Метод моделирования "сущность-связь". Концептуальная модель базы данных — диаграмма связи между объектами

19.07.2019

Назначение модели.

Хеширование.

Этот метод используется тогда, когда все множество ключей заранее известно и на время обработки может быть размещено в оперативной памяти. В этом случае строится специальная функция, однозначно отображающая множество ключей на множество указателей, называемая хеш-функцией (от английского слова "to hash" - резать, измельчать). Имея такую функцию можно вычислить адрес записи в файле по заданному ключу поиска. В общем случае, ключевые данные, используемые для определения адреса записи, организуются в виде таблицы, называемой хеш-таблицей.

Если множество ключей заранее неизвестно или очень велико, то от идеи однозначного вычисления адреса записи по ее ключу отказываются, а хеш-функцию рассматривают просто как функцию, рассеивающую множество ключей во множество адресов.

2.1.Представление данных с помощью модели "сущность-связь".

Прежде, чем приступать к созданию системы автоматизированной обработки информации, разработчик должен сформировать понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать данная система. Для того, чтобы привести эти понятия к той или иной модели данных, необходимо заменить их информационными представлениями. Одним из наиболее удобных инструментов унифицированного представления данных, независимого от реализующего его программного обеспечения, является модель "сущность-связь" (entity - relationship model, ER - model).

Модель "сущность-связь" основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена для логического представления данных. Она определяет значения данных в контексте их взаимосвязи с другими данными. Важным для нас является тот факт, что из модели "сущность-связь" могут быть порождены все существующие модели данных (иерархическая, сетевая, реляционная, объектная), поэтому она является наиболее общей.

Отметим, что модель "сущность-связь" не является моделью данных в том смысле, как это было определено в параграфе 1.1.2, поскольку не определяет операций над данными и ограничивается описанием только их логической структуры.

Модель "сущность-связь" была предложена в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом.

Любой фрагмент предметной области может быть представлен как множество сущностей , между которыми существует некоторое множество связей . Дадим определения:

Сущность (entity) - это объект, который может быть идентифицирован неким способом, отличающим его от других объектов. Примеры: конкретный человек, предприятие, событие и т.д.

Набор сущностей (entity set) - множество сущностей одного типа (обладающих одинаковыми свойствами). Примеры: все люди, предприятия, праздники и т.д. Наборы сущностей не обязательно должны быть непересекающимися. Например, сущность, принадлежащая к набору МУЖЧИНЫ, также принадлежит набору ЛЮДИ.

Сущность, фактически, представляется множеством атрибутов , которые описывают свойства всех членов данного набора сущностей.

В дальнейшем для определения сущности и ее атрибутов будем использовать обозначение вида

СОТРУДНИК (ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР, ИМЯ, ВОЗРАСТ).

Например отделы, на которые подразделяется предприятие, и в которых работают сотрудники, можно описать как ОТДЕЛ (НОМЕР_ОТДЕЛА, НАИМЕНОВАНИЕ).

Множество значений (область определения) атрибута называется доменом . Например, для атрибута ВОЗРАСТ домен (назовем его ЧИСЛО_ЛЕТ) задается интервалом целых чисел больших нуля, поскольку людей с отрицательным возрастом не бывает.

В упомянутой статье П. Чена атрибут определяется как функция, отображающая набор сущностей в набор значений или в декартово произведение наборов значений . Так атрибут ВОЗРАСТ производит отображение в набор значений (домен) ЧИСЛО_ЛЕТ. Атрибут ИМЯ производит отображение в декартово произведение наборов значений ИМЯ, ФАМИЛИЯ и ОТЧЕСТВО.

Отсюда определяется ключ сущности - группа атрибутов, такая, что отображение набора сущностей в соответствующую группу наборов значений является взаимно однозначным отображением. Другими словами: ключ сущности - это один или более атрибутов, уникально определяющих данную сущность. В нашем примере ключом сущности СОТРУДНИК является атрибут ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР (конечно, только в том случае, если все табельные номера на предприятии уникальны).

Связь (relationship) - это ассоциация, установленная между несколькими сущностями. Примеры:

поскольку каждый сотрудник работает в каком-либо отделе, между сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ существует связь "работает в" или ОТДЕЛ-РАБОТНИК;
так как один из работников отдела является его руководителем, то между сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ имеется связь "руководит" или ОТДЕЛ-РУКОВОДИТЕЛЬ;
могут существовать и связи между сущностями одного типа, например связь РОДИТЕЛЬ - ПОТОМОК между двумя сущностями ЧЕЛОВЕК;

К сожалению, не существует общих правил определения, что считать сущностью, а что связью. В рассмотренном выше примере мы положили, что "руководит" - это связь. Однако, можно рассматривать сущность "руководитель", которая имеет связи "руководит" с сущностью "отдел" и "является" с сущностью "сотрудник".

Связь также может иметь атрибуты. Например, для связи ОТДЕЛ-РАБОТНИК можно задать атрибут СТАЖ_РАБОТЫ_В_ОТДЕЛЕ.

Роль сущности в связи - функция, которую выполняет сущность в данной связи. Например, в связи РОДИТЕЛЬ-ПОТОМОК сущности ЧЕЛОВЕК могут иметь роли "родитель" и "потомок". Указание ролей в модели "сущность-связь" не является обязательным и служит для уточнения семантики связи.

Набор связей (relationship set) - это отношение между n (причем n не меньше 2) сущностями, каждая из которых относится к некоторому набору сущностей.

В случае n=2 , т.е. когда связь объединяет две сущности, она называется бинарной. Доказано, что n -арный набор связей (n>2 ) всегда можно заменить множеством бинарных, однако первые лучше отображают семантику предметной области.

То число сущностей, которое может быть ассоциировано через набор связей с другой сущностью, называют степенью связи . Рассмотрение степеней особенно полезно для бинарных связей. Могут существовать следующие степени бинарных связей:

один к одному (обозначается 1: 1 ). Это означает, что в такой связи сущности с одной ролью всегда соответствует не более одной сущности с другой ролью. В рассмотренном нами примере это связь "руководит", поскольку в каждом отделе может быть только один начальник, а сотрудник может руководить только в одном отделе. Данный факт представлен на следующем рисунке, где прямоугольники обозначают сущности, а ромб - связь. Так как степень связи для каждой сущности равна 1, то они соединяются одной линией.

Другой важной характеристикой связи помимо ее степени является класс принадлежности входящих в нее сущностей или кардинальность связи. Так как в каждом отделе обязательно должен быть руководитель, то каждой сущности "ОТДЕЛ" непременно должна соответствовать сущность "СОТРУДНИК". Однако, не каждый сотрудник является руководителем отдела, следовательно в данной связи не каждая сущность "СОТРУДНИК" имеет ассоциированную с ней сущность "ОТДЕЛ".

Таким образом, говорят, что сущность "СОТРУДНИК" имеет обязательный класс принадлежности (этот факт обозначается также указанием интервала числа возможных вхождений сущности в связь, в данном случае это 1,1), а сущность "ОТДЕЛ" имеет необязательный класс принадлежности (0,1). Теперь данную связь мы можем описать как 0,1:1,1 . В дальнейшем кардинальность бинарных связей степени 1 будем обозначать следующим образом:

один ко многим (1: n ). В данном случае сущности с одной ролью может соответствовать любое число сущностей с другой ролью. Такова связь ОТДЕЛ-СОТРУДНИК. В каждом отделе может работать произвольное число сотрудников, но сотрудник может работать только в одном отделе. Графически степень связи n отображается "древообразной" линией, так это сделано на следующем рисунке.

Данный рисунок дополнительно иллюстрирует тот факт, что между двумя сущностями может быть определено несколько наборов связей.

Здесь также необходимо учитывать класс принадлежности сущностей. Каждый сотрудник должен работать в каком-либо отделе, но не каждый отдел (например, вновь сформированный) должен включать хотя бы одного сотрудника. Поэтому сущность "ОТДЕЛ" имеет обязательный, а сущность "СОТРУДНИК" необязательный классы принадлежности. Кардинальность бинарных связей степени n будем обозначать так:

много к одному (n: 1 ). Эта связь аналогична отображению 1: n . Предположим, что рассматриваемое нами предприятие строит свою деятельность на основании контрактов, заключаемых с заказчиками. Этот факт отображается в модели "сущность-связь" с помощью связи КОНТРАКТ-ЗАКАЗЧИК, объединяющей сущности КОНТРАКТ(НОМЕР, СРОК_ИСПОЛНЕНИЯ, СУММА) и ЗАКАЗЧИК(НАИМЕНОВАНИЕ, АДРЕС). Так как с одним заказчиком может быть заключено более одного контракта, то связь КОНТРАКТ-ЗАКАЗЧИК между этими сущностями будет иметь степень n: 1 .

В данном случае, по совершенно очевидным соображениям (каждый контракт заключен с конкретным заказчиком, а каждый заказчик имеет хотя бы один контракт, иначе он не был бы таковым), каждая сущность имеет обязательный класс принадлежности.

многие ко многим (n: n ). В этом случае каждая из ассоциированных сущностей может быть представлена любым количеством экземпляров. Пусть на рассматриваемом нами предприятии для выполнения каждого контракта создается рабочая группа, в которую входят сотрудники разных отделов. Поскольку каждый сотрудник может входить в несколько (в том числе и ни в одну) рабочих групп, а каждая группа должна включать не менее одного сотрудника, то связь между сущностями СОТРУДНИК и РАБОЧАЯ_ГРУППА имеет степень n: n .

Если существование сущности x зависит от существования сущности y , то x называется зависимой сущностью (иногда сущность x называют "слабой", а "сущность" y - сильной). В качестве примера рассмотрим связь между ранее описанными сущностями РАБОЧАЯ_ГРУППА и КОНТРАКТ. Рабочая группа создается только после того, как будет подписан контракт с заказчиком, и прекращает свое существование по выполнению контракта. Таким образом, сущность РАБОЧАЯ_ГРУППА является зависимой от сущности КОНТРАКТ. Зависимую сущность будем обозначать двойным прямоугольником, а ее связь с сильной сущностью линией со стрелкой:

Заметим, что кардинальность связи для сильной сущности всегда будет (1,1). Класс принадлежности и степень связи для зависимой сущности могут быть любыми. Предположим, например, что рассматриваемое нами предприятие пользуется несколькими банковскими кредитами, которые представляются набором сущностей КРЕДИТ(НОМЕР_ДОГОВОРА,СУММА, СРОК_ПОГАШЕНИЯ, БАНК). По каждому кредиту должны осуществляться выплаты процентов и платежи в счет его погашения. Этот факт представляется набором сущностей ПЛАТЕЖ(ДАТА, СУММА) и набором связей "осуществляется по". В том случае, когда получение запланированного кредита отменяется, информация о нем должна быть удалена из базы данных. Соответственно, должны быть удалены и все сведения о плановых платежах по этому кредиту. Таким образом, сущность ПЛАТЕЖ зависит от сущности КРЕДИТ.

2.2.Диаграмма "сущность-связь".

Очень важным свойством модели "сущность-связь" является то, что она может быть представлена в виде графической схемы. Это значительно облегчает анализ предметной области. Существует несколько вариантов обозначения элементов диаграммы "сущность-связь", каждый из которых имеет свои положительные черты. Краткий обзор некоторых из этих нотаций будет сделан в параграфе 2.4. Здесь мы будем использовать некий гибрид нотаций Чена (обозначение сущностей, связей и атрибутов) и Мартина (обозначение степеней и кардинальностей связей). В таблице 2.1 приводится список используемых здесь обозначений.

Таблица 2.1

Атрибуты с сущностями и сущности со связями соединяются прямыми линиями. При этом для указания кардинальностей связей используются обозначения, введенные в предыдущем параграфе.

В процессе построения диаграммы можно выделить несколько очевидных этапов:

Идентификация представляющих интерес сущностей и связей.
Идентификация семантической информации в наборах связей (например, является ли некоторый набор связей отображением 1:n ).
Определение кардинальностей связей.
Определение атрибутов и наборов их значений (доменов).
Организация данных в виде отношений "сущность-связь".

В качестве примера построим диаграмму, отображающую связь данных для подсистемы учета персонала предприятия.

Выделим интересующие нас сущности и связи:

Прежде всего, предприятие состоит из отделов, в которых работают сотрудники. Оклад каждого сотрудника зависит от занимаемой должности: инженер, ведущий инженер, бухгалтер, уборщик и т.д. Далее предположим, что на нашем предприятии допускается совместительство должностей, т.е. каждый сотрудник может иметь более чем одну должность (и работать более чем в одном отделе), причем может занимать неполную ставку. В то же время, одну и ту же должность могут занимать одновременно несколько сотрудников. В результате этих рассуждений мы должны ввести наборы сущностей

ОТДЕЛ(ИМЯ_ОТДЕЛА),
СОТРУДНИК(ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР, ИМЯ),
ДОЛЖНОСТЬ(ИМЯ_ДОЛЖНОСТИ, ОКЛАД),

и набор связей РАБОТАЕТ_В с атрибутом ставка между ними. Атрибут ставка может принимать значения из интервала ]0,1] (больше нуля, но меньше или равен единице), он определяет какую часть должностного оклада получает данный сотрудник.

Как уже отмечалось выше, каждый n -арный набор связей можно заменить несколькими бинарными наборами. Сейчас как раз представляется удобный случай, чтобы оценить преимущества каждого из этих способов представления связей.

Тренарная связь, показанная здесь, безусловно, несет более полную информацию о предметной области. Действительно, она однозначно отображает тот факт, что оклад сотрудника зависит от его должности, отдела, где он работает, и ставки. Однако, в этом случае возникают некоторые проблемы с определением степени связи. Хотя, как было сказано, каждый работник может занимать несколько должностей, а в штате каждого отдела существуют вакансии с различными должностями, тем не менее, класс принадлежности сущности ДОЛЖНОСТЬ на приведенном рисунке установлен в (1,1). Это объясняется тем, что ДОЛЖНОСТЬ ассоциируется фактически не с сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ, а со связью между ними. Обозначать этот факт предлагается так, как это показано на следующей диаграмме:

Здесь сущности СОТРУДНИК, ОТДЕЛ и связь РАБОТАЕТ_В агрегируются в некую новую абстрактную сущность, которая ассоциируется с сущностью ДОЛЖНОСТЬ с помощью связи степени n:1.

Попытаемся отобразить ассоциации сотрудников, отделов и должностей с помощью бинарных связей.

В этом случае для адекватного описания семантики предметной области необходимо ввести еще одну сущность ШТАТНАЯ_ЕДИНИЦА, которая фактически заменяет собой связь РАБОТАЕТ_В в абстрактной сущности и поэтому имеет атрибут ставка .

Переход от n -арной связи через агрегацию сущностей к набору бинарных связей можно рассматривать как последовательные этапы одного процесса, который приводит к однозначному порождению реляционной модели данных. При построении диаграммы "сущность- связь" можно использовать любой из этих трех способов представления данных.

Перечисли ряд объектов, описанных в предыдущем параграфе, которые будут полезны при моделировании данных рассматриваемого предприятия. Им соответствуют следующие сущности:

ЗАКАЗЧИК(ИМЯ_ЗАКАЗЧИКА,АДРЕС)
КОНТРАКТ(НОМЕР,СРОК_НАЧАЛА,СРОК_ОКОНЧАНИЯ,СУММА)
РАБОЧАЯ ГРУППА(ПРОЦЕНТ_ВОЗНАГРАЖДЕНИЯ)

Атрибут "процент вознаграждения" отражает ту долю стоимости контракта, которая предназначена для оплаты труда членов соответствующей рабочей группы. Смысл остальных атрибутов понятен без дополнительных пояснений. Связи между перечисленными сущностями также описаны в предыдущем параграфе.
Как правило, один из членов рабочей группы является руководителем по отношению к другим сотрудникам, входящим в ее состав. Для отражения этого факта мы должны ввести связь "руководит" с кардинальностью 1,1:0,n между сущностями СОТРУДНИК и РАБОЧАЯ_ГРУППА (сотрудник может руководить в произвольном числе рабочих групп, но каждая рабочая группа имеет одного и только одного руководителя).

Рассмотрим теперь более внимательно информационный объект "заказчик". На практике очень часто возникает необходимость различать национальную принадлежность юридических лиц, с которыми предприятие вступает в договорные отношения. Это связано с тем, что для зарубежных фирм необходимо хранить, например, сведения о валюте, в которой осуществляются расчеты, языке, на котором подписан контракт и т.д. В свою очередь, для отечественных компаний необходимо иметь сведения о их форме собственности (частная или государственная), поскольку от этого может зависеть порядок налогообложения средств, полученных за выполнение работ по контракту.
Таким образом, мы приходим к выводу, что необходимо ввести в рассмотрение еще два непересекающихся множества ЗАРУБЕЖНОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ(ВАЛЮТА, ЯЗЫК) и ОТЕЧЕСТВЕННОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ(ФОРМА_СОБСТВЕННОСТИ), объединение которых составляет полное множество ЗАКАЗЧИК. Ассоциацию между этими объектами называют отношением наследования или иерархической связью , так как сущности ЗАРУБЕЖНОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ и ОТЕЧЕСТВЕННОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ наследуют атрибуты сущности ЗАКАЗЧИК(ИМЯ_ЗАКАЗЧИКА, АДРЕС). Для того, чтобы определить к какому подмножеству относится конкретная сущность из набора ЗАКАЗЧИК (и, соответственно, какой набор атрибутов она имеет) необходимо ввести атрибут "национальная принадлежность", называемый дискриминантом . Этот тип связи предлагается отображать на диаграмме следующим образом:

Обобщая все проведенные выше рассуждения, получим диаграму "сущность-связь", показанную на слудющем рисунке.

В заключение этого раздела читателю предлагается несколько вопросов для самостоятельной проработки:

Как изменится диаграмма "сущность - связь" в том случае, если процент вознаграждения по всем контрактам будет одинаков?
Что изменится в диаграмме, если будет запрещено совместительство должностей, т.е. каждый сотрудник будет иметь право занимать только одну должность со ставкой 1?

Концептуальная модель базы данных это

Концептуальная модель это некая наглядная диаграмма, нарисованная в принятых обозначениях и подробно показывающая связь между объектами и их характеристиками. Создается концептуальная модель для дальнейшего проектирования базы данных и перевод ее, например, в реляционную базу данных. На концептуальной модели в визуально удобном виде прописываются связи между объектами данных и их характеристиками.

Принятые определения в концептуальной базе данных

Для единообразия программирования баз данных введены следующие понятия для концептуальных баз данных:

Объект или сущность . Это фактическая вещь или объект (для людей) за которой пользователь (заказчик) хочет наблюдать. Например, Иванов Иван Иванович;
Атрибут это характеристика объекта, соответствующая его сущности. Например. Задаем себе вопрос: Какую информацию нужно хранить об Иванове Иване Ивановиче? Ответы на этот вопрос и будут атрибуты объекта Иванов Иван Иванович;
Третье понятие в проектировании концептуальной базы данных это связь или отношения между объектами.

Лексически более правильно говорить связь между объектами КБД и отношения между сущностями КБД (концептуальная база данных), но встретить можно самые различные сочетания сущности, объекта, связи и отношения (огрехи переводов).

Концептуальная модель базы данных условные обозначения

Концептуальная модель базы данных: принятые графические обозначения

Диаграмма сущность/отношения (объект/связь) называют ER-диаграммой или EDR (entity-relationship diagram). Сама модель сущность-связь была предложена профессором Peter Pin-Shen Chen (Питер Чен) в 1976 году. Правила написания и условные обозначения ER-диаграммы называют нотацией. Распространены две основные нотации ER-диаграмм:

Нотация Питера Чена;
Нотация Gordon Everest (Гордона Эверста). Под назаванием Crow’s Foot или Fork (вилка).

Обозначения ER-диаграммы по Питеру Чену

Чен предложил и это приняли следующие условные обозначения для ER-диаграмм:

Сущность или объект обозначать прямоугольником;
Отношения обозначать ромбом;
Атрибуты объектов, обозначаются овалом;
Если сущность связана с отношением, то их связь обозначается прямой линией со стрелкой. Необязательная связь обозначается пунктирной линией. Мощная связь обозначается двойной линией.

Каждый атрибут может быть связан с одним объектом (сущностью).

Нотация Gordon Everest

Gordon Everest ввел новое обозначение связей, которые получили название вилка или воронья лапа. Также он ввел, что объект должен обозначаться прямоугольником с названием типа объекта в виде имени существительного внутри прямоугольника. Причем, это имя должно быть уникальным в пределах создаваемой базы данных.

Атрибуты не выделяются в отдельную фигуру, а вписываются в прямоугольник объекта именем существительным с уточняющим словом.

Связь между объектами обозначается прямой линией. Множественные связи обозначаются вилкой на конце. Сама связь подписывается глаголом, типа «Включает» или «Принадлежит».

концептуальная модель базы данных ERD Fork

Дополнения

Атрибуты в ER диаграмме, могут иметь свои собственные атрибуты (композитный) атрибут.

Простую ER диаграмму нарисовать достаточно просто. Другое дело насыщенная, объемная ER диаграмма. Ниже приведены некоторые советы, которые помогут вам построить эффективные ER схемы:

Определите все объекты в данной системе и определите отношения между этими объектами;
Объект должен появиться только один раз в определенном месте схемы;
Определите точное и подходящее имя для каждого объекта, атрибута и отношений в диаграмме. Выберите простые и понятные слова. Условия, которые просты и знакомы всегда побеждает смутные, технические звучащие слова. Для объектов имена существительные, для связей глаголы (можно с пояснениями). Не забываем про уникальность имен объектов;
Удалите неявные, избыточные или ненужные отношения между объектами;
Никогда не подключайте отношения к другим отношениям;
Используйте цвета, чтобы классифицировать однотипные объекты или выделить ключевые области в диаграмме.

В реальном проектировании структуры базы данных применяется метод - так называемое, семантическое моделирование . Семантическое моделирование представляет собой моделирование структуры данных, опираясь на смысл этих данных. В качестве инструмента семантического моделирования используются различные варианты диаграмм сущность-связь (ER - Entity-Relationship ).

Первый вариант модели сущность-связь был предложен в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом. В дальнейшем многими авторами были разработаны свои варианты подобных моделей (нотация Мартина, нотация IDEF1X, нотация Баркера и др.). Кроме того, различные программные средства, реализующие одну и ту же нотацию, могут отличаться своими возможностями. По сути, все варианты диаграмм сущность-связь исходят из одной идеи - рисунок всегда нагляднее текстового описания. Все такие диаграммы используют графическое изображение сущностей предметной области, их свойств (атрибутов), и взаимосвязей между сущностями.

Мы опишем работу с ER-диаграммами близко к нотации Баркера, как довольно легкой в понимании основных идей. Данная глава является скорее иллюстрацией методов семантического моделирования, чем полноценным введением в эту область.

Основные понятия ER-диаграмм

Определение 1 : Сущность - это класс однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели.
Каждая сущность должна иметь наименование, выраженное существительным в единственном числе. Примерами сущностей могут быть такие классы объектов как "Поставщик", "Сотрудник", "Накладная". Каждая сущность в модели изображается в виде прямоугольника с наименованием:

Рис. 1

Определение 2 : Экземпляр сущности - это конкретный представитель данной сущности.
Например, представителем сущности "Сотрудник" может быть "Сотрудник Иванов". Экземпляры сущностей должны быть различимы, т.е. сущности должны иметь некоторые свойства, уникальные для каждого экземпляра этой сущности.

Определение 3 : Атрибут сущности - это именованная характеристика, являющаяся некоторым свойством сущности.
Наименование атрибута должно быть выражено существительным в единственном числе (возможно, с характеризующими прилагательными). Примерами атрибутов сущности "Сотрудник" могут быть такие атрибуты как "Табельный номер", "Фамилия", "Имя", "Отчество", "Должность", "Зарплата" и т.п. Атрибуты изображаются в пределах прямоугольника, определяющего сущность:

Рис. 2

Определение 4 : 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:

Рис. 3

Определение 5 : Связь - это некоторая ассоциация между двумя сущностями. Одна сущность может быть связана с другой сущностью или сама с собою.
Связи позволяют по одной сущности находить другие сущности, связанные с нею. Например, связи между сущностями могут выражаться следующими фразами - "СОТРУДНИК может иметь несколько ДЕТЕЙ", "каждый СОТРУДНИК обязан числиться ровно в одном ОТДЕЛЕ". Графически связь изображается линией, соединяющей две сущности:

Рис. 4

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 :

Рис. 5

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 . Характерный пример такой связи приведен на Рис. 4.

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 :

Рис. 6

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.
Связь может иметь разную модальность с разных концов (как на Рис. 4). Описанный графический синтаксис позволяет однозначно читать диаграммы, пользуясь следующей схемой построения фраз:

<Каждый экземпляр СУЩНОСТИ 1> <МОДАЛЬНОСТЬ СВЯЗИ> <НАИМЕНОВАНИЕ СВЯЗИ> <ТИП СВЯЗИ> <экземпляр СУЩНОСТИ 2>

Каждая связь может быть прочитана как слева направо, так и справа налево. Связь на Рис. 4 читается так:

Слева направо: "каждый сотрудник может иметь несколько детей".
Справа налево: "Каждый ребенок обязан принадлежать ровно одному сотруднику".

Пример разработки простой ER-модели

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

Список сущностей предметной области.
Список атрибутов сущностей.
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. 7

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. 8

Пора подумать об атрибутах сущностей. Беседуя с сотрудниками фирмы, мы выяснили 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.

В ходе дополнительной беседы с менеджером удалось прояснить различные понятия цен. Оказалось, что 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, как мы отмечали ранее, 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. 9

Концептуальные и физические ER-модели

Разработанный выше пример ER-диаграммы является примером концептуальной диаграммы . Это означает, что диаграмма не учитывает особенности конкретной СУБД. По данной концептуальной диаграмме можно построить физическую диаграмму , которая уже будут учитываться такие особенности СУБД, как допустимые типы и наименования полей и таблиц, ограничения целостности и т.п. Физический вариант диаграммы, приведенной на Рис. 9 может выглядеть, например, следующим образом:

Рис. 10

На данной диаграмме каждая сущность представляет собой таблицу базы данных, каждый атрибут становится колонкой соответствующей таблицы. Обращаем внимание на то, что во многих таблицах, например, "CUST_DETAIL" и "PROD_IN_SKLAD", соответствующих сущностям "Запись списка накладной" и "Товар на складе", появились новые атрибуты, которых не было в концептуальной модели - это ключевые атрибуты родительских таблиц, мигрировавших в дочерние таблицы для того, чтобы обеспечить связь между таблицами посредством внешних ключей.

Легко заметить, что полученные таблицы сразу находятся в 3НФ.

Выводы

Реальным средством моделирования данных является не формальный метод нормализации отношений, а так называемое семантическое моделирование .

В качестве инструмента семантического моделирования используются различные варианты диаграмм сущность-связь (ER - Entity-Relationship ).

Диаграммы сущность-связь позволяют использовать наглядные графические обозначения для моделирования сущностей и их взаимосвязей.

Различают концептуальные и физические ER-диаграммы. Концептуальные диаграммы не учитывают особенностей конкретных СУБД. Физические диаграммы строятся по концептуальным и представляют собой прообраз конкретной базы данных. Сущности, определенные в концептуальной диаграмме становятся таблицами, атрибуты становятся колонками таблиц (при этом учитываются допустимые для данной СУБД типы данных и наименования столбцов), связи реализуются путем миграции ключевых атрибутов родительских сущностей и создания внешних ключей.

При правильном определении сущностей, полученные таблицы будут сразу находиться в 3НФ. Основное достоинство метода состоит в том, модель строится методом последовательных уточнений первоначальных диаграмм.

В данной главе, являющейся иллюстрацией к методам ER-моделирования, не рассмотрены более сложные аспекты построения диаграмм, такие как подтипы, роли, исключающие связи, непереносимые связи, идентифицирующие связи и т.п.

Аннотация: В настоящей лекции рассматриваются определение предметной области для хранилищ данных, метод моделирования "сущность-связь", нормальные формы отношений, процесс нормализации сущностей модели "сущность-связь", приводятся примеры построения диаграмм "сущность-связь".

Цель лекции

Изучив материал настоящей лекции, вы будете знать:

определение предметной области базы данных
что представляет собой базы данных;
основные конструкции и элементы логической модели базы данных;
что собой представляют шесть нормальных форм отношений ;
способы приведения отношений к нормальным формам;

и научитесь:

различать основные понятия предметной области : объект (сущность) , ядро предметной области , ситуация, состояние предметной области ;
читать диаграммы "сущность-связь" .
строить нормальные формы в модели "сущность-связь".

Введение

Для логического проектирования реляционных ХД применяются следующие методики.

Метод моделирования "сущность-связь" (ER modeling) дает абстрактную модель предметной области сущности (entities), взаимосвязи (relationships) между сущностями и атрибуты (attributes) для представления свойств сущностей и взаимосвязей.
Метод многомерного моделирования ( Dimensional modeling) дает абстрактную модель предметной области , используя следующие основные понятия: показатели или метрики (measures), факты (facts) и измерения (dimensions).
Методы моделирования временных данных ( Temporal data modeling ) дают абстрактную модель фрагмента предметной области , представляющего временные ряды данных, и используют следующие основные понятия: временные метки (timestamps), временной ряд ( time series ), дата, диапазон дат, классы.
Метод моделирования "свод данных" (Data Vault) дает абстрактную модель фрагмента предметной области , основываясь на математических принципах нормализации отношений , и использует следующие основные понятия: сущности-концентраторы ( Hub Entities ), связывающие сущности ( Link Entities ), сущности-сателлиты ( Satellite Entities ),

В настоящей лекции мы рассмотрим метод моделирования " сущность-связь ".

Понятие предметной области и архитектура данных

Понятие предметной области

Основным назначением информационных систем (ИС), в том числе и систем складирования данных, является оперативное обеспечение пользователя информацией о внешнем мире путем реализации вопросно-ответного отношения . Вопросно-ответные отношения , получая интерпретацию во внешнем мире (мире вне ИС), позволяют выделить для ИС определенный его фрагмент - предметную область , который и будет воплощен в системе. Информация о внешнем мире представляется в ИС в форме данных. Это ограничивает возможности смысловой интерпретации информации и конкретизирует семантику ее представления в ИС. Совокупность этих выделенных данных для ИС образует логическую модель предметной области , описывающие ее состояние с определенной точностью.

Важно понимать, что логическая модель предметной области создается на этапе анализа требований к ИС и не содержит предположений о технологии реализации хранилища или базы данных.

Оперируя терминами "данные" и "вопросы", вопросно-ответное отношение можно представить в виде таблицы, столбцами которой являются элементы данных, а строками - вопросы. Каждая ячейка такой таблицы имеет логическое значение 1, если вопрос использует этот элемент данных, или 0 - в противном случае.

Понятие предметной области является одним из базовых понятий информатики и не имеет точного определения. Его использование в контексте ИС предполагает существование устойчивой во времени соотнесенности между именами, понятиями и определенными реалиями внешнего мира, не зависящей от самой ИС и ее круга пользователей. Таким образом, введение понятия предметной области ограничивает и делает обозримым пространство информационного поиска в ИС, и позволяет выполнять запросы за конечное время.

Совокупность реалий (объектов) внешнего мира - объектов, о которых можно задавать вопросы, - образует объектное ядро предметной области . Невозможно получить в ИС ответ на вопрос о том, что ей неизвестно.

Термин "объект" является первичным, неопределяемым понятием. Синонимами термина "объект" являются "реалия", "сущность", "вещь". Отметим, что термин "сущность" понимается далее несколько уже, как компонент определенной . Выделяемые в предметной области объекты превращаются аналитиками (а не проектировщиками) в сущности. При этом сущность предметной области понимается как результат абстрагирования реального объекта путем выделения и фиксации его свойств .

На рис. 6.1 представлен один из подходов к классификации объектов предметной области .

Рис. 6.1.

Примерами сущностей (с точки зрения логической модели предметной области ) или объектов (с точки зрения внешнего мира по отношению к ИС) являются: студент, группа студентов, аудитория для занятий, время занятий и. т. д.

С объектами связано две проблемы - идентификация и адекватное описание. Для идентификации используют имя . При этом предполагается, что происходит отказ от его смысла, который присущ естественному языку. Используется только указательная функция имени. Имя - это прямой способ идентификации объекта . К косвенным способам идентификации объекта относят его свойства в их понимании как характеристики или признака.

Объекты взаимодействуют между собой через свои свойства, что порождает ситуации. Ситуации – это взаимосвязи, выражающие взаимоотношения между объектами . Ситуации в предметной области описываются посредством высказываний о предметной области с использованием исчисления высказываний и исчисления предикатов, т.е. формальной, математической логики. Например, высказывание "Программист, менеджер есть служащие компании" описывает отношение включения. Таким образом, вся информация об объектах и сущностях предметной области описывается с помощью утверждений на естественном языке.

Методы математической логики позволяют формализовать эти утверждения и представить их в виде, пригодном для анализа.

Пример .

Рассмотрим высказывание: "Студент Иванов А.А, родился в 1992 году". Оно выражает следующие свойства объекта "Иванов А.А.":

в явном виде - год рождения;
в неявном виде – принадлежность к студентам.

Первое свойство устанавливает связь между парами объектов "Иванов А.А." и "год рождения", а второе свойство устанавливает связь между парами объектов "Иванов А.А." и "множество студентов". Формализация этого высказывания представляется как результат присваивания значений переменных, входящих в следующие предикаты:

РОДИЛСЯ (Иванов А.А., 1982)

ЯВЛЯЕТСЯ СТУДЕНТОМ (Иванов А.А.)

Отметим, что в семантике естественных языков ситуация и взаимосвязь считаются почти синонимами. Ситуация содержит высказывание об объектах предметной области , которому можно приписать некоторую оценку истинности и представить в виде предиката после введения переменных. Таким образом, совокупность высказываний о предметной области можно трактовать как определение информационного пространства для ИС.

На рис. 6.2 представлен один из подходов к классификации ситуаций в рамках предметной области .

Различают статические и динамические ситуации. Примерами статических ситуаций являются такие ситуации, как "иметь цвет", "иметь возраст" и т.д. Примерами динамических ситуаций являются такие ситуации, как "создать механизм", "выпечь хлеб" и т.д.

Обратите внимание на то, что ситуация также может представлять собой объект и обладать свойствами. Подобная коллизия порождает неоднозначность при моделировании предметной области .

Приведенная выше классификация вводит в предметную область два важных аспекта – пространство и время, причем время понимается и как момент события, и как интервал между событиями. Предметная область существует в пространстве и во времени, т.е. ей присущи, как и реальному миру, временные и пространственные отношения и связи. Следует отличать реальное время внешнего мира и его отражение в ИС и в источниках информации. В ИС взаимосвязи, зависящие от времени, фиксируются только после их регистрации. Таким образом, предметная область в каждый конкретный момент времени представляет собой выделенную совокупность определенных объектов и ситуаций, называемую состоянием предметной области (или снимком) .

Таким образом, предметная область - это целенаправленная первичная трансформация картины внешнего мира в некоторую умозрительную картину, определенная часть которой фиксируется в ИС в качестве алгоритмической модели фрагмента действительности .

Понятие предметной области было введено в начале 80-х годов прошлого века, когда учеными в области ИС была осознана необходимость использовать семантические модели для представления информации в компьютерных системах. Так же, как требования к компьютерной системе формируются средствами естественного языка, так и информация в компьютерных системах представляется средствами особого языка с определенной семантикой. Такой подход впервые был представлен П. Ченом в 1976 году.

Примером классической предметной области для создания систем складирования данных и, следовательно, для ХД является задача анализа продаж компании. В качестве объектов этой предметной области можно выделить следующие: "менеджер продаж", "товар", "склад", "офис продаж", "покупатель". В качестве ситуаций – "продать товар", "купить товар", "отгрузить товар со склада", "доставить товар".

Архитектура данных предметной области

ХД является предметно-ориентированной, интегрированной, постоянной во времени коллекцией исторических данных, используемой различными группами пользователей для поддержки принятия решений или анализа данных. Информация в компьютерных системах, в том числе и в ХД, представляется в виде элементов данных (items). Одно из основных положений концепции ХД состоит в очистке, фильтрации, преобразовании, суммировании и агрегации данных, а затем размещении их в некоторой структуре для обеспечения информационных потребностей пользователей. Определение такой структуры является одной из основных задач логического моделирования ХД.

Одной из первых задач проектировщика ХД является определение архитектуры данных. Архитектура данных - это принципы субъективного представления информации в виде данных в рамках модели предметной области . При построении архитектуры данных проектировщик ХД определяет элементы данных, их свойства и взаимосвязи между ними. Одним из ключевых моментов построения архитектуры данных является степень детализации информации при преобразовании ее в элементы данных. Процесс такого преобразования называют структуризацией данных .

Для данных OLTP-систем решение вопросов, связанных с уровнем детализации данных, не является столь важным, как в системах складирования данных. В БД OLTP-систем данные обычно детально структурированы. Для представления данных в ХД проектировщик должен специально решить вопрос об уровне структуризации данных, исходя из требований к системе складирования данных. Решение этого вопроса весьма важно, поскольку при агрегации и суммировании данных некоторые диапазоны данных из подающей OLTP-системы могут быть не представлены в ХД. Например, ХД телекоммуникационной компании может содержать оплату за пользование телефоном, просуммированную по минутам, а подающая система хранит такие данные по секундам.

Уровень структуризации (детализации или гранулированности) данных (Data granularity ) является одной из самых важных характеристик ХД. Уровень структуризации данных - это степень детализации хранимых данных, оптимальная с точки зрения решения информационно-аналитических задач в рамках предметной области ХД .

Грубо говоря, уровень структуризации данных определяет количество запросов, на которые можно получить ответы в системе складирования данных. Если в ХД поддерживается высокий уровень структуризации данных, то система поддерживает практически любой запрос в рамках предметной области ХД. В примере, приведенном выше, невозможно получить ответ на вопрос: сколько абонент Иванов А.А. заплатил за пять секунд разговора первого января 2009 года.

Поддержка высокого уровня структуризации данных приводит к необходимости хранить и сопровождать большие объемы данных, что может отрицательно сказываться на производительности системы складирования данных , в частности, на времени ответа на запрос. С другой стороны, низкий уровень структуризации данных приводит к тому, что система складирования данных может отвечать на строго ограниченный круг запросов. Поэтому одной из задач проектировщика ХД на уровне логического моделирования является принятие решения об оптимальном уровне структуризации данных в ХД.

Структуризация данных предполагает разбиение всего набора данных на определенные классы с целью дальнейшей детализации внутри выделенного класса. Для ХД характерны три основных вида данных (класса).

Фактические данные (Real-time data) представляют собой текущее состояние количественных и качественных показателей деятельности организации. Источником таких данных являются обычно OLTP-системы. Таким данным присущ высокий уровень структуризации. Для того чтобы использовать такие данные в ХД, их нужно предварительно обработать с помощью процедур очистки.
Производные данные (Derived data) представляют собой данные, которые получены в результате суммирования, агрегации и усреднения фактических данных. В зависимости от задач анализа такие данные могут быть либо детальными, либо итоговыми.
Консолидированные данные (Reconciled data) - это фактические данные, которые были очищены и представляют собой интегрированный источник данных для решения задач анализа. Основное требование к таким данным - их согласованность (consistency).

Понятие предметной области и хранилища данных

Понятие предметной области используется практически при проектировании и разработке всех классов информационных систем с базами и хранилищами данных. Предметная область определяет ту часть реального мира, которая будет моделироваться и реализоваться в системе. Предметная область определяет наиболее общие вытекающие из ее семантики критерии и требования к системе.

ХД по определению есть предметно-ориентированная электронная коллекция, т.е. оно изначально ориентировано на определенные направления деятельности организации, предметную область , - например, такие как производство или продажа.

Вопросы, с которыми пользователи обращаются к ХД, носят, как правило, стратегический и более обобщенный характер, чем в OLTP-системах. Ответы на них предполагают агрегацию и суммирование данных по различным направлениям деятельности организации. Это требует от систем с ХД ориентации на конкретные предметные области деятельности организации.

Предметные области в системах с ХД формируются в соответствии с направлениями деятельности организации. Чтобы определить список предметных областей для таких систем, необходимо определить основные виды деятельности организации - например, продажи, производство, клиенты и т.д.

Для выделения предметных областей в ХД часто используется так называемая методика "правило SW1", а именно ответы на вопросы: когда (when), где (where), кто (who), что (what), почему (why) и как (how) – по отношению к видам деятельности организации (интересы бизнеса). Например, при ответе на вопрос "кто" интересы бизнеса могут охватывать следующие объекты: "покупатели", "сотрудники", "поставщики", "менеджеры", "партнеры по бизнесу" и т. д.

После построения списка потенциальных предметных областей для систем с ХД обычно выполняют их дальнейшую детализацию путем декомпозиции каждой предметной области . В результате может быть получен список предметных областей , наиболее полно представляющий деятельность организации. При этом важно определить взаимоотношения между выделенными предметными областями , что является важным для определения измерений при многомерном моделировании ХД.

Отметим, что при решении задач анализа и, следовательно, при разработке BI-систем наиболее перспективным подходом для определения предметной области является изучение бизнес-процессов организации, а не функции, как в случае OLTP-систем.

Далее рассмотрим метод моделирования "сущность-связь". Этот метод используется для представления предметной области в виде ее логической модели. Применение метода создает модель предметной области , не зависимую от реализации. Метод применяется как при моделировании предметных областей OLTP-систем, так и при моделировании предметных областей BI-систем. Знание этого метода помогает проектировщику ХД быстрее установить логические связи между моделями БД OLTP-систем масштаба организации и моделями ХД BI-систем.

Моделирование методом "сущность-связь"

Основные понятия модели "сущность-связь"

Результатом моделирования методом "сущность-связь", или ER-моделирования, является ER-модель. ER-модель представляется с помощью ER-диаграмм , которые являются графической нотацией для абстрагирования данных в виде сущностей, взаимосвязей и атрибутов. Таким образом, семантика предметной области представляется в ER-модели в терминах субъективных средств описания – сущностей, атрибутов, идентификаторов сущностей, супертипов, подтипов и т.д.

Сущность предметной области является результатом абстрагирования реального объекта путем выделения и фиксации набора его свойств . Таким образом, сущность представляет класс объектов, который является результатом абстрагирования реального объекта. Обычно они обозначаются именем существительным естественного языка.

Сущность описывается с помощью данных, именуемых свойствами или атрибутами (attributes) сущности. Как правило, атрибуты являются определениями в высказывании о сущности и обозначаются именами существительными естественного языка.

Сущности вступают в связи друг с другом через свои атрибуты. Каждая группа атрибутов, описывающих одно реальное проявление сущности, представляет собой экземпляр сущности (instance). Иными словами, экземпляр сущности – это реализации сущности, отличающиеся друг от друга и допускающие однозначную идентификацию . Именование сущности в единственном числе облегчает в дальнейшем чтение модели. Фактически, имя сущности дается по имени ее экземпляра.

Одним из основных компьютерных способов распознавания сущностей в ИС является присвоение сущностям идентификаторов (Entity identifier). Часто идентификатор сущности называют ключом . Задача выбора идентификатора сущности является семантически субъективной задачей. Поскольку сущность определяется набором своих атрибутов, для каждой сущности целесообразно выделить такое подмножество атрибутов, которое однозначно идентифицирует данную сущность.

Некоторые сущности имеют естественные идентификаторы. Например, естественным идентификатором счета-фактуры является его номер. Идентификаторы сущности могут быть составными - состоящими из нескольких атрибутов, и атомарными - состоящими из одного атрибута сущности .

Уникальный идентификатор сущности - это атрибут сущности, позволяющий отличать одну сущность от другой . Если сущность имеет несколько уникальных идентификаторов , так называемых возможных ключей, то проектировщик должен выбрать первичный ключ сущности .

Различают однозначные и многозначные атрибуты. Однозначными являются атрибуты, которые в пределах конкретного экземпляра сущности имеют только одно значение. В противном случае они считаются многозначными .

Важным моментом изучения модели предметной области проектировщиком является выделение многозначных атрибутов сущности . Это связано с тем, что реляционная модель не поддерживает многозначных атрибутов и они должны быть разрешены на последующих стадиях проектирования.

Каждый атрибут имеет домен (domain). Домен - это выражение, которое определяет значения, разрешенные для данного атрибута . Иными словами, домен - это область значений атрибута. Для каждого атрибута сущности должен быть определен домен . На уровне логического моделирования данных назначение домена атрибуту носит общий характер. Например, атрибут текстовый, числовой, бинарный, дата или "не определен". В последнем случае аналитик должен дать описание домена . На последующих стадиях тип домена конкретизируется, смысл понятия домена в физической модели ХД уже, чем его может понимать аналитик. Это связано с тем, что в рамках физической модели домен реализуется посредством механизма ограничения домена , а СУБД не понимает неопределенных доменов .

Сущности не существуют отдельно друг от друга. Между ними имеются реальные отношения (Relationship), которые должны быть отражены в модели предметной области . При выделении отношений акцент делается на фиксацию связей и их характеристик. Отношение (связь) представляет собой соединение (взаимоотношение) между двумя или более сущностями . Каждая связь реализуется через значения атрибутов сущностей . Обычно связь обозначается глаголом. Каждая связь также должна иметь свой уникальный идентификатор связи .

В реляционной модели отношения реализуются только через ограничение целостности по внешнему ключу. Поэтому проектировщик реляционного ХД должен проконтролировать, чтобы связь между сущностями осуществлялась через точно указанные атрибуты, которые будут определять уникальный ключ связи. Выбор ключей сущностей - одно из важнейших проектных решений, которое предстоит сделать проектировщику при переходе к физической модели базы данных.

Связи характеризуются степенью связи и классом принадлежности сущности к связи. Степень (мощность) связи – это отношение числа сущностей, участвующих в образовании связи . Например, "один к одному", "один ко многим", "многие ко многим". На уровне логической модели допускается неопределенная или неразрешенная связь. Класс принадлежности сущности - это характер участия сущности в связи . Различают обязательные и необязательные классы принадлежности сущности к связи. Обязательным является такой класс принадлежности , когда экземпляры сущности участвуют в установлении связи в обязательном порядке. В противном случае сущность принадлежит к необязательному классу принадлежности . Для необязательного класса принадлежности сущности степень связи может быть равна нулю, т.е. экземпляр сущности можно связать с 0, 1 или несколькими экземплярами другой сущности. Для обязательного класса принадлежности степень связи не может равняться нулю.

Отношения , связывающие сущность саму с собой, называются рефлексивными . Типичным примером рефлексивных отношений является определение структуры подчиненности в отношении "Сотрудники". Рефлексивные отношения чаще всего отражают иерархические отношения внутри структуры данных. Они порождают ряд проблем проектирования, о которых речь пойдет позже

С точки зрения отношений различают слабые сущности ( weak ). Слабые сущности – это сущности, которые не могут присутствовать в базе данных, пока не существует связанного с ней экземпляра другой сущности . Примером такой сущности является заказ, который не может существовать без клиента. Слабые сущности имеют обязательный класс принадлежности , и степень связи такой сущности не может равняться нулю. Связь "заказ-клиент" является обязательной.

Выявление слабых сущностей и связанных с ними обязательных отношений необходимо для обеспечения целостности и согласованности данных. Так, например, неизвестному клиенту невозможно приписать заказ.

Иногда выделенная сущность несет в себе отношение включения или отношение "часть-целое". При этом существует некоторый атрибут, значения которого порождают разбиение множества экземпляров сущности на непересекающиеся подмножества - категории сущности . Категории сущности называют подтипами и выделяют в подчиненную в рамках отношения сущность, которая является категорией исходной сущности. Из исходной сущности выделяются общие для полученных категорий атрибуты, и таким образом выделяется сущность, которая становится супертипом . За выделенной сущностью- супертипом обычно оставляют наименование исходной сущности, хотя ее семантический смысл меняется.

Супертип с порожденными им подтипами является примером так называемой составной сущности . Составная сущность является логической конструкцией модели для представления набора сущностей и связей между ними как единого целого.

Пример. Сущность "автомобиль" можно разбить на следующие подтипы : автомобили с приводом на два колеса, автомобили с приводом на четыре колеса, автомобили с переключаемым приводом.

Для проектировщика важно знать, что все экземпляры сущности-супертипа относятся только к одному из ее подтипов . Наличие в модели подтипов и супертипов усложняют проектирование и создают определенные трудности в реализации. Поэтому важно на ранней стадии проектирования установить, является ли наличие супертипов в модели необходимым.

Для этого необходимо предпринять следующие действия:

установить, много ли одинаковых свойств имеют различные подтипы . Следует помнить, что чем меньше подтипы похожи друг на друга, тем больше вероятность введения супертипа ;
или найти экземпляр сущности , который можно обоснованно включить в более чем один подтип . Поскольку это противоречит определению супертипа , предлагаемое разбиение недопустимо.

Модель "Сущность - связь"

ФИО

Байрамов Александр Мавлеевич

Место работы

МБОУ Средняя школа №6 г. Вязьма Смоленской области

Должность

Предмет

информатика и ИКТ

Эта страничка описывает и иллюстрирует использование модели «Сущность-связь» (entity-relationship model), введенной Питером Ченом (Peter Chen) в 1976 г. В этой статье Чен заложил основу модели, которая с тех пор расширялась и модифицировалась самим Ченом и многими другими. Кроме того, модель «Сущность-связь» вошла в состав множества CASE-инструментов, которые также внесли свой вклад в ее эволюцию. На сегодняшний день не существует единого общепринятого стандарта для модели «Сущность-связь», зато есть набор общих конструкций, которые лежат в основе большинства вариантов этой модели. Описанию этих общих конструкций и демонстрации их применения и посвящена данная глава. Символы, применяемые для графического представления модели «Сущность-связь», весьма различны. Мы обсудим не только традиционные символы, но и символы языка UML (Unified Model Language, унифицированный язык моделирования) - средства проектирования, завоевывающего все большую популярность среди программистов ООП и включающего в себя модель «Сущность-связь».

Ключевыми элементами модели «Сущность-связь» являются:

сущности

атрибуты

идентификаторы

связи

Сущности

Сущность (entity) - это некоторый объект, идентифицируемый в рабочей среде пользователя, нечто такое, за чем пользователь хотел бы наблюдать. Примерами сущностей могут служить СОТРУДНИК Мэри Доу, КЛИЕНТ 12345, ЗАКАЗ 1000, ПРОДАВЕЦ Джон Смит или ПРОДУКТ А4200. Сущности одного и того же типа группируются в классы сущностей (entity classes). Так, класс сущностей СОТРУДНИК является совокупностью всех сущностей СОТРУДНИК. В тексте книги классы сущностей обозначаются заглавными буквами.

Важно уяснить разницу между классом сущностей и экземпляром сущности. Класс сущностей - это совокупность сущностей, и описывается он структурой или форматом сущностей, составляющих этот класс. Экземпляр сущности (entity instance) представляет конкретную сущность, такую как КЛИЕНТ 12345; он описывается значениями атрибутов данной сущности. Обычно класс сущностей содержит множество экземпляров сущности. Например, класс КЛИЕНТ содержит множество экземпляров - по одному на каждого клиента, для которого имеется запись в базе данных. Пример класса сущностей и двух экземпляров сущности показан на рис. 1.

Рис. 1. КЛИЕНТ: пример сущности

Атрибуты

У сущностей есть атрибуты (attributes), или, как их иногда называют, свойства (properties), которые описывают характеристики сущности. Примерами атрибутов могут служить ИмяСотрудника, ДатаНайма и КодКвалификации. В тексте этого сайта атрибуты обозначаются как прописными, так и строчными буквами. В модели «сущность-связь» предполагается, что все экземпляры данного класса сущностей имеют одинаковые атрибуты.

Исходное определение модели «сущность-связь» включает в себя композитные атрибуты (composite attributes) и многозначные атрибуты (multi-valued attributes).

В качестве примера композитного атрибута можно привести атрибут Адрес, состоящий из группы атрибутов {Улица, Город, Штат, Индекс}. Примером многозначного атрибута может служить атрибут ИмяДоверенногоЛица сущности КЛИЕНТ, который может содержать имена нескольких доверенных лиц данного клиента.

Атрибут может быть одновременно и композитным, и многозначным - например композитный атрибут Телефон, состоящий из группы атрибутов {Код-Региона, МестныйНомер}, может быть многозначным, что позволит иметь в базе данных несколько телефонных номеров одного и того же лица. В большинстве реализаций модели «сущность-связь» однозначные композитные атрибуты игнорируются, и требуется, чтобы многозначные атрибуты (будь они составные или нет) преобразовывались в сущности, как будет показано ниже.

Идентификаторы

Экземпляры сущностей имеют идентификаторы (identifiers) - атрибуты, с помощью которых эти экземпляры именуются, или идентифицируются. Например, экземпляры сущностей класса СОТРУДНИК могут идентифицироваться по атрибутам НомерСоциальнойСтраховки, ТабельныйНомерСотрудника или ИмяСотрудника. Такие атрибуты, как Зарплата или ДатаНайма, вряд ли могут служить идентификаторами экземпляров сущностей класса СОТРУДНИК, поскольку обычно эти атрибуты не используются для однозначного указания на конкретного сотрудника. Подобно этому, сущности класса КЛИЕНТ могут идентифицироваться по атрибутам НомерКлиента или ИмяКлиента, а сущности класса ЗАКАЗ могут идентифицироваться по атрибуту НомерЗаказа.

Идентификатор экземпляра сущности состоит из одного или более атрибутов сущности. Идентификатор может быть уникальным (unique) либо неуникалъным (nonunique).

Если идентификатор является уникальным, его значение будет указывать на один и только один экземпляр сущности.

Если идентификатор является неуникальным, его значение будет указывать на некоторое множество экземпляров. ТабельныйНомерСотрудника является, скорее всего, уникальным идентификатором, а ИмяСотрудника - неуникальным (например, может быть несколько сотрудников по имени Джон Смит).

Идентификаторы, состоящие из нескольких атрибутов, называются композитными идентификаторами (composite identifiers). Примерами могут служить совокупности вида (КодРегиона, МестныйНомер}, (НазваниеПроекта, НазваниеЗадачи} и (Имя, Фамилия, ДобавочныйНомерТелефона}.

Связи

Взаимоотношения сущностей выражаются связями (relationships). Модель «сущность-связь» включает в себя классы связей и экземпляры связей. Классы связей (relationship classes) - это взаимоотношения между классами сущностей, а экземпляры связи (relationship instances) - взаимоотношения между экземплярами сущностей. У связей могут быть атрибуты.

Класс связей может затрагивать несколько классов сущностей. Число классов сущностей, участвующих в связи, называется степенью связи (relationship degree). Изображенная на рис. 2, а связь ПРОДАВЕЦ-ЗАКАЗ имеет степень 2, поскольку в ней участвуют два класса сущностей: ПРОДАВЕЦ и ЗАКАЗ. Связь РОДИТЕЛЬ на рис. 2; б имеет степень 3, так как в ней участвуют три класса сущностей: МАТЬ, ОТЕЦ и РЕБЕНОК. Связи степени 2 весьма распространены, их часто называют еще бинарными связями (binary relationships).

Рис.2. Различные степени связей: а - связь степени 2; б - связь степени 3

Три типа бинарных связей

На рис. 3 показаны три типа бинарных связей. В связи 1:1 («один к одному») одиночный экземпляр сущности одного типа связан с одиночным экземпляром сущности другого типа. На рис. 3, а связь СЛУЖЕБНЫЙ_АВТОМОБИЛЬ связывает одиночную сущность класса СОТРУДНИК с одиночной сущностью класса АВТОМОБИЛЬ. В соответствии с этой диаграммой, ни за одним сотрудником не закреплено более одного автомобиля, и ни один автомобиль не закреплен более чем за одним сотрудником.

Рис. 3. Три типа бинарных связей: а - бинарная связь 1:1; б - бинарная связь 1:N; в - бинарная связь N:М; г- представление связи с помощью разветвлений

На рис. 3, б изображен второй тип связи, 1:N («один к N» или «один ко многим»). В этой связи, которая называется ОБЩЕЖИТИЕ-ЖИЛЕЦ, единичный экземпляр сущности класса ОБЩЕЖИТИЕ связан со многими экземплярами сущности класса СТУДЕНТ. В соответствии с этим рисунком, в общежитии проживает много студентов, но каждый студент живет только в одном общежитии.

Позиция, в которой стоят 1 и N, имеет значение. Единица стоит на той стороне связи, где располагается ОБЩЕЖИТИЕ, а N стоит на той стороне связи, где располагается СТУДЕНТ. Если бы 1 и N располагались наоборот, и связь записывалась бы как N:l, получилось бы, что в общежитии живет один студент, причем каждый студент живет в нескольких общежитиях. Это, разумеется, не так.

На рис. 3, в показан третий тип бинарной связи, N:M (читается «N к М» или «многие ко многим»). Эта связь называется СТУДЕНТ-КЛУБ, и она связывает экземпляры сущностей класса СТУДЕНТ с экземплярами сущностей класса КЛУБ. Один студент может быть членом нескольких клубов, а в одном клубе может состоять много студентов.

Числа внутри ромба, символизирующего связь, обозначают максимальное количество сущностей на каждой стороне связи. Эти ограничения называются максимальными кардинальными числами, а совокупность из двух таких ограничений для обеих сторон связи называется максимальной кардинальностью (maximum cardinality) связи. Например, о связи, изображенной на рис. 3, б, говорят, что она обладает максимальной кардинальностью 1:N. Кардинальные числа могут иметь и другие значения, а не только 1 и N. Например, связь между сущностями БАСКЕТБОЛЬНАЯ_КОМАНДА и ИГРОК может иметь кардинальность 1:5, что говорит нам о том, что в баскетбольной команде может быть не более пяти игроков.

Связи трех типов, представленных на рис. 3, называются иногда связями типа «ИМЕЕТ», или связями обладания (HAS-A relationships). Такой термин используется потому, что одна сущность имеет (has) связь с другой сущностью. Например: сотрудник имеет автомобиль, студент имеет общежитие, клуб имеет студентов.

Схемы, изображенные на рис. 3, называются диаграммами «Сущность-связь», или ER-диаграммами (entity-relationship diagrams, ER-diagrams). Такие диаграммы стандартизированы, но не слишком жестко. В соответствии с этим стандартом, классы сущностей обозначаются прямоугольниками, связи обозначаются ромбами, а максимальное кардинальное число каждой связи указывается внутри ромба. Имя сущности указывается внутри прямоугольника, а имя связи указывается рядом с ромбом Хотя в некоторых ER-диаграммах имя связи указывается внутри ромба, получающаяся при этом диаграмма может выглядеть ужасно, поскольку ромбы приходится делать большого размера и вне масштаба, чтобы в них поместилось имя связи. Чтобы избежать этого, имена связей иногда пишут над ромбом. Когда имя помещается внутрь или поверх ромба, кардинальность связи изображается с помощью разветвлений на линиях, соединяющих сущность (или сущности) с множественной стороной связи. На рис. 3, г показаны связи ОБЩЕЖИТИЕ-ЖИЛЕЦ и СТУДЕНТ-КЛУБ с такими разветвлениями.

Как мы уже говорили, максимальная кардинальность показывает максимальное число сущностей, которые могут участвовать в связи. Каково же минимальное число таких сущностей, приведенные диаграммы не сообщают. Например, рис. 3, б показывает, что студент может проживать максимум в одном общежитии, однако из него не ясно, обязан ли студент проживать в каком-либо общежитии.

Для указания минимальной кардинальности (minimum cardinality) существует несколько способов. Один из них, продемонстрированный на рис. 4.

Рис. 4. Связь с указанной минимальной кардинальностью

Этот способ заключается в следующем: чтобы показать, что сущность обязана участвовать в связи, на линию связи помещают перпендикулярную черту, а чтобы показать, что сущность может (но не обязана) участвовать в связи, на линию связи помещают овал. Соответственно, рис. 4 показывает, что сущность ОБЩЕЖИТИЕ должна быть связана как минимум с одной сущностью СТУДЕНТ, однако сущность СТУДЕНТ не обязана иметь связь с сущностью ОБЩЕЖИТИЕ. Полный набор накладываемых на связь ограничений состоит в том, что ОБЩЕЖИТИЕ имеет минимальное кардинальное число, равное единице, и максимальное кардинальное число, равное «многим» сущностям СТУДЕНТ. СТУДЕНТ имеет минимальное кардинальное число, равное нулю, и максимальное кардинальное число, равное одному экземпляру сущности ОБЩЕЖИТИЕ.

Может существовать связь между сущностями одного и того же класса. Например, для сущностей класса СТУДЕНТ может быть определена связь СОСЕД_ПО_КОМНАТЕ. Такая связь показана на рис. 5, а, а на рис. 5, б изображены экземпляры сущностей, охваченных этой связью. Связи между сущностями одного и того же класса называются иногда рекурсивными связями (recursive relationships).

Рис.5 Рекурсивная связь