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(hù)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(duì)大型電子設(shè)備（系統(tǒng)）理論教學(xué)及維護(hù)的重要意義，通過(guò)剖析大型電子設(shè)備（系統(tǒng)）的黑箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(hù)中的具體應(yīng)用，同時(shí)對(duì)大型非電子設(shè)備（系統(tǒng)）教學(xué)及維護(hù)運(yùn)用黑箱理論提供了借鑒，預(yù)見(jiàn)了推廣應(yīng)用黑箱理論需要注意的若干問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】黑箱 電子設(shè)備 理論教學(xué)及維護(hù)

【中圖分類號(hào)】G4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）04-0228-03

隨著我國(guó)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(lái)越大，集成度越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)和原理越來(lái)越復(fù)雜，維護(hù)保障模式隨之發(fā)生了深刻變革，對(duì)大型電子設(shè)備維護(hù)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(hù)保障中的應(yīng)用，具有重大的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

一、黑箱理論的概念及特點(diǎn)

黑箱亦稱“黑盒”、“黑匣”、“閉盒”。它是控制論中的一個(gè)概念，是指那些既不能打開(kāi)，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(guò)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(duì)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(wèn)題及其解決方法（黑箱方法）的理論。黑箱問(wèn)題，廣義指一切未知領(lǐng)域和由于某些原因一時(shí)難以破解的問(wèn)題，狹義則指不能或不允許打開(kāi)、解剖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，卻需要確定、了解或預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的問(wèn)題[1]。黑箱方法，又稱“黑箱系統(tǒng)辨識(shí)法”，是通過(guò)考察系統(tǒng)的輸入、輸出及其動(dòng)態(tài)過(guò)程，定量或定性地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的功能特性、運(yùn)行狀態(tài)，探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的一種控制論認(rèn)識(shí)方法。

黑箱理論的特點(diǎn)是使系統(tǒng)整體優(yōu)化，即從系統(tǒng)的觀點(diǎn)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(duì)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(shí)習(xí)操作三個(gè)模塊來(lái)開(kāi)展，理論講解是必要環(huán)節(jié)（模塊）。

以某液壓系統(tǒng)為例（見(jiàn)圖1），該原理圖中的連線代表管路，所標(biāo)注的29個(gè)關(guān)鍵部件均為形象直觀的實(shí)物，其連接控制關(guān)系清晰明確，整個(gè)原理圖與實(shí)際情況對(duì)應(yīng)，對(duì)了解系統(tǒng)工作情形和開(kāi)展維護(hù)檢查都具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

再看電子設(shè)備的情況，以某超短波電臺(tái)為例（見(jiàn)圖2，技術(shù)含量相當(dāng)于國(guó)際七八十年代水平）。該圖中連線并不代表實(shí)際的電纜導(dǎo)線，除天線、耳機(jī)、話筒和控制盒外，其它電路、元件都位于收發(fā)機(jī)內(nèi)部，看不見(jiàn)摸不著，元件的識(shí)別和檢查也不是實(shí)際工作內(nèi)容，依據(jù)此系統(tǒng)圖講解信號(hào)流程非常抽象，對(duì)掌握系統(tǒng)的使用維護(hù)缺乏指導(dǎo)性、針對(duì)性。實(shí)際上該系統(tǒng)本身就是模塊化設(shè)計(jì)的，主機(jī)由6個(gè)不可分解的黑箱（模塊）組成（見(jiàn)圖3），一線維護(hù)只能更換故障模塊，不能實(shí)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(diǎn)。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(guò)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(hù)單元確定到設(shè)備或設(shè)備模塊，不僅有利于維護(hù)人員掌握連接關(guān)系、了解整體原理，而且與一線維護(hù)保障層級(jí)相對(duì)應(yīng)，能夠更好地促進(jìn)理論與實(shí)踐的互動(dòng)，實(shí)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(shí)踐中很少直接應(yīng)用，涉及的知識(shí)面又極其寬廣，講解深度把握不好，容易使培訓(xùn)對(duì)象淹沒(méi)在浩繁的理論里。運(yùn)用黑箱原理分析復(fù)雜的電路系統(tǒng)，簡(jiǎn)明扼要、重點(diǎn)突出，非常實(shí)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(diǎn)電流守恒定律）推廣應(yīng)用后的定義是指，在任一瞬間通過(guò)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(gè)假設(shè)封閉面其實(shí)就是黑箱，只要這個(gè)區(qū)域內(nèi)無(wú)電源，不管內(nèi)部包含多么復(fù)雜的電路，都可以看作一個(gè)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(jì)黑箱范圍，弱化對(duì)黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)注，通過(guò)輸入、輸出電流判斷黑箱工作狀態(tài)。這正是簡(jiǎn)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(jìn)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(lái)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(duì)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(shí)，沿用電子管時(shí)代的教學(xué)方法，按照不可見(jiàn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型講解工作流程，要求培訓(xùn)對(duì)象想象電子的流動(dòng)以及空穴的產(chǎn)生等，效果會(huì)大打折扣。實(shí)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(guò)肉眼來(lái)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(gè)集成塊包含成千上萬(wàn)個(gè)晶體管，即使把集成塊剖開(kāi)，也看不到任何一個(gè)傳統(tǒng)意義的晶體管。一個(gè)看不見(jiàn)、摸不著甚至都無(wú)法檢測(cè)的基礎(chǔ)元件，卻要耗費(fèi)大量的課時(shí)和精力去研究其工作過(guò)程，對(duì)一線維護(hù)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(kuò)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(gè)過(guò)程要通過(guò)想象配合教學(xué)動(dòng)畫來(lái)理解。實(shí)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(jī)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(gè)黑箱，把握輸入輸出關(guān)系，記住管腳的兩個(gè)公式，了解電流的放大作用就足夠了。第一個(gè)公式是Ie=Ib+Ic，第二個(gè)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(gè)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(lái)歸納講授。

電子設(shè)備應(yīng)用黑箱理論教學(xué)會(huì)如何呢？我們以更先進(jìn)的數(shù)字超短波電臺(tái)為例來(lái)分析（見(jiàn)圖8）。其構(gòu)造和工作流程遠(yuǎn)比圖2中的電臺(tái)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(tái)不可拆解的實(shí)際模塊相對(duì)應(yīng)，再一次體現(xiàn)了理論與實(shí)際的有機(jī)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(jiǎn)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(jiàn)、不可拆的黑箱內(nèi)部，否則只會(huì)導(dǎo)致理論與實(shí)際兩張皮。

四、基于黑箱理論的電子設(shè)備維護(hù)

電子設(shè)備在維護(hù)中應(yīng)用黑箱理論具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟壳按蟛糠蛛娮硬考荒苓M(jìn)行返廠修理，不允許拆解。電子設(shè)備維護(hù)人員的日常工作主要是確定故障部位、更換故障分機(jī)，機(jī)件內(nèi)部故障要交由專業(yè)維修人員處理，簡(jiǎn)單設(shè)備元件由修理廠代換，關(guān)鍵分機(jī)或模塊則必須返回原廠修理。可以說(shuō)電子設(shè)備在使用維護(hù)中關(guān)注線纜通斷遠(yuǎn)勝于機(jī)件內(nèi)部模塊，因?yàn)楹附訑嗑€是一線維護(hù)人員的主要工作內(nèi)容，模塊內(nèi)部情況大部分使用維護(hù)人員卻難于見(jiàn)到。

基于黑箱理論的維護(hù)，實(shí)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(jì)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，產(chǎn)品的模塊化水平已是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)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(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn)開(kāi)始了電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展之路，我國(guó)借鑒歐美成功經(jīng)驗(yàn)，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(jì)與維修理念，是實(shí)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(hù)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(hù)中的黑箱范圍（即維護(hù)單元）可以是設(shè)備模塊，也可以是分機(jī)或者獨(dú)立系統(tǒng)等，黑箱到底包含多大范圍，要根據(jù)設(shè)備先進(jìn)程度和維護(hù)層級(jí)而言。比如對(duì)更換后影響性能的裝置（民用救生電臺(tái)、復(fù)合天線、作動(dòng)筒等），其黑箱結(jié)構(gòu)應(yīng)選取到獨(dú)立系統(tǒng)（即整機(jī)或大部件）；對(duì)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(jī)；對(duì)傳統(tǒng)老型設(shè)備可根據(jù)設(shè)備維護(hù)條件，將黑箱設(shè)置到機(jī)件外部的獨(dú)立繼電器、活門、線纜管路等可見(jiàn)單元；大型修理廠可以將模塊設(shè)置到機(jī)件內(nèi)部獨(dú)立器件、模塊和板卡等。

需要強(qiáng)調(diào)的是，由電子設(shè)備開(kāi)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(hù)中，部件的更換普遍到設(shè)備分機(jī)、大部件或獨(dú)立功能器件這一層面，無(wú)論哪個(gè)專業(yè)在維護(hù)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(guò)外部輸入輸出條件的變化而推測(cè)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(dòng)筒剖開(kāi)講得過(guò)深、把陀螺或指示器打開(kāi)逐個(gè)零件講解、把蓄電瓶中負(fù)電子和正離子的產(chǎn)生運(yùn)輸及存儲(chǔ)等當(dāng)作主要內(nèi)容來(lái)講都是沒(méi)有必要的，因?yàn)獒槍?duì)維護(hù)人員而言它們都是典型的黑箱。但要全面推開(kāi)黑箱理論在所有非電子設(shè)備理論教學(xué)和維護(hù)中的應(yīng)用，還需要處理好以下五個(gè)問(wèn)題：

一是樹(shù)立基于黑箱理論的維護(hù)保障理念。轉(zhuǎn)變維護(hù)人員傳統(tǒng)思想認(rèn)識(shí)和教員授課習(xí)慣，從教學(xué)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)開(kāi)始為黑箱理論應(yīng)用于設(shè)備一線維護(hù)打好基礎(chǔ)。教學(xué)的基礎(chǔ)打好了，運(yùn)用黑箱理論開(kāi)展維護(hù)才能有理論依據(jù)和指導(dǎo)思想，形成從理論到實(shí)踐的良好過(guò)渡，實(shí)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(hù)保障經(jīng)驗(yàn)。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(diǎn)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(huì)導(dǎo)致的黑箱故障現(xiàn)象歸納完整。在排除復(fù)雜故障時(shí)采用逐個(gè)斷開(kāi)連接電纜配合串換件的方法來(lái)確定故障部位，實(shí)現(xiàn)快速高效維修。

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

四是開(kāi)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(hù)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(duì)不同層級(jí)的培訓(xùn)教材建設(shè)。對(duì)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(hù)人員概括基本概念、原理和工作流程等；對(duì)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(jī)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(shí)與實(shí)際工作靠攏。

五是理清黑箱、灰箱和白箱的遞進(jìn)關(guān)系。運(yùn)用黑箱理論不是不講理論，也不是永遠(yuǎn)不打開(kāi)黑箱，而是針對(duì)不同維護(hù)對(duì)象講到不同的深度、干到不同層級(jí)。針對(duì)一線服務(wù)人員維護(hù)中所承擔(dān)的工作層級(jí)較低這一現(xiàn)實(shí)，應(yīng)大力推廣黑箱理論運(yùn)用；但面向修理廠維護(hù)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(guò)程、條件等，讓黑箱結(jié)構(gòu)逐漸透明起來(lái)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(duì)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(kāi)展理論研究、故障預(yù)防、技術(shù)改進(jìn)和疑難故障排除等打好基礎(chǔ)、創(chuàng)造條件。同時(shí)，由黑箱到白箱的遞進(jìn)過(guò)程，也是維護(hù)人員認(rèn)識(shí)不斷加深、能力不斷加強(qiáng)的必然過(guò)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫傳慶、艾玲、武占省.新黑箱理論及其應(yīng)用[J].科技信息（學(xué)術(shù)版）.2008（5）：57.

[2]葛仁華、楊元妍.論黑箱理論在電子專業(yè)教學(xué)中的巧妙應(yīng)用[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2009（3）：366.

[3]曾偉、童時(shí)中.電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)[J].電子機(jī)械工程.2003（2）：55.

作者簡(jiǎn)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(shí)踐、航空裝備維修理論與實(shí)踐。