Проектирование базы данных. 2

База данных (БД)– это совокупность специальным образом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и отражающих состояние и взаимодействие объектов в определенной предметной области.

Система управления базами данных (СУБД) – комплекс языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и использования базы данных многими пользователями.

Проектирование базы данных – это процесс разработки структуры (схемы) базы данных (БД) в соответствии требованиями пользователей.

Основные требования при проектировании БД:

1. Удовлетворение информационных потребностей различных категорий пользователей за ограниченный промежуток времени, в определенном месте и в определенном виде.
2. Обеспечение достоверности данных в базе, исключение дублирования информации.
3. Обеспечение надежности функционирования системы БД, а также восстановление данных за приемлемое время в случае ее отказа.
4. Установка защиты БД от несанкционированного доступа.
5. Возможность проведения гибкой и нетрудоемкой модификации при изменении требований предметной области, программных и технических средств.

Основные  этапы проектирования баз данных:

1. Концептуальное (инфологическое) проектирование.
2. Логическое (даталогическое) проектирование.
3. Физическое проектирование.

Первый этап процесса проектирования базы данных называется концептуальным проектированием базы данных.

Автоматизированные информационные системы (АИС) являются областью информатизации, механизмом и технологией, эффективным средством обработки, хранения, поиска и представления информации потребителю.

Концептуальное  проектирование - сбор, анализ и редактирование требований к данным.

Концептуальное проектирование базы данных АИС является в значительной степени эвристическим процессом, и адекватность построенной в его рамках инфологической схемы предметной области проверяется в большинстве случаев эмпирически по анализу и проверке удовлетворения информационных потребностей пользователей для решения задач АИС.

Цель проектирования: построение независимой от СУБД информационной структуры путем объединения информационных требований пользователей.

В процедуре концептуального проектирования можно выделить следующие этапы:

• обзор и изучение области использования АИС для формирования общего представления о предметной области;

• формирование и анализ круга функций и задач АИС;

• определение основных объектов-сущностей  предметной области и отношений  между ними;

• формализованное описание предметной области.

Обзор и изучение области  использования АИС для формирования общего представления о предметной области осуществляется разработчиком в непосредственном взаимодействии с заказчиком. Разработчиком при этом изучается также и необходимая организационно-распорядительная документация — положения, уставы, инструкции, функциональные обязанности и т.п. На этой основе определяются основные процессы, участники и информационные потоки в предметной области АИС. Принципиальным моментом для фактографических АИС является фрагментирование предметной области, т. к. ее разделение на организационные, технологические, функциональные или иные фрагменты. При этом формализатору необходимо прояснить ряд вопросов и решить следующие задачи:

• выделить перечень фрагментов (лица, принимающие решения на различных  уровнях организационной иерархии, функционально-технологические структуры, подразделения и т. п.), подлежащих охвату, т. е. информационному отражению в АИС;

• определить информационные потребности и информационные результаты деятельности каждого фрагмента (какая  информация, в каком виде, в какие  сроки и т. п.);

• определить общие характеристики и содержание процессов потребления  и обработки информации в каждом фрагменте (содержание информации, технология ее обработки, передачи, использования  и т.д.).

Ответы на эти вопросы помогут  сформировать представление о  существующей («как есть») технологии формирования, накопления, обработки и использования информации в рамках предметной области АИС и проанализировать совместно с заказчиком «узкие места» и недостатки в существующей технологии.

Проиллюстрируем данный этап проектирования на примере создания базы данных фактографической АИС по учету, контролю, исполнению и прохождению организационно-распорядительных и информационно-справочных документов. Общее знакомство с предметной областью можно получить в беседе с руководителем и работниками службы документационного обеспечения управления (СлДОУ — секретариат, делопроизводство, канцелярия и т. п.) о системе и порядке документооборота в организации. Дополнительно целесообразно также ознакомиться с регламентирующими данный участок работы нормативными документами.

В результате такого знакомства можно  выделить следующие фрагменты предметной области:

• руководители организации; подразделения  организации; их руководители; сотрудники, исполняющие документы; мероприятия; документы, обработка которых или подготовка которых реализует управленческие решения и мероприятия;

• служба документационного  обеспечения управления; его руководители и работники, ведущие регистрацию, учет, обработку и хранение документов.

Информационные потребности первого фрагмента сводятся к своевременному получению и рассмотрению входящих документов, своевременному получению проектов готовящихся документов для согласования и визирования или принятых внутренних документов для исполнения или использования при организации и проведении различных мероприятий. Кроме того, для первого фрагмента важным является также и получение справочной информации по каким-либо конкретным документам, хранящимся в СлДОУ, поиск нужных документов по реквизитам, тематике, содержанию и т. п.

Информационные  потребности второго фрагмента  в целом можно охарактеризовать необходимостью организации и контроля всех этапов документооборота в организации (где в данный момент находится  конкретный документ, кем завизирован, подписан, утвержден, зарегистрирован, поставлен ли на контроль, исполнен ли, в какое дело приобщен и т. д.).

Характеристики  и процессы по документообороту кратко можно выразить следующим образом. Инициирование, подготовка и реализация большинства управленческих решений  на различных уровнях организационной иерархии осуществляются на основе использования (руководства), подготовки, принятия и исполнения организационно-распорядительных и информационно-справочных документов. Входящие документы докладываются на решение руководителям организации, которые через резолюции на документах организуют принятие и исполнение необходимых мероприятий. Резолюции на документах доводятся СлДОУ до исполнителей (руководителей) подразделений. Исполнение мероприятия по документу ставится СлДОУ на контроль. Документ после исполнения по решению руководителя может быть уничтожен или приобщен к определенному номенклатурному делу. Внутренние организационно-распорядительные документы (приказы, решения, планы, графики) готовятся в плановом или в инициативном порядке исполнителями из соответствующих подразделений. При этом документ проходит стадию проекта, согласования, утверждения, доведения до исполнителей и исполнения. Для подготовки, принятия и исполнения организационно-распорядительных документов и при проведении различных мероприятий может потребоваться подготовка необходимых информационно-справочных документов (справок, протоколов, отчетов, писем, запросов и т. п.), стадии которых в общем плане могут исключать некоторые стадии организационно-распорядительных документов.

После формирования общего представления  о предметной области производится определение круга функций и задач, решение которых предполагается обеспечивать с помощью АИС. Круг функций и задач АИС определяется на основе декомпозиции основной цели создания АИС так называемого «лозунга») путем формирования последовательно детализируемых способов их решения с учетом существующей технологии накопления и обработки информации и преодоления ее узких мест с помощью АИС. При этом определяется предварительный перечень пользователей системы и уточняются их информационные потребности.

В рассмотренном примере с АИС  по делопроизводству, очевидно, основной целью (лозунгом) является повышение  эффективности управленческих процессов  в организации. Решение этой задачи может быть достигнуто через повышение эффективности документооборота путем уменьшения сроков подготовки и прохождения документов, улучшение контроля за исполнением документов, создание эффективной информационно-справочной поддержки для подготовки исполнителями проектов служебных документов. Пользователями АИС, очевидно, должны являться работники СлДОУ, руководители и исполнители документов в подразделениях.

Главным итоговым результатом концептуального  проектирования является определение основных объектов-сущностей предметной области и отношений между ними. В большинстве случаев организационные, технологические и прочие отношения предметной области имеют документальное выражение различного рода организационно-распорядительных, информационно-справочных и других нормативно-служебных документах. Поэтому выделение основных информационных объектов-сущностей предметной области начинается с анализа таких документов и регламентации (положения, инструкции, бланки, формализованные карточки и отчеты, формы, журналы и т. п.).

Анализ «бумажной» документации позволяет сформировать перечень атрибутов, характеризующих те или иные объекты-сущности и отношения предметной области. При этом в одном нормативном или служебном документе могут быть отражены атрибуты различных объектов сущностей и отношений. Поэтому можно выделить два подхода формирования перечня сущностных объектов предметной области и их атрибутов — дедуктивный и индуктивный.

В первом подходе на основе формирования общего представления о предметной области АИС, функций АИС, а также информационных потребностей основных абонентов-пользователей выделяются основные понятия и категории, которыми оперируют (которыми выражаются) фрагменты предметной области. Данные понятия и категории принимаются за первоначальную основу списка объектов-сущностей предметной области. Далее на основе анализа служебной и технологической документации, а также дополнительного взаимодействия с заказчиком формируются атрибуты, характеризующие выделенные объекты-сущности.

При определении перечня атрибутов  каждого объекта предметной области, как и самого перечня объектов сущностей, руководствуются соображениями минимальной достаточности, соблюдая знаменитый принцип «бритвы Оккама» известного английского философа Уильяма Оккама (1285-1349), в кратком виде принцип гласит: «Не следует множить сущее без необходимости». Иначе говоря, и перечень самих объектов-сущностей и набор их атрибутов должен быть достаточным для решения всех частных задач системы и удовлетворять информационным потребностям абонентов-пользователей системы, но он также не должен быть избыточным, чтобы минимизировать расходы по накоплению информации и эксплуатации АИС.

Во втором подходе на основе анализа служебной и технологической документации выделяются все необходимые для решения частных задач АИС сведения, их характеристики и параметры, и на этой основе формируется общий перечень атрибутов предметной области. Далее на основе эвристического анализа производится агрегация (группирование) атрибутов в отдельные группы, образующие объекты-сущности предметной области.

Часть атрибутов и понятий предметной области выражают процессы-отношения между объектами-сущностями. Такие атрибуты выделяются, и анализируются параметры и характер связей, которые они выражают — структурность, направленность, множественность, обязательность наличия для экземпляров объектов.

Чаще всего выделение объектов-сущностей, их атрибутов и отношений-связей осуществляется комбинированным способом на итерационной основе, с многократным уточнением исходного списка объектов, агрегацией атрибутов в группы и т. д. Распространенным приемом в этом случае является «обобщение» некоторых понятий и атрибутов. Суть обобщения заключается в объединении в одну сущность близких или однотипных понятий, категорий, атрибутов на основе анализа их частных проявлений и вариантов. К примеру, совокупность понятий «холодильник», «стиральная машина», «телевизор», «пылесос» и т. п. обобщается сущностью «Бытовые электроприборы» с атрибутом «Тип», имеющим соответствующий список значений.

В примере с АИС по делопроизводству на основе предварительного формирования общего представления о предметной области, а также дополнительного изучения документации СлДОУ (структура журналов регистрации и учета документов, порядок ведения номенклатурных дел и т. д.) можно выделить следующие понятия и категории — документ, реквизиты, исполнитель, подготовка, согласование, руководитель, утверждение, подписание, регистрация, доклад документа, резолюция, мероприятия, подразделения, доведение до исполнителей, исполнение документа, контроль исполнения, хранение, уничтожение, выдача, дело в производстве, архивное дело. Часть этих понятий и категорий прямо выражают объекты-сущности (документ), часть выражает атрибуты сущностей (реквизиты документа). Часть понятий (исполнитель, руководитель) можно обобщить одной сущностью (сотрудник). Часть понятий (исполнение, согласование, подписание, утверждение) выражает отношения между сущностями (между документом и сотрудником).

В итоге перечень объектов сущностей  предметной области АИС делопроизводства и их атрибутов может быть следующим:

• Документ (Peг. №, Дата, Название вида, Заголовок к тексту, Гриф, Текст);

• Сотрудник (Таб. №, ФИО, Подразделение, Должность, Кабинет, Телефон);

• Подразделение (№, Наименование);

• Мероприятие (Наименование, Дата начала, Дата окончания, Завершенность);

• Дело (№№, Наименование, Дата начала, Дата окончания, Гриф).

Отношения, которыми охвачены объекты-сущности, можно отобразить следующей таблицей:

Отношения объектов-сущностей  предметной области АИС по делопроизводству

Формализованное описание концептуальной схемы банка данных осуществляется средствами одной из семантических моделей данных. Семантические модели данных возникли в противовес ограниченности средств и способов выражения смысловой организации связей между таблицами-сущностями в реляционной модели данных. При этом в большинстве случаев семантические модели применяются на стадии концептуального проектирования с последующим преобразованием концептуальной схемы банка данных в структуру соответствующей реляционной базы данных. В этом смысле разработку концептуальной схемы банка данных называют семантическим моделированием данных.

Наиболее популярными являются разновидности ER-модели, использующие для графического представления структуры данных аппарат диаграмм Бахмана. Формализованное описание ER-модели было предложено в 1976 году Петером Пин-Шен Ченом, американским профессором компьютерных наук. Основными компонентами структурной составляющей семантической модели Чена являются сущности, наборы сущностей, атрибуты сущностей, наборы значений атрибутов, ключевые атрибуты сущностей, связи, виды связей, атрибуты связей, наборы связей, ключевые атрибуты связей.

Оригинальные предложения П. Чена по графическому обозначению в диаграммах Бахмана сущностей и связей претерпели изменения, и далее мы будем придерживаться современных вариантов графического изображения концептуальных схем, а именно — объекты-сущности изображать прямоугольниками, при необходимости вставляя в них перечень их атрибутов, связи типа «Один-ко-многим» будем обозначать линиями с парой символов (1 Ґ) на концах соответствующих объектов, связи типа «Многие-ко-многим» линиями с парой символов (Ґ Ґ) и связи типа «Один-к-одному» линиями с парой символов (1 1). Обязательный характер связи будем обозначать черным квадратиком на конце соответствующей связи, необязательный характер — пустым квадратиком.

В качестве примера  приведена концептуальная схема базы данных АИС по делопроизводству.

Пример концептуальной схемы базы данных АИС по делопроизводству

Формализованное описание концептуальной схемы базы данных в большинстве случаев осуществляется на бумаге и служит основой эскизного проекта создания базы данных информационной системы. Следующим шагом в проектировании является построение средствами СУБД схемы базы данных, которое в большинстве случаев производится «вручную». Иначе говоря, средствами СУБД, поддерживающей ту или иную модель данных, скажем реляционную, создается структура база данных, соответствующая концептуальной схеме. При этом при переходе от концептуального к схемно-структурному проектированию может иметься разрыв в семантических средствах выражения сущностей, атрибутов, связей и т. д. Адекватность реализации концептуальной схемы базы данных определяется, как уже отмечалось, эвристически и эмпирически в ходе отладки и дальнейшей эксплуатации базы данных.

Литература

1. http://alcor-spb.com/auto_t3r3part9.html
2. http://ru.wikipedia.org
3. И.Г.Семакин, Е.К.Хеннер. Учебник для 10-11 классов. – М.: БИНОМ. Лабораторий знаний, 2010.