基于PowerDesigner数据库设计实践

1概述

1.1数据的组织形式

曾经的软件工程书中将软件等价于代码加上数据。由此可见代码和数据是构成软件的要素。我想用“静若处子，动若脱兔”来形容数据和代码会比较形象：数据是记录对象某时刻点的静态快照，例如一张表单；而实现业务的代码便是看不见的一只手，操作并改变着数据。

数据按存储形式可分为：文件型，如XML、JSON、Cookie等；数据库型，如SQL Server、Oracle、Sqlite等；内存型，如Session会话。

按组织形式可分为：层次模型，采用树形结构表示数据与数据间的联系，一个节点代表一条记录，根节点以外的其他节点有且仅有一个双亲节点；网状模型，采用网状结构表示数据与数据间的联系，允许一个以上的节点无双亲，一个节点可以有多个双亲；关系模型，用表结构表达实体集以及实体集之间的联系。关系模型与前两者最大的差别是用主码代替指针导航数据。

不难看出无论数据如何组织，不同的数据模型都关注两点：数据以及数据间的联系。

1.2分析案例

为有效保护耕地，成都市国土资源局决定建立成都市耕地保护基础数据库，建立农户、耕地档案以加强耕地与补贴基金发放管理。

需管理数据有农业家庭户、家庭户成员、耕地三类信息。农业家庭户信息包含户号、户类型、户主姓名、户主身份证号、户所属行政区划（即权属代码）。家庭户成员信息包括姓名、身份证号、性别、出生日期、年龄、是否为土地义务人。耕地信息包括地块编号（权属代码加4位自编码组成）、耕地类型、图幅编号、图斑编号、合同面积、实测面积、直补面积、登记年份。

每户家庭包含一位或多位家庭成员，某位家庭成员仅属于一户家庭。每户家庭拥有一块或多块耕地，某块耕地属于一户或多户家庭。

2数据库设计

2.1设计内容

数据库设计属于系统总体设计和详细设计中的一项。

结合需求调研中用户提出的数据需求加以分析，在总体设计阶段的核心是形成概念模型，主要包括：现有数据梳理与分析、数据库逻辑结构、命名规则、E-R 图。在详细设计阶段是对总体设计的具体细化，主要包括：数据库物理结构与存储方案、表描述和表的属性清单等。

2.2步骤

在PowerDesigner中提供了多条设计路线、模型的相互转换（如图 2-1所示）供设计人员自由发挥。常见的流程大概有如下两种：

图2-1 CDM、PDM、OOM的关系

●设计CDM，再转换为PDM，最终生成OOM。

●设计CDM，转换为PDM、OOM，再分别细化。

本文采用第一种流程进行数据库设计实践。

3概念数据模型设计

3.1找到实体

首先将用户需求中描述的业务领域内的名词找出来，如果系统中需要存储它们的信息或状态，可能就是我们要找的业务实体对象。

根据1.2节描述，大致能确定系统至少有农业家庭户、家庭户成员、耕地三个实体。

3.2理清联系

找到实体后，根据需求描述和业务理解，将实体之间的联系用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边将有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型“一对一（1，1）、一对多（1，n）、多对多（m，n）”。

图3-1 实体间联系

3.3形成E-R图

绘出了实体和联系就搭好了E-R图的骨架，下面将系统中关注实体的属性追加到各实体上。因为E-R图是概念设计阶段的产物，所以咱们无需过多关注数据库和编程实现的细节因素，以免丢失了重点。

例如属性中是否需要实体序号（即Id），复合属性（如地块编号）的拆分，派生属性的处理（如出生日期和性别可由身份证号得出，年龄可由出生日期得出），遵从范式等等都可以放在详细设计阶段。

概念设计阶段要做的就是找到系统主要核心实体及其相互联系，并原原本本的将实体在系统中需要用到的属性标示出来。

图3-2 耕地保护系统E-R图[1]

3.4E-R图转换为CDM

概念设计阶段，E-R图更多的作为一张重要的“草图”。概念设计中需要E-R 图，但常采用概念数据模型来代替。我想可能是因为后者完全继承了E-R图所有的要素和精髓，而且能更简洁的描述属性、在详细设计和数据库生成中沿用上阶段成果。

综上所述，概念设计时可采用E-R图的思维方式直接绘制概念数据模型。E-R 图和CDM有关概念对应关系如下：

数据类型、长度、是否非空（Mandatory）设置；其二，实体最好都有主键（Primary

Indentifier），否则转换为PDM时无法自动创建参照关系（外键）；其三，“一对多”联系中可能存在的依赖联系（标定联系）。

为属性设置了数据类型，将能唯一标示实体的属性设为主键，最终形成CDM 如下。户号、地块编号分别作为农业家庭户、耕地实体的主键。虽身份证号码可唯一辨识家庭成员，但考虑可能存在录入错误需更改，便单独创建了自增编号作为主键。

图3-3 耕地保护系统CDM

4物理数据模型转换

4.1CDM生成PDM

当选定了数据库时，可将已有CDM转换为与数据库对应的PDM，继而还可由PDM生成SQL脚本来建立数据库存储结构。

在详细设计阶段，需结合系统功能实现方式来考虑数据存储，数据库设计的重心转向数据模型的物理实现。如辅助支撑表的建立、派生属性的处理、索引的建立等等。

打开CDM模型，选择Tools Generate Physical Data Model命令，选择目标DBMS点击确定即可生成PDM。转换中其对应关系如下：

生成PDM如下图，由于农业家庭户与耕地是“多对多”关系，所以系统自动生成一张新表来记录该关系。而农业家庭户与家庭成员是“一对多”关系，系统自动在家庭成员表中追加户号外键。

图4-1 耕地保护系统PDM(1)

4.2具体问题具体分析

1)冗余字段的取舍

农业家庭户表的字段设置虽然符合系统呈现数据的需要，但如果户主发生变更，我们需要变更家庭成员表中新户主为土地义务人，同时修改农业家庭户表的户主信息。如果农业家庭户表中去掉户主姓名、身份证号字段，则按户查询时需通过户号关联家庭成员表，且是土地义务人的记录中提取户主姓名、身份证号。

考虑系统查询操作为主，编辑户主信息操作频率很低，农业家庭户表保留了户主姓名、身份证号字段。

2)派生属性（传递依赖）的处理

在家庭成员表中，性别、出生日期字段依赖身份证号码字段，年龄字段部分依赖于出生日期字段。是否去掉性别、出生日期、年龄字段，在系统代码实现中提供算法实时提取性别、出生日期和年龄？

稍作分析可知：性别和出生日期是不随时间改变的，在录入时就从身份证号码中提取出来，既是身份证号码格式检查的必然需要，也提高了系统读取记录时的效率。年龄是今时与出生日期间的差值，随时间而不同，显示时实时计算最合理，所以删除年龄字段。

3)复合属性的处理

在耕地表中，主键地块编号由权属编码和4位自编码组成。权属编码即行政区划代码，由区县、乡镇、村居委会、组构成18位代码。各组内从0001开始编4位顺序码，两者组合保证了地块号唯一。

系统中需实现按权属编码的分类汇总，如按组、按村居委会等等。通过地块编号字段的字符串前缀匹配运行即可实现（如LIKE ‘510108%’），即不再单独添加权属编码字段。

4)辅助支撑表的建立

从前文中可以看出耕地、农业家庭户均按权属编码分层管理，但现数据库设计中却未考虑权属编码的存放。在系统中它常以树状结构呈现、递归方式读取记录，所以在权属代码表中需设立父节点序号等字段。

除此之外，户类型、耕地类型、性别字段值为了物理存储方便，均采用一位数字表示。但在系统中呈现时需要翻译成对应的中文含义，如男女、家庭户、集体户等。由于性别、户类型枚举项固定不变，可以考虑硬编码到代码中作为枚举类型（Enum Type）；耕地类型枚举项可能存在变动，可以数据库中建表或在XML 文件中管理。

5)其他

如果某家庭户所拥有地块减少，则需在户与耕地关系表中删除对应记录。为了保证操作可逆，系统常常设立Status字段作为逻辑删除标示。

图4-2 耕地保护系统PDM(2)

4.3生成SQL建库脚本

打开PDM模型，选择Database Generate Database命令，可生成SQL脚本或直接连接DBMS建库。

5面向对象模型生成

面向对象模型（OOM）是与编程语言密切相关的UML描述模型。它可由CDM、PDM生成类图，再由OOM生成目标语言代码。

该部分内容不在数据库设计讨论范畴，在此不再赘述。

6小结

6.1CDM、PDM、类图有关概念对应关系

时点的状态，是静态的快照。由于内存有限、系统也不可能永不停止，所以将对象的状态值放在数据库中存储，系统运行需要时再映射还原成对象。

6.2生成数据库设计文档

PowerDesigner提供了根据CDM、PDM等模型生成数据库设计文档的功能，减少了文档编写的工作量，生成文档内容主要包括模型图、所有列表项等等。选择Report Generate Report命令，可通过向导或已有模板生成文档。

6.3遵从范式

数据库设计是否需要严格遵从范式，需要达到第几范式？这个问题一直困扰着我。最终我得到的答案是合适就好，个人认为第三范式可以作为数据库设计的一般参照标准。