Bauinformatik Informationsmanagement

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1 Bauinformatik Informationsmanagement Relationale und objektorientierte Datenstrukturen im Bauwesen 6. Semester 3. Vorlesung Relationale Datenstrukturen I Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer Nürnberger Str. 3a. OG, Raum 04 TU TU Dresden - Institut - für für Bauinformatik

2 Übersicht ) Abstraktionsmodel ) Relationen : innerhalb einer Tabelle 3) Relationen : zwischen mehreren Tabellen 4) Attribute und Schlüsselkonzept 5) Assoziationsrelationen => Regeln für einen guten Datenbankentwurf 6) Rekursive Relationen und Relationentransformation Folie-Nr.:

3 Abstraktionsmodell Bestandteile Abstraktionstiefe (wie detailliert bilde ich ab) LoD: Level of Detail Datenobjekte (alle Objekte der Abstraktionsebene) Relationen (Abhängigkeiten zwischen den Objekten) Modellbeschreibungssprache (zur formalen Beschreibung) z.b. Daten-Objekte in EXPRESS Operation/Algorithmen in Struktogrammen Bis hierher wird noch keine Programmiersprache benötigt. Dies ist alles programmiersprachenunabhängig. Analog: Mathematische Gleichungen (Vektor-/Matrix-, Tensor-, Integral-, Differential- oder Funktions-Schreibweise)

4 Anwendungsmodelle im Lebenszyklus LoD Level of Detail =Abstarktionstiefe Anwendungsmodelle sind eine Momentaufnahme der Information zu einem bestimmten Zeitpunkt, sind die Summe mehrerer Fachmodelle (Domänemodelle) mit jeweils einen bsetimmten LoD aufweisen. Die Verknüpfung der Domänemodelle zu einem Anwendungsmodell erfolgt über Relationen. Die Summe dieser Relationen ist das Linkmodell (z.b. umgesetzt in itwo) Folie-Nr.: 4

5 Einsatz von Multimodellen AN AG MMC MMC Modellierung modellorientierte Mengenermittlung Kalkulation Termin- und Ressourcenplanung Geometrie Mengen Leistungsverzeichnis Kalkulation Terminplan Bauwerksstruktur Mengen Leistungs- und Kostenstruktur Vorgangsstruktur

6 Einsatz von Multimodellen Mefisto-Szenario: Angebotsbearbeitung Prozesse zur Angebotsbearbeitung Bedeutung der modellorientierten Mengenermittlung AN AG MMC MMC Modellierung modellorientierte Mengenermittlung Kalkulation Termin- und Ressourcenplanung Geometrie Mengen Leistungsverzeichnis Kalkulation Terminplan Bauwerksstruktur Mengen Leistungs- und Kostenstruktur Vorgangsstruktur

7 Einsatz von Multimodellen Mefisto-Szenario: Angebotsbearbeitung Prozesse zur Angebotsbearbeitung Bedeutung der modellorientierten Mengenermittlung AN AG MMC MMC Modellierung modellorientierte Mengenermittlung Kalkulation Termin- und Ressourcenplanung Geometrie Mengen Leistungsverzeichnis Kalkulation Terminplan Bauwerksstruktur Mengen Leistungs- und Kostenstruktur Vorgangsstruktur

8 Einsatz von Multimodellen Mefisto-Szenario: Angebotsbearbeitung Prozesse zur Angebotsbearbeitung Bedeutung der modellorientierten Mengenermittlung AN AG MMC MMC Modellierung modellorientierte Mengenermittlung Kalkulation Termin- und Ressourcenplanung Geometrie Mengen Leistungsverzeichnis Kalkulation Terminplan Bauwerksstruktur Mengen Leistungs- und Kostenstruktur Vorgangsstruktur

9 Vertikale Links LM Stockwerke BIM d: BIM, m: Raumstruktur, f: ifc, l: LoD 3, p: Planung Detailierung LM Stockwerke Bauelemente OG 3-> BIM d: BIM, m: Raumstruktur, f: ifc, l: LoD 3, p: Planung BIM d: BIM, m: Raumstruktur, f: ifc, l: LoD 4, p: Planung LM Stockwerke BIM Stockwerke BIM Bauelemente OG 3-> BIM

10 Relationen Relationale Datenbanken sind auf dem Prinzip Relation (= Beziehung, Zusammengehörigkeit, Bezug) aufgebaut. So besteht zwischen den einzelnen Werten: 00 Industriehalle Neudorf 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 (Sicht) beschreiben. Die Werte stehen in einer gewissen logischen Relation, die nicht mathematischer Natur ist (Zahlenraum), sondern rein beschreibender Natur (Information). Folie-Nr.: 0

11 Relationen Alle zulässigen Relationen ordnen und begrenzen den mehrdimensionalen Werteraum der aus dem kartesischen Produkt z.b. aller Objekt-Nummern x aller baulichen Objekte y aller Orte z... entsteht. Diese Ordnung ist eine (z. B. Raumbuch, Gebäude- Ordnung nach Themen verwaltung, Geoinformationssysteme) bzw. eine Klassifikation nach Klassen (z. B. JAVA - 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 beschreiben, d.h. ein virtuelles Abbild der Wirklichkeit erzeugen, gibt es noch die Synonyme Entität = Ding, Sache, Objekt Ein Relationstyp definiert eine Entität, ein Objekt, eine Sache. Folie-Nr.:

12 Relationen definieren die Dinge der Welt. Die Relation formt eine Einheit, die es uns bzw. dem Computer ermöglicht, Dinge erkennen zu können, z.b. ist es ein Arbeiter oder ein Kommunikationsmittel oder eine Kommunikationsform. Arbeiter Name Beruf Alter Baumaschinen Name Typ Leistung Alter Kommunikationsformen Name Form Leistung Baumaterialien Name Dichte U-Wert Kommunikationsmittel Name Typ Leistung Folie-Nr.:

13 Relationen Es gibt noch eine zweite Stufe von Relationen, Es sind die Relationen zwischen den Entitäten, die Links, die Beziehungen zwischen den Dingen der Welt darstellen. Arbeiter bedienen Baumaschinen beeinflussen einsetzen verarbeiten Kommunikationsformen benötigen Baumaterial Kommunikationsmittel Folie-Nr.: 3

14 Relationen Dies prägte den Begriff Entity-Relationship Model = ER Model Die Relationen werden nicht explizit durch semantische Zeiger, sondern über Attribute, die in beiden Entitäten in identischer Form vorkommen, umgesetzt (s. Fremdschlüssel). Arbeiter Arb-Nr Name Arb-Nr Fahrer Baumaschine Masch.-Nr. Name Arb-Nr (Fahrer) Die Entitäten können so eindeutig verknüpft werden, die Bedeutung der Relation selber ist nicht eindeutig festgelegt. Obige Relationen könnte sowohl besitzt, als auch bedient bedeuten. Damit entstehen Relationstypen, in die in der objektorientierten Modellierung unterschieden wird. Folie-Nr.: 4

15 Relationen sind Assoziationen. Eine Assoziation legt fest, wie viele Tupel (= Datensätze = Relationen ) einer Tabelle zu einem Tupel einer anderen Tabelle gehören. Dies wird als Kardinalität bezeichnet Baufahrzeuge (Tabelle ) FNr Bezeich- nung Bau- Typ - jahr Kran AK Bagger Kipper R 4 KF LKW BR ANr 5 LKW RX Kipper KF LKW L Kardinalität = Arbeitskräfte (Tabelle ) ANr Name Müller Lehmann Vorname Andy Jens 3 Berger Paul 4 Altmann Peter 5 Meyer Jens Folie-Nr.: 5

16 Hier geht es weiter 3.VO Informationsmanagement Folie-Nr.: 6

17 Relationen Wir unterscheiden zwischen 4 Assoziationstypen: Assoziationstyp Anzahl Tupel der Tabelle einfache Assoziation genau Tupel () c konditionelle Assoziation kein oder Tupel (0/) m multiple Assoziation mindestens Tupel ( ) mc multipel-konditionelle Assoziation beliebig viele Tupel ( 0) Folie-Nr.: 7

18 Relationen Aus den 4 Assoziationstypen ergeben sich 6 Relationstypen: die klassifiziert werden in: R /R c m mc - c- m- mc-.hierarchische Beziehungen c -c c-c m-c mc-c.konditionelle Beziehungen m -m c-m m-m mc-m 3.netzwerkförmige mc -mc c-m m-mc mc-mc Beziehungen Da die Matrix symmetrisch ist, verbleiben 0 verschiedene Relationstypen. Zusätzlich gibt es noch rekursive Beziehungen, die in einen der 0 Relationstypen umgewandelt werden können. Folie-Nr.: 8

19 Relationen Die Relationstypen bestimmen: Abhängigkeit zwischen den Tabellen und damit die Komplexität der Grundfunktionen (Datenbanksoftware) Komplexität einer Transaktion (Zusatzprogramme) Daher beschränkt man sich auf möglichst wenige einfache Relationstypen. Dies ist möglich, da sich die konditionellen netzwerkförmigen in hierarchische Relationstypen umwandeln lassen. Im ER-Modell sind nur die 4 hierarchische Relationen erlaubt: c m - mc Folie-Nr.: 9

20 Attribute und Schlüsselkonzept Relationen sind (im mathematischen Sinne) Mengen von Tupeln. Es darf daher niemals zwei Tupel (Datensatz/Zeile) mit identischen Attributwerten geben. Die einzelnen Tupel müssen identifiziert werden können um sie voneinander zu unterscheiden und die Mengeneigenschaft zu garantieren. Die Identifikation erfolgt im Relationenmodell über das Schlüsselkonzept Es gibt 3 Arten von Attributen (min:max-anzahl von Attributen) Identifikationsschlüssel (:n) auch Primärschlüssel genannt Fremdschlüssel (0:n) Weitere beschreibende (0:n) Folie-Nr.: 0

21 Attribute und Schlüsselkonzept Schreibweise (soll): Entitätsname (Id-Schlüssel, Fremdschlüssel, Attribut i,..) Beispiel: T=Baustelle, weitere Entitäten: T=Arbeiter, T3=Baumaschinen, T4= Einsatzort T (F-T, F-T3, F-T4, x, y, z) F-T F-T3 F-T4 A Zur Kennzeichnung werden die ID-Attribute unterstrichen T (F-T, F-T3, F-T4, x, y, z) Attributwerte im ID, die nicht doppelt vorkommen dürfen werden -fach unterstrichen T (F-T, F-T3, F-T4, x, y, z) ID sollte auf F-T4 begrenzt werden T (F-T4, F-T, F-T3, x y, z) Folie-Nr.:

22 Attribute: ID-Schlüssel Der ID-Schlüssel soll die Identität eines Tupels eindeutig bestimmen.. Eindeutigkeit: Der Schlüssel muss eindeutig sein. Es darf kein Wert doppelt vorkommen, falls der Schlüssel aus Attribut besteht. keine Wertekombination doppelt vorkommen, falls der Schlüssel aus n Attributen besteht.. Redundanz : Es darf keine Redundanz bestehen. Der ID-Schlüssel darf nur aus so vielen Attributen bestehen, dass nur einmal einmalige Kombinationen möglich sind. Daraus ergibt sich, dass Attribute oder Attribut-Kombinationen, die keine doppelten Werte aufweisen, dürfen den ID-Schlüssel bilden können. Ihre Einmaligkeit ist durch separate Maßnahmen zu sichern. Bauinformatik II, Softwareanwendungen Folie-Nr.: ;. Vorlesung

23 Attribute: Fremdschlüssel Ein Fremdschlüssel bezüglich einer Relation R ist ein (ggf. (ggf. zusammengesetztes) Attribut FS einer Relation R, für das zu jedem Zeitpunkt gilt: Zu jedem Wert ( 0) von FS muss ein gleicher Wert des Primärschlüssels PS oder eines Schlüsselkandidaten SK in irgendeinem Tupel von R enthalten sein. Ein Schlüsselkandidat (engl. candidate key) ist eine minimale Menge von Attributen, die die Tupel (Datensätze) einer Relation eindeutig identifiziert. Ein Fremdschlüssel ist ein Zeiger (Pointer) Anmerkungen: Viele DB-Softwaresysteme lassen abgeschwächte Regeln zu: Fremdschlüssel können Nullwerte aufweisen, wenn sie nicht Teil eines Primärschlüssels sind. Schlüsselkandidaten können Nullwerte aufweisen, wenn nicht explizit NOT NULL definiert ist. Eine Relation kann mehrere Fremdschlüssel besitzen, die die gleiche oder verschiedene Relationen realisieren. Referenzierte und referenzierende Relationen sind nicht notwendig verschieden (Selbstreferenz) Folie-Nr.: 3

24 - Relation Arbeitskräfte Baufahrzeuge Arbeitskräfte ANr Name Müller Lehmann Berger Vorname Andy Jens Paul FNr 4 Altmann Peter 3 Meyer Jens 5 Baufahrzeuge FNr Bezeich- Typ Baunung - jahr Kran AK Bagger Kipper R KF LKW BR LKW RX ANr Kurzschreibweise: Arbeitskräfte (ANr, Name, Vorname, FNr) Baufahrzeuge (FNr, Bezeichnung, Typ, Baujahr, ANr) Vereinfachung: Beide Tabellen können zu einer Tabelle zusammengefasst werden. Nachteil: Baufahrzeuge würde zu einer Eigenschaft des Arbeiters werden. Folie-Nr.: 4

25 -c Relation Arbeitskräfte c Baufahrzeuge Arbeitskräfte ANr Name Müller Lehmann Vorname Andy Jens 3 Berger Paul 4 Altmann Peter 5 Meyer Jens Baufahrzeuge FNr Bezeich- Bau- Typ - 3 Kran Bagger Kipper AK R KF ANr 3 4 Arbeitskräfte (ANr, Name, Vorname) Baufahrzeuge (FNr, Bezeichnung, Typ, Baujahr, ANr) ANr Name FNr Müller Lehmann leer 3 Berger 4 Altmann 3 5 Meyer leer oder auch: VORSICHT Arbeitskräfte (ANr, Name, Vorname) Baufahrzeuge (ANr, Bezeichnung, Typ, Baujahr) Baufahrzeuge sind nicht mehr unabhängig verwaltbar Arbeitskräfte (ANr, Name, Vorname, FNr) Baufahrzeuge (FNr, Bezeichnung, Typ, Baujahr) ist nicht erlaubt, da Nullwerte entstehen. Folie-Nr.: 5

26 -m Relation Jede Arbeitskraft kann oder mehrere Baufahrzeuge bedienen Arbeitskräfte m Baufahrzeuge Arbeitskräfte ANr Name Müller Lehmann Vorname Andy Jens 3 Berger Paul 4 Altmann Peter 5 Meyer Jens Baufahrzeuge FNr Bezeich- nung Bau- Typ - jahr Kran AK Bagger Kipper R 4 KF LKW BR ANr 5 LKW RX Kipper KF LKW L Arbeitskräfte (ANr, Name, Vorname) Baufahrzeuge (FNr, Bezeichnung, Typ, Baujahr, ANr) Folie-Nr.: 6

27 -mc Relation Jede Arbeitskraft kann 0, oder mehrere Baufahrzeuge bedienen Arbeitskräfte mc Baufahrzeuge Arbeitskräfte ANr Name Müller Lehmann Vorname Andy Jens 3 Berger Paul 4 Altmann Peter 5 Meyer Jens Baufahrzeuge FNr Bezeich- nung Bau- Typ - jahr Kran AK Bagger Kipper R 4 KF ANr 4 LKW BR LKW RX Kipper KF LKW L Arbeitskräfte (ANr, Name, Vorname) Baufahrzeuge (FNr, Bezeichnung, Typ, Baujahr, ANr) Folie-Nr.: 7

28 c-mc Relation Jede Arbeitskraft kann kein, oder mehrere Baufahrzeuge bedienen. Jedes Baufahrzeug kann von keiner oder Arbeitskraft bedient werden. Arbeitskräfte mc c mc Baufahrzeugfahrer Baufahrzeuge c-mc Relation erzwingt Nullwerte VERBOTEN Umwandlung (Transformation) in (-mc) und (-c) bedingt Einführung einer neuen Entität c Arbeitskräfte ANr Name Müller Lehmann Vorname Andy Jens Paul 3 Berger Altmann Peter Meyer Jens Baufahrzeugfahrer FNr ANr Baufahrzeuge FNr Bezeich- nung Bau- Typ - jahr Kran AK Bagger Kipper R 4 KF ANr 4 LKW BR LKW RX Kipper KF LKW 999 L-86 Arbeitskräfte (ANr, Name, Vorname) Baufahrzeuge (FNr, Bezeichnung, Typ, Baujahr) Baufahrzeugfahrer (FNr, ANr) Folie-Nr.: 8

29 Transformation von Relationen Bildungsgesetz zur Umwandlung in hierarchische Relationen: () Generiere eine neue Tabelle () Die Schlüsselattribute der beiden alten Tabellen sind Fremdschlüssel in der neuen Tabelle (3) Die Kardinalitäten der alten Tabellen werden jeweils (4) Die ursprünglichen Kardinalitäten der alten Tabellen werden zu den Kardinalitäten an den neuen Tabellen und zwar indem die ursprüngliche Relation zwischen den alten Tabellen in zwei Relationen aufgespalten und diese auf die neuen Tabellen gerichtet ( gedreht ) werden, wobei die Kardinalität an den alten Tabellen verbleibt Tab nicht hierarchische Relation n m Tab Tab Indirekt rekursive Relation => => n m Tab Tab hierarchische Relation m n Tab Tab3 Folie 9