4
Банкоматы расширяют наши возможности в трех направлениях: во времени, когда банковские услуги становятся доступными круглосуточно независимо от графика работы отделений банков; в пространстве, когда деньги можно снять вне пределов этих отделений; в удобстве, когда владельцы банковских карт могут снимать наличные в любое время в любой стране мира, что и было первоначальным замыслом Шепард-Баррона.
Принципы работы банкоматов, не говоря уже об автомобилях, основаны на надежности. За последние несколько лет интенсивность отказов банкоматов существенно снизилась благодаря параллельным алгоритмам обнаружения ошибок в программном обеспечении, которое обрабатывает транзакции, и избыточностям в сети банкоматов. Средства защиты банкоматов тоже значительно улучшились. Наши транзакции защищены и выполняются на сверхбыстрых скоростях, даже если банкомат должен отправить запрос группе связанных систем, которая может быть расположена очень далеко от него.
А теперь представьте, как огромная финансовая корпорация должна справляться с окружающими ее рисками. "Мы – операторы гигантских систем", – говорит Чэд Холлидей, председатель правления Bank of America и бывший СЕО компании DuPont. Информационная безопасность чрезвычайно важна для противодействия любым киберугрозам. Такие решения должны быть устойчивыми, гибкими и требовать максимальной безопасности и нескольких резервных уровней. "Вообразите, какая бы началась паника в случае сбоя работы этих систем – допустим, у людей исчезли бы все деньги со счетов, – поэтому все нужно делать как следует", – добавляет Холлидей. Общие принципы безопасности одинаковы и для аттракциона в парке развлечений, и для банковского счета. Существует конструктивное требование, согласно которому инженерам всегда нужно принимать дополнительные меры предосторожности, предусматривать устойчивые к отказам варианты, включать средства резервирования и обеспечивать избыточность. Не зря же шутят, что инженеры носят одновременно и брючные ремни, и подтяжки.
Техническая катастрофа может включать в себя ряд неисправностей, но хорошие инженеры сосредоточатся на поиске и устранении ее основной причины. У каждой аварии – своя судьба и свой урок для будущих поколений. Крушение лайнера "Титаник" стало большой человеческой трагедией, а ее первопричина заключалась в несовершенных переборках, которые поддались напору вод Атлантического океана в первое плавание корабля в 1912 году. Более того, из-за глупых эстетических соображений (нежелания загораживать вид с палубы) и пагубной, самонадеянной уверенности в том, будто "Титаник" непотопляем, количество спасательных шлюпок на борту оказалось ужасающе ничтожным. Результатом стала колоссальная системная катастрофа.
Это были намеренные, смертельно опасные проектные решения – то, что инженеры назвали бы агрессивными компромиссами, когда безопасность потеряла свою приоритетность, так как ее оттеснили на второй план несколько других факторов. Но противоположное по характеру понятие – консервативные компромиссы – помогло добиться огромных улучшений в характеристиках безопасности разработанных позже судовых систем, даже на более крупных круизных и контейнерных лайнерах. Сбои в работе неизбежны, но сделать систему максимально безопасной – высшее проявление способностей машины или человека.
В случае спортивных автомобилей можно явно пойти на небольшой компромисс в безопасности ради повышения мощности. Это не значит, что агрессивные компромиссы – негативная стратегия проектирования, а консервативные – наиболее благоразумный подход. Есть несколько гибридных принципов проектирования между агрессивными и консервативными компромиссами, которые применяются для создания автомобилей, призванных удовлетворять различные предпочтения клиентов. В идеале их должна объединять одна и та же цель, а именно: как можно эффективнее избегать сбоев в работе.
Например, как объясняет Норман Огастин, ушедший в отставку СЕО компании Lockheed Martin, в производстве космических летательных аппаратов нельзя отозвать продукцию из магазинов, как делают автопроизводители. "Если обнаружена проблема, они могут изъять из продажи 6 млн автомобилей, и это, конечно, ужасно. Но в нашем деле, если эта чертова ракета взорвется, никого уже не вернешь", – резюмирует он. Огастин подчеркивает, что для аэрокосмической отрасли концепция надежности сродни воздуху. "В бизнесе в большинстве случаев можно махнуть рукой на некоторые вещи, и ничего страшного не случится. Но с природой такой фокус не пройдет. Если вы ошибетесь, то заплатите за ошибку, причем за каждую, – говорит Огастин тоном человека, просто констатирующего факт. – Вы как инженер получите объективную оценку".
На инженеров оказывается непрестанное давление, чтобы они все сделали правильно, если на кону стоят жизни людей. Когда мы едем по мосту или полагаемся на медицинский прибор, момент ненадежности нам совершенно ни к чему. "Я когда-то жил в Техасе, и там проводили конкурсы чили, – вспоминал Огастин. – Судьи выбирали чей-то чили, руководствуясь исключительно вкусом. Ну и ну! А в аэрокосмической отрасли так нельзя: ваша ракета может нравиться всем, но если она не понравится природе, все кончено. Вы обречены".
Обеспечивать надежность непросто, учитывая, что наша жизнь полна неопределенности. Инженеру остается только отыскать все источники неопределенностей и попытаться минимизировать их, не упуская при этом из виду уроков, которые можно извлечь в последнюю минуту. "В конце концов вам придется нажать на кнопку, чтобы запустить ракету, – говорит Огастин. – Нельзя ждать, пока все неопределенности проявятся". Так было с первым полетом на Луну; исключалось прилунение на какой-нибудь валун, но в 1960-е годы не было технической возможности узнать, где там что находится. Надежность решения так же существенна, как само решение, и наряду с эффективностью она – основной ингредиент в доверии общества к инженерии.
* * *
Большинство инженерных продуктов представлены в форме хай-тек и "хай-тач", как выразился физик Митио Каку; они обогащают желания и потребности людей. С помощью банкомата Шепард-Баррон нашел эффективное инженерное решение для сочетания аспектов хай-тек и "хай-тач" в одном продукте. Хай-тек – это невероятная глобальная сеть систем управления банкоматами (или бесперебойно работающая банковская инфраструктура, о которой говорил Чэд Холлидей), позволяющая нам совершать финансовые транзакции с помощью практически любого банкомата. "Хай-тач" говорит о получаемом вами удовлетворении, когда вы вынимаете наличные и кладете их себе в карман. Вы вставляете карточку, вводите PIN-код, забираете деньги и уходите, причем на все это тратите считаные секунды. Это и есть эффективность и надежность!
Глава 4
Гибкая стандартизация
1
Изготовить что-то в одном экземпляре легко.
В 1928 году в лаборатории британского биолога Александра Флеминга произошло нечто странное. В одну из чашек Петри с культурами стафилококка случайно попала грибковая плесень и уничтожила эти патогенные бактерии. Флеминг назвал эту плесень пенициллином.
В 1929 году он опубликовал статью в British Journal of Experimental Pathology, где указывал на потенциал пенициллина как антибиотика. Сначала реакция на открытие Флеминга была прохладной. Почему? Да просто никто не знал, как выделить пенициллин химическим путем, чтобы он приносил пользу в клинических условиях. Флеминг почти забросил свои опыты. В течение последующих 10 лет ученым из Оксфорда Эрнсту Чейну и Говарду Флори все же удалось выделить пенициллин и сообщить о его лечебном действии, но способ, как его запустить в массовое производство, они найти не могли. Еще несколько исследовательских групп занимались аналогичным поиском, но, увы, тоже без особых успехов.
Задача стала особенно актуальной после авианалета на Перл-Харбор в конце 1941 года: во время Второй мировой войны требовалось чрезвычайно много пенициллина, но препарата в больших количествах просто не существовало. Например, в 1942 году фармацевтическая компания Merck & Co. использовала почти половину от общего запаса пенициллина в США для лечения сепсиса (опасной для жизни инфекции) всего у одного пациента! Кроме того, на каждый курс лечения нужно было множество доз, потому что пенициллин очень быстро выводится из организма человека. Чтобы сэкономить запасы антибиотика, некоторые врачи даже прибегали к повторному использованию пенициллина, выведенного с мочой пациентов.
Много лет спустя Флеминг на лекции сказал: "Это судьба загрязнила мою чашку Петри в 1928 году; судьба привела Чейна и Флори в 1938 году к исследованиям пенициллина вместо других антибиотиков, которые были тогда описаны, и именно судьба рассчитала время так, чтобы их работа принесла результаты в военное время, когда потребность в пенициллине была особенно острой".
Флеминг три раза повторил слово "судьба": в первый раз – говоря о счастливом случае, обусловившем его открытие; во второй – в связи с упоминанием о Чейне и Флори; а в третий – в высказывании "именно судьба рассчитала время так, чтобы их работа принесла результаты в военное время, когда потребность в пенициллине была особенно острой". Именно эта судьба, как вы вскоре убедитесь, была, возможно, еще важнее, чем случайное открытие Флеминга.
2
Однажды в 1942 году из окна седьмого этажа выпрыгнула женщина. Ей было 27 лет, рост – 160 см, вес – 54 кг. При падении она пробила крышу из сосновых досок и приземлилась на голову со скоростью 64 км/ч, отделавшись рваными ранами кожи головы. "Жертва получила ссадины в области грудного отдела позвоночника и косой внутрисуставный перелом шестого шейного позвонка", – гласило медицинское заключение. Женщина выжила и была доставлена в больницу, где в тот же день пошла на поправку.
Автора этого заключения, Хью Дехейвена, поразило то, что у крыши оказались более серьезные повреждения, чем у женщины. Дехейвен документально оформил еще семь попыток самоубийства или случайно полученных травм, чтобы понять, каковы физические пределы человеческого организма и что он способен вынести. Впервые эта тема заинтересовала Дехейвена после аварии 1916 года, в которую он попал, когда ему было 22 года. К тому времени Дехейвен успел проучиться в Корнелльском и Колумбийском университетах, где изучал инженерное дело; затем он подал заявку в армейскую авиацию сухопутных войск США. Но ему отказали, и тогда Дехейвен добровольно вступил в Канадский королевский летный корпус в качестве летчика-курсанта.
Однажды во время летной практики Дехейвен столкнулся в воздухе с другим учебным самолетом. В результате свободного падения со 152-метровой высоты Дехейвен получил разрыв печени, желчного пузыря и поджелудочной железы, а также переломы ног. Он постоянно задавался вопросом: как же он смог выжить, если второй летчик погиб? Почему один и тот же несчастный случай привел к разным последствиям? Этот вопрос заложил фундамент для возникновения области анализа аварий и выживаемости, на которой основаны средства безопасности современных транспортных систем.
В последующие годы Дехейвен работал над повышением ударопрочности автомобилей, при этом принимая во внимание принципы упаковки товаров. Предназначение коробок и контейнеров – противостоять действию различных сил и тем самым защищать свое содержимое. Как писал Дехейвен, основной принцип таков: "Упаковка не должна открыться или разрушиться под воздействием на нее силы, приложенной в разумных или ожидаемых пределах, и должна защитить находящиеся в ней предметы от повреждения". Далее Дехейвен действовал исходя из понятия "внутренней упаковки", которая помогла бы предотвратить повреждения содержимого "от удара по внутренней части самой упаковки". Дехейвен добавил, что для достижения оптимального уровня безопасности инженер, разрабатывающий упаковки, "не стал бы тестировать упаковочный ящик, роняя его с высоты [всего] 10–20 см".
Применяя модульное мышление с его структурой, ограничениями и компромиссами, Дехейвен разделил системы автомобиля на сегменты согласно их элементам безопасности: содержимое (container, C), крепления (restraint, R), поглощение энергии (energy management, E), окружающие условия (environment, E) и послеаварийные факторы (postcrash factors, P). Первые буквы названий каждого элемента составили аббревиатуру CREEP, которая заложила основу исследований ударопрочности. Сравнение пассажиров в автомобиле с "хрупкими ценными предметами, не закрепленными внутри контейнера", в конечном итоге привело Дехейвена к тому, что он запатентовал конструкцию трехточечного ремня безопасности, входящего сегодня в стандартную комплектацию автомобилей в большинстве стран.
Конструкции ремня должна была отличаться от плечевого ремня безопасности, который, как Дехейвен знал по собственному опыту, был эффективен для летчиков-истребителей, но не для пассажиров автомобилей. Хотя преимущество плечевого ремня состояло в том, что он закреплял верхнюю часть туловища и ограничивал "чрезмерное движение вперед", он был неудобным и слишком стеснял пассажира. А ремень Дехейвена можно было натянуть поперек бедер и через плечо, минимизируя потенциальные травмы головы во время аварии. Ремни безопасности ежегодно помогают сохранить десятки тысяч жизней, существенно уменьшая количество смертей и травм в расчете на милю пути и, таким образом, значительно повышая безопасность дорожного движения.
Но давайте ненадолго вернемся к исследованиям Дехейвена. Его испытуемые добровольно выпрыгивали из окон и приземлялись на голову, что невольно заставляет задуматься, а действительно ли его исследования носят научный характер, ведь некоторые даже открыто называли его чокнутым. Наука должна опираться на воспроизводимые результаты. Пуристы могут утверждать, что испытуемые Дехейвена были не совсем адекватными. И таки да, кое-кто из них пытался совершить самоубийство, но неудачно. Я сомневаюсь, что при нынешних законах протоколы исследований Дехейвена одобрила бы комиссия по этике. Это была не наука в ее чистом виде, а практика, приносящая данные.
Трудно "в полной мере осознать тот факт, что голова весит столько же, сколько кувалда массой 4,5 кг, и несет такую же огромную энергию при ударе об опасный предмет на скорости 64–80 км/ч, – писал Дехейвен. – Если голова на таких скоростях ударяется о твердую структуру, которая не вдавливается и не поддается, поддастся сама голова, и избежать черепно-мозговых травм с размозжением в подобной ситуации будет невозможно. Но если удар головы на таких скоростях придется на легкую, пластичную поверхность, даже довольно крепкая металлическая поверхность вдавится, согнется и поглотит энергию удара, тем самым снижая риск перелома черепа и сотрясения". В 1946 году Дехейвен продемонстрировал в ходе известного эксперимента, что подушка толщиной 3,81 см не даст яйцам разбиться даже при их падении на нее с высоты 45,7 м.
Наблюдения Дехейвена показывают, как проектирование путем проб и ошибок предшествовало организованной науке при создании новой системы знаний. Дехейвен изменил наши представления не только об общественной безопасности, но и заставил по-новому взглянуть на охрану здоровья. В сущности, работа Дехейвена помогла изменить устоявшуюся практику автомобильных конструкторов, производителей самолетов и автокресел, превратив ремни безопасности в неотъемлемую часть систем безопасности их продукции. Центры по контролю и профилактике заболеваний в США назвали ремни безопасности одним из десяти величайших достижений в области охраны общественного здоровья.
3
Маргарет Хатчинсон родилась в Техасе. Решив пойти по стопам отца, она стала инженером, окончив Университет Райса. Позже, в 1937 году, она защитила диссертацию на тему "Воздействие растворяемого газа на сопротивление жидкостной пленки при абсорбции газа" и стала первой женщиной, получившей степень доктора философии в области химических технологий в Массачусетском технологическом институте.
При этом Хатчинсон была заботливой женой и матерью. "Нагревание, охлаждение, мытье, сушка – все это работа по дому. Но, когда их нужно выполнять в колоссальных масштабах, требуется все продумывать и планировать; это и есть химическая технология, – однажды сказала она журналисту. – Когда на химическом заводе проводится фракционная дистилляция при тщательном контроле температуры для правильного разделения углеводородов, этот процесс вполне сравним с выпечкой торта, – пояснила она. – А когда делаешь дома мороженое, это во многом похоже на управляемую кристаллизацию в промышленности".
Хатчинсон рано добилась успехов в карьере инженера, спроектировав процесс изготовления синтетического каучука и работая над системой производства высокооктанового топлива для реактивных истребителей. Кроме того, она руководила нефтехимической установкой в Персидском заливе. Оценив все эти достижения, ей предложили участвовать в проекте массового производства пенициллина.
Выделение пенициллина из плесени – изнурительное дело. "Плесень обладает темпераментом капризной оперной певицы, выход пенициллина невелик, выделять его трудно, экстракция – сущий кошмар, очистка грозит катастрофой, а результаты количественного анализа неудовлетворительны", – жаловался один из руководителей компании Pfizer. Такой была задача, которую поручили Хатчинсон.
Вместо того чтобы проектировать и создавать аппарат для химических реакций с нуля, что предполагало больше времени, денег и неопределенности, Хатчинсон предпочла то, что уже работало. Некоторые исследователи обнаружили, что плесень с дыни канталупы может быть эффективным источником пенициллина, и Хатчинсон решила сфокусироваться на этом. Ее команда пересмотрела процесс ферментации, используемый компанией Pfizer при производстве таких пищевых добавок, как лимонная и глюконовая кислота из сахаров, с помощью микробов. Хатчинсон помогла оперативно реконструировать заброшенную ледоделательную фабрику в Бруклине, превратив ее в промышленное предприятие. В ходе глубинной ферментации образовывались большие количества плесени; для этого смешивались сахар, соль, молоко, минералы и посевной материал с применением процесса химического разделения, в котором Хатчинсон прекрасно разбиралась благодаря опыту в сфере нефтепереработки.