Лекции по "Информационному технологии"

Лекция. Структура инфологической и  концептуальной модели данных ИС

                                                                                   

                                                                                                      Лекция № 5

 

 

 

 

 

Цель лекции: изучить структуру инфологической и концептуальной модели данных ИС

 

Содержание

(Программные  вопросы лекции)

 

1. Структура инфологической  модели данных.

2. Структура концептуальной  модели данных.

 

Литература

1. [12], с.27-44.
2. [9], с. 46-61.

Учебно-материальное обеспечение

1. Схема "Базовые понятия реляционных баз данных".

Организационно-методические указания

Лекция читается для  учебной группы методом устного  изложения учебного материала с отображением рисунков на классной доске.

 

Введение

 

 

В ходе изучения предыдущей темы нами были рассмотрены вопросы, касающиеся правил анализа предметной области и построения модели функционирования автоматизируемой предметной области в виде иерархии ДИП и описания их элементов в виде структурограмм.

Данная модель является исходной для выполнения таких этапов разработки ИС, как этап проектирования баз данных (БД) и этап проектирования вычислительных процессов. Причем этап проектирования БД представляет собой сложный процесс, предполагающий последовательную разработку информационно-логической (инфологической) модели (Мил), концептуальной модели (Мк), логической и физической моделей БД.

Данная тема посвящена  изучению этапов информационно-логического и концептуального проектирования БД АСОИУ.

Первая лекция темы №11 направлена на изучение структуры инфологической и концептуальной модели данных АСОИУ.

 

 

Учебные вопросы

 

1. Структура инфологической модели данных

Инфологическое  моделирование представляет собой этап проектирования, на котором формируется первоначальный вариант описания информационного содержания автоматизируемых процессов. На этом этапе реализуется отображение . Под инфологической моделью понимается совокупность сведений о состоянии и развитии процессов функционирующей организационной системы, структурированных с помощью формальных средств, называемых моделью данных.

Инфологическая модель представляется в виде тройки множеств:

М_ил = < S_ил , P_ил , Q_ил >,

S_ил – множество сущностей и связей, задаваемых именами, характеристиками (свойствами) и их значениями;

P_ил – правила интерпретации семантической сети (инфологического графа) данных;

Q_ил – закономерности предметной области, существенные для контроля целостности и согласованности инфологической модели.

     Рассмотрим составляющие этой модели:

S_ил = <G( E, R), A, N >,

где    G – семантическая сеть (инфологический граф) данных (ССД/ИГД):

- E = { e₁, e₂,…,e_n  } – множество сущностей модели;

- R = { r₁, r₂,…,r_m  } – множество связей модели;

A = < AE, AR > – множество характеристик (свойств) модели

- AE – множество характеристик (свойств) сущностей,

- AR – множество характеристик (свойств) связей;

N : A ® D, D = {d₁, d₂, …,d_s } – множество значений характеристик (свойств) модели;

Q_ил = < T, D, F >,

где   Т – множество  закономерностей моделируемой предметной области;

D – множество значений  характеристик (свойств);

F – множество функциональных  зависимостей.

Порядок построения разработки ССД 

Наиболее распространенным средством разработки ССД является диаграмма "сущность-связь" (ERD). Автор – П.Чен (19  ). В настоящее время широко применяются три нотации ERD:

CASE-метод Баркера (СУБД ORACLE, 90г.);

Stradis (CASE Vantage Team Builder);

методология IDEF1 (автор Т.Ремей) и ее модификация (IDEF1X) (CASE ERWin, Design/IDEF).

Рассмотрим элементы ССД:

Сущность(entity) – это то, что функционирует в некоторой предметной области (абстрактные понятия, объекты реального мира, люди, явления природы и т.п.). Каждая сущность является множеством подобных индивидуальных объектов, называемых экземплярами сущности.

Особенности сущности:

1. Каждая сущность должна именоваться  существительным в единственном числе с четким смысловым значением. Примером может быть сущность КУРСАНТ (но не КУРСАНТЫ).

2. Каждая сущность обладает одним  или несколькими атрибутами. Атрибуты бывают простыми и составными.

Простые атрибуты используются для обозначения семантически неделимых характеристик (свойств) сущностей, выявленных при анализе предметной области (фамилия курсанта).

Составные атрибуты отображают сложные свойства сущностей (Адрес студента=(улица, дом, квартира). Почему составной? Определяется задачей.

Каждое имя атрибута содержит имя сущности в родительном  падеже!

 

Имена атрибутов непосредственно  связываются с описанием множеств своих значений (доменов), на которых они должны означиваться.

Каждый домен определяется на некотором типе данных: числовых (целых, вещественных), символьных (или строковых), битовых строк, специализированных числовых данных ("деньги"), а также специальных темпоральных данных (дата, время, временной интервал). Таким образом, домен это допустимое множество значений атрибута, определенный на некотором типе данных.

3. Каждая сущность обладает одним  или несколькими атрибутами, которые однозначно идентифицируют экземпляры данной сущности. Пример. Фамилия курсанта или Номер в.билета курсанта. Такие атрибуты называются ключевыми (или просто ключом, или идентификатором). Если ключевых атрибутов несколько, то среди них выбирают один, называют его первичным ключом и помечают знаком PK.

Существующие между  экземплярами сущностей предметной области взаимосвязи (ассоциации, отношения) моделируются, так называемым, множеством  связей, которые так же,  как и сущности, могут обладать определенными свойствами (атрибутами).

Связи может даваться имя, выражаемое грамматическим оборотом глагола и помещаемое возле линии связи. Имя связи выражает некоторое ограничение и облегчает чтение диаграммы, например:

Каждый студент <обучается в> УЧЕБНОЙ_ГРУППЕ.

Каждая УЧЕБНАЯ_ГРУППА <состоит  из> студентов.

Принято различать три  типа связей (как в соответствиях):

 

2. Структура концептуальной модели  данных

Концептуальное проектирование БД имеет целью создание обобщенной точки зрения на информационную базу всех категорий пользователей АСОИУ, а также создание модели обработки данных (транзакций) в виде последовательности взаимосвязанных действий с базой данных в процессе ее ведения.

Концептуальная модель БД АСОИУ понимается здесь как  математически точное формализованное  описание элементов данных, их семантических связей и организационной структуры с указанием ограничений целостности и согласованности данных, а также соответствующих алгоритмов контроля.

Концептуальная модель БД АСОИУ  представляется в виде:

М_к = < S_к , P_к , Q_к >, где

S_к – концептуальная схема данных в АСОИУ;

P_к – система операторов реляционной алгебры (обработки данных);

Q_к – система ограничений целостности.

Рассмотрим составляющие этой модели.

Концептуальной схемой данных в  АСОИУ будем называть тройку:

S_к = < A , KS , SL >, где

A – совокупность описаний всех атрибутов сущностей и связей;

KS – концептуальная схема базы данных;

SL – схема связи отношений БД.

Системой ограничений целостности  будем называть тройку:

Q_к = < D , F , LR >, где

D – совокупность описаний доменов всех атрибутов из A;

F – полная система ФЗ, логически следующая из исходной системы FÎQ_ил (замыкание F);

LR – система правил (алгоритмов контроля) целостности и согласованности БД.

КС БД называется пара KS = <NB, SR>, где NB – имя базы данных, SR – схема отношений, которая представляется парой SR = <MSR, FV>, где – множество схем отношений; FV – множество функциональных зависимостей не локализованных в отношении БД (межтабличные выводимые из отношений ФЗ).

Схема i-го отношения есть тройка:

SR_i = <O_i, К_i, DF_i>, где

O_i  – описатель схемы отношения,

К_i – множество всех возможных ключей,

DF_i – множество d-ограничений.

Описатель отношения есть тройка:

O_i =<R_i, AR_i, NF_i>, где

R_i – имя отношения,

AR_i – множество имен атрибутов;

F_i – вид нормальной формы.

Детерминантные ограничения представляются в виде

DF_i = < DFC_i, DFA_i>, где

DFC_i, DFA_i – соответственно существенные (требующие контроля) и несущественные (автоматически выполняемые) d-ограничения.

Теоретической основой  концептуальной модели БД является реляционная модель данных (Э. Кодд, 1970г). Вспомним основные понятия теории РМД.

Реляционной моделью  базы данных называется конечная совокупность изменяющихся во времени конечных отношений (таблиц), над которыми можно выполнять определенные операции.

Пусть задано множество  уникальных имен характеристик (свойств) сущностей и их взаимосвязей в некоторой предметной области, информацию о которых необходимо хранить в базе данных. Это множество является множеством атрибутов БД.

Другое множество  образуют уникальные имена областей значений атрибутов из . Множество называется множеством доменов.

Простые атрибуты будем  обозначать начальными буквами латинского алфавита с индексами: А₁, А₂, . . . , В₁, В₂, . . ., а составные атрибуты X = {A, B}. Причем домен составного атрибута X представляет собой декартовы произведения доменов образующих его простых атрибутов: D_x = N(A)´N(B).

Введем математическое понятие отношения.

Отношением R на множестве доменов D₁, D₂, . . . , D_n  называется  подмножество декартового произведения доменов:

,

т.е. , где D_i  необязательно различны.

Отношение удобно представлять в виде таблиц, имеющих поименованные столбцы и отличные друг от друга строки, называемых кортежами.

Описание вида: R(AR)=R(A₁,A₂, ... ,A_s),

где   - R  – имя отношения;

- AR = {A₁,A₂, ... ,A_s} – множество имен атрибутов отношения

называют схемой (сжатием, интенсией) отношения R.

Совокупность кортежей, входящих в состав отношения образуют его расширение.

Схемой РБД называют совокупность схем отношений, входящих в ее состав  и определенных на А.

Смысл введенных понятий  рассмотрим на примере отношения  ИСТРЕБИТЕЛИ, содержащего информацию о истребителях, на которых летчики несут боевое дежурство по защите воздушного пр-ва (рис. 1).

Понятие ключа отношения

Ключом отношения R называется не избыточная по числу атрибутов комбинация K={A_i, A_j, ... , A_s}, KÍAR, значение которой однозначно идентифицирует кортежи отношения, т.е.:

"t_i, t_j ; t_i, t_j ÎR , t_i(K) ¹ t_j(K), KÍAR

Ключ отношения R выделяют в схеме отношения тем или иным способом, например, подчеркиванием: R(A₁, A₂, A₃), где комбинация (A₁, A₂) – ключ.

Атрибуты, вошедшие в  состав хотя бы одного ключа, называются ключевыми, остальные атрибуты отношения – неключевые.

Совокупность неключевых атрибутов YÍAR_i называется внешним ключом в отношении R_i , если она является ключом в отношении R_j.

 

Понятие функциональной зависимости (ФЗ)

Опр. Два атрибута А и В связаны ФЗ f:A®B,  если каждому значению из домена N(А) соответствует только одно значение из домена N(В) в любой момент времени.

Если X={A_i, A_j, ... , A_s} и N(A_i) N(A_j) ... N(A_s) соответствует одно значение из N(В),  следовательно,  задана ФЗ f:X®B, где X – составной атрибут.

Левая часть ФЗ – детерминанта, а правая – функция.

Опр. ФЗ f:X®B называется неполной, если существует X', X'ÌX такой, что X'®B.

Опр. ФЗ X®A называется транзитивной, если существует такой атрибут B, что имеются ФЗ X® B и B ®A и отсутствует ФЗ B®X.

Множество детерминант  системы ФЗ, имеющих место в  некоторой предметной области, обозначим через DT.