采用E-R模型进行数据库的概念设计，可以分成3步进行：首先设计局部E-R模型，然后把各局部E-R模型综合成一个全局E-R模型，最后对全局E-R模型进行优化，得到最终的E-R模型，即概念模型。

01、局部E-R模型设计

设计局部E-R模型，关键是确定：

（1）一个概念是用实体还是属性表示？

（2）一个概念是作实体的属性还是联系的属性？

1．实体和属性的数据抽象

实体和属性在形式上并无可以明显区分的界限，通常是按照现实世界中事物的自然划分来定义实体和属性，将现实世界中的事物进行数据抽象，得到实体和属性。数据抽象一般有分类和聚集两种，通过分类抽象出实体，通过聚集抽象出实体的属性。

（1）分类

定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型，将一组具有某些共同特性和行为的对象抽象为一个实体。

例如，“李明”是学生当中的一员，具有学生们共同的特性和行为，如在哪个系、学习哪个专业、年龄是多大等，那么，这里的“学生”就是一个实体，“李明”则是学生实体的一个具体对象。

（2）聚集

定义某个类型的组成成分。将对象的组成成分抽象为实体的属性。

例如，学号、姓名、性别等都可以抽象为学生实体的属性。

2．实体和属性的取舍

实体和属性是相对而言的，往往要根据实际情况进行必要的调整，在调整时要遵守两条原则：

（1）属性不能再具有需要描述的性质，即属性必须是不可分的数据项，不能再由另一些属性组成。

（2）属性不能与其它实体具有联系，联系只发生在实体之间。

符合上述原则的事物一般作为属性对待。为了简化E-R图的处理，现实世界中的事物凡能够作为属性对待的，应尽量作为属性。

例如，具有属性雇员编号、姓名和电话的实体雇员。这里的电话也可以作为一个单独的实体，它具有属性电话号码和地点（地点是电话所处于的办公室或家庭住址，如果是移动电话则可以用“移动”来表示）。如果采用这样的观点，则雇员实体就必须重新定义如下：

① 实体雇员，具有属性雇员编号和姓名。

② 实体电话，具有属性电话号码和地点。

③ 联系雇员-电话，表示员工及其电话间的联系。

这两种定义如图8-11（a）和8-11（b）所示。

员工的这两个定义主要差别是什么呢？将电话作为一个属性，表示对于每个员工来说，正好有一个电话号码与之相联系；将电话看成一个实体，就允许每个员工可以有几个电话号码与之相联系，而且可以保存关于电话的额外信息，如它的位置，或类型（移动、视频的或普通电话），这种情况，把电话视为一个实体比把它视为一个属性的方式更具有通用性。

3．属性在实体与联系间的分配

当多个实体用到同一属性时，将导致数据冗余，从而可能影响存储效率和完整性约束，因而需要确定把它分配给哪个实体。一般把属性分配给那些使用频率最高的实体，或分配给实体值少的实体。例如，“课名”属性，不需要在“学生”和“课程”实体中都出现，一般将其分配给“课程”实体作属性。

有些属性不宜归属于任一实体，只说明实体之间联系的特性。例如，某个学生选修某门课的“成绩”，即不能归为“学生”实体的属性，也不能归为“课程”实体的属性，应作为“选课”联系的属性，如图8-12所示。

4．局部E-R模型设计过程

局部E-R模型的设计过程如8-13所示。

▍图8-13 局部E-R模型设计

（1）确定局部结构范围

设计各个局部E-R模型的第一步是确定局部结构的范围划分，划分的方式一般有两种。

① 一种是依据系统的当前用户进行自然划分。

例如，对一个企业的综合数据库，用户有企业决策层、销售部门、生产部门、技术部门和供应部门等，各部位对信息内容和处理的要求明显不同，因此，应为他们分别设计各自的局部E-R模型。

② 另一种是按用户要求数据库提供的服务归纳成几类，使每一类应用访问的数据显著不同于其他类，然后为每类应用设计一个局部E-R模型。

例如，学校的教师数据库可以按提供的服务分为以下几类。

① 教师的档案信息（如姓名、年龄、性别和民族等）的查询分析。

② 对教师专业结构（如毕业专业、现在从事的专业及科研方向等）进行分析。

③ 对教师的职称、工资变化的历史分析。

④ 对教师的学术成果（如著译、发表论文和科研项目获奖情况）查询分析。

这样做的目的是为了更准确地模仿现实世界，以减少统一考虑一个大系统所带来的复杂性。

局部结构范围的确定要考虑下述因素。

① 范围划分要自然，易于管理。

② 范围之间的界面要清晰，相互影响要小。

③ 范围的大小要适度。太小了，会造成局部结构过多，设计过程繁杂，综合困难；太大了，则容易造成内部结构复杂，不便于分析。

（2）实体定义

实体定义的任务就是从信息需求和局部范围定义出发，确定每一个实体的属性和键。

实体确定之后，它的属性也随之确定。对实体命名并确定其键也是很重要的工作。命名应反映实体的语义性质，见名知意，在一个局部结构中应是唯一的；键可以是单个属性，也可以是属性的组合。

（3）联系定义

E-R模型的“联系”用于刻画实体之间的关联。

一种完整的方式是依据需求分析的结果，考察局部结构中任意两个实体之间是否存在联系。若有联系，进一步确定的是1：n、m：n还是1：1。还要考察一个实体内部是否存在联系，两个实体之间是否存在联系，多个实体之间是否存在联系等等。

在确定联系时，应注意防止出现冗余的联系（即可从其它联系导出的联系），如果存在，要尽可能地识别并消除这些冗余联系，以免将这些问题遗留给综合全局的E-R模型阶段。图8-14所示的“教师与学生之间的授课联系”就是一个冗余联系。

（4）属性分配

实体与联系都确定下来后，局部结构中的其他语义信息大部分可用属性描述。这一步工作有两个：一是确定属性；二是把属性分配到有关实体和联系中去。

02、全局E-R模型设计

所有E-R模型都设计好后，接下来就是把它们综合成单一的全局概念结构。全局概念结构不仅要支持所有局部E-R模型，而且必须合理地表示一个完整、一致的数据库概念结构。全局E-R模型的设计过程如图8-15所示。

▍图8-15 全局E-R模型设计

1．确定公共实体

为了给多个局部E-R模型的合并提供开始合并的基础，首先要确定各局部结构中的公共实体。

确定公共实体并非一目了然。特别是当系统较大时，可能有很多局部模式，这些局部E-R模型是由不同的设计人员确定的，因而对同一现实世界的对象可能给予不同的描述。有的作为实体，有的又作为联系或属性。即使都表示成实体，实体名和键也可能不同，这种情况，一般把同名实体作为公共实体的一类候选；把具有相同键的实体作为公共实体的另一类候选。

2．局部E-R模型的合并

对于各局部E-R模型，需要合并成一个整体的全局E-R模型。一般来说，合并可以有两种方式：

（1）多个局部E-R图一次合并，如图8-16（a）所示。

（2）逐步合并，用累加的方式一次合并两个局部E-R图，如图8-16（b）所示。

▍图8-16 局部E-R图合并的两种方式

合并的顺序有时影响处理效率和结果。建议的合并原则是逐步合并：首先进行两两合并，先合并那些现实世界中有联系的局部结构；合并从公共实体开始，最后再加入独立的局部结构。

3．消除冲突

由于各类应用不同，不同的应用通常又由不同设计人员设计成局部E-R模型，因此局部E-R模型之间不可避免地会有不一致的地方，称之为冲突。

各局部E-R图之间的冲突主要有三类：属性冲突、命名冲突和结构冲突。

（1）属性冲突

属性冲突又包括属性域冲突和属性取值单位冲突。

① 属性域冲突。即属性值的类型、取值范围或取值集合不同。

例如职工号，有的部门把它定义为整数，有的部门把它定义为字符型。不同部门对职工号编码也不同，如“1001”或“RS001”，都表示人事部门“1”号职工的职工号。又如年龄，某些部门以出生日期形式表示职工的年龄，而另一些部门用整数表示职工的年龄。

② 属性取值单位冲突。

例如重量单位有的用公斤，有的用斤，有的用克。

属性冲突理论上好解决，通常采用讨论、协商等行政手段解决，但实际上需要各部门讨论协商，解决起来并非易事。

（2）命名冲突

命名冲突包括同名异义和异名同义两种情况。

① 同名异义。即不同意义的对象在不同的局部应用中具有相同的名字。

例如局部应用A中将教室称为房间，局部应用B中将学生宿舍也称为房间。

② 异名同义。即同一意义的对象在不同的局部应用中具有不同的名字。

例如对科研项目，财务处称为项目，科研处称为课题，生产管理处称为工程。

命名冲突包括属性名、实体名、联系名之间的冲突。其中属性的命名冲突更为常见。处理命名冲突通常也采用讨论、协商等行政手段解决。

（3）结构冲突

结构冲突分为三种情况，分别是同一对象在不同应用中具有不同的抽象、同一实体在不同局部E-R图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同、实体间的联系在不同的局部E-R图中为不同类型。

① 同一对象在不同应用中具有不同的抽象。

例如，职工，在某个应用中为实体，而在另一应用中为属性。

解决方法：通常是把属性变换为实体或实体变换为属性，使同一对象具有相同的抽象。

② 同一实体在不同局部E-R图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同。

解决方法：使该实体的属性取各局部E-R图中属性的并集，再适当调整属性的次序。

③ 实体间的联系在不同的局部E-R图中为不同类型。

例如实体E1与E2在一个局部E-R图中是多对多联系，在另一个局部E-R图中是一对多联系；又如在一个局部E-R图中E1与E2发生联系，而在另一个局部E-R图中E1、E2和E3三者之间发有联系。

解决方法：根据应用的语义对实体联系的类型进行综合或调整。

【例8-5】分析下面所给的两个局部E-R图存在的冲突。

设有如下实体：

学生：学号、单位名称、姓名、性别、年龄、选修课程名、平均成绩。

课程：课程号、课程名、开课单位、任课教师号。

教师：教师号、姓名、性别、职称、讲授课程号。

单位：单位名称、电话、教师号、教师姓名。

上述实体中存在如下联系：

（1）一个学生可选修多门课程，一门课程可为多个学生选修；

（2）一个教师可讲授多门课程，一门课程可为多个教师讲授；

（3）一个系可有多名教师，一个教师只能属于一个系。

根据上述约定，可以得到学生选课局部E-R图和教师授课局部E-R图，如图8-17（a）和8-17（b）所示。

解答：

（1）这两个局部E-R图中存在着异名同义的命名冲突。

学生选课局部E-R图中的实体“系”与教师任课局部E-R图中的实体“单位”都是指“系”，合并后统一改为“系”。

学生选课局部E-R图的属性“名称” 和教师任课局部E-R图的属性“单位名称”都是指“系名”，合并后统一改为“系名”。

（2）存在着结构冲突。

实体“系”和实体“课程”在两个局部E-R图中的属性组成不同，合并后这两个实体的属性组成为各局部E-R图中的同名实体属性的并集。即实体“系”的属性有系名、电话；实体“课程”的属性有课程号、课程名和教师号。

解决上述冲突后，合并两个局部E-R图，生成初步的全局E-R图如图8-18所示。

4．全局E-R模型的优化

在得到全局E-R模型后，为了提高数据库系统的效率，还应进一步依据处理需求对E-R模型进行优化。一个好的全局E-R模型，除能准确、全面地反映用户功能需求外，还应满足下列条件：实体的个数尽可能少，实体所含属性个数尽可能少，实体间联系无冗余。

但是，这些条件不是绝对的，要视具体的信息需求与处理需求而定。下面给出几个全局E-R模型的优化原则。

（1）实体的合并

这里的合并是指相关实体的合并。在信息检索时，涉及到多个实体的信息要通过连接操作获得。因而减少实体个数，可减少连接的开销，提高处理效率。

一般在权衡利弊后，可以把1：1联系的两个实体合并。

（2）冗余属性的消除

通常在各个局部结构中是不允许冗余属性存在的，但在综合成全局E-R模型后，可能产生全局范围内的冗余属性。

例如，在教育统计数据库的设计中，一个局部结构含有高校毕业生数、招生数、在校学生数和预计毕业生数，另一局部结构中含有高校毕业生数、招生数、分年级在校学生数和预计毕业生数。各局部结构自身都无冗余，但综合成一个全局E-R模型时，在校学生数即成为冗余属性，应予以消除。

一个属性值可从其他属性的值导出来，所以应把冗余的属性从全局模型中去掉。

冗余属性消除与否，也取决于它对存储空间、访问效率和维护代价的影响。有时为了兼顾访问效率，有意保留冗余属性。这当然会造成存储空间的浪费和维护代价的提高。

（3）冗余联系的消除

在全局模型中可能存在有冗余的联系，通常利用规范化理论中函数依赖的概念消除冗余。

【例8-6】对例8-5得到的初步E-R图进行优化。

分析：

① 消除冗余属性“课程”实体中的属性“教师号”，因为“课程”实体中的属性“教师号”可由“讲授”这个联系导出；

② 消除冗余属性“学生”实体中的属性“平均成绩”，因为平均成绩可由“选修”联系中的属性“成绩”经过计算得到；

③ 消除冗余联系“开设”，因为该联系可以通过“系”和“教师”之间的“属于”联系与“教师”和“课程”之间的“讲授”联系推导出来。

最后优化后得到的全局E-R图如图8-19所示。