НТВ плюс 

Разработка er диаграмма на тему строительные материалы. ER-диаграммы в нотациях Баркера и Мартина. CASE-средства. Основные понятия ER-диаграмм

ER-модель базы данных

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

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

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

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

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

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

Рис.13.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Нормализация базы данных

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

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

ER-диаграммы (рис. 2) используются для разработки данных и представляют собой стандартный способ определения данных и отношений между ними. Таким образом, осуществляется детализация хранилищ данных. ER-диаграмма содержит информацию о сущностях системы и способах их взаимодействия, включает идентификацию объектов, важных для предметной области (сущностей), свойств этих объектов (атрибутов) и их отношений с другими объектами (связей). Во многих случаях информационная модель очень сложна и содержит множество объектов.

Рис. 2. Пример ER-диаграммы

Сущность изображается в виде прямоугольника, вверху которого располагается имя сущности (например, TITLES). В прямоугольнике могут быть перечислены атрибуты сущности; атрибуты ER-диаграмм, набранные полужирным шрифтом1, являются ключевыми (так Title Identity - ключевой атрибут сущности TITLES, остальные атрибуты ключевыми не являются).

Отношение изображается линией между двумя сущностями (синие линии на рисунке).

Одиночная линия справа (рис. 3) означает «один», «птичья лапка» слева - «многие», а отношение читается вдоль линии, например «один ко многим». Вертикальная черта означает «обязательно», кружок - «не обязательно», например для каждого издания в TITLE обязательно должен быть указан издатель в PUBLISHERS, а один издатель в PUBLISHERS может выпускать несколько наименований изданий в TITLES. Следует отметить, что связи всегда комментируются (надпись на линии, изображающей связь).

Рис. 3. Элемент ER-диаграммы

Приведем также пример (рис. 4) изображения рефлексивного отношения «сотрудник», где один сотрудник может руководить несколькими подчиненными и так далее вниз по иерархии должностей.

Следует обратить внимание на то, что такое отношение всегда является необязательным, в противном случае это будет бесконечная иерархия.

Рис. 4. ER-диаграмма рефлексивного отношения

Атрибуты сущностей могут быть ключевыми - они выделяются полужирным шрифтом; обязательными - перед ними ставится знак «*», то есть их значение всегда известно, необязательными (optional) - перед ними ставится О, то есть значения этого атрибута в какие-то моменты могут отсутствовать или быть неопределенными.

Если сущность имеет набор взаимоисключающих отношений с другими сущностями, то говорят, что такие отношения находятся в дуге. Например, банковский счет может быть оформлен или для юридического лица, или для физического лица. Фрагмент ER-диаграммы для такого типа отношений приведен на рис. 5.

Рис. 5. Дуга

В этом случае атрибут ВЛАДЕЛЕЦ сущности СЧЕТ имеет особое значение для данной сущности - сущность делится на типы по категориям: «для физического лица» и «для юридического лица». Полученные в результате сущности называют подтипами, а исходная сущность становится супертипом. Чтобы понять, нужен супертип или нет, надо установить, сколько одинаковых свойств имеют различные подтипы. Следует отметить, что злоупотребление подтипами и супертипами является довольно распространенной ошибкой. Изображают их так, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Подтипы (справа) и супертип (слева)

Введение

Центральные идеи современной информационной технологии основываются на концепции, согласно которой данные должны быть сформированы в базы данных с целью отображения меняющегося реального мира и удовлетворения информационных потребностей пользователей. Эти базы данных образовываются и функционируют под управлением специальных программных комплексов (совокупностей языков программирования и программных средств), называемых системами управления базами данных (СУБД). Сама база данных – это хранилище для большого количества систематизированных данных, с которыми можно производить определённые действия: добавления, удаления, изменения, копирования, упорядочивание.

Увеличение объема хранимых данных, расширение круга пользователей информационных систем привели к широкому распространению наиболее удобных и сравнительно простых для понимания реляционных (табличных) СУБД. Для обеспечения одновременного доступа к данным множества пользователей, нередко расположенных достаточно далеко друг от друга и от места хранения баз данных, созданы сетевые мультипользовательские версии баз данных основанных на реляционной структуре. В них тем или иным путем решаются специфические проблемы параллельных процессов, целостности (правильности) и безопасности данных, а также санкционирования доступа.

За последние несколько лет наблюдается тенденция к усложнению структур данных. Простые виды информации, представимой в форме чисел и текстовых строк, не утратив своей значимости, дополняются сегодня многочисленными мультимедийными документами, графическими образами, хронологическими рядами, процедурными, или активными, данными и мириадами прочих сложных информационных форм. В связи с этим появилась целая плеяда СУБД, поддерживающих новые коллекции данных и способных реализовать преимущества современных аппаратных средств. Одним из таких СУБД является MS Access 2003 (2007), входящая в пакет программ Microsoft Office, и являющаяся одной из популярных реляционных СУБД для локальных компьютеров.

Популярность СУБД Microsoft Access обусловлена следующими причинами:

    доступность в изучении и понятность позволяют являться одной из лучших систем быстрого создания приложений управления базами данных;

    полностью русифицирована;

    возможность использования OLE технологии;

    поддержка WWW-идеологии;

    визуальная технология позволяет постоянно видеть результаты своих действий и корректировать их, кроме того, работа с конструктором форм может существенно облегчить дальнейшее изучение таких систем программирования, как Visual Basic или Delphi;

    широко и наглядно представлена справочная система;

    наличие большого набора "мастеров" по разработке объектов.

В настоящее время в различных крупных организациях широко применяются автоматизированные информационные системы (АИС).

Цель данного проекта: применение на практике знаний, полученных в процессе изучения курса "Базы данных", и приобретение практических навыков при проектировании и создания информационных систем (ИС), основанных на базах данных.

Основные понятия ER-модели: сущность, экземпляр сущности, атрибут, ключ, связь, типы связей

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

Сущность – это реальный или представляемый объект, информация о котором должна сохраняться и быть доступна. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности – это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра этого типа. Для большей выразительности и лучшего понимания имя сущности может сопровождаться примерами конкретных объектов этого типа.

Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это требование в некотором роде аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах).

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

Ключ сущности – это неизбыточный набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности. Неизбыточность заключается в том, что удаление любого атрибута из ключа нарушается его уникальность. Сущность может иметь несколько различных ключей. Ключевые атрибуты изображаются на диаграмме подчеркиванием.

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

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

Каждая связь имеет два конца и одно или два наименования. Наименование обычно выражается в неопределенной глагольной форме: «иметь», «принадлежать» и т.п. Каждое из наименований относится к своему концу связи. Иногда наименования не пишутся ввиду их очевидности. Каждая связь может иметь один из следующих типов связи:

Один к одному

Один ко многим

Много ко многим

Рис. 1 – Типы связей

Связь типа «один к одному» означает, что один экземпляр первой сущности (левой) связан с одним экземпляром второй сущности (правой). Связь «один к одному» чаще всего свидетельствует о том, что на самом деле мы имеем всего одну сущность, неправильно разделенную на две.

Связь типа «один ко многим» означает, что один экземпляр первой сущности (левой) связан с несколькими экземплярами второй сущности (правой). Это наиболее часто используемый тип связи. Левая сущность (со стороны «один») называется родительской, правая (со стороны «много») - дочерней.

Связь типа «много ко многим» означает, что каждый экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и каждый экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Тип связи «много ко многим» является временным типом связи, допустимым на ранних этапах разработки модели. В дальнейшем этот тип связи должен быть заменен двумя связями типа «один ко многим» путем создания промежуточной сущности.

Каждая связь может иметь одну из двух модальностей связи:

Может

Должен

Рис. 2 – Модальность связи

Модальность «может» означает, что экземпляр одной сущности может быть связан с одним или несколькими экземплярами другой сущности, а может быть и не связан ни с одним экземпляром.

Модальность «должен» означает, что экземпляр одной сущности обязан быть связан не менее чем с одним экземпляром другой сущности.

Преобразование ER-модели в реляционную модель данных

Рассмотрим преобразование ER-модели в реляционную модель данных на абстрактном примере. Предположим, что дана ER-модель. Необходимо получить набор таблиц (отношений) вида Таблица (Ключ, Атрибут1, Атрибут2, …, АтрибутN). Ключ может быть составным. Удобно имена атрибутов в масштабе ER-модели сделать уникальными, тогда при построении реляционной модели их (почти никогда) не придется переименовывать.

    Преобразование множеств сущностей (для краткости - сущностей)

    1. Преобразование обычной сущности

Рис. 3 – Преобразование обычной сущности

Обычная сущность преобразуется в отдельную таблицу, полями таблицы будут все атрибуты сущности: Сущность (Ключ, Атрибут1, Атрибут2)

    1. Преобразование слабой сущности

Слабая сущность преобразуется в отдельную таблицу, полями таблицы будут все атрибуты сущности плюс ключевые атрибуты всех сущностей, с помощью которых данная слабая сущность идентифицируется.

Ключевые поля всех родительских таблиц войдут в ключ дочерней таблицы. Для дочерней таблицы они будут называться внешним ключом: Сущность1 (Ключ1, Ключ2, Атрибут1, Атрибут2).

Ключ 1

Атрибут 1

Атрибут 2

Сущность 1

Сущность 2

Ключ 2

Рис. 4 – Преобразование слабой сущности

    1. Преобразование подтипов сущностей

1 способ. Создается одна таблица, в которую помещают все атрибуты. Для того, чтобы указать, к какому подтипу относится объект, приходится вводить дополнительное поле-признак: Сущность1(Ключ, Атрибут1, Атрибут2, Атрибут3, Атрибут4, Атрибут4, Признак).

Недостатком этого способа является то, что в таблице остается много незаполненных полей: для объекта подтипа 1 атрибуты 4 и 5, а для объекта подтипа 2 - атрибуты 2 и 3 останутся пустыми.

2 способ. Создается отдельная таблица для каждого подтипа. В нее включаются все атрибуты этого подтипа и все атрибуты надтипа:

Подтип1(Ключ, Атрибут1, Атрибут2, Атрибут3)

Подтип2(Ключ, Атрибут1, Атрибут4, Атрибут5)

Недостатком этого подхода является то, что подтипы теперь никак не связаны друг с другом.

3 способ. Создается одна таблица для надтипа, и по одной таблице для каждого подтипа, в которую включаются ключевые поля надтипа:

Сущность1(Ключ, Атрибут1)

Подтип1(Ключ, Атрибут2, Атрибут3)

Подтип2(Ключ, Атрибут4, Атрибут5)

Недостатком этого подхода является то, что информация о каждом объекте теперь раскидана по двум таблицам.

Рис. 5 – Преобразование подтипов сущностей

    Преобразование связей

    1. Связь М:М

Для связей – двойных ромбов ничего делать не нужно, вся информация уже хранится в таблице слабой сущности.

Рис. 6 – Связь М:М

Создается новая таблица, содержащая ключевые поля каждой сущности, участвующей в связи, и собственные атрибуты связи, если таковые имеются. В названии обычно отражают, какие именно сущности связываются, или называют новую таблицу именем связи.

Сущность1Сущность2(Ключ1, Ключ2, Атрибут1).

Если собственный атрибут связи является ключевым, то на самом деле это уже не бинарная связь, а связь большей арности, т.е. этот атрибут может быть заменен на новую сущность, по направлению к которой существует связь "к одному". В этом случае нужно применять правила для тернарных и других связей

    1. Связь 1:М

Рис. 7 – Связь 1:М

1 способ. Точно так же, как и в случае М:М, создается новая таблица, содержащая ключевые поля каждой сущности, участвующей в связи. В названии обычно отражают, какие именно сущности связываются, или называют новую таблицу именем связи. Ключом будет ключ второй сущности.

Сущность1Сущность2(Ключ1, Ключ2).

2 способ. Новая таблица не создается, а в таблицу дочерней сущности добавляют ключевые поля родительской сущности (в ключ дочерней сущности они входить не будут). Ключевые поля родительской сущности представляют собой внешний ключ (foreign key) для дочерней сущности.

Этот способ предпочтительнее использовать в том случае, если связь является связью "ровно к одному", то есть все экземпляры сущностей участвуют в связи. В этом случае поле внешнего ключа никогда не будет пустым.

Таблица дочерней сущности: Сущность2(Ключ2, Атрибут1, Ключ1).

    1. Связь 1:1

Рис. 8 – Связь 1:1

1 способ. Точно так же, как и в случае М:М, создается новая таблица, содержащая ключевые поля каждой сущности, участвующей в связи. В названии обычно отражают, какие именно сущности связываются, или называют новую таблицу именем связи. Ключом будет ключ любой сущности.

Этот способ предпочтительнее использовать в том случае, если связь не является "ровно к одному", то есть не все экземпляры сущностей участвуют в связи.

Сущность1Сущность2(Ключ1, Ключ2) или Сущность1Сущность2(Ключ1, Ключ2).

2 способ. Точно так же, как и во 2 случае 1:М, новая таблица не создается, а в таблицу одной из сущностей (будем считать ее дочерней) добавляют ключевые поля другой сущности (будем считать ее родительской).

Если связь не является связью "ровно к одному" по отношению к родительской таблице, то есть не все экземпляры сущностей участвуют в связи, поле внешнего ключа в некоторых записях может быть пустым.

Таблица дочерней сущности: Сущность1(Ключ1, Атрибут1, Ключ2),

или Сущность2(Ключ2, Атрибут2, Ключ1).

3 способ. Две таблицы для сущностей, связанных 1:1, объединяются в одну. Ключом новой таблицы может быть комбинация ключей обеих таблиц. Если хотя бы в одном направлении связь "ровно к одному", то ключ этой сущности можно считать ключом объединенной таблицы.

Таблицы: Сущность1(Ключ1, Атрибут1) и Сущность2(Ключ2, Атрибут2) заменяются на

Сущность1Сущность2(Ключ1, Атрибут1, Ключ2, Атрибут2)

или, возможно, Сущность1Сущность2(Ключ1, Атрибут1, Ключ2, Атрибут2),

или Сущность1Сущность2(Ключ1, Атрибут1, Ключ2, Атрибут2).

Для связи сущности с самой собой применяются те же правила, но, так как одна и та же сущность участвует в связи дважды, ключевые поля должны войти в одну и ту же таблицу два раза. Поэтому приходится переименовывать один из ключей.

Рассмотрим связь 1:M, способ 2. Переименован внешний ключ.

Рис. 9 – Связь 1:М, переименован внешний ключ

Сущность1(Ключ1, Атрибут1, ЕщеОдинКлюч1).

Для связей с арностью более 2 обычно применяется тот же способ, что и для бинарной связи M:M - создается новая таблица, содержащая ключевые поля всех связанных таблиц: Сущность1Сущность2Сущность3(Ключ1, Ключ2, Ключ3).

Правила преобразования ER-модели в реляционную

Правило 1. Каждой сущности ставится в соответствие отношение реляционной модели данных. При этом имена сущности и отношения могут быть различными, потому что на имена сущностей могут не накладываться дополнительные синтаксические ограничения, кроме уникальности имени в рамках модели. Имена отношений могут быть ограничены требованиями конкретной СУБД, чаще всего эти имена являются идентификаторами в некотором базовом языке, они ограничены по длине и не должны содержать пробелов и некоторых специальных символов. Например, сущность может быть названа «Книжный каталог», а соответствующее ей отношение желательно назвать, например, BOOKS (без пробелов и латинскими буквами).

Правило 2. Каждый атрибут сущности становится атрибутом соответствующего отношения. Для каждого атрибута задается конкретный допустимый в СУБД тип данных и обязательность или необязательность данного атрибута (то есть допустимость или недопустимость NULL значений для него).

Правило 3. Первичный ключ сущности становится PRIMARY KEY соответствующего отношения. Атрибуты, входящие в первичный ключ отношения, автоматически получают свойство обязательности (NOT NULL).

Правило 4. В каждое отношение, соответствующее подчиненной сущности, добавляется набор атрибутов основной сущности, являющейся первичным ключом основной сущности.

В отношении, соответствующем подчиненной сущности, этот набор атрибутов становится внешним ключом (FOREING KEY).

Для моделирования необязательного типа связи на физическом уровне у атрибутов, соответствующих внешнему ключу, устанавливается свойство допустимости неопределенных значений (признак NULL). При обязательном типе связи атрибуты получают свойство отсутствия неопределенных значений (признак NOT NULL).

Теория нормализации

Нормализация отношений (таблиц) – одна из основополагающих частей теории реляционных баз данных. Нормализация имеет своей целью избавиться от избыточности в отношениях и модифицировать их структуру таким образом, чтобы процесс работы с ними не был обременён различными посторонними сложностями. При игнорировании такого подхода эффективность проектирования стремительно снижается, что вкупе с прочими подобными вольностями может привести к критическим последствиям.

Первая нормальная форма

Отношение находится в первой нормальной форме (сокращённо 1НФ), если все его атрибуты атомарны, то есть если ни один из его атрибутов нельзя разделить на более простые атрибуты, которые соответствуют каким-то другим свойствам описываемой сущности.

Будем называть исходное отношение основным, а значение неатомарного атрибута – подчинённым.

Для того, чтобы нормализовать исходное отношение, атрибуты которого неатомарны, необходимо объединить схемы основного и подчинённого отношений. Кроме того, если, например, таблица, соответствующая ненормализованному отношению уже содержится в БД и заполнена информацией, задача усложняется тем, что значение неатомарного атрибута может в свою очередь содержать несколько кортежей.

Рассмотрим отношение, имеющее атрибуты «Код сотрудника», «ФИО», «Должность», «Проекты». Очевидно, что один сотрудник может работать над несколькими проектами. Предположим, что проект описывается идентификатором, названием и датой сдачи.

Код сотрудника

ФИО

Должность

Проекты

Иванов Иван Иванович

Программист

ID: 123; Название: Система управления паровым котлом; Дата сдачи: 30.09.2011
ID: 231; Название: ПС для контроля и оповещения о превышениях ПДК различных газов в помещении; Дата сдачи: 30.11.2011
ID: 321; Название: Модуль распознавания лиц для защитной системы; Дата сдачи: 01.12.2011

Нетрудно заметить, что не все атрибуты этого отношения атомарны (неделимы). В частности, атрибут «Проекты» можно разделить на три более простых атрибута: «Код проекта», «Название», «Дата сдачи», а значение этого атрибута для сотрудника Иван Иванович Иванов содержит несколько кортежей – информацию о трёх проектах.

Рассмотрим алгоритм нормализации отношения до 1НФ.

Создать новое отношение, схема которого будет получена путём слияния основной и подчинённой схем исходного отношения в одну.

Для каждого кортежа исходного отношения включить в новое столько строк, сколько кортежей содержится в подчинённом отношении этого кортежа.

Заполнить значения атрибутов нового отношения, соответствующих атрибутам подчинённого отношения. Заполнить строки нового отношения значениями атомарных атрибутов исходного.

Применим этот алгоритм к приведённому выше отношению. Схема нового отношения будет состоять из 6 атрибутов: «Код сотрудника», «ФИО», «Должность», «Код проекта», «Название», «Дата сдачи». Для одного единственного кортежа заданного отношения, добавим в новое три строки, по одной для каждого проекта (по количеству кортежей в подчинённом отношении). Теперь можно заполнить значения разделенных атрибутов кортежами из подчинённого отношения. Затем перенесем в каждую из этих строк значения атомарных атрибутов: «Код сотрудника», «ФИО», «Должность» (все три строки будут содержать одинаковые значения этих атрибутов).

Результат будет выглядеть так:

Код сотрудника

ФИО

Должность

Код проекта

Название

Дата сдачи

Иванов Иван Иванович

Программист

123

Система управления паровым котлом

30.09.2011

Иванов Иван Иванович

Программист

231

ПС для контроля и оповещения о превышениях ПДК различных газов в помещении

30.11.2011

Иванов Иван Иванович

Программист

321

Модуль распознавания лиц для защитной системы

01.12.2011

Вторая нормальная форма

Отношение, находящееся в 1НФ, также может обладать избыточностью. Для её устранения предназначена вторая нормальная форма. Но прежде чем приступить к её описанию, сначала следует выявить недостатки первой.

Пусть исходное отношение содержит информацию о поставке некоторых товаров и их поставщиках.

Код поставщика

Город

Статус города

Код товара

Количество

Москва

300

Москва

400

Москва

100

Ярославль

200

Ставрополь

300

Ставрополь

400

Псков

100

Заранее известно, что в этом отношении содержатся следующие функциональные зависимости:

{ {Код поставщика, Код товара} -> { Количество},

{Код поставщика} -> {Город},

{Код поставщика} -> {Статус},

{Город} -> {Статус} }

Первичный ключ в отношении: {Код поставщика, Код товара}.

Очевидно, что отношение обладает избыточностью: оно описывает две сущности – поставку и поставщика. В связи с этим возникают следующие аномалии:

Аномалия вставки. В отношение нельзя добавить информацию о поставщике, который ещё не поставил ни одного товара.

Аномалия удаления. Если от поставщика была только одна поставка, то при удалении информации о ней будет удалена и вся информация о поставщике.

Аномалия обновления. Если необходимо изменить какую-либо информацию о поставщике (например, поставщик переехал в другой город), то придётся изменять значения атрибутов во всех записях о поставках от него.

Физический смысл избыточности исходного отношения заключается в том, что оно описывает не одну сущность, а две – поставку и поставщика.

Чтобы устранить эти аномалии, необходимо разбить исходное отношение на проекции:

    В первую следует включить первичный ключ и все неключевые атрибуты явно зависимые от него;

    В остальные проекции (в данном случае она одна) будут включены неключевые атрибуты, зависящие от первичного ключа неявно, вместе с той частью первичного ключа, от которой эти атрибуты зависят явно.

В итоге будут получены два отношения:

Код поставщика

Код товара

Количество

300

400

100

200

300

400

100

Первому отношению теперь соответствуют следующие функциональные зависимости: {Код поставщика, Код товара} -> {Количество}

Код поставщика

Город

Статус города

Москва

Ярославль

Ставрополь

Псков

Второму отношению соответствуют:

{ {Код поставщика} -> {Город},

{Код поставщика} -> {Статус},

{Город} -> {Статус} }

Такое разбиение устранило аномалии, описанные выше: можно добавить информацию о поставщике, который ещё не поставлял товар, удалить информацию о поставке без удаления информации о поставщике, а также легко обновить информацию в случае если поставщик переехал в другой город.

Определение второй нормальной формы: отношение находится во второй нормальной форме (сокращённо 2НФ) тогда и только тогда, когда оно находится в первой нормальной форме и каждый его неключевой атрибут неприводимо зависим от первичного ключа.

Семантическое моделирование

Широкое распространение реляционных СУБД и их использование в самых разнообразных приложениях показывает, что реляционная модель данных достаточна для моделирования предметных областей. Однако проектирование реляционной базы данных в терминах отношений на основе кратко рассмотренного нами механизма нормализации часто представляет собой очень сложный и неудобный для проектировщика процесс.

При этом проявляется ограниченность реляционной модели данных в следующих аспектах:

Модель не предоставляет достаточных средств для представления смысла данных. Семантика реальной предметной области должна независимым от модели способом представляться в голове проектировщика. В частности, это относится к упоминавшейся нами проблеме представления ограничений целостности.

Для многих приложений трудно моделировать предметную область на основе плоских таблиц. В ряде случаев на самой начальной стадии проектирования проектировщику приходится производить насилие над собой, чтобы описать предметную область в виде одной (возможно, даже ненормализованной) таблицы.

Хотя весь процесс проектирования происходит на основе учета зависимостей, реляционная модель не предоставляет каких-либо средств для представления этих зависимостей.

Несмотря на то, что процесс проектирования начинается с выделения некоторых существенных для приложения объектов предметной области ("сущностей") и выявления связей между этими сущностями, реляционная модель данных не предлагает какого-либо аппарата для разделения сущностей и связей.

Потребности проектировщиков баз данных в более удобных и мощных средствах моделирования предметной области вызвали к жизни направление семантических моделей данных. При том, что любая развитая семантическая модель данных, как и реляционная модель, включает структурную, манипуляционную и целостную части, главным назначением семантических моделей является обеспечение возможности выражения семантики данных.

Наиболее часто на практике семантическое моделирование используется на первой стадии проектирования базы данных. При этом в терминах семантической модели производится концептуальная схема базы данных, которая затем вручную преобразуется к реляционной (или какой-либо другой) схеме. Этот процесс выполняется под управлением методик, в которых достаточно четко оговорены все этапы такого преобразования.

Менее часто реализуется автоматизированная компиляция концептуальной схемы в реляционную. При этом известны два подхода: на основе явного представления концептуальной схемы как исходной информации для компилятора и построения интегрированных систем проектирования с автоматизированным созданием концептуальной схемы на основе интервью с экспертами предметной области. И в том, и в другом случае в результате производится реляционная схема базы данных в третьей нормальной форме (более точно следовало бы сказать, что автору неизвестны системы, обеспечивающие более высокий уровень нормализации).

Наконец, третья возможность, которая еще не вышла (или только выходит) за пределы исследовательских и экспериментальных проектов, - это работа с базой данных в семантической модели, т.е. СУБД, основанные на семантических моделях данных. При этом снова рассматриваются два варианта: обеспечение пользовательского интерфейса на основе семантической модели данных с автоматическим отображением конструкций в реляционную модель данных (это задача примерно такого же уровня сложности, как автоматическая компиляция концептуальной схемы базы данных в реляционную схему) и прямая реализация СУБД, основанная на какой-либо семантической модели данных. Наиболее близко ко второму подходу находятся современные объектно-ориентированные СУБД, модели данных которых по многим параметрам близки к семантическим моделям (хотя в некоторых аспектах они более мощны, а в некоторых - более слабы).

Расширенная ER-модель (EER-модель)

Понятий обычной ER-модели достаточно для представления большинства схем баз данных, например, для большинства коммерческих систем БД. Однако такие области, как системы автоматизированного проектирования, системы автоматизированной подготовки производства и др. предъявляют более сложные требования к БД. Для их семантического моделирования ER-модель была дополнена новыми понятиями и трансформирована в EER-модель (Enhanced ER – model – расширенная модель «сущность–связь»). Такая модель содержит все элементы ER – модели плюс дополнительные понятия, а именно понятия генерализации, специализации, и агрегирования.

Генерализация – это объединение набора классов (типов) сущностей в более общий тип сущности – суперкласс. Если в процессе анализа сущностей обнаруживается, что два или более классов (типов) сущностей имеют общие наборы атрибутов, то такие классы можно объединить в суперкласс.

Специализация противоположна генерализации. Она заключается в том, что некоторый общий (агрегированный, суперкласс) класс или тип разделяется на несколько более частных (специализированных) подклассов.

Агрегирование – это процесс объединения нескольких независимых сущностей (типов) в агрегированный (комплексный) тип.

Концептуальные ER-модели

В соответствии с основными этапами проектирования базы данных после построения концептуальной модели выбирается система управления базой данных, с помощью которой будет организована база данных и работа с ней. Каждая СУБД поддерживает определенные виды и типы данных, а также средства представления связей между данными, составляющими модель данных СУБД. Вторая стадия проектирования базы данных состоит в представлении построенной на предыдущей стадии концептуальной модели средствами модели данных СУБД или в отображении концептуальной модели в модель данных СУБД. Этот этап часто называют логическим проектированием базы данных. Полученная при этом модель часто также называется концептуальной моделью или схемой, но специфицированной к понятиям модели данных СУБД. В некоторых источниках полученную модель называют логической структурой данных или моделью данных базы данных.

Можно по-разному характеризовать понятие модели данных СУБД. С одной стороны, модель данных СУБД – это способ структурирования данных, которые рассматриваются как некоторая абстракция в отрыве от предметной области. С другой стороны, модель данных СУБД – это инструмент представления концептуальной модели предметной области и динамики ее изменения в виде базы данных.

Учитывая обе вышеуказанные стороны, определим основные структуры моделей данных СУБД, используемые для представления концептуальной модели предметной области (сущностей, атрибутов, связей).

Элемент данных (поле) – наименьшая поименованная единица данных. Используется для представления значения атрибута.

С элементом данных неразрывно связано понятие «тип данных», который может принимать соответствующее поле. В разных СУБД могут использоваться разные типы данных, наиболее распространенными из которых, используемые во многих СУБД, являются следующие: числовой (numeric), символьный (char), дата (date) и т.д.

Запись – поименованная совокупность полей. Используется для представления совокупности атрибутов сущности (записи о сущности).

Экземпляр записи – запись с конкретными значениями полей.

Первичный ключ – минимальный набор полей записи, однозначно идентифицирующий экземпляр записи файла.

Файл – поименованная совокупность экземпляров записей одного типа. Используется для представления однородного набора сущностей.

Набор файлов – поименованная совокупность файлов, обрабатываемых в системе. Используется для представления нескольких наборов сущностей.

Понятие «группа» является обобщающим понятием «файл» и «запись».

Группа – это поименованная совокупность элементов данных и других групп.

Важнейшим понятием концептуальной модели является понятие связи между сущностями (наборами сущностей). В моделях данных СУБД соответствующее понятие отражается понятием «групповое отношение».

Групповое отношение – поименованное бинарное отношение, заданное на двух множествах экземпляров рассматриваемых групп. По характеру бинарных связей различают групповые отношения вида 1:1, 1:M, M:1, M:N. Пары чисел называют коэффициентами группового отношения. В групповом отношении один член группы назначается владельцем отношения, другой – членом.

Для представления группового отношения используется две формы:

а) Графовая. Группы изображаются вершинами графа, связи между группами – дугами, направленными от группы-владельца к группе-члену с указанием имени отношения и коэффициента.

По типу графов различают:

б) Табличная. Связь между группами изображается таблицей, столбцы которой представляют ключи соответствующих групп. Для формального описания таблицы используется математическое (теоретико-множественное) понятие отношения. Соответствующая модель данных называется реляционной моделью.

Примеры ER-моделей

Пример 1

ER-модель: ЖЭК

Описание задачи: Сотрудникам ЖЭКа необходима база данных для хранения информации о поступающих от жильцов заявок на ремонт. ЖЭК обслуживает группу домов, включающую несколько улиц. Заявка поступает от квартиры. Заявку принимает диспетчер, он задает номер и дату поступления заявки, определяет тип заявки и срок ее выполнения. Заявку выполняет бригада специалистов. Каждый специалист может работать только в одной бригаде, у каждой бригады есть бригадир.

Рис. 10 – Пример ER-модели ЖЭКа

Пример 2

ER -модель конторы «Рога и копыта»

Описание задачи: Контора «Рога и копыта» занимается коммерческой деятельностью по реализации продукции, произведенной из рогов и копыт, и предоставлению магических услуг.

Сотрудник организации имеет ФИО, табельный номер, должность. Сотрудники распределены по нескольким отделам. Каждый отдел имеет номер, название и руководителя. Сотрудник не может руководить более чем одним отделом.

Организация работает с предприятиями-клиентами. Каждое предприятие имеет название и адрес. С предприятием может быть заключено несколько договоров.

Договор характеризуется уникальным номером, датой и типом. Каждый договор курирует некоторый сотрудник. По мере реализации клиенту товаров и услуг по договору с некоторой периодичностью выставляются счета.

Счет характеризуется уникальным номером, датой выставления, сроком оплаты и суммой, а также списком реализованных товаров и услуг с указанием их количества. По неоплаченным счетам начисляются пени. Счет может быть оплачен в несколько приемов, каждый платеж характеризуется номером, датой и суммой. Номер платежа уникален в пределах его счета. Цены на товары и услуги могут изменяться со временем.

Рис. 11 – Пример ER-модели конторы «Рога и копыта»

Пример разработки простой ER-модели

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

1. Список сущностей предметной области.

2. Список атрибутов сущностей.

3. Описание взаимосвязей между сущностями.

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

Предположим, что перед нами стоит задача разработать информационную систему по заказу некоторой оптовой торговой фирмы. В первую очередь мы должны изучить предметную область и процессы, происходящие в ней. Для этого мы опрашиваем сотрудников фирмы, читаем документацию, изучаем формы заказов, накладных и т.п.

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

    Хранить информацию о покупателях.

    Печатать накладные на отпущенные товары.

    Следить за наличием товаров на складе.

Выделим все существительные в этих предложениях - это будут потенциальные кандидаты на сущности и атрибуты, и проанализируем их (непонятные термины будем выделять знаком вопроса):

    Покупатель - явный кандидат на сущность.

    Накладная - явный кандидат на сущность.

    Товар - явный кандидат на сущность

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

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

Сразу возникает очевидная связь между сущностями - "покупатели могут покупать много товаров" и "товары могут продаваться многим покупателям". Первый вариант диаграммы выглядит так:

Рис. 12 – Первый вариант ER-диаграммы

Задав дополнительные вопросы менеджеру, мы выяснили, что фирма имеет несколько складов. Причем, каждый товар может храниться на нескольких складах и быть проданным с любого склада.

Куда поместить сущности "Накладная" и "Склад" и с чем их связать? Спросим себя, как связаны эти сущности между собой и с сущностями "Покупатель" и "Товар"? Покупатели покупают товары, получая при этом накладные, в которые внесены данные о количестве и цене купленного товара. Каждый покупатель может получить несколько накладных. Каждая накладная обязана выписываться на одного покупателя. Каждая накладная обязана содержать несколько товаров (не бывает пустых накладных). Каждый товар, в свою очередь, может быть продан нескольким покупателям через несколько накладных. Кроме того, каждая накладная должна быть выписана с определенного склада, и с любого склада может быть выписано много накладных. Таким образом, после уточнения, диаграмма будет выглядеть следующим образом:

Рис. 12 – Второй вариант ER-диаграммы

Теперь необходимо задуматься об атрибутах сущностей. Выясняется следующее:

Каждый покупатель является юридическим лицом и имеет наименование, адрес, банковские реквизиты.

Каждый товар имеет наименование, цену, а также характеризуется единицами измерения.

Каждая накладная имеет уникальный номер, дату выписки, список товаров с количествами и ценами, а также общую сумму накладной. Накладная выписывается с определенного склада и на определенного покупателя.

Каждый склад имеет свое наименование.

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

Юридическое лицо – термин риторический, мы не работаем с физическими лицами. Не обращаем внимания.

Наименование покупателя – явная характеристика покупателя.

Адрес – явная характеристика покупателя.

Банковские реквизиты – явная характеристика покупателя.

Наименование товара – явная характеристика товара.

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

Единица измерения – явная характеристика товара.

Номер накладной – явная уникальная характеристика накладной.

Дата накладной – явная характеристика накладной.

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

(?) Количество товара в накладной – это явная характеристика, но характеристика чего? Это характеристика не просто "товара", а "товара в накладной".

(?) Цена товара в накладной – опять же это должна быть не просто характеристика товара, а характеристика товара в накладной. Но цена товара уже встречалась выше – это одно и то же?

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

Наименование склада – явная характеристика склада.

Каждый товар имеет некоторую текущую цену. Эта цена, по которой товар продается в данный момент. Естественно, что эта цена может меняться со временем. Цена одного и того же товара в разных накладных, выписанных в разное время, может быть различной. Таким образом, имеется две цены - цена товара в накладной и текущая цена товара.

С возникающим понятием "Список товаров в накладной" все довольно ясно. Сущности "Накладная" и "Товар" связаны друг с другом отношением типа много-ко-многим. Такая связь должна быть расщеплена на две связи типа один-ко-многим. Для этого требуется дополнительная сущность. Этой сущностью и будет сущность "Список товаров в накладной". Связь ее с сущностями "Накладная" и "Товар" характеризуется следующими фразами - "каждая накладная обязана иметь несколько записей из списка товаров в накладной", "каждая запись из списка товаров в накладной обязана включаться ровно в одну накладную", "каждый товар может включаться в несколько записей из списка товаров в накладной", " каждая запись из списка товаров в накладной обязана быть связана ровно с одним товаром". Атрибуты "Количество товара в накладной" и "Цена товара в накладной" являются атрибутами сущности " Список товаров в накладной".

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

Теперь можно внести все это в диаграмму:

Рис. 13 – Третий (итоговый) вариант ER-диаграммы

Список литературы:

    Информационные системы в экономике: Учебник для студ. высш. учеб, заведений / В.Б. Уткин, К.В. Балдин. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 288 с.

    Разработка и эксплуатация автоматизированных информационных систем: учеб. пособие / Под ред. проф. Л.Г. Гагариной. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2007. – 384 с.: ил. – (Профессиональное образование).

    Дейт К. Введение в системы баз данных. – М.: Диалектика, 2000.

    Першиков В. И., Савинков В. М. Толковый словарь по информатике. – М.: Финансы и статистика, 2001.

    Райордан Р. Основы реляционных баз данных. – М.: Русская редакция, 2001.

    Саукап Р. Проектирование реляционных систем баз данных. – М.: Русская редакция, 2006.

    Системы управления базами данных и знаниями / Под ред. А. Н. Наумова. – М.: Финансы и статистика, 2005.

    Спортак М., Паппас Ф. Компьютерные сети и сетевые технологии. – Киев: ООО «ТИД «ДС», 2002.

    Уткин В. Б. Основы автоматизации профессиональной деятельности. – М.: РДЛ, 2001.

    Уткин В. Б., Сазанович А.Н., Мдичарадзе В. Г. Информатика. – М.: РДЛ, 2007.

    MegaPlus: Электроника, компьютеры, связь.2010. – № 5.

Цель работы

Ознакомление с методами и алгоритмом создания модели «Сущность-связь».

Основные понятия модели «Сущность-связь». ER-модели.

Инфологическая модель применяется на втором этапе проектирования БД, после словесного описания предметной области. Она должна включать такое формализованное описание предметной области, которое легко будет «читаться» как специалистами по базам данных, так и всеми пользователями. Это описание должно быть настолько емким, чтобы можно было оценить глубину и корректность проработки проекта БД, и конечно, оно не должно быть привязано к конкретной СУБД. Выбор СУБД - это отдельная задача, для корректного ее решения необходимо иметь проект, который не привязан ни к какой конкретной СУБД.

Инфологическое проектирование, прежде всего, связано с попыткой представления семантики предметной области в модели БД, которая слабо отражается в сетевых, иерархических моделях данных.

Было предложено несколько моделей данных, названных семантическими моделями. У всех этих моделей были свои положительные и отрицательные стороны, но фактическим стандартом при инфологическом моделировании баз данных стала только модель «сущность-связь», или Entity Relationships. Общепринятым стало сокращенное название ER-модель, а большинство современных CASE-средств содержат инструментальные средства для описания данных в формализме этой модели. Кроме того, разработаны методы автоматического преобразования проекта БД из ER-модели в реляционную БД, при этом одновременно выполняется преобразование в модель конкретной СУБД. Все CASE-системы имеют развитые средства документирования процесса разработки, автоматические генераторы отчетов позволяют подготовить отчет о текущем состоянии проекта с подробным описанием объектов БД и их отношений, что существенно облегчает ведение проекта.

Как любая модель, модель «сущность-связь» имеет несколько базовых понятий, из которых строятся более сложные объекты по заранее определенным правилам. Эта модель в наибольшей степени согласуется с концепцией объектно-ориентированного проектирования, которая является базовой для разработки сложных программных систем.

Рассмотрим базовые понятия, лежащие в основе ER-модели.

1. Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов. Сущность имеет имя, уникальное в пределах моделируемой системы. Так как сущность соответствует некоторому классу однотипных 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 должен быть таким, чтобы можно было различать конкретные экземпляры сущности. Например, у сущности Сотрудник может быть следующий набор атрибутов: Табельный номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата рождения, Количество детей, Наличие родственников за границей. Набор атрибутов, однозначно идентифицирующий конкретный экземпляр сущности, называют ключевым. Для сущности Сотрудник ключевым будет атрибут Табельный номер, поскольку для всех сотрудников данного предприятия табельные номера различны. Экземпляром сущности Сотрудник будет описание конкретного сотрудника предприятия. Одно из общепринятых графических обозначений сущности - прямоугольник, в верхней части которого записано имя сущности, а ниже перечисляются атрибуты, причем ключевые атрибуты помечаются,например, подчеркиванием или специальным шрифтом, как показано ниже:

2. Между сущностями могут быть установлены связи - бинарные ассоциации, показывающие, каким образом сущности соотносятся или взаимодействуют между собой. Связь может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). Она показывает, как связаны экземпляры сущностей между собой. Еслисвязь устанавливается между двумя сущностями, то она определяет взаимосвязь между экземплярами одной и другой сущности. Например, если есть связь между сущностью «Студент» и сущностью «Преподаватель» и эта связь - руководстводипломными проектами, то каждый студент имеет только одного руководителя, но один и тот же преподаватель может руководить множеством студентов-дипломников. Поэтому это будет связь «один-ко-многим» (1:М), один со стороны «Преподаватель» и многие со стороны «Студент» (рис. 10.1.).

3. В разных нотациях мощность связи изображается по-разному. В рассмотренном примере множественность изображается путем разделения линии связи на 3. Связь имеет общее имя «Дипломное проектирование» и имеет имена ролей со стороны обеих сущностей. Со стороны студента эта роль называется «Делает проект под руководством», со стороны преподавателя эта связь называется «Руководит». Графическая интерпретация связи позволяет сразу прочитать смысл взаимосвязи между сущностями, она наглядна и легко интерпретируема. Связи делятся на три типа по множественности: один-к-одному (1:1), один-ко-многим (1:М), многие-ко-многим (М:М). Связь один-к-одному означает, что экземпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой сущности. Связь 1: М означает, что один экземпляр сущности, расположенный слева по связи, может быть связан с несколькими экземплярами сущности, расположенными справа по связи. Связь «многие-ко-многим» (М:М) означает, что один экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и наоборот, один экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Например, связь типа «Изучает» между сущностями «Студент» и «Дисциплина» есть связь типа «многие-ко-многим» (М:М), т. к. каждый студент может изучать несколько дисциплин, а каждая дисциплина изучается множеством студентов. Такая связь изображена на рис. 10.2.

4. Между двумя сущностями может быть задано сколько угодно связей с разными смысловыми нагрузками. Например, между двумя сущностями «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 данный преподаватель читает лекции. Ясно, что это связь типа многие-ко-многим .

5. Связь любого из этих типов может быть обязательной, если в данной связи должен участвовать каждый экземпляр сущности, и необязательной - 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. Необязательность связи может обозначаться пустым кружочком на конце связи, а обязательность перпендикулярной линией, перечеркивающей связь. И эта нотация имеет простую интерпретацию. Кружочек означает, что ни один экземпляр не может участвовать в этой связи. А перпендикуляр интерпретируется как то, что по крайней мере один экземпляр сущности участвует в этой связи.

В ранее приведенном примере связи «Дипломное проектирование» эта связь интерпретируется как необязательная с двух сторон. На самом деле каждый студент, который делает диплом, должен иметь своего руководителя дипломного проектирования, но, с другой стороны, не каждый преподаватель ведет дипломное проектирование. Поэтому в данной смысловой постановке изображение этой связи изменится, и будет выглядеть таким, как представлено на рис. 10.3.

В результате построения модели предметной области в виде набора сущностей и связей получаем связный граф. В полученном графе необходимо избегать циклических связей - они выявляют некорректность модели.

Пример создания ER-модели

Спроектируем инфологическую модель системы, предназначенной для хранения информации о книгах и областях знаний, представленных в библиотеке. Разработку модели начнем с выделения основных сущностей.

Прежде всего, существует сущность «Книги»; каждая книга имеет уникальный шифр, который является ее ключом, и ряд атрибутов, которые взяты из описания предметной области. Множество экземпляров сущности определяет множество книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Книги» соответствует не конкретной книге, стоящей на полке, а описанию некоторой книги, которое дается обычно в предметном каталоге библиотеке. Каждая книга может присутствовать в нескольких экземплярах, и это как раз те конкретные книги, которые стоят на полках библиотеки. Чтобы отразить это, следует ввести сущность «Экземпляры», которая должна содержать описания всех экземпляров книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Экземпляры» соответствует конкретной книге на полке. Каждый экземпляр имеет уникальный инвентарный номер, однозначно определяющий конкретную книгу. Кроме того, каждый экземпляр книги может находиться либо в библиотеке, либо на руках у некоторого читателя, и в последнем случае для данного экземпляра указываются дополнительно дата взятия книги читателем и дата предполагаемого возврата книги.

Между сущностями «Книги» и «Экземпляры» существует связь (1:М), обязательная с двух сторон. Чем определяется данный тип связи? Каждая книга может присутствовать в библиотеке в нескольких экземплярах, поэтому - связь 1:М. При этом если в библиотеке нет ни одного экземпляра данной книги, то мы не будем хранить ее описание, поэтому если книга описана в сущности«Книги», то по крайней мере один экземпляр этой книги присутствует в библиотеке.Это означает, что со стороны книги связь обязательная. Что касается сущности «Экземпляры», то не может существовать в библиотеке ни одного экземпляра, который бы не относился к конкретной книге, поэтому и со стороны «Экземпляры» связь тоже обязательная.

Теперьнеобходимо определить, как в системе будет представлен читатель. Естественно предложитьввести для этого сущность «Читатели», каждый экземпляр которой будет соответствовать конкретному читателю. В библиотеке каждому читателю присваивается уникальный номер читательского билета, который однозначно идентифицирует читателя. Номер читательского билета будет ключевым атрибутом сущности «Читатели». Кроме того, в сущности «Читатели» должны присутствовать дополнительные атрибуты, которые требуются для решения поставленных задач; этими атрибутами будут: «Фамилия Имя Отчество», «Адрес читателя», «Телефон домашний» и «Телефон рабочий». Кроме того, в сущности «Читатели» следует ввести атрибут «Дата рождения», который позволитконтролировать возраст читателей.

Каждый читательможет держать на руках несколько экземпляров книг. Для отражения этой ситуации следует провести связь между сущностями «Читатели» и «Экземпляры», т. к. читатель берет из библиотеки конкретный экземпляр конкретной книги, а не просто книгу. А узнать, какая книга у данного читателя можно по дополнительной связи между сущностями «Экземпляры» и«Книги», и эта связь каждому экземпляру ставит в соответствие одну книгу, поэтому всегда можно однозначно определить, какие книги находятся на руках у читателя, хотя связываем с читателем только инвентарные номера взятых книг. Между сущностями «Читатели» и «Экземпляры» установлена связь 1:М, и при этом она не обязательная с двух сторон. Читатель в данный момент может не держать ни одной книги на руках, а с другой стороны, данный экземпляр книги может не находиться ни у одного читателя, а просто стоять на полке в библиотеке.

Теперь следует отразить последнюю сущность, связанную с системным каталогом, который содержит перечень всех областей знаний, сведения по которым содержатся в библиотечных книгах. Название области знаний может быть длинным и состоять из нескольких слов, поэтому для моделирования системного каталога введем сущность «Системный каталог» с двумя атрибутами: «Код области знаний» и «Название области знаний». Атрибут «Код области знаний» будет ключевым атрибутом сущности.

Из описания предметной областиизвестно, что каждая книга может содержать сведения из нескольких областей знаний, а с другой стороны, в библиотеке может присутствовать множество книг, относящихся к одной и той же области знаний, поэтому необходимо установить между сущностями «Системный каталог» и «Книги» связь М:М, обязательную с двух сторон. Действительно, в системном каталоге не должно присутствовать такой области знаний, сведения по которой не представлены ни в одной книге библиотеки. И обратно, каждая книга должна быть отнесена к одной или нескольким областям знаний для того, чтобы читатель мог ее быстрее найти.

ER-модель предметной области «Библиотека» представлена на рис. 10.4.

Инфологическая модель «Библиотека» разработана под задачи, перечисленные ранее. В них нет условия хранения истории чтения книги, например, с целью поиска того, кто раньше держал книгу и мог нанести ей вред. Если бы была поставлена задача хранения и этой информации, то инфологическая модель была бы другой.

Нормализация ER-диаграмм

Инфологическая модель используется на ранних стадиях разработки проекта. Если понимать язык условных обозначений, которые соответствуют категориям ER-модели, то ее можно легко «читать», следовательно, она доступна для анализа программистам-разработчикам, которые будут разрабатывать отдельные приложения. Она имеет однозначную интерпретацию, в отличие от некоторых предложений естественного языка, и поэтому здесь не может быть никакого недопонимания со стороны разработчиков.

Специалисты всегда предпочитают выражать свои мысли на некотором формальном языке, который обеспечивает однозначную их трактовку. Таким языком для программистов является язык алгоритмов. Любой алгоритм имеет однозначную интерпретацию. Он реализуется на разных языках программирования, но сам алгоритм остается неизменным. Для описания алгоритмов используются разные формализмы.

Условным общепринятымязыком описания базы данных стал язык ER-модели. Для ER-модели существует алгоритм однозначного преобразования ее в реляционную модель данных, что позволило в дальнейшем разработать множество инструментальных систем, поддерживающих процесс разработки информационных систем, базирующихся на технологии баз данных. И во всехэтихсистемах существуют средства описания инфологической модели разрабатываемой БД с возможностью автоматической генерации той даталогической модели, на которой будет реализовываться проект в дальнейшем.

Правила преобразования ER-модели в реляционную БД

Рассмотрим правила преобразования ER-модели в реляционную БД.

1. Каждой сущности ставится в соответствие отношение реляционной модели данных. При этом имена сущности и отношения могут быть различными, т. к. на имена сущностей могут не накладываться дополнительные синтаксические ограничения, кроме уникальности имени в рамках модели. Имена отношений могут быть ограничены требованиями конкретной СУБД, чаще всего эти имена являются идентификаторами в некотором базовом языке, они ограничены по длине и не должны содержать пробелов и некоторых специальных символов. Например, сущность может быть названа « Книжный каталог», а соответствующее ей отношение желательно назвать, например, BOOKS (без пробелов и латинскими буквами).

2. Каждый атрибут сущности становится атрибутом соответствующего отношения. Переименование атрибутов должно происходить в соответствии с теми же правилами, что и переименование отношений в п. 1. Для каждого атрибута задается конкретный допустимый в СУБД тип данных и обязательность или необязательность данного атрибута.

3. Первичный ключ сущности становится PRIMARY KEY соответствующего отношения. Атрибуты, входящие в первичный ключ отношения, автоматически получают свойство обязательности.

4. В каждое отношение, соответствующее подчиненной сущности, добавляется набор атрибутов основной сущности, являющейся первичным ключом основной сущности. В отношении, соответствующем подчиненной сущности, этот набор атрибутов становится внешним ключом.

5. Для моделирования необязательного типа связи нафизическом уровне у атрибутов, соответствующих внешнему ключу, устанавливается свойство допустимости неопределенных значений. При обязательном типе связи атрибуты получают свойство отсутствия неопределенных значений.

Возможно, создать только одно отношение для всех подтипов одного супертипа. В него включают все атрибуты всех подтипов.Однако тогда для ряда экземпляров ряд атрибутов не будет иметь смысла. И даже если они будут иметь неопределенные значения, потребуются дополнительные правила различения одних подтипов от других. Достоинством такого представления является то, что создается всего одно отношение.

При втором способе для каждого подтипа и для супертипа создаются свои отдельные отношения. Недостатком такого способа представления является то, что создается много отношений, однако достоинств у такого способа больше, так как вы работаете только со значимыми атрибутами подтипа. Кроме того, для возможности переходов к подтипам от супертипа необходимо в супертип включить идентификатор связи.

7. Дополнительно при описании отношения между типом и подтипами необходимо указать тип дискриминатора. Дискриминатор может быть взаимоисключающим или нет. Если установлен данный тип дискриминатора, то это значит, что один экземпляр сущности супертипа связан только с одним экземпляром сущности подтипа и для каждого экземпляра сущности супертипа существует потомок. Кроме того, необходимо указать для второго способа, наследуется ли только идентификатор супертипа в подтипы, или наследуются все атрибуты супертипа.

8. Если в ER-схеме имеется связь (связи) М:М, которые реляционная модель не поддерживает, вводится специальное связующее отношение, которое связано с каждым исходным отношением связью 1:М. Атрибутами этого отношения являются первичные ключи связываемых отношений.

Алгоритм приведения семантической модели к 3НФ

Алгоритм приведения семантической модели к 3-й нормальной форме может быть следующим:

1. Проанализировать схему на присутствие сущностей, которые скрыто моделируют несколько разных взаимосвязанных классов объектов реального мира (именно это соответствует ненормализованным отношениям). Если такое выявлено, разделить каждую из этих сущностей на несколько новых сущностей и установить между ними соответствующие связи; полученная схема будет находиться в первой нормальной форме.

2. Проанализировать все сущности, имеющие составные первичные ключи, на наличие неполных функциональных зависимостей непервичных атрибутов от атрибутов возможного ключа. Если такие зависимости обнаружены, разделить данные сущности на 2, определить для каждой сущности первичные ключи и установить между ними соответствующие связи. Полученная схема будет находиться во второй нормальной форме.

3. Проанализировать неключевые атрибуты всех сущностей на наличие транзитивных функциональных зависимостей. При обнаружении таковых расщепить каждую сущность на несколько таким образом, чтобы ликвидировать транзитивные зависимости. Схема находится в третьей нормальной форме.

Используя рассмотренные положения, нормализуем ER-схему. Результат нормализации приведен на рис. 5. При нормализации схемы в нее введено отношение «Связи Книги-каталог», содержащее атрибуты «ISBN» и «Код области знаний», служащие для реализации связи М:М «Книги – систематический каталог», а в отношение «Экземпляры» для его связи с отношениями «Книги» и «Читатели» введены атрибуты «№ читательского билета» и «ISBN». Стрелки указывают направление связей.

Можно показать, что схема рис. 10.5 удовлетворяет требованиям 3-й нормальной формы.

Порядок выполнения работы

1. Проведитесемантическийанализ предметной области для приведенного ниже примера.

Пример. Предметная область ИС: Отдел кадров.

Минимальный список характеристик:

    Фамилия, имя, отчество, домашний адрес, телефон, дата рождения, должность, дата зачисления, стаж работы, образование;

    фамилия, имя, отчество, и даты рождения членов семьи каждого сотрудника;

    наименование подразделения, количество штатных единиц, оклад, фонд заработной платы за месяц и за год.

2. Используя приведенную выше методику, представьте предметную область в виде ER-модели.

3. Используя рассмотренную выше методику нормализации ER-модели, приведите разработанную ER-модель к 3НФ.

4. Результаты работы по всем этапам отобразите в отчете.

ER-модели в отрыве от тематики проектирования реляционных баз данных.

Но если требуется одновременно использовать термины ER-модели и реляционной модели данных, то, безусловно, требуется применять для терминов relation и relationship разные русские эквиваленты. За этими терминами стоят весьма различные понятия. В реляционной модели отношение ( relation ) – это единственная родовая структура данных . С помощью этого же механизма представляются "связанные" сущности (вспомните, например, про внешние ключи). Как мы увидим немного позже, в ER-модели для представления схемы базы данных используются два равноправных понятия – сущность и связь . Связи в ER-модели играют роль, отличную от той, какую играют отношения в реляционной модели данных.

Кроме того, в русскоязычную терминологию вошла и чистая транслитерация термина relation именно в смысле отношение . Мы говорим, например, про реляционную модель данных , реляционную алгебру и т. д., понимая модель данных , основанную на отношениях, алгебру отношений и т. п. По этому поводу, по крайней мере, в контексте баз данных, разумно окончательно зарезервировать термины relation и отношение для обозначения понятий реляционной модели данных, а для термина relationship использовать другой допустимый русскоязычный эквивалент – связь .

На использовании разных вариантов ER-модели основано большинство современных подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Модель была предложена Питером Ченом (Peter Chen) в 1976 г. Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. Простота и наглядность представления концептуальных схем баз данных в ER-модели привели к ее широкому распространению в CASE-системах , поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных . Среди множества разновидностей ER-моделей одна из наиболее популярных и развитых применялась в системе CASE компании Oracle . Мы обсудим некоторый упрощенный вариант этой модели. Если говорить более точно, сосредоточимся на ее структурной и целостной частях.

Основные понятия ER-модели

Основными понятиями ER-модели являются сущность , связь и атрибут . Сущность – это реальный или представляемый объект, информация о котором должна сохраняться и быть доступной. 4Понятно, что это "определение" на самом деле является тавтологией , поскольку, во-первых, мы пытаемся определить термин сущность через не определенный термин объект, а во-вторых, попытки определения термина объект настолько же безнадежны. Обычно авторы пытаются оправдываться тем, что в подобном контексте они имеют в виду "житейское", а не сколько-нибудь формализованное понятие объекта. Конечно, от этого не становится легче, поскольку понятие сущности должно пониматься в достаточно точном смысле. Но эта тавтология не изобретена автором этого курса; она традиционна для области семантического моделирования. В этой области стремятся максимально избегать формальностей. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности . При этом имя сущности – это имя типа , а не некоторого конкретного экземпляра этого типа . 5Хотя было бы правильнее всегда использовать термины тип сущности и экземпляр типа сущности , для избежания многословности (и следуя традиции) в тех случаях, где это не приводит к двусмысленности, мы будем использовать термин сущность в значении типа сущности . Для большей выразительности и лучшего понимания имя сущности может сопровождаться примерами конкретных экземпляров этого типа.


Рис. 9.1.

На рис. 9.1 изображена сущность АЭРОПОРТ с примерными экземплярами "Шереметьево" и "Хитроу". Эта примитивная диаграмма тем не менее несет важную информацию. Во-первых, она показывает, что в базе данных будут содержаться однотипные структуры данных (экземпляры сущности ), описывающие аэропорты. Во-вторых, поскольку в жизни существует несколько точек зрения на аэропорты (например, точка зрения пилота, точка зрения пассажира, точка зрения администратора) и этим точкам зрения соответствуют разные структуры данных, то приведенные примеры аэропортов позволяют несколько сузить допустимый набор точек зрения. В нашем случае приведены примеры международных аэропортов, так что, скорее всего, имеется точка зрения пассажира или пилота международных авиарейсов.

При определении типа сущности необходимо гарантировать, что каждый экземпляр сущности может быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности . Это требование в некотором роде аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах.

Связь – это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя типами сущностей . Как и сущность , связь – это типовое понятие, все экземпляры обоих связываемых типов сущностей подчиняются устанавливаемым правилам связывания. Поэтому правильнее говорить о типе связи , устанавливаемой между типами сущности , и об экземплярах типа связи , устанавливаемых между экземплярами типа сущности . 6Тем не менее, как и в случае типа сущности , мы будем часто использовать термин связь в значении типа связи . В обсуждаемом здесь варианте ER-модели эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными типами сущностей или между типом сущности и им же самим (рекурсивная связь ). В любой связи выделяются два конца (в соответствии с существующей парой связываемых сущностей ), на каждом из которых указываются имя конца связи , степень конца связи (сколько экземпляров данного типа сущности должно присутствовать в каждом экземпляре данного типа связи ), обязательность связи (т. е. любой ли экземпляр данного типа сущности должен участвовать в некотором экземпляре данного типа связи ). 7 В некоторых вариантах ER-модели конец связи называют ролью связи в данной сущности . Тогда можно говорить об имени роли , степени роли и обязательности роли связи в данной сущности .

Связь представляется в виде ненаправленной линии, соединяющей две сущности или ведущей от сущности к ней же самой. При этом в месте "стыковки" связи с сущностью используются:

  • трехточечный вход в прямоугольник сущности , если для этой сущности в связи могут (или должны) использоваться много (many ) экземпляров сущности ;
  • одноточечный вход, если в связи может (или должен) участвовать только один экземпляр сущности .

Обязательный конец связи изображается сплошной линией, а необязательный – прерывистой линией.

Связь между сущностями БИЛЕТ и ПАССАЖИР , показанная на рис. 9.2 , связывает билеты и пассажиров. Конец связи с именем "для" позволяет связывать с одним пассажиром более одного билета, причем каждый билет должен быть связан с каким-либо пассажиром. Конец связи с именем "имеет" показывает, что каждый билет может принадлежать только одному пассажиру, причем пассажир не обязан иметь хотя бы один билет.


Рис. 9.2.
  • каждый БИЛЕТ предназначен для одного и только одного ПАССАЖИРА ;
  • каждый ПАССАЖИР может иметь один или более БИЛЕТОВ или не иметь вовсе.

На следующем примере (рис. 9.3) изображена рекурсивная связь , связывающая сущность МУЖЧИНА с ней же самой. Конец связи с именем " сын " определяет тот факт, что несколько людей могут быть сыновьями одного отца. Конец связи с именем " отец " означает, что не у каждого мужчины должны быть сыновья.

Лаконичная устная трактовка изображенной диаграммы состоит в следующем:

  • каждый МУЖЧИНА является сыном одного и только одного МУЖЧИНЫ ;
  • каждый МУЖЧИНА может являться отцом одного или более МУЖЧИН .

Атрибутом сущности является любая деталь, которая служит для уточнения, идентификации, классификации, числовой характеристики или выражения состояния сущности . Имена атрибутов заносятся в прямоугольник, изображающий