CN111247772A - 通过使用自动确定的拓扑来安装应用控制网络 - Google Patents

Abstract

一种安装应用控制网络的方法，包括使用计算机来确定数据转发设备（81‑87；89）在空间区域（31）中的空间位置、指示应用设备（41‑49，51‑56，61‑68）和数据转发设备（81‑87；89）应该如何通过线缆连接的连接信息以及指示数据转发设备（81‑87；89）应该如何通过线缆互连的互连信息。优选地，空间区域是具有六个办公室（33‑35和38‑39）、一个会议室（37）和一个走廊（36）的楼层（31）。该方法涉及在将多个被加权的标准考虑在内的同时确定应用设备（41‑49，51‑56，61‑68）中的哪个应用设备连接到相同数据转发设备（81‑87；89），标准中的至少一个指定应用设备（41‑49，51‑56，61‑68）在空间区域（31）中的空间位置，并且标准中的至少一个涉及应用设备（41‑49，51‑56，61‑68）的连通度要求。该方法还包括将数据转发设备（81‑87；89）放置在确定的空间位置，以及根据确定的连接和互连信息连接（或互连）数据转发设备（81‑87；89）和应用设备（41‑49，51‑56，61‑68）。所述应用设备（41‑49，51‑56，61‑68）可以包括传感器（例如运动传感器）和致动器（例如灯）。应用控制网络可以是照明控制网络。所述连通度要求可以在类似应用控制规划的交互模型中指定。在示例中，分配算法已经被配置为向每个数据转发设备分配三个或四个应用设备（直到存在少于三个仍然需要被分配的应用设备），来平衡数据转发设备的成本与线缆的成本。优选地，数据转发设备的模型/类型以这样的方式被选择，该方式使得数据转发设备（86和87）比数据转发设备（81‑87；89）具有更多端口。

Description

通过使用自动确定的拓扑来安装应用控制网络

技术领域

本发明涉及一种安装应用控制网络的方法。

本发明还涉及一种用于能够执行这种方法的计算机系统的计算机程序产品。

背景技术

通常，网络是由安装网络的公司或人员手动设计的。这也适用于包括传感器和致动器的应用控制网络。这可能是一个费力的过程，因为最初的设计可能包含需要纠正的错误。此外，结果通常是更多的端口被未被使用地遗留，而非必须的，因为安装者希望顾及网络的未来扩展。

能够处理网络流量变化的通信网络的自动化和设计例如从国际专利申请WO2016/083841 A1和美国专利US6404744 B1中已知。

传感器放置的自动化例如从美国专利申请US2017/0076015 A1中已知，该专利申请公开了一种使用建筑信息模型（BIM）在预定空间中部署传感器的方法和装置。US2017/0076015 A1公开了一种用于自动且有效地将照明传感器部署到建筑模型中的方法。自动传感器部署不需要设计人员参考数据手册和/或遵循放置指南。替代地，指南是内置在工具（例如，软件或设备）中的。通过解决BIM要点内的优化问题来识别传感器放置的最佳位置，该优化问题受到诸如以下约束：1）传感器功能和2）传感器覆盖区域的形状。

网络拓扑的自动生成有助于安装人员安装应用程序控制网络。WO2016/154321A1公开了基于楼层规划描述来自动确定在何处放置传感器。光学组件放置是基于材料账单/成本和检测性能之间的折衷而获得的。然而，WO2016/154321A1没有公开自动确定在何处放置数据转发设备（例如网络交换机），以及如何将传感器连接到数据转发设备。WO2016/154321A1公开了通过计算从所有有线组件到中央面板的距离来估计布线成本，以估计支持面板到组件的通信和供电要求所需的布线量和布线类型，但是这没有提供关于如何创建真实网络拓扑的任何启示。在大多数环境中，将所有有线组件直接连接到中央面板是不现实的。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种安装应用控制网络的方法，该方法允许使用多个数据转发设备，并且不要求手动确定这些数据转发设备的空间位置。

在本发明的第一方面，该方法包括使用计算机来读取指定应用设备的优选空间位置的建筑规划和指定所述应用设备之间的交互的应用控制规划，并通过在将多个被加权的标准考虑在内的同时确定所述应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备，来确定数据转发设备在空间区域中的空间位置、指示应用设备和所述数据转发设备应该如何通过线缆连接的连接信息以及指示所述数据转发设备应该如何通过线缆互连的互连信息，所述标准中的至少一个指定所述应用设备在所述空间区域中的空间位置，并且所述标准中的至少一个涉及所述应用设备的连通度要求，将所述数据转发设备放置在所述数据转发设备的所述确定的空间位置，根据所述确定的连接信息连接所述数据转发设备和所述应用设备，以及根据所述确定的互连信息互连所述数据转发设备。例如，所述应用设备可以包括传感器（例如运动传感器）和致动器（例如灯）。例如，应用控制网络可以是照明控制网络。例如，与所述应用设备的连通度要求相关的所述标准中的至少一个可以指定所述连通度要求。例如，所述连通度要求可以在类似应用控制规划的交互模型中指定。

发明人已经认识到，对于大多数建筑项目，特别是当建造或翻新办公建筑时，要求多个数据转发设备，以便互连应用设备，并且确定这些数据转发设备的空间位置和连接（或互连）信息可以被自动化。这是通过在将前述多个被加权的标准考虑在内的同时确定应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备来实现的。

当确定所述应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备时，可以将与所述空间区域相关的建筑结构的方面考虑在内，诸如由用于网络放置和/或路由的建筑架构导致的约束或建筑特征。通过将这些建筑学方面考虑在内，可以通过例如减少线缆需要穿过的墙壁（尤其是穿过成本高的墙壁）的数量来降低应用控制网络的成本。

所述标准中的一个或多个标准可以影响资本支出（Capex），和/或所述标准中的一个或多个标准可以影响运营支出（Opex）。这有助于降低应用控制网络的成本。

影响运营支出的所述一个或多个标准中的一个或多个可以表示应用设备可能传送数据的时间段。当连接到某个数据转发设备的所有应用设备仅在相同的有限时间段（例如，在工作时间期间）内传送数据时，该数据转发设备可以在该有限时间段期间被置于睡眠模式，从而节省（能量）成本。

影响资本支出的所述一个或多个标准中的一个或多个可以影响所述数据转发设备的成本和/或连接所述应用设备和所述数据转发设备的成本。例如，这可以包括购买、租赁或租用数据转发设备、线缆和安装线缆的成本。这些成本显著增加了应用控制网络的成本。

该方法还可以包括使用所述计算机来确定第一组数据转发设备之间的第一互连的图，分析所述图，并基于所述分析将至少一个另外的互连添加到所述第一互连。这有助于提高应用控制网络的鲁棒性。

该方法还可以包括向所述组数据转发设备添加至少一个另外的数据转发设备。添加数据转发设备有时可能是有益的，例如，当鲁棒性可以进一步增加并且该益处超过附加的数据转发设备的成本时。

分析所述图可以包括确定如何改进所述图的代数连通度的度量。代数连通度是网络鲁棒性的一个很好的度量。

分析所述图可以包括确定所述图的费德勒（Fiedler）向量，所述费德勒向量包括所述数据转发设备中的每一个数据转发设备的值，并且基于所述费德勒向量中的所述值之间的差（例如平方差）确定所述图中表示的哪些数据转发设备应该被连接以改进所述图的所述代数连通度的所述度量。这是一种确定要连接哪些数据转发设备以优化地提高网络的鲁棒性的在计算上简单的方式。确定所述图中表示的哪些数据转发设备应该被连接可以包括确定对于所述数据转发设备中的哪两个来说，所述费德勒向量中的对应值的差（例如平方差）最大。

确定所述图中表示的哪些数据转发设备应该被连接以改进所述图的所述代数连通度的所述度量可以包括确定哪些数据转发设备具有至少一个可用的网络端口，以及确定对于所述确定的数据转发设备中的哪两个来说，所述费德勒向量中的对应值的平方差最大。这是一种确定要连接哪些数据转发设备以优化地提高网络的鲁棒性的在计算上简单的方式。可替代地，没有可用网络端口的数据转发设备可能不会被排除，并且如果选择了没有可用网络端口的数据转发设备，则可以添加另外的数据转发设备，或者可以向所选择的数据转发设备分配较少的应用设备。

该方法还可以包括如下计算机实现的步骤：通过基于应用控制规划仿真或模拟所述应用控制网络来验证所述数据转发设备的所述空间位置、所述连接信息和所述互连信息。这允许使用标准中未捕获和/或不可捕获的附加信息来证实自动设计的拓扑。如果需要的话，计算机的用户可以随后请求计算机自动创建新拓扑，优选地具有适配的输入的新拓扑。

该方法还可以包括如下计算机实现的步骤：比较第一网络拓扑和第二网络拓扑，并分析所述第一网络拓扑和所述第二网络拓扑之间的差异，所述第一网络拓扑包括所述数据转发设备的所述空间位置、所述连接信息和所述互连信息。例如，该分析可以呈现给计算机的用户，从而允许用户容易地检查两个拓扑之间的最重要的差异，并且如果需要的话，请求计算机自动创建新拓扑，优选地具有适配的输入的新拓扑。

当确定所述应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备时，也可以将所述应用设备中的哪个应用设备与所述应用设备中的哪一个或哪多个其他应用设备通信考虑在内。当彼此通信的应用设备可以连接到相同数据转发设备时，这可以减少网络负载。

此外，提供了一种用于执行本文描述的方法的计算机程序，以及一种存储该计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质。计算机程序可以例如由现有设备下载或上传到现有设备，或者在制造这些系统时被存储。

一种非暂时性计算机可读存储介质存储至少一个软件代码部分，当该软件代码部分由计算机执行或处理时，该软件代码部分被配置成执行可执行操作，包括：通过在将多个被加权的标准考虑在内的同时确定所述应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备，来确定数据转发设备在空间区域中的空间位置、指示应用设备和所述数据转发设备应该如何通过线缆连接的连接信息以及指示所述数据转发设备应该如何通过线缆互连的互连信息，所述标准中的至少一个指定所述应用设备在所述空间区域中的空间位置，并且所述标准中的至少一个涉及所述应用设备的连通度要求。

体现在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何适当的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光纤、线缆、RF等或前述的任何合适的组合。用于执行本发明的各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写，包括面向对象的编程语言（诸如Java（TM）、Smalltalk、C++等）以及常规的过程编程语言（诸如“C”编程语言或类似的编程语言）。程序代码可以完全在用户的计算机上执行，部分在用户的计算机上执行，作为独立的软件包执行，部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情景下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），或者可以连接到外部计算机（例如，通过使用因特网服务提供商的因特网）。

下面参考根据本发明实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个块以及流程图和/或框图中的块的组合，可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给处理器，特别是通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的微处理器或中央处理单元（CPU），以产生机器，使得经由计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个块中指定的功能/动作的构件。

这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，其可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式起作用，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图和/或框图的一个或多个块中指定的功能/动作的指令的制品。

计算机程序指令也可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以致使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行，以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的一个或多个块中指定的功能/动作的过程。

附图中的流程图和框图说明了根据本发明各种实施例的设备、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个块可以表示代码的模块、段或部分，代码包括用于实现（多个）指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意的是，在一些替代实施方式中，块中标注的功能可以以不同于附图中标注的顺序发生。例如，依据所涉及的功能，连续示出的两个块实际上可以基本上同时执行，或者这些块有时可以以相反的顺序执行。还将注意到，框图和/或流程图的每个块以及框图和/或流程图中的块的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统来实现，或者由专用硬件和计算机指令的组合来实现。

附图说明

参考附图，通过示例的方式，本发明的这些和其他方面是显而易见的并将被进一步阐明，其中：

图1是本发明方法的实施例的流程图；

图2是示例应用控制网络的框图；

图3示出了建筑的楼层规划和应用设备的位置的示例；

图4描绘了用于将图3的应用设备分配给数据转发设备的搜索顺序；

图5示出了数据转发设备以及图3的应用设备向这些数据转发设备的分配；

图6示出了图5的数据转发设备之间的星形拓扑中的六个所选择的互连；

图7示出了图6的数据转发设备和互连的图；

图8示出了图5的数据转发设备之间的环形拓扑中的六个所选择的互连；

图9示出了图8的数据转发设备和互连的图；

图10是图1的步骤之一的实施例的流程图；

图11在图中示出了环形拓扑中的六个所选择的互连以及图5的数据转发设备之间的三个潜在互连；

图12是图10的步骤之一的实施例的流程图；

图13是图12的步骤之一的实施例的流程图；

图14示出了图11的六个所选择的互连以及对图11的潜在互连中的一个的选择；

图15示出了图14的数据转发设备和互连的图；

图16示出了图14的七个所选择的互连加上一个附加互连；

图17示出了图16的数据转发设备和互连的图；

图18示出了图3的楼层规划和应用设备，但是其中不允许通过墙壁之一进行连接；

图19示出了将图18的墙壁考虑在内的图18的应用设备和数据转发设备之间的互连；和

图20是用于使得能够执行本发明的方法的示例性数据处理系统的框图。

附图中的对应元件由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了本发明方法的一实施例。步骤1包括使用计算机来确定数据转发设备（例如，交换机）在空间区域中的空间位置、指示应用设备（例如，传感器和致动器）和数据转发设备应该如何通过线缆连接的连接信息（这些连接也被称为“端链路”）以及指示数据转发设备应该如何通过线缆互连的互连信息（这些互连也被称为“互链路”）。该确定是通过在将多个被加权的标准考虑在内的同时确定应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备来进行的，标准中的至少一个指定应用设备在空间区域中的空间位置，并且标准中的至少一个与应用设备的连通度要求相关。

步骤3包括将数据转发设备放置在数据转发设备的确定的空间位置。步骤5包括根据确定的连接信息连接数据转发设备和应用设备。步骤7包括根据确定的互连信息互连数据转发设备。例如，计算机可以是个人计算机、膝上型计算机、工业手持计算机、平板电脑、工作站、服务器或单板计算机（诸如树莓派（Raspberry Pi））。

在图1的实施例中，步骤1包括六个子步骤：步骤11至16。步骤11包括读取建筑规划和应用控制规划。分析建筑规划以收集定义空间的坐标，优选地每层。除了建筑的几何形状之外，建筑规划还提供了关于传感器和致动器的数量及其优选位置或其粗略估计的信息。计算机还读取描述优选应用场景的基本应用控制规划，来自传感器的什么消息将导致一个或多个致动器改变状态。作为一示例，致动器可以是随特定传感器事件而打开/关闭/调光的灯。

步骤12包括确定数据转发设备的空间位置的初始版本，指示应用设备和数据转发设备应该如何通过线缆连接的连接信息，以及指示数据转发设备应该如何通过线缆互连的互连信息。数据转发设备被放置，并连接到应用设备，且基于平衡的权重标准彼此连接。为每个数据转发设备选择最佳空间位置。数据转发设备的位置可能取决于被平衡的冲突的标准，诸如设备成本、端口数量、突破成本、附近线缆托盘的位置等。数据转发设备端口最好填充有应用设备和其他数据转发设备。由于网络设计对整个安装具有完整的概述，因此可以优化数据转发设备上的端口使用。创建数据转发设备之间的最佳互连以及应用设备和数据转发设备之间的最佳连接，来覆盖多种要求，例如线缆成本、安装者的按时收费、附近的线缆托盘、破墙成本等。

步骤13包括在数据转发设备之间添加冗余互连以提高鲁棒性的可选但有利的步骤。诸如例如根据费德勒的代数连通度优化（ACO）的图算法被应用于增加网络的冗余。通过添加用于冗余的附加的线缆和（可选的）数据转发设备，来防止单个线缆的故障或破坏将导致丧失对应用控制网络（例如照明控制设施）的部分的控制。

步骤14包括在数据转发设备之间添加旁路互连以优化特定于应用的要求（例如降低功耗）的可选但有利的步骤。通过添加附加的线缆和（可选的）数据转发设备，来创建更多的替代通信路径。这将防止网络拓扑的某些部分总是开启的并且不能进入（较）低功率状态。尽管图1示出了在步骤13之后执行步骤14，但是在替代实施例中，步骤13和14可以并行执行，或者步骤13可以在步骤14之后执行。

步骤15包括用真实的数据流量验证所得拓扑的可选但有利的步骤。计算机检查应用控制规划是否可以执行，并且可以比较自动生成的网络拓扑和替代设计之间的关键性能参数。

可以重复上述步骤12-15，直到获得满意的结果，这可以使用网络属性的阈值或计算的度量来定义。

步骤16包括输出自动生成的网络拓扑，即数据转发设备的位置、连接信息和互连信息。计算机可以将拓扑绘制为建筑规划、示意性系统图上的覆盖或者绘制为列表和规划。计算机还可以针对材料账单、报价等生成信息。

图2示出了安装的应用控制网络的示例。应用设备25-29经由网络线缆连接到数据转发设备22-24。应用设备25-29包括一个或多个传感器设备（例如检测热量和/或运动的设备）以及一个或多个致动器设备（例如灯）。控制系统21经由网络线缆连接到数据转发设备23。例如，控制系统21可以包括运行在计算机上的控制软件（即，可以是软件定义的）。控制系统21读取应用控制规划，并使用其中规定的应用场景来动态配置应用设备之间的通信路径。例如，数据转发设备22可以被配置为将其从应用设备25接收的数据转发到应用设备29。应用设备25-29可以从数据转发设备22-25接收电力，例如使用以太网供电（PoE）技术。可替代地，应用设备25-29中的一个或多个可以从不同的能源（未示出）接收电力。

图3示出了代表性办公室的建筑规划的示例，在下面的描述中，假设在步骤11中读取该示例。该示例建筑规划为标准办公室的建筑规划，但也可以使用其他类型的办公室的建筑规划。图3的建筑规划描绘了具有六个办公室33-35和38-39、一个会议室37和一个走廊36的楼层31。图3的建筑规划还描绘了应用设备41-68，诸如致动器（例如灯）和/或传感器（例如被动红外/PIR存在检测器）。在图3中，空间（即房间和走廊）具有不同的应用场景。办公室33-35和37-38具有对灯的自动调光控制，其将关闭灯或将把它们调光到较低的强度。办公室33-35和37-38是人们将经常走进和走出的空间，致使传感器对光水平进行调光并在特定的空间中无活动一段时间后关闭灯。走廊36一直亮着，根本不关闭。会议室37不经常使用，大部分时间光水平都是关闭的。

在步骤12中，应用设备41-68被分配给数据转发设备，并且确定数据转发设备的位置以及将这些数据转发设备与应用设备41-68链接并互连这些数据转发设备的线缆的位置。如前所述，该确定是在将多个被加权的标准考虑在内的同时做出的，并且标准中的至少一个涉及应用设备在空间区域中的空间位置，并且标准中的至少一个涉及应用设备的连通度要求。涉及应用设备的连通度要求的一个或多个标准可以使用指定应用设备中的哪个应用设备与应用设备中的哪一个或哪多个其他应用设备通信的信息，使得这些应用设备优选地被分配给相同的数据转发设备。

以下是在确定应用设备中的哪些应用设备要连接到相同数据转发设备以及哪些数据转发设备要互连时可以被考虑的其他标准的示例：

-涉及空间区域（中的物理结构）的建筑学方面的一个或多个标准；

-影响资本支出的一个或多个标准；和

-影响运营支出的一个或多个标准。

影响应用网络的资本支出的一个标准是连接应用设备和数据转发设备以及互连数据转发设备的成本。较短的线缆可以节省成本，但最小化线缆长度可能导致降低功耗减少量或使得不可能减少功耗的连接（或互连）。此外，应该将通过墙壁在设备之间建立有线连接的成本考虑在内，因为添加一个或多个附加数据转发设备和/或一个或多个附加线缆可能比建立通过特定墙壁的有线连接更便宜。影响应用网络的资本支出的另一个标准因素是数据转发设备的成本。数据转发设备的成本取决于要安装的数据转发设备的数量，还取决于数据转发设备上的端口数量。例如，其他标准可以是数据转发设备的安装成本，其中可以将用于提供到主电网的连接的预算和将数据转发设备安装就位的时间考虑在内。

影响应用网络的运营支出的一个标准由应用设备可能传送数据的时间段来表示。该标准影响数据转发设备消耗的电能成本。当没有一个连接到数据转发设备的应用设备处于活动状态时，数据转发设备可以进入低功率状态，或者甚至完全关闭。一旦至少一个应用设备要求来自数据转发设备的电力或者需要经由该数据转发设备发送或接收数据，该数据转发设备就不能进入低功率状态。基于指定应用设备可能在哪个时间段传送数据的信息来确定时间段。在该实施例中，该信息从应用控制规划中取得。时间段可能很粗略，如同是每天12小时或每天24小时之间的一选择以便更容易估计成本或者是另一时间段。

当将应用设备分配给数据转发设备时，优选将这些时间段考虑在内。如果数据转发设备可以切换到低功率模式，则这是特别有利的，但是数据转发设备的各个端口不能切换到低功率模式。由于走廊36需要持续照明（全天和每天），将走廊中的灯（例如应用设备51-56）与办公室33-36中的应用设备一起分配给数据转发设备将意味着所有这些数据转发设备不能切换到低功率模式，即使连接的应用设备中的大多数在晚上和周末不使用。因此，仅将走廊36中的应用设备51-56分配给相同的数据转发设备是有益的。

优化算法可以用于使用被加权的标准来确定哪个应用设备要连接到哪个数据转发设备。可以使用相同的标准或（部分）不同的标准来确定哪些数据转发设备要互连。例如，可以为多个可能的拓扑设计中的每一个计算值。例如，参数可以与每个标准的权重相乘，并且该值可以被计算为这些乘积的总和。局部搜索或全局搜索算法可以用作优化算法，例如，以找到局部最小值或全局最小值。

例如，当使用局部搜索算法时，应用设备可以被逐一地并按照每个数据转发设备地分配给数据转发设备。在这种情况下，可以为每个应用设备确定如果该应用设备连接到当前数据转发设备的话该值将增加多少。以下是可以乘以权重的参数的示例：

·当前数据转发设备到被评估的应用设备的空间距离

·将当前数据转发设备连接到被评估的应用设备所必须经过的墙的数量

·如果应用设备具有两个不同操作时间（例如12小时、24小时）中的一个：链接被评估的应用设备的当前数据转发设备的操作时间的所需改变。

将已经被分配给当前数据转发设备的应用设备考虑在内，需要针对每个候选应用设备评估这三个乘积的加权和，并且将具有最低值的候选应用设备分配给当前数据转发设备。在当前数据转发设备上的最大数量端口被占用时，应用设备到数据转发设备的分配被接受，并且当前数据转发设备的位置被确定为被分配的应用设备的平均位置。通过限制加权和（每个应用设备或每个数据转发设备）的可接受值，以及通过在加权和超过该限制时允许数据转发设备的一个端口不被占用，可能增强该过程。这导致更少的群集碎片。

可以在不应用上述标准的情况下，而是通过以建筑边缘处的应用设备开始，以避免不规则/分段的群集，来将第一应用设备分配给第一数据转发设备。下一个数据转发设备的第一应用设备可以例如基于候选（即未分配的）应用设备到先前数据转发和到外部墙壁的距离来选择（以避免混乱的搜索路径），但是也可以将其他标准考虑在内。例如，可以预先定义对某个搜索方向（例如，顺时针或逆时针）的偏好，或者可以基于建筑的形状来确定。

上述过程已经使得可能对小楼层规划实现相当合理的低级群集。这一过程的稳定性可以通过以下方式来提高：通过使用全局优化方案（如模拟退火）以找到被加权的标准的最佳值，以及通过显式并入抑制不需要的拓扑结构（例如具有碎片群集的拓扑结构）的约束。在这种情况下，与外部墙壁的距离可以作为标准并入，以避免混乱的搜索路径。

图4示出了应用设备41-68按照箭头71-77所示的顺序被分配给数据转发设备。首先，办公室33中的应用设备41-43被分配给数据转发设备，然后办公室34中的应用设备44-46被分配给数据转发设备，等等。如上所述，可以替代地使用不同于图4所示的顺序。一个示例是将初始应用控制规划中规定的属于相同或相似应用控制场景的所有应用设备分组到相同数据转发设备。这意味着基于被认为更重要的相同的被加权的标准进行分组。作为一示例，“总是开启”的应用设备可以被分配给一个数据转发设备，而不总是开启的应用设备可以被分配给另一个数据转发设备，等等。

图5示出了将应用设备41-68分配给数据转发设备（即端链路）的示例。互连数据转发设备的一种方式是星形（状）拓扑。因此，在星形中心的数据转发设备需要比不在星形中心的数据转发设备更多的端口来连接到其他数据转发设备。在图5的示例中，分配算法已经被配置为向每个数据转发设备分配三个或四个应用设备（直到存在少于三个应用设备仍然需要被分配），以平衡数据转发设备的成本和线缆的成本。优选地，以使得数据转发设备86和87比数据转发设备81-85具有更多端口的方式选择数据转发设备的型号/类型。

在具有23个应用设备并且每个数据转发设备分配三至四个应用设备的情况下，六个数据转发设备可能已经足够了。然而，通过仅将走廊36中的应用设备（即应用设备51-56）分配给相同数据转发设备（即数据转发设备86-87），七个数据转发设备是必要的。在这种情况下，由所带来的功耗降低节省的成本超过了附加的数据转发设备的成本。图6示出了星形状拓扑中连接的数据转发设备81至87，即互链路。

步骤13旨在提高应用控制网络的鲁棒性，并且步骤14也可以提高应用控制网络的鲁棒性。如果两个数据转发设备之间的连接（例如连接器或线缆）被损坏，并且需要有人来紧急修复该连接，则这可能导致应用控制网络的成本显著增加。因此，确保应用控制网络对数据转发设备之间的损坏连接具有鲁棒性是有益的。确定数据转发设备之间的互连的鲁棒性的一种方法是将它们表示在一个图中，并确定该图的代数连通度。图7示出了针对图6的数据转发设备之间的互连而制作的图。

图的代数连通度（也称为费德勒值或费德勒特征值）是该图的拉普拉斯矩阵的第二最小特征值。拉普拉斯矩阵（L）被定义为：L = D–A，其中D是度矩阵，A是图的邻接矩阵（第一列和第一行与数据转发设备81相关，第二列和第二行与数据转发设备82相关，等等）。图7所示的图的拉普拉斯矩阵为：

矩阵特征值的计算是众所周知的。这个图的代数连通度是0.2679。费德勒向量（即对应于费德勒特征值的特征向量）是[-0.6280，0，0，0，-0.6280，-0.4597，0]。

通过使用环形拓扑来代替星形（状）拓扑，可以提高代数连通度，从而提高应用控制网络的鲁棒性。图8示出了在类似于未完成环的拓扑中的图5的数据转发设备之间的互连。在图8中使用的数据转发设备之间的互连的数量与图6相同。尽管图6的网络的代数连通度高于图8的网络的代数连通度，但是向图8的网络添加附加互连（即创建环）比向图6的网络添加附加互连导致更高的代数连通度。图9示出了为图8的数据转发设备之间的互连而制作的图。图9所示的图的拉普拉斯矩阵是：

这个图的代数连通度是0.1981。费德勒向量是[-0.5211，-0.4179，0，0.2319，0.4179，0.5211，-0.2319]。

在步骤12中确定输出位置和连接（或互连）信息的初始版本之后，执行步骤13，步骤12产生了图8的拓扑。如图10所示，步骤13包括确定第一组数据转发设备之间的第一互连的图的步骤101，如前所述，以及分析该图的步骤103。步骤13还包括基于该分析将至少一个另外的互连添加到第一互连的步骤105，例如通过增加图的代数连通度（以便提高应用控制网络的鲁棒性）。在图8的应用控制网络中，这意味着创建一个环。

将数据转发设备之间的附加互连添加到图8的应用控制网络存在若干种可能性。图11中描绘了这些可能性中的三种：互连数据转发设备86和81、互连数据转发设备86和82以及互连数据转发设备86和87。为了从这些可能性中进行选择，步骤103包括确定图的费德勒向量的子步骤121，费德勒向量包括数据转发设备中的每一个的值，以及基于费德勒向量中的值之间的差（例如平方差）图中表示的哪些数据转发设备应该被连接的子步骤123，参见图12。

如果两个数据转发设备中的至少一个没有可用的空闲端口，则存在两个在这两个数据转发设备之间添加互链路的选项：作为第一个选项，该算法释放所选择的数据转发设备上的一个端口以供新链路使用，并且该算法重复将应用设备分配给数据转发设备的初始步骤。作为第二个选项，应用设备到数据转发设备的分配保持不变，环在两个现有数据转发设备之间打开，其中一个现有数据转发设备被选择用于形成理想的附加互链路，附加的新数据转发设备被安装在两个现有数据转发设备之间，并且新数据转发设备将互链路连接到网络中重复类似活动的另一点。第一个选项对于新规划的网络是最佳的，第二个选项对于在数据转发设备上没有空闲端口的现有网络是最佳的，其中应该避免费力的重新安装线缆。该算法可能有助于找到理想的解决方案。

参见图13，步骤123包括确定哪些数据转发设备具有至少一个可用网络端口的子步骤131，以及确定对于所确定的数据转发设备中的哪两个来说费德勒向量中对应值的平方差最大的子步骤133

图9所示的图的费德勒向量是[-0.5211，-0.4179，0，0.2319，0.4179，0.5211，-0.2319]。在图8的应用控制网络中，所有数据转发设备具有至少一个可用的网络端口。最大的平方差在-0.5211（数据转发设备81）和+0.5211（数据转发设备86）之间。因此，在所有可能性中，互连数据转发设备81和数据转发设备86应该导致代数连通度/鲁棒性的最大增加。这种互连已被添加到图14所示的应用控制网络中。图15示出了为图14的数据转发设备之间的互连而制作的图。图15所示的图的拉普拉斯矩阵是：

这个图的代数连通度是0.7530。费德勒向量是[0.5345，0.3282，-0.4844，-0.4787，-0.1126，0.3383，-0.1253]。如果应该添加第二附加互连，则互连数据转发设备81和数据转发设备83导致代数连通度/鲁棒性的最大增加，因为0.5345和-0.4844之间的平方差是最大的平方差（并且两者都具有至少一个可用的网络端口）。Dong Xue等人在“近最优网络拓扑设计的分布式策略（A Distributed Strategy for Near-Optimal Network TopologyDesign）”（网络与系统数学理论国际研讨会（International Symposium on MathematicalTheory of Networks and Systems），7-14，出版于2014年）中公开了最大平方差导致代数连通度/鲁棒性的最大增加，参见第三章的公式（5）。

如果数据转发设备83没有可用的网络端口，则互连数据转发设备81和数据转发设备84将导致代数连通度/鲁棒性的最大增加。如果数据转发设备中的一些或全部不具有可用于附加互连的网络端口，则可以为数据转发设备中的一个或多个选择具有更多个端口的数据转发设备的型号/类型，或者添加附加的数据转发设备。在后一种情况下，应该重复步骤12（图1中未示出）。

更鲁棒的应用控制网络通常应该导致更低的维护成本，因为不太经常需要紧急维护。因此，当确定的代数连通度较高时，修复应用控制网络的成本被估计为较低。确定的代数连通度可以被转换成成本估计，以便将其与其他成本进行比较，例如附加的连接和数据转发设备的成本。例如，低于0.75的代数连通度可能将维护应用控制网络的成本增加一定的量。该算法可以识别一个或多个候选互链路。基于附加标准，可以做出最佳选择。费德勒算法与加权链路一起应用。例如，破墙成本与绕所述墙路由线缆的线缆成本或不同的Opex和/或Capex标准。代替通过增加代数连通度来改进应用控制网络的鲁棒性，可以应用其他算法来通过增加互连的数量来具体地增加节点连通度或边连通度，尤其是如果应用控制网络的初始版本似乎远非最佳的话。以这种方式，可以具体解决关于数据转发设备故障或关于链路/线缆故障的鲁棒性。节点连通度ν（G）表示为使剩余节点彼此断开（即创建两个分离的网络）所需要移除的最小节点数（在这种情况下为应用设备）。边连通度η（G）表示为使节点彼此断开所需要移除的最小边数量（在这种情况下为线缆/互连）。

在步骤14中，数据转发设备之间的一个或多个另外的连接被包括在连接信息中，以便针对特定于应用的要求进行优化。在一般情况下，这是通过对对应的链路应用一定的权重并增加加权图的代数连通度来实现的。例如：分析另外的连接，以便降低数据转发设备消耗的电能成本，如果这降低应用控制网络的成本的话。这一步骤增加了旁路选项，以避免在某些状况下的长路径，这将要求许多数据转发设备必须保持在通电状态下，以将消息从传感器传递到控制器再到致动器。这在图16中图示，其中应用设备应用与先前关于图3描述的不同的通电标准。在图16的应用控制网络中，添加了数据转发设备86和数据转发设备87之间的互连。例如，当连接到数据转发设备86的应用设备需要与连接到数据转发设备87的应用设备通信时，这是有益的。例如，图3的应用设备56可以是光传感器，并且应用设备51可以是根据该光传感器的输出来打开和关闭的光源，而不是作为总是打开的光源的应用设备51，这导致走廊36中的应用设备51-56被分配给图5中的专用数据转发设备。可选地，在步骤14中也可以添加另外的数据转发设备。

通过互连数据转发设备86和数据转发设备87，所有数据转发设备81-85可以在晚上和周末切换到低功率状态。因此，添加这种互连是有利的，即使它不增加非加权图的代数连通度，即应用控制网络的鲁棒性。然而，在其他情况下，添加互连以降低功耗可以同时增加非加权图的代数连通度，即应用控制网络的鲁棒性。图17示出了为图16的数据转发设备之间的互连制作的图。图17所示的图的拉普拉斯矩阵是：

这个图的代数连通度是0.7530。费德勒向量是[-0.4816，-0.4816，0.3333，0.5345，0.3333，-0.1189，-0.1189]。

在步骤15中，验证设计。步骤15包括通过基于应用控制规划对应用控制网络进行仿真或模拟来验证数据转发设备的空间位置、连接信息和互连信息的计算机实现的步骤。应用控制规划规定了应用设备之间的交互。例如，所得到的一个或多个网络拓扑可以被输入到诸如Mininet的网络仿真器中。Mininet的网络拓扑通常是在Miniedit中手动绘制的。在这种情况下，网络拓扑（即数据转发设备的输出位置和连接信息）已经在步骤12至14中自动生成。步骤15可以包括以Mininet可以读取的格式导出自动生成的网络拓扑。

在Mininet中，可以启动生成流量的普通计算机程序，以便学习网络拓扑的行为。与仿真器不同，Mininet没有很强的虚拟时间概念。这意味着计时测量将基于实时，并且比实时更快的结果不容易被仿真。如果控制系统21是软件定义的，则该控制系统21可以用于通过使控制系统21使用测试场景执行应用控制规划来为Mininet生成流量。可以选择每个应用设备，并且可以为测试场景设置特定的值。

然后可以证实仿真的应用控制网络的行为，包括验证对于应用控制规划中的每个应用控制场景是否总是及时存在网络路径。步骤15可以涉及分析Mininet生成的输出，并且如果需要，则或者自动适配网络拓扑，或者提供反馈以允许某人手动适配网络拓扑。如果需要，则步骤12可以在步骤15之后再次执行。分析Mininet生成的输出可以包括以任何组合来估计数据转发设备和/或端节点和/或控制系统消耗的功率，以便降低应用网络的总功耗。

步骤15还可以包括将图5和16的自动生成的网络拓扑与第二（例如手动创建的）网络拓扑进行比较并分析自动生成的网络拓扑和第二网络拓扑之间的差异的计算机实现的步骤。这可能涉及检查自动生成的网络拓扑和替代设计之间的差异，诸如成本差异。这些成本差异可以包括例如总成本、组件数量、估计安装时间（由例如铺设线缆、将连接器连接到线缆、将数据转发设备固定到天花板或柜中、破墙、安装线缆托盘等分摊）和/或预期的能量使用。由于直接使用应用控制规划，因此可以相对准确地估计这些成本差异。在步骤12中，应用控制规划没有被直接用来确定要考虑的成本。替代地，在步骤12中使用从应用控制规划取得的通用信息，诸如应用设备是否需要每天运行12小时或24小时和/或应用设备需要运行的日期。

如果自动生成的网络拓扑被接受，即如果步骤12不需要重复，则连接信息以人类可读的形式被输出，以允许安装者在步骤3将数据转发设备放置在输出位置、在步骤5根据连接信息连接连接的数据转发设备和应用设备并且在步骤7根据互连信息互连数据转发设备。为了配置可编程网络基础设施，诸如SDN网络，可以以机器可读的形式输出连接信息的一部分，以馈送网络拓扑中配置细节的自动设置。作为一示例，可以阻塞数据转发设备上规划为将来使用的未使用端口以防止误用，可以设置流量预算，可以基于预期的连通度对某些时段的优选的数据路由进行编程，等等。

图18和19图示了通过墙壁在设备之间建立有线连接的成本可以如何影响自动生成的网络拓扑。图18示出了图3的应用设备41-68。应用设备中的一些已经被分配给与图5不同的数据转发设备。在图5所描绘的楼层上，线缆托盘允许经由线缆托盘通过所有内壁建立有线连接，而没有太多的附加成本。在图18所描绘的楼层上，通过墙壁91在办公室34和35之间建立有线连接的成本很高，例如因为墙壁是由玻璃制成的，并且在不经由走廊36建立有线连接的情况下无法避开墙壁。

在图18所描绘的应用控制网络中，附加的数据转发设备89位于办公室35中。尽管这意味着购买、租用或租赁数据转发设备的成本增加，但至少在这种情况下，这比在一侧的应用设备48和49与另一侧的数据转发设备82之间建立有线连接更便宜。类似于在图14的网络拓扑中，环形拓扑用于互连图19中的数据转发设备81-87和89。在数据转发设备之间添加了附加的互连，以增加应用控制网络的鲁棒性。

由于墙19的存在，数据转发设备82和89之间的线缆必须比没有该墙时长，如图19所示。因此，线缆的长度可能取决于存在的墙壁的数量和类型。在步骤13中，通过对邻接矩阵（A）应用加权矩阵，可以将数据转发设备之间的线缆长度考虑在内。因此，步骤13将涉及增加加权图的代数连通度。例如，加权矩阵通常可以反映线缆长度或互连的成本。图19中描绘的拓扑是将这种加权矩阵应用于邻接矩阵的结果。

图20描绘了图示可以执行参考图1、10、12和13描述的方法的步骤1的示例性数据处理系统的框图。

如图20所示，数据处理系统300可以包括通过系统总线306耦合到存储器元件304的至少一个处理器302。这样，数据处理系统可以在存储器元件304中存储程序代码。此外，处理器302可以执行经由系统总线306从存储器元件304访问的程序代码。在一个方面，数据处理系统可以被实现为适于存储和/或执行程序代码的计算机。然而，应当理解，数据处理系统300可以以包括能够执行本说明书中描述的功能的处理器和存储器的任何系统的形式实现。

存储器元件304可以包括一个或多个物理存储器设备，诸如例如本地存储器308和一个或多个大容量存储设备310。本地存储器可以指在程序代码的实际执行期间通常使用的随机存取存储器或（多个）其他非永久存储器设备。大容量存储设备可以被实现为硬盘驱动器或其他永久数据存储设备。处理系统300还可以包括一个或多个高速缓冲存储器（未示出），其提供至少一些程序代码的临时存储，以便减少在执行期间必须从大容量存储设备310检索程序代码的次数。

描绘为输入设备312和输出设备314的输入/输出（I/O）设备可选地可以耦合到数据处理系统。输入设备的示例可以包括但不限于键盘、诸如鼠标的定点设备等。输出设备的示例可以包括但不限于监视器或显示器、扬声器等。输入和/或输出设备可以直接或通过中间I/O控制器耦合到数据处理系统。

在一实施例中，输入和输出设备可以被实现为组合的输入/输出设备（在图20中用围绕输入设备312和输出设备314的虚线图示）。这种组合设备的一示例是触敏显示器，有时也称为“触摸屏显示器”或简称为“触摸屏”。在这样的实施例中，对设备的输入可以通过在触摸屏显示器上或附近的物理对象（例如用户的触笔或手指）的移动来提供。

网络适配器316也可以耦合到数据处理系统，以使其能够通过中间的私有或公共网络耦合到其他系统、计算机系统、远程网络设备和/或远程存储设备。网络适配器可以包括用于接收由所述系统、设备和/或网络发送到数据处理系统300的数据的数据接收器，以及用于将数据从数据处理系统300发送到所述系统、设备和/或网络的数据发送器。调制解调器、线缆调制解调器和以太网卡是可以用于数据处理系统300的不同类型的网络适配器的示例。

如图20所示，存储器元件304可以存储应用318。在各种实施例中，应用318可以存储在本地存储器308、一个或多个大容量存储设备310中或者与本地存储器和大容量存储设备分开存储。应当理解，数据处理系统300可以进一步执行操作系统（图20中未示出），该操作系统可以促进应用318的执行。以可执行程序代码的形式实现的应用318可以由数据处理系统300执行，例如由处理器302执行。响应于执行该应用，数据处理系统300可以被配置成执行本文描述的一个或多个操作或方法步骤。

代替使用输入设备312和输出设备314，可以使用网络适配器316来接收输入，并且可以使用网络适配器316来提供输出。例如，数据处理系统300可以是因特网上（例如在云中）的服务器。在这种情况下，应用318可以是存储在因特网上的软件容器，例如存储在云中，而不是存储在存储器元件304中。例如，软件容器可以使用管理程序作为数据处理系统300上的微服务来启动。

本发明的各种实施例可以实现为用于计算机系统的程序产品，其中程序产品的（多个）程序定义实施例的功能（包括本文描述的方法）。在一个实施例中，（多个）程序可以包含在各种非暂时性计算机可读存储介质上，其中，如本文所使用的，表述“非暂时性计算机可读存储介质”包括所有计算机可读介质，唯一的例外是暂时性传播信号。在另一个实施例中，（多个）程序可以包含在各种暂时性计算机可读存储介质上。说明性的计算机可读存储介质包括但不限于：（i）不可写存储介质（例如，计算机内的只读存储器设备，诸如可由CD-ROM驱动器读取的CD-ROM光盘、ROM芯片或任何类型的固态非易失性半导体存储器），信息永久存储在其上；和（ii）可写存储介质（例如，闪存、软盘驱动器内的软盘或硬盘驱动器或任何类型的固态随机存取半导体存储器），在其上存储可变信息。计算机程序可以在本文描述的处理器302上运行。

本文使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”（“a”或“an”）和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指示。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”（“comprise”和/或“comprising”）指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。

以下权利要求中的对应结构、材料、动作以及所有装置或步骤加上功能元件的等同物旨在包括用于与具体要求保护的其他要求保护的元件结合来执行该功能的任何结构、材料或动作。出于说明的目的，已经给出了本发明的实施例的描述，但是并不旨在穷举或限制于所公开的形式的实施方式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述这些实施例是为了最好地解释本发明的原理和一些实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的具有各种修改的各种实施例，这些修改适合于预期的特定用途。

Claims (15)

1.一种安装应用控制网络的方法，包括：

-使用（1）计算机读取指定应用设备的优选空间位置的建筑规划和指定所述应用设备之间的交互的应用控制规划，并通过在将多个被加权的标准考虑在内的同时确定所述应用设备中的哪个应用设备要连接到相同的数据转发设备来确定下列各项，所述标准中的至少一个标准指定所述应用设备在空间区域中的空间位置，并且所述标准中的至少一个标准涉及所述应用设备的连通度要求：

-数据转发设备在所述空间区域中的空间位置，指示所述应用设备和所述数据转发设备应该如何通过线缆连接的连接信息，和

-互连信息，指示所述数据转发设备应该如何通过线缆互连；

-将所述数据转发设备放置（3）在所述数据转发设备的所述确定的空间位置；

-根据所述确定的连接信息来连接（5）所述数据转发设备和所述应用设备；和

-根据所述确定的互连信息来互连（7）所述数据转发设备。

2.如权利要求1所述的方法，其中当确定所述应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备时，还将与所述空间区域相关的建筑结构的方面考虑在内。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述标准中的一个或多个标准影响资本支出和/或所述标准中的一个或多个标准影响运营支出。

4.如权利要求3所述的方法，其中影响运营支出的所述一个或多个标准中的至少一个标准表示应用设备可能传送数据的时间段。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中影响资本支出的所述一个或多个标准中的至少一个标准影响所述数据转发设备的成本和/或连接所述应用设备和所述数据转发设备的成本。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括使用所述计算机来确定（101）第一组数据转发设备之间的第一互连的图，分析（103）所述图，并基于所述分析将至少一个另外的互连添加（105）到所述第一互连。

7.如权利要求6所述的方法，还包括向所述组数据转发设备添加至少一个另外的数据转发设备。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中分析所述图包括确定如何改进所述图的代数连通度的度量。

9.如权利要求8所述的方法，其中分析所述图包括确定（121）所述图的费德勒向量，所述费德勒向量包括所述数据转发设备中的每一个数据转发设备的值，以及基于所述费德勒向量中的所述值之间的差异，确定（123）所述图中表示的哪些数据转发设备应该被连接以改进所述图的所述代数连通度的所述度量。

10.如权利要求9所述的方法，其中确定所述图中表示的哪些数据转发设备应该被连接以改进所述图的所述代数连通度的所述度量包括确定（131）哪些数据转发设备具有至少一个可用的网络端口，以及确定（133）对于所述确定的数据转发设备中的哪两个来说，所述费德勒向量中的对应值的平方差最大。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括通过基于所述应用控制规划仿真或模拟所述应用控制网络来验证（15）所述数据转发设备的所述空间位置、所述连接信息和所述互连信息的计算机实现的步骤。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述应用设备包括传感器和致动器。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括比较（15）第一网络拓扑与第二网络拓扑以及分析所述第一网络拓扑和所述第二网络拓扑之间的差异的计算机实现的步骤，所述第一网络拓扑包括所述数据转发设备的所述空间位置、所述连接信息和所述互连信息。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中当所述应用设备中的哪个应用设备要连接到相同数据转发设备时，还将所述应用设备中的哪个应用设备与所述应用设备中的哪一个或哪多个其他应用设备通信考虑在内。

15.一种计算机程序或计算机程序套件，包括至少一个软件代码部分或存储至少一个软件代码部分的计算机程序产品，当所述软件代码部分在计算机系统上运行时，所述软件代码部分被配置用于使得能够执行权利要求1至14中任一项所述的方法。

Images