3. 实验任务建模与描述语言

实验机器人任务调度要解决的核心问题，是把一段有物理约束、有资源竞争、有失败可能的实验流程，转换成调度器能够理解、能够推理、能够执行的形式化模型。同一段实验流程，用不同的描述语言建模，得到的调度能力差异很大：任务图擅长表达工序依赖，状态机擅长表达设备行为与协议交互，Petri网擅长表达并发、资源与死锁，PDDL擅长表达带前提条件和目标状态的规划问题。本节先说明这四种语言各自适合刻画实验流程的哪一面，再通过一个“样品前处理—检测”的转换案例，展示从实验协议文本到可调度模型的完整过程。

四种描述语言的定位与适用边界

任务图（Task Graph）把实验流程表示为一组节点和有向边：节点是操作单元，如“取样”“加液”“离心”“上机检测”，边表示先后约束或数据依赖。它最直接回答“哪些步骤必须先做、哪些可以并行”。例如样品A的“离心”与样品B的“加液”之间没有边，调度器就可以把它们分配到不同工位并行执行。任务图的局限在于，它通常只表达依赖，不表达资源容量、设备状态和失败恢复；当两台机械臂争用同一个样品架时，任务图本身无法判断是否冲突。

状态机（State Machine）把建模重点放在单个设备或单个协议的状态迁移上。以移液工作站为例，其状态可定义为：空闲→初始化→吸头装载→吸液→排液→退针→空闲，异常时进入“堵针报警”并等待人工清除。状态机适合描述设备可接受的命令序列、互斥状态和异常分支，是设备驱动层与协议层之间的契约。它的短板是状态数量随并发设备数组合爆炸，不适合直接描述多设备协同的全局调度。

Petri网（Petri Net）用库所（place）、变迁（transition）和托肯（token）描述并发与资源。库所表示条件或资源，如“样品架空闲”“移液通道可用”“离心机槽位空”，变迁表示事件，如“装载样品架”“启动离心”。托肯表示当前可用资源数量。Petri网的优势在于能显式表达资源容量与并发冲突，并可通过可达图分析死锁：如果两个变迁互相等待对方释放库所中的托肯，就存在死锁风险。实验流程中“机械臂等待离心机空闲、离心机等待机械臂卸载”就是典型场景。

PDDL（Planning Domain Definition Language）把建模提升到“目标规划”层面。它用谓词描述世界状态，如 (sample-at ?s ?pos)、(tip-loaded ?arm)、(centrifuge-free ?c)，用动作模式描述前提与效果，如 load-centrifuge 的前提是样品在机械臂上且离心机空闲，效果是样品进入离心机、离心机被占用。给定初始状态和目标状态，规划器自动搜索动作序列。PDDL适合步骤顺序不固定、需要按目标自动重排的实验，但需要把连续量（温度、体积、时间）离散化或外挂约束检查。

转换案例：从实验协议到可调度模型

下面以一段典型实验协议为例，说明四种语言如何协同完成转换。协议原文为：“取2 mL样品至离心管，加入1 mL缓冲液，涡旋10 s，离心5 min（3000 rpm），取上清液200 μL加入96孔板，上机检测吸光度。”实验室配置为：1台移液工作站（单通道）、1台涡旋仪、1台离心机（4槽位）、1台酶标仪、1台机械臂负责转运。

第一步，抽取任务图。把协议拆成操作节点：T1取样、T2加液、T3涡旋、T4离心、T5取上清、T6上板、T7检测。依赖边为T1→T2→T3→T4→T5→T6→T7。若同时处理3个样品，则每个样品各有一条链，链间无依赖，可并行。此时任务图给出的是“逻辑并行度”，但尚未考虑移液工作站和离心机是共享资源。

第二步，为共享设备建立状态机。移液工作站的状态迁移为：Idle→LoadTip→Aspirate→Dispense→EjectTip→Idle；若吸液压力超限，进入ClogAlarm，需人工清除后回到Idle。离心机的状态为：Idle→LoadRotor→Spin→UnloadRotor→Idle，其中Spin期间转子锁死，不允许装载。状态机明确了“同一时刻设备只能处于一个状态”，这是后续资源互斥判断的依据。

第三步，用Petri网表达资源竞争。为离心机建立4个槽位托肯，为移液工作站建立1个通道托肯，为机械臂建立1个搬运托肯。变迁“装载离心机”需要同时满足：样品在机械臂上、离心机有空槽、机械臂可用。若3个样品同时到达离心步骤，只有4个槽位，不会阻塞；但若同时有5个样品，则第5个样品必须等待，此时Petri网可达图会显示“等待托肯”状态，调度器据此插入排队策略。若机械臂在等待离心机卸载时又持有移液通道，则可能出现死锁，需要在模型中规定资源申请顺序，例如“先申请机械臂，再申请离心机槽位”。

第四步，用PDDL描述目标与自动规划。定义谓词：(sample-at ?s ?loc)、(tip-loaded ?arm)、(centrifuge-free ?c)、(plate-ready ?p)。动作模式包括 pick-sample、add-buffer、vortex、load-centrifuge、spin、transfer-supernatant、read-absorbance。初始状态为样品在样品架、设备空闲；目标状态为 (absorbance-recorded ?s)。规划器输出动作序列后，还需把PDDL中的离散时间替换为实际时间参数：涡旋10 s、离心300 s、移液约8 s/次，再交给调度器做时间轴排布。

转换检查清单

完成上述转换后，调度器得到的不是一段固定脚本，而是一个带约束的模型：它知道哪些步骤必须串行、哪些设备同一时刻只能服务一个样品、哪些资源数量有限、目标状态是什么。当实验中途插入紧急样品或某台设备故障时，只需修改初始状态或资源托肯数，重新求解即可获得新的调度序列。这正是形式化描述语言相对于硬编码流程的价值所在。