安全生产信息化技术：数据模型与数据库系统

1.安全生产信息的类型

安全生产信息是安全生产系统中诸要素安全状态、相互关系以及变化方式的符号化表示，包括空间位置、属性信息及时域特征3个部分。

在安全生产信息中有的信息只具有属性信息，如危险化学品的MSDS信息，与空间位置无关；有的安全生产信息不但具有属性信息，还具有空间位置信息，如企业的储罐信息，其属性信息有编码、名称、形状、材质等，其空间位置信息有地理位置信息（空间坐标）、空间关系信息（即储罐与周围生产设施的相对位置、距离等）、空间拓扑关系信息（如储罐相联的管道等）；有的安全生产信息除了具有空间位置、属性信息外，还具有时域特征，即空间位置或属性信息随时间发生变化，如装置危险化学品的槽罐车属于移动危险源，其空间位置随时间变化，其属性信息如车速、槽罐的温度、压力等都可能随时间的变化而变化。

2.数据模型

数据模型是对现实世界数据特征的抽象，是用来描述数据的一组概念和定义。数据模型的3个要素是数据结构、数据操作和数据的约束条件。常用的数据模型有4类，即层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型。

（1）层次模型

层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS数据库管理系统。

层次模型采用树形结构表示数据与数据间的联系，在层次模型中，只有一个节点没有双亲节点，称为根节点，其他节点有且仅有一个双亲节点，每个节点可有多个孩子节点。图4-17所示的为反映企业安全生产现状的层次模型，每一个节点表示一个实体类型，实体之间的联系用节点之间的连线表示，上层和下一层之间是一对多的联系。

（2）网状模型

采用网络结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为网状模型，在网状模型中，允许一个以上的节点无双亲，一个节点可以有多于一个的双亲。

网状模型是一个比层次模型更普遍性的数据结构，层次模型是网状模型的一个特例。由于没有层次模型中每个节点仅有一个双亲的限制，允许多个节点之间有联系，因此网状模型可以直接描述现实世界，网状模型便于表示多对多的联系，具体如图4-18所示。

图4-17 层次模型示意图

图4-18 网状模型示意图

（3）关系模型

关系数据库采用关系模型作为数据的组织方式，关系模型是目前最常用的数据模型。关系模型由关系数据结构、关系操作和关系完整性约束三大要素组成，有严格的数学理论，使关系数据库的研究建立在坚实的数学基础上。

1）关系数据结构关系模型中基本概念，具体如下。

①关系：一个关系就是符合一定条件的一张二维表，每个关系中均存有一组记录。例如，表示学生信息的关系见表4-3。

表4-3 学生信息关系示例

②元组和属性：二维表中的每一行是一条记录，称为元组；表中的每一列是一个字段，称为属性。严格来说，关系是规范化的二维表中的行的集合，为了简化相应的数据操作，在关系模型中对关系做了以下限制：

关系中不允许出现相同的元组，即表中的任意两行不能完全相同。

关系中属性的顺序是无关紧要的，即表中的任意两行可以交换次序。

关系中属性的顺序是可以任意的，即列的顺序可以是任意的。

关系中各个属性必须具有不同的名称。

同一列中的数据类型必须相同，且属性不能再划分子属性。

2）域是指属性的取值范围，如性别取值为“男”或“女”，入学分数为0～700之间的数。(www.xing528.com)

3）主关键字是表中用于唯一标识一条记录的属性，一般由一个或多个属性构成。

4）外部关键字。如果表A中的一个属性是另一个表B中的主关键字，则该属性在A表中是外部关键字（外码或外键）。

不同的表可以通过外部关键字关联起来，关系数据库则是用一个相关联的数据表的集合来存储数据。

5）关系操作关系操作包括选择、投影、连接、除、并、交差等查询操作，以及增加、删除、修改等更新操作。关系操作的对象和结果都是集合。

6）关系完整性约束。数据库的数据完整性是指数据的准确性、相容性和一致性，包括数据库中数据与现实世界中应用需求的准确性、相容性和一致性，以及数据库中的数据之间的正确性、相容性和一致性，关系完整性约束包括实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性3大类。

实体完整性是指关系中的主码不能为空值，否则说明表中存在不可标识的记录，例如，在表4-3中，学号属性不能空缺。参照完整性是指表的主码和外码间的引用规则。用户定义完整性是用户对各个属性数据值的具体定义，如年龄大于0等。

（4）面向对象模型

面向对象模型的数据库系统是支持以对象形式对数据建模的数据库系统，包括支持对象的类、支持类属性的继承、支持子类等。一个面向对象的数据库系统必须符合以下两个条件：一是必须有一个DBMS；二是必须是面向对象的，也就是说，它要与现在的面向对象语言中的定义一致，具有复杂对象、对象标识、封装、对象或类、继承性、与推迟绑定结合的重载、扩展性、计算的完整性等特点。

3.安全生产信息数据库系统

数据库管理系统（DBMS）是操纵和管理数据库的一种专门的大型软件系统，主要实现对共享数据有效的组织、管理和存取。

（1）DBMS的主要功能

数据库里的数据像图书馆里的图书一样，需要能够方便地进行查找、添加、修改和删除等操作，这就是DBMS的职责所在，一个DBMS的功能应有以下几个方面：

1）数据定义。DBMS提供数据定义语言，人们可以对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式和内模式的定义；数据库的完整性定义；安全保密定义，如口令、级别、存取权限等。

2）数据操作。DBMS面向用户提供数据操纵语言，实现对数据中数据的基本操作，如检索、插入、修改和删除等。

3）数据库运行管理。在数据库运行期间，对多用户环境下的并发控制、安全性检查和存取控制、完整性检查和执行、运行日志的组织管理、事务管理和自动恢复等，这些功能用来保证数据系统的正常运行。

4）数据组织、存储和管理。DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等，要确定以何种文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据，以提高存取速率。实现数据间的联系、数据组织和存储的基本目标是提高存储空间的利用率。

5）数据库的建立和维护。包括数据的初始建立、数据的转换、数据库的转储和恢复、数据库的重组和重构、性能监测和分析等。

6）其他功能。包括DBMS与网络中其他软件系统的通信功能，一个DBMS与其他DBMS或文件系统的数据转换功能等。

（2）常用的DBMS

目前有许多DBMS产品，大多数为关系数据库管理系统，如Oracle、DB2、Microsoft SQL Server、MySQL、Microsoft Access等，每种产品都有各自的特点，有些适用于管理小规模数据库，有些则用来管理大量的数据和复杂的操作。

（3）地理信息系统（GIS）

地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一种信息管理系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个部分组成。

地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geo-spatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策而服务的计算机技术系统。

地理信息系统（GIS）是具有地理数据获取、存储、编辑、处理和显示功能的计算机应用软件系统，空间数据分析功能是其重要特点之一。地理信息系统、网络技术以及数据库技术的日益成熟，提供了解决安全生产问题的理论和工具，它们必将在提高数据处理效率、保障软件系统的实用性和稳定性、丰富安全生产管理手段、及时准确提供基础信息等方面发挥积极作用。

常用的GIS软件有ESRI产品系列、Intergraph产品系列、Mapinfo产品系列、MapGIS、GeoStar、Citystar等。

（4）数据库技术的发展

数据库技术产生于20世纪60年代中期，已从第一代的网状、层次数据库系统，第二代的关系数据库系统，发展到第三代以面向对象模型为主要特征的数据库系统。数据库技术与网络通信技术、人工智能技术、面向对象程序设计技术、并行计算技术等相互渗透、结合，成为当前数据库技术发展的主要特征，涌现出各种新型的数据库系统。例如，数据库技术与分布式处理技术相结合，形成了分布式数据库系统；数据库技术与并行处理技术相结合，形成了并行数据库系统；数据库技术与面向对象技术相结合，形成了面向对象数据库系统；数据库技术与多媒体技术相结合，形成了多媒体数据库系统；数据库技术与人工智能相结合，形成了知识库系统和主动数据库系统；Web技术与数据库技术相结合，则形成了Web数据库系统。