9.0 - 概念设计笔记

本书的前面部分介绍了种子工厂的概念，包括其历史、组成概念和方法，以及设计过程。随后是几个设计示例。其目的是以逻辑顺序进行讨论，以便读者理解。种子工厂概念的开发是一个持续进行的工作，因此有些材料要么过于新颖，要么尚未组织到书籍的主要文本中。以完整细节开发设计示例也会产生大量材料，这些材料会打断主要讨论的流程。因此，我们将这两种材料放在笔记部分。实际上，它们形成了一个“工程师笔记”。从历史上看，这些是每个设计师用于他们工作的纸质笔记本和文件文件夹。更现代的方法是使用共享的电子项目数据库，以便所有设计师都可以访问所有当前数据。因此，将这些笔记包含在维基教科书中的另一个原因是作为协作项目数据库的示例。维基媒体格式只能处理文本和某些文件类型。其他文件类型，如电子表格、软件代码和可编辑的图纸，将存储在其他地方并链接。

一般性笔记

这些一般性笔记指的是整本书，或 1.0 至 4.0 节中的讨论。之后是针对特定设计示例的笔记。

笔记背景

这些笔记源自维基教科书 太空运输与工程方法 的后面部分。那本书设想了一个利用先进技术改善地球生活的项目，然后使人类能够居住在更恶劣的环境中，最终超越地球进入太空。迁移到一个恶劣的环境并在此处运行会产生运输设备和物资的成本。地点越恶劣，距离越远，成本就越高。你可以将此成本计算为 (运输成本/千克) x (运输的质量)。减少这两个因素中的任何一个都会降低成本，但对于太空位置来说，人们最关注的是运输成本，即设计更好的火箭和推进系统。可以通过以下方法减少要运输的质量：使用当地资源制造设备和物资，以及在当地回收材料。

种子工厂方法，发送一个启动工具包，该工具包可以自我扩展以提高生产能力，此前被提议为一种在太空使用当地资源而不必发射大量工业设备的方法。作者（Eder）最初意识到同样的方法可以应用于建造地球的生产能力和发射场，以到达轨道。这导致了在地球上使用它进行一般生产的想法，而不仅仅用于太空应用。地球上的运输成本不是那么大，但生产成本是。通过减少你需要为工厂购买的设备数量，使用更便宜的原材料，自供电力运行，以及高度自动化，这些成本可以大大降低。由于地球是一个比太空更直接、更大的市场，因此工作重点转移到了如何发展陆地种子工厂。这项工作变得如此广泛，以至于编写单独的一本书（这本）似乎是合理的。积累的研究和设计笔记被大量转移到这里，并将它们重新组织到当前书籍的适当章节中开始了。这仍在进行中，因此以下部分是零散的、重复的，并且可能与本书其他地方的内容不匹配。

研究目标和计划

这里的笔记代表一项正在进行的概念研究，而不是最终报告。这些部分展示了工作的全过程，随着工作的开展而进行。这是出于几个原因。首先，作为他人的教程，我们认为展示过程中的所有步骤非常重要。其次，作者必须在进行工作时将其记录在某个地方，这就是这里。作为“正在进行的工作”，研究将表现出差距、不一致和重复性，直到完成。通常，这些缺陷会在制作最终报告或技术论文时被清除，以呈现对分析的清晰总结。在本例中，清理是通过将笔记组织到书籍的主要部分，以便以教科书式的讨论来讨论概念，并将特定示例的详细设计和计算数据保留在笔记中。这使得它们可以作为参考，而不会打断讨论。

最初的种子工厂研究工作确定了几项候选技术，以及关于如何最好地使用它们的问题，以及它们是否比传统方法有足够的优势。目标是详细地发展这些技术的思想，以便开始回答这些问题。

最初的候选技术包括

自我扩展生产 - 在项目位置内部生产越来越多的物品，包括更多的生产设备。这减少了建立新位置所需的启动套件，从而降低了成本。增长是通过添加新的设备类型、制造现有设备的更大版本，以及直接复制启动套件来实现的。
模块化设计 - 使用标准化尺寸和接口，以便可以添加或重新排列生产元素，而无需定制工作。
广义资源 - 使用广泛分布的材料和能源作为来源，而不是要求仅在某些地方找到的高等级来源。
循环流 - 通过回收、维修和闭环流程重复使用材料。这减少了对新材料的需求和废物产品的数量。
分布式操作 - 使用远程控制、机器人技术和自动化，将人员所在的位置和生产要素所在的位置分开。这使得两者都可以在最佳位置，而不是因为没有其他选择而聚集在一个地方。地点越恶劣，在更少的人员参与的情况下开始建设就越可取，远程/机器人/自动化方法就越重要。

要解决的问题包括

从最容易的开始，各种环境中需要哪些生产功能？
启动套件中应该包含哪些元素，哪些元素应该在以后添加？
现有技术在多大程度上满足了预期目标，需要开发哪些新技术？
如何将生产产出分配到添加更多设备、用于项目中的产品以及用于外部交付以支付成本的物品之间？
在扩展产能时，你是添加更多现有设备的副本，建造更大的版本，还是添加可以执行新流程的新元素？
直接人工、远程操作、机器人和自动化任务的最佳组合是什么，以及如何演变？
这些先进的生产方法与现有/传统方法相比具有多少优势？

研究过程

选择系统工程方法来进行研究。种子工厂可能是一个复杂的设计，系统工程适合于复杂项目。研究的目标是回答上面提到的问题。它是在一个更大的计划中设想的，该计划旨在提高生活质量并将文明扩展到新的地点，并从该更大计划中继承了一些目标和要求。为了研究目的，我们假设了一个整体计划的概念，然后集中于单个位置的初始开发。研究步骤包括

需求分析：传递从项目传递下来的需求和评估标准，并在需要时添加新的需求。
功能分析：根据位置类型将生产分解成子功能，以查看是否存在独特的功能。
需求分配：将我们的需求分配到每个较低级别的功能。
建模和定义备选方案：开发一个生产模型，并确定一组用于执行各种功能的备选方法。
优化和选择：以足够的细节开发备选方案，以便在模型中使用，然后优化参数并选择最佳选项。
合成和基线：将各种功能的最佳选择组合成一个连贯的整体，并记录一个概念基线，供进一步工作使用。

然后根据最初的问题评估产生的概念，以查看它们的执行情况。在项目其他部分开发得更完善之前，该研究仍然不完整。

初始种子工厂讨论

改进的技术是文明进步的主要方式之一。在开始技术分析之前，我们描述了候选技术及其使用动机。

注意： 这里的内容已移动到 3.0、7.0 和 8.0 节。

项目概念

在这些笔记的来源《太空系统》一书中，设想了一个扩展人类文明的总体计划。该计划的第一步包括一个特定的温带地区项目。在这本书中，我们将该第一个地区与社区工厂示例分开，社区工厂示例可以独立存在，并将更大的计划作为远程地区的独立示例进行处理。我们在这些示例之间插入了两个新的示例，分别是工业工厂和分布式工厂，以更好地探索种子工厂概念的应用。其余未纳入的笔记将在后面列出。

程序概念用文字描述了整个计划的意图，以及其运行和维护方式。地区概念则描述了本研究中特定地区类型的运行和维护方式。这些是起步概念，可能会随着研究的进展而更新。

第 5.0 节笔记 - 社区工厂

温带地区概念

零阶段（技术开发）后建立的第一个地区位于温带地区，其中温带被定义为当前 90% 的人口居住的环境，两端的极端条件分别占 5%。一个“地区”不一定位于一块物理连接的土地上，但它应该具备所有元素，这些元素彼此足够靠近，能够轻松地相互运作。这个地区可以继承零阶段的原型元素，或者使用原型设备来建造第一个全尺寸元素。第一个地区的目标是供应 660 人的大部分长期需求，以每年增加 75 人的速度逐步增加。这可以被视为一种房地产开发形式，只是它包括旨在共同运作的生活、工作和交通元素。

居住 - 如果场地开发从头开始，初始人员和设备可以分布在现有当地社区中。假设未来的居民将自行建造大部分地区，因为他们将在建成后成为主要的未来所有者和运营者。随着地区居住部分的建造，他们可以搬迁到那里。

生产 - 启动装置（种子工厂）的产出分配到以下几个方面：制造更多设备以扩展生产、满足业主的人类需求，例如建筑材料和食物，以及销售或贸易的外部生产。问题是谁决定生产多少种类型，以及生产哪些特定物品？这可能是由销售驱动的，外部买家决定首先生产什么，剩余的产能用于增长和满足业主的需求；也可能是由业主驱动的，工厂所有者或指定的管理者决定生产什么；或者是由贡献者驱动的，资本和劳动力贡献者可以根据其贡献份额，单独决定生产什么。

运营 - 现代计算机和网络使人们可以远程操作设备。我们不需要这样做，只是将其作为一种选择。分散式生产和员工可以节省日常通勤成本和旅行时间，并使设备位于最佳位置，而不是像传统工厂那样集中在一起。但这会导致更高的通信成本，但这一部分成本正在迅速降低。减少人员流动和分布式物理生产可能会导致物理物品的运输增加。运营的另一个方面是控制权归属。这可以是本地人类、远程人类、直接计算机（自动化和机器人）或远程计算机。我们预计上述所有选项将混合使用，并且将朝着更多自动化和更少人工的方向发展。开发比第一个地区严格需要的远程和自动化方法的动机之一是，未来更困难和更恶劣的地区将对人类来说更昂贵且更不可取。另一个动机是，工作变化或工作地点的变化与理想的居住地点脱钩。

维护 - 地区的生产部分生产出建造完整场地所需的大部分产品。因此，我们的维护理念是使用相同的生产能力来修复、更换或修改地区元素，以满足需要。任何无法修复的物品都会作为废料返回生产，或者作为废物出口，但我们通过设计尽量减少这种情况。

需求分解

注意: 这些是从更广泛的人类扩展计划中提取的，并传递到第一个地区的需求。它们在本节 5.0 中针对社区工厂示例进行了重新定义。

这一步将需求从总体计划级别传递到更低级别的元素。现有的基线（人类文明的现状）的得分约为 75 分，因此计划第一阶段的目标是比这高 10 分，即 85 分。设置此得分级别将生成一组参数，供第一阶段的第一个地区用作设计需求。有些需求值将很难达到，但通过设定困难的目标，我们将能够确定哪些技术领域需要改进，并指导未来的研究。我们还预计，当一些需求被证明比预期更容易或更难达到时，这些需求的值会相应调整。初始值如下：

第一个地区设计增量 = 75 人，每年增长 75 人。
启动后的增长能力 = 每年 11%
本地物质和能源资源使用 = 85%
按经济价值计算的自主生产 = 85%
不包括燃料的回收物质流 = 85%
自动化和其他技术减少的工时 = 85%
劳动力和运营的本地自主权 = 85%
人均 GDP 约等于 156,000 美元（所有成本以 2013 年 1 月的美国美元为基准）
材料和能源生产与内部需求的长期比率 = 10.5
技术开发成本 = 温带地区 6600 万美元。
地区建设成本 = 每人 76,000 美元。
技术不确定性 = 7.5%

然后，我们可以进一步分配地区内生产功能的需求

启动后，它应该能够满足 75 人基本需求（住所、食物、公用事业）的 85%。
启动后，生产功能应产生地区总价值的 85%，包括其自身。计算净值时包括剩余产品的销售额。
生产功能应该能够每年扩展自身 11%（从外部增加一些部分）。
生产功能应该能够回收地区物质流的 85%，不包括燃料。
单位产出的工时应比 2013 年工业生产平均水平低 85%。
启动后，至少 85% 的劳动力和运营控制权将归属于地区内部。
材料和能源生产与内部需求的长期比率为 10.5 比 1。
生产技术的开发成本应低于 6600 万美元，不包括居住和运输开发成本。
生产元素的净成本应低于 570 万美元，用于支持 75 人的地区。
生产功能的技术性能不确定性为 5-10%，与居住和运输的不确定性相平衡。

从地区类型和规模，我们还可以确定

设计必须在发达地区附近的温带气候下发挥作用。
本地运营所需的时间不应超过 85%，以供应 85% 的需求 x 50% 的劳动力参与率 x 75 人 = 32 名全职员工。

从更高层次的计划需求，我们还可以设定

为了鼓励参与，原型设计应使用开源方法，而硬件和产出的所有权将属于项目贡献者。

这些需求随后成为技术开发阶段要满足的目标。

评估标准

我们需要一种方法来优化设计，并在替代概念之间进行选择。标准的系统工程方法是定义各种参数，以衡量什么是“更好”，例如成本和增长率。这些参数被转换为一个通用的度量尺度，在该尺度上得分最高的选项即为所选选项。这些度量是任意的，因为它们基于客户的愿望，但它们是一种以数学方式模拟这些愿望的方法，以便能够做出设计选择。如果一个人改变了愿望，那么技术设计也会随之改变。这里假设客户是一个非营利基金会，它为研究和公众利益建造原型。先前在计划级别（第 5.1 节，第 4 页）定义了度量，因此为了保持一致性，我们将使用适用于生产功能的度量子集，并保持相同的公式和相对权重，以便进行评分。

目前，我们正在开发一个只针对第一个温带地区的概念，因此评估标准的完整集合进行了如下修改

1.2 程序规模 - 第一个地区的大小最初固定为 75 人，增长到 660 人。这将是当前工作的固定值，因此作为比较或优化的点被剔除。至少要固定一个性能参数，以便对其余参数进行优化，我们选择地区支持的人数作为固定值。
2.1 位置数量 - 对于第一个位置，该位置固定在一个温带环境中的一个位置，因此它也被从比较中删除。
2.2 增长 - 我们将此参数保留为设计选项的变量，目标为 11%。
2.3 改进的技术 - 我们保留了这五个参数中的所有参数，目标为每个参数的 85%。
2.4 生活质量 - 我们保留了此参数，目标为每人国民生产总值等值 156,000 美元。
2.6 资源 - 我们保留了此参数，目标为（材料和能源生产）/（内部需求）= 10.5。
4.1 总开发成本 - 这里只考虑地球部分，因为单一位置位于地球上。我们将此保留为关键参数，目标为每人 890,000 美元 x 75 人 = 6600 万美元。这是外部销售净额的峰值数字。
4.2 新位置成本 - 同样，这里只考虑地球部分，我们将其保留为关键参数。目标为每人 76,000 美元 x 75 人 = 570 万美元，用于第一个位置。
4.3 地球发射成本 - 我们跳过此参数，因为此位置位于地球上。
5.1 技术风险 - 我们将其保留为开发过程中的重要参数，目标是在原型硬件得到验证后达到 5-10%。
6.1 新位置风险 - 我们将其保留为设计参数，目标是在技术开发结束时达到 38% 的相对伤亡风险。
6.2 人口风险 - 我们保留了此参数，但由于规模仅为总计划的 0.05%，因此我们只考虑对最近 350 万人口的影响。目标是对一般人口风险降低 17%，但这可能难以实现。
7.1 生物圈安全 - 我们保留了此参数，但再次将目标降低至 0.05% x 178,000 = 89 个物种得以保存。
7.2 生存能力 - 我们保留了此参数，但将目标调整为 0.0085%，以补偿关键风险。

我们将考虑增加一个用于生产的参数。

2.3 启动复杂性 - 种子工厂中不同类型的设备越少，意味着要设计的和维护的物品类型就越少。由于产品通常至少由几种不同的材料制成，因此我们假设一组 5 台启动机器将获得 100% 的分数。对生产方法的调查表明，大约有 220 种物理制造工艺和 60 种化学单元操作和反应类型。我们不希望在种子工厂中拥有所有 280 种工艺，因此，对于拥有 60 种启动物品的种子工厂，其得分将为 0%。我们通过公式得分 = 160% - (40% * ln(NP)) 进行插值，其中 NP 是种子工厂中的工艺数量。因此，需要所有已知工艺的种子工厂的得分最差为 -65%。我们将使用 1 分的相对权重，以及其他技术参数。

为了保持一致性，我们保留与项目级度量相同的权重，这导致名义上的最高得分为 79 分，设计目标为 85%，即 67 分。

功能分析

对于此分析，我们将位置作为一个整体视为系统，并在其周围划定边界以将其与外部环境隔离开（图 5.3-1）。跨越系统边界的输入和输出流来自物理环境和人类文明的剩余部分，包括在阶段 0 中开发的技术。在此系统边界内，我们之前已经确定了生产、居住和运输三个顶层功能。在这个级别上可能还有其他未确定的功能。我们没有显示功能之间的流量或与系统边界的流量，因为这将使图过于复杂。相反，我们使用电子表格，将图中每个流量和框作为行，以及构成该项目各种资源作为列。我们 **桌面空间项目上的输入-输出模型** 在 Sourceforge 上是一个通用版本的电子表格，并且 **温带位置模型** 是正在为这项研究开发的特定模型。设计必须满足总流量和功能之和为零的规则，其中输出具有正值，输入具有负值。否则，某些东西将毫无解释地出现或消失。强制执行此规则可确保识别和说明所有必要项目。

接下来，我们将顶层功能分解为其下一级部分。我们以一种似乎很自然的方式通过功能类型进行了分解。功能分析的一部分是确定需要做什么，但不排除可能的 **如何** 实现任务的设计解决方案。因此，功能的命名是按照任务来命名的，而不是按照实现任务的方法来命名的。图 5.3-2 到 5.3-4 显示了下一级的分解。同样，我们没有尝试显示功能之间的流量，因为插图中会有太多流量。应该理解的是，每个框将有多个流量进入和离开，并且详细信息将在我们的电子表格中进行跟踪。分解功能可能有多种方法，导致满足功能的不同设计，但我们将首先尝试这种方法，然后再查看其他方法。由于这项研究特别关注生产功能，因此我们可能会对图 5.3-2 中所示的内容进行更详细的分解。

功能描述

除了图表外，我们还编写了功能描述，以进一步解释其作用。它们根据更一般的“人类扩张”项目方案进行编号，以与以后的工作保持一致。

F.2.1.1.1 提供生产能力

（已移至第 5.2 节）

F.2.1.1.2 提供居住能力

（已移至第 5.2 节）

F.2.1.1.3 提供运输能力

（已移至第 5.2 节）

需求分配

将需求分配给功能

我们现在采用上面在需求分析中列出的需求，并将它们分配给更低级的功能，以创建每个更低级功能负责满足的更小子集。所有这些需求都将在该位置增长结束时得到完全满足，并且在增长之前尽可能地得到满足。

设计增量 - 首先为 75 人提供支持，并在第一地点每年增加 75 人，以达到总共 660 人。分别分配给 F.2.1.1.1、.2 和 .3 作为“分别为每年 75 人提供 [生产、居住、运输] 能力”。
增长能力 - 在启动后提供每年 11% 的增长能力。仅分配给 F.2.1.1.1 生产作为“生产能够每年增加 11% 产量的新的设备”。新设备将需要外部组件，增长按产出的经济价值衡量。需要多年才能完成的增量将在这些年内进行分配，以计入目标。
当地资源使用 - 使用 85% 的当地物质和能源。仅分配给 F.2.1.1.1 生产作为“通过经济价值，从当地资源提供位置物质和能源需求的 85%”。
自我生产 - 在当地生产 85% 的经济价值。根据位置劳动力如何决定工作来分配到生产和居住/运输功能之间。
循环的质量流 - 重用 85% 的质量，不包括燃料。分配给所有三个主要功能，以 15% 的质量上限来限制未使用的废物流。这可能需要对水和食物以及由此产生的废物进行高度循环利用。
自动化 - 相对于美国平均水平，劳动力时间减少 85%。分配给所有三个主要功能，生产区域的减少幅度最大。家庭维护和食物准备方面可能会有一些收益，并且自动化运输应该是可能的。
自治 - 位置所需操作的 85% 的控制来自当地来源（人类和控制设备）。
启动复杂性 - 启动机器组中目标为 7 台设备。这计算了主要的机器项目，不包括附件头、钻头、工具或传统的小型车间工具。
生活质量 - 人均 GDP 等值 156,000 美元（2013 年 1 月基准）。分配给主要为居住和生产的组合，以及可能为运输的一小部分。GDP 等值是指将内部生产和使用的物品按其市场价值计算，并增加产品的外部销售和服务，包括内部运营不需要的剩余劳动力。
资源 - 材料和能源生产/内部需求的长期比率为 10.5:1。分配给生产功能。剩余的生产用于位置增长或出售以获取收入。
开发成本 - 温带位置的最高净开发成本为 6600 万美元，分配给所有三个功能，但大多数可能在生产之下。净成本是在开发期间任何销售后的成本。
位置成本 - 每人 76,000 美元，分配给所有三个功能。这是在开发后建设第一个位置的经常性成本。
技术风险 - 性能和设计不确定性为 7.5%，分配给 3 个主要功能。在开发结束时，目标是将不确定性降低到这一水平。在开发开始时，它将更高。
位置风险 - 相对于美国平均水平，生命和伤亡风险为 38%，分配给 3 个主要功能。
人口风险 - 对最近 350 万人口的人口风险降低 17%。自我降低计入此目标，但一般风险降低可能难以在小范围内实现。分配给所有三个功能。
生物圈安全 - 保护 89 个物种超出其正常环境范围，无论是存储还是生活。根据物种，分配给生产和居住之间。
生存能力 - 为文明等级的关键风险提供 0.0085% 的补偿。分配给生产功能。可能的领域包括资源枯竭或碳减排，但这将是一个艰难的目标。

按功能收集分配的要求

注意：表格已移至第 5.3 节

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