基于DFA和笛卡爾集的數(shù)據(jù)錄入機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn)

劉家興，劉金鋒，李 捷

(1.河南省實驗中學(xué)，河南 鄭州 450000；2.河南大學(xué)，河南 開封 475000)

0 引 言

近年來,科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,尤其是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,極大便利了人們的工作及生活。再加上人們工作的需求及生活水平的提升,計算機(jī)用戶數(shù)量呈全球性的爆炸式增長,同時產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)信息有待處理。這就使得人們對計算機(jī)的計算能力需求不斷提高[1]。針對提高數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)再加工的能力的問題,文中對數(shù)據(jù)自動化處理展開研究。

自動機(jī)理論是一種將離散數(shù)學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造、作用和關(guān)系作為研究對象的數(shù)學(xué)理論。自動機(jī)是有限狀態(tài)機(jī)(FSM)的數(shù)學(xué)模型，F(xiàn)SM 是給定符號輸入，依據(jù)轉(zhuǎn)移函數(shù)“跳轉(zhuǎn)”過一系列狀態(tài)的一種機(jī)器，自動機(jī)狀態(tài)有開始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)[2]。DFA在自動化、智能化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，文獻(xiàn)[3]提出的漢字自動機(jī)模型能刻畫出文字智能輸入、詞句輸入，為漢字的智能處理提供數(shù)據(jù)模型；文獻(xiàn)[4]利用自動機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表實現(xiàn)串的快速自動匹配；文獻(xiàn)[5]利用層次式時間自動機(jī)模型自動轉(zhuǎn)化為模型檢測工具UPPAAL的輸入；文獻(xiàn)[6]以時間自動機(jī)為建模工具，分別為要檢測和控制的物理實體以及不同種類的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)獨(dú)立建模，這些時間自動機(jī)形成了一個網(wǎng)絡(luò)，刻畫完整的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)通信并發(fā)過程；針對系統(tǒng)多層嵌套式結(jié)構(gòu)范疇模型的動態(tài)行為描述和分析問題，文獻(xiàn)[7]提出一種基于端口自動機(jī)的行為表達(dá)方法；文獻(xiàn)[8]將節(jié)點調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為集合覆蓋問題后,利用學(xué)習(xí)自動機(jī)的特性自適應(yīng)地更新所選取感知方向的概率；文獻(xiàn)[9]將自動機(jī)模型與遺傳算法相結(jié)合，使得遺傳算法的每一代遺傳因子自動產(chǎn)生。文中研究的是數(shù)據(jù)自動化、智能化處理問題，與自動機(jī)理論的本質(zhì)特征切合，所以基于自動機(jī)理論構(gòu)建了一種數(shù)據(jù)自動處理機(jī)器人模型。另外，設(shè)置了自動機(jī)的啟動條件即握手認(rèn)證，握手認(rèn)證模型基于笛卡爾集。笛卡爾集是指在數(shù)學(xué)中，兩個集合X和Y的笛卡尓集(Cartesian Set)表示為X × Y，第一個對象是X的成員，第二個對象是Y的所有可能有序?qū)Φ钠渲幸粋€成員[10]。

依據(jù)數(shù)據(jù)自動處理機(jī)器人模型，文中設(shè)計和實現(xiàn)了某財政支付系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人。由于某財政支付系統(tǒng)和某財務(wù)系統(tǒng)是兩套獨(dú)立的軟件系統(tǒng)，這就造成了在財政支付環(huán)節(jié)存在一個脫節(jié)，即財政系統(tǒng)無法有效獲取并使用這些結(jié)算信息。目前采用人工方式實現(xiàn)結(jié)算信息逐條錄入，工作效率低下，已不能滿足未來工作的需要。而文中設(shè)計的財政支付數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人將會把財務(wù)系統(tǒng)中的結(jié)算信息搬運(yùn)到財政支付系統(tǒng)，有效地解決這個“脫節(jié)”問題，使得結(jié)算支付信息得到充分利用，極大地提高工作效率，使得財政支付流程更順暢。

1 機(jī)器人模型

1.1 數(shù)據(jù)自動操作模型

確定有限狀態(tài)自動機(jī)[11]Γ：由一個非空有限的狀態(tài)集合Ω，一個輸入字母表(非空有限的字符集合)Σ，一個轉(zhuǎn)移函數(shù)δ:Ω×Σ→Ω，一個開始狀態(tài)s∈Ω，一個結(jié)束狀態(tài)的集合F?Ω所組成的5-元組，因此一個DFA可以寫成這樣的形式：Γ=(Ω,Σ,δ,s,F)。

數(shù)據(jù)自動操作模型構(gòu)建步驟如下：

(1)信息元集合U。

U={u1,u2,…,un},n∈N

(2)集合U劃分。

等價類的劃分基于以下定理：設(shè)R是定義在集合A上的等價關(guān)系,那么R的等價類構(gòu)成S的劃分。

R={r1,r2,…,rm},m∈N

Si={x,y|xriy,x∈U,y∈U,ri∈R},i≤m,i∈N

(3)信息序列集合LQ。

信息序列為M-元組記為Q：

Q=

信息序列集合LQ為：

LQ={|ui∈Si}

(4)信息序列狀態(tài)集合。

信息元操作狀態(tài)因子集合為：

A={a,-a}

帶操作的信息序列QA為：

QΑ=

帶操作的信息序列集合LQΑ為：

LQΑ={|ui∈Si,aj∈A}

可得：|LQΑ|=2M。

帶依次操作的信息序列QΑSK為:

QASK=

uM⊕aj>

帶依次操作的信息序列集合LQAS為：

LQΑS={QΑSk},k≤M

可得： |LQΑS|=M。

(5)操作集合ΡΟpt。

位置集合P：

P={|x,y∈N,x≤W,y≤H}，W、H為自然數(shù)常量；

操作元集合ΟΡt為：

OPt={OPt1,OPt2,…,OPti,…,OPtN}

Ρopt={p∧opt|p∈R,opt∈ΟΡt}

ΡΟpt反映了對某位置的某種操作。

(6)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ。

f(QΑk,popt)={|ak=-a,ui∈Si,aj∈A},popt?ΡΟpt,popt≠?

f(QΑk,popt)定義了Ω集合的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，讀入操作popt，跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)不唯一，所以該函數(shù)定義的是一種不確定的有窮狀態(tài)自動機(jī)(NFA)。

f(QΑSk,popt)=QΑSk+1,popt?ΡΟpt,popt≠?f(QΑSk,popt)定義了Ω集合的另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，讀入操作popt，跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)唯一，所以該函數(shù)定義的是一種確定的有窮狀態(tài)自動機(jī)(DFΑ)。

(7)起始狀態(tài)與終止?fàn)顟B(tài)。

s=

F=

綜述，基于FA理論，文中建立的自動操作模型描述如下,非依次操作的自動機(jī)模型AOM：

ΑΟΜ={LQΑ,ΡΟpt,f(QAK,popt),s,F}，ΑΟΜ是ΝF??；

依次操作的自動機(jī)模型AOM-S：

ΑΟΜ-S={LQΑS,ΡΟpt,f(QΑSk,popt),s,F}，ΑΟΜ-S是DFΑ。

1.2 笛卡爾集握手認(rèn)證模型

該模型的設(shè)計基于笛卡爾集理論，用于設(shè)計自動機(jī)的啟動條件，握手成功自動機(jī)啟動，模型構(gòu)建步驟如下：

(1)標(biāo)識因子集合。

T={t1,t2,…,ti,…,tn}

(2)標(biāo)識因子關(guān)系。

R={R1,R2}

(3)標(biāo)識因子劃分。

T1={x,y|xR1y,x∈T,y∈T}

T2={x,y|xR2y,x∈T,y∈T}

其中T1、T2為不同類別的標(biāo)識。

(4)握手認(rèn)證模型。

A={|t∈T1,U∈T2}

B={|s∈T2,V∈T1}

A×B={(a,b)|a∈A,b∈B,f(b1)∈U,g(a1)∈V}

其中b1、a1分別為元素(三元組)中的第1元數(shù)據(jù)，A×B即為可握手認(rèn)證集合。

2 財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人設(shè)計

基于數(shù)據(jù)自動操作模型和笛卡爾集握手認(rèn)證模型，設(shè)計財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人。該設(shè)計以一系列操作組合作為自動機(jī)模型的輸入字母表，以數(shù)據(jù)操作后的狀態(tài)為有限狀態(tài)集合，開始狀態(tài)定義為數(shù)據(jù)的原始狀態(tài)，即未對數(shù)據(jù)進(jìn)行任何操作，結(jié)束狀態(tài)定義為數(shù)據(jù)的完全操作態(tài)，即對數(shù)據(jù)的所有操作均已完成。該設(shè)計中操作的數(shù)據(jù)對象為批量財政結(jié)算數(shù)據(jù)，包含賬號名稱、賬戶賬號、開戶行信息、摘要、金額等信息元；針對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行的操作為在某位置的單擊、復(fù)制、粘貼等。初始狀態(tài)為數(shù)據(jù)的原始狀態(tài)，結(jié)束狀態(tài)為數(shù)據(jù)的完成操作態(tài)。

2.1 財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人

財政數(shù)據(jù)錄入機(jī)器人定義為：ΑΟΜ-S={LQΑS,ΡΟpt,f(QΑSk,popt),s,F}，其中，LQΑS={QΑSk},k≤Μ，Μ=5；QΑSk=，其中，ui∈Si，i≤Μ，aj∈Α

具體的：

S1：賬戶名稱；

S2：賬戶賬號；

S3：開戶行信息；

S4：摘要；

S5：金額；

A={已處理，未處理}。

Ρopt={p∧opt|p∈P,opt∈ΟΡt}，其中：

P={|x,y∈N,x≤W,y≤Η}，W、H為屏幕分辨率。

Οpt={復(fù)制，單擊，粘貼}。

f(QΑSk,popt)=QΑSk+1,popt?ΡΟpt,popt≠?。

s=，其中ui∈Si。

F=

其中ui∈Si，Si中i≤5。

2.2 握手認(rèn)證設(shè)計

啟動財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人的程序定義為機(jī)器人喚醒系統(tǒng)，握手認(rèn)證模型定義如下：

A×B={(a,b)|a∈A,b∈B,f(b1)∈U,g(a1)∈V}

A={|t∈T1,U∈T2}

其中，T1為機(jī)器人喚醒系統(tǒng)身份標(biāo)識集；T2為財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人身份標(biāo)識集；A為機(jī)器人喚醒系統(tǒng)集合；t為機(jī)器人喚醒系統(tǒng)身份標(biāo)識；f為握手規(guī)則；U為f規(guī)則下符合條件的財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人身份標(biāo)識。

B={|s∈T2,V∈T1}

其中，B為財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人集合；s為財政數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人身份標(biāo)識；g為握手規(guī)則；V為g規(guī)則下符合條件的機(jī)器人喚醒系統(tǒng)身份標(biāo)識。

f(b1)∈U,g(a1)∈V為笛卡爾集計算規(guī)則。

3 方案實現(xiàn)

功能總體設(shè)計：插入財政支付數(shù)據(jù)錄入機(jī)器人，主機(jī)機(jī)器人喚醒系統(tǒng)喚醒機(jī)器人程序，機(jī)器人啟動，載入數(shù)據(jù)，完成財政支付信息的自動錄入；拔出機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)程隨之關(guān)閉。

實現(xiàn)平臺：.NET FrameWork 4.0[12];

實現(xiàn)語言：C#[13];

運(yùn)行環(huán)境：Windows XP、Win7及以上。

財政支付數(shù)據(jù)錄入機(jī)器人的設(shè)計包含兩部分程序：主機(jī)喚醒程序和機(jī)器人程序。主機(jī)喚醒程序通過握手認(rèn)證喚醒機(jī)器人。文中采用面向?qū)ο骩14]的思想對兩部分程序進(jìn)行實現(xiàn)。

3.1 主機(jī)喚醒程序

主機(jī)喚醒程序用于通過握手認(rèn)證模型識別、啟動財政支付數(shù)據(jù)錄入機(jī)器人，工作流程如圖1所示。

圖1 握手認(rèn)證流程

根據(jù)工作流程設(shè)計類圖，如圖2所示。

圖2 主機(jī)喚醒程序類圖

圖中，ComputerInfo類用于獲取機(jī)器人喚醒系統(tǒng)身份標(biāo)識；MonitorUpan類用于檢測是否有機(jī)器人插入、與機(jī)器人握手認(rèn)證、啟動機(jī)器人。其中isIdentification()方法實現(xiàn)認(rèn)證機(jī)器人功能；CallbackTask()方法是后臺線程[15]執(zhí)行函數(shù)，根據(jù)認(rèn)證結(jié)果啟動或關(guān)閉機(jī)器人；isStart()方法判斷是否機(jī)器人啟動；KillProcess()方法實現(xiàn)關(guān)閉機(jī)器人功能。

核心代碼如下：

public bool isIdentification()//認(rèn)證

{

bool flag=false;

var scope=new ManagementScope();

var query=new SelectQuery("select * from win32_logicaldisk");

using(var searcher=new ManagementObjectSearcher(scope,query))

{

//返回設(shè)備列表

var collection=searcher.Get();

foreach(var obj in collection)

{

foreach (var property in obj.Properties)//讀取機(jī)器人序列號

{

if(property.Value!=null)//讀取到了嗎

{

//認(rèn)證機(jī)器人

if(property.Name=="VolumeSerialNumber" && property.Value.ToString()=="3C2382B3")

{

flag = true;

}

}

}

}

}

return flag;

}

public void CallbackTask(Object stateInfo)//機(jī)器人啟動或關(guān)閉

{

while(true)

{

if(isIdentification())//如果認(rèn)證成功

{

//啟動機(jī)器人

if(isStart()==false)

{

ProcessStartInfo startInfo=new ProcessStartInfo(@"Robot.exe");

ComputerInfo cmp=new ComputerInfo();

startInfo.Arguments=cmp.GetCpuInfo()+cmp.GetBoardInfo();

Process.Start(startInfo);

}

}

else

{

//如果認(rèn)證失敗，關(guān)閉機(jī)器人

KillProcess("Robot");

}

}

}

主機(jī)喚醒程序建立后臺線程，后臺線程執(zhí)行CallbackTask()方法，即實現(xiàn)如下功能：與插入的機(jī)器人握手認(rèn)證，認(rèn)證成功，則啟動機(jī)器人；如果認(rèn)證不成功，則關(guān)閉所有機(jī)器人進(jìn)程。

3.2 機(jī)器人程序

財政支付數(shù)據(jù)自動錄入機(jī)器人功能如下：讀取數(shù)據(jù)，對于每一條數(shù)據(jù)的信息元，找到操作位置，完成相應(yīng)操作，提交數(shù)據(jù)，修改數(shù)據(jù)狀態(tài)為已處理，當(dāng)所有數(shù)據(jù)的狀態(tài)為已處理時，機(jī)器人停止。

機(jī)器人核心類圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人核心類圖

圖中，ExcelHelper類用于讀取數(shù)據(jù)；InputAlphabet類用于設(shè)置自動機(jī)的輸入字母表，完成狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。

機(jī)器人自動錄入流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人自動錄入流程

核心代碼如下：

public void ConfigOpt()

{

if(totalTable!=null)

{

if(rowIndex

{

label2.Text=rowIndex.ToString()+"/"+(totalTable.Rows.Count-1);

for(inti=0;i

//選定第i個位置

{

if(i==2)

{

this.DoMouseDoubleClick(arr[i][0],arr[i][1]);//雙擊操作

Thread.Sleep(50);

}

else

{

this.DoMouseClick(arr[i][0],arr[i][1]);//單擊操作

Thread.Sleep(50);

keybd_event(17,0,0,0);

Thread.Sleep(50);

keybd_event((byte)Keys.A,0,0,0);

Thread.Sleep(50);

keybd_event(17,0,2,0);

Thread.Sleep(50);

keybd_event((byte)Keys.A,0,2,0);

//全選操作

keybd_event(46,0,0,0);

Thread.Sleep(50);

keybd_event(46,0,2,0);

//刪除操作

Thread.Sleep(50);

}

try//復(fù)制操作

{

Clipboard.Clear();

Clipboard.SetText(totalTable.Rows[rowIndex][i].ToString());

//第rowIndex條數(shù)據(jù)的第i個信息元

}catch(Exception ee)

{

Application.DoEvents();

Clipboard.SetText(totalTable.Rows[rowIndex][i].ToString());

}

Thread.Sleep(50);

keybd_event(17,0,0,0);

Thread.Sleep(50);

keybd_event((byte)Keys.V,0,0,0);

Thread.Sleep(50);

keybd_event(17,0,2,0);

Thread.Sleep(50);

keybd_event((byte)Keys.V,0,2,0);

//粘貼操作

Thread.Sleep(100);

}

rowIndex++;

}

if(rowIndex==totalTable.Rows.Count)

{

timer1.Enabled=false;

rowIndex++;

}

}

}

4 實驗對比

文中設(shè)計的財政支付機(jī)器人于2018年11月投入使用，2018年11月之前采用人工錄入，人工錄入安排2人，各占用1臺PC，PC配置如下：CPU為Intel(R) Core(TM) i3 CPU M350@2.27GHz；內(nèi)存為4 G；操作系統(tǒng)為Win7 旗艦版(32位)。

現(xiàn)有方式為機(jī)器人錄入，1臺機(jī)器人錄入需要一臺PC支撐，PC配置同上。表1是2017年度和2018年度12月份數(shù)據(jù)對比。

表1 數(shù)據(jù)對比

注：數(shù)據(jù)源自某大學(xué)財務(wù)系統(tǒng)；8小時*75%為人工錄入有效用時；準(zhǔn)確率來自對賬后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

通過以上數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，人工錄入速率約為2分鐘一條數(shù)據(jù)，機(jī)器人錄入速率約為一分鐘6筆，機(jī)器人錄入效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工錄入效率；人工錄入準(zhǔn)確率很難達(dá)到100%，而機(jī)器人錄入可以達(dá)到無差錯錄入。

5 結(jié)束語

文中基于確定有限狀態(tài)自動機(jī)(DFA)理論和笛卡爾集構(gòu)建了一種數(shù)據(jù)自動處理機(jī)器人模型，依據(jù)該模型，設(shè)計了財政支付數(shù)據(jù)錄入機(jī)器人。基于.NET FrameWork 4.0，對財政支付數(shù)據(jù)錄入機(jī)器人進(jìn)行了實現(xiàn)。通過這種機(jī)器人，2個員工一天的錄入工作量，可以用1個小時來完成，極大提高了工作效率。