CollisionAvoidance/docs/design.md

机场地面交通管制系统设计方案

1. 系统概述

1.1 系统目标

• 接收机场航空器和车辆的实时位置信息
• 进行实时避障分析
• 向车辆发送运行/停止指令
• 确保系统高可靠性、高可用性和可恢复性

1.2 系统架构图

graph TD
    A[数据采集模块] --> B[数据处理模块]
    B --> C[碰撞检测模块]
    C --> D[指令控制模块]
    E[监控告警模块] --> F[整个系统]
    G[高可用管理] --> F

2. 技术架构

2.1 核心技术栈

• 开发语言：Modern C++ (C++17/20)
• 编译工具：CMake
• 单元测试：Google Test
• 性能分析：Valgrind
• 监控：Prometheus C++ Client
• 日志：spdlog
• 配置：yaml-cpp
• 网络：Boost.Asio

2.2 系统组件

2.2.1 数据采集层

• 多协议支持（TCP/UDP/MQTT）
• 数据源适配器模式
• 无锁队列缓存
• 多线程采集

2.2.2 数据处理层

• 实时数据流处理
• 内存池管理
• 零拷贝技术
• 批量处理优化

2.2.3 碰撞检测层

• 空间索引（四叉树）
• 并行计算
• SIMD优化
• 预测算法

2.2.4 指令控制层

• 优先级队列
• 指令重试机制
• 实时响应
• 状态确认

3. 高可用设计

3.1 系统高可用

• 主备切换
• 故障检测
• 自动恢复
• 负载均衡

3.2 数据高可用

• 内存数据备份
• 实时同步
• 数据校验
• 故障恢复

3.3 监控告警

• 性能指标监控
• 系统状态监控
• 资源使用监控
• 异常告警

4. 核心模块设计

4.1 系统核心类

class CollisionAvoidanceSystem {
public:
    CollisionAvoidanceSystem();
    void start();
    void stop();
    
private:
    std::unique_ptr<DataCollector> dataCollector_;
    std::unique_ptr<CollisionDetector> collisionDetector_;
    std::unique_ptr<CommandSender> commandSender_;
    std::atomic<bool> running_{false};
    
    void processLoop();
};

4.2 数据采集模块

class DataCollector {
public:
    enum class SourceType {
        TCP,
        UDP,
        MQTT
    };
    
    void addDataSource(SourceType type, const ConnectionConfig& config);
    std::optional<VehicleData> getData();
    
private:
    std::vector<std::unique_ptr<DataSource>> dataSources_;
    ThreadPool threadPool_;
    LockFreeQueue<VehicleData> dataQueue_;
};

5. 性能优化

5.1 内存优化

• 内存池管理
• 对象复用
• 内存对齐
• 缓存友好

5.2 CPU优化

• SIMD指令
• 多线程并行
• 锁优化
• 分支预测优化

5.3 I/O优化

• 异步I/O
• 零拷贝
• 批量处理
• 本地缓存

6. 部署方案

6.1 环境要求

• Linux服务器
• 多核CPU
• 大内存配置
• 高速网络

6.2 编译部署

• CMake构建
• Docker容器化
• 自动化部署
• 版本控制

7. 开发规范

7.1 代码规范

• Google C++ Style
• 智能指针管理
• 异常安全
• RAII原则

7.2 性能规范

• 避免虚函数滥用
• 减少动态内存分配
• 合理使用模板
• 注意数据对齐

8. 测试策略

8.1 单元测试

• 模块功能测试
• 边界条件测试
• 异常处理测试
• 内存泄漏测试

8.2 性能测试

• 延迟测试
• 并发测试
• 压力测试
• 内存使用测试

9. 风险控制

9.1 技术风险

• 实时性保证
• 内存管理
• 多线程同步
• 系统稳定性

9.2 解决方案

• 性能优化
• 资源监控
• 故障恢复
• 降级处理

10. 后续优化

1. 引入GPU加速计算
2. 优化空间索引算法
3. 改进故障检测机制
4. 增加自适应负载均衡
5. 完善监控告警系统

使用纯C++实现可以获得：

1. 最佳的实时性能
2. 直接的硬件控制
3. 精确的内存管理
4. 最小的系统开销
5. 可预测的行为表现