Проектирование реляционной базы данных: методология и этапы выполнения курсовой работы

Введение, или Как правильно задать вектор исследования

В современном информационном мире базы данных (БД) являются фундаментом практически любой автоматизированной системы. От учета книг в библиотеке до управления абонентами у интернет-провайдера — везде требуется эффективное хранение, извлечение и обновление данных. Проблема, которую решает автоматизация, заключается в переходе от ручных, подверженных ошибкам процессов к структурированной и надежной системе управления информацией. Поэтому курсовая работа по проектированию БД — это не просто учебное задание, а модель реального IT-проекта.

Целью данной работы является проектирование и разработка реляционной базы данных для автоматизации конкретной предметной области (например, «Библиотека» или «Интернет-провайдер»). Для достижения этой цели будут решены следующие задачи:

• Анализ предметной области и определение информационных потребностей.
• Разработка концептуальной и логической моделей данных.
• Проведение нормализации таблиц для устранения избыточности.
• Практическая реализация БД в среде СУБД Microsoft Access.
• Создание запросов на языке SQL для манипуляции данными.
• Разработка базового пользовательского интерфейса.

В работе последовательно рассматриваются все ключевые этапы создания базы данных, от теоретического обоснования до практической реализации. Обозначив цели, необходимо погрузиться в теоретические основы, на которых будет строиться наше практическое решение.

Глава 1. Теоретический фундамент проектирования реляционных баз данных

Основой для большинства современных баз данных служит реляционная модель, теоретические основы которой лежат в математической логике и теории множеств. В рамках этой модели вся информация представляется в виде таблиц, которые состоят из строк и столбцов. Ключевыми понятиями, с которыми необходимо разобраться, являются «сущность», «атрибут» и «отношение».

• Сущность — это реальный или воображаемый объект (например, «Читатель» или «Книга»), информацию о котором мы хотим хранить. В базе данных сущности представляются таблицами.
• Атрибут — это свойство или характеристика сущности (например, «Имя читателя» или «Название книги»). Атрибуты представляются полями (столбцами) в таблицах.
• Отношение — это логическая связь между двумя или более сущностями.

Для обеспечения целостности и уникальности данных в реляционной модели используются ключи. Первичный ключ (Primary Key) — это атрибут или набор атрибутов, который позволяет уникально идентифицировать каждую запись (строку) в таблице. Например, «Номер читательского билета» может быть первичным ключом для сущности «Читатель». Внешний ключ (Foreign Key) — это поле в одной таблице, которое ссылается на первичный ключ в другой, тем самым устанавливая связь между ними.

В основе процесса проектирования эффективной структуры БД лежит концепция функциональной зависимости. Она описывает, как значения одних атрибутов определяют значения других, и является фундаментом для нормализации — процесса, который мы рассмотрим далее. Теперь, когда теоретическая база заложена, можно перейти к анализу конкретной задачи, для которой мы будем создавать базу данных.

Глава 2. Анализ предметной области и постановка задачи

Прежде чем приступить к проектированию, необходимо детально изучить бизнес-процессы организации, для которой создается база данных. Возьмем для примера деятельность библиотеки. Ее ключевые бизнес-процессы включают:

1. Регистрация читателей: Занесение в систему персональных данных новых посетителей.
2. Учет книжного фонда: Добавление новых книг, списание старых, отслеживание их наличия.
3. Выдача и возврат книг: Фиксация факта выдачи книги определенному читателю и контроль сроков возврата.
4. Бронирование литературы: Резервирование книг, которые в данный момент находятся на руках у других читателей.

Исходя из этих процессов, мы можем определить, какие данные необходимо хранить и обрабатывать. Для библиотеки это, как минимум, информация о читателях (ФИО, адрес, телефон), книгах (название, автор, год издания, ISBN), фактах бронирования и выданных книгах (кто взял, когда, на какой срок). Аналогичный анализ можно провести и для интернет-провайдера, где ключевыми процессами будут регистрация абонентов, учет тарифов, контроль трафика и платежей.

На основе этого анализа формулируются требования к будущей базе данных. Система должна обеспечивать централизованное хранение всей необходимой информации, предоставлять возможность быстрого поиска, выборки данных по различным критериям и формирования отчетов (например, список должников). После детального анализа предметной области мы готовы визуализировать будущую структуру данных на концептуальном уровне.

Глава 3. Концептуальная модель, или Как увидеть базу данных целиком

Концептуальное проектирование — это этап, на котором мы создаем высокоуровневое представление будущей базы данных, понятное как разработчикам, так и заказчикам. Основным инструментом для этого служит ER-диаграмма (Entity-Relationship diagram). Она позволяет наглядно визуализировать основные сущности, их атрибуты и связи между ними.

На основе анализа предметной области библиотеки, мы можем выделить следующие ключевые сущности:

• Читатели: С атрибутами «ID_Читателя», «ФИО», «Адрес», «Телефон».
• Книги: С атрибутами «ID_Книги», «Название», «Автор», «Год_издания».
• Выдачи: Сущность, связывающая читателей и книги. Ее атрибуты: «ID_Выдачи», «Дата_выдачи», «Срок_возврата».

Далее необходимо определить типы связей между этими сущностями. Например, один читатель может взять много книг, но каждая конкретная выданная книга (экземпляр) в данный момент может быть только у одного читателя. Это связь типа «один-ко-многим» между «Читателями» и «Выдачами». В свою очередь, одна книга может быть выдана много раз, что также формирует связь «один-ко-многим» между «Книгами» и «Выдачами». Графическое представление этих сущностей и связей и будет являться нашей ER-диаграммой.

ER-диаграмма — это чертеж будущей базы данных, который помогает избежать структурных ошибок на самых ранних этапах проектирования.

Концептуальная модель дает нам общее видение. Следующий шаг — превратить эту абстрактную схему в конкретную структуру реляционных таблиц.

Глава 4. Логическое проектирование, где рождаются таблицы

На этапе логического проектирования мы переходим от абстрактной ER-диаграммы к конкретной реляционной схеме. Этот процесс включает в себя создание детальной структуры таблиц, определение полей, их типов данных и назначение ключей.

На основе выделенных ранее сущностей спроектируем реляционные таблицы. Для каждой таблицы необходимо четко определить ее поля (атрибуты) и выбрать для каждого из них подходящий тип данных. Например, для таблицы «Читатели»:

• ID_Читателя: Числовой (счетчик), первичный ключ.
• ФИО: Текстовый, размер 255.
• Адрес: Текстовый, размер 255.
• Телефон: Текстовый, размер 20.

Для таблицы «Выдачи» структура может выглядеть так:

• ID_Выдачи: Числовой (счетчик), первичный ключ.
• ID_Книги_FK: Числовой, внешний ключ (ссылается на ID_Книги в таблице «Книги»).
• ID_Читателя_FK: Числовой, внешний ключ (ссылается на ID_Читателя в таблице «Читатели»).
• Дата_выдачи: Дата/время.
• Срок_возврата: Дата/время.

Важнейшим шагом на этом этапе является назначение первичных ключей для каждой таблицы, которые обеспечивают уникальность записей, и внешних ключей для корректной реализации связей между таблицами. Итогом этого этапа является полная схема данных, готовая к дальнейшей проверке на эффективность. Структура таблиц определена, но прежде чем ее реализовать, мы должны убедиться в ее эффективности и отсутствии избыточности. Для этого существует ключевой процесс — нормализация.

Глава 5. Нормализация как залог целостности и эффективности данных

Нормализация — это ключевой процесс в проектировании реляционных баз данных, целью которого является устранение избыточности данных и аномалий их обновления, вставки и удаления. Это достигается путем декомпозиции (разделения) таблиц на основе концепции функциональных зависимостей. Процесс, как правило, включает приведение таблиц к нескольким нормальным формам (НФ).

Рассмотрим этот процесс последовательно:

1. Первая нормальная форма (1НФ): Таблица находится в 1НФ, если все ее атрибуты являются атомарными, то есть неделимыми. Проще говоря, в одной ячейке таблицы не может храниться несколько значений (например, список телефонов в одном поле). На этом шаге мы должны убедиться, что в таблицах нет повторяющихся групп.
2. Вторая нормальная форма (2НФ): Таблица находится в 2НФ, если она находится в 1НФ и все ее неключевые атрибуты полностью функционально зависимы от составного первичного ключа. Это требование актуально для таблиц, где первичный ключ состоит из нескольких полей. Если какой-то атрибут зависит только от части составного ключа, его нужно вынести в отдельную таблицу.
3. Третья нормальная форма (3НФ): Таблица находится в 3НФ, если она находится в 2НФ и в ней отсутствуют транзитивные зависимости. Это означает, что неключевые атрибуты не должны зависеть от других неключевых атрибутов. Если такая зависимость найдена, «промежуточные» атрибуты также выносятся в отдельную справочную таблицу.

На практике для большинства курсовых работ достаточно доказать, что спроектированные таблицы соответствуют третьей нормальной форме. Это гарантирует, что структура данных является достаточно эффективной, а риск возникновения аномалий при работе с данными сведен к минимуму. Качественно проведенная нормализация — признак глубокого понимания теории реляционных БД. Теперь, когда наша структура данных является теоретически выверенной и эффективной, настало время воплотить ее в жизнь с помощью выбранной системы управления базами данных.

Глава 6. Практическая реализация в среде Microsoft Access

Этап физического проектирования — это превращение логической модели в реальную базу данных с помощью конкретной системы управления базами данных (СУБД). Для учебных целей часто выбирают Microsoft Access, так как он входит в стандартный пакет Microsoft Office, прост в освоении и обладает всем необходимым функционалом для создания небольших проектов.

Процесс создания физической БД в MS Access включает следующие шаги:

1. Создание таблиц. На основе разработанной и нормализованной схемы, в режиме «Конструктор» создаются все необходимые таблицы. Для каждого поля задается имя, тип данных (текстовый, числовой, дата/время, счетчик и т.д.) и, при необходимости, размер поля.
2. Назначение первичных ключей. В режиме конструктора для каждой таблицы указывается поле, которое будет служить первичным ключом. Обычно для этого используется тип данных «Счетчик», который автоматически присваивает уникальный номер каждой новой записи.
3. Создание схемы данных и связей. В специальном окне «Схема данных» все созданные таблицы добавляются на рабочую область. Затем, путем перетаскивания первичного ключа из главной таблицы на соответствующий внешний ключ в подчиненной, устанавливаются связи. На этом же этапе важно включить опцию «Обеспечение целостности данных», чтобы Access не позволил создать запись в подчиненной таблице, если для нее нет соответствующей записи в главной.

После выполнения этих шагов мы получаем готовую структуру базы данных, наполненную таблицами и связями между ними. База данных создана и наполнена тестовыми данными. Следующий логический шаг — научиться извлекать из нее полезную информацию с помощью запросов.

Глава 7. Язык SQL как инструмент взаимодействия с данными

Для взаимодействия с данными в реляционных базах используется структурированный язык запросов (SQL). Это стандартный язык, позволяющий выполнять все основные операции: выборку, добавление, обновление и удаление данных. Демонстрация владения SQL является обязательной частью курсовой работы по базам данных.

В MS Access можно создавать запросы как с помощью визуального конструктора, так и напрямую в режиме SQL. Рассмотрим несколько практических примеров запросов для нашей БД «Библиотека».

Пример 1: Найти все книги автора «Пушкин А.С.». Это простой запрос на выборку с условием.

SELECT Название, Год_издания FROM Книги WHERE Автор = 'Пушкин А.С.';

Пример 2: Найти всех читателей, которые не вернули книги вовремя (просрочили). Это более сложный запрос, требующий объединения таблиц и сравнения дат.

SELECT Читатели.ФИО, Книги.Название, Выдачи.Срок_возврата FROM Читатели JOIN (Книги JOIN Выдачи ON Книги.ID_Книги = Выдачи.ID_Книги_FK) ON Читатели.ID_Читателя = Выдачи.ID_Читателя_FK WHERE Выдачи.Срок_возврата < Date();

Кроме запросов на выборку (SELECT), важно также уметь составлять запросы на добавление (INSERT), обновление (UPDATE) и удаление (DELETE) записей. Владение SQL показывает, что вы понимаете, как управлять данными на фундаментальном уровне, а не только через графический интерфейс. Мы научились работать с данными на уровне кода, но для конечного пользователя нужен удобный и интуитивно понятный интерфейс.

Глава 8. Разработка пользовательского интерфейса и отчетов

Хотя ядром любой автоматизированной информационной системы (АИС) является база данных, для конечного пользователя важен удобный и понятный интерфейс. В Microsoft Access для этих целей служат формы и отчеты.

• Формы предназначены для удобного ввода, просмотра и редактирования данных в таблицах. Вместо того чтобы работать напрямую с таблицей, что неудобно и рискованно, пользователь взаимодействует с интуитивно понятной формой. Например, можно создать «Форму регистрации читателя» с полями для ввода ФИО и адреса, и кнопкой «Сохранить». Или «Форму выдачи книги», где оператор сможет выбрать читателя и книгу из выпадающих списков.
• Отчеты служат для вывода информации из базы данных в наглядном, отформатированном и готовом к печати виде. На основе SQL-запросов можно легко создать, например, «Отчет по должникам» или «Отчет о наличии книг в фонде».

Для удобства навигации по системе часто создается главная кнопочная форма, которая служит своеобразным меню, откуда пользователь может открывать другие формы и запускать отчеты. Разработка даже простого интерфейса делает проект завершенным и демонстрирует понимание того, как база данных используется на практике. Проект практически завершен. Осталось подвести итоги проделанной работы и составить краткое руководство для пользователя.

Заключение и руководство пользователя

В заключительной части курсовой работы необходимо подвести итоги и сделать выводы. Следует еще раз подчеркнуть, какая цель была поставлена в начале проекта — например, автоматизация учета в библиотеке — и как она была достигнута в ходе выполнения работы. Важно сделать вывод о том, что спроектированная база данных полностью решает поставленные задачи: обеспечивает централизованное хранение данных, минимизирует их избыточность благодаря нормализации и позволяет выполнять необходимые операции с помощью запросов, форм и отчетов.

Раздел «Руководство пользователя» является неотъемлемой частью работы и представляет собой краткую инструкцию по работе с созданной системой. В нем должны быть описаны основные функции и пошаговые алгоритмы для выполнения базовых операций. Например:

1. Как добавить нового читателя: Откройте главную форму, нажмите кнопку «Читатели», в открывшейся форме введите данные в поля и нажмите «Сохранить».
2. Как выдать книгу: На главной форме нажмите «Выдача книг», в форме выберите читателя из списка, выберите книгу, укажите дату возврата и сохраните запись.
3. Как сформировать отчет по должникам: На главной форме нажмите кнопку «Отчеты» и выберите пункт «Сформировать отчет по должникам».

Такое руководство демонстрирует практическую применимость вашей разработки и делает проект завершенным.

Список источников информации

1. Коннолли, Томас, Бегг, Каролин. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. 3-е издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. – 1440 с.
2. Карпова Т. – Базы данных: модели, разработка, реализация. Уч. пособие – СПб: Питер, 2001.
3. Диго С.М., Базы Данных, Москва, «Финансы и статистика», 2005г.
4. Электронная встроенная гипертекстовая справочная система Microsoft Access, файл MSACC20.HLP, 4.7 Мбайт
5. Майкл. Хэлволсон, Майкл Янг, Эффективная работа с Microsoft Office. — C.Петербург: Питер, 2001
6. Базы данных для небольших предприятий и Интернета; СПб: Символ-Плюс, 2000. — 560 c.
7. Базы данных: Учебник для ВУЗов / Под ред.— СПб: Корона принт, 2000. — 416 с.
8. Дунаев В. В. Базы данных. Язык SQL / В. В. Дунаев. – СПб. : BHV, 2006. – 288 с.