冗余而不“多余”，航空航天的备份思维

文／李峥嵘

中国“天问一号”将在五月底择机着陆火星。此前，探测器在火星轨道上运行了3个月，国家航天局4月底也公布了中国第一辆火星车名称——“祝融号”，准备它接下来的登陆工作。我们满怀期待迎接这一光辉时刻。近年来，中国航空航天事业取得了一个又一个成就，我们借此机会介绍一下航空航天中的冗余思维，希望对学习者有所启发。

冗余设计保证成功

冗余，在日常生活里是一个贬义词，指多余、重复、啰唆、不需要的部分，但是在工程系上却是一个有意为之的设计，这个概念是由“计算机之父”和“博弈论之父”约翰·冯·诺伊曼在20世纪50年代提出的，是指人为增加的重复部分，目的是用来对原本的单一部分进行备份，以达到增强其安全性的目的。

在航空航天领域，需要保证出了故障也能正常运行，不会危及整个任务，因此常常需要把一些关键的组件安放一个以上，万一其中一个坏了，就会有另外一个备用的方案，机器（或者系统）依然能够正常运转，甚至可以在机器的运转过程中修复或者替换那个坏掉的组件。

比如，近日成功发射了最新一批60颗星链卫星的SpaceX的“猎鹰9号”火箭，就配备了9个引擎，每个引擎之间都有充足的隔离空间，如果一个引擎出了故障，航天器也能完成任务。这个设计曾在2012年挽救了一次航天任务，当时“猎鹰9号”在一次发射中有一个引擎失灵，但是其他8个引擎持续轰鸣，飞行计算机关闭了有故障的引擎，调整了火箭的飞行轨道，并让火箭任务顺利完成。

《像火箭科学家一样思考》指出，在航天器上的计算器也会使用冗余装置，比如说航天飞机上的计算器有4台计算机在运行着同样的软件，如果有1台计算器发生了故障，输出错误数据，其他3台计算器就会采用一个多数投票系统，把它排除在外。

在生活中很多工程设计上都有类似的设计，比如说医院会有备用的电源，汽车有备用的轮胎、紧急制动装置。冗余思维运用到我们的学习生活中就是常说的“有备无患”，比如由于天气原因，户外教学取消了，有没有其他的备用方案？学校可能会改成室内教学，甚至启用网络课程。对个人来说，你的学习有没有冗余设计？如果考试及格线是60分，那我们的目标可以定到70分，留点分数冗余；如果考试时间是2个小时，那练习时间就要控制在一个半小时，留点时间冗余。在学习的各个方面，你都要思考：需要做出什么样的准备来保证，如果某一部分出了问题，整个学习计划系统还能够继续执行。

独立运行系统再加一层保险

《像火箭科学家一样思考》还提到，航空航天的冗余思维里不只是要配备不同的方案，甚至还有一个独立的运行系统，比如一架航天飞机有4台计算机，但是都运行相同的软件，如果有一个软件出了错误，4台计算机都会同时瘫痪，所以航天飞机还配备了第5个不同于前4台计算机软件的备用飞行系统。如果是4台主计算机使用的相同的软件出了错误而瘫痪了的话，就会启动备用系统，依然可以安全地将航天飞机送回地球。

这对我们学习的启发就是保持思维的开放性和弹性，不能人与亦云，不能一条道走到黑，一旦某一个方法行不通，就要转换思路，寻找其他完全不同的思维方式。

冗余思维是一种保险措施，但是如果额外的冗余增加太多的话，也会无谓地增加复杂性、重量和成本，比如说飞机配的是4个引擎，那为什么不能加24个引擎呢？因为这样成本就太高了，飞机票会昂贵到一般人都坐不起。比如“猎鹰9号”火箭配备了9个引擎是最优设计，但是能运送64吨物质进入近地轨道的猎鹰重型火箭，安装的发动机就必须多达27个！少的话不够安全，再多又增加成本。

过度的冗余也可能会降低可靠性，增加了额外的故障点。比如说波音747的各台引擎，如果没有正确隔离，一台引擎发生故障就可能伤害其他的引擎，但是每增加一台引擎，风险也会增加。所以，波音777的飞机就只安了两台引擎。

我们在学习中也是如此，学习计划要考虑到各种可能的意外，但是考虑过多也是浪费时间。