bew160

اهداف کلی این پژوهش را می‌توان در چند بخش ارائه نمود:
مهم‌ترین هدفی که شبیه‌سازی یک سیستم تعقیب می‌کند، کمک به سیستم مدیریت در راستای اتخاذ مؤثرترین و کارآمدترین تصمیم در رابطه با پارامترها و عوامل مؤثر بر سیستم می‌باشد.
در دسترس قراردادن عوامل مؤثر در تولید کاشی، به‌صورت پارامترهای قابل ‌تغییر، جهت اعمال تغییرات موردنظر.
نمایش نتایج حاصل از سناریو‌های متفاوت جهت مقایسه نتایج و انتخاب سناریوی کاراتر.
1-5-2- اهداف خاص و مصداقی
بسته به نوع سیستم شبیه‌سازی شده و مسائل و عوامل اثرگذار درون این سیستم می‌توان جزییات و مصادیق بیشتری را ارائه نمود که برای این پژوهش خاص چند هدف به‌صورت مصداقی بیان می‌گردد:
کاهش زمان توقف کوره (گلوگاه) جهت بهره‌برداری بهینه از ظرفیت خط تولید.
محاسبه تعداد بهینه انبارهای میانگیر (بافرها) جهت استفاده مؤثر از منابع انسانی و ماشین‌آلات، که منجر به حداقل نمودنِ زمانِ تولیدِ صفرِ (توقف) کوره می‌شود.
ارزیابی پارامتر‌ها و تعداد لازم از عوامل و منابع موردنیاز و نیز تغییرات لازم جهت دست‌یابی به میزان تولید مدنظر مدیریت در یک دوره زمانی خاص.
1-6- قلمرو پژوهشپژوهش حاضر در شرکت کاشی گلدیس یزد انجام شد. مراحل اولیه مربوط به مشاهدات عینی و مصاحبه با افراد مرتبط جهت تکمیل اطلاعات موردنیاز مراحل مختلف پژوهش، در نیمه ابتدایی سال 1393 جمع‌آوری شد. ضمناً، جهت گردآوری اطلاعات موردنیاز مربوط به مدل شبیه‌سازی، از داده‌های موجود در آرشیو واحد برنامه‌ریزی شرکت کاشی گلدیس (1386-1393) استفاده شد. هم‌چنین، مراحل برنامه‌نویسی و ایجاد مدل جهت شبیه‌سازی در نیمه دوم سال 1393 انجام پذیرفت.
1-7- تعریف واژگان کلیدیبهینه‌سازی شبیه‌سازی: مفهوم "بهینه‌سازی شبیه‌سازی" در شبیه‌سازی سیستم‌ها با استفاده از رایانه عبارت است از فرآیند یافتن بهترین مقادیر ورودی از بین کلیه حالات ممکن، بدون این‌که کلیه حالات ممکن مورد ارزیابی قرار گیرند]6[.
الگوریتم‌های فراابتکاری: الگوریتم‌های فراابتکاری نوعی از الگوریتم‌های دقیق هستند که برای یافتن جواب‌ بهینه به‌کار می‌روند. روش‌ها و الگوریتم‌‌های بهینه‌سازی به دو دسته الگوریتم‌های دقیق و الگوریتم‌های تقریبی تقسیم‌بندی می‌شوند. الگوریتم‌‌های فراابتکاری برای حل این مشکلات الگوریتم‌‌های ابتکاری ارائه شده‌اند. در واقع الگوریتم‌های فراابتکاری، یکی از انواع الگوریتم‌های بهینه‌سازی تقریبی هستند که دارای راهکارهای برون رفت از بهینه محلی می‌باشند و قابل کاربرد در طیف گسترده‌ای از مسائل می‌باشند]7[.
الگوریتم ژنتیک: الگوریتم ژنتیک یک تکنیک جستجو برای حل مسائل با استفاده از مدل ژنتیک است. این الگوریتم در زمره الگوریتم‌های مبتنی بر جمعیت قرار دارد که ایده اساسی خود را از نظریه تکامل می‌گیرد]8[.
برنامه‌ریزی تولید: ارائه یک برنامه جامع جهت برآورد تقاضای پیش‌بینی‌شده با استفاده از امکانات سازمان]9[.
1-8- جمع‌بندیهدف از این پژوهش، رفع مشکلات برنامه‌ریزی خط تولید گسسته‌ای هست که با محدودیت ظرفیت انبارهای میانگیر (بافر) مواجه می‌باشد. بدین طریق که پس از انجام مراحل شبیه‌سازی سیستم، با بهره‌گیری از الگوریتم ژنتیک، این مشکل برطرف شود.
در پایان، ساختار کلی پژوهش مطرح می‌شود. فصل دوم، به تعریف واژگان و توضیح مفاهیم مربوط به پژوهش و پیشینه پژوهش‌های قبلی در این زمینه پرداخته می‌شود. فصل سوم، گام‌های ضروری جهت انجام مدل‌سازی و نحوه دست‌یابی به جواب‌ بهینه از طریق الگوریتم ژنتیک، شرح داده می‌شود. فصل چهارم، نتایج حاصل از مدل‌سازی و سپس بهینه‌سازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک ارائه داده می‌شود. فصل پنجم، شامل نتیجه‌گیری حاصل از بهینه‌سازی شبیه‌سازی مسئله و پیشنهادات موردنظر برای به‌کارگیری و توسعه مدل می‌باشد.

فصل دومادبیات تحقیق
2-1- مقدمهدر دنیای امروز، مدیریت مناسب و کارا عامل رفع بسیاری از مشکلات، نابسامانی‌ها و هزینه‌های نابجاست و یک مدیریت اساسی و مؤثر می‌تواند باعث تعالی سازمان در راستای اهداف مدونش گردد. یکی از الزامات مدیریتی، داشتن دید کلی و جامع نسبت به سیستم تحت مدیریت و کنترل آن می‌باشد تا از یک طرف، قدرت کنترل و مدیریت ارتقا یابد و از طرف دیگر، بتوان تصمیمات استراتژیک و اساسی خود را با اطمینان خاطر بیشتری ارائه نمود.
برای این‌که تصمیمات یک مدیر، چه در سطح میانی و چه در سطح ارشد، تصمیماتی مطمئن و کارساز باشند، داشتن تسلط و احاطه کامل و جامع بر سیستم و قدرت پیش‌بینی بالا الزامیست. این در حالی است که آن‌ها با دنیایی از وقایع و رویدادهایی مواجه می‌شود که قطعیت آن مشخص نبوده و علی رغم تمایل مدیران، معمولاً برآورد تبعات و نتایج تصمیمات، امری پیچیده و گاهی ناممکن است که مسلماً عدم دست‌یابی به نتایج مدنظر با هزینه‌هایی همراه خواهد بود. لذا راهکارها و سیستم‌هایی می‌توانند ما را در این امر کمک کنند که اولاً، بتوانند رویدادها و عوامل مؤثر را به‌صورت یکپارچه و جامع مدنظر قرار دهند و ثانیاً، قادر به ارائه، نمایش و مقایسه نتایج حاصل از تغییرات اعمال‌شده باشند.
این قاعده، به نوعی در کلیه سازمان‌ها، ادارات و مراکز تولیدی دیده می‌شود؛ هرچند که بسته به نوع و جایگاه آن، با شدت و ضعف همراه هست.
در محیط‌های تولیدی امروزی، در مبحث برنامه‌ریزی تولید با توجه به تغییرات نوع تقاضا، روی دادن وقایع نه چندان قطعی و قابل پیش‌بینی و وجود الگوهای تولیدی متفاوت، مدیریت خط تولید دچار چالش می‌باشد و این در حالیست که از یک طرف، مدیریت به دنبال برآورد تقاضاهای متنوع تولید، با حداکثر استفاده از امکانات موجود می‌باشد و از طرفی دیگر، عوامل و پارامترهای گوناگون و پیچیده‌ای در این موضوع دخیل هستند؛ لذا در محیط‌های صنعتی نیز احاطه کلی و جامع بر روی خط تولید می‌تواند در افزایش اطمینان از موفقیت تصمیمات و تغییرات مدنظر، اثرگذار باشد.
شبیه‌سازی سیستم‌ها، از جمله آن‌ راهکارهایی است که ضمن لحاظ‎نمودن موارد اشاره شده، این امکان‌ را در اختیار یک مدیر قرار می‌دهد که دنیای واقعی را در یک اشل کوچکتر، درون یک سیستم رایانه‌ای، در اختیار داشته و در ادامه بتواند تصمیمات خود را بدون هیچ هزینه‌ای در سیستم شبیه‌سازی شده، مورد ارزیابی قرار داده و نتایج حاصله را با برآورد و انتظاراتش، مقایسه نماید. به بیانی دیگر از یک جهت آزمون و خطاهای مدیریتی قبل از اجرا در سیستم واقعی، درون مدل شبیه‌سازی شده، مورد ارزیابی و تحلیل قرار می‌گیرد و از جهتی دیگر از بین گزینه‌های گوناگون مدنظر مدیریت و یا پیشنهادی، بهترین گزینه انتخاب می‌گردد.
در این فصل، پس از مرور مباحث مربوط به تولید، به ارائه مفاهیم بهینه‌سازی شبیه‌سازی در مدیریت برنامه‌ریزی سیستم‌های تولیدی پرداخته خواهد شد. هم‌چنین انواع روش‌های فراابتکاری جهت حل مسائل بهینه‌سازی معرفی و به تفصیل در مورد الگوریتم ژنتیک صحبت خواهد شد. در نهایت به پیشینه پژوهش‌های انجام شده در زمینه کاربردهای متفاوت بهینه‌سازی شبیه‌سازی در صنعت و مزایای آن اشاره خواهد شد.
2-2- مدیریت تولید و سیستم‌های تولیدی2-2-1- پارادایم‌های تولید
تولید، همواره در شرف تغییر بوده است. در طول تاریخ تاکنون چهار دوره تولیدی وجود داشته است. دوره اول تولید دستی بوده که از ویژگی‌های آن سطح تولید پایین، نظام استاد-شاگردی، کیفیت پایین محصولات، قیمت بالای محصول و ... است. دوره دوم، دوره تولید انبوه "هنری فورد" بوده که می‌توان خط مونتاژ متحرک، قابلیت تعویض کامل قطعات، راحتی اتصال قطعات مختلف به یکدیگر، کاهش زمان چرخه کاری، تعویض‌پذیری کارگران، خلق افراد جدیدی مانند تعمیرکاران و مهندسان صنایع، و کاهش زمان ‌راه‌اندازی ماشین‌آلات را به‌عنوان ویژگی‌های اساسی آن نام برد. دوره سوم، پارادایم تولید ناب (سیستم تولید تویوتا) بود که بنیانگذار و مغز متفکر آن "تایی چی اوهنو" بود. پارادایم تولید ناب به معنای حذف هر نوع فعالیت بدون ارزش افزوده است. تولید ناب اصولی دارد که عبارتند از: حذف ضایعات، عیوب صفر، تیم‌های چندمنظوره، کاهش لایه‌های سازمانی، رهبری تیمی، سیستم‌های اطلاعاتی عمودی، بهبود مستمر و سیستم کششی. دوره چهارم، تولید چابک است که هدف آن اغنای مشتری، اهرمی کردن اثر اطلاعات و افراد، تسلط بر تغییرات و عدم اطمینان و افزایش رقابت‌پذیری از طریق همکاری است. در ادامه به توضیح بیشتر این پارادایم‌ها می‌پردازیم.]10[
2-1-1-1- تولید دستیسیستم تولید دستی از کارگران کم و ماهر استفاده می‌کند و ابزار و وسایل تولید به‌طور نسبی ساده است. به همین دلیل آن‎چه که تولید می‌شود در حجم بسیار پایین و به شکلی دقیق مطابق خواست مشتری و بر اساس نیاز اوست. گذشته از مزایای تولید دستی، هزینه‌های هنگفت آن که با افزایش تولید و بالا بردن حجم تولید کاهش نمی‌یابد، از جمله معایب آن است.]10[
2-1-1-2-تولید انبوه"هنری فورد" برای حذف معایب تولید دستی اقدامات وسیعی را انجام داد، به‌طوری که می‌توان گفت بشریت امروزی وام‌دار و مدیون او در امور تولیدی است.
فورد با تغییر روش‌های تولید و ارائه روش‌های نوین تقریباَ تمامی معایب تولید دستی را از بین برد. او با تعویض پذیری قطعات ساده و آسان کردن مونتاژ بسیاری از کارگران تولید که وظیفه آن‌ها اندازه‌کردن قطعات بوده و حجم عظیمی از نیروی انسانی را به خود اختصاص می‌داد، حذف کرد.]10[
2-1-1-3- تولید نابیکی از پردامنه‌ترین ادعاها این است که عصر تولید انبوه به پایان چرخه عمر خود رسیده و شیوه‌های جدید، نظیر تخصص انعطاف‌پذیر، جایگزین آن می‌شود.
تولید ناب، روشی است که در آن تولیدکنندگان به دنبال دست‌یابی به مزایا و اجتناب از معایب دو روش تولید دستی و انبوه هستند. یعنی اقداماتی را انجام می‌دهند که بتوانند با استفاده از کارکنان ماهر در تمام سطوح سازمان و ماشین‌آلات چند منظوره که توانایی تولید محصولات مختلف را دارند، قیمت کالای تولیدی را کاهش داده و محصولاتی را تولید کنند که موردنیاز و خواست مشتریان است.]10[
2-1-1-4- تولید چابکدر محیط آشفته، نامطمئن و متغیری که شرکت‌ها در آن مشغول فعالیت هستند، یکی از مهم‌ترین عوامل بقاء و پیشرفت، چابکی آن‌هاست. ویژگی اساسی این محیط، تغییر و عدم اطمینان است. سیستم تولیدی چابک راه‌حلی جدید برای مقابله با این چالش است.
چابکی، مفهومی که طی سال‌های اخیر عمومیت یافته و به‌عنوان‌ راهبردی موفق، توسط تولیدکنندگانی که خودشان ‌را برای یک عملکرد قابل قبول و افزایش آن آماده می‌کنند، پذیرفته شده است. در چنین محیطی، بنگاه باید توان تولید هم‎زمان محصولات متفاوت با طول عمر کوتاه، طراحی مجدد محصولات، تغییر رویه‌های تولید محصولات و جواب‌‌گویی کارا به تغییرات را داشته باشد.
در هر دوره‌ای از تولید، سیستم‌های تولیدی متفاوتی با ویژگی‌های خاص خود وجود داشته‌اند که در ادامه، انواع آن معرفی خواهد شد.]10[
2-3- انواع سیستم‌های تولیدی
سیستم تولید که بخشی از یک سازمان است، به تولید محصولات آن می‌پردازد. این فعالیتی است که به موجب آن منابع، در یک سیستم تعریف شده به جریان درمی‌آیند، با هم ترکیب می‌شوند و در شیوه‌ای کنترل شده تبدیل به ارزش افزوده‌ای می‌شوند که در راستای سیاست‌های ابلاغ شده توسط مدیریت، سودآوری داشته باشند.]11[
2559051057275تولید پیوسته
تولید انبوه
تولید دسته ای
تولید کارگاهی
حجم تولید
تنوع تولید
تولید پیوسته
تولید انبوه
تولید دسته ای
تولید کارگاهی
حجم تولید
تنوع تولید
شکل 2-1- دسته‌بندی انواع سیستم‌های تولیدی ]11[2-4- دسته‌بندی سیستم‌های تولیدیدر اینجا، به‌طور خلاصه به دسته‌بندی چهار گروه از سیستم‌های تولیدی اشاره می‌شود:
کارگاهی: تولید کارگاهی توسط تعدادی از محصولات طراحی شده و طبق مشخصات مشتریان تولید می‌شود، هم‌چنین در مدت زمان مشخص و طبق هزینه‌ای معین ساخته می‌شود.
دسته‌ای: انجمن کنترل موجودی و تولید آمریکا نوعی از سیستم تولیدی را معرفی کرده است به نام، تولید دسته‌ای که برای تولید محصولات، عملیات مختلفی روی قطعات و مواد انجام می‌گیرد. باید توجه داشت که ممکن است هر محصول مسیرهای متفاوتی را تا تولیدشدن بپیماید.
انبوه: ساخت قطعات گسسته و یا مونتاژ آن‌ها با استفاده از یک فرآیند پیوسته را تولید انبوه می‌نامند. ویژگی این سیستم تولید حجم بسیار زیادی از محصولات است. ماشین‌آلات این سیستم طوری طراحی شده‌اند که هر خط به‌منظور تولید یک محصول تعبیه شده است.
پیوسته: در این سیستم تولیدی مواد اولیه وارد خط تولید می‌شوند و بصورت کاملاً پیوسته و بی‌وقفه توسط ماشین‌آلات تولیدی تا انتهای خط پیش می‌روند و محصول نهایی به‌دست می‌آید. در طول جریان تولید، اقلام ساخته شده به‎وسیله انتقال‌دهنده‌هایی مانند نوار نقاله جابجا می‌شوند.]11[
جدول 2-1– مقایسه انواع سیستم‌های تولیدی]11[نوع سیستم تولیدی ویژگی‌ها مزایا محدودیت‌ها
کارگاهی 1. تنوع زیاد محصولات و حجم کم تولید
2. استفاده از ماشین‌آلات عمومی
3. کارگران ماهر و متخصص
4. حجم بالای مواد و قطعات و ...
5. برنامه‌ریزی دقیق مواد و ماشین‌آلات و ... 1. تولید محصولات متنوع با استفاده از ماشین‌آلات عمومی
2. وجود کارگران متخصص و چند مهارته
3. استفاده کامل از پتانسیل اپراتورهای خط تولید
4. وجود فرصت‌های جدید جهت تولید خلاقانه محصولات نو 1. هزینه زیاد تولید بدلیل تعداد دفعات بالای تنظیمات خط
2. حجم بالای موجودی در تمامی سطوح تولید (ساخته، نیمه ساخته، قطعات و ...) و بالطبع آن هزینه بالای نگه‌داری
3. پیچیدگی برنامه‌ریزی تولید به جهت وجود کارگاه‌های مختلف
دسته‌ای 1. زمان تولید کوتاهتر
2. انعطاف پذیری ماشین‌آلات و چیدمان خط
3. نیاز به تنظیمات جدید جهت تولید هر محصول
4. کم شدن زمان موعد تحویل محصولات و هزینه‌ها در مقایسه با تولید کارگاهی 1. استفاده بهتر از ماشین‌آلات و فضای تولیدی
3. هزینه تولید کمتر هر واحد محصول در مقایسه با تولید کارگاهی
4. سرمایه‌گذاری کمتر ماشین‌آلات و فضای تولیدی
5. انعطاف پذیری تولید محصولات متنوع 1. پیچیده بودن برنامه‌ریزی مواد بدلیل جریان طولانی‌تر و نامنظم تولید
2. دشواری برنامه‌ریزی تولید و کنترل
3. بیشتر بودن میزان موجودی مواد در مقایسه با تولید پیوسته
4. هزینه بالاتر تولید بدلیل تغییرات متعدد در تنظیمات
انبوه 1. ظرفیت تولید و نرخ خروجی بیشتر ماشین‌آلات
2. حجم بالای تولید
3. سیکل کوتاهتر تولید
4. کم شدن موجودی در جریان ساخت و تولید
5. آسان‌تر بودن برنامه‌ریزی و کنترل تولید مواد 1. نرخ بالای میزان تولید با سیکل کوتاه
2. استفاده از ظرفیت بالاتر خط بدلیل بالانس کردن خط تولید
3. نیاز به‌کارگران معمولی و کمتر مهارت دیده
4. حجم پایین موجودی مواد
5. هزینه پایین تولید محصول 1. تغییر یافتن کل خط تولید هم‎زمان با تغییر طراحی محصول
2. نیاز به سرمایه‌گذاری زیاد ماشین‌آلات و امکانات تولیدی
3. تعیین شدن سیکل تولید با توجه به زمان گلوگاه
پیوسته 1. عدم انعطاف پذیری چیدمان و طراحی ماشین‌آلات
2. وابستگی و توالی فرآیندهای تولید
3. غیرقابل‌تفکیک بودن محصول نهایی بدلیل ترکیب شدن از چندین ماده اولیه
4. برنامه‌ریزی و زمان‌بندی امری روزمره می‌باشد 1. استاندارد بودن محصول و پروسه تولید
2. نرخ بالاتر میزان تولید با توجه به زمان کوتاه‌تر سیکل تولید
3. نیاز به‌کارگران بامهارت کم
4. هزینه کم تولید با توجه به میزان بالای حجم تولیدی
5. جابجایی اتوماتیک مواد 1. انعطاف پذیری کم خط تولید
2. نیاز به سرمایه زیاد جهت تنظیم دستگاه‌ها
3. تنوع کم محصولات کم
4. توقف یکی از ماشین‌آلات منجر به توقف کل خط تولید خواهد شد
2-5- آشنایی با فرآیندهای تولید و انواع آن
فرآیند تولید سازمان همواره از اجزایی تشکیل شده است که با کنار هم قرار گرفتن یکدیگر "فرآیند تولید" را شکل می‌دهند. ارائه طرحی برای کنار هم قرار دادن اجزای فرآیند تولید را "طراحی فرآیند تولید" گویند. از آنجایی که فعالیت اصلی یک کارخانه، تولید محصول است؛ بنابراین چگونگی عملکرد فرآیند تولید، برای یک کارخانه عامل اساسی و حیاتی محسوب می‌شود. فرآیند تولید باید به گونه‌ای طراحی گردد که علاوه ‌بر اثربخش و کارا بودن با امکانات سازمان و نیازهای محصول نیز مطابقت داشته باشد. بنابراین طراحان فرآیند تولید باید با شناخت دقیق انواع طرح‌ها و با توجه به اهداف سازمان و توانایی‌ها و امکانات موجود، طرح موردنیاز خود را بیایند و فرآیند تولید را بر طبق آن شکل دهند. به‌طور کلی فرآیند تولید را می‌توان به دو فرآیند تولید پیوسته و غیر پیوسته دسته‌بندی نمود:
فرآیند تولید پیوسته: در این نوع فرآیند ایستگاه‌های کاری به‌طور متوالی براساس مراحل انجام فعالیت بر روی محصول کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. به‌طوری که هر ایستگاه کاری فعالیت ایستگاه قبلی را تکمیل می‌کند. بنابراین، فعالیت‌های هر ایستگاه تخصصی هست و درصورت از کار افتادن یک ایستگاه، کل خط تولید متوقف می‌شود. در این سیستم مواد اولیه وارد اولین ایستگاه شده به‌ترتیب در ایستگاه‌ها به‌طور متوالی کامل‌تر می‌شود و درنهایت به محصول تکمیل شده تبدیل می‌شود. حجم تولید بالا و تنوع کم محصولات از ویژگی‌های این نوع فرآیند است.
فرآیند تولید غیر پیوسته: در این نوع فرآیند بین ایستگاه‌های کاری توالی خاصی وجود ندارد و ایستگاه‌ها به تفکیک و بصورت مجزا در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و هر محصول با توجه به فرآیند موردنیاز خود مسیر خاصی را طی می‌نماید. به‌دلیل عمومی‌بودن ماشین‌آلات و تجهیزات می‌توان محصولات مختلفی را مطابق نیاز مشتری تولید نمود.]12[
در فرآیندهای تولیدی غیر پیوسته با محدودیتی بنام ظرفیت انبارهای میانگیر مواجه هستیم. انبار میانگیر چیست و چه ویژگی‌ای دارد؟ در ادامه به این پرسش، جواب‌ داده خواهد شد:
پردازش کارها در هر فرآیند تولیدی می‌تواند با مجموعه‌ای از بایدها و نبایدها مواجه باشد. این بایدها و نبایدها که در علم تصمیم‌گیری "محدودیت" نامیده می‌شوند، به شکل‌های گوناگونی در مسائل زمان‌بندی عملیات بروز می‌نمایند. این محدودیت‌ها معمولاً وابسته به ساختار فرآیند تولید هستند. ]6[
یکی از محدودیت‌های وابسته به ساختار تولید، محدودیت مربوط به انبارهای میانگیر و خطوط انتظار است. در بسیاری از سیستم‌های تولیدی به‌ویژه سیستم‌هایی که محصولات را به‌صورت فله‌ای و انبوه تولید می‌نمایند، این محدودیت به چشم می‌خورد. ظرفیت انبارهای میانگیر که بین هر دو مرحله از فرآیند وجود دارد، محدود است و در صورت پُر بودن انبارهای میانگیر، فعالیت قبل از انبار بلوکه (متوقف) می‌شود. شروع مجدد این عملیات تا زمان محیا شدن ظرفیت در انبار میانگیر به تعویق می‌افتد. در شکل 2-2 ساختار این‌گونه خطوط تولید نشان داده شده است. در این شکل دایره‌ها نشان‌دهنده ماشین‌آلات و مثلث‌ها نشان‌دهنده انبارهای میانگیر هستند.]6[
M1
B1
M2
B2
M3
M1
B1
M2
B2
M3

شکل 2-2- خط جریان کارگاهی با انبار میانگیر]6[در زمینه سیستم‌های تولیدی و مدیریت تولید، مسائل و موضوعاتی مطرح می‌شود که برای حل آن‌ها از روش‌های متفاوتی استفاده می‌شود. یکی از این‌گونه مسائل که در فرآیند تولید انبوه گسسته رخ می‌دهد، برنامه‌ریزی جهت تعیین ظرفیت انبارهای میانگیر است. عمدتاً، برای حل این‌چنین مسائلی از بهینه‌سازی شبیه‌سازی استفاده می‌شود.]6[
2-6- نقش شبیه‌سازی در مسائل برنامه‌ریزی تولیدحل مسائل زمان‌بندی فارغ از ساختار مسئله و نوع الگوریتم مورد استفاده، به‌طور قابل‌توجهی با شبیه‌سازی گره خورده است. این تکنیک، نه تنها در تئوری‌های حل مسائل زمان‌بندی نقش پررنگی دارد بلکه در مرحله اجرای برنامه‌های زمان‌بندی نیز یکی از ابزارهای جدانشدنی است. در این بخش، ابتدا مروری بر تعریف شبیه‌سازی صورت گرفته و سپس این کارکردها توصیف می‌شوند. تعاریف متعددی از شبیه‌سازی وجود دارد که در اینجا به تعریفی از هیلیر و لیبرمن اشاره می‌شود:]6[
"شبیه‌سازی به معنای استفاده از کامپیوتر در راستای تقلید رفتار یک فرایند یا یک سیستم است."
در مطالعات بهینه‌سازی، هنگامی که سیستم‌های مورد مطالعه خیلی پیچیده شوند استفاده از شبیه‌سازی ناگزیر است. با این وجود در بسیاری از مسائل زمان‌بندی تولید که ساختار ساده‌ای دارند نیز شبیه‌سازی به‌کارگرفته می‌شود. ساخت یک مدل شبیه‌سازی که بتواند برای زمان‌بندی بکارگرفته شود مجموعه‌ای از ورودی‌ها را احتیاج دارد که عبارتند از:]6[
افراد، ماشین‌ها، وسایل حمل‌ونقل و سایر منابع چه زمانی قابل بهره‌برداری هستند؟
چه محصولی باید ساخته شود یا چه خدمتی باید ارائه شود؟
فرایند ساخت محصول یا ارائه خدمات کدام است؟
چه منابعی و به چه میزان برای تولید محصول یا ارائه خدمات لازم هستند؟
از هر محصول چه تعداد برای هر مشتری تولید شود یا مشتری به چه خدماتی احتیاج دارد؟
محصولات در چه زمانی باید به مشتری تحویل داده شود یا خدمات در چه زمانی مهیا باشد؟
ترتیب انجام کارها روی ماشین‌آلات
با دریافت این ورودی‌ها (در یک سیستم تولیدی) نرم‌افزار شبیه‌ساز قادر است زمان ورود هر کار به هر ایستگاه، زمان پایان کار در هر ایستگاه، زمان ورود به انبارهای میانگیر، زمان خروج از انبار و ... را مشخص و بر اساس آن‌ها خروجی‌های متنوعی را تولید کند:]6[
زمآن‌های بیکاری و اشتغال ماشین‌آلات
زمان تکمیل محصول
نمودار گانت
تابع هدف مسئله
آمار توصیفی (راندمان و متوسط کار تکمیل شده در هر واحد زمان و ...)
1416052012950زمان های بیکاری
مقدار تابع هدف
زمان تکمیل
نمودار گانت
آمار توصیفی
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
ترتیب انجام کارها روی ماشین آلات
زمان های بیکاری
مقدار تابع هدف
زمان تکمیل
نمودار گانت
آمار توصیفی
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
ترتیب انجام کارها روی ماشین آلات

شکل 2-3- بخشی از ورودی‌ها و خروجی‌های یک مدل شبیه‌سازی برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید]6[نرم‌افزارهای شبیه‌ساز می‌توانند شامل مجموع قوانین و الگوریتم هایی برای حل مسائل زمان‌بندی باشند تا خود نسبت به تهیه برنامه زمان‌بندی اقدام نمایند. از سوئی دیگر شبیه‌سازی می‌تواند رفتارهای تصادفی خط تولید را با استفاده از تابع توزیع احتمال تقلید کند، این امر در محاسبه تابع هدف مسائل زمان‌بندی تصادفی کاربرد گسترده‌ای دارد. چهار الگوی متفاوت از بکارگیری شبیه‌سازی در مسائل زمان‌بندی قابل شناسایی است:]6[
تهیه برنامه زمان‌بندی توسط برنامه شبیه‌ساز
شبیه‌سازی برای تنظیم پارامترهای الگوریتم‌های ابتکاری
شبیه‌سازی برای ارزیابی راهکارهای متفاوت زمان‌بندی
شبیه‌سازی برای تقلید رفتارهای تصادفی سیستم
2-7- تهیه برنامه زمان‌بندی توسط برنامه شبیه‌سازتهیه برنامه زمان‌بندی توسط برنامه شبیه‌ساز به معنای استفاده از شبیه‌سازی برای تعیین زمان‌بندی با افق کوتاه‌مدت چندساعته و حداکثر یک‌روزه است. قوانین ارسال کارها به مراکز کاری و ماشین‌آلات در موتور نرم‌افزار شبیه‌ساز تعبیه شده است. این دستورالعمل‌ها می‌توانند الگوریتم‌های ابتکاری و یا الگوریتم‌های دقیق ریاضی باشند. بخش‌های اساسی این سیستم عبارتند از:]6[
یک موتور شبیه‌سازی که شامل چندین قانون برای انتخاب و ارسال کار بعدی است.
یک رابط گرافیکی که نمودار گانت را بر اساس نتایج اجرای شبیه‌سازی تهیه می‌کند.
یک رابط با سیستم اطلاعاتی کارگاه که فهرست زمان‌بندی شده را تهیه می‌کند.
از آنجایی که این الگو برای دوره‌های کوتاه مدت بکار می‌رود کلیه وضعیت‌های تصادفی (مثل خرابی ماشین‌آلات) نادیده گرفته می‌شوند. در این نوع زمان‌بندی تهیه اولیه مدل مناسب از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
زیر سیستم تعیین اولویت انجام کارها روی ماشین‌آلات که به چند قانون گسیل کارها مجهز است ابتدا با استفاده از مجموعه اطلاعات اولیه و به کمک قوانین، اولویت انجام کارها روی ماشین‌آلات را تعیین نموده و آن‌را در اختیار زیر سیستم شبیه‌ساز خط تولید قرار می‌دهد. شکل 2-4 این ساختار را به تصویر کشیده است.]6[
ترتیب انجام کارها
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
قوانین زمان‌بندی




ترتیب انجام کارها
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
قوانین زمان‌بندی




شکل 2-4- تعبیه بخش تهیه برنامه زمان‌بندی در شبیه‌ساز برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید]6[2-7-1- شبیه‌سازی برای تنظیم پارامترهای الگوریتم‌های ابتکاریالگوریتم‌های ابتکاری و فرا ابتکاری اغلب شامل پارامترهای مشخصی هستند که کارایی الگوریتم را تحت تاثیر قرار می‌دهند. این پارامترها باید برای طیف متنوعی از شرایط تطبیق داده شوند. مثلا ممکن است نزدیک بودن یا نبودن زمان تحویل کار به دو تنظیم متفاوت از یک پارامتر 176530964565برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
شرایط "الف"
شبیه ساز
الگوریتم ابتکاری
...
...
...
α = a1
α = a2
α = ak
...
...
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
شرایط "الف"
شبیه ساز
الگوریتم ابتکاری
...
...
...
α = a1
α = a2
α = ak
...
...
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
احتیاج داشته باشد.]6[
شکل 2-5- تنظیم پارامترهای الگوریتم ابتکاری (فراابتکاری) در شبیه‌ساز برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید]6[معمولاً به ازاء یک وضعیت مشخص به هر یک از پارامترهای الگوریتم ابتکاری (یا فراابتکاری) مقادیر مختلفی اختصاص می‌یابد و به ازاء هر مقدار رفتار سیستم شبیه‌سازی شده و مقدار تابع هدف مشخص می‌گردد. مقادیری که منجر به کمترین مقدار تابع هدف میشود همراه با وضعیت متناظر آن ذخیره می‌شود تا در مواقع مناسب مورد استفاده قرار گیرد. در شکل 2-5 در شرایط "الف" (مثل نزدیک‌بودن موعد تحویل) به پارامتری از مسئله، k مقدار متفاوت داده می‌شود تا k برنامه زمان‌بندی تهیه کند. مقدار تابع هدف به ازاء هر برنامه محاسبه می‌شود. بهترین مقدار پارامتر برای شرایط "الف" با توجه به بهترین مقدار تابع هدف تعیین می‌شود.]6[
2-7-2- شبیه‌سازی برای ارزیابی راهکارهای متفاوت زمان‌بندیشبیه‌سازها می‌توانند هیچ نقشی در تولید برنامه زمان‌بندی نداشته باشند و تنها رفتار خط تولید را به ازاء برنامه‌های زمان‌بندی متفاوت تقلید نمایند. در این الگوی به‌کارگیری "برنامه زمان‌بندی" یکی از ورودی‌های شبیه‌ساز است که توسط زیربرنامه‌های داخلی نرم‌افزار تولید نمی‌شود. زیربرنامه شبیه‌ساز بر اساس برنامه زمان‌بندی مشخصی که اعلام می‌شود رفتار سیستم را شبیه‌سازی نموده و "تابع هدف" یا هر معیار ارزیابی دیگری را برای سنجش عملکرد برنامه زمان‌بندی ارائه می‌دهد. پس از محاسبه k مقدار تابع هدف (معیار ارزیابی) می‌توان مشخص نمود که مناسب‌ترین برنامه زمان‌بندی کدام است.]6[
centertopشبیه ساز
...
...
برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
...
...
شبیه ساز
...
...
برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
...
...

شکل 2-6- شبیه‌سازی برای مقایسه عملکرد برنامه‌های زمان‌بندی]6[از این روش، زمانی استفاده می‌شود که چندین برنامه زمان‌بندی باید قبل از اجرای عملی با یکدیگر مقایسه شوند و مناسب‌ترین برنامه انتخاب شود. به‌ویژه این روش بخش اساسی برای الگوریتم شمارش کامل محسوب می‌شود. در این الگوریتم‌ها میتوان با استفاده از شبیه‌ساز، تابع هدف را به ازاء کلیه جواب‌های موجه (برنامه‌های زمان‌بندی قابل قبول) محاسبه نمود و با توجه به معیار ارزیابی عملکرد زمان‌بندی مناسب را تعیین کرد.]6[
2-7-3- شبیه‌سازی برای تقلید رفتارهای تصادفی سیستمبا ظهور شرایط تصادفی در مسائل زمان‌بندی و افزایش پیچیدگی‌های مسئله نقش شبیه‌سازی در حل این مسائل پررنگ‌تر می‌شود. در برخی شرایط حتی مسائل بسیار کوچک زمان‌بندی تصادفی با استفاده از روش‌های دقیق قابل حل نیستند. اگر رویدادهای مدل مثل زمان انجام کارها روی ماشین‌آلات از توزیع احتمال مشخصی پیروی کنند وظیفه بخشی از نرم‌افزار شبیه‌ساز است که این رفتار‌های تصادفی را تقلید کند و زمآن‌های شبیه‌سازی شده (یا هر ویژگی تصادفی شبیه‌سازی شده دیگر) را در اختیار زیربرنامه شبیه‌ساز خط تولید قرار دهد. در شکل 2-7 ارتباط بین زیربرنامه شبیه‌ساز خط تولید و زیربرنامه شبیه‌ساز رفتارهای تصادفی به تصویر کشیده شده است.]6[
2923097217855زمان انجام کار 1
زمان انجام کار 2
زمان انجام کار n

شبیه ساز
تولید کننده الگوی تصادفی
...
...
...
توزیع احتمال کار 1
توزیع احتمال کار 2
توزیع احتمال کار n
...
...
زمان انجام کار 1
زمان انجام کار 2
زمان انجام کار n

شبیه ساز
تولید کننده الگوی تصادفی
...
...
...
توزیع احتمال کار 1
توزیع احتمال کار 2
توزیع احتمال کار n
...
...

شکل 2-7- شبیه‌سازی برای تقلید رفتارهای تصادفی سیستم]6[آن‎چه در کلیه الگوهای بکارگیری شبیه‌سازی در حل مسائل زمان‌بندی مشترک است محاسبه تابع هدف است. محاسبه تابع هدف در مسائل قطعی و تصادفی از سازوکارهای متفاوتی پیروی می‌کند.
2-8- درنگی بر مفاهیم شبیه‌سازیدر این بخش، به‌منظور آشنایی با مفاهیم تخصصی شبیه‌سازی هنگام مدل‌سازی به شرح مختصری از آن‌ها پرداخته می‌شود:
2-8-1- سیستم
سیستم، مجموعه‌ای از اشیاء، افراد و یا ماشین‌آلات می‌باشند که با هم در راستای تحقق هدف واحدی عمل و عکس العمل دارند. برای مثال در یک خط مونتاژ ماشین ها، قطعات و کارگران با هم در امتداد خط کار می‌کنند تا محصولی را با کیفیت بالا تولید کنند.
هر سیستم، اغلب تحت تأثیر تغییراتی قرار می‌گیرد که در خارج از سیستم روی می‌دهند. گفته می‌شود که این تغییرات پیرامون سیستم رخ می‌دهند. در مدل‌سازی سیستم‌ها لازم است که مرز بین سیستم و پیرامون آن تعیین شود. چگونگی تعیین این مرز ممکن است به هدف از مطالعه سیستم بستگی داشته باشد.]13[
2-8-2- مدلمدل، تصویری است انتزاعی از پدیده‌ای که اتفاق افتاده یا ممکن است روی دهد. در ساختن مدل همه یا بعضی از متغیرهای مؤثر در پدیده مورد مطالعه و روابط بین آن‌ها تا حد ممکن ملحوظ می‌شوند. به‌وسیله مدل می‌توان اطلاعاتی در مورد پدیده موردنظر به‌دست آورد. هر چه اطلاعات حاصل از مدل به پدیده واقعی نزدیکتر باشد، اعتبار مدل بیشتر است.]14[
انواع مدل‌ها
مدل‌های شکلی یا آیکونیک: بعضی از مدل‌ها بیشتر به‌منظور بررسی ظاهر پدیده‌ها ساخته می‌شوند. به‌عنوان نمونه می‌توان از ماکت‌هایی که برای نمایش بناهای گوناگون مثل پل‌ها و سدها ساخته می‌شود، نام برد. این‎گونه مدل‌ها را که از نظر ظاهری به پدیده موردنظر شباهت دارند ولی از نظر رفتاری اطلاعات ناچیزی در مورد پدیده اصلی در اختیار قرار می‌دهند، مدل‌های شکلی می‌نامند.
مدل‌های شبیه‌سازی: با وجود عدم شباهت ظاهری به پدیده واقعی می‌توانند اطلاعاتی در مورد رفتار متغیرهای پدیده اصلی ارائه دهند. استفاده از رایانه برای اجرای آزمایش مدل‌های شبیه‌سازی در زمره مهم‌ترین کاربردهای رایانه در دنیای امروز به‌شمار می‌رود.]14[
2-8-3- اجزای یک مدل شبیه‌سازی
حالت: جمعی از متغیرها که تمام اطلاعات لازم برای تشریح سیستم در هر لحظه را در برداشته باشند.
عنصر: عناصر باعث تغییر در حالت اجزاء می‌شوند. بدون عناصر هیچ اتفاقی در مدل شبیه‌سازی رخ نمی‌دهد. قطعه تولیدی، افراد نمونه‎هایی از عناصر می‌باشند. عناصر دارای ویژگی‌هایی می‌باشند. این ویژگی‌ها مشخصه هایی از عنصر می‌باشند که آن‌را منحصر به‎فرد می‌سازند.
جزء : جزء یا گره که برای خدمت رسانی، نگه‌داری، تولید و یا پردازش عناصر در سیستم منظور می‌گردد. هر جزء دارای ویژگی‌های منحصر به‌فردی می‌باشد که در فصل بعد به آن‌ها اشاره شده است.
رویدادها: شرایطی هستند که در نقطه‌ای از زمان رخ داده و موجب تغییر در وضعیت سیستم می‌گردند. تأخیر، صف و توقف سه نوع اتفاق موجود در مدل شبیه‌سازی می‌باشد.
منطق: اصولی که حاکم بر پیاده شدن یک فرآیند یا انجام یک فعالیت در سیستم می‌باشد.
منابع: در شبیه‌سازی منابع به مواردی اطلاق می‌شود که دارای ظرفیت محدود باشند. کارگران و ماشین‌آلات از این دسته می‌باشند.]14[
2-9- کاربردهای شبیه‌سازی در اداره واحدهای تولیدی
کاربردهای شبیه‌سازی در واحدهای تولیدی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:]15[
بررسی نیازهای واقعی یک واحد تولیدی به تجهیزات و پرسنل (تعداد و نوع ماشین‌آلات، تعداد و نوع استقرار وسایل حمل‌ونقل، مکان و حجم انبارهای میانگیر ...)
ارزیابی نحوه و چگونگی عملکرد سیستم تولیدی (بررسی میزان کالای تولید شده، بررسی زمان ترانزیت سفارش در کارگاه، تجزیه و تحلیل گلوگاه‌های تولیدی و ...)
ارزیابی روش‌های کار (برنامه‌ریزی تولید شامل ارزیابی سیاست جاری یا پیشنهادی در رابطه با موضوعات مختلف و استراتژی‌های کنترل)
2-10- محاسن کاربرد شبیه‌سازی در صنعتاز مزایای کاربرد شبیه‌سازی در صنعت می‌توان به موارد زیر اشار کرد:]15[
الف) نرخ تولید، بدلیل کاهش ضایعات، افزایش کارایی ماشین‌آلات و پرسنل از طریق ارزیابی، تعیین و به‌کارگیری روش‌های بهینه انجام کار، افزایش می‌یابد.
ب) سرمایه موردنیاز کاهش می‌یابد. با وجود یک سیستم رایانه‌ای شبیه‌سازی امکان حصول طرح بهینه استقرار، تعیین میزان بهینه موجودی (مواد خام، کالای نیمه ساخته و کالای ساخته شده) و تعیین تعداد بهینه ماشین‌آلات، پرسنل و ابزار و تجهیزات فراهم می‌آید و از طریق صرفه جویی در نیاز به سرمایه پدیدآور می‌شود.
ج) اطمینان خاطری در مورد این‌که یک طرح پیشنهادی درصورت پیاده‌سازی برطبق انتظار عمل خواهد کرد، به‎وجود می‌آید.
2-11- انواع نرم‌افزارهای شبیه‌سازی
با پیشرفت چشم‌گیر علم در زمینه‌های مختلف، نرم‌افزارهایی با قابلیتهای بسیار قوی طراحی شده‌اند که به‌منظور به‌کارگیری این علوم، به یاری پژوهشگران شتافتند. نرم‌افزارهای طراحی شده جهت انجام شبیه‌سازی در طی سالیان از قابلیت‌های ویژه‎ای برخوردار بودهاند. در جدول زیر اسامی این نرم‌افزارها ارائه شده است. ]16[
جدول 2-2- معرفی انواع نرم‌افزارهای شبیه‌سازی]16[ردیف نام نرم‌افزار ردیف نام نرم‌افزار
1 Arena 10 Quest
2 Auto Mod 11 ShowFlow
3 Awe Sim 12 SIGMA
4 Enterprise Dynamics 13 Simprocess
5 Extend 14 Simul8
6 Flexsim 15 SLX
7 GPSS/H 16 Visual Simulation Environment
8 Micro Saint 17 Witness
9 ProModel در این پژوهش، جهت شبیه‌سازی از نرم افزار Simul8 استفاده شده که در پایان این فصل توضیح مختصری درباره آن داده خواهد شد.
پس از آشنایی با مفاهیم شبیه‌سازی به موضوع اصلی که بهینه‌سازیِ شبیه‌سازی است، پرداخته می‌شود.
2-12- بهینه‌سازیِ شبیه‌سازیمفهوم "بهینه‌سازیِ شبیه‌سازی" در شبیه‌سازی سیستم‌ها با استفاده از رایانه عبارت است از «فرآیند یافتن بهترین مقادیر ورودی از بین کلیه حالات ممکن، بدون این‌که کلیه حالات ممکن مورد ارزیابی قرار گیرند. هدف از بهینه‌سازی شبیه‌سازی حداقل‎نمودن منابع صرف‌شده در عملیات شبیه‌سازی است به نحوی که بیشترین اطلاعات ممکن از این عملیات حاصل شود». در مثال مربوط به توالی عملیات و زمان‌بندی، هدف از بهینه‌سازی شبیه‌سازی تولید جریانی این است که از بین کلیه حالات ممکن که برای n کار برابر با n! است بهترین جایگشت انتخاب شود بدون این‌که برای همه جایگشت‌ها عملیات شبیه‌سازی انجام شود و عملیات شبیه‌سازی فقط برای تعداد محدودی از جایگشت‌ها صورت پذیرد. فرض کنید تعداد جایگشت‌هایی که شبیه‌سازی برای آن‌ها انجام میشود را با K نشان دهیم. شکل 2-8 تصویری شماتیک از بهینه‌سازی شبیه‌سازی ارائه می‌دهد.]6[
3194054224655جایگشت اول
جایگشت دوم
جایگشت kام
شبیه ساز
الگوریتم فیلترینگ
جایگشت 1
جایگشت 2
جایگشت n!
0جایگشت اول
جایگشت دوم
جایگشت kام
شبیه ساز
الگوریتم فیلترینگ
جایگشت 1
جایگشت 2
جایگشت n!
شکل 2-8- ساختار کلی بهینه‌سازی شبیه‌سازی]6[2-13- روش‌های بهینه‌سازی شبیه‌سازیبه‌طور کلی بهینه‌سازی شبیه‌سازی فرآیند تعیین مقادیر بهینه متغیرهای ورودی سیستم به‌منظور حداکثرکردن متغیرهای عملکردی است. مدل‌های بهینه‌سازی شبیه‌سازی دارای تابع هدف (یعنی، بهینه‌نمودن جواب‌ مدل شبیه‌سازی) و مجموعه‌ای از محدودیت‌ها می‌باشند]2[.
روش‌های بهینه‌سازی شبیه‌سازی به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شود که توسط محققین مختلف پیمایش‌های ارزشمندی در این زمینه انجام شده است. در ادبیات تحقیق، شش گروه اصلی از روش‌ها قابل شناسایی هستند. این گروه‌های اصلی از ایده‌های زیربنایی متفاوتی استفاده می‌کنند.]6[
الف) رتبه‌بندی و انتخاب
در این شیوه فرض می‌شود که تعداد راهکارها (جواب‌های موجه مسئله) ثابت است و نیازی به جستجوی راهکارهای جدید نیست و مسئله شکلی از استنباط آماری را به خود می‌گیرد. فرض کنید احتمال انتخاب جواب درست را با «انتخاب جواب بهینه یا نزدیک به بهینه» تعریف کنیم. در این‌صورت مسئله می‌تواند به یکی از دو شکل زیر فرموله شود:
- تعداد تکرارهای شبیه‌سازی را حداقل کنید مشروط بر اینکه احتمال انتخاب جواب درست بیش از مقدار معینی باشد.
- احتمال انتخاب جواب درست را حداکثر کنید مشروط بر اینکه محدودیت هزینه‌های شبیه‌سازی مدنظر قرار بگیرد.
در مورد اول می‌توان در سطحی از اطمینان به حصول جواب مناسب اطمینان داشت اما تعداد محاسبات مورد نیاز مشخص نیست. در شکل دوم محاسبات محدود است اما نمی‌توان به درستی در خصوص کیفیت جواب به‌دست آمده اظهارنظر کرد.
ب) روش جواب‌ سطح
این روش سعی در برازش تعدادی مدل رگرسیونی بین ورودی‌ها و خروجی‌های یک مدل شبیه‌سازی و بهینه نمودن تابع رگرسیونی دارد. این فرایند با یک مدل رگرسیونی درجه اول شروع می‌شود و پس از رسیدن به شرایط بهینه از توآن‌های بالاتر مدل رگرسیونی استفاده می‌شود. در ادبیات طراحی آزمایش‌ها متغیر‌های ورودی و تابع هدف را به‌ترتیب فاکتور و جواب‌ می‌نامند.
ج) روش مبتنی بر گرادیان
این روش در پی آن است که نقش خود در بهینه‌سازی قطعی را در بهینه‌سازی تصادفی ایفا نماید. ایده اساسی این است که به ازاء هر جواب، حرکت در جهت گرادیان بهترین تغییر است. با این روش برآورد مشتق تابع هدف نسبت به متغیر xi با استفاده از رابطه زیر صورت می‌گیرد:
(2-14)
برای برآورد گرادیان به ازاء بردار X حداقل n+1 مدل شبیه‌سازی باید اجرا شود. افزایش دقت محاسبه G نیازمند افزایش تعداد محاسبات است. این روش از ایده‌های حل مسائل برنامه‌ریزی غیر خطی سود می‌برد و برای متغیر‌های تصمیم پیوسته مناسب است.
د) جستجوی تصادفی
برخلاف روش مبتنی بر گرادیان، روش جستجوی تصادفی برای مسائلی به‎کار می‌رود که متغیر تصمیم آن‌ها گسسته است. این روش ابتدا برای حل مسائل قطعی پایه‌گذاری شد و سپس در زمینه مسائل تصادفی نیز به کار گرفته شد. این روش نیز همانند روش گرادیان برای رسیدن به جواب بهینه از یک نقطه به نقطه دیگر می‌رود. اما انتخاب نقطه بعد بصورت احتمالی و از همسایگی نقطه جاری انتخاب می‌شود. در به‌کار گیری این روش دو نکته حائز اهمیت است.
- فهرست نقاط کاندید برای حرکت بعدی چگونه انتخاب شود؟
- بهترین جواب تاکنون کدام است؟
انتخاب بهترین جواب در مسائل قطعی مشکلی به‌وجود نمی آورد زیرا مقدار به‌دست آمده برای تابع هدف به ازاء هر جواب، مقدار قطعی تابع هدف است. اما در مسائل تصادفی با توجه به اختلالات ذاتی تابع هدف انتخاب بهترین جواب کار ساده‌ای نیست.
هـ) تقریب میانگین نمونه
روش تقریب میانگین نمونه که بهینه‌سازی مسیر نمونه نیز نامیده می‌شود، ابتدا شبیه‌سازی را به تعداد زیاد انجام داده و سپس تقریب‌های به‌دست آمده را بهینه می‎کند، پس از به‌دست آمدن مقدار متوسط تابع هدف مقدار بهینه آن با استفاده از روش‌های برنامه‎ریزی غیرخطی که در مسائل قطعی کاربرد دارند، مشخص می‌شود.
و) فراابتکاری‌ها
برای هدایت روش‌های ابتکاری استفاده می‌شود تا در دام نقاط بهینه محلی گرفتار نشوند. رایج‌ترین الگوریتم‌های فراابتکاری در حل مسائل بهینه‌سازی ترکیبیاتی عبارتند از شبیه‌سازی تبرید تدریجی (SA)، جستجوی ممنوع (TS)، الگوریتم ژنتیک (GA)، جمعیت مورچگان (ACO). الگوریتم‌های مذکور در یک ایده اساسی مشترک هستند و آن شروع حل مسئله از یک یا چند جواب ابتدایی و حرکت از نقاط آغازین به سمت نقاط بهتر است. تفاوت بین این الگوریتم‌های چگونگی تعیین نقاط شروع و سازوکار حرکت به سمت جواب‌های بهتر است. این تکنیک‌ها معمولاً نتیجه تطبیق ایده‌های متعلق به حوزه‌های مختلف تحقیق هستند. ایده‌های اساسی که الهام‌بخش هر یک از الگوریتم‌ها هستند معمولاً از زمینه‌های غیر منتظره شکل می‌گیرد.
در قدم بعدی، در مورد نحوه پیدایش الگوریتم‌های فراابتکاری و زمینه‌های کاربردیشان بحث می‌شود. اما با توجه به این‌که راه‌حل بهینه‌سازی مسئله موجود با الگوریتم ژنتیک می‌باشد، این الگوریتم به‌طور کامل تشریح شده است.
2-14- معرفی انواع الگوریتم‌های فراابتکاری
2-14-1- الگوریتم نزولیکی از انواع الگوریتم‌های فراابتکاری، یک الگوریتم ساده با نام الگوریتم نزول است که از کارایی پایینی برخوردار می‌باشد.


الگوریتم نزول روشی است که جستجو را از یک جواب اولیه شروع کرده و در هر تکرار جواب فعلی را با یک جواب بهتر که در همسایگی آن است، جایگزین می‌کند. این روش تنها حرکت به سمت جواب‌هایی را مجاز دانسته که تابع هدف فعلی را بهبود بخشد و هنگامی که دیگر جواب بهتری پیدا نشود، اجرای الگوریتم به پایان می‌رسد. جواب نهایی یافت شده توسط این الگوریتم، جواب بهینه محلی نامیده می‌شود. به‌طوری که این جواب یا خوب است یا دست کم از جواب‌های همسایگی خود بهتر است. یکی از نواقص آشکار الگوریتم نزول این است که با احتمال زیاد یک جواب بهینه محلی، بهینه مطلق نخواهد بود و تابع هدف را به ازای همه جواب‌های منطقه موجه بهینه نخواهد کرد.]8[
2-14-1-1- مراحل اجرای الگوریتم نزولحل مسائل بهینه‌سازی شبیه‌سازی طبق مراحل زیر صورت می‌گیرد:
تولید اعداد تصادفی
انتخاب جواب اولیه
انتخاب یک جواب در همسایگی
پذیرش یا رد جواب جدید]8[
2-14-1-2- نقاط ضعف الگوریتم نزولمهم‌ترین نقطه ضعف الگوریتم نزول این است که احتمال گرفتار شدن الگوریتم در دام نقاط بهینه محلی بسیار زیاد است. این موضوع ناشی از رویکرد حریصانه الگوریتم است که در پی‌یافتن نخستین جوابی است که از نقاط همسایگی خود بهتر است. الگوریتم‌های فراابتکاری به‌منظور گریز از چنین دام‌هایی از رویکردهای تمرکز و تنوع بهره می‌برند.]8[
2-14-2- شبیه‌سازی تبرید تدریجیالگوریتم شبیه‌سازی تبرید تدریجی که در متون فارسی با عناوین شبیه‌سازی آنیل و الگوریتم شیشه یا کریستال نیز از آن یاد شده است را می‌توان از نظر سازوکار اجرا و فعالیت‌های برنامه‎نویسی موردنیاز، ساده‌ترین الگوریتم فراابتکاری دانست. این سادگی باعث نمی‌شود که کارایی این الگوریتم با دیده‌ تردید نگریسته شود. انتشارات متعددی را می‌توان ملاحظه کرد که از توانایی این الگوریتم در حل مسائل متنوع سود برده‌اند.]8[
2-14-2-1- تاریخچه و زمینه پیدایشالگوریتم SA نخستین بار توسط کرک پاتریک در سال 1982 معرفی شد. این الگوریتم بر اساس مدل توسعه‌یافته توسط متروپلیس برای شبیه‌سازی فرآیند فیزیکی تبرید تدریجی شکل گرفته است. فیزیکدانان برای تغییر در وضعیت یک ماده از یک پارامتر مهم یعنی دما استفاده می‌کنند. تبرید تدریجی فرآیندی است که در آن رسیدن به وضعیت بهینه توسط کنترل دما صورت می‌پذیرد. در این فرآیند ابتدا ماده حرارت می‌بیند تا انرژی زیادی به آن وارد شود و پس از آن به آرامی سرد می‌شود به گونه‌ای که تا مدتی در هر سطحی از دما با قی بماند و سپس به سطح پایین‌تر دما برود. این استراتژی در سردکردن تدریجی باعث شکل‌گیری وضعیت جامد کریستالی می‌شود که وضعیتی پایدار است و متناظر با حداقل مطلق انرژی است. وضعیت متضاد آن زمانی است که ماده به سرعت سرد شود که منجر به وضعیت غیر متبلور خواهد شد. ساختار غیر متبلور متناظر با حداقل انرژی است.]8[
2-14-2-2- خط سیر الگوریتم تبرید تدریجیالگوریتم تبرید تدریجی فرآیند حل مسئله را از یک جواب (معمولاً تصادفی) شروع می‌کند و برای یافتن جواب مسئله، در فضای منطقه موجه از یک نقطه به نقطه دیگر می‌رود تا زمانی که شرط توقف الگوریتم برقرار شود. طی جابجاشدن بین نقاط متفاوت، بهترین جواب به‌دست آمده توسط الگوریتم ذخیره شده و در آخر به‌عنوان جواب مطلوب مسئله ارائه می‌شود.]8[
یک تفاوت اساسی بین الگوریتم نزول و شبیه‌سازی تبرید تدریجی در این است که SA به جواب‌های بدتر از جواب جاری نیز شانس پذیرفته شدن می‌دهد. احتمال پذیرش جواب‌های بدتر، با افزایش تکرارهای حل مسئله کاهش می‌یاید.]8[
2-14-3- جستجوی ممنوعالگوریتم جستجوی ممنوع (یا جستجوی ممنوعه) که ایده اساسی خود را از حافظه انسان گرفته است، در زمره الگوریتم‌های جستجو در همسایگی قرار می‌گیرد. این الگوریتم از نظر مفهومی همانند الگوریتم شبیه‌سازی تبرید تدریجی عمل می‌کند اما مجموعه قوانین و سازوکارهایی دارد که اجرای آن ‌را به عملکرد مغز شبیه می‌کند.]8[
2-14-3-1- تاریخچه و زمینه پیدایشمشکلاتی که در مسائل بهینه‌سازی از جمله مسائل مربوط به حمل‌ونقل، لجستیک، برنامه‌ریزی مالی و برنامه‌ریزی تولید وجود دارد، باعث توسعه تکنیک‌های بهینه‌سازی مؤثر شده است. هدف از این تکنیک‌ها توسعه فرآیندهایی است که بتوانند با پیچیدگی مسائل بهینه‌سازی مواجه شوند. یکی از این روش‌ها الگوریتم جستجوی ممنوع است که توسط فرد گلاور معرفی شده است.]8[
واژه Tabu یا Taboo در لغت نامه وبستر به معنی مفاهیمی است که دارای قدرت ماوراء الطبیعه بوده و استفاده و برقراری ارتباط با آن‌ها ممنوع می‌باشد. روش جستجوی ممنوع در ارتباط با ماوراءالطبیعه و ممنوعات آن نیست، بلکه ممنوعیت‌ها و محدودیت هایی را اعمال می‌کند تا یک فرآیند جستجو را به مناطقی هدایت کند که جواب‌های بهتری به دست می‌دهند. این روش بر اساس فرآیندهایی طراحی شده است که از مرزهای بهینگی محلی که به‌عنوان یک مانع عمل کرده، عبور می‌کنند و روش جستجوی ابتکاری را به گونه‌ای هدایت می‌کند که نقاط فراتر از بهینه محلی را مورد جستجو قرار دهند.]8[
2-14-3-2- خط سیر الگوریتم جستجوی ممنوعالگوریتم جستجوی ممنوع همانند الگوریتم شبیه‌سازی تبرید تدریجی، مبتنی بر جستجو در همسایگی است. به گونه‌ای که در اطراف جواب جاری در پی یافتن جواب‌های جدید می‌باشد. شباهت دیگر دو الگوریتم در این است که الگوریتم جستجوی ممنوع نیز برای جواب‌های بدتر از جواب کنونی نیز شانس پذیرفته شدن قائل است. مهم‌ترین تفاوت دو الگوریتم در این است که SA در هر تکرار تنها به بررسی یکی از جواب‌های واقع در همسایگی می‌پردازد اما TS در هر تکرار چندین جواب را در اطراف جواب کنونی مورد بررسی قرار می‌دهد.]8[
به‌طور کلی و بدون درنظرگرفتن جزییات، در این الگوریتم فرآیند حل مسئله از یک نقطه منطقه موجه آغاز می‌شود و در هر تکرار از یک نقطه به نقطه دیگر منطقه مراجعه می‌شود تا شرط توقف برقرار شود. بهترین جوابی که در طی همه مراحل یافته شده است، ذخیره می‌گردد.]8[
2-14-4- الگوریتم مورچگانالگوریتم مورچگان روشی برای بهینه‌سازی است که در آن یک کلونی از مورچه‌های مصنوعی در پیدا کردن جواب‌های خوب برای مسائل بهینه‌سازی ترکیبیاتی، شرکت می‌کنند. این الگوریتم نمونه‌ای منتج شده از رفتار واقعی مورچگان ‌را بررسی کرده و از این نمونه‌ها به‌عنوان منبع الهام‌بخش برای طراحی الگوریتم‌های جدید به‌عنوان ‌راه‌حل مسائل بهینه‌سازی استفاده می‌کند.]8[
2-14-4-1- تاریخچه و زمینه پیدایشیکی از جالب‌ترین الگوهای رفتاری مورچگان توانایی گونه‌هایی از آن‌ها در پیدا کردن کوتاه‌ترین مسیر است. جمعیت (کلونی) مورچگان، زنبورهای عسل و یا به‌طور کلی گروهی از حشرات، سیستم‌های توزیع شده‌ای هستند که با وجود سادگی تک‌تک آن‌ها، یک سازمان اجتماعی ساختار یافته را به‌وجود می‌آورند. ایده اصلی الگوریتم مورچگان، قانون خود سازماندهی می‌باشد که اجازه می‌دهد رفتار بسیار موزون مورچه‌های واقعی در هماهنگ‎کردن مجموعه‌ای از کارگزارهای مصنوعی برای حل مسائل محاسباتی، مورد استفاده قرار گیرد. جنبه‌های مختلف رفتار کلونی مورچگان، الگوریتم‌های متفاوتی را به‌وجود آورده است. از این‌گونه رفتارها می‌توان به جستجو برای غذا، تقسیم کار، مرتب‌سازی در حین تخم‌گذاری و حمل‌ونقل مشارکتی اشاره کرد.]8[
2-14-4-2- خط سیر الگوریتم مورچگانالگوریتم مورچگان برای حل یک مسئله، دارای روش خاص خود در جستجوی منطقه موجه می‌باشد. این الگوریتم یک نوع پردازش موازی را در ذات خود دارد. یعنی به‌طور هم‎زمان نواحی مختلفی را در منطقه مورد جستجو قرار می‌دهد. یعنی از این نظر مشابه با الگوریتم ژنتیک رفتار می‌کند و در هر تکرار، از یک مجموعه جواب به یک مجموعه جواب دیگر می‌رود. تفاوت الگوریتم ژنتیک و مورچگان در سازوکارهای تولید جواب‌های جدید است. در الگوریتم ژنتیک جواب‌های جدید مستقیماَ با ترکیب جواب‌های موجود حاصل می‌شوند (عملگر تقاطع). در حالی‌که در الگوریتم جمعیت مورچگان، جواب‌های تکرار جاری به‌طور غیر مستقیم یعنی به کمک فرمون، روی نحوه تولید جواب‌های جدید تاثیرگذار هستند.]8[
2-14-4-3- گونه‌های مختلف الگوریتم مورچگانایده‌های متفاوتی که برای قانون احتمال انتخاب مسیر، تبخیر و فرمون‌ریزی توسط محققان مختلف پیشنهاد شده است که به شکل‌های متنوعی از الگوریتم ACO انجامیده‌اند. رایج‌ترین شکل‌های این الگوریتم در ادامه معرفی می‌شوند:]8[
سیستم مورچه
سیستم مورچه نخبه‌گرا
سیستم مورچه مبتنی بر رتبه‌بندی
سیستم مورچه حداقل – حداکثر
سیستم جمعیت مورچه‌ها
2-14-5- الگوریتم ژنتیکالگوریتم ژنتیک یک تکنیک جستجو برای حل مسائل با استفاده از مدل ژنتیک است. این الگوریتم در زمره الگوریتم‌های مبتنی بر جمعیت قرار دارد که ایده اساسی خود را از نظریه تکامل می‌گیرد. این الگوریتم بر خلاف دو الگوریتم پیشین، در هر تکرار، مجموعه‌ای از جواب‌های مسئله را مورد بررسی قرار می‌دهد. سازوکارها و مجموعه قوانین این الگوریتم برگرفته از مفاهیم علم ژنتیک است.]8[
2-14-5-1- تاریخچه و زمینه پیدایشچارلز داروین نظریه سیر تکاملی بشر را بیان کرد که بر اساس آن ارگانیسم‌های زیستی در طول نسل‌های مختلف با توجه به اصل "انتخاب طبیعت" و "بقا سازگارترین" تکامل می‌یابند. در سال 1960 ریچنبرگ ایده مطرح شده توسط داروین را در حوزه بهینه‌سازی پارامترها به‌کار گرفت و این ایده را استراتژی تکاملی نامید. این استراتژی شکل اولیه و خام الگوریتم ژنتیک را به‌کار می‌گیرد.]8[
الگوریتم ژنتیک در سال 1975 توسط هالند توسعه داده شد که هدف وی طراحی الگوریتمی برای حل مسائل خاص نبود، بلکه به‌دنبال فهم پدیده سازگاری به نحوی بود که در طبیعت رخ می‌دهد. با انتشار کتاب او با نام "انطباق در سیستم‌های طبیعی و مصنوعی" الگوریتم ژنتیک به دنیای بهینه‌سازی معرفی شد. وی اصول سیر تکامل طبیعی را در مسائل بهینه‌سازی و ساختار الگوریتم ژنتیک توضیح می‌دهد. الگوریتم ژنتیک بر اساس اصول ژنتیک و تکامل بنا شده است که امروزه برای حل مسائل پیچیده بهینه‌سازی مانند جدول زمان‌بندی، تولید کارگاهی و ... استفاده می‌شود.]8[
2-14-5-2- خط سیر الگوریتم ژنتیکهمان‌گونه که گفته شد الگوریتم ژنتیک در زمره الگوریتم‌های مبتنی بر جمعیت قرار می‌گیرد. مبتنی بر جمعیت بودن به این مفهوم است که در هر تکرار بیش از یک جواب مدنظر قرار می‌گیرد. اصطلاحاً مجموعه جواب‌های مورد بررسی در هر تکرار، یک جمعیت از جواب‌ها نامیده می‌شود. قوانین و دستورالعمل‌های الگوریتم ژنتیک به گونه‌ای است که جمعیت هر تکرار باعث تعریف و یا ایجاد تکرار آتی می‌شود. گفتنی است که جواب‌های نخستین جمعیت می‌تواند به‌صورت تصادفی از منطقه موجه انتخاب شوند و یا این‌که با روش‌های ابتکاری ایجاد شوند.]8[
1004570543941000
شکل 2-9 – خط سیر الگوریتم ژنتیک]8[در شکل 2-9 جواب‌هایی که با دایره توخالی نشان داده شده‌اند، جمعیت نسل کنونی را تشکیل می‌دهند و دایره‌های خط چین معرف جمعیت نسل آتی هستند. در واقع سازوکار رسیدن به جواب‌های جدید، نوعی شبیه‌سازی از زاد و ولد در فضای منطقه موجه است.
فرزندان حاصل از این زاد و ولد (جواب‌های جدید) ممکن است به جواب‌های بهتر یا بدتر از والدین منجر شود. پذیرش جواب‌های بدتر به‌عنوان جواب‌های نسل جدید به رویکردی بستگی دارد که در پیاده‌سازی الگوریتم ژنتیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی رویکردها تنها جواب‌های بهتر از والدین پذیرفته می‌شوند و در برخی نیز جواب‌های بدتر به جمعیت آتی منتقل می‌شوند. این روند یعنی تولید جمعیت‌های جدید از جمعیت‌های قبلی تا جایی ادامه می‌یابد که شرط توقف الگوریم حاصل شود.]8[
2-15-5-3- مفاهیم و سازوکارهای الگوریتم ژنتیکالگوریتم ژنتیک از استعاره استفاده می‌کند، به نحوی که یک مسئله بهینه‌سازی در محیطی رخ می‌دهد که جواب‌های ممکن به‌عنوان افرادی هستند که در آن محیط زندگی می‌کنند و برای یافتن بهترین جواب لازم است تا پردازش‌هایی روی این افراد صورت پذیرد. اصطلاحات زیر در این محیط مورد استفاده قرار می‌گیرند:]8[
فردبه هر یک از جواب‌های مسئله بهینه‌سازی اصطلاحاً یک فرد می‌گوییم. تعیین ساختار هر فرد به مسئله مورد مطالعه بستگی دارد.
کدگذاریکدگذاری فرآیند نشان دادن جواب‌های مسئله در قالبی قابل استفاده برای الگوریتم ژنتیک است و کدگذاری می‌تواند نقشی اساسی در GA داشته باشد.
تابع برازندگیبرازندگی یک فرد در الگوریتم ژنتیک به معنای میزان ارزش یا کیفیت آن فرد (جواب) با توجه به معیارهای مختلف است که یکی از آن معیارها تابع هدف است. در ساده‌ترین شکل مسائل بهینه‌سازی تابع برازندگی همان تابع هدف است.
جمعیتجمعیت به مجموعه‌ای از افراد (جواب‌ها) گفته می‌شود. جنبه‌های مهم جمعیت که در الگوریتم ژنتیک استفاده می‌شود، عبارتند از:
تولید جمعیت اولیه
اندازه جمعیت
اغلب برای شروع حل مسئله، یک جمعیت اولیه تصادفی ایجاد می‌شود. اندازه جمعیت اولیه باید تا حدی بزرگ باشد که کل فضای جستجو را به نحو مطلوبی مورد بررسی قرار دهد. میانگین برازندگی جمعیت ایجاد شده هر چه بهتر باشد یافتن جواب خوب سریع‌تر انجام می‌گیرد. گلدبرگ نشان داد که کارایی الگوریتم ژنتیک برای دست‌یابی به جواب‌های بهینه محلی به میزان زیادی بستگی به اندازه جمعیت دارد. از سوی دیگر باید توجه داشت که جمعیت بزرگ نیاز به محاسبات، هزینه، حافظه و زمان بیشتری دارد.
فرآیند جستجوفرآیند جستجو GA شامل ایجاد یک جمعیت اولیه، سپس تولید مثل افراد جدید تا رسیدن به شرط توقف است. هدف‌های گوناگونی برای فرآیند جستجو می‌تواند وجود داشته باشد که نخستین هدف می‌تواند یافتن جواب بهینه مطلق باشد که در مدل GA هیچ گونه اطمینانی در مورد آن وجود ندارد زیرا همیشه احتمال آن می‌رود که در تکرارهای بعدی، جوابی بهتر یافت شود. هدف دیگر، هم‌گرایی سریع است. هنگامی‌که پردازش تابع هدف پرهزینه است هم‌گرایی سریع مطلوبیت می‌یابد. سومین هدف، ایجاد مجموعه‌ای از جواب‌های متنوع و در عین حال خوب است. هنگامی که فضای جواب شامل نقاط بهینه گوناگون باشد که دارای برازندگی یکسان هستند، مفید است که الگوریتم قادر باشد از بین آن‌ها جواب‌هایی را انتخاب کند.
عملگرهاعملگر اصطلاحی کلی برای سازوکارها یا پردازش‌های صورت گرفته در الگوریتم ژنتیک است که وظایف متنوعی به‌عهده دارند. شکل 2-10 جریان کلی الگوریتم ژنتیک و نقش این عملگرها را در این الگوریتم نشان می‌دهد.]8[
1096645163195ایجاد جمعیت اولیه
ارائه جواب مسئله
جهش
تقاطع
انتخاب
جایگزینی
نسل جدید
آیا شرط توقف برقرار است؟
ایجاد جمعیت اولیه
ارزیابی تابع برازش
خیر
بله
00ایجاد جمعیت اولیه
ارائه جواب مسئله
جهش
تقاطع
انتخاب
جایگزینی
نسل جدید
آیا شرط توقف برقرار است؟
ایجاد جمعیت اولیه
ارزیابی تابع برازش
خیر
بله

شکل 2-10- جریان کلی الگوریتم ژنتیک]8[2-14-5-4-کاربردهای الگوریتم ژنتیککاربرد الگوریتم ژنتیک حوزه وسیعی از مسائل بهینه‌سازی در زمینه‌های مختلف فنی مهندسی، علوم و اجتماعی را در برمی گیرد.]17[
برای مسائل بهینه‌سازی استاندارد، صرفاً روشی برای به‌دست آوردن یک جواب می‌باشد. می‌توان آن‌را برای مسائل خطی، غیر خطی و برنامه‌ریزی احتمالی که دارای متغیرهای تصادفی و درجه‌ای از عدم قطعیت است استفاده نمود. درضمن، مسائل بهینه‌سازی ترکیبی که شامل مسائل مختلف علوم رایانه‌ای می‌باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. قابلیت انعطاف پذیری الگوریتم ژنتیک، دامنه کاربرد این الگوریتم را بسیار گسترده کرده است و هم‌چنین سرعت الگوریتم ژنتیک دریافتن جواب مسئله آن‌چنان است که بتواند به سهولت با محیط سازگار شود و این قابلیت برتر از توان سیستم‌های خبره است.
تعداد زیادی از پژوهشگران در زمینه الگوریتم ژنتیک در شاخه‌های مختلف پژوهش کرده‌اند که می‌توان به‌صورت زیر ارائه نمود:]17[
برای مسئله سفارش تولید در یک فرآیند مونتاژ از الگوریتم ژنتیک استفاده می‌شود.
سیستم فرآیند مونتاژ مشتمل بر دو زیرسیستم است:
اولین زیرسیستم، دستگاهی است که کار آن فراوری مجموعه‌ای از محصولات می‌باشد.
دومین زیرسیستم، حمل کننده است که محصولات را حمل‌ونقل می‌کند.
الگوریتم ژنتیک جهت یافتن خط مشی بهینه یا نزدیک به آن برای سیستم‌های بزرگ استفاده شده است و هم‌چنین برای یافتن استراتژی تصمیم‌گیری بهینه یا نزدیک به بهینه در یک سیستم پیچیده بزرگ استفاده گردیده است.
الگوریتم ژنتیک برای برنامه‌ریزی تولید یک شرکت تولیدی چند ملیتی استفاده گردیده است.
الگوریتم ژنتیک برای طراحی جا و مکان مدور سیستم‌های تولیدی استفاده شده است.
الگوریتم ژنتیک برای مسئله انتخاب روبات و تخصیص ایستگاه کاری به‌طور بهینه برای یک سیستم (CIM) به‌کار برده شده است.
الگوریتم ژنتیک برای بالانس خط مونتاژ استفاده شده است. مسئله بالانس خط مونتاژ تعداد ایستگاه‌های کاری و تخصیص بهینه کل عملیات برای هر ایستگاه کاری را معین میکند.
الگوریتم ژنتیک برای بازاریابی توریسم استفاده شده است. با فرض وجود شبکه‌ای از سایت‌های موجود و مجموعه‌ای از سایت‌های ممکن جدید و با فرض پویا بودن شبکه موجود از لحاظ سودآوری، جذابیت برای مشتری بالقوه و دیگر معیارهای مناسب.
الگوریتم ژنتیک برای مسائل "کلمه‌سازی" استفاده می‌شود. به‌طوری که هرگاه کلمات به‌طور تصادفی قرار گرفته باشند و خواسته باشیم کلمه‌ای معنی‌دار را به‌وجود آوریم از قدرت الگوریتم ژنتیک می‌توان برای این مسائل استفاده نمود.
از الگوریتم ژنتیک برای این‌که هزینه طرح کمترین مقدار باشد می‌توان استفاده نمود.
الگوریتم ژنتیک در بهینه‌سازی برنامه جامع توسعه سیستم آب جهت تامین نیازهای آینده استفاده نمود.
از الگوریتم ژنتیک در طراحی خرپا که برای نگه‌داری پل، سقف و یا دیگر قسمت‌های مهندسی استفاده می‌شود، به‌کار رفته است.
برنامه‌ریزی کار در یک کارخانه
مسئله فروشنده دوره گرد
برنامه‌ریزی و بهینه‌سازی قابلیت اعتماد نیز با الگوریتم ژنتیک قابل حل می‌باشد. بسیاری از سیستم‌ها نقش بحرانی در عملیات مختلف دارند و اگر خراب شوند، ممکن است پی‌آمدهایی سخت به‌بار آورند.
طراحی مدل برنامه‌ریزی استراژیک سیستم‌های اطلاعاتی با استفاده از فرآیند تحلیل سلسله مراتبی و الگوریتم ژنتیک قابل حل می‌باشد.
الگوریتم ژنتیک برای برنامه‌ریزی خطوط انتقال نیرو و نصب ژنراتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
الگوریتم ژنتیک برای مسائل حمل‌ونقل استاندارد، مرکب و هم‌چنین مسائل برنامه‌ریزی چندمعیاره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
الگوریتم ژنتیک در جایابی و تعیین ظرفیت بهینه خازن‌های سبک توزیع قدرت به‌منظور کاهش تلفات توان و انرژی و بهبود ولتاژ استفاده گردیده است.
الگوریتم ژنتیک در برنامه‌ریزی قدرت راکتیو، پخش بار اقتصادی، بهینه‌سازی ولتاژ برنامه‌ریزی ژنراتورها و طراحی ترانسفورموتورها استفاده شده است.
الگوریتم ژنتیک در مسائل زمان‌بندی، تولید و جریان کارگاه‌ها، مسئله پوشش مجموعه‌ای استقرار تسهیلات، و برنامه‌ریزی تولید به‌کار رفته است.
الگوریتم ژنتیک در طراحی موتور، ساختن تراشه‌ها و بهینه‌سازی شبکه‌ها با ابعاد بزرگ نیز مورد استفاده قرارگرفته است.
زمان‌بندی کارگاهی
طراحی قرارگیری تجهیزات، مسئله قرارگیری تجهیزات شامل تصمیم‌گیری برای محل قرارگیری تجهیزات و منابع در یک پیکربندی است که منجر به بهترین اجرا یا توجه به ضوابط مشخص می‌شود.
در بالا به‌طور مختصر کاربردهای الگوریتم ژنتیک شرح داده شده، همان‌طور که از تنوع آن‌ها دیده می‌شود این الگوریتم می‌تواند برای تمام رشته‌هایی که مسائل بهینه‌سازی را مدنظر دارند، به‌عنوان روش جدید مورد تجزیه و تحلیل قرارگیرد.
2-15- نرم‌افزارهای مورد استفاده در پژوهش
جهت انجام این پژوهش چهار نرم‌افزار بکار گرفته شده است. برای تعیین نوع توزیع داده‌های پژوهش، از نرم‌افزار کریستال بال کمک گرفته شد. برنامه‌نویسی و ترکیب بین نرم‌افزار شبیه‌سازی و الگوریتم ژنتیک با نرم‌افزار اکسل انجام شد. با استفاده از آزمون تی نرم افزار SPSS اعتبار داده‌های ورودی به مدل تائید شد و در آخر شبیه‌سازی خط تولید بوسیله نرم‌افزار Simul8 صورت پذیرفت.
حال، به شرح مختصری از نرم‌افزارهای جدید بکار گرفته شده در این پژوهش یعنی کریستال بال و Simul8 پرداخته می‌شود زیرا کم‌وبیش آشنایی با دو نرم‌افزار اکسل و SPSS و نحوه استفاده از آن‌ها وجود دارد.
کریستال بال، در سطح عمومی نرم‌افزاری جهت تحلیل آمار و در کاربردی پیشرفته، بهینه‌ساز هست که به‌دلیل سهولت استفاده و قابل اجرا بودن در نرم‌افزار محبوب اکسل، مناسب می‌باشد. این نرم‌افزار بصورت گسترده در زمینه‌های اقتصاد، برنامه‌ریزی و علوم دیگر کاربرد دارد. کارکرد اصلی این نرم‌افزار، تعیین نوع توزیع داده‌های ورودی به آن می‌باشد. خروجی این نرم‌افزار بصورت شکل توزیع با ارائه پارامترهای آن است که کاربرد آن‌را وسیع‌تر می‌کند.
شبیه‌سازی با Simul8، از انعطاف‌پذیرترین و قدرتمندترین ابزارهای حوزه تصمیم‌گیری می‌باشد. با استفاده از این تکنیک وضعیت سیستم مدل شده و سپس در جهت بهبود آن راه‌حل‌‌هایی اتخاذ می‌شود. درواقع در بسیاری از موارد، وضعیت فعلی سیستم در محیط مجازی مدل‌سازی شده و پس از تعیین اعتبار مدل و میزان تطبیق آن با واقعیت، گزینه‌های مختلف مدل بررسی و نتیجه آن‌ها استخراج می‌شود. درواقع به‌جای پرداخت هزینه تغییرات در دنیای واقعی، به بررسی آن در دنیای مجازی پرداخته می‌شود.

2-16- پیشینه پژوهش
در قسمت پایانی این فصل، مروری بر پیشینه پژوهش‌های انجام شده در حوزه بهینه‌سازی شبیه‌سازی پرداخته می‌شود. اما به‌دلیل گستردگی موارد استفاده این تکنیک خاص در صنعت، پیشینه به دو بخش تقسیم می‌شود:
بخش اول: مروری بر مطالعات صورت گرفته در زمینه کاربردهای متنوع شبیه‌سازی در سیستم‌های تولیدی

—d1914

2-2-10). توسعه فیزیکی شهر از دیدگاه اکولوژیک...................................................................................31
2-2-11). نظریههای هستههای متعدد شهر یا شهر چند هستهای........................................................31
2-2-12). نظریه ساخت دوایر متحدالمرکز.................................................................................................32
2-2-13). نظریه ساخت ستارهای شکل........................................................................................................32
2-2-14). نظریه محوری یا توسعه قطاعی شهر..........................................................................................33
2-2-15). نظریه شهر خطی............................................................................................................................33
2-3). متغیرهای موثر در مکانیابی توسعهی فیزیکی شهرها.................................................................33
2-3-1). مقدمه.................................................................................................................................................33
2-3-2). ژئومورفولوژی....................................................................................................................................34
2-34). جنس خاک..........................................................................................................................................34
2-3-5). قابلیت خاک. ..................................................................................................................................35
2-3-6). شیب...................................................................................................................................................35
2-3-7). باد.......................................................................................................................................................35
2-3-8). آبهای زیرزمینی.............................................................................................................................36
2-3-9). ارتفاع...................................................................................................................................................36
2-3-10). رعایت حریم گسل.........................................................................................................................36
2-3-11). جهتهای جغرافیایی......................................................................................................................36
2-3-12). حریم رودخانهها.............................................................................................................................37
فصل سوم: معرفی منطقهی مورد مطالعه
3-1).مقدمه........................................................................................................................................................39
3-2). ویژگیهای جغرافیایی-طبیعی منطقه...............................................................................................40
3-3). وضعیت توپوگرافی ................................................................................................................................41
3-4). وضعیت شیب منطقه...........................................................................................................................42
3-5). جهت دامنه..............................................................................................................................................42
3-6). ویژگیهای زمینساختی و تکتونیکی محدودۀ مورد مطالعه.........................................................45
3-6-1). زمینشناسی......................................................................................................................................46
3-7). ویژگیهای آب و هوایی شهر نورآباد..................................................................................................47
3-7-1). تابش آفتاب.................................................................................................................................47
3-7-2). میزان دما و رژیم حرارتی..........................................................................................................48
3-7-3). پراکندگی بارش در شهر نورآباد ..............................................................................................49
3-7-4). باد .................................................................................................................................................49
3-8). وضعیت هیدرولوژی منطقه..............................................................................................................50
3-8-1). .منابع آبهای سطحی.....................................................................................................................51
3-8-2 ). منابع آبهای زیرزمینی..............................................................................................................51
3-9). خاکشناسی منطقه مورد مطالعه ......................................................................................................52
3-10). خصوصیات زلزلهخیزی محدودۀ مورد مطالعه..............................................................................54
3-11) مطالعات تاریخی...................................................................................................................................54
3-11-1) وجه تسمیه ......................................................................................................................................54
3-12). مطالعات کالبدی.................................................................................................................................54
3-12-1). مرحله اول توسعه شهر نورآباد.....................................................................................................54
3-12-2). مرحله دوم توسعه از سال 1345 تا قبل از انقلاب اسلامی...................................................56
3-12-3). مرحله سوم توسعه شهر بعد از انقلاب تا سال1365..............................................................57
3-12-4). مرحله چهارم توسعه شهر از دهه 1365 به بعد. ...................................................................58

3-13). تغییر و تحولات جمعیت شهر...........................................................................................................59
3-13-1). تراکم خالص و ناخالص جمعیت شهر نورآباد...........................................................................60
3-13-2). بررسی وضعیت اشتغال و فعالیت در شهر نورآباد....................................................................60
3-14). اقتصاد شهر.......................................................................................................................................... 61
فصل چهارم: تجزیه و تحلیل و نتیجهگیری
4-1). مقدمه .......................................................................................................................................................64
4-2). بررسی وضعیت تناسب عوامل اکولوژیکی منطقه........................................................................64
4-2-1). وضعیت تناسب ارتفاع از سطح دریا منطقه................................................................................62
4-2-2). وضعیت تناسب شیب منطقه.........................................................................................................65
4-2-3). وضعیت تناسب جهت دامنه..........................................................................................................66
4-2-4). وضعیت تناسب زمینشناسی منطقه............................................................................................67
4-2-5). وضعیت تناسب بارش منطقه..........................................................................................................69
4-2-6). وضعیت تناسب دما منطقه..............................................................................................................70
4-2-7). وضعیت تناسب فاصله تا مسیل منطقه.......................................................................................71
4-2-8). وضعیت تناسب خاک منطقه. ........................................................................................................72
4-2-9). وضعیت تناسب پوشش گیاهی و کاربری اراضی منطقه.... .....................................................73
4-2-10). وضعیت تناسب فاصله تا محدوده شهر......................................................................................75
4-2-11). ترکیب کلیه لایههای عوامل اکولوژیکی منطقه. .....................................................................76
4-3). مکانگزینی شهر نورآباد(براساس با مدل اکولوژیکی). ..................................................................77
4-4). مکانیابی بهینهی توسعه آتی شهر نورآباد براساس عوامل اکولوژیکی........................................84
4-5). پیامدهای توسعه فیزیکی شهر نورآباد ..............................................................................................91
4-5-1). آلودگی آب. .......................................................................................................................................92
4-5-2). تخریب اراضی کشاورزی................................................................................................................92
4-6). نتیجهگیری. ............................................................................................................................................93
4-7). آزمون فرضیهها.......................................................................................................................................97
4-8). ارائه پیشنهادات و راهکارها.................................................................................................................98
منابع ومآخذ.. ....................................................................................................................................................99
فهرست جداول
جدول 2-1): معیارهای مدل اکولوژیکی توسعه شهری ایران. .................................................................37
جدول 3-1 ): تراکم خالص و ناخالص شهر نورآباد طی سالهای 1385-1345. ...............................60
جدول3-2: وضعیت شاغلین شهر نورآباد ممسنی طی سالهای 1385- 1345.................................61
جدول 4-1): وضعیت تناسب ارتفاع از سطح دریا منطقه........................................................................65
جدول 4-2): وضعیت تناسب شیب منطقه. ..............................................................................................66
جدول 4-3): وضعیت تناسب جهت دامنه.................................................................................................67
جدول 4-4: وضعیت تناسب زمین شناسی منطقه .................................................................................68
جدول 4-5: وضعیت تناسب بارش منطقه................................................................................................69
جدول 4-6: وضعیت تناسب دما منطقه........................................................................................................70
جدول 4-7: وضعیت تناسب فاصله تا مسیل منطقه ................................................................................71
جدول 4-8: وضعیت تناسب خاک منطقه...................................................................................................73
جدول 4-9: وضعیت تناسب پوشش و کاربری اراضی منطقه................................................................74


جدول 4-10: وضعیت تناسب فاصله از شهر...............................................................................................76
جدول 4-11: تعیین مناطق بهینه برای توسعه شهری............................................................................77
نقشه4-12: بررسی تناسب عوامل اکولوژیکی در مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد.........................79
جدول 4-13: مکانگزینی شهر نورآباد براساس با مدل اکولوژیکی........................................................86
فهرست اشکال(نمودارها)
نمودار 3-1 : روند تغییرات جمعیت شهر نورآباد طی سالهای 1385-1345......................................59
نمودار 3-2 : تراکم خالص و ناخالص شهر نورآباد طی سالهای 1385-1345...................................60
نمودار 3- 3: بررسی نقش اقتصادی شهر بر مبنای روش بوژوگارنیه......................................................62
فهرست اشکال( نقشهها)
نقشه 3- 1: موقعیت جغرافیایی شهر نورآباد ممسنی.................................................................................40
نقشه3-2: ارتفاع از سطح دریا منطقه.........................................................................................................41
نقشه3-3: شیب منطقه....................................................................................................................................42
نقشه3-4: جهت دامنه منطقه.........................................................................................................................45
نقشه3-5: زمین شناسی منطقه......................................................................................................................46
نقشه3-6: دما منطقه.........................................................................................................................................48
نقشه 3-7: بارش منطقه...................................................................................................................................49
نقشه 3-8: فاصله از رودخانه و مسیل...........................................................................................................50
نقشه 3-9: خاکشناسی منطقه.........................................................................................................................52
نقشه 3-10: توسعه ادواری نورآباد................................................................................................................55
نقشه 4-1: بررسی وضعیت تناسب ارتفاع از سطح دریا منطقه برای مکانیابی توسعه شهری.......65
نقشه4-2: بررسی وضعیت تناسب شیب منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................................66
نقشه 4-3: بررسی وضعیت تناسب جهت دامنه منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................67
نقشه 4-4: بررسی وضعیت تناسب زمینشناسی منطقه برای مکانیابی توسعه شهر......................68
نقشه4-5: بررسی وضعیت تناسب بارش منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................................69
نقشه 4-6: بررسی وضعیت تناسب دما منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................................70
..
نقشه 4-7: بررسی وضعیت تناسب فاصله تا مسیل منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...............72
نقشه 4-8: بررسی وضعیت تناسب خاک منطقه برای مکانیابی توسعه شهری..................................73
نقشه 4-9: بررسی وضعیت تناسب پوشش و کاربری منطقه برای مکانیابی توسعه شهری............75
نقشه 4-10: وضعیت تناسب فاصله تا محدوده شهر برای مکانیابی توسعه شهری..........................76
نقشه4-11: تعیین مکان بهینه برای توسعه فیزیکی و اسکان جمعیت آتی شهر نورآباد...................77
نقشه4-12: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل ارتفاع ....................................................79
نقشه 4-13: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل شیب.........................................................80
نقشه 4-14: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل جهت دامنه............................................80.
نقشه 4-15: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل زمین شناسی.........................................81
نقشه 4-16: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل بارش........................................................81
نقشه 4-17: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل دما. .........................................................82
نقشه 4-18: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل فاصله تا مسیل.....................................82
نقشه 4-19: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل خاک.........................................................83
نقشه 4-20: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل پوشش و کاربری اراضی.......................83
نقشه 4-21: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس کلیه عوامل اکولوژیکی.....................................84
نقشه4-22: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل ارتفاع...................................................86
نقشه4-23: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل شیب...................................................87
نقشه4-24: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل جهت دامنه......................................87
نقشه4-25 : مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل زمینشناسی...................................88
نقشه 4-26: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل بارش.............................................88
نقشه 4-27: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل دما. ................................................89
نقشه 4-28: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل فاصله تا مسیل..............................89
نقشه 4-29: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل خاک.................................................90
نقشه 4-30: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل پوشش و کاربری اراضی................90
نقشه 4-31: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به کلیه عوامل اکولوژیکی...........................91
فصل اول: کلیات تحقیق
1-1) مقدمه
شهرنشینی و توسعه فضایی- کالبدی متاثر از توزیع فضایی جمعیت٬ انواع عوامل طبیعی (اقلیم٬ خاک٬ ژئومورفولوژی و....) و انسانی ( جمعیت٬ اقتصاد٬ فرهنگ٬ سیاست و....) در عرصه زندگی بشری به عنوان ویژگیهای جهانی از قرن 18 میلادی٬ روند تکاملی را طی کرده و در قرن 20 شدت یافت٬ در قرن 21 میلادی نیز شاهد شهرنشینی گسترده با بیش از 62 درصد خواهیم بود (باستیه٬ 1377 :239 ). تراکم بیش از اندازه جمعیت، تمرکز فعالیتها وفراوانی ساخت و سازها، رشد و گسترش فیزیکی کانونهای شهری و تخریب اکوسیستم طبیعی را در پی داشته است. هر چند توسعه شهر در کشورهای صنعتی در قرون گذشته به آرامی صورت گرفته است اما در کشورهای در حال توسعه بعد از جنگ جهانی دوم صورت گرفته است وشهرهای کشورهای در حال توسعه با شتاب و سرعت بیشتری از شهرهای ممالک صنعتی توسعه مییابند (شکویی ٬ 1365 :176 ). لذا مطالعه اینگونه مسائل و آگاهی از کم و کیف آنها یکی از مهمترین وظائف برنامهریزان شهری میباشد. لازم به ذکر است که در دهههای اخیر شهرهای ما (بخصوص شهرهای بزرگ) به خوبی گسترش یافتهاند. این گسترش کالبدی یا انفجار کالبدی در بسیاری از موارد بیش از انفجار جمعیت بوده است. یعنی نسبت افزایش سطح بیش از افزایش جمعیت میباشد. در وهله اول این گسترش به نظر منطقی و طبیعی میآید چون با رسیدن جمعیت به آستانههای جدید تاسیسات و تسهیلات مورد نیاز و تقاضای جامعه شهری تامین میباشد که تناسب ساده با افزایش جمعیت ندارد ولی میتواند دامنهای بس وسیعتر از آستانه موجود را پاسخگو باشد (فرج زاده ٬ 1385 : 12 ). استقرار و پیدایش یک شهر بیش از هر چیز تابع شرایط و موقعیت جغرافیایی است، زیرا عوارض و پدیدههای طبیعی در مکانگزینی، حوزه نفوذ، توسعه فیزیکی و مورفولوژیک شهری اثری قاطعی دارند. پدیده های طبیعی گاه به عنوان عوامل مثبت و گاه عوامل منفی و بازدارنده عمل می کنند( ثروتی و دیگران، 1388: 27) . عدم سازگاری محیط طبیعی در توسعه شهرها میتواند زمینههای ایجاد مخاطرات گوناگون طبیعی را فراهم سازد همچنین بستر طبیعی قادر است در رابطه با عوامل آب و خاک ، شیب ، آب و هوا و ..... محدودیت هایی را برای توسعه فیزیکی شهرها ایجاد نماید( عزیزپور، 1375: 68). در این پژوهش ابتدا به گرآوری مبانی نظری در خصوص نقش و تاثیر عوامل اکولوژیکی در توسعه فیزیکی شهرها پرداخته شده است و سپس با بررسی و مطالعات وضع موجود شهر نورآباد ممسنی و مقایسه آن با معیارهای بهینه و معقول اکولوژیکی در سه قسمت به مکانیابی توسعه شهری( در سطح بخش مرکزی شهرستان)، مکانگزینی شهر نورآباد( در مقایسه با مدل اکولوژیکی) و در نهایت مکانیابی توسعه آتی شهر پرداخته شده است.
فصلبندی پایان نامه به شرح زیر میباشد:
فصل اول: به معرفی موضوع تحقیق، اهداف تحقیق، بیان مسأله، ضرورت، اهداف تحقیق و پیشینه آن پرداخته شده است.
فصل دوم: مبانی نظری تحقیق است که در این فصل به نظریات، دیدگاهها، مکاتب، مدلها و سایر مباحث مربوط اشاره شده است.
فصل سوم: در فصل سوم به معرفی منطقه مورد مطالعه (نورآباد ممسنی) پرداخته شده است و ویژگیهای جغرافیایی، اجتماعی، اقتصادی و کالبدی منطقه آورده شده است.
فصل چهارم: در فصل چهارم که به یافتههای تحقیق مورد تجزیه و تحلیل، قرار گرفته است. در این فصل به ارزیابی و تحلیل نقش عوامل اکولوژیکی بر مکانیابی توسعه شهری( در سطح بخش مرکزی شهرستان)، مکانگزینی شهر نورآباد( در مقایسه با مدل اکولوژیکی) و مکانیابی توسعه آتی شهر پرداخته شده است. در نهایت به نتیجه گیری، آزمون فرضیهها و پیشنهادات پرداخته شده است.
1-2) تعریف موضوع
فرهنگ مادی ومعنوی شهری، حاصل دستاورد بزرگ کانون تمدنساز از چند هزار سال پیش تاکنون بوده است و دستیابی به رفاه و آسایش فزاینده در محیط زیست شهری، از دغدغههای فکری فرهیختگان بهویژه کارشناسان آشنا به مسائل شهری در دو قرن اخیر میباشد. با گذشت زمان، نابودی منابع طبیعی شهری، از جمله زمینهای کشاورزی و منابع آبها، توسعه ناموزون آن، فقدان مدیریت کار آمد شهری با وضعیت نابرابری زای اقتصادی، مهاجرت سیل آسای جمعیت روستایی به شهرها تراکم و فشردگی این مهاجرین در محلههای مختلف و جدائیگزینی در شهرها، از مسائل و معضلاتی است که چشم انداز ناپایداری را بر شهرها تحمیل کرده است (مهندسین مشاور امکو ٬ 1379 :15 ). چنین تحولی موجب گستردگی محدوده خدماتی شهرها شده که انبوه جمعیت شهری را بـا سطوح طبقات اجتماعی متفاوت در خود جای داده است. با پویش فزاینده و سریعی کـه در ساخت کالبدی شهر، از سال 1350 به بعد یعنی اوج دوره رشد شهرها و هرج و مرج توسعه کالبدی شهری ایران، آن چنان وسعت مییابد که حتی تدوین قوانین سخت و برخورد قهرآمیز شهرداریها نیز از بروز آن عاجز میماند. نتیجه آنکه شهرهای ایران به خصوص بافت کـالبدی آنها، منشاء و بستر ناپایداری در شهرها میگردد. تغییرات کالبدی و تحولات فضایی شهرها، چنان سریع و شتابنده عمل کرده است که پس از دورهای کوتاه، اکنون شهرهای کشور، نه تنها توانایی حفظ ویژگیهای سنتی و اصیل، خود را ندارند، بلکه اصول تازه و علمی نیز بر کالبد آنها و رشد و توسعه آیندشان با مشکلات بسیاری همراه است(نصیری،54:1384). بیشتر شهرها در گذشته به صورت طبیعی رشد کردهاند، یعنی توسعه شهر بدون برنامهریزی آتی انجام شده و شهر به صورت افقی توسعه یافته است. در رشد طبیعی شهر، سیستم جادهای، پارکها، مدارس، زمینبازی و... بدون نظم و ملاحظات توسعه آتی شهر ایجاد میشدند. امروزه توسعه فیزیکی نابسامان و بیرویه یکی از مشکلات شهر و شهرنشینی جهان سوم در دوران معاصر است. به طوری که طی فرایندی مداوم، محدودیتهای فیزیکی و فضاهای کالبدی شهر در جهات عمودی و افقی به لحاظ کمی و کیفی رشد مییابد و اگر این روند سریع بیبرنامه باشد، ترکیبی نامناسب از فضاهای شهری مشکلزا خواهد انجامید و با عوارضی مثل بینظمی فضایی، گسترش فقر و نابرابری، فرسایش و آلودگی محیط زیست، کاهش زمینهای کشاورزی و ناامنی اجتماعی همراه خواهد بود. به همین دلیل موضوع رشد و توسعه فیزیکی و نحوه برنامهریزی و مدیریت آن به یک مساله مهم سیاسی، اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی در کشورهای مختلف از جمله ایران بدل شده و عموم مسوولان، مدیران و کارشناسان را به جست و جوی چاره برای حل برانگیخته است (حیدری،10:1385). توسعه فیزیکی و ناموزون شهرها بیشتر به سیاستهای اداری روستا-شهر وابسته بوده، روند بورس بازی، معاملات اقماری زمین نیز از عوامل اصلی در توسعه فیزیکی ناموزون شهرها محسوب میشود. هماکنون یکی از مشکلات تمام شهرها، رشد شهرنشینی و به تبع آن گسترش شاخکهای خزنده شهری بر اراضی پیرا شهری است که پیامدهایی چون: حاشیهنشینی، نابودی اراضی کشاورزی، افزایش جمعیت شهرها، عدم امکان پاسخگویی برای برخی از خدمات و کاربریها در شهر، گسستگی بافتهای فیزیکی، مشکلات زیست محیطی، خصوصا آلودگی و نابسامانی سیمای شهری داشته است (سعید آبادی و همکاران،44:1389). توسعه فیزیکی -کالبدی یک سیستم شهری تحت تاثیر عوامل مختلف قرار میگیرد که یکی از مهمترین این عوامل ویژگیهای محیط طبیعی، یعنی بستری که شهر بر روی آن قرار گرفته میباشد، عواملی مانند: اقلیم، ژٍئومورفولوژی، منابع آب، خاک... در توسعه یک شهر نقش بسیار تعیین کننده و مهمی را میتوانند بر عهده داشته باشند (فریادی و همکاران،2:1386).
شهر نورآباد به عنوان یکی از شهرهای استان فارس با مساحتی در حدود 783 هکتار و جمعیتی برابر 52597 نفر ( درسال1385 ) از نظر جمعیتی، نسبت به سال1345 ده برابر شده و از نظر کالبدی رشد زیادی پیداکرده است این رشد جمعیتی و کالبدی از حدود سالهای 61 ـ 60 ، آغاز گردیده و با شتاب ادامه دارد و افزایش جمعیت شهری هم به طور طبیعی و هم در نتیجه مهاجرت گسترده روستائیان از روستاهای اطراف آن، صورت گرفته است که این روند علاوه بر رشد فیزیکی و کالبدی شهر به ویژه در جهت شرقی موجب ارتقاء نقش و عملکرد شهر از حیث اداری، خدماتی در منطقه شده است. همچنین رشد فیزیکی اراضی شهری که توپوگرافی مساعد، آن را تشدید نموده است، به بورس بازی زمین، توسعه نامتعادل شهر، کمبود سرانههای شهری٬ بالا رفتن تراکم شهر و تخریب زمینهای کشاورزی اطراف شهر انجامیده است. از سوی دیگر وجود جاده ارتباطی شیراز ـ اهواز در نزدیکی محدوده شهر، قابلیت دسترسی به سایر نقاط کشور را افزایش داده، که این موقعیت نیز منجر به جذابیت بیشتر شهر و ورود مهاجرین روستایی از نقاط دورتر شده است. شهر نورآباد از آنجا که از هستههای روستایی تشکیل شده است، اراضی کشاورزی و باغات متعددی در بین آنها گسترده شده که یکی از عوامل عمده محدود کننده توسعه است. ارتفاعات متعدد در پیرامون محدوده کنونی شهر از عوامل محدود کننده توسعه است که در بسیاری از موارد به دلیل شیب زیاد امکان ساخت و ساز را فراهم نمیسازد. ( بوستانی، 118:1388). با توجه به اینکه هرکدام از عوامل شامل( اقلیم، ژئومورفولوژی، منابع آب و خاک و...) در برههای از زمان به صورت جداگانه یا همزمان در رشد و توسعه شهرنشینی نقش عمدهای را ایفا کردهاند، در این تحقیق به مطالعهی تاثیر این عوامل بر روند توسعه فیزیکی این شهر پرداخته و بهترین مکانهای توسعه آن نیز تعیین میگردد.
1-3) اهمیت وارزش تحقیق
درطی روند پویایی توسعه فیزیکی شهر محدودههای فیزیکی و فضاهای کالبدی آن در جهات عمودی وافقی از حیث کمی و کیفی بطور مداوم گسترش مییابند و دچار تحول میگردند. توسعه فیزیکی شهرها درایران با توجه به رشد جمعیت و تحولات جدید تغییرات بسیاری را پذیرفتهاند. با توجه به افزایش گرایش به شهرنشینی، شهرها برای پذیرش جمعیت نیاز به زمینهای وسیع و گستردهای دارند، که این زمینها از ترکیب واحدهای توپوگرافی و ژِئومورفولوژی تشکیل شدهاند. هر اندازه که شهرها توسعه یابند و گسترش پیدا کنند برخورد آنها با واحدهای توپوگرافی و ژئومورفولوژی و موضوعات مربوط به آنها زیادتر می شود.(مشهدیزاده، 47:1374). در گذشته در مکانگزینی شهرها بیشتر به مطالعات انسانی و اجتماعی اکتفا میشد ولی امروزه غفلت از مطالعاتی نظیر زمین شناسی، ژِئومورفولوژی، هیدرولوژی و ... خسارات هنگفتی را برای شهرها در پی خواهد داشت(نگارش، 1382). یکی از اهداف مهم تهیه طرحهای توسعه شهری، توسعه سنجیده شهرها بوده است و این انتظاز منطقی از آن هست که برای انتخاب محورهای توسعه شهری، در مطالعه فیزیکی شهرها، شرایط ژئومورفولوژیک، زمینشناسی، آب و هوا شناسی و ..... و ارتباط و تاثیر متقابل این پدیدهها بر یکدیگر بررسی شود. در راستای توسعه شهری، در صورتی که به اصول و مکانیسمهای فرآیندهای ژئومورفولوژیک، زمینشناسی و مورفودینامیک محیط توجه نشود، تعادل ژئومورفولوژیک محیط بهم خورده و باعث بروز خطرات بزرگی میشود ، به دنبال آن تلفات و خسارات جبران ناپذیری را ایجاد میکند( بخشنده نصرت، 1378: 385). در دهههای اخیر، عوامل اکولوژیکی در توسعه شهرها توجه بیشتری را به خود معطوف داشته است و به عنوان یکی از پایههای اساسی جهت توسعه شهرها معرفی میشود. در این رابطه رعایت عوامل طبیعی و مطابقت دادن توسعه شهرها با آن، از اقدامات اساسی جهت مقابله با حوادث طبیعی و حتی ممانعت از مخاطرات طبیعی نظیر( سیل ،زلزله ، نشست ، ریزش،لغزش، بالا آمدن سطح آب های زیر زمینی و ...) بشمار میرود( عزیزپور، 1375: 3 ).
توسعه فیزیکی شهر نورآباد نیز از این قاعده مستثنی نبوده است واین شهر در سالهای اخیر با توجه به ویژگیهای کالبدی به طور چشمگیری رشد نموده است. هدف از اجرای این پژوهش شناخت عوامل اکولوژیکی موثر در رشد و توسعه کالبدی شهر نورآباد و تحولات مربوط به آن طی دهههای اخیر میباشد. از طرف دیگر نتایج این پژوهش این ارزش را دارد که میتواند برای پژوهشگران دیگری که دررابطه با اثر افزایش جمعیت روی فضاهای کالبدی مطالعه میکنند بسیار ارزشمند باشد. نتایج این تحقیق میتواند به عنوان یک راهنما برای پژوهشگران و برنامهریزان دستاوردهای ارزشمندی داشته باشد واطلاعات و دادههای جدیدی را در اختیار آنان قرار دهد. نتایج این تحقیق ضمن روشن کردن عوامل اکولوژیکی موثر بر توسعه فیزیکی، راهها وراهکارهای عملی برای توسعه فیزیکی را به برنامهریزان نشان میدهد و بهترین مکان بهینه را برای اسکان جمعیت شهری بازگو میکند. نتایج این تحقیق علاوه بر افزودن و غنا بخشیدن به پژوهش های شهری برای مدیران و برنامهریزان ( اعضای شورای شهر-مدیریت شهر) بسیار مفید خواهد بود. همچنین نتایج این تحقیق در ابعاد آموزشی نیز ارزشمند است.
1-4) پژوهشهای علمی انجام شده قبلی در ارتباط با پایاننامه
برای آشنایی بهتر با موضوع مورد مطالعه استفاده از منابع و مراجع و پژوهشهای گذشته و کسب اطلاع از ادبیات موضوع ضروری است که بدانیم در واقع از اوایل قرن بیستم مسائل ومشکلات شهرها بطور عام و بعد از جنگ جهانی دوم بطور خاص مورد توجه جدی قرار گرفت بعد از آن شناخت وتجزیه وتحلیل وارائه راهبرد ها و عوامل موثر در روند توسعه وپیچیدگی شهری و پیامدها و نقش آن در گسترش فضایی – کالبدی در شهرها در دستور کار قرار گرفت. بعد از دهه 1950 شهرها در همه ابعاد مورد مطالعه قرار گرفتند. از جمله محققان و جغرافیدانان خارجی و داخلی در تبیین عوامل موثر بر توسعه و رشد ناهمگون شهرنشینی وشهرگرایی و پیامدهای آن بوده که مسائل چون مهاجرت٬ پیامدهای رشد کمی٬ شناخت و روابط حاکم در مناسبات شهر و روستا، انواع نارسائیها را در عرصههای شهری و..... در بر داشته است.گفتنی است در ایران نیز پژوهشگران و محققانی در این رابطه منابع متعددی به رشته تحریر درآورده اند. از جمله:
- نظری (1370) پژوهشی با عنوان گسترش فضایی شهر تهران و پیدایش شهرکهای اقماری انجام داده است که بر تاثیر بیچون و چرای گسترش فضای فیزیکی و نیروی انسانی شهر تهران در روستاهای حوزه نفوذ تاکید دارند و گسترش انفجارگونه و لجام گسیخته شهر تهران را سبب نابودی روستاهای اطراف و از بین رفتن فضای زیستی جمعیت پایتختنشین قلمداد میکنند.
- فریادی و همکاران (1386) پروژه - ریسرچای با عنوان مقایسه نقش و تاثیر عوامل محیط طبیعی در توسعه فیزیکی –کالبدی شهرها و با روش تحلیلی-میدانی و کتابخانهای انجام داده و به این نتیجه رسیدند که از مهمترین عامل طبیعی تاثیرگذار بر توسعه فیزیکی – کالبدی شهرها، ویژگیهای شکل زمین، ناهمواریها و به طور کلی ژئومورفولوژی بوده و هر سه پارامتر در نظر گرفته شده در توسعه فیزیکی شهرها تاثیر داشته اند.
- سعیدی و همکاران(1389) پروژه - ریسرچای با عنوان مدلسازی توسعه کالبدی و تعیین مکان بهینه برای اسکان جمعیت شهر سردشت تا افق 1400 به روش دلفی و منطق بولین در سیستم اطلاعات جغرافیایی و با روش توصیفی-تحلیلی و نوع تحقیق توسعهای- کاربردی انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که بستر و فضای جغرافیایی شهر به لحاظ شرایط طبیعی-محیطی پتانسیل اسکان جمعیت با توجه به رشد پیشبینی شده جمعیت (4/1) تا افق 1400 را نخواهد داشت. از طرف دیگر محاط بودن شهر سردشت به وسیله عوارض طبیعی و ژِئومورفولوژیک از طرف دیگر کمبودهای شدید شهر به لحاظ سرانه کاربریها، تجهیزات، تاسیسات و امکانات و خدمات و مهمتر از همه مسکن تا افق 1400، شهر را با محدودیت جدی روبهرو میباشد.
- محمدرضا ثروتی و همکاران(1390) پروژه - ریسرچای با عنوان بررسی تنگناهای طبیعی توسعه فیزیکی شهر سنندج با روش کتابخانه ای-میدانی انجام دادند که به این نتیجه رسیدند عواملی چون ارتفاعات آبیدر و تپه های داخل شهر و رودخانه قشلاق تنگناهایی برای توسعه شهر سنندج بوجود آوردهاند.
- عنایتاله موسوی (1385) در پایان نامه کارشناسی ارشد خود در رشته جغرافیا و برنامهریزی شهری دانشگاه اصفهان، تحقیقی با عنوان نقش عوامل جغرافیایی در توسعه کالبدی-فیزیکی شهر ایذه انجام داده است و بدین نتیجه رسید فرم شهر ایذه شعاعی است و عوامل طبیعی در توسعه کالبدی ایذه نقش موثری دارند.
- الناز همپانژاد (1386) در پایانامه کارشناسی ارشد خود در رشته جغرافیا و برنامه ریزی شهری دانشگاه نجف آباد موضوعی را با عنوان بررسی و تحلیل گسترش کالبدی شهر ارومیه تحقیق نمود و به این نتیجه رسیده است که وضعیت طبیعی و از طرف دیگر دیگر رشد جمعیت شهری باعث گسترش کالبدی شهر و جهت این گسترش شده است.
- منصور ملکی در پایاننامه کارشناسی ارشد (1387) خود در رشته جغرافیا و برنامهریزی شهری دانشگاه اصفهان موضوعی را با عنوان، شهر سنندج و روند توسعه فیزیکی آن انجام داده است و در این پژوهش به این نتیجه رسیده است که شکل توسعه فیزیکی شهر سنندج در طول این چند دهه بیش از هر چیز متاثر از شکل طبیعی و بیشتر از همه کوهستانی بودن این شهر است.
- علیاصغر پیلهور (1388) در پایاننامه کارشناسی ارشد خود در رشته جغرافیا و برنامهریزی شهری دانشگاه شهید بهشتی موضوعی را به عنوان، علل وپیامدهای توسعه فضایی شهر بجنورد انجام داده است و در این پژوهش به این نتیجه رسیده است که عواملی از جمله باروری بالا، کمبود مرگ ومیر بدلیل بالا رفتن کیفیت امکانات بهداشتی و مهاجرتهای روستایی باعث توسعه شهر شده است و از طرف دیگر این توسعه شدید باعث از بین رفتن باغات و زمینهای کشاورزی، ساخت وسازهای غیر مجاز و توسعه نامتعارف شهری شده است.
همچنین میتوان به طرحهای شهر نورآباد که شامل طرح تفضیلی و جامع میباشد اشاره نمود.
طرح جامع شهر نورآباد در سال 1379 انجام گرفته است، و از نقاط قوت آن میتوان به:
1- نظم بخشیدن به توسعه شهر 2- تجزیه و تحلیل جمعیت شهر و مشخص کردن نیازهای خدماتی و رفاهی این جمعیت 3- تجزیه وتحلیل کاربریهای شهری و بررسی کمبودهای آن اشاره نمود و اما در این طرح محدوده شهر بیش از حد نیاز جمعیت در نظر گرفته شده است و این امر باعث از بین رفتن زمینهای کشاورزی و باغات اطراف شهر شد، همچنین بسیاری از اطلاعات بدست آمده قابل اطمینان نمیباشد و ابهام دارد. شایان ذکر است که در تمام طرحهای جامع کشور و علل الخصوص طرح جامع شهر نورآباد مبنای کارکردی آنها بر اساس و تقلید از طرحهای 40 تا 50 سال پیش است که در کشورهای پیشرفته دنیا اجرا میشده است و در واقع این طرحها با شرایط امروز شهرها دیگر تطابقی ندارد.
- طرح تفضیلی شهر نورآباد هم که در سال 1383 تصویب شده است نیز دارای نقاط قوت و ضعفی میباشد.
جدید بودن طرح، که در حال حاضر میتواند مبنایی برای برنامهریزیهای شهر باشد و تجزیه وتحلیل دقیق مسائل شهری و مشکلات آن از نقاط قوت آن بشمار میرود. در زمینه کاربریهای پیشنهادی برای شهر بسیار خوشبینانه و بلند پروازانه مسئولین طرح عمل کردهاند و مساحت کاربریها را زیاد انتخاب کرده اند همچنین مسائل مطرح شده در این طرح بیشتر کاربرد برای وضع موجود شهر دارد و مناطقی را که تحت تاثیر توسعه شهر، زیر ساخت و ساز میرود در ارتباط با وضع موجود فرض نکرده است.
1-5) اهداف تحقیق
پژوهشهای شهری راهبردی بر مطالعه فرایندهای شهرنشینی و تاثیرات ناشی از این فرایندها در سطح جامعه و محیط اطراف آنها تاکید دارد. هدف از انجام این پژوهش‌ها گردآوری اطلاعات لازم و شناخت دقیق‌تر تأثیرات توسعه فیزیکی زندگی شهری بر محیط زیست اطراف آن به منظور تصمیم گیری درباره اهداف و فراهم نمودن خط مشی هایی برای بالا بردن کیفیت زندگی شهروندان است. هدف از پژوهش علمی کشف واقعیتها و برقرار کردن روابط میان آنها و تبین شرایط و رویدادهاست که به یک رشته تعمیمهای منطقی منجر می شود تا در صورت امکان بتوان براساس آن به پیشبینی رویدادها پرداخت. برای مشخص نمودن توسعه فیزیکی شهری اهداف مورد نظر به صورت زیر میباشد:
1- مکانگزینی شهر نورآباد براساس مدل اکولوژیکی توسعه شهری
2- بررسی وضعیت تناسب عوامل اکولوژیکی منطقه برای توسعه شهری
3- مکانیابی بهینه توسعه آتی شهر نورآباد براساس عوامل اکولوژیکی
4- اراِِئه پیشنهادات و راهکارهای اجرایی برای برنامهریزان و مدیران شهری
1-6) سوالات و فرضیه های تحقیق:
سوالات:
1- توسعه فیزیکی شهر نورآباد با توجه به توانهای اکولوژیک چگونه بوده است؟
2- براساس عوامل اکولوژیکی، بهترین مکان برای توسعه واسکان در فضاهای اطراف شهر نورآباد کجاست؟
فرضیات پژوهش:
بر این اساس فرضیاتی که در این تحقیق سعی در اثبات آن هست عبارت است از:
1- توسعه فیزیکی شهر با توانهای اکولوژیک منطقه هماهنگ نبوده است.
2- با توجه به سطوح هموار زمین و نقش آن در توسعه فیزیکی شهر نورآباد، قسمتهای شرق و غرب بیشترین تناسب را نشان میدهند.
1-7) روش تحقیق
هدف از انجام پژوهش‏های شهری راهبردی عبارتست از: شناخت مسائل و مشکلات فضاهای شهر و پسکرانه های آن و گره گشایی و چاره اندیشی نسبت به این مشکلات است. جهت بررسی دقیق و عمیق مسائل شهری لازم است مؤلفهها و عوامل تاثیر گذار بر حسب نوع درجه و اهمیتشان مورد بررسی و مطالعه موشکافانه قرار گیرد. بعلاوه با توجه به رشد وگسترش سریع شهرها وجود انبوهی از متغیرهای موثر در آنها و همچنین حجم باور نکردنی اطلاعات، بکارگیری شیوههای سنتی در تحلیل مسائل چندان معقول و رسا نیست و گاهاً پژوهشگر را به اشتباه میاندازد. عواملی همچون رشد جمعیت، مهاجرت و پیامدهای آن، خدمات رسانی و توزیع عادلانه و بهینه خدمات در محیط شهر و بالاخص مادر شهرها با موانع و معضلاتی همراه است، لذا اتخاذ سیاست های کارآمد و بجا در رابطه با ارائه خدمات، بهینه یابی پهنههای مناسب برای گسترش شهری و تخصیص بهینه فضا برای جمعیت ساکن در بخش های مختلف شهر (حاشیه، مرکز و … ) جهت دسترسی سریع و کم هزینه شهروندان، از اهداف و مراحل تحقیق می‏باشد.
نوع تحقیق تئوری_کاربردی و روش آن توصیفی_تحلیلی است. با توجه به اینکه هدف از پژوهش حاضر ، بررسی نقش عوامل اکولوژیکی در توسعه فیزیکی شهر نورآباد میباشد، برای این منظور ابتدا برای تشخیص و ضرورت تعیین مکان بهینه برای توسعه آتی، شاخصهای موثر در توسعه فیزیکی را مشخص نموده و لایه های اطلاعاتی را تهیه میکنیم سپس به شناسایی ویژگیهای طبیعی( توپوگرافی، زمین شناسی، ژئومورفولوژی، خاکشناسی و.. ) جمع آوری اطلاعات مربوطه پرداخته شده است. برای تهیه اطلاعات مورد نیاز، ابتدا نقشههای توپوگرافی با مقیاس 50000 وارد محیط Arc GIS 9.3 گردید، سپس این نقشهها، زمین مرجع و رقومی شدند. پس از رقومی کردن، مدل ارتفاعی رقومی DEM شهر نورآباد تهیه گردید و بدین طریق لایههای اطلاعات شیب و جهت دامنه منطقه تهیه شد. پس از تبدیل لایههای اطلاعاتی به فرمت رستری، ویژگیهای شیب، ژئومورفولوژی، فاصله از رودخانه و پوشش گیاهی، بارش و دما مشخص گردید. مرحله بعد تهیه نقشههای مربوط به مکانیابی توسعه شهری، مکانگزینی شهر نورآباد و مکانیابی توسعه آتی شهر در محیط GIS بود. که دراین مرحله نقشهها، تهیه گردید، سپس با توجه به هریک از معیارهای اکولوژیکی (قره گوزلو –مخدوم) اقدام به ارزیابی تناسب هریک از عوامل اکولوژیکی برای توسعه شهری گردید. با توجه به منطق بولین مناطقی که متناسب با معیارها بودند امتیاز 1 و مناطقی که نامناسب بودند امتیاز صفر گرفتند و سرانجام تلیفق نقشهها ( Overly ) صورت پذیرفت. این کار برای این منظور انجام گرفت که نقش مثبت و منفی عوامل اکولوژیکی منطقه بر روی توسعه فیزیکی و مکان گزینی شهر نورآباد مشخص گردد.GIS با داشتن قابلیت های منحصر به فرد در ایجاد سیستمهای پشتیبانی و تصمیم گیریهای فضایی و با داشتن توابع تحلیلی (بخصوص امکانات تحلیل شبکه، مدل های تخصیص مکانی و بطور کلی مدلسازی) می‏تواند درحل مسائل مختلف منجمله تحلیل دسترسیها، تعیین حوزه نفوذ، مکانیابی و تخصیص منابع، توسعه پایدار، توسعه عدالت اجتماعی و… به عنوان ابزاری قدرتمند با قابلیت انعطاف پذیری بالا عصا و یاور مدیران و سازندگان پیکره شهرها باشد. بعلاوه به هنگام کردن نقشه که درگذشته ماهها به طول میانجامید درحال حاضر به طور ساعتی انجام میپذیرد (محمدی ،1381، 60). GIS هزینهها را کاهش داده و زمان (که در برنامهریزی اهمیتی خاص دارد) را بطرز شگرفی مطیع خود ساخته است.1-7-1) مدل منطق بولین یا منطق صفرو یک).
این منطق برگرفته شده از نام ریاضیدان مطرح انگلیسی ( جورج بولی ) بوده است. در این مدل، اطلاعات راجع به هر نقشه ورودی به شکل دوتایی (باینری 9 صفر و یک تبدیل می شوند و نقشه خروجی نیز بعد از ترکیب یک نقشه جدید با دو کلاس صفر و یک خواهد بود. به عبارت دیگر عضویت در یک مجموع مناسب است با نامناسب، و حد وسطی ندارد و نقشههای نهایی و تلفیق یافته نیز هر پیکسل یا مناسب است یا نامناسب تشخیص داده میشود( نقیبی، 1382، 17 ). منطق بولین یا منطق (صفر و یک)، ترکیب منطقی نقشهها را به صورت صفر و یک نشان میدهد که با عملکردهای شرطی نتیجه بدست میآید. این مدل دارای مجموعه ای است که فقط دو عنصر دارد و باید با هر یک از معیارهای ترکیب شونده اهمیت برابر داده شود و لذا برای انتخاب مکان، این محل یا مناسب است و یا نامناسب و هیچ حالی دیگری ندارد( ثنایی نژاد، 196:1376).
در تحلیل مدل های فضایی، عملیات مربوطه معمولا لایه به لایه انجام میشود. عملیات یک یا چند لایه را به عنوان ورودی دریافت کرده و براساس آن لایه جدیدی به عنوان خروجی تولید میکند. براساس این روش در نتیجه ترکیب لایهها، واحدهایی به عنوان مناطق مناسب انتخاب میشوند که تمام عوامل اکولوژیکی آن مناسب (1) باشند. اگر تنها براساس یک عامل، واحدی نامناسب تشخیص داده شودآن قسمت از مجموعه زمینهای نامناسب حذف خواهد شد. به این طریق با ورود هر لایه به مدل محدوده واحدهای مناسب کوچکتر شده تا اینکه در نهایت براساس جمع معیارها واحدهایی که باقی میماند به عنوان محدوده مناسب تشخیص داده میشوند. گاهی اوقات در نتیجه ورود لایه ها به مدل و محدود شدن واحدهای مناسب، ممکن است هیچ واحدی به صورت مناسب باقی نماند زیرا به هر حال بخشهای مختلف سرزمین در زمینه های متفاوت ممکن است دارای محدودیت هایی باشند. به این ترتیب از میان مجموعه معیارها تنها براساس یک معیار، نامناسب تشخیص داده شوند در این صورت کل آن واحد از مجموعه زمینهای مناسب خارج میشود. در حالی که این امکان وجود دارد که نامناسب بودن این معیار را از طریق اقداماتی جبران کرد.(فرجی سبکبار و مطیعی لنگرودی، 1381).
1-8) مشکلات تحقیق
در طول هر تحقیق براساس موضوع، مکان و زمان تحقیق مشکلاتی رخ میدهد، نظر به اینکه در زمینه برنامهریزی شهری در شهر نورآباد تاکنون مطالعات جامعی صورت نگرفته است بنابراین طبیعی است که مشکلات زیادی بر سر راه تهیه و تدوین این رساله وجود خواهد داشت. در انجام این تحقیق مشکلات زیادی وجود داشت که سرعت انجام کار را کاهش میداد. بطور کلی اهم مشکلاتی که نگارنده با آن مواجه بوده است عبارتند از :
- به دلیل نبود یک نقشه مبنایی دقیق جهت انجام کار و عدم همکاری سازمانهای مربوطه جهت تهیه نقشه برای انجام تحقیق، تهیه نقشه پایه به سختی صورت پذیرفت.
- عدم همکاری سازمانهای متولی در امر تهیه آمار و اطلاعات لازم و تأخیر مسئولین مربوطه جهت ارائه آمار و اطلاعات.
- عدم دسترسی به آمار واطلاعات شهرستان و شهر نورآباد به دلیل جوان بودن بعضی از ادارات و نبود واحد آمار در بسیاری از ادارات مربوطه.
- ارجاع بسیاری از ادارات به مرکز استان برای اخذ آمار و اطلاعات مورد نیاز.
فصل دوم
مبانی نظری تحقیق

2-1). مقدمه: این فصل از تحقیق، ابتدا مفاهیم اساسی و پایه مربوط به توسعه شهری و سپس متغیرهایی را که، در توسعه فیزیکی شهر نقش دارند مورد بررسی قرار گرفتهاند.
2-2) مباحث مربوط به توسعه شهری
شهر
شهر و شهرنشینی روند اجتماعی برجسته‌ای است که بیشتر موجب دگرگونی در روابط متقابل انسان با محیط و با انسانهای دیگر شده است. در حقیقت تغییر در واکنش‌های انسان‌ها نسبت به هم و نسبت به محیط، به تحول اجتماعی و دگرگونی فضائی امکان داده که نمود عینی آن به صورت یک پدیده نو که اصطلاحاً (شهر نامیده می‌شود ) نمایان گردیده است. ویژگیهای شهر و مفهوم آن در دوره‌های مختلف تاریخی و مناطق مختلف یکسان نبوده و مفهوم آن در هر دوره و مناسب با هر سرزمینی در مسیر تاریخ تفاوتهایی را نشان می‌دهد. امروزه تعریف جامعی از شهر که بتواند شامل کلیه شهرهای جهان باشد مشکلست، چرا که شهرها به سیستم‌های اقتصادی و اجتماعی همسان وابسته نبوده و نکات مشترکی بین آنها وجود ندارد. بنابراین هر یک از جغرافیدانان بنا به ادراک و برداشت خود تعریفی از شهر کردهاند ( فرید، 1382 : 1 ). در واقع شهر زیستگاهی است انسان ساخت و در زیر یک قدرت سیاسی مشخص که تمرکز جمعیتی نسبتاً پایداری را در درون خود جای می‌دهد، فضاهای ویژه براساس تخصص‌های حرفه‌ای به وجود می‌آورد تفکیکی کما بیش مشخص میان بافت‌های مسکونی و کاری ایجاد می‌کند و فرهنگی خاص را به مثابه حاصلی از روابط درونی خویش پدید می‌آورد که درون خود خرده فرهنگ‌های بیشماری را حمل می‌کند( فکوهی، 1383: 28-29 ). با این همه شهر اجتماعی است با تعداد و تراکم معین و متناسب جمعیت، با بافت و ساختار کالبدی یکپارچه و بهم پیوسته اعم از محلات، کوی‌ها، و یا مناطق مسکونی، فضاهای فرهنگی، بازرگانی، تولیدی، اداری، ارتباطی، کشاورزی و نظایر آنها که اکثریت ساکنان شاغل دائمی آن در مشاغل غیر کشاورزی بکار اشتغال داشته و بر اثر تمرکز تولید و خدمات فرامحلی، کانون سیاسی-اجتماعی، فرهنگی، اداری، مواصلاتی، و مرکز مبادلات اقتصادی و تأمین نیازهای حوزه جذب و نفوذ فضای پیرامون خود نیز می‌باشد ( نظریان،1383: 4-1 ). شهر به مثابه بخشی از سلسله مراتب سیستم فضایی و تقسیمات سیاسی– جغرافیایی هر کشور براساس شاخصهای مختلفی مانند: نوع حکومت، مدیریت، سطح آگاهی، علاقهمندی اجتماعی و مشارکت مردم در نظام تصمیمگیری شکل میگیرد( زاهدیفر، 1373 : 10 ).
برنامهریزی
بطور کلی از زمانی که بشر برای شناسایی محیط اطراف و تسهیل در امر زندگی و رفع مشکلات و نیازهای خود به تکاپو پرداخت، در حقیقت، دست به یک نوع برنامه‌ریزی زد. در صورتی که بخواهیم تعریفی کلی از برنامه‌ریزی داشته باشیم، می‌بایستی برنامه‌ریزی را عبارت از کوششی در جهت انتخاب بهترین برنامه‌ها در جهت رسیدن به هدفهای مشخص بدانیم که ممکن است این کوشش‌ها و برنامه‌ها، تا مرحله نهایی هدف نیز پیش نرود، بلکه گامهایی در جهت رسیدن به آن باشد (شیعه، 1381: 85-86 ). برنامه‌ریزی به معنای اندیشیدن و تنظیم پیشاپیش امور، قبل از بروز وقایع و رویدادها است تا در اموری همچون بهداشت، سلامت، رفاه، آسایش، خوشبختی افراد جامعه، نتایج مطلوبی بدست آید، بدیهی است برای برنامه‌ریزی دقیق می‌توانیم اشتباهات گذشته را جبران نموده و نسبت به آینده هوشیار‌تر عمل کنیم ( هیراسکار، 1376: 14).
برنامه‌ریزی فعالیتی است که بشر از آغاز به آن مشغول بوده است. هیچ اقدامی برای رسیدن به هدف هرچه باشد به نتیجه نمیرسد، مگر آنکه شامل برنامهریزی باشد. اقدامات لازم برای نیل به هدف به طور اصولی از مراحل زیر میگذرد:
مشخص کردن هدف‌ها
انتخاب وسایلی که برای رسیدن به هدف‌ها به کار می‌رود
به کار بردن این وسایل
این سه مرحله روی هم فرایند برنامه‌ریزی را تشکیل می‌دهند. با توجه به این توضیحات ارائه شده، برنامه‌ریزی را چنین می‌توان تعریف نمود: "تصمیم آگاهانه جهت یافتن راههای مناسب برای رسیدن به مطلوب‌های انسانی و تأمین منابع لازم، برنامه‌ریزی محسوب میگردد" ( استعلاجی و عبدالرضا مسلمی، 1380: 10 ). برنامه‌ریزی دارای تعاریف زیادی می‌باشد، برای درک بهتر مفهوم برنامه‌ریزی و آشنایی با دیدگاههای دیگر در مورد آن در زیر چند نمونه از آنها ذکر می‌شود:
برنامهریزی فرآیندی است آیندهنگر که به شدت تحت تأثیر گذشته و حال است. برنامه‌ریزی دانش علمی و تکنولوژیک را با فعالیتهای ساخت اجتماعی مرتبط میسازد (Fridman,1987, 38).
"پیتر هال" برنامه‌ریزی را چنین تعریف می‌نماید: «برنامهریزی، به عنوان فعالیتی همگانی، فراهم آوردن سلسله‌ای از کارهای منظم است که به دسترسی به هدف کلی و یا هدف‌های کلی بیان شده می‌انجامد» (سیف‌الدینی، 1383: 32). "واترسون" برنامه‌ریزی را چنین تعریف می‌کند: برنامه‌ریزی، فعالیتی سازمانیافته و تلاشی هوشیارانه، به منظور گزینش بهترین راه‌حل‌های پیشنهادی موجود، برای دسترسی به هدفهای کلی ویژه است. برنامهریزی، نشان دهنده بکارگیری بخردانه دانش انسان برای فرایند دستیابی به تصمیم‌هایی است که همچون بنیانی برای فعالیت انسان، عمل می‌کنند. هسته مرکزی این فعالیت، ایجاد رابطه بین هدف‌های نهایی و ابزار دستیابی به آنها، با هدف دسترسی به هدف‌های نهایی، با استفاده از باکفایت‌ترین و کارآمدترین استراتژی‌ها است» (همان کتاب، ص 30)."فریدمن" برنامهریزی را نوعی تفکر درباره مسائل اجتماعی، اقتصادی تعریف نموده که جهت‌گیری و آینده‌نگری به صورت علمی، در روابط، اهداف و تصمیمات همه جانبه دارا بوده و بشدت در زمینه خطمشی و برنامه از جامعیت برخوردار باشد (زیاری، 1383: 19) و از لحاظ سیستمی به منظور بهبود زندگی انسانها سیستمها را تحت کنترل خود درآورد ( Fridman & Alonso, 1964,61).
برنامهریزی شهری
همانطور که در تعریف برنامهریزی بیان گردید٬ برنامهریزی کلا عبارت است از یک فعالیت علمی و منطقی٬ در جهت رسیدن به هدفهای مورد توجه جامعه. اگر این مبنا مورد قبول واقع شود برنامهریزی شهری عبارت است از تامین رفاه شهرنشینان٬ از طریق ایجاد محیط بهتر٬ مساعدتر٬ آسان تر٬ سالمتر٬ ودلپذیرتر (شیعه، 1383 : 101). برنامهریزی شهری٬ در واقع در جهت تامین نیازهای خدمات شهری٬ و در نظر گرفتن عوامل مختلف اقتصادی و اجتماعی در یک سیستم برنامهریزی شهری جامع و پویا٬ مشخص کردن سیاستها و برنامههای توسعه شهری٬ هماهنگ کردن آنها با سایر برنامههای عمرانی در سطح منطقهای و کشوری و تنظیم برنامه ها و طرحها در دوره زمانی معین است(زیاری،1383 : 55-54 ). برنامهریزی شهری پویاست و علت پویایی آن این است که شهر مانند یک موجود زنده است که مقداری مکانیسم این ارگانیسم را متاثر میکند. بنابراین، جهت تامین نیازهای خدمات شهری و در نظر گرفتن عوامل مختلف اقتصادی و اجتماعی در یک سیستم برنامهریزی شهری جامع و پویا٬ مشخص کردن سیاستها و برنامههای توسعه شهری٬ هماهنگ کردن آنها با سایر برنامههای عمرانی در سطح منطقهای و کشوری، و تنظیم برنامهها و طرحها در دوره زمانی معین از اولویت ویژهای برخوردار است(شیعه، 1383 : 102 ).
کاربری اراضی
مفهوم کاربری اراضی به معنای به کارگیری زمین برای اهداف به خصوص توسط انسان می‌باشد. (meyer, 1994, 10) کاربری زمین به طور ذاتی درباره‌ی تمام جنبه‌های فضایی یا فعالیت‌های انسانی در زمین و طریقه‌ای که سطح زمین می‌تواند برای نیازهای مختلف آماده شود و از آن بهره‌برداری گردد بحث می‌کند. (Robing, 1989, 19-20) و یا کاربری زمین جنبه‌های فضایی همه‌ی فعالیت‌های انسانی را در روی کره‌ی زمین برای رفع نیازهای مادی و فرهنگی او نشان می‌دهد. (Northam, 1975, 168).
کاربری زمین در واقع بهره‌برداری صحیح انسان از طبیعت است که در چند دهه‌ی اخیر از سوی پژوهشگران به ویژه دانشمندان علم جغرافیا به کار رفته است. در واقع این واژه استفاده از امکانات و توانایی زمین را نشان می‌دهد به عبارت دیگر نحوه‌ی استفاده از زمین و کارکردی که به آن تعلق می‌گیرد را کاربری زمین گویند این کارکرد ممکن است در مقیاس منطقه باشد و یا در مقیاس سکونت‌گاه‌های انسانی و شهر مد نظر باشد (عسکری، رازانی و رخشانی، 1381: 5) بر همین مبنا برنامه‌ریزان معمولاً زمین را از نظر میزان کاربرد و اثرات آن به محل، محیط و جامعه دستهبندی می‌کنند (سیف‌الدینی، 1378: 259).
رشد و توسعه شهری
رشد شهری اضافه شدن مناطق و محلههای جدید و گسترش خودرو و بیرویه شهرها را شامل میشود. توسعه فیزیکی و رشد جمعیت شهری به سرعت تغییرات و دگرگونیهای را در شکل شهر بوجود میآورند که به صورت گسترش فیزیکی شتاب آلود و به صورت نامتعادل و ناهماهنگ بروز میکند٬ رشد شهری به نوعی حاکی از عدم وجود برنامهای خاص و یا متعادل با گسترش و افزایش جمعیت است بطور کلی افزایش کاربری مسکونی و تخصیص حداقل سرانهها و فضاها به سایر کاربریها پیشی گرفتن رشد بر توسعه یا تقدم مقیاس بر عملکرد و برتری کمیت بر کیفیت نام دارد (همپانژاد ،1388: 18 ). توسعه عبارت از تغییرات کمی و کیفی که هدفش بهبود توسعه یافتگی اجتماعی– اقتصادی و ارتقای معنوی باشد (صابری فر٬ 1378 ، 28 ). به بیانی دیگر توسعه عبارت است از وسعت دادن یک پدیده در ابعاد مختلف که جامعیت داشته و دربرگیرنده توسعه اقتصادی٬ سیاسی٬ فرهنگی و تغییرات رفتار فردی نیز میباشد(زمردیان٬ 1374 : 14 ).
توسعه شهری به عنوان یک مفهوم فضایی را میتوان به معنای تغییرات در کاربری زمین و سطوح تراکم جهت رفع نیازهای ساکنان شهر در زمینهی مسکن٬ حمل و نقل و اوقات فراغت تعریف کرد (1996, 266 ,mukomo). هر چند اغلب اصطلاحات رشد و توسعه فیزیکی شهر به جای یگدیگر مورد استفاده قرار می گیرند. اما باید اذعان کرد که هر دو دارای مفاهیم جداگانه هستند به طوری که اکثر متخصصین برنامهریزی شهری معتقدند رشد شهری و گسترش خودرو باعث رشد بیرویه شهرکها٬ مناطق مسکونی و افزایش بی اصول و نا برابر سطوح مختلف شهری است ( وبر، 39:1369).
مفهوم توسعه فیزیکی
از ترکیب انواع فضاها یا کاربریهای مسکونی٬ تجاری٬ صنعتی٬ تفریحی٬ و مذهبی ایجاد ارتباط و حرکت در زمان و مکان بین فضاهای یاد شده پیکرهای به وجود میآید که به صورت یک سیستم فیزیکی یا کالبدی عمل میکند. این پیکره را میتوان یک کالبد به حساب آورد و گسترش این پیکره را توسعه کالبدی یک شهر یا یک مکان جغرافیایی قلمداد کرد (زنگیآبادی٬ 1376: 192 ). به عبارتی دیگر مفهوم توسعه فیزیکی عبارت است از افزایش و گسترش وسعت شهر در اراضی پیرامونی خود یا الحاق مراکز سکونتی اطراف شهر به شهر اصلی به طوری که کاملا در شهر مادر ادغام گردند (دهاقانی٬ 1378 : 412).
فضای شهری
مفهوم فضا به کلیه فعالیتهای و ساختارهای شکل گرفته در مکان اطلاق میشود. فضا یک مقوله بسیار عام است. فضا تمام جهان هستی را پر میکند و ما را در تمام طول زندگی احاطه کرده است(هدمن و یازوسکی٬ 1381 : 67 ). فضای شهر٬ شامل کلیه سازههای شهری از جمله خیابانها٬ ساختمانها٬ میدان ها و آب نماها٬ پارکها٬ فضای سبز٬ پلها و سایر عناصر شهری است. خیابانها مهمترین٬ حساسترین٬ و بیشترین فضاهای عمومی یک شهر را تشکیل میدهند. حساسیت و اهمیت خیابانها و به طور کلی شبکه ارتباطی به دلایل زیر است : (بحرینی ٬ 1375 :3-1)
1- سطح زیادی از فضاهای عمومی را به خود اختصاص میدهد.
2- عنصر اصلی فرمدهی به شهر هستند.
3- محل اتصال و ارتباط فضاهای دیگر شهر هستند.
4- نماد اجتماعی و فرهنگیاند.
5- مهمترین وسیله و ابزار طراحی شهریاند.
فضای شهری یک نمونه از فضای جغرافیایی است. مرکز شهر یا بافت قدیم به دلیل مرکزیت٬ مهمترین فضای شهری است. فضای شهری توسعه فرایندهای طبیعی٬ نظام یافته به وسیله انسان٬ شرایط اجتماعی٬ سیاسی و به طور کلی فرهنگی جامعه شکل میگیرد. در واقع فضای شهری٬ بخشی از سطح زمین است که به همراه درونمایه مادی و اجتماعی و فرهنگی به وجود میآید. از این رو فضای جغرافیایی شامل طبیعت و همه منابعی است که می تواند به طور مستقیم و غیرمستقیم با نیازهای انسانی برخورد کند و چهره جدیدی از سطح زمین را به عنوان فضای شهری بسازد. بدینسان که فضای جغرافیایی یک حوزه زیستگاهی است که از شرایط طبیعی و ساختارهای اجتماعی جامعه شکل میگیرد (شکویی ، 118:1375). با رشد و توسعه فرهنگی از قرن بیستم به بعد نقش فرهنگ در ایجاد تغییر و تحول فضاهای شهری بیشتر شده است. به طور کلی بعضی از محققان معتقدند که هر فعالیتی که انسان انجام میدهد اساسا متکی به فرهنگ اوست. فرهنگ مجموعهای از عقاید٬ آداب و رسوم٬ نسبتها٬ مقررات حاکم و خلاصه شیوه زندگی انسانهاست. هویت هر شهر علاوه بر ویژگیهای محیط طبیعی و نحوه رفتار و گویش و لباس پوشیدن مردم٬ از طریق فضاهای شهری آن شهر شناخته میشود.از جمله مهمترین عناصر تشکیل دهنده هر شهر٬ فضاهای شهری آن است که با شناخت آنها شهر قابل بازشناسی میگردد. پس برای اینکه شهری هویت قوی و به یاد ماندنی داشته باشد٬ باید فضاهای عمومی شهر دارای فرم متناسب٬ منطقی و زیبا پاسخگو به عملکرد مرتب بر آنها باشند(لاری بقال، 1380 : 65 ).
بافت شهری
بافت شهر عبارت است از دانهبندی و درهم تنیدگی فضاها و عناصر شهری که به تبع ویژگیهای محیط طبیعی، بهویژه توپوگرافی و اقلیم در محدوده شهر یعنی بلوکها و محلههای شهری به طور فشرده و یا گسسته و با نظمی خاص جایگزین شدهاند(توسلی ، 1368 :5 ). بافت هر شهری کمیتی پویا و در حال تغییر است که وضع کالبدی شهر و چگونگی رشد و گسترش آن را در طول زمان نمایان میسازد. بافت هر شهر، ابتدا دانهبندی فضای کالبدی شهر، یعنی فضاهای خالی و پر تراکم آنها را نسبت به یکدیگر مشخص می کند. همچنین چگونگی و فاصله بین عناصر شهری را معین میکند. بافت شهر شبکه گذرگاهی و نحوه توزیع فضایی آنها را نشان میدهد. ابعاد و اندازه هر یک از فضاهای کالبدی در افق و در ارتفاع با صورت عمودی و یا افقی میتواند نماینگر نوع و حجم بافت خاصی از شهر باشد. فضاهای خالی گویای ویژگیهای خاص شهریاند. مثلا فضاهای خالی موجود در مرکز محلههای شهری و راههای مهم و تقاطعها و در مجموع بافت،گویای وجود مراکز و هستههای شهری و محلهای هستند. بافت هر شهر نحوه شکلگیری و مراحل رشد و توسعه شهر را در طول تاریخ نشان میدهد. یکی از عوامل اصلی و بسیار مهم شکلگیری بافت شهر در گذشته عوامل محیط طبیعی بوده است. سه عامل توپوگرافی زمین، آب و هوا و منابع آب، عوامل اساسی و مهم طبیعتاند که در بافت شهرهای قدیمی ایران تاثیر عمیقی به جای گذاشتهاند(سلطان زاده ، 1369 : 299 ). بافت شهری از سه عنصر مرتبط به هم تشکیل شده است :
1- طراحی شبکههای ارتباطی که آرایش شبکه خیابانها و گذرها و الگوی تفکیک زمین و بناها را مشخص میسازد و تحت تاثیر شیوه زندگی و معیشت و فرهنگ شهروندان است.
2- الگوهای کاربری که کاربریهای زمین و فضاها را نشان میدهد.
3- طراحی فضاها یا ساختارهای کالبدی بر روی زمین که در مجموع، بافت شهری را تشکیل می دهد.
نظریات مورفولوژیکی و توسعه فیزیکی شهر
نظریات مورفولوژیکی در علم جغرافیا٬ از مفهوم چشمانداز گرفته شده است که ابتدا توسط کارل ریتر جغرافیدانان آلمانی وارد ادبیات جغرافیایی گردید. بعدها این مفهوم را با طیف گستردهای٬ جغرافیدانانی نظیر « ریشتهوفن » و « ویدال دولابلاش » به کار گرفتند و « کارل ساور » با گستردهترین شکلی آن را به ادبیات جغرافیایی آمریکا اضافه کرد ( شکویی ٬ 1375: 17 ). همین امر سبب شده است که 12 درصد بررسیها و تحقیقات جغرافیایی که در زمینه ساخت داخلی شهرها صورت میگیرد، مربوط به مورفولوژی شهری است که طرح شهر٬ فرم ساختمانها و الگوی بهرهگیری از زمین و ساختمان را شامل میشود ( شکویی ٬ 1374 : 159 ). به طور کلی باید گفت که مورفولوژی شهری٬ مطالعه نظام یافته ( سیستماتیک ) از تکوین رشد٬ فرم٬ طرح٬ ساخت٬ کارکرد و توسعه شهر٬ با توجه به ساختهای اجتماعی و اقتصادی است ( همان کتاب ٬ ص266 ). که موارد مورد مطالعه در آن عبارت است از٬ 1- کارکرد هسته اصلی شهر٬ در شکلگیری آن و تحلیلی بر جغرافیای تاریخی شهر 2- تاثیرات کارکرد مناطق داخلی شهر و رابطه میان کارکرد و فرم 3- سبک معماری در بخش قدیم وجدید شهر 4- فرهنگ و مورفولوژی شهر 5- قیمت زمین وتاثیر آن در مورفولوژی شهر 6- نقش تاسیسات عمومی مثل بیمارستانها، دانشگاهها٬ ورزشگاهها، زیارتگاهها و مساجد در مورفولوژی شهری 7- نقش پادگانها٬ ترمینالها، گورستانها٬ فرودگاهها و میدانها در مورفولوژی شهری 8- تاثیر عوامل طبیعی مثل مسیر رود٬ درهها٬ کوهستان٬ دشت٬ مسیرهای آب قنات٬ و اقلیم در مورفولوژی شهری و .... (همان کتاب ٬ص 265 ). بنابراین با بهره جستن از دیدگاههای مورفولوژیکی به راحتی میتوانیم چگونگی شکلگیری شکلگیری شهرها و عملکردهای آن را بررسی کرد و به توسعه شهر که در آینده اتفاق خواهد افتاد٬ جهت دهیم. این عمل سبب میشود مناطق کارکردی به موازات توسعه شهر٬ کارکرد خود را وسعت بخشند و شهروندان به راحتی بر امکانات مورد نیاز خود دسترسی پیدا کنند.
توسعه فیزیکی شهر از دیدگاه اکولوژیک
اشغال زمین شهری در جریان زمان را٬ در الگوهای دینامیکی مختلف میتوان نشان داد. این روش را اولین بار « تونن » روی اراضی روستایی معمول داشته و از سال 1920 به این طرف٬ در ایالات متحده آمریکا و سپس در فرانسه نظر جامعهشناسان به نحوه اشغال زمین و بافت اکولوژیکی شهر جلب شده است. بر این اساس گروهی از محققان آمریکایی نظیر « برگس » در ساختارهای اکولوژیکی سکونتگاهای شهر شیکاگو به مطالعه و تحقیق پرداختهاند. روش آنان در اکولوژی شهری٬ بیشباهت به روشهای معمول در اکولوژی گیاهی نبود. چه بههمانگونه که در اکولوژی گیاهی٬ فرایندهای هجوم و استیلا و تسلط و حاکمیت و بالاخره جانشینی و یا به سخنی دیگر توالی و تسلسل مورد توجه اکولوژیستهاست ( فرید٬ 1382 : 137 ). که اولین بار توسط ارنستهاگل مطرح شد و سپس مورد توجه جامعهشناسان شهری و برنامهریزان شهری قرار گرفت و سعی نمودند در ساختن شهرها به این الگوها و طرحها توجه خاصی نشان دهند٬ به دلیل آنکه در اواخر قرن نوزدهم در حدود سال1870٬ شهرهای بزرگ پیوسته رو به رشد نهادند که در این مورد تئوریهای مختلف و طرحهای گوناگونی جهت رشد و توسعه شهرها ارائه شده است که به برخی از مهمترین و معروفترین تئوریهای طرح اشاره میکنیم.
نظریههای هستههای متعدد شهر یا شهر چند هستهای
اساس این تئوری بر این اصل قرار دارد که شهرهای کوچک٬ تنها دارای یک عملکرد و یا هسته واحد می باشند، اما شهرهای بزرگ امروز همگی دارای هستههای متعددی هستند که در داخل شهرها٬ ارتباط مسیرهای حمل و نقل٬ تشکیل این هستهها را امکان پذیر میسازد ( شیعه ٬ 1376 : 64 ).
قابل ذکر است که این نظریه از چانسیهاریس و ادوارد اولمن از جغرافیدانان مشهور آمریکایی میباشند که با استفاده از نظرات ارنست برگس و همرهویت نظریه تازهای با عنوان ساخت چند هستهای شهر مطرح نمودند. این دو معتقدند که عناصر شهری مختلفی همانند تجاری٬ مسکونی و صنعتی٬ ضمن ایجاد مرکزیتی در هسته٬ استفاده از زمینهای شهری در اطراف خود را امکان پذیر نمود و فعالیتهای گوناگون فرهنگی٬ اجتماعی و اقتصادی به دور هستهها شکل میگیرد و در آن همانند نظریه متحدالمرکز شامل بخشهای متنوع میباشد.
نظریه ساخت دوایر متحدالمرکز
الگوی ساخت شهر٬ بر این اصل استوار است که توسعه شهر از ناحیه مرکزی به طرف خارج شهر صورت گرفته و تعداد مناطق متحدالمرکز را تشکیل میدهد. این مناطق با ناحیه مشاغل مرکزی شروع شده و به وسیله منطقه در حال تحول٬ احاطه میشود. که خود در حال تبدیل به ادارات و صنایع سبک بوده و یا به واحدهای مسکونی کوچکتری تبدیل میشوند٬ این قسمت ناحیهای است که مهاجرین شهر به طرف آن جلب میگردند ( همان کتاب ٬ ص 60 ). این نظریه از سوی ارنست برگس مطرح شد و به طور کلی نظریه وی بر آن است که در توسعه شهر به شکل دوایر متحدالمرکز٬ ارزش زمینها در بخش مرکزی نسبت به بخشهای دیگر متفاوت است.
نظریه ساخت ستارهای شکل
نظریه مناطق متداخل ارنست برگس نشان دهنده حالتهای یک شهر ساکن و ثابت نیست٬ بلکه در بیشتر موارد به علت رشد و توسعه شهر٬ متحرک و غیر ثابت به نظر میرسد ( شکویی ٬ 1374 : 518 ).
توسعه شهر نیز ممکن است به دو صورت انجام شود:
1-توسعه شهر از اطراف خود
2-توسعه شهر از طریق عمل تمرکز در داخل آن
به موازات افزایش جمعیت٬ سازمانها و تاسیسات بخش مرکزی شهرها مراحل مختلف اکولوژی شهری ( جداییگزینی٬ هجوم و جایگزینی٬ توالی و تسلسل و ...) ظاهر میشود و در اثر ایجاد موج توسعه شهر به نواحی اطراف و بیرونی خود توسعه مییابد. حرکت جمعیت٬ تاسیسات٬ منابع و سازمانهای شهری به اطراف شهرها به یک شکل عمل نمینمایند و از جهات مختلف شهر به سوی ناحیه مرکزی آن به یک مقیاس صورت نمیگیرند. در مقابل توسعه شهر٬ وجود موانع طبیعی مانند شیبهای تند٬ تپهها و کوهها عواملی بازدارندهاند. لذا شهر یا بدان جهت توسعه پیدا نمیکند و یا در صورت توسعه مشکلات و افزایش هزینههای را به دنبال دارد.در این الگو٬ دگرگونیهایی که در نتیجه عملکرد امکانات حمل و نقل و شبکه راهها در سطوح شهری مشاهده میگردد٬ شکل دایرهای مناطق متحدالمرکز تعدیل یافته و به شکل شعاعی و یا ستارهای تبدیل می شود و به توسعه شهر٬ ساخت ستارهای میبخشد ( شیعه ٬ 1376 : 63 ).
نظریه محوری یا توسعه قطاعی شهر
در توجیه نظریه ساخت قطاعی شهر٬ باید گفت که چنین توسعهای را نمیتوان مغایر با نظریه دوایر متحدالمرکز دانست٬ بلکه تغییر و تعدیل در جهات مختلف این نظریه است بر خلاف نظریه دوایر متحدالمرکز در نظریه ساخت قطاعی شهر٬ شهرها نمیتوانند برای همیشه حالت دایرهای شکل بودن مناطق داخلی خود را حفظ کنند٬ بلکه حالت قطاعی بیش از دایرهای٬ زمینه مساعدی را جهت توسعه به دست میآورد. در این نظریه عامل اجاره خانه میتواند به عنوان٬ مطالعه شهری را عملی سازد ( شیعه٬ 1376 :61 ).گفته شد که نظریه قطاعی نسبت تئوری مناطق متحدالمرکز٬ مرغوبتر به نظر میرسد زیرا امکان استقرار طبقه اجتماعی را در یک قسمت و یا یک طرف شهر به وجود آورد. لازم به ذکر است که این نظریه توسط همر هویت در سال 1934 مطرح شده است.
نظریه شهر خطی
عامل اصلی ایجاد مجتمعهای خطی شکل میتوانند راهها٬ ارتباطات٬ رودها و سواحل و دریاها باشد که شهر در کنار آنها به صورت خطی شکل میگیرد و توسعه مییابد. بر اساس این نظریه در گذشته شهرها در اغلب اوقات حوضههای شهری توسعه خود را از شکل ستارهای شروع نموده و به شکل دایرهای نزدیک میکردند. ولی توسعه شبکه راهها و مسیرهای اصلی ارتباطی٬ تمایل توسعه شهر را در مسیر چنین شبکههای به صورت خطی قرار میدهد ( شیعه ٬ 1376 : 66 ).
2-3) متغیرهای موثر در مکانیابی توسعهی فیزیکی شهرها
2-3-1) مقدمه
در حال حاضر اکثر شهرها به خاطر محدودیتهای فیزیکی توسعهی شهری با مقوله توسعه فیزیکی در گیرند. توسعه فیزیکی و رشد جمعیتی شهرهای ایران تا چند دههی پیش روند افزایشی هماهنگ و متعادلی داشته است. تحولاتی که در حوزههای اقتصادی و اجتماعی صورت گرفته، رشد و توسعه فضایی شهرها را به شدت تحت تاثیر قرار داده است (حسین اف،92:1382). با توجه به افزایش گرایش به شهرنشینی، شهرها برای پذیرش جمعیت نیاز به زمینهای وسیع و گستردهای دارند، که این زمینها از ترکیب واحدهای توپوگرافی و ژِئومورفولوژی تشکیل شدهاند. هر اندازه که شهرها توسعه یابند و گسترش پیدا کنند برخورد آنها با واحدهای توپوگرافی و ژئومورفولوژی و موضوعات مربوط به آنها زیادتر می شود.(مشهدیزاده، 47:1374). گرچه مناطق شهری چهار درصد از سطح خشکی های زمین را تشکیل می دهند ولی توسعهی نامنظم شهری میتواند سبب تغییرات گستردهای در شرایط محیطی کاربریهای دیگر شود. توسعه نامنظم شهری اثرات مخربی بر شهرها و محیط اطراف آنها میگذارد، که از جمله میتوان به ناهمگونی چشم اندازهای طبیعی و از دست رفتن زمینهای کشاورزی اشاره کرد (Batisand and Yarnal2008:2). به طور کلی مکانیابی، فعالیتی است که منابع طبیعی و انسانی یک منطقه را برای یک کاربری خاص مورد ارزیابی و تجزیه و تحلیل قرار می دهد. عوامل موثر در انتخاب مکان بسیار متنوع و متعددند. برخی عوامل ثابت و برخی دیگر متغیر و پویا میباشند (قرخلو و همکاران،5:1389). شاخصهای مورد استفاده در مکان یابی، نسبت به نوع کاربرد آنها، متفاوت هستند اما همهی آنها در جهت انتخاب مکان مناسب همسو می باشند. استفاده از این شاخصها نیاز به داشتن اطلاعات صحیح و کامل از مکان مورد مطالعه است و دستیابی به اطلاعات، نیازمند تحقیقاتی گسترده و جامع است (فخری،52:1378).
2-3-2) ژئومورفولوژی
یکی از عوامل محیط طبیعی که در مکانگزینی و چگونگی رشد و توسعه شهر و استخوانبندی شهر نقش دارد ویژگیهای پیکرشناسی یا ژئومورفولوژیکی است (فریادی و همکاران،4:1386). اصولا استقرار و پیدایش یک شهر بیش از هر چیزی تابع شرایط محیط طبیعی و شرایط جغرافیایی است. زیرا عوارض و پدیدههای طبیعی در مکانگزینی، پراکندگی، حوزه نفوذ، توسعه فیزیکی، مورفولوژی شهر و امثال آن اثر قاطعی دارد و گاه به عنوان یک عامل مثبت و زمانی به صورت یک عامل منفی و باز دارنده عمل میکند ( نگارش،1:1382). ژئومورفولوژی شهری برای مسولان و مردم اهمیت زیادی دارد و در صورت غفلت و بی توجهی به آن خسارات جبرانناپذیری را به دنبال خواهد داشت. اهمیت ژئومورفولوژی شهری زمانی آشکار می شود که خسارت وارده زیاد و خارج از تحمل انسان باشد. امروزه به لحاظ گستردگی شهرها و پیچیدگی زندگی مدرن و توسعه تاسیسات شهری خسارات زیاد و کمرشکن خواهد بود (رجایی،208:1373). ساختمانها ابعاد وسیعی به خود گرفتهاند، شهرها وسعت قابل توجهی پیدا کردهاند و در حاشیه اکثر شهرها تاسیسات صنعتی توسعه یافتهاند. بنابراین کوچکترین اشتباه در شرایط کنونی ممکن است خسارات جبران ناپذیری را به بار آورد، از اینرو باید قبل از ایجاد ساختمانهای مقاوم؛ در مکانگرینی شهرها و انتخاب محل مناسب برای توسعه ساختمانها دقیقی صورت گیرد (نادرصفت،191:1379). واحدهای ژئومورفولوژی همیشه با پویایی و دینامیسم محیط طبیعی در ارتباط است. هر گونه اقدام در راستای توسعه و عمران شهرها، به نحوی با پویایی و دینامیسم مذکور و در نتیجه با پدیدههای ژئومورفولوژی تلاقی میکنند. برای فعالیت های توسعه شهری، بهترین سنگ، ماسه سنگ، روانهای بازالتی، رسوبات آبرفتی است ( مخدوم، 205).
2-3-4) جنس خاک
جنس خاک در ارتباط با میزان نفوذ آب و بارندگیها و درجه مقاومت آن در مقابل ایستایی تاسیسات ساختمانی و طبقات ساختمانها از اهمیت ویژهای برخوردار است. بافت خاک در توسعه شهرها عامل بسیار مهمی میباشد، مقاومت خاک در ارتباط با احداث ساختمانهای چند طبقه باید هماهنگ باشد( شیعه،194:1379). مناسبترین خاک برای ساختمانسازی، خاکهای عمیق با بافت سنگین است و خاکهای شنی، نامناسبترین خاک برای ساخت و ساز و توسعه فیزیکی شهرها است. بنابراین بهترین مکان برای توسعه شهری براساس این عامل، گسترش در خاکهای عمیق با بافت متوسط تا سنگین است (قرخلو و همکاران،11:1389). و باید این را در نظر داشت که زمینلرزه غالبا در زمینهای سست تخریب بیشتری ایجاد میکنند (معتمد،230:1382).
2-3-5) قابلیت خاک
هر چند امروزه شهرها فعالیت زیادی دارند، اما با توجه به مناسبات حاکم میان شهر و پسکرانه روستایی آن بررسی استعداد کشاورزی خاک در حوزه نفوذ برای تعیین وابستگی نقش شهر به فعالیتهای کشاورزی حاکم در اطراف شهرها اهمیت زیادی دارد ( رهنمایی،166:1382). هدف از مطالعه خاکشناسی و طبقهبندی اراضی، تعیین خصوصیات و ارزش اراضی برای کشاورزی، آبیاری، تاسیسات و تجهیزات شهری و همچنین تاثیرگذاری در جهت مناسبات توسعه شهری است ( حبیبی، 195:1384). اغلب شهرها در مسیر گسترش خود موجبات نابودی زمینهای کشاورزی را فراهم آورده و آنها را تحت پوشش گسترش شهری قرار می دهند و این مساله از نظر اقتصادی و فعالیتهای کشاورزی، به ویژه در کشورهای در حال توسعه از مواردی است که توجه بیشتر را طلب میکند. زیرا زمینهای کشاورزی در حاشیه شهرها علاوه بر تولید محصولات، فضای با ارزشی را نیز ارایه میدهند (ابراهیم زاده و رفیعی،10:1387).
2-3-6) شیب
شیب یکی از عوامل مهم در ایجاد تغییر و تحول در ناهمواریهای زمین محسوب میگردد و بدین طریق به طور مستقیم و یا غیر مستقیم بر روی کلیهی فعالیتهای انسانی اعم از اقتصادی-مکانگزینی سکونتگاهی و صنعتی-ساخت و سازهای شهری و روستایی شکل معابر و ترابری و ... تاثیر میگذارد (اصغری مقدم، 91:1378). عامل دیگری که در توسعهی فیزیکی شهرها و احداث بنا مهم میباشد، شیب است. شیب بین 1تا 8 درصد مستعد برای فعالیتهای توسعه مسکونی است ( عباس پور و قراگوزلو،56:1385). مناسبترین شیب برای فعالیتهای شهری شیب 5 درجه است ( مخدوم، 205).
2-3-7) باد
باد از جمله عوامل اقلیمی است که در مکانیابی جهت توسعهی شهری باید به آن توجه شود، زیرا که باد از لحاظ اقلیمی در فراهم آوردن آسایش انسان یا اخلال در آن، چه از جهت گرمایی و چه از لحاظ رفتاری در محیط نقش مهمی دارد. توجه به سرعت و جهت باد در نواحی که این عنصر اقلیمی نسبت به بقیهی عناصر اقلیمی اثرات آسایش مثبت و منفی عمیقتری دارد و با اهمیتتر میباشد ( سلیقه،110:1382).
2-3-8) آبهای زیرزمینی
از دیگر فاکتورهای طبیعی که باید در توسعهی فیزیکی شهرها به آن توجه شود مطالعهی سطح و ارتفاع آب زیرزمینی است. در مکانهایی که سطح آب زیرزمینی بالا است، شهر نمیتواند توسعه پیدا کند، زیرا احتمال نشست ساختمان در زمین وجود دارد. بنابراین این عامل نیز در شهرهایی که آبهای زیرزمینی در سطح بالایی قرار دارند یک عامل تعیین کننده در جهت توسعهی شهر محسوب میشود.(قرخلو و همکاران، 17:1389).
2-3-9) ارتفاع
اراضی پست از چند دیدگاه قابل تامل و تعمق است. اول؛ از نظر بروز سیل و سیلاب و خطرات ناشی از آن، که در این مورد فاصله اراضی پست همجوار رودخانهها در صورت طغیان آب، خطراتی را در پی دارد؛ دوم برای نقاطی که سطح آب زیر زمینی بالاست، احداث ساختمان در آن ممکن است از نظر رطوبت زمین و یا مشکلات مربوط به احداث زیرزمین هزینههایی را به دنبال داشته باشد ( شیعه،203:1379). حداکثر ارتفاع برای مناطق مستعد توسعه مسکونی تا 1600 متر است ( عباس پور و قراگوزلو،56:1385).
2-3-10) رعایت حریم گسل
" گسل عبارت است از شکستگی زمین، همراه با جابه جایی قطعات"( مقدم، 76:1383). ایران جزو ده کشور بلاخیز و ششمین کشور زلزلهخیز دنیا است که زلزله مسبب بیشترین تلفات انسانی در آن میباشد و کمربند زلزله 90 درصد از خاک کشور ما را در برگرفته است؛ اما آنچه حایز اهمیت است، وضعیت اسفبار شهرهایی است که بر روی گسلها و یا در مجاورت آنها ساخته شده و در معرض خطر زلزله قرار دارند (نگارش، 93:1384). در واقع یکی از عواملی که باید در مکانیابی توسعه فیزیکی شهر رعایت شود گسل و حریم آن است. خطرناکترین مکانهای ساختمانسازی، مکانهای گسله و نقاط با خاک نرم میباشد که باعث شدید شدن لرزههای زمین میشوند. بنابراین تا حد امکان باید از این قبیل مناطق جهت احداث مناطق مسکونی و ساختمانی اجتناب شود یا ساختمان با تراکم کم در آنجا احداث گردد (غضبان، 77:1381). فاصله مناسب شهر تا گسل بیشتر از 500 متر میباشد ( موسوی و همکاران،14:1389)
2-3-11) جهتهای جغرافیایی
دامنههای جنوبی بهترین جهت جغرافیایی برای توسعه شهری است و دامنههای شمالی نامناسبترین جهت جغرافیایی برای توسعه شهری است. برای نواحی با آب و هوای معتدل مناسب ترین جهت، جهت جنوبی و برای نواحی با آب و هوای نیمه گرمسیری جهت شرقی بهترین جهت جغرافیایی است مخدوم،205).
2-3-12 )حریم رودخانهها
حریم رودخانه از شاخصهای دیگری است که باید در توسعه فیزیکی شهر ها به آن توجه شوند. " خانهها و مراکز تجاری موجود را باید از دشتهای سیلابی خارج کرد و در آنجا ساختمانسازی نکرد، البته ساختمانهایی را که به ناچار در آنجا باقی میمانند باید به خوبی محافظت شوند" ( خالدی و ایرانی،197:1380). به همین خاطر باید حریم رودها مشخص شود تا سیل باعث تخریب ساختمانها نشود. یکی از مهمترین عوامل در توسعهی ساختمانهای شهری جلوگیری از خطرات سیل رودخانههاست از همین رو علاوه بر حریم در نظر گرفته شده و معمول برای رودخانه ها باید بالاترین سطحی که در پر آبترین زمان رودخانه در طول 25-15 سال به زیر آب میرود، به عنوان حریم رودخانه در نظر گرفته شود ( شیعه، 203:1379).
عوامل اکولوژیکی که در این تحقیق انتخاب و مورد بررسی قرار گرفتند در جدول زیر آمده است.
جدول 2-1): معیارهای مدل اکولوژیکی توسعه شهری ایران با توجه به منطقه مورد مطالعه
مناسب معیار
1200-400 متر ارتفاع
6 درجه شیب
شرقی(نواحی نیمه گرمسیری) جهت دامنه
ماسه سنگ، روانههای بازالت، رسوبات آبرفتی زمین شناسی
800-500 میلی متر بارش
24-18 سانتیگراد دما
50 تا 300 متر فاصله تا مسیل
رسوبات آبرفتهای و تحول یافته ساختمان خاک
کمتر از 30 درصد تراکم پوشش گیاهی

فصل سوم
ویژگیهای جغرافیایی منطقه مورد مطالعه
ویژگیهای طبیعی منطقه
3-1) مقدمه شهر به عنوان مهم‌ترین مراکز سکونتگاهی انسان و کانون مدنیت، رشد و تعالی علم و فناوری است. این اصلی‌ترین کانون جمعیتی، همواره تحت تأثیر عوامل طبیعی و انسانی از درون و برون قرار داشته و این عوامل باعث توسعه یا افول شهرها بوده است. در شکلگیری سیستمهای شهری عوامل متعددی موثر است که برخی از آنها عبارتند از: عوامل طبیعی، رژیم سیاسی و ایدئولوژی نظام حاکم، تأثیرات اقتصاد ناحیهای، انقلاب در صنعت و بهرهگیری از تکنولوژی جدید، جریانهای تاریخی، عامل جمعیتی و...(عمران زاده،80:1387). بنابراین میتوان گفت که شهر دارای پیوستگی بالایی بین عناصر خود است که امکان بررسیهای جزء به جزء و تکساختی را به صورت کاملاً مستقل، از پژوهشگر میگیرد، به همین دلیل پژوهشگران شهری در تحقیقات خود فارغ از زمینهی مورد نظرشان، همیشه باید نگاهی به عناصر و ساختارهای دیگر شهری نیز داشته باشند، تا بدین طریق درصد موفقیت خود در شناخت این سیستم پیچیده را افزایش داده و به هدف واقعی برنامه‌ریزی شهری که"کوشش اندیشمندانه و سیستماتیک برای به کار گیری منابع و امکانات یک شهر به بهترین و باصرفهترین شکل ممکن جهت ایجاد، حفظ و نگهداری محیط سالم و دل‌پذیر برای شهروندان است، دست یابند. بنابراین میتوان نتیجهگیری کرد که لازمهی بررسی دقیق و علمی سیستم شهر، در هر سطح و یا زمینهای، داشتن رویکردی سیستمی به این مجموعه و عناصر آن میباشد که در آن مؤلفههای طبیعی، اجتماعی، اقتصادی، فرهنگی، سیاسی، فضایی و... مورد بررسی قرار میگیرد به همین علت در فصل حاضر به موضوع شناخت وضع موجود شهرنورآباد ممسنی پرداخته میشود تا زمینهی یک بررسی دقیق و جامع را فراهم سازد. هدف از تدوین این فصل، تحت عنوان معرفی منطقهی مورد مطالعه، بررسی مسائل جغرافیایی شهر نورآباد و شناسایی کلی منطقه از دیدگاه جغرافیایی و ارائهی تصویری از خصوصیات و ویژگیهای طبیعی، انسانی ،اقتصادی شهر میباشد. این اطلاعات به ما کمک میکند تا بتوانیم در مطالعه و تحقیق در مورد موضوع تحقیق تخصصیتر وریز بینانهتر عمل کنیم.

—d1215

از زمانی که اولین تحقیقات در زمینه سیستم تولید جریانی منعطف تاکنون انجام شده است، محدودیتهای بسیاری نظیر زمان نصب وابسته به توالی کارها، پردازش گروهی و … در این نحوه تولید مورد مطالعه قرار گرفتهاند. اما بررسی پردازش بدون انتظار نه تنها در حوزه سیستم تولید جریانی منعطف بلکه در سیستم تولید جریانی معمول نیز کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق، مسئله زمانبندی سیستم تولید جریانی بدون انتظار منعطف با در نظر گرفتن ظرفیت محدود تولید ماشینآلات، رد یا قبول سفارشات و زمان نصب وابسته به توالی کارها و با رویکرد مدیریتی ترکیبی تولید برای ذخیره و تولید برای سفارش با هدف به حداقل رساندن هزینهها(هزینههای ناشی از زودکرد و دیرکرد وزنی و رد کردن یا تحویل ناقص سفارش) مورد بررسی قرار میگیرد. به منظور مرور ادبیات تحقیق، اهم پژوهشهای انجام شده در این حوزه به تفکیک محدودیتها و تابع هدف مورد بررسی قرار میگیرند.
2-2. پردازش بدون انتظارپردازش بدون انتظار یک کار به این معنی است که از زمان شروع پرداش کار روی اولین ماشین تا زمان اتمام پرداش روی آخرین ماشین هیچ وقفه زمانی وجود نداشته باشد. با توجه به این شرایط، شروع پرداش یک کار روی اولین ماشین باید تا زمانی که شرایط پرداش بدون انتظار آن فراهم باشد به تعویق بیفتد [40]. یکی از رایجترین مثالها برای تولید بدن انتظار، صنایع فولاد است. فهرست کاملی از کاربردهای این روش تولیدی توسط هال و اسریسکاندراجاه (1996) [26]، فرامینان و ناگارو (2008) [18] و فرامینان و همکارانش (2010) [17] گرداوری شده است.
با نگاهی اجمالی، تحقیقات انجام شده در زمینه پردازش بدون انتظار را میتوان در سه دسته کلی جای داد که در این بخش اهم تحقیقات انجام شده در هر دسته ارائه میشوند.
2-2-1. سیستم تولید جریانی با دو ماشیندر این سیستم جریانی تنها دو ماشین وجود دارد. آلدوویزان (1998) [8] این مسئله را همراه با محدودیت زمان نصب جدا از زمان پردازش و با تابع هدف مجموع زمانهای تکمیل کارها مورد بررسی قرار داد. پس از آن آلدوویزان (2001) [9] همین مسئله را به کمک روش شاخه و کران حل کرد. بعدها هر دوی این محققان کار خود را برای همین مسئله در حالت سه ماشین تعمیم دادند. شیو(2004) [48] مسئله F2|nwt,sij|Ci را به کمک نمایش مسئله به فرم مسئله فروشنده دورهگرد به کمک الگوریتم کلونی مورچگان حل کرد و نشان داد که نتایج حاصل از آن بهتر از روشهای ابتکاری است که توسط اللهوردی و آلدوویزان بدست آمده بود.
2-2-2. سیستم تولید جریانی با بیش از دو ماشیندر این دسته پژوهشهای زیادی انجام شده است که از آن جمله میتوان به پژوهش انجام شده توسط توکلی مقدم و همکارانش(2008) [50] اشاره کرد که مسئله زمانبندی تولید جریانی بدون انتظار با توابع هدف مینیممسازی متوسط زمان تکمیل وزنی و متوسط دیرکرد وزنی را به کمک الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی حل کرد. بابک جوادی و همکارانش(2008) [27] مسئله چند هدفه سیستم جریانی بدون انتظار فازی را به کمک برنامهریزی خطی حل کرد. که پن و همکارانش(2009) [41] همین مسئله را با توابع هدف مینیممسازی بیشینه زمان تکمیل و مینیممسازی بیشینه دیرکرد به کمک الگوریتم دیفرانسیل تکاملی حل کرد. یوتسنگ و تای لین(2010) [52] مسئله مورد بحث را توسط الگوریتم ژنتیک ترکیبی حل کردند. ونگ و همکارانش نیز(2010) [55] روشی بر پایه الگوریتم جستجوی ممنوع به نام جستجوی ممنوع شتاب داده شده برای حل مسئله زمانبندی تولید جریانی بدون انتظار با تابع هدف مینیممسازی بیشینه دیرکرد ارائه کردند که در آن از سه روش ابتکاری جهت تولید جواب کاندیدا استفاده شده بود. در ادامه پژوهشهای انجام شده چینگ یینگ و همکارانش(2012) [58] مسئله تولید جریانی بدون انتظار را در شرایط تولید سلولی و با محدودیت زمان نصب وابسته به گروهبندی کارها مورد مطالعه قرار دادند. ناگانو و همکارانش(2013) [47] این مسئله را با در نظر گرفتن زمانهای نصب جدا از زمان پردازش بررس کرده و روش حلی با رویکرد جستجوی خوشهبندی تکاملی برای این مسئله با تابع هدف زمان درجریان ساخت نهایی ارائه کردند. داوندرا و همکارانش(2013) [12] با بهرهگیری از الگوریتم تاکید خود سازمانی گسسته جوابهای نسبتا خوبی برای مسئله تولید جریانی بدون انتظار با هدف مینیممسازی ماکزیمم زمان تکمیل بدست آوردند.
2-2-3. سیستم تولید جریانی منعطف تحقیقات انجام شده در این دسته خود به دو بخش سیستمهای تولید جریانی منعطف با دو ایستگاه کاری یا بیش از دو ایستگاه کاری تقسیمبندی میشوند. اما در کل پژوهشهای انجام شده در این دسته از نظر فراوانی بسیار کمتر از دو دسته قبل است. برای مثال، ونگ و لیو(2013) [56] مسئله تولید جریانی بدون انتظار را در محیطی مشتمل بر دو ایستگاه کاری مورد بررسی قرار دادند و روش حلی بر پایه الگوریتم ژنتیک برای این مسئله ارائه کردند. جولایی و همکارانش(2013) [28] این مسئله را با دو تابع هدف مینیممسازی بیشینه زمان تکمیل و مینیممسازی بیشینه دیرکرد بررسی کرده و به کمک رویکرد دو هدفه الگوریتم تبرید شبیهسازی شده به حل آن پرداختند. همچنین همین نویسنده به کمک همکارانش (2009) [29] به بررسی این مسئله در شرایط وجود بیش از دو ایستگاه کاری و وجود احتمال رد سفارشات پرداخته و با رویکرد پنجرههای زمانی مدل ریاضی این مسئله را ارائه کرده است همچنین با استفاده از الگوریتم ژنتیک روش حلی نیز برای آن ارائه داده است.
مقالات مورد بررسی در این بخش در جدول(2-4) آورده شدهاند.
جدول SEQ جدول * ARABIC 4 جدول 2-4. مسائل تولید جریانی با محدودیت پردازش بدون انتظارنویسنده مسئله رویکرد سال شماره ارجاع
آلدوویزان F2|nwt,sij|Cj- 1998 8
آلدوویزان F2|nwt,sij|Cjشاخه و کران 2001 9
شیو و همکاران F2|nwt,sij|Ciبا رویکرد تبدیل مسئله به فروشنده دورهگرد با الکوریتم کلونی مورچگان حل شد. 48
توکلی مقدم و همکاران FmnwtWiCiWi,WiTiWiرویکرد چند هدفه الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی 2008 50
جوادی و همکاران FmnwtWiCiWi,WiEiWiرویکرد چند هدفه فازی به کمک برنامهریزی خطی 2008 27
که پن و همکاران FmnwtCmax,Lmaxالگوریتم دیفرانسیل تکاملی 2009 41
تسنگ و تای لین FmnwtCmaxالگوریتم ترکیبی ژنتیک 2010 52
ونگ و همکاران FmnwtLmaxالگوریتم جستجوی ممنوع شتابدهی شده 2010 56
چینگ یینگ و همکاران Fmnwt,cellCmaxسه الگوریتم بر پایههای الگوریتمهای ژنتیک، تبرید شبیهسازی شده و تکرار حریصانه 2012 58
ناگانو و همکاران FmnwtCiرویکرد جدید جستجوی خوشهبندی تکاملی 2012 47
داوندرا و همکاران FmnwtCmaxالگوریتم تاکید خود سازمانی گسسته 2013 12
2-3. زمان نصب وابسته به توالی کارهابه زمان صرف شده جهت آمادهسازی ماشین برای انتقال کار روی آن زمان نصب میگویند. زمان نصب عموما صرف نصب ابزارهای لازم روی ماشین، تمیزکاری و … میشود. با نگاهی کلی به تاریخ پژوهشهای انجام شده در حوزه زمانبندی میتوان دریافت که تا دههها زمان نصب در ادبیات زمانبندی به کلی نادیده گرفته میشده است و عموما جزیی از زمان پرداش کار در نظر گرفته میشده است. این رویه شاید در برخی صنایع قابل توجیه باشد اما لزوم در نظر گرفتن زمان نصب بطور جداگانه در بسیاری از موارد غیر قابل انکار است.
به طور کلی مسائل زمانبندی از حیث در نظر گرفتن زمان نصب به دو دسته کلی تقسیم میشوند: در دسته اول که زمان نصب مستقل از توالی نامیده میشود و در آن زمان نصب یک کار بر روی ماشین تنها به خود آن کار بستگی دارد و به کار قبل از آن و یا اصطلاحا به توالی وابسته نیست. دسته دوم که آن را زمان نصب وابسته به توالی کارها مینامند به حالتی اطلاق میشود که زمان نصب یک کار روی ماشین به کار قبلی که روی آن ماشین نصب شده است نیز بستگی دارد. در این دسته حالت خاص دیگری نیز وجود دارد که آن را زمان نصب وابسته به گروههای کاری مینامند که به معنای این است که زمان نصب کارهای درون یک گروه کاری با گروه کاری دیگر متفاوت است و اگر دو کار از دو گروه متفاوت بلافاصله روی ماشین قرار بگیرند زمان نصب بزرگتری نسبت به حالتی دارد که کارهای یک گروه پشت سر هم قرار بگیرند.
اهمیت مدنظر قرار دادن زمان نصب به عنوان عاملی تاثیرگذار در بهرهوری سیستم تولیدی در تحقیقات متعددی مورد بحث قرار گرفته است. فلین [19] تاثیر زمانهای نصب وابسته به توالی را مورد تحقیق قرار داده است و ورتمن [57] فاکتورهایی که بیشترین تاثیر را در عملکرد سیستم دارند مورد بررسی قرار داد که در آن زمان نصب یکی از موثرترین راهها برای بهبود خدمات به مشتریان و کاهش هزینههای انبارداری معرفی شده است.
اگرچه محدودیت زمان نصب وابسته به توالی در اغلب چیدمانهای مسائل زمانبندی مورد مطالعه قرار گرفته است اما از آنجا که مسئله مورد بحث در حوزه تولید جریانی است در ادامه تنها به ارائه مهمترین مطالعات انجام شده در مسائل زمانبندی با محدودیت زمان نصب وابسته به توالی کارها در محیطهای مختلف سیستم تولید جریانی و به خصوص در سیستمهای تولید جریانی بدون انتظار اکتفا میشود.
2-3-1. سیستمهای تولید جریانیسیستم تولید جریانی مشتمل بر تعدادی ماشین است که به طور متوالی قرار گرفتهاند و کارها عموما با ترتیب یکسانی روی ماشینها پردازش میگردند. در نظر گرفتن محدودیت زمان نصب وابسته به توالی کارها میتواند معیارهای بهینهسازی را در چنین سیستمهایی تحت تاثیر قرار دهد. وانچیپورا و سریدهاران [54] برای مسئله Fm|sijk|Cmax دو الگوریتم جهت تخصیص زمانهای نصب تعریف کرده و سپس مسئله را با روشی ابتکاری بر پایه ساختن توالی حل کردهاند. میرابی [36] نیز همین مسئله را به کمک رویهای ترکیبی از الگوریتم ژنتیک حل کرده است.
سیستمهای تولید جریانی منعطف نیز ساختاری مشابه سیستم تولید جریانی ساده دارند، با این تفاوت که حداقل در یکی از ایستگاههای کاری بیش از یک ماشین وجود دارند. لذا مسئله مورد بحث تعمیمی از حالت مسئله ماشینهای موازی است. میرصانعی و همکارانش [37] این مسئله را با هدف بیشینه زمان تکمیل کارها مطالعه نموده و رویه حلی با رویکرد الگوریتم تبرید شبیهسازی شده برای آن ارائه نمودند. حکیمزاده و زندیه [25] مسئله فوق را با در نظر گرفتن دو تابع هدف و نیز وجود بافرهای محدود بین ایستگاههای کاری حل کردند.
2-3-2. سیستمهای تولید جریانی بدون انتظارسیستمهای تولید جریانی بدون انتظار از نظر نحوه چیدمان ماشینآلات تفاوتی با سیستمهای تولید جریانی بدون انتظار ندارند، تنها تفاوت در نحوه پردازش بدون انتظار کارها روی ماشینآلات است. در چنین شرایطی زمان نصب وابسته به توالی کارها میزان تاخیر احتمالی در شروع کار روی ماشین اول را که برای تامین شرایط پردازش بدون انتظار لازم است تحت تاثیر قرار میدهد.
عرب عامری و سلماسی(2013) [10] نیز روش حلی با رویکرد الگوریتم ترکیبی بهینهسازی تجمعی ذرات و جستجوی ممنوع برای مسئله Fm|nwt,sijk|wj'Ej+wj"Tj پیشنهاد دادند. گاوو و همکارانش [21] مسئله تولید جریانی بدون انتظار را با محدودیت زمان نصب وابسته به توالی و تابع هدف زمان در جریان کل بررسی نموده و چهار رویه ابتکاری برای حل آن پیشنهاد دادهاند. رمضانی و همکاران [43] مسئله سیستم تولید جریانی منعطف بدون انتظار را در حالتی که ماشینهای درون هر ایستگاه عملکرد مشابه و نسبتهای سرعت مشخص دارند مدنظر قرار داده و به کمک رویکرد ترکیبی فراابتکاری به حل آن پرداخته است.
پژوهشهای مرور شده در این بخش در جدول(2-5) خلاصه شدهاند.
جدول SEQ جدول * ARABIC 5 جدول 2-5. مسائل سیستم تولید جریانی با محدودیت زمان نصب وابسته به توالی کارهانویسنده مسئله رویکرد سال شماره ارجاع
وانچیپوراو سریدهاران Fm|sijk|Cmaxروش ابتکاری بر پایه ساختن جواب 2013 54
میرابی Fm|sijk|Cmaxرویه ترکیبی براساس الگوریتم ژنتیک 2014 36
میرصانعی و همکاران Fm|sijk|Cmaxالگوریتم شبیهسازی تبرید 2011 37
حکیم زاده و زندیه Fmsijk,bCmax,Tjچند رویه فراابتکاری 2012 25
عرب عامری و سلماسی Fm|nwt,sijk|wj'Ej+wj"Tjالگوریتم ترکیبی از بهینهسازس تجمعی ذرات و جستجوی ممنوع 2013 10
گاوو و همکاران Fm|nwt,sijk|Cjچهار رویه ابتکاری 2013 21
رمضانی و همکاران FFm|nwt,sijk|Cmaxسه روش فراابتکاری بر پایه الگوریتمهای ژنتیک، تبرید شبیهسازی شده و تکرار حریصانه 2013 43
2-4. محدودیت کاری ماشینآلاتمحدودیت کاری ماشینآلات به این معنی است که هر ماشین پس از انجام حجم مشخصی از کار از دسترس خارج میشود که این مسئله میتواند دلایل متعددی همچون انجام تعمیرات اساسی و … داشته باشد. برای مثال یک ماشین پرس عموما بعد از انجام تعداد مشخصی پرس جهت تنظیم، تعویض روغن و تعمیرات برای مدتی از دسترس خارج میگردد. پیادهسازی این محدودیت در مسائل بهینهسازی معمولا به دو صورت انجام میشود: در دسته اول مسائل، ماشینها پس از گذراندن تعداد یا حجم مشخصی از کار از دسترس خارج میگردند و در دسته دوم، ماشینها پس از سپری کردن زمان مشخصی از لحظه شروع به کار از دسترس خارج میشوند. به کار بردن هر کدام از این دو رویکرد به ویژگیهای ماشینآلات و محصول تولیدی بستگی دارد. محمدی و فاطمی قمی [38] مسئله محدودیت ساعات کاری ماشینآلات را با در نظر گرفتن زمان نصب وابسته به توالی کارها در محیط تولید جریانی مورد مطالعه قرار دادند و آن را با رویکردی ابتکاری بر پایه الگوریتم ژنتیک حل نمودند. همین نویسنده به کمک همکارانش [39] دو روش الگوریتمی جدید را نیز برای مسئله تولید جریانی همراه با محدودیت حجم کاری، زمان نصب وابسته به توالی و تولید بر مبنای تقاضا ارائه کردند. جورجیادیس و پولیتو [22] نیز همین محدودیت را در حالتی که تعداد کار پردازش شده در روز محدود باشد در سیستمهای تولید جریانی بررسی کردند. بابایی و همکاران [11] نیز مسئله بهینهسازی همزمان تولید محصولات بر پایه تقاضا و زمانبندی را در محیط تولیدی جریانی مطالعه نموده و برای آن به کمک الگوریتم ژنتیک جوابهای با کیفیتی بدست آوردند.
مقالات مروری در این بخش در جدول(2-6) خلاصه شدهاند.
جدول SEQ جدول * ARABIC 6 جدول 2-6. مسائل سیستم تولید جریانی با محدودیت حجم کاری ماشینآلاتنویسنده مسئله رویکرد سال شماره ارجاع
محمدی و فاطمی قمی Fm|sijk|MINcostالگوریتم ژنتیک 2011 38
محمدی و همکاران Fm|sijk|MINcostدو الگوریتم ترکیبی جدید 2011 39
جورجیادیس و پولیتو Fm||MINcostرویه فراابتکاری جدید 2013 22
بابایی و همکاران Fm||MINcostالگوریتم ژنتیک 2013 11
2-5. استراتژیهای مدیریت تولیدمدیریت تولید به معنای تعیین میزان تولید محصولات با استفاده از پیشبینیهای انجام شده از نیاز بازار، تعیین زمان مناسب تحویل و … است. همانطور که از تعریف برمیآید مدیریت تولید به دلیل مشخص نمودن تعداد کارها و موعد تحویل ارتباط تنگاتنگی با زمانبندی تولید محصولات دارد. یکی از مهمترین مسائل در مدیریت تولید این مسئله است که محصول با رویکرد تولید برای سفارش تولید شوند یا با استراتژی تولید برای ذخیره [24]. در استراتژی تولید برای سفارش، محصولات یک سفارش تنها از زمانی که سفارش به سیستم تولیدی ابلاغ میشود توانایی تولید شدن دارند. استراتژی تولید برای ذخیره نیز تعداد محصولات را با توجه به نیاز بازار و سهم محیط تولیدی از بازار پیشبینی مینماید. از اصلیترین اشکالات استراتژی تولید برای ذخیره هزینه نگهداری محصولات است. استراتژی تولید برای سفارش هم به دلیل متغیر بودن تعداد و حجم سفارشات و لزوم تحویل به موقع جهت کسب رضایت مشتری زمانبندی را مشکلتر خواهند کرد. از این رو در سالهای اخیر توجه به استراتژیهای ترکیبی مدیریت تولید رو به افزایش بوده است. یوسف و همکاران [24] تاثیر زمانبندی بر استراتژیهای ترکیبی تولید برای ذخیره و تولید برای سفارش را در زمانبندی تک ماشین در پروژه - ریسرچمفصلی مورد بحث قرار داده است. در این پروژه - ریسرچاو محصولات را به دو گروه تقسیم کرده است: تعداد زیادی از محصولات که تقاضای کمی دارند و تعداد کمی از محصولات که تقاضا برای آنها زیاد است. در نهایت محصولات با تقاضای زیاد را با استراتژی تولید برای ذخیره و محصولات با تقاضای کم را با رویه تولید برای سفارش به خط تولید میفرستد. همین رویکرد توسط آدان و وال [7] نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. عیوضی و همکاران [16] نیز مدل توسعه یافتهای بر مبنای زمانبندی و کنترل تولید نیمههادیها ارائه کردند که در آن دو رویکرد برای اولویت دادن به کارهای تولید برای سفارش و تولید برای ذخیره وجود دارد. زائر پور و همکاران [59] نیز ساختار تصمیمگیری برای ترکیب استراتژیهای تولید را مورد بررسی قرار داده و با رویهای ترکیبی از رویکردهای ایاچپی و تاپسیس به اتخاذ تصمیم پرداخته است.
مقالات مروری در این بخش در جدول(2-7) خلاصه شدهاند.
جدول SEQ جدول * ARABIC 7 جدول 2-7. مسائل با محدودیت استراتژیهای ترکیبی مدیریت تولیدنویسنده مسئله رویکرد سال شماره ارجاع
یوسف و همکاران 1||Cmax- 2004 24
آدان و وان -- 1998 7
عیوضی و همکاران -- 2009 16
زائرپور و همکاران -AHP,TOPSIS 2009 59
2-6. تابع هدفگسترش مفاهیم تولید به موقع اهمیت زمانهای زودکرد را برای دانشمندان علم زمانبندی بیش از پیش روشن کرده است. پس از بکارگیری موفق این مفاهیم در صنعت و تاثیر قابل توجه آن بر عملکرد تولید و کاهش موجودی انبار تعداد پژوهشهای زمانبندی که به این مسئله توجه نشان داده بودند افزایش چشمگیری یافت. در عمل محصولاتی که زودتر از موعد ساخته میشوند باید به انبار بروند و محصولاتی که دیرتر از موعد تحویل میگردند نیز نارضایتی مشتریان را در پی دارند. از آنجا که بسته به شرایط اهمیت این دو هزینه برای هر کدام از کارها میتواند متفاوت باشد، ضرایب وزنی هزینهها برای هرکار متفاوت تعریف میگردد.
در کنار رشد تحقیقات زمانبندی که درآنها مفهوم تولید به موقع مدنظر قرار گرفته است، پژوهشهایی نیز انجام شده است که با حفظ مفهوم تولید به موقع به سایر هزینههای موجود در سیستم نیز پرداختهاند. در این تحقیقات هزینههایی نظیر عدم پذیرش کارها، هزینههای انبارداری و … نیز در نظر گرفته میشوند.
در این نمونههایی از تحقیقات انجام شده در زمینه تولید جریانی بدون انتظار که در آنها رویکرد تولید به موقع به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده است مرور میشوند.
عرب عامری و سلماسی [10] مسئله زمانبندی تولید جریانی بدون انتظار را با محدودیت زمان نصب وابسته به توالی کارها و با محدودیت مجموع زمانهای زودکرد و دیرکرد وزنی به کمک الگوریتم ترکیبی بهینهسازی تجمعی ذرات و جستجوی ممنوع حل کردند. جولایی و همکاران [29] نیز با حفظ مفهوم تولید به موقع تابع هدفی شامل مجموع وزنی زودکردها و دیرکردها و ضرر ناشی از رد سفارشات جهت رسیدن به بیشینه سود حاصل از پردازش کارها برای مسئله تولید جریانی بدون انتظار تعریف کردند.
در جدول(2-8) پژوهشهای مرور شده در این بخش به اختصار آورده شدهاند.
جدول SEQ جدول * ARABIC 8 جدول 2-8. مسائل سیستم تولید جریانی با تابع هدفهای تولید به موقعنویسنده مسئله رویکرد سال شماره ارجاع
عرب عامری و سلماسی Fm|nwt,sijk|wj'Ej+wj"Tjالگوریتم ترکیبی از بهینهسازس تجمعی ذرات و جستجوی ممنوع 2013 10
جولایی و همکاران FFm|nwt|MAXbenefitالگوریتم ژنتیک 2009 29
2-7. جمعبندیدر این فصل، ابتدا به کمک رویکرد سه نمادی به طبقهبندی مسائل زمانبندی پرداخته شد. پس از آن ادبیات سیستم تولید جریانی منعطف بدون انتظار تشریح گردید. در ادامه فصل جهت مرور ادبیات موضوع مورد بررسی مقالات و پژوهشهای انجام شده به تفکیک محدودیتها و تابع هدف تحقیق مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به مطالب عنوان شده در این فصل تحقیق پیش رو از جنبه تابع هدف، کاربرد رویکردهای مدیریت تولید در زمانبندی و بکارگیری مسئله محدودیت ساعات کاری در محیط سیستم تولیدی تولیدی منعطف بدون انتظار نوآوری دارد.
فصل سوممدل ریاضی پیشنهادی3-1. مقدمهرویکردهایی همچون برنامهریزی خطی و غیرخطی، برنامهریزی عدد صحیح و … به عنوان رویکردهای دقیق برای بدست آوردن جواب از توانایی محدودی برخوردارند. با پیچیده شدن مسائل دنیای واقعی این واقعیت بیش از پیش برای دانشمندان روشن گردید که برای حل مسائل جدید به ابزارهایی کارآمدتر نیازمندند. از این رو امروزه تمرکز مطالعاتی از بدست آوردن جواب دقیق توسط این روشها به بدست آوردن جوابهای نزدیک به بهینه به کمک روشهای ابتکاری و فراابتکاری معطوف گردیده است. اگر چه روشهای دقیق امروزه بسیار کمتر مورد استفاده قرار میگیرند اما همچنان به عنوان ابزاری برای اعتبارسنجی روشها و مدلها بسیار سودمندند.
در این فصل، مسئله زمانبندی تولید جریانی منعطف با محدودیت ساعات کاری ماشینآلات و زمانهای نصب وابسته به توالی کارها و نیز با درنظر گرفتن رویکرد مدیریت تولید ترکیبی تولید برای سفارش و تولید برای ذخیره مورد بررسی قرار میگیرد. در ادامه مدل ریاضی ارائه شده برای این مسئله به طور کامل تشریح شده و اعتبارسنجی میگردد.
3-2. تعریف مسئلهمسئله زمانبندی تولید جریانی منعطف با محدودیت ساعات کاری ماشینآلات و زمانهای نصب وابسته به توالی کارها و نیز با درنظر گرفتن رویکرد مدیریت تولید ترکیبی تولید برای سفارش و تولید برای ذخیره به صورت زیر ارائه میگردد:
یک محیط صنعتی با قابلیت تولید N محصول متفاوت و مستقل در نظر گرفته میشود. چیدمان ماشینآلات در این محیط تولیدی به صورت سیستم جریانی منعطف است، به این معنی که حداقل در یکی از ایستگاههای کاری بیش از یک ماشین وجود دارد. ماشینهای موجود در هر ایستگاه کاری کاملا مشابه هستند و هر کدام مقدار زمان مشخصی میتوانند در حال کار باشند و پس از آن از دسترس خارج میشوند. هر سیستم تولیدی با توجه به پیشبینیهای انجام شده براساس فروش قبلی خود سهم مشخصی از بازار را برای خود متصور است. از طرفی سیستم تولیدی ممکن است سفارشاتی را نیز دریافت کند(برای مثال سفارشات صادراتی یا تولید محصول برای یک ارگان مشخص). این سفارشات در زمان خاصی به سیستم تولیدی ارائه شده و موعد تحویل مشخصی دارند. معیار بهینهسازی این مسئله به حداقل رساندن هزینههای ناشی از رد کردن سفارشات، تحویل ناقص سفارشات(به دلیل محدودیت ظرفیت تولید) و هزینههای ناشی از زودکرد و دیرکرد تحویل سفارشات است. برای هر کدام از هزینههای ذکر شده براساس اهمیتی که برای مدیریت دارد ضرایب وزنی مشخصی در نظر گرفته میشود. برای درک بهتر مسئله نمای کلی محیط تولیدی -241304619625شکل SEQ شکل * ARABIC 1 شکل 3-1. نمای کلی مسئله مورد بررسی0شکل SEQ شکل * ARABIC 1 شکل 3-1. نمای کلی مسئله مورد بررسی-2578723158170در شکل(3-1) نشان داده شده است.
3-2-1. مفروضات مسئلهمفروضات زیر بر مسئله مورد بررسی حاکم است:
هر ماشین در هر لحظه تنها توانایی پردازش یک کار را دارد و هر کار در هر ایستگاه تنها باید بر روی یک ماشین پردازش شود.
هر سفارش شامل تعداد مشخصی از هر کدام از محصولات قابل تولید است.
کارهایی که برای ذخیره در انبار و براورده کردن سهم بازار تولید میشوند از لحظه صفر در دسترس خواهند بود و تا پایان افق برنامهریزی برای تکمیل تولید فرصت دارند.
زمانهای پردازش، ضرایب انواع هزینهها، تعداد ماشینهای هر ایستگاه و ظرفیت تولید(مقدار ساعتی که هر ایستگاه در دسترس است) مشخص است.
بیکاری ماشینها مجاز است.
3-3. مدل پیشنهادیدر این بخش، مدل ریاضی عدد صحیح غیرخطی پیشنهادی برای مسئله مورد بحث ارائه میگردد. پیش از ارائه کامل مدل، پارامترهای ورودی، متغیرهای تصمیمگیری، تابع هدف و محدودیتها به طور مجزا تشریح میگردند.
3-3-1. پارامترهای ورودی مسئله:s تعداد ایستگاههای کاری s=1, …,S:k تعداد ماشینهای موجود در هر ایستگاه کاریs. s=1, …,S ، k=1, …,ms:i تعداد سفارشات (برای سهولت در مدلسازی، i=1 مجموع کارهای با رویکرد تولید برای سفارش را نمایندگی میکند) i=1, …, N:j تعداد کارهای (محصولات) قابل تولید در محیط تولیدی j=1, …, J:t شماره هر کار در هر سفارش (sumi مجموع تعداد کارهای هر سفارش)t=1, …, sumi, i=1, …, N
:q محل قرارگیری هر کار در توالی کلی کارها (Z مجموع تعداد کارهای سفارشات پذیرفته شده به علاوه کارهای رویکرد تولید برای ذخیره)q=1, …, Z:Ri زمان در دسترس قرار گرفتن سفارش i (کارهای تولید برای ذخیره از لحظه صفر در دسترس هستند) i=2, …, N:Di موعد تحویل سفارش i به مشتری (کارهای تولید برای ذخیره تا پایان افق برنامهریزی برای تحویل فرصت دارند) i=2, …, N:Wti وزن دیرکرد در تحویل سفارش i به ازای هر واحد زمانی i=2, …, N
:Wei وزن زودکرد در تحویل سفارش i به ازای هر واحد زمانی i=2, …, N
:Wni وزن هزینه ناشی از رد سفارش (کارهای تولید برای ذخیره همیشه پذیرفته شده هستند و رد کردن برای آنها متصور نیست) i=2, …, N
:Wgi وزن هزینه ناشی از تحویل ناقص سفارش i به مشتری به ازای هر کار تحویل نشده (به دلیل محدودیت ساعات کاری ممکن است یک سفارش به طور کامل پردازش نشود، کارهای تولید برای ذخیره هم در صورت تحویل ناکامل توانایی براورده کردن نیاز بازار را ندارند) i=1, …, N
:cas محدودیت زمانی هر ماشین k در ایستگاه کاری s. s=1, …, S:pjs زمان پردازش کار نوع j در ایستگاه کاری s. j=1, …, J , s=1, …,S:hji تعداد کار نوع j در سفارش i. i=1, …, N, j=1, …, J:sjj'sk زمان نصب کار نوع j' هنگامی که این کار دقیقا پس از کار نوع j در ایستگاه کاری s روی ماشین k انجام شود. j,j'=1, …, J, s=1, …,S, k=1, …,ms3-3-2. متغیرهای تصمیمگیری مسئله:xtiq 1 اگر کار شماره t از سفارش i در محل q از توالی کارها قرار بگیرد و 0 در غیر اینصورت. t=1, …, sumi, i=1, …, N, q=1, …, Z:yqsk 1 اگر کار قرار گرفته در موقعیت q از توالی کارها روی ماشین k در ایستگاه s پردازش شود و 0 در غیر اینصورت. q=1, …, Z, , s=1, …,S, k=1, …,ms:vqj 1 اگر کار قرار گرفته در موقعیت q از توالی کارها از نوع j باشد و 0 در غیر اینصورت. q=1, …, Z, j=1, …, J:fi 1 اگر سفارش i پذیرفته شود و 0 در غیر اینصورت. i=1, …, N:stqs زمان شروع کار قرار گرفته در موقعیت q از توالی کارها در ایستگاه کاری s. q=1, …, Z, s=1, …,S:cqs زمان تکمیل کار قرار گرفته در موقعیت q از توالی کارها در ایستگاه کاری s. q=1, …, Z, s=1, …,S:deq زمان تاخیر لازم برای برقراری شرایط پردازش بدون توقف برای کار قرار گرفته در موقعیت q از توالی کارها. q=1, …, Z:avqs زمان در دسترس قرار گرفتن ایستگاه کاری s برای پردازش کار قرار گرفته در موقعیت q توالی کارها. q=1, …, Z, s=1, …,S:gq 1 اگر کار قرار گرفته در موقعیت q از توالی کارها انجام شود و 0 در غیر اینصورت (به دلیل محدودیت ساعات کاری ایستگاهها ممکن است کار انجام نشود). q=1, …, Z3-3-3. تابع هدفminZ=i=2Ntardii× fi×wti+i=2Nearlii ×fi×wei+i=1Nwni×1-fi+i=1Nsumi-nondi×fi×wgiاز آنجا که در صنایع امروزی اهمیت تحویل به موقع محصولات به مشتریان از اهمیت ویژهای برخوردار است، تابع هدف این مسئله با رویکرد تولید به موقع تعیین شده است. در اکثر پژوهشهایی که تاکنون انجام شده است هزینه دیرکرد برای کارهای پردازش شده محاسبه میشود، اما در این تحقیق از آنجا که بستههای سفارش داده شده باید تحویل مشتری شوند، هزینههای مربوطه نیز برای سفارشات محاسبه میشوند. برای یک بسته سفارشی مفروض چهار هزینه متصور است که به شرح زیر هستند.
هزینه دیرکرد: هزینه دیرکرد برای هر سفارش برابر است با بیشینه دیرکرد کارهای آن سفارش ضرب در میزان اهمیت(وزن) دیرکرد آن سفارش. لازم به ذکر است چنانچه سفارش مربوطه پذیرفته شده باشد (fi=1) هزینه دیرکرد برای آن متصور است و در غیر این صورت هزینه رد سفارش که در ادامه خواهد آمد باید محاسبه گردد. به دلیل اینکه موعد تحویل محصولات تولید برای ذخیره پایان افق برنامهریزی است، محاسبه هزینه دیرکرد برای آنها معنی پیدا نمیکند به همین دلیل این هزینه تنها برای سفارشات تولید برای سفارش محاسبه میشود(i=2). عبارت هزینه دیرکرد در تابع هدف به صورت زیر است:
(3-1) i=2Ntardii× fi×wtiهزینه زودکرد: این هزینه نیز مانند هزینه دیرکرد برای بستههای سفارشی پذیرفته شده(fi=1) محاسبه میشود. برای یک بسته سفارشی مفروض مقدار زودکرد برابر است با بیشینه زودکرد هر کدام از کارهای سفارش ضرب در اهمیت(وزن) زودکرد آن سفارش. از آنجا که موعد تحویل محصولات با استراتژی تولید برای ذخیره پایان افق برنامهریزی است برای آنها هزینه زودکرد متصور نیست(i=2). عبارتی که محاسبه هزینه زودکرد را در تابع هدف نمایندگی میکند به صورت زیر است:
(3-2) i=2Nearlii ×fi×weiهزینه رد سفارش: عدم پذیرش سفارش به دلیل از دست دادن سود ناشی از تولید آن برای سیستم تولیدی دارای هزینه است. هزینه رد سفارش برابر است با اهمیت(وزن) آن سفارش. در این بخش وزن سفارش میتواند میزان سود از دست رفته را نمایندگی کند. عبارت مربوط به این هزینه در تابع هدف مطابق رابطه(3-3) است.
(3-3) i=1Nwni×1-fiهزینه تحویل ناقص سفارش: چنانچه یک یا چند کار در سفارشات پذیرفته شده به دلیل محدودیت ساعات کاری ماشینآلات نتوانند پردازش خود را کامل کنند، بسته سفارشی ناقص پردازش میگردد. در چنین شرایطی یا سفارش باید ناقص تحویل شود و یا از موجودی انبار که کالاهای تولید برای ذخیره است برای کامل کردن سفارش استفاده شود که در هر دو حالت هزینههایی را در پی دارد. هزینه تحویل ناقص سفارش به صورت شمارش تعداد کارهای پردازش نشده در یک سفارش پذیرفته شده ضرب در میزان اهمیت(وزن) آن سفارش محاسبه میشود. تعداد کارهای پردازش نشده برای هر سفارش(sumi-nondi) با استفاده از تعداد کارهای پردازش شده هر سفارش که در محدودیتها محاسبه میشود محاسبه میگردد. بدیهی است این هزینه نیز تنها برای سفارشات پذیرفته شده متصور است. عبارت مربوط به هزینه تحویل ناقص در تابع هدف مطابق عبارت(3-4) است.
(3-4) i=1Nsumi-nondi×fi×wgi3-3-4. محدودیتهاj=1Jhji fi≤mscas , s=1,…,Sاین محدودیت تضمین میکند که مجموع زمان پردازش کارهایی که پذیرفته میشوند از مجموع زمان در دسترس در هر ایستگاه بیشتر نباشد.
f1≥1این محدودیت وجود کارهایی که تحت استراتژی تولید برای ذخیره تولید میشوند را در توالی کارهای نهایی تضمین میکند.
sumi=j=1Jhji, i=1,…, Nاین محدودیت مجموع محصولات سفارش داده شده در هر بسته سفارشی را محاسبه میکند.
Z=i=1Nsumi fi, i=1,…,N
این محدودیت تعداد کل کارهایی که در اثر پذیرفته شدن سفارشات باید پردازش شوند را محاسبه میکند.
t=1Zxtiq=1, q=1,…,Z and i=1,…,Nq=1Zxtiq=1, t=1,…,Z and i=1,…,N این مجموعه محدودیتها تخصیص هر کار به یک مکان در توالی و تخصیص هر مکان در توالی به یک کار را تضمین میکنند.
k=1msyqsk=1, q=1,…,Z and s=1, …,Sاین محدودیت تخصیص یک ماشین در هر ایستگاه کاری به هر کار موجود در توالی را تضمین میکند.
deq=maxi=1Nt=1sumiri xqit,avqs-avqs-1,…, avq2-avq1, q=1,…,Zمحاسبه میزان تاخیر در شروع پردازش هر کار در توالی در ایستگاه اول برای تامین شرایط پردازش بدون انتظار توسط این محدودیت انجام میشود. میزان تاخیر لازم برای پردازش بدون انتظار برابر با بیشینه فاصله زمانهای در دسترس برای آن کار در هر دو ایستگاه کاری متوالی است.
st11=deq+avq1stq1=deq+avq1+j=1Jj'=1Jq'=1q-1k=1ms(vqj' vq-1j yq1k yq-11k) sjj'1k, q=2,…,Zstqs=cqs-1+ j=1Jj'=1Jq'=1q-1k=1ms(vqj' vq-1j yqsk yq-1sk) sjj'sk, s=2,…, S and q=2,…,Zاین مجموعه از محدودیتها زمان شروع پردازش هر کار را در هر ایستگاه کاری را محاسبه میکند. اگر هر دو کار متوالی روی یک ماشین در هر ایستگاه از دو نوع متفاوت باشند زمان نصب به کار دوم تعلق میگیرد.
cqs=stqs+j=1Jvqj pjs, s=1,…,Sاین محدودیت زمان تکمیل پردازش هر کار در هر ایستگاه کاری را تعیین میکند.
avqs=min1≤k≤msmax1≤q≤q'-1cq's yq'sk, s=1,…,S and q=1,…,Zمحاسبه زمان در دسترس قرار گرفتن هر ایستگاه کاری برای هر کار توسط این محدودیت محاسبه میگردد. همانطور که از محدودیت مشخص است زمان در دسترس قرار گرفتن هر ایستگاه کاری برای هر کار برابر است با کمینه زمان در دسترس قرار گرفتن ماشینهای درون آن ایستگاه. زمان در دسترس قرار گرفتن هر ماشین نیز برابر است با بیشینه زمانهای تکمیل کل کارهایی که تاکنون روی آن ماشین پردازش شده است.
tardii=max0, max1≤q≤zt=1zxtiq cqs-di, i=2,…,N and s=Searlii=max0,di-max1≤q≤zt=1zxtiq cqs, i=2,…,N and s=Sاین دو محدودیت میزان دیرکرد و زودکرد را برای هر بسته سفارشی محاسبه میکند. دیرکرد یک سفارش برابر است با بیشینه مقدار دیرکرد هر کدام از کارهای آن سفارش و مقدار زودکرد هر سفارش برابر است با بیشینه زودکرد هر کدام از کارهای آن سفارش.
gq-k=1msyqsk=0 q=1, …, Z , s=Sاین محدودیت انجام شدن یا نشدن هر کار را تعیین میکند. اگر هیچ یک از ماشینهای ایستگاه کاری آخر به کار در موقعیت q در توالی کارها به تخصیص پیدا نکنند، به این معنی است که کار به پایان پردازش خود نرسیده است.


gq-k=1msyqsk=nondi=sumi-t=1sumiq=1Zgqxtiq, i=1, …, N این محدودیت تعداد کارهای انجام شده در هر سفارش را محاسبه میکند.
با توجه به توضیحات ارائه شده مدل ریاضی پیشنهادی به صورت زیر خواهد بود:
minZ=i=2Ntardii× fi×wti+i=2Nearlii ×fi×wei+i=1Nwni×1-fi+i=1Nsumi-nondi×fi×wgi Subject to:
j=1Jhji fi pjs≤mscas, s=1,…,S f1≥1sumi=j=1Jhji, i=1,…, NZ=i=1Nsumi fi, i=1,…,Nt=1Zxtiq=1, q=1,…,Z and i=1,…,N
q=1Zxtiq=1, t=1,…,Z and i=1,…,N k=1msyqsk=1, q=1,…,Z and s=1, …,S deq=maxi=1Nt=1sumiri xqit,avqs-avqs-1,…, avq2-avq1, q=1,…,
st11=deq+avq1stq1=deq+avq1+j=1Jj'=1Jq'=1q-1k=1ms(vqj' vq-1j yq1k yq-11k) sjj'1k, q=2,…,Zstqs=cqs-1+ j=1Jj'=1Jq'=1q-1k=1ms(vqj' vq-1j yqsk yq-1sk) sjj'sk, s=2,…, S and q=2,…,Z
cqs=stqs+j=1Jvqj pjs, s=1,…,Savqs=min1≤k≤msmax1≤q≤q'-1cq's yq'sk, s=1,…,S and q=1,…,Ztardii=max0, max1≤q≤zt=1zxtiq cqs-di, i=2,…,N and s=Searlii=max0,di-max1≤q≤zt=1zxtiq cqs, i=2,…,N and s=Sgq-k=1msyqsk=nondi=sumi-t=1sumiq=1Zgqxtiq, i=1, …, N 3-4. اعتبارسنجی مدلاعتبارسنجی مدل گام مهمی در اطمینان از صحت یک مدل ریاضی است. از آنجا که طبق مطالعات پژوهشگر چنین تحقیقی تاکنون انجام نشده است و مدل ارائه شده از چند نظر جدید است لزوم انجام اعتبارسنجی کاملا روشن به نظر میرسد.
اعتبارسنجی به این معنی است که نتایج بدست آمده از حل مدل باید با واقعیت مطابقت داشته باشد. بر این اساس اعتبارسنجی مدل ریاضی ارائه شده در دو مرحله انجام میگردد. مرحله اول اعتبارسنجی مدل به کمک یک مسئله حل شده و مرحله دوم حل یک مسئله تولید شده و بررسی اعتبار مدل.
3-4-1. اعتبارسنجی مدل به کمک مسئله حل شدهدر این بخش تحقیق انجام شده توسط ونگ و لیو [56] که مسئله تولید جریانی بدون انتظار منعطف با دو ایستگاه کاری و تابع هدف بیشینه زمان تکمیل کارها که حاوی حل تعدادی مسئله جهت استفاده سایر پژوهشگران است به عنوان مسئله جهت اعتبارسنجی مدل ارائه شده مدنظر قرار گرفته است.
جهت انجام فرایند اعتبارسنجی لازم است پارامترهای مدل ارائه شده در این تحقیق طوری تعریف شوند که مسئله با نمونه ارائه شده در پروژه - ریسرچونگ و لیو [56] مشابه گردد. بر این اساس، تعداد کارهای موجود در هر سفارش یک تعریف شده است. زمانهای نصب صفر در نظر گرفته شده و نوع کارهای موجود در سفارش متفاوت تعریف شده است. همچنین ظرفیت کاری ماشینآلات نامتناهی تعریف شده و امکان رد سفارش حذف گردیده است. همچنین از آنجا که تابع هدف این پروژه - ریسرچبیشینه زمان تکمیل است، تابع هدف مدل ارائه شده را نیز بیشینه زمان تکمیل سفارشات قرار داده تا نتایج قابل مقایسه باشند. قابل ذکر است که تغییر تابع هدف تاثیری در صحت عملکرد محدودیتها ندارد. تغییرات انجام شده در مدل پیشنهادی به طور خلاصه در جدول(3-1) آمدهاند.
جدول SEQ جدول * ARABIC 9 جدول 3-1. تغییرات اعمال شده در مدل پیشنهادی جهت اعتبارسنجیفاکتور وضعیت اصلی وضعیت تغییر یافته
تابع هدف کمینه هزینهها بیشینه زمان تکمیل کارها
زمان نصب بزرگتر از صفر صفر
تعداد کارهای موجود در سفارش از انواع متفاوت و معمولا بیش از یک کار از انواع متفاوت و یک کار
قابلیت رد سفارش وجود دارد وجود ندارد
ظرفیت کاری ماشینآلات محدود نامحدود
در تحقیق مورد استفاده سیستم تولید جریانی بدون انتظار شامل دو ایستگاه کاری و هر ایستگاه شامل دو ماشین یکسان است. کوچکترین ابعاد مسئله مورد بررسی در این پروژه - ریسرچمسئلهای مشتمل بر ده کار است که بنابر توضیحات ارائه شده در بالا در مدل پیشنهادی ما به صورت ده سفارش که هر کدام شامل یک کار است تعبیر میشوند. زمان پردازش کارها روی ماشین نیز دارای توزیع یکنواخت بین [50 ،1] میباشد بر همین مبنا با استفاده از تابع تولید اعداد تصادفی یکنواخت در نرمافزار متلب اعداد زیر به عنوان زمانهای پردازش تولید شدهاند.
(3-5) pqs=41 7 32 14 48 8 48 48 22 4546 46 5 28 49 49 25 8 46 48این مسئله در نرمافزار لینگو 9 حل شده است که در نتیجه آن توالی سفارشات به صورت q7, q3, q9, q8, q1, q10, q5, q2, q4, q6 و مقدار تابع هدف برابر 326 است. این در حالی است که مقدار تابع هدف در تحقیق مورد استفاده برای این مسئله برابر 292.3 است. این تفاوت حدودا 11% میتواند به دلیل متفاوت بودن مقدار زمانهای پردازش بوده باشد.
3-4-2. اعتبار سنجی مدل به کمک مسئله تولیدیدر این روش، اعتبارسنجی به کمک یک مسئله تولید شده و بررسی درستی عملکرد محدودیتها صورت میگیرد. این روش به عنوان مکملی برای روش قبلی است چرا که در روش قبل به دلیل تفاوت توابع هدف تغییر آن ناگزیر بود. برای انجام این روش دادههای ارائه شده در جدول(3-2) مورد استفاده قرار میگیرند.
جدول SEQ جدول * ARABIC 10 جدول 3-2. دادههای لازم جهت پیادهسازی مدل ریاضیفاکتور مقدار
تعداد سفارش 5
تعداد کارهای موجود در هر سفارش 1
تعداد ایستگاه 2
تعداد ماشین در هر ایستگاه 2
زمانهای پردازش unif [1, 50]زمانهای نصب 0
موعدهای تحویل 50
وزنهای زودکرد و دیرکرد 10
وزن رد سفارش 20
امکان رد سفارش وجود دارد
ظرفیت ماشینآلات نامحدود
لازم به ذکر است که دلیل اصلی کوچک در نظر گرفتن ابعاد مسئله یا حذف فاکتوری همچون محدودیت ظرفیت ماشینآلات تنها به دلیل افزایش چشمگیر زمان حل مسئله در نرمافزار لینگو و امکان نرسیدن به جواب بهینه کلی بوده است و از آنجا که این تغییرات جزیی از دامنه تغییرات ممکن این فاکتورها است تاثیری در اعتبارسنجی مدل نخواهند داشت.
-241304295775شکل SEQ شکل * ARABIC 2 شکل 3-2. گانت چارت جواب بهینه مسئله طراحی شده جهت اعتبارسنجی مدل ریاضی.0شکل SEQ شکل * ARABIC 2 شکل 3-2. گانت چارت جواب بهینه مسئله طراحی شده جهت اعتبارسنجی مدل ریاضی.right10596120مسئله مورد بررسی در این بخش در نرمافزار لینگو 9 حل شد و جواب بهینه برابر 2830 بود. توالی کارها نیز به صورت q2, q3, q5, q1, q4 بدست آمد. جهت اطمینان از درستی عملکرد مدل گانت چارت جواب بهینه در شکل(3-2) رسم شده است.
3-5. تعیین پیچیدگی مسئلهانتخاب روش حل مناسب میتواند در دقت و کیفیت و زمان مورد نیاز برای حل یک مسئله تاثیر قابل توجهی داشته باشد. شاخهای از علوم کامپیوتر با نام نظریه پیچیدگی بر مطالعه این مبحث تمرکز دارد. به طور خلاصه پیچیدگی یک مسئله با میزان محاسبات لازم جهت حل آن ارتباط مستقیم دارد. این بدان معناست که با افزایش ابعاد مسئله طبیعتا زمان حل آن نیز افزایش مییابد. چنانچه زمان حل مسئله نسبت به ابعاد آن با تابعی چندجملهای افزایش یابد، زمان این مسئله را چندجملهای میگویند. چنین مسائلی عمدتا با روشهای دقیق قابل حل هستند.
دسته بزرگتر و مهمتری از مسائل بهینهسازی که عمدتا مسائل زمانبندی نیز در این دسته قرار میگیرند دارای تابع زمانی غیر چندجملهای هستند. چنین مسائلی را در علم پیچیدگی NP-hard مینامند. این دسته از مسائل با روشهای دقیق قابل حل نبوده و لذا از روشهای تقریبی جهت یافتن نزدیکترین جواب به بهینه کلی بهره گرفته میشود. در نتیجه شناخت مسئله از نقطه نظر پیچیدگی آن میتواند بر کیفیت جواب تاثیر مستقیم داشته باشد.
8426456118225شکل SEQ شکل * ARABIC 3 شکل 3-4. سلسله مراتب پیچیدگی در توابع هدف مسائل زمانبندی [6].00شکل SEQ شکل * ARABIC 3 شکل 3-4. سلسله مراتب پیچیدگی در توابع هدف مسائل زمانبندی [6].10096503163570شکل SEQ شکل * ARABIC 4 شکل 3-3. سلسله مراتب پیچیدگی در مسائل کارگاهی زمانبندی [6].00شکل SEQ شکل * ARABIC 4 شکل 3-3. سلسله مراتب پیچیدگی در مسائل کارگاهی زمانبندی [6].center17732300center567841500پیندو [6] در کتاب مفصل خود پیرامون موضوع زمانبندی سلسله مراتب مسائل پیچیدگی در مسائل زمانبندی را در گرافهایی تشریح میکند. این گرافها در شکلهای(3-3) و (3-4) آمدهاند.
همانطور که از این شکلها مشخص است میزان پیچدگی یک مسئله زمانبندی به نحوه چیدمان ماشینآلات و تابع هدف مسئله بستگی مستقیم دارد. نکته قابل تعمل در مسئله پیچیدگی آن است که پس از تشخیص میزان پیچیدگی یک مسئله به کمک این گرافها میتوان این میزان را به حالات خاص این مسائل نیز تعمیم داد. به عنوان مثال مقدار پیچیدگی مسئله 1||Cj که حالت خاصی از مسئله 1||WjCj است را میتوان معادل مقدار پیچیدگی مسئله 1||WjCj دانست. این مسئله را در علم پیچیدگی به صورت 1||Cj∝1||WjCj نشان میدهند.
در این تحقیق مسئله زمانبندی تولید جریانی منعطف بدون انتظار با محدودیت ساعات کاری ماشینآلات، زمان نصب وابسته به توالی کارها و استراتژی ترکیبی تولیید با هدف حداقل سازی هزینهها مورد بررسی قرار میگیرد. راک [45] نشان داد که مسئله تولید جریانی بدون انتظار با تابع هدف بیشینه زمانهای تکمیل NP-hard است. با توجه به نتایج مطرح شده در مورد میزان پیچیدگی مسئله پردازش بدون انتظار به یقین میتوان گفت که مسئله مورد بحث در این تحقیق نیز از میزان پیچیدگی NP-hard برخوردار است لذا حل این مسئله در ابعاد بزرگ را نمیتوان به طور کارایی با روشهای دقیق انجام داد. در فصل آینده روشهای حل کارایی با استفاده از رویکردهای فراابتکاری ارائه میگردند. ولید جریانی منعطف بدون انتظار با محدودیت ساعات کاری ماشین
3-6. جمعبندیدر این فصل، پس از بیان تعریف مسئله مورد بررسی و تشریح ویژگیهای آن، مدل ریاضی عدد صحیح غیر خطی جدیدی برای حل آن ارائه گردید. در ادامه فصل نیز اعتبار مدل ریاضی ارائه شده با استفاده از دو رویکرد سنجیده شد. در پایان فصل نیز دلایلی مبنی بر ناکارامدی روشهای حل دقیق برای مسئله مذکور بیان شده و میزان پیچیدگی آن مورد بررسی قرار گرفت.
فصل چهارمالگوریتمهای فراابتکاری پیشنهادی و نتایج محاسباتی
4-1. مقدمههدف از حل هر مسئله بهینهسازی یافتن بهترین ترکیب ممکن از متغیرهای جواب برای آن مسئله است. مسائل بهینهسازی از منظر ماهیت جواب شدنی برای آنها به دو دسته کلی مسائل پیوسته و مسائل گسسته تقسیم میشوند. مسائل حوزه زمانبندی به عنوان دستهای مهم از مسائل بهینهسازی ترکیبی یکی از شناخته شده ترین مسائل با ساختار گسسته هستند. فاکتورهای جواب این دسته از مسائل باید به صورت گسسته کدگذاری شوند. با توجه به اهمیت مسائل این حوزه تاکنون رویکردهای جواب متنوعی برای حل این مسائل ارائه گردیدهاند. با نگاهی کلی، روشهای حل ارائه شده را میتوان در دو گروه کلی روشهای دقیق و تقریبی جای داد. ساختار رویکردهای دقیق به گونهای است که عملکرد آنها را تنها به حل مسائل با پیچیدگی مشخص و ابعاد کوچک محدود میکند. این رویکردها برای مسائل با ابعاد بزرگ زمانهای حل بسیار ناکارامدی را ارائه میدهند. برهمین اساس، لزوم استفاده از رویکردهای تقریبی در حل مسائل پیچیده بدیهی به نظر میرسد. این رویکردها بسته به نوع آنها میتوانند جوابهای با کیفیت قابل قبول را در زمان منطقی ارائه دهند.
روشهای فراابتکاری دسته مهمی از روشهای تقریبی هستند که عموما با الگوبرداری از رفتار طبیعت تدوین گردیدهاند. وجه تمایز اصلی این روشها با روشهای تقریبی دیگر استفاده از متدهایی برای اجتناب از توقف فرایند جستجو در بهینه محلی است. براساس استراتژیهای بکار رفته در فرایند الگوریتم، امروزه طیف گستردهای از روشهای فراابتکاری به جامعه محققین ارائه شده است که برای مثال میتوان به الگوریتمهایی نظیر ژنتیک، جستجوی ممنوع، مورچگان، تبرید شبیهسازی شده، سیستم ایمنی مصنوعی و … اشاره کرد.
در ادامه فصل پیش رو، الگوریتمهای فراابتکاری ارائه شده به منظور حل مسئله مورد بررسی شامل الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی و تبرید شبیهسازی شده با رویکرد ابری به طور کامل تشریح میگردند. پس از آن با استفاده از رویکرد تنظیم پارامترها به روش تاگوچی الگوریتمهای ارائه شده کالیبره شده و به وسیله آزمایشات طراحی شده مورد سنجش قرار میگیرند. در نهایت نتایج استخراج شده از اجرای آزمایشات تشریح میگردند.
4-2. الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعیالگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی یکی از جدیدترین الگوریتمهای الگوبرداری شده از رفتارهای طبیعی پدیدهها است. همانگونه که از نام آن هویدا است، این الگوریتم از سیستم ایمنی بدن موجودات زنده و بالاخص پستانداران الگوبرداری شده است. روند کلی الگوریتم بسیار شبیه به الگوریتم ژنتیک بوده اما وجود تفاوتهایی تاثیرگذار باعث برتری نسبی این الگوریتم نسبت به الگوریتم ژنتیک در برخی مسائل بهینهسازی ترکیبی گردیده است.
سیستم ایمنی بدن انسان مجموعهای پیچیده است که وظیفه حفاظت بدن در مقابل خطرات و حفظ سلامتی آن را به عهده دارد [34]. این سیستم این وظیفه را با شناسایی عوامل مضر خارجی به نام پاتوژنها و تلاش جهت نابودسازی آنها انجام میدهد. این عوامل عموما به کمک فاکتور پروتئینی موجود در ساختارشان که آنتیژن نام دارد شناسایی میشوند. پس از شناسایی آنتیژن، بدن فاکتور پروتئینی مناسب جهت نابودسازی آنتیژن مربوطه را که آنتیبادی نام دارد ساخته و به جریان خون میفرستد و از این طریق عامل خارجی مضر را نابود میکند این فرایند را پاسخ اولیه ایمنی مینامند. پس از رفع خطر، بدن بهترین آنتیبادی ساخته شده را در حافظه خود نگه میدارد تا چنانچه این آنتیژن بار دیگر وارد بدن شد بتواند عملکرد سریعتری داشته باشد. دلیل علمی واکسیناسیون نیز همین است.
در کل سیستم ایمنی بدن انسان به زیر شاخه سیستم ایمنی ذاتی و سیستم ایمنی قابل انطباق تقسیم میشود [34]. سیستم ایمنی ذاتی وظیفه دفاع عمومی بدن را برعهده داشته و تنها توانایی مبارزه با بیماریهای مشخصی را دارد، چیزی را به یاد نمیسپارد و عملکرد خود را بهبود نمیبخشد. اما سیستم ایمنی قابل انطباق توانایی مواجهه با عوامل بیماریزای جدید را داشته و در هر زمان بهترین عملکرد خود را در مقابل پاتوژنهای جدید به خاطر میسپارد. لازم به ذکر است که تمام الگوریتمهای ایجاد شده براساس سیستم ایمنی بدن براساس سیستم ایمنی قابل انطباق تدوین شدهاند.
رویه جستجوی بهترین آنتیبادی و نحوه به یاد سپاری آن برای تقریبا تمام عمر در بدن توجه بسیاری از پژوهشگران را جلب کرده است. به همین دلیل الگوریتمهای متعددی که هر کدام از بخشی از فرایند ایمنی الگوبرداری شدهاند در طی سالها ایجاد شده است. در یک تقسیمبندی کلی الگوریتمهای ایمنی ارائه شده را میتوان در سه دسته الگوریتم ایمنی تولید انتخابی، شبکه ایمنی و جستجوی منفی تقسیم کرد. الگوریتم ایمنی مصنوعی با رویکرد تولید انتخابی عموما در مسائل تعیین توالی بهینه و زمانبندی مورد استفاده قرار میگیرد حال آنکه دو رویکرد بعدی عموما برای مسائل تشخیص عوامل مخرب و مسائل خوشهبندی یا جستجوی الگو مورد استفاده قرار میگیرند. در تحقیق پیش رو نیز رویکرد تولید انتخابی الگوریتم ایمنی مصنوعی مورد استفاده قرار گرفته است لذا از این پس عبارت الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی به اختصار به جای عبارت رویکرد تولید انتخابی الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی به کار میرود.
الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی فرایند جستجوی خود را با جامعهای از آنتیبادیهای تصادفی که در واقع نشان دهنده جوابهای شدنی هستند آغاز میکند. در الگوریتم ایمنی مصنوعی آنتیژن تابع هدف را نمایندگی میکند. لذا هر کدام از جوابها از نظر میزان تطابق با تابع هدف مورد ارزیابی قرار میگیرند و در نهایت جوابها براساس میزان تطابقشان با تابع هدف که همان میزان برازندگی در الگوریتم ژنتیک است مرتب میشوند. پس از آن تعدادی مشخص از بهترین جوابها انتخاب شده و براساس رابطهای که بسته به نوع مسئله تعریف میشود، از هر جواب بسته به میزان تطابق آن تکثیر میشود. یعنی هرچه تطابق بیشتر باشد تعداد تکثیر نیز بیشتر میشود. در مرحله بعد هر جواب بسته به میزان تطابق خود تحت عملگر جهش قرار میگیرد، یعنی هر چه تطابق یک جواب بیشتر باشد میزان جهش کمتر خواهد بود. در نهایت میزان تطابق جوابهای جهش یافته بررسی شده و به تعدادی که در مراحل قبل بهترین جوابها برگزیده شده بودند، از بهترین جوابهای جهش یافته برداشته میشود و با همان تعداد از بدترین جوابهای جامعه مرجع جایگزین میگردد. این رویه تا فرارسیدن شروط توقف ادامه مییابد.
الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی به دلیل ساختار خود نقاط قوتی را در مقابل سایر الگوریتمها دارا است. از آنجا که این الگوریتم همزمان دستهای از جوابها را مورد بررسی قرار میدهد توانایی جستجوی همزمان نقاط متفاوتی از فضای حل را دارا میباشد و این مسئله توانایی الگوریتم برای رسیدن به بهینه کلی را افزایش داده و از به دام افتادن الگوریتم در بهینه موضعی جلوگیری میکند. به علاوه از آنجا که این الگوریتم فاقد عملگر تقاطع است در شرایط مساوی سرعت بالاتری نسبت به الگوریتم ژنتیک داشته و نیز از آنجا که عملگرهای بازتولید و جهش نیز در این الگوریتم تابعی از میزان تطابق جواب هستند سرعت همگرایی آن نسبت به الگوریتم ژنتیک بیشتر است.
4-2-1. شمای کلی الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعیفرایند اجرای الگوریتم تولید انتخابی سیستم ایمنی مصنوعی مطابق شبه برنامه زیر است:
تولید جامعه اولیه آنتیبادیها(جوابها) به صورت تصادفی.
محاسبه میزان تطابق جوابهای تولید شده با آنتیبادی(تابع هدف) و مرتب کردن جامعه اولیه براساس میزان تطابق جوابها.
انتخاب تعدادی مشخص از بهترین جوابها.
تکثیر جوابهای انتخاب شده براساس میزان تطابق آنها.
اعمال جهش روی جوابهای تکثیر شده.
محاسبه میزان تطابق جوابهای جهش یافته با تابع هدف و مرتبسازی آنها براساس میزان تطابق.

—d1221

2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک41
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب42
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده45
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب46
2-4-3- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1- سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1-1- مفاهیم ایمنی49
2-4-3-1-2- ایمنی ذاتی51
2-4-3-1-3- ایمنی اکتسابی51
2-4-3-1-4- تئوری شبکه ایمنی52
2-4-3-1-5- الگوریتم ایمنی مصنوعی53
2-4-3-1-6- سیستم ایمنی مصنوعی و مسائل بهینه سازی چندهدفه54
2-4-3-2- الگوریتم MISA56
2-4-3-3- الگوریتم VIS61
2-4-3-4- الگوریتم NNIA64
2-5- روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه67
2-5-1- فاصله نسلی68
2-5-2- درجه توازن در رسیدن همزمان به اهداف69
2-5-3- مساحت زیر خط رگرسیون70
2-5-4- تعداد جواب‌های غیرمغلوب نهائی71
2-5-5- فاصله گذاری71
2-5-6- گسترش72
2-5-7- سرعت همگرائی73
2-5-8- منطقه زیر پوشش دو مجموعه73
2-6- جمع بندی74
فصل سوم: مدل سازی مسأله و توسعه الگوریتم‌ها76
3-1- مسأله موردتحقیق77
3-2- طراحی الگوریتم‌ها81
3-2-1- تطبیق الگوریتم‌ها با مسئله موردبررسی81
3-2-1-1- ساختار حل‌ها81
3-2-1-2- معیار توقف82
3-2-2- تطبیق الگوریتم NSGA-II برای مسئله موردبررسی83
3-2-3- تطبیق الگوریتم CNSGA-II برای مسئله موردبررسی84
3-2-4- تطبیق الگوریتم NRGA برای مسئله موردبررسی85
3-2-5- تطبیق الگوریتم MISA برای مسئله موردبررسی85
3-2-6- تطبیق الگوریتم VIS برای مسئله موردبررسی85
3-2-7- تطبیق الگوریتم NNIA برای مسئله موردبررسی86
فصل چهارم: تجزیه و تحلیل داده‌ها87
4-1- تولید مسأله نمونه88
4-2- اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌ها براساس معیارها89
4-3- تجزیه و تحلیل نتایج92
فصل پنجم: نتیجه گیری و مطالعات آتی100
5-1- نتیجه گیری101
5-2- مطالعات آتی102
فهرست منابع و مراجع103
پیوست الف: محاسبه معیارهای هشت گانه برای الگوریتم های استفاده شده105
پیوست ب: نمودارهای بدست آمده از تجزیه و تحلیل نتایج113
پیوست ج: یک نمونه مسئله حل شده توسط الگوریتم NSGA-II118
پیوست د: کد برنامه نویسی الگوریتم NSGA-II در محیط MATLAB123

فهرست اشکال
شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف36
شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب41
شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II43
شکل2-4- الگوریتم NRGA47
شکل 2-5- سلول B، آنتی ژن، آنتی بادی، اپیتوپ، پاراتوپ و ادیوتوپ50
شکل 2-6- فلوچارت الگوریتم MISA57
شکل 2-7- یک شبکه تطبیقی برای رسیدگی به حافظه ثانویه60
شکل 2-8- فلوچارت الگوریتم VIS62
شکل 2-9- تکامل جمعیت NNIA65
شکل 2-10- نمایش حل‌های مناسب69
شکل 2-11- مساحت زیر خط رگرسیون70
شکل 2-12- بیشترین گسترش73
شکل 3-1- مکانیسم عملگر تقاطع83
شکل 4-1- نمودار همگرایی الگوریتم‌ها براساس شاخص MID90
شکل 4-2- نتیجه بدست آمده از آنالیز واریانس برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب94
شکل 4-3- نتیجه بدست آمده از آزمون توکی برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب95
شکل 4-4- نتیجه به دست آمده از آنالیز واریانس برای تعداد جواب‌های غیرمغلوب97

فهرست جداول
جدول 4-1- مشخصات هر نمونه88
جدول 4-2- گروه بندی الگوریتم‌ها براساس معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب96
جدول 4-3- مقایسه الگوریتم‌ها ازنظر معیارهای مختلف و در حالت‌های گوناگون98
جدول 4-4- متوسط معیارهای الگوریتم‌ها و رتبه بندی الگوریتم‌ها براساس آن99
4221207272
82867519050 1
00 1

تعریف مسأله

1-1- مقدمه
با رشد روز افزون معاملات تجاری در سطح جهان و در سال‌های اخیر، ظهور پدیده تجارت الکترونیک و بانکداری الکترونیک به عنوان بخش تفکیک ناپذیر از تجارت الکترونیک مطرح شد. بانکداری الکترونیک اوج استفاده از فناوری انفورماتیک و ارتباطات و اطلاعات برای حذف دو قید زمان و مکان از خدمات بانکی است. ضرورت یک نظام بانکی کارامد برای حضور در بازارهای داخلی و خارجی ایجاب می‌کند تا بانکداری الکترونیک نه به عنوان یک انتخاب، بلکه ضرورت مطرح شود. امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد [1].
1-2- مکانیابی تسهیلات
فرض کنید که یک شرکت رسانه‌ای می‌خواهد که ایستگاه‌های روزنامه را در یک شهر ایجاد کند. این شرکت در حال حاضر جایگاه‌هایی را به صورت بالقوه در شهرهای همسایه اش مشخص کرده‌است و هزینه ایجاد و نگهداری یک جایگاه را می‌داند. همچنین فرض کنید که تقاضای روزنامه در هر شهر همسایه مشخص است. اگر این شرکت بخواهد تعدادی از این ایستگاه‌ها را ایجاد کند، باتوجه به مینیمم کردن کل هزینه‌های ایجاد و نگهداری این ایستگاه‌ها و همچنین متوسط مسافت سفر مشتریان، این ایستگاه‌ها در کجا باید واقع شوند؟
سؤال قبل یک مثال از مسأله مکانیابی تسهیلات بود. مکانیابی تسهیلات یعنی اینکه مجموعه‌ای از تسهیلات (منابع) را به صورت فیزیکی به گونه‌ای در یک مکان قراردهیم که مجموع هزینه برآورده کردن نیازها (مشتریان) باتوجه به محدودیت‌هایی که سر راه این مکانیابی قرار دارد، مینیمم گردد.
از سالهای 1960 به این طرف مسائل مکانیابی یک جایگاه ویژه‌ای را در حیطه تحقیق در عملیات اشغال کرده‌اند. آنها وضعیت‌های مختلفی را درنظر گرفته‌اند که می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد: تصمیم گیری در مورد مکان کارخانجات، انبارها، ایستگاه‌های آتش نشانی و بیمارستان‌ها.
به طور اساسی، یک مسأله مکانیابی بوسیله چهار عنصر زیر توصیف می‌شود:
مجموعه‌ای از مکانها که در آن‌ها، تسهیلات ممکن است ایجاد یا باز شوند. برای هر مکان نیز بعضی اطلاعات درمورد هزینه ساخت یا باز نمودن یک تسهیل در آن مکان مشخص می‌شود.
مجموعه‌ای از نقاط تقاضا (مشتریان) که برای سرویس دهی به بعضی از تسهیلات اختصاص داده شوند. برای هر مشتری، اگر بوسیله یک تسهیل معینی خدمت‌رسانی شود، بعضی اطلاعات راجع به تقاضایش و درمورد هزینه یا سودش بدست می‌آید.
لیستی از احتیاجات که باید بوسیله تسهیلات بازشده و بوسیله تخصیص نقاط تقاضا به تسهیلات برآورده شود.
تابعی از هزینه یا سودهایی که به هر مجموعه از تسهیلات اختصاص پیدا می‌کند.
پس هدف این نوع مسائل، پیدا کردن مجموعه‌ای از تسهیلات است که باید باتوجه به بهینه کردن تابع مشخصی باز شوند.
مدل‌های مکانیابی در یک زمینه گسترده از کاربردها استفاده می‌شود. بعضی از این موارد شامل موارد ذیل است: مکانیابی انبار در زنجیره تأمین برای مینیمم کردن متوسط زمان فاصله تا بازار؛ مکانیابی سایت‌های مواد خطرناک برای مینیمم کردن درمعرض عموم قرار گرفتن؛ مکانیابی ایستگاه‌های راه آهن برای مینیمم کردن تغییرپذیری زمان بندی‌های تحویل بار؛ مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز برای بهترین سرویس دهی به مشتریان بانک و مکانیابی ایستگاه‌های عملیات تجسس و نجات ساحلی برای مینیمم کردن ماکزیمم زمان پاسخ به حادثه‌های ناوگان دریایی. با اینکه این پنج مسأله توابع هدف مختلفی دارند، همه این مسائل در حوزه مکانیابی تسهیلات واقع می‌شوند. درواقع، مدل‌های مکان‌یابی تسهیلات می‌توانند در موارد ذیل متفاوت باشند: توابع هدفشان، معیارهای فاصله‌ای که به کار می‌برند، تعداد و اندازه تسهیلاتی که قرار است مکانیابی شوند و چندین معیار تصمیم گیری مختلف دیگر. بسته به کاربرد خاص هر مسأله، درنظرگرفتن این معیارهای مختلف در فرموله کردن مسأله، منتهی به مدل‌های مکانیابی بسیار متفاوتی خواهدشد.
1-3- بیان مسأله
هدف از اجرای این تحقیق، مکان‌یابی سیستم‌های خدمات رسانی ثابت با ظرفیت خدمت محدود می‌باشد. یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند. در چنین سیستم‌هایی، زمانی که برای انجام سرویس موردنیاز است تصادفی است و همچنین تقاضای انجام خدمت در نقاط تصادفی از زمان می‌رسند که این تقاضا از جمعیت بزرگی از مشتریان سرچشمه می‌گیرد و معمولاً این سرویس‌دهی در نزدیک ترین تسهیل انجام می‌شود. چنین سیستم‌های خدمت‌رسانی، سیستم‌های صف را تشکیل می‌دهند. مدل‌های مختلفی برای حل این مسائل مکان‌یابی سیستم صف ارائه شده‌است.
دو ناحیه کاربردی وجود دارد که ما با این مدل‌ها روبه رو می‌شویم [4]: اولی در طراحی سیستم ارتباط کامپیوتری مانند اینترنت می‌باشد. در یک سیستم ارتباط کامپیوتری، ترمینال‌های مشتری (کاربران اینترنت) به کامپیوترهای میزبان (سرورهای پروکسی، سرورهای آینه) وصل می‌شوند که قابلیت پردازش بالا و/یا پایگاه داده‌های بزرگ میزبان دارند. زمانی که طول می‌کشد تا سرور درخواست را پردازش کند بستگی به سرعت پردازش سرور و و نوع درخواست دارد که آن هم تصادفی است. زمانی که مشتری برای پاسخ سرور منتظر می‌ماند نیز بستگی به تعداد و اندازه درخواست‌های داده‌ای است که در حال حاضر در صف هستند. به طور کلی، درخواست‌های مشتری‌ها به نزدیکترین سرور وصل می‌شود. این مکان و ظرفیت سرورها، پارامترهای طراحی بحرانی هستند. این انتخاب پارامترها تأثیری قابل توجه روی کیفیت خدمات دارد، به طوری که بوسیله یک مشتری درک می‌شود.
کاربرد دوم شامل طراحی یک سیستم دستگاه خودپرداز برای بانک است. مشتری‌ها به صورت تصادفی به یک دستگاه خودپرداز می‌رسند. اگر هنگامی‌که آن‌ها می‌رسند، دستگاه آزاد باشد، آن‌ها بلافاصله سرویس دهی می‌شوند. در غیر این صورت ، آن‌ها به صف می‌پیوندند یا آن جا را ترک می‌کنند. زمان تصادفی که یک مشتری در یک دستگاه سپری می‌کند بستگی به تعداد و نوع تراکنشی (مثلاً مانده حساب، دریافت وجه، انتقال وجه و غیره) دارد که او انجام می‌دهد. منبع قابل توجه دیگر زمان مشتری در یک دستگاه، شامل تأخیر ارسال در مدت شبکه ارتباط بانک است. از آن جا که دستگاه‌ها ثابت هستند، مشتری‌ها باید به یک مکان خودپرداز مراجعه کنند تا یک تراکنش را انجام دهند. گاهی اوقات، مردم در طول مسیر خود (مثلاً از خانه به محل کار) برای استفاده از یک دستگاه خودپرداز به آن مراجعه می‌کنند؛ گاهی اوقات هم، آن‌ها آن را طبق یک مسیر از پیش برنامه‌ریزی‌شده (مثلاً مسیر روزانه بین خانه و کار) استفاده می‌کنند. به طور کلی، آن‌ها از تسهیل با کمترین هزینه قابل‌دسترس استفاده می‌کنند. برای مثال، هنگامی‌که هزینه‌ها بوسیله مسافت سفر تعیین می‌شود، مشتری‌ها نزدیکترین تسهیل به محل کار/خانه یا نزدیکترین مسیر روزانه شان را انتخاب می‌کنند. ما فرض می‌کنیم که مشتری‌ها هیچ اطلاعی از تأخیرات دستگاه‌های خودپرداز ندارند و از این رو نزدیکترین تسهیل را برای درخواست سرویسشان انتخاب می‌کنند.
فرضیاتی که برای این مسأله درنظر گرفته می‌شود به شرح زیر می‌باشد:
گره مشتری وجود دارد که هر یک درخواستی را برای سرویس ایجادمی‌کند؛
تعداد درخواست‌ها در واحد زمان، یک جریان پوآسن مستقل را تشکیل می‌دهند؛
گره خدمت‌رسان بالقوه وجود دارد؛
مشتریان از مراکز تقاضا به سمت مکان این دستگاه‌ها حرکت می‌کنند؛
هر جایگاه خدمت فقط یک خدمت دهنده دارد؛
زمان سرویس یک دستگاه به صورت تصادفی و توزیع نمایی دارد؛
مکان دستگاه‌ها ثابت هستند؛
مشتری‌ها بوسیله نزدیکترین دستگاه خودپرداز خدمت‌رسانی می‌شوند؛
میزان زمان انتظار مشتریان در صف نباید از یک حد ازپیش تعیین شده، فراتر رود؛
ماکزیمم تعداد دستگاه‌های خدمت‌رسان از قبل تعریف شده‌است.
در مسائل مکان‌یابی تک هدفه، هدف مسأله معمولاً هزینه یا پوشش بوده‌است، امّا در مسائل چندهدفه، حداقل یک هدف دیگر وجود دارد که باتوجه به طبیعت این گونه مسائل، با هدف اوّلی درتضاد است.
براین اساس، ما مروری بر روی اهدافی که در مسائل مکان‌یابی چندهدفه توسعه یافته می‌کنیم. این اهداف می‌توانند به صورت زیر توصیف شوند:
هزینه: انواع مختلفی از هزینه وجود دارد. این انواع می‌توانند به دو قسمت ثابت و متغیر تقسیم شوند. هزینه‌های ثابت شامل هزینه شروع و نصب به همراه سرمایه گذاری می‌باشد. هزینه‌های متغیر می‌تواند هزینه حمل و نقل، عملیات، تولید، خدمات، توزیع، تدارکات، دفع پسماند، نگهداری و محیطی باشد. هزینه حمل و نقل بیشترین و هزینه نصب بعد از آن قرار دارد. مسائل مختلفی از یک معیار «هزینه کل» استفاده کرده‌اند که شامل همه هزینه‌ها تحت یک هدف می‌شود.
ریسک‌های محیطی: این هدف شامل ریسک حمل و نقل، ریسک طبیعی، دفع پسماند یا ریسک رفتاری، یا «اثرات نامطلوب» عمومی است که جایگاه بزرگی دارد. به هر حال نسبت ریسک محیطی در مسائل مکان‌یابی کمتر از دیگر هزینه‌هاست.
پوشش: تقریبا مجموعه کامل مسائل مکان‌یابی درباره پوشش مسافت، زمان، مبلغ و یا حتی انحراف پوشش است. اگرچه بسیاری از مسائل از مسافت و پوشش جمعیّت به عنوان هدفشان استفاده می‌کنند، اما در بعضی مسائل نیز زمان مهّم است.
مفهوم تساوی نیز در این طبقه قرار می‌گیرد، زیرا این نوع مسائل، روشی منصفانه در برخورد با مسأله پوشش دارند.
سطح و کارائی خدمت: در این طبقه، هدف سطح سرویس به همراه کارائی قرارمی‌گیرد.
سود: بعضی مسائل به سود خالص (تفاوت بین سودها و هزینه‌ها) علاقمندند.
اهداف دیگر: بعضی اهداف دیگر که در مسائل مکان‌یابی استفاده می‌شوند، مانند دستیابی به منابع به همراه ریسک‌های سیاسی و اجتماعی که نمی‌توانند در دیگر دسته‌ها قرار بگیرند.
سه هدف برای مسأله موردنظر ما درنظر گرفته شده‌است که هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
1-4- روش حل
به طور کلی مسائل مکانیابی تسهیلات اصولاً NP-Hardهستند و بعید است بدون کاربرد الگوریتم‌های فراابتکاری بتوان حلّی بهینه را در زمان معقول پیدا کرد و زمان محاسباتی نیز با توجه به اندازه مسأله به صورت نمایی افزایش می یابد.
مسائل بهینه یابی چندهدفه، به طور کلی با یافتن حل‌های بهینه پارتو یا حل‌های مؤثّر کارمی‌کنند. چنین حل‌هایی غیرمغلوب هستند، یعنی هنگامی‌که همه اهداف درنظر گرفته شوند، هیچ حل دیگری برتر از آن‌ها نیست. بیشترین روش‌هایی که برای حل مسائل بهینه سازی چندهدفه به کار می‌روند، روشهای ابتکاری و فراابتکاری هستند.
برای مسائلی که در کلاس NP-Hard قرار می گیرند، تاکنون روش‌های دقیقی که بتواند در حالت کلی و در زمانی معقول به جواب دست یابد توسعه داده نشده‌است. از این رو روش‌های ابتکاری و فراابتکاری مختلفی را برای حل این دسته از مسائل به کار می برند تا به جواب‌های بهینه یا نزدیک به بهینه دست یابند.
در این تحقیق سعی شده‌است که از چندین الگوریتم بهینه سازی چندهدفه استفاده شود. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند. چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است. در سال‌های اخیر، الگوریتم‌های بهینه سازی مبتنی بر ایمنی مصنوعی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است که به همین علت، ما در این تحقیق سعی بر آن داریم که از کارآمدترین این الگوریتم‌ها استفاده کنیم. از میان الگوریتم‌های چندهدفه ایمنی، ما از MISA، VIS و NNIA استفاده کرده ایم که در ادامه و در بخش‌های بعدی به نتایج خوبی که دراثر استفاده از این الگوریتم‌ها بدست می‌آید، اشاره می‌کنیم.
1-5- اهمیت و ضرورت تحقیق
امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد.
در این تحقیق سعی شده‌است که محدودیت‌ها و چالش‌های فراروی این مسأله در دنیای واقعی تا حد ممکن درنظر گرفته شود. به همین منظور محدودیت‌هایی ازقبیل ماکزیمم دستگاه خدمت‌رسانی که می‌تواند به کار گرفته شود و حدّ بالای زمان انتظار برای مشتریان منظور شده‌است. همچنین به‌دلیل اینکه یک هدف، پاسخگوی انگیزه ایجاد شده برای انجام این طرح نمی‌باشد، این مسأله به صورت یک مسأله چند هدفه درنظر گرفته شده‌است تا به دنیای واقعی هر چه نزدیکتر گردد تا در درجه اول سود بانک یا مؤسسه ازطریق انتخاب بهینه دستگاه‌های خودپرداز افزایش یابد و در درجه دوم رضایت مشتریان جلب گردد، به صورتی که هم پوشش مناسب برای خدمت‌رسانی داده شود و هم مدت زمان خدمت‌رسانی به مشتریان حداقل گردد.
1-6- اهداف تحقیق
اهدافی که برای اجرای این تحقیق درنظر گرفته شده‌است عبارتند از:
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات به صورت کلّی
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
بهینه نمودن استفاده از دستگاه‌های‌های خدمت‌رسان؛ یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند، به‌صورتی که هم رضایت مشتریان جلب شود (این هدف را به صورت کمینه کردن مجموع زمان خدمت‌رسانی به مشتریان که شامل زمان سفر مشتریان از مراکز تقاضا به مراکز خدمت‌رسانی و زمان انتظار آنها برای خدمت‌رسانی درنظر گرفته ایم) و هم مجموع کارکرد دستگاه‌ها بیشینه گردد.
تطبیق الگوریتم‌های مختلف با مسئله مورد بررسی
تجزیه و تحلیل الگوریتم‌های مختلف با استفاده از روشهای مقایسه الگوریتم‌ها
1-7- جمع بندی
مسأله مکانیابی تسهیلات در حالت کلی به عنوان یک مسأله NP-Hard شناخته می‌شود. به‌خصوص در حالتی که محدودیت‌های دیگری نظیر محدودیت انتظار مشتریان در صف و محدودیت در تعداد تسهیلات باز شده نیز مطرح باشد، پیچیدگی این مسأله چندین برابر می‌شود.
هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
پایان نامه دارای ساختار زیر است: در فصل دوم برای آنکه خواننده با مفاهیمی که در این پایان‌نامه به کار گرفته شده‌است و همچنین موضوعاتی که در این تحقیق مطرح می‌شود، مروری جامع بر ادبیات موضوعات در بخش‌های مختلف اعم از مکانیابی تسهیلات به صورت کلی، مکانیابی تسهیلات باتوجه به مسأله مطرح شده و محدودیت‌های ایجاد شده به عمل آمده‌است. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
در فصل سوم ابتدا درمورد مسئله مورد بررسی این تحقیق توضیحات کافی داده می شود و اهداف و محدودیت های فراروی آن شرح داده می شود. سپس، در قسمت طراحی الگوریتم‌ها، الگوریتم‌های درنظر گرفته شده را با مسئله مورد بررسی تطبیق می دهیم.
در فصل چهارم پس از اینکه درمورد تولید مسائل نمونه صحبت کردیم، به تجزیه و تحلیل و مقایسه الگوریتم‌ها خواهیم پرداخت که این کار را به این صورت انجام می‌دهیم که ابتدا معیارهای مختلف را برای تمامی الگوریتم‌ها اندازه گیری کرده و سپس این نتایج را باتوجه به روش‌های موجود درزمینه تحلیل واریانس، مورد تجزیه و تحلیل قرارمی‌دهیم.
در فصل پنجم نیز پس از مروری کلّی بر تحقیقی که انجام شده، چند زمینه تحقیق برای مطالعات آتی به خوانندگان پیشنهاد می‌شود.
4221207272
82867519050 2
00 2

مرور ادبیات

2-1- مقدمه
در این فصل، ابتدا به بحث درباره موضوع مکانیابی تسهیلات می پردازیم. در ابتدا، به مروری بر ادبیات این موضوع می پردازیم. در ادامه، مسائل پوشش که مهمترین و پرکاربردترین مباحث در این حوزه است را توضیح داده و مدل های دیگر مکانیابی تسهیلات را معرفی می نمائیم. سپس باتوجه به اینکه مسئله ما در حیطه مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم می باشد، به مرور ادبیات این حیطه و خصوصیات این نوع مدل ها می پردازیم. سپس سیستم صف و مسائلی که در این حوزه و ادامه تحقیق، موردنیاز است، شرح داده می شود. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
2-2- مکانیابی تسهیلات
2-2-1- مرور ادبیات در موضوع مکانیابی تسهیلات [5]
می‌توان استدلال نمود که تحلیل‌های مکانیابی در قرن هفدهم و با مسأله پیِر دِ فِرمَت شروع شد: فرض کنید که سه نقطه در یک صفحه وجود دارد، نقطه چهارمی را پیداکنید به صورتی که مجموع فواصلش تا سه نقطه فرض شده مینیمم گردد. اِوانجلیستا توریچلی نیز یکی از کسانی است که ساختارهای فضایی که نیاز به یافتن یک چنین میانه‌های فاصله‌ای یا «نقاط توریچلی» دارند، به آن نسبت داده شده‌است. به هر حال در قرن اخیر، با «مسأله وِبِر» از آلفرد وِبِر و بعضی از گسترش‌های بعدی اش در مسئله درِزنر و همکارانش دوران جدید تحلیلهای مکانیابی با کاربردش در مکانیابی صنعتی شروع می‌شود. مسأله وِبِر نقاطی را در یک سطح پیدا می‌کند که مجموع فواصل اقلیدسی وزن‌دهی شده آن تا یک مجموعه نقاط ثابت مینیمم گردد. این مسأله به این صورت تفسیر می‌شود که مکان یک کارخانه را به گونه‌ای پیداکنیم که کل مسافت وزن دهی شده آن از تأمین کنندگان و مشتریان مینیمم گردد، که وزن‌ها بیانگر حجم مبادلات می‌باشد، مثل وزن موادی که باید از یک تأمین‌کننده منتقل شود یا حجم محصولات نهایی که برای یک مشتری ارسال می‌شود.
تنها در دهه 60 و 70، با فراهم بودن گسترده قدرت محاسبات برای پردازش و تحلیل مقادیر بزرگی از داده‌ها بود که ما شروع واقعی بهینه سازی جدید و به همراه آن، تحقیق در مسائل مکانیابی را مشاهده می‌کنیم. این دوره را به این دلیل دوره بلوغ تحلیلهای مکانیابی می‌نامند که گرایش زیادی به مطالعه p-median کلاسیک، p-center، پوشش مجموعه، مکانیابی تأسیسات ساده و مسائل تخصیص درجه دوم و گسترش آنها پیدا شد.
در این دوره، کوپر مسأله تک تسهیلی وِبِر را گسترش داد تا مسأله تخصیص-مکانیابی چندتسهیلی را ایجاد کند. سپس مارانزانا این مسأله را از فضای پیوسته به شبکه گسترش داد. به هر حال حکیمی است که شالوده تحقیق در p-median و مسائل دیگر در یک شبکه را کامل می‌کند. مسأله p-median شبیه مسأله وِبِر در یک سطح، مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که کل مسافت وزن دهی شده با تقاضا را تا نزدیکترین تسهیل مینیمم می‌کند. به علاوه حکیمی مسأله p-center اصلی را ارائه می‌کند که مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که ماکزیمم مسافت تقاضا تا نزدیکترین تسهیل مینیمم گردد. نتیجه مهم قضیه حکیمی نیز مشخص است، یعنی اینکه یک حل در مسأله p-median، همیشه در گره‌های یک شبکه در مسأله واقع می‌شود، درحالیکه یک حل در مسأله p-center لزومی ندارد که در گره‌ها واقع شود. کاریف و حکیمی اثبات می‌کنند که مسائل p-center و p-median، NP-Hard هستند.
مدلهای پوشش، مسائلی را درنظر می‌گیرند که تقاضاها باید در یک مسافت مطمئنی از زمان سفر پوشش داده شوند. تورِگاس و همکارانش روش حلی را برای اینگونه مسائل که در کاربرد با نام مسأله پوشش مجموعه (LSCP) شناخته می‌شود را فرمول بندی و ارائه کردند. مکان تسهیلات برای خدمات اورژانسی از این مسأله الهام می‌شوند. چِرچ و رِوِله، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) را ارائه کردند. این مسأله، مکانهای بهینه‌ای را برای تعداد معیّنی از تسهیلات پیدا می‌کند که جمعیّتی که درون یک فاصله خدمت‌رسانی مشخص، پوشش داده می‌شوند، حداکثر گردد.
دیگر مسأله بنیادی با مفهوم پوشش، مسأله تخصیص درجه دوم (QAP) می‌باشد که به دلیل طبیعت درجه دوّم فرموله کردن تابع هدفش به این نام خوانده می‌شود. تعدادی (N) تسهیل که در همان تعداد جایگاه (N) به گونه‌ای واقع می‌شوند که کل هزینه انتقال مواد درمیان آنها مینیمم گردد. هزینه حرکت مواد بین هر دو مکان بوسیله ضرب یک وزن یا جریان در فاصله بین مکان‌ها بدست می‌آید. مدل خطی آن بوسیله کوپمنس و بِکمن ارائه شد که مورد خاصی از مسأله حمل و نقل شناخته شده‌است. این مسأله NP-Hard علائق بسیاری را برای تحقیق ایجاد کرد و هنوز هم حل آن در هر اندازه ای، بسیار سخت به نظر می‌رسد.
دهه 80 و 90 تحقیقاتی را در تحلیل مکانیابی دید که به رشته‌های دیگر نیز گسترش پیدا کرد و نتایج سودمندی را از دیدگاه مدل سازی و کاربرد بدست آورد. این نوآوری‌ها تا به امروز نیز ادامه دارد.
از جمله این مدل‌ها می‌توان به مکان‌یابی رقابتی، مکان تسهیلات گسترده، مکانیابی تصادفی، مسیریابی، مکان‌یابی هاب و جلوگیری از جریان اشاره کرد. به عنوان کاربردهای جدید در این دوران می‌توان به ناحیه‌هایی ازجمله برنامه ریزی خدمات اورژانسی، کاربردهای محیط زیستی همچون تسهیلات زیان آور و ترکیب مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین اشاره کرد.
مدلهای مکانیابی رقابتی: حکیمی مدلهای رقابتی را درون تئوری مکانیابی وارد کرد. بیشتر نتایج در این زمینه یک فضای گسسته یا یک شبکه را درنظر می‌گیرند. اخیراً مدل‌های مکانیابی رقابتی پیوسته توسط داسکی و لاپورته ارائه شده‌است.
مدلهای مکانیابی تسهیلات گسترده: یک تسهیل اگر در مقایسه با محیطش، خیلی کوچکتر از یک نقطه به نظر برسد، گسترده نامیده می‌شود. چنین مدل‌هایی بارها در وضعیت‌های طراحی شبکه به کار گرفته شده‌است. مِسا و بوفی یک سیستم دسته بندی شامل مسائلی برای تعیین خط مسیر حمل و نقل مواد خطرناک ارائه کردند. اخیراً یک مثال بوسیله بریمبرگ و همکارانش آورده شده‌است که مسأله مکانیابی یک دایره درون یک کره را درنظر می‌گیرد، به صورتی که فاصله از تسهیلات موجود باید مینیمم گردد.
مکانیابی تصادفی: مدلهای مکانیابی تصادفی هنگامی رخ می‌دهند که داده‌های مسأله فقط به روشی احتمالی شناخته شوند. بِرمن و همکارانش مسائلی را درنظر گرفتند که ورود به تسهیلات به صورت تصادفی است و اثر تراکم نیز باید درنظر گرفته می‌شد. لوگندران و تِرِل یک مسأله LA با ظرفیت نامحدود را با تقاضاهای تصادفی حسّاس به قیمت درنظر گرفتند. بِرمن و کراس یک کلاس کلی از «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» را ارائه کردند.
مسیریابی مکان: ترکیب تحلیلهای مکانیابی با زمینه‌های شناخته شده مسائل مسیریابی وسایل نقلیه، ناحیه جدید دیگری از مدل سازی، یعنی مسیریابی مکان را ایجاد می‌کند.
مکانیابی هاب: در چنین مسائل مکانیابی، هاب‌ها به عنوان متمرکزکننده‌ها یا نقاط سوئیچینگ ترافیک عمل می‌کنند، خواه برای مسافران خطوط هوایی باشد، خواه بسته‌های کوچک در سیستمهای سوئیچینگ. جریان بین منابع و مقاصد اساس مدل سازی این دسته از مسائل را تشکیل می‌دهد. اُکِلی اساس تحلیلهای مکانیابی هاب را بنانهاد. آن مدل‌ها به صورتی مدل سازی شد تا بهترین مکان‌ها برای متصل کردن ترمینال‌ها را باتوجه به مینیمم کردن هزینه‌های کل تراکنش‌ها، پیدا کند.
جلوگیری از جریان: در بسیاری از مسائل مکانیابی، تقاضاها فرض می‌شوند که در گره‌های یک شبکه رخ می‌دهند. یک تغییر جالب که بوسیله مسائل فرض می‌شود این است که تقاضا بوسیله جریانی از وسایل نقلیه یا پیاده‌هایی که از میان اتصالات شبکه عبور می‌کنند، ارائه می‌شوند. ازجمله کاربردهای این حیطه می‌توان به دستگاه‌های خودپرداز و ایستگاه‌های نفتی اشاره کرد. چنین مسائلی اولین بار توسط هاچسون و بِرمن و همکارانش ارائه شد.
مکانیابی یا جابجایی وسایل خدمات اورژانسی: مقدار شگرفی از تحقیقات در مطالعه مکانیابی وسایل خدمات اورژانسی ایجاد شده‌است. چَپمن و وایت اولین کار را برحسب محدودیت‌های کاربردی که در LSCP کاربرد دارد، ارائه کردند. مطالعه میرچندانی و اُدُنی زمان‌های سفر تصادفی را در مکانیابی تسهیلات اورژانس درنظر می‌گیرد. همچنین باتوجه به کاربردهای وسایل اورژانسی، مدل MEXCLP که توسط داسکین ارائه شده‌است، مدل MCLP را با محدودیت‌های احتمالی گسترش می‌دهد. رِپِده و برناردو، مدل TIMEXCLP را ارائه کردند که MEXCLP را با تغییر تصادفی در تقاضا گسترش می‌دهد.
کاربردهای مرتبط با محیط زیست: تسهیلات زیان آور و مفاهیم دیگر: بعضی از تحلیلهای مکانیابی در موضوع محیط زیست، مربوط به مکان تسهیلاتی می‌شود که برای جمعیت مجاورشان مضر یا نامطبوع هستند. گُلدمن و دیِرینگ و همچنین چِرچ و گارفینکل جزء اولین افرادی بودند که مکانیابی برای تسهیلات زیان آور یا تسهیلاتی که ترجیح می‌دهیم دور از دسترس باشند را درنظر گرفتند.
تحلیلهای مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین: مدیریت زنجیره تأمین (SCM) شامل تصمیمات درمورد تعداد و مکان تسهیلات و جریان شبکه در حیطه تأمین، تولید و توزیع می‌شود. در اولین کارها در برنامه ریزی پویا، بالُو از برنامه نویسی پویا برای جابجایی انبارها در طول دوره برنامه‌ریزی استفاده می‌کند. جئوفریون و پاورز محیطی یکپارچه را بین مکان و SCM درنظر می‌گیرد.
2-2-2- معیارهای دسته بندی مدلهای مکانیابی
مدلهای مکانیابی تسهیلات می‌توانند باتوجه به اهداف، محدودیتها، حل‌ها و دیگر خصوصیات دسته بندی شوند. در زیر، هشت معیار رایجی که برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی تسهیلات سنتی استفاده می شود، آورده شده‌است ‍‍[6]:
مشخصات مکان: مشخصات مکان تسهیلات و جایگاه‌های تقاضا شامل مدل‌های مکانیابی پیوسته، مدل‌های شبکه گسسته، مدل‌های اتصال هاب و غیره می‌شود. در هر یک از این مدل‌ها، تسهیلات می‌توانند فقط در جایگاه‌هایی واقع شوند که توسط شرایط مکانی مجاز هستند.
اهداف: هدف یکی از معیارهای مهم برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی است. هدف مدل‌های پوشش، مینیمم کردن تعداد تسهیلات برای پوشش همه نقاط تقاضا یا ماکزیمم کردن تعداد تسهیلاتی است که باید پوشش داده شوند. هدف مدل‌های p-center مینیمم کردن ماکزیمم فاصله (یا زمان سفر) بین نقاط تقاضا و تسهیلات است. آن‌ها اغلب برای بهینه کردن تسهیلات در بخش‌های عمومی همچون بیمارستان‌ها، اداره‌های پست و آتش‌نشانی‌ها استفاده می‌شوند. مدل‌های p-median سعی می‌کنند که جمع فاصله (یا متوسط فاصله) بین نقاط تقاضا و نزدیکترین تسهیلشان مینیمم گردد. شرکت‌هادر بخش‌های عمومی اغلب از مدل‌های p-median استفاده می‌کنند تا برنامه توزیع تسهیل را به گونه‌ای بریزند که مزایای رقابتشان را بهبود دهند.
روش‌های حل: روش‌های حل مختلف در مدل‌های مکانیابی مختلف همچون مدل‌های بهینه‌سازی و مدل‌های توصیفی بدست می‌آیند. مدل‌های توصیفی از رویکردهای ریاضی همچون برنامه نویسی ریاضی یا برنامه نویسی عددی استفاده می‌کنند تا حل‌های مختلف را برای سبک و سنگین کردن اکثر اهداف مهم در مقابل یکدیگر جستجو کنند. در مقابل، مدل‌های توصیفی، از شبیه سازی یا رویکردهای دیگری استفاده می‌کنند تا موفقیت دستیابی به الگوی مکانیابی را افزایش دهند تا حلی با درجه مطلوب بدست آید. روش‌های حل ترکیبی نیز بوسیله گسترش مدلهای توصیفی با تکنیک‌های بهینه سازی توسعه داده شده‌است تا مسائل مکانیابی تعاملی یا پویا (مثل سرورهای متحرک) را بسازند.
مشخصات تسهیلات: مشخصات تسهیلات نیز مدل‌های مکانیابی را به انواع مختلف تقسیم می‌کند. مثلاً، محدودیت تسهیل می‌تواند منجر به مدلی با یا بدون ظرفیت خدمت‌رسانی شود، و تکیه تسهیلات به یکدیگر می‌تواند به مدل‌هایی منجر شود که همکاری تسهیلات را به حساب آورند یا نیاورند.
الگوی تقاضا: همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس الگوهای تقاضا دسته بندی شوند. اگر یک مدل تقاضای انعطاف پذیر داشته باشد، پس آن تقاضا محیطی متفاوت با تصمیمات مکانیابی تسهیلات مختلف خواهد داشت؛ درحالیکه یک مدل با تقاضای غیرانعطاف پذیر، به علت تصمیمات مکانیابی تسهیلات، با آن الگوی تقاضا متفاوت نخواهد بود.
نوع زنجیره تأمین: مدل‌های مکانیابی می‌تواند بوسیله نوع زنجیره تأمینی که درنظر می‌گیرند تقسیم شوند (یعنی مدلهای تک مرحله‌ای درمقابل مدل‌های چند مرحله ای). مدل‌های تک‌مرحله‌ای بر روی سیستمهای توزیع خدمت تنها با یک مرحله تمرکز می‌کنند، درحالیکه مدل‌های چندمرحله ای، جریان خدمات را در طول چند سطح سلسله مراتبی درنظر می‌گیرند.
افق زمانی: افق زمانی، مدل‌های مکانیابی را به مدل‌های استاتیک و پویا دسته بندی می‌کند. مدل‌های استاتیک، کارایی سیستم را با درنظر گرفتن همزمان همه متغیرها بهینه می‌کند. درمقابل، مدل‌های پویا، دوره‌های زمانی مختلف را با تغییر داده‌ها درطول این دوره‌ها درنظر می‌گیرند و حل‌هایی را برای هر دوره زمانی با وفق دادن با شرایط مختلف ارائه می‌کند.
پارامترهای ورودی: روش دیگری برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی براساس خصوصیت پارامترهای ورودی به مسأله است. در مدلهای قطعی، پارامترها با مقادیر مشخص پیش بینی می‌شوند و بنابراین، این مسأله، برای حل‌های ساده و سریع، ساده سازی می‌شود. به هر حال، برای بیشتر مسائل جهان واقعی، پارامترهای ورودی ناشناخته هستند و طبیعتاً ماهیت احتمالی/تصادفی دارند. مدل‌های مکانیابی احتمالی/تصادفی برای رسیدگی به ماهیت پیچیده مسائل جهان واقعی از توزیع احتمالی متغیرهای تصادقی استفاده می‌کنند یا مجموعه‌ای از طرحهای ممکن را برای پارامترهای نامعیّن درنظر می‌گیرند.
همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس مشخصات دیگری همچون مدل‌های تک محصولی درمقابل مدلهای چندمحصولی و یا مدلهای کششی درمقابل مدلهای فشاری متمایز شوند.
2-2-3- مسائل پوشش
ایده اصلی پشت مدلهای پوشش مکانیابی تسهیلات به گونه‌ای است که بعضی خدمات موردنیاز مشتریان فراهم شود. دو هدف برای مکانیابی تسهیلات وجود دارد که آیا همه مشتریان در شبکه با حداقل تسهیلات پوشش داده می‌شوند یا هر تعدادی از مشتریان که ممکن است با تعداد مشخصی از تسهیلات پوشش داده شوند. در اینجا به مسائل پوشش در شبکه می‌پردازیم [7]،[8].
2-2-3-1-مسأله پوشش مجموعه
برای ساده سازی، فرض می‌کنیم که همه مشتریان و تسهیلات در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. در ادامه، ما از اندیس i برای اشاره به مشتریان و از اندیس j برای اشاره به تسهیلات استفاده می‌کنیم. همچنین تقاضاها (یا وزن‌ها) در گره i را با و تعداد تسهیلاتی است که باید مکانیابی شوند را با p نمایش می‌دهیم. همچنین ما را به عنوان کوتاهترین مسیر (یا زمان، هزینه یا هر عدم مطلوبیت دیگری) بین گره تقاضای و جایگاه تسهیل در گره تعیین می‌کنیم. اگر گره i بتواند بوسیله تسهیل در مکان j پوشش داده شود، قرارمی‌دهیم، درغیر اینصورت . همچنین را مجموعه همه جایگاه‌های کاندیدشده‌ای قرار می‌دهیم که می‌توانند گره تقاضای i را پوشش دهند. اینکه p تسهیل در کجا واقع شوند و کدام تسهیل باید کدام گره تقاضا را سرویس دهد، تصمیمات کلیدی در اینگونه مسائل هستند.
مسائل پوشش مجموعه در ابتدای دهه 70 ایجاد شد. هدف LSCP مکانیابی حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که هر گره تقاضا بوسیله یک یا چند تسهیل «پوشش» داده شود. به طور کلی، تقاضا در یک گره i توسط تسهیل j پوشش داده شده نامیده می‌شود اگر فاصله (یا زمان سفر) بین گره‌ها کمتر از فاصله بحرانی D باشد. به علاوه، D به ماکزیمم فاصله یا زمان خدمتی که تصمیم‌گیرنده مشخص می‌کند اشاره می‌کند.
با این توضیحات، می‌توان مدل مکان پوشش مجموعه را که اولین بار توسط تورِگاس و همکارانش ارائه شد، به صورت زیر فرموله کرد:
(1.2)
(2.2)
(3.2)
تابع هدف (1.2) تعداد تسهیلاتی که استفاده می‌شوند را مینیمم می‌کند. محدودیت (2.2) تعیین می‌کند که برای هر نقطه تقاضای i، حداقل یک تسهیل باید در مجموعه ایجاد گردد که بتواند این گره را پوشش دهد. محدودیت‌های (3.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.

2-2-3-2- مسأله مکانیابی حداکثر پوشش
درمقابل مسأله پوشش مجموعه که در بالا آورده شد، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) سعی نمی‌کند که همه مشتریان را پوشش دهد. تعداد p تسهیل را فرض کنید که هدف ما مکانیابی این تسهیلات به گونه‌ای است که بیشترین تعداد ممکن از مشتریان را پوشش دهیم. منظور از پوشش را نیز در بالا آوردیم.
با تعیین این محدودیت‌های مدل پوشش مجموعه، چِرچ و رِوِله مسأله مکانیابی حداکثر پوشش را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(4.2)
(5.2)
(6.2)(3.2)
(7.2)
که اگر گره تقاضای i پوشش داده شود، برابر یک خواهد بود، درغیر اینصورت صفر می‌شود. تابع هدف (4.2) تعداد تقاضاهایی که پوشش داده می‌شوند را ماکزیمم می‌کند. محدودیت (5.2)، متغیرهای مکان و پوشش را به همدیگر مرتبط می‌کند و نشان می‌دهد که گره تقاضای i نمی‌تواند به عنوان پوشش داده شده تلقی گردد مگر اینکه ما حداقل یک تسهیل را در یکی از جایگاه‌های کاندید شده مستقر کنیم که بتواند آن گره را پوشش دهد. محدودیت (6.2) تعداد تسهیلات را به p محدود می‌کند و محدودیت‌های (3.2) و (7.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.
اگر تعداد تسهیلاتی که برای پوشش تمام تقاضاها نیاز است، از منابع دردسترس بیشتر شود، یک گزینه، راحت کردن الزامات برای پوشش کامل می‌باشد.
2-2-3-3- مسائل p-center
نوع دیگری از مسائل کلاسیک پوشش، اصطلاحاً مسائل p-center نامیده می‌شود. هدف مسائل p-center ، مکانیابی تعداد معین p تسهیل به گونه‌ای است که بزرگترین فاصله بین هر مشتری و نزدیکترین تسهیلش تا حد ممکن کوچک شود. اگرچه از دیدگاه نظری، مسائل p-center متفاوت هستند، اما یک روش دوبخشی ساده می‌تواند به کار گرفته شود تا مسائل p-center را به عنوان بخشی از مسائل پوشش حل نماید. این مسأله می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود که Q ماکزیمم فاصله است که باید مینیمم گردد:
(8.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(11.2)
(3.2)
(12.2)محدودیت (9.2) ما را مطمئن می‌کند که هر گره تقاضا تخصیص داده شده‌است، درحالیکه محدودیت (10.2) تصریح می‌کند که این تخصیصها می‌توانند فقط در تسهیلاتی که بهره برداری شده‌اند ایجاد شود. محدودیت (6.2) بیان می‌کند که دقیقاً p تسهیل می‌تواند ایجاد شود. محدودیت (11.2) ماکزیمم فاصله را برحسب متغیرهای تصمیم تعیین می‌کند. این محدودیت‌ها تصریح می‌کنند که Q باید بزرگتر یا مساوی با فاصله‌ای باشد که برای هر گره تقاضا تخصیص داده می‌شود.
2-2-3-4- مسائل p-median
درمقابل مسائل p-center با اهداف مینیماکسش که در قسمت قبل توضیح داده شد، مسائل p-median اهداف مینیمم مجموع دارند. به عبارت دیگر مسائل p-median ، p تسهیل را به‌گونه‌ای مکان‌یابی می‌کنند که مجموع فواصل بین همه مشتریان و نزدیکترین تسهیل مرتبطشان مینیمم گردد. رِوِله و سواین مسأله p-median را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(13.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(3.2)
(12.2)
تابع هدف (13.2) کل فاصله‌ای که در تقاضا ضرب شده‌است را مینیمم می‌کند. از آنجائیکه تقاضاها مشخص هستند و کل تقاضا ثابت است، این هدف در حکم مینیمم کردن متوسط فاصله ضرب در تقاضا است. به خاطر داشته باشید که این فرمول بندی خیلی شبیه به فرمول بندی مسأله p-center است مگر در تابع هدف و محدودیت شماره (11.2).

2-2-4- مسائل دیگر مکانیابی [8]
در این بخش به اختصار به انواع دیگری از مدل‌های مکانیابی که در مقالات استفاده شده‌است اشاره می‌کنیم. اولین نوع، مدل‌هایی هستند که به تسهیلات نامطلوب اشاره می‌کنند. چنین مدل‌هایی به مکانیابی تسهیلاتی همچون تأسیسات تصفیه فاضلاب، محل‌های بازیافت زباله‌ها، نیروگاه‌ها یا زندان‌ها می‌پردازند که همسایگی آنها با نواحی مسکونی نامطلوب به نظر می‌رسد.
به عنوان سیستم‌هایی که معمولاً شامل دو یا چند سطح از تسهیلات می‌شوند، از سیستمهای سلسله مراتبی استفاده می‌کنیم. بسیاری از سیستمها در طبیعت سلسله مراتبی هستند. این تسهیلات معمولاً برحسب نوع خدماتی که ارائه می‌کنند سلسله مراتبی هستند. مثلاً مراکز مراقبت‌های پزشکی را درنظر بگیرید که شامل کلینیک‌های عمومی، بیمارستان‌ها و مراکز دارویی هستند.
نوع دیگری از مدل‌ها، به مدل‌های مکانیابی می‌پردازد که اهداف «یکسان» دارند. این مدل‌ها، تسهیلات را به گونه‌ای مکانیابی می‌کنند که برای همه مشتریان به طور مساوی دردسترس باشند.
ناحیه فعال دیگر در این زمینه، مکانیابی هاب‌هاست. هاب به عنوان توپ در مرکز یک چرخ است و منظور از آن، تسهیلاتی است که به بعضی جفت‌های منبأ-مقصد به عنوان گره‌های معاوضه و حمل و نقل سرویس دهی می‌کند و در سیستمهای ترافیک و ارتباطات استفاده می‌شود.
نوع دیگر از مدل‌های مکانیابی، مدل‌های مکانیابی رقابتی است. مثالی از این نمونه به این صورت است که دو فروشنده انحصاری یک محصول را درنظر بگیرید که تسهیلی را هر کدام در یک پاره خط ایجاد می‌کنند. آنها از ابزاری مشابه استفاده می‌کنند و در مکان و قیمت رقابت می‌کنند.
در پایان، تسهیلات گسترده و مسائل جانمایی تسهیلات را درنظر بگیرید. در هر دو زمینه، به خاطر اینکه اندازه تسهیلات در قیاس با فضایی که در آن واقع شده‌اند قابل چشم پوشی نیست، تسهیلات نمی‌توانند به صورت یک نقطه بر روی نقشه نشان داده شوند و خیلی بزرگتر از آن هستند که به صورت یک نقطه درنظر گرفته شوند. به عنوان نمونه‌هایی از مسائل جانمایی، آرایش ایستگاه‌های کاری در یک اداره و قراردادن اتاق‌ها در یک بیمارستان را می‌توان نام برد.
2-2-5- مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکمما در این بخش به مسائل پیدا کردن مکان‌های بهینه برای مجموعه‌ای از تسهیلات در حضور تقاضای مشتریان تصادفی و تراکم در آن تسهیلات می‌پردازیم. ما به این گونه مسائل به عنوان «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» (LPSDC) نگاه می‌کنیم [9]. اکثراً ما بحث درباره مسائل را به شبکه محدود می‌کنیم، حتی اگر این مدل‌ها بتواند به مکان‌های گسسته گسترش یابند.
اهمیت مشهود پرداختن به مسائل مکانیابی تسهیلات در حضور عدم قطعیت‌های گوناگون، منجر به تعداد زیادی از مقالات در این موضوع می‌شود. اصولاً مدل‌های LPSDC بر روی دو منبع از عدم قطعیت متمرکز می‌شود: (1) مقدار واقعی و مقدار زمانی که تقاضا بوسیله هر مکان مشتری تولید می‌شود و (2) از دست دادن تقاضا (یا جریمه پولی) به علت ناتوانی تسهیل در فراهم کردن سرویس مناسب به (بعضی از) مشتریان به علت تراکم در آن تسهیل.
این گونه مسائل به پیدا کردن بهترین مکان‌ها برای مجموعه‌ای از تسهیلات می‌پردازند تا ظرفیت سرویس (تعداد خدمت دهندگان) را در تسهیل j مشخص کند. نتیجه چنین سیستمی می‌تواند به صورت یک سیستم صف با M صف و سرویس دهنده مشاهده شود. حتی تحلیل‌های توصیفی چنین سیستمهایی (یعنی با فرض اینکه تصمیمات مکانیابی در حال حاضر گرفته شده‌اند) می‌تواند توانایی حال حاضر سیستم صف را گسترش دهد. چنین مسائلی، قابلیت‌های مسائل مکان‌یابی «کلاسیک» (که بیشتر آن‌ها NP-complete شناخته می‌شوند) را با پویایی پیچیده سیستم‌های صف ترکیب می‌کند. بنابراین، در ساختن یک مدل LPSDC کاربردی، بعضی فرض‌ها و تخمین‌های ساده سازی باید انجام شود تا مدل را قابل حل کند.
یک ناحیه مهم کاربرد مدل‌های LPSDC، مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی (مانند بیمارستان‌ها)، ایستگاه‌های پلیس، ایستگاه‌های آتش نشانی و آمبولانس‌ها هستند. توانایی پاسخگویی به یک درخواست برای خدمت‌رسانی در زمان مناسب، به چنین سیستم‌هایی اختصاص دارد (مثلاً استاندارد رایج برای آمبولانس‌ها در آمریکای شمالی برای پاسخگویی به تلفن‌های با ارجحیت بالا، 3 دقیقه می‌باشد). خصوصیت پایه چنین سیستم‌هایی غیرقابل پیش بینی بودن تعداد و زمان رسیدن تلفن‌ها برای درخواست و اثری که روی کارایی سیستم تراکمی می‌گذارد است و هنگامی‌که بعضی از این تسهیلات درخواست‌های بسیاری را برای خدمت در دوره زمانی مشخصی دریافت می‌کنند، نتیجه آن مشخص می‌شود. به راستی که از لحاظ تاریخی، مسأله مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی، محرّک اصلی برای تحقیقات بیشتر در این زمینه را فراهم کرده‌است.
دیگر ناحیه مهم کاربرد این مسائل که کمتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌است، مکان‌یابی خرده فروشی‌ها یا تسهیلات خدمت‌رسانی دیگر است که مقدار کل تجارت (تقاضای مشتری) در یک تسهیل ممکن است هنگامی‌که نرخ خدمت‌رسانی به علت تراکم کاهش می‌یابد، به طور معکوس عمل کند. درحالی که بعضی از مدل‌هایی که برای مکان‌یابی تسهیلات اورژانسی توسعه پیدا کرده‌اند، می‌توانند به خوبی برای تسهیلات غیراورژانسی نیز به کار روند، این دو دسته از کاربردها، خصوصیات مختلف خودشان را نیز ایجاد می‌کنند.
2-2-5-1- مرور ادبیات مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم [10]
باتوجه به انعطاف پذیری تقاضا، دسترسی به یک تسهیل می‌تواند برحسب مجاورت با مشتریان بالقوه اش (وِرتر و لاپیِره)، به صورت کل زمان موردنیاز برای دریافت سرویس (پارکر و سرینیواسان) مدل سازی شود. در این مورد یا موارد دیگر، شکل تابع تقاضای مورداستفاده، گسترشی از انعطاف پذیری تقاضا را نشان می‌دهند. بیشتر توابع تقاضای رایج در مقالات به شکل‌های زیر هستند: تابع خطی (وِرتر و لاپیِره؛ پارکر و سرینیواسان)؛ تابع نمایی (بِرمن و پارکان؛ بِرمن و کاپلان و درِزنِر)؛ و تابع مرحله‌ای (بِرمن و کِراس).
اگر انتخاب مشتری را درنظر بگیریم ( که بدین معنی است که هر عضو این حق را دارد که خود تسهیلش را انتخاب کند و نه اینکه توسط یک مرکز به یکی اختصاص پیدا کند)، یک گروه از مقالات، انتخاب بهینه را فرض می‌کنند، یعنی، هر مشتری، تسهیلی که برحسب مزیتش بهینه است را انتخاب می‌کند. بسیاری از نویسندگان به سادگی فرض می‌کنند که مشتریان به نزدیکترین تسهیل مراجعه می‌کنند، درحالیکه پارکر و سرینیواسان فرض می‌کنند که مشتریان، تسهیلی که بیشترین منفعت را دارد انتخاب می‌کنند. درمقابل، گروه دوم مطالعات، انتخاب احتمالی را فرض می‌کنند، یعنی، انتخاب تسهیل توسط مشتری، براساس توزیع احتمالی است که از سودمندی و مجاورت هر تسهیل ایجاد می‌شود. این فرض اغلب در محیط بازار استفاده می‌شود و شاید یک کار اصولی از هاف، مؤثرترین مدل در این دسته باشد. همچنین ماریانوف و همکارانش یک مسأله مکانیابی تسهیلات با تراکم را پیشنهاد کردند که از یک مدل انتخابی احتمالی برای نشان دادن رفتار تخصیص مشتریان استفاده می‌کرد.
مسأله موردنظر ما که تا حدودی در تئوری مکان‌یابی تسهیلات، پایه‌ای به حساب می‌آید، توجّهات بسیاری را در مقالات به خود جلب کرده‌است؛ مخصوصاً اینکه تقابل جنبه‌های مکانیابی و تصادفی (صف بندی)، آن را چالش برانگیز کرده‌است [11]. این مسأله متعلق به دسته‌ای از مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم و سرویس دهندگان ثابت (LPSDC) است که توسط بِرمن و کراس مرور شده‌است. مطالعه مدل‌هایی از این نوع، با ماریانوف و سِرا در سال 1998 شروع شده‌است. مقالات دیگری نیز در این زمینه نوشته شده‌است که می‌توان به مقالات بِرمن، کراس و وانگ؛ ماریانوف و ریوس؛ ماریانوف و سِرا؛ وانگ، باتا و رامپ اشاره کرد. به علت پیچیدگی باطنی مسأله، همه مقالاتی که در بالا آورده شده، ساده سازی‌های بزرگی را انجام داده‌اند: فرض می‌شود که تقاضا گسسته است، یا فرض می‌شود که تعداد یا ظرفیت تسهیلات (یا هر دو) ثابت هستند، فرض می‌شود که مکان‌های تسهیلات بالقوه گسسته و بینهایت هستند، فرض می‌شود که فرایند رسیدن تقاضا پواسن باشد و همچنین معمولاً فرض می‌شود که فرایند خدمت‌رسانی نمایی است.
ترکیب حالت تصادفی (شامل تراکم بالقوه در تسهیلات) در مدل‌های نوع پوشش تسهیلات، با مسأله مکانیابی حداکثر پوشش موردانتظار (MEXCLP) توسط داسکین شروع شد؛ و تعداد قابل ملاحظه‌ای از دیگر کاربردها نیز در ادامه آن آورده شد. اما این مدل شامل بعضی ساده سازی‌های بزرگی بود، برای مثال: احتمال اینکه یک خدمت‌رسان مشغول باشد، مستقل از هر خدمت دهنده دیگری است و این موضوع برای همه خدمت دهندگان یکسان است؛ این احتمالات نسبت به مکان و حجم کار یکسان هستند. ماریانوف و سِرا فرض کردند که: (1) تقاضای مشتریان توسط یک فرایند پواسن تولید می‌شود؛ (2) توزیع زمان خدمت نمایی است؛ (3) هر تسهیل به صورت یک سیستم صف M/M/1/a با ظرفیت محدود a عمل می‌کند؛ و (4) همه تقاضاها هنگامی‌که برای خدمت‌رسانی به سیستم می‌رسند، اگر سیستم پر باشد، فرض می‌شود که تقاضا از دست می‌رود. توسط این مدل، تقاضای مشتریان ممکن است ازبین برود، چون یا تسهیل در شعاع پوشش آن وجود ندارد و یا تسهیلات مسدود شده‌اند. هدف، قرار دادن m تسهیل به گونه‌ای است که تقاضا‌ها را هرچه بیشتر پاسخ دهد. ماریانوف و ریوس این مدل را برای مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز به کار گرفتند. در مدل آن‌ها، دستگاه‌ها، حافظه کوچکی دارند که هر کدام می‌تواند تعداد ثابتی، b، درخواست را نگهدارند که آن به این علت است که درخواست‌های دستگاه‌ها، اندازه ثابتی (53 بایت) دارند. همچنین دستگاه‌ها به صورت یک صف M/M/1، حداکثر b درخواست در صف (یعنی حافظه) را انجام می‌دهد. اگر یک درخواست درحالی برسد که حافظه پر است، آن درخواست ازدست می‌رود (و باید دوباره فرستاده شود)، و برای اینکه مطمئن باشیم که این رویداد نادر است، یک محدودیت سطح سرویس اعمال شده‌است. به هر حال تعداد کل دستگاه‌ها،به جای اینکه به عنوان قسمتی از فرایند بهینه سازی تعیین شود، ثابت هستند. مدل LSCP این مدل توسط ماریانوف و سِرا گسترش داده شد که در آن، هدف، پیدا کردن حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که همه مشتریان، یک تسهیل در شعاع پوششان داشته باشند و محدودیت بر روی حداکثر نسبت تقاضای از دست رفته (یا حداکثر زمان انتظار) رعایت شود. باید به یاد داشته باشیم که این مدل، فرض می‌کند که مشتریان به جای اینکه به نزدیکترین تسهیل مراجعه کنند، می‌توانند به هر تسهیل باز شده‌ای در شعاع پوشش تخصیص یابند. بنابراین، آنها به جای مکانیسم انتخاب مشتری، مکانیسم انتخاب هدایت شده را انتخاب می‌کنند.
2-2-5-2- مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
دو منبع بالقوه برای از دست دادن تقاضا به صورت زیر است [12]:
عدم پوشش: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که هیچ کدام از تسهیلات به اندازه کافی به مشتری نزدیک نیستند که سطح مناسبی از راحتی را فراهم کنند.
عدم سرویس: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که مشتری تصمیم می‌گیرد که یک تسهیل را ملاقات کند، اما باتوجه با سطح سرویسی که در آنجا دریافت می‌کند، ناراضی می‌شود. علت‌های زیادی ممکن است وجود داشته باشد که حادثه شکست خدمت اتفاق افتد: یکی از رایج ترین آنها (و مرتبط ترین به تصمیمات مکانیابی) تراکم (پرجمعیتی) در آن تسهیل است.
برای مدل سازی تقاضایی که به علت تراکم از دست می‌رود، ما هر تسهیل را به صورت یک صف مارکفی با ظرفیت ثابت معین درنظر می‌گیریم و فرض می‌کنیم که اگر این ظرفیت به دست آمده باشد، تقاضای مشتری هنگامی‌که درطول این دوره می‌رسد، از دست می‌رود (یعنی، مشتریان بالقوه‌ای که هنگام پر بودن سیستم می‌رسند، مسدود می‌شوند).
مدل‌های LPSDC اصولاً به تقابل چهار مجموعه از عناصر مربوط می‌شود [9]:
مشتریان: که برای انجام خدمت، درخواست می‌دهند.
تسهیلات: که به منابعی (خدمات دهندگان) که برای انجام خدمات موردنیاز است مکان می‌دهند.
خدمت دهندگان: که خدمت درخواست شده را انجام می‌دهند، و
درخواست انجام خدمت: که توسط مشتریان انجام می‌شود و بوسیله اتصال یک مشتری با یک خدمت دهنده دردسترس، رسیدگی می‌شود.
دیگر اجزاء موردنیاز برای توصیف یک مدل LPSDC به صورت زیر هستند: انواع فراهم شدن خدمت (که یا مشتریان به تسهیلات سفر می‌کنند تا به خدمت دهندگان دست یابند و یا خدمت‌دهندگان متحرّک، به مکان مشتریان سفر می‌کنند)، طبیعت و نتایج تراکم (هنگامی‌که یک تسهیل درخواست‌های بسیار زیادی برای انجام خدمت دریافت می‌کند، چه عکس العملی از خود نشان می‌دهد؟)، فرضیات رفتار مشتری (مشتریان تصمیم می‌گیرند که برای بدست آوردن خدمت، به کدام تسهیل مراجعه کنند یا یک «مرجع مرکزی» وجود دارد که مشتریان را به تسهیلات متصل می‌کند)، نوع اهداف و احتیاجات خاص دیگر مانند «استانداردهای پوشش» (که معمولاً به صورت محدودیت‌ها بیان می‌شود).
یک شبکه مشخص را فرض می‌کنیم ، که N، مجموعه گره‌ها و A مجموعه کمان‌هاست. برای از استفاده می‌کنیم که به کوتاهترین مسیر از x به y است.
مشتریان: فرض می‌شود که مشتریان در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. نسبت را برای همه درخواست‌هایی که برای انجام خدمت از گره ایجاد می‌شود درنظر می گیریم که . معمولاً فرض می‌شود که کل تقاضای مشتریان برای خدمت‌رسانی، یک فرایند پوآسن از جنس زمان با نرخ است. همچنین فرایند درخواست خدمت برای هر گره i، یک فرایند پوآسن با نرخ می‌باشد. درحالیکه بیشتر مدل‌ها، از ساختار تقاضای مشتریانی که در بالا توضیح داده شد استفاده می‌کنند، بعضی تلاشها برای دخالت دادن امکان ازدست دادن تقاضا به علت تراکم انجام شده‌است. این می‌تواند بوسیله تعریف دوباره نرخ تقاضا در گره i به صورت تعریف شود که C، بعضی اندازه‌های هزینه تراکم است که بوسیله مشتریان اتفاق می‌افتد و یک تابع غیر افزایشی است. در ادامه این بخش، به طور عمومی فرض می‌کنیم که تحت تأثیر تراکم قرار نمی‌گیرد.
تسهیلات: ما فرض می‌کنیم که حداکثر M تسهیل وجود دارد که باید مکان‌یابی شود. ما فرض میکنیم که یک مجموعه گسسته از مکان‌های بالقوه تسهیلات X تعیین شده‌است (که ) و . این فرضیات نیز بدون از دست دادن عمومیت انجام می‌شود: باتوجه به استدلالاتی که توسط بِرمن، لارسون و چیو انجام شده‌است می‌توان نشان داد که اگر به تسهیلات اجازه دهیم که در هر جایی در طول کمان واقع شوند، یک حل بهینه در یک مجموعه گسسته از مکان‌ها بدست می‌آید که شامل گره‌های شبکه است که بوسیله بعضی نقاط داخلی در طول کمان ایجاد شده‌است. بنابراین، با تکمیل کردن مجموعه گره‌های اصلی بوسیله بعضی گره‌های «ساختگی» اضافی، می‌توان فرض کرد که X گره‌ای است.
خدمت دهندگان: هر تسهیل j می‌تواند بین 1 و K خدمت دهنده داشته باشد. بسته به ماهیت خدمتی که بوسیله این تسهیل انجام می‌شود، خدمت دهندگان یا ثابت هستند، یعنی به طور ثابت در تسهیل واقع می‌شوند، یا متحرک هستند، یعنی برای انجام خدمت به مکان مشتریان سفر می‌کنند. تعداد خدمت دهندگانی که در تسهیل j واقع می‌شوند، یک متغیرتصمیم گیری در مدل می‌باشد.
درخواست خدمت: معمولاً یک درخواست برای انجام خدمت، به یک «یارگیری» بین مشتری ایجاد کننده درخواست و یکی از خدمت دهندگان موجود در سیستم احتیاج دارد. این کار معمولاً به صورت زیر انجام می‌شود:
اول باید تعیین کنیم که آیا مکان i بوسیله سیستم پوشش داده می‌شود یا خیر؟ معمولاً برای اینکه یک مشتری پوشش داده شود فرض می‌شود که با استاندارد‌های پوشش معینی مطابقت دارد (مثلاً، تعداد خدمت دهنده کافی باید در اطراف مشتری واقع شده باشد و غیره). این استانداردهای پوشش اغلب از طریق قانونگذاری یا قوانین اجرایی ایجاد می‌شود. اگر مکان مشتری i پوشش داده نشده باشد، همه درخواست‌های خدمت که از i ایجاد می‌شود، به صورت خودکار بوسیله سیستم برگردانده می‌شود (صرفنظر از اینکه آیا سیستم در حال حاضر متراکم هست یا خیر؟). معمولاً برای از دست دادن پوشش مجموعه یک جریمه درنظر گرفته می‌شود. یک تفسیر دیگر از گسترش ندادن پوشش به یک مشتری این است که مشتری بوسیله بعضی خدمات «دیگر» یا «ذخیره» پوشش داده شود (مثلاً، یک خدمت آمبولانس غیردولتی)؛ پس جریمه پوشش ندادن، می‌تواند به عنوان حق الزحمه قرارداد فرعی تفسیر می‌شود.
زمانی که معین می‌شود که درخواست خدمت از یکی از مشتریان «پوشش داده شده» بیاید، یک ارزیابی انجام می‌شود که آیا حالت فعلی سیستم اجازه می‌دهد که فرایند درخواست انجام شود یا خیر؟ این ارزیابی معمولاً در دو مرحله اتفاق می‌افتد: اول، قوانین منطقه‌ای و مکان مشتری برای تعیین «زیرسیستم» مشتری، استفاده می‌شود، یعنی، کدام تسهیلات و خدمت دهندگان می‌توانند به طور بالقوه به این درخواست پاسخ دهند (این ممکن است شامل همه خدمت دهندگان در شبکه شود و یا فقط خدمت دهندگانی که در شعاع سفر معینی از مکان مشتری واقع شده‌اند و غیره). بعد، تعداد درخواست‌های انجام نشده در زیرسیستم ارزیابی می‌شود و تصمیم گیری می‌شود که آیا این درخواست پذیرفته شود یا رد شود؟ این تصمیم معمولاً براساس ظرفیت زیرسیستم صورت می‌پذیرد (مثلاً برای یک صف «ازدست رفته»، اگر هیچ خدمت دهنده‌ای در حال حاضر دردسترس نباشد، یک عدم پذیرش ممکن است اتفاق بیفتد؛ در موارد دیگر ممکن است این محدودیت وجود داشته باشد که چه تعداد درخواست می‌تواند در یک زمان مشخص در صف وجود داشته باشد). معمولاً یک جریمه مرتبط با قبول نکردن یک درخواست وجود دارد. باز هم تأکید می‌کنیم، برخلاف نپذیرفتن یک درخواست از مشتریانی که پوشش داده نشده‌اند که به صورت خودکار است، نپذیرفتن درخواست یک مشتری که پوشش داده شده‌است، براساس حالت سیستم است. به خاطر داشته باشید که قوانین منطقه ای، درجه همکاری بین تسهیلات گوناگون و خدمت دهندگان را در سیستم معین می‌کند.
بعد، درخواست پذیرفته شده به یکی از تسهیلات متصل می‌شود (یعنی تخصیص پیدا می‌کند). این تخصیص ممکن است به قوانین اتصال مطمئن بستگی داشته باشد، همانطور که به حالت فعلی سیستم بستگی دارد (مثلاً، یک درخواست ممکن است به نزدیکترین تسهیل متصل شود و یا ممکن است به نزدیکترین تسهیل با حداقل یک خدمت دهنده آزاد متصل شود و غیره). همچنین قوانین اتصال به فرضیات رفتار مشتریان نیز بستگی دارد، یعنی اینکه کدام تسهیل باید این درخواست را انجام دهد به مشتری بستگی دارد یا به بعضی مراجع مرکزی. ما، این مورد را که مشتری تصمیم می‌گیرد که کدام تسهیل باید به درخواستش رسیدگی کند به عنوان «انتخاب کاربر» و موردی که یک مرجع مرکزی این تصمیم را می‌گیرد به عنوان «انتخاب هدایت شده» می‌شناسیم.
معمولاً یک درخواست پذیرفته شده در یک تسهیل معین، در صف قرار می‌گیرد تا یک خدمت دهنده، دردسترس قرار گیرد. زمانی که این اتفاق می‌افتد، خدمت دهنده و مشتری «یارگیری» کرده‌اند. درمورد خدمت دهندگان متحرک، لازم است که این خدمت‌دهندگان از مکان فعلی شان به مکان مشتری سفر کنند (که متحمل هزینه سفر می‌شوند).
معمولاً مسائل مکانیابی با خدمت دهندگان متحرک، دارای مشخصات زیر هستند:
این تخصیص بستگی به حالت فعلی خدمت دهندگان در زمان ارسال دارد. برای خدمت دهندگان ثابت، این تخصیص ممکن است قبل از تصمیم گیری برای انجام خدمت اتفاق بیفتد، بنابراین ممکن است گفته شود که خدمت دهندگان متحرک ممکن است با یکدیگر همکاری کنند، درحالیکه خدمت دهندگان ثابت تمایلی به این کار ندارند.
اگر یک کاربر، درخواستی را انجام دهد و نزدیکترین خدمت دهنده مشغول باشد، خدمت دهنده دیگری ارسال می‌شود. یعنی، این تخصیص، در حالت مطلق، به نزدیکترین تسهیل اتفاق نمی‌افتد.
مسائل مکانیابی احتمالی اغلب می‌توانند به خوبی به صورت مجموعه مستقلی از سیستم‌های صف، مدل سازی شوند. این استقلال، ازطریق ابزاری ناشی می‌شود که حتی اگر زمان‌های خدمت از یک توزیع نمایی پیروی کنند، درمورد هنگامی‌که زمان سفر احتمالی است، این امر صادق نیست. بنابراین، تئوری صف M/G/m مناسب‌تر از تئوری M/M/m است.
حال به فرموله کردن مسأله می‌پردازیم. محدودیت‌های مسأله معمولاً شامل موارد ذیل است:
- یک حد بالای M بر روی کل تعداد تسهیلاتی که می‌توانند واقع شوند:
(14.2)
- یک حد بالای K بر روی کل تعداد خدمت دهندگانی که می‌تواند واقع شوند:
(15.2)
- استانداردهای پوشش: بسته به احتیاجات پوششی که استفاده می‌شود، می‌تواند شکل‌های گوناگونی به خود بگیرد. شاید ساده ترین (و قدیمی‌ترین) شکل این محدودیت‌ها، به این نیاز دارد که حداقل تعداد مشخصی از این خدمت دهندگان ،، باید در حداکثر فاصله مشخصی از هر مکان مشتری i، واقع شوند. اجازه دهید زیرمجموعه‌ای از مکان‌های تسهیلات بالقوه در فاصله موردنیاز از i باشد. پس این محدودیت می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(16.2)
شکل پیچیده تر این محدودیت پوشش، ممکن است احتیاجاتی احتمالی را به زمان‌های پاسخ تحمیل کند. مثلاً، یک پاسخ سه دقیقه‌ای زمان پاسخ را درنظر بگیرید که برای درخواست‌های آمبولانس با ارجحیت بالا موردنیاز است. شکل دیگری از محدودیت‌ها، ممکن است یک حد بالایی را بر روی نسبت درخواست‌هایی که برگردانده می‌شود ،، اعمال کند. به طور خلاصه، ما می‌توانیم یک محدودیت عمومی را به صورت زیر ارائه کنیم. اجازه دهید که یک متغیر تصادفی باشد که بیانگر «سطح سرویسی» است که بوسیله سیستم به نقاط تقاضای مشتری i تحویل می‌شود (مثلاً، زمان پاسخ). اجازه دهید، ، بیانگر حداقل فراوانی مطلوب این اتفاق باشد (مثلاً، 95% از این زمان). بنابراین، یک محدودیت سطح سرویس کلی می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(17.2)
اکنون، مسأله LPSDC عمومی می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود:
(18.2)
باتوجه به محدودیت‌های (15)، (16) و (17)

بدیهی است که برای اینکه فرمول بندی بالا را ساده کنیم، به بعضی روشها احتیاج داریم تا پارامترهای کارایی سیستم گوناگونی را که در توسعه تابع هدف و محدودیت‌ها استفاده شد را ارائه کنیم (یعنی، احتمال برگرداندن ، زمان انتظار صف و غیره). متأسفانه، معمولاً بیان تحلیلی کلی برای این مقادیر دردسترس نیست. این منجر به دو رویکرد ممکن می‌شود: رویکرد اول نیاز دارد که فرضیاتی ساده سازی مطمئنی را بر روی عملیات سیستم ایجاد کنیم (مانند قوانین منطقه‌ای ساده، زمان‌های سفر قابل اغماض و غیره). دومین رویکرد شامل استفاده از تکنیک‌هایی براساس توصیف است (مثل شبیه سازی) تا اندازه‌های کارایی سیستم موردنیاز را برای مقادیر خاص بردار مکان x محاسبه کنیم. علاوه بر آن می‌توان از بعضی تکنیک‌های ابتکاری استفاده کرد.
2-3- نظریه صف
انتظار در صف هر چند بسی ناخوشایند است، اما متأسفانه بخشی از واقعیت اجتناب ناپذیر زندگی را تشکیل می‌دهد. انسان‌ها در زندگی روزمره خود با انواع مختلف صف، که به از بین رفتن وقت، نیرو و سرمایه آن‌ها می‌انجامد، روبه رو می‌شوند. اوقاتی که در صف‌های اتوبوس، ناهارخوری، خرید و نظایر آن‌ها به هدر می‌رود، نمونه‌های ملموسی از این نوع اتلاف‌ها در زندگی است. در جوامع امروزی صف‌های مهمتری وجود دارد که هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی آن‌ها به مراتب بیش از نمونه‌های ساده فوق است.
2-3-1- مشخصات صف [13]
یک مدل صف در شکل (2-1) نشان داده شده‌است. آن می‌تواند یک مدل صف مثل ترتیب ماشین آلات یا اپراتورها باشد.

شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف
یک مدل صف بوسیله مشخصات زیر توصیف می‌شود:
فرایند رسیدن مشتریان
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان بین رسیدن‌ها مستقل هستند و یک توزیع رایج دارند. در بسیاری از کاربردهای عملی، مشتریان باتوجه به یک جریان پواسن (یعنی زمان بین رسیدن‌ها نمایی) می‌رسند. مشتریان ممکن است یک به یک و یا به صورت دسته‌ای برسند.
رفتار مشتریان
مشتریان ممکن است صبور باشند و راضی باشند که (برای یک مدت طولانی) منتظر بمانند. یا مشتریان ممکن است کم حوصله باشند و بعد از مدتی صف را ترک کنند.
زمان‌های رسیدن
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان‌های رسیدن مستقل هستند و به طور یکسان توزیع شده‌اند و مستقل از زمان بین رسیدن‌ها هستند. مثلاً زمان‌های رسیدن ممکن است به صورت قطعی یا نمایی توزیع شده باشد. همچنین ممکن است که زمان‌های رسیدن، وابسته به طول صف باشد.
نظم سرویس
ترتیبی که مشتریان ممکن است به صف وارد شوند به صورت‌های زیر می‌تواند باشد:
کسی که اول می‌آید، اوّل هم سرویس دهی می‌شود، مثل ترتیب رسیدن‌ها
ترتیب تصادفی
کسی که آخر می‌آید، اول سرویس دهی می‌شود.
حق تقدّم
اشتراک پردازنده (در کامپیوتر که قدرت پردازششان را در میان کل کارها در سیستم، به طور مساوی تقسیم می‌کنند).
ظرفیت سرویس
ممکن است یک سرور تک و یا گروهی از سرورها به مشتریان کمک کنند.
اتاق انتظار
ممکن است محدودیتهایی در رابطه با تعداد مشتریان در سیستم وجود داشته باشد.
یک کد سه قسمتی برای مشخص کردن این مدل‌های به صورت a/b/c استفاده می‌شود که حرف اول توزیع زمان بین رسیدن‌ها و حرف دوم توزیع زمان سرویس را مشخص می‌کند. مثلاً برای یک توزیع عمومی از حرف G و برای توزیع نمایی از حرف M (که M بیانگر فاقد حافظه بودن است) استفاده می‌شود. حرف سوم و آخر نیز تعداد سرورها را مشخص می‌کند. این نمادسازی می‌تواند با یک حرف اضافه که دیگر مدل‌های صف را پوشش دهد، گسترش یابد. مثلاً، یک سیستم با توزیع زمان بین رسیدن و زمان سرویس دهی نمایی، یک سرور و داشتن اتاق انتظار فقط برای N مشتری (شامل یکی در سرویس) بوسیله چهار کد حرفی M/M/1/N نشان داده می‌شود.
در این مدل پایه، مشتریان یک به یک می‌رسند و همیشه اجازه ورود به سیستم را دارند، همیشه اتاق وجود دارد، هیچ حق تقدّمی وجود ندارد و مشتریان به ترتیب رسیدن سرویس دهی می‌شوند.
در یک سیستم G/G/1 با نرخ رسیدن و میانگین زمان سرویس ، مقدار کار که در واحد زمان می‌رسد برابر است. یک سرور می‌تواند به یک کار در واحد زمان رسیدگی کند. برای جلوگیری از اینکه طول صف بینهایت نشود، باید .
معمولاً از نماد زیر استفاده می‌کنند:

اگر ، نرخ اشتغال یا بکارگیری سرور نامیده می‌شود، چون کسری از زمان است که سرور، مشغول کارکردن است.
2-3-2- قانون لیتِل [13]
اگر E(L)، میانگین تعداد مشتریان در سیستم، E(S)، میانگین زمان اقامت مشتری در سیستم باشد و ، متوسط تعداد مشتریانی باشد که در واحد زمان وارد سیستم می‌شوند، قانون لیتِل، رابطه بسیار مهمی را بین این سه نماد می‌دهد و به صورت زیر بیان می‌شود:
(19.2)در اینجا فرض می‌شود که ظرفیت سیستم برای رسیدگی به مشتریان کافی است (یعنی، تعداد مشتریان در سیستم به سمت بینهایت میل نمی‌کند).
به طور حسی، این نتیجه می‌تواند به صورت زیر فهمیده شود: فرض کنید که مشتریان هنگامی‌که به سیستم وارد می‌شوند، یک دلار در واحد زمان می‌پردازند. این پول می‌تواند به دو روش گرفته شود. روش اول اینکه به مشتریان اجازه دهیم که به طور پیوسته در واحد زمان بپردازند. پس متوسط درآمدی که توسط سیستم کسب می‌شود، برابر E(L) دلار در واحد زمان است. روش دوم این است که به مشتریان اجازه دهیم که برای اقامتشان در سیستم، 1 دلار را در واحد زمان در موقع ترک سیستم بپردازند. در موازنه، متوسط تعداد مشتریانی که در واحد زمان، سیستم را ترک می‌کنند برابر متوسط تعداد مشتریانی است که به سیستم وارد می‌شوند. بنابراین سیستم، یک متوسط درآمد دلار را در واحد زمان کسب می‌کند.
با به کار بردن قانون لیتِل در صف، رابطه‌ای بین طول صف، و زمان انتظار W به دست می‌آید:
(20.2)
2-3-3- صف M/M/1
این مدل، حالتی را درنظر می‌گیرد که زمان بین رسیدن‌ها، نمایی با میانگین ، زمان‌های سرویس، نمایی با میانگین و یک سرور مشغول کار است. مشتریان به ترتیب رسیدن، سرویس دهی می‌شوند. ما نیاز داریم که:
(21.2)درغیراینصورت، طول صف منفجر خواهد شد (قسمت قبل را ببینید). مقدار ، کسری از زمان است که سرور، مشغول کار است.
میانگین تعداد مشتریان در سیستم و همچنین میانگین زمانی که در سیستم گذرانده می‌شوند به صورت زیر بیان می‌شود:
(22.2)
و با استفاده از قانون لیتِل،
(23.2)
میانگین تعداد مشتریان در صف، ، می‌تواند از E(L) و با کم کردن میانگین تعداد مشتریان در سیستم بدست آید:
(24.2)
میانگین زمان انتظار، E(W)، از E(S) و با کم کردن میانگین زمان سرویس بدست می‌آید:
(25.2)
2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه
بسیاری از مسائل کاربردی در جهان واقعی را مسائل بهینه سازی ترکیباتی چندهدفه تشکیل می‌دهند، زیرا متغیر‌های مجزا و اهداف متضاد به طور واقعی در ذات آنها است. بهینه سازی مسائل چندهدفه نسبت به مسائل تک هدفه متفاوت بوده، زیرا شامل چندین هدف است که باید در بهینه‌سازی به همه اهداف همزمان توجه شود. به عبارت دیگر الگوریتم‌های بهینه سازی تک هدفه، حل بهینه را با توجه به یک هدف می یابند و این در حالی است که در مسائل چندهدفه (با چندهدف مخالف و متضاد) معمولاً یک حل بهینه مجزا را نمی توان بدست آورد. بنابراین طبیعی است که مجموعه ای از حل‌ها برای این دسته از مسائل موجود بوده و تصمیم گیرنده نیاز داشته باشد که حلّی مناسب را از بین این مجموعه حل‌های متناهی انتخاب کند و در نتیجه حل مناسب، جواب‌هایی خواهد بود که عملکرد قابل قبولی را نسبت به همه اهداف داشته باشد.
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه
مسائل بهینه سازی چندهدفه را به طور کلی می‌توان به صورت زیر فرموله کرد:
(26.2)

x یک حل است و S مجموعه حل‌های قابل قبول و k تعداد اهداف در مسأله و F(x) هم تصویر حل x در فضای k هدفی و هم مقدار هر یک از اهداف است.
تعریف حل‌های غیرمغلوب: حل a حل b را پوشش می‌دهد، اگر و تنها اگر:
(27.2)
(28.2)
به عبارت دیگر، حل‌های غیرمغلوب، به حل‌های گفته می‌شود که حل‌های دیگر را پوشش داده ولی خود، توسط حل‌های دیگر پوشش داده نمی‌شوند. در شکل (2-2) چگونگی پوشش سایر حل‌ها (دایره‌های با رنگ روشن) توسط مجموعه حل‌های غیرمغلوب (دایره‌های تیره رنگ) نشان داده شده‌است. در این شکل، جبهه‌ی پارتو با خط چین نشان داده شده‌است.
هدف B
هدف A
هدف B
هدف A

شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک
با توجه به آنکه بسیاری از مسائل بهینه سازی، NP-Hard هستند، بنابراین حل به روش‌های دقیق در یک زمان معقول غیرممکن بوده و در نتیجه، استفاده از روش‌های فراابتکاری در این موارد مناسب می باشد. درحقیقت الگوریتم‌های فراابتکاری برای زمانی که محدودیت زمانی وجود دارد و استفاده از روش‌های حل دقیق میسّر نبوده و یا پیچیدگی مسائل بهینه سازی زیاد باشد، به دنبال جواب‌های قابل قبول هستند.
اولین پیاده سازی واقعی از الگوریتم‌های تکاملی، «الگوریتم ژنتیک ارزیابی برداری» توسط دیوید اسکافر در سال 1984 انجام گرفت. اسکافر الگوریتم را به سه بخش انتخاب، ترکیب و جهش که به طور جداگانه در هر تکرار انجام می‌شدند، تغییر داد. این الگوریتم به صورت کارآمدی اجرا می‌شود، اما در برخی از حالات مانند اریب بودن اهداف، با مشکل مواجه می‌شود. درواقع هدف اول الگوریتم‌های بهینه یابی چندهدفه، یعنی رسیدن به جواب‌های بهینه پارتو، به نحو شایسته‌ای توسط این الگوریتم بدست می‌آید، ولی جواب‌های بدست آمده از گستردگی و تنوع خوبی برخوردار نیستند.
در ادامه این قسمت، به سه الگوریتم تکاملی چند هدفه که مبنای اصلی آنها، الگوریتم ژنتیک می‌باشد، می‌پردازیم. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند؛ چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است.
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب
دب و همکارانش [14]، یک نخبه گرایی دسته بندی یا مرتب سازی نامغلوب را در الگوریتم‌های ژنتیک پیشنهاد دادند. در اغلب مواقع، این الگوریتم شباهتی به NSGA ندارد، ولی مبتکران نام NSGA-II را به دلیل نقطه پیدایش آن، یعنی همان NSGA، برای آن حفظ کردند.
در این روش، ابتدا جمعیت فرزندان، ، با استفاده از جمعیت والدین، ، ساخته می‌شود. در اینجا به جای پیدا کردن جواب‌های نامغلوب از ، ابتدا دو جمعیت با یکدیگر ترکیب شده و جمعیت با اندازه 2N را ایجاد می‌کنند. سپس از یک مرتب سازی نامغلوب برای دسته بندی تمام جمعیت استفاده می‌شود، البته این مرتب سازی، نسبت به مرتب سازی بر روی ، به تعداد مقایسه بیشتری نیاز دارد. در این شیوه، یک مقایسه عمومی در بین اعضای که مجموع دو جمعیت فرزندان و والدین است، انجام می‌شود و پس از ایجاد صف‌های متفاوت نامغلوب، به ترتیب اولویت (اولویت صفها نسبت به هم) جمعیت بعدی، یکی یکی از این صف‌ها پر می‌شود. پر کردن جمعیت ، با بهترین صف نامغلوب شروع شده و سپس به ترتیب با دومین صف نامغلوب و همین طور سومین و الی آخر، تا زمانی که پر شود، ادامه می‌یابد. از آنجا که اندازه برابر 2N است، تمام اعضای آن ممکن است نتوانند در قرارگیرند و به راحتی جواب‌های باقیمانده را حذف خواهیم کرد. شکل (2-3) نحوه عمل الگوریتم NSGA II را نمایش می‌دهد.

شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II
درمورد جواب‌هایی که در صف آخر با استفاده از عملگر نخبه گرایی ازبین می‌روند، باید مهارت بیشتری به کار برده و جواب‌هایی که در ناحیه ازدحام کمتری قراردارند را حفظ کرد. درواقع برای رعایت اصل چگالی در بین جواب‌ها، جواب‌هایی که در ناحیه ازدحامی کوچکتری هستند، برای پر کردن ، در اولویت قرار دارند.


یک استراتژی شبیه بالا در پیشرفت مراحل اولیه از تکامل الگوریتم، تأثیر زیادی نخواهد داشت، چرا که اولویت‌های زیادی در جمعیت ترکیب شده از فرزندان و والدین وجود دارد. احتمالاً جواب‌های نامغلوب زیادی وجود دارند که آماده قرارگرفتن در جمعیت قبل از آن که اندازه‌اش از N تجاوز کند، می‌باشند. یک مسأله مهم و در عین حال سخت این است که مابقی جمعیت چگونه باید پر شود؟ اگرچه درخلال مراحل بعدی شبیه سازی الگوریتم، احتمالاً بیشتر جواب‌های موجود در جمعیت با اندازه 2N، در رده جواب‌هایی با بهترین درجه نامغلوب بودن قرار می‌گیرند و تعداد آن‌ها از N متجاوز خواهد شد، اما الگوریتم بالا با یک راهکار موقعیتی انتخاب، وجود مجموعه متنوعی از جواب‌ها در جمعیت را تضمین می‌کند. با چنین راهکاری، یعنی زمانی که به‌نحوی تمام ناحیه بهینه پارتو توسط جمعیت پوشانده می‌شود، در ادامه الگوریتم، جواب‌های گسترده تری را در فضای جواب فراهم خواهدآورد.
در ادامه، الگوریتم NSGA-II را به اختصار آورده ایم [15]:
گام 1: جمعیت فرزندان و والدین را با یکدیگر ترکیب کرده و را می‌سازیم:

جمعیت حاصل را با استفاده از یک مرتب سازی نامغلوب به صفوف دسته بندی می‌کنیم.
گام 2: قرارمی‌دهیم، i=1، سپس تا زمانی که ، عملیات زیر را تکرار می‌کنیم:

گام 3: روال مرتب سازی ازدحام را اجرا کرده و با استفاده از مفهوم فاصله ازدحام، ارزشهای متفاوتی را برای از جواب‌های تعیین می‌کنیم.
گام 4: جمعیت فرزندان را از با استفاده از یک الگوریتم انتخاب مسابقه‌ای ازدحام و عملگرهای ترکیب و جهش ایجاد می‌کنیم.
گام سوم از الگوریتم بالا، مرتب سازی برحسب ازدحام جواب‌ها در صف i (منظور آخرین صفی است که احتمالاً برخی از جواب‌های موجود در آن نتوانسته‌اند در جمعیت قرار گیرند)، با بکارگیری مفهوم فاصله ازدحام انجام می‌شود. بنابراین، جمعیت به صورت نزولی تحت میزان بزرگی ارزش فاصله ازدحام مرتب شده و در گام چهارم یک عملگر انتخاب مسابقه‌ای ازدحام که مبنای مقایسه آن همان فاصله ازدحام است بکار برده می‌شود. لازم به ذکر است، مرتب سازی نامغلوب واقع در گام اول می‌تواند به همراه عمل پر کردن جمعیت به صورت موازی انجام شود. درواقع هر بار که یک صف نامغلوب، پیدا شده و تست می‌شود که ازنظر اندازه می‌تواند به جمعیت اضافه شود یا نه، درصورتی که نتواند، دیگر نیازی نیست که مرتب سازی بیشتری انجام دهیم. این موضوع، به کاهش زمان اجرا الگوریتم کمک می‌کند.
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده
اگر در حین حل مسأله‌ای که باید حل شود، حل‌هایی ایجاد شود که با محدودیت‌های مسأله مغایرت داشته باشد و آن‌ها را نقض کند و درنتیجه غیرقابل قبول باشد، چگونه باید با این موضوع برخورد کرد؟ روش‌های مختلفی برای مقابله با این موضوع وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به توابع جریمه و یا نادیده گرفتن و حذف حل غیرقابل قبول ایجاد شده اشاره کرد.
الگوریتم CNSGA-II، همانند الگوریتم NSGA-II عمل می‌کند، تنها با این تفاوت که برای رسیدگی به محدودیت‌ها، روشی را برمی‌گزیند که براساس مفهوم غلبه و امتیازدهی عمل می‌کند [14].
این روش که به محدودیت رسیدگی می‌کند، از انتخاب تورنمنت دودویی استفاده می‌کند که دو حل از جمعیت، انتخاب و حل بهتر انتخاب می‌شود. باتوجه به محدودیتها، هر حل می‌تواند یا قابل قبول و یا غیرقابل قبول باشد. بنابراین، ممکن است حداکثر سه وضعیت به وجود آید:
هرد و حل قابل قبول باشند؛
یکی از حل‌ها قابل قبول و دیگری غیرقابل قبول باشد؛
هر دو حل غیر قابل قبول باشند.
برای مسائل بهینه سازی تک هدفه، از یک قانون ساده برای هر مورد استفاده می‌کنیم:
مورد 1) حلی که تابع هدف بهتری دارد را انتخاب می‌کنیم.
مورد 2) حل قابل قبول را انتخاب می‌کنیم.
مورد 3) حلی که کمترین انحراف از محدودیت‌ها را دارد انتخاب می‌کنیم. باتوجه به اینکه در هیچدام از موارد، اندازه تابع هدف و محدودیت‌ها با یکدیگر مقایسه نشده‌اند، هیچ نیازی به داشتن پارامترهای جریمه نیست، این موضوعی است که این رویکرد را مفید و جذاب کرده‌است.
درمورد مسائل بهینه سازی چندهدفه، دو مورد آخر می‌تواند همانطور که هستند استفاده شوند و مورد اول نیز می‌تواند با استفاده از اپراتور مقایسه ازدحام، حل شود. برای مقایسه کردن در این الگوریتم، تعریف «غلبه» را بین دو حل i و j تعریف می‌کنیم.
تعریف 1) حل i اگر یکی از وضعیت‌های زیر درست باشد، گفته می‌شود که از لحاظ محدودیت بر حل j غلبه دارد:
حل i قابل قبول است ولی حل j نیست.
حل i و j هر دو غیر قابل قبول می‌باشند، اما حل i انحراف از محدودیت کمتری دارد.
حل i و j قابل قبول هستند و حل i، حل j را مغلوب می‌کند.
اثر استفاده از مفهوم غلبه محدودیت این است که، هر حل قابل قبول، رتبه غیرمغلوبی بهتری از هر حل غیرقابل قبول دارد. همه حل‌های قابل قبول، باتوجه به سطح غلبه شان و براساس مقادیر توابع هدفشان رتبه بندی می‌شوند. به هر حال، از بین دو حل غیر قابل قبول، حلی که کمترین انحراف از محدودیت را دارد، دارای رتبه بهتری است. به هر حال، این اصلاح، در مفهوم غلبه، تغییری در پیچیدگی NSGA-II ندارد. بقیه فرایند CNSGA-II، همانطور که قبلاً درمورد NSGA-II توضیح داده شد، اجرا می‌شود.
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب
این الگوریتم که توسط الجدان و همکارانش [16] ارائه شده، الگوریتم انتخاب چرخ رولت رتبه‌بندی شده را با الگوریتم رتبه بندی جمعیت برمبنای پارتو ترکیب می‌کند. در این الگوریتم از الگوریتم انتخاب چرخ رولتی استفاده شده‌است که به هر عضو، یک اندازه برازش برابر با رتبه اش در جمعیت، تخصیص می‌دهد؛ بالاترین رتبه، بیشترین احتمال را دارد که انتخاب شود (درمورد ماکزیمم سازی).
این احتمال به صورت معادله زیر محاسبه می‌شود:
(29.2)
که N، تعداد اعضاء این جمعیت است. در این الگوریتم، اعضاء در یک جبهه، براساس فاصله ازدحامشان و جبهه ها براساس رتبه غلبه شان رتبه می‌گیرند.
الگوریتم NRGA، همان طور که سودوکد آن را در شکل (2-4) مشاهده می کنید، به این صورت است که ابتدا، یک جمعیت تصادفی والدین، P، ایجاد می‌شود. مرتب کردن جمعیت براساس غلبه است. به هر حل، برازشی (یا رتبه ای) برابر سطح غلبه اش، تخصیص داده می‌شود (1 برای بهترین سطح، 2 برای سطح بعدی و الی آخر).
Initialize Population P
{ Generate random population-size N
Evaluate Objective Values
Assign Rank (level) Based on Pareto dominance-sort }
Generate Child Population Q
{ Ranked based Roulette Wheel Selection
Recombination and Mutation }
for i=1 to g do
for each member of the combined population do
Assign Rank (level) Based on Pareto-sort
Generate sets of non-dominated fronts
Calculate the crowding distance between members on each front
end for

user8342

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:
مختصات کارتزین،
(3-4) ∇.k∇T=∂∂xk∂T∂x+∂∂yk∂T∂y

user8309

فهرست جداول TOC h z t "Lotus 10" c جدول 2- 1: انواع توابع آموزش PAGEREF _Toc374928596 h 29جدول 3- 1: انتخاب کروموزوم ها با استفاده از مدل چرخ رولت PAGEREF _Toc374928608 h 43جدول 4- 1: متغیرهای ورودی مدل سازی PAGEREF _Toc374928611 h 50جدول 4- 2: خطاهای اندازه گیری شده توسط روش های مختلف برای جعبه مربوط به داده های 1 سال گذشته PAGEREF _Toc374928616 h 55جدول 4- 3: خطاهای اندازه گیری شده توسط روش های مختلف برای جعبه مربوط به داده های 1 ماه گذشته PAGEREF _Toc374928617 h 55جدول 4- 4: خطاهای اندازه گیری شده توسط روش های مختلف برای جعبه مربوط به داده های 1 هفته گذشته PAGEREF _Toc374928618 h 55جدول 4- 5: خطاهای اندازه گیری شده توسط روش های مختلف برای جعبه مربوط به داده های بارهای مصرفی نزدیک به داده مورد نظر PAGEREF _Toc374928619 h 56

چکیدهدر فرایند تجدید ساختار بازار برق ، روش های قیمت دهی تولید کنندگان نیرو مهمترین عامل برای بدست آوردن سود بیشتر می باشد و به همین دلیل پژوهش های زیادی با رویکرد های مختلف مانند رویکرد بهینه سازی در زمینه تعیین استراتژی های قیمت دهی صورت گرفته است. در این پژوهش سعی شده است با استفاده از مفاهیم کاربردی الگوریتم ژنتیک و استخراج یک مدل مناسب از شبکه عصبی به این مسئله نگاه شود. در واقع نو آوری این پژوهش نیز علاوه بر ارائه طرحی جدید برای حل مسئله بهینه سازی مدل، مقایسه و آزمایش واقعی خروجی های نرم افزار در بازار برق ایران و نگاه ویژه به کاربردی بودن حل مسئله با استفاده از الگوریتم پیشنهادی و مفاهیم اقتصادی بوده است. در این پژوهش پس از معرفی بازار برق ایران و ساختار حاکم بر آن، طرحی نو جهت بهینه سازی استراتژی فروش برق توسط مالکان نیروگاه ها و تولیدکنندگان ارائه گردیده است، به طوری که ابتدا طرح و الگوریتم جدید معرفی می شود و سپس تابع هدف مورد نظر ما در بهینه سازی پیش رو، در شبکه عصبی مدل می گردد تا با داشتن یک مدل مناسب و توانمند در توصیف سیستم بتوان بهینه سازی قابل قبولی با استفاده از الگوریتم ژنتیک انجام داد. در انتها در ابتکاری داوطلبانه و با استفاده از جلب اطمینان و همکاری یکی از نیروگاه های سیکل ترکیبی کشور، خروجی های الگوریتم پیشنهادی در سامانه قیمت دهی نیروگاه های کشور ثبت گردید و نتایج بدست آمده بر مبنای این طرح در فضای واقعی بازار برق ایران تست شد و خوشبختانه نتایج فراتر از انتظار پژوهش انجام شده، حاصل گردید؛ که گواه این ادعا نیز گزارشات خروجی سامانه قیمت دهی وزارت نیرو می باشد که در فصل مربوط به نتایج این پایان نامه گنجانده شده است. این موضوع موید نقاط قوت این مدل سازی و بهینه سازی می باشد.
کلمات کلیدی: قیمت بهینه، استراتژی های قیمت دهی، شبکه عصبی، الگوریتم ژنتیک، بازار برق ایران
فصل اولمقدمه و معرفی بازار برق ایران،
مروری بر تحقیقات انجام شده
مقدمهبازارهای برق به منظور ایجاد رقابت در تمام دنیا در حال راه اندازی می باشند. هدف اصلی رقابت در این بازارها، موثرتر کردن فضای رقابت و مفهوم بازار در آن ها می باشد. مفهوم کلی سرمایه گذاری، اگر ساختارهای بازار عادلانه و منصفانه باشد، این است که انگیزه ای به شرکت های فعال در بازار در جهت حداکثر سازی سودشان بدهد و سپس بازار به طریقی رفتار کند که سود هر شرکت حداکثر شود(یا متناسب با فعالیت و تصمیمات خود مشمول سود و زیان گردد). اگر این هدف قابل دست یابی باشد، صنعت برق به الگوریتم های جدیدی برای کمک به شرکت های بازار در جهت حداکثر کردن سودشان نیاز دارد. این الگوریتم ها علاوه بر مدل کردن جنبه های اقتصادی بازارهای برق لازم است ملزومات اساسی مهندسی را نیز تامین کنند.
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.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 2: کدینگ جهشیکدینگ جهشی تنها برای مسائل ترتیبی مفید است حتی برای همین مسائل نیز گاهی اوقات باید تقاطع ها و جهش های اصلاحی به منظور ایجاد کروموزوم های سازگار و مناسب انجام شود.
کدینگ ارزشیاین نوع کدینگ درمسائلی که در آن ها مقادیر پیچیده نظیر اعداد حقیقی بکارمی روند استفاده می شود. استفاده از کدینگ باینری برای چنین مسائلی بسیار سخت می باشد. در کدینگ ارزشی هر ژن یک کروموزوم ارزش خاصی دارد. این پارامتر باارزش می تواند عدد، حرف یا کلمه باشد. در این نوع کدینگ نیاز به توسعه عملگرهای جابجایی و جهش جدیدی برای مسائل خاص می باشد.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 3: کدینگ ارزشیکدینگ درختیکدینگ درختی در برنامه های تکاملی به منظور برنامه ریزی تکاملی بکار می رود. در کدینگ درختی هرکروموزوم یک درخت از اشیائی نظیر توابع یا دستورها در زبان برنامه نویسی می باشد. شکل زیر دو نمونه از این کروموزوم ها را نشان می دهد. این نوع کدینگ برای برنامه های تکاملی بسیار عالی است. اغلب از این نوع کدینگ استفاده می شود و این بدین علت است که برنامه LISP زبان برنامه نویسی های آن به این فرم نمایش داده می شوند و می توانند براحتی مورد تجزیه قرار بگیرند. بنابراین عمل تقاطع و جهش نیز به همان نسبت راحت انجام می شوند.

شکل 3- SEQ شکل_3- * ARABIC 4: کدینگ درختیمسائل مربوط به کدینگنکته ای که در انتهای این قسمت باید به آن توجه کرد این است که در الگوریتم های ژنتیکی کدینگ یک رابطه بین فضای کدینگ و فضای جواب ها می باشد بطوریکه الگوریتم ژنتیک عملیات تکاملی را بطور متناوب در این دو فضا انجام می دهد(شکل3-5). انتخاب طبیعی نیز به عنوان یک رابطه بین کروموزوم ها و عملکرد جواب های کد شده آن ها می باشد.

user8322

2-2-6). مفهوم توسعه فیزیکی.......................................................................................................................28
2-2-7). فضای شهری......................................................................................................................................29
2-2-8). بافت....................................................................................................................................................29
2-2-9). نظریات مورفولوژیکی و توسعه فیزیکی شهر................................................................................30
2-2-10). توسعه فیزیکی شهر از دیدگاه اکولوژیک...................................................................................31
2-2-11). نظریههای هستههای متعدد شهر یا شهر چند هستهای........................................................31
2-2-12). نظریه ساخت دوایر متحدالمرکز.................................................................................................32
2-2-13). نظریه ساخت ستارهای شکل........................................................................................................32
2-2-14). نظریه محوری یا توسعه قطاعی شهر..........................................................................................33
2-2-15). نظریه شهر خطی............................................................................................................................33
2-3). متغیرهای موثر در مکانیابی توسعهی فیزیکی شهرها.................................................................33
2-3-1). مقدمه.................................................................................................................................................33
2-3-2). ژئومورفولوژی....................................................................................................................................34
2-34). جنس خاک..........................................................................................................................................34
2-3-5). قابلیت خاک. ..................................................................................................................................35
2-3-6). شیب...................................................................................................................................................35
2-3-7). باد.......................................................................................................................................................35
2-3-8). آبهای زیرزمینی.............................................................................................................................36
2-3-9). ارتفاع...................................................................................................................................................36
2-3-10). رعایت حریم گسل.........................................................................................................................36
2-3-11). جهتهای جغرافیایی......................................................................................................................36
2-3-12). حریم رودخانهها.............................................................................................................................37
فصل سوم: معرفی منطقهی مورد مطالعه
3-1).مقدمه........................................................................................................................................................39
3-2). ویژگیهای جغرافیایی-طبیعی منطقه...............................................................................................40
3-3). وضعیت توپوگرافی ................................................................................................................................41
3-4). وضعیت شیب منطقه...........................................................................................................................42
3-5). جهت دامنه..............................................................................................................................................42
3-6). ویژگیهای زمینساختی و تکتونیکی محدودۀ مورد مطالعه.........................................................45
3-6-1). زمینشناسی......................................................................................................................................46
3-7). ویژگیهای آب و هوایی شهر نورآباد..................................................................................................47
3-7-1). تابش آفتاب.................................................................................................................................47
3-7-2). میزان دما و رژیم حرارتی..........................................................................................................48
3-7-3). پراکندگی بارش در شهر نورآباد ..............................................................................................49
3-7-4). باد .................................................................................................................................................49
3-8). وضعیت هیدرولوژی منطقه..............................................................................................................50
3-8-1). .منابع آبهای سطحی.....................................................................................................................51
3-8-2 ). منابع آبهای زیرزمینی..............................................................................................................51
3-9). خاکشناسی منطقه مورد مطالعه ......................................................................................................52
3-10). خصوصیات زلزلهخیزی محدودۀ مورد مطالعه..............................................................................54
3-11) مطالعات تاریخی...................................................................................................................................54
3-11-1) وجه تسمیه ......................................................................................................................................54
3-12). مطالعات کالبدی.................................................................................................................................54
3-12-1). مرحله اول توسعه شهر نورآباد.....................................................................................................54
3-12-2). مرحله دوم توسعه از سال 1345 تا قبل از انقلاب اسلامی...................................................56
3-12-3). مرحله سوم توسعه شهر بعد از انقلاب تا سال1365..............................................................57
3-12-4). مرحله چهارم توسعه شهر از دهه 1365 به بعد. ...................................................................58

3-13). تغییر و تحولات جمعیت شهر...........................................................................................................59
3-13-1). تراکم خالص و ناخالص جمعیت شهر نورآباد...........................................................................60
3-13-2). بررسی وضعیت اشتغال و فعالیت در شهر نورآباد....................................................................60
3-14). اقتصاد شهر.......................................................................................................................................... 61
فصل چهارم: تجزیه و تحلیل و نتیجهگیری
4-1). مقدمه .......................................................................................................................................................64
4-2). بررسی وضعیت تناسب عوامل اکولوژیکی منطقه........................................................................64
4-2-1). وضعیت تناسب ارتفاع از سطح دریا منطقه................................................................................62
4-2-2). وضعیت تناسب شیب منطقه.........................................................................................................65
4-2-3). وضعیت تناسب جهت دامنه..........................................................................................................66
4-2-4). وضعیت تناسب زمینشناسی منطقه............................................................................................67
4-2-5). وضعیت تناسب بارش منطقه..........................................................................................................69
4-2-6). وضعیت تناسب دما منطقه..............................................................................................................70
4-2-7). وضعیت تناسب فاصله تا مسیل منطقه.......................................................................................71
4-2-8). وضعیت تناسب خاک منطقه. ........................................................................................................72
4-2-9). وضعیت تناسب پوشش گیاهی و کاربری اراضی منطقه.... .....................................................73
4-2-10). وضعیت تناسب فاصله تا محدوده شهر......................................................................................75
4-2-11). ترکیب کلیه لایههای عوامل اکولوژیکی منطقه. .....................................................................76
4-3). مکانگزینی شهر نورآباد(براساس با مدل اکولوژیکی). ..................................................................77
4-4). مکانیابی بهینهی توسعه آتی شهر نورآباد براساس عوامل اکولوژیکی........................................84
4-5). پیامدهای توسعه فیزیکی شهر نورآباد ..............................................................................................91
4-5-1). آلودگی آب. .......................................................................................................................................92
4-5-2). تخریب اراضی کشاورزی................................................................................................................92
4-6). نتیجهگیری. ............................................................................................................................................93
4-7). آزمون فرضیهها.......................................................................................................................................97
4-8). ارائه پیشنهادات و راهکارها.................................................................................................................98
منابع ومآخذ.. ....................................................................................................................................................99
فهرست جداول
جدول 2-1): معیارهای مدل اکولوژیکی توسعه شهری ایران. .................................................................37
جدول 3-1 ): تراکم خالص و ناخالص شهر نورآباد طی سالهای 1385-1345. ...............................60
جدول3-2: وضعیت شاغلین شهر نورآباد ممسنی طی سالهای 1385- 1345.................................61
جدول 4-1): وضعیت تناسب ارتفاع از سطح دریا منطقه........................................................................65
جدول 4-2): وضعیت تناسب شیب منطقه. ..............................................................................................66
جدول 4-3): وضعیت تناسب جهت دامنه.................................................................................................67
جدول 4-4: وضعیت تناسب زمین شناسی منطقه .................................................................................68
جدول 4-5: وضعیت تناسب بارش منطقه................................................................................................69
جدول 4-6: وضعیت تناسب دما منطقه........................................................................................................70
جدول 4-7: وضعیت تناسب فاصله تا مسیل منطقه ................................................................................71
جدول 4-8: وضعیت تناسب خاک منطقه...................................................................................................73
جدول 4-9: وضعیت تناسب پوشش و کاربری اراضی منطقه................................................................74
جدول 4-10: وضعیت تناسب فاصله از شهر...............................................................................................76
جدول 4-11: تعیین مناطق بهینه برای توسعه شهری............................................................................77
نقشه4-12: بررسی تناسب عوامل اکولوژیکی در مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد.........................79
جدول 4-13: مکانگزینی شهر نورآباد براساس با مدل اکولوژیکی........................................................86
فهرست اشکال(نمودارها)
نمودار 3-1 : روند تغییرات جمعیت شهر نورآباد طی سالهای 1385-1345......................................59
نمودار 3-2 : تراکم خالص و ناخالص شهر نورآباد طی سالهای 1385-1345...................................60
نمودار 3- 3: بررسی نقش اقتصادی شهر بر مبنای روش بوژوگارنیه......................................................62
فهرست اشکال( نقشهها)
نقشه 3- 1: موقعیت جغرافیایی شهر نورآباد ممسنی.................................................................................40
نقشه3-2: ارتفاع از سطح دریا منطقه.........................................................................................................41
نقشه3-3: شیب منطقه....................................................................................................................................42
نقشه3-4: جهت دامنه منطقه.........................................................................................................................45
نقشه3-5: زمین شناسی منطقه......................................................................................................................46
نقشه3-6: دما منطقه.........................................................................................................................................48
نقشه 3-7: بارش منطقه...................................................................................................................................49
نقشه 3-8: فاصله از رودخانه و مسیل...........................................................................................................50
نقشه 3-9: خاکشناسی منطقه.........................................................................................................................52
نقشه 3-10: توسعه ادواری نورآباد................................................................................................................55
نقشه 4-1: بررسی وضعیت تناسب ارتفاع از سطح دریا منطقه برای مکانیابی توسعه شهری.......65
نقشه4-2: بررسی وضعیت تناسب شیب منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................................66
نقشه 4-3: بررسی وضعیت تناسب جهت دامنه منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................67
نقشه 4-4: بررسی وضعیت تناسب زمینشناسی منطقه برای مکانیابی توسعه شهر......................68
نقشه4-5: بررسی وضعیت تناسب بارش منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................................69
نقشه 4-6: بررسی وضعیت تناسب دما منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...................................70
..
نقشه 4-7: بررسی وضعیت تناسب فاصله تا مسیل منطقه برای مکانیابی توسعه شهری...............72
نقشه 4-8: بررسی وضعیت تناسب خاک منطقه برای مکانیابی توسعه شهری..................................73
نقشه 4-9: بررسی وضعیت تناسب پوشش و کاربری منطقه برای مکانیابی توسعه شهری............75
نقشه 4-10: وضعیت تناسب فاصله تا محدوده شهر برای مکانیابی توسعه شهری..........................76
نقشه4-11: تعیین مکان بهینه برای توسعه فیزیکی و اسکان جمعیت آتی شهر نورآباد...................77
نقشه4-12: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل ارتفاع ....................................................79
نقشه 4-13: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل شیب.........................................................80
نقشه 4-14: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل جهت دامنه............................................80.
نقشه 4-15: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل زمین شناسی.........................................81
نقشه 4-16: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل بارش........................................................81
نقشه 4-17: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل دما. .........................................................82
نقشه 4-18: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل فاصله تا مسیل.....................................82
نقشه 4-19: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل خاک.........................................................83
نقشه 4-20: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس عامل پوشش و کاربری اراضی.......................83
نقشه 4-21: تناسب مکانگزینی شهر نورآباد براساس کلیه عوامل اکولوژیکی.....................................84
نقشه4-22: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل ارتفاع...................................................86
نقشه4-23: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل شیب...................................................87
نقشه4-24: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل جهت دامنه......................................87
نقشه4-25 : مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل زمینشناسی...................................88
نقشه 4-26: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل بارش.............................................88
نقشه 4-27: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل دما. ................................................89
نقشه 4-28: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل فاصله تا مسیل..............................89
نقشه 4-29: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل خاک.................................................90
نقشه 4-30: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به عامل پوشش و کاربری اراضی................90
نقشه 4-31: مکانیابی توسعه آتی شهر نورآباد با توجه به کلیه عوامل اکولوژیکی...........................91
فصل اول: کلیات تحقیق
1-1) مقدمه
شهرنشینی و توسعه فضایی- کالبدی متاثر از توزیع فضایی جمعیت٬ انواع عوامل طبیعی (اقلیم٬ خاک٬ ژئومورفولوژی و....) و انسانی ( جمعیت٬ اقتصاد٬ فرهنگ٬ سیاست و....) در عرصه زندگی بشری به عنوان ویژگیهای جهانی از قرن 18 میلادی٬ روند تکاملی را طی کرده و در قرن 20 شدت یافت٬ در قرن 21 میلادی نیز شاهد شهرنشینی گسترده با بیش از 62 درصد خواهیم بود (باستیه٬ 1377 :239 ). تراکم بیش از اندازه جمعیت، تمرکز فعالیتها وفراوانی ساخت و سازها، رشد و گسترش فیزیکی کانونهای شهری و تخریب اکوسیستم طبیعی را در پی داشته است. هر چند توسعه شهر در کشورهای صنعتی در قرون گذشته به آرامی صورت گرفته است اما در کشورهای در حال توسعه بعد از جنگ جهانی دوم صورت گرفته است وشهرهای کشورهای در حال توسعه با شتاب و سرعت بیشتری از شهرهای ممالک صنعتی توسعه مییابند (شکویی ٬ 1365 :176 ). لذا مطالعه اینگونه مسائل و آگاهی از کم و کیف آنها یکی از مهمترین وظائف برنامهریزان شهری میباشد. لازم به ذکر است که در دهههای اخیر شهرهای ما (بخصوص شهرهای بزرگ) به خوبی گسترش یافتهاند. این گسترش کالبدی یا انفجار کالبدی در بسیاری از موارد بیش از انفجار جمعیت بوده است. یعنی نسبت افزایش سطح بیش از افزایش جمعیت میباشد. در وهله اول این گسترش به نظر منطقی و طبیعی میآید چون با رسیدن جمعیت به آستانههای جدید تاسیسات و تسهیلات مورد نیاز و تقاضای جامعه شهری تامین میباشد که تناسب ساده با افزایش جمعیت ندارد ولی میتواند دامنهای بس وسیعتر از آستانه موجود را پاسخگو باشد (فرج زاده ٬ 1385 : 12 ). استقرار و پیدایش یک شهر بیش از هر چیز تابع شرایط و موقعیت جغرافیایی است، زیرا عوارض و پدیدههای طبیعی در مکانگزینی، حوزه نفوذ، توسعه فیزیکی و مورفولوژیک شهری اثری قاطعی دارند. پدیده های طبیعی گاه به عنوان عوامل مثبت و گاه عوامل منفی و بازدارنده عمل می کنند( ثروتی و دیگران، 1388: 27) . عدم سازگاری محیط طبیعی در توسعه شهرها میتواند زمینههای ایجاد مخاطرات گوناگون طبیعی را فراهم سازد همچنین بستر طبیعی قادر است در رابطه با عوامل آب و خاک ، شیب ، آب و هوا و ..... محدودیت هایی را برای توسعه فیزیکی شهرها ایجاد نماید( عزیزپور، 1375: 68). در این پژوهش ابتدا به گرآوری مبانی نظری در خصوص نقش و تاثیر عوامل اکولوژیکی در توسعه فیزیکی شهرها پرداخته شده است و سپس با بررسی و مطالعات وضع موجود شهر نورآباد ممسنی و مقایسه آن با معیارهای بهینه و معقول اکولوژیکی در سه قسمت به مکانیابی توسعه شهری( در سطح بخش مرکزی شهرستان)، مکانگزینی شهر نورآباد( در مقایسه با مدل اکولوژیکی) و در نهایت مکانیابی توسعه آتی شهر پرداخته شده است.
فصلبندی پایان نامه به شرح زیر میباشد:
فصل اول: به معرفی موضوع تحقیق، اهداف تحقیق، بیان مسأله، ضرورت، اهداف تحقیق و پیشینه آن پرداخته شده است.
فصل دوم: مبانی نظری تحقیق است که در این فصل به نظریات، دیدگاهها، مکاتب، مدلها و سایر مباحث مربوط اشاره شده است.
فصل سوم: در فصل سوم به معرفی منطقه مورد مطالعه (نورآباد ممسنی) پرداخته شده است و ویژگیهای جغرافیایی، اجتماعی، اقتصادی و کالبدی منطقه آورده شده است.
فصل چهارم: در فصل چهارم که به یافتههای تحقیق مورد تجزیه و تحلیل، قرار گرفته است. در این فصل به ارزیابی و تحلیل نقش عوامل اکولوژیکی بر مکانیابی توسعه شهری( در سطح بخش مرکزی شهرستان)، مکانگزینی شهر نورآباد( در مقایسه با مدل اکولوژیکی) و مکانیابی توسعه آتی شهر پرداخته شده است. در نهایت به نتیجه گیری، آزمون فرضیهها و پیشنهادات پرداخته شده است.
1-2) تعریف موضوع
فرهنگ مادی ومعنوی شهری، حاصل دستاورد بزرگ کانون تمدنساز از چند هزار سال پیش تاکنون بوده است و دستیابی به رفاه و آسایش فزاینده در محیط زیست شهری، از دغدغههای فکری فرهیختگان بهویژه کارشناسان آشنا به مسائل شهری در دو قرن اخیر میباشد. با گذشت زمان، نابودی منابع طبیعی شهری، از جمله زمینهای کشاورزی و منابع آبها، توسعه ناموزون آن، فقدان مدیریت کار آمد شهری با وضعیت نابرابری زای اقتصادی، مهاجرت سیل آسای جمعیت روستایی به شهرها تراکم و فشردگی این مهاجرین در محلههای مختلف و جدائیگزینی در شهرها، از مسائل و معضلاتی است که چشم انداز ناپایداری را بر شهرها تحمیل کرده است (مهندسین مشاور امکو ٬ 1379 :15 ). چنین تحولی موجب گستردگی محدوده خدماتی شهرها شده که انبوه جمعیت شهری را بـا سطوح طبقات اجتماعی متفاوت در خود جای داده است. با پویش فزاینده و سریعی کـه در ساخت کالبدی شهر، از سال 1350 به بعد یعنی اوج دوره رشد شهرها و هرج و مرج توسعه کالبدی شهری ایران، آن چنان وسعت مییابد که حتی تدوین قوانین سخت و برخورد قهرآمیز شهرداریها نیز از بروز آن عاجز میماند. نتیجه آنکه شهرهای ایران به خصوص بافت کـالبدی آنها، منشاء و بستر ناپایداری در شهرها میگردد. تغییرات کالبدی و تحولات فضایی شهرها، چنان سریع و شتابنده عمل کرده است که پس از دورهای کوتاه، اکنون شهرهای کشور، نه تنها توانایی حفظ ویژگیهای سنتی و اصیل، خود را ندارند، بلکه اصول تازه و علمی نیز بر کالبد آنها و رشد و توسعه آیندشان با مشکلات بسیاری همراه است(نصیری،54:1384). بیشتر شهرها در گذشته به صورت طبیعی رشد کردهاند، یعنی توسعه شهر بدون برنامهریزی آتی انجام شده و شهر به صورت افقی توسعه یافته است. در رشد طبیعی شهر، سیستم جادهای، پارکها، مدارس، زمینبازی و... بدون نظم و ملاحظات توسعه آتی شهر ایجاد میشدند. امروزه توسعه فیزیکی نابسامان و بیرویه یکی از مشکلات شهر و شهرنشینی جهان سوم در دوران معاصر است. به طوری که طی فرایندی مداوم، محدودیتهای فیزیکی و فضاهای کالبدی شهر در جهات عمودی و افقی به لحاظ کمی و کیفی رشد مییابد و اگر این روند سریع بیبرنامه باشد، ترکیبی نامناسب از فضاهای شهری مشکلزا خواهد انجامید و با عوارضی مثل بینظمی فضایی، گسترش فقر و نابرابری، فرسایش و آلودگی محیط زیست، کاهش زمینهای کشاورزی و ناامنی اجتماعی همراه خواهد بود. به همین دلیل موضوع رشد و توسعه فیزیکی و نحوه برنامهریزی و مدیریت آن به یک مساله مهم سیاسی، اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی در کشورهای مختلف از جمله ایران بدل شده و عموم مسوولان، مدیران و کارشناسان را به جست و جوی چاره برای حل برانگیخته است (حیدری،10:1385). توسعه فیزیکی و ناموزون شهرها بیشتر به سیاستهای اداری روستا-شهر وابسته بوده، روند بورس بازی، معاملات اقماری زمین نیز از عوامل اصلی در توسعه فیزیکی ناموزون شهرها محسوب میشود. هماکنون یکی از مشکلات تمام شهرها، رشد شهرنشینی و به تبع آن گسترش شاخکهای خزنده شهری بر اراضی پیرا شهری است که پیامدهایی چون: حاشیهنشینی، نابودی اراضی کشاورزی، افزایش جمعیت شهرها، عدم امکان پاسخگویی برای برخی از خدمات و کاربریها در شهر، گسستگی بافتهای فیزیکی، مشکلات زیست محیطی، خصوصا آلودگی و نابسامانی سیمای شهری داشته است (سعید آبادی و همکاران،44:1389). توسعه فیزیکی -کالبدی یک سیستم شهری تحت تاثیر عوامل مختلف قرار میگیرد که یکی از مهمترین این عوامل ویژگیهای محیط طبیعی، یعنی بستری که شهر بر روی آن قرار گرفته میباشد، عواملی مانند: اقلیم، ژٍئومورفولوژی، منابع آب، خاک... در توسعه یک شهر نقش بسیار تعیین کننده و مهمی را میتوانند بر عهده داشته باشند (فریادی و همکاران،2:1386).
شهر نورآباد به عنوان یکی از شهرهای استان فارس با مساحتی در حدود 783 هکتار و جمعیتی برابر 52597 نفر ( درسال1385 ) از نظر جمعیتی، نسبت به سال1345 ده برابر شده و از نظر کالبدی رشد زیادی پیداکرده است این رشد جمعیتی و کالبدی از حدود سالهای 61 ـ 60 ، آغاز گردیده و با شتاب ادامه دارد و افزایش جمعیت شهری هم به طور طبیعی و هم در نتیجه مهاجرت گسترده روستائیان از روستاهای اطراف آن، صورت گرفته است که این روند علاوه بر رشد فیزیکی و کالبدی شهر به ویژه در جهت شرقی موجب ارتقاء نقش و عملکرد شهر از حیث اداری، خدماتی در منطقه شده است. همچنین رشد فیزیکی اراضی شهری که توپوگرافی مساعد، آن را تشدید نموده است، به بورس بازی زمین، توسعه نامتعادل شهر، کمبود سرانههای شهری٬ بالا رفتن تراکم شهر و تخریب زمینهای کشاورزی اطراف شهر انجامیده است. از سوی دیگر وجود جاده ارتباطی شیراز ـ اهواز در نزدیکی محدوده شهر، قابلیت دسترسی به سایر نقاط کشور را افزایش داده، که این موقعیت نیز منجر به جذابیت بیشتر شهر و ورود مهاجرین روستایی از نقاط دورتر شده است. شهر نورآباد از آنجا که از هستههای روستایی تشکیل شده است، اراضی کشاورزی و باغات متعددی در بین آنها گسترده شده که یکی از عوامل عمده محدود کننده توسعه است. ارتفاعات متعدد در پیرامون محدوده کنونی شهر از عوامل محدود کننده توسعه است که در بسیاری از موارد به دلیل شیب زیاد امکان ساخت و ساز را فراهم نمیسازد. ( بوستانی، 118:1388). با توجه به اینکه هرکدام از عوامل شامل( اقلیم، ژئومورفولوژی، منابع آب و خاک و...) در برههای از زمان به صورت جداگانه یا همزمان در رشد و توسعه شهرنشینی نقش عمدهای را ایفا کردهاند، در این تحقیق به مطالعهی تاثیر این عوامل بر روند توسعه فیزیکی این شهر پرداخته و بهترین مکانهای توسعه آن نیز تعیین میگردد.
1-3) اهمیت وارزش تحقیق
درطی روند پویایی توسعه فیزیکی شهر محدودههای فیزیکی و فضاهای کالبدی آن در جهات عمودی وافقی از حیث کمی و کیفی بطور مداوم گسترش مییابند و دچار تحول میگردند. توسعه فیزیکی شهرها درایران با توجه به رشد جمعیت و تحولات جدید تغییرات بسیاری را پذیرفتهاند. با توجه به افزایش گرایش به شهرنشینی، شهرها برای پذیرش جمعیت نیاز به زمینهای وسیع و گستردهای دارند، که این زمینها از ترکیب واحدهای توپوگرافی و ژِئومورفولوژی تشکیل شدهاند. هر اندازه که شهرها توسعه یابند و گسترش پیدا کنند برخورد آنها با واحدهای توپوگرافی و ژئومورفولوژی و موضوعات مربوط به آنها زیادتر می شود.(مشهدیزاده، 47:1374). در گذشته در مکانگزینی شهرها بیشتر به مطالعات انسانی و اجتماعی اکتفا میشد ولی امروزه غفلت از مطالعاتی نظیر زمین شناسی، ژِئومورفولوژی، هیدرولوژی و ... خسارات هنگفتی را برای شهرها در پی خواهد داشت(نگارش، 1382). یکی از اهداف مهم تهیه طرحهای توسعه شهری، توسعه سنجیده شهرها بوده است و این انتظاز منطقی از آن هست که برای انتخاب محورهای توسعه شهری، در مطالعه فیزیکی شهرها، شرایط ژئومورفولوژیک، زمینشناسی، آب و هوا شناسی و ..... و ارتباط و تاثیر متقابل این پدیدهها بر یکدیگر بررسی شود. در راستای توسعه شهری، در صورتی که به اصول و مکانیسمهای فرآیندهای ژئومورفولوژیک، زمینشناسی و مورفودینامیک محیط توجه نشود، تعادل ژئومورفولوژیک محیط بهم خورده و باعث بروز خطرات بزرگی میشود ، به دنبال آن تلفات و خسارات جبران ناپذیری را ایجاد میکند( بخشنده نصرت، 1378: 385). در دهههای اخیر، عوامل اکولوژیکی در توسعه شهرها توجه بیشتری را به خود معطوف داشته است و به عنوان یکی از پایههای اساسی جهت توسعه شهرها معرفی میشود. در این رابطه رعایت عوامل طبیعی و مطابقت دادن توسعه شهرها با آن، از اقدامات اساسی جهت مقابله با حوادث طبیعی و حتی ممانعت از مخاطرات طبیعی نظیر( سیل ،زلزله ، نشست ، ریزش،لغزش، بالا آمدن سطح آب های زیر زمینی و ...) بشمار میرود( عزیزپور، 1375: 3 ).
توسعه فیزیکی شهر نورآباد نیز از این قاعده مستثنی نبوده است واین شهر در سالهای اخیر با توجه به ویژگیهای کالبدی به طور چشمگیری رشد نموده است. هدف از اجرای این پژوهش شناخت عوامل اکولوژیکی موثر در رشد و توسعه کالبدی شهر نورآباد و تحولات مربوط به آن طی دهههای اخیر میباشد. از طرف دیگر نتایج این پژوهش این ارزش را دارد که میتواند برای پژوهشگران دیگری که دررابطه با اثر افزایش جمعیت روی فضاهای کالبدی مطالعه میکنند بسیار ارزشمند باشد. نتایج این تحقیق میتواند به عنوان یک راهنما برای پژوهشگران و برنامهریزان دستاوردهای ارزشمندی داشته باشد واطلاعات و دادههای جدیدی را در اختیار آنان قرار دهد. نتایج این تحقیق ضمن روشن کردن عوامل اکولوژیکی موثر بر توسعه فیزیکی، راهها وراهکارهای عملی برای توسعه فیزیکی را به برنامهریزان نشان میدهد و بهترین مکان بهینه را برای اسکان جمعیت شهری بازگو میکند. نتایج این تحقیق علاوه بر افزودن و غنا بخشیدن به پژوهش های شهری برای مدیران و برنامهریزان ( اعضای شورای شهر-مدیریت شهر) بسیار مفید خواهد بود. همچنین نتایج این تحقیق در ابعاد آموزشی نیز ارزشمند است.
1-4) پژوهشهای علمی انجام شده قبلی در ارتباط با پایاننامه
برای آشنایی بهتر با موضوع مورد مطالعه استفاده از منابع و مراجع و پژوهشهای گذشته و کسب اطلاع از ادبیات موضوع ضروری است که بدانیم در واقع از اوایل قرن بیستم مسائل ومشکلات شهرها بطور عام و بعد از جنگ جهانی دوم بطور خاص مورد توجه جدی قرار گرفت بعد از آن شناخت وتجزیه وتحلیل وارائه راهبرد ها و عوامل موثر در روند توسعه وپیچیدگی شهری و پیامدها و نقش آن در گسترش فضایی – کالبدی در شهرها در دستور کار قرار گرفت. بعد از دهه 1950 شهرها در همه ابعاد مورد مطالعه قرار گرفتند. از جمله محققان و جغرافیدانان خارجی و داخلی در تبیین عوامل موثر بر توسعه و رشد ناهمگون شهرنشینی وشهرگرایی و پیامدهای آن بوده که مسائل چون مهاجرت٬ پیامدهای رشد کمی٬ شناخت و روابط حاکم در مناسبات شهر و روستا، انواع نارسائیها را در عرصههای شهری و..... در بر داشته است.گفتنی است در ایران نیز پژوهشگران و محققانی در این رابطه منابع متعددی به رشته تحریر درآورده اند. از جمله:
- نظری (1370) پژوهشی با عنوان گسترش فضایی شهر تهران و پیدایش شهرکهای اقماری انجام داده است که بر تاثیر بیچون و چرای گسترش فضای فیزیکی و نیروی انسانی شهر تهران در روستاهای حوزه نفوذ تاکید دارند و گسترش انفجارگونه و لجام گسیخته شهر تهران را سبب نابودی روستاهای اطراف و از بین رفتن فضای زیستی جمعیت پایتختنشین قلمداد میکنند.
- فریادی و همکاران (1386) پروژه - ریسرچای با عنوان مقایسه نقش و تاثیر عوامل محیط طبیعی در توسعه فیزیکی –کالبدی شهرها و با روش تحلیلی-میدانی و کتابخانهای انجام داده و به این نتیجه رسیدند که از مهمترین عامل طبیعی تاثیرگذار بر توسعه فیزیکی – کالبدی شهرها، ویژگیهای شکل زمین، ناهمواریها و به طور کلی ژئومورفولوژی بوده و هر سه پارامتر در نظر گرفته شده در توسعه فیزیکی شهرها تاثیر داشته اند.
- سعیدی و همکاران(1389) پروژه - ریسرچای با عنوان مدلسازی توسعه کالبدی و تعیین مکان بهینه برای اسکان جمعیت شهر سردشت تا افق 1400 به روش دلفی و منطق بولین در سیستم اطلاعات جغرافیایی و با روش توصیفی-تحلیلی و نوع تحقیق توسعهای- کاربردی انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که بستر و فضای جغرافیایی شهر به لحاظ شرایط طبیعی-محیطی پتانسیل اسکان جمعیت با توجه به رشد پیشبینی شده جمعیت (4/1) تا افق 1400 را نخواهد داشت. از طرف دیگر محاط بودن شهر سردشت به وسیله عوارض طبیعی و ژِئومورفولوژیک از طرف دیگر کمبودهای شدید شهر به لحاظ سرانه کاربریها، تجهیزات، تاسیسات و امکانات و خدمات و مهمتر از همه مسکن تا افق 1400، شهر را با محدودیت جدی روبهرو میباشد.
- محمدرضا ثروتی و همکاران(1390) پروژه - ریسرچای با عنوان بررسی تنگناهای طبیعی توسعه فیزیکی شهر سنندج با روش کتابخانه ای-میدانی انجام دادند که به این نتیجه رسیدند عواملی چون ارتفاعات آبیدر و تپه های داخل شهر و رودخانه قشلاق تنگناهایی برای توسعه شهر سنندج بوجود آوردهاند.
- عنایتاله موسوی (1385) در پایان نامه کارشناسی ارشد خود در رشته جغرافیا و برنامهریزی شهری دانشگاه اصفهان، تحقیقی با عنوان نقش عوامل جغرافیایی در توسعه کالبدی-فیزیکی شهر ایذه انجام داده است و بدین نتیجه رسید فرم شهر ایذه شعاعی است و عوامل طبیعی در توسعه کالبدی ایذه نقش موثری دارند.
- الناز همپانژاد (1386) در پایانامه کارشناسی ارشد خود در رشته جغرافیا و برنامه ریزی شهری دانشگاه نجف آباد موضوعی را با عنوان بررسی و تحلیل گسترش کالبدی شهر ارومیه تحقیق نمود و به این نتیجه رسیده است که وضعیت طبیعی و از طرف دیگر دیگر رشد جمعیت شهری باعث گسترش کالبدی شهر و جهت این گسترش شده است.
- منصور ملکی در پایاننامه کارشناسی ارشد (1387) خود در رشته جغرافیا و برنامهریزی شهری دانشگاه اصفهان موضوعی را با عنوان، شهر سنندج و روند توسعه فیزیکی آن انجام داده است و در این پژوهش به این نتیجه رسیده است که شکل توسعه فیزیکی شهر سنندج در طول این چند دهه بیش از هر چیز متاثر از شکل طبیعی و بیشتر از همه کوهستانی بودن این شهر است.
- علیاصغر پیلهور (1388) در پایاننامه کارشناسی ارشد خود در رشته جغرافیا و برنامهریزی شهری دانشگاه شهید بهشتی موضوعی را به عنوان، علل وپیامدهای توسعه فضایی شهر بجنورد انجام داده است و در این پژوهش به این نتیجه رسیده است که عواملی از جمله باروری بالا، کمبود مرگ ومیر بدلیل بالا رفتن کیفیت امکانات بهداشتی و مهاجرتهای روستایی باعث توسعه شهر شده است و از طرف دیگر این توسعه شدید باعث از بین رفتن باغات و زمینهای کشاورزی، ساخت وسازهای غیر مجاز و توسعه نامتعارف شهری شده است.
همچنین میتوان به طرحهای شهر نورآباد که شامل طرح تفضیلی و جامع میباشد اشاره نمود.
طرح جامع شهر نورآباد در سال 1379 انجام گرفته است، و از نقاط قوت آن میتوان به:
1- نظم بخشیدن به توسعه شهر 2- تجزیه و تحلیل جمعیت شهر و مشخص کردن نیازهای خدماتی و رفاهی این جمعیت 3- تجزیه وتحلیل کاربریهای شهری و بررسی کمبودهای آن اشاره نمود و اما در این طرح محدوده شهر بیش از حد نیاز جمعیت در نظر گرفته شده است و این امر باعث از بین رفتن زمینهای کشاورزی و باغات اطراف شهر شد، همچنین بسیاری از اطلاعات بدست آمده قابل اطمینان نمیباشد و ابهام دارد. شایان ذکر است که در تمام طرحهای جامع کشور و علل الخصوص طرح جامع شهر نورآباد مبنای کارکردی آنها بر اساس و تقلید از طرحهای 40 تا 50 سال پیش است که در کشورهای پیشرفته دنیا اجرا میشده است و در واقع این طرحها با شرایط امروز شهرها دیگر تطابقی ندارد.
- طرح تفضیلی شهر نورآباد هم که در سال 1383 تصویب شده است نیز دارای نقاط قوت و ضعفی میباشد.
جدید بودن طرح، که در حال حاضر میتواند مبنایی برای برنامهریزیهای شهر باشد و تجزیه وتحلیل دقیق مسائل شهری و مشکلات آن از نقاط قوت آن بشمار میرود. در زمینه کاربریهای پیشنهادی برای شهر بسیار خوشبینانه و بلند پروازانه مسئولین طرح عمل کردهاند و مساحت کاربریها را زیاد انتخاب کرده اند همچنین مسائل مطرح شده در این طرح بیشتر کاربرد برای وضع موجود شهر دارد و مناطقی را که تحت تاثیر توسعه شهر، زیر ساخت و ساز میرود در ارتباط با وضع موجود فرض نکرده است.
1-5) اهداف تحقیق
پژوهشهای شهری راهبردی بر مطالعه فرایندهای شهرنشینی و تاثیرات ناشی از این فرایندها در سطح جامعه و محیط اطراف آنها تاکید دارد. هدف از انجام این پژوهش‌ها گردآوری اطلاعات لازم و شناخت دقیق‌تر تأثیرات توسعه فیزیکی زندگی شهری بر محیط زیست اطراف آن به منظور تصمیم گیری درباره اهداف و فراهم نمودن خط مشی هایی برای بالا بردن کیفیت زندگی شهروندان است. هدف از پژوهش علمی کشف واقعیتها و برقرار کردن روابط میان آنها و تبین شرایط و رویدادهاست که به یک رشته تعمیمهای منطقی منجر می شود تا در صورت امکان بتوان براساس آن به پیشبینی رویدادها پرداخت. برای مشخص نمودن توسعه فیزیکی شهری اهداف مورد نظر به صورت زیر میباشد:
1- مکانگزینی شهر نورآباد براساس مدل اکولوژیکی توسعه شهری
2- بررسی وضعیت تناسب عوامل اکولوژیکی منطقه برای توسعه شهری
3- مکانیابی بهینه توسعه آتی شهر نورآباد براساس عوامل اکولوژیکی
4- اراِِئه پیشنهادات و راهکارهای اجرایی برای برنامهریزان و مدیران شهری
1-6) سوالات و فرضیه های تحقیق:
سوالات:
1- توسعه فیزیکی شهر نورآباد با توجه به توانهای اکولوژیک چگونه بوده است؟
2- براساس عوامل اکولوژیکی، بهترین مکان برای توسعه واسکان در فضاهای اطراف شهر نورآباد کجاست؟
فرضیات پژوهش:
بر این اساس فرضیاتی که در این تحقیق سعی در اثبات آن هست عبارت است از:
1- توسعه فیزیکی شهر با توانهای اکولوژیک منطقه هماهنگ نبوده است.
2- با توجه به سطوح هموار زمین و نقش آن در توسعه فیزیکی شهر نورآباد، قسمتهای شرق و غرب بیشترین تناسب را نشان میدهند.
1-7) روش تحقیق
هدف از انجام پژوهش‏های شهری راهبردی عبارتست از: شناخت مسائل و مشکلات فضاهای شهر و پسکرانه های آن و گره گشایی و چاره اندیشی نسبت به این مشکلات است. جهت بررسی دقیق و عمیق مسائل شهری لازم است مؤلفهها و عوامل تاثیر گذار بر حسب نوع درجه و اهمیتشان مورد بررسی و مطالعه موشکافانه قرار گیرد. بعلاوه با توجه به رشد وگسترش سریع شهرها وجود انبوهی از متغیرهای موثر در آنها و همچنین حجم باور نکردنی اطلاعات، بکارگیری شیوههای سنتی در تحلیل مسائل چندان معقول و رسا نیست و گاهاً پژوهشگر را به اشتباه میاندازد. عواملی همچون رشد جمعیت، مهاجرت و پیامدهای آن، خدمات رسانی و توزیع عادلانه و بهینه خدمات در محیط شهر و بالاخص مادر شهرها با موانع و معضلاتی همراه است، لذا اتخاذ سیاست های کارآمد و بجا در رابطه با ارائه خدمات، بهینه یابی پهنههای مناسب برای گسترش شهری و تخصیص بهینه فضا برای جمعیت ساکن در بخش های مختلف شهر (حاشیه، مرکز و … ) جهت دسترسی سریع و کم هزینه شهروندان، از اهداف و مراحل تحقیق می‏باشد.
نوع تحقیق تئوری_کاربردی و روش آن توصیفی_تحلیلی است. با توجه به اینکه هدف از پژوهش حاضر ، بررسی نقش عوامل اکولوژیکی در توسعه فیزیکی شهر نورآباد میباشد، برای این منظور ابتدا برای تشخیص و ضرورت تعیین مکان بهینه برای توسعه آتی، شاخصهای موثر در توسعه فیزیکی را مشخص نموده و لایه های اطلاعاتی را تهیه میکنیم سپس به شناسایی ویژگیهای طبیعی( توپوگرافی، زمین شناسی، ژئومورفولوژی، خاکشناسی و.. ) جمع آوری اطلاعات مربوطه پرداخته شده است. برای تهیه اطلاعات مورد نیاز، ابتدا نقشههای توپوگرافی با مقیاس 50000 وارد محیط Arc GIS 9.3 گردید، سپس این نقشهها، زمین مرجع و رقومی شدند. پس از رقومی کردن، مدل ارتفاعی رقومی DEM شهر نورآباد تهیه گردید و بدین طریق لایههای اطلاعات شیب و جهت دامنه منطقه تهیه شد. پس از تبدیل لایههای اطلاعاتی به فرمت رستری، ویژگیهای شیب، ژئومورفولوژی، فاصله از رودخانه و پوشش گیاهی، بارش و دما مشخص گردید. مرحله بعد تهیه نقشههای مربوط به مکانیابی توسعه شهری، مکانگزینی شهر نورآباد و مکانیابی توسعه آتی شهر در محیط GIS بود. که دراین مرحله نقشهها، تهیه گردید، سپس با توجه به هریک از معیارهای اکولوژیکی (قره گوزلو –مخدوم) اقدام به ارزیابی تناسب هریک از عوامل اکولوژیکی برای توسعه شهری گردید. با توجه به منطق بولین مناطقی که متناسب با معیارها بودند امتیاز 1 و مناطقی که نامناسب بودند امتیاز صفر گرفتند و سرانجام تلیفق نقشهها ( Overly ) صورت پذیرفت. این کار برای این منظور انجام گرفت که نقش مثبت و منفی عوامل اکولوژیکی منطقه بر روی توسعه فیزیکی و مکان گزینی شهر نورآباد مشخص گردد.GIS با داشتن قابلیت های منحصر به فرد در ایجاد سیستمهای پشتیبانی و تصمیم گیریهای فضایی و با داشتن توابع تحلیلی (بخصوص امکانات تحلیل شبکه، مدل های تخصیص مکانی و بطور کلی مدلسازی) می‏تواند درحل مسائل مختلف منجمله تحلیل دسترسیها، تعیین حوزه نفوذ، مکانیابی و تخصیص منابع، توسعه پایدار، توسعه عدالت اجتماعی و… به عنوان ابزاری قدرتمند با قابلیت انعطاف پذیری بالا عصا و یاور مدیران و سازندگان پیکره شهرها باشد. بعلاوه به هنگام کردن نقشه که درگذشته ماهها به طول میانجامید درحال حاضر به طور ساعتی انجام میپذیرد (محمدی ،1381، 60). GIS هزینهها را کاهش داده و زمان (که در برنامهریزی اهمیتی خاص دارد) را بطرز شگرفی مطیع خود ساخته است.1-7-1) مدل منطق بولین یا منطق صفرو یک).
این منطق برگرفته شده از نام ریاضیدان مطرح انگلیسی ( جورج بولی ) بوده است. در این مدل، اطلاعات راجع به هر نقشه ورودی به شکل دوتایی (باینری 9 صفر و یک تبدیل می شوند و نقشه خروجی نیز بعد از ترکیب یک نقشه جدید با دو کلاس صفر و یک خواهد بود. به عبارت دیگر عضویت در یک مجموع مناسب است با نامناسب، و حد وسطی ندارد و نقشههای نهایی و تلفیق یافته نیز هر پیکسل یا مناسب است یا نامناسب تشخیص داده میشود( نقیبی، 1382، 17 ). منطق بولین یا منطق (صفر و یک)، ترکیب منطقی نقشهها را به صورت صفر و یک نشان میدهد که با عملکردهای شرطی نتیجه بدست میآید. این مدل دارای مجموعه ای است که فقط دو عنصر دارد و باید با هر یک از معیارهای ترکیب شونده اهمیت برابر داده شود و لذا برای انتخاب مکان، این محل یا مناسب است و یا نامناسب و هیچ حالی دیگری ندارد( ثنایی نژاد، 196:1376).
در تحلیل مدل های فضایی، عملیات مربوطه معمولا لایه به لایه انجام میشود. عملیات یک یا چند لایه را به عنوان ورودی دریافت کرده و براساس آن لایه جدیدی به عنوان خروجی تولید میکند. براساس این روش در نتیجه ترکیب لایهها، واحدهایی به عنوان مناطق مناسب انتخاب میشوند که تمام عوامل اکولوژیکی آن مناسب (1) باشند. اگر تنها براساس یک عامل، واحدی نامناسب تشخیص داده شودآن قسمت از مجموعه زمینهای نامناسب حذف خواهد شد. به این طریق با ورود هر لایه به مدل محدوده واحدهای مناسب کوچکتر شده تا اینکه در نهایت براساس جمع معیارها واحدهایی که باقی میماند به عنوان محدوده مناسب تشخیص داده میشوند. گاهی اوقات در نتیجه ورود لایه ها به مدل و محدود شدن واحدهای مناسب، ممکن است هیچ واحدی به صورت مناسب باقی نماند زیرا به هر حال بخشهای مختلف سرزمین در زمینه های متفاوت ممکن است دارای محدودیت هایی باشند. به این ترتیب از میان مجموعه معیارها تنها براساس یک معیار، نامناسب تشخیص داده شوند در این صورت کل آن واحد از مجموعه زمینهای مناسب خارج میشود. در حالی که این امکان وجود دارد که نامناسب بودن این معیار را از طریق اقداماتی جبران کرد.(فرجی سبکبار و مطیعی لنگرودی، 1381).
1-8) مشکلات تحقیق
در طول هر تحقیق براساس موضوع، مکان و زمان تحقیق مشکلاتی رخ میدهد، نظر به اینکه در زمینه برنامهریزی شهری در شهر نورآباد تاکنون مطالعات جامعی صورت نگرفته است بنابراین طبیعی است که مشکلات زیادی بر سر راه تهیه و تدوین این رساله وجود خواهد داشت. در انجام این تحقیق مشکلات زیادی وجود داشت که سرعت انجام کار را کاهش میداد. بطور کلی اهم مشکلاتی که نگارنده با آن مواجه بوده است عبارتند از :
- به دلیل نبود یک نقشه مبنایی دقیق جهت انجام کار و عدم همکاری سازمانهای مربوطه جهت تهیه نقشه برای انجام تحقیق، تهیه نقشه پایه به سختی صورت پذیرفت.
- عدم همکاری سازمانهای متولی در امر تهیه آمار و اطلاعات لازم و تأخیر مسئولین مربوطه جهت ارائه آمار و اطلاعات.
- عدم دسترسی به آمار واطلاعات شهرستان و شهر نورآباد به دلیل جوان بودن بعضی از ادارات و نبود واحد آمار در بسیاری از ادارات مربوطه.
- ارجاع بسیاری از ادارات به مرکز استان برای اخذ آمار و اطلاعات مورد نیاز.
فصل دوم
مبانی نظری تحقیق

2-1). مقدمه: این فصل از تحقیق، ابتدا مفاهیم اساسی و پایه مربوط به توسعه شهری و سپس متغیرهایی را که، در توسعه فیزیکی شهر نقش دارند مورد بررسی قرار گرفتهاند.
2-2) مباحث مربوط به توسعه شهری
شهر
شهر و شهرنشینی روند اجتماعی برجسته‌ای است که بیشتر موجب دگرگونی در روابط متقابل انسان با محیط و با انسانهای دیگر شده است. در حقیقت تغییر در واکنش‌های انسان‌ها نسبت به هم و نسبت به محیط، به تحول اجتماعی و دگرگونی فضائی امکان داده که نمود عینی آن به صورت یک پدیده نو که اصطلاحاً (شهر نامیده می‌شود ) نمایان گردیده است. ویژگیهای شهر و مفهوم آن در دوره‌های مختلف تاریخی و مناطق مختلف یکسان نبوده و مفهوم آن در هر دوره و مناسب با هر سرزمینی در مسیر تاریخ تفاوتهایی را نشان می‌دهد. امروزه تعریف جامعی از شهر که بتواند شامل کلیه شهرهای جهان باشد مشکلست، چرا که شهرها به سیستم‌های اقتصادی و اجتماعی همسان وابسته نبوده و نکات مشترکی بین آنها وجود ندارد. بنابراین هر یک از جغرافیدانان بنا به ادراک و برداشت خود تعریفی از شهر کردهاند ( فرید، 1382 : 1 ). در واقع شهر زیستگاهی است انسان ساخت و در زیر یک قدرت سیاسی مشخص که تمرکز جمعیتی نسبتاً پایداری را در درون خود جای می‌دهد، فضاهای ویژه براساس تخصص‌های حرفه‌ای به وجود می‌آورد تفکیکی کما بیش مشخص میان بافت‌های مسکونی و کاری ایجاد می‌کند و فرهنگی خاص را به مثابه حاصلی از روابط درونی خویش پدید می‌آورد که درون خود خرده فرهنگ‌های بیشماری را حمل می‌کند( فکوهی، 1383: 28-29 ). با این همه شهر اجتماعی است با تعداد و تراکم معین و متناسب جمعیت، با بافت و ساختار کالبدی یکپارچه و بهم پیوسته اعم از محلات، کوی‌ها، و یا مناطق مسکونی، فضاهای فرهنگی، بازرگانی، تولیدی، اداری، ارتباطی، کشاورزی و نظایر آنها که اکثریت ساکنان شاغل دائمی آن در مشاغل غیر کشاورزی بکار اشتغال داشته و بر اثر تمرکز تولید و خدمات فرامحلی، کانون سیاسی-اجتماعی، فرهنگی، اداری، مواصلاتی، و مرکز مبادلات اقتصادی و تأمین نیازهای حوزه جذب و نفوذ فضای پیرامون خود نیز می‌باشد ( نظریان،1383: 4-1 ). شهر به مثابه بخشی از سلسله مراتب سیستم فضایی و تقسیمات سیاسی– جغرافیایی هر کشور براساس شاخصهای مختلفی مانند: نوع حکومت، مدیریت، سطح آگاهی، علاقهمندی اجتماعی و مشارکت مردم در نظام تصمیمگیری شکل میگیرد( زاهدیفر، 1373 : 10 ).
برنامهریزی
بطور کلی از زمانی که بشر برای شناسایی محیط اطراف و تسهیل در امر زندگی و رفع مشکلات و نیازهای خود به تکاپو پرداخت، در حقیقت، دست به یک نوع برنامه‌ریزی زد. در صورتی که بخواهیم تعریفی کلی از برنامه‌ریزی داشته باشیم، می‌بایستی برنامه‌ریزی را عبارت از کوششی در جهت انتخاب بهترین برنامه‌ها در جهت رسیدن به هدفهای مشخص بدانیم که ممکن است این کوشش‌ها و برنامه‌ها، تا مرحله نهایی هدف نیز پیش نرود، بلکه گامهایی در جهت رسیدن به آن باشد (شیعه، 1381: 85-86 ). برنامه‌ریزی به معنای اندیشیدن و تنظیم پیشاپیش امور، قبل از بروز وقایع و رویدادها است تا در اموری همچون بهداشت، سلامت، رفاه، آسایش، خوشبختی افراد جامعه، نتایج مطلوبی بدست آید، بدیهی است برای برنامه‌ریزی دقیق می‌توانیم اشتباهات گذشته را جبران نموده و نسبت به آینده هوشیار‌تر عمل کنیم ( هیراسکار، 1376: 14).
برنامه‌ریزی فعالیتی است که بشر از آغاز به آن مشغول بوده است. هیچ اقدامی برای رسیدن به هدف هرچه باشد به نتیجه نمیرسد، مگر آنکه شامل برنامهریزی باشد. اقدامات لازم برای نیل به هدف به طور اصولی از مراحل زیر میگذرد:


مشخص کردن هدف‌ها
انتخاب وسایلی که برای رسیدن به هدف‌ها به کار می‌رود
به کار بردن این وسایل
این سه مرحله روی هم فرایند برنامه‌ریزی را تشکیل می‌دهند. با توجه به این توضیحات ارائه شده، برنامه‌ریزی را چنین می‌توان تعریف نمود: "تصمیم آگاهانه جهت یافتن راههای مناسب برای رسیدن به مطلوب‌های انسانی و تأمین منابع لازم، برنامه‌ریزی محسوب میگردد" ( استعلاجی و عبدالرضا مسلمی، 1380: 10 ). برنامه‌ریزی دارای تعاریف زیادی می‌باشد، برای درک بهتر مفهوم برنامه‌ریزی و آشنایی با دیدگاههای دیگر در مورد آن در زیر چند نمونه از آنها ذکر می‌شود:
برنامهریزی فرآیندی است آیندهنگر که به شدت تحت تأثیر گذشته و حال است. برنامه‌ریزی دانش علمی و تکنولوژیک را با فعالیتهای ساخت اجتماعی مرتبط میسازد (Fridman,1987, 38).
"پیتر هال" برنامه‌ریزی را چنین تعریف می‌نماید: «برنامهریزی، به عنوان فعالیتی همگانی، فراهم آوردن سلسله‌ای از کارهای منظم است که به دسترسی به هدف کلی و یا هدف‌های کلی بیان شده می‌انجامد» (سیف‌الدینی، 1383: 32). "واترسون" برنامه‌ریزی را چنین تعریف می‌کند: برنامه‌ریزی، فعالیتی سازمانیافته و تلاشی هوشیارانه، به منظور گزینش بهترین راه‌حل‌های پیشنهادی موجود، برای دسترسی به هدفهای کلی ویژه است. برنامهریزی، نشان دهنده بکارگیری بخردانه دانش انسان برای فرایند دستیابی به تصمیم‌هایی است که همچون بنیانی برای فعالیت انسان، عمل می‌کنند. هسته مرکزی این فعالیت، ایجاد رابطه بین هدف‌های نهایی و ابزار دستیابی به آنها، با هدف دسترسی به هدف‌های نهایی، با استفاده از باکفایت‌ترین و کارآمدترین استراتژی‌ها است» (همان کتاب، ص 30)."فریدمن" برنامهریزی را نوعی تفکر درباره مسائل اجتماعی، اقتصادی تعریف نموده که جهت‌گیری و آینده‌نگری به صورت علمی، در روابط، اهداف و تصمیمات همه جانبه دارا بوده و بشدت در زمینه خطمشی و برنامه از جامعیت برخوردار باشد (زیاری، 1383: 19) و از لحاظ سیستمی به منظور بهبود زندگی انسانها سیستمها را تحت کنترل خود درآورد ( Fridman & Alonso, 1964,61).
برنامهریزی شهری
همانطور که در تعریف برنامهریزی بیان گردید٬ برنامهریزی کلا عبارت است از یک فعالیت علمی و منطقی٬ در جهت رسیدن به هدفهای مورد توجه جامعه. اگر این مبنا مورد قبول واقع شود برنامهریزی شهری عبارت است از تامین رفاه شهرنشینان٬ از طریق ایجاد محیط بهتر٬ مساعدتر٬ آسان تر٬ سالمتر٬ ودلپذیرتر (شیعه، 1383 : 101). برنامهریزی شهری٬ در واقع در جهت تامین نیازهای خدمات شهری٬ و در نظر گرفتن عوامل مختلف اقتصادی و اجتماعی در یک سیستم برنامهریزی شهری جامع و پویا٬ مشخص کردن سیاستها و برنامههای توسعه شهری٬ هماهنگ کردن آنها با سایر برنامههای عمرانی در سطح منطقهای و کشوری و تنظیم برنامه ها و طرحها در دوره زمانی معین است(زیاری،1383 : 55-54 ). برنامهریزی شهری پویاست و علت پویایی آن این است که شهر مانند یک موجود زنده است که مقداری مکانیسم این ارگانیسم را متاثر میکند. بنابراین، جهت تامین نیازهای خدمات شهری و در نظر گرفتن عوامل مختلف اقتصادی و اجتماعی در یک سیستم برنامهریزی شهری جامع و پویا٬ مشخص کردن سیاستها و برنامههای توسعه شهری٬ هماهنگ کردن آنها با سایر برنامههای عمرانی در سطح منطقهای و کشوری، و تنظیم برنامهها و طرحها در دوره زمانی معین از اولویت ویژهای برخوردار است(شیعه، 1383 : 102 ).
کاربری اراضی
مفهوم کاربری اراضی به معنای به کارگیری زمین برای اهداف به خصوص توسط انسان می‌باشد. (meyer, 1994, 10) کاربری زمین به طور ذاتی درباره‌ی تمام جنبه‌های فضایی یا فعالیت‌های انسانی در زمین و طریقه‌ای که سطح زمین می‌تواند برای نیازهای مختلف آماده شود و از آن بهره‌برداری گردد بحث می‌کند. (Robing, 1989, 19-20) و یا کاربری زمین جنبه‌های فضایی همه‌ی فعالیت‌های انسانی را در روی کره‌ی زمین برای رفع نیازهای مادی و فرهنگی او نشان می‌دهد. (Northam, 1975, 168).
کاربری زمین در واقع بهره‌برداری صحیح انسان از طبیعت است که در چند دهه‌ی اخیر از سوی پژوهشگران به ویژه دانشمندان علم جغرافیا به کار رفته است. در واقع این واژه استفاده از امکانات و توانایی زمین را نشان می‌دهد به عبارت دیگر نحوه‌ی استفاده از زمین و کارکردی که به آن تعلق می‌گیرد را کاربری زمین گویند این کارکرد ممکن است در مقیاس منطقه باشد و یا در مقیاس سکونت‌گاه‌های انسانی و شهر مد نظر باشد (عسکری، رازانی و رخشانی، 1381: 5) بر همین مبنا برنامه‌ریزان معمولاً زمین را از نظر میزان کاربرد و اثرات آن به محل، محیط و جامعه دستهبندی می‌کنند (سیف‌الدینی، 1378: 259).
رشد و توسعه شهری
رشد شهری اضافه شدن مناطق و محلههای جدید و گسترش خودرو و بیرویه شهرها را شامل میشود. توسعه فیزیکی و رشد جمعیت شهری به سرعت تغییرات و دگرگونیهای را در شکل شهر بوجود میآورند که به صورت گسترش فیزیکی شتاب آلود و به صورت نامتعادل و ناهماهنگ بروز میکند٬ رشد شهری به نوعی حاکی از عدم وجود برنامهای خاص و یا متعادل با گسترش و افزایش جمعیت است بطور کلی افزایش کاربری مسکونی و تخصیص حداقل سرانهها و فضاها به سایر کاربریها پیشی گرفتن رشد بر توسعه یا تقدم مقیاس بر عملکرد و برتری کمیت بر کیفیت نام دارد (همپانژاد ،1388: 18 ). توسعه عبارت از تغییرات کمی و کیفی که هدفش بهبود توسعه یافتگی اجتماعی– اقتصادی و ارتقای معنوی باشد (صابری فر٬ 1378 ، 28 ). به بیانی دیگر توسعه عبارت است از وسعت دادن یک پدیده در ابعاد مختلف که جامعیت داشته و دربرگیرنده توسعه اقتصادی٬ سیاسی٬ فرهنگی و تغییرات رفتار فردی نیز میباشد(زمردیان٬ 1374 : 14 ).
توسعه شهری به عنوان یک مفهوم فضایی را میتوان به معنای تغییرات در کاربری زمین و سطوح تراکم جهت رفع نیازهای ساکنان شهر در زمینهی مسکن٬ حمل و نقل و اوقات فراغت تعریف کرد (1996, 266 ,mukomo). هر چند اغلب اصطلاحات رشد و توسعه فیزیکی شهر به جای یگدیگر مورد استفاده قرار می گیرند. اما باید اذعان کرد که هر دو دارای مفاهیم جداگانه هستند به طوری که اکثر متخصصین برنامهریزی شهری معتقدند رشد شهری و گسترش خودرو باعث رشد بیرویه شهرکها٬ مناطق مسکونی و افزایش بی اصول و نا برابر سطوح مختلف شهری است ( وبر، 39:1369).
مفهوم توسعه فیزیکی
از ترکیب انواع فضاها یا کاربریهای مسکونی٬ تجاری٬ صنعتی٬ تفریحی٬ و مذهبی ایجاد ارتباط و حرکت در زمان و مکان بین فضاهای یاد شده پیکرهای به وجود میآید که به صورت یک سیستم فیزیکی یا کالبدی عمل میکند. این پیکره را میتوان یک کالبد به حساب آورد و گسترش این پیکره را توسعه کالبدی یک شهر یا یک مکان جغرافیایی قلمداد کرد (زنگیآبادی٬ 1376: 192 ). به عبارتی دیگر مفهوم توسعه فیزیکی عبارت است از افزایش و گسترش وسعت شهر در اراضی پیرامونی خود یا الحاق مراکز سکونتی اطراف شهر به شهر اصلی به طوری که کاملا در شهر مادر ادغام گردند (دهاقانی٬ 1378 : 412).
فضای شهری
مفهوم فضا به کلیه فعالیتهای و ساختارهای شکل گرفته در مکان اطلاق میشود. فضا یک مقوله بسیار عام است. فضا تمام جهان هستی را پر میکند و ما را در تمام طول زندگی احاطه کرده است(هدمن و یازوسکی٬ 1381 : 67 ). فضای شهر٬ شامل کلیه سازههای شهری از جمله خیابانها٬ ساختمانها٬ میدان ها و آب نماها٬ پارکها٬ فضای سبز٬ پلها و سایر عناصر شهری است. خیابانها مهمترین٬ حساسترین٬ و بیشترین فضاهای عمومی یک شهر را تشکیل میدهند. حساسیت و اهمیت خیابانها و به طور کلی شبکه ارتباطی به دلایل زیر است : (بحرینی ٬ 1375 :3-1)
1- سطح زیادی از فضاهای عمومی را به خود اختصاص میدهد.
2- عنصر اصلی فرمدهی به شهر هستند.
3- محل اتصال و ارتباط فضاهای دیگر شهر هستند.
4- نماد اجتماعی و فرهنگیاند.
5- مهمترین وسیله و ابزار طراحی شهریاند.
فضای شهری یک نمونه از فضای جغرافیایی است. مرکز شهر یا بافت قدیم به دلیل مرکزیت٬ مهمترین فضای شهری است. فضای شهری توسعه فرایندهای طبیعی٬ نظام یافته به وسیله انسان٬ شرایط اجتماعی٬ سیاسی و به طور کلی فرهنگی جامعه شکل میگیرد. در واقع فضای شهری٬ بخشی از سطح زمین است که به همراه درونمایه مادی و اجتماعی و فرهنگی به وجود میآید. از این رو فضای جغرافیایی شامل طبیعت و همه منابعی است که می تواند به طور مستقیم و غیرمستقیم با نیازهای انسانی برخورد کند و چهره جدیدی از سطح زمین را به عنوان فضای شهری بسازد. بدینسان که فضای جغرافیایی یک حوزه زیستگاهی است که از شرایط طبیعی و ساختارهای اجتماعی جامعه شکل میگیرد (شکویی ، 118:1375). با رشد و توسعه فرهنگی از قرن بیستم به بعد نقش فرهنگ در ایجاد تغییر و تحول فضاهای شهری بیشتر شده است. به طور کلی بعضی از محققان معتقدند که هر فعالیتی که انسان انجام میدهد اساسا متکی به فرهنگ اوست. فرهنگ مجموعهای از عقاید٬ آداب و رسوم٬ نسبتها٬ مقررات حاکم و خلاصه شیوه زندگی انسانهاست. هویت هر شهر علاوه بر ویژگیهای محیط طبیعی و نحوه رفتار و گویش و لباس پوشیدن مردم٬ از طریق فضاهای شهری آن شهر شناخته میشود.از جمله مهمترین عناصر تشکیل دهنده هر شهر٬ فضاهای شهری آن است که با شناخت آنها شهر قابل بازشناسی میگردد. پس برای اینکه شهری هویت قوی و به یاد ماندنی داشته باشد٬ باید فضاهای عمومی شهر دارای فرم متناسب٬ منطقی و زیبا پاسخگو به عملکرد مرتب بر آنها باشند(لاری بقال، 1380 : 65 ).
بافت شهری
بافت شهر عبارت است از دانهبندی و درهم تنیدگی فضاها و عناصر شهری که به تبع ویژگیهای محیط طبیعی، بهویژه توپوگرافی و اقلیم در محدوده شهر یعنی بلوکها و محلههای شهری به طور فشرده و یا گسسته و با نظمی خاص جایگزین شدهاند(توسلی ، 1368 :5 ). بافت هر شهری کمیتی پویا و در حال تغییر است که وضع کالبدی شهر و چگونگی رشد و گسترش آن را در طول زمان نمایان میسازد. بافت هر شهر، ابتدا دانهبندی فضای کالبدی شهر، یعنی فضاهای خالی و پر تراکم آنها را نسبت به یکدیگر مشخص می کند. همچنین چگونگی و فاصله بین عناصر شهری را معین میکند. بافت شهر شبکه گذرگاهی و نحوه توزیع فضایی آنها را نشان میدهد. ابعاد و اندازه هر یک از فضاهای کالبدی در افق و در ارتفاع با صورت عمودی و یا افقی میتواند نماینگر نوع و حجم بافت خاصی از شهر باشد. فضاهای خالی گویای ویژگیهای خاص شهریاند. مثلا فضاهای خالی موجود در مرکز محلههای شهری و راههای مهم و تقاطعها و در مجموع بافت،گویای وجود مراکز و هستههای شهری و محلهای هستند. بافت هر شهر نحوه شکلگیری و مراحل رشد و توسعه شهر را در طول تاریخ نشان میدهد. یکی از عوامل اصلی و بسیار مهم شکلگیری بافت شهر در گذشته عوامل محیط طبیعی بوده است. سه عامل توپوگرافی زمین، آب و هوا و منابع آب، عوامل اساسی و مهم طبیعتاند که در بافت شهرهای قدیمی ایران تاثیر عمیقی به جای گذاشتهاند(سلطان زاده ، 1369 : 299 ). بافت شهری از سه عنصر مرتبط به هم تشکیل شده است :
1- طراحی شبکههای ارتباطی که آرایش شبکه خیابانها و گذرها و الگوی تفکیک زمین و بناها را مشخص میسازد و تحت تاثیر شیوه زندگی و معیشت و فرهنگ شهروندان است.
2- الگوهای کاربری که کاربریهای زمین و فضاها را نشان میدهد.
3- طراحی فضاها یا ساختارهای کالبدی بر روی زمین که در مجموع، بافت شهری را تشکیل می دهد.
نظریات مورفولوژیکی و توسعه فیزیکی شهر
نظریات مورفولوژیکی در علم جغرافیا٬ از مفهوم چشمانداز گرفته شده است که ابتدا توسط کارل ریتر جغرافیدانان آلمانی وارد ادبیات جغرافیایی گردید. بعدها این مفهوم را با طیف گستردهای٬ جغرافیدانانی نظیر « ریشتهوفن » و « ویدال دولابلاش » به کار گرفتند و « کارل ساور » با گستردهترین شکلی آن را به ادبیات جغرافیایی آمریکا اضافه کرد ( شکویی ٬ 1375: 17 ). همین امر سبب شده است که 12 درصد بررسیها و تحقیقات جغرافیایی که در زمینه ساخت داخلی شهرها صورت میگیرد، مربوط به مورفولوژی شهری است که طرح شهر٬ فرم ساختمانها و الگوی بهرهگیری از زمین و ساختمان را شامل میشود ( شکویی ٬ 1374 : 159 ). به طور کلی باید گفت که مورفولوژی شهری٬ مطالعه نظام یافته ( سیستماتیک ) از تکوین رشد٬ فرم٬ طرح٬ ساخت٬ کارکرد و توسعه شهر٬ با توجه به ساختهای اجتماعی و اقتصادی است ( همان کتاب ٬ ص266 ). که موارد مورد مطالعه در آن عبارت است از٬ 1- کارکرد هسته اصلی شهر٬ در شکلگیری آن و تحلیلی بر جغرافیای تاریخی شهر 2- تاثیرات کارکرد مناطق داخلی شهر و رابطه میان کارکرد و فرم 3- سبک معماری در بخش قدیم وجدید شهر 4- فرهنگ و مورفولوژی شهر 5- قیمت زمین وتاثیر آن در مورفولوژی شهر 6- نقش تاسیسات عمومی مثل بیمارستانها، دانشگاهها٬ ورزشگاهها، زیارتگاهها و مساجد در مورفولوژی شهری 7- نقش پادگانها٬ ترمینالها، گورستانها٬ فرودگاهها و میدانها در مورفولوژی شهری 8- تاثیر عوامل طبیعی مثل مسیر رود٬ درهها٬ کوهستان٬ دشت٬ مسیرهای آب قنات٬ و اقلیم در مورفولوژی شهری و .... (همان کتاب ٬ص 265 ). بنابراین با بهره جستن از دیدگاههای مورفولوژیکی به راحتی میتوانیم چگونگی شکلگیری شکلگیری شهرها و عملکردهای آن را بررسی کرد و به توسعه شهر که در آینده اتفاق خواهد افتاد٬ جهت دهیم. این عمل سبب میشود مناطق کارکردی به موازات توسعه شهر٬ کارکرد خود را وسعت بخشند و شهروندان به راحتی بر امکانات مورد نیاز خود دسترسی پیدا کنند.
توسعه فیزیکی شهر از دیدگاه اکولوژیک
اشغال زمین شهری در جریان زمان را٬ در الگوهای دینامیکی مختلف میتوان نشان داد. این روش را اولین بار « تونن » روی اراضی روستایی معمول داشته و از سال 1920 به این طرف٬ در ایالات متحده آمریکا و سپس در فرانسه نظر جامعهشناسان به نحوه اشغال زمین و بافت اکولوژیکی شهر جلب شده است. بر این اساس گروهی از محققان آمریکایی نظیر « برگس » در ساختارهای اکولوژیکی سکونتگاهای شهر شیکاگو به مطالعه و تحقیق پرداختهاند. روش آنان در اکولوژی شهری٬ بیشباهت به روشهای معمول در اکولوژی گیاهی نبود. چه بههمانگونه که در اکولوژی گیاهی٬ فرایندهای هجوم و استیلا و تسلط و حاکمیت و بالاخره جانشینی و یا به سخنی دیگر توالی و تسلسل مورد توجه اکولوژیستهاست ( فرید٬ 1382 : 137 ). که اولین بار توسط ارنستهاگل مطرح شد و سپس مورد توجه جامعهشناسان شهری و برنامهریزان شهری قرار گرفت و سعی نمودند در ساختن شهرها به این الگوها و طرحها توجه خاصی نشان دهند٬ به دلیل آنکه در اواخر قرن نوزدهم در حدود سال1870٬ شهرهای بزرگ پیوسته رو به رشد نهادند که در این مورد تئوریهای مختلف و طرحهای گوناگونی جهت رشد و توسعه شهرها ارائه شده است که به برخی از مهمترین و معروفترین تئوریهای طرح اشاره میکنیم.
نظریههای هستههای متعدد شهر یا شهر چند هستهای
اساس این تئوری بر این اصل قرار دارد که شهرهای کوچک٬ تنها دارای یک عملکرد و یا هسته واحد می باشند، اما شهرهای بزرگ امروز همگی دارای هستههای متعددی هستند که در داخل شهرها٬ ارتباط مسیرهای حمل و نقل٬ تشکیل این هستهها را امکان پذیر میسازد ( شیعه ٬ 1376 : 64 ).
قابل ذکر است که این نظریه از چانسیهاریس و ادوارد اولمن از جغرافیدانان مشهور آمریکایی میباشند که با استفاده از نظرات ارنست برگس و همرهویت نظریه تازهای با عنوان ساخت چند هستهای شهر مطرح نمودند. این دو معتقدند که عناصر شهری مختلفی همانند تجاری٬ مسکونی و صنعتی٬ ضمن ایجاد مرکزیتی در هسته٬ استفاده از زمینهای شهری در اطراف خود را امکان پذیر نمود و فعالیتهای گوناگون فرهنگی٬ اجتماعی و اقتصادی به دور هستهها شکل میگیرد و در آن همانند نظریه متحدالمرکز شامل بخشهای متنوع میباشد.
نظریه ساخت دوایر متحدالمرکز
الگوی ساخت شهر٬ بر این اصل استوار است که توسعه شهر از ناحیه مرکزی به طرف خارج شهر صورت گرفته و تعداد مناطق متحدالمرکز را تشکیل میدهد. این مناطق با ناحیه مشاغل مرکزی شروع شده و به وسیله منطقه در حال تحول٬ احاطه میشود. که خود در حال تبدیل به ادارات و صنایع سبک بوده و یا به واحدهای مسکونی کوچکتری تبدیل میشوند٬ این قسمت ناحیهای است که مهاجرین شهر به طرف آن جلب میگردند ( همان کتاب ٬ ص 60 ). این نظریه از سوی ارنست برگس مطرح شد و به طور کلی نظریه وی بر آن است که در توسعه شهر به شکل دوایر متحدالمرکز٬ ارزش زمینها در بخش مرکزی نسبت به بخشهای دیگر متفاوت است.
نظریه ساخت ستارهای شکل
نظریه مناطق متداخل ارنست برگس نشان دهنده حالتهای یک شهر ساکن و ثابت نیست٬ بلکه در بیشتر موارد به علت رشد و توسعه شهر٬ متحرک و غیر ثابت به نظر میرسد ( شکویی ٬ 1374 : 518 ).
توسعه شهر نیز ممکن است به دو صورت انجام شود:
1-توسعه شهر از اطراف خود
2-توسعه شهر از طریق عمل تمرکز در داخل آن
به موازات افزایش جمعیت٬ سازمانها و تاسیسات بخش مرکزی شهرها مراحل مختلف اکولوژی شهری ( جداییگزینی٬ هجوم و جایگزینی٬ توالی و تسلسل و ...) ظاهر میشود و در اثر ایجاد موج توسعه شهر به نواحی اطراف و بیرونی خود توسعه مییابد. حرکت جمعیت٬ تاسیسات٬ منابع و سازمانهای شهری به اطراف شهرها به یک شکل عمل نمینمایند و از جهات مختلف شهر به سوی ناحیه مرکزی آن به یک مقیاس صورت نمیگیرند. در مقابل توسعه شهر٬ وجود موانع طبیعی مانند شیبهای تند٬ تپهها و کوهها عواملی بازدارندهاند. لذا شهر یا بدان جهت توسعه پیدا نمیکند و یا در صورت توسعه مشکلات و افزایش هزینههای را به دنبال دارد.در این الگو٬ دگرگونیهایی که در نتیجه عملکرد امکانات حمل و نقل و شبکه راهها در سطوح شهری مشاهده میگردد٬ شکل دایرهای مناطق متحدالمرکز تعدیل یافته و به شکل شعاعی و یا ستارهای تبدیل می شود و به توسعه شهر٬ ساخت ستارهای میبخشد ( شیعه ٬ 1376 : 63 ).
نظریه محوری یا توسعه قطاعی شهر
در توجیه نظریه ساخت قطاعی شهر٬ باید گفت که چنین توسعهای را نمیتوان مغایر با نظریه دوایر متحدالمرکز دانست٬ بلکه تغییر و تعدیل در جهات مختلف این نظریه است بر خلاف نظریه دوایر متحدالمرکز در نظریه ساخت قطاعی شهر٬ شهرها نمیتوانند برای همیشه حالت دایرهای شکل بودن مناطق داخلی خود را حفظ کنند٬ بلکه حالت قطاعی بیش از دایرهای٬ زمینه مساعدی را جهت توسعه به دست میآورد. در این نظریه عامل اجاره خانه میتواند به عنوان٬ مطالعه شهری را عملی سازد ( شیعه٬ 1376 :61 ).گفته شد که نظریه قطاعی نسبت تئوری مناطق متحدالمرکز٬ مرغوبتر به نظر میرسد زیرا امکان استقرار طبقه اجتماعی را در یک قسمت و یا یک طرف شهر به وجود آورد. لازم به ذکر است که این نظریه توسط همر هویت در سال 1934 مطرح شده است.
نظریه شهر خطی
عامل اصلی ایجاد مجتمعهای خطی شکل میتوانند راهها٬ ارتباطات٬ رودها و سواحل و دریاها باشد که شهر در کنار آنها به صورت خطی شکل میگیرد و توسعه مییابد. بر اساس این نظریه در گذشته شهرها در اغلب اوقات حوضههای شهری توسعه خود را از شکل ستارهای شروع نموده و به شکل دایرهای نزدیک میکردند. ولی توسعه شبکه راهها و مسیرهای اصلی ارتباطی٬ تمایل توسعه شهر را در مسیر چنین شبکههای به صورت خطی قرار میدهد ( شیعه ٬ 1376 : 66 ).
2-3) متغیرهای موثر در مکانیابی توسعهی فیزیکی شهرها
2-3-1) مقدمه
در حال حاضر اکثر شهرها به خاطر محدودیتهای فیزیکی توسعهی شهری با مقوله توسعه فیزیکی در گیرند. توسعه فیزیکی و رشد جمعیتی شهرهای ایران تا چند دههی پیش روند افزایشی هماهنگ و متعادلی داشته است. تحولاتی که در حوزههای اقتصادی و اجتماعی صورت گرفته، رشد و توسعه فضایی شهرها را به شدت تحت تاثیر قرار داده است (حسین اف،92:1382). با توجه به افزایش گرایش به شهرنشینی، شهرها برای پذیرش جمعیت نیاز به زمینهای وسیع و گستردهای دارند، که این زمینها از ترکیب واحدهای توپوگرافی و ژِئومورفولوژی تشکیل شدهاند. هر اندازه که شهرها توسعه یابند و گسترش پیدا کنند برخورد آنها با واحدهای توپوگرافی و ژئومورفولوژی و موضوعات مربوط به آنها زیادتر می شود.(مشهدیزاده، 47:1374). گرچه مناطق شهری چهار درصد از سطح خشکی های زمین را تشکیل می دهند ولی توسعهی نامنظم شهری میتواند سبب تغییرات گستردهای در شرایط محیطی کاربریهای دیگر شود. توسعه نامنظم شهری اثرات مخربی بر شهرها و محیط اطراف آنها میگذارد، که از جمله میتوان به ناهمگونی چشم اندازهای طبیعی و از دست رفتن زمینهای کشاورزی اشاره کرد (Batisand and Yarnal2008:2). به طور کلی مکانیابی، فعالیتی است که منابع طبیعی و انسانی یک منطقه را برای یک کاربری خاص مورد ارزیابی و تجزیه و تحلیل قرار می دهد. عوامل موثر در انتخاب مکان بسیار متنوع و متعددند. برخی عوامل ثابت و برخی دیگر متغیر و پویا میباشند (قرخلو و همکاران،5:1389). شاخصهای مورد استفاده در مکان یابی، نسبت به نوع کاربرد آنها، متفاوت هستند اما همهی آنها در جهت انتخاب مکان مناسب همسو می باشند. استفاده از این شاخصها نیاز به داشتن اطلاعات صحیح و کامل از مکان مورد مطالعه است و دستیابی به اطلاعات، نیازمند تحقیقاتی گسترده و جامع است (فخری،52:1378).
2-3-2) ژئومورفولوژی
یکی از عوامل محیط طبیعی که در مکانگزینی و چگونگی رشد و توسعه شهر و استخوانبندی شهر نقش دارد ویژگیهای پیکرشناسی یا ژئومورفولوژیکی است (فریادی و همکاران،4:1386). اصولا استقرار و پیدایش یک شهر بیش از هر چیزی تابع شرایط محیط طبیعی و شرایط جغرافیایی است. زیرا عوارض و پدیدههای طبیعی در مکانگزینی، پراکندگی، حوزه نفوذ، توسعه فیزیکی، مورفولوژی شهر و امثال آن اثر قاطعی دارد و گاه به عنوان یک عامل مثبت و زمانی به صورت یک عامل منفی و باز دارنده عمل میکند ( نگارش،1:1382). ژئومورفولوژی شهری برای مسولان و مردم اهمیت زیادی دارد و در صورت غفلت و بی توجهی به آن خسارات جبرانناپذیری را به دنبال خواهد داشت. اهمیت ژئومورفولوژی شهری زمانی آشکار می شود که خسارت وارده زیاد و خارج از تحمل انسان باشد. امروزه به لحاظ گستردگی شهرها و پیچیدگی زندگی مدرن و توسعه تاسیسات شهری خسارات زیاد و کمرشکن خواهد بود (رجایی،208:1373). ساختمانها ابعاد وسیعی به خود گرفتهاند، شهرها وسعت قابل توجهی پیدا کردهاند و در حاشیه اکثر شهرها تاسیسات صنعتی توسعه یافتهاند. بنابراین کوچکترین اشتباه در شرایط کنونی ممکن است خسارات جبران ناپذیری را به بار آورد، از اینرو باید قبل از ایجاد ساختمانهای مقاوم؛ در مکانگرینی شهرها و انتخاب محل مناسب برای توسعه ساختمانها دقیقی صورت گیرد (نادرصفت،191:1379). واحدهای ژئومورفولوژی همیشه با پویایی و دینامیسم محیط طبیعی در ارتباط است. هر گونه اقدام در راستای توسعه و عمران شهرها، به نحوی با پویایی و دینامیسم مذکور و در نتیجه با پدیدههای ژئومورفولوژی تلاقی میکنند. برای فعالیت های توسعه شهری، بهترین سنگ، ماسه سنگ، روانهای بازالتی، رسوبات آبرفتی است ( مخدوم، 205).
2-3-4) جنس خاک
جنس خاک در ارتباط با میزان نفوذ آب و بارندگیها و درجه مقاومت آن در مقابل ایستایی تاسیسات ساختمانی و طبقات ساختمانها از اهمیت ویژهای برخوردار است. بافت خاک در توسعه شهرها عامل بسیار مهمی میباشد، مقاومت خاک در ارتباط با احداث ساختمانهای چند طبقه باید هماهنگ باشد( شیعه،194:1379). مناسبترین خاک برای ساختمانسازی، خاکهای عمیق با بافت سنگین است و خاکهای شنی، نامناسبترین خاک برای ساخت و ساز و توسعه فیزیکی شهرها است. بنابراین بهترین مکان برای توسعه شهری براساس این عامل، گسترش در خاکهای عمیق با بافت متوسط تا سنگین است (قرخلو و همکاران،11:1389). و باید این را در نظر داشت که زمینلرزه غالبا در زمینهای سست تخریب بیشتری ایجاد میکنند (معتمد،230:1382).
2-3-5) قابلیت خاک
هر چند امروزه شهرها فعالیت زیادی دارند، اما با توجه به مناسبات حاکم میان شهر و پسکرانه روستایی آن بررسی استعداد کشاورزی خاک در حوزه نفوذ برای تعیین وابستگی نقش شهر به فعالیتهای کشاورزی حاکم در اطراف شهرها اهمیت زیادی دارد ( رهنمایی،166:1382). هدف از مطالعه خاکشناسی و طبقهبندی اراضی، تعیین خصوصیات و ارزش اراضی برای کشاورزی، آبیاری، تاسیسات و تجهیزات شهری و همچنین تاثیرگذاری در جهت مناسبات توسعه شهری است ( حبیبی، 195:1384). اغلب شهرها در مسیر گسترش خود موجبات نابودی زمینهای کشاورزی را فراهم آورده و آنها را تحت پوشش گسترش شهری قرار می دهند و این مساله از نظر اقتصادی و فعالیتهای کشاورزی، به ویژه در کشورهای در حال توسعه از مواردی است که توجه بیشتر را طلب میکند. زیرا زمینهای کشاورزی در حاشیه شهرها علاوه بر تولید محصولات، فضای با ارزشی را نیز ارایه میدهند (ابراهیم زاده و رفیعی،10:1387).
2-3-6) شیب
شیب یکی از عوامل مهم در ایجاد تغییر و تحول در ناهمواریهای زمین محسوب میگردد و بدین طریق به طور مستقیم و یا غیر مستقیم بر روی کلیهی فعالیتهای انسانی اعم از اقتصادی-مکانگزینی سکونتگاهی و صنعتی-ساخت و سازهای شهری و روستایی شکل معابر و ترابری و ... تاثیر میگذارد (اصغری مقدم، 91:1378). عامل دیگری که در توسعهی فیزیکی شهرها و احداث بنا مهم میباشد، شیب است. شیب بین 1تا 8 درصد مستعد برای فعالیتهای توسعه مسکونی است ( عباس پور و قراگوزلو،56:1385). مناسبترین شیب برای فعالیتهای شهری شیب 5 درجه است ( مخدوم، 205).
2-3-7) باد
باد از جمله عوامل اقلیمی است که در مکانیابی جهت توسعهی شهری باید به آن توجه شود، زیرا که باد از لحاظ اقلیمی در فراهم آوردن آسایش انسان یا اخلال در آن، چه از جهت گرمایی و چه از لحاظ رفتاری در محیط نقش مهمی دارد. توجه به سرعت و جهت باد در نواحی که این عنصر اقلیمی نسبت به بقیهی عناصر اقلیمی اثرات آسایش مثبت و منفی عمیقتری دارد و با اهمیتتر میباشد ( سلیقه،110:1382).
2-3-8) آبهای زیرزمینی
از دیگر فاکتورهای طبیعی که باید در توسعهی فیزیکی شهرها به آن توجه شود مطالعهی سطح و ارتفاع آب زیرزمینی است. در مکانهایی که سطح آب زیرزمینی بالا است، شهر نمیتواند توسعه پیدا کند، زیرا احتمال نشست ساختمان در زمین وجود دارد. بنابراین این عامل نیز در شهرهایی که آبهای زیرزمینی در سطح بالایی قرار دارند یک عامل تعیین کننده در جهت توسعهی شهر محسوب میشود.(قرخلو و همکاران، 17:1389).
2-3-9) ارتفاع
اراضی پست از چند دیدگاه قابل تامل و تعمق است. اول؛ از نظر بروز سیل و سیلاب و خطرات ناشی از آن، که در این مورد فاصله اراضی پست همجوار رودخانهها در صورت طغیان آب، خطراتی را در پی دارد؛ دوم برای نقاطی که سطح آب زیر زمینی بالاست، احداث ساختمان در آن ممکن است از نظر رطوبت زمین و یا مشکلات مربوط به احداث زیرزمین هزینههایی را به دنبال داشته باشد ( شیعه،203:1379). حداکثر ارتفاع برای مناطق مستعد توسعه مسکونی تا 1600 متر است ( عباس پور و قراگوزلو،56:1385).
2-3-10) رعایت حریم گسل
" گسل عبارت است از شکستگی زمین، همراه با جابه جایی قطعات"( مقدم، 76:1383). ایران جزو ده کشور بلاخیز و ششمین کشور زلزلهخیز دنیا است که زلزله مسبب بیشترین تلفات انسانی در آن میباشد و کمربند زلزله 90 درصد از خاک کشور ما را در برگرفته است؛ اما آنچه حایز اهمیت است، وضعیت اسفبار شهرهایی است که بر روی گسلها و یا در مجاورت آنها ساخته شده و در معرض خطر زلزله قرار دارند (نگارش، 93:1384). در واقع یکی از عواملی که باید در مکانیابی توسعه فیزیکی شهر رعایت شود گسل و حریم آن است. خطرناکترین مکانهای ساختمانسازی، مکانهای گسله و نقاط با خاک نرم میباشد که باعث شدید شدن لرزههای زمین میشوند. بنابراین تا حد امکان باید از این قبیل مناطق جهت احداث مناطق مسکونی و ساختمانی اجتناب شود یا ساختمان با تراکم کم در آنجا احداث گردد (غضبان، 77:1381). فاصله مناسب شهر تا گسل بیشتر از 500 متر میباشد ( موسوی و همکاران،14:1389)
2-3-11) جهتهای جغرافیایی
دامنههای جنوبی بهترین جهت جغرافیایی برای توسعه شهری است و دامنههای شمالی نامناسبترین جهت جغرافیایی برای توسعه شهری است. برای نواحی با آب و هوای معتدل مناسب ترین جهت، جهت جنوبی و برای نواحی با آب و هوای نیمه گرمسیری جهت شرقی بهترین جهت جغرافیایی است مخدوم،205).
2-3-12 )حریم رودخانهها
حریم رودخانه از شاخصهای دیگری است که باید در توسعه فیزیکی شهر ها به آن توجه شوند. " خانهها و مراکز تجاری موجود را باید از دشتهای سیلابی خارج کرد و در آنجا ساختمانسازی نکرد، البته ساختمانهایی را که به ناچار در آنجا باقی میمانند باید به خوبی محافظت شوند" ( خالدی و ایرانی،197:1380). به همین خاطر باید حریم رودها مشخص شود تا سیل باعث تخریب ساختمانها نشود. یکی از مهمترین عوامل در توسعهی ساختمانهای شهری جلوگیری از خطرات سیل رودخانههاست از همین رو علاوه بر حریم در نظر گرفته شده و معمول برای رودخانه ها باید بالاترین سطحی که در پر آبترین زمان رودخانه در طول 25-15 سال به زیر آب میرود، به عنوان حریم رودخانه در نظر گرفته شود ( شیعه، 203:1379).
عوامل اکولوژیکی که در این تحقیق انتخاب و مورد بررسی قرار گرفتند در جدول زیر آمده است.
جدول 2-1): معیارهای مدل اکولوژیکی توسعه شهری ایران با توجه به منطقه مورد مطالعه
مناسب معیار
1200-400 متر ارتفاع
6 درجه شیب
شرقی(نواحی نیمه گرمسیری) جهت دامنه
ماسه سنگ، روانههای بازالت، رسوبات آبرفتی زمین شناسی
800-500 میلی متر بارش
24-18 سانتیگراد دما
50 تا 300 متر فاصله تا مسیل
رسوبات آبرفتهای و تحول یافته ساختمان خاک
کمتر از 30 درصد تراکم پوشش گیاهی

فصل سوم

user8323

2-2-3-4- مسائل p-median23
2-2-4- مسائل دیگر مکانیابی24
2-2-5- مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم25
2-2-5-1- مرور ادبیات مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم26
2-2-5-2- مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم29
2-3- نظریه صف35
2-3-1- مشخصات صف36
2-3-2- قانون لیتِل38
2-3-3- صف M/M/139
2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک41
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب42
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده45
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب46
2-4-3- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1- سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1-1- مفاهیم ایمنی49
2-4-3-1-2- ایمنی ذاتی51
2-4-3-1-3- ایمنی اکتسابی51
2-4-3-1-4- تئوری شبکه ایمنی52
2-4-3-1-5- الگوریتم ایمنی مصنوعی53
2-4-3-1-6- سیستم ایمنی مصنوعی و مسائل بهینه سازی چندهدفه54
2-4-3-2- الگوریتم MISA56
2-4-3-3- الگوریتم VIS61
2-4-3-4- الگوریتم NNIA64
2-5- روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه67
2-5-1- فاصله نسلی68
2-5-2- درجه توازن در رسیدن همزمان به اهداف69
2-5-3- مساحت زیر خط رگرسیون70
2-5-4- تعداد جواب‌های غیرمغلوب نهائی71
2-5-5- فاصله گذاری71
2-5-6- گسترش72
2-5-7- سرعت همگرائی73
2-5-8- منطقه زیر پوشش دو مجموعه73
2-6- جمع بندی74
فصل سوم: مدل سازی مسأله و توسعه الگوریتم‌ها76
3-1- مسأله موردتحقیق77
3-2- طراحی الگوریتم‌ها81
3-2-1- تطبیق الگوریتم‌ها با مسئله موردبررسی81
3-2-1-1- ساختار حل‌ها81
3-2-1-2- معیار توقف82
3-2-2- تطبیق الگوریتم NSGA-II برای مسئله موردبررسی83
3-2-3- تطبیق الگوریتم CNSGA-II برای مسئله موردبررسی84
3-2-4- تطبیق الگوریتم NRGA برای مسئله موردبررسی85
3-2-5- تطبیق الگوریتم MISA برای مسئله موردبررسی85
3-2-6- تطبیق الگوریتم VIS برای مسئله موردبررسی85
3-2-7- تطبیق الگوریتم NNIA برای مسئله موردبررسی86
فصل چهارم: تجزیه و تحلیل داده‌ها87
4-1- تولید مسأله نمونه88
4-2- اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌ها براساس معیارها89
4-3- تجزیه و تحلیل نتایج92
فصل پنجم: نتیجه گیری و مطالعات آتی100
5-1- نتیجه گیری101
5-2- مطالعات آتی102
فهرست منابع و مراجع103
پیوست الف: محاسبه معیارهای هشت گانه برای الگوریتم های استفاده شده105
پیوست ب: نمودارهای بدست آمده از تجزیه و تحلیل نتایج113
پیوست ج: یک نمونه مسئله حل شده توسط الگوریتم NSGA-II118
پیوست د: کد برنامه نویسی الگوریتم NSGA-II در محیط MATLAB123

فهرست اشکال
شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف36
شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب41
شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II43
شکل2-4- الگوریتم NRGA47
شکل 2-5- سلول B، آنتی ژن، آنتی بادی، اپیتوپ، پاراتوپ و ادیوتوپ50
شکل 2-6- فلوچارت الگوریتم MISA57
شکل 2-7- یک شبکه تطبیقی برای رسیدگی به حافظه ثانویه60
شکل 2-8- فلوچارت الگوریتم VIS62
شکل 2-9- تکامل جمعیت NNIA65
شکل 2-10- نمایش حل‌های مناسب69
شکل 2-11- مساحت زیر خط رگرسیون70
شکل 2-12- بیشترین گسترش73
شکل 3-1- مکانیسم عملگر تقاطع83
شکل 4-1- نمودار همگرایی الگوریتم‌ها براساس شاخص MID90
شکل 4-2- نتیجه بدست آمده از آنالیز واریانس برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب94
شکل 4-3- نتیجه بدست آمده از آزمون توکی برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب95
شکل 4-4- نتیجه به دست آمده از آنالیز واریانس برای تعداد جواب‌های غیرمغلوب97

فهرست جداول
جدول 4-1- مشخصات هر نمونه88
جدول 4-2- گروه بندی الگوریتم‌ها براساس معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب96
جدول 4-3- مقایسه الگوریتم‌ها ازنظر معیارهای مختلف و در حالت‌های گوناگون98
جدول 4-4- متوسط معیارهای الگوریتم‌ها و رتبه بندی الگوریتم‌ها براساس آن99
4221207272
82867519050 1
00 1

تعریف مسأله

1-1- مقدمه
با رشد روز افزون معاملات تجاری در سطح جهان و در سال‌های اخیر، ظهور پدیده تجارت الکترونیک و بانکداری الکترونیک به عنوان بخش تفکیک ناپذیر از تجارت الکترونیک مطرح شد. بانکداری الکترونیک اوج استفاده از فناوری انفورماتیک و ارتباطات و اطلاعات برای حذف دو قید زمان و مکان از خدمات بانکی است. ضرورت یک نظام بانکی کارامد برای حضور در بازارهای داخلی و خارجی ایجاب می‌کند تا بانکداری الکترونیک نه به عنوان یک انتخاب، بلکه ضرورت مطرح شود. امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد [1].
1-2- مکانیابی تسهیلات
فرض کنید که یک شرکت رسانه‌ای می‌خواهد که ایستگاه‌های روزنامه را در یک شهر ایجاد کند. این شرکت در حال حاضر جایگاه‌هایی را به صورت بالقوه در شهرهای همسایه اش مشخص کرده‌است و هزینه ایجاد و نگهداری یک جایگاه را می‌داند. همچنین فرض کنید که تقاضای روزنامه در هر شهر همسایه مشخص است. اگر این شرکت بخواهد تعدادی از این ایستگاه‌ها را ایجاد کند، باتوجه به مینیمم کردن کل هزینه‌های ایجاد و نگهداری این ایستگاه‌ها و همچنین متوسط مسافت سفر مشتریان، این ایستگاه‌ها در کجا باید واقع شوند؟
سؤال قبل یک مثال از مسأله مکانیابی تسهیلات بود. مکانیابی تسهیلات یعنی اینکه مجموعه‌ای از تسهیلات (منابع) را به صورت فیزیکی به گونه‌ای در یک مکان قراردهیم که مجموع هزینه برآورده کردن نیازها (مشتریان) باتوجه به محدودیت‌هایی که سر راه این مکانیابی قرار دارد، مینیمم گردد.
از سالهای 1960 به این طرف مسائل مکانیابی یک جایگاه ویژه‌ای را در حیطه تحقیق در عملیات اشغال کرده‌اند. آنها وضعیت‌های مختلفی را درنظر گرفته‌اند که می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد: تصمیم گیری در مورد مکان کارخانجات، انبارها، ایستگاه‌های آتش نشانی و بیمارستان‌ها.
به طور اساسی، یک مسأله مکانیابی بوسیله چهار عنصر زیر توصیف می‌شود:
مجموعه‌ای از مکانها که در آن‌ها، تسهیلات ممکن است ایجاد یا باز شوند. برای هر مکان نیز بعضی اطلاعات درمورد هزینه ساخت یا باز نمودن یک تسهیل در آن مکان مشخص می‌شود.
مجموعه‌ای از نقاط تقاضا (مشتریان) که برای سرویس دهی به بعضی از تسهیلات اختصاص داده شوند. برای هر مشتری، اگر بوسیله یک تسهیل معینی خدمت‌رسانی شود، بعضی اطلاعات راجع به تقاضایش و درمورد هزینه یا سودش بدست می‌آید.
لیستی از احتیاجات که باید بوسیله تسهیلات بازشده و بوسیله تخصیص نقاط تقاضا به تسهیلات برآورده شود.
تابعی از هزینه یا سودهایی که به هر مجموعه از تسهیلات اختصاص پیدا می‌کند.
پس هدف این نوع مسائل، پیدا کردن مجموعه‌ای از تسهیلات است که باید باتوجه به بهینه کردن تابع مشخصی باز شوند.
مدل‌های مکانیابی در یک زمینه گسترده از کاربردها استفاده می‌شود. بعضی از این موارد شامل موارد ذیل است: مکانیابی انبار در زنجیره تأمین برای مینیمم کردن متوسط زمان فاصله تا بازار؛ مکانیابی سایت‌های مواد خطرناک برای مینیمم کردن درمعرض عموم قرار گرفتن؛ مکانیابی ایستگاه‌های راه آهن برای مینیمم کردن تغییرپذیری زمان بندی‌های تحویل بار؛ مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز برای بهترین سرویس دهی به مشتریان بانک و مکانیابی ایستگاه‌های عملیات تجسس و نجات ساحلی برای مینیمم کردن ماکزیمم زمان پاسخ به حادثه‌های ناوگان دریایی. با اینکه این پنج مسأله توابع هدف مختلفی دارند، همه این مسائل در حوزه مکانیابی تسهیلات واقع می‌شوند. درواقع، مدل‌های مکان‌یابی تسهیلات می‌توانند در موارد ذیل متفاوت باشند: توابع هدفشان، معیارهای فاصله‌ای که به کار می‌برند، تعداد و اندازه تسهیلاتی که قرار است مکانیابی شوند و چندین معیار تصمیم گیری مختلف دیگر. بسته به کاربرد خاص هر مسأله، درنظرگرفتن این معیارهای مختلف در فرموله کردن مسأله، منتهی به مدل‌های مکانیابی بسیار متفاوتی خواهدشد.
1-3- بیان مسأله
هدف از اجرای این تحقیق، مکان‌یابی سیستم‌های خدمات رسانی ثابت با ظرفیت خدمت محدود می‌باشد. یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند. در چنین سیستم‌هایی، زمانی که برای انجام سرویس موردنیاز است تصادفی است و همچنین تقاضای انجام خدمت در نقاط تصادفی از زمان می‌رسند که این تقاضا از جمعیت بزرگی از مشتریان سرچشمه می‌گیرد و معمولاً این سرویس‌دهی در نزدیک ترین تسهیل انجام می‌شود. چنین سیستم‌های خدمت‌رسانی، سیستم‌های صف را تشکیل می‌دهند. مدل‌های مختلفی برای حل این مسائل مکان‌یابی سیستم صف ارائه شده‌است.
دو ناحیه کاربردی وجود دارد که ما با این مدل‌ها روبه رو می‌شویم [4]: اولی در طراحی سیستم ارتباط کامپیوتری مانند اینترنت می‌باشد. در یک سیستم ارتباط کامپیوتری، ترمینال‌های مشتری (کاربران اینترنت) به کامپیوترهای میزبان (سرورهای پروکسی، سرورهای آینه) وصل می‌شوند که قابلیت پردازش بالا و/یا پایگاه داده‌های بزرگ میزبان دارند. زمانی که طول می‌کشد تا سرور درخواست را پردازش کند بستگی به سرعت پردازش سرور و و نوع درخواست دارد که آن هم تصادفی است. زمانی که مشتری برای پاسخ سرور منتظر می‌ماند نیز بستگی به تعداد و اندازه درخواست‌های داده‌ای است که در حال حاضر در صف هستند. به طور کلی، درخواست‌های مشتری‌ها به نزدیکترین سرور وصل می‌شود. این مکان و ظرفیت سرورها، پارامترهای طراحی بحرانی هستند. این انتخاب پارامترها تأثیری قابل توجه روی کیفیت خدمات دارد، به طوری که بوسیله یک مشتری درک می‌شود.
کاربرد دوم شامل طراحی یک سیستم دستگاه خودپرداز برای بانک است. مشتری‌ها به صورت تصادفی به یک دستگاه خودپرداز می‌رسند. اگر هنگامی‌که آن‌ها می‌رسند، دستگاه آزاد باشد، آن‌ها بلافاصله سرویس دهی می‌شوند. در غیر این صورت ، آن‌ها به صف می‌پیوندند یا آن جا را ترک می‌کنند. زمان تصادفی که یک مشتری در یک دستگاه سپری می‌کند بستگی به تعداد و نوع تراکنشی (مثلاً مانده حساب، دریافت وجه، انتقال وجه و غیره) دارد که او انجام می‌دهد. منبع قابل توجه دیگر زمان مشتری در یک دستگاه، شامل تأخیر ارسال در مدت شبکه ارتباط بانک است. از آن جا که دستگاه‌ها ثابت هستند، مشتری‌ها باید به یک مکان خودپرداز مراجعه کنند تا یک تراکنش را انجام دهند. گاهی اوقات، مردم در طول مسیر خود (مثلاً از خانه به محل کار) برای استفاده از یک دستگاه خودپرداز به آن مراجعه می‌کنند؛ گاهی اوقات هم، آن‌ها آن را طبق یک مسیر از پیش برنامه‌ریزی‌شده (مثلاً مسیر روزانه بین خانه و کار) استفاده می‌کنند. به طور کلی، آن‌ها از تسهیل با کمترین هزینه قابل‌دسترس استفاده می‌کنند. برای مثال، هنگامی‌که هزینه‌ها بوسیله مسافت سفر تعیین می‌شود، مشتری‌ها نزدیکترین تسهیل به محل کار/خانه یا نزدیکترین مسیر روزانه شان را انتخاب می‌کنند. ما فرض می‌کنیم که مشتری‌ها هیچ اطلاعی از تأخیرات دستگاه‌های خودپرداز ندارند و از این رو نزدیکترین تسهیل را برای درخواست سرویسشان انتخاب می‌کنند.
فرضیاتی که برای این مسأله درنظر گرفته می‌شود به شرح زیر می‌باشد:
گره مشتری وجود دارد که هر یک درخواستی را برای سرویس ایجادمی‌کند؛
تعداد درخواست‌ها در واحد زمان، یک جریان پوآسن مستقل را تشکیل می‌دهند؛
گره خدمت‌رسان بالقوه وجود دارد؛
مشتریان از مراکز تقاضا به سمت مکان این دستگاه‌ها حرکت می‌کنند؛
هر جایگاه خدمت فقط یک خدمت دهنده دارد؛
زمان سرویس یک دستگاه به صورت تصادفی و توزیع نمایی دارد؛
مکان دستگاه‌ها ثابت هستند؛
مشتری‌ها بوسیله نزدیکترین دستگاه خودپرداز خدمت‌رسانی می‌شوند؛
میزان زمان انتظار مشتریان در صف نباید از یک حد ازپیش تعیین شده، فراتر رود؛
ماکزیمم تعداد دستگاه‌های خدمت‌رسان از قبل تعریف شده‌است.
در مسائل مکان‌یابی تک هدفه، هدف مسأله معمولاً هزینه یا پوشش بوده‌است، امّا در مسائل چندهدفه، حداقل یک هدف دیگر وجود دارد که باتوجه به طبیعت این گونه مسائل، با هدف اوّلی درتضاد است.
براین اساس، ما مروری بر روی اهدافی که در مسائل مکان‌یابی چندهدفه توسعه یافته می‌کنیم. این اهداف می‌توانند به صورت زیر توصیف شوند:
هزینه: انواع مختلفی از هزینه وجود دارد. این انواع می‌توانند به دو قسمت ثابت و متغیر تقسیم شوند. هزینه‌های ثابت شامل هزینه شروع و نصب به همراه سرمایه گذاری می‌باشد. هزینه‌های متغیر می‌تواند هزینه حمل و نقل، عملیات، تولید، خدمات، توزیع، تدارکات، دفع پسماند، نگهداری و محیطی باشد. هزینه حمل و نقل بیشترین و هزینه نصب بعد از آن قرار دارد. مسائل مختلفی از یک معیار «هزینه کل» استفاده کرده‌اند که شامل همه هزینه‌ها تحت یک هدف می‌شود.
ریسک‌های محیطی: این هدف شامل ریسک حمل و نقل، ریسک طبیعی، دفع پسماند یا ریسک رفتاری، یا «اثرات نامطلوب» عمومی است که جایگاه بزرگی دارد. به هر حال نسبت ریسک محیطی در مسائل مکان‌یابی کمتر از دیگر هزینه‌هاست.
پوشش: تقریبا مجموعه کامل مسائل مکان‌یابی درباره پوشش مسافت، زمان، مبلغ و یا حتی انحراف پوشش است. اگرچه بسیاری از مسائل از مسافت و پوشش جمعیّت به عنوان هدفشان استفاده می‌کنند، اما در بعضی مسائل نیز زمان مهّم است.
مفهوم تساوی نیز در این طبقه قرار می‌گیرد، زیرا این نوع مسائل، روشی منصفانه در برخورد با مسأله پوشش دارند.
سطح و کارائی خدمت: در این طبقه، هدف سطح سرویس به همراه کارائی قرارمی‌گیرد.
سود: بعضی مسائل به سود خالص (تفاوت بین سودها و هزینه‌ها) علاقمندند.
اهداف دیگر: بعضی اهداف دیگر که در مسائل مکان‌یابی استفاده می‌شوند، مانند دستیابی به منابع به همراه ریسک‌های سیاسی و اجتماعی که نمی‌توانند در دیگر دسته‌ها قرار بگیرند.
سه هدف برای مسأله موردنظر ما درنظر گرفته شده‌است که هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
1-4- روش حل
به طور کلی مسائل مکانیابی تسهیلات اصولاً NP-Hardهستند و بعید است بدون کاربرد الگوریتم‌های فراابتکاری بتوان حلّی بهینه را در زمان معقول پیدا کرد و زمان محاسباتی نیز با توجه به اندازه مسأله به صورت نمایی افزایش می یابد.
مسائل بهینه یابی چندهدفه، به طور کلی با یافتن حل‌های بهینه پارتو یا حل‌های مؤثّر کارمی‌کنند. چنین حل‌هایی غیرمغلوب هستند، یعنی هنگامی‌که همه اهداف درنظر گرفته شوند، هیچ حل دیگری برتر از آن‌ها نیست. بیشترین روش‌هایی که برای حل مسائل بهینه سازی چندهدفه به کار می‌روند، روشهای ابتکاری و فراابتکاری هستند.
برای مسائلی که در کلاس NP-Hard قرار می گیرند، تاکنون روش‌های دقیقی که بتواند در حالت کلی و در زمانی معقول به جواب دست یابد توسعه داده نشده‌است. از این رو روش‌های ابتکاری و فراابتکاری مختلفی را برای حل این دسته از مسائل به کار می برند تا به جواب‌های بهینه یا نزدیک به بهینه دست یابند.
در این تحقیق سعی شده‌است که از چندین الگوریتم بهینه سازی چندهدفه استفاده شود. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند. چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است. در سال‌های اخیر، الگوریتم‌های بهینه سازی مبتنی بر ایمنی مصنوعی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است که به همین علت، ما در این تحقیق سعی بر آن داریم که از کارآمدترین این الگوریتم‌ها استفاده کنیم. از میان الگوریتم‌های چندهدفه ایمنی، ما از MISA، VIS و NNIA استفاده کرده ایم که در ادامه و در بخش‌های بعدی به نتایج خوبی که دراثر استفاده از این الگوریتم‌ها بدست می‌آید، اشاره می‌کنیم.
1-5- اهمیت و ضرورت تحقیق
امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد.
در این تحقیق سعی شده‌است که محدودیت‌ها و چالش‌های فراروی این مسأله در دنیای واقعی تا حد ممکن درنظر گرفته شود. به همین منظور محدودیت‌هایی ازقبیل ماکزیمم دستگاه خدمت‌رسانی که می‌تواند به کار گرفته شود و حدّ بالای زمان انتظار برای مشتریان منظور شده‌است. همچنین به‌دلیل اینکه یک هدف، پاسخگوی انگیزه ایجاد شده برای انجام این طرح نمی‌باشد، این مسأله به صورت یک مسأله چند هدفه درنظر گرفته شده‌است تا به دنیای واقعی هر چه نزدیکتر گردد تا در درجه اول سود بانک یا مؤسسه ازطریق انتخاب بهینه دستگاه‌های خودپرداز افزایش یابد و در درجه دوم رضایت مشتریان جلب گردد، به صورتی که هم پوشش مناسب برای خدمت‌رسانی داده شود و هم مدت زمان خدمت‌رسانی به مشتریان حداقل گردد.
1-6- اهداف تحقیق
اهدافی که برای اجرای این تحقیق درنظر گرفته شده‌است عبارتند از:
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات به صورت کلّی
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
بهینه نمودن استفاده از دستگاه‌های‌های خدمت‌رسان؛ یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند، به‌صورتی که هم رضایت مشتریان جلب شود (این هدف را به صورت کمینه کردن مجموع زمان خدمت‌رسانی به مشتریان که شامل زمان سفر مشتریان از مراکز تقاضا به مراکز خدمت‌رسانی و زمان انتظار آنها برای خدمت‌رسانی درنظر گرفته ایم) و هم مجموع کارکرد دستگاه‌ها بیشینه گردد.
تطبیق الگوریتم‌های مختلف با مسئله مورد بررسی
تجزیه و تحلیل الگوریتم‌های مختلف با استفاده از روشهای مقایسه الگوریتم‌ها
1-7- جمع بندی
مسأله مکانیابی تسهیلات در حالت کلی به عنوان یک مسأله NP-Hard شناخته می‌شود. به‌خصوص در حالتی که محدودیت‌های دیگری نظیر محدودیت انتظار مشتریان در صف و محدودیت در تعداد تسهیلات باز شده نیز مطرح باشد، پیچیدگی این مسأله چندین برابر می‌شود.
هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
پایان نامه دارای ساختار زیر است: در فصل دوم برای آنکه خواننده با مفاهیمی که در این پایان‌نامه به کار گرفته شده‌است و همچنین موضوعاتی که در این تحقیق مطرح می‌شود، مروری جامع بر ادبیات موضوعات در بخش‌های مختلف اعم از مکانیابی تسهیلات به صورت کلی، مکانیابی تسهیلات باتوجه به مسأله مطرح شده و محدودیت‌های ایجاد شده به عمل آمده‌است. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
در فصل سوم ابتدا درمورد مسئله مورد بررسی این تحقیق توضیحات کافی داده می شود و اهداف و محدودیت های فراروی آن شرح داده می شود. سپس، در قسمت طراحی الگوریتم‌ها، الگوریتم‌های درنظر گرفته شده را با مسئله مورد بررسی تطبیق می دهیم.
در فصل چهارم پس از اینکه درمورد تولید مسائل نمونه صحبت کردیم، به تجزیه و تحلیل و مقایسه الگوریتم‌ها خواهیم پرداخت که این کار را به این صورت انجام می‌دهیم که ابتدا معیارهای مختلف را برای تمامی الگوریتم‌ها اندازه گیری کرده و سپس این نتایج را باتوجه به روش‌های موجود درزمینه تحلیل واریانس، مورد تجزیه و تحلیل قرارمی‌دهیم.
در فصل پنجم نیز پس از مروری کلّی بر تحقیقی که انجام شده، چند زمینه تحقیق برای مطالعات آتی به خوانندگان پیشنهاد می‌شود.
4221207272
82867519050 2
00 2

مرور ادبیات

2-1- مقدمه
در این فصل، ابتدا به بحث درباره موضوع مکانیابی تسهیلات می پردازیم. در ابتدا، به مروری بر ادبیات این موضوع می پردازیم. در ادامه، مسائل پوشش که مهمترین و پرکاربردترین مباحث در این حوزه است را توضیح داده و مدل های دیگر مکانیابی تسهیلات را معرفی می نمائیم. سپس باتوجه به اینکه مسئله ما در حیطه مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم می باشد، به مرور ادبیات این حیطه و خصوصیات این نوع مدل ها می پردازیم. سپس سیستم صف و مسائلی که در این حوزه و ادامه تحقیق، موردنیاز است، شرح داده می شود. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
2-2- مکانیابی تسهیلات
2-2-1- مرور ادبیات در موضوع مکانیابی تسهیلات [5]
می‌توان استدلال نمود که تحلیل‌های مکانیابی در قرن هفدهم و با مسأله پیِر دِ فِرمَت شروع شد: فرض کنید که سه نقطه در یک صفحه وجود دارد، نقطه چهارمی را پیداکنید به صورتی که مجموع فواصلش تا سه نقطه فرض شده مینیمم گردد. اِوانجلیستا توریچلی نیز یکی از کسانی است که ساختارهای فضایی که نیاز به یافتن یک چنین میانه‌های فاصله‌ای یا «نقاط توریچلی» دارند، به آن نسبت داده شده‌است. به هر حال در قرن اخیر، با «مسأله وِبِر» از آلفرد وِبِر و بعضی از گسترش‌های بعدی اش در مسئله درِزنر و همکارانش دوران جدید تحلیلهای مکانیابی با کاربردش در مکانیابی صنعتی شروع می‌شود. مسأله وِبِر نقاطی را در یک سطح پیدا می‌کند که مجموع فواصل اقلیدسی وزن‌دهی شده آن تا یک مجموعه نقاط ثابت مینیمم گردد. این مسأله به این صورت تفسیر می‌شود که مکان یک کارخانه را به گونه‌ای پیداکنیم که کل مسافت وزن دهی شده آن از تأمین کنندگان و مشتریان مینیمم گردد، که وزن‌ها بیانگر حجم مبادلات می‌باشد، مثل وزن موادی که باید از یک تأمین‌کننده منتقل شود یا حجم محصولات نهایی که برای یک مشتری ارسال می‌شود.
تنها در دهه 60 و 70، با فراهم بودن گسترده قدرت محاسبات برای پردازش و تحلیل مقادیر بزرگی از داده‌ها بود که ما شروع واقعی بهینه سازی جدید و به همراه آن، تحقیق در مسائل مکانیابی را مشاهده می‌کنیم. این دوره را به این دلیل دوره بلوغ تحلیلهای مکانیابی می‌نامند که گرایش زیادی به مطالعه p-median کلاسیک، p-center، پوشش مجموعه، مکانیابی تأسیسات ساده و مسائل تخصیص درجه دوم و گسترش آنها پیدا شد.
در این دوره، کوپر مسأله تک تسهیلی وِبِر را گسترش داد تا مسأله تخصیص-مکانیابی چندتسهیلی را ایجاد کند. سپس مارانزانا این مسأله را از فضای پیوسته به شبکه گسترش داد. به هر حال حکیمی است که شالوده تحقیق در p-median و مسائل دیگر در یک شبکه را کامل می‌کند. مسأله p-median شبیه مسأله وِبِر در یک سطح، مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که کل مسافت وزن دهی شده با تقاضا را تا نزدیکترین تسهیل مینیمم می‌کند. به علاوه حکیمی مسأله p-center اصلی را ارائه می‌کند که مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که ماکزیمم مسافت تقاضا تا نزدیکترین تسهیل مینیمم گردد. نتیجه مهم قضیه حکیمی نیز مشخص است، یعنی اینکه یک حل در مسأله p-median، همیشه در گره‌های یک شبکه در مسأله واقع می‌شود، درحالیکه یک حل در مسأله p-center لزومی ندارد که در گره‌ها واقع شود. کاریف و حکیمی اثبات می‌کنند که مسائل p-center و p-median، NP-Hard هستند.
مدلهای پوشش، مسائلی را درنظر می‌گیرند که تقاضاها باید در یک مسافت مطمئنی از زمان سفر پوشش داده شوند. تورِگاس و همکارانش روش حلی را برای اینگونه مسائل که در کاربرد با نام مسأله پوشش مجموعه (LSCP) شناخته می‌شود را فرمول بندی و ارائه کردند. مکان تسهیلات برای خدمات اورژانسی از این مسأله الهام می‌شوند. چِرچ و رِوِله، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) را ارائه کردند. این مسأله، مکانهای بهینه‌ای را برای تعداد معیّنی از تسهیلات پیدا می‌کند که جمعیّتی که درون یک فاصله خدمت‌رسانی مشخص، پوشش داده می‌شوند، حداکثر گردد.
دیگر مسأله بنیادی با مفهوم پوشش، مسأله تخصیص درجه دوم (QAP) می‌باشد که به دلیل طبیعت درجه دوّم فرموله کردن تابع هدفش به این نام خوانده می‌شود. تعدادی (N) تسهیل که در همان تعداد جایگاه (N) به گونه‌ای واقع می‌شوند که کل هزینه انتقال مواد درمیان آنها مینیمم گردد. هزینه حرکت مواد بین هر دو مکان بوسیله ضرب یک وزن یا جریان در فاصله بین مکان‌ها بدست می‌آید. مدل خطی آن بوسیله کوپمنس و بِکمن ارائه شد که مورد خاصی از مسأله حمل و نقل شناخته شده‌است. این مسأله NP-Hard علائق بسیاری را برای تحقیق ایجاد کرد و هنوز هم حل آن در هر اندازه ای، بسیار سخت به نظر می‌رسد.
دهه 80 و 90 تحقیقاتی را در تحلیل مکانیابی دید که به رشته‌های دیگر نیز گسترش پیدا کرد و نتایج سودمندی را از دیدگاه مدل سازی و کاربرد بدست آورد. این نوآوری‌ها تا به امروز نیز ادامه دارد.
از جمله این مدل‌ها می‌توان به مکان‌یابی رقابتی، مکان تسهیلات گسترده، مکانیابی تصادفی، مسیریابی، مکان‌یابی هاب و جلوگیری از جریان اشاره کرد. به عنوان کاربردهای جدید در این دوران می‌توان به ناحیه‌هایی ازجمله برنامه ریزی خدمات اورژانسی، کاربردهای محیط زیستی همچون تسهیلات زیان آور و ترکیب مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین اشاره کرد.
مدلهای مکانیابی رقابتی: حکیمی مدلهای رقابتی را درون تئوری مکانیابی وارد کرد. بیشتر نتایج در این زمینه یک فضای گسسته یا یک شبکه را درنظر می‌گیرند. اخیراً مدل‌های مکانیابی رقابتی پیوسته توسط داسکی و لاپورته ارائه شده‌است.
مدلهای مکانیابی تسهیلات گسترده: یک تسهیل اگر در مقایسه با محیطش، خیلی کوچکتر از یک نقطه به نظر برسد، گسترده نامیده می‌شود. چنین مدل‌هایی بارها در وضعیت‌های طراحی شبکه به کار گرفته شده‌است. مِسا و بوفی یک سیستم دسته بندی شامل مسائلی برای تعیین خط مسیر حمل و نقل مواد خطرناک ارائه کردند. اخیراً یک مثال بوسیله بریمبرگ و همکارانش آورده شده‌است که مسأله مکانیابی یک دایره درون یک کره را درنظر می‌گیرد، به صورتی که فاصله از تسهیلات موجود باید مینیمم گردد.
مکانیابی تصادفی: مدلهای مکانیابی تصادفی هنگامی رخ می‌دهند که داده‌های مسأله فقط به روشی احتمالی شناخته شوند. بِرمن و همکارانش مسائلی را درنظر گرفتند که ورود به تسهیلات به صورت تصادفی است و اثر تراکم نیز باید درنظر گرفته می‌شد. لوگندران و تِرِل یک مسأله LA با ظرفیت نامحدود را با تقاضاهای تصادفی حسّاس به قیمت درنظر گرفتند. بِرمن و کراس یک کلاس کلی از «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» را ارائه کردند.
مسیریابی مکان: ترکیب تحلیلهای مکانیابی با زمینه‌های شناخته شده مسائل مسیریابی وسایل نقلیه، ناحیه جدید دیگری از مدل سازی، یعنی مسیریابی مکان را ایجاد می‌کند.
مکانیابی هاب: در چنین مسائل مکانیابی، هاب‌ها به عنوان متمرکزکننده‌ها یا نقاط سوئیچینگ ترافیک عمل می‌کنند، خواه برای مسافران خطوط هوایی باشد، خواه بسته‌های کوچک در سیستمهای سوئیچینگ. جریان بین منابع و مقاصد اساس مدل سازی این دسته از مسائل را تشکیل می‌دهد. اُکِلی اساس تحلیلهای مکانیابی هاب را بنانهاد. آن مدل‌ها به صورتی مدل سازی شد تا بهترین مکان‌ها برای متصل کردن ترمینال‌ها را باتوجه به مینیمم کردن هزینه‌های کل تراکنش‌ها، پیدا کند.
جلوگیری از جریان: در بسیاری از مسائل مکانیابی، تقاضاها فرض می‌شوند که در گره‌های یک شبکه رخ می‌دهند. یک تغییر جالب که بوسیله مسائل فرض می‌شود این است که تقاضا بوسیله جریانی از وسایل نقلیه یا پیاده‌هایی که از میان اتصالات شبکه عبور می‌کنند، ارائه می‌شوند. ازجمله کاربردهای این حیطه می‌توان به دستگاه‌های خودپرداز و ایستگاه‌های نفتی اشاره کرد. چنین مسائلی اولین بار توسط هاچسون و بِرمن و همکارانش ارائه شد.
مکانیابی یا جابجایی وسایل خدمات اورژانسی: مقدار شگرفی از تحقیقات در مطالعه مکانیابی وسایل خدمات اورژانسی ایجاد شده‌است. چَپمن و وایت اولین کار را برحسب محدودیت‌های کاربردی که در LSCP کاربرد دارد، ارائه کردند. مطالعه میرچندانی و اُدُنی زمان‌های سفر تصادفی را در مکانیابی تسهیلات اورژانس درنظر می‌گیرد. همچنین باتوجه به کاربردهای وسایل اورژانسی، مدل MEXCLP که توسط داسکین ارائه شده‌است، مدل MCLP را با محدودیت‌های احتمالی گسترش می‌دهد. رِپِده و برناردو، مدل TIMEXCLP را ارائه کردند که MEXCLP را با تغییر تصادفی در تقاضا گسترش می‌دهد.
کاربردهای مرتبط با محیط زیست: تسهیلات زیان آور و مفاهیم دیگر: بعضی از تحلیلهای مکانیابی در موضوع محیط زیست، مربوط به مکان تسهیلاتی می‌شود که برای جمعیت مجاورشان مضر یا نامطبوع هستند. گُلدمن و دیِرینگ و همچنین چِرچ و گارفینکل جزء اولین افرادی بودند که مکانیابی برای تسهیلات زیان آور یا تسهیلاتی که ترجیح می‌دهیم دور از دسترس باشند را درنظر گرفتند.
تحلیلهای مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین: مدیریت زنجیره تأمین (SCM) شامل تصمیمات درمورد تعداد و مکان تسهیلات و جریان شبکه در حیطه تأمین، تولید و توزیع می‌شود. در اولین کارها در برنامه ریزی پویا، بالُو از برنامه نویسی پویا برای جابجایی انبارها در طول دوره برنامه‌ریزی استفاده می‌کند. جئوفریون و پاورز محیطی یکپارچه را بین مکان و SCM درنظر می‌گیرد.
2-2-2- معیارهای دسته بندی مدلهای مکانیابی
مدلهای مکانیابی تسهیلات می‌توانند باتوجه به اهداف، محدودیتها، حل‌ها و دیگر خصوصیات دسته بندی شوند. در زیر، هشت معیار رایجی که برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی تسهیلات سنتی استفاده می شود، آورده شده‌است ‍‍[6]:
مشخصات مکان: مشخصات مکان تسهیلات و جایگاه‌های تقاضا شامل مدل‌های مکانیابی پیوسته، مدل‌های شبکه گسسته، مدل‌های اتصال هاب و غیره می‌شود. در هر یک از این مدل‌ها، تسهیلات می‌توانند فقط در جایگاه‌هایی واقع شوند که توسط شرایط مکانی مجاز هستند.
اهداف: هدف یکی از معیارهای مهم برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی است. هدف مدل‌های پوشش، مینیمم کردن تعداد تسهیلات برای پوشش همه نقاط تقاضا یا ماکزیمم کردن تعداد تسهیلاتی است که باید پوشش داده شوند. هدف مدل‌های p-center مینیمم کردن ماکزیمم فاصله (یا زمان سفر) بین نقاط تقاضا و تسهیلات است. آن‌ها اغلب برای بهینه کردن تسهیلات در بخش‌های عمومی همچون بیمارستان‌ها، اداره‌های پست و آتش‌نشانی‌ها استفاده می‌شوند. مدل‌های p-median سعی می‌کنند که جمع فاصله (یا متوسط فاصله) بین نقاط تقاضا و نزدیکترین تسهیلشان مینیمم گردد. شرکت‌هادر بخش‌های عمومی اغلب از مدل‌های p-median استفاده می‌کنند تا برنامه توزیع تسهیل را به گونه‌ای بریزند که مزایای رقابتشان را بهبود دهند.
روش‌های حل: روش‌های حل مختلف در مدل‌های مکانیابی مختلف همچون مدل‌های بهینه‌سازی و مدل‌های توصیفی بدست می‌آیند. مدل‌های توصیفی از رویکردهای ریاضی همچون برنامه نویسی ریاضی یا برنامه نویسی عددی استفاده می‌کنند تا حل‌های مختلف را برای سبک و سنگین کردن اکثر اهداف مهم در مقابل یکدیگر جستجو کنند. در مقابل، مدل‌های توصیفی، از شبیه سازی یا رویکردهای دیگری استفاده می‌کنند تا موفقیت دستیابی به الگوی مکانیابی را افزایش دهند تا حلی با درجه مطلوب بدست آید. روش‌های حل ترکیبی نیز بوسیله گسترش مدلهای توصیفی با تکنیک‌های بهینه سازی توسعه داده شده‌است تا مسائل مکانیابی تعاملی یا پویا (مثل سرورهای متحرک) را بسازند.
مشخصات تسهیلات: مشخصات تسهیلات نیز مدل‌های مکانیابی را به انواع مختلف تقسیم می‌کند. مثلاً، محدودیت تسهیل می‌تواند منجر به مدلی با یا بدون ظرفیت خدمت‌رسانی شود، و تکیه تسهیلات به یکدیگر می‌تواند به مدل‌هایی منجر شود که همکاری تسهیلات را به حساب آورند یا نیاورند.
الگوی تقاضا: همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس الگوهای تقاضا دسته بندی شوند. اگر یک مدل تقاضای انعطاف پذیر داشته باشد، پس آن تقاضا محیطی متفاوت با تصمیمات مکانیابی تسهیلات مختلف خواهد داشت؛ درحالیکه یک مدل با تقاضای غیرانعطاف پذیر، به علت تصمیمات مکانیابی تسهیلات، با آن الگوی تقاضا متفاوت نخواهد بود.
نوع زنجیره تأمین: مدل‌های مکانیابی می‌تواند بوسیله نوع زنجیره تأمینی که درنظر می‌گیرند تقسیم شوند (یعنی مدلهای تک مرحله‌ای درمقابل مدل‌های چند مرحله ای). مدل‌های تک‌مرحله‌ای بر روی سیستمهای توزیع خدمت تنها با یک مرحله تمرکز می‌کنند، درحالیکه مدل‌های چندمرحله ای، جریان خدمات را در طول چند سطح سلسله مراتبی درنظر می‌گیرند.
افق زمانی: افق زمانی، مدل‌های مکانیابی را به مدل‌های استاتیک و پویا دسته بندی می‌کند. مدل‌های استاتیک، کارایی سیستم را با درنظر گرفتن همزمان همه متغیرها بهینه می‌کند. درمقابل، مدل‌های پویا، دوره‌های زمانی مختلف را با تغییر داده‌ها درطول این دوره‌ها درنظر می‌گیرند و حل‌هایی را برای هر دوره زمانی با وفق دادن با شرایط مختلف ارائه می‌کند.
پارامترهای ورودی: روش دیگری برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی براساس خصوصیت پارامترهای ورودی به مسأله است. در مدلهای قطعی، پارامترها با مقادیر مشخص پیش بینی می‌شوند و بنابراین، این مسأله، برای حل‌های ساده و سریع، ساده سازی می‌شود. به هر حال، برای بیشتر مسائل جهان واقعی، پارامترهای ورودی ناشناخته هستند و طبیعتاً ماهیت احتمالی/تصادفی دارند. مدل‌های مکانیابی احتمالی/تصادفی برای رسیدگی به ماهیت پیچیده مسائل جهان واقعی از توزیع احتمالی متغیرهای تصادقی استفاده می‌کنند یا مجموعه‌ای از طرحهای ممکن را برای پارامترهای نامعیّن درنظر می‌گیرند.
همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس مشخصات دیگری همچون مدل‌های تک محصولی درمقابل مدلهای چندمحصولی و یا مدلهای کششی درمقابل مدلهای فشاری متمایز شوند.
2-2-3- مسائل پوشش
ایده اصلی پشت مدلهای پوشش مکانیابی تسهیلات به گونه‌ای است که بعضی خدمات موردنیاز مشتریان فراهم شود. دو هدف برای مکانیابی تسهیلات وجود دارد که آیا همه مشتریان در شبکه با حداقل تسهیلات پوشش داده می‌شوند یا هر تعدادی از مشتریان که ممکن است با تعداد مشخصی از تسهیلات پوشش داده شوند. در اینجا به مسائل پوشش در شبکه می‌پردازیم [7]،[8].
2-2-3-1-مسأله پوشش مجموعه
برای ساده سازی، فرض می‌کنیم که همه مشتریان و تسهیلات در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. در ادامه، ما از اندیس i برای اشاره به مشتریان و از اندیس j برای اشاره به تسهیلات استفاده می‌کنیم. همچنین تقاضاها (یا وزن‌ها) در گره i را با و تعداد تسهیلاتی است که باید مکانیابی شوند را با p نمایش می‌دهیم. همچنین ما را به عنوان کوتاهترین مسیر (یا زمان، هزینه یا هر عدم مطلوبیت دیگری) بین گره تقاضای و جایگاه تسهیل در گره تعیین می‌کنیم. اگر گره i بتواند بوسیله تسهیل در مکان j پوشش داده شود، قرارمی‌دهیم، درغیر اینصورت . همچنین را مجموعه همه جایگاه‌های کاندیدشده‌ای قرار می‌دهیم که می‌توانند گره تقاضای i را پوشش دهند. اینکه p تسهیل در کجا واقع شوند و کدام تسهیل باید کدام گره تقاضا را سرویس دهد، تصمیمات کلیدی در اینگونه مسائل هستند.
مسائل پوشش مجموعه در ابتدای دهه 70 ایجاد شد. هدف LSCP مکانیابی حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که هر گره تقاضا بوسیله یک یا چند تسهیل «پوشش» داده شود. به طور کلی، تقاضا در یک گره i توسط تسهیل j پوشش داده شده نامیده می‌شود اگر فاصله (یا زمان سفر) بین گره‌ها کمتر از فاصله بحرانی D باشد. به علاوه، D به ماکزیمم فاصله یا زمان خدمتی که تصمیم‌گیرنده مشخص می‌کند اشاره می‌کند.
با این توضیحات، می‌توان مدل مکان پوشش مجموعه را که اولین بار توسط تورِگاس و همکارانش ارائه شد، به صورت زیر فرموله کرد:
(1.2)
(2.2)
(3.2)
تابع هدف (1.2) تعداد تسهیلاتی که استفاده می‌شوند را مینیمم می‌کند. محدودیت (2.2) تعیین می‌کند که برای هر نقطه تقاضای i، حداقل یک تسهیل باید در مجموعه ایجاد گردد که بتواند این گره را پوشش دهد. محدودیت‌های (3.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.

2-2-3-2- مسأله مکانیابی حداکثر پوشش
درمقابل مسأله پوشش مجموعه که در بالا آورده شد، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) سعی نمی‌کند که همه مشتریان را پوشش دهد. تعداد p تسهیل را فرض کنید که هدف ما مکانیابی این تسهیلات به گونه‌ای است که بیشترین تعداد ممکن از مشتریان را پوشش دهیم. منظور از پوشش را نیز در بالا آوردیم.
با تعیین این محدودیت‌های مدل پوشش مجموعه، چِرچ و رِوِله مسأله مکانیابی حداکثر پوشش را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(4.2)
(5.2)
(6.2)(3.2)
(7.2)
که اگر گره تقاضای i پوشش داده شود، برابر یک خواهد بود، درغیر اینصورت صفر می‌شود. تابع هدف (4.2) تعداد تقاضاهایی که پوشش داده می‌شوند را ماکزیمم می‌کند. محدودیت (5.2)، متغیرهای مکان و پوشش را به همدیگر مرتبط می‌کند و نشان می‌دهد که گره تقاضای i نمی‌تواند به عنوان پوشش داده شده تلقی گردد مگر اینکه ما حداقل یک تسهیل را در یکی از جایگاه‌های کاندید شده مستقر کنیم که بتواند آن گره را پوشش دهد. محدودیت (6.2) تعداد تسهیلات را به p محدود می‌کند و محدودیت‌های (3.2) و (7.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.
اگر تعداد تسهیلاتی که برای پوشش تمام تقاضاها نیاز است، از منابع دردسترس بیشتر شود، یک گزینه، راحت کردن الزامات برای پوشش کامل می‌باشد.
2-2-3-3- مسائل p-center
نوع دیگری از مسائل کلاسیک پوشش، اصطلاحاً مسائل p-center نامیده می‌شود. هدف مسائل p-center ، مکانیابی تعداد معین p تسهیل به گونه‌ای است که بزرگترین فاصله بین هر مشتری و نزدیکترین تسهیلش تا حد ممکن کوچک شود. اگرچه از دیدگاه نظری، مسائل p-center متفاوت هستند، اما یک روش دوبخشی ساده می‌تواند به کار گرفته شود تا مسائل p-center را به عنوان بخشی از مسائل پوشش حل نماید. این مسأله می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود که Q ماکزیمم فاصله است که باید مینیمم گردد:
(8.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(11.2)
(3.2)
(12.2)محدودیت (9.2) ما را مطمئن می‌کند که هر گره تقاضا تخصیص داده شده‌است، درحالیکه محدودیت (10.2) تصریح می‌کند که این تخصیصها می‌توانند فقط در تسهیلاتی که بهره برداری شده‌اند ایجاد شود. محدودیت (6.2) بیان می‌کند که دقیقاً p تسهیل می‌تواند ایجاد شود. محدودیت (11.2) ماکزیمم فاصله را برحسب متغیرهای تصمیم تعیین می‌کند. این محدودیت‌ها تصریح می‌کنند که Q باید بزرگتر یا مساوی با فاصله‌ای باشد که برای هر گره تقاضا تخصیص داده می‌شود.
2-2-3-4- مسائل p-median
درمقابل مسائل p-center با اهداف مینیماکسش که در قسمت قبل توضیح داده شد، مسائل p-median اهداف مینیمم مجموع دارند. به عبارت دیگر مسائل p-median ، p تسهیل را به‌گونه‌ای مکان‌یابی می‌کنند که مجموع فواصل بین همه مشتریان و نزدیکترین تسهیل مرتبطشان مینیمم گردد. رِوِله و سواین مسأله p-median را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(13.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(3.2)
(12.2)
تابع هدف (13.2) کل فاصله‌ای که در تقاضا ضرب شده‌است را مینیمم می‌کند. از آنجائیکه تقاضاها مشخص هستند و کل تقاضا ثابت است، این هدف در حکم مینیمم کردن متوسط فاصله ضرب در تقاضا است. به خاطر داشته باشید که این فرمول بندی خیلی شبیه به فرمول بندی مسأله p-center است مگر در تابع هدف و محدودیت شماره (11.2).

2-2-4- مسائل دیگر مکانیابی [8]
در این بخش به اختصار به انواع دیگری از مدل‌های مکانیابی که در مقالات استفاده شده‌است اشاره می‌کنیم. اولین نوع، مدل‌هایی هستند که به تسهیلات نامطلوب اشاره می‌کنند. چنین مدل‌هایی به مکانیابی تسهیلاتی همچون تأسیسات تصفیه فاضلاب، محل‌های بازیافت زباله‌ها، نیروگاه‌ها یا زندان‌ها می‌پردازند که همسایگی آنها با نواحی مسکونی نامطلوب به نظر می‌رسد.
به عنوان سیستم‌هایی که معمولاً شامل دو یا چند سطح از تسهیلات می‌شوند، از سیستمهای سلسله مراتبی استفاده می‌کنیم. بسیاری از سیستمها در طبیعت سلسله مراتبی هستند. این تسهیلات معمولاً برحسب نوع خدماتی که ارائه می‌کنند سلسله مراتبی هستند. مثلاً مراکز مراقبت‌های پزشکی را درنظر بگیرید که شامل کلینیک‌های عمومی، بیمارستان‌ها و مراکز دارویی هستند.
نوع دیگری از مدل‌ها، به مدل‌های مکانیابی می‌پردازد که اهداف «یکسان» دارند. این مدل‌ها، تسهیلات را به گونه‌ای مکانیابی می‌کنند که برای همه مشتریان به طور مساوی دردسترس باشند.
ناحیه فعال دیگر در این زمینه، مکانیابی هاب‌هاست. هاب به عنوان توپ در مرکز یک چرخ است و منظور از آن، تسهیلاتی است که به بعضی جفت‌های منبأ-مقصد به عنوان گره‌های معاوضه و حمل و نقل سرویس دهی می‌کند و در سیستمهای ترافیک و ارتباطات استفاده می‌شود.
نوع دیگر از مدل‌های مکانیابی، مدل‌های مکانیابی رقابتی است. مثالی از این نمونه به این صورت است که دو فروشنده انحصاری یک محصول را درنظر بگیرید که تسهیلی را هر کدام در یک پاره خط ایجاد می‌کنند. آنها از ابزاری مشابه استفاده می‌کنند و در مکان و قیمت رقابت می‌کنند.
در پایان، تسهیلات گسترده و مسائل جانمایی تسهیلات را درنظر بگیرید. در هر دو زمینه، به خاطر اینکه اندازه تسهیلات در قیاس با فضایی که در آن واقع شده‌اند قابل چشم پوشی نیست، تسهیلات نمی‌توانند به صورت یک نقطه بر روی نقشه نشان داده شوند و خیلی بزرگتر از آن هستند که به صورت یک نقطه درنظر گرفته شوند. به عنوان نمونه‌هایی از مسائل جانمایی، آرایش ایستگاه‌های کاری در یک اداره و قراردادن اتاق‌ها در یک بیمارستان را می‌توان نام برد.
2-2-5- مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکمما در این بخش به مسائل پیدا کردن مکان‌های بهینه برای مجموعه‌ای از تسهیلات در حضور تقاضای مشتریان تصادفی و تراکم در آن تسهیلات می‌پردازیم. ما به این گونه مسائل به عنوان «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» (LPSDC) نگاه می‌کنیم [9]. اکثراً ما بحث درباره مسائل را به شبکه محدود می‌کنیم، حتی اگر این مدل‌ها بتواند به مکان‌های گسسته گسترش یابند.
اهمیت مشهود پرداختن به مسائل مکانیابی تسهیلات در حضور عدم قطعیت‌های گوناگون، منجر به تعداد زیادی از مقالات در این موضوع می‌شود. اصولاً مدل‌های LPSDC بر روی دو منبع از عدم قطعیت متمرکز می‌شود: (1) مقدار واقعی و مقدار زمانی که تقاضا بوسیله هر مکان مشتری تولید می‌شود و (2) از دست دادن تقاضا (یا جریمه پولی) به علت ناتوانی تسهیل در فراهم کردن سرویس مناسب به (بعضی از) مشتریان به علت تراکم در آن تسهیل.
این گونه مسائل به پیدا کردن بهترین مکان‌ها برای مجموعه‌ای از تسهیلات می‌پردازند تا ظرفیت سرویس (تعداد خدمت دهندگان) را در تسهیل j مشخص کند. نتیجه چنین سیستمی می‌تواند به صورت یک سیستم صف با M صف و سرویس دهنده مشاهده شود. حتی تحلیل‌های توصیفی چنین سیستمهایی (یعنی با فرض اینکه تصمیمات مکانیابی در حال حاضر گرفته شده‌اند) می‌تواند توانایی حال حاضر سیستم صف را گسترش دهد. چنین مسائلی، قابلیت‌های مسائل مکان‌یابی «کلاسیک» (که بیشتر آن‌ها NP-complete شناخته می‌شوند) را با پویایی پیچیده سیستم‌های صف ترکیب می‌کند. بنابراین، در ساختن یک مدل LPSDC کاربردی، بعضی فرض‌ها و تخمین‌های ساده سازی باید انجام شود تا مدل را قابل حل کند.
یک ناحیه مهم کاربرد مدل‌های LPSDC، مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی (مانند بیمارستان‌ها)، ایستگاه‌های پلیس، ایستگاه‌های آتش نشانی و آمبولانس‌ها هستند. توانایی پاسخگویی به یک درخواست برای خدمت‌رسانی در زمان مناسب، به چنین سیستم‌هایی اختصاص دارد (مثلاً استاندارد رایج برای آمبولانس‌ها در آمریکای شمالی برای پاسخگویی به تلفن‌های با ارجحیت بالا، 3 دقیقه می‌باشد). خصوصیت پایه چنین سیستم‌هایی غیرقابل پیش بینی بودن تعداد و زمان رسیدن تلفن‌ها برای درخواست و اثری که روی کارایی سیستم تراکمی می‌گذارد است و هنگامی‌که بعضی از این تسهیلات درخواست‌های بسیاری را برای خدمت در دوره زمانی مشخصی دریافت می‌کنند، نتیجه آن مشخص می‌شود. به راستی که از لحاظ تاریخی، مسأله مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی، محرّک اصلی برای تحقیقات بیشتر در این زمینه را فراهم کرده‌است.
دیگر ناحیه مهم کاربرد این مسائل که کمتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌است، مکان‌یابی خرده فروشی‌ها یا تسهیلات خدمت‌رسانی دیگر است که مقدار کل تجارت (تقاضای مشتری) در یک تسهیل ممکن است هنگامی‌که نرخ خدمت‌رسانی به علت تراکم کاهش می‌یابد، به طور معکوس عمل کند. درحالی که بعضی از مدل‌هایی که برای مکان‌یابی تسهیلات اورژانسی توسعه پیدا کرده‌اند، می‌توانند به خوبی برای تسهیلات غیراورژانسی نیز به کار روند، این دو دسته از کاربردها، خصوصیات مختلف خودشان را نیز ایجاد می‌کنند.
2-2-5-1- مرور ادبیات مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم [10]
باتوجه به انعطاف پذیری تقاضا، دسترسی به یک تسهیل می‌تواند برحسب مجاورت با مشتریان بالقوه اش (وِرتر و لاپیِره)، به صورت کل زمان موردنیاز برای دریافت سرویس (پارکر و سرینیواسان) مدل سازی شود. در این مورد یا موارد دیگر، شکل تابع تقاضای مورداستفاده، گسترشی از انعطاف پذیری تقاضا را نشان می‌دهند. بیشتر توابع تقاضای رایج در مقالات به شکل‌های زیر هستند: تابع خطی (وِرتر و لاپیِره؛ پارکر و سرینیواسان)؛ تابع نمایی (بِرمن و پارکان؛ بِرمن و کاپلان و درِزنِر)؛ و تابع مرحله‌ای (بِرمن و کِراس).
اگر انتخاب مشتری را درنظر بگیریم ( که بدین معنی است که هر عضو این حق را دارد که خود تسهیلش را انتخاب کند و نه اینکه توسط یک مرکز به یکی اختصاص پیدا کند)، یک گروه از مقالات، انتخاب بهینه را فرض می‌کنند، یعنی، هر مشتری، تسهیلی که برحسب مزیتش بهینه است را انتخاب می‌کند. بسیاری از نویسندگان به سادگی فرض می‌کنند که مشتریان به نزدیکترین تسهیل مراجعه می‌کنند، درحالیکه پارکر و سرینیواسان فرض می‌کنند که مشتریان، تسهیلی که بیشترین منفعت را دارد انتخاب می‌کنند. درمقابل، گروه دوم مطالعات، انتخاب احتمالی را فرض می‌کنند، یعنی، انتخاب تسهیل توسط مشتری، براساس توزیع احتمالی است که از سودمندی و مجاورت هر تسهیل ایجاد می‌شود. این فرض اغلب در محیط بازار استفاده می‌شود و شاید یک کار اصولی از هاف، مؤثرترین مدل در این دسته باشد. همچنین ماریانوف و همکارانش یک مسأله مکانیابی تسهیلات با تراکم را پیشنهاد کردند که از یک مدل انتخابی احتمالی برای نشان دادن رفتار تخصیص مشتریان استفاده می‌کرد.
مسأله موردنظر ما که تا حدودی در تئوری مکان‌یابی تسهیلات، پایه‌ای به حساب می‌آید، توجّهات بسیاری را در مقالات به خود جلب کرده‌است؛ مخصوصاً اینکه تقابل جنبه‌های مکانیابی و تصادفی (صف بندی)، آن را چالش برانگیز کرده‌است [11]. این مسأله متعلق به دسته‌ای از مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم و سرویس دهندگان ثابت (LPSDC) است که توسط بِرمن و کراس مرور شده‌است. مطالعه مدل‌هایی از این نوع، با ماریانوف و سِرا در سال 1998 شروع شده‌است. مقالات دیگری نیز در این زمینه نوشته شده‌است که می‌توان به مقالات بِرمن، کراس و وانگ؛ ماریانوف و ریوس؛ ماریانوف و سِرا؛ وانگ، باتا و رامپ اشاره کرد. به علت پیچیدگی باطنی مسأله، همه مقالاتی که در بالا آورده شده، ساده سازی‌های بزرگی را انجام داده‌اند: فرض می‌شود که تقاضا گسسته است، یا فرض می‌شود که تعداد یا ظرفیت تسهیلات (یا هر دو) ثابت هستند، فرض می‌شود که مکان‌های تسهیلات بالقوه گسسته و بینهایت هستند، فرض می‌شود که فرایند رسیدن تقاضا پواسن باشد و همچنین معمولاً فرض می‌شود که فرایند خدمت‌رسانی نمایی است.
ترکیب حالت تصادفی (شامل تراکم بالقوه در تسهیلات) در مدل‌های نوع پوشش تسهیلات، با مسأله مکانیابی حداکثر پوشش موردانتظار (MEXCLP) توسط داسکین شروع شد؛ و تعداد قابل ملاحظه‌ای از دیگر کاربردها نیز در ادامه آن آورده شد. اما این مدل شامل بعضی ساده سازی‌های بزرگی بود، برای مثال: احتمال اینکه یک خدمت‌رسان مشغول باشد، مستقل از هر خدمت دهنده دیگری است و این موضوع برای همه خدمت دهندگان یکسان است؛ این احتمالات نسبت به مکان و حجم کار یکسان هستند. ماریانوف و سِرا فرض کردند که: (1) تقاضای مشتریان توسط یک فرایند پواسن تولید می‌شود؛ (2) توزیع زمان خدمت نمایی است؛ (3) هر تسهیل به صورت یک سیستم صف M/M/1/a با ظرفیت محدود a عمل می‌کند؛ و (4) همه تقاضاها هنگامی‌که برای خدمت‌رسانی به سیستم می‌رسند، اگر سیستم پر باشد، فرض می‌شود که تقاضا از دست می‌رود. توسط این مدل، تقاضای مشتریان ممکن است ازبین برود، چون یا تسهیل در شعاع پوشش آن وجود ندارد و یا تسهیلات مسدود شده‌اند. هدف، قرار دادن m تسهیل به گونه‌ای است که تقاضا‌ها را هرچه بیشتر پاسخ دهد. ماریانوف و ریوس این مدل را برای مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز به کار گرفتند. در مدل آن‌ها، دستگاه‌ها، حافظه کوچکی دارند که هر کدام می‌تواند تعداد ثابتی، b، درخواست را نگهدارند که آن به این علت است که درخواست‌های دستگاه‌ها، اندازه ثابتی (53 بایت) دارند. همچنین دستگاه‌ها به صورت یک صف M/M/1، حداکثر b درخواست در صف (یعنی حافظه) را انجام می‌دهد. اگر یک درخواست درحالی برسد که حافظه پر است، آن درخواست ازدست می‌رود (و باید دوباره فرستاده شود)، و برای اینکه مطمئن باشیم که این رویداد نادر است، یک محدودیت سطح سرویس اعمال شده‌است. به هر حال تعداد کل دستگاه‌ها،به جای اینکه به عنوان قسمتی از فرایند بهینه سازی تعیین شود، ثابت هستند. مدل LSCP این مدل توسط ماریانوف و سِرا گسترش داده شد که در آن، هدف، پیدا کردن حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که همه مشتریان، یک تسهیل در شعاع پوششان داشته باشند و محدودیت بر روی حداکثر نسبت تقاضای از دست رفته (یا حداکثر زمان انتظار) رعایت شود. باید به یاد داشته باشیم که این مدل، فرض می‌کند که مشتریان به جای اینکه به نزدیکترین تسهیل مراجعه کنند، می‌توانند به هر تسهیل باز شده‌ای در شعاع پوشش تخصیص یابند. بنابراین، آنها به جای مکانیسم انتخاب مشتری، مکانیسم انتخاب هدایت شده را انتخاب می‌کنند.
2-2-5-2- مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
دو منبع بالقوه برای از دست دادن تقاضا به صورت زیر است [12]:
عدم پوشش: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که هیچ کدام از تسهیلات به اندازه کافی به مشتری نزدیک نیستند که سطح مناسبی از راحتی را فراهم کنند.
عدم سرویس: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که مشتری تصمیم می‌گیرد که یک تسهیل را ملاقات کند، اما باتوجه با سطح سرویسی که در آنجا دریافت می‌کند، ناراضی می‌شود. علت‌های زیادی ممکن است وجود داشته باشد که حادثه شکست خدمت اتفاق افتد: یکی از رایج ترین آنها (و مرتبط ترین به تصمیمات مکانیابی) تراکم (پرجمعیتی) در آن تسهیل است.
برای مدل سازی تقاضایی که به علت تراکم از دست می‌رود، ما هر تسهیل را به صورت یک صف مارکفی با ظرفیت ثابت معین درنظر می‌گیریم و فرض می‌کنیم که اگر این ظرفیت به دست آمده باشد، تقاضای مشتری هنگامی‌که درطول این دوره می‌رسد، از دست می‌رود (یعنی، مشتریان بالقوه‌ای که هنگام پر بودن سیستم می‌رسند، مسدود می‌شوند).
مدل‌های LPSDC اصولاً به تقابل چهار مجموعه از عناصر مربوط می‌شود [9]:
مشتریان: که برای انجام خدمت، درخواست می‌دهند.
تسهیلات: که به منابعی (خدمات دهندگان) که برای انجام خدمات موردنیاز است مکان می‌دهند.
خدمت دهندگان: که خدمت درخواست شده را انجام می‌دهند، و
درخواست انجام خدمت: که توسط مشتریان انجام می‌شود و بوسیله اتصال یک مشتری با یک خدمت دهنده دردسترس، رسیدگی می‌شود.
دیگر اجزاء موردنیاز برای توصیف یک مدل LPSDC به صورت زیر هستند: انواع فراهم شدن خدمت (که یا مشتریان به تسهیلات سفر می‌کنند تا به خدمت دهندگان دست یابند و یا خدمت‌دهندگان متحرّک، به مکان مشتریان سفر می‌کنند)، طبیعت و نتایج تراکم (هنگامی‌که یک تسهیل درخواست‌های بسیار زیادی برای انجام خدمت دریافت می‌کند، چه عکس العملی از خود نشان می‌دهد؟)، فرضیات رفتار مشتری (مشتریان تصمیم می‌گیرند که برای بدست آوردن خدمت، به کدام تسهیل مراجعه کنند یا یک «مرجع مرکزی» وجود دارد که مشتریان را به تسهیلات متصل می‌کند)، نوع اهداف و احتیاجات خاص دیگر مانند «استانداردهای پوشش» (که معمولاً به صورت محدودیت‌ها بیان می‌شود).
یک شبکه مشخص را فرض می‌کنیم ، که N، مجموعه گره‌ها و A مجموعه کمان‌هاست. برای از استفاده می‌کنیم که به کوتاهترین مسیر از x به y است.
مشتریان: فرض می‌شود که مشتریان در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. نسبت را برای همه درخواست‌هایی که برای انجام خدمت از گره ایجاد می‌شود درنظر می گیریم که . معمولاً فرض می‌شود که کل تقاضای مشتریان برای خدمت‌رسانی، یک فرایند پوآسن از جنس زمان با نرخ است. همچنین فرایند درخواست خدمت برای هر گره i، یک فرایند پوآسن با نرخ می‌باشد. درحالیکه بیشتر مدل‌ها، از ساختار تقاضای مشتریانی که در بالا توضیح داده شد استفاده می‌کنند، بعضی تلاشها برای دخالت دادن امکان ازدست دادن تقاضا به علت تراکم انجام شده‌است. این می‌تواند بوسیله تعریف دوباره نرخ تقاضا در گره i به صورت تعریف شود که C، بعضی اندازه‌های هزینه تراکم است که بوسیله مشتریان اتفاق می‌افتد و یک تابع غیر افزایشی است. در ادامه این بخش، به طور عمومی فرض می‌کنیم که تحت تأثیر تراکم قرار نمی‌گیرد.
تسهیلات: ما فرض می‌کنیم که حداکثر M تسهیل وجود دارد که باید مکان‌یابی شود. ما فرض میکنیم که یک مجموعه گسسته از مکان‌های بالقوه تسهیلات X تعیین شده‌است (که ) و . این فرضیات نیز بدون از دست دادن عمومیت انجام می‌شود: باتوجه به استدلالاتی که توسط بِرمن، لارسون و چیو انجام شده‌است می‌توان نشان داد که اگر به تسهیلات اجازه دهیم که در هر جایی در طول کمان واقع شوند، یک حل بهینه در یک مجموعه گسسته از مکان‌ها بدست می‌آید که شامل گره‌های شبکه است که بوسیله بعضی نقاط داخلی در طول کمان ایجاد شده‌است. بنابراین، با تکمیل کردن مجموعه گره‌های اصلی بوسیله بعضی گره‌های «ساختگی» اضافی، می‌توان فرض کرد که X گره‌ای است.
خدمت دهندگان: هر تسهیل j می‌تواند بین 1 و K خدمت دهنده داشته باشد. بسته به ماهیت خدمتی که بوسیله این تسهیل انجام می‌شود، خدمت دهندگان یا ثابت هستند، یعنی به طور ثابت در تسهیل واقع می‌شوند، یا متحرک هستند، یعنی برای انجام خدمت به مکان مشتریان سفر می‌کنند. تعداد خدمت دهندگانی که در تسهیل j واقع می‌شوند، یک متغیرتصمیم گیری در مدل می‌باشد.
درخواست خدمت: معمولاً یک درخواست برای انجام خدمت، به یک «یارگیری» بین مشتری ایجاد کننده درخواست و یکی از خدمت دهندگان موجود در سیستم احتیاج دارد. این کار معمولاً به صورت زیر انجام می‌شود:
اول باید تعیین کنیم که آیا مکان i بوسیله سیستم پوشش داده می‌شود یا خیر؟ معمولاً برای اینکه یک مشتری پوشش داده شود فرض می‌شود که با استاندارد‌های پوشش معینی مطابقت دارد (مثلاً، تعداد خدمت دهنده کافی باید در اطراف مشتری واقع شده باشد و غیره). این استانداردهای پوشش اغلب از طریق قانونگذاری یا قوانین اجرایی ایجاد می‌شود. اگر مکان مشتری i پوشش داده نشده باشد، همه درخواست‌های خدمت که از i ایجاد می‌شود، به صورت خودکار بوسیله سیستم برگردانده می‌شود (صرفنظر از اینکه آیا سیستم در حال حاضر متراکم هست یا خیر؟). معمولاً برای از دست دادن پوشش مجموعه یک جریمه درنظر گرفته می‌شود. یک تفسیر دیگر از گسترش ندادن پوشش به یک مشتری این است که مشتری بوسیله بعضی خدمات «دیگر» یا «ذخیره» پوشش داده شود (مثلاً، یک خدمت آمبولانس غیردولتی)؛ پس جریمه پوشش ندادن، می‌تواند به عنوان حق الزحمه قرارداد فرعی تفسیر می‌شود.
زمانی که معین می‌شود که درخواست خدمت از یکی از مشتریان «پوشش داده شده» بیاید، یک ارزیابی انجام می‌شود که آیا حالت فعلی سیستم اجازه می‌دهد که فرایند درخواست انجام شود یا خیر؟ این ارزیابی معمولاً در دو مرحله اتفاق می‌افتد: اول، قوانین منطقه‌ای و مکان مشتری برای تعیین «زیرسیستم» مشتری، استفاده می‌شود، یعنی، کدام تسهیلات و خدمت دهندگان می‌توانند به طور بالقوه به این درخواست پاسخ دهند (این ممکن است شامل همه خدمت دهندگان در شبکه شود و یا فقط خدمت دهندگانی که در شعاع سفر معینی از مکان مشتری واقع شده‌اند و غیره). بعد، تعداد درخواست‌های انجام نشده در زیرسیستم ارزیابی می‌شود و تصمیم گیری می‌شود که آیا این درخواست پذیرفته شود یا رد شود؟ این تصمیم معمولاً براساس ظرفیت زیرسیستم صورت می‌پذیرد (مثلاً برای یک صف «ازدست رفته»، اگر هیچ خدمت دهنده‌ای در حال حاضر دردسترس نباشد، یک عدم پذیرش ممکن است اتفاق بیفتد؛ در موارد دیگر ممکن است این محدودیت وجود داشته باشد که چه تعداد درخواست می‌تواند در یک زمان مشخص در صف وجود داشته باشد). معمولاً یک جریمه مرتبط با قبول نکردن یک درخواست وجود دارد. باز هم تأکید می‌کنیم، برخلاف نپذیرفتن یک درخواست از مشتریانی که پوشش داده نشده‌اند که به صورت خودکار است، نپذیرفتن درخواست یک مشتری که پوشش داده شده‌است، براساس حالت سیستم است. به خاطر داشته باشید که قوانین منطقه ای، درجه همکاری بین تسهیلات گوناگون و خدمت دهندگان را در سیستم معین می‌کند.
بعد، درخواست پذیرفته شده به یکی از تسهیلات متصل می‌شود (یعنی تخصیص پیدا می‌کند). این تخصیص ممکن است به قوانین اتصال مطمئن بستگی داشته باشد، همانطور که به حالت فعلی سیستم بستگی دارد (مثلاً، یک درخواست ممکن است به نزدیکترین تسهیل متصل شود و یا ممکن است به نزدیکترین تسهیل با حداقل یک خدمت دهنده آزاد متصل شود و غیره). همچنین قوانین اتصال به فرضیات رفتار مشتریان نیز بستگی دارد، یعنی اینکه کدام تسهیل باید این درخواست را انجام دهد به مشتری بستگی دارد یا به بعضی مراجع مرکزی. ما، این مورد را که مشتری تصمیم می‌گیرد که کدام تسهیل باید به درخواستش رسیدگی کند به عنوان «انتخاب کاربر» و موردی که یک مرجع مرکزی این تصمیم را می‌گیرد به عنوان «انتخاب هدایت شده» می‌شناسیم.
معمولاً یک درخواست پذیرفته شده در یک تسهیل معین، در صف قرار می‌گیرد تا یک خدمت دهنده، دردسترس قرار گیرد. زمانی که این اتفاق می‌افتد، خدمت دهنده و مشتری «یارگیری» کرده‌اند. درمورد خدمت دهندگان متحرک، لازم است که این خدمت‌دهندگان از مکان فعلی شان به مکان مشتری سفر کنند (که متحمل هزینه سفر می‌شوند).
معمولاً مسائل مکانیابی با خدمت دهندگان متحرک، دارای مشخصات زیر هستند:
این تخصیص بستگی به حالت فعلی خدمت دهندگان در زمان ارسال دارد. برای خدمت دهندگان ثابت، این تخصیص ممکن است قبل از تصمیم گیری برای انجام خدمت اتفاق بیفتد، بنابراین ممکن است گفته شود که خدمت دهندگان متحرک ممکن است با یکدیگر همکاری کنند، درحالیکه خدمت دهندگان ثابت تمایلی به این کار ندارند.
اگر یک کاربر، درخواستی را انجام دهد و نزدیکترین خدمت دهنده مشغول باشد، خدمت دهنده دیگری ارسال می‌شود. یعنی، این تخصیص، در حالت مطلق، به نزدیکترین تسهیل اتفاق نمی‌افتد.
مسائل مکانیابی احتمالی اغلب می‌توانند به خوبی به صورت مجموعه مستقلی از سیستم‌های صف، مدل سازی شوند. این استقلال، ازطریق ابزاری ناشی می‌شود که حتی اگر زمان‌های خدمت از یک توزیع نمایی پیروی کنند، درمورد هنگامی‌که زمان سفر احتمالی است، این امر صادق نیست. بنابراین، تئوری صف M/G/m مناسب‌تر از تئوری M/M/m است.
حال به فرموله کردن مسأله می‌پردازیم. محدودیت‌های مسأله معمولاً شامل موارد ذیل است:
- یک حد بالای M بر روی کل تعداد تسهیلاتی که می‌توانند واقع شوند:
(14.2)
- یک حد بالای K بر روی کل تعداد خدمت دهندگانی که می‌تواند واقع شوند:
(15.2)
- استانداردهای پوشش: بسته به احتیاجات پوششی که استفاده می‌شود، می‌تواند شکل‌های گوناگونی به خود بگیرد. شاید ساده ترین (و قدیمی‌ترین) شکل این محدودیت‌ها، به این نیاز دارد که حداقل تعداد مشخصی از این خدمت دهندگان ،، باید در حداکثر فاصله مشخصی از هر مکان مشتری i، واقع شوند. اجازه دهید زیرمجموعه‌ای از مکان‌های تسهیلات بالقوه در فاصله موردنیاز از i باشد. پس این محدودیت می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(16.2)
شکل پیچیده تر این محدودیت پوشش، ممکن است احتیاجاتی احتمالی را به زمان‌های پاسخ تحمیل کند. مثلاً، یک پاسخ سه دقیقه‌ای زمان پاسخ را درنظر بگیرید که برای درخواست‌های آمبولانس با ارجحیت بالا موردنیاز است. شکل دیگری از محدودیت‌ها، ممکن است یک حد بالایی را بر روی نسبت درخواست‌هایی که برگردانده می‌شود ،، اعمال کند. به طور خلاصه، ما می‌توانیم یک محدودیت عمومی را به صورت زیر ارائه کنیم. اجازه دهید که یک متغیر تصادفی باشد که بیانگر «سطح سرویسی» است که بوسیله سیستم به نقاط تقاضای مشتری i تحویل می‌شود (مثلاً، زمان پاسخ). اجازه دهید، ، بیانگر حداقل فراوانی مطلوب این اتفاق باشد (مثلاً، 95% از این زمان). بنابراین، یک محدودیت سطح سرویس کلی می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(17.2)
اکنون، مسأله LPSDC عمومی می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود:
(18.2)
باتوجه به محدودیت‌های (15)، (16) و (17)

بدیهی است که برای اینکه فرمول بندی بالا را ساده کنیم، به بعضی روشها احتیاج داریم تا پارامترهای کارایی سیستم گوناگونی را که در توسعه تابع هدف و محدودیت‌ها استفاده شد را ارائه کنیم (یعنی، احتمال برگرداندن ، زمان انتظار صف و غیره). متأسفانه، معمولاً بیان تحلیلی کلی برای این مقادیر دردسترس نیست. این منجر به دو رویکرد ممکن می‌شود: رویکرد اول نیاز دارد که فرضیاتی ساده سازی مطمئنی را بر روی عملیات سیستم ایجاد کنیم (مانند قوانین منطقه‌ای ساده، زمان‌های سفر قابل اغماض و غیره). دومین رویکرد شامل استفاده از تکنیک‌هایی براساس توصیف است (مثل شبیه سازی) تا اندازه‌های کارایی سیستم موردنیاز را برای مقادیر خاص بردار مکان x محاسبه کنیم. علاوه بر آن می‌توان از بعضی تکنیک‌های ابتکاری استفاده کرد.
2-3- نظریه صف
انتظار در صف هر چند بسی ناخوشایند است، اما متأسفانه بخشی از واقعیت اجتناب ناپذیر زندگی را تشکیل می‌دهد. انسان‌ها در زندگی روزمره خود با انواع مختلف صف، که به از بین رفتن وقت، نیرو و سرمایه آن‌ها می‌انجامد، روبه رو می‌شوند. اوقاتی که در صف‌های اتوبوس، ناهارخوری، خرید و نظایر آن‌ها به هدر می‌رود، نمونه‌های ملموسی از این نوع اتلاف‌ها در زندگی است. در جوامع امروزی صف‌های مهمتری وجود دارد که هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی آن‌ها به مراتب بیش از نمونه‌های ساده فوق است.
2-3-1- مشخصات صف [13]
یک مدل صف در شکل (2-1) نشان داده شده‌است. آن می‌تواند یک مدل صف مثل ترتیب ماشین آلات یا اپراتورها باشد.

شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف
یک مدل صف بوسیله مشخصات زیر توصیف می‌شود:
فرایند رسیدن مشتریان
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان بین رسیدن‌ها مستقل هستند و یک توزیع رایج دارند. در بسیاری از کاربردهای عملی، مشتریان باتوجه به یک جریان پواسن (یعنی زمان بین رسیدن‌ها نمایی) می‌رسند. مشتریان ممکن است یک به یک و یا به صورت دسته‌ای برسند.
رفتار مشتریان
مشتریان ممکن است صبور باشند و راضی باشند که (برای یک مدت طولانی) منتظر بمانند. یا مشتریان ممکن است کم حوصله باشند و بعد از مدتی صف را ترک کنند.
زمان‌های رسیدن
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان‌های رسیدن مستقل هستند و به طور یکسان توزیع شده‌اند و مستقل از زمان بین رسیدن‌ها هستند. مثلاً زمان‌های رسیدن ممکن است به صورت قطعی یا نمایی توزیع شده باشد. همچنین ممکن است که زمان‌های رسیدن، وابسته به طول صف باشد.
نظم سرویس
ترتیبی که مشتریان ممکن است به صف وارد شوند به صورت‌های زیر می‌تواند باشد:
کسی که اول می‌آید، اوّل هم سرویس دهی می‌شود، مثل ترتیب رسیدن‌ها
ترتیب تصادفی
کسی که آخر می‌آید، اول سرویس دهی می‌شود.
حق تقدّم
اشتراک پردازنده (در کامپیوتر که قدرت پردازششان را در میان کل کارها در سیستم، به طور مساوی تقسیم می‌کنند).
ظرفیت سرویس
ممکن است یک سرور تک و یا گروهی از سرورها به مشتریان کمک کنند.
اتاق انتظار
ممکن است محدودیتهایی در رابطه با تعداد مشتریان در سیستم وجود داشته باشد.
یک کد سه قسمتی برای مشخص کردن این مدل‌های به صورت a/b/c استفاده می‌شود که حرف اول توزیع زمان بین رسیدن‌ها و حرف دوم توزیع زمان سرویس را مشخص می‌کند. مثلاً برای یک توزیع عمومی از حرف G و برای توزیع نمایی از حرف M (که M بیانگر فاقد حافظه بودن است) استفاده می‌شود. حرف سوم و آخر نیز تعداد سرورها را مشخص می‌کند. این نمادسازی می‌تواند با یک حرف اضافه که دیگر مدل‌های صف را پوشش دهد، گسترش یابد. مثلاً، یک سیستم با توزیع زمان بین رسیدن و زمان سرویس دهی نمایی، یک سرور و داشتن اتاق انتظار فقط برای N مشتری (شامل یکی در سرویس) بوسیله چهار کد حرفی M/M/1/N نشان داده می‌شود.
در این مدل پایه، مشتریان یک به یک می‌رسند و همیشه اجازه ورود به سیستم را دارند، همیشه اتاق وجود دارد، هیچ حق تقدّمی وجود ندارد و مشتریان به ترتیب رسیدن سرویس دهی می‌شوند.
در یک سیستم G/G/1 با نرخ رسیدن و میانگین زمان سرویس ، مقدار کار که در واحد زمان می‌رسد برابر است. یک سرور می‌تواند به یک کار در واحد زمان رسیدگی کند. برای جلوگیری از اینکه طول صف بینهایت نشود، باید .
معمولاً از نماد زیر استفاده می‌کنند:

اگر ، نرخ اشتغال یا بکارگیری سرور نامیده می‌شود، چون کسری از زمان است که سرور، مشغول کارکردن است.
2-3-2- قانون لیتِل [13]
اگر E(L)، میانگین تعداد مشتریان در سیستم، E(S)، میانگین زمان اقامت مشتری در سیستم باشد و ، متوسط تعداد مشتریانی باشد که در واحد زمان وارد سیستم می‌شوند، قانون لیتِل، رابطه بسیار مهمی را بین این سه نماد می‌دهد و به صورت زیر بیان می‌شود:
(19.2)در اینجا فرض می‌شود که ظرفیت سیستم برای رسیدگی به مشتریان کافی است (یعنی، تعداد مشتریان در سیستم به سمت بینهایت میل نمی‌کند).
به طور حسی، این نتیجه می‌تواند به صورت زیر فهمیده شود: فرض کنید که مشتریان هنگامی‌که به سیستم وارد می‌شوند، یک دلار در واحد زمان می‌پردازند. این پول می‌تواند به دو روش گرفته شود. روش اول اینکه به مشتریان اجازه دهیم که به طور پیوسته در واحد زمان بپردازند. پس متوسط درآمدی که توسط سیستم کسب می‌شود، برابر E(L) دلار در واحد زمان است. روش دوم این است که به مشتریان اجازه دهیم که برای اقامتشان در سیستم، 1 دلار را در واحد زمان در موقع ترک سیستم بپردازند. در موازنه، متوسط تعداد مشتریانی که در واحد زمان، سیستم را ترک می‌کنند برابر متوسط تعداد مشتریانی است که به سیستم وارد می‌شوند. بنابراین سیستم، یک متوسط درآمد دلار را در واحد زمان کسب می‌کند.
با به کار بردن قانون لیتِل در صف، رابطه‌ای بین طول صف، و زمان انتظار W به دست می‌آید:
(20.2)
2-3-3- صف M/M/1
این مدل، حالتی را درنظر می‌گیرد که زمان بین رسیدن‌ها، نمایی با میانگین ، زمان‌های سرویس، نمایی با میانگین و یک سرور مشغول کار است. مشتریان به ترتیب رسیدن، سرویس دهی می‌شوند. ما نیاز داریم که:
(21.2)درغیراینصورت، طول صف منفجر خواهد شد (قسمت قبل را ببینید). مقدار ، کسری از زمان است که سرور، مشغول کار است.
میانگین تعداد مشتریان در سیستم و همچنین میانگین زمانی که در سیستم گذرانده می‌شوند به صورت زیر بیان می‌شود:
(22.2)
و با استفاده از قانون لیتِل،
(23.2)
میانگین تعداد مشتریان در صف، ، می‌تواند از E(L) و با کم کردن میانگین تعداد مشتریان در سیستم بدست آید:
(24.2)
میانگین زمان انتظار، E(W)، از E(S) و با کم کردن میانگین زمان سرویس بدست می‌آید:
(25.2)
2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه
بسیاری از مسائل کاربردی در جهان واقعی را مسائل بهینه سازی ترکیباتی چندهدفه تشکیل می‌دهند، زیرا متغیر‌های مجزا و اهداف متضاد به طور واقعی در ذات آنها است. بهینه سازی مسائل چندهدفه نسبت به مسائل تک هدفه متفاوت بوده، زیرا شامل چندین هدف است که باید در بهینه‌سازی به همه اهداف همزمان توجه شود. به عبارت دیگر الگوریتم‌های بهینه سازی تک هدفه، حل بهینه را با توجه به یک هدف می یابند و این در حالی است که در مسائل چندهدفه (با چندهدف مخالف و متضاد) معمولاً یک حل بهینه مجزا را نمی توان بدست آورد. بنابراین طبیعی است که مجموعه ای از حل‌ها برای این دسته از مسائل موجود بوده و تصمیم گیرنده نیاز داشته باشد که حلّی مناسب را از بین این مجموعه حل‌های متناهی انتخاب کند و در نتیجه حل مناسب، جواب‌هایی خواهد بود که عملکرد قابل قبولی را نسبت به همه اهداف داشته باشد.
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه
مسائل بهینه سازی چندهدفه را به طور کلی می‌توان به صورت زیر فرموله کرد:
(26.2)

x یک حل است و S مجموعه حل‌های قابل قبول و k تعداد اهداف در مسأله و F(x) هم تصویر حل x در فضای k هدفی و هم مقدار هر یک از اهداف است.
تعریف حل‌های غیرمغلوب: حل a حل b را پوشش می‌دهد، اگر و تنها اگر:
(27.2)
(28.2)
به عبارت دیگر، حل‌های غیرمغلوب، به حل‌های گفته می‌شود که حل‌های دیگر را پوشش داده ولی خود، توسط حل‌های دیگر پوشش داده نمی‌شوند. در شکل (2-2) چگونگی پوشش سایر حل‌ها (دایره‌های با رنگ روشن) توسط مجموعه حل‌های غیرمغلوب (دایره‌های تیره رنگ) نشان داده شده‌است. در این شکل، جبهه‌ی پارتو با خط چین نشان داده شده‌است.
هدف B
هدف A
هدف B
هدف A

شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک
با توجه به آنکه بسیاری از مسائل بهینه سازی، NP-Hard هستند، بنابراین حل به روش‌های دقیق در یک زمان معقول غیرممکن بوده و در نتیجه، استفاده از روش‌های فراابتکاری در این موارد مناسب می باشد. درحقیقت الگوریتم‌های فراابتکاری برای زمانی که محدودیت زمانی وجود دارد و استفاده از روش‌های حل دقیق میسّر نبوده و یا پیچیدگی مسائل بهینه سازی زیاد باشد، به دنبال جواب‌های قابل قبول هستند.
اولین پیاده سازی واقعی از الگوریتم‌های تکاملی، «الگوریتم ژنتیک ارزیابی برداری» توسط دیوید اسکافر در سال 1984 انجام گرفت. اسکافر الگوریتم را به سه بخش انتخاب، ترکیب و جهش که به طور جداگانه در هر تکرار انجام می‌شدند، تغییر داد. این الگوریتم به صورت کارآمدی اجرا می‌شود، اما در برخی از حالات مانند اریب بودن اهداف، با مشکل مواجه می‌شود. درواقع هدف اول الگوریتم‌های بهینه یابی چندهدفه، یعنی رسیدن به جواب‌های بهینه پارتو، به نحو شایسته‌ای توسط این الگوریتم بدست می‌آید، ولی جواب‌های بدست آمده از گستردگی و تنوع خوبی برخوردار نیستند.
در ادامه این قسمت، به سه الگوریتم تکاملی چند هدفه که مبنای اصلی آنها، الگوریتم ژنتیک می‌باشد، می‌پردازیم. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند؛ چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است.
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب
دب و همکارانش [14]، یک نخبه گرایی دسته بندی یا مرتب سازی نامغلوب را در الگوریتم‌های ژنتیک پیشنهاد دادند. در اغلب مواقع، این الگوریتم شباهتی به NSGA ندارد، ولی مبتکران نام NSGA-II را به دلیل نقطه پیدایش آن، یعنی همان NSGA، برای آن حفظ کردند.
در این روش، ابتدا جمعیت فرزندان، ، با استفاده از جمعیت والدین، ، ساخته می‌شود. در اینجا به جای پیدا کردن جواب‌های نامغلوب از ، ابتدا دو جمعیت با یکدیگر ترکیب شده و جمعیت با اندازه 2N را ایجاد می‌کنند. سپس از یک مرتب سازی نامغلوب برای دسته بندی تمام جمعیت استفاده می‌شود، البته این مرتب سازی، نسبت به مرتب سازی بر روی ، به تعداد مقایسه بیشتری نیاز دارد. در این شیوه، یک مقایسه عمومی در بین اعضای که مجموع دو جمعیت فرزندان و والدین است، انجام می‌شود و پس از ایجاد صف‌های متفاوت نامغلوب، به ترتیب اولویت (اولویت صفها نسبت به هم) جمعیت بعدی، یکی یکی از این صف‌ها پر می‌شود. پر کردن جمعیت ، با بهترین صف نامغلوب شروع شده و سپس به ترتیب با دومین صف نامغلوب و همین طور سومین و الی آخر، تا زمانی که پر شود، ادامه می‌یابد. از آنجا که اندازه برابر 2N است، تمام اعضای آن ممکن است نتوانند در قرارگیرند و به راحتی جواب‌های باقیمانده را حذف خواهیم کرد. شکل (2-3) نحوه عمل الگوریتم NSGA II را نمایش می‌دهد.

شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II
درمورد جواب‌هایی که در صف آخر با استفاده از عملگر نخبه گرایی ازبین می‌روند، باید مهارت بیشتری به کار برده و جواب‌هایی که در ناحیه ازدحام کمتری قراردارند را حفظ کرد. درواقع برای رعایت اصل چگالی در بین جواب‌ها، جواب‌هایی که در ناحیه ازدحامی کوچکتری هستند، برای پر کردن ، در اولویت قرار دارند.
یک استراتژی شبیه بالا در پیشرفت مراحل اولیه از تکامل الگوریتم، تأثیر زیادی نخواهد داشت، چرا که اولویت‌های زیادی در جمعیت ترکیب شده از فرزندان و والدین وجود دارد. احتمالاً جواب‌های نامغلوب زیادی وجود دارند که آماده قرارگرفتن در جمعیت قبل از آن که اندازه‌اش از N تجاوز کند، می‌باشند. یک مسأله مهم و در عین حال سخت این است که مابقی جمعیت چگونه باید پر شود؟ اگرچه درخلال مراحل بعدی شبیه سازی الگوریتم، احتمالاً بیشتر جواب‌های موجود در جمعیت با اندازه 2N، در رده جواب‌هایی با بهترین درجه نامغلوب بودن قرار می‌گیرند و تعداد آن‌ها از N متجاوز خواهد شد، اما الگوریتم بالا با یک راهکار موقعیتی انتخاب، وجود مجموعه متنوعی از جواب‌ها در جمعیت را تضمین می‌کند. با چنین راهکاری، یعنی زمانی که به‌نحوی تمام ناحیه بهینه پارتو توسط جمعیت پوشانده می‌شود، در ادامه الگوریتم، جواب‌های گسترده تری را در فضای جواب فراهم خواهدآورد.


در ادامه، الگوریتم NSGA-II را به اختصار آورده ایم [15]:
گام 1: جمعیت فرزندان و والدین را با یکدیگر ترکیب کرده و را می‌سازیم:

جمعیت حاصل را با استفاده از یک مرتب سازی نامغلوب به صفوف دسته بندی می‌کنیم.
گام 2: قرارمی‌دهیم، i=1، سپس تا زمانی که ، عملیات زیر را تکرار می‌کنیم:

گام 3: روال مرتب سازی ازدحام را اجرا کرده و با استفاده از مفهوم فاصله ازدحام، ارزشهای متفاوتی را برای از جواب‌های تعیین می‌کنیم.
گام 4: جمعیت فرزندان را از با استفاده از یک الگوریتم انتخاب مسابقه‌ای ازدحام و عملگرهای ترکیب و جهش ایجاد می‌کنیم.
گام سوم از الگوریتم بالا، مرتب سازی برحسب ازدحام جواب‌ها در صف i (منظور آخرین صفی است که احتمالاً برخی از جواب‌های موجود در آن نتوانسته‌اند در جمعیت قرار گیرند)، با بکارگیری مفهوم فاصله ازدحام انجام می‌شود. بنابراین، جمعیت به صورت نزولی تحت میزان بزرگی ارزش فاصله ازدحام مرتب شده و در گام چهارم یک عملگر انتخاب مسابقه‌ای ازدحام که مبنای مقایسه آن همان فاصله ازدحام است بکار برده می‌شود. لازم به ذکر است، مرتب سازی نامغلوب واقع در گام اول می‌تواند به همراه عمل پر کردن جمعیت به صورت موازی انجام شود. درواقع هر بار که یک صف نامغلوب، پیدا شده و تست می‌شود که ازنظر اندازه می‌تواند به جمعیت اضافه شود یا نه، درصورتی که نتواند، دیگر نیازی نیست که مرتب سازی بیشتری انجام دهیم. این موضوع، به کاهش زمان اجرا الگوریتم کمک می‌کند.
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده
اگر در حین حل مسأله‌ای که باید حل شود، حل‌هایی ایجاد شود که با محدودیت‌های مسأله مغایرت داشته باشد و آن‌ها را نقض کند و درنتیجه غیرقابل قبول باشد، چگونه باید با این موضوع برخورد کرد؟ روش‌های مختلفی برای مقابله با این موضوع وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به توابع جریمه و یا نادیده گرفتن و حذف حل غیرقابل قبول ایجاد شده اشاره کرد.
الگوریتم CNSGA-II، همانند الگوریتم NSGA-II عمل می‌کند، تنها با این تفاوت که برای رسیدگی به محدودیت‌ها، روشی را برمی‌گزیند که براساس مفهوم غلبه و امتیازدهی عمل می‌کند [14].
این روش که به محدودیت رسیدگی می‌کند، از انتخاب تورنمنت دودویی استفاده می‌کند که دو حل از جمعیت، انتخاب و حل بهتر انتخاب می‌شود. باتوجه به محدودیتها، هر حل می‌تواند یا قابل قبول و یا غیرقابل قبول باشد. بنابراین، ممکن است حداکثر سه وضعیت به وجود آید:
هرد و حل قابل قبول باشند؛
یکی از حل‌ها قابل قبول و دیگری غیرقابل قبول باشد؛
هر دو حل غیر قابل قبول باشند.
برای مسائل بهینه سازی تک هدفه، از یک قانون ساده برای هر مورد استفاده می‌کنیم:
مورد 1) حلی که تابع هدف بهتری دارد را انتخاب می‌کنیم.
مورد 2) حل قابل قبول را انتخاب می‌کنیم.
مورد 3) حلی که کمترین انحراف از محدودیت‌ها را دارد انتخاب می‌کنیم. باتوجه به اینکه در هیچدام از موارد، اندازه تابع هدف و محدودیت‌ها با یکدیگر مقایسه نشده‌اند، هیچ نیازی به داشتن پارامترهای جریمه نیست، این موضوعی است که این رویکرد را مفید و جذاب کرده‌است.
درمورد مسائل بهینه سازی چندهدفه، دو مورد آخر می‌تواند همانطور که هستند استفاده شوند و مورد اول نیز می‌تواند با استفاده از اپراتور مقایسه ازدحام، حل شود. برای مقایسه کردن در این الگوریتم، تعریف «غلبه» را بین دو حل i و j تعریف می‌کنیم.
تعریف 1) حل i اگر یکی از وضعیت‌های زیر درست باشد، گفته می‌شود که از لحاظ محدودیت بر حل j غلبه دارد:
حل i قابل قبول است ولی حل j نیست.
حل i و j هر دو غیر قابل قبول می‌باشند، اما حل i انحراف از محدودیت کمتری دارد.
حل i و j قابل قبول هستند و حل i، حل j را مغلوب می‌کند.
اثر استفاده از مفهوم غلبه محدودیت این است که، هر حل قابل قبول، رتبه غیرمغلوبی بهتری از هر حل غیرقابل قبول دارد. همه حل‌های قابل قبول، باتوجه به سطح غلبه شان و براساس مقادیر توابع هدفشان رتبه بندی می‌شوند. به هر حال، از بین دو حل غیر قابل قبول، حلی که کمترین انحراف از محدودیت را دارد، دارای رتبه بهتری است. به هر حال، این اصلاح، در مفهوم غلبه، تغییری در پیچیدگی NSGA-II ندارد. بقیه فرایند CNSGA-II، همانطور که قبلاً درمورد NSGA-II توضیح داده شد، اجرا می‌شود.
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب
این الگوریتم که توسط الجدان و همکارانش [16] ارائه شده، الگوریتم انتخاب چرخ رولت رتبه‌بندی شده را با الگوریتم رتبه بندی جمعیت برمبنای پارتو ترکیب می‌کند. در این الگوریتم از الگوریتم انتخاب چرخ رولتی استفاده شده‌است که به هر عضو، یک اندازه برازش برابر با رتبه اش در جمعیت، تخصیص می‌دهد؛ بالاترین رتبه، بیشترین احتمال را دارد که انتخاب شود (درمورد ماکزیمم سازی).
این احتمال به صورت معادله زیر محاسبه می‌شود:
(29.2)
که N، تعداد اعضاء این جمعیت است. در این الگوریتم، اعضاء در یک جبهه، براساس فاصله ازدحامشان و جبهه ها براساس رتبه غلبه شان رتبه می‌گیرند.
الگوریتم NRGA، همان طور که سودوکد آن را در شکل (2-4) مشاهده می کنید، به این صورت است که ابتدا، یک جمعیت تصادفی والدین، P، ایجاد می‌شود. مرتب کردن جمعیت براساس غلبه است. به هر حل، برازشی (یا رتبه ای) برابر سطح غلبه اش، تخصیص داده می‌شود (1 برای بهترین سطح، 2 برای سطح بعدی و الی آخر).
Initialize Population P
{ Generate random population-size N
Evaluate Objective Values
Assign Rank (level) Based on Pareto dominance-sort }
Generate Child Population Q
{ Ranked based Roulette Wheel Selection
Recombination and Mutation }
for i=1 to g do
for each member of the combined population do
Assign Rank (level) Based on Pareto-sort
Generate sets of non-dominated fronts

user8294

عنوان
شکل(1-1): (الف) مجموعه محدب- (ب) مجموعه غیرمحدب..............................................................17
شکل (2-1): غیرخطی بودن کلی قطعه ای...............................................................................................27
شکل (2-2): غیرخطی بودن محلی قطعه ای............................................................................................28
شکل (2-3): توابع عضویت و ..........................................................................31
شکل (2-4): توابع عضویت و .........................................................................31
شکل(4-1): دنبال نمودن خروجی مرجع توسط کنترل کننده طراحی شده برای مثال 4-1........64
شکل (4-2): تغییرات سیگنال کنترلی ورودی مثال 4-1 در گذر زمان..............................................65
شکل(4-3): تغییرات ضریب تضعیف تعیین شده برای مثال 4-1 در گذر زمان................................66
شکل(5-1): دنبال نمودن خروجی مرجع توسط کنترل کننده طراحی شده برای مثال 5-1........77
شکل (5-2): تغییرات سیگنال کنترلی ورودی مثال 5-1 در گذر زمان..............................................78
شکل(5-3): تغییرات ضریب تضعیف تعیین شده برای مثال 5-1 در گذر زمان................................79
شکل(6-1): دنبال نمودن خروجی مرجع توسط کنترل کننده طراحی شده برای مثال 6-1........96
شکل (6-2): تغییرات سیگنال کنترلی ورودی مثال 6-1 در گذر زمان..............................................97
شکل(6-3): تغییرات ضریب تضعیف تعیین شده برای مثال 6-1 در گذر زمان................................98
مقدمه
مسئله پایدار سازی و کنترل سیستمهای غیر خطی از مسائل مهم در تئوری کنترل می باشند. یک گام اساسی و مهم در این زمینه تحقیقاتی، مدلسازی سیستم غیر خطی با استفاده از تکنیک مدل سازی فازی تاکاگی – سوگنو T - Sمی باشد. به کمک این مدلسازی، سیستم غیر خطی اولیه، با ترکیب مجموعه ای از زیر سیستمهای خطی تقریب زده می شود. هر زیر سیستم خطی با یک بیان قاعده اگر – آنگاه (IF-Then Rule) توصیف می شود. در گام دوم که طراحی کنترل کننده دلخواه می باشد، برای هر زیر سیستم خطی یک کنترل کننده خاص با در نظر گرفتن کلیه زیرسیستم های خطی طراحی می شود. گام نهایی ترکیب فازی مناسب همه کنترل کننده های خطی طراحی شده برای ساخت کنترل کننده نهایی خواهد بود. به این روش طراحی کنترل کننده، جبرانسازی توزیع شده موازی (Parallel Distributed Compensation) گفته می شود.
نه فقط پایدار سازی یک سیستم غیر خطی، بلکه کنترل مناسب آن سیستم هم مد نظر می باشد. در این رساله ، تمرکز ما بر مسئله تعقیب خواهد بود. این مسئله پیشینه ای 12 ساله در تئوری کنترل فازی دارد و با انتشار پروژه - ریسرچمنتشر شده درمنبع ]1[ آغاز شده است. در طی سالهای بعد از انتشار این پروژه - ریسرچ، روشها و کاربردهای دیگری نیزبه این زمینه تحقیقاتی افزوده شده اند. از جمله می توان به منابع دیگر ] 9[-] 2[ رجوع داد. نکته قابل توجه در تمامی این طراحی های کنترل کننده فازی تعقیب با استفاده از ساختار مشاهده گر حالت کنترل مدرن برای پی ریزی ساختار کنترل کننده است. این ساختار چند ویژگی دارد، بطور ساده ای بیان می شود ولی طراحیهای بهره مشاهده گر و بهره کنترل کننده در آن بسیار پیچیده است؛ زیرا این بهره ها باید از روی اطلاعات تمامی زیر سیستمهای خطی در مدل تاکاگی – سوگنو محاسبه شوند. نکته قابل تامل دیگر در این ساختار، هم درجه بودن کنترل کننده و سیستم تحت کنترل است.
در این رساله، هدف ما طراحی کنترل کننده فازی استاتیکی خروجی برای نیل به حل مسئله تعقیب برای سیستمهای غیر خطی می باشد. کنترل کننده استاتیکی خروجی از تنها یک یا چند بهره تشکیل شده است که سیگنال کنترلی متناسب با مقدار لحظه ای خروجی و مقدار لحظه ای سیگنال مبنا تولید می کند. این کنترل کننده در قیاس با کنترل کننده دینامیکی خروجی بسیار ساده طراحی می شود و بسیار ساده نیز بطور عملی بکار گرفته می شود و کنترل کننده از مرتبه یک بوده و هم درجه با سیستم تحت کنترل نمی باشد. دلیل اصلی ما در انتخاب این تحقیق، همین مزایای کنترل کننده استاتیکی خروجی می باشد. لازم به ذکر است که تا زمان تهیه این رساله، در این زمینه کار اساسی انجام نگرفته و پروژه - ریسرچای منتشر نشده است.
همانطور که بیان گردید هدف از این رساله، بررسی مسئله طراحی کنترل کننده فازی استاتیکی خروجی برای رسیدن به خطای کم درتعقیب یک سیگنال مبنا در مسئله تعقیب می باشد. در این رساله، پس از طی مراحل اولیه، هدف ما توسعه روش ابداعی به سیستمهایی است که در ساختار معادلات آنها اجزائ تأخیر دار وجود داشته باشند. تاخیر در بسیاری از سیستمهای فیزیکی وجود دارد. اضافه شدن اجزای تأخیر دار به هر سیستم دینامیکی منجر به ناپایداری سیستم حلقه بسته و یا عملکرد ضعیف کنترلی آن می شود. هدف نهایی ما در این تحقیق ، حل مسئله کنترل فازی در تعقیب در مورد سیستمهای دارای تاخیر می باشد
قدم بعدی در این رساله، تعمیم این مسئله کنترلی به سیستمهایی است که دارای نامعینی می باشند. در واقع، هدف اصلی ، طراحی کنترل کننده فازی استاتیکی خروجی مقاوم می باشد. علت اصلی درانتخاب این هدف، لزوم مقاوم طراحی کردن کنترل کننده مقاوم است. در هر مسئله کنترلی که در آن یک سیستم غیر خطی با مدلسازی تاکاگی – سوگنو به مجموعه ای از زیر سیستمهای خطی بیان می شود، تقریبهای زیادی وارد می شود. اگر در طراحی کنترل کننده، این تقریبها مد نظر قرار نگیرند، احتمال ناپایداری سیستم حلقه بسته بوجود می آید. برای اجتناب از این نقص، بایستی کنترل کننده مقاوم طراحی شود. این کار مستلزم در نظر گرفتن اجزای نامعین در مدل فازی تاکاگی – سوگنو از سیستم غیر خطی است. حال با در نظر گرفتن این اجزا، باید جبران کننده نهایی طراحی شود.
ابزاری که ما در بیان مسئله تعقیب و مسئله کنترل فازی تعقیب در طراحی کنترل کننده بکار خواهیم گرفت ، نامعادلات خطی ماتریسی هستند. در 18 سال گذشته ، مقالات بسیار زیادی در زمینه های مختلف کنترلی منتشر شده اند که در آنها بیان مسئله و طراحی کنترل کننده بر مبنای تئوری نامعادلات خطی ماتریسی بوده است. ما نیز در این تحقیق از این تئوری برای رسیدن به طراحی نهایی استفاده خواهیم نمود،] 10[.
آشنایی با نامعادلات ماتریسی خطی و جعبه ابزار مربوطه در نرم افزار MATLAB
نامعادلات ماتریسی خطی
یک نامعادله ماتریسی خطی (LMI) در حالت کلی به فرم زیر میباشد:

که در آن یک تابع خوش ریخت از بردار حقیقی بوده ، ، تا ماتریس های متقارن مشخص هستند و یک بردار از متغیر های تصمیم گیری میباشد. نماد عدم تساوی در رابطه فوق به این معناست که معین مثبت میباشد، یعنی برای تمامی غیرصفر یا میتوان گفت به این معناست که بزرگترین مقدار ویژه دارای قسمت حقیقی مثبت میباشد.
LMI های چندگانه را میتوان بصورت یک LMI بصورت در نظر گرفت. لذا ما هیچ تفاوتی بین یک مجموعه از LMI ها و یک LMI واحد قائل نمیشویم.
در بسیاری از موارد LMI ها به فرم کانونی (1-1) ظاهر نمیشوند بلکه به فرم

به نمایش درمی آیند که در آن و توابعی خوش ریخت از برخی متغیر های ماتریسی میباشند.
همچنین برخی افراد ساختار زیر را ترجیح میدهند:

خواص نامعادلات ماتریسی خطی
مجموعه جواب های امکان پذیر (1-1) یعنی یک مجموعه محدب میباشد. این یک ویژگی مهم میباشد چراکه تکنیک های حل عددی قدرتمندی برای مسائل دارای مجموعه جواب های محدب وجود دارد.
تحدب: یک مجموعه محدب است اگر و. به عبارت دیگر مجموعه ای محدب است که پاره خط بین هر دو نقطه که در این مجموعه قرار دارند نیز در مجموعه قرار داشته باشد. شکل (1-1) دو مجموعه محدب و غیرمحدب را نشان میدهد. خاصیت تحدب یک نتیجه بسیار مهم دارد و آن اینکه اگر چه معادله (1-1) در حالت کلی دارای راه حل جبری نمیباشد ولی میتوان آنرا با روش های حل عددی حل نمود، با این تضمین که در صورت وجود جواب آنرا پیدا خواهد کرد.

(الف)
(ب)

شکل(1-1): (الف) مجموعه محدب- (ب) مجموعه غیرمحدب
LMI (1-1) یک نامعادله اکید است و فرم غیراکید آن بصورت زیر میباشد:

خاصیت تقارن: LMI ها متقارن میباشند. این خاصیت باعث سادگی تعریف آنها میشود چراکه نیازی به مشخص نمودن تمامی عناصر LMI نیست و تنها مشخص کردن عناصر روی قطر اصلی و بالا یا پایین آن کفایت میکند.
نامعادلات غیرخطی را میتوان با استفاده از متمم Schur به فرم LMI تبدیل نمود. ایده اصلی به این ترتیب است:
LMI زیر را در نظر بگیرید:

که در آن ، و بطور خطی به وابسته میباشد.
LMI فوق معادل نامعادلات زیر میباشد

به بیان دیگر مجموعه نامعادلات غیرخطی(1-6) را میتوان بصورت LMI (1-5) نشان داد.
ماتریس ها بعنوان متغیر
ما اغلب با مسائلی مواجه میشویم که در آنها متغیر ها دارای ساختار ماتریسی میباشند، برای مثال نامعادله لیاپانوف

که در آن ماتریسی معین بوده و متغیر میباشد.در این مورد ما صریحاً LMI را به فرم نخواهیم نوشت اما در عوض مشخص خواهیم کرد کدام ماتریس ها متغیر میباشند. اما با این حال میتوان به سادگی نامعادله لیاپانوف را به فرم (1-1) تبدیل کرد.
جعبه ابزار LMI در نرم افزار MATLAB
جعبه ابزار LMI در نرم افزار MATLAB مجموعه ای از توابع مفید برای حل مسائل مربوط به LMI ها را در اختیار کاربر میگذارد.
بطور کلی یک مسئله شامل LMI ها در نرم افزار MATLAB در دو مرحله حل میگردد. ابتدا اقدام به تعریف LMI های موجود در مسئله میکنیم. این مرحله شامل تعیین متغیر های تصمیم گیری در LMI ها و تعریف LMI ها براساس این متغیر ها میباشد. همانطور که در بخش گذشته بحث گردید نمایش های مختلفی برای یک LMI وجود دارد. MATLAB به سادگی از فرم ماتریسی متغیر های تصمیم گیری که در (1-2) داده شده است به جای فرم برداری که در (1-1) داده شده، استفاده میکند. در مرحله دوم مسئله با استفاده از حل کننده های موجود بطور عددی حل میگردد. چنانچه مسئله شامل کمینه سازی یک تابع با متغیر های تصمیم گیری برداری شکل میباشد بایستی اقدام به تبدیل فرم ماتریسی متغیر های تصمیم گیری به فرم برداری با استفاده از توابع لازم نماییم.
تعیین یک سیستم از LMI ها
توصیف یک LMI به سادگی توسط دستور زیر آغاز میشود:
setlmis([]);
همانطور که مشاهده میکنید برای این تابع هیچ پارامتری تعیین نمیگردد.
پس از آن اقدام به تعریف متغیر ها تصمیم گیری با استفاده از دستور lmivar مینماییم.
برای مثال نامعادله ماتریسی خطی را در نظر بگیرید.در اینجا یک ماتریس ثابت و ماتریس متغیر های تصمیم گیری میباشد. تابع lmivar این اجازه را به ما میدهد که چندین فرم مختلف از ماتریس تصمیم را تعریف نماییم. به عنوان مثال فرض میکنیم که یک ماتریس متقارن با ساختار قطری بصورت زیر باشد:

در این مورد دارای بلوک قطری میباشد. اگر در این مثال را برابر 4 در نظر بگیریم و ابعاد ماتریس های به ترتیب برابر 1،3،5و2 و همگی غیرصفر باشند، با استفاده از ستورات زیر تعریف میشود:
structureX=[5,1;3,1;1,0,2,1]
X=lmivar(1,structureX);
در دستورات فوق تعداد سطر های structureX بیانگر آنست که دارای 4 بلوک میباشد. اولین المان از سطر ابعاد بلوک موجود در را مشخص میکند. دومین المان از بلوک نوع بلوک را تعیین مینماید: 1 برای بلوک کامل، 0 برای اسکالر و -1 برای بلوک صفر. عدد 1 در دستور lmivar این موضوع را بیان میکند که یک ماتریس متقارن با ساختار قطری میباشد.
حال چنانچه ساختار متغیر مورد نظر مربعی نباشد و به عنوان مثال ساختاری مستطیلی شکل با 3 سطر و 5 سطون داشته باشد دستور مربوطه به شکل زیر خواهد بود:
lmivar=(2,[3 5])

در گام بعد باید LMI ها را بصورت تک تک تعریف نماییم. برای مثال اگر LMI بخش قبل یعنی را در نظر بگیریم این LMI با دستورات زیر تعریف میگردد:
typeLMI1=[1 1 1 1];
lmiterm(typeLMI1,C,C');
همانطور که مشاهده میشود در ساده ترین حالت lmiterm سه آرگومان میپذیرد. اولین آرگومان یک بردار میباشد. اولین ستون این بردار شماره LMI مورد تعریف را مشخص میکند که در این مورد LMI شماره 1 در حال تعریف میباشد. ستون دوم و سوم این بردار موقعیت ترم مورد تعریف در LMI را مشخص میکنند و ستون چهارم شماره متغیر تصمیم گیری موجود در ترم مورد نظر را مشخص میکند. آرگومان های دوم و سوم این دستور ضرایب سمت چپ و راست ماتریس تصمیم گیری میباشند. چنانچه بخواهیم نامعادله ماتریسی خطی را تعریف نماییم دستورات بصورت زیر خواهند بود
typeLMI1=[-1 1 1 1];
lmiterm(typeLMI1,C,C');
بعنوان یک مثال پیچیده تر به منظور آشنایی بیشتر با دستورات دو LMI زیر را در نظر میگیریم:

که در آنها و ماتریس های تصمیم گیری میباشند. ساختار را مانند قبل در نظر گرفته و را یک ماتریس کامل متقارن با بعد 4 در نظر میگیریم. مجموعه دستورات زیر این دو LMI را تعریف میکنند:
structureX = [5,1;3,1;1,0;2,1];
X = lmivar(1,structureX);
structureS = [4,1]
S = lmivar(1,structureS);
lmiterm([1 1 1 1],A,A'); % term AXA'
lmiterm([1 1 1 2],B',C); % term B'SC
lmiterm([1 1 2 1],1,D); % term XD
lmiterm([1 2 1 1],D',1); % term D'X
lmiterm([1 2 2 2],1,1); % term S
typeLMI2 = [-1 1 1 1];
lmiterm(typeLMI2,E,E'); % term EXE'
در این مثال به وضوح مشخص است که ترم های دوم و سوم آرگومان اول lmiterm مکان ترم مورد تعریف را در LMI مشخص میکنند.
گام نهایی استفاده از دستور زیر به منظور ایجاد LMI ها میباشد:
LMIs=getlmis;
اکنون نوبت به حل LMI ها میرسد. بطور کلی سه نوع حل کننده LMI در نرم افزار MATLAB مورد استفاده قرار میگیرند که عبارتند از feasp ، mincx و gevp که اولین مورد یعنی feasp برای حل مسئله امکان پذیری LMI ها بصورت زیر مورد استفاده قرار میگیرد:
[tmin,xfeasp]=feasp(LMIs);
که xfeasp شامل متغیر های تصمیم و tmin متغیری است که باید در بهینه سازی منفی گردد.
اکنون برای مشاهده متغیر ها بایستی آنها را به فرم ماتریسی دربیاوریم که این کار با دستور زیر برای مثال قبل امکان پذیر است:
X=dec2mat(LMIs,xfeasp,X);
S=dec2mat(LMIs,xfeasp,S);
پس از این با اجرای فایل نوشته شده نرم افزار به ما میگوید که آیا نامعادلات ماتریسی خطی نوشته شده به ازای پارامتر های موجود امکان پذیر میباشند یا خیر و ما میتوانیم با مشاهده نتایج خواسته های خود را دنبال نماییم.
2- مدل فازی تاکاگی- سوگنو و جبران سازی موازی توزیع شده
2-1- مقدمه
در سال های اخیر شاهد رشد سریع محبوبیت سیستم های کنترل فازی در کاربرد های مهندسی بوده ایم. کاربرد های موفقیت آمیز و بیشمار کنترل فازی موجب انجام فعالیت های گسترده در زمینه آنالیز و طراحی سیستم های کنترل فازی شده است.
این فصل به معرفی مفاهیم پایه، آنالیز و فرآیند های طراحی مدل فازی تاکاگی- سوگنو و جبران سازی موازی توزیع شده میپردازد. این فصل با معرفی مدل فازی تاکاگی- سوگنو آغاز شده و با روند ایجاد چنین مدل هایی دنبال میشود. سپس یک طراحی کنترل کننده فازی مبتنی بر مدل (model-based) که از مفهوم " جبران سازی موازی توزیع شده" بهره میبرد، تشریح شده است.
مدل فازی تاکاگی- سوگنو
تشریح روند طراحی را با نمایش دادن یک سیستم غیر خطی توسط مدل فازی تاکاگی- سوگینو آغاز میکنیم.
مدل پیشنهاد شده توسط تاکاگی و سوگنو توسط قوانین فازی اگر- آنگاه که رابطه محلی خطی ورودی- خروجی یک سیستم غیر خطی را نشان میدهند، توصیف میشود. مشخصه اصلی یک مدل فازی تاکاگی- سوگنو بیان دینامیک های محلی هر قانون فازی توسط یک مدل خطی سیستم است. مدل فازی کلی سیستم با ترکیب فازی مدل های خطی سیستم حاصل میشود.
i امین قانون از مدل فازی T-S برای سیستم های فازی پیوسته به شکل زیر است:
اگر و ... باشند. آنگاه:(2-1)
و برای سیستم های فازی گسسته به صورت زیر میباشد:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(2-2)
که در رابطه فوق مجموعه فازی بوده و تعداد قوانین مدل میباشد. همچنین بردار حالت، بردار ورودی، بردار خروجی، به همراه و ماتریس های فضای حالت سیستم و و... متغیر های مفروض شناخته شده میباشند که این متغیر ها میتوانند تابعی از متغیر های حالت، اغتشاشات خارجی و یا زمان باشند. فرض ما بر این است که متغیر های مفروض تابعی از متغیر های ورودی نمیباشند چرا که در آن صورت فرآیند غیر فازی سازی کنترل کننده فازی بسیار پیچیده خواهد شد.
پس از غیرفازی سازی، سیستم فازی کلی برای سیستم های پیوسته در زمان را میتوان به فرم زیر نوشت:
(2-3)
همچنین برای سیستم های گسسته روابط بصورت زیر خواهند بود:
(2-4)
که پارامتر های موجود در روابط فوق به شرح زیر میباشند:

ساخت مدل فازی
بطور کلی دو روش برای ساخت مدل فازی وجود دارد که عبارتند از:
تعیین مدل با استفاده از داده های ورودی- خروجی
استخراج مدل از معادلات داده شده سیستم غیر خطی
فرآیند اول بطور عمده شامل دو بخش است: شناسایی ساختار و شناسایی پارامتر. این روش برای سیستم هایی که نشان دادن آنها توسط مدل های تحلیلی و یا فیزیکی دشوار یا غیرممکن است، مناسب میباشد. از سوی دیگر مدل های دینامیک غیرخطی برای سیستم های مکانیکی میتوانند به عنوان مثال با روش لاگرانژ و نیوتن- اویلر به آسانی به دست آیند. در این بخش تمرکز ما بر روی روش دوم خواهد بود که این روش از مفاهیم غیرخطی بودن قطعه ای و تقریب محلی و یا ترکیب آنها برای ساخت مدل فازی بهره میبرد.
غیرخطی بودن قطعه ای
سیستم ساده را در نظر بگیرید که در آن . هدف یافتن قطعه ای کلی است بطوریکه . شکل (2-1) روش غیرخطی بودن قطعه ای را نشان میدهد.

شکل (2-1): غیرخطی بودن کلی قطعه ای
این روش ساخت یک مدل فازی دقیق را تضمین مینماید. اما به هر حال گاهی یافتن قطعه های کلی برای سیستم های غیرخطی عمومی مشکل میباشد. در این موارد ما غیرخطی بودن محلی قطعه ای را در نظر میگیریم. این روش منطقی به نظر میرسد چراکه متغیر های سیستم های فیزیکی همیشه کراندار میباشند. شکل (2-2) غیرخطی بودن محلی قطعه ای را نشان میدهد که در آن دو خط در بازه قطعه های محلی محسوب میشوند. مدل فازی در ناحیه محلی یعنی بطور دقیق سیستم خطی را نمایش میدهد.

شکل (2-2): غیرخطی بودن محلی قطعه ای
مثال 1-1 گام های مشخص در ساخت مدل های فازی را تشریح مینمایند.
مثال 1-1
سیستم غیرخطی زیر را در نظر بگیرید:

برای سادگی فرض میکنیم که و . البته بدیهی که میتوانیم هر محدوده ای را برای آن دو برای ساخت مدل فازی متصور شویم.
معادله فوق را میتوان به فرم زیر نوشت:

که در رابطه فوق بوده و و ترم های غیرخطی میباشند. برای ترم های غیرخطی متغیر هایی را بصورت زیر تعریف میکنیم:

پس خواهیم داشت:

اکنون به محاسبه حداقل و حداکثر مقادیر و زمانیکه و باشند، میپردازیم:

با استفاده از مقادیر حداکثر و حداقل میتوان و را به فرم زیر نمایش داد:

که در رابطه فوق داریم:

بنابراین توابع عضویت بصورت زیر محاسبه میگردند:

توابع عضویت را به ترتیب مثبت، منفی، بزرگ و کوچک نام گذاری میکنیم. سپس سیستم غیرخطی با مدل فازی زیر به نمایش در می آید:
قانون شماره 1:
اگر مثبت و بزرگ باشند. آنگاه:

قانون شماره 2:
اگر مثبت و کوچک باشد. آنگاه:

قانون شماره 3:
اگر منفی و بزرگ باشد. آنگاه:

قاون شماره 4:
اگر منفی و کوچک باشد. آنگاه:

که داریم:

شکل های زیر توابع عضویت را نشان میدهند.

شکل (2-3): توابع عضویت و

شکل (2-4): توابع عضویت و
فرآیند غیرفازی سازی بصورت زیر انجام میپذیرد:

که در آن

این مدل فازی بطور دقیق سیستم خطی را در ناحیه بر روی فضای نمایش میدهد.
تقریب محلی در فضاهای تقسیم شده فازی
یک روش دیگر به منظور دست یافتن به مدل های فازی T-S روش تقریب محلی در فضاهای تقسیم شده فازی میباشد. اساس این روش تقریب ترم های غیرخطی توسط ترم های خطی است که خردمندانه انتخاب شده اند. این روش منجر به کاهش تعداد قوانین مدل میشود. تعداد قوانین مدل مستقیما" با پیچیدگی تحلیل و طراحی شرایط LMI متناسب است. اگر چه در این روش تعداد قوانین کاهش می یابد، اما طراحی قوانین کنترل مبتنی بر مدل فازی تقریب زده شده ممکن است پایداری سیستم های غیرخطی اصلی را تحت این قوانین کنترل تضمین نکند.
جبرانسازی توزیع شده موازی
تاریخچه جبرانسازی توزیع شده موازی با یک فرآیند طراحی مبتنی بر مدل ارائه شده توسط کانگ و سوگنو آغاز میشود. اما پایداری سیستم های کنترل در آن فرآیند طراحی مد نظر قرار نگرفته بود. به مرور فرآیند طراحی بهبود یافت و پایداری سیستم های کنترل در ]17[ مورد تحلیل واقع شد و فرآیند طراحی در ]13[ جبرانسازی توزیع شده موازی نام گرفت.
PDC یک فرآیند برای طراحی کنترل کننده فازی از روی مدل فازی T-S داده شده پیشنهاد میکند. برای درک PDC، یک سیستم کنترل شده (سیستم غیرخطی) در ابتدا توسط یک مدل فازی T-S به نمایش در می آید. تأکید میکنیم که بسیاری از سیستم های واقعی، برای مثال سیستم های مکانیکی و سیستم های بی نظم، را میتوان توسط مدل های فازی T-S به نمایش درآورد.
در طراحی PDC هر قانون کنترل از روی قانون متناظر یک مدل فازی T-S طراحی میشود. کنترل کننده فازی طراحی شده مجموعه های فازی یکسانی را با مدل فازی در بخش های مفروض به اشتراک میگذارد.
برای مدل های فازی (2-1) و (2-2) کنترل کننده فازی ساخته شده از طریق PDC بصورت زیر است:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(2-5)
قوانین کنترل فازی دارای یک کنترل کننده خطی (در این مورد قوانین فیدبک حالت) در بخش نتیجه میباشند. میتوانیم از دیگر کنترل کننده ها نظیر کنترل کننده های فیدبک خروجی و کنترل کننده های فیدبک خروجی دینامیک به جای کنترل کننده های فیدبک حالت استفاده کنیم.
کنترل کننده فازی کلی را میتوان بصورت زیر به نمایش درآورد:
(2-6)
اکنون چنانچه این کنترل کننده را به خروجی سیستم فازی در حالت گسسته در زمان یعنی
(2-7)
اعمال نماییم، سیستم حلقه بسته بصورت زیر خواهد بود:
(2-8)
اکنون با اعمال قضیه پایداری لیاپانوف به این نتیجه میرسیم که سیستم (2-7) بطور مجانبی پایدار است چنانچه یک ماتریس معین مثبت مشترکی مانند وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات ماتریسی زیر برقرار باشند:
(2-9)
توجه نمایید که میتوانیم سیستم (2-7) را بصورت زیر بنویسیم:
(2-10)
که در آن:

بنابراین میتوان تئوری زیر را جهت بیان شرایط کافی پایداری سیستم (2-7) بیان نمود.
تئوری 2-1
نقطه تعادل سیستم فازی (2-7) بطور مجانبی پایدار است چنانچه ماتریس معین مثبت مشترکی مانند وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات ماتریسی زیر برقرار باشند:
(2-11)
پس طراحی کنترل کننده فازی برابر است با تعیین بهره های فیدبک محلی به گونه ای که شرایط بیان شده در تئوری 2-1 برقرار باشند. بطور کلی، ابتدا بایستی یک کنترل کننده برای هر قانون طراحی نماییم و بررسی نماییم که آیا شرایط پایداری برقرار میباشند یا خیر. چنانچه شرایط برقرار نبود بایستی فرآیند را تکرار نماییم تا شرایط مورد نظر برقرار گردند.
با PDC یک فرآیند ساده برای کار با سیستم های غیرخطی در اختیار داریم. دیگر تکنیک های کنترل غیرخطی نیازمند دانش ویژه و نسبتا" پیچیده میباشند.
3- کنترل کننده های استاتیکی خروجی
3-1- مقدمه
بسیاری از سیستم های فیزیکی دارای حالت های محدودی جهت اندازه گیری و باز خورد نمودن برای سیستم کنترلی میباشند و معمولا" یک بردار حالت کامل جهت اندازه گیری و استفاده در حلقه فیدبک در دسترس نیست بلکه تنها بخشی از آن توسط بردار خروجی پوشش داده میشود. در این حالت دو راهکار برای برخورد با این مشکل وجود دارد. در راهکار اول میتوان یک مشاهده گر کاهش رتبه یافته جهت حصول نیازمندی های فیدبک حالت کامل طراحی نمود که موجب ایجاد دینامیک های اضافی و پیچیده شدن طراحی میگردد. راه دیگر استفاده از فیدبک استاتیک خروجی (SOF) میباشد که به دلیل اینکه به هیچ دینامیک اضافه ای نیاز ندارد و تنها از خروجی های قابل اندازه گیری در طراحی فیدبک آن استفاده میشود، طراحی آن ساده میباشد و از نقطه نظر اجرایی از نظر هزینه به صرفه تر و قابل اطمینان تر از فیدبک دینامیکی میباشد. علاوه بر آن بسیاری از مسائل قابل کاهش به انواع آن میباشند. به بیان ساده، مسأله فیدبک استاتیک خروجی عبارتست از فیدبک استاتیک خروجی که باعث گردد سیستم حلقه بسته برخی ویژگی های مورد نظر را داشته باشد و یا تعیین اینکه چنین فیدبکی وجود ندارد.
مسئله فیدبک استاتیک خروجی نه تنها به خودی خود از اهمیت بالایی برخوردار است بلکه از آنجاییکه بسیاری از مسائل دیگر قابل تقلیل به انواع مختلف آن میباشند، نیز موجب مورد توجه قرار گرفتن آن گردیده است. به عنوان مثال زمانی که به دلیل هزینه و قابلیت اطمینان بایستی یک کنترل کننده ساده مورد استفاده قرار گیرد و یا آنجاییکه در برخی کاربرد ها به دلیل نیاز تنظیماتی خاص در پارامتر هایی مشخص به منظور کنترل یک سیستم فیزیکی طراح نیازمند آنست که تعداد پارامتر ها تا حد امکان کاهش دهد.
اگر چه در دهه های اخیر مسأله کنترل کننده فیدبک خروجی بطور دقیق مورد مطالعه قرار گرفته است اما برخلاف مسأله فیدبک حالت، فیدبک خروجی همچنان به عنوان یکی از مسائل مطرح در مهندسی کنترل شناخته میشود.
3-2- پایدار سازی توسط فیدبک استاتیک خروجی
مسأله پایداری فیدبک استاتیک خروجی جزو مورد علاقه ترین مسائل کنترل است که تا هم اکنون پاسخ کامل و روشنی برای آن در دسترس نیست. در دهه های اخیر روش های گوناگونی جهت اعمال به این مسأله ارائه گردیده است. مسأله کنترلی فیدبک خروجی به هنگام مقایسه با مسائل کنترلی فیدبک حالت دشواری خود را بیشتر به نمایش میگذارد. تفاوت اساسی بین مسائل پایدار سازی فیدبک حالت و خروجی اینست که در حالیکه پایدار سازی بوسیله فیدبک حالت به یک مسأله محدب ختم میشود، فیدبک خروجی موجب تبدیل مسأله به یک مسأله غیرمحدب میگردد و موجب دشواری های محاسباتی میشود. چراکه پاسخ یک مسأله محدب را میتوان توسط جعبه ابزار برخی نرم افزار ها نظیر جعبه ابزار LMI در نرم افزار MATLAB، یافت که نیازمند یک زمان چند جمله ای میباشد و بسیاری از مسائل کنترلی مهم که از فیدبک حالت بهره میبرند را میتوان توسط تکنیک های نامعادله ماتریسی خطی حل نمود. از سوی دیگر یافتن پاسخ یک مسأله غیرمحدب بطور عمومی نیازمند یک زمان غیر چند جمله ای میباشد به این معنا که یک افزایش کوچک در ابعاد به دلیل افزایش بسیار زیاد زمان محاسبات موجب عدم کارآیی الگوریتم میگردد.
در این بخش به بحث در مورد مسئله پایدار سازی یک سیستم حلقه باز ناپایدار توسط فیدبک استاتیک خروجی میپردازیم. در ابتدا برخی شرایط لازم و سپس برخی شرایط کافی برای قابل حل بودن مسئله را ارائه خواهیم نمود. پس از آن برخی روش های مورد استفاده برای یافتن بهره پایدار ساز را مورد بحث قرار میدهیم.
3-2-1- شرایط لازم
در ابتدا به شناسایی مواردی خواهیم پرداخت که فیدبک استاتیک نمیتواند یک سیستم حقله باز ناپایدار را پایدار سازد. به منظور بیان این شرایط تئوری های زیر را مد نظر قرار میدهیم:
تئوری 3-1
یک سیستم خطی با تابع تبدیل توسط یک جبرانساز پایدار پایدار پذیر است، اگر و تنها اگر تعداد قطب های حقیقی بین هر جفت از صفر های حقیقی مسدود کننده در نیم صفحه راست زوج باشد. سیستمی که محدودیت های قطب- صفر را برآورده میکند، برآورده کننده PIP گفته میشود.
تئوری 3-2
یک سیستم خطی با تابع تبدیل توسط یک جبرانساز پایدار که هیچ صفر حقیقی ناپایداری ندارد، پایدار پذیر است اگر و تنها اگر:
برآورده کننده PIP باشد.
تعداد صفر های حقیقی مسدود کننده بین هر دو قطب حقیقی زوج باشد.
در این مورد گفته میشود که ، PIP زوج را برآورده مینماید.
با استفاده از تئوری 3-2 شرط لازم ذیل بدست می آید.
شرط لازم: شرط لازم جهت پایداری پذیری توسط فیدبک استاتیک خروجی آنست که سیستم با تابع تبدیل ، PIP زوج را برآورده سازد.
مثال 3-1
سیستمی که دارای تابع تبدیل زیر است:

برای ، PIP را برآورده نمیکند و بنابراین توسط SOF پایدار نمیگردد. به ازای ، PIP زوج برآورده شده و برای مقادیر به اندازه کافی کوچک یک تحلیل ساده مکان هندسی ریشه ها نشان میدهد که سیستم توسط SOF پایداری پذیر میباشد.
3-2-2- شرایط کافی
با توجه به تحلیل های صورت گرفته در این زمینه مانند مکان هندسی ریشه، میتوان گفت که مینیمم فاز بودن و شرایط درجه نسبی شروط لازم و کافی جهت بطور اکید حقیقی مثبت (SPR) ساختن یک سیستم مربعی (تعداد ورودی ها و خروجی ها برابر باشند) با استفاده از فیدبک استاتیک خروجی میباشند.
3-2-3- روش های طراحی و محدودیت ها
در مورد سیستم های تک ورودی- تک خروجی (SISO)، روش های گرافیکی نظیر مکان هندسی ریشه ها و نایکوئیست جهت پاسخگویی به مسائل وجود و طراحی کنترل کننده های استاتیکی خروجی پایدار ساز استفاده میشوند. علاوه بر آن برخی تست های جبری لازم و کافی برای وجود فیدبک های خروجی پایدار ساز وجود دارند (Ielmke and Anderson,1992; Perez et al.,1993). به هر حال این تست ها نیازمند برخی اقدامات ابتدایی نظیر یافتن ریشه ها و مقادیر ویژه میباشند که موجب میشود دشواری آنها کمتر از روش های گرافیکی نباشد. علاوه بر آن این روش ها به راحتی قابل تعمیم به سیستم های چند ورودی- چند خروجی (MIMO) نمیباشند.
در این بخش به بیان اجمالی برخی نتایج که در حل مسائل مربوط به فیدبک استاتیک خروجی مفید میباشند خواهیم پرداخت و ویژگی های آنها را مورد بررسی قرار میدهیم. ایده کلی آنست که یک فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز بایستی یک عضو از خانواده تمامی جبرانساز های فیدبک خروجی پایدار ساز باشد.
روش مرتبه دوم خطی معکوس
سیستم زیر را در نظر بگیرید:
(3-1)
و در نظر میگیریم. علامت خنجر بیانگر معکوس Moore-Penrose میباشد. آنگاه سیستم توسط فیدبک استاتیک خروجی پایدار پذیر است اگر و تنها اگر ماتریس های ، و با ابعاد مناسب وجود داشته باشند بطوریکه معادله جبری زیر یک جواب یکتای داشته باشد.
(3-2)
مشکل در این است که در حقیقت نمیتوان به سادگی ماتریس های ، و را انتخاب نمود و همچنین معادله فوق را برای حل نمود.
قابل تعیین بودن کواریانس توسط فیدبک خروجی
ایده اصلی در پشت تئوری کنترل کواریانسی عبارتست از فراهم نمودن یک توصیف از تمامی ماتریس های کواریانس قابل تعیین و پارامتریزه کردن تمامی کنترل کننده هایی که یک کواریانس خاص را تعیین مینمایند (Hotz and Skelton,1987;Yasuda et al.,1993;Skelton and Iwasaki,1993). یک سیستم تصادفی را بصورت زیر در نظر بگیرید:
(3-3)
که در آن اغتشاشی از نویز سفید با میانگین صفر و شدت میباشد، ماتریس کواریانس حالت پایدار بردار حالت بصورت زیر تعریف میگردد:
(3-4)
که در آن بیانگر امید ریاضی میباشد. برای یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی ، به خوبی شناخته شده است که معادله لیاپانوف زیر را حل مینماید:
(3-5)
ماتریس یک کواریانس قابل تعیین نامیده میشود چنانچه بهره کنترل کننده ای مانند وجود داشته باشد که معادله فوق را برآورده نماید. چنانچه پایدار پذیر و کنترل پذیر باشند آنگاه، با استفاده از تئوری پایداری لیاپانوف، معادل پایداری سیستم حلقه بسته میباشد. نتیجه ذیل تمامی کواریانس های قابل تعیین توسط فیدبک استاتیک خروجی را پارامتریزه مینماید (Yasuda et al.,1993).
تئوری 3-3
ماتریس یک کواریانس قابل تعیین توسط فیدبک استاتیک خروجی میباشد اگر و تنها اگر معادلات زیر را برآورده نماید:
(3-6)
(3-7)
(3-8)
که در آن:

یک روش پارامتریزه کردن تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی که سیستم را پایدار و یک کواریانس قابل تعیین خاص را مشخص مینمایند در ادامه ارائه گردیده است(Yasuda et al.,1993).
تئوری 3-4
اگر یک ماتریس کواریانس قابل تعیین باشد. آنگاه تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی که را برای سیستم حلقه بسته تعیین میکنند بصورت زیر پارامتریزه میگردند:
(3-9)
که در آن:

و یک ماتریس دلخواه و یک ماتریس دلخواه پادمتقارن است.
شرایط (3-6) تا (3-9) را میتوان بصورت پارامتریزه نمودن فضای حالت تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز بر حسب ماتریس کواریانس حالت دانست. دشواری عمده در تئوری کنترل کواریانسی رسیدن به این مهم است که آیا برای معادلات (3-8)- (3-6) یک پاسخ مشترک وجود دارد و اگر وجود دارد چگونه میتوان آنرا یافت. زمانی که یک پاسخ مشترک یافت گردید، فرآیند پارامتریزه نموده (3-9) تمامی بهره های استاتیکی را فراهم میکند که سیستم را پایدار میکنند و را بعنوان یک کواریانس حلقه بسته تعیین مینمایند.
روش محدودیت ساختاری خروجی
مسئله فیدبک استاتیک خروجی را میتوان بصورت یک مسئله فیدبک حالت در نظر گرفت که در آن بهره های فیدبک در معرض یک محدودیت ساختاری قرار دارند. بطور ویژه، پایدار است اگر و تنها اگر پایدار باشد که در آن و یک پایه متعامد بهنجار از فضای پوچی است. ماتریس های الحاقی زیر را تعریف مینماییم:
(3-10)
و همچنین توابع زیر را در نظر میگیریم:
(3-11)
(3-12)
که در آنها یک ماتریس متقارن بصورت زیر است:

یک شر لازم و کافی برای پایدار سازی خروجی را میتوان بصورت زیر بیان نمود:
تئوری 3-5
بهره فیدبک استاتیک خروجی پایدار سازی وجود دارد، اگر و تنها اگر:
(3-13)
که در آن:

بیانگر فضای پوچی است. مجموعه تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز بصورت زیر پارامتریزه میگردند:
(3-14)
که در آن .
مجموعه محدب است، اما غیرمحدب است و موجب دشواری بررسی شرط (3-13) میگردد.
فرمولبندی نامعادلات ماتریسی خطی مزدوج
شرایط لازم و کافی برای فیدبک استاتیک خروجی را میتوان بر حسب نامعادلات ماتریسی خطی مزدوج و به دنبال آن روش تابع درجه دوم لیاپانوف بدست آورد. از تئوری پایداری لیاپانوف میدانیم که ماتریس سیستم حلقه بسته پایدار است، اگر و تنها اگر به ازای برخی نامعادله ماتریسی زیر را برآورده نماید:
(3-15)
برای مقادیر ثابت ، نامعادله فوق یک نامعادله ماتریسی خطی بر حسب است. LMI فوق بر حسب محدب است و میتوان از تکنیک های برنامه نویسی محدب برای یافتن بطور عددی زمانی که مشخص باشد استفاده کرد.
شرایط لازم و کافی برای پایدار سازی فیدبک استاتیک خروجی را میتوان بوسیله یافتن شرایط حل پذیری نامعادله فوق بر حسب بدست آورد.
تئوری 3-6
یک بهره فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز وجود دارد اگر و تنها اگر وجود داشته باشد بطوریکه:
(3-16)
(3-17)
که در آن و ماتریس های رتبه کاملی هستند که به ترتیب بر و متعامد میباشند.
نامعادله (3-16) از نامعادله (3-15) با ضرب کردن آن از سمت چپ با و از سمت راست با حاصل میشود. نامعادله (3-17) نیز از ضرب نامعادله (3-15) از سمت چپ و راست با و سپس ضرب نمودن از سمت چپ با و از سمت راست با بدست می آید. در برخی منابع نشان داده شده است که عکس این مورد نیز صحیح است، به این معنا که اگر یک وجود داشته باشد که نامعادلات (3-16) و (3-17) را برآورده نماید آنگاه یک بهره فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز وجود خواهد داشت.
تئوری 3-7
تمامی بهره های فیدبک استاتیک پایدار ساز را میتوان بصورت زیر پارامتریزه نمود:
(3-18)
که در آن:

همچنین یک ماتریس معین مثبت است که نامعادلات (3-16) و (3-17) را برآورده مینماید و ماتریسی است که .
توجه نمایید که (3-16) یک LMI بر حسب و (3-17) یک LMI بر حسب میباشد، اما یافتن یک چنین کاری دشوار است، چراکه این دو نامعادله بر حسب محدب نمیباشند.
تا بدین جا مشخص گردید که تمامی تئوری های ارائه شده دارای محدودیت هایی بوده و یافتن بهره ها با استفاده از این الگوریتم ها دشوار و گاها" ناممکن مینماید. در ادامه به ارائه تئوری میپردازیم که شروط کافی جهت پایدار سازی سیستم توسط فیدبک استاتیک خروجی را بیان مینماید و نتایج آن در فصول آینده مورد استفاده قرار میگیرد.
شرایط LMI کافی برای مسئله کنترل فیدبک خروجی
سیستم پیوسته با زمان زیر را در نظر میگیریم:
(3-19)
که در آن ، و ماتریس های حالت سیستم میباشند. بسیار واضح است که سیستم (3-19) از طریق فیدبک حالت قابل پایدار سازی است اگر و تنها اگر ماتریس معین مثبت و با ابعاد مناسب وجود داشته باشند بطوریکه:
(3-20)
با ضرب نامعادله فوق از دو طرف در خواهیم داشت:
(3-21)
اکنون با تعریف معادله فوق نیز بصورت زیر تبدیل خواهد شد:
(3-22)
در حقیقت این یک نتیجه شناخته شده از میباشد که نامعادله بالا بر حسب متغییر های و امکان پذیر است اگر و تنها اگر ماتریس های و پایدار پذیر باشند، انگاه فیدبک سیستم (3-19) را پایدار میسازد. یافتن یک پاسخ برای این مسأله یا بیان اینکه مسأله امکان پذیر نمیباشد با الگوریتم های موجود به سادگی صورت میپذیرد.
اکنون حالت فیدبک استاتیک خروجی را در نظر میگیریم، یعنی قانون کنترلی مورد نظر ساختاری بصورت یا بطور معادل با دارد. از رابطه (3-21) داریم:
(3-23)
به دلیل اینکه نامعادلات ماتریسی فوق بطور کلی محدب نمیباشند، حل عددی آنها برای و بسیار دشوار میباشد. در ارتباط با این مسأله غیرمحدب، مسأله محدب زیر را داریم:
تعریف 3-1- مسأله W
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل سطری را در نظر میگیریم. مسأله W شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-24)
مسألهW دارای دو جنبه مهم است: محدب میباشد و از اینرو میتوان آنرا را با الگوریتم های کارآمد حل نمود، علاوه بر آن چنانچه امکان پذیر باشد آنگاه مسأله پایدار سازی فیدبک استاتیک خروجی (3-23)، که محدب نمیباشد، نیز امکان پذیر خواهد بود که در ادامه نشان داده خواهد شد.
تئوری 3-8
اگر ، و پاسخ های مسأله Wباشند. آنگاه فیدبک
(3-25)
سیستم (3-19) را پایدار میسازد.
اثبات:اگر رتبه سطری کامل باشد، آنگاه از نتیجه میشود که نیز رتبه کامل است و بنابراین معکوس پذیر است در نتیجه . با استفاده از این حقیقت و تعریف رابطه (3-23) را از رابطه (3-24) بدست خواهیم آورد.
چنانچه نقطه آغاز کار را به جای رابطه (3-21)، رابطه (3-20) در نظر بگیریم، نتیجه حاصل بصورت زیر خواهد بود:
تعریف 3-2- مسألهP
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل ستونی را در نظر میگیریم. مسأله P شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-26)
استنباط 1: اگر ، و پاسخ های مسألهP باشند. آنگاه فیدبک
(3-27)
سیستم (3-19) را پایدار میسازد.
امکان پذیری هر کدام از مسائلP یا W یک شرط کافی برای مسأله فیدبک استاتیک خروجی میباشد و این مزیت را دارد که به دلیل محدب بودن میتوان آنرا با الگوریتم های موثر و کارآمد مورد بررسی قرار داد.
نتایج برای سسیتم های گسسته در زمان بصورت زیر خواهد بود.
سیستم گسسته در زمان زیر را در نظر میگیریم:
(3-28)
همتای گسسته در زمان (3-23) بصورت زیر خواهد بود:
(3-29)
براساس این نامعادله ماتریسی نتایج زیر را بدست می آوریم:
تعریف 3-3- مسألهP گسسته
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل ستونی را در نظر میگیریم. مسأله P گسسته شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-30)
تعریف 3-4- مسألهW گسسته:
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل سطری را در نظر میگیریم. مسأله W گسسته شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-31)
مشابه مورد پیوسته با زمان نشان دادن اینکه چنانچه مسأله Pامکان پذیر باشد آنگاه قانون کنترلی سیستم (3-28) را پایدار میسازد کار دشواری نیست، همچنین چنانچه مسأله Wامکان پذیر باشد آنگاه قانون کنترلی سیستم (3-28) را پایدار میسازد.
4- طراحی کنترل کننده فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی H∞ برای سیستم های غیرخطی توصیف شده با مدل تاکاگی- سوگنو T-S
مقدمه
یک سیستم غیرخطی به مجموعه ای از معادلات غیرخطی گفته میشود که برای توصیف یک دستگاه یا فرآیند فیزیکی بکار گرفته میشوند که نمیتوان آن را توسط مجموعه ای از معادلات خطی تعریف نمود. سیستم های دینامیکی به عنوان یک مترادف برای سیستم های فیزیکی یا ریاضی استفاده میشود زمانیکه معادلات توصیف کننده نمایانگر تکامل یک پاسخ با زمان یا گاهاً با ورودی های کنترل و/ یا دیگر پارامتر های متغیر میباشند.
امروزه سیستم های کنترل غیرخطی جهت توصیف گستره وسیعی از پدیده های علمی و مهندسی استفاده میشوند. از پدیده های اجتماعی، زندگی و فیزیکی گرفته تا مهندسی و تکنولوژی. تئوری سیستم های کنترل غیرخطی برای طیف وسیعی از مسائل در فیزیک، شیمی، ریاضیات، زیست، پزشکی، اقتصاد و شاخه های مختلف مهندسی بکار گرفته شده است.
تئوری پایداری نقش مهمی در سیستم های مهندسی به ویژه در حوزه سیستم های کنترل و اتوماسیون دارد. پایداری یک سیستم دینامیکی با یا بدون ورودی های کنترلی و اغتشاش یک نیاز اساسی برای مقادیر عملی آن به ویژه در اکثر کاربرد های جهان واقعی محسوب میشود. میتوان گفت پایداری به این معناست که خروجی های سیستم و سیگنال های درونی آن در حدودی قابل قبول محدود باشند (اصطلاحاً پایداری ورودی محدود- خروجی محدود) و یا میتوان گفت خروجی های سیستم به یک حالت تعادل مورد نظر میل کنند (پایداری مجانبی).
مسائل پایدار سازی و کنترل سیستم های غیرخطی از جمله مهمترین مسائل موجود در تئوری کنترل میباشند. تاکاگی و سوگنو (T-S) روشی معروف جهت حل این مسئله در ]12[ ارائه کرده اند. روش آنها عبارتست از تبدیل سیستم غیرخطی اولیه به زیر مجموعه های خطی محلی بیان شده با قوانین اگر- آنگاه با استفاده از روش مدل سازی فازی و پس از آن پیاده سازی روش های طراحی کنترل سیستم های خطی و تولید یک کنترل کننده کننده جبرانسازی توزیع شده موازی (PDC)، به ]14[ مراجعه شود. کنترل کننده حاصل ترکیبی فازی از تمامی کنترل کننده های خطی محلی خواهد بود.
نه تنها پایدار سازی، بلکه عملکرد سیستم حلقه بسته نیز بایستی در یک PDC برای یک مدل فازی T-S یک سیستم غیرخطی اولیه در نظر گرفته شود. بطور خاص، برخی از محققان به طرز موفقیت آمیزی مسئله کنترل تعقیب فازی را برای سیستم های غیرخطی در نظر گرفته اند. با بکار گیری این روش ها، روش های کنترلی متفاوتی توسعه داده شده اند بطوریکه سیستم حلقه بسته نهایی پایدار گردد و همچنین معیار خطای تعقیب به ازای سیگنال های مرجع و محدود کمینه میشود. در بین نتایج متعددی که برای حل این مسئله وجود دارد، چند روش مهم به چشم میخورد که به نظر میرسد جهت کار بر روی مسئله کنترل تعقیب فازی فیدبک استاتیک مناسب تر میباشند، ]3[-]1[. در این نتایج یک کنترل کننده محلی اگر- آنگاه مبتنی بر مشاهده گر و یک الگوریتم دو مرحله ای جهت یافتن بهره کنترل کننده ها و مشاهده گرها ارائه شده است.
علیرغم موفقیت روش های ذکر شده در بالا، همچنان مشکلاتی جهت پرداختن به آنها وجود دارد. برای سیستم های غیرخطی که پس از مدل سازی فازی T-S، با تعداد زیر سیستم های خطی اگر- آنگاه زیادی مواجه میشویم، کنترل کننده نهایی حاصل از روش های بالا بسیار پیچیده خواهد بود و پیاده سازی عملی آن محدود و گاها" غیرممکن خواهد شد.
از سوی دیگر، بکار گرفتن کنترل کننده های فیدبک استاتیک خروجی (SOF) برای مسائل مختلف در حوزه سیستم های فازی برای بسیاری از محققان مورد علاقه بوده است. سادگی در پیاده سازی عملی کنترل کننده های SOF انگیزش اصلی فعالیت در این زمینه میباشد. با اینحال، طراحی این دسته از کنترل کننده ها بسیار پیچیده تر از کنترل کننده های فیدبک خروجی رتبه کامل معمولی میباشد.
در ادامه به ارائه پاسخی برای مسئله کنترل تعقیب فازی از طریق انتخاب یک ساختار کنترل کننده SOF خواهیم پرداخت.
طراحی کنترل کننده در این بخش به ارائه یک روش مبتنی بر LMI-LME جهت طراحی کنترل کننده SOF برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم های غیرخطی توصیف شده با مدل تاکاگی- سوگنو T-S خواهیم پرداخت. تاکاگی و سوگنو یک مدل دینامیکی فازی به منظور به نمایش درآوردن یک سیستم غیرخطی بوسیله درون یابی تکه ای چندین مدل محلی خطی به واسطه توابع عضویت ارائه نمودند. هر مدل خطی در حقیقت توسط یک قانون اگر- آنگاه بیان میشود. اکنون ما یک سیستم غیرخطی را که میتوان آنرا توسط مدل فازی T-S زیر توصیف کرد در نظر میگیریم:
قانون شماره i سیستم:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(4-1)
که در رابطه فوق مجموعه فازی بوده و تعداد قوانین مدل میباشد. همچنین بردار حالت، ورودی کنترلی، خروجی اندازه گیری شده، به همراه و ماتریس های فضای حالت سیستم و و... متغیر های مفروض شناخته شده میباشند. همچنین اغتشاش خارجی کران دار بوده و نویز اندازه گیری کران دار است. با استفاده از فرآیند غیرفازی سازی، سیستم فازی کلی را میتوان به فرم زیر نوشت:
(4-2)
که در آن داریم:

میزان تعلق نسبی را به مشخص میکند.
اکنون یک مدل مرجع را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-3)
که در آن بردار حالت مرجع بوده، یک ماتریس پایدار مجانبی را مشخص میکند و بردار خروجی میباشد و همچنین ورودی مرجع کران دار میباشد. فرض بر اینست که برای تمامی زمان های یک خط سیر مطلوب برای را به نمایش میگذارد. اکنون عملکرد تعقیب مربوط به خطای تعقیب، ، را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-4)
که در آن زمان پایان کنترل است، یک ماتریس وزن دهی نیمه معین مثبت مشخص میباشد و برای تمامی اغتشاشات خارجی ، نویز اندازه گیری و سیگنال مرجع و همچنین سطح تضعیف تعیین شده میباشد. مفهوم فیزیکی رابطه (4-5) آنست که تأثیر هر بر روی خطای تعقیب بایستی تا میزانی کمتر از سطح مطلوب تضعیف گردد.
اکنون به منظور حصول چنین عملکردی اقدام به تعریف کنترل کننده فیدبک استاتیک خروجی زیر مینماییم:
قانون کنترل شماره j:
اگر و ... ، آنگاه:
(4-5)
اکنون چنانچه ما قانون کنترلی (4-6) را به سیستم (4-2) اعمال کنیم سیستم حلقه بسته زیر بدست می آید. برای سادگی از به جای استفاده میکنیم.
(4-6)
که در آن داریم:

و همچنین خواهیم داشت:
(4-7)
که در آن داریم:

تعریف 4-1
سیستم فازی T-S (4-2)، مدل مرجع (4-3) و عملکرد تعقیب (4-4) را در نظر بگیرید. قانون کنترلی (4-5) یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد، چنانچه (4-2) را پایدار سازد و (4-4) را برآورده نماید.
اصل 4-1
قانون کنترلی (4-5) یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد چنانچه ماتریس معین مثبت وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات زیر برقرار باشند:
(4-8)
اثبات
تابع لیاپانوف را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-9)
مشتق تابع فوق بصورت زیر خواهد بود:
(4-10)
اکنون به منظور حصول محدودیت تعقیب بر روی سیستم حلقه بسته، فرض میکنیم که از مقدار زیر کمتر باشد:
(4-11)
در نتیجه خواهیم داشت:
(4-12)
نامعادله بالا را میتوان بصورت نامعادله ماتریسی زیر نوشت:
(4-13)
از اینرو چنانچه شرایط زیر
(4-14)
برای یک مشترک برقرار باشد، نتایج زیر حاصل خواهد شد:
منفی بودن ترم در بیانگر پایداری سیستم حلقه بسته میباشد. این امر همچنین بیان میکند که برای هر سیگنال کران دار ، حالت کران دار باقی خواهد ماند.
با انتگرال گیری از (4-12) خواهیم داشت:
(4-15)
کران دار باقی خواهد ماند چرا که اثبات کردیم که سیستم حلقه بسته پایدار است و فرض نمودیم که سیگنال ورودی کران دار میباشد. از اینرو خواهیم داشت:
(4-16)
همچنین داریم:
(4-17)
در نتیجه خواهیم داشت:
(4-18)
با استدلال فوق اثبات به پایان میرسد.
اکنون هدف اصلی آن است که یک روش تک مرحله ای مبتنی بر LMI-LME جهت طراحی قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی T-S (4-2) و شرط (4-4) ارائه دهیم.
تئوری 4-1
سیستم فازی T-S (4-2)، مدل مرجع (4-3) و شرط تعقیب (4-4) را در نظر بگیرید. فرض کنید ماتریس های معین مثبت ، ، به ازای و ماتریس معکوس پذیر مشترک وجود داشته باشند بطوریکه نامعادلات ماتریسی خطی (4-19) تا (4-22) و معادله ماتریسی خطی (4-23) برای مقدار تعیین شده نرم یعنی در (4-4) برقرار باشند. آنگاه قانون کنترلی (4-5) را که میتوان از (4-24) بدست آورد یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد.
(4-19)

که در آن داریم:

و
(4-20)

که در آن داریم:

و
(4-21)

که در آن:

و
(4-22)
و
(4-23)
آنگاه بهره کنترل کننده استاتیکی از رابطه زیر بدست می آید:
(4-24)
اثبات
تئوری1 از ]14[ بیان میدارد که نقطه تعادل سیستم فازی پیوسته با زمان توصیف شده با (4-6) بطور سراسری پایدار مجانبی است چنانچه وجود داشته باشد بطوریکه شروط زیر برقرار باشند:
(4-25)
که در آن:

اکنون با استفاده از متمم Schur و نتایج بالا نامعادلات ماتریسی (4-14) را میتوان بصورت زیر نوشت:
(4-26)
و
(4-27)
و
(4-28)
اکنون چنانچه نامعادله ماتریسی (4-26) را در نظر بگیریم باید به نحوی آنرا به نامعادله ماتریسی (4-19) تبدیل نماییم. برای این منظور ما ماتریس را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-29)
سپس ترم های مختلف موجود در ماتریس را در آن جای گذاری مینماییم. حاصل بصورت ماتریس زیر خواهد بود:
(4-30)
اکنون با استفاده از نتایج فصل 3 یعنی جایگذاری با و با در ماتریس فوق و ساده سازی ، نامعادله ماتریسی(4-19) حاصل خواهد شد.
با روندی مشابه میتوان نامعادلات ماتریسی (4-26) و (4-27) را به ترتیب به نامعادلات (4-20) و (4-21) تبدیل نمود.
از آنجاییکه روابط (4-19) تا (4-23) بصورت نامعادلات و معادلات ماتریسی خطی به ازای یک مقدار معین از میباشند، بنابراین مسئله وجود یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی T-S به فرم (4-2) به امکان پذیر بودن روابط (4-19) تا (4-23) کاهش می یابد. پاسخ مسئله امکان پذیری LMI ها و LME نیز به سادگی توسط نرم افزار های نظیر MATLAB بدست می آید. از آنجاییکه هدف یافتن حداقل میباشد به این صورت عمل میکنیم که یک مقدار اولیه برای تعیین مینماییم، اگر به ازای آن مقدار روابط مورد نظر امکان پذیر بودند اقدام به کاهش مقدار مینماییم، به عنوان مثال مقدار آن را به نصف کاهش میدهیم و این کار را تا جایی انجام میدهیم که روابط پس از آن امکان پذیر نباشند، و به این ترتیب مقدار کمینه را خواهیم یافت. علاوه بر آن مزیت روش ارائه شده تک مرحله ای بودن آن میباشد.
اکنون با پرداختن به یک سیستم مثالی کارآمدی روش ارائه شده را به نمایش میگذاریم:
مثال 4-1
سیستم غیرخطی زیر را در نظر بگیرید:

فرض بر اینست که . سیستم غیرخطی فوق را میتوان توسط مدل فازی T-S زیر به نمایش در آورد:
قانون شماره 1: اگر در حدود باشد، آنگاه:

که در آن:

قانون شماره 2: اگر در حدود یا باشد، آنگاه:

که در آن:

باید به این مورد توجه شود که در دو مدل بالا، هر دو ماتریس ناپایدار میباشند. اکنون برای مقادیر مدل مرجع (4-3)، ما مقادیر و را انتخاب مینماییم. برای ورودی مرجع کران دار یعنی فرض میکنیم . برای ماتریس وزن دهی در (4-4) فرض میکنیم . با فرض شرایط اولیه صفر برای سیستم غیرخطی فوق نتایج زیر حاصل میگردد:

با توجه به مقادیر فوق بهره های کنترل کننده استاتیکی بصورت زیر خواهند بود:

همچنین مقدار بهینه برای برابر است با:

به منظور مشاهده عملکرد سیستم حلقه بسته، شبیه سازی در محیط Simulink صورت پذیرفت. در این شبیه سازی سیگنال های سیگنالی سینوسی برابر ، سیگنالی سینوسی برابر و سیگنالی سینوسی برابر در نظر گرفته شده اند.

شکل(4-1): دنبال نمودن خروجی مرجع توسط کنترل کننده طراحی شده برای مثال 4-1

شکل (4-2): تغییرات سیگنال کنترلی ورودی مثال 4-1 در گذر زمان

شکل(4-3): تغییرات ضریب تضعیف تعیین شده برای مثال 4-1 در گذر زمان
5- طراحی کنترل کننده فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی H∞ برای سیستم های غیرخطی دارای تأخیر زمانی توصیف شده با مدل تاکاگی- سوگنو T-S
مقدمه
تأخیر زمانی در بسیاری از سیستم های کنترلی به دلیل تأخیر انتقال اطلاعات بین اجزا مختلف سیستم اجتناب ناپذیر است. از جمله آن سیستم ها میتوان به فرآیند های شیمیایی، شبکه های ارتباطی و سیستم های مکانیکی اشاره کرد. وجود تأخیر زمانی موجب کند شدن پاسخ سیستم، محدود شدن عملکرد کنترل کننده و یا حتی ناپایداری سیستم حلقه بسته میشود. علاوه بر آن طراحی کنترل کننده برای این سیستم ها دشوار و پیچیده میباشد. در طی دهه های گذشته روش های مختلفی برای غلبه بر دشواری های طراحی کنترل کننده برای چنین سیستم هایی ارائه شده است که کنترل کننده های فازی یکی از آنها میباشد. کنترل فازی میتوانند یک راهکار موثر برای سیستم های پیچیده، دارای نامعینی و بد تعریف شده ارائه دهد، چراکه در روش کنترل فازی یک سیستم پیچیده به چندین زیر مجموعه (قوانین فازی) تجزیه میشود و سپس یک قانون کنترلی ساده برای هر زیر سیستم جهت شبیه سازی استراتژی کنترلی انسان بکار گرفته میشود.
اگر چه روش کنترل فازی مفید میباشد ولی ایراد اصلی آن نبود روش تحلیل و طراحی سیستماتیک برای کنترل کننده های فازی است. اخیرا" بر اساس مدل فازی تاکاگی- سوگنو (T-S) روش های مختلفی برای طراحی کنترل کننده برای سیستم های غیرخطی با تأخیر زمانی ارائه شده است. در مورد ویژگی ها و توانایی های مدل فازی T-S در فصول گذشته به تفصیل توضیحاتی ارائه گردیده است.
طراحی کنترل کننده
در این قسمت تلاش خواهیم کرد تا نتایج فصل4 را به زیر کلاسی از سیستم های غیرخطی دارای تأخیر زمانی متغیر با زمان نامعلوم تعمیم دهیم. مشابه فصل4 معادله سیستم غیرخطی تأخیر دار توسط درون یابی تکه ای چندین مدل خطی محلی از طریق توابع عضویت به نمایش در می آید. در حقیقت هر مدل خطی توسط یک قانون اگر- آنگاه بیان میشود. اکنون ما یک سیستم غیرخطی تأخیر دار را که میتوان توسط مدل فازی T-S زیر توصیف نمود در نظر میگیریم:
قانون شماره i سیستم:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(5-1)
که در رابطه فوق مجموعه فازی بوده و تعداد قوانین مدل میباشد. همچنین بردار حالت، ورودی کنترلی، خروجی اندازه گیری شده، ، ، و ماتریس های حقیق با ابعاد مناسب بوده و و... متغیر های مفروض شناخته شده میباشند. همچنین اغتشاش خارجی کران دار بوده و نویز اندازه گیری کران دار است. همچنین یک تأخیر زمانی متغیر با زمان نامشخص در سیستم میباشد که شروط و را برآورده میکند. نیز برداری است که شرایط اولیه را مشخص میکند.
با استفاده از فرآیند غیرفازی سازی سیستم فازی کلی را میتوان به فرم زیر نوشت:
(5-2)
که در آن داریم:

همچنین مدل مرجع را مشابه (4-3) بصورت زیر در نظر میگیریم:
(5-3)
و عملکرد تعقیب مربوط به خطای تعقیب بصورت زیر خواهد بود:
(5-4)
به منظور حصول چنین عملکردی دوباره اقدام به تعریف کنترل کننده استاتیکی خروجی زیر می نماییم:
قانون کنترل شماره j:
اگر و ... ، آنگاه:
(5-5)
اکنون چنانچه ما قانون کنترلی (5-5) را به سیستم (5-2) اعمال کنیم، سیستم حلقه بسته زیر بدست می آید. برای سادگی از به جای استفاده میکنیم.
(5-6)
که در آن:

تعریف 5-1
سیستم فازی T-S (5-2) ، مدل مرجع (5-3) و عملکرد تعقیب (5-4) را در نظر بگیرید. قانون کنترلی (5-5) یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد چنانچه (5-2) را پایدار سازد و (5-4) را برآورده نماید.
اصل 5-1
قانون کنترلی (5-5) یک قانون کنترلی استاتیکی خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد، چنانچه ماتریس های معین مثبت مشترک و وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات زیر برقرار باشند:
(5-7)
اثبات
تابع لیاپانوف را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(5-8)
مشتق تابع فوق بصورت زیر خواهد بود:
(5-9)
فرض میکنیم که کمتر از مقدار زیر باشد:
(5-10)
بنابراین خواهیم داشت:

اکنون را تعریف میکنیم. خواهیم داشت:
(5-11)
از رابطه فوق خواهیم داشت:
(5-12)
توجه نمایید که:
(5-13)
و همچنین داریم . بنابراین رابطه زیر حاصل خواهد شد:
(5-14)
علاوه بر آن امکان پذیر بودن نامعادلات ماتریسی (5-7) دلالت بر امکان پذیری نامعادلات ماتریسی زیر دارد.
(5-15)
که پایداری سیستم حلقه بسته (5-2) را تضمین میکند.
به این ترتیب اثبات تکمیل میگردد.
اکنون تئوری زیر را به منظور ارائه یک روش مبتنی بر LMI-LME جهت طراحی کنترل کننده استاتیکی خروجی برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی T-S (5-2) که دارای تأخیر زمانی متغیر با زمان میباشد بیان می نماییم.
تئوری 5-1
سیستم فازی T-S دارای تأخیر زمانی (5-2)، مدل مرجع (5-3) و عملکرد تعقیب (5-4) را در نظر بگیرید. فرض کنید ماتریس های معین مثبت مشترک ، و به همراه ماتریس های و ماتریس معکوس پذیر مشترک وجود دارند بطوریکه نامعادلات ماتریسی خطی (5-18) - (5-16) و معادله ماتریسی (5-19) برای مقدار تعیین شده خطای تعقیب یعنی در (5-4) برقرار باشند. آنگاه قانون کنترلی (5-5) که از (5-20) حاصل میشود یک قانون کنترلی استاتیکی خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد.
(5-16)

که در آن:

و در (4-19) تعریف شده اند.
(5-17)

که در آن:

که در (4-20) تعریف شده اند.
و
(5-18)

که در آن:

و در (4-21) تعریف شده اند.
و
(5-19)
بهره کنترل کننده استاتیکی از رابطه زیر بدست می آید:
(5-20)
اثبات
اثبات این بخش دقیقا" مشابه اثبات تئوری 4-1 در فصل4 میباشد.
مشابه مورد بدون تأخیر زمانی، یافتن قانون کنترلی استاتیکی خروجی بهینه برای نیل به تعقیب فازی بسیار مورد علاقه میباشد. کنترل کننده بهینه، کنترل کننده ای است که حداقل مقدار برای کران بالای در (5-4) را موجب میشود. خوشبختانه این مسأله حداقل سازی را میتوان بصورت یک فرآیند حداقل سازی محدب بیان نمود. در این مورد کنترل کننده بهینه را میتوان بوسیله پیاده سازی مسأله مقدار ویژه LMI یافت. بنابراین اقدام به حل مسأله کمینه سازی زیر می نماییم:
(5-21)
با توجه به و (5-12)- (5-9).
مسأله کمینه سازی فوق یک مسأله بهینه سازی محدب است. پاسخ این مسأله قانون کنترلی استاتیکی خروجی بهینه برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی تأخیر زمانی T-S (5-2)، مدل مرجع (5-3) و عملکرد تعقیبی (5-4) میباشد.
اکنون به یک مثال جهت نشان دادن کارآمدی نتایج بدست آمده میپردازیم:
مثال 5-1
سیستم غیرخطی دارای تأخیر زمانی زیر را در نظر بگیرید:

دوباره فرض بر آنست که . سیستم غیرخطی فوق را میتوان توسط مدل فازی T-S زیر نشان داد:
قانون شماره 1: اگر در حدود باشد، آنگاه:

که در آن:

قانون شماره 2: اگر در حدود یا باشد، آنگاه:

که در آن:

تأخیر زمانی متغیر با زمان در سیستم غیرخطی فوق برابر است با:

دلالت بر این دارد که: و . همچنین برای مدل مرجع (5-3) مقادیر زیر را در نظر میگیریم:

برای ماتریس وزن دهی در (5-4) داریم: . با در نظر گرفتن شرایط اولیه صفر برای سیستم غیرخطی فوق، چنانچه کنترل کننده بهینه را بوسیله اعمال مسأله مقدار ویژه LMI-LME (5-14) محاسبه کنیم، نتایج زیر حاصل خواهند شد:

و برای ماتریس معین مثبت مشترک بدست می آوریم:

مقادیر فوق بهره های زیر را برای کنترل کننده استاتیکی خروجی نتیجه میدهند:

همچنین مقدار بهینه برای برابر است با:

به منظور نشان دادن عملکرد سیستم حلقه بسته یک شبیه سازی در محیط Simulink انجام پذیرفته است. در این شبیه سازی اغتشاشات ورودی و نویز اندازه گیری بصورت زیر در نظر گرفته شده اند:

تصاویر زیر نتایج شبیه سازی را به نمایش میگذارند:

user6-739

2-1-2-2-اثرات استرس23
2-1-2-3-عوامل مؤثر در بروز استرس25
2-1-2-4- شاخصه های عوامل فیزیکی استرس26
2-1-2-4-1-صداهای ناهنجار26
2-1-2-4-2- صداهای هنجار ( موسیقی)26
2-1-2-4-3-درجه حرارت27
2-1-2-5-شاخصههای عوامل کاری27
عنوان صفحه
2-1-2-5-1- تضاد نقش27
2-1-2-5-2- ابهام نقش ( ابهام در کار) 27
2-1-2-5-3- حجم زیاد کار27
2-1-2-6- شاخص های عوامل گروهی در کار28
2-1-2-6-1- فقدان اتحاد28
2-1-2-6-2- نبود حمایت گروهی28
2-1-2-7- شاخصههای عوامل کارراهه29
2-1-2-7-1- بازنشستگی29
2-1-2-7-2- حد بهینه استرس29
2-1-2-8- نشانههای استرس30
2-1-2-8- منابع استرس شغلی31
2-1-2-8- 1- استرس های ناشی از شغل33
2-1-2-8- 2- استرس های ناشی از مسائل اجتماعی34
2-1-2-8- 3- استرسهای ناشی از شرایط خانوادگی34
2-1-2-8-4-مهاجرت35
2-1-2-9- علائم استرس35
2-1-2-9-1- علائم جسمانی35
2-1-2-9-2- علائم روانی و رفتاری36
2-1-2-10- پیآمدهای ناشی از استرس شغلی38
2-1-2-11- نظریهها و الگوهای استرس40
2-1-2-11-1- نظریه روان تحلیل گری40
2-1-2-11-2-نظریه ضعف جسمانی41
2-1-2-11-3-نظریه تکوین و تعادل خودکار41
2-1-2-11-4-نظریه پردازش اطلاعات42
2-1-2-11-5-الگوی فرهنگی اجتماعی42
2-1-2-11-6-الگوی مذهبی43
2-1-2-11-7-الگوی روان تنی44
عنوان صفحه
2-1-2-11-8-الگوی واکنش حفاظتی45
2-1-2-11-9-الگوی پاسخ فیزیولوژیکی46
2-1-2-11-10-الگوی بیوشیمی47
2-1-2-11-11-الگوی دوهرنوند48
2-1-3-عوامل مؤثر بر انتخاب سبک های مقابله 51
2-1-3-1-تحول من52
2-1-3-2-کارآمدی52
2-1-3-3- خوش بینی52
2-1-3-4-احساس یکپارچگی53
2-1-3-5-مکانیسم های دفاعی54
2-1-3-6-توانایی حل مسئله55
2-2- پیشینه پژوهش56
2-2-1- پژوهش های خارجی56
2-2-2- پژوهش های داخلی58
2-3-نتیجه گیری و جمع بندی59
2-4- مدل مفهومی پژوهش60
فصل سوم: روش پژوهش
3-1- مقدمه63
3-2- روش پژوهش63
3-3- جامعه آماری64
3-4- نمونه و روش نمونه‌گیری64
3-5- ابزار پژوهش 65
3-5-1- مقیاس عوامل استرس زا 65
.3-5-2- مقیاس راهکارهای مدیریت استرس65
3-6- روایی و پایایی مقیاس‌ها66
3-6-1-روایی و پایایی مقیاس عوامل استرس زا 66
عنوان صفحه
3-6-2- روایی و پایایی مقیاس راهکارهای مدیریت استرس 67
3-7- روش جمع آوری اطلاعات 68
3 – 8 - روش تجزیه و تحلیل داده‌ها68
فصل چهارم: تجزیه و تحلیل داده‌‌ها
4- 1- مقدمه 70
4-2- یافته‌های پژوهش70
4-2-1- سوال اول: عامل استرس زای غالب از دیدگاه مدیران مدارس متوسطه
شهرستان بندر ماهشهر کدام است؟70
4-2-2- سوال دوم: راهکار غالب مدیریت استرس مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر
ماهشهر کدام است؟71
4-2-3- سوال سوم: آیا بین عوامل استرس زا و راهکارهای مدیریت استرس در بین
مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهررابطه وجود دارد؟ 72
4-3- جمع بندی75
فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری
مقدمه77
5-1- بحث و نتیجه گیری77
نتیجه گیری نهایی81
5-4-محدودیتها82
5-4-1- محدودیت‌های اجرایی82
5-4-2- محدودیت‌های پژوهشی83
5-5-پیشنهادها83
5-5-1-پیشنهادهای کاربردی83
‌5-5-2-پیشنهادهای پژوهشی84
عنوان صفحه
منابع و مأخذ
منابع فارسی85
منابع انگلیسی 87
پیوست91
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول شماره1.تعاریف استرس23
جدول شماره2.منابع گوناگون ایجادکنندهی استرس32
جدول شماره‌ی (3-1): توزیع نمونه پژوهش بر حسب ویژگی‌های جمعیت شناختی64
جدول شماره‌ی (3-2): توزیع گویه‌ها و روش نمره‌گذاری مقیاس عوامل استرس زا65
جدول شماره‌ی (3-3): توزیع گویه‌ها و روش نمره‌گذاری مقیاس راهکارهای مدیریت استرس66
جدول شماره‌ی (3-4): طیف ضرائب همبستگی و آلفای کرونباخ مقیاس عوامل استرس زا67
جدول شماره‌ی (3-5): طیف ضرائب همبستگی و آلفای کرونباخ مقیاس راهکارهای
مدیریت استرس67
جدول شماره (4-1): میانگین و انحراف استاندارد عوامل استرس زا در بین مدیران مدارس
متوسطه شهرستان ماهشهر71
جدول شماره (4-3): میانگین و انحراف استاندارد راهکارهای مدیریت استرس در بین مدیران
مدارس متوسطه شهرستان ماهشهر72
جدول شماره (4-5): نتایج ضریب همبستگی متغیرهای تحقیق (ابعاد عوامل استرس زا و راهکارهای مدیریت استرس74
فصل اول
144399026543000
مقدمه
1-1-کلیات
بدون شک ترقی و تعالی هر جامعه در گرو برخورداری از یک نظام آموزشی پویا و اثربخش است و به همین جهت پرداختن به مسائل نهادهای آموزشی و تلاش برای تقویت و شناسایی عناصر کلیدی در موفقیت و شکست آنان ضروری می باشد. نهادهای آموزشی از جمله مدارس، سیستمی اجتماعی هستند که حیات وپایداری آن ها به وجودپیوندی قوی بین اجزا وعناصر تشکیل دهنده آن وابسته است. یکی از مهمترین، گرانترین و با ارزشترین عناصر و اجزاء مدارس نیروی انسانی میباشد که در میان دیگر عوامل به عنوان حیاتی ترین عنصر استراتژیک و اساسی ترین راه برای افزایش اثربخشی و کارایی سازمان محسوب شده (روپک، 2000) و همچنین نقش اساسی در رشد، پویندگی و بالندگی یا شکست و نابودی سازمانها ایفاء می‌کند. از جمله مؤلفه‌هایی که بر بهبود و اثربخشی عملکرد افراد در مدارس تأثیر گذار است میزان استرس حاکم بر رفتار آنان است. استرس یک مشکل رایج در میان اکثریت مردم است. انسان در زندگی اجتماعی هر نقش و جایگاهی که داشته باشد نسبت به آن نقش و جایگاه دغدغه فکری و فشار عصبی دارد منتهی میزان آن در افراد مختلف متفاوت است و اثرات متفاوتی بر عملکرد و فعالیت های آنان میگذارد به هر حال استرس از لحاظ اینکه اثرات سویی بر عملکرد و فعالیت های مدیران مدارس می گذارد در تحقیقات مربوط به مدیریت مدارس مورد توجه است. ارتقای بهداشت روانی محیط کار به عنوان یکی از مهمترین ابعاد توسعه وبهسازی منابع انسانی بوده و در چند دهه اخیر توجه سازمانها به نیروی سالم جسمی و فکری در موسسات اقتصادی، خدماتی، آموزشی و صنعتی در بالا بردن سطح بهرهوری تاثیر بسزایی دارد. پژوهشهایی که در چند دهه اخیر انجام شده است نشان میدهد که عامل فشار روانی همواره در سازمانها رو به رشد بوده است. از سوی دیگر محققان دریافتهاند که این عامل اثرات فراوانی بر عملکرد و فعالیتهای اعضای سازمان دارد. مدیران، کارمندان و ارباب رجوع سازمان تحت تأثیر این فشار دچار حالات روانی خاصی شده و دست به رفتار و اعمالی میزنند که نتایج آن مستقیماً در بازدهی سازمان منعکس میشود. امروزه اکثر مدیران در کشورهای صنعتی از عدم بهداشت روانی کارمندان خود به ویژه در آن حدی که مربوط به استرس میشود نگران هستند. بنابراین واضح است که اثرات زیانبار فشارهای عصبی تنها در مبتلا کردن افراد به مرضهای روحی و جسمی نیست بلکه فشارهای عصبی، تأثیر بسیار زیانبخشی بر عملکرد مدیران و کارکنان نیز دارد.
در سازمانهای آموزشی مدیران تحت تأثیر فشار عصبی دچار حالت روانی خاصی می شوند و دست به رفتارها و اعمالی می زنند که مستقیما در بازدهی سازمان اثر منفی دارد، استرس های بوجود آمده حاد نیروی مدیران مدارس را ضایع میکنند و هدف سازمان (مدرسه) را دستخوش تزلزل میسازد، افرادی که دچار فشار عصبی می‌‌‌شوند و توان مقابله با آن را ندارند از جهات جسمانی، روانی و رفتاری دچار آسیب می شوند و به این ترتیب است که فشار عصبی در سازمان های آموزشی همچون آفتی است که نیروی انسانی را تهدید می‌‌‌کند. و فعالیتها و تلاش ها را عقیم می سازد (الوانی، 1385)
1-2-بیان مساله:
با پیچیده تر شدن روزافزون جوامع امروزی، به طور حتم رسالت سازمان ها در جهت برآورده شدن انتظارات جوامع، حساس تر و با اهمیت تر می‌شود. آنچه که امروزه در بین اهل فن به اتفاق نظر، به یقین تبدیل شده است، نقش اساسی انسان به عنوان گرداننده اصلی سازمان‌ها است. انسان‌ها هستند که به کالبد بی روح سازمان‌ها، جان میبخشند و عملا تحقق اهداف را میسر میکنند. بنابراین کارکنان و مدیران ارزشمندترین سرمایه هر سازمان به شمار میآیند و عملکرد هر یک از آنان در عملکرد کل سازمان تأثیر گذار است (مهمانفر،1384). توجه به نیروی انسانی در سازمان ها در طی سالهای اخیر بخش عظیمی از زمان و سرمایه سازمان های پیشرو را به خود اختصاص داده است (فانی و عرب کلمری، 1384). در واقع در جهت بهبود عملکرد سازمان، ناگریز به توجه عمیقتر به کارکنان و عوامل مؤثر بر عملکرد آنان هستیم؛ که در حقیقت عواملی چون رضایت شغلی، تعهد سازمانی، خلاقیت، استرس، تعارض و ... بر عملکرد کارکنان تأثیر گذارند (مهمانفر، 1384). در این تحقیق عوامل استرس‌زا در بین مدیران مورد توجه قرار گرفته است. استرس یا فشار روانی شایع ترین، فراگیرترین و مخربترین نیروی موجود در جامعه امروزی ماست. بدین جهت بخش مهمی از زندگی که استرس فراوانی را برای انسانها ایجادمی‌کند"شغل" آنهاست (میقانی، 1380).
به زعم گملچ و چن عوامل استرس زا برای اغلب مدیران وجود دارد ولی موفقیت مدیران، به شناخت، کنترل و مدیریت این عوامل بستگی دارد. مدیرانی که تحت فشار استرس زیادی هستند معتقدند که کنترلی بر اوضاع ندارند و نمی‌‌توانند شرایط اضطرابزا را تغییر دهند اما در واقع در بسیاری از مواقع قدرت ایجاد تغییرات لازم برای غلبه بر فشار عصبی را دارند. (گملچ و چن ، 1375)؛ الوانی نیز معتقد است که برای ایجاد تحرک و تلاش در بین مدیران مدارس مقداری فشار عصبی (استرس) لازم است. اما باید این نکته را خاطر نشان کرد که استرس شدید و طولانی نیروی مدیران را از بین می‌برد، هدف سازمان را دستخوش تزلزل می سازد و مدیران مدارس از جهات جسمانی، روانی و رفتاری دچار آسیب می شوند (الوانی، 1375). لذا شناخت عوامل ایجادکننده استرس در جهت کاهش آن ضرورت می‌یابد. در کل عوامل استرس زا شامل: عجله کاری: در این موقعیت فرد احساس شدیدی از فوریت زمان داشته و تمایل به سرعت عمل در مقابل زمان دارد. شخص احساس می‌کند که ضرورت دارد عجله کند حتی در مواقعی که دلیلی برای عجله کاری ندارد. این تمایل فرد را به علت عجول بودنش، بیماری عجله نامیده می‌شود. رقابتی بودن: دراین موقعیت فرد روحیه تهاجمی بی مورد از خود بروز میدهد. به رقابت با دیگران افراط می‌کند و با دیگران شوخی و مزاح نمی‌کند. این رفتار پرخاشگرانه شخص در اثر گسترش ناکامی‌های جزئی و خشونت‌های ساده ایجاد می‌گردد. (صعوبت کار)، حرص زدن: این نوع رفتار اشاره به تمایل فرد برای انجام دو یا چند وظیفه همزمان در زمان‌های نامناسب دارد و معمولاً باعث اتلاف زمان می‌شود که ناشی از ناتوانی فرد در انجام وظایف است. انجام کار بدون برنامه ریزی مناسب: این رفتار اشاره به تمایل فردی دارد که واقعاً بدون اینکه چگونگی نیل به موفقیت و رسیدن به نتایج مطلوب را بداند با دست پاچگی دست به اقدام میزند. نتیجه چنین رفتاری منجر به عدم توفیق در کار میگردد و یا اگر کار صورت پذیرد با خطاهای فراوانی همراه خواهد بود که نهایتاً منجر به اتلاف زمان و انرژی و سرمایه میگردد (مقیمی، 1390) . محیط فیزیکی: از عوامل بارز استرس مربوط به شرایط فیزیکی محیط کار میتوان به درجه حرارت، باد، باران وتغییرات آب وهوا اشاره کرد. علاوه برآنها در شهرهای شلوغ مسئله ترافیک و سر و صدای وسائل نقلیه می‌‌توانند برای مدیران استرس ایجاد کنند. سروصدای معلمان – شاگردان درکلاس ورزش، زنگ تفریح و دفترمدرسه ایجاد فشار عصبی است. و اثرات جانبی همچون سرگیجه، افت کارکردهای معده مشکلات بینایی، خستگی، سردرد وحالت تهوع ایجاد می‌کند این اثرات به نوبه خود موجب ضعف عملکرد شغلی کادر اداری و آموزشی میشوند .گملچ وچن هشت عامل ایجاد کننده فشارعصبی مربوط به شرایط فیزیکی محیط کار ذکرکرده‌اند این عوامل عبارتند از: 1-دفترکار بی نظم وآشفته باشد 2-وقتی که دفترکار بسیار سرد ویا بسیار گرم باشد 3-وقتی که نور کافی باشد 4- وقتی که دفترکارخیلی پر سروصدا باشد 5-وقتی که تلفن‌های مکرر و سایر مزاحمتها غالبا کار مدیر را قطع می‌کنند 6-وقتی که دفترکار به روی مراجعین اتفاقی باز باشد .7-وقتی که تجهیزات دفترکار کهنه و غیرقابل استفاده باشد. (گملچ وچن ، 1375). تضاد شغل: عوامل فشارعصبی در مدیران مختلف واکنشهای متفاوتی ایجاد می‌کند. آمادگی مدیران برای تحمل استرس توسط خصایص ژنتیک و رشدی آنها تعیین می‌شود. برای مشخص شدن رابطه خلق و خوی افراد با آسیب پذیری آنان در برابر بیماری‌های مرتبط با فشار عصبی پژوهش‌های زیادی صورت گرفته است. حل و فصل تعارض بخش بسیار مهمی از شغل مدیر است زیرا زمانی که افراد درکنار هم و در یک محیط سازمانی کار می‌‌‌کنند سروکله فشار عصبی هم پیدا می‌شود. گملچ و چن ده عامل ایجاد فشار عصبی مربوط به ویژگی‌های شخصی مدیران را ذکر کرده‌اند. عبارتند از: 1- مدیر اغلب کارها را باهم انجام می دهد .2-محول کردن تکالیف به دیگران برای مدیر دشوار است چون آنها نمی‌‌توانند کارها را به خوبی او انجام دهند 3 - وقتی کسی در بیان منظور خود کند است میان صحبت او می دود و اورا وادار می‌‌‌کند تا هر چه سریع تر حرف خودش را بزند. 4- مدیر وقتی آنکه هست را با آنکه امید داشته باشد مقایسه می‌‌‌کند غالبا دلسرد می‌شود 5- اغلب احساس می‌کند که چون بی لیاقت است نتوانسته است به بلند پروازی‌هایش دست یابد.6- اغلب تمرکزطولانی برروی فعالیت‌ها (بیش از ده دقیقه) برای مدیر دشوار است. چون محدودیت های زمانی زیادی وجود دارد. 7- غالبا احساس می‌کند باید موفق شود چون قبلا موفق نبوده است و حالا همین انتظار را از او دارند. 8- غالبا تصور می‌کند که این دلیل موفق است که کارها را سریع تر از دیگران انجام میدهد. 9- در مور د جزئیات شغلش دقت زیادی به خرج میدهد (گملچ وچن، 1375). ابهام نقش: مبهم بودن شرح وظایف، حضورتمام وقت درفعالیتهای مدرسه، درخواست‌های متعارض مقامات اداره، مسئولیت‌های نامشخص، ارسال به موقع گزارش‌ها واسناد اداری، لزوم مکاتبات فراوان مسائل انضباطی دانش آموزان، سروصدای ناشی از خیابان، انجام دادن کارهای غیر ضروری، حضور در جلسات مدرسه و اداره، تخلفات کارکنان مدرسه، عدم اعتماد میان مدیران و کارکنان مدرسه، عدم درک اهداف و مقاصد آموزش و پرورش از سوی کارکنان در سرنوشت کارکنان مدرسه، لزوم آمادگی دائم برای سخنرانی، عدم حضورکافی در میان اعضای خانواده، غفلت از مسائل خانوادگی و اعضای خانواده، لزوم رقابت و تلاش برای عملکرد شغلی بهتر .احساس گناه در مقابل همسر، عدم تحقق اهداف شخصی، انجام ندادن کارهای مربوط به منزل، از دست دادن فرصت انجام کارها، عدم آگاهی از چگونگی انجام صحیح وظایف، لزوم فراگیری ضوابط و آیین نامههای اجرایی مربوط به نظام جدید آموزش متوسطه، سرزنش ها و توقعات فراوان مقامات اداری و نظارت بر همه کارکنان مدرسه و دانش آموزان .
بدیهی است که استرس بخش جدایی ناپذیر زندگی بشر است ، بنابراین لازم است که تمامی افراد با راهها و راهبردهای مقابله با آن آشنا باشند. با شناخت عوامل ایجادکننده استرس می توان زمینه مقابله با آن را مهیا کرد. صور مختلف حمایتهای اجتماعی، زمینه را برای بازداری و کاهش مشکلات عاطفی و روانی فراهم می‌کند. شدت واقعه تنش زا، نوع آن، ویژگی های شخصیتی فرد، سن و تجارب گذشته، از مهمترین متغیرهایی هستند که در اتخاذ روش مقابله تأثیر دارند. در واقع راهکارهای مـدیریت استرس (فـردی):روش‌هایی است که هر فرد برای کاهش استرس خود بکار می‌گیردکه براساس نظر(مقیمی، 1390) شامل مواردی از قبیل: ایجاد حس خوش بینی: خوش بینی و بدبینی دو سبک فکری هستند که افراد برای بیان حوادث خوب و بد در زندگی خود از آنها استفاده میکنند. بدبینی باعث افسردگی، مشکلات در زمینه سلامت فیزیکی و کاهش موفقیت فرد می‌شود. در مقابل دیدگاه خوش بینی، سلامت فیزیکی و احتمال موفقیت فرد را افزایش میدهد. بنابراین برای از بین بردن استرس مضر یکی از راه های مهم ایجاد حس خوش بینی در افراد است.
مدیریت زمان: سنگینی و زیادی حجم کار یک عامل مهم استرس آور است که منجر به ایجاد فشار زمانی در فرد می‌گردد. مهارتهای مدیریت زمان می‌‌تواند به کارکنان کمک کند تا بتوانند از زمان بطور مؤثر و کارا استفاده نمایند. در مدیریت زمان کارها برنامه‌ریزی می‌شود و برای آنها تعیین اولویت می‌گردد. که این باعث کاهش فشار زمانی می‌شود و نهایتاً استرس را در افراد کاهش میدهد. فعالیتهای تفریحی: فعالیت‌های تفریحی فرصتی را برای استراحت کارکنان فراهم می‌آورد تا افراد از آن لذت ببرند که این فعالیت‌ها می‌‌تواند بصورت کار متعادل یا فعالیت غیرکاری باشد. ورزش بدنی: ورزش کردن باعث انعطاف در ماهیچه ها و عضلات افراد می‌شود که این به نوبه خود در کاهش استرس بسیار مفید است. بدن را در حالت استراحت قرار دادن: یکی از راه های کاهش استرس این است که فرد خود را بر روی یک صندلی رها کند و بدنش را شل کند.
رژیم غذایی: خوردن بعضی خوراکی ها باعث کاهش استرس می‌شود و بعضی خوراکی ها استرس در افراد را افزایش میدهند. افراد با مراجعه به پزشک می‌‌توانند دستورات غذایی برای کاهش استرس را دریافت نمایند. دیگران را سنگ صبور قرار دادن: در بعضی مواقع بیان مشکلات برای دیگران می‌‌تواند استرس در افراد را کاهش دهد (مقیمی، 1390).
توجه به جنبههای اجتماعی و حرفهای هویت انسان، ما را به اهمیت و نقش ویژه شغل در سازگاری آن با خود، دیگران و اجتماع واقف میسازد و از این نظر عوامل استرس زا و رضایتساز ناشی از شغل می‌‌تواند راهگشای ما در کشف و تعیین زمینههایی گردد که باعث افزایش بهداشت روانی فرد به عنوان موجودی سازگار با خود باشد، موضوع فشار روانی ناشی از زندگی و کار در میان متخصصان آموزشی، بهداشت و سایر کسانی که مسئولیت اجتماعی مردم را بر عهده دارند، بسیار رایج بوده و در رأس امور قرار دارد. مطالعات بسیاری نشان دادهاند که تقریباً در تمامی مشاغل استرس وجود دارد. لیکن میزان و اثرگذاری آن به لحاظ تفاوت در نقش استرس و خصوصیات شخصی افراد در مشاغل مختلف متفاوت است. استرس در شغل مدیریت آموزش مدارس، کارایی حرفهای مدیران را در برابر مخاطبین خود، یعنی دانشآموزان که بخش عظیمی از جمعیت را تشکیل میدهد پایین میآورد، فشار عصبی ضمن کاهش بازدهی کار مدیران لذت زندگی را از آنان سلب کرده و علاوه بر آن بر بازده کل نظام آموزش اثر منفی گذارد.
در حقیقت یکی از عارضه های جدید زندگی به سبک مدرن، وجود استرس در محیط کار است. در زندگی تمام افراد که در یکی از مشاغل موجود در جامعه فعالیت میکنند، استرس وجود دارد، و این استرس به شکل های گوناگون به آنها فشار وارد میآورد (جزنی و همکاران، 1389)؛ شناسایی منابع و عوامل موثر بر بروز استرس شغلی در یک سازمان، می‌‌تواند به مواجهه هر چه بهتر با این پدیده کمک رساند. هدف از این پژوهش نیز شناسایی منابع ایجادکننده استرس در بین مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندماهشهر است. و پیشنهاد راهکارهایی برای مدیریت استرس در مدارس و بین مدیران می باشد.
1-3-اهمیت و ضرورت پژوهش:

مدیران امروزه با افزایش مداوم وظایف شغلی در محیط کار روبرو هستند این در حالی است که اوقات بیشتری را صرف کار می‌کنند و این موجب وارد آمدن فشار بیش از اندازه بر آنان می شود. امروزه انتظارات از مدیران در درون و بیرون این سیستم اجتماعی بسیار زیاد شده است و آنها دائماً تحت فشار کاری هستند. این فشار احتمالاً آنها را بیش از پیش تحت تأثیر قرار می دهد سلامت و آسایش شخصی آنان را به خطر می اندازد آنان را دچار استرس میکند و در اثر فشارهایی که بر آنان وارد میشود پس از مدتی از توان و انرژی این نیروی مهم کاسته می‌شود و به همین خاطر ممکن است از کارایی و اثربخشی آنها نیز کاسته شود. در واقع استرس اگر ادامه داشته باشد موجبات واماندگی و فرسودگی آنان را به وجود میآورد (مورهد و گریفین، 1382) لذا برای مواجهه با این مشکل باید به دنبال راهکارهایی برای مدیریت استرس بود .
امروزه استرس یکی از مشکلات انسان ها به ویژه در کشورهای در حال رشد و پیشرفته است و شناخت علل و عوامل به وجود آورنده این مشکل و ارایهی نتایج و راهکارهای مناسب برای پیشگیری و درمان آن، ذهن افراد زیادی را به خود مشغول کرده است. مدیران مدارس ازجمله افرادی هستند که در سازمانهای گوناگون با این پدیده روبرو هستند و از آن رنج می برند. بررسی استرس شغلی به دو دلیل ضروری است: نخست آنکه بی توجهی به استرس شغلی می تواند آسیبهای فراوانی به توان منابع انسانی یک سازمان وارد نماید و پیامدهای منفی مانند کاهش تولید را به بار آورد. دوم آنکه اگر استرس شغلی به درستی باز شناخته نشود و با تدبیر و دوراندیشی هدایت و سرپرستی نگردد، میتواند در کاهش عملکرد کارمند و عدم رضایت او مؤثر باشد (مورهد و گریفین، 2005).
از آنجا که بخش عمده ای از زندگی انسان و تأمین نیازهای مادی و معنوی او، از طریق کارکردن میسر میشود؛ شناخت پدیده‌ی استرس و نحوه کنترل و اداره آن در محیط های کاری یا به عبارت دیگر مدیریت استرس برای مقابله با عوارض و پیامدهای نامطلوب آن اهمیت بسزایی مییابد. بنا به گزارش مؤسسه ملی بهداشت و ایمنی در آمریکا، محیطهای کاری روز به روز پر استرستر می شود. در میان دو هزار سازمان مورد بررسی توسط موسسه ملی بهداشت و ایمنی در آمریکا، بیش از نیمی از آنها معتقد بودند که استرس، زیان‌های زیادی به آنها وارد کرده است (نیوش، 2002). نظر به اهمیت استرس در زندگی افراد و در حیات سازمانها، همچنین مسائل و مشکلاتی که سازمانها به دلیل وجود استرس درگیر آن هستند و اهمیت این مسأله که سازمانها سالانه میلیاردها دلار بابت مسائل ناشی از بروز استرس در محیط کار، پرداخت می‌‌‌کنند، به ما این اجازه را می دهد که به گونه ای جدی تر به بررسی نقش استرس شغلی در ایجاد مشکلات سازمانی بپردازیم (ووئستنر، 2002)
امروزه تأثیر عوامل مختلف ناشی از وظایف سازمانی، زندگی خصوصی مدیران ، انتظارات کارکنان، دبیران، دانش آموزان و والدین دانش آموزان، روابط نامناسب مدیران با کارکنان مدرسه، ویژگی های شخصی مدیران و شرایط فیزیکی محیط مدرسه است که در مدیران استرس ایجاد میکنند. بررسی و بازنگری پژوهش‌های انجام شده نشان میدهد که مدیران دبیرستانها بیشتر از مسئولان ادارهها و مسئولان ردههای بالاتر نظام آموزشی در معرض عوامل ایجادکننده استرس قرار دارند(گلمچ و چن، 1375).
پذیرش این واقعیت، اهمیت پژوهش حاضر را مشخص میسازد؛ از طرفی دیگر شناخت عوامل فشارزا برای مدیران دبیرستانها کار دشواری است و غالباً در پشت نگرانیهای بیرونی مخفی میماند. یافته‌های پژوهش حاضر به مدیران کمک می‌کند تا عوامل مهمی که معمولاً در پیش روی آنها قرار دارد شناسایی کنند و به جای تحمل بیهوده فشار عصبی به کنترل عوامل فشارزا بپردازند. ضرورت و اهمیت دیگر پژوهش حاضر بررسی عوامل فشارزا بصورت مجموعه زیرمقیاسهای اصلی است. این عمل چهارچوب مناسبی برای مطالعه آنها فراهم میسازد و به پژوهشگران و دست اندرکاران نظام آموزشی کمک میکند تا منبع هر یک از عوامل استرس زا را شناسایی کنند و در پی آن تدابیر و تصمیمات مناسبی برای رفع مشکلات مدیران دبیرستان ها اتخاذ کنند.
کنترل عوامل فشارزا فقط بر عهده مدیران نیست، مسئولان ردههای بالاتر نیز در کنترل عوامل استرس زا می‌‌توانند سهم به سزایی داشته باشند. بررسی تفاوت تاثیر عوامل استرس زا بر مدیران زن و مدیران مرد و تفاوت تاثیر عوامل استرس زا بر مدیران با تجربه و مدیران تازه کار از اهداف دیگر پژوهش حاضر است
1-4-اهداف پژوهش:
هدف کلی این پژوهش بررسی رابطه بین عوامل استرس زا و راهکارهای مدیریت استرس در بین مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهر درسال تحصیلی 92-1391می باشد .
اهداف جزئی
1- تعیین عامل غالب استرسزا از دیدگاه مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهر.
2- تعیین راهکار غالب مدیریت استرس مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهر.
3- بررسی رابطه بین عوامل استرس زا و راهکارهای مدیریت استرس در بین مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهر
1-5- پرسشهای پژوهش:
1- عامل استرس زای غالب از دیدگاه مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهرکدام است؟
2- راهکار غالب مدیریت استرس مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهر کدام است ؟
آیا بین عوامل استرس زا و راهکارهای مدیریت استرس در بین مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهر رابطه وجود دارد؟
1-6-تعریف مفهومی متغیرها:
1-6-1- عوامل استرس زا:
عوامل بوجودآورنده استرس وضعیت ها و حوادث بسیار زیاد و متنوعی از قبیل: ناکامی در زندگی، بیماری، کثرت وظایف، تعارضات بین فردی و غیره که باعث ایجاد فشار عصبی در افراد می‌شوند را عوامل بوجود آورنده استرس میگویند. که در این پژوهش عوامل بوجودآورنده استرس براساس نظر(مقیمی، 1390) شامل عوامل (عجله کاری، رقابتی بودن، حرص زدن، انجام کار بدون برنامه ریزی، محیط فیزیکی، تضاد شغل، ابهام نقش) می‌باشد.
1-6-2- راهکارهای مدیریت استرس:
روشها و راههایی که برای کاهش و کنترل استرس به کار گرفته می‌شود که براساس نظر (مقیمی، 1390) شامل موارد هفتگانه‌ی ؛ ایجاد خوش بینی، مدیریت زمان، فعالیت تفریحی، ورزش بدنی، بدن را در حالت استراحت قرار دادن، رژیم غذایی و افراد دیگر را سنگ صبور قرار دادن می باشد.
1-7-تعریف عملیاتی متغیرها:
1-7-1- عوامل استرس زا:


در این پژوهش عوامل استرس زا بر اساس نمرهای که مدیران مدارس متوسطه شهرستان بندر ماهشهر به پرسشنامه عوامل استرس زا (اورلی و گیرادتو، 1980) اختصاص داند، مشخص شد.
1-7-2- راهکارهای مدیریت استرس:
در این پژوهش راهکارهای مدیریت استرس بر اساس نمره ای که مدیران مدارس شهرستان بندر ماهشهربه پرسشنامه راهکارهای مدیریت استرس(کوبین و همکاران،1990) اختصاص داند، مشخص شد.
فصل دوم
159639050038000
مبانی نظری و پیشینه پژوهش
مقدمه:
در این فصل ابتدا مبانی نظری پژوهش در مورد تاریخچه استرس، تعاریف، منابع، نشانهها، پیامدهای استرس و ... مطرح میگردد. و سپس پژوهشهای پیشین داخلی و خارجی بررسی شده و در نهایت مدب مفهومی پژوهش ارائه میگردد.
2-1- پیشینه نظری
2-1-1-سیر تاریخی مطالعات استرس
اصطلاح استرس از زبان انگلیسی گرفته شده و معادل دقیق آن در فارسی کلمه "فشار" است، البته معنای وسیع و طیف گسترده آن را نمیرساند (شاملو، 1363). این اصطلاح تقریباً از قرن پانزدهم در زبان انگلیسی مورد استفاده قرار گرفت. در این زبان کلمه استرس به معنای فشار یا کشش فیزیکی به کار میرفت . تا قرن هفدهم کاربرد آن در حوزه های مهندسی معماری تعمیم یافت و از آن پس این کلمه در مفهو م سختی و فلاکت در مورد انسا ن نیز مورد استفاد ه قرار گرفت. به عبارت دیگر، فشار وارد بر فرد جانشین فشار وارد بر شیء شده بود. در اوایل قرن بیستم بعضی از پژوهشگران استرس را در ارتباط با اختلالا ت روانتنی مطرح کردند. سپس در سال 1930 سلیه تمایز بین علت اختلالات بدنی و آثار آن را مطرح کرد. او علل یا محرکهای خارجی را عامل استرس و حالت عدم تعادل بدن را استر س نامید (شفر ، 1982)
برای شناسایی بیشتر واژه استرس باید به تاریخچه آن بازگشت، یعنی زمانی که از این واژه برای رسانیدن مفهوم فشار فیزیکی استفاده میشد. فیزیک دانان ثابت میکنند که بین نیروی وارد بر واحد سطح و فشار حاصل از آن رابطه مستقیم وجود دارد بدین معنا که اگر یک نیوتن نیرو بر یک متر مربع سطح وارد کنیم، یک پاسکال فشار خواهیم داشت؛ رابطه بین این سه مؤلفه را به (A) و مترمربع واحد سطح (F) نیوتن واحد نیرو، (P) نشان می‌دهند که در آن (پاسکال واحد فشار( P = FA صورت فرمول است و هر چه نیرو افزایش یابد، درصورتیکه سطح ثابت باشد، فشار به همان نسبت یا اندازه افزایش مییابد.
سلیه (1950) تعریف کاملاً نوینی برای استرس ارائه داد. وی با تأکید بر سیستم غدد درونریز اظهار داشت که در ارگانیسم هر عامل یا محرکی میتواند تغییرات حفاظتی و سازگارکنندهای به وجود آورد. به نظر او هر محرک تنشزا، اگر فشار کافی داشته باشد، ممکن است به ایجاد واکنشی که او آن را سندرم سازگاری کلی نامید، منجر شود.
سلیه به هنگام طرح تاریخی این موضوع چنین میگوید: استرس عبارت است از مجموعه واکنشهای غیراختصاصی که تحت تأثیر محرک های گوناگون در ارگانیسم ایجاد میشود. استرس از نظر ماهیت، اختصاصی است، اما منشأ غیراختصاصی دارد. اختصاصی بودن ماهیت آن یعنی اینکه دارای تغییرات کلیشهای یکسان و ویژهای است که مهمترین آنها عبارتند از: واکنش غده قشری فوِق کلیوی، کاهش میزان ائوزینوفنل در خون و رشد زخم در دستگاه گوارش. غیراختصاصی بودن آن از این نظر است که استرس براثر محرک های گوناگون به وجود میآید (فایلا، 1991 ؛ آیزنک، 2000 ). البته سلیه در ابتدا تصور میکرد که استرس فقط تحت تأثیرعوامل زیان آور، ایجاد میشود، ولی بعدها عنوان کرد هرچیز خوشایند و ناخوشایند موجب بروز استرس میشود. استرس و اضطراب دو واکنش طبیعی ارگانیسم در موقعیتهای تهدیدکنندهاند که بدون آنها بقای نوع انسان به خطر میافتد. استرس عاملی است که انسان را در مواجهه با مسائلی که از آنها شناختی ندارد یا اتفاقاتی که به وضوح ما را مورد تهدید قرار میدهد، آماده میسازد. استرس با تشدید جریان خون موجب افزایش فعالیت می‌شود و میتواند در دستیابی به اهداف موردنظر مفید واقع شود. ولی میزان زیاد یا طولانی مدت آن نه تنها دیگر مفید نیست، بلکه زیانبار است.
اشخاصی که درباره استرس اطلاع کمی دارند، اغلب آن را نوعی نیروی خارجی نیرومند می پندارند که نسبت به آن کنترل اندکی دارند. آنها احساس می کنند در صور ت امکان باید از این فشارها ممانعت به عمل آورند، ولی چنانچه برای شخص امکان گریزی وجود نداشته باشد، باید آن را تحمل کند؛ ولی باید ذکر کرد که در مورد استر س عمل خودکار یا گریز ناپذیر وجود ندارد. هریک از ما در مواجهه با موقعیت بالقوه پرتنش به شیوه کاملاً متفاوتی واکنش نشان میدهیم و به انتخاب سبک مقابله با آن میپردازیم. ما میتوانیم راهی را انتخاب کنیم که خود را دچار درماندگی کنیم یا از تجربیات خود لذت ببریم. در استرس عواملی چون زمینه، شرطی شدن، تجربههای پیشین، مدت زمان و شدت استرس نقش مهمی دارند. واکنش هر فرد در مقابل استرس از الگوی پیچیده افکار و رفتار او نشأت می گیرد. برای مثال، ما بر اساس نوع عقیدهمان نسبت به خود و جهان و چگونگی ارضای خود به تنش پاسخ میگوییم. همچنین واکنش ما در مقابل تنش به میزان کنترل ما بر زندگی، و وضعیت فعل و انفعالات شخصی و وضعیت جسمانیمان بستگی دارد. این عوامل و بسیاری دیگر از عوامل حد خاصی از تنش را برای هریک از ما به وجود میآورند. اگر بتوانیم با استرسها به طور صحیحی برخورد کنیم، استرس دوستی میشود که ما را برای مواجهه با مسائل زندگی نیرو میدهد، ولی اگر با ضعف با آن برخورد کنیم و اجازه دهیم از کنتر ل ما خارج شود، به شکل دشمنی در میآید و موجب بروز بیماریهای مختلف بویژه امراض شدید قلبی و ضعف اندامهای بدن میشود.
2-1-2- مفاهیم استرس:
استرس، در قرن حاضر یکی از مهم ترین زمینههای پژوهش در علوم مختلف به شمار می‌آید. این موضوع توجه دانشمندان رشته‌های مختلف اعم از پزشکان، روان شناسان، فیزیولوژیستها، زیست شناسان و جامعه شناسان را به خود جلب کرده است و هریک جنبه هایی از استرس و عوارض آن را مورد بررسی قرار داده‌اند در دهههای اخیر همکاری این متخصصان به شکلگیری رشتههایی چون (روان شناسی سلامت)، ( طب روانتنی)، (طب رفتاری) منجر شده است که تاثیر استرس را بر رفتار، بهداشت روانی و اختلال‌های روان تنی مورد توجه قرار دادهاند.
امروزه به دلیل گسترش عوامل تنشزا و کاهش توان مقابله انسان در برابر آنها) به دلیل تغییر سبک زندگی( استرس به پدیده ای پیچیده و بزرگ تبدیل شده است، چرا که تحت تأثیر عوامل متعدد و تعامل میان آنها قرار دارد. از مهم ترین پدیدههایی که به استرس میانجامند، میتوان از مهاجرت به شهرهای بزرگ یا کشورهای بیگانه، صنعتی شدن، تحولات روزافزون و سریع علم وفناوری، افزایش جمعیت، عدم پایبندی به آداب و رسوم گذشته، تغییر روابط خانوادگی، تغییر نقش اعضای خانواده، گسستگی روابط خانوادگی، جنگ، اضطراب فراگیر در مورد جنگهای هستهای، فقر، معلولیت، بیماری‌های مزمن و تغییر ارزشهای فرهنگی و اجتماعی نام برد (فریدنبرگ و لوی، 1993)
بدیهی است که استرس بخش جدایی ناپذیر زندگی بشر است، بنابراین لازم است که تمامی افراد با راهها و راهبردهای مقابله با آن آشنا باشند. با شناخت عوامل ایجادکننده استرس میتوان زمینه مقابله با آن را مهیا کرد. صور مختلف حمایتهای اجتماعی، زمینه را برای بازداری و کاهش مشکلات عاطفی و روانی فراهم میکند. شدت واقعه تنشزا، نوع آن، ویژگیهای شخصیتی فرد، سن و تجارب گذشته، از مهمترین متغیرهایی هستند که در اتخاذ روش مقابله تأثیر دارند.
حوادثی مانند مر گ عزیزان، سیل، زلزله، بیماریهای مزمن و طلاق، از جمله رویدادهایی هستند که تقریباً در بیشتر افراد استرس ایجاد میکنند. میزان تأثیر پارهای از رویدادها بر وضع جسمانی و روانی فرد در دورههای خاصی از زندگی با سایر دورهها متفاوت است .برای مثال، به نظر میرسد استرس ناشی از مرگ والدین در کودکی بیش از سایر دورههای زندگی بر سلامت روانی افراد تأثیر میگذارد. همچنین استرس ناشی از تعارض با والدین معمولاً در نوجوانی افزایش مییابد. واکنش به استرس میتواند در سازگاری فردی نقش مهمی داشته باشد، افراد در ارزیابی رویدادهای تنش زا با یکدیگر تفاوت دارند. آنان به گونه های متفاوت با استرس سازش پیدا میکنند و آن را کاهش میدهند.
ویژگیهای شخصیتی نیز در ارزیابی و در نتیجه سازگاری فرد با استرس تأثیر دارند، به طوری که گاه دو فرد در مقابل رویداد مشخصی به گونه ای کاملاً متفاوت واکنش نشان میدهند. وقوع یک رویداد میتواند در فردی سبب بروز اضطراب شدید، افسردگی یا سایر بیماریهای جسمانی و روانی شود، درحالی که همین رویداد ممکن است بر فرد دیگری تأثیر چندان منفی نداشته باشد یا در رفتار او تغییری جزئی ایجاد کند.
ارگانیسم برای سازگاری با موقعیتهای تنش زا باید کوششهایی فراتر از ظرفیت خود به کار برد و پاسخ های مطلوب فیزیولوژیک، روا نشناختی و رفتاری ارائه کند. میزان تحمل افراد در مقابل موقعیتهای تنشزا، متفاوت است که میزان سازگاری انسان را نسبت به محیط نشان میدهد .برخی از افراد آستانه مقاومت بالایی دارند و در مقابل استرس آسیب کمتری میبینند .واکنشهای شناختی، عاطفی، رفتاری و جسمانی، ازجمله واکنشهایی هستند که افراد در برخورد با استر س نشان میدهند.
استرس به عنوان یک حقیقت در زندگی مدرن امروزی، مطرح است که بدون شناخت کافی، مدیریت آن میسر نخواهد بود. نخستین گام در کسب شناخت، آشنایی با تعاریف گوناگون این پدیده است. سالی (1983)، استرس را به این صورت تعریف کرده است "پیآمدی که بر اثر تقاضای محیطی بر روی اورگانیسم به وجود میآید"؛ اما در نگاهی جامع، بیر و فرانز (1984) برای شناسایی استرس، سه طریق اصلی را مطرح کردهاند.
1-به عنوان یک محرک محیطی (نیروی تحمیل شده به یک فرد)
2-به عنوان واکنش جسمانی و روانی فرد به یک محرک
3-به عنوان کنش و واکنش بین فرد و شرایط
در توضیح استرس به عنوان محرک چنین گفته شده است " اتفاقات و رویدادهای محیطی که تقاضاهایی را روی فرد به وجود میآورند، تا اندازه ای قابل تحمل هستند که برای فرد استرس زا نباشد"در توضیح استرس به عنوان یک پاسخ، این طور توضیح داده شده است که در این حالت، استرس به خاطر اینکه بار زیادی بر فرد وارد میآورد، شکل میگیرد. سلی (1965) گفته است استرس یک واکنش غیر مشخص بدن به یک تقاضا است که در معرض واکنش یا پاسخ به یک محرک، به فشار یا استرس منجر میگردد. به بیان دیگر این نگرش به این مطلب تأکید دارد که پاسخهای گوناگون استرس در افراد و شرایط گوناگون متفاوت هستند (گیگان و همکاران، 2003). در حال حاضر، استرس مرتبط با شغل در هر حرفه ای و بیش تر از یک دههی گذشته در حال رخ دادن است و به عنوان موضوعی جدی در ارتباط با سلامتی مطرح است (لو و همکاران، 2003). بنابراین مطالعه آن بسیار مورد توجه قرار گرفته است. مطالعات بی شماری استرس را از ابعاد اجتماعی، روانشناسی و پزشکی مورد بررسی قرار داده اند. از دیدگاه محیط کاری، محققان منبع اصلی استرس شغلی را محیط کاری و حرفه ای فرد میدانند. تحقیقات دیگری تفاوت های فردی را مرکز توجه خود قرار داده اند و به بررسی استرس شغلی از این دیدگاه پرداخته اند (گانستر و چبرک، 1999)
طبق رویکرد" مؤسسه ملی سلامت و ایمنی شغلی" (1999)، استرس شغلی پاسخهای هیجانی آزاردهنده‌ای است که در صورت عدم تناسب بین خواستهها و الزامات شغل و استعداد فرد و یا منابع و نیازهای کارگر بروز می‌کند. طبق نظر محققان این مؤسسه، اغلب استرس شغلی و چالش، به یک معنی و مترادف با یکدیگر به کار میروند، در حالیکه این دو مفهوم از هم جدا هستند. چالش، از لحاظ جسمانی و روانی، به فرد انرژی و نیرو می‌بخشد و افراد را در جهت آموختن مهارت های جدید در شغلشان بر میانگیزد. بنابراین، چالش یک عامل مهم و سازنده برای سلامتی و بهرهوری است (.........،2007). در تعریفی دیگر استرس شغلی عبارت است از عدم توانایی در مواجه شدن با فشارهای شغلی به دلیل نبود تناسب بین تواناییهای شخصی و شرایط و نیازهای کاری(.......،2005)
2-1-2-1- تعریف استرس، علائم و تأثیرات آن
هنگامی که فرد در محیط کار یا زندگی با شرایطی روبه رو میشود که این شرایط با ظرفیتها و امکانات کنونی وی هماهنگی ندارد، دچار عدم تعادل، تعارض و کشمکشهای درونی میشود که به آن استرس می‌گویند. سلیه (1950) استرس را پاسخ های غیراختصاصی که تحت تأثیر محرک های گوناگون در ارگانیسم ایجاد می‌شوند، تعریف کرده، ولی این تعریف چندان مفید نیست، زیرا ماهیت این پاسخ ها به موقعیتی که در آن روی می دهد، بستگی دارد. در این تعریف عوامل مؤثر بر استرس نادیده گرفته شده است .
استرس سازه ای پویا و چندبعدی است که روانشناسان را با چالش مواجه کرده است (ونگ،1990) استرس در مفاهیم مهندسی ریشه دارد و به مقدار فشار بیرونی وارد شده بر اجسام اشاره دارد (لازاروس و فلکمن، 1984) نیز تعریفی را در زمینه استرس ارائه دادهاند: استرس رابطه اختصاصی بین شخص و محیطی است که در آن تنش ارزیابی شده، از حد امکانات فرد فراتر رفته و سلامتی او را در معرض خطر قرار میدهد. در این تعریف بر این نکته تأکید میشود که استرس به رابطه تنش زا بین شخص و محیط اشاره دارد وقتی فرد از مقابله با این وضعیت ناتوان است، به مشکلات روانی و جسمانی مبتلا میشود.
در دهه های اخیر اصطلاح استرس به محرکی اطلاق میشود که می تواند تغییراتی را در شناخت، هیجان، رفتار و فیزیولوژی ایجاد کند (دیویدسن و نیل، 1990) با توجه به تعاریف پیش گفته، میتوان گفت استرس رویداد یا وضعیتی است که بر جنبههای روانی جسمان یارگانیسم آثاری زیانبار برجای میگذارد.
استپ توی (1997) استرس را این گونه تعریف کرده است: هنگامی که الزامات مربوط به یک فعالیت فراتر از تواناییهای فردی و اجتماعی افراد است، پاسخهایی ارائه میشوند که به آن استرس میگویند. برای مثال رانندگی برای فردی که در حال یادگیری است، از شرایط تنش زا محسوب می شود، درحالیکه برای راننده با تجربه رانندگی فعالیتی بسیار آسان به شمار میرود. امروزه استرس جزئی از زندگی روزمره و عادی آدمی است پیشرفت تمدن امروز و صنعتی شدن ، افزایش بی رویه جمعیت ، دگرگونی روابط اجتماعی، فشارهای جسمی و روانی ناشی از زندگی در شهرهای بزرگ، آلودگی و سر و صدا و تأثیر آن بر رفتار انسا ن منجر به تشدید استرس شده است. شهرنشینی دگرگونی های زیادی را در روابط اجتماعی ایجاد کرده و سبب فروپاشی بسیاری از سنتهای اجتماعی که موجب حمایت و پشتیبانی افراد از یکدیگر میشد، شده است. برای مثال امروزه زندگی مشترک با والدین یا تشکیل خانواده های گسترده کمتر مشاهده میشود، به این ترتیب ملاحظه میشود بعضی از روشهای سنتی که به مردم کمک میکرد تا با استرس بهتر مواجه شوند، کنار گذاشته شده است بر این اساس، ارزیابی فرد از استرس و نحوه برخورد و رویارویی با آن اهمیت بسیاری دارد. معمولاً استرس زمانی مضر خواهد بود که فرد آن را برا ی زندگی خود خطرناک و تهدیدکننده تلقی کند و در عین حال منابع مختلف رویارویی با آن را در اختیار نداشته باشد. پژوهش ها نشان داده اند، به کارگیری راهبردهای مقابلهای مؤثر نقش مهمی در کاهش استرس دارد.
استرس، عمومیترین مسئله روزمره زندگی انسانها میباشد که در زندگی میلیونها سایه افکنده است. این مشکلی است که سلامت جسم و روان را همزمان مورد حمله قرار داده است. در عصر حاضر، فناوری پیشرفته با سرعت سرسامآوری پیش میرود و در پشت سر خود انسانهای واخورده و تنهایی به جای میگذارد که وجودشان مملو از تعارضات و تضادهاست و همین تعارض و ناکامی است که مشکل روحی- روانی در اعضای خانواده ایجاد مینماید.
بنا به تعریف، استرس عبارت است از واقعه ناگوار محیطی که موجب تغییرات واکنشی در ارگانیسم شود. بدیهی است هر انسان روزانه در معرض چندین استرس کوچک قرار دارد و با کمک مکانیسمهای دفاعی روانی و جسمی بدون اینکه اثرات سویی بر جای بگذارد و بر آنها غلبه می‌کند. فشار عصبی در سازمان همچون آفتی نیروها را تحلیل داده و فعالیتها و تلاشها را عقیم میسازد. مدیران یکی از آسیبپذیرترین قشرها در برابر استرس به شمار میآیند. افرادی که دچار استرس میگردند و توان مقابله با آن را از کف میدهند از جهات سازمانی، روانی و رفتاری دچار آسیب میشوند و بدین ترتیب است که استرس در سازمان همچون آفتی نیروها را تحلیل میبرد و فعالیتها و تلاشها را عقیم سازد.
برخی از تعاریفی که توسط محققان گوناگون در رابطه با استرس مطرح گردیده است، در جدول 1 به طور خلاصه آمده است.
جدول شماره1.تعاریف استرس
چن، 2010 استرس عبارت است از فشاری که بر اثر عدم وجود تعادل بین خواستهها و منابعی که فرد به آنها دسترسی دارد، به وجود میآید.
مایکل، 2010 استرس عبارت است از کارکرد نامناسب کنش و واکنش بین تقاضاها، حمایتها و محدودیتها در انجام مسؤلیتها
کامپل، 2009 استرس عبارت است از فشاری که بر اثر وجود تقاضاهای زیاد و آزادی عمل و اختیار تصمیمگیری پایین( کنترل) بر فرد تحمیل می‌شود.
کامل، 2009 استرس عبارت است از فشاری که بر اثر بی اطلاعی فرد از اهداف کاری، مسئولیتها و انتظارات همکاران به وجود میاید و موجب سردرگمی، ناکامی و درماندگی فرد میگردد.
جایوبا (2008) استرس عبارت است از مجموعه انتظارات و خواستههای متعارضی که از فرد درارتباط با مسوولیتش انتظار میرود و او را دچار تنش می‌کند
روتمن (2008) استرس عبارت است از فشاری که در نتیجه محدودیت زمانی برای انجام مسئولیتها، ساعات کار طولانی،وقفه و قطع مکرر و ناخواسته در انجام مسئولیت ها و عدم وجود فواصل زمانی برای استراحت به وجود میآید.
جانگ وی( 2007) استرس مجموعه ای از الزامات و وظایفی است که خارج از توانایی فرد برای انجام ان موارد قرار دارد
برادلی( 2007) استرس عبارت است از فشارهای درونی و بیرونی که بر فرد وارد می‌شود و باعث بر هم خوردن تعادل طبیغی ارگانیسم وی می‌شود.
جون(2005) فشار روانی به واکنشهایی اشاره دارد که فرد در برابر موقعیتهایی که خواستهها، قیود یا فرصتهایی را پیش می کشند، نشان میدهد
که در این پژوهش استرس عبارت است از فشاری که در نتیجه محدودیت زمانی برای انجام مسئولیتها، ساعات کار طولانی، وقفه و قطع مکرر و ناخواسته در انجام مسئولیت ها و عدم وجود فواصل زمانی برای استراحت به وجود میآید (روتمن، 2008).
2-1-2-2-اثرات استرس
نقش استرس های روانی اجتماعی، همواره به عنوان یکی از مهم ترین عوامل پیدایش و شکل گیری بیماری‌های مختلف جسمانی و روانی و مرگ و میر افراد مطرح بوده است. در این زمینه، می توان به ارتباط رویدادهای تنشزا با ناراحتیهای قلبی، پوستی، دستگاه ایمنی و بیماری هایی همچون زخم معده و سرطان اشاره داشت در این میان جوانان به عنوان قشری از جامعه که پیوسته در معرض استرس ها و فشارهای محیطی و روانی زیادی از جمله مشکلات آموزشی، خانوادگی، اجتماعی و اقتصادی قرار دارند، مورد توجه خاص پژوهشگران قرار گرفته اند. روشن است که استرس بر عملکرد تحصیلی، اجتماعی و شغلی، رضایت شخصی و از همه مهم تر، سلامت روانی آنها تأثیر نامطلوب خواهد داشت.
از آنجا که بسیاری از تأثیرهای استرس فیزیولوژیکی است، از اختلالهای زیست روانشناسی به شمار میآید. مهم‌ترین تأثیرهای ناشی از استرس را میتوان به چهار نوع تقسیم کرد: هیجانی، فیزیولوژیکی، شناختی و رفتاری.
تأثیرهای هیجانی: احساس اضطراب و افسردگی، افزایش تنش های جسمانی ، افزایش تنش های روانشناختی ، از تأثیرهای هیجانی استرس بر انسان محسوب می شوند.
تأثیرهای فیزیولوژیکی : ترشح آدرنالین و نورآدرنالین، اختلا ل در کارکرد دستگاه گوارش، افزایش ضربان قلب، اختلال در تنفس و انقباض رگ های خونی، از مهمترین تأثیرهای فیزیولوژیکی استرس به شمار میآیند.
تأثیرهای شناختی : کاهش تمرکز و توجه، کاهش ظرفیت حافظه کوتاه مدت و افزایش پریشانی و حواس پرتی، از مهم ترین تأثیرهای شناختی استرس محسوب می‌شوند. تأثیرهای رفتاری: افزایش گریز از کار و فعالیت، اختلال در الگوی خواب، کاهش کارکردهای تحصیلی ، شغلی و اجتماعی ، از تأثیرهای رفتاری استرس به شمار می‌آیند (آیزنک ، 2000).
سلیه (1950) یکی از پژوهشگرانی است که در زمینه استرس پژوهش‌های بسیاری انجام داده است نتایج پژوهشها و بررسیهای او نشان داده که عوامل تنشزا میتوانند موجب بروز پاسخهای جسمانی مختلف مانند افزایش فشار خون، آسیب دیدن بافت عضله، نازایی، توقف رشد، بازداری جنسی و بازداری دستگاه های ایمنی بدن شوند. افزایش فشار خون میتواند موجب بروز حمله قلبی و سکته مغزی شود. بازداری دستگاه ایمنی فرد را مستعد ابتلا به انواع عفونت ها و حتی سرطان میکند (استویوا و کارلسون ،1993)
سلیه معتقد است که عوامل تنش زا ممکن است به پاسخهای روانی متعدد مانند اضطراب، افسردگی، نومیدی، بی قراری و احساس ناتوانی عمومی در سازش یافتگی با محیط منجر شود. در بسیاری از پژوهشها مواردی از قبیل زخم معده، دیابت، آسم، اختلال های پوستی، بی خوابی، سندرم روده تحریک پذیر، اضطراب، بیماریهای کرونر قلبی، میگرن، سردردهای عصبی، تبخالهای عفونی و ویروسی، عفونتهای ادراری، تومور، فراموشی، هراس، افزایش کلسترول خون ، تندخویی و ریزش مو را از جمله بیماریهای ناشی از استرس تلقی شده‌اند (دی یانگ، 1994)
2-1-2-3-عوامل مؤثر در بروز استرس
در زندگی امروزی بیش از هر زمان دیگر شاهد بروز استرس و عوار ض ناشی از آن هستیم . همه ما کم و بیش به طور خواسته یا ناخواسته در طو ل زندگی خود با استرسهای روانی متعددی مواجه شده یا میشویم .استرس در هر سن، رنگی خاص به خود میگیرد. تقریباً بیشتر مردم بر این گماناند که مفهوم استرس را میدانند، ولی عدهی نسبتاً معدودی از آن درک صحیحی دارند و از آثار آن در بدن و راه های کنترل آن آگاهند.
رویدادهای بد و ناگوار در زندگی هر فردی اتفاق میافتند؛ رویدادهایی که آرامش جسمی و روانی شخص را بر هم می زنند و معمولاً موجب میشوند که وی برای رهایی از این حالت روشها و راه حلهایی به کار گیرد. این حالت در اثر عوامل تنش زا پیش میآید. رویدادهای تنش زا در هر عصری به شکلی خاص جلوه می‌کنند. برای مثال انسان ما قبل تاریخ از حمله حیوانات وحشی یا مرگ در اثر گرسنگی، سرما یا بیماری، استرسهای زیادی را تحمل می کرد.
عوامل تنش زا در برهههای متفاوت نیز با توجه به شرایط متفاوت بودهاند. زمانی خطر ابتلا به بیماری طاعون برای مردم تنش زا بود، ولی امروزه ابتلا به بیماریهایی نظیر ایدز و سرطا ن برای مردم تنشزاست . براساس شواهد موجود در قر ن بیستم مشکلات ناشی از رویدادهای تنشزا بویژه در کشورهای صنعتی و پیشرفته غربی، افزایش یافته است (پاول و ان رایت، 1991) تا جایی که بعضی از صاحب نظران ، عصر ما را " عصر استرس " نامیده اند (گلدبرگر و برزنتیز ،1992)
2-1-2-4- شاخصه های عوامل فیزیکی استرس
2-1-2-4-1-صداهای ناهنجار
سروصدای محیط کار، زندگی و روابط اجتماعی کارکنان را به طور ریشهای مختل میکند. صدای بلند عملکرد روزانه شخصی کارکنان را مختل میکند، فراموشی و خطاهای ادراکی به وجود میآورد و حتی موجب میشود کارکنان اشیاء خود را فراموش کنند و به مرتب کردن میزکار خود و امورات اطراف نپردازند. کارکنانی که در معرض سروصدای محیط کار قرار میگیرند، نسبت به هم جبهه میگیرند و در واقع عصبانی میشوند، از کوچکترین اختلاف رنجیده خاطر میشوند و از کاه کوه میسازند و رفتار پرخاشگرانه از خود به صورت کلامی و عملی نشان میدهند. صدای بلند عملکرد شغلی را در مشاغلی که جنبه ذهنی و شناختی (تفکر) دارد کاهش میدهد. زیرا در وظایف شغلی که با کارکردهای ذهنی سروکار دارند، تمرکز نقش اصلی را برعهده دارد. صدای مزاحم در محیط کار باعث کاهش خرسندی از کار میشود. زیرا هنگامیکه در محیط کار صداهای آزاردهنده وجود داشته باشد، فرد دچار تنش شده و از لحاظ روانی از وضعیت بهینه خارج میشود
2-1-2-4-2- صداهای هنجار ( موسیقی)
اصوات موسیقی از طریق گوش به مغز میرسد و حواس و عواطف را تحریک میکند و با ایجاد انرژی موجب انگیزه و فعالیت میشود. نغمههای موسیقی به طور کلی از طریق تحرک تخیل و تداعی و تهییج عواطف در روحیه شنونده اثر میگذارد. تمهای شاد و فرحبخش احساس سرزندگی و شادمانی در کار و فعالیت را افزایش میدهد. روانشناسان در تحقیقات خود به این نتیجه رسیدهاند که تقریباً دو سوم کارمندان و کارگران ترجیح میدهند که به هنگام کار، موسیقی نیز پخش شود، یک سوم بقیه اظهار کردهاند که برایشان خیلی فرق نمیکند و هیچ کارمند و یا کارگری پیش از این که موسیقی را تجربه کند با پخش موسیقی به هنگام کار مخالفت نکرده است. موسیقی میتواند کارکنان را از بیحوصلگی، سستی و خمودی بیرون بیاورد. تحقیقات نشان داده استهنگامیکه کار و فعالیت تکراری باشد اثر موسیقی مثبت میباشد.
2-1-2-4-3-درجه حرارت
یکی از عوامل مهم درجه حرارت است. به عنوان مثال، ممکن است کار کردن در فضای آزاد هنگامیکه درجه حرارت بینهایت زیاد است، منجر به ایجاد فشار عصبی شود. این موضوع در مورد دفتر کاری که حرارت نامناسب دارد و سرد است نیز صدق میکند. به همین ترتیب نور کم، نبود فضای کافی و نظایر آن میتواند منجر به ایجاد فشار عصبی شوند.
2-1-2-5-شاخصههای عوامل کاری
2-1-2-5-1- تضاد نقش
شامل انتظارات متعارضی است که ارضا یا برآورده ساختن آنها برای فرد مشکل میباشد. هر فردی در زندگی دارای نقشهای متفاوتی است و به عنوان رئیس یا مرئوس در سازمان نقشهای متفاوتی را عهدهدار میباشد اما مشکل زمانی آغاز میشود که نقشهای مذکور متعارض واقع شوند و در این حالت که به عنوان فشارزا عمل می‌کنند و باعث ایجاد فشارعصبی و روانی در فرد می‌گردند.
2-1-2-5-2- ابهام نقش ( ابهام در کار)
ابهام نقش بعد دیگری است که استرس شغلی را در محل کار تحت تأثیر قرار میدهد، (کردز و داگرتی، 1993 ، 1976) ابهام نقش هنگامی بهوجود میآید که افراد درباره خواستههای نقششان اطلاعات کافی ندارند
2-1-2-5-3- حجم زیاد کار
کار اضافه زمانی به وجود میآید که کار واگذار شده به فرد خارج از توان او باشد. کار اضافی هم ممکن است کمی بوده (فرد وظایف زیادی به عهده دارد و یا وقت او برای انجام این وظایف کم است) و هم میتواند کیفی باشد (ممکن است فرد احساس کند که توانائی لازم جهت انجام وظیفه مربوطه را ندارد). به هرحال، باید توجه داشت که سادگی کار هم ممکن است ناخوشایند باشد. ممکن است ساده بودن کار باعث خستگی و بیتحرکی فرد شده و کار اضافی باعث ایجاد تنش و اضطراب شود بنابراین مقدار معینی از فشار عصبی ناشی از حجم کار، به دلیل آنکه میتواند منجر به سطح بالایی از نیرو و انگیزش شود مفید خواهد بود.
2-1-2-6- شاخص های عوامل گروهی در کار
2-1-2-6-1- فقدان اتحاد
گروههای کاری به عنوان عامل مؤثر در کار کردن هستند. برخی از کارها بطور انفرادی انجام میگیرند ولی برخی کارهای دیگر مستلزم انجام همکاری بین دو یا چندین نفر هستند. نوع روابطی که بین افرادی که به طور مشترک در انجام کار فعالیت میکنند حائز اهمیت است. تحقیقات نشان میدهد، نوع ویژهای از روابط، پویایی گروهی را بالا برده و بازده کاری را افزایش میدهد. هنگامیکه ترکیب گروه به گونهای است که در آن شخصیت‌ها، عقاید، تواناییها و مهارتها و دیدگاههای مختلف ناهمجنس وجود دارد، احتمال بیشتری است که این گروه برای انجام کارها به صورتی مؤثر دارای تواناییها و ویژگیهای لازم باشد. امکان دارد چنین ترکیبی موجب تضاد و تعارض بیشتری شود ولی مدارک و شواهد موجود گویای این است گروهی که افراد و اعضای آن نامتجانس یا ناهمگن باشند. از اینرو ترکیب مناسب گروهها می تواند نقش سازندهای در بهبود و عملکرد افراد داشته باشد. این نکته برای مدیران سازمانها و محیطهای کاری از لحاظ تشکیل گروههای کاری قابل توجه است
2-1-2-6-2- نبود حمایت گروهی
همانطور که می دانیم انسان موجودی است اجتماعی که مایل است با دیگران باشد، ارتباط برقرار کند و مورد حمایت قرار گیرد و بتواند غمها و شادیهای خود را با دیگران در میان بگذارد و چنانچه فرد از این خواسته محروم شود موجبات نوعی فشار و استرس برای وی فراهم میگردد
2-1-2-7- شاخصههای عوامل کارراهه
عواملی که در میانه زندگی کاری مطرح میشوند عواملی از قبیل ارتقاء شغلی جزء عواملی هستند که در میانه زندگی کاری مطرح میشوند.
2-1-2-7-1- بازنشستگی
بازنشستگی را به عنوان نقش بینقشی توصیف کردهاند .در جامعههای که اساس آن بر کار به عنوان یک ارزش اخلاقی نهاده شده است، حرکت از یک نقش فعال مولد مشخص دریک روز به نقش بی نقشی در روز دیگر این باور را برمیانگیزاند که باز نشستگی منجر به بیماری روحی و جسمی و بعضی وقتها مرگ زودرس میشود. برای بسیاری کار یعنی زندگی وبیکاری، مرگ در عین زنده بودن است.
2-1-2-7-2- حد بهینه استرس
سطوح قابل قبولی از استرس به بهبود عملکرد افراد کمک میکند در حالیکه استرس بیش از اندازه میتواند منجر به کاهش میزان عملکرد شود. ادراک شخص تعیین میکند که عوامل استرس زا تاثیر منفی دارد یا نه؟ تاثیرات منفی استرس روی افراد متفاوت است، در سازمان، میزان استرس باید چنان باشد که باعث بدتر شدن عملکرد کارمند نشود.عملکرد از نظر آرمسترانگ 11 عملکرد عبارت است از حاصل فعالیتهای یک فرد از لحاظ اجرای وظایف محوله در مدت زمان معین

نمودار1. عوامل استرس زای سازمانی
2-1-2-8- نشانههای استرس
افراد نسبت به استرس شغلی، پاسخها یا واکنشهایی را نشان میدهند که در متنهای گوناگون مربوط به استرس تحت عنوان نشانههای استرس شغلی، مورد بحث قرار گرفتهاند، جکس و بیر (2003) نشانههای استرس شغلی واکنش آزار دهندهی بالقوهای میدانند که کارکنان نسبت به نشانههای استرس، از خود بروز میدهند. آنها این نشانهها را به سه دسته تقسیم میکنند؛ 1: نشانههای روانی2: نشانههای جسمانی 3: نشانههای رفتاری.
2-1-2-8- منابع استرس شغلی
در میان موقعیتهای گوناگون زندگی، محیط کاری به گونهای آشکارا منبع بالقوه و مهمی در بروز استرس محسوب میشود. مقدار زمانی که فرد در چنین محیطی صرف میکند گواهی بر این مدعا است (ارکوتلو و چافرا، 2006)
تعداد زیادی از منابع استرس شغلی با درجههای متفاوتی از تاثیرگذاری، مورد شناسایی قرار گرفتهاند. بر طبق گفتهی (هارول) منابع استرس فردی و سازمانی را می توان به 5 طبقه تقسیم کرد: 1-عملکردهای سازمانی (سیستمهای پاداشدهی، عملکردهای وابسته به نظارت و سرپرستی، فرصتهای ارتقا و پیشرفت) ۲-ویژگیهای شغل (سنگین باری، سبکباری، استقلال) ۳- فرهنگ و جو سازمانی (ارزش کارمند، رشد شخصی، تمامیت وکمال) ۴-روابط بین فردی (با سرپرستان، همکاران و مشتریان) و ۵- ویژگیهای شخصی کارکنان (خصیصه‌های شخصی، روابط خانوادگی، مهارتهای انطباقی) با توجه به موقعیتهای خاصی که یک شغل را استرس زا میسازد؛ منابع استرس را میتوان به دو گروه کلی تقسیم کرد: ۱- فشارزاهای برونزاد (موقعیتهای شغلی نامطلوب، سنگین باری کار، نبود حمایت، وغیره) ۲- فشارزاهای درونزاد (همانند ویژگی های شخصیتی افراد (آنشنیو، 2006).
در جدول ۳ به طور خلاصه به منابع گوناگون ایجادکنندهی استرس از دیدگاه صاحبنظران اشاره شده است.
جدول شماره2.منابع گوناگون ایجادکنندهی استرس
محقق منابع استرس
اسپرینگر
۲۰۰۷ نبود دستورالعمل کاری مناسب و شناخته شده، ترس از آینده، ابهام کاری، ارتباطات کاری، ارتباطات خانوادگی، حجم کاری بالا.
برادفورد
2003 شخصیت، سیستم کاری، فقدان حمایت، عدم وجود آموزشهای لازم، فشار کاری و شرایط و پاسخگویی کار در قبال سرپرستان، تعامل سازمانی، بازخورد عملکرد
اسوانسون
1997 مقدار حجم کاری تخصیص داده شده بالاتر از حد عادی، عدم امنیت کاری، تعارض نقش، نحوهی انجام ارزیابی درون سازمان، امید به آیندهی شغلی.
دیویس
وهمکاران
1991 فقدان کنترل، شکاف اطلاعات، علت و نتیجه، تعارض، آیندهی شغلی به بن بست رسیده، بیگانگی، سنگین باری نقش، سبک باری نقش، محیط کار، و تعارض نقش.
دایلومی
1990 داشتن نقشهای چندگانه، نداشتن زمان کاری برای استراحت، عدم تسلط کافی بر کار، ترس از اخراج به خاطر انجام اعمال خلاف، داشتن وابستگی به همکاران، عدم پاسخگویی مناسب به انتظارات.
ماروین
1982 پست سازمانی، ابهام نقش، پیشرفت کاری، ساختار سازمانی، تداخل زندگی کاری وخانوادگی، قرار گرفتن در معرض انتظارات متضاد، وظایف تکراری وکم تحریک کننده.
برخی از تعاریفی که در مورد استرس و سبکهای مقابله با آن مطرح شدهاند مبتنی بر منابع ایجادکننده استرس هستند. فولکمن و موسکووتیز (2004) فرایند مقابله را تفکرات و رفتارهایی که برای مدیریت تقاضای درونی و بیرونی در موقعیت های پرتنش به کار میروند، تعریف نموده‌اند. در این تعریف منابع تنش زا وقایع و موقعیتهای بیرونی تلقی شدهاند. در حالی که روانشناسان پیرو اصالت وجود (برای مثال یالوم 1981) منابع
ایجادکننده استرس و اضطراب را به درون انسان نسبت می دهند. در هر صورت، استرس جزئی از زندگی بشر و اجتناب ناپذیر است. گذراندن اوقات زندگی انسان در سه بخش عمده می گذرد:
سازمان، جامعه و خانواد ه بدیهی است که استرس نیز در هر سه بخش یادشده وجود دارد. پستونجی (1992) معتقد است سرچشمه استرس در زندگی سه قسمت است :مشاغل و سازمانها، مسائل اجتماعی و خانواده .به نظر برخی صاحبنظران از یک دیدگاه میتوان علل استرس را به دو بخش عمده درون سازمانی و برون سازمانی تقسیم کرد. تنش زاهای برون سازمانی شامل تغییرات اجتماعی، فناوری، خانواده، جا به جایی، شرایط اقتصادی، نژاد و طبقه اجتماعی و شرایط محیط زندگی از تنش زاهای برون سازمانی محسوب میشود. معرفی منابع و عوامل تنش زا بستگی به این دارد که صاحب نظران انسان را از چه دیدگاهی مورد بررسی قرار دهند. پیروان رفتار سازمانی، فرد را درو ن سازمانی و به عبارتی " سازمانی " میدانند و به همین لحاظ منابع استرس را به درون و برونسازمانی تقسیم میکنند. برخی نیز انسان را درون جامعه می بینند و تقسیمات خود را ازمنابع استرس بیشتر به صورت جامعه شناختی ارائه می دهند.
2-1-2-8- 1- استرس های ناشی از شغل
اکثر مردم بیش از نیمی از اوقات بیداری خود را در محل کار به سر میبرند محیط کار بر آنان تأثیرگذار است. مقارن با صنعتی شدن جهان غرب به مسائل کار و محیط آن توجه بیشتری شده است (کوپر و دیگران ،2001) در همین راستا استرسهای شغلی وتأثیر آن بر کارایی افراد مورد توجه واقع شده است (کان و همکاران، 1964) در مورد علل ماهیت و پیامدهای استرسهای شغلی به مطالعه پرداختند؛ آنها دو نوع استرس سازمانی را تشخیص دادند: تعارض نقش و ابهام نقش . تعارض نقش عبارت است از وقوع همزمان دو یا بیش از دو تقاضا که نقش های متفاوتی را ایجاب میکنند و فرد میتواند در تمامی آن موقعیت ها نقش خود را ایفا کند. ابهام نقش نیز به سردرگمی فرد در چگونگی ایفای نقش خود اشاره دارد. هنگامی که افراد اطلاعات کافی در زمینه نقشهای خود ندارند با ابهام نقش مواجه می شوند. تعارض نقش و ابهام نقش هیجانهای منفی را افزایش می‌دهند علاوه بر اینها، احساس امنیت شغلی، مدیریت نامناسب در محیط کار از متغیرهایی هستند که با استرسهای شغلی رابطه نشان دادهاند.
2-1-2-8- 2- استرس های ناشی از مسائل اجتماعی
عوامل اجتماعی شامل عوامل محیطی است که شخص را احاطه کردهاند و او در زندگی اجتماعی خود با آنها سر و کار دارد. موقعیتهایی که معمولاً غیرقابل کنترلاند، مانند مسائل مربوط به مبادله و معامله، درصف ایستادن، ازدست دادن کالا و تأخیر، در بروز استر س مؤثرند (مهرآیین،1371) بسیاری از مسائل اجتماعی که به استرس میانجامند، از زندگی شهری و مدرن سرچشمه میگیرند، از قبیل رقابت با دیگران و تقاضاهای تحصیلی و شغلی. هرچه میزان بهره گیری از فناوری در زندگی بیشتر باشد، به همان نسبت میزان استرس افزایش می‌یابد. حوادث زندگی، در افزایش و کاهش استرس مؤثر است. بیشتر مردم حوادث آسیبزا را در زندگی تجربه نمیکنند، اما بسیاری از تغییرات عظیم را پشت سر میگذارند و در طول زن