5.5　系統集成接口管理

5.5.1　生命周期模型

接口實(shí)施是系統集成工作中的一部分，為了有序可控地開(kāi)展工作，接口實(shí)施過(guò)程應遵循一定的過(guò)程模型。圖7描繪了一種常用的接口生命周期模型。

圖7 集成系統接口生命周期模型

其中：（1）集成系統需求和系統總體設計，是接口實(shí)施的前期（概念）階段，此階段規劃了專(zhuān)業(yè)子系統和子系統之間的聯(lián)系，并識別出主要接口。（2）接口需求分析：根據系統需求和總體設計確定專(zhuān)業(yè)間的接口內容、明確接口的類(lèi)型與初步技術(shù)要求。（3）接口初步設計：根據總體設計和接口需求分析，制定出接口的關(guān)鍵技術(shù)性能指標、接口的物理特性、主要電氣參數，規定協(xié)作工作內容和技術(shù)要求，并用規范的形式描述這些接口規定。（4）設計聯(lián)絡(luò )：集成商與相關(guān)方協(xié)商接口實(shí)施的設計、施工、驗收方案，進(jìn)一步澄清接口的技術(shù)性能參數、設計時(shí)的具體要求、各自職責界面劃分、接口協(xié)議的具體內容、各方配合方式等，并將相關(guān)內容形成有法定約束力的文件。（5）接口詳細設計：按照接口需求和初步設計，結合設計聯(lián)絡(luò )時(shí)確定的內容，有針對性地組織接口軟硬件詳細設計；對接口相關(guān)設備進(jìn)行質(zhì)量檢查；依據設備供應商提供的技術(shù)資料深化和更新相關(guān)設計，形成完備的接口描述文件。在一些應用領(lǐng)域將這些文件稱(chēng)為DIS文件（DetailInterface Specification:詳細接口規范）。（6）接口模擬測試：在設備和系統制造的場(chǎng)所，用模擬接口對端的方式對設備和系統進(jìn)行進(jìn)行試驗和測試，檢驗接口的功能和性能。（7）接口安裝：接口設備可以與系統其它設備一起安裝，然后再作物理連接。（8）接口調試：現場(chǎng)接口調試前應先做好相關(guān)準備，包括對安裝的評審驗收、檢查安裝符合規范、接線(xiàn)正確無(wú)誤，然后才可以通電。應依據接口描述文件編制調試方案，對接口的功能、特性逐一試驗和修訂，必要時(shí)可擴展接口單體調試的范圍和內容。（9）系統調試：系統調試在接口調試完成后進(jìn)行，對系統的功能和特性進(jìn)行逐一試驗和修訂，這是在動(dòng)態(tài)的工作環(huán)境中使用和檢查接口。（10）系統驗收和運維：接口作為集成系統的一部分，將統一納入集成系統的驗收和運維、乃至退役。

5.5.2　技術(shù)活動(dòng)管理

接口生命周期模型中的每個(gè)環(huán)節，都有比較強的技術(shù)性，要求相關(guān)方有專(zhuān)業(yè)的技術(shù)團隊和既懂管理又懂技術(shù)的項目經(jīng)理。隨著(zhù)接口牽涉的設備和廠(chǎng)商越來(lái)越多、接口形式和接口內容越來(lái)越復雜，如何管好接口也成了一門(mén)學(xué)問(wèn)。

接口澄清有兩個(gè)目的：（1）澄清用戶(hù)期望和集成系統設計要求，該活動(dòng)主要涉及用戶(hù)和集成商；（2）澄清接口形式、接口協(xié)議和連接特性，活動(dòng)主要涉及集成商和設備供應商。所以說(shuō)，接口澄清是集成商、設備供應商、用戶(hù)共同的事情。

用戶(hù)對接口的期望通常是一些頂層的特性，如標準化、高安全性等。對業(yè)主期望的了解，有助于復雜問(wèn)題的技術(shù)決策，集成商做起事來(lái)可以有的放矢。集成商作為接口方面的專(zhuān)家，可以想業(yè)主之所想，給項目引入更為專(zhuān)業(yè)的標準，這方面做好了，往往可以帶來(lái)極高的滿(mǎn)意度。當然，過(guò)程中也要謹防畫(huà)蛇添足、增加接口復雜性，要引導用戶(hù)把期望控制在合理可行的限度內。

集成系統設計對接口的要求，包括傳輸的信息內容和傳輸質(zhì)量，通常是明確的。但總體設計是在設備選型之前進(jìn)行的，實(shí)際設備與最初設想有時(shí)會(huì )存在些差別，必要時(shí)對接口方案要作一些調整。

集成商和設備供應商首先應就接口形式、接口協(xié)議、責任邊界達成一致，在此基礎上雙方技術(shù)人員可進(jìn)一步澄清技術(shù)細節，如接口參數、協(xié)議實(shí)現程度等。設備供應商不僅要開(kāi)放接口協(xié)議，還要提供條件使集成商可挖掘設備的其它可用信息，這樣做的原因是：用戶(hù)和集成商通常只能提出應用信息的需求，而設備監控用的信息由于與具體設備有關(guān)，比如空調主機壓縮機的負荷率，則只能由供應商來(lái)提供，只有供應商才最了解自己設備的能力和特點(diǎn)。挖掘設備內在信息有時(shí)能給用戶(hù)提供額外的價(jià)值，比如壓縮機負荷率參數就可用作空調群控和節能運行用的參數。

類(lèi)似需要集成商、設備供應商和用戶(hù)相互配合的工作非常多，從某種角度看，集成系統接口管理其實(shí)是對這些利益相關(guān)方關(guān)系的管理。在這些活動(dòng)中，集成商的協(xié)調能力是實(shí)現共同目標的關(guān)鍵，集成商應積極引導各方，獲得高質(zhì)量、經(jīng)濟可行的接口方案。

接口技術(shù)管理內涵還很多，包括接口軟件開(kāi)發(fā)管理、接口文檔配置管理、接口變更控制管理、多廠(chǎng)商聯(lián)合調試管理等，除需強化配合外，接口技術(shù)管理的原則和方法與常規項目管理基本一致，這里不再一一贅述。

5.5.3　接口質(zhì)量控制

對不同應用場(chǎng)合，客戶(hù)對接口質(zhì)量要求也會(huì )有所不同：對輔助性系統，只要達到一般質(zhì)量水平就可以了；對有重大經(jīng)濟、環(huán)境和人身影響的系統，就必須達到很高的質(zhì)量等級。

接口實(shí)施中要進(jìn)行質(zhì)量控制，保證接口達到必要水平和滿(mǎn)足應用要求。要達到一般性質(zhì)量要求，在采購和研制環(huán)節做好項目管理、加強接口測試就可以了；但對高質(zhì)量要求，還需要在項目管理和接口測試基礎上，增加接口生命周期過(guò)程控制，特別是與接口設計同步的接口分析驗證。接口測試和接口分析與生命周期模型的關(guān)系如圖8所示。

圖8 與接口實(shí)施過(guò)程并行的驗證活動(dòng)

接口分析驗證：接口分析驗證是應高質(zhì)量要求而開(kāi)展的，它是用分析、審查的方式對接口需求和接口設計結果進(jìn)行驗證，活動(dòng)有接口協(xié)議形式化分析和接口設計審查等。

（1）接口協(xié)議形式化分析：當傳輸的信息極為重要，而接口協(xié)議和接口環(huán)境又非常復雜時(shí)，比如子系統之間通過(guò)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )傳輸安全信息。對這類(lèi)安全協(xié)議，應采用形式化分析方法進(jìn)行驗證，揭示和避免協(xié)議設計中可能存在的漏洞。復雜協(xié)議的漏洞很難用人工方法來(lái)發(fā)現，原因是在協(xié)議設計時(shí)，往往采用理想化推導和主觀(guān)假設，與實(shí)際情況不符。實(shí)際以太網(wǎng)運行環(huán)境非常復雜，通信過(guò)程中完全可能有意外角色參與，驗證這類(lèi)協(xié)議僅靠測試是不夠的，必須借助形式化分析方法。

協(xié)議形式化分析方法有定理證明和模型檢驗。定理證明方法是考慮所有可能的協(xié)議行為，檢測它們是否滿(mǎn)足一定的正確條件；模型監測方法是考慮協(xié)議行為的一個(gè)相對大、單有限的狀態(tài)空間，監測其是否滿(mǎn)足一定的正確性質(zhì)條件。定理證明方法適合證明協(xié)議的正確性，而模型監測方法是一種證偽的方法，適于發(fā)現針對協(xié)議的攻擊。相對而言，模型檢驗方法比較容易掌握、自動(dòng)化程度也較高，因而得到廣泛應用。

模型監測方法對協(xié)議進(jìn)行分析時(shí)，一般要借助自動(dòng)化分析工具，如SPIN、SMV等協(xié)議分析工具軟件，分析工作由工具軟件自動(dòng)完成的，過(guò)程中不需要用戶(hù)參與，如果發(fā)現協(xié)議有漏洞，工具能自動(dòng)輸出反例。

對協(xié)議建立數學(xué)模型時(shí)，可以基于通信狀態(tài)，也可以基于通信動(dòng)作序列。在基于狀態(tài)的形式化模型中，模型的主元素是通信狀態(tài)，元素之間的聯(lián)系是通信動(dòng)作和條件，這種方式可清晰的描述狀態(tài)的遷移。但是對于復雜協(xié)議，這種方式容易導致?tīng)顟B(tài)圖復雜和狀態(tài)空間爆炸，計算機處理起來(lái)比較困難；在基于通信動(dòng)作序列模型中，發(fā)生交互的實(shí)體有清晰的生命線(xiàn)和動(dòng)作鏈，相互之間的動(dòng)作操作關(guān)系也很清晰，可使用支持多進(jìn)程的協(xié)議建模語(yǔ)言（如Promela），將動(dòng)作分為資源調度和通信收發(fā)兩類(lèi)動(dòng)作，在各進(jìn)程內部處理資源調度、在各進(jìn)程之間通過(guò)信道進(jìn)行收發(fā)聯(lián)系。這種方法可以用會(huì )面點(diǎn)實(shí)現同步通信，或用信道實(shí)現異步通信，使用起來(lái)比較方便。

（2）接口設計審查：接口設計審查始于接口需求分析階段，并貫穿接口初步設計、設計聯(lián)絡(luò )、接口詳細設計過(guò)程。

接口設計審查的對象是接口描述文件以及集成系統需求和集成系統設計，內容是確認各個(gè)接口需求是否正確，驗證接口描述文件與上層文件規定是否一致、每個(gè)接口是否都已納入需求、接口的功能要求和特性（如效率、精度、安全性等）是否都已明確、不同安全級別之間接口是否充分隔離，接口功能是否可測試等。

在接口詳細設計階段，還要對接口軟件進(jìn)行設計文檔和源代碼的審查，確保接口協(xié)議被正確、一致、完整、準確地編碼實(shí)現。

接口測試驗證：接口測試驗證是實(shí)施集成系統的最基本的質(zhì)量活動(dòng)。對接口工作許多環(huán)節引入的缺陷，包括接口設備采購和安裝、軟硬件的開(kāi)發(fā)等，多數問(wèn)題都能通過(guò)接口測試揭示出來(lái)。任何集成項目不應忽略或削弱這項活動(dòng)，通過(guò)有針對性的、有序的測試，可有力保證接口質(zhì)量。接口測試始于接口詳細設計階段，在接口軟件開(kāi)發(fā)完后就可進(jìn)行了。之后隨接口安裝、接口調試、系統驗收，接口測試活動(dòng)并行開(kāi)展，測試內容越來(lái)越全面和越來(lái)越深入，包括：（1）協(xié)議測試：協(xié)議測試在接口詳細設計階段或接口模擬測試階段進(jìn)行，目的是驗證接口雙方通信的正確性。測試中主要關(guān)注初始化、消息格式的正確性、集成系統從設備/子系統讀取信息、集成系統向設備/子系統寫(xiě)信息或命令，以及接口冗余等非功能處理。（2）標準一致性測試：標準一致性測試是設備廠(chǎng)家或系統集成商獨自開(kāi)展的活動(dòng)，目的是獲取產(chǎn)品和系統的符合標準的質(zhì)量證明、說(shuō)明接口的兼容性和互操作性。一致性測試本質(zhì)是對接口的形式試驗，是一種鑒定活動(dòng)。出于公正、專(zhuān)業(yè)目的，標準一致性測試機構須由第三方權威機構來(lái)執行。（3）目視測試：目視測試在接口安裝完成、接口調試前執行，目視測試不需要專(zhuān)用設備，測試的的對象是所有物理接口的電纜及接口設備的安裝（包括：電纜安裝、端子排，端子排中接口電纜的位置等）。（4）通信測試：目的是驗證雙方接口能通過(guò)連續性通電測試，保證之后雙方有建立通信連接的物理基礎。所采用的工具可以是萬(wàn)用表、通信測試程序等。（5）點(diǎn)對點(diǎn)測試：點(diǎn)對點(diǎn)測試在接口調試期間進(jìn)行，目的是檢查集成系統計算機和所接入設備/子系統之間接口的所有測點(diǎn)正確無(wú)誤，狀態(tài)采集點(diǎn)和控制點(diǎn)都可以順暢上傳下達。（6）端到端測試：端到端測試在系統調試期間進(jìn)行，目的是測試通過(guò)接口的所有數據點(diǎn)是否正確對應到集成系統的應用中，測試方法是從集成系統的人機界面上檢查所有采集數據，并逐一執行所有的控制命令。（7）功能測試：功能測試在系統調試和系統驗收期間進(jìn)行，用于確認集成系統的互聯(lián)互通互操作的正確實(shí)現，該測試應參照根據集成系統需求來(lái)進(jìn)行。（8）性能測試：性能測試在系統調試和系統驗收期間進(jìn)行，目的是確認集成系統的整體性能達到規定，比如在給定時(shí)間內能將信息從設備/子系統傳送到集成系統等。

5.5.4　接口描述規范

接口設計的輸出是接口描述文件，該文件是集成商、設備供應商、用戶(hù)共同協(xié)商的結果，也是各方工作的基礎，其內容必須正確、一致、完備、準確、可測試。

接口文件規范化：每個(gè)接口都對應一個(gè)接口描述文件，由于集成系統的接口數量非常多，如何編制和管理這些文件也是一個(gè)困難。為簡(jiǎn)化編制和管理，通常要求接口描述文件須規范化。接口描述文件規范化，有助于需求分析、便于計算機處理，也有利于接口標準化。需求描述文件規范化后，相關(guān)人員就能方便使用。再進(jìn)一步，需求描述文件可以用形式化方式來(lái)描述，如用XML（Extensible Markup Language) 語(yǔ)言來(lái)描述，接口描述中的接口參數、接口協(xié)議和接口點(diǎn)表，都是接口軟件的重要輸入，采用形式化描述后，接口軟件就可以直接從描述文件中讀取配置信息，從而減少人員的工作量和出現失誤的機會(huì )。

除了能達到“人機皆宜”的好處外，形式化表述還具有精確、無(wú)二義性的好處。用形式化語(yǔ)言來(lái)規范接口描述，已成為將來(lái)的發(fā)展方向。在統一接口標準方面，人們已進(jìn)行了數十年的努力，多種現場(chǎng)總線(xiàn)、OPC、工業(yè)以太網(wǎng)等紛紛登場(chǎng)，各標準均有其長(cháng)處，但同時(shí)也均存在局限性，無(wú)統一整合之力，全面標準化需要探索新思路。

國際標準化組織制定了開(kāi)放系統應用集成框架的國際標準ISO 15745，規定用應用互操作專(zhuān)規AIP來(lái)描述接口規則。開(kāi)發(fā)AIP的過(guò)程，就是接口信息收集、接口需求分析和接口描述文件編制的過(guò)程。ISO 15745中用AIP闡述了CANopen、DeviceNet、ControlNet、PROFINET、P-NET、WorldFIP、INTERBUS、ADS-net和FL-net，基本包容了主流的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。ISO 15745這種包容內容差異，轉而強調建模方法和表述形式統一的組織方式，能夠包容并蓄，推動(dòng)各標準快速發(fā)展的同時(shí)，也使各標準趨于熔融，最終達到提高集成系統接口標準化水平的目的，是一種共贏(yíng)的解決方案。這方面需從事接口開(kāi)發(fā)的工程師們作深入學(xué)習與研究。

文檔形式的接口描述：在文檔形式的接口描述中，通常需包含的主要內容有：接口框圖、物理接口、監控范圍、功能接口、接口測試、接口協(xié)議、軟件和數據接口、設計約束等。

（1）接口框圖：接口框圖是以圖形的方式描繪接口，包括接口雙方各自的布局和連接結構，以及相關(guān)廠(chǎng)商的工作責任范圍。（2）物理接口：物理接口描述接口硬件設施，通常包含：接口形式：指接口的物理形式，包括電氣特性以及引用的標準；接口位置和數量：羅列和統計各種類(lèi)型的接口的數量和具體位置。（3）接口協(xié)議：說(shuō)明所采用的通信協(xié)議和引用的文件，包括對專(zhuān)用協(xié)議的說(shuō)明。（4）接口數據描述：描述雙方交換的信息的具體內容，一般包括信息類(lèi)型、數據點(diǎn)的詳細描述、傳輸方式、傳輸方向、傳輸周期等。其中數據點(diǎn)詳細描述內容至少包括點(diǎn)名、點(diǎn)說(shuō)明、單位、取值范圍、報警方式等。（5）功能描述：是站在接口雙方各自角度分別描述的，包括工藝狀態(tài)和設備狀態(tài)的監視和控制、報警和事件處理、歷史數據處理、系統參數設置等。（6）性能指標：描述對接口性能的要求，如時(shí)間響應性。對性能指標，也需要分別站在接口雙方的角度去描述。（7）接口測試要求：接口測試需要區分工廠(chǎng)測試和現場(chǎng)測試，不管是工廠(chǎng)測試還是現場(chǎng)測試，都需要明確測試的目標、事件、范圍和測試方式。

作者簡(jiǎn)介：

魏曉東，1967年畢業(yè)于天津大學(xué)精儀系。1984-1991年任安徽工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系副教授。1991年出版《分散型控制系統》（ 上?？萍嘉墨I出版社） 。2000~2012年任北京和利時(shí)系統工程公司副總工、事業(yè)部總設計師，北京地鐵13號線(xiàn)、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線(xiàn)綜合監控系統工程技術(shù)總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動(dòng)化系統與技術(shù)》初版與第二版（電子工業(yè)出版社）；2010年主編國家標準《城市軌道交通綜合監控系統工程設計規范》（GB50636-2010）、《城市軌道交通綜合監控系統施工與質(zhì)量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標準《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統規范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清華同方數字城市工程中心技術(shù)專(zhuān)家，住建部城市軌道交通標注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會(huì )委員，全國自動(dòng)化系統與集成標準技術(shù)委員會(huì )委員。

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年10月刊