第三章__数据库系统与人机交互系统.ppt

1、1/三,一、 数据库系统 1.1 数据库与数据库管理系统 1.2 演绎数据库 二、 人机交互系统 2.1人机交互系统应满足的要求 2.2 人机交互系统的功能,第三章 数据库系统与人机交互系统,本章内容,2/三,一、数据库系统,1.1数据库与数据库管理系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库系统一般由四部分组成： 1、数据库（DB） 2、数据库管理系统（DBMS） 3、数据库管理员 4、用户和应用程序 数据库系统的核心是数据库管理系统和数据库。,数据库系统组成,3/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库管理系统（DBMS）,数据库（DB）,应用程序,用户,数据库管理员,数据库

2、操作,数据库操作,数据库系统组成,1.1数据库与数据库管理系统,4/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库三级模式结构,内模式,概念模式,外模式1,外模式n,用户视图,管理员视图,物理存储,应用程序1,应用程序n,.,.,DB,DB,DB,DBMS,1.1数据库与数据库管理系统,5/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据模型,数据模型是计算机世界对现实世界进行抽象、表示和处理的工具，是数据库的基础 数据模型的要素 数据结构：描述系统的静态特性 数据操作：描述系统的动态特性 数据的约束条件：完整性规则及其定义机制,1.1数据库与数据库管理系统,7/三,一、数据库

3、系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据模型示例（关系模型）,储户关系,帐户关系,数据模型,1.1数据库与数据库管理系统,8/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据模型,层次数据模型示例,张明亮,S55-503,刘凌,N12-103,陈东华,N23-106,李林,S45-305,曹文,N20-206,12,80000,21,20000,12,80000,36,10000,65,50000,21,20000,1.1数据库与数据库管理系统,11/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库管理系统功能,1.1数据库与数据库管理系统,数据定义：模式、映射、约束、规则、用户

4、及其权限等 数据操纵：插入、查询、删除、修改 数据库运行管理：事务管理、安全性检查、完整性约束等 数据组织、存储和管理：组织、存储和管理系统数据和用 户数据，提高时空效率 数据库的建立和维护：创建、备份、恢复、重构、性能监控 数据通信接口：格式转换等,数据库语言,数据库管理系统是通过数据库语言处理系统来实现的。 1、数据描述语言（DDL）及其编译程序 用于描述数据库的数据结构。 2、数据操作语言（DML）及其编译程序 操作语言供用户存储、检索、修改数据库中的数据。,12/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库管理系统结构,1.1数据库与数据库管理系统,数据字典,数据库文件集合

5、,应用界面,简单用户,应用程序员,复杂用户,DBA等,应用程序,查询,数据库模式,DDL编译执行,安全性检查,查询预处理,查询优化处理,完整性 约束,DML预编译,数据操作算法,记录管理,应用程序目标代码,存取方法 并发控制 缓冲处理 系统恢复 记录存储,14/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,1.1数据库与数据库管理系统,数据库应用系统的设计可分为六个阶段： （1）系统需求分析 （2）概念结构设计 （3）逻辑结构设计 （4）物理结构设计 （5）数据库实施 （6）数据库运行和维护,15/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统

6、的设计和开发,1.1数据库与数据库管理系统,（1）系统需求分析,通过对用户的信息需求和处理需求的调查分析，得到系统所必须的需求信息。,确定设计范围 确定计算机能够处理的范围和内容。 数据收集和分析 获得数据库设计所必须的数据信息。 写出需求说明书 对应用系统需求分析建立文档资料，包括：系统目标、功能、性能、运行环境，及功能结构图、数据流程图、数据字典等。,16/三,一、数据库系统,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,1.1数据库与数据库管理系统,（2）概念结构设计,对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于DBMS的概念模型。,概念结构：独立于数据模型，独立于数据库逻

7、辑结构，独立于DBMS，是现实世界与机器世界的中介 是现实世界的一个真实模型，充分反映现实世界（实体与联系） 易于理解，便于与用户交互 容易调整 易于向各种数据模型转换,17/三,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,（2）概念结构设计,描述方法：E-R方法（EntityRelationship 实体联系），由实体、联系、属性三个成份组成。,姓名,性别,年龄,工作,工种,工具,使用,职工,n,1,1,n,用E-R图进行用户视图设计,18/三,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,（2）概念结构设计,步骤：,数据抽象,单用户视图设计,多用户视图集成,视图分

8、析与修改,概念结构模型,19/三,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,（2）概念结构设计,将分E-R图画到一起，消除冲突，形成一致的视图： 属性冲突：属性域冲突（类型、取值范围不同）；属性值度量单位不同。解决办法：讨论、协商等行政手段,命名冲突：同名异义（不同意义的对象在不同局部应用中具有相同的名字）；异名同义（一义多名）。解决办法：讨论、协商等行政手段,结构冲突： 同一对象在不同局部视图中具有不同级别的抽象：解决办法是遵循两个准则将属性变为实体或将实体变为属性。 同一实体在不同局部视图中所包含的属性不完全相同，或者属性的排列次序不完全相同（常见）：解决办法是使该实体的属

9、性取各局部视图中属性的并集，再适当设计属性的次序 实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型：解决办法是根据应用的语义对实体联系的类型进行综合或调整,20/三,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,（3）逻辑结构设计,1：1联系：在两个实体各自的关系模式中各增加一个对方实体编码属性项。 例如： 教研室（教研室编号、主任编号、教研室名.） 主任（主任编号、教研室编号、姓名.）,将概念结构转化为与某一DBMS相应的具体数据模型,实体及其属性的转换：一个实体型转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的键就是关系的键 例：学生（学号，姓名，出生日期，系，年级）,转换原则

10、,1：n的联系：在n方实体的关系模式中增加对方实体的编码属性项。例如： 教研室（教研室编号、主任编号、教研室名.） 教员（教员号、教研室编号、姓名、年龄.）,21/三,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,（3）逻辑结构设计,转换原则,m：n的联系：除两个实体建立关系模式外，把“联系”也建立关系 例：学生（学生号、学生名.） E 课程（课程号、课程名.） E 选课（学生号、课程号、成绩） R,多元联系的转换：与该多元联系相连的各实体的键以及联系本身的属性均转换为关系的属性，关系的键为各实体键的组 例：讲授（课程号，教师号，书号）,同一实体集的实体间联系：按上述1:1，1:n

11、，m:n分别处理，只不过相关的实体相同而已,具有相同键的关系模式可合并：将其中一个关系模式的全部属性加入到另一个关系模式中，然后去掉其中的同义属性，并适当调整属性的次序,22/三,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,（4）物理结构设计,设计数据在物理设备上的存储结构 存储记录 包括：数据项、指针和记录开销。 访问路径 建立数据项或数据项组合的索引。 记录实际存储 对记录的聚类和划分，以及物理块大小的选择。,23/三,第三章 数据库系统与人机交互,数据库应用系统的设计和开发,（5）数据库实施,建立数据库 可利用具体DBMS提供的可视化工具 也可直接使用SQL命令 按照逻辑设

12、计和物理设计阶段的方案配置和定义数据库、表（含存储结构）、视图、索引、约束、用户、触发器等 整理并装载数据（也可在下一步完成） 应用程序开发、试运行,（6）数据库运行与维护DBA负责 数据库备份与恢复,关系数据库的规范化设计和开发 关系数据库的规范化设计 1、数据依赖 最常用的是函数依赖： X的每一个具体值都有Y唯一的具体值与之对应，则称Y函数依赖于X，或者X函数决定Y，表示为：XY 2、规范化设计方法 一个关系模式满足某一个指定的约束，称此为特定范式的关系模式。,范式 满足一定约束要求的关系模式的集合，RnNF 1NF2NF 3NF BCNF 4NF 5NF,表达式条件查询,一、数据库查询

13、（一）数据库列查询 1、查询指定的列 2、查询全部列 3、指定条件的查询 （二）条件查询 1、比较大小的查询 2、指定范围的查询 3、指定集合的查询 4、字符匹配的查询 5、设计控制的查询 6、多重条件的查询 （三）组合查询 多条件的任意组合查询。,表达式条件查询,二、数据项表达式计算的查询 在数据库中有一种特殊的查询任务，需要得到某些数据项进行数值计算（表达式计算）后的结果。这些数据项表达式计算的特点是： （1）表达式的形式是任意变化的。 （2）表达式的计算是临时进行的。 这种对数据项表达式计算的查询不是查询语句所能够完成的，必须专门编制程序来完成这种特殊的查询。编制这种查询程序需要利用编译

14、技术，完成对表达式的识别和解释执行。,24/三,一、数据库系统,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库基本概念,演绎功能 + 关系数据库 = 演绎数据库 演绎推理：假言推理（形式逻辑） P，PQ Q P、Q为事实， PQ 为规则。,从已知的关系数据库中一事实（实数据）推出一些新数据，这些新数据是数据库中所没有的。这些在数据库中不出现的，而由演绎推理推出的新数据称为虚数据。,25/三,一、数据库系统,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库基本概念,谓词逻辑的合法表达式称为合式公式，它由原子公式、连接词和量词组成。,原子公式：由谓词、括号和括号中的项组成

15、,办公地点（刘凌、401）,办公地点（陈东华、402）,办公地点（张明亮、318）,26/三,一、数据库系统,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库基本概念,连接词：用来组合原子公式以形成较复杂的合式公式。, 合取：P Q ，当P、Q皆为真时，才为真，否则为假；类似“AND” 析取： P Q ，当P、Q中皆为假时，则为假，否则为真；类似“OR” 蕴涵：P=Q, 只有P为真，Q为假时，蕴涵式为假，否则为真； 类似 “ if P then Q” 否定。,量词： 、 ,例子：“张某送给屋里的每个人一件礼物”,（ y） IN(y , ROOM) HUMAN( y ) = (x)

16、GIVE(ZHANG , x , y) PRESENT(x),27/三,一、数据库系统,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库实例,表3.6 父子关系数据库F（f ， s）,祖孙规则：F（X，Z）F（Z，Y）G（X，Y）,两种逻辑规则,祖先规则：（1） F（X，Y）A（X，Y） （2） A（X，Z）F（Z，Y）A（X，Y）,二、演绎数据库实例（续）,建立如下两种逻辑规则： 1祖孙规则 F（X，Z）F（Z，Y）G（X，Y） 该规则表示X是Z的父亲，Z是Y的父亲，则X是Y的祖父。 用父子关系数据库F通过以上规则就得祖孙关系G。 表3.6的数据库得出的祖孙关系为： 李学李山 ，

17、 李平李同 ， 刘定刘思,二、演绎数据库实例（续）,2祖先规则 （1） F（X，Y）A（X，Y） （2） A（X，Z）F（Z，Y）A（X，Y） 其中： （1）表示X是Y的父亲，则X是Y的祖先， （2）表示X是Z的祖先，Z是Y的父亲，则X是Y的祖先。 父子关系F通过以上规则得到祖先关系A。,28/三,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库的程序设计,祖先-子孙推理算法流程,主程序,k：=1,检索数据库 F（fk，sk）,输出： sk（某晚辈） fk（祖先）,调用过程 A（a， fk）,k：=k+1,k n ?,结束,Y,N,A（a，z）,i ：= 1,检索数据库是否存在 F

18、（fi，si=z）?,输出： fi（祖先）,调用A（a，fi）,i ：= i+1,i n?,退出,Y,Y,N,N,过程,29/三,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库的基本结构,演绎数据库系统由三部分组成： 传统数据库系统 演绎数据库扩充了传统数据库的作用。 具有演绎推理的机构 通过演绎推理能力，在实数据中推出虚数据。 数据库和演绎推理之间的接口 演绎推理机构是逻辑的，而数据库是非逻辑的，两者需要有一个接口，以实现其物理上的连接。,30/三,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库的基本结构,演绎数据库系统结构,演绎数据库的实现方法,在数据库管理系统

19、（DBMS）的基础上增加一个规则（RULE）处理层，实现演绎数据库。 演绎推理用PROLOG程序或者C程序来完成。接口部分的功能是将推理中的逻辑表示转换成给定的DBMS中的数据操纵语言中的语句。 查询演绎数据库时，查询对象可能是实关系，或者是虚关系。当是虚关系时，则由演绎推理机构将其转换成实关系，然后再由接口部分将其转换成DBMS中的语句，最后通过DBMS操纵数据库得到结果。,31/三,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库的基本结构,DBMS+RULE 型演绎数据库,32/三,1.2 演绎数据库,第三章 数据库系统与人机交互,演绎数据库、智能数据库和知识库的关系,演绎数

20、据库 演绎推理加入数据库系统的功能中。 智能数据库 在数据库系统中加入归纳推理，类比推理等或然性推理，或加入自然语言理解，语音识别等人工智能中更多的技术。 知识库 对知识的存储和管理，不同于数据库。,演绎数据库、智能数据库和知识库的关系（续）,1、演绎数据库和智能数据库均以数据库为主体 两者均是在数据库上增加人工智能技术。 数据库中的数据只是知识库中的事实。 数据库用于事务处理。 2、知识库包括大量规则知识或其它形式的知识 知识库一般用于专家系统或知识库系统中进行知识推理。,33/三,第三章 数据库系统与人机交互,二、 人机交互系统,2.1 人机交互系统应满足的要求,（1）为决策者提供进一步理

21、解决策问题的过程： DSS通过交互向决策者展示问题的各个侧面并通过交互使问题逐步深化，使决策者对问题的结构认识逐步深入、细化、清晰，使决策问题得以求解，人机交互是一个启发用户思维的过程。,（2）为决策者提供一种“身临其境”的感受，便于其通过DSS提供的信息进行决策。,（3）为DSS提供适应新的决策问题及环境的手段 通过交互，决策者可以构造新的决策问题，增加新的模型及与模型有关的概念、数据和知识，以适应新的环境变化的要求。,人机交互技术的发展过程,60年代，计算机语言的出现，如FORTRAN、COBOL、ALGOL、BASIC。 70年代，计算机图形学的发展，如CAD、CAM、绘图、电子印刷。 80年代，窗口系统的应用，如Windows、X-Window系统等。 90年代，多媒体技术的发展。,人机系统模型,1.人的优点 人有创造性。有学习能力、有感情、有思想，具有