Нисходящее проектирование. Привет студент Суть нисходящего проектирования
Метод нисходящего проектирования предлагает последовательное разложение общей функции разработки данных на простые функциональные элементы(«сверху-вниз»).
В результате строится иерархическая схема, отражающая состав и взаимоподчиненность отдельных функций, которая носит название функциональная структура алгоритма(ФСА) приложения.
Последовательность действий по разработке функциональной структуры алгоритма приложения:
· определенная цель автоматизации предметной области и их иерархия(цель-подцель);
· устанавливает состав приложений (задач обработки), обеспечивающих реализацию поставленных целей;
· уточняется характер взаимосвязи приложений и их основные характеристики (информация для решения задач, время и периодические решения, условия выполнения и др.);
· определяется необходимость для решения задач функции обработки данных;
· выполняется декомпозиция функций обработки до необходимой структурной сложности, реализуемой предлагаемым инструментарием;
Подобная структура приложения отражает наиболее важное – состав и взаимосвязь функций обработки информации для реализации приложений, хотя и не раскрывает логику выполнения каждой отдельной функции, условия или периодичность их вызовов.
Разложение должно носить строго функциональный характер, т.е. отдельный элемент ФСА описывает законченную содержательную функцию обработки информации, которая предполагает определенный способ реализации на программном уровне. Функции ввода-вывода информации рекомендуется отделять от функций вычислительной или логической обработки данных.
По частоте используемые функции делятся на:
· однократно выполняемые;
· повторяющиеся;
Степень детализации функций может быть различной, но иерархическая схема должна давать представление о составе и структуре взаимосвязанных функций и общем алгоритме обработки данных. Широко используемые функции приобретают ранг стандартных функций при проектировании внутренний структуры программного продукта.
Модульное проектирование
Модульное проектирование (программирование) – основано на понятие модуля – логических взаимосвязанных совокупностью функциональных элементов, оформленных в виде отдельных программных модулей.
Модуль характеризуется:
· один вход и один выход – на входе программный модуль получает отдельный набор исходных данных, выполненные содержат обработку и возвращается один набор результатных данных, т.е. реализует стандартный принцип IPO(Input->Process->Output) – вход – процесс – выход;
· функциональная завершенность – модуль выполняет перечень регламентирующих операций для реализации каждой отдельной функции в полном составе, достаточных для завершения начатой обработки;
· логическая независимость – результат работы программного модуля зависит только от исходных данных, но не зависит от работы других модулей;
· слабые информационные связи с другими программными модулями – обмен информацией между модулями должен быть по возможности минимизированным;
· обозримый по размеру и сложности программный элемент ;
Принципы модульного программирования программного продукта во многом сходны с принципами нисходящего проектирования. Сначала определяется состав и подчиненность функций, а затем набор программных модулей, реализующие эти функции.
Функции верхнего уровня обеспечены главным модулем, он управляет выполнением нижестоящих функций, которым соответствует подчиненные модули.
При определенном наборе модулей учитывается следующие:
· каждый модуль вызывается на выполнение вышестоящим модулем и заканчивает работу, возвращающую управление вызвавшего его модуля;
· принятие основных решений в алгоритме выносится на максимально «высокий» по иерархии уровень;
· для использования одной и той же функции в разных местах алгоритма создается один модуль, который вызывается на выполнение по мере необходимости;
Объектно-ориентированное проектирование
Объектно-ориентированный подход к проектированию программного продукта основан на:
· выделении классов объектов;
· установлении характерных свойств объектов и методов их обработки;
· создание иерархии классов, наследовании свойств объектов и методов их обработки;
Каждый объект объединяет как данные, так и программу обработки этих данных и относится к определенному классу. С помощью класса один и тот же программный код можно использовать для относящихся к нему различных объектов.
Объединенный подход при разработке алгоритмов и программ предполагает:
· объектно-ориентированный анализ предметной области;
· объектно-ориентированное проектирование;
· объектно-ориентированный анализ – анализ предметной области и выделение объектов, определенных свойств и методов обработки объектов, установленных их взаимосвязей;
Объектно-ориентированное проектирование соединяет процесс объектной декомпозиции и представления с использованием модулей данных проектируемой системы на логических и физических уровнях в статистике и динамике.
Для проектирования программного продукта разработаны объектно-ориентированные и инструментальные средства разработки пользовательского интерфейса.
Вывод: объектно-ориентированная технология разработки программного продукта объединяет данные и процессы в логические сущности – объекты, которые имеют способность наследовать характеристики (методы и данные) одного или более объектов, обеспечивающих тем самым повторным использованием программного кода. Это приводит к значительному уменьшению затрат на создание программного продукта, повышает эффективность жизненного цикла программного продукта (сокращается длительность фазы разработки). При выполнении программы, объекту посылается сообщение, которое инициирует обработку данных объекта.
5. Индивидуальное задание
5.1 Постановка задачи
Автоматизированная информационная справочная система ЗМК
Организационно-экономическая сущность задачи
Разработанная программа является примером программ для ЗМК и называется «Форма заполнения реализации заказа». С помощью этой программы можно значительно быстрее оформить заказ на продукцию. Периодичность решения задач: каждый день. Данные в программу поступают из базы данных, которую пользователь заполняет, осуществляя заказ.
5.1.2 Описание входной информации
Входная информация содержится в базе данных со следующим названием: Заказы.mdb. база данных содержит следующие поля с типами данных:
Таблица 1.
| Код | Счетчик |
| Дата | Дата и время |
| Код двери | Короткий текст |
| Организация | Короткий текст |
| Подразделение | Короткий текст |
| Дата запуска | Дата и время |
| Дата исполнения | Дата и время |
| Ответственный | Короткий текст |
Методы проектирования программных продуктов
К концу 20 века не только существенно возросла сложность проектируемых объектов, но и их воздействие на общество и окружающую среду, тяжкость последствий аварий из-за ошибок разработки и эксплуатации, высокие требования к качеству и цене, сокращению сроков выпуска новой продукции. Необходимость учета этих обстоятельств заставляла вносить изменения в традиционный характер и методологию проектной деятельности.
При создании объектов их уже необходимо было рассматривать в виде систем , то есть комплекса взаимосвязанных внутренних элементов с определенной структурой, широким набором свойств и разнообразными внутренними и внешними связями. Сформировалась новая проектная идеология, получившая название системного проектирования.
Системное проектирование комплексно решает поставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных объектов-систем и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-экономические и экологические последствия их функционирования. Системное проектирование основывается на тщательном совместном рассмотрении объекта проектирования и процесса проектирования, которые в свою очередь включают ещё ряд важных частей
Принципы системного проектирования
Системное проектирование должно базироваться на системном подходе. В настоящее время ещё нельзя утверждать, что известны их полные состав и содержание применительно к проектной деятельности, однако можно сформулировать наиболее важные из них:
· Практическая полезность:
o деятельность должна быть целенаправленной , устремленной на удовлетворение действительных потребностей реального потребителя или определенной социальной, возрастной или иной групп людей;
o деятельность должна быть целесообразной . Важно вскрыть причины, препятствующие использованию существующих объектов для удовлетворения новых потребностей, выявить вызывающие их ключевые противоречия и сконцентрировать усилия на решении главных задач;
o деятельность должна быть обоснованной и эффективной . Разумным будет использование не любого решения задачи, а поиск оптимального варианта ;
· Единство составных частей:
o целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему , внутри которой можно выделить логически связанные более простые части - подсистемы , единство частных свойств которых и образует качественно новые свойства объекта-системы;
o разрабатываемые объекты предназначены для людей, ими создаются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассматриваться в качестве одной из взаимодействующих систем. При этом должно приниматься во внимание не только физическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздействие;
o внешняя, или как её ещё называют - жизненная среда , также должна рассматриваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом;
· Изменяемость во времени:
o учёт этапов жизненного цикла объекта;
o учёт истории и перспектив развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых базируются соответствующие разработки.
Нисходящее и восходящее проектирование
Ведение разработки объекта последовательно от общих черт к детальным называется нисходящим проектированием . Его результатом будут требования к отдельным частям и узлам. Возможен ход разработки от частного к общему, что образует процесс восходящего проектирования . Такое проектирование встречается, если одна или несколько частей уже являются готовыми (покупными или уже разработанными) изделиями.
Нисходящее и восходящее проектирование обладают своими достоинствами и недостатками. Так, при нисходящем проектировании возможно появление требований, впоследствии оказывающихся нереализуемыми по технологическим, экологическим или иным соображениям. При восходящем проектировании возможно получение объекта, не соответствующего заданным требованиям. В реальной жизни, вследствие итерационного характера проектирования, оба его вида взаимосвязаны.
Например, разрабатывая при нисходящем проектировании автомобиль (от общей схемы к его частям, например, - к мотору), необходимо увязать общую компоновку с размерами и мощностью уже выпускаемых двигателей. В противном случае придётся разрабатывать применительно к данной компоновке новый двигатель, либо изменять первоначальные варианты его расположения или схему компоновки всего автомобиля.
Проектируя новые изделия с использованием трехмерных САПР, на предприятиях обычно применяют восходящий метод (рис. 1), заключающийся в том, что сначала разрабатывают (моделируют) независимо друг от друга детали, а затем из них, как из кубиков, создают сборочную конструкцию, на основе которой впоследствии формируется спецификация.
Применение этого способа проектирования оправданно в тех случаях, когда оно осуществляется по уже имеющимся чертежам и схемам, позволяя, например, выявить неточности в конструкторской документации. Однако если параметры моделей зависят друг от друга, но их взаимосвязи не заданы, внесение изменений в конструкцию становится трудоемким и занимает много времени: конструктор вынужден изменять параметры каждой детали по отдельности, а затем проверять сборку на пересечение компонентов, механизм на работоспособность и т.д.
Конечно, практически все системы проектирования имеют средства для создания таких взаимосвязей путем введения соотношений между параметрами деталей или путем создания моделей деталей в контексте сборки с привязкой их геометрии к уже разработанным моделям. Однако такая последовательность связей, когда каждый новый компонент сборки зависит от нескольких предыдущих, негативно сказывается на производительности компьютера при работе с большими сборками. Кроме того, применение восходящего метода при проектировании новых изделий приводит к необходимости предварительного создания их компоновки на кульмане или в двумерной системе CAD.
В таких случаях более предпочтителен нисходящий метод проектирования (рис. 2), заключающийся в том, что разработка изделия начинается с создания его компоновки и определения структуры, на основе которых затем моделируются входящие в изделие детали и узлы. Ниже мы рассмотрим, как осуществляется проектирование по нисходящему методу от идеи к чертежам в системе трехмерного проектирования Pro/ENGINEER WILDFIRE (рис. 3) на примере механизма, модель которого приведена на рис. 4 . Рассматриваемый механизм может находиться в двух состояниях: сложенном (а ) и разложенном (б ).
Создание компоновки
Компоновка в Pro/ENGINEER WILDFIRE происходит в два этапа: сначала создается так называемая записная книжка инженера (Layout) , а затем каркасная модель сборки (Skeleton) .
«Записная книжка» представляет собой концептуальный двумерный эскиз (рис. 5), в котором ведущий конструктор определяет перечень основных управляющих параметров. Для рассматриваемого механизма могут быть определены следующие параметры: габариты конструкции, длина движущихся рычагов, расстояние от концов рычагов до края и, при необходимости, взаимосвязи между ними. Указанные параметры могут быть как задаваемыми, так и расчетными, причем значения первых пользователь вводит с клавиатуры, а значения вторых задаются с помощью уравнений, в которых могут быть использованы арифметические операторы, тригонометрические функции, условные операторы и т.п. Так, например, в нашем случае была задана зависимость длины рычага от высоты и длины конструкции.
Двумерный эскиз обычно определяет общую схему изделия и может быть либо создан с использованием чертежных инструментов Pro/ENGINEER WILDFIRE, либо импортирован из другого графического файла. Он никак не связан с геометрией проектируемой сборки, поэтому достаточно схематично прорисовать разрабатываемое изделие без соблюдения масштаба и детальной прорисовки. На нем указываются основные размеры, которые конструктор может изменять непосредственно на виде.
В «записной книжке» можно создать область сообщений об ошибках, которые позволят избежать ввода заведомо некорректных значений параметров. Критерии проверки корректности также определяются ведущим конструктором. Например, в нашем случае критерием проверки было выбрано расстояние между концами рычагов (см. рис. 5 , параметр «Опора») если это расстояние задается разработчиком меньшим, чем половина длины изделия, то конструкция становится неустойчивой. При вводе некорректных значений длины или высоты будет выдано сообщение об ошибке, что позволяет ввести исправление сразу, без перестроения сборки.
Использование «записной книжки инженера» позволяет автоматизировать процессы создания сборки. Для этого в «записной книжке» создаются необходимые опорные элементы: координатные системы, плоскости, оси. В деталях и сборках эти опорные элементы задаются как реперы для выполнения последующих операций сборки. При включении в сборку нового компонента система предлагает автоматически разместить его в соответствии с компоновкой.
Возможности Pro/ENGINEER WILDFIRE позволяют применять в одном проекте несколько «записных книжек» одновременно, что удобно при работе над большими проектами. Например, при разработке автомобиля можно создать отдельные «записные книжки» для двигателя, каркаса, подвески и т.д. и установить взаимосвязи между ними.
Каркасная модель сборки это трехмерная модель, геометрия которой определяет пространственные требования к сборке, состыковку компонентов и другие характеристики, необходимые для размещения компонентов сборки и определения их геометрии. Каркасная модель обычно состоит из опорных конструктивных элементов (плоскостей, кривых, координатных систем, точек) и поверхностей. На рис. 6 представлена каркасная модель проектируемого механизма.
При построении геометрии каркасной модели ведущий конструктор устанавливает взаимосвязи между ее размерами и параметрами «записной книжки», что позволяет в дальнейшем при изменении параметров обеспечить автоматическое изменение всех связанных параметров в каркасной модели, а через нее во всех компонентах сборки. Ведущему конструктору достаточно поменять размер или другой параметр в компоновке, и соответствующие изменения автоматически выполнятся во всех связанных деталях, узлах и чертежах. На рис. 7 отмечены зависимости, созданные в каркасной модели.
Таким образом, ведущий конструктор, работая над компоновкой изделия, задает критерии проектирования, которые впоследствии используются проектировщиками при разработке входящих в изделие сборочных единиц и деталей.
Проектирование деталей и узлов
Следующий шаг это создание сборки изделия. Конструктор формирует структуру изделия, создавая новые детали и узлы уже в контексте сборки (а не отдельно от нее, как при восходящем проектировании), привязывая их к геометрии каркасной модели. Затем разрабатывается геометрия компонентов. Конечно, их геометрию можно создавать и непосредственно в сборке, но, как правило, это менее эффективно, поскольку в таком случае будет сложно обеспечить возможность параллельного проектирования, при котором исполнители одновременно работают над вверенным каждому из них компонентом сборки. Другими словами, каждый член проектной команды вынужден будет иметь на своем компьютере всю сборку, а это, как правило, только мешает сосредоточиться на выполняемой им конкретной задаче.
Организовать параллельное проектирование в Pro/ENGINEER WILDFIRE дает возможность инструмент Copy Geometry , позволяющий копировать любую геометрию поверхности, кривые, кромки, точки, координатные системы и т.д. между компонентами сборки. При нисходящем проектировании основным источником копируемой геометрии для разработчика является каркасная модель сборки, однако в некоторых случаях используется копирование между деталями и узлами сборки.
После того как ведущий конструктор создает структуру сборки (детали и узлы в ней пока пустые), разработчик копирует геометрию из ее каркасной модели. Открывая «свою» деталь или узел, он имеет дело лишь с геометрией, необходимой ему для работы, не используя сборки в целом, а это значительно снижает требования к конфигурации компьютеров, на которых проектируются входящие в сборку компоненты. В то же время между исходной и скопированной геометрией сохраняется ассоциативная связь изменение каркасной модели влечет за собой изменение всех зависящих от ее геометрии компонентов.
На начальном этапе работы над структурой сборки (рис. 8) были созданы три детали, а затем в каждую из них были скопированы различные наборы геометрии из каркасной модели. На рис. 9 показана одна из этих трех деталей, открытая в отдельном окне, и ее геометрия, созданная на основе геометрии каркасной модели.
Привязка компонентов к каркасной модели позволяет также моделировать перемещение компонентов в сборке. Например, при изменении высоты конструкции, смоделированной в каркасе, изменится и положение всех связанных с каркасом компонентов (см. рис. 4). Таким образом, применение каркасной модели позволило без создания кинематических связей между компонентами смоделировать два положения конструкции.
Копирование геометрии также используется для введения в проект пространственных критериев, перенесенных из сборки верхнего уровня. Приведем пример. Для насоса, показанного на рис. 10 , необходимо спроектировать обвязку, состоящую из трубопроводов на входе и выходе насоса, разработать присоединительные фланцы, подвести к специальному штуцеру магистраль для охлаждающей жидкости, спроектировать фундамент для рамы насоса и электропроводку к двигателю. Для этого создадим сборку, состоящую из насоса и «пустой подсборки» (или нескольких подсборок), в которой проектируется обвязка. В «пустой подсборке» создается каркасная модель, куда копируется геометрия, необходимая для проектирования обвязки, присоединительные фланцы, штуцер подвода охлаждающей жидкости и т.д. Конструктор (или команда конструкторов) работает теперь только с выбранной геометрией (рис. 11). В дальнейшем геометрия из каркасной модели копируется уже непосредственно в проектируемые детали и узлы. Все входящие в сборку модели связаны ассоциативной связью, а это значит, что изменение присоединительных мест насоса повлечет за собой автоматическое изменение его обвязки.
Кроме копирования геометрии, проектируемые детали могут связываться с компоновкой подобно тому, как связывается каркасная модель с «записной книжкой инженера», с помощью уравнений, устанавливающих взаимосвязь между размерами деталей и параметрами «записной книжки». Механизм ассоциативности здесь работает аналогичным образом изменение управляющих параметров влечет за собой изменение связанных с компоновкой деталей сборки.
Внесение изменений в конструкцию
Продемонстрируем процесс внесения изменений при нисходящем проектировании на примере увеличим высоту конструкции (см. рис. 4 а ) в разложенном состоянии, для чего в «записной книжке» изменим соответствующий параметр. После этого Pro/ENGINEER WILDFIRE автоматически просчитает все параметры, значения которых вычисляются с использованием уравнений, и выполнит проверку на корректность введенных значений в соответствии с заданными критериями. В нашем случае такая проверка показала, что высота увеличена слишком сильно и конструкция стала неустойчивой, а значит, необходимо увеличить и ее длину. На схеме (рис. 12) красным цветом показаны изменения, которые конструктор вносит вручную. После изменения параметров «записной книжки» каркасная модель обновляется автоматически (на рисунке показан новый каркас), а для обновления сборки достаточно выполнить команду «Перестроить» (Regenerate). Таким образом, изменение, внесенное конструктором на самом верхнем уровне в «записной книжке инженера», повлекло за собой автоматические изменения на всех остальных уровнях в сборке, в деталях, в чертежах.
Основные выводы
1. Применение нисходящего метода проектирования эффективно в том случае, когда нужно контролировать изменения взаимосвязанных параметров в различных компонентах сборки, а также при необходимости заранее (еще до разработки моделей деталей и сборочных единиц) определять их параметры.
2. Использование «записной книжки инженера» и каркасных моделей позволяет значительно сократить процесс внесения изменений в конструкцию за счет автоматического прохождения изменений по всем этапам не только конструкторской (модели, сборки, чертежи, спецификации), но и технологической (проектирование технологической оснастки, разработка управляющих программ) подготовки производства.
3. Нисходящий метод проектирования позволяет эффективно распараллелить работу над сборками между участниками процесса разработки, а при использовании в проектировании типовых конструкций заметно сократить сроки создания серии типоразмеров и вариантов исполнения изделий.
Эффективность использования нисходящего проектирования в Pro/ENGINEER WILDFIRE оценена по достоинству этот метод активно применяют на многих российских предприятиях, о чем мы не раз рассказывали на страницах журнала, информируя читателей о результатах проектов, выполненных компанией SOLVER на отечественных машино- и приборостроительных предприятиях.
«САПР и графика» 11"2004
Наличие подпрограмм позволяет вести проектирование и разработку приложения сверху вниз - такой подход называется нисходящим проектированием. Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (например, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной.
Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предметном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а временно откладывать, пока не будут закончены другие части. Например, если имеется необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, но реализуется она временно одним оператором, который просто присваивает заранее выбранное значение (например, 5). Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реализации этой функции.
Немаловажно, что небольшие подпрограммы значительно проще отлаживать, что существенно повышает общую надежность всей программы.
Очень важная характеристика подпрограмм - это возможность их повторного использования. С интегрированными системами программирования поставляются большие библиотеки стандартных подпрограмм, которые позволяют значительно повысить производительность труда за счет использования чужой работы по созданию часто применяемых подпрограмм.
Рассмотрим пример, демонстрирующий методику нисходящего проектирования. Имеется массив Ocenki, состоящий из N (N > 2) судейских оценок (каждая оценка положительна). В некоторых видах спорта принято отбрасывать самую большую и самую маленькую оценки, чтобы избежать влияния необъективного судейства, а в зачет спортсмену идет среднее арифметическое из оставшихся оценок. Решим эту задачу, постепенно детализируя алгоритм (без привязки к конкретному языку программирования).
1. Процесс решения наиболее просто описывается подпрограммами:
Ввести_оценки_в_массив;
Удалить_самую_большую_оценку;
Удалить_самую_маленькую_оценку;
Вывести_результаты;
Теперь можно приступить к детализации каждой их этих подпрограмм.
2. Удалить_самую_большую_оценку;
Как удалить самую большую оценку из статического массива? Вместо нее можно просто записать значение 0, а при подсчете среднего арифметического нулевые значения не учитывать.
I = Номер_самого_большого_элеменша_в_массиве;
3. Удалить_самую_маленькую_оценку;
I = Номер_самого_маленького_элемента_в_массиве;
При реализации подпрограммы Номер_самого_маленького_элемента_в_массиве надо учесть, что искать придется самое маленькое из положительных значений (больших нуля).
Здесь потребуется оператор цикла, вычисляющий сумму всех элементов массива Ocenki.
FOR I = 1 ТО N
SUM = SUM + Ocenki(I)
SUM = SUM / (N - 2)
В последнем операторе происходит вычисление среднего арифметического всех оценок. Сумма элементов массива делится на число элементов, уменьшенное на 2, потому что две оценки, самую большую и самую маленькую, учитывать не надо.
Если бы эта задача решалась последовательно, то уже на этапе удаления оценок могли возникнуть определенные проблемы.
Реализацию подпрограмм Номер_самого_большого_элемента_в_массиве и Номер_ самого_маленького_элемента_в_массиве выполните самостоятельно.
0(Лекция 5)
Методы проектирования БД
Целью проектирования БД является адекватное отображение в базе данных сути предметной области, рассматриваемой с точки зрения решения задачи автоматизации.
В теории баз данных существует ряд методов разработки моделей БД, отображающих разные уровни её архитектуры. Распространены два основных подхода к проектированию систем баз данных: "нисходящий" и "восходящий".
Известен также подход "смешанной стратегии" - сначала «восходящий» и «нисходящий» методы используются для разных частей модели, после чего все подготовленные фрагменты собираются в единое целое.
Рассмотрим на рисунке отличие этих методов
Рисунок - Выбор метода проектирования
Метод восходящего проектирования БД
При «восходящем» подходе осуществляют структурное проектирование снизу-вверх. Этот процесс называют процессом синтеза, попыткой получения целого, адекватно отображающего описание предметной области, на основе описания составляющих его частей.
Этапы проектирования БД методом «восходящего» проектирования представлены на рисунке 2.
ДЛМ - даталогическая модель; НФ - нормальная форма; ИЛМ -информационно-логическая модель предметной области; МБД - модель БД.
Рисунок 2 - Этапы проектирования БД методом «восходящего» проектирования
Работа для реляционной БД начинается с определения свойств объектов (атрибутов сущностей) предметной области, которые на основе анализа существующих между ними связей группируются в реляционные отношения (таблицы), отображающие эти объекты (в том случае, если мы проектируем структуру реляционной БД).
Как правило, получают 2 - 3 реляционных отношения, связанных между собой.
Избыточность данных в ненормализованной схеме - повторение данных в БД.
Для того чтобы полученная структура БД (ДЛМ) не обладала различными аномалиями при добавлении, обновлении или удалении данных вследствие их избыточности, необходимо осуществить проверку каждой полученной схемы отношения, как минимум, на соответствие 3НФ. Если схемы отношений не соответствуют этому условию, а они, как правило, не соответствуют, необходимо проводить процесс нормализации.
Значительный объем мероприятий по нормализации схем реляционных отношений даже дал второе название методу «восходящего» проектирования. Этот метод часто называют методом «нормализации».
Основы теории нормализации создал Э. Кодд.
Нормализация - это процесс проектирования в терминах РМД методом последовательных приближений к удовлетворительному набору схем.
Совокупность схем отношений называется схемой реляционной БД.
Нормализация исключает избыточность и аномалии в БД.
Аномалии в ненормализованной схеме отношения:
а) обновления - противоречивость данных, вызванная их избыточностью и частичным обновлением.
Пример: Схема2
(Код преподавателя, ФИО преподавателя, Код кафедры, Название кафедры, Краткое название кафедры, Код должности, Название должности)
б) аномалия удаления - непреднамеренная потеря данных, вызванная удалением других данных
в) аномалия ввода - невозможность ввести данные в таблицу, вызванная отсутствием других данных.
Схема2 (Код преподавателя, ФИО преподавателя, Код кафедры, Название кафедры, Краткое название кафедры, Код должности, Название должности)
Этапы проектирования БД методом нормализации:
1. Определение всех атрибутов, сведения о которых будут включены в БД -сбор сырых данных на предприятии.
2. Составление списка сырых данных в виде схем реляционных отношений. Полученная в итоге схема отношений находятся в нулевой нормальной форме (0НФ).
3. Приведение схемы отношения к 1НФ
Опр. 1НФ: Схема отношения находится в 1НФ тогда и только тогда, если все атрибуты схемы имеют атомарное значение и в схеме отношений отсутствуют повторяющиеся группы.
Опр.: повторяющаяся группа - один или более элементов данных, которые имеют более одного значения для одного значения части ключа. Рассматривается, если первичный ключ составной.
Разбиение схемы отношения на атомарные атрибуты.
Удаление повторяющихся групп.
ПГ: ЗАКАЗ (Номер заказчика, Ф.,И.,О., тел., дата, Номер заказа)
Первичный ключ - Номер заказчика, Дата, Номер заказа (если в один день заказчик может оформить более чем один заказ)
Повторяющаяся группа: Ф,И,О, телефон - повторяются в каждой новой записи при формировании информации о новом заказе, хотя эта информация относится к части составного ключа - Номер заказчика.
Нужно вынести в отдельную схему отношений:
ЗАКАЗ (№ заказчика, дата, № заказа)
ФИЗИЧЕСКОЕ ЛИЦО (№ заказчика, Ф,И,О, телефон)
Связь 1:М между 2-мя новыми схемами отношений, «много» на стороне отношения ЗАКАЗ.
Каждое ФИЗИЧЕСКОЕ ЛИЦО может оформить много ЗАКАЗОВ.
Каждый конкретный ЗАКАЗ оформлен одним и только одним ФИЗИЧЕСКИМ ЛИЦОМ.
4. Изучение смысла (семантики) данных и определение набора атрибутов -потенциального (уникального) ключа отношения. М.б. несколько уникальных ключей.
Уникальный (потенциальный) ключ - атрибут или набор атрибутов, который полностью и однозначно определяет значения других атрибутов.
5. Если отношение обладает несколькими потенциальными ключами, то нужно выбрать среди них кандидата в первичный ключ.
6. Выявление функциональных зависимостей между атрибутами нормализуемой схемы отношения.
Опр.: функциональной зависимостью атрибута В (набора атрибутов) отношения R от атрибута (набора атрибутов) А отношения R, обозначаемой R.A -> R.B A->B
называется такая связь между атрибутами отношения, что в каждый момент времени каждому значению атрибута (набору атрибутов) В соответствует только одно значение атрибута (набора атрибутов) А.
Однако для заданного значения атрибута В может существовать несколько различных значений атрибута А.
Таким образом, если из семантики предметной области нам известно значение атрибута А, то мы в предметной области однозначно можем определить значение атрибута В.
ФЗ является смысловым свойством атрибутов отношения.
В отношении м.б. выявлено много функциональных зависимостей, т.е. в отношении м.б. выявлено много детерминантов.
Опр.: ключевой атрибут - атрибут, входящий в состав первичного ключа Опр.: не ключевой атрибут - атрибут, не входящий в состав первичного ключа.
Опр.: частичная ФЗ - это зависимость не ключевого атрибута от части составного первичного ключа.
Опр.: полная ФЗ - это зависимость не ключевого атрибута от всего составного первичного ключа.
Имеет смысл рассматривать полную и частичную ФЗ в том случае, если ПК - составной.
Работа(Номер школы (ВК1); Номер инструктора (ПК); Фамилия инструктора; Имя инструктора; Отчество инструктор; Серия паспорта; Номер паспорта; Дата принятия на работу; Госномер автомобиля; Код вида занятий (ВК3))
Функциональные зависимости:
Номер инструктора -> Номер школы Номер инструктора -> Фамилия инструктора Номер инструктора -> Имя инструктора
Номер инструктора -> Отчество инструктора Номер инструктора - >Серия паспорта Номер инструктора -> Номер паспорта Номер инструктора - >Код образования Номер инструктора - >Дата принятия на работу Номер инструктора - >Госномер автомобиля
Функционально полно от первичного ключа Номер инструктора, Код вида занятий не зависит ни один не ключевой атрибут.
Для приведения к 2НФ необходимо выявит подмножество ФЗ не ключевых атрибутов от составного первичного ключа. Сколько не ключевых атрибутов -столько ФЗ!
Замечание: полное множество ФЗ определяется на основе аксиом и теорем теории множеств.
7. Приведение схемы отношения к 2НФ Технология приведения ко 2НФ:
1) В отдельную схему отношения выносится составной первичный ключ и те атрибуты, которые функционально полно зависят от него. Если таких атрибутов нет, то первичный ключ выносится один.
2) В отдельную схему выносится часть первичного ключа и те атрибуты, которые функционально полно зависят от этой части.
Сколько частей первичного ключа образовали частичные ФЗ, столько схем получаем
3) Исходная схема удаляется.
8. Определение транзитивных зависимостей в каждом нормализуемом отношении
Опр.: транзитивная зависимость - атрибут С отношения R транзитивно зависит от атрибута А отношения R, если для атрибутов А, В, С выполняется условие существования следующих ФЗ:
при условии, что атрибут А функционально не зависит ни от атрибута В, ни от атрибута С.
9. Удаление транзитивных зависимостей путем декомпозиции схем отношений
10 Определение условий необходимости анализа схем отношений на соответствие НФБК (нормальной формы Бойса - Кодда - BCNF)
Эта нормальная форма вводит дополнительное ограничение по сравнению с
Опр.: Отношение находится в НФБК, если оно находится в 3НФ и каждый детерминант отношения является потенциальным ключом отношения.
Опр.: Детерминантом ФЗ называется атрибут (набор атрибутов),
расположенный в левой части ФЗ, т.е. от детерминанта функционально полно зависит некоторый другой атрибут (атрибуты)
В отношении м.б. несколько детерминантов
Ситуация, когда отношение будет находиться в 3НФ, но не в НФБК, возникает при условии, что отношение имеет два (или более) возможных (потенциальных) ключа, которые являются составными и имеют общий атрибут.
Таким образом, НФБК учитывает ФЗ, в которых участвуют все потенциальные ключи отношения, а не только ПК.
На практике такая ситуация встречается достаточно редко, и для всех прочих отношений 3NF и BCNF эквивалентны.
Для отношения с единственным потенциальным ключом его 3НФ эквивалентна и НФБК.
Таким образом, для успешного проведения нормализации (до 3НФ) необходимо на основе анализа предметной области (анализа документов
предметной области) для каждой схемы реляционного отношения:
Выявить потенциальные ключи;
Увидеть повторяющиеся группы и не атомарные атрибуты;
Привести схемы отношения к 1НФ;
Определить функциональные зависимости между не ключевыми атрибутами и первичным ключом;
Определить частичные функциональные зависимости;
Осуществить декомпозицию (деление) соответствующих схем отношений для удалений частичных функциональных зависимостей;
Увидеть транзитивные зависимости между не ключевыми атрибутами и первичным ключом;
Исключить транзитивные зависимости путем декомпозиции
соответствующих схем отношений.
Проведение этих мероприятий является достаточно трудоемким процессом. Так, например, выявление полного множества функциональных зависимостей потребует знаний теории множеств и предикатной логики.
Для приведения схем отношений к более высоким нормальным формам необходимо проведение дополнительного исследования предметной области для определения детерминантов отношений, выявления многозначных зависимостей между атрибутами отношения, зависимостей соединения.
Рассмотрим на рисунке схему процесса нормализации
Рисунок - Схема процесса нормализации
«Восходящее» проектирование - это достаточно сложная и устаревшая методика, которая подходит для проектирования только небольших баз данных.
Предметная область - автоматизация учета личных данных инструкторов сети школ авто вождения.
Возросло количество обучающихся, возрос и контингент инструкторов, появилась необходимость автоматизации.
На этапе общения с заказчиком были определены следующие атрибуты, которые необходимо хранить и обрабатывать:
Номер школы;
ФИО инструктора;
Дата рождения;
Номер, серию паспорта;
Дата принятия на работу;
Госномер автомашины, которая закреплена за инструктором (необходимо хранить
последнюю запись - желание заказчика, хотя по-хорошему надо хранить историю);
Вид занятий, которые проводит сотрудник (лекция, вождение), также хранить только последнюю информацию - фотография момента, история не нужна.
Выявленные ограничения предметной области:
Все данные должны быть обязательными.
За одним автомобилем м.б. закреплено несколько инструкторов.
Номер сотрудника уникальный в пределах всей ИС, охватывающей сеть школ.
Наполнение строк реальными данными позволило выявить кандидата в первичный ключ. Серия и номер документа удостоверяющего личность состоит из двух атрибутов, его можно заменить введение дополнительного номера - личный номер инструктора. Это выяснилось и в ходе дальнейшего обследования предметной области - сотрудник, ведущий личные дела инструкторов, присваивает каждому личный номер.
Поле "вид занятий" символьное, что нежелательно для атрибута, входящего в состав первичного ключа. В ходе дальнейшего анализа предметной области был выявлен документ, который перечислял существующие виды занятий автошколы, причем, записи были пронумерованы в шапке отчетного документа- 1 - руководство школой; 2- чтение теоретического курса; 3 - работа на тренажерах и т.д. и по каждому виду подводился итог. Появился атрибут, дополнительно описывающий вид занятий, причем числовой. Его необходимо добавить в схему отношения и сделать атрибутом первичного ключа, заменив, таким образом, длинное символьное поле.
Получили схему отношения:
ПК - первичный ключ - Номер инструктора; Код вида занятий
Необходимость нормализации: исходное отношение, находящееся в нулевой нормальной форме, содержит избыточные данные, что является причиной аномалий вставки - например, мы не можем внести данные о инструкторе, пока он не принесет сведения об образовании или не будет точно известен госномер и марка автомобиля, который за ним закрепляют. Аномалия обновления
Изменение госномера автомобиля (автомобиль списали) поведет за собой необходимость изменения этого поля во всех строках, где он упоминается (фиксируем только фотографию момента - за кем был последним закреплен автомобиль, но таких людей м.б. несколько и для их выявления необходимо проделать определенную работу, при чем работу администратора БД).
Явная избыточность - повторение названия вида занятий.
Неявная избыточность - изменение госномера автомобиля.
Дальнейшим, необходимым для нормализации, этапом работы является определение зависимостей между атрибутами на основе семантики предметной области.
Скачать лекцию: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
