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今书网 -> 其他类型 -> 猫头鹰的万花筒 第九十九夜 大东方号（一）
- 现在，建模十分普遍，而且被认为是理所当然的，以至我们通常不会意识到它是一个相对现代的发明创造。
我们无法想象有哪一段时间，它不是工业过程或科学活动中必不可少、不可分割的特征。
数个世纪以来，各种各样的模型被建造出来，尤其是在建筑领域，但它们通常主要被用来阐释一件实物的美学特点，而非作为一个比例模型来测试、调查或展示正在建设中的系统的动力学或物理学原则。
最为重要的是，它们通常都是按比例建造的，这意味着每一个具体的部件都与完整规模成固定比例，如1∶10，就像地图一样。
模型的每个部分都是被“建模”的实际大小的船只、教堂或城市按线性比例缩小后的表现。
这用于美学和玩具没有问题，但还不足以用于了解真实系统是如何运作的。现在，从汽车、建筑、飞机、船只到交通堵塞、流行病、经济和天气，每一个可设想到的过程或实体对象都可以在计算机上进行模拟，以作为实物的“模型”。
我前面曾讨论过经特殊饲养的老鼠是如何被当作按比例缩小后的人类模型以用于生物医学研究的。
在所有这些例子中，重要的问题是，你如何现实地、可靠地把从模型系统上得到的结果和观察所得按比例放大到实物上。
其实，这一思维方式可以追溯到19世纪中叶一位谦虚的工程师对未来如何避免重蹈覆辙的不可思议的洞见，这要从一个失败的船只设计开始讲起。
“大东方号”
失败和灾难会为推动科学、工程学、金融、政治及个人生活的创新、新观念、发明带来巨大的动力与机遇。
造船业的历史、建模理论的起源就是如此，一位名字响当当的非凡人物所扮演的角色也是如此，他便是伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔（Isambard Kingdom Brunel）。
2002年，BBC（英国广播公司）进行了一项全国性的民意调查，选出“100位最伟大的英国人”。或许可以预料到的是，丘吉尔位列第一，戴安娜王妃位居第三（当时距离她去世仅5年），其后是达尔文、莎士比亚和牛顿，这三人令人印象深刻。
那么谁位居第二呢？不是别人，正是非同寻常的伊桑巴德。
当我在英国以外的地区演讲提到伊桑巴德时，我经常会问听众听没听说过他。最好的情况是只有一小部分人举手，他们通常是英国人。
我随后告诉他们，根据BBC的民意调查，伊桑巴德超过了达尔文、莎士比亚、牛顿，甚至列侬和贝克汉姆，是英国历史上第二伟大的人物，听众大笑起来。更为重要的是，这件事促使我们自然地去进一步思考与科学、工程学、创新和规模法则相关的一些挑战性问题。
那么，谁是伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔呢？他为什么如此有名？
许多人把他视作19世纪最伟大的工程师，他的想象力和创新，尤其是对交通领域的贡献，帮助英国成为世界上最强大、最富有的国家。
他是一名真正的工程学博学者，并强烈反对专业化的趋势。他通常会参与项目的各个方面，从概念创意到绘图的细节准备，实地展开测绘，并关注设计和制造的细枝末节。
他的成就数不胜数，留下了大量的建筑遗产，包括船只、铁路、火车站，以及壮观的桥梁和隧道。
伊桑巴德1806年出生于英国南部的朴次茅斯。1859年，他在并不衰老的年龄便去世了。
他的父亲——马克·布鲁内尔（Marc Brunel）出生于法国的诺曼底，同样也是一位多才多艺的工程师。
当伊桑巴德只有19岁时，他们便合作在一条可通航的河流下方建造隧道，即伦敦东部罗瑟希德区的泰晤士河隧道。这是一条步行隧道，现在已经成为一个主要的旅游景点，几乎每年都有近200万人每人花费1便士横穿这一隧道。
与许多地下通道一样，它不幸成为流浪汉、抢劫犯、妓女经常出没的地方，到1869年最终被改造成一条铁路隧道，成为时至今日仍在使用的伦敦地铁系统的一部分。
1830年，24岁的伊桑巴德赢得了一次十分激烈的竞争，在布里斯托尔的埃文河峡上修建一座吊桥。这是一个富有雄心的设计，桥梁直到他去世5年后才最终完工，它所跨越的距离是全世界最长的（702英尺，高出河面249英尺）。
伊桑巴德的父亲并不相信跨越距离如此之长的桥梁存在现实可行性，他建议伊桑巴德为这座桥修建一个中央支撑，但被伊桑巴德忽视了。
这座桥是1830年他年仅24岁时设计的。
伊桑巴德之后成为大西部铁路（当时被称为世界上最好的铁路，从伦敦至布里斯托尔及更远地方）的首席工程师和设计师。在这个岗位上，他设计了许多壮观的桥梁和隧道（如巴斯附近的博克斯隧道是当时全球最长的铁路隧道），甚至火车站，如许多人都熟悉的伦敦帕丁顿火车站，它拥有无与伦比的锻铁工程。
他最吸引人的创新之一是为火车轨道引入了宽度为7英尺0.25英寸的宽轨。
当时，全英国使用的都是4英尺8.5英寸宽的标准铁轨，这一标准也为全世界所采用，今天几乎所有铁路仍在使用这种宽度的铁轨。伊桑巴德指出，标准铁轨是矿山铁路的武断延伸，而矿山铁路是在1830年世界上首列乘客列车出现之前便已经存在的。
它的轨道宽度只不过是由矿山中不同通风井之间拉动车厢的马车决定的。
伊桑巴德正确地意识到，应该认真考虑最适宜的轨道宽度，并理性看待这个问题。
他宣称，经过他的计算，并经一系列试验和试运行的验证，他所提出的宽轨是最优化的尺寸，能够提供更快的速度、更强的稳定性，以及更好的乘客舒适性。
由此，英国大西部铁路成了一条独一无二的铁路，它的轨道宽度是其他铁路线上的轨道宽度的近两倍。不幸的是，1892年，在全国铁路系统改进之后，英国议会强迫大西部铁路使用标准铁轨，尽管标准铁轨被公认为很差劲。
很明显，我们今天也同样面临类似的问题，创新优化与历史先例决定的统一标准之间存在不可避免的矛盾和妥协，尤其是在快速发展的高科技产业。
铁轨宽度之争为我们提供了一个信息量颇丰的研究案例，它表明创新改革或许并不一定会带来优化解决方案。
尽管伊桑巴德的项目并不一定完全会取得成功，但它们都包含着针对存在已久的工程学问题的创新解决方案。
或许，他最伟大的成就（同时也是失败之处）便是造船。随着全球贸易的发展，相互竞争的帝国建立起来，发展快速、高效的远距离海洋运输方式的需求变得越发迫切。
伊桑巴德构想了一个伟大的计划，要实现大西部铁路和他新组建的美国西部汽船公司之间的无缝换乘，乘客可以在帕丁顿火车站买票，在纽约市下船，整个路途都依靠蒸汽机驱动的动力。
他异想天开地把这称为海洋铁路。然而，人们都认为，单纯由蒸汽机驱动的轮船不可能在携带够整个旅程所需燃料的情况下还为商业货物留有足够空间，这在经济上不可行。
伊桑巴德的想法则不同。他的结论建立在简单的规模法则基础之上。
他意识到，一艘轮船的载货量会随着轮船的尺寸按照立方倍数增长（就像其重量一样），而它在水中行驶时所需的拖曳力则会随着船体横截面面积的增长而增长，即随着尺寸按照平方倍数增长。
这就像伽利略关于梁和四肢的强度如何随体重的增长而缩放变化的结论一样。
在这两种情况下，相对自身重量的增长，其力量的增长速度要缓慢得多，因为这要遵守2/3次幂规模法则。
因此，轮船行驶中每单位载货量所受到的流体的拖曳力会随船体长度的增长而成正比地减少。
或者换句话说，轮船越大，引擎能够克服的阻力每增加一倍，其载货量便会系统性地增加。或者再换句话说，与一艘小轮船相比，一艘大轮船运输每吨货物所需的燃料会成比例地减少。
因此，大轮船比小轮船更节能高效，这是规模经济的另一个绝佳例子，而且给全球贸易和商业的发展带来了巨大的影响。
尽管这些结论都是非直观的，普罗大众也并不相信，但伊桑巴德和美国西部汽船公司都深信不疑。
伊桑巴德开始大胆地设计公司的第一艘轮船——“大西部号”，这也是第一艘专门为跨越大西洋而建造的汽船。
它是一艘由木材制成的蒸汽轮船（还有4个备用船帆，以防万一），在1837年建成后，是当时世界上最大、最快的轮船。
在“大西部号”成功落成及大轮船比小轮船更加高效的规模法则被证实之后，伊桑巴德开始建造另一艘更大的轮船，史无前例地将最新科技和材料整合在同一设计之中。
1843年开始建造的“大不列颠号”由钢铁而非木材制造，由两侧明轮改为了尾部螺旋桨。如此一来，“大不列颠号”便成为所有现代轮船的雏形。
它比此前制造的所有轮船都要长，是第一艘跨越大西洋的由螺旋桨带动的钢铁船。
现如今，你还可以看到整修一新的“大不列颠号”，它就保存在伊桑巴德建在布里斯托尔的干船坞内，这里也是它的原产地。
在征服大西洋后，伊桑巴德将注意力转向更大的挑战——将新生的大英帝国的遥远触角连接起来，以巩固其作为世界主导力量的地位。
他想要设计出一艘轮船，能够不间歇地从伦敦直达悉尼，再从悉尼返回伦敦，中间无须再添加燃料，只使用一次装载的煤炭（这是在苏伊士运河开通之前）。
这意味着这艘轮船要有两倍于“大不列颠号”的长度，达到近700英尺，排水量（实际上就是它的重量）将是“大不列颠号”的近10倍。
它被命名为“大东方号”，于1858年开始制造。直至50年后的20世纪，才有别的轮船达到它的规模。
为了让大家对这一尺寸有个概念，我们可以做一对比，150年后，航行在今日大海上的超级油轮的尺寸只有“大东方号”的两倍。
然而，不幸的是，“大东方号”并不成功。
尽管直至20世纪人们才再次达到这一令人惊叹的工程学成就的水平，但它陷入了与伊桑巴德其他成就相似的遭遇中，如工期耽误及预算超支等。更加尖锐的问题是，“大东方号”在技术上也不成功。
它既笨重又难看，即使在中度波浪中也摇晃不已，而且行驶速度很慢。
令人吃惊的是，它的效率也不高，因此从未被用于建造之初的目的，即运输大量货物和旅客往返于印度与澳大利亚之间。
在被耻辱性地改造为布缆船之前，它只执行过少量跨大西洋的航行任务。
第一条具有柔性的跨大西洋海底的通信电缆就是由“大东方号”于1866年铺设的，使得欧洲和北美之间的可靠通信成为可能，并由此为全球通信业带来了革命性的变化。
“大东方号”最终成了利物浦一座浮动的音乐厅和一块广告牌，并于1889年被拆卸。
当初的宏大愿景落得如此下场令人慨叹。
这一切是如何发生的？由有史以来最优秀、最具创造力的实践者之一负责监督的如此伟大的构想如何就成了一片狼藉？
“大东方号”绝不是第一艘设计糟糕的轮船，但它的庞大身躯、它的创新构想及相对于其严重低效的巨大成本使得它成为一个引人侧目的失败。
威廉·弗劳德和建模理论的起源。
当系统失败或设计未能达到人们的预期时，问题通常来自多种多样的因素，包括糟糕的计划和执行、错误的工艺或材料、糟糕的管理，甚至概念性理解的缺乏。
然而，也有像“大东方号”这样的重要案例，它失败的主要原因是，它的设计缺乏对基础科学和基本规模法则的深刻理解。
事实上，在19世纪下半叶之前，在大多数手工艺品的制造过程中，科学和规模缩放都没有发挥重要作用，更不用说轮船了。
也有一些例外，最显著的是在蒸汽机的发展过程中，对压力、温度和蒸汽容量之间关系的理解助力推动了大型、高效的锅炉设计，使得工程师能够思考制造像“大东方号”这般尺寸、能够航行全球的轮船。