2.4.1　概念建模

概念建模（Concept Modeling）的主要目的是将业务需求转换为数据需求，站在软件的角度将业务需求结构化和系统化。通过概念建模，所有的业务需求都可以归结到对象（包括对象属性的定义）与对象之间的关系上。换句话说，通过对象与对象之间的关系，可以描述现实中任意一个事物，以及组织对事物的管理要求。

概念建模是业务需求与软件开发的桥梁。在保证概念模型中对象、对象属性、对象之间的关系被完整清晰定义的前提下，概念模型在形式上也可能容易被业务人员所理解，这涉及概念建模的语言和工具的选择。当前，业内常用的概念数据建模工具有E-R实体与关系模型、UML统一建模语言和OPM对象过程模型。

（1）E-R实体与关系模型

E-R模型以两类要素——实体（Element）和关系（Relationship）为基本构件，来描述业务需求。其中，实体类似于面向对象编程中的对象，关系类似于面向对象编程中的方法或事件。

如图2.8所示，其中的业务对象有合同工、员工、组织单元、岗位和技能，事件则有雇佣、终止、离职、转岗、晋升、评价等。对象之间还有“被拥有”与“拥有”“管理”“汇报给”等关系类型。

（2）UML统一建模语言

UML是一种为面向对象系统的产品进行说明、可视化和编制文档的一种标准语言，在软件开发工程师之间比较常用。UML中包括功能模型、对象模型和动态模型，由模型元素（Model Element）、图（Diagram）、视图（View）、通用机制（General Mechanism）等几个部分组成。

（3）OPM对象过程建模

相比UML统一建模语言，OPM对象过程建模的方法更简单，不仅可以用于软件开发领域，也可以用于其他产品的设计和建模。

图2.8　E-R概念数据建模方法举例

如果从模型学的角度，世界基本由三种要素构成，即物（Object）、事或过程（Process）和关系（Relationship）。从时间变迁的角度，物是物理或信息上的静态存在（Existence）；过程是一种时间和动作序列化的动态存在（Happening）；关系则是物与物之间、过程与过程之间、物与过程之间的相互关联，可以表现为结构（Structure）或行为（Behavior）。世界或世界的某部分，都可以用这三方面的要素建构或解构。在这种思想的指导下，诞生了很多模型方法论，通用性比较强又相对简单的是对象关系方法论（Object-Process Methodology，OPM）。

在OPM方法论中，人们（用五官或理性思维）看得见也可言说的关键要素只有两类，即对象（Object）和过程（Process）。关系则只能根据最终结果或输出来意会，难以言说或书面化，它是现实世界中的“玄”和“玄之又玄”。过程对对象的影响主要有三种：

1）过程消耗或消灭对象，比如制造过程要消耗原材料；

2）过程催生或创造对象，比如制造过程产生副产品或产成品；

3）过程改变对象的状态，比如制造过程将所使用的设备设置为“忙”的状态。

在制造过程中，人、机、料（含原材料、在制品和产成品）和环是对象，法和测是过程。此外，对象还可能是过程的操作者（Operator），过程由对象触发或控制；对象还可能为过程提供支持（Instrument），过程的推进依赖某些工具或设备。

用OPM的方法描绘的通用制造系统模型如图2.9所示。

图2.9　用OPM描述的通用制造系统模型

由图2.9的模型图，可以得出以下结论：

1）制造系统的核心作用是转化，即将能源、人力、原材料等资源转化为产品；

2）制造系统的运行过程中还会产生一定的无价值副产品，比如排放、返工、等待、工料费等；

3）制造系统的改进方向是减少资源消耗，杜绝无价值副产品，增加价值产品的产出；

4）制造系统的改进路径是优化对象与对象之间、对象与过程之间、过程与过程之间的关系，即结构和行为。

（4）对象、类和类的层次

选择什么样的建模语言或工具，主要取决于当事人的偏好，选用任何一种建模工具都不能保证数据建模的高质量，还要在数据模型中的对象、类，以及类的层次上下功夫，考验的是当事人的哲学思维和架构能力。下面以业内知名的物联网平台——PTC ThingWorx数据建模为例，来谈谈其中所蕴含的数据建模思想。

应用软件是解决方案的“母体”，PaaS平台是应用软件的“母体”。

从业务需求到解决方案，从解决方案到应用软件，从应用软件到PaaS平台，抽象化越来越高，通用性越来越强。平台之所以称为平台，就是因为它是高度抽象化、模型化的架构式软件系统，它能衍生出千千万万的“子孙”——应用软件。

PaaS平台是模型和架构思维在IT行业的具体实例，其模型化、架构化的程度越高，平台的生命力就越强。在PTC ThingWorx平台中，基本架构要素如图2.10所示，主要有七个：Thing Shape、Thing Template、Thing、属性、服务、事件和订阅。

图2.10　PTC ThingWorx平台中的架构要素

Thing是物联网中对象的统称，可以代表智能设备、资产、产品、IT系统、人员、流程等。简而言之，在物联网世界中，万事万物都是Thing。

Thing Shape和Thing Template是Thing的类，是在Thing之上更高层面的模块化。Thing可以继承Thing Shape和Thing Template的各种属性和方法。一个Thing需要分配一个Thing Template，也可同时分配一个或多个Thing Shape。

Thing Shape可以理解为迷你型Thing Template。Thing Shape可以分配给Thing Template，反之则不行。分配给Thing Template或Thing的Thing Shape可以为一个或多个，而分配给Thing Template或Thing的Thing Template则只能为一个。

属性、服务、事件、订阅等用于描述物联网中各种Thing的特性和方法。属性、服务、事件和订阅可以分配给Thing Shape和Thing Template，然后再间接继承到相关的Thing，也可以直接将其分配给Thing。

属性是对Thing的描述，可以是静态的，也可以是动态的。

服务是由一段代码所构成的方法或功能，以帮助Thing完成某个特定的活动。

事件是触发器，用于触发Thing的状态变化，也可以驱动某个业务逻辑或活动。

订阅是伴随着事件的活动，可用于业务的优化或自动化。

根据业务需求，应用PTC ThingWorx平台进行业务建模，基本遵循以下过程（如图2.11所示）：

图2.11　PTC ThingWorx中的数据建模过程

1）业务需求的准确性、完整性记录和澄清；

2）将业务需求分解成相对独立的用户故事；

3）将用户故事的内容拆分成业务对象（实例，Instance）和对象之间的关系（Relationship）；

4）将关系的内容和性质进一步拆分成属性、服务、事件和订阅；

5）将第4步中的属性、服务、事件、订阅等进行归纳和分类；

6）根据第5步的分类，定义必要的Template或Shape，并将所有的属性、服务、事件、订阅等分配给Template或Shape；

7）将第3步实例清单中的实例与第6步的Template或Shape进行关联；

8）用Template、Shape、Thing、属性、服务、事件、订阅等要素，以相互之间的分配与继承关系完整地描绘第2步的所有用户故事。

利用ThingWorx对物联网业务场景进行建模，就是从特殊到一般、从个体到模型的过程，其中的关键是实例与实例之间关系的整理和结构化。将关系拆分成不可分割的属性、服务、事件或订阅，然后再合并同类项，最终完成从关系到属性和方法、从属性和方法到模型化的过程。