Проектирование реляционных баз данных с использованием семантических моделей: ER-диаграммы

Нормальные формы ER-диаграмм

Как и в случае схем реляционных баз данных, для ER-диаграмм вводится понятие нормальных форм, причем их смысл очень близко соответствует смыслу нормальных форм отношений. Заметим, что определения нормальных форм ER-диаграмм делают более понятным смысл нормализации схем отношений. Мы приведем только очень краткие и неформальные определения трех первых нормальных форм. Конечно, можно было бы ввести дальнейшие нормальные формы ER-диаграмм, аналогичные нормальной форме Бойса-Кодда, 4NF и 5NF, но на практике к такой нормализации обычно не прибегают, а общие идеи после ознакомления с лекцией 8 должны быть понятны и так.

Первая нормальная форма ER-диаграммы

В первой нормальной форме ER-диаграммы устраняются атрибуты, содержащие множественные значения, т. е. производится выявление неявных сущностей, "замаскированных" под атрибуты.

На рис. 9.9 (a) показана диаграмма, в которой тип сущности   АЭРОПОРТ не удовлетворяет требованию первой нормальной формы. Здесь для нас несущественны атрибуты сущности   АВИАРЕМОНТНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ, но сущность   АЭРОДРОМ помимо атрибутов, отражающих собственные характеристики аэродромов (длина взлетно-посадочной полосы, число ангаров и т.д.) содержит атрибут, множественное значение которого характеризует самолеты, приписанные к этому аэродрому. Очевидно, что самолеты нуждаются в ремонте, т. е. должны обслуживаться некоторым авиаремонтным предприятием. Но поскольку самолеты являются частью сущности   АЭРОДРОМ, единственным способом фиксации этого факта на диаграмме является проведение связи "многие ко многим" между типами сущности   АЭРОДРОМ и АВИАРЕМОНТНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ. Таким образом выражается то соображение, что для ремонта разных самолетов, приписанных к одному аэродрому, могут использоваться разные транспортные предприятия, и каждое транспортное предприятие может обслуживать несколько аэродромов.

Рис. 9.9. Пример приведения ER-диаграммы к первой нормальной форме

Чем плоха эта ситуация? Прежде всего, тем, что скрывается тот факт, что авиаремонтное предприятие ремонтирует самолеты, а не аэродромы. Наша же связь на самом деле означает, что любой аэродром из группы аэродромов обслуживается любым авиаремонтным предприятием из группы таких предприятий. Проблема состоит именно в том, что значением атрибута " самолеты " является множество экземпляров типа сущности   САМОЛЕТ, и этот тип сущности сам обладает атрибутами и связями.

Ситуацию исправляет ER-диаграмма, показанная на рис. 9.9 (b). Здесь мы выделили тип сущности   САМОЛЕТ. Связь между сущностями   АЭРОДРОМ и САМОЛЕТ показывает, что к одному аэродрому приписывается несколько самолетов. Связь между сущностями   САМОЛЕТ и АВИАРЕМОНТНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ означает, что каждый самолет из группы самолетов (группу самолетов могут составлять, например, все самолеты одного типа) обслуживается любым транспортным предприятием из некоторой группы таких предприятий. ER-диаграмма на рис. 9.9 (b) находится в первой нормальной форме и, как мы видим, лучше отображает реальную ситуацию.

Вторая нормальная форма ER-диаграммы

Во второй нормальной форме устраняются атрибуты, зависящие только от части уникального идентификатора. Эта часть уникального идентификатора определяет отдельную сущность.

На рис. 9.10 (a) показана диаграмма, на которой тип сущности   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ не удовлетворяет требованиям второй нормальной формы. На этой диаграмме у сущности   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ имеются следующие свойства. Элементы расписания предназначены для сохранения данных о рейсах самолетов, вылетающих в течение дня. Некоторыми важными характеристиками рейса являются номер рейса, аэропорт вылета, аэропорт назначения, дата и время вылета, бортовой номер самолета, тип самолета. Если говорить про российские авиационные компании, то (1) у каждого рейса имеется заранее приписанный ему номер (уникальный среди всех других имеющихся номеров рейсов), (2) не все рейсы совершаются каждый день, поэтому характеристикой конкретного рейса является дата и время его совершения, (3) бортовой номер самолета определяется парой <номер рейса, дата-время вылета>. Имеется связь "многие к одному" между сущностями   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ и ГОРОД. Экземпляры типа сущности   ГОРОД характеризуют город, в который прибывает данный рейс.

Рис. 9.10. Пример приведения ER-диаграммы ко второй нормальной форме

Уникальным идентификатором типа сущности   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ является пара атрибутов   <номер рейса, дата-время вылета>. Если вернуться к терминам функциональных зависимостей, то между атрибутами этой сущности имеются следующие FD:

• {номер рейса, дата-время вылета}->бортовой номер самолета;
• номер рейса -> аэропорт вылета;
• номер рейса -> аэропорт назначения;
• бортовой номер самолета -> тип самолета.

Кроме того, очевидно, что каждый экземпляр связи с сущностью   ГОРОД также определяется значением атрибута   номер рейса. Налицо нарушение требования второй нормальной формы. Мы получаем не только избыточное хранение значений атрибутов   аэропорт вылета и аэропорт назначения в каждом экземпляре типа сущности   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ с одним и тем же значением номера рейса. Искажается и затемняется смысл связи с сущностью   ГОРОД. Можно подумать, что в разные дни один и тот же рейс прибывает в разные города.

На рис. 9.10 (b) показан нормализованный вариант диаграммы, в котором все сущности находятся во второй нормальной форме. Теперь имеются три типа сущности: РЕЙС с атрибутами   номер рейса, аэропорт вылета, аэропорт назначения, ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ с атрибутами   дата-время вылета, бортовой номер самолета, тип самолета и ГОРОД. Уникальным идентификатором сущности РЕЙС является атрибут   номер рейса, уникальный идентификатор   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ состоит из атрибута   дата вылета и конца связи   КОГДА, НА ЧЕМ. Мы видим, что ни в одном типе сущности больше нет атрибутов, определяемых частью уникального идентификатора. Свойства второй нормальной формы удовлетворяются, и мы имеем более качественную диаграмму.

Третья нормальная форма ER-диаграммы

В третьей нормальной форме устраняются атрибуты, зависящие от атрибутов, не входящих в уникальный идентификатор. Эти атрибуты являются основой отдельной сущности.

Взглянем еще раз на тип сущности   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ на рис. 9.10 (b). Конечно, каждый день каждый рейс выполняется только одним самолетом, поэтому бортовой номер самолета полностью зависит от уникального идентификатора. Но бортовой номер является уникальной характеристикой каждого самолета, и от этой характеристики зависят все остальные характеристики, в частности тип самолета. Другими словами, между уникальным идентификатором и другими атрибутами   типа сущности   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ имеются следующие функциональные зависимости:

{КОГДА, НА ЧЕМ, дата-время вылета}->бортовой номер самолета
{КОГДА, НА ЧЕМ, дата-время вылета}->тип самолета
бортовой номер самолета->тип самолета

Как видно, имеется транзитивная FD { КОГДА, НА ЧЕМ, дата вылета } тип самолета, и наличие этой FD вызывает нарушение требования третьей нормальной формы. На самом деле, тип сущности   ЭЛЕМЕНТ РАСПИСАНИЯ на рис. 9.10 (b) включает в себя (по крайней мере, частично) тип сущности   САМОЛЕТ. Это вызывает избыточность хранения и затуманивает смысл диаграммы. На рис. 9.11 показан нормализованный вариант диаграммы, в котором все сущности находятся в третьей нормальной форме.

Рис. 9.11. Пример приведения ER-диаграммы к третьей нормальной форме