伍强精品课堂:用科学的方法指导工作

作者:尹军琪 时间:2022/02/23 来源:伍强智能科技

什么是科学的方法

        [百度] 科学方法是人们在认识和改造世界中遵循或运用的,符合科学一般原则的各种途径和手段,包括在理论研究、应用研究、开发推广等科学活动过程中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。在心理学中,主要是指利用科学思维从事科学研究,从而得出所研究对象的本质和规律。人们正确认识世界改造世界的根本方法包括:对称方法(含对称逻辑思维方式、对称平衡方法)、五维空间方法、复杂系统论方法、还原论与整体论相统一的方法、公理方法、典型分析方法、规范与实证相统一方法、逻辑与历史相统一方法、抽象与具体相统一方法、原创理论与经世致用的科学评价标准等。这些方法作为人们正确认识世界改造世界的根本方法,也是人们进行任何一门科学研究必须应用的方法。

        用科学的方法得出的结论应是客观的,可以被重复呈现的,只要具备了一定的条件。这一点对于系统和产品设计有很大的提示作用。科学的方法论有物理和数学理论作为基础,它用定量的方式直接回答了系统的行与不行。用科学的方法进行系统设计,既可以通过数字仿真进行验证,也可以通过过实验进行验证。实践检验是最直接和最原始的方法,也是最有效的方法。但有时因为试验的难度太高,或代价太大,在设计阶段完成整个系统的试验是无法做到的。

        科学的方法不是只凭借经验,更不是凭借拍脑袋,而是建立在严密的逻辑推理及数学分析的基础之上完成的。比如,当我们要设计一个建筑结构时,对于承重的购件设计,首先要满足力学要求,可以通过有限元分析,对于比较复杂或重要的结构,有必要进行试验。当我们要设计一款物流设备,如穿梭车,则计算、仿真、试验皆不可少,此外,疲劳试验也非常重要。对于需要支撑数十万甚至一百多万次作业的设备,如穿梭车和KIVA,其关键零部件的耐久性试验尤为重要,也直接影响到产品的质量和可靠性。

        科学的方法和思维有利于我们破除迷信,敢于质疑前人的成果,敢于创新,并推动人类科技的不断发展。

标准的制定和意义

        什么是设计与产品的标准呢?通俗的讲,即设计所需要满足的基本条件和要求。如堆垛机设备的设计标准,要满足包括机械、电控、维护、环境、运输、安装、用电、基础、安全性等在内的多方面的条件和要求。设计标准是前人经验的总结,或者是实践检验的结果,其最大的优势在于使设计更加合理和科学,避免出现一般性的错误和重复错误,以及在应用过程中增强设备或零部件的通用性等。在制造领域,标准化程度的高低,既影响制造质量和成本,也决定了制造业的总体水平。

        比如,堆垛机的设计中,有一项指标是巷道的宽度d。巷道宽度要保留多少才安全?一方面要看托盘的尺寸,第二则要看安全间隙是多少。安全间隙不仅要满足堆垛机正确运行的需求,又要考虑托盘从入库、存储、出库等过程中的安全性等问题。正常情况下,托盘本身尺寸和货物尺寸要符合标准,其误差不能太大。此外,还要考虑的问题包括码垛的规范性,托盘在运行过程中的垛型保持,货架安装的误差,货叉停准的误差,以及堆垛机停准的误差等。设计规范则是在考虑以上要求后,给出一个建议的尺寸,可用于设计者参考。

        在物流系统集成过程中,我们经常遇到标准化问题。设计过程的标准化是第一个环节,也是最重要的环节。可以从几个方面领会标准化的意义。

        产品选型的标准化:体现在产品的规格型号,什么样的选型是符合标准的呢?有很多指标。如性能指标、可靠性指标、可购买性和可维护性指标、安全指标、用电指标、元器件指标、接口等。其中性能指标最为复杂,既有熟知的有关尺寸、速度、精度、噪音等指标,也有诸如使用寿命等隐形指标。

        性能指标的要求:标准化的一个重要方面是给设计的产品提供一个或多个门槛。如A级产品、B级产品、C级产品等,其门槛是不一样的。这样的目的主要在于为产品设置一定的门槛,为用户提供一个选择的机会,避免鱼龙混杂。物流装备行业是一个竞争激烈的行业,也是一个几乎没有门槛的行业,所以低价竞争、恶意低价竞争成为影响行业发展的毒瘤。在这种情况下,唯有建立标准,明确产品的性能指标,才能使产品的差异化得到体现,确保用户的利益和行业的健康发展。

        有关表达方式的标准化:这在设计中几乎是通用的。一项设计,往往是通过文字和图纸来进行表达,表达的方式不同,效果也就不同。标准的意义在于提供一个一致的表达方式,使别的读者可以迅速的理解设计的内容。

        人们对于设计标准化的要求,还在于尽量使设计变得简单和简练。比如说零部件或产品的种类规格尽量的少,以便于采购、生产、安装、维护变得更简单;比如说产品的零部件尽可能地具有通用性,设计的产品易于加工、运输、安装、维护等。标准化的在一定意义上可以使产品更加稳定可靠,通过减少规格,减少设计量,从而实现规模化生产,从而使生产成本大幅度下降。

用理论指导实践,用实践完善理论

        科学的方法,一方面在于用理论指导实践,另一方面在于通过实践不断完善理论,使理论升级。人类认识自然、认识世界、改造自然、改造世界的过程其实就是如此。理论的形成,是一个归纳、总结、抽象、提升的过程,是人类智慧的成果。用理论指导实践,指导设计,我们就会有条不紊的推动工作的进展,并且在具体工作中,应用科学知识进行指导。比如要设计一座桥梁,在确定基本跨度、载荷的前提下,我们首先要对桥梁的结构形式进行规划设计,要对每一个设计方案进行各种工况下的力学分析,必要时还要通过仿真试验,验证设计的可行性,从而确定桥梁的主体结构。桥梁一旦建成,我们还要进一步通过实测,对实测数据与理论值进行比对,看看他们之间的误差是多少,从而提出修正意见,或为未来的设计提供参考。

        以最简单的货架设计为例,货架的设计尽管简单,但其力学分析却并不容易。包括横梁的连接方式,载荷的处理,计算模型的建立等。一般情况下,理论计算与实际必然存在误差,只有不断修正,计算结果才能与实际逐渐逼近。

        理论是一个不断抽象的结果,为了叙述方便,或求解方便,往往要对实际的结构和边界条件进行简化,而这种简化的结果必然会差生误差。如何修正这种误差,目前来看,只有试验和实际测量才能解决。计算机仿真技术可以解决部分问题,但计算机仿真建模也是需要对现场情况进行简化才能完成,所以,理论上计算机仿真也是存在误差的。

        有时,实践的结果与理论差异甚大,这是就要考虑对理论进行修正。很多科学发现就是在这种情况实现的。我读大学时,有幸聆听了叶开沅教授的板壳理论课程,在进行板壳大挠度变形理论的学习中,了解到板壳大挠度变形主要是由二阶及以上变量所引起。这个发现也是由于实践而完成的。一般弹性力学的处理,是舍弃二阶及以上变量的影响的,但在板壳理论中,二阶变量及以上变量却起到了决定性作用。叶先生也因此成为影响一代人的力学大师。

        人类的认知总是受到自身能力的限制,而不可能尽善尽美,或毫无纰漏。很多情况下,设计者并不能穷举所有情况,从而使设计留下漏洞。只有通过实践的验证,很多问题才会浮出水面,从而为进一步完善提供方向。计算机软件设计尤其如此,不管测试如何全面,却与实际总存在差距,由于问题的暴露需要长时间的积累,所以软件系统的完善会是一个相当长的时间。这也可以解释为什么一个优秀的软件工程师,其经验是非常重要的。

重点攻关(关键技术,关键零部件)

        科学方法在实际应用中,除了科学理论外,也包含一些方法论。这在物流系统设计和产品设计中随处可见。无论是一项产品设计还是一项工程设计,往往会遇到一些难以克服的难题,这些难题如果不能克服,则设计难以成功。难题成为影响项目和产品是否成功的障碍。比如在早期的起重机设计中,钢丝绳就是一个难题。众所周知,钢丝绳在整个起重机的占比非常小,但重要性非常高。一旦钢丝绳出现断裂,就是非常严重的事故。因此,钢丝绳的研究成为起重机研究的重点和难点之一,也成为一个重要的研究领域。据我所知,原来的华中科技大学杨叔子院士就是研究钢丝绳探伤的著名专家。

        如何应用科学的方法对重点攻关技术进行指导,也有很多方面。科学的方法,有时也比较笨拙。比如产品的耐久性测试,就是一个典型的例子。我国的工业产品,客观的说,有很多是不过关的。比如我们天天使用的门锁或水龙头,就是一个典型。为什么全世界认为德国的门锁会比其它国家的要好呢?我遇到的一个例子也许可以回答这个问题。这是一个德国品牌的生产工业门的公司,他们的产品号称永不损坏,我开始也很疑惑,他们如何做到?但在参观他们工厂时,就突然明白了。在工厂有一个专门的试验装置,用于测试门的活页和门锁,每一项新的设计,都要经过这样的测试,每个测试要求达到100万次以上才算合格。如果不行,就要反复修改设计,直到达到为止。我当时就在想,我国的门锁和水龙头生产企业,如果都能做这样的研究和测试,而不是简单的抄袭复制,其品质也是可以达到很高水平的。我们常常对当下的浮躁风气予以批评,但就是没有人去做笨功夫,不按照科学的方法行事,所以只会永远的批评下去,而看不到有所改变。

        我国已经是一个制造业大国,但如果不能在生产贯彻科学的精神,采用科学的手段,就有可能永远不能摆脱低端制造的命运。其实,所谓低端与高端制造,其差距也许就在于是否采用了科学的方法。有些东西,如很多的工业产品,可以通过钱买来,但更多的东西,并不是钱可以买来,如knowhow、如品质、如能力、如核心技术,需要一代人一代人不断地追求,不断探索,不断完善,不断迭代,才能获得。

现场的维护管理策略

        无论是供应商还是用户,都有一个不切实际的想法,即一劳永逸。需要知道的是,世界上没有一项完美无缺的工程,也没有一台永不损坏的机器,故障和缺陷是不可避免的,要接受这种故障和不完美。且不说一个复杂的物流系统,就是一辆自行车,也是需要不断保养和维护,才能保证其持续的可用性。

        如何用科学的方法指导现场运维问题,也是一项非常重要的课程。

        首先,要理解故障是不可避免的,而不是心存侥幸。因此,加强维护保养非常重要。要及时监测系统的运行情况,一旦出现异常信号,要及时干预。建立远程的现场信号监控很有必要,运用AI对成千上万的系统进行实时监测,可以提前对故障进行预警。

        其次,要对故障进行预测,并制定相应的应急措施。例如,我们要对重要数据进行备份,对软件系统进行备份,要对易损件提前预备,这是故障后快速维修、恢复系统所需要的。在整个系统设计中,除自动化系统外,要保留一定的柔性,如增加平置仓库、电梯,以应对临时的故障等。不能等到故障发生时才想办法,这样就来不及了。

        第三,要有底线思维,在故障状态下,系统不能影响生产的正常进行。即故障可能会使系统暂停,或降低效率,但不能影响正常的生产。

        需要指出的是,承认系统和产品的缺陷和不完美,并非是要推卸责任,为产品的缺陷找借口。我们所讲的缺陷和不完美是指超出人们现有认知和能力的部分,而并非产品已知的部分。比如,产品的设计没有达到标准的要求,或性能指标没有达到合同的要求,就是一项不合格的产品,这与产品的缺陷和不完美并非一回事。我们所指的缺陷,主要是由于材料、软件、现场条件的不确定性和不可预知性带来的。如零部件的使用寿命,一旦超出预期,就可能导致功能失效;软件在没有预计到的工况出现时出现的BUG;设备需要保养,如果保养不及时,有可能导致故障,零部件本身存在缺陷,使用不 符合规范等。

        任何产品都会对使用环境有要求,作为使用者,要明白产品不是万能的。比如对温度的适应性,有常温和低温的区别,常温的产品在低温下可能就不能很好的工作,反之亦然。又如很多现场不规范,对自动化提出了挑战。如标签、周转箱、托盘的规范性,就会严重影响产品的使用。一种科学的方法是要尽量使现场条件满足产品的要求,而不是置之不理。

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