数据库设计理论及应用(4)——概念结构设计
作者:最后一只恐龙 发表时间:2007-6-27
该系列计划包括5部分:完整性约束理论及应用、范式理论及应用、需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计。本文是第四部分,介绍概念结构设计的内容,包括分E-R的设计、分E-R图的集成、以及基本E-R图的设计。
1.概念模型
概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次,在这个层次中,使用接近计算机存储的方式表示数据,同时又不涉及具体的DBMS。做出概念模型后,再转换为具体的DBMS(如SQL
Server或Oracle)下的模型,就成为逻辑模型。
概念模型中包括实体、属性、码、域、联系等概念,在本系列文章的第一部分已作说明,下面再介绍其它几个概念。
1.1两个实体型间的联系
(1)一对一联系:实体集A中的每一个实体,实体集B中至多有一个实体与之有联系,反之亦然,则称实体集A与B具有一对一联系,记为1:1。如班级与班长的联系,一个班只有一个班长,一个班长也只能在一个班级中任职。
(2)一对多联系:实体集A中的每一个实体,实体集B中有n(n≥0)个实体与之有联系;而实体B中的每一个实体,实体A中至多有一个与之有联系,则称实体集A与B具有一对多联系,记为1:n。如班级与学生的联系,一个班有多个学生,一个学生只能在一个班级学习。
(3)多对多联系:实体集A中的每一个实体,实体集B中有n(n≥0)个实体与之有联系;而实体B中的每一个实体,实体A中有m(m≥0)个与之有联系,则称实体集A与B具有多对多联系,记为m:n。如教师与学生的联系,一个教师可以教多名学生,一名学生也可以上多位老师的课。
1.2其它类型的联系
两个以上实体集之间也存在1:1、1:n、m:n的联系。如教师、课程、参考书的联系。注意把这三个实体之间的联系与两两直接的多个联系区分开来。
同一个实体集的各实体之间也存在1:1、1:n、m:n的联系。如职工和职工之间有直接领导的联系。
1.3概念模型的一种表示方法:实体-联系方法
概念模型最著名的方法就是P.P.S.Chen于1976年提出的实体-联系方法,也就是E-R图方法了。E-R图的表示方法:
(1)实体型:用矩形表示,矩形框内写明实体名。
(2)属性:用椭圆表示,并用无向边与相应实体连接起来。
(3)联系:用菱形表示,菱形框内写明联系名,并用无向边分别与有关实体连接起来,同时在无向边上标明关系的类型。
一般E-R图的构造过程是:
(1)根据局部应用的数据流图,设计分E-R图。
(2)将各局部应用的分E-R图合并起来,消除冲突,形成初步E-R图。
(3)消除初步E-R图中的冗余,构造基本E-R图。
下面讨论上篇文章介绍的工厂管理信息系统的E-R图构造方法。先看一下销售子系统的分E-R图。
2.销售子系统的分E-R图
2.1存储实体
根据上节所画的数据流图,我们发现了如下几个数据存储:应收帐款、订单(订单记录本)、产品(产品描述)、待完成订单、发票主清单、发票记录本。我们对这几个存储对象进行分析,明确以下几点:
(1)待完成订单:因为订单完成后开发票,因此没有发票号的订单就可以认为是待完成订单,因此这个实体虽然对用户来讲是必须的,但在设计中没有必要单独存储。
(2)发票主清单和发票记录本:这个数据存储对应手工凭证,发票上的信息在开发票时已存入应收帐款,因此没有必要再存储。
这样,需要存储的实体只剩下应收帐款、订单、产品描述3个。
2.2角色
数据流图中涉及3个角色:顾客、主管部门、生产部门。主管部门和生产部门是实际操作该应用系统的角色,拥有不同权限,这两个角色要到权限管理子系统中设计。
顾客不是操作系统的角色,而是由系统管理的对象,应收帐款和订单都与顾客有联系,因此必须在E-R图中体现。
这样,需要存储的实体又增加了一个:顾客。
2.3分E-R图
根据以上4个实体,我们画出分E-R图的框架。(记得Microsoft Visio Enterprise Architect版上有E-R图设计的,但现在用的是Microsoft
Office Visio 2003版,直接就是逻辑结构设计的模型图了,因此没有用Visio画。)
对这个架构,做如下说明:
(1)首先分析订单实体:我们拿到一张订单,会发现每张订单由订单号、若干头信息和订单细节组成。订单细节又有序号、零件号、数量等描述。这样订单细节具有需要描述的性质,因此不能作为属性对待,而应上升为一个实体(也就是一条细节对应一条记录),一张订单可以订若干产品,因此订单与订单细节直接是1:n联系。
(2)原订单与产品之间的联系,实际上是订单细节与产品的联系。订单处理时,从产品中获得当前价格等信息。
(3)在需求分析过程中,发现工厂对大宗订货有优惠,每种产品都规定了不同订货数量的折扣。因为每种产品根据订货数量的不同,折扣不同,因此折扣规则应单独作为一个实体,而不应放到产品描述实体中。
经过以上分析,我们可以画出该子系统的分E-R图:
需要特别注意的是,该分E-R图的订单细节实体是有问题的。我们选择了序号作为订单细节的唯一标识,这在一张订单中是没有问题的,但放到全局中,它并不能准确定位一个订单细节,因为我们只有知道的该细节是哪张订单的,才能准确知道对应哪条记录。关于这一点的处理在下篇文章中介绍。
3.视图的集成
各子系统的分E-R图设计完成以后,下一步就是把所有的分E-R图合并成一个总E-R图,这个总E-R图称为初步E-R图。
视图集成的方法可以是一次集成,也可以分步集成(比如每次集成两个,直到最后都集成到一起)。
在集成过程中,经常碰到分E-R图有冲突的情况,具体如下。
3.1合并过程中的冲突及解决方法
(1)属性冲突
i)属性域冲突:即属性值的类型、取值范围或取值集合不同,如零件号,有的部门作为整数对待,有的部门则使用字符串。不同部门对零件号的编码也可能不同。
解决办法:统一起来就是了,只是这个过程不太容易。
ii)属性取值单位冲突:如零件重量,有的部门以公斤为单位,有的部门以克为单位。
解决办法:部门间协商解决,但也不容易。试想一下,管螺栓的部门自然希望以克为单位,而管几百斤重的零件的部门则希望以公斤为单位;即使零件重量差别没有这么大,习惯也是个问题。
(2)命名冲突
包括同名异义和异名同义。如科研项目,财务科称为项目,科研处称为课题,生产管理处称为工程,这就是一个异名同义的例子。
解决办法:协商或采用行政手段加以解决。当然如果你不嫌麻烦,也可以自己先统一起来,然后为不同用户定义不同的视图,使不同用户看到的是适合自己的别名。
(3)结构冲突
i)同一对象在不同应用中有不同的抽象:如在教学管理中,职称是一个属性;而在人事管理中,因为职称与工资、住房挂钩,因此是一个实体。
解决办法:把属性变换为实体。
ii)同一实体在不同分E-R图中包含的属性个数不完全相同。
解决办法:取并集。
iii)实体间的联系在不同分E-R图中为不同类型:如生产子系统分E-R图中,产品和零件构成1:n联系。而物资子系统分E-R图中,产品、零件、供应商三者构成多对多联系。
解决办法:根据应用的语义进行综合或调整。
3.2实例
对工厂的E-R图,现在仅完成了销售子系统的分E-R图(图2.2)。而其它两个小组则完成了物资子系统(图3.1)和人事子系统(图3.2)的分E-R图(因为篇幅关系,没有画出属性)。
现在要把它们合并起来,经分析,发现三个图中的“产品描述”实体和“项目”实体存在异名同义的冲
突,把名字统一为“产品”,得到初步E-R图(图3.3)。
4.设计基本E-R图
初步E-R图中,还可能存在数据冗余,需要将这些冗余消除。冗余大致可分为两类:
l冗余数据:存在可由基本数据导出的数据;
l冗余联系:存在可由其它联系导出的联系。
图4.1是一个数据冗余的例子,其中有两个冗余:
(1)产品使用材料的“用量”,可以通过其使用的零件,以及每个零件消耗材料的“消耗量”计算出来。
(2)每种材料的“总存量”,可以通过每个仓库中存放该零件的“存放量”累加得到。
寻找这些冗余的方法,一是本文这种分析方法,另一种方法是求数据依赖集的最小覆盖的方法。后一种方法数学理论要求比较高,就不介绍了。
消除掉这些冗余信息后,就得到了基本E-R图,整个概念结构设计过程也宣告完成。
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