第 3.2 章 - 技術概念
在本章中，我們將探討一些現有的技術概念，並在設計過程中使用它們。它們來自工程、科學、優秀設計實踐、計算機網路以及對可持續性的渴望等各個領域。它們與自最佳化系統的設計和操作尤其相關，但其他領域仍然重要。設計任何技術系統，無論是自最佳化系統還是傳統系統，都需要來自許多領域的知識。
在科學和工程學中，守恆性質是指在封閉系統演化的過程中不會發生變化的性質。物質和能量在普通條件下是守恆的性質。另一種說法是它們不會憑空出現或消失。由於值不會隨時間變化，我們可以寫出方程式，其中一個時間點的總量等於另一個時間點的總量，儘管組成總量的成分可能已經發生變化。
開放系統允許輸入進入，輸出離開。我們也可以為開放系統寫出方程式，其中現在時的總量等於之前時間點的總量，再加上或減去在此期間流入或流出系統的任何專案。然後，這些方程式可以用來解決問題或回答關於系統設計和操作的問題。
我們可以將這些守恆規則應用到物質和能量之外。它們可以應用於進入系統的所有專案，包括資料和人力等無形資產。在設計或作業系統時，內部數量的任何變化必須來自流入或流出，或由內部將專案轉換為其他型別。
守恆規則也適用於系統的各個部分。因此，系統內部的流動不能有分離的端點。這意味著流動的內容將憑空出現或消失。因此，流動必須連線系統內的各個部分，或者連線到系統外部。因此，如果生產過程消耗的原材料和能量超過產品中體現的量，則守恆規則告訴我們，一定還存在一些廢物材料和能量輸出。高效的設計將識別這些廢物流，並嘗試利用或最小化它們，而不是忽略它們。
在物理學和工程學中，開放系統只是一個有界區域，它具有流入和流出該區域的流動，以及在任何時間點內部內容的可變數。出於設計目的，系統被定義為一組功能上、物理上和/或行為上相關的元素，它們定期相互作用或相互依賴。
系統與其周圍環境的區別在於系統邊界（圖 3.2-1）。邊界是圍繞元素集合進行設計和分析時畫出的一個思維模型。它不是像圍欄那樣的物理邊界。相反，它將某些元素定義為系統的一部分，而所有其他元素則定義為系統外部。
系統可能包含物理上分離的部件，例如家庭衛星電視網路，其中地面站、衛星和家庭裝置相距很遠。然而，這些部件在功能上是相關的，並且相互作用，因此它們的設計最好作為一個整體進行，而不是作為不相關的專案進行。系統在存在期間還具有時間維度，並且會隨著時間的推移而演化。
系統方法試圖最佳化設計，不僅是在單個時間點，而是在整個存在時間內。因此，它考慮了從設計階段到系統過時時的最終處置的所有事項。因此，跨系統邊界的流動在時間上以及地點上都是分佈的。
根據流量守恆規則，任何跨越系統邊界的物質、能量、資料或其他專案都會導致系統內部數量的相等變化。流入的流動增加數量，流出的流動減少數量。一個非常簡單的系統的例子是個人支票賬戶。存款會增加您的餘額，付款會減少您的餘額。雖然流動不會憑空出現或消失，但系統中被稱為功能元素的部件可以將輸入轉換為不同的輸出。例如，機床可以將金屬棒料和電力轉換為成品、金屬切屑和廢熱。
當單獨考慮系統的每個部分時，它也必須遵守守恆規則，並且可以被視為一個更小的系統，或子系統。透過將系統反覆分解為更小更簡單的系統，然後將守恆規則應用於每個系統，您可以跟蹤和計算系統進出的一切，以及系統內部發生的所有流動和操作。
複雜的系統對於人們來說難以整體設計。將它們反覆劃分為更簡單的子系統將達到一個點，每個子系統都可以單獨設計，然後組合起來形成整體。一個常見的例子是設計房屋。木工、電氣和管道等各個部分可以由具有不同技能的人單獨設計，然後組合在一起。
一般來說，我們事先不知道一個不斷發展的系統需要什麼，也不知道我們希望它做所有事情。我們希望能夠根據需要輕鬆地進行更改。傳統的工廠擁有大型固定裝置，如高爐，可以產生大量產量，但缺乏靈活性。當以全速連續執行時，它效率最高。如果需求量較低，它會定期關閉，然後處於閒置狀態。
如果高爐的利用率為 80%，則有 20% 未使用。如果需求量增長到產能的 120%，則需要第二個高爐，再次留下未使用的產能。對於美國整體工業來說，產能利用率從 1972 年到 2020 年平均為 79.6%，2009 年低點為 66.6%，1988-89 年高點為 85.2%。為了更好地使產能與需求相匹配，我們希望採用一種設計，可以以較小的增量進行更改，而不是以昂貴的大型固定步驟進行更改。
一種方法是使用模組化設計。它設定了信封和介面，以便不同的元素可以在沒有任何特殊更改的情況下協同工作。它在許多領域中得到廣泛應用。例如，美國建築施工使用木材的標準增量為兩英尺，以便部件更容易地拼合在一起，減少切割和浪費。個人電腦使用處理器、記憶體和附加卡的標準插座，以便可以根據需要新增各種部件，而無需改變機箱或主機板。
對於不斷發展的工廠，我們可以將這個概念擴充套件到建築佈局，為裝置及其公用設施提供標準的模組化位置。我們還可以將模組化概念應用於車輛和機器人設計。車輛將具有標準的底盤尺寸以及安裝電機、車輪、建築工具或機器人手臂的標準位置。在這兩種情況下，這使得在需要時擴充套件或修改事物變得容易。
如果生產量或輸出組合發生變化，將裝置分成更小的模組將使您能夠更好地將輸出與需求相匹配。或者，您可以用一臺佔據工廠車間更多模組的更大機器替換給定尺寸的機器。除了使裝置佈局更靈活和高效之外，模組化設計也更容易。您不必每次更改時都更新設計，只需一次設計好各個模組，然後根據需要使用多個副本即可。
- 模組尺寸
模組的一個決定性特徵是使用特定的尺寸和間距，以便物品可以輕鬆地拼合在一起。一個流行的例子是樂高積木玩具（圖 3.2-2）。它使用 8 毫米水平和 9.6 毫米垂直間距，適合玩具建造。
其他產品需要更廣泛的尺寸範圍，從小到很大。工業設計通常使用首選數，它們在幾何級數中幾乎是相等的倍數。例如，使用以 1、2、5 和 10 毫米、釐米、十釐米和米為起點的基本比例尺。這提供了一系列比例尺，它們比最後一個大 2 倍或 2.5 倍。實際的模組尺寸可以是 1-6 個比例單位。這提供了重疊的尺寸範圍，因為給定比例的 6 倍大於下一個較大比例的兩倍。如果基本比例尺為 5 釐米，則 5、10、15、20、25 和 30 釐米將是每個維度上的模組尺寸。然後，硬體元件將適合任何數量的適當尺寸的模組。
這種方法可以處理廣泛的尺寸範圍，同時仍然保持模組化。例如，安裝孔可以遵循這樣的系統，它們彼此間隔一定數量的模組尺寸。如果車輛底盤、電機和車輪都使用相同的模組尺寸和孔距，則不需要特殊零件。在工廠佈局中，您可能使用 1 米模組，2 米過道用於移動物品，1x1 空間用於支撐柱，每 5 米一條公用設施線，整個建築為 20x50 米。不同尺寸的裝置更有可能有效地利用空間，因為它們都是模組的偶數倍數或分數。
- 標準介面和協議
聽起來可能很矛盾，標準介面可以使事物更靈活。電源插座是標準化的，但它們允許在任何位置插入幾乎任何裝置。已經存在連線自動化裝置的標準，例如通用工業協議，以及交換設計資料的標準，例如 STEP（ISO 10303）。這些標準可以按原樣使用，並且可以利用使用它們的現有專案。
一套完整的工廠標準將適用於物理和資料專案。物理標準包括公用聯結器（電源、資料、水等）的放置和型別，因此每臺機器都可以“插入”而無需定製設計。它還將包括標準地板承載能力和其他建築特徵。PCI Express計算機擴充套件匯流排標準是這種模組化系統的示例。物理、電源和資料聯結器已定義，因此任何擴充套件卡都適合任何匹配型別的插槽。
- 模組化自動化
工廠現在通常使用自動化機器和機器人，加上一定數量的人工，來製造最終產品。這種裝置本質上是靈活的。您可以選擇製作單個零件或整個生產執行，或者透過更改機器指令來更改產品。對於模組化自動化，我們可以擴充套件這個想法，將工廠也包括在產品中。如果建築物的組裝以及工廠裝置位置、儲存和其他專案的設定可以自動化，那麼整個工廠就可以根據不斷變化的需求變得更加可配置和靈活。
我們並不期望這些任務實現 100% 的自動化，尤其是在一開始。但是，在我們可以實施的範圍內，它可以顯著提高生產力和自我擴充套件能力。使用標準化模組，這些任務將在不同的工廠中重複多次，因此值得付出額外的努力去自動化。
運輸已經很大程度上模組化和標準化，使用集裝箱。這些適合作為船舶、鐵路貨車和卡車的單元，這些卡車旨在處理它們。因此，自動化工廠更改的一種方法是使用具有內建模組化安裝點的集裝箱尺寸底座。托盤通常也標準化以適合集裝箱內。因此，較小的裝置專案可以具有固定在較大集裝箱尺寸底座上的安裝點的托盤狀底座。
憑藉已知且一致的位置，自動化裝置運輸、重新排列和擴充套件應該更容易。集裝箱設計為在船舶上互鎖和堆疊。此功能有時已用於陸地上的集裝箱建築。原則上，您可以製作一個集裝箱尺寸的框架作為建築牆，然後用屋頂桁架、屋頂板和支撐柱部分填充它。如果標準化，建立或擴充套件工廠建築也可以自動化。
4.0 - 本地資源
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過去，使用當地可獲得的資源是一種生活方式。高昂的運輸成本使得移動大量貨物過於昂貴，因此人們主要使用附近可獲得的資源。像鐵路和大型貨船這樣的新方法極大地降低了運輸成本。從它們發現的稀有地方開採高等級資源，然後將它們長途運輸到需要的地方成為可能。一個突出的例子是石油，它只在某些地方大量發現，並被運往世界各地。
這種高等級資源從定義上來說是有限的：它們只構成了丰度分佈的頂端。它們往往首先被開發，因為它們為獲取它們所付出的努力帶來了最高回報。如果該資源仍然有需求，那麼人們就必須轉向低等級來源。在一定程度上抵消這種現象的是，並非所有資源都同時被發現，並且開採方法隨著時間的推移而改進。這些可以延遲需要轉向低等級的時機，但地球是有限的。在某個時刻，最高等級的資源會枯竭。
過去，開採木材和化石燃料等集中能源是高效的。最容易獲得的此類來源已被開發，需要付出更多努力才能獲得剩下的部分。開採也會造成當地環境破壞，燃燒的燃料會在大氣中釋放過量的 CO2，造成不必要的全球變暖。額外的勞動和問題鼓勵人們遠離這些來源。石油產品目前是現代交通的主要動力來源。替代品需要低成本，否則它們會推高所有需要移動的東西的成本。其中包括用於燃燒以外其他目的的化石來源。
我們看到，過去開採能源和材料的方法從長遠來看是不可持續的。使用可以發現於許多地方的低等級來源，有助於從兩個方面解決這個問題。首先，由於它們存在於許多地方，因此平均移動距離更短，需要更少的運輸能量。其次，較低的濃度更加豐富，不太容易枯竭。例如，如今只有鐵含量超過 25% 的礦石才值得開採，而這些礦石只出現在某些地方。然而，鐵佔地球地殼的 5%。學習如何從常見礦物中提取鐵將大大增加資源並減少所需的運輸。
像太陽能和風能這樣的可再生能源廣泛分佈在地球上。因此，到使用點的平均距離很短。自 2011 年（風能）和 2016 年（太陽能）以來，它們也成為成本最低的公用事業規模能源。因此，用更多能源來提取附近的低等級礦石，而不是繼續從遙遠的地方開採高等級礦石，這是有道理的。一種這樣的當地來源是廢棄物。回收它們所需的能量可能低於新生產所需的能量，並且回收利用可以避免處理所需的成本和空間。
5.0 - 迴圈流
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如果質量流是線性的，即使是低等級礦石最終也是不可持續的。線性是指物質從礦山等來源流出，在文明中使用一次，然後被丟棄為廢物。因此，無論資源多麼豐富，它都會逐漸枯竭，廢物會隨著時間的推移而積累。
另一種選擇是使用迴圈流。它們模仿大自然的運作方式，大多數材料會被多次回收。一個例子是有限量的可用淡水。人和其他自然過程透過處理或蒸發將廢水轉化回淡水，以便再次使用。
使用過的材料比新開採的原材料具有一些優勢。它們通常出現在需要新產品的地方附近，因為那裡是舊產品使用的地方。因此，運輸距離可以很短。它們作為投入的質量可能相當高，並且比新開採的礦石需要更少的能量來處理。
回收利用需要足夠的能量，而這種能量不幸的是不能重複利用。所謂的可再生來源僅在人類時間尺度上以可用形式出現，例如太陽每天升起或森林重新生長。太陽能、風能、水力發電、潮汐能和地熱能的最終來源是核聚變、重力和放射性衰變，這些都是有限的。但它們需要數百萬或數十億年才能枯竭。這遠遠超過人類的時間尺度，因此從工程的角度來看，我們可以將它們視為無窮無盡的來源。
為回收利用而設計一件物品或整個系統應該比事後新增它更有效。生產過程可以整合在一起，以利用其他過程的廢物，並使用回收材料。它還應該透過減少對原材料開採和加工的需求帶來一些成本效益。例如，生鏽的鐵管仍然比大多數鐵礦開採的礦石等級要高得多。因此，鐵和鋼廢料的市場以及將其用於新產品的工藝發展良好。紙張、玻璃、鋁和其他材料也是如此。
回收利用還可以減少對廢物處理的需求。如果自動化工廠內的回收利用足夠有效，甚至有可能獲取外部來源的過去廢物，並將其轉化為有用的產品，從而幫助清潔世界其他地方。如果可以足夠便宜地獲得這些廢物，那麼這樣做在經濟上是合理的。
在多個地點進行的協調任務和流程被稱為**分散式**。它們在擁有多個辦公室、商店、倉庫和生產場所的大型組織中很常見。種子工廠等自我完善系統也可以使用這個概念。
我們可以根據建築物和裝置的位置以及控制的位置對分佈進行分類。物理分佈很簡單。某個特定地點要麼擁有所有建築物和裝置，要麼擁有部分，其餘部分在其他地方。相對於傳統工廠，從啟動套件中發展起來的整合工廠可以是分散式的反面。它們可以將比平常更多的生產步驟和裝置型別集中到**統一操作**中。
在另一個極端，你可以將單臺機器分散在世界各地，但透過電子方式進行協調。對物理物品的控制可以是本地或遠端、手動或自動的任何組合。因此，四種可能性分別是裝置上的直接人工操作員、人工遠端操作、裝置現場的本地計算機/自動化或遠端自動化控制。
- 遠端操作
在電子時代之前，只有一種選擇是實用的：在同一地點由人員手動操作工具和機器。遠端協調人員很困難，運輸成本相對較高。因此，將辦公室和生產任務設在集中位置是有意義的。這就是大型工廠和辦公大樓曾經存在，並且現在仍然存在的原因。
現在有了智慧手機、連線到寬頻網路的個人電腦以及帶有視覺和力反饋的機器人等電子裝置。這些技術使以更分散的方式進行操作成為可能，人們彼此分離，也與裝置分離。人員和裝置不需要分離，但這是新技術帶來的選擇。現代電子控制和軟體還增加了無需人工即可完成某些任務的選擇，即自動化。此類控制和軟體可以是本地或遠端的。
遠端操作的經濟效益取決於使用遠端呈現和遠端控制等功能的成本，相對於人員在現場的成本。現場工作人員通常會增加停車場、進入裝置的物理空間、餐廳和浴室等專案的成本。上下班通勤時間和成本會產生巨大的開銷。
遠端訪問有可能降低供應人們需要和想要的東西的成本。例如，與為大量日常工作人員提供停車位相比，土地面積可以減少到僅為偶爾的維修人員所需的面積。但將事物集中在一起的其他原因，如生產步驟之間的有效轉移，仍然適用。因此，專案的具體情況將決定設計應該分佈的程度。
我們可以用利比亞的假設太陽能電池板工廠來說明這些因素之間的關係。某些沙漠地區既有充足的陽光供電，又有高質量的矽砂（二氧化矽）用於製造矽太陽能電池。土地成本很可能非常低。然而，工廠運營商可能不想住在沙漠裡，在那裡支援他們的成本會相對較高。在這種情況下，遠端工作會比較有吸引力。
遠端工作的另一個原因是，如果當地沒有足夠擁有合適技能的人員。遠端工作將候選人範圍擴大到全世界（或者至少是具有足夠快寬頻的部分）。第三個原因是，在不同時區的多個人可以透過遠端控制操作相同的裝置，全天候使用它，使其更有效率。第四個是工作靈活性。您可能不需要在特定地點配備全職人員，但可以分配他們操作不同的地點並在它們之間進行電子切換。
當搬到地球上更困難的地方，最終進入太空時，提前傳送裝置並遠端操作它是一個相對更有吸引力的選擇。最初，新的地點無法從當地資源為人們提供支援或提供舒適的生活空間。物資和臨時住所必須從其他地方運來。一旦在某個地點建立了本地支援能力，更多人就可以跟隨。人工存在不是一個非此即彼的情況。臨時訪問或一小部分常駐人員可以補充大部分由遠端控制的大型操作。
支援人員的困難是迄今為止所有地球低軌道以外的長期航天器一直使用遠端控制的原因。遠端操作還用於軍事無人機、深海車輛和某些型別的採礦，在這些情況下，環境很危險或支援人員很昂貴。地點越困難，距離越遠，遠端操作的激勵措施就越高。電子產品和網路頻寬的不斷改進將使隨著時間的推移，遠端操作能夠更有效地用於更多工。
- 自擴充套件網路
自擴充套件網路是一種特殊的分散式操作，它由多個節點組成，這些節點交換資料、物理資源和產品。使這種網路區別於現代商業背景的是，這些元素被設計成協同工作並相互制造物品。該網路還使用一定程度的自動化軟體來協調任務和支付。
各個節點在複雜性（執行的任務數量）和輸出能力方面有所不同。一個專業節點可能只執行一個或幾個相關的任務，而一個通用節點可以執行許多工。一個通用節點可能具有足夠的靈活性來生產其自身的大多數零件和材料。一個本地個人或商業節點的輸出能力較小，而一個工業節點的輸出能力較高。這些不是嚴格的類別，而是對不同節點型別的光譜描述。
整個網路可以提供比單個節點更高的自我擴充套件和自我生產能力，因為它包含更廣泛的流程和產品，以及更多具有不同技能的人員。特別是，網路的產品可以有意地包括設計、零件和完整元素來建立新的節點，幫助網路成長。
大型傳統工廠，如汽車組裝廠，通常專注於一項任務。當對該特定專案的需求下降時，裝置會被閒置，人員會被解僱。將生產任務分離成更小、更靈活的節點可以更容易地根據需求變化更改它們的操作。這需要更多計算機和軟體來根據需要重新分配任務，但與重新利用大型工廠相比，計算機相對便宜。因此，一個靈活的網路可能具有更高的利用率，並且總體效率更高。