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以工程学切入格栅思维

(2021-12-14 19:03:04)

文/姚斌 1 《人人都该懂的工程学》虽然只是一本小册子,但却为我们展示了工程师思维的框架。这个框架足以构成一个工程师思维模型。所谓的思维模型就是解决问题的方法。所谓的多元思维模型就是多层次、多维度解决问题的方法。查理·芒格先生之所以让我们敬佩,是因为他能够灵活自如地运用多模型思维的方式。查理·芒格先生说:“要想成为一个有智慧的人,你必须拥有许多个模型。”为此就能够构建格栅思维。 要知道何谓工程师思维,首先要知道何谓工程学。按照娜塔莎·麦卡锡的研究,工程学涵盖了一系列涉及范围极其广泛的活动。既负责汽车、电脑等日常用品的设计、生产和维修,也负责航天飞机和肾透析机等非日常用品的设计和生产,还负责直观上根本不是物品的事物,如公路和铁路系统、输送水电的管道和电线网络。从设计某种设备的最小部件到管理整个设计项目,再到建筑施工现场的生产线。其广泛性和多样性可能超越了科学家。 工程学历史悠久。像建造金字塔那样宏伟的建筑,不仅需要运用数学来创建物理结构,还需要复杂且大规模的能力和资源,这两点正是现代工程的特征。在古希腊时代,工程科学研究人造建筑和机器背后的数学和物理原理,例如阿基米德对杠杆的工作原理进行了分析,坚信可以利用这一原理来撬动地球。中世纪欧洲建造了各种各样的建筑,巨大的拱顶大教堂使用飞拱等装置,巧妙地将支撑结构融入装饰中,这些建筑可以与雄心勃勃的结构工程项目相提并论。 如果追溯“工程师”这个词,通常被认为起源于拉丁语,其义分别为“独创性”和“拥有或运用独创性的人”。这意味着工程学的核心概念是独创性和创造性。达·芬奇在其职业生涯中,曾一度自豪地拥有“公爵的工程师”的称号。托马斯·爱迪生是世界上最著名的发明家之一,但他的发明当归功于一个工程师团队,他们专注于寻找问题的解决方案,愿意通过反复试验来检验设计。 发明是工程学的一个关键因素,通过发明的方法工程学对创新过程作出了更大贡献。发明是新产品或新工艺的想法第一次出现,而创新是在实践中第一次尝试这种想法。创新是通过商业或其他方式把想法变为现实,把早期的原型从绘图板上送到用户手中。创新是个人、企业和整个社会获得成功和财富的关键。事实上,正是爱迪生作为创新者取得的成功使他在历史上占有一席之地,因为他的发明总是以商业开发为目的,他致力于向国内客户提供分布式电力和电灯。 工程学的核心活动是把科学研究所揭示的可能性转化为可生产、分配、出口、销售和使用的实用产品。许多工程研究包括研究与开发两个方面,它们致力于生产有用的东西。工程学的核心是将可能性转化为现实,因此,它的核心是创新。工程学在历史上最重要的贡献是开发了制造工艺,这样就能更快速更高效的生产设备和产品,如果没有足够经济快捷的制造工艺,任何一方面的产品都不可能从光明走向创新。 2 任何工程学科的学位在很大程度上是通过研究该专业的科学背景和该领域的数学实践而获得的。随着工程学的发展,人们对工程结构和机械运行方式的认识不断加深,每个工程师都有责任了解一代又一代工程师从成功和失败中辛苦得来的知识。 数学已经成为工程师使用的基本表示方式之一。在计算流体动力学领域,纳维-斯托克斯方程是一组功能强大的方程,这些方程可以描述许多流体动力学过程,如飞机或汽车在空气中的运动。运用这些方程,工程师可以确定某种形状的飞机在各种条件下的性能。这样的方程组使工程师能够描述他们感兴趣的属性之间的关系,为描述系统和结构的运行提供了一种通用的抽象方法。工程师在讨论系统的数学建模时,用数学关系来表示工程系统,这类似于建立该系统的物理模型。 飞机在飞行过程中不断受到压缩和减压作用,导致机体疲劳,金属机身产生细小的裂纹。如果这些裂纹突然变大,就可能会造成严重故障,导致飞机坠毁。工程师需要知道哪里有薄弱环节,以及如何调整机身设计以防止损毁。有限元分析是一种数学方法,它可以使工程师了解结构在荷载作用下是如何变形的。该方法的工作原理是在被检查的结果中构建一个网络,然后根据网络中的每个元素的属性和行为,推导出整个结构的可能行为。通过比较从一个元素到下一个元素的残余应力,工程师可以很好的了解裂纹形成的位置。如果工程师能够预测飞机结构中应力集中的位置,那么他们就可以花更多的时间来改进那些薄弱环节的设计。 数学在工程学中不仅能预测结构是否完好或者机器能否运转,而且能证明事实就是如此。在许多情况下,纯粹根据经验进行的工程学实践可能相当成功,工程师应用的一些数学知识在很大程度上可能只是对工程师做过的事情进行的数学描述。但工程是为别人做的,工程系统会有操作员和用户,如果要用户信赖交付的工程,那么演示工程系统的功能和安全性的能力是必不可少的。在工程学中,将数学关系中的经验编纂归类,并利用这些经验证明设计的有效性,这种能力是至关重要的。数学在工程学中的应用表明,工程学不仅仅是精炼的常识。有时系统会以意想不到的方式进行,如果有严谨的行为建模的方法,那么就可以显示它们为什么会这样运行。 对工程师来说,数学关系只是一种达到目的的手段。工程师们的数学计算有时可能有点混乱和复杂,因为他们是为现实世界的现象建模,而不是表现一些理想化的、全抽象的数学关系。例如,在建湍流模型时,纳维-斯托克斯方程很难求解,而这显然是工程师特别感兴趣的现象。因此,对于工程师来说,知道数学失效的地方或仅仅大致适用的地方,与知道数学完全适用的地方一样重要。 3 设计是工程学的本质。然而,设计也可能是工程学的一个方面,它不能简化为数学形式,因为设计是一个创造性的过程。设计是为新的工程产品和系统而产生的想法和计划。工程设计关注的是它所要解决的现有问题,但设计是自由的,因为没有预先设定的、唯一正确的,甚至客观上最佳的设计来满足特定的需求。工程设计必须通过实践而不是理论来学习。然而这并不意味着工程设计是一个完全自由的非理性过程,工程设计实践中存在诸多制约因素,各工程领域的设计过程也有着许多共同的关键特征。 工程设计受到各种外部因素的高度制约。如果一名工程师正在为客户设计一款产品,无论是一种新型飞机的舱门还是体育场的分层座位系统,工程师都必须从客户那里获取需求,其中包括设定该设计特别需要达到的目标、最终产品的成本、各种对尺寸和重量等限制,以及使用条件等。为设计项目设置需求的过程可能会充满困难,出错的概率也很大。不了解工程过程的客户总是不能确定最重要的需求,或者那些在工程上可以实现的需求。工程师可能对如何解决客户的问题有很好的想法,但实际上却没有正确把握手头上的真正问题。通过半心灵感应的过程了解客户脑中的需求,并转化为工程师脑中的需求,这一过程很容易出错。即使是成品,也可以被看作是测试中的设计,任何产品都会出现故障,工程师会设法改进设计。无论有多少测试是在计算机模型或原型上进行的,但随着时间的推移,只要产品在实际状况中发挥了作用,那么这就是对工程设计的测试。 设计过程是开放式的。有很多方法可以满足一组规划,设计师必须考虑各种各样的可能性,以期找到一个好的解决方法。这并不是说要找到最佳解决方案,因为对于一个设计问题从来就没有唯一的最佳解决方案。这些不同的考虑意味着满足一个需求可能会妨碍另一个需求,例如,让飞机舱门在飞行中更难打开,就可能需要增加舱门的重量。正因为如此,对于大多数工程产品来说,不可能只有一个人的名字,而是这个人毫无争议就是产品的设计者。设计是一个历史过程,几乎所有的设计都可以追根溯源,并受到已用物品的成功和失败的经验教训的影响。一种全新设计的新产品非常罕见,甚至一个工程师独自完成单个项目也几乎是不可能的,其本质上包括团队合作、沟通和对用户的理解,而用户的问题正是工程师着手解决的。 工程学作家詹姆斯·亚当斯曾经这样评论说,我所认识的成功的发明家对问题极为敏感,他们会注意到生活中的一些小麻烦和困难,而这些可以通过他们懂得的技术来解决。某些工程设计师并不关心变革,也不关心发明一种全新的工程产品来满足以前不可能满足的需求。相反,他们关心的是现有解决方案的不足,这些不足会给生活带来不便,而只要稍加努力就可以得到改善。詹姆斯·戴森改进了独轮手推车,这种笨重的装置在崎岖不平的地面上不能顺畅地行驶。戴森的“球轮手推车”创新地用球代替了轮子。球可以提供更大的表面积使手推车保持平衡,而且它可以从一边倾斜到另一边但不会翻车。 4 今天,工程师越来越多地参与到系统的构建中。他们参与复杂系统的设计,这些系统包括许多部件,每个部件都必须由专家开发,专家还必须着眼于如何将这些部件融入整体。系统是由相互作用、相互联系以及互相影响的不同部分组成的整体。在工程系统中,这些部分通常会以不同的方式发挥作用,并属于不同的工程学科范畴。例如,飞机是一个包含许多部件的系统,比如机身、机翼、发动机、空气压缩系统以及控制飞机的嵌入式信息系统等。每个系统都是由不同的工程师团队设计的,而且都涉及极为复杂的知识,但每个系统都必须互相关联。 当工程师谈到系统时,他们会谈到复杂性,因为这是工程系统的一个特征。一个复杂的系统不止是一个复杂的系统:一个有很多部分组成的系统,这些部分之间的联系可能很难让人们去回想和追踪。一个复杂系统的各部分之间的关联使整个系统的行为大于各个部分的行为的总和,各部分相互作用所产生的特征和性质不能由个别部分的性质或行为来解释。如果某物体仅仅是复杂的,就一架模型飞机来说,它仍然可以拆开并组装起来,整个产品完全是根据许多微小的部件以及它们的组装方式来定义的。然而,一个复杂的系统不能用这种方式分解成各个部分。它将具有所谓的涌现性,这是由这些部分的组合方式产生的。一个复杂的系统更像是一块蛋糕而不是一份沙拉,把所有的原料放在一起并不仅仅是这些原料的组合,它会产生一个产品,产品具有原料所没有的特性。 复杂系统不同部分之间的相互作用可以解释这些涌现性。但我们并不总是确切知道各部分之间将如何相互作用,以及这些作用可能产生什么影响。系统工程学就是要了解系统的本质,以便设计出所需的涌现性,并尽可能排除可能导致系统失败的交互作用。系统工程的一个中心特征是它的跨学科性。系统工程师不能把自己定义为机械工程师或土木工程师。尽管系统工程师不能精通从设计发动机到设计信息技术系统所有的事情,但他们必须对每个系统都有足够的认识,以便了解它们将如何互相作用。 系统工程师所要做的是进行规划,思考所有学科可以如何共同设计系统的各个部分,从而使系统成为一个连贯的系统,并能实现预期的功能。因此,系统工程师必须从整体的角度看待所开发的技术,必须考虑整体而不是一个又一个的部分,必须考虑系统从出现到消亡的整个生命周期。工程系统的复杂性意味着,各部分之间的相互作用创造了一个整体,而这个整体不能仅仅按照它的组合方式来拆分,因为不可能改变一个部分而不影响整体。系统不仅仅存在于技术领域,系统思维也不局限于工程领域。人类逐渐认识到人体是由相互作用的部分组成的复杂整体,而不仅仅是细胞的简单连接。由此,系统思维逐渐进入生物学领域。 工程实践不像科学研究,工程实验发生在现实世界中,现实世界中有各种影响相互作用,而环境是新奇多变的。因此,工程师不能总是确切地预测工程系统在即将面临的所有情况下会如何表现。这种不确定性意味着,工程系统总是包含了一些风险因素:或者系统可能无法正常运转,或者系统可能彻底失败,或者系统成本可能会上升,以及系统最终可能会造成巨大的资金浪费。 工程风险通常是在大量不确定性的情况下产生的,一些极大的危险是由极少发生的状况造成的,例如核电站爆炸或建筑物倒塌。虽然在了解产生不良后果的事件发生的可能性的基础上,可以计算这些事件发生的概率,但由于情况复杂,任何这样的计算都令人怀疑。幸运的是,这种低概率事件并不能作为风险统计的基础,因为这些事件发生的概率极低,因而无法确定它们发生的概率。工程师在应对潜在危险的不确定性时,要么通过认识引发事故的过程来减少不确定性,要么在对预期风险采取行动时把这种不确定性考虑在内。关键的一点是,工程师所设计的工程系统应该能够承受未来不确定性的状况。正因为如此,工程学并不仅仅是简单的建造和修补——工程系统不应该只为在特定状况下工作而设计,而应该把它们设计成在各种各样的状况中都能运行,并且坚固可靠。 并不是所有的工程系统都是完美的,失败肯定占据其中的一部分,只是工程师可能比其他人面临的更多。但失败也给工程师带来一线希望,因为他们可以为设计中尚未发生差距的薄弱环节提供经验教训,并为未来的设计提供指导。工程的关键在于评估和管理工程产品、流程和系统中固有风险的能力。工程师的关键则在于预见失败,并在面对失败时果断采取行动。 审视工程师思维,可以发现在投资领域有许多地方与之相似。格栅思维犹如九宫格,将不同学科的思维模式建立起来并融会贯通。查理·芒格先生认为这是投资成功的最佳决策模式。我们可以用不同学科的思维模式思考同一个投资问题,如果能得出相同的结论,这样的投资决策更正确。因此,当投资者懂的知识越多,理解越深,投资者就越具智慧。 格栅思维拓宽展了思考的边界。

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