文／李崢嶸

中國“天問一號(hào)”將在五月底擇機(jī)著陸火星。此前，探測(cè)器在火星軌道上運(yùn)行了3個(gè)月，國家航天局4月底也公布了中國第一輛火星車名稱——“祝融號(hào)”，準(zhǔn)備它接下來的登陸工作。我們滿懷期待迎接這一光輝時(shí)刻。近年來，中國航空航天事業(yè)取得了一個(gè)又一個(gè)成就，我們借此機(jī)會(huì)介紹一下航空航天中的冗余思維，希望對(duì)學(xué)習(xí)者有所啟發(fā)。

冗余設(shè)計(jì)保證成功

冗余，在日常生活里是一個(gè)貶義詞，指多余、重復(fù)、啰唆、不需要的部分，但是在工程系上卻是一個(gè)有意為之的設(shè)計(jì)，這個(gè)概念是由“計(jì)算機(jī)之父”和“博弈論之父”約翰·馮·諾伊曼在20世紀(jì)50年代提出的，是指人為增加的重復(fù)部分，目的是用來對(duì)原本的單一部分進(jìn)行備份，以達(dá)到增強(qiáng)其安全性的目的。

在航空航天領(lǐng)域，需要保證出了故障也能正常運(yùn)行，不會(huì)危及整個(gè)任務(wù)，因此常常需要把一些關(guān)鍵的組件安放一個(gè)以上，萬一其中一個(gè)壞了，就會(huì)有另外一個(gè)備用的方案，機(jī)器（或者系統(tǒng)）依然能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至可以在機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中修復(fù)或者替換那個(gè)壞掉的組件。

比如，近日成功發(fā)射了最新一批60顆星鏈衛(wèi)星的SpaceX的“獵鷹9號(hào)”火箭，就配備了9個(gè)引擎，每個(gè)引擎之間都有充足的隔離空間，如果一個(gè)引擎出了故障，航天器也能完成任務(wù)。這個(gè)設(shè)計(jì)曾在2012年挽救了一次航天任務(wù)，當(dāng)時(shí)“獵鷹9號(hào)”在一次發(fā)射中有一個(gè)引擎失靈，但是其他8個(gè)引擎持續(xù)轟鳴，飛行計(jì)算機(jī)關(guān)閉了有故障的引擎，調(diào)整了火箭的飛行軌道，并讓火箭任務(wù)順利完成。

《像火箭科學(xué)家一樣思考》指出，在航天器上的計(jì)算器也會(huì)使用冗余裝置，比如說航天飛機(jī)上的計(jì)算器有4臺(tái)計(jì)算機(jī)在運(yùn)行著同樣的軟件，如果有1臺(tái)計(jì)算器發(fā)生了故障，輸出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，其他3臺(tái)計(jì)算器就會(huì)采用一個(gè)多數(shù)投票系統(tǒng)，把它排除在外。

在生活中很多工程設(shè)計(jì)上都有類似的設(shè)計(jì)，比如說醫(yī)院會(huì)有備用的電源，汽車有備用的輪胎、緊急制動(dòng)裝置。冗余思維運(yùn)用到我們的學(xué)習(xí)生活中就是常說的“有備無患”，比如由于天氣原因，戶外教學(xué)取消了，有沒有其他的備用方案？學(xué)校可能會(huì)改成室內(nèi)教學(xué)，甚至啟用網(wǎng)絡(luò)課程。對(duì)個(gè)人來說，你的學(xué)習(xí)有沒有冗余設(shè)計(jì)？如果考試及格線是60分，那我們的目標(biāo)可以定到70分，留點(diǎn)分?jǐn)?shù)冗余；如果考試時(shí)間是2個(gè)小時(shí)，那練習(xí)時(shí)間就要控制在一個(gè)半小時(shí)，留點(diǎn)時(shí)間冗余。在學(xué)習(xí)的各個(gè)方面，你都要思考：需要做出什么樣的準(zhǔn)備來保證，如果某一部分出了問題，整個(gè)學(xué)習(xí)計(jì)劃系統(tǒng)還能夠繼續(xù)執(zhí)行。

獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)再加一層保險(xiǎn)

《像火箭科學(xué)家一樣思考》還提到，航空航天的冗余思維里不只是要配備不同的方案，甚至還有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，比如一架航天飛機(jī)有4臺(tái)計(jì)算機(jī)，但是都運(yùn)行相同的軟件，如果有一個(gè)軟件出了錯(cuò)誤，4臺(tái)計(jì)算機(jī)都會(huì)同時(shí)癱瘓，所以航天飛機(jī)還配備了第5個(gè)不同于前4臺(tái)計(jì)算機(jī)軟件的備用飛行系統(tǒng)。如果是4臺(tái)主計(jì)算機(jī)使用的相同的軟件出了錯(cuò)誤而癱瘓了的話，就會(huì)啟動(dòng)備用系統(tǒng)，依然可以安全地將航天飛機(jī)送回地球。

這對(duì)我們學(xué)習(xí)的啟發(fā)就是保持思維的開放性和彈性，不能人與亦云，不能一條道走到黑，一旦某一個(gè)方法行不通，就要轉(zhuǎn)換思路，尋找其他完全不同的思維方式。

冗余思維是一種保險(xiǎn)措施，但是如果額外的冗余增加太多的話，也會(huì)無謂地增加復(fù)雜性、重量和成本，比如說飛機(jī)配的是4個(gè)引擎，那為什么不能加24個(gè)引擎呢？因?yàn)檫@樣成本就太高了，飛機(jī)票會(huì)昂貴到一般人都坐不起。比如“獵鷹9號(hào)”火箭配備了9個(gè)引擎是最優(yōu)設(shè)計(jì)，但是能運(yùn)送64噸物質(zhì)進(jìn)入近地軌道的獵鷹重型火箭，安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)就必須多達(dá)27個(gè)！少的話不夠安全，再多又增加成本。

過度的冗余也可能會(huì)降低可靠性，增加了額外的故障點(diǎn)。比如說波音747的各臺(tái)引擎，如果沒有正確隔離，一臺(tái)引擎發(fā)生故障就可能傷害其他的引擎，但是每增加一臺(tái)引擎，風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。所以，波音777的飛機(jī)就只安了兩臺(tái)引擎。

我們?cè)趯W(xué)習(xí)中也是如此，學(xué)習(xí)計(jì)劃要考慮到各種可能的意外，但是考慮過多也是浪費(fèi)時(shí)間。