第 3.3 章 - 新理念和功能
在第 3.2 章中，我们描述了在自我改进系统中使用现有技术概念。这里，我们介绍一些尚未普遍使用或仍需进一步开发的较新理念和功能。这些包括资源核算、新的或改进的软件工具、项目演化路径以及通用工厂的概念。
资源是指作为系统输入或系统内部功能输入的任何有用项目。产品是指作为输出离开系统以供他处使用的有用或期望的项目。资源可以在系统的一个部分与另一部分之间或系统之间移动而不会被转换，但这通常需要一个功能或系统来执行移动。例如，一个 3D 打印机的设计文件可能需要从设计师移动到打印机。文件本身在移动过程中不会改变，但需要电缆或 USB 驱动器来执行移动。
废弃物是指给定系统或功能的不可用或不需要的输出。从一个系统的角度来看，废弃物输出可以并且理想情况下应该成为另一个系统的资源。例如，加工零件时产生的金属屑是加工过程的废弃物输出，但可以回收作为废料并成为制造新金属原料的输入。无法被任何人用于任何用途的废弃物应通过设计减少，至少要妥善处理和处置，以防止其成为污染物或危害。此外，废弃物的最终位置可以让它们在未来得到利用，如果技术的进步使其成为可能。
自然资源是指那些在没有人类行为的情况下已经存在的东西。例如，土地、矿石和可再生能源，如阳光和风。另一类是人和他们可用的人力资源，如体力劳动、技能和经验。第三类是人或在人的指导下制造的，可供系统使用的物品。例如，存储的知识、供应品、建筑物、工具和机器。由于系统边界是心理建构，土地、知识产权或金融资产等物品可以通过所有权和系统边界改变而不是物理移动而进入或离开系统。
从第 3.2 章中的流量守恒原理来看，我们可以将简单的核算规则应用于进入、在内或离开系统的任何类型资源。这些规则是
- (1) 进入或离开系统任何部分或整个系统的所有资源输入和输出的净总和必须等于该部分的内部变化。
- (2) 进入或离开系统或系统各部分之间的资源流起点和终点的总量必须相等。
例如，如果一吨原材料是加工单元的输入，那么必须从其他地方供应一吨原材料以平衡总量。这可能是开采单元，或者作为工厂外部的输入。无论哪种方式，原材料都不是凭空出现的，它们需要来源。给定的流动可能结合了多个起点或分成了多个终点，但总量必须匹配。
数学惯例是，对整个系统或各个部分的输入为正值（您正在提供资源），输出为负值（您正在交付或移除项目）。通过跟踪所有资源并确保数量平衡，您可以确保设计完整。特别是，所有输出，包括废弃物，都必须进行核算以平衡流动。
废弃物不会方便地消失。通过对它们进行核算，我们可以优化设计以最大限度地减少它们，将它们用作其他流程的输入，或者确保它们得到妥善处置。此外，将物品带入或送出所需的努力，如运输，也必须进行核算。在功能上，这种核算方法类似于复式记账法，借方和贷方必须平衡。主要区别在于 (1) 将其应用于所有类型的资源，而不仅仅是金钱，以及 (2) 不允许使用无形或主观项目来平衡会计报表，如商誉。
资源核算的某些方面以前曾被使用过。例如，碳预算和体现能源用于生态影响，以及国家/世界能源和矿业统计数据用于跟踪正在使用和可用的资源。但据我们所知，它尚未以全面的方式应用于设计新系统。
自从 1980 年以来，已经开发了大量的工程和生产力软件，我们期望使用它们来设计和管理复杂的自我改进系统。我们已经确定了一些可能会有用的新软件项目，并且可能需要定制开发。它们在许多自我改进系统和整个经济中的使用应该证明开发它们的努力是合理的。以下项目理想情况下应该设计为协同工作并与现有软件集成。
- 流程编译器
生产系统（如工厂或分布式网络）的目的是制造一定数量的期望输出。这是通过单个步骤或操作来实现的，例如制造流程或单元操作。这些步骤组合成一个流程图。整个流程将输入（如原材料和能源）转换为输出（如成品和废弃物）。
仅描述零件物理形状的一组设计图纸并不能告诉您如何制造它们。对于自动化工厂，它也不包括每台机器需要执行的详细操作。更完整的生产数据集将包含这些信息，以及使用哪些材料、组装说明等等。一个不断变化和改进的生产系统将经常需要改变数据和流程。对于人们来说，每次都要做这些将非常费力。
流程编译器的想法是获取这种生产数据和关于可用生产设备的当前信息，并将它们转换为当前系统以及执行工作的工人和机器的详细操作。这类似于软件编译器，它将给定编程语言中的高级语句转换为计算机实际执行的机器语言。
我们没有意识到这种生产流程编译器，但它对于通用自动化工厂（尤其是不断增长和变化的工厂）非常有用。不必为每种新产品规划制造流程，或者每次修改工厂时都进行更改，该任务可以很大程度上自动化。就像软件一样，自动编译可能无法产生理想的结果。对于特定流程，可能仍然需要一些手动编码和优化。但就自动化流程编译器发挥作用的程度而言，它将是一种效率提升。
要制作这样的编译器，您需要确定工厂可以单独执行的一组操作步骤。它们将根据物品所需的零件和组装步骤列表，按顺序排列由编译器排列，并安排执行。库存供应水平将有所不同，其他已安排的项目可能会消耗掉供应。因此，编译器需要检查这些水平，并在需要时添加步骤来增加库存。因此，给定的生产订单可能会在整个工厂中级联或生成对无法内部制造的项目的采购订单。如果工厂的某一部分被过度使用并成为瓶颈，调度程序也可以发出需要扩展的信号。扩展的决定可能是由系统操作员手动进行，甚至自动化，其中调度程序将新工厂设备的订单插入流程中。
生产计划不是一个新课题。工业和制造工程中的一些现有方法将是相关的，例如制造计划方法和软件。特别有趣的是流程规范语言，由美国国家标准与技术研究院自 2000 年代初以来开发。需要做更多工作来了解哪些现有方法、软件和语言可用于流程编译器理念。
- 智能工具驱动程序
操作系统硬件驱动程序不是一个新概念，但将需要适合新的智能工厂元素的控制软件。智能元素结合了自动化、机器人、软件和人工智能来运行。如果元素被视为外围设备，这将需要自定义驱动程序，或者如果元素被视为具有自己的处理单元的网络节点，则需要每个元素的本地软件。最近，与智能工具相关的研究工作正以物联网 (IoT)以及自动化、机器人、软件和 AI 的各个领域的名义进行。
- 增强现实模拟
与编辑软件不同，在构建和操作工厂或其他生产系统中纠正错误将相对昂贵且浪费。良好的模拟工具可以帮助避免此类问题。增强现实将现实世界视图与计算机生成的元素相结合。例如，一个 3D 耳机，它在现实生活中的现有工厂视图上叠加了模拟的未来工厂元素。这允许在现实生活中执行之前观察新的和修改过的工厂布局和操作。理想情况下，显示器可以在设计新物品时以及在实际工厂空间中走动时使用。它也可以用于培训和操作期间。
增强现实设备应该能够使用来自产品生命周期管理 (PLM)和其他计算机辅助技术组的数据。这将包括上面识别出的过程编译器类型软件的输出。最好使用带有力反馈的立体3D显示器来实现真实感。截至2022年，已经可以买到多种便携式头戴式设备。无线通信允许在大型空间（如工厂）中移动，而无需携带完整的计算能力和电源。现代手机可以实现增强现实，但每个眼睛的单独输入和触觉反馈手套可以提供更逼真的交互。可穿戴设备可以通过分布在生产或设计空间中的摄像头、传感器和显示器进行增强。
- 远程操作软件
这将使用与增强现实模拟类似的用户设备，但它与用于远程操作的真实硬件和传感器接口。它将用于以沉浸的方式控制机器人和其他智能工具，在需要远程控制的情况下。生产空间中的本地操作员或自动化自操作是远程控制的替代方案。哪种方案更好取决于具体情况。当远程环境难以到达、条件恶劣或操作存在危险时，远程操作最有利。当只需要间歇性的人员在场时，它们也可能具有优势。这样可以节省将人员带到某个地点并返回的时间和旅行成本。
很多人每天上下班要花费大量的时间和金钱。COVID-19大流行迫使人们从家里远程工作。这表明现代电子设备足以进行远程工作，至少对于办公室类型的 work。远程操作软件会将这种工作扩展到生产等物理任务。如果能实现，将有可能节省大量的成本、人员时间和能源消耗。
远程操作的一些方面已经投入使用。远程控制数据中心中的计算机，或使用Windows远程桌面功能从另一台计算机使用一台个人计算机非常普遍。临场感提供发送方之间的视觉图像，而遥控机器人则侧重于远程控制机器人。后者通常用于航天器、军事和水下操作，这些环境特别恶劣或偏远。它尚未在工业环境中普遍使用，也未达到适合个人的成本。带摄像头的无线遥控无人机价格实惠，但主要用于视线范围内，而不是通过网络进行长距离操作。因此，在设备、软件、成本和将远程操作集成到完整系统方面，还有改进的空间。
3.0 - 系统演变
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1980年美国宇航局AASM研究将种子工厂描述为一个完整的系统，作为一个单元交付到月球，在那里它会自行复制多次。如此完整的系统设计非常复杂，难以实现，即使假设1980年的水平运输到月球也是不必要的。如果可以交付整个工厂，也可以逐步交付其部分，并供应无法制造的物品的零件和材料。
与不会改变的“一次性”设计不同，我们在这些书籍中描述的自改进系统的一个关键特征是，它们可以通过多种方式进行演变，而不仅仅是直接复制自己的设备。从小而简单开始可以降低启动成本和设计工作量，允许根据需要以成本效益的方式导入物品，并积累经验以随着系统演变而进一步改进系统。由于我们已经将其作为核心思想采用，因此值得描述系统随时间变化的方式以及如何组织它们。
- 规模和阶段
本质上，自改进的生产系统会通过重复过程不断地从启动集演变为更大、更强大的系统，其中每次添加或升级都用于帮助进行下一个添加或升级。难以将如此系统的整个演变及其所有元素设计为单个项目。如果内部变化是开放式的，并且所需的产出和输出也可以改变，则尤其如此。
传统的工厂设计包括将其分解为单独的机器和流程。这些更容易单独设计。工厂布局传统上针对给定的产品集和数量进行优化，而没有考虑未来的变化。在我们的方法中，假定并期望发生变化，并且从一开始就进行计划以使其更容易。
实现此目标的一种方法是，通过规模设备参数，以及在阶段中的时间和位置，将设计工作以及随后进行的更改分解为更小的步骤。规模步骤可以通过复制现有设备或添加更大版本的设备来提高产量。规模也可以缩小到更精细或更精确的工作，或提高质量或更耐用的设备。
阶段是指一组使系统演变发生重大变化的更改。这包括添加新类型的设备、新产品和生产流程，以及新的施工或位置。规模通常处于设备或流程级别，而阶段则包含多个更改或改进。它们的共同点是将整个系统演变分解为更小、更容易设计的片段。
然后，初始设计工作可以简化为原始设备清单及其规格，以及启动集的初始流程和指令集。用于演变后期阶段的新设备和修改集，我们称之为扩展集。扩展集的设计可以建立在从先前步骤中获得的经验、针对改进的定向研究和开发以及知识和技术的总体进步的基础上。从经济角度来看，将部分设计工作推迟到以后可以让前期工作更早地收回成本。系统可以开始运行并生产产品以供使用或出售。
将设计和安装划分为更小的块是简化实际持续过程的一种思维方式。种子工厂类型的启动集或后来的扩展集不需要一次性安装。设计可能要求，例如，在启动集中总共安装八台自动化机器。但是，这些机器可以一台一台地添加到原始的传统车间中，并且这些机器的零件可以逐步制造。然后，随着每台新机器的完成，生产能力会不断提高。规模和阶段步骤定义了更改发生的间隔。在间隔内，可以有很多更小的增量。
- 启动集和增长序列
在尝试确定启动集中应该包含什么，以及以后的扩展集中应该包含什么时，我们可以确定一些指南。但最佳内容和顺序会受到特定项目目标和环境的影响。
早期元素应该灵活，这意味着它们可以完成各种任务，尤其是如果在基本元素中添加了定制附件。一个简单的例子是便携式电动钻头。您可以根据需要使用各种钻头和螺丝刀头以及其他附件。但便携式钻头也可以安装在垂直框架中用作更精确的钻床，或安装在水平框架中用作小型车床。它并不适合所有这些用途，但如果您的预算有限，它足以让您开始使用。
电动多功能工具和Shopsmith品牌的多功能工具是为灵活度而设计的商业示例，其中一个电源可以用于多种任务。它们通过共享组件来节省成本和物理空间。缺点是它们一次只能完成一项任务，您需要在任务之间更改设置，并且它们的性能可能不如专用设备。
灵活性可以允许制造各种物品以进行自我改进，并拓宽市场，以销售无法内部制造的物品。早期元素还应提供杠杆作用，就其能够有助于制造后期物品的质量或成本百分比而言。例如，美国的大多数房屋都是由木材、石头和金属衍生产品制成的。因此，能够处理这些材料的设备在施工方面应该具有很高的杠杆作用。
早期设备最好能够以小型和简单的版本运行，这可以降低初始成本，进而降低它们自身复制所需的零件和材料数量。演变的后期阶段可以使用更大的、更优化的单元，这些单元具有更多功能。用于在第一批套装和位置安装完毕后使用的启动集和扩展集的后期版本可以利用早期套装的输出，为零件和材料提供供应。它们还可以利用早期套装的运营经验。
我们预计设计会随着时间的推移而出现多个代。经验和新位置的当地条件可能会推动设备启动集和扩展集的增长顺序和内容。单一的标准化增长顺序和设备清单不可能是所有时间和地点的正确答案。相反，可以演变出类似于设计目录的东西，从中可以根据某个位置或项目的需要选择特定项目。这类似于建筑设备如何根据特定建筑项目的需要从现有类型的投资组合中选择。
4.0 - 通用工厂
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在计算机科学中，我们有通用图灵机的概念，它可以处理任何可计算的序列。在纳米技术领域，通用分子组装器理论上可以单独定位反应性分子，从而组装任何物理物体。我们引入了通用工厂的概念，它可以生产任何已知的商品，只要输入合适的設計文件。
作为存在性证明，地球上的总工业产能生产所有已知的商品，包括自己，因此是一个通用工厂。它只是一个非常大的工厂，我们把它看作是“文明”，而不是“工厂”。世界工业产能完全由原材料和能源建造而成，从除了人力之外什么都没有开始。所以人们作为一个整体也可以被认为是通用工厂，因为我们创造了我们文明的所有人工制品，包括所有工具和机器。从无到有，能够生产所有已知的商品，只是需要很长的时间和很多的人。
我们可以考虑在自我改进系统中普遍性的概念。如果我们允许足够的时间来建造所有必要的设备，一个启动套件和一些扩展套件是否可以成长为通用，能够制造任何产品？我们能否证明一个给定的启动套件是否具有这种能力？达到普遍性所需的最小必要过程或设备是什么？与整个文明相比，这样的集合需要多大规模和复杂程度？
回答这些问题的一种方法是认识到每个已知产品都是由有限数量的部件组成的，每个部件都是由有限的生产步骤组成的，使用有限的材料和工艺。如果我们列出所有已知的工艺，我们就可以识别出执行每个工艺所需的设备。这套设备是所有可能产品的子集。然后，我们可以通过制造该部件所需的工艺对每个设备项目的部件进行分类。第二个工艺列表很可能所有已知工艺的子集。反过来，我们查看此较小子集的设备的部件，并再次列出工艺。
重复此循环，直到工艺和设备列表不再缩小。我们现在定义了一个集合，它可以制造执行所有制造自身所需工艺所需的所有设备，以及所有其他设备和工艺类型。因此，它是一个通用工厂。然后可以仔细检查这个通用工厂，看看设计更改或材料替代是否可以进一步简化这个集合。最终，您可以达到一个最少数量的工艺和设备类型的优化集合。然而，这样的集合可能不是增长最快的。另一组启动机器，可能最初不是通用的，并且接受添加的部件和设备的输入，可能更快地增长到所需的容量。
另一种方法是通过提供知识和信息而不是设备来最大程度地降低成本。“启动套件”包括教程、设计文件和其他数据。现代技术允许以非常低的成本存储和交付大量此类数据。然后，一群人按照这些数据中的说明，利用他们可以获得的任何资金和资源来建立生产能力。
通用工厂的概念非常新，需要更多工作来理解它以及如何应用它。通用图灵机的概念在计算机科学中被证明非常有用。我们认为，在生产中探索普遍性是值得的，因为它有可能被证明同样有用。