微分分析仪故事
哈明的系统工程第一法则：如果你优化组件,你可能会破坏系统性能。
他用自己的工作故事来说明这一点。他操作了一台微分分析仪——一台通过机械积分求解微分方程的模拟计算机。需求增长了,所以订购了第二个单位,将其与第一个相连,以便两者可以分别或一起工作。
建造者们为自己的工艺感到骄傲,改进了新单位中的放大器。哈明坚持:任何改进都不能干扰整个系统的运行。在验收那天,他进行了经典测试:求解 y'' + y = 0,画出 y 对 y' 的图形,期望得到完美的圆。结果立即失败。
原因:改进的放大器通过接地电路吸取了更多电流。不充分的接地在原始放大器中工作良好,现在允许漏电流在子系统之间耦合。一个组件(放大器)的改进降低了接口(接地)的性能,系统失败。
修复很简单——更粗的铜接地——但原理很清楚:组件改进改变了其接口行为。系统的其余部分是围绕旧接口设计的。改进组件,打破接口,降低系统。
识别组件优化
哈明说,这条规则"似乎很合理,如果你让一个孤立的组件更好,那么整个系统就会更好"——但它是错误的。失败是由接口介导的:组件的改进改变了接口看到的信号。
接口优于组件
哈明的实际结论:系统工程师必须首先设计和验证接口,其次是组件。完美的组件但接口破坏是无用的。规格良好的接口中的平庸组件可以稍后改进。
法则2:系统的边界条件(约束)通常比这些边界内的最优值更重要。设计为在预期操作点最大化性能的系统通常是脆弱的:超出预期范围的小偏差会导致故障。设计为在广泛范围内安全运行——有明确定义的约束——的系统是稳健的。
例子:为恰好100 Mbps流量在25°C下设计的通信系统,如果流量尖峰到110 Mbps或温度上升到40°C,将失败。设计有约束"在任何低于60°C的温度下利用率不得超过90%"的系统更有用,即使其峰值性能稍低。
系统工程师的工作:不是单独优化A或B,而是作为一个整体优化A+B+C...,受约束的限制。
教育系统:失败的系统工程
哈明将他自己的原理应用于教育。几十年来,大学优化了各个数学课程:微积分被精简为其要点,线性代数被清理和紧凑了。每门课程,单独评估,看起来更好。
但从系统的角度看,出现了很大的差距:
- 数学归纳法:高中后几乎没有提及。
- 复数:在代数中简要介绍,然后在线性代数后期出现复特征值时才避免回避。学生同时面对两个新的、困难的想法,没有任何先前的准备。
- 未定系数:简要提及。
- 不可能性证明:几乎完全缺失。
- 离散数学:在很大程度上被忽视。
每个组件(每门课程)的优化创建了接口差距:课程之间缺少概念桥接。系统的输出——受过教育的工程师和科学家——受到了影响,尽管每门课程的输出指标改进了。
抵抗修复破碎部分的自然冲动
哈明的观察:很容易说出关于系统工程的正确词汇。当时刻来临时,很少有人真正能做到。
系统失败时的自然反应:识别最明显破坏的组件并修复它。这是组件思维。系统失败是由于涉及组件、接口和约束的相互作用的原因——但最可见的失败通常在单个组件处。
系统工程师的纪律:在修复可见的故障之前,问:为什么系统在这个组件处产生这个故障？组件实际上是性能不足,还是被系统的其余部分要求在其设计范围外操作？修复组件症状会使系统故障保持完整。
大型组织中的通信瓶颈遵循这种模式:一个部门通信不良(可见的故障)。组件修复:雇用更好的沟通者。系统修复:重新设计信息流架构,以便需要更少的通信来实现相同的协调。
系统诊断
区别:组件修复治疗症状。系统修复治疗原因。原因通常涉及系统的结构——存在哪些组件、什么接口连接它们、什么约束约束它们的操作。