機載電子硬件研制實驗教學(xué)設(shè)計與探索

田毅 史春蕾 趙長嘯 任升 汪克念

[摘 要] 針對學(xué)生在“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”課程學(xué)習(xí)中存在的重設(shè)計技術(shù)輕過程控制問題，按照新工科理念，用一個完整的設(shè)計、管理工程實驗，展示了整個設(shè)計生命周期過程全貌。將機載電子硬件研制中的計劃過程、設(shè)計過程、支持過程、適航審查等知識點融入研制實驗、劃分角色，依據(jù)學(xué)生的興趣與專業(yè)方向分配不同的實驗任務(wù)，教師引領(lǐng)完成實驗內(nèi)容并進行點評。通過實驗解決了設(shè)計保證方法抽象不易理解的問題，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。實驗教學(xué)也促進了學(xué)生構(gòu)建全面的系統(tǒng)工程思維。

[關(guān)鍵詞] 過程保證;機載電子硬件;適航

[基金項目] 2020年度中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項目“‘航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)行業(yè)特色課程教材建設(shè)”（2020-C2-36）

[作者簡介] 田 毅（1983—），男，陜西漢中人，碩士，中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院副研究員，主要從事飛行器適航技術(shù)、機載電子硬件適航審定研究。

[中圖分類號] G642.423? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）34-0139-04? ?[收稿日期] 2021-04-17

一、引言

隨著航空電子系統(tǒng)設(shè)計的日趨復(fù)雜和高度集成化，尤其是機載軟件和復(fù)雜電子硬件的大量使用，使得設(shè)計的產(chǎn)品僅通過窮舉測試難以發(fā)現(xiàn)問題、剔除設(shè)計缺陷，無法恰當(dāng)?shù)叵驅(qū)彶闄C構(gòu)表明適航符合性。為了保證復(fù)雜機載電子產(chǎn)品滿足適航要求，航空工業(yè)界提出基于過程控制的設(shè)計保證方法。該方法依據(jù)功能項的研制保證等級提出過程控制目標(biāo)，通過相應(yīng)的技術(shù)和管理手段保證產(chǎn)品符合相應(yīng)的目標(biāo)，以滿足產(chǎn)品的適航要求。

航空電子系統(tǒng)設(shè)計與適航符合性方法相關(guān)課程，主要是面向航空器適航審定工程專業(yè)機載系統(tǒng)與設(shè)備適航審定方向碩士研究生及安全科學(xué)與工程專業(yè)本科生開設(shè)，內(nèi)容涉及當(dāng)前先進的航空電子系統(tǒng)研制的各個方面，包括了機載系統(tǒng)研制、綜合模塊化航電系統(tǒng)、機載軟件、機載電子硬件、航空數(shù)據(jù)總線的適航要求及設(shè)計技術(shù)。而基于過程控制的設(shè)計保證方法是整個課程的重要內(nèi)容，要求學(xué)生能夠站在系統(tǒng)工程的角度理解系統(tǒng)、設(shè)備和部件的研制，授課難點在于知識面廣、知識抽象、需要平衡理論與實踐、知識更新快、學(xué)生背景知識差異大[1]。學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易關(guān)注課程中提到的需求分析、系統(tǒng)分析、方案設(shè)計、集成、試驗等技術(shù)內(nèi)容，而忽視了對于計劃、需求管理、構(gòu)型管理、質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)管理、審核、決策分析等過程控制管理的理解，錯誤地認(rèn)為過程控制可有可無。另外，學(xué)生對于適航審定過程，僅通過面授學(xué)習(xí)難以深刻理解其工作過程。

教研團隊通過開發(fā)機載電子硬件研制實驗，面向工程和適航審查中的實際問題進行工程驅(qū)動式教學(xué)，通過適航符合性資料編寫、硬件開發(fā)、硬件驗證、模擬審查等實踐內(nèi)容，使學(xué)生體驗基于過程控制的設(shè)計保證方法，促進學(xué)生對于知識的掌握。

二、授課要點分析

對于機載電子硬件而言，航空無線電技術(shù)委員會（RTCA）的DO-254標(biāo)準(zhǔn)（《機載電子硬件設(shè)計保證指南》）是審查機構(gòu)通過咨詢通告公開接受的基于過程控制的設(shè)計保證方法[2] （P12）。按照該標(biāo)準(zhǔn)的定義，硬件設(shè)計生命周期過程包括硬件計劃過程、硬件設(shè)計過程和支持過程[3]。計劃過程主要是定義硬件設(shè)計活動和支持過程活動;設(shè)計過程包括需求捕獲、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、設(shè)計實現(xiàn)和試生產(chǎn)五個階段，在實際中按照不同開發(fā)模型，各個階段可迭代;支持過程保證產(chǎn)生硬件設(shè)計生命周期數(shù)據(jù)的正確性及可控性，包括確認(rèn)與驗證（V&V）、構(gòu)型管理、過程保證和審定聯(lián)絡(luò)。另外，按照審定機構(gòu)的審查實踐[4]，將硬件審查分為四個介入階段（SOI），包括硬件計劃評審（SOI#1）、硬件設(shè)計評審（SOI#2）、硬件驗證評審（SOI#3）、最終評審（SOI#4）。

典型機載電子硬件設(shè)計生命周期活動教學(xué)知識點包括：（1）面向全設(shè)計生命周期過程的配置管理（構(gòu)型標(biāo)識、基線管理、問題報告、更改控制、發(fā)布、恢復(fù)、數(shù)據(jù)保持、未授權(quán)更改的保護、介質(zhì)選擇、更新和復(fù)制），質(zhì)量保證（評審、現(xiàn)場檢查、審核）;（2）計劃過程（定義硬件設(shè)計生命周期、轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則、開發(fā)與驗證環(huán)境，計劃評審、SOI#1審查）;（3）需求捕獲過程（需求編制與管理、需求確認(rèn)）;（4）概念設(shè)計過程（硬件架構(gòu)的表達、設(shè)計評審、分析）;（5）詳細(xì)設(shè)計過程（設(shè)計數(shù)據(jù)的實現(xiàn)，硬件編碼驗證和SOI#2評審）;（6）設(shè)計實現(xiàn)過程（位流文件生成，硬件調(diào)試和測試，SOI#3評審）;（7）試生產(chǎn)（生成制造數(shù)據(jù)，符合性聲明，SOI#4評審）。

針對上述知識點，提出實驗教學(xué)課程開發(fā)思路：以完整體現(xiàn)整個硬件設(shè)計生命周期過程的案例為主線，穿插資料編寫、模擬審查等內(nèi)容，充分利用實驗室資源開展代碼設(shè)計、驗證實施，使學(xué)生直觀認(rèn)識基于過程控制的設(shè)計保證方法及設(shè)計技術(shù)的使用。

三、實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

實驗教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該以現(xiàn)有實驗條件為基礎(chǔ)，涵蓋主要的硬件生命周期過程，并較為全面地展現(xiàn)出整個適航取證環(huán)節(jié)。課程選定航空數(shù)據(jù)總線接口模塊電路為實驗對象，設(shè)計一個可復(fù)用的知識產(chǎn)品（IP）軟核，研制保證等級（DAL）按照A級設(shè)計。實驗對象主要功能是實現(xiàn)速率為115200bps的RS232接口到100kbps的ARINC429接口的數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換電路。

航空數(shù)據(jù)總線接口模塊電路研制實驗主要的實驗項如圖1所示。實驗內(nèi)容以硬件研制生命周期為主線，包括關(guān)鍵數(shù)據(jù)編制、需求管理、編碼、確認(rèn)與驗證、構(gòu)型管理、過程保證、設(shè)計追溯以及適航審查等內(nèi)容，將相關(guān)的知識點融入實驗中。

四、實驗教學(xué)開展

（一）教學(xué)方法

實驗依據(jù)各硬件研制生命周期過程模塊化設(shè)置。教師預(yù)先完成整個實驗，并形成演示案例。依據(jù)每個研制過程階段設(shè)計一次授課內(nèi)容，并根據(jù)學(xué)生情況拓展或整合實驗。在每次教學(xué)中，首先，教師對本次實驗相關(guān)研制階段基礎(chǔ)理論、適航要求、工具使用進行講解，演示實驗內(nèi)容;其次，學(xué)生按照分組完成實驗，編制階段性資料;再次，學(xué)生對當(dāng)前研制階段工作進行匯報，教師組織開展轉(zhuǎn)階段評審及模擬適航審查;最后，教師對本次實驗進行總結(jié)點評。