Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 11

требностей которых создается рассматриваемая СУБД. В этом случае мы

можем четко выделить минимальный необходимый набор объектов

предм

ьный

набор объектов предметной области, которые необходимо

описы

потребностей пользователей может привести к избыточно

сложной схеме БД, которая для конкретных задач будет неэффективной.

ант, который, с одной стороны, ориентирован на

альные потребности пользователей, а с

друго

м описанием

инфор

на храниться в БД, формули-

ровк орые будут решаться с использованием

данн

итмов их решения, описанием вы-

ходн

входных документов, которые служат основанием для заполнения

данн

процесс».

Опи

ван на конкретные задачи

или

• списки студентов групп;

етной области, которые должны быть описаны.

• Предметный подход – когда информационные потребности буду-

щих пользователей БД жестко не фиксируются. Они могут быть много-

аспектными и весьма динамичными. Мы не может точно выделить ми-

нимал

вать. В описание предметной области в этом случае включаются

такие объекты и взаимосвязи, которые наиболее характерны и наиболее

существенны для нее. БД, конструируемая при этом, называется пред-

метной, то есть она может быть использована при решении множества

разнообразных, заранее не определенных задач. Конструирование пред-

метной

БД в некотором смысле кажется гораздо более заманчивым, од-

нако трудность всеобщего охвата предметной области с невозможностью

конкретизации

Чаще всего на практике рекомендуется использовать некоторый

компромиссный вари

конкретные задачи

или функцион

й стороны, учитывает возможность наращивания новых приложе-

ний.

Системный анализ должен заканчиваться подробны

мации об объектах предметной области, которая требуется для

решения конкретных задач и которая долж

ой конкретных задач, кот

ой БД с кратким описанием

алгор

ых документов, которые должны генерироваться в системе, описа-

нием

ыми БД.

Рассмотрим проектирование БД на примере предметной области

«Учебный

сание предметной области

Рассмотрим вариант, который ориентиро

функциональные потребности пользователей, а с другой стороны

учитывает возможность наращивания новых приложений.

Пусть необходимо построить базу данных, содержащую информа-

цию об учебном процессе в институте [2]:

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 12

• перечень изучаемых предметов;

• преподавательский состав кафедр, обеспечивающих учебный про-

цесс;

• сведения о лекционных и практических занятиях в каждой из

групп;

• результаты сдачи экзаменов (зачетов) по каждому из проведенных

занятий.

В результате анализа предметной области выявляются документы –

источники данных для создания базы данных.

• Докумен

ормация со-

держится в сок г С -

телей », «Список изучаемых ». На рис -

н правочных документ удентов и пре

• Документы учетной информации. Учетная информация про учеб-

ному роцессу может быть представлена в планах проведения занятий в

группах на текущий семестр, содержащих перечень

лекционных и прак-

тических занятий по предметам (рис. I.4), а также в заполненных экзаме-

наци

и не только дают

возможность выявить структуру данных, но и являются основой для раз-

работки фор

Список студентов группы № _________

Номер

студента

Фамилия

И.О. Год рож-

дения

Адрес Балл

при поступле-

ты справочной информации. Справочная

инф

документах «Спи студентов

предметов

ов для ст

рупп», « писок преподава

кафедр

ы формы с

. I.2, I.3 приведе

подавателей.

онных ведомостях (рис. I.5).

Особо отметим, что документы предметной област

м ввода/вывода, отчетов для печати документов.

ни

Количеств

Средний балл

о студентов ______

в группе при поступлении

_____

Рис. I.2. Форма документа со списком студентов группы

________

___________

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 13

Список преподавателей кафедры

Название кафедры ____________

Код

каф ___ Т _

Таб. номер Фамилия И. О. Уч. степень Уч

едры _____

аведующий ___

елефон _____

________

. звание

Рис. I.3.

План пе

__________/

ер Вид

тия

Часы

Форма документа со списком преподавателей кафедры

проведения занятий в груп

группа №___________ семестр текущий/

Название Код ФИО пре- Таб. ном

предмета предмета подавателя преподавателя заня-

Рис. I.4. Форма документа с перечнем занятий по предмету в группе

Экзаменационная ведомость

Название

Вид сд

предмета ______________________ Группа _________________

Преподаватель ______________________________

ачи ______________________________ Дата ___________________

№ п/п Фамилия И.О.

студента

Оценка Подпись пре-

подавателя

Рис. I.5. Форма документа-бланка экзаменационной ведомости

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 14

Инфологическое моделирование

Инфологическая модель применяется на втором этапе проектиро-

вания БД, то есть после словесного описания предметной области [10].

Процесс проектирования длительный и требует обсуждений с заказчи-

ком и

ти, которое легко будет «читать-

ся» не

ящий момент

именн

средств

содержат инструментальные средства

для описания данных в формализме этой модели. Кроме того, разработа-

ны методы автоматического преобразования проекта БД из ER-модели в

со специалистами в предметной области. Наконец, при разработке

серьезных корпоративных информационных систем проект базы данных

является тем фундаментом, на котором строится вся система

в целом, и

вопрос о возможном кредитовании часто решается экспертами банка на

основании именно грамотно сделанного инфологического проекта БД.

Следовательно, инфологическая модель должна включать такое форма-

лизованное описание предметной облас

только специалистами по базам данных. И это описание должно

быть настолько емким, чтобы можно

было оценить глубину и коррект-

ность проработки проекта БД, и конечно, оно не должно быть привязано

к конкретной СУБД. Выбор СУБД – это отдельная задача, для коррект-

ного ее решения необходимо иметь проект, который не привязан ни к ка-

кой конкретной СУБД.

Инфологическое проектирование связано, прежде всего, с попыт-

кой представления семантики

предметной области в модели БД. Реляци-

онная модель данных в силу своей простоты и лаконичности не позволя-

ет отобразить семантику, то есть смысл предметной области. Ранние тео-

ретико-графовые модели в большей степени отображали семантику

предметной области. Они в явном виде определяли иерархические связи

между объектами предметной области.

Проблема представления

семантики давно интересовала разработ-

чиков, и в семидесятых годах было предложено несколько моделей дан-

ных, названных семантическими моделями. К ним можно отнести семан-

тическую модель данных, предложенную Хаммером (Hammer) и Мак-

Леоном (McLeon) в 1981 году, функциональную модель данных Шипма-

на (Shipman), также созданную в 1981 году, модель «сущность-связь»,

предложенную Ченом (Chen

) в 1976 году, и ряд других моделей. У всех

моделей были свои положительные и отрицательные стороны, но испы-

тание временем выдержала только последняя. И в насто

о модель Чена «сущность-связь», или «Entity Relationship», стала

фактическим стандартом при инфологическом моделировании баз дан-

ных. Общепринятым стало сокращенное название ER-модель, большин-

ство современных CASE-

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 15

реляционную, при этом преобразование выполняется в даталогическую

модел

нии проекта БД с подробным описанием проектов БД и их отно-

шени

Мод

быть следующий

абор атрибутов: Табельный номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата рож-

дения, Количество детей

, Нали ов за границей. Набор ат-

рибутов, однозначно идентиф етный экземпляр сущно-

сти, называется ключевым. Дл и «Сотрудник» ключевым будет

атрибут Табельный номер, поскольку для всех сотрудников данного

предприятия табельные номер зличны. Экземпляром сущности

«Сотрудник» будет описание дника предприятия. Од-

но из общепринятых графических обозначений сущности – прямоуголь-

ь, соответствующую конкретной СУБД. Все CASE-системы имеют

развитые средства документирования процесса разработки БД, автома-

тические генераторы отчетов позволяют подготовить отчет о текущем

состоя

й как в графическом виде, так и в виде готовых стандартных

печат-

ных отчетов, что существенно облегчает ведение проекта.

В настоящий момент не существует единой общепринятой систе-

мы обозначений для ER-модели, и разные CASE-средства используют

разные графические нотации, но, разобравшись в одной, можно легко

понять и другие нотации.

ель «сущность-связь»

Как любая модель, модель «сущность-связь» имеет несколько ба-

зовых

понятий, которые образуют исходные кирпичики, из которых

строятся уже более сложные объекты по заранее определенным прави-

лам.

Эта модель в наибольшей степени согласуется с концепцией объ-

ектно-ориентированного проектирования, которая в настоящий момент,

несомненно, является базовой для разработки сложных программных

систем, поэтому многие понятия вам могут показаться знакомыми, и ес-

ли

это действительно так, то тем проще вам будет освоить технологию

проектирования баз данных, основанную на ER-модели.

• Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных

объектов. Сущность имеет имя, уникальное в пределах моделируемой

системы. Так как сущность соответствует некоторому классу однотип-

ных объектов, то предполагается, что в системе существует множество

экземпляров

данной сущности. Объект, которому соответствует понятие

сущности, имеет свой набор атрибутов – характеристик, определяющих

свойства данного представителя класса. При этом набор атрибутов дол-

жен быть таким, чтобы можно было различать конкретные экземпляры

сущности. Например, у сущности «Сотрудник» может

чие родственник

ицирующий конкр

я сущност

а будут ра

конкретного сотру

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 16

ник, в верхне же перечис-

ляются

й части которого записано имя сущности, а ни

атрибуты, причем ключевые атрибуты помечаются, например,

подчеркиванием или специальным шрифтом (рис. I.6).

СОТРУДНИК

Табельный номер

Фамилия

Имя

Отчество

Количество детей

Рис. I.6. Пример определения сущности в модели ER

Между сущностями могут быть установлены связи – бинарные ас-

социации, показывающие, каким образом сущности соотносятся или

взаим

связ

енности: один-к-одному (1:1), один-ко-многим

(1:М), многие-

ко-многим (М:М). Связь один-к-одному означает, что эк-

земпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой

сущности. Связь 1:М означает, что один экземпляр сущности, располо-

женный слева по связи, может быть связан с несколькими экземплярами

одействуют между собой. Связь может существовать между двумя

разным сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная

связь). Она показывает, как связаны экземпляры сущностей между собой.

Если связь устанавливается между двумя сущностями, то она определяет

взаимосвязь между экземплярами одной и другой сущности. Например,

если у нас есть связь между сущностью «Студент» и сущностью «Препо-

даватель» и эта связь – руководство дипломными проектами, то каждый

студент имеет только одного руководителя, но один и тот же преподава-

тель может руководить множеством студентов дипломников. Поэтому

это будет ь «один-

ко-многим» (1:М), один со стороны «Преподава-

тель» и многие со стороны «Студент» (рис. I.7).

В разных нотациях мощность связи изображается по-разному. В

нашем примере мы используем нотацию CASE системы POWER

DESIGNER, здесь множественность изображается путем разделения ли-

нии связи на 3. Связь имеет общее имя «Дипломное проектирование» и

имеет имена ролей со стороны

обеих сущностей. Со стороны студента

эта роль называется «Пишет диплом под руководством», со стороны

преподавателя эта связь называется «Руководит» . Графическая интер-

претация связи позволяет сразу прочитать смысл взаимосвязи между

сущностями, она наглядна и легко интерпретируема. Связи делятся на

три типа по множеств

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 17

сущности, расположенными справа по связи. Связь «один-к-одному»

(1:1) означает, что один экземпляр одной сущности связан только с од-

ним экземпляром другой сущности, а связь «многие-ко-многим» (М:М)

означает, что один экземпляр первой сущности может быть связан с не-

сколькими экземплярами второй сущности, и наоборот, один экземпляр

второй

сущности может быть связан с несколькими экземплярами пер-

вой сущности.

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

Табельный номер

Фамилия имя отчество

Кафедра

СТУДЕНТ

Номер зачетной книжки

Фамилия

Имя

Отчество

Группа

Руководит

Дипломное проектирование

Пишет диплом

Ри

сколько

угодно свя-

зей с разны я сущно-

стями

с. I.7. Пример отношения «один-ко-многим» при связывании сущностей «Сту-

дент» и «Преподаватель»

Например, если мы рассмотрим связь типа «Изучает» между сущ-

ностями «Студент» и «Дисциплина», то это связь типа «многие-ко-

многим» (М:М), потому что каждый студент может изучать несколько

дисциплин, но и каждая дисциплина изучается множеством студентов.

Такая связь изображена на рис. I.8.

• Между двумя сущностями может быть задано

ми смысловыми нагрузками. Например, между двум

«Студент» и «Преподаватель» можно установить две смысловые

связи, одна – рассмотренная уже ранее «Дипломное проектирование», а

вторая может быть условно названа «Лекции», и она определяет, лекции

каких преподавателей слушает данный студент и каким студентам дан-

ный преподаватель читает лекции. Ясно

, что это связь типа многие-ко-

многим. Пример этих связей приведен на рис. I.8.

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 18

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

Табельный номер

Фамилия имя отчество

Кафедра

СТУДЕНТ

Номер зачетной книжки

Фамилия

Имя

Отчество

Группа

Руководит

Пишет диплом

Дипломное проектирование

Слушает лекции

Читает лекции

Лекции

Рис. I.8. Пример моделирования связи «многие-ко-многим»

• Связь любого из этих типов может быть обязательной, если в дан-

ной связи должен участвовать каждый экземпляр сущности, необяза-

тельной – если не каждый экземпляр сущности должен участвовать в

данной связи. При этом связь может быть обязательной с одной стороны

и необязательной с другой стороны. Обязательность связи тоже по-

разному

обозначается в разных нотациях. Мы снова используем нотацию

POWER DESIGNER. Здесь необязательность связи обозначается пустым

кружочком на конце связи, а обязательность перпендикулярной линией,

перечеркивающей связь. И эта нотация имеет простую интерпретацию.

Круж

связи.

очек означает, что ни один экземпляр не может участвовать в этой

А перпендикуляр интерпретируется как то, что, по крайней мере,

один экземпляр сущности участвует в этой связи. Рассмотрим для этого

ранее приведенный пример связи «Дипломное проектирование». На на-

шем рисунке эта связь интерпретируется как необязательная с двух сто-

рон. Но ведь на самом деле каждый студент, который пишет диплом,

должен иметь своего руководителя дипломного проектирования, но, с

другой стороны, не каждый

преподаватель должен вести дипломное про-

ектирование. Поэтому в данной смысловой постановке изображение этой

связи изменится и будет таким, как представлено на рис. I.9.

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 19

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

Табельный номер

Фамилия имя отчество

Кафедра

СТУДЕНТ

Номер зачетной книжки

Руководит

Фамилия

Имя

Отчество

Группа

Дипломное проектирование

Пишет диплом

Рис. I.9. Пример обязательной и необязательной связи между сущностями

Кроме того, в ER-модели допускается принцип категоризации

сущно

ошения, которые определяются однажды на

верхн

овне анализа не удается

выявить полный перечень подтипов, то вводится специальный подтип,

называемый

условно «Прочие», который в дальнейшем может быть уточ-

нен. В ввести подтипизацию на

двух- у

Сущность имеет имя, уникальное в пределах модели. При этом имя

сущности – экземпляра.

щность являет-

ся слабой, е

по отношен ненный» является сла-

бой п

некоторому сотруднику, имеющему подчиненных, то

сведения о

лее взаимоисклю-

чающ под

и/или

связи и вно определяются один раз на

стей. Это значит, что, как в объектно-ориентированных языках

программирования, вводится понятие подтипа сущности, то есть сущ-

ность может быть представлена в виде двух или более своих подтипов –

сущностей, каждая из которых может иметь общие атрибуты и отноше-

ния и/или атрибуты и

отн

ем уровне и наследуются на нижнем уровне. Все подтипы одной

сущности рассматриваются как взаимоисключающие, и при разделении

сущности на подтипы она должна быть представлена в виде полного на-

бора взаимоисключающих подтипов. Если на ур

реальных системах бывает достаточно

трех ровнях.

это имя типа, а не конкретного

Сущности подразделяются на сильные и слабые. Су

сли ее

существование зависит от другой сущности – сильно

ию к ней. Например, сущность «Подчи

о отношению к сущности «Сотрудник»: если будет удалена запись,

соответствующая

подчинении также должны быть удалены.

Сущность может быть расщеплена на два или бо

их типов, каждый

из которых включает общие атрибуты

. Эт общие атрибуты и/или связи я

Мартьянова А.Е. Базы данных и знаний 20

более ться собственные ат-

рибут /и

в большинстве случаев оказывается

достаточно

ущность, на основе которой определяются подтипы, называется

супер тво, то есть

любой

множества надо определять дополнительный под-

тип, н им

я подтипом сущности «Сотрудник». Про-

грамм ы

ния неверны.

анных, базы данных и базы зна-

ний.

. Перечислите функции СУБД.

. Опишите роли пользователей банков данных.

. Опишите трехуровневую систему организации баз данных.

. Опишите назначение модели данных.

. Перечислите этапы проектирования баз данных и кратко их

охарактеризуйте.

. Поясните необходимость системного анализа предметной

области

на примере будущей БД «Учебный процесс».

. Дайте определение инфологического моделирования.

. Дайте определение сущности.

0. Дайте определение атрибута сущности.

1. Поясните, как вы понимаете выражение: «Между сущностя-

ми могут быть установлены связи».

2. Перечислите типы связей между сущностями.

АДАНИЕ на проектирование БД «Учебный процесс»

. Составьте список всех сущностей

для будущего проекта БД

«Учебный процесс».

. Составьте наборы атрибутов, определяющих свойства объек-

тов, которым соответствует понятие той или иной сущности предметной

области «Учебный процесс».

высоком уровне. В подтипах могут определя

ы и ли связи. В принципе выделение подтипов может продол-

жаться на более низких уровнях, но

двух-трех уровней.

типом. Подтипы должны образовывать полное множес

экземпляр

супертипа должен относиться к некоторому подтипу.

Иногда для полноты

апр ер, «Прочие».

Подтип наследует свойства и связи супертипа. Например, тип сущ-

ности «Программист» являетс

ист обладают всеми свойствами сотрудников и участвуют во всех

связях, однако обратные утвержде

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к

заданию

1. Дайте определения банка д