Курсовая работа: Проектирование базы данных
Курсовая работа: Проектирование базы данных
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1 Теоретические положения
1.1 Основные понятия БД и СУБД
1.2 Инфологическая модель данных "Сущность-связь"
1.2.1 Основные понятия
1.2.2 Типы связей между сущностями
1.2.3 Классификация сущностей их обозначения (описания)
1.3 Реляционная модель данных
1.4 Нормальные формы отношений
2 Этапы проектирования БД
2.1 Советы и рекомендации
3 Задания к выполнению курсовой работы
3.1 Перечень заданий
3.2 Варианты заданий
4 Рекомендации по оформлению курсовой работы
ВВЕДЕНИЕ
Современные информационные системы, основанные на концепции банков данных и баз знаний, характеризуются большими объемами хранимой информации, их сложной организацией, необходимостью удовлетворять разнообразные требования пользователей. Важным компонентом этой концепции является единая методология проектирования баз данных. Базы данных, являясь информационной моделью непрерывно меняющегося реального мира, также должны меняться, чтобы адекватно отображать действительность. Поэтому для сопровождения и эксплуатации информационных систем требуется постоянное использование процедур проектирования баз данных.
Методология проектирования автоматизированных банков данных может рассматриваться как совокупность методов и средств, последовательное применение которых обеспечивает разработку проекта баз данных, удовлетворяющего заданным целям. Рассматриваемая методология позволяет пользователю лучше понять, как следует специфицировать требования к данным.
Следуя этой методологии, проектировщик может выполнять более глубокий и содержательный анализ требований к данным, осуществлять контроль и управление кодом проектирования.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью курсовой работы является изучение основ проектирования баз данных в организационно-управленческих приложениях. В процессе изучения дисциплины и выполнения курсовой работы студенты должны усвоить теоретические основы организации баз данных, включая принципы построения на концептуальном, логическом и физическом уровнях, научиться ставить и решать практические задачи проектирования и эксплуатации баз данных.
1 Теоретические положения
1.1 Основные понятия БД и СУБД
Взаимосвязанные данные, которые позволяют описать ту или иную реальную систему, называются информационной системой. Каждая информационная система ориентирована на конкретную предметную область, которую она описывает.
Существует понятие объекта предметной области. Каждый объект предметной области характеризуется конечным набором атрибутов (элементов данных, реквизитов). Количество и форма представления атрибутов определяется пользователем будущей БД. Любой элемент данных характеризуется:
- именем;
- формой представления (алфавитная, алфавитно-цифровая, дата);
- длиной, т.е. количеством символов, выделяемых для конкретных данных.
Среди элементов, характеризующих объект предметной области, присутствуют ключевые элементы данных (ключи).
К ключевым элементам данных относятся такие элементы данных, по значениям которых можно идентифицировать значения остальных элементов данных. На практике часто встречаются такие ситуации, когда в качестве ключа выступает не один, а несколько элементов данных совместно.
Совокупность значений элементов данных, связанных определенным порядком, называется записью.
Упорядоченная совокупность элементов множества называется картежом.
Упорядоченная совокупность записей называется файлом данных.
База данных представляет собой совокупность связанных данных в конкретной предметной области и различного назначения.
Программное обеспечение, аппаратные средства, программируемая логика и процедуры, осуществляющие управление базами данных, называются системой управления базами данных (СУБД).
Структурой БД является СУБД, ориентированное описание данных или схема, обычно выраженная в терминах языка описания данных.
1.2 Инфологическая модель данных "Сущность-связь"
1.2.1 Основные понятия
Цель инфологического моделирования – обеспечение наиболее естественных для человека способов сбора и представления той информации, которую предполагается хранить в создаваемой базе данных. Поэтому инфологическую модель данных пытаются строить по аналогии с естественным языком (последний не может быть использован в чистом виде из-за сложности компьютерной обработки текстов и неоднозначности любого естественного языка). Основными конструктивными элементами инфологических моделей являются сущности, связи между ними и их свойства (атрибуты).
Сущность – любой различимый объект (объект, который мы можем отличить от другого), информацию о котором необходимо хранить в базе данных. Сущностями могут быть люди, места, самолеты, рейсы, вкус, цвет и т.д. Необходимо различать такие понятия, как тип сущности и экземпляр сущности. Понятие тип сущности относится к набору однородных личностей, предметов, событий или идей, выступающих как целое. Экземпляр сущности относится к конкретной вещи в наборе. Например, типом сущности может быть ГОРОД, а экземпляром – Москва, Киев и т.д.
Атрибут – поименованная характеристика сущности. Его наименование должно быть уникальным для конкретного типа сущности, но может быть одинаковым для различного типа сущностей (например, ЦВЕТ может быть определен для многих сущностей: СОБАКА, АВТОМОБИЛЬ, ДЫМ и т.д.). Атрибуты используются для определения того, какая информация должна быть собрана о сущности. Примерами атрибутов для сущности АВТОМОБИЛЬ являются ТИП, МАРКА, НОМЕРНОЙ ЗНАК, ЦВЕТ и т.д. Здесь также существует различие между типом и экземпляром. Тип атрибута ЦВЕТ имеет много экземпляров или значений: Красный, Синий, Банановый, Белая ночь и т.д., однако каждому экземпляру сущности присваивается только одно значение атрибута.
Абсолютное различие между типами сущностей и атрибутами отсутствует. Атрибут является таковым только в связи с типом сущности. В другом контексте атрибут может выступать как самостоятельная сущность. Например, для автомобильного завода цвет – это только атрибут продукта производства, а для лакокрасочной фабрики цвет – тип сущности.
Ключ – минимальный набор атрибутов, по значениям которых можно однозначно найти требуемый экземпляр сущности. Минимальность означает, что исключение из набора любого атрибута не позволяет идентифицировать сущность по оставшимся. Для сущности Расписание ключом является атрибут Номер_рейса или набор: Пункт отправления, Время вылета и Пункт назначения (при условии, что из пункта в пункт вылетает в каждый момент времени один самолет).
Связь – ассоциирование двух или более сущностей. Если бы назначением базы данных было только хранение отдельных, не связанных между собой данных, то ее структура могла бы быть очень простой. Однако одно из основных требований к организации базы данных – это обеспечение возможности отыскания одних сущностей по значениям других, для чего необходимо установить между ними определенные связи. А так как в реальных базах данных нередко содержатся сотни или даже тысячи сущностей, то теоретически между ними может быть установлено более миллиона связей. Наличие такого множества связей и определяет сложность инфологических моделей.
1.2.2 Типы связей между сущностями
Между двумя сущностям, например, А и В возможны четыре вида связей.
Первый тип – связь ОДИН-К-ОДНОМУ (1:1): в каждый момент времени каждому представителю (экземпляру) сущности А соответствует 1 или 0 представителей сущности В:
Студент может не "заработать" стипендию, получить обычную или одну из повышенных стипендий.
Второй тип – связь ОДИН-КО-МНОГИМ (1:М): одному представителю сущности А соответствуют 0, 1 или несколько представителей сущности В.
Квартира может пустовать, в ней может жить один или несколько жильцов.
Так как между двумя сущностями возможны связи в обоих направлениях, то существует еще два типа связи МНОГИЕ-К-ОДНОМУ (М:1) и МНОГИЕ-КО-МНОГИМ (М:N).
1.2.3 Классификация сущностей их обозначения (описания)
Существует три основных класса сущностей: стержневые, ассоциативные и характеристические, а также подкласс ассоциативных сущностей – обозначения (рис.1).
Расширим также язык ER-диаграмм, введя для изображения характеристики трапецию (рис. 2.2).
Стержневая сущность (стержень) – это независимая сущность (несколько подробнее она будет определена ниже).
Ассоциативная сущность (ассоциация) – это связь вида "многие-ко-многим" ("-ко-многим" и т.д.) между двумя или более сущностями или экземплярами сущности. Ассоциации рассматриваются как полноправные сущности:
они могут участвовать в других ассоциациях и обозначениях точно так же, как стержневые сущности;
могут обладать свойствами, т.е. иметь не только набор ключевых атрибутов, необходимых для указания связей, но и любое число других атрибутов, характеризующих связь.
Характеристическая сущность (характеристика) – это связь вида "многие-к-одной" или "одна-к-одной" между двумя сущностями (частный случай ассоциации). Единственная цель характеристики в рамках рассматриваемой предметной области состоит в описании или уточнении некоторой другой сущности. Необходимость в них возникает в связи с тем, что сущности реального мира имеют иногда многозначные свойства.
Существование характеристики полностью зависит от характеризуемой сущности.
Для описания характеристики используется новое предложение ЯИМ, имеющее в общем случае вид:
ХАРАКТЕРИСТИКА (атрибут 1, атрибут 2, ...) {СПИСОК ХАРАКТЕРИЗУЕМЫХ СУЩНОСТЕЙ}.
Обозначающая сущность или обозначение это связь вида "многие-к-одной" или "одна-к-одной" между двумя сущностями и отличается от характеристики тем, что не зависит от обозначаемой сущности.
Рассмотрим пример, связанный с зачислением сотрудников в различные отделы организации.
При отсутствии жестких правил (сотрудник может одновременно зачисляться в несколько отделов или не зачисляться ни в один отдел) необходимо создать описание с ассоциацией Зачисление:
Отделы (Номер отдела, Название отдела, ...)
Служащие (Табельный номер, Фамилия, ...)
Зачисление [Отделы M, Служащие N]
(Номер отдела, Табельный номер, Дата зачисления).
Однако, при условии, что каждый из сотрудников должен быть обязательно зачислен в один из отделов, можно создать описание с обозначением Служащие:
Отделы (Номер отдела, Название отдела, ...)
Служащие (Табельный номер, Фамилия, ... , Номер отдела,
Дата зачисления)[Отделы]
В данном примере служащие имеют независимое существование (если удаляется отдел, то из этого не следует, что также должны быть удалены служащие такого отдела). Поэтому они не могут быть характеристиками отделов и названы обозначениями.
Обозначения используют для хранения повторяющихся значений больших текстовых атрибутов: "кодификаторы" изучаемых студентами дисциплин, наименований организаций и их отделов, перечней товаров и т.п.
Описание обозначения внешне отличается от описания характеристики только тем, что обозначаемые сущности заключается не в фигурные скобки, а в квадратные:
ОБОЗНАЧЕНИЕ (атрибут 1, атрибут 2, ...)[СПИСОК ОБОЗНАЧАЕМЫХ СУЩНОСТЕЙ].
Как правило, обозначения не рассматриваются как полноправные сущности, хотя это не привело бы к какой-либо ошибке.
Обозначения и характеристики не являются полностью независимыми сущностями, поскольку они предполагают наличие некоторой другой сущности, которая будет "обозначаться" или "характеризоваться". Однако они все же представляют собой частные случаи сущности и могут, конечно, иметь свойства, могут участвовать в ассоциациях, обозначениях и иметь свои собственные (более низкого уровня) характеристики. Подчеркнем также, что все экземпляры характеристики должны быть обязательно связаны с каким-либо экземпляром характеризуемой сущности. Однако допускается, чтобы некоторые экземпляры характеризуемой сущности не имели связей.
1.3 Реляционная модель данных
Основу реляционной модели составляет совокупность данных, объединенных в виде отношений (таблиц). Из теории множеств известно, что формальным аналогом любой таблицы является отношение.
Пусть имеется некоторая совокупность множеств D1, D2, … DN. Отношением R на этих множествах называется подмножество их декартового произведения, где N - это степень отношения. Картеж - это совокупность элементов множеств, причем порядок имеет существенное значение, т.к. каждый элемент множества должен принадлежать только своему домену. Запись вида R(A,B,C) называется схемой отношения и наряду с названием отношения содержит имена атрибутов. Совокупность схем отношений составляет схему реляционной БД.
Количество картежей называется мощностью отношения.
1.4 Нормальные формы отношений
Нормализация – это разбиение таблицы на две или более, обладающих лучшими свойствами при включении, изменении и удалении данных. Окончательная цель нормализации сводится к получению такого проекта базы данных, в котором каждый факт появляется лишь в одном месте, т.е. исключена избыточность информации. Это делается не столько с целью экономии памяти, сколько для исключения возможной противоречивости хранимых данных.
Таблица находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда ни одна из ее строк не содержит в любом своем поле более одного значения и ни одно из ее ключевых полей не пусто.
Таблица находится во второй нормальной форме (2НФ), если она удовлетворяет определению 1НФ и все ее поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом.
Таблица находится в третьей нормальной форме (3НФ), если она удовлетворяет определению 2НФ и не одно из ее неключевых полей не зависит функционально от любого другого неключевого поля.
Таблица находится в нормальной форме Бойса-Кодда (НФБК), если и только если любая функциональная зависимость между его полями сводится к полной функциональной зависимости от возможного ключа.
2 Этапы проектирования БД
Жизненный цикл БД представляет собой концепцию, в рамках которой рассматривается развитие БД во времени. Жизненный цикл БД делится на две фазы:
- фаза анализа и проектирования,
- фаза эксплуатации.
В течение 1-ой фазы происходит сбор требований пользователей и проектирование БД. В течение 2-ой фазы происходит машинная реализация (создание и отладка программ, проектирование входных и выходных форм и т.д.). Последовательность выполнения этапов и решения задач представлена на рис. 2:
Формулировка и анализ требований относится к первой фазе и является наиболее трудным и длительным во времени этапом процесса проектирования.
Однако он является наиболее важным, т.к. на его базе строится большинство проектных решений. Основной задачей является сбор требований, предъявляемых к содержанию и процессу обработки данных пользователями всех уровней. Анализ требований обеспечивает согласованность целей пользователей, а также согласованность их представлений об информационных потоках. На основе анализа требований устанавливаются цели организации, определяются требования к БД, вытекающие из основных задач. Эти требования документируются в форме доступной пользователям и проектировщикам БД. Для более тщательного анализа требований используется методика тестирования или анкетирования пользователя различного уровня. Результатом этого этапа является определение формата и семантики данных.
Концептуальное проектирование имеет своей целью построение независимой от СУБД информационной структуры путем объединения информационных требований пользователя. Результатом этого этапа является представление информационных требований в виде диаграмм «сущность-связь». Основу этой диаграммы представляет набор сущностей, который моделирует определенную совокупность сведений, сведенных к требованиям.
Сущность представляет собой основное содержание того явления или процесса, о котором необходимо собрать информацию (она является узловой точкой сбора данных). Необходимо различать тип сущности и экземпляр сущности. Тип сущности - это набор однородных вещей, предметов, явлений, выступающих как единое целое. Экземпляр сущности относится к конкретной вещи, т.е. когда вместо общих характеристик появляются конкретные данные.
