用于建立过程控制系统中的维护路由的装置和方法

摘要

在过程控制系统中生成维护路由包括创建与无线网关直接通信的全部无线节点的初始排序列表，其中，根据与无线网关设备之间的信号强度来排序该些节点。创建与该初始排序列表的第一节点直接通信的全部节点的后续排序列表，其中，根据与第一节点之间的信号强度来排序该节点。然后在该第一节点之后，将后续排序列表追加到该初始排序列表中。此后迭代的重复用于创建后续列表和追加初始排序列表的该过程，每次重复解决追加排序列表中在前一个迭代之后的下一个节点，直到解决了全部节点为止。在最后一个迭代中，节点对应于沿该路由的停止点，并且该次序对应于在该停止点之间将采取的路由。

说明书

技术领域

本文的公开整体涉及过程工厂中的过程控制系统，并且更具体 而言涉及在具有基于网络拓扑的无线网络的过程控制系统中动态地 生成并且更新维护路径。

背景技术

在制造产品或者控制过程(例如化学制造、发电厂控制等等) 的制造厂和/或工厂中广泛地使用过程控制系统。在自然资源的开采 中例如石油天然气钻探和处理过程等等中也使用过程控制系统。事 实上，通过一个或多个过程控制系统的应用，实际上可以自动化任 意制造过程、资源开采过程等等。相信在农业中最终也将更广泛地 使用过程控制系统。

如在化学、石油或其他过程中使用的那些过程控制系统典型地 包括一个或多个集中式或分布式过程控制器，其经由模拟、数字或 组合模拟/数字总线被可通信地耦合到至少一个主机或操作员工作站 并且耦合到一个或多个过程控制和仪表制造设备，如现场设备。可 以例如是阀、阀定位器、开关、发射器和传感器(例如温度、压力 和流速率传感器)的该场设备在过程中运作例如开启或关闭阀并且 测量过程参数。过程控制器接收用于指示过程测量的信号或由现场 设备产生或者与现场设备相关联的过程变量和/或涉及该现场设备的 其他信息，使用该信息来实现控制例程并且随后生成控制信号，基 于一个或多个总线向现场设备发送该控制信息以控制该过程的操 作。典型地使得来自现场设备和控制器的信息对于由操作员工作站 执行的一个或多个应用可用，以允许操作员执行关于该过程的希望 的功能。如查看该过程的当前状态、修改该过程的操作等等。

可以将过程工厂中的各种设备互连成物理和/或逻辑组群，以创 建逻辑过程如控制环路。类似地，可以将控制环路与其他控制环路 和/或设备互连，以创建子单元。可以将子单元与其他子单元互连， 以创建单元，因而可以将该单元与其他单元互连以创建区域。过程 工厂总体包括互连的区域，并且企业实体总体包括可能被互连的过 程工厂。结果，过程工厂包括具有互连资产的层次的无数的等级， 并且企业实体可以包括互连的过程工厂。换句话说，与过程工厂相 关的资产或过程工厂自身可以组合在一起以形成更高等级的资产。

用于实现过程工厂的方式在过去几年一直在发展。典型地使用 专用的集中式硬件和硬线连接来实现老一代的过程控制系统。

但是，典型地使用工作站、智能控制器、智能现场设备等等的 高度分布式的网络来实现现代过程控制系统，它们中的一些可以执 行总体过程控制策略或方案中的一部分。具体而言，最现代的过程 控制系统包括智能现场设备和经由一个或多个数字数据总线被可通 信地彼此耦合并且/或者被耦合到一个或多个过程工厂的其他过程控 制组件。除了智能现场设备之外，现代过程控制系统还可以包括模 拟现场设备例如与共享数字数据总线等等相反典型地被直接耦合到 控制器4-20毫安培(mA)设备、0-10伏特直流(ADC)设备等等。

在典型的工业或过程工厂中，使用分布式控制系统(DCS)来控 制在该工厂处执行的许多工业过程。该工厂可以具有集中式控制室， 该集中式控制室具有计算机系统，该计算机系统具有用户输入/输出 (I/O)、盘片I/O和计算领域中已知的其他外围设备，其中一个或 多个过程控制器和过程I/O子系统被可通信地连接到该集中式控制 室。另外，一个或多个现场设备典型地被连接到该I/O子系统和该过 程控制器，以实现该工厂中的控制和测量活动。虽然该过程I/O子系 统可以包括被连接到遍及该工厂的各种现场设备的多个I/O端口，但 是该现场设备可以包括各种类型的分析设备、硅压力传感器、电容 式压力传感器、热阻温度计、热电偶、应变仪、限位开关、通/断开 关、流量发射器、压力发射器、电容式等级开关、称量天平、变换 器、阀定位器、阀控制器、致动器、螺线管、指示灯或在过程工厂 中典型地使用的任意其他设备。

如本文所使用的，术语“现场设备”包括这些设备以及用于执 行控制系统中的功能的任意其他设备。在任意情况中，现场设备可 以包括例如输入设备(例如诸如传感器的设备，该传感器提供状态 信息，该状态信息用于指示过程控制参数如温度、压力、流速等等) 以及用于响应于从控制器和/或其他现场设备接收的命令来执行导致 的控制操作员或致动器。

通常，由双绞线对电流环路将模拟现场设备连接到控制器，由 单个双绞线对将每个设备连接到控制器。模拟现场设备能够响应于 指定范围中的电气信号或者发射指定范围中的电气信号。在一个典 型的配置中，通常使得该对的两个线之间的电压差近似20-25伏特， 并且流经环路的电流4-20mA。用于向控制室发射信号的模拟现场设 备调制流经电流环路的电流，其中电流与传感过程变量成正比。

由经过该环路的电路的幅度来控制在控制室的控制之下执行动 作的模拟现场设备，由受控制器控制的过程I/O系统的I/O端口调制 该电流。具有活动电子的传统双线模拟设备还可以从该环路接收高 达40毫瓦的功率。使用四条线将需要更大功率的模拟现场设备典型 地连接到控制器，其中两条线向该设备传递功率。在本领域中将该 设备称为四线设备并且典型而言不像双线设备那样受到功率限制。

离散现场设备可以发射或响应于二进制信号。典型地，离散现 场设备利用24伏特信号(要么AC要么DC)、210或240伏特AC 信号或5伏特DC信号进行操作。当然，离散设备可以被设计为根 据具体控制环境所需要的任意电气规范来进行操作。离散输入现场 设备仅仅是产生或断开到控制器的连接的开关，而离散输出现场设 备将基于来自该控制器的信号的出现或缺失来采取动作。

历史上，大部分传统现场设备具有与由现场设备执行的主要功 能直接相关的单个输入或单个输出。例如，由传统模拟热阻温度计 实现的唯一的功能是通过调制流经双绞线对的电流来发射温度，而 由传统模拟阀定位器实现的唯一功能是基于流经双绞线对的电流的 幅度来在完全开启位置与完全闭合位置之间的一些地方定位阀。

更具体而言，作为混合系统的一部分的现场设备变得可用，这 在用于发射模拟信号的电流环路上添加了数字数据。在控制领域中 一种该混合系统被称为可寻址远程传感器高速通道(HART)协议。 HART系统使用电流环路中的电流的幅度来发送模拟控制信号或者 接收所传感过程变量(如同在传统系统中)，但是也在电流环路信 号上添加数字载波信号。HART协议利用贝尔202移频键控(FSK) 标准来将低等级的数字信号添加到4-20mA模拟信号上。这允许发 生双向现场通信，并且使其对于除了可用于向/从智能现场仪器的正 常过程之外的附加信息可行。HART协议以1200bps进行通信而不 干扰4-20mA信号，并且允许主机应用(主机)每秒钟从现场设备 得到两个或更多个数字更新。由于数字FSK信号是相位连续的，所 以与4-20mA信号不存在干扰。

FSK信号相对缓慢并且因此可以提供次级过程变量或者速率为 近似每秒钟2-3个更新的其他参数的更新。通常，数字载波信号用于 发送次级和诊断信息并且不用于实现现场设备的主要控制功能。基 于数字载波信号提供的信息的实例包括次级过程变量、诊断信息(包 括传感器诊断、设备诊断、连线诊断和过程诊断)、操作温度、传 感器温度、校准信息、设备ID号、构造的材料、配置或编程信息等 等。因此，单个混合现场设备可以具有各种各样输入和输出变量并 且可以实现各种各样的功能。

最近，由美国仪器协会(ISA)定义了更新的控制协议。新协议 总体被称为现场总线(Fieldbus)并且具体被称为SP50，它是标准和 实践下属委员会50的首字母缩写。现场总线协议定义两个子协议。 H1现场总线网络以高达31.25千比特每秒的速率发射数据并且向被 耦合到网络的现场设备提供功率。H2现场总线网络以高达2.5兆比 特每秒的速率发射数据，不向被连接到网络的现场设备提供功率， 并且具备冗余传输介质。现场总线是非专属性开放式标准并且现在 在工业中盛行，并且同样地，许多类型的现场总线设备已经被开发 并且用于过程工厂。因为除了其他类型的现场设备如HART和4-20 mA设备之外另外地使用现场总线设备，所以具有与这些不同类型的 设备相关联的独立的支持和I/O通信结构。

典型地具有全部数字的属性的更新的智能现场设备具有从更旧 的控制系统不可服务或者与更旧的控制系统不兼容的维护模式和增 强的性能。即使当分布式控制系统的全部组件追随相同的标准(如 现场总线标准)时，一个制造商的控制设备可能不能访问由另一个 制造商的现场设备提供的次级功能或次级信息。

因此，过程控制系统设计的一个特别重要的方面涉及用于将现 场设备可通信地彼此耦合、耦合到控制器和过程控制系统或过程工 厂中的其他系统和设备的方式。总体而言，允许现场设备在过程控 制系统之中运作的各种通信信道、链路和路径通常被统称为输入/输 出(I/O)通信网络。

特别是当I/O通信网络早上环境因素或与过程控制系统相关联 的条件时，用于实现I/O通信网络的通信网络拓扑和物理连接或路径 可能对于现场设备通信的鲁棒性和完整性具有实质性的影响。例如 许多工业控制应用使现场设备和他们的相关I/O通信网络受到严酷 的物理环境(例如高、低或高度变化的环境温度、振动、腐蚀性气 体或液体等等)、不同的电气环境(例如高噪声环境、差的功率质 量、瞬间电压等等)等等。在许多情况中，环境因素可能危及一个 或多个现场设备、控制器等等之间的通信的完整性。在一些情况中， 该受危及的通信可能阻止过程控制系统以有效的或合适的方式执行 它的控制例程，这可能导致降低的过程控制系统效率和/或利益率、 对于设备的过度磨损或损坏、可以损坏或毁坏设备、建筑结构、环 境和人等等的危险条件。

为了最小化环境因素的影响并且为了确保恒定的通信路径，在 过程控制系统中使用的I/O通信网络在历史上是硬线为了，其中电线 被装入受环境保护的材料如绝缘体、屏蔽体和管道中。并且，这些 过程控制系统中的现场设备典型地被使用硬线分层次拓扑可通信地 耦合到控制器、工作站和其他过程控制系统组件，其中在该硬线分 层次拓扑中使用模拟接口例如4-20mA、0-10VDC等等硬件接口或 I/O板，将非智能现场设备直接耦合到控制器。也经由硬线数字数据 总线来耦合智能现场设备如现场总线设备，其中经由智能现场设备 接口将硬线数字数据总线耦合到控制器。

虽然硬线I/O通信网络可以最初提供鲁棒的I/O通信网络，但是 由于环境压力(例如腐蚀性的气体或液体、振动、湿度等等)的结 果，它们的鲁棒性可能随着时间严重降级。例如，与I/O通信网络配 线相关联的接触电阻可以由于腐蚀、氧化等等而实质性地增加。另 外，配线绝缘和/或屏蔽可能降级或失败，因而导致这样一种情况， 在该情况之下环境电器干扰或噪声可能更容易破坏经由I/O通信网 络电线发射的信号。在一些情况中，失败的绝缘可能导致短路情况， 其中该短路情况导致相关I/O电线的完全失败。硬线I/O通信网络

另外，特别是在I/O通信网络与分布在相对大的地理区域上的大 型工业工厂或设施例如占用数英里的土地的炼油厂或化工厂相关联 的情况中，硬线I/O通信网络典型而言安装昂贵。在许多实例中，与 I/O通信网络相关联的配线必须跨越长的距离并且/或者遍历、基于 或围绕许多结构(例如墙壁、建筑物、设备等等)。该长的走线典 型地涉及实质性的人工、材料和花费数量。此外，由于可能导致不 可靠的通信的配线阻抗和耦合电气干扰，该长的走线特别易受到信 号降级。

此外，当需要修改或更新时，通常难以识别该硬线I/O通信网络。 增加新的现场设备典型地需要新现场设备与控制器之间的电线的绝 缘。以该方式翻新过程工厂可能是非常困难并且昂贵的，因为在旧 的过程控制工厂和/或系统中经常发现长的走线和空间局限。沿可用 的配线路径穿插的管道、设备和/或结构之中的大数量的典型可能显 著地增加与翻新现有系统或向现有系统增加现场设备相关联的困 难。在必须安装更多的和/或不同的电线以适应新设备的情况中，与 具有不同的现场配线要求的新设备交换现有现场设备可能造成一些 困难。该修改通常导致显著的工厂停工期。

已经使用无线I/O通信网络来减轻与硬线I/O为了相关联的一些 困难，并且减小在过程控制系统中布置传感器和致动器的成本。已 经对于过程控制系统以及它的对于硬线I/O通信网络而言相对不可 接入或不适宜的部分建议无线I/O通信网络。例如Shepard等人2008 年10月14日获得专利权的、标题为“Wireless Architecture And  Support For Process Control Systems”的美国专利号7,436,797披露了 相对便宜的无线网状网络可以单独地或者与点对点通信组合地布置 在过程控制系统中以产生可以易于被建立、配置、改变并且监视的 鲁棒的无线通信网络，以便因而使得无线通信网络更加鲁棒、更加 便宜并且更加可靠，其中通过参考的方式将该专利的内容明确并入 本文。

无线网状网络(或网关网络拓扑)利用多个节点，每个节点可 以不仅作为客户端来接收并且发送它自己的数据，而且还作为转发 器或中继器来经过网络向其他节点传播数据。每个节点被连接到另 一个相邻节点并且优选地被连接到多个相邻节点，其中每个相邻节 点可以被连接到附加的相邻节点。其结果是这样一种节点网络，该 节点网络提供从一个节点经过该网络到另一个节点的多个通信路 径，从而创建即使当通信链路被破坏或阻塞时也允许连续的连接和 重配置的相对便宜的、鲁棒的网络。

在无线网状网络中，每个设备(节点)可以经由直接无线连接 或者经由京广相邻设备的连接间接地连接到网关。每个设备具有信 号强度，该信号强度将设备的物理接近与无线网关或相邻设备总体 关联。在到无线网关的直接连接都不可用的情况中，每个设备经过 具有到该网关或到另一个设备的连接的另一个对等设备连接到网 关。用户将设备到网关的连接串连在一起的设备的数量被称为连接 路径中的跳的数量。每个设备使用该连接路径，并且用于建立设备 到设备的连接的次序被称为通信路由。

不管过程系统中实现的网络的类型，维护人员的任务在于维护 并且校准该网络中的设备。这意味着根据停止点的排序列表，一个 设备接一个设备地物理意义上走过该过程工厂，以执行必要的数据 收集、维护和校准活动。传统而言，基于路由的维护软件应用利用 这样一种过程，其中该过程利用设备的物理位置的知识以及停止点 沿定义的路由的位置的规定来建立维护路由。路由包括停止点的排 序列表，其中工程师或其他维护人员走过该停止点以执行与收集数 据、校准设备、在设备上执行维护或者执行设备的可视检查相关的 任务。虽然定义的路由适用于提供最有效的路径以执行这些任务， 但是其依赖于用决定沿该路由中的给定路径发生哪些任务的人工过 程。即，虽然基于路由的维护软件应用生成用于维护人员的工作次 序，但是通常依赖于设备和停止点的物理位置的知识。不仅特别是 在设备和停止点的数量可能是数打或数百个的情况中这是维护人员 的时间的无效率的使用，而且手工创建的路由不一定是最优的或有 效的，并且有时候是特别次优的。

发明内容

利用无线网络中的信号强度和通信路径来自动地建立维护路 由，以便维护或其他工厂人员执行设备校准、数据收集、设备检查 或如在该维护路由中定义的其他维护活动。用于建立维护路由的过 程基于考虑到每个设备与无线网关和/或相对于相邻设备的接近度的 一系列计算。从与无线网关和/或与相邻设备的信号强度，以及对于 在该网络中通信的设备的给定集合的通信路径中发生的跳的数量， 推断该接近度。考虑与无线网关要么直接地要么经由另一个设备通 信的全部设备，创建在它们的通信路径中具有零跳(即直接与网关 通信)的全部设备的排序列表，其中，通过与无线网关的信号强度 来排序该设备。从该列表中的第一设备开始，创建直接与该第一设 备通信的相邻设备的进一步排序列表，并且在该第一设备之后将该 进一步排序列表追加到初始排序列表中。此后迭代地重复用于创建 该进一步排序列表和追加该初始排序列表的该过程，每次考虑追加 排序列表中紧接着前一个迭代的下一个设备，直到考虑了全部设备 为止。在考虑了直接或经由另一个设备来与无线网关通信的全部设 备之后，该列表中的设备对应于沿该路由的停止点，并且该列表中 的设备的顺序对应于在停止点之间将要采用的路由。

附图说明

图1是根据本文的公开的分布式控制系统的组合方框和示意图；

图2是根据本文的公开的过程环境的一部分之中的无线通信网 络的组合方框和示意图；

图3是一种无线通信环境的示意图，其中在该无线通信环境中 无线网络包括与各种现场设备相对应的多个节点；

图4A和4B是以表格形式呈现的图表，示出了节点和对应的按 接近度顺序排序的相邻节点的无线网状网络和无线点对点地貌；

图5是根据本文的公开的维护路由生成例程的流程图；

图6A-6E示出了随着图5的例程执行用于无线网状网络的列表 的各种重复，从图5的例程生成的排序列表的生成和进展；

图7是来自图5的用于创建与网关直接通信的节点的排序列表 的例程的流程图；

图8是来自图5的用于迭代地创建与来自由图7的例程生成的 列表的节点直接通信的节点的排序列表的例程的流程图，并且其后 追加图9的流程图；

图9是来自图5的用于追加从图7的例程生成的列表的例程的 流程图，并且被追加到图5的例程的前一个迭代中；

图10是用于显示经由如图5的例程所生成的图3的无线网状网 络通信环境的维护路由的示意图；

图11A-E示出了随着图5的例程执行对于无线点对点网络的列 表的各种重复，从图5的例程生成的排序列表的生成和进展；以及

图12是用于显示经由如图5的例程所生成的图3的无线点对点 网络通信环境的维护路由的示意图。

具体实施方式

现在参考图1，硬线分布式过程控制系统10包括被连接到一个 或多个主机工作站或计算机14(其可以是任意类型的个人计算机或 工作站)的一个或多个过程控制器12。过程控制器12还可以被连接 到输入/输出(I/O)设备组20、22，其中每个I/O设备依次被连接到 一个或多个现场设备25-39。将仅作为示例而言可以是由 Fisher-Rosemount系统公司销售的Delta^VTM控制器的控制器12经由 例如以太网连接40或其他通信链路可通信地连接到主机计算机14。 类似地，使用任意希望的硬件和与之相关联的软件例如标准4-20ma 设备和/或任意智能通信协议如现场总线或HART协议，将控制器12 可通信地连接到现场设备25-39。如通常所知的，控制器12实现或 者监视存储在其中的或者如若不然与之相关联的过程控制例程，并 且与设备25-39通信以按照任意希望的方式控制过程。

现场设备25-39可以是任意类型的设备如传感器、阀、发射器、 定位器等等，而组20和22之中的I/O卡可以是符合任意希望的通信 或控制器协议如HART、现场总线、过程现场总线(Profibus)等等 的任意类型的I/O设备。在图1中所示的实施方式中，现场设备25-27 是在模拟线路上与I/O卡22A通信的标准4-20mA设备。将现场设 备28-31示出为被连接到HART兼容I/O设备20A的HART设备。 类似地，现场设备32-39是使用例如现场总线协议通信在数字总线 42或44上与I/O卡20B或22B通信的智能设备如现场总线现场设 备。当然现场设备25-39以及I/O组20和22能够符合除了4-20mA、 HART或现场总线协议之外的任意其他希望的标准或协议，包括在 未来开发的任意标准或协议。

每个控制器12被配置为使用通常被称为功能块的东西实现控制 策略，其中，每个功能块是总体控制例程的一部分(例如子例程) 并且(经由被称为链路的通信)与其他功能块相结合地操作以实现 过程控制系统10之中的过程控制环路。功能块典型地执行输入功能 (如与发射器、传感器或其他过程参数测量设备相关联的输入功 能)、控制功能(如与用于执行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相 关联的控制功能)或用于控制一些设备(如阀)的操作的输出功能 之中的一个，以执行过程控制系统10之中的一些物理功能。当然， 存在混合以及其他类型的功能块。这些功能块的组群被称为模块。 功能块和模块可以被存储在控制器12中并且被控制器12执行，当 这些功能块用于或者与标准4-20mA设备和一些类型的智能现场设 备相关联时这是典型的情况，或者功能块和模块可以被存储在现场 设备自身中并且由现场设备自身实现，具有现场总线设备时可以是 该情况。虽然将图1中的控制系统10描述为使用功能块控制策略， 但是也可以使用其他惯例例如梯形逻辑、顺序流程图等等并且使用 任意希望的专用或非专用编程语言来实现或设计该控制策略。

此外，一个或多个工作站14可以按照已知的方式包括用户接口 应用，以允许用户例如操作员、配置工程师、维护人员等等与工厂 之中的过程控制网络10接口。具体而言，工作站14可以包括一个 或多个用户接口应用，其中可以在工作站14之中的处理器上执行该 用户接口应用以与数据库、控制模块或控制器12或I/O组20、22 之中的其他例程通信，与现场设备25-39和这些现场设备之中的模块 等等通信，以从该工厂获得信息例如与过程控制系统10的现行状态 相关的信息。用户接口应用可以在与一个或多个工作站14相关联的 显示器设备上处理并且/或者显示该收集信息。所收集、处理并且/ 或者显示的信息可以是例如过程状态信息、在工厂之中生成的警报 和警告、维护数据等等。类似地，可以在工作站14中存储并且执行 一个或多个应用，以执行配置活动如创建或者配置将要在工厂之中 执行的模块，以执行控制操作员活动例如改变工厂之中的设置点或 其他控制变量等等。当然，例程的数量和类型不受本文提供的描述 的限制，并且如果希望则可以在工作站14中存储并且实现其他数量 和类型的与过程控制相关的例程。还可以经由例如英特网、外联网、 总线、以太网40等等将工作站14连接至企业WAN以及允许远程监 视来自远程位置的工厂10或者与来自远程位置的工厂10通信的计 算机系统。

如从图1的讨论显然可见，利用包括HART、现场总线和4-20mA 硬线通信连接中的一个或多个的硬线通信连接来实现主机工作站14 与控制器12之间的通信以及控制器12与现场设备25-39之间的通 信。但是，如上所示，在图1的过程环境中，可以按照这样一种方 式用无线通信来替代或者加强该硬线通信连接，其中该方式是可靠 的、是容易建立并且配置的并且向操作员或其他用户提供分析或者 查看无线网络等等的运作能力的能力。

如上文通过参考的方式合并的美国专利号7,436,797中所公开 的，可以在过程控制系统中遍布无线网络。结果，可以是由硬线技 术、无线技术或它们的组合来配置过程控制系统之中的一些或全部 I/O设备如传感器和致动器并且将过程控制系统之中的一些或全部 I/O设备如传感器和致动器可通信地耦合到过程控制系统。可以例如 在控制器12、工作站14和现场设备32-39中的一些之间或之中维持 硬线通信，而在控制器12、工作站14和现场设备32-39中的其他之 间或之中建立无线通信。无线技术可以包括但不限于ZigBee、WiFi、 蓝牙、超宽带(UWB)等等或者任意其他短距离无线技术，以及卫 星、Wi-Max和其他长距离无线传输。具体而言，无线技术可以包括 用于发射过程控制数据的任意商用现货供应的无线产品。可以在无 线技术上实现网络协议，或者可以对于无线通信开发新的过程控制 标准。在一个实例中，可以实现网状技术如自愈/自组织自组(ad hoc) 无线网状技术。

图2示出了可用于提供图1中所示的不同设备之间并且具体而 言图1的控制器12(或相关I/O设备22)与现场设备25-39之间、 控制器12与主机工作站14之间或者主机工作站14与图1的现场设 备25-39之间的通信的无线通信网络60。但是，应该理解，图2的 无线通信网络60可用于提供过程工厂或过程环境之中的任意其他类 型的设备或设备集合之间的通信。

将图2的通信网络60显示为包括各种通信节点，该通信节点包 括一个或多个基本节点62、一个或多个中继器节点64、一个或多个 环境节点66(在图2中被显示为节点66a和66b)以及一个或多个 现场节点68(在图2中被显示为节点68a、68b和68c)。总体而言， 无线通信网络60的节点作为网状型通信网络来运作，其中每个节点 接收通信，确定该通信是否最终意图发往该节点并且如果不是则沿 通信范围中的任意其他节点重复或传递该通信。如我们知道的，网 状网络中的任意节点可以与它的范围中的任意其他节点通信以在网 络之中转发通信，并且具体的通信信号在到达希望的目的地之前可 以经历多个节点。下文参考图3和4讨论网状网络拓扑的进一步的 概念性的实例。

如图2中所示，基本节点62包括或者被可通信地耦合到可以是 例如图1的主机或工作站14中的任意一个的工作站或主机计算机 70。虽然将基本节点62显示为经由硬线以太网连接72被链接到工 作站70，但是可以改为使用任意其他通信链路。基本节点62包括无 线转换或通信单元74和无线收发器76，以实现基于网络60的无线 通信。具体而言，无线转换单元74从工作站或主机70得到信号并 且将这些信号编码成无线通信信号，随后经由收发器76的发射器部 分在网络60上发射该无线通信信号。相反地，无线转换器单元74 解码经由收发器76的接收器部分接收的信号，以确定该信号是否意 图发往基本节点62，并且如果是则解码该信号以剥离无线编码以产 生由发送器在网络60之中的不同节点64、66或68处生成的原始信 号。

如我们将理解的，按照类似的方式，包括中继器节点64、环境 节点66和现场节点68的每个其他通信节点包括通信单元和无线收 发器(未显示)以用于编码、发送并且解码经由无线网状网络60发 送的信号。虽然通信网络60之中的不同类型的节点64、66、68在 一些重要的方面不同，但是它们中的每一个总体进行操作以接收无 线信号、充分解码该信号以确定该信号是否意图被发往该节点(或 者在无线通信网络60外部被连接到该节点的设备)并且如果该信号 不是否意图被发往该节点并且以前未被该节点发射则重复或重传该 信号。通过该方式，从始发节点向无线通信范围中的全部节点发送 该信号，在该范围中不作为目的地节点的每个节点然后向该节点的 范围之中的全部其他节点重传该信号，并且该过程继续直到该信号 被传播到至少一个其他节点的范围之中的全部节点为止。但是，中 继器节点64进行操作以仅仅在通信网络60之中重复信号，以便将 信号从一个节点经过中继器节点64中继到第二节点62、66或68。 基本上，中继器节点64的功能是作为两个不同的节点之间的链路， 以保证当两个不同的节点不处于或者可能不处于彼此的直接无线通 信范围中时能够在这些节点之间传播信号。因为中继器节点64通常 被连接到该节点处的其他设备，所以中继器节点64仅需要解码接收 信号就足以确定该信号是否是以前已经被中继器节点重复的信号 (即由该中继器节点在以前的时间发送的并且由于通信网络60中的 不同节点的重复功能而在该中继器节点处简单地被回收的信号)。 如果中继器节点之前没有接收到具体的信号，则中继器节点64简单 地进行操作以经由中继器节点64的收发器重发该信号来重复该信 号。但是，应该注意到，中继器节点64可以无需位于无线网状网络 中，只要足够数量的其他节点66、68彼此通信以避免孤立节点和/ 或夹点(pinch points)。即当节点必须依赖于单个节点或有限数量 的节点来向基本节点62路由消息时，在该网络之中可能发生夹点(又 被称为通信瓶颈)。中继器节点64可用于减轻夹点或夹点的风险(即 如果节点66、68失败发生夹点的风险)。

另一方面，每个现场节点68通常被耦合到过程工厂环境之中的 一个或多个设备并且总体而言被耦合到在图2中被显示为现场设备 80-85的一个或多个设备。现场设备80-85可以是任意类型的现场设 备，包括例如四线设备、双线设备、HART设备、现场总线设备、 4-20mA设备、智能或非智能设备等等如图1的设备25-39。为了说 明起见，将图2的现场设备80-85示出为符合HART通信协议的 HART现场设备。当然，设备80-85可以是任意类型的设备如传感器 /发射器设备、阀、开关等等如现场设备。另外，设备80-85可以是 除了传统现场设备之外的设备如控制器12、I/O设备22A-20B、工作 站14或任意其他类型的设备。还应该理解，可以将现场节点68(以 及节点66)与其所对应的设备集成，因而创建无线设备如无线控制 器、无线I/O设备、无线工作站、无线现场设备等等。

在任意情况中，现场节点68a、68b、68c包括依附到它们各自的 现场设备80-85的信号线，用于从现场设备80-85接收通信并且向现 场设备80-85发送通信。当然，可以将这些信号线直接连接到现场设 备80-85，在该实例中，HART设备，或连接到已经被依附到现场设 备80-85的标准HART通信线路。如果希望，则可以将现场设备80-85 除了连接到现场节点68a、68b、68c之外经由硬线通信线路连接到 其他设备如图1的I/O设备20A或22A或者连接到任意其他希望的 设备。另外，如图2中所示，可以将任意具体现场节点68a、68b、 68c连接到多个现场设备(如关于现场节点68c所示的，其被连接到 4个不同的现场设备82-85)，并且每个现场节点68a、68b、68c进 行操作以向并且从其所连接到的现场设备80-85中继信号。

为了辅助通信网络60的操作的管理，使用环境节点66。在该情 况中，环境节点66a和66b包括或者被可通信地耦合到用于测量环 境参数如湿度、温度、大气压、降雨量或可以影响发生在通信网络 60之中的无线通信的任意其他环境参数的设备或传感器。该信息可 用于分析并且预测该通信网络之中的问题，因为无线通信中的许多 中断至少部分地归因于环境情况。如果希望，则该环境传感器可以 是任意类型的传感器并且可以包括例如HART传感器/发射器，4-20 mA传感器或者具有任意设计或配置的板上传感器。当然，环境节点 66a、66b中的每一个可以包括一个或多个环境传感器，并且如果希 望则不同的环境节点可以包括相同的或不同类型或种类的环境传感 器。类似地，如果希望，则环境节点66a、66b中的一个或多个可以 包括电磁环境噪声测量设备，以特别是在被通信网络60用于发射信 号的波长上测量环境电磁噪声等级。当然，如果通信网络60使用除 了RF频谱之外的其他频谱，则在一个或多个环境节点66中可以包 括不同类型的噪声测量设备。此外，虽然将图2的环境节点66描述 为包括环境测量设备或传感器，但是任意其他节点68可以包括那些 测量设备，因而当分析通信网络60的操作时分析工具能够确定在每 个节点处的环境情况。

将要注意到图2是示意性的图表，并且环境节点66a、66b相对 于现场节点68a-68c的放置本不是相对于它们在实际过程控制区域 中的实际放置。而是意图以如图3和4中概念性地显示的逻辑和策 略方式在过程控制区域放置环境节点66a、66b(以及未描绘的其他 环境节点或单个环境节点)。

图3概念性地示出了具有与节点N01-N12通信的无线网关120 的网络100，其中，节点N01-N12对应于各种现场设备如现场设备 25-39以及控制器如控制器12，其中网关102和节点N01-N12构成 无线网状网络。现场设备以及该节点所对应的控制器通常被认为是 智能测量无线使能过程设备。因为该现场设备和控制器是无线使能 过程设备，所以它们在网络100之中通信并且经由网关102与工作 站104和服务器106通信。因此，如同利用传统硬线网络，无线使 能过程设备能够与工作站104和服务器106交换过程数据，并且在 无线网状或点对点配置中每个无线使能过程设备和控制器不仅作为 客户端来接收并且发送它自己的数据，而且还作为中继器或中继来 经过该网络向其他过程设备传播数据。因此，每个无线使能过程设 备和控制器是网络100之中的节点。如本文所使用的术语“节点” 涉及网络100之中的物理无线使能过程设备的逻辑表示。因此，应 该理解，虽然使用术语“节点”来描述维护路由生成技术，但是该 术语还表示典型地构成网络100的无线过程设备。因此，虽然在本 文参考节点来描述维护路由生成技术，但是可以使用过程设备的标 识例如设备标签或用于唯一地识别网络100之中的每个过程设备的 标识来执行该维护路由生成技术。

无线网关102和节点N01-N12使用无线通信协议如无线HART 协议(IEC62591)来通信，但是也可以使用其他无线协议。无线HART 协议是用于无线网络100之中的通信的时分多址(TDMA)信道接 入和信道跳变。可以在无线网络102上实现网络管理器软件以便调 度节点N01-N12与无线网络102之间的通信，并且定义无线网状网 络100之中的通信路径。虽然图3显示了仅具有单个网关102的无 线网状网络100，但是可以提供多于一个网关，在该情况中网关可以 共享网络管理器软件。类似地，虽然仅显示了12个节点，但是网状 网络可以容易地具有数打或数百个用于构成该网络的节点，这使得 维护路由生成例程最有用。

经由被显示为以太网连接如以太网连接40的通信链路108将网 状网络100依次连接到主机工作站或计算机104如主机工作站或计 算机14。网关102可以对应于以上基本节点62，并且使用如上所述 的大量不同的协议经由以太网连接108将网状网络与主机工作站14 和/或服务器106接口。同样地，虽然将无线网关102显示为经由硬 线以太网连接108被链接到工作站104，但是可以改为使用任意其他 通信链路如无线通信链路，上文提供了无线通信链路的实例。

虚线显示了无线网状连接，可选择地可以在如图3中的实线所 示的无线点对点配置中连接节点N01-N12中的一些或全部。因此应 该理解，网络100可以具有可替换的配置，因而网络100可以仅仅 是无线点对点网络，仅仅是无线网状网络，可以从无线点对点网络 切换到无线网状网络并且反之亦然或者无线点对点网络与无线网状 网络的组合。在上文参考的Shepard等人的美国专利号7,436,797中 公开了可切换无线网络(例如网状到点对点并且反之亦然)和无线 点对点网络与无线网状网络的组合。应该进一步理解，可以与如Chen 等人的标题为“Apparatus and Method for Merging Wireless Data Into  An Established Process Control System”并且在2010年10月26授予 专利权的美国专利号7,822,802所公开的硬线网络组合地实现网络 100，其中通过引用的方式将该专利的内容明确并入本文。

虽然无需表示节点N01-N12在实际过程控制区域中相对于它们 的实际放置的放置，但是图3概念性地表示节点N01-N12相对于彼 此以及相对于无线网关102的放置。例如在相对于无线网关102的 无线网状网络中，节点N03最靠近，节点N01其次靠近并且节点 N02最远离无线网关102。相对于节点N01，节点04最靠近，节点 N02其次靠近，节点N06再其次靠近并且节点05最远离节点N01， 并且对于网络100中的每个节点以此类推。注意到，仅将直接通信 的那些节点视为彼此关联。例如在点对点无线网络中，将网络节点 N01、N02和N03的放置视为与无线网关102关联，但是彼此不关 联，因为节点N01-N03彼此不直接通信。类似地，在硬线网络中， 将网络节点N01、N02和N03的放置视为与以太网104关联但是彼 此不关联。

在图4A中以表格的形式显示用于图3中所示的无线网状网络的 零跳数，并且图4B中以表格的形式显示用于无线点对点网络的零跳 数。根据与第一列中罗列的节点(或网关)的物理距离来排列行中 的节点(和网关，如果可应用)的罗列。但是，特别是关于数据包 可以采取任意数量的路由到达它的目的地的网状网络，无需指示经 过该网络的消息的路由。

参考图4A，无线网关102直接与节点N01到节点N03通信并且 因此无线网关102与节点N01到节点N03中的任意一个节点之间的 跳数是零。转到图4A的表格的第二行，将注意到，节点N01与节 点N02和N04-06之间的跳数也是零，因为在图3中将节点N01显 示为与网关102以及节点N02和N04-06之中的每一个节点具有直接 通信。类似地，图4A中的表格的每个剩余行展示用于每个节点 N02-N12的零跳数。

参考图4B，无线网关102与节点N01到节点N03直接通信，因 而无线网关102与节点N01到节点N03中的任意一个节点之间的跳 数再次是零。但是，在图4B的表格的第二行中，节点N01与其他 节点之间的跳数仅仅相对于N04-N06和网关102是零，因为在该实 例中在图3中将节点N01显示为仅仅与网关102以及节点N04-06 之中的每一个节点具有但是与节点N02没有直接通信。图4B中的 表格的每个剩余行展示用于点对点无线网络中的每个节点N02-N12 的零跳数。

由于现场设备和控制器被实现在过程控制系统中，所以只要网 络是无线网状网络或无线点对点网络就将节点增加到该网络中。类 似地，可以离线地得到或者从过程控制系统去除现场设备和控制器， 因而从网络去除该节点。由于增加或从网络去除节点，通信路径可 能改变。因此，网关102、工作站104和/或服务器106可以使用各 种诊断工具周期性地收集关于网络的信息，以识别、定义并且/或者 更新其中的通信路径/路由。

如我们已知的，网关102可以收集关于网络100的信息，包括 关于每个节点N01-N12的信息。例如如上关于无线网状网络100所 述的，网络管理器软件可用于调度通信并且定义网络100之中的通 信路径。具体而言，网络管理器定义用于从网关102向各种节点 N01-N12发射的并且反之亦然的消息的通信路径。由网络管理器使 用从节点N01-N12中的每一个节点接收的信息分配通信路径。随着 每个节点被引入网络中，该节点与它的范围中的其他节点通信以确 定它的邻居(即与该节点直接主动通信的其他节点或网关)。在与 邻居的每个通信期间，在关于与它的邻居的通信的其他统计数据中， 每个节点测量接收信号强度，其中该接收信号强度又被称为接收信 号强度指示符(RSSI)，它是接收信号的功率的测量。

关于每个节点的邻居的信息和对应的RSSI可以被发射到网关 102并且被网络管理器软件使用。例如，网络管理器软件可以使用邻 居信息和RSSI信息来确定用于进入和外出消息的通信路径。对于每 个通信路径，网络管理器软件识别用于该路径中的各种跳的相邻节 点。通信路径中的节点可以被归类为父或子，其中父是通过其自身 向另一个设备(它的子)传递通信的设备，并且子是通过另一个设 备(父)来到达第三设备或网关的设备。

节点N01-N12中的每一个节点典型地向网关102报告它的通信 统计数据。由网络管理器软件使用这些统计数据来确定通信路径并 且分配用于消息的时隙。通信统计数据可以包括邻居的标识、来自 每个邻居的接收信号强度指示符(RSSI)、到每个邻居的接收信号 强度指示符(RSSI)、与每个邻居的成功的通信的百分比、到该具 体节点的父和子的数量、父子比率、父邻比率以及子邻比率、该节 点是否处于网关102的范围中以及该节点是否与网关102直接通信。 因此，使用诊断工具如网络管理器软件，可以确定网状网络之中的 通信路径。

对于点对点无线网络，每个节点能够收集并且向网关102发射 通信统计数据，在该情况中可以利用存储在点对点网络中的网络管 理器软件来实现该点对点网络中的网关102。网络管理器软件从每个 节点接收通信统计数据，其包括来自每个邻居的接收信号强度指示 符(RSSI)、到每个邻居的接收信号强度指示符(RSSI)、与每个 邻居的成功的通信的百分比等等。因此，在点对点网络中，可以类 似地使用诊断工具如网络管理器软件确定通信路径。

更常用的诊断工具是追踪工具如追踪路由，其确定网络中的通 信的路由并且测量经过该网络的消息的传输延迟。如我们通常已知 的，追踪路由发送一系列回声请求数据包，其地址为目的地节点。 追踪路由通过调整生存时间(TTL)(跳限制)网络参数来确定在通 信路径中经过的中间节点。在通信路径中的每个节点处减小TTL(跳 限制)值，当TTL值达到零时丢弃数据包，并且向消息起源返回用 于指示超时的错误消息。对于所发的每个连续的数据包集合增加 TTL(跳限制)，其中第一数据包集合具有跳限制值1，期望它们不 被第一节点转发。第一节点然后向该起源返回错误消息。下一个数 据包集合具有跳限制值2，因而它们不在通信路径中的第二节点之前 被转发，并且第二节点发送错误回复。这个继续直到目的地节点接 收到该数据包并且返回回声回复消息为止。追踪路由使用该返回消 息来产生该数据包经过的节点的列表。对于沿该路径的每个节点返 回的时间戳值是典型地以毫秒测量的延迟(延时)值。因此，可以 对于网络确定跳数和延时值，并且继而可以对于网络确定通信路径。

现在参考图5，其公开了用于通过过程工厂建立维护路由的维护 路由生成例程200。维护路由生成例程200利用来自上述诊断设施的 信息例如信号强度、跳数和延时，自动地创建并且修改维护路由。 通常，在以太网108的后端上例如在工作站104或服务器106上执 行图5的例程200。更具体而言，将维护路由生成例程200作为维护 计算机上的工具来实现并且执行。即指定为用于与维护相关的活动 并且/或者执行接口应用以允许维护人员与工厂之中的过程控制网络 10接口的计算机如工作站104或服务器106。在一个实例中，可以 将维护路由生成例程200实现为接口应用的模块。

用于建立维护路由的过程基于一系列的计算，该计算涉及从发 生在用于现场设备和控制器(节点)的给定集合的通信路径中的信 号强度和跳数得出的相对接近度。即从关于网络的信息可以收集节 点关于彼此的接近度，而无需知道每个设备的物理位置。例如参考 图3和4，即使1)节点N01与2)节点N02、N04、N05和N06之 间的实际距离未知，也可以从信号强度确定节点N04最靠近节点N01 (即节点N04比节点N05或N06具有更大的RSSI)。因此，虽然 从信号强度可能无法确定距离，但是其可以提供哪个节点最靠近另 一个节点的并且因此哪个现场设备或控制器最靠近另一个现场设备 或控制器的指示。

应该理解，定义的维护路由不严格地遵循经过网络100的通信 路径。通信路径与维护路由不同的原因通常由许多。在基于节点的 相对物理接近度来建立维护路由的情况中，通信路由可以部分地基 于依赖于节点的通信范围(例如无线设备的无线电范围)的接近度 并且基于逻辑通信参数例如避免夹点。但是，用于确定通信路由的 信息在确定维护路由中是有用的。此外，虽然下文的描述涉及网络 100之中的节点，但是应该容易理解现场设备和控制器是节点的物理 实施方式，并且术语“节点”在本文中可以容易地被术语“现场设 备”和“控制器”替换，其中将现场设备和控制器实现为无线使能 的现场设备和控制器。

参考图5，在方框202创建与网关要么直接地要么间接地通信的 全部现场设备和控制器的详尽的列表(列表A)(见图6A)。总体 而言，网关102和网络管理器软件维护与网关102通信的全部节点 (并且因此全部现场设备和控制器)的列表，以便识别、定义并且/ 或者更新其中的通信路径/路由。另外或可替换地，可以类似地由工 作站104和/或服务器106维护这些列表。因此，可以通过获取由网 关102作为其常规网络诊断的一部分所创建并且维护的节点 N01-N12的列表来实现创建与网关102通信的全部现场设备和控制 器的列表。至少可以从网关102取得关于网络100的现有信息，以 创建该网络之中的全部节点N01-N12的列表。

在创建了与网关通信的全部节点的列表之后，在方框204处创 建使用列表A中罗列的节点与网关直接通信的全部设备的主排序列 表(列表B)(见图6B)。使用来自网络诊断的结果，知道每个节 点的跳数以及每个设备相对它的邻居的RSSI(或信号强度的其他指 示符)。具体而言，列表B是按信号强度排列的在它们的通信路径 中具有0跳的全部节点的排序列表。参考图3和4，这依次将是节点 N03、N01和N02，因为它们中的每一个相对于网关102具有零跳数， 并且在这些节点中，N03的RSSI相对于网关102最强，N01的RSSI 相对于网关102其次强并且N02的RSSI相对于网关102最弱。

图7是用于创建与网关102直接通信的节点的排序列表(列表B) 的例程204的实例的流程图。使用在图5的方框202处创建的列表A， 图7的例程204选择距网关102具有0跳的那些节点并且根据列表B 中的每个节点与无线网关网络设备之间的无线连接的信号强度排列 列表B中的节点，其中，将较高的信号强度排列在较弱的信号强度 前面。参考图7，在方框302处可以选择列表A中的第一节点(例 如节点N01)，其中在方框304处做出关于所选择节点是否与网关 102直接通信(即用于该节点的跳是零)的确定。如果否，则例程 204前进到列表A中的下一个节点并且重复方框304处的相同的确 定。

如果相对于网关102的节点跳是零，则在方框308处将该节点 增加到列表B的底部。如果这是被增加到列表B的第一个节点，则 在方框310处做出该确定，从而例程204随后在方框306处选择来 自列表A的下一个节点。如果这是被增加到列表B的第二个或后续 的0跳节点，则例程204继续以在方框312处根据与网关102的信 号强度来排序该列表。

在根据信号强度来排序该列表时，在方框312处将(除了被增 加到该列表中的第一个节点之外的)被增加节点的信号强度与列表B 中罗列的紧接在之前的节点的信号强度比较。对于列表B中的每个 节点执行该步骤，直到被增加节点被排列在具有更高的信号强度的 节点之下为止。具体而言，如果被增加节点的信号强度高于罗列在 其上方的节点的信号强度，则在方框314处在列表B中该将被增加 节点向上移动一个位置到具有更低的信号强度的节点的前面。然后 将被增加节点的信号强度与列表中的下一个节点的信号强度比较， 也即该被增加节点在该列表中被向上移动一个位置之后紧接在该被 增加节点之前的节点(如果有)。再次，如果被增加节点的信号强 度高于如今罗列在其上方的节点的信号强度，则在方框314处在列 表B中将该被增加节点向上移动一个位置到具有更低的信号强度的 节点的前面。该过程继续，直到在方框312处确定该被增加节点不 具有比罗列在其上方的节点的信号强度更强的信号强度为止，在此 时，在方框306处选择来自列表A的下一个节点，除非在方框316 处确定已经达到列表A的末尾，在该情况中控制返回到图5的维护 路由生成例程200。

图7的例程204所导致的结果是列表B，列表B是与网关102 直接通信的节点的列表。例如参考图3、4和6A，与网关102直接 通信的节点是节点N01、N02和N03。使用图7的例程204，由例程 204选择的第一节点是节点N01，其中确定节点N01相对于网关102 具有零跳。作为被增加到列表B的第一个节点，例程204继续以从 列表A选择下一个节点即节点N02。在确定节点N02相对于网关102 具有零跳之后，将节点N02增加到列表B的末尾，并且将节点N02 与网关102之间的信号强度与节点N01与网关102之间的信号强度 比较。然后，在确定节点N02的信号强度小于节点N01的信号强度 之后，例程204从列表A选择下一个节点即节点N03。将与网关102 之间具有零跳数的节点N03增加到列表B的末尾。将节点N03的信 号强度与节点N02的信号强度比较，因而确定节点N03比节点N02 与网关102之间具有更强的信号，因此将节点N03在列表B中移动 到节点N02前面。随后，确定节点N03具有比节点N01更强的信号， 因此将节点N03在该列表中移动到节点N01前面。然后从列表A选 择节点N04-N12中的每一个节点，但是确定节点N04-N12中的每一 个节点相对于网关102具有跳数1或更大跳数。其结果是与网关102 直接通信的并且根据信号强度来排列的节点的排序列表即图6B中 所示的N03、N01、N02。虽然例程204在创建节点的该排序列表中 有用，但是应该注意到，图7的例程仅仅是用于创建与网关102直 接通信并且根据信号强度来排列的节点的排序列表的一个实例，并 且可以利用其他例程。

往回参考图5，对于与列表B中的每个节点直接通信并且由信号 强度排列的每个节点，迭代地重复用于创建根据信号强度来排序的 节点的次排序列表(列表C)的过程。即针对在方框204处创建的 列表B的每个节点，对于与列表B中的节点直接通信的任意节点重 复该过程。具体而言，在图5的方框206处选择列表B中罗列的第 一个节点(即节点N03)。从那里开始，从列表A选择并且在列表 C中由信号强度排列在相对于节点N03的通信路径中具有0跳的全 部节点(即节点N03的邻居)。参考图3、4和6C，这将依次是节 点N11、N10和N02，因为它们中的每一个相对于节点N03具有零 跳数，并且在这些节点中，N11的RSSI相对于节点N03最强，N10 的RSSI相对于节点N03其次强并且N02的RSSI相对于节点N03 最弱。

图8是用于创建与来自列表B的节点直接通信的节点(即与列 表B的选择节点具有0跳的节点)的排序列表(列表C)的例程208 的实例的流程图。如我们将看出的，首先关于来自列表B的第一节 点(节点N03)讨论图8并且随后关于列表B中的其他节点解释图 8。使用在图5的方框202处创建的列表A，图7的例程208选择距 节点N03具有0跳的那些节点并且根据列表C中的每个节点与节点 N03之间的无线连接的信号强度排列列表C中的节点，其中，将较 高的信号强度排列在较弱的信号强度前面。参考图8，在方框402 处可以选择列表A中的第一节点(例如节点N01)，其中在方框404 处做出关于所选择节点是否与节点N03直接通信的确定。如果否， 则例程208前进到列表A中的下一个节点(例如节点N02)并且重 复方框404处的相同的确定。

如果相对于节点N03的节点跳是零，则在方框408处将该节点 增加到列表C的底部。如果这是被增加到列表C的第一个节点，则 在方框410处做出该确定，从而例程208随后在方框406处选择来 自列表A的下一个节点。如果这是被增加到列表C的第二个或后续 的0跳节点，则例程208继续以在方框412处根据与节点N03的信 号强度来排序该列表。在该迭代中，认为节点N02、N10和N11与 节点N03直接通信。

在根据信号强度来排序该列表时，在方框412处将(除了被增 加到该列表中的第一个节点之外的)被增加节点的信号强度与列表C 中罗列的紧接在之前的节点的信号强度比较。对于列表C中的每个 节点执行该步骤，直到被增加节点被排列在具有更高的信号强度的 节点之下为止。具体而言，如果被增加节点的信号强度高于罗列在 其上方的节点的信号强度，则在方框414处在列表C中将该被增加 节点向上移动一个位置到具有更低的信号强度的节点的前面。例如 在该迭代中节点N02是被增加到列表C的第一节点，因为它是从列 表A选择的相对于节点N03具有0跳数的第一个节点。N10是被增 加到列表C的下一个节点。

将被增加节点的信号强度与该列表中的下一个节点即在被增加 节点在该列表中被向上移动一个位置之后紧接在该被增加节点之前 的节点(如果存在)的信号强度比较。再次，如果被增加节点的信 号强度高于如今罗列在其上方的节点的信号强度，则在方框314处 在列表C中将该被增加节点向上移动一个位置到具有更低的信号强 度的节点的前面。例如将节点N10相对于节点N03的信号强度与节 点N02相对于节点N03的信号强度比较，因而确定节点N10具有更 强的信号并且在列表C中被移动到节点N02前面。该过程继续，直 到在方框412处确定该被增加节点不具有比罗列在其上方的节点的 信号强度更强的信号强度为止，在此时，在方框406处选择来自列 表A的下一个节点，除非在方框416处确定已经达到列表A的末尾， 在该情况中控制返回到图5的维护路由生成例程200。例如节点N11 是从列表A选择的下一个节点，因为其与来自列表B的节点N03直 接通信。将节点N11增加到列表C的末尾，并且将节点N11的信号 强度与节点N02(也即，列表C中紧接在之前的节点)的信号强度 比较。由于节点N11具有比节点N01更强的信号，因此将节点N11 移动到节点N02前面。然后在节点N11与N10之间执行信号强度比 较，因而将节点N11向上移动到列表C的顶部节点N10前面。图8 的例程208所导致的结果是列表C，列表C是与节点N03直接通信 并且根据与节点N0的信号强度来排列的节点，即如图6所述的节点 N11、N10和N02的列表。虽然例程208在创建节点的该排序列表 中有用，但是应该注意到，图8的例程仅仅是用于创建与来自列表B 的节点直接通信并且根据信号强度来排列的节点的排序列表的一个 实例，并且可以利用其他例程。

往回参考图5，在方框210处将列表C中的节点的排序列表追加 到列表B中，在列表B的与列表C的节点直接通信的节点之后。例 如，继续以上实例，如图6D中所示，将节点N11、N10和N02的列 表在节点N03之后追加到列表B。更具体而言，将节点N11和N10 在节点N03之后追加到列表B，并且将节点N02在列表B中移动到 节点N01前面，而不管节点N02前面的节点N01的以前的排列(见 图6B)。这是因为节点N02已经被罗列在列表B中。

图9描述了用于在从列表B选择的节点之后用列表C追加列表 B的例程210。对于以上实例，这始于在图5的方框206处在列表B 中选择的第一节点即节点N03，但是如进一步所解释的，应用于在 图5的方框214处从列表B后续选择的全部节点。参考图9，在方 框502处由该例程选择来自列表C的第一节点，在该实例中是节点 N11。为了避免多次罗列节点(如节点N02将是该情况，因为节点 N02已经存在列表B中)，例程210继续以从列表C增加节点并且 根据需要在列表B中重排节点，以提供节点之间最有效的物理维护 路由。同样地，在方框504处，例程210确定从列表C选择的节点 是否已经被罗列在图5的维护路由生成例程200中从列表B中选择 的节点之上。如果是，则来自列表C的节点被丢弃或者不被追加到 列表B，并且例程210继续以在方框506处从列表C选择下一个节 点并且在方框504处重复该确定。

如果从列表C选择的节点未被罗列在从列表B中选择的节点之 上，则在方框508处该例程确定从列表C选择的节点是否已经被罗 列在列表B中(对于节点N02将是该情况)。如果该节点已经被罗 列在列表B中，则在方框510处，按照根据列表C的节点次序，在 列表中向上移动该节点。否则，在方框512处根据列表C的节点次 序将该节点从列表C追加到列表B。对于列表C中的每个节点重复 该过程，直到随后如方框514处所确定的到达列表C的末尾为止。

在本文已经讨论的实例的环境中，例程210将首先从列表C选 择节点N11。由于节点N11没有被罗列在节点N03(在图5的维护 路由生成例程200期间从列表B选择的节点)之上，并且尚未被罗 列在列表B中，因此，将节点N11增加到列表B中在节点N03之后。 列表C中的下一个节点即节点N10没有被罗列在节点N03之上，并 且尚未被罗列在列表B中，因此根据列表C的次序将节点N10增加 在节点N11之后。从列表C选择的最后一个节点即节点N02没有被 罗列在节点N03之上但是已经被罗列在列表B中。同样地，根据列 表C的次序将节点N02在列表B中向上移动，也即到节点N10后面。 因此，使用信号强度作为指示符，按照接近度的次序排序的列表B 导致在节点N03处开始并且按照图6D中所示的节点N11、N10、N02 和N01的次序继续。

如前所述，对于与列表B中的节点直接通信并且按信号强度排 列的每个节点迭代地重复创建根据信号强度来排列的节点的排序列 表(列表C)的过程。随着列表B中的每个节点被选择并且用与从 列表B选择的节点直接通信的相邻节点追加列表B，可以认为从列 表A耗尽了从列表B选择的节点。即在用于追加列表B的进一步的 迭代中不需要考虑它(如图6C中的节点N03的虚线轮廓所指示的)。 因此，在已经耗尽来自列表A的全部节点之后，在方框212处认为 耗尽了列表A。否则，图5的维护路由生成例程200继续以在方框 214处选择来自列表B的下一个节点，该下一个节点在以上实例中 将是节点N11，并且重复用于创建来自列表A的、与从列表B选择 的节点直接通信并且根据与从列表B选择的节点的信号强度来排列 的节点的排序列表C的过程。如前文所解释的，再次将列表C的节 点追加到列表B，直到全部节点被耗尽为止。作为耗尽列表A的替 换，图5的维护路由生成例程200可以另外追踪列表B中的节点的 列表，直到其确定没有节点可以被追加到列表B为止。

继续以上实例，在方框214处选择节点N11，并且在方框208 处根据信号强度来排列节点N11的相邻节点。这导致N10和N03的 列表C。当在方框210处将节点N10追加到列表B时，节点N10已 经被罗列在列表B中紧接在节点N11后面，因此，不进一步向上移 动节点N10。节点N03已经被罗列在节点N11之上，因而不移动节 点N03。所产生的追加列表B因而是N03、N11、N10、N02、N01。

在列表B中的下一个节点是N10，其具有按照信号强度顺序排 列的相邻节点N11、N08、N03、N02和N12的列表C。当节点N11 被追加到列表B时，节点N11已经被排列在节点N10前面，因此不 移动节点N11。节点N08既未被排列在节点N11前面又未被罗列在 列表B中，因此将节点N08增加到列表B在节点N10后面。节点 N03已经被排列在列表B中的节点N10前面，因此不移动节点N03。 节点N02已经被罗列在列表B中，并且根据已选择节点N10的列表 C的次序将节点N02保持在节点N08后面的位置中。然后同样根据 已选择节点N10的列表C的次序将节点N12增加到节点N02后面。 所产生的追加列表B随后是N03、N11、N10、N08、N02、N12、N01。

在下一个迭代中，列表B中的下一个节点是节点N08，节点N08 具有按照信号强度次序排序的相邻节点N02、N07、N10和N09的列 表C。当向列表B追加节点N02时，节点N02已经被罗列在列表B 中并且根据用于所选择节点N08的列表C的次序被保持在节点N08 后面的位置中。同样根据列表C的次序在节点N02后面向节点列表 B增加N07，节点N10已经被排列在节点N08前面，因此保持它的 位置不变，并且根据列表C的次序在节点N07后面向列表B增加节 点N09。所产生的追加列表B随后是N03、N11、N10、N08、N02、 N07、N09、N12、N01。

在下面的迭代中，列表B中的下一个节点是节点N02，节点N02 具有按照信号强度次序排序的相邻节点N08、N01、N10、N07、N03 的列表C。当向列表B追加节点N08时，节点N08已经被罗列在列 表B中在节点N02前面并且保持它的位置。节点N01已经被罗列在 列表B中，并且根据列表C的次序被向上移动到节点N02后面。节 点N10已经被排列在节点N02前面，因此保持它的位置不变。节点 N07已经被罗列在列表B中并且根据列表C的次序仍然被罗列在节 点N01后面。节点N03已经被排列在节点N02前面，因此保持它的 位置不变。所产生的追加列表B随后是N03、N11、N10、N08、N02、 N01、N07、N09、N12。

在后续的迭代中，列表B中的下一个节点是节点N01，节点N01 具有按照信号强度次序排序的相邻节点N04、N02、N06、N05的列 表C。根据列表C的次序在节点01后面向列表B增加节点N04。节 点N02在列表B中已经被排列在节点N01前面。根据列表C的次序 在节点N04后面向列表B增加节点N06和N05。所产生的追加列表 B随后是N03、N11、N10、N08、N02、N01、N04、N06、N05、N07、 N09、N12。

列表B中的下一个节点是节点N04，节点N04具有按照信号强 度次序排序的相邻节点N05、N01和N06的列表C。节点N05、N01 和N06中的每一个已经被罗列在列表B中，其中节点N01已经被排 列在节点N04前面。基于列表C的次序，将节点N05移动到节点 N06前面。所产生的追加列表B随后是N03、N11、N10、N08、N02、 N01、N04、N05、N06、N07、N09、N12。

此后，后续迭代不导致对于追加列表B的任何进一步改变。因 此，随着图5的维护路由生成例程200继续经过对于节点N05、N06、 N07、N09和N12的剩余的迭代，列表A被耗尽并且最终列表B如 下：N03、N11、N10、N08、N02、N01、N04、N05、N06、N07、 N09、N12，如图6E中所示。然后输出该最终列表B作为被认为是 节点之间并且因此是与每个节点相关联的现场设备与控制器之间最 有效的维护路由，其中，列表B中的节点的次序是维护路由的次序， 并且每个对应的现场设备或控制器的位置对应于该路由中的停止 点。因此，使用网络诊断信息如用于识别相邻节点的跳数和相邻节 点的信号强度作为接近度的指示符，可以生成维护路由，以便维护 人员物理上走过过程工厂以执行由该维护路由定义的各种维护和校 准活动。

利用该维护路由可以进行各种修改和/或利用。例如虽然图5的 维护路由生成例程200可以被视为经过过程工厂(或者至少经过网 络100的现场设备和控制器)的最佳路由，但是维护人员可以根据 需要，例如基于需要比其他现场设备或控制器更快的维护的特定现 场设备或控制器，修改该路由。在其他实例中，可以修改维护路由， 以去除与不需要维护或校准的现场设备和/或控制器相对应的节点。

至少可以在显示器设备例如工作站104的显示器屏幕上或者在 具有显示器屏幕的手持设备如智能电话、平板个人计算机、个人数 字助理或其他便携式显示设备上将维护路由显示在过程工厂的地图 上。具体而言，在每个节点与现场设备或控制器相关联并且已知现 场设备或控制器的位置的情况中，可以在过程工厂的地图上显示该 现场设备和控制器。例如Citrano，III于2009年2月27日递交的并且 于2009年10月22日公布的、标题为“System For Visualizing Design  and Organization of Wireless Mesh Networks In Physical Space”、公开 号为2009/0265635的美国专利申请(其内容作为参考并入本文中) 公开了一种可视化工具，其显示网状网络中所包括的设备关于该网 络所占用的物理空间。该工具接收用于表示由无线网状网络所占用 的物理空间的图像，用于定义接收图像的比例的比例信息以及用于 定义每个设备在由该网络所占用的物理空间之中的位置的位置信 息。基于这些输入，该可视化工具显示无线网状网络相对于由该无 线网状网络占用的物理空间的布局。使用该工具，可以将由维护路 由生成例程200生成的维护路由重叠在网状网络的布局的显示上面， 其中利用箭头指示从节点到节点并且因此从设备到设备的排序路 由，如图10中概念性地显示的。

此外，可以基于被增加到网络100或从网络100去除的现场设 备或控制器(并且因此节点)，更新由维护路由生成例程200生成 的维护路由。例如，在建立了维护路由之后，可以向网络100增加 新节点N13，其中节点N13具有按照信号强度次序排序的邻居N08、 N10、N12和N09作为它的邻居。代替对于网络中的每个节点(节 点的数量可能是数打或数百个)重复该过程，可以改为仅利用该新 节点和它的邻居来执行该过程。即具有邻居N08、N10、N12和N09， 可以利用节点N08、N09、N10、N12和N13创建列表A。具有来自 上文的如列表B定义的已经建立的维护路由，可以跳过方框 202-206，因为这些方框实质上用于列表B的初始化。

如我们应该理解的，新节点在网络100中的引入可能改变最佳 维护路由，因为新节点N13现在可能比以前的邻居更加靠近现有节 点。例如节点N13可能是节点N08的最靠近的邻居，其中以前节点 N02是节点N08的最靠近的邻居。类似地，节点N13现在可能是节 点N10的其次靠近的邻居，其中以前节点N08是节点N10的其次靠 近的邻居。为了基于接近度按照用于维护路由的最佳次序排列节点， 对于列表B中与新节点N13直接通信的每个节点即节点N08、N09、 N10和N12重复该过程。因此，从节点N10开始(因为节点N10是 在节点N08、N09、N10和N12之中第一个被罗列在列表B中的节 点(见图6E))，可以按照信号强度的次序创建节点N10的全部邻 居的列表C，列表C现在包括新节点N13(例如N11、N13、N08、 N03、N02、N12)。然后如上所述向列表B追加列表C，因而向列 表B引入新节点N13。然后对于节点N08、N09、N10和N12并且 也对于节点N13重复该过程，以完成列表B并且建立修改的维护路 由。

如果要从网络100去除现场设备或控制器(并且因此节点)， 则可以从列表B去除该节点，并且可以对于作为被去除节点的邻居 的那些节点执行类似的过程。因此，无需对网络100中的全部节点 执行维护路由生成例程200，可以修改现有维护路由以说明受另一个 节点的引入或去除影响的那些节点。

虽然已经关于由虚线通信线所指示的图3的网状网络描述了以 上实例，但是维护路由生成例程200可以类似地应用于如图3中的 实线通信线所显示的点对点无线网络。例如，与图6A中所显示的步 骤类似地，使用维护路由生成例程200，在方框202处创建列表A (图11A)。与图6B中所显示的步骤类似地，在方框204处使用图 7的例程创建与网关102直接通信的节点的排序列表(列表B)，就 创建了距网关102具有0跳数并且按照与网关102的信号强度排列 的节点(即节点N03、N01、N02)的排序列表B(图11B)。

在方框206处选择来自列表B的第一节点，维护路由生成例程 200然后在方框208处使用图8的用于创建与来自列表B的节点直 接通信的节点的排序列表(列表C)的例程，创建距从列表B选择 的节点(例如节点N03)具有0跳数并且按照与从列表B选择的节 点的信号强度排列的节点的排序列表C(图11C)。但是，与以上网 状无线网络的实例中(见图6C)用于从列表B选择的节点N03的列 表C不同，该列表不包括节点N02，因为在图3的点对点网络实例 中，仅节点N10和N11是节点N03的邻居。因此，用于所选择节点 N03的列表C包括按照信号强度次序排序的节点N10和N11。

在方框210处，根据利用列表C在从列表B选择的节点后面 来追加列表B的例程210向列表B追加用于所选择节点N03的列表 C，这导致图11D的列表B。节点N02从排序列表B的初始创建开 始就保持在列表B中，但是与图6D对比，其保持被排列在节点N01 之后。此后，维护路由生成例程200在方框212处确定是否已经解 决了每个节点，并且如果需要则在方框214从列表B选择下一个节 点。

继续本实例，列表B中的下一个节点现在是节点N11，节点 N11具有邻居节点N03和N12。在方框208处使用图8的过程，用 于从列表B所选择节点N11的列表C导致按信号强度次序排序的节 点N03和N12。在方框210处使用图9的过程，在节点N11之后向 列表B追加列表C，其中节点N03已经被排列于节点N11的前面并 且节点N12被排列在节点N11的下面。所产生的追加排序列表B随 后是N03、N11、N12、N10、N01、N02。

如同以上网状网络实例，维护路由生成例程200对于无线点对 点网络中的节点重复方框208、210、212和214。但是，所产生的排 序列表与用于无线网状网络的不同。例如，在已经对于选择节点N11 追加列表B之后，列表B中的下一个节点是节点N12，节点N12只 有一个邻居节点N11。假定节点N11已经被罗列在节点N12之前， 例程200前进到节点N10而在经过例程208和210的步骤之后不追 加列表B。节点N10具有两个邻居节点N03和节点N11，节点N03 和节点N11都已经被罗列在节点N10之前。此时，从列表B选择节 点N01，节点N01具有邻居N04、N05和N06，导致节点N04、N06 和N05的排序列表C以及N03、N11、N12、N10、N01、N04、N06、 N05、N02的追加列表B。因为节点N04、N05和N06中的每一个仅 具有节点N01作为邻居并且因为节点N01已经被排列在排序列表B 中的那些节点之前，因此，所产生的用于节点N04、N06和N05(因 为它们是按照来自列表B的次序选择的)的迭代不导致对于排序列 表B的任何改变。此后，选择节点N02，导致按次序向列表B追加 节点N08和N07。在接下来的迭代中，在节点N08之后向列表B追 加节点N09。节点N07不具有在列表B中已经被排列在它之前的邻 居。因此列表A被耗尽，导致如图11E所显示的节点N03、N11、 N12、N10、N01、N04、N06、N05、N02、N08、N09、N07的最终 列表B。

如上所述，输出该列表B作为用于与该些节点相对应的设备的 维护路由的次序。如上文对于无线网状网络所述的，可以更新该列 表以说明向无线点对点网络增加或从无线点对点网络去除的节点， 并且可以将该列表重叠在无线点对点网络的布局的显示上面，其中 利用箭头指示从节点到节点并且因此从设备到设备的排序路由，如 图12中所示的。但是，注意到，这可能不表示经过该网络的最佳路 由。

具体而言，与图10中显示的被视为更佳的路由相比，如果不 是最佳路由，则在由维护人员行进的距离方面而言，图12中所显示 的路由可以被视为是次佳的，即使两个实例中节点(和设备)在物 理上位于相同的地方。例如，从节点N11到节点N12的路由的路程 实质上绕过节点N10，并且从节点N10到节点N01的路程绕过节点 N02。此外，从节点N05到节点N02的路程与从节点N04到节点N06 的路程交叉。简而言之，用用于无线点对点网络的维护路由生成例 程200输出的路由可能不是最佳路由。因此，由于维护人员可以基 于比其他现场设备或控制器需要更快的维护的特定现场设备或控制 器来修改路由或者去除与不需要维护或校准的现场设备和/或控制器 相对应的节点，可以由维护人员检查并且调整由维护路由生成例程 200对于无线点对点网络输出的路由以说明更佳的路径。然而，鉴于 以前手动地生成维护路由，但是维护路由生成例程200至少可以自 动地生成用于无线网状网络或点对点网络中的任意一个或它们的组 合的维护路由，因此，它们可以被用作为排序停止点的初始列表， 以便被维护人员用来物理地走过工厂并且执行任务如收集数据、校 准设备、执行可视设备检查等等。

虽然前文阐述了本发明的大量不同实施方式的详细描述，但是 应该理解，本发明的范围是由本专利所附的权利要求的词语所限定 的。应该仅将详细描述理解为示例性的并且不是描述本发明的每个 可行的实施方式，因为描述全部可能的实施方式是不可能的，要不 就是不切实际的。使用当前的技术或者在本专利的递交日之后开发 的技术中的任意一个可以实现仍然将落入用于限定本发明的权利要 求的范围之中的大量可替换的实施方式。

虽然将维护路由生成技术和它的元件描述为可以在工作站或 服务器上实现的例程，但是它们也可以实现在硬件、固件等等中并 且可以被任意其他处理器包括多个处理器实现。因此，本文所述的 元件可以被实现在标准多用途CPU或特别设计的硬件或固件如专用 集成电路(ASIC)或其他希望的硬线设备中。当被实现在软件中时， 软件例程可以被存储在任意计算机可读存储器如磁盘、激光盘或其 他存储介质中、在计算机或处理器的RAM或ROM中、在任意数据 库中等等。

因此，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，在本文描述并 且说明的技术和结构中可以做出许多修改和变形。因此，应该理解， 本文所述的方法和装置仅仅是说明性的并且不是限制本发明的范 围。