一種基于擴展UML的企業(yè)應(yīng)用軟件PIM模型

孟凡超，初佃輝，戰(zhàn)德臣 ，2，徐曉飛 ，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海)企業(yè)與服務(wù)智能計算研究中心，山東威海 264209，mengfanchao74@163.com;2.哈爾濱工業(yè)大學企業(yè)與服務(wù)智能計算研究中心，哈爾濱 150001)

一種基于擴展UML的企業(yè)應(yīng)用軟件PIM模型

孟凡超1，初佃輝1，戰(zhàn)德臣1，2，徐曉飛1，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海)企業(yè)與服務(wù)智能計算研究中心，山東威海 264209，mengfanchao74@163.com;2.哈爾濱工業(yè)大學企業(yè)與服務(wù)智能計算研究中心，哈爾濱 150001)

針對UML在企業(yè)應(yīng)用軟件建模中可用性差和效率低的問題，提出一種基于擴展UML的企業(yè)應(yīng)用軟件PIM模型.通過對企業(yè)應(yīng)用軟件特點的分析，建立了一個以業(yè)務(wù)對象為中心的多視圖集成PIM模型，對UML進行擴展，在它的元模型中增加了描述企業(yè)應(yīng)用軟件PIM模型中的概念及其之間關(guān)系的元類、版型和標記，并采用包對這些概念和關(guān)系進行不同視點的劃分.基于擴展UML的企業(yè)應(yīng)用軟件PIM模型通過業(yè)務(wù)對象的豐富語義實現(xiàn)了UML中各種圖之間基于語義的集成，改善了UML的可用性，提高了企業(yè)應(yīng)用軟件的建模效率.結(jié)果表明:通過實際案例驗證了該模型的可行性和有效性.

模型驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu);平臺獨立模型;企業(yè)應(yīng)用軟件;業(yè)務(wù)對象

隨著軟件技術(shù)的發(fā)展和軟件應(yīng)用的推廣，企業(yè)應(yīng)用軟件(Enterprise Software and Applications，ESA)的規(guī)模和復(fù)雜度日益增加，軟件開發(fā)人員面臨著越來越多的來自于業(yè)務(wù)環(huán)境和IT實現(xiàn)技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，迫切地需要解決提高軟件開發(fā)效率、降低軟件成本的問題.OMG［1］提出了模型驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)(Model Driven Architecture，MDA)，MDA是一種基于形式化模型的系統(tǒng)描述和互操作方法，它強調(diào)在不同層次模型之間的自動的轉(zhuǎn)換，已經(jīng)成為近幾年軟件工程界的研究熱點.MDA將模型劃分為:計算無關(guān)模型(Computation Independent Model，CIM)、平臺獨立模型(Platform Independent Model，PIM)、平臺相關(guān)模型(Platform Specific Model，PSM)和代碼(Code)4個層次，PIM處于4層模型中的承上啟下位置，是MDA的核心.

目前已經(jīng)出現(xiàn)許多企業(yè)應(yīng)用軟件的PIM建模方法和語言，例如，CIM-OSA、GRAI、ARIS和DEM等［2－5］.然而這些方法主要關(guān)注于業(yè)務(wù)層次的建模，而對于軟件建模層次所描述的內(nèi)容則比較少.OMG［6］推薦使用UML作為MDA的標準建模語言.UML是一種圖形化建模語言，UML2.0版本提供了13種圖(Diagram)，并通過不同圖使用的一個組合來描述特定領(lǐng)域模型.UML雖然能夠描述所有領(lǐng)域的PIM模型，但是其自身有一些局限性［7］，從而影響了它在特定領(lǐng)域建模中的角色.為了改善UML的可用性，本文針對ESA的特點，提出了一個基于擴展UML的企業(yè)應(yīng)用軟件PIM模型(也稱為ICE-PIM)，該模型是ICEMDA的一個重要組成部分［8］.ICE-PIM基于業(yè)務(wù)對象的豐富語義實現(xiàn)了UML中各種圖之間基于語義的集成，改善了UML的可用性，提高了ESA的建模效率.

1 ICE-PIM模型

PIM是由CIM映射而來的.對于ESA來說，CIM是以過程為中心的，以企業(yè)的流程優(yōu)化為目的.PIM是以CIM層中的信息文檔及其流程化處理為中心.如果能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的每個信息文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)依賴、將作用在每個信息文檔上的操作和活動、將信息文檔與信息文檔之間的銜接關(guān)系分析清楚，便可很好地完成 ESA的設(shè)計［9］.而需要分析的這些內(nèi)容非常適合采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行描述，因此ICE－PIM采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)進行建模.

ICE-PIM中的主要對象被稱為業(yè)務(wù)對象(Business Object，BO).從用戶角度而言，BO是指用戶所采集、傳遞和處理的單據(jù)、報表等信息文檔，以及在其上的狀態(tài)處理和操作處理的集成體.從系統(tǒng)角度，業(yè)務(wù)對象是指具有獨立標識的、具有一定生命周期的、由若干數(shù)據(jù)集和操作集構(gòu)成的一個集成對象.

BO體現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成，將若干相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集圍繞一個核心數(shù)據(jù)集集成在一起，以整體的或可關(guān)聯(lián)的方式提供給用戶，使用戶可以非常方便地進行業(yè)務(wù)處理.BO是有生命周期的，從BO建立開始，到BO完成使命歸入檔案為止，體現(xiàn)了完整的生命周期.BO的操作集(也稱為BO活動)具有順序上的銜接關(guān)系，BO之間也存在處理上的銜接關(guān)系，這種銜接關(guān)系就體現(xiàn)了企業(yè)的業(yè)務(wù)過程(Business Process，BP).從BO角度，BP就是BO活動的銜接關(guān)系和BO銜接關(guān)系的描述，這種銜接關(guān)系體現(xiàn)了ESA軟件圍繞BO及其處理的集成.通常情況下，BO是靜態(tài)的，而BP是動態(tài)的.將BO的不同活動，按照用戶需要的方式、需要的順序、需要的銜接關(guān)系、需要的控制關(guān)系進行動態(tài)的組合，就是BP.在提出了BO后，這種變化可區(qū)分為相對穩(wěn)定的BO和可變的BO銜接關(guān)系，相對穩(wěn)定的BO由業(yè)務(wù)對象模型來刻畫，可變的BO則由基于BO的工作流模型來刻畫.

將業(yè)務(wù)對象模型中的每個BO所包含的數(shù)據(jù)部分提取出來，并加以細化可以形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型可以分為兩個層次:基于BO關(guān)聯(lián)的全局數(shù)據(jù)模型和基于實體關(guān)系的單個BO數(shù)據(jù)模型.將工作流模型中的每個BO活動的執(zhí)行角色提取出來，同時建立與企業(yè)中相應(yīng)組織或崗位之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以建立系統(tǒng)的角色模型.因此，一個ICE-PIM是由業(yè)務(wù)對象模型、基于BO的工作流模型、數(shù)據(jù)模型和角色模型4部分構(gòu)成，圖1描述了ICE-PIM模型的構(gòu)成要素.

2 基于擴展UML的ICE-PIM元模型

2.1 ICE-PIM元模型的結(jié)構(gòu)

MDA采用了基于元對象設(shè)施(MOF)的4層元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從上到下依次是:M3層(元－元模型)、M2層(元模型)、M1層(模型)和 M0層(實例).在MDA的元模型方法中，有兩種構(gòu)建M2層元模型的方法［9］:1)利用MOF從語法和語義上構(gòu)建一個全新的元模型;2)是在UML元模型的基礎(chǔ)上，利用UML的擴展機制進行擴充，構(gòu)建一個基于UML的元模型.采用方法2既可以利用UML的擴展機制也可以利用UML的固有建模元素來來建模領(lǐng)域相關(guān)的概念和關(guān)系，目前大多數(shù)基于UML的MDA工具都支持這種擴展方式，不需要重新開發(fā)建模工具，工作量比較小，因此，采用UML的擴展機制來定義ICE-PIM元模型.

在UML元模型的基礎(chǔ)上［10］，ICE-PIM 元模型增加了新的版型、標記和元類，并采用包來管理這些元素.為了提供對視點的顯示支持，在元模型層次上對ICE-PIM建模中的概念及其之間的關(guān)系進行不同視點的劃分，其中，每個視點是對ICE-PIM某一方面特征的描述.ICE-PIM元模型包含5個包:BO Model元模型、Workflow Model元模型、Role Model元模型和Data Model元模型，其中，BO Model元模型又包括:BO聯(lián)系圖元模型、BO類圖元模型、BO狀態(tài)圖元模型、BO數(shù)據(jù)模型圖元模型和BO用例圖元模型.圖2描述基于擴展UML的ICE-PIM元模型的結(jié)構(gòu).

圖1 ICE-PIM的構(gòu)成要素

圖2 基于擴展UML的ICE-PIM元模型(頂層)

2.2 BO聯(lián)系圖中的關(guān)系

BO聯(lián)系圖描述了一個系統(tǒng)所包含的業(yè)務(wù)對象以及業(yè)務(wù)對象之間的關(guān)系.業(yè)務(wù)對象之間的關(guān)系可以分為:關(guān)聯(lián)關(guān)系，集成關(guān)系和分類關(guān)系.業(yè)務(wù)對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是指不同的業(yè)務(wù)對象依據(jù)一定的規(guī)則建立的數(shù)據(jù)映射關(guān)系.根據(jù)相互關(guān)聯(lián)的兩個業(yè)務(wù)對象的數(shù)據(jù)映射關(guān)系，可以分為主鍵引用性關(guān)聯(lián)、主鍵多屬性關(guān)聯(lián)和模糊性關(guān)聯(lián).集成關(guān)系表示一個業(yè)務(wù)對象的實例經(jīng)過自動計算、生成、自動結(jié)轉(zhuǎn)等方式，而產(chǎn)生另一個業(yè)務(wù)對象.業(yè)務(wù)對象之間的集成是由相應(yīng)的活動來實現(xiàn)，根據(jù)實現(xiàn)集成的活動所處的位置可以分為:拉式集成和推式集成.根據(jù)業(yè)務(wù)對象某些屬性的取值不同，可以派生出更具體的子業(yè)務(wù)對象，這些子業(yè)務(wù)對象可以擁有不同的數(shù)據(jù)集、狀態(tài)集以及活動集，這些屬性值用于為業(yè)務(wù)對象分類，因此稱作業(yè)務(wù)對象的值類型.

2.3 BO 聯(lián)系圖元模型

BO聯(lián)系圖元模型是在UML元模型中的kernel包、AssocationClass包和PowerTypes包的基礎(chǔ)上，采用重型擴展機制進行定義，它描述了一個系統(tǒng)所包含的業(yè)務(wù)對象以及業(yè)務(wù)對象之間的關(guān)聯(lián)、集成和分類關(guān)系.圖3描述了BO聯(lián)系圖元模型中所包含的元類.

業(yè)務(wù)對象(Business Object)是UML元模型中元類Class的子類，每個BusinessObject包含1個BO類圖、0個或多個BO狀態(tài)圖、0或1個BO用例圖和1個BO數(shù)據(jù)模型圖，這些圖分別在BO類圖元模型、BO狀態(tài)圖元模型、BO用例圖元模型和BO數(shù)據(jù)模型圖元模型中定義.業(yè)務(wù)對象關(guān)聯(lián)(BOAssociation)是UML元模型中的元類Association的子類，其存在于兩個BusinessObject之間，屬性Rule表示關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以利用兩個關(guān)聯(lián)端的角色名稱來分別表示參與關(guān)聯(lián)的兩個數(shù)據(jù)集的名稱.集成(Integration)是UML元模型中的元類Assocaition的子類，其存在于兩個BusinessObject之間，其中，一個關(guān)聯(lián)端的導(dǎo)航性為false，另一關(guān)聯(lián)端的導(dǎo)航性為true，并且兩個關(guān)聯(lián)端的聚集性都為none.業(yè)務(wù)對象值類型(BOValueType)是UML元模型中的元類Class的子類，屬性BO:String表示被分類的業(yè)務(wù)對象的名稱，DataSets:String表示業(yè)務(wù)對象值類型所包含的數(shù)據(jù)集的集合.

在BO聯(lián)系圖元模型中，由于新定義的元類具有特殊的語義，因此，需要對這些元類所涉及的約束規(guī)則進行明確地說明和定義.本文采用對象約束語言O(shè)CL來定義這些約束規(guī)則.

規(guī)則1 BOCategories存在于BusinessObject和BOValueType之間，其中，父類為 BusinessObject，子類為 BOValueType.

規(guī)則3 KeyRefAssociation存在于兩個BusinessObject之間，其中，一個關(guān)聯(lián)端的導(dǎo)航性為none，另一個關(guān)聯(lián)端的導(dǎo)航性為ture，兩個關(guān)聯(lián)端的聚集性都為none.

規(guī)則5 Integration 存在于兩個BusinessObject之間，其中，一個關(guān)聯(lián)端的導(dǎo)航性為none，另一個關(guān)聯(lián)端的導(dǎo)航性為true，兩個關(guān)聯(lián)端的聚集性都為none.

圖3 BO聯(lián)系圖元模型

2.4 BO聯(lián)系圖

由于BO聯(lián)系圖是采用重型UML擴展機制進行定義的，因此，需要在模型層次上定義新的建模符號來描述BO聯(lián)系圖.對于UML中的類，目前通用的UML建模工具只能夠定義其所包含的行為圖(狀態(tài)圖、活動圖、順序圖和協(xié)作圖)，而不能定義其所包含的類圖和用例圖.為了既能夠使用通用UML建模工具來建立BO聯(lián)系圖，又能夠體現(xiàn)基于業(yè)務(wù)對象集成的思想，本文采用命名規(guī)范來表示每個BusinessObject所包含的BO類圖、BO狀態(tài)圖和BO數(shù)據(jù)圖和BO用例圖，這樣可以進行規(guī)范化建模，提高了建模效率.對于BO及其關(guān)系，可以采用UML Profile來定義.目前，大多數(shù)通用UML建模工具都提供了構(gòu)造型和標記等擴展機制，可以非常容易地進行擴展，不會增加相應(yīng)的復(fù)雜度.由于特定領(lǐng)域的建模概念比UML中抽象的概念更容易被用戶理解，因此，減少了建模的復(fù)雜性.表1列出了BO聯(lián)系圖中每種元素所對應(yīng)的構(gòu)造型和標記.

表1 BO聯(lián)系圖中的構(gòu)造型和標記的定義

3 應(yīng)用實例

以威海海都食品有限公司的生產(chǎn)計劃編制過程為例，來說明采用BO聯(lián)系圖來描述業(yè)務(wù)對象及其之間的關(guān)系.

生產(chǎn)計劃的編制主要涉及7個業(yè)務(wù)對象:客戶申請、銷售合同、客戶訂單、年生產(chǎn)計劃、兩月生產(chǎn)計劃、周生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)任務(wù)單.客戶訂單分為正常訂單和緊急訂單.客戶申請到客戶訂單、銷售合同到客戶訂單之間存在拉式集成關(guān)系，客戶訂單到周生產(chǎn)計劃存在推式集成關(guān)系.銷售合同與客戶訂單之間存在主鍵多屬性關(guān)聯(lián).客戶訂單與年生產(chǎn)計劃之間存在主鍵引用性關(guān)聯(lián).圖4描述了生產(chǎn)計劃的編制的BO聯(lián)系圖.

圖4 生產(chǎn)計劃編制BO聯(lián)系圖

目前，ICE-PIM已經(jīng)成功應(yīng)用于許多ERP項目中.實踐證明，通過采用ICE-PIM建模與基于標準UML建模比較，建模效率提高了40%，程序開發(fā)效率提高了60%.

4 結(jié)論

1)ICE-PIM模型具有豐富的語義信息，因此，易于企業(yè)用戶理解和交流;

2)ICE-PIM模型是一個以業(yè)務(wù)對象為中心的集成模型，通過業(yè)務(wù)對象可以將UML中的各種Diagram顯式地集成在一起，從而可以有效地指導(dǎo)用戶進行一致化建模;

3)ICE-PIM元模型是在UML元模型的基礎(chǔ)上擴展而來的，同時屏蔽了UML元模型中與ESA建模不相關(guān)的內(nèi)容，從而使得建模者能夠更好地關(guān)注于業(yè)務(wù)需求的描述，同時也易于模型擴展.由于UML元模型是一個開放的、可擴展的元模型，因此，ICE－PIM元模型也具有可擴展性，它可以隨著領(lǐng)域需求的變化而不斷演化.

［1］SOLEY R M.The OMG Staff Strategy Group［R/OL］.Model Driven Architecture:OMG，White Paper［2000 －11］.http://www.omg.org/mda/papers.htm.

［2］DOUMEINGTS G，VALLESPIR B，CHEN D.Methodologies for designing CIM system:A survey［J］.Computers in Industry， 1995，25(3):263－280.

［3］SCHEER A W.Architecture for integrated information system［C］//WILLIAMS T J.The Purdue Enterprise Reference Architecture.［S.l.］:Computers in Industry， 1994，24(2/3):141－158.

［4］WILLIAMS T J.The purdue enterprise reference architecture［J］.Computers in Industry， 1994，24(2/3):141－158.

［5］ZACHMAN J.A framework for information systems architecture［J］.IBM Systems Journal， 1987，26(3):276－292.

［6］OMG/ORMSC.Model Driven Architecture［R/OL］.OMG Document Ormsc［2001 －07 －01］.http://www.omg.org/mda.

［7］DAVID S F著.應(yīng)用MDA［M］.鮑志云，譯.北京:人民郵電出版社，2003.

［8］戰(zhàn)德臣，馮錦丹，聶蘭順，等.ICEMDA:一種可互操作可配置可執(zhí)行的模型驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)［J］.電子學報， 2008，36(12A):120－127.

［9］ZHAN Dechen，XU Xiaofei，MENG Fanchao，et al.Interoperability Oriented Business Object Model［C］//Proceedings of the 3rd International Conference on Interoperability for Enterprise Software and Applications.London:Spriger，2007:459 －462.

［10］OMG.UML Superstructure，V2.1.1［R/OL］.Formal［2007－02－05］.http://www.omg.org/uml.

An enterprise software and application PIM model based on extended UML

MENG Fan-chao1，CHU Dian-hui1，ZHAN Den-chen1，2，XU Xiao-fei1，2

(1.Research Center of Intelligent Computing for Enterprises ＆ Services，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China，mengfanchao74@163.com;2.Research Center of Intelligent Computing for Enterprises＆Services，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Aimed at the poor usability and low efficiency of UML modeling for enterprise software and application(ESA)，an ESA oriented platform-independent model(ESA-PIM)based on extended UML is proposed to solve the problem.First，an integrated multi-view PIM model based on business objects was constructed by analyzing the characteristics of ESA.Then using the extended mechanism of UML，the new meta-classes，stereotypes and tagged values that describe the concepts and relationships in ESA-PIM were added into UML2.0 meta-model，and they were divided into different viewpoints in the extended UML meta-model.The ESA-PIM proposed in this paper realizes the semantic-based integration between various UML diagrams through the richsemantic business objects，which improves the usability of UML and enhances the modeling efficiency of ESA.The feasibility and effectiveness of ESA-PIM were verified by an application case.

model driven architecture;platform-independent model;enterprise software and application;business object

TP311

A

0367－6234(2010)05－0791－06

2009－11－16.

國家自然科學基金資助項目(60773064);國家科技重大專項資助項目(2009ZX01045-001-002-4;國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2007AA01Z 128，2008AA04Z101);山東省自然科學基金資助項目(2007ZRA10003);山東省科學技術(shù)發(fā)展計劃基金資助項目(2008GG10004010);江蘇省科學技術(shù)發(fā)展計劃資助項目(BE2009065);哈爾濱工業(yè)大學(威海)?？茖W研究基金資助項目(HIT(WH)XB200901).

孟凡超(1974—)，男，博士，講師;

戰(zhàn)德臣(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師;

徐曉飛(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 張 紅)