李國柱，馬　波，張君華

(昆明市測繪研究院，云南 昆明 650091)

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有限狀態(tài)機(jī)在一鍵式測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

李國柱，馬波，張君華

(昆明市測繪研究院，云南 昆明 650091)

Design and Implementation of One-Click Surveying System Based on Finite State Machine

LI Guozhu，MA Bo，ZHANG Junhua

摘要：在測量軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，研究重點(diǎn)多集中在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。軟件的交互式操作也是一項(xiàng)重點(diǎn)的研究領(lǐng)域，雖然所面對問題的復(fù)雜程度存在較大的差異，但是在操作軟件解決問題時，需要使用的工具與上下文有著密切的關(guān)系，而并不涉及軟件的全部。本文以有限狀態(tài)機(jī)(FSM)為模型基礎(chǔ)，研究和實(shí)現(xiàn)了一種基于該模型的“一鍵式”交互測量方式。在該方式的后臺，對復(fù)雜的測量邏輯進(jìn)行了梳理并作了相應(yīng)的劃分，劃分為若干的有限狀態(tài)機(jī)。最終通過一個按鈕，實(shí)現(xiàn)了測量過程中的多項(xiàng)控制參數(shù)的設(shè)置和具體的測量工作，這種操作模式降低了軟件的使用難度，提高了工作的效率。

關(guān)鍵詞：有限狀態(tài)機(jī)；測量軟件；一鍵式測量；交互操作

有限狀態(tài)機(jī)(finite state machine，F(xiàn)SM)，是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型[1-6]。狀態(tài)表示對象特定時刻的一個瞬間，有限狀態(tài)機(jī)則反映了系統(tǒng)從開始到結(jié)束的變化。就構(gòu)成來講，其中包含了描述對象的狀態(tài)及各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的過程。

FSM通過狀態(tài)變量來標(biāo)識當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，并通過狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)在不同狀態(tài)之間的切換。FSM的運(yùn)行是基于一系列事件的，每個事件都具有一定的控制范圍，當(dāng)該事件結(jié)束時，則通過狀態(tài)變遷的方式，進(jìn)入下一個狀態(tài)，如此直至達(dá)到終態(tài)，F(xiàn)SM屆時停止。

有限狀態(tài)機(jī)不僅是一種模型，也是一種思想，在不同的領(lǐng)域中都有著具體的應(yīng)用。如電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物、數(shù)學(xué)和邏輯等。使用這種模型能夠很好地描述我們工作和生活中的多種問題。

狀態(tài)機(jī)可以歸納成為4個要素：現(xiàn)態(tài)、條件、動作和次態(tài)。這樣的歸納主要是出于對狀態(tài)機(jī)的內(nèi)在因果關(guān)系的考慮。“現(xiàn)態(tài)”和“條件”是因，“動作”和“次態(tài)”是果?！艾F(xiàn)態(tài)”指當(dāng)前所處的狀態(tài)；“條件”又稱為“事件”，當(dāng)一個條件被滿足時，將會觸發(fā)一個動作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)的遷移；“動作”是在條件滿足后所執(zhí)行的動作。動作執(zhí)行完畢后，可以遷移到新的狀態(tài)，也可以仍舊保持原狀態(tài)。動作不一定是必需的，當(dāng)條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動作，直接遷移到新的狀態(tài)；“次態(tài)”是在條件滿足后要遷往的新狀態(tài)?！按螒B(tài)”是相對于“現(xiàn)態(tài)”而言的，“次態(tài)”一旦被激活，就轉(zhuǎn)變成行的“現(xiàn)態(tài)”。

在常規(guī)的工程測量軟件或系統(tǒng)中，用戶交互界面的設(shè)計(jì)都是很傳統(tǒng)和常規(guī)的，大部分情況下都集成了一系列復(fù)雜的操作方式。本文以FSM的思想為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套交互式測量系統(tǒng)，尤其特別的是實(shí)現(xiàn)了一鍵式測量系統(tǒng)，以期望能夠給作業(yè)人員一種“友好便捷”的操作體驗(yàn)。

一、“一鍵式”測量系統(tǒng)的操作

本文所開發(fā)的軟件是用于針對空間目標(biāo)物進(jìn)行變形監(jiān)測的。特別的，具體測量時主要采集的數(shù)據(jù)包括水平角、天頂距和斜距。在固定了測站之后，隨著測站可觀測方向數(shù)的不同，可以使用的觀測方法可分為測回法和全圓方向觀測法。為了保證精度和減少不必要的誤差，也需要進(jìn)行多測回測量。對于測量機(jī)器人而言，允許工作人員使用盤左盤右觀測，也可以僅用盤左觀測。在距離測量上，設(shè)備提供了精密測距和標(biāo)準(zhǔn)測距的模式。

對于上述提到的控制項(xiàng)，如果分別做成相應(yīng)的參數(shù)，供使用人員在具體操作時進(jìn)行勾選，則在某種程度上增加了操作的復(fù)雜度。

圖1為本文所設(shè)計(jì)的一鍵式測量交互界面。在具體測量中，當(dāng)儀器在測站上架設(shè)好后，可以通過手工測量開啟一鍵測量模式。在該界面中，可供點(diǎn)擊的按鈕只有3個，一個是主要的測量按鈕，一個是在測站測量完成后，將數(shù)據(jù)入庫的按鈕和放棄測量數(shù)據(jù)的按鈕。全部的測量任務(wù)均隱藏在“啟動測量”按鈕的背后。其中測站點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)是通過下拉的方式進(jìn)行選擇，這兩項(xiàng)的輸入均在測量前進(jìn)行錄入，可以通過手工單獨(dú)錄入，也可以通過文件導(dǎo)入。圖2和圖3為測站點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的錄入界面。

圖1　一鍵式測量界面

圖2　控制點(diǎn)坐標(biāo)手工錄入界面

圖3　監(jiān)測點(diǎn)手工錄入界面

具體的操作流程是：在架設(shè)好儀器之后，用戶通過下拉列表選擇測站點(diǎn)，量測并輸入儀器高，選擇相應(yīng)的測法(測回法或全圓方向觀測法)，設(shè)定測回?cái)?shù)，進(jìn)行度盤和距離測量模式的選擇。在這些選項(xiàng)選擇完畢之后，點(diǎn)擊“啟動測量”按鈕，基本設(shè)置區(qū)域中的控件將會變灰，進(jìn)入“禁用”狀態(tài)。這些步驟屬于“測前”狀態(tài)。點(diǎn)擊完“啟動測量”按鈕后便進(jìn)入“測量中”狀態(tài)。在測量進(jìn)行時，只需要下拉選擇目標(biāo)點(diǎn)，點(diǎn)擊“啟動測量”按鈕，儀器便開始工作，執(zhí)行相應(yīng)的測量指令。需要特別說明的是，如果測回?cái)?shù)多于1次，在前半測回執(zhí)行完畢之后，在后續(xù)的半測回或測回中進(jìn)行測量時，在下拉目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行選擇時，程序會控制儀器幫助工作人員進(jìn)行定位，而不需要工作人員手工照準(zhǔn)目標(biāo)。程序內(nèi)部會自動判斷測回是否結(jié)束。在結(jié)束后會提示測站測量結(jié)束，是否入庫的提示。其中，比較人性化設(shè)計(jì)的地方在于圖1手工測量控制框中，下部的類別/進(jìn)度信息表格控件和右側(cè)的圖形控件，一個以文字的方式提示用戶當(dāng)前測量的進(jìn)展，另一個則以圖形的方式呈現(xiàn)當(dāng)前測量成果。

二、FSM模型

綜合FSM的特性和實(shí)際的需求，由于測法可以分為測回法和全圓方向觀測法，因此可以視為一個狀態(tài)；使用盤左還是使用盤左盤右，也被劃分為一個狀態(tài)；在內(nèi)部定義了更細(xì)粒度的變量，用戶控制狀態(tài)內(nèi)部的子狀態(tài)。用于控制狀態(tài)切換的變量還包括盤左盤右測回控制標(biāo)志、當(dāng)前測量方向索引、當(dāng)前測回索引(標(biāo)記當(dāng)前進(jìn)行到第幾測回)和總測回?cái)?shù)等。圖4為一鍵式測量系統(tǒng)的FSM模型。

圖4　有限狀態(tài)機(jī)模型

關(guān)于測回法，如果只使用盤左進(jìn)行測量時，第一個方向即為起始觀測方向，第二個方向測量完畢之后，一個測回便測量完畢；如果使用盤左盤右觀測時，第一個方向和第二個方向?yàn)樯习霚y回，第三和第四方向?yàn)橄掳霚y回。通過跟蹤當(dāng)前測量方向數(shù)變量來識別測回中的子狀態(tài)。

1) 使用測回法僅用盤左進(jìn)行測量的FSM狀態(tài)及切換代碼如下：

switch(current_measure_direction_index % 2)

{

case 0:

∥盤左起始方向并配置度盤

current_measure_direction_index++;

break;

case 1:

∥盤左終止方向

∥保存數(shù)據(jù)

current_measure_direction_index++;

current_measure_back_index++;

break;

}

2) 使用測回法盤左盤右進(jìn)行測量的FSM狀態(tài)及切換代碼如下：

switch(current_measure_direction_index % 4)

{

case 0:

∥盤左起始方向并配置度盤

current_measure_direction_index++;

break;

case 1:

∥盤左終止方向

∥切換當(dāng)前所使用盤面的狀態(tài)

current_measure_back_face

MEASURE_BACK_RIGHT;

current_measure_direction_index++;

break;

case 2:

∥切換盤面,從終止方向開始

current_measure_direction_index++;

break;

case 3:

∥回到起始方向并遞增測回索引

current_measure_back_face

MEASURE_BACK_LEFT;

current_measure_direction_index++;

current_measure_back_index++;

break;

}

使用方向法的子FSM狀態(tài)及切換代碼同測回法的代碼邏輯是類似的，不同之處在于判斷結(jié)束的條件。

三、 一鍵式測量的控制代碼

在系統(tǒng)中定義了MEASURE_CONTROL類來實(shí)現(xiàn)前述具體功能，其中用到的控制變量及函數(shù)功能見表1。

表1　實(shí)現(xiàn)一鍵式測量控制邏輯中使用的內(nèi)部控制變量及主要功能函數(shù)

四、結(jié)束語

測量軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)中不僅應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)處理算法，軟件的使用也是另一項(xiàng)值得重點(diǎn)關(guān)注的地方，便捷和友好的操作模式將有助于提高生產(chǎn)效率。本文主要研究了如何將FSM應(yīng)用于測量軟件交互式界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)中。以測量機(jī)器人為基本的硬件平臺，以開發(fā)一套內(nèi)外業(yè)一體化變形監(jiān)測系統(tǒng)為目標(biāo)，其中使用基于FSM的思想實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”測量的交互界面。在具體使用上，通過有限的按鈕將“測量方法”“盤面使用”“測回?cái)?shù)”等隱藏在界面的背后，大大方便了用戶的使用，降低了使用者的專業(yè)門檻，同時界面上也有即時的輸出供使用者進(jìn)行參考。

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[7]STORER J A.An Introduction to Data Structures and Algorithms[M].Boston: Birkh?user Basel,2001.

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0120-03

作者簡介：李國柱(1973—)，男，正高級工程師，主要從事城市測繪的生產(chǎn)管理工作。

基金項(xiàng)目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2014年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃(2014-K8-015)

收稿日期：2014-11-29； 修回日期： 2015-11-16

引文格式： 李國柱，馬波，張君華. 有限狀態(tài)機(jī)在一鍵式測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2016(2)：120-122.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0066.