E—R模型的分析和應(yīng)用

楊明

摘要：本文以高職院校教務(wù)管理業(yè)務(wù)作為原型基礎(chǔ)，通過該實(shí)例詳細(xì)介紹了E-R建模技術(shù)。包含如何標(biāo)識(shí)實(shí)體，確定實(shí)體和實(shí)體之間的關(guān)系，以及區(qū)分實(shí)體間的關(guān)系是一元、二元還是多元關(guān)系，以及關(guān)系的多樣性約束。進(jìn)而確定實(shí)體和關(guān)系的屬性，并特化/泛化實(shí)體，最后給出了完整的E-R模型。

關(guān)鍵詞：E-R模型；實(shí)體；關(guān)系

在完成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)需求分析和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，就要開始進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)工作。首先要提及什么是設(shè)計(jì)方法學(xué)：一種結(jié)構(gòu)化的方法[1]，通過技術(shù)、文檔和相關(guān)工具來(lái)精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的過程。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法由相關(guān)步驟組成，它們?cè)诠こ痰母鱾€(gè)階段使用合適的技術(shù)，來(lái)幫助我們規(guī)劃、管理、控制和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)過程。

一、E-R模型

教務(wù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)，即完成E-R模型[2]，良好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)對(duì)于達(dá)到良好的性能非常重要，有多種數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法，本文采用自頂向下數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法[3]。自頂向下的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法首先開發(fā)出包含高層抽象的數(shù)據(jù)模型，然后連續(xù)的、自定向下的細(xì)化底層的實(shí)體、聯(lián)系和關(guān)聯(lián)屬性。

二、E-R模型應(yīng)用

我們將創(chuàng)建E-R模型，以支持教務(wù)管理系統(tǒng)的事務(wù)，但要保證該模型有最小冗余度。這個(gè)步驟目的是輸出一個(gè)ER模型，并確定這個(gè)ER模型能準(zhǔn)確的表達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)的需求。每一個(gè)模型將包括以下組件：實(shí)體，關(guān)系，屬性和屬性域，主鍵，備用鍵和完整性約束。

（一）標(biāo)識(shí)需要的實(shí)體

該步驟就是要定義教務(wù)管理系統(tǒng)的主要對(duì)象，這些對(duì)象就是數(shù)據(jù)模型中的實(shí)體。教務(wù)管理系統(tǒng)有如下實(shí)體：學(xué)生、教師、學(xué)生課表、教師課表、學(xué)生成績(jī)單、成績(jī)管理人員、排課管理人員、學(xué)籍管理人員、班級(jí)、專業(yè)、公共課專業(yè)課任務(wù)清單、公選課任務(wù)清單、體育選項(xiàng)任務(wù)清單、上課地點(diǎn)清單、體育選項(xiàng)管理人員、公選課管理人員、教學(xué)計(jì)劃任務(wù)管理人員。標(biāo)識(shí)實(shí)體后，將實(shí)體記錄到數(shù)據(jù)字典中。

（二）標(biāo)識(shí)關(guān)系

標(biāo)識(shí)實(shí)體間存在的重要關(guān)系。在這一步中，我們只關(guān)心實(shí)體間必須的關(guān)系，例如，一個(gè)班級(jí)包含很多學(xué)生，一個(gè)學(xué)生只在一個(gè)班級(jí)內(nèi)。雖然有些實(shí)體之間也存在關(guān)系，但是這些關(guān)系不是必須的，可以從其它實(shí)體間接得到，例如一個(gè)專業(yè)包含很多學(xué)生，一個(gè)學(xué)生只在一個(gè)專業(yè)內(nèi)。因?yàn)閷I(yè)和班級(jí)也有關(guān)系，學(xué)生和專業(yè)的關(guān)系可以從班級(jí)和專業(yè)的關(guān)系中得到，所以學(xué)生和專業(yè)的關(guān)系不是必須的。

標(biāo)識(shí)完實(shí)體的關(guān)系后，接下來(lái)就要確定關(guān)系的種類，即多樣性約束，例如班級(jí)和學(xué)生的關(guān)系，每個(gè)班級(jí)有多名學(xué)生，而一名學(xué)生只能存在一個(gè)班級(jí)中。班級(jí)和學(xué)生的關(guān)系就是一對(duì)多的關(guān)系。包含多樣性約束的模型更明確的描述了關(guān)系的定義，可以在模型中產(chǎn)生更好的表達(dá)結(jié)果。多樣性約束被用來(lái)檢查和維護(hù)數(shù)據(jù)特征。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)更新時(shí)，要判斷是否違反了規(guī)則，這些約束就會(huì)起作用。以上關(guān)系經(jīng)過仔細(xì)檢查，避免了扇形陷阱[4]。

（三）標(biāo)識(shí)屬性

我們首先解決第一個(gè)問題，簡(jiǎn)單和復(fù)合屬性，簡(jiǎn)單和復(fù)合是對(duì)屬性本身而言，簡(jiǎn)單屬性就是說這個(gè)屬性不能再被分解，而復(fù)合屬性就是說屬性可以被分解為幾個(gè)簡(jiǎn)單的屬性。例如學(xué)生實(shí)體中的家庭地址這個(gè)屬性，我們可以把它看作簡(jiǎn)單屬性，就是把所有關(guān)于地址細(xì)節(jié)看成一個(gè)值。也可以把它看成復(fù)合屬性，家庭地址可以看成是省、市、區(qū)（縣）、街道、郵編的簡(jiǎn)單屬性的組合。

第二個(gè)問題就是單值和多值屬性，單值或者多值是對(duì)屬性的數(shù)值而言，如果屬性只有一個(gè)值，就是單值屬性；如果屬性有多個(gè)值，就是多值屬性。大多數(shù)屬性都是單值的，例如學(xué)生實(shí)體的學(xué)號(hào)，每個(gè)學(xué)生只有一個(gè)學(xué)號(hào)。對(duì)于多值屬性，例如學(xué)生實(shí)體的電話號(hào)碼可能有多個(gè)。對(duì)于這個(gè)問題的解決辦法就是如實(shí)填寫，因?yàn)槎嘀祵傩缘胶竺娴脑O(shè)計(jì)中可以映射為實(shí)體。

第三個(gè)問題就是解決派生屬性，派生屬性就是指該屬性的值可以從檢查其他屬性的值得到。例如學(xué)生實(shí)體中的學(xué)生年齡，這個(gè)數(shù)值可以從學(xué)生出生日期中得到，并且年齡這個(gè)值每年都在變化。

（四）E-R模型中屬性域

所謂的域，就是一組值的集合，一個(gè)或者多個(gè)屬性可以從中選擇他們的值。例如實(shí)體學(xué)生的性別屬性，只能為男或者女。本文的數(shù)據(jù)模型為每個(gè)屬性指定了屬性域，包括：每個(gè)屬性允許值的集合，屬性大小和格式。并在數(shù)據(jù)字典中記錄他們的名字和特征，更改屬性的數(shù)據(jù)字典項(xiàng)。

（五）注候選鍵、主鍵

為實(shí)體標(biāo)注候選鍵、主鍵，實(shí)體可能有多個(gè)候選鍵，則選其一作為主鍵。根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，定義一個(gè)具有唯一性的屬性，要比把不同的屬性組合起來(lái)，提供唯一性好很多。學(xué)生的學(xué)號(hào)作為學(xué)生實(shí)體的主鍵，準(zhǔn)考證號(hào)和身份證號(hào)作為候選鍵，因?yàn)闇?zhǔn)考證號(hào)和身份證號(hào)也能唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)學(xué)生。我們根據(jù)需求分析還定義了屬性域，例如學(xué)制只能是3或者4。

（六）特化/泛化實(shí)體

特化/泛化實(shí)體的概念是與稱為超類和子類的實(shí)體，以及和他們之間的屬性繼承有關(guān)。超類[5]，是一個(gè)實(shí)體，包含所有在實(shí)體中出現(xiàn)的公共屬性和關(guān)系。子類是一個(gè)實(shí)體，具有自己特殊的屬性和關(guān)系，并且包含了超級(jí)類實(shí)體中出現(xiàn)的特定屬性和關(guān)系。任何一個(gè)超類和它的子類直接的關(guān)系都是1：1。

在教務(wù)管理系統(tǒng)中，有公共選修課教學(xué)任務(wù)和體育選項(xiàng)教學(xué)任務(wù)，我們引入泛化過程，就是采用一個(gè)自底向上的方法，從初始的子類中產(chǎn)生超類。公共選修課教學(xué)任務(wù)和體育選項(xiàng)教學(xué)任務(wù)是兩個(gè)子類，在這兩個(gè)子類的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生超類公共課教學(xué)任務(wù)，我們把2個(gè)子類的公共屬性放到超類公共課教學(xué)任務(wù)中，如選課課號(hào)、學(xué)年、學(xué)期等，而對(duì)于子類公選課教學(xué)任務(wù)，保留了課程歸屬這個(gè)屬性，這個(gè)屬性將公選課分成若干類型，如技能訓(xùn)練類、社會(huì)科學(xué)類，這個(gè)屬性是公選課任務(wù)特有的，和體育選項(xiàng)教學(xué)任務(wù)沒有關(guān)系。同理，體育選項(xiàng)教學(xué)任務(wù)也保留了板塊名稱這個(gè)屬性。

（七）E-R模型

教務(wù)系統(tǒng)大部分都是二元關(guān)系，例如成績(jī)單和學(xué)生是一對(duì)一的關(guān)系，一學(xué)生對(duì)應(yīng)一份成績(jī)單，一份成績(jī)單只對(duì)應(yīng)一個(gè)學(xué)生；學(xué)生和所在班級(jí)是多對(duì)一的關(guān)系，每個(gè)班級(jí)都有很多學(xué)生，但是一名學(xué)生只能對(duì)應(yīng)一個(gè)班級(jí)。但是也有四元關(guān)系，就是上課節(jié)次、上課地點(diǎn)、學(xué)生、教師的關(guān)系，這四個(gè)實(shí)體通過上課聯(lián)系。對(duì)于四元關(guān)系，我們一般假定其中三個(gè)實(shí)體關(guān)系固定，然后查看與第四個(gè)實(shí)體的關(guān)系。例如，在上課地點(diǎn)、上課節(jié)次、學(xué)生固定的情況下，和教師的關(guān)系就是一對(duì)一，因?yàn)橹荒苡幸粋€(gè)老師在固定的地點(diǎn)和時(shí)間給固定的學(xué)生上課。同理我們可以推出和學(xué)生的關(guān)系是一對(duì)多，和上課地點(diǎn)、上課節(jié)次關(guān)系是一對(duì)一。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過一個(gè)具體實(shí)例展示了E-R模型在具體工程項(xiàng)目中的運(yùn)用，E-R模型因其簡(jiǎn)單易學(xué)易用，容易理解，并能真實(shí)反映客戶需求被廣泛應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)階段中。但E-R模型本身固有的缺陷需要在實(shí)際項(xiàng)目中做進(jìn)一步改進(jìn)，例如實(shí)體和關(guān)系的界限不是很清楚，對(duì)系統(tǒng)分析員的經(jīng)驗(yàn)和能力要求較高，這些因素制約了E-R在實(shí)際工程中作用的發(fā)揮。（作者單位：南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

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[5]韓駒.李之堂.E-R模型特殊超類/子類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方法研究.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用.2013-10：09-11