第 3.2 章 - 技术概念
在本章中，我们将探讨一些现有的技术概念，并在设计过程中使用它们。它们来自工程、科学、优秀设计实践、计算机网络以及对可持续性的渴望等各个领域。它们与自优化系统的设计和操作尤其相关，但其他领域仍然重要。设计任何技术系统，无论是自优化系统还是传统系统，都需要来自许多领域的知识。
在科学和工程学中，守恒性质是指在封闭系统演化的过程中不会发生变化的性质。物质和能量在普通条件下是守恒的性质。另一种说法是它们不会凭空出现或消失。由于值不会随时间变化，我们可以写出方程式，其中一个时间点的总量等于另一个时间点的总量，尽管组成总量的成分可能已经发生变化。
开放系统允许输入进入，输出离开。我们也可以为开放系统写出方程式，其中现在时的总量等于之前时间点的总量，再加上或减去在此期间流入或流出系统的任何项目。然后，这些方程式可以用来解决问题或回答关于系统设计和操作的问题。
我们可以将这些守恒规则应用到物质和能量之外。它们可以应用于进入系统的所有项目，包括数据和人力等无形资产。在设计或操作系统时，内部数量的任何变化必须来自流入或流出，或由内部将项目转换为其他类型。
守恒规则也适用于系统的各个部分。因此，系统内部的流动不能有分离的端点。这意味着流动的内容将凭空出现或消失。因此，流动必须连接系统内的各个部分，或者连接到系统外部。因此，如果生产过程消耗的原材料和能量超过产品中体现的量，则守恒规则告诉我们，一定还存在一些废物材料和能量输出。高效的设计将识别这些废物流，并尝试利用或最小化它们，而不是忽略它们。
在物理学和工程学中，开放系统只是一个有界区域，它具有流入和流出该区域的流动，以及在任何时间点内部内容的可变量。出于设计目的，系统被定义为一组功能上、物理上和/或行为上相关的元素，它们定期相互作用或相互依赖。
系统与其周围环境的区别在于系统边界（图 3.2-1）。边界是围绕元素集合进行设计和分析时画出的一个思维模型。它不是像围栏那样的物理边界。相反，它将某些元素定义为系统的一部分，而所有其他元素则定义为系统外部。
系统可能包含物理上分离的部件，例如家庭卫星电视网络，其中地面站、卫星和家庭设备相距很远。然而，这些部件在功能上是相关的，并且相互作用，因此它们的设计最好作为一个整体进行，而不是作为不相关的项目进行。系统在存在期间还具有时间维度，并且会随着时间的推移而演化。
系统方法试图优化设计，不仅是在单个时间点，而是在整个存在时间内。因此，它考虑了从设计阶段到系统过时时的最终处置的所有事项。因此，跨系统边界的流动在时间上以及地点上都是分布的。
根据流量守恒规则，任何跨越系统边界的物质、能量、数据或其他项目都会导致系统内部数量的相等变化。流入的流动增加数量，流出的流动减少数量。一个非常简单的系统的例子是个人支票账户。存款会增加您的余额，付款会减少您的余额。虽然流动不会凭空出现或消失，但系统中被称为功能元素的部件可以将输入转换为不同的输出。例如，机床可以将金属棒料和电力转换为成品、金属切屑和废热。
当单独考虑系统的每个部分时，它也必须遵守守恒规则，并且可以被视为一个更小的系统，或子系统。通过将系统反复分解为更小更简单的系统，然后将守恒规则应用于每个系统，您可以跟踪和计算系统进出的一切，以及系统内部发生的所有流动和操作。
复杂的系统对于人们来说难以整体设计。将它们反复划分为更简单的子系统将达到一个点，每个子系统都可以单独设计，然后组合起来形成整体。一个常见的例子是设计房屋。木工、电气和管道等各个部分可以由具有不同技能的人单独设计，然后组合在一起。
一般来说，我们事先不知道一个不断发展的系统需要什么，也不知道我们希望它做所有事情。我们希望能够根据需要轻松地进行更改。传统的工厂拥有大型固定设备，如高炉，可以产生大量产量，但缺乏灵活性。当以全速连续运行时，它效率最高。如果需求量较低，它会定期关闭，然后处于闲置状态。
如果高炉的利用率为 80%，则有 20% 未使用。如果需求量增长到产能的 120%，则需要第二个高炉，再次留下未使用的产能。对于美国整体工业来说，产能利用率从 1972 年到 2020 年平均为 79.6%，2009 年低点为 66.6%，1988-89 年高点为 85.2%。为了更好地使产能与需求相匹配，我们希望采用一种设计，可以以较小的增量进行更改，而不是以昂贵的大型固定步骤进行更改。
一种方法是使用模块化设计。它设定了信封和接口，以便不同的元素可以在没有任何特殊更改的情况下协同工作。它在许多领域中得到广泛应用。例如，美国建筑施工使用木材的标准增量为两英尺，以便部件更容易地拼合在一起，减少切割和浪费。个人电脑使用处理器、内存和附加卡的标准插座，以便可以根据需要添加各种部件，而无需改变机箱或主板。
对于不断发展的工厂，我们可以将这个概念扩展到建筑布局，为设备及其公用设施提供标准的模块化位置。我们还可以将模块化概念应用于车辆和机器人设计。车辆将具有标准的底盘尺寸以及安装电机、车轮、建筑工具或机器人手臂的标准位置。在这两种情况下，这使得在需要时扩展或修改事物变得容易。
如果生产量或输出组合发生变化，将设备分成更小的模块将使您能够更好地将输出与需求相匹配。或者，您可以用一台占据工厂车间更多模块的更大机器替换给定尺寸的机器。除了使设备布局更灵活和高效之外，模块化设计也更容易。您不必每次更改时都更新设计，只需一次设计好各个模块，然后根据需要使用多个副本即可。
- 模块尺寸
模块的一个决定性特征是使用特定的尺寸和间距，以便物品可以轻松地拼合在一起。一个流行的例子是乐高积木玩具（图 3.2-2）。它使用 8 毫米水平和 9.6 毫米垂直间距，适合玩具建造。
其他产品需要更广泛的尺寸范围，从小到很大。工业设计通常使用首选数，它们在几何级数中几乎是相等的倍数。例如，使用以 1、2、5 和 10 毫米、厘米、十厘米和米为起点的基本比例尺。这提供了一系列比例尺，它们比最后一个大 2 倍或 2.5 倍。实际的模块尺寸可以是 1-6 个比例单位。这提供了重叠的尺寸范围，因为给定比例的 6 倍大于下一个较大比例的两倍。如果基本比例尺为 5 厘米，则 5、10、15、20、25 和 30 厘米将是每个维度上的模块尺寸。然后，硬件组件将适合任何数量的适当尺寸的模块。
这种方法可以处理广泛的尺寸范围，同时仍然保持模块化。例如，安装孔可以遵循这样的系统，它们彼此间隔一定数量的模块尺寸。如果车辆底盘、电机和车轮都使用相同的模块尺寸和孔距，则不需要特殊零件。在工厂布局中，您可能使用 1 米模块，2 米过道用于移动物品，1x1 空间用于支撑柱，每 5 米一条公用设施线，整个建筑为 20x50 米。不同尺寸的设备更有可能有效地利用空间，因为它们都是模块的偶数倍数或分数。
- 标准接口和协议
听起来可能很矛盾，标准接口可以使事物更灵活。电源插座是标准化的，但它们允许在任何位置插入几乎任何设备。已经存在连接自动化设备的标准，例如通用工业协议，以及交换设计数据的标准，例如 STEP（ISO 10303）。这些标准可以按原样使用，并且可以利用使用它们的现有项目。
一套完整的工厂标准将适用于物理和数据项目。物理标准包括公用连接器（电源、数据、水等）的放置和类型，因此每台机器都可以“插入”而无需定制设计。它还将包括标准地板承载能力和其他建筑特征。PCI Express计算机扩展总线标准是这种模块化系统的示例。物理、电源和数据连接器已定义，因此任何扩展卡都适合任何匹配类型的插槽。
- 模块化自动化
工厂现在通常使用自动化机器和机器人，加上一定数量的人工，来制造最终产品。这种设备本质上是灵活的。您可以选择制作单个零件或整个生产运行，或者通过更改机器指令来更改产品。对于模块化自动化，我们可以扩展这个想法，将工厂也包括在产品中。如果建筑物的组装以及工厂设备位置、存储和其他项目的设置可以自动化，那么整个工厂就可以根据不断变化的需求变得更加可配置和灵活。
我们并不期望这些任务实现 100% 的自动化，尤其是在一开始。但是，在我们可以实施的范围内，它可以显着提高生产力和自我扩展能力。使用标准化模块，这些任务将在不同的工厂中重复多次，因此值得付出额外的努力去自动化。
运输已经很大程度上模块化和标准化，使用集装箱。这些适合作为船舶、铁路货车和卡车的单元，这些卡车旨在处理它们。因此，自动化工厂更改的一种方法是使用具有内置模块化安装点的集装箱尺寸底座。托盘通常也标准化以适合集装箱内。因此，较小的设备项目可以具有固定在较大集装箱尺寸底座上的安装点的托盘状底座。
凭借已知且一致的位置，自动化设备运输、重新排列和扩展应该更容易。集装箱设计为在船舶上互锁和堆叠。此功能有时已用于陆地上的集装箱建筑。原则上，您可以制作一个集装箱尺寸的框架作为建筑墙，然后用屋顶桁架、屋顶板和支撑柱部分填充它。如果标准化，建立或扩展工厂建筑也可以自动化。
4.0 - 本地资源
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过去，使用当地可获得的资源是一种生活方式。高昂的运输成本使得移动大量货物过于昂贵，因此人们主要使用附近可获得的资源。像铁路和大型货船这样的新方法极大地降低了运输成本。从它们发现的稀有地方开采高等级资源，然后将它们长途运输到需要的地方成为可能。一个突出的例子是石油，它只在某些地方大量发现，并被运往世界各地。
这种高等级资源从定义上来说是有限的：它们只构成了丰度分布的顶端。它们往往首先被开发，因为它们为获取它们所付出的努力带来了最高回报。如果该资源仍然有需求，那么人们就必须转向低等级来源。在一定程度上抵消这种现象的是，并非所有资源都同时被发现，并且开采方法随着时间的推移而改进。这些可以延迟需要转向低等级的时机，但地球是有限的。在某个时刻，最高等级的资源会枯竭。
过去，开采木材和化石燃料等集中能源是高效的。最容易获得的此类来源已被开发，需要付出更多努力才能获得剩下的部分。开采也会造成当地环境破坏，燃烧的燃料会在大气中释放过量的 CO2，造成不必要的全球变暖。额外的劳动和问题鼓励人们远离这些来源。石油产品目前是现代交通的主要动力来源。替代品需要低成本，否则它们会推高所有需要移动的东西的成本。其中包括用于燃烧以外其他目的的化石来源。
我们看到，过去开采能源和材料的方法从长远来看是不可持续的。使用可以发现于许多地方的低等级来源，有助于从两个方面解决这个问题。首先，由于它们存在于许多地方，因此平均移动距离更短，需要更少的运输能量。其次，较低的浓度更加丰富，不太容易枯竭。例如，如今只有铁含量超过 25% 的矿石才值得开采，而这些矿石只出现在某些地方。然而，铁占地球地壳的 5%。学习如何从常见矿物中提取铁将大大增加资源并减少所需的运输。
像太阳能和风能这样的可再生能源广泛分布在地球上。因此，到使用点的平均距离很短。自 2011 年（风能）和 2016 年（太阳能）以来，它们也成为成本最低的公用事业规模能源。因此，用更多能源来提取附近的低等级矿石，而不是继续从遥远的地方开采高等级矿石，这是有道理的。一种这样的当地来源是废弃物。回收它们所需的能量可能低于新生产所需的能量，并且回收利用可以避免处理所需的成本和空间。
5.0 - 循环流
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如果质量流是线性的，即使是低等级矿石最终也是不可持续的。线性是指物质从矿山等来源流出，在文明中使用一次，然后被丢弃为废物。因此，无论资源多么丰富，它都会逐渐枯竭，废物会随着时间的推移而积累。
另一种选择是使用循环流。它们模仿大自然的运作方式，大多数材料会被多次回收。一个例子是有限量的可用淡水。人和其他自然过程通过处理或蒸发将废水转化回淡水，以便再次使用。
使用过的材料比新开采的原材料具有一些优势。它们通常出现在需要新产品的地方附近，因为那里是旧产品使用的地方。因此，运输距离可以很短。它们作为投入的质量可能相当高，并且比新开采的矿石需要更少的能量来处理。
回收利用需要足够的能量，而这种能量不幸的是不能重复利用。所谓的可再生来源仅在人类时间尺度上以可用形式出现，例如太阳每天升起或森林重新生长。太阳能、风能、水力发电、潮汐能和地热能的最终来源是核聚变、重力和放射性衰变，这些都是有限的。但它们需要数百万或数十亿年才能枯竭。这远远超过人类的时间尺度，因此从工程的角度来看，我们可以将它们视为无穷无尽的来源。
为回收利用而设计一件物品或整个系统应该比事后添加它更有效。生产过程可以集成在一起，以利用其他过程的废物，并使用回收材料。它还应该通过减少对原材料开采和加工的需求带来一些成本效益。例如，生锈的铁管仍然比大多数铁矿开采的矿石等级要高得多。因此，铁和钢废料的市场以及将其用于新产品的工艺发展良好。纸张、玻璃、铝和其他材料也是如此。
回收利用还可以减少对废物处理的需求。如果自动化工厂内的回收利用足够有效，甚至有可能获取外部来源的过去废物，并将其转化为有用的产品，从而帮助清洁世界其他地方。如果可以足够便宜地获得这些废物，那么这样做在经济上是合理的。
在多个地点进行的协调任务和流程被称为**分布式**。它们在拥有多个办公室、商店、仓库和生产场所的大型组织中很常见。种子工厂等自我完善系统也可以使用这个概念。
我们可以根据建筑物和设备的位置以及控制的位置对分布进行分类。物理分布很简单。某个特定地点要么拥有所有建筑物和设备，要么拥有部分，其余部分在其他地方。相对于传统工厂，从启动套件中发展起来的集成工厂可以是分布式的反面。它们可以将比平常更多的生产步骤和设备类型集中到**统一操作**中。
在另一个极端，你可以将单台机器分散在世界各地，但通过电子方式进行协调。对物理物品的控制可以是本地或远程、手动或自动的任何组合。因此，四种可能性分别是设备上的直接人工操作员、人工远程操作、设备现场的本地计算机/自动化或远程自动化控制。
- 远程操作
在电子时代之前，只有一种选择是实用的：在同一地点由人员手动操作工具和机器。远程协调人员很困难，运输成本相对较高。因此，将办公室和生产任务设在集中位置是有意义的。这就是大型工厂和办公大楼曾经存在，并且现在仍然存在的原因。
现在有了智能手机、连接到宽带网络的个人电脑以及带有视觉和力反馈的机器人等电子设备。这些技术使以更分散的方式进行操作成为可能，人们彼此分离，也与设备分离。人员和设备不需要分离，但这是新技术带来的选择。现代电子控制和软件还增加了无需人工即可完成某些任务的选择，即自动化。此类控制和软件可以是本地或远程的。
远程操作的经济效益取决于使用远程呈现和远程控制等功能的成本，相对于人员在现场的成本。现场工作人员通常会增加停车场、进入设备的物理空间、餐厅和浴室等项目的成本。上下班通勤时间和成本会产生巨大的开销。
远程访问有可能降低供应人们需要和想要的东西的成本。例如，与为大量日常工作人员提供停车位相比，土地面积可以减少到仅为偶尔的维修人员所需的面积。但将事物集中在一起的其他原因，如生产步骤之间的有效转移，仍然适用。因此，项目的具体情况将决定设计应该分布的程度。
我们可以用利比亚的假设太阳能电池板工厂来说明这些因素之间的关系。某些沙漠地区既有充足的阳光供电，又有高质量的硅砂（二氧化硅）用于制造硅太阳能电池。土地成本很可能非常低。然而，工厂运营商可能不想住在沙漠里，在那里支持他们的成本会相对较高。在这种情况下，远程工作会比较有吸引力。
远程工作的另一个原因是，如果当地没有足够拥有合适技能的人员。远程工作将候选人范围扩大到全世界（或者至少是具有足够快宽带的部分）。第三个原因是，在不同时区的多个人可以通过远程控制操作相同的设备，全天候使用它，使其更有效率。第四个是工作灵活性。您可能不需要在特定地点配备全职人员，但可以分配他们操作不同的地点并在它们之间进行电子切换。
当搬到地球上更困难的地方，最终进入太空时，提前发送设备并远程操作它是一个相对更有吸引力的选择。最初，新的地点无法从当地资源为人们提供支持或提供舒适的生活空间。物资和临时住所必须从其他地方运来。一旦在某个地点建立了本地支持能力，更多人就可以跟随。人工存在不是一个非此即彼的情况。临时访问或一小部分常驻人员可以补充大部分由远程控制的大型操作。
支持人员的困难是迄今为止所有地球低轨道以外的长期航天器一直使用远程控制的原因。远程操作还用于军事无人机、深海车辆和某些类型的采矿，在这些情况下，环境很危险或支持人员很昂贵。地点越困难，距离越远，远程操作的激励措施就越高。电子产品和网络带宽的不断改进将使随着时间的推移，远程操作能够更有效地用于更多任务。
- 自扩展网络
自扩展网络是一种特殊的分布式操作，它由多个节点组成，这些节点交换数据、物理资源和产品。使这种网络区别于现代商业背景的是，这些元素被设计成协同工作并相互制造物品。该网络还使用一定程度的自动化软件来协调任务和支付。
各个节点在复杂性（执行的任务数量）和输出能力方面有所不同。一个专业节点可能只执行一个或几个相关的任务，而一个通用节点可以执行许多任务。一个通用节点可能具有足够的灵活性来生产其自身的大多数零件和材料。一个本地个人或商业节点的输出能力较小，而一个工业节点的输出能力较高。这些不是严格的类别，而是对不同节点类型的光谱描述。
整个网络可以提供比单个节点更高的自我扩展和自我生产能力，因为它包含更广泛的流程和产品，以及更多具有不同技能的人员。特别是，网络的产品可以有意地包括设计、零件和完整元素来建立新的节点，帮助网络成长。
大型传统工厂，如汽车组装厂，通常专注于一项任务。当对该特定项目的需求下降时，设备会被闲置，人员会被解雇。将生产任务分离成更小、更灵活的节点可以更容易地根据需求变化更改它们的操作。这需要更多计算机和软件来根据需要重新分配任务，但与重新利用大型工厂相比，计算机相对便宜。因此，一个灵活的网络可能具有更高的利用率，并且总体效率更高。