Bauinformatik II Softwareanwendungen 1 5. Semester 2. Vorlesung Einführung, Entität, Relation Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer Nürnberger Str. 31a 2. OG,

Bauinformatik IISoftwareanwendungen 1

5. Semester 2. VorlesungEinführung, Entität, Relation

Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer

Nürnberger Str. 31a2. OG, Raum 204

TU Dresden - Institut für Bauinformatik

Relationale Datenbankenfür Bauingenieurprobleme


Folie-Nr.: 2Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 1. Vorlesung

DatenbankenDefinition:Eine Datenbank ist eine

• selbständige und • auf Dauer ausgelegte

Datenorganisation, welche einen Datenbestand

• sicher und • flexibel

verwalten kann. Dies braucht deshalb kein Datenbanksystem sein.Alle persönlichen Daten-Tabellen sollten diese Anforderungen erfüllen.



• Sie soll dem Benutzer den Zugriff auf die gespeicherten Daten ermöglichen, ohne dass dieser wissen muss, wie die Daten im System organisiert sind.

Anforderungen an eine Datenbank

• Sie muss verhindern, dass ein Benutzer Daten einsehen oder manipulieren kann, für die er keine Zugriffsberechtigung hat.

• Es darf nicht passieren, dass wegen Fehlmanipulationen des Benutzers Daten zerstört werden können oder gar der ganze Datenbestand unbrauchbar wird.

• Es muss möglich sein, die interne Datenorganisation zu ändern, ohne dass der Benutzer seine Anwenderprogramme (Applikationen)

anpassen muss. Im Idealfall merkt der Benutzer von der Strukturänderung nichts.

• Die gespeicherten Daten müssen eine überschaubare Struktur aufweisen.

• Die gleiche Information soll nicht mehrfach (redundant) oder wenigstens kontrolliert redundant gespeichert werden.



Bestandteile einer Datenbank

RDBMS = Relationales Datenbank-Management-System

Report-GeneratorMasken-Generator

Administrations-programm

Menü-Generator

Sonstige Programme:- Precompiler- Netzwerkanbindung- . . .

SQL-Interpreter

SQL-Schnittstelle:- Datendefinition- Datenmanipulation- Datenschutz- Datenabfrage

Daten-Konverterfür Export/Import

RDBMS



Datenbanksoftwarez.B. Oracle, My-SQL, MS-SQL-Server, MS-Access, (MS-Excel)

ist einem Compiler vergleichbar.

Sie stellt über Befehle Grundfunktionen zur Verfügung.

Spezielle Funktionen (Transaktionen) sind zu programmierenZum Vergleich:JAVA, C++, FTN-Compiler (einschl. der Bibliotheken) stellen die mathematischen Grundfunktionen zur Verfügung, z. B. sin(x) muss nicht als Reihenentwicklung programmiert werden.

Grundfunktionen sind: (s. 3. Sem.) • Vereinigung• Projektion• Division• Entität (Tabelle) erstellen• Attribut einfügen . . .



Betriebswirtschaftliche Nutzung• Große Datenbestände• Viele Nutzer• Viele gleichzeitige Nutzer auf verschiedenen Daten• Wenige gleichzeitige Nutzer auf gleichen Daten• Kurze Transaktionen• Lange Lebensdauer• Einfache bis mittlere Komplexität der Daten

Ingenieurwirtschaftliche Nutzung• Wenige Nutzer• Mehrere gleichzeitige Nutzer auf gleichen Daten• Lange bis sehr lange Transaktionen, viele Änderungen• Mittlere Lebensdauer, evtl. sogar kurze (Versionen)• Mittlere bis hohe Komplexität der Daten



Datenbankmodelle Hierarchische

100Industriehalle

1 Relationale (viele Tabellen)

= Erweiterung der relationalen Datenbank Objekt-orientierte

- Ontologien: - Ontologien: Erweiterung der Objekte um logische BedeutungErweiterung der Objekte um logische Bedeutung

Gerüstbau01.04.05Betonbau10.05.0514.05.05

2

1.1.11.1

1.2.11.2

1.2.2102Kaufhalle

Gerüstbau03.06.05

2.12.1.1

Dachdecker2.22.2.1 24.06.053

Neudorf

Heinitz

105KinoPegauDachdecker01.08.05

GNr

134155

121

DachdeckerBetonbauGerüstbauGewerk

GNr DatumONr

100100

100

155

102

01.08.05

134155

121

155121

24.06.0503.06.0514.05.0510.05.05

105

01.04.05

102

ONr

102105

100Kaufhalle

Kino

IndustriehalleBaul.Objekt Ort

Neudorf

PegauHeinitz

3.13.1.1



Das relationale Datenmodell wurde erstmals 1971 von E. F. Codd auf einem Workshop on 'Data Description, Access and Control' formuliert. 1972 erschien ein Buch von ihm bei Prentice-Hall.

Relationale Datenstrukturen



ONr DatumGNr

100100

100

155

102

01.08.05

134155

121

155121

24.06.0503.06.0514.05.0510.05.05

105

01.04.05

102

GNr

134155

121

DachdeckerBetonbauGerüstbauGewerkONr

102105

100Kaufhalle

Kino

IndustriehalleBaul.Objekt Ort

Neudorf

PegauHeinitz

Relationale Datenbankmodellesind Tabellen,

Wir unterscheiden 2 Arten von Relationen 1. innerhalb einer Tabelle: 1 Zeile2. zwischen den Tabellen: die verbindenden Attribute

die durch identische Attribute miteinander verknüpft sind



Relationen 1Relationale Datenbanken sind auf dem PrinzipRelation (= Beziehung, Zusammengehörigkeit, Bezug)aufgebaut.So besteht zwischen den einzelnen Werten:

ein gewisser Bezug.Sie charakterisieren das bauliche Objekt.Jede andere Kombination von Objekt_Nr., baul.Objekt, Ort würde ein anderes bauliches Objekt oder eine andere Erscheinungsform (Version) beschreiben.Die Werte stehen in einer gewissen Relation,

• die nicht mathematischer Natur ist (Zahlenraum),• sondern rein beschreibender Natur.

100 – Industriehalle - Neudorf



Relationen 1Alle zulässigen Relationen ordnen und begrenzen den mehrdimensionalen Werteraum der aus dem kartesischen Produkt zB.aller Objekt-Nummern x aller baulichen Objekte x aller Orte x . . . entsteht.Diese Ordnung ist eine

• Ordnung nach Themen (z. B. Raumbuch, Gebäudeverwaltung,Geoinformationssysteme)bzw. eine

• Klassifikation nach Klassen (z. B. C++ Programmierung)in Form von

• Tabellen ( was Ingenieure seit Tausenden von Jahren schon machen)

Daraus ergibt sich die Bedeutung des Wortes Entität = Thema, Klasse, Tabelle.Da wir damit die Wirklichkeit oder eine virtuelle Wirklichkeit beschreiben, gibt es noch die Synonyme Entität = Ding, Objekt Ein Relationstyp definiert eine Entität (Objekt)



definieren die Dinge der WeltDie Relation formt eine Einheit, die uns ermöglicht, Dinge erkennen zu lassen,z.B. ist es ein Kommunikationsmittel oder eine Kommunikationsform

Arbeiter• Name• Beruf•

Baumaschinen• Name• Typ• Leistung• Alter

Kommunika-• Name• Form• Leistung

tionsformenBau-materialien

• Name• •

Kommunika-tionsmittel

• Name• Typ• Leistung

Relationen 1



Relationen 2

Jetzt gibt es noch eine zweite Stufe von Relationen,welche die Relationen zwischen den Entitäten,die Beziehungen zwischen den Dingen der Welt darstellen.

Bau-maschinen

Kommu-nikations-mittel

Kommu-nikations-formen

Arbeiter

Bau-material

bedient

verarbeitet verarbeitetbeeinflussen einsetzen

benötigen



Relationen 2Sie prägte den Begriff Entity-Relationship Model = ER Model

Die Relationen werden • nicht explizit durch „semantische“ Zeiger,• sondern über Attribute, die in beiden Entititäten in identischer Form vorkommen, umgesetzt. Arbeiter• Arb-Nr• Name• •

Baumaschine• Masch.-Nr.• Name•Arb-Nr(Fahrer)•

Arb.Nr Fahrer

Die Entitäten können so eindeutig verknüpft werden,die Relation selber ist nicht eindeutig festgelegt. Obige Relationen könnte sowohl „besitzt“, als auch „bedient“ bedeuten.



Wiederholung aus dem 3. Semester



Operationen auf relationalen Datenstrukturen

Die 4 wesentlichen Operationen sind: •Projektion•Vereinigung (Verbund)•Restriktion •Division.

Sie basieren auf den 3 klassischen Mengenoperationen:Vereinigung: r1 r2 : = x x r1 oder x r2Durchschnitt: r1 r2 : = x x r1 und x r2Differenz: r1 \ r2 : = x x r1 und x r2

Die Verknüpfung dieser Operationen mit der Objektmenge wird auch als Relationenalgebra bezeichnet. Die Operationen gelten für beliebige n-stellige Relationen mit n 2.

Mit diesen vier Grundoperationen können alle Ausdrücke gebildet werden, die für das Arbeiten mit relationalen Datenbanken notwendig sind.



ProjektionDurch die Projektion werden aus einer n-stelligen Relation einzelne Spalten entfernt, d.h. die Relation wird auf eine neue Relation projiziert, die genau die nicht zu entfernenden Spalten enthält. Die Zeilen, die identische Werte enthalten, sind nur einmal zu erstellen, d. h. doppelte Zeilen werden gelöscht. Die Projektionsoperation wird mit bezeichnet,

Rneu = (L) Ralt

L ist eine Liste von den Attributen, die erhalten bleiben. Rneu muss natürlich eine n-stellige Relation mit n > 2 sein.

Beispiel:

Mitarbeiterkurzform = (Pers.-Nr., Name, Vorname) Mitarbeiter



Projektion

Mit-arbeiter 1 2 3 4 5 6

MüllerMüllerKleinAdlerSchmidtWalther

HansRolfOttoFritzAntonAnna

Pers-Nr.101510551075201520202090

VornameName

Ge-schlechtmmmmmw


Name


Vorname

Hans Rolf Otto Fritz Anton Anna

Wohnort

DresdenFreibergRadebergDresdenFreibergZittau

Beruf

MüllerBäckerMalerPolitikerStudentLehrerin

Pers-Nr.101510551075201520202090

Steuer-klasse 1 3 1 3 5 1

Ge-schlecht m m m m m w

Rneu = (Mitar,Pers-Nr.,Name,Vorname) Ralt



Beispiel: Verbund R23 = R2 [D2, D3] R3

MaxRolfPaulPaul

D2

AlexLauraUweRuth

B2

1234

R23

RuthUweLauraAlex

B3

Dieser Verbund ist in der dargestellten Form nur möglich, wenn für Paul, der zweimal, sowohl in D2 als auch in D3 , vorkommt, eine Rolle zugewiesen wird.

Das Rollenattribut ist in diesem Fall die laufende Nummer.

MaxRolfPaulPaul

RuthUweLauraAlex

1234

D3 B3R3

MaxRolfPaulPaul

AlexLauraUweRuth

B2D2R2

1234



Beispiel: Verbund R23 = R2 [D2, D3] R3

Bei einem Verbund ohne Rollenattribut werden mehrfach vorkommende Attribute kombiniert; es wird das Kreuzprodukt gebildet

MaxRolfPaulPaul

RuthUweLauraAlex

1234

D3 B3R3

MaxRolfPaulPaul

AlexLauraUweRuth

B2D2R2

1234

R23

123456

B5

AlexLauraUweUweRuthRuth

B6

RuthUweLauraAlexLauraAlex

D4

MaxRolfPaulPaulPaulPaul



Beispiel: VerbundIn der zweiten Tabelle sind alle möglichen Relationen explizit ausgedrückt. Dies führt zwar zu einer Datenredundanz bezüglich der Werte, jedoch geht keine Information verloren, wenn die Daten manipuliert werden.

Wenn z. B. alle Tupel gelöscht werden, in denen das Attribut B5 den Namen Uwe annimmt, so würde bei der ersten Tabelle die Information verloren gehen, dass Paul der Vater von Laura ist. Dies bezeichnet man als Anomalie.

Erst mit Zusatzbedingungen könnte man in einer Tabelle, in der Anomalien auftreten können, Daten- bzw. Informationsverluste vermeiden.

Beide Tabellen repräsentieren, falls sie nicht modifiziert werden, natürlich in vollständiger Weise die Realwelt, aber eben nicht gleichwertig.



Restriktion

Diese Operation selektiert aus einer Relation alle Tupel r, d. h. alle Zeilen der Tabelle, die eine vorgegebene Bedingung erfüllen.

[Bedingung] R = r R r erfüllt B.

Dies ist die klassische Suchoperation. Als Operatoren der Bedingung sind die Bool'schen Operatoren zugelassen. Die Operanden sind die Attributwerte der Relation.

Beispiel: männliche Mitarbeiter aus Dresden

= [Wohnort = Dresden Geschlecht = m] Mitarbeiter



DivisionDie Division durch ao ist für eine binäre Relation mit R A x B definiert als

R / ao = (ai, bj) R (ao, bj) R, bj B

Da ai fest ist, kann dies auch verkürzt ausgedrückt werden:

B / ao = bj B (ao, bj) R

Die Division kann als Sonderfall der Restriktion für die Bedingung

R / ao = R [ ai = ao ] = [ A = ao ] R

gesehen werden.



Sprachen für die relationale DatenstrukturZur Manipulation von relationalen Datenstrukturen ist eine Manipulationssprache notwendig. Hierbei kann unterschieden werden in• prozedurale Sprache: = Relationenalgebra• deskriptive Sprache : = Relationenkalkül• graphik-orientierte Sprache:= Beispielsprache

• Die Relationenalgebra basiert auf den Operationen, die bereits beschrieben wurden. Es können mehrere Operationen hintereinander ausgeführt werden. Die Abarbeitung erfolgt von rechts nach links, wenn durch Klammern keine andere Reihenfolge vorgegeben ist.



Das Relationenkalkül

Das Relationenkalkül basiert im Prinzip auf der Operation "Restriktion". Es wird über eine Bedingung, die auf die Attributwerte anzuwenden ist, die Teilmenge der Tupel spezifiziert, die selektiert werden soll. Die allgemeine Form lautet

x B (x)



Beispiel: RelationenkalkülSuche alle Mitarbeiter (Teilmenge der Mitarbeiter), die nicht in Dresden wohnen und Lohnsteuerklasse 1 haben. x x Mitarbeiter, Wohnort = Dresden Lohnsteuerklasse = 1

TM

1 2

Name

KleinWalter

Vorname

Otto Anna

Wohnort

RadebergZittau

Beruf

MalerLehrerin

Pers-Nr.10752090

Steuer-klasse 1 1

Ge-schlecht m w

Ge-schlechtmmmmmw


Name


Vorname

Hans Rolf Otto Fritz Anton Anna

Wohnort

DresdenFreibergRadebergDresdenFreibergZittau

Beruf

MüllerBäckerMalerPolitikerStudentLehrerin

Pers-Nr.101510551075201520202090

Steuer-klasse 1 3 1 3 5 1

Ge-schlecht m m m m m w

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