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系统建模

注意：关于系统建模的总体讨论已移至第 4.2 节。

建模方法

该模型由函数和连接函数、外部输入和输出的流程组成。每个函数输出某些流程，并需要传入流程来生成输出。按照惯例，传入的所需流程分为约束、输入和机制。约束控制函数执行任务的方式。输入由函数转换为输出。机制是执行转换的元素，但本身不会发生变化。例如，要制作金属零件，计算机绘图可能是约束，金属块和电力可能是输入，计算机控制的 3 轴铣床是机制，而成品零件和金属屑是输出。

图纸 - 在图纸形式中，惯例是将函数显示为方框，将流程显示为箭头，约束、输入和机制分别从顶部、左侧和底部进入，输出从右侧出去。流程可以合并和拆分，只要前后总数匹配即可。图纸有助于可视化系统中的交互，但本身不提供设计解决方案。

电子表格 - 在电子表格形式中，我们采用这样的惯例，将函数方框以及进入和离开它的流程作为一个整体列出为行。如果存在设计替代方案，则它们是额外的行，应用百分比使用因子。这对于给定替代方案可以从 0 到 100%，允许不同的混合。列代表构成流程的不同类型的资源。在之前的示例中，kg 原金属和 kWh 电力将是资源。资源消耗得到负值，资源供应得到正值。最终所有列必须加到零，这意味着每个使用过的资源都需要从某个地方获得供应。然后，模型在会计意义上实现“平衡”。我们通常从期望的输出开始，反向找到所需的输入，从分配的需求开始。由于生产功能向所有三个功能提供输出，包括自身，因此我们将首先找到居住和运输功能所需的资源。这将有助于确定所需的生产输出。通过改变替代设计的公式，我们帮助确定哪些设计是首选。

本研究中开发的电子表格的最新版本可以在 Sourceforge 上的桌面空间计划中找到，因为维基教科书无法存储电子表格文件。此类模型的通用模板名为输入-输出模型，本研究中改编自该模板的一个模板名为温带地区模型+版本日期。这些文件采用 Microsoft Excel 2010 格式。构建电子表格的信息将逐步开发，因此即使在本研究完成之后，它也将不完整。在像这样的概念级研究中，并非所有可能性都可以考虑，也并非所有数值都可以精确确定。相反，模型的当前版本代表了当前对设计的了解状态。

时间和顺序 - 建立一个地点并添加生产要素涉及时间维度，而给定的电子表格往往显示特定时间点的交互。为了将时间维度添加到模型中，一种方法是在一个文件中使用多个工作表，或者使用多个电子表格文件来表示不同的时间。这可能被证明很笨拙，其他软件将是更好的方法。这些选项包括施工和制造计划软件、仿真和分析软件或自定义软件。如果被证明必要，我们会将该选择留待以后。

优化和选择 - 在模型中包含足够详细的信息后，可以通过操作模型中的值来开始对替代方案进行优化和选择的过程。我们的方法基于给定选项在时间上满足评估标准的程度。一种导致更高的积分得分 x 时间函数或更快达到预期得分的选项是首选。由于我们无法准确预测尚未开发的技术的性能，因此所得评分将存在不确定性。如果包括不确定性后，选择在评分上重叠，我们将保留多个选项，并确定要进一步开发的技术以降低不确定性。也可以根据技术在评分方面提供的潜在收益对其进行排名，从而确定优先处理哪些技术。外部技术开发将与这样的计划并行进行，并且我们不知道自己的开发结果直到它完成。因此，任何做出的选择都可能会进行修订，并且系统建模过程应该持续进行或定期更新。

居住建模

F.2.1.1.2 提供居住能力 - 在这里，我们将讨论居住功能的一般项目。

• 需求 2.3 自我生产 - 有一个分散的需要，要求从该功能中产生该地点经济价值的 12.75%。我们将假设这将是酒店和餐馆类型的酒店业、业主和租赁空间的租赁以及不涉及生产功能的当地工作（办公室和商业）。这些将需要物理空间和资源，这些资源将分配到更低级别的功能。业主自住的空间部分计入经济价值，但这并不意味着资金会发生转移，因为没有理由付钱给自己。
• 需求 2.4 生活质量 - 将居住价值设定为 400,000 美元/人目标。这是从等效 GDP/人 (156,000 美元) x 美国平均房价与收入比率 (2.6:1) 获得的。这将在子功能之间作为约束进行分配，并成为 F.2.1.1.1.7 组装元素的输出。
• 需求 4.1 开发成本 - 将居住的开发成本设定为 20% x 890,000 美元/人 x 75 人 = 1,335 万美元一次性开发目标，净销售额。开发费用是该地点的资金输出，费用分配成为子要素的约束。开发资金和开发初期的销售额是该地点的投入。我们假设地点增长是通过复制为前 75 人开发的项目来实现的。
• 需求 4.2 地点成本 - 将居住的重复净地点成本设定为 40% x 76,000 美元/人 x 75 人 = 228 万美元目标。这仅计算外部成本，不计算内部生产，内部生产应提供大部分完工价值。包括土地成本。
• 需求 5.1 技术风险 - 将性能和设计不确定性设定为 7.5% 目标。我们将此分配给 F.1.4 原型系统，作为风险分析报告的一部分，作为数据输出。
• 需求 6.1 地点风险 - 将居住的内部生命和意外风险目标设定为美国平均值的 38%，这是一个积极的目标。我们将此分配给 F.1.4 原型系统，也作为风险分析报告的一部分。满足这一目标的方法包括更好的消防安全和更高的结构强度。

F.2.1.1.2.1 防护外部环境 - 这包括被动防护天气、水和昆虫，以及所有居住要素的结构支撑。

• 需求 1.2 居住规模 - 由于其所依托或建成的土地是结构支撑的一部分，因此我们将土地作为该功能的投入。从分配的需求来看，我们需要 1,000 平方米（0.247 英亩）/人或 75,000 平方米（18.53 英亩）/年，最高 660,000 平方米（163 英亩）。这包括私人生活空间、游乐场和公园等社区区域以及连接的交通路线的土地。这不包括生产功能的土地，生产功能也需要大量土地，尽管它们可以重叠。例如，果树和坚果树可以提供一些食物，也可以作为装饰，一些规模较小的生产可以在私人生活空间进行。为了保守起见，我们将假设所有生产都需要自己的土地分配。因此，我们将模型输入 I.1 设置为“供应居住用地”并将公式基于人口数量。
• 需求 7.1 生物圈安全 - 目标是帮助保护地球物种免受人类侵犯或环境变化的影响，使其脱离自然环境。这对整个文明来说是一项服务。目标是 50% x 89 种物种要么活着要么储存（种子或遗传种群/胚胎）。剩下的 50% 由生产功能提供。这可以通过植物园和动物园设施、温室和宠物来实现。

F2.1.1.2.2 控制内部环境 - 这包括控制输入和传感器（例如恒温器）以及实现所需变化的主动硬件（例如 HVAC 系统）。被动隔热包含在上一个功能中。照明和窗户是主动系统的一部分，因为它们可以操作。

• 需求 2.3 自主性 - 这将内部控制 85% 的居住功能设定为目标。我们将其分配给此功能。我们很可能可以通过结合人类和自动设备（例如恒温器）来达到 100%。

F.2.1.1.2.3 提供食物和饮料 - 包括食物本身，以及当地储存、准备、供应和处理的规定。一部分食物可能会在居住区（花园或附带的温室）种植，但大部分预计来自生产或外部来源，这些来源成为该功能的投入。饮用水供应是该功能的一部分。食物准备废物和清洁是输出。机制可以包括标准厨房设备以及自动化/中央食品系统。

• 需求 2.3 自动化 - 从这项需求中，我们希望将人工劳动减少 85%。在食品饮料领域，这可以通过自动化厨房来实现。为了减少重复硬件，我们将假设一个集中的自动化厨房，并配备一个家庭配送系统。对于喜欢烹饪的人来说，仍然可以使用个人厨房。

F.2.1.1.2.4 保持健康 - 此功能包括睡眠、卫生和锻炼等基本任务，以维持人类健康。我们将把“供应居民”列为输入，意味着是提供人类本身，而不是向他们提供物资，并且将部分人类作为劳动输出。在本阶段的建模中，我们将忽略出生、死亡和家庭搬迁，尽管这些因素在某些时候显然会很重要。

• 需求 2.3 循环流 - 我们发现，该地点整体产生的废物输出量不超过 15% 的质量，该功能的输出量和提供食物和饮料的输出量将用于生产回收的水和固体。

F.2.1.1.2.5 提供个人物品 - 这包括个人生活和存储空间，以及公共空间。生活空间的规模会将建造和运营空间所需的材料和能源输入到“组装元件”和“提供电力”功能中，并将完成的居住元素作为“组装元件”的输出。

• 需求 1.2 居住规模 - 该程序级需求的程序规模（以支持人数计）已部分分配给居住部分，然后进一步细分为土地和生活空间需求。我们假设每个人拥有 200 平方米的总生活空间。这是根据生活质量高目标和美国生活空间平均值推算出的，并将其投射到我们更高的GDP目标。我们进一步将这分为 160 平方米的私人空间和 40 平方米的公共空间，按人计算。在技术开发和场地建设期间，我们假设 15 平方米 x 75 人 = 1,125 平方米的公共空间用于临时办公和存储，这些空间将在稍后移至更永久的位置。

F.2.1.1.2.6 提供信息 - 这包括教育、娱乐和一般信息。我们假设强大的带宽、存储和处理能力，这些能力将在整个地点与其他功能共享。

运输建模

F.2.1.1.3 提供运输能力 - 下面的六个子功能存在的原因是，可能使用不同的方法来执行每个子功能。但是，并不需要使用不同的方法，它们可以由共享硬件设计来实现，如果这样证明更优化的话。

• 需求 1.2 运输规模 - 需求是在该地点为 75 人提供所有内部和外部运输。这将分配到更低级别的功能。它包括在本地建造的运输元素和从该地点外部进口的运输元素。
• 需求 2.3 自行生产 - 分配的需求是从该功能中产生 10% x 85% = 8.5% 的该地点总经济价值。这包括用于本地居民和运营的运输服务的价值，以及提供给外部用户的任何运输。
• 需求 2.3 循环流 - 需求是将运输元素的未回收质量限制在 15%（不包括燃料）以内。这并不包括货物质量。如果燃料可以在生产中产生，则可以升级为包括燃料，但否则仅限于维护项目和磨损的车辆。在生产/组装中产生一个用于车辆维护的功能。
• 需求 2.3 自动化 - 目标是将运输的人工劳动减少 85%。这将应用于更低级别的功能，尤其是内部运输。这将需要自动化运输来完成基本任务，例如割草、垃圾和食物配送。
• 需求 2.3 自治 - 目标是本地控制 85% 的运输。这包括手动人工控制和自动化控制。
• 需求 4.1 开发成本 - 这为运输设定了一个目标，即 20% x 890,000 美元/人 x 75 人 = 1,335 万美元用于一次性开发，不包括销售额。这将成为该地点的资金输出，并且需要相应的资金来源作为输入。
• 需求 4.2 地点成本 - 为运输设定了一个目标，即 20% x 76,000 美元/人 x 75 人 = 114 万美元用于该地点的经常性成本。这仅计算外部成本，不包括内部生产，内部生产应该提供大部分最终价值。
• 需求 5.1 技术风险 - 为运输设定了一个目标，即 7.5% 的性能和设计不确定性。我们将此分配给 F.1.4 原型系统，作为风险分析报告的一部分，作为数据输出。
• 需求 6.1 地点风险 - 为运输设定了 38% 的美国平均水平的内部生命和伤亡风险目标，这是一个积极的目标。我们将此分配给 F.1.4 原型系统，作为风险分析报告的一部分。实现这一目标的两种方式是让人们远离车辆（自动化）和降低速度。
• 需求 6.2 人口风险 - 为最靠近的 350 万人设定了 25% x 17% 的人口风险降低目标。这是一个很难实现的目标。

F.2.1.1.3.1 运输散装货物 - 对于该地点的初始建设，我们根据主要由混凝土、木材和其他标准建筑材料制成的居住元素估计每平方米建筑面积 1 吨，平均配送距离为 30 公里。因此，我们需要 200 吨/人 x 75 人 x 30 公里 = 450,000 吨公里。生产元素待定 (TBD)。建设完成后，我们估计每年将有 3% 的初始建设用于维护和改造，因此为 1,3500 吨公里。散装货物在运输过程中不需要特殊的保护，相当于敞篷货车车厢。这些估计可能需要在有更多数据时进行修改。

F.2.1.1.3.2 运输离散货物 - 这包括需要保护免受环境、运输冲击和震动影响或需要特殊包装的单个物品。离散货物通常比散装货物尺寸更小，因此可以一次配送多个物品。它包括家具、电子产品、危险化学品和食品等物品，这些物品在配送过程中需要一定程度的保护。对于家具和电子产品，我们最初将估计为 200 公斤/平方米 + 每年 3%。食品我们估计为每人每年 500 公斤。危险物质待定。同样，这些估计可能需要进行修改。

对于该地点内散装货物和离散货物的内部运输，我们假设移动运输（车辆）和固定运输（管道和输送系统）的组合。应考虑架空、地下和铁路系统，以减少土地影响。所需数量待定。

F.2.1.1.3.3 运输人类 - 由于居民的大部分工作和生活需求将在该地点完成，我们初步估计所有用途将需要 50% 的美国平均驾驶里程 21,700 公里（13,500 英里）。需要客车作为运输工具。

F.2.1.1.3.4 运输能源 - 这包括有线和无线电力分配，以及便携式电源，例如电池和储热能。

F.2.1.1.3.5 运输液体和气体 - 这些物品需要密闭容器或固定管道进行配送。它包括水、天然气和液体燃料。

F.2.1.1.3.6 运输数据 - 这包括所有形式的所有类型数据，包括电子数据和非电子数据。法律权利和金钱通过数据传递，因此也包括在此。

生产建模

对居住和运输的考虑已经对所需的生产规模有了一些了解，现在我们可以在此基础上增加生产自身的需求以及剩余产出目标。

F.2.1.1.1 提供生产能力 -

• 需求 1.2 生产规模 - 设定一个目标，即每年为 75 人生产生产（自身）、居住和运输所需的完工元素，总计 660 人。然后，生产任务就是减少从外部提供的这些不太完整的元素，这些元素的持续供应量名义上为 15%。设备的起始套件（种子工厂）以及初始附件、位元、工具和传统的小型车间工具 100% 从外部供应。在逐步提高到全面生产期间，从外部供应的比例逐渐降低。这项需求将分配到所有更低级别的功能中。
• 需求 2.2 增长 - 设定了一个目标，即以每年 11% 的复合增长率提高产能。这还包括为 75 人每年生产所需的完工元素，以及每年 4% 的已完成元素所需的持续维护和改造。
• 需求 2.3 自行生产 - 设定一个目标，即从生产中产生 75% x 85% = 63.75% 的该地点总经济价值。剩余部分由居住和运输功能以及 15% 的居民在该地点外部的工作来解释。在从起始套件开始逐步提高生产能力的过程中，来自外部工作的比例会更高。
• 需求 2.3 复杂性 - 设定一个目标，即起始套件（种子工厂）中最多有 7 个主要生产设备，不包括上述 1.2 中列出的项目。在逐步提高到全面生产水平的过程中，可以使用自产元素和外部元素的组合添加任意数量的设备，以实现生产目标。起始套件中的项目应该尽可能灵活，以涵盖广泛的输出。后来的添加可以更专门化和专用。
• 需求 2.4 生活质量 - 产生 63.75% x 156,000 美元 = 100,000 美元/人的生产产出价值，包括内部使用的项目和产品的外部销售。上面的 2.3 自行生产需求定义了主要功能之间的百分比分配。这项需求设定了产出的价值。生产 + 居住 + 运输 + 外部工作应总计为 156,000 美元的价值。
• 需求 2.6 资源 - 这设定了一个长期目标，即生产 10.5 倍的内部材料和能源需求，即 9.5 倍的剩余量。最初，这个目标被分配给所有较低级别的功能，但在全面分析后，它可能以不均匀的数量出现。在初始建设之后，我们将假设 3% 的结构和 5% 的车辆和设备将被完全使用，需要维护或改造。以 4% 的混合率计算，我们初步估计总生产能力为地点材料/年的 42%，以实现所需的剩余量。
• 需求 4.1 开发成本 - 预计生产将是该地点设计中最复杂的部分。因此，目标设定为 60% 的总温带地点开发成本 x 890,000 美元/人 x 75 人 = 4000 万美元。由于这是一个温带地点，因此没有使用困难地点的增加。
• 需求 4.2 地点成本 - 在逐步提高生产能力之后的目标是 40% x 76,000 美元 x 75 人 = 228 万美元，用于生产的经常性成本。最初为前 75 人逐步提高生产能力的内部生产量会更少，因此我们暂定使用平均 42.5%，因此 (57.5%/15%) x 228 万美元 = 875 万美元，这是第一个增量的地点成本。
• 需求 5.1 技术风险 - 将性能和设计不确定性设定为 7.5% 目标。我们将此分配给 F.1.4 原型系统，作为风险分析报告的一部分，作为数据输出。
• 需求 6.1 地点风险 - 为生产设定了 38% 的美国平均水平的生命和伤亡风险目标。
• 需求 6.2 人口风险 - 为最靠近的 350 万人设定了 75% x 17% 的人口风险降低目标。或者为整个地球提供较小的风险降低。这是一个很难实现的目标。
• 需求 7.2 生存力 - 为文明等级关键风险设定 17% 的补偿目标，乘以 (75 人 / 150,000 总人数，第一阶段) = 0.0085%，用于此设计。一些候选方案包括：为专门的小行星望远镜做出贡献，在气候带移动之前种植树木，提高反照率或二氧化碳去除系统以降低气候影响，或改进采矿以缓解资源枯竭。

F.2.1.1.1.1 控制位置 - 此处提供对所有运营任务的控制，包括居住和运输。它包括计划和分析等业务功能，实时控制，显示和数据收集。它通过人类、自动化和软件命令及操作的混合方式实现。

• 需求 2.3 自动化 - 目标是将人工工作时间减少 85%。这将需要广泛的控制软件并与位置的其他部分连接，以感知状态并发出命令。在增长期间的初始自动化水平可能很低，但会随着时间的推移而增加。此需求还分配给其他功能以执行命令的操作。
• 需求 2.3 自治 - 目标是控制 85% 的生产运营和维护。在初始增长期间，可能需要更多外部计划和实时控制。

F.2.1.1.1.2 供电 - 这包括为位置的所有部分提供电力、热力、液压和其他形式的能量。可能的来源是光伏、太阳能热能、风能，以及可能的生物能源。目标是生产 10.5 倍于内部需求的能量。

• 需求 2.3 本地资源 - 这设定了一个目标，即至少从本地资源提供 85% 的材料和能源需求。再加上盈余的目标，我们可以优化物理产品和能量之间的产出，以获得最佳的经济价值，但每个都至少有 85% 的底线。

F.2.1.1.1.3 提取材料 - 这包括开采、水和空气收集，以及从温带位置收获有机产品，无论是通过使用内部设备从拥有或租赁的土地上获得。

• 需求 2.3 本地资源 - 如前文所述，有一个最低目标，即提供 85% 的持续需求，但希望在直接材料或更多成品方面有很大盈余。

F.2.1.1.1.4 加工材料 - 这包括将原材料转换为成品库存。预计将使用各种化学、机械、热和其他工艺。体积由后期的生产步骤以及对盈余产量的渴望决定。

• 需求 2.3 循环流动 - 除了加工前一个功能中提取的新材料之外，还有一个目标，即对位置的 85% 的废物输出进行再加工。因此，其他功能需要考虑如何处理废物的设计。

F.2.1.1.1.5 制造零件 - 这包括通过多种工艺将准备好的材料转换为成品零件。具体的工艺和数量将由其他功能和自身的需要，以及满足盈余生产和生活质量目标而决定。此功能需要进一步细化。制造的输入来自外部供应、加工材料和库存。它包括消耗品，如切削刀具和切削液。输出将用于库存或组装元件以形成成品零件，并将加工材料或废物输出用于废料和使用过的液体。在定义制造机制以进行制造时，我们需要根据灵活性以及体积和价值方面最大的需求来选择一组入门套件，然后在扩展套件中依次添加。每个套件内用于制造的机制可以按类型划分为类别，包括

• 主要固定设备和机器，如三轴数控机床。
• 辅助固定设备，如用于测量和研磨的设备。
• 设备附件，如安装板和旋转台。
• 夹具，如用于奇形怪状的自定义支撑。
• 便携式手工具、电动工具和测量仪器。

F.2.1.1.1.6 库存 - 此功能为目前未使用的材料、零件和完工物品提供存储，并为生产的其他部分提供环境保护和控制。总存储量由组装、维护和生产计划的需求，以及任何季节性或批量需求决定。存储可以按环境需求划分为类别，范围从户外（无保护）、庇护（仅防雨）、封闭和空调（温度/湿度）等。它还可以按负载/面积和物品尺寸划分为类别。诸如化学品之类的物品将需要特殊的存储规定，以确保安全性和物理兼容性。由于存储已经需要提供不同级别的环境控制和负载能力，因此我们将其他生产功能的需求分配给以获得总的土地和建筑面积。

存储的输入将来自提取材料、加工材料、制造零件和外部供应。存储的输出将用于加工材料、制造零件和组装元件。机制将是人工、遥控和自动化元件、机器人元件以及静态存储元件，如建筑物和货架。

F.2.1.1.1.7 组装元件 - 这包括组装和建造，最终形成完整的新品元件或维护现有元件。它接受来自内部生产的新品件和材料，以及从外部供应的材料。它还接受需要维护或修改的现有元件。任何需要的拆卸都包括在此处，因为通常使用与组装相同的工具。使用过的零件如果可以返工，则返回零件制造，作为废料进行材料加工，或作为程序废物输出。执行组装功能的机制可以包括人工、机器人、自动化工艺以及专门的组装设备和工具。组装任务的规模包括

• 每年为 75 人提供足够的新的居住、运输和生产元件，减去 15% 的外部供应物品。
• 为生产增长提供足够的新的生产元件，生产按年复合增长 11%。
• 生产出足够的产出，以满足分配的盈余资源目标部分，或满足生活质量水平，以较高者为准。
• 生产出足够的产出，以满足现有物品的维护和修改，假设现有位置元件的 4% 的水平。

F.2.1.1.1.8 种植有机物 - 这包括种植微生物、植物和动物，直到收获，之后将它们送往加工材料或存储。它包括传统的户外种植、温室和室内设施。主要输出可能是居民的食物，生产用的木材，以及可能用于燃料。此外还将分配盈余产出的部分。

• 需求 7.1 生物圈安全 - 这是保护物种以及居住的剩余部分。分配的目标是 50% 的 89 个物种，要么是活的，要么是存储的（种子或遗传种群/胚胎）。这很可能通过温室或生物存储来实现。

对于土地需求，我们可以假设 50% 的卡路里来自花园/温室空间，每人 350 平方米，50% 的卡路里来自田间作物，每人 500 平方米，因此总共每人 425 平方米，或 32,000 平方米。为了供应 85% 的居民食物目标，我们将假设肉类和乳制品是从外部获得的。在良好的管理下，南部混合森林的生产力为 1.5 公斤/平方米/年 = 1.5 毫米厚度的绿木。我们每年需要 9 毫米的木材来维护和修改建筑物，因此我们需要 6 倍于建筑面积的森林。仅对于居住部分，这相当于 1200 x 75 = 90,000 平方米，因此是主要的土地面积。我们不会计算从居住地本身砍伐的任何木材，并将其视为盈余或奖励。建造初期需要更多的木材，我们假设这些木材来自储备丰富的木材林，在建造过程中会进行间伐，并在之后进行维护。如果建造初期需要额外的木材，则从外部获得。