（系统工程专业论文）汽轮发电机异构开发环境的数据库设计及系统实现.pdf

摘要 摘要 汽轮发电机产品设计开发中的产品性能计算是汽轮机设计的关键所在，上 海汽轮发电机有限公司目前是在w i n d o w s 客户端通过t e l n e t 命令调用位于s o l a r i s 服务器上的计算方法完成这一计算过程的。这样的计算过程无法将计算分析程 序和分析结果进行统一的管理，无法合理、有效的安排设计人员的工作任务， 使得汽轮机设计进度缓慢而且时常出错。 为了提高汽轮发电机性能计算效率，企业急需一个可以支持企业进行信息 管理、分析计算的系统，系统的核心部分便是能完整保存这些信息及分析计算 结果的数据库。文章对此数据库的设计实现进行了详细的介绍，首先描述了企 业的需求情况，并对其进行详细分析：接着针对企业的实际需求，根据数据库 设计方法，运用各种高级建模技术，进行概念设计、逻辑设计、物理设计；在 充分考虑数据库的完整性、安全性及运行效率的基础上，运用存储过程提高数 据的存储效率，建立起一个真正适于存储企业设计部门计算、分析信息的数据 库；最后对所做工作进行了总结，提出了进一步改进开发的方向。 目前，已经在此数据库基础上成功实现了统一的设计研发计算环境( g e n e r a l d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，g d e ) 供上海汽轮发电机有限公司使用，该系统成功 实现汽轮发电机设计的信息和过程整合，有效的提高了汽轮机的性能计算的效 率。 关键词：g d e ，性能计算，数据库设计，汽轮发电机 a b s t r a c t a b s t r a c t p r o d u c tp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o ni st h ek e yp r o c e s so f t u r b og e n e r a t o rd e s i g n t h ec a l c u l a t i o ni sd o n eb yt h et e l n e tc o m m a n df r o mt h ew i n d o w sc l i e n tt oc a l lt h e c a l c u l a t em e t h o d sw h i c ha l ec o n s e r v e di ns o l a l i ss e r v c ri ns h a n g h a it u r b i n e g e n e r a t o rc o l t d t h ei n f o r m a t i o no fg e n e r a t o rd e s i g nc a n tb ec o n s e r v e da n d m a n a g e de f f e c t i v e l y a n dp r o j e c tm a n a g e rc a n ta s s i g nd e s i g n e mc o n v e n i e n t l y a l lo f t h e s el e a ds l o wp r o g r e s sa n dl o to fm i s t a k e s t h o s eg e n e r a t o rd e s i g n e r sc o m m a n da r e n td e s i g nd a t ae f f e c t i v e l ya n dc a n tl l s ct h o s ea d v a n c e dd e s i g nm e t h o d ss i m p l y a n d i no r d e rt oe n h a n c et h ec a l c u l a t i o n se f f i c i e n c y , t h ee n t e r p r i s en e e das y s t e mt o s o l v et h i sp r o b l e m , a n dt h es y s t e m sk e y 勰p e mi sad a t a b a s ew h i c hc a nc o n v e r s e r t h o s ei n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o nt od a t a b a s e d e s i g nw h i c hb a s e do nt h ea c t u a ld e s i g nd e m a n d so fs h a n g h a it u r b i n eg e n e r a t o rc o l t d f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ei n - d e p t hi n v e s t i g a t i o n ，c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go f t h ee x i s t i n gs t e a mt u r b i n ed e s i g na n dd a t am a n a g e m e n tm o d e l ，t h et h e s i sa n a l y s i st h e r e q u i r e m e n t si nd e t a i l t h e n ，a c c o r d i n gt od a t a b a s ed e s i g nm e t h o d sa n dv a r i o u s l l i g h - l e v e lm o d e l i n gt e c h n o l o g i e s t h ep a p e rd e s i g n e dt h ed a t a b a s ew h i c hr e a l i z et h e s t o r ep r o c e d u r ea n d s u p p o r tb u s i n e s sr u l e s f i n a l l y ，t h et a s ki ss u m m a r i z e d ，a n d t h e d e s i g no ft h ed a t a b a s ei sp r o s p e c t e d t h e s ed a y s ，t h eg e n e r a ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ts y s t e mw h i c hb a s e do nt h i s d a t a b a s eh a db e e nu s e di nt h ee n t e r p r i s es u c c e s s f u l l y t h ed e s i g n e r sc a ns h a l et h e i r i n f o r m a t i o nt h r o u g ht h i ss y s t e me x p e d i e n t l y i naw o r d ，t h es y s t e mi m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo ft h et u r b i n ep e r f o r m a n c ec a i c u l m i o ne f f e c t i v e l y k e y w o r d a ：g d e p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，d a t a b a s ed e s i g n ，t u r b i n e g e n e r a t o r n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：谰盅工 、砷年) 月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 ，指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：娟虫上 7 年了月 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景 2 1 世纪的最初一、二十年对电力建设是一个承前启后的重要时期。由于电 力建设的规模速度和惯性，这一段不长时期的建设结果，会在以后相当长的一 段时期内从各方面体现我国电力工业总体面貌和特征1 1 j 。电力技术的水平与可持 续发展战略的实施、和谐社会的构建有着密不可分的关系。在认识到电力工业 的重要性、利害关系的同时，更应该注意到电力工业面临形势的严峻性 汽轮发电机作为大型动力设备，由于其体积小、功率大、转速高、运行平 稳等一系列优点，在电力、机械等工业领域中占据极其重要的地位，其安全稳 定运行对正常的工业生产至关重要。但目前世界国际市场上的发电设备已经达 到供过于求的地步1 2 l 。一些著名的大公司如美国西屋公司甚至停止生产这种产 品，g e 公司也通过国际采购方式而尽量少做那些市场上能买到的产品。 如何为企业在如此激烈的竞争环境中争得一席之地。如何快速生产出符合 客户需求的高质安全稳定的汽轮发电机，这都是企业不能回避的问题。但是随 着汽轮发电机大型化、自动化和复杂化程度的不断提高，其设计难度不断加大， 普通企业内部的设计人员仅靠个人经验，使用常规的计算方式将难以解决实际 存在的复杂问题。 上海汽轮发电机有限公司( 以下简称汽发厂，s t g c ) 是由我国制造火力发 电设备最早、制造能力最强企业之一的上海电机厂与国际上知名度高、制造经 历悠久的美国西屋电气有限公司共同投资，于1 9 9 5 年成立的制造大中型汽轮发 电机的合资企业。1 9 9 9 年，德国西门子公司又收购美国西屋电气公司发电机制 造部，s t g c 变为中德合资企业。目前，s t g c 是上海市制造企业的先进代表之 一上海电气集团股份有限公司上海电气电站集团属下的电站设备制造核心企 业。s t g c 的产品为大型汽轮发电机，其产品被广泛使用在燃煤、燃气、核电及 超临界机组上h 。 随着我国电力事业蓬勃发展，汽发厂的业务量急剧增加，用户需求不断加 大和变化，肩负的任务也越来越艰巨。为了迎接市场的挑战，满足用户的需求， 汽发厂在企业信息化方面投入了大量资金和人力，并且取得了一定的效果，但 在汽轮发电机的设计过程及其管理方面仍然存在一些的问题，影响了企业的生 第1 章绪论 产效率和竞争力。 1 2 主要研究内容 大型汽轮发电机的设计、制造水平在很大程度上代表了一个国家电机制造 业的总体发展水平。面对严峻的国际形势，能否迅速提高大型汽轮发电机的设 计水平和能力，对我国能否满足现阶段及将来的电力需求有着巨大的影响作 为代表我国生产大型汽轮发电机先进水平的汽发厂丽言，虽然此企业目前的生 产、经营状况良好，但是仍不能逃避企业在设计、管理汽轮发电机方面存在的 问题，主要有； 一设计过程：产品性能计算是在w i n d o w s 客户端通过t e l n e t 命令调用位于 s o l a r i s 服务器上的计算方法完成的，其计算方法、命令繁琐难记，设计效率低； 一管理过程：缺乏对用户需求、计算分析程序、程序运行结果、设计过程、 设计成果等的有效管理，导致程序运行结果存放不规范，无法掌握设计进度， 设计经验不为人知、不为人用，新产品和用户需求有出入甚至不合格等一系列 问题。 上述问题严重影响到产品的设计开发周期及产品质量，使产品的最终交货 期无法得以保证，用户的满意度愈来愈低。为了充分发挥发电设备制造中技术 开发的竞争优势，有必要通过c i m 理念，应用数据库管理技术，使信息集成、 过程集成，建立集可视化计算，设计人员、设计方法、设计过程、审批流程管 理，设计成果管理、共享于一体的设计研发平台【4 j 。 本文以汽轮发电机企业的实际需求为应用背景，在充分了解设计部门的汽 轮机设计及其数据管理的现行模式的基础上，对企业的需求进行详细分析，根 据数据库设计方法，运用各种高级建模技术，建立了一个真正适于存储企业设 计部门计算、设计信息的数据库，并在此基础上实现了汽轮机设计的通用开发 环境系统( g e n e r a ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，g d e ) 使得部门设计人员能方便 及时获取设计信息、并相互配合协调一致，在一定程度上解决了企业目前存在 的设计、管理方面的问题。 1 3章节安排 本文以下内容作如下安排： 2 第1 章绪论 第一章：绪论：大致介绍论文的研究背景、研究内容。 第二章：需求描述与分析：详细介绍系统数据库的需求。 第三章：数据库概念设计和逻辑设计：根据数据库设计方法学，并针对g d e 系统的具体情况详细介绍数据库的概念设计和逻辑设计。 第四章：数据库的物理设计：在实现数据库的基础上，为进一步提高系统 的性能，引入索引、存储过程等技术。 第五章；系统的实现：全面介绍系统的构架、功能模块及实际使用情况。 第六章：总结与展望：对现有工作进行了总结和展望，对系统的进一步开 发方向作了简单分析。 第2 章需求描述与分析 第2 章需求描述与分析 在过去的几十年中，开发软件应用程序在数量上有着惊人的增长，开发完 成之后，许多应用程序表明，这些程序还需要进行不断的维护。这种维护包括 修改错误、实现新的用户需求或者修改软件使之运行于新的或升级的平台上 为了支持这些，花费在维护上的精力开始以惊人的速率吸收资源。其结果是， 许多主要的软件工程延期、超过预算，并且开发出的软件不可靠，难于维护并 且性能差翻 软件短机这个术语首先用于2 0 世纪6 0 年代末，但在三四十年之后，微机 仍然伴随着我们。o a s i g ( 一个关心1 1 r 业的组织成立的特别调查小组) 在u k 的一份调查，得到如下结论： 8 0 - 9 0 的系统没有达到性能目标： 大约8 0 的交付延期或者超出预算； 一大约4 0 开发失败或者放弃； 不到2 5 达到了业务和技术两方面的目标。 面对这些触目惊心的数字，调查小组深入研究发现软件工程失败的原因主 要是：需求不明确、缺乏合适的开发方法。这些问题的解决办法就是采用结构 化方法并且充分重视需求分析这个步骤，结构化方法通常被称为信息系统生命 周期( i n f o r m a t i o ns y s t e ml i f e c y c l e ) 或者是软件开发生命周期( s o f t w a r e d e v e l o p m e n tl i f e c y c l e s d l c ) 【q 。 2 。1概述 信息系统不只是收集、管理、控制数据的使用，而且也将数据转变为信息。 信息系统也为那些对公司的成功与否做出重大决定的公司管理者提供有力的依 据【_ 1 。信息系统中基本的核心组建是支持它的数据库，优秀的数据库设计是应用 成功的基石。 数据库设计是指对于一个给定的应用环境提供个确定最优数据模型与处 理模式的逻辑设计，以及一个确定数据库存储结构与存取方法的物理设计，建 立起既能反映现实世界信息和信息联系，满足用户数据要求和加工要求，又能 4 第2 章需求描述与分析 被某个d b m s 所接受，同时能实现系统目标并有效存取数据的数据库。 数据库设计的目标可以从满足用户要求、数据库性能，对现实世界模拟的 精确程度，开发应用的速度与质量等方面加以考虑【8 】。 首先对于用户和企业来说，最关心的问题是数据库能否满足要求和处理要 求。因此设计者必须充分调查理解各方面的要求和约束条件，精确地定义系统 要求。其次必须有良好的数据库性能，因为数据库是存储起来的合理的结构化 大量数据的集合，具有数据独立性、共享性、冗余少、数据安全、完整、一致、 可靠等特点这些应是数据库设计中时刻要考虑到的。第三，数据库是通过数据 模型来模拟现实世界的信息类别与信息间的联系的。数据库保存的内容可以看 作是一个企业部分信息流的反映模拟的准确程度越高，就越能反映实际，用 户就更能充分地利用数据库为自己服务。准确地反映现实世界，一方面依赖于 数据模型的发展，另一方面也要靠数据库设计者的努力。为了提高设计质量， 必须充分理解用户要求，掌握系统环境，利用良好的软件工程规范与工具，充 分发挥d b m s 的特点。数据库设计的最终结果是确定d b m s 支持下能运行地数 据模型与处理模型，建立起可用的、有效的数据库。因此在设计中，必须了解 d b m s 的特点，如d d l 、d m l 、数据组织与存取方法、安全性、限制等，设 计出来的模型应能充分发挥d b m s 的优点，扬长避短。 一、传统的单步逻辑设计方法 数据库设计方法是从单步逻辑设计方法发展为分步方法，从手工设计方法 发展为各种工具与计算机辅助的方式。传统设计方法是这样的：设计人员以各 个用户的信息要求、处理要求以及数据量作为输入，结合机构限制与d b m s 的 功能，经过分析、选择、综合与抽象后，建立起抽象的数据模型，并且用d d l 写出模式。在设计中往往将数据的逻辑结构、物理结构、存储参数、存取性能 等一起考虑，如图2 1 所示1 9 j 。 圆 圈2 1 数据库的单步逻辑设计法 s 第2 犟需求描述与分析一 这种方法称单步逻辑设计方法。如果设计人员有丰富经验，并精心策划， 此方法是可行的，但是不可否认的是，此方法缺乏工程规范支持，设计周期很 难估计，因此现在很少用l 埘。 二、新的生命周期数据库设计方法 新的设计方法是分步进行的。目前业界一致认为数据库设计生命期( n e w o r l e a n sd b d ) 包括四个基本阶段，如图2 2 所示i l l l ： 用户需求分析 建立概念数据模型 逻辑设计 一物理设计 d s m s 鞭厂丽丌 l 需求描述和分析l 0 嚣求说明书 第2 步 概念设计 j 信息结构( 独立于硬件、软件) 一茹1 0 逻辑数据库结构( d b m s 能处理的) 应 第4 步 物理设计 用程序说明书 物理数据库结构 图2 2 基本的数据库设计步骤 硬件和o s 特征 其中用户需求描述和分析的目标是获得用户对计划建立的数据库的信息需 求的全面描述。目前，数据库应用日益广泛，环境越来越复杂，特别是要求数 据库支持一个组织的主要业务活动，所以应十分重视需求分析阶段，需求分析 集中于以下几个方面： - 数据要求( 数据对象、类型、来源等) ； 6 第2 章需求描述与分析 加工要求( 处理过程、频度等) ； 一完整性、一致性要求； 安全性、可靠性要求； 一性能要求( 响应时间等) 。 需求分析过程可分为以下几步： 1 收集信息需求。为了充分了解用户可能提出的要求。首先要了解组织地机 构设置、主要业务活动和职能，并从组织的信息规划、文件、工作报告等入手， 确定组织的目标、大致工作流程、任务范围划分。还应了解组织中计算机已经 使用的情况。 2 分析整理信息需求。把收集的各种信息转化为形式化的信息主要工作是 产生用户视图( u s e r v i e w ) 、系统范围图。分析用户视图所涉及的数据产生数据 流图( d a t af l o wd i a g r a m ，d f d ) ，用数据流图来形象地表示组织的数据流和各 业务活动的关系，通常还要用一些规范表格：即数据字典进行补充描述1 1 2 1 。 三、数据库应用程序生命周期 以数据库为基础的信息系统通常称为数据库应用系统，它一般具有信息的 采集、组织、加工、抽取和传播等功能。数据库应用系统的开发虽然是一项软 件工程，但是又有自己的特点，所以又称为数据库工程。类似软件工程的生存 周期的概念，数据库应用系统从开始规划、分析、设计、实现、投入运行后的 维护到最后为新的系统取代而停止使用的整个期间成为数据库系统的生存期。 对数据库系统生存期的划分，目前尚无统一的标准，一般可将数据库应用 程序生命周期分为如图2 3 所示的几个阶段，其中数据库应用程序生命周期并不 是严格顺序进行的，而是通过反复循环包含前面步骤的一些重复。例如，在数 据库设计期间遇到了问题，可能就需要收集和分析其他的需求，因此在大多数 步骤之间有反复循环，尤其是在为成千上万用户设计大型的数据库应用程序时， 生命周期就变得极为复杂。 7 第2 章需求描述与分析 图2 3 数据库应用程序生命周期的主要步骤 2 2 数据库规划及系统定义 复杂的产品设计已日益成为设计者和设计小组之间协同完成的任务，其特 点是在各类设计文件的管理上越来越复杂。上海汽轮发电机有限公司设计开发 汽轮发电机就是属于这种情况，设计者之间必须协同完成设计任务，但是并没 有管理软件进行有效的管理，使得原本就比较复杂的工作流程更加复杂化，导 致设计人员的工作效率低下，管理人员也无法进行相应的管理协调，严重影响 8 第2 章需求描述与分析 了公司的研发速度和产品效益。 上海汽轮发电机有限公司( 简称s 1 c ) 是一家具有现代生产规模的大中型 汽轮发电机的制造企业。上海汽轮发电机有限公司继承了上海电机厂柏多年制 造经验，同时也获得了西屋公司汽轮发电机的全面技术，并在技术上得到了西 屋公司和西门子的有效支持。企业的相关组织机构设置，人员配备如图2 4 所示： 图2 4 设计部门组织结构 2 2 1情况介绍 一、主要工作内容介绍 企业接到外部汽轮发电机订货合同后，根据合同下发任务到设计部门，设 计部门接到研发任务以后将任务分发到各个小组，各个小组根据任务大小不同 建立项目小组互相协调完成设计任务。在设计的过程中，每个设计人员的工作 内容相对比较确定，但是为完成工作任务所采用的各种设计方法取决于每位设 计人员自己，技术好的工作人员很可能会提前并高质量完成任务，技术不过关 的工作人员所设计的部分甚至会不合格，于是每部分工作由设计人员完成之后 必须还要由相对更有经验或者相关的工作人员进行检验，检验合格后方算完成 设计工作，否则该部分工作就必须重新设计，直到检验合格才算完成工作。在 设计的过程中，工作人员可以参考以前成熟的汽轮发电机设计文档，将其中成 功的经验用于新的汽轮发电机设计中去。 9 第2 章需求描述与分析 从企业管理人员的角度看，管理层的工作人员都是从战略的角度分析问题， 从总体上宏观把握项目的各个主要的方面，具体是接到任务之后，对所接任务 进行分析，确定项目，组织足够的人员进行项目的开发，拟定相关开发小组的 工作任务的多少，掌握项目的进度，了解相关人员的工作情况，并对最后的设 计结果负责。 而项目的直接负责人必须对管理层的工作人员负责，组织设计人员进行相 应的设计工作，确保设计能按质按量的完成，和设计人员接触较多，一般情况 下要对各设计人员的工作进行协调，并且能够在出现突发情况时及时应变，对 相关的设计工作进行协调。可以看作是一个项目组长，直接和设计人员进行交 流，为他们分配设计任务，监督他们的工作进度和质量，以此来保证整个项目 的进度 作为每一个项目的设计人员，他们的工作主要是负责设计各种汽轮发电机 及其相关的零部件，他们必须对项目组长负责。设计方面的日常工作需要按照 新的汽轮发电机的要求，利用自己的专业知识，在计算机的帮助下，通过运行 各种计算方法和计算程序对相关的参数进行计算，根据计算所得到的结果来确 定设计方案。当遇到设计难题时，他们可以相互讨论，并从原来的设计文档中 查找相关的资料，从原来的设计作品中学习成熟的经验。除了对汽轮发电机进 行设计，他们还需要对其他人员的设计方案进行校对、审核，确保做出的设计 方案准确无误。 二、计算机使用情况 所有的工作人员都配有一台计算机，计算机的硬件配置足以运行各类应用 软件。局域网内部的部门工作人员通过局域网服务器对外界进行相应的访问， 所有要用到的计算方法，计算程序及原来设计汽轮发电机的历史文件都存储在 服务器上，每个工作人员都可以对该服务器进行访问，从服务器上得到计算方 法，计算程序和相应的文件信息，并且能对各种文件、计算方法进行更改。 2 2 2 数据库规划 开发数据库应用的第一个步骤是清楚的定义数据库工程的任务陈述，这个 任务陈述定义了数据库应用程序的主要目标，可以帮助澄清数据库工程的目标， 为开发出一个简洁高效的数据库应用程序提供更清楚的途径。 确定好任务陈述之后，下一个活动包括确定任务目标。每个任务目标应该 1 0 第2 章需求描述与分析 表示一个数据库必须支持的特定任务。前提是数据库支持的任务目标在任务陈 述中必须有定义。 一、创建g d e 应用程序的任务陈述 g d e 的数据库应用的目的是维护部门产生的各种数据，支持汽轮发电机的 设计，方便各设计人员的合作和信息共享。 二、g d e 数据库的任务目标 维护( 录入、更新和删除) 部门相关数据 维护( 录入、更新和删除) 有关员工的数据 维护( 录入) 已有的发电机设计方案 - 维护( 录入、更新和删除) 发电机设计过程业务数据 _ 实现对发电机设计方案的查询 _ 实现对部门相关数据的查询 实现对员工数据的查询 一实现对部门相关数据的查询 跟踪发电机设计状态信息 跟踪员工工作状态信息 报告各员工情况 报告各发电机设计情况 三、系统定义 系统定义的目的是确定数据库应用的范围和边界以及它的主要用户的视 图。一个用户视图代表数据库应用必须支持的由一个特殊的工作角色( 如经理 或助理) 或者业务范围所定义的需求。 1 定义g d e 数据库应用的系统边界 经过和企业用户的深入讨论，并紧密结合企业现在的具体情况，将g d e 数 据库应用的系统边界用下图表示，图2 5 中包含的是和企业用户交流讨论时提到 的数据以及这些数据之间的相互关系的粗略向导。 确定进入新系统范围原则如下： ( 1 ) 能够迅速准确地提供设计开发汽轮发电机所需的各类信息。 ( 2 ) 人工处理简单。 ( 3 ) 业务流程清晰完整。 1 1 第2 章需求描述与分析 根据以上原则和设计开发工作的实际情况，将该系统可分为两个主要方面， 一是管理，即人员及方法的管理和已成功实施或正在进行设计的项目设计文档 的管理，一是设计与开发，即新汽轮机的设计与开发。其中，做好汽轮机的设 计与开发是系统的重点，这里面一个很大的决定性因素是设计人员的设计技能， 但是一个好的设计方案也是和系统提供的有效管理分不开，因此，该系统的范 围一个是管理一个是计算。 图2 5g d e 数据库应用的系统边界 2 标识g d e 数据库应用的主要用户视图 用户视图通过对特定工作( 例如负责人或监督人) 或者业务应用领域( 例 如超市、个人或库存控制) 的透视分析，定义所必需的数据库应用程序。 数据库应用程序可以由一个或多个用户视图。表明用户视图是开发数据库 应用程序的一个重要方面，因为它可以帮助确定当为新的应用程序歼发需求时， 数据库的主要用户都已经考虑到了。在开发相对复杂的数据库应用程序时，用 户视图对允许将需求分解为易处理的小片段也非常有帮助。 用户视图定义了根据要存储的数据和在数据上要执行的事务而得到的所需 的数据库应用程序( 换句话说，用户要怎样使用数据) 。一个用户视图的需求可 能不同于其他视图或其他视图的视图。 对收集到的数据进行分析，定义出g d e 数据库应用的主要用户视图如表2 1 所示所示。 1 2 第2 章需求描述与分析 表2 1g d e 数据库应用的主要用户视图 用户视图 需求 助理管理员 维护( 录入) 汽轮机设计方案 维护( 录入、更新和删除) 部门员工的数据 维护( 录入、更新和删除) 设计方法 实现对部门员工的检索 实现对所有汽轮机设计方案的检索 实现对设计方法的检索 项目经理维护( 录入、更新和删除) 项目信息 维护( 录入、更新和删除) 案例信息 维护( 录入、更新和删除) 设计人员任务信息 维护( 录入、更新和删除) 设计人员工作情况 实现对所有汽轮机设计方案的检索 实现对订单的检索 实现对设计方法的检索 跟踪项目进度 设计人员维护( 录入、更新和删除) 案例设计方案 维护( 录入、更新和删除) 算例结果 完成算例校对( 校对人员) 完成算例审核( 审核人员) 完成算例审批( 审批人员) 实现对设计方法的检索 实现对所有汽轮机设计方案的检索 3 g d e 系统用例图 为了更直观简单的表示系统的特征和行为，下面用用例图对系统进行进一 步的描述【1 a l 。 图2 6g d e 系统维护部分用例图 1 3 第2 章需求描述与分析 图2 7g d e 系统设计部分用饲图 2 3 需求分析 一、用户视图的处理方式 在上一节系统定义的基础上为每个主要的用户视图收集信息，这里的信息 包括：被使用或产生的数据的描述和如何使用和产生数据的详细情况。 对于g d e 这种多用户视图的情况有三个主要的方式【1 4 1 ： 1 集中式方法( c e n t r a l i z e da p p r o a c h ) ：将新的数据库应用程序的每个用户 1 4 第2 章需求描述与分析 视图的需求合并到一组需求中，如图2 8 所示。 2 视图综合方法( v i c wi n t e g r a t i o n a p p r o a c h ) ：每个用户视图的需求都被用来 构建该用户视图的独立的数据模型，最终的数据模型是在数据库设计的后续步 骤中通过合并得到的，如图2 9 所示。 辖渣 。 亡h 3 恼阜彦肚 e r 图 恼扩 香枭篓雯藉l l _ 图2 8 处理多用户视图的集中式方法 库应用 图2 9 处理多用户视图的视图综合方法 第2 章需求描述与分折 3 综合方法：以上两种方法的结合。 通常，当每个用户视图的需求中有大量重叠，而且数据痒应用程序并不是 过于复杂的时候，用集中式方法比较好。当用户视图间的差别很大，数据库应 用程序非常复杂，可以分为更易处理的子部分的时候，用视图综合方法比较合 适( 1 4 j 。 等于是采用两种方法的结合，对部分试图进行合并，得到两个视图，在将 两个视图分别生成e - r 图，在将两个e - r 图合并。 二、需求定义 分别列出用户视图的数据需求和事务需求，其中数据需求描述视图使用的 数据，事务需求提供了数据怎样被视图使用的例子( 即员工在数据上执行的事 务) 。 1 数据需求 设计部门的系统管理员是唯一的，部门中包括员工，其中包括若干个项目 经理。员工中每个成员的详细信息包括姓名、职务、职称和联系方式，职员中 每个成员有一个给定的员工号，它在整个部门乃至整个公司都是唯一的。 部门中保存了一些原有的汽轮发电机设计方案。这些设计方案的详细信息 包括设计方案编号、汽轮机名、种类、包含哪几种案例及其所用的各种设计方 法、参数与运行结果、各算例的运行时间、设计人员、审核人员、校对人员、 审批人员、设计所花时间、完成日期。通常由多个设计方案，设计方案编号唯 一的标识每个方案。 除原有的设计方案外，对目前正在设计的汽轮机，其详细信息包括设计方 案编号、汽轮机名、种类、包含哪几种案例、开始时间、各部分的设计人员、 审核人员、校对人员、审批人员以及各部分的完成情况。 每个正在设计的方案包括若干个案例，各个案例的详细信息有案例所属的 设计方案、案例的编号、名称、案例包括的方法、设计人员、审核人员、校对 人员、审批人员、开始时间、完成情况。案例编号唯一标识每个案例。 每个正在设计的案例又包括有若干算例，算例的详细信息包括算例名称、 所用的计算方法、所用的计算参数、得到的结果、运行的时间、完成的情况。 其中算例编号唯一标识每个算例 设计方法用于计算设计参数，包括方法编号，方法名称，方法类型，方法 创建时间，创建人，方法使用帮助文档。其中方法的编号唯一标识出每个方法。 1 6 第2 章需求描述与分析 2 事务需求 ( 1 ) 数据流图描述 数据流图：描绘系统的逻辑模型，只描绘数据流在系统中流动和处理的情 况，是逻辑系统的图形表示。数据流图具有的对复杂客观流程的高度抽象性( 在 图中去掉了具体的组织机构、工作场所、物质流等，只剩下信息和数据存储、 流动、使用以及处理等抽象数据) 和概括性( 它把系统对各种业务的处理过程 联系起来考虑，形成一个总体，可反映出数据流之问的概括情况) i 明。 通过数据流图，我们可以白项恧下地分析系统的信息流程、在图上确定需 要计算机处理的部分、向数据库设计过渡、根据数据流向确定存取方式、能够 确定一个处理过程。而在测试过程中，数据流图可以方便、直接地帮助程序员 查找到错误的发生位置。 数据流图是从“数据”和“对数据的加工”两方面表达数据处理系统工作 过程的一种图形表示法，具有直观、易被用户和软件人员双方都能理解的一种 表达系统功能的描述方式。它有四个基本成分；数据流( 用箭头表示) 加工或 处理( 用圆圈表示) 文件( 即数据存储，用双线段表示) 和外部实体 数据流 的源点或终点，用方框表示) 。 其中数据流表示数据的流动情况；加工表示对数据的加工处理过程，它的 名字应能简明扼要地表明所完成的是什么加工：数据存贮在数据流图中起着保 存数据的作用，指向数据存贮的数据流可以理解为写数据，从数据存贮引出的 数据流可以理解为读数据，双向数据流可以理解为修改数据；数据源点或终点， 表示图中出现数据的始发点或终止点，它在图中的出现仅仅是一种符号，并不 需要以软件的形式进行设计和实现。 业务流程图是一种描述系统内各单位、人员之间业务关系、作业顺序和管 理信息流向的图表，利用它可以帮助分析人员找出业务流程中的不合理流向。 而数据流程图是一种能全面地描述信息系统逻辑模型的主要工具，它可以用少 数几种符号综合地反映出信息在系统中的流动、处理和存储情况。 业务流程图虽然能形象地表达了管理信息中的流动和存储过程，但仍没有 完全脱离一些物质要素( 如货物、产品等) 、数据流程图则进一步舍去物质要素， 收集有关资料，用计算机进行信息管理，为下一步分析做好准备，因此深入分 析用户的业务处理，并以数据流图形式表示出数据的流向和对数据所进行的加 工是十分必要的l 。 1 7 第2 章需求描述与分析 该部门的g d e 系统经过可行性分析和详细调查，可得到如下几层数据流图。 为简单起见，约定项层数据流图的图号为0 ，编号只写数据处理编号1 、2 、3 ， 下面各层由父图号1 、1 1 等加上子数据处理的编号1 、2 、3 组成。按上述规 则，图的编号即能反映出它所属的层次以及它的父图编号的信息，还能反映子 数据处理的处理信息。例如1 表示第1 层图的1 号数据处理处理，1 1 、1 2 、 1 3 表示父图为1 号数据处理的子数据处理，l 311 3 2 、1 3 3 表示父图 号为1 3 数据处理的予数据处理，如图2 1 0 所示1 1 7 j 现。 图2 1 0 数据流图结构 在本系统的数据流图中，工作人员和客户是属于系统外的，无需由计算机实 图2 1 1 顶层数据流图 图2 1 2 所示的第一层数据流图只是用数据流图将系统需要进行的工作进行 第2 章需求描述与分析 了大致的描述，仍需要对数据流图进一步划分，直到每个复杂的过程都细划分 解为简单清晰的过程，下蕊将第一层数据流图的“维护数据”的过程进一步分 解为图2 1 3 ；将第一层数据流图的“设计”过程进一步分解为图2 1 4 ，其中部 分数据处理仍可继续细化，如图2 1 5 将设计算例进一步细化。 卧 设计方案君惠 j 1 一 案一汽轮机设计方案 图2 1 2g d e 系统第一层数据流图 、t 二翌圆匝匿歪j 7 图2 1 3 维护数据部分数据流图 1 9 第2 章需求描述与分析 f 习 1 人员广 i一 图2 1 4 设计部分数据流图 方法帮助文档 一 图2 1 5 设计算例数据流图 ( 2 ) 数据字典描述 仅仅有数据流图并不能构成需求说明书，因为数据流图只表示出系统由哪 几部分组成和各部分之间的关系，并没有说明各个成分的含义。只有对每个成 分都给出确切定义后，才能较完整地描述系统。 第2 章需求描述与分析 数据字典提供对数据库时间描述的集中管理，它的功能是存储和检索各种 数据描述( 称为元数据m e t a d a t a ) 如叙述性的数据定义等，并且为d b a 提供有 关的报告。对数据库设计来说，数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所 获得的主要成果。在数据字典中建立的一组严密一致的定义可以有效的改善和 用户之间的交流，因此将消除许多可能的误解。如果开发小组都根据公共的数 据字典描述数据和设计模块，则能避免许多麻烦的接口问题【1 8 1 。 另外，数据字典中包含的每个数据元素的控制信息是很有价值的。因为列 出了使用一个给定的数据元素的所有程序( 或模块) 所以很容易估计改变一个 数据将产生的影响，并且能对所有受影响的程序或模块做出相应的改变。数据 字典也被看作是开发数据库的第一步，而且是很有价值的一步。 数据字典中通常包括数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程5 个部分，其中数据项是数据的最小组成单位，若干个数据项可以组成一个数据 结构，数据字典通过对数据项和数据结构的定义来描述数据流以及数据存储的 逻辑内容。 下面列出图2 1 5 设计算例的部分数据流、数据项、加工过程和数据存储的 数据字典描述举例如下。 表2 2 数据流“各计算方法” 描述对象描述 数据流名：各计算方法 说明：目前所能提供的关于汽轮机设计的计算方法 来源：工作人员 去向；选择方法 数据结构： 计算方法 方法编号 方法名称 方法类型 ， 方法简介 表2 3“各计算方法”中的方法编号数据项 描述对象描述 数据项名：方法编号 说明：标识每个方法 类型： i n t ( 8 ) 长度： 8 别 名： 方法编号 取值范围： 0 0 0 0 0 0 0 1 - 9 9 9 9 9 9 9 9 第2 章需求描述与分析 表2 4“各计算方法”中的方法名称数据项 描述对象描述 数据项名：方法名称 说明：每个方法的名字 类型： v a r c h a r ( 4 0 ) 长度： 4 0 别名： 方法名称 表2 5。各计算方法”中的方法类型数据项 描述对象 描述 数据项名： 方法类型 说明：每个方法的类型，如：电磁计算、电力计算 类型：v a r c h a r ( 4 0 ) 长度； 4 0 别名： 方法类型 表2 6“各计算方法”中的方法简介数据项 描述对象描述 数据项名：方法简介 说明：方法的用途，可能计算时闻，注意事项等 类型： v a r c h a r ( 8 0 0 0 ) 长度： 8 0 0 0 别名： 方法简介 表2 7 加工过程“选择方法” 描述对象描述 处理过程：选择方法 说明：对某一特定的算例设计选择适合的计算方法 输入：各计算方法 方法帮助文档 设计需求 输出： 所选方法 响应时间： 少于3 秒 表2 8 数据存储“方法帮助文档” 描述对象描述 数据存储名：方法帮助文档 说明：方法的参数、使用、建立时间等详细信息 输出数据流：方法详细介绍 数据描述：方法名称 方法详细介绍 数量： 7 0 种 存取方式： 检索 第2 章需求描述与分析 3 系统需求定义 ( 1 ) 网络和共享访问需求 所有员工都能和数据库实现网络互连。 系统必须能够支持3 0 名成员同时访问。 ( 2 ) 安全性 数据库必须有口令保护。 每个员工应该分配一个到特定用户视图的数据库访问权限，主要是系统管 理员、项目经理和设计人员。 员工只能在适合他们完成工作的需要的窗口中看到需要的数据。 ( 3 ) 备份和恢复 数据库必须每天备份。 第3 章数据库概念设计和逻辑设计 第3 章数据库概念设计和逻辑设计 3 1 概念设计 将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念模型的过程就是概念结 构设计。它是整个数据库设计的关键，概念模型是独立于计算机硬件结构，独 立于支持数据库的d b m s 的。 在概念设计阶段中，设计人员从用户的角度看待数据及处理要求和约柬， 产生一个反映用户观点的概念模型( 也称为“组织模式”) 。然后再把概念模型 转换成逻辑模型。有一种设计方法是将概念设计和逻辑设计两个阶段合二为一， 使用更泛化的术语“逻辑数据库设计”，本文则将概念设计独立开来，将概念设 计从设计过程中独立开来至少有以下几个好处1 1 9 1 。 各阶段的任务相对单一化，设计复杂程度大大降低，便于组织管理 不受特定的d b m s 的限制，也独立于存储安排和效率方面的考虑，因而 比逻辑模型更为稳定。 概念模式不含具体的d b m s 所附加的技术细节，更容易为用户所理解， 因而才有可能准确地反映用户的信息需求。 概念模型是表达概念设计结果的工 具。在进行数据库设计时，如果将现实 世界中的客观对象直接转换为机器世界 中的对象，就会感到非常不方便，注意 力往往被转移到更多的细节限制方面， 而不能集中在最重要的信息的组织结构 和处理模式上。因此，通常是将现实世 界中的客观对象首先抽象为不依赖任何 具体机器的信息结构，这种信息结构不 是d b m s 支持的数据模型，而是概念模 型。然后再把概念模型转换成具体机器 上d b m s 支持的数据模型。因此，概念 模型可以看成是现实世界到机器世界的 现实世界 信息世界 机器世界 认识、抽象 图3 1 概念模型与数据模型的关系 第3 章数据库概念设计和逻辑设计 一个过渡的中间层次，如图3 1 所示。 概念模型概念结构的主要特点是： i 能真实、充分地反映现实世界，包括事物和事物之间的联系，能满足用 户对数据的处理要求。是现实世界的一个真实模型。 一易于理解，从而可以用他