–29

6.1 نتیجه گیری
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده درپلاسما
1.2 مقدمه
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc - dc
1.2.2.2 مبدل باک (Buck)
2.2.2.2 مبدل بوست (Boost)
فهرست مطالب
عنوان 3.2.2.2 مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
4.2.2.2 مبدل کاک (Cuk)
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
4.2.2 توپولوژی مولدهای پالس مبتنی بر اینورترها
3.2 روش های کنترلی مورد استفاده در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3.2روش کنترلی منبع ولتاژ
2.3.2روش کنترلی منبع جریان
4.3.2 روش کنترلی پسماند
4.2 نتیجه گیری
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3 مقدمه
2.3 طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت
1.2.3 آرایش مداری توپولوژی پیشنهادی
2.2.3 حالت های کلید زنی توپولوژی پیشنهادی
3.2.3 تحلیل مداری توپولوژی پیشنهادی
4.2.3 محاسبه مقدارdv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
3.1.3 محاسبه مقادیر المان های منابع توان پالسی پلاسما
2.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی پلاسما
3.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده در حالت استفاده از خازن اضافی در منابع توان پالسی پلاسما
فهرست مطالب
عنوان 4.3 طراحی استراتژی کنترلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
1.4.3 تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
2.4.3 طراحی و تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
5.3 نتیجه گیری
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.4 مقدمه
2.4 روند شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی برای منبع توان پالسی پلاسما
1.2.4 تعیین مقادیر المان و مولفه های اصلی منابع توان پالسی پلاسما
2.2.4 روش مدل سازی بار در توپولوژی پیشنهادی
3.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
4.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
3.4 تخمین انرژی ذخیره شده در منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
4.4 شبیه سازی dv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
5.4 نتیجه گیری
فصل پنجم - بحث و نتیجه گیری
- نتیجه گیری
- مراجع
فهرست شکل ها
عنوان صفحه

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
شکل(1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شکل (1-3) نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
شکل (1-10) آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ شکل(2-2)مبدل باک (Buck) شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-4)مبدل بوست (Boost)
شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-6)مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
شکل(2-7) شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت ( Positive Buck-Boost )
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-9) مبدل کاک (Cuk)
شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
شکل (2-13)تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون
شکل (2-14) توپولوژی های کنترلی مورد استفاده در یک منبع توان پالسی پلاسما
شکل (2-15)روش کنترلی منبع ولتاژ در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-16)روش کنترلی منبع جریان مورد استفاده در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-17)روش کنترلی حلقه جریان پسماند برای کنترل جریان سلفی در منابع توان پالسی پلاسما
شکل (2-18) روش کنترلی پسماند برای منابع توان پالسی پلاسما
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(3-1) شمای کلی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت منبع توان پالسی
شکل (3-2) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با یک مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-3) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با دو مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-4) مدل سازی توپولوژی پیشنهادی جهت تحلیل حالات کلیدزنی در منبع توان پالسی
شکل(3-5) حالت کلیدزنی شارژ شدن سلف در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-6) حالت کلیدزنی عبور جریان سلفی در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-7) حالت کلیدزنی شارژ همزمان خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-8) حالت تامین بار در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-9) حالت کلید زنی شارژ جداگانه خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل (3-10) فلوچارت کنترلی پیشنهادی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع
توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (4-1) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – یک طبقه
شکل(4-2) شبیه سازی روش کنترلی منبع ولتاژ در توپولوژی پیشنهادی
شکل(4-3) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه: (الف) کلید Ss (ب) کلید S1
شکل(4-4) مولفه جریان کلید بارSL توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
شکل (4-5) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – دو طبقه
شکل(4-6) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی همزمان: (الف) خازنC1 یا کلید S1 (ب) خازنC2 یا کلید S2 (ج) کلید SL
شکل(4-7) مولفه های اصلی توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی جداگانه: (الف) ولتاژ خروجی (ب) جریان سلفی (ج) جریان خروجی(بار) IL (د) ولتاژ ورودی
شکل (4-8) شبیه سازی پیشنهادی جهت تخمین میزان انرژی ذخیره شده
شکل(4-9) تخمین انرژی ذخیره شده در توپولوژی پیشنهادی: (الف)انرژی ذخیره شده در سلف (ب) انرژی ذخیره شده درخازن (ج) انرژی ذخیره شده در بار
شکل(4-10) جریان خازنی در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
فهرست جدول ها
عنوان صفحه ه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ - جریان حالت dc پلاسما
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
جدول(1-3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول( 3-1) شاخص های کلیدی توپولوژی های مورد استفاه در منایع توان پالسی پلاسما
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول (4-1) مقادیرمولفه و المان های اصلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-2) مقادیر dv/dt تولید شده در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-3) خلاصه ای از مقایسه بین دو آرایش مختلف توپولوژی پیشنهادی منبع توان پالسی پلاسما
2
2
3
5
5
6
8
10
11
14
15
17
18
18
19
20
20
20
22
22
23
25
صفحه
26
28
30
32
34
35
35
36
37
39
40
41
42
42
44
48
51
51
52
53
54
صفحه
55
55
56
58
59
60
61
61
62
62
63
65
67
69
70
72
73
76
3
4
6
8
8
9
9
10
11
16
17
22
23
24
25
26
27
28
28
29
29
30
31
34
35
36
37
38
38
42
43
43
44
45
46
47
47
48
57
63
64
64
65
65
66
67
68
69
70
4
6
7
13
13
15
32
32
41
62
70
71
لیست علایم و اختصارات
AC ) Alternating Current جریان متناوب (
BJT ) Bipolar Junction Transistorترانزیستور پیوند دو قطبی (
CCM ) Continuous-Conduction-Modeحالت هدایت پیوسته (
CDVM ( Capacitor-Diode Voltage Multiplier)تقویت کننده ولتاژ دیود و خازن
CSR ) Converter Series Resonanمبدل تشدید سری (
DC ) Direct Currentجریان مستقیم (
EMI ) Electromagnetic Interferenceتداخلات الکترومغناطیسی (
EMC ) Electromagnetic Compatibilityسازگاری الکترومغناطیسی (
HV ) High Voltageولتاژ بالا (
IGBT ) Insulated Gate Bipolar Transistorترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده (
MBL )Multistage Blumlein Linesخطوط بلوملین چند طبقه ای (
MFC ) Magnetic Flux Compressorکمپرسور شار مغناطیسی (
MG ) Marx Generatorمولد مارکس (
MOSEFET ) Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistorترانزیستورنیمه هادی اکسید فلزی با اثر میدان(
MPC )Magnetic Pulse Compressorکمپرسور پالس مغناطیسی (
MVM ) Multilevel Voltage تقویت کننده ولتاژ چند سطحی (
PEF ( Pulsed Electric Fieldمیدان الکتریکی پالسی (
PFC ) Power Factor Correctorsتنظیم کننده های ضریب قدرت (
PFN ) Pulse Forming Networkشبکه شکل دهی پالس (
SMPS (Switched-Mode Power Supply)روش کلید زنی منابع توان پالسی
ZCS )Zero Current Switchingکلید زنی جریان صفر (
ZVS ) Zero Voltage Switchingکلید زنی ولتاژ صفر (
فصل اول

آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.1مقدمه
اساس فناوری سیستم توان پالسی بر پایه ذخیره انرژی زیاد در زمان نسبتا طولانی و آزاد کردن خیلی سریع آن می باشد که هدف از فرآیند آزاد سازی انرژی، افزایش توان لحظه ای آن است. از مشخصه های کلیدی منابع توان پالسی می توان به سطح ولتاژ و مدت زمان افزایش آن که بر مبنای مشخصات بار مورد نیاز تعیین می شود، اشاره کرد]1[. روش های سازگاری منابع توان پالسی با بارهای متفاوت توسط تکنولوژی موجود، یکی از بحث های کلیدی فناوری سیستم توان پالسی مورد استفاده در پلاسما می باشد. استفاده از دانش پیشرفته و رویکردهای اخیر در الکترونیک قدرت و نیمه هادی ها به حساب سطح نیازمندی صنعتی و علمی آن است که باعث پیشرفت سریع منابع توان پالسی در دهه اخیر شده است.از ویژگی های بارز منابع توان پالسی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان آن، پیچیدگی ها و ریزه کاری آن است]2[. کنترل بهینه روند تولید توان در منابع تولید توان پالسی یک روش مهم و حیاتی برای افزایش راندمان می باشد. از سوی دیگر استفاده از منابع توان پالسی با ولتاژ بالا نیازمند کلیدهای قدرت بالا می باشد که ولتاژ شکست و زمان کلید زنی آن محدودی است.
2.1 آشنایی با پلاسما
واژه "پلاسما" برای اولین بار در سال 1927 توسط ایروین لانگمویر برای یک توده خنثی از ذرات باردار به کار رفت]3[. پلاسما را می توان با ایجاد یک اختلاف پتانسیل بین دو الکترود در یک محیط گازی بوجود آورد. میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترودهای آند و کاتد، باعث یونیزاسیون ذرات گاز خنثی و ایجاد مسیر هدایت می شود. در شکل(1-1) نمونه ای از الکترودها را نشان داده شده است. ساده ترین حالت، خطوط میدان الکتریکی بین آند و کاتد که در آن میدان الکتریکی تقریبا یکنواخت است، به اندازه و شکل الکترودها(دو الکترود مسطح با یک شکاف کوچک در میان شان است) بستگی دارد]4[.

شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
1.2.1 منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان پلاسما
شکل (1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان الکترودها را در حالت dc نشان می دهد]5[. این منحنی دارای چند ناحیه می باشد که نام نواحی در جدول (1-1) به صورت خلاصه بیان شده است. ناحیه دشارژ تاریک پلاسما، که در آن دشارژ شروع می شود. هر چند که برای ایجاد حالت شکست، این دشارژ به صورت کافی ذرات را تحریک نمی کند. به این دشارژ تاریک می گویند زیرا که در این حالت دشارژ هیچ گونه انتقال انرژی به الکترون ها صورت نمی گیرد تا منجر به انتشار نور مرئی شود. در دشارژ تاریک با یونیزاسیون، یون ها والکترون ها به تنهایی اشعه های کیهانی و اشکال دیگری از آن (مانند اشعه یونیزه کننده طبیعی) که با افزایش ولتاژ همراه است، تولید می کند. در حالت اشباع با یونیزاسیون، تمام ذرات باردار حذف و الکترون ها به علت یونیزاسیون انرژی کافی ندارند. در حالت تاونزند با شروع یونیزاسیون، میدان الکتریکی ایجاد و جریان و ولتاژ به صورت نمایی افزایش می یابد]6[. بین حالت تاونزند و شکست در پلاسما، ممکن است تخلیه کرونا صورت گیرد که در نتیجه میدان الکتریکی بر روی لبه های تیز الکترود متمرکز می شود. تخلیه کرونا می تواند به صورت مرئی یا تیره باشد که به میزان جریان عبوری از آن بستگی دارد. ناحیه دشارژ تابشی با حالت شکست شروع می شود و با تشکیل قوس الکتریکی به پایان می رسد. به طور عمده فرآیندهایی که منجر به شکل گیری حالت شکست و دشارژ تابشی می شود را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: (الف) فرآیندهای گازی پلاسما، که در آن یونیزاسیون از برخورد الکترون و یون صورت می گیرد. (ب) فرآیندهای کاتدی پلاسما، که در آن الکترون ها از کاتد آزاد می شوند. به این فرآیند، به علت ایجاد الکترون در آن، فرآیند ثانویه نیز می گویند]7[. با مطالعه مقالات منتشر شده در این مورد می توان دریافت که جنس کاتد تاثیر زیادی درایجاد حالت شکست دارد. توسط فرآیند ثانویه می توان انواع انرژی تابشی را بصورت فتوالکتریک که در آن انرژی نوری باعث آزاد شدن الکترون ها می شود انتشار داد. در این مورد می توان به حالت گرما یونی در پلاسما نیز اشاره کرد، که در آن انرژی حرارتی باعث ایجاد الکترون و منجر به تولید میدان الکتریکی می شود. جرقه های ناشی از دشارژ در این حالت بسیار شدید است و دارای درخشندگی و چگالی جریان زیادی می باشد. قوس های ناشی از دشارژ را می توان معادل چگالی جریان زیاد در حد کیلو آمپر در سانتیمتر مربع در نظر گرفت. هرچند که شدت طبیعی قوس می تواند عامل فرسایش سریع تر الکترودها شود]9،8[.

شکل(1-2)منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شماره 1 2 3 4 5 6 7 8 9
نواحی دشارژ تاریک دشارژ تابشی حالت جرقه ای حالت یونیزاسیون حالت اشباع حالت کرونا حالت تاونزند حالت شکست حالت تابشی
شماره 10 11 12 13
نواحی حالت تابشی غیر عادی حالت انتقالی از تابشی به جرقه حالت حرارتی حالت حرارتی با جرقه
3.1 جنبه های کاربردی منابع توان پالسی در پلاسما
اولین کاربرد منابع توان پالسی در دهه 1960 در نیرو گاه های هسته ای و تسلیحات هسته ای برای تولید پالس های با ولتاژ مگاولت و توان های تراوات (1 تراوات، 1000 گیگاوات است) و عرض پالس های چند ده نانو ثانیه تا چند صد نانو ثانیه برای تحریک شتاب دهنده های الکترونی پلاسما بوده است]10[. محدودیت عناصر ذخیره کننده انرژی و نبود تکنولوژی کلیدزنی پالس قدرت، مانع از گسترش آن در حوزه های عمومی تر شده بود. اما هم اکنون با توسعه این منابع و بهبود تکنولوژی ساخت خازن ها، اندوکتانس ها و کلیدها، بسیاری از مشکلات در تولید پالس های قدرت، با انرژی بالا و قیمت مناسب برطرف شده است. اخیرا یکی از اهداف اصلی و کلیدی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی ،استفاده مکرر از مولدهای توان پالسی باحداکثر توان در صنایع از جمله : صنعت مواد غذایی، معالجات پزشکی، آب و فاضلاب (تصفیه آب و...)، تولیدگازهای ازن ،بازیافت بتن ، سیستم احتراق ماشین بخار و کاشت یون در پلاسما می باشد]11[. رایج ترین موارد استفاده از منابع توان پالسی می توان به : مولد مارکس ، کمپرسورهای پالسی الکترومغناطیسی ، عایق کاری ، خطوط انتقال و شکل دهی پالس اشاره کرد. هر چندکه مولدهای توان پالسی نیز با حداکثر توان به صورت وسیعی در مصارف نظامی و گداخت هسته ای مورد بهره برداری قرار می گیرد. هم چنین میدان های الکتریکی پالسی کاربردهای مستقیم و غیر مستقیم بسیاری در صنعت دارند و اخیرا کاربرد این میدان ها در استریلیزه کردن مواد غذایی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است]12[. خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی مورد نیاز برای کاربردهای متفاوت در جدول(1-2) شرح داده است.
4.1مبانی عملکرد منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
اصول فناوری توان پالسی، از ذخیره سازی انرژی بیش از یک مدت زمان طولانی (معمولا ثانیه یا دقیقه) و سپس فرآیند تخلیه انرژی الکتریکی را در طول کوتاه تر از زمان ذخیره انرژی (معمولا میکروثانیه یا نانوثانیه)انجام پذیرد.
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
ردیف کاربردها انرژی الکتریکی طول پالس حداکثرتوان پالس توان متوسط
1 فیزیک پلاسما با چگالی انرژی بالا 20 مگا ژول 10 نانو ثانیه کمتر از ده ترا وات 5 گیگا وات
2 رادیو گرافی با پرتو الکترونی قوی 200 کیلو ژول 70 نانو ثانیه بیشتر از یک ترا وات 10 گیگا وات
3 مایکروویو توان بالا (باندباریک) 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 100 گیگا وات 100 کیلو وات
4 مایکروویو توان بالا (باندخیلی پهن) 10 ژول 1 نانو ثانیه 10 گیگا وات 10 کیلو وات
5 تبدیل مواد با پرتو الکترونی 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 30 گیگا وات اندک
6 بیو الکتریک 1 میلی ژول 100 نانو ثانیه 10 کیلو وات تا 100 مگا وات چند میلی وات تا چند وات

ساده ترین شکل سیستم های توان پالسی با توجه به شکل(1-3) شامل: یک منبع انرژی الکتریکی، ذخیره ساز میانی انرژی و بار است که مرحله تشکیل پالس بین آنها قرار دارد. سیستم توان پالسی در مرحله تشکیل پالس دارای یک کلید قدرت بالا است که می تواند انرژی ذخیره شده را به بار یا یک سیستم پیچیده تر (شامل شبکه ای از کلید های قدرت بالا) انتقال دهد.
بار
شکل دهنده پالس
ذخیره ساز میانی
منبع انرژی
کلیدکلید

شکل (1-3)نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
با بررسی مطالعاتی درباره تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما، می توان با توجه به عملکرد و کارایی، آنها را در 5 بخش اصلی خلاصه کرد که به شرح ذیل می باشد:
1.4.1مشخصات پالس های قدرت بالا در منابع توان پالسی
همان طور که می دانید هر سیستم توان پالسی متشکل از یک منبع، شبکه ذخیره کننده انرژی، تجهیزات شکل دهنده پالس، کلید و بار الکتریکی است. منبع انرژی را در برخی از کاربردها می توان باتری در نظر گرفت که به شبکه ذخیره کننده انرژی متصل و سپس در ارتباط با تجهیزات شکل دهنده پالس قرار می گیرد و پس از کلید زنی به صورت پالس ولتاژ بالا بر روی بار تخلیه می گردد]13[. با توجه به سطوح مختلف توان الکتریکی مورد نیاز، فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالس های کم قدرت و قدرت بالا تقسیم می شود. پالس های قدرت بالا مرتبط با پالس هایی است که توانی در حد چند مگاوات یا بیشتر دارند که محدوده کمیت های فیزیکی این گونه پالس ها در جدول (1-3) به اختصار بیان شده است. تولید و کنترل پالس های قدرت بالا، نوعی فناوری پیشرفته و پیچیده به شمار می رود و به ابزارها و تکنیک های خاصی جهت انجام آزمایش ها نیازمند است. در سیستم های توان پالسی انرژی به صورت الکتریکی ذخیره و به بار درطی یک پالس و یا پالس های کوتاه با نرخ تکرار کنترل شده ای تخلیه می گردد. مقدار قدرت میدان الکتریکی، شکل پالس، مدت پالس و تعداد پالس ها و... بیشترین تاثیر را بر راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی دارد.
جدول(1- 3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
ردیف کمیت فیزیکی محدوده کمیت فیزیکی
1 انرژی (ژول) 101 -107
2 توان (وات) 106 -1014
3 ولتاژ(ولت) 103 -107
4 جریان (آمپر) 103 -107
5 چگالی جریان (آمپر برمترمربع) 106 -1011
6 عرض پالس(ثانیه) 5-10 -10-10
با بالا و پایین رفتن شکل موج ولتاژ، طول مدت پالس بین چند نانوثانیه و یا چند میکرو ثانیه اندازه گرفته می شود. به عنوان نمونه در شکل (1-4) منحنی یک پالس قدرت بالا را نشان داده شده است. زمان صعودی پالس، مدت زمان لازم برای رسیدن ولتاژ از10% به 90% ( مقدار ماکزیمم) تعریف می شود و می توان زمان نزولی را به روشی مشابه تعریف کرد.که هر دو زمان (صعودی و نزولی) یک پالس قدرت بالا به امپدانس بار بستگی دارد]14[.
در چند دهه اخیر فناوری تولید پالس های ولتاژ بالا توسط کمپرسورهای پالس مغناطیسی با توجه به کاربردهای گوناگون آن در حوزه منابع توان پالسی بسیار حائز اهمیت است . شکل (1-5) یک نمونه رایج از این نوع کمپرسورها را نشان می دهد.

شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
توپولوژی های مختلفی می توان برای منابع توان پالسی با توجه به ادوات الکترونیک قدرت، مولدهای پالسی و کمپرسورهای پالس مغناطیسی در نظر گرفت . که از جمله می توان به طراحی یک منبع توان پالسی مبتنی بر کمپرسور جریان مغناطیسی خطی و شبکه شکل دهی پالس بلوملین برای ادوات الکتریکی نظامی (از جمله : شوک دهنده ها) اشاره کرد]15[.

شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
2.4.1ذخیره سازی انرژی الکتریکی
انرژی مورد نیاز منابع توان پالسی عموما از منابع انرژی کم توان جمع آوری و به مرور ذخیره می شود. متناسب با کاربردها و احتیاجات، ذخیره انرژی به شکل خازنی ، سلفی یا ترکیبی از این دو است. ذخیره سازی انرژی خازنی، معمولا توسط تعدادی از خازن های ولتاژ بالا که اتصال آنها به صورت موازی یا سری است ، تشکیل می شود. حالت اول را بانک خازنی که در شکل (1-6) و حالت بعدی را مولد مارکس می نامند.که در شکل (1-7) نمونه ای از مولد مارکس را نشان داده است]16[.

شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
در هر دو حالت، خازن ها به صورت موازی شارژ می شوند و معمولا به عنوان منبع جریان استفاده می شوند. مولدهای مارکس، ولتاژ و جریان بالا را فراهم می سازند بنابراین در منابع توان بالای پالسی پلاسما به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
برای ذخیره سازی اندوکتیو انرژی از القاگرهای مغناطیسی استفاده می شود. بر خلاف حالت ذخیره سازی خازنی که انرژی مستقیما با بستن کلید به بار منتقل می شود در این حالت نخست انرژی از ذخیره ساز القایی (که در این حالت می تواند یک سیم پیچ باشد) عبور کرده و سپس به بار منتقل می شود. برای تحویل انرژی ذخیره شده سلفی به بار، با باز کردن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و با بار اتصال موازی دارد ، نیاز است. برای تحویل انرژی ذخیره شده خازنی به بار، با بستن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و اتصال سری با بار دارد ، نیاز است . شکل (1-8) مدارهای اصلی این دو حالت را نشان می دهد. برای بهبود پالس تولید شده می توان از این دو حالت به صورت ترکیبی در شرایط گوناگون با توجه به مشخصات بار مورد نیاز استفاده کرد.

شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
1.2.4.1 بانک خازنی
در بانک های خازنی برای تولید پالس های سریع، مطلوب است که میزان اندوکتانس مدار در وضعیت حداقل قرار گیرد. چندین راه برای کاهش اندوکتانس سیستم توان پالسی وجود دارد: برای مثال، می توان به استفاده از خازن های با ظرفیت کم، انتخاب ابعاد مناسب برای خطوط انتقال و سیم های رابط، استفاده از کلیدهای موازی چند کاناله و... اشاره کرد. مزیت استفاده از کلید چند کاناله این است که جریان عبوری از هر کلید به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و در نتیجه طول عمر کلید افزایش خواهد یافت لیکن هزینه ها افزایش می یابد. در این حالت، عملکرد هم زمان کلیدهای قدرت بالا سیستم توان پالسی پلاسما که به صورت موازی با هم اتصال دارند، ضروری است و در غیر این صورت ، سیستم به خوبی کار نخواهد کرد.برای حل این مشکل می توان از مدارکنترلی خارجی استفاده کرد به گونه ای که هریک از کلیدها از خارج سیستم فعال شوند که در شکل (1-9) نشان داده است.
به منظور دست یابی به ولتاژهای خروجی بالاتردر سیستم های توان پالسی پلاسما، بانک های خازنی اغلب به صورت دوقطبی شارژ می شوند که در آن نصف خازن ها به طور مثبت و نصف دیگر به صورت منفی شارژ و سپس به صورت متوالی دشارژ می شوند. در نتیجه ولتاژی بدست می آید که دو برابر ولتاژ ورودی سیستم است. در حالت شارژ دو قطبی، می توان از آرایش تک کلیدی یا چند کلیدی استفاده نمود. اما استفاده از آرایش چند کلیدی در شرایطی که عملکرد مکرر سیستم توان پالسی به صورت پیوسته مورد نیاز است، مفیدتر است.زیرا که در عملکرد مکرر سیستم اگر تمام جریان از یک کلید عبور کند ، خرابی الکترودهای آن مشکل آفرین خواهد بود]17[.

شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
2.2.4.1 مولد مارکس
در حوزه پالس های قدرت بالا، تقاضا برای مولدهای مارکس زیاد است. این نوع ژنراتورها باید قادر به تامین ولتاژهای بالا و جریان های زیاد باشند. هم چنین شاخصه های کلیدی اجزای آن دارای قابلیت اطمینان و طول عمر بالا و در عین حال به صورت فشرده می باشد به گونه ای که بتوان مجموعه ای از مولدهای مارکس را بدون استفاده از فضای زیاد مورد استفاده قرار داد. در مولد مارکس مانند بانک های خازنی از خازن ها برای ذخیره سازی انرژی استفاده می گردد، اما در این حالت تمام خازن ها هنگام دشارژ به طور لحظه ای اتصال سری پیدا می کنند. بنابراین از مولد مارکس نه فقط به عنوان یک ذخیره ساز انرژی ، بلکه به صورت یک تقویت کننده ولتاژ نیز مورد استفاده قرار می گیرد]18[. اگر مولد مارکس متشکل از N طبقه باشد در این حالت ولتاژ خروجی N برابر ولتاژ ورودی می گردد. حال اگر تعداد زیادی طبقات برای افزایش ولتاژ استفاده شود، قابلیت اطمینان سیستم توان پالسی کاهش می یابد. هم چنین برای افزایش جریان ، از خازن های بزرگ نیز استفاده می شود، با توجه به فشردگی سیستم و طول عمر کلیدها با مشکلاتی در این زمینه روبرو خواهیم شد. تکنیک شارژ دوقطبی یک روش عملی است که امکان استفاده از طبقات زیاد را در شرایط کم حجم بودن سیستم فراهم می سازد. یک راه حلی که می توان برای افزایش قابلیت اطمینان مولد مارکس توان پالسی با توجه به تعداد زیاد طبقات آن ارائه داد، عبارت است از انتخاب α و β با توجه به رابطه (1-1)، به گونه ای که هر دو مقدار افزایش یابند و هم چنین استفاده از پالس کنترلی قدرتمند برای راه اندازی مدارات کنترلی هر یک از کلیدهای سیستم توان پالسی نیز موثر است.
(1-1)
*که در رابطه فوق ، Vsb : ولتاژشکست ، Vch : ولتاژشارژ، Vtr : ولتاژپالس کنترلی است.
انواع متفاوتی از مولدهای مارکس برای کاربردهای خاصی طراحی می شوند. یکی از آنها، مولدمارکس نواری است که برای ایجاد پالس های ولتاژ پایین طراحی می شود. در این نوع مولدهای مارکس، از خطوط انتقال نواری شکل به جای خازن های ذخیره ساز انرژی استفاده می گردد. یعنی خطوط انتقال نواری به صورت موازی شارژ و به صورت متوالی دشارژ می شوند. بنابراین هر خط انتقال برای تولید پالس های ولتاژی پله ای شکل می باشد و از این رو اتصال سری آنها به عنوان یک مولد پالس سریع عمل می کند. قابلیت تولید پالس سریع ، یکی از مزیت های اصلی این نوع مولدها به شمار می رود. اشکال عمده مولدهای مارکس نواری، ابعاد نسبتا بزرگ آنها است و به دلیل ساختار هندسی خاص، امکان فشرده سازی برای این نوع مولدها امکان پذیر نیست. در جدول (1-4) مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری به اختصار بیان شده است]19[.
نوع دیگری از مولد مارکس که قادر به تولید پالس سریع است، مولد مارکس قطعه ای نامیده می شود. که از تعدادی قطعات یکسان تشکیل گردیده است که به راحتی به یکدیگر متصل یا از هم جدا می شوند.
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
ردیف مشخصات مدلI مدلII
1 تعداد طبقات 50 100
2 ولتاژ پیک پالس(کیلوولت) 400 1000
3 جریان پیک پالس (کیلو آمپر) 4 4
4 پهنای پالس (نانو ثانیه) 40 40
5 امپدانس منبع(اهم) 125 250
این ویژگی امکان تنظیم تعداد طبقات مورد نیاز را برای کاربر فراهم می سازد. هر طبقه متشکل از تعدادی خازن سرامیکی است که به صورت موازی با یکدیگر اتصال پیدا می کنند تا اندوکتانس سیستم توان پالسی کاهش یابد. با توجه به ظرفیت کم خازن های سرامیکی، معمولا چنین مولدهایی به عنوان منابع جریان زیاد در سیستم توان پالسی عمل می کنند، اما امکان تنظیم ولتاژ خروجی را نیز فراهم می سازند. جدول (1-5) مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733 نشان داده است. ویژگی های اصلی مولد مارکس قطعه ای عبارت است از:
الف ) خازن ها در مرحله ذخیره سازی همگی به صورت موازی اتصال دارند به گونه ای که اندوکتانس در به حداقل می رسد.
ب) یک کلید خلا قدرت بالا با زمان کلیدزنی سریع برای کنترل پهنای پالس مورد استفاده قرار می گیرد ]20[.
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
ردیف مشخصات مدل A 43733
1 تعداد طبقات مستقل 12
2 ولتاژ شارژ(کیلوولت) 25
3 ولتاژ خروجی(کیلوولت) 300
4 جریان خروجی (کیلو آمپر) 5
5 پهنای پالس (نانو ثانیه) 30
6 راندمان ولتاژ (درصد) %50
3.4.1 اصول کلید زنی در پلاسما
در کاربردهای توان پالسی قدرت بالا به کلیدهایی نیاز است که توانایی تحمل توان تا حد تراوات و زمان شکست الکتریکی آن در گستره نانو ثانیه واقع شود. کلیدهای معمولی از قبیل نمونه هایی که در کاربردهای عادی ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می گیرند جهت برآورده کردن این نیازها مناسب نیستند. بنابراین توسعه انواع جدید کلیدها بر مبنای تکنولوژی انتقال انرژی در پلاسما اجتناب ناپذیر است. کلیدهای قدرت بالا به دو گروه کلیدهای باز و بسته تقسیم می شوند.
همان طور که در مقدمه ذکر شد، در سیستم های توان پالسی پلاسما مهم ترین المان در قسمت شکل گیری پالس، کلید قدرت بالا هستند. هم چنین برای انتقال مقادیر زیادی از انرژی ذخیره شده با دامنه بالا و طول پالس کوتاه به سر بار نیز استفاده می شود، بنابراین با توجه به مشخصات بار، این کلیدها باید دارای ویژگی کار با ولتاژ وجریان زیاد (با سطح ولتاژی بین 10 کیلوولت تا چند مگاولت) و دامنه زمان صعودی کوتاه( درحد نانو ثانیه تا چند میکرو ثانیه) را داشته باشند. برای چندین دهه است که کلیدهای پلاسمایی را با مشخصه انتقال انرژی خوب و قابلیت تحمل بالای ولتاژ آن می شناسند. از کلیدهای پلاسمایی نوع بسته را می توان به اسپارک گپ های گازی، ایگنترون ها،تایترون ها و... اشاره کرد که برای بررسی جزئیات بیشتر می توان به منابع مراجعه کرد]21,22[
استفاده از کلیدهای حالت جامد پلاسمایی به صورت کمپکت با تجهیزات جانبی(مدارات کنترلی و ...) با توجه به کارایی مطلوب آن در بازه زمانی طولانی ، دامنه کاری وسیع آن و عمر مفید بالای کلیدها با توجه به نرخ خرابی کم در این کلیدها که منجر به افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی می شود، روبه افزایش است. با این حال قابلیت های فعلی این کلیدها از جمله : ولتاژ شکست و حداکثر جریان عبوری، هنوز هم قادر به تحمل پارامترهای کلیدی سیستم های توان پالسی بزرگ و پیچیده مورد استفاده در پلاسما نمی باشند. جدول (1-6) به طور خلاصه به برخی از پارامتر های اصلی کلیدهای گازی نوع بسته پلاسمایی مانند اسپارک گپ ها و ... هم چنین برای کلیدهای حالت جامد مانند تریستور، IGBT و ماسفت اشاره می شود.
ردیف
نوع کلید حداکثر جریان (کیلو آمپر) ولتاژ شکست
(کیلو ولت) افت ولتاژ مجاز
(ولت)
1 اسپارک گپ 1000-10 100 20
2 ایگنترون 10-1 30 150
3 تایترون 100-5 35 200
4 تریستور 50-1 5-1 2
5 IGBT 1 1 3
6 ماسفت 0.1 1 1
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی با حالت گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
در سیستم های توان پالسی بستن کلیدهای پلاسمایی که در حالت عادی باز هستند، برای تحریک مدار به کار می رود. شکل کلی این نوع کلیدها به صورت دو الکترود با یک عایق در میان آن می باشد. به طور کلی تحریک کلیدها با افزایش بار حامل عایق های میانی آن به نوع کلید و ساختار گوناگون آن بستگی دارد. با توجه عملکرد بار حامل در این کلیدها، حالت شکست یا عمل بسته شدن کلید انجام می پذیرد.
4.4.1 شبکه های شکل دهی پالس
در سیستم توان پالسی پلاسما دو هادی الکتریکی که بین آنها ولتاژ اعمال شود و بتواند جریان الکتریکی را انتقال دهد، به عنوان خط انتقال در نظر گرفته می شود. در بسیاری موارد هیچ تمایز مشخصی بین خط انتقال و یک مدار الکتریکی عادی وجود ندارد. که در این حالت دو عامل طول هادی ها و طول موج ولتاژ اعمالی تعیین کننده است. اگر طول موج ولتاژ اعمال شده در مقایسه با طول هادی ها بسیار بلند باشد می توان دو هادی را به عنوان یک مدار الکتریکی در نظر گرفت در غیر این صورت باید آنها را در قالب خط انتقال مورد تحلیل قرار داد. خطوط استاندارد انتقال در سیستم های توان پالسی، که به صورت تجاری تولید می شوند و معمولا از نوع هم محور هستند، دارای امپدانس 50 اهم هستند. البته دست یابی به دیگر امپدانس ها با ایجاد خطوط شکل دهی پالس نواری امکان پذیر است. اگر این خطوط در ولتاژ های بالایی قرارگیرند این روش، هزینه بر و مشکل است. مشکل دیگر مربوط به سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خطوط انتقال است. می دانیم که سرعت انتشار متناسب با نفوذپذیری نسبی یا ثابت دی الکتریک ماده ای است که برای عایق کاری بین دو رسانای سازنده خط به کار برده می شود. ماده ای که به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرد، نوعی پلاستیک پلیمر مانند پلی پروپیلن است که ثابت دی الکتریک آن تقریبا کوچک است. از این رو سرعت انتشار موج بر روی این خط در حدود 108*2 متر در ثانیه و معادل 20 سانتیمتر در هر نانو ثانیه است. بنابراین برای ایجاد یک پالس به طول یک میکرو ثانیه با استفاده از یک خط شکل دهنده پالس، به خط انتقالی معادل 100 متر نیاز خواهد بود. برای تولید پالس های طولانی استفاده از این روش امکان پذیر نیست مگر آن که از خط های نواری که با موادی با ثابت دی الکتریک بالا عایق بندی شده اند، استفاده گردد.
یکی از روش های تحلیل و بررسی شبکه های شکل دهی پالس، شبیه سازی خط با استفاده از شبکه نردبانی متشکل از سلف و خازن ها است که در شکل (1-10) نشان داده است. انرژی آزاد شده از این خط که ناشی از پالس های مربعی است معمولا در خازن های شبکه نردبانی ذخیره می شوند.این شبکه به عنوان یک شبکه تغذیه کننده ولتاژ نیز شناخته می شود. با توجه به امکان ذخیره سازی مغناطیسی انرژی در القاگر های شبکه، در این حالت به آن شبکه تغذیه کننده جریان نیز می گویند. اطلاعات بیشتر در مورد مشخصات امپدانسی، معادلات تبدیل و ویژگی های انتشار و... در یک شبکه نردبانی LC را می توان درمرجع ]23[ مشاهده کرد.

شکل (1-10)آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
5.4.1 خط انتقال بلوملین
یک ایراد مهم شبکه های شکل دهی پالس در سیستم توان پالسی پلاسما آن است که در شرایط تطبیق امپدانس ، دامنه پالس روی بار الکتریکی برابر با نصف دامنه ولتاژ شارژ کننده است. این مشکل را می توان با استفاده از خط شکل دهنده پالس بلوملین برطرف کرد. یک خط انتقال بلوملین از دو خط انتقال ساده که به یکدیگر متصل شده اند، تشکیل می گردد. این دو خط به صورت موازی باردار و به صورت سری تخلیه می شوند. در صورت صحت اتصالات در ورودی و بار ، دامنه ولتاژ خروجی در آنها تا دو برابر سطح ولتاژ خروجی یک خط انتقال خواهد رسید. خط بلوملین را می توان به صورت استوانه ای یا به شکل صحفه ای موازی ساخت. در بیشتر کاربردهای پالس های قدرت بالا، فضای بین استوانه ها با نوعی دی الکتریک مایع ، نظیر روغن یا آب پر می شود. یک کلید در بین استوانه های میانی و داخلی برای کنترل ولتاژ خط وجود داردکه در شکل(1-11) نشان داده شده است. شعاع استوانه ها را به گونه ای انتخاب می شوند که امپدانس مشخصه در تمام طول خط یکنواخت باشد و ولتاژ مورد نیاز تامین گردد. معمولا بار الکتریکی بین استوانه های داخلی و خارجی متصل می شود و تغذیه ولتاژ ورودی از طریق استوانه میانی صورت می گیرد. به طور ایده آل خط بلوملین را به گونه ای طراحی می کنیم که دارای ولتاژ و جریان خروجی زیاد ،با راندمان انتقال انرژی وتوان نزدیک به یک باشدکه در نتیجه باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش ابعاد آن می شود.

شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
5.1 اهداف مورد بررسی در این پژوهش
بهبود قابلیت اطمینان و راندمان در منابع توان پالسی با توجه به کاربرد آن در پلاسما ارتباط اساسی با مشخصات سیستم های توان پالسی دارد. اخیرا با توجه به استفاده متعدد از منابع توان پالسی در حوزه های صنعتی و هسته ای ، تحقیقات و بررسی زیادی در مورد استفاده بهینه فناوری توان پالسی صورت گرفته است. با توجه به مطالعات صورت گرفته در این زمینه ، این پایان نامه، یک توپولوژی جدید مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت را پیشنهاد می کند که می توان با مدل کردن یک منبع جریان در منابع توان پالسی، امکان کنترل شدت جریان را در حالت تغذیه بارداشته باشیم. بخش اصلی در این آرایش استفاده از کلید های نیمه هادی با ولتاژ کاری مناسب برای تولید ولتاژ های بالا می باشد. در خروجی این توپولوژی تعداد مشخصی از کلید – دیود – خازن به منظور تبادل انرژی منبع جریان با توجه به نوع ولتاژ و تولید توان پالسی کافی با مقدار ولتاژی مناسب طراحی شده است. با شبیه سازی در محیط نرم افزاری MATLAB/SIMULINK، کارایی و قابلیت اجرا بودن این توپولوژی به اثبات رسیده است که بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منبع توان پالسی از مزایای کاربردی و مهم آن است
6.1 نتیجه گیری
در این فصل ابتدا به بررسی فناوری سیستم های توان پالسی و حوزه های کابردی آن پرداخته شد و سپس جهت آشنایی با محیط پلاسما منحنی ولتاژ- جریان مورد تحلیل قرار گرفت و در انتها تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما با توجه به آرایش ساختاری شان ارائه شد. با توجه به اهمیت بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی ، در فصل بعدی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد و توپولوژی پیشنهادی با توجه به تاثیر آن در افزایش قابلیت اطمینان و راندمان انتخاب می شود.

فصل دوم

بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.2 مقدمه
استفاده از منابع توان پالسی در فرآیندهای مختلف پلاسما با توجه به ارتباط برقرار شده بین آنها رو به افزایش است. با توجه به تحقیقات به عمل آمده در این مورد، طراحی منابع توان پالسی با هدف کاهش تلفات و افزایش راندمان می تواند تاثیرات کلیدی درکاربردهای پلاسما (از جمله تصفیه سازی مایعات و...) بگذارد. برای درک بهتر از ماهیت منابع توان پالسی و اثرات متقابل آن برحوزه های توسعه یافته پلاسما، با طراحی یک منبع توان پالسی که متشکل از المان های الکترونیک قدرت می باشد می توان روند استفاده از منابع توان پالسی در پلاسما را ارتقا داد.
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
تکنولوژی کلیدهای قدرت بالا با توجه به نوع کاربرد آن در منابع توان پالسی پلاسما و نسبت به تغییر و تحولات صورت گرفته در عرصه فناوری قطعات نیمه هادی الکترونیک قدرت، متفاوت و گوناگون هستند. تریستور IGBT,،ماسفت و ... نمونه ای از کلیدهای قدرتی هستند که به عنوان کلیدهای نیمه هادی حالت جامد شناخته می شوند. در منابع توان پالسی پلاسما برای داشتن dv/dt بالا، نیاز به کلید زنی سریع (کلیدزنی آن حالت گذرای کوچکی داشته باشد) است و این مشخصه ، نقش کلیدی در شکل گیری توپولوژی منابع توان پالسی پلاسما دارد. درکلیدهای قدرت بالا مورد استفاده در سیستم های توان پالسی، بازه زمانی کلید زنی با حالت گذرا و روند جابجایی و انتقال سیگنال عبوری آن از نانو ثانیه تا میکرو ثانیه است. کلیدزنی گذرا مستقیما برروی کارایی و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی تاثیر می گذارد و از هدایت الکتریکی ادوات نیمه رسانا سیستم جلوگیری می کند. اکثر منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مشخصات مقاومتی – خازنی دارند. بنابراین در توپولوژی پیشنهادی یک منبع جریان برای تامین بارها ضروری است. در این فصل به بررسی توپولوژی های موجود و روش های کنترلی آن می پردازیم :
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
معمولا ازکلیدهای گازی اسپارک گپ مغناطیسی در کلید زنی منابع توان پالسی پلاسما مورد استفاده قرار می گرفت اما اخیرا با توجه به استفاده گسترده از تکنولوژی حالت جامد در مولدهای مارکس توان پالسی، عملکرد سیستم را از لحاظ راندمان و قابلیت اطمینان بهبود بخشیده است. شکل (2-1) نمونه ای از مولد مارکس را در در حالت شارژ و دشارژ نشان داده است. برای آشنایی با کارایی این توپولوژی در پلاسما به چند مورد از کاربردهای آن با شرح توضیحات اشاره می شود. از مولد مارکس در این توپولوژی می توان به عنوان منبع تحریک در پلاسما استفاده کرد. مدار ارائه شده در این حالت از دو مولد مارکس حالت جامد با اتصال موازی با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی به عنوان کلید بسته استفاده می شود. در این توپولوژی زمان بازدهی ترانزیستورهای دوقطبی در حالت شکست بهمنی به صورت سریع افزایش می یابد. در این طراحی با توجه به پلارتیه مثبت و منفی پالس ها به راحتی می توان تغییراتی از جمله : افزایش مقدار بازدهی یا کاهش مقدار ولتاژ خروجی را داشته باشیم. در مطالعه دیگری، توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، شامل یک مدولاتور مارکس متشکل از IGBT های مجزا و مدار تشدید پالس مغناطیسی است که برای فشرده سازی پالس خروجی مارکس و کاهش تاثیر نسبتا تدریجی فعالیت IGBT در مدولاتور مارکس است. استفاده از این توپولوژی درسطح ولتاژی مختلف برای منابع توان پالسی پلاسما دارای شاخصه های کلیدی است که به طور خلاصه می توان به آن اشاره کرد: در ولتاژ 1.3 کیلوولت، استفاده از یک تقویت کننده ولتاژ بالا به همراه مولد مارکس متشکل ازکلیدهای ماسفت الزامی است. در ولتاژ 2000 ولت، نیاز به مولد مارکس 20 طبقه است که در هر طبقه آن شامل مجموعه ای از IGBT و دیود و خازن است.
فناوری مولدهای مارکس را می توان با جایگزین کردن کلیدهای حالت جامد مانند IGBT ها و مجموعه های دیود و خازن متصل به آن ، به جای کلید های گازی اسپارک گپ در سیستم های توان پالسی پلاسما ارتقا بخشید که در نتیجه سیستم های توان پالسی ارائه شده دارای ویژگی هایی از قبیل سادگی و فشردگی ابعاد، قابلیت اطمینان بالا و عمر مفید طولانی می باشد. با توجه به مزایای زیاد استفاده از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ، می توان بسیاری از کاربردهای ولتاژ بالای پلاسما را به این توپولوژی اختصاص داده شود]24[.

شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ،ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های Dc - Dc
در میان تمام توپولوژی های مورد استفاده در سیستم های توان پالسی پلاسما توسط ادوات الکترونیک قدرت، توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تغییرات سطح ولتاژی مناسب یکی از نیازهای اساسی در بسیاری از کاربردهای منابع توان پالسی پلاسما می باشد. برای بسیاری از دستگاه ها و مدارات کنترلی سیستم توان پالسی پلاسما یک ترانسفورماتور که عهده دار تبدیل ولتاژ سیستم می باشد، مورد نیاز است. استفاده از ترانسفورماتورها به همراه مبدل های dc-dc را می توان به عنوان یک روش عملی و موثر برای افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی پلاسما ارائه کرد. حالت های کلید زنی منابع توان پالسی به عنوان یک روش کاربردی برای بارهای غیر خطی پلاسما شناخته شده است. از مبدل های dc-dc نیز می توان به عنوان رگولاتور در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی استفاده کرد تا یک ولتاژ dc که معمولا به صورت تنظیم نشده است را به یک ولتاژ خروجیdc تنظیم شده تبدیل کند. عمل رگولاتوری درحالت کلیدزنی، توسط فناوری مدولاسیون پهنای پالس(PWM) در یک فرکانس ثابت انجام می شود و المان های کلیدزنی معمولا یک ترانزیستور دو قطبی یا ماسفت است. حالت کلیدزنی گذرا، اثرات زیان باری بر کیفیت توان و راندمان منابع توان پالسی دارد. برای سنجش کیفیت توان منابع توان پالسی که به یک شبکه توزیع شده پلاسما متصل است باید هارمونیک تزریقی جریان و توان راکتیو سیستم را درنظر گرفت. برای افزایش کیفیت توان و کاهش اثرات هارمونیک های جریان سیستم توان پالسی، می توان از تنظیم کننده های ضریب قدرت در انواع مختلف (اکتیو و راکتیو) استفاده نمود.
توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc در منابع توان پالسی پلاسما، شامل مبدل های: باک، بوست، باک- بوست و کاک است که می تواند به صورت تک کاناله یا چند کاناله مورد استفاده قرار گیرد]25[. مشخصات این مبدل ها به صورت خلاصه به شرح ذیل می باشد:
1.2.2.2 مبدل باک
در یک مبدل باک، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است. شکل(2-2) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی طراحی و بررسی می شود.

شکل(2-2)مبدل باک
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی که در حال افزایش است از داخل سلف (L) و خازن(C) و مقاومت بار (R) به جریان می افتد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. دیود هرزگرد(D) به دلیل انرژی ذخیره شده در سلف همچنان هدایت می کند و جریان سلفی از سلف، خازن، بار و دیود هرزگرد(D) می گذرد. با کاهش جریان سلفی، ترانزیستور SW مجددا در سیکل بعدی وصل می شود.
مبدل باک ساده بوده زیرا فقط به یک ترانزیستور احتیاج دارد و راندمان بالایی دارد. مقدار di/dt جریان بار توسط سلف (L) محدود می شود. اما جریان ورودی متغیر بوده و معمولا به یک فیلتر ورودی بالانس کننده احتیاج است. این فیلتر یک پلارتیه برای ولتاژ خروجی و جریان خروجی یکسو شده فراهم می کند. در وضعیتی که احتمال اتصال کوتاه شدن مسیر دیود وجود داشته باشد مدار حفاظت نیز لازم است. مدار معادل وضعیت مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-3) نشان داده شده است

شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
2.2.2.2 مبدل بوست
در یک مبدل بوست، ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر است. شکل(2-4) مدار معادل آن را نشان می دهد.عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است.

شکل(2-4)مبدل بوست
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی شروع به زیاد شدن کرده و از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شودکه ترانزیستور SW درt=t1 قطع می شود. جریانی که تاکنون از ترانزیستور SW عبور می کرد، حال از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. با کاهش جریان سلفی در سیکل بعدی ترانزیستور SW مجددا وصل می شود و انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود. مدار معادل وضعیت مبدل افزاینده در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-5) نشان داده شده است.
مبدل بوست می تواند ولتاژ خروجی را بدون کمک ترانسفورماتور افزایش دهد و چون در آن فقط یک ترانزیستور وجود دارد، راندمان بالایی دارد. جریان ورودی ، پیوسته است اما پیک جریان گذرنده از ترانزیستور قدرت، مقدار بزرگی دارد. ولتاژ خروجی نیز حساسیت زیادی نسبت به تغییرات سیکل کاری مبدل دارد و از این رو ممکن است پایدار ساختن مبدل، دشوار باشد. هم چنین ترانزیستور با بار موازی شده است ، حفاظت کردن از آن در هنگام اتصال کوتاه مشکلاتی دارد.
در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی پلاسما، می توان از یک مبدل بوست بین پل یکسوساز و خازن های ورودی مدار استفاده کرد. این مبدل سعی می کند تا ولتاژ خروجیdc سیستم ثابت باشد، تا زمانی که فرکانس با ولتاژ خط متناسب است، جریان عبوری نیز پیوسته است.

شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
در حالت دیگر، ارایه ولتاژ خروجی مطلوب با توجه به ولتاژ dc سیستم می باشد که این روش نیاز به افزودن کلیدهای نیمه هادی با روش های کنترلی مطلوب است که المان های آن در ابعاد کوچکتر و کمپکت ارائه می شود.
3.2.2.2 مبدل باک - بوست
مبدل باک – بوست، ولتاژ خروجی تولید می کند که می تواند کوچکتر یا بزرگتر از ولتاژ ورودی باشد. پلارتیه ولتاژ خروجی، مخالف پلارتیه ولتاژ ورودی می باشد. هم چنین این مبدل، به مبدل وارون ساز یا تغذیه معکوسنیز معروف است]26[.که شکل (2-6) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل(2-6)مبدل باک - بوست
مرحله اول : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW وصل بوده و دیود هرزگرد(D) بایاس معکوس است. جریان ورودی که در حال افزایش است از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW قطع است. جریانی که از ترانزیستورSWعبور می کرد، اکنون از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. اکنون انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد تا این که ترانزیستور SWدر سیکل بعد مجددا وصل شود. مدار معادل وضعیت مبدل باک - بوست در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان - ولتاژ آن در شکل (2-7) نشان داده شده است.
مبدل باک – بوست این امکان را می دهد که بدون در اختیار داشتن ترانسفورماتور، پلارتیه ولتاژخروجی معکوس شود، راندمان بالایی دارد و حفاظت خروجی در مقابل اتصال کوتاه نیز به سادگی امکان پذیر است اما جریان ورودی متغیر بوده و مقدار جریان عبوری از ترانزیستور مدار نیز مقدار بزرگی است. بر خلاف مبدل های باک و بوست ، این مبدل هنگامی که بدون ایزولاسیون مورد استفاده قرار گیرد در خروجی مبدل ولتاژی با پلارتیه منفی قرار می گیرد.
البته می توان یک توپولوژی جدید بر اساس مبدل باک – بوست با پلارتیه ولتاژی مثبت در خروجی را مطرح کرد. در شکل (2-8) مدار معادل مبدل باک – بوست مثبت نشان داده است. یک مبدل باک - بوست مثبت می تواند به صورت تک خروجی یا چند خروجی باشد که آرایش آن شامل مبدل های باک و بوست با اتصال طبقاتی است.

شکل(2-7)شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید کلیدقطع

شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت
4.2.2.2 مبدل کاک
آرایشی که شامل ترکیب مبدل باک– بوست با اتصال سری، که ولتاژ خروجی بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی است و پلارتیه ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است، به نام مبدل کاک شناخته می شود. که به نام مخترع خود از انیستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا نام گذاری شده است]27[. شکل (2-9) مدار معادل آن را نشان داده است. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل (2-9)مبدل کاک (Cuk)
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان عبوری از سلف (L1) افزایش می یابد در همان موقع ولتاژ خازن (C1)، دیود هرزگرد(D) را در حالت بایاس معکوس قرار داده و آن را قطع می کند. بنابراین انرژی خازن(C1) به مداری که توسط خازن (C2)، سلف (L2) و بار تشکیل شده تحویل داده می شود.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. خازن (C1) از منبع ورودی شارژ شده و انرژی ذخیره شده در سلف (L2)، به بار منتقل می شود. دیود هرزگرد(D) در حالت بایاس مستقیم قرار می گیرد و همزمان با ترانزیستور SW در آن کلید زنی صورت می گیرد. شکل (2-10)مدار معادل حالت کلید زنی مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
مبدل کاک بر اساس خاصیت انتقال انرژی خازنی ساخته شده، درنتیجه جریان ورودی پیوسته می باشد. تلفات کلیدزنی کم و راندمان زیادی دارد. درحالتی که کلید وصل است جریان هر دو سلف از آن عبور می کند که پیک جریان کلید را افزایش می دهد. شکل (2-11)، شکل موج های جریان – ولتاژ مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
یک دسته جدید از مبدل های dc-dc درحوزه الکترونیک قدرت با نام مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم شناخته شده اند. کلیدزنی نرم بدین معنی است که در یک یا چند کلید به کار رفته در مبدلdc-dc، تلفات کلیدزنی در حالت قطع و وصل شدن کلید حذف شده است. نوع دیگری از کلیدزنی که مطرح می شود، کلیدزنی سخت است که در آن هم حالت قطع و وصل کلیدهای قدرت در سطوح ولتاژ و جریان بالا انجام می شود. بسیاری از تکنیک های کلیدزنی نرم برای اصلاح رفتار کلیدزنی مبدل های تشدیدی dc-dc وجود دارد. دو تکنیک مهم برای رسیدن به کلیدزنی نرم وجود دارد: کلید زنی جریان صفر و کلید زنی ولتاژ صفر.
در ساختار مبدل تشدیدی با کلید زنی نرم، یک شبکه تشدیدLC اضافه می گردد تا شکل موج جریان یا ولتاژ ادوات کلیدزنی را به صورت یک موج نیمه سینوسی شکل دهد تا یک شرط ولتاژ صفر یا جریان صفر را در مدار ایجاد کند. یک روش ایجاد نمودن یک پدیده تشدید کامل در این مبدل ها، استفاده از ترکیبات سری یا موازی عناصر تشدید می باشدکه برای dc-dc کردن آن از طریق یک طبقه اضافی یعنی طبقه تشدید، که در آن سیگنال dc به سیگنال ac فرکانس بالا تبدیل می گردد، انجام می گیرد. از نظر مداری، یک مبدل تشدید dc-dc را می توان با سه بلوک مداری شرح داد.که شکل(2-12) نشان داده است.
ولتاژ خروجی dc
ولتاژ ورودی dc
یکسوساز ac-dc
حالت تشدید
وارون ساز dc-ac

شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
نوع وارون ساز در مبدل های تشدیدی با کلید زنی نرم، از انواع مختلف ساختار های شبکه کلیدزنی به دست می آید. حالت تشدید،که به عنوان یک بلوک میانی بین ورودی و خروجی مبدل به کار گرفته می شود، معمولا با یک شبکه دارای فیلتر فرکانس، ترکیب می گردد. علت استفاده از این شبکه، تنظیم نمودن جریان شبکه از منبع به بار است. از مبدل های تشدید با کلیدزنی نرم می توان در مشعل های پلاسما با سطح توانی بالاتر از 30 کیلووات، استفاده کرد. از مبدل های تشدید سری با کلیدزنی ولتاژ صفر نیز می توان در منابع توان پالسی ولتاژ بالا استفاده کرد. مزیت توپولوژی مبتنی بر مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم ، شامل کموتاسیون طبیعی کلیدهای قدرت پلاسمایی می باشد که منجر به کاهش تلفات قدرت کلیدزنی، افزایش راندمان و فرکانس کلیدزنی سیستم های توان پالسی می شود و در نتیجه کاهش اندازه ، وزن سیستم و کاهش احتمالی تداخلات الکترومغناطیسی را به دنبال دارد. عیب مهم تکنیک های کلید زنی ولتاژ یا جریان صفر در مبدل های تشدید آن است که برای تنظیم خروجی، نیاز به کنترل فرکانس متغیر است. که به واسطه آن مدار کنترلی پیچیده تر می شود و هارمونیک های ناشی از تداخلات الکترومغناطیسی ناخواسته که در تغییرات زیاد بار تولید می شود بسیار نامطلوب است.
با بررسی مقالات منتشر شده در مورد توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc-dc توسط ادوات الکترونیک قدرت با توجه به انواع مبدل ها، در کاربردهای مختلف منابع توان پالسی پلاسما، می توان به نتایج جامعی در این باره دست یافت که چکیده آن در جدول های مقایسه ای (2-1) و (2-2) آمده است]28[.
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
ردیف نوع مبدل
مبدل
باک
مبدل بوست
مبدل
باک- بوست
مبدل
باک- بوست مثبت مبدل
کاک
شاخصه ها 1 سطح ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ ورودی هر دو حالت
هردو حالت هر دو حالت
2 پلارتیه خروجی موافق ورودی موافق ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی
3 سطح عایقی کم کم زیاد زیاد کم
5 کنترل اضافه جریان وجود ندارد وجود ندارد وجود دارد وجود دارد وجود دارد
6 قابلیت اطمینان کم متوسط متوسط بالا متوسط
7 راندمان متوسط متوسط بالا بالا متوسط
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
ردیف شاخصه ها حالت کلیدزنی اولیه حالت کلیدزنی ثانویه سطح ولتاژ خروجی راندمان
نوع مبدل وصل قطع وصل قطع کم زیاد کم باری بار کامل
1 مبدل تشدید NV ZVS ZVS ZVS di/dt- زیاد ___ * کم بالا
2 مبدل تشدید نیم پل ZVS ZVS ZVS ZCS ___ * متوسط بالا
3 مبدل تشدید دو برابر کننده جریان نیم پل سخت
ZCS ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ متوسط بالا
4
مبدل تشدید دو برابر کننده جریان تمام پل ZVS
سخت
ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ کم بالا
5 مبدل تشدیدی ترکیبی ZVZC با ترانسفورماتور پالسی ZVS
ZVS/ZCS ZVS ZCS __ * کم بالا
6 مبدل تشدید ZCS ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * بالا کم
7 مبدل شبه تشدید ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * کم بالا
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
اجزای اصلی توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ، خازن و دیود هستند. این توپولوژی با
کوک کرافت – والتون نقش قابل توجهی در افزایش ولتاژ درکاربردهای پلاسما و ارتباطات از قبیل: میکرو الکترونیک، دستگاه های گیرنده فرکانس های رادیویی و منابع توان پالسی و... دارد. شکل (2-13) نمونه ای از یک تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون را نشان داده است. از مشخصات مهم توپولوژی تقویت کننده ولتاژ که برای طراحی منابع توان پالسی پلاسما می توان در نظر گرفت، این است که سادگی وکاربردی بودن مدار تقویت کننده ولتاژ یکی از فاکتورهای کلیدی استفاده گسترده آن است. اجزای اصلی هر طبقه شامل تعدادی از خازن و دیود است که کوپل شده اند و این عمل باعث افزایش ولتاژ می شود. عملکرد هر طبقه از این تقویت کننده می تواند به عنوان روند تکمیلی و تحلیلی برای این توپولوژی باشد که افزایش ولتاژ خروجی را در پی دارد. بنابراین در این توپولوژی نیازی به استفاده از گیت قطع و وصل کلیدها و ترانزیستورها که همراه با مدارات کنترلی جانبی است، نمی باشد. روشن است این مدارات کنترلی، تنظیمات را سنگین تر، پیچیده تر و گران تر می کند و در نتیجه قابلیت اطمینان و راندمان سیستم کم می شود. از سوی دیگر، ورودی مدار توپولوژی قابلیت تغذیه از هر نوع شکل موج ورودی به جز شکل پالسی را دارد. بنابراین هیچ الزامی وجود ندارد که فقط شکل موج ورودی، سینوسی باشد. در این توپولوژی می توان ولتاژ را به مقدار زیادی با هرنوع شکل موج متناوبی از جمله سینوسی، ذوزنقه ای یا سینوسی هارمونیک دار که در ورودی داشته باشیم، افزایش داد. هم چنین شوک ولتاژی ناشی از dv/dt ایجاد شده که در ورودی این مدار وجود دارد را می توان با کنترل جریان نشتی عبوری از خازن ها کنترل کرد.
از مزایای عمده استفاده از تقویت کننده ولتاژ در پلاسما، دارای ابعاد کوچک و وزن کم هستند که راندمان وقابلیت اطمینان بالایی دارند. معایب اصلی آن نیز عبارتنداز: تاخیر زمانی بین ورودی و خروجی مدار، که مقدار آن بزرگ می باشد. بنابراین به ظرفیت مناسب خازنی نیاز است. این مقدار را می توان در محدوده قابل قبولی با افزایش فرکانس کاری تقویت کننده ها که از مبدل های AC-DC-AC در ورودی آن استفاده شود ، کاهش داد .

8فصل چهارم

که تعریف می کنیم:
(4-6)
(4-7)
برای مدل کردن نیروهای خارجی فرض می‌شود که اثرات اتلافی، خطی تغییر ناپذیر با زمان (LTI) هستند، و فقط بر اثر مقاومت‌های سیم‌پیچ‌ها به وجود می‌آیند و ضریب اصطکاک چسبندگی مکانیکی . بنابراین تابع اتلاف رایلی (Rayleigh ) فرم زیر را پیدا می‌کند:
(4-8)
که
(4-9)
نیروهای کنترلی ولتاژ هایی هستند که به سیم‌پیچ‌ها اعمال می‌شوند با شرط . در این کار ماشین‍های تحت تحریک همانند ماشینهای (Under actuated ) می‌باشند. یعنی ماشین‌هایی که ولتاژها می توانند فقط به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال می‌شوند(یعنی موتور القایی)یا به هر دو سیم‌پیچی‌های استاتور و رتور (یعنی موتور سنکرون با سیم‌پیچی محلی) مورد بررسی قرار خواهند گرفت. بنابراین بسیار مناسب است که بردار مختصات الکتریکی را به صورت مشخص کنیم که پسوندهای s و r برای نشان دادن متغیرهای سیم‌پیچ‌هایی که به ترتیب "تحریک شده" و "تحریک نشده" هستند استفاده می‌شوند. (اورتگا، 1998)
در حالت ماشین‌های Under actuated تقسیم‌بندی به خوبی با متغیرهای رتور و استاتور منطبق است. توجه داشته باشید ماشین‌هایی مانند موتورهای سنکرون و استپر و موتورهای رلوکتانس متغیر که qe فقط شامل متغیرهای استاتور می‌باشد، و به طور مستقیم توسط ولتاژهای استاتور تحریک می‌شوند. در نهایت فرض می شود که گشتاور بار ????L در زیرسیستم مکانیکی به فرم زیر است:
(4-10)
نکته: ارائه یک گشتاور بار به صورت فرم فوق ثابت می‌کند که به ازای هر کراندار یک کراندار وجود دارد. به جز این که همانگونه که در ادامه نشان داده می‌شود، گشتاور بار هیچ نقشی در مسأله تعقیب گشتاور ندارد و می‌تواند به عنوان یک اختلال خارجی برای مسأله تعقیب سرعت در نظر گرفته شود. با یک پارامتر معیار و .
با توجه به ملاحظات بالا وبا به کارگیری معادلات EL (4-3) تا (4-6) معادلات EL حرکتی ماشین به صورت زیر نشان داده می‌شوند:
(4-11)
(4-12)
که بدون از دست دادن عمومیت، می‌توانیم فرض کنیم که و و تعریف می‍کنیم:

در اینجا τ گشتاور تولید شده است و زیرسیستم‌های الکتریکی و مکانیکی را بر طبق معادله زیر در بر می‌گیرد:
(4-13)
که در مورد حال حاضر ما به معادله زیر کاهش پیدا می‌کند:
(4-14)
که و در محدود و متناوب است.
توجه داشته باشید که، ماشین با پارامترهای EL که شامل چهار گانه است به صورت کامل توصیف شده است که در آن داریم:.(اورتگا، 1998)
4-5 روش مبتنی بر پسیویتی برای طراحی کنترل‌کننده
4-5-1- تجزیه فیدبکی زیرسیستم‌های پسیو
در این قسمت، نشان داده خواهد شد که مدل دینامیکی یک ماشین الکتریکی کلی در شرایط قضیه پسیویتی صدق می‌کند و به همین ترتیب می‌تواند به دو زیرسیستم پسیو که به صورت یک اتصال فیدبک می‌باشند تجزیه شود. یعنی
زیر سیستم الکتریکی ∑eqsu
τ -
qm زیر سیستم مکانیکی ∑m
τL
τL-شکل (4-2): تجزیه زیرسیستم‌های پسیو یک ماشین الکتریکی
*- قضیه 4-1 : (تجزیه زیرسیستم‌های پسیو) سیستم (9.6) - (9.8) می‌تواند به صورت یک اتصال فیدبک منفی از دو زیرسیستم پسیو به صورت شکل (4-2) نمایش داده شود.
Σe: L2ens+1 → L2ens+1 : u-qm ↦ qsτ Σe: L2e → L2e : τ-τL ⟼qm 4-5-2روند طراحی
اساس طراحی از تجزیه زیرسیستم‌های پسیو و با نادیده گرفتن دینامیک‌های مکانیکی بدست می‌آید، تلاش می‍شود که گشتاور تولیدی τ با وارد کردن مقدار مطلوب جریان‌های qeکنترل شود. بنابراین سه مرحله برای طراحی وجود دارد:
تجزیه زیرسیستم‌های پسیو بر مبنای بخش قبل در ماشین به صورتی که Σe به عنوان سیستمی که قرار است کنترل شود وΣm به عنوان یک اختلال پسیو1 در نظر گرفته شوند. برای اطمینان از این که Σm پایداری حلقه را خراب نکند، میرایی حتماً باید به Σe تزریق شود برای این که خاصیت پسیویتی در آن به پسیویتی اکید تبدیل شود.
تعریف یکسری از جریان‌های در دسترس qed یعنی، جریان‌هایی که برای آنها می‌توان یک قانون کنترل پیدا کرد، که در آنها شرط limt→∞qe-qed=0 صادق باشد. برای این منظور، انرژی حلقه بسته باید برای تطابق تابع انرژی مطلوب با خطای جریان شکل داده شود.
تابع انرژی مطلوب در اینجا به صورت Hed≜12qeTDe(qm)qe انتخاب می‌شود و خطای جریان به صورت زیر تعریف می‌گردد:
(4-15) qe≜qe-qed در این میان جریان قابل دسترس، qed انتخاب می‌شود جهت بدست آوردن گشتاور مرجع مطلوب τ* ، به صورتی که اگر qe≡qed آنگاه τ≡τ* باشد. در نهایت شروطی برقرار می‌شود که تحت آن شرط‌ها، از شرط limt→∞qe-qed=0 نتیجه می‌شود limt→∞τ-τ*=0 صادق است و همچنین پایداری داخلی نیز حفظ می‌گردد.
1.Passive Disturbance
4-6 مدل موتور القایی
شماتیک مدل موتورالقایی مورد استفاده در کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی به صورت شکل(4-3) می‌باشد. شکل (4-4) بلوک دیاگرام مربوط به مدل موتورالقایی که در شبیه‌سازی‌ها از آن استفاده شده است را نشان می‌دهد.
شکل (4-3): مدل موتورالقایی مورد استفاده در کنترل‌کننده

شکل (4-4): دیاگرام مدل موتور القایی مورد استفاده در شبیه‌سازی‌ها
4-6-1 معادلات دینامیکی
تحت فرضیاتی که در بخش 4-3 در مورد پیاده‌سازی فیزیکی یک ماشین بیان گردید، یک مدل استاندارد دو فاز αβ (در این مدل محورهای مربوط به استاتور به صورت ثابت بوده در حالی که محورهای مربوط به رتور با سرعت زاویه‌ای (الکتریکی) رتور می‌چرخند.) از یک موتور القایی قفس سنجابی با p جفت قطب با فاصله هوایی یکنواخت که دارای ne=4 وns=nr=2 بوده و برای پارامترهای الکتریکی آن داریم:
(4-16) De(qm)=LsI2LsreJnp qmLsre-Jnp qmLrI2
(4-17) Re=RsI200RsI2 (4-18) Me=I20(4-19) J=0-110= -JT(4-20) eJnpqm=cos(np qm)-sin(np qm)sin(np qm)cos(np qm)(4-21) e-Jnpqm=(eJnp qm)TLs,Lr,Lsr>0 به ترتیب ماتریس‌های اندوکتانس استاتور و رتور و متقابل می‌باشند.Rr,Rs>0 به ترتیب مقاومت‍های استاتور و رتور بوده و.I2 هم یک ماتریس همانی 2×2 است. (اورتگا، 1998)
معادلات دینامیکی به صورت استفاده مستقیم از معادلات EL (3-21) بدست می‌آیند، همانگونه که در بخش 4-4 با فرم لاگرانژ (4-5) بیان می‌گردند. در نتیجه داریم:
(4-22) De(qm)qe+W1(qm)qmqe+Reqe=Meu(4-23) Dmqm+Rmqm=-τqe,qm-τL(4-24) τqe,qm=12qeTW1(qm)qeکه W1(qm)=dDe(qm)dqm=0npLsrJeJnp qm-npLsrJe-Jnp qm0 qe≜qsT,qrT=[qs1,qs2,qr1,qr2]T بردار جریان بوده و qm سرعت زاویه‌ای رتور می‌باشد.
Dm>0 اینرسی رتور است. سیگنال‌های کنترلی u=[u1 ,u2]T ولتاژهای استاتور بوده و τLگشتاور بار خارجی است. Rm>0 ثابت میرایی چسبندگی مکانیکی1 می‌باشد.
بردار شار λ≜λsT,λrT=[λs1,λs2,λr1,λr2]T تحت معادله (4-25) به بردار جریان qe وابسته است.
(4-25) λ=De(qm)qeکه دومین معادله از معادلات برداری فوق معادله
(4-26) λr=Lsre-Jnp qmqs+Lrqrمی‌باشد که برای استفاده در تحلیل بعدی لازم است.
1. Mechanical viscous damping constant
همچنین توجه داشته باشید که به علت سیم‌پیچ‌های اتصال کوتاه شده در رتورهای قفس سنجابی دومین معادله از معادلات (4-22) به صورت معادله (4-27) تبدیل می‌شود.(اورتگا، 1998)
(4-27) λr+Rrqr=04-6-2 بعضی از ویژگیهای کنترلی مدل
4-6-2-1 ویژگی‌های ورودی-خروجی:
مدل ماشین القایی تشریح شده در بخش 4-6، یک مورد خاص از مدل ماشین عمومی (4-11)-(4-14) می‌باشد. در نتیجه این مدل ویژگی‌های پسیویتی بیان شده در قضیه 4-1 را دارا می‌باشد.
به ویژه که، مدل (4-11) - (4-12) می‌تواند به فرم قانون دوم نیوتن باز نویسی شود، داریم:
(4-28) Dqqجرم × شتاب =-W1qmqeqm12qe⊤W1qmqe-Rq+Mu+ξ نیروها جمعکه درآن داریم: D(q)=diagDeqm,Dm و R=diag{Re,Rm} و M=[Me⊤,0]⊤ و q= [qe⊤,qm]⊤ ξ=[0,-τl]⊤ .
جمله دوم در بخش سمت راست معادله (4-28)، مربوط به نیروهای اتلافی می‌باشد، در حالی که دو جمله آخر بخش سمت راست شامل نیروهای خارجی می‌باشد. بن مایه اصلی فلسفه طراحی برمبنای پسیویتی آشکار ساختن نیروهای بی‌اثر می‌باشد که در این مورد جمله اول بخش سمت راست معادله بالا می‌باشد که براحتی می‌تواند با کل انرژی سیستم ایجاد شود:
(4-29) τ(q,q)=12q⊤D(q)qکه دارای نرخ تغییر (کار سیستم)
(4-30) T=q⊤(-Rq+Mu+ξ)نیروهای بی‌اثر بر تراز انرژی سیستم اثری نمی‌گذارد که در نتیجه از انتگرال‌گیری از معادله بالا داریم:
(4-31) τ(t)-τ(0)شده ذخیره انرژی=0tq⊤Rqdsشده تلف+0tq⊤Mu+ξdsشده وارد به عنوان نتیجه باید گفت که اثر این نیروها می‌تواند به زبان ساده در تحلیل پایداری نا‌دیده گرفته شود. همچنین معادله تراز انرژی اثبات می‌کند که نگاشت [u⊤,τL]⊤→[qs⊤,qm]⊤ با تابع ذخیره τ(q,q) پسیو می‌باشد. به علاوه همانگونه که در بخش 4-5 نشان داده شد، مدل موتور می‌تواند به صورت یک اتصال فیدبک به دو زیرسیستم پسیو با توابع ذخیره به ترتیب τe(qm,qe) وτm(qm) تجزیه گردد.(اورتگا، 1998)
4-6-2-2 ویژگیهای هندسی:
حال ویژگی "قابلیت معکوس پذیری" مدل موتور القایی بیان می‌گردد. لازم به ذکر است این ویژگی برای بدست آوردن یک بیان واضح( explicit ) از یک کنترل‌کننده تعقیب گشتاور مبتنی بر پسیویتی حیاتی می‌باشد. از(4-2)-(4-3) دیدیم که گشتاور به صورت زیر نوشته می‌شود.
(4-32)τ=12qe⊤W1qmqe=npLsrqs⊤JeJnp qmqr
که درآن ارتباط بین Jو eJnp qm به صورت JeJnp qm=eJnp qmJ می‌باشد که از خاصیت پاد متقارن بودن این ماتریس (skew-symetry) J (یعنی J⊤=-J⇒x⊤Jx=0, ∀x∈R2 ) استفاده شده است.
حال (4-26) را برای qr حل می‌کنیم داریم:
(4-33) qr=1Lr(λr-Lsre-Jnp qmqs)و با جایگذاری (4-33) در (4-32) داریم:
(4-34) τ=npLsrLrqs⊤JeJnp qmλrدر نهایت (4-26) را برای qs حل می‌کنیم داریم:
(4-35) qs=1LreJnp qm(λr-Lrqr)وبا جایگذاری (4-35) آن در(4-34) داریم:
(4-36) τ=-npqr⊤Jλr=npRrλr⊤Jλrکه برای qr=-1Rrλr از معادله (4-27) استفاده شده است. این یک نکته کلیدی است که ما در بخش 4-4 برای وارون‌سازی دینامیکی سیستم استفاده کردیم. در این مورد (4-15) فرم زیر را بدست می‌دهد:
(4-37) λr=τλrRrnpJλrهمانطور که دیدیم، معادله فوق نشان می دهد که دینامیک‌های صفر موتور با خروجی‌های τ و λr پریودیک هستند. این واقعیت بسیار واضح‌تر دیده می شود اگر سرعت شیب (slip speed) را به صورت زیر بنویسیم:
(4-38) ρ=ddtarctanλr2λr1=11+λr2λr12λr2λr1-λr2λr1λr12 =1λr2λr⊤Jλr =Rrnpλr2τاز این معادله مشخص می‌شود که اگر τ و λr در مقادیر ثابتی باقی بمانند، شار رتور در یک سرعت ثابت می‍چرخد، این نشان می‌دهد که گشتاور می‌تواند با کنترل کردن اندازه شار رتور و سرعت لغزش کنترل شود. (اورتگا، 1998)
4-6-3 تعریف (مسأله تعقیب سرعت و اندازه شار رتور)
مدل موتور القایی 6 وجهی بیان شده در بالا را در نظر بگیرید که بردار حالت آن [qeT,qm,qm]T می‌باشد، ورودی‍های ولتاژهای استاتور یعنی u ∈R2، سرعت خروجی تنظیم شده qm و شار رتور λr .
فرض کنید:
1- جریان‌های استاتور qs، سرعت رتور qm و موقعی qm ابل اندازه‌گیری هستند.
2- تمامی پارامترهای موتور به طور کامل معلوم می‌باشند.
3- گشتاور بار τL(t) یک تابع معلوم و محدود با مشتق اول کراندار و معلوم می‌باشد، به صورت زیر:
τl(t) ≤C1<∞ , ∀ ∈0 ,∞4- سرعت مطلوب رتور qm*(t) یک تابع کراندار ومشتق پدبر از مرتبه دوم بوده و مشتقات مرتبه اول و دوم آن کراندار می‌باشند به صورت
qm*(t)≤C2 <∞ , ∀t ∈ 0 ,∞ 5- اندازه شار مطلوب رتور β*(t) یک تابع اکیداً پسیو و کراندار و مشتق‌پذیر از مرتبه دوم بوده ومشتقات مرتبه اول و دوم معلوم و کراندار دارد به صورت:
0<δ1≤βα≤βα<∞ , βα≤βα<∞ , βα≤βα<∞ تحت شرایط گفته شده، طراحی یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی تعقیب مجانبی سراسری سرعت و اندازه شار رتور را تضمین می‌کند یعنی
limt→∞qm-qm*(t)=0 limt→∞λr-β*(t)=0با کراندار و یکنواخت بودن تمامی سیگنال‌های داخلی.(اورتگا، 1998)
4-7 یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی حلقه‌ای تودرتو:(Nested-Loop PBC)
در این بخش ما مسأله تعقیب سرعت-موقعیت را با اضافه یک کنترل‌کننده در حلقه بیرونی کنترل‌کننده قبلی حل می‌کنیم که نتیجه آن یک کنترل‌کننده حلقه‌ای تودرتو یا Nested-loop (یا کاسکود یا آبشاری) طبق شکل (4-5) می‍باشد.
????
شکل (4-5): ساختار یک کنترل تودرتو(Nested-Loop)
در این کنترل‌کننده Cil یک کنترل PBC تعقیب گشتاور حلقه داخلی بوده و Col یک کنترل سرعت حلقه بیرونی می‌باشد که گشتاور مطلوب τd را تولید می‌کند. می‌توان نشان داد که Col به عنوان یک سیستم LTI که به صورت مجانبی دینامیک‌های مکانیکی را پایدار می‌کند در نظر گرفته می‌شود. اشکال عمده‌ی تکنیکی این روش طراحی این است که Cil به معلوم بودن τd نیاز دارد. به همین ترتیب نشان‌دهنده نیاز به اندازه qm دارد. برای غلبه بر این مشکل qm را با مشتق تقریبی آن ، با حفظ ویژگی پایداری سراسری جایگزین می‌کنیم.
در این پایان‌نامه یک کنترل‌کننده تعقیب سرعت و اندازه شار رتور بدون مشاهده‌گر به طور کلی تعریف و اثبات خواهد شد. همچنین نشان داده می‌شود که چگونه این کنترل‌کننده با یک انتگرال‌گیری از جریان‌های استاتور مقاوم می‌شود.(اورتگا، 1998)
4-7-1 کنترل گشتاور مبتنی بر پسیویتی بدون مشاهده‌گر
مدل موتور القایی با معادلات دینامیکی (4-22)-(4-24)را در نظر بگیرید، که بردار حالت آن [qeT,qm,qm]T، بردار ورودی آن ولتاژهای استاتور u∈R2 و خروجی‌های تنظیم شده شامل جریان‌های استاتور qe بوده و گشتاور الکترومغناطیسی Te به عنوان کنترل غیرمستقیم در نظر گرفته می‌شود.
فرضیات:
تمام پارامترهای موتور به طور کامل معلوم می‌باشند.
جریانهای استاتور qs و سرعت رتور qm قابل اندازه گیری می‌باشند.
گشتاور بار TL یک تابع معلوم و کراندار و دارای مشتق مرتبه اول می‌باشد، به طوری که
TL(t)≤c1<∞ , ∀t∈0,∞گشتاور الکترومغناطیسی Te* یک تابع معلوم و کراندار می‌باشد، به طوری که
Te*(t)≤c2<∞ , c1< c2 , ∀t∈0,∞تحت این شرایط طراحی یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی تعقیب مجانبی جامع گشتاور الکترومغناطیسی را تضمین می‌کند، یعنی limt→∞Te-Te*=0 . کنترل‌کننده گشتاور الکترومغناطیسی را طی مراحل زیر طراحی می‌کنیم:
الف-پسیویتی اکید با تزریق میرایی
اولین مرحله از روند طراحی تجزیه مدل دینامیکی موتور به دو زیرسیستم الکتریکی ∑e و مکانیکی ∑m می‌باشد که در بخش‌های قبلی به طور کامل توضیح داده شد. در این مرحله نشان می‌دهیم که چگونه میرایی به زیرسیستم الکتریکی تزریق می‌گردد به طوری که نگاشت ورودی کنترل به خروجی قابل اندازه‌گیری « اکیداً غیرفعال خروجی » باشد.
برای اطمینان از پایداری زیرسیستم الکتریکی فیدبک خروجی به فرم زیر انتخاب می‌شود:
(4-39) u=v-K1(qm)qsکه K1(qm)qe جمله تزریق میرایی می‌باشد.
بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (4-6) این مرحله به صورت مشخص نشان می‌دهد. نگاشت v⟼qs اکیداً غیرفعال خروجی می‌باشد.(اورتگا، 1998)
شکل(4-6) : بلوک دیاگرام تزریق میرایی به زیر سیستم الکتریکی
ب- جریان مرجع و شکل‌دهی انرژی
یک جریان مرجع مناسب qed برای تولید گشتاور الکترومغناطیسی مرجع Te*تعیین می‌شود، به شرطی که اگر qe≡qed آنگاه Te≡Te*. به علاوه بر این، اگر qed کراندار باشد، Te و qe و qm نیز کراندار باشند. افزون بر این، کراندار بودن qed نشاندهنده کراندار بودن qe و v می‌باشد. اگر v و qed در رابطه (4-40) صدق کنند آنگاه داریم qe=qe-qed→0 به ازای t→∞ به طوری که مستقل از qm و qm ونوع انتخاب qed باشد.
(4-40) Mev=Deqmqed+Ceqm,qmqe+Resqm,qmqeکه در آن Ceqm,qm=12W1(qm)qm بوده و Resqm,qm=Re+12W1(qm)qm+K1(qm)000 .
و برای بردار جریان مرجع qed داریم limt→∞=qe-qed=0 .
در پایان سیستم حلقه بسته دارای تابع انرژی مطلوب به صورت Hed=12qeTDeqmqe می‌باشد. این مرحله را اصطلاحاً مرحله شکل‌دهی انرژی می‌گویند.(اورتگا، 1998)
ج- تعقیب گشتاور توسط تعقیب جریان
بر اساس معادله (4-24) برای تعریف qed برای داشتن که گشتاور مرجع داده شده Te* معادله زیر پیشنهاد می‌شود:
(4-41) Te*qed,qm=12qedTW1(qm)qedسپس با استفاده از معادله (4-24) داریم:
(4-42) Te-Te*=12qedTW1qmqed+qeTW1(qm)qedچون W1(qm) کراندار است، در نتیجه آن خواهیم داشت که اگر شرط limt→∞=qe-qed=0 برقرار باشد تعقیب مجانبی گشتاور بدست خواهد آمد.
د- کنترل گشتاور
بردار شار λ=λsT,λrTT توسط معادلات زیر با بردار جریان ارتباط پیدا می‌کند:
(4-43) λ=Deqmqeو
(4-44) λr=Lsre-Jnpqmqs+Lrqrبه خاطر سیم‌پیچهای اتصال کوتاه شده در رتور قفس سنجابی، دومین معادله از معادلات (4-22) به صورت
(4-45) λr+Rrqr=0داده میشود، که با ترکیب آن با معادلات (4-24) و (4-44) معادله گشتاور الکترومغناطیسی به صورت زیر داده می‍شود:
(4-46) Te=npLsrLrqeTJeJnpqmλrمعادله (4-46) می‌تواند برای بدست آوردن qs حل شود که داریم:
(4-47) qs=1LsreJnpqm(λr-Lrqr)حال با جایگذاری آن در (4-46) با استفاده از (4-45) خواهیم داشت:
(4-48) Te=-npqrTJλr=npRrλrTJλrبرای گشتاور مرجع Te* ، یک شار روتور مطلوب λrd توسط معادله دیفرانسیل زیر داده می‌شود:
(4-49) λrd=Rrnpβ*2Te*Jλrd , λrd0=β*(0)0که در آن β* قدرمطلق λrd می‌باشد.(اورتگا، 1998)
ه- تعقیب سرعت و اندازه شار رتور
در پایان، با ترکیب معادلات (4-39) و (4-40) و (4-44) و (4-47) و (4-49)، ورودی کنترل u در شکل (4-5) به صورت کلی زیر بدست خواهد آمد:
(4-50) u=Lsqsd+LsreJnpqmqrd+npLsreJnpqmqmqrd+Rsqsd-K1(qm)qsکه در آن
(4-51) qed=qsdqrd=1Lsr[I2+Lrnpβ*2Te*J]eJnpqmλrdTe*npβ*2Jλrdو داریم، qe=qs-qsd .
اگر ما انتخاب کنیم که K1qm=np2Lsr24εqm2+K1 با شرط 0<ε≤Rr , K1≥0 آنگاه می‌توان گفت که ماتریس Res در معادله (4-40) مثبت معین خواهد بود.
(4-52) Te*=Dmqm*-z+TLکه در آن z=-az+bqm- qm*, a,b>0 , z0=qm0-qm*(0)و داریم برای تخمین گشتاور بار از این عبارت استفاده شده است: TL=-γτLe , γτL≥0که البته برای کنترل سرعت e=qm- qm* یعنی e خطای سرعت رتور می‌باشد.
شکل(4-7) : بلوک دیاگرام کنترل‌کننده گشتاور
برای کنترل سرعت بخش معادلات فوق در مقالات اصلی پسیویتی ارائه شده است، در واقع یک فیلتر خطی از خطای تعقیب سرعت و تخمین گشتاور بار توسط اورتگا و دیگران ‌‍[3] ارائه گردیده است، که نمودار (4-7) بلوک دیاگرام آن را به نمایش می‌گذارد.
و- کنترل‌کننده پیشنهادی
در این پایان‌نامه، کنترل‌کننده سرعت پیشنهادی، یک کنترل‌کننده PI را بوده و همچنین خروجی گشتاور مطلوب در یک محدوده مشخص قرار گرفته است. به عبارت دیگر کنترل‌کننده سرعت با توجه به توان موتور محدود شده است.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

بنابراین کنترل‌کننده PI باعث می‌شود که گشتاور مرجع در ناحیه پایدار محدود شده تغییر کند. از منظر مبحث انرژی، می‌توان گفت که کل انرژی سیستم کنترل سرعت محدود شده است و در نتیجه پایداری کل سیستم تضمین خواهد شد.
کنترل‌کننده سرعت پیشنهادی به صورت زیر تعریف می‌شود:
(4-53) T'=Kpqm+KIqmdt(4-54) Te*=Temax اگر T'>TemaxT' اگر Temax> T'>TeminTemin اگر T'<Teminکه در آن qm=qmd-qm , KP>0 , KI>0 و Temax و Temin به گشتاور نامی مرتبط می‌باشند. با اعمال معادله (4-54) خطای ماندگار سرعت رتور به صفر همگرا می‌شود، یعنی limt→∞qm=0 . بلوک دیاگرام مربوط به این قسمت از کنترل‌کننده پیشنهادی به صورت شکل (4-8) می‌باشد. با محدود کردن گشتاور به مقادیری ثابت حداقلی و حداکثری در کنترل‌کننده بهبود در نتایج کنترل‌کننده را انتظار داریم.
شکل(4-8) : بلوک دیاگرام مربوط به کنترل سرعت موتور القایی
معادله (4-54)
معادله (4-53)
شکل) 4-9( : بلوک مربوط به کنترل سرعت پیشنهادی
کنترل‌کننده سرعت
معادلات (4-53) و (4-54)
تبدیل 3 به 2
∫کنترل‌کننده گشتاور
فیلتر فیدبک
اندازه‌گیری wr
تبدیل 2 به 3
معادله (4-49)
معادله (4-51)
معادله (4-50)

_ wr
Td

M
P
W
M

—d1174

جدول 4-5: نحوه محاسبه متوسط ارزش زمان سفر اتومبیل های شخصی ...................................109
جدول 4-6: ارزش زمان سفر اتومبیل ها در کشورهای اروپایی در هر کیلومتر ........................... 110
جدول 4-7: نتایج محاسباتی هزینه نهایی تراکم برخی از آزادراه های اروپا در سال 2001 ....... 110
جدول 5-1 : ارزش زمان سفر وسایل نقلیه در کشور ایران در سال 1387 بر حسب تومان ......... 133
جدول 5-2: ظرفیت هر خط عبور آزادراهها برحسب کیفیت ترافیک و سرعت طرح .................. 134
جدول 5-3 : مقدار ضرایب بهینه تابع تردد خودروها .................................................................... 138
جدول 5-4 : نتایج حاصل از طراحی شبکه ..................................................................................... 144
جدول 5-5 : خلاصه مدل رگرسیون خطی ...................................................................................... 147
جدول 5-6 : خلاصه نتایج آزمون فرضیات ......................................................................................148
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 : عملکرد هزینه های حمل و نقل ...................................................................................... 14
شکل 2-2 : روند تحلیلی هزینه های ثابت بر حسب میزان بهره برداری ........................................ 16
شکل 2-3: عملکرد هزینه های ثابت بر حسب تن-مسافت ............................................................ 17
شکل 2-4: هزینه های متغیر بر حسب عملکرد حمل و نقل ............................................................ 19
شکل 2-5: تعادل عرضه بنزین با احتساب هزینه های آلوده سازی محیط زیست ......................... 21
شکل 2-6: اجزای اصلی یک شبکه عصبی بیولوژیک ...................................................................... 27
شکل 2-7: مدل نرون تک ورودی ..................................................................................................... 33
شکل 2-8: توابع مورد استفاده در مدل سلول عصبی ..................................................................... 35
شکل 2-9: مدل چند ورودی یک نرون ............................................................................................. 36
شکل 2-10: فرم ساده شده نرون با R ورودی ................................................................................... 37
شکل 2-11: شبکه تک لایه با S نرون ................................................................................................ 38
شکل 2-12: شبکه پیشخور سه لایه ................................................................................................ 39
شکل 2-13: نرون شبکه پرسپترون .................................................................................................. 40
شکل 2-14: بلوک تاخیر زمانی .......................................................................................................... 41
شکل 2-15: شبکه تک لایه برگشتی .................................................................................................41
شکل 4-1 : نمودار سرعت بر حسب تراکم ........................................................................................ 79
شکل 4-2 : نمودار سرعت بر حسب جریان ...................................................................................... 80
شکل 4-3 : نمودار زمان سفر بر حسی تقاضا ....................................................................................82
شکل 4-4 : نمودار تقاضا بر حسب عرضه ......................................................................................... 89
عنوان صفحه
شکل 4-5: نمودار هزینه متوسط و جانبی ....................................................................................... 92
شکل 4-6 : جریان ترافیک در چند روز مختلف در طول شبانه روز ............................................... 96
شکل 4-7 : نحوه ارتباط سرعت، جریان و چگالی در توابع جریان ترافیک ................................... 100
شکل 4-8 : نمونه جریان ترافیک در بزرگراه ها .............................................................................. 101
شکل 4-9 : نمودار سرعت – تقاضا در مدل ویکری ........................................................................ 103
شکل 4-10 : نمودار هزینه حاشیه ای و هزینه تراکم ....................................................................... 104
شکل 4-11 : ساختار مدل پیشنهادی برای پیش بینی جریان ترافیک .......................................... 117
شکل 4-12 مراحل ساخت مدل پیش بینی حجم ترافیک ............................................................. 118
شکل 4-13: رگرسیون خطی ساده .................................................................................................. 121
شکل 5-1: انواع هزینه های حمل و نقل .......................................................................................... 131
شکل 5-2 : نمودار ترافیک عبوری خودروها را در بازه زمانی یک ساعت .....................................137
شکل 5-3 : نمودار ترافیک عبوری خودروها ...................................................................................137
شکل 5-4 : نمودار مبلغ تراکم در ساعت های مختلف ....................................................................139
شکل 5-5: ارتباط مابین تقاضا، عرضه و حجم ترافیک ...................................................................139
شکل 5-6: مدل چهار مرحلهای برنامه ریزی حمل ونقل ............................................................... 140
شکل 5-7 : خروجی Train شبکه عصبی ........................................................................................144
شکل 5-8: خروجی مربوط به اعتبار سنجی شبکه عصبی .............................................................144
شکل 5-9 : خروجی مربوط به آزمایش شبکه عصبی ......................................................................145
شکل 5-10: تعداد epochهای مورد استفاده توسط الگوریتم یادگیری شبکه .............................145
شکل5-11 : مقایسه خروجی شبکه عصبی با اطلاعات موجود ........................................................146
شکل5-12 : مقایسه خروجی مدل رگرسیون با اطلاعات موجود ....................................................151

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

فهرست نشانه های اختصاری
TDNN = Time delay neural network
BOT = Build-operate-transfer
PCI = Pavement Condition Index
PSI = Present Serviceability Index
MLF = Multi-layer feed forward
TTI = Texas Transportation Institute
BPR = Bureau of Public Roads
VOTT = Value of Travel Time
HCM = Highway Capacity Manual
BP = Back Propagation
فصل اول
مقدمه و طرح مسئله
1- مقدمه1-1- مقدمهبخش حمل ونقل نیز به عنوان یکی شاهرگ اصلی اقتصاد، نقش بسزایی در شکوفایی و توسعه جامعه ایفا می کند. در کشور ما تاکنون این بخش نتوانسته به جایگاه واقعی خود دست یابد. شاید به جرأت بتوان گفت که امروزه ملاک توسعه یافتگی کشورها پس از صنعت، مربوط به توسعه ارتباطات ریلی، جاده ای، هوایی و دریایی است. بنابراین حمل و نقل را می توان به شریانی تشبیه کرد که موجب پویایی و شکوفایی اقتصاد کشورها می شود.
اگر امروز در جهان از خدمات حمل ونقل تحت عنوان صنعت یاد می شود بخاطر گستردگی و اهمیت این خدمات به عنوان حلقه اتصال صنایع با یکدیگر و عامل ارتباط میان بازارهای تولید و مصرف است . بدین خاطر است که بین نظام حمل ونقل و فرآیند توسعه اقتصادی و اجتماعی جوامع همبستگی شدیدی وجود دارد و اقتصاد دانان، صنعت حمل ونقل را به عنوان نیروی محرکه توسعه می دانند و کارآمدی و توانمندی آن را زمینه ساز توسعه پایدار می شناسند. لذا چنانچه این بخش از اقتصاد، مورد بی مهری و بی توجهی برنامه ریزان اقتصادی قرار گیرد یا به دلیل سیاستگذاری های نامناسب کارایی لازم را نداشته باشد، خواسته یا ناخواسته اقتصاد کشورها را با مشکلات جدی مواجه خواهد کرد.
کشور ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی و دسترسی به آبهای آزاد، از موقعیت ویژه ای در حمل ونقل منطقه برخوردار است. اینکه ایران موقعیت طلایی برای ترانزیت و عبور کالا را دارد بر کسی پوشیده نیست ولی متأسفانه طی دهه اخیر، علیرغم گنجاندن این مهم در راهبردهای اقتصادی و برنامه های توسعه کشور، عملاً شاهد تحقق بهره برداری از این پتانسیل نبوده ایم. یکی از مهم ترین عوامل زیربنایی برای توسعه هر کشوری، وجود یک شبکه کارا و مناسب جهت رفع نیازهای حمل ونقلی آن است. بطور کلی حمل ونقل به جهت رفع نیازهای مختلف اقتصادی، اجتماعی و دسترسی صورت می گیرد و تقاضای آن ناشی از تقاضا برای سایر بخش ها است (صفارزاده،هدایتی،1378).
بین صنعت حمل ونقل و سایر بخش های صنعتی از منظر اقتصاد تفاوت هایی وجود دارد . فعالیت های حمل ونقل دارای هزینه ثابت بسیار بالا هستند که بیشتر صرف زیرساخت های حمل ونقل می شود و برای ساخت زیرساخت های حمل ونقل نیاز به سرمایه گذاری بلند مدت است. این دو خصیصه از جمله ویژگی های بارزی هستند که حمل ونقل را از نظر اقتصادی، از دیگر صنایع جدا می کند. بر همین اساس تامین منابع مالی و جذب سرمایه گذاری در این بخش در مقایسه با دیگر بخش های اقتصادی با مشکلات بیشتری همراه است.
حمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد، بطوریکه هم اکنون بیش از 90 % کل حمل بار و مسافر در کشور توسط جاده انجام می شود(سازمان راهداری و حمل و نقل جاده ای، 1383).
در حالیکه فعالیت های حمل و نقل بیش از 9% از تولید ناخالص ملی کشور را در بر می گیرد و در حدود 5/7 میلیون نفر از شاغلان کشور در این حوزه فعالیت می کنند و همچنین بر اساس برآوردهای کارشناسان در صورتی که تمام فعالیتهای مستقیم و غیر مستقیم حمل ونقل به حساب این بخش منظور شود، ارزش افزوده آن بالغ بر 20 % از تولید ناخالص داخلی را تشکیل خواهد داد (سایت اینترنتی بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران، 1389).
ضرورت توجه به حمل ونقل در کشور دو چندان نمایان می شود. در برنامه چهارم توسعه و در ماده 28 آن بطور مشخص اقداماتی در این خصوص پیش بینی شده است که بر اساس آن دولت موظف شده است اقداماتی را به منظور تقویت اقتصاد حمل و نقل، بهره برداری مناسب از موقعیت جغرافیایی کشور، افزایش ایمنی و سهولت حمل ونقل بار و مسافر انجام دهد.
علاوه بر این موارد، افزایش جمعیت، روند رو به رشد اقتصاد کشور و گذر از درحال توسعه به توسعه یافته و استعداد ترانزیت بین المللی، لزوم توسعه و ساخت هر چه بیشتر زیرساخت های حمل ونقل را بیشتر نمایان می کند. اما محدودیت منابع مالی و سرمایه، اکثر کشورهای جهان و ازجمله ایران را به فکر یافتن راه حلی جهت تامین سرمایه مورد نیاز توسعه زیرساخت های حمل ونقل انداخته است . کشورهای مختلف خط مشی های متنوعی برای تامین سرمایه در پروژه های راهسازی در پیش گرفته اند. از روش های متداول اتخاذ شده از سوی دولت ها می توان به وضع مالیات بر سوخت و سایر کالاهای مرتبط با حمل ونقل، مالیات بر خودرو و دریافت عوارض از رانندگان وسایل نقلیه اشاره نمود. معمولاً هزینه های دوره بهره برداری زیربناها نیز از محل اخذ عوارض از کاربران راهها تامین می شود (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
در دهه های 80 و 90 میلادی، در سطح دنیا تمایل بسوی ساخت زیربناهای حمل ونقل با مشارکت بخش غیردولتی به جای زیربناهایی عمومی و رایگان صددرصد دولتی، بسیار افزایش یافت . ساخت و توسعه راهها از طریق مشارکت بخش غیردولتی به دلیل استحصال فواید و نتایج مطلوبی همچون کمک به جبران کمبود بودجه عمومی جهت ساخت و نگهداری راهها، پاسخگویی به رشد تقاضا و نیز ارتقا کیفیت و مطلوبیت خدمات حمل ونقل فراگیر شده است. همچنین قیمت گذاری راهها به عنوان فرآیندی مناسب جهت بازگشت سرمایه و هزینه های مدیریت و نگهداری راهها، از سوی کشورها پذیرفته شده و در بیشتر آنها به اجرا درآمده است (Heggie,1995).
بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.
در مجموع با بررسی اجمالی وضعیت خدمات راهسازی و راهداری در ایران می توان گفت: کشور ایران از نظر توسعه زیرساخت ها و بهبود شبکه راههای خود دارای نیاز زیادی است. تامین منابع مالی و سرمایه از مشکلات اصلی کنونی برای رفع نیازهای زیرساختی است. همچنین در صورت عدم ایجاد فضای منطقی و هدفمند برای ساخت آزادراهها با مشارکت بخش غیردولتی، مشکلات تقاضای برآورده نشده دوچندان شده و آثار نامناسبی بر اقتصاد خواهد گذاشت. علاوه براین، در صورتیکه حتی بخش غیر دولتی نیز به مشارکت بخش دولتی بیاید اما ساز و کار مناسب برای بازگشت سرمایه به سرمایه گذاران در نظر گرفته نشود، مشکلات بیشتری به دولت و سیستم حمل ونقل وارد شده و بار مالی زیادی به بودجه عمومی وارد می شود.
قیمت گذاری راه مفهوم جدیدی نیست. عوارض روی جاده ها و پلها از اواخر قرن هیجدهم یعنی سال 1790 میلادی در آمریکا رایج بوده است. این دوران با شکوفایی اقتصاد آمریکا مقارن بود . در آن موقع حمل ونقل بهتر به معنی آزادراههای بهتر بود. ایالت ها و دولت های محلی بودجه و منابع مالی محدودی در اختیار داشتند که پاسخگوی نیازهای حمل ونقل نبود . بهمین دلیل آزادراههای خصوصی با فاینانس شرکت های سهامی احداث شد و سهام آن در بازارهای بورس معامله می شد. صاحبان سهام از محل دریافت عوارض و مالیات های بزرگراهها، سود سهام خود را دریافت می کردند (Durenberger,1981).
به این طریق راههای خصوصی و سیستم عوارضی در این راهها تا اواسط قرن نوزدهم ادامه داشت و در آن سا لها به اوج خود رسید. توسعه ریل رقابت شدیدی را بین ریل و جاده به وجود آورد که منجر به کم رنگ شدن اهمیت جاده شد. در نتیجه بیشتر بزرگراهها یا به دولت واگذار شدند یا به صورت نیمه دولتی درآمدند. از آن زمان یعنی اواسط قرن نوزدهم تا اواسط قرن بیستم مردم آمریکا رغبت چندانی به قیمت گذاری راهها نشان داده و با آن مخالفت ورزیده اند . از اوایل سال های 1960 سیستم عوارض سنتی برچیده شد و بجای آن سیستم پرداخت فوری جایگزین شد و در دهه های60، 70 و 80 میلادی مورد استفاده قرار گرفت (پژوهشکده حمل و نقل، 1389).
در کشور انگلیس از سال 1964 تاکنون با هدف کم کردن بار ترافیکی راهها و کمک به تامین اعتبارات برای ساخت و توسعه راهها، استراتژی های مختلفی برای قیمت گذاری راهها اجرا شده است. از سال 2003 به بعد در شهر لندن سیاست های سخت گیرانه تر و همراه با نرخ های بالاتر با هدف کاهش هرچه بشتر بارترافیک اعمال شده است.
یکی از موفق ترین تجربه های قیمت گذاری راهها را کشورهای هنگ کنگ(Ison, Rye,2005) و سنگاپور(Goh,2002) از اواسط دهه 70 میلادی تا کنون داشته اند. هنگ کنگ در خلال سال های 80 و 90 میلادی علیرغم رشد جمعیت و تقاضای حمل و نقل توانست 20 % از بارترافیکی درون پایتخت بکاهد. همچنین سنگاپور نیز در مدیریت ترافیک توفیق زیادی داشته و دو دهه است اخذ الکترونیکی عوارض را تجربه می کند.
در کشور نروژ از سال 1930 تا 1980 5% کل بودجه ساخت و توسعه زیرساخت های حمل ونقل از ، محل قیمت گذاری راهها تامین شده است . اما در دو دهه 80 و 90 میلادی تحولات زیادی در سیستم قیمت گذاری راهها به وجود آمد و در نتیجه 26 % کل بودجه ساخت زیربناهای حمل ونقل کشور نروژ در دو دهه مذکور از محل قیمت گذاری راهها تامین گردید. در سال 1997 تعداد پروژه های راهسازی با استفاده از درآمد های حاصل از قیمت گذاری راهها به 30 پروژه رسید(Odeck, Bråthen,1997).
در کشور ایران تا کنون قیمت گذاری سیستماتیک و جامعی روی شبکه راههای کشور انجام نشده است و تنها در چند آزادراه کشور سیستم اخذ عوارض سنتی وجود دارد که البته بیشتر درآمدهای آن صرف پوشش هزینه های ساخت آزادراههای مذکور می شود. در واقع این آزادراهها با سرمایه بخش خصوصی یا بانک ها ساخته شده و در قالب قراردادهای ساخت-عملیات-واگذاری احداث شده اند و تا دوره ی مشخصی با نظارت دولت مجازند کابران این راهها را شارژ کنند.
بطور کلی در بیشتر کشورهای دنیا در سه دهه اخیر، قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی مکمل جهت تامین اعتبارات و منابع مالی بخش حمل ونقل، همچنین مشوقی جهت همکاری و تعامل توأم بخش خصوصی و دولتی برای ساخت و توسعه راههای جدید، مدیریت تقاضا و کنترل ترافیک روی شبکه راهها، مورد نگاهی ویژه قرار گرفته است(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
1-2- اهداف قیمت گذاری راههااهدافی زیادی برای قیمت گذاری راهها ذکر شده است. در اینجا به ۴ هدف اشاره می شود که در زیرآمده اند.
1. از مشهورترین و مهمترین اهداف قیمت گذاری راهها، هدف مالی و سرمای های است.قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی برای کسب درآمد جهت بهسازی و توسعه زیر ساخت های حمل ونقل عمل می کند. شکاف موجود بین نیازهای زیرساختی حمل ونقل و درآمدهای موجود یکی از محرک های اصلی قیمت گذاری است. جمع آوری منابع مالی از این طریق برای پوشش دادن و جبران هزینه های ساخت راه، توسعه راههای فعلی و ساخت زیرساخت های جدید حمل ونقل صورت می گیرد. در بیشتر کشورهای دنیا بخش زیادی از این منابع از محل مالیات بر سوخت، مالیات بر وسائل نقلیه تامین می گردد. با توجه به تحولات تکنولوژیکی و ورود وسائل نقلیه با سوخت های نوین مانند باطری های خورشیدی، پیل های سوختی و امثالهم، که جایگزین وسایل با سوخت فسیلی می شوند ، انتظار می رود بخش حمل ونقل با کاهش مالیات بر سوخت و در نتیجه کاهش منابع مالی مواجه شود. لذا اهمیت قیمت گذاری راهها به عنوان محلی برای تامین منابع مالی مذکور بیشتر می شود . البته به دلیل اینکه در کشور ایران مالیات بر سوخت گرفته نمی شود، این نگرانی بدین صورت برای کشور ما وجود ندارد؛ بلکه بیشتر کمبود منابع مالی برای ساخت و توسعه شبکه راهها دغدغه اصلی محسوب میشود. قابل ذکر است این هدف بیشتر در قیمت گذاری راههای بین شهری در کشور ما و نیز دیگر کشورها دنبال میشود. (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
2. هدف دوم ارائه مکانیزمی برای مدیریت تقاضای حمل ونقل است. با تغییر تعرفه ها در طول شبانه روز (که گاهی قیمت گذاری تراکم یا قیمت گذاری ارزش نامیده می شود ) استفاده کنندگان بگونه ای ترغیب می شوند که در طول ساعات شلوغ و پرتردد از سفر پرهیز کنند و سفرهای خود را در ساعات کم تردد انجام دهند. بدین طریق جریان ترافیک تعدیل شده و تقاضای سفر بگونه ای در طول ساعات روز توزیع می شود که کمتر بار ترافیکی شدید به وجود آید. علاوه بر توزیع تقاضا در ساعات مختلف، با تقسیم شبکه راهها به بخش های مختلف و تخصیص تعرفه های متفاوت به هر کدام به توزیع مناسب تقاضا روی کل شبکه پرداخته و از ترافیک شدید جلوگیری می کنند. طبیعی است با کاهش ترافیک، شاخص دسترسی پذیری افزایش یافته و کارایی حمل ونقل بهبود می یابد(May,1992). البته این هدف، بیشتر در مناطق شهری و درون شهرها مدنظر قرار می گیرد. امروزه در بیشتر شهرهای بزرگ و شلوغ دنیا از جمله شهر تهران این هدف دنبال می شود.
3. هدف سوم کاهش آثار زیان آور زیست محیطی است. معمولاً فعالیت های حمل ونقل اعم ازاحداث راهها و حرکت وسایل نقلیه، موجب وارد شدن آسیب هایی به محیط زیست می شو ند. هزینه های محیط زیستی مربوط به زیرساخت های حمل و نقل، شامل مواردی چون تصرف زمین و اراضی، تغییر مناظر و زیباییهای طبیعی، تخریب زیست گاههای وحوش، آسیب رسانی به منابع و ذخایر زمینی، آلاینده های جوی و غیره است(بیضایی،1382). لذا قیمت گذاری بگونه ای انجام می شود که بخشی از قیمت صرف جبران خسارات وارده به محیط زیست شود.
4. هدف چهارم که بیشتر در مناطق خارج از شهر و روستایی دنبال می شود، شارژ مستقیم کسانی است که از راهها، استفاده های مخاطره آمیز می کنند. مثلاً، ادوات سنگین کشاورزی و عمرانی، ممکن است سبب وارد کردن خساراتی به راهها شوند. تصادفات جاده ای نیز به دلیل تحمیل هزینه به اجتماع و البته بخش حمل ونقل، می تواند شامل این مورد باشد که در این صورت، شرکت های بیمه ای باید هزینه ها و عوارض مربوطه را بپردازند . علاوه بر این موارد، استفاده از وسایل غیراستاندارد و فرسوده که بیش از وسایل استاندارد به راهها آسیب می رسانند، مشمول این نوع قیمت گذاری می شوند. در کشور ایران، فرسود گی زیاد ناوگان حمل ونقل از جمله عوامل فرساینده راه بشمار رفته و اصولاً این دسته از وسایل حمل ونقل باید قیمت بیشتری را بابت استفاده ار راهها بپردازند. پیگیری این هدف می تواند به بهبودی وضع ناوگان و کاهش فرسودگی کمک کند(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
برحسب اهداف در نظر گرفته شده برای قیمت گذاری راهها، استراتژی های قیمت گذاری نیز متفاوت خواهد بود. بطور مثال، قیمت گذاری در شهرهای کشورهای سنگاپور و هنگ کنگ بیشتر با هدف کاهش تراکم و مدیریت تقاضا است (Olszewski, Xie,2005) و در شهر لندن این کار بیشتر با هدف کاهش آلودگی های زیست محیطی و البته کاهش تراکم صورت می گیرد(Mitchell,2005) در حالیکه در کشور نروژ قیمت گذاری راه با هدف اصلی ساخت و توسعه شبکه راهها انجام می شود(Odeck, Bråthen,2002). در حوزه فعالیت وزارت راه و ترابری در کشور ایران، قیمت گذاری راهها، بیش از آنکه برای کاهش بار ترافیکی مورد نظر باشد، با هدف ساخت و توسعه شبکه راهها و جبران هزینه های ساخت راههای موجود، انجام می گیرد.
1-3- جمع بندی و نتیجه گیریحمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد. بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.

فصل دوم
مبانی نظری
2- مبانی نظری تحقیق2-1- مقدمهحمل و نقل یا جابجایی انسان و کالا از نقطه ای به نقطه دیگر، از جمله خصایص ذاتی و کهن ماندگار انسان ها است. در جوامع ابتدایی به فرم معیشتی نیز، حرکت جزو اساسی ترین الزامات روزانه به شمار می رود و برای تولطد و یا جابجایی هر محصول غیر اقتصادی لازم است حجم معینی از حرکات از محل تولید تا مصرف صورت پذیرد تا کالای مورد نیاز به مصرف کننده برسد.
چنین فرایندی از حرکت از حرکت در یک جامعه توسعه یافته مبادلاتی، ابعاد وسیع تری دارد و اشکال مختلفی از حرکت و جابجایی را پدید می آورد. بنابراین حرکت و جابجایی یکی از عمده الزامات انسانی است که نتایج اقتصادی به دنبال دارد. در علم اقتصاد، مجموعه خدماتی که سبب انتقال و جابجایی منابع تولید می گردد دارای ارزش اقتصادی است و بخشی از جریان تولید محسوب می شود. از این رو حمل و نقل از جمله ضروریات اقتصادی است و تقاضا برای حمل و نقل مشتق از سایر فعالیت های اقتصادی و اجتماعی است و لذا محصول حمل و نقل در عین حال که یک تولید پیچیده و مرکب است، تابع تغییرات تقاضا در نقاط و یا بخش های دیگر اقتصاد نیز می باشد(محمودی،1389)
حمل و نقل به گونه سایر فعالیت های اقتصادی بدون هزینه نیست و حرکت در ابعاد فضایی، همانند هر تولید دیگری دارای هزینه می باشد. تفاوت های ساختاری در عملکرد هزینه های انواع مختلف حمل و نقل میدان کاربری وسیعی را برای برنامه ریزی حمل و نقل فراهم می آورد.
روند توسعه در افزایش تسهیلات حمل و نقل جهانی مبین یک روند فزاینده در تقاضا برای سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل می باشد و به همین دلیل است که سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل اهمیت یافته و جزو لاینفک برنامه های توسعه ملی گردیده است. در بسیاری از کشورهای توسعه یافته تامین مالی حمل و نقل بخصوص از این جهت اهمیت دارد که حمل و نقل بزرگترین جزء سرمایه گذاری این کشورها را تشکیل می دهد.
به دلیل بالا بودن هزینه های اجرایی طرح های زیر بنایی حمل و نقل و همچنین به خاطر مسئولیت های مالی دولت ها و ضرورت های توزیع در سطح ملی لازم است دولت ها به سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل توجه عمده ای مبذول دارند.
2-2- هزینه های حمل ونقلعملکردهای زیانبخش فاصله و محدود ساختن ابعاد حرکت در واقع ناشی از هزینه های حرکت است که بر اثر غلبه بر فاصله به وجود می آید. زیرا عملا هر مصرف کننده ای در حرکت بسوی گردآوری منابع مورد نیاز و یا بمنظور مبادله مقداری از درآمد خود با کالا و خدمات، ضرورتا مقادیر مشخصی از منابع کمیاب (پول، وقت و انرژی فیزیکی ) را به مصرف می رساند تا هزینه مسافت را از میان بردارد. بنابراین وقتی از موانع ناشی از مسافت و سنجش آن با واحدهای پولی صحبت می کنیم، در واقع اشاره به عملکرد خدمات حمل و نقل در غلبه بر مسافت و ساخت هزینه های حرکت و بهای مربوط به آن است که بر پایه ذخایر مالی قرار دارد.
ولی روند غلبه بر هزینه های مسافت همیشه بر اساس مبادلات پولی استوار نیست. مثلا قدم زدن تا فروشگاه برای خرید کالای مورد نیاز، پرداخت هزینه ای را شامل می شود که صرفا جنبه فعالیت بدنی داشته و می توان آنرا از طریق محاسبه واحد کالری مصرفی اندازه گیری نمود. در حالی که استفاده از وسایل ارتباطی محتاج مبادله پولی است و روند چنین مبادله ای بر اساس میزان سرمایه گذاری، نوع خدمات و هزینه های ناشی از آن بسیار متنوع است.
از این رو، برای تجزیه و تحلیل هزینه های حمل و نقل ضرورتا باید شناخت وسیعی از ماهیت هزینه های حمل و نقل داشت.حمل و نقل نوع ویژه ای از تولید است که بر خلاف اصول جاری در تولید کالاهای اقتصادی، در یک نقطه مشخص مکانی مستقر نیست ، بلکه عوامل تولید در چنین شیوه ای در طول یک خط معین و یا در امتداد مسیرهای مختلف ترکیب یافته وشکل می گیرند. بنابراین، از لحاظ اقتصادی، ساخت موقعیتی حمل و نقل با موضوعات مورد مطالعه در سایر فعالیت های اساسی دارد. این وضع زاییده اختلاف های بنیادی بین اهمیت و نقش تولیدی خطوط و گذرگاه ها در مقایسه با سایر فعالیت های اقتصادی است که خود مسائل ویژه ای را در موقعیت مکانی پدیده های تولید مطرح می کند. اهمیت بنادر، ایستگاه های راه آهن و سایر ترمینال ها به عنوان کانون فعالیت های حمل و نقل در واقع نتیجه مستقیم ارتباط های زنجیره ای این نقاط با پاره ای از نقاط دیگر است که هرگز به تنهایی حاوی ارزش های اقتصادی بالقوه ای نیستند. ارزش و اعتبار چنین مراکزی یا بر اساس شاخص هایی مانند تعداد مسافران و وزن کالاهای حمل شده و درآمدهای حاصله از آن تعیین می شود و یا ارزیابی آن ها بر پایه معیارهای فیزیکی دیگری قرار دارد. در هر حال، وسایل حمل و نقل و موسسات مربوط به آن عملا کالاهایی را عرضه نمی کنند و درآمد آن ها ناشی از خدماتی است که در مقطع زمانی و مکانی مشخصی ارائه شده است(محمودی،1389).
در هندسه فرض بر این است که هر خطی از به هم پیوستن بی انقطاع مجموعه ای از نقاط هندسی تشکیل می شود که عملکرد هر یک از نقاط مفروض در ساخت این خط برابر و یکسان است. خطوط ارتباطی را از بسیاری جهات همانند عملکرد نقاط در تشکیل خط می توان فرض کرد و ثابت کرد که تولید در طول چنین خطوطی و بر سر هر نقطه ای می تواند احتمال وقوع داشته باشد. بنابراین، سهمی که هر یک از این نقاط در حرکت دادن مسافر . کالا دارند از طریق محاسبه ای ساده (نرخ کالا هنگام صدور از مبدا منهای ارزش آن در زمان ورود به مقصد) می توان تعیین کرد. ولی کیفیت این گونه استدلال ها انسان را متقاعد می سازد که این نوع محاسبات تقریبا غیر عملی است و کمتر با واقعیت های موجود در حمل یک کالا مطابقت دارد. زیرا حمل و نقل هر محموله ای از ایستگاه مبدا علاوه بر هزینه های خدماتی عملا متضمن پاره ای هزینه های سرمایه ای نیز هست. بنابراین ، اگر از تطبیق این فرضیه که قسمت های مختلف یک خط را نقاط هندسی تشکیل می دهند صرف نظر کنیم و حرکت فرضی یک کالا را با ابعاد محدودتر، در طول یک راه آهن در نظر بگیریم در زمینه ترکیب هزینه های حمل و نقل به نتایج بهتری دست خواهیم یافت.
هزینه هایی که در طول راه آهن خیالی ما به واسطه انتقال کالاهای فرضی پدید می آید، نتیجه محاسبه و جمع زدن هزینه هایی مانند دستمزد، اجاره بها، بهره و غیره است. بسیاری از این هزینه ها به خدمات انجام شده در ادارات مرکزی متعلق می گیرد و برخی دیگر به خدمات انجام شده در ایستگاه های بین راه مربوط است و سایر هزینه ها به طول مسیر طی شده مربوط می شود. بدین ترتیب، سود حاصله از این خدمات برخی به بخش های ویژه ای از دارایی راه آهن و برخی دیگر به قسمت های واقع در طول راه مربوط خواهد بود.
حسابداران و متخصصان نرخ گذاری در بررسی توزیع درآمدهای حاصله، روش های ویژه ای دارند که بر حسب این روش ها، نخست هزینه های اداره مرکزی و سایر اقلام مربوط به آن معین می شود، سپس دستمزدها و هزینه های عملیاتی شهرهایی که ایستگاه ها در آنجا واقع شده اند و در آخر، بخش های ویژه ای از مسیر که به طریقی به نظام ارتباطی مربوط اند تعیین می شوند. چنین روشی را در مورد حمل و نقل های زمینی، دریایی و هوایی نیز می توان تعمیم داد و به کار بست. ولی یک اصل عمده در چنین شیوه ای از برنامه ریزی این است که حجم عمده ای از درآمد تقریبا در ترمینال ها جای گرفته و چنین به نظر می رسد که راه هایی که این ترمینال ها را به هم متصل می کنند بدون هزینه نگهداری می شوند، در حالی که چنین نیست و در واقع ساخت هزینه ها در انواع مختلف حمل و نقل سبب و نتیجه عملکرد هزینه های ثابت و هزینه های متغیر است که از سرمایه گذاری در طول مسیر حاصل آمده است. شکل (2-1) توجیه ساده ای از این مطلب است.

شکل 2-1 : عملکرد هزینه های حمل و نقل
به این ترتیب، حمل و نقل نوعی تولید است که در یک فرایند فضایی شکل یافته و در مقایسه با سایر تولیدات اقتصادی غیر قابل ذخیره است و مصرف آتی دارد. مهم تر از همه آنکه تولید حمل و نقل نسبت به مقیاس دارای بازده صعودی است و با افزایش بهره برداری «طول مسیر، وسایط نقلیه، زمان بهره برداری» ، مقدار تولید افزایش می یاید و از این رو عملکرد هزینه ها « ثابت، متغیر» در تولید تسهیلات حمل و نقل دارای وجوه ویژه ای است.
2-2-1- هزینه های ثابتهزینه های ثابت عبارت است از هزینه هایی که در اثر استهلاک فنی سرمایه های اولیه وسایط نقلیه، مخارج ساخت و نگه داری ترمینال ها و راه ها ، پرداخت مالیات های مختلف و عوارض گمرکی پدید می آید. هزینه های ثابت را معمولا غیر مستقیم، هزینه های مکمل، هزینه های اضافی و یا هزینه های سربار می نامند که تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت.
TFX=k=0npi viدر رابطه فوق Vi مقادیر عوامل تولید ثابت و Pi قیمت های آن ها فرض شده است.
کوپر هزینه های ثابت را بر حسب کیفیت آن ها به دو قسمت تقسیم می کند. نخست، هزینه های ثابت سرمایه ای که خود شامل سرمایه گذاری مجدد و هزینه های استهلاک و فرسودگی وسایل نقلیه و ساختمان های مربوط به آن می شود و دوم، هزینه های ثابت روزمره که مشتمل بر دستمزدها، هزینه های انبارداری، گمرکات، بازرسی، مدیریت و غیره است. در هر حال، تاثیر پذیری چنین هزینه هایی در ساخت هزینه های کلی حمل و نقل تا حدودی ثابت است. زیرا این هزینه ها نه تنها ارتباط مستقیمی با سطوح مختلف حرکت ندارند، بلکه به آسانی نیز می توان آن ها را به مصرف کنندگان ویژه ای تحمیل کرد، مگر آنکه افزایش استفاده از تسهیلات ترمینال ها و تجهیزات اصلی آنها، مانند کامیون ها، قطارها و خودروها، موجب تقلیل حد متوسط هزینه های ثابت شود. مثلا در خصوص ارتباط دو نقطه از طریق یک سیستم مجهز راه آهن که در آن میلیارها ریال سرمایه گذاری شده است، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده نرخ حمل و نقل به میزان بهره برداری از آن بستگی خواهد داشت. اگر میزان بهره برداری تا حد مشخصی افزایش یابد، سهم هزینه های ثابت در نرخ حمل و نقل به همان نسبت تقلیل می یابد و منحنی آن مانند شکل(2-2) می باشد. بدین ترتیب، اگر شبکه ارتباطی oq که هزینه های ثابت معینی در ساختمان آن به کار رفته است، در فاصله زمانی مشخص، Z مرتبه بهره برداری شود، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده حمل و نقل، به مراتب کمتر از میزان بهره برداری به مقادیر x و y خواهد بود.
اگر چنانکه هزینه های ثابت بر حسب هر تن کالای حمل شده در طول مسافت بیان شود، فرم عمومی عملکرد هزینه های ثابت به گونه ای خواهد بود که با افزایش عملکرد، هزینه های ثابت به ازای هر تن در مسافت طی شده کاهش خواهد یافت و نتیجتا به کاهش نسبی هزینه های متوسط کل منجر خواهد شد (شکل 2-2).

شکل 2-2 : روند تحلیلی هزینه های ثابت بر حسب میزان بهره برداری

شکل 2-3: عملکرد هزینه های ثابت بر حسب تن-مسافت
معمولا هزینه های نیروی کار و تاسیسات ترمینال ها بخش مهمی از هزینه های ثابت حمل و نقل را تشکیل می دهند و در ترمینال های راه آهن و بنادر کشتیرانی، شاخص بهره دهی بر حسب رابطه بین این هزینه ها به ازای هر تن کالای حمل شده ارزیابی می شود.
برآورد میزان واقعی هزینه های ثابت و نحوه عملکرد آن در ساخت کلی هزینه های حمل و نقل همیشه براحتی میسر نیست و بر حسب میزان سرمایه گذاری، از سیستمی به سیستم دیگر تغییر می کند. معمولا هزینه واقعی عمل حمل و نقل بیش از مبلغی است که از ضریب نرخ باربری در تن – کیلومتر به دست می آید. زیرا در غالب کشورها بخش مهمی از هزینه های ثابت به اقتصاد عمومی تحمیل می شود و دولت به منظور تقلیل هزینه های حمل و نقل برای مصرف کننده مقداری از هزینه های ثابت را به صورت کمک های مالی مستقیم و یا غیر مستقیم تعهد می کند. بوریر به نقل از پرفسور پیرات نشان داده است که در کشور آلمان استفاده مجانی از راهها بویژه در سالهای گذشته برای کامیون ها حداقل به منزله کمک مالی معادل 15 الی 20 درصد بهای تمام شده حمل و نقل بوده است. رساندن چنین کمک های مالی و اعتباری از عمده ترین دلایل علاقمندی دولت ها به تشویق تخصص های منطقه ای و ایجاد رفاه و اشتغال در سطح ملی است. البته بازگشت چنین هزینه های از طرف دولت معمولا از طریق اخذ عوارض و مالیات های مختلف بر سوخت و تاسیسات تامین می شود.
بنابراین در هر شرایطی هدف اساسی سیاست دولت از کمک به حمل و نقل عمومی انجام یکسری خدمات در سطح ملی و تسریع فرایند مبادلات به ویژه توزیع مکانی واحدهای تولیدی است تا از تمرکز فعالیت های اقتصادی در قطب های مشخص جلوگیری به عمل آید و استعدادهای نهفته در نقاط دیگر به کار گرفته شوند.
2-2-2- هزینه های جاری یا متغیرهزینه های جاری یا خدماتی مشتمل بر مجموع هزینه هایی است که در ترمینال ها و یا ضمن حرکت در طول مسیر از انجام خدمات لازم پدید می آید. هزینه های متغیر را گاهی هزینه های دسته اول و یا هزینه های مستقیم می خوانند و تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت :
Tvc=i=1npj vjدر رابطه فوق Vj مقادیر عوامل متغیر تولید و Pj قیمت آن ها است.
این گونه هزینه ها اصولا بر حسب کیفیت ساختمانی کالا و سیستم حمل و نقل تغییر می کند و به تناسب ظرفیت وسیله نقلیه و ترمینال ها متفاوت است. در هر حال عملکرد آن تابع مجموع هزینه هایی است که از ایستگاه مبدا تا مقصد صرف می شود. اصولا مخارج استاندارد و بسته بندی کالا در نظام های مختلف حمل و نقل متفاوت اند و غالبا میزان آن در حمل و نقل های درازمدت مانند حمل و نقل دریایی بیش از مبالغی است که در حمل و نقل های کوتاه مدت نظیر حمل و نقل هوایی وجود دارد. نرخ بیمه نیز معمولا در حمل و نقل های درازمدت زمینی و دریایی به جهت طول زمانی حمل و نقل و آسیب پذیری کالا بیش از حمل و نقل هوایی است.
علاوه بر هزینه های بارگیری و تخلیه در ایستگاههای مبدا و مقصد هزینه های بارگیری مجدد بین راه را نیز می توان از جمله هزینه های جاری و یا متغیر به حساب آورد. گاهی ممکن است کالایی پیش از حرکت از ایستگاه مبدا و قبل از رسیدن به ایستگاه مقصد چندین مرحله جابجایی را به همراه داشته باشند که هر یک از آنها هزینه های متفاوتی را بر سطح هزینه های خدماتی وارد می کنند.
در مواردی ممکن است انتقال کالا از یک نوع وسیله نقلیه به نوع دیگر، علاوه بر هزینه های فنی و بارگیری مجدد، مخارج انبارداری و احیانا ایجاد ضایعات و گاهی تاخیر زمانی تحویل کالا را به همراه آورد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های متغیر است.
به هر حال هزینه های متغیر را بر حسب نوع آنها در دو گروه مشخص می توان طبقه بندی کرد.
الف) هزینه های متغیر که بطور مطلق با مسافت طی شده رابطه نسبی دارند
ب) هزینه های متغیری که رابطه مطلق با مسافت طی شده ندارند. مانند پرداخت عوارض گمرکی و هزینه استفاده از ترمینال ها (شکل 2-4)

شکل 2-4: هزینه های متغیر بر حسب عملکرد حمل و نقل
هزینه های متغیر به طور کلی بسیار متنوعند و از یک نوع حمل و نقل به نوع دیگر دارای تفاوت های زیادی می باشند. به همین دلیل گاهی اوقات تفکیک کردن هزینه ها کار بسیار پیچیده ای می باشد. با این حال در اقتصاد حمل و نقل ضرورت دارد که کار تحلیل هزینه ها به دقت انجام پذیرد(محمودی،1389).
2-2-3- هزینه های خارجیهزینه هایی که از عملکرد بنگاه حمل و نقل به محیط زیست تحمیل شده است ولی بابت آن مبلغی پرداخت نمی شود هزینه های خارجی یا در مواردی هزینه های چرخه حیات نامیده می شوند. در مدل تعادل عمومی چنین فرایندی دارای پیامد خارجی است و اثرات زیانباری را از طریق عملکرد یک بنگاه اقتصادی بر منافع یا هزینه های فرد و یا بنگاه دیگری اعمال می کند.
از نظر اقتصاد دانان، آلودگی در محیط زیست ابعاد وسیع تری را شامل می شود و اثرات آن زنجیره وسیعی را در چرخه حیات تحت تاثیر خود قرار می دهد. کلیه هزینه های تباهی و خسارت پذیری محیط زیست چه در قالب هزینه های بازسازی و چه بصورت هزینه های اجتناب از خسارت از آثار تخریب و آلودگی محیط زیست به شمار می روند.
بازتاب تخریب در حوزه حمل و نقل بسیار وسیع است. نتایج مطالعات انجام شده(محمودی،1383) مشخصا به چهار نوع از انواع هزینه های خارجی که بر عملکرد سیستم های مختلف حمل و نقل تاثیر می گذارند اشاره دارد. این نوع هزینه ها در ساده ترین شکل خود عبارتند از هزینه های خارجی ناشی از :
آلودگی صدا
آلودگی هوا
اثرات هزینه ای ناشی از تراکم
هزینه های حاصل از تصادفات
نتایج مطالعات انجام شده در سال 1991 در هفده کشور اروپایی نشان می دهد که 92 درصد هزینه های خارجی مربوط به حمل و نقل جاده ای، 9/5 درصد مربوط به حمل و نقل هوایی، 7/1 درصد مربوط به راهآهن و فقط 3/0 درصد آن به حمل و نقل آبی تعلق دارد.
یک مثال ساده برای شناخت نحوه عملکرد این هزینه ها وضعیت موجود در ترافیک شهری است که مترادف با حجم بالایی از آلاینده ها می باشد. مطالعات موردی نشان داده است که مصرف بنزین و سایر سوخت های فسیلی، مواد آلاینده ای از نوع منو اکسید کربن،هیدرو کربورها، اکسیدهای ازت و غیره را به مقدار زیادی در محیط های شهری پراکنده می کند، در حالی که هزینه های تخریب آن عملا پرداخت نمی شود.
بنابراین لازم است رانندگان شهری علاوه بر پرداخت بهای بنزین هزینه ای نیز بابت تخریب حاصل از مصرف آن که در قیمت بنزین مستتر شده است را پرداخت نمایند. این عمل در نوع خود سبب خواهد شد مصرف بنزین با کاهش قابل ملاحظه ای مواجه شود.

شکل 2-5: تعادل عرضه بنزین با احتساب هزینه های آلوده سازی محیط زیست
در نمودار فوق منحنی تقاضا PP و منحنی عرضه SS است. قیمت بنزین در نقطه تلاقی این دو منحنی یعنی EM به قیمت PM می باشد. با افزایش هزینه های خارجی ناشی از مصرف بنزین منحنی عرضه SS به S’S’ انتقال پیدا کرده است که این منحنی تابع تقاضا را در نقطه E’ قطع می کند. در چنین شرایطی اگر چه بنزین در مقدار کمتری عرضه می شود ولی بدلیل اینکه با قیمت بیشتری بفروش می رسد موجبات کاهش مصرف را فراهم می آورد. همچنین در نمودار فوق تفاضل PM’ و PM نشان دهنده هزینه های خارجی هستند که مصرف کنندگان از پرداخت آن خودداری می کنند.
روش داخلی کردن هزینه های خارجی اگرچه در موارد بسیاری ممکن نیست، ولی برای پیشگیری از اثرات نامطلوب زیست محیطی، لازم است با ایجاد ضوابط و مقرراتی روش هایی برای پرداخت اینگونه هرینه ها اعمال گردند.
2-3- قیمت گذاری حمل ونقلدر تئوری اقتصاد، قیمت ها دارای دو نقش اساسی هستند. نخست تخصیص بهینه خدمات و کالاها میان مصرف کنندگان و دوم انگیزه برای تولید کنندگان و حفظ منافع آنان. هدف یک گرداننده حمل و نقل در سیاست قیمت گذاری به حداکثر رساندن درآمد است. این کار به دو طریق ممکن می شود(محمودی،1389) :
گسترش اندازه بازار
جذب مشتریان جدید و افزایش سهم خود در بازار
یکی از مسائلی که در قیمت گذاری حمل و نقل می بایست مد نظر قرار داده شود هزینه های خارجی است که از مهمترین آنها هزینه تراکم ناشی از سنگینی ترافیک می باشد، که اغلب از سوی افراد و یا شرکت های حمل و نقل در نظر گرفته نمی شوند.
2-4- قیمت گذاری بر اساس هزینه خارجیاگرچه اصول قیمت گذاری بخش عمومی و وضع مالیات و عوارض امر شناخته شده ای است ولی به هر حال طرح و اجرای آن در مسائل حمل و نقل بخصوص در حمل و نقل جاده ای مشکلات و ویژگی های خاص خود را دارد. اصولا به دلیل مشکلات گردآوری عوارض از استفاده کنندگان محلی جاده های برون شهری، مخارج مستقیم مربوط به استفاده از این تاسیسات، پایه مهمی برای تامین مالی این زیر ساخت ها نمی باشد. از سوی دیگر هزینه های جانبی ناشی از استفاده از این تاسیسات، بسط و توسعه عملیات حمل و نقل بر روی آنها نیز به دلیل ضعیف بودن بنیان مالیاتی و یا به دلیل توسعه نیافتگی سیستم های مالی دارای عملکرد درستی نبوده و توزیع بهینه خدمات را با مشکل مواجه می کند.
به منظور ایجاد یک پیوند مفید اقتصادی و محیطی لازم است هزینه های مصرف کنندگان تاسیسات حمل و نقل در رابطه با افزایش درآمد طوری تنظیم شود که اولا از ظرفیت موجود استفاده موثر به عمل آید و ثانیا تامین هزینه های جانبی آنها فراهم شود.
مساله کارایی را می توان از طریق انتخاب بهینه در وسایط نقلیه و سوخت، افزایش کارایی میان قسمت های مختلف حمل و نقل و اعمال سیاست های مناسب در نگاه داری و مدیریت زیر ساخت های حمل و نقل تعمیم داد. امروزه با استفاده از روش های مختلف اخذ عوارض و مالیات که معمولا از طریق نصب باجه های مخصوص در محل های معین صورت می گیرد، موجب پیدایش یک درآمد دائمی شده و در نهایت موجب بوجود آمدن تشویق کننده ای برای استفاده کنندگان و متصدیان امور حمل و نقل گردیده است. افزایش کارایی منابع به خدمت گرفته شده در زیر ساخت های حمل و نقل و همچنین تخصیص بهینه منابع میان اشکال مختلف حمل و نقل نتایج مستقیم اینگونه تصمیمات می باشد. اینگونه اقدامات که سیاست های قیمت گذاری خاصی را می طبید، در نوع خود می تواند هزینه ها را کاراتر سازد و اساس و بنیان مالی بهتری را برای تدارک و نگاه داری تاسیسات حمل و نقل بوجود بیاورد.
در محتوای بهینه سازی هزینه ها این حقیقت وجود دارد که رفت و آمد در جاده ها چندین نوع آثار بیرونی از جمله ایجاد تراکم، آلوده سازی محیط زیست، تخریب سطوح جاده و غیره را به دنبال دارد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های جانبی است.
اثرات خارجی این عوامل و سطح اصطکاک آن در جاده ها به مقدار و نوع سوخت مصرفی وفناوری که در کاربرد این مواد انتخاب شده بستگی دارد. امروزه اخذ عوارض در محدوده نواحی پرتراکم جاده ها موجب شده است بخشی از هزینه های فوق تامین شود. گزارش بانک جهانی حاکی از آن است که اعمال این سیستم در بازگرداندن بخشی از هزینه های جانبی در سنگاپور بسیار موثر بوده است.
اخذ مالیات بابت بنزین و سایر سوخت های فسیلی به علت قابلیت آن در کاربردهای مختلف جانشین مناسبی برای کنترل آلوده سازی محیط زیست بشمار می رود. البته علیرغم آنکه مالیات بر بنزین نقش چندان مهمی را نمی تواند در محدود ساختن تراکم اعمال نماید ولی در بسیاری از کشورها تنها ابزاری است که به منظور رعایت کنترل ترافیک بکار برده می شود.
برای ایجاد فرایندی در فرموله کردن قیمت ابتدا لازم است اجزای تشکیل دهنده قیمت به خوبی شناخته شوند و سپس با استفاده از تجربیات جهانی و در نظر گرفتن قوانین، ضوایط قیمت تعیین شود. در مورد سوخت های فسیلی جامعه جهانی تقریبا به رعایت اصول فوق توافق دارد :
هزینه های منابع سوخت در حد قیمت های جهانی تعیین شود
هزینه های خارجی ناشی از مصرف سوخت در کلیه سطوح اعمال شود
هرگونه مالیات و یا عوارض برای مصرف و یا تعدیل مخارج باید بگونه ای تنظیم شود که تغییر در الگوی مصرف را به حداقل برساند.
تاکید دستور العمل فوق این است که هر گاه هزینه های جانبی و مخارج استفاده از تاسیسات زیربنایی حمل و نقل به طور مستقیم تامین نمی شود، مالیات بر سوخت و اخذ هزینه های خارجی می تواند هزینه های مربوط به زیر ساخت های حمل و نقل و برخی از هزینه های محیطی را بپوشاند. هر چند قیمت سوخت یک جانشین خیلی ضعیف برای تامین هزینه های حمل و نقل به شمار می رود ولی در شرایطی که حمل و نقل به طور سیستماتیک در طول روز جریان دارد می تواند به عنوان بهترین جانشین انتخاب شود. به دنبال تمهیدات فوق انتخاب یک روش مناسب برای قیمت گذاری خدمات حمل و نقل با مشکلاتی همراه می باشد زیرا اکثر منازعات بر سر قیمت به تخصیص هزینه های مشترک کل مربوط می شود. بنابراین بهتر است ابتدا یک محاسبه کلی از هزینه های زیر بنایی و همچنین هزینه های خارجی به عمل آورده و سپس در قیمت تعمیم داده شود.
بهترین مثال در چگونگی انجام این امر شامل مطالعاتی است که توسط گرانائو در سال 1994 و وینوبری در سال 1988 در کشورهای غنا، زیمباوه و تونس برای بانک جهانی انجام شده است. در این مطالعات چنین راهکار مناسب برای هزینه یابی و اعمال سیاست های مالیاتی در سیستم قیمت گذاری حمل و نقل نشان داده شده است. اساسی ترین نکته این مطالعات تاکید بر روی هزینه های جانبی است که از طریق تخریب جاده ها و افزایش تراکم توسط وسایل نقلیه سنگین و اتوبوسها ایجاد می شود.اگر چه بخش عمده از این خرابی ها به شرایط جغرافیایی مناطق مربوط می شود ولی نقش عمده وسایل نقلیه سنگین را نمی توان از نظر دور داشت. توصیه لازم در این زمینه این است که اولا هزینه های سرمایه ای در حساب مخارج گنجاند شود ثانیا مالیات سوخت بر حسب مسافت و میزان بارگیری اخذ شود. به طور مثال در برخی از کشورها مالیات سالانه برای وسایط نقلیه سنگین و خودروهای سواری با توجه به نوع خودرو متفاوت می باشد. مقدار مالیات در این شرایط به طور قابل ملاحظه ای به ظرفیت های بارگیری وسایل نقلیه بستگی دارد. این مسئله موجب برطرف شدن تخصیص هزینه های خارجی و توزیع آنها نمی شود ولی تاثیر بسزایی در بهبود آنها ایجاد می کند. الیته باید توجه داشت در انتخاب سیستهای اخذ مالیات و عوارض اولا باید بسیار محتاطانه عمل کرد و از اتخاذ روشهای نا معقول که ممکن است به آشفتگی بازار بینجامد اجتناب نمود، ثانیا افزایش درآمد عاملی برای توسعه دادن عرضه بشمار می رود و از این رو لازم است درآمدهای حاصله از منابع فوق به بهبود ساختار حمل و نقل اختصاص داده شود.
2-5- پیش بینی حجم ترافیکطی دهه اخیر پیشرفت و گسترش شناسگرهای ترافیکی، امکانات جدیدی را برای مدیریت ترافیک و شبکه معابر فراهم کرده است. شناسگرهای ترافیکی در سطح شبکه معابر نصب شده و به صورت لحظه ای پارامترهای ترافیکی را برداشت می کنند. اطلاعات برداشت شده توسط شناسگرها به کمک بستر مخابراطی به مرکز کنترل ترافیک – مرکز شهری و یا جاده ای – منتقل می شوند. یکی از وظایف مرکز کنترل ترافیک استفاده بهنگام از این اطلاعات برای مدیریت ترافیک است. مدل پیش بینی حجم ترافیک در کوتاه مدت یکی از بخش هایی است که از این اطلاعات استفاده می کند. این مدل با بکارگیری اطلاعات شناسگرهای ترافیکی هر معبر، حجم عبوری از یک معبر در لحظات پیش رو را پیش بینی می کند. از این اطلاعات برای مدیریت پیشگیرانه ترافیک استفاده می شود (افندی زاده، کیانفر،1387).
مدل های مرسوم پیش بینی، مقدار حجم ترافیک را برای سال های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های چهار مرحله ای و یا مدل های مستقیم انجام می شود. نتایج حاصل از این پیش بینی در حوزه برنامه ریزی حمل و نقل بکار گرفته می شود.
شبکه های عصبی از اجزای هوش مصنوعی هستند که در حوزه های کاربردی مختلف با موفقیت استفاده شده اند. یکی از روش پیشنهادی در اینجا، بکارگیری تکنیک های هوش مصنوعی می باشد.در ادامه از روش آماری رگراسیون جهت پیش بینی حجم تردد استفاده گردیده است و در انتها به مقایسه دو روش می پردازیم.
2-6- کلیات شبکههای عصبی مصنوعی تفاوت انسان با سایر موجودات زنده دیگر در توانایی تصمیمگیری و اراده اوست که به ساختار پیچیده مغز و سلسله اعصاب او بر می گردد. از دیرباز دانشمندان و محققین زیادی علاقمند به شناخت ساختمان مغز انسان و چگونگی انجام محاسبات و پردازشها در آن بودهاند آنچه باعث توجه گسترده به این موضوع شده اموری است که مغز آنها را در کسری از ثانیه انجام میدهد (مثل شناسایی چهره آشنا) در حالی که رایانههای دیجیتال برای انجام آنها نیاز به زمان زیادی دارند، بنابراین مغز برای محاسبات خود اساسا از ساختاری کاملا مغایر با ساختار رایانههای متداول برخوردار میباشد.
احساس نیاز بشر برای دستیابی به هوش مصنوعی به منظور نزدیکتر کردن ارتباط انسان و ماشین و دستیابی به ماشینهای هوشمندی که بتواند از عهده وظایف پیچیدهتر برآیند انگیزه اصلی تحقیقات گسترده بر روی سیستم عصبی انسان و دیگر موجودات زنده و تلاش در جهت شبیهسازی مصنوعی آن بوده است. شبکه عصبی مصنوعی (ANN)  ایدهای است برای پردازش اطلاعات که از سیستم عصبی زیستی الهام گرفته شده و مانند مغز به پردازش اطلاعات میپردازد . عنصر کلیدی این ایده ، ساختار جدید سیستم پردازش اطلاعات است.
2-7- نرون بیولوژیکی
همانطورکه گفته شد شبکههای عصبی مصنوعی الهام گرفته از سیستمهای بیولوژیکی هستند. اما اختلافهای عمدهای بین معماری و قابلیت شبکههای عصبی مصنوعی و طبیعی وجود دارد.
مغز انسان به عنوان یک سیستم پردزاش اطلاعاتی با ساختار موازی از 100 تریلیون (1011) نرونهای به هم مرتبط با تعداد کل (1016) ارتباط میباشد که این نرونها از طریق شبکهای از آکسونها و سیناپسها با چگالی تقریبی10 هزار سیناپس در هر نرون ، با هم ارتباط دارند.
محیط عملکرد این نرونها یک محیط شیمیایی است. گیرندههای حسی تحریکات را هم از محیط و هم از داخل بدن دریافت میکند. این تحریکات که به صورت ایمپالسهای الکتریکی هستند اطلاعات را به شبکه نرون ها وارد میکنند. سیستم عصبی مرکزی، اطلاعات دریافتی را پردازش میکند و با کنترل انگیزندهها پاسخ انسان را به صورتهای مختلف بروز میکند.

شکل 2-6: اجزای اصلی یک شبکه عصبی بیولوژیکسلول عصبی یا نرون که عنصر اساسی شبکه عصبی است در شکل 2-6 نشان داده شده است اجزا این سلول عبارتند از : بدنه سلول ، اکسون ، دندریت ، سیناپس
2-8- شبکههای عصبی مصنوعیشبکههای عصبی، نظیر انسانها، با مثال یاد میگیرند . یک ANN برای انجام وظیفههای مشخص، مانند شناسایی الگوها و دستهبندی اطلاعات، در طول یک پروسه یادگیری، تنظیم میشود . در سیستمهای زیستی یادگیری با تنظیماتی در اتصالات سیناپسی که بین اعصاب قرار دارد همراه است. این روش آموزش ANN ها نیز میباشد.
در این قسمت شبکههای عصبی را بر اساس ساختار شبکههای عصبی بیولوژیکی که مطرح شد معرفی میکنیم. اما قبل از آن شباهتهای بین این دو شبکه را عنوان میکنیم.
بلوکهای ساختاری در هر شبکه دستگاههای محاسباتی خیلی سادهای هستند و مضاف بر این نرونهای مصنوعی از سادگی بیشتری برخوردار میباشند.
ارتباطات بین نرونها عملکرد شبکه را تعیین میکند.
اما با وجود اینکه نرونهای بیولوژیکی از نرونهای مصنوعی که توسط مدارات الکتریکی ساخته میشوند بسیار کندتر هستند (یک میلیون بار)، عملکرد مغز خیلی سریعتر از عملکرد یک رایانه معمولی است. علت این پدیده بیشتر به دلیل ساختار کاملا موازی نرونها میباشد و این یعنی اینکه همه نرونها معمولا به طور همزمان کار میکنند و پاسخ میدهند از آنجائی که شبکههای عصبی مصنوعی هم دارای ساختار موازی هستند اما توسط رایانههای سری پیادهسازی میشوند و این مسأله باعث افت سرعت شدید در این شبکهها میشود.
با وجود این که شبکههای عصبی مصنوعی با سیستم عصبی طبیعی قابل مقایسه نیستند ویژگیهایی دارند که آنها را در بعضی از کاربردها مانند تفکیک الگو ، رباتیک ، کنترل و به طور کلی در هر جا که نیاز به یادگیری یک نگاشت خطی یا غیر خطی باشد ممتاز مینمایند. این ویژگی ها به شرح زیر هستند:
قابلیت یادگیری: استخراج نتایج تحلیلی از نگاشت غیر خطی که با چند مثال مشخص شده کار ساهای نیست. چون میدانیم که یک نرون یک دستگاه غیر خطی است در نتیجه یک شبکه عصبی که از اجتماع این نرونها تشکیل میشود هم یک سیستم کاملا پیچیده و غیرخطی خواهد بود. به علاوه خاصیت غیرخطی عناصر پردازش در کل شبکه توزیع می گردد هنگام پیاده سازی این نتایج با یک الگوریتم معمولی وبدون قابلیت یادگیری نیاز به دقت و مراقبت زیادی دارد درچنین حالتی سیستمی که بتواند خود این رابطه را استخراج کند بسیار سودمند به نظر میرسد . خصوصاً اینکه افزودن مثالهای اجتماعی در آینده به یک سیستم با قابلیت یادگیری، به مراتب آسانتر از انجام آن در یک سیستم بدون چنین قابلیتی است.
قابلیت یادگیری یعنی توانایی تنظیم پارمترهای شبکه (وزنهای سیناپتیکی) در مسیر زمان که محیط شبکه تغییر میکند و شبکه شرایط جدید را تجربه میکند، با این هدف که اگر شبکه برای یک وضعیت خاص آموزش دید و تغییر کوچکی در شریط محیطی شبکه رخ داد، شبکه بتواند با آموزش مختصر برای شریط جدید نیز کارآمد باشد. دیگر اینکه اطلاعات در شبکههای عصبی در سیناپسها ذخیره و هر نرون در شبکه، به صورت بالقوه ازکل فعالیت سایر نرونها متأثر میشود. در نتیجه، اطلاعات از نوع مجزا از هم نبوده، بلکه متأثر از کل شبکه میباشد.
2- پراکندگی اطلاعات: آنچه که شبکه فرا میگیرد و یا به عبارت دیگراطلاعات یا دانش، در وزنهای سیناپسی مستتر میباشد و رابطه یک به یک بین ورودیها و وزنهای سیناپتیکی وجود ندارد. میتوان گفت که هر وزن سیناپسی مربوط به همه ورودیها است ولی به هیج یک از آنها به طور منفرد مربوط نیست به عبارت دیگر هر نرون در شبکه از کل فعالیت سایر نرونها متأثر میباشد در نتیجه اطلاعات به صورت زمینهای توسط شبکههای عصبی پردازش میشود.
3- قابلیت تعمیم: پس از آنکه مثالهای اولیه به شبکه آموزش داده شد شبکه می تواند در مقابل یک ورودی آموزش داده نشده قرار می گیرد و یک خروجی مناسب ارائه نماید. این خروجی بر اساس مکانسیم تعیمم که همانا چیزی جز پروسه درونیابی نیست بدست می آید.
4- پردازش موازی: هنگامیکه شبکه عصبی در قالب سخت افزار پیاده می شود سلول هایی که در یک تراز قرار می گیرند میتواننند به طور همزمان به ورودی های ان تراز پاسخ دهند. این ویژگی باعث افزایش سرعت پردازش می شود در واقع در چنین سیستمی ، وظیفه کلی پردازش ، بین پردازنده های کوچکتر مستقل از یکدیگر توزیع می گردد.

user8307

شکل 2-7: مدل نرون تک ورودی ..................................................................................................... 33
شکل 2-8: توابع مورد استفاده در مدل سلول عصبی ..................................................................... 35
شکل 2-9: مدل چند ورودی یک نرون ............................................................................................. 36
شکل 2-10: فرم ساده شده نرون با R ورودی ................................................................................... 37
شکل 2-11: شبکه تک لایه با S نرون ................................................................................................ 38
شکل 2-12: شبکه پیشخور سه لایه ................................................................................................ 39
شکل 2-13: نرون شبکه پرسپترون .................................................................................................. 40
شکل 2-14: بلوک تاخیر زمانی .......................................................................................................... 41
شکل 2-15: شبکه تک لایه برگشتی .................................................................................................41
شکل 4-1 : نمودار سرعت بر حسب تراکم ........................................................................................ 79
شکل 4-2 : نمودار سرعت بر حسب جریان ...................................................................................... 80
شکل 4-3 : نمودار زمان سفر بر حسی تقاضا ....................................................................................82
شکل 4-4 : نمودار تقاضا بر حسب عرضه ......................................................................................... 89
عنوان صفحه
شکل 4-5: نمودار هزینه متوسط و جانبی ....................................................................................... 92
شکل 4-6 : جریان ترافیک در چند روز مختلف در طول شبانه روز ............................................... 96
شکل 4-7 : نحوه ارتباط سرعت، جریان و چگالی در توابع جریان ترافیک ................................... 100
شکل 4-8 : نمونه جریان ترافیک در بزرگراه ها .............................................................................. 101
شکل 4-9 : نمودار سرعت – تقاضا در مدل ویکری ........................................................................ 103
شکل 4-10 : نمودار هزینه حاشیه ای و هزینه تراکم ....................................................................... 104
شکل 4-11 : ساختار مدل پیشنهادی برای پیش بینی جریان ترافیک .......................................... 117
شکل 4-12 مراحل ساخت مدل پیش بینی حجم ترافیک ............................................................. 118
شکل 4-13: رگرسیون خطی ساده .................................................................................................. 121
شکل 5-1: انواع هزینه های حمل و نقل .......................................................................................... 131
شکل 5-2 : نمودار ترافیک عبوری خودروها را در بازه زمانی یک ساعت .....................................137
شکل 5-3 : نمودار ترافیک عبوری خودروها ...................................................................................137
شکل 5-4 : نمودار مبلغ تراکم در ساعت های مختلف ....................................................................139
شکل 5-5: ارتباط مابین تقاضا، عرضه و حجم ترافیک ...................................................................139
شکل 5-6: مدل چهار مرحلهای برنامه ریزی حمل ونقل ............................................................... 140
شکل 5-7 : خروجی Train شبکه عصبی ........................................................................................144
شکل 5-8: خروجی مربوط به اعتبار سنجی شبکه عصبی .............................................................144
شکل 5-9 : خروجی مربوط به آزمایش شبکه عصبی ......................................................................145
شکل 5-10: تعداد epochهای مورد استفاده توسط الگوریتم یادگیری شبکه .............................145
شکل5-11 : مقایسه خروجی شبکه عصبی با اطلاعات موجود ........................................................146
شکل5-12 : مقایسه خروجی مدل رگرسیون با اطلاعات موجود ....................................................151

فهرست نشانه های اختصاری
TDNN = Time delay neural network
BOT = Build-operate-transfer
PCI = Pavement Condition Index
PSI = Present Serviceability Index
MLF = Multi-layer feed forward
TTI = Texas Transportation Institute
BPR = Bureau of Public Roads
VOTT = Value of Travel Time
HCM = Highway Capacity Manual
BP = Back Propagation
فصل اول
مقدمه و طرح مسئله
1- مقدمه1-1- مقدمهبخش حمل ونقل نیز به عنوان یکی شاهرگ اصلی اقتصاد، نقش بسزایی در شکوفایی و توسعه جامعه ایفا می کند. در کشور ما تاکنون این بخش نتوانسته به جایگاه واقعی خود دست یابد. شاید به جرأت بتوان گفت که امروزه ملاک توسعه یافتگی کشورها پس از صنعت، مربوط به توسعه ارتباطات ریلی، جاده ای، هوایی و دریایی است. بنابراین حمل و نقل را می توان به شریانی تشبیه کرد که موجب پویایی و شکوفایی اقتصاد کشورها می شود.
اگر امروز در جهان از خدمات حمل ونقل تحت عنوان صنعت یاد می شود بخاطر گستردگی و اهمیت این خدمات به عنوان حلقه اتصال صنایع با یکدیگر و عامل ارتباط میان بازارهای تولید و مصرف است . بدین خاطر است که بین نظام حمل ونقل و فرآیند توسعه اقتصادی و اجتماعی جوامع همبستگی شدیدی وجود دارد و اقتصاد دانان، صنعت حمل ونقل را به عنوان نیروی محرکه توسعه می دانند و کارآمدی و توانمندی آن را زمینه ساز توسعه پایدار می شناسند. لذا چنانچه این بخش از اقتصاد، مورد بی مهری و بی توجهی برنامه ریزان اقتصادی قرار گیرد یا به دلیل سیاستگذاری های نامناسب کارایی لازم را نداشته باشد، خواسته یا ناخواسته اقتصاد کشورها را با مشکلات جدی مواجه خواهد کرد.
کشور ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی و دسترسی به آبهای آزاد، از موقعیت ویژه ای در حمل ونقل منطقه برخوردار است. اینکه ایران موقعیت طلایی برای ترانزیت و عبور کالا را دارد بر کسی پوشیده نیست ولی متأسفانه طی دهه اخیر، علیرغم گنجاندن این مهم در راهبردهای اقتصادی و برنامه های توسعه کشور، عملاً شاهد تحقق بهره برداری از این پتانسیل نبوده ایم. یکی از مهم ترین عوامل زیربنایی برای توسعه هر کشوری، وجود یک شبکه کارا و مناسب جهت رفع نیازهای حمل ونقلی آن است. بطور کلی حمل ونقل به جهت رفع نیازهای مختلف اقتصادی، اجتماعی و دسترسی صورت می گیرد و تقاضای آن ناشی از تقاضا برای سایر بخش ها است (صفارزاده،هدایتی،1378).
بین صنعت حمل ونقل و سایر بخش های صنعتی از منظر اقتصاد تفاوت هایی وجود دارد . فعالیت های حمل ونقل دارای هزینه ثابت بسیار بالا هستند که بیشتر صرف زیرساخت های حمل ونقل می شود و برای ساخت زیرساخت های حمل ونقل نیاز به سرمایه گذاری بلند مدت است. این دو خصیصه از جمله ویژگی های بارزی هستند که حمل ونقل را از نظر اقتصادی، از دیگر صنایع جدا می کند. بر همین اساس تامین منابع مالی و جذب سرمایه گذاری در این بخش در مقایسه با دیگر بخش های اقتصادی با مشکلات بیشتری همراه است.
حمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد، بطوریکه هم اکنون بیش از 90 % کل حمل بار و مسافر در کشور توسط جاده انجام می شود(سازمان راهداری و حمل و نقل جاده ای، 1383).
در حالیکه فعالیت های حمل و نقل بیش از 9% از تولید ناخالص ملی کشور را در بر می گیرد و در حدود 5/7 میلیون نفر از شاغلان کشور در این حوزه فعالیت می کنند و همچنین بر اساس برآوردهای کارشناسان در صورتی که تمام فعالیتهای مستقیم و غیر مستقیم حمل ونقل به حساب این بخش منظور شود، ارزش افزوده آن بالغ بر 20 % از تولید ناخالص داخلی را تشکیل خواهد داد (سایت اینترنتی بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران، 1389).
ضرورت توجه به حمل ونقل در کشور دو چندان نمایان می شود. در برنامه چهارم توسعه و در ماده 28 آن بطور مشخص اقداماتی در این خصوص پیش بینی شده است که بر اساس آن دولت موظف شده است اقداماتی را به منظور تقویت اقتصاد حمل و نقل، بهره برداری مناسب از موقعیت جغرافیایی کشور، افزایش ایمنی و سهولت حمل ونقل بار و مسافر انجام دهد.
علاوه بر این موارد، افزایش جمعیت، روند رو به رشد اقتصاد کشور و گذر از درحال توسعه به توسعه یافته و استعداد ترانزیت بین المللی، لزوم توسعه و ساخت هر چه بیشتر زیرساخت های حمل ونقل را بیشتر نمایان می کند. اما محدودیت منابع مالی و سرمایه، اکثر کشورهای جهان و ازجمله ایران را به فکر یافتن راه حلی جهت تامین سرمایه مورد نیاز توسعه زیرساخت های حمل ونقل انداخته است . کشورهای مختلف خط مشی های متنوعی برای تامین سرمایه در پروژه های راهسازی در پیش گرفته اند. از روش های متداول اتخاذ شده از سوی دولت ها می توان به وضع مالیات بر سوخت و سایر کالاهای مرتبط با حمل ونقل، مالیات بر خودرو و دریافت عوارض از رانندگان وسایل نقلیه اشاره نمود. معمولاً هزینه های دوره بهره برداری زیربناها نیز از محل اخذ عوارض از کاربران راهها تامین می شود (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
در دهه های 80 و 90 میلادی، در سطح دنیا تمایل بسوی ساخت زیربناهای حمل ونقل با مشارکت بخش غیردولتی به جای زیربناهایی عمومی و رایگان صددرصد دولتی، بسیار افزایش یافت . ساخت و توسعه راهها از طریق مشارکت بخش غیردولتی به دلیل استحصال فواید و نتایج مطلوبی همچون کمک به جبران کمبود بودجه عمومی جهت ساخت و نگهداری راهها، پاسخگویی به رشد تقاضا و نیز ارتقا کیفیت و مطلوبیت خدمات حمل ونقل فراگیر شده است. همچنین قیمت گذاری راهها به عنوان فرآیندی مناسب جهت بازگشت سرمایه و هزینه های مدیریت و نگهداری راهها، از سوی کشورها پذیرفته شده و در بیشتر آنها به اجرا درآمده است (Heggie,1995).
بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.
در مجموع با بررسی اجمالی وضعیت خدمات راهسازی و راهداری در ایران می توان گفت: کشور ایران از نظر توسعه زیرساخت ها و بهبود شبکه راههای خود دارای نیاز زیادی است. تامین منابع مالی و سرمایه از مشکلات اصلی کنونی برای رفع نیازهای زیرساختی است. همچنین در صورت عدم ایجاد فضای منطقی و هدفمند برای ساخت آزادراهها با مشارکت بخش غیردولتی، مشکلات تقاضای برآورده نشده دوچندان شده و آثار نامناسبی بر اقتصاد خواهد گذاشت. علاوه براین، در صورتیکه حتی بخش غیر دولتی نیز به مشارکت بخش دولتی بیاید اما ساز و کار مناسب برای بازگشت سرمایه به سرمایه گذاران در نظر گرفته نشود، مشکلات بیشتری به دولت و سیستم حمل ونقل وارد شده و بار مالی زیادی به بودجه عمومی وارد می شود.
قیمت گذاری راه مفهوم جدیدی نیست. عوارض روی جاده ها و پلها از اواخر قرن هیجدهم یعنی سال 1790 میلادی در آمریکا رایج بوده است. این دوران با شکوفایی اقتصاد آمریکا مقارن بود . در آن موقع حمل ونقل بهتر به معنی آزادراههای بهتر بود. ایالت ها و دولت های محلی بودجه و منابع مالی محدودی در اختیار داشتند که پاسخگوی نیازهای حمل ونقل نبود . بهمین دلیل آزادراههای خصوصی با فاینانس شرکت های سهامی احداث شد و سهام آن در بازارهای بورس معامله می شد. صاحبان سهام از محل دریافت عوارض و مالیات های بزرگراهها، سود سهام خود را دریافت می کردند (Durenberger,1981).
به این طریق راههای خصوصی و سیستم عوارضی در این راهها تا اواسط قرن نوزدهم ادامه داشت و در آن سا لها به اوج خود رسید. توسعه ریل رقابت شدیدی را بین ریل و جاده به وجود آورد که منجر به کم رنگ شدن اهمیت جاده شد. در نتیجه بیشتر بزرگراهها یا به دولت واگذار شدند یا به صورت نیمه دولتی درآمدند. از آن زمان یعنی اواسط قرن نوزدهم تا اواسط قرن بیستم مردم آمریکا رغبت چندانی به قیمت گذاری راهها نشان داده و با آن مخالفت ورزیده اند . از اوایل سال های 1960 سیستم عوارض سنتی برچیده شد و بجای آن سیستم پرداخت فوری جایگزین شد و در دهه های60، 70 و 80 میلادی مورد استفاده قرار گرفت (پژوهشکده حمل و نقل، 1389).
در کشور انگلیس از سال 1964 تاکنون با هدف کم کردن بار ترافیکی راهها و کمک به تامین اعتبارات برای ساخت و توسعه راهها، استراتژی های مختلفی برای قیمت گذاری راهها اجرا شده است. از سال 2003 به بعد در شهر لندن سیاست های سخت گیرانه تر و همراه با نرخ های بالاتر با هدف کاهش هرچه بشتر بارترافیک اعمال شده است.
یکی از موفق ترین تجربه های قیمت گذاری راهها را کشورهای هنگ کنگ(Ison, Rye,2005) و سنگاپور(Goh,2002) از اواسط دهه 70 میلادی تا کنون داشته اند. هنگ کنگ در خلال سال های 80 و 90 میلادی علیرغم رشد جمعیت و تقاضای حمل و نقل توانست 20 % از بارترافیکی درون پایتخت بکاهد. همچنین سنگاپور نیز در مدیریت ترافیک توفیق زیادی داشته و دو دهه است اخذ الکترونیکی عوارض را تجربه می کند.
در کشور نروژ از سال 1930 تا 1980 5% کل بودجه ساخت و توسعه زیرساخت های حمل ونقل از ، محل قیمت گذاری راهها تامین شده است . اما در دو دهه 80 و 90 میلادی تحولات زیادی در سیستم قیمت گذاری راهها به وجود آمد و در نتیجه 26 % کل بودجه ساخت زیربناهای حمل ونقل کشور نروژ در دو دهه مذکور از محل قیمت گذاری راهها تامین گردید. در سال 1997 تعداد پروژه های راهسازی با استفاده از درآمد های حاصل از قیمت گذاری راهها به 30 پروژه رسید(Odeck, Bråthen,1997).
در کشور ایران تا کنون قیمت گذاری سیستماتیک و جامعی روی شبکه راههای کشور انجام نشده است و تنها در چند آزادراه کشور سیستم اخذ عوارض سنتی وجود دارد که البته بیشتر درآمدهای آن صرف پوشش هزینه های ساخت آزادراههای مذکور می شود. در واقع این آزادراهها با سرمایه بخش خصوصی یا بانک ها ساخته شده و در قالب قراردادهای ساخت-عملیات-واگذاری احداث شده اند و تا دوره ی مشخصی با نظارت دولت مجازند کابران این راهها را شارژ کنند.
بطور کلی در بیشتر کشورهای دنیا در سه دهه اخیر، قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی مکمل جهت تامین اعتبارات و منابع مالی بخش حمل ونقل، همچنین مشوقی جهت همکاری و تعامل توأم بخش خصوصی و دولتی برای ساخت و توسعه راههای جدید، مدیریت تقاضا و کنترل ترافیک روی شبکه راهها، مورد نگاهی ویژه قرار گرفته است(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
1-2- اهداف قیمت گذاری راههااهدافی زیادی برای قیمت گذاری راهها ذکر شده است. در اینجا به ۴ هدف اشاره می شود که در زیرآمده اند.
1. از مشهورترین و مهمترین اهداف قیمت گذاری راهها، هدف مالی و سرمای های است.قیمت گذاری راهها به عنوان منبعی برای کسب درآمد جهت بهسازی و توسعه زیر ساخت های حمل ونقل عمل می کند. شکاف موجود بین نیازهای زیرساختی حمل ونقل و درآمدهای موجود یکی از محرک های اصلی قیمت گذاری است. جمع آوری منابع مالی از این طریق برای پوشش دادن و جبران هزینه های ساخت راه، توسعه راههای فعلی و ساخت زیرساخت های جدید حمل ونقل صورت می گیرد. در بیشتر کشورهای دنیا بخش زیادی از این منابع از محل مالیات بر سوخت، مالیات بر وسائل نقلیه تامین می گردد. با توجه به تحولات تکنولوژیکی و ورود وسائل نقلیه با سوخت های نوین مانند باطری های خورشیدی، پیل های سوختی و امثالهم، که جایگزین وسایل با سوخت فسیلی می شوند ، انتظار می رود بخش حمل ونقل با کاهش مالیات بر سوخت و در نتیجه کاهش منابع مالی مواجه شود. لذا اهمیت قیمت گذاری راهها به عنوان محلی برای تامین منابع مالی مذکور بیشتر می شود . البته به دلیل اینکه در کشور ایران مالیات بر سوخت گرفته نمی شود، این نگرانی بدین صورت برای کشور ما وجود ندارد؛ بلکه بیشتر کمبود منابع مالی برای ساخت و توسعه شبکه راهها دغدغه اصلی محسوب میشود. قابل ذکر است این هدف بیشتر در قیمت گذاری راههای بین شهری در کشور ما و نیز دیگر کشورها دنبال میشود. (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
2. هدف دوم ارائه مکانیزمی برای مدیریت تقاضای حمل ونقل است. با تغییر تعرفه ها در طول شبانه روز (که گاهی قیمت گذاری تراکم یا قیمت گذاری ارزش نامیده می شود ) استفاده کنندگان بگونه ای ترغیب می شوند که در طول ساعات شلوغ و پرتردد از سفر پرهیز کنند و سفرهای خود را در ساعات کم تردد انجام دهند. بدین طریق جریان ترافیک تعدیل شده و تقاضای سفر بگونه ای در طول ساعات روز توزیع می شود که کمتر بار ترافیکی شدید به وجود آید. علاوه بر توزیع تقاضا در ساعات مختلف، با تقسیم شبکه راهها به بخش های مختلف و تخصیص تعرفه های متفاوت به هر کدام به توزیع مناسب تقاضا روی کل شبکه پرداخته و از ترافیک شدید جلوگیری می کنند. طبیعی است با کاهش ترافیک، شاخص دسترسی پذیری افزایش یافته و کارایی حمل ونقل بهبود می یابد(May,1992). البته این هدف، بیشتر در مناطق شهری و درون شهرها مدنظر قرار می گیرد. امروزه در بیشتر شهرهای بزرگ و شلوغ دنیا از جمله شهر تهران این هدف دنبال می شود.
3. هدف سوم کاهش آثار زیان آور زیست محیطی است. معمولاً فعالیت های حمل ونقل اعم ازاحداث راهها و حرکت وسایل نقلیه، موجب وارد شدن آسیب هایی به محیط زیست می شو ند. هزینه های محیط زیستی مربوط به زیرساخت های حمل و نقل، شامل مواردی چون تصرف زمین و اراضی، تغییر مناظر و زیباییهای طبیعی، تخریب زیست گاههای وحوش، آسیب رسانی به منابع و ذخایر زمینی، آلاینده های جوی و غیره است(بیضایی،1382). لذا قیمت گذاری بگونه ای انجام می شود که بخشی از قیمت صرف جبران خسارات وارده به محیط زیست شود.
4. هدف چهارم که بیشتر در مناطق خارج از شهر و روستایی دنبال می شود، شارژ مستقیم کسانی است که از راهها، استفاده های مخاطره آمیز می کنند. مثلاً، ادوات سنگین کشاورزی و عمرانی، ممکن است سبب وارد کردن خساراتی به راهها شوند. تصادفات جاده ای نیز به دلیل تحمیل هزینه به اجتماع و البته بخش حمل ونقل، می تواند شامل این مورد باشد که در این صورت، شرکت های بیمه ای باید هزینه ها و عوارض مربوطه را بپردازند . علاوه بر این موارد، استفاده از وسایل غیراستاندارد و فرسوده که بیش از وسایل استاندارد به راهها آسیب می رسانند، مشمول این نوع قیمت گذاری می شوند. در کشور ایران، فرسود گی زیاد ناوگان حمل ونقل از جمله عوامل فرساینده راه بشمار رفته و اصولاً این دسته از وسایل حمل ونقل باید قیمت بیشتری را بابت استفاده ار راهها بپردازند. پیگیری این هدف می تواند به بهبودی وضع ناوگان و کاهش فرسودگی کمک کند(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
برحسب اهداف در نظر گرفته شده برای قیمت گذاری راهها، استراتژی های قیمت گذاری نیز متفاوت خواهد بود. بطور مثال، قیمت گذاری در شهرهای کشورهای سنگاپور و هنگ کنگ بیشتر با هدف کاهش تراکم و مدیریت تقاضا است (Olszewski, Xie,2005) و در شهر لندن این کار بیشتر با هدف کاهش آلودگی های زیست محیطی و البته کاهش تراکم صورت می گیرد(Mitchell,2005) در حالیکه در کشور نروژ قیمت گذاری راه با هدف اصلی ساخت و توسعه شبکه راهها انجام می شود(Odeck, Bråthen,2002). در حوزه فعالیت وزارت راه و ترابری در کشور ایران، قیمت گذاری راهها، بیش از آنکه برای کاهش بار ترافیکی مورد نظر باشد، با هدف ساخت و توسعه شبکه راهها و جبران هزینه های ساخت راههای موجود، انجام می گیرد.
1-3- جمع بندی و نتیجه گیریحمل ونقل جاده ای به دلیل خصوصیات ویژه ای که داراست (از جمله انعطاف پذیری در انتخاب مسیر، میزان بار، زمان سفر، دسترسی به نقاط مختلف، عدم نیاز به تجهیزات بارگیری و تخلیه) به عنوان متداول ترین شیوه حمل ونقل در کشورهای مختلف محسوب می شود. در ایران نیز علاوه بر ویژگی های خاص حمل ونقل جاده ای، موقعیت ویژه جغرافیایی، عدم پوشش گسترده شبکه ریلی در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفی حمل ونقل جاده ای همچون مسائل زیست محیطی، سبب گشته تا درصد بسیار بالایی از حمل ونقل کالا و مسافر توسط این زیربخش صورت گیرد. بنابراین باید اذعان داشت که امروزه قیمت گذاری راهها به یکی از اولویت های کاری در رئوس سیاست های حمل ونقل در سراسر جهان تبدیل شده است . بیشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنین سیاست مداران متقاعد شده اند که قیمت گذاری راه، و هزینه های جانبی مربوط به آنها، راهکار مؤثری برای کسب و جذب منابع مالی جهت توسعه و بهبود سیستم های حمل ونقل و همچنین مدیریت تقاضا و کنترل ازدحام روی راهها است.

فصل دوم
مبانی نظری
2- مبانی نظری تحقیق2-1- مقدمهحمل و نقل یا جابجایی انسان و کالا از نقطه ای به نقطه دیگر، از جمله خصایص ذاتی و کهن ماندگار انسان ها است. در جوامع ابتدایی به فرم معیشتی نیز، حرکت جزو اساسی ترین الزامات روزانه به شمار می رود و برای تولطد و یا جابجایی هر محصول غیر اقتصادی لازم است حجم معینی از حرکات از محل تولید تا مصرف صورت پذیرد تا کالای مورد نیاز به مصرف کننده برسد.
چنین فرایندی از حرکت از حرکت در یک جامعه توسعه یافته مبادلاتی، ابعاد وسیع تری دارد و اشکال مختلفی از حرکت و جابجایی را پدید می آورد. بنابراین حرکت و جابجایی یکی از عمده الزامات انسانی است که نتایج اقتصادی به دنبال دارد. در علم اقتصاد، مجموعه خدماتی که سبب انتقال و جابجایی منابع تولید می گردد دارای ارزش اقتصادی است و بخشی از جریان تولید محسوب می شود. از این رو حمل و نقل از جمله ضروریات اقتصادی است و تقاضا برای حمل و نقل مشتق از سایر فعالیت های اقتصادی و اجتماعی است و لذا محصول حمل و نقل در عین حال که یک تولید پیچیده و مرکب است، تابع تغییرات تقاضا در نقاط و یا بخش های دیگر اقتصاد نیز می باشد(محمودی،1389)
حمل و نقل به گونه سایر فعالیت های اقتصادی بدون هزینه نیست و حرکت در ابعاد فضایی، همانند هر تولید دیگری دارای هزینه می باشد. تفاوت های ساختاری در عملکرد هزینه های انواع مختلف حمل و نقل میدان کاربری وسیعی را برای برنامه ریزی حمل و نقل فراهم می آورد.
روند توسعه در افزایش تسهیلات حمل و نقل جهانی مبین یک روند فزاینده در تقاضا برای سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل می باشد و به همین دلیل است که سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل اهمیت یافته و جزو لاینفک برنامه های توسعه ملی گردیده است. در بسیاری از کشورهای توسعه یافته تامین مالی حمل و نقل بخصوص از این جهت اهمیت دارد که حمل و نقل بزرگترین جزء سرمایه گذاری این کشورها را تشکیل می دهد.
به دلیل بالا بودن هزینه های اجرایی طرح های زیر بنایی حمل و نقل و همچنین به خاطر مسئولیت های مالی دولت ها و ضرورت های توزیع در سطح ملی لازم است دولت ها به سرمایه گذاری در زیر ساخت های حمل و نقل توجه عمده ای مبذول دارند.
2-2- هزینه های حمل ونقلعملکردهای زیانبخش فاصله و محدود ساختن ابعاد حرکت در واقع ناشی از هزینه های حرکت است که بر اثر غلبه بر فاصله به وجود می آید. زیرا عملا هر مصرف کننده ای در حرکت بسوی گردآوری منابع مورد نیاز و یا بمنظور مبادله مقداری از درآمد خود با کالا و خدمات، ضرورتا مقادیر مشخصی از منابع کمیاب (پول، وقت و انرژی فیزیکی ) را به مصرف می رساند تا هزینه مسافت را از میان بردارد. بنابراین وقتی از موانع ناشی از مسافت و سنجش آن با واحدهای پولی صحبت می کنیم، در واقع اشاره به عملکرد خدمات حمل و نقل در غلبه بر مسافت و ساخت هزینه های حرکت و بهای مربوط به آن است که بر پایه ذخایر مالی قرار دارد.
ولی روند غلبه بر هزینه های مسافت همیشه بر اساس مبادلات پولی استوار نیست. مثلا قدم زدن تا فروشگاه برای خرید کالای مورد نیاز، پرداخت هزینه ای را شامل می شود که صرفا جنبه فعالیت بدنی داشته و می توان آنرا از طریق محاسبه واحد کالری مصرفی اندازه گیری نمود. در حالی که استفاده از وسایل ارتباطی محتاج مبادله پولی است و روند چنین مبادله ای بر اساس میزان سرمایه گذاری، نوع خدمات و هزینه های ناشی از آن بسیار متنوع است.
از این رو، برای تجزیه و تحلیل هزینه های حمل و نقل ضرورتا باید شناخت وسیعی از ماهیت هزینه های حمل و نقل داشت.حمل و نقل نوع ویژه ای از تولید است که بر خلاف اصول جاری در تولید کالاهای اقتصادی، در یک نقطه مشخص مکانی مستقر نیست ، بلکه عوامل تولید در چنین شیوه ای در طول یک خط معین و یا در امتداد مسیرهای مختلف ترکیب یافته وشکل می گیرند. بنابراین، از لحاظ اقتصادی، ساخت موقعیتی حمل و نقل با موضوعات مورد مطالعه در سایر فعالیت های اساسی دارد. این وضع زاییده اختلاف های بنیادی بین اهمیت و نقش تولیدی خطوط و گذرگاه ها در مقایسه با سایر فعالیت های اقتصادی است که خود مسائل ویژه ای را در موقعیت مکانی پدیده های تولید مطرح می کند. اهمیت بنادر، ایستگاه های راه آهن و سایر ترمینال ها به عنوان کانون فعالیت های حمل و نقل در واقع نتیجه مستقیم ارتباط های زنجیره ای این نقاط با پاره ای از نقاط دیگر است که هرگز به تنهایی حاوی ارزش های اقتصادی بالقوه ای نیستند. ارزش و اعتبار چنین مراکزی یا بر اساس شاخص هایی مانند تعداد مسافران و وزن کالاهای حمل شده و درآمدهای حاصله از آن تعیین می شود و یا ارزیابی آن ها بر پایه معیارهای فیزیکی دیگری قرار دارد. در هر حال، وسایل حمل و نقل و موسسات مربوط به آن عملا کالاهایی را عرضه نمی کنند و درآمد آن ها ناشی از خدماتی است که در مقطع زمانی و مکانی مشخصی ارائه شده است(محمودی،1389).

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

در هندسه فرض بر این است که هر خطی از به هم پیوستن بی انقطاع مجموعه ای از نقاط هندسی تشکیل می شود که عملکرد هر یک از نقاط مفروض در ساخت این خط برابر و یکسان است. خطوط ارتباطی را از بسیاری جهات همانند عملکرد نقاط در تشکیل خط می توان فرض کرد و ثابت کرد که تولید در طول چنین خطوطی و بر سر هر نقطه ای می تواند احتمال وقوع داشته باشد. بنابراین، سهمی که هر یک از این نقاط در حرکت دادن مسافر . کالا دارند از طریق محاسبه ای ساده (نرخ کالا هنگام صدور از مبدا منهای ارزش آن در زمان ورود به مقصد) می توان تعیین کرد. ولی کیفیت این گونه استدلال ها انسان را متقاعد می سازد که این نوع محاسبات تقریبا غیر عملی است و کمتر با واقعیت های موجود در حمل یک کالا مطابقت دارد. زیرا حمل و نقل هر محموله ای از ایستگاه مبدا علاوه بر هزینه های خدماتی عملا متضمن پاره ای هزینه های سرمایه ای نیز هست. بنابراین ، اگر از تطبیق این فرضیه که قسمت های مختلف یک خط را نقاط هندسی تشکیل می دهند صرف نظر کنیم و حرکت فرضی یک کالا را با ابعاد محدودتر، در طول یک راه آهن در نظر بگیریم در زمینه ترکیب هزینه های حمل و نقل به نتایج بهتری دست خواهیم یافت.
هزینه هایی که در طول راه آهن خیالی ما به واسطه انتقال کالاهای فرضی پدید می آید، نتیجه محاسبه و جمع زدن هزینه هایی مانند دستمزد، اجاره بها، بهره و غیره است. بسیاری از این هزینه ها به خدمات انجام شده در ادارات مرکزی متعلق می گیرد و برخی دیگر به خدمات انجام شده در ایستگاه های بین راه مربوط است و سایر هزینه ها به طول مسیر طی شده مربوط می شود. بدین ترتیب، سود حاصله از این خدمات برخی به بخش های ویژه ای از دارایی راه آهن و برخی دیگر به قسمت های واقع در طول راه مربوط خواهد بود.
حسابداران و متخصصان نرخ گذاری در بررسی توزیع درآمدهای حاصله، روش های ویژه ای دارند که بر حسب این روش ها، نخست هزینه های اداره مرکزی و سایر اقلام مربوط به آن معین می شود، سپس دستمزدها و هزینه های عملیاتی شهرهایی که ایستگاه ها در آنجا واقع شده اند و در آخر، بخش های ویژه ای از مسیر که به طریقی به نظام ارتباطی مربوط اند تعیین می شوند. چنین روشی را در مورد حمل و نقل های زمینی، دریایی و هوایی نیز می توان تعمیم داد و به کار بست. ولی یک اصل عمده در چنین شیوه ای از برنامه ریزی این است که حجم عمده ای از درآمد تقریبا در ترمینال ها جای گرفته و چنین به نظر می رسد که راه هایی که این ترمینال ها را به هم متصل می کنند بدون هزینه نگهداری می شوند، در حالی که چنین نیست و در واقع ساخت هزینه ها در انواع مختلف حمل و نقل سبب و نتیجه عملکرد هزینه های ثابت و هزینه های متغیر است که از سرمایه گذاری در طول مسیر حاصل آمده است. شکل (2-1) توجیه ساده ای از این مطلب است.

شکل 2-1 : عملکرد هزینه های حمل و نقل
به این ترتیب، حمل و نقل نوعی تولید است که در یک فرایند فضایی شکل یافته و در مقایسه با سایر تولیدات اقتصادی غیر قابل ذخیره است و مصرف آتی دارد. مهم تر از همه آنکه تولید حمل و نقل نسبت به مقیاس دارای بازده صعودی است و با افزایش بهره برداری «طول مسیر، وسایط نقلیه، زمان بهره برداری» ، مقدار تولید افزایش می یاید و از این رو عملکرد هزینه ها « ثابت، متغیر» در تولید تسهیلات حمل و نقل دارای وجوه ویژه ای است.
2-2-1- هزینه های ثابتهزینه های ثابت عبارت است از هزینه هایی که در اثر استهلاک فنی سرمایه های اولیه وسایط نقلیه، مخارج ساخت و نگه داری ترمینال ها و راه ها ، پرداخت مالیات های مختلف و عوارض گمرکی پدید می آید. هزینه های ثابت را معمولا غیر مستقیم، هزینه های مکمل، هزینه های اضافی و یا هزینه های سربار می نامند که تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت.
TFX=k=0npi viدر رابطه فوق Vi مقادیر عوامل تولید ثابت و Pi قیمت های آن ها فرض شده است.
کوپر هزینه های ثابت را بر حسب کیفیت آن ها به دو قسمت تقسیم می کند. نخست، هزینه های ثابت سرمایه ای که خود شامل سرمایه گذاری مجدد و هزینه های استهلاک و فرسودگی وسایل نقلیه و ساختمان های مربوط به آن می شود و دوم، هزینه های ثابت روزمره که مشتمل بر دستمزدها، هزینه های انبارداری، گمرکات، بازرسی، مدیریت و غیره است. در هر حال، تاثیر پذیری چنین هزینه هایی در ساخت هزینه های کلی حمل و نقل تا حدودی ثابت است. زیرا این هزینه ها نه تنها ارتباط مستقیمی با سطوح مختلف حرکت ندارند، بلکه به آسانی نیز می توان آن ها را به مصرف کنندگان ویژه ای تحمیل کرد، مگر آنکه افزایش استفاده از تسهیلات ترمینال ها و تجهیزات اصلی آنها، مانند کامیون ها، قطارها و خودروها، موجب تقلیل حد متوسط هزینه های ثابت شود. مثلا در خصوص ارتباط دو نقطه از طریق یک سیستم مجهز راه آهن که در آن میلیارها ریال سرمایه گذاری شده است، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده نرخ حمل و نقل به میزان بهره برداری از آن بستگی خواهد داشت. اگر میزان بهره برداری تا حد مشخصی افزایش یابد، سهم هزینه های ثابت در نرخ حمل و نقل به همان نسبت تقلیل می یابد و منحنی آن مانند شکل(2-2) می باشد. بدین ترتیب، اگر شبکه ارتباطی oq که هزینه های ثابت معینی در ساختمان آن به کار رفته است، در فاصله زمانی مشخص، Z مرتبه بهره برداری شود، تاثیر هزینه های ثابت در بهای تمام شده حمل و نقل، به مراتب کمتر از میزان بهره برداری به مقادیر x و y خواهد بود.
اگر چنانکه هزینه های ثابت بر حسب هر تن کالای حمل شده در طول مسافت بیان شود، فرم عمومی عملکرد هزینه های ثابت به گونه ای خواهد بود که با افزایش عملکرد، هزینه های ثابت به ازای هر تن در مسافت طی شده کاهش خواهد یافت و نتیجتا به کاهش نسبی هزینه های متوسط کل منجر خواهد شد (شکل 2-2).

شکل 2-2 : روند تحلیلی هزینه های ثابت بر حسب میزان بهره برداری

شکل 2-3: عملکرد هزینه های ثابت بر حسب تن-مسافت
معمولا هزینه های نیروی کار و تاسیسات ترمینال ها بخش مهمی از هزینه های ثابت حمل و نقل را تشکیل می دهند و در ترمینال های راه آهن و بنادر کشتیرانی، شاخص بهره دهی بر حسب رابطه بین این هزینه ها به ازای هر تن کالای حمل شده ارزیابی می شود.
برآورد میزان واقعی هزینه های ثابت و نحوه عملکرد آن در ساخت کلی هزینه های حمل و نقل همیشه براحتی میسر نیست و بر حسب میزان سرمایه گذاری، از سیستمی به سیستم دیگر تغییر می کند. معمولا هزینه واقعی عمل حمل و نقل بیش از مبلغی است که از ضریب نرخ باربری در تن – کیلومتر به دست می آید. زیرا در غالب کشورها بخش مهمی از هزینه های ثابت به اقتصاد عمومی تحمیل می شود و دولت به منظور تقلیل هزینه های حمل و نقل برای مصرف کننده مقداری از هزینه های ثابت را به صورت کمک های مالی مستقیم و یا غیر مستقیم تعهد می کند. بوریر به نقل از پرفسور پیرات نشان داده است که در کشور آلمان استفاده مجانی از راهها بویژه در سالهای گذشته برای کامیون ها حداقل به منزله کمک مالی معادل 15 الی 20 درصد بهای تمام شده حمل و نقل بوده است. رساندن چنین کمک های مالی و اعتباری از عمده ترین دلایل علاقمندی دولت ها به تشویق تخصص های منطقه ای و ایجاد رفاه و اشتغال در سطح ملی است. البته بازگشت چنین هزینه های از طرف دولت معمولا از طریق اخذ عوارض و مالیات های مختلف بر سوخت و تاسیسات تامین می شود.
بنابراین در هر شرایطی هدف اساسی سیاست دولت از کمک به حمل و نقل عمومی انجام یکسری خدمات در سطح ملی و تسریع فرایند مبادلات به ویژه توزیع مکانی واحدهای تولیدی است تا از تمرکز فعالیت های اقتصادی در قطب های مشخص جلوگیری به عمل آید و استعدادهای نهفته در نقاط دیگر به کار گرفته شوند.
2-2-2- هزینه های جاری یا متغیرهزینه های جاری یا خدماتی مشتمل بر مجموع هزینه هایی است که در ترمینال ها و یا ضمن حرکت در طول مسیر از انجام خدمات لازم پدید می آید. هزینه های متغیر را گاهی هزینه های دسته اول و یا هزینه های مستقیم می خوانند و تابع آن را به شکل زیر می توان نوشت :
Tvc=i=1npj vjدر رابطه فوق Vj مقادیر عوامل متغیر تولید و Pj قیمت آن ها است.
این گونه هزینه ها اصولا بر حسب کیفیت ساختمانی کالا و سیستم حمل و نقل تغییر می کند و به تناسب ظرفیت وسیله نقلیه و ترمینال ها متفاوت است. در هر حال عملکرد آن تابع مجموع هزینه هایی است که از ایستگاه مبدا تا مقصد صرف می شود. اصولا مخارج استاندارد و بسته بندی کالا در نظام های مختلف حمل و نقل متفاوت اند و غالبا میزان آن در حمل و نقل های درازمدت مانند حمل و نقل دریایی بیش از مبالغی است که در حمل و نقل های کوتاه مدت نظیر حمل و نقل هوایی وجود دارد. نرخ بیمه نیز معمولا در حمل و نقل های درازمدت زمینی و دریایی به جهت طول زمانی حمل و نقل و آسیب پذیری کالا بیش از حمل و نقل هوایی است.
علاوه بر هزینه های بارگیری و تخلیه در ایستگاههای مبدا و مقصد هزینه های بارگیری مجدد بین راه را نیز می توان از جمله هزینه های جاری و یا متغیر به حساب آورد. گاهی ممکن است کالایی پیش از حرکت از ایستگاه مبدا و قبل از رسیدن به ایستگاه مقصد چندین مرحله جابجایی را به همراه داشته باشند که هر یک از آنها هزینه های متفاوتی را بر سطح هزینه های خدماتی وارد می کنند.
در مواردی ممکن است انتقال کالا از یک نوع وسیله نقلیه به نوع دیگر، علاوه بر هزینه های فنی و بارگیری مجدد، مخارج انبارداری و احیانا ایجاد ضایعات و گاهی تاخیر زمانی تحویل کالا را به همراه آورد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های متغیر است.
به هر حال هزینه های متغیر را بر حسب نوع آنها در دو گروه مشخص می توان طبقه بندی کرد.
الف) هزینه های متغیر که بطور مطلق با مسافت طی شده رابطه نسبی دارند
ب) هزینه های متغیری که رابطه مطلق با مسافت طی شده ندارند. مانند پرداخت عوارض گمرکی و هزینه استفاده از ترمینال ها (شکل 2-4)

شکل 2-4: هزینه های متغیر بر حسب عملکرد حمل و نقل
هزینه های متغیر به طور کلی بسیار متنوعند و از یک نوع حمل و نقل به نوع دیگر دارای تفاوت های زیادی می باشند. به همین دلیل گاهی اوقات تفکیک کردن هزینه ها کار بسیار پیچیده ای می باشد. با این حال در اقتصاد حمل و نقل ضرورت دارد که کار تحلیل هزینه ها به دقت انجام پذیرد(محمودی،1389).
2-2-3- هزینه های خارجیهزینه هایی که از عملکرد بنگاه حمل و نقل به محیط زیست تحمیل شده است ولی بابت آن مبلغی پرداخت نمی شود هزینه های خارجی یا در مواردی هزینه های چرخه حیات نامیده می شوند. در مدل تعادل عمومی چنین فرایندی دارای پیامد خارجی است و اثرات زیانباری را از طریق عملکرد یک بنگاه اقتصادی بر منافع یا هزینه های فرد و یا بنگاه دیگری اعمال می کند.
از نظر اقتصاد دانان، آلودگی در محیط زیست ابعاد وسیع تری را شامل می شود و اثرات آن زنجیره وسیعی را در چرخه حیات تحت تاثیر خود قرار می دهد. کلیه هزینه های تباهی و خسارت پذیری محیط زیست چه در قالب هزینه های بازسازی و چه بصورت هزینه های اجتناب از خسارت از آثار تخریب و آلودگی محیط زیست به شمار می روند.
بازتاب تخریب در حوزه حمل و نقل بسیار وسیع است. نتایج مطالعات انجام شده(محمودی،1383) مشخصا به چهار نوع از انواع هزینه های خارجی که بر عملکرد سیستم های مختلف حمل و نقل تاثیر می گذارند اشاره دارد. این نوع هزینه ها در ساده ترین شکل خود عبارتند از هزینه های خارجی ناشی از :
آلودگی صدا
آلودگی هوا
اثرات هزینه ای ناشی از تراکم
هزینه های حاصل از تصادفات
نتایج مطالعات انجام شده در سال 1991 در هفده کشور اروپایی نشان می دهد که 92 درصد هزینه های خارجی مربوط به حمل و نقل جاده ای، 9/5 درصد مربوط به حمل و نقل هوایی، 7/1 درصد مربوط به راهآهن و فقط 3/0 درصد آن به حمل و نقل آبی تعلق دارد.
یک مثال ساده برای شناخت نحوه عملکرد این هزینه ها وضعیت موجود در ترافیک شهری است که مترادف با حجم بالایی از آلاینده ها می باشد. مطالعات موردی نشان داده است که مصرف بنزین و سایر سوخت های فسیلی، مواد آلاینده ای از نوع منو اکسید کربن،هیدرو کربورها، اکسیدهای ازت و غیره را به مقدار زیادی در محیط های شهری پراکنده می کند، در حالی که هزینه های تخریب آن عملا پرداخت نمی شود.
بنابراین لازم است رانندگان شهری علاوه بر پرداخت بهای بنزین هزینه ای نیز بابت تخریب حاصل از مصرف آن که در قیمت بنزین مستتر شده است را پرداخت نمایند. این عمل در نوع خود سبب خواهد شد مصرف بنزین با کاهش قابل ملاحظه ای مواجه شود.

شکل 2-5: تعادل عرضه بنزین با احتساب هزینه های آلوده سازی محیط زیست
در نمودار فوق منحنی تقاضا PP و منحنی عرضه SS است. قیمت بنزین در نقطه تلاقی این دو منحنی یعنی EM به قیمت PM می باشد. با افزایش هزینه های خارجی ناشی از مصرف بنزین منحنی عرضه SS به S’S’ انتقال پیدا کرده است که این منحنی تابع تقاضا را در نقطه E’ قطع می کند. در چنین شرایطی اگر چه بنزین در مقدار کمتری عرضه می شود ولی بدلیل اینکه با قیمت بیشتری بفروش می رسد موجبات کاهش مصرف را فراهم می آورد. همچنین در نمودار فوق تفاضل PM’ و PM نشان دهنده هزینه های خارجی هستند که مصرف کنندگان از پرداخت آن خودداری می کنند.
روش داخلی کردن هزینه های خارجی اگرچه در موارد بسیاری ممکن نیست، ولی برای پیشگیری از اثرات نامطلوب زیست محیطی، لازم است با ایجاد ضوابط و مقرراتی روش هایی برای پرداخت اینگونه هرینه ها اعمال گردند.
2-3- قیمت گذاری حمل ونقلدر تئوری اقتصاد، قیمت ها دارای دو نقش اساسی هستند. نخست تخصیص بهینه خدمات و کالاها میان مصرف کنندگان و دوم انگیزه برای تولید کنندگان و حفظ منافع آنان. هدف یک گرداننده حمل و نقل در سیاست قیمت گذاری به حداکثر رساندن درآمد است. این کار به دو طریق ممکن می شود(محمودی،1389) :
گسترش اندازه بازار
جذب مشتریان جدید و افزایش سهم خود در بازار
یکی از مسائلی که در قیمت گذاری حمل و نقل می بایست مد نظر قرار داده شود هزینه های خارجی است که از مهمترین آنها هزینه تراکم ناشی از سنگینی ترافیک می باشد، که اغلب از سوی افراد و یا شرکت های حمل و نقل در نظر گرفته نمی شوند.
2-4- قیمت گذاری بر اساس هزینه خارجیاگرچه اصول قیمت گذاری بخش عمومی و وضع مالیات و عوارض امر شناخته شده ای است ولی به هر حال طرح و اجرای آن در مسائل حمل و نقل بخصوص در حمل و نقل جاده ای مشکلات و ویژگی های خاص خود را دارد. اصولا به دلیل مشکلات گردآوری عوارض از استفاده کنندگان محلی جاده های برون شهری، مخارج مستقیم مربوط به استفاده از این تاسیسات، پایه مهمی برای تامین مالی این زیر ساخت ها نمی باشد. از سوی دیگر هزینه های جانبی ناشی از استفاده از این تاسیسات، بسط و توسعه عملیات حمل و نقل بر روی آنها نیز به دلیل ضعیف بودن بنیان مالیاتی و یا به دلیل توسعه نیافتگی سیستم های مالی دارای عملکرد درستی نبوده و توزیع بهینه خدمات را با مشکل مواجه می کند.
به منظور ایجاد یک پیوند مفید اقتصادی و محیطی لازم است هزینه های مصرف کنندگان تاسیسات حمل و نقل در رابطه با افزایش درآمد طوری تنظیم شود که اولا از ظرفیت موجود استفاده موثر به عمل آید و ثانیا تامین هزینه های جانبی آنها فراهم شود.
مساله کارایی را می توان از طریق انتخاب بهینه در وسایط نقلیه و سوخت، افزایش کارایی میان قسمت های مختلف حمل و نقل و اعمال سیاست های مناسب در نگاه داری و مدیریت زیر ساخت های حمل و نقل تعمیم داد. امروزه با استفاده از روش های مختلف اخذ عوارض و مالیات که معمولا از طریق نصب باجه های مخصوص در محل های معین صورت می گیرد، موجب پیدایش یک درآمد دائمی شده و در نهایت موجب بوجود آمدن تشویق کننده ای برای استفاده کنندگان و متصدیان امور حمل و نقل گردیده است. افزایش کارایی منابع به خدمت گرفته شده در زیر ساخت های حمل و نقل و همچنین تخصیص بهینه منابع میان اشکال مختلف حمل و نقل نتایج مستقیم اینگونه تصمیمات می باشد. اینگونه اقدامات که سیاست های قیمت گذاری خاصی را می طبید، در نوع خود می تواند هزینه ها را کاراتر سازد و اساس و بنیان مالی بهتری را برای تدارک و نگاه داری تاسیسات حمل و نقل بوجود بیاورد.
در محتوای بهینه سازی هزینه ها این حقیقت وجود دارد که رفت و آمد در جاده ها چندین نوع آثار بیرونی از جمله ایجاد تراکم، آلوده سازی محیط زیست، تخریب سطوح جاده و غیره را به دنبال دارد که هر یک در نوع خود متضمن هزینه های جانبی است.
اثرات خارجی این عوامل و سطح اصطکاک آن در جاده ها به مقدار و نوع سوخت مصرفی وفناوری که در کاربرد این مواد انتخاب شده بستگی دارد. امروزه اخذ عوارض در محدوده نواحی پرتراکم جاده ها موجب شده است بخشی از هزینه های فوق تامین شود. گزارش بانک جهانی حاکی از آن است که اعمال این سیستم در بازگرداندن بخشی از هزینه های جانبی در سنگاپور بسیار موثر بوده است.
اخذ مالیات بابت بنزین و سایر سوخت های فسیلی به علت قابلیت آن در کاربردهای مختلف جانشین مناسبی برای کنترل آلوده سازی محیط زیست بشمار می رود. البته علیرغم آنکه مالیات بر بنزین نقش چندان مهمی را نمی تواند در محدود ساختن تراکم اعمال نماید ولی در بسیاری از کشورها تنها ابزاری است که به منظور رعایت کنترل ترافیک بکار برده می شود.
برای ایجاد فرایندی در فرموله کردن قیمت ابتدا لازم است اجزای تشکیل دهنده قیمت به خوبی شناخته شوند و سپس با استفاده از تجربیات جهانی و در نظر گرفتن قوانین، ضوایط قیمت تعیین شود. در مورد سوخت های فسیلی جامعه جهانی تقریبا به رعایت اصول فوق توافق دارد :
هزینه های منابع سوخت در حد قیمت های جهانی تعیین شود
هزینه های خارجی ناشی از مصرف سوخت در کلیه سطوح اعمال شود
هرگونه مالیات و یا عوارض برای مصرف و یا تعدیل مخارج باید بگونه ای تنظیم شود که تغییر در الگوی مصرف را به حداقل برساند.
تاکید دستور العمل فوق این است که هر گاه هزینه های جانبی و مخارج استفاده از تاسیسات زیربنایی حمل و نقل به طور مستقیم تامین نمی شود، مالیات بر سوخت و اخذ هزینه های خارجی می تواند هزینه های مربوط به زیر ساخت های حمل و نقل و برخی از هزینه های محیطی را بپوشاند. هر چند قیمت سوخت یک جانشین خیلی ضعیف برای تامین هزینه های حمل و نقل به شمار می رود ولی در شرایطی که حمل و نقل به طور سیستماتیک در طول روز جریان دارد می تواند به عنوان بهترین جانشین انتخاب شود. به دنبال تمهیدات فوق انتخاب یک روش مناسب برای قیمت گذاری خدمات حمل و نقل با مشکلاتی همراه می باشد زیرا اکثر منازعات بر سر قیمت به تخصیص هزینه های مشترک کل مربوط می شود. بنابراین بهتر است ابتدا یک محاسبه کلی از هزینه های زیر بنایی و همچنین هزینه های خارجی به عمل آورده و سپس در قیمت تعمیم داده شود.
بهترین مثال در چگونگی انجام این امر شامل مطالعاتی است که توسط گرانائو در سال 1994 و وینوبری در سال 1988 در کشورهای غنا، زیمباوه و تونس برای بانک جهانی انجام شده است. در این مطالعات چنین راهکار مناسب برای هزینه یابی و اعمال سیاست های مالیاتی در سیستم قیمت گذاری حمل و نقل نشان داده شده است. اساسی ترین نکته این مطالعات تاکید بر روی هزینه های جانبی است که از طریق تخریب جاده ها و افزایش تراکم توسط وسایل نقلیه سنگین و اتوبوسها ایجاد می شود.اگر چه بخش عمده از این خرابی ها به شرایط جغرافیایی مناطق مربوط می شود ولی نقش عمده وسایل نقلیه سنگین را نمی توان از نظر دور داشت. توصیه لازم در این زمینه این است که اولا هزینه های سرمایه ای در حساب مخارج گنجاند شود ثانیا مالیات سوخت بر حسب مسافت و میزان بارگیری اخذ شود. به طور مثال در برخی از کشورها مالیات سالانه برای وسایط نقلیه سنگین و خودروهای سواری با توجه به نوع خودرو متفاوت می باشد. مقدار مالیات در این شرایط به طور قابل ملاحظه ای به ظرفیت های بارگیری وسایل نقلیه بستگی دارد. این مسئله موجب برطرف شدن تخصیص هزینه های خارجی و توزیع آنها نمی شود ولی تاثیر بسزایی در بهبود آنها ایجاد می کند. الیته باید توجه داشت در انتخاب سیستهای اخذ مالیات و عوارض اولا باید بسیار محتاطانه عمل کرد و از اتخاذ روشهای نا معقول که ممکن است به آشفتگی بازار بینجامد اجتناب نمود، ثانیا افزایش درآمد عاملی برای توسعه دادن عرضه بشمار می رود و از این رو لازم است درآمدهای حاصله از منابع فوق به بهبود ساختار حمل و نقل اختصاص داده شود.
2-5- پیش بینی حجم ترافیکطی دهه اخیر پیشرفت و گسترش شناسگرهای ترافیکی، امکانات جدیدی را برای مدیریت ترافیک و شبکه معابر فراهم کرده است. شناسگرهای ترافیکی در سطح شبکه معابر نصب شده و به صورت لحظه ای پارامترهای ترافیکی را برداشت می کنند. اطلاعات برداشت شده توسط شناسگرها به کمک بستر مخابراطی به مرکز کنترل ترافیک – مرکز شهری و یا جاده ای – منتقل می شوند. یکی از وظایف مرکز کنترل ترافیک استفاده بهنگام از این اطلاعات برای مدیریت ترافیک است. مدل پیش بینی حجم ترافیک در کوتاه مدت یکی از بخش هایی است که از این اطلاعات استفاده می کند. این مدل با بکارگیری اطلاعات شناسگرهای ترافیکی هر معبر، حجم عبوری از یک معبر در لحظات پیش رو را پیش بینی می کند. از این اطلاعات برای مدیریت پیشگیرانه ترافیک استفاده می شود (افندی زاده، کیانفر،1387).
مدل های مرسوم پیش بینی، مقدار حجم ترافیک را برای سال های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های آینده و یا برای سناریوهای مختلف پیش بینی می کنند. این پیش بینی با استفاده از مدل های چهار مرحله ای و یا مدل های مستقیم انجام می شود. نتایج حاصل از این پیش بینی در حوزه برنامه ریزی حمل و نقل بکار گرفته می شود.
شبکه های عصبی از اجزای هوش مصنوعی هستند که در حوزه های کاربردی مختلف با موفقیت استفاده شده اند. یکی از روش پیشنهادی در اینجا، بکارگیری تکنیک های هوش مصنوعی می باشد.در ادامه از روش آماری رگراسیون جهت پیش بینی حجم تردد استفاده گردیده است و در انتها به مقایسه دو روش می پردازیم.
2-6- کلیات شبکههای عصبی مصنوعی تفاوت انسان با سایر موجودات زنده دیگر در توانایی تصمیمگیری و اراده اوست که به ساختار پیچیده مغز و سلسله اعصاب او بر می گردد. از دیرباز دانشمندان و محققین زیادی علاقمند به شناخت ساختمان مغز انسان و چگونگی انجام محاسبات و پردازشها در آن بودهاند آنچه باعث توجه گسترده به این موضوع شده اموری است که مغز آنها را در کسری از ثانیه انجام میدهد (مثل شناسایی چهره آشنا) در حالی که رایانههای دیجیتال برای انجام آنها نیاز به زمان زیادی دارند، بنابراین مغز برای محاسبات خود اساسا از ساختاری کاملا مغایر با ساختار رایانههای متداول برخوردار میباشد.
احساس نیاز بشر برای دستیابی به هوش مصنوعی به منظور نزدیکتر کردن ارتباط انسان و ماشین و دستیابی به ماشینهای هوشمندی که بتواند از عهده وظایف پیچیدهتر برآیند انگیزه اصلی تحقیقات گسترده بر روی سیستم عصبی انسان و دیگر موجودات زنده و تلاش در جهت شبیهسازی مصنوعی آن بوده است. شبکه عصبی مصنوعی (ANN)  ایدهای است برای پردازش اطلاعات که از سیستم عصبی زیستی الهام گرفته شده و مانند مغز به پردازش اطلاعات میپردازد . عنصر کلیدی این ایده ، ساختار جدید سیستم پردازش اطلاعات است.
2-7- نرون بیولوژیکی
همانطورکه گفته شد شبکههای عصبی مصنوعی الهام گرفته از سیستمهای بیولوژیکی هستند. اما اختلافهای عمدهای بین معماری و قابلیت شبکههای عصبی مصنوعی و طبیعی وجود دارد.
مغز انسان به عنوان یک سیستم پردزاش اطلاعاتی با ساختار موازی از 100 تریلیون (1011) نرونهای به هم مرتبط با تعداد کل (1016) ارتباط میباشد که این نرونها از طریق شبکهای از آکسونها و سیناپسها با چگالی تقریبی10 هزار سیناپس در هر نرون ، با هم ارتباط دارند.
محیط عملکرد این نرونها یک محیط شیمیایی است. گیرندههای حسی تحریکات را هم از محیط و هم از داخل بدن دریافت میکند. این تحریکات که به صورت ایمپالسهای الکتریکی هستند اطلاعات را به شبکه نرون ها وارد میکنند. سیستم عصبی مرکزی، اطلاعات دریافتی را پردازش میکند و با کنترل انگیزندهها پاسخ انسان را به صورتهای مختلف بروز میکند.

شکل 2-6: اجزای اصلی یک شبکه عصبی بیولوژیکسلول عصبی یا نرون که عنصر اساسی شبکه عصبی است در شکل 2-6 نشان داده شده است اجزا این سلول عبارتند از : بدنه سلول ، اکسون ، دندریت ، سیناپس
2-8- شبکههای عصبی مصنوعیشبکههای عصبی، نظیر انسانها، با مثال یاد میگیرند . یک ANN برای انجام وظیفههای مشخص، مانند شناسایی الگوها و دستهبندی اطلاعات، در طول یک پروسه یادگیری، تنظیم میشود . در سیستمهای زیستی یادگیری با تنظیماتی در اتصالات سیناپسی که بین اعصاب قرار دارد همراه است. این روش آموزش ANN ها نیز میباشد.
در این قسمت شبکههای عصبی را بر اساس ساختار شبکههای عصبی بیولوژیکی که مطرح شد معرفی میکنیم. اما قبل از آن شباهتهای بین این دو شبکه را عنوان میکنیم.
بلوکهای ساختاری در هر شبکه دستگاههای محاسباتی خیلی سادهای هستند و مضاف بر این نرونهای مصنوعی از سادگی بیشتری برخوردار میباشند.
ارتباطات بین نرونها عملکرد شبکه را تعیین میکند.
اما با وجود اینکه نرونهای بیولوژیکی از نرونهای مصنوعی که توسط مدارات الکتریکی ساخته میشوند بسیار کندتر هستند (یک میلیون بار)، عملکرد مغز خیلی سریعتر از عملکرد یک رایانه معمولی است. علت این پدیده بیشتر به دلیل ساختار کاملا موازی نرونها میباشد و این یعنی اینکه همه نرونها معمولا به طور همزمان کار میکنند و پاسخ میدهند از آنجائی که شبکههای عصبی مصنوعی هم دارای ساختار موازی هستند اما توسط رایانههای سری پیادهسازی میشوند و این مسأله باعث افت سرعت شدید در این شبکهها میشود.
با وجود این که شبکههای عصبی مصنوعی با سیستم عصبی طبیعی قابل مقایسه نیستند ویژگیهایی دارند که آنها را در بعضی از کاربردها مانند تفکیک الگو ، رباتیک ، کنترل و به طور کلی در هر جا که نیاز به یادگیری یک نگاشت خطی یا غیر خطی باشد ممتاز مینمایند. این ویژگی ها به شرح زیر هستند:
قابلیت یادگیری: استخراج نتایج تحلیلی از نگاشت غیر خطی که با چند مثال مشخص شده کار ساهای نیست. چون میدانیم که یک نرون یک دستگاه غیر خطی است در نتیجه یک شبکه عصبی که از اجتماع این نرونها تشکیل میشود هم یک سیستم کاملا پیچیده و غیرخطی خواهد بود. به علاوه خاصیت غیرخطی عناصر پردازش در کل شبکه توزیع می گردد هنگام پیاده سازی این نتایج با یک الگوریتم معمولی وبدون قابلیت یادگیری نیاز به دقت و مراقبت زیادی دارد درچنین حالتی سیستمی که بتواند خود این رابطه را استخراج کند بسیار سودمند به نظر میرسد . خصوصاً اینکه افزودن مثالهای اجتماعی در آینده به یک سیستم با قابلیت یادگیری، به مراتب آسانتر از انجام آن در یک سیستم بدون چنین قابلیتی است.
قابلیت یادگیری یعنی توانایی تنظیم پارمترهای شبکه (وزنهای سیناپتیکی) در مسیر زمان که محیط شبکه تغییر میکند و شبکه شرایط جدید را تجربه میکند، با این هدف که اگر شبکه برای یک وضعیت خاص آموزش دید و تغییر کوچکی در شریط محیطی شبکه رخ داد، شبکه بتواند با آموزش مختصر برای شریط جدید نیز کارآمد باشد. دیگر اینکه اطلاعات در شبکههای عصبی در سیناپسها ذخیره و هر نرون در شبکه، به صورت بالقوه ازکل فعالیت سایر نرونها متأثر میشود. در نتیجه، اطلاعات از نوع مجزا از هم نبوده، بلکه متأثر از کل شبکه میباشد.

user8310

2-5-2- سیستم‌های دومرحله‌ای 21
فصل سوم-تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر 23
3-1- استفاده از توربوشارژر برای موتور گازسوز 24
3-2- تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر 24
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژینگ 25
3-3-1- جلوگیری از تولید کوبش 25
3-3-1-1- روش های جلوگیری از تولید کوبش 26
3-3-2- کنترل افزایش فشار در توربوشارژر 28
3-3-3- زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی 30
3-3-6- تأثیر توربوشارژر بر آلودگی خروجی 30
فصل چهارم- انطباق توربوشارژر 31
4-1- انطباق موتور و توربوشارژر 32
4-2- تعیین پارامترهای توربین و کمپرسور 32
4-3- انتخاب توربوشارژر 34
4-4 نواحی کاری کمپرسور 35
4-5- دریچه کنترل توربین 37
4-6- تاخیر در عملکرد توربوشارژر 37
4-7 تغییر در شرایط ورودی 38
4-8- فصل پنجم-مدلسازی موتور 40
5-1- مقدمه 41
5-2- تحلیل جریان در راهگاههای موتور با استفاده از رفتار موج فشاری 41
5--3 محاسبه پارامترهای عملکردی موتور 43
5-3- 1- فشار موثر متوسط اندیکاتوری و ترمزی 43
5-3-2- توان و مصرف سوخت ویژه 44
5-4- مدلسازی بازده حجمی 44
5-5- مدلسازی اصطکاک موتور 45
5-6- مدل اصطکاک جریان سیال 46
5-7-محاسبه ضریب جریان 47
5-8- محاسبه دبی جریان عبوری از سوپاپ 48
5-9-مدل انتقال حرارت بین سیال و راهگاههای جریان 49
5-10-مدلسازی انتقال حرارت در داخل سیلندر 49
5-11- مدلسازی پرخورانی موتور با استفاده از عملکرد پرخوران
5-11-1- انتخاب کمپرسور
5-11-2-انتخاب توربین 51
51
52
فصل شش - مدلسازی موتور EF7 با استفاده از نرم افزار GT-POWER 54
6-1- مدلسازی پورت های ورودی و خروجی 55
6-2- مدلسازی منیفولد و دریچه گاز 55
6-3- مدلسازی انژکتور 58
6-4- مشخصات سیلندر 59
6-5- مدلسازی توربوشارژر 60
6-6- مدلسازی خنک کن میانی 60
6-7- مدلسازی کاتالیست 61

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

6-8- مدلسازی احتراق 61
فصل هفت- نتایج توربوشارژ کردن موتور EF7 63
7-1- تغییرات اعمال شده به موتور تنفس طبیعی 64
7-2- تعیین هدف 66
7-3- نکاتی در مورد انتخاب توربوشارژر 67
7-4- مشخصات توربوشارژرهای انتخابی 68
7-5- اصطکاک موتورEF7 69
7-6- انتقال حرارت در داخل سیلندر 70
7-7- کالیبراسیون مدل موتور پرخورانی شده 70
7-8- پارامترهای عملکردی موتورEF7 در حالت بار کامل 84
7-9- مقایسه عملکرد دو توربوشارژر با استفاده از نتایج مدل 80
7-10- تعیین بهینه پارامترهای طراحی موتور پرخوران شده با استفاده از مدل 85
(فصل)هشتم-آنالیز حساسیت موتور EF7 95
8-1- آنالیز حساسیت 96
8-1-1- فشار موثر متوسط ترمزی 98
8-1-2-مصرف مخصوص ترمزی سوخت 99
8-1-3- راندمان حجمی 101
8-1-4-سرعت توربین 102
8-1-5- راندمان کمپرسور 104
8-1-6- فشار در پائین دست کمپرسور 105
8-1-7-جریان هوا 107
8-1-8- جریان سوخت 108
8-1-9- گشتاور ترمزی موتور 110
8-1-10- دمای پائین دست کمپرسور 111
8-1-11- دمای پائین دست خنک کن 113
8-1-12- دمای منیفولد 114
8-1-13- فشار منیفولد 116
8-1-14- فشار ورودی توربین 117
8-1-15- فشار خروجی توربین 119
8-1-16- دمای ورودی توربین 120
8-1-17- دمای خروجی از توربین 122
8-1-18- راندمان توربین 123
8-1-19- راندمان اندیکاتوری موتور 125
8-1-20- توان مصرفی کمپرسور 126
8-1-21- فشار موثر متوسط اندیکاتوری 128
8-1-22- ماکزیمم فشار سیلندر 129
8-1-23- درجه ماکزیمم فشار سیلندر 130
8-1-24- ماکزیمم دمای سیلندر 132
8-1-25- فشار ورودی به سیلندر 134
8-1-26- دمای ورودی به سیلندر 135
8-1-27- فشار خروجی از سیلندر 137
8-1-28- دمای خروجی از سیلندر 138
فصل نهم-سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده 140
9-1- هدف از سوپرتوربوشارژ کردن 141
9-2- سوپرشارژر روتز
9-3- مدلسلزی و نتایج سوپر شارژینگ 142
143
پیشنهادات
لیست مقالات ارائه شده 151
151
نتایج 152
ضمیمه 156
مراجع 161
چکیده انگلیسی 166
فهرست جداول
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
جدول (5-1) توضیح پارامترهای معادله (5-18)
جدول (6-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور تنفس طبیعی
جدول (7-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور پرخوران شده
جدول (7-2) مقادیر ثابت فشار موثر متوسط اصطکاکی در دورهای مختلف
جدول(8-1) جدول تعریف متغیرها و مقدار آنها
جدول (8-2) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط ترمزی
جدول (8-3) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی مصرف مخصوص ترمزی سوخت
جدول (8-4) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان حجمی
جدول (8-5) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی سرعت توربین
جدول (8-6) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان کمپرسور
جدول (8-7) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار در پائین دست کمپرسور
جدول (8-8) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان هوا
جدول (8-9) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان سوخت
جدول (8-10) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی گشتاور موتور
جدول (8-11) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست کمپرسور
جدول (8-12) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست خنک کن
جدول (8-13) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای منیفولد
جدول (8-14) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار منیفولد
جدول (8-15) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی توربین
جدول (8-16) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی توربین
جدول (8-17) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی توربین
جدول (8-18) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از توربین
جدول (8-19) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-20) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان اندیکاتوری موتور
جدول (8-21) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-22) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط اندیکاتوری
جدول (8-23) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم فشار سیلندر
جدول (8-24) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی درجه مربوط به ماکزیمم فشار
جدول (8-25) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم دمای سیلندر
جدول (8-26) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی به سیلندر
جدول (8-27) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی به سیلندر
جدول (8-28) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی از سیلندر
جدول (8-29) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از سیلندر
جدولA-1 نام های توربین و کمپرسور دو توربوشارژر
جدول A-2 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر1
جدول A-3 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر 2
جدول(A-4 ) مشخصات عملکردی توربین
فهرست اشکال
شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ
شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور
شکل (4-1) نقشه عملکرد یک کمپرسور
شکل (4-2) مشخصه یک توربین جریان محوری
شکل(5-1) المان در نظر گرفته شده
شکل (6-1) طرحواره پورت های ورودی و خروجی
شکل (6-2) مدل سازی منیفولد توسط چند انشعاب
شکل (6-3) قرار دادن دستگاه مختصات در مرکز انشعاب
شکل (6-4) دریچه گاز
شکل (6-5) مشخصات هندسی سیلندر
شکل(6-6) زمانبندی جرقه در دورهای مختلف(TDC=0)
شکل (7-1) منحنی لیفت و زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی برای دو موتور تنفس طبیعی و پرخوران شده EF7
شکل (7-2 ) مقدار افزایش مورد نظر درگشتاور موتور در حالت تمام بار
شکل (7-3) مقادیر بیشینیه فشار سیلندر در دورهای مختلف برای یک موتور پرخورانی شده مشابه با موتورEF7 در حالت تمام بار
شکل (7-4) فشار موثر متوسط اصطکاک در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل (7-5) بازده اندیکه در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل(7-6) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 1500
شکل(7-7) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2000
شکل(7-8) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2500
شکل(7-9) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 3500
شکل(7-10) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 4800
شکل(7-11) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 5000
شکل(7-12) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از کمپرسور برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-13) نتایج کالیبراسیون دبی هوا در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-14) نتایج کالیبراسیون بازده حجمی در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-15) نتایج کالیبراسیون گشتاور موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-16) نتایج کالیبراسیون فشار موثر متوسط ترمزی موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-17) نتایج کالیبراسیون جریان سوخت موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-18) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از خنک کن موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-19) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی قبل از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-20) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی بعد از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-21) بازده ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-22) گشتاور اندیکه در دورهای مختلف
شکل(7-23) گشتاور ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-24) مصرف سوخت ویژه ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-25) فشار مؤثر متوسط پمپاژ در دورهای مختلف
شکل(7-26) دمای خروجی از خنک کن میانی در دورهای مختلف
شکل(7-27) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (1)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-28) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (2)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-29) مقایسه بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف و در حالت تمام بار
شکل(7-30) مقادیر گشتاور خروجی موتور حاصل از مدل در ارتفاع ۲۰۰۰ متر از سطح دریا
شکل(7-31) بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف موتور در حالت بار کامل
شکل(7-32) دور توربوشارژر در مقابل دور موتور در حالت بار کامل
شکل(7-33) مقادیر فشار بیشینه داخل سیلندر در مقابل دور موتور قبل از اصلاح در پارامترهای طراحی
شکل(7-34) زمانبندی جرقه موتور در دورهای مختلف برای دو حالت تنفس طبیعی( (NAو پرخوران شده) (TC
شکل(7-35) دمای گازهای ورودی به توربین در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-36) فشار بیشینه داخل سیلندر در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-37) فشار بیشینه داخل سیلندر موتور پورخوران شده در مقابل دور با زمانبندی جرقه جدید و نسبت تراکم 9.8
شکل(7-38) تعیین بهترین زمان باز شدن سوپاپ ورودی در دورrpm1500
شکل(7-39) شکل(7-43) منحنی سوپاپ ورودی و خروجی موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخوران شده
شکل(7-40) مقادیر بازده حجمی موتور پرخوران شده با دو منحنی سوپاپ مختلف در مقابل دور موتور
شکل(7-41) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی کمپرسور در حالت بار کامل
شکل(7-42) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی توربین در حالت بار کامل
شکل(7-43) مقدار دبی جرمی عبوری از دریچه کنترل توربین در دورهای مختلف
شکل(7-44) بازده حجمی موتور EF7 در مقابل دور موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-45) مقادیر گشتاور ترمزی در مقابل دور موتور برای موتور EF7 در حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-46) مقادیر فشار بیشینه سیلندر در دورهای مختلف موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-47) دمای گازهای حاصل از احتراق در خروجی منیفولد خروجی در موتورEF7 برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-48) ماکزیمم فشار سیلندر
شکل(7-49) سرعت گردشی کمپرسور
شکل(7-50) شکل BMEP موتور EF7 مدل شده
نمودار (8-1) آنالیز حساسیت فشار موثر متوسط ترمزی
نمودار (8-2) متوسط مقادیر مطلق فشار موثر متوسط ترمزی در سرعت های مختلف
نمودار (8-3) نتایج آنالیز حساسیت برای مصرف مخصوص ترمزی سوخت
نمودار (8-4) متوسط مقادیر مصرف مخصوص ترمزی سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-5) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان حجمی
نمودار (8-6) متوسط مقادیر راندمان حجمی در سرعت های مختلف
نمودار (8-7) نتایج آنالیز حساسیت برای سرعت توربین
نمودار (8-8) متوسط مقادیر سرعت توربین در سرعت های مختلف موتور
نمودار (8-9) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان کمپرسور
نمودار (8-10) متوسط مقادیر راندمان کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-11) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار در پائین دست کمپرسور
نمودار (8-12) متوسط مقادیر فشار در پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-13) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان هوا
نمودار (8-14) متوسط مقادیر جریان هوا در سرعت های مختلف
نمودار (8-15) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان سوخت
نمودار (8-16) متوسط مقادیر جریان سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-17) نتایج آنالیز حساسیت برای گشتاور ترمزی موتور
نمودار (8-18) متوسط مقادیر گشتاور موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-19) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست کمپرسور
نمودار (8-20) متوسط مقادیر دمای پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-21) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست خنک کن
نمودار (8-22) متوسط مقادیر دمای پائین دست خنک کن در سرعت های مختلف
نمودار (8-23) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای منیفولد
نمودار (8-24) متوسط مقادیر دمای منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-25) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار منیفولد
نمودار (8-26) متوسط مقادیر فشار منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-27) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی توربین
نمودار (8-28) متوسط مقادیر فشار ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-29) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی توربین
نمودار (8-30) متوسط مقادیر فشار خروجی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-31) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی توربین
نمودار (8-32) متوسط مقادیر دمای ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-33) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از توربین
نمودار (8-34) متوسط مقادیر دمای خروجی از توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-35) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان توربین
نمودار (8-36) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-37) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان اندیکاتوری موتور
نمودار (8-38) متوسط مقادیر راندمان اندیکاتوری موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-39) نتایج آنالیز حساسیت برای توان مصرفی کمپرسور
نمودار (8-40) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-41) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار موثر متوسط اندیکاتوری
نمودار (8-42) متوسط مقادیر فشار موثر متوسط اندیکاتوری در سرعت های مختلف
نمودار (8-43) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم فشار سیلندر
نمودار (8-44) متوسط مقادیر ماکزیمم فشار سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-45) نتایج آنالیز حساسیت برای درجه ماکزیمم فشار سیلندر
نمودار (8-46) متوسط مقادیر درجه مربوط به ماکزیمم فشار در سرعت های مختلف
نمودار (8-47) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم دمای سیلندر
نمودار (8-48) متوسط مقادیر ماکزیمم دمای سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-49) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی به سیلندر
نمودار (8-50) متوسط مقادیر فشار ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-51) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی به سیلندر
نمودار (8-52) متوسط مقادیر دمای ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-53) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی از سیلندر
نمودار (8-54) متوسط مقادیر فشار خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-55) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از سیلندر
نمودار (8-56) متوسط مقادیر دمای خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
شکل(9-1) منحنی عملکرد موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالت بار کامل
شکل(9-2) مسیر جریان هوا در کمپرسور روتز
شکل(9-3) طریقه اتصال توربوشارژ و سوپرشارژ به موتور
شکل(9-4) نحوه قرار گیری سوپرشارژ و توربوشارژ در مدل
شکل(9-5) انطباق ناصحیح موتور و یک سوپرشارژ روتز
شکل(9-6) نقشه عملکرد کمپرسور همراه نقاط عملکردی موتور در حالت بار کامل
شکل(9-7) فشار داخل سیلندر با نسبت دنده5.1 در حالت بار کامل
شکل(9-8) دمای گازهای ورودی به توربین در حالت بار کامل
شکل(9-9) مقایسه توان ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-10) مقایسه گشتاور ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-11) مقایسه راندمان حجمی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-12) میزان گشودگی دریچه میان گذر
شکل(9-13) میزان افزایش گشتاور توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
شکل(9-14) میزان افزایش راندمان حجمی توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
فهرست علائم
دما
فشار
دور N
قطر D
شعاع R
دبی جرمی
ظرفیت گرمایی ویژه گاز
حجم جاروب شده
فشار منیفولد
دمای منیفولد
سطح
سرعت صوت
سرعت صوت بی بعد
طول
ضریب تخلیه جریان
سطح موثر
عدد پرانتل
نرخ جریان سوخت انژکتور(g/s)
سرعت موتور(rpm)
حجم جابجایی(liter)
نسبت سوخت به هوا
تعداد سیلندرها
مدت تزریق(بر حسب زاویه لنگ)
مقدمه
متوسط غلظت آلاینده هائی مانند منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته و اکسیدهای نیتروژن در بسیاری از نقاط شهر تهران بیشتر از حد مجاز توصیه شده توسط سازمان بهداشت جهانی می‌باشد. با توجه به رشد سریع ترافیک، وضعیت در آینده بدتر خواهد شد.
با توجه به اینکه 89 درصد از منابع آلوده کننده هوای تهران مربوط به خودروها است جایگزینی سوختهای پاکتر که هم از نظر اقتصادی با صرفه تر و هم از لحاظ اثرات زیست محیطی آلودگی کمتری داشته باشند مورد توجه قرار گرفته و بصورت یک ضرورت اجتماعی مطرح گردیده است[1].
گاز سوختی ارزان با آلودگی کمتر است و در صورت فراهم شدن امکان دسترسی بیشتر، یکی از بهترین سوختهای جایگزین بنزین و گازوئیل می‌باشد. با گازسوز کردن خودروها، منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته، دی اکسید گوگرد و ذرات معلق حاصل از احتراق به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابند. علاوه براین سرب بعنوان یکی از زیانبارترین آلوده کننده ها به کلی حذف می‌شود و همچنین از سروصدای موتور نیز کاسته می‌شود.
در مقایسه موتورهای گازسوز با موتورهای بنزینی، توان حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد کاسته می‌شود. دو علت عمده این کاهش یکی حالت گازی سوخت CNGدر هنگام تزریق به موتور می‌باشد که مقداری از فضای هوای ورودی به موتور را اشغال می‌نماید و باعث افت راندمان حجمی می‌گردد، دلیل دیگر بالابودن نسبت هوا به سوخت در شرایط استوکیومتری گاز نسبت به بنزین می‌باشد که برای گاز این رقم در حدود 17.2 به یک می‌باشد و برای بنزین 14.7 به یک می‌باشد. این عامل نیاز بیشتر موتور گازسوز به هوا را نسبت به موتور بنزینی معلوم می سازد یعنی به زبان دیگر اگر بتوان آن مقدار گازی را وارد موتور نماییم که مقدار انرژی آزاد شده آن معادل مقدار بنزین وارد شده به موتور باشد، می‌بایست هوای بیشتری نسبت به حالت بنزینی وارد موتور گردد.
چون مقدار هوای ورودی به موتور در حالت گازی حتی کمتر از مقدار آن درحالت بنزینی می‌باشد بنابراین در موتورهای گازسوز برای بهبود عملکرد نیاز به هوای بیشتری می‌باشد. با توجه به مقاومت گاز طبیعی در مقابل خوداشتعالی می‌توان توان کاسته شده را توسط روشهای مختلفی جبران کرد. اگر خواستار تشویق مردم برای استفاده از گاز طبیعی هستیم کاهش توان در زمان استفاده از گاز طبیعی قابل قبول نیست. روشی که در این نوشتار برای بدست آوردن قدرت بیشتر ارائه می‌شود، عبارت است از بکارگیری توربوشارژر به منظور افزایش دبی جرمی هوا و متعاقب آن افزایش راندمان حجمی و قدرت موتور. همچنین با استفاده از پرخورانی می‌توان برخی از آلاینده های موتور را با هوادهی بیشتر یا اصطلاحا فقیرسوز کردن موتور درحد پائین تری نگه داشت.
فصل اول
مقدمه و مرور بر تحقیقات انجام شده در گذشته
1-1- تاریخچه
توربوشارژینگ موتورهای احتراق داخلی ایده ای بود که به فاصله کمی از اختراع موتورهای احتراق داخلی مطرح گردید. در سال 1885 دایملر پروژه - ریسرچای درباره استفاده از یک فن یا کمپرسور برای اضافه کردن هوای ورودی به موتور دریافت کرد. در سال 1902 لوییس رنو برای اولین بار توربوشارژری از نوع سانتریفیوژ ساخت و بر روی موتور نمونه ای نصب کرد. این توربوشارژر توسط تسمه به میل لنگ متصل می‌گشت و با پنج برابر سرعت آن دوران می‌کرد. اولین سوپرشارژ متحرک با دود اگزوز (توربوشارژ) بین سال های 1909 و 1912 توسط دکتر آلفرد بوچی سوئیسی ساخته شد. اولین نمونه موتور دیزل مجهز به توربوشاژر را او در سال 1915 ارائه کرد[2]. در توربوشارژر ساخت بوچی توربین و کمپرسور هر دو از نوع جریان محوری بودند که توسط اتصال مکانیکی به میل لنگ موتور متصل می شدند. امروزه به این نوع موتور، موتور مرکب اتلاق می‌شود. بعد از چند سال بوچی مدل اصلاح شده ای را مطرح کرد که در آن اتصال مکانیکی بین موتور و توربوشارژر برداشته شده بود، ولی اتصال مکانیکی بین توربین و کمپرسور کماکان پابرجا بود. اولین توربوشارژر ساخت بوچی از نوع جریان یکنواخت بود که با موفقیت و اقبال روبرو نگردید. در سال 1925 بوچی سیستم موفق توربوشارژ ضربه ای ارائه کرد، که به مدل بوچی معروف می‌باشد. رونق بیشتر توربوشارژینگ زمانی آغاز شد که توربوشارژرها بر روی موتورهای سیلندر و پیستونی هواپیماها نصب گردید و میزان سقف پرواز را افزایش داد. زیرا در این هواپیما این مشکل وجود داشت که با اوج گرفتن هواپیما به علت کاهش فشار، قدرت خروجی موتور شدیدا کاهش می‌یافت و این امر سقف پرواز را محدود می‌کرد. با بکارگیری توربوشارژرها و افزایش فشار ورودی کمک زیادی به افزایش ارتفاع پرواز شد. تا زمان جنگ جهانی دوم صنعت توربوشارژر توسعه زیادی یافت. بکارگیری توربوشارژر بر روی موتور دیزلی بهترین روش برای کاهش هزینه های مصرف سوخت، کاهش جای مورد نیاز برای موتور و کاهش وزن موتور، افزایش راندمان و کاهش صدا بود. در دهه هفتاد میلادی استفاده از توربوشارژر برای موتورهای بنزینی بسیار رواج پیدا کرد و کمپانیها خودروهای اسپرتی خود را با موتورهای توربوشارژری ارائه کردند ولی به دلیل تاخیر عملکرد توربوشارژر این موتورها با استقبال مصرف کنندگان روبرو نشدند. توفیق توربوشارژینگ در صنعت خودروهای سواری از زمان ارائه توربو دیزل هایی بود که می‌توانستند با حجم مساوی با موتورهای بنزینی برابری کنند و از لحاظ آلودگی در سطح پائین تری نسبت به موتورهای بنزینی قرار بگیرند[3].1-2- تجربیات انجام شده در زمینه موتور گازسوز
فعالیت های انجام شده را می‌توان به دو دسته کلی مدل سازی موتورها و انطباق تقسیم بندی نمود. تا به امروز، بیشتر تلاشها به مدل سازی موتورهای احتراق داخلی محدود بوده است. از اینرو در ابتدا به تاریخچه مدل سازی موتور می پردازیم.
نخستین قدم جدی در این راه توسط بنسون و آناند برداشته شد[4]. این دو دانشمند مدل شبیه سازی تحلیلی موتور را پایه گذاری کردند. در این مدل هر فرآیند به چند مدل ساده ریاضی تبدیل می شد که برای هر یک از این مدل ها فرم های خاصی از معادلات بقا صادق بود. این زیر مجموعه ها در نهایت به یکدیگر مرتبط می شدند. این مدل سازی علیرغم محدودیت زیاد به علت سادگی و دقت مناسب هنوز از روش های متداول و معتبر به حساب می‌آید.
چند سال بعد این روش بهبود یافت. بنسون و بورا[5] با در نظر گرفتن مدل احتراق دو ناحیه ای با کمک روش عددی رانگ کوتا توانستند به نتایجی بسیار نزدیک به اندازه گیری های تجربی دست یابند. امروزه این روش به دلیل سادگی و جامع بودن یکی از معتبرترین روش های تحلیلی برای آنالیز موتور به حساب می‌آید.
با افزایش بهای بنزین و بحران جهانی سوخت در دهه 1970 مطالعات بنیادی روی سوخت های جایگزین از جمله گاز طبیعی رونق یافت. این روند بار دیگر در دهه 1990 و به منظور غلبه بر مشکل آلودگی محیط زیست احیا گردید. برای شناخت بیشتر و بهتر خواص موتورهای گاز طبیعی ویکس وموسکوا[6] به روش تجربی و با کمک یک دستگاه اندازه گیری فشار غیرخطی، نرخ گذرای هوای عبوری از موتور را در حالات مختلف کاری اندازه گیری کردند.
ویزینسکی و واگنر[7] از دانشگاه بیرمنگام تحقیقات مفصلی بر روی نوع خاصی از سیستم EGR انجام دادند. با استفاده از گازهای خروجی از موتور که سرشار از هیدروژن می‌باشد، توانستند راندمان احتراق را به نحو قابل توجهی افزایش دهند.
در کنار این تحلیل ها تلاش های زیادی برای تعیین استانداردها و دسته بندی مزایا و معایب این موتورها به عمل آمد. از آن جمله وگزین و گوروویچ [8] مزایا و معایب گاز طبیعی مایع شده را برای اتوبوسها و کامیونها بررسی نمودند.
همزمان با تحقیقات انجام شده در زمینه های احتراق داخلی و انتقال حرارت، سیستم های کنترلی مورد استفاده نیز تحت بررسی قرار گرفتند تا با بهینه سازی آن ها آلودگی محیط کاهش و راندمان موتورها افزایش یابد. از جمله این فعالیتها و تحقیقات می‌توان به تلاش مالم و کیست [9] اشاره کرد. آنها با اندازه گیری بار و دور موتور در محدوده وسیع دما و ترکیب آن ها با اندازه گیری دینامیکی فشار و ارتعاش سیلندر سیستم های کنترلی را تحت بررسی قراردادند.
در همین زمان تحقیقات مفصلی نیز بر روی انطباق موتور و توربوشارژر انجام شد. پنج دانشمند ژاپنی به نامهای فوکوزاوا، شیمادو، کاکوهوما، اندو و تاناکا تغییرات راندمان حرارتی موتور گازسوز شش سیلندر را نسبت به پارامترهای نسبت تراکم، شکل محفظه احتراق، اثر سوپاپها و خود توربوشارژر مورد برسی قراردادند[10].
در لابراتوار ملی ماشین های گازی NGML یک سری آزمایش توسط چپمن از دانشگاه کانزاس برای تطابق توربوشارژر و موتور گاز طبیعی دو زمانه صورت گرفت[11] تا اثر این تطابق روی راندمان این مجموعه و میزان تولید NOx مورد بررسی قرارگیرد.
پلکمنس، دوکوکلیر، و لنارس اتوبوسها و کامیونهای با سوخت دیزل را با گاز طبیعی از لحاظ میزان سوخت توان و میزان ایجاد آلاینده ها مورد مقایسه قرار دادند[12].
همچنین با استفاده از مدلسازی یکبعدی بسیاری از مهندسان فعالیت هایی در زمینه بهینه سازی عملکرد موتور انجام داده اند که از آن جمله می‌توان به انتخاب توربوشارژر متناسب با یک موتور مشخص اشاره نمود.[13]
در کشور ما در سال های اخیر چند پروژه تحقیقاتی نیز به ثبت رسیده است که در آنها با مدلسازی یک موتور تغذیه طبیعی، رفتار کاری موتور توربوشارژری را پیش بینی می‌نماید[14].
1-3- اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر
اقدامات فراوانی برای نصب توربوشارژر بر روی خودروها و بهینه سازی آن صورت گرفته است. در یک تحقیق تاثیر تغییرات زمان بندی سوپاپ ها بر روی قدرت و کاهش مصرف سوخت موتورهای توربوشارژری بررسی شده است[15]. در این پروژه - ریسرچبیان شده است که برای کاهش مصرف سوخت احتیاج به افزایش نسبت تراکم می‌باشد و برای جلوگیری از تولید کوبش، بازخوراند گاز اگزوز در حالت بار کامل راهکار مناسبی است. در عین حال بیان می‌دارد چهار سوپاپه بودن این موتور قدرت آن را تا 20% افزایش می‌دهد.
در تحقیق دیگر موتور 6 سیلندر جگوار با حجم 4 لیتر به سوپرشارژر و خنک کن هوا مجهز گردیده است[16]. هدف اصلی این پروژه افزایش گشتاور این موتور در دورهای پائین و کاهش آلایندگی بوده است. پس از انجام تمامی تغییرات و نصب سوپرشارژر این نتیجه حاصل شد که در حالت دریچه کاملا باز خروجی موتور بسیار مطلوب است و از قدرت خروجی موتور 12 سیلندر جگوار پیشی می‌گیرد و افزایش قدرتی بین 35 تا 50% با موتور 6 سیلندر اولیه حاصل می‌شود. در نهایت جگوار توانسته است با انتخاب مناسب سوپرشارژر میزان قدرت موتور چهار لیتری خود را به موتور 6 لیتری تنفس طبیعی برساند، در حالیکه مصرف سوخت آن در حد موتور چهار لیتری تنفس طبیعی می‌باشد.
طی یک تحقیق توسط اسپیندلر، اقدام به نصب توربوشارژر بر روی یک موتور بنزینی(با حداکثر قدرت 70 کیلو وات) با هدف افزایش قدرت، کاهش مصرف ویژه سوخت و کاهش آلودگی، شده است[17]. بعد از آزمایش تعداد زیادی توربوشارژر با سطح مقطع های مختلف، این نتیجه حاصل شد که هر چه سطح مقطع کوچک تر باشد، میزان گشتاور در سرعت های پائینتر افزایش می‌یابد ولی میزان فشار خروجی موتور در سرعت های بالاتر زیاد خواهد بود. لذا لازم است شرایط بهینه ای بین این دو مسئله انتخاب گردد. آزمایشها نشان داده است استفاده از توربین هایی با دو ورودی حائز ارجحیت می‌باشد[17]. در نهایت روش بهینه ای که انتخاب گردیده است روش ضربانی به همراه توربینی با دو ورودی می‌باشد. نتیجه این تغییرات افزایش قدرت موتور تا 120 اسب بخار با منحنی گشتاوری مشابه موتور تنفس طبیعی با همان قدرت با مزیت کوچکی ابعاد و کمی وزن (150 کیلوگرم در مقابل 185 کیلوگرم) و نیز کم بودن آلاینده های گاز اگزوز می‌باشد.
در تحقیق دیگر موتورهای هینو که بر روی کامیون ها کاربرد دارد با هدف بهینه سازی مصرف سوخت و کاهش آلودگی ها بخصوص اکسیدهای نیتروژن به توربوشارژر مجهز گردیده است[18]. در نتیجه بهبود مصرف سوخت، افزایش گشتاور در سرعت های بالا و ثابت ماندن میزان تولید NOx حاصل شده است. به عنوان یک نتیجه گیری در این پروژه - ریسرچذکر شده است که در انتخاب توربوشارژر اگر هدف افزایش شتاب اولیه و قدرت در سرعت پائین باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه کوچک و دریچه فرار مناسب می‌باشد. در صورتیکه هدف کاهش مصرف سوخت در سرعت های بالای موتور باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه بزرگ توصیه می‌گردد.
فیلیپی در سال 1994 انطباق توربوشارژر با موتور را به صورت میانیابی در نقشه عملکرد توربوشارژر انجام داد9]1 .[در این تحقیق سه مدل برای سطح سوپاپ در نظر گرفته شد و سعی شده است تا برای به دست آوردن راندمان بیشتر، بهترین مدل سوپاپ به دست آید. در این تحقیق از فناوری سطح متغیر سوپاپ و از مدل صفر بعدی (مدل ترمودینامیکی) برای موتور استفاده شد. برای احتراق مدل شعله دو ناحیه‌ای در نظر گرفته شد که بدین ترتیب شکل محفظه احتراق در محاسبات تأثیر خواهد داشت.
واتسون در بررسی انطباق موتور به توربوشارژر به انطباق موتور لیلاند با چند توربوشارژر متفاوت پرداخت[20]، او عملیات انطباق را توافقی بین گشتاور، توان خروجی موتور، محدوده سرعت موتور، محدودیت دما ، فشار و آلودگی موتور دانست. وی استفاده از توربوشارژرهای هندسه متغیر را بهترین راه توربوشارژرینگ دانست اما در عین حال این نوع توربوشارژرها را از نظر قیمت و قابلیت اطمینان مناسب نمی‌دانست.
اینوال و یوهانسون در سال 1997 روی موتور گاز طبیعی سوز توربورشارژر شده Volvo TD 102 شش نوع پیستون مختلف با محفظه احتراق متفاوت را آزمایش کردند و سرعت متوسط و توربولانس را با سرعت‌سنج لیزری اندازه‌گیری نمودند[21]. آنها علاوه بر موارد فوق، انتقال حرارت، فشار، بازده و آلودگی را اندازه‌گیری کردند. بیشترین توربولانس در محفظه کوارتت در نزدیکی نقطه مرگ بالا مشاهده شد. اندازه‌گیری فشار و انتقال حرارت نیز نشان می‌دهد که این محفظه احتراق سریعی دارد. در عین حال، این محفظه احتراق بیشترین محدوده لاندا را بین کوبش و عدم اشتعال دارد. همچنین کمترین میزان NOx و HCرا دارا می‌باشد و بهترین حالت پایداری احتراق را دارا می‌باشد. دو محفظه احتراق توربین و نبولا نسبت به حالت قبل احتراق نامناسب‌تری دارند. محفظه‌های احتراق دیگر شرایط بدتری را نشان می‌دهد.
گوارنی و سندال[22] در سال 2002 موتور احتراق جرقه‌ای را به صورت یک بعدی مدل کردند و نتایج آن را با نتایج تجربی مقایسه کردند و مدل خود را برای پیش‌بینی راندمان منیفولد و طراحی آن و زمان‌بندی سوپاپ‌ها بسیار کاربردی دانستند و دقت مدل خود را با بررسی تجربی روی موتور نشان دادند.
1-4- معرفی پروژه حاضر
در بخش اول این پروژه تاریخچه ابداع و اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر مرور می‌شود. در بخش دوم هدف استفاده از توربوشارژینگ و روش های آن توضیح داده می‌شود. بخش سوم تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر، مشکلات توربوشارژینگ و روش های کاهش آن را بیان می‌کند. در بخش چهارم به معادلات حاکم بر توربوشارژر، انتخاب و انطباق توربوشارژر مناسب پرداخته می‌شود. بخش پنجم معادلات و روش مدلسازی موتور و توربوشارژر در نرم افزار GT POWER توضیح داده می‌شود. بخش هفتم مدلسازی موتورEF7 توربوشارژ شده گاز سوز ارائه می‌شود، سپس برای اطمینان از صحت عملکرد این مدل نتایج بدست آمده از مدلسازی در حالت تمام بار و بار جزیی در زمانی که میزان فشردگی دریچه گاز 25 درصد است، روش کالیبراسیون و مقایسه نتایج آن با نتایج تست های تجربی آورده می‌شود. در بخش هشتم آنالیز حساسیت موتور توربوشارژ شده برای بسیاری از پارامترهای عملکردی موتور و توربوشارژر و دما و فشار اکثر نقاط نسبت به شرایط هوای ورودی، تایمینگ سوپاپ ها، زمان جرقه، نسبت تراکم و تغییر هندسه سیستم مکش و تخلیه انجام می‌شود. در بخش نهم سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده به منظور افزایش فشار تقویتی در دورهای پائین موتور که توربوشارژ قادر به تامین آن به دلیل سرعت پائین خود، نمی‌باشد توضیح داده می‌شود و به دنبال آن نتایج سوپرتوربوشارژ کردن موتور EF7 گازسوز نشان داده می‌شود. در آخر نتایج به دست آمده از انجام پژوهش بیان شده است.

فصل دوم
توربوشارژ کردن موتورهای احتراق داخلی
2-1- هدف توربوشارژینگ
بطور کلی توربوشارژرها را به دو منظور عمده در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می دهند.
استفاده از توربوشارژر به جهت بالا بردن توان و عملکرد بهتر موتور، دراین حالت می‌توان با افزایش فشار و چگالی هوای ورودی و اضافه کردن مقدار پاشش سوخت توان یک موتور را تا دو برابر افزایش داد. بنابراین با طراحی مناسب قطعاتی مانند پیستونها، شاتونها، یاتاقانها و سایر اجزا موتور برای شرایط توربوشارژرینگ می‌توان مقدار قدرت به وزن موتور را بالا برد و بجای استفاده از موتورهایی با حجم بالا و قدرت بالا، موتورهای کم حجم تر و مجهز به توربوشارژر با راندمان و قدرت بالا استفاده نمود.
استفاده از توربوشارژر جهت کاهش آلایندگی موتور، هرگاه با ثابت نگه داشتن مقدار سوخت وارد شده به موتور مقدار هوای ورودی را افزایش دهیم می‌توانیم مقدار آلایندگی موتور را کاهش دهیم این روش عمدتًا در موتورهای دیزلی که مخلوط شدن سوخت و هوا بسیار مهم و کیفیت احتراق بسته به این موضوع می‌باشد بسیار حائز اهمیت می‌باشد. واردکردن هوای فشرده با ثابت نگه داشتن سوخت باعث بهبود احتراق و کاهش آلایندگی بدلیل بالا رفتن میزان نسبت هوا به سوخت در موتور می‌گردد.
در بعضی موارد هر دو روش را در یک موتور انجام می‌دهند یعنی با بالا بردن نسبتًا زیاد فشار هوای ورودی و افزایش کم سوخت نسبت به موتور معمولی می‌توان هم توان یک موتور را بالا برد هم مقدار آلایندگی موتور را کاهش داد .[23]
2-2- روشهای پرخورانی
دو روش کلی برای پرخورانی در موتورهای احتراق داخلی وجود دارد:
پرخورانی توسط سوپرشارژها
سوپرشارژها پرخورانهایی می‌باشند که تنها از یک کمپرسور تشکیل شده اند. این کمپرسور توسط تسمه یا چرخ دنده از میل لنگ موتور نیرو گرفته و باعث افزایش فشار هوای ورودی به موتور می‌گردد. از مزایای سوپرشارژها، می‌توان به عکس العمل سریع پرخوران در دورهای پائین موتور اشاره نمود که بدلیل متصل بودن سوپرشارژها توسط تسمه یا چرخ دنده به میل لنگ موتور، این امکان فراهم می‌گردد. بنابراین با افزایش سریع دور موتور، پرخوران به سرعت فعال می‌گردد. از معایب سوپرشارژها توان گرفته شده از میل لنگ موتور است که در حدود ۳۰ درصد از توان افزایش یافته توسط سوپرشارژر است که می‌بایست صرف خود سوپرشارژر گردد. در شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ نشان داده شده است.

شکل(2-1) یک نمونه سوپرشارژر
پرخورانی توسط توربوشارژرها
توربوشارژرها، پرخورانهایی هستند که از یک توربین و یک کمپرسور با شافت مشترک تشکیل شده اند. در این پرخورانها قسمت ورودی توربین به فلانچ خروجی چند راهه دود متصل می‌گردد و قسمت خروجی توربین به مسیر اگزوز متصل می‌شود. در هنگام خروج محصولات احتراق از چندراهه خروجی، گازهای گرم با سرعت بالا به پره های توربین نیرو وارد می‌نماید و باعث چرخش آن می‌شود و پس از انتقال انرژی خود به پره ها از توربین خارج می گردد. شفت متصل به این چرخ توربین از سمت دیگر به چرخ پره کمپرسور متصل می‌باشد که با چرخش و سرعت بالای خود سیال ورودی(هوا) را از ورودی کمپرسور که به مسیر صافی هوا متصل می‌باشد به داخل کمپرسور شعاعی یا گریز از مرکز کشیده و با عبور از صدا خفه کن وارد چرخ‌گردان کمپرسور می‌شود و پس از انتقال انرژی از پره‌های چرخ‌گردان به این هوا، موجب شتاب گرفتن و به تبع افزایش سرعت آن می‌شود، سپس به درون دیفیوزر هدایت می‌شود. در درون دیفیوزر انرژی جنبشی هوا به انرژی فشاری تبدیل شده و با فشار زیاد وارد خروجی کمپرسور که به مسیر چند راهه ورودی متصل می‌باشد می‌گردد. از طرفی دیگر بالا رفتن فشار هوا منجر به گرم شدن آن می‌گردد. افزایش دما در شروع تراکم موجب مشکلات خود اشتعالی و کوبش در قسمت انتهای مرحله تراکم و یا در طی احتراق می‌گردد. به این دلیل کمپرسورها می‌توانند به یک پس‌خنک‌کن مجهز گردند تا دمای هوای متراکم شده ورودی را کاهش دهند. پس‌خنک‌کن، مبدل های گرما هستند که اغلب از هوای بیرون به عنوان سیال خنک کننده استفاده می‌کنند. همچنین بسیاری از توربوشارژرها دارای یک میان‌بر هستند که در صورت عدم نیاز به افزایش فشار هوای ورودی، گازهای خروجی می‌توانند توربوشارژر را دور بزنند. توربین‌های پیشرفته امروزی دارای هندسه تغییر سطح مقطع ورودی از طریق پره های راهنمای ورودی توربین می‌باشند، به طوریکه با نقاط عملیاتی مختلف موتور، حداکثر بازده حاصل گردد. برای مثال هنگامی که موتور با سرعت پائین در حال فعالیت است، جریان سطح مقطع با بسته شدن این پره‌های راهنما کاهش می‌یابد. توربوشارژرها ممکن است به یک تانک روغن اضطراری نیز مجهز باشند که اگر سیستم روغن‌کاری اصلی موتور از کار افتاد، این سیستم رزرو بتواند روغن‌کاری روتورهای دوار در میان دو یاتاقان صفحه‌ای شعاعی را انجام دهد. توربوشارژرها را وسیعتر ازسوپرشارژرها مورد استفاده قرار می‌دهند. توربوشارژرها بخشی از انرژی جنبشی گازهای خروجی اگزوز را که در موتورهای معمولی تلف می‌گردد را به کار تبدیل کرده و به موتور باز می گرداند، همچنین بالا بودن فشار هوای ورودی و مخلوط شدن بهتر سوخت و هوا باعث بهتر شدن کیفیت احتراق می‌گردد. بنابراین راندمان حرارتی در موتورهای توربوشارژ شده نسبت به موتورهای معمولی بالاتر می‌باشد. در شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر نشان داده شده است.

شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
2-3- مقایسه موتورهای توربوشارژ شده و تنفس طبیعی
یکی از اهدافی که در استفاده از توربوشارژر مطرح است، جایگزین کردن یک موتور تنفس طبیعی با یک موتور توربوشارژ شده کوچکتر که مصرف سوخت آن کمتر است می‌باشد. در این جایگزینی نباید تغییرات منفی در مشخصات رفتاری موتور نظیر قدرت، گشتاور و آلاینده‌ها بوجود آید. همچنین با توجه به اینکه موتور توربوشارژ شده گرانتر از موتور تنفس طبیعی است باید کاهش مصرف سوخت موتور توربوشارژ شده این اختلاف قیمت را جبران ‌نماید. جدول(2-1) به مقایسه موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالتی که حداکثر گشتاور و قدرت یکسانی دارد می‌پردازد.
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
مزایا معایب
کاهش تلفات سوخت کاهش نسبت تراکم
کاهش افت اصطکاکی عمل بد دریچه کنترل سوخت در حالت گذرا
کاهش افت پمپاژ در دورهای پائین افزایش تنشهای حرارتی
کاهش آلودگیهای HC,CO افزایش آلودگیهای ناشی از NOx *
کاهش وزن موتور ( افزایش توان ویژه) نیاز به روانکاری پیشرفته‌
کاهش اثرات تغییر شرایط محیط بر موتور افزایش هزینه تولید
کاهش ابعاد موتور نیاز به خنک کن میانی
افزایش بازده گشتاور نامناسب در دور پائین **
* با اضافه نمودن خنک کن میانی NOX از حالت تنفس طبیعی هم کمتر می‌گردد.
** با توربوشارژر هندسه متغیر این اشکال رفع می‌شود.
2-5- انواع سیستمهای توربوشارژری
براساس نحوه ورود گازهای اگزوز به توربین توربوشارژر و ثبات یا نوسان جریان ورودی به توربین از دو نوع سیستم مختلف توربوشارژ کردن استفاده می‌شود.
2-5-1- توربوشارژر فشار ثابت
یک موتور رفت و برگشتی ذاتاً یک وسیله با جریان غیردائم است. گازهای خروجی از سیلندر یک جریان غیر‌دائمی را به وجود می‌آورد. از طرفی، توربو ماشینها برای جریان دائمی طراحی و ساخته می‌شوند. البته توربینها می‌توانند تحت شرایط غیر دائم کار کنند ولی بازده شان در مقایسه با شرایط دائم بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. بنابراین ترکیب موتور و توربین عمل مشکلی خواهد بود. بوچی (مبتکر سوئیسی توربوشارژر) از یک محفظه با حجم مناسب برای کنترل و ثابت کردن جریان گاز غیردائمی خروجی از سیلندر استفاده کرد. بنابراین بدین گونه جریان ورودی به توربین یکنواخت و فشار ثابت گردید. حجم منیفولد دود یا حجم مخزن، وابسته به فرکانس ضربان گازهای خروجی است که به تناوب از هر سیلندر خارج می‌شود. شدت ضربان گازهای خروجی تابعی از بار موتور، زمانبندی سوپاپ دود، سطح ورودی توربین و حجم منیفولد است. معمولا نسبت حجم منیفولد دود به حجم موتور برای تبدیل نوسانات به فشار ثابت بزرگتر از یک می‌باشد. این نسبت برای موتورهای با تعداد سیلندر بیشتر، در مقایسه با موتورها با تعداد سیلندر کمتر، کوچکتر است. قاعده خاصی را نمی‌توان برای این امر بیان نمود ولی بازه آن ما بین 4/1 تا 6 در تغییر است. یکی از مشکلات ایجاد فشار ثابت در ورودی توربین این است که در صورت تغییر ناگهانی بار یا دور موتور، فشار در مخزن بصورت آرام تغییر کرده و بنابراین انرژی گازهای ورودی به توربین بتدریج زیاد می‌شود که این امر باعث ایجاد تأخیر در پاسخ موتور است. بنابراین اگر تغییر سریع دور یا بار موتور مورد نظر باشد، سیستم فشار ثابت مناسب نخواهد بود. شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور را نشان می‌دهد.

شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
حجم بزرگ چندراهه ورودی ما را از ثابت ماندن فشار در ورودی توربوشارژ مطمئن می سازد .برای دستیابی به نسبت فشارهای بالاتر از یک، توربوشارژ باید دارای راندمان بالای 45 درصد باشد،پس با داشتن یک توربوشارژر با راندمان بالای 45 درصد فشار ورودی از فشار خروجی بیشتر می‌شود. بنابراین هنگامی که سوپاپ های ورودی و خروجی با هم باز باشند(قیچی سوپاپ ها در زمان تخلیه) مقداری هوای تازه وارد سیلندر می‌شود که باعث تخلیه کامل گازهای سوخته از داخل سیلندر خواهد شد.
2-5-2- توربوشارژینگ با سیستم ضربانی
نقطه ضعف سیستم فشار ثابت این است که بطور کامل از انرژی جنبشی گازهائی خروجی استفاده نمی‌کند. زمانی که گاز با فشار زیاد از سطح نیمه باز سوپاپ تخلیه عبور می‌کند سرعتش به طور محسوس افزایش می‌یابد ولی این گازهای سرعت بالا بطور ناگهانی وارد محفظه تخلیه با حجم وسیع می‌شود و با گاز سرعت پائین برخورد می‌کند و بدلیل پدیده مخلوط شدن اتلافات اصطکاکی بوجود می‌آید و تمام انرژی جنبشی گاز به انرژی فشاری تبدیل نمی‌شود و بخشی از آن به هدر می‌رود. با استفاده از توربوشارژینگ ضربانی می‌توان بخش عمده ای از انرژی گازهای خروجی را به توربین منتقل نمود. برای رسیدن به این منظور بهتر است تلفات ناشی از خفانش جریان در هنگام عبور از سوپاپ خروجی را کاهش داد. بنابراین هر چقدر سوپاپ دود سریعتر باز شود، این تلفات کمتر می‌شود. تلفات ناشی از خفانش وقتی اتفاق می‌افتد که مدت زمان اندکی از باز شدن سوپاپ دود گذشته و سطح جریان گذرنده از اطراف سوپاپ بسیار کم است. در این حالت سرعت سیال به سرعت صوت می‌رسد و هنگامی که سیال به پورت خروجی می‌رسد ناگهان بدلیل افزایش سطح مقطع منبسط می‌شود که این امر باعث تلفات خفانشی می‌گردد. بنابراین هر چه سوپاپ خروجی سریعتر باز شود و همچنین هرچه نسبت سطح گلوگاه سوپاپ به سطح پورت خروجی به مقدار ۱ میل کند تلفات خفانشی کمتر می‌شود.
از مزیت های پرخورانی ضربانی این است که می‌توان با طراحی مناسب، فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی به نحو مطلوبی کمتر از فشار سیلندر و فشار منیفولد ورودی(در لحظه ای که سوپاپ ورودی و خروجی هر دو باز است) رساند. اما در پرخورانی با فشار ثابت فشار در مخزن و رانرهای خروجی برابر است. بنابراین نمی‌توان فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی کاهش داد. در طراحی منیفولد خروجی یک موتور پرخورانی شده طول رانرهای خروجی را باید نسبتًا طولانی در نظر گرفت تا امواج فشاری منعکس شده از توربین به سوپاپ خروجی در حالیکه باز می‌باشد نرسد. ولی معمولا طول رانرهای خروجی را کوتاه تر در نظر می‌گیرند تا انرژی گازهای خروجی از سیلندر کاهش نیابد در عوض همان طور که بیان شد زمان باز ماندن سوپاپ خروجی را کاهش می‌دهند تا امواج فشاری منعکس شده به داخل سیلندر راه نیابند[24]. همچنین انتخاب منیفولد خروجی کوچک باعث خواهد شد که فشار در منیفولد خروجی در لحظه ای که سوپاپ دود باز می‌شود سریعتر افزایش یابد و در نتیجه سرعت پاسخ نیز بیشتر شود.
یکی از بزرگترین مزایای پرخورانی ضربانی نسبت به پرخورانی فشار ثابت این است که می‌توان انرژی بیشتری از گازهای خروجی را که قابلیت تبدیل شدن به کار مفید را دارند در اختیار توربین قرار داد. اما نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که ناپایا بودن جریان باعث می‌شود که توربین در ناحیه ای با بازده پائین کار کند. زیرا در پورخورانی ضربانی وقتی که فشار گازهای خروجی بالا می‌رود، این امر باعث شتاب گرفتن پره های توربین می‌شود و وقتی که فشار پائین می‌آید حرکت پره های توربین نیز کند می‌شود. بنابراین مقداری از انرژی همیشه صرف شتاب دهی به پره های توربین می‌شود و این امر باعث کاهش کارایی توربین می‌گردد[24].
اگر در این سیستم از توربین با کارایی بالا استفاده نشود تمام انرژی هایی که از سیستم فشار ثابت، بیشتر جذب می‌شود از بین می‌رود و این سیستم دیگر مزیتی نسبت به سیستم فشار ثابت ندارد چون راندمان توربین مستقیما بر راندمان موتور تاثیر می‌گذارد[17]. برای بالا بردن راندمان توربین باید فواصل بین گازرسانی به توربین را کاهش داد و در ضمن از قیچی سوپاپ ها استفاده کنیم، با این حال راندمان توربین از حالتی که جریان پایا داریم کمتر است. اگر دو سیلندر به ورودی توربین متصل باشد، بازدهی توربین به دلیل فاصله هوایی ایجاد شده، کاهش می‌یابد. به همین دلیل سیستم ضربه ای هنگامی مناسب می‌باشد که تعداد سیلندرهای ورودی به توربین حداقل سه عدد باشند.
2-6- سیستم‌های تک توربوشارژری
رفتار یک سیستم تک توربوشارژری همگام با پیشرفت توربوشارژرها بهبود می‌یابد که این توسعه برای کامل شدن نیازمند زمان است. توربین های در دسترس با یا بدون دریچه فرار، بازده کافی برای تأمین توان مورد نیاز کمپرسور جهت تولید فشار کافی در سرعت‌های پائین و در حالت گذرا را ندارند. علاوه براین، تغییرات دبی در یک کمپرسور جریان شعاعی یک پارامتر محدودکننده دیگر است[25]. محدوده جریان با افزایش نسبت فشار کاهش می‌یابد، اگر توان کافی برای رساندن کمپرسور به حالت خفگی یا سرج در جریان موجود باشد، این موضوع می‌تواند مشکل ایجاد کند. همچنین در نسبت فشارهای بالاتر دستیابی به محدوده قابل استفاده بسیار سخت تر می‌شود.
در سال 1990، محققان پورشه طی یک بررسی موتور مدل 944 چهار سیلندر پورشه را با چهار سیستم مختلف توربو را مورد آزمایش قرار دادند. آنها سیستم استاندارد را که حجم منیفولد زیادی داشت به یک سیستم کوچکتر شده تغییر دادند و به این منیفولد کوچک شده یک توربوشارژر تک ورودی با دریچه فرار، یک توربوشارژر با ورودی دوگانه (ولی با یک دریچه فرار) و یک توربوشارژر با هندسه متغیر(VTG) متصل کردند و برای به دست آوردن رفتار حالت گذرا آزمایشاتی انجام دادند. شبیه‌سازی وسیله نقلیه را روی دنده دوم و با 2000rpm و فشار متوسط مؤثر ترمزی bar2 آغاز کردند و حالت گذرا را با تغییر دور تا فشار متوسط مؤثر ترمزی bar15 مورد بررسی قرار دادند[33].
با توربورشارژرVTG عکس‌العمل توربوشارژر حدود60% بهبودی داشت برای ورودی دوگانه 24% و برای حالت تک ورودی با کاهش اندازه منیفولد این بهبودی حدود 22% بود. بهبود زیاد در حالت هندسه متغیر، نه فقط به خاطر تغییرات رفتار جریان در توربین بلکه به خاطر کاهش شصت درصدی در اینرسی روتور بود. قابلیت تغییر هندسه در این توربوشارژر اجازه انتخاب پره توربینی که 18% کوچکتر باشد، را می‌دهد. در نهایت آنها به این نتیجه رسیدند که بازده کلی یک توربوشارژر با ممان اینرسی روتور آن متناسب است. در این زمینه مقالات متعددی به چاپ رسیده است. مؤثرترین تکنولوژی موجود (VGT) است که به خاطر دمای بالای موتورهای احتراق جرقه‌ای نیازمند طراحی پیشرفته است[25]. تکنولوژی دیگر که در آن عرض نازل توربین تغییر می‌کند (VNT) است[26].
ویلاند تحقیقاتی را برای کاهش زمان عکس‌العمل توربورشارژر انجام داد. با استفاده از پره توربین از جنس SiN (نیترید سیلیسم) اینرسی (فقط اینرسی پره توربین) 64% کاهش داشت و با جنسTiAl این کاهش به 50% نسبت به حالت استاندارد رسید[27]. راه‌حل دیگر برای بهبود عکس‌العمل توربوشارژر کاهش اصطکاک در یاتاقان‌هاست. ویلاند نشان داد که در سرعت‌های پائین توانی که صرف مقابله با اصطکاک می‌شود یک سوم کل توان توربین است. با تغییر در بلبرینگ، توان لازم برای مقابله با اصطکاک به 50% کاهش می‌یابد. در شرایطی که توان توربین در سرعت‌های پائین و به تبع آن در دبی جرمی پائین، بالا می‌رود کمپرسور می‌تواند به حالت سرج برسد. برای جلوگیری از سرج، کمپرسور باید محدوده وسیع‌تری را تحت پوشش قرار دهد[28].
2-7- سیستم‌های ترتیبی
نوع دیگر مورد استفاده در توربوشارژرهای با هندسه متغیر استفاده از سیستم‌های ترتیبی است. به این صورت که به جای تغییر در هندسه یک توربوشارژر تعداد توربوشارژرها افزایش یابد. دلیل استفاده از این سیستم ازدیاد دامنه تغییرات جریان برای تأمین فشار مورد نیاز است.
محققین ولوو آزمایش‌هایی در زمینه سیستم‌های ترتیبی در سال 1991 انجام دادند]39[. آنها روی موتور 6 سیلندر با فشار نهایی کمی کمتر از 2barتحقیقات خود را انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که اینرسی یک سیستم توربوشارژری موازی30% پائین‌تر از یک سیستم تک توربوشارژری با همان مشخصات نهایی است و به علت کمی اینرسی، عکس‌العمل بهتری نشان خواهد داد. آنها به این نتیجه رسیدند که سیستم ترتیبی سری مزایای بیشتری از سیستم ترتیبی موازی دارد. دلیل آن این است که رسیدن به حالت گذرای یکنواخت برای حالت موازی مشکل‌تر است. سیستم سری محدوده جریان را باریکتر می‌سازد، زیرا جریان باید از دو کمپرسور عبور کند بنابراین اجازه رسیدن به فشارهای بالاتر را می‌دهد. این سیستم شامل یک توربوشارژر فشار پائین و یک توربوشارژر فشار بالا است که توربین فشار پائین می‌تواند با یک شیر پروانه‌ای از مسیر خارج شود. شیر دیگر می‌تواند کمپرسور را از حالت سری به موازی تبدیل کند. کارخانه‌های پورشه و مزدا از این سیستم‌های برای موتورهای خود استفاده می‌کنند. در این سیستم از توربوشارژرهای یکسان استفاده می‌شود.
2-8- سیستم‌های دومرحله‌ای
معمولاً این سیستم برای فشارهای بالای 2bar است. محققین کارخانه kkk سیستم دو مرحله‌ای را برای فشار مطلق 3bar برای موتور دیزل در نظر گرفتند. این سیستم شامل دو توربوشارژر با سایزهای متفاوت به همراه دریچه فرار در قسمت فشار بالا و نیز خنک‌کن میانی برای هر مرحله است. این سیستم برای یک موتور 12 لیتری دیزلی استفاده شد. مقدار افزایش در قسمت فشار بالا و پائین نسبت به حالت استاندارد تک توربوشارژری 85% و 112% گردید[30].
فصل سوم
تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
3-1- استفاده از توربوشارژر برای موتور گازسوز
معمولا موتورهایی که تبدیل به گازسوز می‌شوند از ابتدا برای سوخت بنزین و بدون استفاده از پرخوران طراحی شده اند لذا در هنگام استفاده از پرخوران برای این موتورها می‌بایست به این نکته توجه نمود که فشارهای دینامیکی، ارتعاشات و نیروهای وارده به قطعات موتور نباید بیش از آنچه که در موتور معمولی است باشد. بنابراین دراستفاده از پرخوران برای یک موتور گازسوز باید سعی نمود تا با در نظر گرفتن محدودیت های تعیین شده برای موتور بنزینی بدون پرخوران نسبت به بهبود عملکرد آن اقدام گردد. اضافه کردن توان در این موتورها می‌بایست با بررسی بیشتر قطعات و مشخص نمودن حد دوام آن ها صورت پذیرد.
3-2- تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
از آنجاییکه هدف از نصب توربوشارژر علاوه بر افزایش قدرت، افزایش بازده موتور و نیز احتمالا کاهش آلودگی می‌باشد، بر روی قسمت های دیگر موتور نیز لازم است تغییراتی انجام گیرد. برای مثال سیستم پاشش سوخت باید طوری تغییر کند که میزان افزایش سوخت مورد نیاز موتور را با توجه به جرم افزوده هوا تامین کند. همینطور در منیفولدها باید تغییراتی داده شود تا هم امکان نصب توربوشارژر میسر گردد و هم امکان حداکثر استفاده از انرژی ضربه ای موجود در منیفولد میسر گردد. از سوی دیگر با توجه به ایجاد اختلاف فشار مثبت فشار بین منیفولد ورودی و خروجی احتیاج به تغییر زمان بندی سوپاپ ها و همچنین میزان همپوشانی سوپاپ ها می‌باشد. علاوه بر این تغییر زمانبندی سیستم جرقه احتمال دارد موجب بهبود عملکرد موتور گردد که تغییرات احتمالی آن از طریق انجام مدلسازی و نیز از طریق انجام آزمون قابل بررسی می‌باشد.
مباحثی که در زمینه تغییرات لازم موتور ذکر گردید مطالب مربوطه به تصحیح عملکرد موتور از لحاظ بازده و توان خروجی می‌باشد. لازم به ذکر است که تغییراتی نیز در مورد سیستم های جانبی موتور لازم الاجرا هستند. از قبیل تغییر در سیستم های خنک کاری و روغن کاری. با توجه به افزوده شدن دما و فشار در موتور توربوشارژری میزان حرارت تحویلی به بدنه موتور نیز افزایش می‌یابد. اگر سیستم خنک کاری جوابگوی این مازاد حرارت نباشد دمای سطح داخلی موتور افزایش می‌یابد، که این امر موجب اختلال در کیفیت روغن و کاهش گرانروی و عملکرد نامناسب آن می‌گردد. لذا عملکرد سیستم خنک کاری باید مورد بررسی قرار گیرد. در مورد سیستم روغن کاری نیز افزایش روغن مصرفی توربوشارژر برای روغن کاری یاتاقان ها موجب بازنگری بر روی سیستم روغنکاری می‌گردد که در صورت کافی نبودن ظرفیت سیستم پمپاژ روغن موتور باید تمهیداتی برای رفع این نقیصه به کار گرفته شود.
نوع دیگر از ملاحظات در نصب توربوشارژر بر روی موتورهای تنفس طبیعی تحلیل مقاومت بدنه موتور در برابر تنش های مکانیکی و حرارتی القا شده در اثر افزایش فشار و دما توسط توربوشارژر می‌باشد. بنابر ادعای واتسون[24] اگر میزان افزایش قدرت موتور تا حدود 50 درصد قدرت موتور تنفس طبیعی باشد موتور قابلیت تحمل تنش های ناشی از نصب توربوشارژر را خواهد داشت، ولی اگر افزایش قدرت خروجی مورد نظر بیش از این مقدار باشد، طراحی مجدد بعضی از قطعات موتور لازم می‌باشد.
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژینگ
3-3-1- جلوگیری از تولید کوبش
در مرحله احتراق پس از جرقه زدن شمع شعله اولیه تشکیل می‌شود که به آن شعله جلویی گفته می‌شود. این شعله شروع به پیشروی در میان مخلوط نسوخته می‌کند و با گذشت زمان در مرحله احتراق حجم گازهای نسوخته کمتر و کمتر می‌شود و این موجب می‌گردد تا دمای مخلوط انتهایی افزایش یابد تا حدی که ممکن است مخلوط به دمای اشتعال برسد. یعنی قبل از رسیدن شعله جلویی مخلوط یا گازهای انتهایی خودبخود مشتعل می‌شوند. این اشتعال خودبخودی بسیار سریع و لحظه ای می‌باشد و موجب ایجاد موج های فشاری در داخل محفظه احتراق می‌شود. از این پدیده بنام پدیده ناک یا کوبش تعبیر می‌شود. کوبش موجب خرابی در سر سیلندر و پیستون و نیز باعث کاهش بازده و افزایش آلاینده هایی نظیر منوکسید کربن می‌شود.
3-3-1-1- روش های جلوگیری از تولید کوبش
کاهش نسبت تراکم. کاهش نسبت تراکم باعث کاهش فشار و دما در انتهای مرحله تراکم می‌شود و این کاهش احتمال خود اشتعالی را کمتر می‌کند. اکثر موتورهای اشتعال جرقه ای توربوشارژ شده در مقایسه با موتورهای تنفس طبیعی نسبت تراکم کمتری دارند. به عنوان مثال طبق شکل(3-1) برای یک موتور تنفس طبیعی با نسبت تراکم 9 اگر بخواهیم فشار تقویتی را 0.5 بار اضافه کنیم باید برای جلوگیری از کوبش، نسبت تراکم را به 6.7 برسانیم[24].

شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور [24]
البته کاهش نسبت تراکم باعث کاهش راندمان موتور می‌شود ولی این کاهش در راندمان در مقایسه با افزایش بر اثر توربوشارژ کردن چندان زیاد نیست. کاهش در نسبت تراکم باید تا حدامکان کم باشد تا هم راندمان کاهش زیادی نداشته باشد و هم از محدوده خود اشتعالی فاصله گرفته شود. به طور کلی نسبت افزایش فشار در توربوشارژر مناسب با افزایش قدرت مورد نظر انجام می‌گیرد و سپس میزان نسبت تراکم برای حصول حاشیه امنیتی نسبت به تولید کوبش به طور تجربی بدست می‌آید. متاسفانه روش کلی برای انتخاب نسبت تراکم قابل ارائه نمی‌باشد زیرا شروع کوبش شدیدا وابسته به اندازه های موتور، کنترل فشار توربوشارژر و خواص سوخت می‌باشد. اگر روشی برای تعیین میزان کاهش نسبت تراکم موجود نباشد، کاهش دو واحدی نسبت تراکم میانگین مناسبی می‌باشد[24]. مهمترین نکته برای جلوگیری از کوبش پائین نگه داشتن دمای هوای ورودی به موتور می‌باشد.
ریتارد کردن جرقه. به تاخیر انداختن جرقه باعث کاهش دمای احتراق می‌شود. ریتارد جرقه باعث کاهش دما و فشار مخلوط هوا و سوختی که در دورترین فاصله به شعله واقع هستند شده و این امر باعث کاهش احتمال بروز کوبش یا خودسوزی و یا شدت آن می‌شود. ریتاردکردن زاویه جرقه با توجه به اینکه باعث کاهش فشار در مرحله انبساط می‌شود در نتیجه موجب کاهش بازده موتور نیز می‌شود ولی تاثیر آن کمتر از کاهش بازده موتور به دلیل کاهش نسبت تراکم است .[24]البته به تاخیر انداختن زاویه جرقه در حالت بار کامل کاربرد دارد و در حالت بار جزئی نیاز به ریتاردکردن زاویه جرقه نداریم و زاویه جرقه در همان حالت آوانس باقی می ماند. زیرا درحالت بار جزئی مسئله ناک نداریم و به تاخیر انداختن زاویه جرقه که منجر به کاهش بازده می‌شود مناسب نیست. به دلیل اینکه تغییر نسبت تراکم موتور جهت کنترل ناک و فشار و دمای بیشینه سیلندر بسیار سخت و مقرون به صرفه نمی‌باشد، معمولا نسبت تراکم موتور را تا حد ممکن بالا در نظر می‌گیرند و یا ثابت نگه می دارند و با استفاده از تنظیم زاویه جرقه کوبش و دما و فشار بیشینه داخل سیلندر را کنترل می‌کنند. تغییر و تنظیم زمانبندی جرقه به مراتب راحتتر و آسانتر از تغییر نسبت تراکم در موتور می‌باشد. از نکات منفی به تاخیر انداختن زاویه جرقه به هدر رفتن مقدار بیشتری از انرژی در مرحله تخلیه و افزایش دمای گازهای خروجی است که ممکن است به توربین آسیب برساند و این یک مشکل جدی برای سازندگان توربوشارژر می‌باشد.
کاهش حداکثر فاصله مخلوط سوخت و هوا از شمع. برای دستیابی به این امر محفظه احتراق باید طوری طراحی گردد که دورترین نقطه از شمع در فاصله قابل قبولی باشد و جبهه احتراق به سرعت و قبل از جذب حرارت اضافی به این منطقه برسد.
خنک کاری هوای ورودی به موتور. افزایش دمای هوا در کمپرسور و تأثیر آن بر ضربه را می‌توان با استفاده از خنک میانی کاهش داد. با استفاده از خنک کن میانی و کاهش دمای محیط امکان کوبش کاهش می‌یابد و نیاز به تاخیر در زمان جرقه کم می‌شود و می‌توانیم از نسبت تراکم بالاتری نسبت به موتورهای پرخورانی شده بدون خنک کن میانی استفاده کنیم. همچنین خنک کن میانی باعث افزایش بازده حجمی می‌شود زیرا با کاهش دمای هوای ورودی چگالی هوا نیز افزایش می‌یابد و باعث می‌شود که جرم بیشتری از مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر شود. نقاط ضعف این سیستم افزایش حجم منیفولد ورودی و به تبع آن کاهش سرعت پاسخگویی موتور و قیمت بالای آن می‌باشد. چون این خنک‌کن بین کمپرسور و موتور قرار دارد به آن خنک میانی نیز می‌گویند. عبور از خنک‌کن میانی مقداری افت فشار را برای گاز در پی دارد، ولی به علت افزایش چگالی گاز پس از خنک کاری و افزایش قدرت به دنبال آن، این افت فشار قابل اغماض است.
در موتور دارای خنک‌کن میانی، به دلیل افزایش جریان هوا، نسبت سوخت به هوا ضعیف می‌شود و در پی آن دمای ورودی به توربین کم می‌شود در نتیجه انرژی قابل دستیابی در توربین کم می‌شود و در نهایت فشار در سیلندر کاهش پیدا می‌کند ولی اثر افزایش چگالی از اثر کاهش فشار بیشتر است. استفاده از خنک‌کن میانی باعث افزایش قدرت خروجی موتور بدون افزایش یافتن بار حرارتی خواهد شد، مصرف سوخت کم شده و به دلیل مخلوط سوخت به هوای ضعیف، تولید دود نیز کم خواهد شد. مزایای استفاده از خنک‌کن میانی بر همگان روشن است ولی شرایط استفاده از آن بستگی به وجود مایع خنک‌کننده با دمای مناسب و ملاحظات اقتصادی دارد.
با توجه به اینکه سازندگان موتور برای موتورهایشان نسبت به کوبش حاشیه امنیتی در نظر می‌گیرند، می‌توان موتورها را به ملایمت توربوشارژ کرد بدون اینکه کوبش اتفاق بیفتد.
3-3-2- کنترل افزایش فشار در توربوشارژر
کنترل فشار در توربوشارژر شامل کنترل افزایش فشار در کمپرسور می‌باشد. این کنترل می‌تواند به چند طریق صورت پذیرد. اول آنکه در انتخاب توربوشارژر تا حد امکان باید تلاش شود که توربوشارژری که برای موتور انتخاب می‌شود افزایش فشار هوای ورودی موردنظر را تامین نماید. یعنی توان موتور با انتخاب توربوشارژر مناسب تا حد موردنظر افزایش یابد و کمتر و یا بیش از توان موردنظر نشود. اگر از توربین بزرگتر استفاده شود مقدار افزایش فشار هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین کمتر از حد موردنظر و در دورهای بالا بیش از حد موردنظر خواهد بود. همچنین موجب کاهش در سرعت پاسخ توربوشارژر می‌شود. اگر توربین یک توربوشارژر کوچکتر از حد ایده آل انتخاب شود آنگاه افزایش فشار ورودی هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین بیش از حد مجاز و در دورهای بالا کمتر از حد مجاز خواهد بود. بنابراین انتخاب توربوشارژر مناسب برای موتور جهت دسترسی به توان و افزایش فشار هوای ورودی خود عاملی مهم در کنترل افزایش فشار خواهد بود.
یک روش دیگر برای کنترل فشار هوای ورودی به داخل موتور استفاده از یک شیر در منیفولد ورودی می‌باشد ولی این روش مناسب نیست زیرا این عمل باعث می‌شود که مقداری از کار تولیدی در توربین به هدر رود و همچنین باعث افزایش تلفات پمپاژ می‌شود. روش دیگری که اکثرا برای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده می‌شود، استفاده از یک شیر در ورودی توربین می‌باشد، که به دریچه کنترل توربین معروف است. اگر فشار گازهای حاصل از احتراق از حد مجاز بالا رود این شیر باز شده و مقداری از گازهای ورودی به توربین را منحرف کرده و به خروجی توربین منتقل می‌کند. در حقیقت این عمل دور زدن گازهای ورودی به توربین است.
با بازشدن این شیر از ورود قسمتی از گازهای حاصل از احتراق به داخل توربین جلوگیری می‌شود. در نتیجه انرژی وارد شده به توربین کاهش می‌یابد و موجب می‌گردد که کار تولیدی توربین و کار منتقل شده به کمپرسور کاهش یابد. پس در نتیجه افزایش فشار در کمپرسور نیز کاهش یافته و به این ترتیب فشار هوای ورودی به داخل موتور کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار و دمای بیشینه سیلندر کنترل می‌شود.
یکی دیگر از راههای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده از یک نازل در ورودی توربین می‌باشد که سطح مقطع آن متغیر است. در دورهای پائین سطح مقطع نازل کوچکتر و در دورهای بالا سطح مقطع آن بزرگتر می‌شود تا انرژی مورد نیاز برای توربین مهیا شود. با کنترل انرژی ورودی به داخل توربین با استفاده از این روش می‌توان افزایش فشار در توربوشارژر را کنترل نمود. روش دیگر برای کنترل توربوشارژر استفاده از یک نازل در خروجی توربین است و این نازل باعث افزایش افت فشار در حالتی که دبی گازهای ورودی به توربین بیشتر از حد مجاز باشد می‌شود. بنابراین این عمل باعث می‌شود که در توربین فشار پائین دست ایجاد شود و نسبت فشار در توربین کاهش یابد.
3-3-3- زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی
در دورهای پائین و به بخصوص در دورهای کمتر از 2000rpm انرژی گازهای خروجی کم است و بنابراین برای افزایش توان در این دورها توسط توربوشارژر با مشکل مواجه می شویم. چون در دورهای بالا مشکل افزایش توان نداریم طراحی زمانبندی و منحنی لیفت سوپاپ ها به گونه ای است که بهترین بازده حجمی را در دورهای پائین و بخصوص کمتر از2000rpm داشته باشیم.
به طور کلی کمترکردن مقدار برخاستگی سوپاپ ورودی و کاهش دادن مدت زمان باز بودن آن در دورهای کمتر از 2400rpm نسبت به دورهای بالا، موجب افزایش بازده حجمی می‌شود. تغییر دیگری نیز در طراحی سوپاپ موتور پرخورانی شده انجام می‌پذیرد و آن کاهش زمانی است که هر ۲ سوپاپ ورودی و خروجی باز هستند. زیرا وقتی در پورت ورودی به دلیل افزایش نسبت فشاری که در کمپرسور صورت می‌گیرد فشار بالا می‌رود، مقداری از مخلوط به راهگاه خروجی راه می‌یابد. در این صورت با افزایش آلاینده ها نظیر هیدروکربن های نسوخته و همچنین کاهش بازده موتور روبرو می شویم. یا ممکن است بدلیل ایجاد فشار پائین دست توسط توربین مقداری از گازهای حاصل از احتراق به داخل راهگاه ورودی وارد شود که این امر نیز خطرناک است زیرا دمای گازهای حاصل از احتراق بالا می‌باشد و ممکن است که مخلوط هوا و سوخت داخل منیفولد مشتعل شود.[24]
3-4- تأثیر توربوشارژر بر آلودگی خروجی
موتور توربوشارژ شده به علت اینکه مقدار و دمای هوای ورودی آن نسبت به موتور تنفس طبیعی بیشتر است آلودگی مونواکسیدکربن و هیدروکربن نسوخته آن کمتر می‌شود. اما به علت دمای بالا و افزایش فشار متوسط ترمزی میزان اکسیدهای نیتروژن آن افزایش می‌یابد[31]. البته باید تأثیر خنک‌کن میانی بر آلودگی اکسیدهای نیتروژن مورد توجه قرار گیرد.
فصل چهارم

user8276

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل 1 : کلیاتی در مورد نیروگاههای سیکل ترکیبی، بویلرهای بازیاب و روشهای مختلف شیرین سازی آب 1
1-1 مقدمه 2
1-2 کلیات نیروگاه سیکل ترکیبی و بویلرهای بازیاب حرارت 3
1-2-1 انواع نیروگاهای سیکل ترکیبی 3
1-2-2 چرخههای بالایی و پایینی در سیکل ترکیبی 3
1-2-3 بررسی بیشتر نیروگاههای سیکل ترکیبی توربینگاز / توربین بخار 4
1-2-4 طبقه بندی بویلرهای بازیاب 5
1-2-5 طبقه بندی انواع بویلرها بر اساس چگونگی گردش سیال عامل 6
1-2-5-1 سیستم گردش طبیعی 6
1-2-5-2 سیستم گردش اجباری 6
1-2-5-3 بویلرهای یکبار گذر (فوق بحرانی)(Once Through Boiler): 6
1-2-6 طبقه بندی بویلرهای سیکل ترکیبی بر اساس سیستم آتش زایی 7
1-2-6-1 بویلر بازیاب حرارت بدون احتراق اضافی 7
1-2-6-2 بویلرهای بازیاب حرارت با احتراق اضافی 8
1-2-6-2-1 بویلرهای با مشعل اضافی محدود شده 9
1-2-6-2-2 استفاده از توربین گاز جهت پیش گرم کردن هوای دم بویلر 9
1-2-6-2-3 بویلرهای با حداکثر احتراق اضافی 9
1-2-7 طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت بر اساس سطوح فشار بخار 9
1-2-7-1 بویلرهای بازیاب حرارت تک فشاره 10
1-2-7-2 بویلرهای بازیاب حرارت چند فشاره 11
1-2-8 تأثیر پذیری کارایی سیکل ترکیبی از شرایط کاری 13
1-2-8-1 تأثیر دمای هوای محیط بر قدرت و راندمان سیکل ترکیبی 13
1-2-8-2 تأثیر بار توربین گاز بر راندمان سیکل ترکیبی 13
1-2-8-3 تأثیر فشار بخار بر راندمان سیکل ترکیبی 13
1-2-9 مزایا و معایب سیکلهای ترکیبی 13
1-2-10 راندمان کلی نیروگاههای سیکل ترکیبی 15
1-3 کلیات شیرین سازی آب 16
1-3-1 تعریف نمکزدایی 16
1-3-2 روشهای آب شیرین کنی 16
1-3-2-1 تقطیر چند مرحلهای (MED) 17
1-3-2-2 اسمز معکوس (RO) 17
1-3-2-3 متراکم سازی مکانیکی بخار آب (MVC) 18
1-3-2-4 تبخیر ناگهانی چند مرحلهای (MSF) 18
1-3-2-5 تقطیر چند مرحله ای چگالش- گرمایی بخار(MED-TVC) 19
1-3-3 ارزیابی معیارها 19
1-3-3-1 مقدار انرژی مورد نیاز 19
1-3-3-2 هزینه تولید 20
1-3-3-3 محیط زیست 20
1-3-3-4 کدورت آب تولیدی 20
1-3-3-5 نگهداری 20
1-3-4 مبدل نمک زدای حرارتی چند مرحلهای MED-TVC 20
1-3-4-1 آرایش تغذیه پیشرو 21
1-3-4-2 آرایش تغذیه موازی 22
1-3-4-3 آرایش تغذیه موازی - متقاطع 23
فصل2: روابط مربوط به بویلرهای بازیاب و آب شیرینکن های MED-TVC و تشریح الگوریتم ژنتیک 25
2-1 مقدمه 26
2-2 روابط مهم در طراحی بویلرهای بازیاب حرارت 26
2-2-1 پارامترهای مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت 27
2-2-1-1 اختلاف دمای نهایی 27
2-2-1-2 نقطهی پینچ 27
2-2-1-3 نقطهی نزدیکی 28
2-2-2 استخراج روابط سیکل تک فشاره 29
2-2-3 استخراج روابط سیکل دو فشاره در آرایش مرسوم مبدلهای حرارتی 30
2-2-4 سیکل ترکیبی سه فشار ساده 31
2-2-4-1 استخراج روابط 32
2-2-4-2 رابطه کار پمپ ها 33
2-2-4-3 دبی جرمی بخار 33
2-2-4-4 تلفات سرعت در خروجی توربین 35
2-3 روابط مربوط به نمکزدای چندمرحلهای حرارتی 35
2-3-1 معادلات تعادل هر افکت 36
2-3-2 معادلات تعادل کوندانسور 38
2-3-3 بررسی ضرایب انتقال حرارت 39
2-3-4 طراحی ترموکمپرسور (کمپرسور حرارتی بخار) 44
2-4 روابط ترمودینامیکی استفاده شده برای آب ، بخار و محصولات حاصل از احتراق 47
2-4-1 روابط ترمودینامیکی استفاده شده برای آب ، بخار 47
2-4-2 روابط ترمودینامیکی استفاده شده برای مخلوط دود ورودی به بویلر بازیاب حرارت 49
2-5 الگوریتم ژنتیک 49
2-5-1 مفاهیم الگوریتم ژنتیک 50
2-5-2 الگوریتم ژنتیکی ساده 52
2-5-3 عملگرهای انتخاب، برش و جهش 53
فصل 3: روابط اگزرژواکونومیک و هزینهی تجهیزات در نیروگاه های چند منظوره تولید همزمان توان و آب شیرین 56
3-1 مقدمه 57
3-2 تحلیل اگزرژی 58
3-2-1 اجزای اگزرژی 58
3-2-2 بالانس اگزرژی و تخریب اگزرژی 62
3-2-2-1 بالانس اگزرژی در یک سیستم بسته 62
3-2-2-2 بالانس اگزرژی برای حجم کنترل 63
3-2-2-3 تخریب اگزرژی 64
3-2-3 متغیرهای اگزرژتیک 67
3-3 تحلیل اقتصادی 68
3-3-1 تخمین هزینهی سرمایه گذاری 68
3-3-2 محاسبه نیازهای درآمدی 70
3-3-3 هزینههای همسطح شده 70
3-3-4 تحلیل حساسیّت 72
3-4 تحلیل ترمواکونومیک 72
3-4-1 هزینه گذاری اگزرژی 73
3-4-2 بالانس هزینه 73
3-4-3 معادلات کمکی تعیین هزینه 74
3-5 ارزیابی ترمواکونومیکی 78
3-5-1 متغیرهای ترمواکونومیکی 78
3-5-2 ارزیابی طراحی 81
3-6 تحلیل اقتصادی و محیطی 82
3-6-1 هزینههای سرمایه گذاری سالیانه 82
3-6-2 محاسبه بازگشت سرمایه و درآمد کل 83
3-7 تشریح روشTOPSIS در یافتن نزدیک ترین حل در معادلات چند معیاره 84
فصل 4: بهینهسازی چند منظوره ترمودینامیکی، اگزرژتیک، اگزرژواکونومیک، بهینه سازی درآمدی و بازگشت سرمایه و هزینه های کلی سالانه در نیروگاه سیکل ترکیبی نکا 87
4-1 مقدمه 88
4-2 سیکل نیروگاه نکا 89
4-3 پارامترهای طراحی در الگوریتم GA تشریح روابط ریاضی مورد استفاده در سیکل 92
4-3-1 تشریح سیکل بخار مورد استفاده و معرفی پارامترهای طراحی استفاده شده در الگوریتم ژنتیک 92
4-3-1-1 تشریح سیکل بخار تحلیل شده 92
4-3-1-2 پارامترهای مرجع در مدلسازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک 93
4-3-2 معادلات محاسبه دبی بخار، اگزرژی، کار توربین و آب شیرین تولیدی در سیکل نکا 95
4-4 مقادیر بهینه به دست آمده و نتایج حاصل از تحلیل حساسیت پارامترهای طراحی و هزینه 97
4-4-1 نتایج حاصل از بهینه سازی به در حالت های تک هدفه و چند معیاره 97
4-4-2 بررسی نتایج حاصل از تغییر TBT 98
4-4-3 بررسی نتایج حاصل از تغییرات فشار بخار پشت توربین 102
4-4-4 بررسی نتایج حاصل از تغییر سوخت ورودی به مشعل کانالی 107
4-4-5 بررسی نتایج حاصل از تغییر تعداد افکت های MED_TVC 111
4-4-6 بررسی نتایج حاصل از تغییر فشار بخش فشار بالا 113
4-4-7 بررسی نتایج حاصل از تغییر فشار بخش فشار پایین 118
4-4-8 بررسی نتایج حاصل از تغییر دبی جرمی بخار خروجی از بخش فشار ضعیف جهت استفاده در آبشیرینکن 122
فصل5 نتیجه گیری و پیشنهادات 126
5-1 بررسی نتایج 127
5-2 ارائه پیشنهادات 128
مراجع و مؤاخذ 129
پیوست 1 130
پیوست 2 136
فهرست اشکال
شکل1-1: شماتیک سیکل ترکیبی 4
شکل1-2: سیکل برایتون با بازیافت حرارت خروجی از توربین با استفاده از بازگرمکن 4
شکل1-3: طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت 5
شکل1-4: بویلر بازیاب حرارت با انواع سیستم گردش آب a) گردش طبیعی b)گردش اجباری c) یک بار گذر 6
شکل 1-5: شمای حرارتی یک نیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل 8
شکل 1-6: نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل 8
شکل1-7:شماتیک بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا 10
شکل1-8: پرفیل دمایی بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا 10
شکل 1-9: تأثیر فشار بخار زنده بر انرژی مصرفی و تلفات اگزرژی کلی 11
شکل 1-10: شماتیک سیکل دوفشاره همراه با هوازدا تغذیهی مستقل 12
شکل1-11: پرفیل دمایی سیکل دو فشاره همراه با هوازدا 12
شکل1-12: شماتیک سیکل سه فشاره در حضور هوازدا 12
شکل1-13: پرفیل دمایی سیکل سه فشاره در حضور هوازدا 12
شکل 1-14: شمای یک نیروگاه سیکل ترکیبی در حالت سری واحدها 15
شکل 1-15 : شماتیک یک واحد MED 17
شکل 1-16: شماتیک نحوه عملکرد غشای یک واحد RO 18
شکل 1-17: شماتیک یک واحد MSF 18
شکل 1-18: شماتیک یک واحد MED-TVC 21
شکل 1-19: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC پیشرو (MED-TVC-F) 22
شکل 1-20: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی (MED-TVC-P) 23
شکل 1-21: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی - متقاطع (MED-TVC-PC) 24
شکل2-1: شماتیک سیکل ترکیبی تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن 29
شکل 2-2: نمودار T-S برای سیکل تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن 29
شکل 2-3: شماتیک سیکل دو فشاره همراه با هوازدا و بازگرمکن 30
شکل 2-4: نمودار T-S سیکل دوفشاره همراه با هوازدا و بازگرمکن 30
شکل2-5: نمودار T-S سیکل ترکیبی سه فشار ساده 32
شکل 2-6: آرایش ساده بویلر بازیاب حرارت سه فشار ساده با آرایش مرسوم مبدلهای حرارتی 33
شکل 2-7: پروفیل دمایی برای بویلر بازیاب حرارت سه فشار ساده با آرایش مرسوم مبدلهای حرارتی 33
شکل 2- 8 : متغیرهای اواپراتور و محفظهی فلش افکت i ام ]4[36
شکل 2-9: نمودار ناحیه بندی برای معادلات حاکم در روش IAPWS-IF97 48
شکل 2-10: دیاگرام بلوکی الگوریتم ژنتیکی ساده 52
شکل 2-11: انتخاب با چرخ رولتی با قطاعهای متناسب با تابع معیار هر کروموزوم 54
شکل 2-12: عملگر برش ساده با جابجایی ژنهای والدین، فرزندانی جدید میسازد 55
شکل 2-13: عملگر جهش با تغییر یک ژن نقطهای دیگر در فضای جستجو تولید میکند 55
شکل 3-1 : وسیلهای برای ارزیابی اگزرژی شیمیایی یک سوخت [19] 61
شکل 3-2: پروفیل دما و دمای متوسط ترمودینامیکی برای دو جریان که از یک مبدل حرارتی آدیاباتیک در فشار ثابت عبور میکنند 64
شکل 3-3: شماتیک یک جز از سیستم برای نمایش بالانس هزینه 74
شکل 3-4: شماتیک دستگاه تولید بخار شامل درام 75
شکل 3-5: شماتیک دستگاه تولید بخار 76
شکل 3-6: شماتیک دستگاه کمپرسور با استخراج هوای خنک کننده 76
شکل 3-7: شماتیک دستگاه هوازدا 76
شکل 3-8: شماتیک محفظهی احتراق 77
شکل 3-9: شماتیک مبدل حرارتی 77
شکل 3-10: شماتیک توربین آدیاباتیک 77
شکل 3-11: ارتباط بین هزینهی سرمایه گذاری و تخریب اگزرژی (یا راندمان اگزرژتیک) برای جز K ام یک سیستم حرارتی 80
شکل 3-12 : چارت روابط محاسبهی هزینهها در سیکل ترکیبی 83
شکل 4-1 : نمودار جریان فرآیند نیروگاه سیکل ترکیبی نکا 89
شکل 4-2: شماتیک سیکل بخار مورد بررسی در تحلیل انجام شده 92
شکل 4-3: تغییرات آب شیرین تولیدی با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-4: تغییرات GOR با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-5: تغییرات هزینه تولید آب شیرین با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-6: تغییرات هزینهی تولید توان با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-7: تغییرات تخریب اگزرژی در اجزاء مختلف سیکل تولید همزمان با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 100
شکل 4-8: تغییرات تخریب اگزرژی کل مختلف سیکل تولید همزمان با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 101
شکل 4-9: تغییرات تخریب اگزرژی سسیستم آب شیرین کن با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 101
شکل 4-10: تغییرات بازگشت سرمایه با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 102
شکل 4-11: تغییرات درآمد کل با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 102
شکل 4-12: تغییرات توان تولیدی به ازای تغییر در فشار پشت توربین 103
شکل 4-13: تغییرات آب شیرینتولیدی تولیدی به ازای تغییر در فشار پشت توربین 103
شکل 4-14: تغییرات نسبت بهره به ازای تغییر در فشار پشت توربین 103
شکل 4-15: تغییرات هزینهی آب شیرین تولید به ازای تغییر در فشار پشت توربین 104
شکل 4-16: تغییرات هزینهی تولید توان به ازای تغییر در فشار پشت توربین 104
شکل 4-17: تغییرات درآمد به ازای تغییر در فشار پشت توربین 105
شکل 4-18: بازگشت سرمایه به ازای تغییر در فشار پشت توربین 105
شکل 4-19: تخریب اگزرژی در اجزائ سیکل بخار به ازای تغییر در فشار پشت توربین 106
شکل 4-20: تخریب اگزرژی توربین بخار به ازای تغییر در فشار پشت توربین 106
شکل 4-21: آب شیرین تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 107
شکل 4-22: تغییرات نسبت بهره به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 107
شکل 4-23: توان تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 108
شکل 4-24: درآمد کل به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 108
شکل 4-25: دورهی بازگشت سرمایه به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 109
شکل 4-26: هزینهی آب شیرین تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 110
شکل 4-27: هزینهی توان تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 110
شکل 4-28: تخریب اگزرژی تجهیزات سیکل به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 111
شکل 4-29: تخریب اگزرژی به ازای افزایش تعداد مراحل موجود در آب شیرینکن MED-TVC 111
شکل 4-30: تغییرات نسبت بهره به ازای افزایش تعداد مراحل موجود در آب شیرینکن MED-TVC 112
شکل 4-31: هزینهی آب شیرین تولیدی به ازای تعداد مراحل آب شیرین کن MED-TVC 113
شکل 4-32: بازگشت سرمایه به ازای تعداد مراحل آب شیرین کن MED-TVC 113
شکل 4-33: تغییرات دبی جرمی بخار بخش فشار بالا به ازای تغییر در فشار این بخش 114
شکل 4-34: تغییرات دبی جرمی بخار بخش فشار ضعیف به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 114
شکل 4-35: تغییرات دبی جرمی بخار مبدل بخار مستقل به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-36: تغییرات دبی جرمی بخار محرک آبشیرینکن MED-TVC به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-37: تغییرات نسبت بهره در آبشیرینکن MED-TVC به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-38: تغییرات توان تولیدی در توربین بخار به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-39: تغییرات درآمد کل به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 116
شکل 4-40: تغییرات هزینهی تولید آب شیرین در MED-TVC به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 116
شکل 4-41: تغییرات هزینهی تولید توان در توربین بخار به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 117
شکل 4-42: تخریب اگزرژی در اجراء سیکل به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 117
شکل 4-43: دبی جرمی تولیدی بخش کم فشار به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 118
شکل 4-44: توان تولیدی در توربین بخار به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 118
شکل 4-45: تغییرات نسبت GOR به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 119
شکل 4-46: تغییرات آب شیرین تولیدی به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 119
شکل 4-47: تغییرات درآمد به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-48: تغییرات بازگشت سرمایه به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-49: تغییرات هزینهی تولید آب شیرین به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-50: تغییرات هزینهی تولید توان به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-51: تغییرات تخریب اگزرژی کل به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 121
شکل 4-52: تغییرات تخریب اگزرژی در اجزاء سیکل به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 122
شکل 4-53: تغییرات آب شیرین تولیدی به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-54: تغییرات GOR به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-55: تغییرات درآمد کل به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-56: تغییرات ROI به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-57: تغییرات هزینهی تولید توان به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 124
شکل 4-58: تغییرات هزینهی تولید آب شیرین به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 124
شکل 4-59: تغییرات هزینههای سالیانه به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 125
شکل 4-60: تغییرات تخریب اگزرژی در اجزا سیکل به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 125

فهرست جداول
عنوان جدول صفحه
جدول 1-1: بازه ی فشار و دمای استفاده از انواع آب شیرینکنها 19
جدول2-1: مقادیر نقطهی پینچ برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت 28
جدول2-2: مقادیر نقطهی نزدیکی برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت 29
جدول 2-3 مقادیر خطا در محاسبات آنتروپی دود 49
جدول 3-1: نرخ اگزرژی جریانهای سوخت و محصول برای محاسبهی راندمان اگزرژتیک تجهیزات فرآیندی در شرایط عملکرد پایدار 67
جدول 3-2: محاسبهی هزینهی نصب و خرید تجهیزات سیکل ترکیبی 83
جدول 4-1: آنالیز سوخت ورودی به توربین گازی و مشعل کانالی 90
جدول 4-2: آنالیز در صد مولی هوای محیط 90
جدول 4-3: آنالیز دود خروجی از توربین گازی 90
جدول 4-4: آنالیز دود خروجی از مشعل کانالی 90
جدول 4-5: خواص ترمودینامیکی بخار در مقاطع مختلف بویلر بازیاب حرارت در دوحالت دارای مشعل کانالی و در حالت بدون حضور مشعل کانالی 91
جدول 4-6: خواص ترمودینامیکی دود در مقاطع مختلف بویلر بازیاب حرارت در دوحالت دارای مشعل کانالی و در حالت بدون حضور مشعل کانالی 91
جدول4-7: پارامترهای طراحی موجود در سیکل تولید همزمان توان و آب شیرین 93
جدول 4-8: نتایج حاصل از بهینه سازی با اهداف مختلفبه دست آمده از الگوریتم ژنتیک 97

فهرست علائم
زیروند ها: بخار خروجی بازگرمکن HRH
بخار ورودی به بازگرم کن CRH
سوپرهیت SH
اکونومایزر ECO , EC
هوازدا Dea
فشار بالا HP
فشار متوسط IP
فشار پائین LP
پمپ آب تغذیه FWP
کندانسور Cond
توربین Tur
متوسط ave
ورودی i
خروجی e
زیر کش بلودان بویلر BD
مبدل بخار مستقل Free

چکیده:
با توجه به کاهش منابع زیرزمینی آبی و سوخت های فسیلی در دنیای امروز و همچنین در ایران جلوگیری از اتلاف انرژی و معرفی روشهای نوین در تهیهی آب شیرین قابل شرب از آب دریاجایگاهی خاص در دنیای آینده خواهد داشت. استفاده از روشهایی چون روش های تبخیر – تقطیری میتواند یکی از این روشها باشد.
با توجه به بالا بودن راندمان حرارتی در سیکلهای ترکیبی موجب شده تا اقبال عمومی در جهان به این نوع از نیروگاه ها افزایش یابد اما هنوز سهم بزرگی از حرارت وارد شده به بویلرهای بازیاب این نیروگاه ها توسط برج های خنک کننده به محیط انتقال یافته و به عنوان انرزی تلف شده در نظر گرفته میشود. حال اگر بتوان روشی را پیشنهاد داد تا از این حرارت در جهت تولید آب شیرین استفاده نمود میتوان راندمان این نوع نیروگاهها را بیش از پیش بالا برد.
از این رو در این پایان نامه با استفاده از یک توربین با فشار پشت که دارای فشار خروجی بالاتری نسبت به توربینهای بخار معمولی میباشد در سیکل بخار نیروگاه نکا سعی شده است تا حرارت ورودی به یک آب شیرین کن MED-TVC را تعمین نمود. بخار وارد شده به این آب شیرین کن حرارت خود را به آب دریا میدهد تا در فشار پایین تر از محیط تبخیر گردد و با تقطیر بخار حاصل آب شیرین DM تولید گردد. در این روش اندکی میزان تولید توان به دلیل استفاده از توربین با فشار پشت کاهش خواهد یافت اما در عوض از اتلاف حرارتی بالایی که در کندانسور نیروگاه وجود داشت جلوگیری و در جهت تولید آب شیرین استفاده میگردد.
جهت بهینه سازی سیکل مذکور در افزایش درآمد و کاهش میزان تخریب اگزرژی، بازگشت سرمایه و هزینههای اولیه از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است و همچنین در جهت بهینه سازی چند معیاره با در نظر گرفتن تمامی موارد فوق از روش TOPSIS در کنار الگوریتم ژنتیک بهره گرفته شده.
بر اساس تحلیلهای انجام شده در پایان نامهی حاضر نتایج ذیل به دست آمد:
با افزایش میزان TBT در آب شیرینکن MED-TVC میزان تولید آب شیرین و نسبت بهره در آب شیرین کن کاهش مییابد اما میزان هزینههای اولیهی ساخت و نصب و بهره برداری آب شیرینکن با کاهش روبرو میباشد.
با افزایش میزان فشار خروجی توربین با فشار پشت علاوه بر کاهش درآمد کل بازگشت سرمایه با تاخیر روبرو خواهد بود اما میزان تولید آب شیرین در خروجی توربین افزایش خواهد یافت.
با افزایش در میزان سوخت ورودی به مشعل کانالی علاوه بر افزایش درآمد کل میزان تخریب اگزرژی کل نیز افزایش خواهد یافت. با توجه به این امر مقدار بهینهای برای دبی سوخت ورودی به مشعل کانالی وجود دارد که این مقدار با روش TOPSIS، Kg/s 41/0 به دست میآید. میزان دبی سوخت ورودی به مشعل کانالی در نیروگاه نکا در حال حاضر kg/s 8/0 میباشد.
افزایش فشار در خروجی بخش فشار بالا در بویلر بازیاب علاوه بر افزایش میزان تخریب اگزرژی کل موجب افزایش درآمد کل نیز خواهد شد. این مقدار نیز با روش TOPSIS، Bar 5/148 به دست آمده است درحالی که این میزان در بویلر نیروگاه نکاbar 130 میباشد. علاوه بر آن مقدار بهینهی فشار بخش فشار پائین، دبی خروجی از درام بخش فشار پائین، تعداد مراحل آب شیرینکن و همچنین مرحلهی بهینهی خروجی بخار مکش شده در آب شیرین کن نیز به دست خواهد آمد.

فصل 1
کلیاتی در مورد نیروگاههای سیکل ترکیبی، بویلرهای بازیاب و روشهای مختلف شیرین سازی آب

1-1 مقدمه
بازدهی یک نیروگاه گازی را میتوان با انتخاب پارامترهایی نظیر نسبت تراکم (که در کمپرسور، محفظهی احتراق و توربین تعریف میشود) نسبت سوخت به هوا و ... بهینه نمود. علاوه بر آن با بهرهگیری از انرژی موجود در گازهای داغ خروجی از توربین میتوان راندمان کل یک نیروگاه گازی را با تبدیل آن به نیروگاه سیکل ترکیبی بهبود بخشید. برای این امر از بویلرهای بازیاب حرارت استفاده میشود.
سیکل ترکیبی از دو یا چند سیکل قدرت تشکیل میشود که هدف اصلی از ترکیب سیکلهای متفاوت به دست آوردن سیکلی است که دارای راندمان بالاتری نسبت به راندمان سیکلهای تشکیل دهنده آن باشد.
به منظور تولید برق به صورت صنعتی و تجاری سیکلهای ترکیبی گوناگونی توسط محققان مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. از حدود سال 1970 به بعد نیروگاههای سیکل ترکیبی که مرکب از سیکل گازی و سیکل بخاری میباشد که ذکر خواهد شد مورد توجه بسیاری بوده و توسعهی قابل ملاحظهای یافته است.
شیرینسازی آب دریا یک منبع عظیم تولید آب صنعتی، کشاورزی و آشامیدنی در بسیاری از مناطق جهان است. فرآیند شیرینسازی آب شور به طرق مختلفی صورت میپذیرد که همگی آنها به انرژی احتیاج دارند. این انرژی میتواند از طریق گرمایی، مکانیکی و یا الکتریکی تامین شود.
فرآیند تبخیر چند مرحلهای (MED) که از انرژی گرمایی استفاده میکند، اولین فرآیندی است که برای تولید مقادیر قابل توجهی آب خالص از آب دریا مورد استفاده قرار گرفته است. اساس این روش، چگالش بخارات حاصل از تبخیر در خلاء آب دریاست. برای ایجاد خلاء از یک کمپرسور استفاده میشود که این کمپرسور میتواند به صورت حرارتی (ترموکمپرسور) و یا مکانیکی عمل نماید. مزیت عمدهی ترموکمپرسور به کمپرسور مکانیکی، هزینههای پایین ساخت، نگهداری، تعمیرات و مصرف انرژی پایین است.
1-2 کلیات نیروگاه سیکل ترکیبی و بویلرهای بازیاب حرارت
1-2-1 انواع نیروگاههای سیکل ترکیبی
یک نیروگاه سیکل ترکیبی از ترکیب دو یا چند سیکل قدرت متفاوت که با سیال عاملهای مختلف و در دماهای متفاوت کار میکنند، تشکیل یافته است، بهطوریکه هر یک از آنها قادر است در صورت فراهم شدن شرایط مورد نیازش، بهطور مستقل به فعالیت خود ادامه دهد. در یک سیکل ترکیبی، گرمای دفع شده از سیکل با دمای بالاتر، به سیکل با دمای پایینتر، جهت تولید قدرت اضافی و درنتیجه دستیابی به راندمانی بالاتر نسبت به راندمان تک تک سیکلها مورد استفاده قرار میگیرد.
با پیشرفت تکنولوژی مفاهیم جدیدتری از نیروگاههای سیکل ترکیبی در سالهای اخیر مطرح شده است که از جملهی آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
موتور دیزل - سیکل بخار
موتور دیزل - سیکل با یک سیال عامل آلی
توربین گاز - سیکل بخار
توربین گاز - سیکل با یک سیال عامل آلی
فلزات مایع - سیکل بخار
MHD2 - سیکل بخار
توربین گاز - سیکل قدرت دو سیاله (هوا - بخار)
اگرچه امروزه تلاشهای زیادی جهت توسعهی نیروگاههای سیکل ترکیبی شامل مواد آلی در حال انجام است، ولی نیروگاههای سیکل ترکیبی توربین گاز/ توربین بخار، هنوز به عنوان رایجترین سیکل ترکیبی شناخته میشوند. این نیروگاهها بر اساس نیاز در انواع مختلفی ساخته و مورد استفاده قرار میگیرند به اختصار به بررسی آنها پرداخته میشود.
1-2-2 چرخههای بالایی و پایینی در سیکل ترکیبی
اصل بهبود بخشیدن راندمان از طریق افزایش دمای متوسط گرمای ورودی (Tin) و پایین آوردن گرمای متوسط دفع شده (Tout)، کماکان در نیروگاههای سیکل ترکیبی به کار گرفته میشود. در نیروگاههای سیکل ترکیبی به سیکل با دمای بالاتر، سیکل بالایی و به سیکل با دمای پایینتر، سیکل پایینی گفته میشود. سیکل بالایی میتواند در قالب سیکلهای اتو، برایتون و یا رانکین عمل کند در حالیکه تمامی سیکلهای پایینی بر اساس سیکل رانکین عمل میکنند. در سیکلهای بالا قسمتی از انرژی سوخت داده شده به سیکل، تبدیل به الکتریسیته و مابقی تبدیل به گرما در فرآهم آوردن قدرت در سیکل پایینی مورد استفاده قرار میگیرد.
1-2-3 بررسی بیشتر نیروگاههای سیکل ترکیبی توربینگاز / توربین بخار
نیروگاه سیکل ترکیبی توربینگاز/توربین بخار، به نیروگاهی گفته میشود که در آن، هم در توربین گاز و هم در توربین بخار قدرت تولید شود. ایدهی سیکل ترکیبی، به منظور بهبود چرخهی سادهی برایتون، از طریق بهرهگیری از انرژی اضافی گازهای خروجی توربین گاز مطرح شد.

شکل1-2: سیکل برایتون با بازیافت حرارت خروجی از توربین با استفاده از بازگرمکن

شکل1-1: شماتیک سیکل ترکیبی
همانطور که در شکل (1-2) نیز مشاهده میشود، با استفاده از بازگرمکن نیز میتوان، از جریان گازهای خروجی توربین گاز بازیافت انرژی را انجام داد، به طوریکه بازیافت گرما به این شیوه، انرژی هدر رفته از دودکش را از 60 به 40 درصد انرژی داده شده میرساند، ولی این روش دارای معایبی است:
استفاده از بازگرمکن منحصراً موجب افزایش راندمان میشود اما، توان خروجی از توربین گاز را به واسطهی افزایش یافتن افت فشارها و کاهش دادن نسبت فشار بهینهای که موجب بیشینه شدن راندمان میشود چند درصدی کاهش میدهد.
به دلیل سطح تبادل گرمای زیاد و لولههای بزرگ هوا و گاز در آن، هزینههای سرمایهگذاری افزایش یافته که این امر موجب گرانتر شدن نیروگاه میشود.
از این رو، یک نیروگاه سیکل ترکیبی توربین گاز/توربین بخار شامل یک واحد توربین گاز به عنوان چرخهی بالایی، بویلر بازیاب حرارت و یک توربین بخار به عنوان چرخهی پایینی می تواند علاوه بر افزایش راندمان در نیروگاه موجب افزایش کار تولیدی نیز شود. در این نوع نیروگاهها بویلر بازیاب حرارت به عنوان رابط بین دو چرخهی بالایی و پایینی میباشد. انرژی زیاد خروجی از واحد توربین گاز در بویلر بازیاب به جریان آب عبوری از مبدلهای حرارتی تعبیه شده در آن منتقل شده، و بدین ترتیب، بخار مورد نیاز جهت تغذیهی واحد بخار تأمین میگردد.

1-2-4 طبقه بندی بویلرهای بازیاب

شکل1-3: طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت
بویلرهای بازیاب حرارت براساس کاربردهای مختلفی که دارند طبقهبندی میشوند. در شکل (1-3) نمونهای از طبقه بندی آنها آورده شده است.
در ادامه طبقهبندیهای انجام شده بر اساس گردش سیال عامل، سیستم آتشزایی و سطوح فشار که مهمترین مشخصهی طبقهبندی میباشد مورد بررسی قرار میگیرد.
1-2-5 طبقه بندی انواع بویلرها بر اساس چگونگی گردش سیال عامل  
1-2-5-1 سیستم گردش طبیعی
دارای لولههای عمودی است و جریان داغ گازهای عبوری از آنها افقی میباشد. در این سیستم، اختلاف دانسیته بین سیال سرد در لولههای پایین برنده با مخلوط آب و بخار در لولههای بالابرنده، موجب ایجاد نیروی رانش شده و سیال را در مدار چرخشی خود به حرکت در میآورد.

شکل1-4: بویلر بازیاب حرارت با انواع سیستم گردش آب a) گردش طبیعی b)گردش اجباری c) یک بار گذر
1-2-5-2 سیستم گردش اجباری
دراین سیستم لولههای حامل سیال عامل، افقی بوده و جریان گازهای عبوری از لولهها، عمودی است. در سیستم گردش اجباری نیروی رانش سایل از لوله های افقی مولد بخار، توسط پمپ تولید میشود.
1-2-5-3 بویلرهای یکبار گذر (فوق بحرانی)(Once Through Boiler):
بویلرهای بدون درام که دارای فشار فوق بحرانی میباشند به بویلرهای بنسون معروفند. در این نوع بویلر طراحی مجموعه محفظهی احتراق و لولههای دیوارهای به نحوی است که کلیهی آب تغذیه کنندهی موجود در لولههای دیوارهای پس از طی محفظهی احتراق و لولههای دیوارهای به بخار تبدیل شده و مستقیماً به سمت مافوقگرمکنها هدایت میگردند، لذا این بویلرها بدون درام هستند. از آنجاییکه بویلرهای بنسون دارای فشار بالایی هستند، تکنولوژی پیشرفتهای برای ساخت آنها مورد نیاز است، ولی به علت عدم وجود درام، وزن کمتری نسبت به بویلرهای زیر فشار بحرانی (درامدار) دارند. در بویلرهای بنسون حجم مشخصی از آب تغذیه با یکبار گردش در بویلر باید به بخار تبدیل شود. به عبارت دیگر عدد سیرکولاسیون، یک میباشد. ولی از آنجا که این بویلرها بالای فشار بحرانی کار می کنند، برای افزایش طول لولههای دیوارهای، بر خلاف بویلرهای درام دار لولهها را بهصورت مورب در روی دیوارهها طراحی میکنند تا ارتفاع بویلر کاهش یابد. همچنین ضخامت لولههای دیواره‌ای به علت بالا بودن فشار، بیشتر از ضخامت لولههای بویلرهای درامدار است. در ابتدای راهاندازی بویلرهای بنسون برای جداسازی آب و بخار از هم از سیکلون استفاده میکنند که با استفاده از خاصیت گریز از مرکز، آب و بخار را از هم جدا میکند و در حالت کارکرد دائم بویلر, از مدار خارج میگردند. همچنین به علت پایین بودن عدد سیرکولاسیون کنترل آنها نسبت به بویلرهای درامدار دشوارتر است و به دلیل نداشتن درام در شرایط اضطراری ذخیره آب و بخار نخواهند داشت. 
1-2-6 طبقه بندی بویلرهای سیکل ترکیبی بر اساس سیستم آتشزایی
بر این اساس دو نوع بویلر بازیاب حرارت میتواند وجود داشته باشد :
1-2-6-1 بویلر بازیاب حرارت بدون احتراق اضافی
در این نوع ، دود خروجی از اگزوز توربین گاز که حجم بالا و دمای زیادی (دمای گاز خروجی در بار اسمی در حدود 500 درجه سانتیگراد است) دارد به بویلر بازیاب حرارت هدایت میشود و به جای مشعل و سوخت در واحدهای بخاری، جهت تولید حرارت به کار می رود. بخار تولید شده نیز توربین بخار را به چرخش در می آورد. این امر باعث بالا رفتن راندمان مجموعه نیروگاهی می گردد، ضمن آنکه هزینههای بهره برداری به ازای هر کیلووات تا حد قابل ملاحظهای کاهش پیدا میکند. این مجموعه برای تولید برق پایه استفاده میشود و کارآیی آن در صورتی که فقط برای تولید برق به کار رود تا بیش از 50 درصد هم بالا می رود.
در مناطق سردسیر با بکارگیری توربین بخار با فشار خروجی زیاد (Back pressure) به جای کندانسور و برجخنککن در تأمین آب گرم و بخار مصرفی گرمایش مناطق شهری و صنعتی نیز استفاده میشود که در این صورت راندمان تا 80 درصد هم افزایش می یابد.
در شکل زیر نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل آورده شده است:

شکل 1-5: شمای حرارتی یک نیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل
1-2-6-2 بویلرهای بازیاب حرارت با احتراق اضافی
در نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل، کارکرد بخش بخار وابستگی کامل به کارکرد توربین گاز دارد. در مواردی که نیاز به کارکرد دائمی بخش بخار وجود دارد با تعبیهی مشعل در بویلر، میتوان به هنگام کاهش قدرت توربین گاز به علت تغییر شرایط محیطی کاهش قدرت توربین بخار را به حداقل رساند و حتی به گونهای طراحی را انجام داد که در صورت توقف بخش گاز کارکرد قسمت بخار با اشکال مواجه نگردد، عملکرد مستقل این دو بخش تأمین میشود و بدین ترتیب، این نوع نیروگاهها شکل گرفتهاند.
این نوع سیکل ترکیبی عموماً به منظور بالا بردن قدرت و جلوگیری از نوسانات قدرت توربین بخار با تغییر بار توربینگاز به کار گرفته می شود. امکان کارکرد واحد بخار در نقطه کار مناسبتر با تعبیه مشعل ساده، به کارگیری سوخت مناسب و استفاده از گاز داغ خروجی توربینگاز به عنوان هوای دم عملی است. به کارگیری این نوع واحدها در مواردی که علاوه بر تامین انرژی الکتریکی، تأمین آب مصرفی و یا بخار مورد نیاز واحدهای صنعتی نیز مد نظر باشد، عمومیت دارد .
شکل زیر نمونه ای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل را نمایش میدهد :
1548765403225
4419601503045شکل 1-6: نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل
00شکل 1-6: نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل

بویلرهای بازیاب حرارت با نصب سیستم احتراق اضافی به دو صورت زیر میباشد:
1-2-6-2-1 بویلرهای با مشعل اضافی محدود شده
این نوع بویلرها مشابه واحدهای بدون احتراق اضافی میباشند. در این نوع از بویلرها، حدکثر دمای گازهای خروجی از توربین باید بین 900-800 درجه سلسیوس باشد. سوخت مورد استفاده در این بویلرها میتواند مازوت یا گاز باشد ولی در بویلرهای ساده و بدون خنککن، محفظهی احتراق با سوخت گاز مناسبتر است، زیرا هم انتقال حرارت تشعشعی کمتر و هم قابلیت اشتعال بیشتری دارند. انواع مختلفی از سوختها را میتوان در بویلرها مورد استفاده قرار داد که رایجترین نوع سوخت برای آن گاز متان یا گاز طبیعی است.
1-2-6-2-2 استفاده از توربین گاز جهت پیش گرم کردن هوای دم بویلر
این نوع سیکل ترکیبی مشابهت زیادی با سیکل بخار معمولی دارد با این تفاوت که در نیروگاه بخاری ساده از سیستم پیشگرمکن هوا و فن تأمین کننده هوای دم که خود مصرف کننده انرژی است استفاده میگردد. لیکن در این گونه سیکل ترکیبی، سیستم گرمایش و فن دمنده هوای احتراق کوره را توربین گاز بر عهده گرفته است. بدین ترتیب راندمان واحد بخاری ساده با جانشین کردن سیستم تأمین هوای دم با توربین گاز، بهطور نسبی بهبود مییابد.
معمولاً این نوع سیکل ترکیبی در نیروگاههای بخاری بزرگ که سوخت آن ذغال سنگ و یا مازوت میباشد، به کار میرود. قدرت تولیدی توربین گاز در این نوع سیکل حداکثر 20 درصد قدرت تولید کل نیروگاه است.
1-2-6-2-3 بویلرهای با حداکثر احتراق اضافی
در نیروگاههایی که از این نوع بویلرها استفاده میکنند اساس کار سیکل بخار میباشد و توربین گاز برای بهبود راندمان کلی نیروگاه به کار میرود. پروسه بخار تقریباً مشابه نیروگاههای بخاری معمولی بوده و در بیشتر موارد نیروگاه شامل باز گرمکن و چند گرمکن آب تغذیه میباشد.
1- 2-7 طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت بر اساس سطوح فشار بخار
اساس کار نیروگاههای سیکل ترکیبی، به بازیافت انرژی موجود در جریان گازهای داغ خروجی از توربین گاز و تولید بخار در بویلر بازیاب حرارت بین واحدهای گاز و بخار در بویلر بازیاب حرارت صورت میگیرد لذا سطوح مختلف فشار به کار گرفته شده در ساختار آنها، مهمترین نقش را در میزان بازیافت انرژی ایفا میکنند.
1-2-7-1 بویلرهای بازیاب حرارت تک فشاره
سادهترین نوع بویلرهای بازیاب حرارت، انواع تک فشار آنها میباشد که درسیکلهای ترکیبی مورد استفاده قرار میگیرد. سیکلهای تک فشار در سادهترین حالت خود، شامل یک یا چند توربین گاز، یک بویلر بازیاب حرارت، یک توربین بخار تحت کندانس و یک کندانسور میباشد.

شکل1-8:پرفیل دمایی بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا

شکل1-7:شماتیک بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا
اما عمدهترین اشکال سیستمهای تک فشار در این حالت، عدم استفادهی کامل از انرژی دود خروجی توربین گاز میباشد. راه حل سادهی جبران این عیب، استفاده از یک مبدل حرارتی اضافی دود و استفاده از این انرژی برای پیشگرم کردن آب تغذیه میباشد. این مبدل باید به گونهای طراحی گردد که دمای دود خروجی از بویلر به زیر نقطهی شبنم نرسد. بنابراین فرستادن مستقیم آب خروجی از کندانسور به داخل بویلر غیر ممکن است. برای این منظور آب خروجی کندانسور را ابتدا به وسیلهی پیش گرمکنهایی داخل بویلر پیشگرم کرده و سپس به منظور هوازدایی و جداکردن اکسیژن و سایر گازهای محلول در سیال عامل، آن را وارد هوازدا میکنند. بخار مورد نیاز جهت تغذیهی هوازدا را یا میتوان مستقیماً از بخار تولید شده توسط بویلر فراهم نمود و یا از یک مولد بخار مستقل جهت تولید آن استفاده کرد.
در این نوع از سیکلها فقط یک سطح فشار مطرح است و لذا یک درام با مولد بخار مربوط در بویلر در نظر گرفته میشود که میتواند دارای گردش طبیعی و اجباری باشد. در این نوع از سیکلها، حرارت دفع شده از کندانسور حدود نصف حرارت دفع شده از نیروگاه بخار معمولی با اندازهی مشابه است و آب مورد نیاز سیستم خنک کن آن نیز حدود نصف نیروگاه معمولی است.
1-2-7-2 بویلرهای بازیاب حرارت چند فشاره
یکی از راههای کاهش بازگشتناپذیری خارجی ناشی از وجود اختلاف درجه حرارت بین جریان گازهای داغ خروجی از توربین گاز و جریان آب/بخار در سیکل رانکین، تقسیم این دو سیکل به چند سطح فشار مختلف میباشد.
در شکل (1-9a) پروفیل دما – حرارت جریان گاز با آب را در یک سیکل بخار نشان داده میدهد. همانطور که در این شکل مشاهده میشود، در سطوح فشار پایینتر (P2)، امکان جذب حرارت بیشتری وجود دارد. در شکل (1-9b) میزان تلفات اگزرژی (T0 / T)، برحسب تابعی از حرارت (q) ترسیم شده است. همانطور که ملاحظه میگردد در سطوح فشار بالا، اختلاف دما یا بازگشتناپذیریها در نواحی دما بالا (ناحیهی C) کاهش مییابد و تلفات در نواحی دما پایین(ناحیهی A) بیشتر است. در سطوح فشار پایین، تلفات در نواحی دما (ناحیهی C) بالا غالب میباشد. بنابراین هرگاه سطح C+B+ A مینیمم باشد تلفات اگزرژی حداقل بوده و این به معنی وجود سطح فشار بهینه است.

شکل 1-9: تأثیر فشار بخار زنده بر انرژی مصرفی و تلفات اگزرژی کلی
از این رو، در برخی طراحیهای بویلرهای بازیاب حرارت، علاوه بر استفاده از یک سطح فشار بالا برای تولید بخار، از یک سطح فشار پایین نیز استفاده میشود. در شکل (1-10) شماتیک سیکل ترکیبی دو فشاره ساده که در طراحی آن از این نوع بویلرها استفاده شده و فاقد بازگرمکن بخار و در شکل (1-11) دیاگرام توزیع دما- حرارت مربوط به آن نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود، در داخل پوستهی بویلر، از دو سطح فشار بالا به منظور تغذیهی توربین فشار بالا و سطح فشار پایین برای تغذیهی توربین فشار پایین استفاده شده است.
بخار خروجی از طبقه فشار بالای توربین، به سمت طبقهی فشار پایین توربین هدایت میشود و پس از مخلوط شدن با بخار فشار پایین، وارد طبقه فشار پایین توربین میشود. هر سطح فشار دارای اکونومایزر، مولد بخار و مافوقگرمکن میباشد.

شکل1-11: پرفیل دمایی سیکل دو فشاره همراه با هوازدا

شکل 1-10: شماتیک سیکل دوفشاره همراه با هوازدا تغذیهی مستقل
با مقایسهی شکل پرفیل دمایی سیکل تک فشاره با سیکل دو فشاره مشاهده میشود که اختلاف دمای بین جریان گازهای داغ و بخار در سیکلهای ترکیبی دو فشار از سیکلهای تک فشار کمتر میباشد که این امر، بزرگترین مزیت سیکلهای دو فشار را نسبت به سیکلهای تک فشار بیان میکند. زیرا بازگشتناپذیریهای خارجی در آنها به حداقل رسیده است، و درنتیجه کار خروجی بزرگتری قابل دسترسی میباشد.
با توجه به شکل (1-12) و (1-13) همانطور که ملاحظه میشود سیکلهای سه فشاره دارای سه سطح فشار مختلف میباشند و درنتیجه نسبت به بویلرهای تک و دو فشاره دارای بازگشت ناپذیری کمتری میباشند.

شکل1-13: پرفیل دمایی سیکل سه فشاره در حضور هوازدا

شکل1-12: شماتیک سیکل سه فشاره در حضور هوازد
1-2-8 تأثیر پذیری کارایی سیکل ترکیبی از شرایط کاری
1-2-8-1 تأثیر دمای هوای محیط بر قدرت و راندمان سیکل ترکیبی
تغییرات دمای هوای محیط، بر دبی جریان گاز، دما و آنالیز گازهای داغ خروجی از توربین گاز تأثیر میگذارد که این امر به نوبهی خود، بر میزان کارایی بویلر بازیاب حرارت قرار گرفته شده در پشت توربین گاز و در نهایت کارایی سیکل ترکیبی تأثیر خواهد گذاشت.
بالا بودن دمای هوا از یک طرف، موجب کاهش دانسیتهی هوا و درنتیجه کاهش دبی جریان هوای عبوری از توربین گاز، قدرت خروجی از توربین را 15 تا 25 درصد کاهش میدهد، ولی افزایش دمای گازهای خروجی، دبی بخار تولیدی در بویلر بازیاب حرارت و در نهایت راندمان کلی سیکل ترکیبی را بهبود میبخشد. قدرت خروجی نسبی با افزایش درجه حرارت محیط کاهش مییابد. بدیهی است که کارکرد یک سیکل ترکیبی، به علت تأثیر پذیر بودن توربین گاز و کوندانسور سیکل بخار از شرایط محیط، تأثیر پذیری کمتری از شرایط محیط نسبت به سیکل قدرت سادهی گازی برخوردار است.
1-2-8-2 تأثیر بار توربین گاز بر راندمان سیکل ترکیبی
به طور کلی توربینهای گازی در بارهای پایین کارایی ضعیفی دارند. بارهای پایین نه تنها کارایی توربین گاز را تحت تأثیر قرار میدهند، بلکه کارایی بویلر بازیاب حرارت و در نهایت سیکل ترکیبی را تحت الشعاع خود قرار میدهند. پایین بودن بار توربین گاز موجب کاهش دمای گازهای خروجی از توربین گاز میشود، که درنتیجهی آن، هم میزان تولید بخار در بویلر بازیاب حرارت کاهش خواهد یافت و هم امکان تشکیل بخار در اکونومایزر فراهم میگردد.
1-2-8-3 تأثیر فشار بخار بر راندمان سیکل ترکیبی
تغییرات زیاد فشار بخار، بر حجم ویژهی بخار تأثیر میگذارد و به دنبال آن افت سرعت و فشار در طول لولههای مبدل حرارتی، شیرها و... افزایش مییابد. از طرف دیگر، تغییرات فشار علاوه بر تغییر دمای اشباع درام، تنشهای حرارتی مولفههای بویلر نظیر درام، مافوقگرمکن، مولد بخار و... را دستخوش تغییرات میکند. شرایط متغیّر فشار، راندمان توربین بخار را در بارهای کم افزایش میدهد، زیرا با متغیّر بودن فشار، هم تلفات هنگام فرآیند اختناق کاهش مییابد و هم هزینههای پمپ آب تغذیه در صورتی که از پمپهای با سرعت متغیّر استفاده گردد کاهش مییابد.
1-2-9 مزایا و معایب سیکلهای ترکیبی
مزایای این نوع نیروگاهها به دلایل زیر میباشد:
به دست آوردن راندمان حرارتی بالا، زیرا دو سیکل فوق الذکر از نظر ترمودینامیکی با یکدیگر سازگاری داشته و گرمایی که از توربین گاز دفع میشود، دارای چنان دمای بالایی است که میتوان به آسانی توسط سیکل بخار مورد استفاده قرار گیرد.
سیالهای عامل هر دو سیکل در طبیعت به وفور یافت میشوند، ارزان و غیر سمی بوده و درنتیجه استفاده از این نیروگاهها آلودگی کمتر محیط زیست را در پی دارد.
تجهیزات مورد نیاز این سیکلها شناخته شده بوده و سازندگان زیادی در ساخت آنها تجربه و تبحّر دارند .
بالا بودن نسبت قدرت تولیدی به فضای اشغال شده توسط تجهیزات.
راه اندازی و شروع به کارسریع: شروع به کار این نیروگاهها از حالت سرد تقریباً دو ساعت و در حالت شروع به کار گرم تقریباً به 30 دقیقه زمان نیاز دارد. در صورتیکه این مدت برای نیروگاههای بخاری مرسوم حدوداً 18-15 ساعت میباشد.
هزینهی اولیّهی نصب و راهاندازی نیروگاههای سیکل ترکیبی در مقایسه با سایر نیروگاهها کم میباشد.
بازدهی کلّی این نیروگاهها بالا بوده و از محدوده 50 درصد تجاوز نموده و به مرز 60 درصد نزدیک شده است.
در مقایسه با نیروگاههای بخاری حجم سیال کاری کمتری (تقریباً نصف) مورد نیاز است که این امر توجیه ضرورت استفاده از این نیروگاهها در مناطق کم آب میباشد.
زمان مورد نیاز برای راه اندازی و هزینهی نصب اولیهی این نیروگاهها اندک میباشد.
توربینهای گازی جدید با ظرفیتهای بالاتری ساخته میشوند که این خود عامل عمدهای در استفاده از آنها در نیروگاههای سیکل ترکیبی با راندمان بالا میباشد.
توربینهای گازی در اندازهها و مدل های مشخّصی استاندارد شده و ساخته میشوند و تولید و توسعه یک مدل جدید که قابل اطمینان بوده و کارا باشد، هزینه سنگینی را برای سازندگان آن در بردارد. به همین جهت توربینهای گازی واحدهای سیکل ترکیبی، معمولاً از واحدهای استاندارد انتخاب میگردند که البته این واحدهای استاندارد با توجه به دانش و تکنولوژی روز، دائماً در دست تکمیل و توسعه میباشد.
اما سیکلهای ترکیبی دارای معایبی نیز میباشند که ازجملهی آن میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
طول عمر کمتر: طول عمر بخش گازی نیروگاههای سیکل ترکیبی به مراتب پایینتر از نیروگاه-های بخار است به طوریکه عمر مفید یک توربین گاز در حدود 15 سال و عمر مفید یک توربین بخار بیش از 30 سال است.
تأثیرگذاری کیفیّت سوخت بر هزینهها: در مواردی که سوخت موجود از کیفیّت پایینی برخوردار باشد جهت استفاده از آن در یک نیروگاه سیکل ترکیبی لازم است که یک سیستم مناسب تصفیهی سوخت نیز در نظر گرفته شود که این امر باعث افزایش قیمت، مخارج اولیه و تعمیرات اضافی خواهد شد.
تأثیرپذیری کارایی با تغییرات شرایط محیطی: در نیروگاههای سیکل ترکیبی کاهش یا افزایش درجه حرارت محیط باعث افزایش یا کاهش راندمان میشود در حالیکه نیروگاههای بخار در مقابل تغییرات درجه حرارت محیط حساسیت کمتری دارند.
1-2-10 راندمان کلی نیروگاههای سیکل ترکیبی
راندمان کلی یک واحد سیکل ترکیبی، به میزان تلفات حرارتی که بین دو واحد صورت میگیرد بستگی دارد. در آرایش سری سیکل ترکیبی با فرض عدم وجود اتلاف حرارتی، کل انرژی حرارتی خروجی از واحد بالایی وارد چرخهی پایینی شده و جهت تولید بخار مورد استفاده قرار میگیرد.
دراین بخش، با فرض عدم وجود اتلاف حرارتی بین دو واحد، به بررسی تأثیر استفاده از سیکل ترکیبی بر رابطهی راندمان کلی نیروگاه پرداخته میشود.

شکل 1-14: شمای یک نیروگاه سیکل ترکیبی در حالت سری واحدها
برای این منظور یک نیروگاه سیکل ترکیبی غیر مشخص، شامل یک سیکل بالایی و یک سیکل پایینی در نظر گرفته میشود. با فرض η1 به عنوان راندمان سیکل بالایی، η2 به عنوان راندمان سیکل پایینی و η به عنوان راندمان کلی سیکل ترکیبی خواهیم داشت:

پس از جایگذاری روابط:

درنتیجه:

یا
(1-1) در نتیجه برای دو سیکل کوپل شده با هم با توجه به رابطهی (1-1) خواهیم داشت:
(1-2)
رابطهی (1-2) نشان میدهد راندمان دو سیکل کوپل شده باهم در حالت سری، برابر است با: مجموع راندمان تکتک سیکلها منهای حاصلضرب راندمان آنها درهم. از این رو با ترکیب دو سیکل مجزا با یکدیگر، به راندمانی دست خواهیم یافت که در صورت مجزا بودن سیکلها، امکان دستیابی به آن میسّر نخواهد بود (راندمانی بالاتر از راندمان سیکلهای مجزا).
1-3 کلیات شیرین سازی آب
1-3-1 تعریف نمکزدایی:
نمکزدایی عبارت است از انجام عملیات روی آب شور، بد مزه یا آلوده، جهت زدودن نمک اضافی و بقیه ی مواد معدنی و آلوده از آن و یا به طور کلی تر نمک زدایی شامل زدودن نمکها و مواد معدنی است. در این فرایند آب به گونه ای به آب شیرین برگردانده میشود که جهت مصرف یا آبیاری مناسب باشد. بعضی از مواقع محصول فرایند نمکزدایی، فراورده نمک خوراکی است که این فرآورده از نظر اقتصادی مورد توجه است.
1-3-2 روشهای آب شیرین کنی
به طور کلی میتوان روشهای آب شیرینکنی را به دو بخش اصلی: گرمایی وغشایی تقسیم نمود. در ایران و جهان روشهایی مانند: اسمز معکوس، تبخیر ناگهانی چند مرحلهای، تقطیر چند مرحلهای، متراکم سازی مکانیکی بخار آب و تقطیر چند مرحله ای-چگالش گرمایی بخار طرفداران فراوانی دارند. در این پروژه - ریسرچبا توجه به استقبال گسترده از این روشها، تلاش خواهد شد تا بهترین روش برای معیارهای پیشرو انتخاب گردد.
1-3-2-1 تقطیر چند مرحلهای (MED)
تقطیر چند مرحلهای یکی از روشهای گرمایی آب شیرینکنی میباشد. در مرحله اول این روش تنها بخشی از آب شور ورودی به سلول تبخیر شده و بقیه آب وارد مرحله دوم می شود که این مرحله فشار کمتری نسبت به مرحله قبلی دارد و بوسیله بخار ایجاد شده در مرحله اول، گرما داده میشود تا با این عمل دمای بخارکاهش یافته و به مایع تبدیل شود که این چرخه چندین مرحله ادامه مییابد.

شکل 1-15 : شماتیک یک واحد MED
1-3-2-2 اسمز معکوس (RO)
اسمز معکوس یکی از روشهای غشایی-مکانیکی میباشد. در این روش از غشاهای نیمه تراوا استفاده میشود که مبنای عمل این غشاها جداسازی یونها و ناخالصیهای آب میباشند. آب شور با عبور از داخل این غشاها، نمک خود را باقی گذاشته و آب شیرین بدست میآید.

شکل 1-16: شماتیک نحوه عملکرد غشای یک واحد RO
1-3-2-3 متراکم سازی مکانیکی بخار آب (MVC)
این روش نمکزدایی یکی از روشهای تک مرحلهای آب شیرینکنی گرمایی- مکانیکی میباشد. در این روش، آبشور مقداری گرما داده میشود سپس بر روی لولههای سلول اسپری شده و مقداری از آن تبخیر میشود. بخار حاصل بوسیلهی لولههای مکش از سلول تخلیه شده و جهت متراکم سازی وارد کمپرسور میشود.
1-3-2-4 تبخیر ناگهانی چند مرحلهای (MSF)

شکل 1-17: شماتیک یک واحد MSF
این روش نمکزدایی یکی از روشهای گرمایی است که شامل مراحل تقطیر و میعان میباشد. در مرحله گرم کردن، بخار موجود با دادن گرمای خود به آب شور میعان مییابد سپس آب دریای گرم شده وارد مرحله اول میشود (که دارای فشار پایین است). ورود ناگهانی آب داغ به اتاقکی با فشار کم، باعث جوشیدن بسیار سریع آن میشود. این فرآیند چندین مرحله ادامه می یابد و نهایتاً بخار ایجاد شده متراکم و به آب تبدیل میشود.
1-3-2-5 تقطیر چند مرحله ای چگالش- گرمایی بخار(MED-TVC)
این روش بر اساس تبخیر و میعان آب دریا در خلاء که در درون سلولها گنجانده شده، طراحی گردیده است. آب دریا بر غشای نازک لولههایی که در سلول نصب شده است اسپری میشود و به وسیله گرمای حاصل از جریان بخار آب درون لولهها تبخیر میگردد. نهایتاً بخشی از بخار آب تولید شده در مرحله ی آخر بعد از اختلاط با بخار انگیخته به لوله مرحله ی اول باز میگردد و بخش دیگر وارد کندانسور شده و به آب تبدیل میشود.
جدول 1-1: بازهی فشار و دمای استفاده از انواع آب شیرینکنها

1-3-3 ارزیابی معیارها
1-3-3-1 مقدار انرژی مورد نیاز
بدیهی است در پروژههایی مانند آب شیرینکنی که نیاز بسیار بالایی به انرژی دارند باید میزان انرژی مورد نیاز پروژه سنجیده شود و در صورت وجود زیر ساخت اقدام به ساخت پروژه گردد. در غیر این صورت اقدام به ایجاد زیرساختهای مورد نیاز گردد تا پروژه به دلیل کمبود منابع انرژی به چالش کشیده نشود.
1-3-3-2 هزینه تولید
یکی از مهمترین ویژگیها برای یک پروژه هزینه تولید کالا و میزان سودآوری آن است که در صورت عدم تامین سودآوری، پروژه به تعطیلی کشیده میشود و یا اصلاً سرمایه گذاری برای آن پیدا نشده و پروژه عملی نمیگردد. از سوی دیگر میزان سرمایهگزاری به دلیل برآورد میزان سود و زمان بازگشت بسیار مهم است.
1-3-3-3 محیط زیست
محیط زیست از مهمترین عواملی است که به دلیل توجه کم به آن، خسارات جبران ناپذیر پدیدار شده است. که امروزه بیش از بیش به عنوان خطری برای سلامتی انسان مطرح میشود تا حدی که در شهرهای صنعتی ایران این مشکل رفته رفته به بحران تبدیل میشود.
1-3-3-4 کدورت آب تولیدی
از ابتداییترین عوامل در تعیین کیفیت آب است. کدورت در آب عموماً توسط مواد معلّقی مثل خاک و گل ولای، مواد آلی و معدنی ریز، ترکیبات آلی رنگی محلول و پلانکتونها و سایر میکرو اورگانیسمها ایجاد میشود.
1-3-3-5 نگهداری
یکی از مهمترین عوامل یک پروژه زمانهای تعمیر یا تعویض یا پاکسازی قطعات آن است بهویژه در پروژههای حساس که تعطیلی آن موجب بروز مشکلات عدیده برای مشترکان میگردد. از سوی دیگر نگهداری تاثیر مستقیمی بر سودآوری پروژه دارد.
1-3-4 مبدل نمک زدای حرارتی چند مرحلهای MED_TVC:
در شکل (1-18) یک مبدل نمکزدای چند مرحلهای نشان داده شده است. بخار اشباع ترک کننده مبدل بازیاب حرارت به سمت مبدل نمک زدا (MED) میرود که در آن، پس از تبخیر آب دریا در افکت اول، کندانس شده و به بویلر بازیاب برمیگردد. آب دریا در این مبدل پس از ورود به کندانسور نهایی و افزایش دما، به دو بخش تقسیم میشود. قسمتی از آن برای حذف گرمای اضافی موجود در سیستم (و صرفاً برای تبدیل کامل بخار اشباع به مایع اشباع) است و به دریا باز میگردد که آب خنک نامیده میشود. قسمت دیگر نیز که آب تغذیه نام دارد به طور موازی وارد همهی افکتها میشود.
پس از تبخیر، آب تغذیهی خود به دو بخش جدا تقسیم میشود. بخش اول بخار فاقد املاح است که پس از تبخیر و تقطیر به آب خالص بدون یون (آب دمین) تبدیل شده و به عنوان محصول نهایی وارد واحد تولید آب معدنی میشود. بخش دیگر نیز پسماند یا آب شور است که دوباره به دریا باز میگردد. آب دمین به هیچ عنوان قابل شرب نیست و آشامیدن چند قطره از آن موجب مرگ انسان میگردد؛ لذا آب محصول MED باید در واحد دیگری با افزودن مواد معدنی به آب آشامیدنی تبدیل شود. این کار در واحد معدنی سازی انجام میگردد.
در حالت کلی، این مبدل از قسمتهای مختلف شامل اواپراتور، رطوبتگیر، نازل اسپری آب دریا، محفظههای تبخیر ناگهانی، خطوط لوله و ... تشکیل شده است. کمپرسورهای حرارتی بخار انواع مختلفی اعم از مکانیکی و حرارتی دارند. در پایاننامه صرفا نوع حرارتی آن بررسی شده است.
در اینجا ما ابتدا سه نوع آرایش مختلف را برای نمکزدای چند مرحلهای حرارتی (TVC-MED) معرفی میکنیم. سپس از بین آنها، نوع موازی-متقاطع را در فصل دوم مورد بررسی قرار داده و روابط مدلسازی آنها را بیان میکنیم.

شکل 1-18: شماتیک یک واحد MED-TVC
1-3-4-1 آرایش تغذیهی پیشرو
این آرایش در شکل (1-19) نشان داده شده است.

شکل 1-19: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC پیشرو (MED-TVC-F)
همانطور که در شکل نیز مشخص است، در این آرایش، پش از اختلاط بخار احیا با قسمتی از بخار اشباع خارج شده از افکت آخر در کمپرسور حرارتی بخار، این بخار وارد افکت اول میشود. آب اسپری شده از سمت دریا نیز با عبور از کندانسور روی لولههای اواپراتور افکت اول پاشیده میشود. بخشی از آن بخار شده و به افکت بعد رفته و به عنوان سیال گرم وارد لولههای مرحلهی بعد میشود. بخش دیگر نیز به عنوان آب شور وارد مرحلهی بعد میشود تا دوباره روی لولههای اسپری شود و آب شیرین از آن به دست آید. به این ترتیب با این آرایش فقط در یک مرحله کل آب دریا اسپری میشود و آب شور در هر مرحله شورتر و شورتر میگردد. آب شیرین نیز از مرحلهی دوم به بعد پس از میعان بخار اشباع حاصل از مرحلهی (i-1) در لولههای مرحلهی (i) از لولهها خارج شده و وارد محافظ تبخیر ناگهانی میشود. کار محافظ تبخیر ناگهانی جداسازی بخار اشباع موجود در آب شیرین و باز گرداندن آنها به چرخهی شیرینسازی آب میباشد.
1-3-4-2 آرایش تغذیهی موازی
این آرایش در شکل (1-20) نمایش داده شده است:

شکل 1-20: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی (MED-TVC-P)
در این آرایش، پس از اختلاط بخار احیا با قسمتی از بخار اشباع خارج شده از افکت آخر در کمپرسور حرارتی بخار، این بخار وارد افکت اول میشود. آب سپری شده از سمت دریا هم با عبور از کندانسور روی لولههای همهی اواپراتورها پاشیده میشود. بخشی از آن بخار شده و به افکت بعد رفته و به عنوان سیال گرم وارد لولههای مرحله بعد میشود. بخش دیگر یعنی آبهای شور تبخیر نشده از زیر هر کدام از افکتها خارج شده و ازطریق یک خط لوله به هم متصلاند و در نهایت به دریا باز میگردند. آب شیرین پس از میعان بخار اشباع حاصل از مرحلهی (i-1) در لولههای مرحلهی (i) از لوله ها خراج شده و وارد محفظههای تبخیر ناگهانی میشود. کار محافظ تبخیر ناگهانی در این آرایش آن است که در صورت وجود بخار در آب شیرین اشباع خروجی از لولهها، آن را از آب جداکرده و همراه با بخار اشباع حاصل از پاشش آب دریا روی لولههای اواپراتور وارد لولههای افکت بعد کند.
1-3-4-3 آرایش تغذیهی موازی - متقاطع:
تفات این آرایش (MED-TVC-PC) با نوع موازی (MED-TVC-P) در آن است که، آب شوری که مرحلهی iام را ترک میکند وارد استخر آب شور مرحلهی i+1 ام میشود. با این روش، محصول آب شیرین و بازدهی حرارتی افزایش مییابد. این بخار با بخار تشکیل شده به کمک گرمای اواپراتور همراه شده و به لولههای مرحلهی بعد وارد میشود. در سایر موارد آرایش موازی - متقاطع مشابه آرایش موازی است. شکل (1-21) نمونهای از این آرایش را نشان میدهد.

شکل 1-21: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی - متقاطع (MED-TVC-PC)

فصل2
روابط مربوط به بویلرهای بازیاب و آب شیرینکن های MED-TVC و تشریح الگوریتم ژنتیک

2-1 مقدمه
استقبال گسترده از سیکلهای ترکیب موجب شده تا استفاده از بویلرهای بازیاب حرارت گسترش یابد و با توجه به کمبود آب در کشورمان استفاده از آب شیرینکن ها در ایران میتواند درآینده سهم مهمی را در تولید آب شرب داشته باشد. با توجه به اینکه یکی از بهترین روشهای تولید آب شیرین استفاده از روشهای شیرینسازی آب به روش تبخیر و تقطیر میباشد و همچنین وجود مبنع حرارتی بزرگی به نام کندانسور سیکل بخار که در صورت عدم استفاده این حرارت به صورت اتلاف انرژی از بین خواهد رفت استفاده از آب شیرین کن های تبخیر تقطیری در سیکل بخار نیروگاه سیکل ترکیبی میتواند موجب افزایش بازده در این سیکل ها گردد.
در این فصل به بررسی روابط و طریقهی مدلسازی ریاضی بویلر بازیاب حرارت و آبشیرینکن MED-TVC پرداخته میشود. همچنین الگوریتم ژنتیک را که در این مدلسازی از آن بهره گرفته شده، تشریح میگردد. همچنین با توجه به استفادهی روابط بخار و آب و همچینی گازهای حاصل از احتراق در برنامهی کد نویسی شده نیاز به محاسبهی خواص ترمودینامیکی آنها میباشد که در این فصل استانداردها و چگونگی محاسبهی این خواص معرفی شده است.
2-2 روابط مهم در طراحی بویلرهای بازیاب حرارت
در این بخش به بررسی روابط ترمودینامیکی مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت پرداخته میشود. برای این منظور ابتدا پارامترهای مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت معرفی شده و پس از آن روابط محاسبه دبی، توان تولیدی توربین بخار و توان مصرفی پمپها ارائه میگردد.
در بخش بعد نیز روابط محاسبه دبی آب شیرین تولیدی در آبشیرینکن MED-TVC-PC که در این پایان نامه مورد استفاده قرار گرفته است بررسی خواهد شد.
2-2-1 پارامترهای مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت
طراحی بویلرهای بازیاب حرارت، قسمت مهمی از طراحی نیروگاههای سیکل ترکیبی را شامل میشود. چرا که در یک نیروگاه سیکل ترکیبی، درصد عمدهای از توان خروجی نیروگاه، بوسیله سیکل بخار به دست میآید که عمدهی بخار مورد نیاز آن، بوسیلهی بویلر بازیاب حرارت تأمین میشود. از طرف دیگر معمولاً واحدهای بخار و یا گاز یک نیروگاه سیکل ترکیبی، از قبل طراحی و ساخته شده هستند، علاوه بر این تجهیزات مورد استفاده در آنها مانند کمپرسورها، توربینهای گازی، پمپها و ... تجهیزات استاندارد شدهای میباشند که براساس ظرفیت مورد نیاز انتخاب میگردند. این در حالی است که بویلرهای بازیاب حرارت بایستی بر اساس پارامترهای گازهای داغ خروجی از توربین گاز نظیر دما، دبی بخار و آنالیز دود و یا بر اساس ظرفیت توربین بخار طراحی و ساخته شوند.
در ادامه، تأثیر اختلاف دمای بین جریانهای گاز و بخار در مبدلهای حرارتی مولد بخار و اکونومایزر بویلر بازیاب حرارت که نقش بسیار مهمی در میزان هزینهها و کارایی آن دارند مورد بررسی قرار میگیرد.
2-2-1-1 اختلاف دمای نهایی
اختلاف دمای بین گازهای داغ ورودی و بویلر بازیاب حرارت و بخار مافوق گرم خروجی از مافوق گرمکن را اختلاف دمای نهایی (انتهایی) میگویند و برابر است با:
(2-1)
در حقیقت میتوان اختلاف دمای نهایی را به عنوان درجهی مافوق گرم شدن بخار دانست.
2-2-1-2 نقطهی پینچ
حداقل اختلاف دمای بین گازهای عبوری از مولد بخار و بخار آب اشباع را نقطهی پینچ و یا اختلاف دمای گلوگاهی مینامند. در یک بویلر بازیاب حرارت این نقطه، همواره در ورودی مولد بخار قرار داشته و به صورت زیر تعریف میشود:
(2-2)
اگر در قسمت اکونومایزر هیچ گونه حرارتی جذب آب نگردد، دمای پینچ با دمای خروجی از پینچ برابر خواهد بود. بنابراین حداکثر دمای دود خروجی از دودکش برابر با دمای پینچ میباشد. نکتهی مهمی که از این توضیحات بر میآید این است که در یک بویلر بازیاب حرارت، دمای گازهای خروجی از دودکش، بهوسیله پینچ تعیین میگردد و انتخاب نمیشود. انتخاب پینچ، ابعاد و میزان گسترش سطوح تبادل حرارتی مولد بخار را تعیین میکند.
با کاهش دمای پینچ، نیاز به افزایش قابل ملاحظهای در ابعاد سطوح انتقال حرارت مولد بخار و در نتیجه هزینههای اولیه میباشد، از طرفی دیگر، بالا بردن دمای نقطهی پینچ، به مفهوم کاهش راندمان بویلر است.
از این رو، بایستی هنگام طراحی بویلر بازیاب حرارت در انتخاب دمای نقطهی پینچ دقت کافی به عمل آید. در جدول (2-1) مقادیر توصیه شده برای دمای نقطهی پینچ هنگام طراحی بویلر بازیاب حرارت برحسب دمای گازهای خروجی از توربین گاز آورده شده است.
جدول2-1: مقادیر نقطهی پینچ برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت
دمای گازهای ورودی به بویلر بازیاب لولههای بدون فین لولههای فین دار
650-1000 65-72 16-33
400-650 45-72 5-16
2-2-1-3 نقطهی نزدیکی
نقطهی نزدیکی، اختلاف دمای میان آب خروجی از اکونومایزر و آب اشباع درون مولد بخار بویلر بازیاب حرارت را نشان میدهد که به صورت زیر تعریف میگردد:
(2-3)
از لحاظ تئوری اختلاف دما در نقطهی نزدیکی بزرگتر از صفر میباشد. دلیل این امر، اجتناب از تولید بخار درون اکونومایزر است. در مولدهای بخار با لولههای عمودی، میتوان نقطهی نزدیکی را نزدیک به صفر درنظر گرفت در صورتی که در اکونومایزر با لولههای افقی، نزدیک شدن به دمای اشباع ممکن است باعث ایجاد پدیدهی جداشدن فازها و سوختن لولههای اکونومایزر گردد. محدودهی تغییرات این پارامتر در بویلرهای بازیاب حرارت در جدول (2-2) نشان داده شده است.
جدول2-2: مقادیر نقطهی نزدیکی برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت
دمای گازهای ورودی به بویلر بازیاب نقطهی نزدیکی
650-1000 22-40
400-650 6-22
2-2-2 استخراج روابط سیکل تک فشاره

شکل 2-2: نمودار T-S برای سیکل تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن

شکل2-1: شماتیک سیکل ترکیبی تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن
در این بخش به بررسی مختصر سیکل تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن پرداخته خواهد شد. سیکل تک فشاره سادهترین نوع سیکلهای ترکیبی است که تنها دارای یک سطح فشار میباشد. با توجه به اینکه در این نوع سیکلها تنها یک سطح فشار وجود دارد نمیتوان مانند سیکلهای سه و دو فشاره از انرژی موجود در گازهای ورودی به بویلر بازیاب حرارت استفاده کرده و بازیابی نمود. به همین دلیل از این نوع بویلرها بیشتر در واحدهای با ظرفیت کم و یا برای نیروگاههای با بویلرهای ماکزیمم احتراق اضافی استفاده میشود و برای واحد با توربینهای گازی با ظرفیت بالا به طور خاص مانند توربینهای کلاس V بیشتر از بویلرهای دو و سه فشاره استفاده میشود.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

روابط دبی جرمی و راندمان برای بخش بخار با توجه به شکلهای (2-1) و (2-2) به صورت زیر میباشد:
(2-4)
که در روابط فوق Eff راندمان مبدلهای بویلر بازیاب و Blow Down نسبت آب خروجی از درام بویلر بازیاب جهت کاهش سختی آب داخل بویلر می باشد.

–378

47 شکل 3-3- هدر های میانی
61 شکل3-4- یک نمونه عصب واقعی
62 شکل 3-5- مدل ریاضی ساده شده عصب واقعی
64 شکل 3-6- پرسپترون 3 لایه با اتصالات
64 شکل 3-7- رفتار تابع سیگمویید
88 شکل 4-1- نمایی از فن
88 شکل 4-2- نمودار دما بر حسب دانسیته مایع
89 شکل 4-3- نمودار دما بر حسب کسر مولی بخار
93 شکل 4-4- تعدادی از نرون ها در لایه مخفی
93 شکل 4-5- شبکه به کار رفته در شبیه سازی
94 شکل 4-6- نمودار نشان دهنده انطباق داده های تجربی و محاسبه شده
96 شکل 5-1- لوور نصب شده بر روی فن
فهرست جداول
صفحه عنوان
55 جدول 3-1- داده های اندازه گیری شده جهت انجام شبیه سازی
57 جدول 3-2- ترکیبات سیال ورودی به فن
74 جدول 3-3- داده های اندازه گیری شده جهت شبیه سازی
90 جدول 4-1- نتایج مربوط به شبیه سازی
« فصل اول »
« مقدمه »
مقدمهطی 20 تا 30 سال گذشته، هم برای مصارف خانگی و هم برای مصارف صنعتی، استفاده از هوا به عنوان سیال خنک کننده و جایگزین برای آب افزایش یافته است. هم اکنون مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا (هوا- خنک) بخش مهمی از فن آوری صنعتی انتقال گرما را شامل می گردند. این نوع مبادله کن ها برای خنک کردن مایعات وچگالش بخارها به عنوان مثال در جریان های پالایشگاهی و بخارهای خروجی از بالای ستون های تقطیر به طور وسیع استفاده می شوند.
1-1 - مزایا و معایب خنک کردن با هوا1-1-1- مزایااساسی ترین مزیت هوا به عنوان سیال خنک کننده در دسترس بودن آن است. به علاوه در استفاده از آن در مقایسه با سیستم هایی که با آب خنک می شوند نیازی به سیستم های لوله کشی و پمپ کردن مربوط به تغذیه آب خنک کننده و مشکلی در مورد زدودن رسوب ونگرانی در مورد اثرات شیمیایی و حرارتی مضر بر محیط وجود ندارد. هوا تمیز و به لحاظ شیمیایی غیر فعال می باشد و نیازی به پیش تصفیه یا فرایندی شیمیایی برای جلوگیری از رشد باکتری ها وقارچ ها و تشکیل رسوب نیست، در صورتی که این موارد برای آب نیاز است. معمولا تشکیل رسوب و یا خوردگی در سمت هوای مبادله کن کم است اگر چه این امر به محل قرار گیری مبادله کن نیز مربوط می گردد. در نتیجه مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا در مقایسه با سیستم های خنک شونده با آب (آّب- خنک) نیاز کمتری به تعمیر ومراقبت توسط افراد فنی دارند. نکته آخر آنکه به دلیل ساختار نسبتا ساده و عدم وجود واحد کمکی تصفیه سیال خنک کن مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا هزینه اولیه کمتری در مقایسه با کولر های آبی دارند.
1-1-2- معایبمعایب اصلی هوا به عنوان سیال خنک کننده ضریب هدایت گرمایی کوچک، چگالی کم و گرمای ویژه کم آن می باشد. ضرایب انتقال گرما با لوله های ساده (بدون پره) در سرعت های هوا که به لحاظ اقتصادی ممکن می باشد ( m/s 10) کوچکتر از .k) W/(m2 100هستند وبهبود بخشیدن ضرایب انتقال گرما به وسیله لوله های پره دار حتی برای دستیابی به مقادیر متوسط بازده گرمایی نیز ضروری میباشد. در نتیجه فن های هوایی در مقایسه با مبادله کن های مشابه خنک شونده با آّببزرگتر هستندو نیاز به سازه های تکیه گاهی گسترده تر ومساحت زمین و فضای بیشتری برای نصب دارند. به دلیل همین ابعاد بزرگ مبادله کنهای گرمای خنک شونده با هوا نمی توانند مانند کولرهای آبی در هر جایی استفاده شوند. به عنوان مثال سوار کردن آن ها در بالای برجهای تقطیر برای چگالش بخار خروجی از بالای برج مشکل است.
در برخی محل ها دمای هوا بالا است ودر نتیجه اختلاف دمای موجود برای خنک کردن سیال عبوری از داخل لوله ها کوچک می باشد، این امر لزوم استفاده از مساحت های بسیار بزرگ سطوح مبادله کن گرما را ایجاب می کند. این مورد اغلب هنگامی پیش می آید که بنا به موقعیت محل، تغذیه آب نیز با مشکل مواجه می باشد.
نکته آخر آن که باید توجه شود که مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا که هوا در آن ها توسط پروانه به حرکت در می آید ممکن است پر سرو صدا باشند و بنابراین شکلی از آلودگی محیط (آلودگی صوتی) را ایجاد می کنند.
2-1- ساختار مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوادر مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا سیالی که باید خنک شود در داخل لوله های دسته لوله پره دار جریان می یابد، در حالی که هوا به صورت جریان متقاطع از روی سطح خارجی لوله ها عبور می کند. جریان هوا ممکن است با عبور طبیعی هوا در کانال هوا کش یا برج یا با عبور اجباری هوا به وسیله پروانه و موتور الکتریکی ایجاد شود. شکل بندی های متعدد جریان به همراه طرح های زیادی از نوع پره ها در این مبادله کن ها استفاده می گردند.
1-3- آرایش دسته لوله ها و ایجاد جریان هوا1-3-1- عبور هوا به صورت جریان دمشی (اجباری) و مکشی (القایی)شکل 1-1 در طرحی ترسیمی نشان می دهدکه چگونه یک دسته لوله می تواند با عبور جریان هوا به شکل دمشی یا مکشی خنک شود. در حالت جریان دمشی هوای مجاور به داخل پروانه (فن) کشیده می شود و پروانه به میزان اندکی که برای غلبه بر مقاومت هیدرولیکی عبور جریان از روی دسته لوله کافی باشد، فشار هوا را افزایش می دهد (معادل با چند میلی متر آب). در حالت جریان مکشی پروانه به میزان اندکی فشار هوا را کاهش می دهد که برای کشیدن هوا از روی دسته لوله کافی است. در حالت اخیر هوایی که وارد پروانه می شود گرمتر از دمای هوای مجاور است و لذا چگالی آن کمتر از چگالی هوای محیط می باشد.
دسته لوله ها معمولا شامل تعداد کمی از ردیف های لوله هستند که در داخل قابی مستطیلی قرار می گیرند و می توانند به صورتی که در شکل 1-1 نشان داده شده است به شکل عمودی، افقی یا در وضعیت شیبدار قرار گیرند. رایج ترین شکل قرار گیری در وضعیت افقی است.

شکل - مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا ]1[
مزایای نسبی عبور جریان هوا به شکل مکشی و دمشی به شرح زیر می باشد:
مزایای جریان به صورت دمشی
الف- در نتیجه دمای هوای ورودی سردتر به پروانه و چگالی بزرگتر هوا برای ایجاد نرخ جرمی مشخص به توان الکتریکی کمتری نیاز است، به علاوه پروانه می تواند کوچکتر باشد و بنابراین هزینه اولیه کمتری دارد.
ب- پروانه در مقایسه با حالت جریان مکشی در جریان هوای خنک قرار دارد و نیاز به عایق کاری یا خنک کاری موتور پروانه و یاتاقان ها کاهش می یابد و یا منتفی می گردد.
ج- در هنگام بروز نشتی سیال فرایندی از لوله ها و با این فرض که سیال نشتی توسط جریان هوا، حمل می گردد احتمال آلوده شدن پروانه یا موتور کمتر است.
د- در حالت قرار گیری دسته لوله به صورت افقی پروانه نزدیک به زمین است و دسترسی به آن برای عملیات تعمیر و نگهداری آسان تر است.
در شکل های  و  فن های دمشی و مکشی نشان داده شده اند.
در این آرایش لوله ها در قسمت دمنده فن قرار دارند یعنی فن زیر مجموعه لوله ها قرار می گیرند.

شکل - مبدل خنک کننده هوایی دمنده ]2[
در نوع دمنده لوله ها در قسمت بالایی فن قرار می گیرند. به این ترتیب در اثر گرم شدن هوای ورودی در بالای لوله ها مکش طبیعی هوا به سمت بالا صورت می گیرد. لذا توان مصرفی فن کمتر خواهد شد. از طرف دیگر در این نوع از مبدل ها قطعات فن برای تعمیر به راحتی در دسترس هستند. در ضمن این نوع مبدل ها دارای سازگاری بیشتری در مناطق سردسیر می باشند. اما این سیستم برخلاف مزایای ذکر شده دارای معایبی هم هست که از آن جمله می توان به عدم توزیع مناسب هوا در بین لولهها و امکان برگشت هوای گرم به خاطر سرعت کم هوای خروجی از قسمت لوله ها اشاره کرد. در ضمن به خاطر اینکه لوله ها د ر معرض نور خورشید، باران و تگرگ قرار دارند میزان استهلاک بالا می رود. 
مزایای جریان به صورت مکشی
الف- توزیع جریان یکنواخت تر است.
ب- پروانه دسته لوله را از جمع شدن برف یا باران سنگین محافظت می کند.
ج- از گردش وعبور مجدد هوای گرم به داخل دسته لوله جلوگیری می گردد.
عیب اصلی آرایش جریان دمشی توزیع غیر یکنواخت جریان می باشد. معایب اصلی آرایش جریان مکشی فضای آزاد بزرگتر مورد نیاز برای اطمینان از توزیع یکنواخت جریان هوا میزان سر وصدای بیشتر، خطر آسیب دیدگی پروانه یا موتور در اثر نشتی سیال فرایندی و کارکرد پروانه در دماهای گرمتر هستند.

شکل - مبدل خنک کننده هوایی مکنده ]2[
در این آرایش لوله ها در قسمت مکنده فن قرار دارند یعنی فن بالای مجموعه لوله ها قرار می گیرد. این نوع نیز دارای مزایا ومعا یبی است. در این نوع هوا در قسمتهای مختلف اطراف لوله ها به نحو مناسبی توزیع می شود و امکان برگشت هوای گرم به قسمت هواگیری فن کمتر است. تاثیر خورشید و باران و تگرگ بر روی لوله ها نیزکمتر است زیرا 60% سطح پوشیده است و تاثیر جریان طبیعی در سیستم بیشتر است.
معایب این سیستم نیز به شرح زیر است :
توان مصرفی بیشتری مورد نیاز است زیرا فن در معرض هوای گرم عبوری از لوله ها قراردارد. دمای هوای گرم خروجی از قسمت تیوب ها باید تا حدود 200 درجه فارنهایت محدود شود زیرا امکان خراب شدن پره ها و یاتاقان و تسمه و دیگر قطعات فن در جریان هوای گرم وجود دارد. عیب دیگر این است که قطعات فن برای تعمیر کمتر در دسترس هستند.
1-4- عبور هوا به صورت جریان طبیعیدر کاربردهای جریان طبیعی نیروی به حرکت در آورنده جریان از اختلاف چگالی هوای داخل مبادله کن گرما وسازه متصل به آن و هوای مجاور مبادله کن و در بیرون آن حاصل می شود. عموما برای حصول بازده موثر مبادله کن گرما سازه های بلندی با ارتفاع حدود 30 تا 45 متر نیاز خواهد بود. خلاقیت زیادی در طراحی این مبدل ها به کار می رود ولی دو نوع از معمولی ترین نمونه ها در شکل  نشان داده شده اند.
فعالیت های تحقیقاتی چو ]3[ در مورد مبادله کن آزمایشی خنک شونده با هوا در شرایط جریان طبیعی نشان می دهد که اگر نیاز است از ورود هوای سرد از بالای برج جلوگیری گردد ارتفاع کانال هواکش در بالای مبادله کن گرما پارامتر مهمی است که باید به آن توجه شود. وجود هوای سرد با چگالی بزرگتر می تواند در توزیع جریان هوا در دسته لوله و کارایی مبدل اثر بگذارد.

شکل  آرایش دسته لوله های خنک کننده در برج های خنک کن خشک کن با جریان طبیعی. (الف) آرایش پیرامونی و (ب) آرایش سطح مقطعی ] 1[
1-5- ساختار دسته لوله و شکل بندی های جریان1-5-1- ساختار دسته لولهدسته لوله های مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا معمولا به صورت واحدهای مستطیلی با عمق کم، شامل 3 تا 12 ردیف لوله پره دار (4 تا 6 ردیف معمول است) مطابق آنچه در شکل(1- 5) نشان داده شده است آرایش می یابند. آنها با اندازه هایی در محدوده 1 یا 2 متر تا مستطیل هایی با طول 20 متر و عرض 5 متر ساخته می شوند. لوله ها می توانند به شکل آرایه های ردیفی یا تناوبی قرار گیرند. آرایش اخیر که معمول تر می باشد برای سرعت هوا و سطح آزاد مشا به به میزان قابل ملاحظه ای افت فشار بیشتری ایجاد می کند.
طراحی کلاهک با توجه به کیفیت مایعی که باید خنک شود تعیین می گردد. برای مایعات تمیز با رسوب کم جعبه کلاهک تماما جوشکاری شده (که ارزانتر می باشد). مطلوب است( شکل- الف). اگر احتمال نیاز به تمیز کردن داخل لوله ها با روش مکا نیکی وجود داشته باشد جعبه های کلاهک و یا درپوش های آنها می تواند به صورت قابل جدا شدن ساخته شوند ( شکل- ب ) یا اینکه مجهز به درپوش هایی با سوراخ های تعبیه شده و پوشانده باشد به نحوی که لوله ها بتوانند از طریق جعبه کلاهک تمیز شوند، اگر چه این کار عموما طراحی با هزینه بیشتر می باشد ( شکل - ج) .

شکل - دسته لوله پره دار مبادله کن گرمای خنک شونده با هوا از شرکت GEA ] 1[
برای ایجاد امکان انبساط حرارتی لوله ها به دلیل طول های بلند لوله های استفاده شده ممکن است به طراحی های ویژه ای نیاز باشد. ساده ترین راه حل صفحه لوله شناور است که مشابه سیستم سر شناور برای مبادله کن های پوسته ای و لوله ای می باشد. در مبادله کن های خنک شونده با هوا یک صفحه لوله می تواند نسبت به پوسته بیرونی حرکت کند. به دلیل فشارهای کم سیال فرایندی در کنار این واقعیت که سیال خنک کننده هوا است معمولا تنها به طرح های ساده شامل مواردی برای ایجاد حرکت نسبی و اطمینان از آب بندی کامل سیال فرایندی نیاز است. طراحی های پیچیده تر برای شرایط ضروری میباشند که تغییرات قابل ملاحظه ای در دمای سیال فرایندی وجود دارد.

شکل - قابلیت دستیابی برای تمیز کردن داخل لوله ها (الف) تماما جوشکاری شده (ب) در پوش قابل جدا شدن (ج) در پوش با سوراخ های پوشانده و قابل باز شدن ] 4[
1-5-2- شکل بندی جریاندر آرایش های نشان داده شده در شکل های () و () در هر انتها کلیه لوله های دسته لوله به کلاهک مشترکی متصل می شوند. سیال خنک شونده پس از ورود به کلاهک به N جریان (N تعداد کل لوله ها) تقسیم می گرددو همگی در یک جهت جریان می یابند.
ترکیب جریان متقاطع نشان داده شده در شکل (1-7- الف) هنگامی مناسب است که حجم سیال خنک شونده زیاد ویا اختلاف دمای سیال خنک شونده و هوا بزرگ باشد. هنگامی که حجم سیال خنک شونده و یا اختلاف دما کوچک باشد اتصالات انتهایی می توانند به صورت متفاوتی آرایش داده شوند تا ترکیبی با جریان متقاطع مخالف جهت مطابق آنچه در شکل (- ب) نشان داده شده است ایجاد گردد. به عنوان مثال در شکل (- ب) نرخ جرمی سیال خنک شونده به پنج قسمت تقسیم می شود که هر قسمت توسط N/4 لوله ها و در چهار گذر به صورت متقاطع- مخالف جهت جریان هوا از مبادله کن عبور می کنند.

شکل - مبادله کن های خنک شونده با هوا: (الف) جریان متقاطع n=  ، مخلوط نشده (ب) جریان متقاطع- مخالف جهت nr=  ، مخلوط نشده ] 4[
1-5-3- ساختار لوله پره دارضریب انتقال گرمای جریان متقاطع هوا از روی لوله های بدون پره برای طراحی اقتصادی مبادله کن گرمای خنک شونده با هوا در اکثر کاربردها بسیار کوچک است. بنابراین کل انتقال گرمای سمت هوا باید با افزودن مساحت سطح لوله ها افزایش یابد واین کار با اضافه کردن پره ها انجام می شود. سطوح تحت پره ها عمود بر محور لوله در جهت جریان هوا قرار می گیرندتا مقاومت در جریان هوا را به حداقل برسانند.
میزان بهینه افزایش سطح گرمایی به چندین عامل بستگی دارد، هر چند به صورت خاص متاثر از ضریب انتقال گرمای سیالی است که در داخل لوله ها خنک می گردد. اگر این مقدار کوچک باشد با بهبود بخشیدن انتقال گرمای سمت هوا نتیجه قابل توجهی به دست نمی آید در صورتی که اگر ضریب انتقال گرمای داخل لوله بزرگ باشد اضافه کردن سطوح پره دار بزرگ در سمت هوا می تواند از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد. پایکرت ]1[ پیشنهاد می کند که برای ضریب انتقال گرمای داخل لوله معادل با.k) W/(m2 200 کمترین هزینه انتقال گرما زمانی به دست می آید که نسبت مساحت سطح کل لوله پره دار به مساحت سطح لوله بدون پره تقریبا 5 باشد. این نسبت بهینه برای ضریب انتقال گرما معادل با W/(m2.k) 1000 حدود 13 و برای ضریب انتقال گرما برابر با 5000 تقریبا برابر با 23 است. در عمل افزایش سطح ایجاد شده توسط پره ها در محدوده 10 تا 25 برابر سطح لوله بدون پره می باشد.
اشکال متعددی از پره های متقاطع با محور لوله در مبادله کن های خنک شونده با هوا با جریان متقاطع مطابق آنچه در شکل (1-8) نشان داده شده است استفاده می شوند. پره های دایره ای که از ورق فلزی نازک شکل داده می شوند (شکل 1-8- الف) معمولا با لوله های دایره ای استفاده می گردند. این پره ها اغلب از آلومینیوم ساخته شوند تا بازده ای بزرگ برای پره ایجاد کنند.
گاهی به منظور کاهش افت فشار ساختاری محکم تر (شکل 1-8- ب) با لوله های بیضوی استفاده می شود. در این ساختار لوله ها از میان یک سری صفحات تخت عبور می کنند و این صفحات به لوله ها لحیم می شوند تا نقش پره را ایفا نمایند. در مورد لوله های دایره ای اتصال بین لوله ها و پره های صفحهای می تواند با انبساط (و بزرگ کردن مقطع لوله) حاصل گردد (شکل 1-8- ج).

شکل  - برخی آرایش های رایج پره لوله (الف) پره ها تحت کشش روی لوله جا زده می شوند (ب) پره ها روی لوله لغزانده می شوند و لحیم می گردند(ج) لوله ها به داخل صفحات پره هدایت شده و منبسط می گردند یا لحیم می شوند. ] 4[
پره های دایره ای متقاطع با محور لوله، می توانند به صورت حلقه پیوسته یا شامل قطعاتی در جهت شعاعی، مطابق با آنچه در شکل (1-9) نشان داده شده است، باشند.
2237105116205

شکل - پره گذاری ستاره ای (الف) پره های ستاره ای (ب) پره های ستاره ای اصلاح شده] 1[
روش های مختلف اتصال پره های دایره ای به لوله ها در شکل (1-10) نشان داده شده اند. این روش ها فرایندهای متفاوتی شامل تحت کشش قرار دادن پره های روی لوله اتصال به داخل شیارها به کمک ضربه شکل دادن فلز با فشردن در قالب، لحیم کاری و جوشکاری تا گالوانیزه کردن گرم به روش غوطه ور سازی را شامل میگردد. اگر پره ها به لوله ها لحیم و یا جوش شوند مقاومت گرمایی تماس بین پره ولوله نا چیز است ولی اگر با کشیدن فلز پره اتصال انجام شود مقاومت گرمایی تماس به ویژه در دماهای گرمتر لوله می تواند قابل توجه باشد. برای مثال قاعده ای ساده برای پره های آلومینیومی آن است که مقاومت گرمایی تماس برای دماهای لوله کوچکتر از C 0100 مقاومت گرمایی تماس به میزان تقریبی 10% مقاومت گرمایی سمت هوا افزایش می یابد (یعنی به میزان h0/1/ که h0 متوسط ضریب انتقال گرمای سمت هوا می باشد) ] 5[ .

شکل - روش های اتصال پره (الف) پره منفرد (ب) پره ها با روپوشانی (ج) پره قرار گرفته در داخل شیار (د) فشرده شده در قالب (م) جوشکاری یا لحیم کاری شده (ن) پوشش فلزی از نوع گالوانیزه شده گرم با غوطه ور سازی ] 1[
برای کاهش امکان خوردگی به واسطه رطوبت هوا کل مجموعه لوله پره دار می تواند گالوانیزه ویا با موادی پوشش داده شود. روش گالوانیزه کردن بهتر است زیرا مقاومت تماس بین پره و لوله را کاهش میدهد. هر چند هر گونه روش پوشش دهی به میزان قابل ملاحظه ای هزینه دسته لوله را می افزاید.
1-5-4- لوله های پره دارلوله ها معمولا مدور هستند و می توانند از هر فلز مناسبی تولید شوند. جنس لوله بر اساس محدودیت های خوردگی، فشار ودما تعیین می شود. پره ها معمولا از جنس آلومینیوم و مارپیچی هستند. جنس آلومینیوم به این دلیل انتخاب می شود که هدایت گرمایی خوبی دارد و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است. پره ها می توانند از جنس های مختلفی مانند مس، فولاد وفولاد ضد زنگ ساخته شوند. پره های مسی معمولا در محیط های آبی و دریایی یعنی جایی که محیط به اندازه کافی خورنده باشد مورد استفاده قرار می گیرد. فولاد و فولاد ضد زنگ در جاهایی که دمای بسیار بالا مورد نیاز است مورد استفاده قرار می گیرند.
1-6- انواع پره هاپره ها می توانند به چندین روش به لوله ها متصل شوند :
الف- پره L شکل
رایج ترین نوع پره به کار گرفته شده در فن های هوایی پره آلومینیومی به صورت L شکل است (شکل ). این پره به صورت نوارهای آلومینیومی ساخته می شود و در اطراف لوله به صورت L شکل قرار می گیرد. برای جلوگیری از باز شدن پره ها و جلوگیری از سست شدن ارتباط بین پره ولوله انتهای پره ها به هم وصل می شوند. تماس بین پره ولوله برای کارکرد فن هوایی از اهمیت زیادی برخوردار است. پره L شکل معمولا در جاهایی استفاده می شود که دمای دیواره لوله از F 350 تجاوز نمی کند و همچنین در جایی که خوردگی سمت هوا زیاد بالا نیست. در جایی که دمای دیواره لوله بالاتر است به علت تفاوت بین جنس پره ولوله پره روی لوله به خوبی سوار نمی شود و این باعث کاهش خنک کنندگی فن می شود.

شکل - پره L شکل ] 6[
ب- جاسازی شده
در کاربردهای دما بالا پره جاسازی شده (شکل ) به کار برده می شود. در این نوع، پره ها کاملا در داخل لوله فرو می روند.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

شکل - پره جاسازی شده ] 6[
این نوع پره معمولا برای محدوده دمایی بین F 350 تا F 750 استفاده می شود.
ج-اکسترود
در جاهایی که خوردگی محیطی وجود دارد این نوع پره بهترین نگهدارنده خواهد بود. این نوع پره با وارد کردن لوله در داخل یک بوش تولید می شود. سپس بوش را به شکل اکسترود(شکل ) در میآورند. در این حالت چون لوله کاملا به وسیله بوش آلومینیومی پوشیده می شود دیواره لوله در مقابل خوردگی کاملا محافظت می شود.

شکل - پره Extruded ] 6[
این نوع برای جاهایی که دمای دیواره لوله بالاتر از F 650 است مناسب است. این نوع پره گران قیمت است. نوع های دیگری از پره ها وجود دارند که مشابه پره های قبلی هستند مانند :
Double L-footed، Knurled L-footed، …
فن هوایی وسیله ای برای دور کردن گرما به طور مستقیم از سیال یا گاز به هوای اطراف است. وقتی گازها یا مایعات خنک می شوند دو منبع با قیمت نسبتا پایین در دسترس هستند. مزیت آشکار فن هوایی عدم نیاز به آب است واین بدان معناست که قسمت خنک کننده تجهیز نیازی به آب ندارد. فن های هوایی امکان انتقال گرما از سیال یا کاز را به هوای اطراف بدون نگرانی از جهت مسائل زیست محیطی و بدون نیاز به هزینه مداوم فراهم می کنند. فن های هوایی می توانند کوچک در اندازه رادیاتورماشین ویا می توانند به اندازه چندین برابر باشند. کاربرد فن های هوایی محدوده وسیعی از صنعت است، اگر چه به طور عمده برای خنک کردن گازها ومایعات وقتی که دمای خروجی مورد نیاز بزرگتر از دمای هوای اطراف باشد استفاده می شوند.
1-7- کاربردهای فن های هواییبسته های فشرده گاز
وسیله های ارسال گاز
خنک کنندگی موتورها
کندانس گازها (پروپان، ماده های سرد کننده غیره)
کندانسرهای بخار
1-7-1- استفاده های صنعتی
در نانوایی ها برای پیش گرم کردن تنور وتهیه بخار برای سایر تجهیزات.
در بیمارستان ها برای ایجاد محیط های استریلیزه.
در اکثر واحدهای پالایشگاهی وپتروشیمیایی.
در طراحی کولر های هوایی پارامترهایی را در نظر می گیرند که تعدادی از آن ها عبارتنداز :
قطر لوله
طول لوله
ارتفاع پره
تعداد ردیف های لوله
تعداد پاس ها
مساحت Face
توان الکتروموتور
متغیرهای زیادی در طراحی وارد می شوند اما طراح باید تلاش کند که فاکتور هایی را برای طراحی بهینه از نظر اقتصادی در نظر بگیرد.
1-8- معادلات اساسی انتقال گرما
Q = U A MTD (1-1)
که
Q = بار گرمایی )Btu/hr (
U = ضریب کلی انتقال گرما, Btu/(hr*sq ft * oF)
A = مساحت سطح )sq ft(
MTD = اختلاف دمای متوسط
معمولا این معادله برای مساحت سطح A حل می شود (بار گرمایی Q معلوم است، ضریب کلی انتقال گرماو MTD نیز قابل محاسبه اند. )
دو نوع بار گرمایی وجود دارد : بار گرمایی نمایان یا بار گرمایی که برای کاهش دمای گاز یا مایع به کار برده می شود وبار گرمایی نهان که معمولا بار چگالنده نامیده می شود.گرمای نهان به وسیله تغییر فاز به وجود می آید وبه صورت زیر تعریف می شود :
Q = m Cp (Ti – To) (1-2)
که
m = دبی مایع یا گاز ورودی )lb/hr(
Cp = ضریب گرمایی متوسط مایع یا گاز ورودی BTU/LB
Ti = دمای مایع یا گاز ورودی
To = دمای مایع یا گاز خروجی
اختلاف دمای میانگین توسط معادله زیر به دست می آید :
که
TPi دمای ورودی سیال فرایندی:
TPo دمای خروجی سیال فرایندی:
TAi دمای هوای ورودی:
TAo دمای هوای خروجی:
U عکس مقاومت کلی R است که به صورت زیر تعریف می شود :
که
ho = ضریب موثر لایه بیرونی
hi = ضریب موثر لایه داخلی
fo = ضریب اصطکاک بیرونی
fi =داخلی ضریب اصطکاک
t = مقاومت در برابر انتقال گرما در دیواره لوله
k = ضریب هدایت دیواره لوله
U = 1/R
1-9- اجزای فن هوایییک فن هوایی شامل قسمتهای زیر است :
1- یک یا چند حلقه برای سطح انتقال گرما.
2- وسیله ای برای بیرون راندن هوا که معمولا فن است.
3-محرک یا وسیله کاهش سرعت.
4- محافظ برای وسیله چر خاننده و محافظت از سطح کویل ها.
5- لوور برای کنترل دمای فرآیند.
اجزای یک فن در شکل  زیر نشان داده شده است.

 - شکل اجزای فن ] 6[
1-10- فن های هوایی عمودی
این فن ها همان اجزایی را دارا می باشند که فن های افقی دارند ودر شکل  نشان داده شده اند :

شکل-اجزای یک فن عمودی] 6[
فن های هوایی می توانند در شکل های مختلفی ساخته شوندکه معمولا شکل فن به توان موتور، نحوه نصب، ساختمان و اولویت های مشتری بستگی دارد. انواع مشابهی از فن ها توسط کارخانجات مختلف ساخته می شوند اگر چه معمولا همه آن ها بر گرفته از یک نوع هستند. رایج ترین نوع فن هوایی یک کویل افقی با جریان هوای عمودی است. این نوع معمولا مجهز به یک الکتروموتور همراه با یک فن است.این نوع همچنین می تواند به وسیله یک موتور آبی یا یک موتور هوایی گردانده شود.
انواع کویل های افقی : در شکل  انواع کویل های افقی نشان داده شده است.

شکل116- انواع کویل های افقی ] 6[
شکل های رایج دیگر فن های هوایی فن های عمودی هستند. این نوع شامل باندل های عمودی همراه با فن عمودی ویک مجرای مکش هوا به صورت افقی هستند.
انواع کویل های عمودی : در شکل  انواع کویل های عمودی نشان داده شده است.

شکل  - انواع کویل های عمودی ] 6[
در جاهایی که توانی در دسترس نیست مکش طبیعی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. فن های با مکش طبیعی می توانند در شکل های مختلفی ساخته شوند مانند مدل هایی با کویل های افقی و عمودی.
. انواع مکش طبیعی نشان داده شده است انواع مختلف مکش طبیعی : درشکل

شکل - انواع مکش طبیعی ] 6[
1-11- تیوب باندل ها واجزای مختلف کویل ها
تیوب باندل هاو کویل ها به صورت لوله ها، هدرها، ساپورت لوله ها وقاپی که اجازه ورود سیال یا گاز را به یک سری از لوله ها به منظور خنک کردن می دهد طراحی و ساخته شده اند. معمولا سطح لوله ها از پره های آلومینیومی است.
انواع تیوب باندل ها در شکل  نشان داده شده اند.

شکل- انواع تیوب باندل ها ] 6[
کویل یا باندل در فن هوایی، لوله ها، هدرها، چهارچوب و ساپورت لوله ها را به هم ربط می دهد. معمولا سطح لوله توسط پره های آلومینیومی در معرض هوای منبسط شده برای جبران نرخ انتقال گرمای پایین قرار می گیرند. هدرها معمولا شامل صفحه لوله، صفحه پلاگ ها و روپوش های بالا و پایین هستند. در جعبه هدرهای استاندارد سوراخ ها باید روبروی هم قرار داده شوند تا بتوانند لوله ها را به خوبی نگهدارند .برای برقرار کردن الگوی جریان در کناره لوله دیواره ها و صفحات به هدر ها جوش داده می شوند. الگوی جریان در کناره لوله با افزایش سرعت ها در کناره البته با اعمال محدوده ای از فشار تعیین می شود.
یک یا چند باندل می توانند در یک ساختمان ترکیب شوند. باندل ها باید حداقل با یک هدر شناور برای انبساط گرمایی لوله ها طراحی شوند. نبودن جایی برای انبساط گرمایی منجر به ایجاد مشکلاتی در اتصال صفحه لوله ها می شود. وقتی انبساط گرمایی رخ می دهد لوله شروع به فشار دادن جعبه هدر می کند و این باعث سست شدن اتصال لوله ها می شود. لوله ها معمولا به داخل سوراخ های جعبه هدر منبسط می شوند. فرآیند انبساط می تواند در صفحه لوله دندانه دار و یا صفحه لوله صاف رخ دهد. در کاربردهای دما بالا و فشار بالا صفحه لوله دندانه دار به علت استحکام ودوام بیشتر ترجیح داده می شود. انبساط صفحه لوله می تواند در جاهایی تا فشار طراحی psi 15000 رخ دهد.در بعضی موارد ممکن است جوش دادن صفحه لوله ها ضروری باشد. رایج ترین ساپورت لوله به صورت wiggle strip است که جایی بین هر ردیف از لوله ها و ترتیب بین لوله ها وجود دارد. نوع رایج دیگر که توسط بعضی از کارخانه ها ساخته می شود نوع wrap aluminum strip است. در شکل  نمایی باز از یک تیوب باندل نشان داده شده است.

شکل - نمایی باز از یک تیوب باندل ] 6[
1-12- فن و محرک هوا
فن های هوایی توسط دو عامل کنترل می شوند: یکی اندازه تیوب باندل و ساختمان آن و دیگری توانایی محرک هوا در سطح باندل. بنا براین ملاحظه اصلی در ساخت فن ها فقط انتخاب فن مناسب نیست بلکه طراحی بدنه مناسب برای عبور هوا از سطح بسیار مهم است. رایج ترین نوع عبور هوا از سطح باندل به صورت افقی است. درشکل  انواع فن ها نشان داده شده اند .

شکل - انواع فن ها ] 6[
یکی از وسایلی که در اکثر واحدهای پالایشگاهی و پتروشیمیایی برای کاهش دمای سیالات مورد استفاده قرار میگیرند خنک کننده های هوایی می باشند. در خنک کننده های هوایی هوا با دمای محیط به لوله های حاوی سیال گرم برخورد کرده و باعث کاهش دمای دیواره لوله می شود و به این ترتیب دمای سیال داخل لوله کاهش می یابد،
طول استاندارد لوله های مورد استفاده در مبدل های خنک کننده هوایی معمولاً 20، 30 و 40 فوت می باشد، یکی از مسائلی که در مورد مبدل های خنک کننده هوایی اهمیت دارد نسبت مساحت فن به مساحت بای است. این نسبت را Converage fan می گویند و در مقدار آن در مبدل های خنک کننده هوایی نباید از 4/0 کوچکتر باشد.
1-13- مشکلات مبدل های خنک کننده هواییسیستم های گردش هوای گرم می توانند در هر موقعی از سال مشکل ساز باشند. این سیستم ها در تابستان به شدت از توانشان کاسته می شود، مهمترین علتهای آن را می توان به صورت زیر بیان نمود:
وقتی خنک کننده های هوایی نزدیک ساختمان بلند و در مسیر پایین باد قرار گیرند هوای گرم خروجی از خنک کننده ها توسط جریان باد حمل می شود و پس از برخورد با مانع مقداری از هوای گرم دوباره به داخل سیستم برگشت داده می شود. قرار دادن خنک کننده های هوایی دور از چنین موانعی بهترین راه حل است. خنک کننده هایی از نوع اجباری همیشه مستعد برگشت هوای گرم هستند مخصوصاً اگر چنین خنک کننده هایی در جایی نزدیک زمین قرار بگیرند. به علت اینکه اختلاف بین سرعت جریانهای هوا کم می شود برگشت هوا تبدیل به مشکل اساسی می شود در نتیجه چنین سیستمهایی باید در ارتفاع نصب شوند.
گاهی اوقات سیستم خنک کننده هوایی خشک به صورت سری با خنک کننده مرطوب به صورت سری به کار برده می شود. البته اگر نیاز به تغییر دمای زیادی در سیستم وجود داشته باشد در این فرایند ها سیال ابتدا وارد بخش لولههای پره دار خشک و سپس وارد قسمت لوله های مرطوب می شود. بعد از اینکه رطوبت اضافی هوا توسط مه گیرهایی گرفته شد، بر روی لوله های خشک وزیده می شود. در سیستم خنک کننده های مرطوب آب به داخل هوای خنک کننده اسپری می شود و سپس هوای مرطوب به روی لوله ها دمیده می شود .البته باید جنس لوله ها از نوعی باشد که بر اثر رطوبت خراب نشود. در شکل  یک مبدل خنک کننده هوایی و یک برج خنک کننده که به طور مشترک و موازی کار سرد کردن سیال گرم ورودی را انجام می دهند، نشان داده شده است.
1219200-159385
شکل 22- یک مبدل خنک کننده هوایی و یک برج خنک کننده ] 6[
« فصل دوم »
« مروری بر کارهای گذشته»
2-1- مروری بر کارهای گذشتهیکی از کاربرد های کولرهای هوایی خنک سازی بخار آب و تبدیل آن به کندانس می باشد [7]. می یر و کروگر [8] تاثیر هندسه مبدل بر روی تلفات جریان هوای ورودی در فن را بررسی کردند. آنها عنوان کردند که هندسه مبدل فقط شامل جزئیات مربوط به لوله های پره دار فن نیست بلکه جهت سطوح پره ها نسبت به جریان هوای ورودی نیز در زاویه برخورد هوای ورودی به مبدل موثر است. مشاهده شده است که تلفات جریان هوای ورودی مستقل از میانگین سرعت هوا در طول مبدل است. تلفات جریان هوای ورودی با کاهش زاویه برخورد هوای ورودی افزایش می یابد. جهت سطح پره های مبدل بر روی تلفات جریان هوای ورودی تاثیر میگذارد و اصولا تابع پروفایل سطح متقاطع لوله ها ی پره دار است. معادله ای بر پایه نتایج آزمایشگاهی برای محاسبه تلفات جریان هوای ورودی مبدل فرمول بندی شده است. همچنین نشان داده شده است که جزئیات هندسه لوله های پره دار مبدل و ساختمان فن هوایی می تواند روی تلفات جریان هوای ورودی تاثیر بگذارد.فن هوایی وسیله ای است که انتقال گرما از سیال فرآیندی به هوای اطراف را آسان میکند.نوع دمنده آن شامل چند ردیف از لوله های پره دار و محرک هوا است که معمولا هوای اطراف را به صورت محوری به سطح لوله های پرهدار می فرستد.سیال فرآیندی گرم که در لوله های پره دار جریان داردخنک می شود. فن های دمنده در گذشته برای کندانس سازی در واحدهای پالایشگاهی به کار برده می شدند[9و10] که تعداد زیادی از این واحدها از آرایش V شکل لوله ها استفاده می کردند. استفاده از این آرایش در جایی که زاویه نیم راس θ کوچک است، باعث افزایش تلفات جریان هوای ورودی می شود[11]. این افزایش تلفات جریان هوا باعث نگارش مقالات تئوری و آزمایشگاهی زیادی شده است. شمار زیادی از این نوشته ها توجه خود را بر روی تلفات جریان هوا که مربوط به جریان قسمت پایین V شکل است، معطوف داشته اند[12-15]. آن ها به این نتیجه رسیدند که تلفات جریان هوای ورودی مستقل از میانگین سرعت هوا در طول مبدل است.
داونهیج و کروگر [16] تاثیر وزش باد بر روی عملکرد یک فن را بررسی کردند.تاثیر وزش باد روی عملکرد فن و گردش هوا روی فن های دمنده در مقالات زیادی بررسی شده اند. بادها به صورت عرضی و موازی در طول لوله ها می وزند. مشاهده شده است که بادهای عرضی به طور عمده حجم هوای رسیده به بالای فن را کاهش می دهند، در حالی که بادهای طولی باعث افزایش گردش هوا در فن ها می شوند. درک کلی از زمینه های جریان و پدیده های مربوط به فن های هوایی برای طراحی بهینه از اهمیت خاصی برخوردار است. عمده ترین تلفات جریان هوا در سیستم فن ها به خوبی معلوم شده است[17]. یکی از پدیده های جریان هوا در سیستم فنها که به طور ضعیف روی آن کار شده است، تاثیر وزش باد بر روی عملکرد فن ها است. این اثر می تواند به دو گروه ضروری تقسیم شود: گروه اول ، آرایش گردش جریان است.گردش جریان وقتی رخ می دهد که قسمتی از آرایش جریان گرم در فن به قسمت ورودی برگردد.این قسمت از هوای ورودی تاثیری در نتایج مربوط به عملکرد فن ندارد.دوتیوت و کروگر [18] مقالاتی را در مورد شرایط بدون وزش باد بر روی فن ها ارائه دادند که این مقالات توسط داونهیج و کروگر [19] توسعه یافتند و روابط تجربی در مورد گردش جریان در شرایط بدون باد معرفی کردند که می تواند هندسه فن را تخمین بزند. چندین پروژه - ریسرچدیگر در مورد گردش جریان هوا به چاپ رسیده است. اکثر این مطالعات به صورت تجربی بر روی هندسه فن ها و شرایط عملیاتی تعیین شده انجام شدهاند[20-24].
گروه دوم تاثیر باد بر روی عملکرد فن است. در طی آزمایشات انجام شده بر روی فن ها تورنر [25] مشاهده کرد که جدایی جریان در ورودی فن به علت غالب آمدن باد است. این جدایی باعث توزیع نامناسب هوا در ورودی فن ودر نتیجه باعث کاهش عملکرد فن می شود. تاثیر باد بر روی عملکرد فن به صورت مشابهی با تاثیر ارتفاع سکوی فن بر روی عملکرد فن ظاهر می شود. اخیرا مقالات تجربی زیادی در این زمینه به وسیله داونهیج [26]چاپ شده است.
شعبانیان و همکارانش[27] مدل های تجربی و CFD مطالعه شده روی انتقال گرما، ضریب اصطکاک و عملکرد دمایی فن های هوایی مجهز به سه نوع تیوب شامل پروانه ای، کلاسیک و دندانه دار مارپیچ را بررسی کردند. نتایج نشان دادند که با به کار گیری نوع کلاسیک و دندانه دار، اختلاف بین نرخ های انتقال گرما به دست آمدند. CFD نتایجی را که برای تشریح نتایج مشاهده شده در ترم هایی با شدت آشفتگی زیاد استفاده شده اند تخمین می زند. تجربه شده است که عملکرد مبدل های گرمایی مخصوصا برای جریان های تک فازی می تواند از طریق بالا بردن مهارت ها بهبود یابد. بالا بردن مهارت ها ی انتقال گرما به دو دسته تقسیم میشوند: اول شیوه های فعال (موثر) که منبع خارجی نیرو لازم دارند. دوم شیوه های کم اثر(منفعل) که منبع خارجی لازم دارند. بعضی از مثال های کم اثر عبارتند از: ایجاد خلل و فرج [28-31]،نوع مارپیچ [32-36].
اس جی ونتر و دی جی کروگر[37]روش های تخمین اثر سیستم در فن ها را بررسی کردند. تاثیر سیستم ناشی از بر هم کنش مقاومت های جریان بالا دستی و پایین دستی در جریان محوری روی فن ها بررسی شده اند[38]. بر همکنش بین فن و مقاومت های جریان شناخته شده اند و تعداد زیادی پروژه - ریسرچدر این زمینه نوشته شده است[39-45]. مقالات بخش خاصی از محدوه کاربرد فن ها در صنعت را نشان می دهند. برد [46] و های و همکارانش [47] اثرهای سیستم وابسته به پوشش ها و فاصله بین رادیاتور فن در سیستم خنک کننده را نشان دادند. تاثیر سیستم وابسته به زانوها، پخش کننده ها و فشردگی ها در ورودی و خروجی فن به وسیله شمار زیادی از نویسندگان مورد بررسی قرار گرفته است [48-51]. مطالعاتی به وسیله کوری [41] و کوارد [52] روی فن ها انجام شد. اثر فضاهای اشغال شده به وسیله فن روی عملکرد فن توسط افرادی مانند لامبرت و همکارانش [53]، استون و ون [54] و راشل و بریمن [55] نشان داده شده اند. در این پروژه در ابتدا فن توسط نرم افزار Aspen B-jac طراحی شده و سپس توسط توسط الگریتم شبکه های عصبی دمای خروجی فن تخمین زده شده و راه کار مناسب جهت جلوگیری از یخ زدگی ارائه شده است.
« فصل سوم »
« مبانی و روش ها»
در این فصل واحد هیدروژن(واحدی که شبیه سازی برای آن انجام گرفته است) به طور خلاصه معرفی می گردد. برای شبیه سازی از دو نرم افزار Aspen B-jac و شبکه عصبی استفاده شده است که هر دوی این نرم افزارها و نحوه شبیه سازی و گرفتن داده ها در این فصل توضیح داده می شود.
3-1- معرفی واحد هیدروژن:واحد تولید هیدروژن به منظور تولید هیدروژن با درجه خلوص 99 درصد طراحی و نصب شده است. قسمتی از هیدروژن تولیدی توسط واکنش‌های ریفرمینگ در کوره واحد از واکنش خوراک با بخار آب در دمای 710-790 سانتی گراد در حضور کاتالیست با فلز فعال نیکل روی پایه‌ی آلومینا و خالص‌سازی در PSA تامین می‌گردد. خوارک واحد می‌تواند گاز طبیعی، گازهای هیدروکربوری تصفیه شده در واحد آمین و یا پروپان باشد که به علت قابلیت دسترسی و استفاده آسانتر معمولاً از گاز طبیعی به عنوان خوراک استفاده می‌گردد.گازهای ناخالص خروجی از PSA حاوی هیدروژن، دی‌اکسید کربن، منواکسید کربن است که در کوره واحد مصرف می‌گردد.
3-2- شیمی فرآیند- گوگرد زدایی خوراک : کاتالیست نیکل بر پایه آلومینا در کوره(راکتور) واحد هیدروژن نسبت به گوگرد و ترکیبات آن حساس می‌باشد. لذا باید غلظت گوگرد در خوراک ورودی به آن کمتر از PPM 1/0 می‌باشد. این کاهش غلظت گوگرد در خوراک با جذب ترکیبات گوگردی توسط کاتالیست ZNO طبق واکنش مقابل انجام می‌گیرد.
ZNO + H2S ZNS + H2Oاکسید روی بسیار فعال بوده و در برابر بخار آب بی‌اثر است سرعت واکنش تابعی از دما و فشار می‌باشد. گاز خوراک در دمای 0C 380-370 و فشار bar 23 در دو راکتور سری تصفیه گوگرد می شود.
- تبدیل با بخار آب Steam Reforming: عملیات ریفرمینگ با بخار آب به منظور تبدیل هیدروکربنهای سبک تا بوتان به CO و CO2 و H2 می‌باشد. واکنش‌ها از نوع تعادلی بوده و در حضورکاتالیست نیکل انجام می‌گیرد.
تمام واکنش‌های انجام یافته گرماگیر بوده و با افزایش دما به سمت راست هدایت می‌گردد. به همین جهت واکنش‌های ریفرمینگ با بخارآب در درون لوله های کوره که حاوی کاتالیست است انجام می‌گیرند. نسبت بخار آب به اتم کربن ورودی  Kgmol بخار اب به ازای هر کیلوگرم اتم کربن می‌باشد که بسیار بیشتر از مقدار مورد نیاز طبق فرمول های شیمیایی می باشد. مقدار اضافی فوق موجب هدایت واکنش‌ها به سمت راست و جلوگیری از ایجاد کک بر روی سطح کاتالیست می‌گردد.
CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2
C2H6 + 2H2O 2CO + 5H2
C2H6 + 4H2O 2CO2 + 7H2

Payan name 2013

فهرست شکلها
TOC h z t "B Lutus 12,1" شکل 1- مدل فرآیند CRISP-DM برای کاربردهای داده کاوی]9[ PAGEREF _Toc379913946 h 21شکل (2-1): معماری سیستم مبتنی بر داده کاوی [42]. PAGEREF _Toc379913947 h 59شکل (2-2): تغییر میزان آنتروپی را برای مجموعه‌ای با دو کلاس PAGEREF _Toc379913948 h 63شکل (2-3): توابع نرمال سازی [40] PAGEREF _Toc379913949 h 67نمودار(2-1): تقریب خطی PAGEREF _Toc379913950 h 73شکل(3-1): صفحه نخست نرم افزار Rapid Miner 5 PAGEREF _Toc379913951 h 62شکل 3-2: خروجی شیها PAGEREF _Toc379913952 h 63شکل 3-3: خروجی قسمت مدل (شبکه عصبی) PAGEREF _Toc379913953 h 63شکل 3-4: خروجی قسمت اطلاعات PAGEREF _Toc379913954 h 64شکل (4-1): متدولوژی CRISP-DM PAGEREF _Toc379913955 h 67شکل (4-2): نحوه افزودن فایل دادهای به برنامه PAGEREF _Toc379913956 h 70شکل (4-3): نحوه انتخاب نوع سطر PAGEREF _Toc379913957 h 71شکل(4-4): آدرس عملگر درخت تصمیم PAGEREF _Toc379913958 h 71شکل(4-5): آدرس عملگر Set Role PAGEREF _Toc379913959 h 72شکل(4-6): آدرس عملگر Select Attribute PAGEREF _Toc379913960 h 72شکل(4-7): آدرس عملگر Discretize by Frequency PAGEREF _Toc379913961 h 72شکل(4-8): نحوه اتصال عملگرها PAGEREF _Toc379913962 h 73شکل(4-9): درخت حاصل از دادههای آموزشی با تابع هدف نسبت بهره اطلاعاتی PAGEREF _Toc379913963 h 74شکل(4-10): درخت حاصل از دادههای آموزشی با تابع هدف آنتروپی PAGEREF _Toc379913964 h 75شکل (4-11): درخت حاصل از دادههای آموزشی با تابع هدف پراکندگی جمعیت(جینی) PAGEREF _Toc379913965 h 75شکل(4-12): آدرس عملگر Apply model PAGEREF _Toc379913966 h 76شکل(4-13): اتصالات تب پردازش در مرحله اعمال مدل PAGEREF _Toc379913967 h 76نمودار (4-1): پیشبینی حاصل از الگوهای درخت تصمیم با تابع هدف نسبت بهره اطلاعاتی PAGEREF _Toc379913968 h 77نمودار(4-2): پیشبینی حاصل از الگوهای درخت تصمیم با تابع هدف آنتروپی PAGEREF _Toc379913969 h 77نمودار(4-3): پیشبینی حاصل از الگوهای درخت تصمیم با تابع هدف پراکندگی جمعیت(جینی) PAGEREF _Toc379913970 h 78شکل (4-15): اتصالات عملگرها جهت تشکیل مدل شبکه عصبی PAGEREF _Toc379913971 h 79شکل(4-16): ساختار شبکه عصبی PAGEREF _Toc379913972 h 80نمودار (4-4): نتیجه تشخیص شبکه عصبی PAGEREF _Toc379913973 h 80نمودار(4-6): نتایج حاصل از اجرای شبکه عصبی بر دادههای خرابی پیشبینی شده توسط درخت تصمیم PAGEREF _Toc379913974 h 82

فهرست جداول
TOC h z t "B jadval,1" TOC p " " h z t "JADVAL,1"
جدول (2-1): مقایسه آنالیز آماری و داده کاوی ............................................................................. PAGEREF _Toc387017773 h 53جدول (2-2) کلاس های پیش بینی . .......................................................................................... PAGEREF _Toc387017774 h 69جدول (2-3): ماتریس تداخل......................................................................................................... PAGEREF _Toc387017775 h 70جدول(2-4): مجموعه اعتبار سنجی................................................................................................ PAGEREF _Toc387017776 h 74جدول) 3-1(: دادههای مورد استفاده در تشخیص کنتورخراب........................................................ PAGEREF _Toc387017777 h 68جدول (4-3): نتایج حاصل از ارزیابی نتایج درختهای تصمیم ایجاد شده....................................... PAGEREF _Toc387017778 h 78جدول (4-3): مقادیر پارامترهای عملگر شبکه عصبی.................................................................... PAGEREF _Toc387017779 h 79

فصل اول
کلیات تحقیقاین فصل به تعریف مسأله و راهکار کلی می‌پردازد. در ابتدا سعی می‌شود که مسأله تعریف شود. سپس اهمیت و ضرورت مسأله، اهداف و فرضیه‌ها شرح داده می‌شود و در نهایت ساختار این پژوهش، توضیح داده می‌شود.
1-1 بیان مسألهظرفیت ذخیره سازی داده های دیجیتال در سراسر جهان هر نه ماه برای حداقل یک دهه دو برابر شده است، در صورتی که در دو برابر مدت مشابه طبق پیش بینی قانون مور قدرت محاسباتی و سرعت رشد میکند]1[. داده کاوی نشان دهنده یک گام در فرایند کشف دانش در پایگاه دادهها میباشد]2[ که میتوان آن را یک نیاز اساسی در دنیای امروز دانست. بنا بر اعلام دانشگاه MIT امروزه مرز و محدودیتی برای دانش داده کاوی در نظر گرفته نشده و دامنه کاربرد آن را از اعماق اقبانوسها تا بی کران فضا میدانند]3[. تلاش برای الگوهای موجود در دادهها مدت زمان طولانی در بسیاری از زمینه ها، از جمله آمار، الگوشناسی ، و تجزیه و تحلیل دادههای اکتشافی مورد مطالعه قرار گرفته شده است]4[.
داده کاوی به عنوان یک ابزار مهم برای کسب دانش از پایگاه داده های پدید آمده است]5[ از این رو میتوان به اهمیت الگوریتمهای داده کاوی پی برد که شبکههای عصبی و درخت تصمیم از جملهی این الگوریتمها میباشد. درخت تصمیم یک راه طبیعی برای ارائه یک فرآیند تصمیم گیری میباشد، چرا که درک آنها برای هر کسی ساده و آسان است]6[ همچنین محبوبیت شبکههای عصبی با دست اندرکاران داده کاوی در حال افزایش چشم گیر است زیرا آنها خود را، از طریق مقایسهی قدرت پیش بینی خود با تکنیکهای آماری با استفاده از مجموعه دادههای واقعی اثبات کردهاند]7[. تحقیقات جدید نمایانگر این است که الگوریتمهای ترکیبی دقت بیشتر و عملکرد بهتری را به نسبت به استفادهی مجزا و مستقل آنها در دادهکاوی از خود نشان میدهند]8[.
با توجه به آنکه تشخیص کنتورهای خراب توسط خود شرکت گاز با استفاده از دادههای موجود مقدور نمیباشد، این شرکت برای تعویض و شناسایی کنتورهای خراب میبایست مأمورینی داشته باشد که در محل حضور داشته و بصورت فیزیکی اقدام به تست کنتور نماید تا اگر احتمالا خراب بود اقدامات لازم را انجام دهند که با توجه به وجود تعداد زیاد مشترکین این عمل یک فرایند زمان بر، پرهزینه و سخت خواهد بود. نوع تحقیق حاضر براساس هدف طراحی و کاربردی می باشد. هدف از طراحی، طراحی یک روش ترکیبی از شبکه عصبی و درخت تصمیم برای کاوش دادههای شرکت شرکت ملی گاز در راستای کاهش هزینه پروژهی تعویض کنتورهای خراب میباشد که شرکت مذکور هر 7 سال یکبار باید اقدام به انجام آن در حوزه مربوطه مینماید. پروژه حاضر سعی دارد تا با طراحی روش ترکیبی از شبکه عصبی و درخت تصمیم فرآیند دادهکاوی را جهت تحلیل دادههای حوزه کرمانشاه استفاده کرده و کنتورهایی با احتمال بالای خرابی را شناسایی و به شرکت نام برده ارائه دهد تا در حد توان جهت کمینه کردن هزینه تشخیص و تعویض کنتورها کمک نماید.
1-2 اهمیت و ضرورت تحقیقامروزه علم داده کاوی در هر جایی که داده وجود داشته باشد کاربرد پیدا کرده است و روش ترکیب روشهای مختلف آن برای حصول نتیجه بهتر را میتوان کاری جدید دانست. همانطور که در بیان مسأله نیز شرح داده شد، شرکت ملی گاز قادر به تشخیص کنتورهای خراب از پایگاه داده بدون حضور در محل و همچنین کشف الگوهای مرتبط با مسأله که در پایگاه داده شرکت موجود است، نمیباشد. از این رو این پروژ با استفاده از علم داده کاوی و با ترکیب الگوریتمهای موجود، سعی در حل مسأله تشخیص میکند.
داده کاوی به عنوان یک ابزار مهم برای کسب دانش از پایگاه داده های حجیم میباشد]5[ و با توجه به حجیم بودن پایگاه داده شرکت ملی گاز میتوان فهمید که کار تجزیه و تحلیل پایگاه داده بدون استفاده از علم داده کاوی و بصورت دستی امری محال میباشد. به این ترتیب با توجه به موارد مطرح شده در بیان مسأله میتوان به اهمیت موضوع کاملا پی برد.
1-3 جنبه نوآوری تحقیقداده کاوی به تازگی وارد صنعت ملی گاز شده[9]، با توجه به این مسأله و همچنین تحقیقات و بررسیهای انجام شده در ادارات گاز استان کرمانشاه و ارومیه انجام این پروژه در این ادارات بی سابقه بوده است. امروزه روشها و الگوریتمهای داده کاوی در زمینههای مختلف وارد میشوند و روش ترکیبی جدیدی که در این پروژه طراحی و تست و ارزیابی میشود میتواند راهنمایی برای کارهای مشابه باشد.

1-4 اهداف تحقیقاز نتایج و کارهای انجام شده در آن بطور خلاصه و نکتهای میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
ارائه یک روش ترکیبی و یک مدل قابل قبول از درخت تصمیم و شبکه عصبی برای حل مشکل تشخیص کنتور خراب
تحلیل دادههای شرکت ملی گاز برای کاهش هزینه تشخیص و تعویض کنتور خراب
مقایسه الگوریتمهای مختلف موجود در روشهای درخت تصمیم
1-5 سوالات پروژهمهم‌ترین سؤالات این تحقیق در پنج مورد زیر خلاصه می‌شود.
برای تحلیل دادههای شرکت گاز کدام ترکیب از الگوریتمهای گفته شده مناسبتر است؟
معیارهای مناسب جهت تشخیص کنتور خراب چیست؟
کدام ساختار برای شبکه عصبی پیشنهادی مناسبتر است؟
مدل حاصله چگونه آموزش داده میشود؟
آیا میتوان احتمال خرابی یک کنتور را با مدل تصمیم گیری ارائه شده با دقت قابل قبول تشخیص داد؟
1-6 فرضیه‌هادر این پروژه موارد زیر به عنوان فرضیه جهت حل مسأله و پاسخ به سوالات پروژه در نظر گرفته شده است:
الگوریتم ترکیبی از درخت تصمبم و شبکه عصبی راهکار مناسبی برای حل مسأله است.
معیارها و فاکتورهای ارزیابی خرابی کنتور در جریان اجرای الگوریتم از پایگاه دادهها قابل دسترسی و محاسبه است.
تعداد ورودیها بستگی به تعداد متغیرها داشته و نتیجهی حاصله شامل کنتورهای خراب میباشد. پس ساختار مورد استفاده شامل چندین ورودی و یک خروجی میباشد.
اگر بنا بر دسته بندی کنتورهای خراب در چندین دسته مانند کنتورهای خراب، کنتورهایی با احتمال بالای خرابی، کنتورهایی با احتمال پایین خرابی و... شبکه دارای چندین خروجی خواهد شد.
با استفاده از دادههایی که از شناسایی یکسری محدود دادههای کنتورهای سالم و همچنین یکسری محدود دادههای کنتورهای خراب، شبکه آموزش داده میشود.
اختلافات بوجود آمده بین دادههای یک مشترک در طول زمان و استمرار آن را میتوان دلیل بر خرابی کنتور دانست.
1-7 راهکار ارائه شدهبا توجه به حساسیت این شرکت بر روی دادهها قبلا مجوز دسترسی به فیلدهای مربوطه گرفته شده است و منبع دادهها پایگاه داده شرکت ملی گاز کرمانشاه است. الگوریتمهای داده کاوی را از یک دید کلی بر اساس نوع میتوان به 2 گروه تقسیم کرد که عبارتند از دسته بندی و خوشه بندی. دسته بندی شامل بررسی ویژگیهای یک شی جدید و تخصیص آن به یکی ازمجموعههای از قبل تعریف شده میباشد ولی خوشه بندی به عمل تقسیم ناهمگن به تعدادی از زیر مجموعهها یا خوشههای همگن گفته میشود]3[. با توجه به تعاریف، نوع استفاده شده در این پروژه دسته بندی میباشد. با توجه به گسسته بودن اطلاعات روشی مشتمل بر شبکه عصبی و درخت تصمیم برای حل مساله مطرح شده طراحی میشود. با استفاده از پرسشنامه جهت دستیابی به تجارب مسئولین مرتبط با هدف پروژه، معیارهایی برای تعریف کنتور سالم و کنتور خراب از دیدگاه شرکت مشخص خواهد شد. نتیجه این پرسشنامه که ویژگیهای کنتور خراب را از دید مسئولین مشخص خواهد کرد که در تشخیص معیارهای ارزیابی کمک خواهد نمود. با توجه به معیارهای بدست آمده و ترکیب آنها با معیارهای مهندسی شده درمورد ساختار شبکه عصبی تصمیم گرفته خواهد شد و همچنین معیارهای مقایسه در درخت تصمیم مورد نظر بدست میآید. دادههای ارزیابی شده به عنوان مجموعه اعتبارسنجی انتخاب میشود که جدای از دادههای آموزش شبکه میباشد. بعد از آموزش شبکه عصبی و درخت تصمیم نسبت به ارزیابی و اعتبار سنجی آنها با مناسبترین الگوریتم از بین الگوریتمهای نام برده شده در شرح مسأله اقدام خواهد شد. بعد از اتمام طراحی و اعتبار سنجی روش حاصل توسط ابزارهای داده کاوی تست و اجرا میشوند و در صورت بروز مشکل یا احتمال خطا با توجه به تکرارپذیر بودن داده کاوی مراحل گفته شده دوباره تا حصول بهترین نتیجه تکرار خواهند شد. بعد از اتمام کلی و نهایی شدن طراحی، روش حاصله توسط ابزارهای داده کاوی تست و اجرا گشته و در نهایت نتایج جهت کمینه کردن هزینهی پروژهی مذکور در شرکت ملی گاز کرمانشاه به آن شرکت ارائه خواهد گردید.
روند داده کاوی نیز طبق متودلوژی CRISP-DM ]6[ پیش خواهد رفت که در شکل 1 میتوان آن را مشاهده نمود.

شکل 1- مدل فرآیند CRISP-DM برای کاربردهای داده کاوی]6[با توجه به اینکه داده کاوی یک فرآیند تکرارشونده است این مراحل تا حصول یک نتیجه قابل قبول تکرار خواهند شد.
تکنیکهای داده کاوی را میتوان به منظور ساخت سه نوع مدل، برای سه نوع فعالیت بکار برد که عبارتند از نمایه سازی توصیفی، نمایه سازی هدایت شده و پیش بینی]3[ که پروژه حاضر از نوع نمایه سازی هدایت شده میباشد.
با توجه به استفاده از درخت تصمیم و شبکه عصبی در این پروژه مراحل انجام طراحی برای هر قسمت جداگانه در ادامه توضیح داده خواهد شد.
الگوریتمهای درخت تصمیم در دسته بندی دادههای جدید بهترین عملکرد را ندارد. میتوان اینگونه گفت که درخت، الگوهای کلی را در گرههای بزرگ و الگوهای خاص را در گرههای کوچکتر مییابد. به عبارتی، درخت بر مجموعه آموزشی محاط شده که نتیجه آن یک درخت بیثبات و ناتوان در پیش بینیهای مناسب میباشد. علاج کار، حذف تقسیمات ناپایدار از طریق ادغام برگهای کوچکتر توسط فرآیندی است که هرس کردن نام دارد]10[. برای هرس کردن یکی از الگوریتمهای موجود مانند هرس کارت ]11[، هرس C5 ]11[، هرس ثبات محور ]10[ استفاده خواهد شد.
برای اندازه گیری خلوص ارزیابی تقسیمات در متغیرهای تابع هدف درخت تصمیم با توجه به دستهای یا عددی بودن آن از روشهای رایج مانند جینی ( پراکندگی جمعیت)]12[، آنتروپی (بهره اطلاعاتی)]13[، نسبت بهره اطلاعاتی که بیشترین کارایی را دارد استفاده شده است]10[.
برای طراحی شبکه عصبی در راستای اهداف پروژه مراحل زیر دنبال خواهد شد]10[:
تشخیص مشخصههای ورودی و خروجی
تبدیل ورودیها و خروجیها به نحوی که در یک بازه کوچک قرار گیرند.
ایجاد شبکه با یک ساختار مناسب
آموزش دادن شبکه به کمک مجموعه دادههای آموزشی
استفاده از مجموعه اعتبار سنجی، جهت انتخاب مجموعه اوزانی که خطا را به حداقل میرساند
ارزیابی شبکه با استفاده از مجموعه آزمون به منظور بررسی کیفیت عملکرد آن
به کار گرفتن مدل ساخته شده توسط شبکه جهت پیش بینی نتایج متناظر با ورودیهای نامعلوم
بعد از طراحی شبکه عصبی توسط مراحل گفته شده میتوان به سوالات زیر پاسخ داد:
تابع فعال سازی چیست؟
ساختار شبکه چگونه است؟
شبکه چگونه آموزش داده میشود؟
ساختار شبک دارای حداقل دو لایه پنهان است. بر روی یالهای شبکه اوزانی با استفاده از روش پس انتشار خطا برای تنظیم و تشخیص ورودیها در نظر گرفتیم. در نهایت بعد از طراحی، مدل را ساخته و در نرم افزار Rapid Miner 5 تست و اجرا کردیم و اشکالات را یافته و با تکرار مراحل طراحی آنها را رفع کردیم تا در نهایت مدل طراحی شده بتواند به مسأله مطرح شده پاسخ قابل قبولی را ارائه دهد.
1-8 ساختار پایان‌نامهدر ادامهی متن پایان نامه، ساختار کلی فصول مختلف به صورت زیر خواهند بود:
فصل دوم: این فصل مروری بر ادبیات و پیشینه پروژه میباشد که در آن به معرفی اولیه الگوریتمها و روشهای اجرا شده در پروژه اشاره میکنیم.
فصل سوم: در این فصل فرآیند داده کاوی انجام شده و روشها تست و ارزیابی میشوند و در نهایت روش ترکیبی از بهترین نتایج بدست آمده را تشکیل داده و معرفی میکنیم.
فصل چهارم: این فصل به نتیجه نهایی پروژه و معرفی راهکارهای آینده اشاره میکند.
فصل دوم
مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق

2-1 داده کاوی چیست؟بنا بر اعلام دانشگاه MIT دانش نوین داده کاوی یکی از ده دانش در حال توسعه‌ای است که دهه آینده را با انقلاب تکنولوژیکی مواجه می‌سازد. این تکنولوژی امروزه دارای کاربرد بسیار وسیعی در حوزه‌های مختلف است، به گونه‌ای که امروزه حد و مرزی برای کاربرد این دانش در نظر نگرفته‌اند [14].
داده کاوی، تحلیل داده و کشف الگوهای پنهان با استفاده از ابزارهای خودکار و یا نیمه خودکار است و هم چنین فرآیندی پیچیده جهت شناسایی الگوها و مدل های صحیح، جدید و به صورت بالقوه مفید در حجم وسیعی از داده می‌باشد، به طریقی که این الگوها و مدلها برای انسان‌ها قابل‌درک باشند. جمع‌آوری داده‌ها سبب شده سازمان‌ها منابع داده غنی و دانش ناچیزی داشته باشند. حجم این مجموعه داده‌ها به سرعت افزایش می‌یابد و باعث محدود شدن استفاده کاربردی از داده‌های ذخیره‌شده می‌شود. هدف اصلی داده کاوی استخراج الگوها از داده‌های موجود، افزایش ارزش ذاتی‌شان و تبدیل داده به دانش است [14].
با گسترش سیستمهای پایگاهی و حجم بالای داده‌های ذخیره‌شده در این سیستمها، به ابزاری نیاز است تا بتوان این داده‌ها را پردازش کرد و اطلاعات حاصل از آن را در اختیار کاربران قرارداد. معمولاً کاربران پس از طرح فرضیه‌ای بر اساس گزارشات مشاهده‌شده به اثبات یا رد آن می‌پردازند درحالی‌که امروزه به روش‌هایی نیاز داریم که به کشف دانش می‌پردازند، یعنی روش‌هایی که با کمترین دخالت کاربر و به صورت خودکار الگوها و رابطه‌های منطقی را پیدا کرده و بیان نماید.
امروزه، بیش‌ترین کاربرد داده کاوی در بانک‌ها، مراکز صنعتی و کارخانجات بزرگ، مراکز درمانی و بیمارستان‌ها، مراکز تحقیقاتی، بازاریابی هوشمند می‌باشد. داده کاوی فرآیند اکتشاف اطلاعات و روندهای نهفته از درون حجم بسیار زیاد داده‌هایی است که در قالب پایگاه‌های داده‌ای، انباره های داده‌ای و یا هر نوع انباره اطلاعاتی ذخیره می‌شود. داده کاوی اطلاعات موجود در انبار داده‌ها را استخراج و داده‌ها را به دانشی حیاتی و مهم در ارتباط با کسب و کار تبدیل می‌نماید [15]. از طریق داده کاوی و دانش جدیدی که در اختیار قرار می‌دهد، افراد می‌توانند از داده‌ها به عنوان اهرمی جهت خلق فرصت‌ها یا ارزش‌های جدید در سازمان خود استفاده کنند و همچنین برای مسائل طبقه‌بندی و رگرسیون بکار گرفته شود. در مسائل طبقه‌بندی، دسته‌ای از اشیاء که در داخل یک طبقه‌ای قرار دارند پیش‌بینی می‌شوند و در مسائل رگرسیون، یکسری از اعداد، پیش‌بینی می‌گردند.
در حال حاضر، داده کاوی مهم‌ترین فناوری جهت بهره‌برداری موثر از داده‌های حجیم است و اهمیت آن رو به فزونی است [16]. به طوری که تخمین زده شده است که مقدار داده‌ها در جهان هر 20 ماه به حدود دو برابر برسد. در یک تحقیق که بر روی گروه‌های تجاری بسیار بزرگ در جمع‌آوری داده‌ها صورت گرفت مشخص گردید که 19 درصد از این گروه‌ها دارای پایگاه داده‌هایی با سطح بیشتر از 50 گیگابایت می‌باشند و 59 درصد از آن‌ها انتظار دارند که در آینده‌ای نزدیک در چنین سطحی قرار گیرند [16].
2-2 تعاریف متنوعی از داده کاوی
در زیر به تعاریف داده کاوی از دیدگاههای مختلف میپردازیم:
داده کاوی کشف دانش از پایگاه داده‌ها نامیده می‌شود) نشانگر فرآیند جالب استخراج دانش از قبل ناشناخته (الگو از داده است [17].
فرآیند کشف الگوهای مفید از داده‌ها را داده کاوی می‌گویند [16].
فرآیند انتخاب، کاوش و مدل کردن داده‌های حجیم، جهت کشف روابط نهفته باهدف به دست آوردن نتایج واضح و مفید، برای مالک پایگاه داده‌ها را، داده کاوی گویند [17].
"فاید"، داده کاوی را این‌گونه تعریف کرد، یک فرایند استخراج از اطلاعات ضمنی ناشناخته و مفید از داده‌های ذخیره‌شده در پایگاه داده‌هاست [18].
"گودیچی"، نیز داده کاوی را فرایند انتخاب، اکتشاف ومدل سازی مقادیر زیادی از داده‌ها برای به دست آوردن نتایج روشن و مفید برای پایگاه داده‌ها تعریف می‌کند [18].
اما تعریفی که در اکثر مراجع به اشتراک ذکرشده عبارت است از: "استخراج اطلاعات و دانش و کشف الگوهای پنهان از یک پایگاه داده‌های بسیار بزرگ و پیچیده"[17].
داده کاوی یک متدلوژی بسیار قوی و با پتانسیل بالا می‌باشد که به سازمان‌ها کمک می‌کند که بر روی مهم‌ترین اطلاعات از مخزن داده‌های خود تمرکز نمایند [19].
ابزارهای داده کاوی الگوهای پنهانی را کشف و پیش‌بینی می‌کنند که متخصصان ممکن است به دلیل اینکه این اطلاعات و الگوها خارج از انتظار آن‌ها باشد، آن‌ها را مدنظر قرار ندهند و به آن‌ها دست نیابند [19].
2-3 آیا داده کاوی سودمند است؟داده کاوی به دو دلیل سودآور است:
داده کاوی منجر به تصمیمات واقع‌بینانه می‌شود.
داده کاوی منجر به تکرار تصمیمات سودآور اتفاق افتاده در گذشته می‌شود.
با استفاده از داده کاوی تصمیمات احساسی کنار گذاشته میشوند و بر اساس واقعیت‌ها تصمیمات گرفته میشوند. بنابراین ضررهای ناشی از ناآگاهی مدیران حذف می‌شود. داده کاوی همچنین فضای سال‌های گذشته‌ی شرکت شما را بازبینی می‌کند و در نهایت نشان می‌دهد کدام تصمیمات منجر به سود شده است درحالی‌که شما از آن تصمیمات اطلاعی ندارید. شرکت‌ها و سازمان‌ها هر لحظه در حال اتخاذ تصمیمات جدیدی هستند که منجر به سود یا زیان آن مجموعه می‌شود. بسیاری از تصمیمات بر اساس واقعیات موجود گرفته نمی‌شود و عواملی چون «فراموشی»، «تخلفات و تقلبات»، «اشکالات خط تولید»، «منافع شخصی» و «سیاست‌های اعمال نفوذ شده از جاهای دیگر» منجر به اتخاذ تصمیمات غیر شفاف و در نتیجه زیانبار می‌شود[20].
اما داده کاوی فضای حاکم بر کسب‌ وکار شما را شفاف می‌کند و شما را ملزم می‌کند واقع‌بینانه تصمیم بگیرید. تصمیم‌گیری واقع‌بینانه کلید از بین بردن تصمیمات احساسی و در نتیجه از بین بردن بهره‌وری پایین و ضررهای ناشی از ناآگاهی است. به طور کلی فضای تصمیم‌گیری در یک کسب‌ و کار شباهت بسیار زیادی به فضاهای تصمیم‌گیری اتفاق افتاده در 10 سال گذشته‌ی آن مجموعه دارد. این شباهت در یاد تصمیم‌گیرندگان آن کسب‌ و کار باقی نمی‌ماند و اغلب آشکار نیز نمی‌شود. داده کاوی فضای سال‌های گذشته‌ی کسب‌ و کار شما را بازخوانی می‌کند و به شما می‌گوید کدام تصمیمات منجر به سود شده است و کدام تصمیمات منجر به زیان کسب‌ و کار شده است. بنابراین داده کاوی باعث می‌شود تصمیمات زیان ده کسب و کارتان در گذشته را تکرار نکنید ولی تصمیمات سودآور اتفاق افتاده در گذشته را دوباره تکرار کنید. به لحاظ فنی، داده کاوی عبارت از فرآیندی است که در میان حوزه‌های گوناگون بانک‌های اطلاعاتی ارتباطی بزرگ، همبستگی‌ها یا الگوهایی را پیدا می‌کند [21].
2-4 آمار و داده کاویتلاش برای الگوهای موجود در دادهها مدت زمان طولانی در بسیاری از زمینه ها، از جمله آمار، الگوشناسی ، و تجزیه و تحلیل دادههای اکتشافی مورد مطالعه قرار گرفته شده است]4[. داده کاوی اساساً یک رشته کاربردی است و یک داده کاوی باید از روش‌های آماری درک خوبی داشته باشد. در داده کاوی تلاش می‌شود بین آمار و علوم رایانه‌ای رابطه‌ای برقرار گردد. برقراری این ارتباط به دلیل وجود یک سلسله از فرضیات ضمنی و غیر واضح و دشوار بودن تبدیل مفاهیم نظری به الگوریتم‌های رایانه‌ای در ادبیات آماری و به دلیل وجود الگوریتم‌های فراوان در ادبیات رایانه‌ای دشوار است. لذا داشتن درکی درست از مدل‌سازی و الگوریتم‌های محاسباتی برای کارهای داده کاوی ضروری است.
روابط در داده کاوی غالباً به صورت الگوها و مدلهایی از قبیل معادلات رگرسیونی، سری‌های زمانی، خوشه‌ها، رده‌بندی‌ها، گراف‌ها و غیره ارائه می‌شوند. در داده کاوی نیز همانند آمار غالباً داده‌هایی که تحلیل می‌شوند، نمونه‌ای از جامعه هستند که به تبع بزرگ بودن جامعه با نمونه‌ای حجیم مواجه هستیم. در هنگام کار با مجموعه داده‌های حجیم مشکلات تازه‌ای بروز می‌کند. برخی از این مشکلات به نحوه ذخیره‌سازی یا فراخوانی داده‌ها مربوط می‌شود و برخی دیگر مربوط به مسائلی مانند نحوه تحلیل داده‌ها در زمانی مناسب و استخراج الگوها و مدلهای حاکم بر داده‌ها است [22]. به طور کلی فرآیند کاوش الگوها، مدل ها و روابط مطلوب در یک مجموعه داده شامل مراحل زیر است:
معین ساختن طبیعت و ساختار مورد نظر
تصمیم‌گیری در مورد میزان برازش نمایش‌های متفاوت به داده‌ها، یعنی انتخاب یک تابع امتیاز
اتخاذ یک فرآیند الگوریتمی برای بهینه‌سازی تابع امتیاز
تصمیم‌گیری در مورد اصول مدیریت داده‌ها برای اجرای موثر الگوریتم
با توجه به اینکه مدلها و الگوها، توابع امتیاز، روش‌های بهینه‌سازی و راهکارهای مدیریت داده‌ها چهار مؤلفه اصلی الگوریتم‌های داده کاوی را تشکیل می‌دهند، با توجه به اینکه ماهیت داده‌ها در آمار با داده کاوی متفاوت است، داده کاوی به برخی از روش‌های آماری که دارای ویژگی‌های خاصی می‌باشند توجه بیشتری نشان می‌دهد.
یکی از ویژگی‌های مورد توجه روش‌های آماری در داده کاوی، سادگی تعبیر آن‌ها است. از این رو به استفاده از مدلهای نسبتاً ساده و قابل تعبیر مانند گراف‌ها گرایش زیادی وجود دارد. در داده کاوی مواردی که در آن‌ها با تعداد بسیار زیادی متغیر، مدل و یا فرضیه مواجه هستیم، فراوان است. از طرفی داده کاوی یک فرآیند اکتشافی و تکراری است به این معنی که در خلال تحلیل داده‌ها اطلاعات جدید کشف می‌شوند و فرضیه‌های قبلی اصلاح و فرضیه‌های جدید ارائه می‌شوند و این کار ممکن است با داده‌های زیاد، بارها تکرار شود. لذا از دیدگاه آمار روش‌هایی با کارایی محاسباتی بالا، تحلیل‌های محاسباتی و تحلیل‌های تقریبی، مورد توجه خاص داده کاوی هستند. تاکید بیشتر داده کاوی بر بعضی روش‌های آماری، به معنی عدم استفاده از سایر روش‌های آماری نیست و در عمل از طیف گسترده‌ای از روش‌های آماری برای تحلیل داده‌ها استفاده می‌شود.
آمار و داده کاوی هر دو با روش‌های تحلیل و مدل بندی داده‌ها مرتبط می‌باشند. بنابراین اشتراک زیادی بین این دو رشته وجود دارد. به عنوان یک شوخی، یکی از نویسندگان در پاسخ سؤال اینکه "داده کاوی چیست؟ بیان می‌کند که "همان آمار است، اما با یک نام خیلی بهتر" البته این ویژگی به معنای یکسان دانستن داده کاوی وآنالیزآماری نیست، در جدول زیر این تفاوت‌ها آورده شده است [23،21].
جدول (2-1): مقایسه آنالیز آماری و داده کاوی [22]آنالیز آماری داده کاوی
آمار شناسان همیشه با یک فرضیه شروع به کار می‌کنند. به فرضیه احتیاجی ندارد.
آمار شناسان باید رابطه‌هایی را ایجاد کنند که به فرضیه آن‌ها مربوط شود الگوریتم‌های داده کاوی در ابزارها به طور اتوماتیک روابط را ایجاد می‌کنند
آن‌ها از داده‌های عددی استفاده می‌کنند. ابزارهای داده کاوی از انواع مختلف داده و نه فقط عددی می‌توانند استفاده کنند.
آن‌ها می‌توانند داده‌های نابجا و نادرست را در طول آنالیز تشخیص دهند داده کاوی به داده‌های صحیح و درست طبقه‌بندی شده بستگی دارد.
آن‌ها می‌توانند نتایج کار خود را تفسیر کنند و برای مدیران بیان کنند. نتایج داده کاوی آسان نیست و همچنان به متخصصان آمار برای تحلیل آن‌ها و بیان آن‌ها به مدیران نیاز است.
2-5 پیچیدگی و هزینه زمانیتحلیلگران دریافتهاند که پیچیدگی و زمانبر بودن دسترسی به حجم زیاد دادههای مورد نیاز و پردازش آن‌ها توسط بعضی ابزارهای داده کاوی، استفاده از این ابزارها را در هر نقطه از زمان و مکان غیرممکن ساخته است.
وزارت امنیت داخلی ایالات‌متحده آمریکا در آگوست 2006، به 12 تلاش داده کاوی دست زد که یکی از آن‌ها سیستم TVIS بود. این سیستم به منظور ایجاد و بهبود اشتراک دانش از خطرات تروریستی بالقوه، به روشی واحد دادههای زنده تولیدشده به وسیله خلبانان را ترکیب میکرد. نتایج تحلیلها نشانداد که اگرچه این سیستم در یک دوره تناوب دو ساعته کار می‌کند، کاربران قادر به استفاده روزانه از آن نبوده و فقط دو تحلیلگر امکان استفاده همزمان از آن را دارند. این منجر به اتلاف وقت تحلیلگران در زمان جستجو در پایگاه دادههای مضاعف شد. مشکل پیچیدگی و هزینه زمانی بعضی تکنیکهای داده کاوی، موجب کاهش پذیرش استفاده زمان واقعی از این سیستمها توسط افراد و روی آوردن به سیستمهایی با عملکرد ضعیفتر میشود [24].
2-6 محرمانگی دادههابا وجود تکنیکهای داده کاوی و اشتراک اطلاعات، توجه بسیاری از تحلیلگران به پیادهسازی محرمانگی و امنیت دادهها معطوفشدهاست. بعضی کارشناسان پیشنهاد کرده‌اند که بعضی کاربردهای ضد تروریسمی داده کاوی میتواند برای یافتن الگوهای تبهکارانه و مقابله با انواع جرمها مفید باشد. تا کنون، با وجود دیدگاه‌های متضاد بحث شده، توافق کمی درباره اینکه داده کاوی به چه صورت باید اجرا شود وجود دارد. بعضی مخالف سبک سنگینی برای ایجاد محرمانگی و تأمین امنیت هستند. بعضی ناظران نیز پیشنهاد کرده‌اند که قوانین و مقررات مربوط به حمایت از محرمانگی کافی هستند و هیچ تهدیدی برای محرمانگی وجود ندارد. هنوز ناسازگاریهایی در باب این مسئله وجود دارد که باید برطرفشوند. به موازات پیشرفت‌های داده کاوی، سؤالات متنوعی افزایش مییابند شامل اینکه نهادهای شهری و دولتی تا چه اندازه می‌بایست دادههای تجاری را با دادههای دولتی استفاده و ترکیب کنند، آیا منابع داده به منظورهایی غیر از هدف اصلی طراحی میشوند و کاربردهای ممکن از اعمال محرمانگی چیست؟ [25]
2-7 محدودیت‌های داده کاوی "گـرچه داده کاوی پیشرفت شگرفی در نوع ابزارهای تحلیلی موجود به وجود آورده است، لکن محدودیت‌هایی نیز درباره کاربردپذیری آن وجود دارد. یکی از محدودیت‌ها این است که ابزارهای داده کاوی هنوز استانداردسازی نشده‌اند و از نظـر تأثیرگذاری اختـلاف فـاحشـی با یکـدیگـر دارنـد. محدودیت دیگر آن است که گــرچــه داده کـاوی می‌تواند بـه آشکـارسـازی انگاره‌ها و رابطه‌ها کمک کند اما نمی‌تواند ارزش یا اهمیت این انگاره‌ها را به کاربر بگوید. بـنــابــرایــن، خــود کــاربـر بـایـد ایـن اطـلاعـات را مشخـص کنـد. محـدودیـت دیگـر این است که گرچه داده کاوی می‌تواند روابط بین رفتارها یا متغیرها را شناسایی کند، اما لزوما نمی‌تواند یک رابطه تصادفی را شناسایی کند"[26].
2-8 مراحل داده کاویچرخهی داده کاوی شامل روشها و مراحل مختلفی میباشد که ما در این پروژه از متدولوژی CRIDP-DM استفاده میکنیم. مراحل متدولوژی نام برده به ترتیب زیر است:
درک کسب و کار: در اولین قدم بایستی یک تعریف مناسب از مسأله و فضایی که قرار است پروژه در آن اجرا شود، داشت.
درک دادهها: در دومین قدم بایستی تمامی دادهها جمع آوری شود و مورد بررسی قرار گیرند. در این مرحله دادهها تعریف و یک دید از هرکدام از دادهها ارائه میشود.
آماده سازی دادهها: در این بخش دادههای مورد نیاز تشخیص داده شده و یا دادههای جدید از ترکیب دادههای قبلی تولید میشوند.
ساخت مدل: در این مرحله بایستی با استفاده از دادههای موجود مدلی برای حل مسأله ساخته شود. این مدل میتواند با هر یک از روشهای داده کاوی در راستای هدف تعریف شده ساخته شود.
تست و ارزیابی: در این مرحله مدل ساخته شده با دادههای مشخص بایستی مورد تست و ارزیابی قرار بگیرند. در این ارزیابی بنا به تعریف مسأله میتوان معیارهایی مانند دقت و یا سرعت مدل را مورد بررسی قرار داد.
ارائه مناسب از مدل و نتایج: در آخرین مرحله از این فرآیند بایستی روشی مناسب برای ارائه مدل و نتایج حاصل از اجرا و تست و ارزیابی پروژه انتخاب نمود.
باید توجه داشت که جمع‌آوری و محافظت از داده‌ها نکته بسیار مهمی می‌باشد. اصولاً چون قالب و نوع داده‌ها در طول زمان تغییر می‌کند ممکن است بسیاری از داده‌های موجود در قالب‌های متفاوت باشند و همچنین بسیاری از داده‌های قدیمی از بین رفته و دور ریخته شوند. درحالی‌که ممکن است اهمیت این داده‌ها از داده‌های جدید به هیچ‌وجه کمتر نباشد. همچنین به علت اینکه داده‌ها از منابع مختلف داخلی و خارجی مانند کارکنان شرکت، مدیران، مشتریان، کارفرمایان، پیمانکاران باشند باز هم ممکن است قالب داده‌ها باهم یکسان نباشد. به همین دلیل انتخاب داده‌های درست و یکپارچه‌سازی قالب آن‌ها به منظور استفاده در داده کاوی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می‌باشد[27].
2-9 وظایف و تکنیک های داده کاویکلاس‌بندی
تخمین
پیش‌بینی
گروه‌بندی وابستگی‌ها
خوشه‌بندی
نمایه‌سازی توصیفی
2-9-1 کلاس‌بندیکلاس‌بندی به معنای یادگیری تابع نگاشت ترکیب مقادیر خصایص به دسته‌های مختلف و تعیین کلاس از یک شی پایه بر اساس ویژگی‌هایش می‌باشد. هر شی‌ای که کلاس‌بندی می‌شود به صورت عمومی توسط رکوردهایی در جدول یک پایگاه داده یا در یک فایل بیان می‌گردد و عمل کلاس‌بندی با اضافه نمودن یک ستون جدید به همراه کد کلاس انجام می‌شود. وظیفه کلاس‌بندی به خوبی توسط تعریف کلاس‌ها و یک مجموعه آموزشی شامل نمونه‌های کلاسه‌ای از پیش تعریف‌شده مشخص می‌گردد .و در نهایت مدلی ساخته می‌شود که می‌توان داده‌های غیر کلاس‌بندی به این کلاس‌ها تخصیص داد [28].
2-9-2 تخمین
برآورد کردن با مقادیر خروجی پیوسته سروکار دارد .به صورت تجربی برآورد کردن اغلب قبل از کلاس‌بندی استفاده می‌شود. از مزایای رویکرد برآورد این است که رکودهای منحصربه‌فرد می‌توانند مطابق با برآورد رتبه ترتیبی اتخاذ نمایند [28].
2-9-3 پیش‌بینیپیش‌بینی همانند کلاس‌بندی است و انتظار می‌رود رکودهایی که کلاس‌بندی شده‌اند بر طبق بعضی از ویژگی‌های کلاس‌ها بتوانند پیش‌بینی‌های رفتارهای آینده به همراه تخمین ارزش‌های آینده باشند. در پیش‌بینی تنها راهی که مشخص می‌کند کلاس‌بندی ما صحیح بوده این است که منتظر بمانیم و ببینیم. داده‌های تاریخی برای ساخت مدلهای مفید هستند که رفتار مشاهدات جاری را توصیف نمایند و زمانی که مدل پیش‌بینی برای ورودی‌های جاری بکار برده می‌شود ،حاصلش این است که رفتارهای آینده را پیش‌بینی می‌نماید [28].
2-9-4 قواعد وابستگی یا گروه‌بندی پیوستگی‌هاقواعد انجمنی قابلیتی برای یافتن روابط ناشناخته موجود در اطلاعات است. این روابط مواردی از قبیل اینکه حضور مجموعه‌ای از مقولات اشاره به این دارند که مجموعه مقولات دیگری نیز احتمالاً وجود دارند را شامل می‌شود. این قواعد و وابستگی‌ها برای مشخص کردن چیزهایی است که باهم هستند .این وظیفه قلب تحلیل سبد بازار است و رویکردی ساده برای تولید قاعده دار داده می‌باشد[28].
2-9-5 خوشه‌بندیاین وظیفه برای بخش‌بندی جمعیت ناهمگن به زیرمجموعه‌های همگن یا همان خوشه‌ها می‌باشد. تفاوت عمده خوشه‌بندی با کلاس‌بندی در این است که بر اساس کلاس‌های از پیش تعریف‌شده عمل نمی‌نماید. در کلاس‌بندی هر رکورد به کلاس‌های از پیش تعریف‌شده‌ای که بر پایه توسعه مدل یادگیری می‌باشند، تخصیص داده می‌شود درحالی‌که در خوشه‌بندی کلاس‌های از پیش تعریف‌شده وجود ندارد و رکوردها بر پایه شباهت‌هایشان، گروه‌بندی می‌شوند [28].
2-9-6 نمایه‌سازی توصیفیبعضی اوقات هدف از داده کاوی ساده‌سازی توصیف و اینکه در پایگاه داده‌های پیچیده از چه طریقی می‌توان با شناخت افراد، میزان عرضه و تقاضای محصولات را افزایش داد. درخت تصمیم‌گیری ابزار قدرتمندی برای پروفایل نمودن مشتری می‌باشد [28].
2-10 معماری سیستم مبتنی بر داده کاویمعماری سیستم مبتنی بر داده کاوی از اجزای زیر تشکیل شده است :
پایگاه داده، انباره داده تحلیلی، سایر مخزن‌های اطلاعاتی که شامل یک یا مجموعه‌ای از پایگاه داده، انباره داده‌های تحلیلی، صفحات گسترده است و تکنیک های پالایش و تجمیع روی این داده‌ها انجام می‌گردد. سرویس‌دهنده پایگاه داده یا انبار داده تحلیلی که مسئول واکشی داده‌های مرتبط با درخواست‌های داده کاوی کاربران می‌باشد.
بانک دانش: دامنه دانشی است که به منظور راهنمای تحقیق و یا ارزیابی نتایج جالب‌توجه الگوها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
موتور داده کاوی :از اجزای اصلی سیستم های داده کاوی است و مشتمل بر مجموعه‌ای از توابع برای وظایف داده کاوی می‌باشد .
الگوها: دانش به دست آمده در قالب الگوهایی ارائه و توسط توابعی صحت و دقت آن‌ها ارزیابی می‌شود .
واسط کاربر: به عنوان ارتباط‌دهنده‌ی میان کاربر و سیستم داده کاوی می‌باشد و ابزاری است برای بصری سازی الگوهای کاوشی در فرم های متفاوت [28].

شکل (2-1): معماری سیستم مبتنی بر داده کاوی [28].2-11 روش‌های داده کاوی
اهداف داده کاوی شامل پیش‌بینی و توصیف یا ترکیبی از آن‌هاست. هدف پیش‌بینی تمرکز بر روی دقت در توانایی پیش‌بینی بوده و توصیف بر درک فرآیند تولید داد ه ها تمرکز دارد. در پیش‌بینی تا زمانی که مدل قدرت پیش‌بینی دارد، کاربر توجهی به این ندارد که مدل انعکاس دهنده واقعیت است. به هر ترتیب، اهداف داده کاوی با استفاده از روش‌های داده کاوی، محقق می‌شوند. اصطلاح روش‌های داده کاوی در واقع بیانگر جمع کثیری از الگوریتم‌ها و فنون است که از علومی مانند آمار، یادگیری ماشین، پایگاه داده وتجسم سازی، استنتاج شده‌اند. روش‌های داده کاوی مشهوری که در این پژوهش معرفی خواهند شد شامل شبکه‌های عصبی، درختان تصمیم می‌باشد که در ادامه این روش ها را شرح می دهیم و همچنین دو روش ترکیبی جدید از روشهای گفته شده برای حل مسأله تشخیص کنتور خراب معرفی و بررسی خواهیم کرد.
2-12 درخت تصمیم‌گیریدرخت تصمیم‌گیری از نسل جدید تکنیک های داده کاوی بشمار می‌آید که در دو دهه اخیر توسعه زیادی یافته است. از این تکنیک هم می‌توان برای کشف و استخراج دانش از یک پایگاه داده و هم برای ایجاد مدل های پیش‌بینی استفاده نمود. درخت تصمیم‌گیری یکی از ابزارهای قوی و متداول برای دسته‌بندی و پیش‌بینی می‌باشد که قادر به تولید توصیفات قابل‌درک برای انسان، از روابط موجود در یک مجموعه داده‌ای است. ساختار تصمیم‌گیری می‌تواند به شکل تکنیک های ریاضی و محاسباتی که به توصیف، دسته‌بندی و عام سازی یک مجموعه از داده‌ها کمک می‌کنند نیز معرفی شوند.
درخت تصمیم، شیوه منحصر به فردی از ارائه یک سیستم است، که تصمیم‌گیری‌های آتی را تسهیل و سیستم را به نحو مناسبی تعریف می‌کند. با توجه به اینکه اکثر سیستم های مهندسی، اجرایی و محاسباتی را می‌توان در قالب یک سری داده (ویژگی یا ویژگی‌ها و خروجی منطبق با آن‌ها) تعریف کرد، می‌توان با استفاده از یک الگوریتم، (ایجاد درخت) ویژگی‌ها و خروجی‌ها را آنالیز کرد و سیستم را بر اساس این داده‌ها در قالب یک درخت تصمیم ارائه کرد [29]. درخت تصمیم‌گیری، ساختاری بازگشتی برای بیان یک فرآیند طبقه‌بندی متناوب می‌باشد که به وسیله مجموع‌های از صفات تشریح گردیده و یک وضعیت را به مجموع‌های گسسته از طبقات تخصیص می‌دهد [23].
هر برگ درخت تصمیم‌گیری، نماینده یک طبقه می‌باشد. درخت تصمیم روش کارآمد ویژه‌ای برای ایجاد دسته‌بندی کننده‌ها از داده‌ها است. مهم‌ترین خصوصیت درخت‌های تصمیم، قابلیت آن‌ها در شکستن فرآیند پیچیده تصمیم‌گیری به مجموع‌های از تصمیمات ساده‌تر است که به راحتی قابل تفسیر هستند [31،30].
نواحی تصمیم پیچیده سراسری (خصوصاً در فضاهایی با ابعاد زیاد) می‌توانند با اجتماع نواحی تصمیم محلی ساده‌تر در سطوح مختلف درخت تقریب زده شوند. برخلاف دسته‌بندی کننده‌های تک مرحله‌ای رایج که هر نمونه، روی تمام دسته‌ها امتحان می‌شود، در یک دسته‌بندی کننده درخت، یک نمونه روی زیرمجموعه‌های خاصی از دسته‌ها امتحان شده و محاسبات غیر لازم حذف می‌شوند. در دسته‌بندی کننده تک مرحله‌ای، فقط از زیر مجموعه‌های از صفات، برای روش بین دسته‌ها استفاده می‌شود که معمولاً با یک معیار بهینه سراسری انتخاب می‌شود. در دسته‌بندی کننده درخت، انعطاف‌پذیری انتخاب زیرمجموعه‌های مختلفی از صفات در گروه‌های داخلی مختلف درخت وجود دارد، به شکلی که زیرمجموعه انتخاب‌شده به شکل بهینه بین دسته‌های این گروه را تفکیک می‌کند. این انعطاف‌پذیری ممکن است بهبودی در کارایی را نسبت به دسته‌بندی کننده‌های تک مرحله‌ای ایجاد کند [31،23].
2-13 نقاط قوت درخت تصمیم‌گیریفهم مدل ایجادشده توسط درخت تصمیم‌گیری آسان می‌باشد. به عبارت دیگر با اینکه ممکن است الگوریتم‌هایی که درخت را ایجاد می‌کنند چندان ساده نباشد ولی فهم نتایج آن آسان می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[33].
درخت تصمیم‌گیری این توانایی را دارد که پیش‌بینی‌های خود را در قالب یک سری قوانین ارائه دهد.
نیاز به محاسبات خیلی پیچیده‌ای برای دسته‌بندی داده‌ها ندارد.
برای انواع مختلف داده‌ها قابل‌استفاده می‌باشد.
درخت تصمیم‌گیری نشان می‌دهد کدام فیلد یا متغیرها تأثیرات مهمی در پیش‌بینی و دسته‌بندی دارند.
سادگی در تحلیل و قابلیت تحلیل ساختار در مواقع پیچیدهتر و در حضور داده‌های ناقص نیز وجود دارد.
در صورت نیاز می‌توان به سادگی با نتایج روش‌های دیگر ترکیب‌شده و مدل را گسترش داد.
این ساختار قادر به کار کردن با مقادیر غیر عددی بوده و تعامل بهتری با اطلاعاتی با ماهیت غیر عددی دارد.
2-14 معایب درختان تصمیم در مقابل این مزیت‌ها میتوان به معایبی از جمله عدم تطابق با ویژگی‌های پیوسته در این درخت نیز اشاره نمود، این ساختار تنها قادر به کار کردن با ویژگی‌های است که مقادیر گسسته (با تعداد محدود) را در بر بگیرند. برای غلبه بر این مشکل، روشهای بسیاری پیشنهادشده تا مقادیر پیوسته به تعدادی خوشه‌های کوچک‌تر تقسیم شوند و به جای استفاده از مقادیر پیوسته هر ویژگی، مشخصه خوشه‌ای که این مقدار را در بر می‌گیرد در تصمیم‌گیری ساختار درخت تصمیم مورد استفاده قرار گیرد. برای این کار میتوان از روشهای خوشه‌بندی و یادگیری بدون ناظر استفاده نمود. همان طور که در بخشهای بعدی توضیح داده خواهد شد، در این پژوهش برای حل چنین مشکل‌هایی از الگوریتم خوشه‌بندی K-means استفاده ‌شده که در بخش مربوطه توضیح داده خواهد شد.
از دیگر مشکلات درخت تصمیم، نحوه ساختن یک درخت بهینه با کمترین میزان خطا و تا حد ممکن ساده است. فرآیند ساخت درخت، یک فرآیند واحد نمیباشد. متأسفانه، مشکل پیدا کردن کوچک‌ترین درخت تصمیم از روی یک نمونه دادهای، مسئله NP-Complete است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[34]. به همین دلیل، اکثراً روش‌هایی بر پایه روشهای ساخت درخت غیر عقبگرد و به صورت حریصانه عمل مینمایند.
از معایب دیگر آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
در مواردی که هدف از یادگیری، تخمین تابعی با مقادیر پیوسته است مناسب نیستند.
در موارد با تعداد دسته‌های زیاد و نمونه آموزشی کم، احتمال خطا بالاست.
تولید درخت تصمیم‌گیری، هزینه محاسباتی بالا دارد.
هرس کردن درخت هزینه بالایی دارد.
در مسائلی که دسته‌های ورودی با نواحی مکعبی به خوبی جدا نشوند و دسته‌ها همپوشانی داشته باشند، خوب عمل نمی‌کنند.
در صورت همپوشانی گره‌ها تعداد گره‌های پایانی زیاد می‌شود.
در صورتی که درخت بزرگ باشد امکان است خطاها از سطحی به سطحی دیگر جمع شوند (انباشته شدن خطای لایه‌ها بر روی یکدیگر) [35].
طراحی درخت تصمیم‌گیری بهینه، دشوار است. کارایی یک درخت دسته‌بندی کننده به چگونگی طراحی خوب آن بستگی دارد.
احتمال تولید روابط نادرست وجود دارد.
بازنمایی درخت تصمیم دشوار است.
وقتی تعداد دسته‌ها زیاد است، می‌تواند باعث شود که تعداد گره‌های پایانی بیشتر از تعداد دسته‌های واقعی بوده و بنابراین زمان جستجو و فضای حافظه را افزایش می‌دهد.
این الگوریتم به حافظه زیادی نیاز دارد [35].
2-15 آنتروپیدر نظریه اطلاعات آنتروپی میزان خلوص (بی‌نظمی یا عدم خالص بودن) مجموعه‌ای از مثال‌ها را مشخص می‌کند. اگر مجموعه S شامل مثال‌های مختلف با کلاس‌های مشخص 1و 2و .. وn باشد و pi نشان‌دهنده نسبت تعداد اعضای کلاس i به کل داده‌های موجود باشد، در این صورت داریم:

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

EntropyS= -1log⁡(n) i-1npilog⁡(pi) (1-2)
با توجه به تعریف آنتروپی هر چقدر که نسبت کلاس‌ها به کل نمونه‌های موجود به همدیگر نزدیک‌تر باشد، آنتروپی مقدار بیشتری به خود می‌گیرد و در واقع زمانی که همه کلاس‌ها دقیقاً به یک اندازه باشند، میزان آنتروپی به بیش‌ترین مقدار خود یعنی 1 خواهد رسید:
∀i: pi= 1n ⟹ EntropyS=1 (2-2)
و وقتی که همه نمونه‌ها متعلق به یکی از کلاس‌ها باشند و باقی کلاس‌ها هیچ عضوی نداشته باشند در این صورت میزان آنتروپی به کمترین مقدار خود، یعنی صفر خواهد رسید. شکل زیر نحوه تغییر میزان آنتروپی را برای مجموعه‌ای با دو کلاس نشان می‌دهد. در این شکل، میزان فراوانی کلاس اول با P1 (که در نتیجه مقدار فراوانی کلاس دیگر برابر خواهد بود با 1- P1 ) بر روی محور افقی نمایش داده‌شده و محور عمودی آنتروپی مجموعه S را بر اساس این پراکندگی نشان می‌دهد [36]:

شکل (2-2): تغییر میزان آنتروپی را برای مجموعه‌ای با دو کلاساز روی مفهوم آنتروپی می‌توان، مفهوم بهره اطلاعاتی مجموعه نمونه S برای ویژگی A را به صورت زیر تعریف نمود:
GainS,A= EntropyS- v∈Values(A)SvS EntropySv (3-2)
که Values(A) مجموعه تمام مقادیری است که ویژگی A به خود می‌گیرد و همچنین Sv نیز نشان‌دهنده زیرمجموعه‌ای از S است که در آن‌ها ویژگی A مقدار v را به خود گرفته است. در هر مرحله از شاخه زنی درخت تصمیم (انتخاب یک ویژگی برای رأس‌های میانی)، ویژگی انتخاب خواهد شد که بهره اطلاعاتی بیشتری داشته باشد و به عبارت دیگر با انتخاب این ویژگی، میزان آنتروپی نسبت به حالت قبل از شاخه زنی بیش‌ترین کاهش را داشته باشد. الگوریتم درخت تصمیم از گره ریشه شروع به شاخه زنی و تقسیم مجموعه نمونه‌ها به زیرمجموعه‌های کوچک‌تر کرده و سپس این کار را به صورت بازگشتی بر روی زیرمجموعه‌های به وجود آمده از این شاخه زنی نیز تکرار میکند و این کار را تا جای ممکن ادامه میدهد:
در گره n، که شامل مجموعه نمونه‌های S است، ویژگی A را طوری انتخاب کن که بیش‌ترین بهره اطلاعاتی را برای مجموعه S داشته باشد، در صورتی که شاخه زنی ممکن نباشد، الگوریتم تمام شده است [36].
2-16 هرس درخت تصمیم تولیدشدهبا توجه به اینکه درخت تصمیم تولیدشده در این مرحله تا جای ممکن گسترش داده‌شده، یعنی شاخه زنی در این درخت تا جایی ادامه یافته که هر کدام از برگهای درخت شامل نمونههای آموزشی با تنها یک کلاس باشند، برگهای موجود در این درخت به شدت به تک‌تک نمونه‌های استفاده‌شده وابسته بوده و به همین درخت تولیدشده دلیل نسبت به نویز دادههای آموزشی حساسیت زیادی دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[37].
درخت با داده‌های آموزشی مطابق روش قبل یاد گرفته می‌شود. سپس برای یک گره داخلی (غیر برگ n ) زیرشاخه n حذف می‌گردد. این زیرشاخه با یک برگ جایگزین می‌شود. به این برگ دسته مثال‌های اکثریت یعنی دسته‌بندی اکثر مثال‌های قرارگرفته تحت این شاخه نسبت داده می‌شود. عملکرد درخت بر روی نمونه‌های تست که در آموزش درخت از آن‌ها استفاده نکرده‌ایم بررسی می‌شود: اگر درخت هرس شده عملکرد بهتر و یا مساوی با درخت فعلی داشت از درخت هرس شده استفاده می‌شود. هرس کردن آن‌قدر ادامه می‌یابد تا هرس بیشتر، سودی نداشته باشد.
2-17 شبکه عصبی مصنوعی یکی از ابزارهای تحلیلی داده کاوی است که می‌تواند برای پیش‌بینی شاخص بهداشت و درمان مانند هزینه و استفاده از تسهیلات مناسب به کار گرفته شود. شبکه‌های عصبی شناخته‌شده برای تولید نتایج بسیار دقیق در پزشکی و هم چنین ابزاری قدرتمند برای کمک به پزشکان در تجزیه و تحلیل، مدل و ایجاد داده‌های بالینی پیچیده در طیف گسترده‌ای از برنامه‌های کاربردی می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38]. این شبکه‌ها مجموعه‌ای از اتصالات ورودی و خروجی است که هر اتصال دارای وزن مختص به خود می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Aqueel Ahmed</Author><Year> 2012</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[3, 15]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Aqueel Ahmed, Shaikh Abdul Hannan</author></authors></contributors><titles><title>Data Mining Techniques to Find Out Heart Diseases: An Overview</title><secondary-title>International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE)</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE)</full-title></periodical><pages>18-23</pages><volume>1</volume><number>4</number><section>18</section><dates><year> 2012</year><pub-dates><date>Sep--ber 2012</date></pub-dates></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Dan-Andrei SITAR-TĂUT</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="100%">Dan-Andrei SITAR-T</style><style face="normal" font="default" charset="238" size="100%">ĂUT, Adela-Viviana SITAR-TĂUT</style></author></authors></contributors><titles><title>Overview on How Data Mining Tools May Support Cardiovascular Disease&#xD;Prediction</title><secondary-title>Journal of Applied Computer Science &amp; Mathematics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Applied Computer Science &amp; Mathematics</full-title></periodical><pages>57-62</pages><volume>no. 8 (4)</volume><section>57</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16،14]. این مدل شبیه مغز انسان است و شامل یادگیری الگوها از یک مجموعه داده‌ها برای پیش‌بینی در پزشکی می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39]. شبکه‌های عصبی توانایی استنتاج معانی را از داده‌های مبهم و پیچیده را دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Aqueel Ahmed</Author><Year> 2012</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Aqueel Ahmed, Shaikh Abdul Hannan</author></authors></contributors><titles><title>Data Mining Techniques to Find Out Heart Diseases: An Overview</title><secondary-title>International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE)</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE)</full-title></periodical><pages>18-23</pages><volume>1</volume><number>4</number><section>18</section><dates><year> 2012</year><pub-dates><date>Sep--ber 2012</date></pub-dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40] و شامل فرایندهای یادگیری، پیش‌بینی مشاهدات جدید و تعیین توالی می‌باشد. اما اشکال آن در این است که توضیحی راجع به اینکه چگونه به این نتیجه خاص رسیده است را نمی‌دهد. در حقیقت شبکه‌های عصبی مصنوعی بر آن هستند تا با ورودی‌های خاص یک خروجی خاص ایجاد کنند و بر این اساس مفهوم آموزش یا تنظیم و یادگیری شبکه عصبی مصنوعی به وجود می‌آید. شبکه‌های عصبی در زمینه پزشکی قادر به تجزیه و تحلیل نمونه‌های خون و ادرار، ردیابی سطح گلوکز در بیماران دیابتی، تعیین سطح یون در مایعات بدن و تشخیص آسیب شناختی و تشخیص بیماری قلبی شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[33].
ایده اصلی این‌گونه شبکه‌ها الهام گرفته از شیوه کارکرد سیستم عصبی موجودات زنده و به خصوص مغز انسان، برای پردازش داده‌ها، و اطلاعات به منظور یادگیری و ایجاد دانش قرار دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41]. عنصر کلیدی این ایده، روشی برای محاسبه است که بر پایه اتصال به هم پیوسته چندین واحد پردازشی ساده به نام نورون ساخته می‌شود که برای حل یک مسئله با هم هماهنگ عمل می‌کنند و توسط سیناپس‎ها (ارتباطات الکترومغناطیسی) اطلاعات را بین یکدیگر منتقل میکنند و یادگیری این شبکه‌ها بر پایه این اتصالات به هم پیوسته واحدهای پردازشی ساخته می‌شود. شبکه از تعداد دلخواهی سلول یا گره یا واحد یا نرون تشکیل می‌شود که مجموعه ورودی را به خروجی ربط می‌دهند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[36،39].
از نقاط قوت استفاده از شبکه‌های عصبی، قابلیت مدلسازی داده‌ها، با متغیرهای پیوسته و گسسته بوده و قابلیت تقریب قوی در این ساختارها است. طبق قضیه "سایبنکو"، یک شبکه پرسپترون با یک لایه مخفی و تعداد کافی نورون غیرخطی، میتواند نقش یک تقریب زننده جهانی را ایفا کند، یعنی میتواند هر تابع پیوسته بر روی هر زیر فضای بسته را تقریب زند. با این حال، یافتن وزنهای بهینه برای یک شبکه‌های عصبی مصنوعی به منظور کمینه کردن خطا بسیار پیچیده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[42]. از سوی دیگر با وجود اینکه این روش کارایی بسیار خوبی برای کار با دادههای عددی دارد ولی با داده‌های رستهای نیز مانند دادههای عددی برخورد میکند. به همین دلیل، نحوه تفسیر عددی از دادههای رستهای به عنوان دادههای عددی، میتواند در عملکرد الگوریتم تأثیرگذار باشد. از دیگر معایب شبکههای عصبی ماهیت جعبه سیاه آن است یعنی پس از انجام مرحله آموزش و برآورد وزنهای مدل، تفسیر این وزنها و استدلال درباره دادهها بر اساس این پارامترها ناممکن است. از دیگر معایب این الگوریتمها، زمان بیشتر آموزش دادن مدل نسبت به دیگر الگوریتمهای به‌کاررفته در این پژوهش میباشد [36].
یکی از معروف‌ترین انواع شبکه‌های عصبی مصنوعی، شبکه عصبی پرسپترون چند لایه می‌باشد. این شبکه‌ها، شامل چند لایه از گره‌هایی به نام پرسپترون هستند که توسط یک شبکه feed-forward کاملاً به هم پیوسته به یکدیگر متصل میشوند. نورون های همه لایه‌ها به جز لایه ورودی (که خطی هستند) به صورت نورون هایی با تابع فعال‌سازی غیرخطی مدل میشوند. از معروف‌ترین توابع فعال‌سازی مورد استفاده برای پرسپترون میتوان به موارد زیر اشاره نمود:

شکل (2-3): توابع نرمال سازی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[36]
در این شبکه‌ها، هر نورون در لایه‌های غیر پایانی، به هر کدام از نورون های لایه بعدی توسط اتصال (در نقش سیناپس های مغز) با وزن wij نسبت داده میشود تا تأثیر خروجی نورون (پالس تولیدشده) را بر روی نورون های لایه بعدی نشان دهد. در این شبکه، خروجی هر نورون در هر لایه به تک‌تک نورون های لایه بعدی فرستاده می‌شود (با تأثیرپذیری از وزن wij) و مجموع مقادیر ورودی به هر نورون در نورونهای لایه بعد، ورودی این نورون ها را تشکیل میدهند.
مرحله یادگیری یک شبکه پرسپترون چند لایه از طریق تعیین وزن‌های شبکه عصبی انجام می‌شود به طوری که این وزنها بتوانند میزان خطای خروجی شبکه را نسبت به کلاس‌بندی واقعی تا جای ممکن کاهش دهند. معروف‌ترین روش برای این کار، الگوریتم پس انتشار خطا می‌باشد.
الگوریتم آموزش پس انتشار خطا به این صورت است: وزن‌های شبکه با اعداد تصادفی کوچکی وزن دهی میشوند. برای هر نمونه آموزشی، خروجی شبکه با توجه به وزن‌های موجود تعیین شود. خروجی شبکه با کلاس واقعی داده نمونه مقایسه شود [36]. اگر تفاوتی بین کلاس پیش‌بینی‌شده و کلاس واقعی وجود داشت، میزان تغییرات مورد نیاز برای اعمال بر روی وزن‌ها طبق قانون پس انتشار خطا محاسبه میشوند. اگر مجموع خطا بر روی تمام داده‌های نمونه، در حد قابل قبولی بود الگوریتم پایان پذیرفته، در غیر این صورت به مرحله 2 برگشته و بار دیگر داده‌های خروجی را به الگوریتم داده و وزنها را بر حسب میزان خطا به روز مینماییم.
میزان تغییرات خطا در قانون پس انتشار خطا بر پایه مشتق تابع فعال‌سازی پرسپترون های هر لایه و بر حسب میزان خطای تولیدشده برای نمونه تعیین میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wasan</Author><Year>2006</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xxseratwrwp5d2ep5s2vvealxsfed2vsetv5">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harleen Kaur and Siri Krishan Wasan</author></authors></contributors><titles><title>Empirical Study on Applications of Data Mining Techniques in Healthcare</title><secondary-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Computer Science 2 (2): 194-200</full-title></periodical><pages>194-200</pages><section>194</section><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[36]. فرض کنیم نمونه آموزشی p با کلاس واقعی d(p) به شبکه عصبی داده میشود و شبکه عصبی خروجی y(p) را برای این نمونه پیش‌بینی میکند، در این صورت میزان خطای شبکه برای این نمونه آموزشی، برابر خواهد بود با:
ep= 12dp-yp2 (4-2)
حالا در صورتی که این خطا از حد قابل‌قبول بیشتر باشد، میزان تغییرات ایجاد شونده در وزن نورونها طبق فرمول زیر محاسبه خواهد شد:
∆wij(n)= -η∂E(p)∂ϑj(p)Oi(n) (5-2)
که در آن η نرخ آموزش الگوریتم است که نحوه و سرعت هم گرایی الگوریتم را تعیین میکند، این عدد همیشه کوچک‌تر از یک بوده و عموماً عددی بین 0.2 و 0.8 می‌باشد. Oi نیز مقدار خروجی نورون i ام قبلی است که به عنوان ورودی به نورون n فرستاده شده است. ϑj(p) نیز ورودی نورون j برای داده نمونه p است که به همان مجموع وزن دار خروجی نورونهای مرحله قبل میباشد. مشتق جزئی خطا برای نورون j از لایه خروجی را میتوان به صورت زیر محاسبه نمود:
-∂Ep∂ϑjp=ej(p)f'ϑjp (6-2)

—216

جریان اطلاعات

شکل 2 – 2 : یک نمای کامل از زنجیره‌ی‌تأمینبا توجه به مفهوم زنجیره‌ی‌تأمین می‌توان مدیریت زنجیره‌ی‌تأمین را تاثیرگذاری بر رفتار زنجیره‌ی‌تأمین جهت دستیابی به نتایج دلخواه و به عبارت دقیق‌تر یکپارچه‌سازی فعالیت‌های زنجیره‌ی‌تأمین و نیز جریان‌های اطلاعاتی مرتبط با آن، از طریق بهبود و هماهنگ سازی فعالیت‌ها در زنجیره‌ی‌تأمین تولید و عرضه محصول نامید (لادُن و لادُن، 2002).

نیلی و همکاران (1995) معتقدند سنجش عملکرد به صورت فرآیند کمی‌سازی اثربخشی و بازده یک عمل تعریف می‌شود. اثربخشی اندازهای از خواستههای مشتری است که برآورده شده است و بازده شاخصی است که میزان اقتصادی بودن منابع سازمان را در هنگام فراهم کردن سطح خاصی از رضایت مشتریان اندازه‌گیری میکند. سیستمهای سنجش عملکرد به صورت مجموعهای کلی از معیارهایی تعریف میشوند که هر دو عامل اثربخشی و بازده را کمی میکنند. نیلی و همکاران (1995) تعدادی از رویکردهای سنجش عملکرد را شناسایی کردند، شامل: کارت امتیازدهی متوازن (کاپلان و نورتون، 1992)، ماتریس سنجش عملکرد (کیگان و همکاران، 1989)، پرسشنامههای سنجش عملکرد (دیکسون و همکاران، 1990)، معیار سنجش طراحی سیستم (گلوبرسن، 1985) و رویکردهای تولید به کمک کامپیوتر. بهعلاوه آنها دامنهای از محدودیتهای سیستم‌های سنجش عملکرد موجود برای تولید را هم شناسایی کردهاند، شامل: تشویق به استفاده در دورههای کوتاه مدت، نبود تمرکز بر روی استراتژیها (سیستم سنجش به صورت صحیح با اهداف استراتژیک، فرهنگ سازمانی و سیستم‌های تشویقی همسو نیست)، تشویق به بهبود مقطعی به جای بهبود مستمر با مجبورکردن مدیران به کاهش انحراف از استاندارد و ناکامی در دادن اطلاعات کافی در این مورد که کدامیک از رقبا دارد بر اساس الگو عمل میکند.
مرور خوبی که توسط نیلی و همکاران (1995) در مورد سنجش عملکرد فراهم شد به صورت گسترده‌ای در تحقیقات اخیر در مورد سیستمها و معیارهای سنجش عمکرد زنجیرهیتأمین اشاره شده است (برای مثال، بیمن، 1999؛ بیمن و چِن، 2001؛ گوناسکاران و همکاران، 2001و 2004). در این مطالعات اشاره شده است که اغلب محدودیتهایی که توسط نیلی و همکارانش مشخص شده است در زمینه سیستم‌های سنجش عملکرد زنجیرهیتأمین همچنان بیپاسخ مانده است. بهعلاوه آن‌ها بر این نکته تاکید دارند که معیارها و سیستمهای سنجش جدیدی برای برطرف کردن این نواقص مورد نیاز است.
1.2.2 فرآیند ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمینفرآیند ارزیابی عملکرد کاری ساده و آسان نیست و مستلزم جمع‌آوری داده‌ها و اطلاعات زیادی است. در اینجا، فرآیند ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین ارائه می‌شود. در شکل (2-3) این مراحل نشان داده می‌شود.
تعیین مدل ارزیابی کارآیی
تعیین شاخص‌های ارزیابی
جمع‌آوری اطلاعات شاخص‌ها و انجام ارزیابی

شکل 2- 3 : فرآیند ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین- تعیین مدل ارزیابی کارآیی: این کار با توجه به ماهیت نوع زنجیره‌ی‌تأمین تحت بررسی و نوع صنعتی که زنجیره‌ی‌تأمین در آن فعال است اتفاق می‌افتد.
- تعیین شاخص‌های ارزیابی: در این مرحله با توجه به ماهیت مدل انتخاب شده در مرحله قبل شاخص‌های ارزیابی با استفاده از مدل کارت امتیازی متوازن انتخاب می‌شوند. باید توجه داشت که سعی شود از همه‌ی دسته شاخص‌های موجود حداقل یک معیار برای ارزیابی انتخاب شود.
- جمع‌آوری اطلاعات شاخص‌ها و انجام ارزیابی: در این مرحله اطلاعات شاخص‌های انتخاب شده در مرحله قبل جمع‌آوری شده و با استفاده از مدل انتخاب شده در مرحله‌ی اول ارزیابی صورت می‌گیرد و عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین اندازه‌گیری می‌شود.
2.2.2 تحلیل پوششی داده‌هاتداوم بقای بنگاه‌ها و سازمان‌ها در هر نظام اقتصادی در گروی ایجاد ارزش افزوده است. برای دستیابی به این مهم تنها داشتن منابع کافی نیست بلکه نحوه ترکیب و استفاده از منابع و همچنین ایجاد تعادل بین ورودی‌ها و خروجی‌های سازمان و به معنای دیگر استقرار یک سیستم ارزیابی عملکرد نقش به سزایی دارد. اهمیت این ارزیابی به حدی است که بر اساس تجربیات انجام شده در کشورهای صنعتی می‌توان صرفا با اعلام، برقراری و اجرای یک سیستم ارزیابی عملکرد و حتی بدون هیچ گونه تغییری در سازمان یا سرمایه‌گذاری، 5 تا 10 درصد بهره‌وری را افزایش داد (معماریانی، 1383).
تحلیل پوششی داده‌ها روشی مبتنی بر برنامه‌ریزی ریاضی جهت برآورد عملکرد است. این روش بدون فرضی از شکل توابع تولید، با حل مدل‌های ریاضی برای مجموعه‌ای از واحدهای تصمیم‌گیرنده و با استفاده از اطلاعات مربوط به میزان ورودی‌ها و خروجی‌های واقعی آن واحدها، یک واحد مجازی با بالاترین عملکرد ساخته و واحد‌های ناکارا را با آن می‌سنجد.
3.2 تعریف عملکرد و مجموعه امکان تولیدعملکرد یک واحد، مقایسه ورودی‌ها و خروجی‌های آن با یکدیگر است. در ساده‌ترین حالت که واحد یک ورودی را مصرف کرده و یک خروجی می‌دهد، عملکرد به صورت خارج قسمت خروجی بر ورودی تعریف می‌شود. واحدی در نظر بگیرید که با مصرف ورودی x، خروجی y را تولید می‌کند (شکل 2-4). تعریف می‌کنیم:
(2-1)
اغلب به خاطر پیچیدگی واحدهای تصمیم‌گیری، در نظر گرفتن چندین ورودی و چندین خروجی اجتناب‌ناپذیر است. فرض کنید واحد تصمیم‌گیری با مصرف بردار ورودی بردار خروجی را تولید می‌کند. (شکل 2-5)
یک واحد تصمیم‌گیری
ورودی x
خروجی y

شکل2-4 : یک واحد تصمیم‌گیری با یک خروجی و یک ورودییک واحد تصمیم‌گیری
ورودی
ورودی
ورودی
خروجی
خروجی
خروجی

شکل2- 5 : یک واحد تصمیم‌گیری و خروجی‌ها و ورودی‌های آندر چنین وضعیتی، عملکرد را می‌توان به صورت حاصل تقسیم و ترکیب وزنی خروجی‌ها بر ترکیب وزنی ورودی‌ها تعریف کرد. اگر برای واحد تصمیم‌گیری فوق وزن (قیمت) همه خروجی‌ها مشخص و وزن (هزینه) هر ورودی نیز معلوم باشد، عملکرد از رابطه (2-2) محاسبه می‌گردد:
(2-2)
که در آن وزن خروجی rام یعنی و وزن است.
جهت ارزیابی عملکرد یک واحد تصمیم‌گیری (DMU) نیاز به تابع تولید داریم. در اغلب موارد تابع تولید در دست نیست و این به دلیل پیچیدگی فرآیند تولید، تغییر در تکنولوژی تولید و چند مقدار بودن تابع تولید است. یعنی در اغلب موارد یک ترکیب از ورودی‌ها مانند یک بردار خروجی مانند را تولید می‌کند از این رو ناچاریم تقریبی از تابع تولید را در دست داشته باشیم تابع تولید، تابعی است که برای هر ترتیب از ورودی‌ها، ماکزیمم خروجی را بدهد (راماناتان، 2003). با داشتن تابع تولید به راحتی می‌توان عملکرد یک واحد تصمیم‌گیری را محاسبه کرد. اما همانطوری که ذکر شد به دلائل مختلف تابع تولید به راحتی محاسبه نمی‌گردد. از این رو مجموعه‌ای به نام مجموعه امکان تولید می‌سازیم و مرز آن را تقریبی از تابع تولید می‌گیریم. تابع تولید حاصل از مجموعه امکان تولید یک مرز تقریبی است که با توجه به تکنولوژی تولید دارای ویژگی‌های مورد نظر می‌باشد. مجموعه امکان تولید، که آن را با T نشان می‌دهیم چنین تعریف می‌شود:
(2-3) T={(x,y)|کند تولید را y نامنفی بردار بتواند x نامنفی بردار}.
مجموعه‌ی T را طوری در نظر می‌گیریم که در اصول زیر صدق نماید:
1- اصل شمول مشاهدات: این اصل به ما می‌گوید که یعنی تمامی مشاهدات به مجموعه‌ی امکان تولید تعلق دارند.
2- اصل بی‌کرانی اشعه (بازده به مقیاس ثابت): با قبول این اصل فرض می‌کنیم که تکنولوژی تولید بازده به مقیاس ثابت دارد. یعنی همان‌طوری که قبلا اشاره شد، یعنی اگر x ، y را تولید کند آنگاه و، را هم تولید کند.
3- اصل امکان‌پذیری: اگر، آنگاه به ازای هر که در آن و، داریم .
4- اصل تحدب: با پذیرفتن این اصل می‌پذیریم که در تکنولوژی تولید اگر آنگاه برای هر داریم: .
5- اصل کمینه درون‌یابی: با قبول این اصل می‌پذیریم که T کوچک‌ترین مجموعه‌ای است که در اصول اول تا چهارم صدق می‌کند.
مجموعه امکان تولید T را که در اصول یک تا پنج صدق می‌کند را به صورت نشان می‌دهیم.
ثابت می‌شود مجموعه به صورت زیر است:
(2-4)
یعنی مجموعه‌ی فوق کوچک‌ترین مجموعه‌ای است که در اصول یک تا چهار صدق می‌کند.
مدل چارنز، کوپر و رودز
فرض کنیم ، تعداد n DMU متجانس هستند که با به کار بردن بردار ورودی ، ، بردار خروجی ، را تولید می‌کنند.
فرض کنید هدف ارزیابی عملکرد است که در آن . برای این منظور می‌گوییم اگر در امکان تولیدی مانند یافت نشود که غالب بر باشد، در این صورت کارای نسبی است در غیر این صورت ناکارا می‌باشد. چگونه می‌توان گفت که هیچ امکان تولیدی در موجود نیست که بر غالب باشد؟ به سه طریق می‌توان این کار را انجام داد (راماناتان، 2003):
اگر بتوان امکان تولیدی در یافت که با ورودی کمتر از، خروجی مساوی داشته باشد.
اگر بتوان امکان تولیدی در یافت که با ورودی مساوی، خروجی بیشتر از داشته باشد.
اگر بتوان امکان تولیدی در یافت که با ورودی کمتر از، خروجی بیشتر از داشته باشد.
برای این موارد سه‌گانه فوق شکل‌های (2-6) تا (2-8) را در نظر بگیرید. در شکل (2-6)، واحد فرضی A با ورودی کمتر همان خروجی را تولید می‌کند. در شکل (2-7) واحد B با ورودی، خروجی بیشتر از را تولید می‌کند و در شکل (2-8) واحد D با ورودی کمتر از خروجی بیشتر از را تولید نموده است.

(خروجی)Y
(ورودی)X

شکل 2-6 : واحد فرضی با ورودی کمتر، خروجی یکسان

(خروجی)Y
(ورودی)X

شکل 2 – 7 : واحد فرضی با ورودی یکسان، خروجی بیشتر

(خروجی)Y
(ورودی)X

شکل 2 – 8 : واحد فرضی با ورودی کمتر، خروجی بیشتراگر باشد واضح است که اگر باشد به وسیله‌ی امکان تولیدی از مغلوب خواهد شد. پس برای امکان تولید روی مرز خواهد بود که در این صورت کمترین مقداری است که روی مرز خواهد بود، پس ما باید به دنبال یافتن کمترین مقدارای باشیم که در خواص فوق‌الذکر صدق کند؛ یعنی حل مدل زیر:
(2-5)
اما شرط عضویت در آن است که:
(2-6)
پس حل مسأله به حل LP زیر برمی‌گردد:
(2-7)
و یا:
(2-8)
مسأله بالا مدل CCR ورودی محور است که معروف به فرم پوششی CCR است.
در جواب بهینه مدل فوق اگر در این صورت ناکارا است و اگر یعنی روی مرز قرار دارد و کارا است. این مطلب از روی شکل (2-8) نیز روشن است. مدل قبل همواره شدنی است زیرا و (منظور ضریب) و ، یک جواب شدنی است. بعلاوه از جواب شدنی فوق نتیجه می‌شود که مقدار بهینه از یک تجاوز نمی‌کند.
دوگان مدل قبل که معروف به فرم مضربی است چنین است:
(2-9)
یا به صورت برداری:
(2-10)
مدل‌های فوق مدل مضربی CCR در ماهیت ورودی هست؛ به عبارت دیگر با کاهش ورودی در صورت ناکارا بودن آن را روی مرز قرار می‌دهیم تا کارا شود. مقدار کاهش‌یافته ورودی که عبارت بود از، مقداری از ورودی بود که می‌توانست حداقل را تولید نماید، مقداری از ورودی‌ها بود که به هدر می‌رفت که آن را مقدار ناعملکرد می‌نامیم. واضح است که اگر باشد هیچ ورودی هدر نمی‌رود و مقدار ناعملکرد برابر با صفر است.
1.3.2 مدل ورودی‌گرا و خروجی‌گرادر مدل‌های تحلیل پوششی داده ها امکان سه نوع جهت‌گیری با ماهیت ورودی، با ماهیت خروجی و با ماهیت مبنایی وجود دارد (میرحسینی، 1387).
مدل تحلیل پوششی داده های ورودی‌گرا: در مدل‌های با ماهیت ورودی واحدهای تصمیم‌گیرنده در پی آن هستند که با کمترین میزان ورودی ممکن، مقدار مشخصی خروجی ایجاد کنند (در این حالت‌ها ورودی‌ها قابل کنترل هستند).
مدل تحلیل پوششی داده های خروجی‌گرا: در مدل‌های با ماهیت خروجی واحدهای تصمیم‌گیرنده در پی آن هستند که با مقدار مشخصی ورودی، بیشترین میزان خروجی ممکن را ایجاد کنند (در این حالت هم ورودی‌ها و هم خروجی‌ها قابل کنترل هستند).
2.3.2 مزایا و معایب تحلیل پوششی داده ها
مدل تحلیل پوششی داده‌ها نیز همانند دیگر مدل‌ها شامل ویژگی‌های شامل ویژگی‌های مثبت و منفی است که ویژگی‌های ممتاز این روش عبارتند از (کریمی، 1390):
در این ارزیابی واحدهای ناکارا به دلیل مقایسه با یک سطح استاندارد از قبل تعیین شده یا شکلی تابعی معلوم، ناکارا ارزیابی نشده بلکه ملاک ارزیابی آن‌ها واحدهای تصمیم‌گیرنده دیگری بوده است که در شرایط یکسانی عمل می‌کنند و این ارزیابی واقع بینانه تحلیل پوششی داده‌ها در مقایسه با سایر روش‌هاست.
این روش ارزیابی توام مجموعه عوامل است و محدودیت تک ورودی و تک خروجی در آن وجود ندارد.
این روش دارای ویژگی جبرانی بودن است و به واحد تصمیم‌گیرنده اجازه می‌دهد کمبود و یا ضعف خروجی‌هایش را به کمک خروجی‌های دیگر و یا مصرف اضافی ورودی‌هایش را با صرفه‌جویی در ورودی‌های دیگر جبران کند.
تحلیل پوششی داده‌ها، برخلاف روش معمول شاخص عددی، به معرفی وزن‌های از قبل تعیین شده برای عوامل خروجی و ورودی نیاز ندارد. همچنین نیازمند توصیف توابع به شیوه‌ای که در روش رگرسیون آماری رایج است نیز نیست.
تحلیل پوششی داد ها، از روش برنامه‌ریزی ریاضی استفاده می‌کند که می‌تواند تعداد زیادی متغیر و روابط (قیود) را به کار گیرد و محدودیت کم بودن تعداد خروجی و ورودی موجود در سایر روش‌ها را ندارد. تئوری قوی برنامه‌ریزی ریاضی امکان تحلیل و تفسیر بهتر را ایجاد می‌کند.
سادگی در محاسبه و ارزیابی و عدم محدودیت در انتخاب عوامل امکان پرداختن به مسائل پیچیده‌تر موجود در حوزه‌های مدیریتی و سیاست‌گذاری را فراهم می‌سازد.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

همچنین معایب مدل تحلیل پوششی داده‌ها عبارتند از (کریمی، 1390):
هر واحد تصمیم‌گیری که حداقل در یک ورودی برتر باشد کارا ارزیابی می‌گردد، که این امر باعث خواهد شد که بعضی از واحد‌ها که در تمام شاخص‌ها جز یک شاخص دارای ضعف است، به طور غیر واقع بینانه کارا ارزیابی شود.
با توجه به این که مرز عملکرد در مدل‌های تحلیل پوششی داده‌ها بر اساس مشاهدات ساخته می‌شود این امر باعث بروز مشکلاتی در ارزیابی می‌گردد. به عنوان نمونه شکل (2-9) را در نظر می‌گیریم. در این شکل واحدهای A و C روی مرز بوده و کارا ارزیابی می‌شوند ولی همان‌طور که مشاهده می‌گردد نمی‌توان واحد A را واحدی بهتر از B دانست. این بدان معناست که تحلیل پوششی داده‌ها در رتبه‌بندی موفق عمل نمی‌کند.
یکی دیگر از ایرادات تحلیل پوششی داده‌ها فرض تحدب در ساختن مجموعه امکان تولید آن است. این فرض باعث می‌شود که بعضی از واحدهای تصمیم‌گیری ناکارا با واحدهای در مرز عملکرد مقایسه شوند که وجود خارجی ندارند.
مقایسه واحدها نسبی است و اگر در یک ارزیابی واحدی کارا ارزیابی شود بدان معنا نیست که این واحد، واحدی ایده‌آل است بلکه در میان مشاهدات، واحدی یافت نشده است که بهتر از واحد مورد ارزیابی عمل نماید. در این شرایط، تحلیل پوششی داده ها هیچ راهکار بهبودی برای چنین واحدهای ارائه نمی‌کند. در شکل (2-9) عملکرد واحد A فقط به این خاطر است که در سایز این واحد رقیبی وجود ندارد.
C
B
A
D

شکل 2 – 9 : نمایش یکی از ضعف‌های مدل تحلیل پوششی داده‌ها3.3.2 مدل کارت امتیازدهی متوازن
یکی از مشهورترین و شناخته شده ترین مدل های سیستم ارزیابی عملکرد مدل «کارت امتیازدهی متوازن» است که توسط «کاپلان و نورتون» در سال 1992 ایجاد و سپس گسترش و بهبود یافته است. این مدل پیشنهاد می‌کند که به منظور ارزیابی عملکرد هر سازمانی بایستی از یک سری شاخص های متوازن استفاده کرد تا از این طریق مدیران عالی بتوانند یک نگاه کلی از چهارجنبه مهم سازمانی داشته باشند. این جنبه های مختلف، پاسخگویی به چهار سوال اساسی زیر را امکان پذیر می سازد:
1 – نگاه ها به سهامداران چگونه است؟ (جنبه مالی)
2 – در چه زمینه هایی بایستی خوب عمل کنیم؟ (جنبه داخلی کسب و کار)
3 – نگاه مشتریان به ما چگونه است؟ (جنبه مشتری)
4 –چگونه می توانیم به بهبود و خلق ارزش ادامه دهیم؟ (جنبه یادگیری و نوآوری).
کارت امتیازدهی متوازن شاخص های مالی را که نشان دهنده نتایج فعالیت های گذشته است در بر می گیرد و علاوه بر آن با در نظر گرفتن شاخص های غیر مالی که به عنوان پیش نیازها و محرک عملکرد مالی آینده هستند، آنها را کامل می کند. «کاپلن و نورتون» معتقدند که با کسب اطلاع از این چهارجنبه ، مشکل افزایش و انباشت اطلاعات از طریق محدود کردن شاخص ها ی مورد استفاده از بین می رود. همچنین مدیران مجبور خواهند شد تا تنها بر روی تعداد محدودی از شاخص های حیاتی و بحرانی تمرکز داشته باشند. به علاوه استفاده از چندین جنبه مختلف عملکرد ، از بهینه سازی بخشی جلوگیری می کند.
4.3.2 مفهوم کلی کارت امتیازی متوازن
ارزیابی و مدیریت عملکرد، منتج از برنامه های استراتژیک و برنامه های عملیاتی سازمان است. اگرچه تدوین برنامه‌های استراتژیک و عملیاتی، فرایندی پیچیده و دشوار است ولی اجرای موفقیت‌آمیز آن به مراتب دشوارتر است. سازمان های زیادی در پیاده‌سازی کامل استراتژی های خود، شکست می‌خورند. این مساله ناشی از تعریف ناقص استراتژی ها و برنامه‌های عملیاتی سازمان نیست بلکه احتمالاً به این خاطر است که چارچوب مستحکمی برای همسوسازی کارکنان و فرایندهای عملیاتی با اهداف سازمان، وجود ندارد .
سازمان های امروزی به خوبی دریافته اند که 80 درصد ارزش افزایی آنها از طریق دارایی های نامشهودشان شامل سرمایه های انسانی (دانش و مهارت های کارکنان)، سرمایه های سازمانی (فرهنگ سازمان و ارزش های حاکم بر آن) و سرمایه های اطلاعاتی (منابع اطلاعاتی و داده های آماری) ایجاد می شود و دیگر نمی توانند صرفاً با اتکاء به دارایی های مشهود، ارزیابی عملکرد و در پی آن مدیریت عملکرد جامعی انجام دهند.
پروفسور رابرت کاپلان و دکتر دیوید نورتون با درک الزامات و نیازمندی های سازمان های نوین و برای اجرای اثربخش استراتژی و ایجاد یک سیستم جامع مدیریت و بهبود عملکرد، در سال 1992 سیستم مدیریتی نوینی را تحت عنوان کارت امتیازی متوازن، معرفی نمودند. سیستم مدیریتی کارت امتیازی متوازن، به عنوان چارچوب جامع ارزیابی عملکرد و پیشبرد استراتژی، مطرح بوده که به ایجاد توازن بین اهداف کوتاه مدت و بلند مدت، سنجه‌های مالی و غیر مالی، عملکرد داخلی و خارجی، ذینفعان درونی و بیرونی، شاخص های هادی و تابع عملکرد، منجر می‌شود. کارت امتیازی متوازن چارچوب اثبات شده ای است که استراتژی سازمان را تشریح و عملیاتی می کند . کارت امتیازی متوازن، یک سیستم مدیریتی است که می تواند اجرای استراتژی ها را مدیریت کرده و عملکرد سازمان را در چهار منظر مالی،‌ مشتری، فرایندهای داخلی، و رشد و یادگیری، اندازه گیری کند و باعث انتقال و تفهیم ماموریت، چشم انداز، استراتژی ها و انتظارات عملکردی به کلیه ذینفعان درونی و بیرونی سازمان شود. به عبارت دیگر، کارت امتیازی متوازن می تواند چشم انداز و ماموریت سازمان را در قالب مجموعه ای از روابط علّت و معلولی در چهار منظر ذکر شده نشان دهد. سیستم مدیریتی کارت امتیازی متوازن، ترکیبی است از معیارهای ارزیابی عملکرد که شاخص های عملکرد گذشته، جاری و نیز آینده را شامل شده و معیارهای غیر مالی را در کنار معیارهای مالی قرار می دهد. ضمن این که از آنچه د داخل وخارج سازمان اتفاق می افتد، بینش و دید همه جانبه ای را به مدیران سازمان ارائه می کند. چارچوب کارت امتیازی متوازن از چهار مؤلفه به هم وابسته تشکیل شده است. این چهار مولفه عبارتند از: 
الف- نقشه استراتژی که اهداف استراتژیک سازمان را شناسایی می کند و در قالب روابط علّت و معلولی ارائه می کند. اگر این اهداف محقق شوند یعنی استراتژی با موفقیت اجرا شده است. کارکرد اصلی نقشه استراتژی این است که به صورت روابط علّت و معلولی نشان می‌دهد که برای اجرای استراتژی، چگونه اهداف استراتژیک می بایست با یکدیگر تعامل کنند.
ب- سنجه‌های عملکردی که میزان پیشروی به سمت اهداف استراتژیک را ردیابی کرده و ارائه می کنند.
ج- اهداف کمّی که برای تحقق هر یک از سنجه های عملکردی، تعیین می‌شوند.
د- طراحی (انتخاب) و اجرای ابتکارات استراتژیک (طرح های ابتکاری) برای اینکه عملکرد سازمان به اهداف کمّی متصل شود و در نهایت، اهداف استراتژیک محقق شوند.
باید توجه کرد که ترسیم نقشه استراتژی، مهم ترین مؤلفه برای ایجاد کارت امتیازی متوازن است و بنابراین باید در اولین مرحله طراحی و اجرای سیستم کارت امتیازی متوازن قرار گیرد.
کارت امتیازی متوازن می تواند یک سیستم ارزیابی و سنجش عملکرد ارائه کند که فراتر و جامع تر از سیستم های مرسوم حسابداری مدیریت است. در این روش، علاوه بر شاخص های مالی، وضعیت سازمان با شاخص های سه منظر دیگر، در یک رابطه علّت و معلولی مورد سنجش و ارزیابی قرار می گیرد. در واقع، کارت امتیازی متوازن بین اجزای مختلف سازمان یک ارتباط علّت و معلولی برقرار می کند و به سازمان به مثابه یک پیکر واحد و یکپارچه می نگرد. همچنین، کارت امتیازی متوازن قادر است استراتژی را به اهداف و برنامه های اجرایی و عملیاتی سازمان در قالب یک سیستم جامع مدیریتی، متصل نماید.
5.3.2 معرفی وجوه کارت امتیازی متوازن  کارت امتیازی متوازن، شاخص های مالی از عملکرد گذشته را با شاخص هایی از تعیین کننده های عملکرد آینده تکمیل می کند. اهداف و شاخص های کارت امتیازی از استراتژی و چشم انداز سازمان تعیین شده اند. این اهداف و شاخص ها به عملکرد سازمان در چهار وجه می نگرند: مالی، مشتری، فرآیندهای داخلی، وآموزش و یادگیری.
وجه مشتری
   در وجه مشتری کارت امتیازی متوازن، مدیران ابتدا بخش های مشتری و بازاری را که می خواهند در آن رقابت کنند تعیین می کنند، بخش های تعیین شده شامل مشتریان و بازار های فعلی و بالقوه خواهد بود. این وجه کارت امتیازی شامل چند شاخص عمومی اصلی و یک سری شاخص های فرعی است. شاخص های اصلی عبارت از رضایت مشتری، حفظ مشتری، جذب مشتری جدید، سوددهی مشتری و سهم بازار در بخش های بازار و مشتری مورد رقابت می باشند. سری دیگر شاخص های این وجه، مربوط به سنجش عواملی هستند که برای مشتری ایجاد ارزش کرده و از این طریق وضعیت شاخص های اصلی را تعیین  می کنند.      
عوامل ایجاد ارزش برای مشتریان در سه گروه زیر دسته‌بندی شده‌اند: 
مشخصه های محصول یا خدمت شامل زمان انتظار مشتری، قیمت، کیفیت، نحوه کارکرد، و بی همتایی (تمایز) محصول و یا خدمت. 
2- تصور ذهنی مشتری از سازمان و شهرت و اعتبار آن که شامل تصور مردم از کیفیت کالای مورد فروش و امانت و صحت کار سازمان است. 
3- رابطه با مشتری شامل امانت داری و قابلیت اطمینان و سرعت پاسخ گویی سازمان به مشتری و خدمات پس از فروش
وجه فرآیند های داخلی
در وجه فرآیندهای داخلی کارت امتیازی متوازن، مدیران ابتدا فرآیندهای داخلی کلیدی را که باید جهت اجرای استراتژی بر آنها تأکید شود معین می کنند.این فرآیندها سازمان را به ایجاد ارزش برای جذب و حفظ مشتری مورد نظر وتأمین انتظارات سهامداران قادرمی سازند. هر واحد کسب و کاری مجموعه فرآیندهای خاصی جهت ایجاد ارزش برای مشتریان و نتایج مالی برای سهامداران دارد. رویکرد کارت امتیازی مدل زنجیره ارزش را به عنوان الگوی عمومی جهت بکارگیری در وجه فرآیندهای داخلی انتخاب می کند، که شامل سه فرآیند نوآوری، فرآیندهای عملیاتی و خدمات پس از فروش می باشد.
وجه مالی
   در این وجه کارت امتیازی متوازن، نتایج اقتصادی حاصل از اجرای استراتژی‌ها، مورد سنجش قرار می گیرند. همانگونه که در سیستم های برنامه ریزی قبل از برنامه ریزی استراتژیک و نظام های کنترلی مطابق آنها عملکرد مالی می توانست با شاخص هایی همچون سود عملیاتی و برگشت سرمایه و میزان ارزش افزوده سنجیده شود، در کارت امتیازی متوازن، به عنوان رویکردی به سنجش عملکرد و نتیجتاً ابزاری جهت کنترل، عملکرد مالی با نسبت ها و شاخص های مشابهی سنجیده می شود.
    رویکرد کارت امتیازی بر این نکته نیز تاکید می کند که در مراحل مختلف چرخه حیات یک سازمان (رشد، تثبیت، برداشت) مقادیر شاخص های مالی کاملا متفاوت خواهد بود و هدف گذاری بدون توجه به این امر باعث دور شدن سازمان از اهداف بلند مدت خود خواهد شد. 
وجه آموزش و یادگیری
یادگیری و رشد سازمان از سه منبع اساسی نیروی انسانی، سیستم های اطلاعاتی و دستورالعمل ها و رویه های سازمانی حاصل می شود. سطح دستیابی به قابلیت ها و توانمندی های ویژه در این منابع در وجه یادگیری و رشد کارت امتیازی مورد سنجش قرار می گیرد.
جهت سنجش اهداف مربوط به این وجه، عواملی همچون میزان دسترسی مشتری به اطلاعات و فرآیندهای داخلی توسط مدیران و کارکنان عملیاتی در خصوص سیستمهای اطلاعات ومیزان همسویی انگیزه های پرسنل با رسالت و اهداف سازمان در خصوص دستورالعمل ها و رویه های سازمانی مورد ارزیابی قرار می گیرند.  
وجوه 4گانهی روش کارت امتیازی متوازن در شکل زیرخلاصه شده است.
2254253810
شکل 2- 10 : خلاصه وجوه کارت امتیازی متوازن (کاپلان و نورتون 1992)به عبارت دیگر می توان کارت امتیازی متوازن را به عنوان مجموعه ای از معیارهای دقیق انتخاب شده از استراتژی سازمان تعریف نمود. معیارهای انتخاب شده برای کارت امتیازی برای مدیران ابزاری است برای ارتباط با پرسنل و سهام داران برای انتقال نتایج و محرک های کارایی که باعث خواهد شد سازمان به ماموریت و اهداف استراتژیک خود نائل گردد.
4.2 پیشینه تحقیقباگوات و شارما (2007) یک رویکرد کارت امتیازدهی متوازن را برای مدیریت زنجیره تأمین توسعه دادند که عملیات کسب و کار را از چهار جنبه‌ی: مالی، مشتری، فرآیند کسب و کار داخلی و یادگیری و رشد به صورت روزانه اندازه‌گیری و ارزیابی می‌کند. آنها شاخص‌های خاصی را برای هر جنبه در نظر گرفتند و در هنگام اعمال مدل برای ارزیابی پی بردند که بعضی از شاخص‌های یک جنبه با شاخص‌های جنبه دیگر تضاد پیدا می‌کنند. آن‌ها مدل خود را برای سه SME مختلف در هند توسعه دادند.
ژو و همکاران (2009) یک مدل تحلیل پوششی داده‌ها ناهموار را برای ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین توسعه دادند. آن‌ها مدل خود را با ادغام مدل تحلیل پوششی داده های کلاسیک و تئوری مجموعه‌های ناهموار ایجاد کردند و برای نشان دادن عملکرد مدل آن را برای شش شرکت در غرب چین اعمال کردند و در ارزیابی از شاخص‌هایی مانند هزینه، زمان تدارک و درصد تحویل‌ها به‌موقع استفاده کردند.
لیانگ و همکاران (2006) دو مانع بر سر راه ارزیابی زنجیره‌ی‌تأمین و اعضای آن به صورت وجود شاخص‌های چندگانه که عملکرد اعضا را مشخص می‌کنند و وجود تضاد بین اعضای زنجیره شناسایی کردند. آن‌ها نشان دادند که مدل تحلیل پوششی داده های کلاسیک به خاطر وجود شاخص‌های واسطه‌ای نمی‌تواند عملکرد را به خوبی بسنجد در نتیجه در تحقیق خود چند مدل را بر پایه‌ی تحلیل پوششی داده ها توسعه داده‌اند که در آن‌ها شاخص‌های واسطه‌ای در ارزیابی عملکرد ادغام شده است. آن‌ها مدل خود را به صورت دو زنجیره‌ای و به صورت فروشنده – خریدار توسعه دادند. آن‌ها دو حالت متفاوت را در نظر گرفتند؛ حالت اول به این صورت است که یک زنجیره به صورت رهبر عمل می‌کند و زنجیره‌ی‌دوم از آن پیروی می‌کند در این حالت ابتدا زنجیره‌ی مربوط به عضو رهبر ارزیابی شده و سپس زنجیره‌ی پیرو آن با استفاده از نتایج عضو رهبر ارزیابی می‌شود. حالت دوم به صورت شراکتی است که در آن سعی می‌شود عملکرد مشترک دو زنجیره که به صورت میانگین عملکرد آن‌ها در نظر گرفته می‌شود بیشینه شود. در این حالت هر دو زنجیره‌ی‌تأمین به صورت همزمان ارزیابی می‌شوند.
چِن و همکاران (2006) بر اساس تعاریف ارزیابی عملکرد زنجیره‌تأمین و نظریه بازی‌ها یک بازی عملکرد را بین دو عضو زنجیره‌ی‌تأمین مشاهده کردند. آن‌ها نشان داده‌اند که نقاط تعادل نَش زیادی برای عملکرد یک مجموعه از تأمین‌کننده و تولیدکننده با توجه به تابع عملکرد آن‌ها وجود دارد. آن‌ها یک مدل داد و ستد را برای تحلیل فرآیند تصمیم‌گیری تولیدکننده و تأمین‌کننده ارائه کرده و بهترین استراتژی طرح عملکرد را شناسایی کردند.
لی و اُبرین (1999) یک مدل تصمیم یکپارچه را برای عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین ارائه کردند. آن‌ها با اشاره به این موضوع که در تحقیقات قبل بیشتر بر روی شاخص هزینه در زنجیره‌ی‌تأمین مانور داده شده است سعی کردند با تمرکز بر روی چهار معیار: سود، عملکرد زمان تدارک، تحویل سریع و حذف ضایعات به جای هزینه مدل خود را توسعه دهند. مدل ارائه شده توسط آن‌ها عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین را در دو سطح زنجیره‌ای و عملیاتی می‌سنجد. در سطح زنجیره‌ای اهداف مربوط به معیارها برای هر مرحله زنجیره‌ی‌تأمین در نظر گرفته می‌شود تا عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین بتواند اهداف سرویس‌دهی مشتریان را ارضا کرده و بهترین استراتژی مدیریت زنجیره تامین انتخاب شود. در سطح عملیاتی فعالیت‌های لجستیکی و تولیدی تحت اهداف مشخص شده بهینه می‌شوند.
هوانگ و همکاران (2008) فعالیت‌های مربوط به منبع‌یابی و معیارهای مربوط به آن را در مدل SCOR جستجو کردند. موضوع تحقیق آن‌ها صنعت نمایشگرهای کریستال مایع در تایوان بوده است. آن‌ها برای کسب اطلاعات تجربی از پرسش‌نامه استفاده کردند و برای تحقیق در مورد فرآیند منبع‌یابی در سطح دوم مدل SCOR و معیارهای عملکرد آن از مدل رگرسیونی استفاده کردند. آن‌ها نتیجه‌گیری کردند که مدل آن‌ها می‌تواند در صنایع مختلف به مدیران تصمیم‌گیرنده کمک کند.
ایستون و همکاران (2002) ارزیابی عملکرد بخش خرید را در زنجیره‌ی‌تأمین بررسی کردند. آن‌ها با اشاره به این موضوع که اندازه‌گیری عملکرد بخش خرید و مقایسه آن عملکرد با سایر دپارتمان‌های خرید کاری بسیار مشکل است این دشواری را ناشی از نبود معیار اندازه‌گیری قابل قبول و روش‌های مناسب برای ادغام این معیارها و ارائه یک عملکرد کلی دانستند. آن‌ها یک مدل DEA را برای ارزیابی عملکرد خرید در صنعت پتروشیمی توسعه دادند.
کوجیما و همکاران (2008) ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین را در محیط تولید به موقع (JIT) در نظر گرفتند. محیط JIT در نظر گرفته شده توسط آن‌ها دارای دو نوع سیستم کانبان با تقاضای تصادفی و زمان‌های فرآیندی قطعی است. آن‌ها الگوریتمی را برای ارزیابی دقیق عملکرد توسعه دادند.
گوناسکاران و همکاران (2004) اشاره کرده‌اند که اندازه‌گیری عملکرد و معیارهای وابسته به زنجیره‌ی‌تأمین در تحقیقات و کارهای عملی مورد توجه کافی قرار نگرفته است. آن‌ها چارچوبی را برای فهم بهتر اهمیت ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین و معیارهای آن توسعه دادند. آن‌ها با تنظیم یک پرسش‌نامه و ارسال آن به 150 شرکت بزرگ در صنایع مختلف و در کشور انگلستان معیارهای ارزیابی و اهمیت آن‌ها را مشخص کردند. معیارها در چهار دسته فرآیند‌های اصلی زنجیره‌ی‌تأمین به صورت: برنامه‌ریزی، منبع، تولید (ساخت/مونتاژ) و تحویل دسته‌بندی شده‌اند. آن‌ها پس از دریافت پرسش‌نامه‌ها و تعیین اهمیت هر شاخص آن‌ها را در سه دسته‌ی کلی مدیریتی استراتژیک، فنی و عملیاتی طبقه‌بندی کرده‌اند تا سطح مدیریتی مناسب برای داشتن اختیار و مسئول بودن در قبال هر معیار مشخص شود. سطح استراتژیک عملکرد مدیریت ارشد را نشان می‌دهد. سطح فنی با تخصیص منابع و اندازه‌گیری عملکرد در مقایسه با اهداف از پیش تعیین شده سروکار دارد. اندازه‌گیری عملکرد در این بخش بازخورد خوبی از تصمیمات مدیران سطح میانی را ارائه می‌دهد. اندازه‌گیری‌ها در سطح عملیاتی نیازمند داده‌های دقیق است و نتایج تصمیمات مدیران سطح پایین را نشان می‌دهد. نتایج کامل این تحقیق در پیوست (ب) ارائه شده است.
بیمن (1999) به این موضوع اشاره کرد که سیستم ارزیابی عملکرد که فقط یک معیار عملکرد را در نظر می‌گیرد عموما ناقص است زیرا برهم‌کنش بین اجزای مهم زنجیره‌ی‌تأمین و جنبه‌های مهم اهداف استراتژیک سازمانی را در نظر نمی‌گیرد. او عناصر کلیدی اهداف استراتژیک را به صورت منابع، خروجی و انعطاف‌پذیری شناسایی کرده و تاکید کرده است که یک سیستم اندازه‌گیری عملکرد باید شامل شاخص‌هایی از این سه دسته باشد. بیمن اشاره کرده است که هر کدام از این سه دسته شاخص‌ها، معیارهای اندازه‌گیری مهمی دارند و اندازه‌گیری هر کدام بر روی دیگری تاثیر گذار است. او تاکید کرده است که هر سیستم اندازه‌گیری عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین حداقل باید یک معیار از هر دسته (منابع، خروجی و انعطاف‌پذیری) را شامل شود و هر معیاری که انتخاب می‌شود باید با اهداف استراتژیک سازمانی هم‌راستا باشد.
هوآن و همکاران (2004) با ارائه مروری بر مدل SCOR به این موضوع اشاره کردند که تحقیقات در سطح زنجیره‌ی‌تأمین به سه دسته شامل: سطح عملیاتی، سطح طراحی و سطح استراتژیک دسته‌بندی می‌شوند. آن‌ها سپس با ارائه مدلی و با استفاده از تکنیک AHP به بررسی عملکرد اجزای زنجیره‌ی‌تأمین پرداختند.
چَن (2003) در تحقیق خود معیارهای ارزیابی زنجیره‌ی‌تأمین را به دو دسته اصلی کمی و کیفی تقسیم کرد. شاخص‌های کمی شامل هزینه و استفاده از منابع می‌باشد و شاخص‌های کیفی شامل کیفیت، انعطاف‌پذیری، دید، اعتماد و نوآوری است. وی سپس برای هر کدام از این هفت دسته شاخص، معیارهای اندازه‌گیری را بیان کرده و سپس با استفاده از تکنیک AHP تلاش کرده است که مهمترین شاخص‌ها را برای صنعت الکترونیک شناسایی کند. وی همچنین برای سایر صنایع هم پیشنهاداتی ارائه داد.
چَن و کی (2003) تلاش کردند که یک دید سیستماتیک را به‌کار گیرند و یک مدل کارا را برای اندازه‌گیری عملکرد کل زنجیره‌ی‌تأمین پیچیده ایجاد کنند. آن‌ها از تئوری مجموعه فازی برای برخورد با شرایط دنیای واقعی در فرآیندهای ارزیابی استفاده کرده‌اند.
وانگ و وانگ (2007) از یک مدل تحلیل پوششی داده‌های کلاسیک برای ارزیابی عملکرد 22 زنجیره‌ی‌تأمین استفاده کردند. در تحقیق آن‌ها از معیارهایی مانند سود، تحویل به موقع و هزینه استفاده شده است.
استمپ و همکاران (2010) با ارائه چارچوبی تلاش کردند مدل‌های ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین را تحلیل کنند. این تحلیل با مشخص کردن ویژگی‌های خاص و قابلیت‌های هر مدل در زمینه‌های مختلف صورت گرفته است. آن‌ها همچنین تلاش کرده‌اند مدل‌ها را به صورت تحلیلی به هفت لایه کوچکتر تقسیم کنند تا به مدیران کمک کند که مدل مناسب برای احتیاجات خود را به درستی انتخاب کنند.
کوملی و همکاران (2008) رویکردی را برای ارزیابی برنامه‌ریزی تولید در زنجیره‌های تأمین ارائه کرده‌اند. آن‌ها اشاره کردند که ارزیابی برنامه‌ریزی تولید معمولا بر پایه‌ی پارامترهای فیزیکی مانند سطح موجودی و ارضای تقاضا انجام می‌شود. آن‌ها افزودن ارزیابی مالی را به مدل‌های کلاسیک مفید دانستند. آن‌ها یک روش ABC را برای تخمین جریان نقدی برنامه‌ریزی تولید زنجیره‌ی‌تأمین اعمال کردند.
1.4.2 معیارهای ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین1.1.4.2 شاخص‌های ارزیابی چِنچِن (2003) در مطالعات خود شاخص‌های ارزیابی عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین را به تفصیل ارائه نمود. در این مطالعات با ارائه چارچوبی جدید شاخص‌ها به دو دسته کلی شاخص‌های کمی و شاخص‌های کیفی دسته بندی شده‌اند. شاخص‌های کمی شامل هزینه و استفاده از منابع هستند و شاخص‌های کیفی شامل کیفیت، انعطاف‌پذیری، دید، اعتماد و نوآوری. در ادامه شاخص‌های اندازه‌گیری هر کدام از معیارهای ذکر شده معین شده است که این شاخص‌ها در جدول(2-1) لیست شده‌اند.
تعاریف بعضی از شاخص‌های اشاره شده در جدول (2-1) به صورت زیر است:
هزینه توزیع
این هزینه شامل هزینه جابجایی و انتقال، هزینه ذخیره احتیاطی، هزینه زحمت کارگران بخش توزیع است.
هزینه تولید
این هزینه شامل هزینه کارکنان بخش تولید، هزینه تعمیرات و نگهداری و هزینه دوباره کاری است. همچنین مواد خریداری شده، هزینه تجهیزات و حاشیه سود تامین کننده در این بخش قرار می‌گیرند.
جدول 2 – 1 : دسته‌بندی شاخص‌های ارزیابی چِنسطح 1 سطح 2 شاخص‌های اندازه‌گیری
شاخص‌های کمی هزینه هزینه توزیع
هزینه تولید
هزینه موجودی
هزینه انبارداری
هزینه تشویقی و گمرکی
هزینه نامرئی
هزینه بالاسری
حساسیت به هزینه بلند مدت
استفاده از منابع استفاده از منابع نیروی کار، ماشین، ظرفیت و انرژی
شاخص‌های کیفی کیفیت نارضایتی مشتریان
زمان پاسخ‌دهی به مشتریان
زمان تدارک
تحویل به موقع
نرخ پر شدن سفارش
احتمال کمبود در موجودی
دقت
انعطاف‌پذیری انعطاف‌پذیری نیروی کار
انعطاف‌پذیری ماشین
انعطاف‌پذیری جابجایی مواد
انعطاف‌پذیری مسیر
انعطاف‌پذیری عملیات
انعطاف‌پذیری حجم
انعطاف‌پذیری مرکب
انعطاف‌پذیری تحویل
انعطاف‌پذیری اصلاح محصول
انعطاف‌پذیری محصول جدید
انعطاف‌پذیری توسعه
دید زمان
صحت
اعتماد سازگاری
نوآوری عرضه کردن محصولات جدید
استفاده جدید از تکنولوژی

هزینه موجودی
شامل هزینه محصولات در حین کار و محصولات تمام شده است.
هزینه انبارداری
این نوع هزینه معمولا به اشتباه با هزینه موجودی یکی در نظر گرفته می‌شود اما تفاوت آن‌ها در این است که هزینه انبارداری با تخصیص از یک زنجیره به زنجیره دیگر سروکار دارد و معمولا کالاها و محصولات تمام شده را در بر می‌گیرد.
نارضایتی مشتریان
یک معیار مستقیم کیفیت، سطح رضایت مشتریان است. این معیار می‌تواند با تعداد شکایت‌های ثبت شده‌ی مشتریان سنجیده شود. به هر حال، شکایت‌ها و یا یک پرسشنامه تحویلی به مشتریان فقط قسمتی از مشکل را نشان می‌دهد. مشکلات معمولا در دسته‌های مختلف گروه‌بندی نمی‌شوند و معمولا حل نشده باقی می‌مانند و یا به روش‌های غیر سیستماتیک حل می‌شوند. همچنین، تمامی مشتریان ناراضی وقت با ارزش خود را برای طرح شکایت صرف نمی‌کنند. آن‌ها ممکن است به راحتی تغییر موضع داده و سفارش خود را بدون توجه به تحویل خدمات ضعیف به یک تأمین‌کننده دیگر ارائه دهند. از این‌رو، شکایت‌ها ممکن است نتوانند شرایط واقعی کیفیت از نگاه مشتریان را نشان دهند.
زمان پاسخ‌دهی به مشتریان
عبارت از مدت زمانی است که بین یک سفارش و تحویل مربوط به آن وجود دارد. این مفهوم همچنین با عنوان زمان چرخه‌ی سفارش نیز شناخته می‌شود که شامل زمان واکنش، زمان تولید و زمان حمل‌و‌نقل است.
زمان تدارک: زمان لازم برای شروع تولید محصولات تا کامل شدن فرآیند تولید آن‌ها. زمان تدارک از زمان انتظار در صف، زمان فرآیند تولید، زمان دسته‌بندی، زمان جابجایی و زمان انتقال تشکیل شده است. این زمان از بسیاری از عوامل خارجی و محیطی مانند ظرفیت، بارگیری و زمان‌بندی تاثیر می‌پذیرد و تاثیر بزرگی بر روی کنترل و هزینه‌های سیستم‌های تولیدی بر جا می‌گذارد.
تحویل به موقع
این عامل عملکرد تحویل محصول را اندازه‌گیری می‌کند. تحویل به موقع را می‌توان به صورت درصدی از سفارشات که به موقع یا قبل از تاریخ مقرر تحویل می‌شوند، نشان داد.
نرخ پر شدن سفارش
نرخ پر شدن را می‌توان به صورت درصدی از سفارشات که می‌توانند به صورت فوری تأمین شوند تعریف کرد. وقتی مشتری سفارش می‌دهد (با این فرض که محصول سفارش داده شده در حال حاضر در حال تولید است) مقداری از موجودی در دسترس می‌تواند برای تأمین سریع سفارش مورد استفاده قرار گیرد. این موضوع می‌تواند زمان پاسخ‌دهی به مشتری را کاهش دهد و مشتری از این پاسخ‌دهی سریع راضی خواهد بود.
صحت
دقت و صحت محصولات تحویل شده هم یکی از معیارهای کیفیت است. ممکن است تحویل‌های نادرست و یا مهمتر، تحویل محصولاتی با مشخصات ساخته شده‌ی غلط وجود داشته باشد. صحت را می‌توان به صورت درصد تحویل کالاهای درست به ارباب رجوع اندازه گرفت.
انعطاف‌پذیری نیروی کار
انعطاف‌پذیری نیروی کار امروزه دارای اهمیت کمتری است به خصوص اگر منظور از نیروی کار تاکید روی کارکنان در حال آموزش باشد. اعتقاد بر این است که با تخصصی کردن مهارت‌های کارگران، عملکرد می‌تواند افزایش یابد. از این‌رو هر فرد نقش و وظیفه مخصوص به خودش را دارد. از کارگری که مهارتش در طراحی است نمی‌توان تقاضا کرد که محصول را هم شخصا خودش بسازد. امروزه بیشتر کارهای روتین با اتوماسیون صنعتی جایگزین شده است. فقط کارهایی که به طور مشخص به هوش انسانی نیاز دارند باید توسط افراد انجام شوند و این کارها را نمی‌توان به سادگی جایگزین کرد.
انعطاف‌پذیری ماشین
این مورد به خصوص در زمان‌بندی کارگاهی و شرایط محدودیت دو منبعی اهمیت دارد. برای یک ماشینی که می‌تواند تعداد مختلفی از قطعات را تولید کند، بهتر این است زمان راه‌اندازی را در هنگام تغییر ماشین یا عملیات کاهش داد. همچنین هزینه و ضایعات تولید شده در هنگام راه‌اندازی و تغییر ماشین نیز می‌توانند کاهش پیدا کنند. از این‌رو، تعداد و انواع عملیاتی که یک ماشین بدون ایجاد جریمه‌های زیاد و تغییر زیاد در خروجی‌های عملکرد می‌تواند انجام دهد، اهمیت دارد. این تعداد را می‌توان با جایگزینی ماشین سنتی با یک ماشین انعطاف‌پذیر تعیین کرد.
انعطاف‌پذیری جابجایی مواد
مواد باید سریعا، دقیقا و به اندازه درست به مراکز مختلف فرآیندها اختصاص داده شوند. کارخانه‌های بزرگ تعداد زیادی مراکز کاری دارند و ممکن است حجم‌های مختلفی از مواد اولیه یکسان در مراکز مختلف مورد نیاز باشد. از این‌رو، یک سیستم جابجایی مواد انعطاف‌پذیر باید به کار گرفته شود.
انعطاف‌پذیری مسیر
اگر مسیردهی فرآیند ثابت باشد، توقف‌های ناگهانی یا اضافه بار ماشین‌ها ممکن است عملکرد تولید را تحت تاثیر قرار دهد. در این ارتباط، لازم است که مسیرهای جایگزینی برای برخورد با عدم قطعیت‌ها وجود داشته باشد. مسیرهای جایگزین بیشتر، سیستم را پیچیده‌تر می‌کند. متعاقبا، زمان و هزینه‌ها افزایش خواهند یافت و کنترل‌های بیشتری برای اطمینان از یکنواختی و کیفیت محصول لازم است. سنجش کلی تعداد محصولاتی است که مسیرهای جایگزین دارند و پراکندگی بین مسیرهای استفاده شده بدون ایجاد هزینه‌های بالا در خروجی کارآیی.
انعطاف‌پذیری تحویل
تحویل به موقع مهم است. تحویل زودتر از موعد به طور قطع می‌تواند سطح رضایت مشتریان را بهبود بخشد. توانایی انتقال تاریخ‌های تحویل برنامه‌ریزی شده به جلو به طوری که بتوان سفارش‌های عجله‌ای و مخصوص را برآورده کرد، به عنوان انعطاف‌پذیری تحویل تعریف شده است. این مفهوم به صورت درصدی از زمان شناوری که از زمان‌های تحویلی کاهش پیدا کرده‌اند، تعریف می‌شوند.
انعطاف‌پذیری اصلاح محصول
یک مشتری ممکن است تقاضای بعضی تغییرات را روی محصولات موجود داشته باشد مانند یک ابعاد جدید بدون تغییر در عملکرد اصلی محصول. برای یک طراحی محصول بهبود یافته باید قابلیت اصلاح را در نظر گرفت. ارضای تقاضای مشتری برای داشتن یک سطح سرویس بالا مهم است بنابراین انعطاف‌پذیری اصلاح محصول هم مهم است. این شاخص به صورت تعداد و تنوع اصلاحاتی که می‌توان روی محصولات بدون افزایش هزینه انجام داد اندازه‌گیری می‌شود.
زمان: زمان مورد نیاز برای انتقال اطلاعات جدید در طول زنجیره‌ی‌تأمین است. البته فقط زمان لازم برای انتقال اطلاعات نیست بلکه زمان لازم از لحظه‌ای است که طراح طراحی را تغییر می‌دهد تا زمانی که محصول به روش جدید شروع به تولید می‌کند.
صحت
این شاخص تطبیق طراحی‌های جدید را نسبت به محصولات تولید شده اندازه‌گیری می‌کند. برای کمی‌سازی این شاخص می‌توان به سادگی درصد ضایعات محصولات تولید شده اشتباه را پس از اعمال شدن طراحی جدید اندازه گرفت.
عرضه کردن محصولات جدید
محصولات جدید برای تحریک کردن فروش یک شرکت خاص یا حتی کل بازار به طور پیوسته به بازار عرضه می‌شوند. برای شرکتی که به صورت دوره‌ای محصولات جدید را به بازار عرضه می‌کند، فارغ از این که محصول واکنش خوبی را از بازار دریافت کند یا خیر، درجه زیادی از ترقی وجود دارد. این موضوع به شرکت برای شناخت عمومی و تبلیغات کمک می‌کند. بنابراین می‌توان تعداد محصولات عرضه شده توسط یک شرکت خاص را در یک دوره مثلا سالیانه در نظر گرفت. این شاخص را می‌توان برای مقایسه دو زنجیره‌ی‌تأمین یا شرکت شناخته شده به کار برد.
استفاده جدید از تکنولوژی
جدا از طراحی محصولات جدید، بهبود در عملکرد محصول می‌تواند مرز رقابتی شرکت را بهبود بخشد. این موضوع شامل استفاده از تکنولوژی جدید و حتی یک روش جدید در مدیریت است. ممکن است برقرار کردن ارتباط بین عملکرد و نوآوری آسان نباشد. نوآوری فقط مربوط به محصولات فیزیکی نیست، روش‌های مدیریتی جدید یا استراتژی‌های جدید هم به عنوان نوآوری می‌توانند به بهبود عملکرد کمک کنند. اندازه‌گیری مستقیم تاثیر تکنولوژی جدید مشکل است، اما افزایش عملکرد را می‌توان مستقیما اندازه گرفت. تاثیر تکنولوژی درصد کاهش یافته در زمان مورد نیاز برای تولید محصول مشابه است.
2.1.4.2 شاخص‌های تحقیق گوناسکاران و همکارانگوناسکاران و همکاران (2004) شاخص‌های عملکرد زنجیره‌ی‌تأمین را در چهار دسته از فعالیت‌های (فرآیندها) زنجیره‌ی‌تأمین شامل (1) برنامه‌ریزی، (2) منبع، (3) ساخت/مونتاژ و (4) تحویل/مشتری بررسی کرده‌اند. در این تحقیق با ارسال 150 پرسش‌نامه به شرکت‌های مختلف و بررسی پاسخ‌های آن‌ها درجه اهمیت هر شاخص نیز محاسبه شده است. نتایج این تحقیق در جدول (2-2) ارائه شده است.
تعاریف برخی از شاخص‌های اشاره شده در جدول (2-2) به این صورت است:
زمان تدارک سفارش
زمان کل چرخه سفارش، زمان چرخه سفارش تا تحویل، که به صورت زمان بین دریافت سفارش مشتری تا تحویل کالاهای تمام شده به مشتری تعریف می‌شود. کاهش در زمان چرخه سفارش باعث کاهش در مدت زمان پاسخگویی زنجیره‌ی‌تأمین می‌شود که خود شاخص کارآییی مهمی است و منبع مزیت رقابتی است.
جدول 2 – 2 : دسته‌بندی شاخص‌های تحقیق گوناسکارانشاخص‌های مربوط به برنامه‌ریزی استراتژیک
سطح مشتریانی که ارزش محصول را درک کرده‌اند
واریانس در مقابل بودجه
زمان تدارک سفارش
هزینه پردازش اطلاعات سود خالص در مقابل نسبت بهره‌وری
زمان چرخه کل
زمان جریان نقدی کامل
سطح انرژی مصرفی
شاخص‌های مربوط به برنامه‌ریزی سفارشات
زمان جستجوی مشتریان
زمان چرخه توسعه محصول
دقت پیش‌بینی زمان چرخه فرآیند برنامه‌ریزی
روش‌های ورود سفارش
بهره‌وری نیروی انسانی
شاخص‌های مربوط به تأمین‌کنندگان
عملکرد تحویل تأمین‌کننده