Ненаучность инженерии. Эвристики

Знания самой инженерии (как что-то сделать) и знания об инженерных объектах (установках, сооружениях, транспортных средствах, компьютерах и т.д.) могут быть как научными, так и ненаучными. Инженерия рождается и живёт методом проб и ошибок, её знания, передающиеся из проекта в проект про неё саму (как что-то сделать) и про её инженерные объекты вовсе необязательно “научны”. Так что определения инженерии как “принесение научных знаний в практику” просто неверно, хотя наука и используется там, где она есть.

В книге Discussion of the Method исследователь инженерии Billy Koen приводил пример: если бы в средние века к инженеру пришли с просьбой построить мост, а он бы отказался на основании того, что сопромат изобретут только через 200 лет — что можно сказать о таком инженере? Или если бы современный инженер при просьбе построить ракету, летящую на Луну или Марс, отказался бы от проекта на основании того, что достаточно подробной “теории Луны” или “теории Марса” ещё не создано? Или при необходимости создать робота инженер вдруг говорит, что “теории о том, что делать, чтобы создавать робота пока нет — поэтому я не знаю, что в каком порядке делать, поэтому подождём до тех пор, пока у учёных не появится соответствующего раздела инженерной теории”. Отказы на таких основаниях не свойственны инженерам, их не останавливает отсутствие научного знания в том, чем они занимаются.

Инженерия кроме научных теорий активно использует эвристики (heuristics) — это догадки о закономерностях, которые вовсе необязательно “научны” в традиционном смысле этого слова, т.е. это не “фальсифицируемая теория” по Попперу: инженер с самого начала знает, что эвристики вполне могут быть в его случае ошибочны и неприменимы. Плюс обратите внимание, что инженерные эвристики определяются отличным образом от философской “эвристики”, найдите соответствующую литературу сами). Вот примеры инженерных эвристик:

Из Turton, Richard, et al. (2003) Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.:

● Используй вертикальный резервуар на опорах, когда его объем меньше 3.8м3

● Используй горизонтальный резервуар на бетонных опорах, когда его объем между 3.8 и 38м3

● Используй вертикальный резервуар на бетонных опорах, когда его объем больше 38м3

 

Большая подборка подобных эвристик для инженерии химических производств дана тут: http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/heurist.pdf

На эту тему есть хороший анекдот:

Физику, математику и инженеру дали задание найти объём красного резинового мячика.

Физик погрузил мяч в стакан с водой и измерил объём вытесненной жидкости.

Математик измерил диаметр мяча и рассчитал тройной интеграл.

Инженер достал из стола свою “Таблицу объёмов красных резиновых мячей” и нашёл нужное значение.

Есть и другие типы инженерных эвристик, совсем не связанных с инженерными расчётами и приёмами конструирования-проектирования:

● Стейкхолдеров всегда на один больше, чем вы знаете; известные вам стейкхолдеры всегда имеют потребность (need) на одну больше, чем вам известно (это шестая из основных инженерных эвристик Tom Glib, http://www.gilb.com/dl97).

● Порядок бьёт класс (в больших проектах упорядоченная работа команды заурядных специалистов бьёт беспорядочную работу высококлассных звёзд).

Тем не менее наука и инженерия тесно связаны: эвристики в более простых системах заменяются научными теориями, в том числе в виде компьютерных моделей (разница: правильно применённая теория даёт надёжный ответ, а эвристика, возможно, врёт), а место для метода проб и ошибок смещается в сторону более сложных систем, которые плохо описываются наличными научными теориями.

Формальные (теоретические, следующие законам логики, а не чисто эвристические — хотя и те, и другие могут быть подтверждены экспериментами) описания инженерных систем позволяют проводить формальный анализ: находить ошибки без создания системы, а часто и вычислять необходимые или оптимальные характеристики системы. Очень дорогой метод проб и ошибок с его бесконечным циклом догадок и экспериментов при помощи формальных описаний превращается в совсем другой метод работы, число проб становится в разы и разы меньше. Источником же полезных формализмов (методов описаний самых разных феноменов) является как раз наука. Число формализов растёт, число найденных эвристик тоже растёт, поэтому со временем растёт и уровень инженерии.

В связи с этим любые достижения в инженерии по предложению Billy Koen нужно оценивать не по абсолютной шкале, а на конкретный момент времени, в соответствии с накопленным на этот момент объёмом научного и эвристического инженерного знания — и это “текущее состояние инженерии” Billy Koen предложил называть SoTA (state-of-the-art). Инженерный проект плох, ежели он не использует всей полноты научного и эвристического знания, накопленного на конкретный момент времени. Со временем объем знаний растёт, и инженерные проекты становятся более и более сложными, достигая невозможных для предыдущего времени характеристик.

Наука как “научение птиц полёту”

Существует мнение, что наука для практической деятельности бесполезна. Практики добиваются успеха не на основе научных знаний, а на основе “возни” (tinkering, ср. “Hу is tinkering with a car” — “он возится с автомобилем”).

Эта точка зрения была развёрнута в книге Насима Талеба “Антихрупкость”. Он сравнивает учёных с теми, кто приходит к птицам и пытается научить их летать, давая знания по аэродинамике. Типичное высказывание в его книге на эту тему: “Никто не опасается, что ребенок, понятия не имеющий о разных теоремах из области аэродинамики и не способный решить уравнение движения, не сможет ездить на велосипеде”. Он защищает метод проб и ошибок, защищает эвристики. Он абсолютно прав. И он прав, когда пишет о создании реактивных двигателей: сначала было много проб и ошибок, потом только появилась теория, а не наоборот.

Тем не менее, исследования дают нам способ думать по-новому: осознанней, быстрее и надёжнее. Но не так, чтобы исследования вообще позволяли нам думать. Думаем мы и без них, но спонтанно, медленно и не слишком надёжно. Метод проб и ошибок всем хорош, кроме того что чрезвычайно дорог и долог. Если есть способ что-то физическое коротко описать, а потом работать с этим описанием-моделью, а не с самим физическим объектом, то так и нужно делать. Если вы учите ребёнка ездить на велосипеде, то вам особой науки не нужно. А если вы учите компьютер быть автопилотом на реактивном самолёте, то незамутнённым наукой методом проб и ошибок вы загубите слишком много реактивных самолётов.

Ещё один аргумент в пользу науки и компактных описаний появляется, когда вы замечаете, что в книжках Талеба ничего не говорится о коллективной работе. Когда речь идёт не о рынке, где “дальнее взаимодействие” (никто друг друга не знает, сделки между незнакомыми людьми) и где хорошо работают рассуждения Талеба, а когда мы хотим хорошее мышление передать кому-то другому, но не понимаем, из чего это мышление состоит, что передавать. Охота и собирательство талантливых людей хороши, но переход к осёдлому земледелию даёт скачок в производительности труда — выращивать талантов дешевле, чем их выискивать.

Так что сначала нам нужна какая-то наука, чтобы инженерные знания компактно описать — и уже после этого мы их можем передать.

Ещё один аспект инженерной работы — она не делается одиночками. Нужна координация усилий сотен, тысяч и даже десятков тысяч людей. Все эти люди должны как-то договариваться между собой. Как они могут договориться, если каждый про свою часть дела может рассказать примерно столько же, сколько едущий на велосипеде мальчик про свою езду “я чувствую, что я держу равновесие и я чувствую, что на большой скорости надо бы пригнуться”? Компактные описания нам нужны, чтобы люди могли иметь одинаковое описание того, что они делают, чтобы не возникло проблемы строительства Вавилонской башни.

Излагаемый в нашей книге подход к системноинженерному мышлению и действию совершенно необязателен для инженеров-одиночек, среди одиночек всегда найдётся Кулибин или Левша. Но вот если речь пойдёт о какой-то более-менее масштабной коллективной инженерной деятельности, то синхронизация способов обсуждения проекта может сэкономить много-много времени — все ведь помнят проблему, возникшую при строительстве Вавилонской башни? Мы должны научиться описывать другим людям, что мы делаем и почему, чтобы другие люди могли к нам присоединиться.

Конечно, уметь что-то описывать и в инженерии, и в менеджменте (и даже в литературе) вовсе не означает то, что вы опишете что-то ценное и важное. Графоманам никогда не получить Букеровскую премию, хотя они умеют писать. Научиться думать об архитектуре или проектном предложении, научиться компактно “по науке” записывать свои мысли вовсе не означает, что вы что-то придумаете интересное. “Думать и придумать” в этом плане похожи на “учить и выучить”, “делать и сделать” — процесс ничто, результат всё. Но если не думать, то и не придумаешь. Если не учить, то и не выучишь. Если не делать, то и не сделаешь. Процесс важен, без него не будет результата.

Так что для начала нам нужна инженерная наука (engineering science), хотя мы точно знаем, что инженерия (”инжиниринг”, как сейчас всё чаще говорят) — это не наука. Но нам нужны компактные описания инженерии и менеджмента как минимум для того, чтобы договариваться об инженерии и менеджменте с другими людьми.

И нам нужна наука о мышлении, хотя мы точно знаем, что само мышление — это не наука. Но нам нужны компактные описания мышления, чтобы договариваться о них с другими людьми, чтобы реализовать коллективное мышление. Построить такую ракету, чтобы она долетела до Марса или даже крошечной по космическим меркам кометы — для этого метода проб и ошибок явно недостаточно, но системные инженеры строить такие ракеты научились.

Инженерия научна

Инженерная наука

Можно думать о науке, ищущей компактное описание самой инженерии (engineering science) — эта наука должна рассказать о том, что делает системный инженер в ходе инженерного проекта.

Отношение к системной инженерии как к науке среди системных инженеров обычно отрицательное (хотя они и признают её полезность). Это отношение связано с тем, что “наука” обычно никогда не рассказывает, как породить ту или иную идею. Без “науки” трудно решать практические задачи, но сама наука обычно ничего не говорит о том, как породить идею решения. Наука лишь рассказывает о том, какие есть объекты, их характеристики и отношения друг с другом и что можно с ними делать. Что с этими объектами делать для решения конкретных задач — неведомо. Никакое знание физики не помогает решать даже олимпиадные задачки, что уж говорить о решении реальных проблем. Но без знания физики и олимпиадные задачки и инженерные проблемы решать труднее. Наука аналитична, инженерия же связана с решением проблем (проблема — когда никто не знает, что делать) и требует синтеза.

К сожалению, сведение всей инженерии только к науке и “аналитике” в ущерб практической деятельности по решению проблем, в том числе с помощью “ненаучных” по своей природе догадок-эвристик отражено и в учебных курсах по инженерии. Так, руководитель NASA Michael Griffin в речи 2007 г. System Engineering and the Two Cultures of Engineering (http://www.spaceref.com/news/viewsr.html?pid=23775) пишет, что:

I have always loved the view of the engineering profession captured by the great Theodore von Karman when he said, "Scientists study the world as it is; engineers create the world that has never been." Less eloquently, engineers are designers; they synthesize knowledge to produce new artifacts. Von Karman speaks to what most of us, and certainly most laymen, would consider the essence of engineering: engineers create things to solve problems.

But all of us who are engineers know that the engineering profession also has a rich scientific side, the analysis of these artifacts and the prediction of their behavior under various environmental and operational conditions. Adapting von Karman's observations, it may be said that engineering science is the study of that part of the world which has been created by man.

Sadly, many students have been led to believe that engineering science is engineering! In a curriculum of 120 or more credits leading to a bachelor's degree in a branch of engineering, the typical student is required to take one, or maybe two, courses in design. Everything else, aside from general-education requirements, focuses on the analysis, rather than the creation, of engineered objects. Graduate education often has no design orientation at all. So, engineering as taught really deals with only a part of engineering as it is practiced.

Перевод: Мне всегда нравилась точка зрения об инженерной профессии, которую озвучил великий Теодор фон Карман, когда он сказал: «Ученые изучают мир таким, какой он есть; инженеры создают мир, которого никогда не было». Менее красноречиво, инженеры-конструкторы (инженеры-проектировщики): они синтезируют знания для создания новых артефактов. Фон Карман говорит о том, что большинство из нас, и, конечно, большинство простых людей, видит суть инженерии в том, что инженеры создают вещи для решения проблем.

Но все мы, инженеры, знаем, что профессия инженера также имеет богатую научную сторону, анализ этих артефактов и прогнозирование их поведения в различных экологических и эксплуатационных условиях. Приспосабливая наблюдения фон Кармана, можно сказать, что инженерная наука - это изучение той части мира, которая была создана человеком.

К сожалению, многие студенты были убеждены, что инженерные науки - это инженерия! В учебной программе из 120 и более предметов, ведущей к получению степени бакалавра в области инженерии, типичный студент должен пройти один или два курса по проектированию. Все остальное, кроме требований общего образования, сосредоточено на анализе, а не на создании инженерных объектов. Аспирантура часто вообще не имеет конструкторской направленности. Таким образом, инженерия в том виде, в котором она преподается, действительно имеет дело только с той частью техники, которая уже спроектирована, выпускается на промышленных предприятиях и эксплуатируется.

 

Основное, что должен уметь делать системный инженер — это создавать материальные объекты, а не анализировать их. Упор на синтез, а не на анализ характеризует инженера.

Интересно, что примерно такое же рассуждение проводится про образование менеджеров-предпринимателей. Henry Minzberg считает, что выпускников MBA (Master of Business Administration) готовят как аналитиков, а не синтетиков. Из них получаются не столько предприниматели-руководители предприятий, сколько начальники финансовых и прочих аналитических отделов компаний — тех подразделений, где основным продуктом являются “отчёты”. А потом совсем другие люди (часто с инженерным образованием) по этим отчётам принимают синтетические решения и реализуют какие-то идеи на практике.

Один из системных инженеров NASA привёл пример, в котором сравнивает инженерную науку (в том числе ту, которой обучают в университетах) с порнографией: можно сколько угодно тратить времени на просмотр и обобщение бесконечного числа порнофильмов, но все эти часы и часы псевдоопыта “изучения” можно было бы потратить на получение собственного опыта, получив при этом не меньше удовольствия, чем от просмотра порно. Ну, и овладение всеми возможными классификациями увиденного, знакомство с хитрой терминологией и прочие “атрибуты научности”, почерпнутые из просмотра видео могут абсолютно не помочь (а то и помешать) в конкретной жизненной ситуации. Так что системные инженеры предлагают больше уделять внимания работе в проектах, а не заниматься чтением учебников.

Системные инженеры постулируют примат инженерного опыта над инженерной наукой, хотя также и признают важность науки (ибо без признания важности науки иначе можно скатиться назад, к древним временам инженерии исключительно проб и ошибок) — просто оформляемый эвристиками инженерный опыт много, много больше той территории, которая уже отвоёвана наукой.

Наша книга решает вопрос о балансе инженерной науки и инженерной практики так:

● Она сначала сосредотачивается о самых общих теоретических знаниях об инженерной науке. Знание принципов освобождает от знания множества фактов. Нужно знать, какие основные объекты, с которыми работают инженеры, в чём суть их работы.

● Она содержит ссылки на материалы о практиках моделеориентированной системной инженерии. Знакомство с конкретными практиками крайне важно, но оно происходит на втором шаге: нужно понимать, что мастерство во владении отдельными практиками набирается достаточно долго, и по каждой практике есть книжки даже более толстые, чем наша.

 

Теоретическое знание нашей книги должно “оживляться” на материале конкретного инженерного проекта. Книга не рассчитана только на прочтение, она должна лечь в основу практической работы (учебной или реальной), в которой теоретическое знание книги соединяется с практическим опытом его использования. Нет ничего практичней, чем хорошая теория, но без занятий реальной инженерной деятельностью эту практичность предъявить нельзя. Тот, кто прочёл много книг по танцам, но никогда не танцевал сам, вряд ли сможет станцевать при случае. К инженерам (менеджерам, учёным, кому угодно) это тоже относится.