第三章__数据库系统与人机交互系统.ppt

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1、1/三一、一、数据库系统数据库系统1.1 数据库与数据库管理系统1.2 演绎数据库 二、二、人机交互系统人机交互系统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第三章 数据库系统与人机交互系统数据库系统与人机交互系统本章内容本章内容2/三一、数据库系统一、数据库系统1.1数据库与数据库管理系统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。数据库系统组成数据库系统组成3/三一、数据库系统一、数据库系统第三章 数据库系统与人

2、机交互数据库（数据库（DB）应用程序应用程序用用户户数数据据库库管管理理员员数据库操作数据库操作数据库操作数据库操作 数据库系统组成数据库系统组成1.1数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统4/三一、数据库系统一、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.DBDBDBDBMS1.1数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统5/三一、数据库系统一、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

3、基础数据模型的要素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数据库与数据库管理系统7/三一、数据库系统一、数据库系统第三章 数据库系统与人机交互数据模型示例（关系模型）数据模型示例（关系模型）储户关系储户关系帐户关系帐户关系 数据模型数据模型1.1数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统8/三一、数据库系统一、数据库系统第三章 数据库系统与人机交互 数据模型数据模型层次数据模型示例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N20-20612

4、 8000021 2000012 8000036 1000065 5000021 200001.1数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统11/三一、数据库系统一、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数据库管理系统功能1.1数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统1.数据定义：模式、映射、约束、规则、用户及其权限等2.数据操纵：插入、查询、删除、修改3.数据库运行管理：事务管理、安全性检查、完整性约束等4.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5.数据库的建立和维护：创建、备份、恢复、重构、性能监控6.数据通信接口：格式转换等 数

5、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数据库管理系统结构1.1数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统数据字典数据字典数据库文件集合数据库文件集合应用界面应用界面简单用户简单用户应用程序员应用程序员复杂用户复杂用户DBA等等应用程序应用程序查询查询数据库模式数据库模式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

6、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：数据库应用系统的设计可分为六个阶段：（1）系统需求分析）系统需求分析（2）概念结构设计）概念结构设计（3）逻辑结构设计）逻辑结构设计（4）物理结构设计）物理结构设计（5）数据库实施）数据库实施（6）数据库运行和维护）数据库运行和维护15/三一、数据库系统一、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

7、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与数据库管理系统 （1）系统需求分析）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与数据库管理系统 （2）概念结构设计）概念结构设计

8、 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。概念结构概念结构：独立于数据模型，独立于数据库逻辑结构，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数据库应用系统的设计和开发 （2）概念结构设计）概念结构设计 描述方法描述方法：E-R方法（EntityRelationship 实体联系），由实体、联系、属性三个成份组成。姓名姓名性别性别年龄年龄工作工作工种工种工具工具使用使用职工职工n11n用用E-R图进

9、行用户视图设计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数据库应用系统的设计和开发 （2）概念结构设计）概念结构设计 步骤：步骤：数数据据抽抽象象单单用用户户视视图图设设计计多多用用户户视视图图集集成成视视图图分分析析与与修修改改概概念念结结构构模模型型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数据库应用系统的设计和开发 （2）概念结构设计）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

10、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数据库应用系统的设计和开发 （3）逻辑结构设计）逻辑结构设计 1：1联系：在两个实体各自

11、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）转换原则转换原则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数据库应用系统的设计和开发 （3）逻辑结构设计）逻辑结构设

12、计 转换原则转换原则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，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数据库应用系统的

13、设计和开发 （4）物理结构设计）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数据库应用系统的设计和开发 （5）数据库实施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）数据库运行与维护DBA负责

14、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：XY2、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，RnNF1NF2NF 3NF BCNF 4NF 5NF 表达式条件查询表达式条件查询表达式条件查询表达式条件查询一、数据库查询一、数据库查询 （一）数据库列查询（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（二

15、）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（三）组合查询 多条件的任意组合查询。表达式条件查询表达式条件查询表达式条件查询表达式条件查询二、数据项表达式计算的查询二、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技术，

16、完成对表达式的识别和解释执行。24/三一、数据库系统一、数据库系统1.2 演绎数据库演绎数据库第三章 数据库系统与人机交互 演绎数据库基本概念演绎数据库基本概念演绎数据库基本概念演绎数据库基本概念演绎功能演绎功能 +关系数据库关系数据库 =演绎数据库演绎数据库 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虚数据。25/三一、数据库系统一、数据库系统1.2 演绎数据库演绎数据库第三章 数据库系统与人机交互 演绎数据库基本概念演绎数

17、据库基本概念演绎数据库基本概念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合式公式，它由原子公式、原子公式、连接词和量词连接词和量词组成。原子公式：原子公式：由谓词、括号和括号中的项组成办公地点关系办公地点关系刘凌401陈东华402张明亮318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、数据库系统一、数据库系统1.2 演绎数据库演绎数据库第三章 数据库系统与人机交互 演绎数据库基本概念演绎数据库基本概念演绎数据库基本概念演绎数据库基本概念连接词：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

18、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：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)GIVE(ZHANG,x,y)PRESENT(x)27/三一、数据库系统一、数据库系统1.2 演绎数据库演绎数据库第三章 数据库系统与人机交互 演绎数据库实例演绎数据库实例演绎数据库实例演绎数据库实例表表3.6 父子关系数据库父子关系数据库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

19、（X，Y）A（X，Y）（2）A（X，Z）F（Z，Y）A（X，Y）二、演绎数据库实例（续）二、演绎数据库实例（续）二、演绎数据库实例（续）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，李平李同 ，刘定刘思二、演绎数据库实例（续）二、演绎数据库实例（续）二、演绎数据库实例（续）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，

20、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演绎数据库的程序设计演绎数据库的程序设计演绎数据库的程序设计祖先祖先-子孙推理算法流程子孙推理算法流程主程序主程序k：=1检索数据库检索数据库 F（fk，sk）输出：输出：sk（某晚辈）某晚辈）fk（祖先）祖先）调用过程调用过程A（a，fk）k：=k+1k n?结束结束YNA（a，z）i：=1检索数据库是否存在检索数据库是否存在F（fi，si=z）?输出：输出：fi（祖先）祖先）调调用用A（a，fi）i

21、：=i+1i n?退出退出YYNN过程过程29/三1.2 演绎数据库演绎数据库第三章 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的基本结构演绎数据库的基本结构演绎数据库的基本结构演绎数据库系统由三部分组成：演绎数据库系统由三部分组成：传统数据库系统传统数据库系统演绎数据库扩充了传统数据库的作用。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数据库和演绎推理之间的接口演演绎绎推推理理机机构构是是逻逻辑辑的的，而而数数据据库库是是非非逻逻辑辑的的，两两者者需要有

22、一个接口，以实现其物理上的连接需要有一个接口，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的基本结构演绎数据库的基本结构演绎数据库的基本结构演绎数据库系统结构演绎数据库系统结构演绎数据库的实现方法演绎数据库的实现方法演绎数据库的实现方法演绎数据库的实现方法 在在 数数 据据 库库 管管 理理 系系 统统（DBMS）的的 基基 础础 上上 增增 加加 一一 个个 规规 则则（RULE）处理层，实现演绎数据库。处理层，实现演绎数据库。演演绎绎推推理理用用PROLOG程程序序或或者者C程程序序来来完完成成。接接口口部部分分的的

23、功功能能是是将将推推理理中中的的逻逻辑辑表表示示转转换换成成给给定定的的DBMS中中的的数数据据操操纵纵语语言言中的语句。中的语句。查查询询演演绎绎数数据据库库时时，查查询询对对象象可可能能是是实实关关系系，或或者者是是虚虚关关系系。当当是是虚虚关关系系时时，则则由由演演绎绎推推理理机机构构将将其其转转换换成成实实关关系系，然然后后再再由由接接口口部部分分将将其其转转换换成成DBMS中中的的语语句句，最最后后通通过过DBMS操操纵纵数数据库得到结果。据库得到结果。31/三1.2 演绎数据库演绎数据库第三章 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的基本结构演绎数据库的基本结构演绎数

24、据库的基本结构 DBMS+RULE 型演绎数据库32/三1.2 演绎数据库演绎数据库第三章 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据库、智能数据库和知识库的关系演绎数据库、智能数据库和知识库的关系演绎数据库、智能数据库和知识库的关系 演绎数据库演绎数据库演绎推理加入数据库系统的功能中演绎推理加入数据库系统的功能中。智能数据库智能数据库在数据库系统中在数据库系统中加入归纳推理，类比推理等或然性加入归纳推理，类比推理等或然性推理，或加入自然语言理解，语音识别等推理，或加入自然语言理解，语音识别等人工智能人工智能中更多的技术中更多的技术。知识库知识库对知识的存储和管理对知识

25、的存储和管理，不同于数据库。，不同于数据库。演绎数据库、智能数据库和知识库的关系（续）演绎数据库、智能数据库和知识库的关系（续）演绎数据库、智能数据库和知识库的关系（续）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、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。数据库中的数据只是知识库中的事实。数据库用于事务处理。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、知识库包括大量规则知识或其它形式的知识知知识识库库一一般般用用于于专专家家系系统统或

26、或知知识识库库系系统统中中进进行行知知识识推推理。理。33/三第三章 数据库系统与人机交互二、二、人机交互系统人机交互系统2.1 2.1 人机交互系统应满足的要求人机交互系统应满足的要求（1）为决策者提供进一步理解决策问题的过程：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

27、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，具有创造和适应新情况的能力。2.计算机的特点运算速度快，可达每秒万亿次。计算精度高，不会疲劳，抗恶劣环境比人强。3.人机分工发挥人机各自的特点，进行人机分工和交互。34/三第三章 数据库系统与人机交互二、二、人机交互系统人机交互系统2.2 2

28、.2 人机交互系统的功能人机交互系统的功能人机系统模型图人机系统模型图人的决策感觉器官运动器官 人 机 界 面输出设备输入设备计算机处理二、人机交互方式与设计二、人机交互方式与设计人机交互方式有多种形式人机交互方式有多种形式菜单菜单填表填表命令语言命令语言屏幕显示屏幕显示窗口窗口报表输出报表输出复杂报表的示意图复杂报表的示意图表 名 称日期和页数数 据 项 栏 目记录栏目框 架 和 数 据（含 数 据 项 表 达 式）文 字 说 明（含 统 计 数 据）三、多媒体表现与多媒体查询三、多媒体表现与多媒体查询（一）多媒体数据特征复合性多样性数据形式的多样性格式化数据（数值、文字）非格式化数据（图象

29、、声音）数据操纵的多样性正文：浏览、归档图象：放大、缩小、旋转、特征提取数据量大关系复杂（二）多媒体信息系统多媒体查询基于内容的检索1.静止图象检索根据特征检索检索特征包括：颜色、纹理、形状相似性检索基于样本图象的相似性检索浏览检索2.视频检索镜头分割镜头分析与描述镜头的高层组织多媒体内容检索的应用1.图象数据库检索大容量图象数据库的检索，如医疗图象、地球遥感、面孔图象等图象数据库的检索。2.新闻节目的组织根据不同的主题将新闻报道进行组织和划分，便利新闻资料的制作和检索。3.体育节目的编辑根据需要检索足球射门、慢动作重放、比分改变、球场换人等镜头。35/三第三章 数据库系统与人机交互二、二、人机交互系统人机交互系统2.2 2.2 人机交互系统的功能人机交互系统的功能（1）具有对DSS的控制功能，允许决策者控制DSS的运行、控制数据库和模型库（2）向决策者提供多种式样的交互方式（3）产生输入/输出（4）具有反馈、帮助、提示功能（5）具有适应性，界面应能定制和扩充