Представление предметной области и модели данных

Если бы назначением базы данных было только хранение и поиск данных в массивах записей, то структура системы и самой базы была бы простой. Причина сложности в том, что практически любой объект характеризуется не только параметрами-величинами, но и взаимосвязями частей или состояний. Есть различия и в характере взаимосвязей между объектами предметной области: одни объекты могут использоваться только как характеристики остальных объектов, другие — независимы и имеют самостоятельное значение.

Кроме того, сам по себе отдельный элемент данных (его значение) ничего не представляет. Онприобретает смысл только тогда, когда связан с атрибутом (природой значения, что позволит интерпретировать значение) и другими элементами данных.

Поэтому физическому размещению данных (и, соответственно, определению структуры физической записи) должно предшествовать описание логической структуры предметной области — построение модели соответствующего фрагмента реального мира, выделяющей только те объекты, которые будут интересны будущим пользователям, и представленные только теми параметрами, которые будут значимы при решении прикладных задач, Такая модель

будет иметь очень мало физического сходства с реальностью, но будет полезна как представление пользователя о реальном мире. Причем это представление будет задаваться (описываться) удобными для пользователя средствами в не адекватной человеку жесткой вычислительной среде с двоичной логикой и числовым представлением информации.

Таким образом, прежде чем описывать физическую реализацию объектов и связей между ними, необходимо определить:

1) способ, с помощью которого внешние пользователи представляют (описывают) объекты и связи;

2) форму и методы внутримашинного представления элементов данных и взаимосвязей;

3) средства, обеспечивающие взаимно однозначные преобразования внешнего и внутримашинного представлений.

Такой подход является компромиссом, свойственным языкам программирования: за счет предварительно определяемого множества абстракций, общих для большинства задач обработки данных, обеспечивается возможность построения надежных программ обработки. Пользователь, используя ограниченное множество формальных, но достаточно знакомых понятий, выделяя сущности и связи, описывает объекты и связи предметной области; программист (или система автоматизации проектирования БД), используя такие типовые Абстрактные понятия (как например числа, множества, последовательности, агрегаты), определяет соответствующие информационные структуры. Система управления данными, используя двоичные формы представления типизированных данных, обеспечивает эффективные процедуры хранения и обработки данных.

Именно введение промежуточного уровня абстракции позволяет иметь раздельное описание логического и физического представлений, освобождает конечного пользователя от необходимости беспокоиться о деталях внутримашинного представления и обработки, поскольку он может быть уверен, что программистом выбрана наиболее эффективная форма для данной ситуации. Однако эффективность здесь имеет определенные пределы. Чем ближе система абстракций к особенностям вычислительной среды, тем выше эффективность выполнения программы, но вынужденная «специализациях абстракций увеличивает вероятность того, что они станут неподходящими для некоторых других применений.

Модель данных должна, так или иначе, дать основу для описания данных и манипулирования данными, а также дать средства анализа и синтеза структур данных.

Необходимо отметить, что предметные среды с точки зрения описания целесообразно условно разделить на два полярных случая:

1. Предметная среда характеризуется сравнительно небольшим количеством типов отношений, но каждое отношение само есть большое множество. Эти отношения сравнительно устойчивы, а изменений в пределах каждого множества существенно меньше мощности самого отношения. Например, отношение «вхождения» элементов изделий, содержащееся в конструкторских спецификациях, для среднего предприятия содержит сотни тысяч записей. В этом случае, задав схемы отношений и ориентировочные значения их мощностей, можно достаточно полно представить структуру и масштаб предметной среды.

2. Для предметной среды характерно большое число типов отношений между объектами, но каждое отношение есть множество сравнительно малой мощности. При этом мощность потока изменений для отношений сравнима с мощностью самих отношений.

Первый случай характерен для отображения процессов на уровне автоматизированных систем управления предприятиями. Современные системы управления базами данных наиболее эффективны именно в подобном случае, при отображении статических в указанном смысле предметных сред. Обычно при этом речь идет о целых классах объектов, например, о деталях данного типа и не отображается состояние каждой конкретной детали.

Второй случай характерен для описания производственного технологического процесса, сучетом временных и пространственных факторов нахождения конкретных объектов.

Если в первом случае говорят о реляционной, иерархической или сетевой моделях данных, то во втором — о семантических сетях и фреймах.

Основное отличие этих методов заключается в том, что первые задают четкую схему (так называемую схему базы данных), в рамках которой и отображается предметная область. Подобное построение по сути своей является довольно статичным, требует априорного знания типов отношений, в которых может находиться объект, однако зафиксированная схема базы данных позволяет довольно эффективно организовать поиск необходимой информации. Во втором случае предметная среда отображается (по крайней мере, на уровне модели) в виде однородной сети, любые изменения которой, по вводу как новых классов объектов, так и новых типов отношений, не связаны с какими-либо структурными преобразованиями сети. В силу большого количества типов отношений манипулирование подобной «элементарной» информацией достаточно затруднено, поэтому для данного случая характерно введение большого количества общих понятий (и соответствующих им отношений), что упрощает работу с таким представлением.

В контексте машинного представления модель данных может быть использована следующим образом:

• как средство спецификации типов данных и их организации, разрешенных в конкретной БД;

• как основа разработки общей методологии построения баз данных;

• как основа минимизации влияния эволюции баз данных на уже существующие прикладные программы и работу конечных пользователей;

• как основа разработки семейства языков запросов и языков манипулирования данными;

• как основа архитектуры СУБД;

• как основа изучения динамических свойств различных организаций данных.

Таким образом, модель данных — это базовый инструментарий, обеспечивающий на формальном абстрактном уровне конкретные способы представления объектов и связей.

Модель базы данных охватывает более широкий спектр понятий. Основное назначение модели базы данных состоит в том, чтобы:

• определить ясную границу между логическим и физическим аспектами управления базой данных (независимость данных);

• обеспечить конечным пользователям и программистам, создающим БД, возможность и средства общего понимания смысла данных (коммуникабельность);

• определить языковые понятия высокого уровня, обеспечивающие возможность выполнения однотипных операций над большими совокупностями записей (в общем случае разнотипных данных) как единую операцию (обработка множеств).