论软件系统架构风格

摘要

2021年，我所在的公司需要开发《******绕障系统》，之后简称《绕障系统》，该系统为建筑机器人导航系统的一个子系统，主要完成的任务是：实现机器人自主导航从A点到地图任意一点B点，同时避开障碍物安全精准的达到。项目核心功能点有，任务提取解析，机器人的感知，障碍物的识别和提取，全局路径规划、局部路径规划、速度规划、轨迹跟踪，机器人的运行学部分和安全告警部分。我在该项目中承担系统架构工程师一职，主要负责该系统的架构设计相关工作。本文将以该系统为例，详细阐述软件系统架构风格在项目中的具体应用。我采取了三种架构风格：面向对象，抽象出了很多的对象和行为；事件驱动，保证了外部信号的变更能及时的通知到整个系统；基于规则的系统，这里我们使用了行为树，对各个行为进行了定义。

 

正文

今年来随着建筑行业的快速发展，外加越来越多的年轻人不愿再从事辛苦的建筑行业，据国家统计局数据显示，传统建筑从业者更多集中在高龄农名工中，其中30岁以下群体中从事建筑及装修行业的仅占15.0%，而50岁以上人群比例确高达42.7%。随着公司建筑机器人的快速发展，建筑机器人应用而生，同时为提高建筑机器人的智能化程度和安全性及高效性，公司进行了一系列的技术研发。

2021年1月《绕障系统》也应用而生，而我有幸作为该项目的系统架构师，主要负责整个系统的架构设计。项目的产品经理，开发，测试等角色合计20余人。从2021年1月开始到2021年12月底结束，耗时12个月顺利结束。该项目主要完成了若干核心算法的研发，实现了对外接口封装，任务解析处理，机器人安全识别及处理，激光雷达数据梳理，动态障碍物的识别，全局及局部路径的规划，基于PID的轨迹跟踪算法，机器人的运动学和动力学模块。整个项目输出一整套的SDK方案和对应的测试用例和demo程序。

在做软件架构设计的时候，为了提高系统的复用性和和提升开发效率，我们通常会使用一些架构风格。我们经常用的架构风格有：数据流风格，调用返回风格，独立构件，虚拟机风格和仓库风格。数据流风格主要是将前一步的处理结果作为下一步的输入内容，主要包含批处理和管道过滤器，批处理序列强调的是大量整体的数据一起处理，而管得到过滤器强调的是流式数据的处理；调用返回主要包含主、子程序，面向对象和层次结构三种风格，主子程序是面向过程的调用，面向对象主要是对对象的调用，层次结构使层与层的调用方法。独立构件风格强调的构件之间不直接交互从而降低系统的耦合性，主要包含进程通信和事件驱动两种风格，进程通信通过进程间通信方式进行通信，如消息队列等，事件驱动是指不直接调用对应接口，而是通过事件的方式进行触发和执行。虚拟机风格的特点是可以灵活定义自定义场景，包含解释器和基于规则的系统，而规则系统其实是在解释器的基础上增加了经验规则；仓库风格强调的是以数据为中心，主要包含了数据库系统，黑板系统和超文本系统三种风格。

以上五种经典的架构风格，并非在系统中都要用上，二是需要根据实际情况选择合适的架构风格，所以在《绕障系统》中，我选择用了三种架构风格：面向对象风格，事件驱动风格和基于规则的系统。下面我将结合该系统阐述这三种架构是如何具体实施的。

面向对象风格。面向对象方法以客观世界中的对象为中心，其分析和设计思想符合人们的思维方式，分析和设计的结构与客观世界的实际比较接近容易被人们接收。该风格是要求我们在前期尽可能的识别出系统中的对象和行为信息，所以，我们一开始就根据系统的需求，对系统中包含的对象和行为做了识别。首先，我们根据项目的需求，识别并抽象了很多的对象，如车体信息，轮系信息，手动遥控包，自动行走指令包，里程计信息，路径信息，告警信息等。另外，我们还抽象了对象的行为，如任务解析，任务执行，任务状态反馈，全局路径生成，局部路径生成，轨迹跟随，参数更新，版本获取等等。然后所有的交互，基本都是一个对象对另一个对象的方法调用，如任务解析需要先有自动行走指令，从中解析到起点、终点，行走方式等信息。局部路径的生成需要障碍物信息，全局路径信息和地图信息，通过调用对象获取到值，再执行相应的方法。报警操作等也需要获取当前的告警信息进行处理，然后执行对应的动作。通过面向对象的方法，我们可以方便的将各个对象和行为进行抽象。

事件驱动架构风格。由于该系统的主要目的是响应用户动作，执行对应的指令。所以系统的自动任务、手动任务下发，状态请求等都要及时的通知到系统的各类用户，此时，我们就使用了时间驱动风格。如当系统收到了一个自动走点任务后，会通知到我们任务处理模块，然后会进行任务的解析，再将系统状态由空闲切换到自动走点状态，执行对应的走点逻辑。同时，我们手动遥控指令会取消不再接收手动遥控指令。异常监控模块也开始监控定位信息是否正常等。我们对外的接口部分只负责对应的任务接收，并不关心具体在接收到后的执行哪些动作，这些刚好使用事件驱动架构风格时能把其解耦出来。同时，我们也引入了类似ROS的中间件，使用了公司其他部分开发的BROS作为中间件，进行消息的管理和转发等，消息发布后，然后订阅者能及时的订阅到对应的消息进行对应的动作。另外，把电机故障，告警信息等上报给到中间件，其他节点也能快速的响应并作出对应动作。将状态的改变和其他模块处理解耦开来，使我们程序更加健壮。

基于规则的系统。在智能小车方向，我们经常会使用基于规则的系统，来应对环境的不断的变化，比如，我们会实时检查定位数据状态，当在一个周期跳动的距离大于最大距离阈值时，我们会减速停车，跳动大小为小或者中等时，我们会按照规则进行减速。再比如当靠近障碍物时，先进行减速，当安全模块检测到距离障碍物距离很近时，我们会触发停障，以保证机器人的安全性。再比如任务处理模块在接收到自动走点任务时，会进行当前状态判断，比如当前正在走点时，会触发拒绝。基于规则的系统刚好满足我们的要求，该风格的优点是可以灵活的自定义场景。这里我们具体使用了行为树对各个环境变化做出不同的响应，这里也对整个程序的拓展性和可修改性进行较大的提升，比如之后继续往行树种添加的决策节点，比如路径偏移，斜坡检测等，都可以做到快速的开发适配。

由于该系统使用了以上三种架构风格，所有整个项目在开发阶段都进行的非常顺利，同时也让该系统的可拓展性，松耦合，重用性，可修改性等等方面都达到了设计要求，系统在2021年底顺利上线，系统上线后，陆陆续续的在不同项目上进行应用，目前已在28款建筑机器人包括室内装修类，内墙喷涂类，地库类机器人上进行使用，使用过程中系统运行问题，未发现重大问题，收到了客户和公司领导的一致好评。

虽然使用了架构风格的实践效果显著，但是还是存在一些不足之处，比如，我们在使用事件驱动架构风格时，当事件量过大时，会存在有些事件是耗时动作，比如电机复位等动作，我们使用的中间件在一个进程内部，所有的消息是串行的，这会导致某些耗时的事件会阻塞整个系统消息的收发，这里我们约束了所有的事件接收到后，只做触发类事件，将所有的耗时动作都放入到线程池内，单独创建线程进行处理，再将执行结果返回即可。这样就满足了消息实时性的问题。当然，该系统后续还会不断的演化，让系统越来越好，力争在建筑机器人行业能闯出一片天。