Основы информационных систем. Базы данных.

План.

1. Основные понятия.

2. Классификация баз данных.

3. Модели данных.

4. Информационные объекты и связи.

5. Проектирование баз данных.

6. Состав файла БД. Архитектура СУБД.

7. Связывание таблиц. Целостность данных.

8. Виды запросов. Структура запросов.

Основные понятия.

В истории развития вычислительной техники наблюдалось два основных направления ее применения.

Первое связано с выполнением больших численных расчетов, которые трудно или невозможно произвести вручную. Развитие этой области способствовало ускорению развития методов математического моделирования, численных методов, языков программирования высокого уровня, рассчитанных на удобное представление вычислительных алгоритмов.

Второе направление связано с использованием вычислительной техники для создания, хранения и обработки больших массивов данных. Такие задачи решают информационные системы (ИС). К ним относятся поисковые, справочные, банковские системы, автоматизированные системы управления предприятием.

Для задач первого типа характерны большие объемы вычислительной работы при относительно небольших потребностях в памяти. Задачи второго типа, наоборот, требуют больших объемов внешней памяти при относительно небольших расчетах. Вторая область применения возникла несколько позже первой. Это связано с тем, что на первых этапах внешняя память вычислительных систем была несовершенной, т.е. надежное хранение больших объемов данных не представлялось возможным.

Для облегчения обработки информации создаются информационные системы. Информационная система представляет собой аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий выполнение следующих функций:

· ввод данных об объектах некоторой предметной области;

· надежное хранение и защита данных во внешней памяти вычислительной системы;

· дополнение, удаление, изменение данных;

· сортировка, выборка данных по запросам пользователей;

· выполнение специфических для данной предметной области преобразований информации;

· предоставление пользователям удобного интерфейса; обобщение данных и составление отчетов.

Объем данных в ИС может исчисляться миллиардами байт. Отсюда необходимость устройств, хранящих большие объемы данных во внешней памяти. Число пользователей ИС может достигать десятков тысяч, что создает немало проблем в реализации эффективных алгоритмов функционирования ИС. Успешно решаются эти задачи, если данные в информационной системе структурированы .

Пример структурированных данных - студенческая группа. Каждый член группы во многом индивидуален, и характеризовать его можно с разных сторон. Но деканат, скорее всего, заинтересуют следующие данные (предметная область): фамилия студента, имя, отчество, курс, наименование группы, массив оценок по изучаемым дисциплинам. Таким образом, из всего многообразия данных выбираются только некоторые, т.е. создается информационная модель объекта. Данные упорядочиваются по порядку следования, по применяемым типам (форматам) данных, после чего они могут быть обработаны автоматом, каковым является компьютер.

Совокупность взаимосвязанных данных называется структурой данных . Совокупность структурированных данных, относящихся к одной предметной области, называется базой данных (БД) . Совокупность программ, реализующих в БД функции ИС в удобной для пользователя форме, называется системой управления базой данных (СУБД) . Программы, производящие специфическую обработку данных в БД, составляют пакет прикладных программ (ППП). Итак, можно заключить, что ИС - это организационное объединение аппаратного обеспечения (АО), одной или нескольких баз данных (БД), системы управления базами данных (СУБД) и пакетов прикладных программ (ППП).

Классификация баз данных.

По технологии обработки данных БД подразделяются на централизованные и распределенные.

Централизованная БД хранится целиком в памяти одной вычислительной системы. Если система входит в состав сети, то возможен доступ к этой БД других систем.

Распределенная БД состоит из нескольких, возможно пересекающихся или дублирующих друг друга БД, хранимых в памяти разных вычислительных систем, объединенных в сеть.

По способу доступа к данным БД распределяются на локальный и удаленный (сетевой) доступ.

Локальный доступ предполагает, что СУБД обрабатывает БД, которая хранится на той же вычислительной системе.

Удаленный доступ - это обращение к БД, которая хранится на одной из систем, входящих в компьютерную сеть. Удаленный доступ может быть выполнен по принципу файл-сервер или клиент-сервер.

Архитектура файл-сервер предполагает выделение одного из компьютеров сети (сервер) для хранения централизованной БД. Все остальные компьютеры сети (клиенты) исполняют роль рабочих станций, которые копируют требуемую часть централизованной БД в свою память где и происходит обработка. Однако при большой интенсивности запросов к централизованной БД увеличивается нагрузка на каналы сети, что приводит к снижению производительности ИС в целом.

Архитектура клиент-сервер предполагает, что сервер, выделенный для хранения централизованной БД, дополнительно производит обработку клиентских запросов. Клиенты получают по сети уже обработанные данные. Учитывая широкое распространение БД в самых различных областях, в последнее время архитектура клиент-сервер применяется и на одиночных вычислительных системах. В этом случае клиент- программа, которой понадобились данные из БД, посылает запрос серверу - программе, управляющей ведением БД, на специальном универсальном языке запросов. Сервер пересылает программе данные, являющиеся результатом поиска в БД по ее запросу. Этот способ удобен тем, что программа - клиент не обязана содержать все функции поддержания и ведения БД, этим; занимается сервер. В результате упрощается написание программ - клиентов, Кроме того, к серверу может обращаться любое количество клиентов.

Модели данных.

Для реализаций основных функций в ИС используются различные принципы описания данных. Ядром любой БД является модель представления данных .

Модель данных определяет логическую структуру хранимых в базе данных (т.е. введение каких-то соглашений о способах представления данных) и взаимосвязи между ними.

К основным моделям представления данных относятся:

· Иерархическая

· Сетевая

· Реляционная

· Постреляционная

· Многомерная

· Объектно-ориентированная

Наибольшее распространение получила реляционная модель данных, она является наиболее универсальной и к ней могут быть сведены другие модели.. Реляционная модель данных ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц.

Важнейшим понятием реляционных моделей данных является сущность . Сущность - это объект любой природы, данные о котором хранятся в БД. Данные о, сущности хранятся в двумерных таблицах, которые называют реляционными .

Каждая реляционная таблица должна обладать следующими свойствами:

· один элемент таблицы - один элемент данных;

· каждый столбец таблицы содержит однородные по типу данные (целочисленный, числовой, текстовый, и т.д.);

· каждый столбец имеет уникальное имя;

· число столбцов задается при создании таблицы;

· порядок записей в отношении может быть произвольным;

· записи не должны повторяться;

· количество записей в отношении не ограничено.

Объекты, их взаимосвязи и отношения представлены в виде таблиц . Формальное построение таблиц связано с фундаментальным понятием отношение (термин реляционная исходит от английского слова relation - отношение).

Для заданных произвольных конечных множеств М 1 , М 2 , ..., M N множество всевозможных наборов вида (μ 1 , μ 2 , …, μ Ν), где μ 1 Є М 1 , μ 2 Є М 2 , …, μ Ν Є M N называют их декартовым произведением М 1 ×М 2 ×...×M N . Отношением R , определенным на множестве М 1 , М 2 , ..., M N , называется подмножество декартова произведения М 1 ×М 2 ×...×M N . При этом множества М 1 , М 2 , ..., M N называются доменами отношения, а элементы декартова произведения - кортежами отношения. Число N определяет степень отношения, количество кортежей - его мощность .

В реляционной таблице каждый столбец есть домен (его альтернативное название поле ), а совокупность элементов каждой строки - кортеж (или запись ).

Строка заголовков называется схемой отношения .

Например , схема отношения СТУДЕНТ может быть следующей:

СТУДЕНТ (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ФАКУЛЬТЕТ, КУРС, ГРУППА), здесь СТУДЕНТ - отношение, а ФАМИЛИЯ, ИМЯ и т.д. - атрибуты.

В отношении каждый конкретный экземпляр сущности представляется строкой, которая называется кортежем (или записью) .

Следующая таблица представляет отношение СТУДЕНТ

ФАМИЛИЯ	ИМЯ	ОТЧЕСТВО	ФАКУЛЬТЕТ	КУРС
Иванов	Иван	Иванович	ИЭФ
Петров	Петр	Петрович	РТФ
Сидоров	Антон	Егорович	ВТ

Первичным ключом отношения называется поле или группа полей, однозначно определяющие запись. В отношении СТУДЕНТ первичным ключом может быть поле ФАМИЛИЯ, если во всем с нет однофамильцев - это будет простой ключ. Если есть однофамильцы, то совокупность полей - фамилия, имя, отчество - создадут составной первичный ключ. На практике обычно в качестве ключевого выбирают поле, в котором совпадения заведомо исключены.

Для рассматриваемого примера таким полем может служить номер зачетной книжки студента.

Свойства первичного ключа:

· уникальность - в таблице может быть назначен только один первичный ключ, у составного ключа поля могут повторяться, но не все;

· неизбыточность - не должно быть полей, которые, будучи удаленными из первичного ключа, не нарушат его уникальность;

· в состав первичного ключа не должны входить поля типа, комментарий и графическое.

Чтобы избежать повторяющихся записей, приходят к связыванию таблиц. Например, если в отношении СТУДЕНТ надо описать вуз, в котором он обучается, то, на первый взгляд, можно было бы включить в отношение следующие поля СТУДЕНТ (ФАМИЛИЯ ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ФАКУЛЬТЕТ, КУРС, ГРУППА, НАЗВАНИЕ вуза, АДРЕС). Но при заполнении такой таблицы для каждого студента придется указывать довольно длинное наименование вуза и его адрес, что неудобно. Более того, любая незначительная ошибка во вводе этих полей приведет к нарушению непротиворечивости базы данных. Например, ошибка в адресе вуза приведет к тому, что в БД появятся два вуза с одинаковым наименованием и разными адресами. Поступают в таком случае так: в отношение СТУДЕНТ вводят поле «код вуза» (целое число) и добавляют еще одно отношение ВУЗ (код вуза, название, адрес). Тогда отношения СТУДЕНТ и ВУЗ при этом будут связаны по полю «код вуза».

СТУДЕНТ (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ФАКУЛЬТЕТ, КУРС, ГРУППА, КОД вуза)

ВУЗ (КОД вуза, НАЗВАНИЕ, АДРЕС, ТЕЛЕФОН)

При работе с такими таблицами повторяться могут только данные в поле «КОД вуза», а все необходимые сведения о вузе можно взять из отношения ВУЗ. Заметим при этом, что ввод в поле «КОД вуза» целого числа, вместо длинного названия, принесет гораздо меньше ошибок. В отношении ВУЗ поле «КОД вуза» будет первичным ключом, а в отношении СТУДЕНТ поле «КОД вуза» будет внешним ключом.

Для связи реляционных таблиц необходимо ввести в обе таблицы одинаковые по типу поля, по которым определится связь между записями обеих таблиц. Связи бывают нескольких типов «один к одному», «один ко многим», «многие ко многим». В вышеприведенном примере была установлена связь «один ко многим», т.е. одной записи в таблице ВУЗ соответствуют многие записи в таблице СТУДЕНТ.

Информационные объекты и связи.

Информационным объектом называется описание реального объекта, процесса или явления в виде совокупности его характеристик (информационных элементов), называемых реквизитами . Информационный объект определенной структуры (реквизитного состава) образует тип (класс), которому присваивают уникальное имя. Информационный объект с конкретными характеристиками называют экземпляром. Каждый экземпляр идентифицируется заданием ключевого реквизита (ключа). Одни и те же реквизиты в различных информационных объектах могут быть как ключевыми, так и описательными. Информационный объект может иметь несколько ключей.

Пример . Информационный объект СТУДЕНТ имеет реквизитный состав: номер (номер зачетной книжки - ключевой реквизит), фамилия , имя , отчество , дата рождения , код места обучения . Информационный объект ЛИЧНОЕ ДЕЛО: номер студента , домашний адрес , номер аттестата о среднем образовании , семейное положение , дети . Информационный объект МЕСТО ОБУЧЕНИЯ включает реквизитъг, код (ключевой реквизит), наименование вуза , факультет , группа . Информационный объект ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: код (ключевой реквизит), кафедра , фамилия , имя , отчество , ученая степень , ученое звание , должность .

Отношения, существующие между реальными объектами, определяются в информационных моделях как связи . Существует три вида связей: один к одному (1:1), один ко многим (1:∞) и многие ко многим (∞:∞).

Связь один к одному определяет соответствие одному экземпляру информационного объекта X не более одного экземпляра информационного объекта Y, и наоборот.

Пример . Информационные объекты СТУДЕНТ и ЛИЧНОЕ ДЕЛО будут связаны отношением один к одному. Каждый студент имеет определенные уникальные данные в личном деле.

При связи один ко многим одному экземпляру информационного объекта X может соответствовать любое количество экземпляров информационного объекта Y, но каждый экземпляр объекта Y связан не более чем с одним экземпляром объекта X.

Пример . Между информационными объектами МЕСТО ОБУЧЕНИЯ и СТУДЕНТ необходимо установить связь один ко многим. Одно и то же место обучения может многократно повторяться для различных студентов.

Связь многие ко многим предполагает соответствие одному экземпляру информационного объекта X любое количество экземпляров объекта Y, и наоборот.

Пример . Информационные объекты СТУДЕНТ и ПРЕПОДАВАТЕЛЬ имеют связь многие ко многим. Каждый студент обучается у множества преподавателей, а каждый преподаватель учит множество студентов.

В Access можно задать три вида связей между таблицами: один ко многим , многие ко многим и один к одному . Связь один ко многим является наиболее часто используемым типом связи между таблицами. Связи многие ко многим реализуется только с помощью третьей (связующей) таблицы, ключ которой состоит из, по крайней мере, двух полей, одно из которых является общим с табли­цей X, а другое - общим с таблицей Y. Связь один к одному используют не очень часто, поскольку такие данные могут быть помещены в одну таблицу. Связь с отношением один к одному используют для разделения очень широких таблиц, для отделения части таблицы по соображениям защиты, а также для сохранения сведений, относящихся к подмножеству записей в главной таблице.

Похожая информация.

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

При выборе информационных объектов необходимо ответить на ряд вопросов:

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

2. Какое имя можно присвоить каждой таблице?

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

4. Какие имена можно присвоить выбранным характеристикам?

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

Выделим связи между информационными объектами (рис.5)

В ходе этого процесса необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Какие типы связей между информационными объектами?

2. Какое имя можно присвоить каждому типу связей?

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

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

1. Какова область значений для числовых характеристик?

2. Каковы функциональные зависимости между характеристиками одного информационного объекта?

3. Какой тип отображения соответствует каждому типу связей?

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

Например:

Построение концептуальной модели

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

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

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

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

Тип сущности - ученик

Экземпляр сущности - Иванов, Петров, Сидоров и др.

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

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

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

Логическое проектирование

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

1. Выбор конкретной СУБД;

2. Отображение концептуальной схемы на логическую схему;

3. Выбор языка манипулирования данными.

Выбор конкретной СУБД

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

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

· Независимость логической структуры от физического и пользовательского представления.

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

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

База данных как информационная модель предметной области

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

База данных представляет собой информационную модель предметной области.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.1. Информационная модель согласно объектному анализу

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

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

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

Связи между объектами.

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

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

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

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

Руководит

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

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

Состоит из

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

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

Изучает(ся)

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

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

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

‣‣‣ идентификатор связи;

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

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

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

Z

В

А

а) . . .

Z

B

б)

C

R

в)

A1

A2 A@A@

A3

A4

B1

B4

B5

B6

B7

B8

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

2. 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ “ОБЪЕКТ - СВОЙСТВО - ОТНОШЕНИЕ”

Для описания ИЛМ используются как языки аналитического (описательного) типа, так и графические средства в дальнейшем применяется графический способ отображения модели “объект-свойство-отношение”. В предметной области в процессе ее обследования и анализа выделяют классы объектов. Классом объектов называют совокупность объектов, обладающих одинаковым набором свойств. Например, если в качестве предметной области рассмотреть вуз, то в ней можно выделить следующие классы объектов: учащиеся, преподаватели, аудитории и т. д. Объекты могут быть реальными, как названные выше, а могут быть и абстрактными, как, например, предметы, которые изучают студенты.

При отражении в информационной системе каждый объект представляется своим идентификатором, который отличает один объект класса от другого, а каждый класс объектов представляется именем этого класса. Так, для объектов класса “ИЗУЧАЕМЫЕ ПРЕДМЕТЫ” идентификатором каждого объекта будет “НАЗВАНИЕ ПРЕДМЕТА”. Идентификатор должен быть уникальным.

Каждый объект обладает определенным набором свойств. Для объектов одного класса набор этих свойств одинаков, а их значения, естественно, могут различаться. Например, для объектов класса “СТУДЕНТ” таким набором свойств, описывающим объекты класса, может быть “ГОД РОЖДЕНИЯ”, “ПОЛ” и др.

При описании предметной области надо изобразить каждый из существующих классов объектов и набор свойств, фиксируемый для объектов данного класса.

Будем использовать для отображения объектов и их свойств следующие обозначения (рис. 2. 3).

Свойство

Рис. 2.3 Обозначение объектов и их свойств

Каждому классу объектов в инфологической модели присваивается уникальное имя.

При построении инфологической модели желательно дать словесную интерпретацию каждой сущности, особенно если возможно неоднозначное толкование понятия.

Рис. 2.4 Изображение связи «объект - свойство»

При описании предметной области надо отразить связи между объектом и характеризующими его свойствами. Это изображается просто в виде линии, соединяющей обозначение объекта и его свойств.

Связь между объектом и его свойством может быть различной. Объект может обладать только одним значением какого-то свойства. Например, каждый человек может иметь только одну дату рождения. Назовем такие свойства единичными. Для других свойств возможно существование одновременно нескольких значений у одного объекта. Пусть, например, при описании “СОТРУДНИКА” фиксируется в качестве его свойства “ИНОСТРАННЫЙ ЯЗЫК”, которым он владеет. Так как сотрудник может знать несколько иностранных языков, то такое свойство будем называть множественным. При изображении связи между объектом и его свойствами для единичных свойств будем использовать одинарную стрелку, а для множественных свойств - двойную.

Кроме того, некоторые свойства являются постоянными, их значение не может измениться с течением времени. Назовем такие свойства статическими, а те свойства, значение которых может изменяться со временем, будем называть динамическими.

Другой характеристикой связи между объектом и его свойством является признак того, присутствует ли это свойство у всех объектов данного класса либо отсутствует у некоторых объектов. Например, для отдельных служащих может иметь место свойство “УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ”, а другие объекты этого класса могут не обладать, указанным свойством. Назовем такие свойства условными.

При изображении связи условного свойства с объектом будем использовать пунктирную линию, а для обозначения динамических и статических свойств будем использовать буквы D и S над соответствующей линией.

Иногда в инфологической модели бывает полезно ввести понятие “составное свойство”. Примерами таких свойств могут быть “АДРЕС”, состоящий из “ГОРОДА”, “УЛИЦЫ”, “ДОМА” и “КВАРТИРЫ”, и “ДАТА РОЖДЕНИЯ”, состоящая из “ЧИСЛА”, “МЕСЯЦА” и “ГОДА”. Используем в ИЛМ для обозначения составного свойства квадрат, из которого исходят линии, соединяющие его с обозначениями составляющих его элементов (рис. 2. 4).

В инфологической модели отображаются не отдельные экземпляры объектов, а классы объектов. Когда в ИЛМ изображено обозначение объекта, то ясно, что речь идет о классе объектов, обладающих описанными свойствами. Поэтому в инфологическую модель в большинстве случаев можно в явном виде не вводить еще и обозначение для класса объектов. Явное изображение класса объектов необходимо только в том случае, если в ПО для данного класса объектов фиксируются не только характеристики, относящиеся к отдельным объектам этого класса, но и какие-то интегральные характеристики, относящиеся ко всему классу в целом. Например, если для класса объектов “СОТРУДНИКИ ПРЕДПРИЯТИЯ” фиксируется не только возраст каждого из сотрудников, но и средний возраст всех сотрудников, то в инфологической модели необходимо отразить не только объект “СОТРУДНИК”, но и класс объектов “СОТРУДНИКИ”. Для отображения класса объектов можно использовать какое-то специфическое обозначение или такое же, которое используется для объектов (рис. 2. 5).

Рис. 2.5 Изображение класса объектов и интегральных характеристик класса.

Кроме связи между объектом и его свойствами, в инфологической модели фиксируются связи между объектами разных классов. Различают связи типа «один к одному» (1: 1), «один ко многим» (1: М), «многие к многим» (М: М). Иногда эти типы связей называются степенью связи.

Кроме степени связи в инфологической модели для характеристики связи между разными сущностями надо указывать так называемый “класс принадлежности”, который показывает, может ли отсутствовать связь объекта данного класса с каким-либо объектом другого класса. Класс принадлежности сущности должен быть либо обязательным, либо необязательным.

Объясним сказанное на конкретных примерах. Как указывалось выше, инфологическая модель строится не для отдельного объекта, а отображает классы объектов и связи между ними. Соответствующая диаграмма, отображающая это, называется диаграммой ER-типа (такое название обусловлено тем, что по-английски слово “сущность” пишется “Entity ”, а связь-“Relationship ”). Однако иногда, кроме диаграмм ER-типа, используются диаграммы ER-экземпляров.

Предположим, что в инфологической модели отображается связь между двумя классами объектов: “СОТРУДНИК” и “ЯЗЫК ИНОСТРАННЫЙ”.

Предположим, что предметной областью является завод, некоторые сотрудники которого знают иностранный язык, но ни один из них не владеет более чем одним языком. Естественно, что имеется много языков, которыми не владеет ни один из сотрудников, а также что некоторые из сотрудников владеют одним и тем же иностранным языком (рис. 2. 6).

с1. .я1

с2. .я2

с3. .я3

с4. .я4

с5. .я5

с6. .я6

с7. .я7

Рис. 2.6 Диаграмма ER - экземпляров

В этом случае диаграмма ER-экземпляров будет иметь вид, изображенный на рис. 2. 6, а диаграмма ER-типов-как на рис. 2. 7.

Рис. 2. 7. Диаграмма E - R типов

Предположим далее, что предметной областью является институт, а объект “ЛИЧНОСТЬ” отображает абитуриентов, поступающих в этот институт. Каждый из абитуриентов обязательно должен владеть каким-либо иностранным языком, но никто ни владеет более чем одним языком (рис. 2. 8). В этом случае диаграмма ER-экземпляров будет иметь вид, изображенный на рис. 2. 8, а диаграмма ER-типов-как на рис. 2. 9.

Личность Язык

л1 я1

л2 я2

л3 я3

л4 я4

л5 я5

л6 я6

л7 я7

Как в первом, так и во втором рассмотренном случае между, сущностями наблюдается отношение М: 1. На диаграмме это отображено со стороны объекта “ЛИЧНОСТЬ” двойной стрелкой, а со стороны объекта “ЯЗЫК ИНОСТРАННЫЙ” - одинарной стрелкой на линии, изображающей связь между данными сущностями.

Разница в рассматриваемых ситуациях заключается в том, что в первом случае класс принадлежности является необязательным для обоих сущностей, а во втором-для сущности “ЛИЧНОСТЬ” класс принадлежности является обязательным. На диаграмме (рис. 2. 9) это отображено точкой в прямоугольнике, соответствующем объекту “ЛИЧНОСТЬ”.

Пусть предметная область будет та же, что и в предыдущем случае, но имеют место ситуации, что некоторые абитуриенты знают несколько иностранных языков. В этом случае связь между объектами будет иметь тип М: М.

Для такой предметной области диаграмма ER-экземпляров будет иметь вид, изображенный на рис. 2. 10, а диаграмма ER-типов-как на рис. 2. 11.

Личность Язык

л1 я1

л2 я2

л3 я3

л4 я4

л5 я5

л6 я6

л7 я7

Предположим, что предметной областью является некоторый лингвистический институт, в котором каждый и: сотрудников обязательно знает несколько иностранных языков, и по каждому из известных науке языков в этом институте имеется хотя бы один специалист, владеющий им.

В этом случае связь между объектами будет М: М, и класс принадлежности обоих сущностей является обязательным.

(Пример можно было бы привести, но суть ясна).

Выше мы рассматривали объекты, не вникая в их сложность. На самом деле различают несколько разновидностей объектов.

Прежде всего это простые и сложные объекты. Объект называется простым, если он рассматривается как неделимый. Сложный объект представляет собой объединение других объектов, простых или сложных, также отображаемых в информационной системе. Понятие “простой” и “сложный” объект является относительным. В одном рассмотрении объект может считаться простым, а в другом этот же объект может рассматриваться как сложный. Например, объект “стул” в подсистеме учета материальных ценностей будет рассматриваться как простой объект, а для предприятия, производящего стулья, это будет составной объект (включающий “ножки”, “спинку”, “сиденье” и пр.).

Выделяют несколько разновидностей сложных объектов: составные объекты, обобщенные объекты и агрегированные объекты.

Составной объект соответствует отображению отношения “целое-часть”. Примерами составных объектов являются УЗЛЫ- ДЕТАЛИ, КЛАСС-УЧЕНИКИ и т. п.

Для отображения составных объектов в инфологической модели обычно не используются какие-либо специальные условные обозначения. Связь между составным и составляющими его объектами отображается так же, как это было описано выше. Причем характер связи тоже может быть разный: так, “ДЕТАЛИ” и “УЗЛЫ” связаны между собой отношением типа М: М, а “ГРУППА” и “СТУДЕНТЫ”-отношением 1: М.

Обобщенный объект отражает наличие связи “род-вид” между объектами предметной области. Например, объекты СТУДЕНТ, ШКОЛЬНИК, АСПИРАНТ, УЧАЩИЙСЯ ТЕХНИКУМА образуют обобщенный объект УЧАЩИЕСЯ. Объекты, составляющие обобщенный объект, называются его категориями.

Как “родовой” объект, так и “видовые” объекты могут обладать определенным набором свойств. Причем наблюдается так называемое наследование свойств, т. е. “видовой” объект обладает всеми теми свойствами, которыми обладает “родовой” объект, плюс свойствами, присущими только объектам этого вида.

Определение родо - видовых связей означает классификацию объектов предметной области по тем или иным признакам. Подклассы могут выделяться в инфологической модели в явном и неявном виде. В первом случае при графическом изображении вводится специальное обозначение для подкласса. На рис. 2. 14 изображен фрагмент инфологической модели, отражающий обобщенный объект “ЛИЧНОСТЬ” для высшего учебного заведения. Для него выделено несколько категорий: ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, СТУДЕНТ, АСПИРАНТ. Для обозначения подкласса в схеме использовался треугольник.

Естественно, что классификация может быть многоуровневой. Так, в рассматриваемом примере обобщенный объект “ЛИЧНОСТЬ” может быть разбит на два подкласса: СОТРУДНИК и УЧАЩИЙСЯ. СОТРУДНИКИ, в свою очередь, могут быть классифицированы на ПРОФЕССОРСКО-ПРЕПОДАВАТЕЛЬСКИИ СОСТАВ, АДМИНИСТРАЦИЯ и т. д.

Личность

Рис. 2.14 Изображение обобщенного объекта

Выделенные в предметной области классы объектов могут быть как пересекающимися, так и непересекающимися. Для отображения этих сведений в инфологической модели можно использовать граф пересечений, вершины которого соответствуют классам (подклассам) объектов, а ребра связывают пару вершин лишь в том случае, если соответствующие классы объектов являются пересекающимися. Для отображения степени пересечения можно воспользоваться взвешенным графом. При этом вес вершины будет обозначать мощность соответствующего множества объектов, а вес ребра - мощность множества, являющегося пересечением множеств, связанных этим ребром (рис. 2.15).

Рис. 2.15 Граф пересечений

Граф пересечений содержит дополнительную информацию о предметной области и не относится к классу ER-моделей.

Агрегированные объекты соответствуют обычно какому-либо процессу, в который оказываются “вовлеченными” другие объекты. Например, агрегированный объект “ПОСТАВКА” объединяет в себе объекты “ПОСТАВЩИК”, который поставляет продукцию, “ПОТРЕБИТЕЛЬ”, который получает эту продукцию, а также саму поставляемую “ПРОДУКЦИЮ”. Своеобразным объектом является “ДАТА ПОСТАВКИ”. Агрегированный объект может, так же как и простой объект, иметь характеризующие его свойства. В рассматриваемом примере таким свойством может быть размер поставки.

Агрегированные объекты обычно называются отглагольными существительными (например, поставлять-поставка, выпускать- выпуск, продавать-продажа и т. д.).

Рис. 2.16 Изображение агрегированного объекта

Для отображения агрегированного объекта в инфологической модели будем использовать следующие условные обозначения:

сам агрегированный объект будем изображать ромбом, рядом с которым указывается имя соответствующего объекта. Этот ромб необходимо связать с условными обозначениями тех объектов, которые образуют этот агрегированный объект. Свойства агрегированного объекта изображаются так же, как и для простого объекта. На рис. 2.16 изображен агрегированный объект “ПОСТАВКА ПРОДУКЦИИ”.