Informationsmanagement u. Numerische Methoden

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1 Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Bauinformatik, Prof. Dr.-Ing. Raimar J. Scherer Informationsmanagement u. Numerische Methoden Relationale und Objekt-orientierte Datenstrukturen 6. Semester 1. Übung: Relationale Datenstrukturen I

2 Informationsmanagement u. Numerische Methoden Relationale und Objekt-orientierte Datenstrukturen Institut für Bauinformatik Prof. Dr.-Ing. Raimar J. Scherer Bürogebäude Nürnberger Ei Nürnberger Str. 32a, 2. OG Dipl.-Ing. Frank Opitz Tel: Zimmer: 210 ÜO Informationsmanagement Einführung Folie 2

3 Übersicht Lehr- bzw. Übungsinhalte 1) Relationale Datenstrukturen a) Datenbanken/ DB-Systeme/ DB- Managementsysteme b) Relationen-Theorie und Normalisierung c) Datenbankentwurf d) Datenbankabfragesprache SQL i. Datendefinitionssprache (DDL) ii. iii. Datenmanipulationssprache (DML) Datenaufsichtssprache (DCL) 2) Objekt-orientierte Datenstrukturen a) Modellieren mit EXPRESS /EXPRESS-G b) IFC-Datenmodell (Industry Foundation Classes) c) Datenaustausch mit SPF (Step Physical File Format) ÜO Informationsmanagement Einführung Folie 3

4 Übersicht 1) Literaturhinweise Teil Rel. Datenstrukturen 2) Daten im Bauwesen 3) Nachteile von Dateisystemen 4) Grundbegriffe 5) Vorteile von Datenbanksystemen 6) Nachteile von Datenbanksystemen 7) Warum MS Access? 8) Aufgaben: Anlegen einer Datenbank Baunternehmen (SQL-DDL: create, alter, drop erstellen, ändern, löschen) 9) Integritätsbedingungen 10) Aufgaben: Eintragen und Ändern der Daten (SQL- DML: insert, update, delete) Folie 4

5 Literaturhinweise Literatur (Datenbanken u. SQL): (1) G. Pernul & R. Unland: Datenbanken im Unternehmen Analyse, Modellbildung und Einsatz, 2. Aufl., Verlag Oldenburg, 2003 (2) E. Schicker: Datenbanken und SQL : eine praxisorientierte Einführung mit Hinweisen zu Oracle und MS-Access, Teubner Verlag, 2000 (3) G. Matthiessen & M. Unterstein: Relationale Datenbanken und Standard- SQL : Konzepte der Entwicklung und Anwendung, 4. Aufl., Verlag Addison Wesley, 2008 Lernmaterial SQL im WWW: (1) (2) (engl. sprachig) (3) Folie 5

6 Daten im Bauwesen schon bei kleinen bis mittleren Bauvorhaben Datenmengen im GB-Bereich effiziente Strukturierung u. Verwaltung erforderlich Problematik unstrukturierter Daten Datensalat, z.b. Word- oder Excel-Dateien mit allen Projektinformationen Verwaltung und Strukturierung großer Datenmengen: Projekt-, Dokumenten-, Facilitymanagement etc. Betreiber Architektur Statik Behörden Gutachter/Prüfer Hersteller/Lieferanten Vermessung Elektro HKLS (relationale) Datenbanken als Grundlage für Informationsund Managementsysteme im Bauwesen Folie 6

7 Nachteile von Dateisystemen Wiederholte Speicherung gleicher Daten (Redundanz) Integritäts- u. Konsistenzprobleme (Mehrbenutzerbetrieb) erhöhter Speicherplatzbedarf erhöhter Verwaltungsaufwand erhöhte Kosten Verantwortung des Programmierers für Datenintegrität Datensicherheit effizienten Zugriff Bindung von Datenstrukturen an Programmstrukturen/-funktionen Hoher Änderungsaufwand Problem der Interoperabilität Bedienung bedarfsabhängiger Sichten nur bedingt möglich Folie 7

8 Grundbegriffe Datenbank (DB) eine sehr große integrierte Sammlung von Daten Beschreibt einen Ausschnitt aus der realen Welt: Entitäten (z.b. Studenten, Kurse) Beziehungen (z.b. Student besucht Kurs) Datenbank-Management-System (DBMS) Software-Paket zum Speichern und Verarbeiten von Datenbanken (Einfügen, Lesen, Ändern und Löschen von Daten) Beispiele: Oracle, DB2 (IBM), MS SQL-Server Datenbank-System (DBS) DBS = DBMS + DB Ermöglicht die anwendungsübergreifende Nutzung von Daten Isoliert Anwendungsprogramme von Hardware und Betriebssystem (und deren Änderungen) Datenbankmodell (DM) Struktur Operationen Konsistenzregeln der Daten Folie 8

9 Vorteile von Datenbanksystemen Datenunabhängigkeit von Programmen, Wiederverwendbarkeit, effizienter Zugriff Einheitliche Datenadministration, Kontrolle der Datenintegrität Vermeidung von Redundanzen, geringerer Aufwand bei Änderungen Erzeugung unterschiedlicher, bedarfsabhängiger Sichten auf dieselben Daten - Filtern Verminderte Entwicklungszeit hohe Skalierbarkeit Datensicherheit und Zugriffskontrolle auf die Daten (Korrektheit bei fehlerhaftem Ablauf einzelner Anwendungen und Systemabsturz) Folie 9

10 Nachteile von Datenbanksystemen General-Purpose Software oft weniger effizient als spezialisierte Software Bei konkurrierenden Anforderungen kann DBS nur für einen Teil der Anforderungsprofile optimiert werden Kosten: DBMS und zusätzliche Hardware, z.b. Logging-, Backup-Systeme Hochqualifiziertes Personal (DB-Administration) Verwundbarkeit durch Zentralisierung (Ausweg: Verteilung) Folie 10

11 Warum MS Access? I.d.R. überall verfügbar Kompatibel mit gängiger MS Office-Software (Excel, Word etc.) Erstellung von DB-Anwendungen ohne Programmieraufwand Relevanz für kleinere und mittlere Unternehmen Unterstützt relationales Datenbankmodell SQL-basiert: Komplexere Abfragen auch mit SQL-Anweisungen möglich Erweiterbar durch Microsoft SQL-Server Externer Zugriff auf Access-DBs mittels vorhandener Schnittstellen z.b. für Visual Basic, Delphi Es existiert eine Vielzahl ähnlicher Produkte (z.b. Base in LibreOffice) Folie 11

12 Anlegen der Datenbank Bauunternehmen Beschäftigte Betonsorten PersNr Name Vorname Tätigkeit Ahrend Gerd Maurer Bayer Andreas Kranführer Berger Sven Kranführer Czerny Petra Baggerführer Müller Felix Bauleiter Müller Paul Gerüstbauer Berger Bert Baggerführer Bauobjekte ObjNr Bauliches Objekt 1 Wohnpark I 2 Stadtvilla 3 Wohnpark II BNr Qualität Preis 1 C15/20 200,7 2 C20/25 196,5 3 C25/30 197,2 4 C35/ Baumaschinen MNr Bezeichnung Typ Wert 1 Planierraupe PL 20/ Turmdrehkran TK Autokran ADK Bagger BG Einf.haus Wendt 5 Stadthaus 6 Einf.haus Wagner 5 Bagger BG Str.baumasch. H 1/ Mischfahrzeug HR Folie 12

13 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen a) Anlegen der Tabelle Beschäftigte in der MSA-Entwurfsansicht b) Anlegen der Tabelle Beschäftigte mit SQL c) Festlegung der Integritätsbedingungen Beschäftigte PersNr Name Vorname Tätigkeit Ahrend Gerd Maurer Bayer Andreas Kranführer Berger Sven Kranführer Czerny Petra Baggerführer Müller Felix Bauleiter Müller Paul Gerüstbauer Berger Bert Baggerführer Folie 13

14 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen b) Anlegen der Tabelle Beschäftigte mit SQL CREATE TABLE Beschäftigte ( PersNr integer, Vorname char(40), Nachname char(50), Tätigkeit char(100)); Folie 14

15 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen b) Anlegen der Tabelle Beschäftigte mit SQL CREATE TABLE Beschäftigte ( PersNr integer, Vorname char(40), Nachname char(50), Tätigkeit char(100)); Definition Primärschlüssel fehlt! CREATE TABLE Beschäftigte ( PersNr integer PRIMARY KEY, Vorname char(40), Nachname char(50), Tätigkeit char(100)); Folie 15

16 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen c) Festlegen der Integritätsbedignungen Sehr große Datenmengen hohe Wahrscheinlichkeit für Fehler DBMS unterstützt durch Integritätsbedingungen das Erkennen nicht korrekter Daten bzw. Situationen und hilft diese zu verhindern. Statische Bedingungen, die in einem Zustand erfüllt sein müssen, damit er gültig ist Dynamische Bedingungen, die beim Übergang von einem in einen anderen Zustand beachtet werden müssen. Beispiele: - Anzahl der Semester muss > 0 sein - Betonpreis von C12/15 muss < sein als der von C20/25 Beispiele: - Anzahl der Semester einer/s Stud. darf nicht kleiner werden - Betonpreise dürfen innerhalb von einem Jahr nicht mehr als 15% steigen Folie 16

17 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen c) Festlegen der Integritätsbedignungen Statische 1) Wertebereichseinschränkungen von Attributen - NOT NULL, DEFAULT, CREATE DOMAIN etc. 2) Eindeutigkeit von Attributwerten - UNIQUE, PRIMARY KEY 3) Fremdschlüsselbedingungen (vgl. Referentielle Integrität) - FOREIGN KEY Klausel 4) Allgemeine Integr.-Bedingungen (Tabellenzusicherungen) - CHECK-Klausel (spalten- und tabellenbzw. zeilenbezogen) Dynamische 1) Trigger: Festlegung von ereignisgesteuerten Folgeaktionen für Änderungsoperationen (INSERT, UPDATE, DELETE) 2) Allgemeine (tabellenübergreifende) Zusicherungen (ASSERTION) werden ohne direkten Kontext auf Schemaebene definiert 3) Datenbankprozeduren (Stored Procedures) eine beliebige, in einer konventionellen Programmiersprache geschriebene Prozedur (d.h. Ausführung nur bei explizitem Aufruf) Folie 17

18 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen c) Festlegen der Integritätsbedignungen Was passiert bei verletzten Integritätsbedingungen? 1) Standardreaktion: ROLLBACK, d.h. alle Änderungen einer Transaktion werden zurückgenommen (Alles oder Nichts Prinzip). 2) Spezifikation von Folgeaktionen (um Einhaltung der Integr.-Bed. zu erreichen): SQL92: deklarative Festlegung referentieller Folgeaktionen (CASCADE, SET NULL,...) SQL99: Trigger (sind eine wesentlicher Mechanismus in DBS) DB-Prozeduren 3) Verallgemeinerte Regeln für Folgeaktionen durch ECA-Rules (Event / Condition / Action) in aktiven DBS Folie 18

19 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen c) Festlegen der Integritätsbedignungen CREATE TABLE Beschäftigte ( PersNr integer UNIQUE NOT NULL, Vorname char(40), Nachname char(50), Tätigkeit char(100)); konventionelle Definition des Primärschlüssels Nutzung von NOT NULL und UNIQUE als (spaltenbezogene) Integritätsbedingungen, z.b.: CREATE TABLE Beschäftigte ( PersNr integer PRIMARY KEY, Vorname char(40), Nachname char(50) Steuernummer char(10) UNIQUE, Tätigkeit char(100) NOT NULL); Wird dann als Schlüsselkandidat (oder auch Sekundärschlüssel) bezeichnet Folie 19

20 Aufgabe 1: Erstellen einer Datenbank Bauunternehmen c) Festlegen der Integritätsbedingungen Festlegen des Wertebereiches für eine Spalte (Feld) mit der CHECK-Klausel: (in MS Access nur über Entwurfsansicht Feldeigensch.: Gültigkeitsregel) CREATE TABLE Beschäftigte ( PersNr integer PRIMARY KEY CHECK (VALUE BETWEEN AND 20000), Vorname char(40), Nachname char(50) Tätigkeit char(100) NOT NULL); Einschränkung des Wertebereiches für die Spalte PersNr: die ckeck-klausel weist das DBS an, bei Eingabe der Daten deren Zulässigkeit gemäß der Gültigkeitsregel zu überprüfen Folie 20

21 Aufgabe 2: Hinzufügen der Tabellen a) Bauobjekte b) Baumaschinen c) Betonsorten Betonsorten BNr Qualität Preis 1 C15/20 200,7 2 C20/25 196,5 3 C25/30 197,2 4 C35/ Bauobjekte ObjNr Bauliches Objekt 1 Wohnpark I 2 Stadtvilla 3 Wohnpark II 4 Einf.haus Wendt 5 Stadthaus 6 Einf.haus Wagner Baumaschinen MNr Bezeichnung Typ Wert 1 Planierraupe PL 20/ Turmdrehkran TK Autokran ADK Bagger BG Bagger BG Str.baumasch. H 1/ Mischfahrzeug HR Folie 21

22 Aufgabe 3: Ändern der Tabelle Baumaschinen Erweiterung um das Attribut Stundensatz Baumaschinen MNr Bezeichnung Typ Wert 1 Planierraupe PL 20/ Turmdrehkran TK Autokran ADK Bagger BG Bagger BG Str.baumasch. H 1/ Mischfahrzeug HR Folie 22

23 ALTER Mit der ALTER TABLE Anweisung können in vorhandenen Tabellen Spalten hinzugefügt, gelöscht und verändert werden. Hinzufügen einer Spalte: Löschen einer Spalte: Ändern (des Datentyps) einer Spalte: ALTER TABLE Tabellenname ADD Spaltenname Datentyp; ALTER TABLE Tabellenname DROP Spaltenname; ALTER TABLE Tabellenname ALTER Spaltenname Datentyp_neu; Folie 23

24 Aufgabe 3: Ändern der Tabelle Baumaschinen Erweiterung um das Attribut Stundensatz a) ALTER TABLE Baumaschinen ADD Stundensatz single; Folie 24

25 Aufgabe 4: Erweitern der Tabelle Baumaschinen a) Eingabe der Werte mit INSERT b) Eintragen der Stundensätze: 1) 0,1 % des Wertes bei Wert < ) 0,03 % des Wertes bei Wert zwischen und ) 0,02 % des Wertes bei Wert > Baumaschinen MNr Bezeichnung Typ Wert Stundensatz 1 Planierraupe PL 20/ Turmdrehkran TK Autokran ADK Bagger BG Bagger BG Str.baumasch. H 1/ Mischfahrzeug HR Folie 25

26 Aufgabe 4: Erweitern der Tabelle Baumaschinen a) Eingabe der Werte mit INSERT INSERT INTO Baumaschinen (MNr, Baumaschine, Typ, Wert) VALUES (1, Planierraupe, PL 20/40, 75000); Baumaschinen MNr Bezeichnung Typ Wert Stundensatz 1 Planierraupe PL 20/ Turmdrehkran TK Autokran ADK Bagger BG Bagger BG Str.baumasch. H 1/ Mischfahrzeug HR Folie 26

27 UPDATE Mit der UPDATE Anweisung können vorh. Einträge (Datensätze) in Tabellen aktualisiert werden. UPDATE Tabellen_Name SET Spalten_Name = Wert WHERE Bedingung; Name der betreffenden Tabelle Zuweisung von Werten zu Spalten; Werte können über mathematische Operationen in Abhängigkeit der Werte anderer Spalten definiert werden Zuweisungsbedingung: definiert die Zeilen, in denen die entsprechenden Werte geändert werden sollen Folie 27

28 Aufgabe 4: Erweitern der Tabelle Baumaschinen b) Eintragen der Stundensätze: 1) 0,1 % des Wertes bei Wert < ) 0,03 % des Wertes bei Wert zwischen und ) 0,02 % des Wertes bei Wert > ) UPDATE Baumaschinen SET Baumaschinen.Stundensatz=0.0003*Baumaschinen.Wert WHERE *) Baumaschinen.Wert> AND Baumaschinen.Wert<=700000; *) alternativ: WHERE Baumaschinen.Wert BETWEEN AND Hinweis: INSERT nicht möglich, da hiermit neue Zeilen/ Daten- Sätze eingefügt werden und bestehende Datensätze nicht geändert werden können. Folie 28

29 Aufgabe 4: Erweitern der Tabelle Baumaschinen b) Eintragen der Stundensätze: 1) 0,1 % des Wertes bei Wert < ) 0,03 % des Wertes bei Wert zwischen und ) 0,02 % des Wertes bei Wert > ) UPDATE Baumaschinen SET Baumaschinen.Stundensatz=0.001*Baumaschinen.Wert WHERE Baumaschinen.Wert<100000; 3) UPDATE Baumaschinen SET Baumaschinen.Stundensatz=0.0002*Baumaschinen.Wert WHERE Baumaschinen.Wert>700000; Folie 29

30 DROP & DELETE DROP TABLE Tabellenname; löscht Tabellen DELETE FROM Tabellenname WHERE Bedingung; löscht Datensätze Folie 30

31 Anhang: Datentypen SQL-Datentypen in MS Access und ihre Spezifikation Quelle:

32 Anhang: Datentypen ANSI SQL-Datentypen, gleichwertige MS Access Datentypen und gültige Synonyme, Gleichwertige MS SQL Server Datentypen Quelle:

33 DB-Schemaarchitektur (nach ANSI) Nutzer-/Anwendungspez. Sichten auf das konzeptionelle Schema Auf Basis des DB-Modells entwickelte logische Beschreibung des Realweltausschnittes Legt Speicherungsstrukturen und Zugriffspfade bzw. Indexstrukturen für schnelleren Datenzugriff fest. Für (normalen) DB-Nutzer nicht relevant und nicht sichtbar.

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