传统的商业应用，比如计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)、产品数据管理(Product Data Management, PDM)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)、制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)等，它们都依赖一个中央服务器和相关软件程序。在当今动态的商业环境中，这些系统都缺乏充足的自主性和灵活性[1]。随着网络技术的进步和云计算的发展，一些企业应用，特别是企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)系统，已经和云服务有了进一步的融合，并且通过互联网提供信息和通信，已经成为了全球业务战略的一部分[2]。随着新型的对移动性和按需服务的需求，支持Web的ERP系统的开发变成一个急迫的研究和发展课题[3]。
通过云服务平台订阅Web服务对于ERP应用程序有两个重要的优势，通过托管应用程序模型，更易于集成和降低成本[4]。Wu等[5]提出一个框架来测量云计算环境中服务的可拓展性，还根据服务效率，提出了一个分配策略来提高复合Web服务的可拓展性。杨男等[6]提出了基于云计算平台的服务型ERP系统框架(Enterprise Resource Planning based on Cloud Service Architecture, ERP-CSA)，描述了在云计算中实现ERP的服务模式和原理。有个和本文用了相似方法的研究成果“MULTICLAPP(MULTICLoud APPlications)”, 它是由Guillén等[7]为了模拟多重云应用程序，提出的一个基于统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)的模型，但是他们的重点集中在对多重云供应商的模拟，而没有更多地关注到ERP系统的设计者和开发者的要求。Alshayeb等[8]提出了一种通过UML建模的综合架构，它通过类图、顺序图和用例图来对软件系统建模，该建模框架可以适应不同领域，但在部署实施及逻辑组件的描述方面有所欠缺。现代企业信息系统是以分布式架构为基础，本地网络和互联网混合的基于Web的应用程序。最近研究表明，通过软件服务(Software-as-a-Service，SaaS)交付的ERP要优于传统提供的ERP[9]。虽然在基于SaaS的应用程序中，ERP落后于其他应用，但是普遍认为ERP在云平台上是充满发展潜力的。ERP系统市场的四大参与者：企业管理解决方案(System Applications and Products，SAP)、Oracle、Sage和微软都把他们自己提供的ERP定位在软件服务模型中[10]。但是，描述一个服务比描述一件产品更加复杂，因为服务有着无形、集成和易逝性的特点[11]。
总之，最近几年最大的趋势之一就是云计算。它有着重塑信息技术(Information Technology，IT)服务消费方式的潜力。最近一些ERP销售商已经把他们的部分产品移到云中，如SAP的设计。然而，为了使顾客可以看见越来越多的适合移到云上的服务，还有很多工作要做，因此，仍然需要更多的研究工作来阐明这两者之间密切结合的知识。
本文着重解决基于云服务的ERP软件工程建模问题。提出了ERPUML profile，根据新的语义，对UML元类进行了适应性的拓展。文中ERPUML profile构建在现有的UML建模平台企业架构(Enterprise Architect，EA)上，因此不需要再构建一个完整的自定义环境。本文提出的模型架构是一个统一的建模标准，它提供了一个绘制UML元模型实体的方法。将相同的元模型贯穿模型所有的建模阶段，可以确保模型各阶段互操作行和一致性。系统的每一个配置阶段都可能关联到其他方面。根据这一特点，本文通过UML，针对不同阶段用可视化图进行系统建模。
1 云ERP架构当今，云计算并没有一个标准的定义，下面是较为准确的一个：云计算是指作为服务交付的应用程序和硬件，以及提供这些服务的数据中心中的系统软件[12]。云服务可以看作是一个基于云计算的集群解决方案, 它涉及计算、数据存储和通过互联网可获得的软件服务。一般来讲，云服务可以被分为3类[13]。
1) 软件服务(SaaS)。在网络上进行应用程序服务交付。远程、灵活、无缝的SaaS简化了大量软件应用的使用[14]。
2) 平台服务(Platform-as-a-Service, PaaS)。指一个软件的开发工作框架和组件全部在网上交付。按需提供，并为使用模型支付费用。PaaS模型包里的一个计算平台包括操作系统、编程语言执行环境、数据库和Web服务器。一个PaaS客户端能够开发和运行它自己在软件层的应用程序[14]。
3) 基础设施服务(Infrastructure-as-a-Service, IaaS)。一个计算资源、存储和网络结构的集成环境，并且可以通过网络交付。按需提供，并为使用模型支付费用。
在这三类中，SaaS被认为是一个很有发展潜力的部分，使用SaaS的解决方案能给企业用户带来许多好处，同时在提高IT性能上也有着深远的影响[15]。而流程定制也已逐渐成为产业链协同SaaS平台发展的一种趋势，它在满足租户的个性化需求和降低供应商成本上有着至关重要的作用[16]。一方面软件提供者可以极大地简化软件的安装和维护，集中控制版本；另一方面，在基础设施里保证数据安全的同时，终端用户可以随时随地访问数据服务，可以很容易地与伙伴合作。图 1描绘了一个云ERP平台，该平台支持互操作性，即服务到服务的交互。云ERP旨在通过多个供应商为企业用户提供灵活地租赁整个ERP的服务。该平台有三个主要参与者，如下所示。
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图 1 云ERP平台 Figure 1 Cloud ERP platform |
1) 云服务提供商：使ERP提供商和企业用户之间可以进行沟通交流。
2) ERP提供商。提供一个计算机可读的基于可拓展标记语言(Extensive Markup Language，XML)的文件，对执行各种应用程序功能的Web服务进行描述。
3) 企业用户。他们选择和租用Web服务来满足他们的ERP需求。
图 1中具体流程如下。
步骤1 提交和评估。
1) ERP供应商提交Web服务到平台上。
2) 平台核实Web服务的兼容性。如果不兼容，将它发回到ERP提供商那里。
3) 专家开始评估每个Web服务。
步骤2 发布。
在这个平台上发布Web服务，通知用户。
步骤3 选择。
1) 用户输入需求和约束条件。
2) 用户选择合成的方法。
步骤4 实现。
1) 平台合成Web服务，配置到用户的虚拟云中。
2) 平台通知用户。
步骤5 使用。
1) 用户通过虚拟云使用服务。
2) 用户评价过程，并反馈到平台上。
根据云计算部署方式，云ERP可以分为3种类型:首先是基于外部第三方提供者提供的Web服务网络，由外部/公共云资源动态提供一个自助服务，即将业务外包给外部供应商; 其次是在一个没有网络宽带限制或安全风险的企业中的内部/私人云ERP数据和进程管理；最后是包含了多个内部和外部云计算解决方案的混合云环境中的ERP[17]。
众所周知，部署到企业内部的ERP解决方案更安全、更可靠，而在云ERP解决方案中，企业会租用一套完整的方案，包括软件和交付机制，同时也会更加依赖外部供应商，但成本会降低，因为用户只需按需付费即可。前文中第一类模式仅仅适应于公共云, 第二类模式只可以被应用于私有云。当今ERP系统提供公有云和私有云之间的转换，使得SaaS模式在技术方面的优势可以得到充分发挥，因此基于SaaS的云ERP得到了更广泛的应用[18]。
2 基于模型驱动架构的ERP建模方法模型驱动架构(Model Driven Architecture，MDA)是模型驱动的开发框架，其目的是定义一种描述和创建系统的新途径，使UML可以走得更远。MDA将应用系统与实现技术平台分离，以统一建模语言UML来表达与平台无关的平台独立模型(Platform Independent Model，PIM)，然后设计出适用于具体环境的特定平台模型(Platform Specific Model，PSM)，因为分隔且封装了企业与技术两方面的变化，所以降低了两者之间的牵动。PIM是具有高抽象层次、独立任何实现技术的模型，PIM可以被转换为一个或多个PSM。PSM是为某种特定实现技术量身定作的，例如，Java中的商业应用组件——EJB(Enterprise Java Bean)，PSM是用EJB结构表达的系统模型。PIM和PSM代表了对系统不同层次的抽象，从不同的视角来看待系统，将高层次的PIM转换到PSM的能力提升了抽象的层次，能够使开发人员更加清晰地了解系统的整个架构。
基于MDA的云计算软件开发平台，包括基于云计算环境的MDA开发工具、云计算支撑环境和云存储构件库等，其中软件开发MDA工具是主要研究目标[19]。MDA提供了一个从技术平台决策分离组织过程的概念性框架，其显著特点是可以使用自动化工具、定义抽象模型及完成不同模型之间的转换。
本章概述了基于MDA方法开发的云ERP模型。MDA基于4层元模型体系结构和几个互补的由对象管理组织(Object Management Group, OMG)设定的标准：元对象机制(Meta Object Facility，MOF)、UML和UML profile。如图 2所示，从下向上，依次是元元模型层(M0)、元模型层(M1)、模型层(M2) 和实体层(M3)。M3层模型是一个特定的应用程序，包括M2模型元素实例的人口。M2层是一个特定的应用程序在一个特定的建模系统为代表的模型。M2层的元素是定制的UML模型，属于PSM，即特殊平台模型。M1层属于PIM(平台独立模型)，包括UML和UML模型的建模语言，用于构建M2层模型。它定义了建模语言的语法和语义。UML profile机制允许对现有的UML元模型、元类进行拓展，以适应不同的领域环境。其中包括为不同领域定制UML元模型的能力。M0层模型是MOF，是指定建模系统的统一建模语言。MOF是一个抽象语言，被创建用来定义建模语言，如UML或公共仓库元模型(Common Warehouse Meta-model，CWM)[20]。
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图 2 4层模型驱动架构 Figure 2 Four-layer model driven architecture |
profile的设计过程首先是定义一组适应于云ERP的构造型和图标，然后在profile元素上附上约束条件，来增强其表现力，因为UML作为可视化建模语言，其语义不够明确。
本章根据第2章描述的云ERP框架提出了ERPUML profile(如图 3)。该profile使用标准的方法，通过构造型来表示云ERP框架语义，因此支持UML工具对这些语义进行表达。一般来讲，一个UML profile可以通过定义UML拓展机制中的下列类型，来拓展UML建模语言。
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图 3 ERPUML profile Figure 3 ERPUML profile |
1) 构造型。构造型定义了一个现有的元类的拓展，通过拓展的元类，允许将领域特殊术语或符号添加到元类中，或者替换现有的元类。
2) 约束。约束直接连接到UML元素，描述了UML元素必须遵守的语义限制。它可以在任何语言中表达，无论其是否可以机读。
3) 标记值。标记值进一步描述了构造型元素。每个标记值都有一个名字和类型，并与特定的构造型相关联。
3.1 构造型拓展机制是UML中的一大特点，profile包是UML拓展机制的一种实现。事实上，UML拓展机制是通过创建的构造型(如表 1)构建特定领域的语言基础，通过将UML核心类子类化来引进新的语言原语，新的子类表达了这些原语的新属性[21]。通过标记对应的构造型，可以将模型元素对应到这些原语中。
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表 1 构造型 Table 1 Stereotypes |
本文主要模拟的是云ERP服务，将ERP应用和云平台结合。而本节通过描述带有云ERP特色的UML profile，使模型能够很好地适应ERP对新概念的应用。其中构造型 <<EnterpriseUser>>表示企业用户；<<Provider>>是一个抽象的服务供应商，代表完成了注册过程的供应商成员；构造型 <<Service>>代表的是供应商提供的服务，服务供应商根据他们的业务领域，根据需求提供对应的功能模块，包括数据库服务和具有特定功能的功能组件；构造型 <<Management>>代表的是对服务的管理操作，如服务的分类和组合等。服务的非功能属性是用户在服务质量上特定需求的表现，为了对这方面建模，本文参考文献[22]中的可信指标体系，创建了构造型 <<Non-FunctionalAttribute>>，它提供了运行时间、可靠性、可维护性、安全性和可拓展性指标；构造型 <<Image>>代表了云环境的映像；构造型 <<CloudEnvironment>>是指能够从动态虚拟化的资源池中向用户或者各种应用系统按需提供计算能力、存储能力或者虚拟机服务等的互联网或者大数据环境。
元模型如图 4所示。
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图 4 元模型 Figure 4 Meta-model |
对象约束语言(Object Constraint Language，OCL)作为图形符号的补充，用来说明建模元素的细节。OCL是形式化的无二义的语言，不会改变模型中的内容，可以用来更好地定义对象的行为，并为任意类元指定约束，生成更精确的域模型。
本文用OCL建立以下约束。
1) 添加到构造型Service中的约束。
一个服务要有一个精准的类别：context Service inv: self.ownedMember->select(m|m.oclIsTypeOf (Category))>size()=1。
一个服务要有一个精准的标识符：context Service inv: self.ownedMember->select(m|m.oclIsTypeOf(Identifier))->size()=1。
一个服务要有一个唯一的标识符：context Service inv:Service.allinstances->forAll(p1, p2|p1 < >p2 implies p1.Identifier < >p2.Identifier)。
类Service只能与类Provider、类Service、类Cloud Environment和类Management相关联：self.allOpposite-AssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf(Provider) or oclIsTypeOf(Management)or oclIsTypeOf(Cloud Environment)or oclIsTypeOf(Service))。
2) 添加到构造型EnterpriseUser的约束。
每个用户的ID必须唯一：context EnterpriseUser inv:EnterpriseUser.allinstances->forAll(p1, p2|p1 < >p2 implies p1.Identifier < >p2.Identifier)。
类EnterpriseUser只能和类Provider、Service相关联：self.allOpposite-AssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf(Service)or oclIsTypeOf(Provider))。
3) 添加到构造型Provider的约束。
每个供应商的ID必须唯一：context provider inv:Provider.allinstances->forAll(p1, p2|p1 < >p2 implies p1.Identifier < >p2.Identifier)。
每个供应商只能和类EnterpriseUser和类Service相关联：
self.allOpposite-AssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf(Service)or oclIsTypeOf(EnterpriseUser))。
4) 添加到构造型Image的约束。
类image只能和类CloudEnvironment相关联：self.allOppositeAssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf(CloudEnvironment))。
5) 添加到构造型CloudEnvironment的约束。
类Cloud Environment只能和类Service、类image、类Cloud Security相关联：self.allOppositeAssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf(Service) or oclIsTypeOf(Image)) or oclIsTypeOf(Cloud Security))。
6) 添加到构造型CloudSecurity的约束。
类CloudSecurity只能和类CloudEnvironment相关联：self.allOppositeAssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf (CloudSecurity))。
7) 添加到构造型Management的约束。
类Management只能和Service相关联：self.allOppositeAssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf (Service))。
8) 添加到构造型Non-FunctionalAttribute的约束。
类Non-FunctionalAttribute只能和Service关联：self.allOppositeAssociationEnds->forAll(participant.oclIsTypeOf (Service))。
图 5是部分XML代码。
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图 5 部分XML代码 Figure 5 Partial XML code |
本章参照文献[23]中云平台下的ERP系统，提出了一个使用ERPUML profile创建的云ERP模型的实例，并对其进行了详细的讲解，帮助读者更好地理解ERPUML profile，进一步了解它的应用。
在IT行业中, 产品的生命周期是非常短的，公司经常需要交付新的有市场价值的产品。在一些IT行业领域，原始设备制造商(Original Equipment Manufacturer, OEM)和原始设计制造商(Original Design Manufacturer, ODM)是其主要的业务，这些公司没有被卷入客户销售和营销活动中。信息系统的跨功能合作，是为了应对快速变化的顾客需求和非常短的产品生命周期，IT行业领域中，短生命周期产品行业领域中的信息系统的跨功能合作，比在较长生命周期产品行业领域中更加重要。第2章已经对云ERP框架进行了初步的描述，一个典型的ERP系统的应用程序包括系统财务、人力资源、生产和进销模块，因此，一些企业用户想要选择来自ERP云平台的这4个功能模块，来定制他们自己的ERP系统。
根据建模过程中的不同阶段，本文围绕ERPUML profile，用UML图从不同角度来对各个阶段进行描述，并将其总结为了4个部分，包括应用图、拓扑图、物理图和操作字典。
4.1 应用图应用程序是相互交互的组件集，如应用服务器、数据库服务器等。每一个组件都有着具体的功能，如数据库服务器用于数据存储。用户行为也在应用视图中描述，用户通过激活客户端组件进行操作，调用服务。而服务实现由组件激活时产生的简单任务组成，即操作。一般从预先定义的操作集选取操作，该操作集又被称为操作字典。
应用图本质上是UML的用例图和类图。UML的用例图描述了系统的具体功能，因此，它们适合用来描述服务。服务代表了由系统提供一系列连贯的功能单元，本文将服务模拟为用例，并且将由它们组成的模块称为包。通过用例间关系的定义，可以形象地模拟服务间的关系。在类图中可以进一步对这种功能关系进行抽象化定义，方便开发者进行代码编写。本文用例图如图 6所示。
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图 6 用例图 Figure 6 Use case diagram |
ERP供应商发布了ERP服务组件，包括生产管理服务、财务管理服务、进销管理服务、人力资源管理服务和数据库服务5个服务组件；同时为各个功能组件，配置相应的云环境，每个云环境都有着唯一一个与之对应的映像文件(Image)。根据模型，创建了两个与Windows系统相关的映像，来对云ERP系统进行建模，具体类图如图 7所示。
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图 7 类图 Figure 7 Class diagram |
图 8展示了部分的操作字典。所有的操作都被分解为最基本的操作(功能处理、磁盘管理、网络)，系统设计师可以向操作字典中添加新的操作。比如，在图 8中将操作“寻找匹配服务”添加进字典中，添加操作要经过3步：定义参数，定义与现有操作间的依赖关系，验证执行。验证执行是指进行相应约束检查，如果使用操作中定义的参数可以使操作正确执行，则该操作可以加入操作字典。
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图 8 操作字典 Figure 8 Operation dictionary |
拓扑图是被封装起来的逻辑部件，描述系统的拓扑结构，其本质是UML中的组件图。如图 9中所示，ERP系统的实现需要4个功能模块，生产管理、财务管理、进销管理和人力资源管理。云ERP模式下，ERP系统的实现过程中主要有3个参与者：云平台、ERP供应商和企业用户。
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图 9 组件图 Figure 9 Component diagram |
整个服务过程中，对服务的操作可以分为4种：发布、查找、绑定和调用。ERP供应商接受来自服务请求者的服务请求，同时向云平台发布服务，云平台中会生成相应服务目录。用户在服务注册中心查找服务，根据返回信息向服务提供者请求服务，最后通过绑定和调用获取所需服务。
4.4 物理图物理图本质上是UML中的部署图。云ERP系统中，所有网络连接都是基于TCP/IP的。如图 10中所示，定义了ERP系统物理视图的结构，其结构层次必须与实际工作流程和组件图相一致。
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图 10 部署图 Figure 10 Deployment diagram |
在国内，罗军舟等[24]对云计算的研究和发展现状作了总结，并对其体系结构、关键支撑技术和特点作了描述。Zhang等[25]从一个服务体系的角度探讨了纺织产业集群中的IT服务改革。他们认为IT使生产者服务可以确保纺织产业集群的结构升级。
在国外也有许多专家学者对用UML profile在不同领域的建模应用进行了许多的尝试和探索，从Flake等[26]在论文中提及一个为生产系统建模的方法MFERT，并为该方法提出了适应性的UML profile；到后来的Bruni等[27]为了描述面向服务的应用程序, 提出了关注抽象架构层的模式化设计和重配置方面的UML profile描述；以及Al-Ghofaili等[9]，也提出了3种企业ERP系统实现方法，包括传统ERP、SaaS平台上的ERP和IaaS平台上的ERP，并对它们作了详细的分析比较。另外，Tarantilis等[4]提出一个基于Web的ERP系统开发，来解决业务问题，从一个简单的办公自动化过程到复杂的供应链规则都是业务流程的管理范围。
建模是当前软件开发的基础，对于云计算中应用程序的开发，建模是非常重要的，但由于模型的不匹配、配置过程的不合理等原因，使得ERP供应商的许多高额投入往往达不到预期效果，因此，合理的模型可以使设计师在开发前对系统进行分析和测试。本文主要在该方面进行了详细的设计与探讨。在统一元模型的基础上，通过建立应用图、操作字典、物理图和拓扑图，在元模型的基础上从不同方面描述模型，并通过约束实现精确化建模。
6 结语根据具体云ERP框架，本文首先提出了一种新的原语ERPUML profile。然后通过不同视图，从不同角度对云ERP进行描述，通过用例图、类图、组件图和部署图等，生成精确的域模型，设计实现了新的建模框架，保证了模型的互操作性和一致性。为云ERP的开发，提供了一个简洁有效的建模方法。最后在EA平台中实现并证明了本文提出方法框架的有效性。云ERP是一个复杂的企业信息系统，由于时间和技术的局限，本文的工作还不够完善，许多功能未能实现。如可以进一步地将物联网技术融入ERP系统，为生产管理服务提供原料跟踪和物料智能补齐等服务。
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