5.1 - 個人生產：需求

系統需求

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 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最終專案應該做什麼。這些需求被組織成不同的類別，並編號以便日後參考。它們是用擴充套件後的系統來描述的，即系統已達到完全能力。種子工廠是增長的起點，將在設計過程的後期透過從所需的最終目標反向推演來確定。

在每個需求的文字之後，有一些解釋說明它的來源以及更多關於它的細節。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們的目標和願望。在本例中，特定需求集源於一個更大的計劃框架，用於提高生活質量並維持可持續和不斷擴充套件的文明。在概念設計階段，專案設計師通常必須充當終端使用者的代理人。使用者可能尚未確定，並且還沒有資訊知道他們想要從自我擴充套件的自動化中得到什麼。我們相反，對他們希望得到什麼進行了最佳估計，一旦他們被提供有關該專案的資訊。之後，當用戶被確定後，我們可以獲得他們對目標和需求的直接輸入。

儘管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做到的起點。更新後的基線需求集將是專案概念設計階段的輸出。在此階段，我們將根據需要對實際情況進行調整，識別需要進一步發展的領域，並在識別新的需求時記錄它們。

1. 目標

• 1.1 專案目標 - 該專案應提供一個本地擁有和運營的個人生產系統，該系統支援所有者及其周圍社群的需求和願望。

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) 型別的需求。需求要麼滿足要麼不滿足。本地一般意味著“在幾個小時的車程範圍內”，或大約一個大都市區及其周邊地區。這將在以後更加明確。

• 1.2 專案規模 - 在滿負荷的情況下，該系統應能夠滿足 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大小，這樣你就可以朝著明確的設計目標努力。初始規模將小得多。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、朋友以及偶爾的顧客，可以為他們製作東西。2640 人的特定目標是有點任意的，但它是基於歷史上建立新社群的例子。這個想法是，一個足夠大的社群將擁有操作各種生產機器所需的技能，並處理其他必要任務。如果後來的設計工作表明這個數字要麼太小，要麼太大，可以更改。但我們需要在設計的第一輪中為數值需求設定初始值。

• 1.3 選擇 - 專案使用的具體物理場所及其內部組織、功能和操作應由專案所有者和場所居民在設計約束範圍內選擇。

本需求的目的是，裝置的所有者/運營商將選擇其建造地點和操作方式，而不是這些決定由外部做出。工廠元素的完整設計為他們提供了選擇場所的起點，但最終的選擇權將掌握在他們手中。設計約束包括分割槽和建築法規，這些法規限制了裝置的型別和位置。

2. 效能

• 2.1 位置 - 該系統應設計為在佐治亞州亞特蘭大 合併統計區 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。以後的例子將擴充套件到更廣泛的位置集，因此將具有更廣泛的設計環境。亞特蘭大 CSA 的直徑約為 240 公里（150 英里），這使得在該位置內從一個點到另一個點的合理出行時間成為可能。

• 2.2 增長 - 該系統應能夠在初始啟動後每年至少將生產、運輸和居住能力提高 5%。

為了使設計對所有者有吸引力，它應該能夠不僅僅是維持自身，而且要有足夠的增長空間。額外的產能可用於增加社群規模、啟動新地點或生產出售的商品。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套件開始執行和達到滿負荷容量的 10% 之間。在這個早期階段，可用的機器型別和社群內的技能較少，因此在此期間允許較低的增長率。所測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其他人可以加快增長速度。

• 2.3 改進技術 - 該系統應以漸進的方式提高其自生產、迴圈流和自主性水平。

我們不期望創始社群和初始裝置具有與滿負荷容量相同的效能。本需求設定了工廠隨著發展而逐漸提高的技術性能。我們目前將自生產、迴圈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，從當地資源中提供社群需求和願望的 25%。

這透過從當地來源供應材料和能源來詳細說明上面的 1.2 專案規模。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。為了滿足父需求（2.3）的漸進式改進，我們在達到滿負荷容量的 3%、10% 和 30% 時，將需求滿足目標設定為 6%、12% 和 18%。因此，對於一個 80 人的社群，也許有 20 個所有者/運營商，我們希望滿足他們需求的 6%。改進與容量的幾何增長相關聯，因為首先會製造更容易的產品，然後複製機器以增加容量，這不會增加產品的範圍。能夠滿足需求定義了設計能力。人們是否實際使用裝置來達到其滿負荷容量取決於個人情況和選擇。

• 2.3.2 自生產 - 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。

上一條需求涵蓋了資源供應。本需求涵蓋了產出的經濟價值，包括所有者作為運營商的工作。同樣，我們認為 25% 是一個合理的滿負荷容量水平，具有與上一條需求相同的部分目標。參與度將在整個社群中有所不同，從休閒到專心，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。透過一定程度的自動化，完成這兩項工作所需的時間應該是可能的。啟動套件和啟動階段的增長（前 10% 的容量）可能只支援愛好級別的生產，而在滿負荷容量時，它將支援更實質性的貢獻，相當於第二份收入。我們認為，逐步轉向自生產比試圖一次性做到這一點更可行。一次性示例是殖民地或公社，在那裡每個人都 100% 地投入到新的努力中。這些往往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 - 該系統應能夠透過質量計算，回收和再處理社群生產、運輸和居住的當地廢物流的 25%。

本需求來自多個來源。從長遠來看，閉環流更可持續。它們的投入成本更低，因為你不必為那麼多新的投入付費。與線性（一次性使用並丟棄）流產生的廢物相比，它們的處置成本也更低。我們預計，生產裝置處理材料的能力和自動化程度將使回收在經濟上變得廉價。25% 的目標再次是在滿負荷容量下。

• 2.3.4 自動化 - 該系統應能夠相對於美國平均水平將人工需求減少 25%。

從生活質量的角度來看，自動化是可取的 - 更少的投入產出更多。所有者/運營商不必擔心自動化會使自己失業，因為他們擁有生產權。更少的工作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，25% 的勞動力的自動化減少對於第一代專案來說是一個合理的水平。它假設一定程度的生產整合，以便生產步驟之間的轉移可以自動化，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，一個自動化的花園可以高效地生產食物，但有人可能選擇手工園藝以獲得樂趣或鍛鍊。

• 2.3.5 自主 - 該系統應能夠在本地控制至少 25% 的生產、運營和維護功能。

這部分來自於對所有者選擇的渴望以及能夠在與結果共處的人們的控制下執行事物的能力。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選擇透過遠端控制作業系統的一部分。

• 2.3.6 複雜性 - 起始套裝應包含不超過 8 種類型的定製生產元件，不包括附件。

該專案的增長路徑之一是將產品多樣化到數百種可用的新型別裝置和流程。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性。另一方面，我們不希望從太少的東西開始。例如，理論上我們可以從零生產元件開始，從手工製作的石頭、樹枝和火開始重建技術，但這很不實用。折衷方案是從每項主要生產功能開始大約一個定製裝置，以便在系統內實現一個相當完整的生產鏈。任何型別的正常運作生產系統都需要額外的附件、鑽頭、消耗品、工具和小工具，但這些不計入此總數。我們只指的是為該專案設計的定製裝置。任何人們可以購買或製造的標準物品也不計入。

• 2.4 改善生活質量 - 該系統應能夠支援相當於美國平均水平高 25% 的人均 GDP。

滿足需求和願望的目標沒有說明食物、住所和公用事業等物品的質量水平。自然，我們希望獲得高水平的質量，並且我們認為，透過自動化和自生產可以實現這一點。GDP 等效性設定了一個遠高於美國平均水平的目標，並且是根據重現生活方式的成本計算的。2016 年以當前美元計的基準 GDP 為 18.23 萬億美元，人口為 3.2326 億，因此基準值為 56,394 美元/人。現金收入不會按比例增加，因為許多產品直接交付給社群。理論上，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 25% 的需求和願望，則等效 GDP 將比基準增長 33%。由於所有者/運營商需要做一些工作，因此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，這是在滿負荷時的目標，並會逐漸增加。

• 2.5 資料 - 該系統應與當地社群及其他地方共享專案經驗和資料。

作為一項首創的專案，我們希望其他人能夠在獲得的知識基礎上進行構建，並希望反饋他們自己的經驗。將其作為系統要求，確保我們在設計中包含用於收集和共享資料的流程。我們認識到個人資料需要得到謹慎保護。此要求與太陽能集熱器功率輸出等技術特徵有關。

• 2.6 資源 - 該系統應能夠輸出至少 2.0 倍於內部材料和能源需求的產量。

這來自於對高效設計的渴望，該設計能夠舒適地生產高於其自身維護和支援需求的產量。它還透過直接向所有者提供物品、工廠的增長或剩餘產量的銷售來支援更高質量的生活。這是在滿負荷時衡量的，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）概念相關，但擴充套件到涵蓋物質資源。

3. 時間

• 3.1 完成時間 - [不適用]

專案進度或完成日期通常用作基於時間的需求。在這套要求中，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，我們在系統級別將 3.1 完成時間標記為“不適用”。在專案的更詳細級別，我們可能會推匯出時間和進度要求，並將該要求編號（3.1）保留用於此目的。

• 3.2 執行壽命 - 該系統將設計為無限期執行，並進行維護、維修和更換部件。

該專案旨在成為一個永久性的來源，以滿足社群的需求。因此，它將沒有有限的壽命或磨損日期。由於各個元素無法設計成永遠使用，因此此要求的結果是需要維護和維修任務。

4. 成本

成本要求限制了設計和構建系統的努力程度。它們是對專案價值的判斷，相對於人們可以投入時間和資產的所有其他事情以及該專案將帶來的效益而言。總成本分為開發成本 - 技術、原型和設計的的一次性成本；以及位置成本 - 為每個新增的單位或副本建造的重複成本。我們使用 2016 年中期的美國美元作為我們的成本要求，並已針對通貨膨脹進行了調整。

• 4.1 總開發成本 - 該專案開發成本應低於 4000 萬美元（針對 300 人的社群），淨銷售額除外。

我們的專案所屬的製造業通常不會在研發方面投入大量資金。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。在缺乏更好的成本估算的情況下，具體數字是美國人均資本的兩倍。這假設在 300 人規模的情況下，大多數裝置不是完全新設計。開發專案成本估算是概念設計的組成部分，因此此值將更新。如果最終根據設計建造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供銷售的物品。在開發期間出售的任何物品均計入成本，因此 4000 萬美元將是最大淨支出。

• 4.2 位置成本 - 開發後，每位受支援人員的單位位置成本應低於 66,600 美元。

這涵蓋了根據其他要求，為每個受支援的平均社群成員支付的生產能力的重複成本。這是一個相對較低的數字，因為自動化和自生產旨在以更低的成本製造產品。66,600 美元旨在涵蓋仍需購買的外部原材料、零件和人工。這是在滿負荷時的每個人均值，並且在開始時可能更高。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。由於該專案的目標是滿足人們 25% 的需求和願望，因此我們將有形資產除以 4。這個數字也是初步的，並將隨著概念設計期間開發成本估算的更新而更新。

5. 技術風險

• 5.1 風險容忍度 - 系統設計應包括完成時不超過 37.5% 的效能和設計不確定性的容忍度。

沒有任何工程設計能夠完全理解，或完全按照預期進行建造和執行。因此，在效能、磨損率和其他引數方面總會出現一些不確定性。技術風險容忍度是在所需效能之上設計的一個裕量，以彌補這種不確定性。換句話說，我們設計的東西比我們需要的東西多，以確保我們至少達到所需水平。風險容忍度是在設計完成並開始建造裝置時衡量的。一旦系統建成並投入執行，您就會發現實際效能。在本例中，不確定性被設定為較高，因為它是一個首創專案。在設計開始時，不確定性甚至會更高。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隱患不同。

6. 安全

• 6.1 位置風險 - 該系統應具有低於美國 2016 年平均水平的社群生活和財產風險。

安全執行是一個理想的功能，並且經常受到法律強制，因此我們將其作為一項要求。這是在滿負荷時實現的，適用於該專案擁有的土地和裝置，以及它直接支援的社群人員。製造和運輸通常伴隨著風險，但我們認為，我們可以透過自動化（將人員從工作危害中移除）和安全設計（在設計階段預防風險）來將風險水平保持在平均水平或更低。

• 6.2 人口風險 - 該系統應將自然和人為風險降低 5%，包括系統產生的外部風險。

之前的需求是針對專案對業主及其直接支援的社群的風險。而現在則是針對專案之外的其他風險。我們希望對附近的社群產生積極的影響。我們定義附近是指專案地點周圍 10 公里寬的區域，其中至少 50% 的風險降低應用於最近的區域，25% 應用於下一個區域，依此類推。我們降低風險的人數等於專案社群規模。因此，在亞特蘭大地區的滿負荷運營中，我們正在為總人口中的一小部分人群做出積極的貢獻，以確保安全。

7. 可持續性

• 7.1 生物圈安全 - 該系統應儲存 178 種（物種 x 場所數量）物種，超出其現有的自然範圍，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。物種數量和儲存它們的場所數量與專案規模成正比，因此我們在這裡使用相對較小的數字。透過在超出其現有的自然範圍之外儲存物種，可以從對原始種群的危害中恢復過來，例如氣候變化或人類發展。例如儲存方法包括溫室、種子庫或在最近發生氣候變化的區域重新種植。

• 7.2 生存能力 - 該系統應為文明水平的嚴重風險提供 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。如此規模的專案只能預期做出微小的貢獻，因此需求值很小。例如方法包括透過回收利用來幫助解決資源枯竭問題，或透過可再生能源來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。至少我們想了解我們對整個文明的影響。透過設定一個要求，我們必須衡量我們實現該要求的程度。

8. 開放性

• 8.1 開放設計 - 在專案中開發的技術和設計方法應向其他人開放使用。特定設計例項和生產物品可能屬於專有。

我們的更大意圖不僅僅是支援一個本地社群，而是證明自我擴充套件的生產系統是可能的，並使其他人能夠使用它們。我們需要在分享基礎技術與獎勵那些從事這項工作的人之間取得平衡。因此，我們允許人們保留特定的硬體設計，如果他們選擇的話，並擁有他們製造的實物物品。該專案開發的一般技術、方法和原型設計公開共享，人們可以選擇貢獻他們自己的改進和修改。

有效性指標

在設計過程中，滿足各種要求的嘗試往往會影響多個要求。例如，更高的效能和可靠性往往會以更高的成本為代價。為了在這種情況下最佳化設計，我們使用源於要求並與要求密切相關的指標。每個要求的滿足程度都透過公式轉換為數值分數。分數相結合，更好的設計是總分最高的那個。透過這種方式，可以考慮非常不同的要求型別，並比較不同的設計選項。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點（權重）。透過公式找到每個標準的分數，總分是所有指標的權重 x 百分比分數之和。請注意，有些要求是固定的，例如專案支援的人數。它們沒有可變的指標，而是設計被調整以完全滿足它們。

這些指標作為一個整體，是我們在設計中認為更好的東西的數學模型。就像上一節中的要求一樣，沒有“正確答案”，因為它們是基於人類目標和選擇。這些指標的作用是讓不同的人，或者一個人在專案的不同部分工作，能夠根據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分數專案和公式。單個專案總數僅為 78%，因為並非所有指標都包含在個人生產示例中。它們將包含在後期的設計示例中，我們希望能夠輕鬆地在專案之間進行比較。評分公式的目標也相對較低，與後來的專案相比，因為個人生產是第一代設計。分數總和透過一個比率進行調整，使該示例的結果達到名義上的 100 分值。在與其他示例和專案進行比較時，它不會進行調整。

表 5.1-1 - 有效性指標的初始值

指標	權重（分）	評分公式（百分比）	目標
2.2 增長（率/年）	5.0	(所有場地的年 GDP 增長率等值 - 2.5%) x 10	目標 = 5%。內部生產價值等同於市場價格。
2.3 改進的技術（本地資源）	1.0	來自專案位置的本地資源所佔比例	目標 = 25%。以公斤（質量）或焦耳（能量）衡量。
2.3 改進的技術（自我生產）	1.0	來自專案位置的成品所佔比例	目標 = 25%，按經濟價值衡量。
2.3 改進的技術（迴圈流動）	1.0	位置質量流重複利用的比例	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 改進的技術（自動化）	1.0	人類勞動時間減少的比例	目標 = 25%，相對於現有技術降低。
2.3 改進的技術（自治）	1.0	本地提供的必要勞動和控制的比例	目標 = 25% 的必要功能可以供應。
2.4 生活質量（GDP）	5.0	(GDP 等值 - 20,000 美元)/2000	目標 = 每人 70,500 美元。包括內部生產和勞動的價值。
2.6 資源（剩餘）	5.0	ln(材料和能源產出/內部使用)/ln(2) x 25%	目標 = 2.0，跨專案生命週期。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 位置成本 = 每人 133,200 美元。
4.2 新位置成本	14.0	[(ln(0.25 x 美國每人資本/位置成本))/ln(2) x 25%] + 25%	目標 = 每人 66,600 美元。
5.1 技術風險津貼（%）	5.0	(50% - 技術不確定性津貼) x 2	目標 = 37.5% 技術津貼。
6.1 新位置風險（相對）	7.5	[ln(0.25 x 一般傷亡風險/位置風險)/ln(2) x 25%] + 75%	目標 = 100% 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-位置）	5.0	[(log(在自然範圍外維護的物種 x 場所)) - 1] x 20%	目標 = 178 個體內或儲存的物種，人類是一個物種。
7.2 生存能力（相對）	5.0	(對嚴重風險的補償百分比) x 10,000	目標 = 0.0025%。包括所有文明水平的風險。
總計	78	以上每行的部分分數 x 權重之和 x 400/78	目標 = 100%，經 400/78 調整後。

表格說明

這些公式旨在在指標處於不可接受的低水平時產生 0 分數。

• 2.2 - 該公式從增長率中減去 2.5%，將 0 分數設定為“不比經濟中的平均增長好”。

• 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礎。

在量表的另一端，這些公式應該為自我擴充套件的系統產生 100% 的分數，這些系統以最高水平執行我們想要的一切。由於個人生產是第一代設計，我們只將分數目標設定為最終值的 25% 左右，這表明之後將有很大的改進空間。