胡星

（廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

有限狀態(tài)機(jī)在智慧清分扎把機(jī)器人中的應(yīng)用

胡星

（廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

智慧清分扎把機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)雜，功能模塊較多，控制難度較高，引入有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想將復(fù)雜系統(tǒng)分解成各個(gè)狀態(tài)，實(shí)際系統(tǒng)在各個(gè)狀態(tài)之間切換，極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

有限狀態(tài)機(jī)；復(fù)雜系統(tǒng)；穩(wěn)定性；清分扎把

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，現(xiàn)鈔流通量居高不下，各大銀行都面臨著較大的現(xiàn)鈔清分處理壓力，尤其在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，面臨更大壓力，但是銀行在現(xiàn)金清分處理方面仍有很多問(wèn)題。因此中國(guó)人民銀行相繼發(fā)布多個(gè)文件，要求各商業(yè)銀行必須對(duì)流通現(xiàn)鈔進(jìn)行全面清分、挑殘，提升流通現(xiàn)鈔的整潔度，以維護(hù)人民幣的良好形象；要求各金融機(jī)構(gòu)主動(dòng)解決假幣糾紛的舉證及責(zé)任認(rèn)定問(wèn)題，逐步推進(jìn)對(duì)外支付現(xiàn)鈔全清分，落實(shí)冠字號(hào)全程記錄，實(shí)現(xiàn)假幣“零容忍”目標(biāo)。

為緩解柜員的壓力，各大銀行對(duì)現(xiàn)鈔智能清分設(shè)備的需求越來(lái)越大，以改變過(guò)去手工分揀標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、效率慢的狀態(tài)。目前在國(guó)內(nèi)外純清分機(jī)設(shè)備已有多家廠商，而能實(shí)現(xiàn)清分整理扎把的智慧清分扎把機(jī)器人廠家較少，主流廠商仍以國(guó)外廠商為主。主要因?yàn)橹腔矍宸衷褭C(jī)器人功能模塊較多，系統(tǒng)復(fù)雜度高，因此控制難度較高，穩(wěn)定性不足，因此引入一種簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度的方法可以極大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。下文將重點(diǎn)介紹有限狀態(tài)機(jī)在簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度的應(yīng)用。

1 智慧清分扎把機(jī)器人方案

1.1 整體方案框圖

如圖1所示，智慧清分扎把機(jī)器人由以上幾個(gè)大模塊組成，各模塊功能為：

（1）清分機(jī)，主要負(fù)責(zé)對(duì)鈔票進(jìn)行分揀，識(shí)別，歸類(lèi)；

（2）傳輸通道，將合格鈔票傳送到鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)，將不合格鈔票傳送到拒鈔機(jī)構(gòu)；

（3）拒鈔機(jī)構(gòu)，接收不合格鈔票進(jìn)行堆疊；

（4）鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)，對(duì)從傳輸通道送過(guò)來(lái)的合格鈔票進(jìn)行堆疊及整理，一個(gè)清分扎把機(jī)器人可以有多個(gè)堆疊整理機(jī)構(gòu)；

（5）搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，將堆疊整理好的批量鈔票（通常為100張）從堆疊整理模塊送入捆扎機(jī)構(gòu)；

（6）捆扎機(jī)構(gòu)，將搬運(yùn)模塊送入的批量鈔票進(jìn)行自動(dòng)捆扎；

（7）投擲機(jī)構(gòu)，將捆扎模塊捆好的批量鈔票送出。

圖1 智慧清分扎把機(jī)器人整機(jī)方案

1.2 系統(tǒng)難點(diǎn)

整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)組成。因此存在多個(gè)系統(tǒng)難點(diǎn)：

（1）單個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作較多：如鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)包含鈔票分揀，鈔票堆疊，鈔票整理及機(jī)構(gòu)復(fù)位等多個(gè)動(dòng)作，各動(dòng)作需要按照一定的時(shí)序進(jìn)行。

（2）機(jī)構(gòu)之間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)：如搬運(yùn)機(jī)構(gòu)必須判斷某個(gè)鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)已完成批量鈔票的整理，才能從該機(jī)構(gòu)獲取批量鈔票，同時(shí)需判斷捆扎機(jī)構(gòu)已完成上一捆扎任務(wù)并準(zhǔn)備好接收下一任務(wù)，才能將批量鈔票送入捆扎機(jī)構(gòu)。

（3）實(shí)時(shí)性要求高：為了提高效率，多個(gè)機(jī)構(gòu)需要并行處理。

2 有限狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用

2.1 有限狀態(tài)機(jī)介紹

有限狀態(tài)機(jī)（Finite-State Machine,FSM），簡(jiǎn)稱(chēng)狀態(tài)機(jī)，是一種用來(lái)進(jìn)行對(duì)象行為建模的工具。其作用主要是描述對(duì)象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及在這些狀態(tài)序列之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。通常由4部分組成：初始狀態(tài)，指示系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)；狀態(tài)集，是描述系統(tǒng)中有限個(gè)不同狀態(tài)的集合；輸入符號(hào)集，是不同輸入信息的集合；狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，把輸入符號(hào)和現(xiàn)有狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)[1]。

有限狀態(tài)機(jī)有很多種表示方法，通常以文字、表格或者圖形方式進(jìn)行描述。單純用文字描述不易理解，是很低效的描述方法，而用表格描述對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)不夠直觀，采用圖形方式描述則較為直觀，容易理解，下面將介紹圖形描述方式。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（State Transition Diagram，STD），是一種用圖形方式描述系統(tǒng)的狀態(tài)、以及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的方法[2]。常見(jiàn)的畫(huà)法如圖2所示，主要包含幾個(gè)關(guān)鍵元素：

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖示例

●狀態(tài)框：用方框表示狀態(tài)。

●條件及轉(zhuǎn)換箭頭：狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向用箭頭表示，觸發(fā)條件在該箭頭上標(biāo)注。

●節(jié)點(diǎn)：當(dāng)多個(gè)狀態(tài)匯總到一個(gè)狀態(tài)時(shí)，用多個(gè)箭頭指向小圓圈連接匯總。

2.2 有限狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)化系統(tǒng)

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，下面先把智慧清分扎把機(jī)器人按模塊設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，以幾個(gè)關(guān)鍵模塊為例。如鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下所示：

圖3 鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后處于可接收鈔票狀態(tài)，當(dāng)鈔票進(jìn)入后轉(zhuǎn)換為鈔票堆疊狀態(tài)，鈔票堆疊完成后轉(zhuǎn)為鈔票整理狀態(tài)，鈔票整理完成后，如果鈔票堆疊的數(shù)量達(dá)到批量，則轉(zhuǎn)換到等待取鈔狀態(tài)，如果為達(dá)到批量則轉(zhuǎn)為可接收鈔票狀態(tài)繼續(xù)接收鈔票，在等待取鈔狀態(tài)下，如果鈔票已被取走則轉(zhuǎn)為可接收鈔票狀態(tài)。

圖4 搬運(yùn)機(jī)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如上圖，機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后，處于等待取鈔狀態(tài)，當(dāng)鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)中的任意一個(gè)機(jī)構(gòu)完成鈔票批量堆疊和整理，轉(zhuǎn)換到從堆疊機(jī)構(gòu)取鈔的狀態(tài)，完成取鈔后轉(zhuǎn)換為等待捆扎結(jié)構(gòu)空閑狀態(tài)，當(dāng)捆扎機(jī)構(gòu)完成上一批量鈔票捆扎時(shí)，轉(zhuǎn)為為送鈔到捆扎機(jī)構(gòu)狀態(tài)，完成送鈔后，轉(zhuǎn)換為等待取鈔狀態(tài)，繼續(xù)下一任務(wù)周期。

如上方法可將捆扎機(jī)構(gòu)，投擲機(jī)構(gòu)等其他機(jī)構(gòu)按同樣方法構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖完成各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如前所述，在每個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)中都存在依賴(lài)于其他子系統(tǒng)的事件來(lái)完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，因此需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，為了便于說(shuō)明，下文僅對(duì)智慧清分扎把機(jī)器人系統(tǒng)中的鈔票扎把部分為例做系統(tǒng)簡(jiǎn)化。

簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示，以存在3個(gè)鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)為例，每個(gè)鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)抽象為兩個(gè)狀態(tài)，將鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)內(nèi)部處理歸為鈔票堆疊整理狀態(tài)，當(dāng)堆疊鈔票達(dá)到批量，則轉(zhuǎn)換為等待搬運(yùn)準(zhǔn)備好狀態(tài)，此時(shí)需要等待搬運(yùn)機(jī)構(gòu)送鈔完成處于等待堆疊準(zhǔn)備好狀態(tài)，才會(huì)觸發(fā)事件，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為從堆疊結(jié)構(gòu)取鈔狀態(tài)，當(dāng)取鈔完成后，鈔票堆疊整理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為鈔票堆疊整理狀態(tài)，可以繼續(xù)進(jìn)行鈔票堆疊整理，而搬運(yùn)機(jī)構(gòu)則轉(zhuǎn)換到等待捆扎準(zhǔn)備好狀態(tài)，此時(shí)需要等待捆扎機(jī)構(gòu)完成送鈔處于等待搬運(yùn)到位狀態(tài)，才會(huì)觸發(fā)事件，兩個(gè)機(jī)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為送鈔到捆扎機(jī)構(gòu)狀態(tài)，送鈔完成后，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換到等待堆疊準(zhǔn)備好狀態(tài)等待鈔票堆疊整理機(jī)構(gòu)完成批量鈔票堆疊和整理，而捆扎機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換到捆扎狀態(tài)進(jìn)行批量鈔票捆扎，當(dāng)捆扎完成后，轉(zhuǎn)換到等待投擲準(zhǔn)備好狀態(tài)，此時(shí)需要投擲機(jī)構(gòu)完成捆扎處于等待捆扎完成狀態(tài)，才會(huì)觸發(fā)事件，將兩個(gè)機(jī)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為送鈔到投擲機(jī)構(gòu)狀態(tài)，送鈔完成后，捆扎機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換到等待搬運(yùn)到位狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一批量鈔票捆扎，而投擲機(jī)構(gòu)則轉(zhuǎn)到投擲狀態(tài)，將捆扎好的批量鈔票投出，投擲完成后，轉(zhuǎn)換為等待捆扎完成狀態(tài)，等待下一完成捆扎的批量鈔票。

圖5 智慧清分扎把機(jī)器人系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

從上文描述可以看出，通過(guò)引入有限狀態(tài)機(jī)可以將系統(tǒng)進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，上述雖然只列出了部分系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，但是根據(jù)以上方法對(duì)圖4的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行擴(kuò)展就可以得到完整系統(tǒng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換圖。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了有限狀態(tài)機(jī)在智慧清分扎把機(jī)器人中的應(yīng)用，通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)分解，簡(jiǎn)化了智慧清分扎把機(jī)器人的復(fù)雜系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和易維護(hù)性。該方法已在智慧清分扎把機(jī)器人的項(xiàng)目中得到應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅提高。此方法也為復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提高穩(wěn)定性提供了參考方案。

[1]馮競(jìng)楠.利用有限狀態(tài)機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(12):156-159.

[2]張俊.狀態(tài)機(jī)思路在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.今日電子，2009（2）：37-39

Application of Finite State Machine in Intelligent Sorter Strapper Robot

HU Xing

(GRG Banking Equipment Co.,Ltd.,Guangzhou 510663)

Introduces the design idea of finite state machine,which decomposes the complex system into various states,and real system switches between the states,greatly simplifies the complexity of the system,and improves the system stability.

FSM;Complex System;Stability;Sorter;Strapper

1007-1423（2017）04-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.04.016

胡星（1980-），男，湖北人，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)殁n票控制類(lèi)核心模塊的研發(fā)及應(yīng)用

2016-11-29

2017-01-20