aar1

انجام یک پروژه ERP مراحل و قدم های متعددی دارد که می توان این مراحل را در چهارچوبی که در شکل 2 ارائه شده است نمایش داد :

شکل 2 ) چهار چوب چرخه حیات ERP
(Jose M . Esteves .Joan A . Pastor . 2001)
این چهار چوب دارای شش (( فاز )) و چهار ((بعد )) است . فازها نشان دهنده مراحل مختلف چرخه عمر سیستم ERP در سازمان و ابعاد معرف دیدگاه های مختلفی هستند که می توان با توجه به آنها هر کدام از فازها را مورد بررسی قرارداد . در ذیل ابتدا فازها و سپس ابعاد را مختصراً شرح می دهیم :
فازها عبارتند از :
1) Adoption: در طی این مرحله، مدیران به بررسی میزان نیاز و آمادگی سازمان در استفاده از یک سیستم ERP می پردازند و رویکرد کلی سیستم های اطلاعاتی سازمان را بگونه ای انتخاب می کنند که بتوانند بخوبی چالش های کسب و کار را مشخص کرده و استراتژی های سازمان را بهبود دهند . این مرحله شامل تعریف اهداف، دستاوردها و نیازمندی ها است .
2) Acquisition : این مرحله شامل انتخاب بهترین سیستمی است که با نیازمندیهای سازمان منطبق بوده و کمترین نیاز به بومی سازی را داشته باشد . همچنین معمولاً یک شرکت مشاور نیز برای همراهی با سازمان در انجام مراحل بعدی پیاده سازی ERP انتخاب می شود .
در این مرحله فاکتورهایی از قبیل قیمت، خدمات آموزشی و نگهداری، توافقات قراردادی و بازگشت سرمایه مورد بررسی قرار می گیرند .
3) Implementation : این مرحله شامل Customize یا منطبق کردن سیستم ERP به خدمات گرفته شده با نیازمندی های سازمان است . معمولا این کار به کمک مشاورانی که با متدولوژی های پیاده سازی و مهارت های آن آشنا هستند انجام می گیرد .
4) Use & Maintenance : این مرحله شامل استفاده از محصول بصورتی است که فواید مورد انتظار را حاصل نماید . در طول این فاز باید جنبه هایی مانند کارایی، تناسب و کفایت مورد توجه قرار گیرد . همچنین هنگامیکه سیستم پیاده سازی شد باید نگهداری شود و مشکلات آن برطرف گردیده و نیازمندی های جدید و بهبودی های کلی نیز در آن اعمال گردد .
5) Evolution : در طی این مرحله سعی می شود یکپارچگی سیستم ERP با سایر قابلیت ها مانند برنامه ریزی های پیشرفته، زمانبندی، مدیریت زنجیره تامین، مدیریت ارتباط با مشتری و گردش کار توسعه و تکامل یابد .
6) Retirement:این مرحله زمانی است که با ظهور تکنولوژی های جدیدتر و یا ناکارآمدی سیستم ERP و یا تغییر در دیدگاههای کسب و کار سازمان، مدیران تصمیم به جایگزین کردن سیستم ERP موجود با ERP ای دیگر و یا سایر سیستم های اطلاعاتی که بیشتر با نیازمندی های سازمان منطبق باشند می گیرند .
ابعاد نیز عبارتند از :
1)Product : این بعد بر روی جنبه های مختلف یک سیستم ERP خاص از قبیل کارایی، تکنولوژی، سخت افزار و نرم افزار تمرکز دارد .
2)Process : هر سازمانی فعالیت های اساسی ای دارد که باید توسط سیستم پشتیبانی شود . بعلاوه سیستم ERP باید به تصمیم گیرندگان سازمانی در مدیریت منابع و عملکردهای سازمان کمک کند . معمولا سرمایه گذاری عمده بر روی ERP باعث ایجاد مهندسی مجدد فرآیند ها در سازمان می شود تا سازمان با نیازمندی های عملکردی سیستم جدید ERP منطبق شود و کارایی آن افزایش یابد .
3) People : این بعد به منابع انسانی سازمان و نقش و مهارت آنان در چرخه حیات ERP اشاره دارد . این نقش ها و مهارت ها باید به خوبی توسعه داده شوند تا پیچیدگی و ریسک سازمان در تعامل با سیستم ERP جدید به حداقل برسد.
4) Change Management : این بعد به دانش بکار گرفته شده در تعامل با پیچیدگی های حاصل از بکارگیری سیستم ERP در سازمان اشاره دارد که باعث می شود تغییرات لازم در زمانی مناسب و با هزینه ای منطقی به نتیجه صحیح برسد . رویکرد مدیریت تغییر سعی در ایجاد این اطمینان دارد که مقبولیت و آمادگی برای سیستم جدید در سازمان، امکان برخورداری صحیح از مزایای سیستم را فراهم می سازد .
با توجه به این چهار چوب و توضیحاتی که برای آن مطرح شد، تحقیق حاضر در فاز Adoption و دیدگاه ( بعد ) مطرح شده در این چهار چوب قرار می گیرد.
همانطور که گفته شد عوامل موثر در ارزیابی آمادگی موفقیت پیاده سازی متعدد هستند. در این تحقیق، بطور مشخص این قسمت بصورت تخصصی و عمیق مورد بررسی قرار می گیرد و در حقیقت سوالاتی از قبیل اینکه چرا اصولا سازمان تصمیم به پیاده سازی ERP گرفته و آیا مباحث مالی و محدودیت های بودجه ای، آمادگی سازمان، فرهنگ سازمانی و مواردی این چنینی به درستی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است یا خیر در این تحقیق مد نظر است . به عبارت دیگر می خواهیم برای سازمانی که تصمیم به پیاده سازی و بکارگیری ERP در سازمان خود گرفته است و بسته های ERP خاصی را نیز کاندید انتخاب قرار داده است، به بررسی این موضوع بپردازیم که از ابعاد مختلف آماده بکارگیری است؟
تشریح و بیان مساله :
امروزه بویژه در کشور ما، ERP یکی از موضوعات روز و بسیار مطرح بوده و در کانون توجه قرار دارد. بسیاری از سازمان های دولتی و خصوصی به دنبال پیاده سازی و بکارگیری ERP در سازمان خود هستند تا آنجا که بسیاری از ارگانهای دولتی موظف به مجهز کردن خود به سیستم ERP می باشند و به تعبیر دیگر می توان گفت که در حال حاضر تب ERP در کشور بالا گرفته است .(جعفر زاده 1386)
لذا اگر چه هر تحقیق کاربردی در زمینه ERP در کشور ما می تواند مفید باشد اما از آنجاییکه بسیاری از سازمانها ( به هر دلیل ) تصمیم به بکارگیری ERP نموده اند به نظر می رسد که در حقیقت مراحلی مثل بررسی آمادگی سازمان ( Readiness ) یکی از مراحل مهم برای بکارگیری ERP است.
همچنین از طرف دیگر تعداد نسبتاً زیادی شرکت های تولید کننده راه حل های IT وجود دارند که مدعی ارائه و فروش سیستم ERP می باشند . لذا همیشه این سوال برای مدیران سازمان های خواهان بکارگیری بسته های ERP وجود دارد که کدامیک از این سیستم ها یا بسته های موجود در بازار برای سازمان آنان مناسب تر است ؟
نتایج تحقیقات آماری در دنیا حکایت از آن دارد که حدود 70درصد پروژه های استقرار ERP در دنیا با شکست روبرو بودهاند. با نگاهی منفی به این آمار در می یابیم که ریسک استقرار پروژه های ERP زیاد می باشد اما با نگاه متفاوت  می توان گفت که بیش از 30 درصد از پروژه های استقرار ERP در دنیا با موفقیت کامل روبرو بودهاند و این مطلب نشان می دهد که اگر دلایل شکست پروژه های ERP با دقت مطالعه گردد و از نتایج این مطالعات بهره برداری مناسب گردد می توان احتمال موفقیت اینگونه پروژهها را افزایش داد.
مهمترین  دلایل شکست  پروژههای ERP :
عدم آمادگی: سازمان برای بکارگیری سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده نباشد.
انتخاب محصول : عدم انتخاب محصول مناسب که نیازمندیهای سازمان را به خوبی مرتفع نماید و نزدیکترین محصول به نیازهای سازمان باشد.
 انتخاب پیمانکار : عدم انتخاب شرکت مناسب برای استقرار محصول
پرسنل : عدم تخصیص نیروهای مدیریتی و کارشناسی تمام وقت از سوی سازمان
 حدود قرارداد: عدم تعیین دقیق حوزه انجام کار در قرارداد
مدیریت تغییرات: عدم توجه به مدیریت تغییرات در سازمان مشتری
 مهارت : عدم آشنایی و مهارت تیم پیمانکار با فرآیندهای کارفرما(Jaideep Motwani.2005)
انتخاب ERP دارای اهمیت بسزایی است و عوامل زیر را سبب می شود:
کاهش ریسک در انتخاب نرم افزار نا مناسب
کاهش ریسک در عدم موفقیت پیاده سازی
فراهم سازی بستر مناسب برای تیم تصمیم گیرنده به منظور توجیه منطقی واصولی تصمیمات اتخاذ شده کاهش کلی هزینه های مالکیت و نگهداری(ناظمی اسلام 1386)
پیاده سازی ERP برای سازمانها، شرکت های خصوصی و دولتی برای بقاء، رقابت و حضور در بازارهای جهانی ضروری است.( تاظمی اسلام 1386) خرید، پیاده سازی و تغییراتی که هر ERP به همرا ه دارد هزینه هنگفتی را بر سازمانها، شرکت ها تحمیل می کند و یکی از مهمترین دلایل شکست پیاده سازی عدم آمادگی بکارگیری و عدم توجه کافی به آن و نبود یک الگوی مناسب، ساده و فراگیر است . پس برای کاهش ریسک ها و افزایش احتمال موفقیت پیاده سازی و همچنین بازگشت سرمایه ضرورت ارزیابی آمادگی بکارگیری سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی تبیین می شود.
با توجه به موارد مطرح شده ، در این تحقیق به بررسی این موضوع که "چه عواملی در موفقیت پیاده سازی ERP در ایران خودرو دیزل مهم بوده و آیا شرکت ایران خودرو دیزل از لحاظ بکارگیری سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است یا خیر؟" پرداخته خواهد شد.
ضرورت انجام تحقیق :
سیستمهای ERP به ابزاری لازم تقریبا برای هر موسسه ای تبدیل شده اند تا به آنها کمک کنند حس رقابت را ارتقا بخشند. براساس موفقیت اجرای سیستم ERP شرکتها می توانند به سرعت یک مزیت رقابتی در بازار جهانی کسب نمایند. درطول دهه گذشته بسیاری از پروژه های ERP منجر به پیشرفت های قابل توجه ملموس و ناملموسی در حوزه های گوناگونی برای سازمانها شده اند. هر چند تعدادی از نمونه هایی هم وجود دارند که در آنها سازمان ها موفق نشده اند مزایای بالقوه ای بدست آورند که این مساله آنها را به سمت سرمایه گذاری گسترده در اجرای ERP ترغیب نموده است. اجرای سیستمهای ERP بخاطر پیچیدگی، هزینه بالا و ریسک سازگاری یکی از دشوارترین پروژه های سرمایه گذاری می باشد. شرکت ها میلیاردها دلار صرف استفاده از نفر-ساعت های هنگفتی نموده اند تا سیستم های نرم افزاری ERP را مستقر سازند. یک پروژه موفق ERP شامل انتخاب یک سیستم نرم افزاری ERP و فروشنده تعاونی مربوطه و اجرای این سیستم، مدیریت فرآیند تجاری و سنجش میزان عملی بودن آن سیستم می باشد(Karsak,2000 , Zogul)
اهداف(کلی و جزئی) تحقیق :
هدف اصلی این تحقیق :
ارزیابی و بررسی آمادگی شرکت ایران خودرو دیزل برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی
تشخیص نقاط قوت و ضعف سازمان در زمینه آمادگی پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی
سوالات یا فرضیه های تحقیق :
1-شرکت ایران خودرو دیزل از جنبه منابع انسانی برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است.
2-شرکت ایران خودرو دیزل از جنبه زیر ساخت تکنولوژی اطلاعاتی برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است.
3-شرکت ایران خودرو دیزل از جنبه فرهنگ سازمانی برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است.
4-شرکت ایران خودرو دیزل از جنبه فرایند‌های کسب وکار برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است.
5-شرکت ایران خودرو دیزل از جنبه داده برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است.
6-شرکت ایران خودرو دیزل از جنبه تعهد مدیریت ارشد برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است.
7-شرکت ایران خودرو دیزل از جنبه مدیریت تغییر سازمانی برای پیاده سازی سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی آماده است.
قلمرو تحقیق :
الف ) دوره های زمانی انجام تحقیق :
از آذر1389 تا فروردین 1390 خواهد بود.
ب ) مکان تحقیق :
مکان تحقیق شرکت ایران خودرو دیزل می باشد.
تعریف واژه ها و اصطلاحات تخصصی طرح :
عوامل حیاتی موفقیت(CSF): عبارتند از شرایط و فرصت هایی که باید ایجاد شوند تا موفقیت سازمان تضمین گردد(Poon&Wagner,2001).
سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی(ERP): یک بسته نرم افزاری تجاری است که هدف آن یکپارچگی اطلاعات و جریان اطلاعات بین تمامی بخشهای سازمان از جمله مالی، حسابداری، منابع انسانی، زنجیره عرضه و مدیریت مشتریان است . (Davenport .1998)
فرهنگ: ترکیبی از تاریخ شرکت، انتظارات، قوانین نانوشته و آداب اجتماعی که رفتارها را تحت تاثیر قرار می دهد و مجموعه ای از اعتقادات اساسی است که روی ادراک ما از کارها و ارتباطات همه کارکنان تاثیر می گذارد .(Hasanali,2002)
ساختار سازمانی: به سبک و روشی اشاره دارد که کارکنان و پست های سازمانی براساس آن، در جهت تسهیل فرایندهای کاری سازمانی شکل گرفته اند. افراد درون ساختار سازمانی کار می کنند که فرایند های سازمانی را برای رسیدن به استراتژی کلی شرکت پشتیبانی می کنند(Santoro and Gopalakrishena,2000).
استراتژی : چارچوبی را فراهم می کند که در آن چارچوب سازمان، فعالیت های هدف گذاری شده ای را برای اهرمی کردن دارایی های دانسته ای سازمان انجام می دهد .(Chatzkel,2000)
منابع انسانی : افراد، ایجاد کنندگان دانش در سازمان هستند و یک قسمت قابل توجه از دانش سازمان در ذهن آنها است (ESCFWA,2003).


فرایندهای کسب وکار: یک گروه از کارهای منطقا مرتبط بهم که منابع سازمانی را در جهت حمایت اهداف سازمان مورد استفاده قرار داده تا نتایج با گرایش مشتری فراهم کند(Hamer,2000).

فصل دوم
ادبیات تحقیق
فصل دوم
مقدمه
مهمترین دغدغه مدیران پیشرفت در یک محیط متلاطم و پویا ست ولی آنها میدانند بااینکه تمامی منابع چهارگانه نیروی انسانی مواد تجهیزات وماشین آلات و سرمایه رادارند وبرای رسیدن به اهداف خودازتمامی فعالیت های اصلی و پشتیبانی استفاده میکنندوهمیشه به دنبال توسعه و پیشرفت از سه بعد استراتژی کسب وکار طراحی ساختار سازمانی وتوسعه سیستم های اطلاعاتی هستند اما نمیتواند به یک انسجام و یکپارچگی درتمامی ابعاددرون سازمانی وبرون سازمانی برسند که کلیدحل مشکلات آنها در محیط رقابتی امروزه برنامه ریزی منابع سارمان (ERP) است تا با حذف هرگونه فعالیت بی ارزش کسب وکار خود را رونق بخشند( شفیعی نیک ابادی ،1386)
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان یکی از پرکاربرد ترین راه حل های فناوری اطلاعات است و بکارگیری آن علاوه بر سازمان های بزرگ توجه شرکت های متوسط و کوچک رانیز به خود جلب نموده است. زمانی که سازمانهاتصمیم میگیرند ERP راپیاده کنند با کار ساده ای روبرو نیستندو با تنوع گسترده نرم افزارهای دردسترس ERPمشخص کردن بهترین سیستم که مطابق با خواسته های سازمان باشد کار سختی است و ممکن است فرایند ارزیابی وانتخاب سیستم برنامه ریزی منابع سازمان زمانی زیادی را به اختصاص دهد ( نیکجو ،1386)
انتخاب معیارهای مناسب که تصویر کاملی از کل سازمان رانشان دهد ازاهمیت زیادی برخوردار است در چارچوب های ارائه شده اولیه درمطالعات پیشین فقط برروی معیار هزینه تاکید فراوان شده است. روش کارت امتیازی متوازن علاوه بر در نظر گرفتن معیارهای مالی معیارهای دیگری رااز سه دیدگاه مشتری فرایندهای داخلی و نوآوری و یادگیری برای اندازه گیری عملکرد سازمان استخراج مینماید درنتیجه دید کلی تری در اختیارمدیر قرار می دهد. همچنین این چارچوب به برقرای تناسب در تعداد معیارها کمک میکندومانع ازدیاد تعدادمعیارها می شود (Cebeci ,2009)
درادامه این فصل به معرفی بیشتر سیستم ERP وهمچنین بررسی و ارزیابی انتخاب این سیستم در ادبیات تحقیق پرداخته می شود .در ادامه توضیحاتی درمورد کار امتیازی متوازن و بکارگیری آن در انتخاب سیستم ERPمناسب ارائه می شود .همچنین به معرفی بیشتر مدلهای تصمیم گیری چندمعیاره بویژه روش فرایند تحلیل شبکه ای پرداخته می شودودرمورد بکارگیری رویکرد تصمیم گیری چندمعیاره برای انتخاب سیستم ERPدر پیشینه توضیحاتی ارائه می شود.
تاریخچه و سیرتکامل سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان براساس یک روند تکاملی شکل گرفته اند. توسعه فناوری های رایانه شکل گیری بازارهای جهانی واهمیت یافتن زنجیره تامین و ظهور سیستم های یکپارچه در سازمان های تولیدی مهمترین روندهای شکل گیری سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان هستند. شکل گیری سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان یک فرایند تکاملی بوده است. این سیستم ها درواقع کامل یافته سیستم ها ی عملیاتی هستند که دردهه های 1960 تا 1970 میلادی توسعه یافتند. دردهه60 میلادی بود که سیستم هایی به نام سیستم های کنترل موجودی ایجادشد و هدف از این سیستم دادن اطلاعات لحظه ای مواد اولیه قطعات محصول نیم ساخته و نهایی بود.
بعد از این دوره و رشد صنعت کامپیوتر دردهه 70 سیستمی به نام برنامه ریزی احتیاجات مواد ایجاد شد که علاوه بر مجموعه فعالیتهایی که در سیستم کنترل موجودی انجام میشد عمل برنامه ریزی تامین منابع را نیز به صورت مکانیزه وسیستمی انجام میداد که دارای سه بخش عمده به نام های برنامه اصلی تولید لیست موادو قطعات لازم و پرونده ثبت موجودی یا صورت موجودی انبار است ومهمترین خروجی های حاصل از آن مجموعه ای از گزارشات اولیه ( مانند جداول سفارشات برنامه ریزی شده ، تغییر در تاریخ های سررسید، اطلاعات مربوط به وضعیت موجودی و ...) وگزارشات ثانویه ( مانند گزارشات برنامه ریزی اجرایی و استثنایی ) می باشند.
دردهه 80 باتوسعه مکانیزاسیون در کسب و کار سیستم های برنامه ریزی احتیاجات مواد متحول شده و سیستم های برنامه ریزی منابع تولید MRPII به وجود آمدند. این سیستم ها به منظور برنامه ریزی تمامی منابع مورد نیاز برای تولید مورداستفاده قرارمی گرفت. با شکل گیری این سیستم ها بخش عمده ای از فرآیندهای کسب و کار از جمله برنامه ریزی کسب وکار، برنامه ریزی عمیاتی ، برنامه ریزی فروش ، برنامه ریزی تولید ، زمانبندی تولید و برنامه ریزی ظرفیت به صورت یکپارچه مکانیزه شدند.این سیستم ها به منظور تهیه گزارش مالی ،گزاش های بودجه ، گزارش های فروش باسیستم های مالی و حسابداری نیز مرتبط شدند.(F.Robert Jacobs ,2006)
سیستم های برنامه ریزی منابع تولید روشی برای برنامه ریزی تمام منابع برای یک سازنده می باشد که در آن برنامه ریزی تمام منابع در کل سازمان یکی میگرد. MRPII دارای قابلیت تطبیق و یکپارچه سازی عملکردهای اصل یک شرکت همانند تولید ، بازاریابی ، فروش ومالی می باشد (Barker 2001) . علت ظهور ERPII عدم توانایی سیستم ERPدر پاسخ گویی به تغییرات سریع محیطی بود به این معنا که زمان زیادی صرف عملکرد های مکانیکی سیستم های ERP می شد ، واحدهای کسب و کار با یکدیگر ارتباط نداشتندوهمچنین این سیستم ها روی پردازنده مرکزی اجرا می شدند(Muscatello,2002) .
دردهه 90 بودجه های it به صورت ناگهانی ، سریع وچشمگیری افزایش یافت و سیستم برنامه ریزی به نام برنامه ریزی منابع سازمان ایجاد شد که حالت توسعه یافته ERPII بوده و به دنبال پوشش سیستم های مدیریت منابع مالی سازمان جهت پاسخگویی به شرایط خاص و پیچیده بازار در تولیدات می بود سپس ERP بوجود آمد که علاوه بر موجودی اقلام ، جریانات مالی و حسابداری ، مدیریت منابع انسانی ، مدیریت بازاریابی و سیستمهای پشتیبان جهت تصمیم گیری برای سیستم برنامه ریزی منابع تولیدو ساخت را شامل می شد (Muscatello,2002)
باگذر زمان و آشکار شدن مزایای عمده ، نصب و پیاده سازی ERP بسیار رایج گردید و باایجاد قابلیت های اضافی در آن ، این سیستم درون سازمانی را به یک سیستم بین سازمانی تبدیل کردندو از سال 2000 به بعد بااوج گفتن این موج جدید به مدیریت سازمان هاومیل مدیران به استفاده ازا ین سیستم مواردی همچون مدیریت زنجیره تامین ، مدیریت روابط بامشتریان ، مدیریت داده های تولید ، سیستم های اجرای تولید هوش کسب و کار، ذخیره سازی ومبادلات الکترونیکی داده ها به این سیستم اضافه شد تا حرکت سیستم ها به سمت تجارت الکترونیک از نوع کسب بامشتری سرعت یابدو در آینده ای نزدیک منتظر کاربرد هوش مصنوعی و پشتیبانی از طریق مستندسازی چند رسانه ای در این سیستم ها هستیم که رونق جدیدی به بازار این سیستمهاو تحولی بزرگ در مدیریت سازمان هاایجاد میکند ( شفیعی نیک آبادی ،1386).
بسیاری از افرادمعتقد هستند که یکپارچگی سیستم های کسب و کار در قالب سیستم برنامه ریزی منابع تولیدی سرآغازی برای شکل گیری سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان می باشد.به عنوان مثال مانتی سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان را روشی برای برنامه ریزی و کنترل موثر تمامی منابع مورد نیاز برای تهیه ، تولید ، بازگیری و ارائه سفارشات مشتری تعریف نموده است(Manetti,2001) .
اولین سیستم برنامه ریزی منابع سازمان توسط شرکت های نرم افزاری بزرگ در آمریکاواروپا از جمله شرکت های SAP و Peoplesoft توسعه یافتند. شرکت SAP سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان خود را حول محور فعالیتهای تولیدی ویکپارچگی این فعالیتهابا فرایندهای مالی و حسابداری ایجاد نمود. سایر تولید کنندگان نیز محصولات خود را با تمرکز بر بخش های خاصی از کسب و کار توسعه دادند. به عنوان مثال Peoplesoft اولین محصولات خود را با تمرکز برمدیریت نیروی انسانی ارائه نمود که بامرور زمان سایر ماژول های کسب وکار نیز به این محصول افزوده شد. شرکت ORACLE نیز قبل از ورود به عرصه سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان تولید کننده و عرضه کننده سیستم های مدیریت پایگاه DBMS داده بود ( جلالی ریا،1385)
معرفی سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان
فناوری اطلاعات و ارتباطات را میتوان به عنوان مجموعه ای از اجزا جهت جمع آوری ، پردازش و تبادل وانتقال داده و اطلاعات در قبال سخت افزار ، نرم افزار، مغز افزارو سازمان افزار تعریف کرد. فناوری اطلاعات وارتباطات به عنوان جزء اساسی و پایه توسعه اقتصادی یک کشور چه در بعد خرد و چه در بعد کلان شناخته می شود و پدیده جهانی سازی بطور وسیعی توسط ICT حمایت و پشتیبانی می شود.
درکشورهایی که قصد پیوستن به سازمان تجارت جهانی (WTO) رادارند استفاده از سیستم های جدید فناوری اطلاعات وارتباطات سرعت چشمگیری به خود گرفته است. یکی از جدید ترین ابزارهای مدیریتی در سازمانهاسیستم های برنامه ریزی منابع هستند (Yiannis ,2002) برنامه ریزی منابع سازمانی عبارتی متشکل از سه واژه است که از لحاظ لغوی به صورت زیر بیان می شود :
Enterprise : یک سازمان بسیار گسترده .
Resources : همه منابع در دسترس برای یک سازمان
Planning : نگاه به آینده با یک دید بلند مدت به جای نگاه کردن به وضعیت جاری
پس از لحاظ لغوی عبارت است از برنامه ریزی با یک دید بلندمدت برای تمامی منابع در دسترس در کل گستره یک سازمان ( شفیعی نیک آبادی 1386)
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان ERP رامیتوان به عنوان نرم افزار یکپارچه ای تعریف نمود که دارای اجزا ویا ماژول های مختلفی در حوزه ها ی عملیاتی سازمانها مانند برنامه ریزی تولید ، فروش ، بازاریابی ، توزیع ، حسابداری مدیریت ، منابع انسانی ، مدیریت پروژه ، مدیریت موجودی ، مدیریت حدمات و نگهدار ی و تعمیرات ، مدیریت حمل و نقل و تجارت الکترونیک هستند. معماری و ساختار سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان به گونه ای است که یکپارچگی و جامعیت اطلاعات سطح سازمان را فراهم نموده و جریان روان اطلاعات بین بخش های مختلف سازمان را فراهم می آورد.
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان در واقع تکامل یافته سیستم های اطلاعاتی جامع هستند.تفاوت عمده این سیستم ها با سیستم های اطلاعات مدیریت و سیستم های جامع سازمانی در رویکرد فرایندگرا و یکپارچگی عملیاتی فرآیندی و داده ای سازمان ها است. این سیستم ها به گونه ای توسعه می یابند که تمامی منابع اطلاعاتی سازمان با یکدیگر یکپارچه شده و بتوان در راستای انجام ماموریت های سازمان از این سیستم بهره جست .این سیستم ها یک راه حل سیستمی مبتنی بر فناوری اطلاعات است که منابع سازمان را توسط یک سیستم یکپارچه به سرعت و با دقت و کیفیت بالا در کنترل مدیران سطوح مختلف سازمان قرار میدهد تا به طور مناسب فرایند برنامه ریزی وعملیات سازمان را مدیریت نماید.این سیستم میتواند به صورت داخلی و درون سازمانی توسعه یابد اما به خاطر پیچیدگی های موجود در این حوزه بسیاری ازسازمان ها راه اندازی این سیستم ها رابه فروشندگان وتولید کنندگان خارج از سازمان واگذار نموده ا ند ( نیکجو ،1386)
هنگامی که صحبت تعریف از سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان می آید اکثر نویسندگان مشخصه عملکردی این سیستم ها را به عنوان تعریفی از سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان بکار برده اند زیرا هیچ تعریف پذیرفته شده یکسانی برای این گونه سیستم ها وجود ندارد .مثال های بی شماری از این گونه تعریف ها در مرور ادبیات موضوع دیده می شود که به عنوان مثال چندنمونه ای از آنها ذکر میگردد:
ERP : یک بسته نرم افزاری تجاری است که هدف آن یکپارچگی اطلاعات و جریان اطلاعات بین تمامی بخشهای سازمان از جمله مالی ، حسابداری منابع انسانی ، زنجیره عرضه ومدیریت مشتریان می باشد (Davenport 1998)
ERP یک پایگاه داده ، یک برنامه کاربردی و یک واسط یکپارچه درتمامی سازمان است (Tadjer 1998)
سیستم های ERP راه حل های نرم افزاری جامع و در قالب بسته نرم افزاری ارائه شده اند و به دنبال یکپارچگی محدود و کاملی از فرآیندها و عملکردهای یک کسب و کار می باشند که به منظور ایجاد نگرشی کل نگر از کسب و کار در یک معماری واحد از اطلاعات وتکنولوژی اطلاعات استفاده می شوند (Klaus et al 2000)
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان مجموعه ای یکپارچه از برنامه هایی هستند که از فعالیت های محوری سازمان نظیر ساخت و پشتیبانی ، تدارکات مالی و حسابداری فروش وبازار یابی و منابع انسانی حمایت میکنند (Aladwani 2001)
ERP سیستم هایی مبتنی بر کامپیوتر هستند که برای پردازش تراکنشهای سازمان طراحی شده اند و هدف آنها تسهیل برنامه ریزی تولید و پاسخگویی به موقع به مشتریان در محیطی یکپارچه است (O'Leary 2001)
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان سیستم های اطلاعات قابل تغییری هستند که اطلاعات و فرآیندهای مبتنی بر اطلاعات سازمان رادر درون واحدهای سازمانی و بین‌آنها یکپارچه می نمایند. (Kumar 2002)
تعریف ERP از نظر انجمن تولیدو کنترل موجودی آمریکا به قرار زیر است :
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان روشی برای برنامه ریزی و کنترل موثر تمامی منابع مورد نیاز برای دریافت ، تولید ، ارسال و پاسخگویی به نیازهای مشتریان در شرکتهای تولیدی ، توزیعی و خدماتی تعریف شده است (Manetti 2001)
اما جامع ترین تعریفی که از ERP می توان بیان کرد و شامل تمامی ابعاد تعاریف فوق باشد عبارت است از :
"سیستم جامعی است که سعی در مدیریت موثر تمام منابع و یکپارچه سازی همه وظایف و بخش های موجود در یک سازمان با ستفاده از یک سیستم رایانه ای واحد که بتواند نیازهای خاص و ویژه را برآورده سازد دارد و این کار با استفاده از یک نرم افزار انجام میشود که به وسیله یک پایگاه داده ای واحد امکان به اشتراک گذاری اطلاعات وارتباط بخش های مختلف را با یکدیگر برقرار می سازد و این نرم افزار شامل تعدادی ماژول است که هریک بخشی از وظایف موجود در شرکت را به عهده دارند. ( شفیعی نیک‌ابادی 1386)
باکمی توجه به مجموعه تعاریف فوق همگی آنها دارای یک وجه مشترک می باشند و آن وجه مشترک درتمامی تعاریف فوق وجود لغت یکپارچه سازی یا یکپارچگی است. یکپارچگی دراین برنامه ریزی عبارت است از استفاده اشتراکی دو یا چند کاربر از اطلاعات یکسان با منبع ذخیره یکسان که این یکپارچه سازی باعث از بین بردن جزایر وماژول های اطلاعاتی شده وموجب فراهم آوردن اطلاعاتی دقیق به موقع و جامع از وضعیت کل سیستم موجود می شود.
این یکپارچه سازی و انسجام در هفت ناحیه در سازمان انجام میشود :
.یکپارچگی در داده ها که موجب جلوگیری از افزونگی ، انباشتگی و تناقض در داده ها می شود.
یکپارچگی در اطلاعات که این اطلاعات ترجمان د اده ها ( داده های پردازش شده ) در حوزه های مختلف است وداده ها نبایستی تناقض داشته باشند تااین یکپارچگی به نحو احسن صورت گیرد.
یکپارچگی در دانش ،دانش در حوزه های مختلف تولید می شود اما یکپارچگی و توازن آن باید با توجه به نیاز در انجام فرایند ها به خصوص در زمان تصمیم گیری حفظ شود.
یکپارچگی در فرآیند که دراینجا بحث ارزشیابی متوازن مطرح می شود وبیان می شود که در زمان های فشار اقتصادی ، جدایی زنجیره ها از همدیگر از همان حلقه های ضعیف شروع خواهدشد.
یکپارچگی در منابع انسانی یعنی وجود یکپارچگی بین تمامی اعضا و دانش آنها و ارتباط آنها با مجموعه فرآیندهایی که تحت مسئولیت خوددارند.
یکپارچگی در سازمان و ساختار که در مبحث مربوط به مهندسی مجدد به طور کامل تشریح میشود.
یکپارچگی در برنامه های کاربردی که تمامی ابزارهاو برنامه های مورداستفاده بایستی پاسخگوی مسئولیتهای محوله باشند ( شفیعی نیک آبادی ،1386)
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان از یکسری ماژول استاندار تشکیل شده اند. این ماژول ها می توانند به صورت منفرد مورداستفاده قرارگرفته و یا آنکه ترکیبی از این ماژولها برای نیل به اهداف سازمانی در اختیار سازمان قرار گیرد. همچنین عرضه کنندگان سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان سیستم هایی را نیز به صورت سفارشی برای سازمان ها و صنایع خاصی تولید وعرضه می نمایند. پیاده سازی سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان برای سازمان ها میلیون هادلار هزینه به همراه دارد و سازمان های کوچکتر برای راه انداز ی یک سیستم برنامه ریزی منابع سازمان باید تقریبا ده درصد ازدر آمد سالیانه شان راهزینه نمایند.
عرضه کنندگان سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان بیان مینمایند که با راه اندازی این سیستمها هزینه سیستم های اطلاعاتی جزیره ای کاهش یافته و کارایی عملیاتی سازمان افزایش می یابد. از این رو راه اندازی سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان مقرون به صرفه خواهدبود درحال حاضر کاربران این سیستم ها انتظار دارند سیستم هایی در دسترس داشته باشند که نیازهای آنها را پاسخ گو بوده و بتواند سود مناسبی را از سرمایه گذاری های صورت گرفته عاید آنها نماید (Barker ,2001)
از آنچه امروز هویداست می توان به راحتی روزی را پیش بینی نمود که هیچ سازمانی بدون ERP قادر به حیات نباشد زیرا حفظ ارزشها و مفاهیم بنیادی سازمانی و دستیابی به مفاهیمی چون مشتری مداری ، نتیجه گرایی ، مدیریت مبتنی بر فرآیند ، ثبات رهبری و مقاصد توسعه ومشارکت کارکنان ، یادگیری ونوآوری مستمر ، توسعه همکاریهای تجاری و عمل به مسئولیتهای اجتماعی سازمان جز با رویکرد به سیستم های ERP حاصل نخواهد شد. جهان امروز دیگر جایی برای زندگی تک واحدی چه برای انسانهاو چه برای سازمانها باقی نخواهد گذاشت. (F.Robert Jacobs 2006)
وال استریت ژورنال که یکی از معتبر ترین نشریات جهان محسوب می شود در یکی از شماره ها ی اخیر خود به بررسی آینده سیستم های ERP پرداخته است. نویسنده این پروژه - ریسرچمعتقد است که سازمان ها در چند سال اخیر دریافته اند که راهی جز سرمایه گذاری برروی ERPرا ندارند.این واقعیت که یکپارچگی یکی از عناصر بقا در دنیای رقابتی است برای همه به اثبات رسیده و سازمان ها معتقدند به جای اینکه برروی خرید چند سیستم مجزا سرمایه گذاری نمایند ودرنهایت نیز ناچار به سرمایه گذاری برروی فناوری های یکپارچه شونداز همان اول برروی ERPسرمایه گذاری نمایند.
براساس پیش بینی موسسه AMR سیستمهای برنامه ریزی منابع سازمان تا 2011 از رشدی معادل 11 درصد برخوردار خواهند شد و بتدریج بیشتر کسب وکارها به سمت این سیستم ها حرکت خواهندکرد در حقیقت آینده ERP ها به صورت سیستم هایی متمرکز در شرکت های پشتیبانی کننده متصور است که تنهاسازمان ها با اتصال به این سیستم ها خدمات مورد نیاز خود را دریافت می کنند با این اوصاف مطمئنا در سال های آینده نسل های جدیدی از ERP ها وارد بازار می شوند و شاهد روند جدیدی دراین زمینه خواهیم بود.
معماری سیستم ERP معماری و ساختار ERP به گونه ا ی است که یکپارچگی اطلاعات در سطح سازمان را فراهم کرده و جریان روان اطلاعات بین بخش های مختلف سازمان را فراهم می آورد و به کمک فناوری اطلاعات از طریق تسریع و تسهیل اطلاعات ، سازمان و تامین کنندگان را قادر به آگاهی وتامین مایحتاج به موقع میکند که به صورت لایه ای در بخش های سازمان وارد می شود . سطوح اصلی برای ERPعبارتند از :
لایه های عملیاتی که در پایین ترین سطح قراردارند و کشورهای در حال توسعه مانند ایران هم بیشتر به این سطح توجه دارند.
لایه دانش که رسیدن به این لایه سخت بوده ودرکشورهایی همچون ایران هنوز موفق به دستیابی کامل به این سطح نشده اند.
لایه های مدیریتی که بتواند از طریق سیستم های حمایت تصمیم گیری به مدیران کمک کند.
لایه های استراتژیکی و راهبردی سازمان می باشد.
دردولایه ابتدایی کاربران نهایی سیستم معولا کارکنان هستند اما دولایه آخر نشان میدهد که کاربران نهایی مدیران هستند و این که مدیران یک سازمان کاربران نهایی یک سیستم اطلاعاتی باشند نشان دهنده اهمیت و کاربری بالای آن سیستم می باشد ( شفیعی نیک آبادی 1386)
چالرلز مول (2005) در تحقیقات خود لایه های چهارگانه ای را برای سیستم برنامه ریزی منابع سازمان بیان میکند :
هسته ( لایه اصلی و بنیادین ) یک عنصر هسته ای همان پایگاه داده ای منسجم و یکپارچه است و عنصر هسته ای دیگر چارچوب کاری نرم افزار مورداستفاده است.
مرکز ( لایه پردازش ) که منعکس کننده سیستم های مبتنی برتبادل اطلاعات می باشند. قابل ذکر است که سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان پیشرفته وبا محور باز وترکیبی هستند و به عنوان مجموعه ای از سرویس های وب توزیع شده ای به کارگرفته میشوند و مهندسی مجدد فرایندها ونظارت بر فعالیتهای کسب و کار در این لایه صورت می گیرند.
سازمان ( لایه تحلیلی ) که شامل سیستم هایی از جمله SRM ، SCM مدیریت عمر محصول ، مدیریت داده محصول که کمک کننده شرکت برای نوآوریها و حضورموثر در بازارها و کسب وکار الکترونیکی است ، مدیریت چرخه عمر کارمندان که اطلاعاتی یکپارچه از مرحله ورود تا بازنشستگی در جهت مدیریت لیاقتها و شایستگی ها دارد ومدیریت عملکرد شکست که همانند چتری شامل متدلوژی ها ، معیارها ، فرایندها و سیستم های بکار گرفته شده برای نظارت ومدیریت عملکرد کسب و کار یک شرکت است و فراهم کننده یک جنبه کلی از کسب و کار برای مدیریت می باشد.
مشارکتی و تعاون ( لایه سوم کار الکترونیکی ) که شامل ارتباطات و انسجام و یکپارچگی میان سیستم برنامه ریزی منابع سازمان وعوامل خارجی است و شامل (E-commerrce)B2C ، (e-procurement)B2B و (Intrant)B2E و EAL ( که فراهم کننده محاسباتی برای فرایندهای خودکار در سطوح متفاوت IT سیستم ها و سازمان است و به دنبال انسجام اعضا داخلی و خارجی سیستم می باشد و باعث هماهنگی اجزا متفاوتی از SCM و CRM با آخرین سیستم های تکمیل شده ERP می شود) . وجود این لایه ها باعث انعطاف پذیری درانطباق با نیازهای متغیر شرکت های استفاده کننده وحتی قوانین داخلی و خارج از سازمان شده و باعث ایجاد یک حالت فرا شرکتی گردیده است که از طریق اتصال On line باتمامی اعضا در زنجیره در ارتباط می باشیم و به اطلاعات موجود درتمامی زمینه ها دسترسی داشته وثبت اطلاعات از نظر حجم رکورهای اطلاعاتی نامحدود می شود( (Moller 2005
اجزای تشکیل دهنده سیستم های ERP اگر اجزای سیستم های ERPتولیدشده توسط شرکتهای مختلف در این حوزه فعالیت را مورد بررسی قرار دهیم می بینم که این سیستم هادارای چند بخش کلی هستند که تقریبا در سیستم های همه فروشندگان ERP ارائه گردیده است.در یک تقسیم بندی کلی می توان این اجزا را در قالب گروههای زیر مورد بررسی قرارداد :
حسابداری مالی : سیستمی است برای مدیریت اتوماتیک و گزارش دهی مربوط به دفاتر کل حسابهای دریافتنی و پرداختی و سایر موارد مربوط به سیستم حسابداری ونگهداری حسابها
کنترل : برای نگهداری جریان درامد و هزینه های یک شرکت استفاده میشود و بعنوان یک ابزار مدیریتی برای تصمیم گیریهای سازمانی کاربرد دارد.
مدیریت دارایی ها(اموال) : سیستمی است که برای نگهداری اطلاعات مربوط به دارایی ها از جمله خرید ، فروش ، استهلاک و مدیریت سرمایه گذاری در دارایی ها کاربرددارد.
سیستم پروژه : این سیستم جهت برنامه ریزی ، کنترل و نظارت برپروژه های پیچیده و بلند مدت دارای اهداف مشخص وتعریف شده کاربرددارد.
سیستم جریان کار : سیستمی است برای ارتباط ماژولهای کاربردی ERPباابزار ، خدمات و فناوری های مختلف دیگر
راه حل های صنعتی : سیستمی است که ماژولهای کاربردی ERP را با برنامه های کاربردی دیگر که خاص برخی از صنایع از جمله نفت ، گاز، دارویی و بانکداری نوشته شده است ترکیب میکند.
منابع انسانی : سیستمی است کاملا یکپارچه که برای پشتبیانی و برنامه ریزی فعالیت های پرسنل در شرکتها کاربرددارد.
سیستم نگهداری شرکت :این سیستم وظیفه برنامه ریزی نیازمندیهای مربوط به نگهداری از ماشین الات و سایر امکانات موجود در شرکتها بخصوص شرکتهای تولیدی را بر عهده دارد.
مدیریت مواد : این سیستم وظایف مربوط به تدارکات ، انبار مواد ، سفارش مجدد و ... را برعهده د ارد.
مدیریت کیفیت : یک سیستم اطلاعات و کنترل کیفی است که برنامه ریزی کیفیت ، بازرسی و کنترل تدارکات وتولید را برعهده دارد.
برنامه ریزی تولید : برای برنامه ریزی و کنترل فعالیتهای تولیدی یک شرکت کاربرد دارد.این ماژول اجزای فرعی BOM ، مراکز کاری ، ردیابی مواد ،برنامه ریز ی عملیات و فروش ، برنامه کلان تولید (MPS) ، برنامه ریزی نیازمندیهای مواد ،کنترل سطح کارخانه ، سفارشات تولید ، هزینه یابی مواد و...می باشد.
فروش و توزیع : این سیستم بهینه سازی همه وظایف مربوط به فروش ارسال و صدور صورتحساب رادر بر میگیرد . اجزای فرعی این ماژول شامل پشتبیانی قبل از فروش ، پردازش در خواست مشتری ، پردازش اعتبار مشتری، پردازش سفارشات فروش ، پردازش ارسال کالا و سیستم اطلاعات فروش می باشد.
این اجزا می توانند خود دارای اجزای فرعی باشند که برای مقاصد ویژه ای کاربرد دارد که عبارتند از: ساختار سازمانی شرکت ، طراحی چارچوب گزارشات داخلی و خارجی ( جهت ارسال به سازمانهای خارج از شرکت) ، سازمان فروش ،کانالهای توزیع کالا ، سلف سرویس کارمندان ( کارمندان قادرند از طریق اینترنت به اطلاعات خود در سیستم منابع انسانی دسترسی داشته باشند ) ، سیستم MATCHCODE جهت یافتن اطلاعات خاص موردنیاز بااستفاده ا ز ابزارهای جستجو امنیت سیستم و سایر.
ضرورت استقرار ERPدر سازمان
درسالهای اخیر استفاده از سیستمهای یکپارچه سازمانی در راس برنامه های شرکتها قرار گرفته اند مهمترین ابزار پیش روی دراین ارتباط سیستم برنامه ریزی یکپارچه منابع سازمانی ERP است. این سیستم تمام بخشهای شرکت را از طریق جریانی از اطلاعات به یکدیگر مرتبط می سازد و مدیریت مکان و زمان ومنابع را در شرکت برقرار میکند وشرکت رادر بخشهای مختلف از به کارگیری نرم افزارهای مختلف که با یکدیگر ارتباط موثر وهمگام با زمان نیز ندارند بی نیاز می سازد.
پذیرش وکاربرد گسترده سیستم برنامه ریزی منابع سازمان ERP توسط سازمانهای بزرگ و متوسط به عنوان انقلاب ERPتوصیف شده ا ست (Ross 1999) پیاده سازی سیستم ERP مزایای بیشماری را برای سازمانها به ارمغان می آورد .بسیاری از سازمانها به میزان قابل توجهی سیستم مزبور را جایگزین شماری از سیستمهای اطلاعاتی قدیمی کرده اند (Oliver & Romm 2000) این چنین سیستم هایی نوید بخش ارائه یک پاسخ یکپارچه و منسجم به نیازهای اطلاعاتی سازمان درمورد جایگزینی سیستم های اطلاعاتی سنتی می باشد (Bardly 2008) استقرار سیستم های برنامه ریز ی منابع سازمان به لحاظ کیفی به سه دلیل از استقرار سایر سیستم های اطلاعاتی متفاوت است : 1- ERPبر کل سازمان اثر گذار است 2- ممکن است کارکنان فرآیندهای تجاری جدیدی را علاوه بر نرم افزار جدید بیاموزند. 3- ERPنه فقط یک سیستم اطلاعاتی بلکه یک سامانه تجاری است (Milford2000).
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان ، نرم افزارهایی هستند که داده های موجود در یک سازمان رایکپارچه نموده و به شکل مطلوب و در زمان مناسب در اختیار کاربرانی قرار میدهند که به آن نیاز دارند.این سیستم به تمام افراد یک مجموعه سازمانی حتی اکر میان آنها مرزهای جغرافیایی وجود داشته باشد اجازه میدهد تا با هماهنگی یکدیگر کار کنند ( طیاروقپانچی 1386) ومیزان بالایی از اتوماسیون و یکپارچگی وظایف را بین بخش های فروش ، بازاریابی ، تولید ، عملیات پشتیبانی و لجستیک ، خرید مالی ، توسعه محصول جدید و منابع سازمان ایجاد میکند ( برزگر 1386).
انتظار می رود استقرار سیستم برنامه ریزی منابع سازمان از طریق تهیه اطلاعات دقیق و به موقع در سطح واحد تجاری تصمیم گیریهای مدیریت را بهبود بخشد (Poston 2001) اگر سیستم برنامه ریزی منابع سازمان به درستی و با درنظر گرفتن ملاحظات اقتصادی و سازمانی استقرار یابد افزایش بهره وری سازمان قطعی است. شرکت هایی که در سیستم برنامه ریزی منابع سازمان سرمایه گذاری میکنند از عملکرد قوی تر ومزیت های مالی بالاتری بهره می جویند (Hitt 2002) درواقع ERPزیربنای یک نظام تجاری قدرتمند است که موجب ژرفای اطلاعات عملیاتی و وسعت اطلاعات درمورد زنجیره ارزش می شود (Wagner 2006) بااین وجود استقرار این سیستم ها اغلب سازمان ها را باچالش جدی مواجه مینماید. شواهد زیادی وجود دارد که نشان میدهد بسیاری از پروژه های استقرار در زمان مقرر و در محدوده بودجه تعیین شده پایان نپذیرفته اند (Austin 2003) به عنوان مثال می توان شرکت هرشی را نام برد که در اثر اجرای نادس پروژه 112 میلیون د لاری ERP در سه ماه سوم سال 1999 نوزده درصد کاهش سود را تجربه نمود . شرکت صنایع مایلر در سه ماهه آخر سال 1999 متحمل زیان عملیاتی برابر با 3/5 میلیون دلار شد که ناشی از هزینه های زیادو ناکارا بودن سیستم های ERP بود. دانشگاه ماساچوست وایندیانا نیز کاهش درامد ، هدر رفتن زمان ،هزینه های زیاد وتاخیر ناشی از استقرار نامناسب را گزارش نموده اند (Songini bray 2004).
نکته مهم این است که پیاده سازی یک سیستم ERP بصورت موفق در یک سازمان بسیار مشکل است بگونه ا ی که براساس مطالعاتی که صورت گرفته تاکنون 50% موارد پیاده سازی این سیستم با شکست مواجه شده و در 90% سیستم های پیاده شده موفق ، فراتر از زمان و بودجه مصوب اولیه عمل شده است.اگر چه این ارقام و درصدها متفاوتند امااین پیام را مخابره میکنندکه پروژه های تکنولوژی اطلاعات از جمله ERP در زمره پروژه های پرریسک قرار میگیرند. بنابراین باوجود مزایای بی شماری که پیاده سازی ERP برای سازمان دارد تا زمانی که توجیه لازم برای انجام این کار وجودندارد هیچ سازمانی نباید خود را درگیر آن نماید (Muscatello2006).
درنهایت می توان گفت که سیستم ERPبرروی تمامی جنبه های کسب و کار که شامل ساختارهای سازمانی ( ازجمله میزان کنترل رسمی ، تمرکز ، تعداد لایه های سازمانی ، حیطه نظارت و اندازه سازمان ) فعالیت ها ، فرایندها و محیط اثر گذار می باشند بنابراین برای موفقیت در آینده بسیار ضروری است و راهی برای رشد و حفظ توان رقابتی است و بایستی به اعمال تغییرات به صورت یک فرصتی بالقوه به سازمان نگریسته شود که باعث استاندارد سازی فرآیندهای کاری شود ( شفیی نیک آبادی 1386).
مزایای پیاده سازی ERP پیاده سازی سیستم ERP مزایای بیشماری را برای سازمانها به ارمغان می آورد اما باید توجه داشت که این مزایا و بهبود فرایندهای تجاری سازمان به راحتی قابل دست یابی نیستند. پیاده ساز ی موفق یک سیستم ERP بستگی بسیار زیادی به انتخاب سیستم مناسب ، تامین کننده مناسب ، نحوه ی بومی سازی نرم افزار در سازمان باتوجه به استراتژی فرهنگ و ساختار سازمان ، تعهد و حمایت مدیریت سازمان از پیاده سازی نرم افزار ، شایستگی مشاوران در پیاده سازی نرم افزار ، کنترل پروژه مناسب در طول فرایند پیاده سازی و اتمام پروژه در زمان مشخص ، بودجه پیش بینی شده و مواردی از این دست دارد.
ازاین عوامل که بگذریم پیاده سازی ERP در سازمان مزایای بسیار زیادی را به همراه خواهد داشت که به صورت خلاصه میتوان به موارد زیر اشاره نمود ( کسرایی 1387):
ایجاد یکپارچگی سازمانی : هدف عمده ، یکپارچه سازی تمامی بخشها و جریانهای اطلاعات کارکردی یک شرکت به شکل یک سیستم کامپیوتری واحد که قادر به برطرف کردن تمامی نیازهای سازمان باشد میباشد. دونوع یکپارچه سازی برای سیستم ها وجود داد داخلی و خارجی یکپارچه سازی داخلی عبارت است از یکپارچه سازی بین برنامه های کاربردی یا میان برنامه های کاربردی و پایگاه داده ها درداخل یک سازمان و یکپارچه سازی خارجی به یکپارچه سازی برنامه ها یا پایگاه داده شرکای کاری گفته می شود.
استانداردسازی : فرایندهای سازمانی براساس بهترین تجربیاتی که شرکتهای عرضه کننده نرم افزار از سازمانهای مختلف به دست آورده اند در سیستم ERPاستاندارد می شوند.
مهندسی مجدد فرایندهای سازمانی : از ERPبه عنوان کاتالیزور و یاتسهیل کننده در BRPیا مهندسی مجدد فرایندهای سازمانی نام برده شده ا ست.
تبدیل فرایندهای سازمانی از حالت ضمنی به حالت صریح به علت مهندسی مجددی که در فرایندهای سازمان صورت می پذیرد .
امکان نصب و راه اندازی سریعتر سیستم های مرتبط با ERP در سازمان از جمله ماژولهای مختلف این نرم افزار یا سایر نرم افزارهای کاربردی که از طرف عرضه کنندگان ERPارائه نشده ومخصوص آن سازمان هستند.
امکان و یاتسهیل توسعه سیستمهاو فناوری های جدید مانند سیستم های به هنگام (ITT)
امکان ایجاد همکاریهای تجاری سرمایه گذاری های مشترک ادغام برای سازمانها باهزینه کمتر و بازدهی بیشتر و نتیجه بهتر
تغییر تمرکز از برنامه نویسی کامپیوتر در سازمان به بهبود فرایندها
فراهم شدن زیر ساخت لازم به منظور پرداختن به مدیریت زنجیره ای تامین (SCM) , و مدیریت ارتباط با مشتری (CRM)
توسعه زیر ساخت لازم به منظور وارد شدن به تجارت الکترونیک (E-Business)
حذف فعالیتهای تکراری
ثبت داده های عملیاتی در حین انجام کار
حفظ امنیت نگهداری داده ها به صورت متمرکز و برنامه ریزی شده
دسترسی سریع و به روز به داده ها
کاهش شدید مصرف کاغذ
بهبود تصمیم گیری به دلیل دسترسی به داده های به روز و مناسب
استراتژی های بهره گیری از سیستم ERP
برای بهره گیری از این سیستم هفت استراتژی عمده وجود دارد که می توان به طور خلاصه به آنها اشاره کرد ( شفیعی نیک آبادی ،1386).
نصب و پیاده سازی یک سیستم یا یک بسته نرم ا فزاری کامل بدون اعمال هیچ تغییری در سازمان : دراین استراتژی روش های کار عوض شده و کارکنان در مورد فرایندهای جدید‌آموزش می بینند که این استراتژی سریعترین و کم خطرترین راه بهره گیری است و مهمترین مشکل عمده این استراتژی مقاومت زیاد کارکنان در برابر این تغییرات ناگهانی است.
انتخاب یک محصول خاص از یک شرکت فروشنده و اعمال تغییراتی در آن در جهت تطابق سازی با فرایندهای سازمانی که زمانبری وهزینه بالایی به علت اعمال تغییرات ، دارد و ریسک زیادی رامتحمل می شویم پس بایستی درمورد وضعیت شرکت فروشنده اطمینان حاصل شود اما در این حالت مقاومت کارکنان کمتر خواهدشد زیرا سیستم نرم افزاری براساس فرایندهای جاری تغییر می یابند و فرایندکاری تغییرات خیلی کمی دارند.
گزینش بهترین ماژولها از بهترین بسته های نرم افزاری : در اینحالت به جای اینکه یک نرم افزار کامل خریداری شود از بهترین بسته های نرم افزاری موجود بهترین ماژولها انتخاب می شوند و با هم یکپارچه می شوند. مهمترین مشکل استفاده از این استراتژی زمانبری بالا در انتخاب بهترین ، هزینه بری بالا و ایجاد یکپارچگی و انسجام بسیار سخت بین ماژول های مختلف از شرکت های مختلف است این استراتژی بیشتر توسط سازمانهای بزرگ با سطح درامد بالا اعمال می شود زیرا به کمک این استراتژی به دنبال ایجاد قابلیتهای اضافی در سازمان خود هستند.
گزینش بهترین ماژولهای یک بسته نرم افزاری : در این استراتژی از یک بسته نرم افزاری چند ماژول برای واحدهای سازمانی که ارتباط و یکپارچگی آنها با هم بسیار مهم است انتخاب می شود و فقط در آن چند واحد منتخب پیاده سازی صورت میگیرد.
ایجادسیستم به صورت داخلی : در این استراتژی سازمان خود اقدام به تهیه یک بسته نرم افزاری کامل برای خودش میکند که برای اعمال این استراتژی ، سازمان نیاز به مجموعه ای از متخصصین داخلی و خارجی در گرایشهای مختلف دارد و مهمترین فایده این استراتژی رسیدن به حداکثر تطابق بین سیستم و سازمان می باشد اما از نظر ریسک هزینه سازمان و وجود سختیها در بالاترین سطح در میان دیگراستراتژی های واقع است.
ایجاد سیستم داخلی به همراه ماژول های دیگر شرکت ها : این استراتژی ترکیبی از استراتژیهای قبلی است. دراین استراتژی بخشی از بسته درداخل سازمان تهیه می شود و بخشی دیگر توسط ماژول های دیگر فروشندگان وارد سازمان خواهد شد و این دو باهم یکپارچه می شوند که ریسک و زمانبری کمتری نسبت به استراتژی قبلی دارد اما بامشکل هماهنگی ماژول های داخلی با ماژول های خارج از سازمان مواجه خواهیم بود.
اجاره : دراین استراتژی که ساده ترین نوع استراتژی است یک بسته از شرکتی اجاره گرفته می شود و بایستی درقبال استفاده ماهیانه مبلغی را به شرکت اجاره دهنده پرداخت نماییم. در این استراتژی نمیتوان گفت که ارزانترین روش است زیرابستگی به موقعیت ومیزان هزینه اجاره و نوع شرکت اجاره دهنده دارد.
رایج ترین استراتژی از میان استراتژیهای هفت گانه استراتژی گزینش یک محصول خاص و تغییر وتطبیق آن با سازمان است و استراتژی رایج دیگر پیاده سازی کامل یک سیستم از یک شرکت خاص است و استراتژی ایجاد سیستم به صورت داخلی کمترین کاربرد در میان سازمانها رادارد.بایستی این امر را لحاظ کرد که انتخاب هراستراتژی ، وابسته به اندازه سازمان ، سطح در آمدی آن ، حد پیچیدگی فرایندها و میزان تلاطم و پویایی محیط میباشد.
انتخاب بسته نرم افزاری ERP یکی از مراحل استقرار سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان انتخاب نرم افزار مناسب است. طی فرآیند انتخاب نرم افزار از میان محصولات موجود در بازار موردی که بیشترین انطباق با نیازمندی های سازمان راداشته باشد انتخاب می شود. باتوجه به اینکه نیازمندی های سازمان در زمینه سیستم برنامه ریزی منابع سازمان بسیار تفصیلی و گسترده بوده ومحصولات ارائه شده نیز دارای ویژگی ها و قابلیتهای مختلفی هستند انتخاب نرم افزار در استقرار سیستم مقوله بسیارمهمی می باشد.
سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان درابتدا عمدتا برای سازمان های تولیدی عرضه میشدند. لیکن در حال حاضر تولیدکنندگان این سیستم ها محصولاتی را منطبق بر نیازمندیهای صنایع خاص عرضه نموده اند . هم اکنون کمتر صنعتی را میتوان یافت که سیستم برنامه ریزی منابع سازمان در آن نفوذ نکرده وتوسعه نیافته باشد. در فرآیند انتخاب نرم افزار با توجه به کسب وکار اصلی و نیازمندی های کلیدی سازمان از میان محصولات موجود به جستجو پرداخته و محصول مناسب انتخاب می شود. در مراحل انتخاب نرم افزار بررسی می شود که در محدوده کسب وکار سازمان چه سیستم هایی عرضه شده اند و هر کدام دارای چه ویژگی ها وتوانمندیهایی می باشند بدون گذراندن دقیق مرحله انتخاب نرم افزار این ریسک وجود داد که محصولی نامناسب و غیر منطبق برنیازمندیهای سازمان انتخاب شود که این امر باعث می شود که در مراحل پیاده سازی واستقرار سیستم ، سازمان با مشکلات جدی روبرو گردد. هرچه محصول انتخاب شده با نیازمندی های سازمان انطباق بیشتری داشته باشد تغییرات اعمال شده در سیستم در مراحل آتی کاهش یافته و ریسک پیاده سازی و استقرار سیستم نیز به مراتب کمتر می شود.در صورتیکه کارکردهای سیستم با نیازمندی های سازمان منطبق نباشد باید یا فرآیندهای سازمان راتغییرداد تا با سیستم هماهنگ شود و یا اینکه سیستم را سفارشی نمود تا قابلیت پشتیبانی از فرآیندها را داشته باشد که در دوحالت زمان وهزینه پیاده سازی افزایش یافته و ریسک پیاده سازی سیستم نیز زیاد می شود همچنین در این حالت باتوجه به زیاد بودن حجم تغییرات احتمال مقاومت در مقابل تغییر کارکنان نیز افزایش می یابد ( فتحیان 1384).
خیلی از سازمانهایی که بدون دقت نرم افزار ERP راتهیه می کنند در طی پیاده سازی بامسائل جدی و حادی مواجه میشوند . مسائلی که با ارزیابی اصول ، امکان جلوگیری از آنها وجود دارد . از آنجائیکه فرایند ارزیابی وانتخاب هیچ دو سازمانی یکسان نیست و براساس ویژگیهای داخلی وشرایط خاص سازمانی متفاوت است بررسی کارهایی که دراین زمینه انجام شده است بی فایده نخواهدبود . از آنجا که سیستم های اطلاعاتی به عنوان یکی از مهمترین سیستم های موجود در حوزه علوم کامپیوتر از نقش ویژه واستراتژیکی برخوردار هستند و به همین جهت در سالهای اخیر تحقیقات فراوانی در این زمینه از علوم فنی و مهندسی انجام گرفته است و درحالی که فعالیتهای گسترده ای در زمینه پیاده سازی سیستمهای اطلاعاتی صورت گرفته ولی درزمینه ارزیابی وانتخاب آنها کارهای علمی تحقیقاتی زیادی انجام نشده است ( نیکجو 1386)
شواهد بیانگر این واقعیت تلخ است که تعداد زیادی از سازمانها با وجود صرف بخش زیادی از منابع مالی انسانی و یا زمانی خود برای این سیستم در پیاده سازی موفق و یا بهره برداری اثر بخش از آن ناکام مانده اند. به منظور جلوگیری از اتلاف منابع ارزشمند سازمانی در پیاده سا زی ERP و مهمتر از ان حفظ سازمان در برابر مخاطرات احتمالی پیاده سازی این سیستم لازم است قبل از اتخاذ هر تصمیمی از انتخاب یک بسته نرم افزاری ERP مناسب اطمینان حاصل شود. سیستم های ERP یکی از نیازهای ضروری هر شرکت است تا رقابت پذیری اش رابهبود دهد . برطبق موفقیت پیاده سازی سیستم ERP شرکت میتواند در بازارهای جهانی به مزیت رقابتی دست یابد (Davenport 2003).
دریای سیستم های برنامه ریزی منابع سازمان بسیار وسیع می باشد و گذر از این دریای پرتلاطم کار آسانی نیست. شرکتهای زیادی وجود دارند که به ارائه محصولات ERPمی پردازند و همه به دنبال جذب مشتریان جدید و حفظ مشتریان قدیمی خود می باشند.طبق تحقیقات به عمل آمده توسط گروه آبردین "25 درصد از 650 سازمان متوسز تحت برسی طی 3 سال اول تصمیم به جایگزینی سیستم های ERP خود گرفته اند " در این تحقیق امده است " ازدیاد سیستم های ERP به طور قابل توجهی منحصر به بروز این استراتژی های جایگزین شده است به طور ی که 40 درصد سازمان ها تمایل به یکپارچه سازی سیستم های متعدد خود در سازمان داشته اند.37 درصد سازمان ها نیز به نیاز نرم افزارهای جهانی و استاندار با قابلیتهای بین المللی اشاره نموده اند (Aberdeen 2007).

user8342

-304165427355مالکیت نتایج و حق نشر
کلیه حقوق معنوی این اثر و محصولات آن (مقالات مستخرج ، کتاب ، برنامه های رایانه ای ، نرم افزار ها و تجهیزات ساخته شده است ) متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد . این مطلب باید به نحو مقتضی در تولیدات علمی مربوطه ذکر شود .
استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پژوهش بدون ذکر مرجع مجاز نمی باشد.
00مالکیت نتایج و حق نشر
کلیه حقوق معنوی این اثر و محصولات آن (مقالات مستخرج ، کتاب ، برنامه های رایانه ای ، نرم افزار ها و تجهیزات ساخته شده است ) متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد . این مطلب باید به نحو مقتضی در تولیدات علمی مربوطه ذکر شود .
استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پژوهش بدون ذکر مرجع مجاز نمی باشد.
* متن این صفحه نیز باید در ابتدای نسخه های
تقدیر و تشکر
با تشکر از اساتید بزرگوارم جناب آقابان دکتر اکبرزاده، عباسنژاد و محمدیون که شایسته هر نوع سپاس، تجلیل و تکریم هستند. همچنین پدر و مادر عزیزم که در تمامی مراحل پشتیبان من بودند.
چکیده
در تحقیق حاضر مسئله خنک کاری مغز به روش انتقال حرارت معکوس به منظور کاهش آسیب های احتمالی مورد بررسی قرار گرفته است. کاهش دمای مغزفواید بسیاری در مقابل آسیب های تراماتیک و ایشکمیک مغز دارد و می تواند بیمار را مدت بیشتری در وضعیت حیاتی نگه دارد. هندسه مغز به عنوان یک فرض ساده کننده، به صورت یک نیمکره متقارن در نظر گرفته شده است. مسئله معکوس با روش گرادیان مزدوج حل شده است.اساس روش بر مبنای مینیمم سازی تابع هدفی است که که به صورت مجموع مربعات تفاضل دماهای محاسبه شده و دماهای اندازه گیری شده از آزمایش بر روی مرز خارجی مغز تعریف می گردد. با حدس یک شار اولیه مسئله را حل کرده، توزیع دما و شار حرارتی مورد نظر به منظور کاهش دمای مرکز مغز به میزان 5 درجه ( رسیدن به دمای 33 درجه)، به دست آمده اند. توابع محاسبه شده با استفاده از روش معکوس با توابع دقیق مقایسه شدهاند.
فهرست علائم و اختصارات:
C گرمای ویژه، J/ kg d جهت گام بهینه
eRMS خطای RMS
k هدایت گرمایی بافت، W/m °C
Ns تعداد سنسورها
n بردار عمود بر سطح
q شار حرارتی W/m2q'''m نرخ تولید گرمای متابولیک W/m3R شعاع سر m
S تابع هدف
Tدما KTa0 دمای مرکزی بدن Kt زمان sWb نرخ خون تزیق وریدی kg/(mas)Y دمای مورد نظر(اندازهگیری شده)
Greek letters a نفوذپذیری گرمایی m2/sβ اندازه گام حل
γ ضریب الحاقی
ε پارامتر توقف
θ زمان بیبعد
λ متغیر مسئله حساسیت
ρ چگالی بافت زنده kg/m3b خون
r* مشتق نسبت به r*
z* مشتق نسبت به z*η مشتق نسبت به ηξ مشتق نسبت به ξSuperscripts k تعداد تکرارها

فهرست مطالب
عنوانشماره صفحه
TOC o h z u فصل اول: مقدمه PAGEREF _Toc418272714 h 11-1 مقدمه: PAGEREF _Toc418272715 h 21-2- تاریخچه: PAGEREF _Toc418272716 h 7فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع PAGEREF _Toc418272717 h 152-1 مسائل بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272718 h 162-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272719 h 172-3 راه‌حل کلی PAGEREF _Toc418272720 h 182-4 نرخ هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272721 h 192-5-1 محاسبه گرادیان PAGEREF _Toc418272722 h 222-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابع PAGEREF _Toc418272723 h 232-6 معیار هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272724 h 242-7 روش کاهش سریع PAGEREF _Toc418272725 h 252-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272726 h 252-8-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272727 h 252-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272728 h 272-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتی PAGEREF _Toc418272729 h 312-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272730 h 322-8-5 تکنیک I PAGEREF _Toc418272731 h 342-8-5-1 شرح تکنیک PAGEREF _Toc418272732 h 342-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت PAGEREF _Toc418272733 h 372-8-6 تکنیک II PAGEREF _Toc418272734 h 382-8-6-1 متد گرادیان مزدوج PAGEREF _Toc418272735 h 382-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دوم PAGEREF _Toc418272736 h 442-8-6-3 اندازه‌گیری پیوسته PAGEREF _Toc418272737 h 452-8-7 تکنیک III PAGEREF _Toc418272738 h 462-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترها PAGEREF _Toc418272739 h 462-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سوم PAGEREF _Toc418272740 h 492-8-8 تکنیک IV PAGEREF _Toc418272741 h 502-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابع PAGEREF _Toc418272742 h 502-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارم PAGEREF _Toc418272743 h 52فصل سوم: مدل ریاضی PAGEREF _Toc418272744 h 543-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272745 h 553-2 مدل‌های هدایت گرمایی PAGEREF _Toc418272746 h 553-2-1 مدل پنز PAGEREF _Toc418272747 h 553-2-2 مدل چن هلمز [26] PAGEREF _Toc418272748 h 60فصل چهارم: تخمین شار حرارتی گذرا در حالت متقارن محوری PAGEREF _Toc418272749 h 614-1- فیزیک مسئله PAGEREF _Toc418272750 h 624-2- محاسبه توزیع دما در حالت گذرا PAGEREF _Toc418272751 h 63در این بخش به بررسی روش حل معادلات انتقال حرارت متقارن محوری در حالت گذرا پرداخته میشود. PAGEREF _Toc418272752 h 634-2-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272753 h 634-2-2- معادلات حاکم در دستگاه مختصات عمومی PAGEREF _Toc418272754 h 644-2-3- متریک ها و ژاکوبین های تبدیل PAGEREF _Toc418272755 h 654-2-4 تبدیل معادلات از صفحه فیزیکی به صفحه محاسباتی PAGEREF _Toc418272756 h 674-2-5- گسسته سازی معادلات PAGEREF _Toc418272757 h 694-2-6 شرایط مرزی مسئله PAGEREF _Toc418272758 h 714-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272759 h 744-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272760 h 754-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272761 h 764-3-3 معادله گرادیان PAGEREF _Toc418272762 h 764-3-4 روش تکرار PAGEREF _Toc418272763 h 774-5: تخمین شار حرارتی مجهول در مدل سه لایه PAGEREF _Toc418272764 h 774-5-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272765 h 784-5-2 شرایط مرزی مساله PAGEREF _Toc418272766 h 784-5-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272767 h 804-5-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272768 h 804-5-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272769 h 81فصل پنجم: نتایج PAGEREF _Toc418272770 h 82نتیجه گیری: PAGEREF _Toc418272771 h 94پیوست الف PAGEREF _Toc418272772 h 95پیوست ب PAGEREF _Toc418272773 h 96اعتبارسنجی حل مستقیم PAGEREF _Toc418272774 h 96مراجع: PAGEREF _Toc418272775 h 115
فهرست جداول
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی18
جدول 4-1. خواص لایه های استفاده شده79
جدول5-1. خطایRMS برای توابع مختلف در نظر گرفته شده برای شار حرارتی88

فهرست اشکال
شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف19
شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش21
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز56
شکل 4-1 نمایش فیزیک مسئله62
شکل 4-2 - نمایش صفحه مختصات فیزیکی و محاسباتی64
شکل 4-3-نمایش گره مرکزی و هشت گره همسایه آن70
شکل 4-4- نمایش صفحه محاسباتی71
شکل 4-5- نمایش شرایط مرزی در صفحه فیزیکی71
شکل 4-6- نمایش مساله سه لایه در صفحه محاسباتی78
شکل 4-7- نمایش هندسه مساله متشکل از سه لایه مختلف بافت مغز، استخوان و پوست سر80
شکل5-1 شبکه مورد استفاده در حل مسئله و موقعت سنسورها83
شکل 5-2. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد85
شکل 5-3. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد85
شکل 5-4. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد86
شکل5-5. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد86
شکل 5-6. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پلهای میباشد87
شکل5-7. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد87
شکل 5-8. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد89
شکل 5-9. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد89
شکل 5-10. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس و کسینوس میباشد90
شکل 5-11. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد90
شکل 5-12. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد91
شکل 5-13. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس-کسینوس میباشد91
شکل 5-14. مقایسه دمای محاسبه شده و دمای دقیق.92
شکل 5-15. شار محاسبه شده92
ضمائم:
شکل1- هندسه مستطیلی با شرایط مرزی دما ، عایق و شار حرارت96
شکل2- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 1 پس از 12 ثانیه97
شکل3- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 2 پس از 12 ثانیه98
شکل4- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 4 پس از 12 ثانیه98
شکل5- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 5 پس از 12 ثانیه99
شکل6- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره7 پس از 12 ثانیه99
شکل7- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 8 پس از 12 ثانیه100
شکل8- هندسه منحنی با شرایط مرزی عایق و شار حرارتی101
شکل9- مقایسه منحنی توزیع دما برای گره میانی پس از 60 ثانیه101
شکل 10- نمایش هندسه منحنی متشکل از سه لایه مختلف آزبست ، فولاد و آلومینیم102
شکل 11- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای مسئله چندلایه103
شکل 12- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای مسئله چندلایه103
شکل 13- نمایش شبکه 30*30104
شکل 14- نمایش شبکه 40*40105
شکل 15- نمایش شبکه 50*50105
شکل 16- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله یک‌لایه106
شکل 17- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله دولایه106
شکل 18- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله سه لایه107
شکل 19- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله یک‌لایه107
شکل 20- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله دولایه108
شکل 21- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله سه لایه108
شکل 22- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله یک‌لایه109
شکل 23- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله دولایه110
شکل 24- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله سه لایه110
شکل 25- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای هندسه نامنظم با تقارن محوری111
شکل 26- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای هندسه نامنظم با تقارن محوری112
شکل 27- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر113
شکل 28- نمایش منحنیهای توزیع دمای مرکز کره113
شکل 29- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که در موقعیت r=5 cm قرارگرفته114
شکل 30- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که بر روی سطح کره قرارگرفته است114
فصل اول: مقدمه1-1 مقدمه: توسعه کامپیوتر و ابزار محاسباتی، رشد روش‌های عددی را برای مدل‌سازی پدیده‌های فیزیکی تسریع کرده است. برای مدل‌سازی یک پدیده فیزیکی به یک مدل ریاضی و یک روش حل نیاز است. مدل‌سازی مسائل هدایت حرارتی نیز بهمانند دیگر پدیده‌های فیزیکی با حل معادلات حاکم امکان‌پذیر است. برای حل مسائل هدایت حرارتی به اطلاعات زیر نیاز داریم:
هندسه ناحیه حل
شرایط اولیه
شرایط مرزی (دما یا شار حرارتی سطحی)
خواص ترموفیزیکی
محل و قدرت منبع حرارتی درصورتی‌که وجود داشته باشند.
پس از حل معادلات حاکم توزیع دما در داخل ناحیه حل به دست میآید. این نوع مسائل را مسائل مستقیم حرارتی می‌گوییم. روش‌های حل مسائل مستقیم از سال‌ها پیش توسعه‌یافته‌اند. این روش‌ها شامل حل مسائلی با هندسه پیچیده و مسائل غیرخطی نیز میگردند. علاوه بر این پایداری و یکتایی این روش‌ها نیز بررسی‌شده است. روش‌های اولیه عمدتاً بر مبنای حل‌های تحلیلی بودهاند.
این روش‌ها بیشتر برای مسائل خطی و با هندسه‌های ساده قابل‌استفاده هستند. برعکس، روش‌های عددی دارای این محدودیت نبوده و برای کاربردهای مهندسی بیشتر موردتوجه هستند.
دسته دیگر از این مسائل که در دهه‌های اخیر موردتوجه قرارگرفته‌اند، مسائل معکوس حرارتی هستند. در این نوع از مسائل یک یا تعدادی از اطلاعات موردنیاز برای حل مستقیم، دارای مقدار معلومی نمی‌باشند و ما قصد داریم از طریق اندازه‌گیری دما در یک یا چند نقطه از ناحیه موردنظر، به تخمین مقادیر مجهول بپردازیم.
به‌طورکلی می‌توان گفت که در مسائل مستقیم حرارتی، علت(شار حرارتی، هندسه و...) معلوم، و هدف یافتن معلول(میدان دما) است. اما در مسائل معکوس حرارتی، معلول(دما در بخش‌ها و یا تمام میدان)، معلوم است، و هدف یافتن علت (شار حرارتی، هندسه و...) است.
مسائل انتقال حرارت معکوس که IHTP نیز نامیده می‌شوند با استناد بر اندازه‌گیری‌های دما و یا شار حرارتی، کمیت‌های مجهولی را که در آنالیز مسائل فیزیکی در مهندسی گرمایی ظاهر می‌شوند، تخمین می‌زنند. به‌عنوان‌مثال، در مسائل معکوسی که با هدایت حرارت مرتبط می‌باشند، با استفاده از اندازه‌گیری دما در جسم می‌توان شار حرارتی مرز را اندازه‌گیری نمود. این در حالی است که در مسائل هدایت حرارت مستقیم با داشتن شار حرارتی، میدان دمای جسم مشخص می‌شود. یکی از مهم‌ترین مزایای IHTP همکاری بسیار نزدیک میان تحقیقات آزمایشگاهی و تئوری است. به‌عنوان‌مثال در تحقیقات آزمایشگاهی با استفاده از حس‌گر می‌توان دمای جسم را تعیین نمود. این دما به‌عنوان داده‌های ورودی معادلات تئوری برای اندازه‌گیری شار حرارتی مورداستفاده قرار می‌گیرد. درنتیجه جواب‌های به‌دست‌آمده از روابط تئوری تطابق بسیار خوبی با جواب‌های حقیقی خواهند داشت.
هنگام حل IHTP همواره مشکلاتی وجود دارد که باید تشخیص داده شوند. به علت ناپایداری جواب‌های IHTP، این مسائل ازلحاظ ریاضی در گروه مسائل بدخیم دسته‌بندی می‌شوند. به‌عبارت‌دیگر، به‌واسطه وجود خطاهای اندازه‌گیری در آزمایش‌ها، ممکن است جواب کاملاً متفاوتی به دست آید. برای غلبه بر این مشکلات روش‌هایی پیشنهاد داده‌شده‌اند که حساسیت جواب مسئله به خطای موجود در داده‌های ورودی را کمتر می‌کند. ازجمله این روش‌ها می‌توان به استفاده از دماهای زمانه‌ای بعدی، فیلترهای هموارسازی دیجیتالی اشاره نمود.
در سالهای اخیر تمایل به استفاده از تئوری و کاربرد IHTP رو به افزایش است. IHTP ارتباط بسیار نزدیکی با بسیاری از شاخه‌های علوم و مهندسی دارد. مهندسان مکانیک، هوافضا، شیمی و هسته‌ای، ریاضی‌دانان، متخصصان فیزیک نجومی، فیزیکدانان و آماردانان همگی با کاربردهای متفاوتی که از IHTP در ذهن دارند، به این موضوع علاقه‌مند می‌باشند.
مغز در داخل استخوان جمجمه و نخاع در داخل ستون فقرات جای گرفته است. سه پرده که درمجموع منژ نامیده میشوند، مغز و نخاع را از اطراف محافظت می‌کنند. مغز بیشترین انرژی بدن را مصرف میکند و منطقهی گرمی از بدن است. وزن مغز زن و مرد باهم متفاوت است. خوب است بدانیم که هنگام سکته مغزی فشار داخل جمجمه بالا می‌رود و داخل مغز به‌شدت گرم می‌شود پس باید به‌سرعت از فشار داخل جمجمه کاست تا بیمار دچار آسیب بیشتر نشود. همچنین، تخمین زده می‌شود در مغز انسان حدود یک‌صد میلیارد سلول عصبی یا نرون فعالیت می‌کنند . نرون یا سلول عصبی بر اساس مکانیسم الکتروشیمیایی فعالیت می‌کند ، اختلاف‌پتانسیل ناشی از افزایش و کاهش بار الکتریکی در یک نرون که از منفی 70 میلی ولت تا مثبت 70 میلی ولت در نوسان است باعث رها شدن یا ریلیز مواد مخدر طبیعی یا همان ناقل‌های عصبی از انتهای سلول عصبی یا آکسون می‌شود. فعالیت الکتریکی یک‌صد میلیارد سلول عصبی ، حرارت بسیار زیادی تولید می‌کند.
مغز برای خنک کردن خود نیاز به یک سیستم خنک‌کننده قوی دارد. در مغز انسان حدود 16 هزار کیلومتر رگ و مویرگ خونی وجود دارد. یکی از وظایف اصلی این سیستم علاوه بر تأمین سوخت میلیاردها سلول ،خنک کردن مغز است. به عبارتی حرارت مغز توسط این سیستم جذب می‌شود و با گردش خود درجاهایی مثل پیشانی، صورت و گوش‌ها آزاد می‌شود و خنک می‌شود. مصرف سیگار با افزایش غلظت خون باعث می‌شود تا حرکت خون در این مویرگ‌ها سخت شود و عملیات سوخت‌رسانی و خنک کردن مغز به‌درستی انجام نشود. به عبارتی افراد سیگاری مغزشان داغ‌تر از افراد غیر سیگاری است و سوخت کمتری به مغزشان می‌رسد. ریزش مو و دیرخواب رفتن یکی از نتایج بالا بودن دمای مغز است. اختلال در عملکرد سلول‌های عصبی و به دنبال آن اختلال در آزادسازی ناقل‌های عصبی و کنترل سیستم هورمونی از دیگر نتایج این وضعیت است.
از سوی دیگر، چندی پیش پزشکان برای نجات نوزادی از روش خنک کردن مغز استفاده  کردند که در نوع خودش بی‌نظیر و شگفت‌انگیز بود. نوزاد انگلیسی که هنگام تولد بند ناف به دور گردنش پیچیده شده بود و نفس نمی‌کشید، (اکسیژن کافی به مغزش نمی‌رسید) با فن خنک کردن مغز (به مدت 3روز) به زندگی بازگشت. پزشکان برای کم کردن نیاز مغز این نوزاد به اکسیژن، با استفاده از گاز زنون مغز او را سرد کرند. برای این کار از دستگاه جدیدی استفاده شد. آنان با جای دادن آلتی در مغز نوزاد، سر نوزاد را خنک نگه داشتند.نوزاد که مغزش به مدت 3 روز با این تکنیک خنک نگه‌داشته شد؛ در حال حاضر، در آغوش مادرش به زندگی لبخند میزند.
ممکن است که تقلا برای خوابیدن، بعد از یک روز خسته‌کننده با سرشماری گوسفندان یا خوردن قرصهای خواب هم چندان مؤثر نباشد، اما پژوهشگران دانشکده پزشکی پتینزبورگ در آخرین اجلاس «خواب» سال 2011 روش جالبی را برای درمان بیخوابی پیشنهاد کردند: خنک کردن مغز!
آن‌ها یک کلاه پلاستیکی خنک‌کننده ابداع کردند که قسمت‌های پیشانی را میپوشاند و با پایین آوردن دمای مغز می‌تواند به خواب سریع فرد کمک کند. پزشکان در تحقیقی که روی افراد عادی و بیمارانی که از بیخوابی رنج میبردند انجام دادند، افراد بیخواب بعد از پوشیدن این کلاه خاص، به‌طور میانگین در زمان 13 دقیقه به خواب رفتند، یعنی زمانی برابر افراد  سالم. دانشمندان فکر می‌کنند که این کلاه با پایین آوردن دمای مغز  سبب کاهش سوخت‌وساز آن (به‌ویژه در ناحیه پیشانی مغز) میشود و به خواب سریعتر و راحتتر فرد کمک میکند. هنوز این کلاهها به‌صورت تجاری وارد بازار نشده‌اند. همچنین عوارض احتمالی استفاده از آن‌ها مشخص نشده‌اند؛ مثلاً معلوم نیست که استفاده از این کلاه‌ها سبب تشدید علائم افراد مبتلابه سینوزیت خواهد شد یا نه؟ محققان دانشگاه نیویورک در پژوهش‌های مختلف خود دریافتند، خمیازه کشیدن نقش مهمی در تنظیم درجه حرارت مغز به عهده دارد. درصورتی‌که ناحیه سر «گرم» باشد، خمیازه با تحریک جریان خون و ضربان قلب گرمای بالای آن را کاهش میدهد. چرخه خواب و استرس، تابع نوسان درجه حرارت مغز است و کار خمیازه آن‌که این دمای پیوسته در حال تغییر را تنظیم و متوازن ‌کند. توضیح ساده محققان دانشگاه وین این است که ما با خمیازه کشیدن، دمای اطراف را دست‌کاری می‌کنیم. به تعبیر دیگر، دهن‌دره همانند ترموستات مغز عمل می‌کند. گروه تحقیقاتی دانشگاه وین برای بررسی این فرضیه، تناوب خمیازه کشیدن شهروندان در ماه‌های تابستانی و زمستانی را زیر نظر گرفت. مشابه همین بررسی در هوای خشک و ۳۷ درجه آریزونا انجام شد.
پژوهش‌ها نشان داد که مردم وین در تابستان بیشتر از زمستان خمیازه می‌کشند اما در آمریکا نتیجه کاملاً برعکس بود. علت روشن بود: متوسط دمای وین در تابستان ۲۰ درجه است و این متوسط حرارت زمستانی در آریزونا است. محققان آمریکایی و اتریشی بر این اساس فرضیه‌‌ای را طرح کردند: تعداد خمیازه‌ها به فصل سال یا بلندی و کوتاهی روز یا روشنایی و تاریکی محیط ربط ندارد بلکه موضوع به درجه حرارت ۲۰ درجه برمی‌گردد.
یک افشانه بینی که می‌تواند جان هزاران مبتلابه بیماری قلبی را نجات دهد توسط محققان انگلیسی مورد کار آزمایی قرارگرفته است. یک دستگاه ویژه برای پمپاژ سرد‌کننده پزشکی در بینی بیمار در حال انتقال به بیمارستان مورداستفاده قرار می‌گیرد. کارشناسان بر این باورند که این درمان می‌تواند جان افراد زیادی را نجات داده و از ابتلای تعداد زیادی از بیماران به آسیب‌های مغزی شدید و دائمی جلوگیری کند.
خدمات اورژانس ساحل جنوب شرفی بنیاد بهداشت انگلیس اولین سرویس آمبولانسی است که از این ابداع سوئیسی به‌عنوان بخشی از کار آزمایی پزشکان بیمارستان رویال ساسکس کانتی استفاده می‌کند. ماده سردکننده که توسط یک ماسک صورت منتقل می‌شود، جریان مداومی از مایع در حال تبخیر را به حفره بینی بیمار می‌فرستد. محققان توانسته‌اند پیشرفت‌های بزرگی را در نجات زندگی بیماران قلبی به دست آورند اما بسیاری با آسیب‌های چشمگیری در سلول‌های مغزی روبرو شده و در اثر کمبود اکسیژن ناشی از توقف عملکرد قلب می‌میرند. 
ایده افشانه بینی، خنک‌سازی هر چه سریع‌تر مغز در محل تماس پایه مغز با مدخل بینی است. گفته می‌شود خنک کردن مغز می‌تواند از سلول‌های مغزی در زمان نبود اکسیژن در خون محافظت کند. اگر این درمان زودهنگام ارائه شود، بیمار شانس بهبود بیشتری داشته و این فناوری جدید به پیراپزشکان اجازه خواهد داد پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان عملیات خنک‌سازی را آغاز کنند. در حال حاضر برخی از خدمات اورژانس انگلیس از شیوه‌های مختلف فرآیند خنک‌سازی مانند قطره نمکی سرد و پدهای خنک‌کننده پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان استفاده می‌کنند. اما این روش‌ها به‌طور مستقیم مغز را هدف قرار نداده و به‌جای آن بر خنک‌سازی کل بدن و خون برای دستیابی به تأثیر مشابه تکیه‌دارند.
1-2- تاریخچه:مطالعات آسیب‌شناسی مغزی به‌طور تجربی نشان می‌دهد که سرد کردن مغز پس از یک ایشکمی مغزی میتواند میزان صدمات وارده بر مغز را کاهش دهد. آسیب تراماتیک مغز(TBI) که معمولاً براثر آسیب‌های خارجی در تصادفات و ... اتفاق میافتد و آسیب ایشکمیک مغز که در اثر سکته مغزی ایجاد می‌شود، سبب آسیب‌های فراوانی بر مغز میشود. آزمایش‌ها و بررسی‌های مختلف نشان داده‌اند که کاهش دمای مغز حتی در حد 1 الی 2 درجه سانتی‌گراد فواید بسیاری از قبیل: محافظت در مقابل سکته, کاهش ورم و آماس و کاهش فشار داخلی مغز (ICP) دارد. سادگی و راندمان بالای سرمادرمانی مغز باعث شده است تا پزشکان از آن به‌عنوان یک‌راه حل کلینیکی جهت درمان نوزادانی که از عارضه خفگی (نرسیدن اکسیژن) در زمان تولد رنج می‌برند، استفاده کنند. همچنین سرد کردن فوری مغز درست در دقایق اولیه پس از حمله ایشکمی، امری مهم و ضروری در کاهش پیامدها و صدمات وارده بر مغز و نجات بیمار است. این عمل (سرد کردن فوری مغز) موجب افت متابولیسم مغز شده و درنتیجه نیاز آن را به دریافت اکسیژن و دفع دی‌اکسید کربن و بالطبع خون‌رسانی کاهش میدهد. گزارش‌های منتشرشده نشان دادهاند که کمخونی اثر مخرب کمتری روی مغز بجای خواهد گذاشت. علی‌رغم اینکه هنوز به‌طور کامل مشخص نشده است که عمل خنک کردن چطور به محافظت از مغز کمک میکند، آزمایش‌های بسیاری نشان دادهاند که کاهش دما در بافت مغز از عملکرد مغز در مقابل آسیب‌های ایشکمیک محافظت می‌کند. همچنین این کار سبب کاهش التهاب و تثبیت فشار داخلی مغز می‌شود[1-3]. همچنین، در اکثر بررسی‌های بیمارستانی که روی گروه‌های کوچک که از TBI رنج میبردند، انجام‌شده است، نتایج این حقیقت که خنک کردن مغز آثار خوبی هم در کوتاهمدت و هم در بلندمدت دارد را تأیید میکند[4-7]. اخیراً یتینگ و همکاران[8] در تحقیق خود گزارش کردند که با خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان به بهبود عملکرد عصبی کمک کرد. آن‌ها در نتایج خود نشان دادند که با استفاده از روش خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان از مغز در مقابل آسیب ایشکمیک محافظت کرد. همچنین نشان دادند که مشکلات مغزی ناشی از آن قابل‌درمان است.
ملاحظات انتقال حرارت مغز در حیات کسانی که در آب‌های سرد غرق میشوند، نیز مؤثر است. به‌طوری‌که در اثر این پدیده بازگشت به زندگی افرادی که در آب‌های سرد غرق‌شده‌اند، حتی تا پس از 66 دقیقه نیز گزارش‌شده است. این مسئله عموماً به خاطر قطع فعالیت متابولیکی مغز و اثرات محافظتی این سردشدگی است. موارد ذکرشده لزوم و اهمیت بررسی انتقال حرارت از مغز را با سیال اطراف نمایان می‌سازند.
اساساً انتقال حرارت در مغز در قالب تبادل حرارت خارجی (انتقال حرارت از سر)، تبادل حرارت داخل و تولید حرارت متابولیکی است. این اثرات با شرایط مرزی، سیرکولاسیون خون، نرخ متابولیسم مغز و ابعاد سر تغییر می‌کنند. بررسی تأثیر عوامل مختلف در پدیده انتقال حرارت از مغز با دشواری روبروست. بخصوص که امکان انجام آزمایش‌های تجربی در این زمینه به دلیل خطرات موجود و محدودیت‌های ابزاری ممکن نیست. لذا این بررسی‌ها نیازمند یک مدل مطمئن با خصوصیات فیزیکی و شرایط محیطی واقعی می‌باشند.
مطالعه و بررسی عکس‌العمل خنک شدن سر در مقابل مکانیسم‌های مختلف خنک کاری، می‌تواند ابزاری در جهت طراحی و ساخت تجهیزات قابل‌حمل جهت خنک کاری‌های اورژانس در وسایل نقلیه پزشکی باشد که با آنها دمای مغز در 30 دقیقه از Cº37 به Cº34 رسیده و لذا متابولیسم آن تا 30% کاهش مییابد. این مطالعات در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع و ایجاد محیط‌های ارگونومیک جهت راحتی افراد نیز می‌تواند موردتوجه قرار گیرد. در یک سری مدل‌سازی‌های کامپیوتری انجام‌شده[9-11] نشان داده است که دمای مغز انسان در نقاط مرکزی و داخلی بسیار متفاوت‌اند از نقاطی که نزدیکی سطح قرار دارند. گرادیان دمای بسیار بزرگی در نزدیکی سطح مغز اتفاق می‌افتد که به‌صورت آزمایشگاهی با افزایش فاصله از سر کاهش مییابد[12,13].
هدف کلی رسیدن به دمای میانگین 33 در مغز در مدت‌زمان 30 دقیقه است[14]. البته باید خاطرنشان کرد که خنک کردن مغز تا دماهای پایین‌تر سبب افزایش ریسک ابتلا به لرزشهای غیرقابل‌کنترل و کاردیاک ارست میشود.
یکی از سؤالهای مهم برای انتخاب روش مناسب برای خنک کردن مغز این است که بفهمیم هر یک از این روشها چطور دمای مغز را کاهش میدهند. ازآنجاکه اندازهگیری نتایج حاصل از خنک کردن مغز در بافت زنده فراتر از فنّاوری حاضر است، ارائه و بهبود مدلهایی که به‌طور دقیق تغییرات دما و همچنین محدودیتها را نشان میدهد، میتواند موفقیت بزرگی باشد.
مسئله مهم دیگر تبادل گرمایی بین پوست سر و محیط اطراف است که به کمک ضریب انتقال حرارت توصیف می‌شود. برای رسیدن هدف که خنک کردن مغز در نقاط مرکزی است، نیاز به استفاده از دستگاهی است که ضریب انتقال حرارت بزرگی ایجاد کند. در حالت ایدئال، دستگاهی با این مشخصات قادر خواهد بود دمای پوست سر را همدما با دمای دستگاه ثابت نگه دارد.
عموماً گزارش‌های انتقال حرارت از مغز تاکنون به دو صورت بوده است. یک دسته از این مطالعات شبیه‌سازی را تنها از جنبه انتقال حرارت در داخل بافت‌ها مدنظر قرار داده و در بهترین حالت انتقال حرارت جابجایی را با ضریب انتقال حرارت جابجایی در مدل خود بکار گرفته‌اند[11,15-17]. دسته دیگر بدون مدل نمودن انتقال حرارت درون بافت، تنها به بررسی الگوی جریان خارج از بدن (به‌صورت تجربی) پرداخته‌اند.
همچنین مدل‌سازی از توزیع دما در سر یک انسان بالغ تحت سرما درمانی با گذاشتن یخ روی سر توسط دنیس و همکارانش[16] صورت گرفته است. گزارش زو و همکارانش[17] نیز شامل مدل‌سازی ریاضی سرد شدن مغز با شرایط مرزی دما ثابت است. سوکستانسکی و همکارش[12] با استفاده از روش تحلیلی اثر عوامل مختلف را بر دمای مغز بررسی کرده و دبی و دمای جریان خون ورودی به بافت را تنها عامل مؤثر بر دمای مغز دانسته‌اند. این مدل‌سازی‌ها با فرض ثابت بودن دمای سطح پوست همراه بوده و در آن‌ها هوای اطراف و جنبه انتقال حرارت جابجایی در سال اطراف سر در نظر گرفته نشده است.
از طرف دیگر، از جنبه خارجی کلارک و همکارانش[18] مطالعه‌ای برای تعیین جابجایی آزاد در اطراف سر را انجام داده و منتشر کرده‌اند که در این تحقیق تأثیر حالت‌های مختلف بدن (خوابیده و ایستاده) بر الگوی جریان هوای اطراف سر به‌صورت تجربی مطالعه شده و ضخامت تقریبی لایه‌مرزی حرارتی و میزان انتقال حرارت در نقاط مختلف سر به کمک سیستم نوری شلیرن و کالریمتر سطحی در آن سالها اندازه‌گیری شده است.
بسیاری از کارهای انجام‌شده در این زمینه اثرات مثبتی برای محافظت از مغز داشته‌اند و توانسته دما را تا 7 درجه سانتی‌گراد در مدت‌زمان 1 ساعت کاهش بدهد، بااین‌حال متدهایی که به کاهش دمای بیشتر کمک می‌کنند تهاجمی هستند که منجر به عوارض بعدی روی بیمار میشود. لازم به ذکر است، در حالت کلی دو روش برای اعمال خنک کاری به‌صورت غیرتهاجمی وجود دارد: خنک کردن سر به کمک دستگاه‌های خنک‌کن و خنک کردن کل بدن.
سرد کردن تمام بدن یک نوزاد تازه متولدشده در ۶ ساعت نخست تولد می‌تواند از آسیب‌های مغزی ناشی از فقدان اکسیژن در جریان زایمان‌های دشوار جلوگیری کند و یا از شدت آن به میزان قابل‌توجهی بکاهد. به گزارش فرانس پرس هزاران کودک سالانه در سطح دنیا متولد شوند که به دلیل برخی مشکلات در بدو تولد مانند نرسیدن اکسیژن به آن‌ها و یا نرسیدن خون به مغزشان در معرض خطر مرگ یا معلولیت قرار می‌گیرند. خنک کردن بدن به‌اندازه چند درجه یعنی اعمال نوعی هایپوترمی خفیف نیاز مغز به اکسیژن را کاهش داده و دیگر پروسه‌هایی را که می‌توانند به آسیب مغزی دچار شوند، کند می‌کند. این شیوه درمان به افراد بالغ نیز در بهبودی پس از تجربه ایست قلبی کمک می‌کند.
در قالب تکنیک هایپوترمی یا همان خنک کردن مغز، نوزاد درون یک پتوی خاص حاوی آب سرد قرار داده می‌شود. این پتو دمای بدن نوزاد را برای مدت ٣ روز تا سطح ٣/٩٢ درجه فارنهایت (۵/٣٣ درجه سانتی‌گراد) پایین آورده و سپس به‌تدریج بدن را دوباره گرم کرده و درجه حرارت را به وضعیت نرمال حدود ۶/٩٨ درجه فارنهایت برمی‌گرداند. این نوزادان ١٨ تا ٢٢ ماه بعد مورد معاینه قرار گرفتند که نتایج یافته‌ها نشان داد مرگ یا معلولیت‌های قابل‌توجه همچون فلج مغزی تنها در ۴۴ درصد نوزادانی که بدنشان خنک شده بود، رخ داد رقمی که در نوزادان تحت درمان‌های معمول به ۶۴ رسید و هیچ‌گونه عوارض جانبی همچون مشکلات در ریتم قلب درنتیجه این شیوه درمان رخ نداد. طبق این یافته‌ها، خنک کردن مغز نوزادان به میزان ٢ تا ۵ درجه سانتی‌گراد می‌تواند احتمال معلولیت و مرگ آن‌ها در اثر کمبود اکسیژن درنتیجه کنده شدن جفت از دیواره رحم پیش از تولد و فشردگی بند ناف را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد.
آزوپاردی و همکاران[19] بررسی روی گروهی از بچهها در سن 6 و 7 سالگی که به‌منظور تعیین اینکه آیا خنک کردن مغز بعد از خفگی حین زایمان یا پس از زایمان در بلندمدت اثری دارد یا خیر، انجام دادند. نتایج اولیه آنها نشانگر این بود که اثرات خوبی در افراد با IQ بالاتر از 85 دیده میشد.
ژو و همکاران[20] اثربخشی و امنیت خنک کردن ملایم سر را در انسفالوپاتی هیپوکسیک-ایشکمیک در نوزادان تازه متولدشده موردبررسی قراردادند. در تحقیق آنها نوزادان مبتلابه HIE به‌صورت تصادفی انتخاب‌شده بودند.عمل خنک کردن از 6 ساعت بعد از تولد، درحالی‌که دما در قسمت حلق و بینی حدود Cº 34 و در قسمت تحتانی حدود Cº 4.5 بود، شروع شد و 72 ساعت طول کشید. متأسفانه نتایج اولیه منجر به مرگ و ناتوانیهای شدید شده بود. ویلرم و همکارانش[15] با مدل‌سازی سرد کردن مغز نوزاد به این نتیجه رسیدند که با قرار دادن سر در محیط با دمای پایین (10 درجه سانتی‌گراد) تنها مناطق سطحی مغز تا حدود Cº33-34 سرد می‌شود و تغییر دمای محسوسی در مناطق عمقی آن به وجود نخواهد آمد.
دنیس و همکاران[16] هندسه واقعی سر انسان را در نظر گرفتند و خنک کردن سر و گردن انسان را با روش المان محدود موردبررسی قراردادند. آنها در کار خود همزمان علاوه بر استفاده از یک کلاهک خنک‌کن، پکهایی از یخ روی سر و گردن قراردادند. بر اساس نتایجشان، وسیلهی دیگری نیز برای خنک کاری موردنیاز است که دمای قسمتهای مرتبط دیگر نیز کاهش یابد و درنتیجه به هدف موردنظر که در قبل ذکرشده بود، برسند. مسئله را در چهار حالت مختلف که موقعیت مکانی خنک کاری متفاوت بوده بررسی کرده‌اند، که متأسفانه به دمای 33 درجه سانتی‌گراد در مدت 30 دقیقه نرسیده‌اند.
گلوکمن و همکاران[21] از یک کلاه خنک‌کن روی سر استفاده کردند و دمای قسمت تحتانی بدن را نیز در 34-35 ثابت نگه داشتند. نتایج آنها نشان می‌دهد بااینکه این کار اثر قابل قبولی روی نوزادانی که موردبررسی قرارگرفته بودند، نداشته است. اما در کل به زنده ماندن بیماران بدون اثرات شدید عصبی کمک میکند.
اسپوزیتو و همکاران[22] در تحقیق خود، محدودیتها و اثرات جانبی روشهای کنونی خنککاری مغز را بررسی کردهاند. همچنین در مورد مزایا و معایب تزریق مایع خنک در رگهای خونی بحث کرده‌اند. همچنین پلی و همکاران[23] ارتباط بین دمای مغز و خنک کردن سطح سر و گردن را موردتحقیق قراردادند و در کار دیگر، ناکامورا و همکاران[24] تأثیر خنک کاری سر و گردن را بر دمای کلی بدن بررسی کردهاند.
ازآنجاکه در هیچ‌یک از بررسیهای انجام‌شده به دمای ۳۳ درجه در مدت‌زمان ۳۰ دقیقه که مطلوب پزشکان است، نرسیده‌اند برای اولین بار با استفاده از روش انتقال حرارت معکوس شار حرارتی و شرایط مرزی مناسب مدنظر است. در این روش با معلوم بودن جواب هدف که کاهش دما تا ۳۳ درجه و زمان ۳۰ دقیقه است، بهترین شرایط برای رسیدن به آن محاسبه می‌شوند. همچنین معادلات موردنظر معادلات انتقال حرارت در بافت زنده پنز که غیر فوریه‌ای بوده می‌باشند. هندسه مغز به‌صورت یک نیمکره در نظر گرفته‌شده است. مسئله با استفاده از روش مختصات عمومی و در حالت متقارن محوری حل‌شده است. علت استفاده از این روش این است که قادر به اعمال روی هر هندسه پیچیده دیگر خواهد بود که در کارهای آینده قطعاً موردنیاز خواهد بود. در این روش، صفحه فیزیکی نامنظم مسئله به صفحه محاسباتی مستطیل شکل تبدیل می‌شود.
فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع
در این فصل به معرفی و بررسی روش‌هایی که برای بهینه‌سازی توابع استفاده می‌شوند، می‌پردازیم. ابتدا به تعریف مسئله بهینه‌سازی پرداخته و در ادامه مفاهیم مربوط به روند انجام فرایند بهینه‌سازی در یک مسئله معرفی می‌شوند. انواع روش‌های مستقیم و غیرمستقیم بهینه‌سازی معرفی می‌شوند. ازآنجاکه در این پایان‌نامه از روش غیرمستقیم برای بهینه‌سازی استفاده کرده‌ایم، بنابراین بیشتر به این روش‌ها پرداخته‌ایم. در تمامی این روش‌ها محاسبه گرادیان تابع الزامی است، بنابراین بررسی خواص و نحوه محاسبه آن آورده شده است. در ادامه شرح مختصری از انواع روش‌های غیرمستقیم به همراه الگوریتم محاسباتی آن‌ها آورده شده است.
2-1 مسائل بهینه‌سازییک مسئله بهینه‌سازی می‌تواند به‌صورت زیر بیان شود:
تعیین بردار به‌گونه‌ای که تابع تحت شرایط زیر مینیمم شود.
(2-1)


که در آن یک بردار n بعدی به نام بردار طراحی، تابع هدف و و به ترتیب قیدهای برابری و نابرابری نامیده می‌شوند. در حالت کلی تعداد متغیرها و تعداد قیود یا رابطه‌ای باهم ندارند. مسئله فوق یک مسئله بهینه‌سازی مقید نامیده می‌شود. در مسائلی که قیودی وجود ندارند با یک مسئله بهینه‌سازی نامقید روبرو هستیم.
نقطه را مینیمم یا نقطه سکون تابع هدف مینامیم اگر داشته باشیم:
(2-2)
شرط بالا یک شرط لازم است درصورتی‌که ماتریس هسین معین مثبت باشد آنگاه حتماً نقطه مینیمم نسبی خواهد بود. یعنی اگر داشته باشیم:
(2-3)
البته شرط بالا در صورتی صادق است که تابع مشتق‌پذیر باشد.
2-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازیروش‌های حل مسائل مینیمم سازی به دودسته روش‌های جستجوی مستقیم و روش‌های کاهشی تقسیم‌بندی می‌شوند.
برای استفاده از روش‌های جستجوی مستقیم در محاسبه نقطه مینیمم، تنها به مقدار تابع هدف نیاز است و نیازی به مشتقات جزئی تابع نیست. بنابراین اغلب، روش‌های غیرگرادیانی یا روش‌های مرتبه صفر نامیده می‌شوند زیرا از مشتقات مرتبه صفر تابع استفاده می‌کنند. این روش‌ها بیشتر برای مسائلی کاربرد دارند که تعداد متغیرها کم و یا محاسبه مشتقات تابع مشکل می‌باشند و به‌طورکلی کارایی کمتری نسبت به روش‌های کاهشی دارند.
روش‌های کاهشی علاوه بر مقدار تابع به مشتقات اول و در برخی موارد به مشتقات مرتبه دوم تابع هدف نیز نیاز دارند. ازآنجاکه در روش‌های کاهشی، اطلاعات بیشتری از تابع هدفی که (از طریق مشتقات آن) مینیمم می‌شود، مورداستفاده قرار می‌گیرد، این روش‌ها کارایی بیشتری نسبت به روش‌های جستجوی مستقیم دارند.
روش‌های کاهشی همچنین روش‌های گرادیانی نیز نامیده می‌شوند. دراین‌بین روش‌هایی که فقط به مشتق اول تابع هدف نیاز دارند، روش‌های مرتبه اول و آن‌هایی که به مشتق اول و دوم هر دو نیاز دارند، روش‌های مرتبه دوم نامیده می‌شوند. در جدول(2-1) روش‌هایی از هر دودسته آمده است.
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی
روش‌های کاهشی روش‌های جستجوی مستقیم
بیشترین کاهش
گرادیان مزدوج
روش نیوتن
روش لونبرگ- مارکورات
میزان متغیر روش جستجوی تصادفی
جستجوی شبکه
روش تک متغیر
جستجوی الگو
2-3 راه‌حل کلیتمام روش‌های مینیمم سازی نامقید اساساً تکراری هستند و ازاین‌رو از یک حدس اولیه شروع می‌کنند و به شکل ترتیبی به سمت نقطه مینیمم پیش می‌روند. طرح کلی این روش‌ها در شکل2-1 نشان داده‌شده است.
باید توجه شود تمام روش‌های مینیمم سازی نامقید:
1. نیاز به نقطه اولیه برای شروع تکرار دارند.
2. با یکدیگر تنها در نحوه تولید نقطه بعدی از تفاوت دارند.
-76200-5219700با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید
00با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید

شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف
2-4 نرخ هم‌گرائیروش‌های مختلف بهینه‌سازی، نرخ همگرایی مختلف دارند. به‌طورکلی یک روش، همگرایی از مرتبه دارد اگر داشته باشیم:
(2-4)
که و نقاط محاسبه‌شده در پایان تکرارهای و هستند. نقطه بهینه و نشان‌دهنده طول یا نرم بردار است که از رابطه زیر به دست میآید:
(2-5)
اگر و باشد، روش همگرای خطی (متناظر باهمگرایی آهسته) و اگر باشد، روش همگرای مرتبه دوم (متناظر باهمگرایی سریع) نامیده می‌شود. یک روش بهینه‌سازی، همگرای فوق خطی است اگر:
(2-6)
تعریف دیگری برای روش همگرایی مرتبه دوم وجود دارد: اگر یک روش مینیمم سازی با استفاده از روند دقیق ریاضی بتواند نقطه مینیمم یک تابع درجه دوم متغیره را در تکرار پیدا کند. روش همگرای مرتبه دوم نامیده می‌شود.
2-5 گرادیان تابع
گرادیان تابع، یک بردار n مؤلفه ایست که با رابطه زیر داده می‌شود:
(2-7)
اگر از یک نقطه در فضای n بعدی در راستای گرادیان حرکت کنیم، مقدار تابع با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد. بنابراین جهت گرادیان، جهت بیشترین افزایش نیز نامیده می‌شود.
4768851778003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y
003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y

شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش
اما جهت بیشترین افزایش یک خاصیت محلی است و نه سراسری. این مطلب در شکل2-2 نشان داده‌شده است. در این شکل، بردار گرادیان محاسبه‌شده در نقاط 1، 2 ، 3، 4 به ترتیب در جهت‌های ٰ11 ، ٰ22 ، ٰ33، ٰ44 قرار دارد. بنابراین در نقطه 1 مقدار تابع در جهت ٰ11 با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد و به همین ترتیب اگر به تعداد بی‌نهایت مسیر کوچک در جهت‌های سریع‌ترین افزایش حرکت کنیم، مسیر حرکت یک منحنی شبیه به منحنی 4-3-2-1 خواهد بود.
ازآنجاکه بردار گرادیان جهت بیشترین افزایش مقدار تابع را نشان می‌دهد، منفی بردار گرادیان جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین انتظار داریم روش‌هایی که از بردار گرادیان برای بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم برسند. بنابراین دو قضیه زیر را بدون اثبات می‌آوریم.
1.بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد.
2. بیشترین نرخ تغییر تابع در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است.
2-5-1 محاسبه گرادیانمحاسبه گرادیان نیاز به محاسبه مشتقات جزئی دارد. سه حالت وجود دارد که محاسبه گرادیان را مشکل می‌کند:
1. تابع در تمامی نقاط مشتق‌پذیر است، اما محاسبه مؤلفه‌های بردار گرادیان غیرعملی است.
2. رابطه‌ای برای مشتقات جزئی می‌توان به دست آورد، اما محاسبه آن نیازمند زمان محاسباتی زیادی است.
3. گرادیان تابع در تمامی نقاط تعریف‌نشده باشد.
در مورد اول می‌توان از فرمول تفاضل محدود پیشرو برای تخمین مشتق جزئی استفاده کرد:
(2-8)
برای یافتن نتیجه بهتر می‌توان از فرمول اختلاف مرکزی محدود زیر استفاده کرد:
(2-9)
در روابط بالا یک کمیت اسکالر کوچک و برداری n بعدی است که مؤلفه ام آن یک، و مابقی صفر هستند. در محاسبات، مقدار را می‌بایست با دقت انتخاب نمود، زیرا کوچک بودن بیش‌ازحد آن ممکن است اختلاف میان مقادیر محاسبه‌شده تابع در و را بسیار کوچک کرده، و موجب افزایش خطای گرد کردن شود و نتایج را با خطا همراه سازد. به همین ترتیب بزرگ بودن بیش‌ازاندازه نیز خطای برشی را در محاسبه گرادیان ایجاد می‌کند. در حالت دوم استفاده از فرمول‌های تفاضل محدود پیشنهاد میشود. برای حالت سوم با توجه به این نکته که گرادیان در تمام نقاط تعریف‌شده نیست، نمی‌توان از فرمول‌های تفاضل محدود استفاده کرد. بنابراین در این موارد مینیمم کردن فقط با استفاده از روش‌های مستقیم امکان‌پذیر است.
2-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابعدر بیشتر روش‌های بهینه‌سازی، نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص را تعیین نمود. بنابراین لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند ، درراستای مشخصی مانند ، نسبت به پارامتری چون محاسبه شود. باید در نظر داشت که موقعیت هر نقطه در این راستا را می‌توان با توجه به نقطه ، به‌صورت نشان داد. بنابراین نرخ تغییر تابع نسبت به این متغیر در راستای را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد:
(2-10)
که در رابطه فوق مؤلفه -ام است. از طرفی داریم:
(2-11)
که و مؤلفه‌های -ام و هستند. بنابراین نرخ تغییر تابع در راستای برابر است با:
(2-12)
درصورتی‌که تابع را در راستای مینیمم کند، در نقطه می‌توان نوشت:
(2-13)
بنابراین مینیمم تابع، در راستای ، در نقطه می‌باشد.
2-6 معیار هم‌گرائیمعیارهای زیر می‌توانند برای بررسی هم‌گرائی در محاسبات تکراری به کار روند:
درصورتی‌که تغییرات تابع در دو تکرار متوالی از مقدار معینی کوچک‌تر شود:
(2-14)
زمانی که مشتقات جزئی (گرادیان مؤلفه‌ها) به‌اندازه کافی کوچک شود:
(2-15)
زمانی که تغییرات بردار موردنظر در دو تکرار متوالی کوچک شود:
(2-16)
که ، و مقادیر معین کوچکی در نظر گرفته می‌شوند.
2-7 روش کاهش سریعاستفاده از قرینه بردار گرادیان به‌عنوان جهت مینیمم سازی اولین بار توسط کوشی انجام گرفت. در این روش محاسبات از نقطه‌ای مانند شروع‌شده و طی فرآیندهای تکراری با حرکت در جهت سریع‌ترین نرخ کاهش، نهایتاً به نقطه مینیمم می‌رسد. مراحل مختلف این روش را می‌توان به‌صورت زیر در نظر گرفت:
1. شروع محاسبات از یک نقطه دلخواه به‌عنوان اولین تکرار
2. یافتن جهت به‌صورت
3. محاسبه طول گام بهینه در جهت و قرار دادن و یا .
4.بررسی بهینه بودن نقطه و پایان محاسبات در صورت مینیمم بودن این نقطه، در غیر این صورت قرار دادن و ادامه محاسبات از مرحله 2.
2-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس2-8-1 مقدمه
با ظهور مواد مخلوط مدرن و وابستگی شدید خواص ترموفیزیکی آن‌ها به دما و مکان، روش‌های معمولی برای محاسبه آن‌ها راضی‌کننده نیستند. همچنین انتظارات عملیاتی صنعتی مدرن هر چه بیشتر و بیشتر پیچیده شده‌اند و یک محاسبه دقیق در محل از خواص ترموفیزیکی تحت شرایط واقعی عملیات ضرورت پیدا کرد. شیوه انتقال حرارت معکوس(IHTP) می‌تواند جواب‌های رضایت بخشی برای این‌گونه حالات و مسائل به دست دهد.
سود عمده IHTP این است که شرایط آزمایش را تا حد امکان به شرایط واقعی نزدیک می‌سازد.
کاربرد عمده تکنیک IHTP شامل محدوده‌های خاص زیر می‌باشند (در میان سایرین)
محاسبه خواص ترموفیزیکی مواد به‌عنوان‌مثال؛ خواص ماده سپر حرارتی در طی ورودش به اتمسفر زمین و برآورد وابستگی دمایی ضریب هدایت قالب سرد در طی باز پخت استیل
برآورد خواص تشعشعی بالک و شرایط مرزی در جذب، نشر و بازپخش مواد نیمه‌رسانا
کنترل حرکت سطح مشترک جامد - مایع در طی جامدسازی
برآورد شرایط ورود و شار حرارتی مرزی در جابجایی اجباری درون کانال‌ها
برآورد همرفت سطح مشترک بین سطوح متناوباً در تماس
نظارت خواص تشعشعی سطوح بازتاب‌کننده گرم‌کننده‌ها و پنلهای برودتی
برآورد وابستگی دمایی ناشناخته ضریب هدایت سطوح مشترک بین ذوب و انجماد فلزات در طی ریخته‌گری
برآورد توابع واکنشی
کنترل و بهینه‌سازی عملیات پروراندن لاستیک
برآورد شکل مرزی اجسام
برآورد این‌گونه خواص از طریق تکنیک‌های رایج کاری به‌شدت دشوار یا حتی غیرممکن است. اگرچه با اعمال آنالیز انتقال حرارت معکوس، این‌گونه مسائل نه‌تنها می‌توانند حل شوند، بلکه ارزش اطلاعات مطالعات افزوده‌شده و کارهای تجربی سرعت می‌گیرند.
2-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوسبرای تشریح مشکلات اصلی حل مسائل انتقال حرارت معکوس، جامد نیمه بینهایت () در دمای اولیه صفر در نظر می‌گیریم. برای زمان‌های سطح مرزی در تحت یک شار گرمایی متناوب به فرم قرارگرفته است. جایی که و ω به ترتیب دامنه و فرکانس نوسان شار گرمایی هستند و t متغیر زمان است. بعد از گذشت حالت متغیر، توزیع دمایی شبه - ثابت در جامد با توزیع دمایی زیر به دست می‌آید:
(2-17)
جایی که پخشندگی حرارتی و k ضریب رسانایی حرارتی جامد هستند.
معادله بالا نشان می‌دهد که پاسخ دمایی دارای یک تأخیر فاز نسبت به شار اعمالی سطحی می‌باشد و این تأخیر برای مکان‌های عمیق‌تر درون جسم واضح‌تر می‌باشد. درصورتی‌که این شار بتواند برآورد شود، این تأخیر دمایی نیاز به برداشت اطلاعات پس از اعمال شار حرارتی را آشکار می‌کند.
دامنه نوسان دما در هر مکانی، ، با قرار دادن در معادله به دست می‌آید. لذا:
(2-18)
این معادله نشان می‌دهد که به‌صورت توانی با افزایش عمق و با افزایش فرکانس تغییر می‌کند.
اگر دامنه شار حرارتی سطحی (q) به‌وسیله بکار بردن اندازه‌گیری مستقیم دما در نقاط داخلی اندازه‌گیری گردد آنگاه هرگونه خطای اندازه‌گیری با عمق x و فرکانس ω به‌صورت توانی بزرگنمایی می‌شود، که به‌صورت معادله زیر نشان داده می‌شود:
(2-19)
برای تخمین شار حرارتی مرزی جانمایی یک حس‌گر در عمق x از سطح، جایی که دامنه نوسانات دما بسیار بزرگ‌تر از خطاهای اندازه‌گیری‌اند، ضروری می‌باشد. در غیر اینصوررت تشخیص اینکه نوسانات دمایی در اثر شار حرارتی یا خطای اندازه‌گیری بوده غیرممکن خواهد بود، که منجر به عدم یگانگی جواب معادله خواهد شد.
ازآنجاکه خطاها در دقت روش‌های معکوس بسیار مؤثرند، بک ([26-28]) توصیفات این‌گونه خطاها را به‌صورت 8 نکته بیان نموده است.
خطاها به مقدار اصلی اضافه می‌شوند که مقدار اندازه‌گیری شده، مقدار واقعی و یک خطای رندوم می‌باشد.
خطای دمایی دارای میانگین صفر می‌باشد. یعنی . جایی که یک عملگر اندازه است، آنگاه گفته می‌شود که خطا بدون پیش مقدار است.
خطا دارای انحراف ثابت است، که عبارت است از
(2-20)
که به معنای استقلال انحراف از اندازه‌گیری است.
خطاهای مرتبط با اندازه‌گیری‌های مختلف ناهمبسته هستند. دو خطای اندازه‌گیری و (که ) ناهمبسته هستند اگر کوواریانس و صفر باشد. یعنی
(2-21)
در این حالت خطاهای و هیچ تأثیری یا رابطه‌ای بر هم ندارند.
خطاهای اندازه‌گیری دارای یک توزیع نرمال (گوسی) است. با توجه به فرضیات 2، 3 و 4 بالا توزیع احتمال به‌وسیله معادله زیر داده می‌شود
(2-22)
پارامترهای معرفی کننده خطا مثل معلوم هستند.
تنها متغیری که دارای خطاهای رندوم می‌باشد دمای اندازه‌گیری شده است. پارامترهای اندازه‌گیری شده مکان‌های اندازه‌گیری شده، ابعاد جسم گرم شونده و تمامی کمیت‌هایی که در فرمول نویسی ظاهرشده‌اند به‌دقت مشخص هستند.
اطلاعات پیشین کمیت‌ها جهت تخمین موجود نیست (می‌تواند پارامتر یا تابع باشند) اگر این اطلاعات موجود می‌بود می‌توانست جهت بهبود تخمین مقادیر بکار رود.
در ادامه چندین تکنیک مختلف برای حل مسائل IHTP را معرفی می‌نماییم. این‌گونه تکنیک‌ها معمولاً نیازمند حل مستقیم مربوطه می‌باشد. البته ارائه روش‌هایی که مسائل معکوس را بدون ارتباط با مسائل مستقیم حل کنند بسیار دشوار است.
تکنیک‌های حل مسائل می‌توانند به‌صورت زیر طبقه‌بندی شوند:
روش‌های معادلات انتگرالی
روش‌های تبدیل انتگرال
روش‌های حل سری
روش‌های چندجمله‌ای
بزرگنمایی معادلات هدایت گرمایی
روش‌های عددی مثل تفاضل محدود، المان محدود و المان مرزی
تکنیک‌های فضایی با اعمال فیلترینگ نویز اضافی مثل روش نرم کردن
تکنیک فیلترینگ تکرارشونده [29]
تکنیک حالت پایدار
روش تابع مشخصه متوالی بک
روش لوبنرگ - مارگارت برای مینیمم کردن نرم کوچک‌ترین مربعات
روش منظم سازی تیخونوف
روش منظم سازی تکراری برآورد توابع و پارامترها
الگوریتم ژنتیک [30]
2-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتیاگر مسائل معکوس شامل تعداد زیادی پارامتر مانند برآورد شار حرارتی گذرا در زمان‌های مختلف باشند، ممکن است نوساناتی در حل رخ دهد. یک روش برای کاهش این ناپایداری‌ها استفاده از منظم سازی تیخونوف می‌باشد.
2-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوسهدف اصلی این بخش معرفی تکنیک‌هایی جهت حل مسائل انتقال حرارت معکوس و روابط ریاضی موردنیاز می‌باشد.
گر چه تکنیک‌های زیادی موجود هستند، اما در اینجا به ذکر 4 تکنیک قدرتمند بسنده می‌کنیم.
لونبرگ - مارکوت برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین توابع
این روش‌ها معمولاً کافی، تطبیق‌پذیر، مستقیم و قدرتمند جهت غلبه بر مشکلات موجود در حل معادلات انتقال حرارت معکوس می‌باشند.
تکنیک I: این تکنیک یک روش تکراری برای حل مسائل کوچک‌ترین مربعات تخمین پارامترهاست. این روش اولین بار در سال 1966 توسط لونبرگ [31] ایجاد شد، سپس در سال 1963 مارکوارت [32] همان تکنیک را با استفاده از روشی دیگر به دست آورد. حل مسائل معکوس به این روش، نیازمند محاسبه ماتریس حساسیت J می‌باشد. ماتریس حساسیت به‌صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2-23)
جایی که:

تعداد اندازه‌گیری I =
تعداد پارامترهای نامعلوم N =
دمای iام تخمین زده‌شده
پارامتر jام نامعلوم
این ضریب حساسیت نقش مهمی را در تکنیک‌های I تا III ایفا می‌کند و در ادامه روش‌های متفاوت حل بیان خواهد شد.
این روش برای حل معادلات خطی و غیرخطی بسیار مؤثر است. گر چه در مسائل غیرخطی با افزایش پارامترهای نامعلوم ممکن است حل ماتریس حساسیت به درازا بکشد.
تکنیک II روش گرادیان مزدوج در بهینه‌سازی را جهت تخمین پارامترها بکار می‌برد، که همانند تکنیک I نیازمند حل ماتریس حساسیت بوده که مخصوصاً در حالت غیرخطی وقتی تعداد پارامترها زیاد شوند کاری زمان‌بر است.
تکنیک‌های III و IV: روش گرادیان مزدوج در کوچک‌سازی را با مسئله اضافی بکار می‌برد[33-36]
روش III مخصوصاً برای مسائلی که جهت تخمین ضریب آزمایشی در تخمین توابع بکار برده می‌شوند مناسب است. مسئله اضافی در جهت کاهش نیاز به حل ماتریس حساسیت استفاده می‌شود.
تکنیک IV روشی برای تخمین توابع می‌باشد مخصوصاً وقتی‌که اطلاعات مقیاسی درباره فرم تابع کمیت نامعلوم در دسترس نباشد.
تکنیک‌های اول، سوم و چهارم به همراه شرط توقف مناسب جهت تکرارهایشان؛ جزء دسته تکنیک‌های خطی سازی تکراری هستند.
در ادامه به بررسی و معرفی گام‌های اولیه و الگوریتم حل این روش‌ها با استفاده از روش تمام دامنه می‌پردازیم.
2-8-5 تکنیک I2-8-5-1 شرح تکنیک
این روش برای حل مسائل غیرخطی ابداع شد گر چه می‌توان آن را در مسائل خطی بسیار ناهنجار که از طریق مرسوم قابل‌حل نمی‌باشند نیز اعمال کرد. گام‌های اصلی روش به‌صورت زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
حل الگوریتم
این روش یک متد کاهشی شدید می‌باشد. در حل مسئله مستقیم، هدف یافتن دمای گذرا می‌باشد. در حل مسئله غیرمستقیم، هدف یافتن پارامتر نامعلوم با استفاده از دمای گذرای اندازه‌گیری شده در نقاط مختلف می‌باشد.
ماتریس حساسیت یا ماتریس ژاکوبین به‌صورت زیر تعریف می‌شود:
(2-24)
N: تعداد کل پارامترهای نامعلوم
I: تعداد کل اندازه‌گیری
المان‌های ماتریس حساسیت ضریب حساسیت نامیده شده و با نشان داده می‌شود. برای معادلات خطی این ماتریس تابع پارامترهای مجهول نیست اما در حالت غیرخطی ماتریس دارای پارامتری وابسته به p (مجهول) می‌باشد.
ذکر این نکته ضروری است که ماتریس که شرط شناسایی نامیده می‌شود نبایستی برابر صفر باشد زیرا اگر این مقدار برابر صفر با حتی مقداری بسیار کوچک باشد، پارامتر مجهول را نمی‌توان از پروسه معادلات تکراری به دست آورد.
مسائلی که شرط شناسایی تقریباً صفر داشته باشند مسائل ناهنجار نامیده می‌شوند. مسائل انتقال حرارت معکوس عموماً از این دسته‌اند؛ مخصوصاً در نزدیکی حدس اولیه‌ای که برای پارامترهای نامعلوم بکار می‌بریم.
ضریب حساسیت ، میدان حساسیت دمای اندازه‌گیری شده با توجه به تغییرات پارامتر مجهول p می‌باشد. میزان اندک نشان‌دهنده این است که تغییرات زیاد باعث تغییرات اندکی در می‌شوند به‌آسانی قابل‌فهم است که در این‌گونه موارد تخمین کاری دشوار می‌باشد زیرا عملاً هر مقدار گستره بزرگی از ها را در برمی‌گیرد. در حقیقت وقتی ضریب حساسیت کوچک استJTJ≃0 بوده و مسئله ما ناهنجار می‌باشد. به همین علت داشتن ضرایب حساسیت غیر وابسته خطی با اندازه بزرگ مطلوب می‌باشد، تا مسئله معکوس به خطاهای اندازه‌گیری حساس نبوده و پارامترها به‌صورت دقیق تخمین زده شوند. لازم است که تغییرات ضریب حساسیت قبل از حل مسئله آزمایش شود. این‌گونه آزمایش‌ها بهترین مکان حس‌گر و زمان اندازه‌گیری در طی حل را به دست می‌دهد.
لونبرگ - مارکارت برای کاستن از این وابستگی، از دو پارامتر (عامل استهلاک) و (ماتریس قطری) استفاده کردند. هدف از اعمال ترم کاهش نوسانات و ناپایداری‌ها در طی شرایط ناهنجار؛ از طریق بزرگ کردن مؤلفه‌هایش در مقایسه با در شرایط موردنیاز، می‌باشد.
عامل استهلاک در ابتدای پروسه تکرار بزرگ در نظر گرفته می‌شود تا در ناحیه اطراف حدس اولیه بکار رود. با کمک این روش دیگر لازم نیست ماتریس در ابتدای پروسه نامساوی صفر باشد. چون در ابتدا ضریب بزرگ است. روش لونبرگ یک به سمت متد کاهشی شدید گرایش دارد، اما با ادامه پروسه تکرار و کوچک‌تر شدن ضریب در طی این پروسه، روش به سمت روش گوس گرایش پیدا می‌کند. شرط توقف پیشنهادی توسط دنیس و شنابل کوچک بودن فرم کوچک‌ترین مربعات، گرادیان تابع مجهول و همگرایی پارامترها را چک می‌کند.
الگوریتم محاسباتی لونبرگ - مارکارت را می‌توان در موارد استفاده از چندین حس‌گر ارتقا بخشید.
2-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت
روش‌های متعددی جهت محاسبه ضرایب حساسیت موجود است که در ادامه سه نمونه از آن‌ها ذکرشده است.
تحلیل مستقیم
مسائل مقدار مرزی
تقریب تفاضل محدود
روش تحلیل مستقیم: اگر مسئله مستقیم هدایت خطی بوده و حل تحلیل برای حوزه دمایی موجود باشد، ضریب حساسیت با تفاضل گیری جواب در جهت (پارامتر نامعلوم) به دست می‌آید.
اگر غیر وابسته به باشد، آنگاه مسئله معکوس جهت محاسبه خطی خواهد بود.
در مسائلی که چندین درجه بزرگی موجود باشد، ضریب حساسیت نسبت به هرکدام از پارامترها باید چندین مرتبه بزرگ‌تر باشد که این موضوع خود باعث ایجاد مشکلات و سختی‌هایی در مقایسه و شناسایی وابستگی خطی بودن شود. این سختی‌ها را می‌توان با آنالیز ابعادی ضرایب حساسیت یا با استفاده از فرمول زیر کاهش داد:
(2-25)
با توجه به اینکه ضریب حساسیت ذکرشده در بالا هم واحد با درجه حرارت است، مقایسه مرتبه بزرگی آن راحت‌تر است.
مسائل مقدار مرزی: یک مسئله مقدار مرزی می‌تواند با تفاضل گیری از مسئله مستقیم اصلی نسبت به ضرایب مجهول جهت به دست آوردن ضرایب حساسیت بکار رود. اگر مسئله هدایت مستقیم خطی باشد، ساختار مسئله حساسیت مربوطه ساده و مستقیم است. در حالت‌های پیشرفته حل ضرایب حساسیت می‌تواند بسیار زمان‌بر باشد و بایستی از روش‌های عددی مثل تفاضل محدود بهره گرفت.
تقریب تفاضل محدود: می‌توان تفاضل اول ظاهرشده در تعریف را از طریق تفاضل پیشرو یا تفاضل مرکزی حل کرد اما برای حل به این روش لازم است N مجهول اضافی در حالت اول و N2 مجهول اضافی در حالت دوم محاسبه شود که خود بسیار زمان‌بر خواهد بود.
2-8-6 تکنیک II 2-8-6-1 متد گرادیان مزدوجروش گرادیان مزدوج روش تکرار مستقیم و قدرتمندی درزمینه حل مسائل خطی و غیرخطی معکوس می‌باشد. در پروسه تکرار، در هر تکرار یک گام مناسب در جهت ترولی انتخاب می‌شود تا تابع موردنظر را کاهش دهد.
جهت نزولی از ترکیب خطی جهت منفی گرادیان در گام تکرار حاضر با جهت نزولی تکرار پیشین به دست می‌آید. این ترکیب خطی به‌گونه‌ای است که زاویه جهت نزولی و جهت منفی گرادیان کمتر از ۹۰° باشد تا مینیمم شدن تابع موردنظر حتمی گردد[34,37-39]. روش گرادیان مزدوج با شرط توقف مناسب به‌دست‌آمده از تکنیک تنظیم تکرارها، که در آن مقدار تکرارها به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که جواب پایدار به دست دهد، در حل مسائل معکوس بکار می‌رود.
الگوریتم روش به‌صورت گام‌های زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
در ادامه به بررسی گام‌های فوق پرداخته خواهد شد.
در حل مسئله معکوس شار حرارتی مجهول را به‌صورت تابعی خطی به فرم زیر در نظر می‌گیریم:
(2-26)
که در آن تابع تست معلوم و پارامترهای مجهول می‌باشند.
بدین ترتیب تخمین تابع مجهول به تخمین پارامترهای مجهول ، تقلیل می‌یابد. این‌گونه پارامترها را می‌توان با روش تفاضل مربعات مجهولی حل کرد.
(2-27)
S: مجموع مربعات خطاها یا تابع موردنظر
p: بردار پارامترهای مجهول
: دمای تخمین زده‌شده در زمان
: دمای اندازه‌گیری شده در زمان
: تعداد کل پارامترهای مجهول
I: تعداد کل اندازه‌گیری‌ها، به‌طوری‌که
ذکر دو نکته در اینجا ضروری می‌نماید:
بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد، لذا قرینه بردار جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین روش‌هایی که از بردار گرادیان جهت بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم می‌رسند.
بیشترین نرخ تغییر تابع f در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است. در بیشتر روش‌های بهینه‌سازی نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص تعیین گردد. یعنی لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند در راستای مشخصی مانند نسبت به پارامتری چون محاسبه شود.
لذا اگر نرخ تغییر تابع در راستای برابر باشد با
(2-28)
و درصورتی‌که تابع f را در جهت مینمم کند؛ مینمم تابع در نقطه خواهد بود زیرا
(2-29)
پروسه تکرار در روش گرادیان مزدوج جهت کمینه‌سازی نرم داده‌شده به‌صورت زیر می‌باشد
(2-30)
جایی که جستجوگر سایز گام، جهت نزول و بالانویس k نمایانگر تعداد تکرار است.
جهت نزولی به‌صورت پیوستگی جهت گرادیان و و جهت نزولی تکرار قبلی می‌باشد که فرم ریاضی آن به‌صورت زیر است:
(2-31)
تعاریف گوناگونی برای ضریب همبستگی موجود است. به‌عنوان‌مثال بسط پولاک - ریبیر (معادله 2-32) در مراجع[37,40,41] و بسط فلچر - ریوز (معادله 2-33) در مراجع[37,38,40] آمده است.
(2-32) γk=j=1N∇S(pk)j∇Spk-∇S(pk-1)jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
وقتی‌که برای k=0 شرط مرزی γ0=0 برقرار باشد.
(2-33) γk=j=1N∇S(pk)2jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
بسط جهت گرادیان نسبت به پارامتر مجهول p به‌صورت
(2-34)
می‌باشد. جایی که ماتریس حساسیت می‌باشد. به‌عبارت‌دیگر درایه jام جهت گرادیان را می‌توان از فرم صریح
(2-35)
به دست آورد.
هرکدام از بسط‌های ذکرشده در مراجع جهت باعث ایجاد زاویه کمتر از بین جهت نزول و جهت منفی گرادیان شده، درنتیجه تابع بهینه می‌گردد.[36]
این بسط‌ها در مسائل خطی هم‌ارز بوده اما در مسائل غیرخطی، بر طبق برخی مشاهدات، بسط پولاک - ریبیر باعث بهبود همگرایی می‌شود. باید دانست که اگر باشد، در تمامی تکرارها جهت نزول همان جهت گرادیان می‌باشد و طول گام بهینه کاهشی به دست خواهد آمد گر چه روش گام بهینه کاهشی به‌سرعت روش گرادیان مزدوج همگرا نمی‌شود. گام جستجو از کمینه ساختن تابع نسبت به به دست می‌آید.
(2-36)
با جایگذاری از معادله (2-30) در معادله بالا و همچنین خطی سازی بردار دمای با بسط سری تیلور گام جستجو به‌صورت ماتریس زیر به دست خواهد آمد:
(2-37)
پس از محاسبه ماتریس حساسیت به یکی از روش‌های گفته‌شده در قبل، جهت گرادیان ، ضریب همبستگی و گام جستجو پروسه تکرار تا رسیدن به‌شرط توقف که طبق قانون اختلاف می‌باشد ادامه پیدا می‌کند.
(2-38) : شرط توقف
(2-39) Yti-T(xmeas,ti≈σi
σ: انحراف معیار استاندارد
(2-40) Ԑ=i=1Iσi2=Iσ2
اگرچه استفاده از این فرضیه جهت تکنیک I لازم نیست؛ زیرا تکنیک اول به‌صورت اتوماتیک با کنترل پارامتر استهلاک و کاهش شدید صعود بردار پارامترها در پروسه تکرار از ناپایداری جواب‌ها جلوگیری می‌کند. استفاده از قانون اختلاف نیازمند اطلاعات اولیه از انحراف استاندارد خطای اندازه‌گیری می‌باشد. یک روش جایگزین می‌تواند استفاده از اندازه‌گیری‌های اضافی باشد.
2-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دومبا فرض آنکه دماهای اندازه‌گیری شده در زمان‌های بوده و حدس اولیه برای بردار مجهول p باشد. ابتدا قرار داده و سپس:
گام 1: حل معادله مستقیم حرارت با استفاده از و به دست آوردن بردار دمای اندازه‌گیری
گام 2: ارائه حل اگر شرط توقف (2-38) ارضا نشده باشد.
گام 3: حل ماتریس حساسیت از معادله (2-35) به یکی از روش‌های گفته‌شده
گام 4: با دانستن Y، و جهت گرادیان از معادله (2-34) به‌دست‌آمده سپس از معادلات (2-32) یا (2-33) محاسبه می‌گردد.
گام 5: جهت نزول از معادله (2-31) محاسبه می‌آید.
گام 6: با دانستن ، Y، و گام جستجو از معادله (2-37) به دست می‌آید.
گام 7: با دانستن و و حدس جدید از معادله (2-30) به دست می‌آید.
گام 8: بجای k، 1+k را جایگزین کرده به گام 1 بازمی‌گردد.
2-8-6-3 اندازه‌گیری پیوستهتا اینجا فرض بر گسسته بودن دامنه زمانی و دماهای اندازه‌گیری شده بوده است. در حالتی که تعداد داده‌ها به‌اندازه‌ای باشد که بتوان آن‌ها را تقریباً پیوسته در نظر گرفت نیازمند برخی اصلاحات در فرم اولیه، بردار گرادیان(معادله 4-18)، گام جستجو(معادله 4-21) و تلورانس (معادله 4-24) مورداستفاده در قانون اختلاف می‌باشد.
با فرض پیوستگی اطلاعات اندازه‌گیری شده انتگرال تابع در بازه زمان 0≤t≤tf به‌صورت:
(2-41)
نوشته‌شده که تابع گرادیان معادله بالا نیز به‌صورت
(2-42)
نوشته می‌گردد. به‌عبارت‌دیگر هر جزء بردار گرادیان به فرم
(2-43)
خواهد بود. در ادامه گام جستجو نیز باید به فرم پیوسته برای دامنه زمان بازنویسی گردد.
که این مهم با بهینه‌سازی تابع برحسب در دامنه محقق می‌گردد. لذا
(2-44)
که این معادله بسیار شبیه به فرم گسسته می‌باشد.
تلورانس نیز به‌صورت نوشته می‌گردد و الگوریتم حل همچنان دست‌نخورده باقی خواهد ماند.
در مسائلی که هدف تعیین ضرایب پارامتری شده تابع مجهول باشد تکنیک III راه‌حلی جایگزین جهت پرهیز از حل چندباره ماتریس حساسیت در به دست آوردن جهت گرادیان و گام جستجو می‌باشد.
2-8-7 تکنیک III 2-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترهادر این بخش به تشریح روشی دیگر از متد گرادیان مزدوج پرداخته می‌شود که با کمک حل دو مسئله کمکی، مسئله حساسیت و مسئله اضافی، به حل گام جستجو و معادله گرادیان می‌پردازد. این روش مخصوصاً در مسائلی که هدف یافتن ضرایب توابع امتحانی بکار رفته در فرم تابع مجهول می‌باشد کاربرد دارد.
جهت راحتی مراحل بعدی آنالیز، مقادیر اندازه‌گیری شده پیوسته فرض می‌گردد.
فرم معادله تفاضل مربعات به‌صورت
(2-45)
است. مطابق قبل دمای اندازه‌گیری شده و دمای تخمین زده‌شده در نقطه در بازه زمانی می‌باشد.
گام‌های اصلی حل به شرح زیر بوده که در ادامه به شرح بیشتر هرکدام پرداخته می‌شود.
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
مسئله حساسیت
مسئله اضافی الحاقی
معادله گرادیان
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
گام‌های اول و دوم همانند سابق بوده لذا از شرح مجدد خودداری می‌گردد. در گام سوم تابع حساسیت حاصل حل مسئله حساسیت به‌صورت مشتق وابسته دما در جهت آشفتگی تابع مجهول تعریف می‌شود.
این مسئله می‌تواند با فرض اینکه دما با مقدار دچار آشفتگی شده وقتی‌که چشمه حرارتی با میزان دچار انحراف گردیده به دست آید. که انحراف از مجموع انحراف هر یک از پارامترهایش حاصل‌شده است.
(2-46)
اکنون اگر در معادله مستقیم با و با جایگزین گردد، معادله حساسیت به دست خواهد آمد.
عامل لاگرانژ جهت بهینه‌سازی تابع استفاده می‌گردد. این عامل جهت محاسبه تابع گرادیان با کمک حل مسئله الحاقی در مسئله حساسیت لازم می‌باشد. در این راستا با ضرب معادله مشتق جزئی مسئله مستقیم در ضریب لاگرانژ و انتگرال‌گیری آن در حوزه زمان و جمع معادله حاصل بافرم اولیه تابع ، جایگزین به دست می‌آید.
مشتق وابسته در جهت آشفتگی از جایگزینی ، و بجای ، و در معادله به‌دست‌آمده و صرف‌نظر کردن از ترم‌های درجه دوم حاصل می‌شود. می‌توان با حل جزءبه‌جزء طرف راست مسئله و صرف‌نظر کردن از انتگرال‌های شامل به فرم ساده‌شده معادله الحاقی دست‌یافت.
بنا بر تعریف، مشتق وابسته در جهت بردار به‌صورت
(2-47)
نوشته می‌شود. استفاده از معادله الحاقی برای آن دسته از مسائلی که حل تحلیل نداشته و نیاز به استفاده از روش‌های تفاضل محدود است، مناسب می‌باشد. با این روش، گرادیان با حل تنها یک معادله الحاقی به دست می‌آید. درحالی‌که روش دوم نیازمند حل N باره مسئله مستقیم جهت به دست آمدن ضرایب حساسیت می‌باشد.
گام جستجو که جهت بهینه‌سازی تابع در هر تکرار بکار می‌رود از خطی سازی دمای تخمین زده‌شده در فرم بهینه تابع با کمک بسط سری تیلور به دست می‌آید.
(2-48)
که حل مسئله حساسیت حاصل از قرار دادن در محاسبه معادله (2-46) می‌باشد.
باید توجه داشت که در هر گام تکرار لازم است یک مسئله حساسیت جهت محاسبه حل گردد.
شرط توقف نیز همانند تکنیک به‌صورت می‌باشد.
2-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سومبه‌صورت خلاصه الگوریتم حل به‌صورت زیر می‌باشد. با قرار دادن ، فرضیات و مطابق تکنیک II می‌باشد.
مرحله 1: محاسبه از معادله و آنگاه حل معادله مستقیم جهت به دست آوردن
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ارائه حل در صورت ارضاء نشدن آن
مرحله 3: حل معادله الحاقی جهت محاسبه با دانستن و
مرحله 4: با دانستن ، به دست آوردن پارامترهای بردار گرادیان
مرحله 5: با دانستن ، محاسبه و آنگاه جهت نزول
مرحله 6: با قرار دادن ، محاسبه و سپس حل مسئله حساسیت برای به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن و، محاسبه تخمین جدید و جایگزینی k با 1+k و آنگاه بازگشت به مرحله 1
2-8-8 تکنیک IV2-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابعدر این روش هیچ اطلاعات اولیه از فرم تابع مجهول به‌جز فضای تابع موجود نیست. در اینجا تابع به‌صورت زیر تعریف می‌گردد.
(2-49)
و گام‌های حل نیز مانند تکنیک III می‌باشد.
تفاوت این روش با دو تکنیک قبل در این است که دیگر به‌صورت ساده پارامتری نوشته نمی‌شود. حل مسائل الحاقی و حساسیت در حالت کلی بسیار شبیه حالت تکنیک III می‌باشد. اما جهت محاسبه معادله گرادیان دیگر نمی‌توان مانند گذشته عمل نمود.
از مقایسه مسئله الحاقی و می‌توان معادله گرادیان را به دست آورد.
(2-50)
تابع مجهول از بهینه‌سازی به دست خواهد آمد. لذا پروسه تکرار به‌صورت
(2-51)
خواهد بود. که در آن ، جهت نزول، به‌صورت زیر می‌باشد.
(2-52)
همچنین ضریب نیز می‌تواند از هرکدام از بسط‌های پولاک - ریبیر و یا فلچر - ریوز به دست آید.
در انتها نیز از بهینه‌سازی نسبت به و پس از ساده‌سازی با اعمال بسط سری تیلور، مشتق‌گیری نسبت به و مساوی صفر قرار دادن آن، به دست می‌آید.
(2-53)
که در آن جواب مسئله حساسیت با جایگزینی می‌باشد.
ازآنجاکه معادله گرادیان در زمان نهایی همواره صفر می‌باشد لذا حدس اولیه هرگز تحت پروسه تکرار تغییر نمی‌کند. لذا تابع تخمین زده‌شده می‌تواند از جواب دقیق منحرف گردد که جهت غلبه بر این موضوع می‌توان از بازه زمانی بزرگ‌تر از بازه موردنیاز استفاده نمود. همچنین می‌توان با تکرار حل معکوس و استفاده از جواب تکرار قبل جهت حدس اولیه نیز اثر این مشکل را کاهش داد.
شرط توقف نیز مانند تکنیک پیشین می‌باشد که در موارد بدون خطا می‌تواند مقداری بسیار کوچک یا حتی صفر داشته باشد.
2-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارمبه‌صورت خلاصه الگوریتم محاسباتی این تکنیک به شرح زیر می‌باشد:
مرحله 1: حل معادله مستقیم و محاسبه بر اساس
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ادامه حل در صورت ارضا نشدن آن
مرحله 3: با دانستن و ، حل معادله الحاقی و به دست آوردن
مرحله 4: حل با دانستن
مرحله 5: با دانستن گرادیان ، محاسبه از هرکدام از بسط‌های ذکرشده و نیز جهت نزول
مرحله 6: با قرار دادن و حل معادله حساسیت، به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن گام جستجو و جهت نزول، محاسبه مقدار جدیدو بازگشت به مرحله 1
حل معادله مستقیم جواب‌های دقیق را به دست می‌دهد.
برای محاسبه داده‌های دارای خطا می‌توان از راه‌حل زیر استفاده نمود:
(2-54)
که در آن ω متغیر رندوم با پراکندگی نرمال که دارای هسته اصلی صفر و انحراف معیار استاندارد می‌باشد. با اطمینان 99% به‌صورت -2.576<ω<2.576 بوده که می‌تواند از زیر برنامه IMSL یا DRRNOR به دست آید [31]. این مقادیر می‌تواند بجای داده‌های آزمایشگاهی اندازه‌گیری شده جهت حل معکوس استفاده شود.
فصل سوم: مدل ریاضی
3-1 مقدمهطبیعت پیچیده انتقال حرارت در بافتهای زنده مانع مدل‌سازی ریاضی دقیقی شده است. فرضیات و ساده‌سازی‌هایی باید انجام شود. در ادامه مروری مختصر بر معادلات و توزیع دما دربافت‌های زنده خواهیم داشت.
3-2 مدل‌های هدایت گرماییاز معادله انتقال حرارت زیستی پنز [25]شروع می‌کنیم که در سال 1948 ارائه‌شده است. ویژگی این معادله ساده بودن آن و کاربردی بودنش در شرایط خاص است.مدل‌هایی که در این بخش ارائه گردیده مدل‌های ماکروسکوپیکی است که بیشتر از سایر مدل‌ها در توصیف انتقال گرما مورداستفاده قرار می‌گیرند.
3-2-1 مدل پنزمعادله پنزبر اساس فرض‌های ساده کننده‌ای طبق فاکتور زیر است:
تعادل گرمایی: انتقال حرارت بین خون و بافت در بسترهای کپیلاری و همچنین رگ‌ها انجام می‌شود. ازاین‌رو از انتقال حرارت بین خون و بافت قبل و بعد از ورود به بافت صرف‌نظرمی‌شود.
2) تزریق وریدی خون: جریان خون در مویرگ‌های کوچک، ایزوتروپیک فرض می‌شود. این فرض باعث می‌شود جهت جریان کم‌اهمیت شود.
3)آرایش رگ‌ها:
رگ‌های خونی بزرگ‌تر در همسایگی بستر مویرگ‌های کپیلاری هیچ نقشی در تبادل حرارت بین بافت و خون مویرگ ایفا نمی‌کند. بنابراین، مدل پنزهندسهی رگ‌های اطراف را در نظر نمی‌گیرد.
4) دمای خون:
فرض می‌شود که خون با همان دمای هسته بدن Ta0 به مویرگها میرسد که به‌طور مداوم با بافت‌ها که در دمای T قرار دارند، تبادل گرمایی می‌کنند. بر اساس این فرضیات معادله پنز اثر خون را به‌عنوان یک منبع حرارتی ایزوتروپیک (یا چاه گرمایی) مدل کرده است که با نرخ جریان خون و اختلاف دمای بینTa0و T متناسب است.در این مدل، خونی که مسیر خود را آغاز می‌کند، تا زمانی که به مویرگ‌هاورگه‌ای درون بافت‌ها برسد در نظر گرفته می‌شود (المان بافتی که خون در آن واردشده است را در شکل 3-1.درنظر بگیرید). المان به‌اندازه کافی بزرگ است که رگ‌ها و مویرگ‌ها را در برداشته باشد، امّا در مقایسه با ابعادی که ما موردبررسی قرار می‌دهیم کوچک است.
1311275299085
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز
با نوشتن معادله انرژی به‌صورت زیر داریم:
(3-1) Ein+Eg-Eout=E
در اینجا از اثر جابجایی صرف‌نظر شده و به‌جای آن ترم مربوط به تزریق وریدی خون اضافه‌شده است. ساده‌ترین راه برای بررسی این ترم این است که آن را به‌صورت ترم تولید انرژی در نظر بگیریم.
اگرنرخ انرژی اضافه‌شده توسط خون در واحد حجم بافت:q''bانرژی متابولیک تولیدشده در واحد حجم بافت:q''mبا درنظر گرفتن المان موجود در شکل 1 خون با دمای مرکزی بدن به آن وارد می‌شودTa0 و در داخل المان به دمای تعادل المان بافت که T است، می‌رسد.
(3-2) q'''b=ρbCbWbTa0-T
که در معادله فوق، Cb گرمای ویژه خون، Wb نرخ خون تزریق وریدی بر واحد حجم بافت و ρb چگالی خون هست.
با استفاده از معادله انرژی و حذف کردن ترم جابجایی و استفاده از موارد فوق داریم:
(3-3) ∇.k∇T+ρbCbWbTa0-T+q'''m=ρC∂T∂t
که Cگرمای ویژه بافت، k هدایت گرمایی و ρ چگالی بافت است.
در معادله فوق اولین‌ترم مربوط به هدایت در 3 جهت است. با توجه به سیستم مختصات موردنظر ما به سه حالت زیر تبدیل می‌شود:

user8309

جهت ورود به بحث های تخصصی پیرامون بازار برق ایران، مدل سازی یک تابع هدف مشخص، پیشنهاد یک الگوریتم جدید و معقول و حل و بهینه سازی مدل پیشنهادی باید بازار برق ایران را شناخت و با ساختار آن آشنایی کامل داشت.
مالکان نیروگاه ها در کشور ایران می توانند محصول تولیدی خود(برق) را به روش های گوناگونی به فروش برسانند که از مهمترین انواع قراردادهای فروش می توان به چند مورد زیر اشاره کرد که عموماً مورد استفاده نیروگاه ها جهت عقد قرارداد فروش با وزارت نیرو (شرکت توانیر و شرکت مدیریت شبکه برق ایران) قرار می گیرند:
قراردادهای عمده فروشی در بازار رقابتی
قراردادهای خرید تضمینی
قراردادهای دوجانبه
قراردادهای فروش برون مرزی
قراردادهای تبدیل انرژی
قرارداد عمده فروشی در بازار رقابتی در واقع همان بازار پویایی است که رقابت در آن بر سر قیمت نهایی فروش برق بین خریداران(برق های منطقه ای) و فروشندگان برق(نیروگاه ها) انجام می شود و موضوعی که در این پایان نامه بر روی آن کار شده است در این فضا مدل سازی و بهینه سازی می شود. قرارداد خرید تضمینی، قراردادی است که بین یک فروشنده و یک خریدار منعقد می شود و با یک نرخ ثابت کالای برق مورد معامله قرار می گیرد، در این نوع قرارداد ها عملاً ریسکی انجام نمی شود و به ازای متحمل نشدن ریسک قیمت فروش برق نیز پایین تر از نرخ های وسوسه کننده در بازار رقابتی برق می باشد به گونه ای که معمولاً نیروگاه ها با مالکیت خصوصی کمتر راضی به فروش محصول خود با نرخ های تضمینی مصوب وزارت نیرو می گردند.
قراردادهای دوجانبه نیز مابین یک تولیدکننده و یک مصرف کننده منعقد می شوند به طوری که تنها از شبکه برق سراسری برای انتقال انرژی استفاده می کنند و مابه ازای این استفاده، هزینه ای را به عنوان هزینه ترانزیت می پردازند. قراردادهای فروش برق برون مرزی با کسب مجوز های لازم از وزارت نیرو با متقاضیان برق در خارج از مرزهای کشور عزیزمان بسته شده و به نوعی صادر می گردند. همچنین قرارداد های تبدیل انرژی نیز فی مابین برخی از نیروگاه ها و وزارت نیرو منعقد شده و نیروگاه صرف نظر از بهای برق تولیدی و هزینه سوخت مصرفی و یک سری هزینه های مورد توافق، تنها وتنها درآمدی را به ازای تبدیل سوخت مصرفی به برق تولیدی دارا خواهد شد.
موضوع اصلی مورد بحث در این پایان نامه ساختار بازار رقابتی برق ایران و چگونگی شکل گیری رقابت در فضای بازار می باشد. با عنایت به راه اندازی بازار عمده فروشی برق در کشورمان از آبان ماه سال 1382 تحت نظارت هیئت تنظیم بازار برق ایران و قوانین مصوب این هیئت، موضوع پیشنهاد قیمت بهینه برای فروش برق توسط تولیدکنندگان(نیروگاه ها) و همچنین خریداران(شرکت های برق منطقه ای) اهمیت ویژه ای مخصوصاً در سال های اخیر پیدا کرده است.
موضوع بدین ترتیب می باشد که یک حداکثر قیمت(383 ریال برای هر کیلووات در حال حاضر) و حداقل قیمت(235 ریال برای هر کیلووات در حال حاضر) برای فروش برق نیروگاه ها توسط هیئت تنظیم بازار برق ایران در نظر گرفته شده است و نیروگاه ها در نرم افزاری که توسط بازار ارائه شده است هر روزه، قیمت سه روز آتی را پیش بینی می کنند و ابراز آمادگی جهت حضور در مدار شبکه می نمایند.
بعد از ابراز آمادگی نیروگاه ها و ظرفیت مگاوات اعلام شده از سوی آن ها برای حضور در مدار، نرم افزار بازار اجرا شده و متناسب با مصرف احتمالی کل کشور و به تفکیک نقاط مختلف و بر اساس پیشنهادهای خریداران و فروشندگان(بازیگران بازار)، آرایش تولید برای نیروگاه ها در روزهای آتی اعلام می گردد، نیروگاه هایی که قیمت آن ها مناسب نباشد بازنده شده و برق آنها در صورت نیاز شبکه به قیمت های بسیار نازل خریداری می گردد.
شکل 1-1 معرف خوبی از فرآیند مشارکت نیروگاه ها در بازار برق ایران و چگونگی برنده و بازنده شدن نیروگاهها را نشان می دهد. منطق بازار مینیمم کردن هزینه های خرید برق، انتقال و تلفات شبکه سراسری برق می باشد به طوری که قیمت های پیشنهادی نیروگاه ها از کم به زیاد مرتب می گردد و پیشنهاد نیروگاه ها طبعاً تا جایی پذیرفته خواهد بود که مصرف برق کشور بر اساس اعلام نیاز برق های منطقه ای تامین گردد بنابراین برنده شدن و بازنده شدن معنا پیدا می کند.
با توجه به گرایش نسبت به خصوصی سازی در صنعت برق، تمایل برای کسب سود بیشتر در ازای ریسک بالاتر افزایش یافته است و بازیگران بازار برق به دنبال کشف نقطه تسویه بازار می باشند. در بخش 1-2 ، این نقطه بسیار مهم بیشتر معرفی می شود.

شکل SEQ شکل * ARABIC 1-1: منحنی عرضه و تقاضا و نقطه تسویه بازارفاکتورهای زیادی بر پیچیده شدن مسئله دخالت دارند و بدست آوردن یک قیمت بهینه را دشوار می سازند. موقعیت جغرافیایی که نیروگاه ها و شرکت های برق منطقه ای در آن قرار دارند، قیمت های پیشنهادی دیگر بازیگران بازار برق، قیمت سوخت مصرفی تعیین شده بر اساس مصوبات، ساعات روز، روزهای هفته، تعطیلی های رسمی کشور(به طور مثال مینیمم مصرف سال کشورمان در روزهای عاشورا و تاسوعا اتفاق می افتد)، الگوی مصرف مردم که به مرور زمان تغییر می کند، محدودیت هایی که به لحاظ فنی برای نیروگاه ها وجود دارند(مانند: ظرفیت ترانس نیروگاه ها، محدودیت آب پشت سد یک نیروگاه آبی، پست مشترک ورودی برق به شبکه برای چند نیروگاه) و ... از جمله این موارد می باشند.
یکی از سختی های حل این مسئله چگونگی مدل سازی و استخراج معادلات و روابط ریاضی، از این مفاهیم انتزاعی است که با توجه به وجود درس هایی همچون برنامه ریزی ریاضی پیشرفته، تحلیل سیستم های انرژی، مبانی اقتصاد که در رشته مهندسی سیستم های انرژی وجود دارند پایه و اساس انجام چنین پژوهش هایی در این رشته تحصیلی قابل توجیه می باشد.
با توجه به اینکه یکی از ارتباطات رشته تحصیلی مهندسی سیستم های انرژی به این موضوع، مدل سازی صحیح این بازار، استخراج تابع هدف مناسب و معقول که نتایج خروجی از تابع هدف مورد نظر انتظارات لازم را برآورده کند، می باشد لذا ارتباط موضوع پایان نامه با رشته تحصیلی کاملاً مشهود می باشد. به همین علت ذکر نام دروسی که در مدل سازی و فراهم آوردن شرایط بهینه سازی و فضای حاکم بر مسئله تاثیر زیادی داشته اند، ضروری است:
درس مبانی اقتصاد: شناخت مفاهیم بازار و تاثیرگذاری عرضه و تقاضا بر روی ارائه کالای مورد نظر(برق)
درس تحلیل سیستم های انرژی: تحلیل کلی از بازار برق ایران و شناخت این سیستم پیچیده
درس برنامه ریزی ریاضی پیشرفته: تبدیل اطلاعات موجود در کشور به معادلات حاکم بر مسئله جهت حل مسئله، و همچنین بدست آوردن تابع هدف مناسب با تعریف صحیح از فضای حل که یکی از ورودی های الگوریتم ژنتیک جهت نیل به هدف بهینه سازی می باشد.
درس قابلیت اطمینان و تحلیل ریسک: از مهمترین و پیچیده ترین فاکتورهای دخیل در طرح این پروژه آنالیز ریسک و وابستگی قیمت ها به میزان ریسک می باشد، هرچه میزان ریسک بالاتر باشد و بازیگر برنده گردد، سود ماکزیمم می شود.
بازار برق دنیا و اصول پیشنهاد قیمت در بازار برق ایرانبا شروع به کار بازار برق ایران، مساله پیشنهاد قیمت برای شرکت‌های فروشنده برق دارای اهمیت بسیار بوده و فاکتور مهمی جهت کسب درآمد و سودآوری برای این شرکت‌ها محسوب می‌شود. همراه با تغییر در ساختار اقتصادی صنعت برق ایران و راه‌اندازی بازار برق، مسأله تنظیم و تامین هزینه‌های سالیانه شرکت‌های برق منطقه ای با چالش‌ها و مشکلات ویژه‌ای مواجه شد. بهترین دلیل برای این وضعیت وجود عدم قطعیت‌های مختلف تأثیرگذار بر درآمدها و هزینه‌های این شرکت‌ها در فرایند فروش انرژی به بازار برق می باشد.
با راه‌اندازی بازار برق ایران در سطح عمده فروشی و در سمت فروشندگان در آبان‌ماه سال 1382، درآمد شرکت‌های برق منطقه‌ای به نحوه قیمت دهی وابسته شده است. بنابراین بازاربرق، در شرکت‌های آب و برق منطقه‌ای تولید کننده انرژی الکتریکی، انگیزه مضاعفی جهت پیشنهاد قیمت بهینه ایجاد نموده است. محدودیت‌هایی در بازار برق ایران نظیر محدودیت‌های انتقال، عدم خروج واحدهای سیکل ترکیبی و بخاری بزرگ و... موجود است.
مسأله تنظیم و تامین هزینه متوسط و برنامه‌ریزی جهت تحقق آن از جمله مهمترین مسائل مطرح در افق زمانی میان مدت برای هر بنگاه اقتصادی است. حل دقیق این مسأله، نقشی کلیدی در جهت نیل به اهداف مورد نظر بنگاه اقتصادی و رشد و توسعه اقتصادی آن دارد. در فضای سنتی صنعت برق، حل مسأله برنامه‌ریزی هزینه‌ها با توجه به عدم قطعیت نه‌چندان قابل توجه موجود در درآمدها و هزینه ها، با مشکل چندانی مواجه نبود، اما با ایجاد فضای رقابتی در صنعت برق و جداسازی بخش‌های تولید، انتقال و توزیع و در نتیجه تصمیم‌گیری مستقل بنگاه‌های اقتصادی، مسأله تخمین هزینه درفضای سنتی به مسأله کنترل هزینه‌ها و درآمدهای بنگاه‌های اقتصادی تغییر یافت. از طرف دیگر مسأله تخمین و تنظیم درآمدها و هزینه‌های بنگاه‌های اقتصادی به علت تغییر رفتار بازیگران بازار با توجه به اطلاعات ناقصشان از محیط بازار برق دارای عدم قطعیت محسوسی می‌باشد. همچنین تخمین درآمدها و هزینه‌های هر بنگاه اقتصادی در افق زمانی میان‌مدت باید به گونه‌ای صورت گیرد که اهداف موجود دراستراتژی قیمت‌دهی را نیز برآورده سازد و بالعکس. حل مسائل برنامه‌ریزی میان مدت مستلزم مدل سازی عدم قطعیت‌های موجود در متغیرهای مسأله و بکارگیری روش‌های بهینه‌سازی است. آشنایی با برخی تحقیقات انجام‌شده در این زمینه لازم است.
در مرجع [1] رفتار بهینه مصرف‌کننده‌ها جهت خرید انرژی از بازار برق با توجه به قید بودجه آن‌ها که محدودکننده میزان هزینه خرید انرژی می‌باشد تعیین شده است. استراتژی تعیین میزان تعرفه توسط بهره‌بردار شبکه انتقال بلژیک برای مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگانی که از خدمات آن بهره می‌گیرند با در نظر گرفتن قید هزینه بهره بردار تنظیم می‌گردد [2]. قید بودجه به گونه‌ای عمل می‌کند که سود بهره‌بردار ناشی از ارائه خدمات انتقال و هزینه سرمایه‌گذاری آن از حد معینی بیشتر باشد. در این شرایط نیاز به روشی کارا جهت مدل‌سازی عدم قطعیت‌های موجود در مسأله تخمین درآمدها و هزینه‌ها در افق زمانی میان مدت و هماهنگ با استراتژی‌های قیمت‌دهی و با در نظرگرفتن اهداف و قیود بنگاه اقتصادی ضروری به نظر می‌رسد.
در مرجع [3] مدلی جهت مدیریت ریسک ناشی از قیمت سوخت، تقاضا، دبی آب و قیمت برق که نیروگاه‌های آبی یا حرارتی در بازار برق با آن‌ها مواجه هستند ارائه شده است. در مرجع [4] از درخت تصمیم به منظور مینیمم کردن هزینه‌های بهره‌برداری هفتگی واحدهای تولیدی با توجه به عدم قطعیت تقاضا استفاده شده است. در مرجع [5] مدلی ریاضی به منظور بهره‌برداری بهینه برای سیستم تولید که از واحدهای آبی و حرارتی تشکیل شده، ارائه شده است. در این مرجع عدم قطعیت‌های جریان آب ورودی به سد برای واحد آبی و قیمت سوخت در مورد نیروگاه حرارتی درنظر گرفته شده‌است. در مرجع [6] با استفاده از درخت تصمیم، مدلی به منظور ماکزیمم کردن درآمد با توجه به وجود قراردادهای میان مدت برای واحدهای آبی ارائه شده‌است.
به علت عدم قطعیت‌های موجود در بازار برق، شناسایی و مدل‌سازی عدم قطعیت‌ها در درآمدها و هزینه‌های شرکت برق منطقه‌ای در افق زمانی میان مدت امری ضروری است. با توجه به اینکه عدم قطعیت‌ها در افق زمانی میان‌مدت مدل‌سازی می‌شوند و به علت اینرسی بالای قیمت سوخت درایران از عدم قطعیت موجود در قیمت سوخت صرف‌نظر می‌شود. بنابراین تنها، نیاز به مدل‌سازی رفتار قیمت تسویه بازار به‌طور ماهانه می‌باشد. البته می‌توان عدم قطعیت ناشی از وقوع پیش‌آمدهای اتفاقی در سیستم قدرت و تغییرات تقاضا را نیز جهت مدل‌سازی دقیق‌تر مسأله در نظر گرفت. با جمع‌آوری اطلاعات قیمت تسویه بازار برق برای هر ماه در سال‌های گذشته و انتخاب بازه‌های تغییر قیمت تسویه بازار (تعیین بازه‌های پیشامدهای قیمت پایین، متوسط و بالا) و بهره‌گیری از مدل فرکانسی، احتمال وقوع پیشامدهای مختلف برای مقدار قیمت تسویه بازار در هر ماه تعیین می‌گردد[7].
تولیدکنندگان با ارائه مقدار تولید و قیمت پیشنهادی در بازار برق شرکت می‌کنند. بهره‌بردار بازار نیز پیشنهاد برنده را مشخص می‌کند. در مبادلات قراردادی مانند قراردادهای دوطرفه روند مناظره و بحث بین دو طرف لازم است. البته شایان ذکر است که قیمت دهی درطرف مصرف هم به مرور زمان و با توسعه بازار در سمت خرید برق، دارای اهمیت خواهد شد.
مسأله پیشنهاد قیمت در بازارهای برق به مبادلات حراج مربوط است و تولیدکنندگان با ارائه پیشنهاد قیمت و مقدار تولید به بهره بردار بازار، در آن شرکت می‌کنند و بهره‌بردار بازار، برندگان و مقدار پول تخصیص یافته به آنان را مشخص می‌کند.
قوانین تخصیص پول به شرکت کنندگان نیز عبارتند از:
پرداخت به میزان پیشنهاد (PAB)
تخصیص یکنواخت (UP)
به طور خیلی خلاصه می توان گفت که در بازار PAB ، نیروگاه ها بر اساس قیمتی که می دهند و در سامانه مربوطه ثبت می کنند، در صورتی که در بازار برنده شوند مبلغی را که به ازای هر کیلووات ساعت برق اعلام داشته اند دریافت می نمایند. در این بازار ها انگیزه ای در جهت پیشنهاد قیمت بهینه(قیمتی که سود را بیشینه گرداند تا جایی که بازیگر بازنده و متضرر نشود) به وجود می آید و استراتژی پیش روی نیروگاه ها کشف و یا به عبارت دیگر حدس قیمت سایر بازیگران بازار می باشد. در نوع دیگر اجرای بازار یعنی به روش UP ، آخرین قیمت پذیرفته شده در بازار(بعد از این قیمت سایر بازیگران بازنده اعلام می شوند) مبنای پرداخت به تمام نیروگاه های برنده شده ماقبل قرار می گیرد یعنی پرداخت به ازای حاصلضرب ظرفیت برنده شده هر نیروگاه برنده در آخرین قیمت برنده شده در بازار انجام می شود. در نظر اول کمی ظالمانه به نظر می رسد اما در بسیاری از کشورهای پیشرفته از این روش استفاده می گردد، چرا؟
پاسخ به این سوال بسیار راحت می باشد! در واقع منطق اصلی از اجرای این بازار ها بیشینه کردن سود به وسیله بیشینه کردن درآمد حاصل از فروش نیست بلکه نیروگاه ها را تشویق به کاهش هزینه های تولید خود می کند. یعنی ارزش قیمت هر کیلووات برق در هر روز بازار مشخص می گردد و از همه بازیگران برنده به آن قیمت مشخص برق خریداری می گردد و رقابتی بین نیروگاه ها در جهت کاهش هزینه ها، کاهش آلاینده ها، افزایش راندمان سیکل های تولید، کاهش هزینه های بهره برداری از نیروگاه و همچنین کاهش هزینه های ساخت و احداث اولیه نیروگاه ها شکل می گیرد و این موضوع درنهایت به نفع کل کشور خواهد بود.
مساله پیشنهاد قیمت به طور کلی به صورت یافتن قیمت بهینه و تعیین استراتژی مناسب جهت رقابت با فروشندگان دیگر تعریف می‌شود. مساله مدنظر ما شرکت در حراج می‌باشد که به صورت مناقصه اجرا می‌شود. به بیان دیگر مساله پیشنهاد قیمت عبارت خواهد بود از تعیین قیمت‌های بهینه در افق زمانی بهره‌برداری از بازارهای بلادرنگ (از چند دقیقه در بازارگرفته تا چندین ساعت در بازارهای روزانه) به‌طوری‌که عوامل موثر بر پارامترهای مورد توجه فروشنده (مانند سود، درآمد، ریسک و ...) در نظر گرفته‌شود.
با توجه به مطالعات انجام شده عواملی که فروشنده باید درهنگام پیشنهاد قیمت در مناقصه‌های انرژی لحاظ کند در زیرخلاصه شده اند:
عدم قطعیت‌ها
نحوه بستن بازار و پرداخت پول به برندگان بازار
ساختار و قوانین بازار
هزینه تولید
قیود حاکم بر ژنراتور و قیود شبکه انتقال
لحاظ کردن سود بلندمدت
نحوه قیمت‌دهی طرف مصرف
قراردادهای دوطرفه
وجود بازارهای مختلف و تأثیر آنها بر یکدیگر
البته دو مورد آخر پس از توسعه بازار برق ایران و راه‌اندازی بازارهای مختلف و قراردادهای دوجانبه در مساله قیمت‌دهی دخیل خواهند بود. مطالعات انجام‌شده در زمینه مساله پیشنهاد قیمت به دو بخش قابل تقسیم‌اند: PAB و UP.
بدیهی است که نحوه مدل‌سازی و فرمول‌بندی مساله در بازارهای مختلف به دلیل تفاوت قوانین کاملا متفاوت است. مدیریت بازار برق ایران به صورت حراج PAB است. مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که به مساله پیشنهاد قیمت به صورت جدی در بازارهای PABپرداخته نشده است. دلیل این امر شاید این باشد که حراج PAB در بسیاری از بازارهای دنیا به‌کار گرفته نمی‌شود و اکثر بازارهای دنیا بر مبنای حراج UP می‌باشد. به علاوه بازارهایی که حراج PAB مبناست، حجم کمی از معاملات را به خود اختصاص داده است. از آن ‌جا که حراج بازار برق ایران بر مبنای حراج PAB است نیاز به تحقیقات جدی در این زمینه احساس می‌شود.
بررسی مساله پیشنهاد قیمت از دید یک تولیدکننده انرژی در ابتدای راه است. در حراج PAB به این دلیل که پول تخصیص یافته بابت هر مگاوات انرژی برابر با قیمت پیشنهادی ارائه شده ازسوی فروشنده می‌باشد، مساله پیشنهاد قیمت از اهمیت دسته از قیود در محیط سنتی وجود نداشته ولی درمحیط جدید باید لحاظ شوند.
قید درآمد، قیدی است که یک شرکت به واسطه سیاست‌های مالی خود لحاظ می‌کند. به‌طور مثال از سیاست‌های کلی شرکت این نتیجه به‌دست آمده که در آمد شرکت در طول یک دوره پیشنهاد قیمت از یک مقدار خاص نباید کمتر باشد. این مساله در فرآیند پیشنهاد قیمت باید لحاظ شود.
قید حداقل فروش، قیدی است که برای اجتناب از جریمه پیشنهاد قیمت لحاظ می‌شود زیرا اگر قیمت واحدهای بخاری یا سیکل ترکیبی برنده نشوند دچار جریمه 0,9 حداقل قیمت می‌شوند. بنابراین حداقل تولید مجاز واحدهای بخاری به ‌فروش خواهد رسید. پس قیمت این واحدها باید به‌گونه‌ای ارائه شود تا تولید موجب ضرر نشود و از طرفی دچار جریمه نیز نگردد. در فرآیند حل مساله پیشنهاد قیمت، جهت دستیابی به ‌روش‌های کارا جهت حل مساله باید پارامترهایی که بر پاسخ مساله و قیمت بهینه تاثیر می‌گذارند، استخراج گردند. این پارامترها بسته به قوانین بازار، شرایط شبکه انتقال و موقعیت جغرافیایی تغییر می‌کنند. بنابراین برای هر شرکتی باید پارامترهای موثر به صورت جداگانه استخراج شوند.
تشکیل بازار برق ایران و خصوصی سازی صنعت برقشاید نتوان کشوری را یافت که متاثر از موج تحولات یک دهه اخیر صنعت برق نباشد. این تحولات در قالب بحث تجدید ساختار باعث شفافیت و تفکیک وظایف بخشهای مختلف گردیده که به تدریج باعث ایجاد بازار برق در سطح عمده فروشی و به دنبال آن در سطح خرده فروشی شده است. موفقیت این برنامه‌ها متاثر از عوامل مختلفی نظیر اجرای صحیح برنامه‌های تجدید ساختار و تقویت نتایج تجدید ساختار با اجرای برنامه خصوصی‌سازی در صنعت برق می باشد. در این میان اجرای برنامه آزادسازی به موقع مشترکین، پیشگیری از شکل گیری پدیده قدرت بازار، باز بینی منظم بازار، ایجاد فضایی منصفانه برای دستیابی همه علاقمندان به فعالیت در صنعت برق، تدوین تعرفه خدمات انتقال و توزیع، تعریف خدمات پشتیبان و تدوین تعرفه متناسب برای آنها و غیره از جمله مطالب مهمی هستند که اهمیت بسزایی در موفقیت یا شکست برنامه تجدید ساختار و بازار برق دارند.
تلاش برای تحقق بخشیدن به تئوری های اقتصادی و تشکیل آرمان شهر بازار رقابت کامل اگر چه(به شکل کامل) هیچ گاه از لای صفحات و متون اقتصادی فراتر نرفته اما این حسن بزرگ را داشته که بهبود قابل توجهی در سامان دهی به بازار را باعث شود. گر چه صنعت برق در ابتدا و با احداث واحدهای کوچک و خصوصی تولید برق حیات خود را آغاز کرد اما به تدریج و با درک اهمیت این صنعت روند دولتی شدن(و بنابراین انحصاری شدن) آن آغاز شد. بنابراین صنعت برق به عنوان یک صنعت یکپارچه و کاملا انحصاری در اذهان شکل گرفت که هر کسی توان ورود به این عرصه و انجام فعالیت در آن را نداشت. با همین ذهنیت بود که دولت ها(به طور عام) کنترل صنعت برق را در دست گرفتند. به تدریج و با بروز مشکلاتی در اداره دولتی صنعت برق، همانند ناتوانی دولت در تامین مالی مناسب برای این صنعت، ناکارایی سرمایه گذاری و بهره برداری و… این سئوال شکل گرفت که به چه نحوی می توان از پتانسیل بخش خصوصی در این صنعت استفاده کرد؟ پاسخ به این سئوال همزاد شکستن ائتلاف عمودی این صنعت و ورود تدریجی بخش خصوصی به حوزه های مختلف فعالیت آن است. اولین نتایج این موضوع تفکیک بخشهای تولید، شبکه و عرضه بود. بنابراین با تفکیک انجام شده این امکان فراهم شد تا برخی متخصصان اقتصاد صنعت برق به امکان ایجاد رقابت در بخش تولید فکر کنند و این در واقع زمینه تشکیل بازار عمده فروشی برق بود. تحولات بعدی صنعت برق را باید مدیون این جسارت و تجربه قلمداد کرد.
ساختار جدید بازار برق و عمده فروشیهمان طور که اشاره شد بروز مشکلات ناشی از ساختار سابق صنعت برق باعث گردید سیاستگزاران و تصمیم گیرندگان این صنعت تجدید نظری اساسی در نوع نگاه به این صنعت و چگونگی اداره آن صورت دهند. جدای از مشکلاتی که دلیل اصلی تجدید ساختار بود، تلاش برای ایجاد فضایی جدید که انعطاف پذیری بیشتری داشته و با اهداف کلان اقتصادی نیز هماهنگ باشد، به طور مضاعفی اجرای برنامه های تجدید ساختار را تجویز می کرد. بنابراین به طور کلی اهداف تجدید ساختار را می توان به صورت زیر ذکر کرد:
الف- بهبود فضا و قاعده بازی برای ارتقای کارایی
ب- ایجاد فرصت های شغلی بیشتر
ج- شفاف نمودن و تفکیک بخشهای مختلف از هم
د- ایجاد فضای مناسب برای محوری نمودن علائم اقتصادی در تصمیم سازی
ه- جایگزینی تفکر بنگاهی در صنعت برق به جای تلقی خدمت عمومی از برق
اما نکته قابل توجه اینکه بحث تجدید ساختار و خصوصی سازی دو مقوله متفاوت از هم هستند. در واقع تجدید ساختار می تواند زمینه های خصوصی سازی صحیح را فراهم کند. اهداف خصوصی سازی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
الف- کاهش تصدی دولت و تقویت بعد نظارتی آن با واگذاری امور به بخش خصوصی
ب- کاهش بار مالی دولت و انتقال آن به بخش خصوصی
سایر اهداف ریز را می توان در موارد فوق خلاصه کرد. در واقع این موارد باعث شد مجموعه اقداماتی در صنعت برق صورت پذیرد که به طور کلی باعث تغییر نوع نگاه به کالای برق شدند.
تغییر تفکر و نوع نگاه به برقدر واقع برای درک انگیزه های تجدید ساختار و تشکیل بازار برق باید توجه داشت که مدتهای مدیدی این تصور در میان سیاستگزاران و متخصصان صنعت برق کشورهای مختلف نهادینه شده بود که صنعت برق از یک انحصار ذاتی برخوردار است و قابلیت و انعطاف پذیری لازم جهت رقابتی شدن را ندارد. تاسیسات هزینه برآن باید در تملک دولت باشد و بخش خصوصی در این زمینه نه علاقمندی خواهد داشت و نه حضورآن نتیجه مثبتی ! این عقیده در اوایل دهه 90 میلادی با تحرکات اولیه صنعت برق کشورانگلستان متزلزل شد[8] و اکنون تقریبا به فرضیه ای فراموش شده تبدیل گردیده است. اگر صنعت برق را به چهار بخش عمده تولید، انتقال، توزیع و عرضه(خدمات مشترکین)‌ تقسیم کنیم،‌ تجربه بسیاری از کشورها نشان می دهد دو بخش تولید و عرضه(خدمات مشترکین) انعطاف پذیری کافی برای رقابتی شدن را دارند. به همین خاطر و همان طور که در بخش مربوط به ساختارهای صنعت برق ملاحظه خواهد شد تمرکز زدایی اولین اقدام در اجرای تغییرات ساختاری این صنعت بود بلکه زمینه برای تفکیک بخشهای دارای پتانسیل رقابتی از سایر بخش ها فراهم گردد. سپس در بخش تولید با فراهم کردن زمینه برای مشارکت بخش خصوصی و احداث نیروگاه توسط سرمایه گذاران داخلی و خارجی و یا واگذاری ظرفیت های نصب شده موجود، فراهم سازی زمینه رقابت(با افزایش تولید کنندگان) و ایجاد شرایطی برای رقابت درکاهش هزینه ها و فروش برق به مدیر شبکه، سعی در جایگزینی فضای رقابتی بجای شرایط انحصار گردیده که در بسیاری از کشورها این امر موفقیت آمیز بوده است. اما بخش انتقال با توجه به ماهیتی که دارد و این واقعیت که نمی توان دو یا چند شبکه موازی درکنار هم تاسیس کرد تا برای انتقال برق با هم رقابت نمایند، تقریبا هنوز هم به شکل انحصاری اداره شده و به عنوان شبکه ملی باقی مانده است.
در بخش توزیع نیز که کلیه فعالیتها از نقطه دریافت برق از شبکه انتقال تا تحویل به مصرف کنده نهایی انحصاری بود، ابتدا بخش خطوط‌ از بخش مشترکین تفکیک شده سپس این بخش یا در تملک دولت باقی مانده و یا در برخی کشورها تجهیزات توزیع به بخش خصوصی واگذار شده اند[9]. هرچند تجربه و مطالعات انجام شده نشان از عدم تفاوت معنی دار کارایی و کاهش هزینه در واگذاری این شرکت ها به بخش خصوصی دارد اما حسن این کار فراهم سازی زمینه رقابتی شدن است که معمولاً افزایش کارایی را به دنبال داشته است. در بخش خدمات مشترکین نیز کلیه امور از درخواست مشترک برای اتصال به شبکه برق تا صدور صورتحساب و وصول مطالبات و … توسط شرکت های خرده فروشی انجام می گردد. از آنجایی که این بخش از شرایطی متفاوت با بخشهای انتقال و توزیع برخوردار می باشد، فعالیتهای این بخش از خاصیت انحصاری برخوردار نبوده و بنابراین شرکت های خرده فروش همزمان می توانند برای جلب رضایت مشتری با هم رقابت نمایند که به بهبود کیفیت و کاهش هزینه ها منتهی خواهدشد. لذا واگذاری امور به بخش خصوصی وایجاد زمینه مناسب برای رقابتی کردن این بخش نتایج مثبت قابل توجهی به همراه داشته است.
در واقع آنچه در صنعت برق در طی دهه اخیر اتفاق افتاده بر یک محور اساسی استوار است بدین معنی که به تدریج نگاه کالایی به برق جایگزین تفکر تلقی برق به عنوان یک خدمت عمومی شده است[10]. در واقع در فضای بازار این ایده مورد تاکید قرار گرفته که هر علاقمندی که محدودیت ها و استانداردهای شبکه را رعایت نماید می تواند از شبکه(همانند جاده ها) استفاده و برق تولیدی خود را به مشتری تحویل دهد. این نگاه را می توان اساس تحولات نوین صنعت برق قلمداد کرد.
شکل گیری بازار برق در ایراندر ایران نیز از چند سال قبل برنامه هایی برای اجرای فرایند تجدید ساختار و ایجاد بازار برق تدارک دیده شده است. لیکن پیشنهاد تشکیل بازار برق در ایران به تغییراتی برمی گردد که در سال 1382 در ساختار برق کشور(تشکیل شرکتهای مادر تخصصی، پیش بینی تشکیل شرکت مدیریت بازار(مدیریت شبکه برق ایران)، تغییر نظام مبادلات و بودجه ای شرکتها، حذف یارانه بین بنگاهی و…) پیش بینی شده بود. در همین راستا دستورالعملی برای خرید و فروش رقابتی برق توسط هیات تنظیم بازار برق ایران تهیه شد که مقدمه ای برای تشکیل بازار برق در ایران است[11]. اولین جلسه هیات تنظیم در تاریخ 09/07/1382 تشکیل و اصول ایجاد یک بازار رقابتی در فضایی منطقی پایه گذاری گردید[12]. گرچه این دستورالعمل محتاط عمل کرده و قیمت ها در آن تنها در یک بازه معین(با تعریف یک نرخ پایه و تعریف ضرایبی برای اوقات مختلف و انحراف پیشنهاد نرخ خریداران و فروشندگان در یک بازه معین) شکل خواهند گرفت، اما به هر حال زمینه ای برای ایجاد بازار برق در ایران محسوب می شود. در شرایط فعلی اکثر واحدهای تولید و عرضه دولتی بوده و به نظر نمی رسد مکانیزم پیشنهادی در کوتاه مدت تحولی در صنعت برق به وجود بیاورد اما مقدمه مناسبی در کشور فراهم شده است که می تواند زمینه را برای تحولات آینده فراهم نماید. در این دستورالعمل بهای پرداختی به تولید کنندگان بر اساس قیمت پیشنهادی و قدرت تحویلی آنان خواهد بود که با اعمال قیمت نهایی بازار و پرداخت بها بر اساس آن به همه تولید کنندگان در یک ساعت معین(نظامی که اکثر کشورها هم اکنون آن را پیاده می کنند) تفاوت دارد[13].

موانع شکل گیری و یا انحراف بازار رقابتی برقایجاد بازار رقابتی صحیح در بخش برق علی رغم نتایج بسیار ارزشمند آن می تواند بسیار شکننده بوده و از سوی دیگر نتایج آن(با فرض عدم پیش بینی و برنامه ریزی صحیح، عدم نظارت مناسب و عدم ایجاد شرایط مساعد برای ورود بخش خصوصی به بازار) می تواند عقیم و یا حتی مخرب باشد. ایالت کالیفرنیا نمونه ای از شکست بازار و مخرب بودن طراحی نامناسب بازار می باشد. در زیر به مواردی که می تواند باعث انحراف یا شکست بازار شود اشاره می شود[10].
ذینفع بودن بهره بردار مستقل سیستم و بازار از مبادلاتدر واقع در ابتدای امر لازم است نهادهایی(شرکت هایی) مسئولیت هماهنگی عرضه کنندگان و تقاضا کنندگان(خریداران و فروشندگان عمده) را به عهده داشته باشند. حال اگر این نهادها نتوانند بی طرفی خود را حفظ کنند، عملاً ممکن است توسعه پتانسیل تولید و شبکه و بهره برداری بهینه از منابع موجود بر اساس عملکرد بازار صورت نگیرد.
قدرت بازاردر واقع در صورتی که هر یک از تقاضا کنندگان و عرضه کنندگان بازار سهم بزرگی از بازار را به خود اختصاص دهند(در برخی کشورها سهم فوق 15% می باشد) به طوری که بتوانند بر عملکرد بازار اثر گذاشته و باعث تغییر و انحراف قیمت های بازار شوند، این موضوع می تواند به شکست بازار منتهی شود.
ذخیره تولیددر صورتی که در بخش تولید(عرضه)به اندازه کافی ذخیره تولید وجود نداشته باشد این امر می تواند به انحراف و شکست بازار منتهی شود.
نیروگاههای خاصبرخی نیروگاهها (حتی گاهی اوقات یک نیروگاه کوچک)به واسطه موقعیت خاص خود می توانند در پایداری شبکه نقش بسیار مهمی ایفا نمایند، حال اگر این نیروگاهها در اختیار بخش خصوصی قرار گیرند و مرکز کنترل نتواند اختیار تعیین زمان ورود و خروج آنها را داشته باشد،صاحب این قدرت می تواند از این موقعیت برای انحراف قیمت های بازار استفاده نماید.
تبانیاین موضوع که به شکل گیری قدرت بازار برای گروه خاصی منتهی می گردد می تواند باعث انحراف و حتی شکست بازار منتهی گردد.
دسترسی منصفانه به شبکهیکی از ویژگی های هر بازار رقابت کامل امکان ورود و خروج فعالان به این بازار است.در صنعت برق این موضوع باید با تهیه دستورالعمل معینی برای دسترسی بیطرفانه علاقمندان به شبکه دنبال شود. زیرا عدم تهیه یک دستورالعمل منسجم می تواند به ایجاد تبعیض میان فعالان صنعت منتهی گردد.
تعرفه های استفاده از خدمات انتقال و توزیعتدوین تعرفه های استفاده از خدمات انتقال و توزیع می تواند باعث شفاف شدن مبادلات شده و تولیدکنندگان و عرضه کنندگان می دانند در صورت استفاده از بخشهای انتقال و توزیع برای جابجایی انرژی و قدرت مورد نیاز چه مبلغی باید به شبکه بپردازند.این موضوع در تصمیم گیری خریداران برای انتخاب فروشنده برق بسیار حائز اهمیت است.
بازبینی مستمر بر عملکرد بازارطبیعی است در صورتی که مکانیزم بازار به طور مستقیم و دقیق دنبال نشود تشخیص یک مشکل تنها می تواند پس از فروپاشی بازار صورت گیرد.
البته نکات دیگری را نیز می توان ذکر کرد که مواد فوق از اهم آنها انتخاب شده اند.
فصل دوممدل سازی با استفاده از شبکه عصبی
معرفی شبکه عصبی مصنوعیقدرت و سرعت کامپیوترهای امروزی به راستی شگفتانگیز است؛ زیرا کامپیوترهای قدرتمند می‌توانند میلیون‌ها عملیات را در کمتر از یک ثانیه انجام دهند. شاید آرزوی بسیاری از ما انسان‌ها این باشد که ای کاش می‌شد ما نیز مانند این دستگاه‌ها کارهای خود را با آن سرعت انجام می‌دادیم، ولی این نکته را نباید نادیده بگیریم که کارهایی هستند که ما می‌توانیم آن‌ها را به آسانی و در کمترین زمان ممکن انجام دهیم، ولی قوی‌ترین کامپیوترهای امروزی نیز نمی‌توانند آن‌ها را انجام دهند و آن قدرت تفکری است که مغز ما انسان‌ها دارد. حال تصور کنید که دستگاهی وجود داشته باشد که علا‌وه بر قدرت محاسبه و انجام کارهای فراوان در مدت زمان کوتاه، قدرت تفکر نیز داشته باشد یا به قول معروف هوشمند باشد! این تصور در حقیقت هدف فناوری هوش مصنوعی یا به اختصار AI است[14].
یکی از راه‌حل‌های تحقق این هدف، شبکه‌های عصبی است. شبکه‌های عصبی در واقع از شبکه‌های عصبی و سیستم عصبی انسان الگوبرداری می‌کنند. برخی از محققان براین باورند که هوش مصنوعی و شبکه‌های عصبی دو راه‌حل متفاوت و در دو جهت مختلف هستند، ولی این باور را نمی‌توان کاملاً صحیح دانست؛ چرا که در حقیقت علم شبکه‌های عصبی و هوش‌مصنوعی وابسته به هم هستند. بدین‌معنا که قبل از این‌که Symbolها بتوانند توسط هوش مصنوعی شناسایی شوند، باید مراحلی طی شود. مثلاً تصور کنید که Symbol هایی مانند خانه، انسان یا میز وجود دارند. قبل از این که AI بتواند هر کدام از این Symbol ها را شناسایی کند، باید از توانایی‌ها و صفات هر کدام از این‌ها اطلاع کامل حاصل کند. مثلاً تصور کنید که یک روبات که هوش مصنوعی دارد، یک انسان را می‌بیند، ولی از کجا می‌فهمد که این جسم یک انسان است؟ مثلاً بر اساس مشخصاتی مثل داشتن دو پا، دست، صورت، دهان و قدرت تکلم. اما شما وقتی یک انسان دیگر را می‌بینید، نیازی ندارید که اول تعداد پاهای او را بشمارید و بعد بگویید که این جسم، انسان است. مغز انسان‌ها می‌تواند با دیدن یک جسم فقط برای یک بار یاد بگیرد و اگر مجدداً آن جسم را مشاهده کرد، می‌تواند سریع تشخیص دهد و قسمت‌های مختلف مغز می‌توانند به صورت همزمان فعالیت کنند و از اطلاعات درون مغز استفاده نمایند. شبکه‌های عصبی در بسیاری از پروژه‌های هوش مصنوعی به کار گرفته می‌شود. مثلاً برای برنامه‌های تشخیص و الگوبرداری، شناسایی تصویر و کاراکتر، روبات‌ها و برنامه‌های فیلترینگ اطلاعات. این شبکه‌ها امروزه حتی در اتومبیل‌های بی‌سرنشین نیز کاربرد دارد. به طوری‌که با دیدن و بررسی رانندگی انسان‌ها، می‌توانند رانندگی کنند.
شبکه های عصبی نسبت به کامپیوتر های معمولی مسیر متفاوتی را برای حل مسئله طی می کنند. کامپیوتر های معمولی یک مسیر الگوریتمی را استفاده می کنند به این معنی که کامپیوتر یک مجموعه از دستور العمل ها را به قصد حل مسئله پی می گیرد. بدون اینکه قدم های مخصوصی که کامپیوتر نیاز به طی کردن دارد شناخته شده باشند، کامپیوتر قادر به حل مسئله نیست. این حقیقت قابلیت حل مسئله ی کامپیوتر های معمولی را به مسائلی محدود می کند که ما قادر به درک آنها هستیم و می دانیم چگونه حل می شوند. اما اگر کامپیوتر ها می توانستند کار هایی را انجام دهند که ما دقیقا نمی دانیم چگونه انجام دهیم، خیلی پر فایده تر بودند.
شبکه های عصبی اطلاعات را به روشی مشابه با کاری که مغز انسان انجام می دهد پردازش می کنند. آنها از تعداد زیادی از عناصر پردازشی(سلول عصبی) که فوق العاده بهم پیوسته اند تشکیل شده است که این عناصر به صورت موازی باهم برای حل یک مسئله مشخص کار می کنند. شبکه های عصبی با مثال کار می کنند و نمی توان آنها را برای انجام یک وظیفه خاص برنامه ریزی کرد. مثال ها می بایست با دقت انتخاب شوند در غیر این صورت زمان سودمند، تلف می شود و یا حتی بدتر از این، شبکه ممکن است نادرست کار کند. امتیاز شبکه عصبی این است که خودش کشف می کند که چگونه مسئله را حل کند، عملکرد آن غیر قابل پیش گویی است.
از طرف دیگر کامپیوتر های معمولی از یک مسیر مشخص برای حل یک مسئله استفاده می کنند. راه حلی که مسئله از آن طریق حل می شود باید از قبل شناخته شود و به صورت دستورات کوتاه و غیر مبهمی شرح داده شود. این دستورات سپس به زبان های برنامه نویسی سطح بالا برگردانده می شود و بعد از آن به کدهایی که کامپیوتر قادر به درک آنها است تبدیل می شود. به طور کلی این ماشین ها قابل پیش گویی هستند و اگر چیزی به خطا انجام شود به یک اشتباه سخت افزاری یا نرم افزاری بر می گردد.
شبکه های عصبی و کامپیوتر های معمولی با هم در حال رقابت نیستند بلکه کامل کننده یکدیگرند. وظایفی وجود دارد که بیشتر مناسب روش های الگوریتمی هستند نظیر عملیات محاسباتی و وظایفی نیز وجود دارد که بیشتر مناسب شبکه های عصبی هستند. حتی فراتر از این، مسائلی وجود دارد که نیازمند به سیستمی است که از ترکیب هر دو روش بدست می آید(به طور معمول کامپیوتر های معمولی برای نظارت بر شبکه های عصبی به کار گرفته می شوند) به این قصد که بیشترین کارایی بدست آید.
شبکه های عصبی معجزه نمی کنند اما اگر خردمندانه به کار گرفته شوند نتایج شگفت آوری را خلق می کنند.

سابقه تاریخیبه نظر میآید شبیهسازیهای شبکه عصبی یکی از پیشرفتهای اخیر باشد. اگرچه این موضوع پیش از ظهور کامپیوترها بنیانگذاری شده و حداقل یک مانع بزرگ تاریخی و چندین دوره مختلف را پشت سر گذاشته است.
خیلی از پیشرفتهای مهم با تقلیدها و شبیهسازیهای ساده و ارزان کامپیوتری بدست آمده است. در پی یک دوره ابتدائی اشتیاق و فعالیت در این زمینه، یک دورهی بیمیلی و بدنامی را هم پشت سرگذاشته است. در طول این دوره سرمایه گذاری و پشتیبانی حرفهای از این موضوع در پایینترین حد خود بود، پیشرفتهای مهمی به نسبت تحقیقات محدود در این زمینه صورت گرفت که بدین وسیله پیشگامان قادر شدند تا به گسترش تکنولوژی متقاعدکنندهای بپردازند که خیلی برجستهتر از محدودیتهایی بود که توسط Minsky و Papert شناسانده شد. Minsky وPapert کتابی را در سال 1969 منتشر کردند که در آن عقیده عمومی راجع به میزان محرومیت شبکههای عصبی را در میان محققان معین کرده بود و بدین صورت این عقیده بدون تجزبه و تحلیلهای بیشتر پذیرفته شد. هماکنون، زمینه تحقیق شبکههای عصبی از تجدید حیات علایق و متناظر با آن افزایش سرمایهگذاری لذت میبرد.
اولین سلول عصبی مصنوعی در سال 1943 بهوسیله یک neurophysiologist به نامWarren McCulloch و یک منطق دان به نام Walter Pits ساخته شد اما محدودیتهای تکنولوژی در آن زمان اجازه کار بیشتر به آنها نداد.
ساختار شبکه های عصبی مصنوعیشبکه های عصبی مصنوعی جز آن دسته از سیستمهای دینامیکی قرار دارند که با پردازش روی دادههای تجربی، دانش یا قانون نهفته در ورای دادهها را به ساختار شبکه منتقل میکنند. به همین خاطر به این سیستمها هوشمند میگویند، چرا که بر اساس محاسبات روی دادههای عددی یا مثالها، قوانین کلی را یاد می گیرند. برای نخستین بار شخصی به نام سگال اعلام کرد که مغز از عناصر اصلی ساختاری به نام نرون تشکیل شده است و هر نرون بیولوژیکی به عنوان اجتماعی از مواد آلی، اگر چه دارای پیچیدگی یک میکروپروسسور است، ولی دارای سرعت محاسباتی برابر با یک میکروپروسسور نیست. دانشمندان علم بیولوژی دریافتهاند که عملکرد نرونهای بیولوژیکی از قبیل ذخیرهسازی و حفظ اطلاعات، در خود نرونها و ارتباطات بین نرونها نهفته است. گرچه همه نرونها کارکرد یکسانی دارند، ولی اندازه و شکل آنها بستگی به محل استقرارشان در سیستم عصبی دارد.
با وجود این همه تنوع، بیشتر نرونها از سه قسمت اساسی تشکیل شدهاند:
بدنه سلول (که شامل هسته و قسمت های حفاظتی دیگر است)
دندریت
اکسون
دو قسمت آخر، عناصر ارتباطی نرون را تشکیل می دهند. شکل 2-1 ساختمان سلول عصبی را نشان میدهند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 1: ساختمان سلول عصبینرون ها بر اساس ساختارهایی که بین آنها پیامها هدایت میشوند به سه دسته تقسیم میگردند:
نرونهای حسی که اطلاعات را از ارگانهای حسی به مغز و نخاع می فرستند.
نرونهای محرک که سیگنالهای فرمان را از مغز و نخاع به ماهیچهها و غدد هدایت میکنند.
نرونهای ارتباطی که نرونها را به هم متصل میکنند.
روابط بین نرونهای ارتباطی موجبات انجام کارهای پیچیده را از قبیل تفکر، احساسات، ادراک و محفوظات فراهم میآورد. با توجه به مقدمات فوق، میتوان گفت که با تمام اغراقها در مورد شبکههای عصبی مصنوعی، این شبکهها اصلا سعی در حفظ پیچیدگی مغز ندارند. از جمله شباهت این دو سیستم میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
بلوکهای ساختاری در هر دو شبکه مصنوعی و بیولوژیکی، دستگاههای محاسباتی خیلی ساده هستند و علاوه بر این، نرونهای مصنوعی از سادگی بیشتری برخوردار هستند.
ارتباطهای بین نرونها، عملکرد شبکه را تعیین میکند اگر چه نرونهای بیولوژیکی از نرونهای مصنوعی که توسط مدارهای الکتریکی ساخته میشوند، بسیار کندتر هستند(یک میلیون بار)، اما عملکرد مغز، خیلی سریعتر از عملکرد یک کامپیوتر معمولی است. علت این پدیده بیشتر به خاطر ساختار کاملا موازی نرونها است و این یعنی همه نرونها معمولا به طور همزمان کار میکنند و پاسخ میدهند.
شبکههای عصبی مصنوعی هم دارای ساختار کاملا موازی هستند. اگرچه بیشتر شبکههای عصبی مصنوعی هم اکنون توسط کامپیوترهای سریع پیادهسازی میشوند، اما ساختار موازی شبکههای عصبی، این امکان را فراهم میآورد که به طور سختافزاری، توسط پردازشگرهای موازی، سیستمهای نوری و تکنولوژی پیاده سازی شوند.
شبکههای عصبی مصنوعی با وجود این که 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 هرجا که نیاز به یادگیری یک نگاشت خطی و یا غیرخطی باشد، ممتاز مینماید. این ویژگی ها به شرح زیر هستند:
قابلیت یادگیری: استخراج نتایج تحلیلی از یک نگاشت غیرخطی که با چند مثال مشخص شده، کار سادهای نیست. زیرا نرون یک دستگاه غیرخطی است و در نتیجه یک شبکه عصبی که از اجتماع این نرونها تشکیل میشود نیز یک سیستم کاملا پیچیده و غیرخطی خواهد بود. بهعلاوه، خاصیت غیرخطی عناصر پردازش، در کل شبکه توزیع میگردد. پیادهسازی این نتایج با یک الگوریتم معمولی و بدون قابلیت یادگیری، نیاز به دقت و مراقبت زیادی دارد. در چنین حالتی سیستمی که بتواند خود این رابطه را استخراج کند، بسیار سودمند بهنظر میرسد. خصوصا افزودن مثالهای احتمالی در آینده به یک سیستم با قابلیت یادگیری، به مراتب آسانتر از انجام آن در یک سیستم بدون چنین قابلیتی است، چراکه در سیستم اخیر، افزودن یک مثال جدید به منزله تعویض کلیه کارهای انجام شده قبلی است. قابلیت یادگیری یعنی توانایی تنظیم پارامترهای 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 شرایط محیطی آن(وضعیت خاص) رخ داد، شبکه بتواند با آموزش مختصر برای شرایط جدید نیز کارآمد باشد.
پراکندگی پردازش اطلاعات بهصورت متن: آنچه شبکه فرا میگیرد(اطلاعات یا دانش) در وزنهای سیناپسی مستتر میباشد. رابطه یکبهیک بین ورودیها و وزنهای سیناپتیکی وجود ندارد. میتوان گفت که هر وزن سیناپسی مربوط به همه ورودیها است ولی به هیچیک از آنها به طور منفرد و مجزا مربوط نیست. بهعبارت دیگر هر نرون در شبکه، از کل فعالیت سایر نرونها متاثر است. در نتیجه، اطلاعات بهصورت متن توسط شبکههای عصبی پردازش میشوند. بر این اساس چنانچه بخشی از سلولهای شبکه حذف شوند و یا عملکرد غلط داشته باشند باز هم احتمال رسیدن به پاسخ صحیح وجود دارد. اگر چه این احتمال برای تمام ورودیها کاهش یافته ولی برای هیچ یک از بین نرفته است.
قابلیت تعمیم: پس از آنکه مثالهای اولیه به شبکه آموزش داده شد، شبکه میتواند درمقابل یک ورودی آموزش داده نشده قرار گیرد و یک خروجی مناسب ارائه کند. این خروجی بر اساس مکانیزم تعمیم، که همانا چیزی جز فرایند درونیابی نیست به دست میآید. به عبارت روشنتر، شبکه، تابع را یاد میگیرد، الگوریتم را میآموزد یا رابطه تحلیلی مناسبی را برای تعدادی نقاط در فضا به دست میآورد.
پردازش موازی: هنگامیکه شبکه عصبی در قالب سختافزار پیاده میشود، سلولهایی که در یک تراز قرار میگیرند میتوانند بهطور همزمان به ورودیهای آن تراز پاسخ دهند. این ویژگی باعث افزایش سرعت پردازش میشود. در واقع در چنین سیستمی، وظیفه کلی پردازش بین پردازندههای کوچکتر مستقل از یکدیگر توزیع میگردد.
مقاوم بودن: در یک شبکه عصبی هر سلول به طور مستقل عمل میکند و رفتار کلی شبکه، برآیند رفتارهای محلی سلولهای متعدد است؛ این ویژگی باعث می شود تا خطاهای محلی از چشم خروجی نهایی دور بمانند.
مبانی محاسباتی شبکه های عصبی مصنوعیدر شکل های 2-2 و 2-3 الگوی کلی یک شبکه عصبی مصنوعی نشان داده شده است. در الگوی نشان داده شده در شکل 2-2، سه لایه قابل تشخیص است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 2: الگوی کلی از یک شبکه عصبیلایه ورودیلایه ورودی: یک لایه از نرونها که اطلاعات را از منابع بیرونی دریافت میکنند و آنها را به شبکه منتقل میکنند.
لایه پنهانیلایه پنهانی: یک لایه از نرونها که اطلاعات را از لایه ورودی دریافت میکنند و آنها را به صورت مخفی پردازش می کنند.
لایه خروجیلایه خروجی:لایهای از نرونها که اطلاعات پردازششده را دریافت میکنند و آنها را به سیستم میفرستند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 3: شماتیک ارتباطات بین لایه ها و وزن های سیناپتیکی در شبکه عصبیبایاس: مانند یک افست روی سیستم عمل میکند. عمل بایاس به اینگونه است که یک سرآغاز برای فعال سازی نرون ایجاد میکند. بایاس روی لایه مخفی و لایه خروجی عمل میکند.
تناظر بین شبکه عصبی و شبکه عصبی مصنوعی در شکل 2-4 قابل مشاهده است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 4: تناظر بین شبکه عصبی و شبکه عصبی مصنوعیتعداد نرونهای ورودیها به تعداد متغیر ورودی و تعداد نرونهای خروجی به تعداد متغیرهای پاسخ بستگی دارد. تعداد نرونهای لایه مخفی هم به کاربرد شبکه بستگی دارد. مهمترین عنصر شبکههای عصبی، نرون است. نرونها شامل عناصر محاسباتی هستند که عمل یک شبکه عصبی را انجام می دهند. شکل 2-5 یک نرون از شبکه عصبی را نشان میدهد.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 5: نمای شماتیک یک نرونعناصر محاسباتی یک نرونورودیها و خروجیها: ورودیها باan ، a2 ، a1 و خروجیها با bj نمایش داده شدهاند.
وزن ها: این متغیرها باwnj ،w2j و w1j نمایش داده میشوند که هر کدام به یک ورودی مرتبط هستند. این متغیرها همانند سیناپسها در سلولهای عصبی واقعی هستند. آنها ضرایب تطبیقپذیری در شبکه هستند که شدت سیگنال ورودی را معین میکنند. هر ورودی با وزن مربوطهاش ضرب شده و نرون از حاصلجمع این حاصلضربها استفاده میکند. اگر علامت وزن مثبت باشد، حاصلضرب وزن در ورودی اثر نرون را تقویت میکند و اگر منفی باشد، اثر نرون را کم میکند. در یک شبکه عصبی مقدار وزنها با توجه به یک توزیع آماری مشخص میشوند و سپس در طول آموزش شبکه این مقادیر تغییر کرده و به مقدار ثابتی خواهند رسید.
بایاس ورودی: ورودی دیگر به نرون، T است که به سرآغاز یا بایاس معروف است.
بایاس یک مقدار تصادفی است که به صورت زیر در معادله نرون وارد می شود:
(2-1) Total Activation= xi= i=1n(wij ai)- Tj Total Activation به اندازه بایاس ورودی بستگی دارد. اگر بایاسی به نرون وارد نشود، بایاس صفر فرض می شود.
در شکل 2-6 اجزای یک نرون بیولوژیکی و مصنوعی مقایسه شده است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 6: شبیه سازی یک نرون بیولوژیکی و مصنوعیتابعانتقال، برروی Total Activation عمل کرده وخروجی نرون مشخص میشود. تابع انتقال میتواند به صورت خطی یا غیرخطی عمل کند. تعدادی از توابع انتقال بهصورت شکل 2-7 میباشند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 7: برخی از توابع انتقال غیرخطی قابل استفاده در شبکه عصبی
معرفی برخی از توابع انتقال خطی و غیرخطی قابل استفاده در شبکه عصبیاز توابع انتقال دیگر رایج در شبکه عصبی می توان توابع زیر را نام برد:
تابع انتقال Hard limitاین تابع انتقال در صورتی که n<0 باشد خروجی 0 (صفر) و در صورتی که n≥0 باشد خروجی 1 می دهد. منحنی این تابع در شکل 2-8 قابل مشاهده است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 8: تابع انتقال Hard limitتابع انتقال خطیاین تابع همان مقدار ورودی را به عنوان خروجی چاپ می کند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 9: تابع انتقال خطی
تابع انتقال Log sigmoidاین تابع انتقال مقادیر ورودی را در محدوده ی ∞- تا ∞ دریافت و خروجی بین 0 و 1 تولید می نماید.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 10: تابع انتقال Log sigmoidتابع انتقال Radial basis
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 11: تابع انتقال Radial basisتابع انتقال Tan sigmoid
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 12: تابع انتقال Tan sigmoidنحوه عملکرد شبکه عصبیهمان‌طور که در شکل 2-13 مشاهده می‌کنید، نرون‌ها به صورت گروهی لایه‌بندی می‌شوند. وقتی سیگنال یا پالسی  به یک لایه ارسال می‌شود، این سیگنال از لایه بالایی شروع به فعالیت می‌کند و توسط نرون‌های آن لایه بررسی و اصلاح می‌گردد. در حقیقت هر نورون قدرت سیگنال را بالا می‌برد و آن پالس را به لایه بعدی انتقال می‌دهد.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 13: نمایش لایه ای از شبکه عصبیهمان‌طور که در شکل 2-14 مشاهده می‌کنید، این شبکه دارای سه لایه است. لایه 1 یا لایه بالایی این شبکه که در حقیقت لایه ورودی است، پارامترهای پالس را تنظیم می‌کند و این مقادیر را همراه سیگنال یا پالس به لایه‌های بعدی پاس می‌دهد، ولی نرون‌های لایه 3 یا لایه خروجی‌ که در پایین‌ترین سطح شبکه قرار دارد، هیچ سیگنالی را به لایه دیگری نمی‌فرستند و در واقع فقط خروجی دارند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 14: نمایش شبکه عصبی سه لایه ایحال قسمت اصلی کار شبکه فرا می‌رسد؛ یعنی آموختن به شبکه عصبی.
برای این‌که به شبکه عصبی موجود توانایی آموختن بدهیم، بعد از این‌که سیگنال از لایه اول شبکه به لایه پایینی شبکه می‌رود، باید اطلاعات هر نورون را که روی سیگنال ما اثر می‌گذارد، بروزآوری و اصلاح کنیم. این رویه را به اصطلاح BP یا Back Propagation می‌گویند.
در حقیقت با این کار یعنی مقایسه خروجی‌ای که خودمان محاسبه کرده‌ایم با خروجی شبکه، می‌توانیم مقدار اشتباهاتی که شبکه ما انجام می‌دهد را به دست آوریم. مثلاً تصور کنید که در یک سلول نورون در لایه آخر شبکه یا لایه خروجی اشتباهی داریم، هر نورون در واقع رکورد تمامی نرون‌هایی که سیگنال از آن عبور می‌کند را نگهداری می‌نماید و می‌داند که کدام یک از نرون‌های قبلی یا به اصطلاح نرون‌های والد باعث این اشتباه می‌شوند. همچنین می‌دانیم که هر کدام از این نرون‌های شبکه یک مقدار اشتباه را محاسبه کرده‌اند و از این طریق شبکه ما می‌تواند یاد بگیرد و اگر مقدار دیگری نیز به آن داده شد، می‌تواند توانایی محاسبه داشته باشد.
توابع آموزشدر نرم افزار MATLAB 7.8(2009a) هر یک از توابع موجود در جدول 2-1 را به عنوان تابع آموزش شبکه می توان استفاده نمود.
جدول 2- SEQ جدول_2- * ARABIC 1: انواع توابع آموزشآموزش به روش پس انتشار شبه نیوتن trainbfg
آموزش به روش پس انتشار شیب به روش Powell-Beale traincgb
آموزش به روش پس انتشار شیب به روش Fletcher-Powell traincgf
آموزش به روش پس انتشار شیب به روش Polak-Ribiere traincgp
آموزش به روش پس انتشارکاهش شیب traingd
آموزش به روش الگوریتم کاهش شیب پس انتشار به وسیله ی قاعده ی آموزش سازگار traingda
آموزش به روش الگوریتم کاهش شیب پس انتشار مومنتوم و پس انتشار آموزش سازگار traingdx
آموزش به روش پس انتشار شیب Levenberg-Marquardt trainlm
آموزش به روش پس انتشار Resilient trainrp
آموزش به روش پس انتشار گرادیان مقیاس بندی شده trainscg
فصل سومبهینه سازی مدل با استفاده از الگوریتم ژنتیک
مقدمه ای بر الگوریتم ژنتیکالگوریتم ژنتیک از دسته الگوریتم های بهینه سازی تکاملی و برگرفته از نظریه تکامل زیستی داروین (١٨۵٩) است. این الگوریتم اول بار توسط جان هولند معرفی شد الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی مسائل پیچیده به ویژه در مسائلی که اطلاعات کافی در مورد فضای جستجو در دسترس نیست بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه الگوریتم ژنتیک تضمین نمی کند که بهترین جواب ممکن را تولید کند اما معمولا در زمان کوتاهی با تقریب مناسب جواب بهینه را تولید خواهد کرد. برای حل هر مسئله به کمک الگوریتم ژنتیک، مجموعه ای از جواب های ممکن برای مسئله، با جمعیتی از کروموزوم ها مدل می شود. به هر کروموزوم بر اساس میزان برآورده کردن مطلوبات مورد نظر یک ضریب تناسب نسبت می دهیم. با اعمال عملگرهای الگوریتم ژنتیک مانند تولید مثل ژنتیکی ، جهش ژنتیکی و انتخاب گونه های قوی تر بر این جمعیت، به تدریج مجموعه جواب به سمت جواب های بهینه پیش می رود. در زیر برخی از این عملگرهای ژنتیکی توضیح داده شده اند:
انتخاب گونه های قوی تر: در هر نسل کروموزوم هایی که جواب های مناسب تر را مدل می کنند برای تولید نسل جدید انتخاب می شوند و گونه های ضعیف تر به تدریج حذف می شوند.
تولید مثل ژنتیکی: ژن های دو کروموزوم انتخاب شده برای تولید مثل به صورت تصادفی با هم ترکیب می شوند و کروموزوم های جدیدی تولید می شود.
جهش ژنتیکی: به صورت تصادفی تغییراتی در برخی ژن های موجود در تعدادی از کروموزوم ها ایجاد می کنند که منجر به تولید کروموزوم های جهش یافته می شود.
نکات مهم در الگوریتم های ژنتیکالف- شرایط جمعیت اولیه می‌تواند در سرعت رسیدن به جواب بسیار تأثیرگذار باشد. یعنی اگر جمعیت اولیه مناسب‌تر باشد، بسیار سریع‌تر به جواب می‌رسیم. بنابراین گاهی در بعضی از مسئله‌ها به جای آن که جمعیت اولیه به صورت تصادفی ایجاد شود، از اعمال شرایط خاص مسئله به جمعیت اولیه نیز استفاده می‌شود.
ب- با توجه به وجود پارامترهای تصادفی در الگوریتم مسئله حتی در صورت استفاده از جمعیت اولیه یکسان ممکن است در اجراهای مختلف الزاماً جواب های یکسان به دست نیاید و البته در صورت استفاده از جمعیت اولیه متناوت این پدیده ملموس تر خواهد بود.
ج- تابع هدف در این‌گونه از الگوریتم‌ها از اهمیت بسزایی برخوردار است؛ چرا که معمولاً در اکثر مسائل در اثر ترکیب، حالت‌هایی رخ می‌دهد که منطبق بر شرایط مسئله نیست و حتی فاقد معنی و مفهوم است. بنابراین تابع ارزش باید به گونه‌ای طراحی شود که به ازای این حالات مقادیر بسیار کمی برگرداند و از طرفی باید برای نزدیک شدن به هدف بسیار خوب تخمین بزند(این همان نکته ای است که در مدل سازی با استفاده از شبکه عصبی و همچنین استخراج یک تایع هدف مناسب در فصل قبل به آن پرداخته شده است که نتایج کار را در فصل های آتی مشاهده خواهد شد).
د- یکی از پدیده‌های جالب این است که ممکن است در نسل‌های میانی نمونه‌هایی بروز کنند که از نظر تابع ارزش و خوب بودن بسیار مناسب باشند. یک روش این است که اینگونه موارد را شناسایی کنیم و در نسل بعدی نیز از آن‌ها استفاده کنیم. به این تکنیک نخبه‌گرایی می‌گویند که عملاً تأثیر بسزایی در رسیدن به جواب مسئله دارد[15].
مفاهیم اولیه در الگوریتم ژنتیکاصول پایه
الگوریتم های ژنتیکی براساس تئوری تکاملی داروین می باشند و جواب مساله ای که از طریق الگوریتم ژنتیک حل می شود مرتباً بهبود می یابد. الگوریتم ژنتیک با یک مجموعه از جواب ها که از طریق کرموزومها نشان داده می شوند شروع می شود. این مجموعه جواب ها جمعیت اولیه نام دارند. در این الگوریتم جواب های حاصل از یک جمعیت برای تولید جمعیت بعدی استفاده می شوند. در این فرایند امید است که جمعیت جدید نسبت به جمعیت قبلی بهتر باشد. انتخاب بعضی از جواب ها از میان کل جواب ها(والدین) به منظور ایجاد جواب های جدید یا همان فرزندان بر اساس میزان مطلوبیت آن ها می باشد. طبیعی است که جواب های مناسب تر شانس بیشتری برای تولید مجدد داشته باشند. این فرایند تا برقراری شرطی که از پیش تعیین شده است مانند تعداد جمعیت ها یا میزان بهبود جواب ادامه می یابد.
شمای کلی الگوریتم ژنتیک
١) تولید جمعیت تصادفی شامل n کروموزوم
٢) بررسی تابع هدف (x) f هر کروموزوم در جمعیت
٣) ایجاد یک جمعیت جدید بر اساس تکرار قدم های زیر:
3-١) انتخاب دو کروموزوم والد از یک جمعیت بر اساس میزان مطلوبیت آن ها
3-٢) درنظر گرفتن مقدار مشخصی برای احتمال اعمال عملگر تقاطعی
وسپس انجام عملیات ترکیب بر روی والدین به منظور ایجاد فرزندان. اگر هیچ ترکیب جدیدی صورت نگیرد، فرزندان همان والدین خواهند بود.
٣-3) در نظر گرفتن احتمال جهش وسپس تغییرفرزندان با اعمال عملگرجهشی
3-۴) جایگزینی فرزندان جدید در جمعیت جدید
۴) استفاده از جمعیت جدید برای اجراهای بعدی الگوریتم
5) توقف اجرای الگوریتم در صورت مشاهده شرایط توقف و برگرداندن بهترین جواب در جمعیت فعلی
۶) رفتن به قدم ٢
همانطور که مشاهده می شود، اصول پایه ای الگوریتم ژنتیک بسیار عمومی است. بنابراین برای مسائل مختلف فاکتورهای مختلف زیادی وجود دارد که باید مورد بررسی قرار گیرد. اولین سؤال این است که ایجاد یک کروموزوم چگونه است؟ یا اینکه چه نوعی از کدینگ انتخاب شود؟
دوعملگر بسیار مهم و پایه ای الگوریتم ژنتیک عملگرهای تقاطعی وجهشی می باشند. سؤال بعدی این است که برای ترکیب والدین به منظور ایجاد فرزندان جدید چگونه والدین را انتخاب کنیم. این کار به طرق مختلف می تواند صورت بگیرد، اما ایده اصلی در تمامی آن ها این است که والدین بهتر انتخاب شوند، به این امید که والدین بهتر باعث ایجاد فرزندان بهتر شوند. مساله ای که ممکن است در اینجا مورد سؤال باشد این است که اگر جمعیت جدید تنها از طریق فرزندان جدید ایجاد شود، این فرایند منجر به حذف بهترین کرموزوم های نسل قبل می گردد. برای جلوگیری از این پیشامد، همیشه بهترین جواب نسل قبل را بدون هیچ تغییری به نسل جدید منتقل می کنیم.
کد کردنالگوریتم ژنتیک بجای اینکه بر روی پارامترها یا متغیرهای مساله کارکند، با شکل کد شده آن ها بطور مناسب سر و کار دارد. روش های کدگذاری متداول در الگوریتم ژنتیک عبارتند از کدینگ باینری، کدینگ درختی، کدینگ ارزشی و کدینگ جهشی. تعداد بیت هایی که برای کدگذاری متغیرها استفاده می شود وابسته به دقت مورد نظر برای جواب ها، محدوده تغییرات پارامترها و رابطه بین متغیرها می باشد.
انواع کدینگکدینگ به دو صورت کلی می باشد :
کدینگ مستقیم


در این روش کل یک جواب به عنوان یک کروموزوم در نظر گرفته می شود. برای مسائل پیچیده چنین روشی مناسب نیست، زیرا عملگرهای ژنتیکی بخاطرگستردگی زیاد فرزندان، غیرکاربردی می شوند و در نتیجه منجر به جواب های غیرقابل قبول و غیرقانونی می شوند.
کدینگ غیرمستقیم
در این روش تنها قسمتی از یک جواب بصورت یک کروموزوم کد می شود.
روش های کدینگکدینگ باینریاین نوع کدینگ، متداولترین نوع کدینگ می باشد. در این روش کدگذاری، هر کروموزوم یک رشته از بیت های شامل ٠و ١ می باشد. کدینگ باینری می تواند حالت های زیادی را پوشش دهد.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 1: کدینگ باینریاز طرف دیگر این نوع کدینگ برای خیلی از مسائل حالت طبیعی ندارد و اغلب اوقات لازم است که بعد از تقاطع و جهش اصلاحاتی صورت بگیرد.
کدینگ جهشیاین نوع کدینگ می تواند در مسائل ترتیبی نظیر مساله فروشنده دوره گرد یا مساله ترتیب کارها بکار رود. در کدینگ جهشی، هر کروموزوم یک رشته از اعداد می باشد. شکل زیر نمونه ای از این نوع کدینگ را نشان می دهد.

user8266

چکیده:
این مطالعه به منظور بررسی تغییرات ساختاری تخم نطفه ‌دار شترمرغ در نیمه اول دوره جنینی به کمک تصویر برداری با تشدید مغناطیسی یا MRI انجام شده است. در این پژوهش پس از بررسی‏های اولیه بر روی نوع پروتوکل، روش ام ار ای و نوع کویل، مطالعه اصلی با ده تخم شترمرغ نژاد کانادایی آغاز گردید. این مطالعه برای اولین بار با دستگاهای موجود در ایران ( 1.5 تسلا) انجام شد. مطالعات مشابه بر روی تخم نطفه دار بلدرچین و مرغ با دستگاه‏های 7 تسلا انجام شده است. دستگاه مورد استفاده در این مطالعه متعلق به مرکز ام ار ای کوثر واقع در بیمارستان امام رضا (ع) مشهد بوده است.
در این مطالعه ساختارهای تخم نطفه دار شترمرغ و قسمت‏های مختلف جنین در حال رشد در عکس ام ار ای مشاهده و بررسی شد. ساختارهای دیده شده در تخم عبارتند از: پوسته، زرده، سفیده، کیسه هوا، لتبرا، پایک لتبرا، دیسک جنینی، جنین، آمنیون، سرجنین، حدقه چشم و تنه پرنده.
همچنین در این مطالعه مقایسه دقیقی بین تغییرات تخم نطفه دار و بی نطفه شترمرغ انجام گردید.
کلمات کلیدی: ام ار ای، تخم نطفه دار شترمرغ، جنین شترمرغ
فهرست مطالب
عنوان مطلب صفحه
TOC o "1-3" h z u فصل اول: مقدمه و هدف PAGEREF _Toc373231402 h 2فصل دوم: کلیات و برررسی منابع موجود PAGEREF _Toc373231403 h 51-2- علت مطالعه PAGEREF _Toc373231404 h 52-2- شترمرغ (Struthio camellus) PAGEREF _Toc373231405 h 63-2- تاریخچه پرورش شترمرغ در جهان PAGEREF _Toc373231406 h 74-2- تاریخچه پرورش شترمرغ در ایران PAGEREF _Toc373231407 h 85-2-اهمیت پرورش شترمرغ در ایران PAGEREF _Toc373231408 h 86-2- سود آوری زیاد پرورش شترمرغ PAGEREF _Toc373231409 h 97-2- اهمیت گوشت شترمرغ و ترکیبات آن PAGEREF _Toc373231410 h 98-2- طبقه بندی جانور شناسی PAGEREF _Toc373231411 h 109-2-تشکیل تخم مرغ PAGEREF _Toc373231412 h 1110-2-ساختار تخم در پرندگان: PAGEREF _Toc373231413 h 1411-2-مراحل رشد جنینی درپرندگان: PAGEREF _Toc373231414 h 1612-2-شکل گیری ساختارهای خارج جنینی: PAGEREF _Toc373231415 h 2213-2-معرفی تکنیک‏های بررسی جنین PAGEREF _Toc373231416 h 241-13-2رنگ آمیزی جنین: PAGEREF _Toc373231417 h 242-13-2-نمایش جنین‏های زنده: PAGEREF _Toc373231418 h 243-13-2تکنیک‏های تصویر برداری تشخیصی: PAGEREF _Toc373231419 h 2414- 2تکنیک MRI ( Magnetic Resonace Imaging) : PAGEREF _Toc373231420 h 25فصل سوم: مواد و روش کار PAGEREF _Toc373231421 h 271-3- مواد مصرفی: PAGEREF _Toc373231422 h 272-3- وسایل مورد نیاز: PAGEREF _Toc373231423 h 273-3- روش کار: PAGEREF _Toc373231424 h 27فصل چهارم: نتایج PAGEREF _Toc373231425 h 311-4- تخم روز صفر : PAGEREF _Toc373231426 h 322-4- تخم دو روزه PAGEREF _Toc373231427 h 333-4- تخم چهار روزه PAGEREF _Toc373231428 h 344-4- تخم شش روزه PAGEREF _Toc373231429 h 355-4- تخم هشت روزه PAGEREF _Toc373231430 h 366-4- تخم ده روزه PAGEREF _Toc373231431 h 377-4- تخم چهارده روزه PAGEREF _Toc373231432 h 388-4- تخم شانزده روزه PAGEREF _Toc373231433 h 399-4- تخم هجده روزه PAGEREF _Toc373231434 h 40فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری PAGEREF _Toc373231435 h 42منابع و مراجع PAGEREF _Toc373231436 h 50
TOC h z c "تصویر 2-"
فهرست تصاویر
عنوان تصویر صفحه
تصویر 2- 1: روند تشکیل تخم PAGEREF _Toc373231353 h 13تصویر 2- 2: ساختار تخم درپرندگان PAGEREF _Toc373231354 h 14تصویر 2- 3: مراحل تقسیم سلولی در جنین مرغ PAGEREF _Toc373231355 h 18تصویر 2- 4: تغییرات جنینی در جنین مرغ PAGEREF _Toc373231356 h 22تصویر 2- 5: تصویر شماتیک تخم مرغ جنین دار PAGEREF _Toc373231357 h 23 TOC h z c "تصویر4-"
تصویر4- 1: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار صفر روزه. PAGEREF _Toc373231360 h 32تصویر4- 2 : الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار صفر روزه PAGEREF _Toc373231361 h 32تصویر4- 3: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه صفر روزه PAGEREF _Toc373231362 h 32تصویر4- 4: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه صفر روزه PAGEREF _Toc373231363 h 32تصویر4- 5: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار دو روزه PAGEREF _Toc373231364 h 33تصویر4- 6: ب ، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه دو روزه PAGEREF _Toc373231365 h 33تصویر4- 7: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار دو روزه PAGEREF _Toc373231366 h 33تصویر4- 8: ب ، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه دو روزه PAGEREF _Toc373231367 h 33تصویر4- 9: الف ، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار چهار روزه PAGEREF _Toc373231368 h 34تصویر4- 10: الف ، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار چهار روزه PAGEREF _Toc373231369 h 34تصویر4- 11: ب ، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه چهار روزه. PAGEREF _Toc373231370 h 34تصویر4- 12: ب ، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه چهار روزه PAGEREF _Toc373231371 h 34تصویر4- 13: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار شش روزه PAGEREF _Toc373231372 h 35تصویر4- 14: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار شش روزه PAGEREF _Toc373231373 h 35تصویر4- 15: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه شش روزه PAGEREF _Toc373231374 h 35تصویر4- 16: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه شش روزه PAGEREF _Toc373231375 h 35تصویر4- 17: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار هشت روزه PAGEREF _Toc373231376 h 36تصویر4- 18: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار هشت روزه PAGEREF _Toc373231377 h 36تصویر4- 19: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه هشت روزه PAGEREF _Toc373231378 h 36تصویر4- 20: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه هشت روزه PAGEREF _Toc373231379 h 36تصویر4- 21: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار ده روزه PAGEREF _Toc373231380 h 37تصویر4- 22: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار ده روزه PAGEREF _Toc373231381 h 37تصویر4- 23: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه ده روزه PAGEREF _Toc373231382 h 37تصویر4- 24: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه ده روزه PAGEREF _Toc373231383 h 37تصویر4- 25: الف ، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار چهارده روزه PAGEREF _Toc373231384 h 38تصویر4- 26: الف ، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار چهارده روزه PAGEREF _Toc373231385 h 38تصویر4- 27: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه چهارده روزه PAGEREF _Toc373231386 h 38تصویر4- 28: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه چهارده روزه PAGEREF _Toc373231387 h 38تصویر4- 29: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار شانزده روزه PAGEREF _Toc373231388 h 39تصویر4- 30: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار شانزده روزه PAGEREF _Toc373231389 h 39تصویر4- 31: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه شانزده روزه PAGEREF _Toc373231390 h 39تصویر4- 32: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه شانزده روزه PAGEREF _Toc373231391 h 39تصویر4- 33: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار هجده روزه PAGEREF _Toc373231392 h 40تصویر4- 34: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار هجده روزه PAGEREF _Toc373231393 h 40تصویر4- 35: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه هجده روزه PAGEREF _Toc373231394 h 40تصویر4- 36: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه هجده روزه PAGEREF _Toc373231395 h 40
فصل اول
مقدمه و هدف
فصل اول: مقدمه و هدفبه منظور بررسی تغییرات جنین در طی دوره تکامل از تکنیک‏های مختلفی استفاده می شود که می توان آنها را به طور عمده به دو گروه تقسیم کرد. گروه اول شامل روش‏هایی است که در آنها جنین را در یک سن خاص از تخم خارج کرده و ضمن کشتن آن مطالعاتی از قبیل بررسی‏های هیستوپاتولوژی، هیستوکمیستری، مورفولوژی و ... را انجام می دهیم. گروه دوم روش‏هایی است که می توان در آنها، به دلیل زنده ماندن جنین، تغییرات ساختاری اندام‏های بدن را در طول دوره جنینی و یا نتایج حاصل از دستکاری بر روی یک جنین را بررسی نمود. در این گروه روش‏هایی مثل جراحی، نشان دار کردن سلول‏های جنینی، تصویر برداری Time lapse، سونوگرافی، ام آر آی و ... قرار می گیرند که با توجه به هدف مطالعه، بسته به مورد از هر کدام از این روش ها استفاده می شود. در مطالعات جنینی پرندگان، برخی از این روش ها با محدودیت‏هایی از جمله مرگ ناخواسته جنین به دلیل تهاجمی بودن تکنیک، کسب اطلاعات مختصر و سطحی به دلیل قدرت کم نفوذ به داخل ساختارهای جنینی، ایجاد آسیب‏های جنینی و به وجود آمدن ناهنجاری‏های مربوطه به دلیل ماهیت تکنیک، همراه هستند.
تکنیک ام ار ای جزو کم خطرترین روش‏های تصویر برداری غیر تهاجمی است که ضمن ارائه اطلاعات دقیق و جزئی از ساختارهای مورد مطالعه، کمترین آسیب را به آن ها می رساند. این روش سال ها است که در پزشکی و پس از آن در دامپزشکی مورد استفاده قرار گرفته است. اما بررسی جنین پرندگان به کمک آن سابقه کمی داشته و به جز چند مطالعه که بر روی جنین بلدرچین و جوجه صورت گرفته کار دیگری در این زمینه انجام نشده. در بیشتر این گروه مطالعات، بررسی بر روی جنین فیکس شده انجام گرفته است.
باتوجه به مطالب ذکر شده تصمیم به بررسی جنین زنده شترمرغ بوسیله تکنیک ام ار ای با دستگاه‏های موجود در ایران گرفتیم که تاکنون انجام نشده است. در این مطالعه به دنبال ارائه یک پروتوکل ام ار ای با دستگاه‏های موجود در کشور، به منظور بررسی تخم جنین دار شترمرغ در نیمه اول دوران جنینی و همچنین بررسی تغییرات ساختاری تخم جنین دار شترمرغ در نیمه اول دوره جنینی و مقایسه این تغییرات با تخم بدون نطفه هستیم.
فصل دوم
کلیات و برررسی منابع موجود
فصل دوم: کلیات و برررسی منابع موجود1-2- علت مطالعهشترمرغ پرندهای است بزرگ و فاقد قدرت پرواز که بومی آفریقا است. این پرنده خوراکش دانه‌ ها و گیاهان و حشرات کوچک است. شترمرغ نر پرهای سیاهی دارد که انتهای پرها و بال‌ها سفید است، ولی پرهای شترمرغ ماده قهوه‌ای رنگ است. از نظر رده فیلوژنی شترمرغ جزء سلسله جانوران، شاخه طنابداران، رده پرندگان، راسته سینهپهنان، خانواده شترمرغ سانان، سرده شترمرغ، گونه Struthio Camellus می باشد. البته پرندگانی مانند Emu، Rhea، Kiwi، Tinamou و Cassowary هم از راسته سینهپهنان می باشند (2).
هم اکنون تقاضای زیادی در زمینه پرورش شترمرغ در سطح بین المللی وجود دارد و مهمترین عاملی را که می توان در رابطه با شکل گیری این تقاضا دخیل دانست قیمت بالای محصولات شترمرغ در بازارهای جهانی و بازدهی زیاد پرورش این موجود در مقایسه با سایر حیوانات می باشد.
در حال حاضر بررسی روند تکامل در جانداران از چندین لحاظ دارای اهمیت است. ابتدا برای بدست آوردن اطلاعات در مورد تکوین هر جاندار و تفاوت آن با گونههای دیگر که احتمالا مورد نیاز شاخه‏های مختلف علوم مانند زیستشناسی، کشاورزی و دامپزشکی می باشد، دوم به خاطر بدست آوردن اطلاعاتی در زمینه روند تکوینی رویان انسان به واسطه وجود تشابهات و یا با ایجاد حالت ها و ناهنجاری‏های تجربی و سوم به خاطر کسب اطلاعات و توسعه روش‏هایی که در شاخههای جدید علم مانند سلول‏های بنیادی، تولید پروتئین‏های نوترکیب، دستکاری ژنتیک و تولید جانوران کایمر و شبیه‏سازی کاربرد دارند.
رویان پرندگان در هر دو مرحله لایه زایی و تشکیل اندام ها مستقیما در داخل تخم قابل دسترسی است در حالیکه دستکاری تجربی پستانداری مانند موش در داخل رحم فقط در نیمه دوم دوره آبستنی (دوره جنینی) امکان پذیر است. این قابلیت به حدی ارزشمند است که می توان گفت رویان جوجه در قرن اخیر نقش بسیار مهمی در مطالعه تکوین مهرهداران داشته است.
مزایای گوناگون پرندگان به ویژگی‏های ژنتیک و فیزیولوژیک این موجود برمی گردد. البته اهلی بودن و سهولت دسترسی به رویان آن ها نیز تاثیر بسزایی در انتخابشان برای تحقیقات بیولوژی داشته است.
2-2- شترمرغ (Struthio camellus)
شترمرغ پرندهای است بزرگ، فاقد قدرت پرواز که بومی آفریقا است. گردن و پاهای درازی دارد و می ‌تواند با سرعتی در حدود ۶۵ کیلومتر در ساعت بدود. شترمرغ بزرگ ‌ترین پرنده موجود و تنها نمونه زنده از این خانواده و این سرده است. طول قد آن به 7/2 متر و وزن آن به ۱۴۰ کیلوگرم (در نرها تا 155 کیلوگرم) می‌ رسد. تخم این پرنده تا ۲۰ سانتی متر طول و 5/1 کیلوگرم وزن دارد که ظرف حدود نیم ساعت پخته می‌شود. این پرنده خوراکش دانه‌ها و گیاهان و حشرات کوچک است. شترمرغ برای دفاع از خود در مقابل شکارچیان و حیوانات وحشی از پاهای پر قدرت خود بهره می‌ گیرد و قادر است با لگد خود انسان و حتی شیر را از پا در آورد. جوجه این پرنده ظرف ۴۰ روز سر از تخم در می ‌آورند و ظرف سه تا چهار سال یک پرنده بالغ می ‌شوند. شترمرغ نر پرهای سیاهی دارد که انتهای پرها و بال‌ها سفید است، ولی پرهای شترمرغ ماده قهوه‌ای رنگ است. سر و گردن پر ندارد و طاس است. این پرنده اغلب بصورت گروهی در بین گورخرها یا حیوانات دیگر چون گاومیش به سر می‌برد. از نظر رده فیلوژنی شترمرغ جزء سلسله جانوران، شاخه طناب داران، رده پرندگان، راسته سینهپهنان، خانواده شترمرغ سانان، سرده شترمرغ، گونه Struthio Camellus میباشد. البته پرندگانی مانند Emu، Rhea، Kiwi، Tinamou و Cassowary هم از راسته سینه پهنان می باشند (2 و 4).
3-2- تاریخچه پرورش شترمرغ در جهانبیش از 20 میلیون سال پیش اکثر شترمرغ‏های امروزی در کمربند وسیعی که از اسپانیا در غرب آغاز و در طول کرانه‏های شمالی دریای مدیترانه امتداد یافته و به چین در شرق ختم میشد، ساکن بوده اند. توجه انسان به شترمرغ و محصولات آن تقریبا به 2500 سال پیش بر میگردد (5).
اولین اثر حاکی از وجود شتر مرغ در صحرا، سنگی منقوش می باشد که شکار شترمرغ را توسط یک پلنگ به تصویر کشیده است (500 سال قبل از میلاد).
مصریان باستان از پرهای متقارن شترمرغ به عنوان سمبل عدالت و از تخم هایش برای مصارف دارویی استفاده می کردند. فرعون از بادبزن ساخته شده از پرهای شترمرغ در سفرهایش به سرزمین‏های دور استفاده می کرد. در تاریخ اساطیری یونان نیز شترمرغ ها از پیدایش ارابه جایگاه خاصی را به عنوان حیوانات باربر به خود اختصاص می دادند. تورات کهن از شترمرغ به عنوان موجودی خشن یاد می کند. در این کتاب مقدس ذکر گردیده است که شترمرغ ها در خانه ها و کاخ‏های بیابانی زندگی می کنند. آن ها نسبت به فرزندانشان رفتاری خشونت آمیزتر از گرگ ها دارند. یهودیان گوشت شترمرغ را حرام دانسته و از آن تغذیه نمی کنند (5 و 6).
اولین پرورش شترمرغ در باغ وحش در انتهای قرن 19 در مارسی انجام گرفت. اولین جوجه کشی مصنوعی در سال 1875 در الجزایر و در مدت کوتاهی بعد از آن در فلورانس توسط پرنس دمیروف صورت گرفت (6).
4-2- تاریخچه پرورش شترمرغ در ایرانبا اینکه هم اکنون کشورهای آفریقای جنوبی، آمریکا و آلمان طلایه دار صنعت پرورش شترمرغ در دنیا هستند و از ایران هیچ نامی به چشم نمی خورد، لیکن مطابق آثار و شواهد و منابع تاریخی، ایرانیان باستان از جمله پرورش دهندگان شترمرغ در آن زمان بوده اند و موید این مطلب مورد ذیل است. در سال 128 قبل از میلاد مسیح، سیاح معروف چینی به نام چانگ کین به مدت یک سال در نواحی شرقی رود جیحون در کشور باکتریا (بلخ) که در آن موقع تحت سلطه سکاها بود، به سر برده و سپس به دربار ایران راه پیدا کرد. وی پس از آنکه ماموریت خود را که مورد رضایت و خوشنودی پادشاه ایران (اشکانی) قرار گرفت به اتمام رساند با هیئتی که از طرف پادشاه ایران معین شده بود و هدایای نفیس از جمله تخم شتر مرغ فراوان همراه عده ای شعبده باز به چین روانه گردید. حدود 90-80 سال پیش در خرم آباد، روس ها و انگلیس ها شترمرغ را وارد ایران کردند. اما پرورش این پرنده صورت نگرفت. در دوازدهم اردیبهشت 1376 اولین تخم شترمرغ در ایران توسط آقای دکتر درویشیها و مهندس موسوی در مزرعه گلبرگ طوبی متعلق به آقای سهراب، هچ شد. اما بنیانگذار اصلی پرورش شترمرغ در ایران آقای نیامنش است که در حال حاضر رئیس اتحادیه و صنف شترمرغ داران می باشد که از سال 1374 فعالیت خود را آغاز کرده و مجوز گرفته است. در حال حاضر تعداد مزارع شترمرغ در ایران بیش از 100 عدد است که احتمالا حدود 10000 شترمرغ دارند و از هر 3 نژاد گردن قرمز، آبی و سیاه هستند. اولین شترمرغ به دنیا آمده در ایران نژاد گردن سیاه و جوجه شترمرغ نر بوده است که از آفریقا جنوبی تخمش وارد ایران شده بود (1و5).
5-2-اهمیت پرورش شترمرغ در ایران
با توجه به جمعیت رو به تزاید کشور، تامین نیاز پروتئینی برای این جمعیت امری مهم و اساسی به حساب می آید. سرانه تولید مواد پروتئینی با منشا دامی برای هر ایرانی در سال برابر 13 کیلوگرم و سرانه پروتئین در روز حدود 20 گرم بوده است. در صورتی که بخواهیم کیفیت امنیت غذایی را ارتقاء داده و به وضع مطلوب برسانیم، سرانه پروتئین دامی با حفظ ترکیب تولید فعال بایستی حدود 40% افزایش یابد (5 و 8).
عملکرد و بازدهی زیاد پرورش شترمرغ نسبت به سایر دام‏های اهلی عبارت است از:
الف- تعداد تخم‏های شترمرغ در سال برابر 30 تا 100 عدد می باشد.
ب- درصد باروری تخم‏های شتر مرغ 90-30 درصد است.
ج- میزان جوجه درآوری در تخم‏های نطفه دار 60 تا 90 درصد تخمین زده شده است.
د- بازدهی لاشه شترمرغ کشتاری در سن 14-12 ماهگی 55 درصد تخمین زده می شود.
ن- بازدهی اقتصادی پوست، چرم و پر شترمرغ زیاد است.
6-2- سود آوری زیاد پرورش شترمرغهم اکنون تقاضای زیادی در زمینه پرورش شترمرغ در سطح بین المللی وجود دارد و مهمترین عاملی را که می توان در رابطه با شکل گیری این تقاضا دخیل دانست قیمت بالای محصولات شترمرغ در بازارهای جهانی و بازدهی زیاد پرورش این موجود در مقایسه با سایر حیوانات می باشد (8).
7-2- اهمیت گوشت شترمرغ و ترکیبات آنمشتریان با تجربه، به گوشت شترمرغ به عنوان یک شاخص سلامت در خوراک شناسی توجه دارند. گوشت شترمرغ ترد بوده و به سهولت از هم جدا می شود و لیکن این خاصیت طعم غذا را تغییر نمی دهد. گوشت شترمرغ یکی از کم چرب ترین گوشت‏های قرمز موجود می باشد.
خواص آن عبارتند از:
- کم چرب بودن (فیله یا استیک ،کمتر از 1/1% چربی).
- پایین بودن میزان کلسترول (حدود 600 میلی گرم در هر کیلو گرم).
- بالا بودن میزان پروتئین (بیش از 20%).
- تردی استثنایی.
- واکنش مطلوب نسبت به ادویه جات.
هر 100 گرم گوشت شترمرغ حاوی 5/12 میلی گرم منیزیوم، 208 میلی گرم فسفات و 4/315 میلی گرم پتاسیم می باشد. در مورد اکثر گوشت ها پایین بودن میزان چربی با تردی گوشت در تضاد است، در حالی که گوشت شترمرغ از این لحاظ یک استثناء می باشد. هر دو نوع فیله و استیک آن بسیار ترد و نرم می باشد. بیشترین گوشت قابل استفاده از لحاظ تجاری از ران‏های شترمرغ بدست می آید (5).
8-2- طبقه بندی جانور شناسیشترمرغ ها به طبقه پرندگان تعلق دارند و یکی از پنج زیر راسته پنهان محسوب می شوند. مشخصه اصلی آن عدم قدرت پرواز به علت فقدان کامل ستیغ استخوان سینه می باشد. ویژگی اخیر علت نام گذاری فوق شده است زیرا در زبان لاتین به کشتی فاقد لبه زیرین، کلک و یا کله اطلاق می شود.
شترمرغ در زیر راسته استروتیونی فرم ها به صورت زیر قرار می گیرد:
خانواده: استروتیونیده
جنس: استروتیو
گونه: استروتیو کاملوس که زیر گونه‏های زیر را شامل می شود:
استرتیو کاملوس آسترالیس (شترمرغ آفریقای جنوبی یا زولو) در آفریقای جنوبی.
2- استرتیو کاملوس کاملوس (شترمرغ مالی یا بربر) در آفریقای شمالی.
3- استروتیو کاملوس ماسائیکوس (شتر مرغ ماسائی) در شرق آفریقا.
4- استروتیو کاملوس مولیبدوفانس (شترمرغ سومالی) در اتیوپی، کینای شمالی و سومالی.
5- استروتیو کاملوس سیریاکوس (شترمرغ عربی) که از حدود 1970 منقرض شده است.
برای اهداف تجاری اکثرا از اصطلاحاتی مانند گردن آبی، گردن قرمز و گردن سیاه استفاده می شود. زیر گونه‏های کاملوس و ماسائیکوس به شترمرغ‏های گردن قرمز تعلق دارند (3 و 6). اکثر زیر گونه‏های ماسائیکوس به ایالت متحده آمریکا صادر شده اند و گردن آبی ها زیر گونه مولیبدوفانس و آسترالیس را شامل می شوند. گردن آبی و قرمز ها نسبت به گردن سیاه آفریقایی جثه بزرگ تری دارند. سیاه آفریقایی نتیجه تلاقی زیر گونه استروتیو کاملوس آفریقایی شمالی و زیر گونه استروتیو کامالوس آسترا لیس می باشند. گردن سیاه آفریقایی کوچک تر و دارای بدن فشرده تر و پرهای با کیفیت استثنایی هستند و به طور کلی بخش اعظم شترمرغ‏های اهلی شده دنیا را تشکیل می دهند (2 و 5).
9-2-تشکیل تخم مرغتشکیل تخم مرغ نزدیک به 25 ساعت طول می کشد. مواد خام زرده تخم در کبد سنتز شده و در پلاسمای خون به سمت سلول‏های لایه دانه دار حرکت می کنند که پس از آن، آن ها را به اووسیت می فرستند. اووسیت آن ها را به شکل زرده کروی و مایع بازسازی می کند. هیچ سنتز بیوشیمیایی زرده تخم در خود اووسیت انجام نمی گیرد.
تخم مرغ از ناحیه قیفی شکل در مدت 15 دقیقه می گذرد. شالاز در این ناحیه ساخته می شود و زرده را در دو انتهای تخم معلق نگه می دارد. زرده به سرعت وارد مگنوم که بخشی از اویداکت است، می شود. جایی که بخش غلیظ آلبومین به آن اضافه می شود. شکل تخم تا حد زیادی به این قسمت بستگی دارد، گذر از مگنوم طی 3 ساعت انجام می شود. سفیده در این ناحیه ترشح می شود.
عبور از تنگه 75 دقیقه زمان نیاز دارد. غشاهای داخلی و خارجی در این ناحیه شکل می گیرند. قبل از تشکیل این غشاها مقدار کمی پروتئین به سفیده تخم افزوده می شود.
تخم مرغ نزدیک 20 ساعت رحم را اشغال می کند. ازدیاد حجمی در اینجا روی می دهد که افزوده شدن محلول‏های آبی به تخم است (4).
205105103192تخمک وارد اویداکت می شود
00تخمک وارد اویداکت می شود
-1447804868545تخم برای دریافت رنگدانه به رحم می رود
00تخم برای دریافت رنگدانه به رحم می رود
25507954059029تخم رنگدانه دار از رحم خارج می شود
00تخم رنگدانه دار از رحم خارج می شود
35984363377565در تنگه (Isthmus) پوسته نازک اضافه می شود
00در تنگه (Isthmus) پوسته نازک اضافه می شود
-1441452113280آلبومین دور تخمک را فرا می گیرد
00آلبومین دور تخمک را فرا می گیرد

تصویر 2- SEQ تصویر_2- * ARABIC 1: روند تشکیل تخم10-2-ساختار تخم در پرندگان:تخم دربر دارنده یک دیسک زاینده، غشاهای پیرامون زرده، سفیده و یک پوسته است.

تصویر 2- SEQ تصویر_2- * ARABIC 2: ساختار تخم درپرندگاندیسک زاینده: دیسک زاینده (در صورت باروری، بلاستودرم و در صورت سترونی، بلاستودیسک)، دیسک کوچک سیتوپلاسمی است که باقیمانده هسته را دربر می گیرد. این دیسک بر سطح زرده تخم تازه، مانند نقطه دایره شکل سفید ناشفاف قابل مشاهده است که در ماکیان اهلی 3 تا 4 میلی متر قطر دارد.
زرده تخم: زرده ماده غلیظ چسبناکی است که در حدود 50 درصد آن مواد جامد است و 99 درصد آن را پروتئین ها تشکیل می دهند. همانند خزندگان، زرده منبع اصلی غذای رویان را تشکیل می دهد. دو نوع زرده سفید و زرد وجود دارد، در زرده سفید یا لاتبرا (Latebra) نزدیک به ⅔ پروتئین و ⅓ چربی وجود دارد. این زرده از یک قسمت توده ای کوچک کروی، به نام مرکز لاتبرا به وجود آمده است که با یک ستون باریک به نام گردن لاتبرا به یک دیسک مخروطی (دیسک لاتبرا) در زیر دیسک زاینده متصل شده است. زرده زرد رنگ که در حدود ⅔ چربی و ⅓ پروتئین است، اغلب در ماکیان اهلی در درون لایه‏های متناوب سفید و زرد شکل می گیرد.
غشاهای زرده: این غشاها سدی بین زرده و سفیده با مقاومت مکانیکی زیاد را تشکیل می دهند، اما در مقابل آب و نمک ها تراوا است. میکروسکوپ الکترونی غشاهایی با چهار لایه را نشان می دهد.
سفیده تخم مرغ: سفیده غلیظ تخم به مقدار نسبتا زیاد از اووموسین و احتمالا مقداری الیاف موسینی را دربرمی گیرد. سفیده رقیق آبکی تر و دارای اووموسین کمتر است و تقریبا هیچ الیاف موسینی را دربر نمی گیرد. لایه شالازی یک لایه نازک از سفیده غلیظ است که غشاهای زرده را دربر می گیرد (4).
شالاز دو ساختار طناب شکل است که زرده را در وسط تخم نگه می دارد و در شیپور شروع به تشکیل می کند. شالاز همچنین مثل یک محور عمل می کند که زرده می تواند بچرخد و دیسک زایا را در تمام زمان ها در سمت بالا نگه می دارد (17). دو لایه شالاز از الیاف ظریف اووموسین تشکیل شده است. شالاز در انتهای باریک خود دو رشته ای است، در حالی که در انتهای ضخیم یک رشته ای است. سفیده سه لایه دارد، لایه داخلی و خارجی سفیده رقیق و لایه میانی سفیده غلیظ است (4).
پوسته: پوسته متشکل از غشاهای پوسته ای، پوسته آهکی و کوتیکول است. غشاهای بیرونی و درونی پوسته هر کدام ترکیبی از چندین لایه الیافی هستند. در سر پهن تخم، غشا پوسته بیرونی و درونی پس از تخم گذاری که تخم فورا سرد شده، از یکدیگر جدا می شوند و اتاقک هوایی را تشکیل می دهند. سر جنین نزدیک به زیر این فضا که در خزندگان وجود ندارد قرار می گیرد. غشا بیرونی پوسته به شدت به پوسته آهکی می چسبد. بخش عمده پوسته را پوسته آهکی تشکیل می دهد. ضخامت پوسته شدیدا در میان گونه‏های مختلف پرندگان تغییر می کند که این ضخامت در شترمرغ تقریبا به 2 میلی متر می رسد. پوسته آهکی یک ماتریکس آلی از الیاف نازک و یک عنصر غیرآلی جامد بسیار بزرگ (98 درصد کل) را دربر می گیرد که عمدتا کلسیت (فرم کریستالین کربنات کلسیم) است (4).
در بیشتر گونه‏های پرندگان هزاران منافذ ریز بر روی سطح پوسته باز می شوند و بین کریستال ها تا غشاهای پوسته امتداد می یابند. در ماکیان اهلی منافذ غالبا در سر پهن تخم نزدیک سلول هوایی جمع می شوند، بدین ترتیب نزدیک سر جوجه قرار دارند. منافذ به وسیله کوتیکول پوشیده می شوند.
کوتیکول لایه ممتدی است که روی پوسته آهکی و منافذ را می پوشاند. دافع آب است و هدرروی آب درون تخم را کاهش می دهد و به عنوان سدی در برابر باکتری ها عمل می کند.
11-2-مراحل رشد جنینی درپرندگان:تخم مرغ در دستگاه تناسلی مرغ بالغ که از تخمدان و اویداکت تشکیل شده، شکل می گیرد. برخی پرندگان ماده دو تخمدان فعال دارند، اما اغلب ماکیان از جمله شترمرغ یک تخمدان و یک اویداکت فعال دارند.
در مراحل اولیه رشد جنینی هر پرنده ماده دو تخمدان دارد اما فقط تخمدان سمت چپ رشد می کند و به صورت یک ارگان فعال در می آید. در برخی پرندگان مثل شاهین، تخمدان و اویداکت راست شکل می گیرد.
تخمدان بالغ شبیه خوشه انگور است که ممکن است تا 4000 تا تخمک کوچک که به سلول‏های پر زرده تبدیل می شود، داشته باشد. هر تخمک به وسیله یک کیسه فولیکولی که شبکه ظریفی از عروق خونی دارد به تخمدان متصل شده است (17).
بعداز اینکه تخمک در قسمت شیپور اینفاندیبولوم گرفته شد، لقاح تقریبا بلافاصله در صورت وجود اسپرم انجام می شود. سلول‏های اسپرم که توسط نر وارد اویداکت شده در کیسه ذخیره اسپرم در ناحیه اینفاندیبولوم نگه داری می شود. وقتی تخمک از این ناحیه عبور می کند اسپرم ها آزاد شده و باعث لقاح آن می گردند. یک اسپرماتوزوئید حتما باید غشاء نازک زرده ای را پاره کند و به سلول ماده اتصال پیدا کند تا لقاح کامل شود. وقتی سلول زیگوت شکل گرفت غشاء زرده ای ضخیم می شود (17).
تقسیم سلولی تقریبا بلافاصله پس از لقاح شروع می شود. این تقسیم در صورتی که تخم مرغ در دمای بالاتر از 19 درجه سانتی گراد نگهداری شود ادامه پیدا می کند و در غیر این صورت متوقف می شود. اولین تقسیم سلولی تخم مرغ تقریبا در زمانی که تخم وارد تنگه می شود شروع می گردد. تقسیمات سلولی بعدی تقریبا هر 20 دقیقه یکبار انجام می شود. درنتیجه در زمان تخم گذاری هزاران سلول که مجموعا رویانی به نام گاسترولا را بوجود آورده اند، شکل گرفته اند (17). در زمان تخم گذاری دمای تخم پایین است و تکامل جنین معمولا متوقف می شود تا زمانیکه شرایط محیطی مناسب برای انکوباسیون فراهم شود. در صورت فراهم شدن شرایط رشد جنینی دوباره آغاز می گردد.
254002596100
تصویر 2- SEQ تصویر_2- * ARABIC 3: مراحل تقسیم سلولی در جنین مرغبعد از شروع انکوباسیون یک لایه ضخیم شده سلولی نوک تیز سریعا در سمت پسین یا دم انتهایی جنین قابل مشاهده است. این ناحیه خط اولیه است و محور طولی جنین را بوجود می آورد.
قبل از اینکه اولین روز انکوباسیون به پایان برسد در جنین جوجه مرغ ارگان‏های زیادی شکل گرفته است. سر جنین قابل تشخیص است، پیش ساز قسمت پیشین لوله گوارش شکل گرفته و جزایر خونی ظاهر شده که بعدا قرار است دستگاه گردش خون را بوجود آورند. چین عصبی شکل گرفته که قرار است در آینده لوله عصبی را بوجود آورد و شکل گیری چشم ها آغاز شده است (17).
در روز دوم انکوباسیون تخم مرغ جزایر خونی شروع به ارتباط پیدا کردن با یکدیگر می کنند و یک شبکه خونی اولیه را بوجود می آورند. این اتفاق در حالی است که قلب در جای دیگری درحال شکل گیری است.
در ساعت 44 انکوباسیون تخم مرغ قلب و شبکه اولیه خونی به هم وصل می شوند و قلب شروع به ضربان می کند. در این زمان دو دستگاه گردش خون مستقل شکل گرفته است. یک دستگاه جنینی برای جنین و یک دستگاه زرده ای در اطراف کیسه زرده وجود دارد که داخل تخم و خارج بدن جنین تکامل پیدا کرده است.
در مراحل بعدی جنینی دو دستگاه گردش خون خارج جنینی بوجود می آید. یک دستگاه سیستم زرده ای است که موادغذایی را از زرده به جنین منتقل کرده و قبل از روز چهارم مسئول اکسیژنه کردن خون است. دستگاه دیگر از عروق آلانتوئیس درست شده که کار آن در ارتباط با تنفس و ذخیره کردن مواد دفعی در آلانتوئیس است. از روز چهارم به بعد وظیفه اکسیژنه کردن خون جنین مرغ با این سیستم است.
وقتی جنین از تخم خارج می شود هر دو این سیستم ها عمل خود را از دست می دهند (17). در روز دوم انکوباسیون تخم مرغ شیار عصبی شکل می گیرد و قسمت سری این شیار شروع به شکل دهی قسمت‏های مختلف مغز می کند. جنین در این روز آن قدر بزرگ شده است که کمانی شکل شدن آن دیده می شود. گوش ها آرام آرام شروع به شکل گرفتن کرده اند و عدسی در چشم در حال شکل گیری است.
در پایان روز سوم انکوباسیون تخم مرغ نوک شروع به شکل گیری می کند و اندام حرکتی (بال ها و دو پا) بیرون زده اند. سه کمان حلقی در هر طرف سر و گردن قابل مشاهده است. این ساختارها برای شکل گیری دستگاه سرخرگی که از قلب به جلو بیرون می زنند، لازم اند. این کمان ها شیپوراستاش، صورت، فک ها و بعضی از غدد را بوجود می آورند.
در این روز آمنیونی که پر از مایع است در اطراف جنین دیده می شود که وظیفه محافظت از آن را بعهده دارد. همچنین دم و کیسه آلانتوئیس دیده می شوند. کیسه آلانتوئیس یک ارگان تنفسی و دفعی است که وظیفه انتقال مواد غذایی از سفیده و کلسیوم از پوست به جنین را بر عهده دارد (17).
پیچ خوردگی و خمیدگی که از قبل شروع شده در طول روز چهارم در جنین مرغ بیشتر اتفاق می افتد. بدن رویان º90 می چرخد به شکلی که سمت چپ آن بر روی زرده قرار می گیرد. سر و دم در اثر این چرخش در نزدیکی هم قرار می گیرند. در نتیجه جنین به شکل یک حرف C در می آید.
دهان، زبان و سوراخ‏های بینی به عنوان قسمتی از دستگاه‏های گوارش و تنفس شکل گرفته است. قلب به رشد خود ادامه می دهد به حدی که دیگر بدن جنین مرغ قادر به جای دادن قلب درون خود نمی باشد و قلب از بدن جنین بیرون زده است. اگر تخم با دقت باز شود و جنین زنده بماند ضربان قلب در این روز در جنین مرغ دیده می شود.
سایر ارگان‏های داخلی در حال شکل گیری و تکامل هستند. در پایان روز چهارم انکوباسیون تخم مرغ تمام ارگان‏هایی که برای زنده ماندن جنین بعد از هچ نیاز دارد رشد پیدا کرده و از اغلب قسمت‏های جنین قابل تشخیص است. در این مرحله جنین پرنده از جنین پستاندار قابل تفکیک نیست زیرا شکل مشابه هم دارند (17).
جنین خیلی سریع به رشد و تکامل خود ادامه می دهد. در روز هفتم انکوباسیون تخم مرغ انگشت ها در اندام حرکتی ظاهر شده اند. بدن به اندازه ای بزرگ شده که می تواند قلب را در خود جای دهد و قلب کاملا در قفسه سینه جای گرفته است. در این مرحله جنین به شکل پرنده است.
بعد از روز دهم انکوباسیون تخم مرغ پرها و تنه‏های پرها در جنین قابل مشاهده است. نوک ضخیم شده و در روز چهارده انکوباسیون تخم مرغ پنجه ها در حال شکل گیری اند و جنین آهسته برای هچ جابه جا می شود. در روز شانزدهم انکوباسیون تخم مرغ، آلبومن تقریبا تمام شده است. درنتیجه زرده تنها منبع تغذیه جنین می باشد.
بعد از روز بیست انکوباسیون تخم مرغ، جنین در وضعیت هچ قرار گرفته و نوک شروع به سوراخ کردن کیسه اتاقک هوا می کند. در همین روز تنفس ریوی شروع می شود. در این زمان کیسه زرده کاملا در حفره بدن قرار گرفته و جنین آماده هچ است.
موقعیت طبیعی هچ جوجه مرغ بدین صورت است که سر در سمت بزرگ تخم و زیر بال راست قرار گرفته و پاها به سمت سر کشیده شده اند. اگر سر در سمت کوچک تخم قرار بگیرد شانس زنده بودن جوجه به نصف کاهش می یابد که این حالت یک موقعیت بد برای هچ است.

تصویر 2- SEQ تصویر_2- * ARABIC 4: تغییرات جنینی در جنین مرغ12-2-شکل گیری ساختارهای خارج جنینی:هم زمان با عمل تاخوردگی بدنی یک جفت تاخوردگی شامل سوماتوپلور خارج رویانی شروع به بالا رفتن می کند. این تاخوردگی‏های کوریوآمنیوتیک که بدوا در قسمت قدامی سر تشکیل شده، به طور پیشرونده ای در سطح خلفی تر طرفین رویان بالا می آید (7). سپس وقایع مشابهی در انتهای دمی رویان رخ می دهد. تاخوردگی‏های کوریوآمنیوتیک به طرف پشتی توسعه یافته و در بالای خط میانی پشتی رویان به هم رسیده و متصل می شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Noden</Author><Year>1372</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="efx229s08adteqef0a9x2959zefzw029xrvs">14</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Duran Noden</author><author>Alexander Dela Honta</author></authors><subsidiary-authors><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">رضا قاضی</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">بیژن رادمهر</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">هدایت الله رشیدی</style></author></subsidiary-authors></contributors><titles><title><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">جنین شناسی حیوانات اهلی، مکانسم های رشد تکاملی و ناهنجاری ها</style></title></titles><edition><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">1</style></edition><dates><year><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">1372</style></year></dates><pub-location><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">شیراز</style></pub-location><publisher><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">انتشارات دانشگاه شیراز</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote> (7). لایه خارجی تر سوماتوپلور کوریون و لایه داخلی تر آمنیون می باشد.
حفره بین رویان و آمنیون، حفره آمنیوتیک نامیده می شود که به وسیله مایع آمنیوتیک پر می شود. این مایع از ترشحات اکتودرم آمنیوتیک و سپس از مایعات کلیه‏های جنین و ترشحات غدد دهانی و مجاری تنفسی ناشی می شود. مایع آمنیوتیک جهت شناور ساختن و محافظت رویان و ایجاد محیطی که در آن رویان بتواند بدن و دست و پا را حرکت دهد بکار می رود (7).

تصویر 2- SEQ تصویر_2- * ARABIC 5: تصویر شماتیک تخم مرغ جنین دارکوریون به سرعت توسعه یافته و در جنین مرغ تا روز 7 الی 8 انکوباسیون کاملا با غشاء داخلی پوسته مجاور شده و به اتفاق غشاء داخلی پوسته آلانتوئیس تشکیل می شود. کوریون واسطه تبادل گازی و آبی می باشد.
آلانتوئیس به عنوان ته کیسه پسین روده رویان ظاهر می شود. تا 10 روزگی انکوباسیون جنین مرغ آلانتوئیس حفره بین آمنیون و کوریون را پر می سازد.
حفره آلانتوئیک برای جمع آوری مواد زائد ترشحی ادرار، که بیشتر آن در پرندگان به صورت اسید اوریک ته نشین می شود، به کار می رود (7).
13-2-معرفی تکنیک‏های بررسی جنین1-13-2رنگ آمیزی جنین:هدف اصلی این روش مشخص کردن جنین ها در گروه‏های مختلف و مشاهده حرکات آنها پس از ترک Nest است. در مطالعات مدیریتی حیات وحش، که در آنها مشاهده جنین اردک ها دشوار است این روش با رنگ آمیزی جنین با رنگ روشن کار را آسان می کند (11).
2-13-2-نمایش جنین‏های زنده:با باز کردن تخم انکوبه شده می توان رشد و تکوین جنین را به صورت روزانه و منظم و با جزئیات زیاد مشاهده کرد. این روشی جالب است که در آن تکوین جنین به دقت مطالعه می شود. بعد از یاد گرفتن باز کردن تخم‏های انکوبه شده می توانید به اشخاص دیگر روند رشد جنین را نشان دهید. در این روش جنین پس از باز شدن از بین می رود و دیگر قدر به ادامه رشد نمی باشد (11).
هنگام آماده سازی جنین باید از ابزار‏هایی دقیق استفاده کنید و همچنین نام علمی تمام پرده‏های جنینی را باید بدانید.
3-13-2تکنیک‏های تصویر برداری تشخیصی:
از جمله تکنیک‏های تصویر برداری تشخیصی، رادیولوژی و سیتی اسکن است که به علت استفاده از اشعه X در این دو تکنیک و مضر بودن این اشعه بر روی جنین به جز در برخی مطالعات پایه زیاد مورد استفاده قرار نگرفته است. در مقایسه با این تکنیک ها، از سونوگرافی و MRI به علت بی خطر بودن و امکان بررسی جنین در سنین مختلف نسبت به تکنیک‏های ذکر شده استفاده بیشتری شده است. تکنیک سونوگرافی در مورد جنین پستانداران بسیار کاربردی و در اولویت اول قرار دارد. در پرندگان این حالت به علت ساختار تخم متفاوت است و تکنیک عکس برداری با کمک تشدید مغناطیس در اولویت اول روش‏های عکس برداری تشخیصی قرار دارد که با توجه به پیشرفت دستگاه‏های MRI و افزایش قدرت و توانایی‏های این دستگاه ها، استفاده از این تکنیک در بررسی جنین پرندگان بیشتر شده و در حال گسترش است (12، 16 و 17).
14- 2تکنیک MRI ( Magnetic Resonace Imaging) : روشی خوبی برای بررسی تغییرات آناتومیک جنین در مراحل مختلف رشد جنین موجود زنده است. این تکنیک به دلیل غیر تهاجمی بودن، می تواند روش مناسبی در بررسی جنین پرندگان باشد. با استفاده از MRI جنین درون تخم می توان زرده، آلبومین و ساختار جنین را بررسی کرد. یکی از معایب استفاده از این روش برای بررسی جنین زنده، حرکت کردن جنین است که ایجاد آرتیفکت در تصاویر می کند. در مقایسه انجام MRI روی بافت‏های جنین فیکس شده که در آن حرکات جنین مشاهده نمی شود بسیار ساده تر می باشد (14، 16 و 17).
برای کنترل حرکات جنین در مطالعه Duce و همکاران بر روی جنین بلدرچین از سرد کردن تخم بوسیله آب سرد استفاده شده که نتایج خوبی در تصویر برداری داشته است (9 و 16).
Diffusion Tensor Imaging (DTI) نیز پروتکلی جدید از تکنیک MRI برای مطالعه سیستم عصبی مرکزی جنین است که می تواند به عنوان جایگزینی برای پروتکل‏های قدیمی تر استفاده شود (12 و 15).
فصل سوم
مواد و روش کار
فصل سوم: مواد و روش کار1-3- مواد مصرفی:نمونه ها: تعداد 10 عدد تخم شترمرغ نژاد کانادایی 7 تخم نطفه دار و 3 تخم بدون نطفه برای این مطالعه انتخاب شد.
سیلیکات ژل: به عنوان جاذب رطوبت استفاده شد.
2-3- وسایل مورد نیاز:_ دستگاه انکوباتور: دستگاه انکوباتور یا ستر ساخت شرکت توسن در ایران می باشد و ظرفیت 135 عدد تخم شترمرغ را دارد.
_ جعبه یونولیتی: جعبه یونولیتی که به رطوبت سنج و دماسنج مجهز شده جهت حمل تخم شترمرغ از مزرعه تا مرکز ام ار ای و بلعکس استفاده شد.
_ دستگاه ام ار ای: دستگاه ام ار ای مورد استفاده در این مطالعه، دستگاه مرکز کوثر واقع در بیمارستان امام رضا (ع) مشهد بود که ساخت شرکت زیمنس می باشد. مدل این دستگاه سمفونی و با قدرت 5/1 تسلا است.
3-3- روش کار:تعداد 6 عدد تخم شترمرغ اصلاح نژاد شده کانادایی (گردن مشکی) جهت این مطالعه انتخاب شد. این تخم ها از خانواده‏های پنج تایی شامل دو نر و سه ماده با سن حدود چهار سال برداشته شد.
تخم ها یک ساعت پس از تخمگذاری از داخل پن برداشته شد و در اتاق انبار قرار گرفت. در این اتاق دما c°18 و رطوبت 40 درصد بود. تخم ها در این مرحله روزانه بین 4 الی 6 مرتبه چرخانده شد و در یک روز مشخص در هفته داخل دستگاه قرار داده شد. قبل از قراردادن تخم ها در دستگاه، دمای تخم برای مدت 12 ساعت به c°25 رسید و بعد از ضدعفونی با گاز حاصل از مخلوط شدن فرمالین و پرمنگنات در دستگاه ستر در محل مزرعه و در طبقه بالای ستر قرار داده شد.
دمای دستگاه ستر c°36.4 و رطوبت آن 18.5 درصد تنظیم شد که با دستگاه کالیبراسیون تستو امتحان گردید که از این طریق از صحت اعداد تنظیمی دستگاه مطمئن شدیم. بازه تغییرات دمای دستگاه c°0.1 و تغییرات رطوبت 0.5 درصد قرار داده شد.
تخم ها از محل مزرعه تا مرکز ام ار ای توسط جعبه یونولیت حمل می شدند که مجهز به دماسنج و رطوبت سنج شده بود تا دما و رطوبت تخم ها تا حدامکان حفظ شود. در صورت زیاد شدن رطوبت از پودر ژل سیلیکات برای پایین آوردن آن استفاده می شد.
کویل‏های مورد استفاده در این مطالعه کویل‏های سر، زانو و نخایی بوده است.
اولین مرحله ام ار ای در روز صفر و قبل از گذاشتن تخم ها در دستگاه انجام شد. سپس در روز‏های 2، 4، 6، 8، 10، 14، 16 و 18 ام ار ای بر روی این تخم ها انجام شد. سه عدد تخم بی نطفه با توجه به شکل ظاهری، سابقه تولید فنس و وزن تخم انتخاب شد تا به عنوان گروه شاهد منفی در این تحقیق استفاده شود تا با نمونه‏های نطفه دار مقایسه شود.
تصاویر با پروتکل‏های T1W و T2W گرفته شد. برش تصاویر به روش 3D انجام شده است. و با نرم افزار Syngopack مورد مطالعه قرار گرفت.
تصاویر با مقطع عرضی و سهمی گرفته شده که بسته به نوع پروتکل مورد استفاده تعداد مقاطع و نوع تصاویر متفاوت است.
در زمان عکس برداری به علت نداشتن زمان کافی، هزینه بر بودن این تصاویر و عدم وجود مرکز ام ار ای دامپزشکی مجبور به قرار دادن دو تخم در کنار هم هنگام عکس برداری بودیم.
تصاویر به صورت خام در اختیار ما قرار گرفت که با استفاده از نرم افزار Syngopack اطلاعات بررسی و پردازش شد.
پس از اتمام کار در روز هجدهم برای تایید تشخیص نطفه دار بودن تخم ها، آن ها را باز کرده و به صورت ماکروسکوپی جنین دار و یا بی نطفه بودن مورد تایید قرار گرفت.
فصل چهارم
نتایج
فصل چهارم: نتایجدر این قسمت تصاویر در دو گروه بی نطفه و نطفه دار تنظیم شده است. در هر کدام از این دو گروه، از دو نوع تصویر سهمی و عرضی استفاده شده. این تصاویر از بین کلیه عکس‏های حاصل از این پژوهش گرد آوری شده و بهترین عکس‏های مورد نظر جهت بررسی قسمت ها و ساختارهای تخم می باشد.
تصاویر نطفه دار با حرف (الف) و بی نطفه با حرف (ب) مشخص شده است.
سعی شده از کلیه تصاویر T1W و T2W مطلوبه بدست آمده در مطالعه، بنا به مورد استفاده شود.


1-4- تخم روز صفر :
در هر دو گروه مشخصات یکسانی دیده می شود و هیچ تفاوتی با یکدیگر ندارند. زرده در وسط قرار دارد که به علت تفاوت در تراکم آن به صورت لایه لایه دیده می شود. در بالای زرده اتاقک هوا قرار دارد و اطراف زرده را سفیده پر کرده است. لتبرا و پایک لتبرا به راحتی قابل رویت است که در تصاویر نامگذاری شده.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 1: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار صفر روزه، پروتوکل T1W ، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: لایه های زرده، 5: لتبرا، 6: پایک لتبرا.
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 2 : الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار صفر روزه، پروتوکل T1W ، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لایه های زرده، 4: لتبرا.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 3: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه صفر روزه، پروتوکل T1W ، 1: اتاقک هوا 2: زرده 3: سفیده 4: لتبرا 5: پایک لتبرا 6: لایه های زرده
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 4: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه صفر روزه، پروتوکل T1W ، 1: سفیده 2: زرده 3: لایه های زرده 4: لتبرا

2-4- تخم دو روزهدر تصویر تخم دو روزه تغییر محسوسی نسبت به تخم روز صفر دیده نمی شود. لتبرا، پایک لتبرا، زرده و... بدون تغییر نسبت به روز صفر قرار دارند و در هردو گروه نطفه دار و بی نطفه یکسان هستند.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 5: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار دو روزه ، پروتوکل T1W ، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: پایک لتبرا، 5: لتبرا
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 6: ب ، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه دو روزه، پروتوکل T1W ، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: لایه های زرده، 5: لتبرا
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 7: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار دو روزه ، پروتوکل T1W ، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لتبرا
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 8: ب ، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه دو روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لایه های زرده، 4: لتبرا3-4- تخم چهار روزهدر هر دو گروه اتاقک هوا بزرگ تر شده است. در گروه نطفه دار زرده در حال از دست دادن حالت لایه لایه خود است. در گروه بی نطفه به جز بزرگ تر شدن اتاقک هوا، تغییر محسوس دیگری مشاهده نمی شود. لتبرا و پایک لتبرا در هر دو گروه بدون تغییر است.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 9: الف ، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار چهار روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: پایک لتبرا، 5: لتبرا تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 10: الف ، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار چهار روزه، پروتوکل T1W ، 1: زرده، 2: سفیده، 3: لتبرا، 4: پایک لتبرا
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 11: ب ، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه چهار روزه، پروتوکل T1W، 1: کیسه هوا، 2: سفیده، 3: زرده، 4: پایک لتبرا، 5: لتبرا، 6: لایه های زرده.
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 12: ب ، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه چهار روزه، پروتوکل T1W، 1: زرده، 2: سفیده، 3: لایه های زرده، 4: پایک لتبرا4-4- تخم شش روزهدر گروه نطفه دار زرده از حالت دایره ای به شکل بیضی در آمده، رشد دیسک جنینی در بالای لتبرا دیده می شود، زرده کاملا حات لایه لایه خود را از دست داده است و رگه‏های خونی جنین از نمای بالا بر روی سطح زرده قابل مشاهده است. در گروه بی نطفه تغییر خاصی دیده نمی شود. لایه‏های زرده، لتبرا، پایک لتبرا و زرده بدون تغییر نسبت به تصاویر سنین پایین تر گروه بی نطفه دیده می شود.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 13: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار شش روزه ، پروتوکل T1W ، 1. اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: لتبرا، 5: دیسک جنینی یا جنین لاروی
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 14: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار شش روزه، پروتوکل T2W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لتبرا، 4: مقطع عروق خونی
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 15: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه شش روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: لتبرا، 5: پایک لتبرا، 6: لایه های زرده
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 16: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه شش روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لایه های زرده، 4: لتبرا5-4- تخم هشت روزهجنین در بالای کیسه زرده در گروه نطفه دار قابل مشاهده است. لتبرا حالت منظم خود را از دست داده و به صورت منتشر درآمده. زرده حالت لایه لایه خود را از دست داده است. در گروه بی نطفه زرده حالت دایره ای خود را حفظ کرده است. لتبرا و پایک لتبرا تغییری نسبت به روزهای اولیه ندارد. حالت لایه لایه زرده به خوبی قابل مشاهده است.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 17: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار هشت روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: سفیده، 3: زرده، 4: عروق خونی، 5: جنین
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 18: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار هشت روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: عروق خونی
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 19: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه هشت روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: سفیده، 3: زرده، 4: لتبرا، 5: پایک لتبرا، 6: لایه های زرده
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 20: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه هشت روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لتبرا، 4: لایه های زرده6-4- تخم ده روزهجنین به راحتی قابل مشاهده است و حفره حدقه چشم دیده می شود. لتبرا منتشر شده و زرده کشیده تر دیده می شود. در گروه بی نطفه تغییر خاصی نسبت به تصاویر سنین قبل دیده نمی شود و لتبرا به صورت قبل دیده می شود. همچنین زرده حالت لایه لایه خود را حفظ کرده است.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 21: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار ده روزه، پروتوکل T1W، 1: کیسه هوا، 2: سفیده، 3: زرده، 4: عروق خونی، 5: چشم جنین
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 22: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار ده روزه، پروتوکل T2W، 1: کیسه هوا، 2: زرده، 3: امنیون
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 23: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه ده روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: لتبرا، 5: پایک لتبرا، 6: لایه های زرده
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 24: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه ده روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لایه های زرده، 4: لتبرا7-4- تخم چهارده روزهزرده در گروه نطفه دار به صورت کشیده درآمده، جنین کاملا قابل مشاهده است و مقطع عروق خونی جنین بر روی زرده دیده می شود. کیسه آمنیون جنین در تصویر افقی قابل تفکیک است. در تخم بی نطفه تغییری دیده نمی شود.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 25: الف ، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار چهارده روزه ، پروتوکل T1W ، 1: اتاقک هوا، 2: سفیده، 3 :زرده، 4: جنین، 5: مقطع عروق جنین
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 26: الف ، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار چهارده روزه ، پروتوکل T1W ، 1:جنین
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 27: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه چهارده روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: لتبرا، 5: لایه های زرده، 6: پایک لتبرا
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 28: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه چهارده روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لایه های زرده، 4: لتبرا8-4- تخم شانزده روزهسر و بدن جنین در تخم نطفه دار کاملا دیده می شود. عروق روی زرده به راحتی قابل مشاهده است. زرده کاملا فضای زیر کیسه هوا را پر کرده و اتاقک هوا بزرگ تر شده است. اتاقک هوا در گروه بی نطفه بزرگ تر شده ولی لایه‏های زرده و لتبرا بدون تغییر مانده است.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 29: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار شانزده روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: جنین، 4: زرده، 5: مقطع عروق خونی
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 30: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار شانزده روزه، پروتوکل T1W، 1: سرجنین، 2: عروق خونی جنین
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 31: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه شانزده روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: زرده، 3: سفیده، 4: لتبرا، 5: لایه های زرده
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 32: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه شانزده روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لتبرا، 4: لایه های زرده 9-4- تخم هجده روزهبدن جنین کاملا قابل مشاهده است که به علت حرکت جنین در هنگام عکس برداری آرتیفکت دیده می شود. آمنیون در تصویر دیده می شود. مقطع عروق، سر و تنه در تصویر مشخص است. در گروه بی نطفه لتبرا، پایک لتبرا و حالت لایه لایه زرده هنوز قابل مشاهده است و تغییر محسوسی نسبت به تصویر سنین پایین تر نکرده است.

تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 33: الف، مقطع سهمی تخم شترمرغ نطفه دار هجده روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: سفیده، 3: زرده، 4: جنین، 5: مقطع عروق
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 34: الف، مقطع عرضی تخم شترمرغ نطفه دار هجده روزه، پروتوکل T1W، 1: سر جنین، 2: تنه جنین و آمنیون
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 35: ب، مقطع سهمی تخم شترمرغ بی نطفه هجده روزه، پروتوکل T1W، 1: اتاقک هوا، 2: سفیده، 3: زرده، 4: لتبرا، 5: پایک لتبرا
تصویر4- SEQ تصویر4- * ARABIC 36: ب، مقطع عرضی تخم شترمرغ بی نطفه هجده روزه، پروتوکل T1W، 1: سفیده، 2: زرده، 3: لتبرا، 4: لایه های زردهفصل پنجم
بحث و نتیجه گیری
فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری
به منظور استفاده از تکنیک‏های تصویربرداری تشخیصی جهت مطالعه جنین موجود زنده، مطالعات متنوعی انجام شده است. این مطالعات در پستانداران با توجه به موقعیت و محل جنین عمدتا با استفاده از تکنیک سونوگرافی بوده و با درجه کمتر از MRI استفاده شده. این روند به علت امکان سونوگرافی در جنین پستانداران بوده که تصاویر مناسبی نیز بدست می آید. واضح است که در تمام مطالعات جنینی استفاده از سیتی اسکن و رادیولوژی به علت وجود اشعه X در این تکنیک ها، و مضررات آن برای جنین، در اولویت آخر قرار می گیرند.
اما در بررسی جنین پرندگان، برخلاف پستانداران، سونوگرافی در اولویت اول قرار ندارد. تصویربرداری با تشدید مغناطیس به علت ارائه تصاویر با کیفیت، قابلیت نفوذ به لایه‏های تخم پرندگان و بی خطر یا کم خطر بودن برای جنین، تکنیکی است که از میان انواع روش‏های تصویربرداری تشخیصی در پرندگان بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است. در مطالعات متعددی از تکنیک MRI در بررسی جنین مرغ و بلدرچین استفاده شده است (12، 16 و 17). در این مطالعه به منظور تعیین نطفه دار بودن تخم و بررسی تغییرات ساختاری تخم نطفه دار با توجه به نوع و قدرت دستگاه‏های MRI موجود در کشور از تکنیک تصویربرداری با تشدید مغناطیس استفاده شد.
دستگاه ام ار ای مورد استفاده در این مطالعه، دستگاه مرکز کوثر واقع در بیمارستان امام رضا (ع) مشهد بود که ساخت شرکت زیمنس می باشد. مدل این دستگاه سمفونی و با قدرت 5/1 تسلا است. برخی از توانایی‏های این دستگاه، امکان تصویر برداری از تمام نسوج بدن با کیفیت بالا، مقطع تصویر کمتر از یک میلی متر، انجام تصویربرداری از تمام نسوج و اندام‏های بدن و توانایی کنترل حرکات قلبی، تنفسی همزمان با تهیه تصاویر دینامیک بود. البته استفاده از تمام این امکانات در مطالعه حاضر با توجه به هدف و نوع مطالعه ضروری نبود و یا در مواردی به دلیل از دست رفتن جنین و عدم توان پیگیری روند تغییرات آن امکان پذیر نبود.
یکی از اهداف ما در این بررسی ارزیابی دستگاه‏های موجود در کشور و قابلیت‏های آن ها برای این نوع مطالعات بود. واضح است که با دستگاه‏های پیشرفته تر و قوی تری که مانند آن در مطالعه duce و همکاران استفاده شد و از نوع Bruker Avance بود، با قدرت 1/7 تسلا و ضخامت برش 1 میلی متر بود تصاویر واضح تر و دقیق تری به دست خواهد آمد (16 و 17). از طرف دیگر در مطالعات یاد شده استفاده از دستگاه‏های مذکور با محدودیت‏های زیادی همراه بوده است. زمان طولانی این گونه تصویربرداری ها و قدرت مغناطیسی زیاد این دستگاه ها می توانسته از جمله عوامل آسیب رسان به جنین پرندگان بوده باشد. سرد کردن تخم ها قبل از شروع MRI جهت کاهش حرکات جنین برای جلوگیری از ایجاد آرتیفکت در تصاویر، از جمله عوامل آسیب رسان به جنین در این مطالعات بوده است. عدم امکان استفاده از کویل‏های موجود و معمول هم از نقص‏های بررسی‏های انجام شده است که برای کاهش این نقیصه از قفس طراحی شده ای استفاده شده است . شاید به همین دلیل در بیشتر این مطالعات از جنین مرده استفاده شده است (14، 16 و 17).
در کلیه این مطالعات از پروتکل T1W و T2W به تناسب موقعیت استفاده شده است. در این مطالعه نیز از پروتکل‏های T1W و T2W بنا به ضرورت استفاده شده است. کنتراست مایعات با غلظت‏های متفاوت، بافت ها و اندام‏های مختلف در این دو پروتکل با هم فرق می کند. برای مثال معمولا در بیمارانی که دارای بافتی متفاوت از بافت اصلی بدن هستند (بافت‏های سرطانی) از پروتوکل T2W استفاده می شود. در این مطالعه زرده در پروتوکل T1W روشن و زرد رنگ بوده و در پروتکل T2W سیاه رنگ دیده می شود. برای بررسی حضور عروق خونی بر روی زرده از پروتوکل T2W بیشتر استفاده شده است. ولی در بیشتر عکس برداری ها از پروتوکل T1W استفاده شد که تصاویر بهتری برای بررسی تغییرات زرده به ما داده است.
در شروع این مطالعه، بر روی چند نمونه در سنین مختلف کویل‏های ام ار ای امتحان شد تا بهترین کویل برای این پژوهش انتخاب شود. کویل ها باعث تمرکز امواج و بیشتر شدن کیفیت تصاویر می شوند که باتوجه به شکل هندسی اندام مختلف بدن انسان طراحی و استفاده می شود تا اندام یا قسمت مورد بررسی بدن در داخل آن قرار گیرد. اما از طرف دیگر هر چقدر که کویل بزرگتر شود خاصیت گیرندگی آن کاهش پیدا میکند. کویل‏های مختلف مورد استفاده در این مرکزعبارتند از کویل زانو، نخاعی، سر و انگشت.
کویل مورد استفاده در این مطالعه کویل زانو بود. در این بررسی از کویل سر و زانو تصاویر مطلوب و یکسانی بدست آمد اما چون در کویل زانو امکان قرار دادن دو تخم به صورت هم زمان وجود داشت و در زمان و هزینه صرفه جویی می شد، از کویل زانو در این مطالعه استفاده شد.
در این مطالعه برش‏های تخم‏های نطفه دار به شکلی انجام شد که برای تهیه تصاویر 3D استفاده می شود. تعداد بالای تصاویر حاصل از این روش و همچنین ضخامت پایین این برش ها مزایایی است که در مطالعه‏های گذشته نیز به آنها توجه شده است.
در این مطالعه از نرم افزار سینگو پک استفاده شد که مخصوص دیدن تصاویر ام ار ای می باشد و امکان دیدن تصاویر، تغییرات در کنتراست آنها، اندازه گیری ابعاد و بسیاری امکانات دیگر را به ما می دهد. باتوجه به نوع دستگاه‏های MRI از نرم افزاهای مختلفی برای بررسی تصاویر استفاده می شود. در مطالعات انجام شده نرم افزار مورد استفاده برای مشاهده و آنالیز تصاویر Amira Imaging PC-based است (12، 14 و 17).
زرده زرد در ابتدای امر در هر دو گروه به شکل هندسی بیضی و در زیر کیسه هوا در عکس‏های سهمی دیده شود که در عکس‏های عرضی به شکل کروی مشخص شوده است. زرده در پروتوکل T1W روشن و سفید رنگ است ودر پروتکل T2W تیره و سیاه رنگ دیده شده است.
در روز‏های ابتدایی رشد جنین، زرده در عکس‏های عرضی و سهمی به شکل لایه لایه وبا وضوح بالا مشخص است که به علت تفاوت در غلظت زرده در لایه‏های مختلف آن می باشد. در گروه نطفه دار حالت لایه دار بودن زرده از دو روزگی شروع به تغییر کرده و در چهار روزگی یک دست شدن رنگ و کنتراست آن به وضوح قابل مشاهده است. در حالی که حالت لایه دار بودن در گروه بی نطفه تا پایان هجده روزگی که عکس برداری انجام شد، کاملا دیده شد.
لایه لایه بودن زرده در هر دو گروه تصویر عرضی و سهمی پروتکل T1W دیده شد. اما باتوجه به سیاه بودن کنتراست زرده در پروتوکل T2W در هیچکدام از تصاویر عرضی و سهمی این حالت قابل مشاهده نبود.
زرده در گروه بی نطفه در تمام عکس ها و تا پایان مراحل عکس برداری (هجده روزگی) نظم و شکل هندسی خود را حفظ کرد. فقط کمی به کیسه هوا نزدیک تر شده بود. این در حالی است که در گروه نطفه دار زرده کشیده تر شده و به زیر کیسه هوا نزدیک شده بود. همان طور که در تصویر سیزده در شش روزگی این موضوع قابل رویت و در تصویر بیست و یک در ده روزگی کاملا فضای زیر کیسه هوا را پر کرده است.
غشاء زرده در هر دو گروه نطفه دار و بی نطفه و در هر دو مجموعه تصاویر عرضی و سهمی پروتکل T1W قابل تشخیص و تفکیک است.
لتبرا یا زرده سفید به همراه پایک لتبرا در کلیه تصاویر سهمی و عرضی و با هردو پروتوکل T1W و T2W و در هر دو گروه نطفه دار و بی نطفه در سنین ابتدایی قابل مشاهده است.
در نمای سهمی، لتبرا و پایک آن به شکل یک پیاز دیده می شود (تصویر 3) . پایک لتبرا از مرکز لتبرا تا حاشیه زرده در قسمت بالای تخم کشیده شده که قیفی شکل و محل اتصال بلاستودرم است (تصویر 9).
در گروه نطفه دار لتبرا و پایک آن در روز هشتم و از آن به بعد قابل مشاهده نیست. این در حالی است که در گروه بی نطفه تا پایان دوره تصویر برداری از تخم ها (هجده روزگی) لتبرا و پایک آن به وضوح دیده می شود. در مطالعه Duce و همکاران بر روی جنین بلدرچین نیز لتبرا تا روز شش در تصاویر MRI تشخیص داده شد، اما در آن مطالعه مقایسه ای بین تخم نطفه دار و بی نطفه انجام نگرفت (16).
در هر دو گروه بی نطفه و نطفه دار اناقک هوااز روز اول قابل رویت است و با افزایش سن شروع به بزرگ شدن می کند که در تصاویر قابل مشاهده است. تفاوت قابل ملاحظه ای در تغییر اندازه اناقک هوا در بین دو گروه نطفه دار و بی نطفه مشاهده نمی شود. اناقک هوا و اندازه آن در تصاویر سهمی قابل مشاهده و بررسی است ودر هر دو پروتکل T1W و T2W سیاه رنگ و تیره دیده می شود.
این یافته ها با یافته‏های دیگر محققین روی جنین بلدرچین متفاوت است، در مطالعه آنها اناقک هوا از روز دوم قابل مشاهده است (16). این مسئله احتمالا مربوط به نفاوت در مدت زمان و نحوه انبار این دو نوع تخم پرنده و ساختار متفاوت تخم شترمرغ و بلدرچین است.
در شش روزگی عروق خونی در اطراف زرده به صورت یک حلقه قابل مشاهده است که در حال حرکت به سمت مرکز زرده می باشد. عروق خونی در پروتوکل T2W بر روی زرده بهتر دیده می شوند البته این عروق در پروتکل T1W هم قابل مشاهده با کنتراست کمتر هستند. به نظر می رسد به دلیل تفاوت زیاد در کنتراست رنگ زرده و عروق در پروتکل T2W، عروق در این پروتکل به راحتی و با وضوح بالا دیده می شوند.
در تصویر چهارده در شش روزگی با پروتکل T2W به عروق روی کیسه زرده در گروه نطفه دار قابل مشاهده است. در روزهای بعد هم در پروتکل T1W عروق خونی بر روی زرده قابل مشاهده است. این عروق از شش روزگی به بعد در تمام تصاویر نطفه دار قابل تشخیص است و با بیشتر شدن سن جنین، عروق با وسعت و تعداد بیشتری مشاهده می شود. در روند تکوین جنین بلدرچین عروق خونی به کمک MRI در روز سه تشخیص داده شده است (16). با توجه به اختلاف طول دوره انکوباسیون بین بلدرچین و شترمرغ می توان مقداری از این اختلاف فاز تشخیصی را توجیه کرد. به هر حال از آنجایی که در مطالعه یاد شده تشخیص عروق خونی به کمک ماده حاجب و دستگاه MRI قویتری انجام شده است، طبیعتا امکان تشخیص زودتر عروق خونی وجود داشته است.
در این مطالعه در هشت روزگی جنین لاروی شکل تشخیص داده شد. جنین لاروی در بالای زرده و زیر اناقک هوا دیده شد. البته حضور جنین باتوجه به دانسیته تصویر و موقعیت لتبرا در سن شش روزگی تشخیص داده شد اما لاروی بودن جنین در تصاویر MRI مربوط به آن سن قابل تایید نبود.
در سن ده روزگی (تصویر بیست و یک) سر جنین و حفره حدقه چشم در تصویر قابل شناسایی است. در همین سن (تصویر بیست و دو) مقطع عرضی آمنیون قابل تشخیص است. البته در سن چهارده روزگی و در مقطع عرضی (تصویر بیست و پنج) تصویر بهتری از آمنیون دیده شد. در همین تصویر سر، چشم ها، گردن و تنه جنین قابل تفکیک است. عروق کوریوآلانتوئیس در سن چهارده روزگی (تصویر بیست و پنج) دیده می شود. این در حالی است که در مطالعات انجام شوده توسط Duce و همکاران در بررسی جنین بلدرچین به روش MRI نتایج نشان داده که آمنیون در روز پنجم انکوباسیون تخم، و جنین در روز سوم قابل مشاهده است (16).
منابع و مراجع
منابع و مراجعپوستی، ایرج و ادیب مرادی، مسعود. (1373) . بافت شناسی مقایسه ای هیستوتکنیک, انتشارات دانشگاه تهران.
ترکنژاد، احمد. (1379). ایران 1400 و ارزیابی چالش‏های غذایی جمعیت 110 میلیونی, نشریه بزرگمهر.
حمیدی، محمد سعید. (1380). مدیریت و اقتصاد پرورش شترمرغ در ایران, ناشر بین المللی شمس
دادرس، جبیب الله و منصوری، سید هادی. (1373). پرندگان، ساختار و فعالیت بدنی آنها. انتشارات دانشگاه شیراز.
ADDIN EN.REFLIST شریفی، علی. (1375). پرورش شترمرغ. کتابچه آموزشی اداری طیور بومی و سایر ماکیان., معاونت امور جهادسازندگی.
غفوری، علی، موسوی، مسعود. (1378). " مدیریت پرورش شترمرغ." انتشارات مرکز نشر سپر 1: 94-96.
قاضی، رضا ، رادمهر، بیژن ، رشیدی، هدایت الله. 1375.جنین شناسی حیوانات اهلی، مکانسم‏های رشد تکاملی و ناهنجاری ها. شیراز, انتشارات دانشگاه شیراز.
کیاست، محسن. (1379). "اهمیت غذایی یک ضرورت اجتناب ناپذیر." نشریه دامداران ایران 6: 38-47
مهدوی، مازیار. (1389). ام آر آی در یک نگاه (فشرده ای از تشدید مغناطیسی هسته ای و کار برد آن برای تکنولوژیست‏های رادیولوژی), آوند اندیشه شیراز.Franson, R. (1972). Anatomy and physiology of farm animal. Philadelphia, Lea & Febiger.Fraser, M. (2008). Avian embryology London, UK, Academic press.
Jon O. Cleary, M. M., Francesca C. Norris, Anthony N. Price, Sujatha A. Jayakody,, N. D. E. G. Juan Pedro Martinez-Barbera, David J. Hawkes, Roger J. Ordidge,, et al. (2011). "Magnetic resonance virtual histology for embryos: 3D atlases for automated high-throughput phenotyping." NeuroImage 54: 769–778.
Nagai, H., et al., (2011). "Embryonic Development of the Emu, Dromaius novaehollandiae." DEVELOPMENTAL DYNAMICS 240: 162–175.
Ruffins, S. W., M. Martin, et al. (2007). "Digital three-dimensional atlas of quail development using high-resolution MRI." ScientificWorldJournal 7: 592-604.
Sutton, D. (2003). A Textbook of Radiology and Imaging, Churchill Livingstone.
Suzanne Ducea, F. M., Monique Weltenc, Glenn Baggottd, Cheryll Tickleb and (2011). "Micro-magnetic resonance imaging study of live quail embryos during embryonic development." Magnetic Resonance Imaging 29 132–139.
Xiaojing Li, Jia Liu, et al. ( 2007). "Micro-magnetic resonance imaging of avian embryos." J Anat. 211(6): 798–809.

Abstract
This study aimed to investigate structural changes ostrich’s embryonated egg in the first half of embryonic period using MRI technique.
After primary assessment in choosing the type of MRI protocol, study began by 10 Canadian ostrich eggs.
In the present study we used 1.5 Tesla MRI device, similar studies done in chicken and quail eggs using 7 Tesla devices. This study carried on Kosar MRI Center in Imam Reza Hospital, Mashhad.
Different parts of ostrich embryonated eggs and developing organs observed in MRI pictures.
The observed organs include: shell, albumen, yolk, air sac, latebra, embryonic disc, embryo, amnion, embryo’s head, eye’s orbit and the body. We were also compare structural changes between embryonated and non-embryonated eggs.
Keyword: MRI, embryonated egg, ostrich, ostrich’s embryo
2411095-11811000

Shahid Bahonar University of Kerman
Faculty of Veterinary Medicine
144780013525500
investigate structural changes ostrich’s embryonated egg in the first half of embryonic period using MRI technique

user8270

V مولفه سرعت عمودی در راستای y
VF نسبت حجمی ذرات نانو به سیال
AR نسبت منظری ( (L/H
 چگالی
 نسبت انبساط حجمی
نسبت حجمی ذرات نانو به سیال
 نفوذ حرارتی
 ویسکوزیته سینماتیکی
 ویسکوزیته دینامیکی مولکولی
S جامد
L سیال
279409525000
فصل اولمقدمه330208445500
1-1 مقدمهانتقال حرارت به همراه تغییر فاز در بسیاری از پدیده‌های فیزیکی در کاربردهای مختلف صنعتی و غیرصنعتی اتفاق می‌افتد و برخی از پدیده‌های طبیعی در این زمینه عبارتند از: فرایند ذوب شدن برف، یخ زدن آب دریاچه‌ها و سوختن شمع. بعضی از پروسه‌های صنعتی که همراه با تغییر فاز هستند عبارتند از: جوشکاری و ریخته‌گری.
فرآیند انتقال حرارت به همراه تغییر فاز به خاطر کارهای انجام شده توسط استفان (Stefan) در سال 1889 به مسأله استفان معروف است.
در میان کاربردهای مربوط به فرآیند تغییر فاز، واحدهای ذخیره‌کننده انرژی حرارتی دارای اهمیت فراوان می باشند چرا که در اکثر پدیده‌های فیزیکی که به همراه تغییر فاز هستند، این فرآیند به صورت ناخواسته انجام می‌گیرد. مثلاً در صنعت ریخته‌گری اگر گرمای نهان آلیاژ کمتر باشد طبیعتاً انرژی، هزینه و زمان کمتری برای تولید نیاز خواهیم داشت ولی در واحدهای ذخیره‌کننده انرژی هدف استفاده از گرمای نهان ذوب در طول تغییر فاز می‌باشد به همین جهت در سال‌های اخیر واحدهای ذخیره‌کننده انرژی مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. ظرفیت بالای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی باعث می شود تا امکان ساخت ذخیره‌کننده‌های کوچک فراهم گردد و بتوان آن ها را به صورت فشرده تولید کرد این ویژگی باعث می‌شود تا استفاده از واحدهای ذخیره‌کننده انرژی در کاربردهای تجارتی که معمولاً با محدودیت ابعادی مواجهه هستند، استفاده فراوانی داشته باشد به عنوان نمونه می‌توان از سیستم های ذخیره کننده انرژی همراه با تغییر فاز جهت تأمین انرژی حرارتی در مناطق مسکونی استفاده کرد.
برای بیان دلیل استفاده از پروسه تغییر فاز جهت تامین انرژی می‌توان به این نکته اشاره کرد که یک کیلوگرم بتون می‌تواند حدود kJ/kg k 1 انرژی ذخیره کند در حالی که یک کیلوگرم Cacl2-6H2O مقدار 190 کیلو ژول انرژی را در طول تغییر فاز می توانند آزاد یا جذب نماید.
دانستن عوامل و پارامترهای موثر بر کارایی ذخیره‌کننده و توانایی تعیین میزان تاثیر این عوامل بر کارایی سیستم باعث می‌شود تا بتوان عمل ذخیره‌سازی و تخلیه انرژی را بهینه سازی‌ نمود .
امروزه با توجه به کمبود و رو به پایان بودن منابع انرژی فسیلی و مسئله آلودگی هوای ناشی از مصرف این مواد برای تامین انرژی، موضوع استفاده از انرژیهای جایگزین اهمیت بیشتری یافته است. در حال حاضر نفت، گاز و زغال سنگ 80 درصد از انرژی مصرفی جهان را تامین می‌کنند. مصرف انرژی در پنجاه سال گذشته بیشتر از مصرف انرژی در دو قرن پیش از آن بوده است. سازمان اطلاعات انرژی آمریکا پیش‌بینی کرده است، مصرف انرژی جهان تا سال 2030 درحدود 57 درصد افزایش خواهد یافت. با توجه به معضلات سوختهای فسیلی (آلودگی محیط زیست، منابع محدود و پایان‌پذیر، تجدید ناپذیری و تأثیر مستقیم سیاست بر آن) دنیا به انرژی‌های نو شامل خورشید، باد (برای ماشینهای بادی امروزی)، بیو انرژی، زمین گرمایی، هیدروژن، انرژی هسته‌ای و ... تمایل نشان داده است.
یکی از انرژی های نو انرژی خورشیدی می باشد که مهمترین موضوع در انرژی خورشیدی، جذب و ذخیره آن است. جذب انرژی خورشیدی توسط کلکتورهای مختلف برای اهداف متفاوتی از جمله: تولید برق، گرمایش آب، گرمایش فضا و ... صورت می‌گیرد. فراوانی و ارزان بودن انرژی در بعضی از ساعات شبانه روز از دلایل مهم ذخیره انرژی است. انرژی خورشیدی در روز به وفور یافت می‌شود ولی یکی از اشکالات مهم این انرژی عدم دسترسی به آن در شب می‌باشد که به کمک ذخیره انرژی می‌توان از این انرژی در ساعات نبود خورشید نیز بهره برد. در بعضی کشورها مثل چین که بیشتر از انرژی الکتریکی برای گرمایش منازل استفاده می‌شود، با توجه به ارزان بودن انرژی الکتریکی در روز و گران بودن تعرفه در شب حدود 5/1 برابر ( به دلیل ساعات اوج مصرف )، ذخیره انرژی از راهکارهای مهم به شمار می‌آید.
ذخیره انرژی به شکلهای مکانیکی، الکتریکی و حرارتی صورت می‌گیرد. ذخیره انرژی حرارتی به شکل محسوس (از طریق گرمای ویژه موادی مانند آب، زمین و ...) و نهان (از طریق تغییر فاز موادی مانند پارافین، هیدراتهای نمک و ...) انجام می‌گیرد، که در ادامه به بررسی انواع ذخیره های انرژی می پردازیم.
استفاده از ذرات نانو (با قطر کمتر از nm 50) و تأثیر ذرات نانو در مواد تغییر فاز دهنده (NEPCM) دریچه ای جدید برای پیشرفت تکنولوژی نوین در ترکیب مواد، بیو تکنولوژی، طراحی ابزار میکرو فلویدیک و … پیش روی محققین گشوده است.
سیالات معمول مورد استفاده برای انتقال حرارت و ذخیره انرژی دارای ضریب رسانش حرارتی پایین میباشند، در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بالاتر از سه برابر اینگونه سیالات میباشند. بنابراین استفاده از ذرات جامد فلزی در ابعاد نانو و ترکیب آنها با اینگونه سیالات برای افزایش ضریب رسانش حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان حرارتی بسیار مطلوب به نظر میرسد. که درادامه همین فصل به راه های افزایش ارتقای کارایی سیستم پرداخته خواهد شد.
1-2 نانو
پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است معادل لاتین این کلمه Dwarf است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردیوم است بنابراین یک نانومتر، m9-10است این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی، بهتر می توان حس کرد. یک تارموی انسان به طور متوسط قطری حدود 50000 نانو متر دارد. یک سلول باکتری، قطری معادل چند صد نانومتر دارد. کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیرمسلج اندازه ای حدود 10000 نانومتر دارند و فقط حدود 10 اتم هیدروژن در یک خط، یک نانومتر را می سازد.
در این بخش ضمن بررسی تعاریف مختلفی که از فناوری نانو وجود دارد به بیان مبانی، ساختار و اهمیت فناوری نانو و کاربرد های آن می پردازیم.
1-3 نانو تکنولوژی
به بیان ساده علم نانو اصول اولیه مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 1000 نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می نامیم. نانو تکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاههای با اندازه نانومتری است.
نانو تکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نو ظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
فناوری نانو یکی از مدرن ترین فناوری های روز دنیاست که دارای خصوصیاتی منحصر به فرد با کاربردهایی در تمام زمینه های علمی و فناوری است همین کاربردها وسیع فناوری نانو که از آن به عنوان ویژگی بین رشته ای بودن فناوری نانو یاد می شود عامل مهمی در فراگیر شدن این پدیده جدید است.
از طرفی توجه روزافزون بشر به این فناوری فقط ناشی از تازگی آن و کنجکاوی بشر برای دانستن آنچه نمی داند، نیست؛ بلکه؛ دلیل قابلیت های ویژه ای که این فناوری پیش روی انسان قرار میدهد و دست یابی به آنها جز از این راه ممکن نیست.
بیشتر محصولات نانو تکنولوژی در معرض آنالیز انتقال حرارت قرار می گیرند زیرا ملاحظات گرمایی همیشه قسمت مهمی از هر فرایند طراحی می باشد بعنوان مثال، همین طور که ابعاد مبدل در سفینه ها کوچکتر می شود از رابطه انتقال گرمای جدیدی در طراحی آن استفاده می شود. بزودی دانشمندان متوجه شدند که اطلاعات ماکروسکوپیک برای پیش بینی جریان و ویژگیهای انتقال حرارتی آن در مینی کانالهای و بدلهای کوچک قابل کاربرد نیست و رابطه جدیدی موردد نیاز است.
1-3-1 چرا «نانو» تکنولوژی؟شاید این سؤال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانومتری وجود دارد که یک تکنولوژیی بر پایه آن بنا نهاده شده است. آنچه باعث ظهور نانو تکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است.
این موضوع یکی از مهم ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو (نانو مواد) است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربردارند، نقض می شوند. برای مثال، یک سیم با اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی کنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چن اتم باشد، الکترونها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند. بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود.
1-4 تاریخچه نانو فناوری
50 سال پیش ریچارد نانیمن متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، در سخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان «آن پایین فضای بسیاری هست» به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت او فرض کرد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزسیتورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آزاد در مقابل دیگر به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی ممکن را ایجاد کنیم پس از بازگو شدن نظرات فانیمن جهان روندی به سوی کوچک شدن در پیش گرفت. در اواسط دهه 70، درکسلر که یک دانشجوی فارغ التحصیل و به نظریات فانیمن علاقه مند بود در سال 1980 میلادی درجه استادی خود را در رشته ی علوم کامپیوتر دریافت نمود و با جمعی از دانشجویان خود به پایه گذاری رشته جدید از مهندسی مولکولی اقدام کرد واین دفتررا «نانو فناوری» نامید.
1-5 کاربرد نانو سیالات
نانو تکنولوژی تقریباً تمام جنبه های زندگی بشر را تحت تأثیر قرار خواهد داد، از دارویی که مصرف می شود تا توان و سرعت رایانه ها، منابع انرژی مورد نیاز، غذایی که خورده می شود، ماشینی که رانده می شود، خانه ای که در آن زندگی می شود و لباسی که بر تن می شود و...
مسلماً پرداختن به توضیح تمام این کاربردها امری بسیار دشوار خواهد بود بنابراین مروری اجمالی و مختصر به برخی کاربردهای ویژه نانو مواد در دنیای نانو تکنولوژی می پردازیم:
● نانو سیالات می توانند برای محدوده وسیعی از کاربردهای صنعتی استفاده شوند، از انتقال گرما تا تولید انرژی و صنایع الکترونیک (خنک کاری چیپ های کامپیوتری و پایگاه های داده).
● در صنایع خودروسازی
- صنایع حمل و نقل تمایل زیادی برای کاهش اندازه و وزن سیستم انتقال گرمای وسیله نقلیه دارند.
- نانو سیالات می توانند انتقال گرمای خنک کننده ها (سیستم های خنک کاری و رادیاتورها) و روانکارها را افزایش دهند.
- استفاده از نانو سیالات باعث می شود تا 10% کاهش در مساحت سطح رادیاتور و در نتیجه 5% کاهش مصرف سوخت داشته باشیم.
- کاهش در اصطکاک و خوردگی باعث کاهش در اتلاف و در نتیجه کاهش مصرف سوخت می شود.
- در مبدل های گرما که از سیالات معمولی استفاده می کنند، قدرت پمپ باید تا 10 برابر شود تا اینکه رسانایی گرمایی تا 2 برابر زیاد شود ولی اگر از نانو سیالات (با فرض رسانای گرمایی تا 3 برابر سیال معمولی) استفاده شود نرخ رسانایی گرمایی بدون افزایش توان پمپ 2 برابر می شود.
●خنک کاری ابزارآلات دارای شار گرمایی بالا مانند لوله های میکروویوی با توان بالا.
● کاربردهای پزشکی
- به منظور روش جدیدی در درمان سرطان، نانو ذرات مغناطیسی در بیو سیالات می توانند بعنوان حامل های دارو یا تشعشع باشند.
- نانو ذرات مغناطیسی توان بیشتری را نسبت میکرو ذرات از میدان مغناطیسی AC پایدار در بدن انسان جذب می کند
- نانو ذرات چسبندگی بهتری به سلولهای سرطانی دارند تا سلولهای سالم. و...
● مولدهای برق
● نیروهای با توان بالا
● نانو سرامیک ها: سرامیک های نانو، سرامیک هایی هستند که اندازه دانه یا اجزای سازنده آنها در حد نانومتر است. سرامیک های نانو ساختار مستحکم تر و انعطاف پذیرتر از سرامیک های میکرو ساختار هستند.
این سرامیک ها به دلیل برخورداری از ویژگی های منحصر به فرد، در بسیاری از صنایع به عنوان مثال صنایع شیمیایی، صنایع الکترونیک و مخابرات از اجزای مهم محسوب می شوند.
● در سیستم های نانو الکترومکانیکی (MEMS): ابعاد نانومتری این سیستم ها باعث می شود که همه جا قابل استفاده بوده و به راحتی جایگزین شوند و به همین دلیل انرژی مصرفی فوق العاده کمی دارند و دقت بسیار زیادی نسبت به سیستم های معمول دارند.
1-6 روشهای ذخیره انرژی1-6-1 ذخیره انرژی به صورت مکانیکی این سیستم شامل ذخیره انرژی گرانشی، ذخیره توان آبی پمپ شده، ذخیره انرژی هوای فشرده شده و چرخ طیار می‌شود. ذخیره در زمانی که توان مورد نیاز کم می‌باشد، صورت می‌گیرد و در زمان احتیاج، از آن بهره برداری می‌شود.
1-6-2 ذخیره الکتریکیانرژی الکتریکی از طریق باتری ذخیره می‌شود. باتری با اتصال به منبع الکتریکی مستقیم شارژ می‌شود و در هنگام تخلیه انرژی شیمیایی آن به الکتریکی تبدیل می‌شود. کاربرد باتری در زمان افت توان و ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله توربین بادی یا فوتو ولتائیک می‌باشد. عمومی‌ترین نوع باتری‌های ذخیره سرب و می‌باشد.
1-6-3 ذخیره انرژی حرارتی
ذخیره انرژی حرارتی به صورت تغییر در انرژی درونی مواد به شکل محسوس، نهان و ترموشیمیایی یا ترکیبی از آنها می‌باشد. شکل (1-6) دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی را نشان می‌دهد.
1-6-3-1 ذخیره گرمای محسوسانرژی به وسیله افزایش دما در جامد یا مایع ذخیره می‌شود. مقدار ذخیره گرمایی به گرمای ویژه، تغییر دما و مقدار ماده بستگی دارد. آب به دلیل ظرفیت گرمایی بالا و ارزان بودن یکی از بهترین مواد برای این نوع ذخیره است. روغنها، نمکهای مذاب و فلزات مایع از دیگر موارد استفاده می‌باشند.
1-6-3-2 ذخیره گرمای نهاناین نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق تغییر فاز از جامد به مایع یا مایع به گاز یا برعکس انجام می‌شود.
1-6-3-3 ذخیره انرژی ترموشیمیایی
این نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق شکست و تغییر شکل پیوند مولکولی در واکنش شیمیایی کاملاً برگشت پذیر انجام می‌شود. مقدار ماده، نوع واکنش و میزان تغییر، بر گرمای ذخیره شده تأثیر مستقیم دارند.
در میان تکنیک‌های ذخیره گرمایی گفته شده، ذخیره انرژی به شکل نهان به دلیل چگالی بالای ذخیره انرژی و مشخصه‌های آن در ذخیره گرما در دمای ثابت به دلیل تغییر فاز، روشی قابل قبول تر می‌باشد. تغییر فاز می‌تواند به شکل: جامد ـ جامد، جامد ـ مایع، جامد ـ گاز، مایع ـ گاز و برعکس باشد. در تغییر فاز جامد ـ جامد، گرما در تغییر از یک نوع کریستال به نوع دیگر ذخیره می‌شود. این تغییرات عموماً انرژی نهان کم و تغییر حجم کوچکی نسبت به تغییر فاز جامد ـ مایع دارند. مهمترین مواد در این نوع تغییر فاز، محلول جامد آلی پنتا اریتول (323= انرژی نهان و188= نقطه ذوب)، پنتا گلیسرین (216= انرژی نهان و81= نقطه ذوب)، سولفات لیتیم (214= انرژی نهان و 578= نقطه ذوب) و(135= انرژی نهان و 196= نقطه ذوب) می‌باشد.
551815126365ذخیره انرژی حرارتی
00ذخیره انرژی حرارتی

4609465321945009042403124200025330153124200089471531242000279019014097000
365696588265شیمیایی
00شیمیایی
77089078740گرمایی
00گرمایی

2990215319405گرمای شیمیا یی خط لوله
00گرمای شیمیا یی خط لوله
4609465361950012757153619500
2995295241300گرمای واکنش
00گرمای واکنش
429514069850001532890365760گرمای نهان
00گرمای نهان
337820365760گرمای محسوس
00گرمای محسوس
7708902133600018853152133600077089021336000
3004820162560پمپ گرمایی
00پمپ گرمایی
4295140293370004295140-19050023901403035300065659030289500
4161790229235جامد - جامد
00جامد - جامد
344741586360002999740238760مایع - گاز
00مایع - گاز
1919605238760جامد - مایع
00جامد - مایع
21139158636000487616586360003228340838200021139158636000875665227330جامدات
00جامدات
418465850900012376158445500151765237490مایعات
00مایعات
4184658445500


شکل 1-1 دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی
تغییر فاز جامد ـ گاز و مایع ـ گاز دارای گرمای نهان بیشتری هستند ولیکن تغییر فاز جامد ـ مایع به دلیل تغییر حجم کمتر در خلال تغییر فاز، کاربرد بیشتری نسبت به جامد ـ گاز دارد. انتقال انرژی گرمایی در هنگام تغییر فاز از جامد به مایع و یا بالعکس صورت می‌گیرد. مواد تغییر فاز دهنده در دمای تقریباً ثابتی در تغییر فاز، گرما جذب و یا آزاد می‌کنند. این مواد مقدار انرژی بیشتری (4 تا 5 برابر) نسبت به مواد ذخیره انرژی محسوس، ذخیره می‌کنند.
مواد تغییر فاز دهنده به تنهایی برای انتقال گرما کافی نیستند، برای استفاده از این مواد به یک مبدل حرارتی بین منبع و ماده تغییر فاز دهنده نیاز است. این موضوع به علت پایین بودن ضریب پخش مواد تغییر فاز دهنده است.
1-7 ویژگیهای سیستم ذخیره نهانهر سیستم ذخیره نهان حداقل بایستی سه مؤلفه زیر را دارا باشد:
مواد تغییر فاز دهنده مناسب با نقطه ذوب معین در رنج دمایی مطلوب
سطح انتقال حرارت مناسب
محفظه مناسب سازگار با مواد تغییر فاز دهنده
1-8 ویژگیهای مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده مورد استفاده در طرح ذخیره حرارتی بایستی دارای خواص شیمیایی، جنبشی و ترموفیزیکی مناسبی باشد که در زیر به آن اشاره می‌شود:
خواص حرارتی:
دمای تغییر فاز مناسب با توجه به نوع کاربرد
گرمای نهان بالا
ضریب انتقال حرارت خوب
خواص فیزیکی:
تعادل فازی مطلوب
چگالی بالا
پایین بودن تغییر حجم
فشار بخار پایین
خواص جنبشی:
عدم فوق تبرید
نرخ کریستالیزه شدن مناسب
خواص شیمیایی:
پایداری شیمیایی
سازگاری با ساختار مواد
غیر سمی
غیر قابل اشتعال
ویژگی‌های اقتصادی:
در دسترس بودن
هزینه پایین
1-9 معرفی مواد تغییر فاز (PCM)
PCM ها حالت خاصی از جامد - مایع ها نامیده می شوند و محلول هایی می باشند که برای کنترل حرارت به کار می روند. این مواد به دلیل اینکه گرمای نهان در حالت انتقال جامد به جامد و یا مایع به مایع خیلی کمتر از گرمای نهان در حالت جامد به مایع (ذوب) می باشند، در سال های اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته اند.
1-10 دسته‌بندی مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به سه دسته آلی، غیرآلی و اوتکتیک تقسیم‌بندی می‌شوند (شکل1-2).
1-10-1 مواد تغییر فاز دهنده آلی
مواد آلی به دو دسته پارافین ها و غیرپارافین ها تقسیم بندی شده‌اند. مواد آلی دارای ذوب متجانس (همگون)، تشکیل دهنده هسته و همچنین برای موادی که به عنوان پوشش آنها به کار می‌روند خورنده نیستند. مواد تغییر فاز دهنده آلی که برای گرمایش و سرمایش ساختمانها به کار می‌روند دارای نقطه ذوب 32-20 درجه سانتی‌گراد هستند.
485140208915مواد تغییر فاز دهنده
00مواد تغییر فاز دهنده
3304540109220ترکیبات پارافین
00ترکیبات پارافین
1932940385445آلی
00آلی
26187403187700095186519494500
3304540189865ترکیبات غیر پارافین
00ترکیبات غیر پارافین
26187402279650095186510414000
3342640299720هیدرات های نمک
00هیدرات های نمک

95186533718500264731511366500951865332740001951990161290غیر آلی
00غیر آلی
3342640380365فلزات
00فلزات

26473151841500
3314065189865آلی -آلی
00آلی -آلی
264731536131500
3314065118745غیر آلی – غیر آلی
00غیر آلی – غیر آلی
2647315290195001961515137795اوتکتیک
00اوتکتیک
96139030924500
332359047625آلی – غیر آلی
00آلی – غیر آلی
26473155715000
شکل 1-2 دستهبندی مواد تغییر فاز دهنده
1-10-1-1 پارافینهاپارافین شامل ترکیبی از زنجیره مستقیم است. کریستالیزه شدن این زنجیره باعث آزاد شدن مقدار زیادی گرمای نهان می‌شود. با افزایش طول زنجیره، نقطه ذوب و گرمای نهان افزایش می‌یابد. پارافین به دلیل قابل دسترس بودن در محدوده وسیعی از دمای ذوب، یکی از بهترین انتخابها به عنوان مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی است. به علت ملاحظات اقتصادی، فقط پارافین‌های با خلوص صنعتی، قابلیت استفاده به عنوان مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای ذخیره گرمایی نهان را دارند. پارافین ایمن، قابل اطمینان، قابل پیش‌بینی، غیر خورنده و دارای هزینه کمتری می‌باشد. پارافین در دمای کمتر از500 درجه سانتی‌گراد، از نظر شیمیایی خنثی و پایدار است، تغییرات حجم کمی در ذوب و فشار بخار پایینی در حالت ذوب دارد. پارافین‌ها به دلیل خواصی که در بالا گفته شد، معمولاً دارای سیکل انجماد ـ ذوب طولانی هستند. علاوه بر خواص فوق، ذوب متجانس و تشکیل دهنده هسته، دو ویژگی مهم پارافین‌ها می‌باشد. از اشکالات پارافین می‌توان به ضریب رسانش پایین، کمی اشتعال‌پذیر و ناسازگاری با محفظه پلاستیکی اشاره کرد، این اشکالات با کمی تغییر در واکس پارافین و واحد ذخیره برطرف می‌شود. در جدول (1-1) لیستی از پارافین های منتخب با نقطه ذوب و گرمای نهان ارائه شده است. پارافین‌ها از نظر پیشنهاد برای طرحها به سه دسته (I) خوب، (II) متوسط، (III) ضعیف دستهبندی شده‌اند.
جدول 1-1 نقطه ذوب و گرمای نهان پارافین‌ها

1-10-1-2 غیر پارافین‌هاغیرپارافین‌های آلی شامل تعداد بیشماری مواد با خواص متغیر هستند. برخی محققین، تحقیق وسیعی برروی مواد آلی انجام داده‌اند و سرانجام تعدادی از استرها، اسیدهای چرب، الکل و گلیکول را برای ذخیره انرژی مناسب دانستند. برخی خصوصیات این مواد عبارتند از: گرمای نهان بالا، اشتعال‌پذیر، ضریب رسانش پایین، نقطه اشتعال پایین، مقدار سمی بودن مختلف و ناسازگاری در دماهای بالا. جدول (1-2) برخی از غیرپارافین‌های آلی را ارائه کرده است.
جدول 1-2- نقطه ذوب و گرمای نهان غیر پارافین‌ها

1-10-2 مواد تغییر فاز دهنده غیرآلیموادمواد غیرآلی به هیدراتهای نمک و فلزات تقسیم بندی می‌شوند. ترکیبات غیرآلی گرمای نهان بالایی در واحد جرم و حجم دارند، از نظر هزینه، ارزان قیمت هستند و در مقایسه با ترکیبات آلی اشتعال ناپذیرند. به هر حال این مواد دارای مشکلات تجزیه و فوق تبرید (که برروی خواص تغییر فاز تأثیر دارند) می‌باشند.
1-10-2-1 هیدراتهای نمکفرمول عمومی هیدراتهای نمک به صورت می‌باشد. انتقال فاز جامدـ مایع هیدراتهای نمک، در واقع آب زدایی از این ماده است. هیدراتهای نمک گروه بسیار مهمی از مواد تغییر فاز دهنده هستند که دارای خصوصیات زیر می‌باشند: گرمای نهان بالا در واحد حجم، رسانش حرارتی نسبتاً بالا، تغییرات کم حجم در هنگام ذوب، کمی سمی، ذوب متجانس، اختلاف چگالی آب و ماده ترکیبی با آن (که باعث ته‌نشین شدن در انتهای محفظه می‌شود) و تشکیل هسته ضعیف که باعث فوق تبرید می‌شود. جدول (1-3) لیستی از هیدراتهای نمک را ارائه می‌کند.
1-10-2-2 فلزاتاین دسته از مواد شامل فلزات با ذوب پایین و فلزات اوتکتیک می‌شود. این فلزات به دلیل مشکل وزن، در تکنولوژی مواد تغییر فاز دهنده چندان جدی گرفته نشده‌اند. گرمای نهان بالا در واحد حجم و رسانش حرارتی بالا از خصوصیات این مواد است. در جدول (1-4) لیستی از این مواد ارائه شده است.
1-10-3 اوتکتیکهااوتکتیک ترکیبی از دو یا چند عنصر با حداقل ذوب می‌باشد. اوتکتیکها تقریباً همیشه بدون آنکه تجزیه شوند فرآیند ذوب و انجماد را طی می‌کنند. جدول (1-5) لیستی از اوتکتیکها را ارائه می‌کند.
1-11 کپسوله کردن مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به دو روش کپسوله می‌شوند: ماکرو کپسوله و میکرو کپسوله. در روش اول مواد تغییر فاز دهنده در لوله، کیسه، کره، صفحات و یا اجزای ساختمان بسته‌بندی می‌شود. ماکرو کپسوله‌ها دارای معایب، خرابی، نیاز به محافظت، ضریب انتقال حرارت ضعیف در حالت جامد و هزینه بالا می‌باشند. در روش دوم ذرات ریز مواد تغییر فاز دهنده با فیلم پلیمری با وزن مولکولی بالا (که بایستی سازگار با ساختار ماده ومواد تغییر فاز دهنده باشد) مخلوط می‌شود. میکرو کپسوله‌ها معایب ماکرو کپسوله‌ها را تا حد زیادی بر طرف کرده‌اند.
جدول 1-3- نقطه ذوب و گرمای نهان هیدراتهای نمک
118745-19685
00

جدول 1-4- نقطه ذوب و گرمای نهان فلزات
جدول 1-5- نقطه ذوب و گرمای نهان اوتکتیکها

1-12 سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی1-12-1 سیستم‌های گرمایش آب خورشیدیآب در طول روز توسط انرژی خورشیدی به دست آمده از طریق کلکتور گرم می‌شود، گرما از آب به مواد تغییر فاز دهنده منتقل شده و از جامد به مایع تغییر فاز می‌دهد. در ساعاتی که خورشید وجود ندارد، گرمای ذخیره شده در مواد تغییر فاز دهنده به آب منتقل و از مایع به جامد تغییر فاز می‌دهد.
1-13 کاربردهای مواد تغییر فاز دهنده در ساختمانکاربرد مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان دو هدف عمده را دنبال می‌کند:
استفاده از گرمای طبیعی ( انرژی خورشیدی) به منظور گرمایش در شب زمستانی و سرمایش در شب تابستانی
استفاده از منابع گرمایی یا سرمایی ساخت بشر
سه راه مختلف برای استفاده از مواد تغییر فاز دهنده برای گرمایش یا سرمایش ساختمان عبارتند از:
مواد تغییر فاز دهنده در دیوارهای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در دیگر اجزای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در واحدهای ذخیره سرما و گرما
دو سیستم غیر فعال اول، گرما یا سرما ذخیره شده را وقتی که دمای داخل یا خارج بیشتر یا کمتر از نقطه ذوب می‌شود، به صورت خود به خود آزاد می‌کند. در سیستم سوم که گرما یا سرمای ذخیره شده به صورت کاملا ایزوله از ساختمان نگهداری می‌شوند، سیستمی فعال است. بنابراین در این سیستم فقط از گرما یا سرمای ذخیره شده مورد نیاز استفاده می‌شود (برخلاف دو سیستم قبلی که به شکل خود به خود و اتوماتیک استفاده می‌شد). با توجه به مکان ونوع وسیله مواد تغییر فاز دهنده به کاربرده شده، از مواد تغییر فاز دهنده با نقطه ذوب مطلوب استفاده می‌شود. بازار برای مواد تغییر فاز دهنده تجاری مورد نیاز در محدوده نقطه ذوب 25-5 درجه سانتی‌گراد دچار کمبود است، خصوصاً بین محدوده دمایی 20-15 درجه سانتی گراد که محصولات آنتالپی پایینی دارند. اغلب مواد تغییر فاز دهنده اصلی در محدوده 25-22 درجه سانتیگراد هستند که مورد قبول متخصصان در سیستمهای غیرفعال در ساختمان است.
1-14 کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در دیگر زمینه هاکاربرد در زمینه مواد غذایی
حفظ دمای غذا در فاصله بین تولید و سرو کردن، از مشکلات عمده تولیدکنندگان مواد غذایی است که کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در این زمینه مشکلات عمده حفظ دمای غذا را تا لحظه تحویل حل می‌نماید.
کاربرد در زمینه پزشکی- دارویی
در روزهای گرم تابستانی، هنگامی که ذخیره خون در بیمارستان به شدت کاهش می‌یابد، خیلی از بیمارستانها نیاز به تهیه خون از بانکهای خون دوردست دارند. در حال حاضر انتقال خونهای مورد نیاز توسط سیستمهای بسیار مجهز و پیچیده‌ای که باعث ایجاد حفظ دمای خون در محدوده خاصی می‌شوند، حمل‌ونقل می‌شوند. قیمت تمام شده این سیستم بسیار بالا می‌باشد و در صورت یخ ‌زدگی یا گرمایش بیش از حد، خون فاسد و غیرقابل استفاده می‌شود. با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده با محدود کردن دمای خون در محدوده مجاز، می‌توان با هزینه کم عمل انتقال خون از بانک به بیمارستان را صورت داد.
خنک‌سازی کامپیوترهای لپ‌تاپ
خنک‌سازی فضای داخلی کلاه‌کاسکت
کاربردهای فضایی در خارج جو زمین
1-15 تکنیکهای افزایش کارایی سیستم ذخیرهساز انرژیبمنظور ارتقای کیفیت یک سیستم ذخیره انرژی، تکنیکهای متنوع و گوناگونی مورد استفاده قرار میگیرد. این تکنیکها عبارتند از:
استفاده از سطوح گسترش یافته (نصب فین)
استفاده از شبکهای از PCMها (چند PCM)
افزایش هدایت حرارتی PCM
میکروکپسوله کردن PCM
1-15-1 استفاده از سطوح گسترش یافتهفینها، سطوح گسترش تافتهای هستند که برای مهیا کردن سطح اضافه برای تبادل حرارت در سیستمهای حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند. پیش از آنکه به بحث پیرامون اثر استفاده از فین در سیستمهای ذخیره کننده انرژی بپردازیم، لازم است این نکته یادآوری شود که اساساً دو نوع سیستم ذخیرهساز از این منظر مطرح میباشد. در یک نوع از سیستمها، تبادل انرژی میان محفظه حاوی PCM و یک سیال انتقال دهنده انرژی که به اختصار HTF نامیده میشود، صورت میگیرد مانند سیستمهای ذخیره ساز انرژی خورشیدی. اما نوع دیگر مربوط به سیستمهای فاقد سیال تبادل کننده انرژی بوده و در واقع منبع انرژی شرایط مرزی خاص در دیواره محفظه میباشد (دیوار دما ثابت یا شار ثابت)، مانند محفظه سرمایش سیستمهای الکتریکی. طبیعتاً در سیستمهای نوع دوم (فاقد HTF)، فین در سمت PCM نصب میگردد ولی برای سیستمهای نوع اول (حاوی PCM)، محل نصب فین عموماً به ضریب انتقال حرارت وابسته است. در اکثر سیستمها، سمت حاوی PCM دارای ضریب انتقال حرارت کمتر از سمت HTF بوده و بهمین دلیل عموماً فینها در سمت PCM نصب میگردد.
1-15-2 استفاده از شبکهای از PCMها در سیستمبکارگیری تعدادی PCM با خصوصیات نزدیک بهم در سیستمهای ذخیرهساز انرژی بعنوان تکنیک جالب توجهی برای ارتقای این سیستمها مطرح میباشد. اساس این تکنیک استفاده از چند PCM با دمای تغییر فاز متفاوت بطور همزمان و بصورت مجزا از هم در سیستم میباشد. همانطور که میدانیم، نرخ انتقال حرارت در سیستم و در نتیجه کارایی سیستم قویاً وابسته به اختلاف دمای سیال انتقال دهنده حرارت (HTF) و نقطه ذوب PCM میباشد. از آنجایی که این اختلاف دما در جهت جریان کاهش مییابد، در سیستمهای حاوی یک PCM، نرخ انتقال حرارت و راندمان سیستم با کاهش روبهروست. حال اگر از چند PCM و با ترتیب خاص در سیستم استفاده شود، این آرایش PCMها میتواند منجر به اختلاف دمایی تقریباً ثابت در جهت جریان گردد (هر چند دمای HTF در جهت جریان تغییر میکند)، که این خود منجر به انتقال حرارتی تقریباً ثابت PCM میگردد. همچنین انتقال حرارت ثابت از PCM به HTF نیز در این آرایش امکانپذیر میباشد. (شکل1-3) چیدمان اساساً بنحوی اعمال میگردد که اختلاف دمای HTF و PCM در جهت جریان تقریباً ثابت بماند، لذا در حین مرحله شارژ، همانگونه که در شکل نشان داده شده است، چیدمان PCMها در جهت کاهشی برای نقطه ذوب PCMهاست. که طبیعتاً در مرحله دشارژ جهت عکس بمنظور بهرهمند شدن از این ویژگی سیستم باید انتخاب گردد.

شکل1-3- سیستمهای حاوی چند PCM1-15-3 افزایش هدایت حرارتی PCMاگرچه PCMهای مرسوم معمولاً دارای دانسیته بالایی هستند، اما نرخ پایین ذوب و انجماد، پتانسیل سیستمهای ذخیرهساز انرژی را در کاربردهای خاص کاهش میدهد. علت این امر آنست که تقریباً همه PCMهای مرسوم و متداول دارای هدایت حرارتی پایین میباشند. اساساً هدایت حرارتی PCMها میتواند با بکارگیری مواد با ضریب هدایت بالا، افزایش یابد. این افزایش ضریب هدایت حرارتی با افزودن مواد با هدایت بالا به روشهای مختلفی میتواند صورت پذیرد. این روشها عبارتند از:
اشباع سازی مواد متخلخل با هدایت حرارتی بالا در PCM
پخش نمودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در PCM
جاسازی ترکیبات و ساختارهای فلزی در PCM
استفاده از مواد با ضریب هدایت بالا و دانسیته پایین
استفاده از کامپوزیت گرافیتی در PCM اگرچه منجر به افزایش کارایی سیستم میشود ولی به نوبه خود دارای محدودیتهایی است که پژوهشگران را بر آن داشت که بدنبال راه حلهای دیگری نیز باشد. این محدودیتها مربوط به پروسه تولید این کامپوزیتهای گرافیتی است که زمانبر و نیز هزینهبر میباشد. از اینرو بعضی از محققین در چند سال اخیر به دنبال راه حلی برای این مشکل بودهاند. آنها دریافتند که با افزودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در مقیاس میکرو و نانو در PCM، خواص ترمودینامیکی PCM ارتقا یافته و منجر به افزایش راندمان سیستم میشود. که در این پژوهش به بررسی این اثر پرداخته شده است. جاسازی ساختار فلزی در محفظه PCM بعنوان تکنیکی برای افزایش هدایت حرارتی ماده تغییر فاز دهنده مطرح میباشد. در این تکنیک از یک کره فلزی و یا لوله استوانهای (و یا سایر اشکال) استفاده شده و با قرار دادن آن در محفظه PCM مشاهده میگردد که زمان تغییر فاز به طرز چشمگیری کاهش مییابد و در نتیجه بازده سیستم افزایش قابل توجهی خواهد یافت (شکل1-4). ذرات و ترکیبات فلزی بعات دانسیته بالا ممکن است به پایین سیستم تهنشین شده و نیز موجب افزایش قابل توجه وزن سیستم میشود. علاوه بر آن، تحقیقات محققین نشان داده است که همه فلزات با کلیه PCMها سازگار نیستند. بعنوان مثال، ذرات آلومینیوم با پارافین سازگار بوده، در حالی که نیکل با پارافین سازگاری ندارد. همین مسائل موجب گردید که محققان بدنبال موادی با دانسیته پایین و هدایت حرارتی بالا باشند که با همه PCMها سازگار باشد.
از آنجایی که دانسیته فیبرهای کربنی از فلزات کمتر بوده و هدایت حرارتی آن تقریباً معادل هدایت حرارتی مس و آلومینیوم است، استفاده از آن بعنوان راهحلی جالب توجه برای افزایش کارایی سیستم ذخیرهکننده انرژی پیشنهاد میگردد. علاوه بر آن فیبرهای کربنی دارای مقاومت به خوردگی بوده و در نتیجه قابلیت سازگاری با اکثر PCMها را دارا میباشد. نکته حائز اهمبت در استفاده از فیبرهای کربنی در سیستم، توزیع یکنواخت ذرات فیبر کربن میباشد. مطالعات نشان میدهد سیستمهایی که در آن ذرات فیبر کربن بصورت یکنواخت در PCM توزیع شده، کارایی به مراتب بیشتری نسبت به حالتی که توزیع، تصادفی و غیریکنواخت باشد از خود نشان میدهد.

شکل1-4- ساختارهای فلزی مورد استفاده در سیستم ذخیرهسازی انرژی1-15-4 میکروکپسوله کردن PCMیکی از راهها برای افزایش نرخ انتقال حرارت بین PCMو چشمه یا چاه حرارتی، استفاده از PCMهای کپسوله شده میباشد. همانگونه که از اسم این مواد پیداست، PCMهای میکروکپسوله در واقع PCMهایی هستند که به حالت مایع یا جامد ودر ابعاد میکرو توسط پوسته و غشای نازکی محصور گشته است. این پوستهها میتواند از جنس بسیاری از مواد از جمله پلیمرهای طبیعی و مصنوعی باشد. میکروکپسوله کردن PCMها میتواند از دو طریق شیمیایی مانند روش تودهای، و فیزیکی مانند روش اسپری خشک انجام پذیرد. (شکل1-5) میکروکپسولههای بدست آمده از روشهای حرارتی کارایی و عملکرد بهتری نسبت به PCMهای رایج از خود نشان میدهند. علت این امر آنست که ذرات کوچک PCM در این حالت سطح انتقال حرارت بیشتری در واحد حجم و در نتیجه نرخ انتقال حرارت بیشتری دارند. علاوه بر این، PCMهای میکروکپسوله شده خواص ممتاز دیگری را نیز دارا میباشند که آن، واکنشپذیری بسیار پایین PCM با مواد جداره محفظه و توانایی تحمل تغییر حجم در خلال تغییر فاز میباشد

شکل1-5: نمونهای از میکروکپسوله PCM، (a) روش اسپری خشک، (b) روش تودهای279409525000
فصل دومپیشینه موضوع و تعریف مسئله330208445500
2-1- مقدمهدر این فصل ابتدا به معرفی روشهای حل جریان نانوسیال و معرفی عدد نادسن به عنوان معیاری برای تشخیص پیوسته و یا ناپیوسته بودن نانوسیال معرفی میگردد. سپس به بررسی پارامترهای مختلف بر انتقال حرارت در نانوسیالات و معرفی انواع نانو ذرات می پردازیم. در ادامه به معرفی روش‌های عددی مدلسازی جریان نانوسیال همراه با مروری بر تحقیقات تجربی و عددی انجام شده در این زمینه پرداخته خواهد شد. سپس تحقیقات انجام شده در زمینه مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای مختلف انرژی به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در پایان مسئله مورد بررسی در این تحقیق تشریح می گردد.
2-2- روشهای مدلسازی جریان نانوسیالبطور کل جریان سیالات را به دو صورت لاگرانژی و اویلری می توان حل نمود. در حل اویلری سیال پیوسته در نظر گرفته شده و در نتیجه معادلات پیوستگی و ناویر- استوکس در آن حاکم میباشد. در این حالت میتوان محیط را به حجمهای کنترل ماکروسکوپی فرضی تقسیم نمود که خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل ثابت فرض شده و از هر حجم کنترل به حجم کنترل دیگر تغییر میکند. بنابراین معادلات پیوستگی و ممنتوم ناویراستوکس در هر حجم کنترل صادق میباشد. در این حالت به دلیل نوسانات کم ملکولی خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل به صورت میانگین خواص ملکولهای آن حجم کنترل تعریف میشود. به عبارت دیگر برای برقراری فرض پیوستگی نوسانات میکروسکوپی یا ملکولی سیال نباید مهمتر از مقادیر متوسطگیری شده باشند. بنابراین حجم کنترل فرضی باید به اندازهی کافی بزرگ باشد تا بتوان نوسانات میکروسکوپی را نادیده گرفت و از طرفی باید به اندازهی کافی کوچک باشد تا از تغییرات ماکروسکوپی خارج نشود (شکل 2-1). در شکل (2-1) در حجم کنترل مشخص شده بدلیل محدود بودن نوسانات مولکولی در حجم کنترل، میتوان سیال را پیوسته در نظر گرفت.
شکل 2-1- نمونهای از حجم کنترل (ناحیه سایهدار) که در آن فرض پیوستگی برقرار است
در حل لاگرانژی به دلیل نوسانات زیاد ملکولی سیال نمیتوان محیط را پیوسته در نظر گرفت در این حالت نمیتوان یک حجم کنترل فرضی که متشکل از هزاران ملکول سیال است در نظر گرفت بلکه هر ملکول خواص مکانیکی و ترمودینامیکی جداگانه ای دارد و در نتیجه معادلات باید برای هر ملکول بطور جداگانه نوشته شود. به عبارتی هر ملکول یک حجم کنترل بوده و بنابراین باید معادلات را برای هر ملکول حل نمود. بدیهی است که حل معادلات پیوستگی (حل اویلری) بسیار سادهتر از حل ملکولی (حل لاگرانژی) است. به عنوان مثال برای جریان هوا درون یک کانال در مقیاس ماکروسکوپی برای حالتی که سرعت ماکروسکوپی از 0 تا m/s1 تغییر میکند، می توان جریان را موازی با محور کانال فرض کرد اما در این حالت سرعت ملکولهای سیال از مرتبهی km/s1 است که در هر جهتی ممکن است باشد.
هر حجم کنترل در حالت ماکروسکوپی شامل هزاران ملکول سیال است. در این حالت برای هر حجم کنترل فقط یک دسته معادله پیوستگی، ممنتوم و انرژی استفاده خواهد شد اما در حالت میکروسکوپی برای حل جریان به تعداد ملکولهای سیال معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی نیاز است. با افزایش تعداد معادلات قدرت رایانه مورد نیاز برای حل و همین طور زمان محاسبه بالا میرود بطوریکه حل میکروسکوپی با استفاده از روشهای CFD هزینه و تکنولوژی بالایی نیاز دارد و نیازمند ابر رایانههای بسیار پرقدرتی میباشد. هر چند روشهای جدیدی مانند LBM بوجود آمدند که قادر به حل میکروسکوپی جریان میباشند اما این روشها هنوز دارای نواقص زیادی هستند و توانایی حل بسیاری از جریانها را ندارند.
برای تشخیص پیوسته یا ناپیوسته بودن جریان معیاری به نام عدد نادسن وجود دارد که به صورت زیر تعریف میشود:
(2-1)
در عبارت فوق، متوسط فاصله بین ملکولهای سیال و طول مشخصهی هندسه مورد تحلیل است. رژیم جریان بر اساس عدد نادسن به چهار دسته تقسیم خواهد شد. این چهار دسته عبارتند از:
1- برای ، در این حالت جریان پیوسته بوده و شرط مرزی عدم لغزش برقرار میباشد. در این حالت استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد
2- برای ، در این حالت نیز جریان پیوسته بوده اما شرط مرزی عدم لغزش برقرار نیست و جریان از نوع جریان لغزشی میباشد. در این حالت نیز استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد.
3- برای ، در این حالت جریان از نوع جریان انتقالی میباشد. در این نوع از جریانها استفاده از معادلات ناویراستوکس چندان قابل قبول نبوده و دارای خطا میباشد. هر چند برخوردهای بین مولکولی سیال هنوز چندان قابل اغماض نبوده و باید به حساب آید.
4- برای ، در این حالت جریان یک جریان مولکولی است. در این حالت برخوردهای بین مولکولی سیال در مقایسه با برخوردهای بین ملکولهای سیال و دیواره ناچیز است.
در شکل (2-2) مدلهای جریان مربوط به عدد نادسن بطور خلاصه ارائه گردیده است.

شکل 2-2- رژیمهای جریان گاز بر پایهی عدد نادسن.2-3- منطق وجودی نانو سیالاتبررسی دقیق خصوصیات گرمایی همه مایعات خنک کننده ای که امروزه به عنوان سیال انتقال گرما استفاده می شوند، رسانایی گرمایی ضعیفی را نشان می دهند (بجز فلزات مایع که در اکثر محدوده های دمایی قابل استفاده نیستند). برای مثال آب در هدایت گرمایی 3 بار ضعیفتر از مس است مشخص است که همه تلاشها برای افزایش انتقال گرما بوسیله آشفته سازی، افزایش سطح و...، بوسیله محدودیت های ذاتی رسانایی گرمایی محدود می شود.
بنابراین می تواند منطقی باشد که تلاشهایی برای افزایش رفتار رسانایی گرمایی سیالات خنک کننده انجام شود. استفاده از مخلوطهایی معلق از جامدها یکی از راههایی است که بیش از یک قرن گذشته به ذهن آمده است. ماکسول ]1[ پایه گذار این زمینه بود که تئوری پایه را برای محاسبه رسانایی گرمایی موثر مخلوط های معلق ارائه داد. تلاشهای او بوسیله مطالعات تجربی و تئوری زیادی مانند کارهای همیلتون و کراسر ]2[ و واسپ ]3[، پیکری شد. این مدلها برای پیش بینی رسانایی گرمایی تعلیق ها بسیار خوب کار می کنند. با این حال، همه این مطالعات به تعلیق ذرات در ابعاد میکرو و میلی محدود می شوند، و یک چنین تعلیق هایی نارساییهای زیر را بدنبال دارند:
1- ذرات به سرعت نشست می کنند، تشکیل لایه ای بر روی سطح می دهند و ظرفیت انتقال حرارت سیال را کاهش می دهند.
2- اگر نرخ چرخش سیال افزایش یابد، ته نشین شدن کاهش می یابد ولی خوردگی ابزارهای انتقال گرما، لوله ها و... به سرعت افزایش می یابد.
3- با اندازه بزرگ ذرات تمایل به گرفتگی در مسیر جریان کانال افزایش می یابد.
4- افت فشار در سیال بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.
بنابراین مسیر بوجود آمدن ذرات معلق درون سیال به خوبی مشخص شد ولی در کل گزینه قابل قبولی برای کاربردهای انتقال گرما نمی باشد. تکنولوژی مواد جدید فرصتی را فراهم کرده است تا ذراتی در ابعاد نانومتری را تولید کنیم که کاملاً درخصوصیات اپتیکی، الکتریکی، گرمایی و مکانیکی با مواد اولیه متفاوت هستند.
تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [4] و سپس چویی همکارانش [5] ایده نانوسیال را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. به منظور افزایش انتقال گرمای جابجایی، محققان ذرات در ابعاد نانو (ذرات جامد کوچکتر از nm100) را به سیال اضافه کردند.
این تکنیک افزایش قبلاً با میکروذرات معلق در سیال برای افزایش انتقال گرما در میکرو و میلی کانالها استفاده شده است. نانو ذرات نسبت سطح به حجم 1000 برابر بزرگتر از میکرو ذرات دارند و گرما را بسیار مؤثرتر می توانند انتقال دهند. چویی و همکارانش [5] نشان دادند که اضافه کردن نانو ذرات، به سیال پایه می تواند نرخ انتقال گرمای سیال را 2 برابر کند، زیرا این ذرات رسانایی گرمایی بیشتری نسبت به سیال پایه دارند. چیزی که باعث جذابیت نانو ذرات به عنوان کاندید احتمالی برای درست کردن مخلوطی از ذره ها با سیالات می شود، این است که آنها مساحت سطح زیادی دارند، مومنتم ذرات کم است، و قابلیت حرکت بالایی دارند.
وقتی ذرات بطور مناسب پخش شده باشند، این خصوصیات نانو سیالات انتظار می رود که برتری های زیر را داشته باشد:
1) رسانایی گرمایی بالاتر: مساحت سطح بیشتر نانو ذرات اجازه انتقال گرمای بیشتری را می دهد. ذرات ریزتر از nm20، 20% اتم های خود را بر روی سطح خود دارند، که آنها را هر لحظه برای تبادل حرارت در دسترس دارند. مزیت دیگر در حرکت بودن ذرات است که می تواند منتسب به اندازه ریز آنها باشد، که می تواند میکرو جابجایی هایی را بوجود آورند و در نتیجه انتقال گرما افزایش یابد [6].
2) پایداری: از آنجائیکه ذرات ریز هستند وزن کمتری دارند و احتمال ته نشین شدن کمتر می شود. همین کاهش ته نشینی باعث غلبه بر یکی از ضعفهای اصلی مخلوط های معلق می شود (رسوب کردن ذرات) و نانو سیالات را پایدارتر می کند.
3) خنک کاری میکرو کانالها بدون گرفتگی: نانو سیالات تنها یک محیط بهتر برای انتقال گرمای معمول نیستند، آنها همچنین برای کاربردهای میکرو کانال در جائیکه با بارهای گرمایی بالایی مواجه هستند، مناسب هستند. ترکیب میکرو کانالها و نانو سیالات هم سیالی بار رسانایی بالا و هم سطح انتقال گرمای بزرگتری را فراهم می کند. نانو ذرات، که فقط چند صد یا چند هزار اتم هستند، بسیار کوچکتر از میکرو کانالها بود ه و باعث گرفتگی نمی شوند.
4) کاهش احتمال خوردگی: نانو ذرات بسیار ریز هستند و ممنتمی که می توانند به یک دیوار صلب وارد کنند بسیار کمتر است. این ممتنم کاهش یافته شانس خوردگی اجزا را کاهش می دهد مانند مبدلهای حرارتی و خطوط لوله ها و پمپ ها.
نانو ذرات مورد استفاده به سه دسته تقسیم می شوند، ذرات سرامیکی، ذرات فلزی خالص و نانو لولهای کربنی، که در ادامه بطور مفصل در مورد ان بحث می کنیم.
ترکیبات مختلف این نانو ذرات و سیال هایی شامل آب، اتیلن گلیکول، روغنها و تولوئن نانو سیالات مختلفی را به ما می دهد.
2-4- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالاتافزایش انتقال حرارت در نانوسیالات به پارامترهای زیادی بستگی دارد که در این بخش هرکـدام از آنها بطور مختصر توضیح داده خواهد شد .
2-4-1- انباشتگی ذراتنانوذرات در اثر نیروهای بین ملکولی مانند نیروی واندروالس تمایل به انباشتگی دارند [7]. کارتیکین و همکاران [8] آزمایشهای تجربی روی مخلوط اکسید مس-آب انجام دادند و نشان دادند که اندازه و خوشه شدن نانوذرات اثر مهمی روی رسانش حرارتی نانوسیال دارند. همچنین آنها نشان دادند که انباشتگی نانوذرات به زمان بستگی دارد و با گذشت زمان انباشتگی آنها افزایش مییابد در نتیجه رسانش حرارتی در نانوسیال کاهش مییابد. شکل (2-3) نشان میدهد که رسانش حرارتی در نانوسیال با افزایش زمان شدیدا کاهش مییابد و همچنین در شکل (2-4) انباشتگی نانوسیال با گذشت زمان به صورت میکروسکوپی نشان داده شده است. آنها نشان دادند که در این فاصله زمانی هیچگونه تهنشینی در نانوسیال اتفاق نیفتاده است. گروهی دیگر از دانشمندان نشان دادند که با افزایش مقدار نانوذرات جامد میزان انباشتگی به دلیل بزرگ شدن تودههای نانوذرات و در نتیجه افزایش نیروهای واندروالس، افزایش مییابد. وانگ و همکاران [9] ویسکوزیتهی مخلوط آلومینیوم – آب را اندازه گیری کرده و نشان داده اند که با افزایش انباشتگی نانوذرات ویسکوزیته نانوسیال نیز افزایش مییابد.

شکل 2-3- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به زمان برای مخلوط آب اکسید مس [8].
شکل 2-4- افزایش انباشتگی نانوذرات باافزایش زمان برای مخلوط آب اکسیدمس (1/0=) الف) 20 دقیقه ب) 60 دقیقه ج) 70 دقیقه [8]2-4-2- نسبت حجمی ذرات نانوضریب رسانش حرارتی نانوسیال با افزایش نسبت حجمی نانوذرات افزایش مییابد [8] شکل (2-5). اما افزایش زیاد ذرات نانو به سیال باعث تهنشینی ذرات نانو میشود. به همین دلیل هر چه نسبت ذرات نانو به سیال کمتر باشد، نانوسیال مطلوبتر خواهد بود [10].

شکل 2-5- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به نسبت حجمی ذرات نانو [10]2-4-3- حرکت براونیحرکت براونی (حرکت تصادفی ذرات نانو در سیال) نیز یکی دیگر از عوامل موثر بر افزایش ضریب رسانش حرارتی موثر در نانوسیال است [11و12]. هر چه اندازهی نانوذرات کوچکتر باشد حرکت براونی آنها افزایش مییابد و در نتیجه ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد و همینطور با افزایش اندازه نانوذرات حرکت براونی کاهش مییابد [13].
2-4-4- ترموفورسیسمولکولهایی که در محیط گرمتر قرار دارند بدلیل بالا بودن انرژی مومنتم بالاتر، با مولکولهای مجاور برخورد میکنند. این امر موجب حرکت مولکولها از محیط گرمتر به محیط سردتر و در نتیجه افزایش انتقال حرارت میشود. به این پدیده ترموفورسیس میگویند.
2-4-5- اندازه نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که با کاهش اندازه نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش مییابد [12]. این افزایش ضریب رسانش حرارتی به دلیل افزایش حرکت براونی نانوذرات و همچنین کاهش رسوب آنها میباشد [13].
2-4-6- شکل نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که هر چه شکل نانوذرات چند وجهیتر باشد، ضریب رسانش حرارتی آن بیشتر است [14]. دلیل این امر افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات میباشد. هر چه این نسبت بزرگتر باشد ضریب رسانش حرارتی موثر بیشتر میباشد. شکل (2-6) نشان میدهد که ضریب رسانش حرارتی موثر مخلوط آب-اکسید آلومنیم با افزایش وجههای نانوذرات از کروی به شش وجهی، افزایش مییابد.

شکل 2-6- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به نسبت حجمی و اشکال متفاوت نانوذرات برای مخلوط آب - اکسید آلومنیم [14].2-4-7- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانولایه سیال پیرامون ذرات نانو در نانوسیال نیز به افزایش انتقال حرارت کمک میکند. هر چند ضخامت و رسانش حرارتی این لایه ملکولی سیال هنوز مشخص نیست اما شکل لایههای ملکولی سیال محصور بین نانوذرات جامد توسط یو و همکاران [15] مشخص شده است. رن و همکاران [16] یک مدل تئوری برای مطالعه تغییرات رسانش حرارتی موثر نسبت به ملکولهای سیال پیرامون ذرات نانو ارائه کردند. آنها نشان دادند که با افزایش ضخامت لایه سیال ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد (شکل 2-7-الف). کبلینسکی و همکاران [17] نیز روی اثر لایه سیال پیرامون نانوذرات بر ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال تحقیقاتی انجام دادند. آنها نیز نشان دادند که با افزایش لایه سیال پیرامون نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر افزایش مییابد (شکل 2-7-ب). در این اشکال، d بیان کننده ضخامت لایه سیال و rp بیان کننده شعاع نانوذرات است. شکل نشان میدهند که با افزایش لایه سیال اطراف نانوذرات و یا کاهش شعاع ذرات نانو ضریب رسانش حرارتی افزایش مییابد.

الف) ب)
شکل 2-7- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به ضخامت لایه سیال پیرامون نانوذرات [16 و 17].2-4-8- دماضریب رسانش حرارتی موثر و حرکت براونی نانوسیال با دما افزایش مییابد. چوی و همکاران [12] با انجام آزمایش تجربی روی مخلوط آلومینیوم–آب چگونگی تغییرات ضریب رسانش حرارتی با دما را نشان دادند. شکل (2-8) نشان میدهد که با افزایش دمای نانوسیال ضریب رسانش حرارتی نانوسیال نسبت به سیال پایه افزایش مییابد.

شکل 2-8- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به دما برای مخلوط آلومینیوم–آب [12]2-5- انواع نانو ذراتنانو ذرات به سه دسته نانو سیالات سرامیکی، نانو سیالات فلزی و نانو سیالات حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری تقسیم می شود که به اختصار به معرفی آنها پرداخته می شود.
2-5-1- نانو سیالات سرامیکینانو سیالات سرامیکی اولین نوعی بود که توسط گروه ANL ساخته شد. اولین تحقیق در این زمینه اندازه گیری رسانایی سیالاتی بود که شامل ذرات AL2O3و Cuo در آب و اتیلن گلیکول بودند ]18[. آنها از درصد حجمی %5-1 استفاده کردند و مشاهد شد وقتی اتیلن گلیکول استفاده می شود یک افزایش 20% با نسبت حجمی 4% CuO بدست می آید، افزایش رسانایی وقتی از آب استفاده شد کمتر بود یک افزایش 12% با نسبت حجمی 5/3% CuO.
مدل ماکسول اصلی به صورت زیر است ]1[:
(2-2)
در هر دو مدل، Keff: رسانایی گرمایی مؤثر، Kf: رسانایی گرمایی سیال، Ks: رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
ژی و همکارانش ]19[ رسانایی گرمایی نانو سیال شامل Al2o3با ذرات ریزتر از (nm2/3- 2/1) را اندازه گیری کردند. آنها علاوه بر اثر سیال پایه اثر اندازه ذره را نیز دیدند. بنابراین مشخص شد که ذرات اکسید سرامیکی که خود رسانایی گرمایی بالایی ندارند، می توانند باعث افزایش رسانایی گرمایی نانو سیالات شوند. دلیل اصلی که باعث شده تحقیقات زیادی درباره نانوسیالات با ذرات اکسیدی انجام شود در دسترس بودن آنهاست.
مورشد و همکاران [20]، به بررسی اثر شکل هندسی ذرات نانوی TiO2 در سیال پایهی آب روی ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال پرداختند. در این کار از ذرات نانو به شکل کروی با قطر nm15 و به شکل غیر کروی با ابعاد nm10× 40 استفاده کردند. مشاهدات نشان میدهد که حدود 33 درصد برای ذرات غیر کروی و 30 درصد برای ذرات کروی، ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش یافته است.
2-5-2- نانو سیالات فلزیبا اینکه پتانسیل نانو سیالات در افزایش انتقال حرارت از همان نانو سیالات همراه با ذرات سرامیکی مشخص بود، ولی با این حال نانو سیالات با پایه ذرات فلزی قدم بزرگی روبه جلو بود.
ایستمن و همکارانش ]21[ یک افزایش 40% رسانایی با نسبت حجمی 3/0% با ذرات nm10 مس معلق در اتیلن گلیکول را گزارش داد این گزارش به روشنی اثر ذرات را نشان می دهد و پتانسیل نانو ذرات با ذرات کوچکتر را نشان می داد.
پاتل و همکارانش ]22[ برای اولین بار از طلا و نقره برای ساختن نانو سیال در سیال پایه آب استفاده کردند. آنها همچنین از یک شیوه سیم داغ برای اندازه گیری رسانایی گرمایی استفاده کردند. مهمترین مشاهده آنها در این مطالعه افزایش قابل توجه رسانایی گرمایی برای مقادیر ناچیز غلظت ذرات بود.
ژی و همکارانش ]23[ مطالعه ای بر روی وابستگی رسانایی گرمایی مخلوط سیال- نانو ذره با سیال پایه را آغاز کردند. این محققان اثر پخش شدگی Al2O3 - را در آب یونیزه، گلیسرول و مخلوط آب روغن پمپ، مخلوط آب- اتیلن گلیکول را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که نرخ رسانایی گرمایی با افزایش رسانایی گرمایی سیال پایه کاهش می یابد.
2-5-3- نانو سیالات، حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمریبزرگترین افزایش در رسانایی گرمایی توسط چوی و همکارانش ]24[ ارائه گردید، که یک افزایش 50% در رسانایی گرمایی با 1% نسبت حجمی نانو لوله ها را نشان می دهد. دو عامل در افزایش غیرعادی رسانایی گرمایی مهمتر به نظر می آید. اول، رسانایی گرمایی نانو لوله های کربنی بسیار بالا است (w/m.k 3000). دوم، نانو لوله ها نسبت طول به عرض() بسیار زیادی دارند. ژی و همکارانش ]25[ رسانایی گرمایی MWCNT با قطر متوسط nm15در اتیلن گلیکول اندازه گرفتند، مشاهده شد که افزایش بیشتری برای نسبت حجمی مشابه در سیال که رسانایی گرمایی کمتری دارد بوجود می آید.
2-6- نظریه هایی بر نانو سیالات
2-6-1- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثرنانوسیالتاکنون تلاشهای زیادی برای پی بردن به علت افزایش زیاد رسانایی گرمایی نانو سیالات انجام شده است. از حرکت ساده براونی گرفته تا مدلهای پیچیده. در طول سالهای گذشته تلاشها شدت بیشتری پیدا کرده است ولی هنوز به نظر می رسد که به نتیجه مطلوب نرسیده باشند. ماکسول برای اولین بار [1]، رابطهای برای ضریب رسانش حرارتی موثر برای مخلوط ذرات معلق در ابعاد میکرو در سیال ارائه کرد که این رابطه در ابعاد نانو نیز بسیار مورد استفاده قرار گرفته است، البته این رابطه بسیار ساده بوده و تنها برای اثر نسبت حجمی نانوسیال در ضریب رسانش حرارتی موثر برای ذرات نانو کروی در نظر گرفته شده است. مدل ماکسول برای رسانایی گرمایی مخلوط جامد – سیال با ذرات نسبتاً بزرگ و درصد حجمی پایین ذرات بسیار مناسب است. رابطه آن به صورت زیر است[1]:
(2-3)
فرمول ماکسول نشان می دهد که رسانایی گرمایی مؤثر به رسانایی گرمایی ذرات کروی، سیال پایه و نسبت حجمی ذرات جامد بستگی دارد.
همیلتون و کروسر [2]، رابطهی ماکسول را کامل نموده و رابطه ای برای رسانش حرارتی ارائه نمودند که در آن علاوه بر اثر نسبت حجمی نانوذرات، اثر شکل و اندازه ی آن ها نیز در نظر گرفته شده است..
(2-4)
که در آن keff رسانایی گرمایی مؤثر، Kf رسانایی گرمایی سیال، Ks رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
با این حال چندین رابطه ثبت تجربی برای محاسبه رسانایی مخلوط دو فازی وجود دارد. اساسل همه آنها بر پایه تعریف رسانایی گرمایی مخلوط دو جزئی است‍[26]:
(2-5)
در جائیکه Ks رسانایی ذره، Kf رسانایی سیال پایه، نسبت حجمی ذرات، نسبت حجمی سیال پایه، نرخ تغییرات دما می باشد.

–353

1-9-کاربرد تکنولوژی غشا........................................................................................19
1-10-محورهای اصلی کاربرد غشاها...........................................................................19
1-10-1صنعت آب و فاضلاب.....................................................................................19
1-10-2-صنایع غذایی...............................................................................................20
1-10-3-صنایع دارویی و پزشکی................................................................................20
1-10-4-تصفیه هوا و خالص سازی گازها.....................................................................20
1-10-5-کاربردهای دیگر..........................................................................................21
1-11-غشاهای بستر آمیخته.........................................................................................21
1-12-انواع غشاها....................................................................................................22
1-13-مدل حلالیت نفوذ..............................................................................................22
1-14-تجهیزات لازم بررسی ساختار عملکرد غشاها.........................................................25
1-15-تاریخچه گسترش غشا........................................................................................25
1-16-تاریخچه غشاهای بستر آمیخته.............................................................................26
بخش دوم: مواد، تجهیزات و کارهای تجربی....................................................................28
2-1-انتخاب مناسب فاز پلیمری....................................................................................29
2-1-1-غشای پلیمر پلی سولفون...................................................................................29
2-1-2-دلایل انتخاب نانوکلی و نانوسیلیکا و پلیمر.............................................................31
2-2-کارهای تجربی..................................................................................................33
2-2-1-مواد و تجهیزات.............................................................................................33
2-2-2-ساخت غشا....................................................................................................33
2-2-2-1-ساخت فیلم غشای پلیمری اولترافیلتراسیون PSf..................................................33
2-2-2-2-ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی........................................................................34
2-2-3-شار آب خالص...............................................................................................35
2-2-3-1-مدول غشایی..............................................................................................35
2-2-3-2-آزمون تراوش.............................................................................................35
2-2-3-3-نحوه انجام آزمایش ها...................................................................................35
2-2-3-4-محاسبه میزان آب خالص عبوری غشا..............................................................36
2-3-روش های ارزیابی ساختاری................................................................................36
بخش سوم: نتایج و بحث.............................................................................................37
3-1-ارزیابی ساختاری..............................................................................................38
3-1-1-طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) .....................................................38
3-1-2-آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (FESEM).................................................39
3-1-3-میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) ....................................................................42
3-2-نتایج آزمایش های جداسازی مایعات.......................................................................45
3-2-1-آزمون تراوایی..............................................................................................45
بخش چهارم: نتیجه گیری و پیشنهادات...........................................................................51
4-1-نتیجه گیری......................................................................................................52
4-2-پیشنهادات........................................................................................................54
مراجع...................................................................................................................55
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1-نمونه هایی از غشاهای سرامیکی......................................................................7
شکل 1-2-غشای فلزی.................................................................................................8
شکل 1-3-نمونه ای از غشای مارپیچی.............................................................................9
شکل 1-4-فرآیند جداسازی نانوفیلتراسیون.......................................................................12
شکل 1-5- فرآیند جداسازی اولترافیلتراسیون...................................................................13
شکل 1-6-فرآیند جداسازی میکروفیلتراسیون...................................................................14
شکل 1-7-تقسیم بندی مواد..........................................................................................15
شکل 1-8-فاز پیوسته و پراکنده در ساختار غشاهای بستر آمیخته..........................................24
شکل 1-9- ساختار شیمیایی پلی سولفون.........................................................................27
شکل 2-1- آون مورد استفاده بهمنظور ساخت و خشک کردن غشا.........................................34
شکل 2-2- حمام آب و سیستم بازگشتی در ساخت غشا........................................................34
شکل2-3- حمام اولتراسونیک مورد استفاده برای پخش کردن یکنواخت ذرات..........................34
شکل2-4- مدول غشایی استفاده شده جهت اندازهگیری میزان تراوایی.....................................35
شکل3-1- طیف FTIR پلی سولفون خالص....................................................................38
شکل3-2- طیف FTIR نانوسیلیکا.................................................................................38
شکل3-3- طیف FTIR نانوکلی...................................................................................39
شکل3-4- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 5/0% وزنی نانوکلی......................40
شکل 3-5- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 1% وزنی نانوکلی.......................40
شکل 3-6- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 2% وزنی نانوکلی........................41
شکل 3-7- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 5% وزنی نانو سیلیکا....................41
شکل 3-8- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با10% وزنی نانو سیلیکا..................41
شکل 3-9- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با15% وزنی نانو سیلیکا...................42
شکل 3-10- تصویر FESEM از پلی سولفون خالص.......................................................42
شکل 3-11- ریخت شناسی سطح غشای پلی سولفون خالص توسط AFM .............................43
شکل 3-12- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 5/0% وزنی نانوکلی توسط AFM…….43
شکل 3-13- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 1% وزنی نانوکلی توسط AFM..43
شکل 3-14- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 2% وزنی نانوکلی توسط AFM...44
شکل3-15- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 5% وزنی نانو سیلیکا توسط AFM............44
شکل 3-16- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 10% وزنی نانوسیلیکا توسط AFM…….44
شکل 3-17- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 15% وزنی نانوسیلیکا توسط AFM…..…45
جدول3-1-اثر حضور نانو کلی و نانو سیلیکا بر تراوایی آب خالص در غشای نانو کامپوزیتی پلی سولفون ... 46
شکل 3-18- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-نانوسیلیکا با 5% وزنی..........46
شکل 3-19-نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-نانوسیلیکا با 10% وزنی…....47
شکل3-20- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-نانوسیلیکا با 15% وزنی…....47
شکل3-21- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-خاک رس با 5/0%وزنی........48
شکل3-22- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-خاک رس با 1% وزنی..........48
شکل 3-23- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-خاک رس با 2% وزنی…….49
چکیده
در حال حاضر غشاها جایگاه ویژه ای در صنایع جداسازی مختلف پیدا کرده اند و کاربردهای وسیعی در زمینه های گوناگون جداسازی اعم از محلول های مایع و گازهای مختلف دارا میباشند. تکنولوژی غشا یکی از تکنولوژی های پرکاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت آب و فاضلاب تا صنایع غذایی و دارویی گسترده است. بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی گازها مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جذب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود.پلیمر پلی سولفون به دلیل دارا بودن خواص خوب مکانیکی، مقاومت شیمیایی بالا و دمای تبدیل شیشه ای بالا ، به مقدار زیادی در تهیه غشاهای نامتقارن (معمولا در محدوده اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون) مورد استفاده قرار میگیرد.غشاهای اولترا فیلتراسیون پلی سولفونی، ترشوندگی سطحی بسیار پایینی دارند.به واسطه برهمکنشهای هیدروفوبی بین غشا و حل شونده های آبگریز، این خاصیت در غشاهای پلی سولفونی مشکلات انسداد زیادی را در پی خواهد داشت.همچنین غشاهای پلیمری نمی توانند به مشکل تناقض بین انتخابگری و تراوایی چیره شوند.به منظور افزایش آبدوستی غشاهای پلی سولفون و بهبود خواص ساختاری غشا ، روشهای متعددی وجود دارد ولی چند روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافته‌اند عباراند از: پلیمریزاسیون درجا ، ترکیب محلول القا شدن، فرآیند ذوبی و روش بستر آمیخته. در این پژوهش نانو ذره خاک رس در آماده سازی این غشای نانوکامپوزیتی به روش بستر آمیخته استفاده شده است.با غشاهای بستر آمیخته می توان به انتخابگری بالا با همان مقدار تراوایی یا تراوایی بیشتر در مقایسه با غشاهای پلیمری موجود دست یافت. با اضافه کردن نانو ذرات معدنی می توان خواص جداسازی را بهبود بخشید.
کلمات کلیدی: غشای نانوکامپوزیتی, اولترافیلتراسیون, نانوکلی, غشاهای بستر آمیخته
مقدمه
پیشرفت های کنونی در صنایع شیمیایی و صنایع مشابه به سمت افزایش سرعت انجام فرآیندها و کاهش مصرف انرژی در طول فرآیند معطوف شده است. یکی از فرآیندهای مهم و پرکاربرد در چنین صنایعی، جداسازی مواد مختلف می باشد. برای انجام فرآیندهای صنعتی اغلب باید اجزای ماده ی خام اولیه از هم جدا شده و محصول بدست آمده از این فرآیندها نیز تفکیک و تخلیص شود. از طرفی در اکثر صنایع، با درنظر گرفتن قوانین محیط زیستی، لزوم انجام فرآیندهای جداسازی بیش از پیش به چشم می خورد.
در حقیقت، اهمیت فرآیندهای جداسازی و دستگاه ها و تجهیزات مربوطه، به اندازه ای است که در بسیاری از صنایع، بخش اعظم قیمت تمام شده ی یک محصول، مربوط به هزینه های جداسازی و خالص سازی آن محصول است. به همین دلیل یافتن یک روش جداسازی ساده تر و با هزینه ی کمتر، می تواند قابل تأمل باشد. در انتخاب یک روش جداسازی مناسب، باید بازده آن روش ها، دسترسی به تجهیزات هزینه های جداسازی، هزینه ی ساخت و هزینه های انرژی، با در نظر گرفتن مسایل زیست محیطی و مسایل سیاسی مورد ارزیابی کامل قرار بگیرد. همچنین باید اهداف جداسازی در فرآیند مشخص شود، در یک فرآیند جداسازی، اهداف متفاوتی مانند تغلیظ، تخلیص، تفکیک و جابجایی تعادل واکنش می تواند مدنظر باشد. در این راستا غشاها برای جداسازی گونه های مختلفی از مواد در حالات جامد، مایع و گاز توسعه یافته اند. با اینکه روش جداسازی با غشاها نسبت به روش های دیگری چون تقطیر، جذب سطحی، کریستالیزاسیون و استخراج مایع– مایع جدیدتر است ولی با توجه به کارایی و سهولت استفاده طی دو دهه ی اخیر، گسترش چشمگیری در استفاده از آن مشاهده شده است [1].
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرآیندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و نامتخلخل اند و پایه عملکرد آنها سازوکار حلالیت-نفوذ است. این سازوکار در مقیاس مولکولی، تراوش مولکول ها از غشا پلیمر است. در این سازوکار فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جذب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می گردد. مطابق مدل حلالیت-نفوذ، نفوذ مولکول ها از میان غشا با دو پارامتر اصلی کنترل می شود ضریب نفوذ و ضریب حلالیت. ضریب حلالیت برابر نسبت دو پتانسیل جذب مثل فشار جزیی تعریف می شود [2]. برای عملکرد خوب غشا، هم تراوایی و هم گزینش پذیری باید بالا باشد. هرچه تراوایی بالا باشد سطح مورد نیاز غشا برای تصفیه گاز کمتر می شود و گزینش پذیری بالا، خلوص گاز بالایی را در شرایط تراوایی یکسان می دهد. در پلیمرهای شیشه ای (پلیمرهایی که زیر دمای گذار شیشه ای خود قرار دارند) مولکول های ریز مانند H2 و He سریع و مولکولهای بزرگ مانند هیدروکربن ها به آهستگی از غشا عبور می کنند. پلیمرهای تراوا گزینش پذیری پایینی دارند [2]. با وجود تمام این مزایا غشاهای پلیمری نمی توانند به مشکل تناقض بین گزینش پذیری و تراوایی چیره شوند. در واقع غشاهای غیرآلی مانند غشاهای کربنی دارای گزینش پذیری و تراوایی بالایی هستند اما در مقیاس بزرگ ساخت آنها مشکل است با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیرآلی نوع جدید غشاها اخیرا به نام غشاهای بستر آمیخته گسترش یافته است. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که در آنها جامد یا مایع یا هر دو به عنوان پرکننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند [3]. پژوهش برروی غشاهای بستر آمیخته از سال 1980 با سرعت قابل ملاحظه ای به صورت پیوسته رو به افزایش است. اکنون یافته های تجربی و آزمایشگاهی، برتری نسبی جداسازی غشاهای بستر آمیخته نسبت به غشاهای پلیمری خالص را نمایانگر ساخته است. با توجه به جدید بودن این نوع از غشاها، فضای کاری زیادی برای مطالعات آینده پیش رو قرار دارد [3]. در این پژوهش برروی ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی پلی سولفون به روش بستر آمیخته و بررسی عملکرد این غشاها تمرکز شده است. به منظور بررسی عملکرد غشا در شرایط مختلف، آزمایش های تراوش و آنالیزهای ساختاری صورت گرفته است. در این پژوهش، اثر پارامترهای مختلف بر عملکرد غشا و اثر فشار بر تراوایی و گزینش پذیری غشا بررسی شده است. لازم به ذکر است که ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی پلی سولفون به روش بستر آمیخته، جدید و برای اولین بار می باشد.
این پایان نامه در چهار بخش تنظیم شده است. در بخش اول، مقدمه ای در مورد غشاها و انواع آنها، فرآیندهای غشایی از جمله اولترافیلتراسیون، کامپوزیت ها، ویژگی های غشاهای بستر آمیخته ارایه شده است. همچنین در این بخش اهداف تحقیق و فرضیه های ممکن نیز بیان شده است.
در بخش دوم، مواد و تجهیزات مورد استفاده در انجام این پژوهش بیان شده و روش ساخت غشای پلیمری اولترافیلتراسیون پلی سولفون و غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون توضیح داده می شود.
در بخش سوم، نتایج حاصل از ارزیابی های ساختاری انجام شده برروی غشاها بیان می گردد و در ادامه نتایج حاصل از آزمون های تراوایی مورد بررسی قرار می گیرد.
در بخش چهارم، نتیجه گیری و پیشنهادات جهت انجام پروژه های آینده ارایه گردیده است.
بخش اول
مطالعات کتابخانه ای
1-1-اهداف تحقیق
ساخت غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون آمیخته با خاک رس به روش بستر آمیخته
دستیابی به یک غشای نانوکامپوزیتی با ماهیت اولترافیلتراسیون جهت جداسازی و تصفیه مایعات
بهبود خواص غشا از جمله تراوایی و انتخاب پذیری
ارزیابی و بررسی غشای ساخته شده
1-2-فرضیه ها
با استفاده از پلیمر پلی سولفون مقاومت مکانیکی و شیمیایی غشا افزایش می یابد.
با استفاده از خاک رس آبدوستی غشای پلی سولفونی افزایش می یابد.
با این روش تراوش پذیری و مقاومت غشا افزایش می یابد.
جداسازی یونها و نمک ها از آب امکان پذیر می باشد.
با غشاهای بستر آمیخته می توان به انتخابگری بالا دست یافت.
تعاریف و مفاهیم
1-3-غشا
غشا به عنوان یک فاز که اجزای خوراک به صورت انتخابی از آن عبور می کنند تعریف می گردد. به عبارت بهتر، غشا به صورت فازی که اجزای جداشونده با سرعت های متفاوت از آن عبور می کنند عمل می کند. در فرآیندهای غشایی، جزیی که از غشا عبور می کند به نام تراوش کرده1 و بخشی که نتواند از غشا عبور کند، نگه داشته شده2 نامیده می شود که بر اساس هدف جداسازی هر کدام از آنها می توانند به عنوان محصول در نظر گرفته شوند. در حالت کلی، روش های غشایی در مواقعی که غلظت مواد کم باشد، کارایی بسیار زیادی دارند [4]. نیروی محرکه لازم در فرآیندهای غشایی می تواند بصورت اختلاف غلظت، فشار، دما و پتانسیل الکتریکی باشد. ساده ترین نوع غشاها براساس اختلاف اندازه ذرات عمل می کنند که از این نظر مشابه فیلترها هستند، ولی غشاها از لحاظ اندازه منافذ و توزیع اندازه ی آنها و نیز نحوه ی جریان، با فیلترها تفاوت دارند. کارایی غشاها با دو پارامتر تعیین می گردند که شامل دبی عبور کرده از غشا و گزینش پذیری غشاها است. فرآیندهای غشایی با داشتن مزایایی چون کاهش مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز، حجم کم و عدم نیاز به فضای زیاد، تنوع در شکل و اندازه، افت فشار کم و انتقال جرم زیاد، بالا بودن راندمان جداسازی برای محلول های رقیق، نیاز کم به مواد افزودنی و حلال ها، ساده بودن طراحی غشاها و سهولت کاربرد آنها در مقیاس های صنعتی و همچنین به دلیل اینکه دوست دار محیط زیست هستند، از سایر روش های جداسازی متمایز شده اند. با این حال این روش معایبی از قبیل قطبش غلظتی و گرفتگی غشاها، طول عمر کوتاه غشا، انتخاب پذیری و دبی کم عبوری از غشاها و هزینه بالای ساخت را دارد [2]. غشاها و فرآیندهای غشایی جایگاه مهمی در تکنولوژی شیمیایی بدست آورده اند و در طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی استفاده می شود.
1-4-تقسیم بندی غشا
به دلیل کاربردهای وسیع و جهت سهولت شناخت و استفاده از غشاها، تقسیم بندی آنها ضروری به نظر می رسد که در این بخش تقسیم بندی غشاها براساس معیارهای مختلف آورده شده است.
1-4-1-تقسیم بندی بر اساس مکانیسم حاکم بر جداسازی
اگر جداسازی بر اساس اختلاف فشار باشد، به کمک روش هایی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس می توان جداسازی را انجام داد. روش هایی که بر پایه اختلاف غلظت هستند شامل جداسازی گازی، غشای مایع و دیالیز می باشد. در الکترودیالیز، اختلاف ولتاژ و در روش تقطیر غشایی نیز اختلاف دما به عنوان عامل جداسازی عمل می کند.
1-4-2-تقسیم بندی بر اساس جنس غشا
غشاها به دو صورت عمده، غشاهای بیولوژیکی (طبیعی) و غشاهای سنتزی هستند که غشاهای سنتزی شامل غشاهای پلیمری، سرامیکی، فلزی و مایع می باشد[5] که در ادامه، هر کدام از موارد توضیح داده می شوند.
1-4-2-1-غشاهای پلیمری
از جمله غشاهای پلیمری می توان به غشاهای ساخته شده از جنس پلی پروپیلن، تفلون، پلی آمید، پلی ایمید و پلی سولفون اشاره کرد [6]. هر کدام از این مواد بر اساس ساختار شیمیایی خود، دما و pH محیط، حلالیت مواد و مقاومت آنها مورد استفاده قرار می گیرند. تخلخل بالا یکی از ویژگی های مهم در غشاهای پلیمری است [7]. غشاهای پلیمری در بازیافت هیدروکربن ها و گازهایی به کار می روند که در فرآیندهای مربوطه وارد اتمسفر شده و یا سوزانده می شوند، بنابراین از نظر کاهش آلاینده های محیطی می توانند بسیار با ارزش باشند. غشاهای پلیمری که قابلیت عبور ذرات بزرگتر مانند هیدروکربن های سنگین گازی را در مقایسه با ذرات کوچکتر مانند متان و ازت دارند، به صورت پیوسته تهیه می شوند، قابلیت انتخاب پذیری معکوس و عبوردهی بالای این غشاها، مزیت بسیار مهمی است که در کاربردهایی مانند خالص سازی گاز طبیعی که بخش عمده آن را متان تشکیل می دهد، نیاز به تقویت فشار مجدد گاز خالص شده را برطرف می کند [7]. از غشاهای تهیه شده می توان در کاربردهای دیگر مانند خالص سازی هیدروژن در پالایشگاه ها، بازیافت مونومر در واحدهای پلی اولفین، بازیافت بخارات بنزین در انبارها و جایگاه های سوخت رسانی و بسیاری از کاربردهای دیگر با ارزش افزوده بالا استفاده کرد. نیاز به غشاهایی با مجموعه خواص مطلوب شامل شار عبوری بالا، انتخاب پذیری بالا، پایداری شیمیایی، مکانیکی و حرارتی مناسب، محققین را به سمت توسعه غشاهای هیبریدی نانوکامپوزیتی (شامل مواد معدنی پخش شده در ماتریس پلیمری) سوق داده است [7].
1-4-2-2-غشاهای مایع
غشا فازی است بین دو فاز دیگر که انتقال جرم بین آنها را کنترل می کند. اگر این فاز میانی یک مایع امتزاج ناپذیر با دو فاز دیگر باشد، نقش یک غشا مایع را خواهد داشت. غشاهای مایع به صورت غشاهای امولسیونی، پایه ای و جریانی هستند. در غشاهای امولسیونی از عوامل فعال کننده سطحی برای تولید امولسیون استفاده می کنند. در غشا نوع دوم از مایعی در داخل یک جامد متخلخل با حفراتی در حد میکرون استفاده می کنند. در غشا جریانی هم، جریان مایع-مایع به صورت پیوسته برقرار بوده و حفرات را همواره پر نگه می دارد [1].
1-4-2-3-غشاهای سرامیکی
این غشاها که شامل اکسید های آلومینیوم، زیرکونیوم، تیتانیوم و سیلسیوم می باشند، دارای مزایایی مانند مقاومت حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالا، طول عمر زیاد، مقاومت خوردگی و باکتریایی بالا، امکان احیا، امکان تمیز کردن کنترل مطلوب اندازه حفرات هستند.در این غشاها، هیچ افزودنی مورد نیاز نبوده و محدودیتی در دمای فرآیند وجود ندارد. فیلتراسیون به کمک سرامیک، یک فرآیند با انتخاب پذیری بالاست که بدون تبدیلات فازی است. ولی در کنار این مزایا، معایبی مانند هزینه ی زیاد ساخت و مشکل بودن انجام اصلاحات بعدی بر روی غشا نیز وجود دارد [8].

شکل1-1– نمونه هایی از غشاهای سرامیکی
در غشاهای سرامیکی جریان یا محیطی که باید تصفیه شود، از داخل کانال های حامل غشا عبور داده می شود. ذرات در صورتیکه بزرگتر از شعاع حفرات غشا باشند، باقی مانده و نشست می کنند و ماده ی تغلیظ شده ای را ایجاد می کنند. ماده صاف شده از درون حفرات نفوذ کرده و وارد مراحل مختلف فرآیند می شود [8]. پایه غشاهای سرامیکی، متشکل از اکسید آلومینیوم یا کربید سیلیکون با حفرات باز است. این ماده نه تنها می تواند نفوذپذیری را بالا ببرد بلکه نیازهای مربوط به پایداری مکانیکی را نیز مرتفع می سازد. در ابتدا غشاهای سرامیکی در تکنولوژی تصفیه فاضلاب به کار می رفت. اما امروزه، کاربردهای آنها تمامی صنایع را پوشش می دهد که این صنایع می تواند صنایع شیمیایی مانند جداسازی پاک کننده ها و کاتالیست ها، صنایع فلزی مانند بازیافت فلزات سنگین صنایع نساجی و صنایع کاغذ و خمیر چوب مانند جداسازی، تغلیظ و آب زدایی بیومس و خزه ها، صنایع غذایی و آشامیدنی مانند تغلیظ آب میوه، استریلیزاسیون شیر و آب پنیر و صنایع بازیافتی و محیط زیستی مانند کاهش BOD/COD بازیابی آب از استخرهای شنا و بازیافت داروها و آفت کش ها را در بر می گیرد.
1-4-2-4-غشاهای فلزی


این غشاها که در حال حاضر بیشتر در آزمایشگاه های تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند معمولا از جنس فولاد ضد زنگ، سیلیس، آلومینیوم، نقره، نیکل و برخی از آلیاژها هستند. خصوصیت برجسته ای که در رابطه با این غشاها مطرح است، مقاومت آنها در برابر خوردگی است. در زمینه جداسازی گاز که بیشتر به تخلیص گاز هیدروژن برای پیل های سوختی مربوط می شود، دسته ای از غشاهای فلزی توسعه یافته اند. البته در تصفیه آب آشامیدنی و حذف مواد آلی طبیعی به روش لخته سازی و میکروفیلتراسیون نیز از غشاهای فلزی همراه با هوادهی یا تزریق گاز ازون به عنوان یک روش جدید برای حذف آلودگی های آب باران استفاده شده، و ثابت شده است که غشاهای فلزی برای کاهش میکروبها و ذرات آلوده کننده از آب باران کافی است. برای حصول غشای فلزی با خواص ویژه، جنس پایه و روش ساخت و پوشش دهی آن اهمیت بسیاری دارد. تقریبا اکثر روش های ساخت شامل ایجاد شرایط خاص دما و فشار و همچنین انجام برخی عملیات اصلاحی، برروی پایه یا غشای ساخته شده می باشد. در این راستا خواص غشاها نظیر نفوذپذیری، ظرفیت عبور سیال، مقاومت شیمیایی، مقاومت مکانیکی و حرارتی باید مد نظر قرار گیرد[9].

شکل1-2– غشای فلزی
در رابطه با عملکرد این غشاها، مطالعات اخیر برروی ساخت غشاهای فلزی متراکم مرکب با ضخامت حدود زیر میکرون تا چند ده میکرون و ویژگیها و کاربردهای آنها متمرکز شده است توسعه غشاهای فلزی پایه دار یا مرکب بیشتر به دلیل کاهش هزینه های مواد، بهبود استحکام مکانیکی و امکان نفوذ بیشتر مواد می باشد. غشاهای مرکب فلزی دارای پایه هایی از جنس فلز، سرامیک یا پلیمر هستند البته در اکثر موارد استفاده از فولاد ضدزنگ به عنوان پایه غشای فلزی پیشنهاد شده است. ساخت غشا با این فلز هزینه کم و استحکام مکانیکی بالایی داشته و در اکثر فرایندهای صنعتی تولید و خالص سازی هیدروژن، از لحاظ شیمیایی بی اثر است [9]. از جمله روش های متداول در ساخت غشاهای فلزی روش ترسیب شیمیایی، ترسیب الکترو شیمیایی و فیزیکی بخار، روش پاشش پودر خیس و غلطک کاری می باشد [9].
1-4-3-تقسیم بندی بر اساس شکل هندسی غشا
غشاها را میتوان براساس شکلشان به انواع غشاهای: صفحه ای، لوله ای، مارپیچ و الیاف میان تهی تقسیم بندی کرد. غشاهای مارپیچ را می توان بر حسب نیاز در دماها و فشارهای بالا مورد استفاده قرار داد. غشاهای لوله ای در غلظت های بالایی از جامد مورد استفاده قرار می گیرد. در فرایند فیلتراسیون جریان متقاطع نیز الیاف میان تهی را می توان تحت عملیات شستشوی معکوس قرار داد[4].

شکل1-3– نمونه ای از غشای مارپیچی
غشاها در داخل محفظه ای قرار می گیرند که تحت عنوان مدول اطلاق می شود نوع جریان در سطح غشا و نیز نحوه حرکت سیال بستگی به نوع مدول انتخابی دارد. در واقع مدول به منظور نگهداری غشا کنترل حرکت سیال و افزایش نسبت سطح به حجم بکار میرود. در هر مدول، غشاها به همراه نگهدارنده ها و پایه های خود در یک شکل هندسی خاص قرار می گیرند که دارای مجراهایی برای ورود خوراک و همچنین جمع آوری مواد می باشد. انواع مدول هایی که بکار می رود شامل مدول های لوله ای، صفحه و قاب، مارپیچی و موئینه ای است که بر اساس ویژگی ها و مزایایی که دارند می توانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند [4].
1-4-4-تقسیم بندی بر اساس ساختار غشا
براساس ساختمان غشاها می توان آنها را به دو دسته متقارن و نامتقارن تقسیم کرد. در دو سمت غشاهای متقارن، ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان می باشد. ضخامت این نوع غشاها بین 100تا 200 میکرون است. هرقدر ضخامت غشاها زیادتر باشد مقاومت در برابر انتقال جرم زیاد بوده و از طرف دیگر با کاهش ضخامت مقاومت مکانیکی آن کاهش می باید که برای حل این مشکلات از غشاهای نامتقارن که در آنها ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان نیست استفاده می کنند. این غشاها از دو لایه تشکیل یافته اند، در آن یک لایه فعال با ضخامت کمتر و متراکم تر وجود دارد که در آن جداسازی صورت میگیرد. لایه دیگر که به صورت پایه عمل می کند و حفرات بزرگتری دارد بر مقاومت مکانیکی لایه اول می افزاید. البته در این نوع غشاها هر دو لایه از یک ماده تشکیل می شوند. یکی دیگر از انواع غشاهای نامتقارن که تحت عنوان غشاهای مرکب یا کامپوزیتی هستند دو لایه از دو جنس متفاوت بوده و روش ساخت و اتصال آنها نیز تفاوتهایی با یکدیگر دارند. علاوه بر این مواد، غشا را از لحاظ تخلخل می توان به دو دسته متخلخل و غیر متخلخل تقسیم کرد. کارایی سیستم موفق تا حدود زیادی به تخلخل محیط بستگی دارد. بنابراین تخلخل انواع غشاها برحسب محیط کاربرد شامل: فیلترهای لیفی، غشاهای متخلخل پلیمری، مواد متخلخل سرامیک مواد موبینه و .... می باشد [4].
1-5- ویژگیهای غشاها
به منظور پیش بینی چگونگی انجام فرایندهای جداسازی باید ویژگی های مختلف غشاها را مورد بررسی قرار داد. خواص غشاها را می توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی نمود. خواص فیزیکی غشا شامل اندزه حفرات، تعداد حفرات، ضخامت، تخلخل و چروک خوردگی غشا می باشد خواص شیمیایی غشا نیز شامل بار سطحی، هدایت الکتریکی، قابلیت جذب، واکنش پذیری و آبدوستی آنها است که با توجه به نوع فرایند باید تأثیر این عوامل را مورد بررسی قرار داد [10].
1-6- کاربردهای غشا
امروزه جداسازی غشایی در بسیاری از صنایع مانند: دارویی، بیوتکنولوژی، صنایع غذایی، پتروشیمی، پالایش، نساجی، کاغذسازی، اتومبیل سازی، تصفیه آب و فاضلاب و.... مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به اینکه با بالا بودن ریسک سرمایه گذاری یکی از موانع اصلی برای صنعتی کردن و تولید انبوه غشاها در ایران است. سرمایه گذاری برای این امر منوط به وجود بازارهای داخلی است. استفاده از غشاها در بعضی از فرایندهای جداسازی مانند: شیرین سازی آب که در سطح وسیعی انجام می شود ممکن است توجیه اقتصادی برای سرمایه گذار در این حوزه داشته باشد. این تکنولوژی در برخی از حوزه ها در دنیا هنوز در مقیاس آزمایشگاهی است و به مرحله صنعتی نرسیده است، در این زمینه دستیابی به تکنولوژی فرایند در زمینه های تصفیه پساب های صنعت نفت، شیرین سازی گازهای ترش و ارتقای کیفیت حلالها و برشهای نفتی با استفاده از غشاها در حال انجام است [1].
1-7- فرآیندهای غشایی
غشاهای سنتزی با داشتن بازارهای در حال رشد و فراهم کردن قابلیتهای جداسازی بالا در بسیاری از صنایع توانسته اند پیشرفت های زیادی داشته باشند. صنایع و کارخانجات سرمایه گذار خود را در فرایندهای جداسازی برروی غشاها متمرکز کرده اند تا معایب سایر روشها مانند: تبخیر، تقطیر و یا استخراج را مرتفع سازند. هفت فرایند جداسازی عمده شامل: میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، الکترودیالیز، جداسازی گازی و تراوش تبخیری، در بسیاری از زمینه های مورد استفاده قرار می گیرند که توجه و تمایل بیشتر به حفاظت از محیط زیست، تقاضا برای آب تمیز و بازده انرژی بالا استفاده از این فرایندهای غشایی را افزایش داده است [11].
1-7-1- اسمز معکوس(RO)
فرایند اسمز معکوس، قادر به حذف جامدات حل شده، باکتری، ویروس و سایر مواد میکروبی داخل آب می باشد. اسمز معکوس اساساً یک فرآیند غشایی نفوذی است که بر اساس نیروی محرکه فشاری عمل می کند. این فرآیند عمداً برای شیرین سازی آب دریا مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی برجسته روش اسمز معکوس این است که هیچ تغییر فازی در آن وجود نداشته و مصرف انرژی نسبتاً پایینی دارد. تقریباً تمامی غشاهای اسمز معکوس از جنس پلیمرهایی با ترکیبات پلی آمید و استات سلولز می باشد غشاهای فرآیند اسمز معکوس معمولاً در دو نوع غشاهای نامتقارن و غشاهای کامپوزیتی نازک فیلمی هستند. این غشاها کوچکترین ساختار حفرات با اندازه قطر حفرات در محدوده ی 0.5 الی 1.5 نانومتر را دارا هستند. در این غشاها بیشتر 95 تا 99 درصد از نمکهای معدنی و ترکیبات عالی باردار شده بدلیل دافعه بارالکتریکی سطح غشا دفع می شود. کاربرد این روش در صنایع آب آشامیدنی، صنایع غذایی، صنایع الکترونیکی، کاغذسازی و بسیاری از موارد دیگر است [1].
1-7-2- نانو فیلتراسیون(NF)
نانوفیلتراسیون شکلی از فیلتراسیون است که غشاها را به منظور جداسازی سیالات یا یونهای گوناگون بکار می گیرد. نانوفیلتراسیون یه صورت اسمز معکوس ملایم تری عنوان می گردد، چرا که حفرات غشایی بزرگتری در مقایسه با غشاهای اسمز معکوس دارد. بدلیل اینکه این غشاها در فشارهای بسیار پایین تری کار کرده و برخی از مواد معدنی را از خود عبور می دهند، نانو فیلتراسیون می تواند در مواردی که حذف بالای مواد آلی مورد نیاز است و همچنین در حذف متوسط مواد معدنی کاربرد داشته باشد. این روش قادر به تغلیظ شکر، نمکهای دو ظرفیتی و پروتیینها می باشد. مزیت این روش بر اسمز معکوس این است که نانوفیلتراسیون معمولاً در بازیافتهای بالاتری کار میکند در نتیجه در آب کل مصرفی صرفه جویی خواهد شد که ناشی از سرعت جریان با غلظت پایین تر است ولی این روش در مورد ترکیبات آلی با جرم ملکولی پایین مانند متانول موثر نیست. نانوفیلتراسیون از نظر هزینه انرژی و دفع یون و ابعاد حفرات در بین روشهای دیگر شرایط بهینه ای را ایجادکرده است. با یک نانوفیلتر می توان میزان غلظت یک باکتری را در یک محصول غذایی محلول به صفر رساند [1].

شکل1-4– فرآیند جداسازی نانوفیلتراسیون
1-7-3- اولترا فیلتراسیون(UF)
تکنولوژی جداسازی توسط غشا، با بهره گیری از توانایی های خاص خود جایگاه ویژه ای در فرآیندهای جداسازی پیدا کرده است. اولترافیلتراسیون یکی از مهمترین فرآیندهای این تکنولوژی است که در زمینه جداسازی ذرات، بویژه پروتئین ها قابلیت فراوانی دارد. غشاهای مورد استفاده در این فرآیند از نوع غشاهای متخلخل بوده و عمدتا پلیمری می باشند. نیروی محرکه لازم برای انتقال جرم، اختلاف فشار بوده که در محدوده بین 2 تا 10 بار اعمال می شود. در مصارف صنعتی غشاها در بسته های خاصی که مدول نامیده می شود مورد استفاده قرار می گیرند. در استفاده از این غشاها یک سری محدودیت هایی وجود دارد که مهمترین آنها پدیده گرفتگی است. بروز این پدیده موجب کاهش راندمان و عمر مفید غشا می گردد. از اولترافیلتراسیون برای جداسازی ماکرومولکول ها، کلوئیدها و مواد جامد سوسپانسیونی با اندازه 10-1000 آنگستروم استفاده می گردد. اساس کار غشاهای اولترافیلتراسیون تحت فشار، برطبق اندازه مولکولی استوار است معمولا مواد کوچکتر از غشا عبور نموده در حالیکه قطعات بزرگتر محلول باقی می مانند و تغلیظ می شوند. مهمترین عامل محدودیت استفاده از غشاهای اولترافیلتراسیون پدیده گرفتگی است. بطوریکه این پدیده بیشترین حجم تحقیقات را به خود اختصاص داده است. پدیده گرفتگی غشا ناشی از تجمع رسوب برگشت پذیر مواد از جمله کلوئیدها، ماکرومولکول ها و نمک برروی سطح غشا و یا درون ساختار آن است، این پدیده تابع خواص شیمی-فیزیکی خود غشا و اجزای موجود در سیال است. نتایج حاصل از وقوع گرفتگی عبارتند از: کاهش عمر غشا، افزایش فشار لازم برای فرآیند، تغییر قدرت نگهدارندگی غشا برای اجزاء و در نهایت کاهش شار تراوه فرآیند جداسازی. اولترافیلتراسیون بیشتر در جداسازی محلولی که بصورت مخلوطی از مواد مطلوب و نامطلوب است بکار می رود. اولترافیلتراسیون تا حدی بستگی به عواملی چون بار و اندازه ذره دارد. انواع گونه هایی که از این غشاها برگشت داده می شوند شامل: بیوملکولها، پلیمرها و ذرات کلوئیدی است. نیروی محرکه برای انتقال از غشا اختلاف فشار می باشد، فرآیندهای الترافیلتراسیون در 2-10 بار کار می کند که البته در بعضی از موارد امکان کار در فشارهای بالای 20-30 بار نیز وجود دارد. در این فرایندها زلال سازی خوراک، تغلیظ حل شونده برگشت داده شده و جز به جز کردن حل شونده انجام می شود. این روش در جداسازی جریانهای آلی روش چندان موثری نیست و غشاهای اولترا فیلتراسیون قادر به نگهداری گونه هایی هستند که دارای وزن مولکولی در محدوده 300-500000 دالتون و اندازه حفرات از 10-1000 آنگستروم باشد. این روش معمولاً در جداسازی ماکرومولکولهایی نظیر: پروتیئنها از حلالهایی با جرم ملکولی پایین کاربرد دارند. حفرات لایه پایینی غشا به طور نسبی بزرگتر از لایه سطحی بوده و هنگامی که حلال در درون غشا جریان می یابد گونه های باقی مانده برروی سطح غشا متمرکز شده و مقاومتی در برابر جریان ایجاد می کنند. در فرآیند سوسپانسیونی نیز به صورت رویه متخلخل برروی سطح غشا جمع می شوند. فرآیند اولترا فیلتراسیون بستگی به خواص فیزیکی غشا مانند: نفوذ پذیری، ضخامت، متغیرهای فرآیندی مانند: مصرف خوراک، غلظت خوراک، فشار سیستم، سرعت و دما دارد. محدوده کاربردی این روش در تصفیه زایدات امولسیونی نفت، تغلیظ ماکرومولکولی بیولوژیکی و تغلیظ پروتیئنهای حساس به حرارت برای افزودنیهای غذایی است [1].

شکل1-5– جداسازی اولترا فیلتراسیون
1-7-4- میکروفیلتراسیون(MF)
میکروفیلتراسیون فرایندی است که در آن اندازه حفرات بین 1-10 میکرون بوده و میکرو ارگانیزم ها نمی توانند از آن عبور کنند. این فرآیند برای جداسازی موادی با سایز ملکولی می باشد که از مکانیسم غربالی برای باقی ماندن ذرات بزرگتر از اندازه قطر حفرات استفاده می کند. در این فرآیند از پلیمرهای طبیعی و سنتزی مانند: نیترات یا استات سلولز، پلی آمیدها و پلی سولفون ها استفاده می شود. علاوه بر آن مواد معدنی مانند اکسیدهای فلزی، شیشه و کربن با پوشش زیرکوین نیز برای تولید این غشاها بکار می روند. این غشاها در صنایع دارویی و غذایی کاربرد وسیعی دارند.

شکل1-6– جداسازی میکروفیلتراسیون
1-8- کامپوزیت
کامپوزیت ها موادی که حاصل هوش و فراست و پژوهشهای هزاران دانشگرند که هرروز بیشتر مایه شگفتی می شوند: سبکترند و در برابر ضربه،خوردگی و دماهای بسیار بالا مقاومت بیشتری دارند، یعنی همان موادی هستند که انسان همیشه آرزوی آنرا داشته است.
در آغاز کامپوزیت ها را برای بهبود کیفیت کار موشکهای نظامی می ساختند و بعد در تسخیر فضا به کارگرفته شد و امروزه همه عرصه های صنعت و زندگی روزمره را فتح کرده است. از اتومیبل سازی تا پل و ساختمان سازی، هلیکوپتر، جلیقه ضدگلوله، وان حمام، کپسول هوای فشرده آتش نشانی، زندگی امروزه بدون استفاده از کامپوزیت ها نا ممکن است.
1-8-1- کامپوزیت چیست؟
واژه کامپوزیت کامپوزیت را می توان چنین معنی کرد: مرکب، مخلوط، آمیزه یا چند سازه .
اما همین جا باید تأکید کرد که کامپوزیت ها گرچه ترکیبی از چند ماده هستند اما ترکیب شیمیایی نیستند بلکه در واقع مخلوط و آمیزه ای از چند ماده هستند. می دانیم که در دانش شیمی "ترکیب" و"مخلوط" دو مفهوم جداگانه هستند و تفاوتهای بنیادی با هم دارند از جمله اینکه اجزای تشکیل دهنده مخلوط ماهیت خود را حفظ می کنند و مولکولهایی از انواع گوناگون هستند اما اجزای تشکیل دهنده ترکیب خواص اولیه خود را از دست می دهند و ترکیب ها و مولکولهایی یکسان دارند.
بطور کلی مواد (در علم مواد) به سه دسته تقسیم می شوند: 1- فلزات 2- سرامیک 3- مواد مصنوعی(پلیمرها) چهارمین گروهی که می توان به این سه اضافه کرد کامپوزیتها هستند.کامپوزیتها موادی هستند که از دو یا چند ماده یاد شده در بالا تشکیل شده اند و دارای خواص جدیدی هستند که منحصر به خود آنهاست [12].
آن چرا که در مورد تقسیم بندی مواد گفتیم در شکل مقابل می توان خلاصه کرد
فلزات نیم رساناها سرامیکها سیلکونها پلیمرها

شکل 1-7-تقسیم بندی مواد
1-8-2- از کاهگل تا کامپوزیتهای پیشرفته:
در فرهنگ متالورژی کامپوزیت را مواد مرکب و مواد چندسازه معنی کرده اند یعنی موادی که از اتصال دو یا چند ماده ساخته شده اند مثل: سرامیک و فلز، فیبر و فلز، پلاستیک و الیاف شیشه، الیاف کربن و پلاستیک و ..... ماده جدیدی که در این اتصال بوجود می آید (یعنی کامپوزیت) معمولاً از چند جنبه کیفیت بهتری نسبت به اجزای سازنده خود دارد. مثلاً مقاومتش در برابر ضربه یا حرارت بیشتر است. اولین کامپوزیت ساخت بشر کاهگل است که مخلوطی از کاه و گل برای اندود بام و دیوار به کار رفته است. در نواحی مختلف ایران تنورهای یافت شده اند که در ساختن آنها گل را با پودر شیشه و پشم بز در آمیخته اند تا مقاومت تنور در برابر گرما و ضربه افزایش یابد. در معماری خشتی ایران (که ارگ بم نمونه ای از شاهکار آن است) نیز برای افزایش مقاومت خشتها خاک رس را با کاه، خرده سنگ، خاکستر، موی بز، پوست برنج، الیاف خرما و حتی فضولات چهارپایان در می آمیختند. اینها در واقع کامپوزیتهای ابتدایی بوده اند اما کامپوزیتهای پیشرفته جدید ثمره نیازهای پیشرفته جدید هستند. سازندگان اتومیبل، موشک یا سفینه های فضایی همواره می کوشند استحکام را با سبکی آشتی دهند و کامپوزیتها هم مقاومت زیادی در برابر فشار دارند و هم سبکترند .ابتدا از کامپوزیتها فقط در ساختن هواپیما ، موشک و ماهواره استفاده می کردند اما امروزه نقش کامپوزیتها در زمینه های ساختمان سازی ، حمل و نقل، الکترونیک، صنایع دریایی و دهها زمینه دیگر بسیار افزایش یافته است و هر سال در جهان 6/4 میلیون تن کامپوزیت تولید می شود. کامپوزیتها را معمولاً به سه دسته تقسیم می کنند:
1- کامپوزیت های پایه پلیمری(ترکیبی از الیاف شیشه و رزین) پیش از 90% کامپوزیتهایی که در صنایع و موارد مختلف مصرف می شوند از کامپوزیتهای پایه پلیمری هستند.
2- کامپوزیتهایی پایه فلزی: که در آنها یک فلز با فلز دیگری همراه می شوند. مثلاً الیاف تنگستن را بصورت تور می بافند و با آلومینیوم اندود می کنند، حاصل کار کامپوزیتی است که نه مانند تنگستن سنگین است و نه مانند آلومینیوم شکننده.
3- کامپوزیتهایی پایه سرامیکی: از این کامپوزیت ها بیشتر در صنایع نظامی استفاده می شود اگر چه در صنعت خودرو نیز مصارفی دارند ولی هنوز چندان تجاری نشده اند و عمده ترین مشتری این کامپوزیتها به شرح زیر می باشند:
صنعت ساختمان : 42%
صنعت حمل و نقل: 30%
صنعت برق: 17%
سایر صنایع: 10%
صنعت هوا و فضا (گرچه خود بنیانگذار کامپوزیت است): 1% [12].
1-8-3- کاربردهای دیگر کامپوزیت ها:
صنایع دریایی: کامپوزیت ها بدلیل پایداری بسیار خوب آنها در محیط های خوردنده کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده اند از جمله: ساخت بدنه قایق ها، کشتی ها، تأسیسات فراساحلی، لوله ها و نرده های کامپوزیتی [12].
تجهیزات ورزشی: تولید وسایل و تجهیزات ورزشی از جمله راکت تنیس، چوب اسکی، کلاه ایمنی برای موتور سواران.
انواع لوله ها برای انتقال آب، فاضلاب، نفت و مواد شیمیایی، مخازن تحت فشار
1-8-4- ساخت کامپوزیت
مشخصات استثنایی کامپوزیت های خوب،ناشی از شیوه ی ساخت شدن آنهاست. مثلاً برای ساختن یک کامپوزیت کربن + کربن نخست یک پایه یا زمینه می سازند، پایه ممکن است از هزاران میله کربن درست شده باشد، این میله ها را به اشکال مختلف لایه چینی می کنند. طرز قرار گرفتن میله ها و زاویه آنها با یکدیگر بر حسب موارد استفاده از کامپوزیت فرق می کند. حداکثر مقاومت در راستای طولی میله هاست پس برحسب مقاومتی که از کامپوزیت انتظار داریم می توان میله ها یا الیاف را در چند جهت روی هم قرار داد:
1- در یک جهت
2- در دو جهت متقاطع
3- در سه جهت
آنگاه باید این مجموعه را بصورت یک قالب در آورند برای اینکار فواصل میان میله ها را با کربن پر می کنند، بعد نوبت چگال کردن یا متراکم کردن کامپوزیت می رسد. برای اینکار قالبی که به دست آمده در چندین نوبت و مدت ده ها ساعت به کوره می رود و پخته و متراکم می شود. دمای کوره به 1000 درجه سانتیگراد می رسد بعد از این مرحله کامپوزیت کربن + کربن بصورت یک قطعه در می آید که چگالی آن یک و نیم تا دو گرم بر سانتیمتر مکعب است، حالا از این قطعه می توانیم آن چرا مورد نظر ماست بسازیم. در کامپوزیت های دیگری ممکن است قالب را از رزین اپوکسی انتخاب کنند اگر بخواهیم کامپوزیتی بسازیم که در دماهای بالا کمتر اکسیده شود می توانیم در مرحله چگال کردن از کربور سیلسیوم استفاده کنیم برای ساختن پایه و قالب از مواد دیگر گداز مثل کربن و سرامیک استفاده می شود به این ترتیب کامپوزیت هایی بدست می آید که پایداری مکانیکی خوبی دارند و هم در برابر دماهای بالا مقاومت می کنند [12].
1-8-5-روش های ساخت نانوکامپوزیت
روشهای زیادی در تولید نانوکامپوزیتها استفاده شده، ولی سه روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافته‌اند عباراند از: پلیمریزاسیون in situ ، ترکیب محلول القاشدن و فرآیند ذوبی .
روش اینسیتو عبارت است از وارد نمودن یک پیش ماده پلیمری بین لایه‌های رسی و آنگاه پهن کردن و سپس پاشیدن لایه‌های رسی درون ماده زمینه (matrix) با پلیمریزاسیون. ابتکار این روش بوسیله گروه تحقیقاتی شرکت تویوتا بود و زمانی رخ داد که می‌خواستند نانوکامپوزیتهای خاک رس / پلیمر6 را بسازند. این روش قابلیت و توانایی تولید نانوکامپوزیتهایی با لایه لایه شدگی خوب را دارد و در محدوده وسیعی از سیستم های پلیمری، کاربرد دارد. این روش برای کارخانه‌های پلیمر خام مناسب است تا در فرآیندهای سنتزی پلیمر، نانوکامپوزیت‌های رسی / پلیمر بسازند و مخصوصاً برای پلیمرهای ترموستینگ (پلیمرهایی که در برابر گرما مستحکم‌تر می‌شوند) بسیار مفید است.
روش ترکیب محلول القا شده (solution induced interceletion) از یک حلال برای بارگیری و پخش رس‌ها در محلول پلیمری استفاده می‌شود. این روش هنوز مشکلات و موانع زیادی را در راه تولید تجاری نانوکامپوزیت‌ها پیش رو دارد. قیمت بالای حلالهای مورد نیاز و همچنین مشکل جداسازی فاز حلال از فاز محلول تولید شده، از جمله این موانع هستند. همینطور در این روش، نگرانیهایی از نظر امنیت و سلامتی وجود دارد . با این وجود این روش در مورد پلیمرهای محلول در آب قابل اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قیمت پایین آب که بعنوان حلال استفاده می‌شود و همچنین امنیت بیشتر و خطر کمتر آن برای سلامتی.
در روش فرآیند ذوبی، ترکیب خاک رس و پلیمر در حین ذوب شدن انجام می‌شود. بازده و کارآیی این روش به اندازه روش اینسیتو نیست و کامپوزیتهای تولید شده، ورقه‌ورقه شدگی کمی دارند. به هر حال این روش می‌تواند در صنایع تولید پلیمر قدیمی که در آنها از روشهای قدیمی مانند قالبگیری و تزریق (Extrution and injection molding) استفاده می‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمی در افزایش سرعت پیشرفت تولید تجاری نانوکامپوزیت‌های رس / پلیمر ایفا کرده است.
علاوه بر این سه روش با روش‌های دیگر نیز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکیب جامد، کوولکانیزاسیون و روش سل-ژل. این روشها بعضاً در مراحل ابتدایی توسعه هستند و هنوز کاربرد وسیع پیدا نکرده‌اند.
کاربرد غشاء پلی سولفونی را در تصفیه آب می توان امتحان کرد بدین صورت که سه فلز سنگین آرسنیک، کروم و کادمیوم را به خوبی از آب جدا می شود و گرفتگی آن نیز بسیار کند می باشد؛ هر چند که کاربرد های این غشا بیش از تصفیه آب است.
مهمترین خصوصیت این غشاها از نظر عملکرد در سیستم جداسازی، تراوش پذیری و گزینش پذیری آنهاست. برای برخی از این غشاها پایداری حرارتی و شیمیایی اهمیت دارد که بستگی مستقیم به جنس پلیمر آنها دارد و باید آنها را بر اساس این ویژگی ها انتخاب کرد.
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جدب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود [12].
1-9- کاربرد تکنولوژی غشا
تکنولوژی غشا یا membrane یکی از تکنولوژی های پر کاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت آب فاضلاب تا صنایع غذایی و دارویی گسترده است [13].
1-10- محورهای اصلی کاربرد غشاها
1-10-1 صنعت آب و فاضلاب
جداسازی املاح آب در فرآیندهای تصفیه بصورت شیمیایی، بیو شیمیایی، میکروبی و غیره انجام می گیرد. مهمترین بخش در فرآیند جداسازی و فیلتراسیون املاح از آب غشاها هستند. برای مناطقی که آب آشامیدنی طبیعی مطلوبی ندارند، آب شیرین کن ها از دستگاههای پر مصرف محسوب می شوند. بطور مثال در ایران شهرهایی مثل قم از این مشکل رنج می برند که آب شیرین کن ها تا حد زیادی این مشکل را مرتفع نموه اند. حتی در شهرهایی که آب آشامیدنی به ظاهر مطلوبی دارند، دستگاههای آب شیرین کن بازار خوبی داشته اند چرا که به هر حال آب جاری طبیعی دارای آلودگی می باشد. اخیراً خبری در مورد کشور چین منتشر شده که این کشور با مشکل آب مواجه است در حالی که کشور چین دارای رودخانه های بزرگ بوده و دارای میانگین بارش سالانه بالا می باشد. بنابراین چنین کشوری نیز با جمعیت زیاد نیاز به تصفیه آب و استفاده از تکنولوژی غشایی دارد. فاضلاب نیز پس از یک حد مشخص از آلودگی دیگر برای شرب مناسب نیست ولی با تصفیه می توان از آن در استفاده هایی نظیر کشاورزی یا کارهای عمرانی استفاده کرد. روشهای تصفیه ای که مبنی بر فرآیندهای تبخیر و میعان هستند مصرف انرژی بالایی دارند، به ویژه در فرآیند میعان میزان مصرف انرژی بیشتر است. ولی در تکنولوژی غشاء این مشکل وجود ندارد و می تواند به عنوان جایگزین خوبی برای روشهای قدیمی تصفیه مطرح شود.
البته هزینه اولیه دستگاههای آب شیرین کن شاید زیاد باشد ولی دولت می تواند سوبسیدی که برای درمان بیماریهای انگلی میدهد به خرید دستگاههای تصفیه بدهد و از شرکتهایی که در زمینه توسعه چنین دستگاههایی فعالیت می کنند حمایت کند تا بتواند بتدریج هزینه های تولید را کاهش دهد.
1-10-2- صنایع غذایی
صنعت لبنیات، آبمیوه و صنایع تبدیلی دیگر که خود در حوزه صنایع غذایی قرار می گیرند یکی از مصرف کنندگان اصلی غشاها محسوب می شوند بطور مثال در سیستم های UF که در تولید پنیر استفاده می شوند غشاء به کار برده می شود. همچنین از سیستمهایی غشایی در پاستوریزاسیون و هموژنیزاسیون نیز استفاده می شودو در تولید انواع آبمیوه ها که منبع پروتئین برای انسان هستند از غشاء برای شفاف سازی و تا حدودی آلودگی زدایی استفاده می شود.
1-10-3- صنایع دارویی و پزشکی
تولید دارو با سیستمهای مختلفی انجام می شود، این دارو نیاز به خالص کردن دارد و اهمیت خالص سازی دارو کمتر از تولید دارو نیست. بطوریکه تولید دارو 30 درصد از هزینه های دارویی را در بر میگیرد در حالیکه 70 درصد هزینه ها صرف خالص سازی دارو می شود. مهمترین عنصر در فرآیند خالص سازی غشاها هستند که در فرآیندهایی مانند: دیالیز، میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون بکار برده می شوند. در پزشکی نیز در سیستمهای رهایش دارو یا ایمپلنتهایی که باید جذب و دفع کنترل شده در بدن داشته باشند از غشا استفاده می شود.
1-10-4- تصفیه هوا و خالص سازی گازها
یکی از محورهای اصلی کاربرد غشا تصفیه هوا و یا تولید گازهای خالص مانند: اکسیژن خالص و نیتروژن خالص می باشد. که این گازها کابردهای صنعتی زیادی دارند. در فرآیند PSA که در تولید اکسیژن و نیتروژن خالص بکار برده می شود از غشاها استفاده می شود. امروزه عقیده براین است که اگر بتوان از طریق غشایی مقداری اکسیژن وارد موتور خودرو کرد احتراق بهتر صورت میگیرد.
1-10-5-کاربردهای دیگر
زمینه های صنعتی فراوان دیگری نیز وجود دارد که در کنار محورهای اصلی ذکر شده در بالا، در حوزه کاربردهای تکنولوژی غشا قرار می گیرند. از جمله سه محصول صنعتی مهم که در کشور با همین تکنولوژی تولید می شوند عبارنتد از: گاز کلر، آب ژاول و سود. گاز کلر تولید شده به این روش بسیار با کیفیت است بطوریکه حتی به کشورهای منطقه صادر می شود. در فرآیندهای خالص سازی عناصری مثل اورانیوم نیز در صنایع هسته ای بکار می رود از غشا استفاده می شود [13].
1-11- غشاهای بستر آمیخته
مطالعات برروی ساختار غشا جهت افزایش کارایی آنها همچنین ادامه دارد. یک راه جهت استفاده از ویژگی های هر دو نوع غشاهای آلی و غیر آلی، ساخت غشاهای پلیمری پر شده از ذرات پر کن که در فاز پلیمری به صورت پکنواخت پخش شده اند می باشد. این نوع از غشاها، غشاهای بستر آمیخته نامیده می شوند [14] که دارای گزینش پذیری و تراوایی در حد غشاهای غیرآلی می باشند. بازده جداسازی غشاهای بستر آمیخته می تواند با اصلاحات شیمیایی بهبود یابد. وجود گروه های عاملی آلی بر سطح پر کن غیر آلی علاوه بر این که برای پخش بهتر مواد غیر آلی در فاز پلیمری کمک می نماید، بلکه موجب افزایش گزینش پذیری نیز می شود [15]. در این غشاها از شکنندگی ذاتی غشاهای غیر آلی به دلیل استفاده از پلیمر منعطف جلوگیری می گردد [14]. در مقادیر کم فاز غیر آلی، ذرات پرکن می توانند در جداسازی مؤثر باشند، در مقادیر بالای پرکن، ناحیه هایی از ذرات به هم متصل شده، تشکیل می شود. حتی ممکن است در مقادیر بالاتر این ناحیه ها رشد کرده و مسیرهای پهنی را ایجاد کنند. در مقادیر بالاتر، کانال های پیوسته در داخل غشا شکل می گیرد.
فاز پیوسته (B) عموما بستر پلیمری یا سرامیکی است فاز پخش شده (A) می تواند غربال مولکولی جامد یا مایع باشد. مدل ماکسول ابزاری ساده و مؤثر برای پیش بینی ویژگی های غشاهای بستر آمیخته برای جداسازی H2/CO2 توسط غشای بستر آمیخته سلولز استات-سیلیکالیت در سال 1980 مطرح شد. کارهای برجسته در مورد غشاهای بستر آمیخته انجام شده که می توان به موارد زیر اشاره کرد: جداسازی N2 از هوا [16-17]، CO2 از گاز طبیعی [17]، n-پنتان از i-پنتان [18] و در جداسازی مایعات: جداسازی مخلوط آب و اتانول و مخلوط تولوئن-اتانول [18].
1-12-انواع غشاها
غشاها در حالت کلی به دو دسته غشاهای آلی و غیر آلی تقسیم می شوند از مهمترین غشاهای آلی، غشاهای پلیمری هستند این غشاها چگال می باشند، به همین دلیل گزینش پذیری بالایی دارند. از مهمترین غشاهای غیر آلی می توان به غشاهای سرامیکی اشاره کرد. مهمترین ویژگی غشاهای سرامیکی متخلخل تراوایی بالای آنهاست. می توان با استفاده از یک سیستم ترکیبی از غشاهای آلی-غیر آلی، از گزینش پذیری خوب غشاهای پلیمری و در عین حال از تراوایی و استحکام مکانیکی، شیمیایی و گرمایی بالای غشاهای سرامیکی استفاده کرد به این ترتیب که غشاها برروی پایه های نانوساختار سرامیکی پوشش داده می شوند. غشاهای هیبریدی که در سالهای اخیر تحولات چشم گیری در فرآیندهای جداسازی گازها ایجاد کرده اند، می توانند به عنوان انتخابی مناسب در شیرین سازی گاز طبیعی مطرح شوند. استفاده از پایه های نانوساختار بر عملکرد این نوع غشاها بسیار اهمیت دارد. زیرا اکنون کارهای پژوهشی در این زمینه در مرزهای دانش است و مراکز تحقیقاتی مهم دنیا در مقیاس های آزمایشگاهی کارهای ارزشمندی را انجام می دهند [7].
1-13-مدل حلالیت نفوذ
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جذب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود. مطابق مدل حلالیت - نفوذ ، نقوذ مولکولها از میان غشا با دو پارامتر اصلی کنترل می شود : ضریب نفوذ (D) و ضریب حلالیت (S). ضریب حلالیت برابر نسبت دو پتانسیل جذب مثل فشار جزئی تعریف می شود. تراوایی(P) در رابطه (1-1)به صورت توانایی مولکولها برای نفوذ از غشا تعریف می شود.
(1-1)(1)

انتخاب پذیری غشا هم که توانایی جداسازی دو مولکول مانند A و B است به صورت نسبت تراوایی تعریف می شود.
(1-2)(2)

که از رابطه (1-1) و (1-2) رابطه (1-3) بدست می آید.
(1-3)
DA/ DB (انتخابگری نفوذ) نسبت ضرایب نفوذ دو مولکول و SA/ SB (انتخابگری حلالیت) نسبت ضرایب جذب قانون هنری است. توازن بین انتخابگری نسبت به نفوذ و انتخابگری نسبت به حلالیت مشخص کننده این است که آیا غشا در مخلوط خوراک نسبت به A انتخابگری دارد یا نسبت به B. گازها می توانند ضریب تراوایی بالایی داشته باشند ، چون ضریب حلالیت یا ضریب نفوذ یا حتی هر دو آنها زیاد است. عموما با افزایش اندازه مولکولهای گاز ضریب نفوذ کاهش و ضریب حلالیت افزایش می یابد. برای عملکرد خوب غشا هم تراوایی و هم انتخابگری باید بالا باشد. هر چه تراوایی بالا باشد سطح مورد نیاز غشا برای تصفیه گاز کمتر می شود و انتخابگری بالا خلوص گاز بالایی را در شرایط تراوایی یکسان به ما می دهد. پلیمرها با دمای گذار شیشه ای (Tg) بالا ، دمای ذوب بالا و کریستالی بودن بالا معمولا پیشنهاد می شوند. پلیمرهای شیشه ای (پلیمرهایی که زیر دمای گذار شیشه ای خود قرار دارند) استقامت بالایی دارند بنابراین مولکولهای ریز مثل H2 و He سریع عبور می کنند و مولکولهای بزرگ مثل هیدروکربن ها به آهستگی عبور می کنند. پلیمرهای تراوا انتخاب پذیری پایینی دارند.
با وجود تمام این مزایا غشاهای پلیمری نمی توانند به مشکل تناقض بین انتخابگری و تراوایی چیره شوند. در واقع غشاهای غیر آلی مثل غشاهای کربنی و زئولیتی دارای انتخابگری و تراوایی بالایی هستند اما در مقیاس بزرگ ساخت آنها سخت است. با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیرآلی یک نوع جدید غشاها اخیرا گسترش یافته به اسم غشاهای بستر آمیخته. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که ذرات جامد یا مایع یا هر دو آنها به عنوان پرکننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند.

با غشاهای بستر آمیخته می توان به انتخابگری بالا با همان مقدار تراوایی یا تراوایی بیشتر در مقایسه با غشاهای پلیمری موجود دست یافت. با اضافه کردن فاز پخش شده می توان خواص جداسازی را بهبود بخشید.

شکل 1-8-فاز پیوسته و پراکنده در ساختار غشاهای بستر آمیخته
فاز بالک (B) عموما به عنوان پایه ، پلیمری یا سرامیکی است. فاز پخش شده (A) می تواند غربال مولکولی مایع باشد. مدل ماکسول ابزاری ساده و موثر برای پیش بینی خواص غشاهای بستر آمیخته است.
lefttop(1-4)
P: تراوایی : جزء حجمی فاز پخش شده ، زیر نویس MM اشاره به غشای بستر آمیخته دارد. M اشاره به فاز پیوسته و D اشاره به فاز پخش شده دارد.
1-14-تجهیزات لازم بررسی ساختار عملکرد غشاءها
1- میکروسکوپ الکترونیکی روبشی(SEM)
2- میکروسکوپ نیرواتمی(AFM)
3- اندازه گیری سطح غشاء با استفاده از زتاپتاسیل
4- اندازه گیری زاویه تماس
5- آنالیز طیف سنجی FTIR-ATR
6- آنالیز حرارتی ثقلی(TGA)
7- سیستم ارزیابی غشاها
1-15- تاریخچه گسترش غشا
مطالعات سیستماتیک پدیده غشا و فرآیندهای غشایی به قرن هجدهم برمی گردد. دانشمندان برای مثال اب نولت کلمه اسمز برای توصیف نفوذ آب از طریق دیافراگم را در سال 1748 ابداع کرد. در طول قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم غشا هیچ کاربرد صنعتی یا تجاری نداشت اما به عنوان ابزار آزمایشگاهی برای توسعه تئوری فیزیکی/ شیمیایی مورد استفاده قرار گرفت. به عنوان مثال محاسبه فشار اسمزی ایجاد شده توسط غشا توسط وانت هوف در سال 1887 که رفتار محلول های ایده آل رقیق را توضیح می دهد، استفاده شد. حدودا همان زمان، مفهوم کاملا گزینشی غشاء نیمه تراوا توسط ماکس ول و دیگران در توسعه نظریه جنبشی گازها استفاده شد. به زودی محققان آزمایشات غشا را با نوعی دیافراگم قابل دسترس به عنوان مثال، مثانه خوک، گاو یا ماهی و سوسیس روده ساخته شده از روده ی حیوانات شروع کردند. پس از آن غشاهای محلول شیمیایی (نیتروسلولز) ترجیح داده شد زیرا آنها بایستی قابل تکثیر باشند. در سال 1907 بچهلد روشی را ابداع کرد که برای آماده سازی غشاهای نیتروسلولزی با اندازه منافذ مدرج که با یک آزمایش حباب تعیین می شد، مورد استفاده قرار گرفت. در اوایل سال 1930 غشای میکرو منفذ به صورت تجاری در دسترس بود.در طی 20 سال آینده تکنولوژی غشای میکروفیلتراسیون برای پلیمرهای دیگر، به طور ویژه استات سلولز، گسترش پیدا کرد. اولین کاربرد غشاهای یافت شده در تست آب آشامیدنی در پایان جنگ جهانی دوم بود. در سال 1960 که علم مدرن غشا گسترش یافته بود، غشاها تنها در چند آزمایشگاه کوچک تخصصی، استفاده شد. هیچ غشای قابل توجه صنعتی وجود نداشت و مجموع فروش سالانه غشا برای تمام کاربردهای صنعتی احتمالا بیش از 20 میلیون دلار در سال 2003 نمی شود. غشاها دارای 4 مشکل هستند که مانع کاربرد وسیع شان به عنوان یک فرآیند جداسازی می شود: آنها غیرقابل اعتماد، بیش از حد آهسته، همچنین غیر گزینشی و بیش از حد گران هستند. راه حل های هرکدام از این مشکلات در طول 30سال گذشته گسترش یافتند. فرآیندهای جداسازی مبتنی بر غشا اکنون رایج هستند. در دوره 1960-1980 یک تغییر ویژه در وضعیت تکنولوژی غشا ایجاد شد. دیگر فرآیندهای شکل گیری غشا، از جمله پلیمریزاسیون بین سطحی و ریخته گری کامپوزیت و پوشش چند لایه برای ساخت غشاهایی با کارایی بالا توسعه داده شد. با استفاده از این فرآیند غشاهایی با لایه های گزینشی به ضخامت µm 1/0 یا کمتر حالا توسط تعدادی از شرکت ها تولید می شوند. در سال 1980 میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس و الکترودیالیز فرآیندهای ایجاد شده و گسترش یافته در جهان هستند[19].
1-16- تاریخچه غشاهای بستر آمیخته
با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیر آلی، نوع جدید غشاها اخیراَ به نام غشاهای بستر آمیخته گسترش یافته است. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که در آنها جامد یا مایع یا هردو به عنوان پر کننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند [3] پژوهش بر روی غشاهای بستر آمیخته از سال 1980 با سرعت قابل ملاحظه ای به صورت پیوسته رو به افزایش است. اکنون یافته های تجربی و آزمایشگاهی، برتری نسبی جداسازی غشاهای بستر آمیخته نسبت به غشاهای پلیمری خالص را نمایان گر ساخته است. با توجه به جدید بودن این نوع از غشاها، فضای کاری زیادی برای مطالعات آینده پیش رو قرار دارد [19].
استراتژی مورد استفاده در غشاهای بستر آمیخته مربوط به ترکیب خواص غشاهای پلیمری و غشاهای معدنی در یک غشا است و این کار با پخش پرکننده ها در بستر پلیمرها انجام می شود. همانطور که قبلا هم بیان شد سه نوع غشای بستر آمیخته داریم : جامد – پلیمر ، مایع – پلیمر و جامد – مایع – پلیمر. بستر پلیمر از پلیمرهای شیشه ای که ارزان هستند (مثل پلی ایمید ، پلی سولفون ، پلی اتر سولفون یا سلولوزاستات) یا پلیمرهای لاستیکی (کائوچویی ) ، (مثل silicone rubber) انتخاب می شوند. در غشاهای بستر آمیخته جامد – پلیمر پرکننده های جامدی که در پلیمر پخش می شوند شامل غربال های مولکولی ریزتخلخل مثل زئولیت ها ، کربن فعال ، غربال مولکولی کربنی ، سیلیکا ، C60 ، TiO2 و... می شوند. امروزه غشاهای بستر آمیخته پلیمر – زئولیت به صورت گسترده و با صرفه اقتصادی با ذرات پر کننده درشت زئولیت که در اندازه میکرون می باشند مورد استفاده قرار می گیرند. اخیرا استفاده از ذرات زئولیتی در اندازه نانو هم به عنوان پر کننده در غشاهای بستر آمیخته گزارش شده است[19].
در غشاهای بستر آمیخته پلیمر – مایع ، پلی اتیلن گلیکول (PEG) با فاز پیوسته ترکیب می شود. نوع جدید غشاهای بستر آمیخته جامد – مایع – پلیمر هستند که اخیرا گسترش پیدا کرده اند. فاز جامد مانند کربن فعال با پلیمر مایع مانند PEG اشباع می شود که به عنوان تثبیت کننده ی پلیمر مایع در فاز پلیمر پیوسته می باشد. از طرفی کربن فعال کارایی غشاهای بستر آمیخته را افزایش می دهد. با تجاری شدن فرایندهای جداسازی غشایی در اواسط 1980 دو نوع از غشاهای بستر آمیخته گسترش یافتند. نوع اول غشاهای بستر آمیخته جامد – پلیمر با جاذب جامد معدنی که در بستر پلیمر جاسازی شده است می باشد. پلیمر می تواند سلولوز استات ، پلی سولفون ، پلی اتر سولفون یا پلیمرهای مرکب پلی الکترولیت باشد. جاذب جامد می تواند زئولیت هایی مانند NaA ، NaY ، NaX ، AgX ، سیلیکالیت ، آلومینا یا کربن فعال باشد. نوع دوم غشاهای بستر آمیخته پلیمر مایع هستند که از ریخته گری PEG یا پرکننده های مایع دیگر بر روی پایه سلولوز استات یا پلی سولفون باشد[19].
هر دو نوع غشاهای بستر آمیخته برای جداسازی گازهای قطبی و غیرقطبی ، دی اکسید کربن از نیتروژن و متان و پارافین های سبک از اولفین های سبک مورد ارزیابی قرار گرفتند[18].
اخیرا نوع سومی گسترش یافته که ترکیبی از جامد – مایع – پلیمر است. در این نوع جامد مانند کربن فعال با پلیمر مایع مانند پلی اتیلن گلیکول اشباع می شود. کربن اشباع شده سپس در بستر پلیمر که پیوسته است پخش می شود. مخلوط حاصل بر روی غشای پلیمری متخلخل نشانده می شود. این نوع ترکیب دارای خواص فاز پیوسته پلیمری ، پرکننده های جامد و فاز مایع می باشد[19].

1-9-ساختار شیمیایی پلی سولفون
بخش دوم
مواد، تجهیزات و کارهای تجربی
قلب یک فرآیند غشایی، غشای به کار گرفته شده در آن فرآیند می باشد. برای پوشش دادن همه فرصت های پیش رو فرآیندهای جداسازی غشایی، بایستی بتوان از مواد مناسب تر و بهتری بهره گرفت. معیارهای انتخاب یک ماده مناسب برای ساخت غشا برای یک جداسازی از پیش تعیین شده فراوان می باشد. اما از میان این معیارها، تراوایی و گزینش پذیری غشا در درجه اهمیت بالاتری قرار دارند. تراوایی و گزینش پذیری بالا، انعطاف پذیری دیگر پارامترهای سیستم، مانند سطح مورد نیاز کمتر برای دستیابی به یک جداسازی مشخص را بیشتر می کنند بنابراین جداسازی کاراتری بدست خواهد آمد.
2-1-انتخاب مناسب فاز پلیمری
2-1-1- غشای پلیمر پلی سولفون
پلی سولفون به عنوان ترموپلاست (پلاستیک گرما نرم) استفاده می شود. نام های دیگر آن عبارتند از لاسولف، ادل، التراستون. این پلیمر دارای گروههای آروماتیکی و سولفون (SO2) است و در سال 1965تولید شد، این پلیمر از واکنش دی فنل و بیس (4-کلرو فنیل) سولفون بدست می آید.ضریب تراوش پذیری پایین، انتخابگری بالا قابلیت خوب شکل پذیری بصورت فیلم و پایداری حرارتی از جمله خواص پلی سولفون برای کاربردهای جداسازی گازها می باشد.

به واسطه خواص خوب مکانیکی، مقاومت شیمیایی بالا و دمای تبدیل شیشه ای بالا پلیمر پلی سولفون به مقدار زیادی در تهیه غشاهای نامتقارن (معمولاً در محدوده الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون) مورد استفاده قرار می گیرد. از غشاهای پلی سولفونی همچنین به عنوان لایه حفاظتی در تهیه غشاهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس استفاده می شود [20] غشاهای الترافیلتراسیون پلی سولفونی، ترشوندگی بسیار پایینی را دارند. بواسطه برهمکنشهای هیدروفوبی بین غشا و حل شوندهای آبگریز این خاصیت در غشاهای پلی سولفونی مشکلات انسداد زیادی را در پی خواهد داشت [22] بطور کلی افزودنی ها باعث تشکیل روزنه ها، افزایش آبدوستی غشا و ایجاد ساختار اسفنجی در غشا می شود [21] به منظور آبدوست تر نمودن غشاهای پلی سولفونی روشهای متعددی مورد استفاده قرار گرفته است این روشها شامل ترکیب پلیمرها [23] اصلاح شیمیایی [24] استفاده از پلاسما به منظور اصلاح [25] گرافت پلیمری با استفاده از اشعه ماوراء بنفش[26] و استفاده از نانو مواد مانند دی اکسید تیتانیوم و اکسیدآلومینیوم در تهیه غشاهای الترافیلتراسیون می باشد [27] .
یکی از مزایای پلی سولفون حسایست آن نسبت به نور می باشد بطوریکه غشاهای پلی سولفونی تحت تابش نور ماوراءبنفش تولید رادیکالهای آزاد می نماید. انجام گرافت با استفاده از تابش اشعه ماورابنفش بطور کنترل شده ای خصوصیات سطحی غشا را اصلاح می کند، بطوریکه با گرافت مونومرهای مشخص بر سطح غشا، به راحتی می توان غشاهایی با خصوصیات ویژه تولید نمود. نوع مونومر در این زمینه نقش مهمّی را بازی می کند[28] یاماگیشیو همکارانش گرافت مونومرهای وینیلی بر سطح غشاهای پلی سولفونی و پلی اترسولفونی را با استفاده از ترکیب موادهای مختلف مورد مطالعه قرار دادند[29]. با استفاده از این روش در ابتدا با تابش اشعه ماوراءبنفش به سطح غشا، رادیکالهای آزاد بوجود می آید. رادیکالهای بوجود آمده واکنش پذیر می باشد و پلیمراسیون مونومرهای وینیلی در این موفقیت ها صورت می پذیرد. در تابشهای شدیدتر و غلظتهای بالا از مونومر، بوسیله گرافت زنجیره پلیمری بر دیواره روزنه ها، روزنه های غشایی اولترافیلتراسیون تبدیل به روزنه هایی در محدوده نانوفیلتراسیون خواهد شد. از سویی دیگر مطابق با نوع مونومروینیلی، عوامل فعال شیمیایی همچون گروههای کربوکسیل و سولفات بردهانه دیواره روزنه هایی غشا شکل می گیرد. از طریق این دو واکنش یعنی کاهش حجم آزاد روزنه ها و باردار کردن دیواره روزنه ها، غشاهای الترافیلتراسیون اولیه تبدیل به غشاهای نانوفیلتراسیون می شود[30و31و32].
یاکسین ما و همکارانش غشاء نانوکامپوزیتی پلی سولفون - خاک رس را با درصدهای وزنی مختلفی از خاک رس به روش وارونگی فاز ناشی از غیر حلال آماده کرده اند. N-Nدی متیل استامید ،LiCl و آب مقطر به ترتیب به عنوان حلال، یک ماده منعقد کننده و یک عامل تشکیل منافذ، استفاده شده. مورفولوژی و ساختار غشاء توسط اسکن میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفته، عملکرد غشا در شرایط عبور پروتئین، تخلخل، زاویه تماس، شار عبوری آب خالص، مقاومت کششی ارزیابی شده است. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که خاک رس پراکندگی خوبی در پلی سولفون داشته و افزودن خاک رس باعث افزایش آبدوستی غشا و افزایش مقاومت کششی غشا می شود [33].
آرش ملاحسینی و همکارانش غشای اولترافیلتراسیون پلی سولفون ضد باکتری را با استفاده از نانوذرات نقره تولید کردهاند. جهت توصیف مورفولوژی غشا ، آزمونهای پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی (SEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، و زاویه تماس انجام گرفته. مطالعات SEM نشان داده که اندازه منافذ سطح با اضافه کردن نانوذرات نقره در محلول ریخته گری شده،کاهش یافته. پارامترهای زبری سطح به دست آمده از تصاویر AFM مشخص می کند که نانوذرات نقره با اندازه70 نانومتر باعث به وجود آمدن سطحی ناهموارتر برای غشاء می شوند.این نوع غشا دارای خاصیت ضد باکتری بسیار بالایی می باشد[34و35و36].
احمد اکبری و همکارانش غشاهای پلی سولفون اولترافیلتراسیون که از طریق فرایند وارونگی فاز تهیه کردند، با تابش اشعه UV در حضور مونومر اسید اکریلیک(AA) بهینه کرده و به فرم نانوساختاری تبدیل کرده اند.در محلول پلیمری اولیه % 17 پلی سولفون، % 75 ، حلال-n متیل پیرولیدون و % 8 پلی اتیلن گلایکول (PEG) با اوزان مولکولی 200 ، 400و 600 به عنوان افزودنی استفاده شده. همه غشاها دارای ساختار غیرمتقارن میباشند. نتایج مربوط به آنالیزهای SEM بیانگر این موضوع می باشد.با افزایش وزن مولکولی PEG در محلول پلیمری، نفوذپذیری غشاها (PWF)افزایش می یابد. در عملیات گرافت با افزایش غلظت AA و زمان تابش ، PWF کاهش می یابد و میزان جداسازی نمکهایی چون سدیم کلرید و سدیم سولفات و اتیلن دی آمین تترا استیک اسید(EDTA) و ماکرومولکولهایی نظیر PEG بهبود می یابد. آستانه شکست غشاها به میزان 10000 دالتون اندازهگیری شده که دلالت بر اندازه روزنه هایی در محدوده 6/4 نانومتر دارد. آنالیز FTIR ،گرافت AA روی پلی سولفون را ثابت می کند [37].
یاکینگ ژانگ و همکارانش ذرات فسفریله TiO2 و SiO2 (PTS) را با خاصیت آبدوستی بالایی برای اولین بار با روش سل ژل ساخته اند و سپس برای آماده سازی یک غشای کامپوزیتی PTS/PSF از طریق فرآیند وارونگی فاز به یک غشای پلی سولفون (PSF) اضافه کرده اند. خواص ذرات غشا توسط اسکن میکروسکوپ الکترونی (SEM) ، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، زاویه تماس آب، نفوذ شار، مقاومت کششی مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج نشان می دهد که ذرات PTS به صورت یکنواخت در غشا کامپوزیت PTS/PSF پراکنده شده اند و زاویه تماس آب از 0/78 به 5/45 درجه کاهش می یابد که خاصیت آبدوستی ذرات PTS را نشان می دهد و همچنین این نوع غشا خاصیت ضد رسوب و ویژگی های ضد تراکم نسبت به سایر غشاها، مانند SiO2/PSF را دارا می باشد. نتایج حاصل شده این می باشد که غشاء کامپوزیت PTS/PSF برای تصفیه فاضلاب حاوی روغن مطلوب هستند[38].
2-1-2-دلایل انتخاب نانو مواد
موضوع فناوری نانو طی سالهای اخیر بطور فزاینده‌ای مطرح شده است. عرصه نانو، محدوده‌ای بین ابعاد میکرو و ابعاد مولکولی است و این محدوده‌ای است که دانشمندان مواد و شیمیدان‌ها در آن به مطالعاتی پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نیز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولی تکنولوژی که توسط علوم مواد و شیمی توسعه یافته و به نانومقیاس معروف است، نباید به عنوان نانوتکنولوژی تلقی شود. هدف اصلی در نانوتکنولوژی ایجاد کاربردهای انقلابی و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهی و جنبش آنها و همچنین طراحی ابزار در مقیاس نانو می‌باشد. نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر یک مثال موردی از نانوتکنولوژی هستند. در این نوع مواد، از خاک رس‌های نوع اسمکتیت ( Smectite ) از قبیل هکتوریت، مونت موریلونیت و میکای سنتزی، به عنوان پرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک رس‌های نوع اسمکتیت، ساختاری لایه‌ای دارند و هر لایه، از اتمهای سیلیسیم کوئورانیه شده بصورت چهار وجهی که به یک صفحه هشت وجهی با لبه‌های مشترک از Al(OH) 3 یا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکیل شده است. با توجه به طبیعت پیوند بین این اتمها، انتظار می‌رود این مواد خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای را در جهت موازی این لایه‌ها نشان دهند ولی خواص مکانیکی دقیق این لایه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخیراً با استفاده از روشهای مدل‌سازی تخمین زده شده که ضریب یانگ در راستای لایه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بیشتر از یک پلیمر عادی است. لایه‌ها نسبت صفحه‌ای (aspect ratio) بالایی دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد، در حالیکه شعاع آن از سی نانومتر تا چند میکرون، متفاوت می‌باشد. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها بوسیله یک نیروی واندروالسی ضعیف، روی هم انباشته می‌شوند تا یک جزء رسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب این امکان وجود دارد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهای گوناگونی، درون یک پلیمر، به شکل سازمان‌یافته قرار دهیم. اصلی که در نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر رعایت می‌شود، این است که نه تنها دانه‌های رسی را از هم جدا می‌کنند، بلکه لایه‌های هر دانه را نیز از هم جدا می‌کنند با انجام این عمل، خواص مکانیکی فوق‌العاده هر لایه نیز بطور موثر بکار می‌آید و این در حالی است که در اجزای تقویت شده نیز بطور چشمگیری افزایش پیدا می‌کند، زیرا هر جزء رسی خود از صدها تا هزاران لایه تشکیل شده است. امتیاز نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که تاثیر قابل توجهی بر خواص اپتیکی پلیمر ندارند. ضخامت یک لایه رس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است، بنابراین نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتیکی شفاف می‌باشد. با این دلایل، نتیجه می‌گیریم که نانوکامپوزیتهای خاک رس/ پلیمر نمایش خوبی از نانوتکنولوژی می‌باشد. با سازماندهی و چینش ساختار کلی در پلیمرها در مقیاس نانومتر، مواد جدید با خواص نو یافت شده‌اند. نکته دیگر در توسعه نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که این تکنولوژی، فوراً می‌تواند کاربرد تجاری پیدا کند، در حالیکه بیشتر نانوتکنولوژی‌های دیگر، هنوز در مرحله مفاهیم و اثبات هستند.
2-2-کارهای تجربی
2-2-1-مواد و تجهیزات
در این پژوهش برای ساخت غشا نانوکامپوزیتی از پلیمر پلی‌سولفون (PSf) استفاده شده‌است. دیگر مواد مورد استفاده عبارت‌اند از حلال N-متیل‌پیرولیدون (NMP) از شرکت LOBA Chemie، آب‌مقطر، نانو‌سیلیکا (Nano SiO2) و نانوکلی (Nano Clay) از شرکت پیشگامان نانومواد ایران.
تجهیزات مورد استفاده در این پژوهش عبارت‌انداز: ترازو، هیتر با همزن مغناطیسی، آون و حمام فراصوت.
2-2-2-ساخت غشا
2-2-2-1- ساخت فیلم غشای پلیمری اولترافیلتراسیون PSf
به منظور ساخت غشای پلیمری اولترافیلتراسیون با پلیمر PSf در ابتدا پلیمر به مدت 12 ساعت در آون (شکل 2-1) تحت دمای °C70 خشک شده است تا رطوبت و حلالهای باقیمانده از آن خارج شود. سپس مقدار معینی از پلیمر برای ساخت محلول 15% وزنی به حلال NMP اضافه شده است. پس از آن محلول در حمام آب قرار داده شده و در دمای محیط به مدت 1روز همزده شده است تا پلیمر به طور کامل حل شود (شکل 2-2). محلول حاصل به مدت 5 دقیقه در حمام فراصوت قرار داده شده تا یک محلول کاملا یکنواخت بهدست آید. محلول پایانی به دست آمده توسط فیلمکش بر روی شیشه ریختهگری شده و پس از30 ثانیه در حمام آب‌مقطر در دمای محیط (ضدحلال) فرو برده میشود تا لایه غشایی شکل گرفته و از شیشه جدا گردد. غشای بهدست آمده به‌مدت 12 ساعت در آب‌مقطر باقی می‌ماند تا حلال به‌طور کامل از غشا خارج شود. حمام فراصوت استفاده شده در این پژوهش در شکل 2-3 نشان داده شده است.

شکل 2-1- آون مورد استفاده بهمنظور ساخت و خشک کردن غشا
شکل2-2- حمام آب و سیستم بازگشتی در ساخت غشا
شکل2-3-حمام اولتراسونیک مورد استفاده برای پخش کردن یکنواخت ذرات2-2-2-2- ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی PSf
در پژوهش حاضر به منظور ساخت غشای نانوکامپوزیتی، به محلول آماده شده برای ساخت غشای اولترافیلتراسیون نانوذرات نانوسیلیکا و نانوخاک رس اضافه می‌شوند. مقدار مشخصی از نانوسیلیکا به محلول اضافه می‌شود و به‌مدت 12ساعت در دمای محیط 24 درجه روی دور تند هم‌زده می‌شود. سپس 5دقیقه در حمام فراصوت در دمای محیط قرار می‌گیرد تا یک محلول کاملاً یکنواخت و همگن حاصل شود. محلول پایانی به دست آمده توسط فیلمکش بر روی شیشه ریختهگری شده و پس از30 ثانیه در حمام آب‌مقطر در دمای محیط (ضدحلال) فرو برده میشود تا لایه غشایی شکل گرفته و از شیشه جدا گردد. مراحل اضافه کردن نانوکلی مشابه مراحل ذکر شده‌است با این تفاوت که برای بهتر پخش شدن ذرات کلی، پودر نانوکلی اندازه‌گیری شده به 5 قسمت مساوی تقسیم شده و در فاصله‌های زمانی مناسب به محلول اضافه می‌شود. غشاهای حاصل تا زمان استفاده در آب‌مقطر نگه‌داری می‌شود.
2-2-3- شار آب خالص
2-2-3-1- مدول غشایی2056576469327مدول استفاده شده در آزمایشها، مکعب مستطیل میباشد. این مدول با مساحت موثر 785/20 سانتیمترمربع تهیه شده است و جنس آن فولاد ضدزنگ میباشد. مدول در شکل 2-4 نشان داده شده است.
شکل 2-4- مدول غشایی استفاده شده جهت اندازهگیری میزان تراوایی
2-2-3-2- آزمون تراوش
در آزمایشهای تراوش، آب خالص در فشارهای مختلف وارد مدول غشایی شدهاست مقدار آب عبوری از غشا با ترازو اندازهگیری شده است. مقدار آب عبوری از غشا پس از رسیدن به حالت پایا اندازه گیری شده است. به علت شدت جریان مناسب جریان تراوش کرده، نیازی به ایجاد خلا در سمت تراوه و یا استفاده از جریان جارو‌کننده نبوده است.
2-2-3-3-نحوه انجام آزمایشها
بهمنظور انجام آزمایشهای شار آب خالص، غشاهای تهیه شده که در آب مقطر قرار دارند را در مدول غشایی قرار داده میشوند. سپس فشار 5/0 Bar بر روی غشا اعمال میگردد و به مدت 15دقیقه در این فشار باقی میمانند تا به حالت پایا برسند. سپس فشار تا فشارهای بالاتر افزایش داده میشود. این کار در هر غشا تکرار میشود و جریان عبوری از غشا با دقت gr/min 01/0 ثبت میگردد.
2-2-3-4- محاسبه میزان آب خالص عبوری غشادر شرایط پایا، شار آب خالص از غشا با استفاده از رابطه ( 2-1 ) محاسبه شده است. واحد شار kg/m2h است. از این رو شار آب خالص به‌صورت مقدار آب عبوری از غشا بر واحد سطح بر واحد زمان اندازه‌گیری شده‌است.
J=mA*t ) (2-1
که در این رابطه m جرم آب عبوری از غشا، A مساحت غشا و t مدت زمانی است که جرم m از غشا عبور می‌کند.
2-3- روشهای ارزیابی ساختاری
آزمونهای انجام گرفته جهت ارزیابی ساختاری غشاهای سنتز شده عبارتند از:
1- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
عکسبرداری SEM جهت بررسی ریختشناسی سطح مقطع غشاها و توزیع نانوذرات در ساختار غشای بستر آمیخته و بررسی چسبندگی نانوذرات با پلیمر انجام گرفت.
2-طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه(FTIR)
آزمون FTIR جهت تجزیه و شناسایی پیوندهای پلیمر و مقایسه آن با نمونه استاندارد به منظور اطمینان از عدم تخریب در ساختار پلیمر در حین عملیات ساخت غشا انجام شد.
3-میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)
برای مطالعه ریخت شناسی سطح غشاهای ساخته شده و بررسی تأثیر حضور نانوذرات برروی سطح غشاها آزمون AFM انجام شده است. در ادامه نتایج ارزیابی های عملیاتی و ساختاری آورده شده و برروی نتایج حاصل شده بحث می شود.
بخش سوم
نتایج و بحث
غشاهای تهیه شده لازم است در فرآیندهای جداسازی مورد ارزیابی و استفاده قرار گیرند اما پیش از آنکه در فرآیند جداسازی از آنها استفاده شود، می بایست از لحاظ ساختاری ارزیابی شوند. برای ارزیابی ساختاری غشاهای تهیه شده در این پژوهش از آنالیزهای FESEM، FTIR، AFM استفاده شده است. در این گفتار، نتایج آنالیزهای مذکور برای غشاهای منتخب ارائه می گردد.
3-1-ارزیابی ساختاری
3-1-1-طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)
ساختار مولکولی پلیمر توسط آزمون FTIR مورد بررسی قرار گرفت. این آزمون به منظور اطمینان از عدم تخریب پلیمر غشا تحت عملیات های گوناگون، مانند عملیات گرمایی، فراصوت و ... انجام پذیرفت.

شکل 3-1-طیف FTIR غشای پلی سولفون

Payan name 2013

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:
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].

–37

1-13 تعاریف متغیر ها و اصطلاحات کلیدی 9
فصل دوم : ادبیات موضوع
2-1مقدمه 13
2-2فرآیند تصمیم گیری 13
2-3 انتخاب معیار و ملاک در تصمیم گیری 14
2-4طبقه بندی تصمیم ها 14
2 -5 مفاهیم کلی در تصمیم گیری چند معیاره 15
2-6 انواع روش MADM 19
2-7 معرفی اجمالی فرآیند تحلیلی شبکه ای ANP23
2-8 مقایسه روش های AHP و ANP24
2-9 گام های فرآیند تحلیل شبکه26
2-10 ابر ماتریس28
2-11 پیشینه منطق فازی29
2-12 متغیر های زبانی 30
2-13 روش های علم مدیریت فازی 31
2-14 مجموعه های فازی 34
2-15 منطق فازی چگونه به کار گرفته می شوند 35
2-16 کاربردهای منطق فازی 36
2-17 تفاوت میان نظریه احتمالات و منطق فازی37
2-18 معرفی اجمالی روش تاپسیس38
2-19 گام های تاپسیس39
2-20 تامین کننده / مقدمه 43
2-21 زنجیره تامین 45
2-22 معرفی شرکت صنعتی نیرو محرکه46
2-23 پیشینه ی تحقیق49
فصل سوم : روش شناسائی پژوهش(متدولوژی)
3-1 مقدمه53
3-2 روش تحقیق53
3-3 روش گرد آوری اطلاعات 54
3-4 جامعه آماری 56
3-5 حجم نمونه57
3-6 شاخص های مربوط به متغیر های تحقیق و سوالات مربوط به پرسشنامه58
3-7 تعیین روایی پرسشنامه 59
3-8 پایایی پرسشنامه 59
3-9 تصمیم گیری در شرایط فازی61
3-10 تکنیک SAW64
فصل چهارم : تجزیه وتحلیل داده های آماری
4-1 مقدمه 66
4-2 فاز رتبه بندی 66
فصل پنجم : نتیجه گیری وپیشنهادات
5-1– مقدمه 82
5-2– نتایج حاصل از به کار گیری تکنیک تاپسیس فازی83
5-3 ارائه پیشنهادات بر اساس یافتههای پژوهش84
5-4 محدودیت های تحقیق85
5-5 پیشنهادات برای تحقیقات آتی 85
پیوست
پرسشنامه یک88
پرسشنامه شماره دو 90
منابع115
چکیده انگلیسی119
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول 3-1 شاخص های مربوط به پرسشنامه اول 58
جدول 3-2 مقدار آلفای کرونباخ برای متغیر های پژوهش60
جدول 4-1 متغیر های زبانی برای تعیین وزن هر یک از معیارها67
جدول 4-2 ماتریس تصمیم گیری و اوزان فازی 71
جدول 4-3 ماتریس تصمیم گیری و اوزان فازی 72
جدول 4-4 ماتریس نرمالیز شده ی فازی73
جدول 4-5 مجموعه نقاط ایده آل مثبت74
جدول 4-6 مجموعه نقاز ایده آل منفی 75
جدول 4-7 ضریب نزدیکی و رتبه نهایی عوامل موثر بر انتخاب تامین کننده76
جدول 4-8 اوزان نرمالیز شده ی ابعاد 78
جدول 4-9 ماتریس اولیه عوامل – گزینه ها78
جدول 4-10ماتریس بی مقیاس شده با استفاده از روش خطی79
جدول 4-11اوزان نهایی و رتبه نهایی هر یک از تامین کنندگان 79
جدول 5-1- ضریب نزدیکی و رتبه نهایی عوامل موثر بر انتخاب تامین کننده83
جدول 5-2 نتایج حاصل از به کار گیری تکنیک SAW 83
فهرست نگاره ها
عنوان صفحه
نگاره 2-1 تفاوت روش های MADM و MCDM 19
نگاره 2-2 تقسیم بندی مدل های MADM 20
نگاره 2-3 مدل ارزیابی برای MADM 22
نگاره 2-4 مقایسه روش های ANP و AHP 25
نگاره 2-5 روش های مدیریت فازی33
نگاره 2-6 نگاشت پیوسته عضویت یک مجموعه فازی35
فصل اول
کلیات پژوهش
1-1 مقدمه
درنیمه دوم قرن بیستم پدیدار شدن و رشد سریع بنگاههای اقتصادی وشرکتها منجر به تغییر اساسی در قوانین حاکم بر تولید و بازار گردید. مدیران شرکتها دریافتند که بجز مسائل مربوط به تولیدو محصول ،به بخش های دیگرهمانند خرید مواد اولیه و همچنین مسائل مربوط به مشتری توجه ویژه ای نمایند که این امر باعث بوجود آمدن مدیریت زنجیره تامین گردید.در زنجیره تامین یکی از مسایل بسیار مهم و استراتژیک، انتخاب درست و اصولی تامین کننده 2 می باشد بطوری که این تامین کننده بتواند بیشترین و بالاترین نیازها و معیارهای شرکت را پوشش دهد. مدیران دریافتند که برای انتخاب تامین کننده استفاده از روش سنتی (بر اساس قیمت پیشنهادی) مناسب نمی باشد چرا که علاوه بر قیمت مسایل بسیاری همچون : گارانتی، عمل به تعهدات مثل زمان ومکان سفارشات ، تخفیفات کیفیت مدت زمان همکاری و....در کیفیت و کمیت تولید محصول و حتی فروش دخیل می باشند. دراین عرصه برای تحلیل و آنالیز این معیارهای متعدد و مختلف که گاها از یک جنس هم نبودند ومسایل پیچیده انتخاب وتصمیم گیری مدیران را ملزم به استفاده از تکنیکهای جدید کرد. یکی ازاین تکنیکها استفاده از مدلهای تصمیم گیری چند معیاره بود که توانست مسایل بسیاری را در انتخاب بهترین تصمیم حل نماید .
در این تحقیق مدل جدیدی از روش Topsis فازی و از روش ANP فازی برای حل این مسئله استفاده می- شود . این روش از جمله روشهای مبتنی بر اطلاعات کامل از ارجحیت تصمیم گیران است که جزئیات آن در بخش سوم پژوهش تشریح خواهد شد.
1- 2 بیان مساله :
پس از گذر فضای تولید و بازار از روشهای سنتی و قدیم و ورود به فضای مدرن و پیچیده امروزی و نا کارامد شدن تکنیکها و ابزارهای سنتی و قدیمی مدیران شرکتها برای بقای شرکتها و بنگاههای اقتصادی خود چاره ای جز استفاده از ابزارها و مدلها و راه حل های جدید برای تصمیم گیرهای بهتر خود نمی_ دیدند،چرا که در این محیط پرتلاطم بازارها و رقابتهای شدید و بودن رقبای قدرتمند در محیط حتی گاها یک تصمیم اشتباه ممکن است شرکت را از رقبا طوری عقب بندازد که شرکت نتواند آنرا جبران نماید و موجب نابودی شرکت گردد.
یکی از این روشها و تکنیکها استفاده از مدیریت تامین و یا زنجیره تامین می باشد .زنجیره تامین در واقع اهمیت داشتن و توجه به تمامی قسمتهای تولید از مواد اولیه تا مشتریان می باشد. یکی از بخشهای مهم و استراتژیک در زنجیزه تامین بخش مواد اولیه و تامین کنندگان می باشد.در دنیای امروزی در هر زمینه و صنعتی تامین کنندگان متعددی برای تامین مواد و قطعات اولیه وجود دارد که مدیران میتوانند با توجه به شرایط موجود بهترین آنها را انتخاب نماییند و ازطرف دیگر بخوبی دریافتند که دیگر روش سنتی و قدیم میسر نمی -باشد، چرا که مدیران دریافته اند که معیارهای فراوانی به غیر از قیمت مثل کیفیت، گارانتی، مدت زمان همکاری وزمان تحویل دارای اهمیت ویژه ای میباشد.
حال سوال مهمی که پیش می آید این است که مدیران چگونه و از چه راه و روشی بهترین تامین کننده را انتخاب نمایند و به عبارت دیگر : باتوجه به معیارهای متعدد موجود و تامین کنندگان فراوان روش انتخاب بهترین تامین کننده چیست؟
برای حل این مشکل را حلهای مختلفی وجود دارد که یکی از راحلها استفاده از تکنیک MADM فازی می_ باشد.
حال باتوجه به احساس نیاز به استفاده از این تکنیک در الویت بندی تامین کنندگان بر اساس معیارهای موجود و در نهایت ارایه یک راه کار مناسب برای تصمیم گیری بهتر مدیران این تحقیق انجام گردیده است.مهمترین مسئله در این تحقیق یافتن پاسخی به این سوالات است که:
آیا استفاده از روش MADMفازی موجب انتخاب بهترین تامین کننده بدون دخالت شخصی کارشناسان خواهد شد؟
1-3 اهمیت و ضرورت تحقیق:
انتخاب بهترین تامین کننده همواره یکی از دغدغه های اصلی و مهم مدیران می باشد چرا که با انتخاب درست و مناسب تامین کننده مدیران موفق خواهند شد که سود بیشتری را عاید شرکت خود نمایند . برای انتخاب بهترین تامین کننده راهکار های فروانی ارائه گردیده است که هریک از آنان دارای معایب و مزایایی می باشند . به دلیل وجود معیارهاو شاخص های متعدد در انتخاب تامین کنندگان ، که بعضا این معیارها دارای ابهام می باشند و از یک نوع نیز نمی باشند مدل تصمیم گیری چند معیاره فازی پیشنهاد می_ گردد. با توجه به آنچه که مطرح گردید الویت بندی تامین کنندگان به عنوان یک مساله تصمیم گیری چند معیاره در نظر گرفت . از مزایای این مدل میتوان به عدم یکسان سازی واحد معیارها و تجزیه و تحلیل معیارهای کمی وکیفی بطور همزمان اشاره کرد .
1-4 اهداف اساسی انجام تحقیق و سوال اصلی:
1-4-1 اهداف علمی :
انتخاب و ارایه تکنیکی که بتوان به واسطه آن بهترین تامین کننده را انتخاب کرد .
1-4-2 اهداف کاربردی :
اولویت بندی تامین کنندگان شرکت نیروی محرکه با روش MADM فازی
نتیجه این تحقیق در تمامی سازمانها ی تولیدی کاربرد خواهد داشت.
1-4-3 پرسش اصلی تحقیق:
باتوجه به معیارها و شاخص های متعدد تامین کنندگان شرکت نیرو محرکه ، با یه کار گیری روش MADM فازی چه تامین کننده هایی نسبت به سایر تامین کنندگان در الویت قرار می گیرند ؟
1-5 فرضیات تحقیق
با توجه به کاربردی بودن این تحقیق و استفاده از مدل های ریاضی(MADM ) و منطق فازی برای انتخاب تامین کنندگان فرضیه ای وجود ندارد که بخواهیم رد یا قبول کنیم .
1-6 استفاده کنندگان تحقیق
نتایج این تحقیق در شرکت های تولیدی کاربرد دارد ولی بهره ور اصلی این تحقیق شرکت نیروی محرکه باشد .
1-7 روش تحقیق
با توجه به اینکه این تحقیق نظری و کاربردی است روش تحقیق مناسب موردی و زمینه ای (case study ) می باشد . این روش تصویر جامع و گسترده در موردی ویژه ارائه می کند و پژوهشگر تمام مواردی که در زمینه ای خاص مطرح است مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهد تلاش می شود هر چه بیشتر متغیر های ناخواسته کنترل شود و متغیر های مستقل بیشتری مورد بررسی قرارگیرد . در این روش موقعیت قبلی و فعلی در زمینه ای که مطرح است مورد بررسی قرار خواهد گرفت و اغلب بررسی های تطبیقی نیز انجام خواهد گرفت و مقایسه ای وسیع و گسترده در زمینه ای که مورد نظر است با سایر موارد و شاخص ها انجام می گردد و آنگاه پیشنهاداتی ارائه خواهد شد .
برای انجام تحقیق موردی زمینه ای اولین گام برخورد پژوهشگر با موقعیت مساله است که بر اساس آن موضوع شکل میگیرد و بر پایه موضوع نیز سوال ها ، اهداف و بیان مساله مطرح می گردد. پس از گرد آوری داده ها و پاسخ به سوالات دسترسی به اهداف اصلی و فرعی امکان پذیر می شود در این روش تحقیق به دنبال حقیقت یعنی آنچه که باید باشد کاوش می شود .
1-8 روش گردآوری اطلاعات
روش گرد آوری اطلاعات در این تحقیق تلفیقی از روش میدانی و کتابخانه ای است زیرا به نسبت نیاز از آن استفاده خواهد شد و ابزار های آن بانک های اطلاعاتی ، مجلات ، کتاب ها و اینترنت و .....است .
1-9 ابزار گردآوری اطلاعات
ابزارهای گردآوری عبارتند از :
1-9-1 مطالعه :
جهت گردآوری مفاهیم اولیه و مفروضات تئوریک
1-9-2 مشاهده و بررسی اسناد :
جهت گردآوری اطلاعات مورد نیاز در ارتباط با رابطه بین داده ها و ستاده ها .
1-9-3 مصاحبه تخصصی :
جهت استفاده از نظرات کارشناسان مربوطه با موضوع تحقیق و کسب اطلاعات مورد نیاز.
1-9-4 فیش برداری :
جهت جمع آوری اطلاعات مورد نیاز از منابع و مقالات مرتبط با موضوع تحقیق.
1- 10روش های تجزیه و تحلیل
روش تصمیم گیری با شاخص های چند گانه: در مواقعی کاربرد دارد که گزینه ها از قبل تعیین شده باشند و هدف انتخاب یکی از گزینه ها ی موجود از طریق مقایسه آنها در حضور شاخص های متعدد تاثیر گذار بر ارجحیت گزینه هاست. در بین روش های گوناگونی که در حوزه تصمیم گیری با شاخص های چند گانه وجود دارد، روش ANP برای این تحقیق انتخاب شد. روش فوق توسط ساعتی ابداع شده و تفاوت آن با روش های دیگر به بررسی روابط داخلی و بیرونی میان معیارها و شاخص ها بر می گردد . نرم افزار آن نیز Super decicion می باشد . TOPSIS روشی است که با آن می توان مساله تحلیلی در تصمیم گیری با شاخص های چندگانه را به عنوان سامانه ای هندسی در نظر گرفت که در آن m گزینه با n معیار مورد ارزیابی قرار می گیرد نرم افزار تجزیه و تحلیل آن Topsis می باشد .
1-11 قلمرو تحقیق
1-11 -1 قلمرو مکانی تحقیق:
این تحقیق در کارخانه ی شرکت صنعتی نیرو محرکه واقع در شهر صنعتی البرز در استان قزوین انجام گرفته است.
1-11 – 2 قلمرو زمانی تحقیق :
این تحقیق از اواخر مرداد 1393 تا اواسط دی ماه1393 صورت پذیرفت.
1-11- 3 قلمرو موضوعی تحقیق:
بررسی و الویت بندی تامین کنندگان و ارایه یک مدل برای انتخاب بهترین تامین کنندگان در شرکت صنعتی نیرو محرکه می باشد .
1-12 نوآوری تحقیق
با توجه به این که اندازه گیری شاخص های مرتبط با تامین کنندگان و ارتباط بین شاخص ها در تکنیک های گذشته به صورت دقیق امکان پذیر نبوده ، در این تحقیق با استفاده از تکنیک ANP و Topsis برای انتخاب تامین کنندگان با در نظر گرفتن تمامی شاخص های مربوطه و وابستگی بین آنهاسعی می شود بهترین تامین کننده انتخاب شود.
1-13 تعاریف متغیرها واصطلاحات کلیدی:
تصمیم گیری چند شاخصه ، فرایند تحلیل شبکه ای ، تئوری فازی ، مدیریت زنجیره تامین ، تامین کننده و تاپسیس
تصمیم گیری چند شاخصه(MADM):
در یک تعریف کلی تصمیم گیری چند شاخصه به تصمیمات خاصی(از نوع ترجیحی) مانند ارزیابی و اولویت گذاری ویا انتخاب از بین گزینه های موجود که باید بین چند شاخص متضاد انجام شود اطلاق می- گردد(اصغر پور 1388,191)
فرایند تحلیل شبکه ای(ANP):
یک روش تصمیم گیری چند معیاره است و زمانی کاربرد دارد که وابستگی بین گزینه ها یا معیارها دارای اهمیت باشد(اصغر پور،1389)
تئوری فازی: این تئوری برای شرایط متغیر وشرایط غیر قابل مقایسه بودن استفاده میگردد و میتواند به ابهام موجود در عبارت های زبانی نظر دهندگان کمک کند (Semih,2009)
TOPSIS
یک روش تصمیم گیری چندمعیاره و کاربردی است که آلترناتیوها را با توجه به مقادیر داده های آنها در هر معیار و وزن معیارها مورد مقایسه قرار میدهد.(پرهیزکاری، 1387)
الویت بندی
ارجحیت دادن یک گزینه و مرتب کردن آن از نظر اهمیت بیشتر مورد نظر می باشد.(آزاد 1382 )
منطق فازی
بنیاد منطق فازی بر شالوده نظریه مجموعه های فازی استوار است.این نظریه تعمیمی از نظریه کلاسیک مجموعه ها در علم ریاضیات است.در تئوری کلاسیک عضویت عناصر از یک الگوی صفر و یک و باینری تبعیت می کند.اما در تئوری فازی این مفهوم را بسط می دهد و عضویت درجه بندی شده را مطرح می نماید.
تامین کننده
کسی است که بخشی از کالا و خدمات مورد نیاز یک سازمان را جهت تولید محصول یا ارائه خدمات به مشتری تامین می کند. .(غضنفری، 1385)
زنجیره تامین
یک زنجیره تامین و تمامی فعالیتهای مرتبط با جریان کالا و تبدیل مواد از مرحله تهیه ماده اولیه تا مرحله تحویل کالای نهایی به مصرف کننده و نیز جریان اطلاعاتی و مالی مرتبط با آنها را شامل می شود. .(غضنفری، 1385)
مدیریت زنجیره تامین
شامل یکپارچه سازی فعالیتهای زنجیره تامین از طریق بهبود در روابط زنجیره برای بدست آوردن مزیت رقابتی بیشتر است.(غضنفری 1385)
فصل دوم
ادبیات موضوع
تصمیم گیری چند معیاره
2-1 مقدمه
اگر فعالیتهای مختلف مدیریت را در نظر آورید، به وضوح دیده میشود که تصمیمگیری، جوهر تمامی فعالیتهای مدیریت است. تصمیمگیری از اجزای جدایی ناپذیر مدیریت به شمار میآید و در هر وظیفه ی مدیریت به نحوی جلوهگر است. در تعیین خط مشیهای سازمان، در تدوین هدفها، طراحی سازمان، انتخاب، ارزیابی، ودر تمامی افعال و اعمال مدیریت، تصمیمگیری جزء اصلی و رکن اساسی است. مدیر همواره با مواردی مواجه است که اخذ تصمیم از جانب او ، کیفیت و چگونگی این تصمیمها که میزان توفیق و تحقق هدفهای سازمان را معین میکند. از این رو آشنایی با شیوهها و روشهای تصمیمگیری و آگاهی از تکنیکهای اخذ تصمیم برای مدیران واجد اهمیت بسیار است و با بهرهگیری از این شیوهها و ابزارهاست که توانایی مدیران در اخذ تصمیمها کارآمدتر و مؤثرتر افزایش مییابد.(صفرزاده ، 1385 )
با توجه به مقدمه ذکر شده در این فصل ابتدا فرآیند تصمیم گیری و مباحث مربوط به آن نگاشته شده است و در ادامه به معرفی روش MADM فازی پرداخته ایم .در پایان فصل پیش رو پیشینه ی تحقیق و معرفی اجمالی شرکت نیرو محرکه که جامعه آماری تحقیق از آن اتخاذ شده ، قید شده است .
2-2 فرآیند تصمیمگیری
در تعریفی بسیار ساده، تصمیمگیری عبارتست از انتخاب یک راه از میان راههای مختلف.همانطور که از این تعریف برداشت میشود، کار اصلی تصمیمگیرنده دریافت راههای ممکن و نتایج ناشی از آنها وانتخاب اصلح از میان آنها است، و اگر وی بتواند این انتخاب را به نحوی درست و مطلوب انجام دهد تصمیمهای او مؤثر و سازنده خواهند بود. تصمیمگیرنده ممکن است با توسل به قدرتهای ماوراء الطبیعه، تجربه، اشراق یا اتفاق و تصادف، تصمیمگیری کند، اما هدف اصلی در اینجا اشارهای اجمالی به شیوهها و تکنیکهایی از تصمیمگیری است که کار اخذ تصمیم علمی را برای مدیر میسر میسازد و او را در اخذ تصمیمهای سریع و صحیح یاری میدهد.(صفرزاده،1385 )
2-3 انتخاب معیار یا ملاک در تصمیم گیری
فرایند تصمیمگیری نهایتا عبارتست از یک شق از میان شقوق مختلف. حال باید ببینیم که معیار انتخاب چه باید باشد، بر اساس چه چیزی میگوییم این راه مطلوب است یا مطلوب نیست، و بر چه اساسی یک راه را بر دیگری ارجح میشماریم و آن را انتخاب میکنیم. پاسخ به این سوال در اغلب موارد روشن نیست. راه(الف) ممکن است از یک نظر خوب تلقی شود ولی از یک دید دیگر، چندان خوب نباشد. بدین جهت ما باید معیار و ملاکی در دست داشته باشیم تا کار انتخاب شده را بر اساس آن انجام دهیم.
معیارهایی که مدیران برای اخذ تصمیم و انتخاب بکار میببرند، عواملی هستند که در راه رسیدن به هدف سازمان دارای اهمیتاند. از طریق تجزیه و تحلیلهای علمی و بررسی هدفها و خط مشیهای سازمان میتوانیم این معیارها را بشناسیم و عملیات را به کمک آنها مورد سنجش قرار دهیم. به عنوان مثال، هزینه یا سود میتواند معیاری برای سنجش راههای مختلف و انتخاب یک راه از بین راههای گوناگون باشد. یکی از اساسیترین گامها در تصمیمگیری، یافتن معیار و ارزیابی راهها به وسیله آن است. (ونوس ، پرچ ، 1385)
2-4 طبقهبندی تصمیمها
طبقهبندی تصمیمها، کار مدیر و تحلیلگر را در انتخاب مدلها و معیارهای تصمیمگیری و شیوههای اخذ تصمیم ساده میسازد. طرق مختلفی برای طبقهبندی تصمیمها بکار میروند و مسائل مورد نظر در تصمیمگیری از جنبه های مختلف طبقهبندی میشوند. در اینجا به سه نوع طبقهبندی اشاره خواهد شد. اولی طبقهبندی تصمیمها از نظر میزان اطمینان به نتایج حاصل از شقوق مختلف اخذ تصمیم، و دیگری طبقهبندی تصمیمها از نظر مراحل آنها و در آخر طبقهبندی تصمیمها با توجه به فضای آن.
در این طبقهبندی میتوانیم تصمیمها را درچهار گروه قرار دهیم.
2-4-1 تصمیمگیری تحت شرایط اطمینان کامل
2-4-2 تصمیمگیری در شرایط ریسک
2-4-3 تصمیمگیری در شرایط عدم اطمینان
4-2-4 تصمیمگیری در حالت وجود رقابت
زمانی که تصمیمگیرنده با اطمینان کامل میداند که نتیجه یا نتایج حاصل از هر شق ممکن چیست و در چه شرایطی اتفاق خواهد افتاد، از نظر تصمیمگیری در شرایط اطمینان کامل قرار دارد. وقتی تصمیمگیرنده با اطمینان کامل نمیداند که نتایج حاصل از هر شق چیست ولی احتمال وقوع (شانس نسبی وقوع نتایج) آنها را میداند، او تحت شرایط ریسک و با مخاطره تصمیم میگیرد. و هنگامی که تصمیمگیرنده احتمال وقوع نتایج حاصل از شقوق ممکن را نمیداند، او در شرایط عدم اطمینان تصمیمگیری میکند. و سرانجام به هنگامی که در موضوع مورد تصمیمگیری رقبایی هم وجود داشته باشند، تصمیمگیری در شرایط تعارض انجام میپذیرد. در حقیقت، این شیوه تصمیمگیری مربوط به مواردی است که تصمیمگیرنده در یک موقعیت رقابتی قرار میگیرد. بدیهی است که اتخاذ تصمیم در این وضعیت نسبت به وضعیتهای قبلی مشکلتر است، زیرا بستگی به ایندارد که هریک از رقبا چه تصمیمی خواهند گرفت و تصمیم مزبور چه نتایجی بر وضعیت موجود میگذارد و تا چه حد عوامل را جابهجا و عوض میکند (نظیر دو شطرنج باز). در چنین حالتی تصمیمگیری به عوامل متغیر مختلفی مربوط میشود که صحنه عملیات را عوض میکند و هر تصمیمگیرنده برای تصمیمگیری صحیح باید دارای استراتژی (مجموع هدفها و برنامههای دراز مدت و اساسی) باشد. ( آذر و رجب زاده ،1387 )
2-5 مفاهیم کلی تصمیم گیری چند معیاره
آنچه در این بخش مورد توجه قرار میگیرد، موضوعات کلی تصمیمگیری چند معیاره(MCDM) است. در دو دهه اخیر توجه محققین به این مدلها در تصمیمگیریهای پیچیده بوده است. در اینگونه تصمیمگیریها چندین معیار که گاه باهم تضاد دارند. در نظر گرفته میشوند که در زندگی روزمره نیز به طور مرتب اتفاق میافتند. برای مثال، در زندگی شخصی یک فرد، در انتخاب شغل ، وجهه شغل، محل انجام کار، حقوق ودستمزد، فرصتهای پیشرفت، شرایط کاری وغیره به عنوان معیار در نظر گرفته میشوند ومیتوانند برای این فرد خیلی مهم باشند. اتومبیلی که یک فرد در نظر دارد خریداری کند، به معیارهایی مانند قیمت، مدل، ایمنی، راحتی، میزان مصرف سوخت، قابلیت اطمینان و... بستگی دارد. در زمینه مسائل سازمانی، در انتخاب استراتژی یک سازمان معیارهایی از قبیل میزان درآمد سازمان طی یک دوره، قیمت سهام سازمان، سهم بازاری، تصویر سازمان در جامعه(سرقفلی) و... میتوانند مهم باشند. در زمینه مسائل عمومی یک جامعه، برنامه توسعه منابع آبی میتواند بر اساس معیارهایی مانند هزینه، احتمال کمبود آب، انرژی(میزان استفاده مجدد از آن)، استفاده از جنگل وزمین، کیفیت آب، حفاظت از مواد غذایی و... صورت گیرد، یعنی این موارد به عنوان معیارها مد نظر قرار گیرند.
در زمینه مسائل دولتی، بخش حمل و نقل کشوری باید سیستم حمل و نقل را به گونهای طراحی کند که زمان سفر، تاخیرات، هزینه حمل و نقل و... حداقل شود. یا در صنایع نظامی انتخاب سیستم مناسب پرتاب یک موشک در نیروی هوایی برحسب معیارهایی نظیر انتخاب سرعت، دقت، قابلیت اطمینان، میزان آسیب پذیری و... سنجیده شود.موارد فوق بخشهایی مختلف از کاربرد تصمیمگیریهای چند معیاره را شامل میشوند.به طور کلی روشهای تصمیمگیری چند معیاره(MCDM) به دو دسته کلی تقسیم میشوند(اصغر پور،1389 )
2-5-1 مدلهای تصمیمگیری چند هدفه (MODM)
2-5-2 مدلهای تصمیمگیری چند شاخصه (MADM)
2-5-1 مدلهای تصمیمگیری چند هدفه
در این مدلهای تصمیمگیری چندین هدف به طور همزمان جهت بهینه شدن، مورد توجه قرار میگیرند.
مقیاس سنجش برای هر هدف ممکن است با مقیاس سنجش برای بقیه اهداف متفاوت باشد. مثلا یک هدف حداکثر کردن سود است که بر حسب واحد پول سنجش میشودو هدف دیگر حداقل استفاده از ساعات نیروی کار است که بر حسب ساعات سنجش میشود. گاهی این اهداف در یک جهت نیستند و به صورت متضاد عمل میکنند. مثلا تصمیمگیرنده از یک طرف تمایل دارد
رضایت کارکنان را افزایش دهد و از طرف دیگر میخواهد هزینههای حقوق و دستمزد را حداقل کند.
یکی از بهترین تکنیک تصمیمگیری چند هدفه برنامهریزی آرمانی است که اواین بار توسط چارلز و کوپر ارائه شده است. مدل ریاضی تصمیمگیری چند هدفه به صورت زیر است: (اصغر پور،1389 )
f1(x),f2(x),…,fn(x)} } max f(x) =
s.t


I= 1.2.3……….m
رابطه 2-1
2-5-2 مدلهای تصمیمگیری چند شاخصه
در این مدلها، انتخاب یک گزینه از بین گزینههای موجود مد نظر است. در یک تعریف کلی تصمیمگیری چند شاخصه به تصمیمات خاصی(از نوع ترجیهی) مانند ارزیابی، اولویت گذاری و یا انتخاب از بین گزینههای موجود (که گاه باید بین چند شاخص متضاد انجام میشود) اطلاق میگردد. (اصغر پور،1389 )
انواع مختلفی از مسائل MADM وجود دارند که تمامی آنها در خصوصیات زیر مشترکند:
گزینهها
در این مسائل تعدادی گزینه مشخص باید مورد بررسی قرار گرفته و در مورد آنها اولویتگذاری، انتخاب و یا رتبه بندی صورت میگیرد. تعداد گزینههای مورد نظر میتواند محدود و یا خیلی زیاد باشند. برای مثال، یک تولید کننده ی اتومبیل ممکن است فقط چند گزینه ی محدود برای انتخاب محل تولید داشته باشد، ولی یک دانشگاه درجه یک انتخاب دانشجو خود را از بین هزاران متقاضی میتواند انجام می دهد.گاهی به جای گزینه، مترادفهای آن مانند انتخاب، استراتژی، اقدام، کاندیدا و... به کار میرود.
شاخصهای چندگانه
هر مساله MADM چندین شاخص دارد که تصمیمگیرنده، باید آنها را کاملا مشخص کند. تعداد شاخصها بستگی به ماهیت مساله دارد. برای مثال،در مساله خرید اتومبیل اگر قرار به ارزیابی چند اتومبیل باشد ممکن است شاخصهای مختلف قیمت، میزان سوخت مصرفی، نحوه ضمانت، ساخت مد نظر باشند(یعنی چند شاخص محدود در نظر گرفته شدهاند)، در حالی که در یک مساله جایابی برای یک طرح کارخانه 100 شاخص و یا بیشتر میتوانند مد نظر باشند. واژه شاخص به صورت واژگان دیگری از قبیل اهداف یا معیارها قابل بیان است.
واحدهای بیمقیاس
هر شاخص نسبت به شاخص دیگر دارای مقیاس اندازهگیری متفاوت است. لذا جهت معنادار شدن محاسبات و نتایج از طریق روشهای علمی اقدام به بیمقیاس کردن دادهها میشود به گونهای که اهمیت نسبی دادهها حفظ گردد.
وزن شاخصها
تمامی روشهای MADM مستلزم وجود اطلاعاتی هستند که بر اساس اهمیت نسبی هر شاخص بدست آمده باشند. این اطلاعات معمولا دارای مقیاس ترتیبی یا اصلی هستند. وزنهای مربوط به شاخصها میتواند مستقیما توسط تصمیمگیرنده و یا بهوسیله ی روشهای علمی موجود به معیارها تخصیص داده شود. این وزنها اهمیت نسبی هر شاخص را بیان میکنند.از جنبههای مختلف بین مدلهای MADM و MODM تفاوت وجود دارد که به شرح جدول زیر بیان شدهاند. (اصغرپور ،1389)
MODM MADM MCDM
مواردمتفاوت
اهداف شاخصها معیارها
ضمنی بیان شدهاند
به طور ضعیف بیان شدهاند صریح بیان شدهاند اهداف
به طور ضعیف بیان شدهاند صریح بیان شدهاند شاخصها
کاملا مشخص غیر مشخص
(در داخل معیارها گنجانده شدهاند) محدودیتها
تعداد نا معلوم
(در نتیجه یک فرآیند معلوم میشوند) تعداد محدود، مشخص گزینهها
زیاد کم تعامل با تصمیم گیرنده
طراحی در انتخاب و ارزیابی نحوه استفاده
نگاره 2-1 (اصغر پور، 1389 (
2-6 انواع روشهای MADM
انواع روشهای تصمیمگیری MADM در شکل زیر مشخص شدهاند.بر طبق این شکل اگر هیچگونه اطلاعاتی در مورد شاخص در دسترس نباشد، بهتر است از روی تسلط استفاده شود. اگر اطلاعات موجود در مورد محیط باشد، یعنی درباره ی شاخصها اطلاعاتی موجود نباشد بلکه فضای تصمیمگیری مشخص شده باشد، استفاده از روش ماکسی مین و مینی ماکس (به ترتیب برای اطلاعات بدست آمده بر اساس دیدگاه بدبینانه و خوشبینانه) پیشنهاد میشود. اگر اطلاعات در مورد شاخص، ارائه شده باشد آنگاه اطلاعات یا در سطح استاندارد است، یعنی میزان قابل قبول شاخص مربوطه را بیان میکند و یا وزن شاخصها را بیان میکند که ممکن است با دادههای برخوردار از مقیاس ترتیبی یا اصلی، اندازهگیری شده باشد.مدلهای MADM از دیدگاه دیگر نیز قابل بررسی هستند و آن رویکرد، فنون مختلف MADM در پردازش اطلاعات بر مبنای شاخصهای ارائه شده توسط تصمیمگیرنده است.( آذر ،رجب زاده ، 1387)
اطلاعات در دسترس نیست
اطلاعات در مورد محیط
اطلاعات در مورد شاخص
تسلط
بدبینانه
خوش بینانه
ماکسی مین
مینی ماکس
در سطح استاندارد
ترتیبی
اصلی
روش رضایتبخش جامع
روش رضایتبخش خاص
روش لکسیکوگراف
روش حذف
SAW
WP
TOPSIS
ELECTRE
HRM
AHP
اطلاعات در دسترس نیست
اطلاعات در مورد محیط
اطلاعات در مورد شاخص
تسلط
بدبینانه
خوش بینانه
ماکسی مین
مینی ماکس
در سطح استاندارد
ترتیبی
اصلی
روش رضایتبخش جامع
روش رضایتبخش خاص
روش لکسیکوگراف
روش حذف
SAW
WP
TOPSIS
ELECTRE
HRM
AHP

نگاره 2-2 (تقسیم بندی مدل های MADM )
در این ارتباط، دادههای MADM به دو بخش کلی تقسیم میشوند.
2-6-1 مدلهای جبرانی
2- 6-2 مدلهای غیر جبرانی
آن دسته از مدلهای MADM را شامل میشوند که در آنها تبادل بین شاخصها صورت میگیرد. بدین معنی که تغییر در یک شاخص، توسط تغییری مخالف (در جهت عکس) در شاخص یا شاخصهای دیگر، جبران میشود.
روش جبرانی، روشهایی مانند میانگین وزنی ساده، TOPSIS، ELECTRE، تخصیص خطی، AHP و... است. این روشها مطابق شکل زیر، دستهبندی شدهاند. (اصغر پور،1389 )
2-6-2 مدلهای غیر جبرانی
مدلهایی از MADM را شامل میشوند که در آنها تبادل بین شاخصها صورت نمیگیرد. بدین معنی که نقطه ضعف موجود در یک شاخص، توسط مزیت موجود در شاخص دیگر، جبران نمیشود بلکه هر شاخص، جدا از دیگر شاخصها مبنای ارزیابی گزینههای رقیب قرار میگیرد. مزیت مهم این مدلها، سادگی آنهاست که با رفتار تصمیمگیرنده و محدود بودن اطلاعات او مطابقت دارد. روش غیر جبرانی، شامل روشهایی مانند روش تسلط، لکسیکوگراف، حذف، ماکسیمین، مینی ماکس، رضایت بخش خاص و شمول است. (اصغر پور،1389 )
2625725340360مدل های ارزیابی برای MADM
00مدل های ارزیابی برای MADM
36264847550150040163751188720مدل های جبرانی
00مدل های جبرانی
13601701221740مدل های غیر جبرانی
00مدل های غیر جبرانی
1930401868805متد تسلط
00متد تسلط
1930402343150لکسیکوگراف
00لکسیکوگراف
1930405255260متد پرموتاسیون
00متد پرموتاسیون
1930404603750رضایت بخش عام
00رضایت بخش عام
1930402893695متد حذف
00متد حذف
1930403463290ماکسی - مین
00ماکسی - مین
1930404017645رضایت بخش خاص
00رضایت بخش خاص
20707353927475مجموعه وزین
رده ای
00مجموعه وزین
رده ای
20707353114040ساده وزین با تعامل متقابل
00ساده وزین با تعامل متقابل
20707352440940مجموعه ساده وزین
00مجموعه ساده وزین
35553654347210MDS
00MDS
35553653745865LINAMP
00LINAMP
35877503114040MRS
00MRS
35553652505075TOPSIS
00TOPSIS
47980603167380ELECTRE
00ELECTRE
47980602543810تخصیص خطی
00تخصیص خطی
19589751868805 زیر گروه نمره گذاری
00 زیر گروه نمره گذاری
36925251835785زیر گروه سازشی
00زیر گروه سازشی
49784001868805زیر گروه هم آهنگ
00زیر گروه هم آهنگ
1958975996950002625725173164400170751415906750014789152066289001478915305815900147891535826690014789154241799001478915477583400147891525438090026161991747520005635624174752000442214015386050032854902409825003298190240982500329819027419300032981903278505003298190392684000329819045046890046164502343150004626610234315000462661034632890046266102740659004231640221234000545084022434550018516602391410001861185239140900254634922517100018618204176395001861820342963400186182026562040047872659975850019494509969500060223392228215001478915546988900-2171700431736500
نگاره 2-3 (اصغر پور،1389 )
2-7 معرفی اجمالی فرآیند تحلیل شبکه‌ای(ANP)
ANP نظریه‌ی جدیدی است کهAHP را برای پرداختن به مسائل اداری وابستگی و باز خورد در یک مدل توسعه داده و به این منظور از رهیافت ابر ماتریس استفاده می‌کند. اگر چه هر دو فرآیند اولویت مقیاس‌های نسبی را با انجام مقایسات زوجی به دست می‌آورند ولی تفاوتى‌هایی میان آنها وجود دارد. درAHP چهار شرط(معکوس،همگنی ، وابستگی و انتظارات)وجود داشت که کلیه‌ی محاسبات و قوانین این تکنیک بر اساس این شروط بود.در فرآیند تحلیل شبکه‌ای،شرط سوم سلسله مراتبی نقض می‌شود زیرا که در یک سلسله مراتب بایستی وابستگی‌ها به صورت خطی از بالا به پایین و یا بالعکس باشد و چنانچه وابستگی دو طرفه باشد(یعنی وزن معیارها به وزن گزینه‌هاو وزن گزینه‌ها به وزن معیارها وابسته باشد)،مسأله دیگر از حالت سلسله مراتبی خارج شده و تشکیل یک شبکه یا سیستم غیرخطی یا یک سیستم بازخورد را می‌دهد.در این حالت برای محاسبه‌ی وزن عناصر،نمی‌توان از قوانین و فرمولهای سلسله مراتبی استفاده نمود بلکه می‌بایست برای محاسبه‌ی وزن از تئوری‌ شبکه‌ها کمک گرفت.
AHP و ANP دو مفهوم مختلف هستند که توسط آقای ساعتی معرفی شدند. ایشان ابتدا AHP را توسعه داد که با استفاده از آن بتواند با مسائل مختلف چند معیاره با دو رویکرد کمی و کیفی برخورد کند. از نظر رویکرد کیفی،AHP این امکان را به محقق می‌دهد که اهداف کلان را به اهداف جزء تقسیم نموده و این تقسیم بندی را تا رسیدن به گزینه‌ها ادامه دهد. از نظر رویکرد کمی،این روش با لحاظ کردن مقایسات زوجی،امکان محاسبه‌ی وزن گزینه‌ها را میسر می‌سازد. برای انجام مقایسه‌ی زوجی نیز، مقیاس‌های 9 نقطه ای در نظر گرفته شده است.این مقیاس با در نظر گرفتن اعداد1تا9 به ترتیب اهمیت،تصمیم گیرنده را در فرآیند مقایسه کمک می‌کند(عدد یک برای ارجحیت یکسان و عدد9 برای نمایش بیشترین ارجحیت).
با این وجود،مدلAHP با توجه به اصل سوم خود،شرط سلسله مراتبی را به صورت یک طرفه و فقط از بالا به پایین و یا بر عکس دارا می‌باشد.این اصل باعث می‌شود که نتوان مسائلی را که رابطه‌ی متقابل بین گزینه‌ها و معیارها وجود دارد تحلیل و بررسی نمود.به علت وجود این شکاف،تکنیکANP توسط ساعتی توسعه داده شد.بنا به تعریف آقای ساعتی،ANP مدل کلی و عمومی و کامل‌تری از AHPاست که اجازه‌ی تحلیل مسائل مختلف را با داشتن رابطه‌ی متقابل بین عناصر می‌دهد(ساعتی ، 2001 ) . این ارتباط متقابل را گاهی سیستم‌های بازخورد نیز می‌نامند. ایشان برای محاسبه‌ی وزن این دسته از مسائل،روشی تحت عنوان ابر ماتریس را توسعه داد(ساعتی 1996) ابر ماتریس، اثر وزن‌های عناصر مرتبط با هم را با در نظر گرفتن یک ماتریس،با شرکت همه‌ی گزینه‌ها و عناصر تعدیل می‌کند.
2-8 مقایسه روش های AHP و ANP
تئوری تصمیم گیری مشهورتر یعنیAHP ،یک نوع خاص ازANP است و هر دو از مقایسه‌ی زوجی بین عناصر و معیارها در یک صفت یا خاصیت مشترک برای تعیین وزن و اولویت هر عنصر در موضوع تصمیم گیری استفاده می‌کنند. اگرچه بسیاری از مسائل تصمیم گیری بهتر است باANP مورد مطالعه قرار گیرند لکن پیشنهاد می‌شود ، موضوعات مورد مطالعه‌ای که دارای وابستگی‌های متقابل یا سیستم بازخورد نیستند،از طریق مدل AHP مطالعه شوند.هر یک از دو تکنیک مفاهیمی را به کار می‌برند که لیست نمودن آنها برای ارائه‌ی یک شناخت کلی از هر دو مدل می‌تواند مفید واقع شود .
(ساختار شبکه) ( ساختار سلسله مراتب )
554990139700 هدف
00 هدف
101346056642000320294063500هدف
00هدف
336359578867000
W21 w21
354330243840معیارها
00معیارها
287909080645معیارها
00معیارها
468884014414500W22
102362027368500366268011112500W32 w32
211455297815گزینه ها
00گزینه ها
2747645204470گزینه ها
00گزینه ها

Wh=000w21000w320 Wh=000w21w2200w320نگاره 2-4مقایسه روش AHP وANP
با توجه به مفاهیم فوق،تفاوت‌هایی را می‌توان میان دو تکنیک تشخیص داد که برخی از آنها عبارتند از:
●ANP با مجاز شمردن وابستگی،ازAHP که فقط شامل حالت استقلال است،فراتر می رود. از این رویAHP به عنوان حالت خاصی ازANP به شمار می‌رود.
● ساختار شبکه‌ای ANP ،به محقق این امکان را می‌دهد که هر مسأله ی تصمیم گیری را بدون نگرانی از اینکه چه چیزی اول می‌آید و چه چیزی بعداً ، طراحی نماید.
● ANP یک ساختار غیر خطی است در حالیکه یک سلسله مراتب، با یک هدف در بالاترین سطح، و گزینه‌ها در سطح زیرین،ساختار خطی دارد . (ساعتی ، 1999)
2-9 گام های فرایند تحلیل شبکه
برای طراحی یک مدل شبکه‌ای ، مراحلی در نظر گرفته شده است که محقق را قادر خواهند ساخت مدل مورد نظر خود را با کمک نرم افزار طراحی نماید.اگرچه برخی از این مراحل شبیه تکنیکAHP است لکن شرح مختصر آن برای حفظ تمامیت الگو ضروری می‌باشد.
1. تعریف هدف مسأله‌ی تصمیم
2. تشخیص لزوم وجود هر یک از عناصر استراتژیک: منظور این است که محقق،عناصر استراتژیک مورد نیاز خود را برای طراحی شبکه‌ی مورد نظر تشخیص دهد. ممکن است هر چهار عنصر یا یکی از آنها انتخاب شده و یا هیچ یک از آنها مورد نیاز نباشد.
3.ایجاد سلسله مراتب کنترل برای هر یک از عناصر: هر یک از عناصر استراتژیک دارای یک زیر شبکه است که این زیر شبکه،خودش نیز می‌تواند زیر شبکه‌ی دیگری داشته باشد.لذا لازم است محقق برای هر یک از عناصر چهارگانه،زیر شبکه‌ای تعریف نماید.این زیر شبکه، می‌تواند به دو صورت طراحی شود.
شبکه‌ی تصمیم: در حالتی است که زیر شبکه‌ی مورد نظر، آخرین لایه‌ی شبکه بوده و خوشه‌ی گزینه‌ها در آن قرار داشته باشد. در این حالت کل مدل دارای دو لایه است که لایه‌ی اول با وجود عناصر استراتژیک،لایه‌ی اصلی و لایه‌ی دوم با حضور خوشه‌ی گزینه‌ها ،لایه‌ی تصمیم نامیده می‌شود.
شبکه‌ی کنترل : در حالتی است که زیر شبکه‌ی مورد نظر،آخرین لایه‌ی شبکه نبوده و خوشه‌ی گزینه‌ها(که می بایست در آخرین لایه‌ی شبکه قرارداده شود)در این لایه وجود ندارد.در این لایه،خوشه‌ها و عناصری وجود دارند که خود آنها دارای زیر شبکه می‌باشند و خوشه‌ی گزینه‌ها در آن زیر شبکه‌ها قراردارد. لایه‌هایی از شبکه‌،که واسط بین لایه‌ی اصلی و لایه‌ی تصمیم هستند،لایه‌ی کنترل نامیده می‌شوند. باید توجه داشت که یک شبکه‌ می‌تواند یک لایه‌ی اصلی،یک لایه ی تصمیم و تعداد ی لایه‌ی کنترل داشته باشد.
4. برقراری ارتباط مورد نیاز میان عناصر مورد نظر: برای پیشگیری از اشتباه،ابتدا برای هر خوشه، جدولی با سه ستون طراحی نموده و نام آن را در ستون وسط قرار می‌دهند. سپس خوشه‌های موثر را در سمت چپ،و خوشه‌های متأثر را در ستون سمت راست، در یک سطر می‌آورند. همچنین می‌توان به هریک از این جداول، سطرهایی اضافه نمود و نام عناصر مرتبط به هم را در آن‌ها قرار داد.
5. انجام مقایسه‌های زوجی میان عناصر مرتبط: مقایسات زوجی در خصوص هر یک از عناصر داخل خوشه‌ها ،بر حسب تأثیر آن بر روی هر عنصر در خوشه‌ی دیگر و یا عناصری در خوشه‌ی خودش انجام می‌گیرد. هنگام مقایسه‌ی عناصر در هر یک از زیر شبکه‌های عناصر هزینه‌ها و تهدیدات بایستی سؤال مقایسه به صورت مثبت مطرح شود به این ترتیب که، کدامیک از دو عنصر مورد مقایسه بر حسب معیار مورد نظر، دارای بیشترین هزینه یا بیشترین تهدید می‌باشند؟در این حالت عنصر پرهزینه یا تهدیدزا ارجحیت بیشتری به خود اختصاص خواهد داد.نرم افزار به گونه‌ای طراحی شده است که در سنتز نهایی خود از تقسیم(حاصل ضرب منافع و فرصت‌ها)بر(حاصل ضرب مخارج و ریسک‌ها)استفاده می‌ نماید (ساعتی ، 1999). در این حالت اعداد بزرگتر برای عناصر هزینه و ریسک مطلوبیت کمتری را در نتیجه‌ی نهایی منجر خواهد شد. همچنین ممکن است،افراد برای چهارچوب بندی سوالات،هنگام انجام مقایسه‌های زوجی،یا تأثیر عوامل و یا تأثر آنها را مدنظر قرار دهند. آقای ساعتی معتقد است که در هر مدل، باید از یک نوع سوال برای مقایسه‌های زوجی استفاده نمود.(ساعتی 2004) برای هر نمونه سه عنصرC, B, A را در نظر بگیرید که قرار است دو به دو با هم بر اساس معیارX مقایسه شوند. در مقایسه‌ی اول، سؤال می‌شود که کدامیک از عناصرB,A بیشترین تأثیر را بر معیارX دارند؟و در مقایسه‌ی دوم، سؤال می‌شود که کدامیک از عناصرA,C بیشترین تأثر را از معیارX می‌پذیرند؟به عقیده‌ی آقای ساعتی این گونه طرح سؤال در یک مدل، ممکن است بر نتایج قضاوت‌ها تأثیر منفی بگذارد لذا بهتر است در یک مدل، همواره یکی از سؤالات فوق برای مقایسه‌ی زوجی مورد استفاده قرار گیرد.
6. انجام مقایسه‌های زوجی میان خوشه‌های مؤثر بر یکدیگر: از جدول موجود در بند چهارم می‌توان انواع و تعداد مقایسه‌ها را به دست آورد.در اینجا سؤال اصلی این است که یک خوشه با توجه به عناصر خود چه تأثیری بر خوشه‌های دیگر گذاشته و یا از آنها متأثر خواهد شد.
7. محاسبه‌ی اولویت‌های محدودِ ابرماتریس تصادفی: این محاسبه توسط برنامه انجام شده و در این مرحله ابر ماتریس محدود به دست می آید.
8. ایجاد یک مدل رتبه بندی برای تعیین اولویت های عناصر: در حالت معمول، تئوریANP ارجحیت یکسانی برای هر یک از چهار عنصر استراتژیک قائل است. ولی در صورتی که محقق بخواهد ارجحیت های مختلفی برای هر یک از آنها در نظر بگیرد، بایستی یک مدل رتبه بندی و معیارهای مورد نظر خود را ایجاد و بر اساس آن، هر یک از عناصر استراتژیک را ارزیابی و رتبه بندی نماید.
9. سنتز گزینه‌ها در سطح معیارهای کنترل با استفاده از وزن هر یک از عناصر.
10. راهبری تحلیل حساسیت بر روی نتایج نهایی.
2-10 ابرماتریس
آقای ساعتی بنیاد تئوریکANP را بر اساس ابزار قدرتمندی به نام ابرماتریس،برای سیستم هایی با وابستگی متقابل و بازخورد بنیان نهاد.ابر ماتریس،ماتریس جزء بندی شده‌ای است که در آن هر زیر ماتریس از مجموعه‌ای از روابط میان دو خوشه تشکیل می‌شود(ساعتی 2004) ،ابر ماتریس یک ماتریس دو در دوی عناصر در عناصر است. لذا برای هر عنصر،یک ابر ماتریس تشکیل می‌شود که بردارهای حق تقدم که از مقایسه‌ی زوجی حاصل شده‌اند،در ستون مناسبی به عنوان زیر ستون ظاهر می‌شوند. آقای ساعتی فرمول ابرماتریس خود را به صورت زیر بیان نموده است.
سیستم تصمیم گیری موجود با ساختار غیر سلسله مراتبی را به N زیر مجموعه تقسیم نمائید. فرض کنید کهنشان دهنده‌ی تعداد عناصر زیر مجموعه‌ی و بودهبیانگر وزن عنصرKام از زیر مجموعه‌یi ام در مقایسه با عنصر اول از زیر مجموعه‌یi ام باشد،آنگاه ماتریس مقایسات از عناصر زیر گروهi ام در رابطه با عناصر موجود در زیر گروهi ام به قرار زیر است:
3143250124460رابطه 2-2
00رابطه 2-2

و سرانجام ماتریس نهایی برای مقایسات از کلیه‌ی زیر مجموعه‌ها با هر یک از اعضای زیرمجموعه‌های دیگر که به ابرماتریس معروف است،به قرار زیر خواهد بود.
3057525553720رابطه2-3
020000رابطه2-3

و در پایان ،ارجحیت نهایی برای هر عنصر از هر زیر گروه ، بر اساس فرآیند مارکوف به صورت زیر به دست می‌آید. (ساعتی ، 2004)
184785089535رابطه 2-4
020000رابطه 2-4

منطق فازی
2-11 پیشینه منطق فازی
تئوری مجموعه های فازی و منطق فازی را پرفسور لطفی زاده در رساله ای به نام مجموعه های فازی ، اطلاعات و کنترل در سال 1965 معرفی نمود. هدف اولیه او در آن زمان ، توسعه مدلی کار آمدتر برای توصیف فرآیند پردازش زبان های طبیعی بود . او مفاهیم و اصطلاحاتی همچون مجموعه های فازی ، رویدادهای فازی ، اعداد فازی و فازی سازی را وارد علوم ریاضیات و مهندسی نمود. از آن زمان تا کنون ، پرفسور لطفی زاده به دلیل معرفی نظریه بدیع و سودمند منطق فازی و تلاش هایش در این زمینه ، به کسب جوایز بین المللی متعددی شده است . پس از معرفی منطق فازی به دنیای علم، در ابتدا مقاومت های بسیاری در برابر این نظریه صورت گرفت . بخشی از این مقاومت ها، چنان که ذکر شد ، ناشی از برداشت های نادرست از منطق فازی و کارایی آن بود. جالب این که، منطق فازی در سال های نخست تولدش بیشتر در دنیای مشرق زمین، به ویژه کشور ژاپن با استقبال رو به رو شد ، اما استیلای اندیشه کلاسیک صفر و یک در کشور های مغرب زمین ، اجازه رشد اندکی به این نظریه داد. با این حال به تدریج که این علم کاربردهایی پیدا کرد و وسایل الکترونیکی و دیجیتالی جدیدی وارد بازار شدند که بر اساس منطق فازی کار می کردند، مخالفت ها نیز اندک اندک کاهش یافتند.
در ژاپن استقبال از منطق فازی ، عمدتاً به کاربرد آن در رباتیک و هوش مصنوعی مربوط می شود . موضوعی که یکی از نیروهای اصلی پیش برنده این علم طی چهل سال گذشته بوده است . در حقیقت می توان گفت بخش بزرگی از تاریخچه دانش هوش مصنوعی با تاریخچه های منطق فازی همراه و هم داستان است. (آذر ، 1387)
2-12 متغیرهای زبانی
در زبان طبیعی و استدلال انسانی اغلب از متغیرهایی استفاده می شود که مقادیر آنها نا دقیق و مبهم است مثلاً برای متغیر وزن مقادیری مثل" کم وزن"،"سنگین وزن"و"خیلی سنگین وزن"و برای متغیر درستی مقادیری مثل " کاملاً درست"،"درست"، "تقریباً درست"و" تقریباً نادرست"،" نادرست"،" کاملاً نادرست" در نظر گرفته می شود. مقادیر متغیرهای زبانی کلمات یا جملاتی هستند که در زبان طبیعی وجود دارند و به طور کلی با استفاده از قیدها می توان مقادیر آنها را شکل داد .
متغیر زبانی متغیری است که مقادیرش کلمات و جملات یک زبان طبیعی و یا مصنوعی باشد. برای مثال سن یک فرد را در نظر بگیرید اگر سن این فرد را با اعدادی مثل100...1،2،3 نشان دهیم متغیر سن یک متغیر معمولی است اما اگر مقادیری را که سن اختیار می کند با کلماتی مثل نونهالی ، نوجوانی ، خیلی جوان ، جوان ، مسن ، پیر نشان دهیم متغیر سن یک متغیرزبانی است. (پرهیزکار، 1387)
2-13 روشهای علم مدیریت فازی
روش های علم مدیریت کلاسیک برگرفته از ریاضیات قطعی و منطق دو ارزشی و چند ارزشی است که خواهان داده های دقیق و کمی هستند در این روشها داده های مبهم و بیان احساسات آدمی ) متغیرهای زبانی ( جایی در مدلسازی ندارند. که این امر نیز به نوبه خود موجب عدم انعطاف پذیری و عدم دقت در مدلهای ریاضی می شود . امروزه علم مدیریت فازی با استفاده ازتئوری سیستمهای فازی می تواند رویکردی نوین برای حل مشکل و پا سخ به ابهامات مطرح شده در سیستم های مدیریتی باشد. تئوری سیستم های فازی با به کارگیری تئوری منطق فاز و اندازه های فازی می تواند پارامترهایی از قبیل دانش، تجربه ، قضاوت و تصمیم گیری انسان را وارد مدل نموده ، و ضمن ایجاد انعطاف پذیری در مدل تصویری خاکستری از جهان خاکستری ارائه نماید. روشن است نتایج چنین مدلهایی به دلیل لحاظ کردن شرایط واقعی در مدل ، دقیق تر و کاربردی تر خواهد بود.
تئوری سیستمهای فازی بر مبنای فرآیند کلی پردازش اطلاعات در مغز عمل می کند. فرآیند کلی پردازش اطلاعات در مغز شامل مراحل زیر است :
( تصمیم → ارزیابی → قضاوت → تفکر → شناخت → بازیابی اطلاعات)
در مرحله بازیابی اطلاعات به دلیل محدود بودن ظرفیت اطلاعاتی و زمانی ذهن ، فقط اطلاعات مهم مورد بازیابی قرار می گیرد تا بتوان آنها را پردازش کرده و اهدافمان را در آنجا متمرکز کنیم . در مرحله شناخت محتوای اطلاعات بازیابی شده مورد شناسایی قرار می گیرد . سپس در مراحل تفکر و قضاوت از ترکیب و تطابق اطلاعات بازیابی شده و دانش و مهارتهایی که در ذهنمان است در ارتباط با ارائه پیشنهاد برای تصمیم گیری و حل مساله فکر می کنیم و گزینه هایی ارائه می دهیم. در مرحله ارزیابی گزینه های مختلف را بر اساس میزان تحقق اهداف )در صورت انتخاب هر یک از گزینه ها( مورد ارزیابی قرار می دهیم و در مرحله آخر رضایت بخش ترین گزینه را انتخاب کرده و تصمیم می گیریم.
با به کارگیری تئوری سیستمهای فازی روشهای علم مدیریت کلاسیک به محیط فازی گسترش می یابد و می توان از آن در سیستمهای متعدد مدیریتی از جمله تصمیم گیری ، سیاست گذاری، برنامه ریزی و مدلسازی استفاده کرد. علم مدیریت فازی در برابر موقعیتهای پویای اقتصادی و اجتماعی به طور انعطاف پذیری پاسخگو است . همچنین علم مدیریت فازی قادر است مدلهایی ایجاد کند که تقریبا همانند انسان اطلاعات کیفی را به صورت هوشمند پردازش نماید . بدین ترتیب سیستم های مدیریت انعطاف بیشتری پیدا می کنند و اداره سازمانهای بزگ و پیچیده در محیطهای متغیر، امکان پذیر می شود . به طور کلی مشخصه های علم مدیریت فازی را می توان به صورت زیر بیان کرد.
1) ضرایب و شرایط واقعی محدودیتها که به صورت شهودی توسط برنامه ریزان تعیین می گردند را می توان به آسانی و با انعطاف پذیری به وسیله توابع عضویت نشان داد و جواب این مسائل را به طرق ریاضی یافت .
2) دانش و مهارت مورد نیاز سیستمهای مدیریت را می توان به زبان طبیعی از خبرگان اخذ کرد و با استفاده از استنتاج فازی مدلها و برنامه های ر ایانه ای را به آسانی ایجاد کرد . در این موارد زبان طبیعی اغلب از صفات و قیودی مثل"خیلی" ، "کم" ،"مقداری"و"تقریباً" استفاده می کند که می توان آنها را با توابع عضویت نشان داد و در رایانه وارد کرد.
3) به جای محدود کردن جوابهای یک مساله به یک عدد می توان چند پاسخ محتمل ارائه کرد و ازآنجا که حد پایین و بالای پاسخ ها قابل اخذ است با اضافه کردن نظر خبرگان مدیران وکارشناسان می توان راه حلهای کاربردی تری ارائه نمود چرا که در بسیاری از گزینه های ارائه شده توسط روش های علم مدیریت کلاسیک به جهت محدود بودن به یک عدد اغلب مورد استفاده قرار نمی گیرد و تصمیمات اخذ شده توسط مدیران جدا از راه حل های ارائه شده می باشد.
روش های علم مدیریت فازی مطابق با سیستمهای متعدد مدیریت در نگاره2-5 نشان داده شده است.
عملیات روش
گردآوری داده و تجربه پایگاه داده فازی ، پایگاه دانش فازی
برنامه ریزی ایجاد مدل مدلهای ساختاری فازی
مدلهای رگرسیونی فازی
روش پردازش گروه داده ها به صورت فازی (GMDH)
تجزیه و تحلیل وارزیابی نظریه توصیف ویژگیهای شئء به صورت فازی
انتگرال فازی
AHP فازی
بهینه سازی وتصمیم گیری
برنامه ریزی ریاضی فازی
برنامه ریزی چند هدفی فازی
تصمیم گیری چند معیاره فازی
تصمیم گیری آماری فازی

مدیریت اداری
کاربرد نظریه فازی در علوم رفتاری
کاربرد نظریه فازی در سرمایه گذاری
مدیریت تولید فازی
سیستم پشتیبانی از تصمیم گیری فازی (FDSS)
سیستمهای خبره فازی
کنترل کیفیت فازی (QC)
نگاره ( 2-5)روشهای علم مدیریت فازی
2-14مجموعه های فازی
بنیاد منطق فازی بر شالوده نظریه مجموعه های فازی استوار است. این نظریه تعمیمی از نظریه کلاسیک مجموعه ها در علم ریاضیات است. در تئوری کلاسیک مجموعه ها ، یک عنصر ، یا عضو مجموعه است یا نیست . در حقیقت عضویت عناصر از یک الگوی صفر و یک تبعیت می کند. اما تئوری مجموعه های فازی این مفهوم را بسط می دهد و عضویت درجه بندی شده را مطرح می کند . به این ترتیب که یک عنصر می تواند تا درجاتی و نه کاملاً عضو یک مجموعه باشد . مثلاً این که آقای الف به اندازه هفتاد درصد عضو جامعه بزرگسالان است از دید تئوری مجموعه های فازی صحیح است . در این تئوری عضویت اعضای مجموعه از طریق تابع U(X) مشخص می شود که X نمایانگر یک عضو مشخص و U تابعی فازی است که درجه عضویت X در مجموعه مربوطه را تعیین می کند و مقدار آن می تواند بین صفر و یک باشد .
μAX:A→(0،+∞)رابطه 2- 5 A= x , μA(x)xϵXبه بیان دیگر ، U(X) نگاشتی از مقادیر x به مقادیر عددی ممکن بین صفر و یک را می سازد ، تابع U(X) ممکن است مجموعه ای از مقادیر گسسته یا پیوسته باشد . وقتی که u فقط تعدادی از مقادیر گسسته بین صفر و یک را تشکیل می دهد ، مثلاً ممکن است شامل اعدادی 3/0 و 5/0 و 7/0 و 9/0 و صفر و یک باشد . اما وقتی مجموعه مقادیر u پیوسته باشند، یک منحنی پیوسته از اعداد اعشاری بین صفر و یک تشکیل می شود .

—253

عنوان صفحه

TOC h z t "زیرنویس شکل" c شکل 1-1. شماتیکی از روش‌های جذب خود مهاجرتی، خود آرایش یابندگی و لایه به لایه [13].8شکل 1-2. شماتیکی از یک سیستم لایه نشانی با لیزر پالسی [1]. PAGEREF _Toc350679917 h 11شکل 1-3. شماتیکی از پدیدۀ اصلاح سطح یک بلور، به کمک کاشت یونی [1]. PAGEREF _Toc350679918 h 12شکل 1-4. فرآیند ایجاد زبری توسط روش قلم آغشته [1]. PAGEREF _Toc350679919 h 14شکل 1-5. تصویر کامپوزیت پلی‌اتراترکتون پرتودهی شده با لیزر، در طول موج پرتودهی 308 نانومتر و شدت انرژی 1 ژول بر سانتیمتر مربع [10]. PAGEREF _Toc350679920 h 37
فصل اولپیشینه پژوهش اصلاح سطح توسط پرتودهی لیزر

1-1 پیشگفتارخواص سطحی مواد در تعیین کاربرد‌های آن‌ها مهم می‌باشد و امروزه روش‌های مختلفی برای اصلاح این خواص استفاده می‌شوند. خواص مهم مواد پلیمری از قبیل چسبندگی، اصطکاک، تر شوندگی، نفوذ پذیری و سازگاری با محیط زیست می‌باشند که در عمل، همۀ این ویژگی‌ها از خصوصیات سطحی تأثیر می‌پذیرند. اصلاح سطح فرآیندی پرکاربرد و مهم در فناوری نانو بشمار می‌رود که باعث گسترش کاربرد مواد شده است [1،2]. اصلاح سطحی عبارت است از اصلاح سطح بیرونی با هدف تأثیر گذاشتن بر خواص مختلف مورد نظر، با حفظ ویژگی‌های کلیدی فیزیکی، که اگر این گونه اصلاح سطح به طور صحیح انجام شده باشد، خواص مکانیکی و عملکرد نمونه تحت تأثیر قرار نخواهد گرفت، ولی خواص مورد نظر تغییر کرده و بهبود خواهد یافت [3].
اصلاح سطح، عملی است که برای ایجاد مشخصه‌های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مختلف بر روی سطح مواد انجام می‌شود. اصلاح سطح معمولاً در مواد جامد و معمولاً با اهداف کنترل شکست و سایش (مانند ایجاد سختی، شکست، خستگی، مقاومت به سایش و غیره)، افزایش مقاومت در برابر خوردگی، تغییر خواص فیزیکی مانند رسانایی، مقاومت الکتریکی، انعکاس نور و غیره، تغییر زبری سطح، ایجاد قابلیت آبدوستی، ایجاد سطوحی با قابلیت ابرآبگریزی [4]، رنگبری سطحی، ایجاد خواص چسبندگی و اتصال بر روی سطح [5]، استریلیزه کردن [3]، پاک‌کنندگی سطحی [6]، خود تمیز شوندگی، ضد مه شدن و ضد برف شدن، خواص شفاف شدن یا پشت‌نما شدن [7]، ایجاد خواص حرارتی و قابلیت تأخیر در مشتعل شدن [8]، کنترل تحرک یا چسبیدن مواد زیستی [9]، افزایش قابلیت نفوذ، فیلتراسیون یا تصفیه کردن [10]، سازگاری بیولوژیکی یا عکس آن و قابلیت واکنش پذیری [6،11]، افزایش خواص رنگ پذیری، رنگرزی و چاپ [12] و افزایش قابلیت پایداری و ثبات ابعادی [5] انجام می‌شود.
اصلاح سطح پلیمر یک مبحث قدیمی است که منجر به کاربرد بیشتر مواد پلیمری مصنوعی در جوامع انسانی شده و در زمینه‌های مختلف از قبیل چسب‌ها، فیلتراسیون غشایی، پوشش‌دهی، اصطکاک و خوردگی، کامپوزیت‌ها، ابزارهای میکرو‌الکترونیکی، فناوری لایه‌ها و فیلم‌های نازک، بیومواد و غیره به کار گرفته شده است. به علت این مسائل، بهینه‌سازی و اصلاح سطح برای یک پلیمر بدون تغییر خواص تودۀ آن، موضوع تحقیقات کلاسیک سال‌ها قبل بوده است، و حتی هنوز هم تحقیقات عالی بر روی کاربرد‌های جدید مواد پلیمری به ویژه در زمینۀ بیوتکنولوژی و مهندسی پزشکی انجام می‌شود [13].
1-2 روش‌های اصلاح سطحی موادروش‌های موجود برای اصلاح سطح و ایجاد نانو یا میکروساختار‌ها، با طبقه‌بندی ماهیت تغییر و اصلاح به دو گروه فیزیکی و شیمیایی و به طور کلی به گروه‌های لایه‌برداری یا ایجاد فرسایش، رسوب‌دهی یا پوشش‌دهی، تغییر شکل از طریق کشش مکانیکی، قالب‌دهی، مخلوط کردن و خود ساخت تقسیم‌بندی می‌شوند، که هرکدام از این سیستم‌ها دارای روش‌های متفاوتی هستند [4].
تا کنون روش‌ها و فرآیندهای مختلفی برای ایجاد زبری و اصلاح سطح گزارش شده است که از روش‌های متداول تغییر و اصلاح خواص سطحی با ایجاد زبری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1-2-1 اصلاح سطح توسط فرآوری و عملکرد پلاسمافرآیند‌های تکمیل و رنگرزی در صنعت نساجی همواره با محدودیت‌های مختلفی روبرو بوده است. از روش‌های بهبود رنگ‌پذیری می‌توان به استفاده از پلاسما و کرونا اشاره کرد. این روش‌ها قادر به اصلاح سطح منسوجات، بدون تغییر در خواص درونی پلیمر در یک محیط خشک، بدون آب و مواد شیمیایی هستند [5]. در عملیات واکنش پلاسما با افزایش پلاریته، آبدوستی و بار الکتریکی سطح پلیمر می‌توان کاربرد‌های مفید مانند افزایش ترشوندگی سطحی، چسبندگی، رنگ پذیری، خون سازگاری و غیره را کسب نمود [3،13،14].
1-2-2 روش‌های عملیات شیمیایی‌تر و محلول‌هاتغییر و اصلاح شیمیایی شامل اثر یک یا چند نوع ماده بر یک سطح، جهت ایجاد سطحی با خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب‌تر می‌باشد. بعضی مولکول‌های پلیمر شامل گروه‌های جانبی شبیه به هیدروکسیل، کربوکسیل، آمینو، استر و غیره هستند که این نوع از پلیمر‌ها می‌توانند مستقیماً با واکنش شیمیایی دگرگون شوند. در این روش پلیمر تحت تأثیر یکسری از حلال‌های شیمیایی قرار می‌گیرد تا با ایجاد یکسری از گروه‌های خاص شیمیایی مانند آلدئید‌ها، اسیدهای کربوکسیلیک، هیدروکسیل‌ها و آمین‌های اولیه بتوان خواص عملکردی خاصی را در سطح پلیمر ایجاد کرد [13].
1-2-3 روش تجزیه حرارتی به کمک افشاندندر یک تحقیق انجام گرفته توسط تاروال و همکارانش [7]، از تکنیک تغییر ماهیت شیمیایی در اثر افشاندن مخلوطی از استات روی و آب و ایجاد شدن حرارت بر روی شیشه همراه با تولید فیلمی از اکسید روی استفاده شده، جهت دست‌یابی به خاصیت آبگریزی و قابلیت انتقال بالای نور، که در نهایت به خواص شفاف شدن یا پشت‌نما شدن، خود تمییز شوندگی، ضد مه شدن و ضد برف شدن رسیده و از آن روش در میکروچیپ‌های متحرک و میکرو‌راکتورها استفاده شده است.
1-2-4 روش سُل‌ژلفرآیند سُل‌ژل یک روش شیمیایی‌تر با استفاده از یک اکسید فلزی می‌باشد و در واقع از اصل محلول‌سازی و رسوب‌دهی جامدات در مایعات با استفاده از تغییر پارامترهایی مثل دما استفاده کرده و محصولاتی مثل پوشش و پودر را بدست می‌آورند. البته باید یادآور شد که پوشش‌هایی که از این روش تولید می‌شوند دارای تخلخل‌هایی هستند، که بعضی خواص آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد [14].
1-2-5 روش ایجاد زبری و رسوب‌دهی پاششی توسط مگنتروناساساً یک ابزار رسوب‌دهی پاششی شامل یک هدف، که منبع مواد رسوب داده شده بوده، و یک زیرﻻیه است. رسوب‌دهی پاششی یک روش ساختارسازی است که شامل رسوب‌دهی موادی است که قبلاً از سطح هدف جدا و بر روی زیرلایه پاشیده شده‌اند. تکنیک مذکور اغلب در ساخت انواع مختلف پوشش‌های محافظ، تکنولوژی سِل‌های خورشیدی و فیلم‌های نازک ابر رسانا‌ها کاربرد دارد. همچنین در مهندسی مواد نانوساختار (به عنوان مثال نانوفیبرها، فولرن‌ها، فیلم‌های نازک نانوکریستال) استفاده می‌شود [1،14].
1-2-6 روش رسوب شیمیایی بخاراولین کاربردهای این روش به تولید لامپ‌های رشته‌ای در سال 1880 بر می‌گردد که در آن از روش رسوب شیمیایی بخار برای افزایش استحکام رشته‌های کربنی با رسوب فلز استفاده شد. فرآیندهای رسوب شیمیایی بخار انواع گوناگونی دارند، اما به طور کلی در همۀ آن‌ها از محفظه‌ای به نام رآکتور استفاده می‌شود که پیش ماده با ورود به رآکتور به صورت یک لایه نازک روی سطح زیرپایه رسوب کرده، در حالی که دچار یک سری تغییرات شیمیایی می‌شود و پوششی با ترکیب و خواص مورد نظر را ایجاد می‌کند [1].
رسوب شیمیایی بخار در مورد پلیمرها توسط عمل پلاسما انجام می‌شود و در این روش گاز مونومر مستقیماً به محفظۀ پلاسما اعمال شده و پلیمریزه می‌شود. پلیمر ابتدا در فاز گازی تولید شده، و سپس تولیدات منتج شده روی سطح منفی با دمای پایین به شکل یک لایۀ ضخیم رسوب می‌کند [13].
1-2-7 روش رسوب فیزیکی بخاراین روش شامل یک فرآیند فیزیکی مثل تبخیر دما بالا در خلاء یا کندن مواد با پلاسما می‌باشد و بر خلاف روش رسوب شیمیایی بخار پوشش‌دهی با انجام یک واکنش شیمیایی در سطح زیرپایه همراه نیست. امروزه به کمک روش رسوب فیزیکی بخار می‌توان ساختارهای لایه نازک، به ضخامت یک لایه اتمی را رسوب داد که این در نانوفناوری اهمیت ویژه‌ای دارد. از مزیت‌های روش رسوب فیزیکی بخار می‌توان به این نکات اشاره کرد که از نظر زیست محیطی نسبت به برخی فرآیند‌های مشابه از جمله رسوب شیمیایی بخار برتری داشته و آلودگی کمتری ایجاد می‌کند [1].
1-2-8 روش پرتودهی ایکس، گاما و الکترون توسط شتاب‌دهندۀ رودوتروناین پرتوها اگرچه با روش‌های مختلف تولید می‌شوند، ولی در اصل یک کار را انجام می‌دهند. انرژی منتقل شده توسط این پرتوها در فرآیند پرتودهی منجر به تغییرات فیزیکی و شیمیایی، همچنین اصلاحات سطحی و حتی داخلی می‌شود و در نهایت باعث ایجاد پلیمریزاسیون، پیوند عرضی و استریلیزاسیون می‌گردد. این نوع پرتوها از نوع پرتوهای یونیزه‌کننده می‌باشند، زیرا انرژی آن‌ها در حدی است که فقط می‌توانند الکترون‌ها را از اتم‌ها و مولکول‌ها جدا کرده و آن‌ها را به یون تبدیل کنند [22].
اختلاف عمدۀ پرتوهای ایکس، گاما و الکترون در قدرت نفوذ آن‌ها در ماده است. پرتوهای ایکس و گاما دارای قدرت نفوذ زیاد هستند، در حالی که نفوذ الکترون بستگی به انرژی الکترون‌های شتاب داده شده دارد. با یک شتاب‌دهنده الکترون دز مورد نظر به سرعت در حد ثانیه اعمال می‌گردد، ولی با پرتو گاما این کار ممکن است ساعت‌ها طول بکشد. پرتو گاما از رادیو ایزوتوپ کبالت 60 و پرتو ایکس با دستگاه‌های خاص مثل شتاب‌دهنده‌ها تولید می‌شوند [22].


1-2-9 روش لیتوگرافی یا چاپ سنگیلیتوگرافی فرآیندی است که در ساخت ریزساختارها به کار می‌رود و در آن بخشی از لایه‌ای خاص یا تکه‌ای از زیرلایه به طور انتخابی برداشته می‌شود. لیتوگرافی یک تکنیک کاملاً مجهز و پایه‌ای است که برای ایجاد ناحیۀ وسیعی از طرح‌های تکراری در اندازه‌های میکرو و نانو کاربرد دارد [4]. در این روش با به کار بردن یک نقاب نوری، طرح هندسی مورد نیاز روی لایۀ فلزی یا زیرلایه‌ای که حساس به نورند ایجاد و با انجام عملیات شیمیایی، طرح هندسی لایه‌برداری می‌شود. از معایب این روش، نیازمندیش به سطوح صاف و هموار است که ساخت قطعات با سطوح ناهموار را بسیار دشوار می‌کند [1]. جانگ و همکارانش [23] ایجاد نانوزبری بر روی پارچۀ پلی‌تری‌متیلن‌ترفتالات و پلی‌استر را توسط پرتودهی تناوبی لامپ فرابنفش گزارش داده، و روی ساختمان‌های ایجاد شده، خواص رنگ پذیری و ثبات رنگی را بررسی کردند.
1-2-10 روش پوشش فیزیکی یا مخلوط کردنشاید ساده‌ترین راه میانبر برای حرکت به جلو در راستای اصلاح هدفمند سطح پلیمر، مخلوط کردن مولکول‌های عمل گر (عامل‌های مؤثر برای رسیدن به هدف) با پلیمر‌های محلول، یا فقط پوشاندن پلیمر‌های جرمی روی پلیمر‌های سطحی باشد. اگرچه بزرگ‌ترین محدودیت این روش ناپایداری ساختار سطحی پلیمر و مخفی شدن مواد عمل گر در پلیمر است، اما اگر این تغییر ساختار آنقدر زیاد نباشد که کاربرد مواد را تحت تأثیر قرار دهد، این روش هنوز یک انتخاب خوب است، که از جمله این روش می‌توان به روش‌های خود مهاجرتی، خود آرایش یابندگی و لایه به لایه اشاره کرد. تشریح روش‌های جذب خود مهاجرتی، خود آرایش یابندگی و لایه به لایه در شکل 1-1 آورده شده است [13].

شکل 1-1. شماتیکی از روش‌های جذب خود مهاجرتی، خود آرایش یابندگی و لایه به لایه [13].در روش خود مهاجرتی، مواد عمل گر با طراحی خاص ساختار شیمیایی در میان محلول پلیمر مخلوط می‌شود و چون تمایل به سمت، رسیدن به حداقل انرژی است، مولکول‌های مواد عمل گر خود به خود به سمت سطح پلیمر حرکت نموده و سرانجام با انباشته شدن بر روی سطح پلیمر، خواص سطحی پلیمر را مشخصاً تغییر می‌دهند. در روش خود آرایش یابندگی مولکول‌های مواد عمل گر فعال، روی سطحی با بار منفی، به کمک یکسری عملیات شیمیایی، الکترواستاتیکی و ایجاد باند‌های هیدروژنی متصل و توزیع می‌شوند. در روش لایه به لایه ماکرومولکول‌های شارژ شدۀ مثبت و منفی به واسطۀ برهمکنش‌های الکترواستاتیکی و فعل و انفعالات شیمیایی قوی، به طور متناوب بر روی سطح پلیمر، اعمال می‌شوند [13].
1-2-11 روش پوشش‌دهی چرخشیپوشش‌دهی چرخشی روشی برای اعمال پوشش‌های نازک بر روی زیرپایه‌های مسطح می‌باشد. در این روش ابتدا بر اساس ضخامت مورد نظر لایه، مقدار ماده لازم به طور تقریبی تعیین می‌گردد. سپس مقداری محلول بیش از میزان لازم روی زیرپایه قرار داده می‌شود. در ادامه زیرپایه با سرعت بالا چرخانده می‌شود تا سیال بر اساس نیروی گریز از مرکز روی سطح پخش شود و نازک‌سازی لایه به انجام رسد. ماشین مورد استفاده در این روش پوشش دهنده، اسپینر نامیده می‌شود. گردش زیرپایه در حالی که محلول از لبه‌های آن بیرون می‌ریزد ادامه می‌یابد تا ضخامت مورد نظر بدست آید. حلال مورد استفاده ماده‌ای فرار است و در حین گردش تبخیر می‌شود. هر چه سرعت زاویه‌ای فرآیند بالاتر باشد فیلم ایجاد شده نازک‌تر خواهد بود [1].
1-2-12 روش الکتروریسیدر روش الکتروریسی از نیروهای الکترواستاتیکی برای ریسیدن الیاف نانومتری از یک فاز مایع استفاده می‌شود. بخش‌های مختلف یک سیستم استاندارد الکتروریسی عبارتند از یک رشته‌ساز که شامل یک سرنگ با سوزن تزریق متصل به یک منبع توان بالا (50-10 کیلوولت)، یک پمپ و یک صفحۀ جمع کننده متصل به زمین می‌باشد. رشته‌ساز به کاتد و صفحه به آند متصل است. محلول یا مایع و یا مذاب وارد سرنگ می‌شود و با فشار پمپ، تحت سرعت ثابتی تزریق می‌گردد که این عمل باعث شکل‌گیری یک قطره در نوک سوزن می‌شود. با اعمال ولتاژ، قطره به صورت مخروط تیلور کشیده می‌شود. اگر کشش بین مولکولی مایع به اندازه کافی بالا باشد، این جریان ایجاد شده گسسته نشده و یک جت مایع باردار ایجاد می‌شود. این جت بر اساس نیروی دفع الکترواستاتیک طویل شده و مسیری مارپیچ را طی می‌کند. این روند تا رسوب آن بر روی صفحه جمع کننده ادامه می‌یابد [1].
میزوکوشی و همکارانش [24] اثر زبری سطح را بر قابلیت اصلاح سطح و ترشوندگی لایه‌های الکتروریسی شده مطالعه کرده‌اند. نتایج بدست آمده نشان می‌داد که در اثر ازدیاد زبری سطح، ترشوندگی لایه‌های پلیمری با ماهیت آبدوستی افزایش می‌یابد، در حالی که افزایش زبری سطح لایه‌های پلیمری با ماهیت آبگریزی سبب کاهش ترشوندگی لایه می‌شود.
1-2-13 روش بمباران یونی یا سایش با باریکۀ یونیبه طور ساده فرآیند سایش با باریکه یونی را می‌توان یک شن‌سایی اتمی نامید که در آن یون‌ها نقش دانه‌های شن را بازی می‌کنند. یون‌های شتاب گرفته سطح نمونه‌ای را که درون یک محفظه خلاء نصب شده است، بمباران یونی می‌نمایند. عموماً سایش با باریکه یونی در آماده‌سازی نمونه برای میکروسکوپ الکترونی عبوری کاربرد دارد. هدف این است که نمونه به طور یکنواخت نازک شود و کیفیت سطح بالایی داشته باشد. از سایر کاربردها می‌توان پولیش و ریزسابی لنزهای اپتیکی را نام برد. به طور کلی هر جا لایه برداری از سطح نمونه در مقیاس اتمی و یا نازک‌سازی نمونه مطرح باشد این روش بکار می‌رود [1].
1-2-14 روش لایه نشانی با لیزر پالسیدر این روش پرتو لیزر با قدرت باﻻ به صورت متناوب با ماده هدف در حال چرخش برخورد می‌کند. مواد هدف که توسط لیزر کنده شده‌اند، منجر به کنده شدن لحظه‌ای (فرسایش) ﻻیه‌های اتمی می‌شوند که در نزدیکی سطح قرار می‌گیرند. انرژی که ضمن این فرآیند ایجاد می‌شود، منجر به تبخیر مواد و حرکت سریع آن‌ها به سمت زیرﻻیه و در نهایت رسوب‌دهی آن‌ها می‌شود. در واقع فناوری لایه نشانی با لیزر پالسی نوعی تکنیک رسوب فیزیکی بخار بشمار می‌رود که باعث تولید اولین ابررسانای سرامیکی گردید. در شکل 1-2 شماتیک یک سیستم لایه نشانی با لیزر پالسی نشان داده شده است [1].

شکل 1-2. شماتیکی از یک سیستم لایه نشانی با لیزر پالسی [1].1-2-15 روش قالب گیری حلالقالب گیری حلال یک روش ساده برای تولید داربست مهندسی بافت است. در این روش پلیمر در یک حلال مناسب حل شده و در قالب ریخته می‌شود. سپس حلال حذف گردیده و حالت پلیمر را در شکل مورد نظر حفظ می‌کند. در این شیوه می‌توان با شستن ذراتی مانند کریستال‌های نمک کاشته شده درون پلیمر که پروژن خوانده می‌شوند، داربست را به صورت متخلخل درآورد. عیب اصلی قالب گیری حلال باقی ماندن احتمالی حلال سمی درون پلیمر است [25].
1-2-16 روش کاشت یونیاصولاً فناوری کاشت یونی یک روش مهندسی سطح به شمار می‌رود. در این فرآیند، یون‌های معینی در ساختار یک جامد اصطلاحاً کاشته می‌شوند و خواص آن را تحت تأثیر قرار می‌دهند. تکنیک کاشت یونی عمدتاً در صنعت نیمه‌هادی‌ها کاربرد دارد. یون‌های کاشته شده در ماده هدف علاوه بر ایجاد تغییر شیمیایی، تغییرات ساختاری نیز به وجود می‌آورند که بر اثر آن شبکه بلوری ماده هدف می‌تواند آسیب دیده و یا حتی تخریب گردد. شکل 1-3 عملکرد پدیدۀ اصلاح سطح یک بلور، به کمک کاشت یونی را نشان می‌دهد [1].

شکل 1-3. شماتیکی از پدیدۀ اصلاح سطح یک بلور، به کمک کاشت یونی [1].1-2-17 روش کوپلیمریزاسیون پیوندیدر بین روش‌های تغییر سطح که تا کنون توسعه یافته‌اند، پیوند زدن مونومر‌ها یک روش ساده، مفید، تطبیق پذیر و با دامنۀ کاربرد وسیع برای بهبود بخشیدن خواص سطحی پلیمرها است. برای ایجاد کوپلیمریزاسیون پیوندی، باید اول رادیکال‌ها یا گروه‌هایی که قابلیت تولید رادیکال‌هایی شبیه گروه‌های پراکسید را دارند، با سطح واکنش داده شوند. برای بیشتر پلیمر‌های شیمیایی خنثی، این نیاز می‌تواند توسط پرتودهی (پرتو گاما، پرتو الکترونی، فرابنفش، لیزر و غیره)، روش پلاسما، اکسیداسیون با آب اکسیژنه یا هیدروژن پراکسید و ازن، یا اکسیداسیون توسط یون سریم انجام شود [13].
میرزاده و همکارانش [11] رفتار سلول‌های فیبروپلاست بر روی سیلیکون الاستومر پیوند شده با پلی‌اکریلیک اسید، توسط لیزر پالسی دی‌اکسید‌کربن را، برای کاربرد‌های مهندسی بافت بررسی کرده و نشان دادند که این روش برای تغییر سطح هر ماده، حتی پلیمرهای خنثی از نظر شیمیایی مانند سیلیکون‌ها کاربردی است. در یک بررسی دیگر توسط میائو و همکارانش [8] اصلاح سطحی پارچۀ پنبه‌ای با پرتو گاما برای رسیدن به خواص آبگریزی، آبدوستی توسط پیوند دادن آن با پرفلوئوروآلکیل‌فسفات‌اکریلات صورت گرفته است.
در بررسی انجام گرفته توسط کستینگ و همکارانش [26] اصلاح سطحی فیلم‌های پلی‌پروپیلنی، توسط پرتودهی لیزر اکسایمر در حضور اسید اکریلیک گزارش شده، که نشان دادند واکنش‌های ایجاد پیوند توسط لیزر اکسایمر در مونومر‌های واکنش پذیر زنجیرۀ اصلی پلیمر، دارای کارایی بیشتر نسبت به پرتودهی مستقیم پلی‌پروپیلن است. همچنین ایگور لوزینوف و همکارانش [27] تکنیک‌های ایجاد اصلاح سطحی قابل استفاده، مانند روش کوپلیمریزاسیون پیوندی و استفاده از نانو‌ذرات را برای تولید الیاف ابرآبگریز مورد بررسی قرار داده‌اند.
1-2-18 روش نانوایمپرینت یا نانوچاپایجاد زبری و الگوهای خاص توسط روش نانوایمپرینت روشی نوین در ساخت مواد نانومتری است که اولین بار در سال 1995 توسط استفان چو از دانشگاه پرینستون معرفی گردید. در این روش ایجاد زبری و الگوهای خاص با تغییر شکل مکانیکی لایۀ محافظ ایمپرینت و فرآیندهای بعدی ایجاد می‌گردد. لایۀ محافظ ایمپرینت یک مونومر یا پلیمر است که در طی فرآیند ایمپرینت با حرارت یا نور فرابنفش پخت می‌شود. پس از اینکه قالب و زیرلایه به هم فشار داده می‌شوند، پخت لایۀ محافظ با پرتو فرابنفش انجام می‌شود تا سخت گردد. پس از جداسازی قالب، الگوی حک شده با یک روش انتقال الگو به زیرلایه منتقل می‌گردد [1].
1-2-19 روش قلم آغشتهقلم آغشته روشی جدید در ایجاد نانوزبری است که اولین بار در سال 1999 در دانشگاه نورث وسترن معرفی گردید. در این روش یک پروب میکروسکوپ نیروی اتمی که با مولکول‌های یک جوهر مثل آلکانتیول پوشش داده شده است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. وقتی نوک پروب در نزدیکی سطح قرار می‌گیرد یک قطره آب در فاصله نوک پروب و سطح چگالیده می‌شود. این فضای آبی مانند پلی برای مولکول‌های جوهر عمل می‌کند که از این طریق به سطح انتقال می‌یابند و با سطح وارد واکنش می‌شوند. شکل 1-4 شماتیک فرآیند ایجاد زبری توسط روش قلم آغشته را نشان می‌دهد [1].

شکل 1-4. فرآیند ایجاد زبری توسط روش قلم آغشته [1].1-2-20 ایجاد زبری توسط میکروسکوپ تونل‌زنی روبشیدر میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی، ایجاد زبری نانومتری به کمک تجزیه حرارتی با الکترون انجام می‌شود. در حالت رسوب‌دهی ماده با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی، نوک پروب این میکروسکوپ به عنوان یک منبع نشر عمل می‌کند. وقتی یک ولتاژ اعمال شود اتم‌ها یا نانو‌ذرات از سطح پروب به سطح ماده هدف انتقال می‌یابند. بعلاوه میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی برای کار با تک اتم‌ها، به منظور ایجاد نانو‌ساختارها هم بکار می‌رود. توسعه این فناوری توانایی این میکروسکوپ را در ایجاد نانوزبری به بالاترین حد ممکن، یعنی قدرت تفکیک در حد چند اتم رسانده است [1].
1-2-21 ایجاد زبری به روش میکروسکوپ نیروی اتمیدر ایجاد زبری به روش میکروسکوپ نیروی اتمی محدودیت‌های کمتری نسبت به میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی وجود دارد، چرا که در شرایط محیطی معمولی قابلیت کارکرد دارد و هر نوع ماده‌ای را نیز می‌توان با میکروسکوپ نیروی اتمی مورد بررسی قرار داد. بعلاوه در صورت استفاده از یک پروب رسانا، میکروسکوپ نیروی اتمی، عمده عملکردهای میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی را خواهد داشت. لایه‌برداری از سطح (ایجاد فرسایش و زبری) توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، در مقیاس نانومتری به کمک ماشینکاری یا تراش‌دهی با پروب به انجام می‌رسد. همچنین مکانیزم رسوب‌دهی مواد توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، مشابه میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی می‌باشد [1].
1-2-22 ایجاد فرسایش توسط لیزراین روش در اینجا به صورت اجمالی مورد بحث قرار گرفته است، توضیحات و بررسی‌های کامل در مورد این فرآیند در بخش‌های بعدی آورده شده است. اصلاح سطحی پلیمرها مبحثی با اهمیت فراوان است که منجر به کاربرد وسیع مواد، به ویژه پلیمرهای مصنوعی در جوامع انسانی شده است. تا کنون روش‌ها و فرآیندهای مختلفی برای اصلاح سطحی مواد گزارش شده و از میان آن‌ها، به منظور بهبود خواص سطحی پلیمر‌ها، روش پرتودهی بیشتر مورد توجه بوده است. از روش‌های پرتودهی قابل استفاده برای اصلاح سطحی و بهبود خواص مورد نظر بر روی پلیمر‌ها، پرتودهی با استفاده از پرتو لیزر است [3،29].
تغییرات حاصل از پرتودهی لیزر، محدود به سطح مواد بوده و خسارات احتمالی به تودۀ مواد، نسبت به پرتوهای دیگر مثل گاما و الکترونی به حداقل رسیده و خواص مکانیکی مواد حفظ شده است. با توجه به تحقیقات انجام شده در زمینۀ بهینه‌سازی فیلم‌ها و الیاف پلیمری با لیزر، مشخص شده است که فرسایش حاصل از پرتودهی لیزر بر روی سطوح، همراه با ایجاد تغییرات شیمیایی، مانند به وجود آمدن گروه‌های عاملی جدید و همچنین تغییرات فیزیکی، مانند پدیدار شدن مرفولوژی منحصر به فرد با ساختاری منظم در نواحی تابش دیده بوده، که منجر به بهبود خواص پلیمری شده است [3،29].
پرتو لیزر باعث برداشتن و یا فرسایش مواد از سطوح پلیمری می‌شود، به طوری که این پدیده به فرسایش نور تجزیه‌ای معروف است [28]. فرآیند ایجاد فرسایش توسط لیزر عبارت است از برداشتن ماده از سطح به کمک تابش یک باریکه لیزر به سطح. عموماً در این فناوری از لیزر پالسی بهره گرفته می‌شود، ولی در صورتی که شدت باریکه لیزر به حد کافی بالا باشد، امکان استفاده از موج پیوستۀ لیزر نیز وجود دارد. مزایای سایش و اصلاح سطح با استفاده از لیزر عبارتند از:
از هیچ حلالی استفاده نمی‌شود و ماده با هیچ‌گونه ترکیب شیمیایی در تماس قرار نمی‌گیرد که این از نظر زیست محیطی بسیار مناسب است.
با وجود هزینۀ سرمایه گذاری اولیه، هزینۀ کلی آن نسبت به روش‌های ساینده‌ی خشک مثل سایش با یخ خشک (دی‌اکسید‌کربن جامد) کمتر است [1].
این فرآیند ظرافت بیشتری نسبت به روش‌های دیگر سایش داشته و قابلیت اصلاح مناطق کوچک، بدون تأثیر گذاشتن بر مناطق دیگر را دارد، برای مثال الیاف کربن درون یک کامپوزیت در روش ایجاد فرسایش توسط لیزر آسیب نمی‌بینند.
آسیب‌دیدگی کمتر سطح پلیمر و نفوذ حرارتی کنترل شده
انعطاف پذیری و قابلیت عملکرد بر روی انواع مواد
سرعت و دقت بالای فرآیند و قابلیت تکرار خوب
سادگی در روش کار و عدم نیاز به کنترل شدید فرآیند
تنها مشکل این روش هزینۀ بالاتر در سرمایه گذاری اولیه، مصرف انرژی حین کار و تعمیر و نگهداری آن نسبت به بقیۀ روش‌ها می‌باشد، ولی در نهایت این روش به خاطر داشتن این مزایا به عنوان یک روش مطلوب بشمار می‌رود [10].

1-3 پیشینه پژوهش اصلاح سطحی صورت گرفته توسط پرتودهی لیزردر سال 1982 سرینیواسان و همکارانش [32] (در آمریکا) در زمینۀ خود اصلاح شوندگی با فرسایش نوری بر روی فیلم پلی‌اتیلن‌ترفتالات، توسط پرتودهی لیزر اکسایمر فرابنفش تحقیق کردند. طبق این بررسی به این نتیجه رسیدند که پرتودهی در طول موج 193 نانومتر توسط لیزر اکسایمر آرگون فلوئورید، می‌تواند باعث فرسایش سطوح فیلم پلی‌اتیلن‌ترفتالات در یک رفتار کنترل شده، بدون نیاز به هیچ‌گونه عملیات بعدی شود.
همین‌طور در سال 1982 کاوامورا و همکارانش [33] (در ژاپن) در مورد تأثیر عمیق فرسایش نور فرابنفش بر روی فیلم پلی‌متیل‌متااکریلات توسط یک لیزر اکسایمر، بررسی‌هایی را انجام دادند. در این تحقیق، نتایج حاصل از آزمایشات در فرسایش نوری پلی‌متیل‌متااکریلات به وسیلۀ لیزر اکسایمر، نشان داد که لیزر می‌تواند به عنوان یک منبع نوری اثر گذار در فرسایش توسط نور فرابنفش عمل کند.
در سال 1983 آندری و همکارانش [34] (در انگلیس) بر روی فرسایش مستقیم مواد پلیمری با استفاده از لیزر زنون کلرید تحقیقاتی را انجام دادند. در این بررسی فرسایش فیلم‌های پلی‌اتیلن‌ترفتالات، پلی‌آمید و فیلم‌های مقاوم در برابر نور، توسط لیزر زنون کلرید انجام شده و همچنین یک مدلسازی گرمایی برای تخریب و فرسایش صورت گرفته است. بر طبق این مطالعات میکرو‌ساختارهای ظاهر شده، توسط فرسایش عمیق این لیزر اکسایمر، مفید بودن آن را اثبات کرده است.
در سال 1986 لازار و همکارانش [35] (در آمریکا) بر روی خواص سطحی فیلم‌های پلی‌اتیلن‌ترفتالات اصلاح شده توسط لیزر اکسایمر آرگون فلوئورید با طول موج 193 نانومتر و 185 نانومتر با شدت انرژی پایین مطالعاتی را انجام دادند. همچنین در این بررسی گزارش شده که در پرتودهی با لیزر، از شدت انرژی 40 میلی‌ژول بر سانتیمتر مربع به بعد، اثرات فرسایش شروع می‌شود.
در سال 1993 لازار و بنت [36] در ادامۀ کارهای قبلی، مطالعۀ آمورف کردن سطح فیلم‌های میلار (نوعی پلی‌استر) به کمک پرتودهی لیزر اکسایمر را انجام دادند. در این تحقیق عمق مناطق آمورف توسط اندازه‌گیری مونوکروماتیک الیپسومتری یا بیضی سنجی یک تکفام یا یک تک رنگ، شبیه یک عملکرد تابع انرژی پالس، انجام شده بود.
در سال 1995 عترتی و دایر [37] در زمینۀ مکانیسم فرسایش پلیمرهای آلی به وسیلۀ لیزرهای اکسایمر و مادون قرمز بررسی‌هایی را انجام داده و روابطی را ارائه نمودند. طبق بررسی‌های انجام شده دریافتند که مواد حاصل از برهمکنش لیزر با پلی‌استر، دی‌اکسیدکربن، مونواکسیدکربن، گروه آلدئیدی، استالدئید، آب، استیلن و غیره می‌باشد.
در سال 1997 نیتل و همکارانش [31] ساختمان سطحی الیاف مصنوعی پرتودهی شده توسط لیزر اکسایمر را تحت بررسی قرار دادند. آن‌ها دریافتند که در مکان‌های پرتودهی شده، اصلاح فیزیکی به صورت ایجاد ساختمان‌های سطحی منظم رخ می‌دهد.
مجدداً در سال 1997 نیتل و همکارانش [38] در ادامۀ کار قبلی مدل‌ها و مکانیسم ایجاد ساختمان سطحی، در الیاف مصنوعی پرتودهی شده توسط لیزر اکسایمر را مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که رهاسازی تنش‌های باقیمانده در الیاف، با نوسانات دمایی بالا مرتبط است، که منجر به رفتاری گروهی برای جابجایی زنجیره‌های پلیمری می‌شوند.
در سال 1998 نیتل و اسکولمیر [26] در ادامۀ تحقیقات خود تغییرات عاملیتی یا شیمیایی ساختمان سطحی در اثر پرتودهی لیزر را بررسی کرده‌اند. در این تحقیق ترکیبات شیمیایی سطح به همراه ساختمان سطحی ایجاد شده توسط پرتودهی لیزر مواد لیفی‌شکل، از قبیل پلی‌اتیلن‌ترفتالات (پلی‌استر) مورد بحث قرار گرفته است (مانند شکل‌گیری گروه‌های کربوکسیلیک بر روی پلی‌استر و شکل‌گیری پیوند‌های کربونیل در پلی‌پروپیلن).
همچنین در سال 1998 نیتل و اسکولمیر [10] در ادامۀ کارهای قبلی مربوط به ساختمان‌های سطحی پلیمر‌های مصنوعی پرتودهی شده توسط لیزر اکسایمر، برخی از کاربرد‌های لیزر اکسایمر، در مورد اصلاح سطحی مواد نساجی را نیز مورد مطالعه قرار دادند.
در سال 2001 وونگ و همکارانش [39] اصلاح شیمیایی سطح الیاف پلی‌اتیلن‌ترفتالات را توسط پرتودهی لیزر اکسایمر در شدت‌های بالا و پایین مورد بررسی قرار دادند. تکنیک‌های آنالیز سطحی نشان می‌دادند که سطح پلی‌استر به صورت انتخابی (آبدوستی یا آبگریزی)، وابسته به رنج شدتی پرتودهی لیزر اصلاح می‌شود.
در سال 2002 ییپ و همکارانش [2] در یک تحقیق، اثر پرتودهی لیزر و پلاسما را بر روی الیاف فیلامنتی پلی‌آمیدی مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق مرفولوژی ساختمان سطحی، توسط عملیات پرتودهی لیزر اکسایمر و روش پلاسما در دمای پایین، تحت بررسی قرار گرفته و اثر پارامتر‌های مختلف توسط میکروسکوپ الکترون پویشی مطالعه شده است.
همچنین در سال 2002 ییپ و همکارانش [12] مجدداً در تحقیقی دیگر، تأثیر اصلاح صورت گرفته توسط لیزر اکسایمر، بر روی خواص رنگرزی پارچه‌های پلی‌آمیدی پرتودهی شده توسط لیزر را، که توسط رنگ‌های تجاری موجود از قبیل رنگ‌های اسیدی، دیسپرس و راکتیو رنگرزی شده بودند، هم مورد بررسی قرار دادند.
همچنین در سال 2004 ییپ و همکارانش [40] در یک مطالعۀ جامع و گسترده، در مورد اصلاح سطحی الیاف پلی‌آمیدی توسط پرتودهی لیزر اکسایمر، در طول موج 193 نانومتر و با شدتی بالاتر از آستانۀ فرسایش تحقیقاتی را انجام دادند. همچنین در این مطالعه، اصلاحات شیمیایی و تغییرات توپوگرافی سطحی صورت گرفته توسط عملکرد لیزر نیز، مورد بررسی قرار گرفته است.
در سال 2005 مایرا و همکارانش [41] ارزیابی فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی سطح فیلم پلی‌استر پرتودهی شده، توسط لیزر اکسایمر را انجام دادند، که هدف از این کار استفاده از این پلیمر در وسایل پزشکی بود و در نتیجۀ آن قابلیت چسبندگی سلول‌ها و زیست سازگاری آن‌ها بر روی سطوح پلی‌استر پرتودهی شده با لیزر افزایش پیدا می‌کرد.
در سال 2007 میرزاده و باقری [42،43] در دو تحقیق مرتبط با هم، افزایش زیست سازگاری سطح پلی‌استایرن، توسط پرتودهی لیزر اکسایمر آرگون فلوئورید، با طول موج 193 نانومتر و تعداد دفعات پالس‌دهی متفاوت را نسبت به عملکرد پلاسمای اکسیژن و آرگون بررسی کردند، که نتایج حاصل از کشت سلولی، نشانگر افزایش زیست سازگاری پلی‌استایرن در این سه عملکرد بود.
همچنین در سال 2009 میرزاده و همکارانش [11] در تحقیقی دیگر، مطالعۀ رفتار سلول‌های فیبروپلاست بر روی سیلیکون الاستومر پیوند شده با پلی‌اکریلیک اسید، به روش کوپلیمریزاسیون پیوندی توسط پرتودهی لیزر پالسی دی‌اکسید‌کربن را، برای کاربرد‌های مهندسی بافت بررسی کردند. آنالیز سطح نشان داد که شدت انرژی پالس لیزر، هم بر روی میزان فرسایش و هم بر روی میزان پیوند انجام شده، تأثیر گذار است.
در سال 2010 نوربخش و همکارانش [5] کاربرد لیزر در اصلاح برخی از خواص سطحی منسوجاتی از قبیل پارچه‌های پشمی، نایلونی و پلی‌استری را بررسی کردند. آن‌ها دریافتند که پرتودهی توسط لیزر اکسایمر، منجر به افزایش جذب آب در الیاف نایلون و پلی‌استر و همچنین کاهش اثرات نمدی شدن در پشم می‌شود.
در سال 2010 اسلپیکا و همکارانش [44] در یک تحقیق، سطح برخی پلیمرها را توسط پرتودهی لیزر و همچنین تخلیه الکتریکی پلاسما تحت عملکرد قرار داده و مشاهده کردند که ترکیبات و ساختمان‌های سطحی پلیمر، به طور عمیقی تغییر کرده و منجر به افزایش ترشدگی، هدایت الکتریکی و زیست سازگاری پلیمر شده است.
در سال 2011 چو و همکارانش [45] مطالعۀ فیزیکی اصلاح سطحی پارچۀ پنبه‌ای خام را، توسط پرتو‌دهی لیزر دی‌اکسید‌کربن بررسی کردند. در این روش قابلیت ترشوندگی نمونه‌ها افزایش یافته و به دلیل آسیب‌دیدگی ناشی از پرتودهی، استحکام کششی و استحکام تا حد پارگی نمونه‌ها کاهش پیدا می‌کرد.
در سال 2011 اسلپیکا و همکارانش [46] تأثیر زاویه پرتودهی لیزر، در طرح‌دهی نانومتری سطح فیلم پلی‌استر را بررسی کردند. تناوب ساختمان‌های موج شکل، به طول موج لیزر و همچنین زاویۀ بین شعاع تابش لیزر و خط عمود به صفحۀ تحت تابش قرار گرفته، وابسته هستند. با افزایش زاویه تابش در ساختمان‌های نانومتری موجی‌شکل ایجاد شده، شیار‌ها موازی‌تر، بزرگ‌تر و با پهنای بیشتر می‌شدند.
در سال 2012 نوربخش و همکارانش [47] رفتار تمیز شوندگی و جذب آلودگی‌ها، در سطح الیاف پارچۀ پلی‌استری و نایلون 66 را که توسط عملیات لیزر و پلاسما پرتودهی شده بودند، مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان می‌داد که مرفولوژی‌های سطحی ایجاد شده توسط عملیات لیزر و پلاسما بسیار متفاوت بودند.
1-4 ارزیابی تغییرات شیمیایی، فیزیکی و خواص ایجاد شده ناشی از پرتودهی لیزر1-4-1 واکنش پرتو لیزر و مادهواکنش پرتو لیزر و ماده، سرآغاز فرسایش لیزری است و کارآمدی انرژی لیزر منتقل شده به ماده را مشخص می‌کند. بازتابش، جذب، انتقال و همچنین پراکنده شدن در مورد الیاف، از فرآیندهای اصلی هستند، که واکنش لیزر و ماده را شرح می‌دهند. با توجه به اینکه فرآیندهای بازتابش، انتقال و پراکندگی، انرژی را به ماده منتقل نمی‌کنند، فرآیند فرسایش و حک به صورت گسترده‌ای به جذب وابسته است [3].
1-4-1-1 شرایط مورد نیاز جذب
مهم‌ترین پیش نیاز اثربخشی لیزر در ایجاد ساختمان‌ها در الیاف، یک ضریب جذب بالا وابسته به طول موج انتخابی لیزر است. به طور مثال برای پلی‌استر، با استفاده از طول موج‌های کوچک‌تر از 248 نانومتر، وارد کردن انرژی به مناطق ذوب شده، به لایه‌های سطحی در حدود 0.1 میکرومتر محدود خواهد شد، بنابراین ساختمان‌ها به شکل نازک گسترش پیدا می‌کنند. عمق نفوذ انرژی بیشتری با استفاده از طول موج 308 نانومتر نور لیزر حاصل شده و بالاتر از آن تقریباً باعث آسیب و ذوب الیاف پلیمری و همچنین ایجاد فرم ساختمان‌های وسیع می‌شود [31].
با توجه به ضریب جذب پلیمر، سرعت فرسایش و سایر مشاهدات، پلیمرها به دو دسته تقسیم می‌شوند، به طوری که دستۀ اول پلیمرهایی هستند که دارای جذب زیادی می‌باشند (مانند پلی‌استایرن، پلی‌ایمید، پلی‌استر و پلی‌سولفون‌ها). فرسایش در مورد این پلیمرها در یک شاریدگی معین انجام می‌شود که به آن شدت آستانه فرسایش می‌گویند [3]. دستۀ دوم پلیمرهایی هستند که دارای جذب کمی می‌باشند (مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پلی‌وینیلیدن‌فلوراید). فرسایش در مورد این پلیمرها به سختی انجام می‌شود و در شدت و سرعت تکرار زیاد ذوب‌شدگی رخ می‌دهد [31].
1-4-1-2 برانگیختگی و تفکیک
جذب انرژی پرتو لیزر توسط پلیمر باعث تحریک پیوندهای شیمیایی آن و رسیدن به سطوح انرژی بالاتر از انرژی تفکیک شده و موجب بریدگی زنجیره‌های پلیمری و پیوندهای شیمیایی می‌شود. جذب یک فوتون فرابنفش توسط پیوند بین دو اتم در یک مولکول می‌تواند سطح انرژی پایین (حالت پایه) آن را توسط ایجاد ارتعاش در پیوند با یک سطح خاص الکترونی، به یک سطح انرژی با سطوح الکترونی بالاتر برساند، که در این حالت هنوز پیوند برقرار بوده، اما نسبت به حالت اولیه‌اش شبه پایدار است، و در ادامه در سطوح بالاتر انرژی، انرژی پیوند افزایش یافته و بنابراین دو اتم در ارتعاش بعدی از هم جدا می‌شوند [3].
1-4-1-3 فرسایش
پرتودهی توسط لیزرهای فرابنفش باعث فرسایش مواد از سطوح پلیمرها می‌شود. این پدیده که به فرسایش نور تجزیه‌ای معروف است در سال 1982 کشف شد. عمق فرسایش ناشی از هر پالس در سطح پلیمر به ضریب جذب پلیمر بستگی دارد. هر چه ضریب جذب پلیمر بیشتر باشد، عمق فرسایش کمتر است و نور لیزر کمتر در تودۀ پلیمر نفوذ می‌کند. فرسایش نور تجزیه‌ای پلیمر توسط لیزر، ریز ساختارهای پایدار و متفاوتی را روی سطح پلیمر ایجاد می‌کند [36].
هنگامی که یک پالس از پرتو فرابنفش جذب می‌شود، قسمت جلوی پالس پرتودهی توسط یک حجمی که سرانجام تبخیر شده، بلوکه و جذب می‌شود و این حجم به صورت غیر فعال و ساکن توسط دود حاصل از فرسایش محصولات، به طور جزئی بعد از فرسایش، به شکل رسوب به سطح جدید انتقال پیدا می‌کند. بیشتر انرژی منتقل شده به سطح توسط لیزر، به گرما تبدیل شده و دما را در سطح افزایش داده و در بعضی مواقع به بالاتر از نقطۀ ذوب پلیمر (برای پلی‌استر در حدود 265 درجۀ سانتی‌گراد) می‌رساند. البته یک سرد شدن سریع هم ناشی از خصوصیات زودگذر و ناپایدار پرتودهی (به طوری که هرکدام حداقل 25 نانو‌ثانیه به طول می‌انجامد) رخ می‌دهد. به خاطر این‌گونه سرد شدن برای پلیمر‌های نیمه بلوری مانند پلی‌اتیلن‌ترفتالات، فقط این اجازه داده می‌شود که به یک حالت آمورفی برسند [36].
1-4-1-4 میزان آستانۀ شدت انرژی تأثیرگذار
نسبت برداشت یا تغییرات سطحی و عمق‌های میکرومتری متفاوتی ممکن است در پالس‌دهی لیزر پدیدار شود، که این‌ها به خواص پلیمر از قبیل خواص نوری مانند ضریب جذب، و آستانۀ فرسایش و همچنین به پارامترهای لیزر مانند تعداد پالس‌دهی، شدت لیزر و نسبت تکرار پالس لیزر نیز بستگی دارد [48].
این را می‌دانیم که وجود آستانۀ شدت انرژی تأثیرگذار، یکی از مشخصه‌های مهم لیزر اکسایمر، برای فرسایش سطح پلیمر است. همراه با افزایش ازدیاد طول الیاف (یعنی همراه با افزایش تنش‌های داخلی) آستانۀ شدت انرژی برای شکل‌گیری ساختمان‌ها کاهش پیدا می‌کند. علاوه بر اثر ضریب جذب در نظر گرفتن آستانۀ شدت انرژی تأثیرگذار، که وجود حداقل دانسیتۀ انرژی را نشان می‌دهد، مانند یک شرط دیگر مهم و تأثیرگذار برای ایجاد ساختمان‌های سطحی است. در شدت‌های بالای آستانۀ فرسایش، صداهایی شنیده می‌شود که علت عمدۀ آن حرکت ذرات تولید شده با سرعت فراصوت است [38].

1-4-2 تغییرات عوامل شیمیایی ناشی از پرتودهی سطوح توسط لیزربرای توضیح تغییرات شیمیایی ایجاد شده توسط پالس‌دهی لیزر بر روی سطح، اندازه‌گیری‌هایی توسط طیف‌سنج فوتوالکترونی پرتو ایکس صورت می‌گیرد. از نسبت‌های شدتی مطلق عناصر نسبت به همدیگر این نتیجه را می‌توان گرفت که به علت پرتودهی سطحی لیزر، محتوی عناصر سطحی چه تغییری پیدا کرده است. همچنین با توجه به اینکه ارتعاش‌های مولکولی نسبت به قدرت پیوند و پیکربندی آن‌ها حساسند، طیف‌سنج مادون قرمز تبدیل فوریه روش مناسبی برای تشخیص اصلاح خواص سطحی پلیمر‌ها با لیزر است و به خوبی تغییر پیوندهای شیمیایی و بلورینگی حاصل از تجزیه نوری را نشان می‌دهد [26،42،43].
تغییر عوامل سطحی ممکن است ناشی از شکل‌گیری لایه‌های نشست کرده، در اثر چسبیدن تعدادی از محصولات فرسایش یافته و موجود در دود و هالۀ سوختگی (سوختن به همراه فرسایش و کندگی تکه‌های خرد شدۀ مولکولی) ناشی از پرتودهی لیزر بر روی سطح باشد. هنگامی که این‌چنین نشست‌هایی از مواد، چسبندگی خوبی را از خود نشان دهند، این می‌تواند با اصلاح شیمیایی سطح مرتبط باشد. فرسایش لیزر به طور مکرر سبب نشست مواد سیاه و زرد بر روی سطوح عمل شده می‌شود، که دبریس یا خرده مواد باقیمانده نامیده می‌شوند. منشأ اینچنین خرده مواد باقیمانده‌ای، می‌تواند سوختگی ناقص محصولات حاصل از فرسایش، در درون گرد و دود سفید رنگ ناشی از پرتودهی و برگشت مجدد آن‌ها، از میان گرد و دود به سطح ساختمان فرسایش یافته باشد [26].
روش‌هایی برای جلوگیری از ایجاد خرده مواد باقیمانده ابداع شده‌اند که در روش اول از احاطه کردن محیط عملکرد، توسط یک جریان سنگین گاز با هدایت گرمایی بالا مانند گاز هلیوم، بر روی ناحیه‌ای از پلیمر که تحت پرتودهی قرار می‌گیرد، استفاده شده است. روش دوم به راحتی برای منسوجات قابل استفاده است، که شامل اشباع سازی منسوجات توسط مایعات در طی پرتودهی است. نمونه‌های عمل شده با لیزر توسط آغشته سازی، باز هم همان ساختمان‌های سطحی مارپیچ‌شکل را، مانند آنچه که در قبل مشاهده شده است نشان می‌دهند [26]. واکنش‌های شیمیایی اساسی ایجاد شده، در هنگامی‌که پلیمری تابشی را دریافت می‌کند، در جدول 1-1 ارائه شده است [13].
جدول 1-1. واکنش‌های شیمیایی اساسی ایجاد شده، بعد از پرتودهی پلیمر [13].فعال سازی P (polymer) Ir--iation P* (activated)
تولید رادیکال و فعل انفعالات برشی P* P+• + e (electron)
P* P• + X• (X=H or Cl, etc.)
P* R1• + R2•
عملیات اتصالات عرضی R• + P (R-P) • (Cross Linked Molecule)
P+• + P' (P-P')+ • (Cross Linked Molecule)
P• + P' (P-P') • (Cross Linked Molecule)
تشکیل گروه‌های پراکسید P• +O2 P-O-O•
P-O-O• + P' POOH + P'•
POOH R'1+R'2
تجزیۀ گروه‌های پراکسید و ایجاد رادیکال POOH PO• + HO•
کوپلیمریزاسیون پیوندی R• (--ical) + M (monomer)
RM1• +M RM2• +M ... +M RMn•
PO• (or HO•) + M (monomer) POM•
+M POM2• +M ... +M POMn•

1-4-3 تغییرات فیزیکی و مرفولوژیکی ناشی از پرتودهی سطوح توسط لیزرفرسایش لیزر در تعدادی از پلیمر‌ها از قبیل پلی‌استر، پلی‌اتراترکتون، پلی‌آمیدها، پلی‌اکریل‌آمید، پلی‌اتیلن، ترکیب بیسفنول‌پلی‌کربنات و پلی‌متیل‌متا‌اکریلات، ترکیب پلی‌کربنات و پلی‌متیل‌متا‌اکریلات و پلی‌بوتیل‌ترفتالات باعث ایجاد بافت‌هایی مارپیچ‌شکل می‌شود [49]. فقط ابریشم طبیعی به طور واضحی در مقابل پرتودهی لیزر در طول موج پرتودهی برابر با 193 نانومتر، جوابگو بوده و ساختمان‌های سطحی شبیه به ساختمان‌های سطحی پلی‌آمید‌های مصنوعی را از خود نشان می‌دهد [31]. بر طبق کارهای الیسون ساجس، اصلاح سطحی ایجاد شده بر روی پلی‌متیل‌متا‌اکریلات و پلی‌تترا‌فلوئورو‌اتیلن به صورت بافت‌شکل مشاهده می‌شد، در حالی که پلی‌اتیلن‌ترفتالات ترکیب شده با گلایکول ساختمان مارپیچ‌شکل ویژه‌ای را نشان می‌داد [49].
چو و همکارانش [45] مطالعۀ فیزیکی اصلاح سطحی پارچۀ پنبه‌ای خام را، توسط پرتو‌دهی لیزر بررسی کردند. در این روش از لیزر دی‌اکسید‌کربن استفاده شده و نمونه‌ها به طور مستقیم پرتودهی شده بودند. نمونه‌ها بعد از پرتودهی، ساختاری به شکل اسفنج پیدا می‌کردند. افزایش قدرت لیزر باعث آسیب بیشتر، به این ساختمان‌ها می‌شد. استحکام کششی نمونه‌ها کاهش پیدا کرده و قابلیت ترشوندگی آن‌ها افزایش یافته است. بنابراین به دلیل آسیب‌دیدگی ناشی از پرتودهی، استحکام کاهش پیدا کرده است.
در مورد تأثیر هر پالس لیزر بر روی شکل‌گیری ساختمان‌ها در الیاف پلی‌استر یک بررسی صورت گرفته است، که در آن با افزایش تعداد پالس‌ها در پرتودهی لیزر، یکسانی و مشابهت ساختمان‌های ایجاد شده بر روی لیف، در طول موج 248 نانومتر افزایش پیدا می‌کند. افزایش تعداد پالس‌های لیزر که به نوعی یعنی همان افزایش شدت انرژی ورودی، منجر به ایجاد ساختمان‌هایی با زبری و زمختی بیشتر شده و همچنین با ترکیب شدن پالس‌ها با یکدیگر ساختمان‌های مارپیچ‌شکل نازک‌تری ایجاد می‌شود [31].
نمودار 1-1 ترکیب شدن تپه‌های سطحی و وسیع‌تر شدن میانگین فاصلۀ بین تپه‌ها یا ساختمان‌های مارپیچ‌شکل را، با افزایش تعداد پالس‌دهی به همراه افزایش شدت انرژی لیزر نشان می‌دهد. بعلاوه با توجه به مشاهدات، تغییر دادن تعداد پالس‌ها به مقدار بیشتر نمی‌تواند به کار برده شده شود. در نهایت ادامه عملکرد لیزر به تقسیم شدن الیاف به بخش‌های بیضی‌شکل و در نهایت متلاشی شدن آن‌ها می‌انجامد [31].

نمودار 1-1. تغییر شکل ساختمان سطحی مونو فیلامنت‌های پلی‌استر (دارای 320 درصد ازدیاد طول) با افزایش شدت انرژی و تعداد پالس‌دهی لیزر، در طول موج پرتودهی 248 نانومتر و فرکانس پالس 2 هرتز [31].1-4-3-1 تأثیر آرایش مولکولی درون لیفی بر ساختمان سطحی ایجاد شده توسط لیزر
ابعاد ساختمان‌های سطحی پرتودهی شده بر روی مواد لیفی‌شکل، با حالات مرفولوژی درونی الیاف و نوع الیاف مرتبط است، که این بدین معنی است که ابعاد ساختمانی، به آرایش یافتگی یا آرایش نیافتگی و نوع زنجیره‌های مولکولی وابسته هستند [38]. لیزر‌های اکسایمر می‌توانند شکل سطحی بسیاری از الیاف و فیلم‌های پلیمری را تغییر دهند، ولی این تغییرات در سطح پلیمر‌های نیمه بلوری مانند پلی‌اتیلن‌ترفتالات شدید تر است. تغییر ساختار پلی‌اتیلن‌ترفتالات نیمه بلوری و جهت یافته، بعد از قرار گرفتن در معرض پرتو لیزر، به طور مشخص‌تری در مقایسه با فیلم پلی‌استری آمورف‌شکل و جهت نیافته انجام می‌شود [28،50].
در ساختمان سطحی مواد کولاری با درجۀ بلورینگی بالا (بالاتر از 98 درصد) بعد از پرتودهی لیزر، مارپیچ‌هایی نسبتاً کم دوام آشکار می‌شود اما این ساختمان‌های سطحی روی متاآرامید نومکس و کوپلیمر تکنورا بیشتر مشخص هستند. این حقیقت ممکن است به انعطاف پذیری نوع زنجیره‌های متا آرامیدی پلیمر یا نوع کوپلیمر آن مربوط باشد [31].
1-4-3-2 تأثیر میدان‌های تنشی داخلی و خارجی بر ایجاد ساختمان‌های سطحی
میدان‌های تنشی به کار برده شدۀ خارجی (به وسیلۀ نیروی ازدیاد طولی که از بیرون به لیف وارد می‌شود)، باعث آرایش بیشتر زنجیره‌های پلیمری (کاهش آنتروپی) و ایجاد تنش‌های باقیمانده در الیاف می‌شود. کشیدن الیاف پلی‌استر آرایش نیافته در شرایط سرد، یک حالت گلویی شدن در قسمت‌های مختلف لیف ایجاد می‌کند (که بستگی به رفتار نیرو - ازدیاد طول مواد دارد). با پرتودهی لیف پس از کشیده شدن، مشاهده می‌شود که ساختمان‌ها فقط روی مناطق کشیده شده (که آرایش یافتگی در آنجا رخ داده است) ایجاد شده و گسترش پیدا می‌کند و قسمت کمری حالت گلویی و قسمت‌های کشیده نشده، تقریباً بدون ساختار باقی می‌مانند. چنین رفتار مشابهی در بررسی‌های صورت گرفته بر روی الیاف الاستومر هم مشاهده شده است [31،38].
در طی کشش سرد، نواحی تنش یافته در منطقۀ گلویی شده گسترش پیدا کرده، زیرا ماکرومولکول‌ها مجبورند بر خلاف همدیگر حرکت کنند که در نتیجه، آن نواحی لاغر شده و تقریباً دارای آرایش یافتگی کاملی می‌شوند. بخشی از انرژی مصرف شده برای کشش، در بین مواد کشیده شده ذخیره می‌شود [38]. همچنین ییپ و همکارانش [40] نشان دادند که در الیاف پلی‌آمیدی که کشیده شده و بعد تحت عملکرد لیزر قرار گرفته‌اند، ساختمان‌ها به صورت واضح‌تر و با میانگین فاصلۀ بیشتر بین مارپیچ‌ها تشکیل شده بود.
1-4-3-3 تغییر آرایش یافتگی ناشی از پرتودهی لیزر
با توجه به اینکه ارتعاش‌های مولکولی نسبت به قدرت پیوند و پیکربندی آن‌ها حساسند، طیف‌سنجی مادون قرمز روش مناسبی برای تشخیص اصلاح خواص سطحی پلیمر‌ها با لیزر است و تغییر شکل ساختمانی و ساختار حاصل از تجزیه نوری را به خوبی نشان می‌دهد. بر اساس این مشاهدات در اثر پرتودهی لیزر دی‌اکسید‌کربن و لیزر اکسایمر، کاهش بلورینگی و افزایش نواحی آمورف، در سطح پلیمر پلی‌اتیلن‌ترفتالات نیمه بلوری مشهود است [28،50].