6.1 - MakerNet：需求
本节描述 MakerNet 项目的初始系统需求集。由于我们所有的项目示例都基于自我扩展和参考架构的类似理念，因此每次列出所有需求将是重复的。相反，我们建议您参考第 5.1 节中的个人生产需求，并在此节中注明与之的任何差异。
本节列出了个人生产项目的初始系统需求集。识别它们是第 4.0 节到 4.4 节中描述的系统工程过程的第一步。它以可衡量和具体的术语描述了完成的项目应该做什么。需求被组织成类别，并编号以供日后参考。它们是用系统扩展到满负荷时的术语写成的。种子工厂将成为增长的起点，它将在设计过程的后期通过从期望的终点倒推确定。
每个需求的文本后面是一些解释其来源和更多细节的信息。设置需求没有“正确答案”。它们是试图满足将使用最终设计的人员的目标和愿望。在这种情况下，特定的需求集源于一个更大的计划框架，用于提高生活质量，并维护可持续和不断扩展的文明。在概念设计阶段，项目设计师必须经常充当最终用户的代理人。用户可能尚未确定，也还没有信息知道他们想要从自我扩展自动化中获得什么。相反，我们对他们一旦了解了项目信息，会想要什么做了最好的估计。稍后，当用户确定后，我们可以获得他们对目标和需求的直接输入。
虽然我们在下面列出了许多需求，但不能保证它们是可能的或经济上可行的。它们是我们希望最终设计能做到的事情的起点。更新的基本需求集将是项目概念设计阶段的产出。在此阶段，我们将根据需要调整可行性，确定需要更多开发的领域，并在识别新需求时记录它们。
- 1.1 项目目标 - 该项目应提供一个当地拥有和运营的个人生产系统，该系统支持所有者及其周边社区的需求和愿望。
这设置了系统将执行的操作机制和基本设计功能。它是一个二进制（是/否或真/假）类型需求。该需求要么满足，要么不满足。本地大体上是指“在几个小时的旅行时间内”，或大约一个都市区及其周边地区。这将在以后更明确地说明。
- 1.2 项目规模 - 在满负荷状态下，该系统能够满足 2640 人社区需求和愿望的 25%（按价值计算）。
需要一个满负荷容量的目标尺寸，以便您可以朝着明确的设计方向努力。起始尺寸将小得多。社区是一个比所有者/运营商更大的集合。它包括家庭成员、邻居、朋友，以及偶尔为其制造东西的客户。2640 人的特定目标有些随意，但基于历史上建立新社区的例子。其理念是，一个足够大的社区将拥有运营各种生产机器所需的技能，并完成其他必要的任务。如果后来的设计工作表明这个数字太小，或者太大，则可以更改。但我们需要第一个设计循环中数值需求的起始值。
- 1.3 选择 - 项目使用的特定物理场所及其内部组织、功能和运营应由项目所有者和场所居民在设计约束范围内选择。
此需求的目的是让设备的所有者/运营商选择其建造地点和运营方式，而不是这些决定由外部做出。工厂元素的完成设计为他们提供了选择地点的起点，但最终选择权在于他们。设计约束包括限制设备类型和位置的区域划分和建筑规范。
- 2.1 位置 - 该系统应设计为在佐治亚州亚特兰大联合统计区运行。
我们希望它在各种实际条件下运行，因此我们选择了一个示例位置。后面的示例将扩展到更广泛的位置集，因此具有更广泛的设计环境。亚特兰大 CSA 直径约 240 公里（150 英里），这使得在该位置内从一点到另一点的合理旅行时间成为可能。
- 2.2 增长 - 该系统应能够在初始启动后每年至少增加 5% 的生产、运输和居住能力。
为了使设计对所有者具有吸引力，它应该能够不仅仅是维持自身，而且还要有充足的增长空间。额外的容量可用于扩大社区规模、启动新地点或制造产品以供出售。5% 是最低设计目标，更高的增长率是可取的。初始启动时间介于启动器组开始运行时与满负荷容量的 10% 之间。在这个早期阶段，可用的机器类型和社区内的技能将更少，因此我们在这一时期允许更低的增长率。所衡量的增长是通过内部生产实现的。加入项目或为项目贡献资产的额外人员可以加速增长。
- 2.3 改进的技术 - 该系统应以渐进的方式提高其自我生产、循环流动和自治水平。
我们不期望创始社区和初始设备与满负荷容量时的能力相同。此需求设定了随着工厂规模的增长，技术性能的逐步提高。我们目前将自我生产、循环利用和自动化目标设定为 25%，作为第一代设计的合理目标。
- 2.3.1 当地资源 - 该系统应能够以经济价值衡量，从当地资源中供应社区需求和愿望的 25%。
这通过从当地来源提供材料和能源，对上面 1.2 项目规模进行了更详细的说明。本地包括项目场所本身（在可行的情况下），否则来自亚特兰大地区。为了满足其父需求（2.3）的逐步改进，我们在满负荷容量的 3%、10% 和 30% 设定了 6%、12% 和 18% 的需求满足目标。因此，在一个有 80 人的社区中，可能只有 20 个所有者/运营商，我们希望满足他们 6% 的需求。改进与容量的几何增长相关联，因为更容易的产品将首先制造，以及制造机器的副本以提高容量，而这不会增加产品范围。能够供应一种需求定义了一种设计能力。人们是否真正利用设备达到满负荷容量取决于个人情况和选择。
- 2.3.2 自我生产 - 该系统应能够在内部生产社区总经济价值的 25%，其余部分来自外部工作和储蓄。
先前要求涵盖资源供应。此要求涵盖产出物的经济价值，包括业主作为运营商的劳动。同样，我们认为在满负荷的情况下，25% 是一个合理的水平，与先前要求的相同部分目标一致。参与程度将在整个社区中有所不同，从休闲到专注，因此 25% 是一个平均值。个人生产示例并非旨在取代大多数传统工作和其他收入来源，而是作为它们的补充。在一定程度的自动化下，完成这两项工作所需的时间应该是可能的。入门套件和启动级别的增长（产能的前 10%）可能只支持爱好级别的生产，而在满负荷的情况下，它将支持更实质性的贡献，达到第二收入的水平。我们认为，逐步转向自产比试图一次性实现更可行。一次性实现的例子是殖民地或公社，在那里每个人都 100% 致力于新的努力。这些通常由于各种原因而失败，因此我们不尝试这种方法。
- 2.3.3 循环流动 - 该系统应能够回收和再加工社区生产、运输和居住产生的当地废物流量的 25%（按质量计）。
此要求来自多个来源。从长远来看，闭环流动更可持续。它们的投入成本较低，因为您无需为大量新的投入付费。与线性（一次性使用和处置）流动产生的废物相比，它们的处置成本也更低。我们预计生产设备的材料加工能力和自动化水平将使回收在经济上变得廉价。25% 的目标再次是在满负荷的情况下。
- 2.3.4 自动化 - 该系统应能够将人力需求降低 25%，低于美国平均水平。
从生活质量的角度来看，自动化是可取的 - 更少的劳动量获得更多产出。业主/运营商不必担心自动化会让他们失业，因为他们拥有生产权。更少的工作量和经济保障是使个人生产系统成为人们想要的东西的关键部分。我们认为，对于第一代项目来说，自动化实现 25% 的劳动量减少是一个合理的水平。它假设了一定程度的生产集成，以便可以自动化生产步骤之间的转移，以及单个机器的自动化。仅仅因为一项任务 * 可以 * 自动化，并不意味着它 * 必须 * 自动化。例如，自动化的花园可以高效地生产食物，但有些人可能选择手动园艺以获得乐趣或锻炼。
- 2.3.5 自主权 - 该系统应能够在本地控制至少 25% 的生产、运营和维护功能。
这部分源于对业主选择的渴望，以及在与结果息息相关的人们的控制下运营事物的能力。拥有这种能力并不需要使用它。不在当地地区的参与者或专家可以通过远程控制选择操作系统的一部分。
- 2.3.6 复杂性 - 入门套件不应包含超过 8 种定制生产元素，不包括附件。
该项目的一个增长路径是将数百种可用的设备和工艺类型多样化。但是，我们希望从较小的集合开始，以降低初始成本和设计复杂度。另一方面，我们不想从太少开始。例如，从理论上讲，我们可以从零生产元素开始，从手工制作的石头、棍子和火开始重建技术，但这并不实用。一种折衷方案是从大约每种主要生产功能一个定制设备开始，以便在系统内实现相当完整的生产链。任何类型的运行生产系统都需要额外的附件、部件、消耗品、工具和小型车间工具，但不计入此总数。我们只提到了为项目设计的定制设备。人们可以购买或建造的任何标准物品也不计入。
- 2.4 生活质量提高 - 该系统应能够支持高于美国平均水平 25% 的人均 GDP。
满足需求和欲望的目标并没有说明食物、住所和公用事业等物品的质量水平。自然地，我们希望达到很高的质量水平，我们认为通过自动化和自产可以实现这一点。GDP 等价设置了一个远高于美国平均水平的目标，并且是根据复制生活方式的成本来衡量的。2016 年基准 GDP 以当前美元计算为 18.23 万亿美元，人口为 3.2326 亿，因此基准值为 56,394 美元/人。现金收入不会成比例增加，因为许多产品直接交付给社区。从理论上讲，如果生产系统在不影响现有工作和生活方式的情况下满足了 25% 的需求和欲望，那么等效 GDP 将比基准值增加 33%。由于业主/运营商需要做一些工作，我们预计新活动不会纯粹是累加的，而是会略微减少传统工作。因此，目标是提高 25%。与其他要求一样，这是满负荷时的目标，并且会逐渐提高。
- 2.5 数据 - 该系统应与当地社区及更广泛的范围分享项目经验和数据。
作为第一个此类项目，我们希望其他人能够在获得的知识基础上进行建设，并希望反馈他们自己的经验。将其作为系统要求可以确保我们在设计中包含用于收集和分享数据的流程。我们认识到，需要仔细保护个人数据。此要求是关于太阳能集热器功率输出等技术功能。
- 2.6 资源 - 该系统应能够输出至少 2.0 倍于内部需求的材料和能源。
这来自于对高度高效设计的渴望，这种设计舒适地生产超过自身维护和支持需求的产出。它还通过直接向业主供应物品、工厂的增长或出售剩余产品来支持更高质量的生活。这是在满负荷时测量的，是在建造生产设施和设备之后。它与能源来源的“能源回报率”（EROEI）概念有关，但扩展到涵盖物质资源。
- 3.1 完成时间 - [不适用]
项目时间表或完成日期通常用作基于时间的需求。在这组需求中，我们无法设定达到满负荷的时间，因为我们不知道人们加入项目的快慢，也不知道还需要进行哪些研究和开发。目前，我们将在系统级别将 3.1 完成时间标记为“不适用”。在项目更详细的级别，我们可能会推导出时间和时间表要求，并将此要求编号 (3.1) 保留用于此目的。
- 3.2 运行寿命 - 该系统将被设计为无限寿命，并进行维护、维修和零件更换。
该项目旨在作为满足社区需求的永久来源。因此，它将不会具有有限的寿命或磨损日期。由于各个元素无法设计为永续使用，因此此要求的结果是需要维护和维修任务。
成本要求限制了设计和构建系统的投入。它们是对项目的价值做出的判断，相对于人们可以投入时间和资产的所有其他事物，以及该项目带来的效益。总成本分为开发成本 - 技术、原型和设计的的一次性成本；和地点成本 - 每个新增单元或副本的重复成本。我们使用 2016 年中期的美国美元作为我们的成本要求，并根据通货膨胀进行调整。
- 4.1 开发总成本 - 项目的开发成本对于一个拥有 300 人的社区来说，应不超过 4000 万美元，减去销售额。
我们的项目所处的制造业通常不会投入大量资金进行研发。由于我们希望将现代自动化应用于这些领域，因此我们假设开发成本相对较高。在没有更好的成本估计的情况下，具体数字是美国人均资本的两倍。这假设大多数设备在 300 人规模上并非完全是新设计。开发项目成本估计是概念设计的组成部分，因此此值将进行更新。如果最终基于此设计构建了许多个人生产系统，则更高的开发成本是合理的。个人生产原型和早期扩张阶段能够制造出售的物品。在开发期间出售的任何物品都将从成本中抵扣，因此 4000 万美元将是最大的净支出。
- 4.2 地点成本 - 开发后的单位地点成本应低于每人支持 66,600 美元。
这涵盖了根据其他要求，为每个平均受支持的社区成员提供的生产能力的重复成本。这是一个相对较低的数字，因为自动化和自产旨在以较低的成本制造商品。66,600 美元旨在涵盖仍需购买的外部原材料、零件和人工。这是满负荷时的人均平均数，最初可能会更高。截至 2016 年年中，美国的总有形资产为 86.1 万亿美元，即每人 266,400 美元。由于项目目标是满足人们 25% 的需求和愿望，因此我们将有形资产除以 4。此数字也是初步的，并将随着概念设计期间成本估计的制定而更新。
- 5.1 风险容差 - 系统设计应在完成时包含对性能和设计不确定性的容差，不超过 37.5%。
没有任何工程设计能够被完全理解，或者完全按照预期建造和运行。因此，在性能、磨损率和其他参数方面总会存在一些不确定性。技术风险裕量是在所需性能之上增加的设计裕量，以弥补这种不确定性。换句话说，我们在设计中考虑了超出需求的部分，以确保我们至少能够满足所需水平。风险裕量是在设计完成并开始建造设备时测量的。一旦系统建成并投入运行，您将了解实际性能。在本例中，不确定性设置得很高，因为它是一个首创项目。在设计开始时，不确定性会更高。目的是通过仿真、组件测试和原型等方法在开发过程中降低不确定性。请注意，技术性能风险与故障和安全危害是不同的。
6. 安全
[edit | edit source]- 6.1 位置风险 - 该系统对社区生活和财产的风险应低于美国 2016 年的平均水平。
安全运行是一个理想的特性，而且通常是法律强制要求的，所以我们将其列为一项要求。这必须在满负荷情况下满足，并适用于项目拥有的土地和设备，以及它直接支持的社区。制造和运输通常与之相关联，但我们认为可以通过自动化（将人员从工作危害中移除）和安全设计（在设计阶段防止风险）来控制其风险水平不高于平均水平。
- 6.2 人口风险 - 该系统应将附近人口的自然和人为风险降低 5%，包括系统产生的外部风险。
之前的要求是针对项目对业主及其直接支持的社区的风险。这个是针对项目以外其他人的风险。我们希望对附近的社区产生积极的影响。我们将附近定义为项目地点周围 10 公里宽的区域，风险降低至少 50% 应用于最靠近的区域，25% 应用于下一个区域，依此类推。我们降低风险的人数与项目社区规模相同。因此，在亚特兰大地区满负荷情况下，我们对总人口中一小部分人群的安全做出了积极贡献。
7. 可持续性
[edit | edit source]- 7.1 生物圈安全 - 该系统应保存 178 种（物种 x 地点数量）在其现有自然范围之外，无论是储存还是存活。
除了目前的安全性之外，我们还希望为生物圈的长期可持续性做出贡献。物种数量和它们被保存的地点数量与项目规模成正比，因此我们在这里使用了一个相对较小的数字。通过在现有自然范围之外保存物种，可以从原始种群的危害中恢复，例如气候变化或人类发展。保存方法的示例包括温室、种子库或在最近变化的气候区重新种植。
- 7.2 生存能力 - 该系统应为文明水平的重大风险提供 0.0025% 的补偿。
除了生物圈之外，我们还希望为人类文明的长期生存做出贡献。这样一个规模的项目只能预期做出微小的贡献，因此要求值很小。方法的示例包括通过回收利用帮助解决资源枯竭，或通过可再生能源解决大气碳积累问题。我们承认这是一个具有挑战性的要求，但我们认为它至少值得尝试满足。至少我们希望了解我们对整个文明的影响。通过设定要求，我们必须衡量我们实现要求的程度。
8. 开放性
[edit | edit source]- 8.1 开放设计 - 项目中开发的技术和设计方法应向他人开放使用。特定设计实例和生产的物品可能是专有的。
我们更大的意图不仅仅是支持一个当地社区，而是证明自扩展生产系统是可能的，并使其他人能够使用它们。我们需要在共享底层技术与对完成工作的人员的奖励之间取得平衡。因此，我们允许人们选择保留特定硬件设计私有，并拥有他们构建的物理物品。项目开发的通用技术、方法和原型设计将公开共享，人们可以选择贡献他们自己的改进和修改。
有效性指标
[edit | edit source]在设计过程中，满足各种要求的尝试往往会影响不止一个要求。例如，更高的性能和可靠性往往会以更高的成本为代价。为了在发生这种情况时优化设计，我们使用从要求派生出来的并与要求密切相关的指标。每个要求的满足程度将通过公式转换为数值得分。这些分数被组合在一起，更好的设计将是总分最高的设计。通过这种方式，可以考虑非常不同的要求类型，并在不同的设计选项之间进行比较。对于这个项目，我们将使用 100 分制，并根据其相对重要性为每个指标分配一定数量的分数（权重）。每个标准的分数将通过公式找到，总分是所有指标的权重 x 百分比分数的总和。请注意，某些要求是固定的，例如项目支持的人数。它们没有可变指标，而是调整设计以充分满足这些要求。
这些指标作为一个整体是我们在设计中认为更好的数学模型。就像上一节中的要求一样，没有“正确答案”，因为它们基于人类的目标和选择。这些指标的作用是让不同的人，或在一个项目不同部分工作的一个人，基于相同的假设得出一致的解决方案。在下表中，我们列出了我们选择的评分项目和公式。单个项目的总数只有 78%，因为并非所有指标都包含在个人生产示例中。它们将在以后的设计示例中包含，我们希望能够轻松地跨项目进行比较。评分公式的目标也相对较低，因为个人生产是第一代设计。分数的总和将按比例调整，使本示例的结果达到名义上的 100 分值。当用于与其他示例和项目进行比较时，它将不会进行调整。
表 5.1-1 - 初始有效性指标
| 指标 | 权重（分数） | 评分公式（百分比） | 目标 |
|---|---|---|---|
| 2.2 增长（年增长率） | 5.0 | (等效年 GDP 增长率 - 2.5%) x 10 | 目标 = 5%。内部生产按市场价格估值 |
| 2.3 改进技术（本地资源） | 1.0 | 来自项目地点的本地资源的百分比 | 目标 = 25%。按公斤（质量）或焦耳（能量）衡量 |
| 2.3 改进技术（自产） | 1.0 | 来自项目地点的成品的百分比 | 目标 = 25%，按经济价值衡量 |
| 2.3 改进技术（循环流动） | 1.0 | 地点质量流再利用的百分比 | 目标 = 25%。包括本地使用，但不包括用于增长或销售的生产 |
| 2.3 改进技术（自动化） | 1.0 | 减少人力工时的百分比 | 目标 = 与现有技术相比降低 25% |
| 2.3 改进技术（自治） | 1.0 | 本地提供的必要劳动力和控制的百分比 | 目标 = 25% 的必要功能可以提供 |
| 2.4 生活质量（GDP） | 5.0 | (等效 GDP - $20,000)/2000 | 目标 = $70,500/人。包括内部生产和劳动的价值 |
| 2.6 资源（盈余） | 5.0 | ln(材料和能源产出/内部使用)/ln(2) x 25% | 目标 = 在项目生命周期内为 2.0。在 -100% 处剪切 |
| 4.1 总开发成本 | 14.0 | (平均单位成本/总开发成本) x 50% | 目标 = 2 x 地点成本 = $133,200/人 |
| 4.2 新地点成本 | 14.0 | [(ln(0.25x美国人均资本/地点成本))/ln(2) x 25%] + 25% | 目标 = $66,600/人 |
| 5.1 技术风险裕量（%） | 5.0 | (50% - 技术不确定性裕量) x 2 | 目标 = 37.5% 的技术裕量 |
| 6.1 新地点风险（相对） | 7.5 | [ln(0.25 x 一般伤亡风险/地点风险)/ln(2) x 25%] + 75% | 目标 = 100% 的相对风险。包括生命和财产风险。 |
| 6.2 人口风险（相对） | 7.5 | (对一般人口风险的降低百分比) x 5 | 目标 = 通过自然和项目原因降低 5%，不允许更高风险。 |
| 7.1 生物圈安全（物种-地点） | 5.0 | [(log(在自然范围之外维持的物种 x 地点)) - 1] x 20% | 目标 = 178 种，体内或储存，人类也是一种物种 |
| 7.2 生存能力（相对） | 5.0 | (对重大风险的补偿百分比) x 10,000 | 目标 = 0.0025%。包括所有文明水平的风险 |
| 总计 | 78 | 以上各行部分分数之和 x 权重 x 400/78 | 目标 = 调整后为 100%，调整系数为 400/78 |
表格注释
这些公式旨在当指标处于不可接受的低水平时产生零分
- 2.2 - 该公式从增长率中减去 2.5%，将零分设置为“不优于经济的平均增长”
- 2.4 - 该公式从 GDP/人值中减去 20,000 美元，以设定最低的低收入基准。
另一方面，对于能够完全满足我们所有需求并达到最高水平的自扩展系统，这些公式应该产生 100% 的分数。由于个人生产是一个第一代设计，我们只将目标分数定在最终值的 25% 左右，这意味着未来还有很大的改进空间。