基于螺旋法的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)；螺旋法；子階段

一、項(xiàng)目背景

隨著大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等新興技術(shù)的興起，加之銀行業(yè)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)量以及業(yè)務(wù)場(chǎng)景豐富性方面的先天優(yōu)勢(shì)，AI模型可優(yōu)先在銀行場(chǎng)景落地，尤其是銀行的營(yíng)銷與風(fēng)控場(chǎng)景，比如理財(cái)產(chǎn)品推薦，客戶畫像，客戶交易圖譜以及信貸場(chǎng)景的ABC卡等都是常見應(yīng)用場(chǎng)景，但目前各銀行AI模型開發(fā)訓(xùn)練工具主要使用的是業(yè)界主流的商業(yè)數(shù)據(jù)挖掘工具（比如：SAS）或者是一些開源機(jī)器學(xué)習(xí)框架（比如Anaconda，R），前者比較昂貴，尤其是每年的證書續(xù)期費(fèi)用，后者則是無法做到開發(fā)工具、硬件資源、開發(fā)模型的統(tǒng)一管理，但這兩者都比較難把開發(fā)后的模型直接發(fā)布成在線服務(wù)供各業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。A項(xiàng)目就在此背景下誕生，此項(xiàng)目建設(shè)工期約10個(gè)月，本項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)是AI模型開發(fā)訓(xùn)練平臺(tái)，另一個(gè)是AI模型服務(wù)管理平臺(tái)，前者主要完成AI模型的開發(fā)訓(xùn)練，后者主要完成將模型鏡像發(fā)布成在線服務(wù)。本項(xiàng)目中，筆者擔(dān)任系統(tǒng)架構(gòu)師，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及開發(fā)技術(shù)指導(dǎo)等工作。鑒于本項(xiàng)目總體功能框架明確，但詳細(xì)的業(yè)務(wù)功能范圍和實(shí)現(xiàn)都較為模糊，加上功能投產(chǎn)的緊迫程度不一致，考慮到螺旋法是一種將結(jié)構(gòu)化開發(fā)方法與原型法相結(jié)合的一種開發(fā)方法，既靈活又能不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行迭代完善的特點(diǎn)，經(jīng)筆者提議，在與項(xiàng)目組討論后決定采用螺旋法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

二、相關(guān)理論

螺旋法采用一種周期性的開發(fā)方法，在每個(gè)子周期內(nèi)采用瀑布模型法，每一個(gè)周期又產(chǎn)出一個(gè)軟件過程版本，此為快速原型法[1]，也就是它充分結(jié)合了瀑布模型法與原型法[2]兩種開發(fā)模型的優(yōu)勢(shì)，將整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過程分成幾個(gè)階段，每個(gè)階段內(nèi)又定義四個(gè)子過程，首先是目標(biāo)確定子過程，它定義在本階段內(nèi)要實(shí)現(xiàn)哪些業(yè)務(wù)目標(biāo)，也就是實(shí)現(xiàn)哪些系統(tǒng)功能；接著是風(fēng)險(xiǎn)分析子過程，這也是螺旋法區(qū)別于前面兩種模型的一個(gè)比較重要的特點(diǎn)，在此過程中主要解決若要實(shí)現(xiàn)本階段內(nèi)的這些功能，存在哪些技術(shù)上的、業(yè)務(wù)上的、管理上的約束等風(fēng)險(xiǎn)因素，這需要與項(xiàng)目組全體成員一起來討論；再者是開發(fā)與驗(yàn)證子過程，主要完成本階段內(nèi)的功能開發(fā)、測(cè)試以及業(yè)務(wù)驗(yàn)證，由于將系統(tǒng)開發(fā)分成了若干個(gè)階段，每階段內(nèi)要開發(fā)的功能粒度就更小，則比較適合采用原型法進(jìn)行開發(fā)[3]；最后是階段性復(fù)盤子過程，主要總結(jié)在本階段內(nèi)所遇到的一些問題、解決方法以及一些遺留事項(xiàng)，用于進(jìn)一步?jīng)Q策是否需要進(jìn)入下一階段以及如何更好開展下一階段的工作。

三、實(shí)踐

下面詳細(xì)闡述螺旋法在本項(xiàng)目中的具體實(shí)踐情況

（一）項(xiàng)目整體階段劃分

首先，項(xiàng)目組向用戶演示了我司模型服務(wù)管理方面的成熟產(chǎn)品，包括功能、性能、架構(gòu)等內(nèi)容，并著重突出了產(chǎn)品的亮點(diǎn)。接著，項(xiàng)目組征詢了客戶對(duì)本項(xiàng)目AI模型服務(wù)管理平臺(tái)功能的初步想法，主要側(cè)重點(diǎn)在鏡像同步、服務(wù)部署、服務(wù)編排、API發(fā)布、流量控制以及服務(wù)監(jiān)控等方面的功能。然后，就客戶提出的問題進(jìn)行了應(yīng)答，闡述了對(duì)AI模型服務(wù)管理平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)理念。另外，也聽取了客戶對(duì)于本項(xiàng)目各功能投產(chǎn)先后順序的需求，比如客戶也同步在開展一些模型的建設(shè)，比如OCR模型、語音識(shí)別模型，所以需要服務(wù)部署以及API發(fā)布等主體功能優(yōu)先上線，最終，雙方達(dá)成了初步的一致的意見。具體而言，架構(gòu)層面，系統(tǒng)總體使用雙中心架構(gòu)，為保證模型服務(wù)的高可用性、可伸縮性以及安全性，各中心采用K8S集群進(jìn)行模型部署管理，服務(wù)管理平臺(tái)端采用三層架構(gòu)，使用SSM+Redis框架，另外為配合甲方信創(chuàng)要求，數(shù)據(jù)庫使用國(guó)產(chǎn)OB數(shù)據(jù)庫；功能層面，分三階段進(jìn)行，首先是主體功能部分，比如服務(wù)部署，API發(fā)布等，其次是與客戶現(xiàn)有相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接，比如統(tǒng)一登錄、客服系統(tǒng)等，最后是雙活與流量控制功能。實(shí)踐表明，分階段分批次開發(fā)與投產(chǎn)，既滿足了客戶的實(shí)際需求又可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際人力投入進(jìn)行合理安排。

（二）目標(biāo)確定子過程

各階段要完成的業(yè)務(wù)目標(biāo)確定后，接下來進(jìn)入每一階段時(shí)，需要對(duì)階段目標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化，也就是對(duì)階段內(nèi)要完成的功能進(jìn)一步拆解，常用的功能分解方法有結(jié)構(gòu)化分析方法，此方法是面向數(shù)據(jù)流的分析方法，通過功能分解方式把系統(tǒng)功能分解到各個(gè)模塊中，它有三個(gè)常用工具，分別是數(shù)據(jù)流圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖以及實(shí)體關(guān)系圖，此處項(xiàng)目組使用數(shù)據(jù)流圖工具，功能拆解大體思路是首先將本階段內(nèi)要完成的功能作為頂層數(shù)據(jù)流圖，比如在本項(xiàng)目中，頂層數(shù)據(jù)流圖如下圖所示：

經(jīng)與客戶溝通得知，其內(nèi)部的組織架構(gòu)分為研發(fā)條線與運(yùn)維條線。系統(tǒng)在正式上線之前，也就是項(xiàng)目開發(fā)階段時(shí)，主要由研發(fā)條線負(fù)責(zé)，而系統(tǒng)一旦上線后，系統(tǒng)就交付給運(yùn)維條線進(jìn)行負(fù)責(zé)，運(yùn)維條線關(guān)注重點(diǎn)系統(tǒng)軟硬件的運(yùn)行健康情況，而研發(fā)條線在系統(tǒng)上線后則關(guān)注重點(diǎn)系統(tǒng)功能層面的運(yùn)行及使用情況，另外，AI模型服務(wù)管理平臺(tái)還需要與AI模型開發(fā)訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，如本文“項(xiàng)目背景”所述，它需要將在AI模型開發(fā)訓(xùn)練平臺(tái)中開發(fā)的模型發(fā)布成API服務(wù)，供其他系統(tǒng)調(diào)用，所以，AI模型開發(fā)訓(xùn)練平臺(tái)需將開發(fā)完成的模型鏡像推送到AI模型服務(wù)管理平臺(tái)的鏡像倉(cāng)庫中，最后，無論是其他系統(tǒng)調(diào)用AI模型服務(wù)管理平臺(tái)的模型API，還是AI模型服務(wù)管理平臺(tái)去調(diào)用其他系統(tǒng)的接口都需要經(jīng)過企業(yè)服務(wù)總線ESB，所以，本系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)流圖中外部實(shí)體應(yīng)至少包含系統(tǒng)管理員、系統(tǒng)運(yùn)維人員、AI模型開發(fā)訓(xùn)練平臺(tái)與ESB四個(gè)，而各個(gè)外部實(shí)體與本系統(tǒng)之間交互的信息也如圖1所示。

接著，對(duì)頂層數(shù)據(jù)流圖進(jìn)一步細(xì)分為各層級(jí)數(shù)據(jù)流圖，比如AI模型服務(wù)管理平臺(tái)主要功能包括鏡像管理、服務(wù)管理、API管理、渠道管理、服務(wù)總覽等業(yè)務(wù)模塊，則第二級(jí)數(shù)據(jù)流圖應(yīng)圍繞著這些功能展開，詳細(xì)列出對(duì)應(yīng)的外部實(shí)體，輸入輸出數(shù)據(jù)。另外，為了保證整個(gè)細(xì)化過程不發(fā)散，控制項(xiàng)目范圍，在細(xì)分各層級(jí)數(shù)據(jù)流圖時(shí)，先向客戶演示我司類似產(chǎn)品相關(guān)功能或者使用Axure原型設(shè)計(jì)工具將功能界面原型圖展示給客戶，然后確定本階段具體要實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)。實(shí)踐表明，采用類似產(chǎn)品做原型展示讓客戶更有直觀感受，另外，使用數(shù)據(jù)流圖能更清晰地展示功能之間的層次關(guān)系與交互關(guān)系。

（三）風(fēng)險(xiǎn)分析子過程

每階段因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)的功能不一樣，所以受到的約束條件也不一樣，比如有些功能的實(shí)現(xiàn)是依賴銀行內(nèi)其他系統(tǒng)的配合，需要對(duì)方提供一些技術(shù)對(duì)接細(xì)節(jié)，因此需要綜合考慮這些風(fēng)險(xiǎn)因素。為了能全面識(shí)別這些潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，需采用一套比較科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法，目前常用的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法工具有專家判斷、頭腦風(fēng)暴、訪談以及SWOT分析法[4]等，其中SWOT分析法更多是應(yīng)用于一項(xiàng)新技術(shù)或者新產(chǎn)品的研發(fā)分析，它著眼于全局，而頭腦風(fēng)暴與訪談?dòng)志窒抻趨⑴c對(duì)象的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，所以，最終還是采用專家判斷法。項(xiàng)目組主要邀請(qǐng)甲方技術(shù)負(fù)責(zé)人以及架構(gòu)專家一起討論，討論步驟具體為：首先，將風(fēng)險(xiǎn)劃分為三個(gè)大類，分別為技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)以及管理風(fēng)險(xiǎn)；其次，分別針對(duì)三大風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步討論細(xì)項(xiàng)，比如技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)中有一項(xiàng)是與ESB對(duì)接，如何對(duì)接，存在怎樣的接口定義規(guī)范，報(bào)文要求以及實(shí)現(xiàn)的難度等，都將影響開發(fā)進(jìn)度的正常開展，所以對(duì)于涉及行內(nèi)系統(tǒng)對(duì)接的，盡量讓對(duì)方給出對(duì)接DEMO以及相關(guān)接口文檔，或者提供行內(nèi)技術(shù)文檔知識(shí)庫，比如SVN，以供查詢。而業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)主要來源于業(yè)務(wù)人員的測(cè)試安排，對(duì)技術(shù)的了解程度等，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法是業(yè)務(wù)人員的測(cè)試投入計(jì)劃表，交測(cè)前的系統(tǒng)測(cè)試培訓(xùn)等。最后將細(xì)化后的風(fēng)險(xiǎn)清單以及應(yīng)對(duì)方法文檔化，得到項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)手冊(cè)，將其歸檔到項(xiàng)目知識(shí)庫中并同步做成在線共享文檔方便后續(xù)進(jìn)一步維護(hù)。

（四）開發(fā)及驗(yàn)證子過程

由于是分階段開發(fā)，而各階段雖然業(yè)務(wù)功能不一樣，但總體還是一種B/S架構(gòu)，分為表現(xiàn)層、邏輯實(shí)現(xiàn)層（SERVICE）以及數(shù)據(jù)訪問層DAO，而各功能的實(shí)現(xiàn)無非是繪制各功能特有的頁面，而定義各功能特有的業(yè)務(wù)邏輯、中間的控制轉(zhuǎn)換、對(duì)象管理以及數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制都是一樣的，所以對(duì)與該子過程筆者將整個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)分成三個(gè)角色，一是負(fù)責(zé)前端UI界面的設(shè)計(jì)與開發(fā)，二是負(fù)責(zé)中間框架層的業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)，最后是數(shù)據(jù)庫層的SQL代碼實(shí)現(xiàn)。這樣的話，可以保證快速地做出客戶想要的頁面原型，及時(shí)與客戶溝通，另外，也可以做到整體底層模塊的復(fù)用，不用每個(gè)子功能都要獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。

最后，在本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用了微服務(wù)思想，采用SpringBoot框架，傳統(tǒng)的WEB開發(fā)，每次的測(cè)試與發(fā)布時(shí)，都是需要將所有功能模塊代碼一起進(jìn)行編譯發(fā)布，對(duì)于系統(tǒng)比較龐大以及協(xié)作開發(fā)的場(chǎng)景，這種編譯發(fā)布模式，往往使單個(gè)功能模塊的測(cè)試過程變得非常困難，而采用微服務(wù)框架，每個(gè)服務(wù)模塊都是獨(dú)立運(yùn)行，所以也方便開發(fā)人員進(jìn)行測(cè)試，特別地，對(duì)于這種分階段開發(fā)的項(xiàng)目，每個(gè)階段完成的功能模塊不一樣，所以，采用微服務(wù)模式，就更顯優(yōu)勢(shì)，相當(dāng)于各階段的開發(fā)都不存在強(qiáng)耦合關(guān)系，比如，在本系統(tǒng)中，鏡像倉(cāng)庫，系統(tǒng)日志模塊，用戶管理模塊，模型調(diào)用網(wǎng)關(guān)模塊等都是獨(dú)立運(yùn)行在K8S集群容器中，為了保證各服務(wù)的高可用性，每個(gè)容器都采用多副本機(jī)制。實(shí)踐證明，采用微服務(wù)與K8S集群進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，是一種非常有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)方法。

（五）階段性復(fù)盤子過程

階段性復(fù)盤，目前主流的方法是敏捷開發(fā)方法Scrum[2]中的沖刺回顧，即沖刺結(jié)束后，團(tuán)隊(duì)會(huì)開兩場(chǎng)會(huì)議，一個(gè)是評(píng)審會(huì)，由開發(fā)團(tuán)隊(duì)給產(chǎn)品負(fù)責(zé)人演示交付功能，并接受評(píng)價(jià)；另一個(gè)是反思回顧會(huì)，對(duì)本次沖刺進(jìn)行總結(jié)，所有團(tuán)隊(duì)成員都要反思這個(gè)沖刺，以便下一次沖刺可以更好地進(jìn)行。在本項(xiàng)目中，每階段投產(chǎn)后，會(huì)進(jìn)行投產(chǎn)后驗(yàn)證、評(píng)價(jià)以及階段內(nèi)復(fù)盤，前者主要由業(yè)務(wù)人員主導(dǎo)，分別從功能可使用性、體驗(yàn)性、加分項(xiàng)三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估， 而階段內(nèi)復(fù)盤主要盤點(diǎn)功能實(shí)現(xiàn)方面是否存在較臃腫的，不靈活的，或者性能不好的，比如，為什么投產(chǎn)功能與開發(fā)測(cè)試環(huán)境不一致問題，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在開發(fā)測(cè)試環(huán)境的運(yùn)行正常的功能在生產(chǎn)環(huán)境卻運(yùn)行異常，原因有可能是配置文件未進(jìn)行多環(huán)境設(shè)置，因此需要后期將相關(guān)配置信息做成參數(shù)化頁面，方便客戶維護(hù)，也提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。最后就是評(píng)審本階段功能，若已驗(yàn)證無問題，則可以開啟下一階段的功能開發(fā)。

四、結(jié)尾

項(xiàng)目組經(jīng)過10個(gè)月的艱苦奮戰(zhàn)研發(fā)，系統(tǒng)在經(jīng)過多次迭代發(fā)布之后于2023年9月成功上線，現(xiàn)已基本處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，得到了客戶、領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可，現(xiàn)如今也已經(jīng)部署了ASR、TTS、OCR、業(yè)務(wù)類型推薦等AI模型，并向多個(gè)部門進(jìn)行了推廣使用，而且這些模型服務(wù)發(fā)布到服務(wù)管理平臺(tái)后也都穩(wěn)定運(yùn)行，扛住了高并發(fā)的壓力。得益于螺旋法的正確使用，項(xiàng)目才能快速穩(wěn)定地上線。通過本次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，筆者愈發(fā)體會(huì)到選擇正確的軟件開發(fā)方法能夠讓整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)工作節(jié)省很多不必要的時(shí)間、精力、財(cái)力的支出，從而達(dá)到事半功倍的效果。筆者也深刻體會(huì)到持續(xù)學(xué)習(xí)、與時(shí)俱進(jìn)，將會(huì)是貫穿筆者作為系統(tǒng)架構(gòu)師生涯的永恒主題。