9.0 說明 (第 2 頁)

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系統建模

注意：關於系統建模的總體討論已移至第 4.2 節。

建模方法

該模型由函式和連線函式、外部輸入和輸出的流程組成。每個函式輸出某些流程，並需要傳入流程來生成輸出。按照慣例，傳入的所需流程分為約束、輸入和機制。約束控制函式執行任務的方式。輸入由函式轉換為輸出。機制是執行轉換的元素，但本身不會發生變化。例如，要製作金屬零件，計算機繪圖可能是約束，金屬塊和電力可能是輸入，計算機控制的 3 軸銑床是機制，而成品零件和金屬屑是輸出。

圖紙 - 在圖紙形式中，慣例是將函式顯示為方框，將流程顯示為箭頭，約束、輸入和機制分別從頂部、左側和底部進入，輸出從右側出去。流程可以合併和拆分，只要前後總數匹配即可。圖紙有助於視覺化系統中的互動，但本身不提供設計解決方案。

電子表格 - 在電子表格形式中，我們採用這樣的慣例，將函式方框以及進入和離開它的流程作為一個整體列出為行。如果存在設計替代方案，則它們是額外的行，應用百分比使用因子。這對於給定替代方案可以從 0 到 100%，允許不同的混合。列代表構成流程的不同型別的資源。在之前的示例中，kg 原金屬和 kWh 電力將是資源。資源消耗得到負值，資源供應得到正值。最終所有列必須加到零，這意味著每個使用過的資源都需要從某個地方獲得供應。然後，模型在會計意義上實現“平衡”。我們通常從期望的輸出開始，反向找到所需的輸入，從分配的需求開始。由於生產功能向所有三個功能提供輸出，包括自身，因此我們將首先找到居住和運輸功能所需的資源。這將有助於確定所需的生產輸出。透過改變替代設計的公式，我們幫助確定哪些設計是首選。

本研究中開發的電子表格的最新版本可以在 Sourceforge 上的桌面空間計劃中找到，因為華夏公益教科書無法儲存電子表格檔案。此類模型的通用模板名為輸入-輸出模型，本研究中改編自該模板的一個模板名為溫帶地區模型+版本日期。這些檔案採用 Microsoft Excel 2010 格式。構建電子表格的資訊將逐步開發，因此即使在本研究完成之後，它也將不完整。在像這樣的概念級研究中，並非所有可能性都可以考慮，也並非所有數值都可以精確確定。相反，模型的當前版本代表了當前對設計的瞭解狀態。

時間和順序 - 建立一個地點並新增生產要素涉及時間維度，而給定的電子表格往往顯示特定時間點的互動。為了將時間維度新增到模型中，一種方法是在一個檔案中使用多個工作表，或者使用多個電子表格檔案來表示不同的時間。這可能被證明很笨拙，其他軟體將是更好的方法。這些選項包括施工和製造計劃軟體、模擬和分析軟體或自定義軟體。如果被證明必要，我們會將該選擇留待以後。

最佳化和選擇 - 在模型中包含足夠詳細的資訊後，可以透過操作模型中的值來開始對替代方案進行最佳化和選擇的過程。我們的方法基於給定選項在時間上滿足評估標準的程度。一種導致更高的積分得分 x 時間函式或更快達到預期得分的選項是首選。由於我們無法準確預測尚未開發的技術的效能，因此所得評分將存在不確定性。如果包括不確定性後，選擇在評分上重疊，我們將保留多個選項，並確定要進一步開發的技術以降低不確定性。也可以根據技術在評分方面提供的潛在收益對其進行排名，從而確定優先處理哪些技術。外部技術開發將與這樣的計劃並行進行，並且我們不知道自己的開發結果直到它完成。因此，任何做出的選擇都可能會進行修訂，並且系統建模過程應該持續進行或定期更新。

居住建模

F.2.1.1.2 提供居住能力 - 在這裡，我們將討論居住功能的一般專案。

• 需求 2.3 自我生產 - 有一個分散的需要，要求從該功能中產生該地點經濟價值的 12.75%。我們將假設這將是酒店和餐館型別的酒店業、業主和租賃空間的租賃以及不涉及生產功能的當地工作（辦公室和商業）。這些將需要物理空間和資源，這些資源將分配到更低級別的功能。業主自住的空間部分計入經濟價值，但這並不意味著資金會發生轉移，因為沒有理由付錢給自己。
• 需求 2.4 生活質量 - 將居住價值設定為 400,000 美元/人目標。這是從等效 GDP/人 (156,000 美元) x 美國平均房價與收入比率 (2.6:1) 獲得的。這將在子功能之間作為約束進行分配，併成為 F.2.1.1.1.7 組裝元素的輸出。
• 需求 4.1 開發成本 - 將居住的開發成本設定為 20% x 890,000 美元/人 x 75 人 = 1,335 萬美元一次性開發目標，淨銷售額。開發費用是該地點的資金輸出，費用分配成為子要素的約束。開發資金和開發初期的銷售額是該地點的投入。我們假設地點增長是透過複製為前 75 人開發的專案來實現的。
• 需求 4.2 地點成本 - 將居住的重複淨地點成本設定為 40% x 76,000 美元/人 x 75 人 = 228 萬美元目標。這僅計算外部成本，不計算內部生產，內部生產應提供大部分完工價值。包括土地成本。
• 需求 5.1 技術風險 - 將效能和設計不確定性設定為 7.5% 目標。我們將此分配給 F.1.4 原型系統，作為風險分析報告的一部分，作為資料輸出。
• 需求 6.1 地點風險 - 將居住的內部生命和意外風險目標設定為美國平均值的 38%，這是一個積極的目標。我們將此分配給 F.1.4 原型系統，也作為風險分析報告的一部分。滿足這一目標的方法包括更好的消防安全和更高的結構強度。

F.2.1.1.2.1 防護外部環境 - 這包括被動防護天氣、水和昆蟲，以及所有居住要素的結構支撐。

• 需求 1.2 居住規模 - 由於其所依託或建成的土地是結構支撐的一部分，因此我們將土地作為該功能的投入。從分配的需求來看，我們需要 1,000 平方米（0.247 英畝）/人或 75,000 平方米（18.53 英畝）/年，最高 660,000 平方米（163 英畝）。這包括私人生活空間、遊樂場和公園等社群區域以及連線的交通路線的土地。這不包括生產功能的土地，生產功能也需要大量土地，儘管它們可以重疊。例如，果樹和堅果樹可以提供一些食物，也可以作為裝飾，一些規模較小的生產可以在私人生活空間進行。為了保守起見，我們將假設所有生產都需要自己的土地分配。因此，我們將模型輸入 I.1 設定為“供應居住用地”並將公式基於人口數量。
• 需求 7.1 生物圈安全 - 目標是幫助保護地球物種免受人類侵犯或環境變化的影響，使其脫離自然環境。這對整個文明來說是一項服務。目標是 50% x 89 種物種要麼活著要麼儲存（種子或遺傳種群/胚胎）。剩下的 50% 由生產功能提供。這可以透過植物園和動物園設施、溫室和寵物來實現。

F2.1.1.2.2 控制內部環境 - 這包括控制輸入和感測器（例如恆溫器）以及實現所需變化的主動硬體（例如 HVAC 系統）。被動隔熱包含在上一個功能中。照明和窗戶是主動系統的一部分，因為它們可以操作。

• 需求 2.3 自主性 - 這將內部控制 85% 的居住功能設定為目標。我們將其分配給此功能。我們很可能可以透過結合人類和自動裝置（例如恆溫器）來達到 100%。

F.2.1.1.2.3 提供食物和飲料 - 包括食物本身，以及當地儲存、準備、供應和處理的規定。一部分食物可能會在居住區（花園或附帶的溫室）種植，但大部分預計來自生產或外部來源，這些來源成為該功能的投入。飲用水供應是該功能的一部分。食物準備廢物和清潔是輸出。機制可以包括標準廚房裝置以及自動化/中央食品系統。

• 需求 2.3 自動化 - 從這項需求中，我們希望將人工勞動減少 85%。在食品飲料領域，這可以透過自動化廚房來實現。為了減少重複硬體，我們將假設一個集中的自動化廚房，並配備一個家庭配送系統。對於喜歡烹飪的人來說，仍然可以使用個人廚房。

F.2.1.1.2.4 保持健康 - 此功能包括睡眠、衛生和鍛鍊等基本任務，以維持人類健康。我們將把“供應居民”列為輸入，意味著是提供人類本身，而不是向他們提供物資，並且將部分人類作為勞動輸出。在本階段的建模中，我們將忽略出生、死亡和家庭搬遷，儘管這些因素在某些時候顯然會很重要。

• 需求 2.3 迴圈流 - 我們發現，該地點整體產生的廢物輸出量不超過 15% 的質量，該功能的輸出量和提供食物和飲料的輸出量將用於生產回收的水和固體。

F.2.1.1.2.5 提供個人物品 - 這包括個人生活和儲存空間，以及公共空間。生活空間的規模會將建造和運營空間所需的材料和能源輸入到“組裝元件”和“提供電力”功能中，並將完成的居住元素作為“組裝元件”的輸出。

• 需求 1.2 居住規模 - 該程式級需求的程式規模（以支援人數計）已部分分配給居住部分，然後進一步細分為土地和生活空間需求。我們假設每個人擁有 200 平方米的總生活空間。這是根據生活質量高目標和美國生活空間平均值推算出的，並將其投射到我們更高的GDP目標。我們進一步將這分為 160 平方米的私人空間和 40 平方米的公共空間，按人計算。在技術開發和場地建設期間，我們假設 15 平方米 x 75 人 = 1,125 平方米的公共空間用於臨時辦公和儲存，這些空間將在稍後移至更永久的位置。

F.2.1.1.2.6 提供資訊 - 這包括教育、娛樂和一般資訊。我們假設強大的頻寬、儲存和處理能力，這些能力將在整個地點與其他功能共享。

運輸建模

F.2.1.1.3 提供運輸能力 - 下面的六個子功能存在的原因是，可能使用不同的方法來執行每個子功能。但是，並不需要使用不同的方法，它們可以由共享硬體設計來實現，如果這樣證明更最佳化的話。

• 需求 1.2 運輸規模 - 需求是在該地點為 75 人提供所有內部和外部運輸。這將分配到更低級別的功能。它包括在本地建造的運輸元素和從該地點外部進口的運輸元素。
• 需求 2.3 自行生產 - 分配的需求是從該功能中產生 10% x 85% = 8.5% 的該地點總經濟價值。這包括用於本地居民和運營的運輸服務的價值，以及提供給外部使用者的任何運輸。
• 需求 2.3 迴圈流 - 需求是將運輸元素的未回收質量限制在 15%（不包括燃料）以內。這並不包括貨物質量。如果燃料可以在生產中產生，則可以升級為包括燃料，但否則僅限於維護專案和磨損的車輛。在生產/組裝中產生一個用於車輛維護的功能。
• 需求 2.3 自動化 - 目標是將運輸的人工勞動減少 85%。這將應用於更低級別的功能，尤其是內部運輸。這將需要自動化運輸來完成基本任務，例如割草、垃圾和食物配送。
• 需求 2.3 自治 - 目標是本地控制 85% 的運輸。這包括手動人工控制和自動化控制。
• 需求 4.1 開發成本 - 這為運輸設定了一個目標，即 20% x 890,000 美元/人 x 75 人 = 1,335 萬美元用於一次性開發，不包括銷售額。這將成為該地點的資金輸出，並且需要相應的資金來源作為輸入。
• 需求 4.2 地點成本 - 為運輸設定了一個目標，即 20% x 76,000 美元/人 x 75 人 = 114 萬美元用於該地點的經常性成本。這僅計算外部成本，不包括內部生產，內部生產應該提供大部分最終價值。
• 需求 5.1 技術風險 - 為運輸設定了一個目標，即 7.5% 的效能和設計不確定性。我們將此分配給 F.1.4 原型系統，作為風險分析報告的一部分，作為資料輸出。
• 需求 6.1 地點風險 - 為運輸設定了 38% 的美國平均水平的內部生命和傷亡風險目標，這是一個積極的目標。我們將此分配給 F.1.4 原型系統，作為風險分析報告的一部分。實現這一目標的兩種方式是讓人們遠離車輛（自動化）和降低速度。
• 需求 6.2 人口風險 - 為最靠近的 350 萬人設定了 25% x 17% 的人口風險降低目標。這是一個很難實現的目標。

F.2.1.1.3.1 運輸散裝貨物 - 對於該地點的初始建設，我們根據主要由混凝土、木材和其他標準建築材料製成的居住元素估計每平方米建築面積 1 噸，平均配送距離為 30 公里。因此，我們需要 200 噸/人 x 75 人 x 30 公里 = 450,000 噸公里。生產元素待定 (TBD)。建設完成後，我們估計每年將有 3% 的初始建設用於維護和改造，因此為 1,3500 噸公里。散裝貨物在運輸過程中不需要特殊的保護，相當於敞篷貨車車廂。這些估計可能需要在有更多資料時進行修改。

F.2.1.1.3.2 運輸離散貨物 - 這包括需要保護免受環境、運輸衝擊和震動影響或需要特殊包裝的單個物品。離散貨物通常比散裝貨物尺寸更小，因此可以一次配送多個物品。它包括傢俱、電子產品、危險化學品和食品等物品，這些物品在配送過程中需要一定程度的保護。對於傢俱和電子產品，我們最初將估計為 200 公斤/平方米 + 每年 3%。食品我們估計為每人每年 500 公斤。危險物質待定。同樣，這些估計可能需要進行修改。

對於該地點內散裝貨物和離散貨物的內部運輸，我們假設移動運輸（車輛）和固定運輸（管道和輸送系統）的組合。應考慮架空、地下和鐵路系統，以減少土地影響。所需數量待定。

F.2.1.1.3.3 運輸人類 - 由於居民的大部分工作和生活需求將在該地點完成，我們初步估計所有用途將需要 50% 的美國平均駕駛里程 21,700 公里（13,500 英里）。需要客車作為運輸工具。

F.2.1.1.3.4 運輸能源 - 這包括有線和無線電力分配，以及行動式電源，例如電池和儲熱能。

F.2.1.1.3.5 運輸液體和氣體 - 這些物品需要密閉容器或固定管道進行配送。它包括水、天然氣和液體燃料。

F.2.1.1.3.6 運輸資料 - 這包括所有形式的所有型別資料，包括電子資料和非電子資料。法律權利和金錢透過資料傳遞，因此也包括在此。

生產建模

對居住和運輸的考慮已經對所需的生產規模有了一些瞭解，現在我們可以在此基礎上增加生產自身的需求以及剩餘產出目標。

F.2.1.1.1 提供生產能力 -

• 需求 1.2 生產規模 - 設定一個目標，即每年為 75 人生產生產（自身）、居住和運輸所需的完工元素，總計 660 人。然後，生產任務就是減少從外部提供的這些不太完整的元素，這些元素的持續供應量名義上為 15%。裝置的起始套件（種子工廠）以及初始附件、位元、工具和傳統的小型車間工具 100% 從外部供應。在逐步提高到全面生產期間，從外部供應的比例逐漸降低。這項需求將分配到所有更低級別的功能中。
• 需求 2.2 增長 - 設定了一個目標，即以每年 11% 的複合增長率提高產能。這還包括為 75 人每年生產所需的完工元素，以及每年 4% 的已完成元素所需的持續維護和改造。
• 需求 2.3 自行生產 - 設定一個目標，即從生產中產生 75% x 85% = 63.75% 的該地點總經濟價值。剩餘部分由居住和運輸功能以及 15% 的居民在該地點外部的工作來解釋。在從起始套件開始逐步提高生產能力的過程中，來自外部工作的比例會更高。
• 需求 2.3 複雜性 - 設定一個目標，即起始套件（種子工廠）中最多有 7 個主要生產裝置，不包括上述 1.2 中列出的專案。在逐步提高到全面生產水平的過程中，可以使用自產元素和外部元素的組合新增任意數量的裝置，以實現生產目標。起始套件中的專案應該儘可能靈活，以涵蓋廣泛的輸出。後來的新增可以更專門化和專用。
• 需求 2.4 生活質量 - 產生 63.75% x 156,000 美元 = 100,000 美元/人的生產產出價值，包括內部使用的專案和產品的外部銷售。上面的 2.3 自行生產需求定義了主要功能之間的百分比分配。這項需求設定了產出的價值。生產 + 居住 + 運輸 + 外部工作應總計為 156,000 美元的價值。
• 需求 2.6 資源 - 這設定了一個長期目標，即生產 10.5 倍的內部材料和能源需求，即 9.5 倍的剩餘量。最初，這個目標被分配給所有較低級別的功能，但在全面分析後，它可能以不均勻的數量出現。在初始建設之後，我們將假設 3% 的結構和 5% 的車輛和裝置將被完全使用，需要維護或改造。以 4% 的混合率計算，我們初步估計總生產能力為地點材料/年的 42%，以實現所需的剩餘量。
• 需求 4.1 開發成本 - 預計生產將是該地點設計中最複雜的部分。因此，目標設定為 60% 的總溫帶地點開發成本 x 890,000 美元/人 x 75 人 = 4000 萬美元。由於這是一個溫帶地點，因此沒有使用困難地點的增加。
• 需求 4.2 地點成本 - 在逐步提高生產能力之後的目標是 40% x 76,000 美元 x 75 人 = 228 萬美元，用於生產的經常性成本。最初為前 75 人逐步提高生產能力的內部生產量會更少，因此我們暫定使用平均 42.5%，因此 (57.5%/15%) x 228 萬美元 = 875 萬美元，這是第一個增量的地點成本。
• 需求 5.1 技術風險 - 將效能和設計不確定性設定為 7.5% 目標。我們將此分配給 F.1.4 原型系統，作為風險分析報告的一部分，作為資料輸出。
• 需求 6.1 地點風險 - 為生產設定了 38% 的美國平均水平的生命和傷亡風險目標。
• 需求 6.2 人口風險 - 為最靠近的 350 萬人設定了 75% x 17% 的人口風險降低目標。或者為整個地球提供較小的風險降低。這是一個很難實現的目標。
• 需求 7.2 生存力 - 為文明等級關鍵風險設定 17% 的補償目標，乘以 (75 人 / 150,000 總人數，第一階段) = 0.0085%，用於此設計。一些候選方案包括：為專門的小行星望遠鏡做出貢獻，在氣候帶移動之前種植樹木，提高反照率或二氧化碳去除系統以降低氣候影響，或改進採礦以緩解資源枯竭。

F.2.1.1.1.1 控制位置 - 此處提供對所有運營任務的控制，包括居住和運輸。它包括計劃和分析等業務功能，即時控制，顯示和資料收集。它透過人類、自動化和軟體命令及操作的混合方式實現。

• 需求 2.3 自動化 - 目標是將人工工作時間減少 85%。這將需要廣泛的控制軟體並與位置的其他部分連線，以感知狀態併發出命令。在增長期間的初始自動化水平可能很低，但會隨著時間的推移而增加。此需求還分配給其他功能以執行命令的操作。
• 需求 2.3 自治 - 目標是控制 85% 的生產運營和維護。在初始增長期間，可能需要更多外部計劃和即時控制。

F.2.1.1.1.2 供電 - 這包括為位置的所有部分提供電力、熱力、液壓和其他形式的能量。可能的來源是光伏、太陽能熱能、風能，以及可能的生物能源。目標是生產 10.5 倍於內部需求的能量。

• 需求 2.3 本地資源 - 這設定了一個目標，即至少從本地資源提供 85% 的材料和能源需求。再加上盈餘的目標，我們可以最佳化物理產品和能量之間的產出，以獲得最佳的經濟價值，但每個都至少有 85% 的底線。

F.2.1.1.1.3 提取材料 - 這包括開採、水和空氣收集，以及從溫帶位置收穫有機產品，無論是透過使用內部裝置從擁有或租賃的土地上獲得。

• 需求 2.3 本地資源 - 如前文所述，有一個最低目標，即提供 85% 的持續需求，但希望在直接材料或更多成品方面有很大盈餘。

F.2.1.1.1.4 加工材料 - 這包括將原材料轉換為成品庫存。預計將使用各種化學、機械、熱和其他工藝。體積由後期的生產步驟以及對盈餘產量的渴望決定。

• 需求 2.3 迴圈流動 - 除了加工前一個功能中提取的新材料之外，還有一個目標，即對位置的 85% 的廢物輸出進行再加工。因此，其他功能需要考慮如何處理廢物的設計。

F.2.1.1.1.5 製造零件 - 這包括透過多種工藝將準備好的材料轉換為成品零件。具體的工藝和數量將由其他功能和自身的需要，以及滿足盈餘生產和生活質量目標而決定。此功能需要進一步細化。製造的輸入來自外部供應、加工材料和庫存。它包括消耗品，如切削刀具和切削液。輸出將用於庫存或組裝元件以形成成品零件，並將加工材料或廢物輸出用於廢料和使用過的液體。在定義製造機制以進行製造時，我們需要根據靈活性以及體積和價值方面最大的需求來選擇一組入門套件，然後在擴充套件套件中依次新增。每個套件內用於製造的機制可以按型別劃分為類別，包括

• 主要固定裝置和機器，如三軸數控機床。
• 輔助固定裝置，如用於測量和研磨的裝置。
• 裝置附件，如安裝板和旋轉臺。
• 夾具，如用於奇形怪狀的自定義支撐。
• 行動式手工具、電動工具和測量儀器。

F.2.1.1.1.6 庫存 - 此功能為目前未使用的材料、零件和完工物品提供儲存，併為生產的其他部分提供環境保護和控制。總儲存量由組裝、維護和生產計劃的需求，以及任何季節性或批次需求決定。儲存可以按環境需求劃分為類別，範圍從戶外（無保護）、庇護（僅防雨）、封閉和空調（溫度/溼度）等。它還可以按負載/面積和物品尺寸劃分為類別。諸如化學品之類的物品將需要特殊的儲存規定，以確保安全性和物理相容性。由於儲存已經需要提供不同級別的環境控制和負載能力，因此我們將其他生產功能的需求分配給以獲得總的土地和建築面積。

儲存的輸入將來自提取材料、加工材料、製造零件和外部供應。儲存的輸出將用於加工材料、製造零件和組裝元件。機制將是人工、遙控和自動化元件、機器人元件以及靜態儲存元件，如建築物和貨架。

F.2.1.1.1.7 組裝元件 - 這包括組裝和建造，最終形成完整的新品元件或維護現有元件。它接受來自內部生產的新品件和材料，以及從外部供應的材料。它還接受需要維護或修改的現有元件。任何需要的拆卸都包括在此處，因為通常使用與組裝相同的工具。使用過的零件如果可以返工，則返回零件製造，作為廢料進行材料加工，或作為程式廢物輸出。執行組裝功能的機制可以包括人工、機器人、自動化工藝以及專門的組裝裝置和工具。組裝任務的規模包括

• 每年為 75 人提供足夠的新的居住、運輸和生產元件，減去 15% 的外部供應物品。
• 為生產增長提供足夠的新的生產元件，生產按年複合增長 11%。
• 生產出足夠的產出，以滿足分配的盈餘資源目標部分，或滿足生活質量水平，以較高者為準。
• 生產出足夠的產出，以滿足現有物品的維護和修改，假設現有位置元件的 4% 的水平。

F.2.1.1.1.8 種植有機物 - 這包括種植微生物、植物和動物，直到收穫，之後將它們送往加工材料或儲存。它包括傳統的戶外種植、溫室和室內設施。主要輸出可能是居民的食物，生產用的木材，以及可能用於燃料。此外還將分配盈餘產出的部分。

• 需求 7.1 生物圈安全 - 這是保護物種以及居住的剩餘部分。分配的目標是 50% 的 89 個物種，要麼是活的，要麼是儲存的（種子或遺傳種群/胚胎）。這很可能透過溫室或生物儲存來實現。

對於土地需求，我們可以假設 50% 的卡路里來自花園/溫室空間，每人 350 平方米，50% 的卡路里來自田間作物，每人 500 平方米，因此總共每人 425 平方米，或 32,000 平方米。為了供應 85% 的居民食物目標，我們將假設肉類和乳製品是從外部獲得的。在良好的管理下，南部混合森林的生產力為 1.5 公斤/平方米/年 = 1.5 毫米厚度的綠木。我們每年需要 9 毫米的木材來維護和修改建築物，因此我們需要 6 倍於建築面積的森林。僅對於居住部分，這相當於 1200 x 75 = 90,000 平方米，因此是主要的土地面積。我們不會計算從居住地本身砍伐的任何木材，並將其視為盈餘或獎勵。建造初期需要更多的木材，我們假設這些木材來自儲備豐富的木材林，在建造過程中會進行間伐，並在之後進行維護。如果建造初期需要額外的木材，則從外部獲得。