Инфологическое моделирование предметной области

Уточнение понятия инфологической модели. В базе данных отображается какая-то часть реального мира. Естественно, что полнота ее описания будет зависеть от целей создаваемой информационной системы.

Для того чтобы база данных адекватно отражала предметную область, проектировщик базы данных должен хорошо представлять себе все нюансы, присущие данной предметной области (ПО), и уметь отобразить их в базе данных. Поэтому, прежде чем начинать проектирование базы данных, необходимо как следует разобраться, как функционирует предметная область, для отображения которой бы создаете БД. Предметная область должна быть предварительно описана. Для этого в принципе может использоваться и естественный язык, но его применение имеет много недостатков, основными из них являются громоздкость описания и неоднозначность его трактовки. Поэтому обычно для этих целей используют искусственные формализованные языковые средства. В связи с этим под инфологической моделью (ИЛМ) понимают описание предметной области, выполненное с использованием специальных языковых средств, не зависящих от используемых в дальнейшем программных средств.

Инфологическая модель должна строиться вне зависимости от того, будете ли вы в дальнейшем использовать какую-либо СУБД или пользоваться другими программными средствами для реализации своей информационной системы.

Требования, предъявляемые к инфологической модели. Основным требованием к ИЛМ, вытекающим из ее назначения, является требование адекватного отображения предметной области. В связи с этим язык для представления ИЛМ должен обладать достаточными выразительными возможностями для отображения явлений, имеющих место в предметной области. ИЛМ должна быть непротиворечивой. Она является единым интегрированным описанием предметной области и отражает взгляды и потребности всех пользователей системы. Не должна допускаться неоднозначная трактовка модели.

Несмотря на то, что реальный мир, отображаемый в ИЛМ, является по своей природе бесконечным, инфологическая модель является конечной, что обеспечивается четким ограничением предметной области. Тем не менее в ИЛМ по разным причинам часто приходится вводить новые объекты. ИЛМ должна в связи с этим обладать свойством легкой расширяемости, обеспечивающим ввод новых данных без изменения ранее определенных. То же самое можно сказать и об удалении данных. В связи с большой размерностью реальных инфологических моделей должна обеспечиваться возможность композиции и декомпозиции модели.

Желательно, чтобы язык спецификации ИЛМ был одинаково применим как при ручном, так и при автоматизированном проектировании информационных систем. Последнее предъявляет дополнительные требования к нему, а именно он должен:

• быть вычисляемым, т. е. восприниматься и обрабатываться ЭВМ;

• использовать «дружелюбные» пользователю интерфейсы, в частности графические;

• быть не зависимым от оборудования и других ресурсов, которые подвержены частым изменениям;

• использовать средства тестирования ИЛМ, а также иметь аппарат для указания того, что спецификация завершена и по ней может быть выполнена генерация структур баз данных.

При автоматизированном проектировании все изменения, внесенные в ИЛМ, должны быть автоматически отражены в связанных с модифицируемым элементом компонентах банка данных.

Инфологическая модель должна легко восприниматься разными категориями пользователей. Желательно, чтобы ИЛМ строил специалист, работающий в этой предметной области, а не проектировщик систем машинной обработки данных. Если в силу определенных причин это невозможно обеспечить, то необходимо, чтобы первые могли хотя бы проверить сделанное описание, чтобы убедиться, что специфика предметной области воспринята правильно. Инфологическая модель должна также легко н однозначно восприниматься всеми специалистами, которые в дальнейшем участвуют в процессе проектирования баз данных и программного обеспечения.

Инфологическая модель является средством коммуникации разнообразных коллективов как конечных пользователей, так и разработчиков. Кроме того, она является ядром системы проектирования. ИЛМ содержит необходимую и достаточную информацию для дальнейшего проектирования автоматизированной системы обработки информации. Информация из ИЛМ корреспондирует со словарной системой и другими компонентами банка данных.

Компоненты мифологической модели. Инфологическая модель предметной области включает в себя ряд компонентов (рис. 2.1). Центральной компонентой инфологической модели является описание объектов предметной области и связей между ними (ER-модель). Эти вопросы будут подробно рассмотрены ниже в п. 2.2.

Описание предметной области всегда представлено в какой-то знаковой системе. Поэтому кроме отношений, присущих предметной области, возникают еще и отношения, обусловленные особенностями отображения ПО в языковой среде. Поэтому при построении ИЛМ должны учитываться такие лингвистические категории, как синонимия, омонимия, изоморфизм и др.

Кроме того, в инфологической модели должны быть отражены и алгоритмические зависимости между показателями. Обычно для этих целей используются графы взаимосвязи показателей, отражающие, какие показатели служат исходными для вычисления других (рис. 2.2.).

Расчетные формулы, а также алгоритмы вычислений также в каком-то виде должны быть представлены в ИЛМ.

Следующим компонентом инфологической модели является описание информационных потребностей пользователей. Для этих целей используются специальные языковые средства. Они должны отражать тип запроса, объемно-частотные характеристики, режим использования данных и т. п.

Важной характеристикой предметной области являются так называемые ограничения целостности.

Модель "сущность-связь"

Моделирование структуры базы данных при помощи алгоритма нормализации имеет серьезные недостатки:

Первоначальное размещение всех атрибутов в одном отношении является очень неестественной операцией. Интуитивно разработчик сразу проектирует несколько отношений в соответствии с обнаруженными сущностями. Даже если совершить насилие над собой и создать одно или несколько отношений, включив в них все предполагаемые атрибуты, то совершенно неясен смысл полученного отношения.

Невозможно сразу определить полный список атрибутов. Пользователи имеют привычку называть разными именами одни и те же вещи или наоборот, называть одними именами разные вещи.

Для проведения процедуры нормализации необходимо выделить зависимости атрибутов, что тоже очень нелегко, т.к. необходимо явно выписать все зависимости, даже те, которые являются очевидными.

В реальном проектировании структуры базы данных применяются другой 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.

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

Дата добавления: 2014-01-11