8.1.1 Модель сущностей и связей
Известно достаточно большое число семантических моделей данных. Наиболее распространенной является модель, названная «сущность — связь». Эта модель использует графическое представление всех компонентов. Базовыми элементами в модели «сущность — связь» служат типы сущностей, обозначаемые далее на рисунках прямоугольниками, и типы связей, обозначаемые двойными прямоугольниками. Многие сущности, рассматриваемые в этой модели, соответствуют физическим объектам предметной области.
Структура предметной области в модели «сущность — связь» изображается в форме диаграммы. Дуги на диаграмме соединяют тип сущности с типом связи. На дугах указывается 1 или m в соответствии с тем, сколько раз идентификатор объекта может возникнуть в строках отношений, представляющих связи объектов (1 — один раз, m — несколько раз).
Диаграмма может представлять только объекты и связи или дополнительно содержать атрибуты, описывающие их свойства. В структуре связей объектов допускаются такие типы связей:
N-арные связи (на рис. 8.1, а приводится пример тернарной связи);
рекурсивные связи (рис. 8.1, б);
несколько связей для одной и той же пары объектов (рис. 8.1, в).
В качестве примера описания предметной области средствами модели «сущность — связь» на рис. 8.2 показано представление конкретной предметной области (метки дуг 1 и m не показаны).
Представление предметной области с помощью модели «сущность — связь» позволяет:
однозначно разработать структуру многоуровневой сетевой базы данных;
обеспечить одинаковое понимание всеми пользователями содержимого базы данных.
Рис. 8.1 — Варианты соответствий между сущностями и связями:
а — N-арные связи; б — рекурсивные связи; в — несколько связей
для одной и той же пары объектов
Рис. 8.2 — Модель «сущность — связь»
Модель сущностей и связей характеризуется рядом недостатков. Она не содержит изобразительных средств для фиксации организационной иерархии процессов управления и агрегации данных по уровням управления. Принятое в модели правило формирования множества отношений базы данных создает слишком много отношений для объектов и связей. В результате диаграмма объектов и связей реальной задачи быстро становится громоздкой и необозримой.
8.1.2 Модель семантических сетей
Возможности выражения семантики в терминах сущностей и связей ограничены. Повышение выразительной силы изобразительных средств достигается в модели семантической сети. В определенном смысле возможности семантической сети являются наиболее универсальными из известных к настоящему времени. Поэтому приложения аппарата семантических сетей целесообразно разделить на две ветви — для обеспечения осмысленности информации, хранимой в базе данных, и для представления знаний любой природы.
Семантические сети применительно к задачам проектирования структуры базы данных ЭИС используются в сравнительно узком диапазоне — для представления структуры понятий и структуры событий.
Семантические сети представляют собой ориентированные графы с помеченными дугами.
Они позволяют структурировать имеющуюся информацию и знания. Аппарат семантических сетей является естественной формализацией ассоциативных связей, которыми пользуется человек при извлечении каких-то новых фактов из имеющихся. Построение сети способствует осмыслению информации и знаний, поскольку позволяет установить противоречивые ситуации, недостаточность имеющейся информации и т. п.
Обычно в семантической сети предусматриваются четыре категории вершин — понятия (объекты), события, свойства и значения.
Понятия представляют собой константы или параметры, которые определяют физические или абстрактные объекты.
События представляют действия, происходящие в реальном мире, и определяются указанием типа действия и ролей, которые играют объекты в этом действии.
Свойства используются для представления состояния или для модификации понятий и событий.
Сведения семантической сети образуют сценарий, который является набором понятий, событий, причинно-следственных связей. Применительно к базе данных сценарий может рассматриваться как шаблон, которому должна соответствовать хранимая информация, чтобы обеспечивалась ее осмысленность.
Необходимо различать вершины, обозначающие экземпляры объектов, и вершины, представляющие классы объектов. Например, Боровиков — экземпляр типа СЛУЖАЩИЙ. В семантической сети экземпляр может принадлежать более чем одному классу (Боровиков — и СЛУЖАЩИЙ, и СПОРТСМЕН). Различные роли Боровикова отображаются его принадлежностью к различным классам. Боровиков — служащий в своих связях с коллегами и работой, а в отношениях с тренером и командой он — спортсмен.
В других моделях, в отличие от семантической сети, типы объектов указаны в схеме, а экземпляры объектов представлены значениями в базе данных. В семантической сети один и тот же экземпляр объекта может быть соотнесен с несколькими типами. В синтаксических моделях (реляционной, сетевой или иерархической) для обеспечения такой связи потребуется дублирование информации об объекте.
Различие между вершинами сети (представление экземпляра и представление класса) приводит к существованию трех типов дуг:
дуга, соединяющая два экземпляра, соответствует утверждению.
дуга между классом и экземпляром показывает пример элемента класса.
дуга, связывающая два класса, определяет бинарное отношение классов.
Все семантические отношения предметной области можно разделить на лингвистические, логические, теоретико-множественные и квантификационные.
Лингвистические отношения бывают глагольные (время, вид, род, число, залог, наклонение) и атрибутивные (модификация, размер, форма).
Логические отношения подразделяются на конъюнкцию, дизъюнкцию, отрицание и импликацию.
Теоретико-множественные отношения — это отношение подмножества, отношение части и целого, отношение множества и элемента. Эти отношения обладают свойством транзитивности.
Квантификационные отношения делятся на логические кванторы общности и существования, нелогические кванторы («много», «несколько») и числовые характеристики.
Основой для определения того или иного понятия является множество его отношений с другими понятиями. Обязательными отношениями являются: класс, к которому принадлежит данное понятие; свойства, выделяющие понятие из всех понятий данного класса; примеры данного понятия. Поскольку термины, использованные в определении понятия, сами служат понятиями, то их определение организуется по той же схеме. В итоге связи понятий образуют структуру, в общем случае сетевую. Существуют две обязательные связи при установлении структуры понятий:
связь «есть-нек» (от слов «есть некоторый»). Направлена от частного понятия к более общему и показывает принадлежность элемента к классу;
связь «есть-часть». Показывает, что объект содержит в своем составе разнородные компоненты (объекты), не подобные данному объекту.
Пример семантической сети для описания структуры понятия «юридическое лицо» приведен на рис. 8.3.
Одинарными линиями показаны связи «есть-нек», двойными линиями — связи «есть-часть». В семантической сети с помощью связи «есть-нек» можно показывать ссылку на экземпляр объекта.
Рис. 8.3 — Пример семантической сети
для отображения связи понятий
Рассмотрим представление событий и действий с помощью семантической сети. Предварительно выделяются простые отношения, которые характеризуют основные компоненты события. В первую очередь из события выделяется действие, которое обычно описывается глаголом. Далее необходимо определить объекты, которые действуют, объекты, над которыми эти действия производятся, и т.д. Все эти связи предметов, событий и качеств с глаголом называются падежами.
Обычно рассматривают следующие падежи:
агент — предмет, являющийся инициатором действия;
объект — предмет, подвергающийся действию;
источник — размещение предмета перед действием;
приемник — размещение предмета после действия;
время — указание на то, когда происходит событие;
место — указание на то, где происходит событие;
цель — указание на цель действия.
На рис. 8.4 приводится семантическая сеть, описывающая структуру события «Директор ЗАО «Сибмотор» остановил 25.03.2007 цех №1, чтобы заменить оборудование».
Рис. 8.4 — Пример семантической сети для отображения
связи событий
Преимущества семантических сетей:
описание объектов и событий производится на уровне, очень близком к естественному языку;
обеспечивается возможность сцепления различных фрагментов сети;
в семантической сети возможные отношения между понятиями и событиями образуют достаточно небольшое и хорошо формализованное множество;
для каждой операции над данными и знаниями можно выделить из полной сети, представляющей всю семантику (или все знания), некоторый участок семантической сети, который охватывает необходимые в данном запросе смысловые характеристики.