9.0 - 概念設計筆記

本書的前面部分介紹了種子工廠的概念，包括其歷史、組成概念和方法，以及設計過程。隨後是幾個設計示例。其目的是以邏輯順序進行討論，以便讀者理解。種子工廠概念的開發是一個持續進行的工作，因此有些材料要麼過於新穎，要麼尚未組織到書籍的主要文字中。以完整細節開發設計示例也會產生大量材料，這些材料會打斷主要討論的流程。因此，我們將這兩種材料放在筆記部分。實際上，它們形成了一個“工程師筆記”。從歷史上看，這些是每個設計師用於他們工作的紙質筆記本和檔案資料夾。更現代的方法是使用共享的電子專案資料庫，以便所有設計師都可以訪問所有當前資料。因此，將這些筆記包含在華夏公益教科書中的另一個原因是作為協作專案資料庫的示例。維基媒體格式只能處理文字和某些檔案型別。其他檔案型別，如電子表格、軟體程式碼和可編輯的圖紙，將儲存在其他地方並連結。

一般性筆記

這些一般性筆記指的是整本書，或 1.0 至 4.0 節中的討論。之後是針對特定設計示例的筆記。

筆記背景

這些筆記源自華夏公益教科書 太空運輸與工程方法 的後面部分。那本書設想了一個利用先進技術改善地球生活的專案，然後使人類能夠居住在更惡劣的環境中，最終超越地球進入太空。遷移到一個惡劣的環境並在此處執行會產生運輸裝置和物資的成本。地點越惡劣，距離越遠，成本就越高。你可以將此成本計算為 (運輸成本/千克) x (運輸的質量)。減少這兩個因素中的任何一個都會降低成本，但對於太空位置來說，人們最關注的是運輸成本，即設計更好的火箭和推進系統。可以透過以下方法減少要運輸的質量：使用當地資源製造裝置和物資，以及在當地回收材料。

種子工廠方法，傳送一個啟動工具包，該工具包可以自我擴充套件以提高生產能力，此前被提議為一種在太空使用當地資源而不必發射大量工業裝置的方法。作者（Eder）最初意識到同樣的方法可以應用於建造地球的生產能力和發射場，以到達軌道。這導致了在地球上使用它進行一般生產的想法，而不僅僅用於太空應用。地球上的運輸成本不是那麼大，但生產成本是。透過減少你需要為工廠購買的裝置數量，使用更便宜的原材料，自供電力執行，以及高度自動化，這些成本可以大大降低。由於地球是一個比太空更直接、更大的市場，因此工作重點轉移到了如何發展陸地種子工廠。這項工作變得如此廣泛，以至於編寫單獨的一本書（這本）似乎是合理的。積累的研究和設計筆記被大量轉移到這裡，並將它們重新組織到當前書籍的適當章節中開始了。這仍在進行中，因此以下部分是零散的、重複的，並且可能與本書其他地方的內容不匹配。

研究目標和計劃

這裡的筆記代表一項正在進行的概念研究，而不是最終報告。這些部分展示了工作的全過程，隨著工作的開展而進行。這是出於幾個原因。首先，作為他人的教程，我們認為展示過程中的所有步驟非常重要。其次，作者必須在進行工作時將其記錄在某個地方，這就是這裡。作為“正在進行的工作”，研究將表現出差距、不一致和重複性，直到完成。通常，這些缺陷會在製作最終報告或技術論文時被清除，以呈現對分析的清晰總結。在本例中，清理是透過將筆記組織到書籍的主要部分，以便以教科書式的討論來討論概念，並將特定示例的詳細設計和計算資料保留在筆記中。這使得它們可以作為參考，而不會打斷討論。

最初的種子工廠研究工作確定了幾項候選技術，以及關於如何最好地使用它們的問題，以及它們是否比傳統方法有足夠的優勢。目標是詳細地發展這些技術的思想，以便開始回答這些問題。

最初的候選技術包括

自我擴充套件生產 - 在專案位置內部生產越來越多的物品，包括更多的生產裝置。這減少了建立新位置所需的啟動套件，從而降低了成本。增長是透過新增新的裝置型別、製造現有裝置的更大版本，以及直接複製啟動套件來實現的。
模組化設計 - 使用標準化尺寸和介面，以便可以新增或重新排列生產元素，而無需定製工作。
廣義資源 - 使用廣泛分佈的材料和能源作為來源，而不是要求僅在某些地方找到的高等級來源。
迴圈流 - 透過回收、維修和閉環流程重複使用材料。這減少了對新材料的需求和廢物產品的數量。
分散式操作 - 使用遠端控制、機器人技術和自動化，將人員所在的位置和生產要素所在的位置分開。這使得兩者都可以在最佳位置，而不是因為沒有其他選擇而聚集在一個地方。地點越惡劣，在更少的人員參與的情況下開始建設就越可取，遠端/機器人/自動化方法就越重要。

要解決的問題包括

從最容易的開始，各種環境中需要哪些生產功能？
啟動套件中應該包含哪些元素，哪些元素應該在以後新增？
現有技術在多大程度上滿足了預期目標，需要開發哪些新技術？
如何將生產產出分配到新增更多裝置、用於專案中的產品以及用於外部交付以支付成本的物品之間？
在擴充套件產能時，你是新增更多現有裝置的副本，建造更大的版本，還是新增可以執行新流程的新元素？
直接人工、遠端操作、機器人和自動化任務的最佳組合是什麼，以及如何演變？
這些先進的生產方法與現有/傳統方法相比具有多少優勢？

研究過程

選擇系統工程方法來進行研究。種子工廠可能是一個複雜的設計，系統工程適合於複雜專案。研究的目標是回答上面提到的問題。它是在一個更大的計劃中設想的，該計劃旨在提高生活質量並將文明擴充套件到新的地點，並從該更大計劃中繼承了一些目標和要求。為了研究目的，我們假設了一個整體計劃的概念，然後集中於單個位置的初始開發。研究步驟包括

需求分析：傳遞從專案傳遞下來的需求和評估標準，並在需要時新增新的需求。
功能分析：根據位置型別將生產分解成子功能，以檢視是否存在獨特的功能。
需求分配：將我們的需求分配到每個較低級別的功能。
建模和定義備選方案：開發一個生產模型，並確定一組用於執行各種功能的備選方法。
最佳化和選擇：以足夠的細節開發備選方案，以便在模型中使用，然後最佳化引數並選擇最佳選項。
合成和基線：將各種功能的最佳選擇組合成一個連貫的整體，並記錄一個概念基線，供進一步工作使用。

然後根據最初的問題評估產生的概念，以檢視它們的執行情況。在專案其他部分開發得更完善之前，該研究仍然不完整。

初始種子工廠討論

改進的技術是文明進步的主要方式之一。在開始技術分析之前，我們描述了候選技術及其使用動機。

注意： 這裡的內容已移動到 3.0、7.0 和 8.0 節。

專案概念

在這些筆記的來源《太空系統》一書中，設想了一個擴充套件人類文明的總體計劃。該計劃的第一步包括一個特定的溫帶地區專案。在這本書中，我們將該第一個地區與社群工廠示例分開，社群工廠示例可以獨立存在，並將更大的計劃作為遠端地區的獨立示例進行處理。我們在這些示例之間插入了兩個新的示例，分別是工業工廠和分散式工廠，以更好地探索種子工廠概念的應用。其餘未納入的筆記將在後面列出。

程式概念用文字描述了整個計劃的意圖，以及其執行和維護方式。地區概念則描述了本研究中特定地區型別的執行和維護方式。這些是起步概念，可能會隨著研究的進展而更新。

第 5.0 節筆記 - 社群工廠

溫帶地區概念

零階段（技術開發）後建立的第一個地區位於溫帶地區，其中溫帶被定義為當前 90% 的人口居住的環境，兩端的極端條件分別佔 5%。一個“地區”不一定位於一塊物理連線的土地上，但它應該具備所有元素，這些元素彼此足夠靠近，能夠輕鬆地相互運作。這個地區可以繼承零階段的原型元素，或者使用原型裝置來建造第一個全尺寸元素。第一個地區的目標是供應 660 人的大部分長期需求，以每年增加 75 人的速度逐步增加。這可以被視為一種房地產開發形式，只是它包括旨在共同運作的生活、工作和交通元素。

居住 - 如果場地開發從頭開始，初始人員和裝置可以分佈在現有當地社群中。假設未來的居民將自行建造大部分地區，因為他們將在建成後成為主要的未來所有者和運營者。隨著地區居住部分的建造，他們可以搬遷到那裡。

生產 - 啟動裝置（種子工廠）的產出分配到以下幾個方面：製造更多裝置以擴充套件生產、滿足業主的人類需求，例如建築材料和食物，以及銷售或貿易的外部生產。問題是誰決定生產多少種類型，以及生產哪些特定物品？這可能是由銷售驅動的，外部買家決定首先生產什麼，剩餘的產能用於增長和滿足業主的需求；也可能是由業主驅動的，工廠所有者或指定的管理者決定生產什麼；或者是由貢獻者驅動的，資本和勞動力貢獻者可以根據其貢獻份額，單獨決定生產什麼。

運營 - 現代計算機和網路使人們可以遠端操作裝置。我們不需要這樣做，只是將其作為一種選擇。分散式生產和員工可以節省日常通勤成本和旅行時間，並使裝置位於最佳位置，而不是像傳統工廠那樣集中在一起。但這會導致更高的通訊成本，但這一部分成本正在迅速降低。減少人員流動和分散式物理生產可能會導致物理物品的運輸增加。運營的另一個方面是控制權歸屬。這可以是本地人類、遠端人類、直接計算機（自動化和機器人）或遠端計算機。我們預計上述所有選項將混合使用，並且將朝著更多自動化和更少人工的方向發展。開發比第一個地區嚴格需要的遠端和自動化方法的動機之一是，未來更困難和更惡劣的地區將對人類來說更昂貴且更不可取。另一個動機是，工作變化或工作地點的變化與理想的居住地點脫鉤。

維護 - 地區的生產部分生產出建造完整場地所需的大部分產品。因此，我們的維護理念是使用相同的生產能力來修復、更換或修改地區元素，以滿足需要。任何無法修復的物品都會作為廢料返回生產，或者作為廢物出口，但我們透過設計儘量減少這種情況。

需求分解

注意: 這些是從更廣泛的人類擴充套件計劃中提取的，並傳遞到第一個地區的需求。它們在本節 5.0 中針對社群工廠示例進行了重新定義。

這一步將需求從總體計劃級別傳遞到更低級別的元素。現有的基線（人類文明的現狀）的得分約為 75 分，因此計劃第一階段的目標是比這高 10 分，即 85 分。設定此得分級別將生成一組引數，供第一階段的第一個地區用作設計需求。有些需求值將很難達到，但透過設定困難的目標，我們將能夠確定哪些技術領域需要改進，並指導未來的研究。我們還預計，當一些需求被證明比預期更容易或更難達到時，這些需求的值會相應調整。初始值如下：

第一個地區設計增量 = 75 人，每年增長 75 人。
啟動後的增長能力 = 每年 11%
本地物質和能源資源使用 = 85%
按經濟價值計算的自主生產 = 85%
不包括燃料的回收物質流 = 85%
自動化和其他技術減少的工時 = 85%
勞動力和運營的本地自主權 = 85%
人均 GDP 約等於 156,000 美元（所有成本以 2013 年 1 月的美國美元為基準）
材料和能源生產與內部需求的長期比率 = 10.5
技術開發成本 = 溫帶地區 6600 萬美元。
地區建設成本 = 每人 76,000 美元。
技術不確定性 = 7.5%

然後，我們可以進一步分配地區內生產功能的需求

啟動後，它應該能夠滿足 75 人基本需求（住所、食物、公用事業）的 85%。
啟動後，生產功能應產生地區總價值的 85%，包括其自身。計算淨值時包括剩餘產品的銷售額。
生產功能應該能夠每年擴充套件自身 11%（從外部增加一些部分）。
生產功能應該能夠回收地區物質流的 85%，不包括燃料。
單位產出的工時應比 2013 年工業生產平均水平低 85%。
啟動後，至少 85% 的勞動力和運營控制權將歸屬於地區內部。
材料和能源生產與內部需求的長期比率為 10.5 比 1。
生產技術的開發成本應低於 6600 萬美元，不包括居住和運輸開發成本。
生產元素的淨成本應低於 570 萬美元，用於支援 75 人的地區。
生產功能的技術性能不確定性為 5-10%，與居住和運輸的不確定性相平衡。

從地區型別和規模，我們還可以確定

設計必須在發達地區附近的溫帶氣候下發揮作用。
本地運營所需的時間不應超過 85%，以供應 85% 的需求 x 50% 的勞動力參與率 x 75 人 = 32 名全職員工。

從更高層次的計劃需求，我們還可以設定

為了鼓勵參與，原型設計應使用開源方法，而硬體和產出的所有權將屬於專案貢獻者。

這些需求隨後成為技術開發階段要滿足的目標。

評估標準

我們需要一種方法來最佳化設計，並在替代概念之間進行選擇。標準的系統工程方法是定義各種引數，以衡量什麼是“更好”，例如成本和增長率。這些引數被轉換為一個通用的度量尺度，在該尺度上得分最高的選項即為所選選項。這些度量是任意的，因為它們基於客戶的願望，但它們是一種以數學方式模擬這些願望的方法，以便能夠做出設計選擇。如果一個人改變了願望，那麼技術設計也會隨之改變。這裡假設客戶是一個非營利基金會，它為研究和公眾利益建造原型。先前在計劃級別（第 5.1 節，第 4 頁）定義了度量，因此為了保持一致性，我們將使用適用於生產功能的度量子集，並保持相同的公式和相對權重，以便進行評分。

目前，我們正在開發一個只針對第一個溫帶地區的概念，因此評估標準的完整集合進行了如下修改

1.2 程式規模 - 第一個地區的大小最初固定為 75 人，增長到 660 人。這將是當前工作的固定值，因此作為比較或最佳化的點被剔除。至少要固定一個性能引數，以便對其餘引數進行最佳化，我們選擇地區支援的人數作為固定值。
2.1 位置數量 - 對於第一個位置，該位置固定在一個溫帶環境中的一個位置，因此它也被從比較中刪除。
2.2 增長 - 我們將此引數保留為設計選項的變數，目標為 11%。
2.3 改進的技術 - 我們保留了這五個引數中的所有引數，目標為每個引數的 85%。
2.4 生活質量 - 我們保留了此引數，目標為每人國民生產總值等值 156,000 美元。
2.6 資源 - 我們保留了此引數，目標為（材料和能源生產）/（內部需求）= 10.5。
4.1 總開發成本 - 這裡只考慮地球部分，因為單一位置位於地球上。我們將此保留為關鍵引數，目標為每人 890,000 美元 x 75 人 = 6600 萬美元。這是外部銷售淨額的峰值數字。
4.2 新位置成本 - 同樣，這裡只考慮地球部分，我們將其保留為關鍵引數。目標為每人 76,000 美元 x 75 人 = 570 萬美元，用於第一個位置。
4.3 地球發射成本 - 我們跳過此引數，因為此位置位於地球上。
5.1 技術風險 - 我們將其保留為開發過程中的重要引數，目標是在原型硬體得到驗證後達到 5-10%。
6.1 新位置風險 - 我們將其保留為設計引數，目標是在技術開發結束時達到 38% 的相對傷亡風險。
6.2 人口風險 - 我們保留了此引數，但由於規模僅為總計劃的 0.05%，因此我們只考慮對最近 350 萬人口的影響。目標是對一般人口風險降低 17%，但這可能難以實現。
7.1 生物圈安全 - 我們保留了此引數，但再次將目標降低至 0.05% x 178,000 = 89 個物種得以儲存。
7.2 生存能力 - 我們保留了此引數，但將目標調整為 0.0085%，以補償關鍵風險。

我們將考慮增加一個用於生產的引數。

2.3 啟動複雜性 - 種子工廠中不同型別的裝置越少，意味著要設計的和維護的物品型別就越少。由於產品通常至少由幾種不同的材料製成，因此我們假設一組 5 臺啟動機器將獲得 100% 的分數。對生產方法的調查表明，大約有 220 種物理製造工藝和 60 種化學單元操作和反應型別。我們不希望在種子工廠中擁有所有 280 種工藝，因此，對於擁有 60 種啟動物品的種子工廠，其得分將為 0%。我們透過公式得分 = 160% - (40% * ln(NP)) 進行插值，其中 NP 是種子工廠中的工藝數量。因此，需要所有已知工藝的種子工廠的得分最差為 -65%。我們將使用 1 分的相對權重，以及其他技術引數。

為了保持一致性，我們保留與專案級度量相同的權重，這導致名義上的最高得分為 79 分，設計目標為 85%，即 67 分。

功能分析

對於此分析，我們將位置作為一個整體視為系統，並在其周圍劃定邊界以將其與外部環境隔離開（圖 5.3-1）。跨越系統邊界的輸入和輸出流來自物理環境和人類文明的剩餘部分，包括在階段 0 中開發的技術。在此係統邊界內，我們之前已經確定了生產、居住和運輸三個頂層功能。在這個級別上可能還有其他未確定的功能。我們沒有顯示功能之間的流量或與系統邊界的流量，因為這將使圖過於複雜。相反，我們使用電子表格，將圖中每個流量和框作為行，以及構成該專案各種資源作為列。我們 **桌面空間專案上的輸入-輸出模型** 在 Sourceforge 上是一個通用版本的電子表格，並且 **溫帶位置模型** 是正在為這項研究開發的特定模型。設計必須滿足總流量和功能之和為零的規則，其中輸出具有正值，輸入具有負值。否則，某些東西將毫無解釋地出現或消失。強制執行此規則可確保識別和說明所有必要專案。

接下來，我們將頂層功能分解為其下一級部分。我們以一種似乎很自然的方式透過功能型別進行了分解。功能分析的一部分是確定需要做什麼，但不排除可能的 **如何** 實現任務的設計解決方案。因此，功能的命名是按照任務來命名的，而不是按照實現任務的方法來命名的。圖 5.3-2 到 5.3-4 顯示了下一級的分解。同樣，我們沒有嘗試顯示功能之間的流量，因為插圖中會有太多流量。應該理解的是，每個框將有多個流量進入和離開，並且詳細資訊將在我們的電子表格中進行跟蹤。分解功能可能有多種方法，導致滿足功能的不同設計，但我們將首先嚐試這種方法，然後再檢視其他方法。由於這項研究特別關注生產功能，因此我們可能會對圖 5.3-2 中所示的內容進行更詳細的分解。

功能描述

除了圖表外，我們還編寫了功能描述，以進一步解釋其作用。它們根據更一般的“人類擴張”專案方案進行編號，以與以後的工作保持一致。

F.2.1.1.1 提供生產能力

（已移至第 5.2 節）

F.2.1.1.2 提供居住能力

（已移至第 5.2 節）

F.2.1.1.3 提供運輸能力

（已移至第 5.2 節）

需求分配

將需求分配給功能

我們現在採用上面在需求分析中列出的需求，並將它們分配給更低階的功能，以建立每個更低階功能負責滿足的更小子集。所有這些需求都將在該位置增長結束時得到完全滿足，並且在增長之前儘可能地得到滿足。

設計增量 - 首先為 75 人提供支援，並在第一地點每年增加 75 人，以達到總共 660 人。分別分配給 F.2.1.1.1、.2 和 .3 作為“分別為每年 75 人提供 [生產、居住、運輸] 能力”。
增長能力 - 在啟動後提供每年 11% 的增長能力。僅分配給 F.2.1.1.1 生產作為“生產能夠每年增加 11% 產量的新的裝置”。新裝置將需要外部元件，增長按產出的經濟價值衡量。需要多年才能完成的增量將在這些年內進行分配，以計入目標。
當地資源使用 - 使用 85% 的當地物質和能源。僅分配給 F.2.1.1.1 生產作為“透過經濟價值，從當地資源提供位置物質和能源需求的 85%”。
自我生產 - 在當地生產 85% 的經濟價值。根據位置勞動力如何決定工作來分配到生產和居住/運輸功能之間。
迴圈的質量流 - 重用 85% 的質量，不包括燃料。分配給所有三個主要功能，以 15% 的質量上限來限制未使用的廢物流。這可能需要對水和食物以及由此產生的廢物進行高度迴圈利用。
自動化 - 相對於美國平均水平，勞動力時間減少 85%。分配給所有三個主要功能，生產區域的減少幅度最大。家庭維護和食物準備方面可能會有一些收益，並且自動化運輸應該是可能的。
自治 - 位置所需操作的 85% 的控制來自當地來源（人類和控制裝置）。
啟動複雜性 - 啟動機器組中目標為 7 臺裝置。這計算了主要的機器專案，不包括附件頭、鑽頭、工具或傳統的小型車間工具。
生活質量 - 人均 GDP 等值 156,000 美元（2013 年 1 月基準）。分配給主要為居住和生產的組合，以及可能為運輸的一小部分。GDP 等值是指將內部生產和使用的物品按其市場價值計算，並增加產品的外部銷售和服務，包括內部運營不需要的剩餘勞動力。
資源 - 材料和能源生產/內部需求的長期比率為 10.5:1。分配給生產功能。剩餘的生產用於位置增長或出售以獲取收入。
開發成本 - 溫帶位置的最高淨開發成本為 6600 萬美元，分配給所有三個功能，但大多數可能在生產之下。淨成本是在開發期間任何銷售後的成本。
位置成本 - 每人 76,000 美元，分配給所有三個功能。這是在開發後建設第一個位置的經常性成本。
技術風險 - 效能和設計不確定性為 7.5%，分配給 3 個主要功能。在開發結束時，目標是將不確定性降低到這一水平。在開發開始時，它將更高。
位置風險 - 相對於美國平均水平，生命和傷亡風險為 38%，分配給 3 個主要功能。
人口風險 - 對最近 350 萬人口的人口風險降低 17%。自我降低計入此目標，但一般風險降低可能難以在小範圍內實現。分配給所有三個功能。
生物圈安全 - 保護 89 個物種超出其正常環境範圍，無論是儲存還是生活。根據物種，分配給生產和居住之間。
生存能力 - 為文明等級的關鍵風險提供 0.0085% 的補償。分配給生產功能。可能的領域包括資源枯竭或碳減排，但這將是一個艱難的目標。

按功能收集分配的要求

注意：表格已移至第 5.3 節

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