第 3.3 章 - 新理念和功能
在第 3.2 章中，我們描述了在自我改進系統中使用現有技術概念。這裡，我們介紹一些尚未普遍使用或仍需進一步開發的較新理念和功能。這些包括資源核算、新的或改進的軟體工具、專案演化路徑以及通用工廠的概念。
資源是指作為系統輸入或系統內部功能輸入的任何有用專案。產品是指作為輸出離開系統以供他處使用的有用或期望的專案。資源可以在系統的一個部分與另一部分之間或系統之間移動而不會被轉換，但這通常需要一個功能或系統來執行移動。例如，一個 3D 印表機的設計檔案可能需要從設計師移動到印表機。檔案本身在移動過程中不會改變，但需要電纜或 USB 驅動器來執行移動。
廢棄物是指給定系統或功能的不可用或不需要的輸出。從一個系統的角度來看，廢棄物輸出可以並且理想情況下應該成為另一個系統的資源。例如，加工零件時產生的金屬屑是加工過程的廢棄物輸出，但可以回收作為廢料併成為製造新金屬原料的輸入。無法被任何人用於任何用途的廢棄物應透過設計減少，至少要妥善處理和處置，以防止其成為汙染物或危害。此外，廢棄物的最終位置可以讓它們在未來得到利用，如果技術的進步使其成為可能。
自然資源是指那些在沒有人類行為的情況下已經存在的東西。例如，土地、礦石和可再生能源，如陽光和風。另一類是人和他們可用的人力資源，如體力勞動、技能和經驗。第三類是人或在人的指導下製造的，可供系統使用的物品。例如，儲存的知識、供應品、建築物、工具和機器。由於系統邊界是心理建構，土地、智慧財產權或金融資產等物品可以透過所有權和系統邊界改變而不是物理移動而進入或離開系統。
從第 3.2 章中的流量守恆原理來看，我們可以將簡單的核算規則應用於進入、在內或離開系統的任何型別資源。這些規則是
- (1) 進入或離開系統任何部分或整個系統的所有資源輸入和輸出的淨總和必須等於該部分的內部變化。
- (2) 進入或離開系統或系統各部分之間的資源流起點和終點的總量必須相等。
例如，如果一噸原材料是加工單元的輸入，那麼必須從其他地方供應一噸原材料以平衡總量。這可能是開採單元，或者作為工廠外部的輸入。無論哪種方式，原材料都不是憑空出現的，它們需要來源。給定的流動可能結合了多個起點或分成了多個終點，但總量必須匹配。
數學慣例是，對整個系統或各個部分的輸入為正值（您正在提供資源），輸出為負值（您正在交付或移除專案）。透過跟蹤所有資源並確保數量平衡，您可以確保設計完整。特別是，所有輸出，包括廢棄物，都必須進行核算以平衡流動。
廢棄物不會方便地消失。透過對它們進行核算，我們可以最佳化設計以最大限度地減少它們，將它們用作其他流程的輸入，或者確保它們得到妥善處置。此外，將物品帶入或送出所需的努力，如運輸，也必須進行核算。在功能上，這種核算方法類似於複式記賬法，借方和貸方必須平衡。主要區別在於 (1) 將其應用於所有型別的資源，而不僅僅是金錢，以及 (2) 不允許使用無形或主觀專案來平衡會計報表，如商譽。
資源核算的某些方面以前曾被使用過。例如，碳預算和體現能源用於生態影響，以及國家/世界能源和礦業統計資料用於跟蹤正在使用和可用的資源。但據我們所知，它尚未以全面的方式應用於設計新系統。
自從 1980 年以來，已經開發了大量的工程和生產力軟體，我們期望使用它們來設計和管理複雜的自我改進系統。我們已經確定了一些可能會有用的新軟體專案，並且可能需要定製開發。它們在許多自我改進系統和整個經濟中的使用應該證明開發它們的努力是合理的。以下專案理想情況下應該設計為協同工作並與現有軟體整合。
- 流程編譯器
生產系統（如工廠或分散式網路）的目的是製造一定數量的期望輸出。這是透過單個步驟或操作來實現的，例如製造流程或單元操作。這些步驟組合成一個流程圖。整個流程將輸入（如原材料和能源）轉換為輸出（如成品和廢棄物）。
僅描述零件物理形狀的一組設計圖紙並不能告訴您如何製造它們。對於自動化工廠，它也不包括每臺機器需要執行的詳細操作。更完整的生產資料集將包含這些資訊，以及使用哪些材料、組裝說明等等。一個不斷變化和改進的生產系統將經常需要改變資料和流程。對於人們來說，每次都要做這些將非常費力。
流程編譯器的想法是獲取這種生產資料和關於可用生產裝置的當前資訊，並將它們轉換為當前系統以及執行工作的工人和機器的詳細操作。這類似於軟體編譯器，它將給定程式語言中的高階語句轉換為計算機實際執行的機器語言。
我們沒有意識到這種生產流程編譯器，但它對於通用自動化工廠（尤其是不斷增長和變化的工廠）非常有用。不必為每種新產品規劃製造流程，或者每次修改工廠時都進行更改，該任務可以很大程度上自動化。就像軟體一樣，自動編譯可能無法產生理想的結果。對於特定流程，可能仍然需要一些手動編碼和最佳化。但就自動化流程編譯器發揮作用的程度而言，它將是一種效率提升。
要製作這樣的編譯器，您需要確定工廠可以單獨執行的一組操作步驟。它們將根據物品所需的零件和組裝步驟列表，按順序排列由編譯器排列，並安排執行。庫存供應水平將有所不同，其他已安排的專案可能會消耗掉供應。因此，編譯器需要檢查這些水平，並在需要時新增步驟來增加庫存。因此，給定的生產訂單可能會在整個工廠中級聯或生成對無法內部製造的專案的採購訂單。如果工廠的某一部分被過度使用併成為瓶頸，排程程式也可以發出需要擴充套件的訊號。擴充套件的決定可能是由系統操作員手動進行，甚至自動化，其中排程程式將新工廠裝置的訂單插入流程中。
生產計劃不是一個新課題。工業和製造工程中的一些現有方法將是相關的，例如製造計劃方法和軟體。特別有趣的是流程規範語言，由美國國家標準與技術研究院自 2000 年代初以來開發。需要做更多工作來了解哪些現有方法、軟體和語言可用於流程編譯器理念。
- 智慧工具驅動程式
作業系統硬體驅動程式不是一個新概念，但將需要適合新的智慧工廠元素的控制軟體。智慧元素結合了自動化、機器人、軟體和人工智慧來執行。如果元素被視為外圍裝置，這將需要自定義驅動程式，或者如果元素被視為具有自己的處理單元的網路節點，則需要每個元素的本地軟體。最近，與智慧工具相關的研究工作正以物聯網 (IoT)以及自動化、機器人、軟體和 AI 的各個領域的名義進行。
- 增強現實模擬
與編輯軟體不同，在構建和操作工廠或其他生產系統中糾正錯誤將相對昂貴且浪費。良好的模擬工具可以幫助避免此類問題。增強現實將現實世界檢視與計算機生成的元素相結合。例如，一個 3D 耳機，它在現實生活中的現有工廠檢視上疊加了模擬的未來工廠元素。這允許在現實生活中執行之前觀察新的和修改過的工廠佈局和操作。理想情況下，顯示器可以在設計新物品時以及在實際工廠空間中走動時使用。它也可以用於培訓和操作期間。
增強現實裝置應該能夠使用來自產品生命週期管理 (PLM)和其他計算機輔助技術組的資料。這將包括上面識別出的過程編譯器型別軟體的輸出。最好使用帶有力反饋的立體3D顯示器來實現真實感。截至2022年，已經可以買到多種行動式頭戴式裝置。無線通訊允許在大型空間（如工廠）中移動，而無需攜帶完整的計算能力和電源。現代手機可以實現增強現實，但每個眼睛的單獨輸入和觸覺反饋手套可以提供更逼真的互動。可穿戴裝置可以透過分佈在生產或設計空間中的攝像頭、感測器和顯示器進行增強。
- 遠端操作軟體
這將使用與增強現實模擬類似的使用者裝置，但它與用於遠端操作的真實硬體和感測器介面。它將用於以沉浸的方式控制機器人和其他智慧工具，在需要遠端控制的情況下。生產空間中的本地操作員或自動化自操作是遠端控制的替代方案。哪種方案更好取決於具體情況。當遠端環境難以到達、條件惡劣或操作存在危險時，遠端操作最有利。當只需要間歇性的人員在場時，它們也可能具有優勢。這樣可以節省將人員帶到某個地點並返回的時間和旅行成本。
很多人每天上下班要花費大量的時間和金錢。COVID-19大流行迫使人們從家裡遠端工作。這表明現代電子裝置足以進行遠端工作，至少對於辦公室型別的 work。遠端操作軟體會將這種工作擴充套件到生產等物理任務。如果能實現，將有可能節省大量的成本、人員時間和能源消耗。
遠端操作的一些方面已經投入使用。遠端控制資料中心中的計算機，或使用Windows遠端桌面功能從另一臺計算機使用一臺個人計算機非常普遍。臨場感提供傳送方之間的視覺影像，而遙控機器人則側重於遠端控制機器人。後者通常用於航天器、軍事和水下操作，這些環境特別惡劣或偏遠。它尚未在工業環境中普遍使用，也未達到適合個人的成本。帶攝像頭的無線遙控無人機價格實惠，但主要用於視線範圍內，而不是透過網路進行長距離操作。因此，在裝置、軟體、成本和將遠端操作整合到完整系統方面，還有改進的空間。
3.0 - 系統演變
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1980年美國宇航局AASM研究將種子工廠描述為一個完整的系統，作為一個單元交付到月球，在那裡它會自行復制多次。如此完整的系統設計非常複雜，難以實現，即使假設1980年的水平運輸到月球也是不必要的。如果可以交付整個工廠，也可以逐步交付其部分，並供應無法制造的物品的零件和材料。
與不會改變的“一次性”設計不同，我們在這些書籍中描述的自改進系統的一個關鍵特徵是，它們可以透過多種方式進行演變，而不僅僅是直接複製自己的裝置。從小而簡單開始可以降低啟動成本和設計工作量，允許根據需要以成本效益的方式匯入物品，並積累經驗以隨著系統演變而進一步改進系統。由於我們已經將其作為核心思想採用，因此值得描述系統隨時間變化的方式以及如何組織它們。
- 規模和階段
本質上，自改進的生產系統會透過重複過程不斷地從啟動集演變為更大、更強大的系統，其中每次新增或升級都用於幫助進行下一個新增或升級。難以將如此係統的整個演變及其所有元素設計為單個專案。如果內部變化是開放式的，並且所需的產出和輸出也可以改變，則尤其如此。
傳統的工廠設計包括將其分解為單獨的機器和流程。這些更容易單獨設計。工廠佈局傳統上針對給定的產品集和數量進行最佳化，而沒有考慮未來的變化。在我們的方法中，假定並期望發生變化，並且從一開始就進行計劃以使其更容易。
實現此目標的一種方法是，透過規模裝置引數，以及在階段中的時間和位置，將設計工作以及隨後進行的更改分解為更小的步驟。規模步驟可以透過複製現有裝置或新增更大版本的裝置來提高產量。規模也可以縮小到更精細或更精確的工作，或提高質量或更耐用的裝置。
階段是指一組使系統演變發生重大變化的更改。這包括新增新型別的裝置、新產品和生產流程，以及新的施工或位置。規模通常處於裝置或流程級別，而階段則包含多個更改或改進。它們的共同點是將整個系統演變分解為更小、更容易設計的片段。
然後，初始設計工作可以簡化為原始裝置清單及其規格，以及啟動集的初始流程和指令集。用於演變後期階段的新裝置和修改集，我們稱之為擴充套件集。擴充套件集的設計可以建立在從先前步驟中獲得的經驗、針對改進的定向研究和開發以及知識和技術的總體進步的基礎上。從經濟角度來看，將部分設計工作推遲到以後可以讓前期工作更早地收回成本。系統可以開始執行並生產產品以供使用或出售。
將設計和安裝劃分為更小的塊是簡化實際持續過程的一種思維方式。種子工廠型別的啟動集或後來的擴充套件集不需要一次性安裝。設計可能要求，例如，在啟動集中總共安裝八臺自動化機器。但是，這些機器可以一臺一臺地新增到原始的傳統車間中，並且這些機器的零件可以逐步製造。然後，隨著每臺新機器的完成，生產能力會不斷提高。規模和階段步驟定義了更改發生的間隔。在間隔內，可以有很多更小的增量。
- 啟動集和增長序列
在嘗試確定啟動集中應該包含什麼，以及以後的擴充套件集中應該包含什麼時，我們可以確定一些指南。但最佳內容和順序會受到特定專案目標和環境的影響。
早期元素應該靈活，這意味著它們可以完成各種任務，尤其是如果在基本元素中添加了定製附件。一個簡單的例子是行動式電動鑽頭。您可以根據需要使用各種鑽頭和螺絲刀頭以及其他附件。但行動式鑽頭也可以安裝在垂直框架中用作更精確的鑽床，或安裝在水平框架中用作小型車床。它並不適合所有這些用途，但如果您的預算有限，它足以讓您開始使用。
電動多功能工具和Shopsmith品牌的多功能工具是為靈活度而設計的商業示例，其中一個電源可以用於多種任務。它們透過共享元件來節省成本和物理空間。缺點是它們一次只能完成一項任務，您需要在任務之間更改設定，並且它們的效能可能不如專用裝置。
靈活性可以允許製造各種物品以進行自我改進，並拓寬市場，以銷售無法內部製造的物品。早期元素還應提供槓桿作用，就其能夠有助於製造後期物品的質量或成本百分比而言。例如，美國的大多數房屋都是由木材、石頭和金屬衍生產品製成的。因此，能夠處理這些材料的裝置在施工方面應該具有很高的槓桿作用。
早期裝置最好能夠以小型和簡單的版本執行，這可以降低初始成本，進而降低它們自身複製所需的零件和材料數量。演變的後期階段可以使用更大的、更最佳化的單元，這些單元具有更多功能。用於在第一批套裝和位置安裝完畢後使用的啟動集和擴充套件集的後期版本可以利用早期套裝的輸出，為零件和材料提供供應。它們還可以利用早期套裝的運營經驗。
我們預計設計會隨著時間的推移而出現多個代。經驗和新位置的當地條件可能會推動裝置啟動集和擴充套件集的增長順序和內容。單一的標準化增長順序和裝置清單不可能是所有時間和地點的正確答案。相反，可以演變出類似於設計目錄的東西，從中可以根據某個位置或專案的需要選擇特定專案。這類似於建築裝置如何根據特定建築專案的需要從現有型別的投資組合中選擇。
4.0 - 通用工廠
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在計算機科學中，我們有通用圖靈機的概念，它可以處理任何可計算的序列。在奈米技術領域，通用分子組裝器理論上可以單獨定位反應性分子，從而組裝任何物理物體。我們引入了通用工廠的概念，它可以生產任何已知的商品，只要輸入合適的設計檔案。
作為存在性證明，地球上的總工業產能生產所有已知的商品，包括自己，因此是一個通用工廠。它只是一個非常大的工廠，我們把它看作是“文明”，而不是“工廠”。世界工業產能完全由原材料和能源建造而成，從除了人力之外什麼都沒有開始。所以人們作為一個整體也可以被認為是通用工廠，因為我們創造了我們文明的所有人工製品，包括所有工具和機器。從無到有，能夠生產所有已知的商品，只是需要很長的時間和很多的人。
我們可以考慮在自我改進系統中普遍性的概念。如果我們允許足夠的時間來建造所有必要的裝置，一個啟動套件和一些擴充套件套件是否可以成長為通用，能夠製造任何產品？我們能否證明一個給定的啟動套件是否具有這種能力？達到普遍性所需的最小必要過程或裝置是什麼？與整個文明相比，這樣的集合需要多大規模和複雜程度？
回答這些問題的一種方法是認識到每個已知產品都是由有限數量的部件組成的，每個部件都是由有限的生產步驟組成的，使用有限的材料和工藝。如果我們列出所有已知的工藝，我們就可以識別出執行每個工藝所需的裝置。這套裝置是所有可能產品的子集。然後，我們可以透過製造該部件所需的工藝對每個裝置專案的部件進行分類。第二個工藝列表很可能所有已知工藝的子集。反過來，我們檢視此較小子集的裝置的部件，並再次列出工藝。
重複此迴圈，直到工藝和裝置列表不再縮小。我們現在定義了一個集合，它可以製造執行所有制造自身所需工藝所需的所有裝置，以及所有其他裝置和工藝型別。因此，它是一個通用工廠。然後可以仔細檢查這個通用工廠，看看設計更改或材料替代是否可以進一步簡化這個集合。最終，您可以達到一個最少數量的工藝和裝置型別的最佳化集合。然而，這樣的集合可能不是增長最快的。另一組啟動機器，可能最初不是通用的，並且接受新增的部件和裝置的輸入，可能更快地增長到所需的容量。
另一種方法是透過提供知識和資訊而不是裝置來最大程度地降低成本。“啟動套件”包括教程、設計檔案和其他資料。現代技術允許以非常低的成本儲存和交付大量此類資料。然後，一群人按照這些資料中的說明，利用他們可以獲得的任何資金和資源來建立生產能力。
通用工廠的概念非常新，需要更多工作來理解它以及如何應用它。通用圖靈機的概念在計算機科學中被證明非常有用。我們認為，在生產中探索普遍性是值得的，因為它有可能被證明同樣有用。