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[摘 要]随着信息技术和市场的发展，数据管理不仅仅再是存储和管理数据，而是转变成了用户所需要的各种管理数据的方式。如何建立一个行之有效的信息系统已成为一个企业或组织生存发展的重要条件。本文以关系型数据库为例简单介绍了数据库设计的基本流程。
[关键词]数据库；关系模式；结构设计
中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0319-01
1 数据库概述
数据库是数据管理的最新技术。数据管理先后经过了人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段。在数据库领域中最常用的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等。关系型数据库系统是建立在关系模型基础上的。
关系数据库系统遵循严格的数学基础，它应用数学方法，主要是集合代数的概念和方法来处理数据库中的数据。关系数据库的数据结构简单，它的逻辑结构可以看做是一张二维表。
2 数据库设计方法及流程
大型数据库的设计是涉及多学科的综合性技术。数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求。数据库的设计应符合“三分技术、七分管理、十二分基础数据”的基本原则。其基本设计步骤分为：需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库运行和维护六个阶段。
2.1 需求分析
需求分析是数据库设计的起点，简单地说就是分析用户的需求。该阶段的任务是通过详细调查现实世界要处理的对象，充分了解原系统工作状况，明确用户的各种需求（包括信息要求、安全性与完整性要求），然后在此基础上确定新系统的功能。注意新系统必须充分考虑今后可能的扩充和改变，以预留出足够的可扩展空间等。例如：对于一个教务管理系统的设计，设计之初首先应了解其工作需求，确定要实现哪些功能、应包含哪些属性以及未来可能的扩展需求等。
2.2 概念结构设计
概念结构设计是将需求分析阶段所得到的用户需求抽象为信息结构的过程，它是整个数据库设计的关键。概念结构的主要特点包括：能真实充分的反应现实世界，易于理解，易于改正，易于向关系、网状、层次等各种数据模型转换。
概念结构设计通常有自顶向下、自底向上、逐步扩张、混合策略四种方法。概念结构是对现实世界的一种抽象，一般包括分类、聚集和概括三种抽象。利用抽象机制对数据进行分类、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，设计分E-R图是概念结构设计的第一步。具体做法包括：选择局部应用，一般以中层数据流图作为设计分E-R图的依据；逐一设计分E-R图，即对每个局部应用设计分E-R图。最后，将得到的各分E-R图综合形成一个系统的总E-R图。在教务管理系统中有学生、教师、主任等实体，学生实体有包含姓名、学号、班级、成绩等属性，应对其逐一设计E-R图。
注意在形成总E-R图的过程中并不是将各个分E-R图进行简单的合并，因为在合并过程中分E-R图之间会因为各种原因导致许多不一致的地方，即会产生冲突现象。应先通过讨论、协商并根据应用的语义解决各类冲突。
2.3 逻辑结构设计
逻辑结构设计是指将概念结构设计阶段设计好的E-R图转换为与选用DBMS产品所支持的数据模型相符合的逻辑结构。设计逻辑结构首先将概念结构转换为关系、网状、层次模型。例如，设计关系模型就要根据E-R图设计二维表，二维表中包括字段名、数据类型、长度、描述等。最后设计符合用户习惯的外模式。
实现E-R图向关系模型的转换实际是就是将实体型、实体的属性和实体之间的联系转换为关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码，实体之间的联系应注意它是一对一、一对多还是多对多的联系。形成初步的关系模型后，然后就是对模型的优化。关系数据模型的优化通常以规范化理论为指导。在对外模式的设计上，关系数据库管理系统一般都使用视图这一功能设计更符合局部用户需要的用户外模式。
2.4 物理设计
物理结构设计就是为逻辑结构设计阶段所得到的数据模型选取一个最适合应用要求的物理结构。在关系数据库中主要是先指定存取方法和存储结构，然后主要对时间和空间效率进行评价。
考虑到数据库系统是多用户的共享系统，所以应建立多条存取路径以满足多用户的多种应用要求。常用的存取方法有索引方法、聚簇方法、HASH方法。
2.5 数据库的实施和维护
在数据库实施阶段，设计人员要用RDBMS提供的数据定义语言和其他实用程序将数据库逻辑设计和物理设计结果严格描述出来，成为DBMS可以接受的源代码，再经过调试产生目标模式，最后就可以组织数据入库了。
在数据库试运行后，由于应用环境、物理存储等不断的变化，所以应对数据库进行长期的维护工作。对数据库的维护包括：数据库的转储和恢复，数据库的安全性、完整性控制，数据库性能的监督、分析和改造，数据库的重组织与重构造等。
3 数据库的规范化及约束条件
由于逻辑结构设计并不唯一，对于任何一种数据库应用系统如何构造出合适的逻辑结构，这就涉及到规范化问题。对于关系模式最基本的要求是应满足第一范式，即每一个分量必须是不可分割的数据项。此外，为了消除关系模式中存在的插入删除异常，修改复杂，数据冗余等毛病，应使关系模式逐步满足第二、第三范式、BC范式等。
关系的完整性规则是对关系的某种约束条件。它包括实体完整性、参照完整性和用户自定义的完整性三种完整性约束。其中，实体完整性要求关系中的主属性不能为空；参照完整性是用来描述实体与实体之间联系的完整性约束，这两个是必不可少的完整性约束条件。此外，数据库系统根据应用环境的不同可能会有某些特殊的约束条件，这就需要用户自定义完整性。
完整性约束和规范化是数据库系统设计中必不可少的约束条件。只有满足这些约束条件才能设计出完整、高效、可靠的数据库系统。
总之，在信息化社会，能充分有效地管理和利用各类信息资源，是进行科学研究和决策管理的前提条件。数据库技术是管理信息系统、办公自动化系统、决策支持系统等各类信息系统的核心部分。
高思，1993年9月，汉族，河北省石家庄，本科，学生，计算机科学与技术。
赵博，1992年6月，汉族，河北省张家口市，本科，学生，计算机科学与技术。
参考文献
[1] 王珊，萨师煊，《数据库系统概论》，高等教育出版社，2013.12.
[2] 王晴，《新编关系数据库与SQL Server 2008》，清华大学出版社2013.8.
[3] 吴德胜，赵会东，《SQL Server入门经典》，机械工业出版社，2103.4.
[4] 李巧君，刘春茂，浅析数据库设计的一般流程和原则.技术与市场.2010.
基金项目
本项目为“西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201410742042）。
Project 201410742042 supported by National Trainning Program of Innovation and Entrepreneurship for Undergraduates.
[关键词]数据库；关系模式；结构设计
中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0319-01
1 数据库概述
数据库是数据管理的最新技术。数据管理先后经过了人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段。在数据库领域中最常用的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等。关系型数据库系统是建立在关系模型基础上的。
关系数据库系统遵循严格的数学基础，它应用数学方法，主要是集合代数的概念和方法来处理数据库中的数据。关系数据库的数据结构简单，它的逻辑结构可以看做是一张二维表。
2 数据库设计方法及流程
大型数据库的设计是涉及多学科的综合性技术。数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求。数据库的设计应符合“三分技术、七分管理、十二分基础数据”的基本原则。其基本设计步骤分为：需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库运行和维护六个阶段。
2.1 需求分析
需求分析是数据库设计的起点，简单地说就是分析用户的需求。该阶段的任务是通过详细调查现实世界要处理的对象，充分了解原系统工作状况，明确用户的各种需求（包括信息要求、安全性与完整性要求），然后在此基础上确定新系统的功能。注意新系统必须充分考虑今后可能的扩充和改变，以预留出足够的可扩展空间等。例如：对于一个教务管理系统的设计，设计之初首先应了解其工作需求，确定要实现哪些功能、应包含哪些属性以及未来可能的扩展需求等。
2.2 概念结构设计
概念结构设计是将需求分析阶段所得到的用户需求抽象为信息结构的过程，它是整个数据库设计的关键。概念结构的主要特点包括：能真实充分的反应现实世界，易于理解，易于改正，易于向关系、网状、层次等各种数据模型转换。
概念结构设计通常有自顶向下、自底向上、逐步扩张、混合策略四种方法。概念结构是对现实世界的一种抽象，一般包括分类、聚集和概括三种抽象。利用抽象机制对数据进行分类、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，设计分E-R图是概念结构设计的第一步。具体做法包括：选择局部应用，一般以中层数据流图作为设计分E-R图的依据；逐一设计分E-R图，即对每个局部应用设计分E-R图。最后，将得到的各分E-R图综合形成一个系统的总E-R图。在教务管理系统中有学生、教师、主任等实体，学生实体有包含姓名、学号、班级、成绩等属性，应对其逐一设计E-R图。
注意在形成总E-R图的过程中并不是将各个分E-R图进行简单的合并，因为在合并过程中分E-R图之间会因为各种原因导致许多不一致的地方，即会产生冲突现象。应先通过讨论、协商并根据应用的语义解决各类冲突。
2.3 逻辑结构设计
逻辑结构设计是指将概念结构设计阶段设计好的E-R图转换为与选用DBMS产品所支持的数据模型相符合的逻辑结构。设计逻辑结构首先将概念结构转换为关系、网状、层次模型。例如，设计关系模型就要根据E-R图设计二维表，二维表中包括字段名、数据类型、长度、描述等。最后设计符合用户习惯的外模式。
实现E-R图向关系模型的转换实际是就是将实体型、实体的属性和实体之间的联系转换为关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码，实体之间的联系应注意它是一对一、一对多还是多对多的联系。形成初步的关系模型后，然后就是对模型的优化。关系数据模型的优化通常以规范化理论为指导。在对外模式的设计上，关系数据库管理系统一般都使用视图这一功能设计更符合局部用户需要的用户外模式。
2.4 物理设计
物理结构设计就是为逻辑结构设计阶段所得到的数据模型选取一个最适合应用要求的物理结构。在关系数据库中主要是先指定存取方法和存储结构，然后主要对时间和空间效率进行评价。
考虑到数据库系统是多用户的共享系统，所以应建立多条存取路径以满足多用户的多种应用要求。常用的存取方法有索引方法、聚簇方法、HASH方法。
2.5 数据库的实施和维护
在数据库实施阶段，设计人员要用RDBMS提供的数据定义语言和其他实用程序将数据库逻辑设计和物理设计结果严格描述出来，成为DBMS可以接受的源代码，再经过调试产生目标模式，最后就可以组织数据入库了。
在数据库试运行后，由于应用环境、物理存储等不断的变化，所以应对数据库进行长期的维护工作。对数据库的维护包括：数据库的转储和恢复，数据库的安全性、完整性控制，数据库性能的监督、分析和改造，数据库的重组织与重构造等。
3 数据库的规范化及约束条件
由于逻辑结构设计并不唯一，对于任何一种数据库应用系统如何构造出合适的逻辑结构，这就涉及到规范化问题。对于关系模式最基本的要求是应满足第一范式，即每一个分量必须是不可分割的数据项。此外，为了消除关系模式中存在的插入删除异常，修改复杂，数据冗余等毛病，应使关系模式逐步满足第二、第三范式、BC范式等。
关系的完整性规则是对关系的某种约束条件。它包括实体完整性、参照完整性和用户自定义的完整性三种完整性约束。其中，实体完整性要求关系中的主属性不能为空；参照完整性是用来描述实体与实体之间联系的完整性约束，这两个是必不可少的完整性约束条件。此外，数据库系统根据应用环境的不同可能会有某些特殊的约束条件，这就需要用户自定义完整性。
完整性约束和规范化是数据库系统设计中必不可少的约束条件。只有满足这些约束条件才能设计出完整、高效、可靠的数据库系统。
总之，在信息化社会，能充分有效地管理和利用各类信息资源，是进行科学研究和决策管理的前提条件。数据库技术是管理信息系统、办公自动化系统、决策支持系统等各类信息系统的核心部分。
高思，1993年9月，汉族，河北省石家庄，本科，学生，计算机科学与技术。
赵博，1992年6月，汉族，河北省张家口市，本科，学生，计算机科学与技术。
参考文献
[1] 王珊，萨师煊，《数据库系统概论》，高等教育出版社，2013.12.
[2] 王晴，《新编关系数据库与SQL Server 2008》，清华大学出版社2013.8.
[3] 吴德胜，赵会东，《SQL Server入门经典》，机械工业出版社，2103.4.
[4] 李巧君，刘春茂，浅析数据库设计的一般流程和原则.技术与市场.2010.
基金项目
本项目为“西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201410742042）。
Project 201410742042 supported by National Trainning Program of Innovation and Entrepreneurship for Undergraduates.