Проектирование автоматизированного рабочего места

Быстрое развитие информационных потребностей прикладных систем требует  разнообразных подходов к созданию сложных и простых баз данных. Сложность базы данных определяется объемами и структурой информатизации, разнообразием ее видов, множественностью связей между файлами, требованиями к производительности и надежности. В связи с этим были выделены основные требования к организации баз данных:

1. База данных - это основа для будущего наращивания прикладных программ. Базы данных должны обеспечивать возможность разработки приложений легче, быстрее, дешевле.
2. Многократное использование данных. Пользователи, которые по-разному понимают одни и те же данные, могут использовать их различным образом.
3. Сохранение затрат умственного труда. Существующие программы и логические структуры данных не переделываются при внесении изменений в базу данных.
4. Простота. Пользователи могут легко узнать и понять, какие данные имеются в их распоряжении.
5. Легкость использования. Пользователи имеют простой доступ к данным; сложный доступ к данным осуществляет СУБД.
6. Гибкость использования. Обращение к данным или их поиск осуществляется с помощью различных методов доступа.
7. Быстрая обработка незапланированных запросов на данные. Случайные запросы на данные могут обрабатываться с помощью высокоуровневого языка запросов или языка генерации отчетов, а не прикладными программами, написанными с целью обработки конкретных запросов.
8. Простота внесения изменений. База данных может увеличиваться и изменяться без нарушения имеющихся способов использования данных.
9. Небольшие затраты. Низкая стоимость хранения и использования данных и минимизация затрат на внесение изменений.
10. Уменьшение избыточности данных. Требования новых приложений удовлетворяются за счет существующих данных, а не путем создания новых файлов.
11. Производительность. Запросы на данные удовлетворяются с такой скоростью, которая требуется для использования данных.
12. Достоверность данных и соответствие одному уровню обновления. Необходимо использовать контроль над достоверностью данных. Система предотвращает наличие различных версий одних и тех же элементов данных, доступных пользователям, на различных стадиях обновления.
13. Секретность. Несанкционированный доступ к данным невозможен. Ограничение доступа к одним и тем же данным для различного их использования может осуществляться различными способами.
14. Защита от искажения и уничтожения. Данные должны быть защищены от сбоев, катастрофических и криминальных ситуаций, некомпетентного или злонамеренного обращения к ним лиц, которые могут ошибочно обновить их.[9]
3. Основные концепции реляционных БД

Теория реляционной  базы данных разработана в начале 70-х годов доктором Э.Ф. Коддом на основе математической теории отношений. Предложенные им идеи оказали большое влияние на технологию баз данных во всех ее аспектах, а также на другие области информационных технологий.

Реляционная база данных представляет собой совокупность таблиц, связанных между собой определенными  отношениями и предназначенных  для хранения данных. Основными понятиями  в этой теории являются таблица, отношение, строка, столбец, ключи.

Таблица реляционной  базы данных состоит из множества  строк и столбцов и имеет уникальное имя в базе данных. База данных содержит множество таблиц, связь между  которыми устанавливается с помощью  совпадающих полей. Каждая строка таблицы  содержит данные об одном объекте и называется записью. Все записи имеют одинаковую структуру – они состоят из полей, в которых хранятся атрибуты (свойства) объекта. Строки отношения (таблиц) называются кортежами. Такие таблицы обладают следующими свойствами:

1. каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных, повторяющиеся группы отсутствуют;
2. все столбцы в таблице однородные, то есть элементы столбца имеют одинаковую природу;
3. в таблице нет двух одинаковых строк;
4. порядок строк в таблице произвольный.

Количество атрибутов в отношении называется степенью или рангом отношения. Каждая таблица должна иметь один или несколько столбцов (атрибутов), которые однозначно идентифицируют каждый объект в таблице, то есть позволяют четко отличить один объект от другого. Такие столбцы образуют первичный ключ, и если столбцов несколько, то говорят, что первичный ключ является составным. Поле, предоставляющее первичный ключ или являющееся частью первичного ключа, называется ключевым полем. В реляционной базе данных очень важным является понятие связи между таблицами. Связь – это логическое отношение между объектами, представленными таблицами. Связь между записями двух таблиц основана обычно на совпадении значений атрибутов, по которым эта связь устанавливается. Имеются четыре типа связей между таблицами: один-к- одному, один-ко-многим, много-к-одному, много-ко-многим.

Отношение один-к-одному означает, что каждая запись одной  таблицы соответствует только одной  записи в другой таблице.

Наиболее часто встречающимся  типом отношений в базе данных является один-ко-многим. Данное отношение означает, что каждой записи одной таблице соответствует несколько записей в другой таблице.

Отношение много-к-одному аналогично рассмотренному ранее типу один-ко-многим.

Отношение много-ко-многим возникает между двумя таблицами в тех случаях, когда:

1. одна запись из первой таблице может быть связана более чем с одной записью из второй таблицы;
2. одна запись из второй таблице может быть связана более чем с одной записью из первой таблицы.

Преимуществами реляционной модели БД являются простота логической модели (таблицы привычны для представления информации); гибкость системы защиты (для каждого отношения может быть задана правомерность доступа); независимость данных; возможность построения простого языка манипулирования данными с помощью математически строгой теории реляционной алгебры (алгебры отношений). К настоящему времени реляционные модели баз данных получили наибольшее распространение в современных информационных технологиях.

Множество отношений  и операций над данными образует реляционную алгебру. Все множество операций реляционной алгебры разделено на две группы:

1. теоретико-множественные (объединение, пересечение, разность, расширенное декартовое произведение);
2. специальные.

Реляционная модель БД имеет дело с тремя аспектами данных: со структурой данных, с целостностью данных и с манипулированием данными. Под структурой понимается логическая организация данных в БД, под целостностью данных — безошибочность и точность информации, хранящейся в БД, под манипулированием данными — действия, совершаемые над данными в БД. Эти три аспекта отражают и основные процедуры процесса накопления данных (хранение, актуализацию и извлечение).[10]

1.  Нормализация баз данных

Центральной задачей  проектирования базы данных АИС – определение качества отношений и их атрибутивного состава. Группировка атрибутов в отношения допускает множество различных вариантов решений. Рациональные варианты группировки должны учитывать следующие требования:

1. множество отношений должно обеспечивать минимальную избыточность представления информации;
2. корректировка отношений не должна приводить к двусмысленности или потере информации;
3. перестройка набора отношений при добавлении в базу данных новых атрибутов должна быть минимальной.

Нормализация данных представляет собой процесс преобразования отношений путем ликвидации повторяющихся групп и иных противоречий с целью приведения таблиц к виду, позволяющему осуществить непротиворечивое и корректное редактирование данных.

Ограничения на значения, хранимые в реляционной базе данных, достаточно многочисленны. Соблюдение этих ограничений в конкретных отношениях связано с наличием так называемых нормальных форм. Процесс преобразования отношений базы данных к той или иной нормальной форме называется нормализацией отношений. Нормальные формы нумеруются последовательно от первой до пятой, и чем больше номер нормальной формы, тем больше ограничений на хранимые значения должно соблюдаться в соответствующем отношении. Окончательная цель нормализации – получение такого проекта базы данных, в котором исключается избыточность информации.

Основными свойствами нормальных форм являются:

1. каждая следующая нормальная форма в некотором смысле улучшает свойства предыдущей нормальной формы;
2. при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих сохраняются.

В теории реляционных  баз данных обычно выделяют следующие  последовательные нормальные формы (НФ): 1НФ; 2НФ; 3НФ; 4НФ;5НФ. Отношения находятся в некоторой нормальной форме, если оно удовлетворяет свойственному данной форме набору ограничений.

Первая нормальная форма  требует, чтобы на любом пересечении  строки и столбца находилось единственное значение, которое должно быть атомарным. Данное требование является базовым требованием классической реляционной базы данных, поэтому любая реляционная таблица по определению уже находится в 1 нормальной форме. Рассмотрим таблицу «Склад» представленную в таблице 2.1:

Таблица 2.1

Склад

Каждому полю первичного ключа (Код_т) соответствует одно значение для каждого вхождения первичного ключа в группу (наим_т, ст_ед, инвентарный номер.). Следовательно, данная таблица находится в 1НФ.

Отношения находятся  во 2НФ в том случае, когда это  отношение находится в 1НФ, и не содержит неполных функциональных зависимостей. Представление таблицы во второй нормальной форме требует, чтобы все столбцы, не являющиеся первичными ключами (столбцы, описывающие объект, но однозначно не идентифицирующие его), зависели от всего первичного ключа, а не от его отдельных компонентов.

В таблице «Склад»  атрибуты наим_т, ст_ед, инвентарный  номер относятся к общежитию и полностью зависят от атрибута Код_т», который является первичным ключом. Следовательно, таблица «Склад» удовлетворяет требования 2НФ.

Отношение находится  в третьей нормальной форме тогда, когда оно находится во 2НФ и ни один не ключевой столбец не зависит от другого не ключевого столбца. Любой не ключевой столбец должен зависеть только от столбца первичного ключа.

Чтоб перейти от 2НФ к 3НФ необходимо:

1. Определить все поля (или группу полей), от которых зависят другие поля.
2. Создать новую таблицу для каждого такого поля (или группы полей) и группы зависящих от него полей и переместить их в эту таблицу. Поле (или группа полей) от которых зависят все перемещаемые поля, станет при этом первичным ключом новой таблицы.
3. Удалить перемещенные поля из исходной таблицы, оставив лишь те из них, которые станут внешним ключом.

В таблице «Склад»  каждый не ключевой атрибут (Наим_т, ст_ед и т.д.) логически связан с атрибутом, являющимся первичным ключом. Предположим, например, что мы добавили поля Фамилия агента и Номер агента в таблицу «Склад», находящуюся в 2НФ. Атрибут Номер агента логически связана с атрибутом Фамилия, который не является ключевым, но не с атрибутом  Код_т, являющимся первичным ключом. Следовательно, таблица «Склад» находится в 3НФ.

Четвертая нормальная форма запрещает независимые отношения типа один-ко-многим между ключевыми и не ключевыми столбцами. Пятая нормальная форма доводит весь процесс нормализации до логического конца, разбивая таблицы на минимально возможные части для устранения в них всей избыточности данных. Нормализованные таким образом таблицы обычно содержат минимальное количество информации, помимо первичного ключа. Таким образом, любой фрагмент не ключевых данных (данных, не являющихся первичным или внешним ключом) встречается в базе данных только один раз, и не возникает никаких проблем при их обновлении.  Однако, поскольку каждая таблица в пятой нормальной форме имеет минимальное число столбцов, то в них должны дублироваться одни и те же ключи, обеспечивая возможности для объединения таблиц и получения полезной информации. Нормализованная таблица «Склад» содержит минимальное количество информации, помимо первичного ключа, а значит, она удовлетворяет требованиям 4 и 5 НФ.[11]

4. Шаги проектирования БД

Проектирование базы данных (БД) – это одна из сложных задач, которая связана с созданием ИС. Проект базы данных – это набор взаимосвязанных отношений, в котором определены все атрибуты, заданы первичные ключи отношений и заданы некоторые дополнительные свойства отношений, которые относятся к принципам поддержки целостности. Для создания эффективного приложения, работающего с информацией, хранящейся в базе данных, основное внимание должно уделяться  проектированию структуры базы данных. Только хорошо организованная структура данных позволит: