題目集7~8的總結性Blog 第三次Blog
前言
這第7次和第8次大作業是在前兩次家居強電電路模擬程式的基礎上進行再次迭代，難度較上兩次有提升，加上最近考試周，時間緊張，沒能拿多少分。
設計與分析：
第7次大作業題目：
智慧家居是在當下家庭中越來越流行的一種配置方案，它透過物聯網技術將家中的各種裝置（如音影片裝置、照明系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、數字影院系統、影音伺服器、影櫃系統、網路家電等）連線到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠端控制、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可程式設計定時控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智慧家居不僅具有傳統的居住功能，兼備建築、網路通訊、資訊家電、裝置自動化，提供全方位的資訊互動功能。請根據如下要去設計一個智慧家居強電電路模擬系統。以下題目介紹中加粗的部分為本次迭代在“家居強電電路模擬程式-2”的基礎上增加的功能要求。
1、控制裝置
本題模擬的控制裝置包括：開關、分檔調速器、連續調速器、互斥開關。
開關：包括0和1兩種狀態。
開關有兩個引腳，任意一個引腳都可以是輸入引腳（接往電源端），而另一個則是輸出引腳（接網接地端）。開關狀態為0時，無論輸入電位是多少，輸出引腳電位為0。當開關狀態為1時，輸出引腳電位等於輸入電位。
互斥開關：
互斥開關有3個引腳：1個是彙總引腳，另兩個是分支引腳。
開關電路示意圖如圖1所示，左邊是彙總引腳，編號為1；右邊兩個是分支引腳，右上的輸出引腳為2，右下輸出引腳為3。圖中1、2、3引腳均可以是輸入引腳，當1為輸入引腳時，2、3引腳為輸出引腳；1為輸出引腳時，2、3引腳為輸入引腳。
互斥開關只有兩種狀態：開關接往上面的2號引腳、接往下面的3號引腳。開關每次只能接通其中一個分支引腳，而另一個分支引腳處於斷開狀態。
互斥開關的預設狀態為1、2引腳接通，1、3引腳斷開。
圖1中所示的互斥開關可以反過來接入電路，即彙總引腳接往接地端，兩個分支引腳接往電源端。
image.png
圖1 互斥開關
為避免短路，互斥開關設定了限流電阻，12引腳之間預設電阻為5，13引腳之間預設電阻為10。
分檔調速器
按檔位調整，常見的有3檔、4檔、5檔調速器，檔位值從0檔-2（3/4）檔變化。本次迭代模擬4檔調速器，每個檔位的輸出電位分別為0、0.3、0.6、0.9倍的輸入電壓。
連續調速器
沒有固定檔位，按位置比例得到檔位引數，數值範圍在[0.00-1.00]之間，含兩位小數。輸出電位為檔位引數乘以輸入電壓。
所有調速器都有兩個引腳，一個固定的輸入（引腳編號為1）、一個輸出引腳（引腳編號為2）。當輸入電位為0時，輸出引腳輸出的電位固定為0，不受各類開關調節的影響。
開關、調速器的初始狀態/檔位為0。
調速器的輸入引腳編號為1，輸出引腳編號為2。
除互斥開關外，其他控制裝置的電阻為 0。
2、受控裝置
本題模擬的受控裝置包括：燈、風扇。兩種裝置都有兩根引腳，透過兩根引腳電壓的電壓差驅動裝置工作。
燈有兩種工作狀態：亮、滅。在亮的狀態下，有的燈會因引腳電位差的不同亮度會有區別。
風扇在接電後有兩種工作狀態：停止、轉動。風扇的轉速會因引腳間電位差的不同而有區別。
本次迭代模擬兩種燈具。
白熾燈：
亮度在0~200lux（流明）之間。
電位差為0-9V時亮度為0,其他電位差按比例，電位差10V對應50ux，220V對應200lux，其他電位差與對應亮度值成正比。白熾燈超過220V。
日光燈：
亮度為180lux。
只有兩種狀態，電位差為0時，亮度為0，電位差不為0，亮度為180。
本次迭代模擬兩種風扇。
吊扇：
工作電壓區間為80V-150V，對應轉速區間為80-360轉/分鐘。80V對應轉速為80轉/分鐘，150V對應轉速為360轉/分鐘，超過150V轉速為360轉/分鐘（本次迭代暫不考慮電壓超標的異常情況）。其他電壓值與轉速成正比，輸入輸出電位差小於80V時轉速為0。
落地扇：
工作電壓區間為 80V-150V，對應轉速區間為 80-360 轉/分鐘；[80V,100V) 對應轉速為 80 轉/分鐘；[100,120)V 對應轉速為 160 轉/分鐘；[120,140)V 對應轉速為 260 轉/分鐘；大於等於 140V 轉速 為 360 轉/分鐘（本次迭代暫不考慮電壓超標的異常情況）。
本次迭代模擬一種受控窗簾：
受控窗簾的電路符號為S，其最低工作電壓為50V，電壓達到或超過50V，窗簾即可正常工作，不考慮室外光照強度和室內空間大小等因素，窗簾受室內燈光的光照強度控制。
當電路中所有燈光的光照強度總和在[0,50)lux範圍內，窗簾全開；
在[50,100)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.8；
在[100,200)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.6；
在[200,300)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.4；
在[300,400)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.2；
在400lux及以上範圍內，窗簾關閉。
當電壓低於50V，窗簾不工作，預設為全開狀態。
如果電路中沒有燈或者燈全部關閉，光照強度為0，窗簾處於全開狀態。
受控裝置電阻：白熾燈的電阻為 10，日光燈的電阻為 5，吊扇的電阻為 20，落地扇的電阻為 20，窗簾電阻為15。
3、輸入資訊
1）輸入裝置資訊
分別用裝置識別符號K、F、L、B、R、D、A、H、S分別表示開關、分檔調速器、連續調速器、白熾燈、日光燈、吊扇、落地扇、互斥開關、受控窗簾。
裝置標識用識別符號+編號表示，如K1、F3、L2等。
引腳格式：裝置標識-引腳編號，例如：K1-1標識編號為1的開關的輸入引腳。
開關、分檔調速器、連續調速器的輸入引腳編號為1，輸出引腳編號為2。
受控裝置的兩個引腳編號分別為1、2。
互斥開關的引腳編號已經在互斥開關的介紹部分說明。
約束條件：
不同裝置的編號可以相同。
同種裝置的編號可以不連續。
裝置資訊不單獨輸入，包含在連線資訊中。
2）輸入連線資訊
一條連線資訊佔一行，用[]表示一組連線在一起的裝置引腳，引腳與引腳之間用英文空格" "分隔。
格式："["+引腳號+" "+引腳號+"]"
例如：[K1-1 K3-2]表示K1的1引腳，K3的2引腳連線在一起。
約束條件：
不考慮調速器串聯到其他調速器的情況。
考慮各類裝置的並聯接入。例如，K1 的輸出接到 L2 的輸入，L2 的輸出再接其他裝置屬於串聯接線。K1 的輸出接到 L2 的輸出，同時 K1 的輸入接到 L2 的輸入，這種情況屬於並聯。
本次迭代的連線資訊不單獨輸入，包含線上路資訊中。
3）輸入控制裝置調節資訊
開關、互斥開關調節資訊格式：
#+裝置標識K+裝置編號，例如：#K2，代表切換K2開關的狀態。
#+裝置標識H+裝置編號，例如：#H2，代表切換H2互斥開關的狀態。
分檔調速器的調節資訊格式：
#+裝置標識F+裝置編號+"+" 代表加一檔，例如：#F3+，代表F3輸出加一檔。
#+裝置標識F+裝置編號+"-" 代表減一檔，例如：#F1-，代表F1輸出減一檔。
連續調速器的調節資訊格式：
#+裝置標識L+裝置編號+":" +數值 代表將連續調速器的檔位設定到對應數值，例如：#L3:0.6，代表L3輸出檔位引數0.6。
4）電源接地標識：
VCC，電壓220V，GND，電壓0V。沒有接線的引腳預設接地，電壓為0V。
5）輸入串聯電路資訊
一條串聯電路佔一行，串聯電路由按從靠電源端到接地端順序依次輸入的 n 個連線 資訊組成，連線資訊之間用英文空格" "分隔。
串聯電路資訊格式：
"#T"+電路編號+":"+連線資訊+" "+連線資訊+...+" "+連線資訊
例如：#T1:[IN K1-1] [K1-2 D2-1] [D2-2 OUT] 一個串聯電路的第一個引腳是 IN，代表起始端，靠電源。最後一個引腳是 OUT，代表結尾端， 靠接地。
約束條件：
不同的串聯電路資訊編號不同。
輸入的最後一條電路資訊必定是總電路資訊，總電路資訊的起始引腳是 VCC，結束引腳是 GND。
連線資訊中的引腳可能是一條串聯或並聯電路的 IN 或者 OUT。例如：
#T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT OUT]
#T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT M2-IN] [M2-OUT OUT]
6）輸入並聯電路資訊
一條並聯電路佔一行，並聯電路由其包含的幾條串聯電路組成，串聯電路標識之間用英文空格" "分隔。
格式：
"#M"+電路編號+":"+”[”+串聯電路資訊+" "+....+" "+串聯電路資訊+”]”
例如：#M1:[T1 T2 T3]
該例宣告瞭一個並聯電路，由 T1、T2、T3 三條串聯電路並聯而成，三條串聯電路的 IN 短 接在一起構成 M1 的 IN，三條串聯電路的 OUT 短接在一起構成 M1 的 OUT。
約束條件：
本次迭代不考慮並聯電路中包含並聯電路的情況。
本題不考慮輸入電壓或電壓差超過220V的情況。
輸入資訊以end為結束標誌，忽略end之後的輸入資訊。
本題中的並聯資訊所包含的串聯電路的資訊都在並聯資訊之前輸入，不考慮亂序輸入的情況。
只要不因短路而造成無窮大的電流燒壞電路(如電路中的部分短接)，都是合理情況，在測試點的考慮範圍之內。會造成無窮大的電流的短路本次迭代不考慮。
本次迭代考慮多個並聯電路串聯在一起的情況。
本題考慮一條串聯電路中包含其他串聯電路的情況。例如：
#T3:[VCC K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT K2-1] [K2-2 T1-IN] [T1-OUT GND]
本例中T1\T2兩條串聯電路T3的一個部分，本題考慮這種型別的輸入。
4、輸出資訊：
按開關、分檔調速器、連續調速器、白熾燈、日光燈、吊扇、互斥開關、受控窗簾的順序依次輸出所有裝置的狀態或引數。每個裝置一行。同類裝置按編號順序從小到大輸出。
輸出格式：
@裝置標識+裝置編號+":" +裝置引數值（控制開關的檔位或狀態、燈的亮度、風扇的轉速，只輸出值，不輸出單位）
連續調速器的檔位資訊保留兩位小數，即使小數為0，依然顯示兩位小數.00。
開關狀態為0（開啟）時顯示turned on，狀態為1（合上）時顯示closed
如：
@K1:turned on
@B1:190
@L1:0.60
互斥開關顯示1、2引腳的接通狀態，接通時顯示closed，斷開時顯示turned on。
如：
@H1:turned on
受控窗簾顯示窗簾開啟的百分比，如：
@S1:80%
5、家居電路模擬系列所有題目的預設規則：
1）當計算電壓值等數值的過程中，最終結果出現小數時，用截尾規則去掉小數部分，只保留整數部分。為避免精度的誤差，所有有可能出現小數的數值用double型別儲存並計算，不要作下轉型資料型別轉換，例如電壓、轉速、亮度等，只有在最後輸出時再把計算結果按截尾規則，捨棄尾數，保留整數輸出。
2）所有連線資訊按電路從電源到接地的順序依次輸入，不會出現錯位的情況。電源VCC一定是第一個連線的第一項，接地GND一定是最後一個連線的後一項。
3）連線資訊如果只包含兩個引腳，靠電源端的引腳在前，靠接地端的在後。
4）調速器的輸入端只會直連VCC，不會接其他裝置。整個電路最多隻有連線在電源上的一個調速器，且不包含在並聯單路中。
6、家居電路模擬系列1-4題目後續迭代設計：
1）電路結構變化：
迭代1：只有一條線路，所有元件串聯
迭代2：線路中包含一個並聯電路
迭代3：線路中包含多個串聯起來的並聯電路
迭代4：並聯電路之間可能出現包含關係
電路結構變化示意圖見圖1。
2）計算方式的變化
迭代1只包含1個受控元件，不用計算電流，之後的電路計算要包含電流、電阻等電路引數。
3）電路元件的變化
每次迭代會增加1-2個新的電路元件。
image.png
圖1：電路結構示意圖
設計建議：
1、電路裝置類：描述所有電路裝置的公共特徵。
2、受控裝置類、控制裝置類：對應受控、控制裝置
3、串聯電路類：一條由多個電路裝置構成的串聯電路，也看成是一個獨立的電路裝置
4、並聯電路類：繼承電路裝置類，也看成是一個獨立的電路裝置
其他類以及類的屬性、方法自行設計。
image.png
圖2：建議設計類圖
輸入樣例1:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T1:[IN H1-1] [H1-2 D2-1] [D2-2 OUT]
#T2:[IN H1-1] [H1-3 D1-1] [D1-2 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 B2-1] [B2-2 OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M1-IN] [M1-OUT M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K2
end
輸出樣例1:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed
@K2:closed
@K3:turned on
@B1:87
@B2:0
@D1:0
@D2:262
@H1:closed
輸入樣例2:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T1:[IN D2-1] [D2-2 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 B2-1] [B2-2 OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M1-IN] [M1-OUT M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K2
end
輸出樣例2:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed
@K2:closed
@K3:turned on
@B1:87
@B2:0
@D1:0
@D2:262
@H1:closed
輸入樣例3:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T1:[IN K1-1] [K1-2 B2-1] [B2-2 OUT]
#T2:[IN K2-1] [K2-2 R1-1] [R1-2 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T3:[VCC K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT S1-1] [S1-2 GND]
#K1
#K2
#K3
end
輸出樣例3:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed
@K2:closed
@K3:closed
@B2:71
@R1:180
@S1:40%
輸入樣例4:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T1:[IN K2-1] [K2-2 D2-1] [D2-2 OUT]
#T2:[IN K3-1] [K3-2 D1-1] [D1-2 OUT]
#T3:[VCC K1-1] [K1-2 T1-IN] [T1-OUT T2-IN] [T2-OUT GND]
#K1
#K2
#K3
end
輸出樣例4:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed
@K2:closed
@K3:closed
@D1:200
@D2:200
輸入樣例5:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T3:[VCC B2-1] [B2-2 K1-1] [K1-2 S1-1] [S1-2 H1-1] [H1-2 GND]
#K1
end
輸出樣例5:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed
@B2:95
@H1:closed
@S1:80%
分析思路
定義裝置類：首先，我們需要定義各種裝置類。這些裝置類應該繼承一個通用的裝置基類，該基類包含裝置的基本屬性和方法。
定義電路類：包括串聯電路類和並聯電路類，用於表示複雜的電路結構。
輸入解析：解析輸入的資訊，包括裝置連線、控制資訊等。
計算電路狀態：根據裝置連線和控制資訊，計算各裝置的狀態和輸出。
輸出結果：按要求的格式輸出各裝置的狀態或引數。
1，裝置基類
點選檢視程式碼
abstract class Device {
String id;
int inputPin;
int outputPin;
public Device(String id, int inputPin, int outputPin) {
this.id = id;
this.inputPin = inputPin;
this.outputPin = outputPin;
}
abstract void updateState();
abstract String getStatus();
}
點選檢視程式碼
class Switch extends Device {
boolean state; // false for turned on, true for closed
public Switch(String id) {
super(id, 1, 2);
this.state = false;
}
void toggle() {
state = !state;
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the switch state
}
@Override
String getStatus() {
return "@K" + id + ":" + (state ? "closed" : "turned on");
}
}
點選檢視程式碼
class StepRegulator extends Device {
int level; // 0, 1, 2, 3
double[] voltageLevels = {0, 0.3, 0.6, 0.9};
public StepRegulator(String id) {
super(id, 1, 2);
this.level = 0;
}
void increaseLevel() {
if (level < 3) level++;
}
void decreaseLevel() {
if (level > 0) level--;
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the step regulator state
}
@Override
String getStatus() {
return "@F" + id + ":" + level;
}
}
點選檢視程式碼
class ContinuousRegulator extends Device {
double level; // [0.00, 1.00]
public ContinuousRegulator(String id) {
super(id, 1, 2);
this.level = 0.0;
}
void setLevel(double level) {
this.level = Math.min(1.0, Math.max(0.0, level));
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the continuous regulator state
}
@Override
String getStatus() {
return String.format("@L%s:%.2f", id, level);
}
}
點選檢視程式碼
abstract class Light extends Device {
int brightness; // in lux
public Light(String id, int resistance) {
super(id, 1, 2);
this.brightness = 0;
}
@Override
abstract void updateState();
@Override
String getStatus() {
return "@D" + id + ":" + brightness;
}
}
class IncandescentLight extends Light {
public IncandescentLight(String id) {
super(id, 10);
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the incandescent light brightness
}
}
class FluorescentLight extends Light {
public FluorescentLight(String id) {
super(id, 5);
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the fluorescent light brightness
}
}
點選檢視程式碼
abstract class Fan extends Device {
int speed; // in RPM
public Fan(String id, int resistance) {
super(id, 1, 2);
this.speed = 0;
}
@Override
abstract void updateState();
@Override
String getStatus() {
return "@A" + id + ":" + speed;
}
}
class CeilingFan extends Fan {
public CeilingFan(String id) {
super(id, 20);
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the ceiling fan speed
}
}
class FloorFan extends Fan {
public FloorFan(String id) {
super(id, 20);
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the floor fan speed
}
}
點選檢視程式碼
class MutexSwitch extends Device {
boolean state; // false for 1-2 closed, true for 1-3 closed
public MutexSwitch(String id) {
super(id, 1, 3);
this.state = false;
}
void toggle() {
state = !state;
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the mutex switch state
}
@Override
String getStatus() {
return "@H" + id + ":" + (state ? "closed" : "turned on");
}
}
點選檢視程式碼
class ControlledCurtain extends Device {
int openPercentage;
public ControlledCurtain(String id) {
super(id, 1, 2);
this.openPercentage = 100; // default to fully open
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the curtain state
}
@Override
String getStatus() {
return "@S" + id + ":" + openPercentage + "%";
}
}
點選檢視程式碼
class SerialCircuit extends Device {
List<Device> devices;
public SerialCircuit(String id) {
super(id, -1, -1); // Serial circuits don't have fixed input/output pins
this.devices = new ArrayList<>();
}
void addDevice(Device device) {
devices.add(device);
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the state of devices in the serial circuit
}
@Override
String getStatus() {
// Implement logic to get the status of devices in the serial circuit
return "";
}
}
點選檢視程式碼
class ParallelCircuit extends Device {
List<SerialCircuit> circuits;
public ParallelCircuit(String id) {
super(id, -1, -1); // Parallel circuits don't have fixed input/output pins
this.circuits = new ArrayList<>();
}
void addCircuit(SerialCircuit circuit) {
circuits.add(circuit);
}
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the state of circuits in the parallel circuit
}
@Override
String getStatus() {
// Implement logic to get the status of circuits in the parallel circuit
return "";
}
}
類之間的關係：
點選檢視程式碼
繼承關係：
Device 類是所有具體裝置類的基類。所有具體的裝置類（如 Switch、StepRegulator、ContinuousRegulator、Light、Fan、MutexSwitch、ControlledCurtain）都繼承自 Device 類。
Light 類是一個抽象類，具體的燈具類（如 IncandescentLight 和 FluorescentLight）繼承自 Light 類。
Fan 類也是一個抽象類，具體的風扇類（如 CeilingFan 和 FloorFan）繼承自 Fan 類。
組合關係：
SerialCircuit 類和 ParallelCircuit 類組合了多個 Device 物件或 SerialCircuit 物件。每個 SerialCircuit 物件包含一個 List<Device>，用於儲存串聯電路中的所有裝置；每個 ParallelCircuit 物件包含一個 List<SerialCircuit>，用於儲存並聯電路中的所有串聯電路。
行為關係：
所有裝置類都實現了 updateState 和 getStatus 方法，這些方法用於更新裝置的狀態和獲取裝置的狀態資訊。不同裝置的 updateState 方法實現了不同的邏輯，確保每種裝置的狀態能夠根據電路的輸入和控制資訊正確更新。
CircuitSimulator 類負責解析輸入資訊、更新裝置狀態並輸出裝置狀態。它維護了一個 Map<String, Device>，用於儲存所有裝置，並提供了 parseInput、updateStates 和 outputStatus 方法。這些方法分別用於解析輸入資訊、更新所有裝置的狀態並輸出裝置的狀態。
類圖：
點選檢視程式碼
+----------------------+
| Device |
+----------------------+
/ \
/ \
+--------------------+ +--------------------+
| Light | | Fan |
+--------------------+ +--------------------+
/ \ / \
/ \ / \
+---------------+ +-------------------+
|IncandescentLight| | CeilingFan |
+---------------+ +-------------------+
+------------------+ +---------------+
| FluorescentLight | | FloorFan |
+------------------+ +---------------+
+-------------+ +--------------+
| Switch | |StepRegulator |
+-------------+ +--------------+
+-------------+ +-----------------+
| MutexSwitch| |ContinuousRegulator|
+-------------+ +-----------------+
+-----------------+
|ControlledCurtain|
+-----------------+
^
|
+-----------+
|
+---------------+
| SerialCircuit |
+---------------+
+---------------+
| ParallelCircuit|
+---------------+
|
+-----------+
|CircuitSimulator|
+-----------+
裝置類 (Device)：基類，定義了所有裝置的基本特性和行為，如裝置 ID 和引腳資訊。
燈類 (Light) 和 風扇類 (Fan)：抽象類，分別定義了燈和風扇的共性行為。具體的燈具和風扇類繼承這些抽象類，實現具體的狀態更新邏輯。
開關類 (Switch)、分檔調速器 (StepRegulator)、連續調速器 (ContinuousRegulator)、互斥開關 (MutexSwitch) 和 受控窗簾 (ControlledCurtain)：具體裝置類，繼承自 Device 類，分別實現各自的狀態更新邏輯。
串聯電路類 (SerialCircuit) 和 並聯電路類 (ParallelCircuit)：用於表示電路結構，包含多個裝置或電路。它們可以組合成更復雜的電路結構。
電路模擬器類 (CircuitSimulator)：負責整個電路模擬過程，包括解析輸入資訊、更新裝置狀態並輸出裝置狀態。
易踩坑點：
輸入解析的複雜性：
坑點：輸入格式較為複雜，解析時容易出錯，尤其是巢狀的串聯電路和並聯電路。
改進：使用正規表示式進行輸入驗證，並在解析時詳細記錄解析過程中的步驟和狀態。可以引入狀態機或解析樹來處理複雜的輸入結構。
裝置狀態更新的順序問題：
坑點：裝置的狀態更新可能存在依賴關係，必須按正確的順序更新，否則會出現狀態錯誤。
改進：採用拓撲排序確定裝置更新順序，確保依賴的裝置先於被依賴的裝置更新。
電壓和電流計算的精度問題：
坑點：計算過程中可能會出現浮點數精度問題，導致最終結果不準確。
改進：使用高精度資料型別（如 BigDecimal）進行計算，確保在更新狀態時保留足夠的精度。最終輸出時再進行截尾處理。
並聯和串聯電路的處理：
坑點：並聯和串聯電路的組合和巢狀可能會導致電路結構的管理變得複雜，容易出現邏輯錯誤。
改進：將並聯電路和串聯電路統一抽象為 Circuit 類，採用組合設計模式，使得處理巢狀電路時更加統一和簡潔。
電路狀態更新的迴圈依賴：
坑點：如果電路中存在迴圈依賴，會導致無限迴圈更新狀態，程式崩潰。
改進：在更新狀態前進行依賴關係檢查，確保沒有迴圈依賴。可以使用圖論中的檢測環演算法來實現。
輸出排序的遺漏：
坑點：輸出結果的裝置按編號排序時可能會遺漏某些裝置，尤其是裝置編號不連續時。
改進：在輸出前對裝置列表進行全面的排序檢查，並確保所有裝置都按要求輸出。
改進後的部分示例程式碼：
解析輸入
點選檢視程式碼
class CircuitSimulator {
Map<String, Device> devices = new HashMap<>();
void parseInput(String input) {
}
void validateInput(String input) throws IllegalArgumentException {
void updateStates() {
}
void outputStatus() {
List<String> statuses = new ArrayList<>();
for (Device device : devices.values()) {
statuses.add(device.getStatus());
}
statuses.sort();
for (String status : statuses) {
System.out.println(status);
}
}
public static void main(String[] args) {
CircuitSimulator simulator = new CircuitSimulator();
simulator.parseInput("your input here");
simulator.updateStates();
simulator.outputStatus();
}
}
高精度計算
點選檢視程式碼
class ContinuousRegulator extends Device {
BigDecimal level; // [0.00, 1.00]
public ContinuousRegulator(String id) {
super(id, 1, 2);
this.level = BigDecimal.ZERO;
}
void setLevel(BigDecimal level) {
this.level = level.min(BigDecimal.ONE).max(BigDecimal.ZERO);
}
@Override
void updateState() {
}
@Override
String getStatus() {
return String.format("@L%s:%.2f", id, level.setScale(2, RoundingMode.FLOOR));
}
}
統一電路抽象
點選檢視程式碼
abstract class Circuit {
List<Device> devices = new ArrayList<>();
void addDevice(Device device) {
devices.add(device);
}
abstract void updateState();
abstract String getStatus();
}
class SerialCircuit extends Circuit {
@Override
void updateState() {
}
@Override
String getStatus() {
return "";
}
}
class ParallelCircuit extends Circuit {
@Override
void updateState() {
}
@Override
String getStatus() {
return "";
}
}
透過以上改進，程式碼的魯棒性和可維護性將得到顯著提高。解析輸入和更新狀態的邏輯更加清晰，計算的精度得到保證，處理複雜電路結構時的程式碼更加簡潔和統一。這樣設計的系統不僅能夠更好地模擬智慧家居的強電電路，還具有良好的擴充套件性和可維護性。
第8次大作業題目：
智慧家居是在當下家庭中越來越流行的一種配置方案，它透過物聯網技術將家中的各種裝置（如音影片裝置、照明系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、數字影院系統、影音伺服器、影櫃系統、網路家電等）連線到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠端控制、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可程式設計定時控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智慧家居不僅具有傳統的居住功能，兼備建築、網路通訊、資訊家電、裝置自動化，提供全方位的資訊互動功能。請根據如下要去設計一個智慧家居強電電路模擬系統。以下題目介紹中加粗的部分為本次迭代在“家居強電電路模擬程式-3”的基礎上增加的功能要求。
1、控制裝置
本題模擬的控制裝置包括：開關、分檔調速器、連續調速器、互斥開關。
開關：包括0和1兩種狀態。
開關有兩個引腳，任意一個引腳都可以是輸入引腳（接往電源端），而另一個則是輸出引腳（接網接地端）。開關狀態為0時，無論輸入電位是多少，輸出引腳電位為0。當開關狀態為1時，輸出引腳電位等於輸入電位。
互斥開關：
互斥開關有3個引腳：1個是彙總引腳，另兩個是分支引腳。
開關電路示意圖如圖1所示，左邊是彙總引腳，編號為1；右邊兩個是分支引腳，右上的輸出引腳為2，右下輸出引腳為3。圖中1、2、3引腳均可以是輸入引腳，當1為輸入引腳時，2、3引腳為輸出引腳；1為輸出引腳時，2、3引腳為輸入引腳。
互斥開關只有兩種狀態：開關接往上面的2號引腳、接往下面的3號引腳。開關每次只能接通其中一個分支引腳，而另一個分支引腳處於斷開狀態。
互斥開關的預設狀態為1、2引腳接通，1、3引腳斷開。
圖1中所示的互斥開關可以反過來接入電路，即彙總引腳接往接地端，兩個分支引腳接往電源端。
image.png
圖1 互斥開關
為避免短路，互斥開關設定了限流電阻，1、2引腳之間預設電阻為5，1、3引腳之間預設電阻為10。
分檔調速器
按檔位調整，常見的有3檔、4檔、5檔調速器，檔位值從0檔-2（3/4）檔變化。本次迭代模擬4檔調速器，每個檔位的輸出電位分別為0、0.3、0.6、0.9倍的輸入電壓。
連續調速器
沒有固定檔位，按位置比例得到檔位引數，數值範圍在[0.00-1.00]之間，含兩位小數。輸出電位為檔位引數乘以輸入電壓。
所有調速器都有兩個引腳，一個固定的輸入（引腳編號為1）、一個輸出引腳（引腳編號為2）。當輸入電位為0時，輸出引腳輸出的電位固定為0，不受各類開關調節的影響。
開關、調速器的初始狀態/檔位為0。
開關的兩個引腳編號為1、2。
除互斥開關外，其他控制裝置的電阻為 0。
2、受控裝置
本題模擬的受控裝置包括：燈、風扇。兩種裝置都有兩根引腳，透過兩根引腳電壓的電壓差驅動裝置工作。
燈有兩種工作狀態：亮、滅。在亮的狀態下，有的燈會因引腳電位差的不同亮度會有區別。
風扇在接電後有兩種工作狀態：停止、轉動。風扇的轉速會因引腳間電位差的不同而有區別。
本次迭代模擬兩種燈具。
白熾燈：
亮度在0~200lux（流明）之間。
電位差為0-9V時亮度為0,其他電位差按比例，電位差10V對應50ux，220V對應200lux，其他電位差與對應亮度值成正比。白熾燈超過220V。
日光燈：
亮度為180lux。
只有兩種狀態，電位差為0時，亮度為0，電位差不為0，亮度為180。
本次迭代模擬兩種風扇。
吊扇：
工作電壓區間為80V-150V，對應轉速區間為80-360轉/分鐘。80V對應轉速為80轉/分鐘，150V對應轉速為360轉/分鐘，超過150V轉速為360轉/分鐘（本次迭代暫不考慮電壓超標的異常情況）。其他電壓值與轉速成正比，輸入輸出電位差小於80V時轉速為0。
落地扇：
工作電壓區間為 80V-150V，對應轉速區間為 80-360 轉/分鐘；[80V,100V) 對應轉速為 80 轉/分鐘；[100,120)V 對應轉速為 160 轉/分鐘；[120,140)V 對應轉速為 260 轉/分鐘；大於等於 140V 轉速 為 360 轉/分鐘（本次迭代暫不考慮電壓超標的異常情況）。
本次迭代模擬一種受控窗簾：
受控串聯的電路符號為S，其最低工作電壓為50V，電壓達到或超過50V，窗簾即可正常工作，不考慮室外光照強度和室內空間大小等因素，窗簾受室內燈光的光照強度控制。
當電路中所有燈光的光照強度總和在[0,50)lux範圍內，窗簾全開；
在[50,100)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.8；
在[100,200)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.6；
在[200,300)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.4；
在[300,400)lux範圍內，窗簾開啟比例為0.2；
在400lux及以上範圍內，窗簾關閉。
當電壓低於50V，窗簾不工作，預設為全開狀態。
如果電路中沒有燈或者燈全部關閉，光照強度為0，窗簾處於全開狀態。
受控裝置電阻：白熾燈的電阻為 10，日光燈的電阻為 5，吊扇的電阻為 20，落地扇的電阻為 20，窗簾電阻為15。
3、輸入資訊
1）輸入裝置資訊
分別用裝置識別符號K、F、L、B、R、D、A、H、S、P分別表示開關、分檔調速器、連續調速器、白熾燈、日光燈、吊扇、落地扇、互斥開關、受控窗簾、二極體（見第6部分說明）。
裝置標識用識別符號+編號表示，如K1、F3、L2等。
引腳格式：
裝置標識-引腳編號，例如：K1-1標識編號為1的開關的1號引腳。
開關、分檔調速器、連續調速器的兩個引腳編號為1、2。
受控裝置的兩個引腳編號分別為1、2。
互斥開關的引腳編號已經在互斥開關的介紹部分說明。
約束條件：
不同裝置的編號可以相同。
裝置資訊不單獨輸入，包含在連線資訊中。
2）輸入連線資訊
一條連線資訊佔一行，用[]表示一組連線在一起的裝置引腳，引腳與引腳之間用英文空格" "分隔。
格式：
"["+引腳號+" "+引腳號+"]"
例如：[K1-1 K3-2]表示K1的1號引腳，K3的2號引腳連線在一起。
約束條件：
不考慮調速器串聯到其他調速器的情況。
考慮各類裝置的並聯接入。例如，K1 的輸出接到 L2 的輸入，L2 的輸出再接其他裝置屬於串聯接線。K1 的輸出接到 L2 的輸出，同時 K1 的輸入接到 L2 的輸入，這種情況屬於並聯。
連線資訊不單獨輸入，包含線上路資訊中。
3）輸入控制裝置調節資訊
開關、互斥開關調節資訊格式：
#+裝置標識K+裝置編號，例如：#K2，代表切換K2開關的狀態。
#+裝置標識H+裝置編號，例如：#H2，代表切換H2互斥開關的狀態。
分檔調速器的調節資訊格式：
#+裝置標識F+裝置編號+"+" 代表加一檔，例如：#F3+，代表F3輸出加一檔。
#+裝置標識F+裝置編號+"-" 代表減一檔，例如：#F1-，代表F1輸出減一檔。
連續調速器的調節資訊格式：
#+裝置標識L+裝置編號+":" +數值 代表將連續調速器的檔位設定到對應數值，例如：#L3:0.6，代表L3輸出檔位引數0.6。
4）電源接地標識：
VCC，電壓220V，GND，電壓0V。沒有接線的引腳預設接地，電壓為0V。
5）輸入串聯電路資訊
一條串聯電路佔一行，串聯電路資訊由 n 個連線資訊組成，連線資訊按從靠電源端到接地端順序依次輸入，連線資訊之間用英文空格" "分隔。
串聯電路資訊格式：
"#T"+電路編號+":"+連線資訊+" "+連線資訊+...+" "+連線資訊
例如：#T1:[IN K1-1] [K1-2 D2-1] [D2-2 OUT] 一個串聯電路的第一個引腳是 IN，代表起始端，靠電源。最後一個引腳是 OUT，代表結尾端， 靠接地。
約束條件：
不同的串聯電路資訊編號不同。
輸入的最後一條電路資訊必定是總電路資訊，總電路資訊的起始引腳是 VCC，結束引腳是 GND。
連線資訊中的引腳可能是一條串聯或並聯電路的 IN 或者 OUT。例如：
#T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT OUT]
#T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT M2-IN] [M2-OUT OUT]
6）輸入並聯電路資訊
一條並聯電路佔一行，並聯電路由其包含的幾條串聯電路組成，串聯電路標識之間用英文空格" "分隔。
格式：
"#M"+電路編號+":"+”[”+串聯電路資訊+" "+....+" "+串聯電路資訊+”]”
例如：#M1:[T1 T2 T3]
該例宣告瞭一個並聯電路，由 T1、T2、T3 三條串聯電路並聯而成，三條串聯電路的 IN 短接在一起構成 M1 的 IN，三條串聯電路的 OUT 短接在一起構成 M1 的 OUT。
在本題中，並聯電路M中的串聯電路可以包含別的並聯電路。
約束條件：
本題不考慮輸入電壓或電壓差超過220V的情況。
輸入資訊以end為結束標誌，忽略end之後的輸入資訊。
本題中的並聯資訊所包含的串聯電路的資訊都在並聯資訊之前輸入，不考慮亂序輸入的情況。
只要不因短路而造成無窮大的電流燒壞電路(如電路中的部分短接)，都是合理情況。
本次迭代考慮多個並聯電路串聯在一起的情況。
本題考慮一條串聯電路中包含其他串聯電路和並聯電路的情況。例如：
#T3:[VCC K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT K2-1] [K2-2 T1-IN] [T1-OUT GND]
本例中T1\T2兩條串聯電路是T3的一個部分，本題考慮這種型別的輸入。
4、輸出資訊：
按開關、分檔調速器、連續調速器、白熾燈、日光燈、吊扇、互斥開關、受控窗簾、二極體（見第6部分說明）的順序依次輸出所有裝置的狀態或引數。每個裝置一行。同類裝置按編號順序從小到大輸出。
輸出格式：
@裝置標識+裝置編號+":" +裝置引數值（控制開關的檔位或狀態、燈的亮度、風扇的轉速，只輸出值，不輸出單位）+" "+裝置所有引腳的電壓（按編號從小到大順序依次輸出，電壓的小數部分直接丟棄，保留整數輸出，電壓之間用”-”分隔）
說明：
連續調速器的檔位資訊保留兩位小數，即使小數為0，依然顯示兩位小數.00。
開關狀態為0（開啟）時顯示turned on，狀態為1（合上）時顯示closed
如：
@K1:turned on 32-15
@B1:190 68-17
@L1:0.60 220-176
互斥開關按1、2引腳的接通狀態顯示，1，2接通-1，3斷開時顯示closed，1，3接通-1，2斷開時顯示turned on。
如：
@H1:turned on
受控窗簾顯示窗簾開啟的百分比，如：
@S1:80%
5、家居電路模擬系列所有題目的預設規則
1）當計算電壓值等數值的過程中，最終結果出現小數時，用截尾規則去掉小數部分，只保留整數部分。為避免精度的誤差，所有有可能出現小數的數值用double型別儲存並計算，不要作下轉型資料型別轉換，例如電壓、轉速、亮度等，只有在最後輸出時再把計算結果按截尾規則，捨棄尾數，保留整數輸出。
2）所有連線資訊按電路從靠電源端到靠接地端的順序依次輸入，不會出現錯位的情況。VCC/IN一定是第一個連線的第一項，GND/OUT一定是最後一個連線的後一項。
3）連線資訊如果只包含兩個引腳，靠電源端的引腳在前，靠接地端的在後。
4）調速器的輸入端只會直連VCC，不會接其他裝置。整個電路最多隻有連線在電源上的一個調速器，且不包含在並聯單路中。
5）本系列題目中元件的管腳除了互斥開關的1引腳，其他所有引腳在電路中最多隻出現一次。
6、本題新增內容：
1）增加管腳電壓的顯示
在輸出每個電器的狀態資訊後，再依次輸出該電器每個管腳的電壓。（格式詳見輸出資訊部分）
2）電流限制
電器在工作時，過大的電流會引起電器過熱，從而燒壞電路。本次迭代，每個元器件都有最大電流的設定，當實時電流超過最大電流時，在該電器輸出資訊的最後加入提示“exceeding current limit error”，與前面的資訊之間用英文空格分隔。
例如：@B1:190 68-17 exceeding current limit error
本題各類電器的最大限定電流如下：
開關20、分檔調速器18、連續調速器18、白熾燈9、日光燈5、吊扇12、落地扇14、互斥開關20、受控窗簾12、二極體8。
3）短路檢測
如果電路出現無窮大的電流造成短路，所有元器件資訊不輸出，僅輸出提示“short circuit error”
4）並聯電路中包含並聯
本次迭代考慮並聯電路中包含並聯電路的情況，即構成並聯電路的串聯電路可以包含別的並聯電路。例如如下輸入的電路，並聯電路M2的其中一條串聯電路T4中包含了另一條並聯電路M1：
#T1:[IN D2-1] [D2-2 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
5）二極體
增加二極體元件，其電路特性為：正向導通，反向截止；其電器符號如圖4所示，當電流從左至右流過時，二極體導通”conduction”，電阻為0；電流從右至左流動時，二極體截止”cutoff”，電阻無窮大，相當於開關開啟。
image.png
圖2 二極體符號
二極體的識別符號為’P’，左側管腳編號為1，右側管腳編號為2。
二極體如果兩端電壓相等，沒有電流流過，分以下兩種情況輸出：
1、如果兩端電壓為0，二極體的導通/截止狀態由接入方向決定，1號引腳靠近電源則狀態為導通，反之為截止。
2、如果兩端電壓不為0，二極體導通。
7、設計建議
本題包含以下電路圖中的所有連線情況：
image.png
圖3 電路示意圖
1、電路裝置類：描述所有電路裝置的公共特徵。
2、受控裝置類、控制裝置類：對應受控、控制裝置
3、串聯電路類：一條由多個電路裝置構成的串聯電路，也看成是一個獨立的電路裝置
4、並聯電路類：繼承電路裝置類，也看成是一個獨立的電路裝置
其他類以及類的屬性、方法自行設計。
image.png
圖4：建議設計類圖
輸入樣例1:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T1:[IN P2-2] [P2-1 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K2
end
輸出樣例1:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed 220-220 exceeding current limit error
@K2:closed 220-220 exceeding current limit error
@K3:turned on 220-0
@B1:200 220-0 exceeding current limit error
@D1:0 0-0
@H1:closed 0-0-0
@P2:cutoff 0-0
輸入樣例2:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T1:[IN P2-1] [P2-2 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K3
#K2
end
輸出樣例2:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed 220-220 exceeding current limit error
@K2:closed 220-220 exceeding current limit error
@K3:closed 220-220 exceeding current limit error
@B1:200 220-0 exceeding current limit error
@D1:0 220-220
@H1:closed 0-220-220 exceeding current limit error
@P2:conduction 220-220 exceeding current limit error
輸入樣例3:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T1:[IN P2-2] [P2-1 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K3
#K2
end
輸出樣例3:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:closed 220-220 exceeding current limit error
@K2:closed 220-220 exceeding current limit error
@K3:closed 220-220
@B1:200 220-0 exceeding current limit error
@D1:0 220-220
@H1:closed 0-0-220
@P2:cutoff 0-220
輸入樣例4:
在這裡給出一組輸入。例如：
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 GND]
#K2
end
輸出樣例4:
在這裡給出相應的輸出。例如：
short circuit error
輸入樣例5:
在這裡給出一組輸入。如果兩端電壓為0，二極體的導通/截止狀態由接入方向決定，1號引腳靠近電源則狀態為導通，反之截止。 例如：
#T3:[VCC K2-2] [K2-1 P1-1] [P1-2 K1-2] [K1-1 GND]
end
輸出樣例5:
在這裡給出相應的輸出。例如：
@K1:turned on 0-0
@K2:turned on 0-220
@P1:conduction 0-0
輸入樣例6:
在這裡給出一組輸入。如果兩端電壓為0，二極體的導通/截止狀態由接入方向決定，1號引腳靠近電源則狀態為導通，反之截止。 例如：
#T3:[VCC K2-2] [K2-1 P1-2] [P1-1 K1-2] [K1-1 GND]
end
輸出樣例6:
####### 。例如：
@K1:turned on 0-0
@K2:turned on 0-220
@P1:cutoff 0-0
分析思路：
解析輸入：解析輸入資訊，包括裝置連線資訊、控制資訊等。
建模電路裝置：透過物件導向的方法建模各種電路裝置。
計算電壓和電流：根據電路連線關係，計算各裝置的電壓和電流。
檢測短路和電流超限：檢測電路中是否存在短路或電流超限情況。
輸出結果：按要求的格式輸出各裝置的狀態和引數。
1，裝置基類
點選檢視程式碼
abstract class Device {
String id; // 裝置標識
int inputPinVoltage; // 輸入引腳電壓
int outputPinVoltage; // 輸出引腳電壓
double current; // 電流
double maxCurrent; // 最大電流
public Device(String id, double maxCurrent) {
this.id = id;
this.maxCurrent = maxCurrent;
this.inputPinVoltage = 0;
this.outputPinVoltage = 0;
this.current = 0;
}
abstract void updateState();
abstract String getStatus();
public boolean isCurrentExceeding() {
return current > maxCurrent;
}
public void setVoltage(int inputPinVoltage, int outputPinVoltage) {
this.inputPinVoltage = inputPinVoltage;
this.outputPinVoltage = outputPinVoltage;
}
}
2，開關類
點選檢視程式碼
class Switch extends Device {
boolean state; // false for turned on, true for closed
public Switch(String id) {
super(id, 20);
this.state = false;
}
void toggle() {
state = !state;
}
@Override
void updateState() {
if (state) {
outputPinVoltage = inputPinVoltage;
} else {
outputPinVoltage = 0;
}
}
@Override
String getStatus() {
return "@K" + id + ":" + (state ? "closed" : "turned on") + " " + inputPinVoltage + "-" + outputPinVoltage + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
點選檢視程式碼
class StepRegulator extends Device {
int level; // 0, 1, 2, 3
double[] voltageLevels = {0, 0.3, 0.6, 0.9};
public StepRegulator(String id) {
super(id, 18);
this.level = 0;
}
void increaseLevel() {
if (level < 3) level++;
}
void decreaseLevel() {
if (level > 0) level--;
}
@Override
void updateState() {
outputPinVoltage = (int) (inputPinVoltage * voltageLevels[level]);
}
@Override
String getStatus() {
return "@F" + id + ":" + level + " " + inputPinVoltage + "-" + outputPinVoltage + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
點選檢視程式碼
class ContinuousRegulator extends Device {
double level; // [0.00, 1.00]
public ContinuousRegulator(String id) {
super(id, 18);
this.level = 0.0;
}
void setLevel(double level) {
this.level = Math.min(1.0, Math.max(0.0, level));
}
@Override
void updateState() {
outputPinVoltage = (int) (inputPinVoltage * level);
}
@Override
String getStatus() {
return String.format("@L%s:%.2f %d-%d", id, level, inputPinVoltage, outputPinVoltage) + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
點選檢視程式碼
abstract class Light extends Device {
int brightness; // 亮度
public Light(String id, double maxCurrent) {
super(id, maxCurrent);
this.brightness = 0;
}
@Override
abstract void updateState();
@Override
String getStatus() {
return "@D" + id + ":" + brightness + " " + inputPinVoltage + "-" + outputPinVoltage + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
class IncandescentLight extends Light {
public IncandescentLight(String id) {
super(id, 9);
}
@Override
void updateState() {
if (outputPinVoltage <= 9) {
brightness = 0;
} else {
brightness = (int) ((outputPinVoltage - 9) * 150 / 211 + 50);
}
}
}
class FluorescentLight extends Light {
public FluorescentLight(String id) {
super(id, 5);
}
@Override
void updateState() {
brightness = (outputPinVoltage == 0) ? 0 : 180;
}
}
點選檢視程式碼
abstract class Fan extends Device {
int speed; // 轉速
public Fan(String id, double maxCurrent) {
super(id, maxCurrent);
this.speed = 0;
}
@Override
abstract void updateState();
@Override
String getStatus() {
return "@A" + id + ":" + speed + " " + inputPinVoltage + "-" + outputPinVoltage + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
class CeilingFan extends Fan {
public CeilingFan(String id) {
super(id, 12);
}
@Override
void updateState() {
if (outputPinVoltage < 80) {
speed = 0;
} else if (outputPinVoltage > 150) {
speed = 360;
} else {
speed = (int) ((outputPinVoltage - 80) * 280 / 70 + 80);
}
}
}
class FloorFan extends Fan {
public FloorFan(String id) {
super(id, 14);
}
@Override
void updateState() {
if (outputPinVoltage < 80) {
speed = 0;
} else if (outputPinVoltage < 100) {
speed = 80;
} else if (outputPinVoltage < 120) {
speed = 160;
} else if (outputPinVoltage < 140) {
speed = 260;
} else {
speed = 360;
}
}
}
點選檢視程式碼
class MutexSwitch extends Device {
boolean state; // false for 1-2 closed, true for 1-3 closed
public MutexSwitch(String id) {
super(id, 20);
this.state = false;
}
void toggle() {
state = !state;
}
@Override
void updateState() {
if (state) {
outputPinVoltage = inputPinVoltage;
} else {
outputPinVoltage = 0;
}
}
@Override
String getStatus() {
return "@H" + id + ":" + (state ? "closed" : "turned on") + " " + inputPinVoltage + "-" + outputPinVoltage + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
點選檢視程式碼
class ControlledCurtain extends Device {
int openPercentage; // 開啟比例
public ControlledCurtain(String id) {
super(id, 12);
this.openPercentage = 100; // 預設全開
}
@Override
void updateState() {
if (outputPinVoltage < 50) {
openPercentage = 100;
} else {
// 計算所有燈光的光照強度總和
int totalLux = ... // 此處需根據具體電路計算
if (totalLux < 50) {
openPercentage = 100;
} else if (totalLux < 100) {
openPercentage = 80;
} else if (totalLux < 200) {
openPercentage = 60;
} else if (totalLux < 300) {
openPercentage = 40;
} else if (totalLux < 400) {
openPercentage = 20;
} else {
openPercentage = 0;
}
}
}
@Override
String getStatus() {
return "@S" + id + ":" + openPercentage + "%" + " " + inputPinVoltage + "-" + outputPinVoltage + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
點選檢視程式碼
class Diode extends Device {
public Diode(String id) {
super(id, 8);
}
@Override
void updateState() {
if (inputPinVoltage > outputPinVoltage) {
// 正向導通
current = ... // 計算電流
} else if (inputPinVoltage < outputPinVoltage) {
// 反向截止
current = 0;
}
}
@Override
String getStatus() {
String state = inputPinVoltage > outputPinVoltage ? "conduction" : "cutoff";
return "@P" + id + ":" + state + " " + inputPinVoltage + "-" + outputPinVoltage + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
點選檢視程式碼
class SerialCircuit extends Device {
List<Device> devices;
public SerialCircuit(String id) {
super(id, Double.MAX_VALUE); // 串聯電路沒有固定的電流限制
this.devices = new ArrayList<>();
}
void addDevice(Device device) {
devices.add(device);
}
@Override
void updateState() {
// 更新串聯電路中所有裝置的狀態
for (Device device : devices) {
device.updateState();
}
}
@Override
String getStatus() {
// 獲取串聯電路中所有裝置的狀態
StringBuilder status = new StringBuilder();
for (Device device : devices) {
status.append(device.getStatus()).append("\n");
}
return status.toString();
}
}
點選檢視程式碼
class ParallelCircuit extends Device {
List<SerialCircuit> circuits;
public ParallelCircuit(String id) {
super(id, Double.MAX_VALUE); // 並聯電路沒有固定的電流限制
this.circuits = new ArrayList<>();
}
void addCircuit(SerialCircuit circuit) {
circuits.add(circuit);
}
@Override
void updateState() {
// 更新並聯電路中所有串聯電路的狀態
for (SerialCircuit circuit : circuits) {
circuit.updateState();
}
}
@Override
String getStatus() {
// 獲取並聯電路中所有串聯電路的狀態
StringBuilder status = new StringBuilder();
for (SerialCircuit circuit : circuits) {
status.append(circuit.getStatus()).append("\n");
}
return status.toString();
}
}
點選檢視程式碼
class CircuitSimulator {
Map<String, Device> devices = new HashMap<>();
void parseInput(String input) {
// 解析輸入資訊
}
void validateInput(String input) throws IllegalArgumentException {
// 驗證輸入資訊的有效性
}
void updateStates() {
// 更新所有裝置的狀態
for (Device device : devices.values()) {
device.updateState();
}
}
void outputStatus() {
// 輸出所有裝置的狀態
List<String> statuses = new ArrayList<>();
for (Device device : devices.values()) {
statuses.add(device.getStatus());
}
statuses.sort();
for (String status : statuses) {
System.out.println(status);
}
}
public static void main(String[] args) {
CircuitSimulator simulator = new CircuitSimulator();
simulator.parseInput("your input here");
simulator.updateStates();
simulator.outputStatus();
}
}
Device類是所有裝置的基類，包含裝置的基本屬性和方法，如裝置ID、引腳電壓、電流和最大電流。它定義了更新裝置狀態和獲取裝置狀態的抽象方法。
Switch類繼承自Device，表示開關裝置。它有一個狀態（開啟或關閉），並根據狀態更新輸出引腳的電壓。
StepRegulator類表示分檔調速器，可以透過增加或減少檔位來調節輸出電壓。
ContinuousRegulator類表示連續調速器，可以設定任意檔位（0.00到1.00），根據檔位比例調節輸出電壓。
Light類表示燈具裝置，包含亮度屬性。具體燈具型別如白熾燈和日光燈繼承自Light類，並實現不同的亮度計算邏輯。
Fan類表示風扇裝置，包含轉速屬性。具體風扇型別如吊扇和落地扇繼承自Fan類，並實現不同的轉速計算邏輯。
MutexSwitch類表示互斥開關裝置，具有兩個狀態（1-2接通或1-3接通），並根據狀態更新輸出引腳的電壓。
ControlledCurtain類表示受控窗簾，根據電壓和燈光強度決定窗簾的開啟比例。
Diode類表示二極體裝置，根據輸入輸出引腳電壓決定導通或截止狀態，並計算電流。
SerialCircuit類表示串聯電路，包含多個裝置，並提供更新和獲取所有裝置狀態的方法。
arallelCircuit類表示並聯電路，包含多個串聯電路，並提供更新和獲取所有串聯電路狀態的方法。
CircuitSimulator類負責整個電路模擬過程，包括解析輸入資訊、更新裝置狀態並輸出裝置狀態。它維護了一個裝置的對映表，並提供瞭解析輸入、驗證輸入、更新狀態和輸出狀態的方法。
踩坑心得：
輸入解析的複雜性：
坑點：輸入格式較為複雜，解析時容易出錯，尤其是巢狀的串聯電路和並聯電路。
改進：使用正規表示式進行輸入驗證，並在解析時詳細記錄解析過程中的步驟和狀態。可以引入狀態機或解析樹來處理複雜的輸入結構。
裝置狀態更新的順序問題：
坑點：裝置的狀態更新可能存在依賴關係，必須按正確的順序更新，否則會出現狀態錯誤。
改進：採用拓撲排序確定裝置更新順序，確保依賴的裝置先於被依賴的裝置更新。
電壓和電流計算的精度問題：
坑點：計算過程中可能會出現浮點數精度問題，導致最終結果不準確。
改進：使用高精度資料型別（如 BigDecimal）進行計算，確保在更新狀態時保留足夠的精度。最終輸出時再進行截尾處理。
並聯和串聯電路的處理：
坑點：並聯和串聯電路的組合和巢狀可能會導致電路結構的管理變得複雜，容易出現邏輯錯誤。
改進：將並聯電路和串聯電路統一抽象為 Circuit 類，採用組合設計模式，使得處理巢狀電路時更加統一和簡潔。
電路狀態更新的迴圈依賴：
坑點：如果電路中存在迴圈依賴，會導致無限迴圈更新狀態，程式崩潰。
改進：在更新狀態前進行依賴關係檢查，確保沒有迴圈依賴。可以使用圖論中的檢測環演算法來實現。
輸出排序的遺漏：
坑點：輸出結果的裝置按編號排序時可能會遺漏某些裝置，尤其是裝置編號不連續時。
改進：在輸出前對裝置列表進行全面的排序檢查，並確保所有裝置都按要求輸出。
程式碼改進：
解析輸入
點選檢視程式碼
class CircuitSimulator {
Map<String, Device> devices = new HashMap<>();
void parseInput(String input) {
}
void validateInput(String input) throws IllegalArgumentException {
}
void updateStates() {
}
void outputStatus() {
List<String> statuses = new ArrayList<>();
for (Device device : devices.values()) {
statuses.add(device.getStatus());
}
statuses.sort();
for (String status : statuses) {
System.out.println(status);
}
}
public static void main(String[] args) {
CircuitSimulator simulator = new CircuitSimulator();
simulator.parseInput("your input here");
simulator.updateStates();
simulator.outputStatus();
}
}
點選檢視程式碼
class ContinuousRegulator extends Device {
BigDecimal level;
public ContinuousRegulator(String id) {
super(id, 18);
this.level = BigDecimal.ZERO;
}
void setLevel(BigDecimal level) {
this.level = level.min(BigDecimal.ONE).max(BigDecimal.ZERO);
}
@Override
void updateState() {
outputPinVoltage = (int) (inputPinVoltage * level.doubleValue());
}
@Override
String getStatus() {
return String.format("@L%s:%.2f %d-%d", id, level.setScale(2, RoundingMode.FLOOR), inputPinVoltage, outputPinVoltage) + (isCurrentExceeding() ? " exceeding current limit error" : "");
}
}
點選檢視程式碼
abstract class Circuit extends Device {
List<Device> devices = new ArrayList<>();
void addDevice(Device device) {
devices.add(device);
}
abstract void updateState();
abstract String getStatus();
}
class SerialCircuit extends Circuit {
@Override
void updateState() {
// Implement logic to update the state of devices in the serial circuit
}
@Override
String getStatus() {
// Implement logic to get the status of devices in the serial circuit
StringBuilder status = new StringBuilder();
for (Device device : devices) {
status.append(device.getStatus()).append("\n");
}
return status.toString();
}
}
class ParallelCircuit extends Circuit {
@Override
void updateState() {
}
@Override
String getStatus() {
StringBuilder status = new StringBuilder();
for (Device device : devices) {
status.append(device.getStatus()).append("\n");
}
return status.toString();
}
}
總結
雖然就兩次大作業，但最近考試頻繁和複習緊張，這次大作業沒有以前那麼用心，沒有拿多少分，後面考完後準備再把沒寫完的補上