基于底層模塊化的通信開(kāi)關(guān)電源可維修性建模分析

程 松，錢(qián)希森，李 龍，張穎超，景有泉

（重慶通信學(xué)院 電力電子與電力傳動(dòng)，重慶 400035）

1 通信開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)概述

開(kāi)關(guān)電源是通信供電系統(tǒng)中的核心組成部分，隨著通信業(yè)務(wù)量的飛速增長(zhǎng)，通信開(kāi)關(guān)電源的地位也越來(lái)越重要，它的可靠性高低直接影響通信系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行［1］。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，模塊化已成為工程產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢(shì)之一［2－4］。通信開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)模塊化是提高其可靠性的重要手段。模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化大大加強(qiáng)了設(shè)備的通用性與可維修性，對(duì)設(shè)備的可靠性起到保障作用，是設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)與出路［5］。目前大多數(shù)通信開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，如“中興”、“中達(dá)”、“動(dòng)力源”等公司研制的系列化產(chǎn)品，無(wú)一例外采用了圖1所示的結(jié)構(gòu)。

隨著輕巧、緊湊的高頻開(kāi)關(guān)整流器模塊的出現(xiàn)，直流供電系統(tǒng)的模塊式結(jié)構(gòu)變得非常容易實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，通過(guò)增減整流模塊個(gè)數(shù)來(lái)組成各種不同功率等級(jí)的電源系統(tǒng)，從幾十安培一直到幾千安培或更大。這種模塊式結(jié)構(gòu)除了具有很強(qiáng)的適應(yīng)性外，還有一些很重要的優(yōu)點(diǎn)如:系統(tǒng)初始投資少、擴(kuò)容非常方便、安裝運(yùn)輸方便、冗余方式工作額外投入很少等。

圖1 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

但是作為通信開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的核心，其整流器并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)模塊化，依然采用各種分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電能變換。如果整流器出現(xiàn)故障，需要專業(yè)人員運(yùn)用專門(mén)的儀器和工具進(jìn)行維修，或者直接返廠修復(fù)，并且不同型號(hào)的整流器無(wú)法相互替換，導(dǎo)致目前通信開(kāi)關(guān)電源存在通用性差、維護(hù)復(fù)雜、可維修性弱等問(wèn)題。因此，運(yùn)用層次性原理與分析法對(duì)通信開(kāi)關(guān)電源整流器進(jìn)行底層模塊化劃分，即將整流器劃分為若干單元，并按照單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以此簡(jiǎn)化裝備維護(hù)維修方法，提高裝備的可維修性。

可維修性設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)質(zhì)量中一個(gè)非常重要的內(nèi)容，它是把維修性設(shè)計(jì)歸入產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，這不僅是提高產(chǎn)品質(zhì)量水平的客觀需要，也是用戶方的迫切需求。因?yàn)橐患a(chǎn)品的維修工作越簡(jiǎn)單，那么它對(duì)顧客的吸引力也就越大。本文針對(duì)開(kāi)關(guān)電源整流器的可維修性評(píng)估提出一種方法，分別對(duì)由分立元件構(gòu)成的整流器與底層級(jí)模塊構(gòu)成的整流器進(jìn)行了可維修性的評(píng)估，論證了開(kāi)關(guān)電源底層模塊化的必要性。

2 維修性準(zhǔn)則與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為維修是少數(shù)維修人員進(jìn)行的一種保證性的技術(shù)工作。它和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)互不相關(guān)。實(shí)際上，隨著機(jī)電產(chǎn)品的日益復(fù)雜化和現(xiàn)代化，維修的內(nèi)容和意義也隨之拓寬了。GJB451－90《可靠性維修性術(shù)語(yǔ)》指出，維修是“為使產(chǎn)品保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動(dòng)”［6］。

維修性即產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力。從維修性的定義可以看到，一件產(chǎn)品的維修性受到諸多因素的影響，如工作地點(diǎn)和環(huán)境條件以及可用的資源等。不同的情況下維修性所包含的內(nèi)容也不同［7］。通信開(kāi)關(guān)電源設(shè)備屬于可修復(fù)產(chǎn)品，因此可維修性也是保證可靠性的一個(gè)重要設(shè)計(jì)原則。良好的可維修性對(duì)于設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)和提高設(shè)備在使用中的可靠性意義非凡。

2.1 維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

當(dāng)通信開(kāi)關(guān)電源投入使用以后，維修工作就是使用過(guò)程中不可回避的問(wèn)題。減少維修時(shí)間和提高維修保障水平是裝備維修性和保障性設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)［8］。依據(jù)這一目標(biāo)，維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則通常包括以下一般性的原則:①盡可能簡(jiǎn)化產(chǎn)品功能，減少零部件的品種和數(shù)量；②合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可達(dá)性；③采用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化設(shè)計(jì)；④保證檢測(cè)診斷的迅速，準(zhǔn)確；⑤采取防差錯(cuò)措施；⑥考慮維修中的人機(jī)工程及維修安全性等［9］。

根據(jù)上面維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，參照我國(guó)GJB／Z 91－1997軍標(biāo)手冊(cè)－維修性設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)，針對(duì)通信開(kāi)關(guān)電源，選出下面5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素:

（1）可達(dá)性；

（2）標(biāo)準(zhǔn)化與互換化；

（3）產(chǎn)品裝配／拆卸性；

（4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化性；

（5）檢測(cè)性和診斷技術(shù)。

可達(dá)性是指在維修產(chǎn)品時(shí)，接近維修部位的難易程度；標(biāo)準(zhǔn)化是指零部件、元器件拿來(lái)就可裝上，裝上就可使用，使維修活動(dòng)大大簡(jiǎn)化，并降低對(duì)維修人員技能的要求；同時(shí)，產(chǎn)品系列化、組合化及其基礎(chǔ)－互換化，減少裝備中組件的品種，規(guī)格數(shù)；產(chǎn)品裝配／拆卸性能是指各個(gè)子裝配體、零部件連接件的拆卸和裝配要簡(jiǎn)單、省力；產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化性是指盡可能簡(jiǎn)化、合并產(chǎn)品功能，降低對(duì)人力、時(shí)間、以及各種保障資源的需求；檢測(cè)性和診斷技術(shù)是指故障檢測(cè)和隔離的難易程度。

2.2 維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立相關(guān)指標(biāo)體系是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的第一要點(diǎn)，任何評(píng)價(jià)系統(tǒng)都是通過(guò)指標(biāo)體系來(lái)獲得具體評(píng)價(jià)信息的，它不僅是對(duì)于被評(píng)價(jià)對(duì)象特性的描述，也是評(píng)價(jià)目的的直接體現(xiàn)。所以針對(duì)上述五種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，參考美軍MIL－HDBK－472技術(shù)手冊(cè)，以打分的形式對(duì)它們做出定量評(píng)價(jià)。該手冊(cè)以0、2、4三個(gè)等級(jí)的打分標(biāo)準(zhǔn)為各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)打分并定義了打分依據(jù)。本文僅以辨識(shí)標(biāo)志為例進(jìn)行說(shuō)明。產(chǎn)品辨識(shí)標(biāo)志的打分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)品辨識(shí)標(biāo)志打分標(biāo)準(zhǔn)

各屬性之間不是獨(dú)立的，而是互相影響、互相促進(jìn)的。若對(duì)某一屬性進(jìn)行優(yōu)化，其他屬性也會(huì)得到改善［10］。如可達(dá)性和產(chǎn)品裝配／拆卸性能是互相促進(jìn)的。但并非所有屬性間的促進(jìn)關(guān)系都是對(duì)稱的，如標(biāo)準(zhǔn)化與互換化的完善會(huì)提高檢測(cè)性和診斷技術(shù)，但改善了檢測(cè)性和診斷技術(shù)并不能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化與互換化的完善。顯然，這種促進(jìn)關(guān)系是“有方向”的，并且這種方向也是有強(qiáng)有弱的。根據(jù)維修性的特性和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，得到上述5種維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相互促進(jìn)度。表2給出開(kāi)關(guān)電源裝備維修性5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素之間促進(jìn)關(guān)系的范圍和強(qiáng)度。

表2 開(kāi)關(guān)電源5種屬性間促進(jìn)關(guān)系

表2中的1－5分別對(duì)應(yīng)5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，而每一行又分別表示每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與其它4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的促進(jìn)度。

2.3 維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)有向圖

將維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)有向圖定義為F（P，L），其中P＝｛1，2，3，4，5｝是一系列節(jié)點(diǎn)，代表維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)；L＝｛L12，L13，…，Lij｝是各節(jié)點(diǎn)之間的有向弧，代表各屬性間的促進(jìn)度，沒(méi)有促進(jìn)關(guān)系時(shí)不畫(huà)有向弧。則5個(gè)維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)有向圖如圖2所示。

Lij表示屬性i對(duì)屬性j的促進(jìn)度，其中實(shí)線的促進(jìn)度為強(qiáng)，虛線的促進(jìn)度為中或弱，沒(méi)有實(shí)線或虛線表示兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間沒(méi)有促進(jìn)度。

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)促進(jìn)度有向圖

2.4 維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)的矩陣表達(dá)

以有向網(wǎng)絡(luò)圖的結(jié)構(gòu)表示了各個(gè)維修性指標(biāo)以及它們之間的關(guān)聯(lián)度。如果在設(shè)計(jì)的初始階段就為設(shè)計(jì)者提供這樣一個(gè)直觀簡(jiǎn)單的模型，可以幫助設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品維修性之間的促進(jìn)與制約有一個(gè)整體的把握，對(duì)產(chǎn)品的維修性進(jìn)行綜合分析，并且通過(guò)修改設(shè)計(jì)方案，改變產(chǎn)品的某項(xiàng)維修性屬性值，以此來(lái)提高產(chǎn)品的維修性。

維修性矩陣MF為:

稱MF為維修性矩陣。其中非主對(duì)角線上的元素是屬性i對(duì)屬性j的促進(jìn)度的值。主對(duì)角線上的元素稱為維修性設(shè)計(jì)屬性權(quán)值，對(duì)于高頻通信開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，用分立元件和用底層模塊構(gòu)成的電源具有不同的維修性設(shè)計(jì)屬性權(quán)值。即非主對(duì)角線元素一致（即表2所示內(nèi)容），主對(duì)角線元素由不同方案自身屬性所確定，即參考美軍MIL－HDBK－472技術(shù)手冊(cè)打分得出。

3 維修性設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模型

評(píng)價(jià)是一種有計(jì)劃有目的地對(duì)調(diào)查對(duì)象進(jìn)行歸類、排序、選優(yōu)等判斷的系列性活動(dòng)，在評(píng)價(jià)系統(tǒng)理論中主要是通過(guò)建立評(píng)價(jià)模型來(lái)對(duì)接受考察對(duì)象的功能指標(biāo)進(jìn)行分析與綜合，通過(guò)以指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法共同作用的方式來(lái)確定接受考察對(duì)象對(duì)各種指標(biāo)或整體綜合性指標(biāo)要求的符合度［11］。開(kāi)關(guān)電源的維修性評(píng)價(jià)活動(dòng)對(duì)其產(chǎn)品性能發(fā)展具有推動(dòng)作用，是促進(jìn)其各種維修性設(shè)計(jì)臻于完美的積極因素之一。

3.1 模型建立

要建立科學(xué)性的評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行正確恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用，就應(yīng)當(dāng)對(duì)構(gòu)成評(píng)價(jià)系統(tǒng)的要素進(jìn)行有效控制。在評(píng)價(jià)目的、評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)主體都已經(jīng)明確的情況下，評(píng)價(jià)方法就成為實(shí)現(xiàn)整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)最重要的一環(huán)。評(píng)價(jià)方法主要是指評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的評(píng)價(jià)模型和系統(tǒng)對(duì)信息的處理方式，在本例中，如何對(duì)維修性屬性矩陣進(jìn)行處理、分析和綜合并最終完成評(píng)價(jià)是整個(gè)維修性建模的核心。

在上述維修性屬性矩陣已知的基礎(chǔ)上，要對(duì)兩種方案的維修性進(jìn)行評(píng)判，最容易想到的就是計(jì)算行列式的值，但是計(jì)算行列式時(shí)每一項(xiàng)會(huì)有符號(hào)差的系數(shù)，所得到的5種維修性設(shè)計(jì)的相互促進(jìn)度和5種維修性指標(biāo)自身的值均為正值，用行列式來(lái)計(jì)算會(huì)削弱或者干擾維修性的判斷，不能體現(xiàn)各個(gè)屬性之間的促進(jìn)與制約。所以本文根據(jù)矩陣的積和式對(duì)維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。積和式是矩陣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，它的每一項(xiàng)都是正值，也被應(yīng)用于組合數(shù)學(xué)中，它可以表示一種結(jié)構(gòu)化的信息，因?yàn)榫仃囍械拿恳粋€(gè)元素及它們之間的關(guān)系都被考慮到。用矩陣積和式函數(shù)來(lái)計(jì)算維修性綜合指數(shù)。

一個(gè)n×n階矩陣A＝［aij］的積和式定義如下:

式中，Λn表示由｛1，2，……n｝所有排列構(gòu)成的組合。從定義上來(lái)看矩陣積和式和行列式比較相似，但是前者的計(jì)算難度遠(yuǎn)大于后者。由于展開(kāi)式中都是正號(hào)，說(shuō)明任一促進(jìn)度或?qū)傩詸?quán)值的增長(zhǎng)，都會(huì)引起per（MF）值的增長(zhǎng)。5階積和式的計(jì)算公式如下:

使用MATLAB編寫(xiě)程序?qū)Ψe和式進(jìn)行運(yùn)算。

矩陣的積和式包含了高頻通信開(kāi)關(guān)電源的5種主要維修性參數(shù)，可以用它作為產(chǎn)品維修性能的綜合指數(shù)。綜合指數(shù)越大表明該產(chǎn)品的維修性能越好。這樣就可以利用該指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)不同的設(shè)計(jì)方案。

利用產(chǎn)品或系統(tǒng)的維修性評(píng)價(jià)模型和矩陣的積和式算法，可以綜合考慮影響維修性的各種要素，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始階段就為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)簡(jiǎn)單合理且易行的維修性評(píng)價(jià)方法。如果維修性設(shè)計(jì)的考慮放在生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)始之后，這樣對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改來(lái)提高其維修性必將會(huì)帶來(lái)成本的增加，因此設(shè)計(jì)者如果將產(chǎn)品的可維修性設(shè)計(jì)納入到產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)的初始階段，那么此時(shí)更改設(shè)計(jì)所帶來(lái)的損失相對(duì)較小。

3.2 兩種方案評(píng)價(jià)分析

根據(jù)式（1）及表2，得到維修性矩陣非主對(duì)角線上的元素fij。根據(jù)式（1）并參考美軍 MIL－HDBK－472技術(shù)手冊(cè)和得到矩陣主對(duì)角線上的元素Ii，則分立元件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源的維修性屬性矩陣:

模塊化設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，其要點(diǎn)在于根據(jù)功能來(lái)對(duì)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，以結(jié)構(gòu)的模塊來(lái)表現(xiàn)出功能的模塊，同時(shí)模塊劃分時(shí)兼顧電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)以及提高設(shè)備可靠性?；谶@樣的考慮，將通信開(kāi)關(guān)電源的整流模塊劃分成為5個(gè)子模塊:輸入濾波模塊、PFC模塊、輔助電源模塊、DC／DC模塊、輸出濾波模塊。則底層模塊化的開(kāi)關(guān)電源的維修性屬性矩陣:

運(yùn)用Matlab編寫(xiě)的程序，得出Per（MF1）＝392，Per（MF2）＝2432。該計(jì)算結(jié)果表明經(jīng)過(guò)底層模塊化的開(kāi)關(guān)電源的維修性要遠(yuǎn)勝于使用分立元件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源。并且統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電源維修過(guò)程中大部分時(shí)間都用于偵測(cè)故障點(diǎn)，而經(jīng)過(guò)底層模塊化的開(kāi)關(guān)電源故障點(diǎn)易定位，維修便捷，這與計(jì)算結(jié)果相吻合。

高頻通信開(kāi)關(guān)電源采用底層模塊化設(shè)計(jì)，各模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)使電源設(shè)備具有良好的互換性、可達(dá)性和可視性。各組合單元模塊、功能單元模塊具有良好的機(jī)械和電氣的互換性，維修后不需要進(jìn)行重新調(diào)整，其功能就能滿足要求，并且故障點(diǎn)易于偵測(cè)隔離，極大地提高了電源的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先提出了高頻通信開(kāi)關(guān)電源底層模塊化的思想，為證明該方法比傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方式更具有優(yōu)越性，采用美軍MIL－HDBK－472技術(shù)手冊(cè)對(duì)維修性屬性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)各維修性屬性之間的促進(jìn)關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而得出維修性屬性矩陣，并運(yùn)用矩陣的積和式對(duì)維修性做出評(píng)價(jià)，最后得出結(jié)論:經(jīng)過(guò)底層模塊化的開(kāi)關(guān)電源具有更好的維修性，進(jìn)一步說(shuō)明了高頻通信開(kāi)關(guān)電源底層模塊化的必要性。

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