基于黑箱理論的電子設備（系統）理論教學及維護方法研究

丁季春 李乾坤

【摘要】隨著高、新、尖技術的快速發展，大規模集成電路的廣泛應用，使電子設備（系統）的結構和維護發生了深刻變革，這一現象在大型電子設備（系統）中體現最為突出。本文系統探討引入黑箱理論對大型電子設備（系統）理論教學及維護的重要意義，通過剖析大型電子設備（系統）的黑箱結構特點，研究基于黑箱理論的在電子設備（系統）理論教學及維護中的具體應用，同時對大型非電子設備（系統）教學及維護運用黑箱理論提供了借鑒，預見了推廣應用黑箱理論需要注意的若干問題。

【關鍵詞】黑箱 電子設備 理論教學及維護

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

隨著我國高科技產業的飛速發展，電子設備在各類裝（設）備中所占比重越來越大，集成度越來越高，結構和原理越來越復雜，維護保障模式隨之發生了深刻變革，對大型電子設備維護保障的理論培訓工作提出了新要求。系統研究黑箱理論在大型電子設備（系統）理論教學和維護保障中的應用，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部狀態的系統（只能通過信息的輸入輸出確定其結構和參數，例如人的大腦、地球、密封的儀器等）。與之對應，人們把全知的系統和區域稱為“白箱”，介于黑箱和白箱之間或部分可察的系統稱為“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、解剖內部結構，卻需要確定、了解或預測其運動變化規律的問題[1]。黑箱方法，又稱“黑箱系統辨識法”，是通過考察系統的輸入、輸出及其動態過程，定量或定性地認識系統的功能特性、運行狀態，探索其內部結構和機理的一種控制論認識方法。

黑箱理論的特點是使系統整體優化，即從系統的觀點出發，著重從整體與部分之間、整體與外部環境之間的相互聯系中，綜合地研究分析對象[2]。

二、電子設備具有典型的黑箱結構

大型設備（系統）理論教學通常按照基礎理論、專業理論和實習操作三個模塊來開展，理論講解是必要環節（模塊）。

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

再看電子設備的情況，以某超短波電臺為例（見圖2，技術含量相當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線，除天線、耳機、話筒和控制盒外，其它電路、元件都位于收發機內部，看不見摸不著，元件的識別和檢查也不是實際工作內容，依據此系統圖講解信號流程非常抽象，對掌握系統的使用維護缺乏指導性、針對性。實際上該系統本身就是模塊化設計的，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，電子設備具有典型的黑箱（模塊）結構特點。隨著新科技的快速發展，尤其是電子產品的跨代發展，這一現象非常普遍，設備內部電路乃至元件的黑箱特征也更加明顯。電子設備已經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難以適用。應用黑箱理論把講解和維護單元確定到設備或設備模塊，不僅有利于維護人員掌握連接關系、了解整體原理，而且與一線維護保障層級相對應，能夠更好地促進理論與實踐的互動，實現知行合一。

三、基于黑箱理論的電子設備理論教學

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

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

那么基于黑箱理論的電子設備理論教學可行嗎？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、管內結構清晰，是電路中的重要部件，依靠肉眼來觀察判斷其工作狀態是常用辦法，按照可視結構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方法，按照不可見的內部結構模型講解工作流程，要求培訓對象想象電子的流動以及空穴的產生等，效果會大打折扣。實際上大部分晶體管只有綠豆般大小，在電路中數量眾多，根本不可能通過肉眼來判斷其內部工作狀況（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意義的晶體管。一個看不見、摸不著甚至都無法檢測的基礎元件，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部）

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

那么晶體管應該如何講授呢？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，依據黑箱理論，電子設備所有的基礎元件，及由基礎元件組成的電路都可以按照黑箱理論來歸納講授。

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

四、基于黑箱理論的電子設備維護

電子設備在維護中應用黑箱理論具有顯著優勢，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，機件內部故障要交由專業維修人員處理，簡單設備元件由修理廠代換，關鍵分機或模塊則必須返回原廠修理?？梢哉f電子設備在使用維護中關注線纜通斷遠勝于機件內部模塊，因為焊接斷線是一線維護人員的主要工作內容，模塊內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、生產和修理環節的推廣。由于電子設備的高速發展，模塊化設計應用已經非常廣泛，產品的模塊化水平已是評價設計水平的主要準則之一[3]。大型電子設備的系統化和模塊化是當今電子技術發展的主流，以美國為代表的發達國家，早在上世紀下半葉，就以軍用電子設備（系統）的模塊化、智能化、積木化為試點開始了電子設備標準化發展之路，我國借鑒歐美成功經驗，陸續提出把“三化”建設作為以后軍民電子設備標準化的主要任務之一。模塊化設計與維修理念，是實現“一線換件后方維修”的維修思想的基礎，也是提高維修效率、降低維修成本的發展必然。

基于黑箱理論的維護與單純的模塊化結構思想不同之處在于，黑箱的取舍以模塊為基礎，但維護中的黑箱范圍（即維護單元）可以是設備模塊，也可以是分機或者獨立系統等，黑箱到底包含多大范圍，要根據設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、復合天線、作動筒等），其黑箱結構應選取到獨立系統（即整機或大部件）；對高度保密或技術含量較高的大型電子設備（系統），其黑箱范圍至少是分機；對傳統老型設備可根據設備維護條件，將黑箱設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置到機件內部獨立器件、模塊和板卡等。

需要強調的是，由電子設備開始探討并應用的黑箱理論同樣適用于大型非電子設備（系統）。在一線維護中，部件的更換普遍到設備分機、大部件或獨立功能器件這一層面，無論哪個專業在維護中關注的都是功能模塊（黑箱）的作用發揮，其內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、把蓄電瓶中負電子和正離子的產生運輸及存儲等當作主要內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備理論教學和維護中的應用，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。轉變維護人員傳統思想認識和教員授課習慣，從教學的基礎環節開始為黑箱理論應用于設備一線維護打好基礎。教學的基礎打好了，運用黑箱理論開展維護才能有理論依據和指導思想，形成從理論到實踐的良好過渡，實現學以致用的教學目標。

二是總結基于黑箱理論的維護保障經驗。把主要精力放在理清設備之間線纜的控制關系上，梳理設備節點和單元，根據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致的黑箱故障現象歸納完整。在排除復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，實現快速高效維修。

三是形成基于黑箱理論的維護保障規范。在維護規程的基礎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限，細化操作辦法，固化黑箱理論在維護中的具體應用，進一步推進科學依法維修。

四是開展基于黑箱理論的保障研究和配套建設。充分考慮大型電子設備（系統）培訓內容體系、維護保障模式、設備（系統）技術現狀和零配件供應能力等環節的上下銜接，突出抓好針對不同層級的培訓教材建設。對基礎理論教材，由資深教員在深入理解基礎理論的基礎上，設置好黑箱范圍，深入淺出地向維護人員概括基本概念、原理和工作流程等；對設備教材，由設備研制廠家、一線服務人員和培訓機構三家聯手，把黑箱之間的控制關系梳理清楚，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。針對一線服務人員維護中所承擔的工作層級較低這一現實，應大力推廣黑箱理論運用；但面向修理廠維護人員，就應該讓他們逐漸了解基礎元件和關鍵設備（系統）的工作原理、過程、條件等，讓黑箱結構逐漸透明起來變成灰箱，以適應修理廠人員在維修中的骨干作用發揮；對于研制生廠的維修服務人員應該讓黑箱完全透明，變成白箱，為他們開展理論研究、故障預防、技術改進和疑難故障排除等打好基礎、創造條件。同時，由黑箱到白箱的遞進過程，也是維護人員認識不斷加深、能力不斷加強的必然過程。

參考文獻：

[1]孫傳慶、艾玲、武占省.新黑箱理論及其應用[J].科技信息（學術版）.2008（5）：57.

[2]葛仁華、楊元妍.論黑箱理論在電子專業教學中的巧妙應用[J].桂林航天工業高等專科學校學報.2009（3）：366.

[3]曾偉、童時中.電子設備機械結構標準化現狀及動態[J].電子機械工程.2003（2）：55.

作者簡介：

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