1700548964
设计，人类的本性 [:1700547377]
1700548965
1700548966
设计，人类的本性
1700548967
1700548968
1700548969
1700548970
1700548971
设计，人类的本性 25 年前，计算尺是工程学无可非议的象征。那时大部分都是男生的工程系学生都将“滑棍”装在一个像鞘一样的东西里挂在腰带上，而年长一些的工程师则带着像领带夹一样的工作模具，必要时可以用来计算。当我自己成为一名工程系的学生时，对于我来说，一个最重要的决定就是买那种计算尺。这不仅是因为在1959年，20美金是一笔很大的投资，还因为我被告知我将要选择的这个工具是我将要在未来的职业生涯中使用的；有人建议我和其他所有大一新生在开始时就要选对一把刻度完整的好计算尺。经过多番对比，我选择了一个流行的Keuffel & Esser型号，它被称为双黛西日志（Log Log Duplex Decitrig）。在很长的一段时间里，这是我最引以为傲的财产了。我的很多同学也选购了游标计算尺，在20世纪50年代，这个公司每个月的计算尺销量都达到2万支。
1700548972
1700548973
计算尺是做作业和考试必不可少的工具，所有的老师都认为每一个工程专业的学生都应该拥有一个计算尺，并且掌握使用方法。如果我们在高中没有学过，我们要快速地研究折在包装盒中的手册。我们的工程导师有兴趣教的不是我们不同型号的尺子能够做到的事情，而是它们的普遍局限性。他们教我们有效数字，因为那时大多数的工程学工具都有相似的标度盘和刻度，因此人们不得不在最细微的刻度之间估算数字，就像我们估算码尺上1英寸的十六分之几或是米尺上的毫米的十分之几一样。计算尺上的刻度也有同样的局限，老师希望我们知道，除非我们在刻度尺的最左边——那里有对刻度的进一步划分——度，否则我们通过计算尺得出的数据只能精确到小数点后3位。
1700548974
1700548975
我们经常通过反复试验将这些知识和经验输入我们的脑中。如果一道试题需要运用乘法得出答案，例如：0.346×0.168 92，如果我们的答案是0.058 446 32，那么在有效数字的意义上它是错误的，因为计算得出结果不可能比最不精确的已知输入数字更精确。（当年长的工程师写下0.346，这就暗示了小数点后面只有三位数，不然就会写成0.3460或0.34600或写到小数点后面的任何位置）。既然没有人能在计算尺上读出与0.05844632具有相同数位的数字，那么他能得到最精确的数字应该是0.058 5（一看这些多出来的数字就知道这个学生忘了计算尺的局限，在纸上作了很多演算，然而更糟糕的是，他忘记了有效数字的含义）。我们还学会了如何去估计答案数量值，因为计算尺无法提供0.346×0.168 92的答案所需要的小数点位数，因此我们必须培养出对答案的估算能力，也就是说答案是0.06而不是0.6或0.006。这些对我们判断力的要求使我们认识到工程学至关重要的两点：第一，答案都是近似值，精确到输入值的小数点位数即可；第二，数值来源于人主观对问题的判断，而并不是自动地从机器或计算设备上获得的。
1700548976
1700548977
20世纪60年代，当我带着我的计算尺在工程学院里前行时，电子技术正在发展，它将会改变工程学的教学和实践。但是那时电子技术并不被广泛所知，在1967年Keuffel & Esser公司进行了一项有关未来的研究，研究结果表明在2067年，将会出现圆顶城和三维电视，但这个研究同时预测到计算尺将在5年内消失。
1700548978
1700548979
在1968年，一篇名为“电子数字式计算尺”的文章出现在《电子工程》杂志上。它大胆地预测到：“一旦这种手掌大小的计算器被大量生产，传统的计算尺就会成为一件博物馆的展品。”文章的作者是两名德国电子工程师，他们在文章中描述了他们用一些现有的数字集成电路建造的计算器样板。他们的这个“可行性模板”看起来像一个电子控制板，1.5×5×7英寸，它类似于一本小说的大小。令人惊讶的是它能对任何4位的被乘数计算得出4位的答案，而且它还能计算除法，计算平方根、指数和对数。然而，它有一个缺点，工程师对此也做出让步，“由于它没有小数点，你必须用一个常规计算尺去计算出小数”。至于它的价格，当然要取决于零部件的价格，但是在1968年仍然存在一个很大的障碍：“只有数字读出仍然有一个问题，因为目前没有可用的低成本微型器件。但毫无疑问地，最后的这个问题一定会被克服”。
1700548980
1700548981
当然，他们是对的，在几年的时间内，德州仪器公司用一个电子芯片制成了第一个真正轻巧的手持式袖珍计算器。德州仪器在1972年开始大规模制造袖珍计算器，但在1973年的时候，计算器的价格仍然很昂贵，大概是顶级计算尺价格的10倍左右。然而第2年，价格就实现了突破，水手公司（Commodore）这样为它的产品SR-1400做的宣传，一个“37个按键的真正的高等数学科学计算器”能够做我的“双黛西日志”能做的所有事情，甚至更多。就算输入10位有效数字，这个计算器也能解决。
1700548982
1700548983
在这一伟大的计算器革命发生之时，我正在奥斯汀的得克萨斯大学任教，当时学校中一些工程系的学生家长没有等到计算器的价格到达可与计算尺竞争的地步就买了计算器。于是我们教师就面临了这样的一个问题，比起只能计算对数的普通计算尺，现代电子设备能做加减运算，并且计算速度更快，那么在小测验和考试中，那些拥有电子计算尺的学生是否比使用传统计算尺的学生占有了不公平的优势？当时的教师大都对于价格超过他们能力范围的计算器的功能不了解，而且在当时计算器的优缺点都很多，对于电子计算尺是否与木制计算尺等效也有着无休止的争论。然而，这个问题很快就没有意义了，随着价格下降，能买得起传统计算尺的人都有能力购买电子计算尺了。在1976年，Keuffel & Esser销售由得州仪器生产的计算器的速度要快于销售传统的计算尺的制度，而传统计算尺的销量只占Keuffel & Esser销售额的5%，最终公司将曾经用来在木制计算尺上刻刻度的机器卖给了Smithsonian Institution公司。
1700548984
1700548985
20世纪70年代中期，计算器制造商每年生产5 000万部计算器，很快，每个人，包括以前在学生时代使用计算尺的工程师，都拥有了一个计算器。但据我所知，并没有哪个年长的工程师丢弃原来的计算尺或者把他的计算尺交给了哪个博物馆。最多就是把计算尺放到抽屉里以备电池没电或其他紧急状况时的不时之需。前景集团在20世纪80年代早期的一项调查研究中发现，大多数在高级管理部门任职的工程师经常将计算尺带在身边，并仍然使用它们，“因为计算尺更方便”。但是不断成长的年轻一代却不这样认为。在1981年，我问工程系大二某班的学生，班里有多少人在使用计算尺，结果不出我意料——没有人（有些人确实有计算尺，也许是因为当工程师的家长在他们刚入学时买给他们用的。1981年Keuffel & Esser公司以每个月200件的销售量清理了2 300件库存）。我并没有问班里有多少人在使用计算器，因为那就如同在问有多少人使用电话一样。而且我也没有问有多少人使用计算机，因为这是当时工程专业课程的一个要求。趋势很明显，那就是最终将不会有工程师拥有或使用传统计算尺，而所有的工程师将会使用或滥用计算机。
1700548986
1700548987
工程系的教师，就像其他所有人一样，对于20世纪70年代的电子技术很困惑，相对于价格，他们更关心实质性的问题，便利性和计算速度并不是重点。大多数的教师没有询问计算器是如何计算的；他们也没有问学生是否还会一如既往地重视工程学答案“约数”的性质，也没有问如果学生们总是用计算器计算，那么是否他们将会失去对小数点的感觉。现在，在计算器取代计算尺的10年后，我们开始问这些问题了，但是我们问的这些问题不是因为计算器，而是个人计算机。提问这些问题的原因是刚踏出校门的新一代工程师已经被计算器和计算机完全同化了，其不良影响也开始显露出来。一些结构上的失败就是由于计算机的使用及滥用造成的，这些不仅仅是刚毕业的学生造成的，真正值得关注的是，这股使用增长的势头还会导致其他的事故。
1700548988
1700548989
计算机使工程师能够更快地完成更多的计算，这些都超过了计算尺或计算器的想象，因此计算机可以通过编程解决结构分析中那些在没有计算机的日子里从未尝试解决过的问题。
1700548990
1700548991
例如如果一个人想要设计一件有很多部件的复杂结构体，他可能首先对各种各样部件的尺寸进行有根据的推测，然后计算出它们的应力。如果哪里应力过高，那么应力过高的地方就要被加固；如果一些被检测的部位应力太低，那么结构体中应力过低的部分就要被做得小一些，减轻重量，节省资金。然而，对结构体任何部件的每次修订都会影响到其他部件的应力。如果是这样的话，整个应力分析就要被重新再做一次。显然，在只能用木质或电子计算尺进行手工计算的日子里，这个过程将要受到所要花费的时间的限制，因此通常从一开始就会对结构体进行超安全标准设计，也会以那种方式被建造。此外，设计师通常会回避过于复杂的结构体，因为部件的原始大小甚至都很难被猜测，也就无法合理地执行用于确保结构体安全的计算了。因此工程师们坚持按照他们熟知的设计过程进行结构设计。
1700548992
1700548993
现在计算机不仅可以在合理的时间内自动执行数以百万次的简单、重复的计算，还可以被用来分析那些在计算尺时代被工程师认为是太过复杂的结构体。计算机可以通过特殊的程序包——它们的开发者声称它们相当方便——对这些结构体进行分析，计算机还可以根据指示计算结构体中各种不同部件的尺寸，这样就可以算出每个部件具有最高强度时它的最小重量。这就是所谓的“优化”。
1700548994
1700548995
但如果在将设计师的结构方案转化成的数字模型——计算机将对通过自动、机械的计算对这个模型进行分析——的过程中出现了过度简单化或完全错误的情况，这样得到的分析结果可能与现实不符。因为如果工程师本人对自己设计的结构没有大致的感觉，那么他可能没有注意到计算机为这个设计提供的数字有任何可疑的地方。
1700548996
1700548997
电子计算机对设计办公室中的工程师或助理工程师有帮助。计算机辅助设计（以其奇怪的贬义缩写CAD著称）被许多计算机制造商和计算机科学工程师竭力地许为未来的工具。但迄今为止，计算机已经成为了许多不安全设计的动因，但同时它也作为“超级大脑”来解决人类工程师很难用纸和笔计算出的过于复杂的问题。人们对计算机处理复杂问题的能力的错误认识使得一些工程师越来越依靠电脑来解决他们习惯于避开的问题，因为他们更多的是注意到了自己的局限，却很少意识到计算机也存在它自己的不足。
1700548998
1700548999
使用计算机时被普遍忽略的事实，也是设计的首要目标，仍然是避免事故，因此，明确鉴定出一个结构体会如何出现事故至关重要。尽管有人尝试在计算机中装入人工智能程序，使其成为一个“专家系统”，还有的人梦想着最高配置的计算机辅助设计系统能够让计算机从记录各种事件的文件中（存储在计算机上的）吸取经验，但事实上只凭计算机自己无法做到这一点。直到这种牵强的想法成为现实前，使用计算机进行设计的工程师仍然得考虑这些关键的问题：地震袭击核电站时，这个没有被正确焊接的管子会不会爆裂？这种方式装置的汽车，以每小时10英里的速度撞击墙壁时，车身会不会起皱？在下大雪时，支撑屋顶的成千上万个金属杆中，会不会有一个折掉导致屋顶坍塌到人员密集的地方？
1700549000
1700549001
人们可以对计算机提出诸如此类的问题。这些问题是否会被提出，与“彗星”号被排除的疲劳问题和凯悦酒店人行道设计改动后未对其效果进行检测一样，都取决于人类的判断。如果人们想到了这些关键问题，并且能够将它们表达出来，那么计算机模型能够对这些问题作出解答，但这个答案是否详尽仍需要人为的判断。作为档案管理者，计算机工作起来非常快，但在对工程问题进行分析时它就不能如此快速地工作了。设计中最重要的一个问题就是在使结构部件持续变形的负载量下金属的反应。把一条硬钢放入一台测试机，拉这条钢直到它伸直，并像一块太妃糖一样断掉只需要几秒中，而在大型计算机上模拟这样一个基本测试则需要几个小时。
1700549002
1700549003
一个典型的核电站中会有数英里长的管道，确定一段10英尺长的管道在受到来自泄漏的水和蒸汽的力的作用时所产生的裂缝的宽度和长度需要几台最大型最快速的计算机不间断地运算一整天。这个计算的结果很重要，因为它不仅可以用来确定管道上可能出现一个多大的裂口，同时还可以决定在假定的条件上（由人类工程师提出的）管道是否会完全破裂。因为要检查每一条能想到的管道上的每一处可能出现的裂缝位置、大小和类型或许需要数年不间断的计算和数百万美元，因此人类工程师必须像以前一样对最可能发生情况和管道最可能出现故障的方式作出判断。电脑不会思考，它只根据数字运作，而且一次只能解决一个问题。它看到的管道必须有确定的直径，确定的裂缝，确定的强度和确定的负载量。此外，破裂管道的计算机模型必须对假定事故中裂痕的产生过程的有一个精确构想。所有这些详细的说明都是由人制定的，因此，计算机的计算结果对系统安全性而言是决定性的，人们对此提出的假设也同样至关重要。
1700549004
1700549005
计算机是福又是祸，因为它使超出人体持续承受工作能力之外的计算成为可能，而同时这也使得人们实际上没有办法对其进行认真核对。对三里岛事故进展情况的同期解释如同天气预报一样多变，甚至在事故正在进行中的时候，人们仍然在仔细检查核电站的计算机模型，从而试图找到事故原因。
1700549006
1700549007
不幸的是，若没有计算机和复杂程序的帮忙，核电站和其他复杂结构就无法被设计出来。当人们在长久以来被用来确定以全功率运转的核电站的安全性的一个程序中意外地发现一个错误时，人们困惑了。对核电厂中许多管道系统的分析表明事故往往都源于一个小捣蛋鬼一样的小细节，据报道，用于计算管道应力的一个计算机程序使用了错误的圆周率（圆的周长和直径的比率），任何一个学过几何的高中生，比如我的女儿，都能骄傲地比这台计算机背出更多的小数位。另一起管道程序事件发生在几年前，在给计算机的一条指令中发现了错误的符号。原本应该增加的应力被计算机算少了，这使得报告上来的数值比实际在地震中的低。由于一些核电厂在抗震性方面采用这个计算数据，因此人们不得不用改正后的计算机程序对这些工厂进行重新检查。这将花费几个月的时间，如果一些工厂不能在合理的时间内证明它们的安全性，那么它们将会面临被核管制委员会强制关闭的威胁。
1700549008
1700549009
即使一个计算机程序没有错误，它也可能会出现被误用的情况。1978年1月，由于冰雪积压，哈特福德文娱中心屋顶2.5英亩的屋顶被压塌了，而仅仅几小时前，几千名球迷刚刚在这里看完一场篮球赛。这个屋顶是空间架构设计，这就意味着它是由一个三维组合——金属杆件互相连接成三角形和正方形的正规图样——支撑的。 大多数金属杆件长30英尺，8根金属杆件首尾相接。长度计算要确保没有哪根金属杆件会承担过多的负荷，这使得早期的工程师不敢尝试这样的结构，或如果他们必须要做这个设计，他们会把它巩固到过于安全的地步或者增加它的重量使建筑成本不至于太高。实际上，计算机几乎可用于计算所有的可能性，只要其不被用来计算金属杆件的永久拉伸或弯曲性，其他的都远不及计算一条破裂管道这样费时间，工程师能够从这些计算出的数字的稳妥性中获得盲目的信心。但实际上这些数字代表的是对计算机中的空间框架模型问题的解决方法，而不是对在冰雪覆盖下实物的解决方法。特别要说的是，计算机模型可能低估了屋顶承受的重量或者简化了金属杆件的连接方法。连接的方法是设计中的一个细节，将它纳入计算机模型比将把金属杆件的长度和强度纳入模型要难得多，而且，这个细节可以临界力传到物理杆上，并导致杆弯曲变形。
1700549010
1700549011
在对哈特福德文娱中心倒塌后对其结构的再分析中，调查人员发现，事故的主要原因是对组成顶部空间桁架的30英尺长的横杆的支撑力不足。这些横杆发生了弯曲，其中一个弯曲最严重的（都快对折交叠了）是由于承受了格外多的冰雪。当一个横杆发生了弯曲，它就无法再起到它被指定的作用了，而它所承担的屋顶的负载就相应地转移到其他邻近的横杆上。从而引起连锁反应，整个框架很快便坍塌了。计算机为事故怎样发生的这个问题提供了答案，因为问题提得很明确，并且给计算机提供了一个能够回答问题的模型。显然，最初的设计师对于自己过于简单化的计算机模型非常有信心（他们对自己的模型提出了适当的问题），所以当工人对出现在新屋顶的大凹陷产生质疑时，他们被确切地告知这没问题。
1700549012
1700549013
由于计算机可以快速地完成多次计算，所以现在使用它来设计结构体成为一种趋势，包括通过计算每一个部件的最小重量和强度，从而产生最经济的结构体。而当手工计算是标准的时，设计师通常都满足于一个公认是超安全标准设计的，因此有一点过度的，而且或许是双保险的结构体，期待计算机程度的优化是不实际的。