Гайдамакин Н.А. Автоматизированные информационные системы, базы и банки данных. Вводный курс Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

3.2.

Проектирование

банков данных фактографических АИС

атрибутов (детерминантов). Пример такой таблицы приведен

на

рис.

3.7.

Исходная таблица

третьей нормальной форме

сотр.

Фсолилш,

Операхря

Мероуриятие

001

Пронин

'^П^ьшсок"

002

Исаев

"Берн"

"Бросок*

002

Исаев

"Бранденбууг"

"Прыжок"

007

Бонд

"Золотой глаз"

"Бросок"

Декомпозиция для

удоБлетворениятребованишутнормапьнон

формы

Бойса-Кодца

сотр.

001

002

007

Фами/шл

Пронин

Исаев

Бонд

сотр.

001

002

007

Опера1^2х

"Ы"

"Берн"

"Бранденбург"

"Золотой глаз"

Меро}рият»г

"Прыжок"

"Бросск"

"Прыжок"

"Бросск"

Рис. 3. 7.

Прил1ер

приведения

таблицы

из третьей нормальной

формы в форму Бойса-Кодда

В данной таблице имеются два детерминанта —

(«Лич. № сотр.», «Операция») и («Фамилия», «Операция»), от

каждого из которых функционально полно зависит поле-атри-

бут «Мероприятие».

Таблица-отношение находится в нормальной форме Бой-

са-Кодда тогда и только тогда, когда каждый его детерминант

является возможным ключом. Очевидно,

^гго

если в таблице име-

ется всего один возможный ключ, то он одновременно являет-

ся детерминантом, и нормальная форма Бойса-Кодда совпада-

ет с третьей нормальной формой'-.

Таблица, приведенная на рис. 3.7, не удовлетворяет требо-

ванию нормальной формы Бойса-Кодда, так как если устано-

вить ключом

детерминант

(«Лич.№ сотр.», «Операция»), то

поле-атрибут «Фамилия» будет функционально зависеть от ча-

сти составного ключа (от поля «Лич.№ сотр.») и нарушатся тре-

бования второй нормальной формы. Следствием такой ситуа-

ции является дублирование данных по полям-атрибутам «Лич.

№ сотр.» и «Фамилия».

'- Поэтому иногда нормальную форму Бойса-Кодда считают частным случаем

третьей

пормсшьной

формы.

111

3. Основы

создаЕшя

информационных

систе м

Для приведения таблицы в нормальную форму Бойса-Код-

да необходимо произвести декомпозицию таблицы так, чтобы

исключить случаи пересечения по некоторым полям-атрибутам

имеющихся детерминантов.

Встречаются также случаи, требующие «улучшения» и нор-

мальной формы

Бойса—Кодца.

Такие ситуации связаны слшо-

гозначной

зависимостью атрибутов. В таблице-отношении

с полями-атрибутами X, У,

существует многозначная зависи-

мость атрибута У от атрибута X тогда и только тогда, когда

любое значение из множества У, соответствующее паре значе-

ний атрибутов

и 2, зависит

только

от значения У. Для приме-

ра рассмотрим таблицу на рис. 3.8. При этом будем считать,

что каждый сотрудник, привлеченный к какой-либо операции,

в обязательном порядке участвует во всех проводимых в рам-

ках данной операции мероприятиях. В этом случае единствен-

но возможным ключом является совокупность всех трех полей

атрибутов (каждый сотрудник может участвовать в разных опе-

рациях, в одной операции может участвовать несколько сотруд-

ников).

Исходная та&хица в

нсрмапьной

форме Бс»са-4Содц&

Оп^>а1ря

"Ы"

"Золотой глаз"

"Золотой

глю"

"Золотой глаз"

Фамитга

Пронин

Бонд

М^рсур.ц{ти^

"Прыжок"

"Бросак"

"Подход"

"Конгагг"

"Связь"

ДЁПОМПООИЦЩ

таблицы для

вьлюлнекия

требоБаний

четвертш

нормальной формы

Оп^агря

"Ы"

"Зспсяойгпаз"

^г'ецАилл

Пронин

Бонд

Оп^>а1^

"Ы"

"Зспстой

глаз"

"Золотой таз"

"Зол от ой га

аз"

М/врогрихтгмг

"Прыжок"

"Бросок"

"Подход"

"Контакт"

"Связь"

Рис. 3.8.

Пр1а1ер

декомпозиции таблицы из нормальной

формы

Бойса—Кодда в четвертую иормачьиую форму

112

3.2.

Проектирование

банков данных фактографических АИС

Так как имеется единственный возможный составной ключ,

то данная таблица автоматически находится в нормальной фор-

ме

Бойса—Кодца.

При этом имеется многозначная зависимость

поля-атрибута «Фамилия» от поля-атрибута «Операция» (для

любой пары значений атрибутов «Операция»—«Мероприятие»

значение атрибута «Фамилия» фактически определяется толь-

ко значением атрибута «Операция» при сформулированном

выше условии участия каждого сотрудника автоматически во

всех мероприятиях данной операции). Аналогично имеется мно-

гозначная зависимость поля-атрибута «Мероприятия» от поля-

атрибута «Операция». В такой ситуации для внесения инфор-

мации о новом сотруднике, вовлекаемом в какую-либо опера-

цию, придется добавить столько строк-кортежей, сколько

мероприятий проводится в рамках данной операции.

Подобные аномалии устраняет четвертсш нормсшьнсш фор-

ма. Таблица-отношение находится в четвертой нормальной

форме тогда и только тогда, когда в случае существования мно-

гозначной зависимости атрибута У от атрибута X все осталь-

ные атрибуты функционально зависят от атрибута X.

Приведение таблицы в четвертую нормальную форму ос-

новывается на теореме Фейджииа, в которой доказывается воз-

можность проецирования без потерь" таблицы с атрибутами

У,

в две таблицы с атрибутами

X, 2, когда существу-

ет многозначная зависимость атрибута У от атрибута X. Про-

цесс декомпозиции проиллюстрирован на рис. 3.8.

Наиболее сложной при нормализации является пяпшя нор-

мальная форма, связанная с наличием в таблице-отношении за-

висимостей соединения. В таблице-отношении с полями-атри-

бутами X, У, ...,

имеется зависимость соединения тогда и

только тогда, когда таблица может быть без

потерь

восстанов-

лена на основе операций соединения своих проекций, напри-

мер (X, У), (X, 2), (У, 2) и т. д. по полям-атрибутам X, У,..., 2.

Таблица-отношение может находиться в четвертой нор-

мальной форме, но когда в ней имеется зависимость соедине-

Проецирование бе:) потерь предполагает полное и безьгзбыточное восстановле-

ние исходной таблицы путем операции соединения

таблиц

—

результатов декомпози-

ции.

113

3. Основы создания информационных

систе м

ния, могут возникать

аномалии

при операциях добавления/уда-

ления строк-кортежей. Для примера рассмотрим таблицу, при-

веденную на рис. 3.9. Ключом таблицы является совокупность

всех трех полей-атрибутов, так как сотрудник может входить в

состав разных групп и участвовать в разных мероприятиях, каж-

дое из которых может проводиться разными группами. В таб-

лице нет детерминантов, отсутствуют функциональные и мно-

гозначные зависимости, т. е. таблица находится в четвертой нор-

мальной

форме. Тем не менее в данной таблице нельзя удалить

информацию по участию Бонда в мероприятии «Контакт», не

удалив при этом вообще информацию о мистере Бонде в таб-

лице. Нельзя также добавить строку-запись о вхождении мис-

тера Бонда еще и в группу «Р», если при этом он не участвовал

ни в одном мероприятии.

Исходная таблица

четвертей

нормапьнш

форме

Фаития

Пронин

Исаев

Бонд

Г;уимй

"А"

"т-

-Б "

«3-

Мерспрлтие

"Прыжок"

"Связь*

"Контакт"

Декампсоищш

три таблицы для

выпшнекия

требований пятой нормальной формы

Фамилия

Пронин

Исаев

Бонд

Г^а

"А"

"Т"

"Б"

•3-

Фамилия

Прении

Исаев

Бонд

Мероприятие

"Прыжок"

"Связь"

"Кситагг"

Г^пуа

"А"

•Т"

"Б"

•3"

Меропглччпие

"П»)ыжо1:"

"Прыжок"

"Связь"

'Кап

акт"

Рис.

3.9

Пример декомпозиции таблицы из четвертой в пятую

нормальную форму

Подобные аномалии устраняются приведением таблицы в

пятую

нормсшьную

форму. Таблица-отношение находится

в/м-

тоа иорлкигоиой форме тогда и только тогда, когда любая за-

висимость соединения в ней следует из существования некото-

рого возможного ключа.

Приведение таблицы в пятую нормальную форму осуще-

ствляется путем ее декомпозиции сразу на

несколько

таблиц

отношений. Если предположить, что в таблице, представлен-

114

3.2.

Проектирование

банков данных фактографических АИС

ной на рис. 3.9, имеется зависимость соединения по составным

атрибутам «Фамилия»-«Группа», «Фамилия»-«Мероприятие»,

«Группа»-«Мероприятие»'^

то, разбив таблицу на три проек-

ции по соответствующим полям-атрибутам, можно удовлетво-

рить требованиям пятой нормальной формы и устранить отме-

ченные аномалии.

Из-за нетривиальности зависимости соединения пятая нор-

мальная форма практически не используется.

Нормализация исходных таблиц при проектировании бан-

ка данных, как уже отмечалось, проводится для рационализа-

ции группировки полей-атрибутов в схемах таблиц с целью ус-

транения аномалий и дублирования данных. Вместе

тем про-

цесс нормализации, как правило, приводит к декомпозиции

исходных таблиц на множество связанных и несвязанных бо-

лее простых таблиц. В результате при обработке данных при-

ходится осуществлять множество операций

соединения

таблиц,

что накладывает высокие требования к вычислительным ресур-

сам при больших объемах банка данных. Поэтому, как уже от-

мечалось, на практике в большинстве случаев при проектиро-

вании схем реляционных баз данных ограничиваются третьей

нормсшьной

формой таблиц-отношений.

Результатом проектирования и нормализации таблиц явля-

ется законченная схема (логическая структура) базы данных.

Технологически описание схемы базы данных помещается в

каталог базы данных, который в реляционных СУБД, в свою

очередь, представляет также табтщу^^, структура (поля) кото-

рой описывает объекты базы данных (таблицы), их названия,

поля, параметры и т. д. Обычно каталог базы данных хранится

в файле БД вместе с данными. В определенных случаях (сис-

темы «Клиент-сервер», распределенные системы, системы на

Наличиезависимости

соединения является

нетриви;шьным

предположением,

основывающимся в большинстве случаев на эвристических соображениях, т. с. в дан-

ном случае на уверенности, что при

соединент!

трех таблиц «Фамилия» - «Группа»,

«Фамилия» - «Мероприятие» и «Группа» - «Мероприятие» не

проиаойдст

каких-либо

потерь или появления лишних данных относительно исходной таблицы.

" В некоторых СУБД, как уже

укааывсшось,

каталог базы данных именуют

сис-

шсмпьшк

пюблычимы.

115

3. Основы создания информационных

систем

основе репликации) может устанавливаться специальный ре-

жим размещения и доступа к каталогу базы данных.

Для повышения эффективности схемно-структурного про-

ектирования банков данных на рынке программных средств

СУБД появился специальный класс программ, называемых

CASE-системами^^.

Наиболее известными из них являются

Designer 2000 компании «Огасlе», ErWin компании «LogicWorks»,

PowerBu/der компании «PowerSoft». Такие системы предостав-

ляют проектировщику банка данных средства

концептусшьно-

го проектирования баз данных на основе техники семантичес-

кого моделирования. При этом широко используются средства

визуализации определения и описания информационных объек-

тов, связей и их атрибутов, что делает процесс проектирования

максимально наглядным и позволяет проектировщику сосре-

доточиваться на смысловом аспекте структуры банка данных.

Разработанная таким образом концептуальная схема банка дан-

ных транслируется CASE-системой в схему соответствующе-

го реляционного банка, избавляя проектировщика от утомитель-

ных процедур «ручного» перевода концептуальной (семанти-

ческой) схемы в реляционную.

Тенденция расширения средств описания схем реляцион-

ных банков данных в сторону оснащения их элементами се-

мантического моделирования наблюдается и в самих СУБД. В

некоторых СУБД имеются специальные инструменты

визусшь-

ного графического определения связей между таблицами и ог-

раничений целостности по ним. Кроме того, появляются также

специальные анализаторы структуры таблиц базы данных с

точки зрения

рационсшьности

и дублирования данных, которые

позволяют в некоторой степени автоматизировать рассмотрен-

ные выше процессы нормализации таблиц.

Вопросы и упражнения

Врачи поликлиники ведут прием и обследование пациентов. Вы-

делите основные объекты-сущности предметной области и отно-

Сотри1ег

А!11е115оГ[\уаге

Еп81песг1пё

— системы автоматизированного проск-

тпровапия.

116

Вопросы и

упражнения

шения

между ними для концептуального проектирования банка

данных АИС, автоматизирующей учет обследований пациентов.

Изобразите средствами ЕЯ-модели концептуальную схему.

2. В учебном заведении преподаватели проводят занятия по учеб-

ным дисциплинам со студентами разных групп. Вьщелите основ-

ные объекты-сущности предметной области и отношения между

ними для

ко?щептуального

проектирования банка данных АИС,

автоматизирующей учет расписаний. Изобразите средствами

ЕЯ-модели концептуальную схему.

Учет материальных средств по подразделениям предусматривает

их закрепление за определенными сотрудниками. Выделите ос-

новные объекты-сущности предметной области и отношения меж-

ду

тпш

для

кощептуального

проектирования-банка

дагиых

АИС,

автоматизирующей учет матсредств

материсшыю

ответственных.

Изобрс1зите

средствами ЕЯ-модели когщептуальную схему.

4. При концептуальном проектировании

байка

данных АИС, авто-

матизирующей ведение Табеля рабочего времени сотрудников

организации, вьщелены следующие объекты-сущности;

«1

Сотрудник

со

Табель

Нетрудоспособность

Отуск

1 '

Сотрудник

учетом того что Табель является

остювой

для

начислегн-гя

со-

трудникам заработной платы,

онределтгте

необходимые атрибуты

по каждому объекту-сущности

ко1щепту^шьной

схемы.

При проектировании таблицы «Преподаватели» вьщелены следу-

ющие атрибуты—ФИО, Ка41едра (Истории, Математики, Инфор-

матики), Должность (Зав. кафедры, Профессор, Преподаватель,

Ассистент), Ученая степень

(Ка}щидат

наук.

Доктор наук), Уче-

юе звание (Старший 11ау1П гьш сотрудник, Доцег

п",

Про(1)ессор, Ака-

демик), Пед. стаж. Определите и обоснуйте для каждого атрибу-

та тип поля и другие параметры (обязательность заполнения,

словарно-списочный характер и тип словаря,

индексируемость

тип индекса, возможные ограничения целостности да1Н1ых). Вы-

берите из имеющихся атрибутов или предложите

дополгттельио

ключ таблицы.

117

3. Основы создания информационных систем

6. При проектировании таблицы «Автомобили» базы данных «За-

пасные части»

вьщелены

следующие атрибуты — Модель, Про-

шводитель

(ВАЗ, АЗЛК, ГАЗ, ИЖМаш, УАЗ), Категория (Легко-

вой, Грузовой, Специальный), Грузоподъемность, Год начала

производства.

Год прекращения производства, Фото. Определите

и обоснуйте для каждого атрибута тип поля и другие параметры

(обязательность заполнения, словарно^списочный характер

тип

словаря, индексируемость и тип индекса, возможные ограниче-

ния целостности данных). Выберите из имеющихся атрибутов или

предложите дополнительно ключ таблицы.

При концептуальном проектировании в базе данных по учету вы-

дачи пропусков на вход в административное здание сотрудникам

организации вьщелены следующие объекты-сущности, для каж-

дого из которых создается таблица со следующими полями:

• «Сотрудник»— Таб_№, ФИО, Должность, Подразделение;

•«Подразделение»—№№, Наименование, Руководитель;

• «Пропуск»— Таб_№_сотр., №_пропуска. Дни, Время, Кто

подписал.

С учетом того что у сотрудника может быть только один про-

пуск, определите и обоснуйте типы, способы и другие парамет-

ры создания связей между таблицами.

8. При концептуальном проектировании в

бс1зе

данных «Технологи-

ческие операции» вьщелены следующие объекты-сущности, для

каждого из которых создается таблица со следующими полями:

•«Подразделения»—№№, Наименование, Профиль(Произ-

водственно-технологический. Сбытовой, Снабженческий,

Организационно-управленческий);

• «Операции» — Код, Наименование, Описание;

• «Комплектующие»

— Код, Наименование, Тип (Крепеж,

Электрооборудование, Резинотехнические изделия), Количе-

ство, Минимально необходимое количество на складе.

С учетом того что одно подразделение может участвовать в вы-

полнении нескольких технологических операций и, соответствен-

но, одна операция может выполняться несколькими подразделе-

ниями, и, кроме того, для одной операции может требоваться оп-

ределенное количество различных комплектующих, а каждое

комплектующее может, в свою очередь, комплектовать несколь-

ко различных технологических операций, определите типы, спо-

собы и другие параметры создания связей между основными таб-

лицами.

Приведите к первой нормальной форме следующую

ненорм^гли-

зованную таблицу (в жирной рамке ключ таблицы):

118

Вопросы

упражнения

Тяб .

Л8

231

233

ФИО

Иванов И.И.

Петров П.П.

1-й отдел

3-й отдел

Кошндйровка -

"•

№М '

7234

7245

7347

Да1Д

1К1>1а:и

01.10.99

15.11.99

11.12.99

Дата

окошипЧця

20.10.99

21.11.99

15.12.99

Организация

.-'

•

-,•;•

П0"Кристши1 "

НПО "Заря"

ЗАО "Степь"

Город

Чериоморск

Гряжск

Урюпинск

10.

Приведите ко второй нормалыюй форме следующие таблицы, на-

ходящиеся в первой

нормалььюй

форме (в

жиргюй

рамке ключ

таблицы):

Таб.

.V»

С11ек-1'а1С'1 ь

Горе от ума

Свадьба Фигаро

Горе от ума

Роль

Чацкий

Фигаро

Фамусов

Фамилия

' актера

Миронов

Папанов

:''

-Звание

Заслуж. артист

Народ,

артист

Амплуа

Герой

Р;13110характ.

Л4№

клиен-

та

532

673

кредит а

1234

1347

1348

Су>1м а

100000р.

ЮОООООр

2000000р,

Дата

выдач и

10.01.96

10.01.97

11.01.97

Погашен

Да

Нет

ФИО

•

'Клиента' •

Честнадзе

А.А.

Честнадзе

А.А.

Волоокий В.В.

Адрес

Рахова-1 5

Ваицети-2

Телефон

22 33

33 22

1 1

11.

Приведите к третьей нормальной форме следующие таблицы, на-

ходящиеся во второй нормальной форме (в жир1юй рамке ключ

таблицы):

Рейс

3437

23-ис

777

Маршрут

Москва — Ныо-Васюки

Москва — Чериоморск

Москва — Гряжск

Тип самолета

Ил-62

Як-42

Количество

мест

180

120

Завод.

34-67/1

5677-с

45628

Производа-

тсль

"Рс13долье"

"Зелеиогорье"

"Мечта"

Марка

Ректиф-2

Ректиф-3

Ректиф-2

Сырье'

Картофель

Зер1ю

Картофель

эксплу>

атации

01.03.97

03.02.98

01.03.97

Производи-

тельность

200л/сутки

500л/сутки

200л/сутки

119

4. Ввод, обработка и вывод данных в

фактографических

АИС

4. Ввод, обработка и вывод данных

в фактографических АИС

Как уже отмечалось, цикл функционирования автоматизи-

рованных информационных систем включает сбор, комплекто-

вание данных, поиск и выдачу сведений для удовлетворения

информационных потребностей абонентов систем. Если исклю-

чить организационно-технологические аспекты сбора, комплек-

тования и вьщачи информации, технология работы пользовате-

лей с базами данных АИС включает ввод (загрузку), обработку

и вывод данных.

Предоставление пользователю средств реализации функ-

ций ввода, обработки и выдачи данных является одной из ос-

новных функций интерфейса автоматизированных информаци-

онных систем.

4.1. Языки баз данных

Как следует из рассмотрения внутренней схемы баз дан-

ных, одной из основных функций систем управления базами

данных является создание и поддержание

собственной

систе-

мы размещения и обмена данными между внешней (дисковой)

и оперативной памятью. От эффективности реализации в каж-

дой конкретной СУБД данной функции (формат файлов дан-

ных, индексирование, хэширование и буферизация) во многом

зависит и эффективность функционирования СУБД в целом.

Поэтому основные усилия создателей первых СУБД в конце

60-х — начале 70-х годов были сосредоточены именно в этом

направлении.

Однако такой подход приводил к «самостийности», уни-

кальности каждой конкретной СУБД и созданной на ее основе

автоматизированной информационной системы. В результате

для реализации любой функции по вводу, обработке или выво-

ду данных требовались квалифицированные программисты для

написания специальных программ на алгоритмических языках

120