基于EHFSM的電控模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉利明 ，謝 建 ，于傳強(qiáng)，唐媛莉

（1.第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025；2.96627部隊(duì) 北京 100085）

某電控模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作就是對(duì)操作訓(xùn)練過(guò)程中所有可能發(fā)生的過(guò)程及過(guò)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系進(jìn)行描述。傳統(tǒng)的事件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思想，通過(guò)建立作為控制程序基本單元的事件例程之間的邏輯關(guān)系及響應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作訓(xùn)練過(guò)程的描述。但由于電控模擬系統(tǒng)往往包含有若干不同功能的分系統(tǒng)，而各分系統(tǒng)又包含有一定數(shù)目的子系統(tǒng)，使得其結(jié)構(gòu)層級(jí)往往比較復(fù)雜，采用這種設(shè)計(jì)思想往往存在著高復(fù)雜性和低可讀性的缺點(diǎn)，代碼的可維護(hù)性和復(fù)用性也較差；因此，本文針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種基于EHFSM[1,2]控制任務(wù)流程推進(jìn)的軟件控制方案。

1 過(guò)程建模及FSM方法

1.1 過(guò)程建模

電控模擬系統(tǒng)的操作訓(xùn)練可以看作是基于時(shí)間的一系列連續(xù)的子過(guò)程，每一個(gè)子過(guò)程描述模擬訓(xùn)練在某一時(shí)間段所處的狀態(tài)，并影響或決定后一子過(guò)程的初始狀態(tài)。因此，可以采用過(guò)程建模的方法取代傳統(tǒng)的事件驅(qū)動(dòng)思想實(shí)現(xiàn)對(duì)電控模擬系統(tǒng)的控制，這種狀態(tài)描述的方式也使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加清晰，控制更加高效，有效填補(bǔ)了傳統(tǒng)方式的缺點(diǎn)和不足。過(guò)程模型的組成包括：

過(guò)程：表達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的某個(gè)操作的持續(xù)時(shí)序關(guān)系。過(guò)程遷移：表達(dá)過(guò)程之間的遷移。

事件：指電控模擬訓(xùn)練過(guò)程中激活過(guò)程遷移的元素，包括外部事件、內(nèi)部事件。其中外部事件主要指號(hào)手控制產(chǎn)生的命令、動(dòng)作以及信號(hào)等事件，內(nèi)部事件主要是指由于過(guò)程的推進(jìn)產(chǎn)生的某些變化。

過(guò)程遷移條件：表達(dá)過(guò)程轉(zhuǎn)換的約束規(guī)則。

1.2 FSM方法

FSM[3-4]（Finite State Machine）即有限狀態(tài)機(jī)，通常被定義為由5個(gè)對(duì)象組成的有序集合：

f是一個(gè)從I×S到S的函數(shù)，即由一個(gè)輸入Ij和一狀態(tài)Sk給出下一個(gè)狀態(tài)：

g是一個(gè)從I×S到O的函數(shù)，即由一輸入Ij和一狀態(tài)Sk給出下一個(gè)輸出。

其工作原理是：狀態(tài)機(jī)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)接收到的計(jì)算結(jié)果、系統(tǒng)外輸入事件，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出結(jié)果，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制判斷條件成立與否，來(lái)決定是否根據(jù)事件發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，狀態(tài)轉(zhuǎn)換后的輸出狀態(tài)作為下一事件的開始狀態(tài)。工作原理描述如圖1所示。

圖1 FSM狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.1 state transition of FSM

通過(guò)FSM及過(guò)程模型各個(gè)組成部分的定義發(fā)現(xiàn)：電控模擬系統(tǒng)的過(guò)程對(duì)應(yīng)于FSM中的轉(zhuǎn)移，仿真訓(xùn)練過(guò)程中的事件對(duì)應(yīng)于FSM中的事件，過(guò)程轉(zhuǎn)移則對(duì)應(yīng)于FSM中的轉(zhuǎn)移，過(guò)程轉(zhuǎn)移條件對(duì)應(yīng)于FSM中的轉(zhuǎn)移規(guī)則，可以說(shuō)模擬訓(xùn)練過(guò)程的模型語(yǔ)義和FSM的語(yǔ)義描述基本一致。因此可以采用FSM方法描述電控模擬系統(tǒng)的過(guò)程模型。

2 基于EHFSM的過(guò)程模型框架

2.1 FSM方法的不足

電控模擬系統(tǒng)共包括開機(jī)自檢、自動(dòng)、手動(dòng)、監(jiān)控及點(diǎn)步等5種工作方式，每一種工作方式下，操作都主要由205號(hào)手完成，但同時(shí)也需要201號(hào)手的配合，這種不同工作方式的劃分以及操作訓(xùn)練的交叉配合使得訓(xùn)練過(guò)程出現(xiàn)了不同的層次和交叉，傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)并不支持這種分層和交叉描述。

此外，為滿足號(hào)手開展針對(duì)性訓(xùn)練，需要定義一個(gè)由狀態(tài)Sj經(jīng)過(guò)特殊的觸發(fā)事件直接轉(zhuǎn)換到 Sj的 “跳躍”，如圖 2（b）所示。而在傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)中，若實(shí)現(xiàn)由S1狀態(tài)到S3的遷移，只能通過(guò)狀態(tài)序列(S1,S2,S3)來(lái)進(jìn)行，而無(wú)法直接由S1跳轉(zhuǎn)至S3，如圖2（a）所示。這種變化并不等同于上述跳躍的定義。這種功能需求傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)同樣是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖2 有限狀態(tài)機(jī)示意圖Fig.2 diagram of the statemachine

2.2 基于EHFSM的改進(jìn)方法

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，引入了擴(kuò)展分層有限狀態(tài)機(jī)。其定義如下：

其中：

O是有限輸入字符集合；

L是葉子狀態(tài)的有限非空集合；

S=｛s0,s1,…sn｝是有限狀態(tài)集合；

A= ｛α0,α1,…αn｝是活動(dòng)集合，其中每個(gè)元素 α1=（in，pre，block）都是一個(gè)三元組，in是I中的元素或者為空，pre是關(guān)于V中的變量、輸入?yún)?shù)或一些常量的謂詞表達(dá)式，block是賦值語(yǔ)句和輸出語(yǔ)句的集合；

δ：S×A→S 是狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)；

T=｛t0, t1,…,tm｝是非空轉(zhuǎn)換集合，每個(gè)元素tj=(initial,final,action)都是一個(gè)三元組。initial和final是S中狀態(tài)，代表tj的初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)，action∈A是指發(fā)生在該轉(zhuǎn)換上的活動(dòng)；V是變量集。

EHFSM示例如圖3所示。

圖3 EHFSM示例圖Fig.3 diagram of EHFSM

根據(jù)定義，EHFSM主要是在有限狀態(tài)機(jī)模型描述的基礎(chǔ)上增加了變量、操作和遷移的前置條件。前置條件pre是程序執(zhí)行前變量所必須滿足的一組約束條件，只有當(dāng)前置條件為真時(shí)，狀態(tài)遷移才能進(jìn)行，前置條件的存在使得狀態(tài)遷移存在不確定性，即EHFSM中的狀態(tài)遷移不僅由系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前的輸入決定，還與狀態(tài)遷移的前置條件有關(guān)。這樣就可以采用前置條件來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的“跳躍”；而且EHFSM的分層描述方式也能滿足對(duì)電控模擬訓(xùn)練過(guò)程的分層和交叉的描述需求。

電控模擬系統(tǒng)中，主要的操作工步包括39個(gè)操作規(guī)程，其中開機(jī)自檢包含5個(gè)主要操作工步，手動(dòng)方式包含10個(gè)操作工步，自動(dòng)方式包含6個(gè)操作工步，點(diǎn)步工作方式包含13個(gè)操作工步，監(jiān)控工作方式包含5個(gè)操作工步。因此，將電控模擬系統(tǒng)的EHFSM分為了三層結(jié)構(gòu)[5-6]。如圖4所示。

其中，電控模擬系統(tǒng)為第一層EHFSM。開機(jī)自檢、手動(dòng)方式、自動(dòng)方式、點(diǎn)步方式以及監(jiān)控方式為第二層EHFSM，是第一層的具體細(xì)化。39個(gè)具體的操作規(guī)程是第三層EHFSM，是第二層的具體細(xì)化。第四層為單一操作工步EHFSM，根據(jù)具體的訓(xùn)練規(guī)程要求進(jìn)行描述。

圖4 電控模擬系統(tǒng)過(guò)程模型框架圖Fig.4 Electronic control simulation model framework system

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在電控模擬系統(tǒng)中，采用動(dòng)態(tài)鏈表的方式存儲(chǔ)包含操作工序流程的約束規(guī)則，鏈表中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)了一條規(guī)則。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)如下：

Struct guize

{

int status：//當(dāng)前狀態(tài) ID

int BJstatus：//操作部分物理狀態(tài)

int XYBJstatus://響應(yīng)部件物理狀態(tài)

int BXWCoperationID：//必須完成操作狀態(tài)ID

int JHoperationID：//激活操作狀態(tài)ID

string CZbujian：//操作部件名稱

string XYbujian：//響應(yīng)部件名稱

string guize*pre：//上一狀態(tài)節(jié)點(diǎn)指針

string guize*next：//下一狀態(tài)節(jié)點(diǎn)指針

}：

控制程序流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

其中，前驅(qū)轉(zhuǎn)換約束用于實(shí)現(xiàn)回退功能，系統(tǒng)根據(jù)上一狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)指針，找到回退目的狀態(tài)，并通過(guò)將當(dāng)前響應(yīng)部件的物理狀態(tài)設(shè)置為目的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)；后置轉(zhuǎn)換約束用于實(shí)現(xiàn)快進(jìn)功能，原理同上。

圖5 單一操作工步流程圖Fig.5 Flow chartof single step operators

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)電控模擬系統(tǒng)傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了采用EHFSM過(guò)程建模的控制方案，提高了程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行效率。

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