Концептуальная модель базы данных — диаграмма связи между объектами. Модель «Сущность-связь

Сущность -это понятие, концепт, воображаемый объект, для которого у человека может быть создан четко отделяемый образ. Сущность задает некоторый набор объектов описываемого мира, в том числе процессов или атрибутов других объектов. Важно понимать, что сущность похожа на тип, но не на экземпляр. В дальнейшем мы будем говорить о типах сущностей, хотя употребление термина "тип" применительно к сущностям не совсем корректно. На ER-диаграммах сущность представляется прямоугольником, в котором обязательно указывается имя сущности. Дополнительно можно указывать примеры экземпляров сущности (рисунок 2.1). Примеры предназначены для человека, и позволяют с самого начала как-то ограничить множество экземпляров входящих в тип сущности.

Рис. 2.1.

С каждым типом сущности можно связать предикат, проверяющий принадлежность экземпляра сущности набору сущностей. При определении типа сущности необходимо гарантировать, что экземпляры сущности различимы. Это требование аналогично требованию отсутствия записей-дубликатов или кортежей в реляционных отношениях, которые будут рассматриваться в "Реляционная модель данных" . Предикат, соответствующий сущности имеет вид: имя_сущности (список_атрибутов) . Для моделей физического уровня задают еще типы атрибутов. Таким образом, сущности в ER-моделях определяются как минимум именем и списком атрибутов. В пределах одной сущности не может быть двух экземпляров с одинаковыми значениями атрибутов.

Связь -это типовое понятие, устанавливающее правила связывания сущностей. Каждый экземпляр типа связи устанавливается между экземплярами типов сущностей. Может существовать рекурсивная связь между типом сущности и им самим (как бы его дубликатом).

Пока рассматриваем только бинарные связи, устанавливаемые между двумя типами сущностей. В нотации Чена их обозначают сплошной линией. О связях с большей арностью поговорим позднее.

Концы бинарной связи в ER-модели характеризуются:

• именем роли (имя конца связи), определяющей функцию связи по отношению к связываемой сущности;
• степенью конца связи, определяющей сколько экземпляров данного типа сущности должно присутствовать в каждом экземпляре данного типа связи.
• обязательностью связи, то есть указанием, любой ли экземпляр связываемой сущности должен участвовать в некотором экземпляре данного типа связи.

Обозначения и примеры связей в первоначальной нотации, предложенной П. Ченом, приведены на рисунке 2.2

Для представления некоторых тонкостей наряду с нотацией П. Чена воспользуемся модифицированной нотацией Р. Баркера (рисунок 2.3). Будем изображать связь ненаправленной линией, соединяющей две разных сущности или сущность с собой. Обязательный конец связи будем представлять сплошной линией, а необязательный конец - штриховой линией. Неразветвленный конец линии обозначает степень 1. "Воронья лапка" означает степень "ко многим". Степень конца связи может быть уточнена. Так, указание 2..4 означает, что степень этого конца связи от 2 до 4 включительно.

Обязательность связи определяет, любой ли экземпляр сущности участвует в некотором экземпляре связи.

Примеры типов связей приведены на рисунке 2.3 . Слева изображена связь, которую следует читать в двух направлениях так:

• пассажир может иметь один или несколько билетов; но может не иметь ни одного билета;
• билет предназначен для одного пассажира.

Справа пример рекурсивной связи, которую следует читать так:

• работник может иметь начальника, а может не иметь;
• работник может подчиняться другому работнику, но может не подчиняться никому.

Для правильного прочтения связей следует помнить, что обязательность, обозначенная типом линии (сплошная или прерывистая) связана только со "своим" именем роли. Тип линии другого конца связи значения не имеет.

Обратите внимание на то, что чрезмерная краткость описания ролей в примере вызывает трудности в установлении смысла связи.

Задание уточнений степени конца связи определим на примерах:

Атрибут -это свойство сущности или связи, получаемое путем наблюдения или измерения. Информацию об экземпляре сущности выражают набором пар "атрибут - значение", как например на рисунке 2.4 :

Пример множественного значения. В анкете предлагается подчеркнуть один или несколько предусмотренных ответов в качестве значения атрибута. Заполненная строка выглядит так: "Как часто вы занимаетесь базами данных (нужное подчеркнуть): часто, редко, довольно часто, довольно редко, по настроению, в дождливую погоду".

Одной из наиболее популярных средств формализованного представления предметной области систем, ориентированных на обработку фактографической информации, является модель «сущность - связь» , которая положена в основу значительного количества коммерческих CASE-продуктов, поддерживающих полный цикл разработки систем баз данных или отдельные его стадии. При этом многие из них не только поддерживают стадию концептуального проектирования предметной области разрабатываемой системы, но и позволяют осуществить на основе построенной их средствами модели стадию логического проектирования путем автоматической генерации концептуальной схемы базы данных для выбранной СУБД, например, схемы базы данных для какого-либо SQL-сервера или объектной СУБД.

Моделирование предметной области в этом случае базируется на использовании графических диаграмм, включающих сравнительно небольшое число компонентов, и самое важное - технологию построения таких диаграмм.

Семантическую основу ER-модели составляют следующие предположения:

та часть реального мира (совокупность взаимосвязанных объектов), сведения о которых должны быть помещены в базу данных, может быть представлена, как совокупность сущностей;

каждая сущность обладает характеристическими свойствами (атрибутами), отличающими ее от других сущностей и позволяющими ее идентифицировать;

сущности можно классифицировать по типам сущностей: каждый экземпляр сущности (представляющий некоторый объект) может быть отнесен к классу - типу сущностей, каждый экземпляр которого обладает общими для них и отличающими их от сущностей других классов свойствами;

систематизация представления, основанная на классах, в общем случае предполагает иерархическую зависимость типов: сущность типа А является подтипом сущности В, если каждый экземпляр типа А является экземпляром сущности типа В ;

взаимосвязи объектов могут быть представлены как связи- сущности, которые служат для фиксирования (представления) взаимозависимости двух или нескольких сущностей.

Здесь следует еще раз подчеркнуть информационную природу понятия сущность и его соотношение с материальными или воображаемыми объектами предметной области. Любой объект предметной области обладает свойствами, часть из которых выделяется как характеристические - значимые с точки зрения прикладной задачи. При этом, например, в процессе анализа и систематизации предметной области обычно выделяются классы - совокупности объектов, обладающих одинаковым набором свойств, задаваемых в виденаборов атрибутов (значения атрибутов для объектов одного класса, естественно, могут различаться). Соответственно, на уровне представления предметной области (т. е. ее инфологической модели) объекту, рассматриваемому как понятие (объект в сознании человека), соответствует понятие сущность; объекту, как части материального мира (и существующему независимо от сознания человека), соответствует понятие экземпляр сущности; классу объектов соответствует понятие тип сущности.

В дальнейшем, поскольку в инфологической модели рассматриваются не отдельные экземпляры объектов, а классы, мы не будем различать соответствующие понятия этих двух уровней, т. е. будем предполагать тождественность понятий объект и сущность, свойство объекта и свойство сущности.

ER-модель, как описание предметной области, должна определить объекты и взаимосвязи между ними, т. е. установить связи следующих двух типов.

1. Связи между объектами и наборами характеристических свойств, и таким образом определить сами объекты.

2. Связи между объектами, задающие характер и функциональную природу их взаимозависимости.

Как было отмечено ранее, ER-моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, как простого (привычного), наглядного и в то же время информативного и многоаспектного способа отображения компонентов проекта. Поэтому изложение основных положений ER-модели будет иллюстрироваться материалом примера ER-диаграммы, приведенного на рис. 5.4.

Сущность. Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов, определяется в как «предмет, который может быть четко идентифицирован». Так же как каждый объект уникально характеризуется набором значений свойств, сущность должнаопределяться таким набором атрибутов, который позволял бы различать отдельные экземпляры сущности. Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это требование аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах). Например, для однозначной идентификации каждого экземпляра сущности «Сотрудник» вводится атрибут «Табельный номер», который вследствие своей природы будет всегда иметь уникальное значение в рамках предприятия. То есть, уникальным идентификатором сущности может являться атрибут, комбинация атрибутов, комбинация связей или комбинация связей и атрибутов, однозначно отличающая любой экземпляр сущности от других экземпляров сущности того же типа.

Сущность имеет имя, уникальное в пределах модели. Приэтом имя сущности - это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра.

Сущности подразделяются на сильные и слабые. Сущность является слабой, если ее существование зависит от другой сущности сильной по отношению кней. Например, сущность «Подчиненный» является слабой по отношению к сущности «Сотрудник»: если будет удалена запись, соответствующая некоторому сотруднику, имеющему подчиненных, то сведения о подчинении также должны быть удалены.

Свойства. Природа свойства, как характер связи свойства с сущностью (объектом), может быть различной. Рассмотрим основные виды свойств.

Свойство может быть множественным или единичным - т. е. атрибут, задающий свойство, может одновременно иметь несколько значений или, соответственно, только одно. Например, сотрудник может иметь несколько специальностей, но единственное значение - «Табельный номер».

Свойство может быть простым (не подлежащим дальнейшему делению с точки зрения прикладных задач) или составным - если его значение составляется из значений простых свойств. Например, свойство «Год рождения» является простым, а свойство «Адрес»- составным, так как включает значения простых свойств «Город», «Улица», «Дом».

В некоторых случаях полезно различать базовые и производные свойства. Например, «Поставщик» может иметь свойство «Общее количество поставляемых деталей», которое вычисляется суммированием количества деталей, поставляемых им по проекту.

Если наличие некоторого свойства для всех экземпляров сущности не является обязательным, то такое свойство называется условным. Например, не все сотрудники обладают свойством «ученая степень».

Значения свойств могут быть постоянными - статическими или динамическими, т. е. меняться со временем. Например, свойство «Табельный номер» является статическим, а «Адрес» - динамическим. Свойство может быть неопределенным, если оно является динамическим, но его текущее значение еще не задано.

Свойство может рассматриваться как ключевое, если его значение уникально и, возможно, в определенном контексте, однозначно идентифицирует сущность. Например, подчиненный некоторого определенного сотрудника.

Связи. Кроме связей между объектом и его свойствами, инфологическая модель отражает связи между объектами разных классов. В связь определяется как «ассоциация, объединяющая несколько сущностей». Эта ассоциация всегда может существовать между разными сущностями или между сущностью и ею же самой (рекурсивная связь).

Как и сущность, связь является типовым понятием, т. е. все экземпляры связываемых сущностей подчиняются правилам связывания типов. Принципиальность различия типов связей между типами и экземплярами иллюстрируется ER-диаграммамидля типов и экземпляров, представленными на рис. 5.5.

Сущности, объединяемые связью, называются участниками. Степень связи определяется количеством участников связи.

Если каждый экземпляр сущности участвует, по крайней мере, в одном экземпляре связи, то такое участие этой сущности называется полным (или обязательным); в противном случае - неполным (или необязательным).

Количественный характер участия экземпляров сущностей (один или многие) задается типом связи (или мощностью связи), Возможны следующие типы: «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1:М), «многие к одному» (М:1), «многие ко многим» (М:М).

Следует отметить, что инструмент связей - это средство представления сложных объектов, каждый из которых может рассматриваться как множество некоторым образом взаимосвязанных простых объектов. Деление на простые и сложные объекты, также как и характер взаимосвязи, является условным и определяется особенностями анализа предметной области, т. е. в конце концов- характером использования данных опредметах в решаемых прикладных задачах. При этом с точки зрения, например, конструктора, ДЕТАЛЬ является сложным объектом, а с точки зрения поставщика - простым.

Среди многих разновидностей взаимосвязей наиболее частыми являются такие отношения иерархического типа, как «часть - целое», «род - вид».

Отношение «часть - целое» используются для представления составных объектов. Например, МАШИНЫ состоят из УЗЛОВ, УЗЛЫ состоят из ДЕТАЛЕЙ. Здесь возможны как отношения «один ко многим», так и «многие ко многим».

Отношение «род - вид» - для представления обобщенных объектов . Например, СОТРУДНИКИ подразделяются по профессии на КОНСТРУКТОРОВ, ПРОГРАММИСТОВ, РАБОЧИХ; ПРОГРАММИСТЫ - на ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММИСТОВ и СИСТЕМНЫХ ПРОГРАММИСТОВ. Иерархические отношения, и в частности - «родо-видовые», обычно используются как основа классификации объектов по наборам характеристических признаков. Причем «видовые» объекты наследуют свойства «родовых».

Другой широко используемой разновидностью взаимосвязи является агрегирование - объединение простых объектов в сложный по принципу их принадлежности агрегату или их совместного участия в некотором процессе. Агрегирование, рассматриваемое здесь как более общий случай иерархических отношений, объединяет объекты разной природы с единственным общим свойством «совместное участие». Агрегированные объекты именуются обычно отглагольными существительными, например, «Состав»: ПОДРАЗДЕЛЕНИЕсостоит из СОТРУДНИКОВ; «Поставка»: ПОСТАВЩИК поставляет ДЕТАЛИ.

Супертипы и подтипы. Сущность может быть расщеплена на два или более взаимоисключающих подтипов, каждый из которых включает общие атрибуты и/или связи. Эти общие атрибуты и/или связи явно определяются один раз на более высоком уровне. В подтипах могут определяться собственные атрибуты и/или связи. В принципе выделение подтипов может продолжаться на более низких уровнях, но в большинстве случаев оказывается достаточно двух-трех уровней.

Сущность, на основе которой определяются подтипы, называется супертипом. Подтипы должны образовывать полное множество, т. е. любой экземпляр супертипа должен относиться к некоторому подтипу. Иногда для полноты множества надо определять дополнительный подтип, например, ПРОЧИЕ.

Подтип наследует свойства и связи супертипа. Например, тип сущности ПРОГРАММИСТ является подтипом сущности СОТРУДНИК. Программисты обладают всеми свойствами сотрудников и участвуют во всех связях, однако обратные утверждения неверны.

Тип сущности, его подтипы, подтипы этих подтипов и т. д. образуют иерархию типов сущности, пример которой приведен на рис. 5,6.

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 (п. 1.2) 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.

Характеристика связей и язык моделирования

При построении инфологических моделей можно использовать язык ER-диаграмм (от англ. Entity-Relationship, т.е. сущность-связь). В них сущности изображаются помеченными прямоугольниками, ассоциации – помеченными ромбами или шестиугольниками, атрибуты – помеченными овалами, а связи между ними – ненаправленными ребрами, над которыми может проставляться степень связи (1 или буква, заменяющая слово "много") и необходимое пояснение.

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).

Пример 2.1. Если связь между сущностями МУЖЧИНЫ и ЖЕНЩИНЫ называется БРАК, то существует четыре возможныхпредставления такой связи:

Характер связей между сущностями не ограничивается перечисленными. Существуют и более сложные связи:

множество связей между одними и теми же сущностями

(пациент, имея одного лечащего врача, может иметь также несколько врачей-консультантов; врач может быть лечащим врачом нескольких пациентов и может одновременно консультировать несколько других пациентов);

тренарные связи

(врач может назначить несколько пациентов на несколько анализов, анализ может быть назначен несколькими врачами нескольким пациентам и пациент может быть назначен на несколько анализов несколькими врачами);

связи более высоких порядков, семантика (смысл) которых иногда очень сложна.

В приведенных примерах для повышения иллюстративности рассматриваемых связей не показаны атрибуты сущностей и ассоциаций во всех ER-диаграммах. Так, ввод лишь нескольких основных атрибутов в описание брачных связей значительно усложнит ER-диаграмму (рис. 2.1,а). В связи с этим язык ER-диаграмм используется для построении небольших моделей и иллюстрации отдельных фрагментов больших. Чаще же применяется менее наглядный, но более содержательный язык инфологического моделирования (ЯИМ), в котором сущности и ассоциации представляются предложениями вида:

СУЩНОСТЬ (атрибут 1, атрибут 2 , ..., атрибут n)АССОЦИАЦИЯ [СУЩНОСТЬ S1, СУЩНОСТЬ S2, ...] (атрибут 1, атрибут 2, ..., атрибут n)

где S – степень связи, а атрибуты, входящие в ключ, должны быть отмечены с помощью подчеркивания.

Так, рассмотренный выше пример множества связей между сущностями, может быть описан на ЯИМ следующим образом:

Врач (Номер_врача , Фамилия, Имя, Отчество, Специальность)Пациент (Регистрационный_номер , Номер койки, Фамилия, Имя, Отчество, Адрес, Дата рождения, Пол)Лечащий_врач [Врач 1, Пациент M] (Номер_врача , Регистрационный_номер )Консультант [Врач M,Пациент N] (Номер_врача , Регистрационный_номер ).

Рис. 2.1. Примеры ER-диаграмм

Для выявления связей между сущностями необходимо, как минимум, определить сами сущности. Но это не простая задача, так как в разных предметных областях один и тот же объект может быть сущностью, атрибутом или ассоциацией. Проиллюстрируем такое утверждение на примерах, связанных с описанием брачных связей (см. пример 2.1).

Пример 2.2. Отдел записей актов гражданского состояния (ЗАГС) имеет дело не со всеми людьми, а только с теми, кто обратился с просьбой о регистрации брака, рождения или смерти. Поэтому в странах, где допускаются лишь традиционные браки, отделы ЗАГС могут размещать сведения о регистрируемых браках в единственной сущности:

Брак (Номер_свидетельства , Фамилия_мужа, Имя_мужа, Отчество_мужа, Дата_рождения_мужа, Фамилия_жены, ... , Дата_регистрации, Место_регистрации, ...),

ER-диаграмма которой приведена на рис. 2.1,б.

Пример 2.3. Теперь рассмотрим ситуацию, когда отдел ЗАГС расположен в стране, допускающей многоженство. Если для регистрации браков использовать сущность "Брак" примера 2.2, то будут дублироваться сведения о мужьях, имеющих несколько жен (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1

Дублирование можно исключить созданием дополнительной сущности "Мужья"

Мужья (Код_М , Фамилия, Имя, Отчество, Дата рождения, Место рождения)

и заменой сущности "Брак" характеристикой (см. п. 2.3) со ссылкой на соответствующее описание в сущности "Мужья".

Брак (Номер свидетельства , Код_М , Фамилия жены, ..., Дата регистрации, ...){Мужья}.

ER-диаграмма связи этих сущностей показана на рис. 2.1,в, а пример их экземпляров в табл. 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2

Прежде, чем приступать к созданию системы автоматизированной обработки информации, разработчик должен сформировать понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать данная система. Для того, чтобы привести эти понятия к той или иной модели данных, необходимо заменить их информационными представлениями. Одним из наиболее удобных инструментов унифицированного представления данных, независимого от реализующего его программного обеспечения, является модель "сущность-связь" (entity - relationship model, ER - model).

Модель "сущность-связь" основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена для логического представления данных. Она определяет значения данных в контексте их взаимосвязи с другими данными. Важным для нас является тот факт, что из модели "сущность-связь" могут быть порождены все существующие модели данных (иерархическая, сетевая, реляционная, объектная), поэтому она является наиболее общей.

Модель "сущность-связь" была предложена в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом, русский перевод его статьи "Модель "сущность-связь" - шаг к единому представлению данных" опубликован в журнале "СУБД" N 3 за 1995 г.

Многоуровневые представления данных

При изучении модели данных следует выявить уровни логического представления данных, к которым имеет отношение эта модель. Расширяя набор положений, мы можем определить четыре уровня представления данных:

Информация, относящаяся к сущностям и связям, которые существуют в нашем воображении; - структура информации – организация информации, в которой сущности и связи представляются данными. - структура данных, независимая от путей доступа, – структуры данных, которые не связаны со схемами поиска, индексации и т.д. - структура данных, зависимая от путей доступа.

Рисунок 1. Анализ моделей данных с использованием нескольких уровней логических представлений

Информация о сущностях и связях

На этом уровне мы рассматриваем сущности и связи. Сущность (entity) – это предмет, который может быть идентифицирован некоторым способом, отличающим его от других предметов. Примерами сущности являются конкретный человек, компания или событие. Связь (relationship) – это ассоциация, устанавливаемая между сущностями. Например, отец-сын – это связь между двумя сущностями человек.1)

База данных предприятия содержит информацию о сущностях и связях, которые представляют интерес для этого предприятия. В базу данных предприятия не может быть занесено полное описание сущности или связи. Невозможно (и, по всей видимости, не обязательно) сохранять всю потенциально доступную информацию о сущностях и связях. Далее мы будем рассматривать только те сущности и связи (и информацию о них), которые должны войти в проект базы данных.

Сущность и множество сущностей

Пусть e обозначает некоторую сущность, которая существует в нашем воображении. Каждая сущность относится к некоторому отличному от других множеству сущностей (entity set), такому как EMPLOYEE, PROJECT или DEPARTMENT. С каждым множеством сущностей связывается предикат, позволяющий проверить, принадлежит ли данная сущность данному множеству. Например, если мы знаем, что сущность относится к множеству сущностей EMPLOYEE, то мы также знаем, что эта сущность обладает свойствами, общими с другими сущностями из множества сущностей EMPLOYEE. В число этих свойств входит упомянутый выше предикат. Пусть Ei обозначает множество сущностей. Заметим, что множества сущностей не обязаны быть непересекающимися. Например, сущность, принадлежащая множеству сущностей MALE-PERSON (МУЖЧИНЫ), принадлежит также и множеству сущностей PERSON (ЛЮДИ). В этом случае MALE-PERSON является подмножеством PERSON.

Связь, роль и множество связей.

Рассмотрим ассоциации сущностей. Множество связей (relationship set) Ri – это математическое отношение между n сущностями, каждая из которых относится к некоторому множеству сущностей:

{ | e1 ∈ E1, e2 ∈ E2, ..., en ∈ En}, и каждый кортеж сущностей, , является связью (relationship). Заметим,что в этом определении Ei не обязаны быть различными наборами. Например, marriage (брак) – это связь между двумя сущностями из набора сущностей PERSON (ЧЕЛОВЕК).

Роль (role) сущности в связи – это функция, которую сущность выполняет в данной связи. Husband (муж) и wife (жена) – это роли. Упорядочивание сущностей в определении связи (заметим, что использовались квадратные скобки) может отсутствовать, если в связи явно указаны роли сущностей: (r1/e1, r2/e2 ,..., rn/en), где ri – это роль сущности ei в данной связи.

Атрибут, значение и множество значений.

Информацию об сущности или связи получают путем наблюдения или измерения и выражают множеством пар атрибут-значение. 3, red, Peter и Johnson – это значения. Значения классифицируются в различные множества значений (value sets), такие как FEET, COLOR, FIRST-NAME и LAST-NAME. С каждым множеством значений связывается предикат для проверки того, принадлежит ли значение этому множеству. Значение из некоторого множества значений может быть эквивалентно другому значению из другого множества значений. Например, 12 из множества значений INCH (ДЮЙМЫ) эквивалентно 1 в множестве значений FEET (ФУТЫ).

Атрибут (attribute) может быть формально определен как функция, отображающая множество сущностей или множество связей в множество значений или декартово произведение множеств значений:

f: Ei or Ri → Vi or Vi1 × Vi2 × ... × Vin На рис. 2 показано несколько атрибутов, определенных на множестве сущностей PERSON. Атрибут AGE (ВОЗРАСТ) производит отображение в множество значений NO-OF-YEARS (ЧИСЛО-ЛЕТ). Атрибут может задавать отображение в декартово произведение множеств значений. Например, атрибут NAME (ПОЛНОЕ-ИМЯ) задает отображение в множества значений FIRST-NAME (ИМЯ) и LAST-NAME (ФАМИЛИЯ). Заметим, что несколько атрибутов могут задавать отображение одного и того же множества сущностей в одно и то же множество значений (или одну и ту же группу множеств значений). Например, атрибуты NAME (ПОЛНОЕ-ИМЯ) и ALTERNATIVE-NAME (ДРУГОЕ-ПОЛНОЕ-ИМЯ) задают отображение из множества сущностей EMPLOYEE в множества значений FIRST-NAME и LAST-NAME. Тем самым, атрибут и множество значений являются разными понятиями, хотя в некоторых случаях они могут иметь одно и то же имя (например, атрибут EMPLOYEE-NO (НОМЕР-СЛУЖАЩЕГО) задает отображение из EMPLOYEE (СЛУЖАЩИЕ) в множество значений EMPLOYEE-NO (НОМЕР-СЛУЖАЩЕГО)). Это различие не является явным в сетевой модели и во многих существующих системах управления данными. Заметим также, что атрибут определяется как функция. Следовательно, он отображает данную сущность в одно значение (или один кортеж значений в случае декартова произведения множеств значений).

Рис. 2. Атрибуты, определенные на множестве сущностей PERSON

Заметим, что связи также имеют атрибуты. Рассмотрим множество связей PROJECT-WORKER (ИСПОЛНИТЕЛЬ-ПРОЕКТА) (рис. 3). Атрибут PERCENTAGE-OF-TIME (ПРОЦЕНТ-ВРЕМЕНИ), представляющий долю времени, выделенную конкретному служащему на конкретный проект,– это атрибут, определенный на множестве связей PROJECT-WORKER. Он не является ни атрибутом сущности EMPLOYEE, ни атрибутом сущности PROJECT, так как его смысл зависит и от служащего, и от проекта. Понятие атрибута связи важно для понимания семантики данных и определения функциональных зависимостей между данными.

Рис. 3. Атрибуты, определенные на множестве связей PROJECT-WORKER

Концептуальная структура информации.

Теперь мы обсудим, как можно организовать информацию о сущностях и связях. В этой статье предлагается метод разделения информации о сущностях и информации о связях. Мы покажем, что такое разделение полезно для идентификации функциональных зависимостей между данными.

На рис. 4 в форме таблицы приведена информация о сущностях в множестве сущностей. Каждая строка значений относится к одной и той же сущности, а каждый столбец относится к множеству значений, которое, в свою очередь, относится к атрибуту. Порядок строк и столбцов не является существенным.

Рис. 4. Информация о сущностях из множества сущностей (табличная форма)

Рис. 5. Информация о связях из множества связей (табличная форма)

На рис. 5 приведена информация о связях в множестве связей. Заметим, что каждая строка значений относится к связи, которая указывается группой сущностей, каждая из которых имеет определенную роль и принадлежит определенному множеству сущностей.

Заметим, что на рис. 4 и 2 (а также на рис. 5 и 3) представлены различные формы одной и той же информации. Форма таблицы используется для упрощения связывания с реляционной моделью.

Структура информации

Сущности, связи и значения на уровне 1 (см. рис. 2-5) являются концептуальными объектами, существующими в нашем воображении (т.е. мы находились в концептуальной сфере). На уровне 2 мы рассматриваем представления концептуальных объектов. Мы предполагаем, что существуют непосредственные представления значений. Далее мы опишем, как можно представить сущности и связи.

Первичный ключ.

На рис. 2 значения атрибута EMPLOYEE-NO могут использоваться для идентификации сущностей в множестве сущностей EMPLOYEE, если у каждого служащего имеется уникальный номер служащего. Возможно, для идентификации сущностей в множестве сущностей понадобится более одного атрибута. Возможно также, что для идентификации сущностей будут использоваться несколько групп атрибутов. По существу, ключ сущности (entity key) – это группа атрибутов, такая, что отображение из множества сущностей в соответствующую группу множеств значений является взаимнооднозначным отображением. Если не удается найти такое отображение на доступных данных, или если желательна простота в идентификации объектов, то можно искусственно определить атрибут и множество значений, чтобы добиться наличия взаимнооднозначного отображения. В случае существования нескольких ключей обычно выбирается семантически значимый ключ в качестве первичного ключа сущности (entity primary key – PK).

Рис. 6. Представление сущностей значениями (номерами служащих)

Рис. 6 получен слиянием множества сущностей EMPLOYEE с множеством значений EMPLOYEE-NO с рис. 2. Обратим внимание на некоторые семантические следствия рис. 6. Каждое значение в множестве значений EMPLOYEE-NO представляет сущность (служащего). Атрибуты задают отображение из множества значений EMPLOYEE-NO в другие множества значений. Заметим также, что атрибут EMPLOYEE-NO задает отображение множества значений EMPLOYEE-NO в само его.

Отношения сущность/связь.

Информация о сущностях в множестве сущностей теперь может быть организована в форме, показанной на рис. 7. Заметим, что рис. 7 похож на рис. 4, за исключением того, что сущности представлены значениями их первичных ключей. Вся таблица на рис. 7 представляет отношение сущностей (entity relation), а каждая строка представляет кортеж сущностей (entity tuple).

В некоторых случаях сущности в множестве сущностей нельзя уникально идентифицировать значениями их собственных атрибутов; следовательно, для их идентификации мы должны использовать связь(и). Например, рассмотрим сущности служащих-подчиненных (dependent) и служащих-начальников (supporter): подчиненные идентифицируются своими именами и значениями основного ключа служащих-начальников (т.е. своими связями с этими служащими). Заметим, что на рис. 9 EMPLOYEE-NO не является атрибутом сущностей в множестве DEPENDENT, а представляет собой первичный ключ служащих, которые имеют подчиненных. Каждая строка значений на рис. 9 – это кортеж сущностей с EMPLOYEE-NO и NAME в качестве первичных ключей. Вся таблица является отношением сущностей.

Теоретически, для идентификации сущностей может использоваться любой вид связи. Для простоты мы ограничимся только одним видом связи: бинарными связями с отображением 1:n, в которых существование n сущностей на одной стороне связи зависит от существования одной сущности на другой стороне связи. Например, один служащий может иметь n (n = 0, 1, 2,...) подчиненных, и существование подчиненных зависит от существования соответствующего служащего-начальника.

Этот метод идентификации сущностей связями с другими сущностями можно применять рекурсивно до тех пор, пока не встретятся сущности, которые могут быть идентифицированы значениями своих собственных атрибутов. Например, первичный ключ департамента компании может состоять из номера департамента и первичного ключа отделения, который в свою очередь состоит из номера отделения и названия компании.

Следовательно, мы имеем две формы отношений сущностей. Если связи используются для идентификации сущностей, мы будем называть это слабым отношением сущностей (weak entity relation) (рис. 9). Если связи не используются для идентификации сущностей, мы будем называть это регулярным отношением сущностей (regular entity relation) (рис. 8). Если некоторые сущности в связи идентифицируются другими связями, мы будем называть это слабым отношением связей (weak relationship relation). Например, любые связи между сущностями DEPENDENT и другими сущностями приведут к образованию слабых отношений связи, так как сущность DEPENDENT идентифицируется своим именем и связью с сущностью EMPLOYEE. Проведение различия между регулярными и слабыми отношениями сущностей и связей будет полезно для поддержки целостности данных.

ЛЕКЦИЯ

Модель «сущность-связь».

Основные понятия: Сущность, Свойства, Связи.

Представление сущностей, свойств, связей

9.1. Модель «Сущность-Связь»

Наиболее распространенным средством моделирования предметной области систем, ориентированных на обработку фактографической информации, является модель «сущность-связь» (Entity - Relationship Model - ER М ), впервые предложенная Питером Пин-Шэн Ченом в 1976 г. Эта модель традиционно используется в структурном анализе и проектировании, но, по существу, реализует объектный подход к моделированию предметной области.

Модель “сущность-связь” положена в основу значительного количества коммерческих CASE-продуктов, поддерживающих полный цикл разработки систем баз данных или отдельные его стадии. При этом многие из них не только поддерживают стадию концептуального проектирования предметной области разрабатываемой системы, но и позволяют осуществить на основе построенной их средствами модели стадию логического проектирования путем автоматической генерации концептуальной схемы базы данных для выбранной СУБД, например, схемы базы данных для какого-либо SQL-сервера или объектной СУБД.

Моделирование предметной области в этом случае базируется на использовании графических диаграмм, включающих сравнительно небольшое число компонентов (слайд 2) и, самое важное – технологию построения таких диаграмм.

Семантическую основу ER -модели составляют следующие предположения:

- та часть реального мира (совокупность взаимосвязанных объектов), сведения о которых должны быть помещены в базу данных, может быть представлена как совокупность сущностей;

- каждая сущность обладает характеристическими свойствами (атрибутами), отличающими ее от других сущностей и позволяющими ее идентифицировать ;

- сущности можно классифицировать по типам сущностей: каждый экземпляр сущности (представляющий некоторый объект) может быть отнесен классу - типу сущностей , каждый экземпляр которого обладает общими для них свойствами и отличающим их от сущностей других классов;

- систематизация представления, основанная на классах, в общем случае предполагает иерархическую зависимость типов: сущность типа А является подтипом сущности B , если каждый экземпляр типа А является экземпляром сущности типа B ;

- взаимосвязи объектов могут быть представлены как связи – сущности , которые служат для фиксирования (представления) взаимозависимости двух или нескольких сущностей.

Здесь следует еще раз подчеркнуть информационную природу понятия сущность и его соотношение с материальными или воображаемыми объектами предметной области. Любой объект предметной области обладает свойствами, часть из которых выделяется как характеристические - значимые с точки зрения прикладной задачи. При этом, например, в процессе анализа и систематизации предметной области, обычно выделяются классы – совокупности объектов, обладающих одинаковым набором свойств, задаваемых в виде наборов атрибутов (значения атрибутов для объектов одного класса естественно могут различаться). Соответственно, на уровне представления предметной области (т.е. - ее инфологической модели) объекту, рассматриваемому как понятие (объект в сознании человека), соответствует понятие сущность ; объекту, как части материального мира (и существующему независимо от сознания человека), соответствует понятие экземпляр сущности ; классу объектов соответствует понятие тип сущности .

В дальнейшем, поскольку в инфологической модели рассматриваются не отдельные экземпляры объектов, а классы, мы не будем различать соответствующие понятия этих двух уровней, т.е. будем предполагать тождественность понятий объект и сущность , свойство объекта и свойство сущности .

На слайде 3 приведенный пример представления сущности, который не является полным и не претендует на точное соответствие какой либо версии построения ER -диаграмм.

ER -модель, как описание предметной области, должна определить объекты и взаимосвязи между ними, т.е. установить связи следующих двух типов:

1. связи между объектами и наборами характеристических свойств и таким образом определить сами объекты;

2. связи между объектами, задающие характер и функциональную природу их взаимозависимости.

Как было отмечено ранее, ER -моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, как простого (привычного), наглядного и, в то же время, информативного и многоаспектного способа отображения компонентов проекта.

Сущность. Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов, определяется как «предмет, который может быть четко идентифицирован». Так же, как каждый объект уникально характеризуется набором значений свойств, сущность должна определяться таким набором атрибутов , который позволял бы различать отдельные экземпляры сущности. Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это требование аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах). Например, для однозначной идентификации каждого экземпляра сущности «Сотрудник» вводится атрибут «Таб.н омер», который вследствие своей природы будет всегда иметь уникальное значение в рамках предприятия. Т.е., уникальным идентификатором сущности может являться атрибут, комбинация атрибутов, комбинация связей или комбинация связей и атрибутов, однозначно отличающая любой экземпляр сущности от других экземпляров сущности того же типа.

Сущность имеет имя , уникальное в пределах модели. При этом имя сущности - это имя типа , а не некоторого конкретного экземпляра.

Сущности подразделяются на сильные и слабые . Сущность является слабой, если ее существование зависит от другой сущности – сильной, по отношению к ней. Например, сущность «Подчиненный» является слабой по отношению к сущности «Сотрудник»: если будет удалена запись, соответствующая некоторому сотруднику, имеющему подчиненных, то сведения о подчинении также должны быть удалены.

Свойства(слайд 4)

Природа свойства, как характер связи свойства с сущностью (объектом), может быть различной. Рассмотрим основные виды свойств.

Свойство может быть множественным или единичным – т.е. атрибут, задающий свойство, может одновременно иметь несколько значений или, соответственно, только одно. Например, сотрудник может иметь несколько специальностей, но единственное значение «Таб. номер».

Свойство может быть простым (не подлежащих дальнейшему делению с точки зрения прикладных задач) или составным – если его значение составляется из значений простых свойств. Например, свойство «Год рождения» является простым, а свойство «Адрес» - составным, т.к. включает значения простых свойств «Город», «Улица», «Дом».

В некоторых случаях полезно различать базовые и производные свойства. Например, «Поставщик» может иметь свойство «Общее количество поставляемых деталей», которое вычисляется суммированием количества деталей, поставляемых им по проекту.

Если наличие некоторого свойства для всех экземпляров сущности не является обязательным, то такое свойство называется условным . Например, не все сотрудники обладают свойством «ученая степень».

Значения свойств могут быть постоянными - статическими , или динамическими , т.е. меняться со временем. Например, свойство «Таб. номер» является статическим, а «Адрес» - динамическим. Свойство может быть неопределенным , если оно является динамическим, но его текущее значение еще не задано.

Свойство может рассматриваться как ключевое , если его значение уникально и, возможно, в определенном контексте, однозначно идентифицирует сущность. Например, подчиненный некоторого определенного сотрудника.

Связи. Кроме связей между объектом и его свойствами, инфологическая модель отражает связи между объектами разных классов. Связь определяется как «ассоциация, объединяющая несколько сущностей». Эта ассоциация всегда может существовать между разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь).

Как и сущность, связь является тип овым понятием, т.е. все экземпляры связываемых сущностей подчиняются правилам связывания типов. Принципиальность различия типов связей между типами и экземплярами иллюстрируется на слайдах .

Сущности, объединяемые связью, называются участниками . Степень связи определяется количеством участников связи .

Если каждый экземпляр сущности участвует, по крайней мере, в одном экземпляре связи, то такое участие этой сущности называется полным (или обязательным ); в противном случае – неполным (или необязательным ).

Количественный характер участия экземпляров сущностей (один или многие) задается типом связи (или мощностью связи ). Возможны следующие типы: «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1: М), «многие к одному» (М:1), «многие ко многим» (М:М ) (Слайды 5, 6, 7) .

Следует отметить, что инструмент связей - это средство представления сложных объектов , каждый из которых может рассматриваться как множество некоторым образом взаимосвязанных простых объектов . Деление на простые и сложные объекты, также как и характер взаимосвязи, является условным и определяется особенностям анализа предметной области, т.е. в конце концов – характером использования данных о предметах в решаемых прикладных задачах. При этом с точки зрения, например, конструктора, ДЕТАЛЬ является сложным объектом, а с точки зрения поставщика – простым.

Среди многих разновидностей взаимосвязей наиболее частыми являются такие отношения ие рархического типа, как «часть-целое», «род-вид».

Отношение «часть-целое» используются для представления составных объектов . Например, МАШИНЫ состоят из УЗЛОВ, УЗЛЫ состоят из ДЕТАЛЕЙ. Здесь возможны как отношения «один ко многим», так и «многие ко многим».

Отношение «род-вид» - для представления обобщенных объектов . Например, СОТРУДНИКИ подразделяются по профессии на КОНСТРУКТОРОВ, ПРОГРАММИСТОВ, РАБОЧИХ; ПРОГРАММИСТЫ – на ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММИСТОВ и СИСТЕМНЫХ ПРОГРАММИСТОВ. Иерархические отношения, и, в частности – «родо-видовые », обычно используются как основа классификации объектов по наборам характеристических признаков. Причем «видовые» объекты наследуют свойства «родовых».

Другой широко используемой разновидностью взаимосвязи является агрегирование – объединение простых объектов в сложный по принципу их принадлежности агрегату или их совместного участия в некотором процессе. Агрегирование, рассматриваемое здесь как более общий случай иерархических отношений, объединяет объекты разной природы с единственным общим свойством «совместное участие». Агрегированные объекты именуются обычно отглагольными существительными, например, «Состав »: ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ состоит из СОТРУДНИКОВ; «Поставка »: ПОСТАВЩИК поставляет ДЕТАЛИ.

Супертипы и подтипы. Сущность может быть расщеплена на два или более взаимно исключающих подтипов , каждый из которых включает общие атрибуты и/или связи. Эти общие атрибуты и/или связи явно определяются один раз на более высоком уровне. В подтипах могут определяться собственные атрибуты и/или связи. В принципе выделение подтипов может продолжаться на более низких уровнях, но в большинстве случаев оказывается достаточно двух-трех уровней.

Сущность, на основе которой определяются подтипы, называется супертипом . Подтипы должны образовывать полное множество, т.е. любой экземпляр супертипа должен относиться к некоторому подтипу. Иногда для полноты множества надо определять дополнительный подтип, например ПРОЧИЕ.

Подтип наследует свойства и связи супертипа . Например, тип сущности ПРОГРАММИСТ является подтипом сущности СОТРУДНИК. Программисты обладают всеми свойствами сотрудников и участвуют во всех связях, однако обратные утверждения неверны.

Тип сущности, его подтипы, подтипы этих подтипов и т.д. образуют иерархию типов сущности , пример которой приведен на Слайде 8.

9.2. ER- диаграмма

Как отмечалось ранее, одна из основных целей семантического моделирования состоит в том, чтобы результаты анализа предметной области были отражены в достаточно простом, наглядном но, в то же время, формализованном и достаточно информативном виде.

В этом смысле ER-диаграмма является очень удачным решением. В ней сочетаются функциональный и информационный подходы, что позволяет представлять как совокупность выполняемых функций, так и отношения между элементами системы, задаваемые структурами данных. При этом графическая форма позволяет отобразить в компактном виде (за счет наглядных условных обозначений) типологию и свойства сущностей и связей, а формализмы, положенные в основуER -диаграмм, позволяют использовать на следующем шаге проектирования логической структуры базы данных строгий аппарат нормализации.

Сущности .Каждый тип сущности в ER-диаграммах представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. В качестве имени обычно используются существительные (или обороты существительного) в единственном числе. Для отражения сущностей слабых типов используются прямоугольники, стороны которых рисуются двойными линиями. Например, в представленной на слайде 9 ER-диаграмме ПОДЧИНЕННЫЙ – сущность слабого типа.

Свойства. Свойства служат для уточнения, идентификации, характеристики или выражения состояния сущности или связи. Свойства отображаются в виде эллипсов, содержащих имя свойства. Эллипс соединяется с соответствующей сущностью или связью линией.

Имена ключевых свойств подчеркиваются. Например, свойство «Таб.н омер» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется двойной линией, если свойство многозначное. Например, свойство «специальность» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется штриховой линией, если свойство производное. Например, свойство «кол-во» сущности ПОСТАВЩИК.

Эллипс соединяется пунктирной линией, если свойство условное. Например, свойство «Ин. я зык» сущности СОТРУДНИК.

Если свойство составное, то составляющие его свойства отображаются другими эллипсами, соединенными с эллипсом составного. Например, свойство «Адрес» сущности СОТРУДНИК состоит из простых свойств «Город», «Улица», «Дом».

Связи. Связь - это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между сущностями. Каждый тип связи на ER -диаграмме отображается в виде ромба с именем связи внутри. В качестве имени обычно используются отглагольные существительные.

Стороны ромба рисуют двойными линиями, если это связь сущности слабого типа с сущностью от которой она зависит. Например, связь «Подчинение», связывающая сущность слабого типа ПОДЧИНЕННЫЙ с сущностью СОТРУДНИК, от которой она зависит.

Участники связи соединены со связью линиями. Двойная линия обозначает полное участие сущности в связи с данной стороны. Например, связь «Подчинение», со стороны сущности ПОДЧИНЕННЫЙ.

Связь может быть модифицирована указанием роли. Например, для рекурсивной связи «Состав», указаны роли: «Деталь состоит из …» и «Деталь входит в состав …».

Тип связи указывается индексами «1» или «М» над соответствующей линией. Например, связь «Руководство» имеет тип «один ко многим»: один сотрудник может руководить многими проектами; связь «Участие» имеет тип «многие ко многим»: один сотрудник может участвовать во многих проектах, и в проекте могут участвовать многие сотрудники.

Пример нормализованной формы ER-диаграммы приведен на слайде 10.

Одна из разновидностей модели «сущность-связь» используется в нотации IDEF1Х, входящем в семейство стандартов IDEF.

Графический язык модели и пример диаграммы представлены на слайде 11 .

Необязательные связи между сущностями Отдел и Сотрудник, Сотрудник и Подчиненный имеют мощность «один ко многим» (конец связи «многие» обозначен жирной точкой), а обязательная связь между сущностями Сотрудник и Проект имеет мощность «многие ко многим».

Графические элементы основных нотаций модели «сущность-связь» представлены на слайде 12 .

Такое определение связи, как сущности особого рода, отражает существо реляционного подхода, для которого характерно единообразное представление сущностей всех типов, включая связи, посредством переменных-отношений.

Согласно положениям реляционной модели «правильной» связью является только связь типа «многие ко многим» , поскольку для ее реализации создается отдельная переменная-отношение. Связи «один к одному», «один ко многим» всегда могут быть представлены с помощью механизма внешнего ключа одной из переменных-отношения .