基于黑箱理论的电子设备（系统）理论教学及维护方法研究

【摘要】随着高、新、尖技术的快速发展，大规模集成电路的广泛应用，使电子设备（系统）的结构和维护发生了深刻变革，这一现象在大型电子设备（系统）中体现最为突出。本文系统探讨引入黑箱理论对大型电子设备（系统）理论教学及维护的重要意义，通过剖析大型电子设备（系统）的黑箱结构特点，研究基于黑箱理论的在电子设备（系统）理论教学及维护中的具体应用，同时对大型非电子设备（系统）教学及维护运用黑箱理论提供了借鉴，预见了推广应用黑箱理论需要注意的若干问题。

【关键词】黑箱 电子设备 理论教学及维护

【中图分类号】G4【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）04-0228-03

随着我国高科技产业的飞速发展，电子设备在各类装（设）备中所占比重越来越大，集成度越来越高，结构和原理越来越复杂，维护保障模式随之发生了深刻变革，对大型电子设备维护保障的理论培训工作提出了新要求。系统研究黑箱理论在大型电子设备（系统）理论教学和维护保障中的应用，具有重大的理论意义和实践价值。

一、黑箱理论的概念及特点

黑箱亦称“黑盒”、“黑匣”、“闭盒”。它是控制论中的一个概念，是指那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统（只能通过信息的输入输出确定其结构和参数，例如人的大脑、地球、密封的仪器等）。与之对应，人们把全知的系统和区域称为“白箱”，介于黑箱和白箱之间或部分可察的系统称为“灰箱”。

黑箱理论，就是研究黑箱问题及其解决方法（黑箱方法）的理论。黑箱问题，广义指一切未知领域和由于某些原因一时难以破解的问题，狭义则指不能或不允许打开、解剖内部结构，却需要确定、了解或预测其运动变化规律的问题[1]。黑箱方法，又称“黑箱系统辨识法”，是通过考察系统的输入、输出及其动态过程，定量或定性地认识系统的功能特性、运行状态，探索其内部结构和机理的一种控制论认识方法。

黑箱理论的特点是使系统整体优化，即从系统的观点出发，着重从整体与部分之间、整体与外部环境之间的相互联系中，综合地研究分析对象[2]。

二、电子设备具有典型的黑箱结构

大型设备（系统）理论教学通常按照基础理论、专业理论和实习操作三个模块来开展，理论讲解是必要环节（模块）。

以某液压系统为例（见图1），该原理图中的连线代表管路，所标注的29个关键部件均为形象直观的实物，其连接控制关系清晰明确，整个原理图与实际情况对应，对了解系统工作情形和开展维护检查都具有极强的指导意义。

再看电子设备的情况，以某超短波电台为例（见图2，技术含量相当于国际七八十年代水平）。该图中连线并不代表实际的电缆导线，除天线、耳机、话筒和控制盒外，其它电路、元件都位于收发机内部，看不见摸不着，元件的识别和检查也不是实际工作内容，依据此系统图讲解信号流程非常抽象，对掌握系统的使用维护缺乏指导性、针对性。实际上该系统本身就是模块化设计的，主机由6个不可分解的黑箱（模块）组成（见图3），一线维护只能更换故障模块，不能实施具体的元器件维修。

综上所述，电子设备具有典型的黑箱（模块）结构特点。随着新科技的快速发展，尤其是电子产品的跨代发展，这一现象非常普遍，设备内部电路乃至元件的黑箱特征也更加明显。电子设备已经走过了从电子管到晶体管、从分立元件到集成电路、从固定电路到可编程逻辑器件的发展历程，器件高度集成、原理抽象、体制迥异，原有的拆解检查、元件代换等维修方法已经难以适用。应用黑箱理论把讲解和维护单元确定到设备或设备模块，不仅有利于维护人员掌握连接关系、了解整体原理，而且与一线维护保障层级相对应，能够更好地促进理论与实践的互动，实现知行合一。

三、基于黑箱理论的电子设备理论教学

电子设备基础理论在实践中很少直接应用，涉及的知识面又极其宽广，讲解深度把握不好，容易使培训对象淹没在浩繁的理论里。运用黑箱原理分析复杂的电路系统，简明扼要、重点突出，非常实用。这种方法在《电工学》基尔霍夫第一定律（KCL）中就已经有所体现。

基尔霍夫第一定律（又称节点电流守恒定律）推广应用后的定义是指，在任一瞬间通过电路中任一不包含电源的假设封闭面的电流代数和为零。这个假设封闭面其实就是黑箱，只要这个区域内无电源，不管内部包含多么复杂的电路，都可以看作一个黑箱，流入它的电流和流出它的电流代数和始终为零。把握这一定律，就可以人为设计黑箱范围，弱化对黑箱内部结构的关注，通过输入、输出电流判断黑箱工作状态。这正是简化电路原理、建立模块化结构模型的基本方法。

那么基于黑箱理论的电子设备理论教学可行吗？我们以晶体管为例进行分析。晶体管的前身是电子管，其体积较大、管内结构清晰，是电路中的重要部件，依靠肉眼来观察判断其工作状态是常用办法，按照可视结构讲解元件工作原理相对直观（如图4所示，图中的灯泡状元件即为电子管）。

但讲解晶体管时，沿用电子管时代的教学方法，按照不可见的内部结构模型讲解工作流程，要求培训对象想象电子的流动以及空穴的产生等，效果会大打折扣。实际上大部分晶体管只有绿豆般大小，在电路中数量众多，根本不可能通过肉眼来判断其内部工作状况（如图5所示，其中的黑色半圆形元件即为晶体三极管）。

在大规模集成电路中，一个集成块包含成千上万个晶体管，即使把集成块剖开，也看不到任何一个传统意义的晶体管。一个看不见、摸不着甚至都无法检测的基础元件，却要耗费大量的课时和精力去研究其工作过程，对一线维护保障作用不大。（如图6所示，此电路板所有晶体管都位于集成块内部）

晶体管传统的讲解方法是围绕它的3区3极2结的结构，分析其扩散电流、漂移电流、电流复合作用、PN结变化等（如图7所示），整个过程要通过想象配合教学动画来理解。实际上晶体三极管作为现代电子设备中的基础元件，完全不用深究其内部机理，就像我们使用螺钉螺帽，并不需要关注其分子结构和螺纹切角一样。

那么晶体管应该如何讲授呢？完全可以把晶体三极管看作一个黑箱，把握输入输出关系，记住管脚的两个公式，了解电流的放大作用就足够了。第一个公式是Ie=Ib+Ic，第二个公式是β=Ic/Ib≈Ie/Ib，且β一般大于100。从晶体三极管理论模型看，其外观不正像是一个黑箱吗？同样，依据黑箱理论，电子设备所有的基础元件，及由基础元件组成的电路都可以按照黑箱理论来归纳讲授。

电子设备应用黑箱理论教学会如何呢？我们以更先进的数字超短波电台为例来分析（见图8）。其构造和工作流程远比图2中的电台复杂，整套系统需要多幅电路框图才能比较完整的体现，但按照黑箱理论，采用模块化讲解，其内部关系不但明确清晰，而且与该型电台不可拆解的实际模块相对应，再一次体现了理论与实际的有机结合。同样，目前的大型电子设备，其内部高度集成，连接关系简单，多采用模块化或插板式结构，教学中不需要深入不可见、不可拆的黑箱内部，否则只会导致理论与实际两张皮。

四、基于黑箱理论的电子设备维护

电子设备在维护中应用黑箱理论具有显著优势，因为目前大部分电子部件只能进行返厂修理，不允许拆解。电子设备维护人员的日常工作主要是确定故障部位、更换故障分机，机件内部故障要交由专业维修人员处理，简单设备元件由修理厂代换，关键分机或模块则必须返回原厂修理。可以说电子设备在使用维护中关注线缆通断远胜于机件内部模块，因为焊接断线是一线维护人员的主要工作内容，模块内部情况大部分使用维护人员却难于见到。

基于黑箱理论的维护，实际上得益于模块化思想在研发、生产和修理环节的推广。由于电子设备的高速发展，模块化设计应用已经非常广泛，产品的模块化水平已是评价设计水平的主要准则之一[3]。大型电子设备的系统化和模块化是当今电子技术发展的主流，以美国为代表的发达国家，早在上世纪下半叶，就以军用电子设备（系统）的模块化、智能化、积木化为试点开始了电子设备标准化发展之路，我国借鉴欧美成功经验，陆续提出把“三化”建设作为以后军民电子设备标准化的主要任务之一。模块化设计与维修理念，是实现“一线换件后方维修”的维修思想的基础，也是提高维修效率、降低维修成本的发展必然。

基于黑箱理论的维护与单纯的模块化结构思想不同之处在于，黑箱的取舍以模块为基础，但维护中的黑箱范围（即维护单元）可以是设备模块，也可以是分机或者独立系统等，黑箱到底包含多大范围，要根据设备先进程度和维护层级而言。比如对更换后影响性能的装置（民用救生电台、复合天线、作动筒等），其黑箱结构应选取到独立系统（即整机或大部件）；对高度保密或技术含量较高的大型电子设备（系统），其黑箱范围至少是分机；对传统老型设备可根据设备维护条件，将黑箱设置到机件外部的独立继电器、活门、线缆管路等可见单元；大型修理厂可以将模块设置到机件内部独立器件、模块和板卡等。

需要强调的是，由电子设备开始探讨并应用的黑箱理论同样适用于大型非电子设备（系统）。在一线维护中，部件的更换普遍到设备分机、大部件或独立功能器件这一层面，无论哪个专业在维护中关注的都是功能模块（黑箱）的作用发挥，其内部故障都是通过外部输入输出条件的变化而推测的，这正是典型的黑箱方法应用。把不可分解的油泵或作动筒剖开讲得过深、把陀螺或指示器打开逐个零件讲解、把蓄电瓶中负电子和正离子的产生运输及存储等当作主要内容来讲都是没有必要的，因为针对维护人员而言它们都是典型的黑箱。但要全面推开黑箱理论在所有非电子设备理论教学和维护中的应用，还需要处理好以下五个问题：

一是树立基于黑箱理论的维护保障理念。转变维护人员传统思想认识和教员授课习惯，从教学的基础环节开始为黑箱理论应用于设备一线维护打好基础。教学的基础打好了，运用黑箱理论开展维护才能有理论依据和指导思想，形成从理论到实践的良好过渡，实现学以致用的教学目标。

二是总结基于黑箱理论的维护保障经验。把主要精力放在理清设备之间线缆的控制关系上，梳理设备节点和单元，根据黑箱范围研究故障件的快速定位及更换方法，把外部线路阻隔会导致的黑箱故障现象归纳完整。在排除复杂故障时采用逐个断开连接电缆配合串换件的方法来确定故障部位，实现快速高效维修。

三是形成基于黑箱理论的维护保障规范。在维护规程的基础上形成基于黑箱理论的维护、检查和快速排故指南，明确针对不同层级的黑箱范围和拆解权限，细化操作办法，固化黑箱理论在维护中的具体应用，进一步推进科学依法维修。

四是开展基于黑箱理论的保障研究和配套建设。充分考虑大型电子设备（系统）培训内容体系、维护保障模式、设备（系统）技术现状和零配件供应能力等环节的上下衔接，突出抓好针对不同层级的培训教材建设。对基础理论教材，由资深教员在深入理解基础理论的基础上，设置好黑箱范围，深入浅出地向维护人员概括基本概念、原理和工作流程等；对设备教材，由设备研制厂家、一线服务人员和培训机构三家联手，把黑箱之间的控制关系梳理清楚，让黑箱界定切实与实际工作靠拢。

五是理清黑箱、灰箱和白箱的递进关系。运用黑箱理论不是不讲理论，也不是永远不打开黑箱，而是针对不同维护对象讲到不同的深度、干到不同层级。针对一线服务人员维护中所承担的工作层级较低这一现实，应大力推广黑箱理论运用；但面向修理厂维护人员，就应该让他们逐渐了解基础元件和关键设备（系统）的工作原理、过程、条件等，让黑箱结构逐渐透明起来变成灰箱，以适应修理厂人员在维修中的骨干作用发挥；对于研制生厂的维修服务人员应该让黑箱完全透明，变成白箱，为他们开展理论研究、故障预防、技术改进和疑难故障排除等打好基础、创造条件。同时，由黑箱到白箱的递进过程，也是维护人员认识不断加深、能力不断加强的必然过程。

参考文献：

[1]孙传庆、艾玲、武占省.新黑箱理论及其应用[J].科技信息（学术版）.2008（5）：57.

[2]葛仁华、杨元妍.论黑箱理论在电子专业教学中的巧妙应用[J].桂林航天工业高等专科学校学报.2009（3）：366.

[3]曾伟、童时中.电子设备机械结构标准化现状及动态[J].电子机械工程.2003（2）：55.

作者简介：

丁季春（1979-），男，教研室主任，讲师，工程硕士，研究方向：职业技能教育理论与实践、航空装备维修理论与实践。