基于底層模塊化的通信開關(guān)電源可維修性建模分析

程 松，錢希森，李 龍，張穎超，景有泉

（重慶通信學(xué)院 電力電子與電力傳動，重慶 400035）

1 通信開關(guān)電源系統(tǒng)概述

開關(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，通信開關(guān)電源的地位也越來越重要，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)展趨勢之一［2－4］。通信開關(guān)電源實現(xiàn)模塊化是提高其可靠性的重要手段。模塊化與標準化大大加強了設(shè)備的通用性與可維修性，對設(shè)備的可靠性起到保障作用，是設(shè)備進行大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)與出路［5］。目前大多數(shù)通信開關(guān)電源系統(tǒng)，如“中興”、“中達”、“動力源”等公司研制的系列化產(chǎn)品，無一例外采用了圖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)變得非常容易實現(xiàn)。如圖1所示，通過增減整流模塊個數(shù)來組成各種不同功率等級的電源系統(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)除了具有很強的適應(yīng)性外，還有一些很重要的優(yōu)點如:系統(tǒng)初始投資少、擴容非常方便、安裝運輸方便、冗余方式工作額外投入很少等。

圖1 開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

可維修性設(shè)計是設(shè)計質(zhì)量中一個非常重要的內(nèi)容，它是把維修性設(shè)計歸入產(chǎn)品設(shè)計過程，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。因為一件產(chǎn)品的維修工作越簡單，那么它對顧客的吸引力也就越大。本文針對開關(guān)電源整流器的可維修性評估提出一種方法，分別對由分立元件構(gòu)成的整流器與底層級模塊構(gòu)成的整流器進行了可維修性的評估，論證了開關(guān)電源底層模塊化的必要性。

2 維修性準則與評價指標體系建立

傳統(tǒng)的觀念認為維修是少數(shù)維修人員進行的一種保證性的技術(shù)工作。它和產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)互不相關(guān)。實際上，隨著機電產(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》指出，維修是“為使產(chǎn)品保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進行的全部活動”［6］。

維修性即產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，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重要設(shè)計原則。良好的可維修性對于設(shè)備的維護保養(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)計準則

當通信開關(guān)電源投入使用以后，維修工作就是使用過程中不可回避的問題。減少維修時間和提高維修保障水平是裝備維修性和保障性設(shè)計的重要目標［8］。依據(jù)這一目標，維修性設(shè)計準則通常包括以下一般性的原則:①盡可能簡化產(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，提高產(chǎn)品可達性；③采用標準化，模塊化設(shè)計；④保證檢測診斷的迅速，準確；⑤采取防差錯措施；⑥考慮維修中的人機工程及維修安全性等［9］。

根據(jù)上面維修性設(shè)計準則，參照我國GJB／Z 91－1997軍標手冊－維修性設(shè)計技術(shù)手冊，針對通信開關(guān)電源，選出下面5個評價指標因素:

（1）可達性；

（2）標準化與互換化；

（3）產(chǎn)品裝配／拆卸性；

（4）產(chǎn)品設(shè)計簡化性；

（5）檢測性和診斷技術(shù)。

可達性是指在維修產(chǎn)品時，接近維修部位的難易程度；標準化是指零部件、元器件拿來就可裝上，裝上就可使用，使維修活動大大簡化，并降低對維修人員技能的要求；同時，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／拆卸性能是指各個子裝配體、零部件連接件的拆卸和裝配要簡單、省力；產(chǎn)品設(shè)計簡化性是指盡可能簡化、合并產(chǎn)品功能，降低對人力、時間、以及各種保障資源的需求；檢測性和診斷技術(shù)是指故障檢測和隔離的難易程度。

2.2 維修性評價指標體系

建立相關(guān)指標體系是評價系統(tǒng)的第一要點，任何評價系統(tǒng)都是通過指標體系來獲得具體評價信息的，它不僅是對于被評價對象特性的描述，也是評價目的的直接體現(xiàn)。所以針對上述五種評價準則，參考美軍MIL－HDBK－472技術(shù)手冊，以打分的形式對它們做出定量評價。該手冊以0、2、4三個等級的打分標準為各項評價指標打分并定義了打分依據(jù)。本文僅以辨識標志為例進行說明。產(chǎn)品辨識標志的打分標準見表1。

表1 產(chǎn)品辨識標志打分標準

各屬性之間不是獨立的，而是互相影響、互相促進的。若對某一屬性進行優(yōu)化，其他屬性也會得到改善［10］。如可達性和產(chǎn)品裝配／拆卸性能是互相促進的。但并非所有屬性間的促進關(guān)系都是對稱的，如標準化與互換化的完善會提高檢測性和診斷技術(shù)，但改善了檢測性和診斷技術(shù)并不能促進標準化與互換化的完善。顯然，這種促進關(guān)系是“有方向”的，并且這種方向也是有強有弱的。根據(jù)維修性的特性和查閱相關(guān)文獻資料，得到上述5種維修性評價指標之間的相互促進度。表2給出開關(guān)電源裝備維修性5個評價指標因素之間促進關(guān)系的范圍和強度。

表2 開關(guān)電源5種屬性間促進關(guān)系

表2中的1－5分別對應(yīng)5個評價指標，而每一行又分別表示每個評價指標與其它4個評價指標的促進度。

2.3 維修性評價指標有向圖

將維修性評價指標有向圖定義為F（P，L），其中P＝｛1，2，3，4，5｝是一系列節(jié)點，代表維修性評價指標；L＝｛L12，L13，…，Lij｝是各節(jié)點之間的有向弧，代表各屬性間的促進度，沒有促進關(guān)系時不畫有向弧。則5個維修性評價指標有向圖如圖2所示。

Lij表示屬性i對屬性j的促進度，其中實線的促進度為強，虛線的促進度為中或弱，沒有實線或虛線表示兩個評價指標之間沒有促進度。

圖2 評價指標促進度有向圖

2.4 維修性評價指標的矩陣表達

以有向網(wǎng)絡(luò)圖的結(jié)構(gòu)表示了各個維修性指標以及它們之間的關(guān)聯(lián)度。如果在設(shè)計的初始階段就為設(shè)計者提供這樣一個直觀簡單的模型，可以幫助設(shè)計者對產(chǎn)品維修性之間的促進與制約有一個整體的把握，對產(chǎn)品的維修性進行綜合分析，并且通過修改設(shè)計方案，改變產(chǎn)品的某項維修性屬性值，以此來提高產(chǎn)品的維修性。

維修性矩陣MF為:

稱MF為維修性矩陣。其中非主對角線上的元素是屬性i對屬性j的促進度的值。主對角線上的元素稱為維修性設(shè)計屬性權(quán)值，對于高頻通信開關(guān)電源來說，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)計屬性權(quán)值。即非主對角線元素一致（即表2所示內(nèi)容），主對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)手冊打分得出。

3 維修性設(shè)計評價模型

評價是一種有計劃有目的地對調(diào)查對象進行歸類、排序、選優(yōu)等判斷的系列性活動，在評價系統(tǒng)理論中主要是通過建立評價模型來對接受考察對象的功能指標進行分析與綜合，通過以指標和評價方法共同作用的方式來確定接受考察對象對各種指標或整體綜合性指標要求的符合度［11］。開關(guān)電源的維修性評價活動對其產(chǎn)品性能發(fā)展具有推動作用，是促進其各種維修性設(shè)計臻于完美的積極因素之一。

3.1 模型建立

要建立科學(xué)性的評價模型并進行正確恰當?shù)貞?yīng)用，就應(yīng)當對構(gòu)成評價系統(tǒng)的要素進行有效控制。在評價目的、評價對象、評價標準、評價主體都已經(jīng)明確的情況下，評價方法就成為實現(xiàn)整個評價系統(tǒng)最重要的一環(huán)。評價方法主要是指評價系統(tǒng)中的評價模型和系統(tǒng)對信息的處理方式，在本例中，如何對維修性屬性矩陣進行處理、分析和綜合并最終完成評價是整個維修性建模的核心。

在上述維修性屬性矩陣已知的基礎(chǔ)上，要對兩種方案的維修性進行評判，最容易想到的就是計算行列式的值，但是計算行列式時每一項會有符號差的系數(shù)，所得到的5種維修性設(shè)計的相互促進度和5種維修性指標自身的值均為正值，用行列式來計算會削弱或者干擾維修性的判斷，不能體現(xiàn)各個屬性之間的促進與制約。所以本文根據(jù)矩陣的積和式對維修性設(shè)計進行評估。積和式是矩陣的一個標準函數(shù)，它的每一項都是正值，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，因為矩陣中的每一個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)來計算維修性綜合指數(shù)。

一個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。從定義上來看矩陣積和式和行列式比較相似，但是前者的計算難度遠大于后者。由于展開式中都是正號，說明任一促進度或?qū)傩詸?quán)值的增長，都會引起per（MF）值的增長。5階積和式的計算公式如下:

使用MATLAB編寫程序?qū)Ψe和式進行運算。

矩陣的積和式包含了高頻通信開關(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)來評價不同的設(shè)計方案。

利用產(chǎn)品或系統(tǒng)的維修性評價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)計初始階段就為設(shè)計者提供一個簡單合理且易行的維修性評價方法。如果維修性設(shè)計的考慮放在生產(chǎn)過程開始之后，這樣對設(shè)計進行修改來提高其維修性必將會帶來成本的增加，因此設(shè)計者如果將產(chǎn)品的可維修性設(shè)計納入到產(chǎn)品整體設(shè)計的初始階段，那么此時更改設(shè)計所帶來的損失相對較小。

3.2 兩種方案評價分析

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

模塊化設(shè)計作為一種先進的設(shè)計方法，其要點在于根據(jù)功能來對設(shè)備總體結(jié)構(gòu)進行劃分，以結(jié)構(gòu)的模塊來表現(xiàn)出功能的模塊，同時模塊劃分時兼顧電磁兼容設(shè)計、熱設(shè)計以及提高設(shè)備可靠性。基于這樣的考慮，將通信開關(guān)電源的整流模塊劃分成為5個子模塊: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。則底層模塊化的開關(guān)電源的維修性屬性矩陣:

運用Matlab編寫的程序，得出Per（MF1）＝392，Per（MF2）＝2432。該計算結(jié)果表明經(jīng)過底層模塊化的開關(guān)電源的維修性要遠勝于使用分立元件構(gòu)成的開關(guān)電源。并且統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電源維修過程中大部分時間都用于偵測故障點，而經(jīng)過底層模塊化的開關(guān)電源故障點易定位，維修便捷，這與計算結(jié)果相吻合。

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

4 結(jié)束語

本文首先提出了高頻通信開關(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)計方式更具有優(yōu)越性，采用美軍MIL－HDBK－472技術(shù)手冊對維修性屬性進行評價，并對各維修性屬性之間的促進關(guān)系進行分析，進而得出維修性屬性矩陣，并運用矩陣的積和式對維修性做出評價，最后得出結(jié)論:經(jīng)過底層模塊化的開關(guān)電源具有更好的維修性，進一步說明了高頻通信開關(guān)電源底層模塊化的必要性。

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