基于黑箱理論的電子設(shè)備（系統(tǒng)）理論教學(xué)及維護方法研究

丁季春 李乾坤

【摘要】隨著高、新、尖技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，使電子設(shè)備（系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)和維護發(fā)生了深刻變革，這一現(xiàn)象在大型電子設(shè)備（系統(tǒng)）中體現(xiàn)最為突出。本文系統(tǒng)探討引入黑箱理論對大型電子設(shè)備（系統(tǒng)）理論教學(xué)及維護的重要意義，通過剖析大型電子設(shè)備（系統(tǒng)）的黑箱結(jié)構(gòu)特點，研究基于黑箱理論的在電子設(shè)備（系統(tǒng)）理論教學(xué)及維護中的具體應(yīng)用，同時對大型非電子設(shè)備（系統(tǒng)）教學(xué)及維護運用黑箱理論提供了借鑒，預(yù)見了推廣應(yīng)用黑箱理論需要注意的若干問題。

【關(guān)鍵詞】黑箱 電子設(shè)備 理論教學(xué)及維護

【中圖分類號】G4 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0228-03

隨著我國高科技產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備在各類裝（設(shè)）備中所占比重越來越大，集成度越來越高，結(jié)構(gòu)和原理越來越復(fù)雜，維護保障模式隨之發(fā)生了深刻變革，對大型電子設(shè)備維護保障的理論培訓(xùn)工作提出了新要求。系統(tǒng)研究黑箱理論在大型電子設(shè)備（系統(tǒng)）理論教學(xué)和維護保障中的應(yīng)用，具有重大的理論意義和實踐價值。

一、黑箱理論的概念及特點

黑箱亦稱“黑盒”、“黑匣”、“閉盒”。它是控制論中的一個概念，是指那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)（只能通過信息的輸入輸出確定其結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如人的大腦、地球、密封的儀器等）。與之對應(yīng)，人們把全知的系統(tǒng)和區(qū)域稱為“白箱”，介于黑箱和白箱之間或部分可察的系統(tǒng)稱為“灰箱”。

黑箱理論，就是研究黑箱問題及其解決方法（黑箱方法）的理論。黑箱問題，廣義指一切未知領(lǐng)域和由于某些原因一時難以破解的問題，狹義則指不能或不允許打開、解剖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，卻需要確定、了解或預(yù)測其運動變化規(guī)律的問題[1]。黑箱方法，又稱“黑箱系統(tǒng)辨識法”，是通過考察系統(tǒng)的輸入、輸出及其動態(tài)過程，定量或定性地認(rèn)識系統(tǒng)的功能特性、運行狀態(tài)，探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理的一種控制論認(rèn)識方法。

黑箱理論的特點是使系統(tǒng)整體優(yōu)化，即從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，著重從整體與部分之間、整體與外部環(huán)境之間的相互聯(lián)系中，綜合地研究分析對象[2]。

二、電子設(shè)備具有典型的黑箱結(jié)構(gòu)

大型設(shè)備（系統(tǒng)）理論教學(xué)通常按照基礎(chǔ)理論、專業(yè)理論和實習(xí)操作三個模塊來開展，理論講解是必要環(huán)節(jié)（模塊）。

以某液壓系統(tǒng)為例（見圖1），該原理圖中的連線代表管路，所標(biāo)注的29個關(guān)鍵部件均為形象直觀的實物，其連接控制關(guān)系清晰明確，整個原理圖與實際情況對應(yīng)，對了解系統(tǒng)工作情形和開展維護檢查都具有極強的指導(dǎo)意義。

再看電子設(shè)備的情況，以某超短波電臺為例（見圖2，技術(shù)含量相當(dāng)于國際七八十年代水平）。該圖中連線并不代表實際的電纜導(dǎo)線，除天線、耳機、話筒和控制盒外，其它電路、元件都位于收發(fā)機內(nèi)部，看不見摸不著，元件的識別和檢查也不是實際工作內(nèi)容，依據(jù)此系統(tǒng)圖講解信號流程非常抽象，對掌握系統(tǒng)的使用維護缺乏指導(dǎo)性、針對性。實際上該系統(tǒng)本身就是模塊化設(shè)計的，主機由6個不可分解的黑箱（模塊）組成（見圖3），一線維護只能更換故障模塊，不能實施具體的元器件維修。

綜上所述，電子設(shè)備具有典型的黑箱（模塊）結(jié)構(gòu)特點。隨著新科技的快速發(fā)展，尤其是電子產(chǎn)品的跨代發(fā)展，這一現(xiàn)象非常普遍，設(shè)備內(nèi)部電路乃至元件的黑箱特征也更加明顯。電子設(shè)備已經(jīng)走過了從電子管到晶體管、從分立元件到集成電路、從固定電路到可編程邏輯器件的發(fā)展歷程，器件高度集成、原理抽象、體制迥異，原有的拆解檢查、元件代換等維修方法已經(jīng)難以適用。應(yīng)用黑箱理論把講解和維護單元確定到設(shè)備或設(shè)備模塊，不僅有利于維護人員掌握連接關(guān)系、了解整體原理，而且與一線維護保障層級相對應(yīng)，能夠更好地促進理論與實踐的互動，實現(xiàn)知行合一。

三、基于黑箱理論的電子設(shè)備理論教學(xué)

電子設(shè)備基礎(chǔ)理論在實踐中很少直接應(yīng)用，涉及的知識面又極其寬廣，講解深度把握不好，容易使培訓(xùn)對象淹沒在浩繁的理論里。運用黑箱原理分析復(fù)雜的電路系統(tǒng)，簡明扼要、重點突出，非常實用。這種方法在《電工學(xué)》基爾霍夫第一定律（KCL）中就已經(jīng)有所體現(xiàn)。

基爾霍夫第一定律（又稱節(jié)點電流守恒定律）推廣應(yīng)用后的定義是指，在任一瞬間通過電路中任一不包含電源的假設(shè)封閉面的電流代數(shù)和為零。這個假設(shè)封閉面其實就是黑箱，只要這個區(qū)域內(nèi)無電源，不管內(nèi)部包含多么復(fù)雜的電路，都可以看作一個黑箱，流入它的電流和流出它的電流代數(shù)和始終為零。把握這一定律，就可以人為設(shè)計黑箱范圍，弱化對黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)注，通過輸入、輸出電流判斷黑箱工作狀態(tài)。這正是簡化電路原理、建立模塊化結(jié)構(gòu)模型的基本方法。

那么基于黑箱理論的電子設(shè)備理論教學(xué)可行嗎？我們以晶體管為例進行分析。晶體管的前身是電子管，其體積較大、管內(nèi)結(jié)構(gòu)清晰，是電路中的重要部件，依靠肉眼來觀察判斷其工作狀態(tài)是常用辦法，按照可視結(jié)構(gòu)講解元件工作原理相對直觀（如圖4所示，圖中的燈泡狀元件即為電子管）。

但講解晶體管時，沿用電子管時代的教學(xué)方法，按照不可見的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型講解工作流程，要求培訓(xùn)對象想象電子的流動以及空穴的產(chǎn)生等，效果會大打折扣。實際上大部分晶體管只有綠豆般大小，在電路中數(shù)量眾多，根本不可能通過肉眼來判斷其內(nèi)部工作狀況（如圖5所示，其中的黑色半圓形元件即為晶體三極管）。

在大規(guī)模集成電路中，一個集成塊包含成千上萬個晶體管，即使把集成塊剖開，也看不到任何一個傳統(tǒng)意義的晶體管。一個看不見、摸不著甚至都無法檢測的基礎(chǔ)元件，卻要耗費大量的課時和精力去研究其工作過程，對一線維護保障作用不大。（如圖6所示，此電路板所有晶體管都位于集成塊內(nèi)部）

晶體管傳統(tǒng)的講解方法是圍繞它的3區(qū)3極2結(jié)的結(jié)構(gòu)，分析其擴散電流、漂移電流、電流復(fù)合作用、PN結(jié)變化等（如圖7所示），整個過程要通過想象配合教學(xué)動畫來理解。實際上晶體三極管作為現(xiàn)代電子設(shè)備中的基礎(chǔ)元件，完全不用深究其內(nèi)部機理，就像我們使用螺釘螺帽，并不需要關(guān)注其分子結(jié)構(gòu)和螺紋切角一樣。

那么晶體管應(yīng)該如何講授呢？完全可以把晶體三極管看作一個黑箱，把握輸入輸出關(guān)系，記住管腳的兩個公式，了解電流的放大作用就足夠了。第一個公式是Ie=Ib+Ic，第二個公式是β=Ic/Ib≈Ie/Ib，且β一般大于100。從晶體三極管理論模型看，其外觀不正像是一個黑箱嗎？同樣，依據(jù)黑箱理論，電子設(shè)備所有的基礎(chǔ)元件，及由基礎(chǔ)元件組成的電路都可以按照黑箱理論來歸納講授。

電子設(shè)備應(yīng)用黑箱理論教學(xué)會如何呢？我們以更先進的數(shù)字超短波電臺為例來分析（見圖8）。其構(gòu)造和工作流程遠比圖2中的電臺復(fù)雜，整套系統(tǒng)需要多幅電路框圖才能比較完整的體現(xiàn)，但按照黑箱理論，采用模塊化講解，其內(nèi)部關(guān)系不但明確清晰，而且與該型電臺不可拆解的實際模塊相對應(yīng)，再一次體現(xiàn)了理論與實際的有機結(jié)合。同樣，目前的大型電子設(shè)備，其內(nèi)部高度集成，連接關(guān)系簡單，多采用模塊化或插板式結(jié)構(gòu)，教學(xué)中不需要深入不可見、不可拆的黑箱內(nèi)部，否則只會導(dǎo)致理論與實際兩張皮。

四、基于黑箱理論的電子設(shè)備維護

電子設(shè)備在維護中應(yīng)用黑箱理論具有顯著優(yōu)勢，因為目前大部分電子部件只能進行返廠修理，不允許拆解。電子設(shè)備維護人員的日常工作主要是確定故障部位、更換故障分機，機件內(nèi)部故障要交由專業(yè)維修人員處理，簡單設(shè)備元件由修理廠代換，關(guān)鍵分機或模塊則必須返回原廠修理?？梢哉f電子設(shè)備在使用維護中關(guān)注線纜通斷遠勝于機件內(nèi)部模塊，因為焊接斷線是一線維護人員的主要工作內(nèi)容，模塊內(nèi)部情況大部分使用維護人員卻難于見到。

基于黑箱理論的維護，實際上得益于模塊化思想在研發(fā)、生產(chǎn)和修理環(huán)節(jié)的推廣。由于電子設(shè)備的高速發(fā)展，模塊化設(shè)計應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，產(chǎn)品的模塊化水平已是評價設(shè)計水平的主要準(zhǔn)則之一[3]。大型電子設(shè)備的系統(tǒng)化和模塊化是當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展的主流，以美國為代表的發(fā)達國家，早在上世紀(jì)下半葉，就以軍用電子設(shè)備（系統(tǒng)）的模塊化、智能化、積木化為試點開始了電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展之路，我國借鑒歐美成功經(jīng)驗，陸續(xù)提出把“三化”建設(shè)作為以后軍民電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的主要任務(wù)之一。模塊化設(shè)計與維修理念，是實現(xiàn)“一線換件后方維修”的維修思想的基礎(chǔ)，也是提高維修效率、降低維修成本的發(fā)展必然。

基于黑箱理論的維護與單純的模塊化結(jié)構(gòu)思想不同之處在于，黑箱的取舍以模塊為基礎(chǔ)，但維護中的黑箱范圍（即維護單元）可以是設(shè)備模塊，也可以是分機或者獨立系統(tǒng)等，黑箱到底包含多大范圍，要根據(jù)設(shè)備先進程度和維護層級而言。比如對更換后影響性能的裝置（民用救生電臺、復(fù)合天線、作動筒等），其黑箱結(jié)構(gòu)應(yīng)選取到獨立系統(tǒng)（即整機或大部件）；對高度保密或技術(shù)含量較高的大型電子設(shè)備（系統(tǒng)），其黑箱范圍至少是分機；對傳統(tǒng)老型設(shè)備可根據(jù)設(shè)備維護條件，將黑箱設(shè)置到機件外部的獨立繼電器、活門、線纜管路等可見單元；大型修理廠可以將模塊設(shè)置到機件內(nèi)部獨立器件、模塊和板卡等。

需要強調(diào)的是，由電子設(shè)備開始探討并應(yīng)用的黑箱理論同樣適用于大型非電子設(shè)備（系統(tǒng)）。在一線維護中，部件的更換普遍到設(shè)備分機、大部件或獨立功能器件這一層面，無論哪個專業(yè)在維護中關(guān)注的都是功能模塊（黑箱）的作用發(fā)揮，其內(nèi)部故障都是通過外部輸入輸出條件的變化而推測的，這正是典型的黑箱方法應(yīng)用。把不可分解的油泵或作動筒剖開講得過深、把陀螺或指示器打開逐個零件講解、把蓄電瓶中負(fù)電子和正離子的產(chǎn)生運輸及存儲等當(dāng)作主要內(nèi)容來講都是沒有必要的，因為針對維護人員而言它們都是典型的黑箱。但要全面推開黑箱理論在所有非電子設(shè)備理論教學(xué)和維護中的應(yīng)用，還需要處理好以下五個問題：

一是樹立基于黑箱理論的維護保障理念。轉(zhuǎn)變維護人員傳統(tǒng)思想認(rèn)識和教員授課習(xí)慣，從教學(xué)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)開始為黑箱理論應(yīng)用于設(shè)備一線維護打好基礎(chǔ)。教學(xué)的基礎(chǔ)打好了，運用黑箱理論開展維護才能有理論依據(jù)和指導(dǎo)思想，形成從理論到實踐的良好過渡，實現(xiàn)學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。

二是總結(jié)基于黑箱理論的維護保障經(jīng)驗。把主要精力放在理清設(shè)備之間線纜的控制關(guān)系上，梳理設(shè)備節(jié)點和單元，根據(jù)黑箱范圍研究故障件的快速定位及更換方法，把外部線路阻隔會導(dǎo)致的黑箱故障現(xiàn)象歸納完整。在排除復(fù)雜故障時采用逐個斷開連接電纜配合串換件的方法來確定故障部位，實現(xiàn)快速高效維修。

三是形成基于黑箱理論的維護保障規(guī)范。在維護規(guī)程的基礎(chǔ)上形成基于黑箱理論的維護、檢查和快速排故指南，明確針對不同層級的黑箱范圍和拆解權(quán)限，細化操作辦法，固化黑箱理論在維護中的具體應(yīng)用，進一步推進科學(xué)依法維修。

四是開展基于黑箱理論的保障研究和配套建設(shè)。充分考慮大型電子設(shè)備（系統(tǒng)）培訓(xùn)內(nèi)容體系、維護保障模式、設(shè)備（系統(tǒng)）技術(shù)現(xiàn)狀和零配件供應(yīng)能力等環(huán)節(jié)的上下銜接，突出抓好針對不同層級的培訓(xùn)教材建設(shè)。對基礎(chǔ)理論教材，由資深教員在深入理解基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)置好黑箱范圍，深入淺出地向維護人員概括基本概念、原理和工作流程等；對設(shè)備教材，由設(shè)備研制廠家、一線服務(wù)人員和培訓(xùn)機構(gòu)三家聯(lián)手，把黑箱之間的控制關(guān)系梳理清楚，讓黑箱界定切實與實際工作靠攏。

五是理清黑箱、灰箱和白箱的遞進關(guān)系。運用黑箱理論不是不講理論，也不是永遠不打開黑箱，而是針對不同維護對象講到不同的深度、干到不同層級。針對一線服務(wù)人員維護中所承擔(dān)的工作層級較低這一現(xiàn)實，應(yīng)大力推廣黑箱理論運用；但面向修理廠維護人員，就應(yīng)該讓他們逐漸了解基礎(chǔ)元件和關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)）的工作原理、過程、條件等，讓黑箱結(jié)構(gòu)逐漸透明起來變成灰箱，以適應(yīng)修理廠人員在維修中的骨干作用發(fā)揮；對于研制生廠的維修服務(wù)人員應(yīng)該讓黑箱完全透明，變成白箱，為他們開展理論研究、故障預(yù)防、技術(shù)改進和疑難故障排除等打好基礎(chǔ)、創(chuàng)造條件。同時，由黑箱到白箱的遞進過程，也是維護人員認(rèn)識不斷加深、能力不斷加強的必然過程。

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作者簡介：

丁季春（1979-），男，教研室主任，講師，工程碩士，研究方向：職業(yè)技能教育理論與實踐、航空裝備維修理論與實踐。