我们为何更需要“工程师思维” ——读《以纸鸢征服加农炮》
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◎南 芃
为什么建更多的桥并不能解决交通拥堵？为什么零件要统一尺寸？为什么美国邮政编码是五位数？《以纸鸢征服加农炮》像是一本关于现代文明的“十万个为什么”，它集合了大量的案例，旨在解释一个问题：如何像工程师一样思考。
本书作者古鲁·马达范，不仅是美国国家工程院诺曼·奥古斯丁高级学者兼项目高级主任，更是一位拥有传奇色彩的实践者。他出生于印度农村，从小立志要成为一名工程师，最终如愿以偿。马达范不仅跻身英国工程技术学会等顶尖机构，还荣膺美国国家科学院“创新者奖”等多项殊荣。在长期的学习与实践中，作者逐渐意识到工程学比数学模型更有力量，于是写下此书，以此展示工程师独特的思维模式。
书中，作者通过典型的案例，展示工程师如何将灵感转化为实物，并逆向解构工程师思维模式，探究如何将其运用到日常生活中。作者虽未对“纸鸢”本身着墨过多，却通过许多脚踏实地又天马行空的工程案例，如飞机、二维码的发明、青霉素的量产，书写了人类如何运用智慧“征服”现实难题的宏大叙事。
加农炮与工程师思维
1732年，法国陆军中将瓦利埃受路易十五之命重组炮兵部队，他试图创造一个“理性服务于专制政权的控制系统”，并在此理念下发明了24磅加农炮。这门火炮虽然射程远、威力大，但其致命弱点是笨重，仅适用于静态防守而不是进攻。移动一个加农炮管，需要出动20匹马和35名炮兵。兵贵神速，法国军队需要全新的火炮系统。
1749年，火炮专家格里博瓦尔曾向瓦利埃建议批量生产改良炮车，以降低重型加农炮的运输难度，却遭到其拒绝。格里博瓦尔对“手搓”的加农炮制造方式感到厌烦。1756年，“七年战争”爆发，格里博瓦尔以战时盟友的身份借调到奥地利。在那里，经他改良的奥地利加农炮在野战中所向披靡。回到法国后，格里博瓦尔立志彻底改良法国加农炮的设计。他专注于研究精度，制定了技术规范，使得加农炮验证误差不超过一张纸的厚度。他利用精密的钻孔机械，为加农炮增加了升降螺丝、牵拉皮带、大轮子和铸铁轴。
这些调整看似微小，却至关重要。瓦利埃的加农炮一旦出现故障，只能运回军械厂维修。格里博瓦尔设计的加农炮则易于拆卸和重组，其部件可用其他相同规格的部件来替换。这种可换性设计是基于“参数变化”原理实现的，即各个部件均经过独立测试，测试时保持其他部件参数不变，这种方法类似于代数方程的求解过程。后来，被誉为数学天才的拉普拉斯在炮兵学校任教时，进一步将这种“因式分解”式的代数原理融入教学，使这一设计理念得到了更完美的应用与验证。
格里博瓦尔火炮系统最大的创新在于，他创造的不仅是一件武器，而是一套名副其实的系统：一个由组织、技术、物资和战术组成的综合体。它体现了功能性理念，以适用性为原则，以机动性为目标。这正是工程师思维模式的核心，作者称之为模块化系统思维，一种将技术与原理深度融合的思维模式。
关注看不见的东西
从瓦利埃和格里博瓦尔的发明可知，军事系统往往以其结构化的创新方法著称。正如一位才华横溢的作曲家需要先在脑海中构思旋律才能谱曲一样，卓越的工程师能够将脑海里的想法转化为现实，并赋予其严谨的结构。工程师不只关注人们看得见的东西，更关注看不见的东西：结构。这种结构化的系统思维，深刻洞察系统内各元素之间的逻辑、时序与功能联系，以及它们在何种条件下产生作用。正是这种结构化的思维方式，催生了美国5位数的邮政编码。
1950年，美国邮件处理量已高达450亿件，美国邮政部在多重压力下不堪重负。工程学提供了一种基于模块化系统思维的解决路径。系统的设计者将美国划分为不同的地区，每个地区分别用5位数的识别号码进行标识。设计者还开发了专门用于邮件分拣的机械设备，虽然还需要人工协助，但这个系统已极大提高了分拣效率。一个最优秀的分拣员每分钟最多处理60件邮件，而机器每分钟至少能够分拣2000件。
工程师的“舞台”不是无拘无束的，现实场景具有各种约束条件。常见的约束条件包括资金约束、物理边界，以及人类行为等不可预知的因素。比如，为了逐步满足顾客偏好和商业需要，工程师经常对软件产品进行增补式创新，而不是从零开始发布一款操作系统。对工程师而言，他们必须想办法既能创造新功能，又能兼容旧系统。
如果把约束比作走钢丝，那么权衡的过程就是一场拉锯战。工程师需要确定设计重点，明确主次目标并合理分配资源。比如，在飞机设计中，工程师往往需要在特定的性能指标约束下，平衡成本、重量、翼展及盥洗室尺寸等需求，还要兼顾乘客体验等问题。
在系统设计中，工程师有时会采用一种逆向推导的方式：先在没有任何约束的情况下进行理想化设计，然后再逐步引入现实中的约束与权衡。随着约束的层层叠加，广袤平原逐渐缩小，最终变成了第五大道的现实场景。
作者认为，结构、约束和权衡是工程师思维的三大法宝。它们的重要性，如同时间、速度和节奏对于音乐家一样。凭借着三大法宝，工程师们将人类送上了月球，尽管人们往往将这一成果归功于火箭“科学”。在作者看来，工程学为科学提供海量的数据，并推进科学理论的进展；反过来，工程学也依赖科学理论，进而催生新的科学知识体系。在航空成为一门科学之前，飞机已经能上天了；蒸汽机的发明也早于热力学理论的诞生。只要有助于完成任务，工程师甚至愿意“创造性地曲解”科学方法或成果。
从工程师到经济学家
工程师解决现实问题的能力，并不仅局限于制造领域。21世纪初，瑞典首都斯德哥尔摩的交通拥堵情况开始失控。按照常规思路，似乎只能再建一座大桥，但问题是，当时的斯德哥尔摩已经有几十座大桥了。这次，市政官员聘请了一群来自IBM的工程师充当顾问。
工程师们在全市安装了传感器，并配备了43万个应答器采集数据，共获取了85万张图片。通过这些信息，工程师们进行了数学分析，构建了一个全系统模型。最终，IBM团队说服了市政官员：解决交通拥堵问题无须建桥造路，只需在高峰时段收取拥堵费。2006年，该方案开始试运行。斯德哥尔摩的交通拥堵率降低了20%至25%，有效减少了约10万辆上路汽车，公共交通恢复了往日的生机。次年，斯德哥尔摩通过全民公投，实施了基于摄像头的永久性收费系统。瑞典的成功经验引起了亚洲、欧美城市的纷纷效仿。
工程师使用各种建模技术来最大程度地还原现实情境，进而权衡利弊，预测系统效率。在IBM的案例中，优化的主要目标是最大限度地减轻斯德哥尔摩的交通拥堵，而事实证明这一目标函数的变量是高峰时段的汽车使用量。固定的道路容量、当地政府的预算和人们的潜在偏好等因素也构成了优化的边界条件。因此，要充分理解和优化这样复杂的系统，自然要从构建模型入手。
收取拥堵费来解决交通堵塞问题，看起来就像是经济学家提供的解决方案。实际上，哈佛大学经济学家格里高利·曼昆就认为：“宏观经济学作为经济学的分支领域，它不属于科学，倒更像是一种工程学。”这是因为，工程师和经济学家这两种职业都需要理性和量化分析。
经济学和工程学之间至少有两个优化概念是相互重叠的。
第一个重叠概念是效用最大化。依据效用最大化的原则，IBM的工程师主要通过行为转变有效地缓解了交通拥堵，而对现有基础设施的改变不大。这个推理也适用于格里博瓦尔的研究，他的目标是使模块化的加农炮效用最大化，给敌人造成最大的打击。
第二个重叠概念是机制设计。正如经济学家埃里克·马斯金在2007年诺贝尔奖演讲中所说，它是“经济理论”中的“工程”内容。这个概念的关键之处是如何设计一种“优选”机制来实现更广泛的社会目标。例如：通过谷歌地图的交通预测技术，人们可以提前规划替代交通方式；法国杰出的工程师马塞尔·布瓦特提出了电力需求高峰时段的服务定价公式。
作者认为，工程师思维方式可应用到社会生产生活的方方面面。因为它的核心要素是结构、约束、权衡，它的基本概念是重组、优化、效率和原型设计。哪怕是一位艺术家，也可以从工程师思维中获益匪浅。著名导演希区柯克曾经受过工程学教育，在《惊魂记》这部伟大的电影中，他就运用了模块化系统思维方式。希区柯克曾解释说：“‘剪辑’不是真正的‘剪’。剪意味着切断某物，剪辑其实应该是重新‘组合’。”
在本书中，作者向读者介绍了各种类型的工程师，他们都应用了模块化系统思维和逆向设计，拓展了解决问题的空间，在经济、教育、卫生保健和管理等领域大放异彩。当然，工程师思维并不是万能的，它无法解决所有非理性的、混沌的难题。无论是系统开发还是生态保护工作，工程学都需要走出舒适区，寻找多学科的交汇点。这种跨界能力，正是工程思维的核心技能之一。
抛开技术外衣，工程师思维更像是一种脚踏实地的生存态度：在畅想让事物变得更好的同时，懂得在种种约束中权衡，不囿于专业的壁垒，用点滴想法去重组现实。尤其是在当下，当AI对数据信息和知识的学习能力已远超人类时，这种充满现实感与责任感的思维方式显得尤为珍贵。它提醒我们，解决复杂问题不仅需要算力的加持，更需要一种在泥泞中前行的坚韧与智慧。这，正是人类在算法时代依然需要坚守的坚实力量。
