Что такое концептуальная модель? Концептуальное проектирование систем.

Аннотация

ПРОБЛЕМАТИКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Бутенко Л.Н.

Статья посвящена проблемам концептуального проектирования технических систем. Показана актуальность междисциплинарной интеграции методов, применяемых для получения новых технических решений.

Problems of Conceptual design

The aim of this article is demonstration of problems and methods of conceptual design theory. Discussing intellectual problems in development theory achievements aspect. Shows the intersubject research for successful solving of this problems. This production can to change a scientific paradigm.

In this article we present this studies, procedures, metarules, which can management of relationship designing and some semantic describes of this aspect.

ПРОБЛЕМАТИКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Бутенко Л.Н.

Волгоградский государственный технический университет
400131, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28, [email protected]

«Того, кто не задумывается о далёких трудностях,
непременно поджидают близкие неприятности»
Конфуций

«-Голова – она может всё». Граф Калиостро
Григорий Горин «Формула Любви»

В настоящее время высокую актуальность приобрели исследования в области концептуального проектирования ввиду того, что применение традиционных детерминированных методов описания, контроля и управления выявило их большую ограниченность, а порой и невозможность построения моделей проектируемых систем.

Современное состояние исследований в методологических дисциплинах (исследование операций, системотехника, системный анализ) а также теории принятия решений, многоуровневых иерархических систем, автоматического управления, катастроф таково, что не позволяет исследовать сложные, плохо структуризованные, динамичные предметные области.

Математическое моделирование в настоящее время ориентировано на параметрический синтез.

Лучшие из методов автоматизации программирования (логическое, структурное и объектно-ориентированное программирование CASE-технологии) не имеют в своем составе развитых познавательных средств. Мощные средства автоматизации проектно-конструкторских работ (например, AutoCAD) не имеют средств для представления сложных развивающихся объектов.

Методы и средства искусственного интеллекта (ситуационное управление, экспертные системы, инженерия знаний, базы знаний) не имеют средств для углубления понимания предметных областей, они лишь мобилизуют имеющиеся знания.

Методы проектирования организаций (проблемно-ориентированный подход, функциональный подход, системное проектирование и другие) не имеют средств для восстановления целостности интересов организаций и областей их деятельности.

Мощные познавательные методы, развитые в рамках философской диалектики, теории познания, в логике и методологии науки, в теории мышления, структурализма пока еще не стали средствами прикладной, инженерной работы.

Теория систем в своем развитии находится в методологическом тупике и не выработала методов постулирования сложных классов систем.

Синергетика имеет предметом физические или физикалистские процессы.

Математический аппарат (теория множеств, теория категорий и функторов, теория структур, теория топосов) широко применяется в теории систем и в ряде прикладных задач (проектирование баз данных), но до сих пор не был способен обеспечить исследование сложных предметных областей и проектирование сложных объектов.

Концептуальное проектирование системы – это стадия, на которой принимаются определяющие ее последующий облик решения на различных системных уровнях, проводится исследование созданных решений и их предварительное согласование.

Приведем ряд базовых определений:

Концепт (лат. conceptus - понятие) – понятие;

Термин «концептуальный» обозначает характер процесса (описания, представления и т.д.) или объекта (модели, структуры, результата и т.д.), отличающийся тем, что качественная определенность объектов представляется в форме понятий ; Концептуально мыслить - это базовая способность человеческого мышления с большими скоростями «свертывать» и обобщать информацию любого рода. Свертка информации может находить отображение в понятиях, числе, временной или пространственной структуре.

Рассмотрим массив интеллектуальных задач и способы их решения с точки зрения системного подхода к концептуальному проектированию систем любого класса.

Наиболее современное определение системы приведено в

Система = (элементы, отношения, внешняя среда, наблюдатель, язык)

Рассмотрим проблемы концептуального проектирования с точки зрений современного представления того, что называется системой. Первое, что бросается в глаза, то, что это определение статично, в нем отсутствуют правила построения систем. Только в последнее время в определении появляться новые объекты, которые влияют на эффективность процесса концептуального проектирования систем, например, Наблюдатель (проектировщик), Язык (язык проектирования). Формулировка первой проблемы заключается в том, что для обеспечения свойств системы должны быть созданы массивы правил их обеспечения. Приведем перечень инвариантных свойств системы, которые образуют кортеж :

S = (a,b,c,d,f, … , ),

где:a–первичность целого (системы); b–неаддитивность системы;c–размерность системы;d–сложность структуры системы;e–жесткость системы;f–вертикальная целостность системы;g – горизонтальная обособленность системы;h – иерархичность системы;i–множественность (разная глубина) описания системы;j–взаимозависимость системы и внешней среды;k–степень самостоятельности системы;l–открытость системы;m–совместимость системы;n–целенаправленность системы;o–наследственность системы;p–приоритет качества;q–приоритет интересов системы более высокого уровня;r–надёжность системы;s–оптимальность системы;t–неопределенность информационного обеспечения системы;u–эмерджентность системы;v–мультипликативность системы;w–непрерывность функционирования и развития системы;x–альтернативность путей функционирования и развития системы; y–синергичность системы;z–инерционность системы;–адаптивность системы;–организованность системы;–уровень стандартизации системы;–инновационный характер развития системы.

Для того, чтобы система была целостным объектом необходимо определить характер и последовательность интеллектуальных процедур, обеспечивающих проявление всех вышеназванных свойств.

Отметим, что свойства любой системы только в частном случае могут быть определены функцией структуры этой системы, более приемлемым, по нашему мнению, является зависимость «свойства–организация» системы. Под организацией будем понимать множество элементов и отношений, а также взаимодействие между элементами. В этом случае, концептуальное проектирование систем должно подчиняться закономерностям организации систем, как с точки зрения строения, так и функционирования. Здесь обнаруживается необходимость существования и, соответственно, проектирования такой надсистемы, которая осуществляет целепорождение и координацию всех проявлений свойств системы. Такая надсистема принципиально отлична от внешней среды.

Интеллектуальной проблемой является также создание «границ» системы с внешней средой, где главным является сохранение целостности и обеспечение устойчивости.

Влияние наблюдателя на процесс концептуального проектирования может быть определено через взаимодействие субъекта и объекта. В данном случае необходимо решить задачу о возникновении, формировании, развитии и воплощении идеи проектируемой системы. Приведем самые распространенные определения идеи:

Идея – форма постижения в мысли явлений объективной реальности ;

Идея – это терм, окруженный релевантным знанием ;

Идея – это зафиксированное в каком-либо коде представление об устройствах объекта, о сути процесса, о причинах и следствиях явлений .

Полная цепь развертывания идеи об объекте как о системе обозначена в : Наблюдатель порождает интенции, т.е. исходные намерения в границах аспекта. Следующий шаг проявления идеи – результат развития намерения в конкретной среде. Здесь знание становиться можно уже «рассматривать», это выражение сущности явления. Далее – этап проявления сущности. Это этап системообразования, здесь сущность как нечто целое обнаруживает различие своих частей. и, «наконец», этап восхождения к классам систем при помощи новых аксиом. Как следует из описания, вопрос о том, как появляется идея, является очень сложным, а процедуры ее усложнения, происходящие в Наблюдателе описаны в психологии недостаточно четко. В психолингвистике было уточнено понятие концепта и оказалось, что концепт не равнозначен термину понятия . Концепт существует в ментальном мире человека не в виде четких понятий, а как «пучок» представлений, понятий, знаний, ассоциаций, переживаний, который сопровождает слово. Концепты не только мыслятся, они «переживаются», они предмет эмоций, симпатий и антипатий,а иногда и столкновений. Концепт трактуют как некоторую базовую когнитивную сущность, позволяющую связывать смысл с употребляемым словом, как содержательную единицу процесса концептуализации, посредством которого действительность преломляется в голове человека.

Таким образом, мы выходим на проблему получения выводного знания. Человек может проявлять новое знание «методом открытия» и «методом постулирования». Отметим, что в данном контексте возникают проблемы учета изменения информации в процессе выводного знания (т.е. вывод является немонотонным), а также проблемы горизонтального и вертикального синтеза, средоточием которых является проблема совместимости между элементами и между системными уровнями проектирования.

Для концептуального проектирования особое значение имеет получение именно новых решений. Укажем на взаимосвязь этой проблемы с проблемой системогенеза, а также с проблемой получения выводного знания.

Отметим также, что особой актуальностью обладает концептуальное проектирование систем в аспекте обеспечения их инновационного развития. Это непосредственно связано с качественными переходами между системами, требующими изменения организации этих систем. Эту новую область исследований, по нашему мнению следует назвать гетеродинамикой. На рис.1 показаны возможные направления дальнейших междисциплинарных исследований. Подчеркивая прагматическую направленность, мы хотели бы указать на тесную взаимосвязь с задачами стратегического планирования, стратегического менеджмента, стратегического маркетинга для самых разных предметных областей.

Библиографический список:

1. Никаноров С. П. Метод концептуального проектирования систем организационного управления и его применение. Электронный научно-информационный журнал «СИСТЕМНОЕ УПРАВЛЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ» http://www.situation.ru/app/j_art_960.htm

2. Теслинов А.Г. Развитие систем управления: методология и концептуальные структуры. М.: «Глобус», 1998. 229с.

3. Волкова В.Н., Денисов А.А.Основы теории систем и системного анализа

4. Стратегический маркетинг: Р.А.Фатхутдинов. – СПб.: Питер, 2003.

5. Философский энциклопедический словарь. М: Советская Энциклопедия. 1983

6. Финн В.К.Философские проблемы логики интеллектуальных систем. Журнал Российской Ассоциации искусственного интеллекта. «Новости искусственного интеллекта» № 1. Москва 1999. с. 36.

7. Птушенко А. «Техника Молодёжи» № 3, 2003, стр 24.

8. Залевская А.А. Введение в психолингвистику. Российск.гос.гуманит.ун-т. М., 2000, 382 с.

9. Александров Е.А.Основы теории эвристических решений. М. Советское радио, 1975, 254 с.

10. Бутенко Дм.В. Взаимосвязь стратегического планирования и концептуального проектирования. // XXX Юбилейная Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+SE`2003 Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2003г., с. 107

КОНСПЕКТ ОБЗОРНОЙ ЛЕКЦИИ

Для студентов специальности
Т1002 «Программное обеспечение информационных технологий»

(Л.В. Рудикова, к.ф.-м.н., доцент)

Вопрос 31. АРХИТЕКТУРА СУБД. РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ

1. Понятие базы данных.

2. Трехуровневая архитектура базы данных.

3. Жизненный цикл базы данных.

4. Архитектура СУБД.

5. Реляционная модель данных.

6. Проектирование реляционных баз данных.

7. Нормальные формы отношений.

8. Реляционная алгебра.

1. Понятие базы данных.

Система с базой данных – это любая информационная система на базе компьютера, в которой данные могут совместно использоваться многими приложениями.

Информационная система – автоматическая система, организующая данные и выдающая информацию.

Информационно-управляющая система – система, обеспечивающая информационную поддержку менеджмента.

Данные – разрозненные факты.

Информация – организованные и обработанные данные.

Под базой данных понимается множество взаимосвязанных элементарных групп данных (информации), которые могут обрабатываться одной или несколькими прикладными системами. Система базы данных состоит из базы данных; программного обеспечения общего назначения, которая называется системой управления базой данных (СУБД) , и служит для управления базой данных; соответствующего оборудования и людей.

Каждая СУБД должна удовлетворять следующим требованиям:

· обеспечивать пользователю возможность создавать новые БД и определять их схему (логическую структуру данных) с помощью специального языка - языка определения данных ; поддерживать разнообразные представления одних и тех же данных;

· позволять «запрашивать » данные и изменять их с помощью языка запросов , или языка манипулирования данными ; допускать интеграцию и совместное использование данных различными приложениями;

· поддерживать хранение очень больших массивов данных, измеряемых гигабайтами и более, в течение долгого времени, защищая их от случайной порчи и неавторизованного использования, а также - обеспечивать модификацию БД и доступ к данным путем запросов, т.е. гарантировать безопасность и целостность данных;

· контролировать доступ к данным одновременно для многих пользователей; исключать влияние запроса одного пользователя на запрос другого и не допускать одновременный доступ, который может испортить данные, т.е. гарантировать управление параллельным доступом к данным.

Система с базой данных состоит из следующих компонентов:

· Пользователи, т.е. люди, которые используют данные.

· Приложения, т.е. программы пользователей, которым требуются данные из системы.

· СУБД – программное обеспечение, которое управляет доступом к данным и обеспечивает указанные функциональные возможности системы с базой данных.

· Данные, т.е. строки, хранящиеся в файлах.

· Система-хост – компьютерная система, в которой хранятся файлы. Доступ к строкам данных осуществляется системой-хостом. Роль СУБД состоит в том, чтобы генерировать запросы, позволяющие использовать функциональные возможности системы управления файлами системы-хоста для обслуживания различных приложений. СУБД – это дополнительный уровень программного обеспечения, надстроенный над программным обеспечением системы-хоста.

Таким образом, систему с БД можно представить в виде следующей последовательности уровней:

На самом нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в физических файлах (физическая память БД). На верхнем уровне – приложений с их собственными представлениями одних и тех же физических данных. Каждой представление БД – это определенная логическая структура, построенная из лежащих в основе физических данных. Чтобы обеспечить интерфейс между физической памятью БД и ее разнообразными логическими версиями (множеством поддерживаемых представлений) СУБД, в свою очередь должна состоять из нескольких уровней.

2. Трехуровневая архитектура базы данных.

Различие между логическим и физическим представлением данных официально признано в 1978 году, когда комитет ANSI / SPARC предложил обобщенную структуру систем баз данных. Эта структура получила название трехуровневой архитектуры. Три уровня архитектуры следующие: внутренний, концептуальный и внешний.

Внутренний уровень – это уровень, определяющий физический вид базы данных, наиболее близкий к физическому хранению и связан со способами сохранения информации на физических устройствах хранения. С данным уровнем связаны дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т.д. За этот уровень отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа будут использоваться для извлечения и обновления данных и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия системы управления базами данных. Пользователи не касаются этого уровня.

Концептуальный уровень – структурный уровень, определяющий логическую схему базы данных. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование базы данных, которое включает анализинформационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема, логическое описание всех элементов данных и отношений между ними.

Внешний уровень – структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждая пользовательская группа получает свое собственное представление данных в БД. Каждое такое представление данных дает ориентированное на пользователя описание элементов данных, из которых состоит представление данных, и отношений между ними. Его можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность таких пользовательских представлений данных и дает внешний уровень.

Рис. Уровни СУБД

3. Жизненный цикл базы данных.

Процесс проектирования, реализации иподдержания системы базы данных называется жизненным циклом базы данных (ЖЦБД). Процедура создания системы называется жизненным циклом системы (ЖЦС).

Понимание и правильный подход к ЖЦБД очень важен и требует детального рассмотрения, так как в его основе лежит подход, ориентированный на данные . Элементы данных более стабильны, чем выполняемые функции системы. Создание правильной структуры данных требует сложного анализа классов единиц данных и отношений между ними. Если построить логичную схему базы данных, то в дальнейшем можно создать любое количество функциональных систем, использующих эту схему. Функционально-ориентированный подход можно применять лишь для создания временных систем, которые рассчитаны на недолгое время функционирования.

ЖЦБД состоит из следующих этапов:

1. Предварительное планирование – планирование БД, выполняемое в процессе разработки стратегического плана БД. В процессе планирования собирается следующая информация:

· какие прикладные программы используются, и какие функции они выполняют;

· какие файлы связаны с каждым из этих приложений;

· какие новые приложения и файлы находятся в процессе работы.

Данная информация помогает определить, как используется информация приложений, определить будущие требования к системе БД.

Информация этого этапа документируется в виде обобщенной модели данных.

2. Проверка осуществимости . Здесь определяется технологическая, операционная и экономическая осуществимость плана создания БД, т. е.:

· технологическая осуществимость – есть ли технология для реализации запланированной БД?

· операционная осуществимость – есть ли средства и эксперты, необходимые для успешного осуществления плана создания БД?

· экономическая целесообразность – можно ли определить выводы? Окупится ли запланированная система? Можно ли оценить издержки и выгоду?

3. Определение требований включает выбор целей БД, выяснение информационных требований к системе и требований к оборудованию и программному обеспечению. Таким образом, на данном этапе сбора данных и определения требований создаётся общая информационная модель , выражающаяся в следующих задачах:

· Определяются цели системы путём анализа информационных потребностей. Здесь также обязательно указывается, какую именно БД следует создавать (распределённую, целостную) и какие коммуникационные средства необходимы. Выходной документ – комментарий, описывающий цели системы.

· Определение пользовательских требований: документация в виде обобщённой информации (комментарии, отчёты, опросы, анкеты и т. д.); фиксация функций системы и определение прикладных систем, которые будут выполнять эти требования. Данные представляются в виде соответствующих документов.

· Определение общих требований к оборудованию и программному обеспечению, связанных с поддержанием желаемого уровня быстродействия. (Выяснение количества пользователей системы, числа входных сообщений в день, количество распечаток). Данная информация используется для выбора типов компьютеров и СУБД, объёма дисков, количества принтеров. Данные этого этапа излагаются в отчёте, содержащем примерные конфигурации оборудования и программного обеспечения.

· Разработка плана поэтапного создания системы, включающий выбор исходных приложений.

4. Концептуальное проектирование – создание концептуальной схемы БД. Спецификации разрабатываются в той степени, которая необходима для перехода к реализации.

Основным выходным документом является единая инфологическая модель (или схема БД на концептуальном уровне ). При разработке данной модели используются информация и функции, которые должна выполнить система, определённые на этапе сбора и определения требований к системе. На данном этапе желательно также определить: 1) правила для данных; 2) правила для процессов; 3) правила для интерфейса.

5. Реализация – процесс превращения концептуальной модели в функциональную БД. Он включает в себя следующие этапы.

1) Выбор и приобретение необходимой СУБД.

2) Преобразование концептуальной (инфологической) модели БД в логическую и физическую модель данных:

· на основе инфологической модели данных строится схема данных для конкретной СУБД, при необходимости реализуется денормализация БД с целью ускорения обработки запросов во всех критичных по времени приложениях;

· определяются, какие прикладные процессы необходимо реализовать в схеме данных как хранимые процедуры;

· реализовать ограничения, предназначенные для обеспечения целостности данных и реализации правил для данных;

· спроектировать и сгенерировать триггеры для реализации всех централизованно определённых правил для данных и правил целостности данных, которые не могут быть заданы как ограничения;

· разработать стратегию индексирования и кластеризации; выполнить оценку размеров всех таблиц, кластеров и индексов;

· определить уровни доступа пользователей, разработать и внедрить правила обеспечения безопасности и аудита. Создать роли и синонимы для обеспечения многопользовательского доступа с согласованными уровнями полномочий доступа.

· разработать сетевую топологию БД и механизм бесшовного доступа к удалённым данным (реплицированная или распределённая БД).

3) Построение словаря данных, который определяет хранение определений структуры данных БД. Словарь данных также содержит информацию о полномочиях доступа, правилах защиты данных и контроля данных.

4) Заполнение базы данных.

5) Создание прикладных программ, контроль управления.

6) Обучение пользователей.

6. Оценка и усовершенствование схемы БД. Включает опрос пользователей с целью выяснения функциональных неучтенных потребностей. При необходимости вносятся изменения, добавление новых программ и элементов данных по мере изменения и расширения потребностей.

Таким образом, ЖЦБД включает в себя:

· Изучение предметной области и представление соответствующей документации (1-3).

· Построение инфологической модели (4).

· Реализация (5).

· Оценка работы и поддержка БД (6).

4. Архитектура СУБД.

Рис. Главные компоненты СУБД

Данные, метаданные - содержат не только данные, но и информацию о структуре данных (метаданные ). В реляционной СУБД метаданные включают в себя системные таблицы (отношения), имена отношений, имена атрибутов этих отношений и типы данных этих атрибутов.

Часто СУБД поддерживает индексы данных. Индекс - это структура данных, которая помогает быстро найти элементы данных при наличии части их значения (например, индекс, который находит кортежи конкретного отношения, имеющие заданное значение одного из атрибутов). Индексы - часть хранимых данных, а описания, указывающие, какие атрибуты имеют индексы - часть метаданных.

Менеджер памяти -получает требуемую информацию из места хранения данных и изменяет в нем информацию по требованию расположенных выше уровней системы.

В простых системах БД менеджером памяти может служить система файлов операционной системы. Однако для повышения эффективности, СУБД обычно осуществляет прямой контроль памяти. Менеджер памяти состоит из двух компонентов:

· Менеджер файлов контролирует расположение файлов на диске и получает блок или блоки, содержащие файлы, по запросу менеджера буфера (диск в общем случае делится на дисковые блоки - смежные области памяти, содержащие от 4000 до 16000 байт).

· Менеджер буфера управляет основной памятью. Он получает блоки данных с диска через менеджер файлов и выбирает страницу основной памяти для хранения конкретного блока. Он может временно сохранять дисковый блок в основной памяти, но возвращает его на диск, когда страница основной памяти нужна для другого блока. Страницы также возвращаются на диск по требованию менеджера транзакций.

Процессор «запроса» - обрабатывает запросы и запрашивает изменения данных или метаданных. Он предлагает лучший способ выполнения необходимой операции и выдает соответствующие команды менеджеру памяти.

Процессор (менеджер) запросов превращает запрос или действие с БД, которые могут быть выполнены на очень высоком уровне (например, в виде запроса SQL ), в последовательность запросов на хранимые данные типа отдельных кортежей отношения или частей индекса на отношении. Часто самой трудной частью обработки запроса является его организация , т. е. выбор хорошего плана запроса или последовательности запросов к системе памяти, отвечающей на запрос.

Менеджер транзакций - отвечает за целостность системы и должен обеспечить одновременную обработку многих запросов, отсутствие интерференции запросов (сложение, min , max ) и защиту данных в случае выхода системы из строя. Он взаимодействует с менеджером запросов, т. к. должен знать, на какие данные воздействуют текущие запросы (для избежания конфликтных ситуаций), и может отложить некоторые запросы и операции для избежания конфликтов. Менеджер транзакций взаимодействует также с менеджером памяти, т. к. схемы защиты данных обычно включают в себя хранение файла регистрации изменений данных. При правильном порядке выполнения операции файл регистрации будет содержать запись изменений, поэтому можно заново выполнить даже те изменения, которые не достигли диска из-за сбоя в системе.

Типичные СУБД позволяют пользователю сгруппировать несколько запросов и/или изменений в одной транзакции. Транзакция - это группа операций, которые необходимо выполнить последовательно, как одно целое.

Как правило, система БД поддерживает одновременно множество транзакций. Именно правильное выполнение всех таких транзакций и обеспечивает менеджер транзакций . Правильное выполнение транзакций обеспечивается ACID -свойствами (atomicity , consistency , isolation , durability ):

· атомарность - выполнение либо всех транзакций, либо ни одной из них (например, изъятие денег из банкомата и внесение соответственного дебета в счет клиента должны быть единственной атомарной транзакцией, не допускается выполнение каждой из этих операций по отдельности);

· непротиворечивость - состояние, при котором данные соответствуют всем возможным ожиданиям (например, условие непротиворечивости для БД авиационных линий состоит в том, что ни одно из мест в самолете не бронируется для двух пассажиров);

· изоляция - при параллельном выполнении двух или более транзакций их результаты должны быть изолированы друг от друга. Одновременное выполнение двух транзакций одновременно не должно привести к результату, которого не было бы, если они выполнялись последовательно (например, при продаже билетов на один и тот же рейс в случае свободного последнего места при одновременном запросе двух агентов, запрос одного должен быть выполнен, другого - нет);

· долговременность - после завершения транзакции результат не должен бытьутрачен в случае сбоя системы, даже если этот сбой происходит сразу после завершения транзакции.

Рассмотрим также 3 типа обращения к СУБД:

1. Запросы - вопросы по поводу данных могут генерироваться двумя способами:

a) с помощью общего интерфейса запросов (например, реляционная СУБД допускает запросы SQL , которые передаются процессору запросов, а также получает ответы на них);

б) с помощью интерфейсов прикладных программ - запросы передаются через специальный интерфейс (через этот интерфейс нельзя передавать произвольные запросы);

2. Модификации - это операции по изменению данных. Они также могут выполняться либо с помощью общего интерфейса, либо через интерфейс прикладной программы;

3. Модификации схемы - это команды администраторов БД, которые имеют право изменять схему БД или создавать новую БД.

Архитектура клиент/сервер. Во многих вариантах современного ПО реализуется архитектура клиент/сервер : один процесс (клиент) посылает запрос для выполнения другому процессу (серверу). Как правило, БД часто разделяется на процесс сервера и несколько процессов клиента.

В простейшей архитектуре клиент/сервер вся СУБД является сервером, за исключением интерфейсов запроса, которые взаимодействуют с пользователем и посылают запросы или другие команды на сервер. Например, реляционная СУБД часто использует язык SQL для представления запросов от клиента к серверу. Затем сервер БД предоставляет клиенту ответ в виде таблицы (отношения). Существует тенденция увеличения нагрузки на клиента, т. к. при наличии множества одновременно работающих пользователей БД с сервером могут возникнуть проблемы.

5. Реляционная модель данных.

РМД некоторой предметной области представляет собой набор отношений, изменяющихся во времени. При создании информационной системы совокупность отношений позволяет хранить данные об объектах предметной области и моделировать связи между ними.

Отношение представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные. Математически под N -арным отношением R понимают множество декартова произведения D 1 D 2 … D n множеств (доменов ) D 1, D 2 , …, D n (), необязательно различных:

R D 1 D 2 … D n ,

где D 1 D 2 … D n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется их своего домена.

Домен - это семантическое понятие. Домен можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных имеющих определенный смысл. Домен характеризуется следующими свойствами:

· Домен имеет уникальное имя (в пределах базы данных).

· Домен определен на некотором простом типе данных или на другом домене.

· Домен может иметь некоторое логическое условие , позволяющее описать подмножество данных, допустимых для данного домена.

· Домен несет определенную смысловую нагрузку .

Атрибут отношения есть пара вида <Имя_атрибута: Имя_домена>. Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения. Часто имена атрибутов отношения совпадают с именами соответствующих доменов.

Отношение R , определенное на множестве доменов, содержит две части: заголовок и тело.

Заголовок отношения – это фиксированное количество атрибутов отношения:

Заголовок отношения описывает декартово произведение доменов, на котором задано отношение. Заголовок статичен, он не меняется во время работы с базой данных. Если в отношении изменены, добавлены или удалены атрибуты, то в результате получим уже другое отношение (пусть даже с прежним именем).

Тело отношения содержит множество кортежей отношения. Каждый кортеж отношения представляет собой множество пар вида <Имя_атрибута: Значение_атрибута>:

таких что значение атрибута принадлежит домену . Тело отношения представляет собой набор кортежей, т.е. подмножество декартового произведения доменов. Таким образом, тело отношения собственно и является отношением в математическом смысле слова. Тело отношения может изменяться во время работы с базой данных - кортежи могут изменяться, добавляться и удаляться.

Отношение обычно записывается в виде:

или короче

,

или просто

Число атрибутов в отношении называют степенью (или -арностью ) отношения. Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.

Схемой отношения называется перечень имен атрибутов данного отношения с указанием домена, к которому они относятся:

Если атрибуты принимают значения из одного и того же домена, то они называются -сравнимыми, где – множество допустимых операций сравнений, заданных для данного домена. Например, если домен содержит числовые данные, то для него допустимы все операции сравнения, тогда . Однако, и для доменов, содержащих символьные данные, могут быть заданы не только операции сравнения по равенству и неравенству значений. Если для данного домена задано лексикографическое упорядочение, то он имеет также полный спектр операций сравнения.

Схемы двух отношений называются эквивалентными , если они имеют одинаковую степень и возможно такое упорядочение имен атрибутов в схемах, что на одинаковых местах будут находиться сравнимые атрибуты, то есть атрибуты, принимающие значения из одного домена:

Пусть – схема отношения . – схема отношения после упорядочения имен атрибутов. Тогда

~

Таким образом, для эквивалентных отношений выполняются следующие условия:

· Таблицы имеют одинаковое количество столбцов.

· Таблицы содержат столбцы с одинаковыми наименованиями.

· Столбцы с одинаковыми наименованиями содержат данные из одних и тех же доменов.

· Таблицы имеют одинаковые строки с учетом того, что порядок столбцов может различаться.

Все такие таблицы есть различные изображения одного и того же отношения.

Свойства отношений. Свойства отношений непосредственно следуют из приведенного выше определения отношения. В этих свойствах в основном и состоят различия между отношениями и таблицами.

· В отношении нет одинаковых кортежей .

· Кортежи не упорядочены (сверху вниз) .

· Атрибуты не упорядочены (слева направо) .

· Все значения атрибутов атомарны .

Рис. Схематическое изображение отношения

Реляционная модель представляет собой базу данных в виде множества взаимосвязанных отношений. В каждой связи одно отношение может выступать как основное, а другое отношение выступает в роли подчиненного. Таким образом, один кортеж основного отношения может быть связан с несколькими кортежами подчиненного отношения. Для поддержки этих связей оба отношения должны содержать наборы атрибутов, по которым они связаны. В основном отношении это первичный ключ отношения , который однозначно определяет кортеж основного отношения. В подчиненном отношении для моделирования связи должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу основного отношения. Однако здесь этот набор атрибутов уже является вторичным ключом или внешним ключом , т.е. он определяет множество кортежей отношения, которые связаны с единственным кортежем основного отношения.

6. Проектирование реляционных баз данных.

При проектирование реляционной БД должны быть решены следующие проблемы:

1) С учетом семантики предметной области необходимо наилучшим способом представить объекты предметной области в виде абстрактной модели данных (даталогическое проектирование). Т.е. - определиться со схемой БД: из каких отношений должны состоять БД, какие атрибуты должны быть у этих отношений, каковы связи между отношениями.

2) Обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных (физическое проектирование БД).

После проведения этапа даталогического проектирования должны быть получены следующие результирующие документы:

· Построение корректной схемы данных ориентируясь на реляционную модель данных.

· Описание схемы БД в терминах выбранной СУБД.

· Описание внешних моделей в терминах выбранной СУБД.

· Описание декларативных правил поддержки целостности БД.

· Разработка процедур поддержки семантической целостности БД.

Итак, задача проектирования реляционной БД состоит в выборе схемы базы из множества альтернативных вариантов.

Корректной называется схема БД, в которой отсутствуют нежелательные зависимости между атрибутами отношений. Процесс разработки корректной схемы БД называется логическим проектированием .

Проектирование схемы БД можно выполнить двумя методами:

· Метод декомпозиции (разбиения) – исходное множество отношений, входящих в схему БД заменяется другим множеством отношений, являющихся проекциями исходных отношений! При этом число отношений возрастает.

· Метод синтеза – компоновка схемы БД из заданных исходных элементарных зависимостей между объектами предметной области.

Классическое проектирование БД связано с теорией нормализацией , которая основана на анализе функциональных зависимостей между атрибутами отношений. Функциональные зависимости определяют устойчивые отношения между объектами и их свойствами в рассматриваемой предметной области.

Метод декомпозиции представляет собой процесс последовательной нормализации схем отношений: каждая новая итерация соответствует нормальной форме более высокого порядка и обладает лучшими свойствами по сравнению с предыдущей. Т.о., изначально предполагается существование универсального отношения, содержащего все атрибуты БД, затем на основе анализа связей между атрибутами осуществляется (или – делается попытка осуществить) декомпозиция универсального отношения, т.е. переход к нескольким отношениям меньшей размерности, причем исходное отношение должно восстанавливаться с помощью операции естественного соединения.

Итак, каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношений находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений.

В теории реляционных БД обычно выделяют следующие нормальные формы:

первая нормальная форма (1 NF );

· вторая нормальная форма (2 NF );

· третья нормальная форма (3 NF );

· нормальная форма Байса-Кодда (BCNF );

· четвертая нормальная форма (4 NF );

· пятая нормальная форма или форма проекции - соединения (5 NF или PYNF ).

Основные свойства нормальных форм:

· каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;

· при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.

Схемы БД называются эквивалентными , если содержание исходной БД можно получить естественным соединением отношений, входящих в результирующую схему, и при этом не появляется новых кортежей в исходной БД.

7. Нормальные формы отношений.

В основе процесса нормализации лежит адекватное отражение предметной области в виде таблиц, содержащих данные о моделируемом объекте, и возможность изменения состояния базы данных с течением времени. Как правило, из-за несоответствия модели данных предметной области могут возникнуть аномалии, которые проявляются при выполнении соответствующих операций:

· Аномалии вставки (INSERT) – хранение в одном отношении разнородной информации.

· Аномалии обновления (UPDATE) –избыточность данных отношения из-за хранения разнородной.

· Аномалии удаления (DELETE) – хранение разнородной информации в одном отношении.

Следует учитывать также возникающие неопределенные ( NULL ) значения . В разных СУБД при выполнении различных операций (сравнение, объединение, сортировка, группировка и др.) два NULL -значения могут быть или не быть равными друг другу, по разному влиять на результат выполнения операций по определению средних значений и нахождения количества значений. Для исключения ошибок во многих СУБД существует возможность замены NULL -значения нулем при выполнении расчетов, объявление всех NULL -значений равными друг другу и т.п.

Нормализация – разбиение таблицы на несколько, которые обладают лучшими свойствами при обновлении, вставке и удалении данных. Т.е. нормализация представляет собой процесс последовательной замены таблицы ее полными декомпозициями до тех пор, пока все они не будут находиться в 5НФ, однако, на практике достаточно привести таблицы к НФБК.

Процедура нормализации основывается на том, что единственными функциональными зависимостями в любой таблице должны быть зависимости вида , где - первичный ключ, а - некоторое другое поле. Поэтому в процессе нормализации следует избавиться от всех "других" функциональных зависимостей, т.е. от тех, которые имеют иной вид, чем .

Если заменить на время нормализации коды первичных (внешних) ключей, то следует рассмотреть 2 случая:

1. Таблица имеет составной первичный ключ, например и поле , которое функционально зависит от части этого ключа, например, от (от полного ключа не зависит). Рекомендуется сформировать другую таблицу, содержащую и ( – первичный ключ), и удалить из первоначальной таблицы:

Заменить , первичный ключ , ФЗ

на , первичный ключ

и , первичный ключ .

2. Таблица имеет первичный (возможный) ключ , поле , которое не является возможным ключом, но функционально зависит от , а также – другое неключевое поле , функционально зависящее от : . Рекомендуется сформировать таблицу содержащую и ( - первичный ключ), и – удалить из первоначальной таблицы: Следует заметить, что для проведения таких операций первоначально следует иметь, в качестве входных данных некоторые «большие» (универсальные) отношения.

Опр.1. Отношение находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда ни одна из его строк не содержит в любом своем поле одного значения и ни одного из ключевых полей отношения не пусто.

По опр.1, любое отношение будет находиться в 1НФ, т.е. отношение, удовлетворяющее свойствам отношений: в отношении нет одинаковых кортежей; кортежи не упорядочены; атрибуты не упорядочены и различаются по наименованию; все значения атрибутов атомарны.

Опр.2. Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в 1НФ и нет неключевых атрибутов, зависящих от части сложного ключа (т.е. все поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом).

Если потенциальный ключ является простым, то отношение автоматически находится в 2НФ.

Чтобы устранить зависимость атрибутов от части сложного ключа, необходимо произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. Атрибуты, которые зависят от части сложного ключа, выносятся в отдельное отношение.

Атрибуты отношения называются взаимно-независимыми , если ни один из них не является функционально зависимым от другого.

Опр.3. Отношение находится в третьей нормальной форме (3НФ) тогда и только тогда, когда отношение находятся в 2НФ и все неключевые атрибуты взаимно независимы (т.е. ни одно из неключевые полей отношения не зависит функционально от любого другого неключевого поля).

Чтобы устранить зависимость неключевых атрибутов, нужно произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. При этом те неключевые атрибуты, которые являются зависимыми, выносятся в отдельное отношение.

При приведении отношений при помощи алгоритма нормализации к отношениям в 3НФ предполагается, что все отношения содержат один потенциальный ключ. Это не всегда верно. Бывают случаи, когда отношение может содержать несколько ключей.

Опр.4. Отношение находится в нормальной форме Байса-Кодда (НФБК) тогда и только тогда, когда детерминанты всех функциональных зависимостей являются потенциальными ключами (либо - если любая функциональная зависимость между его палями сводится к полной функциональной зависимости от возможного ключа).

Если отношение находится в НФБК, то оно автоматически находится в 3НФ, что следует из определения 4. Чтобы устранить зависимость от детерминантов, не являющихся потенциальными ключами, следует провести декомпозицию, вынося эти детерминанты и зависимые от них части в отдельное отношение.

Бывают случаи, когда отношение не содержит никаких функциональных зависимостей. Т.е. отношение является полностью ключевым, т.е. ключом отношения является все множество атрибутов. Т.о., мы имеем многозначную зависимость, т.к. взаимосвязь между атрибутами все-таки имеется.

Опр.5. Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Отношения с нетривиальными многозначными зависимостями возникают, как правило, в результате естественного соединения двух отношений по общему полю, которое не является ключевым ни в одном из отношений. Реально это ведет к хранению в одном отношении информации о двух независимых сущностях.

Для устранения нетривиальных многозначных зависимостей можно декомпозировать исходное отношение на несколько новых.

Опр.6. Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ) тогда и только тогда, когда любая имеющаяся зависимость соединения является тривиальной.

Опр.6. тождественно также следует определению.

Опр.7. Отношение не находится в 5НФ, если в отношении найдется нетривиальная зависимость соединения.

Т.о. если в каждой полной декомпозиции все проекции исходного отношения содержат возможный ключ, можно сделать вывод о том, что отношение находится в 5НФ. Отношение, не имеющее ни одной полной декомпозиции также находится в 5НФ.

Не зная ничего о том, какие потенциальные ключи имеются в отношении и как взаимосвязаны атрибуты, нельзя утверждать, что данное отношение находится в 5НФ или в других нормальных формах.

Возможным ключом отношения называется набор атрибутов отношения, который полностью и однозначно (функционально полно) определит значения всех остальных атрибутов отношения. В общем случае в отношении может быть несколько возможных ключей. Среди всех возможных ключей отношения как правило выбирают один, который считается главным и который называют первичным ключом отношения.

Взаимно-независимые атрибуты – это атрибуты, не зависящие один от другого. Если в отношение существует несколько ФЗ, то каждый атрибут или набор атрибутов, от которого зависит другой атрибут, называется детерминантом отношения.

9. Реляционная алгебра.

Реляционная алгебра представляет собой основу доступа к реляционным данным. Основная цель алгебры – обеспечить запись выражений. Выражения могут использоваться для:

· определения области выборки , т.е. определения данных для их выбора, как результата операции выборки;

· определения области обновления , т.е. определения данных для их вставки, изменения или удаления, как результата операции обновления;

· определение (именованных) виртуальных отношений , т.е. представление данных для их визуализации через представления;

· определение снимка, т.е. определение данных для сохранения в виде «мгновенного снимка» отношения;

· определение правил безопасности, т.е. определение данных, для которых осуществляется контроль доступа;

· определение требований устойчивости, т.е. определение данных, которые входят в область для некоторых операций управления одновременным доступом;

· определение правил целостности, т.е. некоторых особых правил, которым должна удовлетворять база данных, наряду с общими правилами, представляющими часть реляционной модели и применяемыми к каждой базе данных.

В реализациях конкретных реляционных СУБД сейчас не используется в чистом виде ни реляционная алгебра, ни реляционное исчисление. Фактическим стандартом доступа к реляционным данным стал язык SQL (Structured Query Language).

Реляционная алгебра, определенная Коддом состоит из 8 операторов, составляющих 2 группы:

• традиционные операции над множествами (объединение, пересечение, вычитание, декартово произведение);
• специальные реляционные операции (выборка, проекция, соединение, деление).

Кроме того, в состав алгебры включается операция присваивания, позволяющая сохранить в базе данных результаты вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, дающая возможность корректно сформировать заголовок (схему) результирующего отношения.

Краткий обзор операторов реляционной алгебры.

Выборка – возвращает отношение, которое содержит все кортежи определенного отношения, удовлетворяющие некоторым условиям. Операция выборки называется также операцией ограничения (restrict - ограничение, сейчас чаще принимается выборка - SELECT ).

Проекция – возвращает отношение, содержащее все кортежи (т.е. - под кортежи) определенного отношения после исключения из него некоторых атрибутов.

Произведение – возвращает отношение, содержащее всевозможные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадлежащих соответственно двум определенным отношениям.

Объединение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат или одному из двух определенных отношений, или обоим.

Пересечение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат одновременно двум определенным отношениям.

Вычитание – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат первому из двух определенных отношений и не принадлежат второму.

Соединение (естественное) – возвращает отношение, кортежи которого - это сочетание двух кортежей (принадлежащих соответственно двум определенным отношениям), имеющих общее значение для одного или нескольких общих атрибутов этих двух отношений (и такие общие значения в результирующем кортеже появляются только один раз, а не дважды).

Деление – для двух отношений, бинарного и унарного, возвращает отношение, содержащее все значения одного атрибута бинарного отношения, которые соответствуют (в другом атрибуте) всем значениям в унарном отношении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных, 6-е издание: Пер. с англ. – К.; М.; СПб.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 848 с.

2. Конноли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 1120 с.

3. Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация. – СПб.: Питер, 2001. – 304 с.

4. Фаронов В.В., Шумаков П.В. Delphi 4. Руководство разработчика баз данных. – М.: «Нолидж», 1999. – 560 с.

5. Дж. Грофф, П.Вайнберг. SQL: Полное руководство: Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2001. – 816 с.

6. Кен Гетц, Пол Литвин, Майк Гилберт. Access 2000. Руководство разработчика. Т.1, 2. Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2000. – 1264 с, 912 c.

7. Маклаков С.В BPwin и EPwin. CASE-средства разработки информационных систем. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001. – 304 с.

8. Ульман Д., Уидом Д. Введение в системы баз данных / Пер. с англ. – М.: «Лори», 2000. – 374 с.

9. Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных: Учебник для высших учебных заведений / Под ред. Проф. А.Д.Хомоненко. – Спб.: КОРОНА принт, 2000. – 416 с.

7.2. Концептуальное проектирование с использованием методологии IDEF1X

Цель концептуального проектирования – создание концептуальной схемы данных на основе представлений о предметной области каждого отдельного типа пользователей. Концептуальная схема представляет собой описание основных сущностей (таблиц) и связей между ними без учета принятой модели БД и синтаксиса целевой СУБД. Часто на такой схеме отображаются только имена сущностей (таблиц) без указания их атрибутов. Представление пользователя включает в себя данные, необходимые конкретному пользователю для принятия решений или выполнения некоторого задания.

Ниже рассматривается последовательность шагов при концептуальном проектировании [ , ].

1. Выделение сущностей.

Первый шаг в построении концептуальной схемы данных состоит в определении основных объектов (сущностей), которые могут интересовать пользователя и, следовательно, должны храниться в БД. При наличии функциональной модели прообразами таких объектов являются входы, управления и выходы. Еще лучше для этих целей использовать . Прообразами объектов в этом случае будут накопители данных. Как было отмечено выше, накопитель данных является совокупностью таблиц (набором объектов) или непосредственно таблицей (объектом). Для более детального определения набора основных объектов необходимо также проанализировать потоки данных и весь методический материал, требуемый для решения задачи. Например, для задачи определения допускаемых скоростей основными объектами (наборами объектов) являются: нормативно-справочная информация, информация об участках дороги, задания на расчет, ведомости допускаемых скоростей и т.д. В ходе анализа и проектирования информационной модели наборы объектов должны быть детализированы. Например, составной объект «информация об участках дороги» с учетом специфики решаемой задачи требует разбиения на отдельные составляющие: участки, пути, раздельные пункты, километраж, план, верхнее строение пути и т.д.

Возможные трудности в определении объектов связаны с использованием постановщиками задачи:

Примеров и аналогий при описании объектов (например, вместо обобщающего понятия «работник» они могут упоминать его функции или занимаемую должность: «руководитель», «ответственный», «контролер», «заместитель»);

Синонимов (например, «допускаемая скорость» и «установленная скорость», «разработка» и «проект», «барьерное место» и «ограничение скорости»);

Омонимов (например, «программа» может обозначать компьютерную программу, план предстоящей работы или программу телепередач).

Далеко не всегда очевидно то, чем является определенный объект – сущностью, связью или атрибутом. Например, как следует классифицировать «семейный брак»? На практике это понятие можно вполне обоснованно отнести к любой из упомянутых категорий. Анализ является субъективным процессом, поэтому различные разработчики могут создавать разные, но вполне допустимые интерпретации одного и того же факта. Выбор варианта в значительной степени зависит от здравого смысла и опыта проектировщика.

Каждая сущность должна обладать некоторыми свойствами:

Должна иметь уникальное имя, и к одному и тому же имени должна всегда применяться одна и та же интерпретация;

Обладать одним или несколькими атрибутами, которые либо принадлежат сущности, либо наследуются через связь;

Обладать одним или несколькими атрибутами (первичным ключом), которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности, т. е. делают уникальной каждую строку таблицы;

Может обладать любым количеством связей с другими сущностями.

В графической нотации IDEF1X для отображения сущности используются обозначения, изображенные на следующем рисунке.

а) независимая		б) зависимая

Рис. 7.1. Сущности

Сущность в методологии IDEF1X является независимой (сильной, родительской, доминантной, владельцем) , если сущность не зависит от существования другой сущности (другими словами, каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован без определения его связей с другими сущностями, или уникальность экземпляра определяется только собственными атрибутами). Сущность называется зависимой (слабой, дочерней, подчиненной) , если ее существование зависит от существования других сущностей. Терминология «родительская» – «дочерняя» и «владелец» – «подчиненный» также может использоваться в отношении двух зависимых сущностей, если экземпляры одной из них (дочерней, подчиненной) могут быть однозначно определены с использованием экземпляров другой (родительской, владельца), несмотря на то, что вторая сущность в свою очередь зависит от третьей сущности.

2. Определение атрибутов.

Как правило, атрибуты указываются только для сущностей. Если у связи имеются атрибуты, то это указывает на тот факт, что связь является сущностью. Самый простой способ определения атрибутов – после идентификации сущности или связи, задать себе вопрос «Какую информацию требуется хранить о …?». Существенно помочь в определении атрибутов могут различные бумажные и электронные формы и документы, используемые в организации при решении задачи. Это могут быть формы, содержащие как исходную информацию (например, «Ведомость возвышений наружного рельса в кривых»), так и результаты обработки данных (например, «Форма № 1»).

Выявленные атрибуты могут быть следующих видов:

Простой (атомарный, неделимый) – состоит из одного компонента с независимым существованием (например, «должность работника», «зарплата», «норма непогашенного ускорения», «радиус кривой» и т.д.);

Составной (псевдоатомарный) – состоит из нескольких компонентов (например, «ФИО», «адрес», и т. д.). Степень атомарности атрибутов, закладываемая в модель, определяется разработчиком. Если от системы не требуется выборки всех клиентов с фамилией Иванов или проживающих на улице Комсомольской, то составные атрибуты можно не разбивать на атомарные;

Однозначный – содержит только одно значение для одного экземпляра сущности (например, у кривой в плане может быть только одно значение радиуса, угла поворота, возвышения наружного рельса и т.д.);

Многозначный – содержит несколько значений (например, у одного отделения компании может быть несколько контактных телефонов);

Производный (вычисляемый) – значение атрибута может быть определено по значениям других атрибутов (например, «возраст» может быть определен по «дате рождения» и текущей дате, установленной на компьютере);

Ключевой – служит для уникальной идентификации экземпляра сущности (входит в состав первичного ключа), быстрого поиска экземпляров сущности или задания связи между экземплярами родительской и дочерней сущностей;

Неключевой (описательный);

Обязательный – при вводе нового экземпляра в сущность или редактировании обязательно указывается допустимое значение атрибута, т.е. после указанных действий оно не может быть неопределенным (NOT NULL). Атрибуты, входящие в первичный ключ сущности, являются обязательными.

После определения атрибутов задаются их домены (области допустимых значений) , например:

Наименование участка – набор из букв русского алфавита длиной не более 60 символов;

Поворот кривой – допустимые значения «Л» (влево) и «П» (вправо);

Радиус кривой – положительное число не более 4 цифр.

Задание доменов определяет набор допустимых значений для атрибута (нескольких атрибутов), а также тип, размер и формат атрибута (атрибутов).

На основании выделенного множества атрибутов для сущности определяется набор ключей. Ключ – один или несколько атрибутов сущности, служащих для однозначной идентификации ее экземпляров, их быстрого поиска или задания связи между экземплярами родительской и дочерней сущностей. Ключи, используемые для однозначной идентификации экземпляров, подразделяются на следующие типы:

- суперключ (superkey) – атрибут или множество атрибутов, которое единственным образом идентифицирует экземпляр сущности. Суперключ может содержать «лишние» атрибуты, которые необязательны для уникальной идентификации экземпляра. При правильном проектировании структуры БД суперключом в каждой сущности (таблице) будет являться полный набор ее атрибутов;

- потенциальный ключ (potential key) – суперключ, который не содержит подмножества, также являющегося суперключом данной сущности, т. е. суперключ, содержащий минимально необходимый набор атрибутов, единственным образом идентифицирующих экземпляр сущности. Сущность может иметь несколько потенциальных ключей. Если ключ состоит из нескольких атрибутов, то он называется составным ключом. Среди всего множества потенциальных ключей для однозначной идентификации экземпляров выбирают один, так называемый первичный ключ, используемый в дальнейшем для установления связей с другими сущностями;

- первичный ключ (primary key) – потенциальный ключ, который выбран для уникальной идентификации экземпляров внутри сущности;

- альтернативные ключи (alternative key) – потенциальные ключи, которые не выбраны в качестве первичного ключа.

Рассмотрим пример. Пусть имеется таблица, содержащая сведения о студенте, со следующими столбцами:

Фамилия;

Отчество;

Дата рождения;

Место рождения;

Номер группы;

Номер пенсионного страхового свидетельства (НПСС);

Номер паспорта;

Дата выдачи паспорта;

Организация, выдавшая паспорт.

Для каждого экземпляра (записи) в качестве суперключа может быть выбран весь набор атрибутов. Потенциальными ключами (уникальными идентификаторами) могут быть:

Номер пенсионного страхового свидетельства;

Номер паспорта.

В качестве уникального идентификатора можно было бы выбрать совокупность атрибутов «Фамилия»+«Имя»+«Отчество», если вероятность учебы в вузе двух полных тезок была бы равна нулю.

Если в сущности нет ни одной комбинации атрибутов, подходящей на роль потенциального ключа, то в сущность добавляют отдельный атрибут – суррогатный ключ (искусственный ключ, surrogate key) . Как правило, тип такого атрибута выбирают символьный или числовой. В некоторых СУБД имеются встроенные средства генерации и поддержания значений суррогатных ключей (например, MS Access). Также стоит отметить, что некоторые разработчики вместо поиска потенциальных ключей и выбора из них первичного в каждую сущность добавляют искусственный атрибут, который в дальнейшем и используют в качестве первичного ключа.

Если потенциальных ключей несколько, то для выбора первичного ключа рекомендуется придерживаться следующих правил:

Количество атрибутов, входящих в ключ, должно быть минимальным (желательно, чтобы ключ был атомарным, т.е. состоял из одного атрибута);

Размер ключа в байтах должен быть как можно короче;

Тип домена ключа – числовой. При выборе символьных атрибутов в ключ часто возникают проблемы с вводом ошибочных значений (путают регистр букв; добавляют лишние пробелы; используют буквы, пишущиеся на разных языках одинаково). В числовых атрибутах вероятность ошибки при вводе значения меньше;

Вероятность изменения значений ключа была наименьшей (например, «Номер пенсионного страхового свидетельства» более постоянный параметр, чем «ИНН» или «Номер паспорта»);

С ключом проще всего работать пользователям (например, «Номер пенсионного страхового свидетельства» – это набор из 11 цифр, а «Номер паспорта» зависит от его вида: гражданина СССР, гражданина РФ или зарубежный).

Если некий атрибут (набор атрибутов) присутствует в нескольких сущностях, то его наличие обычно отражает наличие связи между экземплярами этих сущностей. В каждой связи одна сущность выступает как родительская, а другая – в роли дочерней. Это означает, что один экземпляр родительской сущности может быть связан с несколькими экземплярами дочерней. Для поддержки этих связей обе сущности должны содержать наборы атрибутов, по которым они связаны. В родительской сущности это первичный ключ. В дочерней сущности для моделирования связи должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу родительской. Этот набор атрибутов в дочерней сущности принято называть внешним ключом (foreign key) .

В нотации IDEF1X атрибуты изображаются в виде списка имен внутри блока сущности. Атрибуты, определяющие первичный ключ, размещаются наверху списка и отделяются от других атрибутов горизонтальной чертой. Предварительная идентификация атрибутов на примере двух сущностей показана на следующем рисунке.

Рис. 7.2. Примеры сущностей

У независимой сущности «Участки» в качестве первичного ключа назначен суррогатный ключ, у зависимой сущности «План» – первичный ключ составной, состоящий из пяти атрибутов.

3. Определение связей.

Наиболее характерными типами связей между сущностями являются:

Связи типа «часть–целое», определяемые обычно глаголами «состоит из», «включает» и т.п.;

Классифицирующие связи (например, «тип – подтип», «множество – элемент», «общее – частное» и т. п.);

Производственные связи (например, «начальник–подчиненный»);

Функциональные связи, определяемые обычно глаголами «производит», «влияет», «зависит от», «вычисляется по» и т. п.

Среди них выделяются только те связи, которые необходимы для удовлетворения требований к разработке БД.

Связь характеризуется следующим набором параметров:

Именем – указывается в виде глагола и определяет семантику (смысловую подоплеку) связи;

Кратностью (кардинальность, мощность): один-к-одному (1:1), один-ко-многим (1:N) и многие-ко-многим (N:M, N = M или N <> M). Кратность показывает, какое количество экземпляров одной сущности определяется экземпляром другой. Например, на одном участке (описывается строкой таблицы «Участки») может быть один, два и более путей (каждый путь описывается отдельной строкой в таблице «Пути»). В данном случае связь 1:N. Другой пример: один путь проходит через несколько раздельных пунктов и через один раздельный пункт может проходить несколько путей – cвязь N:M;

Типом: идентифицирующая (атрибуты одной сущности, называемые внешним ключом, входят в состав дочерней и служат для идентификации ее экземпляров, т.е. входят в ее первичный ключ) и неидентифицирующая (внешний ключ имеется в дочерней сущности, но не входит в состав первичного ключа);

Обязательностью: обязательная (при вводе нового экземпляра в дочернюю сущность заполнение атрибутов внешнего ключа обязательно и введенные значения должны совпадать со значениями атрибутов первичного ключа какого-либо экземпляра родительской сущности) и необязательная (заполнение атрибутов внешнего ключа в экземпляре дочерней сущности необязательно или введенные значения не совпадают со значениями атрибутов первичного ключа ни одного экземпляра родительской сущности);

Степенью участия – количеством сущностей, участвующих в связи. В основном между сущностями существуют бинарные связи, т.е. ассоциации, связывающие две сущности (степень участия равна 2). Например, «Участок» состоит из «Путей». В то же время по степени участия возможны следующие типы связей:

o унарная (рекурсивная) – сущность может быть связана сама с собой. Например, в таблице «Работники» могут быть записи и по подчиненным, и по их начальникам. Тогда возможна связь «начальник» – «подчиненный», определенная на одной таблице;

o тернарная – связывает три сущности. Например, «Студент» на «Сессии» получил «Оценку по дисциплине»;

o кватернарная и т.д.

В методологии IDEF1X степень участия может быть только унарной или бинарной. Связи большей степени приводятся к бинарному виду.

Внешний вид связи на диаграммах IDEF1X указывает на ее мощность, тип и обязательность.

Таблица 7.1. Типы связей

Примечания.

1. Идентифицирующая связь отображается сплошной линией, неидентифицирующая – пунктирной.

2. Необязательность обозначается ромбиком.

На следующем рисунке приведены примеры отображения связей.

а) идентифицирующая

б) неидентифицирующая

в) рекурсивная

Рис.7.3. Примеры связей

На рис. 7.3б связь необязательная, так как некоторые сотрудники не обязательно должны входить в какой-либо отдел (например, директор предприятия), и неидентифицирующая, так как табельный номер уникален для каждого сотрудника.

4. Определение суперклассов и подклассов.

В тех случаях, когда две и более сущностей по набору атрибутов незначительно отличаются друг от друга, можно применять в модели конструкцию – иерархию наследования (категорий), включающую в себя суперклассы и подклассы.

Суперкласс – сущность, включающая в себя подклассы.

Иерархия наследования представляет собой особый тип объединения сущностей, которые разделяют общие характеристики. Например, в организации работают служащие, занятые полный рабочий день (постоянные служащие) и совместители. Из их общих свойств можно сформировать обобщенную сущность (родового предка) «Сотрудник» (рис. 7.4), чтобы представить информацию, общую для всех типов служащих. Специфическая для каждого типа информация может быть расположена в дополнительных сущностях (потомках) «Постоянный сотрудник» и «Совместитель» .

Рис. 7.4. Иерархия наследования (неполная категория)

Обычно иерархию наследования создают, когда несколько сущностей имеют общие по смыслу атрибуты, либо когда сущности имеют общие по смыслу связи (например, если бы «Постоянный сотрудник» и «Совместитель» имели бы сходную по смыслу связь «работает в» с сущностью «Организация»).

Для каждой категории требуется указать дискриминатор – атрибут родового предка, который показывает, как отличить одну сущность от другой. В приведенном примере дискриминатор – атрибут «Тип».

В полной категории одному экземпляру родового предка обязательно соответствует экземпляр в каком-либо потомке, т. е. в примере сотрудник обязательно является либо совместителем, либо консультантом, либо постоянным сотрудником.

При построении модели возможны различные комбинации полных и неполных категорий. Например, первый уровень категории неполный, отдельные сущности которого дополняются вторым уровнем – полной категорией.

7.3. Пример построения концептуальной схемы

На следующем рисунке показан фрагмент концептуальной схемы информационной модели для задачи определения допускаемых скоростей, построенная с использованием ERwin v9.2.

Рис. 7.6. Фрагмент концептуальной схемы информационной модели

В концептуальной схеме выделены следующие логические блоки данных:

Нормативно-справочная информация;

Информация об участках дороги;

Задание на расчет;

Ведомости допускаемых скоростей;

Проект Приказа «Н» (на рис. 7.6 не показан);

Формы № 1, 1а и 2 (на рис. 7.6 не показан).

Все сущности, входящие в блоки (кроме блока «Нормативно-справочная информация»), представлены во фрагменте только наименованиями. Сущности, входящие в блок «Нормативно-справочная информация», показаны развернуто, т.е. включая все атрибуты и первичные ключи. В этом блоке присутствуют две сущности («Нормативы для сопрягаемых кривых» и «Допускаемые скорости по уклону отвода возвышения в кривых»), которые не связаны ни с одной другой сущностью. Это не является ошибкой, так как существует мнение, что схема БД должна представлять собой связный граф (все сущности должны быть связаны между собой). Для большинства задач, где в БД накапливается различная оперативная информация, а затем на основе ее формируются различные отчеты и сводки, такое утверждение действительно имеет место. Но для инженерных, оптимизационных и некоторых других задач возможно наличие несвязанных таблиц. В рассматриваемом примере две несвязанные сущности участвуют в каждом расчете допускаемых скоростей, т. е. они влияют на результаты, отображаемые в ведомостях допускаемых скоростей. Но учитывая специфику задачи, изменение содержимого этих таблиц не должно приводить к изменению уже полученных результатов. Поэтому таблицы не связаны ни с заданиями на расчет, ни с результатами расчета.

Задачей концептуального проектирования является определение информационных потребностей "предприятия", тех процессов и данных, которые необходимы для обеспечения этих потребностей. Процесс концептуального проектирования начинается с изучения деятельности "предприятия", т.е. с анализа предметной области . Вначале определяются цели и задачи предприятия, анализируются процессы (планирование, управление, контроль), обеспечивающие достижение этих целей и выполнение поставленных задач. Затем осуществляется разбиение процессов на процессы более низкого уровня до тех пор, пока в результате декомпозиции не будет достигнут уровень приложений, выполнение которых возможно без дальнейшего разбиения. Далее определяются информационные потребности каждого приложения, определяются требования к данным, которые, в сущности, определяют локальные представления, о которых речь шла выше. Дальнейший процесс объединения этих локальных представлений, устранение возникающих противоречий, имеет своей целью создание единого цельного представления БД, называемого как уже упоминалось выше концептуальным представлением. К сожалению, следует констатировать, что проектирование БД все еще является весьма субъективным занятием, поскольку не существует действительно строгих методов решения этой задачи.

Концептуальная схема описывает общее представление в терминах некоторой абстрактной модели данных .

2.Модель данных

Любая модель данных содержит три компоненты:

Описание структуры данных , т.е. описание объектов, на которых строится БД.

Ограничения целостности , т.е. набор правил, которые ограничивают множество экземпляров этих объектов, допустимых в БД.

Набор допустимых операций , т.е. набор операторов, которые применяются для обработки экземпляров объектов.

Модель данных предполагает, как минимум, наличие языка определения данных (ЯОД) для описания структуры и языка манипулирования данными (ЯМД), включающего операции извлечения и модификации данных, а также наличие механизма поддержания соответствия данных предметной области на основе формально описанных правил.

Популярный подход к моделированию данных был предложен Питером Ченом в работе «Модель сущность-связь – к унифицированному виду данных». Этот подход основан на модели «сущность-связь» или ER-модели, обсуждению которой посвящена настоящая лекция.

ER-модель основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена длялогического представления данных.

3.Модель «сущность-связь». Семантические концепции

Укажем семантические концепции (конструктивные элементы), используемые в этой модели.

Сущности (мы будем пользоваться более привычным термином – Объекты ) подразделяются на правильные(сильные) и слабые . Слабым называется объект, который находится в зависимости от некоторого другого объекта, т.е. он не может существовать, если не существует этот другой объект .Правильным объектом называется объект, который не является слабым. Например, в базе данных фирмы, в которой хранятся данные о предпочтениях клиентов, объект «Предпочтения» является слабым, т.к. экземпляра этого объекта, соответствующего конкретному клиенту, не может быть в базе данных, если не существует соответствующий экземпляр объекта «Клиент». В частности, если данный экземпляр объекта «Клиент» будет удален, то так же должны быть удалены все зависящие от него экземпляры объекта «Предпочтения».

Возможны случаи, когда некоторый объект А является специальным видом другого объекта В . Тогда говорят, что А является подтипом В (или " А есть В ") или В является обобщением А . Например, в базе данных "Авиалинии" имеется объект "Служащие". Для указания того, кто из служащих является пилотом, можно в БД определить объект "Пилот" как подтип объекта "Служащий". Пилоты автоматически обладают всеми свойствами сотрудников, однако обратное утверждение неверно (например, для пилотов может быть дополнительно определено свойство "Тип самолета, которым пилот владеет в наибольшей мере" неприменимое ковсем сотрудникам). Аналогично, пилоты автоматически участвуют во всех связях (см. ниже), в которых участвуют сотрудники. О таких свойствах и связях говорят, что онинаследуются подтипом от супертипа.

Подтип в свою очередь может являться супертипом для объектов-подтипов следующего уровня, те в свою очередь для следующего и т.д., образуя, таким образом, иерархию типов для данного объекта. Пример такой иерархии представлен на рис. 1.

Рис. 1. Пример иерархии объектов

Иерархию типов не следует путать с иерархией данных. На рис.1 вовсе не подразумевается, что один сотрудник может иметь в подчинении нескольких программистов, наоборот, для одного экземпляра объекта "Служащий" существует максимум один экземпляр объекта "Программист", представляющий того же самого сотрудника в роли программиста.

Атрибуты и их классификация.

Напомним, что атрибут – это свойство объекта или связи, которое характеризуется именем и множеством допустимых значений.

Атрибуты подразделяются на простые и составные. Простой атрибут не может быть разделен на более мелкие независимые элементы (в рамках используемой модели данных). Составной атрибут состоит из нескольких независимо существующих элементов (например, составное свойство «имя сотрудника» может складываться из простых свойств «имя», «отчество» и «фамилия»).

Атрибуты также подразделяются на – однозначные и многозначные . Однозначный атрибут содержит только одно значение для каждого экземпляра объекта определенного типа. Многозначный атрибут может содержать несколько значений для каждого экземпляра объекта определенного типа . Например, название отделения или филиала компании -однозначныйатрибут, а номер телефона отделения – вообще говоря, многозначный (оно может иметь несколько номеров).

Еще одно разделение атрибутов – на базовые и производные. Базовый атрибут – это такой, значение которого не зависит от значений других атрибутов данного объекта или других. Производный атрибут - это такой, значение которого зависит от значений некоторого множества других атрибутов

Атрибут является ключевым , уникальным, если он однозначно идентифицирует каждый экземпляр объекта из данного набора .

Связи и их характеристики

Связи устанавливаются между объектами, называемыми участниками , а количество участников данной связи называется степенью этой связи. Связь может быть полной или частичной . Пусть R является связью, которая содержит объект Е в качестве участника. Тогда, если каждый экземпляр объекта Е находится, по крайней мере, в одном экземпляре связи R , то участие Е в связи R называется полным, в противном случае – частичным. Например, если каждый товар должен поставляться, по крайней мере, одним поставщиком, то участие товаров в связи между товарами и поставщиками является полным. Но если допустима такая ситуация, когда некоторый товар не поставляется ни одним поставщиком, то участие товаров в связи является частичным.

Обсудим несколько важных общих характеристик связей:

Связь может быть определена на более чем двух объектах. Например, связь объектов "Отделение"-"Специализация"-"Предмет"-"Вид испытания" определяет перечень испытаний (экзаменов, зачетов, курсовых и пр.), которые необходимо выдержать студенту, обучающемуся по некоторой специализации на конкретном (например, "дневном") отделении. Эта связь определяется, в частности, на четырех сущностях.

Может существовать несколько связей, определенных на одних и тех же множествах объектов . Например, связи "Работает над" и "Руководит" определяются на совпадающих множествах объектов {"Проект", "Служащий"}.

Связь может устанавливаться между разными экземплярами одного объекта. Такая связь называется рекурсивной.

Связь может определять зависимость существования (existence dependency) одного объекта от другого . Например, связь "Подчиняется" показывает, что существование экземпляра объекта в наборе "Подчиненный" зависит от присутствия экземпляра некоторого объекта в наборе объектов "Служащий".

Понятие концептуального проектирования относится к начальной стадии проектирования ИС и примерно соответствует стадиям 1 – 3 разработки АС по ГОСТ 34 или этапам от определения требований до проектирования в моделях жизненного цикла.

Определению требований к ИС предшествует определение целей, для которых эта система будет разрабатываться. Цели ИС определяют границы предметной области, объекты которой, их свойства и взаимосвязи существенны с точки зрения поставленных целей и которые будут представлены в ИС (это информация о предметной области – ПО-информация). Цели ИС также определяют, каких пользователей и какие именно информационные потребности система будет обслуживать (это информация о потребностях пользователей – ПП-информация). Две эти составляющие: ПО-информация (являющаяся объективным отражением предметной области) и ПП-информация (отражающая отчасти субъективные представления пользователей) одинаково необходимы и важны для построения концептуальной модели, что и показано на рис. 14 7 . Иногда превалирует второе слагаемое в концептуальной модели, основанной на учёте текущих и предвидимых приложений, т.к. это позволяет быстрее и легче создать систему. Однако такие системы оказываются плохо приспособленными для обработки неформализованных, изменяющихся и непредвиденных заранее задач и запросов. Адекватное отражение в системе ПО-информации придает ей необходимую гибкость и адаптивность к изменяющимся условиям.

Общая схема концептуального проектирования:

Схема на рис. 16 представляет два этапа проектирования: сбор и содержательный анализ информации о предметной области и прикладных задачах пользователей; концептуальный анализ данных и синтез концептуальной модели.

Первый этап - сбор данных о предметной области, которые могут быть получены в результате измерений или наблюдений, изучения отчётов и документов, опроса специалистов, и выявление перечня задач, которые должны решаться с помощью разрабатываемой системы. Получаемая при этом информация может быть отчасти субъективной. Для повышения её объективности используют методы экспертных оценок, проводят содержательный анализ для устранения дублирования информации, выявления противоречий и неоднозначности и так далее.

Модели ис и методики проектирования

Главная особенность разработки современных информационных систем состоит в концентрации сложности на начальных этапах анализа требований и проектирования спецификаций системы. Нечёткость и неполнота системных требований, нерешённые вопросы и ошибки, допущенные на этапах анализа и проектирования, порождают на последующих этапах трудные, часто неразрешимые проблемы и, в конечном счете, приводят к неуспеху всей работы в целом.

К проектированию ИС непосредственное отношение имеют два направления деятельности: 1) собственно проектирование ИС конкретных организаций на базе готовых программных и аппаратных компонентов с помощью специальных инструментальных средств разработки; 2) проектирование упомянутых компонентов ИС и инструментальных средств, ориентированных на многократное применение при разработке многих конкретных информационных систем. 8

Для обозначения первого направления используется термин "системная интеграция". В этом случае разработчик ИС должен быть специалистом в области системотехники, хорошо знать международные стандарты, состояние и тенденции развития информационных технологий и программных продуктов, владеть инструментальными средствами разработки приложений (CASE-cредствами) и быть готовым к восприятию и анализу автоматизируемых прикладных процессов в сотрудничестве со специалистами соответствующей предметной области.

Второе направление в большей мере относится к области разработки математического и программного обеспечения для реализации функций ИС - моделей, методов, алгоритмов, программ на базе знания методов анализа и синтеза проектных решений, технологий программирования, операционных систем и т.п.

Как на этапе обследования, так и на последующих этапах целесообразно придерживаться определённой дисциплины фиксации и представления получаемых результатов, основанной на той или иной методике формализации спецификаций. Формализация нужна для однозначного понимания исполнителями и заказчиком требований, ограничений и принимаемых решений.

При концептуальном проектировании применяют ряд спецификаций, среди которых центральное место занимают модели преобразования, хранения и передачи информации. Модели, полученные в процессе изучения предметной области, в том числе обследования организации, являются моделями её функционирования, В процессе разработки ИС модели, как правило, претерпевают существенные изменения и в окончательном виде они рассматриваются уже, как модели проектируемой ИС.

Различают функциональные, информационные, поведенческие и структурные модели 9 . Функциональная модель системы описывает совокупность выполняемых системой функций. Информационные модели отражают структуры данных – их состав и взаимосвязи. Поведенческие модели описывают информационные процессы (динамику функционирования), в них фигурируют такие категории, как состояние системы, событие, переход из одного состояния в другое, условия перехода, последовательность событий. Структурные модели характеризуют морфологию системы (её построение) – состав подсистем, их взаимосвязи.

Таким образом, функции (отвечающие на вопрос "Что сделать?") в совокупности с исходными данным ("Над чем произвести действия?"), ограничениями (время, финансовые и материальные средства, нормативные документы или бизнес-правила и т.п.), средствами реализации ("Чем сделать?") и результатом ("Что сделано?") описывают проектируемую ИС.

Существует ряд способов построения и представления моделей, различных для моделей разного типа. Основой является структурный анализ – метод исследования системы, который начинается с её общего обзора и затем происходит детализация, формирующая иерархическую структуру с всё большим числом уровней. Все наиболее распространенные методологии структурного подхода базируются на ряде общих принципов. Базовыми принципами являются:

принцип "разделяй и властвуй" - принцип решения сложных проблем путем их разбиения на множество меньших независимых задач, лёгких для понимания и решения;

принцип иерархического упорядочивания - принцип организации составных частей проблемы в иерархические древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне.

Выделение двух базовых принципов не означает, что остальные принципы являются второстепенными, поскольку игнорирование любого из них может привести к непредсказуемым последствиям (в том числе и к провалу всего проекта). Основными из этих принципов являются следующие:

принцип абстрагирования - заключается в выделении существенных аспектов системы и отвлечения от несущественных;

принцип формализации - заключается в необходимости строгого методического подхода к решению проблемы;

принцип непротиворечивости - заключается в обоснованности и согласованности элементов;

принцип структурирования данных - заключается в том, что данные должны быть структурированы и иерархически организованы.

В настоящее время известно порядка 90 разновидностей структурного системного анализа, которые могут быть классифицированы по отношению к школам (для моделирования программных систем или систем вообще), по порядку построения модели (декларирующие первичность функционального или информационного моделирования), по типу целевых систем (информационные системы или системы реального времени) 10 . Несмотря на такое обилие методов, практически во всех из них используются три группы средств:

DFD (Data Flow Diagrams) - диаграммы потоков данных или SADT (Structured Analysis and Design Technique) диаграммы, иллюстрирующие функции, которые система должна выполнять;

ERD (Entity-Relationship Diagrams) - диаграммы "сущность-связь", моделирующие отношения между данными;

STD (State Transition Diagrams) - диаграммы переходов состояний, моделирующие зависящее от времени поведение системы (аспекты реального времени).

Кроме этих моделей на этапе структурного проектирования используются техники структурных карт, предназначенные для описания отношений между модулями (структурные карты Константайна) и внутренней структуры модулей (структурные карты Джексона).

Наиболее существенное различие между разновидностями структурного анализа заключается в методах и средствах функционального моделирования, поскольку для информационного и поведенческого моделирования в настоящее время практически нет альтернативы ERD и STD соответственно. Далее рассмотрим основные понятия, связанные с вышеназванными методиками проектирования.