Для чего модель данных
Моделирование данных: обзор
В работе мы с коллегами часто видим как компании сталкиваются с проблемой управления данными – когда таблиц и запросов становится сильно много и управлять всем этим очень сложно. В таких ситуациях мы рекомендуем моделировать данные. Чтобы разобраться, что это такое – я перевела статью-обзор про моделирование данных от Towards Data Science, в которой кроме основных терминов и понятий можно найти наглядный пример использования моделирования данных в ритейле. Вперед под кат!
Если вы посмотрите на любое программное приложение, то увидите, что на фундаментальном уровне оно занимается организацией, обработкой и представлением данных для выполнения бизнес-требований.
Модель данных — это концептуальное представление для выражения и передачи бизнес-требований. Она наглядно показывает характер данных, бизнес-правила, управляющие данными, и то, как данные будут организованы в базе данных.
Моделирование данных можно сравнить со строительством дома. Допустим, компании ABC необходимо построить дом для гостей (база данных). Компания вызывает архитектора (разработчик моделей данных) и объясняет требования к зданию (бизнес-требования). Архитектор (модельер данных) разрабатывает план (модель данных) и передает его компании ABC. Наконец, компания ABC вызывает инженеров-строителей (администраторов баз данных и разработчиков баз данных) для строительства дома.
Ключевые термины в моделировании данных
Сущности и атрибуты. Сущности — это «вещи» в бизнес-среде, о которых мы хотим хранить данные, например, продукты, клиенты, заказы и т.д. Атрибуты используются для организации и структурирования данных. Например, нам необходимо хранить определенную информацию о продаваемых нами продуктах, такую как отпускная цена или доступное количество. Эти фрагменты данных являются атрибутами сущности Product. Сущности обычно представляют собой таблицы базы данных, а атрибуты — столбцы этих таблиц.
Взаимосвязь. Взаимосвязь между сущностями описывает, как одна сущность связана с другой. В модели данных сущности могут быть связаны как: «один к одному», «многие к одному» или «многие ко многим».
Сущность пересечения. Если между сущностями есть связь типа «многие ко многим», то можно использовать сущность пересечения, чтобы декомпозировать эту связь и привести ее к типу «многие к одному» и «один ко многим».
Простой пример: есть 2 сущности — телешоу и человек. Каждое телешоу может смотреть один или несколько человек, в то время как человек может смотреть одно или несколько телешоу.
Эту проблему можно решить, введя новую пересекающуюся сущность «Просмотр записи»:
ER диаграмма показывает сущности и отношения между ними. ER-диаграмма может принимать форму концептуальной модели данных, логической модели данных или физической модели данных.
Концептуальная модель данных включает в себя все основные сущности и связи, не содержит подробных сведений об атрибутах и часто используется на начальном этапе планирования. Пример:
Логическая модель данных — это расширение концептуальной модели данных. Она включает в себя все сущности, атрибуты, ключи и взаимосвязи, которые представляют бизнес-информацию и определяют бизнес-правила. Пример:
Физическая модель данных включает в себя все необходимые таблицы, столбцы, связи, свойства базы данных для физической реализации баз данных. Производительность базы данных, стратегия индексации, физическое хранилище и денормализация — важные параметры физической модели. Пример:
Основные этапы моделирования данных:
Реляционное vs размерное моделирование
В зависимости от бизнес-требований ваша модель данных может быть реляционной или размерной. Реляционная модель — это метод проектирования, направленный на устранение избыточности данных. Данные делятся на множество дискретных сущностей, каждая из которых становится таблицей в реляционной базе данных. Таблицы обычно нормализованы до 3-й нормальной формы. В OLTP приложениях используется эта методология.
В размерной модели данные денормализованы для повышения производительности. Здесь данные разделены на измерения и факты и упорядочены таким образом, чтобы пользователю было легче извлекать информацию и создавать отчеты.
Компания ABC имеет 200 продуктовых магазинов в восьми городах. В каждом магазине есть разные отделы, такие как «Товары повседневного спроса», «Косметика», «Замороженные продукты», «Молочные продукты» и т.д. В каждом магазине на полках находится около 20 000 отдельных товаров. Отдельные продукты называются складскими единицами (SKU). Около 6 000 артикулов поступают от сторонних производителей и имеют штрих-коды, нанесенные на упаковку продукта. Эти штрих-коды называются универсальными кодами продукта (UPC). Данные собираются POS-системой в 2 местах: у входной двери для покупателей, и у задней двери, где поставщики осуществляют доставку.
В продуктовом магазине менеджмент занимается логистикой заказа, хранением и продажами продуктов. Также продолжают расти рекламные активности, такие как временные скидки, реклама в газетах и т.д.
Разработайте модель данных для анализа операций этой продуктовой сети.
Решение
Шаг 1. Сбор бизнес-требований
Руководство хочет лучше понимать покупки клиентов, фиксируемые POS-системой. Модель должна позволять анализировать, какие товары продаются, в каких магазинах, в какие дни и по каким акционным условиям. Кроме того, это складская среда, поэтому необходима размерная модель.
Шаг 2: Идентификация сущностей
В случае размерной модели нам необходимо идентифицировать наши факты и измерения. Перед разработкой модели необходимо уточнить объем требуемых данных. Согласно требованию, нам нужно видеть данные о конкретном продукте в определенном магазине в определенный день по определенной схеме продвижения. Это дает нам представление о необходимых сущностях:
Количество, которое необходимо рассчитать (например, объем продаж, прибыль и т.д), будет отражено в таблице с фактическими продажами.
Шаг 3: Концептуальная модель данных
Предварительная модель данных будет создана на основе информации, собранной о сущностях. В нашем случае она будет выглядеть так:
Шаг 4: Доработка атрибутов и создание логической модели данных
Теперь необходимо завершить работу над атрибутами для сущностей. В нашем случае дорабатываются следующие атрибуты:
Date Dimension:
Product:
Store:
Promotion:
Sales Fact:
Объем продаж (например, количество банок овощного супа с лапшой).
Сумма продаж в долларах: количество продаж * цена за единицу.
Стоимость в долларах: стоимость продукта, взимаемая поставщиком.
Логическая модель данных будет выглядеть так:
Шаг 5: Создание физических таблиц в базе данных
С помощью инструмента моделирования данных или с помощью кастомных скриптов теперь можно создавать физические таблицы в базе данных.
Думаю, теперь стало достаточно очевидно, что моделирование данных — одна из важнейших задач при разработке программного приложения. И оно закладывает основу для организации, хранения, извлечения и представления данных.
6) Что такое моделирование данных?
Что такое моделирование данных?
Моделирование данных (моделирование данных) — это процесс создания модели данных для хранения данных в базе данных. Эта модель данных представляет собой концептуальное представление объектов данных, связей между различными объектами данных и правилами. Моделирование данных помогает визуально представлять данные и обеспечивает соблюдение бизнес-правил, нормативных требований и государственных политик в отношении данных. Модели данных обеспечивают согласованность в соглашениях об именах, значениях по умолчанию, семантике, безопасности при обеспечении качества данных.
Модель данных подчеркивает, какие данные необходимы и как они должны быть организованы, а не какие операции должны выполняться с данными. Модель данных похожа на план здания архитектора, который помогает построить концептуальную модель и установить отношения между элементами данных.
Два типа методов моделей данных:
Мы обсудим их подробно позже.
В этом уроке вы узнаете больше о
Зачем использовать модель данных?
Основная цель использования модели данных:
Типы моделей данных
Существует в основном три различных типа моделей данных:
Концептуальная модель
Основная цель этой модели — установить сущности, их атрибуты и их взаимосвязи. На этом уровне моделирования данных едва ли есть какая-либо подробная информация о фактической структуре базы данных.
3 основных арендатора модели данных
Entity : реальная вещь
Атрибут : характеристики или свойства объекта
Моделирование данных: зачем нужно и как реализовать
Моделирование данных ощутимо упрощает взаимодействие между разработчиками, аналитиками и маркетологами, как и сам процесс создания отчетов. Поэтому я перевела статью IBM Cloud Education о ценности моделирования и от себя добавила инфо о способах трансформации данных для моделирования.
Моделирование данных
Узнайте, как моделирование данных использует абстракцию для представления и лучшего понимания природы данных в информационной системе предприятия.
Что такое моделирование данных
Моделирование данных — это создание визуального представления о всей информационной системе либо ее части. Цель в том, чтобы проиллюстрировать типы данных, которые используются и хранятся в системе, отношения между этими типами данных, способы группировки и организации данных, их форматы и атрибуты.
Модели данных строятся на основе бизнес-потребностей. Правила и требования к модели данных определяются заранее на основе обратной связи с бизнесом, поэтому их можно включить в разработку новой системы или адаптировать к существующей.
Данные можно моделировать на различных уровнях абстракции. Процесс начинается со сбора бизнес-требований от заинтересованных сторон и конечных пользователей. Эти бизнес-правила затем преобразуются в структуры данных. Модель данных можно сравнить с дорожной картой, планом архитектора или любой формальной схемой, которая способствует более глубокому пониманию того, что разрабатывается.
Моделирование данных использует стандартизированные схемы и формальные методы. Это обеспечивает последовательный и предсказуемый способ управления данными в организации или за ее пределами.
В идеале модели данных — это живые документы, которые развиваются вместе с потребностями бизнеса. Они играют важную роль в поддержке бизнес-процессов и планировании ИТ-архитектуры и стратегии. Моделями данных можно делиться с поставщиками, партнерами и коллегами.
Преимущества моделирования данных
Моделирование упрощает просмотр и понимание взаимосвязей между данными для разработчиков, архитекторов данных, бизнес-аналитиков и других заинтересованных лиц. Кроме того, моделирование данных помогает:
Уменьшить количество ошибок при разработке программного обеспечения и баз данных.
Унифицировать документацию на предприятии.
Повысить производительность приложений и баз данных.
Упростить отображение данных по всей организации.
Улучшить взаимодействие между разработчиками и командами бизнес-аналитики.
Упростить и ускорить процесс проектирования базы данных на концептуальном, логическом и физическом уровнях.
Типы моделей данных
Разработка баз данных и информационных систем начинается с высокого уровня абстракции и с каждым шагом становится все точнее и конкретнее. В зависимости от степени абстракции модели данных можно разделить на три категории. Процесс начинается с концептуальной модели, переходит к логической модели и завершается физической моделью.
Концептуальные модели данных. Также они называются моделями предметной области и описывают общую картину: что будет содержать система, как она будет организована и какие бизнес-правила будут задействованы. Концептуальные модели обычно создаются в процессе сбора исходных требований к проекту. Как правило, они включают классы сущностей (вещи, которые бизнесу важно представить в модели данных), их характеристики и ограничения, отношения между сущностями, требования к безопасности и целостности данных. Любые обозначения обычно просты.
Логические модели данных уже не так абстрактны и предоставляют более подробную информацию о концепциях и взаимосвязях в рассматриваемой области. Они содержат атрибуты данных и показывают отношения между сущностями. Логические модели данных не определяют никаких технических требований к системе. Этот этап часто пропускается в agile или DevOps-практиках. Логические модели данных могут быть полезны для проектов, ориентированных на данные по своей природе. Например, для проектирования хранилища данных или разработки системы отчетности.
Физические модели данных представляют схему того, как данные будут храниться в базе. По сути, это наименее абстрактные из всех моделей. Они предлагают окончательный дизайн, который может быть реализован как реляционная база данных, включающая ассоциативные таблицы, которые иллюстрируют отношения между сущностями, а также первичные и внешние ключи для связи данных.
Процесс моделирования данных
Моделирование данных начинается с договоренности о том, какие символы используются для представления данных, как размещаются модели и как передаются бизнес-требования. Это формализованный рабочий процесс, включающий ряд задач, которые должны выполняться итеративно. Сам процесс обычно выглядят так:
Определите сущности. На этом этапе идентифицируем объекты, события или концепции, представленные в наборе данных, который необходимо смоделировать. Каждая сущность должна быть целостной и логически отделенной от всех остальных.
Определите ключевые свойства каждой сущности. Каждый тип сущности можно отличить от всех остальных, поскольку он имеет одно или несколько уникальных свойств, называемых атрибутами. Например, сущность «клиент» может обладать такими атрибутами, как имя, фамилия, номер телефона и т.д. Сущность «адрес» может включать название и номер улицы, город, страну и почтовый индекс.
Определите связи между сущностями. Самый ранний черновик модели данных будет определять характер отношений, которые каждая сущность имеет с другими. В приведенном выше примере каждый клиент «живет по» адресу. Если бы эта модель была расширена за счет включения сущности «заказы», каждый заказ также был бы отправлен на адрес. Эти отношения обычно документируются с помощью унифицированного языка моделирования (UML).
Полностью сопоставьте атрибуты с сущностями. Это гарантирует, что модель отражает то, как бизнес будет использовать данные. Широко используются несколько формальных шаблонов (паттернов) моделирования данных. Объектно-ориентированные разработчики часто применяют шаблоны для анализа или шаблоны проектирования, в то время как заинтересованные стороны из других областей бизнеса могут обратиться к другим паттернам.
Назначьте ключи по мере необходимости и определите степень нормализации. Нормализация — это метод организации моделей данных, в которых числовые идентификаторы (ключи) назначаются группам данных для установления связей между ними без повторения данных. Например, если каждому клиенту назначен ключ, этот ключ можно связать как с его адресом, так и с историей заказов, без необходимости повторять эту информацию в таблице с именами клиентов. Нормализация помогает уменьшить объем дискового пространства, необходимого для базы данных, но может сказываться на производительности запросов.
Завершите и проверьте модель данных. Моделирование данных — это итеративный процесс, который следует повторять и совершенствовать под потребности бизнеса.
Типы моделирования данных
Моделирование данных развивалось вместе с системами управления базами данных (СУБД), при этом типы моделей усложнялись по мере роста потребностей предприятий в хранении данных.
Иерархические модели данных представляют отношения «один ко многим» в древовидном формате. В модели этого типа каждая запись имеет единственный корень или родительский элемент, который сопоставляется с одной или несколькими дочерними таблицами. Эта модель была реализована в IBM Information Management System (IMS) в 1966 году и быстро нашла широкое применение, особенно в банковской сфере. Хотя этот подход менее эффективен, чем недавно разработанные модели баз данных, он все еще используется в системах расширяемого языка разметки (XML) и географических информационных системах (ГИС).
Реляционные модели данных были предложены исследователем IBM Э. Ф. Коддом в 1970 году. Они до сих пор встречаются во многих реляционных базах данных, обычно используемых в корпоративных вычислениях. Реляционное моделирование не требует детального понимания физических свойств используемого хранилища данных. В нем сегменты данных объединяются с помощью таблиц, что упрощает базу данных.
Реляционные базы данных часто используют язык структурированных запросов (SQL) для управления данными. Эти базы подходят для поддержания целостности данных и минимизации избыточности. Они часто используются в кассовых системах, а также для других типов обработки транзакций.
В ER-моделях данных используют диаграммы для представления взаимосвязей между сущностями в базе данных. ER-модель представляет собой формальную конструкцию, которая не предписывает никаких графических средств её визуализации. В качестве стандартной графической нотации, с помощью которой можно визуализировать ER-модель, была предложена диаграмма «сущность-связь» (Entity-Relationship diagram). Однако для визуализации ER-моделей могут использоваться и другие графические нотации, либо визуализация может вообще не применяться (например, только текстовое описание).
Объектно-ориентированные модели данных получили распространение как объектно-ориентированное программирование и стали популярными в середине 1990-х годов. Вовлеченные «объекты» — это абстракции сущностей реального мира. Объекты сгруппированы в иерархии классов и имеют связанные черты. Объектно-ориентированные базы данных могут включать таблицы, но могут также поддерживать более сложные связи. Этот подход часто используется в мультимедийных и гипертекстовых базах данных.
Размерные модели данных разработал Ральф Кимбалл для быстрого поиска данных в хранилище. Реляционные и ER-модели делают упор на эффективное хранение и уменьшают избыточность данных, а размерные модели упорядочивает данные таким образом, чтобы легче было извлекать информацию и создавать отчеты. Это моделирование обычно используется в системах OLAP.
Две популярные размерные модели данных — это схемы «звезда» и «снежинка». В схеме «звезда» данные организованы в факты (измеримые элементы) и измерения (справочная информация), где каждый факт окружен связанными с ним измерениями в виде звездочки. Схема «снежинка» напоминает схему «звезда», но включает дополнительные слои связанных измерений, что усложняет схему ветвления.
Инструменты для моделирования данных
Сегодня широко используются многочисленные коммерческие и CASE-решения с открытым исходным кодом, в том числе различные инструменты моделирования данных, построения диаграмм и визуализации. Вот несколько примеров:
erwin Data Modeler — это инструмент моделирования данных, основанный на языке IDEF1X, который теперь поддерживает и другие нотации, включая нотацию для размерного моделирования.
Enterprise Architect — это инструмент визуального моделирования и проектирования, который поддерживает моделирование корпоративных информационных систем и архитектур, программных приложений и баз данных. Он основан на объектно-ориентированных языках и стандартах.
ER/Studio — это программа для проектирования баз данных, совместимая с некоторыми из самых популярных СУБД. Она поддерживает как реляционное, так и размерное моделирование данных.
Бесплатные инструменты моделирования данных включают решения с открытым исходным кодом, такие как Open ModelSphere.
Для того, чтобы преобразовать данные в структуру, которая соответствует требованиям модели, можно использовать встроенный механизм регулярных запросов, которые выполняются в Google BigQuery, Scheduled Queries и AppScript. Их легко можно освоить, потому что это привычный SQL, но проводить отладку в Scheduled Queries практически нереально. Особенно, если это какой-то сложный запрос или каскад запросов.
Есть специализированные инструменты для управления SQL-запросами, например, dbt и Dataform.
dbt (data build tool) — это фреймворк с открытым исходным кодом для выполнения, тестирования и документирования SQL-запросов, который позволяет привнести элемент программной инженерии в процесс анализа данных. Он помогает оптимизировать работу с SQL-запросами: использовать макросы и шаблоны JINJA, чтобы не повторять в сотый раз одни и те же фрагменты кода.
Главная проблема, которую решают специализированные инструменты — это уменьшение времени, необходимого на поддержку и обновление. Это достигается за счет удобства отладки.
Модель данных
В классической теории баз данных, модель данных есть формальная теория представления и обработки данных в системе управления базами данных (СУБД), которая включает, по меньшей мере, три аспекта:
1) аспект структуры: методы описания типов и логических структур данных в базе данных;
2) аспект манипуляции: методы манипулирования данными;
3) аспект целостности: методы описания и поддержки целостности базы данных.
Аспект структуры определяет, что из себя логически представляет база данных, аспект манипуляции определяет способы перехода между состояниями базы данных (то есть способы модификации данных) и способы извлечения данных из базы данных, аспект целостности определяет средства описаний корректных состояний базы данных.
Каждая БД и СУБД строится на основе некоторой явной или неявной модели данных. Все СУБД, построенные на одной и той же модели данных, относят к одному типу. Например, основой реляционных СУБД является реляционная модель данных, сетевых СУБД — сетевая модель данных, иерархических СУБД — иерархическая модель данных и т.д.
Тем не менее, длительное время термин «модель данных» использовался без формального определения. Одним из первых специалистов, который достаточно формально определил это понятие, был Э. Кодд. В статье «Модели данных в управлении базами данных» [3] он определил модель данных как комбинацию трех компонентов:
См. также
Примечания
Литература
Кент Бек • Гради Буч • Фред Брукс • Barry Boehm • Уорд Каннингем • Оле-Йохан Даль • Том Демарко • Эдсгер Вибе Дейкстра • Дональд Кнут • Мартин Фаулер • Чарльз Энтони Ричард Хоар • Watts Humphrey • Майкл Джексон • Ивар Якобсон • Craig Larman • James Martin • Мейер Бертран • Дэвид Парнас • Winston W. Royce • James Rumbaugh • Никлаус Вирт • Эдвард Йордан • Стив Макконнелл
Моделирование данных • Архитектура ПО • Функциональная спецификация • Язык моделирования • Парадигма • Методология • Процесс разработки • Качество • Обеспечение качества • Структурный анализ)
CMM • CMMI • Данных • Function model • IDEF • Информационная • Metamodeling • Object model • View model • UML