【成长手册】程不时：工程设计中的解决问题
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小翼知道大家在工程设计中肯定会遇到很多问题，解决问题是有方法的哦，还是看看大师是怎么做的吧
通常说的“问题”，指人的主观与客观现实之间的差距。从大的方面有两种类型：从认识上说，当人对客观认识不足，而有进一步了解的意图时，便会产生“疑问”。疑问要求的是认识上的“解答”。从行动上说，当人对客观现实觉得不如人意，有意图加以改变时，便形成需要解决的“问题”。问题要求的是行动上的“解决”。这里主要谈第二类要求解决的问题。
问题和意图
问题的产生和解决，是和人的意图紧密相关的。
有人会奇怪为什么不说“问题”是一种纯客观存在的现象，而要与主观意图拉上关系。与人的认识完全隔离的纯客观存在，如荒岛上某一角落上不为人知的一团海草，深海底部的某一石块，无数光年以外一个尚未被发现的天体，人们可能产生某种“疑问”，但不会存在什么“问题”。一台废弃了的机床躺在废料堆里不工作，一般不会认为有问题。但是一台在生产线上的机床发生了故障，就产生了“排故”的问题需要解决。同样是机床不工作，一台不是问题，另一台却是问题，主经差别在人对它们的“期望”不一样。如果人们希望那台废弃的机床重新投入生产，那么也会出现一个“修复”的问题。
解决问题的全过程，是从“不满意”的心理状态开始的。对某种现状不满意，就产生了“问题”。经过一系列“解决”的操作之后，对现状作了改进，使原有的“不满意”消失，达到“满意”的心理状态，该问题就得以解决。
对同一个现象，有的人认为有问题，有的人认为没有问题，某原因除了对事物的了解深度不一样之外，也可能是有关的人存在的“意图”不一样。没有推进现实前进的愿望的人往往发现不了问题。他们觉得一切良好，不存在任何问题。
大型工程设计中，需要解决的问题有不同层次。进行一项新工程项目设计，本身就是用一个新产品去满足市场需要的问题。在设计过程中，还会出现许多满足各种性能、强度、寿命、成本等多种要求的设计问题，以及多种要求之间的矛盾的协调问题、权衡取舍问题、直至细节上的实现问题，最终使所设计的产品确能实现最初的意图。
目标的制定
为了改善现状，需要制定目标。同样的处境下不同的人处理不同，很大的原因是当事人心目中要达到的“目标”不同。因此解决问题应该清楚地定义目标，并以是否达到原定目标来检验解决问题的程度。
如果对一个问题本身定义不清，目标含糊，那么常见号称为解决某一问题而采取的措施实际却是为达到问题以外的目的，措施采取了，原有的问题却并没有解决。能够正确地制定目标并能够达到目标，是检验解决问题能力的最重要标准。其他如知识丰富、反应敏捷、灵活机动、沉着坚定、点子多、出手快等等品质，都只是有助于解决问题的因素，但并不是解决问题的最终检验。试想如果一个人具有以上的所有优良品质，却总不能正确制定目标，制定了目标又总达不到，就不能认为解决问题很有能力。
解决一个问题的目标可以是多重的。既然“问题”本身就是与主观“意图”密切相关的观念，因此在制定目标时理清思路，明确阐明意图并对多重目标按重要性排序，至所必要。需要确定哪些是“必保”的最起码要求，那些是附带的争取达到的、必要时可以舍弃的要求。然后按目标的排序来选择解决的措施。对于那些只能达到附带的次要性目标、而使主要目标落空的解决办法，显然不应是首选途径。
从系统工程的要求出发，在工程设计中制定的目标，通常都有“技术、期限、经费”三个方面，这就是常说的“三座标要求”。技术要求一般在工程专业领域已经说得很多，而其他两个座标要求却常被忽略。通常说的“钓鱼工程”，就是指以小额经费起步，但不断要求更大的投入，否则一无所获的工程；而“大尾巴工程”则指进度不断突破原定要求的工程。这样“解决”的问题，都不能认为很完美。
如果走另一极端，制定过高的目标，则同样会使问题难以解决。比如，当决策者只有“短期目光”时，会对解决问题的任何“治本方案”一概排斥，认为“不解决问题”。这是因为这些处理办法都超过了他心目中的“短期”框架。第二次世界大战中德国的喷气式飞机研制计划，由于被认为“不解近渴”，几次被德国政府强令停止；美国政府则对“航程”一项技术指标制定了过高的要求而对喷气式飞机的研制计划一再阻拦，就是工程技术发展史中著名的例子。
目标的制定，本身是需要与可能之间的平衡，是事关重大并且极见水平的决策。
解决问题的“非唯一性”特点
现实中的“解决问题”，并不像某些试卷一样有“标准答案”。这正是仅受过常规教育的人难以理解的部分。因此新兴的“设计学”强调对解决“非唯一途径、非唯一结果”问题的训练。
大量日常的事实显示了这种特点。比如幼童落进了水缸，可以去叫大人，也可以砸破水缸放水救人。在工程设计中日益提倡多方案对比选择，就是强调设计活动的“非唯一”性质。热衷于“现成药方”式思维的人，认为解决问题只有一种标准办法，任何设计都只会得到一种唯一的模式，其危害性是陷入狭隘的经验主义。
图 解决问题可以用多种途径
解决问题的非唯一性可以用上图来表示，当需要达到某一目的而遇有障碍时，可以“攻坚”穿过障碍，也可以从几个方向绕过障碍，同样可以达到目的。比如园珠笔初出现时，曾出现用久后由于笔尖的园珠磨损而漏油墨的问题。为此试验过很多种笔尖材料和结构，甚至使用了金钢石等耐磨材料来制园珠。但园珠耐磨了管壁仍然会磨损，漏油依旧。后来是从“笔尖寿命不能适应油墨的大容量”的解决方向转换为“减少油墨容量使之适应笔尖使用寿命”方向，使漏油问题的得以解决。
越过障碍的不同途径
解决问题既然是非唯一途径、非唯一结果的，在选择途径时就必须使用判断、比较、决策等重要的思维，一般应注意以下原则：
Δ 针对性原则。
在技术发展史上，不少本来为解决一个问题所发展的措施却在其它用途上发挥作用的“歪打正着”的例子。比如拉链本来是为了代替鞋带发明的，今天在鞋上使用却只是拉链一个很次要的用途。不锈钢原来是为制造枪管配制的成分，为制枪业所抛弃却在餐具业大放光彩。吸尘器原是为帮助哮喘病人呼吸研制的医疗器材。
尽管如此，在通常工程设计中，选择的途径应确能解决所存在的问题。
许多情况下选择的途径针对性不强，恰恰是因为目标排序不明确，受次要目标干扰而使主要目标落空。如为了省钱而采用了不合格的设备、为了保持某种供应关系而选购了不符合使用要求的配件等等。不论有多少次要的理由，不能达到主要目标的选择就是错误的选择。
有时解决问题的有效途径很难找到。爱迪生在发明白炽电灯的时候，为了寻找合适的灯丝材料（当时他认定应是炭），曾经试验过六千种植物烧制的炭丝，前六千次都是失败的。美国飞机设计师约翰逊在设计超音速三倍的“黑鸟”SR-71飞机时，为了设计出抗高温的机体结构，曾试验过不同的材料和结构型式。早期的结构试件从高温箱中取出后竟绉得像抹布一样。
在工程设计中为了解决设计过程中出现的特定问题，有时可以在现成的技术措施中选择合用者，但有时却需要特别为之开发研究。这是很正常的，工程设计并不是永远从现成的手段之间组装凑配。因此国外称之为“研究与发展”。
Δ 收敛性原则
为解决一个问题采取的措施，往往造成新的问题。比如发明了火车解决交通问题，但是为此带来必须修建铁路，建立机车工业、组建营运体制。
原来的问题，连同附带产生的相关问题构成的全局，应收敛在可接受的范围，在总体上应是有利的。如果为了解决一个局部问题采取的措施却对总体产生不可接受的后果，那么这种解决办法不可取。
从日常经验，“用高射炮打蚊子”、“杀鸡取卵”等方法之不可取，在于其负面效应比正面效应大得多，所得不能弥补所失，不符合“收敛性”原则。“挖东墙补西墙”之不可取，是因为问题虽未扩大但也没有缩小，仍然有一面墙是坏的。在工程设计中，有时会被复杂的专业性思维掩盖而犯常识性错误，这是因为过份强调演绎逻辑而忽视了系统工程思维所致。
“收敛性”的另一层含义，是措施的效果应收敛在预定的“三座标”框架之内，即不仅应考虑技术因素，还应考虑到解决问题的成本和周期。前苏联曾有一个飞机设计局，一般都承认其技术水平相当高，但每次研制飞机型号都晚一拍不能达到需要的进度要求，用它“解决问题”的实绩来考核时，这个设计局曾一度被解散。
找出问题关键的“诊断”
“诊断”是从医学借用的名词，特别适用于寻找“故障”的原因，广义地说，也适用于找出各种问题的症结。
诊断方法之需要讨论，在于一个原因所造成的后果有多重性，在已知一个原因之后，人们根据对这种现象的了解往往可以知道它有哪些后果，但仅知道一种后果，由于不同的原因都可能有同样的后果，有时很难直接找到它的原因。比如人的体温升高、汽车抛锚、电视机不出影，都可能是许多不同原因造成的。
诊断一般需要丰富的经验，但从方法上去概括，大抵有以下几种：
Δ“排除法”。
对可能造成同一后果的原因，逐个排除，从中找到真正的原因。内科医生常用一系列的检验来排除一些可能的病因、修理电器时人们也常测试可能出问题的线路来证明某些部分不是故障原因。然后集中精力在不能排除的因素上进一步查找。
Δ“求证法”。
根据判断确定了可能的原因之后，按照对这种现象的认识，对它应同时产生的其他后果进行测试，以证实所判断的原因确是真实的原因。
Δ“试探法”。
当用常规诊断方法找不出故障所在，或者对现象的理性认识无法指导当前的诊断，而问题却又必须解决时，“死马当成活马医”，非逻辑地改变各种原因，观察其后果是否得到改善，也不失为一种方法。有时电视机不亮，拍一下也就好了。用计算机摸拟这种解决问题思路的算法就是“蒙特卡罗法”，用“伪随机数”杂乱无章地去凑，因此又被称为“试凑法”，有时不失为工程设计中有效方法之一。
Δ“多轮逼近法”。
这种方法比较适用于对“纠正”手段剂量的调整。先凭经验或猜测找到第一个试探点，作过试探之后，再在邻近点作第二次试探，观察其后果是否有所改进。找到对结果有改善的调整方向，以后朝有利的方向改变剂量，使结果得到逐步改进。有计算机上模拟这种叫路的算法是“最大梯度法”、“鲍维尔法”、“单纯形法”、 “平行相切法”等，大都用于对设计型式已定的情况下对设计参数的优化。
解决问题的阶段和步骤
解决问题，一般可以分成三个阶段，即：预备阶段、突破阶段、实施阶段。每个阶段又包括若干步骤。
１、预备阶段
预备阶段包含四个步骤。
首先是发现问题。解决问题的启动状态是一种警觉，一种对现状的不满意，形成现状与理想状态的一种有待填补的空缺。这种欠缺感是一种心理情绪，也是解决问题的前提。
其次是调查。收集有关当前问题的资料，目的在于熟悉问题的各个方面，搜集资料需要一定的方法和技巧，应该通过训练来提高这方面的能力。
再次是组织整理。将调查来的资料加以系统的整理、编排，以备作进一步研究。
最后是研究。运用思维能力对掌握的资料进行加工，如分类、组合、加减、演绎、归纳、分析、综合等等，目的在于理解问题内在的规律性，寻找解决问题的关键所在。排除故障的“诊断”思维，对解决问题有典型启发。我国首次研制万吨水压机时曾比较过 40 种类似水压机的资料，日本的田熊常合调查了日本“所有的进口锅炉”，由此研制出一种“田熊锅炉”，把外国锅炉全部排挤出日本市场。
常规性质的问题，通过预备阶段的有意识探索，就已经可以找到解决的契机。这时就可以直接进入“实施”的第三阶段。因此有人认为，在解决问题过程中的第二个“突破”阶段是不存在的。
但是，并非所有问题都是只要找到了关键就自然得到解决，特别是找到的“关键”并没有现成的解决“措施”的时候。比如，美国在 50 年代设计第一种超音速飞机 F-104的时候，已经知道关键是要降低翼面的“波阻”，但是什么样的机翼的波阻比较低，当时的知识却并不知道，同时当时美国还没有超音速风洞可供试验。这就出现了双重空白。对这类问题，就需要进入下一阶段，即“突破”阶段。
２、突破阶段
突破阶段，相当于“研究与发展”（R&D）中的“研究”，一般有三个步骤：
首先是探索，即用各种方法寻找解决问题的线索。上述美国 F-104 的设计就是用火箭在沙漠里发射了 50 种不同的机翼来比较它们的波阻.我国在 70 年代首次设计大型喷气式旅客机“运10”的时候，为了寻求一种在高亚音速下波阻较小的机翼，也曾用四种不同的翼型，七副不同的机翼配置在八个风洞中作过对比试验。
第二个步骤是突破。问题的突破，有时是经过顽强的探索后找到答案（典型如爱迪生的六千次炭丝试验），有时则是由于灵感的闪现，使解决问题的契机得以突破。科学技术中至少有一部分是由于当事人本人不能确切说明来自何处的思路使问题得以解决的，如门捷列夫关于“化学无素周期表”的排定、库克勒找到苯分子结构的环形表述、前苏联飞机设计师雅克夫列夫对一个长期解决不了的直升机桨叶震动问题用“每片桨叶锯去半米”解决等等。灵感不是外来的，而是当事人头脑中原有素材的无意识组合。当事人一般不能详尽地感受到灵感产生的逻辑，但是灵感出现后会迅速敏感到这种想法对解决问题的价值。
不少创造性突破来自“灵感”，所以在开拓创新工作中对这种思维现象不需要忌讳。
第三个步骤是用完成的“突破”形成解决问题的清晰思路。
３、实施阶段
这个阶段从前两个阶段找到的契机开始，直到问题得到解决为止，大致包括四个步骤。
首先是发展，即形成解决问题的完整“方案”。一个“方案”并不是突破的刀尖部分，而应是解决问题的全局性构想。这里需要将前阶段设想或概念发展成骨架或胚胎，再用适当的资料加以补充扩大，使其趋于完善。
有的问题中这个步骤的工作量很大，并且需要很多专业性技巧。比如飞机型号的方案设计，是根据最初构想发展出完整的飞机全局的技术勾画。由于这个阶段工作量在量大，“技术含量”高，往往被人认为是飞机设计的主要阶段。但总的说来，思维飞跃已经在上一阶段完成，本阶段基本可用有意识的专业操作性技巧来完成。一项工程的成败，在很大程度往往由前阶段的“最初构想”中决定。在实施阶段如果出现问题，也是纯业务性问题，比较容易纠正。世界银多著名飞机机型在实施阶段都出现过这样那样的问题，但由于最初构想正确，这些机型仍然表现出很强的的生命力。
第二步骤是验证。将所形成的解决方案放到问题中，看它是否确能解决问题。在工程设计中，这可能是很多复杂的计算、模拟和试验。如新型飞机的试飞等。
第三步骤是实施。如果经过分析验证，解决问题的办法确有实效，就需要将它付诸实施。在实施过程中可能还会根据情况作必要的调整修改。
最后是满意。当问题果然得到解决，那么最初引起问题产生的“不满意”得以消解。这最后也是一种心理状态，恰与问题发生进的心理状态对应。
上述的解决问题的过程，可以形象地用一个阶梯来表示。这个阶梯是左右对应的。左边为第一阶段，右边为第三阶段，同样都有四级，相互一一对应。中间最高处的平台上有一处栅栏门的走道。有些实际中产生的问题，这个栅栏门是敞开的，不需要经过突破就可以直达第三阶段。这往往指一些比较常规的问题。但对人的认识需要作较大的飞跃才能解决的问题，这扇栅栏门就关闭了。这进就需要登上平台上第二阶段来寻求突破。
从这张图也可以看到，尽管解决某些问题需要思维的飞跃，但是扎实的专业知识和能力仍然在解决问题中起重要的作用。有的人思维很活跃，“点子很多”，但解决实际问题的实效却不明显，可能是忽略了解决问题的全过程中仍起很大作用的踏实工作部分的能力，比如调查研究的细致工作能力，分析和综合性的逻辑思考能力。衡量各种因素、评价不同方案的的统观全局能力，以及有关承担风险和胆略等方面的素质特点所致。
解决问题的过程，虽然可以分阶段来加强理解，但最终是以解决问题来结束的。缺少这种意识，就可能陷在一些中间环节中绕来绕去，变成“运动就是一切，目标是没有的”，那么对真正解决问题仍是于事无补。有如一支缺乏“进球意识”的球队，把一场球赛只当成一场传带球的技术表演，只是不进球，那么对真正解决问题仍是毫无作用。
系统工程的目标在于实际改造世界，要对外部世界产生“输出”，造成实际影响，而不是只着重某些局部的内部运转。如果全局落空，局部便失去了意义。这一点对系统工程特别重要。