设计和仿真有什么区别？

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做设计师，不做仿真员！

如上图，仿真设计、设计与仿真，设计师们经常困惑，设计和仿真有什么区别？如下，也让人看不懂。

设计与仿真（百度百科）

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设计是把一种设想通过合理的规划、周密的计划、通过各种感觉形式传达出来的过程。

仿真即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。

设计有无穷的自由度

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笔者曾经的专业是自己编程序模拟流体流动过程，正好教研室有做轨道的。一度非常不理解和不平衡，为什么那些做轨道的又简单、又容易、又好写文章、还好毕业。学术水平难道不应该是和问题的自由度成正比吗？描述轨道不过6个自由度，如果是火箭轨道计算，考虑各种因素也不超过30个，而固体力学可以上亿个自由度，流体力学几十亿都有可能，比较起来，难度简直不可同日而语。

后来陆续想通了四件事，一是一个人的选择，需要自己去承受，去解决，或者去改变，都是人生的修炼，抱怨无济于事；二是今天你选择简单，明天会有复杂等着你，今天你选择复杂，明天很多事情都会变得简单，没有太多好坏之分，只有付出多少之分，人的一辈子其实是守恒的；三是硕博几年，大家说的是将知识的边界从圆上突出一小点，但对于后续不再继续从事专业的人来说，这个边界的意义不见得有多大。更大的意义也许是几年时间矢志干一件事情，其间时而山重水复，又或柳暗花明，总之百折千回，最后达到毕业的彼岸。几年时间坚持咬下一件事情，经历一次，人生才能得以圆满，以后碰到类似的问题再也不会怕。

想通的第四件事情是技术上的，轨道真的只有几个自由度吗？这句话其实不准确，确切地说，轨道仿真只有几个自由度，而轨道设计，实际上有无穷多的自由度。

Robert Farquhar（《史上最牛的轨道专家Robert Farquhar：借颗卫星玩玩》）这位老爷子的故事大家耳熟能详吧？他算出来的轨道谁都能够验证，但只有他能算出来。因为如上轨道，什么时候在哪儿、朝哪个方向变轨，是个开放的问题，有着无穷的自由度。而从无穷个自由度中找出需要的解，靠的是什么？是设计！是经验，是水平，是能力！

设计是对本质规律的掌握

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怎么从无穷多的自由度中找到需要的解？需要的是对本质规律的掌握。两点之间直线最短，这个大家都知道，甚至小狗都知道抢骨头要跑直线。但不是所有的问题都这么简单。

伽利略在1630年问：质点在重力作用下从A滑到B，什么曲线所需时间最短。雅可比伯努利在1696年重新表述后，直至1697年牛顿、莱布尼兹、约翰伯努利、雅可比伯努利等才得到了正确答案：摆线。

当然，早期的数学史充满了故事，一个故事这么说

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一年后，雅各布的努力还是没有结果，可他却懊恼地看到他的弟弟约翰·伯努利发表了这个问题的正确答案。而自命不凡的约翰，却几乎不可能算是一个谦和的胜利者，因为他后来回忆说：

我哥哥的努力没有成功；而我却幸运得很，因为我发现了全面解开这道难题的技巧（我这样说并非自夸，我为什么要隐瞒真相呢？）……没错，为研究这道题，我整整一晚没有休息……不过第二天早晨，我就满怀欣喜地去见哥哥，他还在苦思这道难题，但毫无进展。他像伽利略一样，始终以为悬链线是一条抛物线。停下！停下！我对他说，不要再折磨自己去证明悬链线是抛物线了，因为这是完全错误的。

今天，《古今数学思想》上说：雅可比的方法麻烦得多而且更为几何化，但他的方法也更一般化，而且是在变分方法的方向上迈出了一个较大的步伐。

在无穷多的路径中，到底哪条是最速下降线呢？如果没有本质规律的掌握，我们只会陷入直线、圆等无穷条曲线、无穷个自由度的讨论中。但如果掌握了本质规律（变分法，后续会有专题），事实上，它仅仅是过A和B的一条摆线。火箭上也是，给定AB点，火箭真空段飞行最优程序角是什么？使用变分法后，会发现是一条接近直线的正切曲线。

掌握本质规律，对复杂问题做出抽象和简化，是一种设计。顶级的设计师提规律，二流的设计师用规律分析问题，三流的设计师只有不管任何条件、任何变化，无差别地抄袭或套用别人推好的公式、别人编好的程序、别人分析好的结果，这个时候，他的职责不过是一个仿真员，都不能称为设计师。

设计要掌握定性和半定量方法

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很多时候，我们面对一个新问题束手无策，采用大量仿真手段来总结出一般规律，给出某种启示是一种可行的方法。可以说，没有第谷的观测数据，就没有开普勒的三大定律；没有开普勒的三大定律，不一定有牛顿的万有引力定律。

问题在于，设计是无穷个仿真中的一组优化解，很多时候，我们跑仿真只是给予问题一个直观的观感，是解决问题的开胃菜，但距离正餐很远。因为仿真再多也不能遍历解区间，而且仿真中细枝末节问题太多，若对问题大方向没有了解，可能会一叶障目，只见树木不见森林。

就像这个问题：交叉输送好不好？如果单纯靠仿真，工况那么多，怎么能给出断言？在《运载火箭停机能力(动力冗余)与交叉输送技术》文中，通过定性分析给出大概的解空间，从而对问题有更为清晰的认识，总比一直在仿真要直观得多。

一位成熟的科学家在进行探索性的科学研究时，常常会从定性或半定量的方法入手。如对称性的考虑、守恒量的利用、量纲分析、量级估计、简化模型等，通过定性思考或半定量试验，力求先对问题的性质有一个总体的估计和理解。

美国爆炸原子弹后，对总能量严格保密。1947年美国军方公布了一些照片，英国物理学家泰勒从照片中计算出了原子弹能量（文章链接为： http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/royprsa/201/1065/175.full.pdf）。

怎么做到的呢？将蘑菇云近似为球，则在时间t球的半径R与以下因素有关：能量E、密度ρ、压强P（还有无量纲的比热比γ），R=f(t, E, ρ, P, γ)。写下如下单位：

R: m

t: s

E: J=kg*m^2*s^(-2)

ρ: kg*m^(-3)

P: kg*m^(-1)*s^(-2)

写为量纲矩阵：

要求Ay=0，从而求得两个解系(1, -2/5, -1/5, 1/5, 0)和(0, 6/5, -2/5, -3/5, 1)。第二个与R无关直接排除。因此从无量纲关系中可得到

Taylor从图中量出的直径和时间正好印证了R与t的2/5次方的规律见下图。

可计算释放能量数量级（当然，Talylor花了不少时间在研究正比中的系数取多少）

约合2万吨TNT，与实际值2.1万吨十分接近。

在面对一个陌生问题时，也许仿真根本无从下手，掌握定性或半定量设计手段，方有可能对问题解决有所突破。

设计的价值

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福特公司一台电机出了毛病，怎么也找不到问题出在哪儿。后来请著名的物理学家、电机专家斯坦门茨帮助，斯坦门茨仔细检查了电机，然后用粉笔在电机外壳画了一条线，对工作人员说：“打开电机，在记号处把里面的线圈减少16圈。”故障竟然排除了！福特公司经理问斯坦门茨要多少酬金，斯坦门茨说：“不多，只需要1万美元。”1条线，1万美元，一个普通职员100多年的收入总和！斯坦门茨看大家迷惑不解，转身开了个清单：画一条线，1美元；知道在哪儿画线，9999美元。

在这里，9999美元就是设计的价值。

设计生命期很短，迭代进化是内在需求

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设计看起来有价值也不容易做，但与仿真相比，它有一个最大的缺点，它的生命期很短。一个概念、一种方法、一个创意，一经做出就已经过时，且很容易被抄袭，甚至变成别人的设计。相比之下，仿真则相对安全的多，一套程序（源代码）可以使用很多年，其他人如复现程序需要花很长的时间，而程序的最初编制和使用者在这段时间内基本可建立领域优势。

因此，对于设计而言，迭代进化是内在需求，没有迭代进步的设计，是休眠和死亡的设计，也就失去了设计的价值。

做设计师，不做仿真员

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作为从事设计工作的设计师，需要具备什么素质呢？可以进行如下分级：

• 0级：仿真员。使用前人留下的程序，简单更改初始和边界条件，进行仿真；

• 1级：优化师。在0级基础上，具备修改程序，并开展多次计算，进行数据分析和寻找规律的能力；

• 2级：集成者。在1级基础上，对其它行业、专业的新思维、新方法有较大的兴趣和较高的品位，具备将这些方法移植或应用到本行业、本专业的能力；

• 3级：设计师。在2级基础上，针对迷茫问题，具备寻找事物本质，并能通过定性或半定量手段，获取原初规律的能力。这种能力在工作中得以不断磨练和提高，最终成为一个能独当一面的设计师。

以航天这个行业来说，其基础比较好，大部分工作已经有了完备的基础，在前人编好的程序，设定的模板上开展工作，甚至有体力活的味道，虽然也可以推陈出新，但大多数对人要求并非那么高。设计师的能力、作用体现在哪儿呢？有一部分工作，要求在短时间内综合分析，抓住主要矛盾，马上给出结果。譬如在发射场，碰到一个问题，能否第一时间定位、处理；在会议上，对专家提出的新问题，能否马上给出解释，速算出初步结果，最后还能给出历史上的经验教训，增强说服力，使所有人接受；在与其它系统协调时，对其它系统提出的方案和数据，做出快速和正确的判断，在推进工作同时展现出专业性，方便后续工作更好地开展；进入一个新的领域，怎么认识这个领域，怎么抽象出重要问题，并有针对性地开展研究攻关。这些场合，就凸显了一个人的知识底蕴和专业能力。这不是所有人都能做到的。

而这，又是所有人内心都希望能做到的，因为在内心里，我们都想做设计师，不做仿真员！

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