第 3.4 章 - 参考架构
在第 4.0 章开始设计过程之前，我们将介绍另一个设计元素。这是一个名为 **参考架构** 的共享框架。它用作特定项目和设计的起点。项目类别，如木工车间和独栋住宅，具有相似的目标和功能。这些类别中共享的元素，如木材存储或浴室，可以使用现有设计和经验，而不是每次都进行新的设计。
参考架构提供了一套完整的这些元素，但特定项目可能不会使用所有这些元素。因此，木工车间可能不包括木材干燥棚，或者房屋不包括音乐室。无论选择哪些元素，架构框架都会帮助组织和跟踪项目的各个部分。它还为将复杂系统或项目分解成更小、更简单的部分提供了起点。
项目类别参考架构描述了它们的关键字、关系和特征。然后，通用架构被定制，并为给定项目添加了细节。使用架构可以节省工作量，因为每个示例不必重复所有前期工作，并且可以确保不会遗漏关键项目。它还有助于通过为 **项目利益相关者**（对项目感兴趣的各方）和在跨不同专业领域工作的项目人员提供共享的语言和理解来避免混淆。
对于需要先进技术的项目，包括一些自我改进系统，该架构通过 **技术成熟度**（TRL）帮助识别任何所需的新技术、使用这些技术的技术风险及其当前开发状态。对于项目经理来说，它通过组织所需的项目元素和任务，帮助尽早估计成本和时间表。有关更多详细信息，请参阅 Cloutier 等人，**参考架构的概念**，2010（PDF 文件）。
自我改进系统的许多部分将具有往昔的历史、经验和示例。这些现有设计和元素可以按原样使用，也可以根据特定项目进行调整。其他部分可能需要新的设计，甚至在尝试设计之前需要进行研究和开发。参考架构提供了一种跟踪什么可用以及项目每个部分需要做什么新工作的方法。
随着自我改进系统元素的新设计积累，架构提供了一种存储和组织它们以供以后重复使用的方法。由于我们的书籍包含一系列逐步的示例项目，因此我们希望以这种方式在这些项目之间重复使用它们的某些部分。
**类别和架构** - 过去的项目通常属于类别，这些类别具有足够多的共同需求，可以实现共享解决方案。土木工程的一些示例包括桥梁、摩天大楼和公共道路。对于桥梁，我们有桁架、拱形和悬索类型的子类别。这些都有可重复的设计流程，即使特定位置的细节会有所不同。
桥梁是相对简单的系统，主要设计为安全地跨越其跨度承载负载。摩天大楼更加复杂，不仅要处理承载，还要处理供暖和制冷、照明、水和卫生设施、信息技术和其他系统。因此，它们与桥梁有足够的差异，可以将其归入具有不同架构的单独类别。
术语 **架构** 首先仅指结构的物理和审美设计，以及其各部分与整体的关系。在现代工程使用中，我们将术语 **系统架构** 应用于任何复杂系统的整体设计，系统元素彼此之间的关系，以及系统运行的外部世界。
复杂系统或系统类别的架构本身很复杂。因此，无法从单一图纸或描述中完全理解。通常，架构通过多种方法进行记录，包括文本文件和图形 **视图模型**。以文本形式，系统架构包括顶层目标、设计原则、系统描述、元素与系统环境之间的高级交互、一般元素要求和元素描述。
图形数据包括各种表格和抽象图表、工程和透视图、计算机模型和模拟，这些模型和模拟可以主动查看和操作。系统架构的支持数据显示了它是如何得出的。它包括数据源、支持概念选择的分析以及从目标到较低元素的跟踪。
**用于变化的架构** - 本书中描述的故意设计的自我改进系统是一个新的设计类别，还没有有效的示例。大多数过去的设计都是固定的，就像房屋平面图或特定年份的汽车设计一样。改进的系统从一个起点发展到一个预期的成熟状态，或者没有终点是开放式的。人们已经建造了不断演变的人工制品，例如发展成城市的定居点，但这些变化通常不是从一开始就计划好的。
我们需要一种能够处理持续和重大变化的不同架构。本章的剩余部分展示了如何开发这种架构，并展示了一个用于这些书籍中自我改进系统示例的初步版本。由于这些类型的系统是新的，因此参考架构是初步的。随着诸如本书中的项目和应用程序的开发以及在它们的增长和操作中积累经验，它应该被更新和扩展。
在设计项目或程序之前，您需要知道它打算做什么。**设计目标** 是设计师想要或需要的顶层输入。**设计原则** 是达到这些目标的高级方法、规则和方法。原则示例是“将对人身和环境的影响风险降到最低”。当您开始进行具体的应用程序和项目时，一般目标会用特定的设计要求进行补充，但那是在以后。
在设置自我改进系统的整体设计目标以及这些书籍中的示例时，我们从一个基本理念开始，即为其成员提供需求和愿望的文明比不提供的文明更好。物质需求包括食物、住所和公用事业等物品，这些物品对于维持生命和保护环境是必要的。这些基本需求几乎每个人都共用。愿望包括非强制性物品，例如个人选择如何支配自己的时间、居住地和穿着方式。每个人的愿望可能差异很大。
后丰裕 - 必须花所有时间从事不喜欢的工作，仅仅为了满足物质需求，这是不可取的。选择更适合或更有趣的工作，拥有更好的工作条件，或者根本不需要工作就能满足需求，这些都是更可取的。如果一个文明能够提供超过满足所有人需求，甚至满足他们部分欲望的足够产品和服务，同时不强迫人们做他们不想做的事情或做出不可取的选择，我们就称之为后丰裕文明。
迄今为止的历史可以被描述为一个强制劳动和经济短缺的时代。人们工作，不是因为他们想要，而是因为他们必须工作才能获得生活必需品。21 世纪初的文明，对于一小部分发达国家的人口，包括经济状况良好的人和一些退休家庭，已经实现了后丰裕。但对于绝大多数人来说，情况并非如此。他们必须比他们愿意选择的更长时间、更努力地工作，才能获得他们需要和想要的东西。
因此，我们选择将实现后丰裕文明作为整体自我完善系统的目标，也是这些书籍中例子的方向。我们实现这一目标的方法是开发利用丰富可再生能源和原材料作为输入的自我扩展和智能生产系统。丰富的资源确保我们的方法可以应用于整个文明，而自我扩展则减少了实现这一目标的初始工作量和成本。
生产输出将首先设计为满足人们的物质需求。智能工具（自动化、机器人、软件和 AI）使人们能够在不承担大量他们不想做的工作的情况下满足这些需求。除了物质需求之外，人们还有其他愿望，例如他们喜欢的室内家居设计和个人幸福感。但个人品味和感受等欲望超出了工程和设计的范围，并且变化很大。我们将把满足这些欲望留给其他人。但作为第二个设计目标，我们还将提供过剩的物质产出，以满足在满足基本需求后满足部分欲望的需求。
目前，我们无法断言我们的方法是否比传统的生产方法更能实现这些目标。至少对这位作者来说，最终目标是值得尝试的，因此有了这些书籍以及我们正在进行的相关设计工作。我们认识到，没有一本书或一个项目能够影响整个文明。我们希望，通过一个概念证明，其他人可以利用和扩展我们的想法，当这些改进被证明有用时，它们将通过社会传播。
设定目标并不能告诉你如何或应该实现它们。为此，你需要采用最有可能实现目标的设计原则。这就像选择旅行目的地和规划详细路线以及交通工具之间的区别。我们迄今为止确定的原则包括
- 一般的自我完善系统架构应该适用于各种应用和位置。一个只限于某些用途或位置的架构不可能产生文明级别的影响。
- 人们有各种各样的需求，能够满足这些需求的智能生产将是复杂的。因此，设计过程应该能够处理复杂性。系统工程方法已经为此目的而发展，因此我们将采用它作为主要的设计方法。如果其他方法适合，我们不会排除它们。特别是，软件和大型建筑项目已经处理了复杂性，因此我们将考虑采用它们的一些方法。
- 注意 - 并非所有项目都很复杂或从智能工具开始，而且已经有很多关于单个项目的计划和说明。当需要时，应使用全面的工程和设计以及系统方法，但不应用于所有项目。
- 一个在文明的时间尺度内停止满足人们需求的文明将是失败的。我们希望我们的系统能够无限期地运行，或者至少能够运行很长时间。因此，我们加入了可持续性和循环利用等功能，并尽可能地排除了供应有限的物品。
在设定了目标和设计原则之后，我们接下来要推导出构成架构的要素。为此，我们采用系统工程中提出的功能方法。这首先涉及识别我们需要做的事情（功能），而不锁定如何做（设计）。一个复杂的系统很难一次性考虑或设计。因此，功能和设计被组织成多个级别，每个级别将系统元素分解成越来越详细的细节。较小的部分以及它们之间的联系更容易单独处理。
在复杂架构的顶层，我们可以通过逻辑分析开始识别功能。在设计过程的后期，我们可以考虑执行每个功能的替代方法，它们如何相互交互，以及优化整体设计。更详细的工作可能会发现需要对更高级别进行添加或更改，但我们需要一个起点。以下是我们关于种子工厂和自我完善系统的第一轮工作的结果，并描述了我们是如何得到这个结果的。
满足人们的基本需求，加上满足可选欲望的过剩产出，可以分为四个顶层任务。这些任务是制造实物产品（生产）、将它们运送到使用点（运输）、在人们所在的地方使用这些物品（居住）以及支持制造-交付-使用周期（服务）。顶层任务是一个循环，因为当人们通过这些任务满足需求时，他们可用时间的一部分会反馈为工作，从而产生更多产出。
我们可以为这些任务中的每一个分配一个顶层功能，然后为它们推导出数值（例如，生产多少，运输多远，以及为多少人）。然后，可以将四个顶层功能分解成逐级更详细的细节，直到每个任务都足够简单以设计。在进行此分解时，每个功能的具体目标和数值（称为需求）会被分解并传递到每个子功能。目标是，任何给定功能的各个部分及其相互交互应加起来满足父级需求。
人们居住在许多地方，制造东西的资源也分布在许多地方。因此，我们引入了位置的概念，在这些位置，生产、运输、居住和服务功能的某些子集发生。为了实现后丰裕目标，我们接下来设计、建造和运营一系列位置，每个位置都可以随着时间的推移而增长和演变，并与其他位置进行交互。位置共同使用智能工具以及第 3.2 节和 3.3 节中描述的技术和想法，但一个给定的位置可能不会使用所有这些工具，甚至可能不使用任何工具，如果该位置只是消费最终产品。
现有的文明已经在许多地方提供生产、运输、居住和服务。但它不是高度自动化的、自我扩展的，也不是作为系统有意集成的。在建造我们的新位置时，我们必须利用并与现有文明的元素进行交互。别无选择，我们不能从无到有开始。我们根据需要使用已经存在的东西，直到能够建造新的元素。
我们设计和建造我们的新位置作为现有文明部分的补充、升级或替代。多个位置将作为分布式网络运作，因为文明在物理上是分布式的。一个给定的位置也可以在内部分布，具有多个不同的站点。尽管网络由独立所有和控制的节点组成，但它遵循协议（协议）来在其各个部分和世界其他地方进行交互。这使得整个网络能够更好地协调和实现更多自动化。
本书第 5 章到第 8 章的四个例子是通用生产-交付-使用-服务架构的实例
- 第 5 章 - 个人生产 - 这个例子包含所有四个功能，但在一个位置上规模相对较小，产出用于所有者的直接使用。
- 第 6 章 - MakerNet - 这将小规模操作扩展到多个位置，这些位置通过电子方式连接，并使用长距离运输实物物品。它假设有多个较小的生产位置，由不同的所有者拥有。
- 第 7 章 - 工业生产 - 这集中在生产步骤上，以及从个人到小型企业、商业和工业规模的增长。
- 第 8 章 - 偏远和困难的条件 - 前面的例子都位于现有人口和基础设施存在且环境条件温和的地方。这些是早期项目最容易进行的地方。偏远和困难的位置将某些或所有四个顶层功能扩展到不那么容易的地方，无论是由于距离和基础设施缺乏，还是由于更恶劣的条件。这更加强调长距离运输、远程操作，以及对其他位置和整个文明的依赖程度降低。
最偏远和困难的位置在地球以外，在开放空间或其他天体上。我们将关于这类位置的大部分讨论保留在第二卷中，该卷关于太空系统工程。这是因为太空有独特环境条件、可用资源和运输要求，最好单独解释。
在文明层面上，我们可以按阶段顺序应用所有这些例子的某种组合。在下面的 4.1 标题中介绍了随时间推移和阶段增长的想法，第二卷中介绍了示例项目之间的顺序。在本卷中，我们更倾向于将这些例子视为独立的项目。一个具有许多阶段和项目的文明级计划过于复杂，无法作为一个整体进行设计。相反，我们将把它分解成更小的项目和系统，并将通用标准和接口应用于各个部分。然后，我们可以采取模块化方法，使每个部分更容易与其他部分连接，并使用彼此的输出。
在定义了四个顶层功能以及一些应用它们的例子之后，我们现在分别考虑它们。在这个草案结果中，我们提供了一个更详细的级别。随着特定例子和设计的开发，它们将进一步细分为更详细的子功能。
生产过程的核心是将原材料转化为成品。 这分为四个步骤，每个步骤都分配了一个主要功能，因为任务的性质截然不同（图 3.4-1）。
- 提取材料（采矿）通常与其他生产步骤分开进行，并且经常改变地点。 它通常是一个批量处理过程，其中提取材料并将其运输。 原料包括固体、液体、气体、有机物和废物。
- 加工材料采用热处理、化学处理、电气处理、机械处理或其他方法将原材料转化为成品。 材料类型多种多样，需要多种加工类型和设备。 加工设备通常是面向流程的，而不是面向批次的，并且通常在受控环境中使用固定设备。 成品材料要么按原样使用，例如燃料，要么进行进一步的生产步骤。 它们最终以散装形式或离散形状出现，例如木材块。
- 加工零件将成品材料转化为符合特定设计的完工零件。 针对同一种材料可以应用多种不同的工具和机器类型以及加工过程，具体取决于最终用途。
- 组装组件使用紧固件、焊接、铸造和粘合剂等方法将单独的零件组合成完整的物品。 组装不会显着改变已加工零件的细节。
这四个核心功能由另外三个支持功能支持，使它们能够发挥作用。
- 控制位置，它指示并监控其他功能，使它们知道要制造什么以及制造多少。 控制可以是手动或自动的。
- 供应电力通常是必需的。 人工劳动力能力有限，并且在大量使用时成本高昂。 有许多类型和尺寸的动力设备。 它们的动力可以通过燃料、电力、机械或其他方式供应。
- 库存存储是必需的，因为输入和输出在整个系统中不是完全同步的。 外部供应通常以批次到达，时间上略有变化，数量上对于运输来说是有效率的，而供应以更恒定的速率或以更小的数量使用。 因此，通常将一些供应品存储起来，直到需要为止。 一个生产步骤的输出并不完全匹配下一个生产步骤的输入需求。 例如，新机器的组装可能必须等到所有零件都加工完毕。 在此期间，它们会暂时存储起来。 最后，成品可能会被存储起来，直到人们想要或需要它们为止。
最后一个主要功能是种植有机物。 它与其他功能分开，因为生物在内部整合了各种生产步骤，并自行执行这些步骤。 有机物包括可食用食物、木材、植物油、纤维和其他产品。 当它们的产品准备好后，就会被收获，并且它们通常会进入其他生产功能进行精加工。 一些有机物，例如宠物和景观植物，以活体形式交付。
这八个功能涵盖了特定地点有用输出和内部增长所需的主要操作。 当开发更详细的设计时，可能需要一些额外的辅助功能，但我们预计在该顶级级别不会有更多功能。 这些功能也不包括内部或地点之间以及外部目的地之间的运输，也不包括产品的最终用途。 然后，一个包含生产以外内容的特定项目将包括其他顶级功能。
生产需要在给定场地内进行本地运输，例如进出库存和特定机器。 除了内部运输外，网络还需要在给定位置内的站点之间以及不同位置之间进行运输。 项目从外部来源到外部目的地也需要运输。
我们可以根据被运输事物的不同类型来识别二级运输功能。 每种类型通常需要不同的运输设备。 需要从一个地方运输到另一个地方的物品类型包括
- 能量，无论是电能、化学能还是其他形式的能量。
- 食物，用于人和动物。
- 水和其他液体和气体，既用于人和生产过程。
- 生产所需的零件和材料。
- 生产所需的工具和机器。
- 供人们使用的成品。
- 土地和其他资产的合法权利。 土地本身并不运输，但对其所有权或使用权的转让。
- 人员，出于工作或个人原因，作为操作员或乘客。
- 金钱或其他金融资源。
- 信息，包括设计数据、操作指令以及其他各种类型。
- 废物，包括废料（可以被其他人回收）以及无法回收的废弃材料和能量。
上述列表中特定数量和类型的流量成为将执行它们的元素的设计要求。 用于在场地内使用的内部运输设备可以通过内部生产制造，例如建造自动导引车和材料搬运机器人。 如果没有，则可以购买此类设备。 对于分布式站点和位置，运输可以从使用现有系统开始，例如包裹和卡车服务。 自建和自动化运输可以随着时间的推移而增加。 我们的参考架构将运输分为七个二级功能（图 3.4-2），每个功能都承载相关的物品类型。
- 运输基础设施 - 例如道路和桥梁，使其他运输系统能够发挥作用。 对于小型项目，这主要限于场地内的内部元素，例如车道和停车场。
- 运输能量 - 这通常由电力和其他公用事业分配。 内部产生的电力可以通过电力、液压或机械方式运输。
- 运输离散货物 - 这包括需要环境/处理保护的食物、零件、材料、工具、机器和废物，以及用于交付的成品。
- 运输散装货物 - 这包括不需要特殊处理或保护的物品，只需从一个地方运输到另一个地方。 例如，碎石等原材料以及散装废物。
- 运输液体和气体 - 这包括通过管道和罐体进行运输，例如水、天然气和丙烷。
- 运输人类 - 与无生命的货物基本运输相比，这种运输类型增加了住所元素，以提高舒适度和安全性。 一些易碎货物可以通过用于人员的相同系统进行运输。 例如，行李和航空货物通过客机运输。
- 运输数据 - 这包括特别是在合法权利和金钱方面，但也包括大量的其他信息。 传统上，数据以纸质形式运输，但现在主要通过电子网络和存储进行运输。
人们的需求和愿望在他们居住或居住的地方得到满足，因此第三个顶级功能被称为住宿。 住宿包括住宅非工作地点和工作和交通地点，因为人们在所有这些地方仍然有相同需求。 如果我们考虑人们最基本的需求，它们包括自然环境的庇护、食物和身体护理。 除了这些基本需求外，大多数人还渴望个人空间、各种物质物品、与其他人的互动、娱乐和其他服务。 我们将这些需求归类为以下六个功能（图 3.4-3）。
- 免受外部环境的影响 - 意味着无论他们身在何处，自然户外环境。
- 控制内部环境 - 这意味着调节室内空间的温度、湿度、照明和其他特征。
- 提供食物和饮料 - 包括用于储存、准备和供应食物的设备。
- 维护健康 - 包括废物处理、清洁、锻炼和睡眠设施。
- 提供个人物品 - 包括户外和室内个人空间，以及用于填充它们的物质物品，例如景观、家具和装饰品。
- 提供信息 - 包括纸质信息，例如邮件、杂志和书籍，以及非纸质信息，例如电子通信、娱乐和其他服务。
服务功能提供知识和时间，以改进和支持其他三个主要功能的生产-运输-使用周期。 服务通常由第三方提供，而不是由站点或操作员在内部提供。 我们将服务按类型分为九个功能，如下所示。
- 贸易服务 - 作为实物商品生产和最终用户之间的中介。
- 信息服务 - 涉及新信息的创建和传播。
- 金融服务 - 包括提供资金和保险。
- 物业服务 - 涉及房地产的转让或租赁。
- 专业服务 - 需要广泛的知识和培训，包括科学、技术和法律。
- 教育服务 - 包括对人们的教学和培训，包括通过教学法、实践和实物文物。
- 社会服务 - 帮助需要外部帮助的人。
- 娱乐服务 - 体验或参加表演、比赛、娱乐和休闲活动。
- 组织服务 - 包括私人和公共组织、管理和行政管理。
对于一个大型而复杂的项目，时间通常是实现预期目标的重要因素。 这是因为可用资源通常有限，一些任务必须在其他任务开始之前完成。 我们选择的目标是实现后稀缺状态、摆脱强制劳动以及可持续发展，这些目标规模庞大，复杂程度足以需要相当长的时间才能实现。 从本质上讲，自我扩展系统也不是静止的。 因此，对于给定地点、项目或项目来说，上面列出的四个顶级功能和 30 个二级功能的内容会随着时间推移而发生变化。 为了简化此类复杂且不断变化的系统的设计任务，除了将功能分解为不同的详细程度外，我们还按时间将它们划分为阶段和增长步骤。
今天大多数人仍然处于匮乏的状态。能够缓解这种状况的项目、地点和网络无法立即完全形成。因此，随着越来越多的人和地方达到后匮乏水平，将会有一个过渡期。对于一个单独的项目，我们必须从现有的工具、设备、知识和技能开始。在需要的地方，我们可以利用现有资源进行研发、购买或建造场地、培训人员等，以此作为起点。这些新增内容包括一定数量的自动化启动设备（即种子工厂）。然后，根据最快增长率或哪些机器是制造其他某些机器之前必需的因素，我们开始制造更多设备的零件，并启动扩展过程。随着生产的扩大，我们也开始输出一定数量的最终使用物品，如食物或房屋。我们从零这样的最终物品开始，随着系统的扩展，它们会随着时间的推移而增加。最终，最终物品的积累将满足人们的需求和愿望。
从起点到最终目标的顺序可能是连续的，在增长或地点完成方面没有明确的暂停。尽管如此，我们仍然可以选择逻辑上的分割点，例如场地准备、安装启动装置或添加一组扩展设备。我们称这些较大的时间和工作划分点为“阶段”。
在第三部分的 3.0 部分中，我们确定了一些与自扩展生产以及使用它们的更大项目和计划相关的度量单位、动机、经济理念、技术概念和新想法。我们现在开始将这些元素应用于上述顶层和第二层功能的结构框架。目标是充实参考架构的关系和特征。这仅仅是进行到一定的细节程度。仅适用于单个应用或项目的细节将在设计过程的后期部分保留，并在本书的后续部分和相关文档中描述。
除了实现项目目标所需的一系列项目和地点外，技术水平也不是固定不变的。在内部，在序列中，我们想要使用的自动化系统和特定的硬件设计并非一次性开发完成。研究和开发需要一定的时间，我们可能会由于项目内的预算和人员限制而分散新的技术和硬件的各个部分。在我们自己的项目之外，整个人类文明的技术也往往随着时间的推移而进步。
由于以上提到的原因，除了基于任务的功能外，将程序划分为基于时间的阶段是有意义的。每个阶段都是程序的一个更小、更简单的部分，可以进行设计和构建。这与我们根据功能任务划分架构的原因相同——人们处理复杂问题的能力有限。阶段可以进一步划分为更小的子阶段，并最终划分为带有时间表的任务时间序列。阶段是在时间轴上组织项目的有用方法，但它们不需要严格按时间顺序排列，可以部分或完全重叠。输入和输出将阶段彼此连接起来，以及程序外部，与功能之间的方式相同。由于阶段或其内部的单个任务在获得必要的输入之前无法开始，因此这驱动着阶段及其内部时间表的时间关系。
[这是一个关于如何应用其他设计理念的初步列表，需要进一步完善]
- 像闭合率和增长率这样的系统指标被应用于架构的所有部分，作为目标、设计要求以及用于评估设计方案的依据。
- 利润率、运营成本和生产率等标准经济学概念被推广到超出货币单位的范围，考虑所有类型的资源流，然后应用于整个架构、项目和设计中。
- 系统工程方法和模块化设计等工程概念也被应用于设计的各个部分。
- 新理念的应用方式如下
- - 资源核算在所有层级使用，以确保所有流量和资源都得到核算，包括废弃物流量。
- - 开发新的软件工具，如流程编译器，然后在项目各个阶段使用，从研究到运营。
- - 增长理念和模式，例如启动装置和扩展装置、扩展和复杂性、普遍性和位置分布，被用来定义架构的不同示例和应用。
在讨论了参考架构是如何得出的之后，我们现在提供一个关于它是什么的正式声明。架构可以从多个角度进行描述。功能描述了需要作为任务或步骤完成的任务，它们之间的连接以及与外部的连接。它们没有具体说明如何用流程细节或设备方面的物理实现来完成。然后，系统元素是实现功能的设计解决方案，并包含在设计过程中做出的流程和设备选择。我们的参考架构是通用的，有多个应用，每个应用都将有不同的设计解决方案。因此，我们采用功能视角。
我们在上面的一节中确定了主要功能。下一步是展示它们如何连接起来形成一个完整的架构。系统元素的细节，甚至它们是否存在，都将取决于具体的项目应用。我们将在参考描述中给出一些示例，但应记住，它们可能在特定情况下有很大差异或不存在。
另一个视角是架构随时间的演变。一个给定的项目通常需要一个设计、生产和操作的序列。现有资源的输入必须先于这些步骤，而完成的物品和废弃物的输出则随之而来。很难在同一个图表中显示所有功能和时间关系，除非使用三维显示。对于二维图表，我们在不同的轴上显示关系。带有计划和时间表的项目阶段沿时间维度组织任务，而功能图则显示它们在特定时间或项目中所有时间的逻辑连接。组合的图表集代表整个项目。
生产 - 对于我们在本书中描述的自扩展设计，生产部分包括两个级别的功能交互。第一个是单个地点的主要功能如何相互作用以及与外部元素的相互作用。第二个是各个生产节点如何在网络中交互。这种通用架构将在本书后面的示例中进行更详细的开发。
图 3.4-4 说明了完全自扩展生产地点的参考架构。地点是指一个或多个足够靠近的场地，以便人们可以轻松地到达那里，以及材料和产品可以在它们之间转移。例如，在一个美国都市区内。完全是指它具有所有八个能够实现自扩展的主要功能。它们分别是控制、动力、提取、加工、制造、存储、组装和有机物。一个小地点或一个尚未扩展的新系统可能没有所有这些功能活动。每个功能都会随着时间的推移而发生变化，通过升级和新设备来实现，这些设备要么来自外部供应，要么在内部生产。为了清晰起见，此图表仅显示了一些功能之间的关键流量。绿色箭头是生产流程中从原材料到完成元素的输入或步骤。蓝色箭头是输出，要么是交付给外部用户的最终产品，要么是交付给每个功能的扩展元素。框 F.4 加工材料的输出将被发送到 F.5 制造零件。在这种情况下，我们使用虚线箭头，并在括号中标注端点，如“(F.5)”，以显示它们连接的位置。虚线箭头可以避免出现大的环形线，这些环形线会穿过许多其他线，从而使图表难以阅读。F.2 供应动力输出到所有八个功能，包括它自己，但为了清晰起见，我们省略了来自此图表的这些线。
节点 - 图 3.4-5 说明了多个节点的网络如何通过协作来扩展。使这个网络区别于文明其他部分的是，这些节点被设计为协同工作。节点是一个拥有任何数量活动的单个物理站点，从一个人进行设计工作或远程控制机器，到一个完整的工厂。多个节点可以位于一个地点，例如大城市中的不同车间和办公室。它们也可以分布在多个地点。使节点成为网络一部分的是它们相互作用。这可以通过电子方式进行，操作员直接沟通并协同工作，以及彼此交付输入和输出。该图表仅显示了两个功能节点，但网络可以有任意数量的节点。每个节点可以有不同的产品集，以及生产这些产品的容量。节点 1 和 2 显示了它们相互交换输出，以便彼此供应另一个节点无法自行供应的物品。我们还显示了网络与文明其他部分的交互，根据需要接受各种输入并交付各种输出。
节点输入通常包括劳动力、土地、难以制造的零件以及当地没有的材料。节点输出可以包括出售的物品，这些物品可以用来支付所需的输入，但这并不是必需的。每个节点也可以生产用于自身扩展的物品，节点可以通过将物品交付给正在建造的新节点来进行协作。然后，网络可以通过三种方式发展——通过扩展每个节点、协作构建新节点，或者新节点在没有现有节点的输入的情况下加入网络。新节点可以与任何现有节点不同。我们预计一个常见的增长模式是，由一个或多个节点组成的扩展成熟工厂将启动装置元素交付到一个新的站点。然后，这个种子工厂启动装置随着时间的推移发展成为另一个成熟工厂。
项目阶段 - 单个地点或其网络的时间序列增长计划将由一系列阶段组成。第一个阶段是研究和开发。这包括从最初概念到硬件元素和位置的完成详细设计的各个阶段。某些项目需要开发新的组件技术或软件。新的集成硬件元素也需要构建和测试原型。这些也包含在研发阶段。使用相同基本硬件的后续位置的总研发量将更少，重点是针对特定位置的独特调整。
研发阶段之后将是第一个生产能力单元的初始制造和安装阶段，之后是一个或多个扩展阶段。每个阶段都经过生产步骤，交付输出产品以及用于自我扩展的新项目。完成的增长阶段成为下一个增长阶段的输入。可以推迟后续阶段的研发，并与先前阶段设备的生产和安装重叠。
第一套自动自我扩展机械必须使用现有的传统设备建造。传统设备可以包括从手动工具到动力、固定、移动和计算机控制设备的任何组合。传统工具缺乏的是针对自我扩展和作为一组协同工作的特定设计。传统设备可以，而且一直被用来制造更多设备。例如，机械加工车间可以制造用于额外机床的零件。针对它的特定设计应该使该过程更有效，并允许从比平时更小的集合开始。通常，第一个生产和安装阶段将是传统设备，之后是作为扩展的第一套专门制造的自我扩展项目。后来的位置或世代可以从已经存在的位置制造的自我扩展机械开始。即使在先进工厂中，也始终需要标准工具和设备。拆箱或维护等任务不需要定制设计。当对专门设计的项目需求不足时，传统设备也可以用于自我扩展。例如，标准的动力木材加工或金属加工机器可以制造更多此类机器的零件。自动化和定制设计的机器只是更有效地完成这项工作，需要更少的人工。因此，更多传统设备的增加也可以分为阶段，与定制自我扩展项目的生产和扩展并行。
运输 - 运输系统是节点之间以及到外部位置的交付机制。由于输入和输出包含各种资源类型，因此它们需要相应的各种运输设备。在项目的早期阶段或网络的增长过程中，必须使用现有的运输系统，因为在生产开始运行之前，无法建造新的运输元素。随着新运输系统的建造和生产任务的维护，它们可以添加或替换现有系统。
居住 - 人们作为私人生活、工作、娱乐和社交空间所居住的居住场所将包含各种详细设计。我们无法事先预测这些设计，因为我们不知道个人的愿望，也不知道特定位置需要哪些变化。但是，人们有共同的生理需求，因此我们可以设计出可以建造完整可居住位置的共享部件。我们还可以设计这些部件与生产和运输相集成，并包括回收和长期维护等功能。与生产和运输一样，居住的第一阶段可以使用现有的居住空间（如果可用）。在新的生产可用后，后续阶段可以开始在一系列扩展中添加或替换它们。
服务 - [待定]
类似的功能需要在计划、项目、阶段或位置的所有级别执行，用于生产、运输、生活空间和支持服务。它们既适用于文明的现有部分，也适用于新元素，无论它们使用何种技术水平，从手动到高度自动化，因此无论类型或状态如何，我们都可以使用共享框架来进行功能划分。共享框架有助于保持一致性，并允许在不同用途之间重复使用设计。但是，给定的应用程序可能不包含所有功能，或不始终使用所有功能。它可能依赖于外部元素来执行给定任务，或者给定功能在特定情况下根本不会发生。在这些情况下，我们保留相同的框架，但将某些部分留空。
以下描述是指涉及一个或多个位置的通用项目，其中存在生产-交付-使用架构的所有部分。这些描述提供了有关每个功能应该执行的操作的更多详细信息，并开始识别下一级子功能。
1.1 控制位置 - 此功能提供对项目运营的整体控制，包括居住、运输、服务和外部流量。它直接控制位置的生产任务。单个生产元素（例如计算机控制的机器）也可以根据需要拥有自己的本地控制。此功能还在整个项目协调至关重要的更高级别上运行。它包括本地或远程发出的、发送到各个元素的人工操作、自动化和软件生成的命令的混合。控制的硬件元素将包括计算机、网络、显示器、观察、测量和数据收集设备。软件元素包括现有的和自定义编写的操作和控制软件。控制任务包括未来规划、实时操作和回顾分析。控制功能从先前的研究和开发阶段获取位置设计和它制造的产品的设计。
1.2 供电 - 此功能旨在为项目提供所有形式的电力，并将其转换为所需的各种形式，包括电力、热能、液压、储能等。它的目标是为除生产之外的其他主要功能提供比所需更多的剩余电力。电力可以按需求类别划分 - 住宅和控制电力应比某些可以中断的工业任务更可靠。它还可以分为固定电力和便携式电力。电源设备的示例包括外部公用事业线路、太阳能电池板和风力涡轮机，用于发电。太阳能熔炉可用于直接加热，热能储存可用于额外发电。
1.3 提取材料 - 这包括开采和采矿、水和空气收集以及植物收割，无论是在现场直接进行还是在附近进行，都使用项目拥有的设备。目标是获取大部分总材料来自新的当地来源，或者来自回收的当地和外部来源。这可以分为从项目拥有的土地上提取和使用提取权到其他土地。通过使用其设备由其他人生产的散装材料的交付不属于此功能，它是外部输入。典型的采矿和收割设备包括各种液压和机械附件，这些附件连接到常见的拖拉机类型核心。当生产发展到一定程度时，这种设备将内部制造。
1.4 加工材料 - 这包括将原材料转换为成品材料，准备用于库存存储、零件制造或消耗。它可以使用化学、机械、热、电或其他工艺，并作为连续流或单独批次运行。此功能的输出可以包括以下任何类别：石头和混凝土、金属、陶瓷、玻璃、木材、纤维、电子产品、有机和无机化合物、肥料、清洁水等。由于材料和工艺范围广泛，单个位置可能一开始只包含其中一种或几种，并随着时间的推移添加更多，或建立一个从事不同任务的当地站点网络。
1.5 制造零件 - 这将从加工或存储获得的成品材料以及外部材料供应，并将它们转换为准备组装的成品零件。历史上，各种各样的生产机器和工艺已用于此功能。我们可以根据与先前的“加工材料”功能相同的材料类别来组织这些不同的制造任务。我们还可以列出零件类型，例如铸件、结构和机械零件、电气和电子零件。
1.6 库存存储 - 此任务包括存储原材料和成品材料、零件以及当前未使用的已完成项目。它包括其他生产功能、居住、运输和服务的存储。它还包括其他生产功能的环境保护和控制（即建筑物），以及用于工业任务的土地。用于存储的仓库空间和用于工厂车间的建筑空间在功能上是相似的，实际上，随着工厂的扩展，一个很可能转变为另一个。与其在多个标题下对它们进行核算，不如将所有环境外壳都收集在此处。
1.7 组装元素 - 这包括将零件和材料组合成更高级的组件（零件集合），从而产生完整的元素。它还包括为了维护或修改而对元素进行拆卸，并在必要时添加任何排水和清洁。它可以使用任何组合的人工、手动和智能工具，并进行本地或远程控制。组装可以分为可移动元素（例如生产机器和车辆）和固定元素的建造（例如建筑物）。后者可能需要临时结构、防风雨和清洁任务。固定元素可以使用在室内组装的模块，以减少天气延误并增加自动化。
1.8 生长有机物 - 这包括种植微生物、植物和动物，直到收获以提供有用的物品。宠物和观赏植物归类在居住中的个人物品下。它包括种植生物产品的土地空间，其中一些可能与居住区域重叠。总土地包括自有土地和租赁土地，以及作物和木材收获权。后者可在早期建设期间用于降低成本。如果土地上有充足的树木，则一些早期木材可以从建筑工地清理中获得。
2.1 防护外部环境 - 这包括被动保护人员和其他居住元素免受天气、水、昆虫和其他外部因素的影响。它还包括所有居住元素的结构支撑。这可以被认为是保护免受重力、不平坦地面和土壤移动的影响，但保护性物品的稳定支撑是它们发挥作用的必要特征。反过来，结构支撑需要底层土地作为支撑，因此我们将所有居住土地包含在这个功能中。我们还包括以防护服形式对人类进行户外保护。
2.2 控制内部环境 - 此功能涵盖积极管理由保护壳产生的内部环境，包括温度、湿度、照明和其他因素。它包括控制输入和传感器（如恒温器），以及产生所需变化的主动硬件，如供暖、通风和空调 (HVAC) 系统。被动隔热包含在上一个功能中，照明、窗户和窗帘在这里被视为主动设备。应急系统也包含在此处。
2.3 提供食物和饮料 - 这包括在使用点为居民和客人提供食物和饮料材料，在居住区内进行本地存储，准备食物，服务和就餐，以及处理食物和饮料废物。后者不包括人体废物，人体废物包含在保持健康中。
2.4 保持健康 - 我们需要在建筑中包含实际的居民和客人，因为他们也具有输入和输出，而这是我们选择的位置。任务包括支持基本需求，例如睡眠、卫生、锻炼、清洁个人和内部环境，以及过滤后者，健康监测，急救和紧急服务，以及当地检查和治疗。
2.5 提供个人物品 - 这包括私人生活和储物空间的内部空间，公共或社区空间，如会议室和运动区域，以及商业空间，如办公室和零售店。它还包括这些空间的物理内容，如家具和装饰。装饰性/非防护性服装也包含在此处。然后，从功能 2.2 到 2.5 的总封闭空间成为 2.1 防护外部环境的设计要求。个人物品包括户外空间，如景观，以及宠物和观赏植物等生物。
2.6 提供信息 - 这包括所有形式的通信、存储和处理（文本、语音和视频），用于个人或商业目的，教学材料，娱乐，以及一般信息，如新闻和天气。它不包括生产操作信息，尽管此功能可能共享跨位置使用的通用硬件和软件元素。
运输一般可以涉及到外部地点，特定地点的节点之间以及单个地点或建筑物内部的移动。所有不同的目的地都可能使用共享的运输元素，因此我们按运输物品的类型而不是它们去往何处来组织功能。运输可能涉及移动和固定元素。例如，送货卡车和它们行驶的道路。运输元素还包括用于水平和垂直移动物体的起重和输送设备，以及封闭和开放的管道、通道和系统。因此，排水沟是雨水的运输元素。
3.1 运输散装货物 - 这包括散装物资，包括出售或用于建造新地点的物品。散装物品体积较大，但对环境保护或车辆运输过程中的冲击和振动要求较低。典型的例子是砾石和原木。
3.2 运输离散货物 - 这包括运输需要一定程度的环境保护以及运输过程中的冲击和振动的单个物品。可能造成损坏或污染的环境条件包括温度、雨水、昆虫和灰尘。数量通常小于散装物品，因此一次装载可能运送多个物品。单独的集装箱有助于防止各种物品混合或相互反应。最后，车辆或集装箱可以使用设备将冲击和振动降低到可接受的水平。
3.3 运输人类 - 这包括将人类运送到项目地点和从项目地点运出，以及在地点内部运输。人类与离散货物有许多相同需求，但也有一些额外需求。这些包括更高的安全等级、额外的舒适功能、可选的手动车辆控制和时间安排优先级。因此，当运输人员时，会将居住类型功能（如供暖和空调）添加到运输系统中。
3.4 运输能源 - 这主要涉及有线和无线电力分配，尽管一些能源可能以电池或热的形式提供。
3.5 运输液体和气体 - 这些物品需要封闭容器或固定管道，以防止污染和泄漏。固定管道的常见例子是水和天然气。封闭容器的常见例子是丙烷和柴油燃料的交付。
3.6 运输数据 - 这包括所有形式的所有类型的数据，包括电子和非电子数据。法律权利和货币是需要数据传输才能运作的物品，因此我们也包括它们的交付。