CN117882019A - 具有主动管理的冗余连接的自动化网络 - Google Patents

具有主动管理的冗余连接的自动化网络 Download PDF

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Abstract

一种用于支持在至少一个无线电接入网络(130)的无线电覆盖中操作的多个工业自动化设备(120)的控制网络(110)，包括：被配置为执行应用(114)的处理器(111)；至少两个无线网络接口(112)，每个被配置为与上述自动化设备通信；以及流量控制器(113)，被配置为通过使用相应的无线网络接口(112)和无线电接入网络来维持至少两个同时的物理连接(140)以提供从正在执行的应用到自动化设备之一的逻辑连接(143)。控制网络还被配置为重复地适配逻辑连接的物理冗余。在一些实施例中，控制网络被配置为基于测量值确定物理连接之间的独立等级，并且相应地适配冗余。独立等级可以通过比较服务质量相关的量的时间序列来被确定。

Description

具有主动管理的冗余连接的自动化网络
技术领域
本公开涉及工业自动化领域。特别地，它提出了用于管理在适配于支持多个工业自动化设备的控制网络中的冗余连接的方法和设备。
背景技术
低延迟和高可靠性的无线通信将是移动机器人和许多其他工业应用向前发展的关键推动因素。尽管在新兴无线技术(诸如3GPP NR(5G)和更新的Wi-FiTM标准)方面已经做出了巨大的努力，但延迟和可靠性仍然需要改进，特别是在需要高可用性和安全性的情况下。在控制实体和被控制实体之间使用冗余无线链路预计将是提高通信可靠性和减少延迟的有效方法。冗余可以通过使用两个或更多个同时的物理连接来提供实体之间的公共逻辑连接来实现。
提及几个示例，US20200187286公开了一种包括机器人控制器和机器人的系统。这种机器人控制器与特定的机器人是一对一的关系，而不是协调多个机器人的操作。机器人和机器人控制器与连接组件相关联，连接组件用于在机器人和机器人控制器之间实现多个并发无线链路以提供可靠的通信。这些链路与不同的通信网络相关，诸如3GPP LTE或NR和Wi-FiTM。对网络状态进行监测并且评估在机器人与机器人控制器之间的传输故障对机器人操作的敏感程度。基于这些信息，确定应该使用单链路还是多链路进行通信，以及应该使用哪个(些)无线接口。
US20080250162公开了一种过程控制系统，包括控制器和现场设备。为将每个现场设备通信地耦合到控制器而建立的无线通信路径在系统内被自动确定。现场设备可以经由使用不同的通信协议实现的两个或更多个不同的路径与控制器进行通信。选择通信路径来提供最高的传输和信号质量。它是测量和确定适当的通信路径的现场设备。
US20170285622公开了一种用于监测和控制操作资产的系统，例如工业传感器或操作设备。后端系统向资产发送控制指令，并且经由网络边缘设备从资产收集数据。网络边缘设备包括具有多个射频模块的射频协议模块，并且它可以通过多个射频网络同时与后端系统通信。
如果要满足具有挑战性的特定应用的成本限制，则应该适度地应用冗余，并在肯定会增加价值的地方应用冗余。现有的技术在数量和质量方面都有改进的余地：什么时候应该激活冗余？多少冗余是合理的？通过什么方式实现冗余？
发明内容
本公开的一个目的是提供一种控制网络，在该控制网络中在控制应用和自动化设备之间的逻辑连接根据操作条件随着这些变化而被适配。另一个目的是根据现有技术水平基于不需要提供新的传感模式但在大部分未修改的控制网络中可观察到的量来执行这种适配。本公开的另一目的是提供用于与控制网络使用的流量控制器和方法。
通过独立权利要求所限定的本发明，至少实现了其中一些目的。从属权利要求涉及本发明的有利实施例。
在本发明的第一方面，提供了用于支持在至少一个无线电接入网络的无线电覆盖中操作的多个工业自动化设备的控制网络。该控制网络包括处理器，至少两个无线网络接口和流量控制器。处理器被配置为执行一个或多个软件应用。每个无线网络接口被配置为与上述自动化设备通信。流量控制器被配置为通过使用相应的无线网络接口和上述至少一个无线电接入网络，来维持到上述自动化设备中的一个自动化设备的至少两个同时的物理连接，以提供从正在执行的软件应用到自动化设备中的上述一个自动化设备的逻辑连接。控制网络还被配置为重复适配逻辑连接的物理冗余。
因为控制网络重复适配逻辑连接的物理冗余，所以可以确保在每个时间点应用合适的冗余等级。冗余等级可以被量化为为了提供逻辑连接而要维持的物理连接的数目。通过对物理冗余的重复适配，还确保了用于实现冗余的手段是最合适的。例如，如果发现两个物理连接的相应的性能模式在时间上是强相关的，那么它们很可能同时故障，从而不能有效地增加逻辑连接的可靠性。
在本公开中，重复适配物理冗余的行为可以是重复的逐点事件，也可以是连续的过程。逐点适配事件可以包括：获取观测的量的最新值，根据预限定的控制规律或标准对其进行评估，并确定生效的物理冗余是否可以维持不变或需要被调整。冗余适配事件可以周期性地重复或响应于检测预限定的事件；预限定的事件可以与网络的状态或自动化设备的操作有关。重复周期设置的越小，重复适配越接近准连续过程。在本发明的范围内，重复地适配物理冗余可以包括：检测观察的量的变化并配置处理器，使得检测到的变化触发对观察的量的新值的评估。在一些实施例中，上述物理冗余的调整由处理器控制，处理器将配置数据馈送给通信控制器，从而使得流量控制器修改与其维持的物理连接相关的控制参数、添加/移除物理连接或采取其他动作。
在一些实施例中，控制网络被配置为基于测量值来确定同时的物理连接之间的独立等级，并且相应地适配物理冗余。根据优选的任务划分，处理器确定独立等级并且命令流量控制器适配物理冗余。这种任务划分，将新颖的独立性评估本地化到处理器，使得可以部署非专业或不复杂的硬件作为流量控制器。优选的任务划分还避免了授予流量控制器对测量值的访问权的需要，这可能会不必要地损害数据安全性。
在一些实施例中，为了确定独立等级，控制网络可以针对(部分或全部的)相应的同时的物理连接监测服务质量(QoS)、延迟、可靠性、吞吐量、抖动和/或分组丢失率的时间序列，并且通过比较相应的时间序列来确定这些连接的独立等级。这种比较构成了间接的评估过程，该间接的评估过程使得控制网络能够判断使用中的物理连接所产生的冗余。评估过程是间接的，因为它可以在不了解或深入了解支持物理连接的网络基础设施的情况下完成，例如，共享实体的存在可能成为网络拓扑等级上的单点故障或弱点。评估过程的另一个好处是它针对有效的(或已交付)冗余；实际上，即使在详细了解网络基础设施构成的情况下，也可能需要大量专业知识来正确预测基础设施在异常负载或中断下的行为。事实上，这种评估过程使用了面向性能的量(诸如QoS)的事实仍是进一步的好处；这种类型的量可以从普通用户的角度感知，并且通常可以在不迫切需要复杂或侵入性测量设备的情况下感测。
在发明的第二方面，提供了用于在控制网络中使用的流量控制器，控制网络支持在至少一个无线电接入网络的无线电覆盖中操作的多个工业自动化设备。流量控制器具有它可支配的至少两个无线网络接口。它被配置为提供在控制网络中执行的软件应用到自动化设备中的一个自动化设备的逻辑连接。它是通过使用无线网络接口来维持到自动化设备中的上述那个自动化设备的至少两个同时的物理连接。
在第三方面，提供了在控制网络与在至少一个无线电接入网络的无线电覆盖中操作的工业自动化设备之间建立具有物理冗余的逻辑连接的方法。该方法包括：在控制网络和自动化设备之间建立至少两个物理连；使用更高层的通信协议来建立逻辑连接；重复适配逻辑连接的物理冗余。
本发明的第二和第三方面通常地共享第一方面的优点，并且可以实现类似的结果。它们可以用对应的技术自由度来实现。
本发明还涉及一种计算机程序，该程序包含用于使计算机或特别是控制网络执行上述方法的指令。计算机程序可以在数据载体上被存储或被分发。如本文所用，“数据载体”可以是暂态数据载体，诸如调制的电磁波或光波，或非暂态数据载体。非暂态数据载体包括易失性和非易失性存储器，诸如磁性、光学或固态类型的永久和非永久存储介质。这种存储器仍然属于“数据载体”的范畴，可以是固定安装的，也可以是便携式的。
通常地，权利要求书中使用的所有术语都应根据其在技术领域中的通常含义来解释，除非本文另有明确定义。除非另有明确说明，否则所有提及“元件，装置，组件，手段，步骤等”的内容应公开解释为提及元件，装置，组件，手段，步骤等的至少一个实例。除非明确说明，本文公开的任何方法的步骤不必按照所描述的确切顺序执行。
附图说明
现在通过示例的方式，参考附图描述各方面和实施例，其中：
图1是表示控制网络和多个自动化设备的框图；
图2和图3根据两个实施例示出了在控制网络中支持流量拆分和合并的一些功能组件和自动化设备中的一个；
图4图示了在控制网络和自动化设备中的一个之间提供一个逻辑连接的三个物理连接，其中物理连接由两个无线电接入网络支持；
图5包含针对相应的物理连接对而绘制服务质量时间序列的两个图；以及
图六是用于建立具有物理冗余的逻辑连接的方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本公开的各个方面，附图上示出了本发明的某些实施例。然而，这些方面可以以许多不同的形式体现，不应被解释为限制；相反，通过示例的方式提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明的所有方面的范围充分传达给本领域技术人员。在整个描述中，相似的数字指代相似的元素。
图1以框图形式图示了控制网络110和多个工业自动化设备120。如图1所示的是其中一个自动化设备120的组件，可以理解另外的自动化设备120具有对应的结构。在本公开的上下文中，工业自动化设备120可以是，例如固定机器人、移动机器人、栅栏、光幕、照相机、电机、传送带。
控制网络110包括被配置为执行软件应用114的处理器111，软件应用114包括用于控制自动化设备120的控制应用。处理器111还可以被配置为执行一个或多个自动化网络堆栈115。如本文所用，自动化网络堆栈115可以包括用于控制自动化设备120的不同等级操作的协议。
为了与自动化设备120通信，控制网络110还装配有N≥2个无线网络接口112-1，112-2，…，112-N。每个无线网络接口112通过有线或无线链路被连接到无线电接入网络130-1，130-2，…，130-M。应当注意的是，无线电接入网络130可以与网络接口112一样多(M＝N)。备选地，值得注意的是，由于网络接口112不一定同时活动和/或在蜂窝接入网络内使用不同的单元可以实现所期望的冗余，因此无线电接入网络130可以少于网络接口(M<N，如图4所示)。在一些实施例中，控制网络110通过单个无线电接入网络130(M＝1)连接到自动化设备120。
网络接口112由流量控制器113控制和协调。流量控制器113可以根据编码在配置数据CONF中的指令来操作，它从处理器111接收或检索配置数据CONF。处理器111被配置为：针对每个正在执行的应用114限定设定点冗余等级，根据设定点冗余等级确定配置数据CONF，并且将配置数据馈送给流量控制器113。设定点冗余等级可以根据每个正在执行的应用114的重要性或临界性来被限定，其中例如，安全相关的应用可被分派比与非安全相关的应用更高的冗余等级。配置数据CONF可以简单地由设定点冗余等级组成，或者也可以包含附加的隐性或显性要求，流量控制器113应当通过确定或调整路由计划来实现这些要求。
无线电接入网络130在它们可以属于不同的电信技术(诸如蜂窝式和非蜂窝式)的意义上是异构的。此外，无线电接入网络130之间的依赖性通过在不同的频段上工作或具有不同的天线阵列设置(空间分集)、通过由不同的运营商操作、通过不共享(或最少共享)硬件基础设施等而最小化。异构无线电接入网络的可行选择包括但不限于：3G/UMTS、4G/LTE、5G/NR、6G、WiFi3、WiFi4、WiFi5、WiFi6/6E、WiFi7、卫星宽带、可见光通信(VLC或Li-Fi)、超宽带(UWB)等。
控制网络110还包括N个网络监督器116-1，116-2，…，116-N，其功能将在后面的章节中被描述。在所描述的实施例中，网络监督器116-1，116-2，…，116-N与无线网络接口112-1，112-2，…，112-N呈一对一的关系。
值得注意的是，控制网络110可以作为局部物理单元被实现，或者可以是空间分布的连接组件的布置。控制网络110可以作为一个或一组工业站点中的自动化骨干。
转到图1的左侧，可以看到自动化设备120中所示出的一个包括处理器121，该处理器被配置用于执行自动化设备应用124和/或自动化网络堆栈125、多个无线网络接口122-1，122-2，…，122-N和流量控制器123。值得注意的是，无线网络接口122被绘制为具有到无线电接入网络130的无线链路，尽管在固定的自动化设备120的例外情况下也可以想象到有线链路。一般来说，组件121，122，123的功能与控制网络110中的组件111，112，113的功能类似或互补，在此不再重复。虽然自动化设备120具有与示例中的控制网络100相同数目的无线网络接口122，但这不是本发明的必要特征。与自动化设备120中的流量控制器123相比，控制网络110中的流量控制器113可能具有更广泛的职责和权力，其包括关于在正在执行的软件应用114与自动化设备120之间的逻辑连接的当前物理冗余的决策(或该决策的执行)。
现在将参照图4讨论由流量控制器113，123提供的物理和逻辑链路。图中示出了一方面在控制网络110的处理器111上执行的控制应用114与另一方面在自动化设备120的处理器121上执行的自动化设备应用124之间延伸的逻辑连接143。逻辑连接143可以被理解为由多个同时的物理连接140-1，140-2，140-3提供的通信服务的表示，流量控制器113，123借助相应的无线网络接口112-1，112-2，112-3，122-1，122-2，122-3来维持这些同时的物理连接。从执行应用114，124的角度来看，逻辑连接143可以被描述为抽象表示，因为应用不需要知道物理连接140-1，140-2，140-3的数目或性质。这就是说，由应用114，124交换的数据被路由的物理路径是对应用114，124隐藏的一个不重要的因素。
仍参考图4，每个物理连接140包括在控制网络110的无线接口112中的一个到无线电接入网络130之间的控制网络侧链路141和在无线电接入网络130与自动化设备120的无线接口122中的一个之间的自动化设备侧链路142。链路141，142中的每一个链路可以是有线的或无线的。可以理解的是，物理连接140可以包括通过无线电接入网络130的基础设施的段，无线电接入网络130的基础设施包括一个或多个接入点(APs)或无线电基站和/或核心网络组件。如果在任一方使用有线链路141，142，则其连接点可以在核心网(网络骨干)中，要被传输的数据从核心网被传送到相关联的无线电接入网络130。特别是，控制网络110的无线接口112可以通过有线链路(例如，骨干接口)而不是通过无线链路连接到无线电接入网络130中的一个或多个。有线链路的使用可以减少链路141的延迟并提高其可靠性。有线骨干接口可以包括(商业)以太网、时间敏感网络(TSN，参见例如IEEE 802.1Q)、光网络等。
图4图示了在本发明的范围内，对于两对或更多对无线网络接口112-2，122-2和112-3，122-3，使用公共无线电接入网络130-2是可能的。在可能的实施例中，公共无线电接入网络130-2是蜂窝网络，并且同时的物理连接140-2，140-3可以使用网络130-2的不同单元。回想一下，许多蜂窝网络标准允许单个基站(例如3GPP LTE中的eNB)为多个蜂窝提供服务，因此可以限定独立操作的单元，覆盖附近甚至重叠的空间区域。在实践中，以这种方式限定的单元可以足够密集来支持到一个自动化设备120的两个或更多个独立的物理无线电链路。在硬件中断的情况下，为多个单元提供服务的公共基站肯定是潜在的单点故障。然而，由于基站将为每个单元执行基站软件的独立实例(例如，调度)，因此在正常情况下，影响一个单元的运行时故障不会传播到其他单元。因此，逻辑连接143将保持可操作。
如图4还图示，不同的物理连接140-1，140-2可以使用不同的无线电接入网络130-1，130-2。两个不同的无线电接入网络可以在空间上完全重叠，这允许在给定位置的自动化设备120在两者的良好无线电覆盖范围中。
控制网络110重复地适配逻辑连接143的物理冗余。在一些实施例中，有责任在控制网络110中的处理器111上重复适配逻辑连接143的物理冗余。与物理冗余适配相关的决策结果可以被传达给流量控制器113。例如，处理器110可以根据需要经常更新配置CONF。类似的或互补的操作可以由自动化设备120的处理器121和流量控制器123执行。从上面的讨论可以清楚地看出，组成逻辑连接143的物理连接140的当前数目和选择类型构成了影响物理冗余等级的可变因素。图2和图3示出了流量控制器113，123可能的内部工作原理，并且将图示它们开放配置的操作的一些方面。
图2涉及实施例，其中流量控制器113，123通过帧复制和可靠性消除(FRER，参见IEEE 802.1CB)、IP通道和时间敏感网络(TSN)交换机的组合实现。例如，当自动化装置120是移动机器人时，该实施例是合适的。例如，控制网络110中的流量控制器113可以是具有FRER能力的非专业网络交换机。蜂窝(UMTS、LTE、5G)和Wi-FiTM(WiFi4/5/6/6E)网络被部署为异构无线网络130-1，130-2。各种应用基于不同的协议产生流量，例如用于通过Microsoft AzureTM、ABB AbilityTM等的远程服务的消息队列遥测传输(MQTT)；用于在机器人操作系统版本2(ROS2)上开发的应用之间的交互的数据分发服务(DDS)；用于与诸如可编程逻辑控制器(PLC)的外部过程控制器集成的PROFINETTM；用于与外部安全控制器集成的PROFIsafeTM(超过PROFINETTM)。为了提高可靠性和减少延迟，DDS、PROFINETTM和PROFIsafeTM流量由IEEE 802.1CB FRER处理，而MQTT流量则不是，因为它不是时间严格的。PROFINETTM和PROFIsafeTM的复制流量流被封装在互联网协议(IP)分组中，使得它们可以在3GPP蜂窝网络上无缝传输。回想一下，IP分组传输是由最新版本的3GPP UMTS、LTE和NR以及由大量早期版本来支持的。所有的流量流最终由TSN交换机根据分派的优先级进行交换。
图2的上半部分示出了控制网络110的组件，下半部分示出了自动化设备120的组件。所绘制的组件不一定对应于物理组件，但也可以象征例如执行软件的实例、网络功能物理组件的抽象表示、一组物理组件或物理组件的子方面。绘制的组件之间的链路象征着流量流；控制网络110和自动化设备120内的实际连通性可以具有更广泛的拓扑结构。自动化设备120通过如图右侧所示的链路141，142组成的两个物理连接被连接到控制网络110。考虑一种情况，其中多个控制应用114在控制网络110的处理器111上执行并且对应的应用124在自动化设备120的处理器121上执行。应用包括：远程服务应用114-1，124-1、导航应用114-2，124-2、过程控制应用114-3，124-3和安全应用114-4，124-4。
正如四个个体流量流所建议的那样，每个控制应用114能够独立于其他控制应用114与流量控制器113交换数据。在一些实施例中，如图2所示的实施例中，流量控制器113还可以包括用于不同控制应用114的不同入口点。例如，远程服务应用114-1可以与消息服务器(诸如MQTT Broker实例201)进行接口。导航应用114-2可以与发布-订阅实例(诸如数据分发服务(DDS)发布者和订阅者实例202)进行接口。过程控制应用114-3可以与适配于工业控制(诸如PROFINETTMMaster实例203)的通信协议的协议实体进行接口。安全应用114-4可以与适配于工业安全性(诸如PROFIsafeTMF-Host实例204)的通信协议的协议实体进行接口。就与自动化设备应用124的数据交换而言，自动化设备120中的流量控制器123可以具有类似的结构。其中的入口点组件211，212，213，214可以与控制网络110的流量控制器113中的入口点组件201，202，203，204类似或互补。在一个实施例中，这些分别是MQTT Client实例211、DDS发布者和订阅者实例212、PROFINETTMSlave实例213和PROFIsafeTMF-Device实例214。
在控制网络110的流量控制器113的入口点组件201，202，203，204的下游，上述FRER205被应用于源自导航、过程控制和安全应用114-2，114-3，114-4的流量流。源自过程控制和安全应用114-3，114-4的流量流的IP封装由两个并行的IP通道端点206来实现。流量控制器113最右端处的TSN交换机207根据分派的优先级PRIO1、PRIO2、PRIO3、PRIO4进行所有流量流的交换，其中数字越小表示优先级越高。在自动化设备120的流量控制器123中，发现了反向的处理链，即TSN交换机217和IP通道端点216之后是FRER 215，然后是入口点组件211，212，213，214。回顾一下，流量流是双向的，因此，例如，FRERs 205，215中的每一个都适配于根据需要在出站流量上执行复制并且在入站流量上执行帧消除。
控制网络110和自动化设备120之间的两个物理连接由从相应的无线网络接口112(见图1或图4)直接到无线电接入网络130-1，130-2的核心网(骨干)中的点的有线连接141-1，141-2组成。第一物理连接还由从蜂窝网络130-1的蜂窝基站(NB、eNB、gNB)131-1到自动化设备120中的用户装备设备122-1的无线连接142-1组成。第二物理连接还由从Wi-FiTM接入点131-2到自动化设备120中的Wi-FiTM客户端122-2的无线连接142-2组成。
图3示出图2实施例的变型，其中以不同方式组织流量拆分和合并。这里，具有服务质量(QoS)管理的交换机208，218被紧接着安排在入口点组件201，202，203，204，211，212，213，214的下游(即，离应用114更远一步)。每个交换机208，218在其上游侧接受来自入口点组件201，202，203，204，211，212，213，214的多个(例如四个)双向流量流，并且在其下游侧提供单个双向流量流。单个流量流被传递到FRER 205，215，在那里它被复制成与具有的物理连接一样尽可能多的流量流，并且每个这样的流量在IP通道端点206，216中进行IP封装。控制网络110和自动化设备120之间的两个物理连接被配置为类似于图2中所示的实施例。
为了总结图2和图3所示的实施例，流量控制器113，123可以具有以下一种或多种功能：
通过例如将每个分组复制成具有可区分标识符的多个副本，将来自源的单个流量流复制到多个冗余流量流中；
将接收到的冗余流量流消除为单个流量流到目的地，例如，如果多个副本中的任何一个被正确接收，则丢弃较晚到达的副本；
为流量流分派合适的优先级PRIO1，PRIO2，…；这些分派可以根据流的分类归类，诸如等时、同步循环、异步循环、事件、视频(参见白皮书Integration of 5G with Time-Sensitive Networking for Industrial Communications，5G-ACIA，2021)；
在自动化网络堆栈115，125支持的协议与无线电接入网络130支持的协议之间进行转换(转码)；以及
根据分派的优先级交换、路由、调度和缓冲自动化网络堆栈115，125与无线无线电接入点网络接口112，122之间的通信流。
就前两项而言，应当注意的是，帧复制和消除(例如，通过FRER)优选地被应用于包括具有最高优先级的数据的这类流量流，但对于其他流量流可以省略。包括具有最高优先级的数据的流量流可以直接从有关的正在执行的应用114，124或其相应的入口点组件201，202，203，204，211，212，213，214获得，如图2所示。备选地，这些流量流可能已经通过交换过程准备好，其中这些流量流与较低优先级的流量流多路复用，如图3所示。同样，IP封装(IP通道)优选地被应用于优先级最高的数据传输的流量。流量控制器113还可以包括标识流量流(或流)的能力，例如，遵循IEEE 802.1CBdb标准使用流标识方法。
控制网络110的流量控制器113中的这些活动以及将由流量控制器113执行的重复冗余适配可由网络监督器116支持。每个网络监督器116可以被配置为执行以下中的一个或多个：
配置、装载、管理和移除连接到相应的无线电接入网络130的自动化设备120，包括安全管理；
监测相应的无线电接入网络130的状态并且在出现网络中断或性能下降时适当地通知控制应用重新114(例如网络报警)；
从无线电接入网130请求资源，例如用于流量流和设备的带宽、和优先级PRIO1，PRIO2，…；
至少部分地基于“静态”信息引导无线电接入网络130的配置；例如，引导可以旨在避免可能共享相同基础设施和/或相同频谱的无线电接入网络130的组合，并且这可以通过施加合适的限制来实现；
测量无线电接入网络130的实际独立等级，例如，通过监测包括延迟、可靠性、抖动、分组丢失率和吞吐量的服务质量(QoS)的时间模式；
基于已测量的实际独立等级，根据它们提供的冗余等级，维持无线电接入网络130对的组合的排名列表；以及
根据无线电接入网络130的实际独立等级，命令对流量控制器113的配置CONF进行调整。
第五和第六项(测量、维持)可以由处理器111执行或与处理器111合作执行。
图5示出了通过其网络监督器116可以执行或有助于执行最后四个项目的过程。这是为了基于测量值确定同时的物理连接140之间的独立等级。为此，网络监督器116执行评估过程，在该过程中，他们监测和比较对于同时的物理连接140的QoS相关的量的时间序列对，以确定相应的无线电接入网络130的相互独立等级。多个网络监督器116可以协同执行评估过程；例如，个体网络监督器116-k可以为其相关联的无线电接入网络130-k提供所选的QoS相关的量的时间序列，并且在网络监督器116-k中的一个对多个时间序列进行比较。备选地，由从网络监督器116-k接收时间序列的处理器111进行比较。还备选地，由经由处理器111从网络监督器116-k接收时间序列的流量控制器113进行比较。
图5a是针对两种不同物理连接的QoS相关的量随时间的函数图，分别用实线和虚线表示。例如，QoS相关的量可以是延迟、可靠性、吞吐量、抖动、分组丢失或标准化的QoS测量。吞吐量可以理解为单位时间交换的载荷数据的量。在绘制的时间间隔内，实线绘制的物理连接遭受暂时中断，然后是QoS降低的恢复期。在中断和恢复期之外，这两个QoS时间序列似乎大致相等。常见的变化可能是由于大气因素，或者由于随着自动化设备120在其正常操作的过程中在空间中的移动而变化的因素(例如，多径传播或衰落)。
从图5a中绘制的QoS数据得出的可能结论是，两个物理连接没有明显的单点故障，并且因此它们的组合提供了令人满意的独立等级。关于独立等级是否足够的决策可以通过计算时间序列之间的交叉相关性、一致性或交叉协方差来系统化(或自动化)，然后将结果值置于预限定的标准之下；例如，可以强加一个标准，即(标准化的)交叉相关性不得超过阈值。如果是这种情况，则可能有必要使流量控制器113改变路由计划和/或增加流量流复制的数目。通过修改被馈送给流量控制器113的配置数据CONF，可以对这些动作进行排序或间接排序。如上所述，流量控制器113可以负责确定和维持路由计划。
图5b是针对另一对物理连接的QoS相关的量作为时间函数的图。图5b中绘制的两个时间序列的出现表明了更强的相互相关性。虽然时间序列之间的偏移量看上去是朝向间隔的结束逐渐减小，但短期变化明显相似。为了更好地确定这些物理连接的组合所提供的独立等级，优选地是延长时间间隔，使得它也可以捕获中断事件。确定是两个物理连接都受到中断的影响，还是只有一个物理连接受到影响是非常重要的。如果结果是中断影响了两个物理连接，这就支持了独立等级不足的假设。一种可能的补救方法是更换其中一个物理连接。
参考图6，现在将描述在控制网络110和工业自动化设备120之间建立具有物理冗余的逻辑连接143的方法600。假设自动化设备120在至少一个无线电接入网130-1，130-2，…，130-M的无线电覆盖中操作。方法600可以通过具有与上述参考图1至4所述的控制网络110相同的一般特征的控制网络来实现。更精确地说，方法600可以由控制网络110的处理器111、流量控制器113、网络监督器116或由这些实体的组合来执行。
在方法600的第一步骤610中，在控制网络和自动化设备之间建立至少两个物理连接140-1，140-2，…，140-N。
在第二步骤612中，使用至少一个更高层通信协议建立逻辑连接143。在3GPP蜂窝网络中，逻辑连接可以建立在RRC层或更高的层上。逻辑连接143可以根据OSI模型在应用层被建立。例如，逻辑连接143可以包括以PROFINETTM主实例和PROFINETTM从实例作为其端点的连接，上述端点位于控制网络110和自动化设备120中。
在可选的第三步骤614中，监测以下至少一项的时间序列：服务质量、延迟、可靠性、吞吐量、抖动、分组丢失。如图6所示，对N个物理连接140-1，140-2，…，140-N的监测可以被并行执行。
在可选的第四步骤616中，基于构成测量值的已监测的时间序列确定同时的物理连接140-1，140-2，…，140-N之间的独立等级。进一步可选地，第四步骤616包括子步骤616.1，其中对至少两个同时的连接的时间序列进行比较。
在方法的第五步骤618，重复适配逻辑连接143的物理冗余。如上所述，物理冗余的这些适配可以是周期性的、事件触发的或准连续的。
方法600的执行流持续重复第五步骤618，可选地与第三步骤614和/或第四步616一起重复。只要自动化设备120处于激活使用状态，执行可以继续。
本公开的各个方面主要参考几个实施例在上面进行了描述。然而，正如本领域技术人员容易理解的那样，在本发明的范围内，如所附专利权利要求所限定的，除上述公开的实施例之外的其他实施例同样是可能的。

Claims (16)

1.一种控制网络(110)，用于支持在至少一个无线电接入网络(130-1，130-2，…，130-M)的无线电覆盖中操作的多个工业自动化设备(120)，所述控制网络包括：
处理器(111)，被配置为执行一个或多个软件应用(114-1，114-2，…，114-P)；
至少两个无线网络接口(112-1，112-2，…，112-N)，每个无线网络接口被配置为与所述自动化设备通信；以及
流量控制器(113)，被配置为通过使用相应的无线网络接口(112-1，112-2，…，112-N)和所述至少一个无线电接入网络(130-1，130-2，…，130-M)来维持到所述自动化设备中的一个自动化设备的至少两个同时的物理连接(140-1，140-2，…，140-N)，以提供从正在执行的软件应用到所述自动化设备中的所述一个自动化设备的逻辑连接(143)，
其中所述控制网络还被配置为重复地适配所述逻辑连接的物理冗余。
2.根据权利要求1所述的控制网络(110)，所述控制网络(110)被配置为基于测量值确定所述同时的物理连接(140-1，140-2，…，140-N)之间的独立等级，并且相应地适配所述物理冗余。
3.根据权利要求2所述的控制网络(110)，所述控制网络(110)被配置为-针对所述同时的物理连接中的至少两个物理连接，监测以下中的至少一个的时间序列：服务质量、延迟、可靠性、吞吐量、抖动、分组丢失；以及
-通过比较相应的时间序列来确定所述独立等级。
4.根据权利要求3所述的控制网络(110)，所述控制网络(110)被配置为通过计算所述时间序列之间的交叉相关、相干性或交叉协方差来确定所述独立等级。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的控制网络(110)，其中所述处理器(111)负责确定所述同时的物理连接(140-1，140-2，…，140-N)之间的所述独立等级并且命令所述流量控制器(113)来适配所述物理冗余。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制网络(110)，所述控制网络(110)被适配于支持在至少一个无线电接入网络(130-1，130-2，…，130-M)的无线电覆盖中操作的自动化设备(120)，其中所述同时的物理连接(140-1，140-2，…，140-N)中的至少两个物理连接使用蜂窝无线电接入网络的不同单元。
7.根据前述权利要求中任一项所述的控制网络(110)，所述控制网络(110)被适配于支持在至少两个无线电接入网络(130-1，130-2，…，130-M)的无线电覆盖中操作的自动化设备(120)，其中所述同时的物理连接(140-1，140-2，…，140-N)中的至少两个物理连接使用不同的无线电接入网络。
8.根据前述权利要求中任一项所述的控制网络(110)，其中所述处理器(111)被配置为-为每个正在执行的应用(114-1，114-2，…，114-P)限定设定点冗余等级；
-根据所述设定点冗余等级来确定配置数据(CONF)；以及
-将所述配置数据馈送给所述流量控制器(113)。
9.根据权利要求8所述的控制网络(110)，其中所述流量控制器(113)被配置为基于所述配置数据(CONF)来确定路由计划。
10.根据前述权利要求中任一项所述的控制网络(110)，其中所述流量控制器(113)被配置为关于所述正在执行的软件应用中的已选定的多个软件应用来应用帧复制和消除以用于可靠性、FRER、和/或IP通道。
11.根据前述权利要求中任一项所述的控制网络(110)，其中所述流量控制器(113)包括管理网络交换机(207)，诸如时间敏感网络、TSN、交换机。
12.根据前述权利要求中任一项所述的控制网络(110)，所述控制网络(110)是自动化骨干。
13.一种用于在控制网络(110)中使用的流量控制器(113)，所述控制网络(110)支持在至少一个无线电接入网络(130-1，130-2，…，130-M)的无线电覆盖中操作的多个工业自动化设备(120)，
其中所述流量控制器具有它可支配的至少两个无线网络接口(112-1，112-2，…，112-N)，并且被配置为通过使用所述无线网络接口来维持到所述自动化设备中的一个自动化设备的至少两个同时的物理连接(140-1，140-2，…，140-N)以提供从在所述控制网络中执行的软件应用(114-1，114-2，…，114-P)到所述自动化设备中的所述一个自动化设备的逻辑连接(143)。
14.一种在控制网络(110)与在至少一个无线电接入网络(130-1，130-2，…，130-M)的无线电覆盖中操作的工业自动化设备(120)之间建立具有物理冗余的逻辑连接(143)的方法(600)，所述方法包括：
在所述控制网络和所述自动化设备之间建立(610)至少两个物理连接(140-1，140-2，…，140-N)；
使用更高层的通信协议来建立(612)所述逻辑连接(143)；
重复适配(618)所述逻辑连接的物理冗余。
15.根据权利要求14所述的方法(600)，还包括基于测量值在同时的物理连接(140-1，140-2，…，140-N)之间确定(616)独立等级，
其中所述适配(618)基于所确定的独立等级被执行。
16.根据权利要求15所述的方法(600)，还包括监测(614)以下中的至少一个的时间序列：服务质量、延迟、可靠性、吞吐量、抖动、分组丢失，
其中所述确定(616)所述独立等级包括：比较(616.1)针对所述至少两个同时的连接的所述时间序列。
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