FSM与State模式在某试验台测控系统中的应用研究
2018-08-21夏京川段从武宋国堃赵世平
夏京川，段从武，宋国堃，赵世平
(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)
0 引言
在某试验台测控系统中，根据试验要求，存在多个中间状态并且相互之间有复杂的转换关系，确定不同输入条件下测控系统状态迁移过程以及内部切换模式，是设计该系统软件的关键。本文根据FSM原理，对系统中对象的控制和顺序视图进行了建模，并且采用State模式，将状态转换显示化，与不同状态的行为进行隔离，极大地提高了软件设计的可靠性与复用性。
1 FSM与State模式简介
1.1 FSM原理
FSM(finitestatemachine)是包含有限状态的概念化机器，状态机在某一个时刻只有一个状态，通常由输入事件引起状态的改变，而下一个状态则依赖于当前状态和输入事件[1]。其中，状态表示一种可识别、存在于一段时间间隔内的情况；事件是在某一个时间点发生的事情，具有原子性且在概念上无持续；动作是与状态转换相关的可选输出，动作执行计算，作为状态转换的结果；警戒条件是值为真或假的布尔表达式，可以对事件进行验证[2]。一个典型的微波炉有限状态机系统如图1所示[3]。
图1 微波炉系统FSMUML图示例
1.2 State模式
简单的FSM可以使用switch/case语句来实现，然而此时FSM的逻辑和实现动作的代码之间没有分离，难以达到代码的复用和有效维护。状态迁移表是实现FSM的另一种途径，通过一个处理事件的引擎，查找与事件匹配的转换，调用相应的动作，并更改状态[4]。但对于大型FSM，状态迁移表的查找会耗费大量时间，导致效率低下。使用State模式，能够既具有嵌套switch/case语句的效率又具有解释迁移表的灵活性。
State模式允许对象在内部状态改变时改变其行为，此时对象对外表现为类已经被修改[5]。State模式参与者通常包括Context(环境)，定义客户感兴趣的接口，提供对外表现的事件，并维护一个ConcreteState的实例以定义当前状态；IState(状态抽象接口)，用以封装与Context特定状态相关的行为；ConcreteState(具体状态子类)，实现一个与Context的一个状态相关的行为[6]。
其中，Context将与状态相关的请求委托给Concrete对象处理，并可将自身作为参数传递给状态对象。Context或ConcreteState子类都可决定当前状态的后继者以及在何种条件下进行状态转换。
2 测控系统应用实例
2.1 基本试验
在某试验台测控系统中，其上锁试验状态图如图2所示。
图2 上锁试验状态图
根据系统要求，试验的开始状态为零位，最终状态回到零位或处于出错状态。试验被设置为自动进行，因而对外的接口表现均为Auto事件。在状态的切换中，会根据前一个状态与目标状态而执行相应动作；在某些状态迁移间，还涉及条件的判断，通常条件不满足直接进入出错状态。
根据试验的状态图，可创建其状态模式的UML表示，如图3所示。
图3 上锁实验State模式类图
其中，ExperimentContext继承IAction接口，并实现其中定义的动作；同时，其关联一个IMachineState对象，以标识当前的状态并指明将执行的操作；具体的状态继承于IMachineState接口，持有回指向上下文类的引用，以调用实现于IAction的动作，并决定状态的后继者。
通过状态模式的使用，将FSM中的动作、事件与状态分离开来，状态被封装为单独的类，以便不同的实验对相同的状态进行复用，也减少了增加、删除状态以及切换状态模式的复杂性。
2.2 添加试验状态
在试验台系统中，不同的试验模式通常是在基本试验的基础上，添加相应的行为以及状态，此时已存在的状态无需改变，可以有效地复用。
在加载试验中，需要在上锁保持状态加载至一定的力，并保持一段时间。如图4所示，此时只需要将上锁保持状态的后继者指向加载状态，并创建加载、加载保持状态，已经存在的状态不需改变，并且基本试验的逻辑不用更改。
此外，仍需要添加属于加载试验特定的动作、条件以及状态切换：
public class LoadContext:ExperimentContext, ILoadingAction//继承ILoadingAction，以实现要求的动作{
public override void SetMachineState(ExpState state){
base.SetMachineState(state);
if(state==ExpState.StateLockedHolding)
图4 加载试验状态图
SetMachineState(ExpState.StateLoading); //截断某个状态，并重新指定后继者
if(state==ExpState.StateLoading) ...
if(state==ExpState.StateLoadKeeping) ...
}
public async Task
public void LockLoadingAction(){...}
public async Task LoadingKeepingAction(){...}//实现相应的条件与动作
}
2.3 添加事件接口
对于自动试验，FSM的最终状态必然为零位或者出错，同时对外表现事件只有AutoStartEvent。而对于某些试验模式，通常还需要人工的干预，此时可提供额外的手动事件，并拦截某一试验状态：
public void Task AutoStartEvent(ExpState? interrupt=null){
while(CurrentState!=ExpState.OriginalPos&&CurrentState!=ExpState.Error){
if(interrupt!=null&&CurrentState==interrupt.Value) break;//在指定的拦截状态停止自动执行
State.ToNextState(this);
}
}
在开锁试验中，卸载压力与加载压力的工作需要由人工进行，应用程序可为操作者提供ManualUnLoadEvent与MannualLoadEvent，并提供AutoEndEvent事件(图5)，以便于操作者选择在某一时刻回到自动试验，完成其他操作。
图5 开锁试验状态图
同样，对应于开锁试验，需要添加试验相关特定的动作、条件与切换逻辑，而这些并没有改变基本试验的业务逻辑，却能够复用已存在的状态，极大地提高了应用程序的可维护性与可扩展性。
3 结语
FSM是一种对系统或对象的控制和顺序视图进行建模的重要工具。采用FSM实现试验台测控系统，能够简化应用程序的逻辑，更清晰地理解系统的复杂性，并提高了实时控制的可靠性、准确性。而采取State模式来实现FSM，最大化分隔其逻辑与动作实现，提升了程序代码的复用性，为构建可维护、可扩展测控系统软件奠定了基础。
