機(jī)載電子硬件研制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與探索

田毅 史春蕾 趙長(zhǎng)嘯 任升 汪克念

[摘 要] 針對(duì)學(xué)生在“航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)”課程學(xué)習(xí)中存在的重設(shè)計(jì)技術(shù)輕過(guò)程控制問(wèn)題，按照新工科理念，用一個(gè)完整的設(shè)計(jì)、管理工程實(shí)驗(yàn)，展示了整個(gè)設(shè)計(jì)生命周期過(guò)程全貌。將機(jī)載電子硬件研制中的計(jì)劃過(guò)程、設(shè)計(jì)過(guò)程、支持過(guò)程、適航審查等知識(shí)點(diǎn)融入研制實(shí)驗(yàn)、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(shí)驗(yàn)任務(wù)，教師引領(lǐng)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決了設(shè)計(jì)保證方法抽象不易理解的問(wèn)題，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也促進(jìn)了學(xué)生構(gòu)建全面的系統(tǒng)工程思維。

[關(guān)鍵詞] 過(guò)程保證;機(jī)載電子硬件;適航

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

[作者簡(jiǎn)介] 田 毅（1983—），男，陜西漢中人，碩士，中國(guó)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(jī)載電子硬件適航審定研究。

[中圖分類號(hào)] G642.423? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 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(jì)的日趨復(fù)雜和高度集成化，尤其是機(jī)載軟件和復(fù)雜電子硬件的大量使用，使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品僅通過(guò)窮舉測(cè)試難以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、剔除設(shè)計(jì)缺陷，無(wú)法恰當(dāng)?shù)叵驅(qū)彶闄C(jī)構(gòu)表明適航符合性。為了保證復(fù)雜機(jī)載電子產(chǎn)品滿足適航要求，航空工業(yè)界提出基于過(guò)程控制的設(shè)計(jì)保證方法。該方法依據(jù)功能項(xiàng)的研制保證等級(jí)提出過(guò)程控制目標(biāo)，通過(guò)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(jì)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(jī)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(kāi)設(shè)，內(nèi)容涉及當(dāng)前先進(jìn)的航空電子系統(tǒng)研制的各個(gè)方面，包括了機(jī)載系統(tǒng)研制、綜合模塊化航電系統(tǒng)、機(jī)載軟件、機(jī)載電子硬件、航空數(shù)據(jù)總線的適航要求及設(shè)計(jì)技術(shù)。而基于過(guò)程控制的設(shè)計(jì)保證方法是整個(gè)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(diǎn)在于知識(shí)面廣、知識(shí)抽象、需要平衡理論與實(shí)踐、知識(shí)更新快、學(xué)生背景知識(shí)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(jì)、集成、試驗(yàn)等技術(shù)內(nèi)容，而忽視了對(duì)于計(jì)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(guò)程控制管理的理解，錯(cuò)誤地認(rèn)為過(guò)程控制可有可無(wú)。另外，學(xué)生對(duì)于適航審定過(guò)程，僅通過(guò)面授學(xué)習(xí)難以深刻理解其工作過(guò)程。

教研團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)機(jī)載電子硬件研制實(shí)驗(yàn)，面向工程和適航審查中的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行工程驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，通過(guò)適航符合性資料編寫(xiě)、硬件開(kāi)發(fā)、硬件驗(yàn)證、模擬審查等實(shí)踐內(nèi)容，使學(xué)生體驗(yàn)基于過(guò)程控制的設(shè)計(jì)保證方法，促進(jìn)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握。

二、授課要點(diǎn)分析

對(duì)于機(jī)載電子硬件而言，航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）的DO-254標(biāo)準(zhǔn)（《機(jī)載電子硬件設(shè)計(jì)保證指南》）是審查機(jī)構(gòu)通過(guò)咨詢通告公開(kāi)接受的基于過(guò)程控制的設(shè)計(jì)保證方法[2] （P12）。按照該標(biāo)準(zhǔn)的定義，硬件設(shè)計(jì)生命周期過(guò)程包括硬件計(jì)劃過(guò)程、硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和支持過(guò)程[3]。計(jì)劃過(guò)程主要是定義硬件設(shè)計(jì)活動(dòng)和支持過(guò)程活動(dòng);設(shè)計(jì)過(guò)程包括需求捕獲、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和試生產(chǎn)五個(gè)階段，在實(shí)際中按照不同開(kāi)發(fā)模型，各個(gè)階段可迭代;支持過(guò)程保證產(chǎn)生硬件設(shè)計(jì)生命周期數(shù)據(jù)的正確性及可控性，包括確認(rèn)與驗(yàn)證（V&V）、構(gòu)型管理、過(guò)程保證和審定聯(lián)絡(luò)。另外，按照審定機(jī)構(gòu)的審查實(shí)踐[4]，將硬件審查分為四個(gè)介入階段（SOI），包括硬件計(jì)劃評(píng)審（SOI#1）、硬件設(shè)計(jì)評(píng)審（SOI#2）、硬件驗(yàn)證評(píng)審（SOI#3）、最終評(píng)審（SOI#4）。

典型機(jī)載電子硬件設(shè)計(jì)生命周期活動(dòng)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)包括：（1）面向全設(shè)計(jì)生命周期過(guò)程的配置管理（構(gòu)型標(biāo)識(shí)、基線管理、問(wèn)題報(bào)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(hù)、介質(zhì)選擇、更新和復(fù)制），質(zhì)量保證（評(píng)審、現(xiàn)場(chǎng)檢查、審核）;（2）計(jì)劃過(guò)程（定義硬件設(shè)計(jì)生命周期、轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則、開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證環(huán)境，計(jì)劃評(píng)審、SOI#1審查）;（3）需求捕獲過(guò)程（需求編制與管理、需求確認(rèn)）;（4）概念設(shè)計(jì)過(guò)程（硬件架構(gòu)的表達(dá)、設(shè)計(jì)評(píng)審、分析）;（5）詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程（設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)，硬件編碼驗(yàn)證和SOI#2評(píng)審）;（6）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程（位流文件生成，硬件調(diào)試和測(cè)試，SOI#3評(píng)審）;（7）試生產(chǎn)（生成制造數(shù)據(jù)，符合性聲明，SOI#4評(píng)審）。

針對(duì)上述知識(shí)點(diǎn)，提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程開(kāi)發(fā)思路：以完整體現(xiàn)整個(gè)硬件設(shè)計(jì)生命周期過(guò)程的案例為主線，穿插資料編寫(xiě)、模擬審查等內(nèi)容，充分利用實(shí)驗(yàn)室資源開(kāi)展代碼設(shè)計(jì)、驗(yàn)證實(shí)施，使學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)基于過(guò)程控制的設(shè)計(jì)保證方法及設(shè)計(jì)技術(shù)的使用。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件為基礎(chǔ)，涵蓋主要的硬件生命周期過(guò)程，并較為全面地展現(xiàn)出整個(gè)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(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)一個(gè)可復(fù)用的知識(shí)產(chǎn)品（IP）軟核，研制保證等級(jí)（DAL）按照A級(jí)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要功能是實(shí)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(shí)驗(yàn)主要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)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(yàn)證、構(gòu)型管理、過(guò)程保證、設(shè)計(jì)追溯以及適航審查等內(nèi)容，將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)融入實(shí)驗(yàn)中。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展

（一）教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)依據(jù)各硬件研制生命周期過(guò)程模塊化設(shè)置。教師預(yù)先完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，并形成演示案例。依據(jù)每個(gè)研制過(guò)程階段設(shè)計(jì)一次授課內(nèi)容，并根據(jù)學(xué)生情況拓展或整合實(shí)驗(yàn)。在每次教學(xué)中，首先，教師對(duì)本次實(shí)驗(yàn)相關(guān)研制階段基礎(chǔ)理論、適航要求、工具使用進(jìn)行講解，演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;其次，學(xué)生按照分組完成實(shí)驗(yàn)，編制階段性資料;再次，學(xué)生對(duì)當(dāng)前研制階段工作進(jìn)行匯報(bào)，教師組織開(kāi)展轉(zhuǎn)階段評(píng)審及模擬適航審查;最后，教師對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)點(diǎn)評(píng)。