（计算机软件与理论专业论文）支持业务流程变化的软件系统构建方法研究.pdf

山东大掌博士掌位论文 摘要 业务流程是企业运营的核心和本质，其重要性毋庸置疑。随着经济全球化、 信息网络化、需求多样化，市场和客户需求都在快速变化之中，这必然导致业 务流程呈现变化、动态的新特点。由于传统软件系统所面向的是稳定不变的业 务流程，因此面对业务流程的新特点，软件系统存在着如下的困难： 首先，流程逻辑很难从应用逻辑中分离出来。支持业务流程变化的关键在 于将流程逻辑从应用逻辑中分离出来，只有这样，才能在业务流程发生变化时， 快速调整流程逻辑，而不需改变应用逻辑的实现。但在当前的软件系统中，流 程逻辑均被固化隐含在应用实现中，无法抽取出独立的流程逻辑，当流程需求 发生变化时，就必须重新分析、设计、实现业务软件，这不仅不能应对快速变 化的市场环境，而且大大增加了企业的成本。 其次，很难在业务需求和系统实现之间建立流程可跟踪性。只有在需求和 实现之间有清晰明确的流程关联性，软件系统才能快速准确的应对业务流程需 求的变化。但目前的软件系统构建模式，从分析到设计和实现，所关注的是数 据、功能，行为，而没有明确的业务流程建模，因此无法在需求和实现之间建 立业务流程的关联性。 第三，缺乏对业务流程变化需求模型的描述。目前的软件需求分析模型中， 只描述了业务流程的静态需求，而忽略了对业务流程的变化特征的定义和分析。 因而构建的软件系统很难支持业务流程的变化要求。 基于以上的应用背景和需求，本文对多种相关技术进行了深入的研究，认 为应从改进信息系统的软件体系结构入手，将流程相关性语义从业务逻辑中抽 取出来，作为软件结构中的一个重要元素加以描述和建模，并从需求分析到系 统设计一直保持业务流程的独立性，才能解决业务流程所面临的问题。 本文重点讨论了支持业务流程变化的软件系统的体系结构及其构建方法， 主要的研究目的是为企业实施业务流程管理提供一个技术框架，并为基于此框 架的软件系统构建提供一系列指导原则，从而实现更高程度的业务流程自动化， 并提高企业信息系统的灵活性、适应性和可扩展性，提升企业竞争力。围绕这 个目标，本文对相关的关键技术问题进行了研究，主要的研究内容和创新工作 山东大学博士掌位论文 包括： 第一，基于s o a ，提出了一种面向业务流程的软件体系结构( b u s i n e s s p r o c e s s o r i e n t e ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，简称b p o s a ) 。 b p o s a 是一个基于服务的层次型结构，在传统三层体系结构基础上，将业 务逻辑和应用逻辑进行了分离，并进一步将流程逻辑从业务逻辑中抽取出来， 形成一个独立的业务流程层。同时在各层次的软件实体具有显式的流程相关性 语义描述。因此该结构具有业务逻辑与实现逻辑的分离、流程逻辑和业务逻辑 的分离的特点。 第二，从业务逻辑中抽取出隐式流程相关性语义，实现了流程逻辑的显式 化定义。 除了将流程控制逻辑从业务逻辑中分离出来、并予以明确的描述之外， b p o s a 还将流程功能部分中隐含的与流程关联的特性抽取出来，建模为可配置 的流程属性。流程语义的显式化定义，不仅能让使用者清晰的了解系统支持的 业务流程，而且在流程变化时只需修改流程定义并重新配置各项流程属性即可， 从而快速应对流程的动态调整。 第三，提出了一种面向组合的业务流程建模方法，并给出了基于n 演算的 形式化模型定义。 该模型以流程代数n 演算为形式化基础，并借助于耳演算所提供的一种自 底至上通过组合子系统构造系统的方法，通过组合简单的结构化流程控制模块， 建立复杂的流程模型。而且该模型降低了流程建模的复杂性，非常符合业务流 程复杂、变化、分布的新特点。 第四，提出了一种基于服务、面向流程的软件系统构建方法，给出了面向 流程的需求分析和系统设计的一系列相关原则和步骤。 该方法以系统支持的业务流程及流程变化性需求为中心，在需求分析阶段， 通过对十一种流程变化特征的分析，首先得到与流程变化相关的业务服务动态 流程可变前置条件：在系统设计阶段，根据业务服务的流程可变性需求抽取出 服务实现逻辑中的隐式流程相关性语义。基于该构建方法而实现的软件系统， 遵循b p o s a 结构，达到了流程逻辑和应用逻辑分离的目标。 第五，对业务流程的变化特征进行了抽取和分类，提出了十一种业务流程 i i 山东大掌博士掌位论文 变化特征，包括执行路径的变化特征、执行顺序的变化特征和增加删除活动、 业务活动前置后置变化和活动拆分与合并等。面向流程变化特征的系统分析和 设计是本文工作的一大特点和创新。 第六，提出了一个基于配置的业务流程变化管理服务模型。 该服务模型以配置为中心，支持业务流程的导入、流程属性的配置和业务 流程的自动执行以及流程变化管理。当业务流程需求发生变化时，该服务能自 动为业务流程的各活动寻找合适的业务服务，并根据服务执行的上下文环境匹 配正确的服务实现，因此非常适用于动态业务流程的管理。 最后，基于一个通讯设备供应公司的供应链管业务案例，实践了本文提出 的面向业务流程的软件系统构建过程，结果显示本文的方法能够较好的满足业 务流程变化的需求，在需求改变的情况下，无需改动系统实现即可支持新的业 务流程。这对改善企业管理水平、提高业务运作效率、降低企业经营成本，具 有非常广阔和潜在的应用前景。另外，本文提出的基于兀演算面向组合的业务 流程建模方法、业务流程变化特征等概念和理论的研究和实现方法，对其它流 程相关领域的研究也有一定的借鉴意义。 关键词：业务流程变化，业务流程管理，软件开发，流程变化特征，配置，需 求分析 i i i 山东大掌博士学位论文 a b s t r a c t b u s i n e s sp r o c e s si st h ec o r ea n de s s e n c eo f 锄e n t e r p r i s e ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n t f o re n t e r p f i s f o l l o w i n g 、v i mg l o b a l i z e de c o n o m i c n e t w o r k e di n f o r m a t i o na n d v a r i e dr e q u i r e m e n t ，m a r k e ta n dc u s t o m e rr e q u i r e m e n ta r ec h a n g i n gq u i c k l y i tl e a d s t ot h eb u s i n e s sp r o c e s sp r e s e n t i n gi t sv a r i e da n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t r a d i t i o n a l s o f t w a r es y s t e m sa r ef a c e dt os t a b l eb u s i n e s sp r o c e s s e s ，b u tn o w a d a yb u s i n e s s p r o c e s sh a sn e wc h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h e r ea r es o m ed i f f i c u l t i e s i nc u r r e n ts o f t w a r e s y s t e m sa sf o l l o w i n g ： f i r s t l y ，i ti sv e r yd i f f i c u l t l yt os e p a r a t ep r o c e s sl o g i cf r o ma p p l i c a t i o nl o g i c b u t i ti st h ek e yt os u p p o r tb u s i n e s sp r o c e s sc h a n g eo n l yi nt h i sw a y ，w h e nt h eb u s i n e s s p r o c e s sc h a n g e d ，w ec a l la d j u s tt h ep r o c e s sl o g i cq u i c k l ya n dn e e dn o tm o d i f yt h e i m p l e m e n t a t i o no fa p p l i c a t i o nl o g i c h o w e v e r , i nc u r r e n ts o f t w a r es y s t e m s ，t h e p r o c e s si o g i ci sf i x e da n dh i d d e ni na p p l i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o n s w ec a n n o t e ) ( t r a c ti n d e p e n d e n tp r o c e s sl o g i c t h e r e f o r e ，i f t h ep r o c e s sr e q u i r e m e n tc h a n g e d ，w e h a v et or e a n a l y z e , r e - d e s i g na n dr e i m p l e m e n tt h eb u s i n e s ss o f t w a r ea g a i nt h i s k i n do fs o f t w a r en o to n l yc a n n o ta d a p tt ot h eq u i c kc h a n g em a r k e te n v i r o n m e n t , b u t a l s oi n c r e a s et h ee n t e r p r i s ec o s t s e c o n d l y ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt ob u i l dp r o c e s st r a c e a b i l i t yb e t w e e nb u s i n e s s r e q u i r e m e n ta n ds y s t e mi m p l e m e n t a t i o n o n l ya f t e rac l e a rp r o c e s sa s s o c i a t i o nh a s b e e nb u i l tb e t w e e nr e q u i r e m e n ta n di m p l e m e n t a t i o n ，t h es o f t w a r es y g e mc a l lr e a c t t ot h ec h a n g eo f b u s i n e s sp r o c e s sr e q u i r e m e n tq u i c k l ya n de x a c t l y h o w e v e r , c u r r e n t w a y so fc o n s t r u c t i n gs o f t w a r es y s t e mf o c u so nd a t a , f u n c t i o na n da c t i o n ，t h e r ei sn o e x p l i c i tb u s i n e s sp r o c e s sm o d e l i n gf r o ma n a l y s i st oi m p l e m e n t a t i o n s ow ec a n n o t b u i l db u s i n e s sp r o c e s sa s s o c i a t i o nb e t w e e n r e q u i r e m e n ta n di m p l e m e n t a t i o n t h i r d l y ，c u r r e n ts y s t e m sa r el a c ko ft h ed e s c r i p t i o no fb u s i n e s sp r o c e s sc h a n g e r e q u i r e m e n t c u r r e n ts o f t w a r er e q u i r e m e n ta n a l y s i sm o d e l so n l yd e s c r i b et h es t a t i c r e q u i r e m e n to fb u s i n e s sp r o c e s s ；t h e yi g n o r et h ea n a l y s i so nb u s i n e s sp r o c e s s 山东大掌博士掌位论文 c h a n g i n gf e a t u r e s t h e r e f o r e ，s o f t w a r es y s t e m sc o n s t r u c t e db yt h i sw a yc a n n o tm e e t t h er e q u i r e m e n to f b u s i n e s sp r o c e s sc h a n g e b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dd e m a n d sm e n t i o n e da b o v e , t h i s d i s s e r t a t i o nm a k e sd e e pr e s e a r c ho ns o m er e l a t e dt e c h n o l o g i 嚣a n dt h i n k st h a tw e s h o u l di m p r o v et h es o f t w a r es y s t e ma r c h i t e c u t r ef r i s t l y , i ti sc a r r i e do u tb ye x t r a c t i n g p r o c e s sr e l e v a n ts e m a n t i cf r o mb u s i n e s sl o g i c ，d e s c r i b i n ga n dm o d e l i n gt h e ma s i m p o r t m e n te l e m e n t so ft h es o f t w a r ea r c h i t e c u t r e a n da l s o ，t h ep r o c e s s i n d e p e n d e n c ei sk e e p e df r o mr e q u i r e m e n ta n a l y s i st os y s t e md e s i g n si st h ej u s t w a yt or e s o l v et h ep r o b l e m sw h i c hb u s i n e s sp r o c e s sf a c e dt o t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h es o f t w a r es y s t e ma r c h i t e c t u r ew h i c hs u p p o r t s b u s i n e s sp r o c e s sc h a n g ea n dt h ew a yt oc o n s t r u c ti t o u rg o a li sp r o v i d i n ga t e c h n o l o g yf r a m e w o r kf o re n t e r p r i s et oc a r t yo u tb u s i n e s sp r o c e s sm a n a g e m e n ta n d as e r i e s o f 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u n c t i o np a r t s a n dm o d e l st h e m 鹊c o n f i g u r a b l ep r o c e s sa t t r i b u t e s t h ee x p l i c i t p r o c e s ss e m a n t i cd e f i n i t i o nn o to n l ym a k e st h eu s e r sh a v eac l e a rv i e wo fb u s i n e s s p r o c e s sw h i c ht h es y s t e ms u p p o r t e d ，b u ta l s o c a r lr e a c tt o p r o c e s sd y n a m i c m o d i f i c a t i o nq u i c k l yb yc h a n g i n gt h eb u s i n e s sp r o c e s sd e f i n i t i o na n dr e c o n f i g u r i n g t h e s ep r o c e s sa t t r i b u t i o n s 3 w ep r o p o s ean - c a l c u l u s - b a s e d c o m p o s i t i o n - o r i e n t e db u s i n e s sp r o c e s s m o d e l i n gm e t h o d t h em o d e lu s e sp r o c e s sa l g e b r an - c a l c u l u sa si t sf o r m a lb a s i sa n db u i l d sa c o m p l e xp r o c e s sb yc o m p o s i n gs i m p l es t r u c t u r e dp r o c e s sc o n t r o lm o d u l e st or e d u c e t h ec o m p l e x i t yo fb u s i n e s sp r o c e s sm o d e 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r v i c e ，s o f t w a r es y s t e mc o n s t r u c t e db yt h i sw a yk e e p st o t h eb p o s aa r c h i t e c t u r ea n di tc a nr e a l i z et h es e p a r a t i o no fp r o c e s sl o g i ca n d a p p l i c a t i o nl o g i c 5 t h eb u s i n e s sp r o c e s sc h a n g ef e a t u r e sa r ee x t r a c t e da n dc l a s s i f i e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n , w ep r o p o s et e nt y p e so fb u s i n e s sp r o c e s sc h a n g ef e a t u r e s ，i n c l u d i n g e x e c u t i o np a t hc h a n g ef e a t u r e ，e x e c u t i o no r d e rc h a n g ef e a t u r e ，a d da n dd e l e t ea a c t i v i t y ，b u s i n e s sa c t i v i t yp r e c o n d i t i o na n dp o s t - c o n d i r i o nc h a n g e ，s p l i ta n dc o m b i n e a c t i v i t yc h a n g ef e a t u r ep r o c e s sc h a n g ef e a t u r e - o r i e n t e ds y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n i so n ec o n t r i b u t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o n 6 ac o n f i g u r a t i o n - b a s e db u s i n e s sp r o c e s sc h a n g em a n a g e m e n ts e r v i c em o d e li s p r o p o s e d t h i ss e r v i c em o d e lf o c u s e so nc o n f i g u r a t i o na n di ts u p p o r t si m p o r t i n gb u s i n e s s 山东大掌博士掌位论文 p r o c e s sd e f i n i t i o n s ，c o n f i g u r a t i o no fp r o c e s sa t t r i b u t i o n s ，a u t o m a t i ce x e c u t i o no f b u s i n e s s p r o c e s sa n dp r o c e s sc h a n g em a n a g e m e n t i ft h e b u s i n e s s p r o c e s s r e q u i r e m e n tc h a n g e d , t h i ss e r v i c ec a nf i n da p p r o p r i a t eb u s i n e s ss e r v i c e sf o re v e w p r o c e s sa c t i v i t i e sa n dc o n f i g u r er i g h ti m p l e m e n t a t i o n sf o rt h e s es e r v i c e sa c c o r d i n gt o p r o c e s sc o n t e x t f i n a l l y ，w ep r a c t i c et h eb u s i n e s sp r o c e s s - o r i e n t e ds o t t w a r es y s t e mc o n s t r u c t m e t h o dp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o nb yac a s eo fs u 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c e s sc h a n g ef e a t u r e ，c o n f i g u r a t i o n ，r e q u i r e m e n ta n a l y s i s 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：錾益 日期：垒丑：也： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 益蟹 导师签名： 论文作者签名：缝堑 导师签名： 山东大掌博士掌位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 业务流程是一组逻辑上相关的业务活动，这些活动联合起来向一个客户传 递某些有价值的东西( 如产品、货物、服务或信息) 【l 】。企业中的生产流程、财 务流程、企业发展战略流程、新产品研究与开发流程、采购流程及售后服务流 程等都是业务流程的一种表现【扣4 】。从总的方面来说，业务流程就是企业完成 其业务获得利润的过程，甚至可以说，企业就是依赖各种各样的流程来动作的。 因此，业务流程的重要性是毋庸置疑的。 随着经济全球化、信息网络化、需求多样化，市场和客户需求都在快速变 化之中，业务流程也呈现出变化、动态、协作的新特点【5 ，6 】，企业需要在高度 分布复杂的环境中，以全局动态协作运营方式进行快速实时创新、敏捷应用对 市场和客户需求的变化，否则就会失去市场竞争力吲。例如一家大型通讯设备 供应公司a ，为客户提供通讯设备供应服务，包括市场预测管理流程、订单管 理流程、主生产计划管理流程、供应商管理流程、外购件管理流程、采购管理 流程、配送管理流程等业务流程【8 】，涉及与多家制造厂商、销售商、物流公司 和银行的合作，无论是市场需求还是合作伙伴业务的变化，都会带来业务流程 的变化，例如： - 越来越多的个人用户偏向于使用安全可靠的第三方支付平台来保障自 己的利益，因此a 公司决定采用支付宝作为个人业务的支付平台，这 会改变订单管理业务流程； 制造厂商b 改变了他们的业务流程，这会使得a 公司的外购件管理流 程、生产计划等业务流程也要发生变化； a 公司与一家新的物流公司c 建立了合作关系，因此涉及配送管理流 程可能会相应做出调整。 面对各种各样的流程变化，如果a 公司不能尽快作出响应，那么就会在市 场竞争中失去先机：客户选择了使用支付宝的其它通讯设备经销公司；与制造 厂商b 的合作出现问题，不能按期完成客户订单；无法使用物流公司c 提供的 山东大掌博士学位论文 有利资源，物流费用仍较高 由于目前软件系统所面向的是稳定不变的市场需求和静态的业务流程，因 此面对业务流程变化、动态的新特点，传统软件系统在存在着如下的困难： 首先，流程逻辑很难从应用逻辑中分离出来。支持业务流程变化的关键在 于将流程逻辑从应用逻辑中分离出来，只有这样，才能将业务流程单独管理， 才能在业务流程发生变化时，快速调整流程逻辑，而不需改变应用逻辑的实现。 但在当前的软件系统中，流程逻辑均被固化隐含在应用实现中，无法抽取出独 立的流程逻辑 9 】，当流程需求发生变化时，就必须重新分析、设计、实现业务 软件，这不仅不能应对快速变化的市场环境，而且大大增加了企业的成本。 其次，很难在业务需求和系统实现之间建立流程可跟踪性。只有在需求和 实现之间有清晰明确的流程关联性，软件系统才能快速准确的应对业务流程需 求的变化。但目前的软件系统构建模式，无论是传统的面向过程 1 0 1 2 还是当 前主流的面向对象方法 1 3 1 6 ，从分析到设计和实现，所关注的是数据、功能、 行为，而没有明确的业务流程建模，因此无法在需求和实现之间建立业务流程 的关联性。 第三，缺乏对业务流程变化需求模型的描述。目前的软件需求分析模型中， 只描述了业务流程的静态需求，而忽略了对业务流程的变化特征的定义和分析。 因而构建的软件系统很难支持业务流程的变化要求。 面对业务流程变化的需求，研究者目前已提出了一些基于工作流技术的流 程管理方案和系统架构 1 7 - 2 0 ，虽然这些方案在一定程度上也实现了流程控制 逻辑和应用逻辑的分离，但由于工作流技术本身的局限性，仍不能很好的满足 业务流程变化的需求： 首先，工作流技术起源于办公自动化，其目标是实现任务或文档在多个参 与者之间的自动传递，因此它所关注的是业务流程的控制逻辑，并假定负责各 流程活动执行的应用之间是相互独立的，这种相互独立性正是工作流能够支持 业务流程变化的基本。当工作流应用于办公流程、管理流程等以任务或文档为 中心的较为简单的业务流程时，由于流程中涉及的应用之间相互独立的，如 w o r d 、e m a i l 等，因此工作流技术可以满足流程变化的需求。但较为复杂的应用 往往与业务密不可分，多个应用之间存在着密切的业务关联性，流程控制逻辑 2 山东大掌博- - & - 掌位论文 的简单变化常常也会引起多个业务功能模块流程相关性语义的冲突，致使业务 流程不能正确执行。 其次，工作流是从技术层面解决业务流程的自动化问题，而业务流程的变 化和管理则更多是一个业务层面的问题，因为必竟发现并提出变化需求的是业 务员。因此在基于工作流技术的解决方案中，业务流程的变化需求并不能快速、 准确的映射到系统实现构架中。 针对上述问题，本文从软件系统的体系结构和系统开发方法两方面入手， 对如何构建支持业务流程变化的软件系统进行了详细的研究，并以目前正在兴 起的面向服务的体系结构( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，简称s o a ) 为基础，利 用面向服务松耦合、可重用等优势，提出了一种新型的面向业务流程的软件体 系结构( b u s i n e s sp r o c e s s - o r i e n t e ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，简称b p o s a l 。在该结 构中，首先将业务逻辑和应用逻辑分离开来，以便于从业务和技术两个层次理 解系统；之后流程控制逻辑从又业务逻辑中分离出来，建模为独立的层；另 外，流程功能部分中隐含的流程相关性语义也被抽取出来，建模为软件系统中 可配置的流程相关性属性。这样，当流程发生变化时，只需要修改业务流程的 定义，并根据新业务流程的要求，配置各功能实现模块的流程相关性属性，即 可改变信息系统的功能，支持新的业务流程。以b p o s a 为基础，本文还提出 了基于服务、面向流程的软件系统构建方法，该方法从业务需求处着手，充分 分析业务流程及其变化性需求对系统设计的影响。基于此种方式构建的软件系 统，业务流程的变化需求能迅速在系统实现中定位，大大提高了效率并节约成 本。 1 2 相关技术研究 支持业务流程变化的软件系统构建方法的研究是属于软件工程和流程技术 领域的- 1 1 交叉学科，涉及的研究点比较多，这里我们仅对与本文相关的研究 工作进行一个介绍和总结。 1 2 1 软件系统体系结构的发展趋势 从图1 1 中，我们可以看到当今软件系统发展的趋势【2 l 】。该图表明当今的 山东大学博士掌位论文 信息系统包含了几个层。中心是操作系统，也就是让硬件工作的软件。第二层 是通用的应用程序，这些应用程序在企业中有广泛使用，比如m i c r o s o f to f 五c e 。 第三层是为某些特定领域所开发的软件，这些软件局限于专业的企业或者部门 内部使用，比如人力资源管理系统，c a l lc e n t e r 系统等。第四层是专业定制软 件，这些软件仅仅为特定的公司组织开发，通用性较小，专业化程度很高。 t r e n d si n o p e r a t i n g s y s t e m g e n e n c a p p l l o a t i o n s d o r a a i n s p e o l f i c a p p l c a u o n s t a l l o r m a d e a p p l i c a t i o n s 图1 1 软件系统体系结构及发展趋势 在六十年代，第二层和第三层是没有的。信息系统建立在一个具有有限的 小的操作系统之上。因为没有通用的或主域特定的软件可用，这些系统主要由 裁制的应用组成。从那时起，第二层和第三层开始发展，现在的趋势是这四个 环都在扩大，也就是它们正在吸收新的功能的同时向外扩张。现在的操作系统 提供了更多的功能。位于第二层的数据库管理系统提供了可用于裁制的应用中 的功能。这种趋势的结果是，重点从编程转向复杂软件系统的装配。挑战不再 是每个模块的编码，而是将来自四层中每一层的软件块编排、粘合在地起。 另一个趋势是从数