5.5　系统集成接口管理

5.5.1　生命周期模型

接口实施是系统集成工作中的一部分，为了有序可控地开展工作，接口实施过程应遵循一定的过程模型。图7描绘了一种常用的接口生命周期模型。

图7 集成系统接口生命周期模型

其中：（1）集成系统需求和系统总体设计，是接口实施的前期（概念）阶段，此阶段规划了专业子系统和子系统之间的联系，并识别出主要接口。（2）接口需求分析：根据系统需求和总体设计确定专业间的接口内容、明确接口的类型与初步技术要求。（3）接口初步设计：根据总体设计和接口需求分析，制定出接口的关键技术性能指标、接口的物理特性、主要电气参数，规定协作工作内容和技术要求，并用规范的形式描述这些接口规定。（4）设计联络：集成商与相关方协商接口实施的设计、施工、验收方案，进一步澄清接口的技术性能参数、设计时的具体要求、各自职责界面划分、接口协议的具体内容、各方配合方式等，并将相关内容形成有法定约束力的文件。（5）接口详细设计：按照接口需求和初步设计，结合设计联络时确定的内容，有针对性地组织接口软硬件详细设计；对接口相关设备进行质量检查；依据设备供应商提供的技术资料深化和更新相关设计，形成完备的接口描述文件。在一些应用领域将这些文件称为DIS文件（DetailInterface Specification:详细接口规范）。（6）接口模拟测试：在设备和系统制造的场所，用模拟接口对端的方式对设备和系统进行进行试验和测试，检验接口的功能和性能。（7）接口安装：接口设备可以与系统其它设备一起安装，然后再作物理连接。（8）接口调试：现场接口调试前应先做好相关准备，包括对安装的评审验收、检查安装符合规范、接线正确无误，然后才可以通电。应依据接口描述文件编制调试方案，对接口的功能、特性逐一试验和修订，必要时可扩展接口单体调试的范围和内容。（9）系统调试：系统调试在接口调试完成后进行，对系统的功能和特性进行逐一试验和修订，这是在动态的工作环境中使用和检查接口。（10）系统验收和运维：接口作为集成系统的一部分，将统一纳入集成系统的验收和运维、乃至退役。

5.5.2　技术活动管理

接口生命周期模型中的每个环节，都有比较强的技术性，要求相关方有专业的技术团队和既懂管理又懂技术的项目经理。随着接口牵涉的设备和厂商越来越多、接口形式和接口内容越来越复杂，如何管好接口也成了一门学问。

接口澄清有两个目的：（1）澄清用户期望和集成系统设计要求，该活动主要涉及用户和集成商；（2）澄清接口形式、接口协议和连接特性，活动主要涉及集成商和设备供应商。所以说，接口澄清是集成商、设备供应商、用户共同的事情。

用户对接口的期望通常是一些顶层的特性，如标准化、高安全性等。对业主期望的了解，有助于复杂问题的技术决策，集成商做起事来可以有的放矢。集成商作为接口方面的专家，可以想业主之所想，给项目引入更为专业的标准，这方面做好了，往往可以带来极高的满意度。当然，过程中也要谨防画蛇添足、增加接口复杂性，要引导用户把期望控制在合理可行的限度内。

集成系统设计对接口的要求，包括传输的信息内容和传输质量，通常是明确的。但总体设计是在设备选型之前进行的，实际设备与最初设想有时会存在些差别，必要时对接口方案要作一些调整。

集成商和设备供应商首先应就接口形式、接口协议、责任边界达成一致，在此基础上双方技术人员可进一步澄清技术细节，如接口参数、协议实现程度等。设备供应商不仅要开放接口协议，还要提供条件使集成商可挖掘设备的其它可用信息，这样做的原因是：用户和集成商通常只能提出应用信息的需求，而设备监控用的信息由于与具体设备有关，比如空调主机压缩机的负荷率，则只能由供应商来提供，只有供应商才最了解自己设备的能力和特点。挖掘设备内在信息有时能给用户提供额外的价值，比如压缩机负荷率参数就可用作空调群控和节能运行用的参数。

类似需要集成商、设备供应商和用户相互配合的工作非常多，从某种角度看，集成系统接口管理其实是对这些利益相关方关系的管理。在这些活动中，集成商的协调能力是实现共同目标的关键，集成商应积极引导各方，获得高质量、经济可行的接口方案。

接口技术管理内涵还很多，包括接口软件开发管理、接口文档配置管理、接口变更控制管理、多厂商联合调试管理等，除需强化配合外，接口技术管理的原则和方法与常规项目管理基本一致，这里不再一一赘述。

5.5.3　接口质量控制

对不同应用场合，客户对接口质量要求也会有所不同：对辅助性系统，只要达到一般质量水平就可以了；对有重大经济、环境和人身影响的系统，就必须达到很高的质量等级。

接口实施中要进行质量控制，保证接口达到必要水平和满足应用要求。要达到一般性质量要求，在采购和研制环节做好项目管理、加强接口测试就可以了；但对高质量要求，还需要在项目管理和接口测试基础上，增加接口生命周期过程控制，特别是与接口设计同步的接口分析验证。接口测试和接口分析与生命周期模型的关系如图8所示。

图8 与接口实施过程并行的验证活动

接口分析验证：接口分析验证是应高质量要求而开展的，它是用分析、审查的方式对接口需求和接口设计结果进行验证，活动有接口协议形式化分析和接口设计审查等。

（1）接口协议形式化分析：当传输的信息极为重要，而接口协议和接口环境又非常复杂时，比如子系统之间通过开放网络传输安全信息。对这类安全协议，应采用形式化分析方法进行验证，揭示和避免协议设计中可能存在的漏洞。复杂协议的漏洞很难用人工方法来发现，原因是在协议设计时，往往采用理想化推导和主观假设，与实际情况不符。实际以太网运行环境非常复杂，通信过程中完全可能有意外角色参与，验证这类协议仅靠测试是不够的，必须借助形式化分析方法。

协议形式化分析方法有定理证明和模型检验。定理证明方法是考虑所有可能的协议行为，检测它们是否满足一定的正确条件；模型监测方法是考虑协议行为的一个相对大、单有限的状态空间，监测其是否满足一定的正确性质条件。定理证明方法适合证明协议的正确性，而模型监测方法是一种证伪的方法，适于发现针对协议的攻击。相对而言，模型检验方法比较容易掌握、自动化程度也较高，因而得到广泛应用。

模型监测方法对协议进行分析时，一般要借助自动化分析工具，如SPIN、SMV等协议分析工具软件，分析工作由工具软件自动完成的，过程中不需要用户参与，如果发现协议有漏洞，工具能自动输出反例。

对协议建立数学模型时，可以基于通信状态，也可以基于通信动作序列。在基于状态的形式化模型中，模型的主元素是通信状态，元素之间的联系是通信动作和条件，这种方式可清晰的描述状态的迁移。但是对于复杂协议，这种方式容易导致状态图复杂和状态空间爆炸，计算机处理起来比较困难；在基于通信动作序列模型中，发生交互的实体有清晰的生命线和动作链，相互之间的动作操作关系也很清晰，可使用支持多进程的协议建模语言（如Promela），将动作分为资源调度和通信收发两类动作，在各进程内部处理资源调度、在各进程之间通过信道进行收发联系。这种方法可以用会面点实现同步通信，或用信道实现异步通信，使用起来比较方便。

（2）接口设计审查：接口设计审查始于接口需求分析阶段，并贯穿接口初步设计、设计联络、接口详细设计过程。

接口设计审查的对象是接口描述文件以及集成系统需求和集成系统设计，内容是确认各个接口需求是否正确，验证接口描述文件与上层文件规定是否一致、每个接口是否都已纳入需求、接口的功能要求和特性（如效率、精度、安全性等）是否都已明确、不同安全级别之间接口是否充分隔离，接口功能是否可测试等。

在接口详细设计阶段，还要对接口软件进行设计文档和源代码的审查，确保接口协议被正确、一致、完整、准确地编码实现。

接口测试验证：接口测试验证是实施集成系统的最基本的质量活动。对接口工作许多环节引入的缺陷，包括接口设备采购和安装、软硬件的开发等，多数问题都能通过接口测试揭示出来。任何集成项目不应忽略或削弱这项活动，通过有针对性的、有序的测试，可有力保证接口质量。接口测试始于接口详细设计阶段，在接口软件开发完后就可进行了。之后随接口安装、接口调试、系统验收，接口测试活动并行开展，测试内容越来越全面和越来越深入，包括：（1）协议测试：协议测试在接口详细设计阶段或接口模拟测试阶段进行，目的是验证接口双方通信的正确性。测试中主要关注初始化、消息格式的正确性、集成系统从设备/子系统读取信息、集成系统向设备/子系统写信息或命令，以及接口冗余等非功能处理。（2）标准一致性测试：标准一致性测试是设备厂家或系统集成商独自开展的活动，目的是获取产品和系统的符合标准的质量证明、说明接口的兼容性和互操作性。一致性测试本质是对接口的形式试验，是一种鉴定活动。出于公正、专业目的，标准一致性测试机构须由第三方权威机构来执行。（3）目视测试：目视测试在接口安装完成、接口调试前执行，目视测试不需要专用设备，测试的的对象是所有物理接口的电缆及接口设备的安装（包括：电缆安装、端子排，端子排中接口电缆的位置等）。（4）通信测试：目的是验证双方接口能通过连续性通电测试，保证之后双方有建立通信连接的物理基础。所采用的工具可以是万用表、通信测试程序等。（5）点对点测试：点对点测试在接口调试期间进行，目的是检查集成系统计算机和所接入设备/子系统之间接口的所有测点正确无误，状态采集点和控制点都可以顺畅上传下达。（6）端到端测试：端到端测试在系统调试期间进行，目的是测试通过接口的所有数据点是否正确对应到集成系统的应用中，测试方法是从集成系统的人机界面上检查所有采集数据，并逐一执行所有的控制命令。（7）功能测试：功能测试在系统调试和系统验收期间进行，用于确认集成系统的互联互通互操作的正确实现，该测试应参照根据集成系统需求来进行。（8）性能测试：性能测试在系统调试和系统验收期间进行，目的是确认集成系统的整体性能达到规定，比如在给定时间内能将信息从设备/子系统传送到集成系统等。

5.5.4　接口描述规范

接口设计的输出是接口描述文件，该文件是集成商、设备供应商、用户共同协商的结果，也是各方工作的基础，其内容必须正确、一致、完备、准确、可测试。

接口文件规范化：每个接口都对应一个接口描述文件，由于集成系统的接口数量非常多，如何编制和管理这些文件也是一个困难。为简化编制和管理，通常要求接口描述文件须规范化。接口描述文件规范化，有助于需求分析、便于计算机处理，也有利于接口标准化。需求描述文件规范化后，相关人员就能方便使用。再进一步，需求描述文件可以用形式化方式来描述，如用XML（Extensible Markup Language) 语言来描述，接口描述中的接口参数、接口协议和接口点表，都是接口软件的重要输入，采用形式化描述后，接口软件就可以直接从描述文件中读取配置信息，从而减少人员的工作量和出现失误的机会。

除了能达到“人机皆宜”的好处外，形式化表述还具有精确、无二义性的好处。用形式化语言来规范接口描述，已成为将来的发展方向。在统一接口标准方面，人们已进行了数十年的努力，多种现场总线、OPC、工业以太网等纷纷登场，各标准均有其长处，但同时也均存在局限性，无统一整合之力，全面标准化需要探索新思路。

国际标准化组织制定了开放系统应用集成框架的国际标准ISO 15745，规定用应用互操作专规AIP来描述接口规则。开发AIP的过程，就是接口信息收集、接口需求分析和接口描述文件编制的过程。ISO 15745中用AIP阐述了CANopen、DeviceNet、ControlNet、PROFINET、P-NET、WorldFIP、INTERBUS、ADS-net和FL-net，基本包容了主流的现场总线标准。ISO 15745这种包容内容差异，转而强调建模方法和表述形式统一的组织方式，能够包容并蓄，推动各标准快速发展的同时，也使各标准趋于熔融，最终达到提高集成系统接口标准化水平的目的，是一种共赢的解决方案。这方面需从事接口开发的工程师们作深入学习与研究。

文档形式的接口描述：在文档形式的接口描述中，通常需包含的主要内容有：接口框图、物理接口、监控范围、功能接口、接口测试、接口协议、软件和数据接口、设计约束等。

（1）接口框图：接口框图是以图形的方式描绘接口，包括接口双方各自的布局和连接结构，以及相关厂商的工作责任范围。（2）物理接口：物理接口描述接口硬件设施，通常包含：接口形式：指接口的物理形式，包括电气特性以及引用的标准；接口位置和数量：罗列和统计各种类型的接口的数量和具体位置。（3）接口协议：说明所采用的通信协议和引用的文件，包括对专用协议的说明。（4）接口数据描述：描述双方交换的信息的具体内容，一般包括信息类型、数据点的详细描述、传输方式、传输方向、传输周期等。其中数据点详细描述内容至少包括点名、点说明、单位、取值范围、报警方式等。（5）功能描述：是站在接口双方各自角度分别描述的，包括工艺状态和设备状态的监视和控制、报警和事件处理、历史数据处理、系统参数设置等。（6）性能指标：描述对接口性能的要求，如时间响应性。对性能指标，也需要分别站在接口双方的角度去描述。（7）接口测试要求：接口测试需要区分工厂测试和现场测试，不管是工厂测试还是现场测试，都需要明确测试的目标、事件、范围和测试方式。

作者简介：

魏晓东，1967年毕业于天津大学精仪系。1984-1991年任安徽工业大学自动化系副教授。1991年出版《分散型控制系统》（ 上海科技文献出版社） 。2000~2012年任北京和利时系统工程公司副总工、事业部总设计师，北京地铁13号线、深圳地铁一期工程、广州地铁3号线综合监控系统工程技术总负责人。2006、2010年出版《城市轨道交通自动化系统与技术》初版与第二版（电子工业出版社）；2010年主编国家标准《城市轨道交通综合监控系统工程设计规范》（GB50636-2010）、《城市轨道交通综合监控系统施工与质量验收规范》（GB/T50732-2011）；2010年主编关于两化融合的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清华同方数字城市工程中心技术专家，住建部城市轨道交通标注技术网Eu委员会委员，全国自动化系统与集成标准技术委员会委员。

摘自《自动化博览》2017年10月刊