淺談軟件的架構設計

1、淺談軟件的架構設計作者：張傳波我將以我主持開發(fā)的“工程量自動計算軟件”，談一下我對軟件架構設計的體會。我們公司主要開發(fā)建筑造價領域的軟件，其中工程量自動計算軟件是技術含量最高、難度最大的軟件。我是這個項目的主要開發(fā)者，我參與了這個項目的全過程。這個項目從立項至今已經(jīng)差不多3年的時間了。軟件的第一個版本是2000年11月1日發(fā)布的。這個軟件是和建筑造價行業(yè)緊密相關的，我有必要先介紹一些背景資料。建造一棟建筑物需要多少成本呢？它是如何計算的呢？建筑物除了是由鋼筋混凝土做的外，它還有門、窗，裝飾用料等等。如果細分，建筑物用料可以細分成成千上萬種。國家的建筑造價的部門對許多工程進行了分析，統(tǒng)計出建筑物

2、不同的部分、不同的材料的單價造價。也就是說，如果建筑物的各個部分的工程量算出來的，乘以單價就可以知道建筑物的造價了。比方說，由一棟私人的別墅，要知道它的造價，就要算出它各種型號的混凝土用了多少，其中柱用了多少混凝土，梁用了多少，板用了多少，各種型號和直徑的鋼筋用了多少，各種型號門、窗用了多少等等，就可以算出它的造價了。建筑物的結構是很復雜的，梁、板、柱等等東西是交錯在一起的，如何計算它們的工程量是有規(guī)則的。全國各地的定額站對此作了規(guī)定。我們這個軟件的任務是，按照工程量的計算規(guī)則，算出工程量。如果沒有軟件，用戶原來是怎樣計算工程量的呢？用戶根據(jù)圖紙，用紙加計算器，把計算的過程列出來，最后得出各個

3、部分的結果。人手計算的工作量很大，很繁復，也很容易出錯。我們的這個軟件工作的流程大致是，用戶根據(jù)圖紙，把構件(梁、柱、板等)畫上去，繪圖完成后，軟件計算工程量，計算的結果以報表的形式輸出。軟件把原來繁復的手工計算工程變成形象畫圖的過程，大大的減輕了工作量，增加了工作的樂趣。附圖（軟件概貌）：下面談一下這個軟件的設計過程。l 概念設計用戶手算時的情景：用戶要仔細的看圖紙，包括建筑施工圖、結構施工圖，把各種平面、立面、剖面圖在腦中形成立體的模型，在腦中建立各種構件的關系，要計算的內(nèi)容也一一明確。用戶根據(jù)自己的經(jīng)驗和本工程的實際情況，開始計算工程量，計算的過程一般是先算基礎，然后是主體結構，接著是裝

4、飾和腳手架。最后是匯總計算結果。計算的過程中需要不斷的看圖紙，不能算錯，不能多算和漏算，計算要留有中間結果，以備檢查。手算時的工作流程：手算的特點:1. 要分析許多圖紙，掌握許多資料。2. 手算者思維要嚴謹，不過多算、漏算。3. 計算要步步為營，不能有錯，需要反復的檢查和較驗。4. 計算的工作很繁復和枯燥。5. 計算者經(jīng)驗越多，出錯的機會越低。本軟件要滿足以下兩點的基本需求：1. 降低計算者的工作量。2. 保證計算的準確度。用軟件計算的工作流程：用軟件工作時，軟件極大地降低了計算者的的工作強度和工作量，迭代的過程只有一個。計算者只需要熟悉圖紙，然后“依樣畫葫蘆”的輸入數(shù)據(jù)，剩下的工作就交給軟件

5、了。l 邏輯設計先看模塊與數(shù)據(jù)關系圖：各模塊簡介如下：A數(shù)據(jù)輸入模塊：用戶采用什么方式輸入圖紙的數(shù)據(jù)。參考方案：1) 表格法輸入：用戶以表格的形式輸入數(shù)據(jù)，類似于手算的方式。2) 圖形法輸入：用戶以“畫圖”的方式輸入數(shù)據(jù)。表格法方式接近于手算的方式，用戶的工作量還是很大，所以我們采用圖形法輸入?？紤]到已經(jīng)有許多自主圖形平臺的工程量計算軟件，我們不應該再走別人的老路，還有工程量計算的復雜性，我們決定采用了AutoCAD2000作為繪圖的平臺，這樣可以充分利用AutoCAD強大的繪圖功能和三維實體布爾運算的功能。B數(shù)據(jù)處理模塊：對模塊D的數(shù)據(jù)進行處理，也就是要進行工程量的計算。軟件要減輕人的工作量

6、主要是體現(xiàn)在這個地方，也是軟件的核心部分。此模塊需要很強的人工智能技術。C數(shù)據(jù)輸出模塊：以報表的形式輸出模塊E的數(shù)據(jù)。D工程數(shù)據(jù)：用戶輸入的數(shù)據(jù)的儲存方式。參考方案：1) 數(shù)據(jù)庫方式。2) 對象模型方式。本軟件的關鍵問題是人工智能的問題，軟件要解決這個問題：怎樣去模擬人腦辨別出復雜的工程情況準確無誤的計算出結果。本軟件處理的數(shù)據(jù)量很大，采用數(shù)據(jù)庫的方式應該是很適合的。但如果采用數(shù)據(jù)庫的方式來保存工程的數(shù)據(jù)，會因為數(shù)據(jù)庫的靈活性不足，難以構造滿足現(xiàn)實工程的模型。我們決定采用對象模型的方式，用類來構造現(xiàn)實的工程模型。軟件數(shù)據(jù)的存儲直接對工程模型進行，運算也直接對工程模型進行，這樣上層編程的難度會降

7、低很多，也更容易解決“模擬人腦辨別出復雜的工程情況準確無誤的計算”的問題。工程對象模型：紅色矩形：表示集合對象藍色矩形：表示非集合對象對象描述：數(shù)據(jù)輸入模塊把輸入的數(shù)據(jù)通過接口保存在工程模型里面。數(shù)據(jù)處理模塊通過接口訪問工程數(shù)據(jù)。E計算結果數(shù)據(jù)：計算結果的儲存方式。此部分數(shù)據(jù)量大，而且不需要進行運算，采用數(shù)據(jù)庫的方式保存已經(jīng)可以滿足需要了。數(shù)據(jù)輸出模塊直接讀取計算結果數(shù)據(jù)庫，生成報表。l 物理設計A數(shù)據(jù)輸入：1. 軟件的UI2. 工程管理器3. 構件屬性窗口4. DB數(shù)據(jù)處理：1. 智能扣減數(shù)據(jù)庫2. 用戶選擇計算的范圍3. 計算4. 輸出計算結果5. EC數(shù)據(jù)輸出：1. 各式報表的生成2.

8、計算結果的動態(tài)查詢3. 輸出其他格式的文件4. 輸出成公司其他軟件的接口文件5軟件采用的編程語言和數(shù)據(jù)庫：AutoCAD2000的二次開發(fā)最好是通過ARX的方式進行，這樣的控制力最強，實現(xiàn)的功能最強大。但因為要熟練ARX，必須熟悉VC，考慮到公司目前沒有精通VC的人，而我們對VB是最熟悉的，所以采用通過COM接口與AutoCAD2000通訊，用VB通過COM接口調(diào)用AutoCAD2000對象的屬性和方法。這種方式控制力較弱，但好處是我們可以很快掌握。但是后來在計算部分，我們發(fā)現(xiàn)通過COM接口進行運算速度較慢，而且AutoCAD2000會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，會導致無法計算較大的工程。所以這部分不得不采

9、用ARX的方式進行，計算部分底層的代碼用VC來實現(xiàn)，然后編譯成COM組件，由VB來調(diào)用。數(shù)據(jù)庫方面只涉及到簡單的存取操作，不涉及多用戶并發(fā)的復雜情況，所以采用了Microsoft Access?？紤]到我們對編程語言的熟悉程度，軟件的特點，還有對性能的考慮，軟件主要用VB開發(fā)，部分地方使用了VC開發(fā)了AutoCAD2000的ARX程序，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access。軟件性能方面的考慮：AutoCAD2000本身對計算機的資源消耗較大，而我們軟件要在AutoCAD里面建立的三維實體對資源的消耗也是很大的。當工程巨大時，軟件在計算時很可能會出現(xiàn)資源不足的情況。我們采用了一些設計來提高性

10、能。1. 數(shù)據(jù)動態(tài)加載，需要的時侯才載入，不需要時馬上釋放。2. 優(yōu)化計算的過程，降低計算時對資源的需求。3. 數(shù)據(jù)輸出部分設計成ActiveX EXE方式，需要時才加載。4. 軟件設計成可以分步計算，最終的計算結果可以通過多次的運算的結果匯總而成。可擴展性方面的考慮：實際工程的情況很復雜，軟件不可能計算所有的情況。而且我們的軟件是分版本發(fā)布的，所以我們在軟件的體系上為以后的擴展作了充分的考慮。工程模型上的考慮：工程模型的框架是不會改變的，不過模型最底層構件是不斷變化的。柱、梁、墻等等都是構件。按實際工程分析，不同的構件的屬性是不同的。我們用VB構造這些構件的時侯，并沒有采用一種構件一個類的辦

11、法，而是都采用同一個類來構造所有的構件。采用動態(tài)添加屬性的辦法，來適應不同構件不同屬性的情況。計算模塊的考慮：實際的計算情況是很復雜的，有10種構件和20種構件的相交判斷情況差異很大。軟件沒有把代碼寫死，設計了一個智能扣減數(shù)據(jù)庫，程序根據(jù)智能扣減的數(shù)據(jù)進行運算。就算以后增加了很多構件，都不需要修改程序，只需要修改智能扣減數(shù)據(jù)庫就可以了。構件屬性輸入界面：不同的構件屬性不同，同類軟件的做法是不同的構件用不同的輸入界面。而我們軟件不同的構件屬性輸入界面使用同一個窗體，利用外部的數(shù)據(jù)動態(tài)生成不同的輸入界面。l 總結這軟件很大的特點是具有強烈的專業(yè)特點，要設計好這個軟件，要對建筑造價有很深的認識。要開

12、發(fā)好專業(yè)領域的軟件，軟件的架構師最好是具備這個領域的知識，這樣才能更好的用計算機語言來描述用戶的場景，設計出滿足實際需要的軟件架構出來。而我是學城鎮(zhèn)建設畢業(yè)的，對建筑行業(yè)是很熟悉的，這對我的軟件架構工作是很有幫助的。軟件架構師要作好設計的工作，需要對相關的行業(yè)有相當程度的認識。軟件架構是一個不斷認識，螺旋迭代的過程。沒有最好的設計，最好的設計是永遠都不會出現(xiàn)的。任何一個設計出來以后，都可以挑出許多毛病出來。我們開發(fā)工程量自動計算軟件過程中大的體系的修改就經(jīng)歷過好幾次，軟件發(fā)布后，我們發(fā)現(xiàn)還是有許多問題沒有解決，有些問題是比較嚴重的，需要修改軟件的體系才能妥善的解決。可見，軟件架構是一個長期的迭

13、代過程，它貫穿軟件的整個生命周期。軟件架構是一個權衡的過程。軟件架構要考慮到許多方面：軟件功能、軟件性能、開發(fā)人員技術熟悉程度、開發(fā)可用的資源、發(fā)布時間、對手軟件的情況等等。好的軟件架構師就是要找一個好的平衡點。工程量自動計算軟件，采用AutoCAD2000作為繪圖平臺，而不自主開發(fā)圖形平臺，這是考慮到我們我們開發(fā)時間較晚，不能步其他公司的后塵，這樣技術會處于長期落后的局面。我們不主要采用ARXAutoCAD2000二次開發(fā)的強大方式，是因為我們對這方面的技術不甚了解。軟件架構考慮的重點是可用性、可擴展性、可維護性。工程量自動計算軟件對用戶的需求進行了仔細的分析，對用戶可能的操作進行了大量的分析，對同類軟件也進行了詳細的研究。我