4.0 - 设计流程

一般流程

像种子工厂这样的自扩展生产系统的通用设计流程包括几个主要元素

系统工程 - 系统工程方法之前是为其他具有多个目标的复杂项目开发的。种子工厂及其发展路径符合复杂性的特征，因此我们采用这种复杂性管理方法。我们首先将整个生产操作以及与之紧密耦合的任何元素视为一个单一系统。该系统包含功能元素，其周围的边界，以及跨边界和元素之间资源的流动。整个系统被逐级分解成更小的逻辑元素（功能）以及连接它们的流动。系统目标和性能水平被传递到更小的元素，以便各部分加起来达到所需的总目标。

应用设计概念和想法 - 我们将第 3.0 节中的设计概念适当地融入设置项目目标、将系统划分为功能元素及其连接的流动，以及确定满足目标的替代设计。这包括第 3.0 节中特定于自扩展系统的系统指标，以及第 3.1 节中的动机和经济因素。我们还应用第 3.2 节中的技术概念，如流动守恒和模块化设计，第 3.3 节中的新想法以及第 3.4 节中的参考架构（如果它们有用）。如果它们没有为项目或其部分提供与传统设计相比的明显优势，则无需包含它们。

元素设计 - 当系统的各个部分被定义到足够详细的程度时，就会应用相关工程领域的传统设计方法。这些方法包括机械、化学、电气、软件和其他领域。一个给定的元素通常在详细设计级别涉及多个工程领域。传递给各个元素的设计要求将是总体项目目标的适用子集。然后将各个元素链接成一个完整的设计（集成），并作为一个整体进行考虑，以验证它们是否满足总体项目目标。有许多书籍和信息资源涵盖了各种工程和设计领域，因此我们不会在这里重复所有内容。相反，我们将在第 4.1 节到第 4.4 节中进行一般性的讨论，并提供指向更多详细信息的链接。

一个设计团队，无论多么熟练，都不可能作为一个单一的线性过程，使用上述步骤完全优化一个复杂的系统。通常，设计必须作为一个系列的循环来开发，这些循环具有越来越多的细节和优化。在每个循环中都会记录一个设计基线或版本，作为下一个循环的起点。当预期更多的细化循环不会获得与所需努力相称的改进时，设计工作就可以停止。然后项目将过渡到生产、建造和运营。一个大型项目的整体并不需要同时经历从设计到运营的所有步骤。它的一部分可以根据需要在不同的时间启动并完成。及时错开工作可以减少峰值资金和人员需求，并允许已完成部分的一些收益流回。这对自扩展系统尤其重要。一个初始作战能力，以运行的种子工厂启动装置的形式，可以在设计和建造达到全面作战能力的后期扩展阶段的同时开始生产有用的产品和收入。

在某些情况下，设计工作会在比改进减少带来的最佳集早的阶段停止。原因包括资源不足、加快上市时间或生产原型进行测试。在这些情况下，重复或完成设计过程将提供一个更新或改进的系统。第 4.0 节到第 4.4 节的其余部分将更详细地描述上述通用过程。我们将接着在后面的部分中提供一系列设计示例。

个人生产（第 5.0 节） - 在此示例中，机器通常很小，适用于家庭改善和爱好规模用途，这使得它们负担得起。单独的机器或机器组可以放置在房屋或社区车间中。

“MakerNet”（第 6.0 节） - 在这里，一个分布式的网络中的个人协作，电子链接协调工作以相互制造产品，或帮助构建新的网络节点。一个区域位置内的新的地点，以及不同区域中的不同地点，从部分设备集开始。它们在现有网络节点的帮助下发展到小型企业规模，为当地社区提供产品和服务。网络位置位于已经开发和人口稠密的地区，这些地区可以供应内部生产无法供应的东西。

工业生产（第 7.0 节） - 在此示例中，机器的启动装置通过扩展而增长，为越来越大的机器制造零件。这从较小的启动规模开始，发展到商业规模，然后发展到工业规模。在较小的规模上，在一个地点集中所有生产机器并制造各种产品是可行的。在更大的规模上，在一个地点集中所有设备变得更加困难。因此，在这个示例中，设备及其操作员在多个地点变得更加分散和专业化。商业和工业规模意味着产出远远超过操作员及其当地社区的个人需求，并服务于更大的市场。

偏远和困难地区（第 8.0 节） - 当今的文明主要局限于地球表面 13.5% 的薄薄一层。剩余的区域主要由海洋、沙漠和冰盖组成，几乎没有被利用。除了像矿山和城市中心这样的少数地方，我们很少从表面垂直方向偏离几米。此示例将自扩展生产方法应用于开发未使用的物理空间和资源，这些资源目前难以或昂贵地获取。特别是，获取更多的能源来源可以实现更多回收和可持续发展。距离和困难条件意味着我们强调远程操作和设置完整的启动装置。这些地点最初没有现有的基础设施和人口的优势。

这些示例，以及必要的先驱研究和开发，可以链接成一个持续的项目。这样一个项目没有特定的终点，而是应用自扩展系统来不断升级和扩展文明。然后可以将每个示例的输出用作下一个示例的输入，形成一个不间断的增长过程。每个示例的需求，以及将它们链接成一个序列，需要新的生产输出，因此每个项目阶段都需要新的设计。然而，设计过程可以遵循每个阶段的相同通用路径。之前关于种子工厂概念的一轮工作是针对社区工厂进行的，该工厂是当地所有，并支持数百人的大多数物质需求。这介于个人规模和商业规模之间。早期工作已移至种子工厂项目工作簿的第 2.3.2.9 节，以供参考。

以上所有示例都在地球上。但自然法则在任何地方都是一样的，我们对科学和工程的了解适用于地球以外的空间，就像适用于地球一样。因此，自扩展生产也可以应用于太空，目前太空比地球上的地方更难且更昂贵地获取。太空环境以及设计用于在太空运行的系统足够不同，因此单独写一本关于该主题的书是有意义的。因此，太空运输与工程方法维基教科书的第 4 部分包含了关于太空的额外设计示例，以及一个访问那里发现的资源的持续项目。

我们预计技术开发和元件设计永远不会真正完成，就像家庭工作室或制造企业永远不会完成并变得静止一样。相反，设计过程首先用于达到有用的生产能力水平。在这一点上，可以根据该设计构建“版本 1.0”的设备集。然后，该过程可以继续进行 - 添加更多容量、开发升级或修改新地点的设计。或者，它可以暂时停止，并在以后恢复。除了新地点、行业或设备尺寸之外，新设计工作的理由还包括来自实际操作经验的反馈以及项目之外开发的新技术。初始版本和后期版本的开发类似于软件的增量开发。事实上，使用联网智能工具的设计很大一部分实际上是软件。

系统工程

如上所述，系统工程是管理工程项目复杂性的一种方法。它是一个跨学科的工程领域，专注于如何在整个生命周期内设计和管理项目，从概念到最终处置。它在 20 世纪后半叶发展起来，因为项目变得越来越复杂，其设计师必须关注的不仅仅是性能和成本。一个自我扩展的生产系统，具有种子和成熟状态以及介于两者之间的所有增长步骤，在任何时间点都是复杂的，并且由于设计随着时间的推移而不断变化。因此，系统工程方法适用于此类项目。系统工程将机械、化学和电气工程等更专业的领域的工作联系在一起，但它并没有取代它们。仍然需要完成详细的专业工作。系统工程所做的是协调设计工作过程和各个部分，以便最终结果整体上达到预期目标，并最大限度地减少不希望出现的副作用。

与其他完善的工程分支一样，也有一些与该主题相关的教科书、教育项目和专业组织。可以在BKCASE网站上找到系统工程信息的在线集合。美国国会图书馆在“系统工程”一词下编目了 2000 多部作品。麻省理工学院通过其开放式课程项目提供关于系统工程基础和其他相关课程。国际系统工程委员会是致力于该领域的最大的技术协会，拥有超过 10,000 名成员。

在系统工程过程中（图 4.0-1），复杂的系统被分解为连续的更简单元素的层次结构。识别输入和输出流，将这些元素彼此连接，以及与系统环境连接 - 系统外部与之交互的外部环境。反过来，每个元素都进一步分解，直到您达到一个级别，在这个级别上，这些部分足够简单，可以单独设计。该过程的摘要包括

识别需求和 MOE - 系统的整体性能、成本和其他设计目标被称为系统需求。需求源于需要满足需求的最终用户或观察到需求并着手满足需求的设计组织。它们用可衡量的方式指定了系统旨在做什么。有效性指标 (MOE) 表达了给定设计在显式量表上的好坏。例如，“最小化成本”通常是一个项目目标，但对于一部移动电话而言，300 美元可能是理想的目标，而 600 美元则不可接受地高。然后，成本指标可以在这些点之间线性缩放，并与其他目标进行权衡。

执行功能分析 - 系统划分的各个部分称为功能元素。每个元素都执行一个子集，或朝着满足系统需求迈进。功能确定要做什么，但尚未确定如何做。在这一点上省略“如何做”可以避免在考虑各种选项及其相互作用之前过早地选择解决方案。

分配需求 - 系统需求被分解为组件需求，类似于功能元素的划分方式。组件需求解决了完整功能系统的性能、操作和维护的所有需求。组件需求根据需要分配给功能元素。这种分解称为分析。然后，各个元素都具有自己分配的子集需求，以满足这些需求。实际上，它们在整个项目中形成了一个更小、更简单的子系统。目的是，当您汇总整个子系统层次结构的设计和操作时，它们将满足最初的顶级目标。

系统建模和替代方法 - 在将需求分配给各个层次的功能元素后，设计师会考虑满足每个部分需求的替代方法。这包括识别选项，使用数值模型、图纸和其他设计信息对其进行量化，并将它们整合到整个系统的完整模型中。

优化和权衡替代方案 - 在系统模型中，调整元素的设计参数，并比较替代选择。每个变体都会为成本、性能和其他优良指标产生不同的值。如果在第一步中选择了正确的指标，“最佳”设计意味着“所有指标的最高综合分数”。客观评分方法有助于从设计过程中消除个人偏好或偏见。当然，这种个人倾向仍然存在，但至少它们是明确的。

综合和记录配置基线 - 然后将各个部分的设计组合在一起，这称为综合。这确保它们作为一个有凝聚力的整体组合在一起，并且总设计满足原始的系统需求。最后，将产生的设计记录在版本基线中。

对于复杂系统，此过程不会以线性顺序发生一次。通常需要多次尝试和改进才能获得良好的完整设计。跟踪所有部分及其相互关系，您可以进行零碎的更改，并查看它们如何影响总体结果。图 4.0-1 仅显示主要步骤。它们在设计的所有级别上重复应用和并行应用。总的来说，它从上到下进行，但在任何时候，后面的步骤都可以反馈更改以更新前面的步骤，并且更好的想法可以在过程中的任何时候发生。这就是没有显示连接步骤的箭头的原因 - 会有太多的反馈循环，并且图表将难以阅读。我们在接下来的部分中扩展了流程摘要，但它们只能对系统工程方法进行介绍。我们建议读者参考更多详细介绍它的书籍和文章。请注意，系统可以“过度设计”。在某种程度上，进行更多优化和设计改进不会获得足够的改进以证明其努力是合理的。在这一点上，设计可以被认为是完整的，并且项目将继续进入生产和后期阶段。

需求分析

个人生产示例的一般目标可能是“为家庭装修和业余爱好规模的业主/运营商生产产品和输出”。这样的笼统说法过于模糊，无法从中发展出设计。因此，系统工程过程的第一步是将一般目标转化为更具体和数值化的术语。然后，可以根据这些具体术语衡量设计，并且您可以判断是否正在满足它们。此步骤称为需求定义。一个特定的项目可以有许多不同类型的需求，例如成本、性能、安全、质量等等。最终用户认为重要的任何功能都可以成为系统需求。

不同的需求类型无法直接相互衡量，但不同的设计选择通常会同时影响多个需求。例如，提高结构强度可以提高安全性，但也会增加重量和成本。为了在这种情况下做出选择，我们将各种设计参数转换为一套通用的单位，例如一个点评分系统。这使我们能够通过在公式或表格中使用组件得分来选择“最佳”选项，并选择最终得分最高的选项。构成此量表的组件称为有效性指标，其中每个组件衡量设计选项在满足特定需求目标方面的有效性。

需求定义

系统需求集应该包含最终用户或作为最终用户代理的设计组织认为重要的任何内容，这些内容会影响最终的设计。它具有将设计选项从所有可能设计集中缩小到最符合用户目标的设计的效果。应注意使需求在技术上可行，但不要强加预定的解决方案。它们应该描述你希望系统做什么，而不是怎么做。这使设计人员能够灵活地提出新的、更好的方法来满足需求。

需求通常分为几大类，然后为了跟踪目的而单独编号。大约在 1950 年之前，性能、成本和进度往往是唯一值得明确设计的类别。随着系统变得越来越大、越来越复杂，它们开始影响更多的人，最终用户也对他们想要的东西变得更加挑剔。因此，更多需求类别变得重要。这些包括安全、质量和环境可持续性等项目。理论上，系统工程过程可以容纳任意数量的需求。但是，你拥有的需求越多，分析和满足这些需求所需的工作就越多。因此，应该指定最小的集合，以充分涵盖对用户重要的内容。

我们在第 5.1 节中列出了我们为个人生产示例选择的的一组需求。设定需求没有“正确答案”，它们是将最终用户目标和愿望转化为可衡量形式的问题。因此，它们起源于人们的偏好，这些偏好是可变的。你可以选择不同的集合，或在需求中输入不同的数字，然后最终得到不同的设计结果。我们认为给出的这些需求对于实际项目来说是一个合理的集合，但它们也有助于作为现代多样化需求集合的示例。需求是用已经达到设计能力的成熟系统来描述的。用于启动生长的种子或启动集将在后面定义。从最终目标倒推比“正向设计”更容易，因为每个生长步骤都有一个明确的终点。另一个方向，从启动集增长，有许多可能的路径，并且不清楚应该遵循哪条路径。倒推将选择范围缩小到通往所需终点的选择。

与设计过程中的其他部分一样，初始需求集不是永久固定的。当新信息提供理由时，它们可以更新。但是，初始需求应该尽可能完善。以后的更改将需要重新设计，这会增加成本。作为目标，需求更改应该尽可能少。

有效性指标

所需功能通常是相互对立的。例如，更高的性能和可靠性往往会以更高的成本为代价。那么问题是如何优化设计，或者在多个功能同时变化时选择替代技术方法。系统工程师使用一组定量的测量来解释这一点。与需求一样，它们也是从最终用户的愿望中得出的，即在比较一种设计优于另一种设计时，什么是“更好的”。这些指标通常与需求集密切相关。由于不同的功能通常具有不同的度量单位，因此它们被转换为共同的度量尺度，以便进行比较。这是通过将每个不同的指标（如成本或性能）转换为分数的公式来完成的。这些分数根据其对客户的重要性被赋予相对权重。然后，加权指标可以用于单个数学模型或公式中，以找到总分数。当组件值在不同的设计选项中变化时，结果得分最高的那个被认为是“更好的”，并且会被选中。

并非所有需求都有相关指标。有些是绝对的，没有可变性。这可能会发生在像法律和法规这样的外部约束中。当需求是必须满足的基本功能，或者设计达不到其预期目的时，它就变成了一个简单的“是/否”问题，而不是可变的量表。在这些情况下，任何设计选项都必须完全满足固定需求，而可变的选项则可以根据需要进行调整。

每个功能的量表通常在 0 到 100% 或 1 到 10 之间的范围内，但这只是任意设置的。更重要的是，从系统的可衡量方面到评分值的明确转换，以及将它们组合成总分的相对权重和方法。例如，可以将 0% 的值分配给 15 吨/天的工厂产量，将 100% 的值分配给 45 吨/天的产量，在它们之间使用线性量表，并将产量率在总分中赋予 30% 的权重。评分系统是客户对系统愿望的数学模型。它应该从他们认为不可接受的低值范围到他们非常喜欢的的高值范围。让客户以如此详细的数字形式定义他们认为好或坏的内容通常很困难。尽管有最好的工程解决方案，但这剥夺了他们选择个人偏好的设计自由。但是，如果你真的想要一个最佳答案，这是必要的。至少，这个过程使客户何时会覆盖工程过程变得显而易见。当最终用户是消费者、整个社会或政治领域时，直接的用户输入可能很困难或不可能，或者被故意误导。在这些情况下，需要进行研究以确定适当的需求和指标，尽管缺乏合适的用户输入。一个假设的例子是使用机器人和人工智能来提供服务的自动医疗。它可能会极大地提高服务的质量和成本。但最终用户通常对该主题知之甚少，无法提供输入。拥有知识或提供资金的医疗专业人员、保险公司和政治系统有其他利益，例如维护其收入或特定的政治理念。因此，在这些情况下需要独立研究来确定最佳的技术解决方案以及如何实施它们。

应该记住，特定的设计解决方案可能在得分方面本身或与现有系统相比，都不够“好”。通过将现有系统包含为一个或多个正在评分的替代设计来进行与现有系统的比较。分数过低表示新设计不足以满足最终用户的需求，或者与现有系统相比没有足够大的改进。分数低的原因通常不是性能改进不足以相对于成本，但其他指标可能会给出这样的结果。

一个未来项目示例，它不够好，是最初的空间电梯概念，从地面到太空的高度为 60,000 公里。目前或预计的材料无法建造这样一种设计，使经济效益合理。在这种情况下，正确的答案是停止开发该特定概念，暂时保留现有系统。工作可以转向寻找能带来更好结果的新概念和方法。在这种情况下，一个短得多的电梯，没有连接到地面，有移动部件，以及一个亚轨道飞行器来到达它，这是一种经济可行的方案。当设计不够好时，一个选择是重新评估最初的需求。这意味着要回到用户或客户那里，了解他们愿意接受哪些变化。

评分系统也可以用来提前确定需要多少改进才能证明新的设计是合理的。然后，这种改进就成为研发目标。项目的执行将等待研究达到这些目标。一个当前的例子是电动汽车。电池首先需要达到可接受的容量与重量比、充电循环次数和成本，然后才能在汽车设计中使用它们。这种类型的工程工作，用于设定目标和定义研究需求，但不是直接用于建造系统，称为探索性设计。本书中的示例在一定程度上是探索性的，旨在帮助理解目前可以使用自扩展生产系统做什么，以及需要进一步的研究和开发。它们也是教程，因为它们展示了如何产生这些设计。

应用概念和理念

在第 3.0 节到 3.4 节中确定了许多概念和理念。由于其中一些将被纳入项目需求，因此我们现在将它们提出来，但它们可能在设计的后期阶段适用。我们希望有一个有组织的过程来在需要时应用它们。我们通过在项目的概念定义阶段进行应用分析来做到这一点。这通常是项目生命周期的第一个阶段。该分析将每个概念或理念进行分析，并考虑在系统工程步骤和设计数据中哪些地方可以使用给定概念。对特定理念的可能结果是，在给定项目中根本不使用它。该分析记录了应该在何处应用这些概念，以及这些选择背后的理由。对概念的实际应用是通过强加需求、新的功能元素或设计选项、清单或被纳入项目的功能来实现的。这将在后面的示例中详细介绍。我们在这里为我们的参考体系结构提供了一个初步版本，以显示这种分析是如何构建的。它列出了各种概念和理念，并描述了它们在何处或如何被包含。

系统指标

这些指标在第 3.0 节中列出。第一组是相对于工厂设计特征的比率

闭合率 (CR) - 这是指一个工厂、其最终产品或两者组合的百分比，它可以在内部制造，以零件数量、质量、价值或其他关键因素来衡量。任何不在内部制造的都会作为来自工厂外部的输入进行供应。随着工厂的增长和新设备的增加，该比率可能会随着时间的推移而变化。实现高闭合率在智力上很有趣，但本身不是最终目标。该指标的用处在于它如何影响工厂的初始和运营成本，而人们确实关心这些成本。据推测，高闭合率会导致较低的成本，但这种关系必须被证明是真实的。如果是这样，设计人员可以跟踪闭合率，就像跟踪重量和成本一样。

输出范围 (OR) - 是指工厂可能输出量与工厂元素的比率，以相同的度量单位来衡量，例如质量，分别计算输出和元素的每个副本。它衡量产品的多样性与工厂的复杂性。当输出包括工厂本身的部件时，它们也会在该指标中计算。更高的 OR 应该通过更广泛的输出提供更好的工厂经济效益，并通过更多自我生产提供更好的增长。

扩展范围 (ER) - 是指可以用于扩展工厂的产出与工厂本身制造的产出之比，以质量、工艺、零件和材料数量为单位。它是衡量工厂多元化的指标，表示工厂相对于起点可以做多少新事情。更高的 ER 意味着更小的初始装置和更多可能的产出。与封闭率一样，产出范围和扩展范围可以在电子表格和从设计数据中得出的报告中跟踪。

下一组是定量生产产出，包括总量和速率。它们衡量工厂的生产力，因此也衡量经济价值和增长率。

生产比率 (PR) - 是指某项感兴趣的量（质量、能量、零件数量、货币价值等）的总产出在其生命周期内与单台设备或整个工厂的该项价值之比。例如，PR（能量），也称为“能量回报率”或 EROEI。这是指一个物品相对于制造该物品所需的能量所产生的能量。为了使系统能够继续运行并具有经济可行性，生产比率应明显大于 1.0。

生产率 (P/t) - 是指生产比率 PR 除以一个时间单位，例如小时或年。PR 衡量的是总共可以生产多少产出，而 P/t 衡量的是生产速度。更高的速率应该会导致更好的经济效益和更快的工厂增长。生产指标首先从设计数据中估算，然后在运行中的原型和最终设备上测量。这些指标可以与传统非自扩展生产的指标进行比较。有利的比较为开发和构建这种类型的生产系统提供了动力。

第三组是相对于起点的增长比率和速率。它们衡量工厂的增长幅度和增长速度。这些指标具有经济意义，并衡量工厂能否实现产出目标。它们可以作为项目目标和要求纳入，然后通过设计估算和实际绩效进行跟踪。

增长比率 (GR) - 这是指工厂的最终产能，以感兴趣的单位（质量、占地面积、年产出等）相对于起点而言。

增长率 (G/t) - 这是指产能随时间单位（通常为年）的变化率。增长率是经济学和投资中的常用指标。

最后一组来自第 3.0 节，是效率指标。标准工程效率是指有用产出除以总投入。例如，锯木厂的转换效率是指木材产出质量除以原木输入质量。这种效率通常在工程设计中进行计算和跟踪，因为更高的效率意味着更少的能源和材料浪费。对于使用一个过程的产出和废料作为另一个过程的输入并循环利用材料的集成工厂，我们可以查看整个工厂的总系统效率。这将是一个新的指标，需要在设计和运营过程中设定为目标并进行跟踪。一组新的指标是可再生效率，即来自可再生资源的能源和材料的百分比。近年来，这些指标开始被政府和企业设定为目标，并可能被纳入项目目标或要求，然后在设计和运营过程中进行跟踪。

动机和经济

动机和经济是社会因素，促使人们参与并为项目提供资源。它们在第 3.1 节中进行了讨论。

动机 - 这些是个人和群体采取行动和做事的理由。对于像设计和建造自扩展工厂这样的项目，他们需要足够的动力来提供所需的劳动力、材料和其他投入。可以从个人层面上研究动机，这可能涉及满足生物需求和个人愿望。也可以从群体层面上研究，例如贸易网络、合作社和公司。群体具有与其成员不同的动机。动机可以在早期系统工程步骤中纳入项目，在该步骤中，将设置需求、目标、目的和要求。在后续工作中，如果设计结果引人入胜，则将其呈现在报告和演示文稿中以激励人们。采取行动需要知道行动存在并且是可能的，因此必须将其呈现给能够采取行动的人。

经济 - 经济理由被认为是采取行动、使用可用投入并提供商品和服务的强大动力。人们有生理需求和个人愿望。因此，他们有动力以最少的努力满足最多的需求。这使他们能够在最长的时间内获得最大的满足。对于许多人来说，最有效的途径是将自己的时间和技能换取中间商品，即金钱。金钱反过来可以用来交换他们需要和想要的大多数东西。这使他们能够专注于自己擅长的事情，并以小组形式工作以更有效地生产商品和服务。

用劳动力换取金钱是一个线性过程，你为给定的劳动力获得固定数量的金钱。指数增长（复利）的概念是在不断增长的基础金额上每单位时间应用增长增量。回报不再是线性的，而是随时间加速。人们强烈地渴望找到这种加速回报，并将部分劳动力或资金投入其中，因为他们以后可以从更大的回报中满足更多的需求和愿望。如果自扩展工厂能够证明具有较高的增长率，那么我们可以预期个人和群体会努力投入其中。如何将此纳入项目，是在设计阶段计算估计增长率，然后在实际建造示例时在实践中证明这些增长率。告知人们这些增长率应该激励他们利用高回报。

一个不断增长的工厂如果不生产有用的最终产品或收入，将不会很理想。因此，总产出被分成用于维护和增长的内部使用和用于所有者或销售的外部使用。目标是通过优化产出分配来最大限度地提高满意度。人们的需求和愿望是可变的，包括同一个人在不同时间以及材料成本或新技术等外部环境也会随着时间而变化。因此，生产产出的分配不能在设计期间设定并永不改变。为了处理这个问题，使用计划过程来预测所需的产出，并调整工厂以满足这些产出。这将从设计阶段开始，并在整个运营过程中持续进行。

利润、运营成本和生产率也应持续估计和监控。这包括内部生产系统以及外部新设备、技术、工艺和组织类型。当确定更好的方法时，应将其作为升级或替换进行整合。可能发生旧工厂不再可行，应予以退役。项目动机和经济学都是通过在项目生命周期内分配人员来开发和跟踪它们来实现的。

技术概念

与自扩展生产系统相关的技术概念在第 3.2 节中列出。我们按照以下方式应用这些想法。

流量守恒 - 质量守恒和能量守恒定律是科学和工程的标准部分，并且经常用于设计。例如，由于质量守恒，进入喷气发动机的空气和燃料流量必须等于排出的流量。通常，这些定律适用于单个机器或过程。跟踪复杂系统的各个部分的所有类型的输入、输出和流量并不常见。我们应用整个设计和运营中的原理，以帮助捕获所有输入和输出，并找到利用原本会浪费的东西的机会。

系统方法 - 由于选择了系统工程方法来为设计过程提供结构并协调设计过程，因此系统方法已经包含在内。

模块化设计 - 我们无法详细预测人们未来会想要什么样的产出才能满足他们的需求和愿望。我们也无法预测随着时间的推移，有多少人（作为所有者和客户）会想要这些产出。因此，我们希望我们的生产系统能够灵活地根据需要增长并调整其产出。我们在工程的早期阶段应用模块化设计方法，通过为模块设置标准尺寸和间距、用于将事物连接在一起的共享接口和协议，以及自动化制造和安装新模块或在需要时重新排列模块的过程。因此，产能将更接近需求。

当地资源 - 像金属矿石这样的物质资源通常集中在少数地方。高品位矿石需要更少的工作量进行开采，但随后需要更多的运输才能运送到使用它们的场所。建造自己的能源的自扩展生产可以将平衡转移到低品位矿石甚至普通岩石。这些矿石分布在更多地方，并减少了运输距离。这使得从以化石燃料为基础的运输（具有高能量密度，但不幸的是存在 CO₂ 浪费问题）转向电力运输等替代方案成为可能。废物堆放场和废料通常代表可使用的品位矿石，并且随着更多可用能量，它们也可以用作来源。减少运输和循环利用都提高了可持续性，这是主要目标。将广义资源的概念应用到设计中，方法是在设计中设定要求和评分指标，这些要求和指标能够选择这些类型的资源，而不是稀缺资源，而稀缺资源会带来不希望有的副作用。

循环流动 - 我们已经提到过通过利用废物流作为矿石进行循环利用。我们希望获得降低外部资源需求和提高可持续性的益处，因此，除了循环利用之外，我们还可以通过设计进行循环利用。这是通过设计要求来实现的，这些要求需要检查所有产出（包括有用产品和废料），以便在系统中其他地方进行再加工和重复使用，并且包括设计功能以使此过程更容易。

分布式运营 - 远程运营减少了人员前往工作地点的需要，以及供应停车场等设施的需要。将生产分散到人们想要产出的地方附近，可以进一步减少运输需求。这些可以应用于要求将远程和分布式工作视为设计选项的要求。自扩展网络可以在增长过程中保持远程和分布式特性。

新想法

自 1980 年最初关于种子工厂的研究以来，一些新的想法在第 3.3 节中列出。我们将这些想法应用如下：

**资源核算** - 这将流量守恒的概念应用于整个系统及其所有部分。它采用了财务核算工具，例如平衡账户和电子表格。但它适用于所有类型的资源，而不仅仅是金钱。从设计之初开始建立资源跟踪，并在项目的整个生命周期中持续进行，这就是它的应用方式。

**新软件工具** - 现有的办公和工程软件通常用于项目中，但一些新的软件对自我扩展项目特别有用。这些软件需要定制设计或从现有软件中改编，作为项目研发的一部分。**流程编译器**将接收包含尺寸、材料和组装说明的数据的设计文件。它将这些文件转换为一系列操作，由自动化工厂的机器和在那里工作的人员执行。当工厂不断增长和变化时，某个产品的生产流程也会随之变化。流程编译器将主要自动执行计划，就像软件编译器自动执行从编程语言到可执行代码的转换一样。与软件开发一样，流程流程也可能从手动优化详细步骤中获益，因此我们预计流程规划不会完全自动化。

还需要额外的软件来控制单个机器，并将其联网以传递命令和状态。增强现实和远程呈现技术在 1980 年不可行，因为当时计算和通信技术发展水平较低，但今天已成为可能。它们可以通过在实际工厂空间中显示 3D 设计、在运行时显示工作任务以及为远程操作员提供沉浸式显示来应用于设计和制造。该领域的设备和软件正在快速发展，因此需要多少定制开发是一个悬而未决的问题。

**项目演进** - 早期关于自复制工厂的想法假设第一个工厂完全自动化地制造了自己的一模一样的副本。这简化了增长过程，将相同任务重复多次，生产出许多工厂副本。但这种方法忽略了最终产品的细节，并使工厂设计变得非常复杂。在我们目前的工作中，我们从一个更简单的种子工厂设备启动集开始。通过添加与启动集不同的机器、扩展现有类型的尺寸，以及复制原始设备，它演变为一个全容量工厂。演变可以细分为更小的步骤，例如一次添加一台新机器，或为现有机器添加一个附件或配件。这种类型的增长允许延迟设计，直到以后的增长阶段需要时再进行。由于特定最终产品是最终目标，因此增长计划是从生产这些最终产品所需的设备开始倒推的。反过来，识别出可以生产最终设备组的早期设备组，依此类推，回到最初的启动设备组。因此，增长过程中的每一步都比完全自复制工厂的设计问题更简单。在计划增长顺序时，有些项目无法用现有设备制造。因此，根据需要添加来自外部的机器、零件和材料。随着增长的进行，外部供应量应该减少。

**通用工厂** - 这种想法是指一个工厂，只要输入设计文件，就可以生产任何已知的产品。据我们所知，这是一个新想法，关于通用性需要什么以及自我扩展工厂是否可以发展成为通用工厂，存在着悬而未决的问题。目前，我们将投入一些研究精力来研究这个想法，看看它是否证明是有用的。

参考架构

我们在第 3.4 节中描述了自我扩展生产系统的参考架构。我们应用这个架构的方法是，将它作为本书中每个示例以及其他项目的起点。未来对这些示例和项目的进一步研究可能会发现改进和更新，并将这些改进和更新应用回参考架构，以便在以后的工作中使用。