基于構件的管理信息系統云開發平臺研究*

周　偉，蔡　瑩，王天楠，陳　平

（1.北京師范大學研究生院，北京100875；2.聯想（北京）有限公司 銷售支持部，北京100085；3.微軟（中國）有限公司亞洲搜索技術中心，北京100080；4.北京師范大學 信息網絡中心，北京100875）

基于構件的管理信息系統云開發平臺研究*

周偉1，蔡瑩2，王天楠3，陳平4

（1.北京師范大學研究生院，北京100875；2.聯想（北京）有限公司 銷售支持部，北京100085；3.微軟（中國）有限公司亞洲搜索技術中心，北京100080；4.北京師范大學 信息網絡中心，北京100875）

本文研發了一種基于構件的管理信息系統開發平臺，以平臺即服務（PaaS）的模式提供管理信息系統的開發服務。文章首先分析管理信息系統的基本功能，研發了一系列高效可靠的可復用構件，使管理信息系統的關鍵功能可以通過直接組裝構件的方式實現；接著研發了一種開發平臺，讓開發者可通過瀏覽器在云端組裝構件，以迭代的方式快速構建和部署系統功能。對于不能用現有構件直接組裝而成的業務，開發者可利用開發平臺提供的新構件進行開發服務構建。北京師范大學研究生學位系統、研究生質量監控系統等管理信息系統的敏捷開發實踐表明，基于構件的PaaS開發模式，能夠很好地契合敏捷軟件開發理念，大幅提高系統的開發效率，減輕系統的維護負擔，提升系統的構建質量，降低系統整體成本。

云計算；敏捷開發；權限管理；混合編程；平臺即服務

一、引言

管理信息系統是一個具有高度復雜性、多元性和綜合性的人機系統，它全面使用現代計算機技術、網絡通信技術、數據庫技術，以及管理學、運籌學、統計學、模型論和各種最優化技術，為經營管理與組織決策服務。［1］管理信息系統的研發團隊不僅要有多個學科的背景知識，而且也要熟悉相關管理領域的業務流程。因此相比于一般的軟件開發，管理信息系統的開發尤其具有學習難度大、開發周期長、開發成本高、缺陷查到難、維護代價大的特點。

業界一直試圖開發新的技術、使高質量計算機程序的開發和維護更容易、更快捷、成本更低廉。［2］人們一直在研發更能表達編程中各種概念的高級語言和應用程序框架以提高生產率?，F代高級語言在命令式的面向對像編程基礎上，發展了聲明式、函數式和動態的特性，使其表達能力更接近人類的思考能力，方便開發者集中精力解決業務本身的細節。［3］人們也一直在歸納設計經驗，精練解決方案，總結能解決軟件開發中最常見問題的設計模式，通過現成的抽象，把常見錯誤解決方案的細節予以制度化來減少缺陷。［4］在各行業的管理需求的驅動下，涌現出了各種管理信息系統。［5-6］

為了進一步提高某些領域的軟件開發生產率，人們提出了基于構件的軟件工程（CBSE）。CBSE強調用可復用的“構件”來設計和構造軟件系統，把構建重點從編碼轉移到組裝，改變著大型軟件系統的開發方式。［2］一些大型企業，如SAP，提供的企業資源管理（ERP）的解決方案，正是采用了這種過程模型。一些學者也開始在相關管理領域嘗試基于構件的實踐。［7］然而在管理信息系統領域廣泛使用CBSE之前，必須分析對應管理領域，尋找重復模式。這就要求系統分析師不僅是軟件構建專家，而且也要對管理領域有深入的了解。云計算時代的來臨，為解決這個問題提供了契機。一些學者開始嘗試軟件即服務（SaaS）的應用模式。［8-10］一個領域的SaaS很難能為其他領域提供服務，因此人們又提出了平臺即服務（PaaS）的理念，即把軟件研發的平臺作為一種服務，以SaaS的模式提交給用戶。軟件行業的領導者紛紛推出了PaaS，如Google App Engine、Amazon EC2、Windows Azure等。PaaS的出現提高了應用的開發速度，加快了SaaS的發展。然而這些服務的出現，縮短了開發周期，降低了開發成本，同時也增加了學習難度和缺陷查找成本。

本文結合CBSE和PaaS的優勢，研發了一種基于構件的管理信息系統云開發平臺。第二部分論述通過分析管理信息系統的基本功能，研發的一系列高效穩定可復用的構件。這些構件使開發者可以用組裝的方式實現基本功能。第三部分論述云開發平臺。該平臺使開發者只要通過Web瀏覽器即可組裝和開發新構件。第四部分為敏捷開發實踐，介紹基于此平臺開發管理信息系統的成功案例。第五部分為總結。

二、構件設計與開發

基于構件的軟件工程（CBSE）正在改變大型軟件的開發方式，其考慮的重點從編碼轉移到組裝軟件系統，考慮的焦點是“集成”，而不再是“實現”；基于構件開發縮短了70%的開發周期，減少了84%的項目開銷，生產率指數可達26.2，而工業標準值為16.9。［2］管理信息系統雖然涉及的學科多，而且相關的管理領域千差萬別，但是其基本功能相對明確，主要包括數據處理、預測、計劃、控制以及輔助決策。這些功能存在很多共性，可對這些共性建模。我們通過分析管理信息系統應用領域，開發了關系數據庫管理、表單和CRUD網格、報表分析、權限管理、新構件開發五大可復用構件，如圖1所示。

圖1　管理信息系統云開發平臺構件

1.關系數據庫管理

數據庫（Database）是按照數據結構來組織、存儲和管理數據的倉庫，它是管理信息系統的核心部分，是進行科學研究決策的前提條件。關系數據庫建立在關系數據模型基礎上，適合作為管理信息系統的主數據庫。人們已經開發了功能非常強大的數據庫設計和管理工具，如PowerDesigner、Navicat、SQLyog等，但這些工具是作為一個獨立的產品發布的，很難與其他構件集成。

我們開發了一種基于Web的輕量級數據庫管理工具，通過分析關系數據庫系統的元數據，識別各種實體和聯系，實現在線數據管理、創建數據結構文檔、生成ORM實體類及創建表單等功能。在數據庫設計之后，此工具可根據數據表結構自動生成表單，用表單和CRUD網格工具對所生成的表單進行配置，即可實現數據的采集和存儲。

2.表單和CRUD網格

表單是利用網頁進行數據采集的基本單位。表單允許用戶通過文本域、單選按鈕、復選按鈕等控件輸入數據，提交信息，是用戶和服務器之間進行信息交互的重要手段。表單開發是整個管理信息系統開發的重要基礎，其過程是根據采集數據的結構，對數據項設計合適的表單域，并在用戶提交時進行數據合法性校驗，將合法的數據存入數據庫。傳統的表單開發需要前端工程師、后端工程師和數據庫工程師的協作，開發成本較高。

我們的表單和CRUD網格構件極大地減少了上述過程的復雜度，只需通過配置就可以實現數據的增加（Create）、讀?。≧etrieve）、更新（Update）和刪除（Delete）。CRUD網格工具既能分析表單對應數據表的結構，也能分析結構化查詢語言（SQL）腳本，根據分析結果自動生成支持排序、分頁、查找、導入、導出等功能的CRUD網格。表單工具可配置各個表單域的控件類型、數據類型和驗證規則，并可通過配置數據觸發器實現實體之間的邏輯驗證。表單和CRUD網格工具還支持自定義操作按鈕，按鈕通過引用一段SQL或Python腳本，實現個性化的功能。我們還實現了一種基于有限狀態機的工作流引擎，使基于角色逐級審核的業務需求，只要通過表單和有限狀態機的配置就可以實現。［12］而對于實體之間聯系的管理，我們構建了一種通用模型，開發者按照約定編寫已選、可選、增加、刪除和權限檢測五條SQL腳本即可實現實體之間多對多聯系的管理。

通過關系數據庫管理構件、表單和CRUD網格構件的組裝，就可以實現數據采集、轉換、存儲、檢索等功能。接下來，我們開發了報表分析構件。

3.報表分析

報表就是用表格、圖表等格式來動態顯示數據。根據數據特征不同生成不同類型的報表可挖掘數據中信息。報表分析工具是管理信息系統進行計劃、預測和輔助決策的重要組成部分。一些數據庫管理工具，如Foxpro、Navicat等均支持報表的開發，但它們很難與Web系統集成起來。水晶報表等工具能夠很好地與Web系統集成，但是其商業授權費用非常高。

我們開發的報表分析工具用HTML、CSS和JavaScript作為報表定義語言，SQL和Python作為數據源腳本。這些語言均是行業的開放標準，容易學習，沒有商業授權費用。表格工具實現了Model-View-View-Model（MVVM）模式，使開發人員可以把視圖和邏輯分離出來，通過數據綁定的方法生成視圖。［14］SQL和Python是被廣泛使用的腳本語言，特別適用于混合語言編程的軟件開發。［15］圖表工具的可視化引擎是基于開源的數據可視化產品，開發人員可以用腳本生成數據，直接生成直觀、生動、可交互、可個性化定制的數據可視化圖表。［16］我們還針對常用的圖表類型，如條形圖、餅圖、拆線圖、散點圖、雷達圖等，構建了表格轉圖表模塊，這樣只需一條SQL腳本即可生成圖表。

運用報表分析構件可實現預測、計劃和輔助決策的功能。為實現管理信息系統的控制功能，我們構建了一個開放靈活的權限管理構件。

4.權限管理

權限管理是根據設置安全規則或策略，讓用戶能且只能訪問被授權的資源。首先我們實現了一個基于角色的訪問控制（RBAC）引擎。所有表單和CRUD網格的增刪改查、表單域的選取和更新、按鈕、SQL和Python腳本、報表、頁面等都實現了RBAC。［17］RBAC實現了功能級權限的訪問控制。

數據級權限在管理信息系統中也非常重要。數據級權限指在功能模塊內控制用戶的數據訪問，如學生信息模塊中，學院只能管理本學院學生，學校則能管理所有學生。傳統數據級權限管理一般采用硬編碼的方式，把權限邏輯用條件的形式與業務代碼耦合在一起，難以測試，開發維護成本高。一些學者研究基于屬性規則的數據權限模型，但其規則引擎配置復雜，而且不能適應更加復雜的權限控制。［18］我們用過濾器、觸發器、控制腳本相結合的形式，實現了較為靈活的數據級權限控制。過濾器用一種輕量級的數據交換格式（JSON）定義，配置簡便靈活。［19］規則引擎對資源進行過濾，用戶只能得到經過濾器過濾后的信息。觸發器和控制腳本用SQL腳本或Python腳本定義，能夠在用戶進行操作之前進行自定義驗證，并能在操作之后進行數據加工。

表單、網格、報表與權限管理的集成，能靈活地實現管理信息系統的數據處理功能、預測功能、計劃功能、控制功能和輔助決策功能。我們還開發了一個新構件開發工具，可實現更加個性化功能。

5.新構件開發

對于不能用現有構件實現的系統需求，要構造滿足這些需求的新構件。新構件開發模塊在服務器端實現了MVC模式，有效地分離了應用的業務邏輯、數據和界面，提高了應用的可擴展性、可維護性和可復用性；［20］在客戶端實現了MVVM模式［14］，不僅使視圖可以獨立于模型的變化和修改，降低了耦合度，而且讓業務邏輯和數據的開發與頁面設計徹底獨立開來。我們在開發的前端和后端均采用了模板引擎，能更加合理地分離前后端，不僅能提高開發人員的協同效率，而且可以降低Web應用服務的資源消耗，提高系統吞吐量。［21］

新構件開發采用了混合編程的開發模式。程序設計語言有各自的優勢和不足，混合編程可以充分利用各種程序設計語種的優勢，只要解決各種語言間參數傳遞的問題，就可以極大地提高開發效率。［22］我們采用了C#和Python混合開發模式，對瀏覽器、應用服務器、數據庫服務器的數據交換定義了一套完整的規則，把HTTP的請求和響應數據均封裝在兩種程序設計語言都識別的字典和數組中，打通了混合開發的關鍵環節。

三、云開發平臺

平臺即服務（PaaS）是指將軟件研發的平臺作為一種服務，以SaaS的模式提交給用戶，它不但可以為更高的可用性、更具擴展性的應用提供基礎平臺，還可以提高硬件資源利用率，降低業務運營成本。［23］PaaS平臺提供應用程序的開發和運行環境，使開發者不需要維護軟硬件設備，又免去了繁瑣復雜的應用部署過程。但是現有的PaaS平臺一般僅提供特定的編程語言的運行環境，且難以提供像集成開發環境（IDE）那樣強大的功能，反而會增加開發者編碼和測試成本。［3］本文平臺不僅提供應用程序開發和運行環境，而且支持構件組裝，實現CBSE過程，大幅提高生產率。

1.開發環境

我們實現了在線應用開發服務，支持HTML、CSS、Javascript、Python、SQL的開發。為了保證云端編碼效率的質量，我們基于CodeMirror（一種開源的源代碼編輯器）進行二次開發，實現了一個基于Web的集成開發環境（IDE），實現了源代碼的編輯、版本控制、編譯、執行，支持代碼折疊、格式編排、括號匹配、智能縮進、自動完成、代碼美化、錯誤檢測等功能，符合現代化IDE的特性。版本控制通過數據保存事件處理程序，自動保存了源代碼的歷史版本，并支持一鍵查看。編譯功能實現了對Python腳本的動態編譯，能夠識別腳本中的語法錯誤。編碼完成后，開發者可直接訪問資源對應的統一資源標識符（URI）查看代碼執行結果。

2.構件組裝

我們研發了基于Web的構件組裝工具。我們是基于資源的設計研發的云開發平臺，可引用功能和數據都通過簡明的URI被訪問。［24］因此開發者只需通過開發環境組織資源URI的拓撲結構就可實現構件的組裝。我們還設計了一種以數據為中心的構件快速組裝框架，其用戶界面是一個帶工具欄的支持查找和分頁的CRUD網格。開發者可定義網格中顯示的數據和工具欄中的按鈕。我們定義了常用的按鈕點擊事件處理程序，如需要確認后才執行、直接訪問URI、訪問選中數據格式化后的URI、訪問以選中數據為參數的URI、把選中數據以AJAX形式提交、輸入參數并把選中數據以AJAX提交等操作。開發者只用關注構件的組裝，而不用關注界面的設計。另外，我們還開發了一個URI分析工具。該工具能夠分析URI的格式和參數，匹配URI對應構件的配置腳本或源代碼，從而使開發者可以更快速地組裝和維護構件。

下面介紹基于本文開發方法的敏捷開發實踐案例。

四、敏捷開發實踐

2001年，Kent Beck和其他軟件專家共同簽署了“敏捷軟件開發宣言”，聲明個體和交互重于過程和工具，可以工作的軟件重于面面俱到的文檔，客戶合作重于合同談判，隨時應對變化重于遵循計劃。［25］敏捷理念強調4個關鍵問題——小而高度自主的團隊、項目共同利益者的交流合作、有效支持變化及快速交付滿意的軟件。下面介紹基于構件的PaaS模式下，管理信息系統的開發實踐。

1.研究生學位管理系統

隨著研究生教學規模的擴大、學位授予類型的增加以及研究生教育改革的深化，研究生學位管理工作的需求也不斷變化。學位管理系統在研究生管理過程中具有業務流程清晰、數據嚴謹規范、權限要求嚴格等特點。［26］

學位授予工作，主要有兩條工作流。一是論文評閱，即學生提交申請信息（科研成果、導師評語、論文等），教務員進行審核，經專家評閱合格方可進行答辯申請；二是答辯申請，即學生提交根據專家意見修改后的論文信息進行答辯，答辯秘書錄入答辯結果，教務員審核答辯信息并確定分會名單，分會討論錄入分會結果，校會審議。

我們組織了三人的開發團隊，遵循Scrum方法，對兩條工作流設計了三個5天周期的迭代計劃實現主要功能。信息采集功能通過表單、CRUD網格構件和報表構件直接組裝實現。利用工作流構件，通過把有限狀態機與表單和CRUD網格構件集成的方式，實現了論文評閱和答辯申請兩條工作流。學位授予數據的匯總和統計分析通過配置報表分析構件實現。迭代周期結束之后，再根據業務的變化調整構件的配置或重新組裝構件，靈活響應變化，優化系統。

利用本文方法開發的北京師范大學學位管理系統，具有架構先進、功能完備、數據準確、擴展靈活的特點，為我校學位管理工作提供有力支撐。

2.研究生質量監控與評估系統

教學質量是教育永恒的主題。為了保證高等教育教學質量，使規模、質量、效益協調發展，應當構建一套科學可持續的質量監控與評估體系。［27］研究生質量監控與評估系統主要以學生評教、專家督導、論文外審、公開答辯、畢業生滿意度調查等措施為基礎，監控教學過程的質量，構建評估與反饋系統。信息系統主要實現數據的采集、公示和分析。

學生評教數據、排課數據位于第三方開發的教務管理系統中，需要跨數據庫集成；外審、答辯數據位于自主開發的學生管理系統中，可直接引用；專家督導信息采集、答辯信息公開功能、滿意度調查可用現有構件組裝。

我們組織了二人研發團隊，設計了兩個5天周期的迭代計劃快速構建信息采集、公示功能。我們用Python編寫了數據同步的腳本，從第三方教務管理系統讀取排課信息；用CRUD網格構件實現了督導信息采集功能；讀取答辯信息用模板引擎生成了答辯信息公開的網頁；用問卷構件生成了滿意度調查問卷。此處要分析的數據維度大，采用SPSS統計軟件輔助分析數據。反饋功能主要通過學院教學經費、招生計劃的調節實現。

利用本文方法開發的北京師范大學研究生質量監控與評估系統，為北京師范大學研究生質量監控和評估提供了基礎數據，有利于提高監控和評估工作的質量和效率。

3.本文方法優勢分析

本文方法結合了CBSE和PaaS，與傳統方法相比，具有如下優勢。

首先，本文方法進一步改善了質量。傳統的CBSE過程的構件合格性檢驗要考慮運行時需求、資源使用等因素的影響，而PaaS則使開發者不必考慮這些因素。傳統的PaaS模式具有較高的缺陷查找成本，而利用CBSE，隨著構件的每一次復用，缺陷被發現并被消除，構件質量也隨之改善，使缺陷一般出現在構件的集成中，極大提高了缺陷消除的效率。

其次，本文方法進一步提高了生產率。軟件開發過程一般為溝通、策劃、建模、構建、部署的迭代過程。CBSE降低了計劃、模型、文檔、代碼和數據的創建工作花費的時間，同時PaaS無需配置復雜的開發和運行環境，使開發團隊都可以在線實時協同，提高了開發效率。

最后，本文方法進一步降低了成本。少構建多復用的CBSE肯定是成本合算的。本文開發的平臺以PaaS模式大幅降低了構件合格性檢驗、適應性修改與組裝的成本。同時，本文核心方法采用的是開放標準技術，沒有商業授權成本，且相對容易學習，能減少開發團隊磨合成本。

五、總結

本文研發了一種管理信息系統開發平臺，以基于構件的PaaS模式提供管理信息系統開發服務。該服務能改變管理信息系統的開發方式，讓開發者在云端即可完成開發工作，把開發者考慮的重點從“編碼”轉移到“組裝”，考慮的焦點從“實現”轉移到“集成”。北京師范大學研究生學位系統和研究生質量監控與評估系統的敏捷開發實踐表明，本文的開發模式能夠很好地契合敏捷軟件開發理念，大幅提高系統的開發效率，減輕系統的維護負擔，提升系統的構建質量，降低系統整體成本。

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（編輯：王天鵬）

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A

1673-8454（2016）07-0028-05

北京師范大學自主科研經費（310400061）。