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【科普】工程与工程设计
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人类文明的发展得益于科学与技术的进步，这句话几乎已经变成陈词滥调。确乎如此——科学为人类提供了探索、理解、改造自然世界的理论和思维方法；而技术一方面为科学的深入发展提供了更强大的物质基础，另一方面也为改善人类生活提供了最为直接的原动力。
然而，相对于科学与技术，工程是一个更为现代的词汇，它更加着眼于满足人类的需求。如果说科学旨在理解这个世界，技术旨在改造这个世界，那么工程则旨在创造一个新世界。虽然有人会说，改造了的世界必然是一个与已有世界不同的新世界，但是，工程是有目的地在创造一个新世界。技术的侧重点在于改造本身，而工程更着重于目标。因此，工程是一门系统综合利用科学理论和方法、技术及资源以满足人类需求的学问。也因此，一名优秀的工程师具备在科学、技术、人文、经济、管理等领域优良的综合素质。
工程与技术的主要区别体现在以下几个方面：
那么什么是工程设计呢？不同专业的工程师、教授、学生马上就能站起来罗列一大堆事项。比如，结构工程师会说设计包括选择结构方案、估计荷载、初定构件截面、结构分析、构件验算、修改设计、节点及细部设计等等。但是，不同专业的工程设计有哪些共性特征呢？
一般来讲，工程设计方法要解决两个基本问题：一是性能（performance,或称工程质量，广义上的质量）；二是造价（cost）。但性能与造价永远是一对矛盾。所谓“解决”那两个基本问题，就是说，作为一名工程师，最要紧的问题是为客户设立一个性能与造价的最佳平衡点，或平衡面。用多目标优化的语言来讲，就是找到帕累托锋面或效率锋面(Pareto or Efficiency Frontier)。
这就涉及到一个很严重的问题：性能和造价都是面向客户的指标，如何在工程设计中将这两个面向客户的指标与工程师能够直接控制的设计变量联系起来？这两个指标当中，造价是一个客观量，除非考虑时间的影响没有很大的问题；性能因为大多是主观量，包含的问题就很多。首先，什么性能？简单的比如多大建筑面积，多少千瓦数，这个容易回答。可是比如建筑结构的安全性就是一个很麻烦的性能指标。公路路面的行车舒适性，也很难定量。不能定量，就无法“科学”，就无法设计。其次，不同的性能之间又互相关联，有些互补、有些互斥。这样就给客户和工程师都带来许多麻烦。客户无法具体描绘所需要的东西，工程师根据客户语言性描述设定他所想像的性能指标最终可能与客户头脑中的产品风马牛不相及。再次，即便硬着头皮拍脑袋定下了一个客户满意、工程师理解、可定量化的性能指标，如何建立性能指标与设计变量之间的数学模型，也是极大的问题。这类问题在历史上可能占了工学博士论文选题的75%以上。
俗话说：便宜没好货、好货不便宜。但是在设计中是否就真的是“最买贵的，不买对的”呢？当然不是。关键是客户怎么知道什么是对的？那么这个时候就涉及到决策中的基本问题，即效用函数，亦即价值的问题。所谓“对的”设计，就是对客户最有价值的设计。那么在衡量这个价值（而不是价格）时，需要解决两个问题：
（1）工程附带风险
（2）全寿命造价
回答这两个问题的基本方法就是工程风险与可靠性分析。
人们常说技术是一把双刃剑，工程何尝不是？小到一幢房、一座桥，大到核电站，这些基础设施为人类幸福生活提供了强有力的物质保障。可是遇到自然灾害，这些工程设施如果设计不当、建造失范、管理不善，将产生相当大的灾害放大效应。
另一方面，工程设施除了初始造价，其运行、维护、管理费用对于业主也是非常不菲的一笔支出。因之也有这些一句俗话：Asset is also a liability——资产也可能是负债。近二十年来中国高速发展的基础设施，带动了整个国家甚至世界的经济发展，但再过二十年，当这些设施日渐老化所带来的维护费用，将会与日趋老化的中国人口叠加到一块成为现在出生的一代人的沉重负担。——啊，扯无远了！
简单总结一下，工程设计所涉及的两个基本问题：一是性能，一是造价。联系二者的基本纽带是工程可靠度，这就是本博客的背景图案。
PS1: 陈管说吕老师要去北京讲科学、技术与社会。我就担心吕老师备课不严，忘了“科学、技术与社会”这个交集中的一个非常典型的子集。
PS PS1: 自我反省一下：上述PS1非常自大。
PS PS2：自然辩证法可能通常是将工程看作技术的一个子集。但是子集的交集是否等于交集的子集，值得思考。
PS2: 第一次自己号称写科普。结果下笔才发现自己的语文水平已经退化到饶老师的水平甚至更差。
PS3：科学网上有几位工程类的朋友曾经写过：工程类的科学研究该做什么？本人窃以为，真正的工程学博士就应该解决工程学中的共性问题。本文算是抛砖引玉了。
PS4:亦有不少在读博士生为了科研选题而苦恼。那么我这里无私奉献一个题目：工程设计中的性能设定。有慧根的同学可以试试。
PS5：这篇博文衍生出来的一个命题是：基础设施老化、人口下降、人口老化将是二十年后压在中国人民的新新三座大山。
https://blog.sciencenet.cn/blog-103568-669759.html
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然而，相对于科学与技术，工程是一个更为现代的词汇，它更加着眼于满足人类的需求。如果说科学旨在理解这个世界，技术旨在改造这个世界，那么工程则旨在创造一个新世界。虽然有人会说，改造了的世界必然是一个与已有世界不同的新世界，但是，工程是有目的地在创造一个新世界。技术的侧重点在于改造本身，而工程更着重于目标。因此，工程是一门系统综合利用科学理论和方法、技术及资源以满足人类需求的学问。也因此，一名优秀的工程师具备在科学、技术、人文、经济、管理等领域优良的综合素质。
工程与技术的主要区别体现在以下几个方面：
- 工程所创造的新“世界”具有相对明确的时间起止，因此项目的概念非常清晰，也因此工程常常与项目一词同义混用。技术更侧重于改造世界的一般方法，更具有通用性。
- 工程更着重于人的需求，它是需求导向的。技术虽然也有需求导向，但这种需求更为宽泛，不如工程项目那么具体而直接。
- 工程更着重于特定人群的需求，而技术并不一定有特定的目标人群。
- 评价工程成败的主要指标也更为主观，因为是否满足了人的需求因人而异。但评价技术则主要侧重于其先进性，如能量转化率、物质利用率等等。
- 工程分析（需求分析、可行性分析、系统性能分析、系统优化等）
- 工程设计、开发与测试
- 制造/建造
- 运行与维护
- 维修、加固、改造、升级
那么什么是工程设计呢？不同专业的工程师、教授、学生马上就能站起来罗列一大堆事项。比如，结构工程师会说设计包括选择结构方案、估计荷载、初定构件截面、结构分析、构件验算、修改设计、节点及细部设计等等。但是，不同专业的工程设计有哪些共性特征呢？
一般来讲，工程设计方法要解决两个基本问题：一是性能（performance,或称工程质量，广义上的质量）；二是造价（cost）。但性能与造价永远是一对矛盾。所谓“解决”那两个基本问题，就是说，作为一名工程师，最要紧的问题是为客户设立一个性能与造价的最佳平衡点，或平衡面。用多目标优化的语言来讲，就是找到帕累托锋面或效率锋面(Pareto or Efficiency Frontier)。
这就涉及到一个很严重的问题：性能和造价都是面向客户的指标，如何在工程设计中将这两个面向客户的指标与工程师能够直接控制的设计变量联系起来？这两个指标当中，造价是一个客观量，除非考虑时间的影响没有很大的问题；性能因为大多是主观量，包含的问题就很多。首先，什么性能？简单的比如多大建筑面积，多少千瓦数，这个容易回答。可是比如建筑结构的安全性就是一个很麻烦的性能指标。公路路面的行车舒适性，也很难定量。不能定量，就无法“科学”，就无法设计。其次，不同的性能之间又互相关联，有些互补、有些互斥。这样就给客户和工程师都带来许多麻烦。客户无法具体描绘所需要的东西，工程师根据客户语言性描述设定他所想像的性能指标最终可能与客户头脑中的产品风马牛不相及。再次，即便硬着头皮拍脑袋定下了一个客户满意、工程师理解、可定量化的性能指标，如何建立性能指标与设计变量之间的数学模型，也是极大的问题。这类问题在历史上可能占了工学博士论文选题的75%以上。
俗话说：便宜没好货、好货不便宜。但是在设计中是否就真的是“最买贵的，不买对的”呢？当然不是。关键是客户怎么知道什么是对的？那么这个时候就涉及到决策中的基本问题，即效用函数，亦即价值的问题。所谓“对的”设计，就是对客户最有价值的设计。那么在衡量这个价值（而不是价格）时，需要解决两个问题：
（1）工程附带风险
（2）全寿命造价
回答这两个问题的基本方法就是工程风险与可靠性分析。
人们常说技术是一把双刃剑，工程何尝不是？小到一幢房、一座桥，大到核电站，这些基础设施为人类幸福生活提供了强有力的物质保障。可是遇到自然灾害，这些工程设施如果设计不当、建造失范、管理不善，将产生相当大的灾害放大效应。
另一方面，工程设施除了初始造价，其运行、维护、管理费用对于业主也是非常不菲的一笔支出。因之也有这些一句俗话：Asset is also a liability——资产也可能是负债。近二十年来中国高速发展的基础设施，带动了整个国家甚至世界的经济发展，但再过二十年，当这些设施日渐老化所带来的维护费用，将会与日趋老化的中国人口叠加到一块成为现在出生的一代人的沉重负担。——啊，扯无远了！
简单总结一下，工程设计所涉及的两个基本问题：一是性能，一是造价。联系二者的基本纽带是工程可靠度，这就是本博客的背景图案。
PS1: 陈管说吕老师要去北京讲科学、技术与社会。我就担心吕老师备课不严，忘了“科学、技术与社会”这个交集中的一个非常典型的子集。
PS PS1: 自我反省一下：上述PS1非常自大。
PS PS2：自然辩证法可能通常是将工程看作技术的一个子集。但是子集的交集是否等于交集的子集，值得思考。
PS2: 第一次自己号称写科普。结果下笔才发现自己的语文水平已经退化到饶老师的水平甚至更差。
PS3：科学网上有几位工程类的朋友曾经写过：工程类的科学研究该做什么？本人窃以为，真正的工程学博士就应该解决工程学中的共性问题。本文算是抛砖引玉了。
PS4:亦有不少在读博士生为了科研选题而苦恼。那么我这里无私奉献一个题目：工程设计中的性能设定。有慧根的同学可以试试。
PS5：这篇博文衍生出来的一个命题是：基础设施老化、人口下降、人口老化将是二十年后压在中国人民的新新三座大山。
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