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2016
09-16

如何学会“正向设计”?

如何学会“正向设计”?

刘虎(科创研究院 创新工程局)

一、什么是正向设计
前几天有个厂长联系我,说客户给了他们一只天线和一台仪器(科创造的,因此他跑来找我),要他们造出一模一样的天线,然后用这台仪器检验,在指定频率驻波低于1.5,就合格。这个厂是做金属加工的,他们精确的测量了天线的零件,按照完全相同的尺寸仿造出来,但是接上仪器,就怎么也不合格。客户说零件尺寸可能需要微调一下,于是厂里用一周时间来打磨、尝试,然而依然不行。厂长疑惑的是,看起来同样的材料、同样的零件,为啥别人的行,他的就不行?
我只能告诉他,应该请一个懂得天线的“正向设计”的工程师,对于你遇到的问题,应该不需要重新建模,周末来两天就能把问题解决掉。然而他们并不知道在哪里去找能解决问题的人。
为了解决一个问题,我们通常会分析研判,提出自己的办法,也常常看别人是怎么解决的,从已有方案中学习技巧。不论是自己想出办法,还是理解别人的方案并且恰当的用来解决自己的问题,都属于正向设计。这里面重要的一点是我们能够预判方案和结果之间的关系,哪怕这种关系仅仅是靠经验得来的。
与正向设计相对的是反向设计。所谓反向设计,通俗的讲就是仿造,对已有的作品进行分解、测量,然后按照相同的尺寸做出设计图。绝对的反向设计主要发生在机械零件、模拟电路等“看得见、摸得着”的领域。更多的情况是相对的反向设计,在研究已有产品的过程中,弄清楚了一部分设计思想,然后在仿造的过程中按照自己的意图进行改进,或者迁移运用。比如仿造一个机械零件,测量出数据以后,根据配合的经验以及该零件的功能和装配方法,来“重新”确定它的公差。
我们追求高水平的正向设计。这时,正向设计的概念就要向前延展。我们需要想象世界上没有的需求或者功能,即需求端的正向设计。许多需求是设计出来的,比如在微信出现之前人们并不知道自己需要这个东西。许多需求是国外先开发出来,然后国内对它进行一番马后炮,再用自己的技术来实现它。在实现阶段属于正向设计,但在需求的开发阶段是反向设计。开发需求的风险极大,绝大多数最终会死掉,并且不一定是人们真的不需要。
有了设计出来的需求,再从基本原理出发进行总体设计,再到具体细节的开发。这个过程需要借助一系列基本理论,经过相关专业人员的合理运用才能完成。当然,部分细节可以直接使用已有的成果,只要这个成果具有确定的输入和输出关系。比如制造一部手机,其中的芯片就不用全部从零做起,因为已有的产品具备确切的效果。而许多需求可以在已有的平台上方便的实现,而正向设计需要关心的,是满足这个需求的最佳逻辑和手段。工具链就是一种通用平台。
很多时候“正向设计”是一个社会学概念。比如我们可以说,任何东西只要中国人搞懂了正向设计,又发现这东西能赚钱,那就会以极快的速度,让成本成倍下降。西方世界曾经总是吐槽中国人抄袭,其实他们很不明智,因为抄袭一点都不可怕,可怕的是一群玩命的人折腾懂了自己设计。
二、正向设计的基本条件
正向设计需要能够预见措施和效果之间的关系。最严谨和最简洁的关系,就是科学原理。不否认可以通过经验总结、调试、观看别人的设计来了解这个关系,并且也能进行正向设计。但是科学原理从来都是代价最小、最靠谱的基础。科学原理是一个层叠结构,从小学的科学(自然)和数学课开始,就是在为人们建立原理意识,并且一层一层的增加认识的深度和广度。
在某些领域,似乎科学原理不太重要,只需要一些简单的生活经验,比如那个博士与小工关于香皂空盒的故事。但是绝大多数现代产品是建立在复杂的科学原理之上的。如果狭义的看待科学原理,那么还有一些在科学原理之外的,以科学原理为依据的工程推广,以及各种面向工程的数学工具。我们把这些以数学和科学原理为基础的、系统化的知识统称为理论基础。
对于理论基础,存在“高分低能”的问题。许多人懂得很多理论,可以考出很高的分数,但是在做正向设计的时候不能灵活的迁移应用。通俗的解释是,这些理论在大脑中只是“孤立的知识”,而没有形成“理论意识网”。但是不可因为有这样的人,就认为理论没有实践重要。首先,在技术领域,的确存在高分低能的情况,但本质上不存在“低分高能”的情况。因为所谓“低分高能”,必然付出沉重的代价(因为科学技术中没有比理论更简洁、更可靠的东西),综合计算下来一定是低能的。其次,看起来的“低分”并不代表真的就没有“理论意识网”,很可能概念掌握得行云流水,只是忘了具体的公式。
这就要说到工具链和知识库。前者将科学家和工程师从繁琐的设计过程中解放出来,更好的发挥基于理论的抽象构建能力。后者让人们有更多的时间编织“理论意识网”,随时站在人类认知的边界,并可以超出理论到达经验的范畴。理论基础的掌握及“理论意识网”的构建,工具链和知识库,这三者是掌握高水平正向设计能力的基础,三者缺一不可。

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(图片摘自安世亚太《精益研发2.0 :促进基于正向设计的自主创新》一文)
三、如何学会正向设计
对于个体而言,我不认为科学可以解决这个问题,否则就成了灵丹妙药,只需要教育部一声令下,全国毕业生就开了挂。当然,某些措施整体上可能可以提高概率,甚至是那么的显然,但没有经得起推敲的因果关系。对于如此棘手而且重要的问题,我们需要谨慎发言。
参考第二节的内容,可以推导出对应的方法,注意这只是理论上的途径,那就是好好学习天天向上。最近几十年知识的数量是指数增长的,理论基础的边界也在不断的扩宽。就青少年的教育和学习而言,由于是面向二十年后的,而那时的理论和知识已经比现在增长了好多倍,现在无法去预估。所以我认为重要的是掌握基础的物理和数学框架,并且训练出快速学习新知识、新技能、新工具的能力。科学技术本身是反人性的,学习它必然不是一件悠闲和快乐的事情。从现在起,就要强迫自己学习重要的新东西,并且亲自运用至少一次。这些新东西可以在自己感兴趣的、用得着的领域选,并且不断的尝试改变学习方法,直到找到最适合自己的学习途径。
成功的体验十分重要。把一个相对简单的设计项目从头到尾做完,见证自己的作品运转起来,产生预期的效果,比尝试N个好高骛远,但最终都半途而废的项目要好得多。学-思-做需要结合起来,由易到难不断迭代,把正向设计变成自己的习惯。
有些金玉良言是有害的。比如要学会编程至少要啃完五本拇指厚的书——这很难坚持,不符合学习的规律。的确很多正向设计的牛人啃完了比这还多的书,然后拿自己的经历在小师弟面前炫耀。但是他们不是因此学会正向设计的。相反,往往是已经学会正向设计,才因为正向设计的兴趣和需求而啃了一些书。对于普通人来说,重要的是把书读薄,找尽量简明的资料开始,做一些简单但成功的设计,逐步提高能力,弄明白需要看哪些书、怎样找书,再根据需要去查阅。人总是不要安于现状的,有进步的动力,正确的方法,才能逐步升级。当然,这一切的前提条件是具备良好的数理基础,这方面不能忽视普通中高等教育。在中学和大学阶段真的需要认真学习。
另外还可以和有水平的人协作。如果别人都不愿带你玩,那一定是你自己出问题了。在一个共谋的事项中,你能做多少贡献?不要总是去对比自己和伙伴付出的多少,而是应该主动且全力以赴的对待每一件事情。但有一种情况是例外:如果发现自己所在的团队、公司有依赖反向设计的苗头,那就需要尽快逃离。
玄学说法呢?我觉得要有兴趣,有好奇心,特别是追求正向设计的快感。而正向设计的快感是啥呀,就是理论=实践。能把想象的东西变成设计模型,然后算出来是啥效果,造出来就真的是这效果。所谓运筹于帷幄,决胜于千里之外,这是原发快感,然后才是产品卖了挣了钱,发到论坛上装了逼这些继发快感。
以上方法不一定管用,因人而异,还是需要各自努力。


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