционной СУБД и т. д.

При хранении данных в многомерных структурах возникает потенциальная проблема "разбухания" за счет хранения пустых значений. Ведь если в многомерном массиве зарезервировано место под все возможные комбинации меток измерений, а реально заполнена лишь малая часть (например, ряд продуктов продается только в небольшом числе регионов), то бо/льшая часть куба будет пустовать, хотя место будет занято. Современные OLAP-продукты умеют справляться с этой проблемой.

Продолжение следует. В дальнейшем мы поговорим о конкретных OLAP-продуктах, выпускаемых ведущими производителями.

OLAP - это не отдельно взятый программный продукт, не язык программирования и даже не конкретная технология. Если постараться охватить OLAP во всех его проявлениях, то это совокупность концепций, принципов и требований, лежащих в основе программных продуктов, облегчающих аналитикам доступ к данным. Выясним, зачем аналитикам надо как-то специально облегчать доступ к данным.

Дело в том, что аналитики - это особые потребители корпоративной информации. Задача аналитика - находить закономерности в больших массивах данных . Поэтому аналитик не будет обращать внимания на отдельно взятый факт, что в четверг четвертого числа контрагенту Чернову была продана партия черных чернил - ему нужна информация о сотнях и тысячах подобных событий. Одиночные факты в базе данных могут заинтересовать, к примеру, бухгалтера или начальника отдела продаж, в компетенции которого находится сделка. Аналитику одной записи мало - ему, к примеру, могут понадобиться все сделки данного филиала или представительства за месяц, год. Заодно аналитик отбрасывает ненужные ему подробности вроде ИНН покупателя, его точного адреса и номера телефона, индекса контракта и тому подобного. В то же время данные, которые требуются аналитику для работы, обязательно содержат числовые значения - это обусловлено самой сущностью его деятельности.

Итак, аналитику нужно много данных, эти данные являются выборочными, а также носят характер "набор атрибутов - число ". Последнее означает, что аналитик работает с таблицами следующего типа:

Здесь "Страна ", "Товар ", "Год " являются атрибутами или измерениями , а "Объем продаж " - тем самым числовым значением или мерой . Задачей аналитика, повторимся, является выявление стойких взаимосвязей между атрибутами и числовыми параметрами . Посмотрев на таблицу, можно заметить, что ее легко можно перевести в три измерения: по одной из осей отложим страны, по другой - товары, по третьей - годы. А значениями в этом трехмерном массиве у нас будут соответствующие объемы продаж.

Трехмерное представление таблицы. Серым сегментом показано, что для Аргентины в 1988 году данных нет

Вот именно такой трехмерный массив в терминах OLAP и называется кубом. На самом деле, с точки зрения строгой математики кубом такой массив будет далеко не всегда: у настоящего куба количество элементов во всех измерениях должно быть одинаковым, а у кубов OLAP такого ограничения нет. Тем не менее, несмотря на эти детали, термин "кубы OLAP" ввиду своей краткости и образности стал общепринятым. Куб OLAP совсем не обязательно должен быть трехмерным. Он может быть и двух-, и многомерным - в зависимости от решаемой задачи. Особо матерым аналитикам может понадобиться порядка 20 измерений - и серьезные OLAP-продукты именно на такое количество и рассчитаны. Более простые настольные приложения поддерживают где-то 6 измерений.

Измерения OLAP-кубов состоят из так называемых меток или членов (members). Например, измерение "Страна" состоит из меток "Аргентина", "Бразилия", "Венесуэла" и так далее.

Должны быть заполнены далеко не все элементы куба: если нет информации о продажах резиновых изделий в Аргентине в 1988 году, значение в соответствующей ячейке просто не будет определено. Совершенно необязательно также, чтобы приложение OLAP хранило данные непременно в многомерной структуре - главное, чтобы для пользователя эти данные выглядели именно так. Кстати именно специальным способам компактного хранения многомерных данных, "вакуум" (незаполненные элементы) в кубах не приводят к бесполезной трате памяти.

Однако куб сам по себе для анализа не пригоден. Если еще можно адекватно представить или изобразить трехмерный куб, то с шести - или девятнадцатимерным дело обстоит значительно хуже. Поэтому перед употреблением из многомерного куба извлекают обычные двумерные таблицы . Эта операция называется "разрезанием" куба. Термин этот, опять же, образный. Аналитик как бы берет и "разрезает" измерения куба по интересующим его меткам. Этим способом аналитик получает двумерный срез куба и с ним работает. Примерно так же лесорубы считают годовые кольца на спиле.

Соответственно, "неразрезанными", как правило, остаются только два измерения - по числу измерений таблицы. Бывает, "неразрезанным" остается только измерение - если куб содержит несколько видов числовых значений, они могут откладываться по одному из измерений таблицы.

Если еще внимательнее всмотреться в таблицу, которую мы изобразили первой, можно заметить, что находящиеся в ней данные, скорее всего, не являются первичными, а получены в результате суммирования по более мелким элементам. Например, год делится на кварталы, кварталы на месяцы, месяцы на недели, недели на дни. Страна состоит из регионов, а регионы - из населенных пунктов. Наконец в самих городах можно выделить районы и конкретные торговые точки. Товары можно объединять в товарные группы и так далее. В терминах OLAP такие многоуровневые объединения совершенно логично называется иерархиями . Средства OLAP дают возможность в любой момент перейти на нужный уровень иерархии. Причем, как правило, для одних и тех же элементов поддерживается несколько видов иерархий: например день-неделя-месяц или день-декада-квартал. Исходные данные берутся из нижних уровней иерархий, а затем суммируются для получения значений более высоких уровней. Для того, чтобы ускорить процесс перехода, просуммированные значения для разных уровней хранятся в кубе. Таким образом, то, что со стороны пользователя выглядит одним кубом, грубо говоря, состоит из множества более примитивных кубов.

Пример иерархии

В этом заключается один из существенных моментов, которые привели к появлению OLAP - производительности и эффективности. Представим себе, что происходит, когда аналитику необходимо получить информацию, а средства OLAP на предприятии отсутствуют. Аналитик самостоятельно (что маловероятно) или с помощью программиста делает соответствующий SQL-запрос и получает интересующие данные в виде отчета или экспортирует их в электронную таблицу. Проблем при этом возникает великое множество. Во-первых, аналитик вынужден заниматься не своей работой (SQL-программированием) либо ждать, когда за него задачу выполнят программисты - все это отрицательно сказывается на производительности труда, повышаются штурмовщина, инфарктно-инсультный уровень и так далее. Во-вторых, один-единственный отчет или таблица, как правило, не спасает гигантов мысли и отцов русского анализа - и всю процедуру придется повторять снова и снова. В-третьих, как мы уже выяснили, аналитики по мелочам не спрашивают - им нужно все и сразу. Это означает (хотя техника и идет вперед семимильными шагами), что сервер корпоративной реляционной СУБД, к которому обращается аналитик, может задуматься глубоко и надолго, заблокировав остальные транзакции.

Концепция OLAP появилась именно для разрешения подобных проблем. Кубы OLAP представляют собой, по сути, мета-отчеты. Разрезая мета-отчеты (кубы, то есть) по измерениям, аналитик получает, фактически, интересующие его "обычные" двумерные отчеты (это не обязательно отчеты в обычном понимании этого термина - речь идет о структурах данных с такими же функциями). Преимущества кубов очевидны - данные необходимо запросить из реляционной СУБД всего один раз - при построении куба. Поскольку аналитики, как правило, не работают с информацией, которая дополняется и меняется "на лету", сформированный куб является актуальным в течение достаточно продолжительного времени. Благодаря этому, не только исключаются перебои в работе сервера реляционной СУБД (нет запросов с тысячами и миллионами строк ответов), но и резко повышается скорость доступа к данным для самого аналитика. Кроме того, как уже отмечалось, производительность повышается и за счет подсчета промежуточных сумм иерархий и других агрегированных значений в момент построения куба. То есть, если изначально наши данные содержали информацию о дневной выручке по конкретному товару в отдельно взятом магазине, то при формировании куба OLAP-приложение считает итоговые суммы для разных уровней иерархий (недель и месяцев, городов и стран).

Конечно, за повышение таким способом производительности надо платить. Иногда говорят, что структура данных просто "взрывается" - куб OLAP может занимать в десятки и даже сотни раз больше места, чем исходные данные.

Ответить на вопросы:

Что такое куб OLAP?

Что такое метки конкретного измерения? Привести примеры.

Могут ли меры в кубе OLAP, содержать нечисловые значения.