第 3.4 章 - 參考架構
在第 4.0 章開始設計過程之前，我們將介紹另一個設計元素。這是一個名為 **參考架構** 的共享框架。它用作特定專案和設計的起點。專案類別，如木工車間和獨棟住宅，具有相似的目標和功能。這些類別中共享的元素，如木材儲存或浴室，可以使用現有設計和經驗，而不是每次都進行新的設計。
參考架構提供了一套完整的這些元素，但特定專案可能不會使用所有這些元素。因此，木工車間可能不包括木材幹燥棚，或者房屋不包括音樂室。無論選擇哪些元素，架構框架都會幫助組織和跟蹤專案的各個部分。它還為將複雜系統或專案分解成更小、更簡單的部分提供了起點。
專案類別參考架構描述了它們的關鍵字、關係和特徵。然後，通用架構被定製，併為給定專案添加了細節。使用架構可以節省工作量，因為每個示例不必重複所有前期工作，並且可以確保不會遺漏關鍵專案。它還有助於透過為 **專案利益相關者**（對專案感興趣的各方）和在跨不同專業領域工作的專案人員提供共享的語言和理解來避免混淆。
對於需要先進技術的專案，包括一些自我改進系統，該架構透過 **技術成熟度**（TRL）幫助識別任何所需的新技術、使用這些技術的技術風險及其當前開發狀態。對於專案經理來說，它透過組織所需的專案元素和任務，幫助儘早估計成本和時間表。有關更多詳細資訊，請參閱 Cloutier 等人，**參考架構的概念**，2010（PDF 檔案）。
自我改進系統的許多部分將具有往昔的歷史、經驗和示例。這些現有設計和元素可以按原樣使用，也可以根據特定專案進行調整。其他部分可能需要新的設計，甚至在嘗試設計之前需要進行研究和開發。參考架構提供了一種跟蹤什麼可用以及專案每個部分需要做什麼新工作的方法。
隨著自我改進系統元素的新設計積累，架構提供了一種儲存和組織它們以供以後重複使用的方法。由於我們的書籍包含一系列逐步的示例專案，因此我們希望以這種方式在這些專案之間重複使用它們的某些部分。
**類別和架構** - 過去的專案通常屬於類別，這些類別具有足夠多的共同需求，可以實現共享解決方案。土木工程的一些示例包括橋樑、摩天大樓和公共道路。對於橋樑，我們有桁架、拱形和懸索型別的子類別。這些都有可重複的設計流程，即使特定位置的細節會有所不同。
橋樑是相對簡單的系統，主要設計為安全地跨越其跨度承載負載。摩天大樓更加複雜，不僅要處理承載，還要處理供暖和製冷、照明、水和衛生設施、資訊科技和其他系統。因此，它們與橋樑有足夠的差異，可以將其歸入具有不同架構的單獨類別。
術語 **架構** 首先僅指結構的物理和審美設計，以及其各部分與整體的關係。在現代工程使用中，我們將術語 **系統架構** 應用於任何複雜系統的整體設計，系統元素彼此之間的關係，以及系統執行的外部世界。
複雜系統或系統類別的架構本身很複雜。因此，無法從單一圖紙或描述中完全理解。通常，架構透過多種方法進行記錄，包括文字檔案和圖形 **檢視模型**。以文字形式，系統架構包括頂層目標、設計原則、系統描述、元素與系統環境之間的高階互動、一般元素要求和元素描述。
圖形資料包括各種表格和抽象圖表、工程和透檢視、計算機模型和模擬，這些模型和模擬可以主動檢視和操作。系統架構的支援資料顯示了它是如何得出的。它包括資料來源、支援概念選擇的分析以及從目標到較低元素的跟蹤。
**用於變化的架構** - 本書中描述的故意設計的自我改進系統是一個新的設計類別，還沒有有效的示例。大多數過去的設計都是固定的，就像房屋平面圖或特定年份的汽車設計一樣。改進的系統從一個起點發展到一個預期的成熟狀態，或者沒有終點是開放式的。人們已經建造了不斷演變的人工製品，例如發展成城市的定居點，但這些變化通常不是從一開始就計劃好的。
我們需要一種能夠處理持續和重大變化的不同架構。本章的剩餘部分展示瞭如何開發這種架構，並展示了一個用於這些書籍中自我改進系統示例的初步版本。由於這些型別的系統是新的，因此參考架構是初步的。隨著諸如本書中的專案和應用程式的開發以及在它們的增長和操作中積累經驗，它應該被更新和擴充套件。
在設計專案或程式之前，您需要知道它打算做什麼。**設計目標** 是設計師想要或需要的頂層輸入。**設計原則** 是達到這些目標的高階方法、規則和方法。原則示例是“將對人身和環境的影響風險降到最低”。當您開始進行具體的應用程式和專案時，一般目標會用特定的設計要求進行補充，但那是在以後。
在設定自我改進系統的整體設計目標以及這些書籍中的示例時，我們從一個基本理念開始，即為其成員提供需求和願望的文明比不提供的文明更好。物質需求包括食物、住所和公用事業等物品，這些物品對於維持生命和保護環境是必要的。這些基本需求幾乎每個人都共用。願望包括非強制性物品，例如個人選擇如何支配自己的時間、居住地和穿著方式。每個人的願望可能差異很大。
后豐裕 - 必須花所有時間從事不喜歡的工作，僅僅為了滿足物質需求，這是不可取的。選擇更適合或更有趣的工作，擁有更好的工作條件，或者根本不需要工作就能滿足需求，這些都是更可取的。如果一個文明能夠提供超過滿足所有人需求，甚至滿足他們部分慾望的足夠產品和服務，同時不強迫人們做他們不想做的事情或做出不可取的選擇，我們就稱之為后豐裕文明。
迄今為止的歷史可以被描述為一個強制勞動和經濟短缺的時代。人們工作，不是因為他們想要，而是因為他們必須工作才能獲得生活必需品。21 世紀初的文明，對於一小部分發達國家的人口，包括經濟狀況良好的人和一些退休家庭，已經實現了后豐裕。但對於絕大多數人來說，情況並非如此。他們必須比他們願意選擇的更長時間、更努力地工作，才能獲得他們需要和想要的東西。
因此，我們選擇將實現后豐裕文明作為整體自我完善系統的目標，也是這些書籍中例子的方向。我們實現這一目標的方法是開發利用豐富可再生能源和原材料作為輸入的自我擴充套件和智慧生產系統。豐富的資源確保我們的方法可以應用於整個文明，而自我擴充套件則減少了實現這一目標的初始工作量和成本。
生產輸出將首先設計為滿足人們的物質需求。智慧工具（自動化、機器人、軟體和 AI）使人們能夠在不承擔大量他們不想做的工作的情況下滿足這些需求。除了物質需求之外，人們還有其他願望，例如他們喜歡的室內家居設計和個人幸福感。但個人品味和感受等慾望超出了工程和設計的範圍，並且變化很大。我們將把滿足這些慾望留給其他人。但作為第二個設計目標，我們還將提供過剩的物質產出，以滿足在滿足基本需求後滿足部分慾望的需求。
目前，我們無法斷言我們的方法是否比傳統的生產方法更能實現這些目標。至少對這位作者來說，最終目標是值得嘗試的，因此有了這些書籍以及我們正在進行的相關設計工作。我們認識到，沒有一本書或一個專案能夠影響整個文明。我們希望，透過一個概念證明，其他人可以利用和擴充套件我們的想法，當這些改進被證明有用時，它們將透過社會傳播。
設定目標並不能告訴你如何或應該實現它們。為此，你需要採用最有可能實現目標的設計原則。這就像選擇旅行目的地和規劃詳細路線以及交通工具之間的區別。我們迄今為止確定的原則包括
- 一般的自我完善系統架構應該適用於各種應用和位置。一個只限於某些用途或位置的架構不可能產生文明級別的影響。
- 人們有各種各樣的需求，能夠滿足這些需求的智慧生產將是複雜的。因此，設計過程應該能夠處理複雜性。系統工程方法已經為此目的而發展，因此我們將採用它作為主要的設計方法。如果其他方法適合，我們不會排除它們。特別是，軟體和大型建築專案已經處理了複雜性，因此我們將考慮採用它們的一些方法。
- 注意 - 並非所有專案都很複雜或從智慧工具開始，而且已經有很多關於單個專案的計劃和說明。當需要時，應使用全面的工程和設計以及系統方法，但不應用於所有專案。
- 一個在文明的時間尺度內停止滿足人們需求的文明將是失敗的。我們希望我們的系統能夠無限期地執行，或者至少能夠執行很長時間。因此，我們加入了可持續性和迴圈利用等功能，並儘可能地排除了供應有限的物品。
在設定了目標和設計原則之後，我們接下來要推匯出構成架構的要素。為此，我們採用系統工程中提出的功能方法。這首先涉及識別我們需要做的事情（功能），而不鎖定如何做（設計）。一個複雜的系統很難一次性考慮或設計。因此，功能和設計被組織成多個級別，每個級別將系統元素分解成越來越詳細的細節。較小的部分以及它們之間的聯絡更容易單獨處理。
在複雜架構的頂層，我們可以透過邏輯分析開始識別功能。在設計過程的後期，我們可以考慮執行每個功能的替代方法，它們如何相互互動，以及最佳化整體設計。更詳細的工作可能會發現需要對更高級別進行新增或更改，但我們需要一個起點。以下是我們關於種子工廠和自我完善系統的第一輪工作的結果，並描述了我們是如何得到這個結果的。
滿足人們的基本需求，加上滿足可選慾望的過剩產出，可以分為四個頂層任務。這些任務是製造實物產品（生產）、將它們運送到使用點（運輸）、在人們所在的地方使用這些物品（居住）以及支援製造-交付-使用週期（服務）。頂層任務是一個迴圈，因為當人們透過這些任務滿足需求時，他們可用時間的一部分會反饋為工作，從而產生更多產出。
我們可以為這些任務中的每一個分配一個頂層功能，然後為它們推匯出數值（例如，生產多少，運輸多遠，以及為多少人）。然後，可以將四個頂層功能分解成逐級更詳細的細節，直到每個任務都足夠簡單以設計。在進行此分解時，每個功能的具體目標和數值（稱為需求）會被分解並傳遞到每個子功能。目標是，任何給定功能的各個部分及其相互互動應加起來滿足父級需求。
人們居住在許多地方，製造東西的資源也分佈在許多地方。因此，我們引入了位置的概念，在這些位置，生產、運輸、居住和服務功能的某些子集發生。為了實現后豐裕目標，我們接下來設計、建造和運營一系列位置，每個位置都可以隨著時間的推移而增長和演變，並與其他位置進行互動。位置共同使用智慧工具以及第 3.2 節和 3.3 節中描述的技術和想法，但一個給定的位置可能不會使用所有這些工具，甚至可能不使用任何工具，如果該位置只是消費最終產品。
現有的文明已經在許多地方提供生產、運輸、居住和服務。但它不是高度自動化的、自我擴充套件的，也不是作為系統有意整合的。在建造我們的新位置時，我們必須利用並與現有文明的元素進行互動。別無選擇，我們不能從無到有開始。我們根據需要使用已經存在的東西，直到能夠建造新的元素。
我們設計和建造我們的新位置作為現有文明部分的補充、升級或替代。多個位置將作為分散式網路運作，因為文明在物理上是分散式的。一個給定的位置也可以在內部分佈，具有多個不同的站點。儘管網路由獨立所有和控制的節點組成，但它遵循協議（協議）來在其各個部分和世界其他地方進行互動。這使得整個網路能夠更好地協調和實現更多自動化。
本書第 5 章到第 8 章的四個例子是通用生產-交付-使用-服務架構的例項
- 第 5 章 - 個人生產 - 這個例子包含所有四個功能，但在一個位置上規模相對較小，產出用於所有者的直接使用。
- 第 6 章 - MakerNet - 這將小規模操作擴充套件到多個位置，這些位置透過電子方式連線，並使用長距離運輸實物物品。它假設有多個較小的生產位置，由不同的所有者擁有。
- 第 7 章 - 工業生產 - 這集中在生產步驟上，以及從個人到小型企業、商業和工業規模的增長。
- 第 8 章 - 偏遠和困難的條件 - 前面的例子都位於現有人口和基礎設施存在且環境條件溫和的地方。這些是早期專案最容易進行的地方。偏遠和困難的位置將某些或所有四個頂層功能擴充套件到不那麼容易的地方，無論是由於距離和基礎設施缺乏，還是由於更惡劣的條件。這更加強調長距離運輸、遠端操作，以及對其他位置和整個文明的依賴程度降低。
最偏遠和困難的位置在地球以外，在開放空間或其他天體上。我們將關於這類位置的大部分討論保留在第二卷中，該卷關於太空系統工程。這是因為太空有獨特環境條件、可用資源和運輸要求，最好單獨解釋。
在文明層面上，我們可以按階段順序應用所有這些例子的某種組合。在下面的 4.1 標題中介紹了隨時間推移和階段增長的想法，第二卷中介紹了示例專案之間的順序。在本卷中，我們更傾向於將這些例子視為獨立的專案。一個具有許多階段和專案的文明級計劃過於複雜，無法作為一個整體進行設計。相反，我們將把它分解成更小的專案和系統，並將通用標準和介面應用於各個部分。然後，我們可以採取模組化方法，使每個部分更容易與其他部分連線，並使用彼此的輸出。
在定義了四個頂層功能以及一些應用它們的例子之後，我們現在分別考慮它們。在這個草案結果中，我們提供了一個更詳細的級別。隨著特定例子和設計的開發，它們將進一步細分為更詳細的子功能。
生產過程的核心是將原材料轉化為成品。 這分為四個步驟，每個步驟都分配了一個主要功能，因為任務的性質截然不同（圖 3.4-1）。
- 提取材料（採礦）通常與其他生產步驟分開進行，並且經常改變地點。 它通常是一個批次處理過程，其中提取材料並將其運輸。 原料包括固體、液體、氣體、有機物和廢物。
- 加工材料採用熱處理、化學處理、電氣處理、機械處理或其他方法將原材料轉化為成品。 材料型別多種多樣，需要多種加工型別和裝置。 加工裝置通常是面向流程的，而不是面向批次的，並且通常在受控環境中使用固定裝置。 成品材料要麼按原樣使用，例如燃料，要麼進行進一步的生產步驟。 它們最終以散裝形式或離散形狀出現，例如木材塊。
- 加工零件將成品材料轉化為符合特定設計的完工零件。 針對同一種材料可以應用多種不同的工具和機器型別以及加工過程，具體取決於最終用途。
- 組裝元件使用緊韌體、焊接、鑄造和粘合劑等方法將單獨的零件組合成完整的物品。 組裝不會顯著改變已加工零件的細節。
這四個核心功能由另外三個支援功能支援，使它們能夠發揮作用。
- 控制位置，它指示並監控其他功能，使它們知道要製造什麼以及製造多少。 控制可以是手動或自動的。
- 供應電力通常是必需的。 人工勞動力能力有限，並且在大量使用時成本高昂。 有許多型別和尺寸的動力裝置。 它們的動力可以透過燃料、電力、機械或其他方式供應。
- 庫存儲存是必需的，因為輸入和輸出在整個系統中不是完全同步的。 外部供應通常以批次到達，時間上略有變化，數量上對於運輸來說是有效率的，而供應以更恆定的速率或以更小的數量使用。 因此，通常將一些供應品儲存起來，直到需要為止。 一個生產步驟的輸出並不完全匹配下一個生產步驟的輸入需求。 例如，新機器的組裝可能必須等到所有零件都加工完畢。 在此期間，它們會暫時儲存起來。 最後，成品可能會被儲存起來，直到人們想要或需要它們為止。
最後一個主要功能是種植有機物。 它與其他功能分開，因為生物在內部整合了各種生產步驟，並自行執行這些步驟。 有機物包括可食用食物、木材、植物油、纖維和其他產品。 當它們的產品準備好後，就會被收穫，並且它們通常會進入其他生產功能進行精加工。 一些有機物，例如寵物和景觀植物，以活體形式交付。
這八個功能涵蓋了特定地點有用輸出和內部增長所需的主要操作。 當開發更詳細的設計時，可能需要一些額外的輔助功能，但我們預計在該頂級級別不會有更多功能。 這些功能也不包括內部或地點之間以及外部目的地之間的運輸，也不包括產品的最終用途。 然後，一個包含生產以外內容的特定專案將包括其他頂級功能。
生產需要在給定場地內進行本地運輸，例如進出庫存和特定機器。 除了內部運輸外，網路還需要在給定位置內的站點之間以及不同位置之間進行運輸。 專案從外部來源到外部目的地也需要運輸。
我們可以根據被運輸事物的不同型別來識別二級運輸功能。 每種型別通常需要不同的運輸裝置。 需要從一個地方運輸到另一個地方的物品型別包括
- 能量，無論是電能、化學能還是其他形式的能量。
- 食物，用於人和動物。
- 水和其他液體和氣體，既用於人和生產過程。
- 生產所需的零件和材料。
- 生產所需的工具和機器。
- 供人們使用的成品。
- 土地和其他資產的合法權利。 土地本身並不運輸，但對其所有權或使用權的轉讓。
- 人員，出於工作或個人原因，作為操作員或乘客。
- 金錢或其他金融資源。
- 資訊，包括設計資料、操作指令以及其他各種型別。
- 廢物，包括廢料（可以被其他人回收）以及無法回收的廢棄材料和能量。
上述列表中特定數量和型別的流量成為將執行它們的元素的設計要求。 用於在場地內使用的內部運輸裝置可以透過內部生產製造，例如建造自動導引車和材料搬運機器人。 如果沒有，則可以購買此類裝置。 對於分散式站點和位置，運輸可以從使用現有系統開始，例如包裹和卡車服務。 自建和自動化運輸可以隨著時間的推移而增加。 我們的參考架構將運輸分為七個二級功能（圖 3.4-2），每個功能都承載相關的物品型別。
- 運輸基礎設施 - 例如道路和橋樑，使其他運輸系統能夠發揮作用。 對於小型專案，這主要限於場地內的內部元素，例如車道和停車場。
- 運輸能量 - 這通常由電力和其他公用事業分配。 內部產生的電力可以透過電力、液壓或機械方式運輸。
- 運輸離散貨物 - 這包括需要環境/處理保護的食物、零件、材料、工具、機器和廢物，以及用於交付的成品。
- 運輸散裝貨物 - 這包括不需要特殊處理或保護的物品，只需從一個地方運輸到另一個地方。 例如，碎石等原材料以及散裝廢物。
- 運輸液體和氣體 - 這包括透過管道和罐體進行運輸，例如水、天然氣和丙烷。
- 運輸人類 - 與無生命的貨物基本運輸相比，這種運輸型別增加了住所元素，以提高舒適度和安全性。 一些易碎貨物可以透過用於人員的相同系統進行運輸。 例如，行李和航空貨物透過客機運輸。
- 運輸資料 - 這包括特別是在合法權利和金錢方面，但也包括大量的其他資訊。 傳統上，資料以紙質形式運輸，但現在主要透過電子網路和儲存進行運輸。
人們的需求和願望在他們居住或居住的地方得到滿足，因此第三個頂級功能被稱為住宿。 住宿包括住宅非工作地點和工作和交通地點，因為人們在所有這些地方仍然有相同需求。 如果我們考慮人們最基本的需求，它們包括自然環境的庇護、食物和身體護理。 除了這些基本需求外，大多數人還渴望個人空間、各種物質物品、與其他人的互動、娛樂和其他服務。 我們將這些需求歸類為以下六個功能（圖 3.4-3）。
- 免受外部環境的影響 - 意味著無論他們身在何處，自然戶外環境。
- 控制內部環境 - 這意味著調節室內空間的溫度、溼度、照明和其他特徵。
- 提供食物和飲料 - 包括用於儲存、準備和供應食物的裝置。
- 維護健康 - 包括廢物處理、清潔、鍛鍊和睡眠設施。
- 提供個人物品 - 包括戶外和室內個人空間，以及用於填充它們的物質物品，例如景觀、傢俱和裝飾品。
- 提供資訊 - 包括紙質資訊，例如郵件、雜誌和書籍，以及非紙質資訊，例如電子通訊、娛樂和其他服務。
服務功能提供知識和時間，以改進和支援其他三個主要功能的生產-運輸-使用週期。 服務通常由第三方提供，而不是由站點或操作員在內部提供。 我們將服務按型別分為九個功能，如下所示。
- 貿易服務 - 作為實物商品生產和終端使用者之間的中介。
- 資訊服務 - 涉及新資訊的建立和傳播。
- 金融服務 - 包括提供資金和保險。
- 物業服務 - 涉及房地產的轉讓或租賃。
- 專業服務 - 需要廣泛的知識和培訓，包括科學、技術和法律。
- 教育服務 - 包括對人們的教學和培訓，包括透過教學法、實踐和實物文物。
- 社會服務 - 幫助需要外部幫助的人。
- 娛樂服務 - 體驗或參加表演、比賽、娛樂和休閒活動。
- 組織服務 - 包括私人和公共組織、管理和行政管理。
對於一個大型而複雜的專案，時間通常是實現預期目標的重要因素。 這是因為可用資源通常有限，一些任務必須在其他任務開始之前完成。 我們選擇的目標是實現後稀缺狀態、擺脫強制勞動以及可持續發展，這些目標規模龐大，複雜程度足以需要相當長的時間才能實現。 從本質上講，自我擴充套件系統也不是靜止的。 因此，對於給定地點、專案或專案來說，上面列出的四個頂級功能和 30 個二級功能的內容會隨著時間推移而發生變化。 為了簡化此類複雜且不斷變化的系統的設計任務，除了將功能分解為不同的詳細程度外，我們還按時間將它們劃分為階段和增長步驟。
今天大多數人仍然處於匱乏的狀態。能夠緩解這種狀況的專案、地點和網路無法立即完全形成。因此，隨著越來越多的人和地方達到後匱乏水平，將會有一個過渡期。對於一個單獨的專案，我們必須從現有的工具、裝置、知識和技能開始。在需要的地方，我們可以利用現有資源進行研發、購買或建造場地、培訓人員等，以此作為起點。這些新增內容包括一定數量的自動化啟動裝置（即種子工廠）。然後，根據最快增長率或哪些機器是製造其他某些機器之前必需的因素，我們開始製造更多裝置的零件，並啟動擴充套件過程。隨著生產的擴大，我們也開始輸出一定數量的最終使用物品，如食物或房屋。我們從零這樣的最終物品開始，隨著系統的擴充套件，它們會隨著時間的推移而增加。最終，最終物品的積累將滿足人們的需求和願望。
從起點到最終目標的順序可能是連續的，在增長或地點完成方面沒有明確的暫停。儘管如此，我們仍然可以選擇邏輯上的分割點，例如場地準備、安裝啟動裝置或新增一組擴充套件裝置。我們稱這些較大的時間和工作劃分點為“階段”。
在第三部分的 3.0 部分中，我們確定了一些與自擴充套件生產以及使用它們的更大專案和計劃相關的度量單位、動機、經濟理念、技術概念和新想法。我們現在開始將這些元素應用於上述頂層和第二層功能的結構框架。目標是充實參考架構的關係和特徵。這僅僅是進行到一定的細節程度。僅適用於單個應用或專案的細節將在設計過程的後期部分保留，並在本書的後續部分和相關文件中描述。
除了實現專案目標所需的一系列專案和地點外，技術水平也不是固定不變的。在內部，在序列中，我們想要使用的自動化系統和特定的硬體設計並非一次性開發完成。研究和開發需要一定的時間，我們可能會由於專案內的預算和人員限制而分散新的技術和硬體的各個部分。在我們自己的專案之外，整個人類文明的技術也往往隨著時間的推移而進步。
由於以上提到的原因，除了基於任務的功能外，將程式劃分為基於時間的階段是有意義的。每個階段都是程式的一個更小、更簡單的部分，可以進行設計和構建。這與我們根據功能任務劃分架構的原因相同——人們處理複雜問題的能力有限。階段可以進一步劃分為更小的子階段，並最終劃分為帶有時間表的任務時間序列。階段是在時間軸上組織專案的有用方法，但它們不需要嚴格按時間順序排列，可以部分或完全重疊。輸入和輸出將階段彼此連線起來，以及程式外部，與功能之間的方式相同。由於階段或其內部的單個任務在獲得必要的輸入之前無法開始，因此這驅動著階段及其內部時間表的時間關係。
[這是一個關於如何應用其他設計理念的初步列表，需要進一步完善]
- 像閉合率和增長率這樣的系統指標被應用於架構的所有部分，作為目標、設計要求以及用於評估設計方案的依據。
- 利潤率、運營成本和生產率等標準經濟學概念被推廣到超出貨幣單位的範圍，考慮所有型別的資源流，然後應用於整個架構、專案和設計中。
- 系統工程方法和模組化設計等工程概念也被應用於設計的各個部分。
- 新理念的應用方式如下
- - 資源核算在所有層級使用，以確保所有流量和資源都得到核算，包括廢棄物流量。
- - 開發新的軟體工具，如流程編譯器，然後在專案各個階段使用，從研究到運營。
- - 增長理念和模式，例如啟動裝置和擴充套件裝置、擴充套件和複雜性、普遍性和位置分佈，被用來定義架構的不同示例和應用。
在討論了參考架構是如何得出的之後，我們現在提供一個關於它是什麼的正式宣告。架構可以從多個角度進行描述。功能描述了需要作為任務或步驟完成的任務，它們之間的連線以及與外部的連線。它們沒有具體說明如何用流程細節或裝置方面的物理實現來完成。然後，系統元素是實現功能的設計解決方案，幷包含在設計過程中做出的流程和裝置選擇。我們的參考架構是通用的，有多個應用，每個應用都將有不同的設計解決方案。因此，我們採用功能視角。
我們在上面的一節中確定了主要功能。下一步是展示它們如何連線起來形成一個完整的架構。系統元素的細節，甚至它們是否存在，都將取決於具體的專案應用。我們將在參考描述中給出一些示例，但應記住，它們可能在特定情況下有很大差異或不存在。
另一個視角是架構隨時間的演變。一個給定的專案通常需要一個設計、生產和操作的序列。現有資源的輸入必須先於這些步驟，而完成的物品和廢棄物的輸出則隨之而來。很難在同一個圖表中顯示所有功能和時間關係，除非使用三維顯示。對於二維圖表，我們在不同的軸上顯示關係。帶有計劃和時間表的專案階段沿時間維度組織任務，而功能圖則顯示它們在特定時間或專案中所有時間的邏輯連線。組合的圖表集代表整個專案。
生產 - 對於我們在本書中描述的自擴充套件設計，生產部分包括兩個級別的功能互動。第一個是單個地點的主要功能如何相互作用以及與外部元素的相互作用。第二個是各個生產節點如何在網路中互動。這種通用架構將在本書後面的示例中進行更詳細的開發。
圖 3.4-4 說明了完全自擴充套件生產地點的參考架構。地點是指一個或多個足夠靠近的場地，以便人們可以輕鬆地到達那裡，以及材料和產品可以在它們之間轉移。例如，在一個美國都市區內。完全是指它具有所有八個能夠實現自擴充套件的主要功能。它們分別是控制、動力、提取、加工、製造、儲存、組裝和有機物。一個小地點或一個尚未擴充套件的新系統可能沒有所有這些功能活動。每個功能都會隨著時間的推移而發生變化，透過升級和新裝置來實現，這些裝置要麼來自外部供應，要麼在內部生產。為了清晰起見，此圖表僅顯示了一些功能之間的關鍵流量。綠色箭頭是生產流程中從原材料到完成元素的輸入或步驟。藍色箭頭是輸出，要麼是交付給外部使用者的最終產品，要麼是交付給每個功能的擴充套件元素。框 F.4 加工材料的輸出將被髮送到 F.5 製造零件。在這種情況下，我們使用虛線箭頭，並在括號中標註端點，如“(F.5)”，以顯示它們連線的位置。虛線箭頭可以避免出現大的環形線，這些環形線會穿過許多其他線，從而使圖表難以閱讀。F.2 供應動力輸出到所有八個功能，包括它自己，但為了清晰起見，我們省略了來自此圖表的這些線。
節點 - 圖 3.4-5 說明了多個節點的網路如何透過協作來擴充套件。使這個網路區別於文明其他部分的是，這些節點被設計為協同工作。節點是一個擁有任何數量活動的單個物理站點，從一個人進行設計工作或遠端控制機器，到一個完整的工廠。多個節點可以位於一個地點，例如大城市中的不同車間和辦公室。它們也可以分佈在多個地點。使節點成為網路一部分的是它們相互作用。這可以透過電子方式進行，操作員直接溝通並協同工作，以及彼此交付輸入和輸出。該圖表僅顯示了兩個功能節點，但網路可以有任意數量的節點。每個節點可以有不同的產品集，以及生產這些產品的容量。節點 1 和 2 顯示了它們相互交換輸出，以便彼此供應另一個節點無法自行供應的物品。我們還顯示了網路與文明其他部分的互動，根據需要接受各種輸入並交付各種輸出。
節點輸入通常包括勞動力、土地、難以製造的零件以及當地沒有的材料。節點輸出可以包括出售的物品，這些物品可以用來支付所需的輸入，但這並不是必需的。每個節點也可以生產用於自身擴充套件的物品，節點可以透過將物品交付給正在建造的新節點來進行協作。然後，網路可以透過三種方式發展——透過擴充套件每個節點、協作構建新節點，或者新節點在沒有現有節點的輸入的情況下加入網路。新節點可以與任何現有節點不同。我們預計一個常見的增長模式是，由一個或多個節點組成的擴充套件成熟工廠將啟動裝置元素交付到一個新的站點。然後，這個種子工廠啟動裝置隨著時間的推移發展成為另一個成熟工廠。
專案階段 - 單個地點或其網路的時間序列增長計劃將由一系列階段組成。第一個階段是研究和開發。這包括從最初概念到硬體元素和位置的完成詳細設計的各個階段。某些專案需要開發新的元件技術或軟體。新的整合硬體元素也需要構建和測試原型。這些也包含在研發階段。使用相同基本硬體的後續位置的總研發量將更少，重點是針對特定位置的獨特調整。
研發階段之後將是第一個生產能力單元的初始製造和安裝階段，之後是一個或多個擴充套件階段。每個階段都經過生產步驟，交付輸出產品以及用於自我擴充套件的新專案。完成的增長階段成為下一個增長階段的輸入。可以推遲後續階段的研發，並與先前階段裝置的生產和安裝重疊。
第一套自動自我擴充套件機械必須使用現有的傳統裝置建造。傳統裝置可以包括從手動工具到動力、固定、移動和計算機控制裝置的任何組合。傳統工具缺乏的是針對自我擴充套件和作為一組協同工作的特定設計。傳統裝置可以，而且一直被用來製造更多裝置。例如，機械加工車間可以製造用於額外機床的零件。針對它的特定設計應該使該過程更有效，並允許從比平時更小的集合開始。通常，第一個生產和安裝階段將是傳統裝置，之後是作為擴充套件的第一套專門製造的自我擴充套件專案。後來的位置或世代可以從已經存在的位置製造的自我擴充套件機械開始。即使在先進工廠中，也始終需要標準工具和裝置。拆箱或維護等任務不需要定製設計。當對專門設計的專案需求不足時，傳統裝置也可以用於自我擴充套件。例如，標準的動力木材加工或金屬加工機器可以製造更多此類機器的零件。自動化和定製設計的機器只是更有效地完成這項工作，需要更少的人工。因此，更多傳統裝置的增加也可以分為階段，與定製自我擴充套件專案的生產和擴充套件並行。
運輸 - 運輸系統是節點之間以及到外部位置的交付機制。由於輸入和輸出包含各種資源型別，因此它們需要相應的各種運輸裝置。在專案的早期階段或網路的增長過程中，必須使用現有的運輸系統，因為在生產開始執行之前，無法建造新的運輸元素。隨著新運輸系統的建造和生產任務的維護，它們可以新增或替換現有系統。
居住 - 人們作為私人生活、工作、娛樂和社交空間所居住的居住場所將包含各種詳細設計。我們無法事先預測這些設計，因為我們不知道個人的願望，也不知道特定位置需要哪些變化。但是，人們有共同的生理需求，因此我們可以設計出可以建造完整可居住位置的共享部件。我們還可以設計這些部件與生產和運輸相整合，幷包括回收和長期維護等功能。與生產和運輸一樣，居住的第一階段可以使用現有的居住空間（如果可用）。在新的生產可用後，後續階段可以開始在一系列擴充套件中新增或替換它們。
服務 - [待定]
類似的功能需要在計劃、專案、階段或位置的所有級別執行，用於生產、運輸、生活空間和支援服務。它們既適用於文明的現有部分，也適用於新元素，無論它們使用何種技術水平，從手動到高度自動化，因此無論型別或狀態如何，我們都可以使用共享框架來進行功能劃分。共享框架有助於保持一致性，並允許在不同用途之間重複使用設計。但是，給定的應用程式可能不包含所有功能，或不始終使用所有功能。它可能依賴於外部元素來執行給定任務，或者給定功能在特定情況下根本不會發生。在這些情況下，我們保留相同的框架，但將某些部分留空。
以下描述是指涉及一個或多個位置的通用專案，其中存在生產-交付-使用架構的所有部分。這些描述提供了有關每個功能應該執行的操作的更多詳細資訊，並開始識別下一級子功能。
1.1 控制位置 - 此功能提供對專案運營的整體控制，包括居住、運輸、服務和外部流量。它直接控制位置的生產任務。單個生產元素（例如計算機控制的機器）也可以根據需要擁有自己的本地控制。此功能還在整個專案協調至關重要的更高級別上執行。它包括本地或遠端發出的、傳送到各個元素的人工操作、自動化和軟體生成的命令的混合。控制的硬體元素將包括計算機、網路、顯示器、觀察、測量和資料收集裝置。軟體元素包括現有的和自定義編寫的操作和控制軟體。控制任務包括未來規劃、即時操作和回顧分析。控制功能從先前的研究和開發階段獲取位置設計和它製造的產品的設計。
1.2 供電 - 此功能旨在為專案提供所有形式的電力，並將其轉換為所需的各種形式，包括電力、熱能、液壓、儲能等。它的目標是為除生產之外的其他主要功能提供比所需更多的剩餘電力。電力可以按需求類別劃分 - 住宅和控制電力應比某些可以中斷的工業任務更可靠。它還可以分為固定電力和行動式電力。電源裝置的示例包括外部公用事業線路、太陽能電池板和風力渦輪機，用於發電。太陽能熔爐可用於直接加熱，熱能儲存可用於額外發電。
1.3 提取材料 - 這包括開採和採礦、水和空氣收集以及植物收割，無論是在現場直接進行還是在附近進行，都使用專案擁有的裝置。目標是獲取大部分總材料來自新的當地來源，或者來自回收的當地和外部來源。這可以分為從專案擁有的土地上提取和使用提取權到其他土地。透過使用其裝置由其他人生產的散裝材料的交付不屬於此功能，它是外部輸入。典型的採礦和收割裝置包括各種液壓和機械附件，這些附件連線到常見的拖拉機型別核心。當生產發展到一定程度時，這種裝置將內部製造。
1.4 加工材料 - 這包括將原材料轉換為成品材料，準備用於庫存儲存、零件製造或消耗。它可以使用化學、機械、熱、電或其他工藝，並作為連續流或單獨批次執行。此功能的輸出可以包括以下任何類別：石頭和混凝土、金屬、陶瓷、玻璃、木材、纖維、電子產品、有機和無機化合物、肥料、清潔水等。由於材料和工藝範圍廣泛，單個位置可能一開始只包含其中一種或幾種，並隨著時間的推移新增更多，或建立一個從事不同任務的當地站點網路。
1.5 製造零件 - 這將從加工或儲存獲得的成品材料以及外部材料供應，並將它們轉換為準備組裝的成品零件。歷史上，各種各樣的生產機器和工藝已用於此功能。我們可以根據與先前的“加工材料”功能相同的材料類別來組織這些不同的製造任務。我們還可以列出零件型別，例如鑄件、結構和機械零件、電氣和電子零件。
1.6 庫存儲存 - 此任務包括儲存原材料和成品材料、零件以及當前未使用的已完成專案。它包括其他生產功能、居住、運輸和服務的儲存。它還包括其他生產功能的環境保護和控制（即建築物），以及用於工業任務的土地。用於儲存的倉庫空間和用於工廠車間的建築空間在功能上是相似的，實際上，隨著工廠的擴充套件，一個很可能轉變為另一個。與其在多個標題下對它們進行核算，不如將所有環境外殼都收集在此處。
1.7 組裝元素 - 這包括將零件和材料組合成更高階的元件（零件集合），從而產生完整的元素。它還包括為了維護或修改而對元素進行拆卸，並在必要時新增任何排水和清潔。它可以使用任何組合的人工、手動和智慧工具，並進行本地或遠端控制。組裝可以分為可移動元素（例如生產機器和車輛）和固定元素的建造（例如建築物）。後者可能需要臨時結構、防風雨和清潔任務。固定元素可以使用在室內組裝的模組，以減少天氣延誤並增加自動化。
1.8 生長有機物 - 這包括種植微生物、植物和動物，直到收穫以提供有用的物品。寵物和觀賞植物歸類在居住中的個人物品下。它包括種植生物產品的土地空間，其中一些可能與居住區域重疊。總土地包括自有土地和租賃土地，以及作物和木材收穫權。後者可在早期建設期間用於降低成本。如果土地上有充足的樹木，則一些早期木材可以從建築工地清理中獲得。
2.1 防護外部環境 - 這包括被動保護人員和其他居住元素免受天氣、水、昆蟲和其他外部因素的影響。它還包括所有居住元素的結構支撐。這可以被認為是保護免受重力、不平坦地面和土壤移動的影響，但保護性物品的穩定支撐是它們發揮作用的必要特徵。反過來，結構支撐需要底層土地作為支撐，因此我們將所有居住土地包含在這個功能中。我們還包括以防護服形式對人類進行戶外保護。
2.2 控制內部環境 - 此功能涵蓋積極管理由保護殼產生的內部環境，包括溫度、溼度、照明和其他因素。它包括控制輸入和感測器（如恆溫器），以及產生所需變化的主動硬體，如供暖、通風和空調 (HVAC) 系統。被動隔熱包含在上一個功能中，照明、窗戶和窗簾在這裡被視為主動裝置。應急系統也包含在此處。
2.3 提供食物和飲料 - 這包括在使用點為居民和客人提供食物和飲料材料，在居住區內進行本地儲存，準備食物，服務和就餐，以及處理食物和飲料廢物。後者不包括人體廢物，人體廢物包含在保持健康中。
2.4 保持健康 - 我們需要在建築中包含實際的居民和客人，因為他們也具有輸入和輸出，而這是我們選擇的位置。任務包括支援基本需求，例如睡眠、衛生、鍛鍊、清潔個人和內部環境，以及過濾後者，健康監測，急救和緊急服務，以及當地檢查和治療。
2.5 提供個人物品 - 這包括私人生活和儲物空間的內部空間，公共或社群空間，如會議室和運動區域，以及商業空間，如辦公室和零售店。它還包括這些空間的物理內容，如傢俱和裝飾。裝飾性/非防護性服裝也包含在此處。然後，從功能 2.2 到 2.5 的總封閉空間成為 2.1 防護外部環境的設計要求。個人物品包括戶外空間，如景觀，以及寵物和觀賞植物等生物。
2.6 提供資訊 - 這包括所有形式的通訊、儲存和處理（文字、語音和影片），用於個人或商業目的，教學材料，娛樂，以及一般資訊，如新聞和天氣。它不包括生產操作資訊，儘管此功能可能共享跨位置使用的通用硬體和軟體元素。
運輸一般可以涉及到外部地點，特定地點的節點之間以及單個地點或建築物內部的移動。所有不同的目的地都可能使用共享的運輸元素，因此我們按運輸物品的型別而不是它們去往何處來組織功能。運輸可能涉及移動和固定元素。例如，送貨卡車和它們行駛的道路。運輸元素還包括用於水平和垂直移動物體的起重和輸送裝置，以及封閉和開放的管道、通道和系統。因此，排水溝是雨水的運輸元素。
3.1 運輸散裝貨物 - 這包括散裝物資，包括出售或用於建造新地點的物品。散裝物品體積較大，但對環境保護或車輛運輸過程中的衝擊和振動要求較低。典型的例子是礫石和原木。
3.2 運輸離散貨物 - 這包括運輸需要一定程度的環境保護以及運輸過程中的衝擊和振動的單個物品。可能造成損壞或汙染的環境條件包括溫度、雨水、昆蟲和灰塵。數量通常小於散裝物品，因此一次裝載可能運送多個物品。單獨的集裝箱有助於防止各種物品混合或相互反應。最後，車輛或集裝箱可以使用裝置將衝擊和振動降低到可接受的水平。
3.3 運輸人類 - 這包括將人類運送到專案地點和從專案地點運出，以及在地點內部運輸。人類與離散貨物有許多相同需求，但也有一些額外需求。這些包括更高的安全等級、額外的舒適功能、可選的手動車輛控制和時間安排優先順序。因此，當運輸人員時，會將居住型別功能（如供暖和空調）新增到運輸系統中。
3.4 運輸能源 - 這主要涉及有線和無線電力分配，儘管一些能源可能以電池或熱的形式提供。
3.5 運輸液體和氣體 - 這些物品需要封閉容器或固定管道，以防止汙染和洩漏。固定管道的常見例子是水和天然氣。封閉容器的常見例子是丙烷和柴油燃料的交付。
3.6 運輸資料 - 這包括所有形式的所有型別的資料，包括電子和非電子資料。法律權利和貨幣是需要資料傳輸才能運作的物品，因此我們也包括它們的交付。