Логическая модель предметной области. Иерархическая модель данных. Что иллюстрирует логическая модель

Логическая модель – графическое представление структуры базы данных с учетом принимаемой модели данных (иерархической, сетевой, реляционной и т.д.), независимое от конечной реализации базы данных и аппаратной платформы. Иными словами, онапоказывает, ЧТО хранится в базе данных (объекты предметной области, их атрибуты и связи между ними), но не отвечает на вопрос КАК (рис. 1).

Описание предметной области:

Оптовый заводск ой склад

На склад поставляются детали, выполненные из определенных материалов (литые), от заданного круга поставщиков (постоянных или случайных) из различных городов.

В качестве поставщиков могут выступать юридические лица и индивидуальные предприниматели, причем эти группы описываются своим набором характеризующих атрибутов; юридические лица – номер и дата гос. регистрации, наименование, юридический адрес, форма собственности; предприниматели – ИНН, ФИО, страховой полис, номер паспорта, дата рождения.

При оформлении поставки учитываются дата, количество и стоимость, вид упаковки и способ доставки (автотранспорт, ж/д транспорт, самовывоз), причем одна поставка может включать несколько видов деталей.

Поставщики переходят в разряд постоянных, если они совершили поставок на сумму свыше 1 000 000 рублей в год.

Осуществляется отпуск деталей в цеха завода с учетом даты, количества и номера цеха. Поддерживается актуальное количество товаров на складе.

Рис. 1. Логическая модель базы данных в нотации IDEF1X

Методология IDEF1 X – один из подходов к моделированию данных, основанный на концепции "сущность – связь" (Entity – Relationship ), предложенной Питером Ченом в 1976 г.

Таблица 2.1. Основные элементы нотации IDEF1X
Сущность (Entity)	Графическое изображение
Независимая сущность	Наименование Уникальный идентификатор Атрибуты
Зависимая сущность	Атрибуты
Связь (Relationship)	Графическое изображение
Неидентифицирующая связь
Идентифицирующая связь
Связь «Многие ко многим»
Наследование (обобщение) Неполное	Родительск.

Независимая сущность – это сущность, уникальный идентификатор которой не наследуется из других сущностей. Изображается в виде прямоугольника с прямыми краями.

Зависимая сущность – это сущность, уникальный идентификатор которой включает по меньшей мере одну связь с другой сущностью. Например, строка документа не может существовать без самого документа (зависит от него). Изображается в виде прямоугольника с закругленными краями.

Методология IDEF1X ориентирована на проектирование реляционных моделей баз данных. В основе реляционной модели лежит понятие нормализованного отношения (таблицы). При этом сущности предметной области отображаются в таблицы базы данных (рис. 2), обладающие следующими свойствами:

Рис.
2. Таблица реляционной базы данных

Ключ - столбец или группа столбцов, значения которых однозначно идентифицируют каждую строку.

В одной таблице может быть несколько ключей: один первичный , посредством которого осуществляется связывание отношений, а другие – альтернативные. Свойства ключа:

уникальность (не может быть строк с одинаковым ключом);

неизбыточность (удаление любого атрибута из ключа лишает его свойства уникальности).

Реляционная база данных − это множество связанных между собой отношений. Связи задаются с помощью вторичных ключей (Foreign key – FK), т.е. атрибутов, которые в других отношениях являются первичными ключами (Primary key – PK).

Основные ограничения целостности реляционной модели:

атрибуты из первичного ключа не могут принимать неопределенное значение (целостность объектов);

вторичные ключи не могут принимать значения, которых нет среди значений первичных ключей связанной таблицы: если отношение R2 имеет среди своих атрибутов какой-то внешний ключ (FK), который соответствует первичному ключу (PK) отношения R1, то каждое значение FK должно быть равно одному из значений PK.

Создание Логической модели БД в Visio

Чтобы создать Логическую модель базы данных в Visio2013, выберите Категорию шаблонов «Программы и базы данных», а в ней шаблон «Схема модели базы данных» (рис. 2.3)	Рис. 2.3. Шаблон «Схема модели базы данных»
Прежде, чем приступить к созданию Логической модели, зайдите на вкладку «База данных» и в «Показать параметры» выставьте следующие настройки (рис. 2.4-2.6).	Рис. 2.4.Параметры документа (вкладка «Общие»)
Рис. 2.6.Параметры документа (вкладка «Отношение»)	Рис. 2.5.Параметры документа (вкладка «Таблица»)
Чтобы создать Сущность «Деталь», перетащите стереотип Сущность с панели инструментов на экран (рис. 2.7).	Рис. 2.7.Создание Сущности
Задайтеимяновой Сущности в свойствах в нижней части экрана (рис. 2.8).	Рис. 2.8.Свойства Сущности («Определение»)
Затем на вкладке Столбцы создайте атрибуты Сущности, отметьте уникальный идентификатор (первичный ключ) галочкой в столбце PK и нажмите кнопку «ОК» (рис. 2.9).	Рис. 2.9.Свойства Сущности («Столбцы»)
Аналогично создайте вторую сущность, например «Материал». Чтобы создать связь между ними, перетащите стереотип «Отношение» точкой на изображение класса «Деталь», т.к. из каждого материала изготавливается ноль, одна или несколько деталей. Затем второй конец связи перетащите на изображение класса «Материал» (рис. 2.10). Внешний ключ «Код материала (FK)» автоматически появится в составе атрибутов сущности «Деталь». Незакрашенный ромб со стороны Материала означает, что материал может быть не указан. Чтобы убрать ромб, откройте свойства сущности «Деталь» и поставьте этому атрибуту галочку в столбце «Обязательное».	Рис. 2.10.Свойства отношения («Определение»)

Задание : постройтелогическую модель базы данных в соответствии с описанием предметной области из вашего варианта задания.

Для представления математического знания в математической логике пользуются логическими формализмами - исчислением высказываний и исчислением предикатов. Эти формализмы имеют ясную формальную семантику и для них разработаны механизмы вывода. Поэтому исчисление предикатов было первым логическим языком, который применяли для формального описания предметных областей, связанных с решением прикладных задач.

Логические модели представления знаний реализуются средствами логики предикатов.

Предикатом называется функция, принимающая два значения (истина или ложь) и предназначенная для выражения свойств объектов или связей между ними. Выражение, в котором утверждается или отрицается наличие каких-либо свойств у объекта, называется высказыванием . Константы служат для именования объектов предметной области. Логические предложения или высказывания образуют атомарные формулы . Интерпретация предиката - это множество всех допустимых связываний переменных с константами. Связывание представляет собой под­становку констант вместо переменных. Предикат считается обще­зна­чи­мым, если он истинен во всех возможных интерпретациях. Говорят, что выска­зывание логически следует из заданных посылок, если оно истинно всег­да, когда истинны посылки.

Описания предметных областей, выполненные в логических языках, назы­ваются логическими моделями .

ДАТЬ (МИХАИЛ, ВЛАДИМИРУ, КНИГУ);

($x) (ЭЛЕМЕНТ (x, СОБЫТИЕ-ДАТЬ) ? ИСТОЧНИК (x, МИХАИЛ) ? АДРЕСАТ? (x, ВЛАДИМИР) ОБЪЕКТ(x, КНИГА).

Здесь описаны два способа записи одного факта: «Михаил дал книгу Владимиру».

Логический вывод осуществляется с помощью силлогизма (если из A следует B, а из B следует C, то из A следует C).

В общем случае в основе логических моделей лежит понятие формальной теории , задаваемой четверкой:

S = ,

где B - счетное множество базовых символов (алфавит) теории S;

F - подмножество выражений теории S, называемые формулами теории (под выражениями понимаются конечные последовательности базовых символов теории S);

A - выделенное множество формул, называемые аксиомами теории S, то есть множество априорных формул;

R - конечное множество отношений {r 1 , …, r n } между формулами, называемые правилами вывода .

Преимущество логических моделей представления знаний заклю­ча­ет­ся в возможности непосредственно запрограммировать механизм вывода синтаксически правильных высказываний. Примером такого механизма служит, в частности процедура вывода, построенная на основе метода резолюций.

Покажем метод резолюций.

В методе используется несколько понятий и теорем.

Понятие тавтологии , логической формулы, значением которой будет «истина» при любых значениях входящих в них атомов. Обозначается?, читается как «общезначимо» или «всегда истинно».

Теорема 1. А?В тогда и только тогда, когда?А В.

Теорема 2. А1, А2, ..., Аn ? В тогда и только тогда, когда? (A1?A2?A3?…?An) В.

Символ? читается как «верно, что» или «можно вывести».

В основе метода лежит доказательство тавтологии

? (X ? A) ?(Y ? ? A)?(X ? Y ) .

Теоремы 1 и 2 позволяют записать это правило в следующем виде:

(X ? A), (Y ? ? A) ? (X ? Y ),

что дает основания утверждать: из посылок и можно вывести .

В процессе логического вывода с применением правила резолюции выполняются следующие шаги.

1. Устраняются операции эквивалентности и импликации:

2. Операция отрицания продвигается внутрь формул с помощью законов де Моргана:

3. Логические формулы приводятся к дизъюнктивной форме: .

Правило резолюции содержит в левой части конъюнкцию дизъюнктов, поэтому приведение посылок, используемых для доказательства, к виду, представляющему собой конъюнкции дизъюнктов, является необходимым этапом практически любого алгоритма, реализующего логический вывод на базе метода резолюции. Метод резолюции легко программируется, это одно из важнейших его достоинств.

Предположим, нужно доказать, что если истинны соотношения и , то можно вывести формулу . Для этого нужно выполнить следующие шаги.

1.Приведение посылок к дизъюнктивной форме:
, , .

2.Построение отрицания выводимого заключения . Полученная конъюнкция справедлива, когда и одновременно истинны.

3.Применение правила резолюции:

(противоречие или «пустой дизъюнкт»).

Итак, предположив ложность выводимого заключения, получаем противоречие, следовательно, выводимое заключение является истинным, т.е. , выводимо из исходных посылок.

Именно правило резолюции послужило базой для создания языка логического программирования PROLOG. По сути дела, интерпретатор языка PROLOG самостоятельно реализует вывод, подобный вышеописанному, формируя ответ на вопрос пользователя, обращенный к базе знаний.

В логике предикатов для применения правила резолюции предстоит осуществить более сложную унификацию логических формул в целях их приведения к системе дизъюнктов. Это связано с наличием дополнительных элементов синтаксиса, в основном кванторов, переменных, предикатов и функций.

Алгоритм унификации предикатных логических формул включает следующие шаги.

После выполнения всех шагов описанного алгоритма унификации можно применять правило резолюции, Обычно при этом осуществляется отрицание выводимого заключения, и алгоритм вывода можно кратко описать следующим образом: Если задано несколько аксиом (теория Тh) и предстоит сделать заключение о том, выводима ли некоторая формула Р из аксиом теории Тh, строится отрицание Р и добавляется к Тh, при этом получают новую теорию Тh1. После приведения и аксиом теории к системе дизъюнктов можно построить конъюнкцию и аксиом теории Тh. При этом существует возможность выводить из исходных дизъюнктов дизъюнкты - следствия. Если Р выводимо из аксиом теории Тh, то в процессе вывода можно получить некоторый дизъюнкт Q, состоящий из одной литеры, и противоположный ему дизъюнкт . Это противоречие свидетельствует о том, что Р выводимо из аксиом Тh. Вообще говоря, существует множество стратегий доказательства, нами рассмотрена лишь одна из возможных - нисходящая.

Пример: представим средствами логики предикатов следующий текст:

«Если студент умеет хорошо программировать, то он может стать специалистом в области прикладной информатики».

«Если студент хорошо сдал экзамен по информационным системам, значит, он умеет хорошо программировать».

Представим этот текст средствами логики предикатов первого порядка. Введем обозначения: X - переменная для обозначения студента; хорошо - константа, соответствующая уровню квалификации; Р(Х) - предикат, выражающий возможность субъекта X стать специалистом по прикладной информатике; Q (Х, хорошо) - предикат, обозначающий умение субъекта X программировать с оценкой хорошо ; R (Х, хорошо) - предикат, задающий связь студента X с экзаменационной оценкой по информационным системам.

Теперь построим множество правильно построенных формул:

Q(Х, хорошо) .

R (Х, хорошо) Q (Х, хорошо).

Дополним полученную теорию конкретным фактом
R (иванов, хорошо) .

Выполним логический вывод с применением правила резолюции, чтобы установить, является ли формула Р(иванов ) следствием вышеприведенной теории. Другими словами, можно ли вывести из этой теории факт, что студент Иванов станет специалистом в прикладной информатике, если он хорошо сдал экзамен по информационным системам.

Доказательство

1. Выполним преобразование исходных формул теории в целях приведения к дизъюнктивной форме:

(Х, хорошо) Р(Х);

(Х,хорошо) (Х,хорошо);

R (иванов , хорошо).

2. Добавим к имеющимся аксиомам отрицание выводимого заключения

(иванов).

3. Построим конъюнкцию дизъюнктов

(Х, хорошо) Р(Х) ? ? P (иванов, хорошо) ? ? Q (иванов, хорошо), заменяя переменную X на константу иванов .

Результат применения правила резолюции называют резольвентой . В данном случае резольвентой является (иванов).

4. Построим конъюнкцию дизъюнктов с использованием резольвенты, полученной на шаге 3:

(Х, хорошо) (Х, хорошо) (иванов, хорошо) (иванов, хорошо).

5. Запишем конъюнкцию полученной резольвенты с последним дизъюнктом теории:

(иванов, хорошо) (иванов, хорошо) (противоречие).

Следовательно, факт Р(иванов ) выводим из аксиом данной теории.

Для определения порядка применения аксиом в процессе вывода существуют следующие эвристические правила:

1. На первом шаге вывода используется отрицание выводимого заключения.
2. В каждом последующем шаге вывода участвует резольвента, полученная на предыдущем шаге.

Однако с помощью правил, задающих синтаксис языка, нельзя установить истинность или ложность того или иного высказывания. Это рас­пространяется на все языки. Высказывание может быть построено син­такси­чески правильно, но оказаться совершенно бессмысленным. Высокая сте­пень единообразия также влечет за собой еще один недостаток ло­ги­ческих моделей - сложность использования при доказательстве эв­ристик, от­ражающих специфику конкретной предметной проблемы. К дру­гим недостаткам формальных систем следует отнести их монотонность, от­сут­ствие средств для структурирования используемых элементов и не­до­пус­тимость противоречий. Дальнейшее развитие баз знаний пошло пути ра­бот в области индуктивных логик, логик «здравого смысла», логик веры и других логических схем, мало что имеющих общего с классической ма­те­ма­тической логикой.

На рисунке 1 представлена логическая модель базы данных студенческого общежития.

Рисунок 1 – логическая модель

Логическая (даталогическая) модель представляет собой модель базы данных, которая не привязана к конкретной СУБД. В ней выделяют основные объекты БД и определяют связи между этими объектами. Иногда определятся типы данных отдельных объектов. Данная модель построена методом Сущность-связь (Entity Relationship).

2.2 Сущности

Данная БД содержит 16 сущностей. Разберем каждую из них и связи между ними.

Сущность Форм_об содержит два атрибута: Ном_фо – порядковый номер формы обучения, и Форм_об – форма обучения, первый из которых является ключевым. В этой сущности содержатся возможные варианты форм обучения (бюджетная и контрактная).

Сущность Статус также содержит два атрибута: Ном_ст – порядковый номер статуса (ключевой атрибут), и Статус – наименование статуса. Статус может принимать два значения: студент и аспирант.

Сущность Факультет содержит информацию о факультетах. Первый атрибут (ключевой) Ном_фак – порядковый номер факультета, второй атрибут Факультет – сокращенное наименование факультета.

Сущность Специальность содержит информацию о специальностях ВУЗа. В качестве атрибутов – порядковый номер и цифровое обозначение специальности.

Сущность Комната содержит номера комнат и количество свободных в них мест. Так как по условию не должно быть незаселенных комнат и в комнате всего 3 места, нужно будет выставить соответствующее ограничение на ввод данных.

Сущность Тарифы содержит порядковый номер тарифа, определяющие стоимость критерии – номер статуса и номер формы обучения, и саму стоимость тарифа.

Сущность Группа содержит номер группы, определяющие критерии – номер факультета и номер специальности, а также курс.

В сущности Личн_дан находится информация о личных данных студента. Его номер студенческого билета, фамилия, имя, отчество, номер и серия паспорта, дата рождения, место рождения, место прописки и место жительства.

Сущность Студент содержит номер студенческого билета, номер тарифа оплаты за проживание в общежитии, дату поступления в ВУЗ и дату окончания ВУЗа.

Сущность Изменения содержит информацию об изменениях, которые произошли во время учебы. В качестве атрибутов она содержит номер изменения, наименование факультета, номер специальности, номер курса, номер группы, номер формы обучения и номер статуса.

Сущность Студ_измен служит для связи сущностей Студент и Изменения . Она содержит номер изменения, номер студенческого билета и дату, когда произошло изменение.

Сущность Студ_груп также является связующей сущностей Студент и Группа . В ней содержатся номер студенческого билета, номер группы и информация об отчислении и восстановлении студентов.

Еще одна связующая сущность – Студ_комн . Предназначена для хранения номера переселения студентов, номера студенческого билета, номера комнаты и дат заселения и выселения.

Архив – сущность для хранения веселенных студентов. Содержит номер записи, номер студенческого билета и дату выселения.

В сущности Неуплата содержится порядковый номер неуплаты, номер студенческого билета студента, который не заплатил за проживание, и неоплаченные им месяц и год.

В сущности Родители содержится информация о родителях студента, такая как ФИО отца и матери и состояние их брака, что может потребоваться для выплат дополнительных пособий студенту.

Понятия БД и СУБД.

База данных представляет собой совокупность структуриро­ванных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и ото­бражающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области.

Логическую структуру данных, хранимых в базе, называют мо­делью представления данных. К основным моделям представления данных (моделям данных) относятся иерархическая, сетевая, реля­ционная.

Система управления базами данных (СУБД) - это комплекс языко­вых и программных средств, предназначенный для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Обычно СУБД различают по используемой модели данных. Так, СУБД, осно­ванные на использовании реляционной модели данных, называют ре­ляционными СУБД.

Словарь данных представляет собой подсистему БД, предназначен­ную для централизованного хранения информации о структурах дан­ных, взаимосвязях файлов БД друг с другом, типах данных и форма­тах их представления, принадлежности данных пользователям, кодах защиты и разграничения доступа и т. п.

Информационные системы, основанные на использовании БД, обычно функционируют в архитектуре клиент-сервер. В этом случае БД размещается на компьютере-сервере, и к ней осуществляется сов­местный доступ.

Сервером определенного ресурса в компьютерной сети называется компьютер (программа), управляющий этим ресурсом, клиентом - компьютер (программа), использующий этот ресурс. В качестве ресур­са компьютерной сети могут выступать, к примеру, базы данных, фай­лы, службы печати, почтовые службы.

Достоинством организации информационной системы на архитек­туре клиент-сервер является удачное сочетание централизованного хранения, обслуживания и коллективного доступа к общей корпора­тивной информации с индивидуальной работой пользователей.

Согласно основному принципу архитектуры клиент-сервер, данные обрабатываются только на сервере. Пользователь или приложение фор­мируют запросы, которые поступают к серверу БД в виде инструкций языка SQL. Сервер базы данных обеспечивает поиск и извлечение нуж­ных данных, которые затем передаются на компьютер пользователя. Достоинством такого подхода в сравнении предыдущим является за­метно меньший объем передаваемых данных.

Выделяют следующие виды СУБД:

* полнофункциональные СУБД;

* серверы БД;

* средства разработки программ работы с БД.

По характеру использования СУБД делят на многопользователь­ские (промышленные) и локальные (персональные).

Промышленные, СУБД представляют собой программную основу для разработки автоматизированных систем управления крупными экономическими объектами. Промышленные СУБД должны удовле­творять следующим требованиям:

* возможность организации совместной параллельной работы мно­гих пользователей;

* масштабируемость;

* переносимость на различные аппаратные и программные платформы;

* устойчивость по отношению к сбоям различного рода, в том чис­ле наличие многоуровневой системы резервирования хранимой информации;

* обеспечение безопасности хранимых данных и развитой струк­турированной системы доступа к ним.

Персональные СУБД - это программное обеспечение, ориентиро­ванное на решение задач локального пользователя или небольшой группы пользователей и предназначенное для использования на пер­сональном компьютере. Это объясняет и их второе название - на­стольные. Определяющими характеристиками настольных систем яв­ляются:

* относительная простота эксплуатации, позволяющая создавать на их основе работоспособные пользовательские приложения;

* относительно ограниченные требования к аппаратным ресурсам.

По используемой модели данных СУБД разделяют на иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные и др. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать несколько моделей данных.

Для работы с данными, хранящимися в базе, используются следу­ющие типы языков:

* язык описания данных - высокоуровневый непроцедурный язык
декларативного типа, предназначенный для описания логической
структуры данных;

* язык манипулирования данными - совокупность конструкций, обеспечивающих выполнение основных операций по работе с дан­ными: ввод, модификацию и выборку данных по запросам.

Названные языки в различных СУБД могут иметь отличия. Наи­большее распространение получили два стандартизованных языка: QBE - язык запросов по образцу и SQL - структурированный язык запросов. QBE в основном обладает свойствами языка манипулирования данными, SQL сочетает в себе свойства языков обоих типов.

СУБД реализует следующие основные функции низкого уровня:

* управление данными во внешней памяти;

* управление буферами оперативной памяти;

* управление транзакциями;

* ведение журнала изменений в БД;

* обеспечение целостности и безопасности БД.

Реализация функции управления данными во внешней памяти обес­печивает организацию управления ресурсами в файловой системе ОС.

Необходимость буферизации данных обусловлена тем, что объем оперативной памяти меньше объема внешней памяти. Буферы пред­ставляют собой области оперативной памяти, предназначенные для ускорения обмена между внешней и оперативной памятью. В буферах временно хранятся фрагменты БД, данные из которых предполагает­ся использовать при обращении к СУБД или планируется записать в базу после обработки.

Механизм транзакций используется в СУБД для поддержания це­лостности данных в базе. Транзакцией называется некоторая недели­мая последовательность операций над данными БД, которая отсле­живается СУБД от начала и до завершения. Если по каким-либо причинам (сбои и отказы оборудования, ошибки в программном обес­печении, включая приложение) транзакция остается незавершенной, то она отменяется.

Транзакции присущи три основных свойства:

* атомарность (выполняются все входящие в транзакцию операции или ни одна);

* сериализуемость (отсутствует взаимное влияние выполняемых в одно и то же время транзакций);

* долговечность (даже крах системы не приводит к утрате резуль­татов зафиксированной транзакции).

Примером транзакции является операция перевода денег с одного счета на другой в банковской системе. Сначала снимают деньги с од­ного счета, затем начисляют их на другой счет. Если хотя бы одно из действий не выполнится успешно, результат операции окажется не­верным и будет нарушен баланс операции.

Ведение журнала изменений выполняется СУБД для обеспечения надежности хранения данных в базе при наличии аппаратных и про­граммных сбоев.

Обеспечение целостности БД составляет необходимое условие успешного функционирования БД, особенно при ее сетевом исполь­зовании. Целостность БД - это свойство базы данных, означающее, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отража­ющая предметную область информация. Целостное состояние БД опи­сывается с помощью ограничений целостности в виде условий, кото­рым должны удовлетворять хранимые в базе данные.

Обеспечение безопасности достигается в СУБД шифрованием дан­ных, парольной защитой, поддержкой уровней доступа к базе данных и отдельным ее элементам (таблицам, формам, отчетам и др.).

Этапы создания БД.

Проектирование баз данных информационных систем является до­статочно трудоемкой задачей. Оно осуществляется на основе форма­лизации структуры и процессов предметной области, сведения о которой предполагается хранить в БД. Различают концептуальное и схемно-структурное проектирование.

Концептуальное проектирование БД ИС является в значительной степени эвристическим процессом. Адекватность построенной в его рамках инфологической модели предметной области проверяется опытным путем, в процессе функционирования ИС.

Перечислим этапы концептуального проектирования:

1. Изучение предметной области для формирования общего пред­ставления о ней;

2. Выделение и анализ функций и задач разрабатываемой ИС;

3. Определение основных объектов-сущностей предметной области
и отношений между ними;

4. Формализованное представление предметной области.

При проектировании схемы реляционной БД можно выделить сле­дующие процедуры:

1.Определение перечня таблиц и связей между ними;

2.Определение перечня полей, типов полей, ключевых полей каж­дой таблицы (схемы таблицы), установление связей между таб­лицами через внешние ключи;

3.Установление индексирования для полей в таблицах;

4.Разработка списков (словарей) для полей с перечислительными
данными;

5.Установление ограничений целостности для таблиц и связей;

6.Нормализация таблиц, корректировка перечня таблиц и связей.

Реляционные БД.

Реляционная база данных представляет собой множество взаимосвязанных таблиц, каждая из которых содержит информацию об объектах определенного вида. Каждая строка таблицы содержит данные об одном объекте (например, автомобиле, компьютере, клиенте), а столбцы таблицы содержат различные характеристики этих объектов - атрибуты (например, номер двигателя, марка процессора, телефоны фирм или клиентов).

Строки таблицы называются записями. Все записи таблицы имеют одинаковую структуру - они состоят из полей (элементов данных), в которых хранятся атрибуты объекта (рис. 1). Каждое поле записи содержит одну характеристику объекта и представляет собой заданный тип данных (например, текстовая строка, число, дата). Для идентификации записей используется первичный ключ. Первичным ключом называется набор полей таблицы, комбинация значений которых однозначно определяет каждую запись в таблице.

Первичный ключ

В каждой таблице БД может существовать первичный ключ. Под первичным ключом понимают поле или набор полей, однозначно (уникально) идентифицирующих запись. Первичный ключ должен быть минимально достаточным: в нем не должно быть полей, удаление которых из первичного ключа не отразится на его уникальности.

Данные таблицы «Преподаватель»

В качестве первичного ключа в таблице «Преподаватель» может выступать только «Таб. №», значения других полей могут повторяться внутри данной таблицы.

Вторичный ключ

Вторичные ключи - это основной механизм для организации связей между таблицами и поддержания целостности и непротиворечивости информации в базе данных.

Вторичный – это поле таблицы, которое может содержать только те значения, которые находятся в ключевом поле другой таблицы, на которую ссылается вторичный ключ. Вторичный ключ связывает две таблицы.

Между двумя или более таблицами базы данных могут существовать отношения подчиненности. Отношения подчиненности определяют, что для каждой записи главной таблицы {master,называемой еще родительской} может существовать одна или несколько записей в подчиненной таблице {detail, называемой еще дочерней}.

Существует три разновидности связей между таблицами базы данных:

- «один-ко-многим»

- «один-к-одному»

- «многие-ко-многим»

Отношение «один-к-одному» имеет место, когда одной записи в родительской таблице соответствует одна запись в дочерней таблице.

Отношение «многие-ко-многим» имеет место, когда:

а) записи в родительской таблице может соответствовать больше одной записи в дочерней таблице;

б) записи в дочерней таблице может соответствовать больше одной записи в родительской таблице.

Отношение «один-ко-многим» имеет место, когда одной записи родительской таблицы может соответствовать несколько записей в дочерней таблице.

Физическая и логическая модели БД

Логическая модель данных . На следующем, более низком уровне находится логическая модель данных предметной области. Логическая модель описывает понятия предметной области, их взаимосвязь, а также ограничения на данные, налагаемые предметной областью. Примеры понятий - "сотрудник", "отдел", "проект", "зарплата". Примеры взаимосвязей между понятиями - "сотрудник числится ровно в одном отделе", "сотрудник может выполнять несколько проектов", "над одним проектом может работать несколько сотрудников". Примеры ограничений - "возраст сотрудника не менее 16 и не более 60 лет".

Логическая модель данных является начальным прототипом будущей базы данных. Логическая модель строится в терминах информационных единиц, но без привязки к конкретной СУБД . Более того, логическая модель данных необязательно должна быть выражена средствами именно реляционной модели данных. Основным средством разработки логической модели данных в настоящий момент являются различные варианты ER-диаграмм (Entity-Relationship , диаграммы сущность-связь ). Одну и ту же ER-модель можно преобразовать как в реляционную модель данных, так и в модель данных для иерархических и сетевых СУБД, или в постреляционную модель данных. Однако, т.к. мы рассматриваем именно реляционные СУБД, то можно считать, что логическая модель данных для нас формулируется в терминах реляционной модели данных.

Решения, принятые на предыдущем уровне, при разработке модели предметной области, определяют некоторые границы, в пределах которых можно развивать логическую модель данных, в пределах же этих границ можно принимать различные решения. Например, модель предметной области складского учета содержит понятия "склад", "накладная", "товар". При разработке соответствующей реляционной модели эти термины обязательно должны быть использованы, но различных способов реализации тут много - можно создать одно отношение, в котором будут присутствовать в качестве атрибутов "склад", "накладная", "товар", а можно создать три отдельных отношения, по одному на каждое понятие.

При разработке логической модели данных возникают вопросы: хорошо ли спроектированы отношения? Правильно ли они отражают модель предметной области, а следовательно и саму предметную область?

Физическая модель данных . На еще более низком уровне находится физическая модель данных. Физическая модель данных описывает данные средствами конкретной СУБД. Мы будем считать, что физическая модель данных реализована средствами именно реляционной СУБД, хотя, как уже сказано выше, это необязательно. Отношения, разработанные на стадии формирования логической модели данных, преобразуются в таблицы, атрибуты становятся столбцами таблиц, для ключевых атрибутов создаются уникальные индексы, домены преображаются в типы данных, принятые в конкретной СУБД.

Ограничения, имеющиеся в логической модели данных, реализуются различными средствами СУБД, например, при помощи индексов, декларативных ограничений целостности, триггеров, хранимых процедур. При этом опять-таки решения, принятые на уровне логического моделирования определяют некоторые границы, в пределах которых можно развивать физическую модель данных. Точно также, в пределах этих границ можно принимать различные решения. Например, отношения, содержащиеся в логической модели данных, должны быть преобразованы в таблицы, но для каждой таблицы можно дополнительно объявить различные индексы, повышающие скорость обращения к данным. Многое тут зависит от конкретной СУБД.

При разработке физической модели данных возникают вопросы: хорошо ли спроектированы таблицы? Правильно ли выбраны индексы? Насколько много программного кода в виде триггеров и хранимых процедур необходимо разработать для поддержания целостности данных?

Логическими уровень – это абстрактный взгляд на данные, на нем данные представляются так, как выглядят в реальном мире, и могут называться так, как они называются в реальном мире.

Объекты модели, представляемые на логическом уровне, называются сущностями и атрибутами . Логическая модель данных может быть построена на основе другой логической модели, например на основе модели процессов. Логическая модель данных является универсальной и никак не связана с конкретной реализацией СУБД.

Различают три уровня логической модели, отличающихся по глубине представления информации о данных:

диаграмм сущность-связь (Entity Relationship Diagram, ERD);

модель данных, основанная на ключах (Key Based model, KB);

полная атрибутная модель (Fully Attributed model, FA).

Диаграмма сущность-связь представляет собой модель данных верхнего уровня. Она включает сущности и взаимосвязи, отражающие основные бизнес-правила предметной области. Такая диаграмма не слишком детализирована, в нее включаются основные сущности и связи между ними, которые удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к ИС.

Диаграмма сущность-связь может включать связи многие-ко-многим и не включать описание ключей. Как правило, ERD используется для презентаций и обсуждения структуры данных с экспертами предметной области.

Модель данных, основанная на ключах , - более подробное представление данных. Она включает описание всех сущностей и первичных ключей и предназначена для представления структуры данных и ключей, которые соответствуют предметной области.

Полная атрибутивная модель – наиболее детальное представление структуры данных: представляет данные в третьей нормальной форме ивключает все сущности, атрибуты и связи .

В данных методических указаниях будет рассмотрена модель данных, основанная на ключах.

Основные компоненты диаграммы ERwin – это сущности, атрибуты и связи.

Каждая сущность является множеством подобных индивидуальных объектов, называемых экземплярами. Каждый экземпляр индивидуален и должен отличаться от всех остальных экземпляров. Построение модели данных предполагает определение сущностей и атрибутов, т.е. необходимо определить, какая информация будет храниться в конкретной сущности или атрибуте.Сущность можно определить как объект, событие или концепцию, информация о которой должна сохраняться. Сущности должны иметь наименование с четким смысловым значением, именоваться существительным в единственном числе, не носить «технических» наименований и быть достаточно значимыми для того, чтобы их моделировать. Именование сущности в единственном числе облегчает в дальнейшем чтение модели. Фактически имя сущности дается по имени ее экземпляра.

Сущность на диаграмме изображается прямоугольником. В зависимости от режима представления диаграммы прямоугольник может содержать имя сущности, ее описание, список ее атрибутов и другие сведения (см. рис. 34).

Рис. 34. Сущность с заполненными атрибутами.

Экземпляры независимой сущности могут быть уникально идентифицированы без определения ее связей с другими сущностями;зависимая сущность, наоборот, не может быть уникально идентифицирована без определения ее связей с другими сущностями. Зависимая сущность отображается в ERwin прямоугольником с закругленными углами (см. рис. 35).

Рис. 35. Зависимая сущность с заполненными атрибутами.

Зависимая сущность может наследовать один и тот же внешний ключ от более чем одной родительской сущности, или от одной и той же родительской сущности через использование несколько связей. Если не введены различные роли для такого множественного наследования, ERwin считает, что в зависимой сущности атрибуты внешнего ключа появляются только один раз.

В зависимости от того, все ли возможные сущности-подтипы включены в модель, категорийная связь является полной или неполной. Например, если супертип может содержать данные об уволенных сотрудниках, то эта связь - неполной категоризации, так как для него не существует записи в сущностях - подтипах. В ERwin полная категория изображается окружностью с двумя подчеркиваниями, а неполная - окружностью с одним подчеркиванием.

Унификация - это объединение двух или более групп атрибутов внешних ключей в один внешний ключ (группу атрибутов), в предположении, что значения одноименных атрибутов в дочерней сущности всегда одинаковы. Рассмотрим пример: сущность "сотрудник" имеет первичный ключ "код сотрудника" и связан идентифицирующей связью с сущностями "супруга" и "дети". При этом происходит миграция первичного ключа в зависимые сущности. В свою очередь, сущность "супруга" связана не идентифицирующей связью с сущностью "дети". Имеются два пути миграции ключа, однако в сущности "дети" атрибут "код сотрудника" появляется один раз в качестве элемента первичного ключа. Существуют случаи, когда унификация атрибутов дает неверный с точки зрения предметной области результат. Для отмены унификации для атрибутов вводятся имена ролей.

Атрибут выражает свойство объекта, характеризующее его экземпляр (определенное свойство объекта. С точки зрения БД (физическая модель) сущности соответствует таблица, экземпляру сущности – строка в таблице, а атрибуту – колонка таблицы. Горизонтальная линия прямоугольника разделяет атрибуты сущности на два набора: атрибуты, составляющие первичный ключ (в верхней части) и прочие, не входящие в первичный ключ (в нижней части).

Первичный ключ - это атрибут или набор атрибутов, уникально идентифицирующий экземпляр сущности. Если несколько наборов атрибутов могут уникально идентифицировать сущность, то выбор одного из них осуществляется разработчиком на основании анализа предметной области. Для каждого первичного ключа ERwin создает при генерации структуры БД уникальный индекс.

Если между некоторыми сущностями существует связь, то факты из одной сущности ссылаются или некоторым образом связаны с фактами из другой сущности. Связь – это функциональная зависимость между сущностями. Поддержание непротиворечивости функциональных зависимостей между сущностями называется ссылочной целостностью. Поскольку связи содержатся "внутри" реляционной модели, реализация ссылочной целостности может выполняться как приложением, так и самой СУБД (с помощью механизмов декларативной ссылочной целостности, триггеров). Связь это понятие логического уровня, которому соответствует внешний ключ на физическом уровне. Связь называетсяидентифицирующей , если экземпляр дочерней сущности идентифицируется через ее связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в первичный ключ дочерней сущности. Дочерняя сущность при идентифицирующей связи всегда является зависимой. Связь называетсяне идентифицирующей , если экземпляр дочерней сущности идентифицируется иначе, чем через связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в состав не ключевых атрибутов дочерней сущности.

Для добавления сущности следует нажать кнопку , а затем – щелкнуть «мышью» по свободному месту диаграммы. После этого по созданному элементу

следует щелкнуть два раза левой кнопкой «мыши». В открывшемся диалоговом окне Attributes (см. рис. 36) следует:

Рис. 36. Окно для заполнения атрибутов сущности.

Таблица 5.

Расшифровка назначения типов атрибутов

Для каждого атрибута имеется возможность ввода дополнительных характеристик, расположенных на вкладках окна Attributes :

General (основные характеристики атрибута);

Datatype (выбранный формат атрибута);

Definition (пояснения);

Note (комментарий для данного атрибута);

UDP (свойства атрибутов сущности, добавляемых пользователем);

Key Group (отношение выбранного атрибута к ключевым признакам);

History (история возникновения атрибута).

Для связывания таблиц следует, нажав кнопку или(идентифицирующая связь) или(не идентифицирующая связь), щелкнуть левой кнопкой «мыши» на одной таблице, а затем щелкнуть «мышью» на другой таблице, с которой требуется выполнить связь.

Пример логической модели данных представлен на рис. 37.

Для компактного расположения модели на листе бумаги при печати следует вызвать в меню File режимPrint , а в открывшемся окнеPrint (см. рис. 38) нажать кнопкуFit model.

Рис. 37. Пример логической модели данных

Рис. 38. Окно для настройки параметров печати.