像工程師一樣思考：從ATM、路跑晶片到Googl...

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宋同正（台灣科技大學工商業設計系系主任）
謝榮雅（奇想創造董事長）

世界重量讚譽
「在這本睿智、富洞察力且迷人的作品當中，馬德哈文展現了工程師如何把問題轉化為機會。工程師的思維是我們都應該鑽研與擁抱的，它可以應用於我們生活中的每個層面。」
──華特．艾薩克森（Walter Isaacson），《賈伯斯傳》作者

「馬德哈文不僅驅散了關於工程師如何思考的迷霧，這本令人愉悅的書也解釋了這個充滿機器與系統的世界，如何與整體社會的世界互動，在這樣的社會裡，我們都使用工程師發明的工具生活著。」
...

前言　無所不在，卻難以看見的橋樑

沒人曉得她是從哪兒冒出來的。
一九八○年四月的某個下午，在湛藍的天空下，波士頓馬拉松比賽正熱鬧地舉行。街道兩側，布滿了許多騎警隊員和數百名醫療救護人員；一架小型飛機則用噴出來的白煙在空中寫著：「開心享受比賽的樂趣吧！」
波士頓馬拉松的跑道全程共有二十六英里，包含四個相當陡峭的斜坡，但最令人聞之喪膽的是「心碎坡」（Heartbreak Hill），大概位於十九英里處。五千多名參賽的跑者中，通常會有幾百人撐不過這個關卡而結束比賽。
大約兩點半時，波士頓馬拉松傳奇人物羅傑斯（Bill Rodgers）率先穿越終點線，成績為兩小時十二分。羅傑斯已連續三年奪冠。過了幾分鐘後，在一片歡呼聲和喧鬧聲中，一名約莫二十五、六歲的年輕女子，身穿黃白相間的愛迪達慢跑服，用百米衝刺的速度完成賽事，以兩小時三十一分的成績，在所有女子選手中排名第一。
她的芳名是魯伊斯（Rosie Ruiz）。
她為波士頓馬拉松創下新紀錄，並且成為馬拉松史上第三快的女跑者。當領先的其他選手陸續抵達終點時，現場歡呼聲仍持續不斷。一名電視台記者立即宣布兩小時三十一分的成績是「美國的新紀錄」，隨即訪問了魯伊斯。

記　者：妳有史以來第一次參加馬拉松比賽的成績是多少？在哪裡？
魯伊斯：第一次參賽是去年的紐約馬拉松，成績為兩小時五十六分三十三秒。
記　者：妳從兩小時五十六分進步到兩小時三十一分？
魯伊斯：我猜是吧。
記　者：妳的馬拉松成績進步了，妳會歸功於什麼原因？
魯伊斯：我不知道。
記　者：妳有做過大量而劇烈的間歇跑（intervals）訓練嗎？
魯伊斯：其他人也問過我這個問題，我不確定什麼是間歇跑。到底間歇跑是什麼意思？
記　者：間歇跑是一種鍛鍊跑步的方式，可以使妳的速度明顯提升。假如妳從兩小時五十六分進步到兩小時三十一分，大家通常會認為妳做了很多速度訓練。是否有人教導妳或建議妳這樣做？
魯伊斯：沒有，只有我教導我自己。
記　者：魯伊斯，妳的表現實在是太棒了。恭喜妳，魯伊斯，神祕的女子冠軍出爐！

波士頓馬拉松作弊事件：神祕的女子冠軍
然而，賽事官員卻抱持懷疑的態度。魯伊斯看起來既不疲憊，也沒有汗流浹背，更沒有馬拉松選手的體格。在整個賽道的六個檢查哨中，沒有人見過魯伊斯。更重要的是，記錄全程比賽的錄影畫面中，都沒有發現她的身影，而且現場還有一百五十萬名觀眾，以及六百多位記者觀看比賽。
一位目擊者說：「我只看到眼前有一個人，從人群中踉蹌地跑了出來，就在聯邦大道對面的街上，距離終點大概還有半英里左右。她穿著慢跑服，身上掛著號碼布，我還以為是有人跌跌撞撞地晃進了賽道，也許是有點發神經之類的人。」
其他幾個人也都深表同意。
經快速進行背景調查後，結果顯示魯伊斯是古巴移民，在曼哈頓的一家金屬商品公司擔任行政助理。波士頓馬拉松賽事官員也很快地發現，魯伊斯在此之前只參加過一次馬拉松賽事，那就是一九七九年的紐約馬拉松，是波士頓馬拉松的資格賽。一位新聞攝影記者後來回憶，魯伊斯在紐約馬拉松中曾經作弊，搭地鐵到哥倫布圓環（Columbus Circle），再從那裡跑向位於中央公園的終點線。
一九七九年，魯伊斯令人嘆為觀止的造假，讓她「贏得」波士頓馬拉松的參賽資格。但在波士頓馬拉松中，她同樣只跑了最後一英里左右。魯伊斯的立場不變，看起來就像修女一樣誠懇，而且準備好接受大量的測謊。經過將近一星期的調查，波士頓體育協會（Boston Athletic Association）判定魯伊斯作弊，不採信她的成績，並且取消她的參賽資格。
結果，魯伊斯遭到逮捕。
魯伊斯醜聞提供了充足的素材給媒體。美國廣播公司（ABC）深夜現場喜劇節目《星期五》（Fridays）就如此嘲笑：「當她穿著露趾涼鞋、叼著一根菸，穿越全程二十六‧二英里馬拉松的終點線時，賽事官員就起了疑心。」
私下熟識魯伊斯的人告訴媒體：「如果你要求她流下五滴眼淚，她真的會滴下五滴眼淚。」魯伊斯很可能是馬拉松違紀事件中，惡名昭彰的代表人物之一。正如某位《紐約時報》（The New York Times）記者所說：「她的名字就像脆弱的瓷器娃娃般，破損之後又再重新修復。」
對於馬拉松主辦單位來說，魯伊斯事件彰顯出一個難題：她的作弊顯而易見，卻也暴露出一項事實：要監督一場多達數千人的比賽，是一項艱鉅的挑戰。他們要如何防止未來可能發生的造假行為？工程學從原先用來處理兩個不同問題的發明組合中，提供了解決方案。

追蹤列車的條碼掃描系統
一九五九年，美國的鐵路公司面臨一個棘手的問題。鐵道系統包含將近一百六十萬輛貨運列車，鐵路公司官員需要知道每輛列車在每天午夜時的確切位置。這些火車的行蹤意味著公司的營收，但卻缺乏方法追蹤它們的下落。現在需要的是一套能辨識和定位這些貨運列車的自動裝置。
大約此時，柯林斯（David Collins）加入了電子產品公司西爾韋尼亞（Sylvania）的營運研究部門。擁有麻省理工學院碩士學位的他，熱愛當一名工程師。柯林斯非常喜歡工程師的身分，以至於有時候會跟妻子開玩笑說，下輩子他想要創作電視和電影劇本，把工程師寫成超級大英雄。
從一名同事口中，柯林斯得知鐵道公司的難題。大學時代，他曾經在賓州鐵路公司（Pennsylvania Railroad）實習，對鐵路系統有大略的了解。「這個挑戰令我著迷，」他回憶，「我開始在實驗室裡討論對這個計畫的想法。」
每一節火車車廂都標有水平序列編號，由六位數的公司碼及四位數的車廂碼組成。就像西部牧場主人為牛隻烙上印記一樣，這些編碼都有不同的反光顏色，如紅色、藍色和白色，印在不反光的黑底上。另外，這些編碼還有不同的寬度、字體，在車廂上也沒有標準的位置。
火車本身則有不同的尺寸，包括：罐車、篷車、平車等；最後一種有時候是九英尺高的半拖車。這些不一致性，都使得嘗試讀取車廂編號更加困難。列車的行駛速度也不一樣，最快的列車每小時達六十英里，有的列車則緩慢前進，以接近地磅秤。因此，顯而易見的是，需要有動態掃描技術，才能克服這些問題。
「也就是說，你有一套編碼系統，早已準備就緒長達五十年之久，但卻沒辦法獲取你要的資訊，也無法以機器可讀的形式，取得所要的訊息。」柯林斯說，他開始利用私人時間，研究這項專案計畫，最終贏得老闆的支持。總的來說，他表示：「這有點像是用已無人談論的牧場為基礎，所做出的判斷。」
柯林斯的想法是，研發一套光學感應系統，能夠發出白色光束到遠處的代碼，然後將反射回來的信號加以解碼。他專注於基本的設計元素，例如編碼的圓點大小（光束可投射和反射的特定區域）、掃描速率（要達到準確讀取，編碼每一秒需要讀取多少次），以及範圍深度（掃描儀器最遠可讀取的範圍）。
初步的實驗結果令人很火大。柯林斯的同僚史地蒂斯（Frank Stites），也是一位工程師，對於這個難題也深感挫折。然而，讓他們靈光乍現的機緣，就這麼誕生了。史地蒂斯激發柯林斯開始去想：「為什麼不把編碼標籤貼到側邊一點？」這真是個聰明的點子。
垂直掃描代碼，也就是把原本類似柵欄的排列方式，轉換成梯級的樣式，結果顯示這是一種技術上非常優異的替代方案。柯林斯設計出一種附有旋轉鏡子的行動光源，取代以穩定的白色光束瞄準通過的列車，後者的做法通常只能碰碰運氣。柯林斯的掃描儀器現在能夠從有顏色的編碼裡，持續接收讀取到的樣式，並且破解列車的訊息。
接著，其他問題也一一浮現：在面對變化莫測的列車速度時，掃描儀器能否確實可靠地運作？當下雪、下雨和起霧時，是否能完成感應？假如編碼表面有髒汙，掃描是否仍會準確無誤？
「你沒辦法在實驗室裡測試，」柯林斯說，「必須要到戶外用真正的列車車廂實驗，但我們連鐵路也沒有。」
柯林斯在專用的鐵路線附近設立測試基地，這條火車路線用來搬運材料，把建材從新罕布夏州拖運到波士頓地區，作為州際擴建工程之用。這條路線的火車通常一天會穿越測試基地一次，柯林斯可以利用這個機會，在數百輛貨運列車上，勤奮地測試掃描儀器和發條裝置的精準度。他把這台掃描儀器取名為「白光條碼系統」（KarTrak）。在隨後的幾年中，柯林斯用氦氖雷射取代白光，藉以提升這套條碼系統的性能。到了一九六七年，這套條碼系統的實際應用，已經開始擴展到整個鐵路業。
最終的結果是？柯林斯的條碼系統，已成為一種可以從遠處讀取條碼的多用途技術。

從香皂到咖啡罐都適用的統一商品代碼
一九七○年代，某一天早上，勞勒（George Laurer）駕著他的雪佛蘭Nova金屬綠色轎車，沿著羅利‧貝爾特萊恩（Raleigh Beltline）公路行駛。他回想起大學畢業後，曾和大學好友沿著東海岸一起免費搭車旅行的時光。他們當時身無分文，亟需一份工作。對工程師來說，一九五○年代初期的就業市場，即使不能說嚴峻，也是相當蕭瑟。勞勒已經準備好接下能付給他每小時超過一‧五美元的工作。在面試之前，他會到當地派出所，詢問是否能幫忙刷洗廁所。數月後，勞勒在IBM找到一份不錯的差事，並且在IBM度過整個職業生涯。
勞勒現已退休，神情安祥寧靜，長得有點像好萊塢老牌明星霍爾布魯克（Hal Holbrook），看起來皮膚蒼白、滿頭銀髮，而且眉毛濃密。在他鄉下房子裡的書房，有如文藝復興時期工作坊的現代版，裡面包含他的各種收藏，有機械工具、電子零件、技術手冊，以及各式各樣的書籍，如《焊接完全手冊》（Complete Book of Welding）、《戶外工程》（Outdoor Projects）、《美國郵票冊》（American Stamp Album）、《車身維修與烤漆基礎》（Basic Bodywork and Painting）、《TurboCAD參考手冊》（TurboCAD Ref¬erence Manual）、《從零開始製作模型飛機》（Building Model Airplanes from Scratch）。天花板上則懸掛了一架用輕質木材製成的飛機模型。
一九七○年代初期，庫存管理效率不彰，使整個食品雜貨業陷入癱瘓。許多公司都需要一套能省錢的方法。有一個想法是使用條碼系統，追蹤食品雜貨產品。由亨氏食品、通用食品、克羅格公司、通用磨坊、聯合食品、費爾蒙特食品、必治妥施貴寶等公司高層主管所組成的委員會，廣發英雄帖，希望徵集設計追蹤條碼的提案。一九七一年，IBM接受了這項挑戰。
勞勒被指派負責這項專案計畫，並在他的上司指示下，支援同心圓環形碼，俗稱「公牛眼碼」（bull’s-eye code），這種編碼是由另一位工程師在幾年前所開發。「我努力實驗了一、兩天，」勞勒回憶，他很快就確信，這種設計無法滿足食品雜貨業的需求。
條碼的大小必須是不超過一英寸半的正方形，而且要讓人類和電子儀器容易讀取。接著，這種編碼本身必須能印製在各種怪異尺寸的產品上，像是香皂、早餐穀片盒、咖啡罐等。十位數字的條碼必須是全向性的，並具有至少九九‧九九五％的精確度，這意味著每賣出兩萬個物品，只能有一個錯誤。此外，符合這些標準的過程中，不能增加食品的生產成本。在種種嚴格的限制下，勞勒開始研究解決方案。
冒著丟飯碗的風險，勞勒違反主管的指令，開始著手打造一種更好的方法。他設計的條碼包含十個垂直的黑色與白色條紋，而且寬度不同。深黑色的條碼會吸收光線，而白色條碼則會反射光線。光學感應器可以接收這種反射光，並轉換成電脈衝，再由電腦來處理。
為了展示勞勒設計的條碼原型如何運作，一名王牌壘球投手以他最快的速度，把貼有條碼標籤的豆袋菸灰缸，拋過讀取機的上空。結果，每一個豆袋菸灰缸都能被完美讀取。事實上，勞勒團隊的表現遠超過食品雜貨業的期待，錯誤率低至二十萬分之一。他的產品已準備就緒。條碼評選委員會為勞勒的發明興奮不已，稱之為統一商品代碼（Universal Product Code），並在一九七三年時成為整個產業的標準。
幾個星期後，「黃金雞」的問題浮出檯面。雜貨店的肉品部門缺乏機制，驗證產品的計費價格是否與店經理資料夾內的實際價格相符。缺乏二次確認，意味著電腦也許偶爾會少收客人幾毛錢，也有可能會多收一千元。「我們了解到的另一個事實與人性有關，」勞勒說明他的觀察，「大部分的人願意諒解年輕甜美的櫃檯小姐，把一‧八九美元的商品，算成一‧九八美元；卻不會原諒一台機器把一磅的雞肉算成九九‧九九美元，即使如此嚴重的錯誤從來未被發現。人們就是無法原諒機器犯的錯。」
透過把確認價格的數字加入統一商品代碼中，勞勒解決了這個問題。隨著時間推移，更多的測試，加上標籤印刷技術的進步以及詳細的收據，基本上，已經消除了種種難題。因此，庫存管理和結帳過程獲得大幅改善。
「這就只是坐下來思考每個可能的解決方案，一步接一步，一個又一個，而且要有信心，肯定有一個解決方案就在那裡，而你一定可以找到，而不是說，哦，我沒辦法解決。」勞勒說道。

隱而不現，卻重新定義你我生活的工程思維
柯林斯的掃描技術與勞勒的統一商品代碼，誕生於不同的情況，並在不同的壓力下獨立設計出來。最終，這兩者匯集在一起，而創造出條碼。這種機會主義的組合，使商品銷售發生革命性的劇變，並建立了現代供應鏈體系。隨著條碼的實施，大量新穎且令人興奮的應用，以往被認為無法預期，現在卻已成為事實，而且我們都視為理所當然。
從加州酪梨到厄瓜多爾的香蕉，每個容易腐爛的商品現在都有一個永垂不朽的條碼。這是因為工程師如柯林斯與勞勒，有條理地將問題轉化為機遇，才使這一切變得可能。他們的發明是經過深思熟慮、訓練有素、能接受新的想法，但也以現實生活為基礎。從錯誤和運作不良中學習，並予以修正的過程，與創見本身同樣重要。
工程師能協助創造解決方案的空間，也就是說，有好幾種可能性，能夠提供新的選擇、便利性與舒適感，這些都重新定義了我們的生活水準。隨著工程師在現代世界中幾乎每個層面都留下了足跡，可見其所從事的職業具有深遠的影響。工程師能夠探勘新的機會、推動經濟、決定我們重大的命運，但他們在每一次的談話中，都是默不作聲的人，而且是促使我們的經驗與世界連結的隱形中間人。而這正是矛盾所在：工程設計無所不在，但卻看不見。往往得等到飛機墜毀、橋樑彎曲變形、建築物傾頹瓦解，或是技術失敗，才會討論到工程設計。
正如《紐約客》（The New Yoker）撰稿人西布魯克（John Seabrook）富有說服力的說法：「住在現代高樓大廈的居民中，鮮少有人知道承重柱擺放的位置，以及它們如何被支撐住。也很少有人了解到居住的建築物究竟是框架結構或筒狀結構，幾乎沒有一個人會檢查天花板磁磚，查看頭頂上的樓層與垂直柱如何連接和固定。所有的決定，都是由該棟建築物的結構工程師所計算出來。不公開高樓大廈的結構工程師姓名，就是獎勵他的聰明才智。摩天大樓所呈現的驚人景致，部分在於它們明顯不受地心引力影響，不只是高聳而已，而且是聳立雲霄絲毫不費吹灰之力。」從飛機上俯瞰地面上四英里高的物體，你可以看到的都是大自然和工程系統。由地面仰望直入雲端的景觀，同樣也是如此。
工程設計的思維模式，一向抗拒簡單的定義。正如英特爾（Intel）前董事長暨執行長貝瑞特（Craig Barrett）所解釋：「工程設計的思維模式是一種嚴謹且系統化解決問題的能力，可以將工程師與其他人區分開來，其他人也許是比較哲學思維、好辯，或是生活態度較不切實際。我認為，正因為如此，工程師往往不僅擅長於工程界，在工程以外的領域也表現得很成功。」
工程設計的思維模式，就像一種隨插即用的電子設備，也是一個全方位且多用途的工具箱。這是因為「工程師可謂是整合者，能夠把多種知識流匯集成點子，」史丹佛大學工學院前院長普拉姆（Jim Plummer）說，「工程師總是在可能性、可行性及嚮往性的交集點上幹活。」
工程設計的心態是系統化卻綜合性的。從文化的角度來看，工程師猶如我們所稱的「世界音樂」般，充滿多樣性。在本書之中，我將利用許多工程師，帶領你從標準化控制開始，一路探索到工程設計思維的模糊地帶。在這趟有關各種學問的涉獵之旅中，我們將會經過一些風景優美的路線，證明工程師有能力把情感轉化為成品。我也會提醒，有時候像工程師一樣思考時，可能會有一些風險。總之，我們將還原工程設計的思維模式，並仔細斟酌你可以應用在生活中的實際層面。

工程設計的堅持不懈
一九八○年的波士頓馬拉松比賽結束不久後，柯林斯接到紐約路跑協會（New York Road Runners）的來電。該協會有興趣進一步探究在馬拉松比賽中，使用條碼來追蹤選手的想法。柯林斯回憶，當下他馬上駁斥這個主意。「我說，這並不是一個好點子，它不是。那麼就算了吧。」可是，紐約馬拉松創始人勒博（Fred Lebow）卻很堅持。
勒博聯絡了位於波士頓的柯林斯。他們找了一群人穿著慢跑服，繞著一棟大樓跑步。柯林斯嘗試使用「白光系統」儀器的各種方法，來掃描跑者衣服上的條碼標籤。然而，柯林斯的掃描設備用在貨車上是可行的，但卻無法用在人身上。因為人類是無法預測的，會被汗水浸濕，而且他們身上的標籤會往四面八方飄動。柯林斯很快就想到了一個點子：等選手快要抵達終點線時，就掃描他們身上的標籤，並且要求他們排好隊，因為當他們正在跑步時，要讀取標籤實在相當麻煩。如此一來，在可接受的準確度下，賽事官員便可決定參賽選手的完賽時間。
柯林斯解開了大型賽事的重大難題，也就是準確地記錄時間和選手的相對位置。但他無法直接解決魯伊斯造假的問題。另一個有創意的工程師花了接下來的幾年時間，以不同的技術，即無線射頻辨識系統（Radio-Frequency Identification，RFID），讓馬拉松比賽變得更有智慧，並且能偵測出犯規行為。近年來，電子晶片已經嵌入參賽選手的衣服或鞋子裡。依據不同的賽事，每位運動員都能被即時追蹤，而且在一瞬間就能夠辨識。
「我自己也穿著有條碼的衣服，跑了幾次馬拉松比賽，因為我對客戶支援問題非常感興趣。我認為這是非常有趣的經驗。可以肯定的是，這種『超乎常理』的應用，是我不太能預見的東西。」柯林斯表示，關於跑馬拉松，「你知道的，任何人都可以做到，但它需要的是堅持不懈……就像工程設計一樣。」

前言　無所不在，卻難以看見的橋樑

沒人曉得她是從哪兒冒出來的。
一九八○年四月的某個下午，在湛藍的天空下，波士頓馬拉松比賽正熱鬧地舉行。街道兩側，布滿了許多騎警隊員和數百名醫療救護人員；一架小型飛機則用噴出來的白煙在空中寫著：「開心享受比賽的樂趣吧！」
波士頓馬拉松的跑道全程共有二十六英里，包含四個相當陡峭的斜坡，但最令人聞之喪膽的是「心碎坡」（Heartbreak Hill），大概位於十九英里處。五千多名參賽的跑者中，通常會有幾百人撐不過這個關卡而結束比賽。
大約兩點半時，波士頓馬拉松傳奇人物羅傑斯（Bill ...

前　言　無所不在，卻難以看見的橋樑
第一章　擊碎舊時代的大砲──組合與配對
第二章　如何讓十萬輛汽車消失？──最佳化
第三章　遍布世界每個角落的ATM──效率與可靠性
第四章　從意外發現到百倍量產的盤尼西林──有彈性的標準化
第五章　全世界最潔淨的恆河──條件限制下的解決方案
第六章　國會殿堂裡的工程師──跨越與適應
第七章　底片公司誕生的第一台數位相機──製作原型
第八章　讓孩子用番茄醬畫出微笑──向他人學習
後　記　每個人都是工程師，解決生活每個棘手的難題
資料來源

前　言　無所不在，卻難以看見的橋樑
第一章　擊碎舊時代的大砲──組合與配對
第二章　如何讓十萬輛汽車消失？──最佳化
第三章　遍布世界每個角落的ATM──效率與可靠性
第四章　從意外發現到百倍量產的盤尼西林──有彈性的標準化
第五章　全世界最潔淨的恆河──條件限制下的解決方案
第六章　國會殿堂裡的工程師──跨越與適應
第七章　底片公司誕生的第一台數位相機──製作原型
第八章　讓孩子用番茄醬畫出微笑──向他人學習
後　記　每個人都是工程師，解決生活每個棘手的難題
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