База данных как информационная модель предметной области

Любую предметную область можно рассматривать как динамическое информационное поле, охватывающее свойства объектов, их взаимосвязи, информационные потоки между ними и т.п. Изменения, происходящие в предметной области, приводят к генерации новой информации, новых информационных элементов или их изменению, что и позволяет говорить об информационном поле и, более того, динамическом информационном поле. Но при этом возникает вопрос, каким образом информационное поле предметной области отображается на информационное пространство баз данных или, другими словами, какие составляющие предметной области и насколько полно отражаются в базах данных.

База данных представляет собой информационную модель предметной области.

Информационная модель определяет объекты и связи между ними. Разработка информационной модели предметной области включает определение объектов предметной области, множества атрибутов, описывающих свойства этих объектов, и установление связей между объектами.

Все множество объектов предметной области разбивают на группы однотипных объектов, обладающих одинаковым набором атрибутов (свойств). Чтобы отличать каждый объект предметной области от других объектов данного типа ему назначают некоторый идентификатор, позволяющий однозначно ссылаться на него. Такой идентификатор называется первичным ключом . В качестве первичного ключа может использоваться какой-либо атрибут или комбинация нескольких атрибутов объектов. Кроме того используются не уникальные идентификаторы, называемые внешними ключами (вторичными ключами) и обозначающие множества объектов данного типа. К каждому такому множеству относятся объекты, которым соответствует одинаковое значение внешнего ключа.

Между объектами предметной области могут существовать связи, имеющие различный содержательный смысл. Эти связи могут быть обязательными и факультативными (необязательными). Обязательная связь ЗАМЕЩАЕТ существует, напр., между 2-мя типами объектов СОТРУДНИК и ДОЛЖНОСТЬ в предметной области «Отдел кадров организации». Каждый сотрудник зачисляется на какую-либо должность, и не может быть сотрудника, не замещающего какой- то должности. В то же время связь ЗАМЕЩАЕТСЯ между типами объектов ДОЛЖНОСТЬ и СОТРУДНИК является факультативной, т.к. могут существовать вакантные должности.

Связи между типами объектов могут быть любой размерности (арности). Наиболее часто используются бинарные связи, устанавливающие различные соответствия между объектами 2-х типов – «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1: n), многие ко многим» (m: n).

Совокупность типов объектов и типов связей между ними характеризует структуру предметной области.

Рассмотрим построение информационной модели предметной области на примере. В качестве предметной области возьмем высшее учебное заведение. Одна из задач, связанная с организацией приема в вуз, - учет сведений об абитуриентах. Интерес представляет следующая информация: факультет, специальность, на которую подаются документы, анкетные данные (фамилия, имя, отчество, год рождения, семейное, социальное положение и т.д.), экзамены и оценки по ним. Абитуриент характеризуется уникальным идентификатором Id*, позволяющим однозначно определять конкретного абитуриента.

Кроме того, известно о существовании следующих связей:
ФАКУЛЬТЕТ ®®СПЕЦИАЛЬНОСТИ;
ФАКУЛЬТЕТ ®® Id*;
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ ®® Id*;
Id* ®® ПРЕДМЕТ;
Id* ® ФАМИЛИЯ АБИТУРИЕНТА, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ГОД РОЖДЕНИЯ, …;
Id* ® ПРЕДМЕТ, ОЦЕНКА;
ФАКУЛЬТЕТ ® ДЕКАН, НОМЕР ТЕЛЕФОНА;
ШИФР СПЕЦИАЛЬНОСТИ ® НОМЕР, НАЗВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОСТИ.

Здесь ®® - связь типа 1: n; ® - связь типа 1:1.

Теперь рассмотрим информационную модель той части предметной области, которая связана с организацией приема в вуз (рис. 1), предварительно выделив объекты "АБИТУРИЕНТ", "ФАКУЛЬТЕТ", "СПЕЦИАЛЬНОСТЬ" и "ПРЕДМЕТ" и формализовав связи.

Рис.1. Информационная модель согласно объектному анализу

Объекты информационной модели представляются таблицами в реляционной базе данных. Столбцы таблицы задают атрибуты объектов, строки таблицы соответствуют конкретным объектам данного типа.

Для задания связей между объектами в реляционной базе данных используются первичные и внешние ключи. Для определения связи 1:1 первичный ключ одной таблицы помещается и во 2-ю таблицу в качестве первичного ключа. Для определения связи 1: n во вторую таблицу добавляется первичный ключ первой таблицы, но в качестве внешнего ключа, указывающего на первичный ключ первой таблицы.

Таким образом, базу данных можно рассматривать как информационную модель предметной области, поскольку в ней находят отражение объекты, их свойства и взаимосвязи между ними - элементы информационной структуры предметной области. Полнота отражения этих элементов определяется результатами этапа информационного моделирования.

Связи между объектами.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Связи между объектами.
Рубрика (тематическая категория)	Связь

В реальном мире особенно в сложных системах между предметами существуют различные отношения. При моделировании предметы представляются как объекты, а отношения между ними как связи. Каждый типсвязи в модели имеет свое имя. В графической форме связь отображается в виде линии между связанными объектами с указанием идентификатора связи.

Существует три вида элементарных связей: один-к-одному (рис. 4.1.), один-ко-многим (рис. 4.2.) и многие-ко-многим (рис. 4.3.).

Связь один-к-одному существует, когда один экземпляр одного объекта связан с единственным экземпляром другого. Связь один-к-одному обозначается стрелками ←или→.

Руководит

Рис. 4.1. Пример связи ʼʼодин-к-одномуʼʼ.

Связь один-ко-многим существует, когда один экземпляр первого объекта связан с более чем с одним экземпляром второго объекта͵ но каждый экземпляр второго объекта связан только с одним экземпляром первого. Такая связь изображается двойной стрелкой →→.

Состоит из

Рис. 4. 2. Пример связи ʼʼодин-ко-многимʼʼ.

Связь многие-ко-многим существует, когда каждый экземпляр первого объекта связан с одним или большим количеством экземпляров второго, и каждый экземпляр второго связан с одним или многими экземплярами первого. Этот тип связи изображается двусторонней стрелкой ↔.

Изучает(ся)

Рис. 4.3. Пример связи ʼʼмногие-ко-многимʼʼ.

Помимо множественности, связи могут подразделяться на безусловные и условные. В безусловной связи участвует каждый экземпляр объекта. В условной связи принимают участие не всœе экземпляры объекта. Связь должна быть условной как с одной, так и с обеих сторон.

Все связи в информационной модели требуют описания, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ, как минимум, включает:

‣‣‣ идентификатор связи;

‣‣‣ вид связи (ее множественность и условность).

Элементарные связи являются составными частями структур связей . Безусловная последовательность связей один-к-одному принято называть структурой типа очередь и графически отображена на рис.4.4.а. Обобщением структуры типа очередь является циклическая структура, изображенная на рис. 4.4.б.

Очень важную роль играет древовидная информационная модель, являющаяся одной из самых распространенных типов классификационных структур.
Размещено на реф.рф
Древовидная связь является безусловной связью типа один-ко-многим и графически изображена на рис. 4.4. в. Особенностью такой структуры является то, что каждый объект может иметь не более одного предка, произвольное количество потомков. Объект, который не имеет потомков, называют листовым. Иерархическое дерево начинается с одного объекта͵ называемого корневым объектом. Очень важно, что каждый объект должен иметь свое уникальное имя или идентификатор.
Размещено на реф.рф
Эту структуру связи еще называют иерархической. На рис. 4.4. в. прямоугольник R является корневым объектом. Объекты B1,. . ., B8 являются листовыми. Иерархическая модель довольно удобна для представления предметных областей, так как иерархические отношения довольно часто встречаются между сущностями реального мира. Но иерархическая модель не поддерживает отношения ʼʼмногие ко многимʼʼ, когда множество объектов одного типа связаны со множеством объектов другого типа. Предположим, что требуется построить модель отношения между множеством преподавателœей и множеством предметов. Для моделирования таких отношений иерархическая древовидная структура не подходит.

Z

В

А

а) . . .

Z

B

б)

C

R

в)

A1

A2 A@A@

A3

A4

B1

B4

B5

B6

B7

B8

Рис.4.4. Информационные модели типа ʼʼочередьʼʼ (а), ʼʼциклʼʼ (б), ʼʼдеревоʼʼ (в).

Вторая фаза анализа предметной области состоит в выборе информационных объектов, задании необходимых свойств для каждого объекта, выявлении связей между объектами, определении ограничений, накладываемых на информационные объекты, типы связей между ним, характеристики информационных объектов.

При выборе информационных объектов необходимо ответить на ряд вопросов:

1. На какие таблицы можно разбить данные, подлежащие хранению в БД?

2. Какое имя можно присвоить каждой таблице?

3. Какие наиболее интересные характеристики (с точки зрения пользователя) можно выделить?

4. Какие имена можно присвоить выбранным характеристикам?

В нашем случае предполагается завести следующие таблицы (рис 4):

Выделим связи между информационными объектами (рис.5)

В ходе этого процесса необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Какие типы связей между информационными объектами?

2. Какое имя можно присвоить каждому типу связей?

3. Каковы возможные типы связей, которые могут быть использованы впоследствии?

Попытка задать ограничения на объекты, их характеристики и связи приводит к необходимости ответа на следующие вопросы:

1. Какова область значений для числовых характеристик?

2. Каковы функциональные зависимости между характеристиками одного информационного объекта?

3. Какой тип отображения соответствует каждому типу связей?

При проектировании БД существуют взаимосвязи между информационными объектами трех типов: «один к одному», «один ко многим», «многие ко многим» (рис.6).

Например:

Построение концептуальной модели

В простых случаях для построения концептуальной схемы используют традиционные методы агрегации и обобщения. При агрегации объединяются информационные объекты (элементы данных) в один в соответствии с семантическими связями между объектами. Например, урок истории в 10 «а» классе проводится в кабинете №7, начало в 9-30. Методом агрегации создаем информационный объект (сущность) РАСПИСАНИЕ со следующими атрибутами: «класс», «предмет», «кабинет», «время». При обобщении информационные объекты (элементы данных) объединяются в родовой объект (рис.7):

Выбор модели диктуется прежде всего характером предметной области и требованиями к БД. Другим немаловажным обстоятельством является независимость концептуальной модели от СУБД, которая должна быть выбрана после построения концептуальной схемы.

Модели «сущность-связь», дающие возможность представлять структуру и ограничения реального мира, а затем трансформировать их в соответствии с возможностями промышленных СУБД, являются весьма распространенными.

Под сущностью понимают основное содержание того явления, процесса или объекта, о котором собирают информацию для БД. В качестве сущности могут выступать место, вещь, личность, явление и т.д. При этом различают тип сущности и экземпляр сущности. Под типом сущности обычно понимают набор однородных объектов, выступающих как целое. Понятие «экземпляр сущности» относится к конкретному предмету. Например:

Тип сущности - ученик

Экземпляр сущности - Иванов, Петров, Сидоров и др.

В нашем примере Школа, Класс, Предметы, Ученики, Учителя, Оценки – сущности. Проанализируем связи между сущностями (рис.8).

Теперь можно перейти к проектированию информационной (концептуальной) схемы БД (атрибуты сущностей на диаграмме не показаны) (рис.9).

принадлежит		Школа
Класс		Учится		Ученик
работает				изучает
Учитель		Преподает		Предмет
			экзамен
			Ведомость

Логическое проектирование

Логическое проектирование представляет собой необходимый этап при создании БД. Основной задачей логического проектирования является разработка логической схемы, ориентированной на выбранную систему управления базами данных. Процесс логического проектирования состоит из следующих этапов:

1. Выбор конкретной СУБД;

2. Отображение концептуальной схемы на логическую схему;

3. Выбор языка манипулирования данными.

Выбор конкретной СУБД

Одним из основных критериев выбора СУБД является оценка того, насколько эффективно внутренняя модель данных, поддерживаемая системой, способна описать концептуальную схему. Системы управления базами данных, ориентированные на персональные компьютеры, как правило поддерживают реляционную или сетевую модель данных. Подавляющее большинство современных СУБД – реляционные.

Конструирование баз данных на основе реляционной модели имеет ряд важных преимуществ перед другими моделями

· Независимость логической структуры от физического и пользовательского представления.

· Гибкость структуры базы данных – конструктивные решения не ограничивают возможности разработчика БД выполнять в будущем самые разнообразные запросы.

Так как реляционная модель не требует описания всех возможных связей между данными, впоследствии разработчик может задавать запросы о любых логических взаимосвязях, содержащихся в базе, а не только о тех, которые планировались первоначально.

Одно – однозначные связи

Одно – однозначные связи имеют место, когда каждому экземпляру первого объекта (А) соответствует только один экземпляр второго объекта (В)и наоборот, каждому экземпляру второго объекта (В) соответствует только один экземпляр первого объекта (А). Следует заметить, что такие объекты легко могут быть объединены в один, структура которого образуется объединением реквизитов обоих исходных объектов, а ключевым реквизитом может быть выбран любой из альтернативных ключей, т.е. ключей исходных объектов. Графическое изображение одно – однозначных связей являются группа – староста, фирма – расчетный счет в баке и т.п.

Рис.1 Графическое изображение одно – однозначных отношений объектов

Одно – многозначные связи (1:М)

Одно – многозначные связи (1:М) – это такие связи, когда экземпляру одного объекта (А) может соответствовать несколько экземпляров другого объекта (В), а каждому экземпляра второго объекта (В) может соответствовать только один экземпляр первого объекта (А).

Рис.2 Графическое изображение одно – многозначный связи отношений объектов.

В такой связи объект А является главным объектом, а объект В – подчиненным, т.е. имеет место иерархическая подчиненность объекта В объекту А. Примером одно – многозначных связей являются подразделения – сотрудники, кафедра – преподаватель, группа студент и т.п.

Много – многозначные связи (M:N)

Много – многозначные связи (M:N) – это когда, каждому экземпляру одного объекта (А) могут соответствовать несколько экземпляров второго объекта (В) и наоборот, каждому экземпляру второго объекта (В) может соответствовать тоже несколько экземпляров первого объекта (А).

Рис.3 Преобразование связи типа M:N через объект – связку

Объект – связка должен иметь идентификатор, образованный из идентификаторов исходных объектов Ка и Кб.
Примером много – многозначных связей является связь поставщики – товары, если один поставщик поставляет разные наименования товаров, а товар одного наименования поставляется несколькими поставщиками.

Определение связей между информационными объектами

Рассмотрим определение связей между информационными объектами и тип отношений, которыми они характеризуются, для предметной области Учебный процесс .

Связи между объектами ГРУППА - СТУДЕНТ характеризуются одно – многозначными отношениями (1:М), поскольку одна группа включает много студентов, а один студент входит только в одну группу. Связь между ними осуществляется по номеру группы, который является уникальным идентификатором главного объекта ГРУППА входит в составной идентификатор объекта СТУДЕНТ (см.табл.1)

Аналогично устанавливается связь между объектами КАФЕДРА ПРЕПОДАВАТЕЛЬ , которые также находятся в одно – многозначных отношениях. Связь между ними осуществляются по уникальному ключу главного объекта КАФЕДРА – коду кафедры, который в подчиненном объекте ПРЕПОДАВАТЕЛЬ является описательным.

Таблица 1. Объекты справочной информации о студентах, группах и предметах

Таблица 2. Группировка реквизитов по информационным объектам документа Список преподавателей кафедры

В таблице приняты обозначения для ключа: П – простой, У – уникальный.

В каждой группе в течение семестра проводятся занятия по разным предметам (объект ИЗУЧЕНИЕ ). С другой стороны, каждое занятие определенно для каждой группы. Поэтому имеет место связь типа один – ко – многим между объектами ПРЕДМЕТ - ИЗУЧЕНИЕ .

По каждому предмету проводится множество занятий в различных группах разными преподавателями. С другой стороны, каждое занятие проводится по конкретному предмету, что определяет отношения типа один – ко – многим между объектами ПРЕДМЕТ - ИЗУЧЕНИЕ . Аналогично определяются отношения типа один – ко – многим между объектами ПРЕПОДАВАТЕЛЬ – ИЗУЧЕНИЕ .
Объект ИЗУЧЕНИЕ фактически играет роль объекта связки в много – многозначных отношениях объектов.

Рис.4 Много – многозначные связи информационных объектов

Рис.5 Информационно – логическая модель предметной области Учебный процесс

Объект УСПЕВАЕМОСТЬ содержит данные об успеваемости (оценку) конкретного студента по конкретному занятию. Поэтому он является связанным с объектом СТУДЕНТ и объектом ИЗУЧЕНИЕ . Один студент имеет оценки по нескольким занятиям, но каждая оценка всегда относится к одному конкретному студенту. Это означает, объект УСПЕВАЕМОСТЬ является подчиненным и находится в одно – многозначных отношениях с объектом СТУДНТ . Объект УСПЕВАЕМОСТЬ , а также является подчиненным и находится в одно – многозначных отношениях с объектом ИЗУЧЕНИЕ. Объект УСПЕВАЕМОСТЬ выполняет роль объект – связки много – многозначных отношениях объектов СТУДЕНТ и ИЗУЧЕНИЕ . Много – многозначные отношения между этими объектами определяются тем, что одному студенту соответствует много занятий, отображаемых объектом ИЗУЧЕНИЕ , а одно занятие проводится со многими студентами.

В табл.3 перечислены все одно – многозначные связи между объектами, указаны ключи, по которым должны устанавливаться связи, и определены главные и подчиненные информационные объекты в этих связях.

Таблица 3 Связи информационных объектов

Информационно – логическая модель предметной области Учебный процесс

Информационно – логическая модель приведена в каноническом виде и объекты в ней размещены по уровням. Уровень остальных объектов определяется наиболее длинным путем к объекту от нулевого уровня. Такое размещение объектов дает представление об их иерархической подчиненности, делает модель более наглядной и облегчает понимание одно – многозначных отношений между объектами.

Логическая структура реляционной базы данных

Логическая структура реляционной базы данных Access является адекватным отображением полученной информационно – логической модели, не требующим дополнительных преобразований. Каждый информационный объект модели данных отображается соответствующей реляционной таблицей. Структура реляционной таблицы определяется реквизитным составом соответствующего информационного объекта, где каждый столбец (поле) соответствует одному из реквизитов объекта. Ключевые реквизиты объекта образуют уникальный ключ реляционной таблицы. Для каждого столбца задается тип, размер данных и другие свойства. Строки (записи) таблицы соответствуют экземплярам объекта и формируются при загрузке таблиц.

Связи между объектами модели данных реализуются одинаковыми реквизитами – ключами связи в соответствующих таблицах. При этом ключом связи всегда является уникальный ключ главной таблицы. Ключом связи в подчиненной таблице является либо некоторая часть уникального ключа в ней, либо поле, не входящее в состав первичного ключа (например, код кафедры в таблице ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ). Ключ связи в подчиненной таблице называется внешним ключом . В Access может быть создана схема данных , наглядно отображающая логическую структуру базы данных. Определение одно – многозначных связей в этой схеме должно осуществляться в соответствии с построенной моделью данных. Внешний вид схемы данных практически совпадает с графическим представлением информационно – логической модели. Для модели данных, построенной в рассмотренном примере, логическая структура базы данных в виде схемы данных Access приведена на рис.2.7.

На этой схеме прямоугольники отображают таблицы базы данных с полным списком их полей, а связи показывают, по каким полям осуществляется взаимосвязь таблиц. Имена ключевых полей находятся в левой части полного списка полей каждой таблицы.

Помимо описания объекта с его свойствами фиксируются связи между объектами разных классов в инфологической модели.

Различают 4 типа связи :

1:N (один ко многим).

N:1 (многие к одному).

N:N(многие ко многим).

Помимо «тип связи» используется понятие«степень связи» . В инфологической модели помимо степени связи надо указыватьпринадлежность связи .

Класс принадлежности – показывает должен или не должен объект одного класса участвовать в связях с объектами другого класса. Класс принадлежности объекта может быть обязательным или необязательным.

Обязательный класс принадлежности.

Если все объекты первого класса должны участвовать в связи с объектами второго класса, то класс принадлежности объектов 1-го класса называется обязательным .

Необязательный класс принадлежности.

Если некоторые объекты 1-го класса могут не участвовать в связях с объектами 2-го класса, то класс принадлежности объектов 1-го класса называются необязательными .

8.ER-диаграммы и их разновидности. Понятия сущности, связи, атрибуты.

Преподаватель читает курс.

Связь именуется глаголом «читает».

Связь между объектами может быть выражена 2 способами представления с помощью ER-диаграмм.

Диаграмма ER- экземпляра.

По номеру курса можно однозначно идентифицировать курс.

Диаграмма ER- типа

Тип связи 1 к 1.

Класс принадлежности объектов и для П и для К необязательный.

Сущность – определяется как некоторый объект, представляющий интерес в данной предметной области. Этот объект должен иметь экземпляры, отличающиеся друг от друга и допускающие однозначную идентификацию.

Как правило в описании предметной области сущность обозначается как существительное.

Связь – представляет собой соединение между двумя или более сущностями.

При поиске связей в описании предметной области следует полагаться в основном на то, что связь отражается глаголом.

Атрибут – свойство сущности.

Атрибутами сущности «Преподаватель» является номер, ФИО, дата рождения, должность.

Ключ сущности – это атрибут или набор атрибутов, используемый для идентификации экземпляра сущности.

Ключ связи – набор ключей сущностей, которые соединяются этой связью.

Ключом связи «Читает» является набор сущностей П и К <НП, НК>.

К
аждый преподаватель читает 1 курс, каждый курс читается одним преподавателем.

Каждый преподаватель читает 1 курс, каждый курс читается не более, чем одним преподавателем.

Каждый курс читается одним преподавателем. Каждый преподаватель читает не более одного курса.

Каждый преподаватель читает одновременно несколько курсов, но каждый курс читается не более, чем одним преподавателем.

Каждый преподаватель читает не более одного курса, каждый курс может читаться несколькими преподавателями.

9.Описание сложных объектов. Составные, обобщенные, агрегированные объекты

По степени сложности различают простые и сложные объекты.

Простой объект – объект, который рассматривается как неделимый.

Сложный объект – объект, который представляет собой объединение других объектов, также выделяемых в предметной области.