نمذجة البيانات

توفر نماذج البيانات إطارًا لاستخدام البيانات داخل أنظمة المعلومات من خلال تقديم تعريفات وتنسيقات محددة. إذا تم استخدام نموذج بيانات متسق عبر الأنظمة، يُمكن تحقيق توافق البيانات. وإذا استُخدمت هياكل البيانات نفسها لتخزين البيانات والوصول إليها، يُمكن للتطبيقات المختلفة مشاركة البيانات بسلاسة. وتُوضح نتائج ذلك في الرسم التخطيطي. مع ذلك، غالبًا ما تكون الأنظمة والواجهات مكلفة من حيث البناء والتشغيل والصيانة. وقد تُقيّد العمل بدلًا من دعمه. وقد يحدث هذا عندما تكون جودة نماذج البيانات المُطبقة في الأنظمة والواجهات رديئة. ^{[ 1 ]}

بعض المشاكل الشائعة التي توجد في نماذج البيانات هي:

• غالبًا ما تُثبَّت قواعد العمل، الخاصة بكيفية إنجاز المهام في مكان معين، في بنية نموذج البيانات. وهذا يعني أن التغييرات الطفيفة في طريقة سير العمل تؤدي إلى تغييرات كبيرة في أنظمة الحاسوب وواجهاتها. لذا، يجب تطبيق قواعد العمل بطريقة مرنة لا تُنتج تبعيات معقدة، بل يجب أن يكون نموذج البيانات مرنًا بما يكفي لتطبيق التغييرات في العمل ضمنه بسرعة وكفاءة.
• غالبًا ما لا يتم تحديد أنواع الكيانات، أو يتم تحديدها بشكل خاطئ. قد يؤدي ذلك إلى تكرار البيانات وهيكلها ووظائفها، بالإضافة إلى التكاليف المترتبة على هذا التكرار في التطوير والصيانة. لذا، ينبغي أن تكون تعريفات البيانات واضحة وسهلة الفهم قدر الإمكان للحد من سوء الفهم والتكرار.
• تختلف نماذج البيانات بين الأنظمة المختلفة اختلافًا كبيرًا. ونتيجةً لذلك، يلزم وجود واجهات معقدة بين الأنظمة التي تتشارك البيانات. قد تُشكّل هذه الواجهات ما بين 25% و70% من تكلفة الأنظمة الحالية. لذا، ينبغي مراعاة الواجهات المطلوبة عند تصميم نموذج البيانات، إذ لا يمكن استخدام نموذج البيانات بمفرده دون وجود واجهات بين الأنظمة المختلفة.
• لا يمكن مشاركة البيانات إلكترونيًا مع العملاء والموردين، نظرًا لعدم توحيد بنية البيانات ومعناها. وللحصول على القيمة المثلى من نموذج البيانات المُطبق، من الضروري جدًا تحديد معايير تضمن تلبية نماذج البيانات لاحتياجات العمل واتساقها. ^{[ 1 ]}

في عام 1975، وصفت ANSI ثلاثة أنواع من نماذج البيانات : ^{[ 5 ]}

• المخطط المفاهيمي : يصف دلالات مجال معين (نطاق النموذج). على سبيل المثال، قد يكون نموذجًا لمجال اهتمام منظمة أو صناعة. يتكون هذا المخطط من فئات كيانات، تمثل أنواع الأشياء ذات الأهمية في المجال، وتأكيدات علاقات حول الارتباطات بين أزواج فئات الكيانات. يحدد المخطط المفاهيمي أنواع الحقائق أو القضايا التي يمكن التعبير عنها باستخدام النموذج. وبهذا المعنى، فهو يُعرّف التعبيرات المسموح بها في "لغة" اصطناعية بنطاق محدود بنطاق النموذج. باختصار، يُعد المخطط المفاهيمي الخطوة الأولى في تنظيم متطلبات البيانات.
• المخطط المنطقي : يصف بنية مجال معين من المعلومات. ويتضمن ذلك أوصافًا (على سبيل المثال) للجداول والأعمدة والفئات الموجهة للكائنات ووسوم XML. يُطبَّق المخطط المنطقي والمخطط المفاهيمي أحيانًا كشيء واحد. ^{[ 2 ]}
• المخطط المادي : يصف الوسائل المادية المستخدمة لتخزين البيانات. ويتعلق هذا الأمر بالأقسام، ووحدات المعالجة المركزية، ومساحات الجداول ، وما شابه ذلك.

وفقًا لمعايير المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI)، يتيح هذا النهج استقلالية نسبية بين الجوانب الثلاثة. إذ يمكن لتقنية التخزين أن تتغير دون التأثير على المخطط المنطقي أو المفاهيمي. كما يمكن لبنية الجدول/العمود أن تتغير دون التأثير (بالضرورة) على المخطط المفاهيمي. وفي كل حالة، يجب أن تظل البنى متسقة عبر جميع مخططات نموذج البيانات نفسه.

في سياق تكامل عمليات الأعمال (انظر الشكل)، يكمل نمذجة البيانات نمذجة عمليات الأعمال ، ويؤدي في النهاية إلى إنشاء قاعدة بيانات. ^{[ 6 ]}

تتضمن عملية تصميم قاعدة البيانات إنتاج الأنواع الثلاثة من المخططات المذكورة سابقًا: المخطط المفاهيمي، والمنطقي، والمادي. يُحوّل تصميم قاعدة البيانات الموثق في هذه المخططات باستخدام لغة تعريف البيانات (DIL) ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لإنشاء قاعدة البيانات. يحتوي نموذج البيانات ذو السمات الكاملة على سمات (أوصاف) تفصيلية لكل كيان داخله. يمكن أن يصف مصطلح "تصميم قاعدة البيانات" أجزاءً مختلفة من تصميم نظام قاعدة البيانات ككل . وبشكل أساسي، وبشكل أدق، يمكن اعتباره التصميم المنطقي لهياكل البيانات الأساسية المستخدمة لتخزين البيانات. في النموذج العلائقي، تتمثل هذه الهياكل في الجداول والعروض . في قاعدة بيانات الكائنات ، ترتبط الكيانات والعلاقات مباشرةً بفئات الكائنات والعلاقات المسماة. ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام مصطلح "تصميم قاعدة البيانات" ليشمل عملية التصميم الشاملة، ليس فقط هياكل البيانات الأساسية، بل أيضًا النماذج والاستعلامات المستخدمة كجزء من تطبيق قاعدة البيانات الشامل ضمن نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS).

في هذه العملية، تُشكّل واجهات النظام ما بين 25% و70% من تكاليف تطوير ودعم الأنظمة الحالية. والسبب الرئيسي لهذه التكلفة هو عدم اشتراك هذه الأنظمة في نموذج بيانات مشترك . فإذا طُوّرت نماذج البيانات لكل نظام على حدة، فلن يقتصر الأمر على تكرار التحليل نفسه في المجالات المتداخلة، بل سيتطلب الأمر إجراء تحليل إضافي لإنشاء الواجهات بينها. تحتوي معظم الأنظمة داخل المؤسسة على البيانات الأساسية نفسها، والتي أُعيد تطويرها لغرض محدد. لذا، يُمكن لنموذج بيانات أساسي مُصمّم بكفاءة أن يُقلّل من إعادة العمل بأقل قدر من التعديلات لأغراض الأنظمة المختلفة داخل المؤسسة ^{[ 1 ].}

تمثل نماذج البيانات مجالات المعلومات ذات الأهمية. وبينما توجد طرق عديدة لإنشاء نماذج البيانات، وفقًا للين سيلفرستون (1997) ^{[ 7 ]،} تبرز منهجيتان فقط في النمذجة، وهما المنهجية التنازلية والمنهجية التصاعدية.

• غالبًا ما تكون النماذج التصاعدية أو نماذج تكامل العرض نتاجًا لجهود إعادة هندسة الأنظمة. وتبدأ عادةً بهياكل البيانات الموجودة، مثل النماذج والحقول الموجودة على شاشات التطبيقات أو التقارير. وتكون هذه النماذج عادةً مادية، ومخصصة لتطبيق معين، وغير مكتملة من منظور المؤسسة . وقد لا تُشجع على مشاركة البيانات، خاصةً إذا تم بناؤها دون الرجوع إلى أقسام أخرى من المؤسسة. ^{[ 7 ]}
• من ناحية أخرى، تُنشأ نماذج البيانات المنطقية من أعلى إلى أسفل بطريقة مجردة من خلال الحصول على معلومات من أشخاص ذوي خبرة في مجال الموضوع. قد لا يُطبّق النظام جميع الكيانات في النموذج المنطقي، لكن النموذج يُستخدم كنقطة مرجعية أو قالب. ^{[ 7 ]}

أحيانًا تُنشأ النماذج بمزيج من الطريقتين: الأولى بمراعاة احتياجات البيانات وبنية التطبيق، والثانية بالرجوع باستمرار إلى نموذج مجال الموضوع. في كثير من البيئات، يتلاشى التمييز بين نموذج البيانات المنطقي ونموذج البيانات المادي. إضافةً إلى ذلك، لا تُميّز بعض أدوات هندسة البرمجيات بمساعدة الحاسوب (CASE) بين نموذجي البيانات المنطقي والمادي . ^{[ 7 ]}

توجد عدة طرق لنمذجة البيانات. يُطلق على النموذج الفعلي غالبًا اسم "نموذج الكيانات والعلاقات"، لأنه يصور البيانات من حيث الكيانات والعلاقات الموصوفة فيها . [ ^{4 ] نموذج} الكيانات والعلاقات (ERM) هو تمثيل مفاهيمي مجرد للبيانات المهيكلة. تُعد نمذجة الكيانات والعلاقات طريقة لنمذجة قواعد البيانات العلائقية ، وتُستخدم في هندسة البرمجيات لإنتاج نوع من نماذج البيانات المفاهيمية (أو نماذج البيانات الدلالية ) لنظام ما، غالبًا ما يكون قاعدة بيانات علائقية ، ومتطلباته بطريقة تنازلية .

تُستخدم هذه النماذج في المرحلة الأولى من تصميم نظم المعلومات ، خلال تحليل المتطلبات، لوصف الاحتياجات المعلوماتية أو نوع المعلومات المراد تخزينها في قاعدة البيانات . ويمكن استخدام تقنية نمذجة البيانات لوصف أي أنطولوجيا (أي نظرة عامة وتصنيفات للمصطلحات المستخدمة وعلاقاتها) لمجال معين من الخطاب، أي مجال الاهتمام.

طُوِّرت العديد من التقنيات لتصميم نماذج البيانات. ورغم أن هذه المنهجيات تُرشد مصممي نماذج البيانات في عملهم، إلا أن شخصين مختلفين يستخدمان المنهجية نفسها غالبًا ما يحصلان على نتائج متباينة للغاية. ومن أبرز هذه التقنيات:

• مخططات باخمان
• تدوين باركر
• تدوين تشين
• نمذجة مستودع البيانات
• شكل باكوس-ناور الموسع
• IDEF1X
• ربط الكائنات بالعلاقات
• نمذجة الكائنات والأدوار ونمذجة المعلومات الموجهة بالكامل نحو الاتصال
• النموذج العلائقي
• النموذج العلائقي/تسمانيا

نماذج البيانات العامة هي تعميمات لنماذج البيانات التقليدية . وهي تُعرّف أنواع علاقات عامة موحدة، بالإضافة إلى أنواع الأشياء التي يمكن ربطها بهذا النوع من العلاقات. يُشبه تعريف نموذج البيانات العام تعريف اللغة الطبيعية. على سبيل المثال، قد يُعرّف نموذج البيانات العام أنواع علاقات مثل "علاقة التصنيف"، وهي علاقة ثنائية بين شيء فردي ونوع من الأشياء (فئة)، و"علاقة الجزء بالكل"، وهي علاقة ثنائية بين شيئين، أحدهما يُمثّل الجزء والآخر يُمثّل الكل، بغض النظر عن نوع الأشياء المرتبطة.

بفضل قائمة قابلة للتوسيع من الفئات، يُمكن تصنيف أي عنصر على حدة وتحديد علاقات الجزء بالكل لأي كائن. ومن خلال توحيد قائمة قابلة للتوسيع من أنواع العلاقات، يُتيح نموذج البيانات العام التعبير عن عدد غير محدود من أنواع الحقائق، ويقترب من قدرات اللغات الطبيعية. في المقابل، تتميز نماذج البيانات التقليدية بنطاق محدود وثابت، لأن استخدامها يقتصر على التعبير عن أنواع الحقائق المُحددة مسبقًا في النموذج.

لا يمكن لبنية البيانات المنطقية لنظام إدارة قواعد البيانات، سواء كانت هرمية أو شبكية أو علائقية، أن تُلبي تمامًا متطلبات التعريف المفاهيمي للبيانات، نظرًا لمحدودية نطاقها وانحيازها لاستراتيجية التنفيذ التي يستخدمها نظام إدارة قواعد البيانات. هذا ما لم يتم تطبيق نموذج البيانات الدلالي في قاعدة البيانات عمدًا، وهو خيار قد يؤثر بشكل طفيف على الأداء ولكنه يُحسّن الإنتاجية بشكل عام.

لذا، أدت الحاجة إلى تعريف البيانات من منظور مفاهيمي إلى تطوير تقنيات نمذجة البيانات الدلالية . أي تقنيات لتحديد معنى البيانات في سياق علاقاتها المتبادلة مع البيانات الأخرى. وكما هو موضح في الشكل، يُعرَّف العالم الحقيقي، من حيث الموارد والأفكار والأحداث، وما إلى ذلك، رمزياً من خلال وصفه داخل مخازن البيانات المادية. نموذج البيانات الدلالي هو تجريد يحدد كيفية ارتباط الرموز المخزنة بالعالم الحقيقي. وبالتالي، يجب أن يكون النموذج تمثيلاً دقيقاً للعالم الحقيقي. ^{[ 8 ]}

يهدف نمذجة البيانات الدلالية إلى إنشاء نموذج هيكلي لجزء من العالم الحقيقي، يُطلق عليه "عالم الخطاب". ولتحقيق ذلك، تُؤخذ ثلاث علاقات هيكلية أساسية في الاعتبار:

• التصنيف/التجسيد: تُوصف الكائنات ذات التشابه الهيكلي بأنها تجسيدات للفئات
• التجميع/التفكيك: يتم الحصول على الكائنات المركبة عن طريق ضم أجزائها
• التعميم/التخصيص: يتم إعادة النظر في الفئات المتميزة ذات بعض الخصائص المشتركة في فئة أكثر عمومية ذات سمات مشتركة.

يمكن استخدام نموذج البيانات الدلالي لخدمة العديد من الأغراض، مثل: ^{[ 8 ]}

• تخطيط موارد البيانات
• بناء قواعد بيانات قابلة للمشاركة
• تقييم برامج الموردين
• دمج قواعد البيانات الحالية

يتمثل الهدف العام لنماذج البيانات الدلالية في استخلاص المزيد من المعاني من البيانات من خلال دمج المفاهيم العلائقية مع مفاهيم التجريد الأكثر قوة المعروفة في مجال الذكاء الاصطناعي . وتتمثل الفكرة في توفير عناصر نمذجة عالية المستوى كجزء لا يتجزأ من نموذج البيانات لتسهيل تمثيل المواقف الواقعية. ^{[ 10 ]}