資料庫設計理論及應用（4）——概念結構設計
作者：最後一隻恐龍 發表時間： 2007-6-27
該系列計劃包括5部分：完整性限制理論及應用、範式理論及應用、需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計。本文是第四部分，介紹概念結構設計的内容，包括分E-R的設計、分E-R圖的內建、以及基本E-R圖的設計。
1．概念模型
概念模型是現實世界到機器世界的一個中間層次，在這個層次中，使用接近計算機存儲的方式表示資料，同時又不涉及具體的DBMS。做出概念模型後，再轉換為具體的DBMS（如SQL Server或Oracle）下的模型，就成為邏輯模型。
概念模型中包括實體、屬性、碼、域、聯系等概念，在本系列文章的第一部分已作說明，下面再介紹其它幾個概念。
1.1 兩個實體型間的聯系
（1）一對一聯系：實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有一個實體與之有聯系，反之亦然，則稱實體集A與B具有一對一聯系，記為1：1。如班級與班長的聯系，一個班隻有一個班長，一個班長也隻能在一個班級中任職。
（2）一對多聯系：實體集A中的每一個實體，實體集B中有n(n≥0)個實體與之有聯系；而實體B中的每一個實體，實體A中至多有一個與之有聯系，則稱實體集A與B具有一對多聯系，記為1：n。如班級與學生的聯系，一個班有多個學生，一個學生隻能在一個班級學習。
（3）多對多聯系：實體集A中的每一個實體，實體集B中有n(n≥0)個實體與之有聯系；而實體B中的每一個實體，實體A中有m(m≥0)個與之有聯系，則稱實體集A與B具有多對多聯系，記為m：n。如教師與學生的聯系，一個教師可以教多名學生，一名學生也可以上多位老師的課。
1.2 其它類型的聯系
兩個以上實體集之間也存在1：1、1：n、m：n的聯系。如教師、課程、參考書的聯系。注意把這三個實體之間的聯系與兩兩直接的多個聯系區分開來。
同一個實體集的各實體之間也存在1：1、1：n、m：n的聯系。如職工和職工之間有直接上司的聯系。
1.3 概念模型的一種表示方法：實體-聯系方法
概念模型最著名的方法就是P.P.S.Chen于1976年提出的實體-聯系方法，也就是E-R圖方法了。E-R圖的表示方法：
(1) 實體型：用矩形表示，矩形框内寫明實體名。
(2) 屬性：用橢圓表示，并用無向邊與相應實體連接配接起來。
(3) 聯系：用菱形表示，菱形框内寫明聯系名，并用無向邊分别與有關實體連接配接起來，同時在無向邊上标明關系的類型。
一般E-R圖的構造過程是：
（1） 根據局部應用的資料流圖，設計分E-R圖。
（2） 将各局部應用的分E-R圖合并起來，消除沖突，形成初步E-R圖。
（3） 消除初步E-R圖中的備援，構造基本E-R圖。
下面讨論上篇文章介紹的工廠管理資訊系統的E-R圖構造方法。先看一下銷售子系統的分E-R圖。
2．銷售子系統的分E-R圖
2.1 存儲實體
根據上節所畫的資料流圖，我們發現了如下幾個資料存儲：應收帳款、訂單（訂單記錄本）、産品（産品描述）、待完成訂單、發票主清單、發票記錄本。我們對這幾個存儲對象進行分析，明确以下幾點：
（1）待完成訂單：因為訂單完成後開發票，是以沒有發票号的訂單就可以認為是待完成訂單，是以這個實體雖然對使用者來講是必須的，但在設計中沒有必要單獨存儲。
（2）發票主清單和發票記錄本：這個資料存儲對應手工憑證，發票上的資訊在開發票時已存入應收帳款，是以沒有必要再存儲。
這樣，需要存儲的實體隻剩下應收帳款、訂單、産品描述3個。
2.2 角色
資料流圖中涉及3個角色：顧客、主管部門、生産部門。主管部門和生産部門是實際操作該應用系統的角色，擁有不同權限，這兩個角色要到權限管理子系統中設計。
顧客不是作業系統的角色，而是由系統管理的對象，應收帳款和訂單都與顧客有聯系，是以必須在E-R圖中展現。
這樣，需要存儲的實體又增加了一個：顧客。
2.3 分E-R圖
根據以上4個實體，我們畫出分E-R圖的架構。（記得Microsoft Visio Enterprise Architect 版上有E-R圖設計的，但現在用的是Microsoft Office Visio 2003版，直接就是邏輯結構設計的模型圖了，是以沒有用Visio畫。）
| 圖2.1 銷售子系統分E-R圖架構 |
| 顧客 |
| 産品 |
| 支付 |
| 訂貨 |
| 訂單 |
| 應收帳款 |
| 1 |
| n |
| 1 |
| n |
| ？ |
| ？ |
對這個架構，做如下說明：
（1）首先分析訂單實體：我們拿到一張訂單，會發現每張訂單由訂單号、若幹頭資訊和訂單細節組成。訂單細節又有序号、零件号、數量等描述。這樣訂單細節具有需要描述的性質，是以不能作為屬性對待，而應上升為一個實體（也就是一條細節對應一條記錄），一張訂單可以訂若幹産品，是以訂單與訂單細節直接是1：n聯系。
（2）原訂單與産品之間的聯系，實際上是訂單細節與産品的聯系。訂單處理時，從産品中獲得目前價格等資訊。
（3）在需求分析過程中，發現工廠對大宗訂貨有優惠，每種産品都規定了不同訂貨數量的折扣。因為每種産品根據訂貨數量的不同，折扣不同，是以折扣規則應單獨作為一個實體，而不應放到産品描述實體中。
| 圖2.2 銷售子系統分E-R圖 |
經過以上分析，我們可以畫出該子系統的分E-R圖：
需要特别注意的是，該分E-R圖的訂單細節實體是有問題的。我們選擇了序号作為訂單細節的唯一辨別，這在一張訂單中是沒有問題的，但放到全局中，它并不能準确定位一個訂單細節，因為我們隻有知道的該細節是哪張訂單的，才能準确知道對應哪條記錄。關于這一點的處理在下篇文章中介紹。
3．視圖的內建
各子系統的分E-R圖設計完成以後，下一步就是把所有的分E-R圖合并成一個總E-R圖，這個總E-R圖稱為初步E-R圖。
視圖內建的方法可以是一次內建，也可以分步內建（比如每次內建兩個，直到最後都內建到一起）。
在內建過程中，經常碰到分E-R圖有沖突的情況，具體如下。
3.1 合并過程中的沖突及解決方法
（1）屬性沖突
i）屬性域沖突：即屬性值的類型、取值範圍或取值集合不同，如零件号，有的部門作為整數對待，有的部門則使用字元串。不同部門對零件号的編碼也可能不同。
解決辦法：統一起來就是了，隻是這個過程不太容易。
ii）屬性取值機關沖突：如零件重量，有的部門以公斤為機關，有的部門以克為機關。
解決辦法：部門間協商解決，但也不容易。試想一下，管螺栓的部門自然希望以克為機關，而管幾百斤重的零件的部門則希望以公斤為機關；即使零件重量差别沒有這麼大，習慣也是個問題。
（2）命名沖突
包括同名異義和異名同義。如科研項目，财務科稱為項目，科研處稱為課題，生産管理處稱為工程，這就是一個異名同義的例子。
解決辦法：協商或采用行政手段加以解決。當然如果你不嫌麻煩，也可以自己先統一起來，然後為不同使用者定義不同的視圖，使不同使用者看到的是适合自己的别名。
（3）結構沖突
| 圖3.1 物資子系統分E-R圖 |
i）同一對象在不同應用中有不同的抽象：如在教學管理中，職稱是一個屬性；而在人事管理中，因為職稱與工資、住房挂鈎，是以是一個實體。
解決辦法：把屬性變換為實體。
ii）同一實體在不同分E-R圖中包含的屬性個數不完全相同。
解決辦法：取并集。
iii）實體間的聯系在不同分E-R圖中為不同類型：如生産子系統分E-R圖中，産品和零件構成1：n聯系。而物資子系統分E-R圖中，産品、零件、供應商三者構成多對多聯系。
| 圖3.2 人事子系統分E-R圖 |
解決辦法：根據應用的語義進行綜合或調整。
3.2 執行個體
對工廠的E-R圖，現在僅完成了銷售子系統的分E-R圖（圖2.2）。而其它兩個小組則完成了物資子系統（圖3.1）和人事子系統（圖3.2）的分E-R圖（因為篇幅關系，沒有畫出屬性）。
現在要把它們合并起來，經分析，發現三個圖中的“産品描述”實體和“項目”實體存在異名同義的沖
| 圖3.3 初步E-R圖 |
突，把名字統一為“産品”，得到初步E-R圖（圖3.3）。
4．設計基本E-R圖
初步E-R圖中，還可能存在資料備援，需要将這些備援消除。備援大緻可分為兩類：
l 備援資料：存在可由基本資料導出的資料；
l 備援聯系：存在可由其它聯系導出的聯系。
圖4.1是一個資料備援的例子，其中有兩個備援：
（1） 産品使用材料的“用量”，可以通過其使用的零件，以及每個零件消耗材料的“消耗量”計算出來。
（2） 每種材料的“總存量”，可以通過每個倉庫中存放該零件的“存放量”累加得到。
尋找這些備援的方法，一是本文這種分析方法，另一種方法是求資料依賴集的最小覆寫的方法。後一種方法數學理論要求比較高，就不介紹了。
消除掉這些備援資訊後，就得到了基本E-R圖，整個概念結構設計過程也宣告完成。