工程技术认识的一般逻辑程序

一、工程技术认识的一般逻辑程序

1.工程技术认识的一般逻辑程序的提出

（1）A·D·霍尔的《系统工程方法论》

20世纪60年代，美国系统工程专家、贝尔电话公司工程师A·D·霍尔概括和总结了曼哈顿工程、阿波罗工程等工程技术认识活动的实践经验，写成《系统工程方法论》一书⁽²⁾，提出并论述了工程技术认识的逻辑程序：（a）确定问题，即查明社会的政治、经济、文化、科技等方面的需要和研究达到这种需要的可能条件；（b）目标选择，包括物理的、经济的和社会等方面的目标；（c）系统综合，即根据工程的目标和标准提出一组可供选择的方案；（d）系统分析，即对各种备选方案的优劣进行分析与比较；（e）最优系统选择，即从各种备选方案中挑选出最优者；（f）组织实施，即根据最后选定的方案组织系统的具体实施。A·D·霍尔指出，工程技术认识的逻辑程序的六个步骤之间并不是单纯的单线式的关系，而是相互关联的、有反馈的。

（2）W·G·文森蒂的《工程师知道一些什么，以及他们是怎样知道的》

1990年，美国斯坦福大学工程师W·G·文森蒂通过航空历史案例的分析研究，著述出版了《工程师知道一些什么，以及他们是怎样知道的》一书⁽³⁾。他提出，构成工程技术认识的精髓是设计，因为正是设计制定或建立了独特的工程技术认识逻辑来联系其他因素。在他看来，工程技术认识是从技术问题开始的，并不是提出假说，而是提出各种不同的设计，然后对不同的设计进行模拟与检验、评价与选择，进而加以实施或制造。他强调指出：“常规设计是工程事业的主要组成部分，这样大量的和广泛的活动，如果没有认识论的重要性，那是很反常的。”常规设计由两个部分组成：（a）运行原理，一切人工制品都有它的运行原理，它说明“某个装置是怎样工作的”。例如，飞机的运行原理就是由燃料推动和空气阻力引起的上升力与这种运载工具的重力之间的平衡原理。（b）常规型构，它说明“这个装置的形状与组织像什么”，以便最好地实现运行原理。例如，飞机的型构就是前方引擎、尾部方向盘以及双翼或单翼等。

虽然W·G·文森蒂主要是从他的航空与航天飞机的设计上来提取合适的例证，但是他提出的这一设计模式却涵盖了大量的设计过程，还包括诸如建筑工程的设计、电子系统的设计、卫生管道工程的设计等等。

（3）工程技术认识的一般逻辑程序

基于A·D·霍尔、W·G·文森蒂等人的研究成果和前一章对技术认识模式的探讨，我们尝试提出如图13-1所示的工程技术认识的一般逻辑程序。这个程序包括课题规划、技术原理构思、技术方案设计、技术方案评价、技术研制与试验、技术成果鉴定、技术方案实施和技术应用后果的反思等阶段。这些阶段一般都不是一次就能完成的，而是经过反复地修订，经过多次“反馈”，才可能完成的。

图13-1　工程技术认识的逻辑程序

2.工程技术认识的一般逻辑程序的阐释

下面，我们主要结合阿波罗工程⁽⁴⁾的案例来阐释工程技术认识的一般逻辑程序。从大的方面来讲，工程技术认识的一般逻辑程序可以分为四个大的程序阶段：（a）课题规划；（b）技术原理构思、技术方案设计和评价；（c）技术研制、试验、鉴定与实施；（d）技术应用后果的反思。

第一阶段是课题规划，包括明确技术问题、技术预测、技术目标设定、技术评估与决策等。

明确技术问题，就是将需要研究和环境因素的研究结合起来，从环境因素及其发展中找到满足需要的条件，并从需要的状况中找到改变环境的方向，探究过去在环境中还没有的今后能够实现的新的工程技术。就美国1961年决定用10年时间将人送上月球并返回地球的阿波罗工程来说，所谓明确技术问题，就包括两项研究：

①需要研究，即研究将人送上月球的政治、经济、科学文化上的需要。也就是美国进行这项工程，是为了在政治、经济上实现空间竞争，争取空间优势，提高国家威力，在科学上要探索月球上岩石的成分与种类、造成月球坑穴的原因、月球的年龄、火山活动的影响、陨星撞击月球的数量、月球上是否有生命物质等。

②环境研究，即研究达到这种需要的环境条件或可行条件。研究的结果，认为当时已具备了四项条件：（a）已经能够发射宇宙飞船，使之进入设计轨道；（b）已经能够生产在外层空间运行的自动控制飞船，其操控推进器的能力相当强；（c）已经能够确定宇宙飞船的飞行轨道；（d）已经建立了地面与宇宙飞船的通讯系统。

实际上，达到某种需要的环境条件往往是不够完备的。这就还得对社会需求和技术本身满足社会需求的可能性做出分析，尤其是对其可行性及其可能带来的相关前景和发展趋势进行预测和预见。通常，是通过技术预测和技术预见来选择和设定技术目标并对技术目标进行评估的。对于阿波罗工程而言，设定的一个技术目标就是“20世纪60年代末将人安全地送上月球，实现载人登月飞行和人对月球的考察，为载人行星飞行和探测进行技术准备”。而为了达到这个技术目标，就得对宇宙飞船设计的可靠性、稳妥性、简单性、后备能力等方面进行评估。

第二个阶段是技术原理构思、技术方案设计和评价。

所谓技术原理是指将多种不同的技术要素联结成具有特定功能的技术系统的理论依据。它是技术主体根据已有的科学原理和技术经验，通过创造性思维和技术试验而获得的关于实现特定技术目标的途径、手段、方式和方法的理论规范，表现为概念、关系、原则以及图像和数学公式等理论形式。技术原理是技术方案设计的基础和依据。与科学原理的普适性不同，技术原理是一种具体性原理，是与实际的技术对象、技术过程、技术工艺等直接对应的特定的理论规范。

技术原理的形成是作为技术主体的人对未知的技术客体进行创造性构思的过程。构思技术原理的基本途径有：一是从现实观察和经验中发现所隐含的某种内在机制，通过提炼形成技术原理；二是把基础科学中的科学原理转化为技术原理；三是对现有技术原理通过改进、变换或移植形成新的技术原理。

技术方案设计，则是根据技术目标的要求，运用设计理论和方法，把技术原理具体化为技术方案的过程。它是在产品投入和工程施工之前，提供关于产品制造、工程施工的全部图纸和技术文件，是从观念建构向物化建构转化的中间环节。通常，根据技术目标可以提出一组可供选择的方案。就阿波罗工程而言，当时为了完成预定的技术目标曾提出了下述5个可供选择的方案：（a）整个宇宙飞船在月面上软着陆方案，即用巨型火箭将大约15万磅重的宇宙飞船送上太空飞向月球。当宇宙飞船飞近月球时，它会进入环绕月球的一条轨道，然后启动后退火箭，使其在月球表面软着陆。勘探月球的任务完成后，再在宇宙飞船中开启引发火箭，返回地球。（b）地球轨道交会方案，即用两枚大型火箭（“土星5号”）分别发射宇宙飞船和探月船至地球轨道上，再在地球轨道上将它们交会组装起来。（c）一次会合的加油飞机方案，即先发送一枚无人驾驶的携带液氧贮箱的加油飞机火箭进入地球轨道，然后再用一枚“土星5号”火箭将宇宙飞船送上地球轨道，宇宙飞船利用加油飞机作为轨道加油站。宇宙飞船与加油飞机衔接，注满火箭燃料，然后与加油飞机分离，再飞往月球。（d）月球表面会合方案，即首先用火箭将一艘载有额外燃料和供应品的无人驾驶宇宙飞船送往月球表面，待宇航员直接飞行登陆月球后，在返航地球前添加在月球上已预备好的燃料和供应品。（e）月球轨道交会方案，即从地球发射一枚“土星5号”火箭，将载有三名宇航员的宇宙飞船发向月球轨道，宇宙飞船绕月球运行中两名宇航员进入登月舱，驾驶登月舱与母船分离，下降至月面实现软着陆，待考察月球表面后返回月球轨道与母船会合对接，随即抛弃登月舱，再返回地球。

技术方案设计出来后就必须对其进行评价。这种评价不仅要考察技术应用对社会和自然所产生的后果，而且更重要的是要考察各种技术方案的先进性、可靠性、可行性、经济性、适用性和安全性等，并对各种可能的方案进行优化。技术方案的评价有其实际评价的内容：技术评价，即对技术与科学原理和规律的符合与否和程度以及技术方案是否超越了现有的技术水平等做出权衡，避免可能的风险；经济评价，即考察技术可能带来的经济效益和效果；社会评价，即评价技术方案是否符合国家或地区的政策和法令、法规，是否符合当下的道德规范，是否对生态有所影响等等；人类工程学评价，即从操作者、使用者的角度评价方案的合理性、适用性和安全性等。对于阿波罗工程提出的5个方案，起初人们争论不休，但几乎众口一致地反对第五个方案，认为这个方案虽然节省了一枚火箭，但技术极不可靠。后来，建立了数学模型，运用电子计算机进行全面的模拟，分别从性能、飞行成功率、通讯、控制能力、设计难度、完成时间和费用等方面对几个方案进行了分析、比较。结果表明，第一方案性能、通讯、控制能力都很好，但巨型运载火箭却不易研制；第二方案的优点是所用的火箭动力小，由于分开发射，宇宙飞船与探月船不易在太空中对接；第三方案的优点是加油飞机供给全部额外燃料，不必从发射台与宇宙飞船一起发射上去，因而可使用已有“土星5号”火箭，但飞行成功率差，空中加冷却液体氧既复杂又危险；第四方案飞行成功率亦差，主要问题在于无法预知燃料和供应品在月球上是否完好无缺，这些燃料和供应品也可能离载人登月船在月球上着陆的地方很远；第五方案则在技术上比较简单、可行，除“土星5号”外，只需研制载人宇宙飞船、登月舱在月球上的交接技术，特别是研制费用可比其他方案低10%，时间亦可提前数月，即能确保在短期内、费用最少地达到阿波罗工程的预定目标。所以，比较下来，最后还是采用了曾遭众人反对的第五个方案。

确实，第五个方案取得了无比的成功，达到了最优化的结果，使一个非常复杂的大系统工程问题得以圆满解决，1969年7月16日“阿波罗”号飞船终于在美国佛罗里达州维拉尔角肯尼迪宇宙飞行中心发射成功，完成了世界上第一次载人登月飞行。

第三个阶段是技术研制、试验、鉴定与实施。

研制，是指将创造发明的设想、计划、方案等转变为具体物质成果的过程，即发明的物化阶段。研制与发明既有联系，又有区别，两者都是技术创造活动的组成部分。两者的区别是：发明在研制之前，它产生于对事物或技术、方法的钻研，产生于创造性思维及其与钻研精神的结合；而研制则是根据发明的设想及其可行性研究所拟定的实施计划或过程。

在研制过程中，可能会出现始料未及的障碍，或使用现有的技术、方法不能解决问题。这时就需要修改或重新提出发明设想，使发明与研制很好地结合起来。与发明阶段相比，研制所需要进行的工作更为具体，目标和方向更为明确，属于实现成果阶段。

技术试验是按一定的目标，通过各种技术手段，把作为人的思维成果的技术设计方案转变成相应的技术客体的过程。通过技术试验，可以简化和纯化技术对象，或者把技术对象置于极端的状态下，缩短试验周期，提高试验效率，将设计的风险和失误降到最低。在技术方案设计之后，进行综合性的整体试验，可以为设计的评价提供准确、客观的数据。如就阿波罗计划而言，1966年至1968年进行了六次不载人飞行试验，在近地轨道上鉴定飞船的指挥舱、服务舱和登月舱，考验登月舱的动力装置。1968年至1969年，发射了“阿波罗”7号、8号、9号飞船，进行载人飞行试验。主要作环绕地球、月球飞行，登月舱脱离环月轨道的降落模拟试验，轨道机动飞行和模拟会合，模拟登月舱与指挥舱的分离和对接。按登月所需时间进行了持续11天的飞行，检验飞船的可靠性。1969年5月18日，发射的“阿波罗”10号飞船进行了登月全过程的演练飞行，绕月飞行31圈，两名航天员乘登月舱下降到离月面15.2千米的高度。

技术成果鉴定，即是指技术成果的评审。其主要内容包括审查原定任务指标的完成程度及在研制过程中所达到的指标；审查该研究项目的实际意义和适用范围；与国内外现有技术水平比较，作出技术水平的估价；提出能否推广和推广范围的建议等。在这个程序中，如果最后不能通过技术成果鉴定，那么就应回到相应的过程的某一环节上，进行调整工作，以能对后续的程序和环节加以修正。

通过技术鉴定的技术方案就可以转化为实施。技术方案的实施是根据技术设计提供的生产和施工图纸试制新产品，以获取技术研究与开发成果的过程。一般要经过制定实施计划、执行实施计划和检查实施计划等阶段。制定实施计划阶段，包括选择具有一定的生产技能和管理能力的工程技术人员、生产人员和施工人员，选择使用的原材料、生产设备和制造程序，确定具体的技术方法和加工工艺等。要切实地把人、财、物、方法、时间等要素有机地统一协调起来。在执行实施计划阶段，人、财、物各方面的管理人员各司其责，认真贯彻实施计划的每个具体的要求。这主要是个管理的过程，包括质量管理、现场安全管理和成本核算以及员工的思想行为的管理等。检查实施计划阶段虽然时间上稍后，但是必须紧紧地与实施过程的每一个环节相随。实施中的每个细节都要有人及时地检查和监督，密切关注实施过程已经出现或可能出现的问题，以便及时地纠正偏差，确保实施工程顺利完成。

第四个阶段，是对技术应用后果的反思。

技术实施后，在技术应用的过程中，需要根据技术应用的实际效果特别是技术应用的负面效应，对技术认识的整个过程进行不断的反思和评价。这是对整个工程技术认识过程的“反馈”。实际上，在工程技术认识的过程中需要不断地进行这样的“反馈”，包括对技术预测的评估、技术方案的评价、技术成果鉴定以及应用后果的反思和评价等等。但是，在工程技术认识活动的过程中，由于没有很好地进行技术评价而招致麻烦、失败的事例不少。如20世纪70年代初竣工的埃及的大型水利工程阿斯旺水坝，尽管它有效地控制了尼罗河流域的旱涝灾害，改善了尼罗河的航运条件，且能供应电力，对国民经济的发展起了一定的作用。但在水坝设计施工前由于对环境因素评估不够，没有考虑对自然生态平衡的影响并采取相应的措施，从而引起了一系列严重的问题。如大量泥沙和有机质沉于水坝底部，致使尼罗河下游缺乏肥源，土壤变得瘠薄；尼罗河入海口处沙丁鱼食物不足，数量急剧减少；河口三角洲的洼地退缩，影响沿河的军事及工业、民用建筑的安全；下游一些地方的河水变为死水，血吸虫及疟蚊大量繁殖，对居民健康造成很大威胁等。埃及政府为此投入了相当的人力和物力进行相应的补救。然而，却难以消除种种严重的生态负面影响。