4.4.3 概念模型设计的步骤

概念模型设计阶段，一般使用语义数据模型描述概念模型。通常采用E-R模型作为概念模型设计的描述工具进行设计。

1. 设计局部E-R模型

概念模型设计的第一步，是先对应用环境中的数据进行分类、组织，确定实体、实体的属性、实体的标识，以及实体之间的联系类型，得到各个局部E-R模型，即利用数据抽象机制对需求分析阶段收集到的数据进行分类、组织(聚集)，形成实体、实体的属性、标识实体的码、确定实体之间的联系类型(1∶1、1∶n、n∶m)，设计局部E-R图。

需求分析阶段，已用多层数据流图和数据字典描述了整个系统。设计局部E-R图首先要根据系统的具体情况，在多层数据流图中选择一个适当层次的数据流图（通常是中层数据流图），然后以这一层次的数据流图为源点，以数据字典说明为出发点定义E-R图。数据字典中的“数据结构”、“数据流”和“数据存储”等已是若干属性的有意义的聚合。

设计局部概念模式的过程包含4个基本活动：确定范围、识别实体、定义属性及确定联系。将4个基本活动按一定顺序组织起来就形成了设计过程。典型的设计过程如图4-13所示。随着认识的不断加深，过程将会有反复。例如，在确定联系时，发现漏掉了实体，应该回到第二步。

1）确定范围

范围就是待设计的局部概念模式要反映的问题域。可以从如下几方面考虑如何确定范围。

(1) 范围划分自然，易于管理。通常可以按部门、业务范围或业务主题来自然划分。

(2) 与其他范围界限清晰，相互影响小。

(3) 范围大小适度。一般而言，范围内的实体型以不超过10个为宜。

2）识别实体

这一步的任务，是在确定的范围内寻找和识别实体，并确定实体的码。识别实体需要对问题域有深入的了解，并能熟练运用前述的3种数据抽象。

如果之前已有系统的数据流图和数据字典，则重点考察数据存储，这是识别实体的基本出发点，因为我们只关心需要在数据库中长期保存的数据对象。

下面是识别实体时的一些启发式规则。

(1) 人员：大多数系统的问题域都涉及各种各样的人员，如学生、教师、教学秘书等。

(2) 组织：在系统中发挥一定作用的组织机构，如院系、学生班集体等。

(3) 物品：需要由系统管理的各种物品。要注意那些无形的事物，如一门课程、教学计划等。

(4) 事件：那些需要在数据库中记录的事件，如学生选修一门课、教师主讲某一门课、登记成绩等。

(5) 地点：与问题域相关的物理地点，如教室、学生宿舍等。

(6) 表格：这里“表格”的概念是广义的，如专业培养计划表、课程表、成绩单、学期成绩分类统计报表、课程主讲资格证书等。要特别注意的是：某些表格是某些事物经过多次映射后的组合产物，要避免简单地、不加分析地将表格抽象成一个实体。实践中，许多人工表格包含了若干实体信息；而有些表格记录的不是原始数据，它们可能是冗余信息。

3）定义属性

属性是描述实体静态特征的一个数据项。属性也是对实体分类的一个根本依据——一个实体集中的所有实体，应该具有相同的属性，即属性的个数、名称、数据类型相同。

针对每一个实体型，提出并回答以下问题，来启发自己从各种角度发现实体的属性。

(1) 按一般常识，这个实体型应该有哪些属性？实体的属性往往是很直观的，按照一般常识，可以知道应该由哪些属性来描述实体。例如，学生的姓名、性别、出生日期等。

(2) 在当前问题域中，这个对象应该有哪些属性？例如，学生的“身高”与教学系统有关吗？可能不需要这个属性。

(3) 实体有哪些需要区别的状态，是否需要增加一个属性来区别这些状态？例如，是否需要增加一个属性来标识学生是否已休学？

(4) 主属性（包含在码中的属性）有哪些？是否需要人为地定义主码？例如，学号、课程代码都是人工主码。

(5) 这个属性是导出属性吗？例如，学生“年龄”可以从“出生日期”导出，年龄不应作为学生的属性；学生当前所处的“年级”（取值为大一，大二，…）也不适合作为属性。

(6) 属性的位置合适吗？低层实体（子实体）中的共有属性应在高层实体（超实体）中定义。

(7) 属性是原子的吗？属性应该是不可再细分的数据项。

4）确定联系

对于识别出的所有实体型，可以进行两两组合，判断任意两个实体型之间是否存在联系。对于存在的联系，还要进一步考虑它们是否是依赖性联系或继承联系。对于m:n联系，若其自身有属性，则将该联系转换成一个关联实体。

两个实体型之间可能存在多种联系，例如，“教师”与“课程”之间存在两种不同的联系：一个教师能讲多门课，这反映的是教师的能力或任教资格；一个教师讲过或正在讲多门课，这反映的是教师的教学工作或教学经历。

实体和属性并没有非常严格的界限，实体与属性是相对而言的。同一事物，在一种应用环境中作为“属性”，在另一种应用环境中就必须作为“实体”。例如，学校中的系，在某种应用环境中，它只是作为“学生”实体的一个属性，表明一个学生属于哪个系；而在另一种环境中，由于需要考虑一个系的系主任、教师人数、学生人数、办公地点等，这时它就需要作为实体了。

需要注意的是，如果一个实体型中出现了多值属性（某个实体在属性上取多个值）或符合多值属性，通常将这个属性转换为一种关系模式。

例如，实体型课程具有课程编号、名称和预备课程三个属性，如图4-14(a)所示。一门课程可能有也可能没有预备课程，可能有一门也可能有多门预备课程，所以，预备课程是一个多值属性。由于预备课程也是实体型课程的实体，因此，可以把预备课程更改为一个联系型，如图4-14(b)所示。

例如，一个学生实体有一项奖励属性，由于学生在学校里可能会有多项奖励，每项奖励由奖励日期和奖励名称组成，所以该属性是多值属性。当E-R图转成关系模式时，把该属性处理成一个联系型，名称为拥有，如图4-15所示。

具体实践中一般有如下两条准则。

(1) 作为属性，不能再有需要描述的性质，即属性必须是不可分的数据项，不能包含其他属性。

(2) 属性不能与其他实体有联系。E-R图中所表示的联系只发生在实体之间。

例如，“学生”由学号、姓名等属性作进一步描述，根据准则(1) ，“学生”只能作为实体，不能作为属性。

例如，在医院中，一个病人只能住在一个病房，病房号可以作为病人实体的一个属性；但如果病房还要与医生实体发生联系，即一个医生负责几个病房的病人的医疗工作，则病房根据准则(2) 应作为一个实体。E-R图如图4-16所示。

2. 设计全局E-R模型

全局E-R模型设计中，要先对比各个子系统的局部E-R模型，再综合成一个系统的全局E-R模型。设计过程如图4-17所示。

设计全局E-R模型包括以下3步。

第一步：视图集成（综合成全局概念模式）确定公共实体类型。视图集成要尽可能合并对应的部分，保留特殊的部分，删除冗余的部分，必要时要对模型进行适当的修改，构造新实体类型。视图集成后，要对整体概念结构进行验证，整体概念结构必须具备一致性，不存在矛盾。整体概念结构要反映单个视图的结构，包括实体及实体之间的联系，整体概念结构还必须满足需求分析阶段确定的所有要求。

第二步：局部E-R模型的合并。

第三步：消除各种冲突。

在局部E-R模型的合并过程中，会产生下列3种冲突。

(1) 属性冲突：分属性域的冲突（如属性值的类型、取值范围、取值集合）和属性值单位（如人的身高有的用米表示，有的用厘米表示）的冲突。例如，有的部门把学号定义为整数，有的部门把学号定义为字符型。不同的部门对学号的编码也不同。又如年龄，某些部门以出生日期形式表示学生的年龄，而有些部门用整数表示职工的年龄。

(2) 命名冲突：分为同名异义冲突和异名同义冲突等两类。同名异义即不同意义对象在不同的局部应用中具有相同的名字。异名同义即同一意义的对象在不同的局部应用中具有不同的名字。例如，本科生和研究生都可以用“学生”实体名，这两个“学生”实体名的含义是不同的，即它们的描述属性各不相同，分别表示不同的实体类型，这是同名异义。又如，学生的“出生日期”与学生的“出生年月”，它们都表示学生的出生时间，用了不同的属性名，这是异名同义。

(3) 结构冲突：同一对象在不同应用中具有不同的抽象。例如，教师在有的应用中是属性，在有的应用中则为实体。同一对象在不同的E-R图中所包含的属性个数和属性排列的顺序不同。相同的实体或联系，在不同的视图中可能有不同的约束条件。例如，对于“选课”联系，本科生和研究生对选课的最少门数和最多门数要求就不一样。

3. 全局E-R模型的优化

全局E-R模型的优化是得到一个满足应用要求的较优的概念设计模型的过程，它主要包括以下3方面的内容。

(1) 实体类型的合并。

(2) 冗余联系的消除。

(3) 冗余属性的消除。