Выбор логической и концептуальной моделей данных

Поскольку предполагается, что программный продукт должен будет обрабатывать и хранить большой объем данных, то целесообразно хранить эту информацию определенным образом в БД. Задача БД заключается в хранении всех данных для некоторой организации в одном месте, учитывая и заведомо исключать их избыточность [5]. В хорошо спроектированной базе данных исключается избыточность данных, вероятность сохранения противоречивых данных сводится к минимуму. Тогда разрабатываемый программный продукт можно отнести к классу систем управления базами данных (СУБД). Любая СУБД основывается на определенной модели данных.

Согласно организации хранения данных рассмотрим следующие модели данных. Сетевая модель данных является, в простом понимании, моделью объектов-связей, где допускаются только бинарные связи «многие к одному» [3]. Такое ограничение позволяет использовать для данных простую модель ориентированных графов. В СУБД, поддерживающих сетевую организацию, любая запись, называемая записью старшего уровня, может содержать данные, которые относятся к набору других записей, называемых записями подчиненного уровня [6].

Иерархическая модель данных представляет собой сеть, являющуюся совокупностью деревьев [6]. В такой совокупности все связи направлены от потомка к предку. Любая запись может владеть только одним набором записей более низкого уровня и может быть членом только одного такого набора. Во избежание дублирования данных на нижних уровнях иерархии вводится понятие типа виртуальных записей, который представляет собой ссылку на уже существующий в иерархии тип записей.

Реляционная модель базы данных была первоначально разработана доктором Коддом в начале 1970;х годов [4]. В основе реляционной модели лежит математическое понятие теоретико-множественного отношения [4], которое представляет собой подмножество декартова произведения списка доменов. Домен — это просто множество значений. Например, множество целых чисел есть домен. Декартовым произведением доменов D1, D2,., Dk (обозначается как D1D2. Dk) называется множество всех кортежей (v1,v2,., vk) длины k, таких, что v1 принадлежит D1, v2 принадлежит D2 и т. д. Например, если k=2, D1={0.1} и D2={a, b, c}, то D1D2 есть {(0,a), (0,b), (0,c), (1,a), (1,b), (1,c)} [3]. Отношением называется некоторое подмножество декартова произведения одного или более доменов. Поскольку речь идет о базах данных, нет смысла обсуждать бесконечные отношения. Поэтому мы будем предполагать, если не оговорено противное, что отношение является конечным. Например, {(0,a), (0,c), (1,b)} есть отношение, подмножество определенного выше D1D2. Другим примером отношения может служить пустое множество. Элементы отношения называются кортежами. Удобно представлять отношение как таблицу, где каждая строка есть кортеж и каждый столбец соответствует одному компоненту. Столбцы называются при этом атрибутами, и им обычно присваиваются имена. Список имен атрибутов отношения называется схемой отношения. Если отношение называется REL и его схема имеет атрибуты A1, A2,., Ak, то такую схему чаще всего будем записывать как REL (A1,A2,., Ak). Совокупность схем отношений, используемых для представления информации, называется схемой (реляционной) базы данных, а текущие значения соответствующих отношений — (реляционной) базой данных. Понятие ключа отношения имеет, по существу тот же смысл, что и понятие ключа в контексте файлов или наборов объектов. Предполагается, что отношение не должно иметь двух кортежей, в которых совпадают все атрибуты ключа. Отношения в реляционных моделях данных, связываются друг с другом связями следующих видов: «один к одному», «один ко многим» и «многие ко многим». Правильное проектирование реляционной модели подразумевает использование сжатой информации, которой достаточно для создания и полной структуры базы данных. Такая информация представляет собой концептуальную модель, применение такой модели позволяет определить необходимые данные для хранения в базе данных, свести число хранимых отношений к минимуму, нормализовать отношения для упрощения решения проблем, связанных с обновлением и удалением данных. Метод декомпозиции отношений основан на 4-х нормальных формах отношений и вполне пригоден при условии небольшого количества задействованных атрибутов. На практике применяются в основном только первые 3 нормальные формы [7].

Объектно-ориентированные модели данных предназначены для хранения сложных неструктурированных данных [8]. В таких моделях данные не разбиваются на элементы, а помещаются в хранилище в виде объектов и методов их описания как единое целое. Объектное описание модели данных строится на принципах объектно-ориентированного программирования (ООП) [9]. Поскольку ООП — это результат естественной эволюции более ранних методологий, то объектно-ориентированные модели данных более структурированы, более абстрактные и модульные, чем рассмотренные выше модели данных.

Из перечисленных выше моделей данных выберем модель для представления данных предметной области по следующим критериям: легкость использования и простота реализации. На сегодняшний день наиболее легкие в использовании являются реляционные модели данных, поскольку данная технология наиболее распространена и существует развитый аппарат манипулирования данными — реляционная алгебра (поиск, запоминание, выборка и др.). В качестве модели данных для нашей предметной области примем реляционную модель.

Для выбора концептуальной модели данных рассмотрим три их разновидности:

Семантическая модель основывается на построении семантической сети. Под семантической сетью понимают ориентированный граф, состоящий из помеченных вершин и дуг и задающий объекты и отношения предметной области.

Фреймы выражаются структурами данных с привязанными процедурами обработки этих данных. Фреймы могут быть следующих видов: событийные, характеристики, логические предикаты. Использование фреймовой модели также нецелесообразно, поскольку данная модель не отражает типы связей в реляционной модели данных.

Модель «сущность-связь» описывает в терминах сущность, связь, значение. Сущность — понятие, которое может быть идентифицировано. Связь — соединение сущностей. Для представления связей и сущностей введен специальный метод: ER-диаграмма. Различаются сущности трех основных классов: стержневые, ассоциативные и характеристические. Стержневая сущность — это независимая сущность (ей свойственно независимое существование). Ассоциативная сущность или ассоциация рассматривается как связь между двумя и более сущностями типа «многие ко многим» или подобные им. ER-диаграмма — это графическое представление взаимосвязей сущностей. Каждое множество сущностей представляется прямоугольником, а множество связей — ромбом. Связи могут быть трех типов: «1 к 1», «1 к n», «n к n», данные типы связей присущи реляционной модели, как и сущности, которым в реляционной модели соответствуют таблицы. В связи с тем, что модель «сущность-связь» наиболее близка по принципам организации к реляционной модели и реализация последней на основе первой наиболее удобно, то в качестве концептуальной модели выбрана модель «сущность-связь» .