4.0 - 設計流程

一般流程

像種子工廠這樣的自擴充套件生產系統的通用設計流程包括幾個主要元素

系統工程 - 系統工程方法之前是為其他具有多個目標的複雜專案開發的。種子工廠及其發展路徑符合複雜性的特徵，因此我們採用這種複雜性管理方法。我們首先將整個生產操作以及與之緊密耦合的任何元素視為一個單一系統。該系統包含功能元素，其周圍的邊界，以及跨邊界和元素之間資源的流動。整個系統被逐級分解成更小的邏輯元素（功能）以及連線它們的流動。系統目標和效能水平被傳遞到更小的元素，以便各部分加起來達到所需的總目標。

應用設計概念和想法 - 我們將第 3.0 節中的設計概念適當地融入設定專案目標、將系統劃分為功能元素及其連線的流動，以及確定滿足目標的替代設計。這包括第 3.0 節中特定於自擴充套件系統的系統指標，以及第 3.1 節中的動機和經濟因素。我們還應用第 3.2 節中的技術概念，如流動守恆和模組化設計，第 3.3 節中的新想法以及第 3.4 節中的參考架構（如果它們有用）。如果它們沒有為專案或其部分提供與傳統設計相比的明顯優勢，則無需包含它們。

元素設計 - 當系統的各個部分被定義到足夠詳細的程度時，就會應用相關工程領域的傳統設計方法。這些方法包括機械、化學、電氣、軟體和其他領域。一個給定的元素通常在詳細設計級別涉及多個工程領域。傳遞給各個元素的設計要求將是總體專案目標的適用子集。然後將各個元素連結成一個完整的設計（整合），並作為一個整體進行考慮，以驗證它們是否滿足總體專案目標。有許多書籍和資訊資源涵蓋了各種工程和設計領域，因此我們不會在這裡重複所有內容。相反，我們將在第 4.1 節到第 4.4 節中進行一般性的討論，並提供指向更多詳細資訊的連結。

一個設計團隊，無論多麼熟練，都不可能作為一個單一的線性過程，使用上述步驟完全最佳化一個複雜的系統。通常，設計必須作為一個系列的迴圈來開發，這些迴圈具有越來越多的細節和最佳化。在每個迴圈中都會記錄一個設計基線或版本，作為下一個迴圈的起點。當預期更多的細化迴圈不會獲得與所需努力相稱的改進時，設計工作就可以停止。然後專案將過渡到生產、建造和運營。一個大型專案的整體並不需要同時經歷從設計到運營的所有步驟。它的一部分可以根據需要在不同的時間啟動並完成。及時錯開工作可以減少峰值資金和人員需求，並允許已完成部分的一些收益流回。這對自擴充套件系統尤其重要。一個初始作戰能力，以執行的種子工廠啟動裝置的形式，可以在設計和建造達到全面作戰能力的後期擴充套件階段的同時開始生產有用的產品和收入。

在某些情況下，設計工作會在比改進減少帶來的最佳集早的階段停止。原因包括資源不足、加快上市時間或生產原型進行測試。在這些情況下，重複或完成設計過程將提供一個更新或改進的系統。第 4.0 節到第 4.4 節的其餘部分將更詳細地描述上述通用過程。我們將接著在後面的部分中提供一系列設計示例。

個人生產（第 5.0 節） - 在此示例中，機器通常很小，適用於家庭改善和愛好規模用途，這使得它們負擔得起。單獨的機器或機器組可以放置在房屋或社群車間中。

“MakerNet”（第 6.0 節） - 在這裡，一個分散式的網路中的個人協作，電子連結協調工作以相互制造產品，或幫助構建新的網路節點。一個區域位置內的新的地點，以及不同區域中的不同地點，從部分裝置集開始。它們在現有網路節點的幫助下發展到小型企業規模，為當地社群提供產品和服務。網路位置位於已經開發和人口稠密的地區，這些地區可以供應內部生產無法供應的東西。

工業生產（第 7.0 節） - 在此示例中，機器的啟動裝置透過擴充套件而增長，為越來越大的機器製造零件。這從較小的啟動規模開始，發展到商業規模，然後發展到工業規模。在較小的規模上，在一個地點集中所有生產機器並製造各種產品是可行的。在更大的規模上，在一個地點集中所有裝置變得更加困難。因此，在這個示例中，裝置及其操作員在多個地點變得更加分散和專業化。商業和工業規模意味著產出遠遠超過操作員及其當地社群的個人需求，並服務於更大的市場。

偏遠和困難地區（第 8.0 節） - 當今的文明主要侷限於地球表面 13.5% 的薄薄一層。剩餘的區域主要由海洋、沙漠和冰蓋組成，幾乎沒有被利用。除了像礦山和城市中心這樣的少數地方，我們很少從表面垂直方向偏離幾米。此示例將自擴充套件生產方法應用於開發未使用的物理空間和資源，這些資源目前難以或昂貴地獲取。特別是，獲取更多的能源來源可以實現更多回收和可持續發展。距離和困難條件意味著我們強調遠端操作和設定完整的啟動裝置。這些地點最初沒有現有的基礎設施和人口的優勢。

這些示例，以及必要的先驅研究和開發，可以連結成一個持續的專案。這樣一個專案沒有特定的終點，而是應用自擴充套件系統來不斷升級和擴充套件文明。然後可以將每個示例的輸出用作下一個示例的輸入，形成一個不間斷的增長過程。每個示例的需求，以及將它們連結成一個序列，需要新的生產輸出，因此每個專案階段都需要新的設計。然而，設計過程可以遵循每個階段的相同通用路徑。之前關於種子工廠概念的一輪工作是針對社群工廠進行的，該工廠是當地所有，並支援數百人的大多數物質需求。這介於個人規模和商業規模之間。早期工作已移至種子工廠專案工作簿的第 2.3.2.9 節，以供參考。

以上所有示例都在地球上。但自然法則在任何地方都是一樣的，我們對科學和工程的瞭解適用於地球以外的空間，就像適用於地球一樣。因此，自擴充套件生產也可以應用於太空，目前太空比地球上的地方更難且更昂貴地獲取。太空環境以及設計用於在太空執行的系統足夠不同，因此單獨寫一本關於該主題的書是有意義的。因此，太空運輸與工程方法華夏公益教科書的第 4 部分包含了關於太空的額外設計示例，以及一個訪問那裡發現的資源的持續專案。

我們預計技術開發和元件設計永遠不會真正完成，就像家庭工作室或製造企業永遠不會完成並變得靜止一樣。相反，設計過程首先用於達到有用的生產能力水平。在這一點上，可以根據該設計構建“版本 1.0”的裝置集。然後，該過程可以繼續進行 - 新增更多容量、開發升級或修改新地點的設計。或者，它可以暫時停止，並在以後恢復。除了新地點、行業或裝置尺寸之外，新設計工作的理由還包括來自實際操作經驗的反饋以及專案之外開發的新技術。初始版本和後期版本的開發類似於軟體的增量開發。事實上，使用聯網智慧工具的設計很大一部分實際上是軟體。

系統工程

如上所述，系統工程是管理工程專案複雜性的一種方法。它是一個跨學科的工程領域，專注於如何在整個生命週期內設計和管理專案，從概念到最終處置。它在 20 世紀後半葉發展起來，因為專案變得越來越複雜，其設計師必須關注的不僅僅是效能和成本。一個自我擴充套件的生產系統，具有種子和成熟狀態以及介於兩者之間的所有增長步驟，在任何時間點都是複雜的，並且由於設計隨著時間的推移而不斷變化。因此，系統工程方法適用於此類專案。系統工程將機械、化學和電氣工程等更專業的領域的工作聯絡在一起，但它並沒有取代它們。仍然需要完成詳細的專業工作。系統工程所做的是協調設計工作過程和各個部分，以便最終結果整體上達到預期目標，並最大限度地減少不希望出現的副作用。

與其他完善的工程分支一樣，也有一些與該主題相關的教科書、教育專案和專業組織。可以在BKCASE網站上找到系統工程資訊的線上集合。美國國會圖書館在“系統工程”一詞下編目了 2000 多部作品。麻省理工學院透過其開放式課程專案提供關於系統工程基礎和其他相關課程。國際系統工程委員會是致力於該領域的最大的技術協會，擁有超過 10,000 名成員。

在系統工程過程中（圖 4.0-1），複雜的系統被分解為連續的更簡單元素的層次結構。識別輸入和輸出流，將這些元素彼此連線，以及與系統環境連線 - 系統外部與之互動的外部環境。反過來，每個元素都進一步分解，直到您達到一個級別，在這個級別上，這些部分足夠簡單，可以單獨設計。該過程的摘要包括

識別需求和 MOE - 系統的整體效能、成本和其他設計目標被稱為系統需求。需求源於需要滿足需求的終端使用者或觀察到需求並著手滿足需求的設計組織。它們用可衡量的方式指定了系統旨在做什麼。有效性指標 (MOE) 表達了給定設計在顯式量表上的好壞。例如，“最小化成本”通常是一個專案目標，但對於一部行動電話而言，300 美元可能是理想的目標，而 600 美元則不可接受地高。然後，成本指標可以在這些點之間線性縮放，並與其他目標進行權衡。

執行功能分析 - 系統劃分的各個部分稱為功能元素。每個元素都執行一個子集，或朝著滿足系統需求邁進。功能確定要做什麼，但尚未確定如何做。在這一點上省略“如何做”可以避免在考慮各種選項及其相互作用之前過早地選擇解決方案。

分配需求 - 系統需求被分解為元件需求，類似於功能元素的劃分方式。元件需求解決了完整功能系統的效能、操作和維護的所有需求。元件需求根據需要分配給功能元素。這種分解稱為分析。然後，各個元素都具有自己分配的子集需求，以滿足這些需求。實際上，它們在整個專案中形成了一個更小、更簡單的子系統。目的是，當您彙總整個子系統層次結構的設計和操作時，它們將滿足最初的頂級目標。

系統建模和替代方法 - 在將需求分配給各個層次的功能元素後，設計師會考慮滿足每個部分需求的替代方法。這包括識別選項，使用數值模型、圖紙和其他設計資訊對其進行量化，並將它們整合到整個系統的完整模型中。

最佳化和權衡替代方案 - 在系統模型中，調整元素的設計引數，並比較替代選擇。每個變體都會為成本、效能和其他優良指標產生不同的值。如果在第一步中選擇了正確的指標，“最佳”設計意味著“所有指標的最高綜合分數”。客觀評分方法有助於從設計過程中消除個人偏好或偏見。當然，這種個人傾向仍然存在，但至少它們是明確的。

綜合和記錄配置基線 - 然後將各個部分的設計組合在一起，這稱為綜合。這確保它們作為一個有凝聚力的整體組合在一起，並且總設計滿足原始的系統需求。最後，將產生的設計記錄在版本基線中。

對於複雜系統，此過程不會以線性順序發生一次。通常需要多次嘗試和改進才能獲得良好的完整設計。跟蹤所有部分及其相互關係，您可以進行零碎的更改，並檢視它們如何影響總體結果。圖 4.0-1 僅顯示主要步驟。它們在設計的所有級別上重複應用和並行應用。總的來說，它從上到下進行，但在任何時候，後面的步驟都可以反饋更改以更新前面的步驟，並且更好的想法可以在過程中的任何時候發生。這就是沒有顯示連線步驟的箭頭的原因 - 會有太多的反饋迴圈，並且圖表將難以閱讀。我們在接下來的部分中擴充套件了流程摘要，但它們只能對系統工程方法進行介紹。我們建議讀者參考更多詳細介紹它的書籍和文章。請注意，系統可以“過度設計”。在某種程度上，進行更多最佳化和設計改進不會獲得足夠的改進以證明其努力是合理的。在這一點上，設計可以被認為是完整的，並且專案將繼續進入生產和後期階段。

需求分析

個人生產示例的一般目標可能是“為家庭裝修和業餘愛好規模的業主/運營商生產產品和輸出”。這樣的籠統說法過於模糊，無法從中發展出設計。因此，系統工程過程的第一步是將一般目標轉化為更具體和數值化的術語。然後，可以根據這些具體術語衡量設計，並且您可以判斷是否正在滿足它們。此步驟稱為需求定義。一個特定的專案可以有許多不同型別的需求，例如成本、效能、安全、質量等等。終端使用者認為重要的任何功能都可以成為系統需求。

不同的需求型別無法直接相互衡量，但不同的設計選擇通常會同時影響多個需求。例如，提高結構強度可以提高安全性，但也會增加重量和成本。為了在這種情況下做出選擇，我們將各種設計引數轉換為一套通用的單位，例如一個點評分系統。這使我們能夠透過在公式或表格中使用元件得分來選擇“最佳”選項，並選擇最終得分最高的選項。構成此量表的元件稱為有效性指標，其中每個元件衡量設計選項在滿足特定需求目標方面的有效性。

需求定義

系統需求集應該包含終端使用者或作為終端使用者代理的設計組織認為重要的任何內容，這些內容會影響最終的設計。它具有將設計選項從所有可能設計集中縮小到最符合使用者目標的設計的效果。應注意使需求在技術上可行，但不要強加預定的解決方案。它們應該描述你希望系統做什麼，而不是怎麼做。這使設計人員能夠靈活地提出新的、更好的方法來滿足需求。

需求通常分為幾大類，然後為了跟蹤目的而單獨編號。大約在 1950 年之前，效能、成本和進度往往是唯一值得明確設計的類別。隨著系統變得越來越大、越來越複雜，它們開始影響更多的人，終端使用者也對他們想要的東西變得更加挑剔。因此，更多需求類別變得重要。這些包括安全、質量和環境可持續性等專案。理論上，系統工程過程可以容納任意數量的需求。但是，你擁有的需求越多，分析和滿足這些需求所需的工作就越多。因此，應該指定最小的集合，以充分涵蓋對使用者重要的內容。

我們在第 5.1 節中列出了我們為個人生產示例選擇的的一組需求。設定需求沒有“正確答案”，它們是將終端使用者目標和願望轉化為可衡量形式的問題。因此，它們起源於人們的偏好，這些偏好是可變的。你可以選擇不同的集合，或在需求中輸入不同的數字，然後最終得到不同的設計結果。我們認為給出的這些需求對於實際專案來說是一個合理的集合，但它們也有助於作為現代多樣化需求集合的示例。需求是用已經達到設計能力的成熟系統來描述的。用於啟動生長的種子或啟動集將在後面定義。從最終目標倒推比“正向設計”更容易，因為每個生長步驟都有一個明確的終點。另一個方向，從啟動集增長，有許多可能的路徑，並且不清楚應該遵循哪條路徑。倒推將選擇範圍縮小到通往所需終點的選擇。

與設計過程中的其他部分一樣，初始需求集不是永久固定的。當新資訊提供理由時，它們可以更新。但是，初始需求應該儘可能完善。以後的更改將需要重新設計，這會增加成本。作為目標，需求更改應該儘可能少。

有效性指標

所需功能通常是相互對立的。例如，更高的效能和可靠性往往會以更高的成本為代價。那麼問題是如何最佳化設計，或者在多個功能同時變化時選擇替代技術方法。系統工程師使用一組定量的測量來解釋這一點。與需求一樣，它們也是從終端使用者的願望中得出的，即在比較一種設計優於另一種設計時，什麼是“更好的”。這些指標通常與需求集密切相關。由於不同的功能通常具有不同的度量單位，因此它們被轉換為共同的度量尺度，以便進行比較。這是透過將每個不同的指標（如成本或效能）轉換為分數的公式來完成的。這些分數根據其對客戶的重要性被賦予相對權重。然後，加權指標可以用於單個數學模型或公式中，以找到總分數。當元件值在不同的設計選項中變化時，結果得分最高的那個被認為是“更好的”，並且會被選中。

並非所有需求都有相關指標。有些是絕對的，沒有可變性。這可能會發生在像法律和法規這樣的外部約束中。當需求是必須滿足的基本功能，或者設計達不到其預期目的時，它就變成了一個簡單的“是/否”問題，而不是可變的量表。在這些情況下，任何設計選項都必須完全滿足固定需求，而可變的選項則可以根據需要進行調整。

每個功能的量表通常在 0 到 100% 或 1 到 10 之間的範圍內，但這只是任意設定的。更重要的是，從系統的可衡量方面到評分值的明確轉換，以及將它們組合成總分的相對權重和方法。例如，可以將 0% 的值分配給 15 噸/天的工廠產量，將 100% 的值分配給 45 噸/天的產量，在它們之間使用線性量表，並將產量率在總分中賦予 30% 的權重。評分系統是客戶對系統願望的數學模型。它應該從他們認為不可接受的低值範圍到他們非常喜歡的的高值範圍。讓客戶以如此詳細的數字形式定義他們認為好或壞的內容通常很困難。儘管有最好的工程解決方案，但這剝奪了他們選擇個人偏好的設計自由。但是，如果你真的想要一個最佳答案，這是必要的。至少，這個過程使客戶何時會覆蓋工程過程變得顯而易見。當終端使用者是消費者、整個社會或政治領域時，直接的使用者輸入可能很困難或不可能，或者被故意誤導。在這些情況下，需要進行研究以確定適當的需求和指標，儘管缺乏合適的使用者輸入。一個假設的例子是使用機器人和人工智慧來提供服務的自動醫療。它可能會極大地提高服務的質量和成本。但終端使用者通常對該主題知之甚少，無法提供輸入。擁有知識或提供資金的醫療專業人員、保險公司和政治系統有其他利益，例如維護其收入或特定的政治理念。因此，在這些情況下需要獨立研究來確定最佳的技術解決方案以及如何實施它們。

應該記住，特定的設計解決方案可能在得分方面本身或與現有系統相比，都不夠“好”。透過將現有系統包含為一個或多個正在評分的替代設計來進行與現有系統的比較。分數過低表示新設計不足以滿足終端使用者的需求，或者與現有系統相比沒有足夠大的改進。分數低的原因通常不是效能改進不足以相對於成本，但其他指標可能會給出這樣的結果。

一個未來專案示例，它不夠好，是最初的空間電梯概念，從地面到太空的高度為 60,000 公里。目前或預計的材料無法建造這樣一種設計，使經濟效益合理。在這種情況下，正確的答案是停止開發該特定概念，暫時保留現有系統。工作可以轉向尋找能帶來更好結果的新概念和方法。在這種情況下，一個短得多的電梯，沒有連線到地面，有移動部件，以及一個亞軌道飛行器來到達它，這是一種經濟可行的方案。當設計不夠好時，一個選擇是重新評估最初的需求。這意味著要回到使用者或客戶那裡，瞭解他們願意接受哪些變化。

評分系統也可以用來提前確定需要多少改進才能證明新的設計是合理的。然後，這種改進就成為研發目標。專案的執行將等待研究達到這些目標。一個當前的例子是電動汽車。電池首先需要達到可接受的容量與重量比、充電迴圈次數和成本，然後才能在汽車設計中使用它們。這種型別的工程工作，用於設定目標和定義研究需求，但不是直接用於建造系統，稱為探索性設計。本書中的示例在一定程度上是探索性的，旨在幫助理解目前可以使用自擴充套件生產系統做什麼，以及需要進一步的研究和開發。它們也是教程，因為它們展示瞭如何產生這些設計。

應用概念和理念

在第 3.0 節到 3.4 節中確定了許多概念和理念。由於其中一些將被納入專案需求，因此我們現在將它們提出來，但它們可能在設計的後期階段適用。我們希望有一個有組織的過程來在需要時應用它們。我們透過在專案的概念定義階段進行應用分析來做到這一點。這通常是專案生命週期的第一個階段。該分析將每個概念或理念進行分析，並考慮在系統工程步驟和設計資料中哪些地方可以使用給定概念。對特定理唸的可能結果是，在給定專案中根本不使用它。該分析記錄了應該在何處應用這些概念，以及這些選擇背後的理由。對概念的實際應用是透過強加需求、新的功能元素或設計選項、清單或被納入專案的功能來實現的。這將在後面的示例中詳細介紹。我們在這裡為我們的參考體系結構提供了一個初步版本，以顯示這種分析是如何構建的。它列出了各種概念和理念，並描述了它們在何處或如何被包含。

系統指標

這些指標在第 3.0 節中列出。第一組是相對於工廠設計特徵的比率

閉合率 (CR) - 這是指一個工廠、其最終產品或兩者組合的百分比，它可以在內部製造，以零件數量、質量、價值或其他關鍵因素來衡量。任何不在內部製造的都會作為來自工廠外部的輸入進行供應。隨著工廠的增長和新裝置的增加，該比率可能會隨著時間的推移而變化。實現高閉合率在智力上很有趣，但本身不是最終目標。該指標的用處在於它如何影響工廠的初始和運營成本，而人們確實關心這些成本。據推測，高閉合率會導致較低的成本，但這種關係必須被證明是真實的。如果是這樣，設計人員可以跟蹤閉合率，就像跟蹤重量和成本一樣。

輸出範圍 (OR) - 是指工廠可能輸出量與工廠元素的比率，以相同的度量單位來衡量，例如質量，分別計算輸出和元素的每個副本。它衡量產品的多樣性與工廠的複雜性。當輸出包括工廠本身的部件時，它們也會在該指標中計算。更高的 OR 應該透過更廣泛的輸出提供更好的工廠經濟效益，並透過更多自我生產提供更好的增長。

擴充套件範圍 (ER) - 是指可以用於擴充套件工廠的產出與工廠本身製造的產出之比，以質量、工藝、零件和材料數量為單位。它是衡量工廠多元化的指標，表示工廠相對於起點可以做多少新事情。更高的 ER 意味著更小的初始裝置和更多可能的產出。與封閉率一樣，產出範圍和擴充套件範圍可以在電子表格和從設計資料中得出的報告中跟蹤。

下一組是定量生產產出，包括總量和速率。它們衡量工廠的生產力，因此也衡量經濟價值和增長率。

生產比率 (PR) - 是指某項感興趣的量（質量、能量、零件數量、貨幣價值等）的總產出在其生命週期內與單臺裝置或整個工廠的該項價值之比。例如，PR（能量），也稱為“能量回報率”或 EROEI。這是指一個物品相對於製造該物品所需的能量所產生的能量。為了使系統能夠繼續執行並具有經濟可行性，生產比率應明顯大於 1.0。

生產率 (P/t) - 是指生產比率 PR 除以一個時間單位，例如小時或年。PR 衡量的是總共可以生產多少產出，而 P/t 衡量的是生產速度。更高的速率應該會導致更好的經濟效益和更快的工廠增長。生產指標首先從設計資料中估算，然後在執行中的原型和最終裝置上測量。這些指標可以與傳統非自擴充套件生產的指標進行比較。有利的比較為開發和構建這種型別的生產系統提供了動力。

第三組是相對於起點的增長比率和速率。它們衡量工廠的增長幅度和增長速度。這些指標具有經濟意義，並衡量工廠能否實現產出目標。它們可以作為專案目標和要求納入，然後透過設計估算和實際績效進行跟蹤。

增長比率 (GR) - 這是指工廠的最終產能，以感興趣的單位（質量、佔地面積、年產出等）相對於起點而言。

增長率 (G/t) - 這是指產能隨時間單位（通常為年）的變化率。增長率是經濟學和投資中的常用指標。

最後一組來自第 3.0 節，是效率指標。標準工程效率是指有用產出除以總投入。例如，鋸木廠的轉換效率是指木材產出質量除以原木輸入質量。這種效率通常在工程設計中進行計算和跟蹤，因為更高的效率意味著更少的能源和材料浪費。對於使用一個過程的產出和廢料作為另一個過程的輸入並迴圈利用材料的整合工廠，我們可以檢視整個工廠的總系統效率。這將是一個新的指標，需要在設計和運營過程中設定為目標並進行跟蹤。一組新的指標是可再生效率，即來自可再生資源的能源和材料的百分比。近年來，這些指標開始被政府和企業設定為目標，並可能被納入專案目標或要求，然後在設計和運營過程中進行跟蹤。

動機和經濟

動機和經濟是社會因素，促使人們參與併為專案提供資源。它們在第 3.1 節中進行了討論。

動機 - 這些是個人和群體採取行動和做事的理由。對於像設計和建造自擴充套件工廠這樣的專案，他們需要足夠的動力來提供所需的勞動力、材料和其他投入。可以從個人層面上研究動機，這可能涉及滿足生物需求和個人願望。也可以從群體層面上研究，例如貿易網路、合作社和公司。群體具有與其成員不同的動機。動機可以在早期系統工程步驟中納入專案，在該步驟中，將設定需求、目標、目的和要求。在後續工作中，如果設計結果引人入勝，則將其呈現在報告和簡報中以激勵人們。採取行動需要知道行動存在並且是可能的，因此必須將其呈現給能夠採取行動的人。

經濟 - 經濟理由被認為是採取行動、使用可用投入並提供商品和服務的強大動力。人們有生理需求和個人願望。因此，他們有動力以最少的努力滿足最多的需求。這使他們能夠在最長的時間內獲得最大的滿足。對於許多人來說，最有效的途徑是將自己的時間和技能換取中間商品，即金錢。金錢反過來可以用來交換他們需要和想要的大多數東西。這使他們能夠專注於自己擅長的事情，並以小組形式工作以更有效地生產商品和服務。

用勞動力換取金錢是一個線性過程，你為給定的勞動力獲得固定數量的金錢。指數增長（複利）的概念是在不斷增長的基礎金額上每單位時間應用增長增量。回報不再是線性的，而是隨時間加速。人們強烈地渴望找到這種加速回報，並將部分勞動力或資金投入其中，因為他們以後可以從更大的回報中滿足更多的需求和願望。如果自擴充套件工廠能夠證明具有較高的增長率，那麼我們可以預期個人和群體會努力投入其中。如何將此納入專案，是在設計階段計算估計增長率，然後在實際建造示例時在實踐中證明這些增長率。告知人們這些增長率應該激勵他們利用高回報。

一個不斷增長的工廠如果不生產有用的最終產品或收入，將不會很理想。因此，總產出被分成用於維護和增長的內部使用和用於所有者或銷售的外部使用。目標是透過最佳化產出分配來最大限度地提高滿意度。人們的需求和願望是可變的，包括同一個人在不同時間以及材料成本或新技術等外部環境也會隨著時間而變化。因此，生產產出的分配不能在設計期間設定並永不改變。為了處理這個問題，使用計劃過程來預測所需的產出，並調整工廠以滿足這些產出。這將從設計階段開始，並在整個運營過程中持續進行。

利潤、運營成本和生產率也應持續估計和監控。這包括內部生產系統以及外部新裝置、技術、工藝和組織型別。當確定更好的方法時，應將其作為升級或替換進行整合。可能發生舊工廠不再可行，應予以退役。專案動機和經濟學都是透過在專案生命週期內分配人員來開發和跟蹤它們來實現的。

技術概念

與自擴充套件生產系統相關的技術概念在第 3.2 節中列出。我們按照以下方式應用這些想法。

流量守恆 - 質量守恆和能量守恆定律是科學和工程的標準部分，並且經常用於設計。例如，由於質量守恆，進入噴氣發動機的空氣和燃料流量必須等於排出的流量。通常，這些定律適用於單個機器或過程。跟蹤複雜系統的各個部分的所有型別的輸入、輸出和流量並不常見。我們應用整個設計和運營中的原理，以幫助捕獲所有輸入和輸出，並找到利用原本會浪費的東西的機會。

系統方法 - 由於選擇了系統工程方法來為設計過程提供結構並協調設計過程，因此係統方法已經包含在內。

模組化設計 - 我們無法詳細預測人們未來會想要什麼樣的產出才能滿足他們的需求和願望。我們也無法預測隨著時間的推移，有多少人（作為所有者和客戶）會想要這些產出。因此，我們希望我們的生產系統能夠靈活地根據需要增長並調整其產出。我們在工程的早期階段應用模組化設計方法，透過為模組設定標準尺寸和間距、用於將事物連線在一起的共享介面和協議，以及自動化製造和安裝新模組或在需要時重新排列模組的過程。因此，產能將更接近需求。

當地資源 - 像金屬礦石這樣的物質資源通常集中在少數地方。高品位礦石需要更少的工作量進行開採，但隨後需要更多的運輸才能運送到使用它們的場所。建造自己的能源的自擴充套件生產可以將平衡轉移到低品位礦石甚至普通岩石。這些礦石分佈在更多地方，並減少了運輸距離。這使得從以化石燃料為基礎的運輸（具有高能量密度，但不幸的是存在 CO₂ 浪費問題）轉向電力運輸等替代方案成為可能。廢物堆放場和廢料通常代表可使用的品位礦石，並且隨著更多可用能量，它們也可以用作來源。減少運輸和迴圈利用都提高了可持續性，這是主要目標。將廣義資源的概念應用到設計中，方法是在設計中設定要求和評分指標，這些要求和指標能夠選擇這些型別的資源，而不是稀缺資源，而稀缺資源會帶來不希望有的副作用。

迴圈流動 - 我們已經提到過透過利用廢物流作為礦石進行迴圈利用。我們希望獲得降低外部資源需求和提高可持續性的益處，因此，除了迴圈利用之外，我們還可以透過設計進行迴圈利用。這是透過設計要求來實現的，這些要求需要檢查所有產出（包括有用產品和廢料），以便在系統中其他地方進行再加工和重複使用，並且包括設計功能以使此過程更容易。

分散式運營 - 遠端運營減少了人員前往工作地點的需要，以及供應停車場等設施的需要。將生產分散到人們想要產出的地方附近，可以進一步減少運輸需求。這些可以應用於要求將遠端和分散式工作視為設計選項的要求。自擴充套件網路可以在增長過程中保持遠端和分散式特性。

新想法

自 1980 年最初關於種子工廠的研究以來，一些新的想法在第 3.3 節中列出。我們將這些想法應用如下：

**資源核算** - 這將流量守恆的概念應用於整個系統及其所有部分。它採用了財務核算工具，例如平衡賬戶和電子表格。但它適用於所有型別的資源，而不僅僅是金錢。從設計之初開始建立資源跟蹤，並在專案的整個生命週期中持續進行，這就是它的應用方式。

**新軟體工具** - 現有的辦公和工程軟體通常用於專案中，但一些新的軟體對自我擴充套件專案特別有用。這些軟體需要定製設計或從現有軟體中改編，作為專案研發的一部分。**流程編譯器**將接收包含尺寸、材料和組裝說明的資料的設計檔案。它將這些檔案轉換為一系列操作，由自動化工廠的機器和在那裡工作的人員執行。當工廠不斷增長和變化時，某個產品的生產流程也會隨之變化。流程編譯器將主要自動執行計劃，就像軟體編譯器自動執行從程式語言到可執行程式碼的轉換一樣。與軟體開發一樣，流程流程也可能從手動最佳化詳細步驟中獲益，因此我們預計流程規劃不會完全自動化。

還需要額外的軟體來控制單個機器，並將其聯網以傳遞命令和狀態。增強現實和遠端呈現技術在 1980 年不可行，因為當時計算和通訊技術發展水平較低，但今天已成為可能。它們可以透過在實際工廠空間中顯示 3D 設計、在執行時顯示工作任務以及為遠端操作員提供沉浸式顯示來應用於設計和製造。該領域的裝置和軟體正在快速發展，因此需要多少定製開發是一個懸而未決的問題。

**專案演進** - 早期關於自複製工廠的想法假設第一個工廠完全自動化地製造了自己的一模一樣的副本。這簡化了增長過程，將相同任務重複多次，生產出許多工廠副本。但這種方法忽略了最終產品的細節，並使工廠設計變得非常複雜。在我們目前的工作中，我們從一個更簡單的種子工廠裝置啟動集開始。透過新增與啟動集不同的機器、擴充套件現有型別的尺寸，以及複製原始裝置，它演變為一個全容量工廠。演變可以細分為更小的步驟，例如一次新增一臺新機器，或為現有機器新增一個附件或配件。這種型別的增長允許延遲設計，直到以後的增長階段需要時再進行。由於特定最終產品是最終目標，因此增長計劃是從生產這些最終產品所需的裝置開始倒推的。反過來，識別出可以生產最終裝置組的早期裝置組，依此類推，回到最初的啟動裝置組。因此，增長過程中的每一步都比完全自複製工廠的設計問題更簡單。在計劃增長順序時，有些專案無法用現有裝置製造。因此，根據需要新增來自外部的機器、零件和材料。隨著增長的進行，外部供應量應該減少。

**通用工廠** - 這種想法是指一個工廠，只要輸入設計檔案，就可以生產任何已知的產品。據我們所知，這是一個新想法，關於通用性需要什麼以及自我擴充套件工廠是否可以發展成為通用工廠，存在著懸而未決的問題。目前，我們將投入一些研究精力來研究這個想法，看看它是否證明是有用的。

參考架構

我們在第 3.4 節中描述了自我擴充套件生產系統的參考架構。我們應用這個架構的方法是，將它作為本書中每個示例以及其他專案的起點。未來對這些示例和專案的進一步研究可能會發現改進和更新，並將這些改進和更新應用回參考架構，以便在以後的工作中使用。