1. 电梯控制系统状态机建模

任务目标

使用有限状态机（FSM）为单部电梯建立控制模型，覆盖停止（Idle）、运行（Moving）、开门（DoorOpen）、关门（DoorClosed）四个核心状态，并处理来自楼层的外部请求与电梯内部的楼层选择请求。模型需正确响应请求、按方向运行、到站停靠并开关门。

状态定义与转移逻辑

关键完整代码（Python）

from enum import Enum
from collections import deque

class State(Enum):
    IDLE = "idle"
    MOVING = "moving"
    DOOR_OPEN = "door_open"
    DOOR_CLOSED = "door_closed"

class ElevatorFSM:
    def __init__(self, total_floors=10):
        self.state = State.IDLE
        self.current_floor = 1
        self.direction = None  # "up" / "down"
        self.total_floors = total_floors
        self.requests = set()  # 待处理的楼层请求
        self.log = []

    def _log(self, msg):
        self.log.append(msg)

    def request(self, floor):
        """外部或内部请求到达指定楼层"""
        if floor < 1 or floor > self.total_floors:
            raise ValueError(f"无效楼层: {floor}")
        self.requests.add(floor)
        self._handle_request()

    def _handle_request(self):
        if self.state == State.IDLE:
            if self.current_floor in self.requests:
                self.requests.remove(self.current_floor)
                self.state = State.DOOR_OPEN
                self._log(f"到达请求楼层 {self.current_floor}，开门")
            else:
                self._start_moving()
        elif self.state == State.DOOR_CLOSED:
            self._start_moving()

    def _start_moving(self):
        if not self.requests:
            return
        # 选择方向：优先当前方向，否则按最近请求决定
        if self.direction is None:
            if any(f > self.current_floor for f in self.requests):
                self.direction = "up"
            else:
                self.direction = "down"
        self.state = State.MOVING
        self._log(f"开始运行，方向={self.direction}，当前楼层={self.current_floor}")

    def step(self):
        """模拟电梯运行一个时间单位（移动一层）"""
        if self.state != State.MOVING:
            return
        if self.direction == "up":
            self.current_floor += 1
        else:
            self.current_floor -= 1
        self._log(f"运行至楼层 {self.current_floor}")
        # 检查是否到达某个请求楼层
        if self.current_floor in self.requests:
            self.requests.remove(self.current_floor)
            self.state = State.IDLE
            self.direction = None
            self._log(f"到达楼层 {self.current_floor}，停止")
            # 若还有同向请求，继续运行；否则开门
            if self.requests:
                self._start_moving()
            else:
                self.state = State.DOOR_OPEN
                self._log("开门")

    def door_timeout(self):
        """模拟3秒超时后关门"""
        if self.state == State.DOOR_OPEN:
            self.state = State.DOOR_CLOSED
            self._log("关门")
            if self.requests:
                self._start_moving()

    def run_until_idle(self, max_steps=100):
        """持续运行直到无请求且门关闭"""
        steps = 0
        while steps < max_steps:
            if self.state == State.IDLE and not self.requests:
                break
            if self.state == State.MOVING:
                self.step()
            elif self.state == State.DOOR_OPEN:
                self.door_timeout()
            elif self.state == State.DOOR_CLOSED and self.requests:
                self._start_moving()
            steps += 1
        return self.log

运行与验证

# 实例化并模拟：初始1楼，请求5楼和2楼
elev = ElevatorFSM(total_floors=10)
logs = elev.run_until_idle()  # 空转，无请求

# 添加请求并运行
elev = ElevatorFSM(total_floors=10)
elev.request(5)
elev.request(2)
logs = elev.run_until_idle()

# 打印运行日志
for line in logs:
    print(line)

# 验证断言
assert elev.current_floor == 2, f"最终应在2楼，实际在{elev.current_floor}"
assert elev.state == State.DOOR_OPEN, "最终应停在开门状态（等待超时关门）"
print("状态机验证通过")

验证方法与判定标准

1. 运行方式：将上述代码保存为 elevator_fsm.py，在Python 3.8+环境中执行 python elevator_fsm.py。
2. 预期输出（确定性逻辑推导）：日志依次显示“开始运行，方向=up”→“运行至楼层2”→“运行至楼层3”→“运行至楼层4”→“运行至楼层5”→“到达楼层5，停止”→“开门”→“关门”→“开始运行，方向=down”→“运行至楼层4”→“运行至楼层3”→“运行至楼层2”→“到达楼层2，停止”→“开门”。最终 current_floor == 2，状态为 DOOR_OPEN。
3. 通过条件：程序无异常退出，断言全部通过，且日志顺序与上述预期一致。若请求楼层包含当前楼层（如1楼请求1楼），状态应直接从IDLE转为DOOR_OPEN。

常见问题

• 方向选择策略：本实现采用“当前方向优先”的简化策略，未实现电梯调度中的“顺路接单”优化。若需完整SCAN/LOOK算法，需在 _start_moving 中增加对同向请求的筛选。
• 门超时：实际系统中门超时后需检测障碍物，本模型以 door_timeout() 模拟3秒定时器触发，未加入传感器输入。
• 多请求同时到达：requests 使用 set 去重，同一楼层多次请求只处理一次，符合实际电梯逻辑。