Понятие информационной модели предметной области. Уровни информационного моделирования

 

Введение

Человечество постоянно в своей деятельности (научной, образовательной, технологической) создает и использует модели окружающего мира. Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели часто используются в процессе обучения.

Модели играют чрезвычайно  важную роль в проектировании и создании различных технических устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т. д. Без предварительного создания чертежа невозможно изготовить даже простую деталь, не говоря уже о сложном механизме. Развитие науки невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез и пр.), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов.

Так, каждая информационная система в зависимости от назначения имеет дело с той или иной частью конкретного мира, которую принято называть ее предметной областью. Анализ предметной области является необходимым начальным этапом разработки любой информационной модели. Именно на этом этапе определяются информационные потребности всей совокупности пользователей будущей системы, которые, в свою очередь, предопределяют содержание ее базы данных. Предметная область конкретной информационной модели рассматривается, прежде всего, как некоторая совокупность реальных объектов, которые представляют интерес для ее пользователей. 

 

1 Понятие информационной модели  предметной области

1.1 Информационная модель

Информационная модель — модель объекта, представленная в виде информации, описывающей существенные для данного рассмотрения параметры и переменные величины объекта, связи между ними, входы и выходы объекта и позволяющая путём подачи на модель информации об изменениях входных величин моделировать возможные состояния объекта. Информационные модели нельзя потрогать или увидеть, они не имеют материального воплощения, потому что строятся только на информации. Информационная модель — совокупность информации, характеризующая существенные свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.

Информационные модели делятся на описательные и формальные.

Описательные информационные модели - это модели, созданные на естественном языке (т.е. на любом языке общения между людьми: английском, русском, китайском, мальтийском и т.п.) в устной или письменной форме.

Формальные информационные модели - это модели, созданные на формальном языке (т.е. научном, профессиональном или специализированном). Примеры формальных моделей: все виды формул, таблицы, графы, карты, схемы и т.д.

Типы информационных моделей:

а) моделирование отклика системы на внешнее воздействие;

б) классификация внутренних состояний системы;

в) прогноз динамики изменения системы;

г) оценка полноты описания системы и сравнительная информационная значимость параметров системы;

д) оптимизация параметров системы по отношению к заданной функции ценности;

е) адаптивное управление системой.

Уровни моделей:

а) структуры;

б) поведения;

в) результатов.

Характеристики моделей:

а) цель (target);

б) точка зрения (view);

в) полнота;

г) целостность и непротиворечивость;

д) адекватность и согласованность с оригиналом (coherent);

е) сложность;

ж) избыточность;

з) архитектура.

1.2 Информационная модель  предметной области

В качестве основного понятия  для описания предметной области, используется понятие сущности (объекта), характеризуемого набором определенных свойств. Для информационного описания сущности вводится понятие атрибута. Атрибут - поименованное свойство (характеристика) сущности или информационное отображение свойств объекта.  
Каждый объект характеризуется рядом основных атрибутов:

а) объект - климат, его атрибуты - температура (t°), влажность, количество теплых дней в году и т.д.

б) объект - автомобиль, его атрибуты - модель, предельная скорость, мощность двигателя и т.д.

Каждый атрибут в модели должен иметь уникальное имя - идентификатор.

При реализации информационной модели на каком-либо носителе информации  атрибут часто называют:

а) элементом данных;

б) полем данных (в реляционной модели данных);

в) просто полем.

  Атрибут представляет собой информационное отображение свойства сущности. Атрибут объекта принимает конкретное значение из множества допустимых значений. Так, например, для сущности Студент атрибут «фамилия» у конкретного экземпляра сущности принимает конкретное значение «Иванов».

Таким образом, атрибут представляет информационное описание количественных или качественных свойств сущности, описывает состояние сущности, позволяет идентифицировать сущность. Информация о сущности представляется совокупностью атрибутов. Такую совокупность атрибутов часто называют записью об объекте.

Другим основным понятием для описания предметной области  является понятие связи. Связь – это функциональная зависимость между сущностями. В частности, для представления связей между экземплярами сущностей могут использоваться атрибуты. В этом случае связь устанавливается путем включения в совокупность атрибутов сущности атрибута, однозначно идентифицирующего экземпляр сущности, находящийся в отношении с исходным экземпляром сущности.

Например, рассмотрим класс сущностей Факультет представленный совокупностью атрибутов (название, номер) и класс сущностей Расписание экзамена на факультет, представленный совокупностью атрибутов (название экзамена 1, дата экзамена 1, название экзамена 2, дата экзамена 2, название экзамена 3, дата экзамена 3). Для представления связи «экзамены» (тип связи 1:1) в совокупность атрибутов Расписание экзаменов на факультет можно включить атрибут «название факультета».

1.3 Элементы информационной модели предметной области

Информационная модель предметной области включает в себя следующие элементы:

Объект (или сущность).

Объектом называется элемент информационной модели, данные о котором мы сохраняем для дальнейшей обработки и использования.

Объект может быть реальным  (человек, предмет, населенный пункт) или  абстрактным (событие, счет в банке  или изучаемый студентами курс и  т.д.)

Каждый объект обладает определенным набором свойств, которые запоминаются в информационной модели.

Классом объектов называют совокупность объектов, обладающих одинаковым набором свойств.

Классом объектов может быть группа людей, каждый из которых обладает одним и тем же набором характеристикам: весом, ростом и т.д.

2 Информационная модель  предметной области БД

Информационную модель можно  рассмотреть на такой предметной области как база данных.

Информационная модель предметной области базы данных содержит следующие основные конструкции:

а) диаграммы «сущность-связь» (Entity - Relationship Diagrams);

б) определения сущностей;

в) уникальные идентификаторы сущностей;

г) определения атрибутов сущностей;

д) отношения между сущностями;

е) супертипы и подтипы.

В этом случае, предметом информационной модели является абстрагирование объектов или явлений реального мира в рамках предметной области, в результате которого выявляются сущности (entity) предметной области. Как правило, они обозначаются именем существительным естественного языка.

Сущность описывается с помощью данных, именуемых свойствами или атрибутами (attributes) сущности. Как правило, атрибуты являются определениями в высказывании о сущности и обозначаются именами существительными естественного языка. Сущности вступают в связи друг с другом через свои атрибуты. Каждая группа атрибутов, описывающих одно реальное проявление сущности, представляет собой экземпляр (instance) сущности. Иными словами, экземпляры сущности - это реализации сущности, отличающиеся друг от друга и допускающие однозначную идентификацию. Одним из основных компьютерных способов распознавания сущностей в базе данных является присвоение сущностям идентификаторов (Entity identifier). Часто идентификатор сущности называют ключом. Задача выбора идентификатора сущности является семантически субъективной задачей. Поскольку сущность определяется набором своих атрибутов, то для каждой сущности целесообразно выделить такое подмножество атрибутов, которое однозначно идентифицирует данную сущность.

Каждый атрибут сущности имеет домен (domain). Домен - это выражение, определяющее значения, разрешенные для данного атрибута. Иными словами, домен - это область значений атрибута. Проектировщик базы данных должен проконтролировать, чтобы в информационной модели предметной области для каждого атрибута сущностей был определен домен.

Сущности не существуют отдельно друг от друга. Между ними имеются реальные отношения (Relationship), и они должны быть отражены в информационной модели предметной области. При выделении отношений акцент делается на фиксацию связей и их характеристик. Отношение (связь) представляет собой соединение (взаимоотношение) между двумя или более сущностями. Каждая связь реализуется через значения атрибутов сущностей. Обычно связь обозначается глаголом. Каждая связь также должна иметь свой уникальный идентификатор связи.

Связи характеризуются степенью связи и классом принадлежности сущности к связи. Степень (мощность) связи - это отношение числа сущностей, участвующих в образовании связи. Например, «один-к-одному», «один-ко-многим», «многие-ко-многим».  

На уровне информационной модели допускается неопределенная или неразрешенная связь.

Класс принадлежности сущности - это характер участия сущности в связи. Различают обязательные и необязательные классы принадлежности сущности к связи. Обязательным является такой класс принадлежности, когда экземпляры сущности участвуют в установлении связи в обязательном порядке. В противном случае сущность принадлежит к необязательному классу принадлежности. Для необязательного класса принадлежности сущности степень связи может быть равна нулю, т.е. экземпляр сущности можно связать с 0, 1 или несколькими экземплярами другой сущности. Для обязательного класса принадлежности степень связи не может равняться нулю.

Отношения, связывающие сущность саму с собой, называются рефлексивными. Типичным примером рефлексивных отношений является определение структуры подчиненности в отношении «Сотрудники». Рефлексивные отношения чаще всего отражают иерархические отношения внутри структуры данных. Они порождают ряд проблем проектирования, о которых речь пойдет позже.

С точки зрения отношений  различают слабые (weak) сущности. Слабые сущности - это сущности, которые не могут присутствовать в базе данных, пока не существует связанного с ней экземпляра другой сущности. Примером такой сущности является заказ, который не может существовать без клиента. Слабые сущности имеют обязательный класс принадлежности, и степень связи такой сущности не может равняться нулю. Связь «заказ-клиент» является обязательной.

Выявление слабых сущностей  и связанных с ними обязательных отношений необходимо для обеспечения целостности и согласованности данных. Так, например, неизвестному клиенту невозможно приписать заказ. Типичной формой документирования информационной модели предметной облас- ти являются диаграммы «сущность-связь» (ER-диаграммы). Сущность на ER-диаграмме представляется прямоугольником с именем в верхней части. В прямоугольнике перечисляются атрибуты сущности, при этом атрибуты, составляющие уникальный идентификатор сущности, подчеркиваются. Домены назначаются аналитиками и фиксируются в специальном документе - словаре данных (Data Dictionary). На стадиях разработки логической и физической моделей реляционной базы данных домены уточняются в сущностях на ER-диаграмме.

Отношение (связь) сущностей  на ER-диаграмме изображается линией, соединяющей эти сущности.

Степень связи изображается с помощью символа «птичья  лапка»1, указывающего на то, что в связи участвует много (N) экземпляров сущности, и одинарной горизонтальной чертой, указывающей на то, что в связи участвует один экземпляр сущности.

Необязательный класс  принадлежности сущности к связи  изображается с помощью кружочка на линии отношения рядом с  сущностью, обязательный класс принадлежности - с помощью вертикальной черты  на линии отношения рядом с  сущностью.

Отношение читается вдоль  линии либо слева направо, либо справа налево.

3 Моделирование и формализация

На протяжении своей истории  человечество использовало различные  способы и инструменты для  создания информационных моделей. Эти  способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, в настоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий.

Формализация. 

Естественные языки используются для создания описательных информационных моделей. В истории науки известны многочисленные описательные информационные модели; например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник, формулировалась следующим образом:

Земля вращается вокруг своей  оси и вокруг Солнца; орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.

С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели (математические, логические и др.). Одним из наиболее широко используемых формальных языков является математика. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называются математическими моделями. Язык математики является совокупностью формальных языков.