冗余而不“多余”，航空航天的備份思維

文／李崢嶸

中國“天問一號”將在五月底擇機著陸火星。此前，探測器在火星軌道上運行了3個月，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”，準備它接下來的登陸工作。我們滿懷期待迎接這一光輝時刻。近年來，中國航空航天事業取得了一個又一個成就，我們借此機會介紹一下航空航天中的冗余思維，希望對學習者有所啟發。

冗余設計保證成功

冗余，在日常生活里是一個貶義詞，指多余、重復、啰唆、不需要的部分，但是在工程系上卻是一個有意為之的設計，這個概念是由“計算機之父”和“博弈論之父”約翰·馮·諾伊曼在20世紀50年代提出的，是指人為增加的重復部分，目的是用來對原本的單一部分進行備份，以達到增強其安全性的目的。

在航空航天領域，需要保證出了故障也能正常運行，不會危及整個任務，因此常常需要把一些關鍵的組件安放一個以上，萬一其中一個壞了，就會有另外一個備用的方案，機器（或者系統）依然能夠正常運轉，甚至可以在機器的運轉過程中修復或者替換那個壞掉的組件。

比如，近日成功發射了最新一批60顆星鏈衛星的SpaceX的“獵鷹9號”火箭，就配備了9個引擎，每個引擎之間都有充足的隔離空間，如果一個引擎出了故障，航天器也能完成任務。這個設計曾在2012年挽救了一次航天任務，當時“獵鷹9號”在一次發射中有一個引擎失靈，但是其他8個引擎持續轟鳴，飛行計算機關閉了有故障的引擎，調整了火箭的飛行軌道，并讓火箭任務順利完成。

《像火箭科學家一樣思考》指出，在航天器上的計算器也會使用冗余裝置，比如說航天飛機上的計算器有4臺計算機在運行著同樣的軟件，如果有1臺計算器發生了故障，輸出錯誤數據，其他3臺計算器就會采用一個多數投票系統，把它排除在外。

在生活中很多工程設計上都有類似的設計，比如說醫院會有備用的電源，汽車有備用的輪胎、緊急制動裝置。冗余思維運用到我們的學習生活中就是常說的“有備無患”，比如由于天氣原因，戶外教學取消了，有沒有其他的備用方案？學校可能會改成室內教學，甚至啟用網絡課程。對個人來說，你的學習有沒有冗余設計？如果考試及格線是60分，那我們的目標可以定到70分，留點分數冗余；如果考試時間是2個小時，那練習時間就要控制在一個半小時，留點時間冗余。在學習的各個方面，你都要思考：需要做出什么樣的準備來保證，如果某一部分出了問題，整個學習計劃系統還能夠繼續執行。

獨立運行系統再加一層保險

《像火箭科學家一樣思考》還提到，航空航天的冗余思維里不只是要配備不同的方案，甚至還有一個獨立的運行系統，比如一架航天飛機有4臺計算機，但是都運行相同的軟件，如果有一個軟件出了錯誤，4臺計算機都會同時癱瘓，所以航天飛機還配備了第5個不同于前4臺計算機軟件的備用飛行系統。如果是4臺主計算機使用的相同的軟件出了錯誤而癱瘓了的話，就會啟動備用系統，依然可以安全地將航天飛機送回地球。

這對我們學習的啟發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，一旦某一個方法行不通，就要轉換思路，尋找其他完全不同的思維方式。

冗余思維是一種保險措施，但是如果額外的冗余增加太多的話，也會無謂地增加復雜性、重量和成本，比如說飛機配的是4個引擎，那為什么不能加24個引擎呢？因為這樣成本就太高了，飛機票會昂貴到一般人都坐不起。比如“獵鷹9號”火箭配備了9個引擎是最優設計，但是能運送64噸物質進入近地軌道的獵鷹重型火箭，安裝的發動機就必須多達27個！少的話不夠安全，再多又增加成本。

過度的冗余也可能會降低可靠性，增加了額外的故障點。比如說波音747的各臺引擎，如果沒有正確隔離，一臺引擎發生故障就可能傷害其他的引擎，但是每增加一臺引擎，風險也會增加。所以，波音777的飛機就只安了兩臺引擎。

我們在學習中也是如此，學習計劃要考慮到各種可能的意外，但是考慮過多也是浪費時間。