0

(Лекция 8)

Разработка концептуального уровня БД

Целью данного этапа является последовательная разработка концептуальной информационно-логической модели предметной области, отражающей логику информации предприятия и даталогической модели базы данных.

Инфологическая модель предметной области

Исходными данными для построения ИЛМ предметной области являются результаты анализа предметной области, представленные в виде описания классов объектов и связей между ними. Чаще всего ИЛМ предметной области представляют в терминах семантической модели данных, в виде ER - диаграммы предметной области.

Необходимо отметить, что выявление в предметной области классов объектов, связей, описание и отображение их в диаграмме происходит параллельно.

Методологии построения ER-диаграмм

В настоящее время существуют разнообразные методологий (нотации) построения ER-модели.

1 Методология Питера Чена. В 1976 году Питером Ченом была предложена семантическая модель "сущность-связь" - ER-модель, которая в настоящее время стала самой распространенной.

Соглашения, используемые при изображении диаграммы:

Классы объектов отображаются прямоугольником, свойства эллипсами, связи ромбами;

Уникальный идентификатор (первичный ключ) отображается в виде эллипса, обведенного двойной линией;

Мощность связи «один» отображается линией, «много» - линией со стрелкой.

Особенности этой методологии:

Метод позволяет показать связь между двумя, тремя и более классами объектов (сущностями);

Связь может иметь собственные атрибуты;

Нет возможности отображения взаимоисключающих связей и непереносимости связей;

Взаимоисключающие связи неявно реализуются в виде супертипов и подтипов;

Нельзя выразить опциональность атрибутов и связей.

На рисунке 6 приведен пример фрагмента ER-диаграммы в методологии Питера Чена.

Рисунок 6 - Пример фрагмента ER-диаграммы в методологии Питера Чена

На диаграмме отображены следующие бизнес-правила предприятия: «Каждому заказу, имеющему такие свойства как номер и дата, должна соответствовать одна или более позиций заказа, имеющей такие свойства, как номер, цену за единицу товара, количество товара»; с другой стороны - «Каждая позиция товара должна относиться к одному и только одному заказу».

Необходимо отметить, что в примере приведен фрагмент описания предметной области. В ней также должны существовать такие классы объектов, как «Товар», «Единица измерения» и другие.

2 Методология IDEF1. Используется в CASE-средствах ERwin, Design/IDEF. В методологии используются следующие соглашения:

Каждому классу объектов присваивается уникальное имя и номер;

Обязательная связь отображается сплошной линией, необязательная -пунктирной;

Мощность связи "один" отображается линией, "много" - точкой;

Связь может дополнительно определяться с помощью указания мощности (типа) связи. Мощность может принимать следующие значения: N - ноль, один или более (принимается по умолчанию); Z - ноль или один, P - один или более.

Свойства класса объектов отображаются в виде списка имен внутри блока, отображающего класс объектов;

Атрибуты первичного ключа изображаются вверху и отделяются от других.

Пример представления ER-диаграммы в методологии IDEF1 приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Пример представления ER-диаграммы в методологии IDEF1.

На рисунке 7 отображена та же ситуация в предметной области, что и на рисунке 6.

3 Методология Ричарда Баркера. Используемые в методологии элементы: класс объектов, свойство класса объектов, уникальные идентификаторы, опциональность свойств, связи, мощность (тип), опциональность и переносимость связей, уникальность объекта из связи, супертипы, подтипы, арки.

Используются следующие соглашения:

Класс объектов отображается в виде четырехугольника с закругленными углами. Имя класса объектов указывается внутри четырехугольника, это имя существительное в единственном числе, отображенное заглавными буквами;

Свойства записываются внутри четырехугольника, отображающего класс объектов строчными буквами, это имя существительное в единственном числе;

Четырехугольник, отображающий класс объектов, можно увеличивать до любых размеров, четырехугольники могут быть разных размеров;

Опциональность свойств помечается: обязательное свойство - звездочкой (*), необязательное - кружочком (о);

Уникальный идентификатор помечается #, если уникальных идентификаторов несколько, тогда каждый помечается номером, указанным в скобках, например, # (1), #(2);

Обязательная связь помечается сплошной линией, необязательная -пунктирной;

Тип (мощность) связи «один» помечается линией, «много» - «вороньей лапой».

Более сложные элементы, используемые в ER-диаграмме, построенной по методологии Ричарда Баркера, рассмотрим далее в примерах.

Шаблоны моделирования

Любая рассматриваемая предметная область имеет свои особенности. Но в тоже время обладает и общими для всех предметных областей элементами. Так, в основной массе решаемых задач автоматизации обязательно фигурируют такие классы объектов, как предприятие (организация), структурная единица предприятия (цех, отдел, факультет, отделение и т.п.), люди, или физические лица, разного рода материальные объекты. Все процессы, происходящие в предметной области и которые необходимо учитывать в базе данных, осуществляются на основе документов, которые в свою очередь фиксируют сбор, перемещение, расход каких- либо данных. Таким образом, многие ситуации можно смоделировать, применяя существующие шаблоны. Мы рассмотрим шаблоны моделирования на примере построения фрагментов ER - диаграмм по методологии Ричарда Баркера.

1 Моделирование семейного положения. Например, ситуацию предметной области, описанную следующими предложениями: «каждое ФИЗИЧЕСКОЕ ЛИЦО (мужского пола) может являться супругом другого ФИЗИЧЕСКОГО ЛИЦА (женского пола)» и, с обратной стороны, «каждое ФИЗИЧЕСКОЕ ЛИЦО (женского пола) может являться супругой другого ФИЗИЧЕСКОГО ЛИЦА (мужского пола», можно смоделировать, используя рекурсивную связь. Это связь между объектами одного класса объектов. Такая связь может обладать всеми свойствами, присущими любой другой связи. Пример приведен на рисунке 8. На рисунке 8 изображена рекурсивная связь, имеющая с обеих сторон одинаковый тип («один») и опциональность «необязательная». В методологии Ричарда Баркера на ER- диаграмме можно отображать и названия связей.

Рисунок - Пример рекурсивной связи - «необязательное свиное ухо»

2 Моделирование иерархии данных. Иерархия данных наблюдается, если в модели предметной области присутствует:

Произвольное число иерархий классов объектов;

Одинаковые свойства у классов объектов, входящих в иерархию;

Связи между такими классами объектов одинаковые.

На рисунке 9 представлен фрагмент ER-диаграммы, выполненный по методологии Ричарда Баркера и отображающий пример иерархии данных.

Рисунок - Пример иерархии данных

На любом предприятии организационная структура обычно бывает иерархическая. Так и в этом примере представлена организационная структура высшего учебного заведения. Классы объектов отображают структурные единицы вуза, располагающиеся на разных уровнях иерархической структуры подчинения. Классы объектов имеют одинаковые свойства, между классами объектов, расположенных на разных уровнях иерархии присутствуют одинаковые связи. Прочитав фрагмент такой предметной области, можно убедиться в её адекватности. Однако такое представление имеет некоторый недостаток - при добавлении ещё одного уровня иерархии, например, добавления структурной единицы «Лаборатория» в подчинение какой-либо кафедре потребует добавления ещё одного класса объектов в модель, то есть любое изменение в организационной структуре предприятия потребует корректировки модели.

Для моделирования подобной иерархии данных можно использовать шаблон модели - рекурсивную связь. При этом рекурсивная связь должна иметь тип 1:М и должна быть необязательной в обоих направлениях. Сторона «один» отображает правило «имеет в подчинении», сторона «много» - «подчиняется». Самый верхний элемент иерархии никому «не подчиняется», самый нижний элемент никого «не имеет в подчинении». Использование шаблона позволяет добавлять и удалять уровни иерархии в соответствии с требованиями предметной области, не меняя базовую модель.

Замена иерархии данных рекурсивной связью осуществляется по следующему алгоритму:

Создается один класс объектов, содержащий свойства, присущие каждому классу объектов в иерархии данных;

Классу объектов присваивается общее имя (в иерархии подчинения подразделений предприятия это может быть, например, класс объектов с именем «СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ПРЕДПРИЯТИЯ»;

Создается дополнительный класс объектов, который будет отображать название для отличия каждого узла иерархии данных, например, класс объектов «ТИП СТРУКТУРНОЙ ЕДИНИЦЫ ПРЕДПРИЯТИЯ».

Как вывод, необходимо сделать следующие замечания:

Шаблон имеет один недостаток: классы объектов, находящиеся на всех уровнях иерархии должны иметь одинаковые свойства;

Иерархия, смоделированная как рекурсивная связь, должна быть необязательной в обоих направлениях. Обязательная ветвь, направленная вверх или вниз, создает бесконечную иерархию, не имеющую применения в реальном мире;

Если при преобразовании модели предметной области происходит слияние частей диаграммы в одну, то необходимо найти в предметной области класс объектов «ТИП», который позволит отобразить уникальность каждой части

Пример использования шаблона, моделирующего иерархию данных, приведен на рисунке.

Рисунок - Пример использования шаблон для моделирования иерархии данных.

3 Разрыв связей M:M. Наличие связи M:M в ER - диаграмме допустимо, но необходимо помнить, что это не адекватное отображение предметной области, есть предметная область не дообследована. Необходимо найти класс объектов (сущность), который разорвет такую связь. Как правило, это какой-либо документ, или позиция документа. Например, связь «многие ко многим» между классами объектов «ПОСТАВЩИК» и «ТОВАР» («каждый ПОСТАВЩИК может поставлять много ТОВАРОВ» и «каждый ТОВАР может поставляться разными ПОСТАВЩИКАМИ») может быть разорвана с помощью таких классов объектов, как «ПОЗИЦИЯ НАКЛАДНОЙ», «ПОЗИЦИЯ ПРАЙС - ЛИСТА», «ПОЗИЦИЯ ДОГОВОРА» и другие. На рисунке 11 приведен пример разрыва связи М:М. В роли поставщика в примере выступает юридическое лицо.

Рисунок - Разрыв связи М:М

Необходимо отметить, что классы объектов, разрывающие связь М:М, как правило, содержат свойства, значения которых динамически меняется. Это такие свойства, как «количество», «цена».

Разрыв рекурсивной связи М:М. (Моделирование сетевой структуры)

Такая структура очень распространена в предметной области на первых этапах поектировнаия. Пример 1

Каждый КОМПОНЕНТ может состоять из нескольких КОМПОНЕНТОВ Каждый КОМПОНЕНТ может входить в один или несколько КОМПОНЕНТОВ

Для моделирования использована необязательная рекурсивная связь типа М:М.

Каждое ЮРИДИЧЕСКОЕ ЛИЦО может пользоваться многими ЮРИДИЧЕСКИМИ ЛИЦАМИ для осуществления перевозок

Каждое ЮРИДИЧЕСКОЕ ЛИЦО может оказывать много услуг ЮРИДИЧЕСКИМ ЛИЦАМ по осуществлению перевозок.

Рекурсивную связь "многие_ко_многим" необходимо разбивать, т.к. негде разместить, например, такие свойства как "количество компонентов одного вида для сборки компонента более высокого уровня", "дата перевозки", "количество перевезенных вещей" и т.п., т.е. при более тщательном анализе предметной области можно увидеть такие классы объектов как "Правило сборки" и "Перевозка".

Каждое ПРАВИЛО СБОРКИ применяется к одному

КОМПОНЕНТ для сборки

Каждое ПРАВИЛО СБОРКИ применяется к одному КОМПОНЕНТ, входящему в сборку другого

КОМПОНЕНТ.

Каждый КОМПОНЕНТ может включать много ПРАВИЛО СБОРКИ для входящих в него компонентов.

Каждый Компонент может входить во много

ПРАВИЛО СБОРКИ.

Пример 2

Каждая ПЕРЕВОЗКА должна осуществляться ЮРИДИЧЕСКИМ ЛИЦОМ

Каждая ПЕРЕВОЗКА должна осуществляться для ЮРИДИЧЕСКОГО ЛИЦА Каждое ЮРИДИЧЕСКОЕ ЛИЦО может осуществлять много ПЕРЕВОЗОК Каждое ЮРИДИЧЕСКОЕ ЛИЦО может участвовать во многих ПЕРЕВОЗКАХ как клиент.

Параллельные связи м.б. разной опциональности и типа.

Замечание: с помощью рекурсивных связей моделируются сетевые структуры и их частные случаи

Иерархии.

4 Моделирование ролей. Под ролями человека или организации в предметной области понимаются должности, обязанности, прозвища. В разных классах объектов, представляющих роли объекты могут перекрывать, дублировать друг друга. Например, класс объектов «ВРАЧ» и класс объектов «ПАЦИЕНТ» отображают разные роли человека - один лечит, другой лечится. Но в случае, если врач становится пациентом в той же предметной области, то информация о нем должна быть отображена в классе объектов «ПАЦИЕНТ», два объекта в двух классах объектов будут информационно дублировать, перекрывать друг друга. Роли должны моделироваться с помощью связей, необходимо чтобы объект одного и того же класса объектов мог выступать в нескольких ролях.

Пример неправильного и правильного моделирования ролей приведен на рисунках.

Рисунок - Неправильное моделирование ролей

Рисунок - Правильное моделирование ролей

На рисунке с неправильным моделированием ролей классы объектов «ПОСТАВЩИК» и «ПОТРЕБИТЕЛЬ» выделены отдельно. При возникновении ситуации, что какое-то юридическое лицо станет выступать как в роли поставщика, так и в роли потребителя, модель будет неадекватно отображать предметную область - информация будет продублирована. Правильным моделированием ситуации будет выделение одного класса объектов «ЮРИДИЧЕСКОЕ ЛИЦО», а роли «поставщик» и «потребитель» отобразить в виде соответствующих связей (рисунок с правильным моделированием ролей).

Примеры предметных областей, где необходимо моделировать роли, приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Примеры моделирования ролей.

Предметная область	Неправильное моделирование	Правильное моделирование
Купля-продажа, поставка товара	Классы объектов: ПОКУПАТЕЛЬ, ПРОДАВЕЦ, ПОСТАВЩИК	Классы объектов: ЮРИДИЧЕСКОЕ ЛИЦО или ФИЗИЧЕСКОЕ ЛИЦО. Связи (роли): покупает, продает, поставляет
Образовательное учреждение, обучение	Классы объектов: АБИТУРИЕНТ, СТУДЕНТ, ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, АСПИРАНТ	Классы объектов: ФИЗИЧЕСКОЕ ЛИЦО, РАБОТА ФИЗИЧЕСКОГО ЛИЦА, ОБУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЛИЦА, ТИП ОБУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЛИЦА, ТИП ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЛИЦА. Связи (роли): сдает документы, работает, обучается.
Документооборот	Классы объектов: ВХОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ, ИСХОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ, ПРИКАЗ, РАСПОРЯЖЕНИЕ	Классы объектов: ДОКУМЕНТ, ПОЗИЦИЯ ДОКУМЕНТА, ТИП ДОКУМЕНТА, ТИП ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДОКУМЕНТА. Связи (роли): относится (к типу)

На рисунке приведен фрагмент ER-диаграммы, отображающей предметную область «Кадры предприятия». Класс объектов «ПОЗИЦИЯ ПРИКАЗА О ПЕРЕМЕЩЕНИИ» отображает сведения о перемещениях сотрудников (физических лиц) на предприятии, класс объектов «ВИД ПЕРЕМЕЩЕНИЯ» - виды кадровых перемещений - прием, перевод, увольнение и тому подобное. Между классами объектов «ПРИКАЗ О ПЕРЕМЕЩЕНИИ» и «ПОЗИЦИЯ ПРИКАЗА О ПЕРЕМЕЩЕНИИ» присутствуют три связи, две из них - моделируют роли:

- «каждый ПРИКАЗ О ПЕРЕМЕЩЕНИИ должен быть подписан одним сотрудником, являющимся начальником отдела кадров, о чем есть соответствующая информация в классе объектов ПОЗИЦИЯ ПРИКАЗА О ПЕРЕМЕЩЕНИИ», начальник отдела кадров может подписывать много приказов»;

Рисунок - Пример моделирования ролей

- «каждый ПРИКАЗ О ПЕРЕМЕЩЕНИИ должен быть подписан одним сотрудником, являющимся руководителем предприятия, о чем есть соответствующая информация в классе объектов «ПОЗИЦИЯ ПРИКАЗА О ПЕРЕМЕЩЕНИИ», руководитель предприятия может подписывать много приказов».

Представленный на рисунке фрагмент описания предметной области можно назвать шаблоном, который может быть использован для отображения ситуации, когда какие-либо документы подписываются должностными лицами и в базе данных необходимо отслеживать историю - кто и когда из физических лиц и когда, находясь в той или иной должности, визировал тот или иной документ. Это важно, поскольку документы в предметной области отображают, как правило, перемещение (приход, расход) материальных и не материальных объектов (приход, расход товаров на склад, перемещение кадров, движение контингента больных, учет выпущенных в эфир передач и тому подобное).

Скачать лекцию: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Пример разработки простой ER-модели

При разработке ER-моделей необходимо получить следующую информацию о предметной области:

1. Список сущностей предметной области.

2. Список атрибутов сущностей.

3. Описание взаимосвязей между сущностями.

ER-диаграммы удобны тем, что процесс выделения сущностей, атрибутов и связей является итерационным. Разработав первый приближенный вариант диаграмм, можно уточнить их, опрашивая экспертов предметной области. При этом документацией, в которой фиксируются результаты бесед, являются сами ER-диаграммы.

Задача: разработать ER-модель для АИС некоторой оптовой торговой фирмы .

Основные этапы решения задачи

1. Изучение предметной области и процессов, происходящих в ней - как правило, осуществляется путем опроса сотрудников фирмы, чтения документации, изучения формы заказов, накладных и т.п.

Например, в ходе беседы с менеджером по продажам, выяснилось, что он (менеджер) считает, что проектируемая АИС должна выполнять следующие действия:

· Хранить информацию о покупателях.

· Печатать накладные на отпущенные товары.

· Следить за наличием товаров на складе.

2. Определение сущностей. Для этого необходимо выделить все существительные в предложениях, описывающих процессы, происходящие в изучаемой предметной области. Это и будут потенциальные кандидаты на сущности и их атрибуты. Проанализируем их (непонятные термины будем выделять знаком вопроса):

· Покупатель - кандидат на сущность.

· Накладная - кандидат на сущность.

· Товар - кандидат на сущность.

· (?) Склад - а вообще, сколько складов имеет фирма? Если несколько, то это будет кандидатом на новую сущность.

· (?) Наличие товара - это, скорее всего, атрибут, но атрибут какой сущности?

3. Определение связей между сущностями. Для рассматриваемого примера сразу возникает очевидная связь между сущностями: «Покупатели могут покупать много Товаров » и «Товары могут продаваться многим Покупателям ». Первый вариант диаграммы выглядит так:

Задав дополнительные вопросы менеджеру, были выявлены новые данные о том, что:

· фирма имеет несколько складов, а каждый товар может: храниться на нескольких складах; быть проданным с любого склада;

· покупатели покупают товары, получая при этом накладные, в которые внесены данные о количестве и цене купленного товара;

· каждый покупатель может получить несколько накладных;

· каждая накладная выписывается на одного покупателя;

· каждая накладная содержит хотя бы один товар (не бывает пустых накладных);

· каждый товар, в свою очередь, может быть продан нескольким покупателям через несколько накладных;

· каждая накладная должна быть выписана с определенного склада, и с любого склада может быть выписано много накладных.

Учитывая новые сведения, диаграмма примет следующий вид:

4. Определение атрибутов сущностей. Беседуя с сотрудниками фирмы, были выяснены следующие обстоятельства:

· каждый покупатель является юридическим лицом и имеет наименование, адрес, банковские реквизиты;

· каждый товар имеет наименование, цену, а также характеризуется единицами измерения;

· каждая накладная имеет уникальный номер, дату выписки, список товаров с количествами и ценами, а также общую сумму накладной; накладная выписывается с определенного склада и на определенного покупателя;

· каждый склад имеет свое наименование.

Снова выпишем все существительные, которые будут потенциальными атрибутами, и проанализируем их:

· Юридическое лицо – т.к. фирма работает только с юридическими лицами (не работает с физическими лицами), то такой атрибут выделять нет смысла.

· Наименование покупателя - характеристика покупателя.

· Адрес - характеристика покупателя.

· Банковские реквизиты - характеристика покупателя.

· Наименование товара - характеристика товара.

· (?) Цена товара - похоже, что это характеристика товара. Отличается ли эта характеристика от цены в накладной?

· Единица измерения - характеристика товара.

· Номер накладной - уникальная характеристика накладной.

· Дата накладной - характеристика накладной.

· (?) Список товаров в накладной - список не может быть атрибутом. Вероятно, нужно выделить этот список в отдельную сущность.

· (?) - это характеристика, но характеристика чего? Это характеристика не просто "товара", а "товара в накладной".

· (?) Цена товара в накладной - характеристика товара в накладной. Но цена товара уже встречалась выше - это одно и то же?

· Сумма накладной - характеристика накладной. Эта характеристика не является независимой. Сумма накладной равна сумме стоимостей всех товаров, входящих в накладную.

· Наименование склада - характеристика склада.

В ходе дополнительной беседы с менеджером удалось прояснить различные понятия цен. Оказалось, что каждый товар имеет некоторую текущую цену. Эта цена, по которой товар продается в данный момент. Естественно, что эта цена может меняться со временем. Цена одного и того же товара в разных накладных, выписанных в разное время, может быть различной. Таким образом, имеется две цены - цена товара в накладной и текущая цена товара.

С возникающим понятием «Список товаров в накладной» все довольно ясно. Сущности Накладная и Товар связаны друг с другом отношением типа много-ко-многим . Такая связь должна быть разделена на две связи типа один-ко-многим. Для этого требуется дополнительная сущность. Этой сущностью и будет сущность Список товаров в накладной . Связь ее с сущностями Накладная и Товар характеризуется следующими фразами: «Каждая накладная обязана иметь несколько записей из списка товаров в накладной», «Каждая запись из списка товаров в накладной обязана включаться ровно в одну накладную», «Каждый товар может включаться в несколько записей из списка товаров в накладной», «Каждая запись из списка товаров в накладной обязана быть связана ровно с одним товаром».

Атрибуты Количество товара в накладной и Цена товара в накладной являются атрибутами сущности Список товаров в накладной .

Точно также поступим со связью, соединяющей сущности Склад и Товар . Введем дополнительную сущность Товар на складе . Атрибутом этой сущности будет Количество товара на складе . Таким образом, товар будет числиться на любом складе и количество его на каждом складе будет свое.

В результате ER-диаграмма примет вид:

Модели данных

Модель предметной области поддерживается в памяти компьютера с помощью СУБД. В силу этого результат моделирования зависит не только от предметной области, но и от используемой СУБД, т.к. каждая СУБД предоставляет свой инструментарий для отображения предметной области. Этот инструментарий принято называть моделью данных .

Модель данных определяется тремя компонентами:

· допустимой организацией данных;

· ограничениями целостности (семантической);

· множеством операций, допустимых над объектами модели данных.

Допустимая организация данных определяется разнообразием и количеством типов объектов модели данных, ограничениями на структуру данных.

Ограничения целостности поддерживаются средствами, предусмотренными в модели данных для выражения ограничений на значения данных и ассоциации, которые (ограничения) характеризуют достоверные состояния БД.

Ряд ограничений целостности поддерживается моделью данных по умолчанию и распространяется на все типовые ситуации, возникновение которых возможно при внесении изменений в БД. Например, если между записями типа ГРУППА и СТУДЕНТ установлена иерархическая связь, то СУБД воспрепятствует удалению сведений о студенческой группе, если с ней связана хотя бы одна запись о студенте.

Другие ограничения целостности могут задаваться явно и также распространяться на множество однотипных ситуаций или на значения отдельных полей. Например, предположим, что при определении записи для какого-либо поля задано свойство уникальности значений, тогда СУБД воспрепятствует появлению в БД двух записей с одинаковым значением этого поля.

Множество операций определяет виды обработок, которым могут подвергаться объекты модели данных. Прежде всего, это – операции выборки данных и операции, изменяющие состояние БД.

Поддерживаемые СУБД модели данных традиционно разбиваются на: сетевые , иерархические , реляционные (имеются также другие модели данных). Эта классификация условна, т.к. каждая СУБД поддерживает свою оригинальную модель данных. И даже если модель данных относится к одной из выделенных разновидностей, она может содержать достаточно много отличительных особенностей. Наиболее распространенными моделями являются реляционные модели данных (РМД).

Модель была предложена Петером Пин-Шен Ченом в 1976 г.. На использовании разновидностей ER-модели основано большинство со­временных подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Моделирование предметной области базируется на исполь­зовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнород­ных компонентов. В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER-модели получили широкое распространение в CASE-системах, поддерживающих автоматизированное проектирование реляци­онных баз данных.

Базовыми понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут.

Сущность – это реальный или воображаемый объект, информация о котором представляет интерес. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности - это имя типа, а не конкретного объекта - экземпляра этого типа. Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого дру­гого экземпляра той же сущности.

Связь – это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями. Эта ассоциация всегда является бинарной и мо­жет существовать между двумя разными сущностями или между сущнос­тью и ей же самой (рекурсивная связь). В любой связи выделяются два кон­ца (в соответствии с парой связываемых сущностей), на каждом из кото­рых указывается имя конца связи, степень конца связи (сколько экземпля­ров данной сущности связывается), обязательность связи (т. е. любой ли экземпляр данной сущности должен участвовать в данной связи).

Связь представляется в виде линии, связывающей две сущности или ведущей от сущности к ней же самой. При этом в месте "стыковки" связи с сущностью используются трёхточечный вход в прямоугольник сущности. Если для этой сущности в связи могут использоваться много экземпляров сущности, и одноточечный вход, если в связи может участвовать только один экземпляр сущности. Обязательный конец связи изображается сплош­ной линией, а необязательный - прерывистой линией.

Как и сущность, связь - это типовое понятие, все экземпляры обеих пар связываемых сущностей подчиняются правилам связывания.

Рис. 12. Пример связи между сущностями

Данная диаграмма может быть интерпретирована следующим образом: Каждый СТУДЕНТ учится только в одной ГРУППЕ; Любая ГРУППА состоит из одного или более СТУДЕНТОВ. На следующем рисунке изображена сущность ЧЕЛОВЕК с рекурсив­ной связью, связывающей ее с ней же самой.

Рис. 13. Пример рекурсивной связи

Лаконичной устной трактовкой изображенной диаграммы является следующая:

Каждый ЧЕЛОВЕК является сыном одного и только одного ЧЕЛО­ВЕКА;

Каждый ЧЕЛОВЕК может являться отцом для одного или более ЛЮ­ДЕЙ ("ЧЕЛОВЕКОВ").

Атрибутом сущности является любая деталь, которая служит для уточ­нения, идентификации, классификации, числовой характеристики или вы­ражения состояния сущности. Имена атрибутов заносятся в прямоуголь­ник, изображающий сущность, под именем сущности и изображаются ма­лыми буквами. Например:

Рис. 14. Изображение сущности с ее атрибутами

Уникальным идентификатором сущности является атрибут, комбина­ция атрибутов, комбинация связей или комбинация связей и атрибутов, уникально отличающая любой экземпляр сущности от других экземпля­ров сущности того же типа.

Как и в реляционных схемах баз данных, в ER-схемах вводится поня­тие нормальных форм, причем их смысл очень близко соответствует смыс­лу реляционных нормальных форм. Заметим, что формулировки нормальных форм ER-схем делают более понятным смысл нормализации реляци­онных схем, Мы рассмотрим только очень краткие и неформальные опре­деления трех первых нормальных форм.

В первой нормальной форме ER-схемы устраняются повторяющиеся ат­рибуты или группы атрибутов, т. е. производится выявление неявных сущ­ностей, "замаскированных" под атрибуты.

Во второй нормальной форме устраняются атрибуты, зависящие только от части уникального идентификатора. Эта часть уникального идентифи­катора определяет отдельную сущность.

В третьей нормальной форме устраняются атрибуты, зависящие от ат­рибутов, не входящих в уникальный идентификатор. Эти атрибуты явля­ются основой отдельной сущности.

Мы остановились только на самых важных понятиях ER-модели дан­ных. К числу более сложных элементов модели относятся следующие:

Подтипы и супертипы сущностей. ER-модель позволяет задавать от­ношение IS-A между типами. При этом если Т, IS-A Т 2 (где Т 1 и Т 2 - типы сущностей), то Т, называется подтипом Т 2 , а Т 2 - супертипом Т.. Т. о., су­ществует возможность наследования типа сущности, исходя из одного или нескольких супертипов.

Связи "многие-со-многими". Иногда бывает необходимо связывать сущ­ности таким образом, что с обоих концов связи могут присутствовать не­сколько экземпляров сущности (например, все члены кооператива сообща владеют имуществом кооператива). Для этого вводится разновидность связи "многие-со-многими".

Уточняемые степени связи. Иногда бывает полезно определить возмож­ное количество экземпляров сущности, участвующих в данной связи (на­пример, служащему разрешается участвовать не более чем в трех проектах одновременно). Для выражения этого семантического ограничения разре­шается указывать на конце связи ее максимальную или обязательную сте­пень.

Каскадные удаления экземпляров сущностей. Некоторые связи бывают настолько сильными (конечно, в случае связи "один-ко-многим"), что при удалении опорного экземпляра сущности (соответствующего концу связи "один") нужно удалить и все экземпляры сущности, соответствующие кон­цу связи "многие". Соответствующее требование "каскадного удаления" можно сформулировать при определении сущности.

Домены. Как и в случае реляционной модели данных, бывает полезна возможность определения потенциально допустимого множества значений атрибута сущности (домена).

Эти и другие, более сложные элементы модели данных "Сущность-Связь", делают ее более мощной, но одновременно несколько усложняют ее использование. Конечно, при реальном использовании ER-диаграмм для проектирования баз данных необходимо ознакомиться со всеми возмож­ностями.

ER-модель базы данных

Модель сущность-связь (англ. entity-relationship model, ERM, ER-модель) позволяет описывать концептуальные схемы предметной области.

ER-модель используется при высокоуровневом проектировании баз данных. С её помощью можно выделить ключевые сущности и обозначить связи, которые могут устанавливаться между этими сущностями. ER-модель это формальная конструкция, не определяющая графических средств её представления. В качестве стандартного графического представления ER-модели, была разработана диаграмма сущность-связь ER-диаграмма (Entity Relationship Diagram - ER - диаграмма). При проектирования баз данных происходит преобразование ER-модели в конкретную схему базы данных.

Как известно, базовым понятием реляционных БД является таблица (отношение). Таблица используется для структуризации и хранения информации. В реляционных БД каждая ячейка таблицы содержит одно значение. Кроме того, внутри одной БД существуют взаимосвязи между таблицами, каждая из которых задает совместное пользование данными таблицы.

ER-диаграмма графически представляет структуру данных проектируемой БД. Сущности отображаются при помощи прямоугольников, таблиц, содержащих имя сущности - таблицы БД. Взаимосвязи сущностей отображаются в виде линий, соединяющих отдельные сущности.

Взаимосвязь показывает, что данные одной сущности ссылаются или связаны с данными другой.

Степень конца связи указывается графически, множественность связи изображается в виде "вилки" на конце связи. Модальность связи так же изображается графически - необязательность связи помечается кружком на конце связи. Именование связи выражается одним глаголом (рис.13).

Рис.13.

Атрибуты сущности записываются внутри прямоугольника, изображающего сущность, и выражаются существительным в единственном числе.

Среди атрибутов выделяется ключ сущности. При создании сущности необходимо выделить группу атрибутов, которые могут быть первичным ключом, затем произвести отбор атрибутов для включения в состав первичного ключа:

· Первичный ключ должен быть подобран таким образом, чтобы по значениям атрибутов, в него включенных, можно было точно идентифицировать экземпляр сущности.

· Никакой из атрибутов первичного ключа не должен иметь нулевое значение.

· Значения атрибутов первичного ключа не должны меняться. Если значение изменилось, значит, это уже другой экземпляр сущности.

При выборе первичного ключа, как правило, в сущность вводится дополнительный атрибут, который становиться ключом.

Так, для определения первичного ключа часто используют уникальные номера, которые могут автоматически генерироваться системой при добавлении экземпляра сущности в БД. Применение уникальных номеров облегчает процесс индексации и поиска в БД.

Первым шагом при создании логической модели БД является построение ER-диаграммы, состоящей из трех частей: сущностей, атрибутов и взаимосвязей.

Разработано множество инструментов визуального создания ER - диаграмм для различны платформ. В настоящем проекте использовалась разработка MySQL Workbench .

Этот инструмент упрощает проектирование баз данных и обслуживание, автоматизирует, отнимающие много времени и подверженные ошибкам задачи и улучшает связь среди команд разработчиков и архитекторами БД. Он позволяет архитекторам данных визуализировать требования, общаться с заинтересованными лицами по вопросам проектирования прежде, чем будут сделаны инвестиции в проект. Это обеспечивает управляемое моделью проектирование баз данных, которое является самой эффективной методологией для того, чтобы создать реальные и хорошо продуманные базы данных. ER - диаграмма базы данных системы дистанционного тестирования (control_tests ) изображена на рисунке (рис.14). Две вертикальные черточки с одной стороны и "трезубец" с другой обозначают соответственно "связь один ко многим".

Рис. 14. ER - диаграмма базы данных control_test системы дистанционного тестирования

Нормализация базы данных

В реляционной теории БД нет универсальных предписаний, законов для проектирования надежной, спроектированной раз и навсегда базы данных. Разработчики выбирают свои решения по проекту базы данных, полагаясь во многом на опыт, интуицию, различные инструменты и методы проектирования.

Тем не менее, некоторые каноны, правила все-таки существуют. К таким правилам относятся правила нормализации, т.е. приведения отношений к нормальной форме.

ER-диаграмма

Как отмечалось ранее, одна из основных целей семантического моделирования состоит в том, чтобы результаты анализа предметной области были отражены в достаточно простом, наглядном, но в то же время формализованном и достаточно информативном виде.

В этом смысле ER-диаграммаявляется очень удачным решением. В ней сочетаются функциональный и информационный подходы, что позволяет представлять как совокупность выполняемых функций, так и отношения между элементами системы, задаваемые структурами данных. При этом графическая форма позволяет отобразить в компактном виде (за счет наглядных условных обозначений) типологию и свойства сущностей и связей, а формализмы, положенные в основу ER-диаграмм,позволяют использовать на следующем шаге проектирования логической структуры базы данных строгий аппарат нормализации.

Сущности. Каждый тип сущности в ER-диаграммах представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. В качестве имени обычно используются существительные (или обороты существительного) в единственном числе. Для отражения сущностей слабых типов используются прямоугольники, стороны которых рисуются двойными линиями. Например, в рассматриваемой далее ER-диаграмме, приведенной на рис. 5.4, ПОДЧИНЕННЫЙ - сущность слабого типа.

Свойства. Свойства служат для уточнения, идентификации, характеристики или выражения состояния сущности или связи. Свойства отображаются в виде эллипсов, содержащих имя свойства. Эллипс соединяется с соответствующей сущностью или связью линией.

Имена ключевых свойств подчеркиваются, например, свойство «Табельный номер» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется двойной линией, если свойство многозначное, например, свойство «Специальность» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется штриховой линией, если свойство производное, например, свойство «Кол-во» сущности ПОСТАВЩИК.

Эллипс соединяется пунктирной линией, если свойство условное, например, свойство «Иностранный язык» сущности СОТРУДНИК.

Если свойство составное, то составляющие его свойства отображаются другими эллипсами, соединенными с эллипсом составного, например, свойство «Адрес» сущности СОТРУДНИК состоит из простых свойств «Город», «Улица», «Дом».

Связи. Связь - это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между сущностями. Каждый тип связи на ER-диаграмме отображается в виде ромба с именем связи внутри. В качестве имени обычно используются отглагольные существительные.

Стороны ромба рисуют двойными линиями, если это связь сущности слабого типа с сущностью, от которой она зависит. Например, связь «Подчинение», связывающая сущность слабого типа ПОДЧИНЕННЫЙ с сущностью СОТРУДНИК, от которой она зависит.

Участники связи соединены со связью линиями. Двойная линия обозначает полное участие сущности в связи с данной стороны. Например, связь «Подчинение» со стороны сущности ПОДЧИНЕННЫЙ.

Связь может быть модифицирована указанием роли. Например, для рекурсивной связи «Состав» указаны роли: «Деталь состоит из ...» и «Деталь входит в состав ...».