有限狀態機在智慧清分扎把機器人中的應用

胡星

（廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

有限狀態機在智慧清分扎把機器人中的應用

胡星

（廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

智慧清分扎把機器人系統復雜，功能模塊較多，控制難度較高，引入有限狀態機的設計思想將復雜系統分解成各個狀態，實際系統在各個狀態之間切換，極大地簡化系統的復雜度，提高系統穩定性。

有限狀態機；復雜系統；穩定性；清分扎把

0 引言

近年來，隨著經濟的高速發展，現鈔流通量居高不下，各大銀行都面臨著較大的現鈔清分處理壓力，尤其在經濟較發達的地區，面臨更大壓力，但是銀行在現金清分處理方面仍有很多問題。因此中國人民銀行相繼發布多個文件，要求各商業銀行必須對流通現鈔進行全面清分、挑殘，提升流通現鈔的整潔度，以維護人民幣的良好形象；要求各金融機構主動解決假幣糾紛的舉證及責任認定問題，逐步推進對外支付現鈔全清分，落實冠字號全程記錄，實現假幣“零容忍”目標。

為緩解柜員的壓力，各大銀行對現鈔智能清分設備的需求越來越大，以改變過去手工分揀標準不統一、效率慢的狀態。目前在國內外純清分機設備已有多家廠商，而能實現清分整理扎把的智慧清分扎把機器人廠家較少，主流廠商仍以國外廠商為主。主要因為智慧清分扎把機器人功能模塊較多，系統復雜度高，因此控制難度較高，穩定性不足，因此引入一種簡化系統復雜度的方法可以極大提高系統穩定性。下文將重點介紹有限狀態機在簡化系統復雜度的應用。

1 智慧清分扎把機器人方案

1.1 整體方案框圖

如圖1所示，智慧清分扎把機器人由以上幾個大模塊組成，各模塊功能為：

（1）清分機，主要負責對鈔票進行分揀，識別，歸類；

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

（3）拒鈔機構，接收不合格鈔票進行堆疊；

（4）鈔票堆疊整理機構，對從傳輸通道送過來的合格鈔票進行堆疊及整理，一個清分扎把機器人可以有多個堆疊整理機構；

（5）搬運機構，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構；

（6）捆扎機構，將搬運模塊送入的批量鈔票進行自動捆扎；

（7）投擲機構，將捆扎模塊捆好的批量鈔票送出。

圖1 智慧清分扎把機器人整機方案

1.2 系統難點

整個系統由多個相對獨立又相互關聯的結構組成。因此存在多個系統難點：

（1）單個機構動作較多：如鈔票堆疊整理機構包含鈔票分揀，鈔票堆疊，鈔票整理及機構復位等多個動作，各動作需要按照一定的時序進行。

（2）機構之間關聯性較強：如搬運機構必須判斷某個鈔票堆疊整理機構已完成批量鈔票的整理，才能從該機構獲取批量鈔票，同時需判斷捆扎機構已完成上一捆扎任務并準備好接收下一任務，才能將批量鈔票送入捆扎機構。

（3）實時性要求高：為了提高效率，多個機構需要并行處理。

2 有限狀態機的應用

2.1 有限狀態機介紹

有限狀態機（Finite-State Machine,FSM），簡稱狀態機，是一種用來進行對象行為建模的工具。其作用主要是描述對象在它的生命周期內所經歷的狀態序列，以及在這些狀態序列之間的轉換關系。通常由4部分組成：初始狀態，指示系統開始時的狀態；狀態集，是描述系統中有限個不同狀態的集合；輸入符號集，是不同輸入信息的集合；狀態轉換函數，把輸入符號和現有狀態轉換到下一狀態的轉換函數[1]。

有限狀態機有很多種表示方法，通常以文字、表格或者圖形方式進行描述。單純用文字描述不易理解，是很低效的描述方法，而用表格描述對于復雜系統不夠直觀，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。

狀態轉換圖（State Transition Diagram，STD），是一種用圖形方式描述系統的狀態、以及相互轉化關系的方法[2]。常見的畫法如圖2所示，主要包含幾個關鍵元素：

圖2 狀態轉換圖示例

●狀態框：用方框表示狀態。

●條件及轉換箭頭：狀態轉換的方向用箭頭表示，觸發條件在該箭頭上標注。

●節點：當多個狀態匯總到一個狀態時，用多個箭頭指向小圓圈連接匯總。

2.2 有限狀態機簡化系統

為了簡化系統，下面先把智慧清分扎把機器人按模塊設計狀態轉換圖，以幾個關鍵模塊為例。如鈔票堆疊整理機構的狀態轉換圖如下所示：

圖3 鈔票堆疊整理機構狀態轉換圖

機構啟動后處于可接收鈔票狀態，當鈔票進入后轉換為鈔票堆疊狀態，鈔票堆疊完成后轉為鈔票整理狀態，鈔票整理完成后，如果鈔票堆疊的數量達到批量，則轉換到等待取鈔狀態，如果為達到批量則轉為可接收鈔票狀態繼續接收鈔票，在等待取鈔狀態下，如果鈔票已被取走則轉為可接收鈔票狀態。

圖4 搬運機構狀態轉換圖

搬運機構的狀態轉換圖如上圖，機構啟動后，處于等待取鈔狀態，當鈔票堆疊整理機構中的任意一個機構完成鈔票批量堆疊和整理，轉換到從堆疊機構取鈔的狀態，完成取鈔后轉換為等待捆扎結構空閑狀態，當捆扎機構完成上一批量鈔票捆扎時，轉為為送鈔到捆扎機構狀態，完成送鈔后，轉換為等待取鈔狀態，繼續下一任務周期。

如上方法可將捆扎機構，投擲機構等其他機構按同樣方法構建狀態轉換圖，通過狀態轉換圖完成各子系統的設計。如前所述，在每個子系統的狀態機中都存在依賴于其他子系統的事件來完成狀態轉換，因此需要對整個系統構建狀態轉換圖，為了便于說明，下文僅對智慧清分扎把機器人系統中的鈔票扎把部分為例做系統簡化。

簡化后的系統狀態轉換圖如圖5所示，以存在3個鈔票堆疊整理機構為例，每個鈔票堆疊整理機構抽象為兩個狀態，將鈔票堆疊整理機構內部處理歸為鈔票堆疊整理狀態，當堆疊鈔票達到批量，則轉換為等待搬運準備好狀態，此時需要等待搬運機構送鈔完成處于等待堆疊準備好狀態，才會觸發事件，兩個機構的狀態轉換為從堆疊結構取鈔狀態，當取鈔完成后，鈔票堆疊整理結構轉換為鈔票堆疊整理狀態，可以繼續進行鈔票堆疊整理，而搬運機構則轉換到等待捆扎準備好狀態，此時需要等待捆扎機構完成送鈔處于等待搬運到位狀態，才會觸發事件，兩個機構狀態轉換為送鈔到捆扎機構狀態，送鈔完成后，搬運機構轉換到等待堆疊準備好狀態等待鈔票堆疊整理機構完成批量鈔票堆疊和整理，而捆扎機構轉換到捆扎狀態進行批量鈔票捆扎，當捆扎完成后，轉換到等待投擲準備好狀態，此時需要投擲機構完成捆扎處于等待捆扎完成狀態，才會觸發事件，將兩個機構狀態轉換為送鈔到投擲機構狀態，送鈔完成后，捆扎機構轉換到等待搬運到位狀態，準備進行下一批量鈔票捆扎，而投擲機構則轉到投擲狀態，將捆扎好的批量鈔票投出，投擲完成后，轉換為等待捆扎完成狀態，等待下一完成捆扎的批量鈔票。

圖5 智慧清分扎把機器人系統狀態轉換圖

從上文描述可以看出，通過引入有限狀態機可以將系統進行抽象和簡化，上述雖然只列出了部分系統的狀態轉換圖，但是根據以上方法對圖4的系統狀態轉換圖進行擴展就可以得到完整系統的系統轉換圖。

3 結語

本文介紹了有限狀態機在智慧清分扎把機器人中的應用，通過有限狀態機分解，簡化了智慧清分扎把機器人的復雜系統，提高了系統穩定性和易維護性。該方法已在智慧清分扎把機器人的項目中得到應用，測試結果表明系統穩定性大幅提高。此方法也為復雜系統簡化設計提高穩定性提供了參考方案。

[1]馮競楠.利用有限狀態機的交通燈控制系統設計與仿真［J］.電子設計工程,2011,19(12):156-159.

[2]張俊.狀態機思路在單片機程序設計中的應用［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，學士，工程師，研究方向為鈔票控制類核心模塊的研發及應用

2016-11-29

2017-01-20