（机械设计及理论专业论文）基于uml的变电工区管理系统关系数据库建模.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = # = = _ = 目# = = = = # = ；= _ # = # 。目= 摘簧 信息技术的发展与企业竞争的加剧推动现代企业镎理债息系绞( m t s ) 豹不龋改 进。面向时象技术邋应m i s 的需求已逐渐发展成为当今软件开发的主流方向，两关系 墼数据库密予使用简便，结构清晰、功能强大且舆有严密的数学基础而长期雄霸于数 据瘁镁域。二袭往势熬续会慰企数信惠纯懿箍送鬃有羹要静意义。作者对电力众韭的 现状和对象关系的矛艨进行分柝，深刻讨论- 对象，关系映射( o b j e c t r e l a t i o n m a p p i n g ) 机制在利用面向对象思想进杼关系数据库建模的优势与实现方法：、 本文在交电工诞管瑷系绕的实施邋程中以关系数据模型的规范化设计理论为依 握，采熙凝舞瓣象纛想，裁焉绞一建模谮害( u m l ) 逡行关系数撵痒建模，麸对象欧 射和关系映射瓤个方蘧，针对u m l 对象类图的不同关联横戏( 二元关联、n 无关联、 组合、聚合、泛化特化等) ，详细讨论了由对象类图向关系数据模型欧射的不同方案， 并嚣针对众监需求对各种浃射方案进行分折对眈，总结出一套较为可行的方案选择策 赂。针对系绞蒜求黪具体操佟缎繁，本文又获增热扩袋性能、菲撬蔻纯楚疆、弓| 入中 间信息转化表三个角度对系统进行具有特色地优化，从蔼建立了优秀瓣数据摸型。与 此同时，作者还对数据库建模的命名方法进行了分析，建立了便于系统实现、维护、 扩麓的数掭库命名规范。 嚣超越象爨想帮关系数撂痒理论贯穿了文章斡全部内容，萄淘对象模羹的建立蔻 关系数据模型建立的关键前提，对象关系映射枧剑是关系数据模型建是的萋本方法， 三种优化策略跫对特定系统需求进行优化的特色表现。变电正区管理系统在实际运行 中表现遗了良好的应用效采。同时，对象，关系映射机制时其它复杂的企业应用系统也 其有一定鲍据导意义。 关键蠲：o o a o o du m l 瓣豢磁系浚莉数据瘁建模模登优亿 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s eo fc o m p e t i t i o n i m o n gt h ec o r p o r a t i o n sp r o m o t et h es u c c e s s i v ei m p r o v e m e n t o ft h em o d e r nm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m + t h eo b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e di n t ot h em a i n s t r e a mo f t h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gf u n c t i o n 。a n dt h er e l a t i o nd a t e b a s eh a s b e e no nt h ep o s i t i o no fl e a d e rf o rl o n gt i m e sb e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n tu s e ，c l e a rs t r u c t u r e ， p o w e r f u l f u n e t i o na n dp r e c i s em a t hf o u n d a t i o n ，s oi t s s i g n i f i c a t i v e t o i n t e g r a t e t h e p r e d o m i n a n c e so f r e l a t i o nd a t a b a s ea n do b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y b a s e do na n a l y s e so f t h es t a t u so ft h ep o w e rc o r p o r a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m sa n dt h ec o n f l i c t sb e t w e e no b j e c t s a n dr e l a t i o n s a u t h o r p u t s f o r w a r dt h e p r e d o m i n a n c e s a n dt h er e a l i z a t i o no f 晤e o r ( o b j e c t q g e t a t i o n ) m a p p i n g m e t h o d sf o ft h er e l a t i o nd a t a b a s em o d e l i n g i nt h ep r o c e s so ft h er e a l i z a t i o no ft h es u b s t a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ，a u t h o rd e s i g n s t h er e l a t i o nd a t a b a s em o d e lb yu m l w h i c hi sb a s e do nt h eo b j e c to r i e n t e dt h i n k i n ga n d t h en o m m l i z a t i o nt h e o r yo ft h er e l a t i o nd a t am o d e l 。t h e r ea r et w oa s p e c t so nt h eo r m a p p i n gm e t h o d s ：o b j e c t sm a p p i n ga n d r e l a t i o n s m a p p i n g c o n f r o n tw i t h d i f f e r e n t a s s o c i a t em o d e s ( d u a l i t ya s s o c i a t i o n ，n - a r y a s s o c i a t i o n ，c o m p o s i t i o n ，a g g r e g a t i o n a n d g e n e r a l i z a t i o ne t c 。) ，a u t h o re m p h a s i z e s o nt h ed i f f e r e n ts c e n a r i o so ft h eo b j e c tc l a s s d i a g r a m s m a p p i n gi n t or e l a t i o nd a t am o d e la n ds e l e c tr e a s o n a b l em a p p i n gs c e n a r i o sb y c o n t r a s t i n gw i t he a c ho t h e r , a tl a s ta u t h o rd r a w s ac o n c l u s i o nt h a te a c hs c e n a r i oi st h eb e s t f o ro n e g i v e n i n s t a n e e a u t h o ro p t i m i z e st h ed a t a b a s em o d e la n db u i l d sae x c e l l e n td a t a b a s e m o d e l ，t h eo p f i m i f i n gm e t h o d si n c l u d e ：i n c r e a s i n gt h ee x p a n s i b i l i t y d e n o r m a l i z a t i o na n d i n f o r m a t i o nt r a n s f e f e n c e a tt h es a m et i m e a u t h o ra n a l y s e sa n de s t a b l i s h e st h en a m i n g p r i n c i p l e o ft h ed a t a b a s e ，w h i c hi s a d v a n t a g e o u st o t h er e a l i z a t i o n ，m a i n t e n a n c ea n d e x p e n d a b i l i t y o f t h e s y s t e m s 。 o b j e c to r i e n t e dm e t h o da n dr e l a t i o nd a t a b a s et h e o r yg e tt h r o u g ht h et h e s i s ，o b j e c t o r i e n t e dm o d e li st h ec r u c i a l p r e c o n d i t i o n o fr e l a t i o nd a t am o d e l i n g ，o r m a p p i n g m e t h o d sa r et h eb a s i cm e t h o d so fr e l a t i o nd a t am o d e l i n g 。t h r e ek i n d so f s t r a t e g i e sa r et h e s p e c i f i cr e p r e s e n t a t i o n o ft h e o i m i z i n g t h e s y s t e mr e q u i r e m e n t t h e s u b s t a t i o n m a n a g e m e n ts y s 协m b e h a v e se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e o nt h ec o u r s eo f r u n n i n g ， s i m u l t a n e o u s l y , t h eo gm a p p i n gm e t h o di sh e l p f u lf o rt h eo t h e rc o m p l e xc o r p o r a t i o n a p p l i c a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：o b j e c to r i e n t e da n a l y s i s o b j e c to r i e n t e dd e s i g nu m l o b j e c t r e l a t i o nm a p p i n g d a t a b a s em o d e l i n gm o d e l o p t i m i z i n g h 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着知识经济的发展与信息时代的到来，硷业赖以艇存的外部环境和企业之间的 竞争方式瞧正奁进行着深瓤煞变革，信惠获取静震璧与速度戏为凌定众监生存与发展 的关键。数据库技术作为企业傣患化实现的重要环节，越来越体现出其关键作用。尤 其是8 0 年代以来，随着计算机技术的普及，数据库技术正在向备方磷渗透。许多新 的应用领域，如计算机集成制造( c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 、 囊煞理倍感系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 、金监资源计划( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) 、窖户关系管瑷( c u s t o m e rr e l a t i o nm a n a g e m e n t ，c r m ) 、 供应链管理( s u p p l y c h a i nm a n a g e m e n t ，s c m ) 以及多媒体等，最以惊人的速度将复 杂数掰计算机化。与此葡时，数据瘁建模技术也必须不断的发展，以邋应企业信息化 耱翡蒜要。 1 1 国内外数据库建横现状分析 隧羞信息缝孛奄与系统瓣应蠲环境苓凝趋予复杂铯，较 孛互程久员愈麓谈谈到数据 艨模型与建模方法选择的踅要性，从丽为数据库建横技术提出了凝课蹶。 1 i 。1 数据攘型摄述 数握壤型楚数搭瘁系统煞棱一鑫魏基蓦褰。缴溪数据模獾技零发袋熬掰吏，其发晨经 历了格式化数据模型( 包括层次数擐模型和网状数据模型) 、关系数擐模型，正在走 向面向对象等非传统的数据模型【l 】口其发展历程如图1 1 所示： 层 增搬妻对多簌幕| l 考瘩严嵇鲍鼓学舞赫 引入面 减少插入、删除等摊作的礞制f 引 关系槭鑫、简化模型但放弃 li 提瓣教据独立性 鞠1 i 数据模型韵发展历程 掺式化数据模型瘦子表瑰形式攀一、数攒定义语言( d a t ad e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 复杂、数摄独立性差簿缺点现融很少使用。 关系数据模型是目前最为流行的一种数据模型。它怒建立在严格的数学概念的基 础上的，且形式单一、结构简明、表达语义丰富f ”。2 0 世纪8 0 年代以来，计算机厂 华中科技大学硕士学位论文 商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型，非关系系统的产品也大都加上了关 系接疆。餐由予萁存取路径对弼产透明，查询效率往往不如菲关系数蒲模黧f 2 j 。因诧， 为了提高性能，必须对用户躲蠢询请求进露优化，从露增热了建摸懿受担。 面向对象数据模型是用面向对象的观点来描述现实世晃实体( 对象) 的逻辑组织、 对象问限制、联系等的模型。它包含数据语义丰富，对复杂数据对象的表达能力更强， 僵作为一瓣耨兴技术，发震还不残熬，蒸有戳下缺点獬： 模型缕梅缺乏数学基础 数据语言缺乏形式化慕础 尽管筒向对象数据模型还有待于迸一步的研究，但可以肯定，它是一项具脊重大 理论慧义耱应麓蔫豢斡数据霹技术，是薪一代数攒痒系统静核心概念和技术基础f 3 l 。 1 1 2 国内外数据库造模现状分析 传统的数据库建模方法基本是手工设计方法，其建模思想是过程逖代和逐步求精 【懿。两近年来穗着系统复杂程度静增加岛嚣商对象技术的雩| 入，数据库建横技术也在 发生的巨大变化。主要体瑷在以下薅点。 f 1 ) 扩展模溅的面向对象功能 就目前国内外计算机软件的现状来看，筒向对象系统建模已经得到了广泛应用， 健作为诗舞梳软辞最重要领域之一瀚数据库建模方面却并菲如此：关系数粥建模技术 非常成熟，嚣自对象数据建攘技术还仅仅处予试攘除段。毽一令不容忽援懿现状羧是 大部分数据库厂商都在关系数据库基础上扩展了面向对象特征【4 1 。恧软 牛行业的数握 痒设计人员也不断顺应历史潮流，将面向对象技术引入数据模型的建立，并且成功的 建立了许多数撼模登。 f 2 ) 重视建模工舆的选择 由于信息绪构与系统的应用环境不断趋予复杂化，传统的手_ i 设计方法已经无法 适应复杂系统的要求，因此数据库建模方法也处于不断改进中。近年来，软件工程人 瑟逐步认谈妥数据模蓬建模工兵豹羹要性与努需槛，获衙发餍了檄多专用予数据库设 计的建模工具，魄如专用予关系数撂瘁建模熬e r w l n 、s y b a s e 公司浆p o w e r d e s i g n e r 和o r a c l e 公司的o r a c l e d e s i g n e r ，这些工具软件可以自动地或辅助设计人员完成数 据库设计过程中的很多任务。 慧之，嚣霹复杂麓系统需求，我们逡需要不断探索新的数据库建梭技术，即利用 先进的建模工具，梅蕊向慰象技术与关系数据痒提结合，默受好黪模型性裁逶应企监 信息化发展的需要。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 电力企业信息系统现状及对数据模型的要求 电力企业信息化系统是电力企业对电力信息进行生产、采集、变换、存储、传递 等处理而应用的工具，其信息具有地域分散、数据庞杂和需实时处理等特点。我国电 力m i s 系统的建设已有近二十年的历史，就现状来看，绝大多数电力m i s 系统主要 是部门局域网( c s 结构) 状况和简单的b s 结构，其数据模型也仅仅是零散关系数 据模型的综合，还未形成统一集成的管理信息网络系统f 5 】。 近年来经过电力企业改革，行业内部和行业间的竞争加大，企业对信息系统的性 能要求不断增加，这强烈要求软件工程人员将先迸的软件技术引入电力信息系统。面 向对象技术以一种全新的设计理念保证了系统需求的问题域与系统实现的求解域在 整个系统实现过程中的一致性1 6 l ，从而得到了业界的认同。这为在面向对象思想指导 下建立高效合理的数据库模型也提出了新的要求。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 突破传统关系数据建模限制，将o o a o o d 与数据建模相结合 现行电力企业信息系统的实现多是采用软件工程的传统途径一生命周期法【7 1 ，其 数据建模思想基础是事物处理的过程。o o a o o d ( o b j e c to r i e n t e d a n a l y s i s o b j e c t e d o r i e n t e dd e s i g n ) 思想与生命周期法不同，它以基于面向对象的思想分析问题并解决 问题，支持系统动态模式的修改、使系统扩展性强，这就强烈要求数据建模过程也引 入面向对象思想，即利用o o a o o d 实现的系统模型平滑过渡到数据模型，从而实现 系统整体流畅的面向对象过程。 ( 2 ) 需要实现系统分析中的各种语义概念 面向对象的系统分析提出了类、继承、多态、聚合、复合等新概念，确保了电力 系统实体间复杂关系的表示，这在数据建模中就需要确保相应的实现，同时要使数据 模型支持新的数据类型和操作，提供用户定义新的数据类型和操作的可扩展功能【3 】。 ( 3 1 确保良好的访问速度、保证复杂查询的效率 数据庞杂、逻辑复杂是电力企业信息系统的特点，各予系统需要进行多用户使用、 海量数据存储和多表连接操作，如果数据模型建立不当，应用系统极有可能产生网络 瓶颈，从而使得系统运行速度减慢，甚至系统崩溃。为避免此现象发生，就需要对数 据模型进行优化，从而保证系统良好地运行。 电力行业在发展，社会环境与政策在变化，企业的结构和业务流程也正随之做出 相应的调整，这为电力信息系统设计提出了更为复杂的要求，如何随着软件设计思想 的变化建立满足以上要求的数据模型，从而实现o o a o o d 思想与数学模型的无缝结 合，是决定新电力企业应用系统性能优劣的关键问题。 华中科技大学硕士学位论文 ：= 一= = = = = = = = = = = # = = = = = 目= = = = = = = = = # = = = = j 1 3 面向对象技术的发展与意义 面向对象技术是在克服传统软件设计方法所暴露的诸多问题的过程中逐渐发展 壮大的，现已逐渐发展成为当今软件开发的主流方向，它以更接近人类思维方式的思 想进行系统分析与程序设计，尤其在构建结构优良、高效可靠、具有可扩展性的复杂 系统方面具有强大的优势陋1 。 1 3 i 面向对象技术的发展 面向对象技术经过3 0 几年的发展，从概念的产生到思想的成熟可以划分为以下 三个阶段： 第一阶段：面向对象语言 面向对象技术始于面向对象程序设计语言，以6 0 年代末挪威奥斯陆大学和挪威 计算中心共同研制的s i m u l a 语言为标志【8 l ，发展至今已经有数十种之多，我们较为 熟知的有s m a l l t a l k 、j a v a 、c + + 等。 第二阶段：o o a ，o o d 的兴起 8 0 年代中期面向对象技术开始应用于系统分析，进而延伸到系统设计。 o o a 0 0 d 是一种系统建模技术，其思想的实质并不是从功能上，或是从处理问题的 算法上来对事物进行考虑，而是从系统的组成上来进行分解。人们尝试对问题进行自 然分解，利用类及对象作为基本单元，从而构造出能够更直观描述现实世界的、模块 化的、可重用的、可维护性好的软件模型1 8 j 。 第三阶段：0 0 4 0 0 d 的成熟 9 0 年代后期，0 0 刖0 0 d 方法逐渐走向实用。一些专家按照面向对象思想，对系 统分析和设计工作的步骤、方法、图形工具等进行了详细地研究，提出了许多不同的 实施方案，比较著名的有c o a d y o u r d o n 的方法、b o o c h 的方法、w i n f b r o c k 等的r d d 方法和r u r n b a u g h 等的o m t 方法、w a s s e r m a n 的o o s d 方法、r e e n k s a n g 的o o r a s s 方法、e m b l e y 的o s a 方法、g i b o n 的o b a 方法、p a g e j o n e s 和w e i s s 的s y n t h e s i s 方法等【9 l 。至此，面向对象方法从理论走向了具体实现。 1 3 2 用面向对象思想构建企业系统模型的意义 建立企业系统模型的思想是决定企业信息系统最终性能优劣的关键前提。面向对 象思想按照人类的自然思维方式，引入对象、类、继承、封装、消息等基本概念，面 对客观世界建立软件系统模型【1 0 】。它综合了功能抽象和数据抽象，采用数据抽象和信 华中科技大学硕士学位论文 息隐藏技术。将问题求解作为一个分类演绎过程。其实现过程如图1 1 2 所示： 企业需求执行求解 图1 2 面向对象思想的系统实现过程 企业是通过一系列利用各种资源或与之协作的过程来实现某种目标的实体，过程 与资源之间的相互作用受到“游戏规则”一即各种主客观约束条件的限制。面向对象 思想以更接近人们认识事物和解决问题的过程和思维方法对企业信息进行系统分解 与实现，从而适应了新时期企业信息系统的需要。资源、目标、过程、约束条件等可 以映射到面向对象方法中的对象、对象间的关联、对象间的交互和约束等概念，面向 对象方法中的封装、继承、多态等概念也可移植到系统建模中【7 1 。例如设备运行可分 为通用设备运行和特种设备运行，如用面向过程方法建模可以为两种情况分别处理， 而用面向对象方法建模可以为两种情况构建一个“设备运行”父类和两个“设备类型” 子类，这样不仅易于转换成软件模块，也易于管理者简化父类中的操作过程。 面向对象的建模方法已经深入到了软件工程的各个领域，选择面向对象的方法构 建系统模型的最大意义在于： 提高企业信息系统的开放性、可维护性 简化了企业模型向软件模型的映射【6 l 缩短了系统分析设计人员、编程人员以及企业用户三者之间的距离 1 4 课题综述 1 4 1 课题来源 广东省新会市电力局i n t r a n e t m i s 系统是广东省新会市电力工业局与华中科技大 学工业设计系合作开发的地市级电力管理信息系统，旨在建立现代化供电系统信息管 理的计算机网络系统。系统的主要任务是：对电力工业局的现行管理模式、信息资源 和已有的管理系统进行全面、深入的调查、分析、研究；进行总体规划；统全局的 信息数据结构；建立各部门的业务流程和层次模型；并以i n t e m e t 技术、数据库技术、 多媒体技术、面向对象的开发方法，构建全局计算机信息管理系统，使电力生产过程 和信息管理紧密地联系起来，让各部门之间信息交流畅通，并对企业决策层及时提供 华中科技大学硕士学位论文 准确、完整、可靠地信息服务，从而提高企业管理的效率和决策的正确性。 1 4 2 作者在课题实施中的工作 根据对新会市电力工业局职能部门的设置情况和对电力系统供电企业的业务分 析，我们将整个电力m i s 系统划分为若干子系统，作者在项目中的工作主要是针对变 电工区管理系统做如下工作： 第一：变电工区管理系统的需求分析 利用面向对象的思想分析问题论域，进行功能模块划分，精确定义系统需求，明 确各模块的功能要求，确定各模块之间的接口。 第二：系统的整体构架选择 通过系统特点与企业现有资源环境，分析不同系统构架的优缺点，确定系统构架 模式，编程语言与集成开发环境。 第三：数据库命名规范的定制 统一数据库命名规则( 包括数据库、表、视图、字段、存储过程、触发器等) ， 方便数据库维护与程序代码编写。 第四：数据模型的设计与优化 设计系统模型，进行对象，关系映射，建立数据模型，针对具体需求对模型进行优 化( 包括常规优化与系统特定优化) 。这部分为本论文讨论的重点。 1 4 3 系统集成开发环境的选取 根据作者对变电工区管理系统的特点以及新会市电力局现有资源环境的分析，集 成开发环境选取如下： 系统架构：j 2 e e 架构 操作系统：m sw i n d o w s 2 0 0 0 数据库：m ss q l s e r v e r 2 0 0 0 编程语言：j a v a 及脚本语言v b s e r i p t 、j a v a s c r i p t 数据库设计工具：p o w e r d e s i g n e r 9 5 1 4 4 作者工作与课题组其它成员的衔接 针对以上选择的系统集成开发环境，作者用面向对象思想对系统进行分析设计， 以关系数据库规范化理论为依据，最终建立优化的数据库模型，并将该模型实施于 m s s q ls e r v e r 2 0 0 0 ，实现系统的三层构架如图1 3 所示： 一。 华中科技大学硕士学位论文 广 i l l _ + 面向用户，实现人机界面处理 + 面向事物逻辑实现逻辑事物处理 一1 一，i 一- 利用接口对数据库进行操作 一l i r 荐- 磊矗霾西、_ s 五蓓面_ 军面盾赢辑砭焉i 疆硐 ! 固堕堡廷墼墁鲤塞整焦：寞全婪! 二型一一j j 一一优化的关系数据模型 一j 图1 _ 3 系统三层构架及各层功能说明 图中数据库与数据层的接口代表了作者与代码编写人员的工作接口，接口不仅实 现了编码人员对数据库的连接与操作，还保证了数据库本身的安全性与数据的完整 性、一致性a 从而实现了软件工程中数据模型设计与代码编写的分工协作1 ”。 野嚣蔓 华中科技大学硕士学位论文 2 基于u m l 的关系数据库建模思想与策略 在软件工程领域，o o a o o d 技术克服了传统结构化设计技术的各种缺陷成为目 前系统开发的主流，而关系数据库建模技术也经受了长期的考验而立于不败之地，尽 管面向对象数据库建模技术有所发展，但由于其没有严密的数学基础且应用中出现很 多的缺陷而在短时间无法为公众所认可，因此将o o a o o d 技术和关系数据库建模技 术合理结合对现代企业应用系统的意义是深远的。 2 1 关系数据库建模思想 关系数据库设计是指针对于一个给定的应用环境，以规范化理论为依据，实体间 的关系为基础，建立实体结构及其相互关系的技术1 4 】，是信息系统开发和建设中的核 心技术。其目的是有效地存储数据，满足各种用户的应用要求。 2 1 1 关系数据库基本概念与设计特点 关系数据库以表( t a b l e ) 为数据存储的基本单位，以键( k e y ) 为标识，以参照 完整性( r e f e r e n c e ) 实现实体间的联系；规范化f n o r m a l i z a t i o n ) 是关系数据建模的依据， 索引( i n d e x ) 是调整数据库性能的方法；数据库的基本操作是指对表中数据的查询、 插入、更新和删除，操作行为以元组( t u p l e ) 作为最小单位；s q l ( s t r u c t u r e dq u e r y l a n g u a g e ) 是关系数据库编程的接口，它是一种标准的结构化查询语言，同时提供了 数据查询、数据操纵、数据定义和数据控制的功能【2 】o 数据库设计的主要任务是在已有d b m s 的支持下，按照应用的要求，为某一部门 或组织设计一个结构合理、使用方便、效率较高的数据库及其应用系统f ”。如图2 1 所示： 垡! 垦煎塞 、 功能需求 一 五五二灞 垒些窭撞 ，壹查f 堕蛰2 夔型 弛查! 婴鳇2 夔型。 图2 1 数据库的设计目的 数据库设计应包括两方面的内容：一是静态( 结构) 设计，即设计数据库框架或 数据库结构；二是动态( 功能) 设计，即设计应用程序接口、事务处理等【m 。对于一 华中科技大学硕士学位论文 个优秀的数据库应用系统，静态结构与动态功能是分不开的。二者分离会导致数据与 程序不易结合，增加系统实现的复杂性。传统的软件工程方法( 如结构化设计方法和 原型法) 往往注重于处理过程的特征，忽视对应用中数据语义的分析和抽象，尽可能 地推迟静态结构的设计，这种方法不适合复杂数据库应用系统的要求。我们通常的做 法是：先进行静态结构设计，再针对具体的功能进行动态功能设计。静态结构模型设 计是动态功能模型设计的基础，影响到系统中各个处理过程的性能和质量，这就使得 静态结构设计成为各种数据库设计方法与设计理论关注的焦点【2 】。 2 1 3 数据库设计方法与步骤 只有在科学的理论规范指导下，以先进的数据库建模方法为基础，才能保证数据 库优秀的性能，从而减少系统运行后的维护代价。目前常用的各种数据库设计方法都 属于规范设计法，这种工程化的规范设计方法也是在目前技术条件下设计数据库的最 实用的方法f 4 】【1 3 1 。 规范设计法中一般以关系范式中的第三范式( 3 n f ) 为准则来建立数据模型，数 据库设计的核心与关键是逻辑数据库设计和物理数据库设计，数据库的各级模式贯穿 于以上设计过程当中【”。其步骤往往是如图2 2 所示不断反复的过程。 i 信息要求 | 转换规则 | 优化方法 i 应用需求 需求分析卜一处理需求 一需求说明 j l 概念结构j 设计r _ 一转换 一i 与q ! 坚夏惹鱼4 一一 一! 逻辑设计1 t 数据模型优化r 1 。_ _ _ - 。一 _ 映晕 一一屿鳗m 直羞一l 一 j l 一 。 物理设计i 系能评估r + 。_ 。_ 。- 。一 飞入数据库维护阶段 综合应用需求 ( 数据漉圈等) 形成概念模式 ( e - r 圈) 形成逻辑模式 ( 表、关系和视图) 形成数据库内模式 ( 优化的关系模型) 图2 2 数据库的设计步骤 在数据库设计过程中必须注意以下问题： 要充分调动用户的积极性 要考虑到数据库的可扩展性 尽量利用已存在的数据模型 9 华中科技大学硕士学位论文 2 。2 基于u m l 的o o a i o o d 方法 2 2 i 面向对象基本概念与u m l 技术概述 面向对象思想以更接近于人类处理事物的思维方法向人们展示世界。它包含了很 多重要的概念：类( c l a s s ) 是面向对象模型的最基本元素，描述了对象的属性、操作 和对对象的约束；对象标识符o i d ( 0 b j e c ti d e n t i f i e r ) 是对象的唯一标识：继承 ( i n h e r i t a n c e ) 是面向对象思想一个重要概念，它允许对已存在的对象类进行扩充， 以支持新的功能，进而产生了“子类”与“父类”的概念；多态性( p o l y m o r p h i s m ) 是指子类通过继承父类功能而表现出不同的特性；类与类之间的关系表现为方向性和 关系类型两种特性。根据关联特性与程度不同分为普通关联、聚合、复合、泛化、依 赖等【1 4 】。 统一建模语言u m l ( t h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 于1 9 9 7 年被o m g 采纳为 标准建模语言。它是一种面向对象分析与设计的建模语言，结合了b o o c h 、o o s e 、 o m t 等方法的特点，具有可视化、文档化、详细描述等特点，用于对软件系统说明、 构造和可视化建模 8 1 。u m l 视图是模型元素集合的可视化表示。九种常用的视图为： 类图( c l a s sd i a g r a m ) 、对象图( o b j e c td i a g r a m ) 、用例图( u s ec a s ed i a g r a m ) 、顺序图 ( s e q u e n c ed i a g r a m ) 、协作图( c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m ) 、状态图( s t a t e c h a td i a g r a m ) 、活 ( a c t i v i t yd i a g r a m ) 、组件图( c o m p o n e n td i a g r a m ) 、实施r e ( d e p l o y m e n td i a g r a m 、 1 “。各种不同的图形对应于系统不同的视觉角度，从而在各个方面满足不同人员的需 要。 u m l 提供了对各个实体对象块进行说明的语法和语义规定。在建立模型时，可 以用u m l 的图形表示法使系统可视化，同时用u m l 的说明描述系统的细节。具体 地说，u m l 提供了以下四种系统模型化功能：u s ec a s e 建模、对象类和对象建模、组 件建模以及配置建模i l ”。 2 2 2 基于u m l 的o o a o o d 方法 o o a 的主要任务是分析问题论域，发现对象，分析对象的内部构成和外部关系， 建立软件系统的对象模型。o o d 的主要任务是根据已确立的系统对象模型，确定解 决方案，运用面向对象技术，进行系统软件设计【1 4 】。 o o a 和o o d 的侧重点虽然不同，但实际项目实施中二者是不可能截然分开的， 只有将二者合理的结合，才能建立细化、完善的系统模型f 1 4 】。与此同时，o o a 与o o d 还是个循环往复的过程，在具体的项目实施中，我们应该确保o o a 与o o d 工作的连 华中科技大学硕士学位论文 续性与整体性。 u m l 作为一种标准的图形化建模语言，提供了软件工程所需要的o o a o o d 的 一整套完善的机制，以保证建立优秀的系统模型。u m l 主张采用用例( u s ec a s e ) 驱 动的建模方法，即使用u s ec a s e 图来驱动系统建模的全过程，系统建模过程的各种视 图都是以u s ec a s e 为依据，进行功能的静态和动态扩展，从而建立静态和动态模型【8 】。 一般来讲，基于u m l 的o o a o o d 按照如下步骤进行：首先是系统分析，其次建立 静态和动态结构模型，然后建立物理模型，最后对整个模型进行优化。而u m l 标准 中的九种视图则有机地融入这四个步骤当中，它们的对应关系如图2 _ 3 所示： 一俪系莉 图2 3u m l 模型与九种视图的对应关系 下面具体讨论u m l 进行系统的o o a o o d 的过程： 第一：系统分析 系统分析的目的就是要了解系统需求、确定问题领域。用例图通过确立参与者 ( a c t o r ) 与系统用例( u s ec a s e ) 、应用和系统响应之间的各种关系，确立了系统的基本 功能。随着系统分析的逐步深化，u s ec a s e 图可以有不同的层次，高层系统u s ec a s e 可以分解为若干个下属系统中的子u s ec a s e 8 1 。 u s e c a s e 图在系统建模过程中居于非常重要的位置，影响着系统中其他视图的构 建和解决方案的实现，因为它是开发者和客户共同协商反复讨论确定的系统基本功能 集，系统建模的整个过程都需要采用u s ec a s e 驱动方式进行。 第二：建立静态和动态结构模型 用u m l 建立的系统模型分为静态和动态两种结构设计【m 】。 静态设计是指对象之间通过属性而构成的相互联系，这些联系是系统固有的，是 不随时间或空间而转移的【l 6 1 。u m l 采用对象图和类图来反映对象的特征与相互联系， 其中类图的设计尤其重要，它决定了整个系统构架的基础，是静态建模的关键环节。 动态设计则反映的是对象在一定时间和空间范围内产生的某些行为操作以及对 华中科技大学硕士学位论文 象之间关系的变化【1 6 1 。u m l 采用交互图( 包括顺序图和协作图) 、状态图、活动图从 不同的视觉角度来表现系统的动态行为。尽管有些功能相互重叠，但其各有优势，图 形的选择需根据具体需求而定。 第三：建立物理模型 静态和动态模型构造了系统的逻辑视图，系统模型还需要在物理方面构造出组件 和节点【1 7 】。u m l 提供了两种物理表示视图：组件图和实施图。组件图表示系统中的 不同物理组件及其联系，它表达的是系统代码本身的结构。配置图由节点构成，节点 代表系统的硬件、组件在节点上驻留并执行。配置图表示系统的软件组件与硬件之间 的关系，它表达的是运行系统的结构【”】。 第四：模型优化 基于u m l 的系统模型设计是一个逐渐演化的过程，它继承了传统软件工程原型 法的思想，采用螺旋上升式的设计模式，一个软件系统的模型设计是一个渐增、循环、 重复的建模过程1 1 7 】，因此必须对系统模型进行优化，如图2 4 所示： 图2 4u m l 落选上升式的设计模式 利用u m l 进行系统面向对象建模的建模的优点在于【1 7 】： 可以更准确描述问题和它们的解决方案 可以随时检验系统模型的一致性( c o n s i s t e n c y ) 在遇到问题时，无需从系统底层进行修改，而只需寻找不一致的相关视图。 从而节省了时间且保证了模型的质量。 2 3 利用u m l 类图进行关系数据建模的可行性评估 有些人认为u m l 建模和关系数据模型思想相悖，不能结合。事实并非如此，u m l 对象静态模型在本质上是一个扩展了功能的实体关系( e r ) 模型【3 l 。经过合理的操 作，关系数据模型能够为基于u m l 的面向对象( o o ) 系统模型提供一套优秀的实现 方案。反过来，合理的u m l 建模机制也能够用来建立关系数据模型并生成相应的s q l - 一 华中科技大学硕士学位论文 脚本。 2 3 1u m l 类图与关系数据模型的异同 根据前两节的分析可知，面向对象模型与关系模型各有优势，我们需要仔细研究 其异同，发现并解决二者之间结合的矛盾，从而为企业信息系统建立优秀的模型。表 2 1 总结了u m l 类图与关系数据模型的异同。 表2 1u i l 类图与关系数据模型的对比 u m l 类图关系模型 结构：二者结构基本相同 相同点 原子数据：表内的元组与对象的实例意义上是一致的 关系：二者都具有关系的概念 既包含属性，又包含方法只包含属性 提供了继承的概念无继承概念 提供了多态的概念无多态概念 不同点 具有多种关联方式关联方式单一 关联具有方向性关联无方向性 o l d 保证唯一性主键保证唯一性 从上表可知，u m l 类图与关系模型的核心元素是基本相同的，最大的差异莫过 于u m l 类图扩展了关系模型无法表达的一系列功能，而这些扩展的功能洽是利用面 向对象模型进行关系数据建模思想的焦点。关系数据模型的实现机制是比较完善的， 它采用实体一联系图( e r d ) 以简单、直观的方式反映数据库的逻辑结构，但对于规 模庞大、结构复杂的系统，e r d 却难以表达，而u m l 类图扩展了的功能使数据库设 计人员深入地、连贯地思考问题，解决问题，保证系统模型整体的一致性，从而体现 出在关系数据库建模方面有其独特的优势【2 6 1 。 2 3 2u m l 类图进行关系数据建模的思想和方法 资源环境迅速变化，企业应用系统的业务逻辑也日趋复杂，软件工程领域越来越 需要利用统一高效的数据建模思想来规划并完成系统的业务逻辑、数据、流程等建模， 从而使系统的开发与维护更为简便，系统性能更为高效、运行更为稳定。对于基于面 向对象的关系数据建模而言，需要将u m l 技术和关系数据库的规范化设计技术结合 起来，才能建立最适合企业需求的系统模型。 利用建模工具p o w e r d e s i g n e r 9 5 进行数据库建模主要运用三种模型：面向对象模 华中科技大学硕士学位论文 型( o o m ) 、概念数据模型( c d m ) 和物理剥象模型( p d m ) 。其中o o m 中的对象 类图是关系数据库建模的基础。按照全新的对象，关系映射思想，三者相辅相成，可以 相互转化，但并非缺一不可。数据库p d m 模型的最后建立可以从o o m 模型的类图 按照对象关系映射机制实现也可以从c d m 直接生成卅。从某种意义一 ：讲o o m 模型中的类图和c d m 模型中的实体关系图对最终数据库p d m 模型的生成具有相同 的作用。而最终数据库p d m 模型确定的关键则是合理的对象关系映射机制。 利用u m l 进行数据建模的主要视网是列象类图。如何将u m l 对象类冈转化为 关系数据模型呢? 对表2 2 进行系统的分析与比较，我们可以得出以下两利t 可以选择 的方案【2 0 i1 2 1 1 ： 方案一：将