6.1 - MakerNet：需求
本節描述 MakerNet 專案的初始系統需求集。由於我們所有的專案示例都基於自我擴充套件和參考架構的類似理念，因此每次列出所有需求將是重複的。相反，我們建議您參考第 5.1 節中的個人生產需求，並在此節中註明與之的任何差異。
本節列出了個人生產專案的初始系統需求集。識別它們是第 4.0 節到 4.4 節中描述的系統工程過程的第一步。它以可衡量和具體的術語描述了完成的專案應該做什麼。需求被組織成類別，並編號以供日後參考。它們是用系統擴充套件到滿負荷時的術語寫成的。種子工廠將成為增長的起點，它將在設計過程的後期透過從期望的終點倒推確定。
每個需求的文字後面是一些解釋其來源和更多細節的資訊。設定需求沒有“正確答案”。它們是試圖滿足將使用最終設計的人員的目標和願望。在這種情況下，特定的需求集源於一個更大的計劃框架，用於提高生活質量，並維護可持續和不斷擴充套件的文明。在概念設計階段，專案設計師必須經常充當終端使用者的代理人。使用者可能尚未確定，也還沒有資訊知道他們想要從自我擴充套件自動化中獲得什麼。相反，我們對他們一旦瞭解了專案資訊，會想要什麼做了最好的估計。稍後，當用戶確定後，我們可以獲得他們對目標和需求的直接輸入。
雖然我們在下面列出了許多需求，但不能保證它們是可能的或經濟上可行的。它們是我們希望最終設計能做到的事情的起點。更新的基本需求集將是專案概念設計階段的產出。在此階段，我們將根據需要調整可行性，確定需要更多開發的領域，並在識別新需求時記錄它們。
- 1.1 專案目標 - 該專案應提供一個當地擁有和運營的個人生產系統，該系統支援所有者及其周邊社群的需求和願望。
這設定了系統將執行的操作機制和基本設計功能。它是一個二進位制（是/否或真/假）型別需求。該需求要麼滿足，要麼不滿足。本地大體上是指“在幾個小時的旅行時間內”，或大約一個都市區及其周邊地區。這將在以後更明確地說明。
- 1.2 專案規模 - 在滿負荷狀態下，該系統能夠滿足 2640 人社群需求和願望的 25%（按價值計算）。
需要一個滿負荷容量的目標尺寸，以便您可以朝著明確的設計方向努力。起始尺寸將小得多。社群是一個比所有者/運營商更大的集合。它包括家庭成員、鄰居、朋友，以及偶爾為其製造東西的客戶。2640 人的特定目標有些隨意，但基於歷史上建立新社群的例子。其理念是，一個足夠大的社群將擁有運營各種生產機器所需的技能，並完成其他必要的任務。如果後來的設計工作表明這個數字太小，或者太大，則可以更改。但我們需要第一個設計迴圈中數值需求的起始值。
- 1.3 選擇 - 專案使用的特定物理場所及其內部組織、功能和運營應由專案所有者和場所居民在設計約束範圍內選擇。
此需求的目的是讓裝置的所有者/運營商選擇其建造地點和運營方式，而不是這些決定由外部做出。工廠元素的完成設計為他們提供了選擇地點的起點，但最終選擇權在於他們。設計約束包括限制裝置型別和位置的區域劃分和建築規範。
- 2.1 位置 - 該系統應設計為在佐治亞州亞特蘭大聯合統計區執行。
我們希望它在各種實際條件下執行，因此我們選擇了一個示例位置。後面的示例將擴充套件到更廣泛的位置集，因此具有更廣泛的設計環境。亞特蘭大 CSA 直徑約 240 公里（150 英里），這使得在該位置內從一點到另一點的合理旅行時間成為可能。
- 2.2 增長 - 該系統應能夠在初始啟動後每年至少增加 5% 的生產、運輸和居住能力。
為了使設計對所有者具有吸引力，它應該能夠不僅僅是維持自身，而且還要有充足的增長空間。額外的容量可用於擴大社群規模、啟動新地點或製造產品以供出售。5% 是最低設計目標，更高的增長率是可取的。初始啟動時間介於啟動器組開始執行時與滿負荷容量的 10% 之間。在這個早期階段，可用的機器型別和社群內的技能將更少，因此我們在這一時期允許更低的增長率。所衡量的增長是透過內部生產實現的。加入專案或為專案貢獻資產的額外人員可以加速增長。
- 2.3 改進的技術 - 該系統應以漸進的方式提高其自我生產、迴圈流動和自治水平。
我們不期望創始社群和初始裝置與滿負荷容量時的能力相同。此需求設定了隨著工廠規模的增長，技術性能的逐步提高。我們目前將自我生產、迴圈利用和自動化目標設定為 25%，作為第一代設計的合理目標。
- 2.3.1 當地資源 - 該系統應能夠以經濟價值衡量，從當地資源中供應社群需求和願望的 25%。
這透過從當地來源提供材料和能源，對上面 1.2 專案規模進行了更詳細的說明。本地包括專案場所本身（在可行的情況下），否則來自亞特蘭大地區。為了滿足其父需求（2.3）的逐步改進，我們在滿負荷容量的 3%、10% 和 30% 設定了 6%、12% 和 18% 的需求滿足目標。因此，在一個有 80 人的社群中，可能只有 20 個所有者/運營商，我們希望滿足他們 6% 的需求。改進與容量的幾何增長相關聯，因為更容易的產品將首先製造，以及製造機器的副本以提高容量，而這不會增加產品範圍。能夠供應一種需求定義了一種設計能力。人們是否真正利用裝置達到滿負荷容量取決於個人情況和選擇。
- 2.3.2 自我生產 - 該系統應能夠在內部生產社群總經濟價值的 25%，其餘部分來自外部工作和儲蓄。
先前要求涵蓋資源供應。此要求涵蓋產出物的經濟價值，包括業主作為運營商的勞動。同樣，我們認為在滿負荷的情況下，25% 是一個合理的水平，與先前要求的相同部分目標一致。參與程度將在整個社群中有所不同，從休閒到專注，因此 25% 是一個平均值。個人生產示例並非旨在取代大多數傳統工作和其他收入來源，而是作為它們的補充。在一定程度的自動化下，完成這兩項工作所需的時間應該是可能的。入門套件和啟動級別的增長（產能的前 10%）可能只支援愛好級別的生產，而在滿負荷的情況下，它將支援更實質性的貢獻，達到第二收入的水平。我們認為，逐步轉向自產比試圖一次性實現更可行。一次性實現的例子是殖民地或公社，在那裡每個人都 100% 致力於新的努力。這些通常由於各種原因而失敗，因此我們不嘗試這種方法。
- 2.3.3 迴圈流動 - 該系統應能夠回收和再加工社群生產、運輸和居住產生的當地廢物流量的 25%（按質量計）。
此要求來自多個來源。從長遠來看，閉環流動更可持續。它們的投入成本較低，因為您無需為大量新的投入付費。與線性（一次性使用和處置）流動產生的廢物相比，它們的處置成本也更低。我們預計生產裝置的材料加工能力和自動化水平將使回收在經濟上變得廉價。25% 的目標再次是在滿負荷的情況下。
- 2.3.4 自動化 - 該系統應能夠將人力需求降低 25%，低於美國平均水平。
從生活質量的角度來看，自動化是可取的 - 更少的勞動量獲得更多產出。業主/運營商不必擔心自動化會讓他們失業，因為他們擁有生產權。更少的工作量和經濟保障是使個人生產系統成為人們想要的東西的關鍵部分。我們認為，對於第一代專案來說，自動化實現 25% 的勞動量減少是一個合理的水平。它假設了一定程度的生產整合，以便可以自動化生產步驟之間的轉移，以及單個機器的自動化。僅僅因為一項任務 * 可以 * 自動化，並不意味著它 * 必須 * 自動化。例如，自動化的花園可以高效地生產食物，但有些人可能選擇手動園藝以獲得樂趣或鍛鍊。
- 2.3.5 自主權 - 該系統應能夠在本地控制至少 25% 的生產、運營和維護功能。
這部分源於對業主選擇的渴望，以及在與結果息息相關的人們的控制下運營事物的能力。擁有這種能力並不需要使用它。不在當地地區的參與者或專家可以透過遠端控制選擇作業系統的一部分。
- 2.3.6 複雜性 - 入門套件不應包含超過 8 種定製生產元素，不包括附件。
該專案的一個增長路徑是將數百種可用的裝置和工藝型別多樣化。但是，我們希望從較小的集合開始，以降低初始成本和設計複雜度。另一方面，我們不想從太少開始。例如，從理論上講，我們可以從零生產元素開始，從手工製作的石頭、棍子和火開始重建技術，但這並不實用。一種折衷方案是從大約每種主要生產功能一個定製裝置開始，以便在系統內實現相當完整的生產鏈。任何型別的執行生產系統都需要額外的附件、部件、消耗品、工具和小型車間工具，但不計入此總數。我們只提到了為專案設計的定製裝置。人們可以購買或建造的任何標準物品也不計入。
- 2.4 生活質量提高 - 該系統應能夠支援高於美國平均水平 25% 的人均 GDP。
滿足需求和慾望的目標並沒有說明食物、住所和公用事業等物品的質量水平。自然地，我們希望達到很高的質量水平，我們認為透過自動化和自產可以實現這一點。GDP 等價設定了一個遠高於美國平均水平的目標，並且是根據複製生活方式的成本來衡量的。2016 年基準 GDP 以當前美元計算為 18.23 萬億美元，人口為 3.2326 億，因此基準值為 56,394 美元/人。現金收入不會成比例增加，因為許多產品直接交付給社群。從理論上講，如果生產系統在不影響現有工作和生活方式的情況下滿足了 25% 的需求和慾望，那麼等效 GDP 將比基準值增加 33%。由於業主/運營商需要做一些工作，我們預計新活動不會純粹是累加的，而是會略微減少傳統工作。因此，目標是提高 25%。與其他要求一樣，這是滿負荷時的目標，並且會逐漸提高。
- 2.5 資料 - 該系統應與當地社群及更廣泛的範圍分享專案經驗和資料。
作為第一個此類專案，我們希望其他人能夠在獲得的知識基礎上進行建設，並希望反饋他們自己的經驗。將其作為系統要求可以確保我們在設計中包含用於收集和分享資料的流程。我們認識到，需要仔細保護個人資料。此要求是關於太陽能集熱器功率輸出等技術功能。
- 2.6 資源 - 該系統應能夠輸出至少 2.0 倍於內部需求的材料和能源。
這來自於對高度高效設計的渴望，這種設計舒適地生產超過自身維護和支援需求的產出。它還透過直接向業主供應物品、工廠的增長或出售剩餘產品來支援更高質量的生活。這是在滿負荷時測量的，是在建造生產設施和裝置之後。它與能源來源的“能源回報率”（EROEI）概念有關，但擴充套件到涵蓋物質資源。
- 3.1 完成時間 - [不適用]
專案時間表或完成日期通常用作基於時間的需求。在這組需求中，我們無法設定達到滿負荷的時間，因為我們不知道人們加入專案的快慢，也不知道還需要進行哪些研究和開發。目前，我們將在系統級別將 3.1 完成時間標記為“不適用”。在專案更詳細的級別，我們可能會推匯出時間和時間表要求，並將此要求編號 (3.1) 保留用於此目的。
- 3.2 執行壽命 - 該系統將被設計為無限壽命，並進行維護、維修和零件更換。
該專案旨在作為滿足社群需求的永久來源。因此，它將不會具有有限的壽命或磨損日期。由於各個元素無法設計為永續使用，因此此要求的結果是需要維護和維修任務。
成本要求限制了設計和構建系統的投入。它們是對專案的價值做出的判斷，相對於人們可以投入時間和資產的所有其他事物，以及該專案帶來的效益。總成本分為開發成本 - 技術、原型和設計的的一次性成本；和地點成本 - 每個新增單元或副本的重複成本。我們使用 2016 年中期的美國美元作為我們的成本要求，並根據通貨膨脹進行調整。
- 4.1 開發總成本 - 專案的開發成本對於一個擁有 300 人的社群來說，應不超過 4000 萬美元，減去銷售額。
我們的專案所處的製造業通常不會投入大量資金進行研發。由於我們希望將現代自動化應用於這些領域，因此我們假設開發成本相對較高。在沒有更好的成本估計的情況下，具體數字是美國人均資本的兩倍。這假設大多數裝置在 300 人規模上並非完全是新設計。開發專案成本估計是概念設計的組成部分，因此此值將進行更新。如果最終基於此設計構建了許多個人生產系統，則更高的開發成本是合理的。個人生產原型和早期擴張階段能夠製造出售的物品。在開發期間出售的任何物品都將從成本中抵扣，因此 4000 萬美元將是最大的淨支出。
- 4.2 地點成本 - 開發後的單位地點成本應低於每人支援 66,600 美元。
這涵蓋了根據其他要求，為每個平均受支援的社群成員提供的生產能力的重複成本。這是一個相對較低的數字，因為自動化和自產旨在以較低的成本製造商品。66,600 美元旨在涵蓋仍需購買的外部原材料、零件和人工。這是滿負荷時的人均平均數，最初可能會更高。截至 2016 年年中，美國的總有形資產為 86.1 萬億美元，即每人 266,400 美元。由於專案目標是滿足人們 25% 的需求和願望，因此我們將有形資產除以 4。此數字也是初步的，並將隨著概念設計期間成本估計的制定而更新。
- 5.1 風險容差 - 系統設計應在完成時包含對效能和設計不確定性的容差，不超過 37.5%。
沒有任何工程設計能夠被完全理解，或者完全按照預期建造和執行。因此，在效能、磨損率和其他引數方面總會存在一些不確定性。技術風險裕量是在所需效能之上增加的設計裕量，以彌補這種不確定性。換句話說，我們在設計中考慮了超出需求的部分，以確保我們至少能夠滿足所需水平。風險裕量是在設計完成並開始建造裝置時測量的。一旦系統建成並投入執行，您將瞭解實際效能。在本例中，不確定性設定得很高，因為它是一個首創專案。在設計開始時，不確定性會更高。目的是透過模擬、元件測試和原型等方法在開發過程中降低不確定性。請注意，技術性能風險與故障和安全危害是不同的。
6. 安全
[edit | edit source]- 6.1 位置風險 - 該系統對社群生活和財產的風險應低於美國 2016 年的平均水平。
安全執行是一個理想的特性，而且通常是法律強制要求的，所以我們將其列為一項要求。這必須在滿負荷情況下滿足，並適用於專案擁有的土地和裝置，以及它直接支援的社群。製造和運輸通常與之相關聯，但我們認為可以透過自動化（將人員從工作危害中移除）和安全設計（在設計階段防止風險）來控制其風險水平不高於平均水平。
- 6.2 人口風險 - 該系統應將附近人口的自然和人為風險降低 5%，包括系統產生的外部風險。
之前的要求是針對專案對業主及其直接支援的社群的風險。這個是針對專案以外其他人的風險。我們希望對附近的社群產生積極的影響。我們將附近定義為專案地點周圍 10 公里寬的區域，風險降低至少 50% 應用於最靠近的區域，25% 應用於下一個區域，依此類推。我們降低風險的人數與專案社群規模相同。因此，在亞特蘭大地區滿負荷情況下，我們對總人口中一小部分人群的安全做出了積極貢獻。
7. 可持續性
[edit | edit source]- 7.1 生物圈安全 - 該系統應儲存 178 種（物種 x 地點數量）在其現有自然範圍之外，無論是儲存還是存活。
除了目前的安全性之外，我們還希望為生物圈的長期可持續性做出貢獻。物種數量和它們被儲存的地點數量與專案規模成正比，因此我們在這裡使用了一個相對較小的數字。透過在現有自然範圍之外儲存物種，可以從原始種群的危害中恢復，例如氣候變化或人類發展。儲存方法的示例包括溫室、種子庫或在最近變化的氣候區重新種植。
- 7.2 生存能力 - 該系統應為文明水平的重大風險提供 0.0025% 的補償。
除了生物圈之外，我們還希望為人類文明的長期生存做出貢獻。這樣一個規模的專案只能預期做出微小的貢獻，因此要求值很小。方法的示例包括透過回收利用幫助解決資源枯竭，或透過可再生能源解決大氣碳積累問題。我們承認這是一個具有挑戰性的要求，但我們認為它至少值得嘗試滿足。至少我們希望瞭解我們對整個文明的影響。透過設定要求，我們必須衡量我們實現要求的程度。
8. 開放性
[edit | edit source]- 8.1 開放設計 - 專案中開發的技術和設計方法應向他人開放使用。特定設計例項和生產的物品可能是專有的。
我們更大的意圖不僅僅是支援一個當地社群，而是證明自擴充套件生產系統是可能的，並使其他人能夠使用它們。我們需要在共享底層技術與對完成工作的人員的獎勵之間取得平衡。因此，我們允許人們選擇保留特定硬體設計私有，並擁有他們構建的物理物品。專案開發的通用技術、方法和原型設計將公開共享，人們可以選擇貢獻他們自己的改進和修改。
有效性指標
[edit | edit source]在設計過程中，滿足各種要求的嘗試往往會影響不止一個要求。例如，更高的效能和可靠性往往會以更高的成本為代價。為了在發生這種情況時最佳化設計，我們使用從要求派生出來的並與要求密切相關的指標。每個要求的滿足程度將透過公式轉換為數值得分。這些分數被組合在一起，更好的設計將是總分最高的設計。透過這種方式，可以考慮非常不同的要求型別，並在不同的設計選項之間進行比較。對於這個專案，我們將使用 100 分制，並根據其相對重要性為每個指標分配一定數量的分數（權重）。每個標準的分數將透過公式找到，總分是所有指標的權重 x 百分比分數的總和。請注意，某些要求是固定的，例如專案支援的人數。它們沒有可變指標，而是調整設計以充分滿足這些要求。
這些指標作為一個整體是我們在設計中認為更好的數學模型。就像上一節中的要求一樣，沒有“正確答案”，因為它們基於人類的目標和選擇。這些指標的作用是讓不同的人，或在一個專案不同部分工作的一個人，基於相同的假設得出一致的解決方案。在下表中，我們列出了我們選擇的評分專案和公式。單個專案的總數只有 78%，因為並非所有指標都包含在個人生產示例中。它們將在以後的設計示例中包含，我們希望能夠輕鬆地跨專案進行比較。評分公式的目標也相對較低，因為個人生產是第一代設計。分數的總和將按比例調整，使本示例的結果達到名義上的 100 分值。當用於與其他示例和專案進行比較時，它將不會進行調整。
表 5.1-1 - 初始有效性指標
| 指標 | 權重（分數） | 評分公式（百分比） | 目標 |
|---|---|---|---|
| 2.2 增長（年增長率） | 5.0 | (等效年 GDP 增長率 - 2.5%) x 10 | 目標 = 5%。內部生產按市場價格估值 |
| 2.3 改進技術（本地資源） | 1.0 | 來自專案地點的本地資源的百分比 | 目標 = 25%。按公斤（質量）或焦耳（能量）衡量 |
| 2.3 改進技術（自產） | 1.0 | 來自專案地點的成品的百分比 | 目標 = 25%，按經濟價值衡量 |
| 2.3 改進技術（迴圈流動） | 1.0 | 地點質量流再利用的百分比 | 目標 = 25%。包括本地使用，但不包括用於增長或銷售的生產 |
| 2.3 改進技術（自動化） | 1.0 | 減少人力工時的百分比 | 目標 = 與現有技術相比降低 25% |
| 2.3 改進技術（自治） | 1.0 | 本地提供的必要勞動力和控制的百分比 | 目標 = 25% 的必要功能可以提供 |
| 2.4 生活質量（GDP） | 5.0 | (等效 GDP - $20,000)/2000 | 目標 = $70,500/人。包括內部生產和勞動的價值 |
| 2.6 資源（盈餘） | 5.0 | ln(材料和能源產出/內部使用)/ln(2) x 25% | 目標 = 在專案生命週期內為 2.0。在 -100% 處剪下 |
| 4.1 總開發成本 | 14.0 | (平均單位成本/總開發成本) x 50% | 目標 = 2 x 地點成本 = $133,200/人 |
| 4.2 新地點成本 | 14.0 | [(ln(0.25x美國人均資本/地點成本))/ln(2) x 25%] + 25% | 目標 = $66,600/人 |
| 5.1 技術風險裕量（%） | 5.0 | (50% - 技術不確定性裕量) x 2 | 目標 = 37.5% 的技術裕量 |
| 6.1 新地點風險（相對） | 7.5 | [ln(0.25 x 一般傷亡風險/地點風險)/ln(2) x 25%] + 75% | 目標 = 100% 的相對風險。包括生命和財產風險。 |
| 6.2 人口風險（相對） | 7.5 | (對一般人口風險的降低百分比) x 5 | 目標 = 透過自然和專案原因降低 5%，不允許更高風險。 |
| 7.1 生物圈安全（物種-地點） | 5.0 | [(log(在自然範圍之外維持的物種 x 地點)) - 1] x 20% | 目標 = 178 種，體內或儲存，人類也是一種物種 |
| 7.2 生存能力（相對） | 5.0 | (對重大風險的補償百分比) x 10,000 | 目標 = 0.0025%。包括所有文明水平的風險 |
| 總計 | 78 | 以上各行部分分數之和 x 權重 x 400/78 | 目標 = 調整後為 100%，調整係數為 400/78 |
表格註釋
這些公式旨在當指標處於不可接受的低水平時產生零分
- 2.2 - 該公式從增長率中減去 2.5%，將零分設定為“不優於經濟的平均增長”
- 2.4 - 該公式從 GDP/人值中減去 20,000 美元，以設定最低的低收入基準。
另一方面，對於能夠完全滿足我們所有需求並達到最高水平的自擴充套件系統，這些公式應該產生 100% 的分數。由於個人生產是一個第一代設計，我們只將目標分數定在最終值的 25% 左右，這意味著未來還有很大的改進空間。