普適計(jì)算時(shí)代背景下的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)

于千城

摘要：該文從系統(tǒng)需求分析、架構(gòu)特征、軟件工程方法和軟件開發(fā)思想等四個(gè)方面分析討論了普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了普適計(jì)算時(shí)代背景下進(jìn)行計(jì)算機(jī)專業(yè)本科學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)應(yīng)該著眼于學(xué)生跨學(xué)科綜合思維能力的培養(yǎng)，并以教學(xué)實(shí)踐中所采用的教學(xué)案例為抓手闡述了踐行這一理念的思考和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

關(guān)鍵詞： 普適計(jì)算； 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)； 跨學(xué)科綜合思維能力； 軟件生態(tài)；共享單車應(yīng)用；ATM終端系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）13-0154-03

System Analysis and Design Ability Training under the Background of Pervasive Computing Era

YU Qian-cheng

（College of Computer， Beifang University of Nationalities， Yinchuan 750021， China）

Abstract： In this paper， the characteristics of the application software system in the era of pervasive computing are discussed from four aspects such as system requirement analysis， architecture features， software engineering methods and software development ideas. The system analysis and design ability training for computer majors should be focused on students in the context of pervasive computing era. The training of interdisciplinary comprehensive thinking ability and taking the teaching cases adopted in teaching practice as the starting point， elaborated the practice and experience of implementing this concept.

Key words：pervasive computing； system analysis and design； interdisciplinary comprehensive thinking ability； software ecology； sharing bicycle application； ATM end system

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、城市計(jì)算、智慧醫(yī)療、O2O、社會(huì)感知計(jì)算、人工智能等IT應(yīng)用方興未艾，各種各樣具有計(jì)算能力的設(shè)備已經(jīng)廣泛存在于普通大眾的日常生活和工作環(huán)境中，這些“無所不在的計(jì)算”無聲無息地為人們提供著服務(wù)，已經(jīng)融入并改變著人們的生活，人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了普適計(jì)算時(shí)代。

普適計(jì)算模式的到來不僅引起了社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的巨大變化，也深刻改變了應(yīng)用軟件系統(tǒng)生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的思想和技術(shù)生態(tài)，因此，在普適計(jì)算時(shí)代背景下如何進(jìn)行計(jì)算機(jī)專業(yè)本科學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)是一個(gè)非常重要的問題，值得我們深入研究、思考和踐行。

普適計(jì)算最基本的特征在于計(jì)算無所不在，人們可以隨時(shí)隨地獲得計(jì)算資源并且無需關(guān)注這些計(jì)算資源由誰提供。因此，采用普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)，通常是基于云計(jì)算環(huán)境或者是采用自組網(wǎng)方式的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)上不僅可以提供各種豐富的內(nèi)容和資源、并且連接著各種類型的計(jì)算設(shè)備，連接著物理世界中的物品，甚至是將來自地球不同角落的人們連接在一起；應(yīng)用系統(tǒng)不僅管理數(shù)據(jù)，還能夠智能地處理信息并且提供知識(shí)和服務(wù)給用戶，并且允許人們利用這些知識(shí)反饋和控制應(yīng)用系統(tǒng)。

2 普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)

一個(gè)普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)，通常可以劃分出四個(gè)重要的組成部分：感知層、互聯(lián)層、管知層、控制層[1]，感知層主要由各種各樣的傳感器組成，負(fù)責(zé)獲取輸入數(shù)據(jù)，在社會(huì)感知計(jì)算環(huán)境下，每一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)用戶都可以被看作是一個(gè)移動(dòng)著的傳感器，他們隨時(shí)隨地分享到網(wǎng)絡(luò)上的動(dòng)態(tài)、微博、說說，以及通過智能手機(jī)或者無人機(jī)發(fā)布的照片、音視頻都可以幫助我們感知到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐那榫昂蜖顟B(tài)；互聯(lián)層主要提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，讓各種傳感器和計(jì)算設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以是Internet、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、電話網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等，可以是有線網(wǎng)絡(luò)，也可以是無線網(wǎng)絡(luò)；管知層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理和加工，各種使用各種數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、大數(shù)據(jù)處理算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成知識(shí)；控制層實(shí)現(xiàn)了人們利用知識(shí)對(duì)物理世界進(jìn)行反饋和控制。

一個(gè)普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)，已經(jīng)不再是一個(gè)封閉的、單純的軟件系統(tǒng)，而是一個(gè)包含硬件設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、控制反饋裝置和軟件在內(nèi)的一個(gè)開放的、復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，有些應(yīng)用系統(tǒng)甚至將人也作為系統(tǒng)的組成部分納入其中，因此，這樣一個(gè)復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于我們所熟悉的管理信息系統(tǒng)和企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的以管理信息系統(tǒng)作為對(duì)象的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)思想和方法也就不再適用。我們需要研究普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要思考普適計(jì)算時(shí)代背景下如何培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力。以下將從系統(tǒng)需求分析、架構(gòu)特征、軟件工程方法和軟件開發(fā)思想等四個(gè)方面分析討論普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)而提出普適計(jì)算時(shí)代背景下進(jìn)行計(jì)算機(jī)專業(yè)本科學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)應(yīng)該著眼于學(xué)生跨學(xué)科綜合思維能力的培養(yǎng)。

2.1 普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的系統(tǒng)需求分析

一個(gè)普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)，與其進(jìn)行交互的外部實(shí)體已經(jīng)不再局限于單純的操作用戶，，還有可能是一個(gè)硬件設(shè)備，更多的情況下是多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)如何相互協(xié)作相互支持共同實(shí)現(xiàn)特定服務(wù)功能。而且，由于用戶群體是一個(gè)開放群體，相互協(xié)作的系統(tǒng)可能是運(yùn)行在不同的平臺(tái)下，因而在描述系統(tǒng)的需求分析時(shí)不僅要考慮系統(tǒng)提供給操作者的功能需求，還要考慮提供給某個(gè)硬件設(shè)備或者是其他應(yīng)用系統(tǒng)的操作功能，更重要的是需要考慮更多復(fù)雜的非功能性需求，使得應(yīng)用系統(tǒng)與上下文環(huán)境中的外部實(shí)體能夠?qū)崿F(xiàn)無縫集成和互聯(lián)互通。

例如：共享單車是一種典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[2]，一個(gè)共享單車運(yùn)營管理平臺(tái)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)、單車管理子系統(tǒng)、賬戶管理子系統(tǒng)、租車還車管理子系統(tǒng)、營銷活動(dòng)管理子系統(tǒng)、地域維護(hù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)等組成，每個(gè)子系統(tǒng)會(huì)有對(duì)應(yīng)的操作管理員，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供如下相應(yīng)的操作功能：

1） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)主要對(duì)行政區(qū)域劃分信息、電子地圖數(shù)據(jù)、支付渠道數(shù)據(jù)、地域維護(hù)合作方數(shù)據(jù)等基本數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；

2） 單車管理子系統(tǒng)提供的功能包括為新車進(jìn)行編號(hào)、故障車管理、丟失車登記、單車報(bào)廢處理、更新單車狀態(tài)、記錄單車位置等；

3） 賬戶管理子系統(tǒng)主要管理儲(chǔ)在運(yùn)營管理平臺(tái)的租車人賬戶信息，提供的功能包括：賬戶注冊(cè)，登錄驗(yàn)證、充押金、充余額、購買或領(lǐng)取優(yōu)惠卡/券、保存充值/退費(fèi)記錄、保存行程記錄、保存消費(fèi)記錄、保證當(dāng)前時(shí)刻只有一輛單車被該賬號(hào)租用或者預(yù)約；

4） 租車還車管理子系統(tǒng)：租車人用App掃描租車，運(yùn)營管理平臺(tái)負(fù)責(zé)檢查單車狀態(tài)、檢查賬戶是否滿足開鎖要求，發(fā)送開鎖指令給智能鎖（或App），開始當(dāng)前行程的記錄和計(jì)費(fèi)，租車人鎖車后，運(yùn)營管理平臺(tái)更改單車狀態(tài)，歸檔行程記錄和消費(fèi)記錄。

5） 營銷活動(dòng)管理子系統(tǒng)：共享單車在使用過程中，需要實(shí)行優(yōu)惠活動(dòng)吸引用戶，運(yùn)營管理平臺(tái)需要發(fā)布營銷活動(dòng)，并在賬戶管理、租車、計(jì)費(fèi)等功能上支持營銷活動(dòng)的實(shí)施。

6） 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)對(duì)各種歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘和可視化展示，為共享單車運(yùn)營提供決策支持，比如一個(gè)城市應(yīng)該在哪些地方設(shè)置投放點(diǎn)，投放多少單車可以獲得最佳收益，一個(gè)城市的居民出行有什么樣的規(guī)律等等。

7） 地域維護(hù)管理子系統(tǒng)：共享單車運(yùn)營中，需要有地面維護(hù)人員批量收攏單車，對(duì)故障車進(jìn)行維修，地域維護(hù)管理子系統(tǒng)提供功能對(duì)地面維護(hù)人員的維護(hù)工作進(jìn)行記錄和管理。

除了上述這些功能需求，還需要考慮的是運(yùn)營管理平臺(tái)如何與電子地圖應(yīng)用、電子支付應(yīng)用、電信網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、地理位置定位應(yīng)用等第三方應(yīng)用進(jìn)行協(xié)作，還有就是運(yùn)營管理平臺(tái)與數(shù)以萬計(jì)的自動(dòng)鎖進(jìn)行交互。普適計(jì)算應(yīng)用沒有固定的計(jì)算環(huán)境，每一類計(jì)算設(shè)備都是面向特定的用戶群，設(shè)備在計(jì)算能力方面差異較大，需要的通信帶寬大小不一，每種設(shè)備的操作系統(tǒng)，芯片以及用戶接口都因應(yīng)用場(chǎng)景而異，這種情況下，其非功能需求的描述就顯得格外復(fù)雜，格外重要。

2.2 普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的架構(gòu)特征

一個(gè)普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)，其架構(gòu)會(huì)涉及對(duì)上述復(fù)雜非功能需求的支撐，因此變得更加復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)范式往往需要進(jìn)行各種方向上的擴(kuò)展，比如傳統(tǒng)的B/S、C/S架構(gòu)將會(huì)擴(kuò)展成基于云的架構(gòu)[3]，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)將會(huì)擴(kuò)展成基于協(xié)商的架構(gòu)[4]，因此架構(gòu)元素會(huì)變得更豐富，架構(gòu)關(guān)系也會(huì)變得更多維。

比如：共享單車應(yīng)用的架構(gòu)如下圖所示[2]，其中，運(yùn)營管理平臺(tái)、手機(jī)移動(dòng)端、智能鎖、通信網(wǎng)絡(luò)、電子地圖和定位技術(shù)起到了核心作用。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)非功能需求的支撐，必須采用基于云的架構(gòu)，為了能夠?yàn)槿珖秶鷥?nèi)不同規(guī)模的城市提供服務(wù)，需要建立分布在不同地域的數(shù)據(jù)中心；系統(tǒng)各組件采用ESB（企業(yè)服務(wù)總線）的方式集成在一起；租車人可以使用手機(jī)App，也可以使用微信公眾號(hào)或者小程序來訪問運(yùn)營管理平臺(tái)，運(yùn)營管理平臺(tái)與移動(dòng)端可以采用GSM通信，也可以采用WIFI通信；運(yùn)營管理平臺(tái)與智能鎖可以采用GSM或NB-IOT通信，運(yùn)營管理平臺(tái)通過GPS或北斗導(dǎo)航進(jìn)行單車定位；租車人可以使用一個(gè)賬戶實(shí)現(xiàn)全國租車，因此賬戶信息應(yīng)該能夠被多個(gè)數(shù)據(jù)中心同步訪問。

2.3普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的軟件開發(fā)思想

一個(gè)普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)，必須能夠迅速適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求并具備高度可靠性與伸縮性，因此其基礎(chǔ)設(shè)施中的很多組件都必須使用現(xiàn)有的成熟應(yīng)用，而不是重新重復(fù)制造輪子，因此必須要具有軟件生態(tài)的開發(fā)思想。所謂軟件生態(tài)，最直觀的理解就是大家一起玩并且大家能夠玩到一起，也就是說各種應(yīng)用能夠很容易地集成到一起，很好地相互協(xié)作。想要達(dá)到這樣的境界，類似服務(wù)級(jí)應(yīng)用協(xié)議之類的標(biāo)準(zhǔn)就顯得舉足輕重，而且很多基礎(chǔ)性組件，可能會(huì)出現(xiàn)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，設(shè)定這樣的調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)是非常復(fù)雜的，比如電子地圖應(yīng)用、電子支付應(yīng)用、電信網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、地理位置定位應(yīng)用等。

生態(tài)與開發(fā)技術(shù)密切相關(guān)，每一種編程語言（如Python，Java，.NET）都有其獨(dú)特生態(tài)環(huán)境，Python和Java的生態(tài)環(huán)境是開放的，類庫和工具進(jìn)行著優(yōu)勝劣汰的競爭，只有付出更多努力、做得更好的軟件，才會(huì)在競爭中勝出，從而建立了良好的競爭環(huán)境。.NET的發(fā)展壯大是由Microsoft來決定的，呈現(xiàn)出一家獨(dú)大的姿態(tài)。在.NET的開源社區(qū)有這樣的一種現(xiàn)象：你會(huì)發(fā)覺微軟在重復(fù)著這樣的事情——微軟總是想用自己的工具軟件替代已有的開源軟件，這樣就會(huì)大大阻礙了.NET的良性競爭。

因此，在普適計(jì)算時(shí)代背景下，必須要培養(yǎng)學(xué)生具有軟件生態(tài)意識(shí)和基于生態(tài)的軟件開發(fā)思想。

2.4 普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)的軟件工程方法

基于普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，決定了傳統(tǒng)的軟件工程方法已經(jīng)不能勝任普適計(jì)算時(shí)代背景下的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。敏捷軟件開發(fā)方法作為一種輕量、靈活、能夠快速應(yīng)對(duì)變化的軟件工程方法已經(jīng)快速地在軟件開發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，敏捷并不是一門具體的技術(shù)，而是一種理念或者說是一種思想，它能夠提高項(xiàng)目進(jìn)展的透明度，幫助用戶非常早地預(yù)見產(chǎn)品的雛形并與開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行交流，因此可以指導(dǎo)我們更加高效的開發(fā)。

然而在實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的Scrum、XP等敏捷開發(fā)實(shí)踐雖然可以比較容易的應(yīng)用在小規(guī)模團(tuán)隊(duì)中并取得明顯效果，但在大中型團(tuán)隊(duì)中組織環(huán)境更加復(fù)雜，面臨的工程技術(shù)挑戰(zhàn)更加艱巨。如何在這樣的場(chǎng)景下還能讓敏捷實(shí)踐最好地發(fā)揮其威力是很多團(tuán)隊(duì)一直以來都在困惑的一個(gè)問題。團(tuán)隊(duì)需要更加結(jié)構(gòu)化和成熟的框架為此提供指引。SoS、LeSS、Nexus、 SAFe（Scaled Agile Framework）[5]等大規(guī)模敏捷開發(fā)框架即為此目的而生，作為目前軟件開發(fā)領(lǐng)域接受度最高的規(guī)?；艚蓍_發(fā)框架，SAFe基于精益-敏捷思想，以Scrum框架的實(shí)踐為基礎(chǔ)，構(gòu)建了完整的針對(duì)各組織層級(jí)的敏捷開發(fā)過程和活動(dòng)的實(shí)踐指南。和所有正常的開發(fā)流程一樣，敏捷的終極目的是讓開發(fā)過程可控，而不是失控，如何以SoS、LeSS、NexusSAFe框架為指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)敏捷轉(zhuǎn)型成為很多組織非常關(guān)心的話題。

3 教學(xué)實(shí)踐總結(jié)

在教學(xué)實(shí)踐中，為了讓學(xué)生感受到基于普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)的所具有的獨(dú)特性，我們?cè)谡n程內(nèi)容中加入了大量與普適計(jì)算時(shí)代背景下應(yīng)用軟件系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，比如應(yīng)用系統(tǒng)感、聯(lián)、知、控四個(gè)層面的劃分以及各個(gè)層面涉及的專業(yè)背景知識(shí)；基于云的架構(gòu)和基于協(xié)商的架構(gòu)；基于軟件生態(tài)的開發(fā)思想；大規(guī)模敏捷開發(fā)框架SAFe等內(nèi)容，并且我們以共享單車運(yùn)營管理平臺(tái)、斑馬網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ATM機(jī)終端系統(tǒng)等結(jié)合硬件設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、控制反饋裝置和軟件在內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)作為案例。

盡管限于教學(xué)條件，不能讓學(xué)生真正參與設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)結(jié)合硬件設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、控制反饋裝置和軟件的應(yīng)用系統(tǒng)，我們也讓學(xué)生采用純軟件的方式模擬實(shí)現(xiàn)ATM機(jī)終端系統(tǒng)的主要功能，并且要求學(xué)生嘗試描述ATM機(jī)的各個(gè)硬件部件的工作機(jī)理和協(xié)作機(jī)制，從而讓學(xué)生深刻感受到一個(gè)普適計(jì)算模式的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)不再是一個(gè)封閉的、單純的軟件系統(tǒng)，必須要把不同學(xué)科的專業(yè)知識(shí)融合在一起，因此必須要培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科綜合思維能力。

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