機載電子硬件研制實驗教學設計與探索

田毅 史春蕾 趙長嘯 任升 汪克念

[摘 要] 針對學生在“航空電子系統設計技術”課程學習中存在的重設計技術輕過程控制問題，按照新工科理念，用一個完整的設計、管理工程實驗，展示了整個設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，依據學生的興趣與專業方向分配不同的實驗任務，教師引領完成實驗內容并進行點評。通過實驗解決了設計保證方法抽象不易理解的問題，提升了學生學習興趣。實驗教學也促進了學生構建全面的系統工程思維。

[關鍵詞] 過程保證;機載電子硬件;適航

[基金項目] 2020年度中國民航大學教育教學改革與研究項目“‘航空電子系統設計技術行業特色課程教材建設”（2020-C2-36）

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

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

一、引言

隨著航空電子系統設計的日趨復雜和高度集成化，尤其是機載軟件和復雜電子硬件的大量使用，使得設計的產品僅通過窮舉測試難以發現問題、剔除設計缺陷，無法恰當地向審查機構表明適航符合性。為了保證復雜機載電子產品滿足適航要求，航空工業界提出基于過程控制的設計保證方法。該方法依據功能項的研制保證等級提出過程控制目標，通過相應的技術和管理手段保證產品符合相應的目標，以滿足產品的適航要求。

航空電子系統設計與適航符合性方法相關課程，主要是面向航空器適航審定工程專業機載系統與設備適航審定方向碩士研究生及安全科學與工程專業本科生開設，內容涉及當前先進的航空電子系統研制的各個方面，包括了機載系統研制、綜合模塊化航電系統、機載軟件、機載電子硬件、航空數據總線的適航要求及設計技術。而基于過程控制的設計保證方法是整個課程的重要內容，要求學生能夠站在系統工程的角度理解系統、設備和部件的研制，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、學生背景知識差異大[1]。學生在學習中容易關注課程中提到的需求分析、系統分析、方案設計、集成、試驗等技術內容，而忽視了對于計劃、需求管理、構型管理、質量管理、數據管理、審核、決策分析等過程控制管理的理解，錯誤地認為過程控制可有可無。另外，學生對于適航審定過程，僅通過面授學習難以深刻理解其工作過程。

教研團隊通過開發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動式教學，通過適航符合性資料編寫、硬件開發、硬件驗證、模擬審查等實踐內容，使學生體驗基于過程控制的設計保證方法，促進學生對于知識的掌握。

二、授課要點分析

對于機載電子硬件而言，航空無線電技術委員會（RTCA）的DO-254標準（《機載電子硬件設計保證指南》）是審查機構通過咨詢通告公開接受的基于過程控制的設計保證方法[2] （P12）。按照該標準的定義，硬件設計生命周期過程包括硬件計劃過程、硬件設計過程和支持過程[3]。計劃過程主要是定義硬件設計活動和支持過程活動;設計過程包括需求捕獲、概念設計、詳細設計、設計實現和試生產五個階段，在實際中按照不同開發模型，各個階段可迭代;支持過程保證產生硬件設計生命周期數據的正確性及可控性，包括確認與驗證（V&V）、構型管理、過程保證和審定聯絡。另外，按照審定機構的審查實踐[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計生命周期活動教學知識點包括：（1）面向全設計生命周期過程的配置管理（構型標識、基線管理、問題報告、更改控制、發布、恢復、數據保持、未授權更改的保護、介質選擇、更新和復制），質量保證（評審、現場檢查、審核）;（2）計劃過程（定義硬件設計生命周期、轉換準則、開發與驗證環境，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）;（4）概念設計過程（硬件架構的表達、設計評審、分析）;（5）詳細設計過程（設計數據的實現，硬件編碼驗證和SOI#2評審）;（6）設計實現過程（位流文件生成，硬件調試和測試，SOI#3評審）;（7）試生產（生成制造數據，符合性聲明，SOI#4評審）。

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

三、實驗教學內容設計

實驗教學內容應該以現有實驗條件為基礎，涵蓋主要的硬件生命周期過程，并較為全面地展現出整個適航取證環節。課程選定航空數據總線接口模塊電路為實驗對象，設計一個可復用的知識產品（IP）軟核，研制保證等級（DAL）按照A級設計。實驗對象主要功能是實現速率為115200bps的RS232接口到100kbps的ARINC429接口的數據收發轉換電路。

航空數據總線接口模塊電路研制實驗主要的實驗項如圖1所示。實驗內容以硬件研制生命周期為主線，包括關鍵數據編制、需求管理、編碼、確認與驗證、構型管理、過程保證、設計追溯以及適航審查等內容，將相關的知識點融入實驗中。

四、實驗教學開展

（一）教學方法

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