Каноническая информационно-логическая модель предметной области
Лекция 16.
16.1.Основные понятия информационно-логической модели
Для понимания идей, положенных в основу объектно-ориентированного взгляда на мир, полезно на конкретных примерах рассмотреть традиционный подход к программированию обработки сложно структурированных данных.
Информационно-логическая модель предметной области (ИЛМ) базируется на результатах ее системного анализа. Сначала определяются состав и структура данных предметной области (ПО), которые должны находиться в базе данных (БД) и служить для выполнения необходимых запросов, решения задач и обеспечения приложений пользователя. Эти данные представлены, как правило, в виде реквизитов, содержащихся в различных документах – источниках формирования БД.
Системный анализ данных позволяет определить функциональные зависимости реквизитов, которые используются для выделения информационных объектов (ИО), удовлетворяющих некоторым требованиям нормализации данных. Последующее определение структурных связей между ИО необходимо для построения ИЛМ. Последняя представляется в некоторой канонической форме, отражающей иерархию подчинения нормализованных ИО.
На следующем этапе построения ИЛМ отображается в логическую структуру БД. Для реляционной БД этот этап является в значительной степени формализованным. Далее привлекаются средства, предоставляемые конкретной системой управления БД, для конструирования таблиц БД. Заполнение последних осуществляется с исходных документов предметной области.
Таким образом, ИЛМ, отображающая предметную область в виде совокупности ИО и структурных связей между ними, может рассматриваться как логическая модель данных для БД.
Для ИЛМ получили распространение два способа представления: аналитический и графический. Первый использует так называемые матрицы смежности, второй привлекает графы, дополненные описанием информационных объектов. Последние представляют собой своеобразные составные единицы информации, отвечающие требованиям нормализации и, как правило, имеющие простое отображение в реляционную таблицу.
Все связи ИО в канонической ИЛМ, реализуемой в БД, должны быть (рис. 1) одно- однозначные (1:1), либо одно-многозначные (1:М). Определение ИО включает ряд
качественных и количественных характеристик, которые выражены соответствующими
реквизитами-признаками и реквизитами-основаниями. Другими словами, ИО образуется совокупностью логически взаимосвязанных реквизитов, характеризующей некоторую сущность (реальный объект) окружающего мира. Примерами таких совокупностей могут быть совокупности реквизитов, отражающих характеристики материалов, изделий, подразделений, физических лиц, технологических процессов и т.п.
16.2. Классификация информационных объектов. Экземпляры класса и их идентификация
Состав реквизитов ИО определяет его структуру. В свою очередь, информационный объект с определенной структурой порождает класс (вид) конкретных экземпляров объектов. Этому классу присваивается некоторое уникальное имя, например ГРУППА студентов, ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, КАФЕДРА вуза и т.д.
Информационный объект определенного вида имеет множество реализаций – экземпляров ИО. Каждый из них представлен совокупностью конкретных значений реквизитов, т.е. сведениями о конкретном экземпляре объекта. Каждый экземпляр ИО должен однозначно определяться (идентифицироваться) значением ключа ИО. Реквизиты ИО подразделяются на ключевые и описательные, которые являются функционально зависимыми от ключа. В случае функциональной зависимости одному значению ключа соответствует только одно значение зависимого (описательного) реквизита. На рис. 2 представлена таблица, где указан набор реквизитов некоторого документа конкретной предметной области (ПО) – сферы деятельности деканата вуза.
Функциональная зависимость изображена графически в виде линий со стрелками, идущими от ключевого реквизита к описательному (зависимому). Этот же пример иллюстрирует упоминавшиеся выше, но не раскрытые до сих пор, требования нормализации ИО:
ИО должен содержать уникальный идентификатор-ключ;
все описательные (не ключевые) реквизиты должны быть взаимно независимы;
каждый описательный реквизит должен функционально зависеть от ключа ИО. Это означает, что каждому значению ключа соответствует только одно значение описательного реквизита;
каждый описательный реквизит в ИО не может зависеть от ключа транзитивно, т.е. через другой промежуточный реквизит.
Рис. 2. Функциональная зависимость реквизитов информационного объекта "Учетная карточка студента"
16.3. Структурные связи
Реальные отношения между парой ИО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
определяются природой реальных объектов, |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
процессов или явлений, отображаемых этими |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
информационными объектами. Примеры реальных |
|
1.1 |
|
|
|
|
|
|
|
1.2 |
|
|
|
|
отношений: "студенческие группы – студенты", |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
"группы – преподаватели", "предметы – кафедры" и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.1.1 |
|
|
1.1.2 |
|
|
1.2.1 |
|
|
|
1.2.2 |
|||
|
т.п. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функциональная связь проявляется в тех случаях, когда необходима совместная обработка данных, представленных соответствующими информационными объектами (ИО). Реальные отношения определяются множественными отношениями между экземплярами двух видов ИО. Например, реальные отношения ИО "Кафедра" и "Предмет" определяются в зависимости от того, одна или несколько учебных дисциплин обеспечивается каждой кафедрой. И, наоборот, одна или несколько кафедр обеспечивают одну и ту же учебную дисциплину. Реальные отношения могут быть разного вида: одно-однозначные (1:1), одно- многозначные (1:М), много-многозначные (М:N) и, наконец, много-однозначные (М:1).
(1:1) – отношения имеют место, когда каждому экземпляру первого ИО (А) соответствует только один экземпляр второго ИО (В). И, наоборот, каждому экземпляру ИО (В) соответствует только один экземпляр ИО (А). Такие ИО могут быть легко объединены в один объект. Его структура образуется объединением реквизитов обоих исходных объектов. Ключевым реквизитом может быть выбран любой из ключей исходных ИО.
Рис. 3. Иерархическая структура информационной логической модели
1 
2
4 
3
Рис. 4. Сетевая структура информационной логической модели
(1:М) – реальные отношения между ИО проявляются в случае иерархических множественных отношений между экземплярами разных видов (классов). ИО (А) определяется как главный объект, а ИО (В) – как подчиненный объект. Иллюстрация (1:М) отношения между ИО приведена на рис. 3.
(М:N) - отношения характеризуют сетевую структуру информационной логической модели (рис. 4). Как правило, (М:N) отношения между ИО не могут непосредственно
16.4.Пример построения ИЛМ
Вкачестве предметной области выступает сфера деятельности деканата вуза, связанная с организацией и сопровождением учебного процесса.
ИЛМ должна послужить основой для создания БД, располагая которой пользователь сможет получить справочную информацию об учебном процессе:
списки студентов групп факультета;
перечень изучаемых предметов;
списки преподавательского состава кафедр;
сведения о лекционных, практических и лабораторных занятиях в каждой из групп;
результаты сдачи экзаменов и зачетов по каждому из проведенных занятий
и другие сведения.
Врезультате системного анализа предметной области выявляются документы – источники данных, содержащих необходимые для пользователя сведения (как в явной, так и в неявной форме). В качестве таких документов могут выступать: "Списки преподавателей кафедр", "Учебные планы", "Учебные графики" и т.д. Примерные формы могут быть, например, такими, как показано на рис. 5.
Врезультате анализа предметной области выявляются логические взаимосвязи данных. В конечном итоге должны быть выделены информационные объекты (ИО) и установлены отношения между ними.
Список студентов группы |
|
|
|
||
№___________ |
Год |
Пол |
Адрес |
Рейтинг |
|
Номер |
Фамилия |
||||
студента |
Имя |
рождения |
|
|
|
|
Отчество |
|
|
|
|
Рис. 5. Форма справочного документа (документа-источника) "Список студентов группы"
Пример
Определим в качестве
примера
функциональные зависимости реквизитов справочного документа "Список преподавателей кафедры" и выделим ИО. Функциональные зависимости реквизитов этого документа
отражены на рис. 6. Рис. 6. Функциональная зависимость реквизитов
Для каждого зависимого реквизита устанавливаем ключевой реквизит. На рис. 7 представлено выявленное соответствие.
Рис. 7. Соответствие описательных (зависимых) и ключевых реквизитов документа "Список преподавателей кафедры"
Пример (продолжение)
Сгруппируем реквизиты, одинаково зависящие от ключевых. Объединим их с
ключевыми в один информационный объект (ИО)
(рис. 8). Аналогично можно выполнить анализ документа- источника "Список студентов группы №____" и выделить другие объекты справочной информации: ГРУППА, СТУДЕНТ.
Рис. 8. Определение информационных объектов
Принимая во внимание отношения, существующие между выделенными ИО в рассматриваемой предметной области, нетрудно построить для нее ИЛМ (рис. 9).
На рис. 9: НГр – номер группы, КОД ПР – код предмета, КОД КАФ
– код кафедры, НСт – номер студента в группе, ТАБ НОМ – табельный номер преподавателя, ВИД ЗАН – вид занятий, – знак операции композиции ключевых
реквизитов информационных
объектов.
Рис. 9. Информационная логическая модель предметной области "Учебный процесс":
Вопросы
1.Информационно-логическая модель предметной области.
2.Логическая модель данных для базы данных.
3.Виды связей (отношений) между информационными объектами.
4.Структурный состав информационного объекта, набор реквизитов.
5.Понятие ключа для идентификации информационного объекта.
6.Основные требования нормализации информационного объекта.
7.Определение функциональных зависимостей между реквизитами информационного объекта.
8.Варианты структуры информационной логической модели базы данных.