一種基于擴展UML的企業應用軟件PIM模型

孟凡超，初佃輝，戰德臣 ，2，徐曉飛 ，2

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

一種基于擴展UML的企業應用軟件PIM模型

孟凡超1，初佃輝1，戰德臣1，2，徐曉飛1，2

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

針對UML在企業應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的企業應用軟件PIM模型.通過對企業應用軟件特點的分析，建立了一個以業務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應用軟件PIM模型中的概念及其之間關系的元類、版型和標記，并采用包對這些概念和關系進行不同視點的劃分.基于擴展UML的企業應用軟件PIM模型通過業務對象的豐富語義實現了UML中各種圖之間基于語義的集成，改善了UML的可用性，提高了企業應用軟件的建模效率.結果表明:通過實際案例驗證了該模型的可行性和有效性.

模型驅動的體系結構;平臺獨立模型;企業應用軟件;業務對象

隨著軟件技術的發展和軟件應用的推廣，企業應用軟件(Enterprise Software and Applications，ESA)的規模和復雜度日益增加，軟件開發人員面臨著越來越多的來自于業務環境和IT實現技術方面的挑戰，迫切地需要解決提高軟件開發效率、降低軟件成本的問題.OMG［1］提出了模型驅動的體系結構(Model Driven Architecture，MDA)，MDA是一種基于形式化模型的系統描述和互操作方法，它強調在不同層次模型之間的自動的轉換，已經成為近幾年軟件工程界的研究熱點.MDA將模型劃分為:計算無關模型(Computation Independent Model，CIM)、平臺獨立模型(Platform Independent Model，PIM)、平臺相關模型(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.

目前已經出現許多企業應用軟件的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注于業務層次的建模，而對于軟件建模層次所描述的內容則比較少.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域模型.UML雖然能夠描述所有領域的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的企業應用軟件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基于業務對象的豐富語義實現了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，以企業的流程優化為目的.PIM是以CIM層中的信息文檔及其流程化處理為中心.如果能夠將系統中的每個信息文檔的數據結構與數據依賴、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系分析清楚，便可很好地完成 ESA的設計［9］.而需要分析的這些內容非常適合采用面向對象的方法進行描述，因此ICE－PIM采用面向對象的技術進行建模.

ICE-PIM中的主要對象被稱為業務對象(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、報表等信息文檔，以及在其上的狀態處理和操作處理的集成體.從系統角度，業務對象是指具有獨立標識的、具有一定生命周期的、由若干數據集和操作集構成的一個集成對象.

BO體現了業務數據的集成，將若干相互關聯的數據集圍繞一個核心數據集集成在一起，以整體的或可關聯的方式提供給用戶，使用戶可以非常方便地進行業務處理.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系，BO之間也存在處理上的銜接關系，這種銜接關系就體現了企業的業務過程(Business Process，BP).從BO角度，BP就是BO活動的銜接關系和BO銜接關系的描述，這種銜接關系體現了ESA軟件圍繞BO及其處理的集成.通常情況下，BO是靜態的，而BP是動態的.將BO的不同活動，按照用戶需要的方式、需要的順序、需要的銜接關系、需要的控制關系進行動態的組合，就是BP.在提出了BO后，這種變化可區分為相對穩定的BO和可變的BO銜接關系，相對穩定的BO由業務對象模型來刻畫，可變的BO則由基于BO的工作流模型來刻畫.

將業務對象模型中的每個BO所包含的數據部分提取出來，并加以細化可以形成系統的數據模型，數據模型可以分為兩個層次:基于BO關聯的全局數據模型和基于實體關系的單個BO數據模型.將工作流模型中的每個BO活動的執行角色提取出來，同時建立與企業中相應組織或崗位之間的關聯關系，可以建立系統的角色模型.因此，一個ICE-PIM是由業務對象模型、基于BO的工作流模型、數據模型和角色模型4部分構成，圖1描述了ICE-PIM模型的構成要素.

2 基于擴展UML的ICE-PIM元模型

2.1 ICE-PIM元模型的結構

MDA采用了基于元對象設施(MOF)的4層元數據結構，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，有兩種構建M2層元模型的方法［9］:1)利用MOF從語法和語義上構建一個全新的元模型;2)是在UML元模型的基礎上，利用UML的擴展機制進行擴充，構建一個基于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域相關的概念和關系，目前大多數基于UML的MDA工具都支持這種擴展方式，不需要重新開發建模工具，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聯系圖元模型、BO類圖元模型、BO狀態圖元模型、BO數據模型圖元模型和BO用例圖元模型.圖2描述基于擴展UML的ICE-PIM元模型的結構.

圖1 ICE-PIM的構成要素

圖2 基于擴展UML的ICE-PIM元模型(頂層)

2.2 BO聯系圖中的關系

BO聯系圖描述了一個系統所包含的業務對象以及業務對象之間的關系.業務對象之間的關系可以分為:關聯關系，集成關系和分類關系.業務對象之間的關聯關系是指不同的業務對象依據一定的規則建立的數據映射關系.根據相互關聯的兩個業務對象的數據映射關系，可以分為主鍵引用性關聯、主鍵多屬性關聯和模糊性關聯.集成關系表示一個業務對象的實例經過自動計算、生成、自動結轉等方式，而產生另一個業務對象.業務對象之間的集成是由相應的活動來實現，根據實現集成的活動所處的位置可以分為:拉式集成和推式集成.根據業務對象某些屬性的取值不同，可以派生出更具體的子業務對象，這些子業務對象可以擁有不同的數據集、狀態集以及活動集，這些屬性值用于為業務對象分類，因此稱作業務對象的值類型.

2.3 BO 聯系圖元模型

BO聯系圖元模型是在UML元模型中的kernel包、AssocationClass包和PowerTypes包的基礎上，采用重型擴展機制進行定義，它描述了一個系統所包含的業務對象以及業務對象之間的關聯、集成和分類關系.圖3描述了BO聯系圖元模型中所包含的元類.

業務對象(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狀態圖、0或1個BO用例圖和1個BO數據模型圖，這些圖分別在BO類圖元模型、BO狀態圖元模型、BO用例圖元模型和BO數據模型圖元模型中定義.業務對象關聯(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表示關聯規則，可以利用兩個關聯端的角色名稱來分別表示參與關聯的兩個數據集的名稱.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，一個關聯端的導航性為false，另一關聯端的導航性為true，并且兩個關聯端的聚集性都為none.業務對象值類型(BOValueType)是UML元模型中的元類Class的子類，屬性BO:String表示被分類的業務對象的名稱，DataSets:String表示業務對象值類型所包含的數據集的集合.

在BO聯系圖元模型中，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則進行明確地說明和定義.本文采用對象約束語言OCL來定義這些約束規則.

規則1 BOCategories存在于BusinessObject和BOValueType之間，其中，父類為 BusinessObject，子類為 BOValueType.

規則3 KeyRefAssociation存在于兩個BusinessObject之間，其中，一個關聯端的導航性為none，另一個關聯端的導航性為ture，兩個關聯端的聚集性都為none.

規則5 Integration 存在于兩個BusinessObject之間，其中，一個關聯端的導航性為none，另一個關聯端的導航性為true，兩個關聯端的聚集性都為none.

圖3 BO聯系圖元模型

2.4 BO聯系圖

由于BO聯系圖是采用重型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(狀態圖、活動圖、順序圖和協作圖)，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聯系圖，又能夠體現基于業務對象集成的思想，本文采用命名規范來表示每個BusinessObject所包含的BO類圖、BO狀態圖和BO數據圖和BO用例圖，這樣可以進行規范化建模，提高了建模效率.對于BO及其關系，可以采用UML Profile來定義.目前，大多數通用UML建模工具都提供了構造型和標記等擴展機制，可以非常容易地進行擴展，不會增加相應的復雜度.由于特定領域的建模概念比UML中抽象的概念更容易被用戶理解，因此，減少了建模的復雜性.表1列出了BO聯系圖中每種元素所對應的構造型和標記.

表1 BO聯系圖中的構造型和標記的定義

3 應用實例

以威海海都食品有限公司的生產計劃編制過程為例，來說明采用BO聯系圖來描述業務對象及其之間的關系.

生產計劃的編制主要涉及7個業務對象:客戶申請、銷售合同、客戶訂單、年生產計劃、兩月生產計劃、周生產計劃和生產任務單.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系，客戶訂單到周生產計劃存在推式集成關系.銷售合同與客戶訂單之間存在主鍵多屬性關聯.客戶訂單與年生產計劃之間存在主鍵引用性關聯.圖4描述了生產計劃的編制的BO聯系圖.

圖4 生產計劃編制BO聯系圖

目前，ICE-PIM已經成功應用于許多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%，程序開發效率提高了60%.

4 結論

1)ICE-PIM模型具有豐富的語義信息，因此，易于企業用戶理解和交流;

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

3)ICE-PIM元模型是在UML元模型的基礎上擴展而來的，同時屏蔽了UML元模型中與ESA建模不相關的內容，從而使得建模者能夠更好地關注于業務需求的描述，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，它可以隨著領域需求的變化而不斷演化.

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［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.

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［8］戰德臣，馮錦丹，聶蘭順，等.ICEMDA:一種可互操作可配置可執行的模型驅動體系結構［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;國家高技術研究發展計劃資助項目(2007AA01Z 128，2008AA04Z101);山東省自然科學基金資助項目(2007ZRA10003);山東省科學技術發展計劃基金資助項目(2008GG10004010);江蘇省科學技術發展計劃資助項目(BE2009065);哈爾濱工業大學(威海)校科學研究基金資助項目(HIT(WH)XB200901).

孟凡超(1974—)，男，博士，講師;

戰德臣(1965—)，男，教授，博士生導師;

徐曉飛(1962—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 張 紅)