5.1 - 个人生产：需求

系统需求

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 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最终项目应该做什么。这些需求被组织成不同的类别，并编号以便日后参考。它们是用扩展后的系统来描述的，即系统已达到完全能力。种子工厂是增长的起点，将在设计过程的后期通过从所需的最终目标反向推演来确定。

在每个需求的文本之后，有一些解释说明它的来源以及更多关于它的细节。设定需求没有“正确答案”。它们是试图满足将使用最终设计的人们的目标和愿望。在本例中，特定需求集源于一个更大的计划框架，用于提高生活质量并维持可持续和不断扩展的文明。在概念设计阶段，项目设计师通常必须充当最终用户的代理人。用户可能尚未确定，并且还没有信息知道他们想要从自我扩展的自动化中得到什么。我们相反，对他们希望得到什么进行了最佳估计，一旦他们被提供有关该项目的信息。之后，当用户被确定后，我们可以获得他们对目标和需求的直接输入。

尽管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做到的起点。更新后的基线需求集将是项目概念设计阶段的输出。在此阶段，我们将根据需要对实际情况进行调整，识别需要进一步发展的领域，并在识别新的需求时记录它们。

1. 目标

• 1.1 项目目标 - 该项目应提供一个本地拥有和运营的个人生产系统，该系统支持所有者及其周围社区的需求和愿望。

这设定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) 类型的需求。需求要么满足要么不满足。本地一般意味着“在几个小时的车程范围内”，或大约一个大都市区及其周边地区。这将在以后更加明确。

• 1.2 项目规模 - 在满负荷的情况下，该系统应能够满足 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大小，这样你就可以朝着明确的设计目标努力。初始规模将小得多。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、朋友以及偶尔的顾客，可以为他们制作东西。2640 人的特定目标是有点任意的，但它是基于历史上建立新社区的例子。这个想法是，一个足够大的社区将拥有操作各种生产机器所需的技能，并处理其他必要任务。如果后来的设计工作表明这个数字要么太小，要么太大，可以更改。但我们需要在设计的第一轮中为数值需求设定初始值。

• 1.3 选择 - 项目使用的具体物理场所及其内部组织、功能和操作应由项目所有者和场所居民在设计约束范围内选择。

本需求的目的是，设备的所有者/运营商将选择其建造地点和操作方式，而不是这些决定由外部做出。工厂元素的完整设计为他们提供了选择场所的起点，但最终的选择权将掌握在他们手中。设计约束包括分区和建筑法规，这些法规限制了设备的类型和位置。

2. 性能

• 2.1 位置 - 该系统应设计为在佐治亚州亚特兰大 合并统计区 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。以后的例子将扩展到更广泛的位置集，因此将具有更广泛的设计环境。亚特兰大 CSA 的直径约为 240 公里（150 英里），这使得在该位置内从一个点到另一个点的合理出行时间成为可能。

• 2.2 增长 - 该系统应能够在初始启动后每年至少将生产、运输和居住能力提高 5%。

为了使设计对所有者有吸引力，它应该能够不仅仅是维持自身，而且要有足够的增长空间。额外的产能可用于增加社区规模、启动新地点或生产出售的商品。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套件开始运行和达到满负荷容量的 10% 之间。在这个早期阶段，可用的机器类型和社区内的技能较少，因此在此期间允许较低的增长率。所测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其他人可以加快增长速度。

• 2.3 改进技术 - 该系统应以渐进的方式提高其自生产、循环流和自主性水平。

我们不期望创始社区和初始设备具有与满负荷容量相同的性能。本需求设定了工厂随着发展而逐渐提高的技术性能。我们目前将自生产、循环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，从当地资源中提供社区需求和愿望的 25%。

这通过从当地来源供应材料和能源来详细说明上面的 1.2 项目规模。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。为了满足父需求（2.3）的渐进式改进，我们在达到满负荷容量的 3%、10% 和 30% 时，将需求满足目标设定为 6%、12% 和 18%。因此，对于一个 80 人的社区，也许有 20 个所有者/运营商，我们希望满足他们需求的 6%。改进与容量的几何增长相关联，因为首先会制造更容易的产品，然后复制机器以增加容量，这不会增加产品的范围。能够满足需求定义了设计能力。人们是否实际使用设备来达到其满负荷容量取决于个人情况和选择。

• 2.3.2 自生产 - 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。

上一条需求涵盖了资源供应。本需求涵盖了产出的经济价值，包括所有者作为运营商的工作。同样，我们认为 25% 是一个合理的满负荷容量水平，具有与上一条需求相同的部分目标。参与度将在整个社区中有所不同，从休闲到专心，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。通过一定程度的自动化，完成这两项工作所需的时间应该是可能的。启动套件和启动阶段的增长（前 10% 的容量）可能只支持爱好级别的生产，而在满负荷容量时，它将支持更实质性的贡献，相当于第二份收入。我们认为，逐步转向自生产比试图一次性做到这一点更可行。一次性示例是殖民地或公社，在那里每个人都 100% 地投入到新的努力中。这些往往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 - 该系统应能够通过质量计算，回收和再处理社区生产、运输和居住的当地废物流的 25%。

本需求来自多个来源。从长远来看，闭环流更可持续。它们的投入成本更低，因为你不必为那么多新的投入付费。与线性（一次性使用并丢弃）流产生的废物相比，它们的处置成本也更低。我们预计，生产设备处理材料的能力和自动化程度将使回收在经济上变得廉价。25% 的目标再次是在满负荷容量下。

• 2.3.4 自动化 - 该系统应能够相对于美国平均水平将人工需求减少 25%。

从生活质量的角度来看，自动化是可取的 - 更少的投入产出更多。所有者/运营商不必担心自动化会使自己失业，因为他们拥有生产权。更少的工作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，25% 的劳动力的自动化减少对于第一代项目来说是一个合理的水平。它假设一定程度的生产集成，以便生产步骤之间的转移可以自动化，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，一个自动化的花园可以高效地生产食物，但有人可能选择手工园艺以获得乐趣或锻炼。

• 2.3.5 自主 - 该系统应能够在本地控制至少 25% 的生产、运营和维护功能。

这部分来自于对所有者选择的渴望以及能够在与结果共处的人们的控制下运行事物的能力。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选择通过远程控制操作系统的一部分。

• 2.3.6 复杂性 - 起始套装应包含不超过 8 种类型的定制生产元件，不包括附件。

该项目的增长路径之一是将产品多样化到数百种可用的新类型设备和流程。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性。另一方面，我们不希望从太少的东西开始。例如，理论上我们可以从零生产元件开始，从手工制作的石头、树枝和火开始重建技术，但这很不实用。折衷方案是从每项主要生产功能开始大约一个定制设备，以便在系统内实现一个相当完整的生产链。任何类型的正常运作生产系统都需要额外的附件、钻头、消耗品、工具和小工具，但这些不计入此总数。我们只指的是为该项目设计的定制设备。任何人们可以购买或制造的标准物品也不计入。

• 2.4 改善生活质量 - 该系统应能够支持相当于美国平均水平高 25% 的人均 GDP。

满足需求和愿望的目标没有说明食物、住所和公用事业等物品的质量水平。自然，我们希望获得高水平的质量，并且我们认为，通过自动化和自生产可以实现这一点。GDP 等效性设定了一个远高于美国平均水平的目标，并且是根据重现生活方式的成本计算的。2016 年以当前美元计的基准 GDP 为 18.23 万亿美元，人口为 3.2326 亿，因此基准值为 56,394 美元/人。现金收入不会按比例增加，因为许多产品直接交付给社区。理论上，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 25% 的需求和愿望，则等效 GDP 将比基准增长 33%。由于所有者/运营商需要做一些工作，因此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，这是在满负荷时的目标，并会逐渐增加。

• 2.5 数据 - 该系统应与当地社区及其他地方共享项目经验和数据。

作为一项首创的项目，我们希望其他人能够在获得的知识基础上进行构建，并希望反馈他们自己的经验。将其作为系统要求，确保我们在设计中包含用于收集和共享数据的流程。我们认识到个人数据需要得到谨慎保护。此要求与太阳能集热器功率输出等技术特征有关。

• 2.6 资源 - 该系统应能够输出至少 2.0 倍于内部材料和能源需求的产量。

这来自于对高效设计的渴望，该设计能够舒适地生产高于其自身维护和支持需求的产量。它还通过直接向所有者提供物品、工厂的增长或剩余产量的销售来支持更高质量的生活。这是在满负荷时衡量的，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）概念相关，但扩展到涵盖物质资源。

3. 时间

• 3.1 完成时间 - [不适用]

项目进度或完成日期通常用作基于时间的需求。在这套要求中，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，我们在系统级别将 3.1 完成时间标记为“不适用”。在项目的更详细级别，我们可能会推导出时间和进度要求，并将该要求编号（3.1）保留用于此目的。

• 3.2 运行寿命 - 该系统将设计为无限期运行，并进行维护、维修和更换部件。

该项目旨在成为一个永久性的来源，以满足社区的需求。因此，它将没有有限的寿命或磨损日期。由于各个元素无法设计成永远使用，因此此要求的结果是需要维护和维修任务。

4. 成本

成本要求限制了设计和构建系统的努力程度。它们是对项目价值的判断，相对于人们可以投入时间和资产的所有其他事情以及该项目将带来的效益而言。总成本分为开发成本 - 技术、原型和设计的的一次性成本；以及位置成本 - 为每个添加的单位或副本建造的重复成本。我们使用 2016 年中期的美国美元作为我们的成本要求，并已针对通货膨胀进行了调整。

• 4.1 总开发成本 - 该项目开发成本应低于 4000 万美元（针对 300 人的社区），净销售额除外。

我们的项目所属的制造业通常不会在研发方面投入大量资金。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。在缺乏更好的成本估算的情况下，具体数字是美国人均资本的两倍。这假设在 300 人规模的情况下，大多数设备不是完全新设计。开发项目成本估算是概念设计的组成部分，因此此值将更新。如果最终根据设计建造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供销售的物品。在开发期间出售的任何物品均计入成本，因此 4000 万美元将是最大净支出。

• 4.2 位置成本 - 开发后，每位受支持人员的单位位置成本应低于 66,600 美元。

这涵盖了根据其他要求，为每个受支持的平均社区成员支付的生产能力的重复成本。这是一个相对较低的数字，因为自动化和自生产旨在以更低的成本制造产品。66,600 美元旨在涵盖仍需购买的外部原材料、零件和人工。这是在满负荷时的每个人均值，并且在开始时可能更高。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。由于该项目的目标是满足人们 25% 的需求和愿望，因此我们将有形资产除以 4。这个数字也是初步的，并将随着概念设计期间开发成本估算的更新而更新。

5. 技术风险

• 5.1 风险容忍度 - 系统设计应包括完成时不超过 37.5% 的性能和设计不确定性的容忍度。

没有任何工程设计能够完全理解，或完全按照预期进行建造和运行。因此，在性能、磨损率和其他参数方面总会出现一些不确定性。技术风险容忍度是在所需性能之上设计的一个裕量，以弥补这种不确定性。换句话说，我们设计的东西比我们需要的东西多，以确保我们至少达到所需水平。风险容忍度是在设计完成并开始建造设备时衡量的。一旦系统建成并投入运行，您就会发现实际性能。在本例中，不确定性被设置为较高，因为它是一个首创项目。在设计开始时，不确定性甚至会更高。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隐患不同。

6. 安全

• 6.1 位置风险 - 该系统应具有低于美国 2016 年平均水平的社区生活和财产风险。

安全运行是一个理想的功能，并且经常受到法律强制，因此我们将其作为一项要求。这是在满负荷时实现的，适用于该项目拥有的土地和设备，以及它直接支持的社区人员。制造和运输通常伴随着风险，但我们认为，我们可以通过自动化（将人员从工作危害中移除）和安全设计（在设计阶段预防风险）来将风险水平保持在平均水平或更低。

• 6.2 人口风险 - 该系统应将自然和人为风险降低 5%，包括系统产生的外部风险。

之前的需求是针对项目对业主及其直接支持的社区的风险。而现在则是针对项目之外的其他风险。我们希望对附近的社区产生积极的影响。我们定义附近是指项目地点周围 10 公里宽的区域，其中至少 50% 的风险降低应用于最近的区域，25% 应用于下一个区域，依此类推。我们降低风险的人数等于项目社区规模。因此，在亚特兰大地区的满负荷运营中，我们正在为总人口中的一小部分人群做出积极的贡献，以确保安全。

7. 可持续性

• 7.1 生物圈安全 - 该系统应保存 178 种（物种 x 场所数量）物种，超出其现有的自然范围，无论是存储还是存活。

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。物种数量和保存它们的场所数量与项目规模成正比，因此我们在这里使用相对较小的数字。通过在超出其现有的自然范围之外保存物种，可以从对原始种群的危害中恢复过来，例如气候变化或人类发展。例如保存方法包括温室、种子库或在最近发生气候变化的区域重新种植。

• 7.2 生存能力 - 该系统应为文明水平的严重风险提供 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。如此规模的项目只能预期做出微小的贡献，因此需求值很小。例如方法包括通过回收利用来帮助解决资源枯竭问题，或通过可再生能源来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。至少我们想了解我们对整个文明的影响。通过设定一个要求，我们必须衡量我们实现该要求的程度。

8. 开放性

• 8.1 开放设计 - 在项目中开发的技术和设计方法应向其他人开放使用。特定设计实例和生产物品可能属于专有。

我们的更大意图不仅仅是支持一个本地社区，而是证明自我扩展的生产系统是可能的，并使其他人能够使用它们。我们需要在分享基础技术与奖励那些从事这项工作的人之间取得平衡。因此，我们允许人们保留特定的硬件设计，如果他们选择的话，并拥有他们制造的实物物品。该项目开发的一般技术、方法和原型设计公开共享，人们可以选择贡献他们自己的改进和修改。

有效性指标

在设计过程中，满足各种要求的尝试往往会影响多个要求。例如，更高的性能和可靠性往往会以更高的成本为代价。为了在这种情况下优化设计，我们使用源于要求并与要求密切相关的指标。每个要求的满足程度都通过公式转换为数值分数。分数相结合，更好的设计是总分最高的那个。通过这种方式，可以考虑非常不同的要求类型，并比较不同的设计选项。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点（权重）。通过公式找到每个标准的分数，总分是所有指标的权重 x 百分比分数之和。请注意，有些要求是固定的，例如项目支持的人数。它们没有可变的指标，而是设计被调整以完全满足它们。

这些指标作为一个整体，是我们在设计中认为更好的东西的数学模型。就像上一节中的要求一样，没有“正确答案”，因为它们是基于人类目标和选择。这些指标的作用是让不同的人，或者一个人在项目的不同部分工作，能够根据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分数项目和公式。单个项目总数仅为 78%，因为并非所有指标都包含在个人生产示例中。它们将包含在后期的设计示例中，我们希望能够轻松地在项目之间进行比较。评分公式的目标也相对较低，与后来的项目相比，因为个人生产是第一代设计。分数总和通过一个比率进行调整，使该示例的结果达到名义上的 100 分值。在与其他示例和项目进行比较时，它不会进行调整。

表 5.1-1 - 有效性指标的初始值

指标	权重（分）	评分公式（百分比）	目标
2.2 增长（率/年）	5.0	(所有场地的年 GDP 增长率等值 - 2.5%) x 10	目标 = 5%。内部生产价值等同于市场价格。
2.3 改进的技术（本地资源）	1.0	来自项目位置的本地资源所占比例	目标 = 25%。以公斤（质量）或焦耳（能量）衡量。
2.3 改进的技术（自我生产）	1.0	来自项目位置的成品所占比例	目标 = 25%，按经济价值衡量。
2.3 改进的技术（循环流动）	1.0	位置质量流重复利用的比例	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 改进的技术（自动化）	1.0	人类劳动时间减少的比例	目标 = 25%，相对于现有技术降低。
2.3 改进的技术（自治）	1.0	本地提供的必要劳动和控制的比例	目标 = 25% 的必要功能可以供应。
2.4 生活质量（GDP）	5.0	(GDP 等值 - 20,000 美元)/2000	目标 = 每人 70,500 美元。包括内部生产和劳动的价值。
2.6 资源（剩余）	5.0	ln(材料和能源产出/内部使用)/ln(2) x 25%	目标 = 2.0，跨项目生命周期。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 位置成本 = 每人 133,200 美元。
4.2 新位置成本	14.0	[(ln(0.25 x 美国每人资本/位置成本))/ln(2) x 25%] + 25%	目标 = 每人 66,600 美元。
5.1 技术风险津贴（%）	5.0	(50% - 技术不确定性津贴) x 2	目标 = 37.5% 技术津贴。
6.1 新位置风险（相对）	7.5	[ln(0.25 x 一般伤亡风险/位置风险)/ln(2) x 25%] + 75%	目标 = 100% 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-位置）	5.0	[(log(在自然范围外维护的物种 x 场所)) - 1] x 20%	目标 = 178 个体内或存储的物种，人类是一个物种。
7.2 生存能力（相对）	5.0	(对严重风险的补偿百分比) x 10,000	目标 = 0.0025%。包括所有文明水平的风险。
总计	78	以上每行的部分分数 x 权重之和 x 400/78	目标 = 100%，经 400/78 调整后。

表格说明

这些公式旨在在指标处于不可接受的低水平时产生 0 分数。

• 2.2 - 该公式从增长率中减去 2.5%，将 0 分数设定为“不比经济中的平均增长好”。

• 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础。

在量表的另一端，这些公式应该为自我扩展的系统产生 100% 的分数，这些系统以最高水平执行我们想要的一切。由于个人生产是第一代设计，我们只将分数目标设定为最终值的 25% 左右，这表明之后将有很大的改进空间。