user8325

مقدمه و مرور کارهای انجام شده
مقدمهیکی از مشکلات مهم در تیرها و محورها وجود ترک در آن هاست. این ترک ها اغلب به واسطه خستگی به وجود می آیند و یکی از عوامل، در بروز خرابی ها در محورها می باشند. وجود ترک سبب تغییر در مشخصه های ارتعاشی می شود و محققان دریافته اند که، اغلبِ دامنه این ارتعاشاتِ ساختارهای ترکدار، بستگی به عمق، موقعیت و شکل ترک نسبت به شکل مودهای سیستم دارد. از این رو یک تحقیق جامع و دقیق در مورد ارتعاشات ساختارهای ترکدار بسیار ضروری است. در سال های اخیر تلاش های زیادی در راستای حل تحلیلی برای اینگونه مسائل صورت گرفته است. ایجاد خرابی های ناگهانی در سازه ها محققین را به سمت تحقیق روی دینامیک سازه ها سوق داده است. از این رو بررسی و تحقیق در مورد پاسخ زمانی، شکل مود، شکل شیب و مهمتر از همه اندازه گیری فرکانس طبیعیِ سازه ترکدار می تواند به عنوان یک شاخص در تحقیقات در نظر گرفته شود.
هدف از این پروژه ارائه روشی ساده و کاربردی برای پیدا کردن فرکانس های طبیعی یک تیر ترکدار با در نظر گرفتن تأثیر همه پارامترهای مربوط به ترک، بدون استفاده از روابط مربوط به مکانیک شکست می باشد. همچنین در قسمت مدل سازی ترک باز و بسته شونده، هدف مدل سازی ارائه مدلی است که تاثیر همه پارامترهای ترک در آن لحاظ شده و بتوان با استفاده از آن فرکانس طبیعی تیر را در حین ارتعاش بدست آورد.
تاریخچه مطالعات و مرور کارهای انجام شدهوجود ترک در سازه ها باعث کاهش سفتی و تغییر در خصوصیات دینامیکی مانند کاهش فرکانس طبیعی و تغییر در شکل های مودی می شود[1و2]. در سال 1998 چندروس و همکارانش، مسأله را برای تیر ترکدار یک لبه و دو لبه، به صورت جامع بررسی کردند[3]. برخی کوشیده اند تا با روش های عددی به مسأله بپردازند[4-10].در حل عددی مسأله نیز پارامترهایی نظیر فرکانس طبیعی، ضریب تمرکز تنش و شکل های مودی مورد بررسی قرار گرفته اند.برای توضیح رفتار دینامیکی سازه های آسیب دیده روش های تحلیلی متعددی به کار گرفته شده است. برای مدل سازی ترک نیز، مدلهای بسیاری ارائه شده است؛ که این مدل سازیها را می توان در سه گروه دسته بندی کرد. برخی کوشیده اند تا با در نظر گرفتن کاهش سفتی موضعی در سازه مسئله را حل کنند[11]. این مدل بر اساس روش المان محدود استوار است. هایستی و اسپرینگر[12]، گوناریس و دیماروگیناس[13]، تحقیقات خوبی را در مورد بررسی اثر ترک روی یک ناحیه از تیر ترکدار با استفاده از تعمیم روش المان محدود انجام داده اند. ابراهیم [14] با ارائه یک مدل الاستو-پلاستیک به بررسی تغییر شکل ترک در رأس آن پرداخت. برخی دیگر تلاش کرده اند تا نرمی نسبی موضعی ایجاد شده را تخمین بزنند [15]. در این رویکرد بخش آسیب ندیده سازه با استفاده از روش های استاندارد مانندFEM یا معادلات مشقات جزئی و ترکیب اجزای محدود مدل شده و ترک با یک فنر انعطاف پذیر نشان داده می شود. با استفاده از ماتریس سازگاری عبارات و معادلات برای میزان انرژی کرنشی آزاد شده و یا ضریب تمرکز تنش بدست می آید. کیزمسر[16] و همکارانش جزء اولین بررسی کننده های این موضوع بودند. آنها اثر ترک را توسط نیروها یا گشتاورهای معادل در موقعیت ناپیوستگی سازه بررسی کردند. دیماروگیناس [17] ثابت های ماتریس سازگاری را بر اساس روابط مکانیک شکست بدست آورده و از آن برای آنالیز ارتعاش استفاده کرد. کریستیدزمد و بار [18] به شکل عمده ای مدل های مختلف را برای بررسی ارتعاشات عمودی یک تیر ترکدار دولبه متقارن و بررسی ارتعاشات پیچشی یک میله ترکدار بر اساس تئوری اویلر-برنولی گسترش دادند. مدلهای ارائه شده توسط کریستیدز و بار، در سالهای اخیر توسط شِن و پیِر[19-20-21] بهبود و گسترش داده شد. آنها ابتدا تخمینی از پارامتر آسیب دیده با استفاده از مدلهای المان محدود دو بعدی ارائه کرده و سپس با اعمال ایده های مشابه به توسیع و گسترش مدلهای قبلی برای تیر ترکدار پرداخته اند. چندروس و دیماروگیناس [22-23-24] رویکردی مشابه ارائه کردند اما در بررسی های آنها که به آن تابع ترک گفته می شود از روابط انرژی و مفاهیم مکانیک شکست استفاده شده است. در این رویکرد تلاش شده است تا ایده های کریستیدز و بار را با دیماروگیناس ترکیب کنند. رویکرد سوم، چشم پوشی از اثر برش در مقطع است و ارائه یک مدل پیوسته از تیر ترکدار است که با این فرض می توان ترک را با یک فنر پیچشی جایگزین کرد. هر دو روش نرمی نسبی و مدل پیوسته، توصیفی از سازه را وقتی که ترک به صورت باز در نظر گرفته می شود ارائه می کند. عموما در تحلیل ها ترک را از نوع باز در نظر می گیرند تا از اثرات غیرخطی بودن مسأله که ناشی از باز و بسته شدن ترک می باشد، صرف نظر کنند. برخی مطالعات آزمايشگاهی نيز برای بررسی درستی مدل ها انجام شده است. در اکثر موارد ترک ها با ايجاد يک برش ريز درنمونه ايجاد شده است. برخی از نتايج آزمايشگاهی توسط آدامز و کولی [25]، و همچنين روتولو [26]، برای چند ترک ارائه شده است. رفتار غیرخطی ترک، با استفاده از روش پرتوربیشن توسط بسیاری از محققان مانند گودموندسون [27]، یاسینسکی [28]، پلاختینکو و یاسینسکی [29] و بالو [30] انجام پذیرفته است. جاسیمت [31] به بررسی ارتعاش تیر ترکدار یکسرگیردار و الشودیفات [32] با استفاده از رویکرد المان محدود به بررسی ارتعاش روتور ترکدار پرداختند. روش تعادل هارمونیک برای حل معادلات حرکت و آنالیز رفتار دینامیکی سیستم استفاده می شود. بررسی رفتار دینامیکی یک تیر ترکدار با یک ترک با در نظر گرفتن تغییر شکل برشی و سفتی محوری توسط گومز و آلمیدا [33] ارائه شده است. کادمی و مورراسی [34] به بررسی مدل سازی ریاضی و حل دقیق یک تیر با چند ترک بر اساس تئوری اویلر- برنولی پرداختند. بسياری از مطالعاتی که در مورد تيرهای شامل چند ترک انجام شده است، مسأله مستقيم يعنی تعيين فرکانسهای تير با چند ترک را بررسی نموده اند. اما مقالاتی نيز[35-38]، مسأله معکوس يعنی رديابی ترک از روی پاسخ ديناميکی تير را بررسی نموده اند. مسأله رديابی چند ترک از پيچيدگی بسيار بيشتری نسبت به تعيين موقعيت و اندازه يک ترک در طول تير برخوردار است. برای حل اين مسأله چوی و همكارانش [39]، اثر ترک را به صورت کاهش صلبيت خمشی تير، در اطراف ترک مدل کرده و حل را به کمک روش ماتريس انتقال بدست آورده اند. محققان ديگری به سرپرستی ژنگ [40، 41]، از روش سری فوريه اصلاح شده استفاده کرده‌اند. اغلب تحقیقات انجام شده در مورد تیر ترکدار با استفاده از تئوری اویلر- برنولی برای شرایط مرزی مختلف انجام شده است[42-45]. در این میان گروهی با بهره گیری از تئوری تیموشنکو به ارائه مدل و بررسی تیر ترکدار پرداخته اند. له له و مایتی [46] معادله مشخصه، برای تیر ترکدار تیموشنکو را با یک دترمینان مرتبه هشت بیان کردند. دسته دیگری از تحقیقات انجام شده در مورد تیر ترکدار، بررسی ارتعاشات، هنگام عبور بار متحرک است. زیبده [47] مسئله را برای بار متحرک تصادفی در تیر، تحت اثر بار محوری بررسی کرد. روش دامنه زمان، مودال و روش تحلیل فرکانسی ازروش های مورد بررسی در این تحقیقات هستند. میچالتسوس [48] رفتار دینامیکی تیر ساده اویلر- برنولی یک لبه را در اثر عبور یک بار متمرکز با محتوای حرکت متفاوت بررسی کرد. در این تحقیق اثر تغییر سرعت و همچنین شتاب دار شدن حرکت در عبور بار بررسی شده است. ابو هلال[49] در سال 2006 پاسخ تیر دولبه را در عبور یک بار ثابت بررسی کرد. سیسمک و کوکاتورک [50] تیر سالم اویلر- برنولی را در عبور یک بار هارمونیک مورد بررسی قرار دادند. در تحقیق ذکر شده رفتار سازه در مقطع تیر به صورت یک تابع نمایی فرض شده است. این رفتار سازه در اصطلاح FGM نامیده می شود. یانگ و همکارانش [51] با فرض رفتار تابعی سازه، تیر ترکدار اویلر- برنولی را مورد بررسی قرار دادند. مبنای بخش عمده ای از تحقیقات اخیر در هر دو روش تحلیلی و عددی، تغییر در فرکانس های طبیعی[52-58]، اندازه گیری نرمی دینامیکی[59-60] یا مقایسه شکل های مودی [61-64] بوده است. در میان رویکردهای ذکر شده، بررسی تغییر در فرکانس های طبیعی به واسطه سهولت نسبی در به کارگیری، هزینه و سرعت در تحلیل نتایج، روش معمول تری است[53-60]. در بیشتر تحقیقات انجام شده در مورد تیر ترکدار، ترک را با یک فنر پیچشی (دورانی) بدون جرم، مدل کرده و تیر را در موقعیت ترک به دو قسمت تقسیم کرده که توسط این فنر پیچشی به یکدیگر متصل می شوند. سفتی این فنر توسط روابط موجود در مکانیک شکست محاسبه شده که تنها به عمق ترک وابسته است و سایر پارامترها مانند موقعیت و طول دهانه ترک، در نظر گرفته نمی شود. بررسی تحقیقات اخیر برای سازه های آسیب دیده نشان می دهد که مسأله ترک در تیر و تشخیص آن با روش های مبتنی بر ارتعاشات، طی سه دهه اخیر مورد علاقه محققین بسیاری بوده است [61-66].
انواع مدل سازی های ترک برای بررسی رفتار دینامیکی تیر ترکدار، بررسی فرکانس طبیعی یکی از بررسی های معمول می باشد. به طور کلی برای آنالیز تیر ترکدار دو نوع مدل سازی وجود دارد: مدل سازی خطی و غیرخطی.
در مدل سازی خطی، ترک را به صورت باز (open crack) در نظر می گیرند، یعنی فرض می شود که ترک در حین ارتعاش همواره باز باقی می ماند و تغییری در آن ایجاد نمی شود. بررسی های انجام شده، در مراجع [13،14،17،18] از این فرض استفاده کرده اند.
در مدل سازی غیرخطی، فرض می شود که ترک در حین ارتعاش باز و بسته می شود که به این نوع ترک ها (breathing crack) گفته می شود. یعنی ترک از یک موقعیت کاملا باز به یک موقعیت کاملا بسته تغییر می کند. با این فرض اثرات غیرخطی ناشی از باز و بسته شدن ترک در معادلات وارد می شود، مانند تحقیقات موجود در مراجع[67،68،69].
بیان مسئله مدل سازی ترک بازیکی از راه های بررسی و تحقیق در مورد تیر ترکدار بررسی فرکانس های طبیعی مربوط به آن است. در مدل های قبلی ارائه شده، در موقعیت ترک، یک فنر پیچشی قرار داده می شود و تیر در این موقعیت، به دو قسمت تقسیم شده که توسط فنر به یکدیگر متصل می شوند. موضوع مورد اهمیت در این مدل سازی پیدا کردن سفتی این فنر می باشد. برای محاسبه سفتی فنر از روابط موجود در مکانیک شکست استفاده شده اما اشکال این مدل سازی در این است که در محاسبه سفتی، پارامتر در نظر گرفته شده تنها عمق ترک می باشد و پارامترهای دیگر، مانند موقعیت و طول دهانه ترک به عنوان پارامتر تأثیر گذار در نظر گرفته نمی شود. در این پژوهش سعی شده به ارائه مدلی پرداخته شود که اثر همه این پارامترها برای پیدا کردن فرکانس طبیعی دخالت داده شود، ضمن اینکه دیگر به استفاده از روابط مکانیک شکست نیازی نباشد. بر این اساس، ترک را با یک تیر که دارای گشتاور دوم سطح متفاوت نسبت به قسمت های بدون ترک تیر است مدل کرده و سپس شرایط پیوستگی، برای دو طرف این تیر تأمین می شود. با این کار اثر عمق ترک، موقعیت ترک و نیز طول دهانه ترک در معادلات وارد می شود و چون دیگر فنری در مدل سازی وجود ندارد نیازی به استفاده از روابط مکانیک شکست نخواهیم داشت. در ادامه با این مدل سازی به بررسی تیر ترکدار با دو و سه ترک و تیر ترکدار با شکل های هندسی مختلف ترک مانند ترک بیضوی، سهموی و مثلثی می پردازیم.
اهداف و مسائل بررسی شده در پایان نامههدف از این پژوهش و بررسی، ارائه مدلی برای مدل سازی ترک باز (مدل سازی خطی) و همچنین ارائه مدلی برای مدل سازی ترک باز و بسته شونده (مدل سازی غیرخطی) می باشد. در قسمت اول مدلی ارائه شده تا اثر همه پارامترهای ترک مانند عمق، موقعیت و طول دهانه ترک را در ارتعاش تیر در نظر بگیرد. مزیت این روش نسبت به سایر مدل سازی ها این است که در مدل سازی های قبلی تنها اثر عمق ترک در نظر گرفته می شد و از اثر موقعیت و طول دهانه ترک را به عنوان پارامتر تأثیرگذار چشم پوشی می شد و دیگر اینکه نیاز به استفاده از روابط علم مکانیک شکست برای پیدا کردن فرکانس طبیعی تیر ترکدار نمی باشد. در ادامه به بررسی تیر ترکدار با شکل های هندسی مختلف ترک پرداخته می شود. در این قسمت برای پیدا کردن فرکانس های طبیعی نیاز به روش گالرکین می باشد. ضمن اینکه برای این قسمت به دلیل عدم وجود نتایج تجربی یا تحقیقات دیگر مقایسه ای انجام نشده است، و تنها نشان دادیم که فرکانس های طبیعی بدست آمده از تیر سالم کمتر است. در قسمت دوم به ارائه مدل غیرخطی پرداخته شده است که باز و بسته شدن ترک را در حین ارتعاش بررسی می کند و با استفاده از روش میانگین گیری (averaging) به حل مسأله و پیدا کردن فرکانس های طبیعی و نیز زاویه باز و بسته شدن ترک در حین ارتعاش پرداخته شده است.

مدل سازی خطی و غیر خطی ترک و بررسی معادلات حرکت
مقدمهدر بسیاری از بررسی های انجام گرفته برای تحلیل ارتعاش تیر ترکدار، از فرض ترک باز استفاده می شود. یعنی ترک در حین ارتعاش باز باقی می ماند. از این رو در بیشتر مدل سازی های صورت گرفته قسمت ترکدار را با یک فنر پیچشی مدل می کنند، یعنی تیر مانند شکل 2-1 الف در قسمت ترک به دو بخش تقسیم شده که این دو بخش با این فنر پیچشی به هم متصل می شوند مانند شکل 2-1 ب. نکته مهم در این مدل سازی پیدا کردن سفتی فنر می باشد. برای پیدا کردن سفتی فنر با استفاده از علم مکانیک شکست یک رابطه بر حسب عمق ترک تخمین زده می شود. که این روابط در پیوست آورده شده است. اما در مدل ارائه شده در این پژوهش به جای آنکه از فنر و روابط مکانیک شکست استفاده کنیم، در موقعیت ترک، یک تیر قرار می دهیم که این تیر با توجه به عمق ترک دارای گشتاور دوم سطحی متفاوت از قسمت های بدون ترک تیر می باشد. با این مدل دیگر نیاز به استفاده از سفتی فنر پیچشی و استفاده از روابط مکانیک شکست نمی باشد.

(الف) (ب)
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1:الف، تیر به طول با یک ترک به عمق در موقعیت نشان داده شده .ب)همان تیر با فنر پیچشی جایگزین ترک با سفتی
معادلات ارتعاش آزاددر این قسمت به بررسی معادلات حرکت و شرایط پیوستگی با استفاده از تئوری های اویلر- برنولی و تیموشنکو برای تیر ترکدار با مدل سازی بیان شده می پردازیم.
تئوری اویلر - برنولیتیری به طول l و ارتفاع h و ضخامت b و ترکی به طول دهانه do و عمق hc در موقعیت نشان داده شده، مانند شکل 2-2 در نظر بگیرید. همان طور که قبلا بیان شد قسمت ترکدار تیر را با یک تیر که ممان اینرسی متفاوتی نسبت به مقاطع بدون ترک دارد، مدل سازی می کنیم. معادلات حرکت با فرض تئوری اویلر- برنولی برای هر قسمت تیر به صورت زیر است:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: تیر ترکدار به طول L ، ارتفاع h، عمق ترک hc و طول دهانه doبرای قسمت ابتدایی تیر یعنی از ابتدای تیر تا ابتدای ترک:

(2-1)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها، معادله حرکت و شکل مد قسمت اول برابر است با:
(2-2)
(2-3)
(2-4)
برای قسمت ترکدار تیر، معادلات حرکت به صورت زیر است:

(2-5)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها، معادله حرکت و شکل مد قسمت دوم برابر است با:
(6-2)
(7-2)
(8-2)
برای قسمت انتهایی تیر یعنی از انتهای ترک تا انتهای تیر:
(2-9)
(2-10)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها معادله حرکت و شکل مد قسمت سوم برابر است با:
(2-11)
(2-12)
(2-13)
پارامترهای بی بعد برای پیدا کردن فرکانس طبیعی برای هر قسمت تیر برابر است با:
(2-14)
با توجه به برابر بودن فرکانس طبیعی برای تیر، رابطه بین پارامترهای بی بعدو برابر است با:
(2-15)
(2-16)
(2-17)
گشتاور خمشی و نیروی برشی طبق تئوری اویلر – برنولی اینگونه تعریف می شود:
(2-18) EId2wdx2:خمشی گشتاور (2-19) EId3wdx3 : برشی نیروی شرایط پیوستگی در دو سمت ترک به ترتیب از برابری جابجایی، شیب، گشتاور خمشی و نیروی برشی بدست می آید:
برابری جابجایی:
(2-20)
برابری شیب:
(2-21)
برابری گشتاور خمشی:
(2-22)
برابری نیروی برشی:
(2-23)
که برای تیر با یک ترک خواهد بود.
با اعمال شرایط پیوستگی 8 ثابت از 12 ثابت موجود محاسبه می شود، 4 ثابت باقیمانده از شرط مرزی ابتدا و انتهای تیر بدست می آید. در قسمت بعد مسئله را برای شرایط مرزی مختلف بررسی می کنیم.
تیر دو سر گیردارتیر دو سرگیردار با یک ترک، در موقعیت نشان داده شده، مانند شکل2-3 در نظر می گیریم:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3 تیر دو سر گیر داربرای پیدا کردن فرکانس طبیعی و ثابت های مجهول، ماتریس ضرایب را با استفاده از شرایط مرزی و شرایط پیوستگی بدست می آوریم. برای تیر دو سرگیردار در ابتدا و انتهای تیر، جابجایی و شیب برابر صفر می باشد.
شرط مرزی ابتدای تیر :
(2-24)
(2-25)
(2-26)
با اعمال شرایط پیوستگی در دو طرف ترک و استفاده از روابط (2-20) تا (2-23)، در سمت چپ ترک، یعنی در موقعیت خواهیم داشت:
برابری جابجایی:
(2-27)
برابری شیب:
(2-28)
برابری گشتاور خمشی:
(2-29)
برابری نیروی برشی:
(2-30)
در سمت راست ترک، یعنی در موقعیت نیز روابط زیر را خواهیم داشت:
برابری جابجایی:
(2-31)
برابری شیب:
(2-32)
برابری گشتاور خمشی:
(2-33)
برابری نیروی برشی:
(2-34)
برای قسمت انتهایی تیر، یعنی خواهیم داشت:
(2-35)
(2-36)
بنابراین ماتریس ضرایب عبارتند از:

معادله فرکانسی، همان دترمینان ماتریس ضرایب می باشد و از برابر صفر قرار دادن دترمینان ماتریس ضرایب و جایگذاری روابط بین و فرکانس طبیعی بدست خواهد آمد.
برای سایر شرایط مرزی تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر، یعنی دو سطر اول و دو سطر آخر در ماتریس ضرایب تغییر خواهد کرد.
تیر یک سر گیردار- یک سر آزادبرای تیر یکسر گیردار مانند شکل 2-4 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: تیر یک سر گیر دار – یک سر آزاددر ابتدای گیردار مانند معادلات (2-25) و (2-26)، جابجایی و شیب برابر صفر است، و در انتهای آزاد نیز گشتاور خمشی و نیروی برشی برابر صفر می باشد.
(2-37)
(2-38)
تیر دو سرلولابرای دو سرلولا، مانند شکل 2-5 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5 تیر دو سر لولادر ابتدای تیر، جابجایی طبق معادله (2-25) و گشتاور خمشی برابر صفر است:
(2-39)
در انتهای تیر، جابجایی طبق معادله (2-35) و گشتاور خمشی با معادله (2-37)، برابر صفر است.
تیر گیردار- مفصل برشیبرای تیر گیردار- مفصل برشی مانند شکل 2-6 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: تیر گیردار – مفصل برشی (در مفصل برشی، شیب و نیروی برشی صفر است.)در ابتدای گیردار، جابجایی و شیب، مانند معادلات (2-25) و (2-26) برابر صفر است. در انتهای مفصل برشی، شیب و نیروی برشی برابر صفر است:
(2-40)
(2-41)
در فصل بعد به ارائه نتایج با تغییر پارامترهای موثر و مختلف ترک و مقایسه آنها با یکدیگر می پردازیم.
تئوری تیموشنکودر این قسمت با استفاده از همان مدل سازی قبلی، به بررسی معادلات حرکت و بررسی شرایط مرزی مختلف با استفاده از تئوری تیموشنکو می پردازیم. تفاوت این قسمت با قسمت قبلی این است که در تئوری تیموشنکو، معادلات حرکت و تعاریف مربوط به شیب، گشتاور خمشی و نیروی برشی متفاوت است. روند کار مشابه قسمت قبل است یعنی با استفاده از دترمینان ماتریس ضرایب و معادله فرکانسی، فرکانس های طبیعی بدست می آید. به دلیل آنکه در تئوری تیموشنکو، اثر تغییر شکل برشی و تنش برشی در نظر گرفته می شود، فرکانس طبیعی بدست آمده از تئوری اویلر – برنولی کمتر است.
معادله یک تیر تیموشنکو به صورت زیر است[70]:
(2-42)
(2-43)
با شرایط در نظر گرفته شده مانند شکل 1، به دلیل آنکه صلبیت خمشیEI برای هر قسمت تیر ثابت است، معادله بالا، به شکل زیر خواهد بود:
(2-44)
(2-45)
که در رابطه بالا k، تعداد ترک و i مربوط به هر قسمت تیر می باشد.
با معرفی پارامترهای بی بعد زیر و استفاده از معادلات بالا، به پیدا کردن X, ϕ, ω می پردازیم:
(2-46)
(2-47)
(2-48)
(2-49)
(2-50)
(2-51)
(2-52)
با در نظر گرفتن یک حل پریودیک و روش جداسازی متغیرها و استفاده از دو معادله آخر داریم:
(2-53)
(2-54)
(2-55)
از معادله فوق نسبت به پارامتر بی بعد ξ، مشتق می گیریم:
(2-56)
مقدار را از معادله (2-54)، در معادله (2-56) جایگذاری می کنیم:
(2-57)
با مرتب کردن جملات معادله فوق، به معادله دیفرانسیل مرتبه 4، بر حسب X می رسیم:
(2-58)
با در نظر گرفتن یک حل به صورت زیر، معادله دیفرانسیل مرتبه 4 بالا را حل می کنیم:
(2-59)
(2-60)
(2-75)
(2-61)
(2-62)
همان طور که نشان داده شد عبارت زیر رادیکال، همواره مثبت است؛ با فرض آنکه
(2-63)
بنابراین، جواب های بدست آمده برای λ2 به ترتیب مثبت و منفی می باشد، که جواب های مثبت به صورت هیپربولیکی و جواب های منفی به صورت سینوسی و کسینوسی نمایش داده می شود.
(2-64)
(2-65)
بنابراین :
(2-66)
اندیس i، پاسخ مربوط به هر قسمت تیر می باشد.
با توجه به معادله و جایگذاری Χ بدست آمده از معادله قبلی و انتگرال گیری بر حسب ξ، رابطه ϕ اینگونه بدست می آید:
(2-67)
(2-68)
همان طور که قبلا بیان کردیم، رابطه گشتاور خمشی و نیروی برشی در تئوری تیموشنکو و اویلر – برنولی با یکدیگر متفاوت است. نیروی برشی و گشتاور خمشی برای هر قسمت تیر، در تئوری تیموشنکو به صورت زیر تعریف می شود:
(2-69) kAiGdXidξ-Φi→برشی نیروی (2-70) EIidΦidξ→خمشی گشتاور شرط پیوستگی در موقعیت ترک از نظر مفهوم، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی است، تنها تعاریف و روابط مربوط به آنها تغییر می کند.
شرایط پیوستگی در موقعیت ترک برابر است با:
برابری جابجایی:
(2-71)

برابری شیب:
(2-72)

برابری گشتاور خمشی:
(2-73)

برابری نیروی برشی:
(2-74)

که برای تیر با یک ترک می باشد.
در ماتریس ضرایب، جملات مربوط به شرایط پیوستگی برای هر شرط مرزی ثابت بوده، و تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر تغییر می کند.
تیر دو سر گیرداربرای مثال تیر ترکدار دو سرگیردار مانند شکل 2-3 را در نظر بگیرید، در ابتدای گیردار جابجایی و شیب صفر است:
(2-75)
(2-76)
در انتهای گیردار نیز، جابجایی و شیب صفر است:
(2-77)
(2-78)

بنابراین ماتریس ضرایب برای تیر دو سر گیردار به صورت زیر است:

که از حل دترمینان ماتریس فوق برابر صفر، فرکانس های طبیعی سیستم بدست می آید. در ادامه به بررسی سایر شرایط مرزی می پردازیم، و در فصل بعد نتایج مربوط به آنها را نمایش خواهیم داد.
تیر یک سر گیردار -یک سر آزاد
تیر یک سر گیردار – یک سر آزاد مانند شکل 2-4 را در نظر می گیریم، شرایط پیوستگی مربوط به دو طرف ترک مانند تیر دو سرگیردار تغییری نمی کند، و تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر در ماتریس ضرایب تغییر خواهد کرد. در ابتدای گیردار، جابجایی و شیب صفر است که همان معادلات (2-75) و (2-76) می باشد، اما در انتهای آزاد، گشتاور و نیروی برشی، صفر خواهد بود:
(2-79)
(2-80)
تیر دو سرلولابرای تیر دو سرلولا مانند شکل 2-5، در ابتدا و انتهای تیر، جابجایی و گشتاور خمشی برابر صفر است. معادلات مربوط به جابجایی، معادلات (2-75) و (2-77) بوده و معادلات مربوط به گشتاور، معادلات زیر می باشند:
(2-81)
(2-82)
تیر گیردار- مفصل برشیبرای تیر گیردار- مفصل برشی مانند شکل 2-6، شرط مرزی ابتدای تیر، معادلات (2-75) و (2-76) بوده و شرط مرزی انتهای تیر بدین صورت خواهد بود که در مفصل برشی، شیب و نیروی برشی برابر صفر است:
(2-83)
(2-84)
در فصل بعد به ارائه نتایج مربوط به این مدل سازی با تغییر در پارامترهای موثر و مختلف ترک پرداخته و آنها را با یکدیگر مقایسه می کنیم.
در ادامه این فصل به بررسی و مدل سازی تیر ترکدار با شکل های هندسی مختلف ترک می پردازیم:
بررسی تیر شامل چند ترکدر قسمت های قبلی، تیر بررسی شده شامل یک ترک بود، در این قسمت با همان مدل سازی، یک تیر شامل چند ترک را مورد بررسی قرار می دهیم. شکل2-7 یک تیر با دو ترک و شکل2-8 یک تیر با سه ترک را نشان می دهد. با فرض اینکه ترک از نوع باز (open crack) بوده و با استفاده از مدل سازی انجام شده در بخش قبل، هر ترک را با به صورت یک تیر با گشتاور دوم سطح متفاوت مدل سازی می کنیم. تنها تفاوت این بخش با بخش قبلی، بیشتر شدن تعداد ثابت ها و معادلات مربوط به شرایط پیوستگی می باشد. معادلات حاکم و شرایط پیوستگی، برای هر تئوری همان معادلات قبلی برای هر قسمت تیر می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 7 : تیر به طول ,شامل دو ترک به عمق وارتفاعو طول دهانه ترک

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 8 تیر به طول ,شامل سه ترک به عمقوارتفاعو طول دهانه ترک
تئوری اویلر- برنولیبرای تئوری اویلر – برنولی، معادلات را با رابطه کلی، به صورت اندیس دار به شکل زیر می توان نشان داد، (با فرض آنکه، عمق همه ترک ها با یکدیگر برابر باشد):
برای قسمت های بدون ترک :
(2-85)
(2-86)
(2-87)
(2-88)
تعداد ترک می باشد.
برای قسمت های ترکدار:
(2-89)
(2-90)
(2-91)
شرایط پیوستگی در دو طرف ترک، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی می باشد.
برای سمت چپ ترک:
(2-92)
(2-93)
(2-94)
(2-95)

برای سمت راست ترک:
(2-96)
(2-97)
(2-98)
(2-99)
(2-100)
تئوری تیموشنکوبرای تئوری تیموشنکو نیز مانند معادلات اویلر – برنولی، معادلات را با رابطه کلی، به صورت اندیس دار با فرض آنکه، عمق همه ترک ها با یکدیگر برابر باشد به صورت زیر می توان نشان داد:
برای قسمت های بدون ترک:

(2-101)
(2-102)
(2-103)
تعداد ترک می باشد
برای قسمت های ترکدار:

(2-104)
(2-105)
(2-106)
شرایط پیوستگی در دو طرف ترک، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی می باشد.
برای سمت چپ ترک:
(2-107)
(2-108)
(2-109)
(2-110)

برای سمت راست ترک:
(2-111)
(2-112)
(2-113)
(2-114)
(2-115)
در فصل بعد، به ارائه نتایج برای تیر شامل دو و سه ترک، طبق تئوری اویلر – برنولی و تیموشنکو می پردازیم.
ترک با شکل های هندسی مختلف:در قسمت قبل، به مدل سازی تیر ترکدار با ترک مستطیلی، با فرض باز بودن ترک پرداختیم. در این قسمت برای ترک، شکل های هندسی مختلف فرض شده است؛ مانند ترک مثلثی، بیضوی و سهموی. هدف این قسمت آن است که نشان دهیم با ارائه همان مدل می توانیم ترک های با شکل های هندسی مختلف را نیز مدل سازی کرده و نتایج را بدست آوریم. با توجه به مدل سازی صورت گرفته، که ترک را با یک المان تیر، که گشتاور دوم سطح متفاوت دارد، مدل کرده بودیم، در این قسمت با همان مدل سازی به بررسی ترک با شکل های بیان شده می پردازیم. نکته مهم در مورد این ترک ها، این است که گشتاور دوم سطح آنها مانند ترک مستطیلی در طول ترک ثابت نمی باشد. یعنی با توجه به موقعیت در طول ترک، گشتاور دوم سطح آنها نسبت به موقعیت قبلی، ثابت نیست. در ناحیه ترکدار، رابطه برای ارتعاش آزاد تیر صادق است. به دلیل ثابت نبودن برای این معادله حل تحلیلی وجود ندارد. بنابراین باید از روش های تقریبی یا نیمه تحلیلی استفاده کرد. با استفاده از روش گالرکین و روش متعامدسازی ابتدا ماتریس های جرمی و سفتی را بدست آورده و با استفاده از مقادیر ویژه این دو ماتریس، فرکانس طبیعی تیر را بدست می آوریم. تئوری استفاده شده در این قسمت، تئوری اویلر – برنولی می باشد، ضمن اینکه در روش گالرکین نیاز به استفاده از یک تابع برای شکل مد است که شرایط مرزی هندسی را برآورده کند. برای بدست آوردن این تابع شکل مد، از شکل مد تیر سالم برای هر شرط مرزی استفاده می کنیم.
حل ارتعاش آزاد برای یک تیر با استفاده از تئوری اویلر– برنولی به صورت زیر است:
(2-116)
با استفاده از روش متعامد سازی:
(2-117)
با جایگذاری در معادله فوق خواهیم داشت:
(2-118)
با دو بار انتگرال گیری جز به جز، جمله اول معادله فوق به معادله زیر تبدیل می شود:
(2-119)
بنابراین خواهیم داشت:
(2-120)
در بازه انتگرال گیری اول ، و سوم، ، به دلیل ثابت بودن مقطع، عبارت نیز ثابت می باشد، اما در بازه، به دلیل وجود ترک با شکل هندسی بیان شده عبارات تابعی از می باشد.
بنابراین :
(2-121)
معادله در ناحیه ترکدار با توجه به هندسه ترک و تابع با توجه به شرط مرزی تیر مشخص خواهد شد، که با جایگذاری در معادله قبلی، در نهایت به فرم زیر می رسیم:
(2-122)
که مقادیر ویژه ماتریس فوق، فرکانس طبیعی تیر را نتیجه می دهد.
در ادامه شکل های هندسی مختلف ترک، بررسی شده و روابط حاکم بر را نشان می دهیم. اما عبارت کلی در ناحیه ترکدار این گونه خواهد بود:
برای ترک دو طرفه:
(2-123)
(2-124)
برای ترک یک طرفه:
(2-125)
(2-126)
ترک مثلثی شکل
برای ترک مثلثی مانند شکل2-9 ناحیه ترکدار را به صورت زیر تقسیم بندی کرده و در هر قسمت رابطه مربوط به آن را در نظر می گیریم:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 9 : تیر به طول ,و ارتفاع ، شامل یک ترک مثلثی به عمق و طول دهانه ترک
(2-127)
(2-128)
ترک بیضی شکل
معادله یک بیضی به مرکز و قطرهای برابر است با:
(2-129)
ترک نشان داده شده در شکل 2-10 به مرکز و قطرهای می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 10 : تیر به طول ,و ارتفاع ، شامل یک ترک بیضوی به عمق و طول دهانه ترک
معادله این ترک به صورت زیر است:
(2-130)
لازم به ذکر است به دلیل آنکه نیمه پایینی ترک، مد نظر می باشد از علامت منفی در پشت رادیکال استفاده شده است.
ترک سهمی شکل
معادله یک سهمی عمودی، که راس آن در نقطه و فاصله راس تا کانون آن a باشد، به صورت زیر است:
(2-131)
اگر سهمی، ماکسیمم داشته باشد، علامت آن مثبت، و اگر مینیمم داشته باشد علامت آن منفی می باشد.
معادله یک سهمی عمودی، مانند شکل 2-11 که راس آن در نقطه و با فرض آنکه کانون این سهمی در نقطه قرار داشته باشد :
(2-132)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 11 : تیربه طول , وارتفاع ، شامل یک ترک سهموی به صورت عمودی به عمق و طول دهانه ترک
معادله یک سهمی افقی که راس آن در نقطه و فاصله راس تا کانون آن a باشد، به صورت زیر است:
(2-133)
اگر دهانه سهمی به سمت راست باشد علامت آن مثبت و اگر به سمت چپ باشد، علامت آن منفی می باشد.
معادله یک سهمی افقی، مانند شکل2-20 که راس آن در نقطه و با فرض آنکه کانون این سهمی در نقطه قرار داشته باشد :
(2-134)
علامت منفی به دلیل آنست که قسمت پایینی سهمی مورد نظر می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 12 : تیر به طول , وارتفاع ، شامل یک ترک سهموی به صورت افقی به عمق و طول دهانه ترک
در فصل بعد به ارائه نتایج مربوط به این قسمت پرداخته ایم، ضمن اینکه در قسمت پیوست ها توابع شکل مد مورد استفاده برای هر شرط مرزی آمده است.
مدل سازی ترک باز و بسته شوندهدر این قسمت به مدل سازی غیرخطی تیر ترکدار می پردازیم. بر خلاف قسمت قبل که فرض می شد ترک در حین ارتعاش همواره باز باقی می ماند، در این قسمت، فرض بر این است که ترک در حین ارتعاش باز و بسته می شود، یعنی ترک از یک حالت کاملا باز به یک حالت کاملا بسته تغییر می کند. این فرض باعث ایجاد ترمهای غیرخطی در معادلات شده که در ادامه بررسی می شود. برای حل این معادلات غیر خطی از روش میانگین گیری استفاده می کنیم.و نتایج را برای حالتهای تک مود و دو مود نشان خواهیم داد.
مدل سازی ترک ساختار منحنيدر اين قسمت تركي با ساختار منحني شكل مطابق شكل2-21 را مورد بررسي قرار مي‌دهيم. زاويه ترك منحني شكل در وضعيت اوليه θ0 است كه در حين ارتعاش اين زاويه بتدريج تغيير مي‌نمايد. عمق ترك برابر h0 و طول وجه ترك برابر lc است. فرض كنيد كه ترك با شكل منحني داراي شعاع انحناي ρ است. اگر براي مثال ترك به صورت قسمتي از دايره با شعاع ρ در نظر گرفته شود، نقاط ابتدايي و انتهايي ترك و از آنجا مقدار گشودگي دهانه به صورت زير خواهد بود:
(2-135)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 13 : تیر ترکدار با ترک منحنی شکل با شعاع انحناهای متفاوت، عمق و طول وجه

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 14 ترک با ساختار منحنی دایره ای شکل به شعاع انحنایدر دو طرف و زاویه اولیه و طول دهانه
در اين صورت در اثر نيروها و حركت حاصله زاويه ترك و گشودگي دهانه مربوطه تغيير مي‌كند. اين تغييرات موجب مي‌گردد كه سطوح منحني‌ها بر روي هم غلتيده و از طول وجه اوليه lc ترك و يا گشودگي اوليه دهانه كاسته شود، مانند شکل2-15، اگر كه ترك در جهت بسته‌شدن دچار تغيير زاويه شود. به اين ترتيب اگر شيب منحني خيز تير در نقطه وسط ترك برابر باشد، در اين صورت زاويه مابين بصورت زير خواهد بود.
(2-136)
و سطحي از ترك كه بر روي هم مي‌غلتد نيز به صورت زير خواهد بود.
(2-137)
اين ميزان از غلتش سطوح بر روي هم از عمق اوليه به همين ميزان خواهد كاست. در نتيجه ميزان عمق ترك در حين بسته شدن در نقطه ترك xc به صورت زير تغيير خواهد كرد.
(2-138)
و محدوده ترك بصورت زير تغيير خواهد كرد.
(2-139)
مقدار گشودگي دهانه ترك نيز به صورت زير تعيين خواهد شد.
(2-140)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 15 : موقعیت نقاط ابتدا و انتهای ترک و نیز تغییرات هندسه ترک در حین ارتعاشطول وجه ترك نيز بصورت زير تعيين خواهد شد:
(2-141)
كه براي ترك دايره‌اي با شعاع ثابت ρ به صورت زير درخواهد آمد
(2-142)
(2-143)
(2-144)
طول وجه ترك نيز برابر خواهد شد با:
(2-145)
عمق ترك در هر نقطه به صورت زير در خواهد آمد:
(2-146)
(2-147)
در ادامه ساختار ترك را نسبت به موقعيت مياني ترك متقارن در نظر گرفته مي‌شود. اگر زاويه ترك كوچك باشد و شعاع انحناي ترك نسبت به ضخامت تير بزرگ باشد، در اين صورت ترك را مي‌توان در هر لحظه بتقريب به صورت V شكل به صورت معادله (2-136) در نظر گرفت، در ادامه از اين فرض ساده‌كننده براي حل استفاده خواهد شد. با اين فرض محدوده ترك بصورت زير تغيير خواهد كرد:
(2-148)
(2-149)
نقاط گوشه‌اي ترك به صورت زير مي‌باشند:
(2-150)
در اين معادله خطي كه براي تقريب وجوه در هر لحظه استفاده مي‌شود، بصورت زير تعيين مي‌گردد.
(2-151)
در اين صورت ارتفاع دهانه باز ترك برابر است با:
(2-152)
انرژي جنبشي تير به صورت زير مي‌باشد.
(2-153)
با جایگذاری رابطه (2-152) در رابطه (2-153)، انرژي جنبشي برابر است با:
(2-154)
به همين ترتيب انرژي پتانسيل برابر است با:
(2-155)
با جایگذاری رابطه (2-152) در رابطه (2-155)، انرژي پتانسیل برابر است با:
(2-156)

با قرار دادن در معادلات زیر داریم:
(2-157)

(2-158)

(2-159)

با تعریف روابط زیر :
(2-160)
(2-161)
(2-162)
(2-163)
(2-164)
(2-165)
در حالت واقعي محدوده ترك كوچك مي‌باشد، لذا انتگرال‌هاي مربوطه را مي‌توان بصورت‌هاي زير تقريب زد:
(2-166)
(2-167)
(2-168)

(2-169)

(2-170)

(2-171)

کمیت های بی بعد را به صورت زیر تعریف می کنیم:
(2-172)
با قرار دادن روابط (2-160) تا (2-171) در معادله (2-159) و قرار دادن روابط (2-160) تا (2-162) در معادله (2-158) و قراردادن روابط (2-163) تا (2-165) در رابطه (2-157) و جایگذاری روابط بدست آمده در معادله لاگرانژ، و وارد کردن کمیت های بی بعد تعریف شده در رابطه بدست آمده از این جایگذاری ها و ساده سازی، معادله حرکت بدست می آید:
(2-173)

بررسی ترک v- شکلدر قسمت قبل معادله حرکت را برای ترک دایره ای شکل بدست آوردیم، در این قسمت معادله حرکت را برای ترک -v شکل بدست خواهیم آورد. زاويه ترك V شكل در وضعيت اوليه θ0 است كه در حين ارتعاش اين زاويه بتدريج تغيير مي‌نمايد. عمق ترك برابر h0 و طول وجه ترك برابر lc است كه . در اين صورت گشودگي دهانه ترك در وضعيت اوليه برابر خواهد بود. در اين صورت محدوده اوليه ترك بصورت زير مشخص مي‌گردد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 16 ترک با ساختار v-شکل و مشخصات هندسی (2-174)
(2-175)
در اثر نيروها و حركت حاصله زاويه ترك و گشودگي دهانه مربوطه تغيير مي‌كند و مقدار گشودگي دهانه ترك نيز به صورت زير تعيين خواهد شد.
(2-176)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 17 : ترک با ساختار v- شکل در حین ارتعاش در هنگام بسته شدن.در اين صورت زاويه ترک در حین ارتعاش از رابطه بدست خواهد آمد و محدوده ترك بصورت زير تغيير خواهد كرد.
(2-177)
(2-178)
وجه ترك به صورت يك خط با رابطه‌اي به صورت زير است:
(2-179)
در اين صورت ارتفاع دهانه باز ترك برابر است با:
(2-180)
با استفاده از رابطه (2-154) انرژي جنبشي برابر است با:
(2-181)
به همين ترتيب انرژي پتانسيل با استفاده از رابطه (2-155) برابر است با:
(2-182)
حال جابجايي تير را به صورت در نظر مي‌گيريم،در اين صورت با استفاده از معادلات لاگرانژ داريم:
(2-183)
(2-184)
(2-185)
(2-186)
(2-187)
در اين صورت معادلات حركت بصورت زير خواهند بود:
(2-188)

در حالت واقعي محدوده ترك كوچك مي‌باشد، لذا انتگرال‌هاي مربوطه را مي‌توان بصورت‌هاي زير تقريب زد.
(2-189)
(2-190)
(2-191)
(2-192)
(2-193)
که با جایگذاری در معادله خواهيم داشت:
(2-194)
تفاوت معادلات بدست آمده برای ترک دایره ای شکل و ترک V- شکل نشان دهنده این است که مدل ارائه شده نسبت به پارامتر شکل ترک حساس است، یعنی مدل ارائه شده با تغییر شکل ترک تغییر می کند.
حل مسئله با روش میانگین گیریمعادله حرکت بدست آمده در قسمت قبل غیرخطی می باشد. برای حل معادلات غیرخطی روش های مختلفی مانند پرتوربیشن، میانگین گیری و... وجود دارد در این قسمت با استفاده از روش میانگین گیری به حل معادله بدست آمده در قسمت قبل می پردازیم، با فرض يك مد، معادله (2-194) بصورت زير تبديل مي‌گردد:
(2-195)
براي تعيين نحوه تغيير دامنه و فركانس با زمان، با استفاده از روش ميانگين‌گيري، حلي به صورت زير در نظر گرفته مي‌شود.
(2-196)
كه
(2-197)
در اين صورت با مشتق‌گيري از رابطه (2-196) داريم:
(2-198)
برای اینکه معادله فوق دارای حل پریودیک باشد، عبارت زیر باید برابر صفر باشد:
(2-200)
بنابراین:
(2-201)
با مشتق‌گيري از داريم:
(2-202)
که با جایگذاری رابطه (2-196)، (2-201) و (2-202) ، در معادله (2-195)، معادله حرکت به فرم زير تبديل مي‌گردد:
(2-203)
برای پیداکردن دامنه و فاز حرکت از رابطه زیر استفاده می کنیم:
(2-204)
با قراردادن رابطه( 2-203 )در معادله ( 2-204)، تابع F1τ,ω0,ϕ,a را به صورت زیر بدست می آوریم:
(2-205)
با استفاده از روابط (2-200) و (2-204) دامنه و فاز حركت بصورت زير تعيين مي‌شوند:
(2-206)
(2-207)
از حل معادلات دیفرانسیل فوق مقادیر در بازه زمانی مشخص بدست می آید.
برای ترک دایره ای شکل نیز با فرض یک مود، به روشی مشابه ترک V- شکل معادله بدست آمده برابر است با:
(2-208)

که مشابه روش قسمت قبل، برابر است با:
(2-209)

در فصل بعد نتایج مربوط به این مدل سازی و تغییرات فرکانس زاویه ای و زاویه ترک را در حین ارتعاش به صورت شکل های مختلف برای هر شرط مرزی نشان می دهیم.

نتایج مدل سازی
مقدمهدر این فصل با استفاده از روابط فصل دوم و مدل سازی انجام شده به ارائه نتایج می پردازیم. نتایج این فصل در بخش های مختلف ارائه می شود. ابتدا در قالب جداول، نتایج مربوط به ترک باز ساده، سپس نتایج مربوط به تیر چند ترکه و در انتها، نتایج مربوط به شکل های هندسی مختلف ترک ارائه گردیده است. در ادامه نتایج مربوط به ترک باز و بسته شونده در قالب شکل های مختلف ارائه می شود.
نتایج ترک باز ساده
در این قسمت به ارائه نتایج مربوط به ترک باز ساده می پردازیم. این نتایج برای شرایط مرزی مختلف، عمق های مختلف ترک، موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه های مختلف ترک نشان داده می شود و اثر هر کدام از این پارامترها را روی فرکانس طبیعی بررسی می کنیم، و همچنین برای بررسی درستی نتایج، آنها را با نتایج مربوط از روش ارائه شده در مرجع [67] مقایسه می کنیم.
ویژگی های هندسی و مکانیکی تیر مورد نظر به صورت زیر است:

تیر با نسبت های مختلف عمق ترک:در این بخش به ارائه نتایج برای نسبت های مختلف عمق ترک می پردازیم. پارامتر بی بعد عمق ترک را برای مقادیر مختلف در نظر گرفته و نتایج بدست آمده از روش ارائه شده را با روش متعارف [67] یعنی روشی که در آن با استفاده از روابط مکانیک شکست در موقعیت ترک، فنر گذاشته می شود، مقایسه می کنیم. در همه جداول ستونی مربوط به سه فرکانس طبیعی اول تیر سالم (بدون ترک) برای هر شرط مرزی آورده شده است، که برای نشان دادن این مطلب است که فرکانس طبیعی تیر ترکدار همواره از تیر بدون ترک کمتر است زیرا سفتی تیر ترکدار از تیر سالم کمتر است.
در جدول3-1 فرکانس های طبیعی بی بعد، مربوط به سه مود اول ارتعاشی را برای شرط مرزی گیردار-گیردار با موقعیت ترک و طول دهانه ترک، را برای تیر اویلر- برنولی و تیر تیموشنکو نشان می دهیم. همان طور که از نتایج جداول پیداست با افزایش عمق ترک، سفتی تیر کاهش پیدا کرده و در نتیجه فرکانس طبیعی تیر نیز کاهش می یابد. همچنین نتایج این روش با روش متعارف نزدیکی و تطابق بسیار خوبی دارد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 1 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر گیردار با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمhchتیر سالم تیر ترکدار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 22.373 22.276 22.329 22.233 22.360 22.264
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 120.579 118.506 120.770 118.691
0.2 22.373 22.276 22.205 22.111 22.333 22.237
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 119.682 117.644 120.540 118.47
0.3 22.373 22.276 21.993 21.901 22.282 22.187
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 118.185 116.204 120.138 118.045
0.4 22.373 22.276 21.670 21.582 22.185 22.091
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 116.016 114.113 119.416 117.39
0.5 22.373 22.276 21.225 21.142 21.992 21.9012
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 113.223 111.417 118.049 116.0748
0.6 22.373 22.276 20.676 20.599 21.578 21.491
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.06
120.90 118.818 110.075 108.369 115.314 113.4377
0.7 22.373 22.276 20.076 20.007 20.610 20.5349
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.057
120.90 118.818 106.978 105.363 109.718 108.0231
در جداول 3-2 تا 3-4، سه فرکانس طبیعی بی بعد اول را، برای شرایط مرزی مختلف به ازای عمق های ترک از تا و موقعیت ترک و طول دهانه ترک ، برای تیر اویلر – برنولی و تیر تیموشنکو نشان داده شده است. در بالای هر جدول، شرط مرزی مربوط به آن تیر نشان داده شده است، ضمن آنکه مانند جدول قبل به ازای افزایش عمق ترک، فرکانس طبیعی تیر کمتر شده و همچنین فرکانس تیر ترکدار از تیر سالم کمتر می باشد. از نتایج پیداست که تطابق خوبی بین نتایج روش ارائه شده و روش متعارف وجود دارد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 2 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یکسر گیردار با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار یکسرگیردار تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 3.514 3.515 3.512 3.513 # "0.00%" 3.513 3.5142 3.5160 0.1
21.946 22.022 21.899 21.974 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.192 61.697 61.1927 61.6972 3.513 3.5148 3.506 3.507 3.5142 3.5160 0.2
21.924 22.000 21.732 21.806 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.192 61.697 61.1927 61.6972 3.511 3.5134 3.495 3.496 3.5142 3.5160 0.3
21.887 21.962 21.445 21.517 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.191 61.697 61.1927 61.6972 3.509 3.510 3.477 3.478 3.5142 3.5160 0.4
21.816 21.891 21.007 21.076 21.9582 22.0344 61.192 61.696 61.190 61.696 61.1927 61.6972 3.503 3.505 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.5
21.677 21.751 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.191 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 3 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر گیردار- مفصل برشی با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار گیردار-مفصل برشی تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 5.5896 5.5944 5.586 5.5930 5.5872 5.5933 0.1
30.081 30.214 30.031 30.163 30.0926 30.2258 73.906 74.632 73.882 74.608 73.9131 74.6389 5.5890 5.5939 5.586 5.5922 5.5872 5.5933 0.2
30.06 30.193 29.859 29.989 30.0926 30.2258 73.895 74.613 73.797 74.523 73.9131 74.6389 5.5882 5.5931 5.584 5.590 5.5872 5.5933 0.3
30.022 30.154 29.563 29.690 30.0926 30.2258 73.875 74.601 73.651 74.376 73.9131 74.6389 5.5872 5.5927 5.582 5.588 5.5872 5.5933 0.4
29.950 30.082 29.113 29.234 30.0926 30.2258 73.839 74.565 73.431 74.155 73.9131 74.6389 5.5861 5.5915 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.5
29.807 29.937 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.767 74.494 73.130 73.854 73.9131 74.6389 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 4: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار دو سر لولا تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 9.853 9.864 9.833 9.843 9.8591 9.8696 0.1
39.3125 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.947 88.778 87.764 88.590 87.9946 88.8264 9.844 9.854 9.758 9.769 9.8591 9.8696 0.2
39.3125 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.865 88.693 87.125 87.936 87.9946 88.8264 9.827 9.837 9.630 9.64 9.8591 9.8696 0.3
39.3124 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.719 88.544 86.05 86.835 87.9946 88.8264 9.796 9.806 9.430 9.439 9.8591 9.8696 0.4
39.3123 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.450 88.268 84.869 85.221 87.9946 88.8264 9.734 9.744 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.5
39.312 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 86.921 87.727 82.4 83.106 87.9946 88.8264 تیر با نسبت های مختلف طول دهانه ترک:در این قسمت نتایج را به ازای تغییر در طول دهانه ترک نشان خواهیم داد. همان گونه که قبلا بیان شد، مزیت روش ارائه شده نسبت به روش های دیگر این است که در روش ارائه شده، فرکانس طبیعی با تغییر در طول دهانه ترک تغییر می کند، اما نتایج روش متعارف، نسبت به تغییر طول دهانه ترک ثابت است.
جدول 3-5، سه فرکانس طبیعی بی بعد مربوط به سه مود اول ارتعاش تیر ترکدار گیردار-گیردار را به ازای عمق ترک ثابت و موقعیت ترک و طول های مختلف دهانه ترک از تا نشان می دهد.
در جداول 3-6 تا 3-8، فرکانس های طبیعی بی بعد مربوط به سه مود اول را برای شرایط مرزی مختلف به ازای طول های مختلف دهانه ترک از تا و موقعیت ترک و عمق ترک ، برای تیرهای اویلر – برنولی و تیر تیموشنکو نشان داده شده است. همان طور که از نتایج پیداست با افزایش طول دهانه ترک، فرکانس طبیعی تیر کاهش می یابد. ضمن اینکه به دلیل آنکه روش متعارف نسبت به پارامتر طول دهانه ترک حساسیتی ندارد نتایج مربوط به روش متعارف به ازای تغییر این پارامتر تغییر نمی کند.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 5: فرکانس های طبیعی تیر دو سر گیردار با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمdoLتیر سالم تیر ترکدار دو سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.001 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3699 22.273
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.869 118.786
0.002 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3667 22.270
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.836 118.754
0.004 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3600 22.263
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.770 118.691
0.005 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3568 22.260
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.737 118.659
0.008 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3470 22.251
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.640 118.566
0.01 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3406 22.244
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6726 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.576 118.505
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 6 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یکسر گیردار با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 3.509 3.510 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.001
21.816 21.891 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.192 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.503 3.505 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.002
21.677 21.751 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.191 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.498 3.500 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.003
21.542 21.615 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.190 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.493 3.495 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.004
21.412 21.484 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.189 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.483 3.485 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.006
21.161 21.232 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.187 61.695 61.188 61.694 61.1927 61.6972 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 7: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر گیردار- مفصل برشی با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 5.584 5.591 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.001
29.947 30.079 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.8391 74.5649 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.583 5.590 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.002
29.807 29.937 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.767 74.494 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.582 5.588 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.003
29.672 29.799 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.699 74.425 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.580 5.586 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.004
29.540 29.667 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.632 74.359 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.580 5.585 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.006
29.290 29.413 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.506 74.234 73.130 73.854 73.9131 74.6389 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 8: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 9.796 9.806 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.001
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 87.445 88.263 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.734 9.744 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.002
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 86.921 87.727 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.673 9.683 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.003
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 86.423 87.217 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.614 9.624 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.004
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 85.95 86.732 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.499 9.508 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.006
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 85.065 85.827 82.398 83.106 87.9946 88.8264 بررسی اثر تغییر موقعیت ترکدر این قسمت، موقعیت ترک را از قسمت های ابتدایی تیر تا قسمت های انتهایی تیر، به ازای عمق و طول دهانه ثابت تغییر می دهیم و نتایج را نشان می دهیم. نکته قابل توجه در این قسمت این است که، تنها در حالت شرط مرزی تیر یک سر گیردار با تغییر موقعیت ترک از ابتدا تا انتها، فرکانس طبیعی مربوط به مود اول، افزایش می یابد و در مورد شرایط مرزی دو سر گیردار و دو سر لولا به علت تقارن، در فاصله های برابر از تکیه گاه ها، فرکانس های طبیعی یکسان است. برای حالت دوسر لولا با نزدیک کردن موقعیت ترک به میانه تیر فرکانس طبیعی اول کاهش پیدا کرده و بعد از آن افزایش می یابد. در مورد بقیه شرایط مرزی، نظم خاصی وجود ندارد. نتایج مربوط به هر دو روش ارائه شده و روش متعارف نشان دهنده این موضوع می باشد. ضمن اینکه تطابق و نزدیکی خوبی بین نتایج دو روش وجود دارد.
در جداول 3-9 تا 3-12، نتایج مربوط به بررسی اثر موقعیت ترک به ازای و نشان داده شده است. شرط مرزی هر تیر نیز در بالای جدول مربوط به آن آورده شده است.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 9: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر گیردار با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار دو سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 22.373 22.276 21.572 21.484 22.202 22.107
61.672 61.062 61.289 60.695 61.594 60.986
120.90 118.818 120.862 118.774 120.899 118.839
0.2 22.373 22.276 22.343 22.247 22.372 22.275
61.672 61.062 60.304 59.721 61.454 60.848
120.90 118.818 114.532 112.712 119.971 117.678
0.3 22.373 22.276 22.133 22.039 22.341 22.245
61.672 61.062 58.111 57.586 61.016 60.423
120.90 118.818 118.575 116.619 120.445 118.385
0.4 22.373 22.276 21.516 21.430 22.231 22.137
61.672 61.062 59.761 59.200 61.318 60.718
120.90 118.818 119.153 117.113 120.577 118.498
0.5 22.373 22.276 21.225 21.142 22.177 22.082
61.672 61.062 61.672 61.063 61.672 61.062
120.90 118.818 113.224 111.417 119.397 117.371
0.6 22.373 22.276 21.516 21.430 22.231 22.137
61.672 61.062 59.761 59.200 61.318 60.718
120.90 118.818 119.153 117.113 120.577 118.498
0.7 22.373 22.276 22.133 22.039 22.341 22.245
61.672 61.062 58.111 57.586 61.016 60.423
120.90 118.818 118.575 116.619 120.445 118.385
0.8 22.373 22.276 22.343 22.247 22.372 22.275
61.672 61.062 60.304 59.721 61.454 60.848
120.90 118.818 114.532 112.712 119.971 117.678
0.9 22.373 22.276 21.572 21.484 22.202 22.107
61.672 61.062 61.289 60.695 61.594 60.986
120.90 118.818 120.862 118.774 120.899 118.839
همان طور که از نتایج جدول فوق مشخص است در فاصله های برابر از تکیه گاه ها، مثلا در موقعیت ترک و به علت تقارن فرکانس های طبیعی بدست آمده برابر می باشد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 10: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یک سر گیردار با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار یک سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 3.5160 3.5142 3.156 3.155 3.445 3.443
22.0344 21.9582 21.288 21.221 21.874 21.799
61.6972 61.1927 61.309 60.821 61.618 61.115
0.2 3.5160 3.5142 3.250 3.248 3.465 3.463
22.0344 21.9582 22.019 21.943 22.035 21.959
61.6972 61.1927 60.345 59.857 61.481 60.979
0.3 3.5160 3.5142 3.332 3.331 3.482 3.480
22.0344 21.9582 21.714 21.639 21.986 21.910
61.6972 61.1927 58.189 57.758 61.051 60.561
0.4 3.5160 3.5142 3.400 3.399 3.495 3.494
22.0344 21.9582 20.950 20.881 21.846 21.771
61.6972 61.1927 59.864 59.413 61.358 60.864
0.5 3.5160 3.5142 3.452 3.450 3.505 3.503
22.0344 21.9582 20.463 20.399 21.751 21.677
61.6972 61.1927 61.693 61.188 61.696 61.191
0.6 3.5160 3.5142 3.486 3.484 3.512 3.510
22.0344 21.9582 20.543 20.478 21.767 21.693
61.6972 61.1927 59.451 58.972 61.266 60.766
0.7 3.5160 3.5142 3.505 3.503 3.516 3.514
22.0344 21.9582 21.091 21.022 21.867 21.794
61.6972 61.1927 57.024 56.592 60.800 60.310
0.8 3.5160 3.5142 3.513 3.512 3.52 3.517
22.0344 21.9582 21.711 21.637 21.978 21.902
61.6972 61.1927 58.228 57.781 61.091 60.597
0.9 3.5160 3.5142 3.515 3.514 3.521 3.519
22.0344 21.9582 22.003 21.927 22.041 21.965
61.6972 61.1927 61.165 60.667 61.613 61.109

user8323

1-7- جمع بندی9
فصل دوم: مرور ادبیات11
2-1- مقدمه12
2-2- مکانیابی تسهیلات12
2-2-1- مرور ادبیات در موضوع مکانیابی تسهیلات12
2-2-2- معیارهای دسته بندی مدلهای مکانیابی17
2-2-3- مسائل پوشش19
2-2-3-1-مسأله پوشش مجموعه19
2-2-3-2- مسأله مکانیابی حداکثر پوشش21
2-2-3-3- مسائل p-center22
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 ليتِل38
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- روش‌هاي اندازه گيري عملکرد الگوريتم‌هاي 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 گيري عملکرد الگوريتم‌ها 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 کلي مسائل مکانیابی تسهیلات اصولاً NP-Hardهستند و بعيد است بدون کاربرد الگوريتم‌های فراابتکاری بتوان حلّي بهينه را در زمان معقول پيدا کرد و زمان محاسباتي نيز با توجه به اندازه مسأله به صورت نمايي افزايش مي يابد.
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.
براي مسائلی که در کلاس NP-Hard قرار مي گيرند، تاکنون روش‌هاي دقيقي که بتواند در حالت کلي و در زماني معقول به جواب دست يابد توسعه داده نشده‌است. از اين رو روش‌هاي ابتکاري و فراابتکاري مختلفي را براي حل اين دسته از مسائل به کار مي برند تا به جواب‌هاي بهينه يا نزديک به بهينه دست يابند.
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 مقاله به 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 روش‌هاي اندازه گيري عملکرد الگوريتم‌هاي 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 مقاله به 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 روش‌هاي اندازه گيري عملکرد الگوريتم‌هاي 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 پيِر 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. اِوانجليستا توريچلي 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 حکيمي 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 حکيمي 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 حکيمي 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. کاريف و حکيمي 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: حکيمي 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 داسکي 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 بوفي یک سیستم دسته بندی شامل مسائلی برای تعیین خط مسیر حمل و نقل مواد خطرناک ارائه کردند. اخیراً یک مثال بوسیله بريمبرگ 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 مي‌کنند، 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. اُکِلي 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 وايت اولین کار را برحسب محدودیت‌های کاربردی که در LSCP کاربرد دارد، ارائه کردند. مطالعه ميرچنداني و اُدُني زمان‌های سفر تصادفی را در مکانیابی تسهیلات اورژانس درنظر می‌گیرد. همچنین باتوجه به کاربردهای وسایل اورژانسی، مدل MEXCLP که توسط داسکين 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 ديِرينگ و همچنين چِرچ و گارفينکل 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. جئوفريون 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 سواين 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 لاپيِره)، به صورت کل زمان موردنیاز برای دریافت سرویس (پارکر و سرينيواسان) 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 لاپيِره؛ پارکر و سرينيواسان)؛ 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 سرينيواسان 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 ماريانوف 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 ماريانوف و سِرا در سال 1998 شروع شده‌است. مقالات دیگری نیز در این زمینه نوشته شده‌است که می‌توان به مقالات بِرمن، کراس و وانگ؛ ماريانوف و ريوس؛ ماريانوف 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 داسکين 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. ماريانوف 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. ماريانوف و ريوس 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 ماريانوف 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 چيو 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 ليتِل [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 ليتِل، 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 ليتِل 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 ليتِل،
(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
بسياري از مسائل کاربردي در جهان واقعي را مسائل بهينه سازي ترکيباتي چندهدفه تشکيل مي‌دهند، زيرا متغير‌هاي مجزا و اهداف متضاد به طور واقعي در ذات آنها است. بهينه سازي مسائل چندهدفه نسبت به مسائل تک هدفه متفاوت بوده، زيرا شامل چندين هدف است که بايد در بهينه‌سازي به همه اهداف همزمان توجه شود. به عبارت ديگر الگوريتم‌هاي بهينه سازي تک هدفه، حل بهينه را با توجه به يک هدف مي يابند و اين در حالي است که در مسائل چندهدفه (با چندهدف مخالف و متضاد) معمولاً يک حل بهينه مجزا را نمي توان بدست آورد. بنابراين طبيعي است که مجموعه اي از حل‌ها براي اين دسته از مسائل موجود بوده و تصميم گيرنده نياز داشته باشد که حلّي مناسب را از بين اين مجموعه حل‌هاي متناهي انتخاب کند و در نتيجه حل مناسب، جواب‌هايي خواهد بود که عملکرد قابل قبولي 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:

user8322

2-1)مقدمه...........................................................................................................................................................25
2-2). مباحث مربوط به توسعه شهری. ........................................................................................................25
2-2-1). شهر......................................................................................................................................................25
2-2-2). برنامهیزی...........................................................................................................................................26
2-2-3). برنامهریزی شهری.............................................................................................................................27
2-2-4). کاربری اراضی.....................................................................................................................................27
2-2-5). رشد و توسعه شهری.........................................................................................................................28
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 اسلامي...................................................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). پيامدهاي توسعه فيزيكي شهر نورآباد ..............................................................................................91
4-5-1). آلودگي آب. .......................................................................................................................................92
4-5-2). تخريب اراضي كشاورزي................................................................................................................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 مادي ومعنوي شهري، حاصل دستاورد بزرگ كانون تمدنساز از چند هزار سال پيش تاكنون بوده است و دستيابي به رفاه و آسايش فزاينده در محيط زيست شهري، از دغدغههاي فكري فرهيختگان بهويژه كارشناسان آشنا به مسائل شهري در دو قرن اخير ميباشد. با گذشت زمان، نابودي منابع طبيعي شهري، از جمله زمينهاي كشاورزي و منابع آبها، توسعه ناموزون آن، فقدان مديريت كار آمد شهري با وضعيت نابرابري زاي اقتصادي، مهاجرت سيل آساي جمعيت روستايي به شهرها تراكم و فشردگي اين مهاجرين در محلههاي مختلف و جدائيگزيني در شهرها، از مسائل و معضلاتي است كه چشم انداز ناپايداري را بر شهرها تحميل كرده است (مهندسین مشاور امکو ٬ 1379 :15 ). چنين تحولي موجب گستردگي محدوده خدماتي شهرها شده كه انبوه جمعيت شهري را بـا سطوح طبقات اجتماعي متفاوت در خود جاي داده است. با پويش فزاينده و سريعي كـه در ساخت كالبدي شهر، از سال 1350 به بعد يعني اوج دوره رشد شهرها و هرج و مرج توسعه كالبدي شهري ايران، آن چنان وسعت مييابد كه حتي تدوين قوانين سخت و برخورد قهرآميز شهرداريها نيز از بروز آن عاجز ميماند. نتيجه آنكه شهرهاي ايران به خصوص بافت كـالبدي آنها، منشاء و بستر ناپايداري در شهرها ميگردد. 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 يكي از شهرهاي استان فارس با مساحتي در حدود 783 هکتار و جمعيتي برابر 52597 نفر ( درسال1385 ) از نظر جمعيتي، نسبت به سال1345 ده برابر شده و از نظر كالبدي رشد زيادي پيداكرده است اين رشد جمعيتي و كالبدي از حدود سالهاي 61 ـ 60 ، آغاز گرديده و با شتاب ادامه دارد و افزايش جمعيت شهري هم به طور طبيعي و هم در نتيجه مهاجرت گسترده روستائيان از روستاهاي اطراف آن، صورت گرفته است كه اين روند علاوه بر رشد فيزيكي و كالبدي شهر به ويژه در جهت شرقي موجب ارتقاء نقش و عملكرد شهر از حيث اداري، خدماتي در منطقه شده است. همچنين رشد فيزيكي اراضي شهري كه توپوگرافي مساعد، آن را تشديد نموده است، به بورس بازی زمین، توسعه نامتعادل شهر، کمبود سرانههای شهری٬ بالا رفتن تراکم شهر و تخريب زمينهاي كشاورزي اطراف شهر انجاميده است. از سوي ديگر وجود جاده ارتباطي شيراز ـ اهواز در نزديكي محدوده شهر، قابليت دسترسي به ساير نقاط كشور را افزايش داده، كه اين موقعيت نيز منجر به جذابيت بيشتر شهر و ورود مهاجرين روستايي 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 دهههاي اخير، عوامل اکولوژیکی در توسعه شهرها توجه بيشتري را به خود معطوف داشته است و به عنوان يكي از پايههاي اساسي جهت توسعه شهرها معرفي ميشود. در اين رابطه رعايت عوامل طبيعي و مطابقت دادن توسعه شهرها با آن، از اقدامات اساسي جهت مقابله با حوادث طبيعي و حتي ممانعت از مخاطرات طبيعي نظير( سيل ،زلزله ، نشست ، ريزش،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) مقالهای 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 كه از مهمترين عامل طبيعي تاثيرگذار بر توسعه فيزيكي – كالبدي شهرها، ويژگيهاي شكل زمين، ناهمواريها و به طور كلي ژئومورفولوژي بوده و هر سه پارامتر در نظر گرفته شده در توسعه فيزيكي شهرها تاثير داشته اند.
- سعیدی و همکاران(1389) مقالهای 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) مقالهای 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
پژوهشهاي شهري راهبردي بر مطالعه فرايندهاي شهرنشيني و تاثيرات ناشي از اين فرايندها در سطح جامعه و محیط اطراف آنها تاكيد دارد. هدف از انجام اين پژوهش‌ها گردآوري اطلاعات لازم و شناخت دقيق‌تر تأثیرات توسعه فیزیکی زندگي شهري بر محیط زیست اطراف آن به منظور تصميم گيري دربارة اهداف و فراهم نمودن خط مشي هايي براي بالا بردن كيفيت زندگي 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 پژوهش‏هاي شهري راهبردي عبارتست از: شناخت مسائل و مشكلات فضاهاي شهر و پسکرانه های آن و گره گشايي و چاره انديشي نسبت به اين مشكلات است. جهت بررسي دقيق و عميق مسائل شهري لازم است مؤلفهها و عوامل تاثير گذار بر حسب نوع درجه و اهميتشان مورد بررسي و مطالعه موشكافانه قرار گيرد. بعلاوه با توجه به رشد وگسترش سريع شهرها وجود انبوهي از متغيرهاي موثر در آنها و همچنين حجم باور نكردني اطلاعات، بكارگيري شيوههاي سنتي در تحليل مسائل چندان معقول و رسا نيست و گاهاً پژوهشگر را به اشتباه مياندازد. عواملي همچون رشد جمعيت، مهاجرت و پيامدهاي آن، خدمات رساني و توزيع عادلانه و بهينه خدمات در محيط شهر و بالاخص مادر شهرها با موانع و معضلاتي همراه است، لذا اتخاذ سياست هاي كارآمد و بجا در رابطه با ارائه خدمات، بهینه یابی پهنههای مناسب برای گسترش شهری و تخصيص بهينة فضا براي جمعيت ساكن در بخش هاي مختلف شهر (حاشيه، مركز و … ) جهت دسترسي سريع و كم هزينه شهروندان، از اهداف و مراحل تحقیق مي‏باشد.
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 قابليت هاي منحصر به فرد در ايجاد سيستمهاي پشتيباني و تصميم گيريهاي فضايي و با داشتن توابع تحليلي (بخصوص امكانات تحليل شبكه، مدل هاي تخصيص مكاني و بطور كلي مدلسازي) مي‏تواند درحل مسائل مختلف منجمله تحليل دسترسيها، تعيين حوزه نفوذ، مكانيابي و تخصيص منابع، توسعه پايدار، توسعه عدالت اجتماعي و… به عنوان ابزاري قدرتمند با قابليت انعطاف پذيري بالا عصا و ياور مديران و سازندگان پيكرة شهرها باشد. بعلاوه به هنگام كردن نقشه كه درگذشته ماهها به طول ميانجاميد درحال حاضر به طور ساعتي انجام ميپذيرد (محمدي ،1381، 60). GIS هزينهها را كاهش داده و زمان (كه در برنامهريزي اهميتي خاص دارد) را بطرز شگرفي مطيع 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 اين تحقيق مشكلات زيادي وجود داشت كه سرعت انجام كار را كاهش ميداد. بطور كلي اهم مشكلاتي كه نگارنده با آن مواجه بوده است عبارتند از :
- به دلیل نبود يك نقشه مبنايي دقيق جهت انجام كار و عدم همكاري سازمانهاي مربوطه جهت تهيه نقشه براي انجام تحقیق، تهيه نقشه پايه به سختي صورت پذيرفت.
- عدم همكاري سازمانهای متولی در امر تهيه آمار و اطلاعات لازم و تأخير مسئولين 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 شهرنشيني روند اجتماعي برجسته‌اي است که بيشتر موجب دگرگوني در روابط متقابل انسان با محيط و با انسانهاي ديگر شده است. در حقيقت تغيير در واکنش‌هاي انسان‌ها نسبت به هم و نسبت به محيط، به تحول اجتماعي و دگرگوني فضائي امکان داده که نمود عيني آن به صورت يک پديدة نو که اصطلاحاً (شهر ناميده مي‌شود ) نمايان گرديده است. ويژگيهاي شهر و مفهوم آن در دوره‌هاي مختلف تاريخي و مناطق مختلف يکسان نبوده و مفهوم آن در هر دوره و مناسب با هر سرزميني در مسير تاريخ تفاوتهايي را نشان مي‌دهد. امروزه تعريف جامعي از شهر که بتواند شامل کلية شهرهاي جهان باشد مشکلست، چرا که شهرها به سيستم‌هاي اقتصادي و اجتماعي همسان وابسته نبوده و نکات مشترکي بين آنها وجود ندارد. بنابراين هر يک از جغرافيدانان بنا به ادراک و برداشت خود تعريفي از شهر کردهاند ( فريد، 1382 : 1 ). در واقع شهر زيستگاهي است انسان ساخت و در زير يک قدرت سياسي مشخص که تمرکز جمعيتي نسبتاً پايداري را در درون خود جاي مي‌دهد، فضاهاي ويژه براساس تخصص‌هاي حرفه‌اي به وجود مي‌آورد تفکيکي کما بيش مشخص ميان بافت‌هاي مسکوني و کاري ايجاد مي‌کند و فرهنگي خاص را به مثابه حاصلي از روابط دروني خويش پديد مي‌آورد که درون خود خرده فرهنگ‌هاي بيشماري را حمل مي‌کند( فکوهي، 1383: 28-29 ). با اين همه شهر اجتماعي است با تعداد و تراکم معين و متناسب جمعيت، با بافت و ساختار کالبدي يکپارچه و بهم پيوسته اعم از محلات، کوي‌ها، و يا مناطق مسکوني، فضاهاي فرهنگي، بازرگاني، توليدي، اداري، ارتباطي، کشاورزي و نظاير آنها که اکثريت ساکنان شاغل دائمي آن در مشاغل غير کشاورزي بکار اشتغال داشته و بر اثر تمرکز توليد و خدمات فرامحلي، کانون سياسي-اجتماعي، فرهنگي، اداري، مواصلاتي، و مرکز مبادلات اقتصادي و تأمين نيازهاي حوزة جذب و نفوذ فضاي پيرامون خود نيز مي‌باشد ( نظريان،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 کلي از زماني که بشر براي شناسايي محيط اطراف و تسهيل در امر زندگي و رفع مشکلات و نيازهاي خود به تکاپو پرداخت، در حقيقت، دست به يک نوع برنامه‌ريزي زد. در صورتي که بخواهيم تعريفي کلي از برنامه‌ريزي داشته باشيم، مي‌بايستي برنامه‌ريزي را عبارت از کوششي در جهت انتخاب بهترين برنامه‌ها در جهت رسيدن به هدفهاي مشخص بدانيم که ممکن است اين کوشش‌ها و برنامه‌ها، تا مرحلة نهايي هدف نيز پيش نرود، بلکه گامهايي در جهت رسيدن به آن باشد (شيعه، 1381: 85-86 ). برنامه‌ريزي به معناي انديشيدن و تنظيم پيشاپيش امور، قبل از بروز وقايع و رويدادها است تا در اموري همچون بهداشت، سلامت، رفاه، آسايش، خوشبختي افراد جامعه، نتايج مطلوبي بدست آيد، بديهي است براي برنامه‌ريزي دقيق مي‌توانيم اشتباهات گذشته را جبران نموده و نسبت به آينده هوشيار‌تر عمل کنيم ( هيراسکار، 1376: 14).
برنامه‌ريزي فعاليتي است که بشر از آغاز به آن مشغول بوده است. هيچ اقدامي براي رسيدن به هدف هرچه باشد به نتيجه نميرسد، مگر آنکه شامل برنامهريزي باشد. اقدامات لازم براي نيل به هدف به طور اصولي از مراحل زير ميگذرد:
مشخص کردن هدف‌ها
انتخاب وسايلي که براي رسيدن به هدف‌ها به کار مي‌رود
به کار بردن اين وسايل
اين سه مرحله روي هم فرايند برنامه‌ريزي را تشکيل مي‌دهند. با توجه به اين توضيحات ارائه شده، برنامه‌ريزي را چنين مي‌توان تعريف نمود: "تصميم آگاهانه جهت يافتن راههاي مناسب براي رسيدن به مطلوب‌هاي انساني و تأمين منابع لازم، برنامه‌ريزي محسوب ميگردد" ( استعلاجي و عبدالرضا مسلمي، 1380: 10 ). برنامه‌ريزي داراي تعاريف زيادي مي‌باشد، براي درک بهتر مفهوم برنامه‌ريزي و آشنايي با ديدگاههاي ديگر در مورد آن در زير چند نمونه از آنها ذکر مي‌شود:
برنامهريزي فرآيندي است آيندهنگر که به شدت تحت تأثير گذشته و حال است. برنامه‌ريزي دانش علمي و تکنولوژيک را با فعاليتهاي ساخت اجتماعي مرتبط ميسازد (Fridman,1987, 38).
"پيتر هال" برنامه‌ريزي را چنين تعريف مي‌نمايد: «برنامهريزي، به عنوان فعاليتي همگاني، فراهم آوردن سلسله‌اي از کارهاي منظم است که به دسترسي به هدف کلي و يا هدف‌هاي کلي بيان شده مي‌انجامد» (سيف‌الديني، 1383: 32). "واترسون" برنامه‌ريزي را چنين تعريف مي‌کند: برنامه‌ريزي، فعاليتي سازمانيافته و تلاشي هوشيارانه، به منظور گزينش بهترين راه‌حل‌هاي پيشنهادي موجود، براي دسترسي به هدفهاي کلي ويژه است. برنامهريزي، نشان دهندة بکارگيري بخردانة دانش انسان براي فرايند دستيابي به تصميم‌هايي است که همچون بنياني براي فعاليت انسان، عمل مي‌کنند. هستة مرکزي اين فعاليت، ايجاد رابطه بين هدف‌هاي نهايي و ابزار دستيابي به آنها، با هدف دسترسي به هدف‌هاي نهايي، با استفاده از باکفايت‌ترين و کارآمدترين استراتژي‌ها است» (همان کتاب، ص 30)."فريدمن" برنامهريزي را نوعي تفکر دربارة مسائل اجتماعي، اقتصادي تعريف نموده که جهت‌گيري و آينده‌نگري به صورت علمي، در روابط، اهداف و تصميمات همه جانبه دارا بوده و بشدت در زمينة خطمشي و برنامه از جامعيت برخوردار باشد (زياري، 1383: 19) و از لحاظ سيستمي به منظور بهبود زندگي انسانها سيستمها 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 كاربري اراضي به معناي به كارگيري زمين براي اهداف به خصوص توسط انسان مي‌باشد. (meyer, 1994, 10) كاربري زمين به طور ذاتي درباره‌ي تمام جنبه‌هاي فضايي يا فعاليت‌هاي انساني در زمين و طريقه‌اي كه سطح زمين مي‌تواند براي نيازهاي مختلف آماده شود و از آن بهره‌برداري گردد بحث مي‌كند. (Robing, 1989, 19-20) و يا كاربري زمين جنبه‌هاي فضايي همه‌ي فعاليت‌هاي انساني را در روي كره‌ي زمين براي رفع نيازهاي مادي و فرهنگي او نشان مي‌دهد. (Northam, 1975, 168).
كاربري زمين در واقع بهره‌برداري صحيح انسان از طبيعت است كه در چند دهه‌ي اخير از سوي پژوهشگران به ويژه دانشمندان علم جغرافيا به كار رفته است. در واقع اين واژه استفاده از امكانات و توانايي زمين را نشان مي‌دهد به عبارت ديگر نحوه‌ي استفاده از زمين و كاركردي كه به آن تعلق مي‌گيرد را كاربري زمين گويند اين كاركرد ممكن است در مقياس منطقه باشد و يا در مقياس سكونت‌گاه‌هاي انساني و شهر مد نظر باشد (عسكري، رازاني و رخشاني، 1381: 5) بر همين مبنا برنامه‌ريزان معمولاً زمين را از نظر ميزان كاربرد و اثرات آن به محل، محيط و جامعه دستهبندي مي‌كنند (سيف‌الديني، 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). واحدهاي ژئومورفولوژي هميشه با پويايي و ديناميسم محيط طبيعي در ارتباط است. هر گونه اقدام در راستاي توسعه و عمران شهرها، به نحوي با پويايي و ديناميسم مذكور و در نتيجه با پديدههاي ژئومورفولوژي تلاقي ميكنند. 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

user8320

در این پروژه ابتدا نانوکاتالیست پلاتین/کربن به وسیله‌ی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیم بور هیدرید سنتز شد. ویژگی‌های ساختاری و مورفولوژی نانوکاتالیست سنتز شده با استفاده از طیفسنجی پراکنش انرژی و میکروسکوپ روبش الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت و پایداری نانوکاتالیست Pt/C در الکترواکسیداسیون الکلهای مختلفی مانند متانول، 2- پروپانول و 1و2- پروپاندیال در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. تکنیک‌های ولتامتری چرخه‌ای، کرونوآمپرومتری و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی برای بررسی واکنش اکسیداسیون استفاده شدند. Pt/C دانسیته جریان بالایی در اکسیداسیون 1و2-‌ پروپاندیال در مقایسه با متانول و 2- پروپانول نشان می‌‌دهد. مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال مقدار منفی تر نسبت به اکسیداسیون متانول دارد که این امر به دلیل سنتیک سریع واکنش اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال میباشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید می‌کند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون 1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال نشان می‌دهد. نتایج حاصل از امپدانس الکتروشیمیایی پس از طی 100 چرخه نشان داد که مقاومت انتقال بار در اکسیداسیون 1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال کمترین مقدار و برای 2-پروپانول بیشترین مقدار را دارد. دلیل این امر این است که در اکسیداسیون1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال مقاومت کاتالیست در برابر جذب حد واسط بالاست و حد واسط ها به راحتی نمی‌توانند سایت‌های فعال واکنش را مسدود کنند.
کلمات کلیدی: اکسیداسیون الکل،پیل سوختی الکلی مستقیم، ، پلاتین/کربن، الکتروکاتالیست
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فصل اول:مقدمهای بر پیلهای سوختی
1-1- مقدمه2
1-2- پیل سوختی چیست؟2
1-3- تاریخچه4
1-4- کاربردهای پیل سوختی6
1-5- انواع پیل سوختی7
1-5-1- پيل سوختي پليمري يا غشاء مبادله کننده پروتون7
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم9
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی10
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت10
1-7-1-1- پيل سوختي متانول مستقيم11
1-7-2- 2-پروپانول15
1-7-2-1- پيل سوختي 2-پروپانولی مستقيم15
1-7-3- پروپیلنگلیکول16
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم16
1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیلهای سوختی17
1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف18
1-8-1-1- کربن بلک19
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیستهای بر پایه پلاتین20
1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC21
1-9-2- مکانيسم اکسايش متانول22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیستهای برپایه پلاتین23
1-10- اهداف پروژه29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه31
2-2- تکنیکهای مورد استفاده31
2-3- ولتامتري32
2-3-1- ولتامتري با روبش خطي پتانسيل32
2-3-2- ولتامتري چرخه‏اي32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای34
2-4- نمودارهاي تافل35
2-5- روش طيف‏نگاري امپدانس الکتروشيميايي36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود48
2-6-1- SEM38
2-6-2- EDS39
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی41
3-2- دستگاه‌هاي مورد استفاده41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن44
3-5-تهيه جوهر کاتاليست44
3-6- آمادهسازی الکترود کربنشیشه45
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- کلیات47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول51
4-4-2- بررسی منحنی‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول56
4-5-2- بررسی منحنی‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی65
4-7-2- مقايسه و بررسي نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف67
4-7-3- مقايسه و بررسي نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل‌ها68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپي امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف72
4-8-نتیجه گیری75
4-9-پیشنهادات76
4-10-منابع77
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1- مقايسه تبديلات انرژي در فرايند توليد انرژي از سوخت‌هاي فسيلي با روند توليد انرژي در پيل‌هاي سوختي3
شکل1-2- پيل سوختي اوليه ساخته شده توسط ويليام گرو5
شکل1-3 منابع تأمين کننده هيدروژن و تقاضاهاي استفاده از هيدروژن6
شکل1-4- کاربردهايي از پيل سوختي در سيستم حمل و نقل دريايي، زميني، وسايل پرتابل و مصارف نيروگاهي6
شکل1-5- نحوه‌ي عملکرد پيل سوختي پليمري9
شکل-1-6- نحوه‌ي عملکرد پيل سوختي متانولي مستقيم12
شکل1-7- مکانيسم اکسايش متانول و انواع حدواسطهای توليدی21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیستهای فلزی24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپاندیال28
شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی29
شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی34
شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی35
شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM 39
شکل3-1- شماي کلي دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی43
شکل3-2. شماي کلي تهیه جوهر کاتالیست Pt/C45
شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌اي الکترود کربن شيشه‌اي در 20 ميلي‌ليتر محلول یک مولار متانول و یک مولار KOH در دماي اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه46
شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: دادههای تجزیه عنصری حاصل48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نماییهای متفاوت50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه53
شکل4-5- مکانیسم کلي اکسایش متانول توسط کاتاليست Pt/C54
شکل4-6- نمودار نايکويست الکترود Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسيل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسيل 10 ميليولت55
شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH 56
شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌اي الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 ميلي‌‌ولت بر ثانيه57
شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه59
شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه60
شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسيل 0.4- ولت64
شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH62
شکل4-13- ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه در 100 چرخه64
شکل4-14 منحنیهای نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV65
شکل4-15- منحنیهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت65
شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه67
شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکلهای مختلف روی الکترود Pt/C/GC67
شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه69
شکل4-19- منحني تافل براي محاسبه مقدار ضريب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه70
شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در پتانسیل 0.4- ولت71
شکل4-21- نمودار جريان بر حسب t-1/2 براي به‌دست آوردن ضريب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار73
شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت75
شکل 4-23- مدار معادل با دياگرام‌هاي نايکوئيست76

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی17
جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی41
جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C68
جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرايب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف70
جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf72
فهرست علائم و اختصارات
معادل فارسی معادل انگلیسی علائم و اختصارت

MMolarمولار
SSecondثانیه
PtPlatinumپلاتین
µAMicroamper میکروآمپر
CConcentrationغلظت
jCurrent densityچگالی جریان
mv s-1 Milivolt per secondمیلیولت بر ثانیه
U Potential sweep rateسرعت روبش پتانسیل
cvCyclic Voltametryولتامتری چرخهای
SEMScsnning electron microscopyمیکروسکوپی الکترون روبشی
EDSEnergy dispersive spectroscopyطیفبینی پراکنش انرژی
nNumber of exchanged electronتعداد الکنرونهای مبادله شده
c Capacitor خازن
DMFC Direct Methonol fuel cell پیل سوختی متانولی مستقیم
DAFCSDirect Alcohol Fuel cellsپیل سوختی الکلی مستقیم

فصل اول
مقدمه

center16861000
فصل اول: مقدمهای بر پیلهای سوختی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت‌هاي فسيلي که 80 درصد انرژي زمين را تأمين مي‌کنند دو مشکل اساسي وجود دارد. اول اينکه ذخاير اين سوخت‌ها محدود است و دير يا زود تمام خواهند شد. دوم اينکه سوخت‌هاي فسيلي از عوامل اساسي ايجاد مشکلات زيست محيطي مثل گرم شدن کره زمين، تغييرات آب و هوايي، ذوب کوه‌هاي يخي، بالا آمدن سطح درياها، باران‌هاي اسيدي، از بين رفتن لايه ازن و ... هستند [1].
در اوايل سال 1970 استفاده از انرژي هيدروژن براي حل مشکلات ناشي از مصرف سوخت‌هاي فسيلي پيشنهاد شد. هيدروژن يک منبع انرژي عالي با ويژگي‌هاي فراوان است. هيدروژن سبک‌ترين، تميزترين و پربازده‌ترين سوخت بهحساب ميآيد. يکي از ويژگي‌هاي هيدروژن اين است که طي فرآيندهاي الکتروشيميايي در پيلهاي سوختي مي‌تواند به انرژي الکتريکي تبديل شود. قابل ذکر است بازده چنين تبديلي در پيل سوختي بالاتر از راندمان يک موتور احتراق داخلي است که انرژي سوخت فسيلي را به انرژي مکانيکي تبديل ميکند. علاوه بر اين سوخت، سوخت‌هاي ديگري نيز همچون الکل‌ها بهخصوص متانول و اتانول بهدليل چگالی بالاي انرژي و آساني ذخيره‌سازي و حمل آنها نيز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
1-2- پيل سوختي چيست؟
پيل سوختي يک وسيله الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي سوخت را بهطور مستقيم به انرژي الکتريکي تبديل ميکند. معمولاً فرآيند توليد انرژي الکتريکي از سوخت‌هاي فسيلي شامل چند مرحله تبديل انرژي است :
احتراق که انرژي شيميايي سوخت را به گرما تبديل ميکند.
گرماي توليد شده براي به‌جوش آوردن آب و توليد بخار استفاده ميشود.
بخار، توربيني را به حرکت در مي آورد و در اين فرآيند انرژي گرمايي به انرژي مکانيکي تبديل ميشود.
انرژي مکانيکي باعث راهاندازي يک ژنراتور و در نتيجه توليد انرژي الکتريکي ميشود.
در يک پيل سوختي براي توليد انرژي الکتريکي نيازي به عمل احتراق نيست و هيچ بخش متحرکي مورد استفاده قرار نمي‌گيرد، بهعبارت ديگر بهجاي سه مرحله تبديل انرژي، در يک مرحله انرژي الکتريکي توليد مي‌شود (شکل1-1).
موتور احتراق داخلي
154305201930انرژي شيميايي
انرژي الکتريکي
انرژي مکانيکي
انرژي حرارتي
00انرژي شيميايي
انرژي الکتريکي
انرژي مکانيکي
انرژي حرارتي

پيل سوختي
1186180120650انرژي شيميايي
انرژي الکتريکي
00انرژي شيميايي
انرژي الکتريکي

شکل 1-1- مقايسه تبديلات انرژي در فرايند توليد انرژي از سوخت‌هاي فسيلي با روند توليد انرژي در پيل‌هاي سوختي.
نکته مهم ديگر که به آن مي‌توان اشاره داشت اين است که اين پيل‌ها موتورهاي الکتروشيميايي هستند نه موتور گرمايي و بههمين دليل تابع محدوديت سيکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا مي‌باشد.
مزاياي فناوري پيل سوختي عبارتند از:
آلودگي بسيار پايين و در حد صفر.
پيلهای سوختي که با هيدروژن کار ميکنند آلودگي در حد صفر دارند و تنها خروجي آنها هواي اضافي و آب مي‌باشد. اين ويژگي نيز باعث شده پيل‌هاي سوختي نه تنها براي حمل و نقل مورد توجه قرار گيرند بلکه براي کاربردهاي خانگي و نظامي نيز مورد استفاده قرار گيرند. اگر پيل سوختي از سوخت ديگري براي توليد هيدروژن مورد نياز خود استفاده کند يا اگر متانول را جايگزين هيدروژن در پيل سوختي کنيم آلودگي‌هايي از جمله دياکسيد‌کربن توليد ميشود، ولي مقدار اين آلودگيها کمتر از آلودگيهايي است که وسايل معمول توليد انرژي بهوجود ميآورند.
وابستگي کمتر به نفت.
هرچند هيدروژن به سادگي در دسترس نيست ولي ميتوان آن را از الکتروليز آب يا سوختهاي هيدروکربني بهدست آورد.
عدم وجود بخشهاي متحرک و طول عمر بالا.
از آنجايي که پيل سوختي هيچ بخش متحرکي ندارد از نظر تئوري در شرايط ايدهآل طول عمر يک پيل سوختي تا زماني که سوخت به آن ميرسد مي‌تواند بي‌نهايت باشد.
وزن و اندازه.
پيل‌هاي سوختي در ظرفيتهاي متفاوتي ساخته ميشود (از ميکرووات تا مگاوات) که باعث ميشود براي کاربردهاي مختلف مورد استفاده قرار گيرند.
آلودگي صوتي بسيار پايين.
راندمان بالا نسبت به فناوري‌هاي ديگر [2].
1-3- تاريخچه
در سال 1839 ويليام گرو فيزيکدان و روزنامه نگار انگليسي اصول کار پيل سوختي را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پيل بزرگ که هر کدام داراي ظرفي محتوي هيدروژن و اکسيژن بودند را براي توليد الکتريسيته بهکار برد. الکتريسيته حاصل آب را در يک ظرف کوچک‌تر به اکسيژن و هيدروژن تبديل مي‌‌‎کرد [1].

1729740-49784000
شکل1 -2- پيل سوختي اوليه ساخته شده [1].
اما سابقه توليد پيل سوختي به سال 1889 بر ميگردد که اولين پيل سوختي توسط لودويک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوايل قرن بيستم تلاشهايي در جهت توسعه پيل سوختي صورت گرفت. در سال 1995 پيل سوختي قليايي پنج کيلوواتي ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضايي آمريکا (ناسا) از پيلهاي مزبور در سفينههاي جيميني و آپولو جهت توليد الکتريسيته و تهيه آب مورد نياز فضانوردان استفاده کرد. در طي دهه هفتاد فنآوري پيل سوختي در وسايل خانگي و خودرو بهکار گرفته شد. اولين خودروي مجهز به پيل سوختي حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمريکا ساخته شد. با سرمايهگذاري جدي وزارت انرژي آمريکا از زمان جنگ خليج فارس و نيز سرمايه گذاري بعدي اين وزارتخانه فنآوري پيل سوختي توسعه چشمگيري پيدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمايت دولت با انجام پروژه ساخت زيردريايي که در آن از پيل سوختي استفاده ميشد بهعنوان پيشرو اين صنعت در دنيا معرفي شد.
هواپيماي پيل سوختي ناسا در سال 2000 ميلادي با نيروي محرکه دوگانه باتري خورشيدي و پيل سوختي مورد بهرهبرداري قرار گرفت که توان پرواز طولاني (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پيشرفت‌هاي بعدي همه در جهت بهينه کردن هر چه بيشتر اين پيل‌ها و افزايش بازده کارآيي آنها ميباشد تا اين پيلها را به شکل يک محصول تجاري در دسترس تبديل کنند [2].
1-4-کاربردهاي پيل سوختي
در شکل (1-3) منابع تأمين کننده هيدروژن و تقاضاهاي مورد استفاده از هيدروژن و سهم هر يک به صورت شماتيک رسم شده است.
10668046990
شکل 1-3- منابع تأمين کننده هيدروژن و تقاضاهاي استفاده از هيدروژن [3].
همان‌طوريکه در شکل 1-4 مشخص است، مي‌توان کاربردهاي پيل سوختي را به سه بخش کاربرد وسايل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسايل متحرک و کاربردهاي نيروگاهي تقسيم نمود.

شکل 1-4- کاربردهايي از پيل سوختي در سيستم حمل و نقل دريايي، زميني، وسايل پرتابل و مصارف نيروگاهي [3].
1-5- انواع پيل سوختي
پيل‌هاي سوختي بر اساس نوع الکتروليت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلي زير طبقهبندي مي‌شوند [4]:
پيل سوختي پليمري با غشاء مبادله کننده پروتون
پيل سوختي قليايي
پيل سوختي اسيدفسفريک
پيل سوختي کربنات مذاب
پيل سوختي اکسيد جامد
پيل‌هاي سوختي داراي دامنه دمايي از 80 درجه سانتي‌گراد براي پيل سوختي پليمري تا بيش از 1000 درجه سانتي‌گراد براي پيل سوختي اکسيد جامد مي‌باشند. پيل سوختي دما پايين (پليمري ، قليايي، اسيد فسفريک) داراي حامل‌هايH+ و يا OH- هستند و در پيل‌هاي سوختي دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسيد جامد، جريان الکتريکي بهترتيب از طريق يون‌ها انتقال مي‌يابد.
1-5-1- پيل سوختي پليمري با غشاء مبادله کننده پروتون
قبل از اختراع پيل سوختي پليمري، پيل‌هاي سوختي مانند پيل‌هاي سوختي اکسيد جامد تنها در شرايط خاصی مورد استفاده قرار گرفتند. چنين پيل‌هايي به مواد بسيار گرانقيمت احتياج داشتند و بهدليل اندازه خاصشان تنها براي کارهاي ثابت بهکار برده مي‌شدند. اين موارد در پيل سوختي پليمري نيز بههمین صورت بود. پيل سوختي پليمري در اوايل دهه 1960 توسط ويليام تماس گراب و همکاران از شرکت جنرال الکتريک ابداع شد. در ابتدا، غشاهاي پلي استيرن سولفامات براي الکتروليت مورد استفاده قرار مي‌گرفتند، اما در سال 1966 پليمر نفيون جايگزين آن گرديد که داراي دوام و عملکرد بهتري نسبت به پلياستيرن سولفامات ميباشد [5-6]. پيل‌هاي سوختي پليمري در ناسا براي سفينههاي فضايي مورد استفاده قرار مي‌گرفتند اما آن‌ها در برنامههاي آپولو و شاتل فضايي توسط پيل‌هاي سوختي آلکالين جايگزين شدند. چندين اختراع خاص مثل بارگذاري اندک کاتاليزور پلاتين و الکترود فيلم نازک، هزينه پيلهاي سوختي را کاهش داده و باعث توسعه سيستمهاي پيل سوختي پليمري شد. در سال اخير بهدليل پيشرفت تکنولوژي و موفقيت در استفاده از پيل سوختي پليمري در اتوبوس‌هاي شهري و اتومبيلهاي شخصي افق‌هاي اميدبخشي براي گسترش روزافزون استفاده از اين پيل پديدار شده است بهطوري که مي‌توان ادعا کرد پيل سوختي پليمري، مرحله تجاري شدن خود را آغاز کرده است [7].
جزء اصلي پيل سوختي پليمري که هادي پروتون و عايق الکترون مي‌باشد، غشاء نام دارد. در دو طرف اين غشاء الکترودهاي متخلخل قرار دارند. گازهاي واکنش دهنده از بين خلل آن گذشته و خود را به فصلمشترک الکترود و غشاء جايي که واکنش الکتروشيميايي انجام مي‌شود و لايه کاتاليزوروجود دارند، مي‌رسانند. اين مجموعه چند لايه شامل الکترودها، کاتاليزور‌ها و غشاي بين آنها را MEA مي‌نامند. در دو طرف MEA صفحات جمع‌کننده جريان قرار دارند. بهدليل آن که اين صفحات وظيفه و هدايت جريان الکتريکي توليد شده را بهعهده دارند همچنين جدا کننده کانال‌هاي گازي در سل‌هاي مجاور بوده و در يک ترکيب چند سلي اتصال دهنده فيزيکي و الکتريکي کاتد يک سل با آند ديگر مي‌باشند، بهصفحات دو قطبي معروف هستند [8-9].
دماي کار پايين پيل سوختي پليمري (حدود 80 درجه سانتي گراد) اگرچه سبب راهاندازي سريع و افزايش طول عمر پيل ميشود اما نرخ فعل و انفعالات الکتروشيميايي پيل پايين آمده و استفاده از کاتاليزور (فلز گران قيمت پلاتينيوم) ضروري ميشود. واکنش‌هاي الکتروشيميايي پيل سوختي پليمري را مي‌توان بهطور خلاصه بهاينصورت نوشت:
H2 → 2H+ + 2e- (1-1) 2/1O2 + 2e- + 2H+ → H2O (1-2)
از جمع دو واکنش آند و کاتد ، واکنش نهايي را مي‌توان بهصورت کلي زير نوشت :
H2 + 2/1 O2 → H2O + Heat + Electric Energy (1-3)
الکترون توليد شده در آند از مدار خارجي مي‌گذرد و حين گذر انرژي خود را بهعنوان توان خروجي پيل آزاد و در طرف کاتد واکنش را تکميل مي‌کند [10].

شکل 1-5- نحوه‌ي عملکرد پيل سوختي پليمري [3].
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم
پیلهای سوختی الکلی مستقیم بهدلیل مزایای ویژهای که در مقایسه با پیلهای سوختی هیدروژنی دارند بهعنوان منبع انرژی در وسایل قابل حمل بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند متانول، اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل چگالی انرژی حجمی بالا و همچنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحتتر از هیدروژن، بهعنوان سوخت این پیلهای سوختی مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را بهعنوان سوخت داشته است. پیل سوختی متانولی مستقیم معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما بهدلیل مشکلاتی از قبیل 1- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میانعبورمتانول 3- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی 4- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گستردهای برای استفاده از الکلهای دیگر در DAFCs انجام شده است. الکلهایی با وزن مولکولی بالاتر بهدلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالاتر و دانستیه انرژی بالاتر مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کردهاند [12-11]. الکلها به دو صورت می‌توانند در پیلهای سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. اگر از الکلها برای تولید هیدروژن مورد استفاده در پیلهای سوختی استفاده شود چنین پیل سوختی را پیل سوختی الکلی غیرمستقیم می‌نامند و اگر از الکلها بهطور مستقیم بهعنوان سوخت در پیلهای سوختی استفاده شود، پیل سوختی را الکلی مستقیم مینامند.
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی
برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی باید دارای شرایطی باشد: اولاً دارای ولتاژ سل بالایی باشد ثانیاً موجب کاهش انتشار CO2 و دیگر آلودگیها شود.
هیدروژن اولین سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی است ولی بهدلیل مشکلاتی که دارد تلاش‌های زیادی برای استفاده از سوختهای جایگزین انجام شده است. سوختهای الکلی، سوختهایی هستند که به‌عنوان جایگزین هیدروژن توجه زیادی را بهخود جلب کردهاند.
استفاده از الکلها در پیلهای سوختی الکلی مستقیم دو مزیت را بههمراه خواهد داشت اولاً اینکه این سوختها مایع هستند و مشکلات مربوط بهذخیره را بهحداقل میرسانند و ثانیاً اینکه بیشتر آنها میتوانند از زیست تودهها تولید شوند بدین معنی که احتراق آنها تاثیر زیادی در افزایش اتمسفر نخواهد داشت.
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت
متانول یا الکل متیلیک دارای وزن مولکولی gr mol-1 04/32 و چگالی gr cm-3 796/0 میباشد. در حال حاضر قسمت عمدۀ متانول دنیا از گاز طبیعی بهدست میآید. ذخایر دیگر مانند زغال سنگ، ضایعات چوب و یا مواد آلی دیگری مانند زیست توده نیز میتوانند بهعنوان ماده اولیه جهت تولید متانول بهکار روند. متانول از چوب و زغال سنگ نیز قابل تولید است. البته تولید آن از منابع طبیعی و تجدیدشونده در مقایسه با گاز از لحاظ اقتصادی گرانتر است.
متانول بهعنوان سوخت در وسایل نقلیه نیز بهکار گرفته شده است، بهخصوص مخلوط متانول با بنزین مد نظر بوده است. متانول از یک واکنش کاتالیزوری تحت فشار بهدست میآید که در آن CO و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور با هم ترکیب شده و متانول سنتز میشود. متانول به دو روش مستقیم و غیرمستقیم به‌منظور تأمین انرژی در پیل سوختی بهکار گرفته میشود. پیلهای سوختی چنانچه از متانول استفاده کنند از مزایای بازدهی بالا جهت تولید انرژی برخوردار خواهند بود و چنانچه در آنها از اتلاف حرارت جلوگیری شود میتوانند بازده بیش از 80 درصد داشته باشند. این موضوع استفاده از متانول را از لحاظ اقتصادی مقرون بهصرفه مینماید [13].
1-7-1-1- پيل سوختي متانول مستقيم
پیل سوختی متانولی مستقیم زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون و از خانوادۀ پیلهای سوختی پلیمری است. سوخت در این پیل سوختی متانول میباشد که مستقیماً پیل سوختی را تغذیه می‌کند. این پیل سوختی تاکنون در وسایل نقلیه، گوشیهای موبایل، دوربینهای دیجیتال و لپتاپها مورد استفاده قرار گرفته است.
متانول همراه آب در لایۀ کاتالیزوری اکسید میشود و دیاکسیدکربن، یون H+ و الکترون تولید می‌کند. یونهای H+ تولید شده در آند از غشای تبادل پروتون عبور کرده و به طرف کاتد انتقال مییابد و در آنجا با اکسیژن واکنش میدهد و تولید آب میکند. الکترون نیز از مدار خارجی از آند به کاتد جهت تولید نیرو در وسایل خارجی، منتقل میشود. نیم واکنشهای آند و کاتد در این پیل سوختی عبارتند از:
12204708953500(1-4) CO2 +6 H+ +6 e− CH3OH + H2O
125285510223500(1-5) 3H2O O2 + 6H+ + 6e−2/3
از جمع کل دو واکنش آندی و کاتدی، واکنش نهایی پیل سوختی متانولی را میتوان بهصورت زیر نوشت:
11849109461400(1-6) CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O + Electeric Energy + Heat
در شکل (1-6) پیل سوختی متانولی و چگونگی عملکرد آن بهصورت شماتیک نشان داده شده است [5].
12592052698750
شکل 1-6- نحوه‌ي عملکرد پيل سوختي متانولي مستقيم.
آب در آند مصرف و در کاتد تولید میشود . با توجه به طریقۀ انتقال آب از سمت کاتد به آند، پیل سوختی متانولی به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم بندی میشود. در پیل سوختی متانولی غیرفعال آب از طریق انتقال غیرفعال مثل اسمز بهسمت آند منتقل میشود و در پیل سوختی متانولی فعال آب از طریق انتقال فعال مثل پمپ کردن بهسمت آند منتقل و مصرف میشود [3].
پیل سوختی متانولی مزایایی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارد که عبارتند از:
جريان سوخت آندي مايع است و نيازی به يک سيستم جانبي برای سرد کردن و مرطوب کردن گاز نيست.
بهجهت استفاده از سوخت مايع در آند، نيازی به پمپ کردن بي مورد در مقايسه با سوخت گازي نيست.
با فراهم کردن دانسيته بالايي از سوخت مايع در فشار محيط مشکلات ناشی از نگهداري سوخت گازی از بین میرود.
متانول قابل حمل و به فراوانی در دسترس است.
اگرچه پیل سوختی متانولی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارای مزایایی است، با اين وجود جهت تجاری سازی با محدوديتهایی مواجه است که مهمترین آنها عبارتند از:
پیل سوختی متانولی غیرفعال به مديريت آب نیاز دارد زیرا لازم است يک اختلاف فشار هيدروليکی بين آند و کاتد وجود داشته باشد تا به هدایت آب از سمت کاتد به آند منجر شود. در این صورت براي رسيدن به عملکرد مناسب این نوع از پیلهای سوختی لازم است از جريان شديد آب به سمت آند جلوگيري شود.
ميانعبور متانول بهخاطر غلظت بالاي متانول در طرف آندي، از سمت آند به کاتد از ميان غشاء وجود دارد. در این هنگام اکسايش متانول در سمت کاتد منجر به ايجاد پتانسيل مخلوط ميشود که ولتاژ مدار باز (OCV) پیل سوختی متانولی را از مقدار تئوري 02/1 ولت به 8/0 -7/0 ولت کاهش ميدهد.
سینتيک واکنش آندی به خاطر واکنش اکسايش پيچيده متانول در آند ذاتاً از سرعت کمي برخوردار است که لازم است در مقايسه با پیل سوختی پلیمری مقدار فلز گران قيمت بيشتري استفاده شود.
جريان مخالفی از حبابهاي دیاکسيدکربن (CO2) که در سطح آند توليد ميشود در منطقه نفوذ با جریان سوخت مايع متانول درگير مي‌شود و دسترسي مولکولهاي متانول به لايه کاتاليزور را محدود میکند.
متانول تا حدودي سمي است و نسبت به بنزين آسانتر به داخل زمين نفوذ ميکند، آتش گيري بالايي دارد و قابل امتزاج با آب است، لذا آلودگي مخازن آب بهراحتي ميتواند صورت گيرد [3].
موضوع مهم ديگر درDMFC، ميانعبور متانول از آند بهسمت کاتد از طريق کشش الکترواسمزي و نفوذ است.
ميانعبور متانول از آند به کاتد منجر به اثرات محدود کننده ای در عملکرد پيل سوختي به شرح زير ميشود [14] :
اکسايش متانول در اين منطقه دو کاتاليزور را مسموم ميکند و پتانسيلی مخلوط در کاتد ايجاد مي شود، اکسيژن را هدر ميدهد و مقدار فراوانيOCV را کاهش ميدهد و تأثيرات سوء پيش آمده شديدتر از تأثيرات مشابه در ميانعبور هيدروژن در سيستم هايH2PEFC است. OCV نوعيDMFC مشخصاً پايين تر از 8/0 ولتاست.
نشت بي مورد: ميانعبور سوخت از غشاء بدون ايجاد و توليد جريان منجر به کارآيي پايين مي شود.
بهمنظور جلوگيری ازميانعبور متانول چندين رويه مورد استفاده قرار مي گيرد:
استفاده از محلولهاي رقيق متانول: استفاده از محلول متانول با مولاريته پايين (5/0 – 2/0 مولار) با کاهش غلظت متانول در آند، ميانعبور را کاهش مي دهد. بههر حال، اين رويه به ناچار منجر به استفاده از تانک هاي نگه داري بزرگ سوخت ميشود و پمپ آب بيشتری را ميطلبد.
استفاده از الکتروليت ضخيمتر: الکتروليت ضخيمتر ميتواند ميانعبور را محدود کند و همينطور عملکرد پيل را از طريق افزايش افت اهمي از ميان الکتروليت کاهش ميدهد.
يک مانع نفوذ روي آند: يک مانع نفوذ، جايگزينی برای الکتروليت ضخيم تر است که محدوديت نفوذ را در منطقه ای انتقال يوني تحت تأثير قرار نگيرد، قرار مي دهد. يک مانع نفود منجر به يک گراديان غلظت تند از محيط نفوذ تا مانع مي شود بهطوريکه غلظت متانول در لايه کاتاليست کم شده و ميانعبور را کاهش ميدهد [14].
1-7-2- 2- پروپانول
2-پروپانول یا ایزوپروپیل الکل یك الكل نوع دوم می‌باشد كه كربنی كه حامل گروه –OH است، خود به دو كربن دیگر متصل است. فرمول شیمیایی این الكل CH3CHOHCH3 می‌باشد. این ماده یک ترکیب شیمیایی قابل اشتعال و بدون رنگ با بوی قوی است. ایزوپروپیل الکل درآب، الکل، اتر وکلروفرم قابل حل است. این الکل می‌تواند به استون اکسید ‌شود. این را می‌توان با استفاده از یک عامل اکسید کننده مانند اسیدکرومیک، ویا با هیدروژنزدایی ایزوپروپیل الکل بهدست آورد.
از ایزوپروپیل الکل بهعنوان حلال برای فرآیندهای صنعتی همچنین بهعنوان یک افزودنی به بنزین استفاده میشود. ایزوپروپیل الکل بهویژه برای کاربردهای دارویی، با توجه به سمیت کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی از ایزوپروپیل الکل بهعنوان یک واسطه شیمیایی استفاده میشود. از عمده موارد کاربرد دیگر این الکل در صنعت چاپ میباشد زیرا الکلهای مشابه نظیر 2-پروپانول دمای آب را در دستگاههای چاپ بسیار پائین نگاه داشته و قابلیت تبخیر پائینی دارد. از این الکل به مقدار بسیار کم برای استفاده خانگی و در محصولات مراقبت شخصی استفاده می‌شود.
1-7-2-1- پيل سوختي 2-پروپانولی مستقيم
از 2-پروپانول به‌دلیل سمیت کمتر و عدم عبور از غشاء پیل سوختی می‌توان به‌عنوان سوخت استفاده کرد. اگر از 2-پروپانول به‌طور مستقیم در آند پیل سوختی استفاده شود به این پیل سوختی، پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم می‌گویند. بررسیهایی که روی عملکرد این پیل در غلظتهای مختلف الکل، درجه حرارت سل و شرایط مختلف با اکسیدان اکسیژن انجام شده است نشان میدهد که این پیل در محیط اسیدی عملکرد بالاتری از پیل سوختی متانولی مستقیم، مخصوصا در چگالی جریان کمتر از حدود 200 میلی آمپر بر سانتی متر مربع را دارد. 2-پروپانول میتواند ولتاژ مدار باز بیشتر، میانعبور کمتر و بازده بالاتری نسبت به متانول داشته باشد، بههمین جهت میتوان از 2-پروپانول بهعنوان سوخت پیل سوختی الکلی مستقیم استفاده کرد. اما یکی از مشکلات 2-پروپانول بهعنوان سوخت، مسمومیت کاتالیزور آندی مورد استفاده میباشد. واکنش کلی اکسایش 2-پروپانول بهصورت زیر است [15]:
CH3CHOHCH3 + 18 OH− → 3CO2 + 13 H2O + 18 e− (7-1)
1-7-3- پروپیلنگلیکول
پروپیلنگلیکول یا 1و2-پروپان‌دی‌ال با فرمول شیمیایی C3H8O2 یک مایع بیرنگ و جاذب رطوبت است. پروپیلنگلیکول صنعتی، ازپروپیلناکسید تولید میشود. همچنین پروپیلنگلیکول میتواند ازگلیسرول، که یک محصول جانبی بیودیزل است نیز تولید شود. پروپیلنگلیکول الکلی ویسکوز، با فراریت پایین، غیرخورنده و بر خلاف اتیلنگلیکول سمیت پایینی دارد. این الکل بهدلیل بو و طعم و مزه معمولا برای استفادههای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. 45٪ از پروپیلنگلیکول تولید شده بهعنوان مواد خام شیمیایی برای تولید رزینهای پلیاستر غیراشباع مصرف میشود. در این راستا، پروپیلنگلیکول با مخلوطی از انیدریدمالئیک غیراشباع و ایزوفتالیکاسید برای تشکیل یک کوپلیمر واکنش میدهد. پروپیلنگلیکول به‌عنوان مادهای ایمن برای استفاده در موادغذایی توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده شناخته شده، وآن را بهعنوان حلال و نگهدارنده در مواد غذایی، در محصولات توتون و تنباکو (سیگارهای الکتریکی) و به‌عنوان حلال در بسیاری ازمواد دارویی، و فرمولاسیونهای خوراکی استفاده میشود. این الکل مانند اتیلن‌گلیکول، قادر به کاهش نقطه انجماد آب است، بههمین دلیل از آن بهعنوان ضدیخ در هواپیما و اتومبیل استفاده میشود.
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم
پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم نیز، زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون می‌باشد که در آن 1و2-پروپاندیال مستقیماً به پیل سوختی خورانده میشود. پروپیلنگلیکول مایع در آند، اکسید شده و تولید CO2، الکترون و آب مینماید. در کاتد نیز اکسیژن هوا و الکترون واکنش میدهند. واکنشهای انجام شده در این پیل به شرح ذیل میباشد:
290703011556900واکنش آندی C3H8O2 + 16OH- 3CO2 + 12 H2O + 16e- (1-8)
284988011556900واکنش کاتدی1/2O2 + H2O + 2e- 2OH - (1-9)
یکی از مزیتهای اصلی استفاده از پروپیلنگلیکول بهعنوان سوخت این است که سینتیک واکنش آندی آن در محیط قلیایی سریعتر از متانول است ولی مطالعات کمی در زمینه اکسیداسیون آن روی فلزاتی مانند پلاتین انجام شده است. معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی در جدول 1-1 ذکر شده است.
جدول 1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی.
سوخت مزایا معایب
هیدروژن پاک (تنها محصول جانبی آب است)، واکنش آندی سریع مشکلات ذخیره (چگالی پایین و نشت گاز)، امنیت پائین هیدوژن
متانول ارزان، مایع، تولید از زیست توده واکنش آندی کند، اشتعال پذیر، سمیت و میانعبور متانول
2-پروپانول سمیت کمتر نسبت به متانول و عدم عبور از غشاء پیل سوختی واکنش آندی کند در محیط قلیایی، تولید از منابع تجدیدناپذیر
1و2- پروپاندیال سمیت کم، فراریت کم، غیرخورنده، سنتیک واکنش آندی در محیط قلیایی سریعتر از متانول واکنش آندی کند در مقایسه با پیل سوختی هیدروژنی
1-8-کاتالیزور مورد استفاده در آند پیلهای سوخت
در پیل سوختی هیدروژنی و الکلی، و اکنشگرها باید روی سطح آند بهترتیب، فرآیندهای جذب، واکنش سطح و واجذب را انجام دهند. برای انجام این فرآیندها انتخاب یک کاتالیزور مناسب که از طرفی سینتیک واکنش را بهبود ببخشد و از طرف دیگر مسمومیتها روی آن اثر کمتری داشته باشند ضروری بهنظر می‌رسد.
پلاتین و آلیاژهای آن معمولاً بهعنوان آند در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرند. در پیلهای سوختی متانولی، مسموم کنندههایی مانند CO روی سایتهای فعال پلاتین جذب میشوند و روند انجام واکنش را مختل میکنند. CO جذب شده روی سطح کاتالیزور را میتوان با افزایش پتانسیل آند به CO2 اکسید کرد اما انجام این واکنش موجب کاهش بازده خواهد شد و عملی نیست [16].
در DAFCs نیز مانند پیل سوختی متانولی، CO یکی از حدواسطهای تولید شده میباشد و موجب بروز مشکلات مشابهی روی سطح الکتروکاتالیزورهای پلاتین میشود. از اینرو توسعه الکتروکاتالیزورهایی که در برابر مسمومیت و مزاحمتهای CO مقاوم باشند یک فاکتور مهم و اساسی برای بهبود عملکرد پیلهای سوختی محسوب میشود.
1-8-1- بهبود کاتالیزور پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف
بهمنظور بهبود بخشيدن ظرفيت انتقال پروتون در يک واکنش الکتروکاتاليزوری، در طول تهيه جوهر کاتاليزور، محلول نفیون به جوهر کاتاليزور اضافه ميشود. مقدار مناسب نفیون در اين جوهر در حدود 10% تا 30% است. اضافه کردن نفیون ميتواند ظرفيت انتقال پروتون را بهبود ببخشد، ولي اين روش ناخواسته تعداد زیادي از سايتهاي فعال کاتاليزور را ميپوشاند. اصلاح کردن بستر کربن روش مفيدی جهت بهبود بهره‌برداري از کاتاليزورهای فلزي گرانقيمت نظیر پلاتین است. اين روش نه تنها ظرفيت انتقال پروتون را افزايش ميدهد بلکه مقدار نفیون گرانقیمت را کاهش ميدهد که ميتواند هزينهی پيل سوختي را کاهش دهد [17].
براي دستيابي به پراکندگي خوب، بهرهبرداري بالا و نانوذرات فلزي پايدار، استراتژيهاي بستر کاتاليزور مورد ارزيابي قرار گرفتند. در مقايسه با کاتاليزورهاي فلزي بدون بستر، کاتاليزورهاي بستر شده پايداري و فعاليت بالايي را از خود نشان ميدهند. در بیشتر موارد ذرات کربن بهدليل پايداري نسبي در دو محيط اسيدي و بازي، هدايت الکتريکي خوب و مساحت سطح ویژه بالا بهعنوان بسترهاي کاتاليزور استفاده مي‌شوند. ماده کربن تأثير بهسزايي بر روي خصوصيات کاتاليزورهاي فلزي نجیب بستر شده دارد. اين تأثيرات عبارتند از:
1-اندازه ذرات فلزي
2-مورفولوژي
3-توزيع اندازه ذرات
4-درجه آلياژ شدن
5-پايداري و پراکندگي ذرات.
از طرف ديگر بسترهاي کربن همچنين ميتوانند بر روي عملکرد کاتاليزورهاي بستر شده در پيلهاي سوختي نيز تأثيرگذار باشند. اين تأثيرات عبارتند از:
1-انتقال جرم و هدايت الکتروني لايه کاتاليزور
2-داشتن سطح فعال الکتروشيميايي
3-پايداري نانوذرات فلزي در طول کارکرد پيل سوختي.
از اين رو بهينهسازي بسترهاي کربني در توسعه و پيشرفت پيلهاي سوختي متانولي مستقيم خيلي مهم است. خصوصيات مناسب يک بستر کربن از قبيل مساحت سطح ویژه، تخلخل، مورفولوژي، هدايت الکتروني، مقاومت در برابر خوردگي و غيره بايد بهمنظور ساختن يک کاتاليزور فعال و با توجه به چگونگی بهکارگیری آن کاتالیزور انتخاب شده باشند. خصوصيات مواد بستر کربن تأثير بهسزايي روي مراحل آماده سازي و عملکرد کاتاليزورهاي بستر شده سنتزي دارد. سرچشمه تأثيرات فيزيکي و شيميايي اين بسترها هنوز بهطور کامل مشخص نيست [17].
1-8-1-1- کربنبلک
بستر مورد استفاده در این پایاننامه کربنبلک مي‌باشد. لذا اين پايه کاتاليزور را بيشتر تحت بررسي قرار مي‌دهيم. کربنبلکها بهطور رايج بهعنوان بستر براي کاتاليزورهاي آند پيل سوختي متانولي مستقيم به‌کار ميروند. تعداد زيادي از کربنبلکها از قبيل استيلنبلک، ولکان XC-72، و غيره وجود دارند که همه اينها معمولاً بهوسيله حرارت دادن هيدروکربنها از قبيل گاز طبيعي يا قسمتهايي از نفت که در فرآيند پتروشيمي از نفت خام گرفته ميشود، ساخته ميشوند.
اصطلاح کربنبلک به خانواده مهم کربنهاي صنعتي که در اصل در لاستيک و جوهرسياه کاربرد دارند اطلاق مي‌شود. کربن‌بلک‌ها از ذرات کروي با ابعاد کلوئيدي تشکيل شده‌اند و ساختمان شبهگرافيتي دارند بههمين دلايل با کربن‌هاي تجاري مانند کک‌ها و ذغال‌ها تفاوت دارند. کربن‌بلک بهصورت تجاري در اندازه ذرات 100 تا 4000 آنگستروم توليد مي‌شود. کربن‌بلک‌ها از طريق احتراق ناقص يا تجزيه حرارتي هيدروکربن‌هاي مايع يا گازي توليد مي‌شوند.
کربن‌بلک‌ها صرفنظر از روش توليد و اينکه چه ماده خامي در توليد آن‌ها بهکار رفته باشد داراي خواص مشابهی هستند. سطح ويژه کربنبلک‌ها بهراحتي از روش جذب قابل اندازه‌گيري است. اين روش به وسيله برونرو ايميت توسعه پيدا کرد. ذرات کربنبلک متخلخل هستند و قطر حفره اين کربن‌ها بين 20 تا 30 آنگستروم تخمين زده شده است.
آرايش اتم‌هاي کربن در داخل ذرات کربن‌بلک مطالعه شده است. ساختار کريستالي کربن‌بلک‌ها را مي‌توان بهصورت گرافيتي که بهطور نه چندان موازي روي هم انباشته شده است توصيف کرد. در گرافيت فضاي بين لايه‌اي 7/6 آنگستروم است ولي درکربن‌بلک بزرگتر از آن است و در حدود 7 آنگستروم است.
يک خاصيت مهم فيزيکي ديگر کربنبلک ساختار زنجيري آنها است. بعضي از کربن‌بلک‌ها مانند دوده چراغ و استيلن‌بلک‌ها ساختار زنجيري کاملتري دارند و بعضي مانند بلک‌هاي حرارتي ساختارپذيري کمتری دارند [18]. کربن‌بلک‌ها از نظر هدايت الکتريکي نيز بسيار متغيرند. دوده کربنبلک و استيلنبلک از ميان بلک‌ها هدايت بسیار بالايي دارند.
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیزورهای بر پایه پلاتین
مسلماً داشتن مکانیسم اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی پیش نیازی ضروری برای طراحی و توسعه غشاهای تجمع الکترود (MEAs) مؤثر برای DAFCs میباشد. اعتقاد بر این است که اکسایش الکلها از 2 مسیر کلی انجام میشود. یک مسیر شامل تشکیل حدواسط COads و مسیر دیگر جایی است که شکستن پیوند کربن ـ کربن اتفاق نمیافتد. در ادامه مکانیسم اکسیداسیون الکلهای مختلف برای کاتالیزورهای برپایه پلاتین مورد بررسی قرار خواهد گرفت [19].
1-9-1- سینتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC
واکنش اکسايش آندي متانول شامل مسير پيچيده‌ی حاوی حدواسط‌های گوناگون است. طرح کلي واکنش‌هاي حدواسط‌هاي پيشنهادي برای اکسايش متانول در شکل زير آورده شده است[9]:

شکل 1-7- مکانيسم اکسايش متانول و انواع حدواسطهای توليدی [9].
اکسايش متانول در يک مرحله انجام نمي‌شود. اعتقاد بر اين است که اکسايش متانول از دو مسير کلي انجام مي‌شود. مسيري که بيشتر ترجيح داده مي‌شود، مسيري است که در آن فرمالدئيد (CH2O) توليد مي‌‌شود که سرانجام منجر به تشکيل اسيدفرميک (CH2O2) و دياکسيدکربن مي‌شود. مسير غيرترجيهي، از جهتي پيش مي‌رود که در آن فرمالدئيد توليد مي‌شود اما اين‌بار اين ترکيب تبديل به مونواکسيدکربن مي‌‌شود و در نهايت دي‌اکسيدکربن تولید میگردد. در هر دو مسير ترجيهي و غيرترجيهي، اکسايش منجر به توليد 6 الکترون و 6 پروتون مي‌شود. مسيری که در آن اکسايش CO وجود دارد، ترجيح داده نمي‌شود چرا که CO يک مسموم‌کننده رايج کاتاليست‌هاي پلاتين است. نوعاً يک کاتاليست متفاوت مانند پلاتين- روتنيم مورد استفاده قرار مي‌گيرد زيرا که حذف اکسايشي CO در ولتاژهاي پايين‌تر را ميسر مي‌سازد و لذا ميزان مسموم سازي در مسير غيرترجيهي را کاهش میدهد.
تحقيقات فراواني با هدف کاهش مقدار فلزات گران قيمت در DMFC وکاهش ميزان فعال‌سازي پلاريزاسيون آندي انجام گرفته است که به موفقيت‌هاي چنداني رسيده‌اند. حتي با گزينش کاتاليزور جديد، واکنش آندي عموماً نيازمند مقدار بالايي فلز گران قيمت، تقريباً 10 برابر پيل سوختي هيدروژن است. نوعاً حدود 2-4 ميلي‌گرم بر سانتيمترمربع کاتاليست براي آند و کاتد موردنياز است (2/0 ميلي‌گرم بر سانتيمترمربع کاتاليزور براي پيلسوختي هيدروژني لازم است). الکترود کاتد معمولاً بهمقدار کاتاليزور بيشتري براي مقاومت در برابر اکسايش متانول گذرکرده نياز دارد.
نکته آخر اينکه سینتيک آندي DMFC در مقايسه با اکسايش H2 کند است و بهمحتواي کاتاليزوری بالايي نياز دارد که اين امر ممکن است DMFC را فقط براي کاربردهاي قابل حمل محدود سازد.
1-9-2- مکانيسم اکسايش متانول
کندي و حامنت گزارش داده‌اند که متانول در حين اکسايش تحت جذب سطحي تخريبي قرار مي‌‌گيرد. متانول روي سطح پلاتين ابتدا جذب سطحي مي‌شود و سپس دهيدروژناسيون گونه‌هاي جذب سطحي شده اتفاق میافتد که طي چند مرحله در پتانسيل‌هاي پايين‌تر انجام مي‌شود. اتم‌هاي هيدروژن جذب سطحي شده ميتوانند سريعاً از سطح پلاتين حذف شوند. فرآيند تخريبي که منجر به تشکيل يک سري از حدواسط‌هاي کربوکسيلي جذب سطحي مي‌شوند مثل (x = 1-3) ads(CHxO) با تشکيل گونه CO با جذب سطحي قوي شونده همراه است که مهمترين عامل مسموميت الکترود هستند. گونه CO جذب سطحي شده با گونه هاي حاوي اکسيژن جذب سطحي شده مجاور مثلاٌ OHads يا H2O در محلول واکنش داده تا به CO2 محصول نهايي تبديل شود که توسط آناليزهاي HPLC تأييد شده است. بنابراين مولکول‌هاي متانول، گونه‌هاي جذبسطحي شونده حاصل از تخريب و گونه‌هاي اکسيژن‌دار مي‌توانند بهآساني جذب سطحي يک کاتاليزور مناسب براي اکسايش متانول شوند. با توجه به شواهد جمعآوري شده از نوشتهها و مقالات و نتايج آزمايشات، سه نتيجهگيري ميتوان انجام داد [20]:
جذب سطحي متانول مرحله تعيينکننده سرعت در واکنش اکسايش کلي متانول است.
اکسايش متانل شامل يک فرایند چند مرحله‌اي از جذب سطحي- تخريب است.
واکنش اکسايش از درجه اول نسبت به متانول است بنابراين مکانيسم واکنش متانول بهصورت زير ارائه ميشود [15]:
Pt + CH3OH → Pt – (CH3OH)ads (1-10)
Pt – (CH3OH)ads +Pt → Pt – (CH2OH)ads +Pt - Hads (1-11)
Pt - (CH2OH)ads + Pt → Pt - (CHOH)ads +Pt - Hads (1-12)
Pt - (CHOH)ads + Pt → Pt – (COH)ads + Pt – Hads (1-13)
Pt – (COH)ads +Pt → Pt – (CO)ads +Pt – Hads (1-14)
Pt - Hads → H+ +Pt + e- (1-15)
Pt +H2O →Pt – (OH)ads + Pt –Hads (1-16)
Pt – (CO)ads + Pt – (OH)ads → CO2 + H+ + e + 2Pt (1-17)
و واکنش کلي:
CH3OH + H2O→CO2 + 6H+ + 6e- (1-18)
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیزورهای برپایه پلاتین
یکی از خصوصیات الکلهایی مانند اتانول و گلیسرول این است که روی Pt و آلیاژهای آن بهسختی اکسید میشوند بهویژه آنکه هیچ کاتالیزوری آندی بر پایه پلاتین، دانستیه انرژی قابل قبول را در پیلسوختی گلیسرولی مستقیم و پیلسوختی اتانولی مستقیم نشان نداده است. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول نسبت به اتانول بهدلیل حضور دو یا سه گروه هیدروکسیل پیچیدهتر میباشد. شکل 1-8 فرم عمومی پیشنهاد شده برای اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای پلاتین را نشان میدهد. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول موجب تشکیل مقدار قابل توجهی کربنات میشود و از اینرو اکسالات روی سطح الکترود Pt بهکندی اکسید میشود و CO2 نیز عموماً یک محصول فرعی هم برای اکسیداسیون گلیکولات (a) و هم برای تارترونات (b) محسوب میشود [23-21]. از طرفی اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول بر خلاف اکسیداسیون هیدروژن شامل مراحل زیاد و تشکیل حدواسطهای فراوانی است که ممکن است سایتهایفعال روی سطح فلز را اشغال کنند. ثانیاً اکسیداسیون جزئی محصولات منجر به بازدهی پایین پیلسوختی خواهد شد هم چنین حدواسطهای تولید شده مانند CO موجب مسمومیت و غیر‌فعال‌شدن کاتالیزور میشوند [22].

شکل 1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای فلزی [21].
بر همین اساس استفاده از سوختهای جایگزین در آند DAFC هنوز هم مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. خصوصیتی که این سوختها باید داشته باشند این است که چگالی انرژی حجمی و ولتاژ سل بالایی داشته باشند از طرفی حدواسطهای تولیدشده در اکسیداسیون آنها موجب مسمومیت کاتالیزور آندی نشوند.
پژوهشهای اولیه انجام شده روی الکلهای نوع اول و نوع دوم نشان داد که واکنش اکسایش 1-پروپانول و 2-پروپانول منجر به تشکیل ترکیبات کربونیل مربوطه میشود. همچنین آزمایشات انجام شده برای مقایسه واکنشپذیری 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکتروکاتالیزور Au/SiO2 مشخص کرد که فعالیت 2-پروپانول در دماهای پایین بیشتر از 1-پروپانول است [24]. علاوه بر طلا، پلاتین نیز میتواند بهعنوان کاتالیزور برای اکسیداسیون الکلهای ایزومری مورد استفاده قرار گیرد. از اینرو Pt/C 5% برای اکسایش 2-پروپانول در دمای محیط مورد استفاده قرار گرفت نتایج نشان داد که در فرایند اکسیداسیون 2-پروپانول، محصولات استون، پروپیونیکآلدئید و اسیدپروپیونیک تشکیل میشوند [25]. کاتالیزور پلاتین با بستر نانوذرات سیلیکا نیز میتواند برای اکسایش 2-پروپانول مورد استفاده قرار بگیرد [26]. پژوهشهای دیگر مشخص کرد که کاتالیزور Au/CeO2 نیز فرآیند الکترواکسایش 2-پروپانول را با بازدهی بیشتری نسبت به CeO2 انجام می‌دهد ولی کارایی این کاتالیزور کمتر ازPt/C تجاری است [27-28].
شکل 1-9 مکانیسم اکسایش 2-پروپانول را نشان میدهد. در این مکانیسم که شامل چند مرحله است ابتدا هیدروژن گروه هیدروکسیل جدا میشود و در ادامه فرآیند اکسایش بهوسیلهی دو واکنش موازی: (1) تشکیل پروپن و (2) هیدروژنزدایی و تشکیل استون دنبال میشود. در نهایت این ترکیبات به CO2 و H2O تجزیه میشوند [29].

شکل 1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول [29].
در سال 2002 ژیگانگ و همکارانش عملکرد پیلسوختی 2-پروپانولی مستقیم را ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که 2-پروپانول عملکرد خیلی بهتری در مقایسه با پیلسوختی متانولی مستقیم دارد. این سوخت، ولتاژ مدار باز بسیار بالاتر و جریان میانعبور بسیار پایینتر نسبت به متانول نشان میدهد. آزمایشات مشخص کرد که اگر در پیلسوختی از 2- پروپانول بهعنوان سوخت استفاده شود، میتواند چگالی انرژی الکتروشیمیایی 5/1 برابر بیشتری نسبت به پیلسوختی متانولی داشته باشد. با این حال، حدواسطهای تولید شده در اکسیداسیون 2-پروپانول موجب مسمومیت شدیدتر آند میشود [30].
در سال 2006 اقای برجنز و همکارانش الکترواکسیداسیون 2-پروپانول را روی الکترود پلاتین در محیط‌های قلیایی بررسی کردند. نتایج مشخص کرد میزان حداکثر جریان با افزایش غلظت 2-پروپانول یا هیدروکسید افزایش می یابد، همچنین افزایش غلظت هیدروکسید باعث جابجایی پتانسیل به مقادیر منفیتر میشود. الکترواکسیداسیون پتانسل آغازی استون بالاتر از الکترواکسیداسیون 2-پروپانول میباشد و این امر بهدلیل جذب بالای حدواسطها در اکسیداسیون 2-پروپانول میباشد [31].
در سال 2007 اقای چانگ وی زو و همکارانش فعالیت پالادیم و طلا برای اکسیداسیون 2-پروپانول مورد بررسی قرار دادند. الکترود پالادیم چگالی جریان بهتر، فعالیت بالاتر و پتانسیل آغازی منفیتری برای اکسیداسیون 2-پروپانول نسبت به کاتالیزورهای پلاتین در محیط قلیایی نشان داد. نتایج ولتامتری چرخهای نشان داد که افزودن Au منجر به نتایج امیدبخشی در اکسیداسیون 2- پروپانول میشود و پتانسیل آغازی را در اکسیداسیون 2ـ پروپانول نسبت به اکسیداسیون متانول 120 میلیولت جابجا مینماید [32] .
در سال 2008 متیو و همکارانش الکترواکسیداسیون 2- پروپانول و استون را روی الکتروکاتالیزور Pt و Pt-Ru در الکترولیت قلیایی با روشهای ولتامتری چرخهای و کرونوآمپرومتری مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از ولتامتری چرخهای نشان داد که مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C مقدار مثبتتری نسبت به Pt-Ru/C است که این امر به سینتیک کند کاتالیزور Pt/C در مقایسه با کاتالیزور Pt-Ru/C نسبت داده شد. بررسی نتایج کرونوآمپرومتری نشان داد که کاتالیزور حاوی Ru فعالیت بسیار بالایی در کاهش استون در پتانسیلهای پایینتر نشان میدهد [33].
در سال 2008 تانگ و همکارانش الکترواکسیداسیون متانول، 1-پروپانول و 2-پروپانول را روی پلاتین و پالادیم در محیط قلیایی بررسی کردند. نتایج اولیه این مطالعه نشان داد که Pd الکتروکاتالیزور مناسبی برای اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول است. و فعالیت اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pt در محیط قلیایی کم است ولی فعالیت اکسیداسیون این الکلها در سطح الکترود Pd به این صورت است:
متانول < 1-پروپانول < 2-پروپانول
نتایج نشان داد که چگالیجریان مربوط به اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pd خیلی بالاتر از الکترود Pt است. پتانسیل شروع اکسیداسیون 2-پروپانول در الکترود Pd منفیتر از الکترود Pt بوده و در نتیجه Pd میتواند جایگزین مناسبی برای Pt دراکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول در محیط قلیایی باشد[34].
در سال 2011، مارگارتا و همکارانش اکسیداسیون الکتروکاتالیتیکی 2،1 پروپاندیال را با استفاده از الکترود نانومتخلخل و مسطح پلاتین در محیط قلیایی بررسی کردند. ولتامتری چرخهای نشان داد که الکترود نانومتخلخل پلاتین چگالی جریان بالاتری نسبت به الکترود مسطح پلاتین نشان میدهد. نویسنده دلیل این امر را مورفولوژی و ساختار هندسی الکترود نانومتخلخل پلاتین میداند. همچنین مطالعه ساختار الکترودها نشان داد چگونگی اتصال حدواسطهای تولید شده به الکترود Pt به مورفولوژی الکترود پلاتین بستگی دارد[35].
در سال 2012 مونیچاندرایه و همکارش اکسیداسیون 1،2پروپاندیال روی الکتروکاتالیزور Pd ترسیب شده روی پلی 3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن (PEDOT) را بررسی کردند. آزمایشات نشان داد که فعالیت الکتروکاتالیزور Pd-PEDOT/C در الکترواکسیداسیون1،2پروپاندیال بیشتراز الکترود Pd و Pd/C میباشد. افزایش سطح و همچنین افزایش سایتهای فعال پالادیم موجب شد که Pd-PEDOT/C فعالیت الکتروشیمیایی بسیار بالاتری نسبت به پالادیم نشان دهد. نتایج ولتامتری چرخهای مشخص کرد که چگالی جریان با افزایش غلظت 2،1پروپاندیال و همچنین NaOH در الکترولیت افزایش مییابد. مطالعات آمپرومتری اثبات کرد که الکترود Pd-PEDOT/C پایداری و ثبات بسیار بیشتری در مقایسه با الکترود Pd/C دراکسیداسیون 2،1پروپاندیال دارد [36].
در سال 2013 ویل مدلین و همکارانش اکسیداسیون انتخابی اتیلنگلیکول و 2،1پروپاندیال را بر روی طلا و پالادیم و کاتالیزور دوفلزی Au/Pdتهیه شده بهوسیله ترسیب الکترودی مورد بررسی قرار دارند. بررسیها با استفاده از معرف انتخابی رقیق شده نشان داد که برای اتیلنگلیکول شکستن پیوند C-H مرحله تعیینکننده سرعت است. مطالعات DFT و XRDنشان میدهد که افزایش سطح کاتالیزور دوفلزی در مقایسه با پالادیم به احتمال زیاد به علت کاهش در پوشیده شدن پیوندهای جذبشده بوده و هنگامی که درصد طلا افزایش مییابد احتمال شکسته شدن پیوند C-H کاهش مییابد [37].
دامر و همکارانش اکسیداسیون 2،1پروپاندیال را با استفاده ازنانوذرات فلزی طلا، پالادیم، پلاتین و مخلوطی از این فلزات مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که استفاده از Au-Pt/C باعث افزایش اکسایش 2،1پروپاندیال تحت شرایط واکنش میشود. آلیاژ طلا با پلاتین منجر به تولید کاتالیزوری با بازدهی بیشتر در مقایسه با آلیاژ طلا با پالادیم میشود. بررسی اکسیداسیون 1،2-پروپاندیال مشخص کرد که در محیط بازی محصول اصلی لاکتات خواهد بود و در غیاب باز واکنش پذیری کاتالیزورها کاهش می‌یابد و محصولات واکنش، هیدروکسیاستون و لاکتات هستند. مسیر پیشنهادی برای مکانیسم اکسایش 2،1پروپاندیال در شکل 1-10 نشان داده شده است [38].

شکل 1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال [38].
مکانیسم دیگری برای اکسیداسیون 1و2-پروپاندیال روی کاتالیزورهای Pd/C ,Pt/C ,Au/C در محیط بازی توسط پراتی و گروه مطالعاتیاش پیشنهاد شد (شکل 1-11). نتایج نشان داد که Au/C فعالیت ذاتی بالایی در اکسیداسیون گروه هیدروکسیل نوع اول نشان میدهد در حالیکهPd وPt/C گزینشپذیری بین هیدروکسیل نوع اول و دوم ندارند [39]. نتایج مشابهی توسط پینکس و تارنینگ نیز برای اکسایش 1و2-پروپاندیال بدست آمده است [40-41].

شکل 1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی[39].
1-10- اهداف پروژه
در این پروژه ابتدا الکتروکاتالیزور پلاتین/کربن به وسیلهی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیمبورهیدرید سنتز میشود. در ادامه، فعالیت کاتالیزور پلاتین/کربن در فرایند اکسیداسیون 2،1-پروپاندیال، 2- پروپانول و متانول در محیط قلیایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت و واکنش اکسیداسیون این الکلها بهعنوان سوخت قابل استفاده در پیل سوختی قلیایی بررسی میشود. سپس رفتار الکتروشیمیایی الکلهای مختلف با یکدیگر مقایسه شده و تفاوتهای موجود استخراج و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در نهایت پایداری کاتالیزور پلاتین/کربن سنتز شده در برابر مسمومیتهای ناشی از حد‌واسط‌های تولید شده در فرآیند اکسیداسیون، با استفاده از تکنیکهای مختلف الکتروشیمیایی ارزیابی خواهد شد.
فصل دوم
مبانی نظری
280098545466000263715511620500
فصل دوم: مبانی نظری
2-1- مقدمه
الکتروشيمي شاخهاي از شیمی ميباشد که به بررسي رفتارهاي الکتريکي واکنشهاي شيميايي مي‌پردازد. در اين روش، کميتهاي الکتريکي مانند جريان، پتانسيل، مقاومت، بار اندازهگيري شده و ارتباط آن با واکنشهاي شيميايي، مورد بررسي قرار ميگيرد که موجب کاربرد گستردهي اين روش درزمينههاي مختلف از جمله صنعت، محيط زيست، پزشکي و... شده است. همچنين روشهاي الکتروشيميايي داراي کاربرد وسيعي در تجزيه نمونههاي مختلف و نيز در سنتزهاي آلي و معدني، بدست آوردن دادههاي ترموديناميکي و سینتيکي واکنشها و... ميباشند. گزينشپذيري، حساسيت بالا، سهولت اجرا، سرعت عمل و کمهزينه بودن روشهاي الکتروشيميايي و همچنين صحت و دقت بالايي که با آن ميتوان پارامترهاي مرتبط با اين واکنشها را اندازه گرفت، روشهاي الکترو شيميايي را در رديف حساسترين و انتخابيترين روشها براي اندازهگيريهاي کمي وکيفي قرار ميدهد.
روشهاي الکتروشيميايي بر اساس وضعيت تعادلي سل الکتروشيميايي و حضور يا عدم حضور جريان به دو دسته عمده روش‏هاي ايستا و پويا تقسيم‏بندي مي‏شوند. در روش‏هاي ايستا اندازه‏گيري اختلاف پتانسيل در جريان صفر انجام مي‏شود. درحاليکه، روش‏هاي پويا مبتني بر اندازه‏گيري اختلاف پتانسيل يا جريان در خارج از حالت تعادل هستند. روش‏هاي پويا به چند دسته تقسيم‏بندي مي‏شوند که عبارتند از‏: جريان ثابت‏، پتانسيل کنترلشده و بار عبوري کنترلشده‏.
2-2- تکنیکهای مورد استفاده
در اين پروژه تحقيقاتي رفتار الکتروشيميايي اکسيداسيون الکلها در محیط قلیایی توسط کاتاليست Pt/C، از طريق روشهاي الکتروشيميايي کرونوآمپرومتري، ولتامتري چرخهاي(CV)، ولتامتري روبش خطي(LSV) و طيف نگاري امپدانس الکتروشيميايي مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه به کاربرد هر يک از اين روشها در ارزیابی عملکرد الکترود آند پیلهای سوختی الکلی مستقیم پرداخته شده است.
2-3- ولتامتري
ولتامتري بهطور وسيعي توسط شيميدان‏هاي معدني، شيميفيزيک و زيستشيمي براي مطالعات بنيادي فرايندهاي اکسايش وکاهش در محيط‏هاي مختلف، فرايندهاي جذب سطحي روي سطوح و مکانيسم انتقال الکترون در سطح الکترودهاي تعديلشدهي شيميايي بهکار گرفته مي‏شود. بهطورکلي ولتامتري شامل دسته‏اي از روش‏هاي الکتروتجزيه‏اي است که در آن‏ها اطلاعات در خصوص ترکيبات از طريق دنبال کردن جريان بهعنوان تابعي از پتانسيل اعمال شده حاصل مي‏گردد.
2-3-1- ولتامتري با روبش خطي پتانسيل
ولتامتري با روبش خطي پتانسيل روشي است كه در آن، پتانسيل شيب‌داري را به الكترود ساكن شناور در محلول ساكن اعمال مي‌كنند و تغييرات جريان حاصل را نسبت به پتانسيل الكترود ثبت مي‌نمايند. در اين روش كه جزء روش‌هاي پتانسيوستايي است از سه الكترود كار، كمكي و مرجع استفاده مي‌شود و بسته به جهت روبش پتانسيل، فرايند الكترودي و جريان وابسته به آن ممكن است ماهيت آندي يا كاتدي داشته باشد [42].
2-3-2- ولتامتري چرخه‏اي
هرگاه جهت روبش پتانسيل را، با رسيدن به پتانسيل انتهايي عوض كنند و روبش پتانسيل را در جهت عكس تا رسيدن به پتانسيل اوليه ادامه دهند، در صورت برگشتپذير بودن فرايند الكترودي، محصول واكنش كه در مرحله روبش رفت پتانسيل به وجود آمده و در اطراف الكترود قرار دارد، ميتواند در مرحله روبش برگشت، در واكنش عكس وارد شود وLSV را بهوجود آورد كه علامت جريان آن، عكس علامت جريانهاي ثبت شده در مرحله رفت است. در اين حالت روش را ولتامتري چرخهاي مينامند. بسته به اطلاعات مورد نياز، يک يا چندين چرخه ميتواند بهکار گرفته شود. در اين روش كه عمدتًا براي مطالعه مكانيزم واكنشها و تبيين حدود برگشتپذيري فرايندهاي الكترودي بهكار ميرود، سرعت روبش پتانسيل را در دو مرحله رفت و برگشت، معمولاً يكسان انتخاب ميكنند.
در این پروژه، از روش ولتاموگرام چرخهاي براي سنجش کارايي کاتاليتيکي کاتاليزور و همچنین سنجش پايداري کاتاليزور استفاده شده است.
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای

user8314

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات62
نتیجه گیری 63
پیشنهادات 63
منابع 64

فهرست جداول
جدول 3-1 : تغییرات عمودی بافت نرم در نقاط باکال، مزیوباکال و دیستوباکال44
جدول 3-2 : تغییرات عمودی بافت نرم در نقاط پالاتال، مزیوپالاتال و دیستوپالاتال45
جدول 3-3 : تغییرات عمودی بافت نرم در نقاط دیستال و مزیال46
جدول 3-4 : تغییرات ابعادی افقی بافت نرم در 1، 3 و 7 میلیمتری از CEJ دو دندان
مجاور48
جدول 3-5 : تغییرات عمودی بافت سخت در نقاط باکال، مزیوباکال و دیستوباکال از CEJ
دو دندان مجاور50
جدول 3-6 : تغییرات عمودی بافت سخت در نقاط پالاتال،مزیوپالاتال و دیستوپالاتال
از CEJدو دندان51
جدول 3-7 : تغییرات عمودی بافت سخت در نقاط دیستال و مزیال از CEJ دو دندان
مجاور52
جدول 3-8 : تغییرات افقی بافت سخت در 1، 3 و 7 میلیمتری خطوط واصل CEJ دو دندان
مجاور54
فهرست نمودارها
نمودار3-1: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه میدباکال در گروه تست و کنترل44
نمودار3-2: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه میدپالاتال در گروه تست و کنترل45
نمودار3-3: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه دیستال در گروه تست و کنترل46
نمودار3-4: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه مزیال در گروه تست و کنترل47
نمودار 3-5: تغییرات افقی بافت نرم از 1 میلی متری خط واصل دو CEJ دندان مجاور48
مودار 3-6: تغییرات افقی بافت نرم از 3 میلی متری خط واصل دو CEJ دندان مجاور49
نمودار 3-7: تغییرات افقی بافت نرم از 7 میلی متری خط واصل دو CEJ دندان مجاور49
نمودار 3-6: تغییرات عمودی بافت سخت در نقطه مبدباکال50
نمودار 3-7: تغییرات عمودی بافت سخت در نقطه میدپالاتال51
نمودار 3-8: تغییرات عمودی بافت سخت درنقطه دیستال52
نمودار3-9: تغییرات عمودی بافت سخت در نقطه مزیال53
نمودار 3-10: تغییرات افقی بافت سخت در 1 میلیمتری از خط واصل دو CEJ دندان
مجاور55
نمودار 3-11: تغییرات افقی بافت سخت در 3 میلیمتری از خط واصل دو CEJ دندان
مجاور55
نمودار 3-12: تغییرات افقی بافت سخت در 7 میلیمتری از خط واصل دو CEJ دندان
مجاور56

چکیده :
مقدمه:
ایمپلنت گذاری فوری در دندان های تک ریشه دارای مزایایی است که از جمله می توان به حفظ استخوان موجود اشاره کرد.هدف از این مطالعه بررسی تغییرات ریج پس از قراردادن فوری ایمپلنت درمقایسه با خارج کردن معمولی دندان و ترمیم ساکت دندانی به صورت طبیعی بود.
مواد و روش کار:
این مطالعه بر روی 21 بیمار با دندان تک ریشه Hopeless جهت گذاشتن ایپملنت انجام شده است. پس از قالب گیری و تهیه قالب گچی بیماران در 2 گروه تست و کنترل به طوری تقسیم شدند که در هر گروه 12 ساکت دندانی قرار گرفت. در دو گروه دندان به صورت آتروماتیک خارج شد. بعد با کولینگوالی استخوان ناحیه در فواصل 1 و 3 و 7 میلیمتری از CEJ دو دندان مجاور و فاصله عمودی CEJ تا لبه ی کرست استخوان در 8 نقطه میدباکال، میدپاتال ، مزیال، دستیال ، دیستوباکال، دیستوپالاتال ، مزیوباکال، مزیوپالاتال اندازه گیری شد. در گروه تست در ناحیه ایمپلنت Biohorizone قرار داده شد ودر گروه کنترل ساکت ها برای ترمیم طبیعی به حال خود گذاشته شد. 4 ماه بعد در هر دو گروه فلپ کنار زده شد واندازه گیری ها عینا تکرار گردید اندازه گیری های بافت نرم نیز مشابه بافت سخت و با استفاده از کست ها و استنت های ساخته شده مشابه قبل اندازه گیری و ثبت شد.

یافته ها:
تغییرات عمودی بافت نرم در تمام نقاط اندازه گیری شده در گروه تست نسبت به گروه کنترل کمتر بود و این اختلاف فقط در ناحیه میدباکال معنی دار نبود و در سایر نقاط معنی دارد.
تغییرات ابعادی افقی بافت نرم نیز در 1 و3 و7 میلیمتری از CEJ دندان های مجاور در گروه تست کمتر از گروه کنترل بود.
تغییرات عمودی بافت سخت نیز در تمامی نقاط اندازه گیری شده در گروه تست کمتر از گروه کنترل بود. البته این تغییرات درنواحی میدباکال ومیدپالاتال معنی دار بود.
تغییرات افقی بافت سخت نیز در نواحی 1و 3 و 7 میلیمتری از CEJ دندان های مجاور در گروه تست کمتر بود که در ناحیه 7 میلیمتری این تغییر معنی دار نبود.
نتیجه گیری:
بر اساس یافته های مطالعه حاضر می توان نتیجه گیری کرد که قراردادن ایمپلنت فوری در محل ساکت دندان تازه کشیده شده برای کاهش دادن تغییرات عمودی و افقی استخوان و نیز جهت کاهش تغییرات عمودی و افقی بافت نرم ناحیه موثر می باشد.
کلمات کلیدی:
ایمپلنت فوری – خارج کردن دندان- تغییرات ابعادی ریج الوئل
-320664-922595ل
فصل اول
مروری بر متون و مقالات
کلیات :
روند ترمیم ساکت دندان های خارج شده :
ترمیم ساکت دندان های خارج شده با یک سری تغییرات داخلی که منجر به تشکیل استخوان در داخل ساکت و یک سری تغییرات خارجی که منجر به از دست رفتن عرض و ارتفاع ریج آلوئول می شود، مشخص می گردد. پس از خارج کردن دندان، خونریزی اتفاق می افتد، به دنبال آن با تشکیل لخته ساکت راپر می کند، با شروع واکنش التهابی سلول های تحریک شده بافت جوانه ای (Granulation) ایجاد می کند، طی 48 تا 72 ساعت، به همان نسبتی که بافت جوانه ای رشد می کند، لخته شروع به از بین رفتن کرده، جای لخته راپر می کند و بافت همبند نابالغ تشکیل می شود.
پس از هفت روز بافت جوانه ای به طور کامل جایگزین لخته خونی شده است، در این مرحله وجود Osteoid در قاعده ساکت به صورت تکه هائی از استخوان غیرکلسیفیه مشهود است. دو هفته بعد از کشیدن دندان، استخوان woven (استخوان اولیه تازه تشکیل شده) در قسمت های طرفی و اپیکالی ساکت تشکیل می شود. در حالیکه قسمت های مرکزی و مارژین ها از بافت همبندی پر شده ، در قسمت های مارژین و خارجی دیوارة ساکت، تعداد زیادی استئوکلاست قابل رؤیت می باشد و در قسمت های متعدد دیوارة ساکت استخوان woven جایگزین Bondle bone می شود.
طی 3-2 هفتة بعدی و 3 تا 4 هفته بعد از خارج کردن دندان، تکه های استخوانی غیرکلسیفیه شروع به مینرالیزه شدن از قاعدة ساکت به طرف کرونال می کنند، در این زمان تمام استخوان ساکت با استخوان woven پر شده است و تعداد زیادی استئوکلاست در دیواره های خارجی و مارژین بافت سخت دیده می شوند و استئوکلاست ها در مرکز و اطراف استخوان woven حاضر در ساکت ردیف می شود و به عبارت دیگر استخوان woven به وسیلة استخوان بالغ جایگزین می شود. این سیر همراه با Re-epithelization ادامه پیدا می کند که در نهایت به طور کامل ساکت را تا 6 هفته پس از خارج کردن دندان می پوشاند. در هفتة هشتم، یک لایه استخوان کورتیکال، مدخل را می پوشاند. استخوان woven که در هفتة چهارم تشکیل شده بود، بوسیلة مغز استخوان و مقداری ترابکول استخوان لاملار در هفتة 8 جایگزین می شود. در سطح فوقانی و خارجی دیواره های باکال و لینگوال علائمی از تحلیل رفتن بافت سخت به چشم می خورد. کرست دیوارة باکالی استخوان نسبت به کرست لینگوال آپیکالی تر قرار می گیرد. سطح مارژین دیوارة لینگوال بدون تغییر باقی می ماند. در حالیکه دیوارة باکال چندین میلی متر به سمت آپیکال شیفت پیدا می کند.
یک سری فاکتورها ممکن است روند ترمیم ساکت را تحت تأثیر قرار دهند. اندازه ساکت مهم است، یک ساکت عریض تر، زمان بیشتری را برای پر کردن نقص موجود نسبت به یک ساکت با عرض کم تر نیاز دارد. ساکت دندان های مبتلا به تحلیل افقی استخوان، زودتر ترمیم می شوند. زیرا کم شدن حجم استخوان آلوئولار به منزلة کم شدن حجم حفره برای پر شدن می باشد، استخوان به حد کرونالی تر از حد افقی خود و یا حد کرست استخوان دندان های مجاور بازسازی نمی شود، یعنی هرگز به طور 100درصد ساکت دندانی با استخوان پر نخواهد شد(1).
تدابیر پس از کشیدن دندان :
به دلیل اینکه کشیدن دندان و یا از دست دادن آن، اغلب منجر به تحلیل یا جمع شدگی ریج آلوئولار می گردد، حفظ حجم استخوان در زمان کشیدن دندان یک هدف مطلوب می باشد. حداکثر تحلیل استخوان پس از کشیدن دندان ها در محدودة 6 تا 24 ماه اول اتفاق می افتد.
بنابراین زمانی که کلینسین امکان مداخله در کشیدن دندان را داشته باشد، حفظ استخوان آلوئولار بایستی مدنظر باشد. حفظ محافظه کارانه بافت های اطراف دندان کشیده شده می تواند نیاز به روش های پیشرفته جراحی استخوان را حذف و یا به طور قابل توجهی کاهش دهد.
زمانی که یک دندان کشیده و آمادة قرار دادن ایمپلنت می گردد، پیشگیری از تحلیل استخوان آلوئولار بسیار مطلوب است.
زمان قرار دادن ایمپلنت نسبت به زمان کشیدن دندان همچنان مورد بحث بسیاری از کلینسین ها می باشد، بسته به کمیت و کیفیت و حمایت استخوان موجود و همچنین توانائی کلینسین ها و بیمار، قرار دادن ایمپلنت پس از کشیدن دندان می تواند بلافاصله (immediate)، تأخیری (delayed) و یا مرحله ای (staged) باشد. طبق تعریف قرار دادن فوری ایمپلنت در زمان کشیدن دندان انجام می شود. قراردهی تأخیری ایمپلنت حدوداً 2 ماه پس از کشیدن دندان انجام می گیرد تا امکان ترمیم بافت نرم فراهم شود. قرار دادن مرحله ای ایمپلنت به منظور ترمیم کامل استخوان درون نواحی کشیدن دندان به طور معمول نیازمند 6-4 ماه بیشتر است.
در آوردن دندان به صورت غیرتراماتیک و با استفاده از یک وسیلة باریک و پهن نظیر Periotome انجام می شود. این وسیله به عمق سالکوس وارد شده و لیگامان پریودنتال را پاره می کند و مختصری بافت های پریودنتال مجاور را توسعه می دهد. دندان، بلند شده و توسط فورسپس با استفاده از حرکت آهسته و چرخشی درآورده می شود. باید از اعمال نیروهای باکولینگوالی اجتناب گردد تا از آسیب به استخوان لبیال پیشگیری شود.
با استفاده از کورت های جراحی، بافت نرم روی استخوان موجود در ناحیة extraction کاملاً دبریدمان می شود. پس از دبریدمان ناحیة extraction کاملاً با سالین استریل شستشو داده می شود. در این مرحله، پس از ارزیابی استخوان و ساپورت آن، کلینسین تصمیم می گیرد که آیا ناحیه را با پیوند استخوان پر کند یا نه و اینکه چه زمانی ایمپلنت را در ناحیه قرار دهد؟ (فوری، تأخیری،مرحله ای) (2).
زمان های مختلف قرار دادن ایمپلنت :
Type 1) قرار دادن ایمپلنت به طور فوری به دنبال کشیدن دندان،
مزایا : کاهش تعداد دفعات جراحی، کاهش طول دورة درمان، مقدار استخوان مطلوب باقیمانده. معایب : مورفولوژی منطقه ممکن است قرار دادن ایمپنت را پیچیده کند، فقدان بالقوه بافت نرم برای تطابق فلپ، روش های جراحی کمکی و حساسیت این روش.
Type 2) بافت نرم به طور کامل ساکت را پوشش دهد، حدوداً 8-4 هفته بعد از کشیدن.
مزایا : افزایش مقدار بافت نرم منطقه و بالطبع آسانتر شدن تطابق فلپ، اجازه به برطرف شدن پاتولوژی های موضعی منطقه.
معایب : مورفولوژی منطقه ممکن است قرار دادن ایمپلنت را پیچیده کند، افزایش طول دورة درمان، تحلیل متفاوت دیواره های ساکت، احتمال نیاز به روش های جراحی کمکی و حساسیت این روش.
Type 3) ایمپلنت در ساکت دندانی قرارداده می شود که مقداری استخوان تازه و قابل توجه درون آن شکل گرفته است.
مزایا : مقدار استخوانی که در ساکت تشکیل شده، قرار دادن ایمپلنت را ساده تر می کند و همچنین بافت نرم تکامل یافته تطابق فلپ را راحت تر می سازد.
معایب : افزایش طول دورة درمان، تحلیل متفاوت دیواره ساکت و احتمال نیاز به روش های جراحی کمکی.
Type 4) قرار دادن ایمپلنت در ساکت دندانی که به طور کامل ترمیم یافته است.
مزایا : ریجی که به طور کلینیکی ترمیم یافته است و تطابق بهتر فلپ.
معایب : افزایش طول دروة درمان، نیاز به روش های جراحی کمکی، تفاوت زیاد در حجم استخوان باقیمانده (3).
قراردادن فوری ایمپلنت :
مزیت اصلی قرار دادن فوری ایمپلنت متعاقب کشیدن دندان، کاهش زمان ترمیم می باشد. چون ایمپلنت در زمان کشیدن دندان قرار داده می شود، ترمیم استخوان به ایمپلنت بلافاصله با کشیدن دندان شروع می شود. مزیت دیگر آن این است که ترمیم نرمال استخوان که عموماً درون حفره کشیدن دندان اتفاق می افتد، در اطراف ایمپلنت تأثیر می گذارد. این فعالیت تشکیل استخوان می تواند تماس استخوان به ایمپلنت را در مقایسه با ایمپلنتی که در ناحیه ای با فعالیت استئوژنتیکی کم تر قرار داده شده است، بهبود بخشد.
معایب احتمالی قرار دادن ایمپلنت فوری شامل نیاز به جراحی موکوژنژیوال (جهت تصحیح بافت هایی که در اثر فلپ های repositioned جابجا شده اند) و پیوند استخوان (جهت پر کردن فضاهای خالی اطراف ایمپلنت) می باشند. زمانی که ایمپلنت دو مرحله ای، در زمان کشیدن دندان قرار داده می شود باید با استفاده از روش های آزاد کننده فلپ موکوژنژیوال ایمپلنت کاملاً پوشیده شود.
همچنین ممکن است نیاز باشد تا از پیوند استخوان درون ناحیه extraction که با ایمپلنت در تماس نمی باشد استفاده شود تا از نفوذ بافت نرم به اطراف ایمپلنت جلوگیری شود.
اگر استخوان موجود برای ثبات ایمپلنت ناکافی باشد، قرار دادن فوری ایمپلنت پیشنهاد نمی شود، همچنین عفونت های مرتبط با دندان ممکن است ترمیم را مختل کرده و موفقیت ایمپلنت را به مخاطره اندازد. عفونت حاد یا تحت حاد از موارد عدم تجویز برای قرار دادن فوری ایمپلنت به شمار می آیند (2).
تصحیح ریج در رابطه با قرار دادن ایمپلنت :
جایگزینی ایمپلنت متعاقب کشیدن دندان به دلایل مختلفی عمومیت یافته است. در طول سال ها، امیتازهای زیادی برای ایمپلنت فوری عنوان شده است. این مزایا شامل قرار دادن ساده تر ایمپلنت، کاهش تعداد ملاقات ها در مطب دندانپزشک، کاهش طول دورة درمان و هزینه ها، نگهدرای از استخوان در محل ایمپلنت، زیبائی بافت نرم و افزایش رضایت بیمار می باشد.
جایگذاری ایمپلنت در ساکت دندان تازه کشیده شده ممکن است شکل گیری استخوان و استخوان سازی را تحریک کند و یا اختلال در تغییرات سازگاری که به دنبال کشیدن دندان اتفاق می افتد، ایجاد کند. تایپ I قرا ردادن ایمپلنت باعث حفظ استخوان ساکت و استخوان فک مجاور ساکت می گردد و می تواند از آتروفی استخوان جلوگیری کند (3).
Botticelli و همکاران در سال 2004 به بررسی تغییرات ریج در طول یک دورة 4 ماهه به دنبال قرار دادن ایمپلنت فوری در ساکت دندان تازه کشیده شده پرداختند. 21 ساکت دندانی با پریودنتیت مزمن متوسط مورد مطالعه قرار گرفتند که طول درمان شامل کشیدن دندان های کانین، انسیزور و پرمولرهای تک ریشه و سپس جایگزینی ایمپلنت در این مناطق بود.
پس از ایجاد برش های سالکولار و کشیدن دندان، ایمپلنت پیچ شونده در ناحیه قرار داده شد. بعد از قرار دادن ایمپلنت :
فاصله ی بین ایمپلنت و سطوح داخلی و خارجی استخوان باکال و لینگوال
عرض گپ مارژینی که بین ایمپلنت و سطوح باکال و لینگوال، مزیال و دیستال وجود داشت به وسیله ی کولیس اندازه گیری شد.
فلپ به محل اولیه برگردانده شد و ایمپلنت ها به طور Semi-Submerged قرار گرفتند. بعد از4 ماه، جراحی reentry انجام شد و اندازه گیری های کلینیکی دوباره تکرار شد و بنابراین تغییراتی که در طی ترمیم انجام شده بود از جمله ضخامت و ارتفاع دیواره ی باکال و لینگوال ساکت و عرض گپ مارژین محاسبه شد.
در طی جراحی انجام شده مشاهده گردید که گپ مارژین به طور کامل از بین رفته است، علاوه بر این ضخامت دیواره ی باکال و همچنین دیواره پالاتال به طور واضحی کاهش یافته بود. طبق مطالعه انجام شده در طی 4 ماه از ترمیم بعد از کشیدن دندان و قرار دادن ایمپلنت به طور عملی تمام گپ های مارژین از بین رفته بود. کاهش ابعاد باکال mm9/1 یا 56 درصد بود. در حالیکه کاهش ابعاد در سطح لینگوال mm8/0 یا 27 درصد بود. این یافته ها به طور قوی نشان داد، قرار دادن ایمپلنت در ساکت دندان تازه کشیده شده در حقیقت از رمدلینگ فیزیولوژیک که به دنبال کشیدن دندان در ریج اتفاق می افتد جلوگیری نمی کند (4).
به منظور بررسی رمودلینگ استخوان که در ساکت کشیده شده ی دندان بعد از ایمپلنت گذاری اتفاق می افتد، Lindhe و Araujo در سال 2005، یک مطالعه ای بر روی سگ انجام دادند. در این مطالعه محققین به منظور بررسی تغییرات ابعادی که در ریج آلوئولار اتفاق می افتد، بررسی هیستولوژیک انجام دادند. در باکال و لینگوال هر دو کودرانت مندیبل سگ، فلپ به صورتfull thikness کنار زده شد. ریشه های دیستال سومین و چهارمین پرمولر خارج شد. در کودرانت سمت راست ایمپلنت هایی با سطح خشن به گونه ای در داخل ساکت قرار گرفتند که مارژین ایمپلنت، آپیکالی تر از مارژین استخوان باکال و لینگوال قرار داده شد. فلپ ها به محل اولیه برگردانده شدند، در سمت چپ ساکت های کشیده شده بدون قرار دادن ایمپلنت به وسیله ی فلپ کاملاً پوشیده شدند.
بعد از 3 ماه مخاط در مناطق مورد نظر در کودرانت چپ و راست فک کاملاً ترمیم یافت. سگ ها کشته شدند و برش های بافتی شامل ایمپلنت و ساکت های بدون دندان تهیه و برای مطالعه ی هیستولوژیک آماده شد. برش باکولینگوالی ناحیه ی بی دندان بعد از 3 ماه ترمیم نشان داد که استخوان تازه تشکیل شده، مدخل ساکت را پوشش داده است. صفحه کورتیکال استخوان لاملار در سمت باکال در حدود 3/2 میلی متر، آپیکالی تر از کانتور لینگوال قرار گرفته است.
برش های باکولینگوالی تهیه شده از ناحیه ی دارای ایمپلنت نشان داد که مارژین کرست استخوان باکال در حدود 4/2 میلی متر پائین تر از کرست لینگوال قرار گرفته است. به عبارت دیگر قرار دادن ایمپلنت در ساکت دندان تازه کشیده شده موجب شکست در روند مدلینگ بافت سخت در دیواره های ساکت، به دنبال کشیدن دندان می شود. در نتیجه، بعد از 3 ماه از ترمیم، میزان تحلیل عمودی در استخوان باکال در مقایسه با استخوان لینگوال جایگزین شده در دو گروه دارای ایمپلنت و بی دندان مشابه بود. در ماه سوم اختلاف عمودی بین مارژین باکال و لینگوال در هر دو گروه بیش از 2 میلی متر بود که در گروه بی دندان 2/2 میلی متر در مناطق دارای ایمپلنت 4/2 میلی متر گزارش شد (5).
در مطالعه ی دیگری که Araujo و همکاران در سال 2006 بر روی سگ برای بررسی اینکه، آیا مدلینگ استخوان در ساکت دندان تازه کشیده شده باعث از دست رفتن استئواینتگریشن ایمپلنت قرار داده شده در ساکت می گردد؟ انجام دادند. همچون مطالعه ی قبلی پس از آماده سازی فلپ، ریشه دیستال سومین و چهارمین دندان پرمولر در هر دو کودرانت مندیبل کشیده شد. ایمپلنت ها در داخل ساکت تازه کشیده شده، طوری قرار گرفتند که دارای ثبات اولیه بودند. سپس فلپ ها به گونه ای به سر جای خود برگردانده شدند که ایمپلنت ها به طوری semi-submerged قرار گرفتند. بلافاصله پس از بستن فلپ، بیوپسی های بافتی از دو سگ تهیه شد، در حالیکه به 5 سگ دیگر اجازه ترمیم در یک دوره ی یک ماهه و سه ماهه داده شد. در برش هائی که بلافاصله پس از نصب ایمپلنت تهیه شد، تماس بین سطح دیواره ی ایمپلنت و دیواره های ساکت مشاهده شد. لخته خون در نواحی فاقد مناطق تماس و همچنین در گپ های مارژین تشکیل شد. در برش های تهیه شده در هفته چهارم مشاهده شد که این حفره ها (مناطق فاقد تماس) که نواحی خشن ایمپلنت می باشد، با استخوان woven پر شده است. همچنین در هفته ی چهارم دیواره باکال و لینگوال دچار تحلیل گردیدند و ارتفاع دیواره ی سخت و نازک باکال، کاهش پیدا کرده است. در فاصله زمانی بین هفته 4 و 12 از ترمیم، کرست استخوان باکال به طور واضح به سمت آپیکال جابجا شده است. استخوان woven ای که در سمت باکال در هفته چهارم، تماس در نواحی گپ مارژین با ایمپلنت ایجاد کرده بود دچار رمدلینگ شده بود و تنها، تکه هایی از این استخوان باقی مانده بود. در پایان مطالعه (3 ماه) کرست استخوان باکال بیشتر از 2 میلیمتر پائین تر از بوردر سطح خشن ایمپلنت قرار گرفته بود. این یافته ها نشان داد که استخوان woven که در تماس با ایمپلنت در مرحله ی اولیه ایجاد شده بود، قسمتی از آن با آتروفی دیواره ی باکال استخوان از بین می رود. بنابراین واضح است که آلوئولار پروسس متعاقب کشیدن دندان، جهت احتیاجات فانکشنال آتروفی می گردد، و در این رابطه ایمپلنت نمی تواند جایگزین خوبی برای دندان باشد (6).
مشکل کلینیکی قرار دادن تایپ I ایمپلنت این است که تحلیل استخوان به طور متناوب باعث از دست رفتن پوشش بافت سخت باکال در ناحیه ی ایمپلنت می شود و قسمت فلزی آن ممکن اس از وراء یک غشاء نازک روی ایمپلنت دیده شود و مشکلات زیبائی ایجاد کند. سؤالی که مطرح می گردد این است که آیا می توان بر این مشکل غلبه کرد،؟ این سؤال توسط Lindhe و همکاران در سال 2006 بررسی شد. در این مطالعه ریشه ی دیستال سومین پرمولر فک پائین و همچنین ریشه ی دیستال اولین مولر فک پائین سگ کشیده شد و به جای آن ایمپلنت قرار داده شد. در طول دوره ی ترمیم تحلیل دیواره ی باکال رخ داد و همچنین بیشتر از 2 میلیمتر از مارژین ایمپلنت از وراء مخاط نمایان شد. گپ ایجاد شده بین ایمپلنت و دیواره ی ساکت در زمان قرار دادن ایمپلنت در ریشه ی دیستال مولر بیشتر از 1 میلیمتر بود. به همین دلیل ثبات ایمپلنت تنها از طریق گیر آپیکالی بدست آمد. در طول فاز اولیه ترمیم این گپ با استخوان woven در ناحیه ی مولر پر شد. در فاصله زمانی که استخوان باکال تحت آتروفی قرار گرفت استخوان تازه تشکیل شده در محل گپ، استئواینتگریشن را حفظ کرد و تمام سطوح ایمپلنت را پوشاند. این مطالعه نشان داد که آتروفی ریج بی دندانی به دنبال کشیدن دندان رخ می دهد و نمی توان با قرار دادن ایمپلنت در ساکت دندان تازه کشیده شده از این آتروفی جلوگیری کرد. تحلیل استخوان هم در جهت عمودی و هم در جهت افقی در استخوان باکال و لینگوال رخ می دهد که این تحلیل در دیواره ی باکال مشخص تر می باشد.
نتیجه ی دیگری که از این مطالعه به دست آمد نشان داد که در بعضی موارد می توان با قرار دادن ایمپلنت به طور عمیق تر در دیواره ی لینگوال یا پالاتال ساکت، تحلیل استخوان باکال را جبران کرد (7). به منظور جبران نقائص ترمیم که در بالا ذکر شد ممکن است پروسه های Regeneration استخوان به منظور افزایش حجم استخوان مخصوصاً در سطح باکال نیاز باشد.

مروری بر مقالات :
در بررسی استئواینتگریشن و بازسازی استخوان دو نوع ایمپلنت فوری HA و TPS توسط Gher و همکارانش در سال 1994، نتیجه گیری شد که تحلیل استخوان در قسمت تاجی کرست برای گروه تست 53/1- و برای گروه کنترل 59/1- بود و هیچ تفاوت معنی داری بین پارامترهای اندازه گیری شده در دو نوع ایمپلنت وجود نداشت. همچنین لازم به ذکر است که در گروه تست دو نوع ایمپلنت از DFDBA و ممبران برای پر کردن گپ موجود بین ایمپلنت و دیوارة ساکت استفاده شد، در صورتی که در گروه کنترل از هیچ نوع مادة پیوندی استفاده نشده بود (8).
قرار دادن ایمپلنت های فوری در ساکت دندان تازه کشیده شده یک روش مطمئن و قابل پیش بینی می باشد، اگر توجهات خاص حین کار پیگیری شود. این نتیجه ای بود که از مطالعة Rosequist در سال 1996 حاصل شد که به بررسی درصد بقای ایمپلنت های فوری در یک بازة زمانی 67-1 ماه پردخته بود و پس از این بررسی، درصد بقای ایمپلنت ها را 6/93درصد گزارش کرد (9).
طبق تحقیقات Chaushn و همکارانش در سال 1997 که به follow up 95 ایمپلنت پرداختند، نتیجه گیری شد، که ایمپلنت های فوری دارای میزان بقای بالائی در حدود 100 تا 9/94درصد می باشند و همچنین در این مطالعه اتفاق نظری در مورد پر کردن گپ و بهترین مادة گرفت نبود (10).
ایمپلنت فوری بهتر است 5-3 میلیمتر، فراتر از آپکس قرا ربگیرد تا ثبات اولیه اش فراهم شود. همچنین تا جائی که امکان دارد نزدیک کرست استخوان قرار بگیرد. این نتایج حاصل مطالعة Schwartz و همکارانش در سال 1997 بود. همچنین در این مطالعه اجماع نظری راجع به نیاز به پر کردن گپ و اینکه چه مادة پیوندی بهترین است وجود نداشت (11).
بعد از قرار دادن ایمپلنت فوری تحلیل استخوان باعث جابجائی بافت سخت باکالی ایمپلنت می شود و به دلیل دیده شدن ناحیة فلزی ایمپلنت از پشت یک غشاء نازک می تواند مشکلات زیبائی ایجاد کد. این مطالعه را Grunder در سال 2000 انجام داد (12).
در تحقیق Rosequist که در سال 2000 بر روی 34 نفر انجام شد، برای سیل کردن ساکت از ممبران همولوگوس استخوانی استفاده کردند که این ممبران بعد از 4-2 هفته با پرولیفراسیون مخاط اطراف پوشیده شد. این مطالعه علیرغم اینکه نتایج زیبائی بسیار عالی و موفقیت 1/94درصد را دارا بود، اما نتوانست در مورد کیفیت استخوان و استئواینتگریشن گزارش تهیه کند(13).
در مقایسه هیستولوژکی ایمپلنت فوری و تأخیری بر روی سگ، نتیجة حاصله به این قرار شد که 76درصدسطوح ایمپلنت فوری با استخوان پوشیده شده و در ایمپلنت های تأخیری 81درصد سطوح ایمپلنت با استخوان پوشیده شده بود. این مطالعه را Schultes در سال 2001 انجام داد (14).
دو امتیاز ایمپلنت های فوری، کوتاه شدن دورة درمان و حفظ بافت سخت و نرم می باشد. این دو نتیجة تحقیقات Nawzari در سال 2001 می باشد (15).
حجم کافی استخوان و شکل مناسب آلوئولار ریج برای بدست آوردن فانکشن مناسب و پروتز زیبای ایمپلنت ضروری می باشد. شناسایی در روند ترمیم ساکت دندان تازه کشیده شده، شامل تغییراتی که به دنبال تحلیل استخوان و رمدلینگ ایجاد می شود ضروری است، از دست رفتن استخوان آلوئولار به دنبال کشیدن دندان به دلایلی هم چون بیماری پریودنتال، ضایعة پری اپیکال و یا تروما به دندان و استخوان ممکن است حادث شود. همچنین آسیب به استخوان در حین کشیدن دندان هم می تواند باعث از دست رفتن استخوان شود و به طور کلی آتروفی استخوان پس از کشیدن دندان یک پدیدة کاملاً شناخته شده ای می باشد. در یک مطالعه که توسط Schropp و همکارانش در سال 2007 با هدف بررسی تغییرات کانتور استخوان پس از کشیدن دندان در یک دورة 12 ماهه، انجام شد به این نتیجه رسیدند که بیشترین تغییرات در ناحیه ساکت دندان تازه کشیده شده بعد از یکسال از کشیدن دندان بدست می آید (16).
قرار دادن ایمپلنت فوری باعث حفظ بافت استخوان ساکت و احاطه کنندة فک می شود و همچنین از آتروفی استخوان فک جلوگیری می کند. این نتیجه طبق تحقیق Chen در سال 2004 بدست آمد و همچنین طبق این مطالعه، درصد بقا و فوائد کلینیکی ایمپلنت فوری و معمولی با یکدیگر مشابه می باشد (17).
بعد از 4 ماه از قرار دادن ایمپلنت، تمام گپ های مارژین از بین رفته و کاهش عرض تابل باکال حدود mm9/1 (56%) و لینگوال mm8/0 می باشد. این مطالعه که بر روی 21 دندان تازه کشیده شده انجام شد، نشان داد که ایمپلنت فوری در حقیقت از رمدلینگ ریج به طور کامل جلوگیری نمی کند و همچنین لازم به ذکر می باشد که برای پر کردن فضای بین استخوان و ایمپلنت از هیچ مادة پیوندی و غشائی استفاده نشده بود. این نتایج طبق تحقیقات Botticelli در سال 2004 بدست آمد (4).
رمدلینگ اولیه به طور فوری پس از کشیدن دندان شروع می شود و حتی پس از قرار دادن ایمپلنت تأخیری ادامه می یابد و درصد تفاوت رمدلینگ اطراف ایمپلنت های فوری و تأخیری می تواند دلیلی برای اهمیت زمان گذاشتن ایمپلنت در مناطقی که از نظر زیبائی اهمیت دارند، می باشند. این مطالعه که توسط Covani و همکارانش در سال 2004 در ایتالیا صورت گرفت، تغییرات عرض باکولینگوالی 2 ایمپلنت فوری و 5 ایمپلنت تأخیری را در دو مرحله اندازه گیری کردند که برای ایمپلنت فوری، این تغییر 9/1 میلیمتر بود و برای ایمپلنت تأخیری 3 میلیمتر گزارش شد (18).
استفاده از ایمپلنت فوری و جایگذاری آن در ساکت دندان تازه کشیده شده نشان داد که ایمپلنت فوری دارای مقاومت و ثبات بالائی با توجه به آنالیزهای Resouance Frequency می باشد؛ که این نتایج براساس گزارشات Beckerو همکارانش در سال 2005 بدست آمد (19).
قرار دادن ایمپلنت فوری نمی تواند از ریمادلینگ که در دیواره های ساکت اتفاق می افتد جلوگیری کند و تحلیل دیواره های ساکت که بعد از کشیدن دندان اتفاق می افتد باید در هنگام قرار دادن ایمپلنت فوری مورد توجه قرار گیرد. ارتفاع دیواره های باکال و لینگوال بعد از 3 ماه چه در نواحی بی دندانی و چه در نواحی که ایمپلنت فوری قرار گذاشته شده مشابه می باشند و حتی از دست رفتن عمودی استخوان ریج در باکال نسبت به لینگوال بیشتر می باشد. این یافته ها، نتایج مطالعه Maurico و همکارانش در سال 2005 می باشد (20).
ایمپلنت فوری توانائی جلوگیری از آتروفی ریج را بعد از کشیدن دندان ندارد و استخوان باکال و لینگوال هر دو دچار تحلیل می شوند و این تحلیل در قسمت باکال باعث از دست رفتن استئواینتگریشن مارژین می شود. این نتیجه گیری بود که از مطالعه Lindeh و همکارانش در سال 2006 بدست آمد (7).
در مطالعه ای که از سال های 2004-1998 بر روی 1925 ایمپلنت فوری صورت گرفت نتایجی به شرح زیر بدست آمد :
میزان شکست در ایمپلنت هایی که دندان های آنها به علت بیماری پریودنتال کشیده شده بودند3/2 برابر بیشتر بود.
میزان شکست قبل از گذاشتن رستوریشن 7/3 درصد و بعد از گذاشتن رستوریشن 3% بود.
میزان بقای کلی 96% بود.
مردان دارای 65/1 برابر شکست بیشتری بودند.
این یافته ها طبق نتیجه گیری بود كه Wegenbergدر سال 2006 بدست آورد، باید هنگام طرح درمان ایمپلنت فوری دلایل کشیدن دندان و استفاده از آموکسی سیلین را مورد توجه قرار داد(21).
در بررسی که بر روی 351 مقاله صورت گرفت، میزان شکست ایمپلنت فوری را کم تر از 5درصد گزارش داد که اگر این ایمپلنت ها به طور فوری بارگذرای شوند، درصد آن ها بیشتر هم می شود. اما این مطالعه نتوانست به سؤالاتی در مورد سلامت پری ایمپلنت، ثبات پروتز و میزان تحلیل استخوان در مقایسه ایمپلنت فوری و تأخیری بپردازد. این مطالعه توسط Quirynen در سال 2007 صورت گرفت (22).
میزان بقا در ایمپلنت فوری در ناحیة قدام ماگزیلا 97درصد گزارش شده است و میزان تحلیل استخوان رادیوگرافیک در مزیال mm98/0، در دیستال 78/0 و تحلیل بافت نرم در mid facial ، mm53/0 و در Shrinkage پاپیلای mm41/0 و پاپیلای دیستال 31/0 و رضایت بیماران از نظر زیبائی 93/0 بود. این نتایج که توسط De Rouck و همکاران در سال 2008 بدست آمد میزان بقا پاسخ بافت سخت و نرم و نتایج زیبائی ایمپلنت فوری را در قسمت قدام ماگزیلا مورد بررسی قرار داد (23).
نیاز به تحقیقات مستمر و بیشتر در مورد تغییرات ابعادی کرست استخوان بعد از ایمپلنت فوری در مطالعه ای که Chen در سال 2009 برای بررسی تحلیل مارژین مخاط فاسیال در ایمپلنت های فوری انجام داد، نتیجه گیری شد (24).
اگر ایمپلنت های highly-polished و roughened به صورت فوری قرار داده شوند، اختلافی در میزان تحلیل استخوان اطراف ایمپلنت چه کلینیکی و چه رادیوگرافیک ندارند و بیشترین میزان تحلیل استخوان در مارژین دیستال کرست آلوئول اتفاق می افتد، این یافته از مطالعة Heinemann در سال 2009 در آلمان بدست آمد که تأثیر توپوگرافی سرویکال ایمپلنت را بر میزان تحلیل استخوان کرستال در ایمپلنت فوری مورد بررسی قرار دادند (25).
مطالعه ای که به مرور نتایج کلینیکی و زیبائی 91 مطالعه پرداخته بود، نشان داد استفاده از پیوند استخوان در جلوگیری از پیشرفت دیفکت در ایمپلنت فوری مؤثر می باشد و باعث پیشرفت استخوانی رژنراسیون شدن این دفکت می شود و در قرار دادن ایمپلنت type 1-2-3 نسبت به type 4 مؤثر می باشد و میزان بقا در این مطالعات 95% گزارش شد. همچنین این مطالعات نشان داد که تحلیل مارژین مخاط فاسیال در type 1 شایع تر می باشد. این بررسی متون توسط Buser و Chen در سال 2009 ارائه گردید (26).
در بررسی هیستولوژیک ترمیم اولیة بافت نرم روی سگ، گزارش شد که تنها بعد از یک هفته در اپی تلیوم جانکشنال و بافت همبند شل سلول های التهابی فراوان دیده می شود، ابعاد بافت نرم در هفتة هشتم تقریباً mm5 بود که شامل mm5/3-3 اپی تلیال و mm5/1-1 بافت همبند بود. در این مطالعه نتیجه گیری شد که ترمیم بافت نرم اطراف ایمپلنت فوری ممکن است سطح اپی تلیال بیشتری نسبت به ایمپلنت تأخیری ایجاد کند. این مطالعه توسط Vignoletti در سال 2009 در کشور اسپانیا بدست آمد (27).
در مقایسه نتایج کلینیکی ایمپلنت های فوری Submerged و non-submerged ، نتیجة بدست آمده نشان داد که میزان بافت کراتنیزه در گروه submerged به طور متوسط mm3/1 و در گروه non-submerged، mm2/0 میلیمتر کاهش پیدا کرده بود و سایر نتایج کلینیکی دو گروه با هم مشابه بود و میزان تحلیل بافت نرم در هر دو گروه بعد از یکسال به طور متوسط mm1 گزارش شد. این حاصل مطالعه Cordaro و همکاران در سال 2009 می باشد (28).
در یک تحقیق که توسط Lindhe و همکاران در سال 2010 انجام شد به بررسی تغییرات ابعادی ریج، پس از نصب دو شکل متفاوت ایمپلنت فوری (سلیندری و مخروطی) پرداخت. نتیجة حاصله از این مطالعه تفاوت معنی داری را در تغییرات ابعادی ریج بین این دو گروه نشان نداد، اما تغییرات گپ عمودی و افقی در اطراف ایمپلنت های سیلندری بیشتر از ایمپلنت های مخروطی گزارش شد (29).
نتایج کلینیکی ایمپلنت های فوری و تأخیری قرار داده شده در بیماران دارای Severe Poriodontitis نشان داد که اختلاف آماری معنی داری در تحلیل استخوان آلوئولار بین این دو گروه وجود نداشته است و میزان بقا در ایمپلنت فوری در ماگزیلا 92درصد و در مندیبل 100درصد بود. میانگین تغییرات level استخوان بین زمان اولیه و 12 ماه بعد mm18/0 ± 12/1- بود و همچنین این مطالعه نشان داد که شکست ایمپلنت فوری در ماگزیلا در بیمارانsevere periodontitis بیشتر از مندیبل می باشد. این نتیجه گیری از مطالعة Deng در چین در سال 2010 حاصل شد (30).
استفاده از ممبران کلاژنی در ایمپلنت فوری در حفظ استخوان آلوئول باکال به میزان 23% مؤثر است. این نتیجه ای بود که از مطالعة Caneva در سال 2010 که به بررسی تأثیر این ممبران بر روی تغییرات بافت سخت و استئواینتگریشن در ایمپلنت فوری در سگ پرداخت، بدست آمد. ارزیابی هیستولوژیک نشان داد که هم در گروه تست و هم در گروه کنترل تحلیل استخوان اتفاق افتاد و همچنین میزان بیشترین تماس استخوان- ایمپلنت کرونالی بین دو گروه مشابه بود. در گروهی که از ممبران استفاده شده بود تحلیل استخوان باکال mm7/1 و در گروه کنترل mm2/2 بود (31).
در بررسی و ثبت ضخامت دیوارة باکال و پالاتال 93 ساکت دندان تازه کشیده شده توسط Huynh و همکارانش در سال 2010 برای تخمین میزان مقاومت دیواره های باکال و پالاتال برای حفظ کانتور استخوان اطراف ایمپلنت، این نتیجه حاصل شد که نیاز به روش های پیوند استخوان برای دست یابی به کانتور کافی در اطراف ایمپلنت ضروری می باشد (32).
طبق تحقیقاتی که Esposito و همکارانش در سال 2010 در انگلیس انجام دادند نتجیه گیری کردند که :
ایمپلنت فوری ریسک بالاتری از ایمپلنت تأخیری برای شکست و عوارض ایمپلنت دارد.
در مواردیکه زیبائی اهمیت بیشتری دارد، ایمپلنت فوری ممکن است نتیجة بهتری دهد.
مدرک قابل اعتمادی برای حمایت و یا رد روش های پیوند استخوان هنگام گذاشتن ایمپلنت فوری وجود ندارد (33).
در مطالعه ای که Koh و همکاران در سال 2011 انجام دادند، تغییرات بافت نرم و سخت را در ایمپلنت های فوری بین گروه های با ایمپلنت کرستال و ساب کریستال مقایسه کردند. دندان های تک ریشه در دو گروه به صورت هم سطح با کرست پالاتال و یا یک میلیمتر زیر کرست پالاتال توسط ایمپلنت فوری جایگزین شدند. نتایج بدست آمده به این صورت بود که بین دو گروه تفاوت آماری معنی داری از سطح استخوان مارژینال دیده نشد (035/0P-value= ) . اگرچه گروه ساب کرستال دارای میزان معنی دار بیشتری از ضخامت بافت کراتینیزه بود، این مطالعه نتیجه گیری کرد که میزان بقای ایمپلنت فوری 96درصد می باشد و سطح قرار دادن ایمپلنت نمی تواند تأثیری بر روی تغییرات عرض و ارتفاع استخوان و بافت نرم داشته باشد و همینطور پیشنهاد شد که دیوارة ضخیم فاسیال، گپ کوچکتر و نواحی پرمولرها دارای نتایج کلینیکی موفق تری برای ایمپلنت فوری هستند (34).
بيان مسئله و ضرورت انجام تحقيق:
 ایمپلنت فوری به عنوان روشی که جایگزین ایمپلنت معمولی شده است پیشنهاد گردیده است. مطالعات متعدد موفق بودن این روش را به اثبات رسانده است و معلوم شده است که اگر همزمان با کشیدن دندان عمل ایمپلنت گذاری نیز انجام شود. گپ بین استخوان میزبان و بدنه ایمپلنت ظرف چند ماه آینده پر خواهد شد و به شرط وجود ثبات اولیه در هنگام ایمپلنت گذاری، ایمپلنت در آینده به خوبی Osteointegration مناسبی پیدا خواهد کرد. البته علی رغم اینکه بسیاری از مؤلفین بیان نموده اند که انجام ایمپلنت فوری از تحلیل ناخواسته عرض ریج در اثر کشیده شدن دندان جلوگیری می کند معذالک برخی از محققین گزارش کرده اند که قدری تحلیل استخوان پس از انجام ایمپلنت فوری به وقوع خواهد پیوست.( Botticelli et al 2004 (4) )به علاوه در یک مطالعه مروری اخیر بوسیله( Quriynen, et al 2008 (22))این نتیجه حاصل شد که در مورد تغییرت ابعادی ریج در آینده هنگامی که عمل ایمپلنت فوری انجام می شود ، اطلاعات کافی در دست نیست لذا جا دارد که طی مطالعه ای میزان تغییرات ابعادی ریج از نظر باکولینگوالی و اکلوز و آپیکالی مشخص گردد.

اهداف و فرضيات
الف) هدف كلي:
تعیین تغییرات ابعادی ریج باقیمانده پس از قرار دادن ایمپلنت فوری در مقایسه با ساکت دندان تازه کشیده شده
ب) اهداف اختصاصي:
1- تعیین تغییرات عرض ریج در فاصله 1 میلی متری از کرست در ناحیه دندان Ext شده در هنگام ایمپلنت گذاری و پس از 4 ماه در زمان گذاشتن Healing
2- تعیین تغییرات عرض ریج در فاصله 1 میلی متری از کرست در ناحیه ساکت کشیده شده در هنگام خارج کردن دندان و پس از 4 ماه قبل از قرار دادن ایمپلنت.
3- تعیین تغییرات عرض ریج در فاصله 3 میلی متری از کرست در ناحیه دندان Ext شده در هنگام ایمپلنت گذاری و پس از 4 ماه در زمان گذاشتن Healing
4- تعیین تغییرات عرض ریج در فاصله 3 میلی متری از کرست در ناحیه ساکت کشیده شده در هنگام خارج کردن دندان و پس از 4 ماه قبل از قرار دادن ایمپلنت.
5- تعیین تغییرات عرض ریج در فاصله 7 میلی متری از کرست در ناحیه دندان Ext شده در هنگام ایمپلنت گذاری و پس از 4 ماه در زمان گذاشتن Healing
6- تعیین تغییرات عرض ریج در فاصله 7 میلی متری از کرست در ناحیه ساکت کشیده شده در هنگام خارج کردن دندان و پس از 4 ماه قبل از قرار دادن ایمپلنت.
7- کاهش ارتفاع لثه در ناحیه نسبت به خط واصل بین CEJ دو دندان مجاور در هنگام خارج کردن دندان و گذاشتن ایمپلنت و پس از 4 ماه قبل از قرار دادن Healing .
8- کاهش ارتفاع استخوان در ناحیه نسبت به خط واصل بین CEJ دو دندان مجاور در هنگام خارج کردن دندان و گذاشتن ایمپلنت و پس از 4 ماه قبل از قرار دادن Healing .
ج) اهداف كاربردي:
کسب اطلاع بیشتر در مورد قابلیت پیشگوئی و پیش بینی نتیجه درمان از لحاظ زیبایی در صورت انجام عمل ایمپلنت فوری
د) فرضيات يا سؤالات تحقيق:
1- تغییرات ابعادی باکولینگوالی در اثر عمل ایمپلنت فوری چه میزان است ؟
2- تغییرات ابعادی اکلوز آپیکالی ریج در اثر عمل ایمپلنت فوری چه میزان است؟
3- با توجه به تغییرات ابعادی استخوان پس از Ext دندان در فواصل 1 و 3 و 7 میلیمتر آیا گذاشتن ایمپلنت فوری در حفظ ریج برتری دارد یا خیر ؟
-312420-1009015
(2) فصل دوم
مواد و روش‌ها

مواد و روش کار :
این مطالعه بر روی 21 بیمار مراجعه کننده به دانشکده دندانپزشکی مشهد (13 زن و 8 مرد با میانگین سنی 39 سال) با دندان hopeless جهت گذاشتن ایمپلنت انجام شده است. روش نمونه گیری به صورت غیراحتمالی و مبتنی بر هدف صورت گرفته است.
پروتکل به تصویب شورای پژوهشی دانشگاه و کمیته اخلاق دانشگاه علوم پزشکی مشهد رسید.
معیارهای ورود به مطالعه شامل موارد زیر بود :
بیماران با دندان hopeless تک ریشه، نیازمند به درمان ایمپلنت باشند.
بیماران مشکل سیستمیک نداشته باشند.
کنترااندیکاسیون جهت درمان جراحی و ایمپلنت نداشته باشند.
اعلام موافقت کتبی و تکمیل فرم رضایت نامه با مطالعه کامل آن توسط بیمار انجام شد.
بعد از تکمیل پرونده و رضایت نامه کتبی قالب گیری از بیماران توسط Putty انجام و قالب گچی تهیه شد. بیماران طبق رضایت و میل به درمان immediate implantation به 2 گروه تست و کنترل (برای افرادی که مایل به گذاشتن ایمپلنت به صورت فوری نبودند)، به طوری تقسیم شدند که در هر گروه 12 ساکت دندانی قرار گرفت. 2 روز قبل ازعمل بیماران تحت رژیم آموکسی سیلین 500mg و دهانشویه کلرهگزیدین 2/0% قرار گرفتند و این رژیم به صورت 10 روز ادامه داشت.
در گروه کنترل پس از دادن بی حسی موضعی (لیدوکائین با اپی نفرین 100000/1) دندان آتروماتیک خارج شد و بعد باکولینگوالی استخوان (تصویر 2-4) در ناحیه 1، 3 و 7 میلیمتری از CEJ دو دندان مجاور توسط گیج ثبت گردید. به علاوه فاصله عمودی خط واصل بین CEJ دو دندان مجاور تا لبة کرست استخوان در 8 نقطة میدباکال، میدپالاتال، مزیال، دیستال، دیستوباکال، دیستوپالاتال، مزیوباکال، مزیوپالاتال توسط پروب مدرج اندازه گیری شد (تصویر 2-5) و ساکت ها برای طی کردن پروسه طبیعی ترمیم به حال خود گذاشته شدند.
در گروه تست، پس از انسیژن، کنار زدن فلپ و خارج کردن آتروماتیک دندان، اندازه گیری های فوق (مانند گروه کنترل) عیناً تکرار شد و سپس ایمپلنت (Biohorizone) در ساکت دندان تازه کشیده شده قرار داده شد. در صورتی که عرض گپ اطراف ایمپلنت از 2 میلیمتر بیشتر بود، مادة DFDBA ساخت شرکت همانند ساز بافت تولید ایران در ناحیه گپ قرار داده شد و در صورت نیاز ممبران قابل جذب در ناحیه قرار داده می شد. سپس فلپ به محل اولیه خود برگردانده شد، با نخ بخیه Silk شماره 0-3 بخیه گردید. جهت تسکین درد از ژلوفن mg400 استفاده شد، بعد از 10 روز بخیه ها کشیده شدند (تصاویر 2-1 الی 2-10).

تصویر 2-1 : CBCT بیمار قبل از شروع درمان

تصویر 2-2 : دندان Hopeless پیش از عمل

تصویر 2-3 : کشیدن دندان بدون تروما پس از فلپ زدن
1160071-4785
تصویر 2-4:اندازه گیری ابعاد باکولینگوالی استخوان ناحیه
112077527940
635991870تصویر 2-5 : اندازه گیری فاصلة های عمودی از خط واصل بین دو CEJ تا لبه کرست استخوان
00تصویر 2-5 : اندازه گیری فاصلة های عمودی از خط واصل بین دو CEJ تا لبه کرست استخوان

تصویر 2-6: قراردادن ایمپلنت BioHorizon داخل ساکت دندان تازه کشیده شده

تصویر 2-7 : گپ موجود بین ایمپلنت و تابل با کال

تصویر 2-8 : DFDBA های Cenobone ساخت شرکت همانند ساز بافت

تصویر2-9: قراردادن DFDBA در گپ بین ایمپلنت و تابل با کال

تصویر 2-10:بخیه کردن محل عمل با نخ بخیه سیلک شماره 0-3
برای اندازه گیری های بافت نرم در هر گروه، از کست ها استفاده شد که برای داشتن نقاط ثابتی جهت اندازه گیری بعد باکولینگوالی بافت نرم، نقطة میانی برای اندازه گیری فاصله عمودی، یک استنت آکریلی از آکریل Dura ساخته و در ناحیه 1، 3 و 7 میلیمتر از CEJ دو دندان مجاور نشانه گذاری شده بود. عرض باکولینگوالی بافت نرم در این نقاط و همچنین فاصله عمودی محل لثه تا خط واصل بین CEJ دو دندان مجاور نیز اندازه گیری و ثبت شد.

تصویر 2-11: استنت آکریلی جهت نقاط اندازه گیر ی ثابت قبل از عمل و نیز 4 ماه پس از آن هم در گروه تست و هم در گروه کنترل
4 ماه بعد در گروه کنترل، جهت گذاشتن ایمپلنت مجدداً قالب گیری توسط Putty و ساخت یک کست گچی و رادیوگرافی CBCT از ناحیه انجام شد، فلپ کنار زده شد و عرض ریج باقیمانده مجدداً در همان ناحیه در نقطة وسط میان خطی که CEJ دو دندان مجاور را بهم متصل می کند در فاصله 1، 3 و 7 میلیمتر از CEJ دو دندان و همچنین فاصلة عمودی کرست استخوان در 8 نقطة میدباکال، میدپالاتال، مزیال، دیستال، دیستوباکال، دیستوپالاتال، مزیوباکال و مزیوپالاتال اندازه گیری شد.
اندازه گیری های بافت نرم نیز با استفاده از کست ها و استنت های ساخته شده، بعد باکولینگوالی را در سه نقطه 1، 3 و 7 از CEJ دو دندان مجاور و فاصله عمودی نقطة میانی محل لثه تا خط واصل بین CEJ دو دندان مجاور اندازه گیری و ثبت شد (تصاویر 2-11 الی 2-14 مربوط به گروه کنترل می باشد).

تصویر 2-12: گروه کنترل : چهار ماه پس از کشیدن دندان
808990190500
تصویر 2-13: گروه کنترل: تحلیل باکولینگوالی نسبت به خط واصل CEJ دو دندان مجاور 4 ماه پس از خارج کردن دندان

تصویر 2-14: گروه کنترل : قراردادن ایمپلنت
در گروه تست نیز، 4 ماه بعد از گذاشتن ایمپلنت، ابتدا قالب گیری توسط Putty انجام و کست گچی تهیه شد. سپس ناحیه ایمپلنت جهت گذاشتن Healing Abutment فلپ کنار زده شد و اندازه گیری های نسج سخت ماننده گروه کنترل انجام شد. (تصاویر 2-15 ا لی 2-18)

1287662144307
تصاویر 2-15: گروه تست : چهار ماه بعد از گذاشتن ایمپلنت

تصویر 2-16: گروه تست: اندازه گیری فاصله های عمودی از خط واصل بین دو CEJ تا لبه کرست استخوان
126639750859
تصویر 2-17 : گروه تست : اندازه گیری ابعاد با کولینگوالی

تصویر 2-18: قراردادن Healing
روش تجزیه و تحلیل داده ها و بررسی آماری :
نتایج ثبت شده تحت آنالیزهای آماری T-Test و ANOVA One-way قرار گرفتند.

-360680-982980
(3) فصل سوم
یافته‌ها

یافته ها :
اندازه گیری های عمودی و افقی در بافت سخت و نرم انجام گرفت، در بافت نرم عرض باکولینگوالی ناحیه در قسمت های 1، 3 و 7 میلیمتر از خط واصل CEJ دو دندان مجاور و همچنین فاصلة عمودی8 نقطة بیان شد شامل : میدباکال، مزیوباکال، دیستوباکال، پالاتال، مزیوپالاتال، دیستوپالاتال، دیستال و مزیال تا خط فوق اندازه گیری و ثبت شد. در بافت سخت هم عرض باکولینگوالی ناحیة در فواصل1، 3 و 7 میلیمتر از CEJ دو دندان مجاور و فاصلة عمودی خط واصل CEJ دو دندان مجاور تا کرست استخوان در 8 نقطة میدباکال، مزیوباکال، دیستوباکال، پالاتال، مزیوپالاتال، دیستوپالاتال و دیستال و مزیال انجام شد.

بررسی بافت نرم :
جدول 3-1 : تغییرات عمودی بافت نرم در نقاط باکال، مزیوباکال و دیستوباکال
میدباکال مزیوباکال دیستوباکال
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
گروه تست 71/0±04/1 1 72/0±79/0 5/0 52/0±75/0 5/0
گروه کنترل 74/0±22/1 25/1 74/0±32/1 25/1 75/0±32/1 25/1
P-value (NS)266/0 (S)033/0 (S)026/0
NS= Non Significant
با توجه به یافته های جدول (3-1) این گونه استنباط می شود که میانگین تغییرات عمودی بافت نرم در گروه کنترل در ناحیه میدباکال بیشتر می باشد اما معنی دار نیست، و در دو نقطه ی مزیوباکال و دیستوباکال این تغییرات معنی دار می باشد.

نمودار3-1: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه میدباکال در گروه تست و کنترل
جدول 3-2 : تغییرات عمودی بافت نرم در نقاط پالاتال، مزیوپالاتال و دیستوپالاتال
مید پالاتال مزیوپالاتال دیستوپالاتال
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
گروه تست 52/0±58/0 5/0 64/0±43/0 5/0 71/0±68/0 5/0
گروه کنترل 75/0±32/1 25/1 74/0±32/1 25/1 74/0±32/1 25/1
P-value (S)004/0 (S)002/0 (S)022/0
S= Significant
با توجه به داده های جدول (3-2) مشاهده می شود که تغییرات عمودی بافت نرم در ناحیه پالاتال، مزیوپالاتال و دیستوپالاتال بین دو گروه معنی دار بوده است. یعنی اینکه تغییرات عمودی بافت نرم در نقاط مذکور در گروه تست کمتر از گروه کنترل بوده است.

نمودار3-2: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه میدپالاتال در گروه تست و کنترل
جدول 3-3 : تغییرات عمودی بافت نرم در نقاط دیستال و مزیال
دیستال مزیال
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
گروه تست 19/1±79/0 5/0 02/1±78/0 5/0
گروه کنترل 75/0±32/1 25/1 74/0±32/1 25/1
P-value (S)016/0 (S)048/0
S= Significant
اطلاعات جدول (3-3) نشان می دهد که تغییرات عمودی بافت نرم در دو ناحیه ی دیستال و مزیال بین گروه تست و کنترل معنی دار بوده است.

نمودار3-3: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه دیستال در گروه تست و کنترل
756921169546
نمودار3-4: تغییرات عمودی بافت نرم در نقطه مزیال در گروه تست و کنترل
جدول 3-4 : تغییرات ابعادی افقی بافت نرم در 1، 3 و 7 میلیمتری از CEJ دو دندان مجاور
1 میلیمتر 3 میلیمتر 7 میلیمتر
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
گروه تست 01/4±55/3- 65/1- 7/1±5/1- 9/0- 24/1±42/1- 45/0-
گروه کنترل 20/3±75/4- 85/4- 24/4±58/3- 5/2- 62/2±22/2- 65/1-
P-value (NS) 502/0 (NS) 545/0 (S) 051/0
NS= Non Significant
5676901268730همانگونه که در جدول (3-4) مشاهده می شود، تغییرات افقی بافت نرم در 1 و 3 میلیمتری از CEJ دو دندان مجاور در دو گروه کنترل بیشتر از گروه تست می باشد که از نظر آماری معنی دار نیست (502/0 P-Value= و 545/0 P-Value=) ولی در نقطه 7 میلیمتری این تغییرات معنی دار می باشد.
نمودار 3-5: تغییرات افقی بافت نرم از 1 میلی متری خط واصل دو CEJ دندان مجاور
1291590-163830
نمودار 3-6: تغییرات افقی بافت نرم از 3 میلی متری خط واصل دو CEJ دندان مجاور
1300503260678
نمودار 3-7: تغییرات افقی بافت نرم از 7 میلی متری خط واصل دو CEJ دندان مجاور
بررسی بافت سخت :
جدول 3-5 : تغییرات عمودی بافت سخت در نقاط باکال، مزیوباکال و دیستوباکال از CEJ دو دندان مجاور
ميد باکال مزیوباکال دیستوباکال
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
گروه تست 25/2±25/0 75/0 87/1±26/0 25/0 05/3±41/0 62/0
گروه کنترل 58/0±42/1 5/1 65/0±99/0 1 68/0±64/0 75/0
P-value (S) 046/0 (NS) 0703/0 (NS) 656/0
NS= Non Significant
-22639952306یافته های این جدول نشان می دهد که تغییرات عمودی بافت سخت در ناحیه ی میدباکال معنی دار می باشد، اما این تغییرات در دو ناحیه ی مزیوباکال و دیستوباکال در گروه کنترل بیشتر از گروه تست می باشد، اما از لحاظ آماری معنی دار نمی باشد.
2852420113665نمودار 3-6: تغییرات عمودی بافت سخت در نقطه مبدباکال
00نمودار 3-6: تغییرات عمودی بافت سخت در نقطه مبدباکال

جدول 3-6 : تغییرات عمودی بافت سخت در نقاط پالاتال،مزیوپالاتال و دیستوپالاتال از CEJدو دندان مجاور
ميد پالاتال دیستوپالاتال مزیوپالاتال
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
گروه تست 54/3±12/0 25/0 75/2±08/1 5/0 25/4±08/0 0
گروه کنترل 73/0±3/1 1 56/0±95/0 1 49/0±03/1 1
P-value (S) 029/0 (NS) 209/0 (S) 026/0
NS= Non Significant
10189821083696همانطور که در جدول (3-6) مشاهده می شود تغییرات عمودی بافت سخت در نقاط پالاتال و مزیوپالاتال از لحاظ آمار معنی دار می باشد در صورتی که در ناحیه ی دیستوپالاتال از لحاظ آماری معنی دار نمی باشد.
نمودار 3-7: تغییرات عمودی بافت سخت در نقطه میدپالاتال
جدول 3-7 : تغییرات عمودی بافت سخت در نقاط دیستال و مزیال از CEJ دو دندان مجاور
دیستال مزیال
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
گروه تست 01/2±75/0 75/0 94/1±5/1 1
گروه کنترل 66/0±79/0 70/0 50/0±080/1 1
P-value (NS)761/0 (NS)741/0
NS= Non Significant
اطلاعات به دست آمده از این جدول نشان می دهد که تغییرات عمودی بافت سخت در 2 نقطه ی مزیال و دیستال در گروه تست بیشتر از گروه کنترل می باشد، اما این تغییرات از لحاظ آماری معنی دار نمی باشد.

نمودار 3-8: تغییرات عمودی بافت سخت درنقطه دیستال
91561576007
نمودار3-9: تغییرات عمودی بافت سخت در نقطه مزیال
جدول 3-8 : تغییرات افقی بافت سخت در 1، 3 و 7 میلیمتری خطوط واصل CEJ دو دندان مجاور
1 میلیمتر 3 میلیمتر 7 میلیمتر
انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه انحراف معیار ± میانگین میانه
تست 0 0 57/3±71/0- 0 75/3±67/0- 55/0-
کنترل 25/3±81/2- 5/1- 92/2±89/2- 8/1- 26/1±97/1- 5/1-

user8313

Sepideh niksefat
Unemployment and employment situation in the country, including Iran's economy faces serious challenges And the job opportunities in the country and the vast majority of the unemployed and job seekers is no harmony. The concept of unemployment in rural areas with unemployment in urban areas differs somewhat as a result of population growth and higher unemployment in rural areas, in addition to economic structures and investment restrictions, increasing urban populations. Before people can begin working capital should be no capital is an important factor that can be a tool for self-employment.In this study, self-employment loans in creating employment opportunities in rural areas (villages city Langrood sample) is discussed, Type of applied research, research methods, descriptive, and statistical community Langrood all villages city is, according to the extent of the study area were selected using sys--atic sampling regularly. In the present study, data collection, library and field (questionnaires, interviews and observations) and analyze the data using descriptive statistics (mean and frequency) and inferential statistics (including Spearman correlation coefficient, one-sample t-statistic , square, Cramer's V, Friedman used. The results show that the correlation between education and success in job creation, there is a significant relationship And the results show that the amount of self-employment loans and create jobs in rural areas there is a positive relationship and also the loan recipients, there were no significant differences between the effects of the loan.
Keywords: self-improvement loan, investment, job creation, unemployment, rural areas
فصل اول:
طرح تحقیق

پیشگفتار
استفاده بهینه از منابع و امکانات موجود به منظور بر آورده ساختن نیازها و خواسته های بشری از جمله افزایش تولید درآمد، اشتغال، رفاه جامعه و. . . جز مهم ترین هدف های توسعه هر کشور محسوب می شود. برای این منظور معمولا سعی می شود تا با به کار گیری سیاست ها و ابزار های اجرایی گوناگون، در برنامه های توسعه بر این هدف دست یافت. دولت ها از طریق سیاست های حمایتی از طریق نرخ های بهره کم، دوره باز پرداخت طولانی، عدم گرفتن وثیقه و . . . سعی در حل این مسأله می نمایند. یکی از استرا تژی هایی که در سال های اخیر مورد توجه صاحب نظران و سیاست گذاران برای از بین بردن فقر و کاهش بیکاری در کشورهای مختلف قرار گرفته است اعتبارات خرد است، اهمیت این شیوه به گونه ای بوده که سازمان ملل متحد سال 2005 را به عنوان سال اعتبارات خرد نام گذاری کرده بود. اعطای وام به روستاییان شهرستان لنگرود توسط نهادهای بانک کشاورزی، صندوق مهر امام رضا (ع)، کمیته امداد امام خمینی (ره)، بهزیستی بوده است.
با توجه به موارد گفته شده، تحقیق حاضر با هدف بررسی اثرات وام های خود اشتغالی، در 5 فصل و به شرح زیر است؛
فصل اول شامل چارچوب کلی تحقیق در ارتباط با وام های خود اشتغالی می باشد. فصل دوم مبانی نظری تحقیق است، در این فصل به بررسی تعاریف و مفاهیم اعتبارات و مکاتب، و سپس به بررسی مفاهیم و تعاریف خود اشتغالی و تجارب کشورهای موفق در این زمینه و همچنین تجارب و انواع اعتبارات روستایی در ایران پرداخته شده است. در فصل سوم به بررسی ویژگی های جغرافیایی منطقه مورد مطالعه در سه بعد طبیعی، انسانی، اقتصادی پرداخته شده است. فصل چهارم، شامل تجزیه و تحلیل داده های جمع آوری شده در مطالعات میدانی می باشد، در فصل پنجم هم به آزمون فرضیات تحقیق پرداخته شده است.
1 ـ 1 ـ طرح مسألهبیکاری و وضعیت نامطلوب اشتغال در کشور، از جمله چالش های جدی در اقتصاد ایران به شمار می آید و بین فرصت های موجود شغلی در کشور و خیل عظیم بیکاران و جویندگان کار هیچ تناسب و توازنی بر قرار نیست. آمار به دست آمده حاکی از آن است که روز به روز برخیل بیکاران افزوده شده و دولت را با حجم عظیم تقاضا برای ورود نیروی کار به بازار کار مواجه می سازد. مفهوم بیکاری در مناطق روستایی تا حدودی با بیکاری در مناطق شهری تفاوت دارد؛ زیرا، درمناطق روستایی علاوه بربیکاری طبیعی در نتیجه رشد جمعیت بالاتر محدودیت ساختار های اقتصادی و سرمایه، افزون از جوامع شهری است. عواملی همچون تقاضای ناکافی برای نیروی کار، عدم تعادل بین فرصت های اشتغال و توانایی های افراد، نهاده های نامناسب و نابسامانیهای بازار از جمله علل بیکاری به شمار می آیند (یاسوری ، 1386 :132). استفاده بهینه از منابع و امکانات موجود به منظور بر آورده ساختن نیاز ها و خواسته های بشری از جمله افزایش تولید در آمد، اشتغال رفاه، جامعه و... جز مهم ترین هدف های توسعه هر کشور محسوب می شود. برای این منظور معمولا سعی می شود تا به کار گیری سیاست ها و ابزار های اجرایی گوناگون، در برنامه های توسعه بر این هدف دست یافت.
دولت ها از طریق سیاست های حمایتی از طریق نرخ های بهره کم، دوره باز پرداخت طولانی، عدم گرفتن وثیقه و... سعی در حل این مسأله می نمایند. یکی از استراتژی هایی که در سال های اخیر مورد توجه صاحب نظران و سیاست گذاران برای از بین بردن فقر وکاهش بیکاری در کشور های مختلف قرار گرفته است، اعتبارات خرد است. اهمیت این شیوه به گونه ایی بوده که سازمان ملل متحد سال 2005 را به عنوان سال اعتبارات خرد نام گذاری کرده بود. یکی از اهداف ضمنی و در حقیقت کلید موفقیت برنامه های مربوط به اعتبارات خرد، ایجاد و توسعه اشتغال است. بدون دسترسی افراد به شغل های مولد و پایدار تحقق اهداف غیر متعالی غیر ممکن می نماید (فعالیت،خارقانی ، 1390 :23). در واقع دریافت وام و اعتبار و انتقال پول از یک فرد به فرد دیگر یا از یک نهاد به نهاد دیگر نقش اساسی در تأمین اعتبار فعالیت های مختلف اقتصادی دارد. اعتبار وام را می توان انتقال موقت قدرت خرید از یک فرد حقیقی و یا حقوقی به فرد دیگر دانست. اعتبارات برای تأمین نهاده های مختلف تولیدی مانند نیروی کار، نهاده های سرمایه ای، فناوری و همپنین خرید مواد اولیه مورد استفاده قرار می گیرد و از این رو اهمیت ویژه ای در رشد و توسعه فعالیت های سرمایه گذاری و تولیدی دارد. طبیعتاً مشاهده می شود که اعتبار و وام به طور مستقیم و غیر مستقیم بر اشتغال واحد های تولیدی و یا فرصت های شغلی جدید تأثیر می گذارد( بختیاری، پاسبان،1383، 76).
برنامه های اعتبارات خرد، با هدف بهبود وضعیت اقتصادی، کاهش بیکاری به وجود آوردن اشتغال به صورت خود اشتغالی و کار آفرینی و کاهش فقر مناطق روستایی و شهری در بازار کار بسیاری از کشور ها اتخاذ شده است.(حسن زاده و همکاران، 1385 : 50 - 49). اعتبارات خرد، به عنوان راهبردی در توسعه اقتصادی با هدف دسترسی زنان و مردان کم درآمد به منابع اعتباری، برای بهبود وضعیت اقتصادی و اجتماعی آنهاست (رحیمی،1385 : 336-335). اهـــداف اعتبارات خرد در ایران، توانمند ساختن كلی روستا و ثروت زایی و مشاركت در برنامه ریزی و تصمصم گیری برای توسعه روستاها می باشد، هدف كلی اعتبارات خرد در كشور ما احیای مدیریت توسعه پایدار منابع طبیعی و افزایش در آمد خانوارهای كم درآمد از طریق پرداخت وام های كوچك برای انجام فعالیتهای درآمدزا و ارتقاء خودباوری اهالی روستا و جوامع عشایری به خصوص زنان و كودكان می باشد (مهاجرانی، 1382 :8-4). در صورتی که اقشار کم درآمد روستاها نتوانند درآمد مورد نیازشان را تأمین کنند؛ مهاجرت، تخریب محیط زیست و . . . اجتناب ناپذیر خواهد بود. برای کسب در آمد داشتن شغل ضروری است و برای کسب شغل نیز امکانات ویژه ای لازم است. قبل از اینکه مردم بتوانند کاری را شروع کنند باید دارای سرمایه باشند. وجود سرمایه عامل مهمی است که می تواند عوامل دیگر را نیز تهیه کند.( یعقوبی، 1384، 130). بخشی از معضل بیکاری در همه کشورها دنیا از طریق خود اشتغالی بر طرف می شود. تمایل ذاتی افراد به کارآفرینی، دسترسی به سرمایه های انسانی و مالی، در آمد حاصل از خود اشتغالی و موقعیت اجتماعی خود اشتغالی نسبت به مشاغل مزد بگیری، از جمله عوامل مؤثر در گرایش افراد به خود اشتغالی هستند( عباسی، آریانفر، 1387، 7).
در کشور های در حال توسعه، روستاییان اغلب به منابع اعتباری رسمی دسترسی ندارند، این واقعیت موجب شده که بسیاری از نویسندگان، اعتبار را برای توسعه روستایی حلقه مفقوده و به عنوان پیش نیازی تلقی کنند. از طرف دیگر نبود و کمبود اعتبارات رسمی، موجب گسترش بخش غیر رسمی اعتبارات در نواحی روستایی شده است؛ این امر نابرابری اجتماعی و تخریب محیط زیست را به دنبال دارد ( داوان، 1388، 31). از طرفی دیگر، تمرکز سرمایه در مناطق روستایی اصولاً ناچیز است، دلیل این امر نبود آن دسته از عواملی است که تمرکز سرمایه را موجب می شود، در حقیقت تمرکز سرمایه به پس انداز و بسیج همه جانبه و بنیادی وجوه پس اندازها و سرمایه گذاری این پس اندازها بستگی دارد( یاسوری، 1386، 147). از آنجایی که یکی از عوامل مهم تولید و اشتغال، سرمایه است. در جوامع در حال توسعه که عمده بهره برداران آن خرده پا هستند، پروژه های اعتباری و وام دهی، ابزار مناسبی برای رسیدن به اهداف افزایش بهره وری و افزایش تولید و رفع محرومیت و فقر از جامعه روستایی است( رحمانی،1385، 306). وام های خود اشتغالی برای برطرف کردن نیاز های مالی آن دسته از گروه های محروم جامعه از جمله زنان سرپرست خانوار، افراد بی بضاعت، کارگران، کشاورزان تعلق می گیرد. علاوه بر این وام گیرندگان این وام ها را صرف کارآفرینی و خود اشتغالی می کنند( Xiali, 2010,3).
اعتبارات خرد یکی از مباحث عمده در اقتصاد نئولیبرال است که پس از تغییرات نظری در تئوری های اقتصادی و دیدگاههای توسعه، به عنوان یک محرکه اقتصادی برای کشورهای در حال توسعه و کشورهایی که با مشکل تورم و بیکاری فزاینده رو به رو هستند و توزیع ثروت و درآمد چندان عادلانه نیست، به عنوان کلید حل معما در نظر گرفته شده است( مافی 1387، 14). برنامه اعتبارات خرد طی دهه های اخیر، از رهیافت های مهم فقر زدایی و توسعه در جهان بوده است( دبیر خانه مجمع تشخیص مصلحت نظام، 1384، 8).
راهبرد اعتبارات خرد از دهه 1990، به صورت راهبردی فراگیر جهت دستیابی به توسعه روستایی مورد استفاده بسیاری از کشورها در حال توسعه قرار قرار گرفت. در ایران نیز، از دهه 1370 این رویکرد جهت دستیابی به اهداف برنامه های توسعه مورد توجه برنامه ریزان قرار گرفته است. بعد از پیروزی انقلاب اسلامی این راهبرد به صورت گسترده از دهه 1380 برای حل مشکلات مناطق روستایی کشور مانند بیکاری، مسکن نامناسب و مهاجرت مورد توجه واقع شده است؛ برنامه های آن روز به روز در حال گسترش است. در پژوهش حاضر، ما به بررسی تأثیر وام های خود اشتغالی در ایجاد فرصت های شغلی نواحی روستایی (نمونه شهرستان لنگرود ) می پردازیم در اینجا ذکر این نکته ضروری است که در این پژوهش هدف ما بررسی تنها آن بخش از ارائه اعتبارات خرد پرداخته شده (اعتبارات کم تر از 100میلیون ریال ) مورد بررسی قرار می دهیم. برای انجام این پژوهش، اطلاعات مربوط به اعتبارات خرد از سال 1385 تا 1391 مربوط به شهرستان لنگرود می باشد.
شهرستان لنگرود از جمله شهرستان هایی استان گیلان است که در طی سالهای اخیر موسسات و نهادهایی مانند صندوق مهر امام رضا، کمیته امداد، بهزیستی، بانک کشاورزی در روستاهای آن وام های خود اشتغالی را در اختیار روستاییان قرار داده اند. در تحقیق حاضر به بررسی آثار و نتایج اعطای این اعتبارات بر خانوارهای روستایی این شهرستان در قالب سوالات زیر پرداخته خواهد شد.
1ـ آیا این بخش از اعتبارات خرد (وام های خود اشتغالی) تأثیری درایجاد اشتغال داشته است یاخیر؟
2ـ آیا تأثیر وام های خود اشتغالی در ایجاد مشاغل در بخش های کشاورزی، خدمات، صنعت متفاوت است؟
3ـ آیا وام های خود اشتغالی منجر به اشتغال دائم در نواحی روستایی شده است؟
4ـ آیا میزان مبلغ وام خود اشتغالی برای ایجاد یک شغل کافی بوده است؟
5ـ آیا وام گیرندگانی که دارای تحصیلات دانشگاهی بالاتر می باشند در ایجاد شغل موفق تر بوده اند؟
6ـ آیا وام های خود اشتغالی بر توانمندسازی افراد بیکار مؤثر بوده است؟
1 ـ 2 ـ ضرورت تحقیقجوامع روستایی شهرستان لنگرود دارای نظام فرهنگی و اجتماعی مستقلی هستند که در اثر عوامل مختلفی از جمله مسائل طبیعی، اجتماعی، سیاسی شکل گرفته اند با توجه به اینکه زمینه اصلی فعالیت در روستاهای شهرستان لنگرود که به علل مختلف از جمله کوچک بودن واحد های تولیدی، فساد محصولات کشاورزی، عدم وجود امکانات نگهدارنده مانند سرد خانه، کمبود وسائل حمل ونقل، زیادی بار تکفل خانوار و محدود بودن سرمایه گذاری دولت در روستاها و پایین بودن مقدار سرمایه و پس انداز در روستا ها سبب فقر روستاییان شده است. منظور از اعتبارات خرد که در دنیا سابقه 30 ساله دارد این است که به منظور رفع محرومیت فقر، وام های کوچک در اختیار گروه های کم در آمد، جهت انجام فعالیت های کوچک همراه ارائه مهارت و تکنولوژی مورد نیاز قرار می گیرد در صورتی که اقشار کم درآمد روستاها نتوانند درآمد مورد نیازشان را تأمین کنند مهاجرت، تخریب محیط زیست اجتناب ناپذیر خواهد بود. برای کسب درآمد داشتن یک شغل ضروری است و برای کسب شغل نیز امکانات ویژه ای لازم است. قبل از اینکه مردم بتوانند کاری را شروع کنند باید دارای سرمایه باشند وجود سرمایه عامل مهمی است که می تواند عوامل دیگر را نیز تهیه کند از آن جا که اهداف اعتبارات خرد بالا بردن میزان تولید و افزایش اشتغال و تثبیت مالی مشاغل دارای بحران مالی بالا برای میزان تولید و افزایش سطح در آمد و تواناسازی روستاییان به ویژه برای گروه های آسیب پذیر می باشد. در نواحی روستایی که بیکاری اعم از آشکار و پنهان در سطح وسیعی از اقشار جامعه به خصوص جوانان و زنان روستایی وجود دارد و از طرف دیگراز آن جایی که در صد بالایی از افراد روستایی در نیمه دوم سال در بیکاری به سر می برند ضرورت تأمین اعتبارات جهت ایجاد فرصت های شغلی برای نیروی کار عظیم فراوان روستایی کاملا احساس می شود. این اعتبارات با میزان وام های کوچک می تواند، باعث پدید آمدن فعالیت کوچک و جدید در روستا شوند و از این راه ضمن پدید آمدن اشتغال به دریافت کننده، تسهیلات مورد نظر وضعیت اقتصادی خانوار را با توسعه سرمایه گذاری ها و پس انداز متحول سازد و باعث کاهش بیکاری و وابستگی روستاییان به محصولات کشاورزی از طریق ایجاد مشاغل جنبی در کنار فعالیت های کشاورزی و توانمند سازی و کمک به کار آفرینی در مناطق روستایی شود.
امروزه با توجه به پائین بودن تمرکز سرمایه در روستاهای ایران ضرورت تحقیق و بررسی اثر بخشی و میزان تأثیر این راهبرد جهت کاهش مشکلات نواحی روستایی ایران امری لازم و ضروری می باشد.
1 ـ 3 ـ پیشینه تحقیقآغاز مطالعات مربوط به اعتبارات خرد در جهان به اواخر دهه 1980 میلادی و در کشورمان ایران، به اوایل دهه 1380 بر می گردد. در این بین، تحقیقات و منابعی که به لحاظ موضوعی می توانند به عنوان پیشینه تحقیق حاضر محسوب شوند، عبارتند از:
بختیاری و پاسبان در سال 1383 در مقاله ای با عنوان " نقش اعتبارات بانکی در توسعه فرصتهای شغلی، مطالعه موردی بانک کشاورزی ایران "، باروش توصیفی ـ تحلیلی، روش تجزیه ـ تحلیل کمی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای، با بررسی جایگاه و اهمیت سیاست های اعتباری در رشد و توسعه کشورها و بخش کشاورزی با تجزیه و تحلیل سری های زمانی 1379ـ 1349 و مدلهای اقتصاد سنجی، به بررسی نقش اعتبارات بانکی در توسعه اشتغال پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد، اعتبارات بانک کشاورزی در کوتاه مدت بر اشتغال و در دراز مدت بر سرمایه گذاری تأثیر مثبت داشته است.
عباسی و آرایانفر در سال 1387 در مقاله ای به عنوان" ارزیابی و اثر بخشی وام های خود اشتغالی در طول برنامه سوم توسعه در استان گلستان " با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری کتابخانه ای، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، به ارزیابی اجرای ماده 56 قانون برنامه و توسعه در خود اشتغالی استان گلستان پرداخته است، نتایج تحقیق نشان می دهد، که وام های خود اشتغالی سازمان کار و امور اجتماعی، موجب ایجاد اشتغال مورد انتظار نشده است، اما صندوق حمایت از فرصت های شغلی به ایجاد اشتغال مورد انتظار انجامیده است، همچنین درصد وام های خود اشتغالی موفق صندوق حمایت از فرصت های شغلی بیش از درصد وام های موفق سازمان کار و امور اجتماعی است. علاوه بر این، بین تعداد وام های خود اشتغالی پرداخت شده و تعداد اشتغال ایجاد شده همبستگی مثبت و معنی داری وجود دارد.
جعفر یعقوبی در سال 1384 در مقاله ای به عنوان "بررسی اثرات اعتبارات خرد بر اشتغال زنان روستایی استان زنجان " با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، با هدف بررسی اثرات اعتبارات خرد و جایگاه آن در خانواده پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد که اعتبارات خرد پرداخت شده در زمینه اشتغال بیشترین تأثیر را در تثبیت شغل قبلی زنان دریافت کننده وام داشته است. و هم چنین تحلیل همبستگی بین اشتغال و متغیر های مستقل نشان داد که میان میزان تحصیلات زنان و میزان تحصیلات مردان نسبت به دریافت وام در سطح 1% رابطه معنی داری وجود دارد.
مهدی چراغی در سال 1390 در پایان نامه خود به عنوان " تبیین اثرات پرداخت اعتبارات خرد بانکی جهت دستیابی به توسعه روستایی در دهستان غنی بیگلو " باروش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد، اعتبارات خرد کمیته امداد بر توانمندسازی اقتصادی گرو های هدف موثر نبوده و اعتبارات خرد بهسازی مسکن هم نتوانسته است، بهبود کیفیت زندگی روستائیان را در چهار بعد اجتماعی، اقتصادی، کالبدی و زیست محیطی به همراه داشته باشد. در اعتبارات خرد بانک کشاورزی، نتایج تحقیق نشان می دهد، 84 درصد از کشاورزان دریافت کننده اعتبارات، اعتبارات را در بخش غیر از کشاورزی مصرف کرده اند. در میان 15 عامل مورد بررسی، کمبود درآمد کشاورزان مهمترین عامل این فرایند شناخته شد.
پیمان حسینی در سال 1392 در پایان نامه خود به عنوان " تأثیر صندوق اعتبارات خرد زنان روستایی بر بهبود درآمد خانوار روستایی استان کردستان " با روش توصیفی ـ تحلیلی ، روش گردآوری کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی ، با هدف بررسی تأثیر صندوق اعتبارات خرد بر افزایش تولیدات صنایع روستایی صورت گرفته است. نتایج پژوهش نشان می دهد از بین متغیر های مختلف، سن، وضعیت تأهل، تحصیلات، تحصیلات همسر،تعداد افراد خانوار، مدت زمان عضویت بیشترین تأثیر را تحصیلات همسر و مدت زمان عضویت در صندوق بر اشتغال اعضا دارند. همچنین نتایج تجزیه و تحلیل نشان می دهد که صندوق اعتبارات خرد زنان روستایی به میزان نسبتاً زیادی بر اشتغال و افزایش درآمد خانوار روستایی تأثیر گذار است.
افتخاری و همکاران در سال 1385، در مقاله ای با عنوان " ارزیابی آثار اعتبارات خرد بانکی در توسعه کشاورزی" با مطالعه موردی تعاونی های خود جوش روستایی شهرستان خدابنده، به بررسی آثار استفاده از اعتبارات خرد بانک کشاورزی در قالب پرداخت گروهی، در طرح های تأمین آب برای توسعه فعالیت های کشاورزی، در بین سالهای 1384 تا 1374 در مناطق روستایی شهرستان خدابنده استان زنجان پرداخته است. روش تحقیق در این مطالعه مبتنی بر پانل گذشته نگر است. در گردآوری اطلاعات از پرسشنامه و مصاحبه حضوری استفاده شده است. نتایج تجزیه و تحلیل متغیر ها با روش کمی نشان می دهد، اعتبارات خرد بانک کشاورزی توانسته است در توسعه کشاورزی منطقه مورد مطالعه، در سطح معناداری5 % درصد نقش ایفا کند.
حسن زاده و قویدل در سال 1384 ، در مقاله ای با عنوان "چالش های تأمین مالی خرد روستایی در ایران، مقایسه تطبیقی صندوق های قرض الحسنه روستایی و گرامین بانک بنگلادش" با روش تحقیق تحلیلی، روش تجزیه ـ تحلیل کیفی، روش گرد آوری اطلاعات کتابخانه ای، با مقایسه نسبت های نفوذ پذیری، خود کفایی مالی، ارزش افزوده به اعتبارات پرداختی و ارزش افزوده به تعداد کارکنان در دو موسسه مالی یاد شده سعی در ارائه راهکار مناسبی برای رفع مشکلات تأمین مالی خرد در روستاهای ایران دارد. هدف این تحقیق شناخت مزایا و معایب هر کدام و ارائه یک الگوی کاربردی و پیشنهادی برای ایران است. نتایج تحقیق نشان می دهد، شاخص های نفوذ پذیری، خودکفایی مالی و ارزش افزوده به اعتبارات پرداختی در ایران به روستاییان کمتر از بانک گرامین بنگلادش می باشد.
حسن زاده و همکاران در سال 1385 ، در مقاله ای با عنوان " بررسی آثار اعتبارات خرد در کاهش فقر و نابرابری های درآمدی" با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای، روش تجزیه ـ تحلیل کمی، ضمن ارائه تعاریف مختلف و ارتباط آن با فقر و نا برابری، تاًثیر اعتبارات خرد اعطایی در سال های اخیر بر کاهش فقر و افزایش درآمد سرانه میان استان ها را بررسی کرده است. روش مورد استفاده در این پژوهش مدل ادغام داده ها در 28 استان و برای سال های 1382 ـ 1380 است، که با استفاده از متغیر نسبت تسهیلات قرض الحسنه به کل تسهیلات، تاثیر اعتبارات خرد را بر درآمد سرانه نشان داده شده است.
سعدی و عرب مازاردر سال 1384، با مقاله ای با عنوان نقش اعتبارات خرددرتوانمندسازی زنان روستایی تجربه بانک کشاورزی با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، به مطالعه زنان سر پرست خانوار که تحت پوشش طرح حضرت زینب (س) قرار داشته و بین سال های 1377و1381 برای انجام فعالیت های تولیدی از بانک کشاورزی تسهیلات قرض الحسنه دریافت کرده اند پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد، مبلغ هر فقره از تسهیلات اعطایی باید افزایش یابد چرا که ایجاد اشتغال پایدار با مبلغ فعلی (میانگین65/2میلیون ریال) ، تا حدی مشکل است. از8/14درصد از زنان مورد مطالعه، طرح حضرت زینب (س) موفق نبوده و نتوانسته است به اهداف خود دست پیدا کند. در مقابل 3/43درصد معتقدند این طرح تا حدی موفق بوده است 6/34درصد از زنان تأثیر طرح را بر زندگی خودشان مثبت قلمداد نموده اند و3/7 درصد اظهار نموده اند که طرح توانسته است به اهداف خود دست پیدا کند.
ارنس ( Irenes ) در سال 2010، در پایان نامه خود تحت عنوان زنان روستایی و اعتبارات خرد در غنا با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه و تحلیل کمی و کیفی، به این نتیجه رسیده است که فعالیت اجتماعی و اقتصادی زنان روستایی این طور نشان می دهد که زنان روستایی در زمینه های مختلف از اعتبارات خرد بهره برده اند ولی هنوز چالش هایی از قبیل دین و سایر عوامل اجتماعی و فرهنگی و سطوح پایین سواد زنان صندوق را محدود کرده است.
شیالی ( Xiali) در سال 2010، طی مطالعه خود تحت عنوان ارزیابی اثرات وام های خرد بر رفاه خانوار در مناطق روستایی چین با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه و تحلیل کمی و کیفی، به این نتیجه رسیده است که این وام ها توانسته است به طور قابل توجهی به بهبود رفاه خانوارها از جمله افزایش درآمدشان داشته باشد و تأثیر قابل توجهی در ابعاد مختلف توانمندسازی زنان روستایی اعم از امنیت اقتصاد( مدیریت مالی )، مسائل اجتماعی داشته باشد.
ماریانا کیم ( Mariana kim) در سال 2013، در پایان نامه خود تحت عنوان استراتژی های اقتصادی برای کاهش فقر مناطق روستایی برمه با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی ، استفاده از روش تجزیه و تحلیل کمی و کیفی، به بررسی مقایسه ای جایگزینی مداخلات، برای افزایش دسترسی روستاییان به سرمایه پرداخته است. در تحقیق خود به این نتیجه رسیده است که نزدیک به 85 درصد مناطق روستایی برمه در فقر به سر می برند و دو عامل کلیدی فقر در مناطق روستایی برمه 1 ـ پایین بودن دستمزد کارگران 2 ـ عدم مالکیت زمین توسط روستاییان و جمعیت بالا توضیح داده است و بیان می کند که عدم مالکیت زمین توسط روستاییان دسترسی آنان را به منابع اعتباری محدود می سازد. مداخله دولت بر سهولت اعطای اعتبارات و نظارت ، آموزش های لازم به روستاییان فقیر می تواند باعث توانمند سازی جامعه روستایی برمه شود.
1 ـ 4 ـ اهداف تحقیقتحلیل و شناسایی تاًثیر اعتبارات خرد(وام های خود اشتغالی) بر ایجاد اشتغال در روستاییان منطقه
شناسایی و بررسی شغل های ایجاد شده بعد از دریافت وام
بررسی تأثیر اعتبارات خرد(وام های خود اشتغالی ) در تثبیت مشاغل دائمی در مناطق روستایی
تحلیل تأثیر اعتبارات خرد بر توانمند سازی روستاییان
1 ـ 5 ـ فرضیه های تحقیقفرضیه های تحقیق به شرح زیر می باشد:
1ـ بین میزان تحصیلات و موفقیت ایجاد شغل رابطه معنادار وجود دارد.
2 ـ بین میزان مبلغ وام خود اشتغالی و ایجاد مشاغل در مناطق روستایی رابطه وجود دارد.
3 ـ از نظر دریافت کنندگان وام تفاوت معناداری بین اثرات وام وجود دارد.
1 ـ 6 ـ روش شناسی تحقیقروش شناسی به دو معنی به کار می رود: 1 ـ بررسی روش های پژوهشی علمی 2 ـ مجموع روش های هر علم. در معنی اول وسیله ای است که هر پژوهشگر را از گمراهی و کج اندیشی باز می دارد و او در را رسیدن به حقیقت یاری می دهد، در این معنی روش شناسی به معنای معرفت شناسی و شناخت علم است. در معنای دوم روش شناسی شامل گفتمان در بعضی از روش ها است، یعنی گفتمان درباره بسندگی و مناسبت تلفبق با ترکیب ویژه ای از اصول و رویه های پژوهشی از جمله روش جامعه، نمونه, جامعه آماری و . . . است( میرزایی، 1388، 56ـ 55 ). شناخت علمی پیام ها و هدفهای علم با روش شناسی صحیح انجام می شود. روش شناسی، یک نوع فلسفه و بینش است که در راه قوام روش ها به کار می رود( فدایی و خلیلی، 1386، 113).
روش شناسی تحقیق حاضر به صورت قانون گرایی می باشد. در رهیافت قانون گرایی منطق تبیین قیاسی ـ قانونی حاکم است. در این تبیین نقش محوری را قانون علمی ایفا می کند. در تبیین قانونی ابتدا یک واقعه خاص وجود دارد، آنگاه قوانین کلی جستجو می شود که علت آن واقعه بر اساس قواعد منطقی از آن قوانین استنتاج شود.
1 ـ 7ـ روش تحقیقتحقیق حاضر از نظر نوع کاربردی و از نظر ماهیت و روش توصیفی ـ تحلیلی می باشد.
1 ـ 8 ـ روش ها و ابزار گردآوری اطلاعاتروش ها و ابزار گردآوری اطلاعات در تحقیق حاضر شامل روش های کتابخانه ای و میدانی می باشد.
1ـ 8 ـ 1ـ روش کتابخانه ایدر روش کتاب خانه ای با فیش برداری از منابع مکتوب ( کتاب ها، مقالات، نشریات، گزارش ها و آمارنامه ها ) جستجو در شبکه اینترنت و استفاده از نقشه های توپو گرافی و با استفاده از منابع موجود در سازمانها، اطلاعات مورد نیاز استخراج، مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند.
1 ـ 8 ـ 2ـ روش میدانیاین روش در تحقیق حاضر شامل ابزارهای پرسش نامه ( طیفی، ترکیبی، وزنی، ) مشاهده ( علنی، و غیر علنی، غیر مشارکتی، فردی) و مصاحبه ( نامنظم و هدایت شده ) است.
1 ـ 8 ـ 2 ـ1 پرسشنامهیکی از روش های رایج جهت کسب اطلاعات به صورت مستقیم پرسشنامه می باشد. در پرسش نامه تحقیق حاضر سوالات در مقیاس های مختلف اسمی ، ترتیبی، فاصله ای و نسبتی است. در این پرسش نامه به بررسی ویژگی های جمیتی خانوارها، نوع فعالیت اقتصادی خانوارها ، وضعیت برخورداری از امکانات خانوارها، بررسی ویژگی اعتبارات دریافتی از قبیل( سال اخذ وام ، مبلغ وام، مدت بازپرداخت و . . . ) پرداخته شده است.
برای اعتبار و روایی پرسشنامه، برای رفع ابهام ابتدا به تأیید استاد راهنما و استاد مشاور در آمده است و بعد از آن از سوی چند تن از اساتید در خصوص مفاهیم، ابعاد مؤلفه ها و شاخص های تحقیق مورد بررسی قرار گرفت و نظرات و ایرادات گرفته شده توسط آنان مورد توجه قرار گرفته و در نهایت پرسش نامه نهایی تدوین گردید.
جهت تعیین پایایی ضریب اعتبار پرسش نامه های تحقیق حاضر، پس از تکمیل پرسش نامه ها، داده ها وارد نرم افزار spss شد و با استفاده از روش آلفاء کرونباخ اعتبار پرسش نامه 82/0 بدست آمد.
1 ـ 8 ـ 2 ـ 2ـ مصاحبهدر تحقیق حاضر جهت تکمیل اطلاعات مورد نیاز از روش مصاحبه نامنظم و هدایت شده استفاده شده است. در این روش ابزار سنجش طراحی شده حاوی تعدادی سوال با ترتیب خاص و غیر قابل انعطاف نیست، بلکه از آزادی عمل زیادتری برای کسب اطلاعات دقیق تر و عمیق و بیشتر برخوردار است.
1 ـ 8 ـ 2 ـ 3 ـ مشاهدهمشاهده شامل مجموعه عملیاتی است که طی آنها مدل تحلیلی ( متشکل از مفاهیم ) با واقعیت های عینی باز بینی شده و با داده های قابل مشاهده مقابله داده می شود( کیوی و کامپنهود، 1385، 159). بنابراین در این مرحله اطلاعات زیادی گردآوری می شود. در تحقیق حاضر جهت بررسی شغل های ایجاد شده توسط روستاییان از طریق اعتبارات داده شده که به صورت عینی قابل مشاهده هستند از روش مشاهده علنی، غیر مشارکتی، فردی استفاده شده است.
1ـ 9 ـ شاخص های تحقیقجهت تحلیل و تبیین بررسی وام های خوداشتغالی پرداختی بر متغیر های مورد بررسی، به تدوین شاخص ها پرداخته شد.
جدول شماره (1 ـ 1 ) شاخص های تحقیق اثرات وام خود اشتغالی بر افراد وام گیرندهردیفافزایش توان تولیدی1ایجاد فرصت های شغلی2 گرایش افراد به فعالیتهای تولیدی و سرمایه گذاری اقتصادی
3موجب ارتقای مهارت4افزایش میزان درآمد5تثبیت شغل6کسب درآمد7کاهش بیکاری در طول سال8ثبات در آمد9تنوع شغلی10استفاده از وسایل مکانیزهمنبع: یافته های تحقیق1ـ 10 ـ متغیرهای تحقیقانواع متغیر تحقیق حاضر از نظر نقش شامل متغیر وابسته و مستقل می باشد.
1 ـ 10 ـ 1 ـ متغیر مستقلدر تحقیق حاضر اعتبارات دریافت شده توسط خانوار های روستایی و همچنین ویژگی های فردی وام گیرندگان و عوامل اقتصادی به عنوان متغیر مستقل می باشد.
1ـ 10 ـ2ـ متغیر وابستهدر تحقیق حاضر ایجاد اشتغال و نوع شغل های ایجاد شده توسط دریافت کنندگان وام به عنوان متغیر وابسته می باشد.
1ـ 11 ـ جامعه آماریدر هر بررسی آماری، مجموعه عناصر مورد نظر را جامعه می نامند. به عبارت دیگر جامعه مجموعه تمام مشاهدات ممکنی است که می توانند با تکرار یک آزمایش حاصل شوند، به طور کلی جامعه عبارت است از مجموعه ای از افراد یا واحدها که دارای حداقل یک صفت مشترک باشند.
جامعه آماری تحقیق حاضر شامل روستاهای شهرستان لنگرود می باشد. این شهرستان در سرشماری سال 1390 دارای208 روستا می باشد که از این تعداد 193 روستا دارای سکنه، 14842 خانوار و 45235 نفر جمعیت بوده است. با توجه به گستردگی منطقه مورد مطالعه و به منظور مطالعه دقیق، افراد با استفاده از روش سیستماتیک منظم انتخاب شدند. با توجه به موضوع تحقیق که در مورد وام های خود اشتغالی دریافتی می باشد، جهت تحلیل اثرات، تعداد افراد وام گیرنده که 1450 نفر بوده اند 320 نفر و در دوره زمانی 1385 ـ 1391 مورد مصاحبه قرار گرفتند. برای تعیین تعداد حجم نمونه از فرمول کوکران استفاده شده است.
1 ـ 12 ـ روش نمونه گیرینمونه بخشی از جامعه تحت بررسی است که با روشی که از پیش تعیین شده است انتخاب می شود، به صورتی که می توان از این بخش، استنباطهایی درباره کل جامعه بدست آورد. انتخاب تعدادی از افراد، حوادث و اشیاء از یک جامعه تعریف شده به عنوان نماینده آن جامعه است. اولین قدم در نمونه گیری تعریف جامعه مورد نظر است و هدف نوعی نمونه گیری است که تمام افراد جامعه تحت انتخاب شدن شانس برابر داشته باشند.
نمونه گیری مشتمل بر گزینش واحد ها به روشی سیستماتیک و در نتیجه به صورت غیر تصادفی است. منظور از از این نوع نمونه گیری معمول، پخش کردن واحدها بطور یکنواخت بر روی چارچوب است. نمونه گیری منظم برای انتخاب یک نمونه از یک جامعه تعریف شده به کار می رود.
روش نمونه گیری در این تحقیق نمونه گیری سیستماتیک منظم می باشد.
1 ـ 13 ـ روش تجزیه و تحلیل اطلاعاتجهت تجزیه و تحلیل اطلاعات و داده های بدست آمده، با توجه به فرضیه های تحقیق از تحلیل کیفی و کمی استفاده شده است. از نرم افزار EXCEL, SPSS, GIS استفاده شده است.
1 ـ 13 ـ 1 ـ شیوه تحلیل کیفیتحلیل کیفی در بسیاری از زمینه های جغرافیایی انسانی کاربرد دارد. دو سوال اساسی که محققان کیفی پاسخ می گویند، مربوط به ساختارهای اجتماعی و تجربه های فردی است( های، 1388، 24 ). در تحقیق حاضر اطلاعاتی که از روستاهای مورد مطالعه بدست آمده با استفاده از منطق و استدلال عقلی مورد تحلیل کیفی قرار می گیرند.
1 ـ 13 ـ 2 ـ شیوه تحلیل کمیاین شیوه که به روش تجزیه و تحلیل آماری نیز شهرت دارد، در مورد داده های کمی کاربرد دارد. در تحقیق حاضر، جهت تحلیل کمی داده ها از روش های آمار توصیفی و آمار استنباطی استفاده شده است.

user8310

فهرست اشکال
فهرست علائم د
ک
م
ر
مقدمه 1
فصل اول-مقدمه و مرور بر تحقيقات انجام شده در گذشته 3
1-1- تاريخچه 4
1-2- تجربيات انجام شده در زمينه موتور گازسوز 5
1-3-اقدامات انجام شده براي نصب توربوشارژر 7
1-4-معرفي پروژه حاضر 10
فصل دوم- توربوشارژ كردن موتورهاي احتراق داخلي 11
2-1- هدف توربوشارينگ 12
2-2- روشهاي پرخوراني 12
2-3- مقايسه موتورهاي توربوشارژ شده و تنفس طبيعي 15
2-3-1- انواع سيستمهاي توربوشارژري 16
2-3-2- توربوشارژر فشار ثابت 16
2-4 توربوشارژينگ با سيستم ضرباني 17
2-5- سيستم‌هاي تك توربوشارژري 19
2-5-1- سيستم‌هاي ترتيبي 21
2-5-2- سيستم‌هاي دومرحله‌اي 21
فصل سوم-تغييرات موتور براي تجهيز به توربوشارژر 23
3-1- استفاده از توربوشارژر براي موتور گازسوز 24
3-2- تغييرات موتور براي تجهيز به توربوشارژر 24
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژينگ 25
3-3-1- جلوگيري از توليد کوبش 25
3-3-1-1- روش هاي جلوگيري از توليد کوبش 26
3-3-2- کنترل افزايش فشار در توربوشارژر 28
3-3-3- زمانبندي سوپاپ هاي ورودي و خروجي 30
3-3-6- تأثير توربوشارژر بر آلودگي خروجي 30
فصل چهارم- انطباق توربوشارژر 31
4-1- انطباق موتور و توربوشارژر 32
4-2- تعيين پارامترهاي توربين و كمپرسور 32
4-3- انتخاب توربوشارژر 34
4-4 نواحي کاري کمپرسور 35
4-5- دريچة كنترل توربين 37
4-6- تاخير در عملکرد توربوشارژر 37
4-7 تغيير در شرايط ورودي 38
4-8- فصل پنجم-مدلسازي موتور 40
5-1- مقدمه 41
5-2- تحليل جريان در راهگاههاي موتور با استفاده از رفتار موج فشاري 41
5--3 محاسبه پارامترهاي عملکردي موتور 43
5-3- 1- فشار موثر متوسط انديکاتوري و ترمزي 43
5-3-2- توان و مصرف سوخت ويژه 44
5-4- مدلسازي بازده حجمي 44
5-5- مدلسازي اصطکاک موتور 45
5-6- مدل اصطکاک جريان سيال 46
5-7-محاسبه ضريب جريان 47
5-8- محاسبه دبي جريان عبوري از سوپاپ 48
5-9-مدل انتقال حرارت بين سيال و راهگاههاي جريان 49
5-10-مدلسازي انتقال حرارت در داخل سيلندر 49
5-11- مدلسازي پرخوراني موتور با استفاده از عملکرد پرخوران
5-11-1- انتخاب کمپرسور
5-11-2-انتخاب توربين 51
51
52
فصل شش - مدلسازي موتور EF7 با استفاده از نرم افزار GT-POWER 54
6-1- مدلسازي پورت هاي ورودي و خروجي 55
6-2- مدلسازي منيفولد و دريچه گاز 55
6-3- مدلسازي انژكتور 58
6-4- مشخصات سيلندر 59
6-5- مدلسازي توربوشارژر 60
6-6- مدلسازي خنك كن مياني 60
6-7- مدلسازي كاتاليست 61
6-8- مدلسازي احتراق 61
فصل هفت- نتايج توربوشارژ کردن موتور EF7 63
7-1- تغييرات اعمال شده به موتور تنفس طبيعي 64
7-2- تعيين هدف 66
7-3- نکاتي در مورد انتخاب توربوشارژر 67
7-4- مشخصات توربوشارژرهاي انتخابي 68
7-5- اصطکاک موتورEF7 69
7-6- انتقال حرارت در داخل سيلندر 70
7-7- کاليبراسيون مدل موتور پرخوراني شده 70
7-8- پارامترهاي عملكردي موتورEF7 در حالت بار کامل 84
7-9- مقايسه عملکرد دو توربوشارژر با استفاده از نتايج مدل 80
7-10- تعيين بهينه پارامترهاي طراحي موتور پرخوران شده با استفاده از مدل 85
(فصل)هشتم-آناليز حساسيت موتور EF7 95
8-1- آناليز حساسيت 96
8-1-1- فشار موثر متوسط ترمزي 98
8-1-2-مصرف مخصوص ترمزي سوخت 99
8-1-3- راندمان حجمي 101
8-1-4-سرعت توربين 102
8-1-5- راندمان کمپرسور 104
8-1-6- فشار در پائين دست کمپرسور 105
8-1-7-جريان هوا 107
8-1-8- جريان سوخت 108
8-1-9- گشتاور ترمزي موتور 110
8-1-10- دماي پائين دست کمپرسور 111
8-1-11- دماي پائين دست خنک کن 113
8-1-12- دماي منيفولد 114
8-1-13- فشار منيفولد 116
8-1-14- فشار ورودي توربين 117
8-1-15- فشار خروجي توربين 119
8-1-16- دماي ورودي توربين 120
8-1-17- دماي خروجي از توربين 122
8-1-18- راندمان توربين 123
8-1-19- راندمان انديکاتوري موتور 125
8-1-20- توان مصرفي کمپرسور 126
8-1-21- فشار موثر متوسط انديکاتوري 128
8-1-22- ماکزيمم فشار سيلندر 129
8-1-23- درجه ماکزيمم فشار سيلندر 130
8-1-24- ماکزيمم دماي سيلندر 132
8-1-25- فشار ورودي به سيلندر 134
8-1-26- دماي ورودي به سيلندر 135
8-1-27- فشار خروجي از سيلندر 137
8-1-28- دماي خروجي از سيلندر 138
فصل نهم-سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده 140
9-1- هدف از سوپرتوربوشارژ کردن 141
9-2- سوپرشارژر روتز
9-3- مدلسلزي و نتايج سوپر شارژينگ 142
143
پيشنهادات
ليست مقالات ارائه شده 151
151
نتايج 152
ضميمه 156
مراجع 161
چکيده انگليسي 166
فهرست جداول
جدول(2-1) مقايسه يك موتور توربوشارژري و تنفس طبيعي با گشتاور و توان حداكثر برابر
جدول (5-1) توضيح پارامترهاي معادله (5-18)
جدول (6-1) مشخصات هندسي سيلندر موتور تنفس طبيعي
جدول (7-1) مشخصات هندسي سيلندر موتور پرخوران شده
جدول (7-2) مقادير ثابت فشار موثر متوسط اصطکاکي در دورهاي مختلف
جدول(8-1) جدول تعريف متغيرها و مقدار آنها
جدول (8-2) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار موثر متوسط ترمزي
جدول (8-3) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي مصرف مخصوص ترمزي سوخت
جدول (8-4) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي راندمان حجمي
جدول (8-5) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي سرعت توربين
جدول (8-6) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي راندمان کمپرسور
جدول (8-7) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار در پائين دست کمپرسور
جدول (8-8) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي جريان هوا
جدول (8-9) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي جريان سوخت
جدول (8-10) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي گشتاور موتور
جدول (8-11) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي دماي پائين دست کمپرسور
جدول (8-12) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي دماي پائين دست خنک کن
جدول (8-13) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي دماي منيفولد
جدول (8-14) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار منيفولد
جدول (8-15) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار ورودي توربين
جدول (8-16) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار خروجي توربين
جدول (8-17) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي دماي ورودي توربين
جدول (8-18) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي دماي خروجي از توربين
جدول (8-19) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي راندمان توربين
جدول (8-20) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي راندمان انديکاتوري موتور
جدول (8-21) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي راندمان توربين
جدول (8-22) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار موثر متوسط انديکاتوري
جدول (8-23) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي ماکزيمم فشار سيلندر
جدول (8-24) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي درجه مربوط به ماکزيمم فشار
جدول (8-25) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي ماکزيمم دماي سيلندر
جدول (8-26) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار ورودي به سيلندر
جدول (8-27) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي دماي ورودي به سيلندر
جدول (8-28) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي فشار خروجي از سيلندر
جدول (8-29) دسته بندي متغيرها بر حسب ميزان تاثير روي دماي خروجي از سيلندر
جدولA-1 نام هاي توربين و کمپرسور دو توربوشارژر
جدول A-2 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر1
جدول A-3 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر 2
جدول(A-4 ) مشخصات عملکردي توربين
فهرست اشکال
شکل (2-1) يک نمونه سوپرشارژ
شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتيک
شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
شکل(3-1) رابطه بين نسبت تراکم و افزايش فشار ورودي موتور
شکل (4-1) نقشه عملکرد يك کمپرسور
شکل (4-2) مشخصه يك توربين جريان محوري
شکل(5-1) المان در نظر گرفته شده
شکل (6-1) طرحواره پورت هاي ورودي و خروجي
شکل (6-2) مدل سازي منيفولد توسط چند انشعاب
شکل (6-3) قرار دادن دستگاه مختصات در مرکز انشعاب
شکل (6-4) دريچه گاز
شکل (6-5) مشخصات هندسي سيلندر
شکل(6-6) زمانبندي جرقه در دورهاي مختلف(TDC=0)
شکل (7-1) منحني ليفت و زمانبندي سوپاپ هاي ورودي و خروجي براي دو موتور تنفس طبيعي و پرخوران شده EF7
شکل (7-2 ) مقدار افزايش مورد نظر درگشتاور موتور در حالت تمام بار
شکل (7-3) مقادير بيشينيه فشار سيلندر در دورهاي مختلف براي يک موتور پرخوراني شده مشابه با موتورEF7 در حالت تمام بار
شكل (7-4) فشار موثر متوسط اصطكاك در دورهاي مختلف در حالت بار کامل
شكل (7-5) بازده انديكه در دورهاي مختلف در حالت بار کامل
شكل(7-6) منحني فشار لحظه اي داخل سيلندر در حالت بار کامل در دور rpm 1500
شكل(7-7) منحني فشار لحظه اي داخل سيلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2000
شكل(7-8) منحني فشار لحظه اي داخل سيلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2500
شكل(7-9) منحني فشار لحظه اي داخل سيلندر در حالت بار کامل در دور rpm 3500
شكل(7-10) منحني فشار لحظه اي داخل سيلندر در حالت بار کامل در دور rpm 4800
شكل(7-11) منحني فشار لحظه اي داخل سيلندر در حالت بار کامل در دور rpm 5000
شكل(7-12) نتايج کاليبراسيون فشار بعد از کمپرسور براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-13) نتايج کاليبراسيون دبي هوا در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-14) نتايج کاليبراسيون بازده حجمي در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-15) نتايج کاليبراسيون گشتاور موتور پورخوران شده در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-16) نتايج کاليبراسيون فشار موثر متوسط ترمزي موتور پورخوران شده در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-17) نتايج کاليبراسيون جريان سوخت موتور پورخوران شده در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-18) نتايج کاليبراسيون فشار بعد از خنک کن موتور پورخوران شده در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-19) نتايج کاليبراسيون فشار گازهاي خروجي قبل از توربين موتور پورخوران شده در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-20) نتايج کاليبراسيون فشار گازهاي خروجي بعد از توربين موتور پورخوران شده در دورهاي مختلف براي دو حالت بار کامل و بار جزيي در زماني که درصد فشردگي پدال گاز 25 درصد مي باشد
شكل(7-21) بازده ترمزي در دورهاي مختلف
شكل(7-22) گشتاور انديكه در دورهاي مختلف
شكل(7-23) گشتاور ترمزي در دورهاي مختلف
شكل(7-24) مصرف سوخت ويژة ترمزي در دورهاي مختلف
شكل(7-25) فشار مؤثر متوسط پمپاژ در دورهاي مختلف
شكل(7-26) دماي خروجي از خنك كن مياني در دورهاي مختلف
شكل(7-27) مقادير گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (1)براي پرخوراني استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شكل(7-28) مقادير گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (2)براي پرخوراني استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شكل(7-29) مقايسه بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهاي مختلف و در حالت تمام بار
شكل(7-30) مقادير گشتاور خروجي موتور حاصل از مدل در ارتفاع ۲۰۰۰ متر از سطح دريا
شكل(7-31) بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهاي مختلف موتور در حالت بار کامل
شكل(7-32) دور توربوشارژر در مقابل دور موتور در حالت بار کامل
شكل(7-33) مقادير فشار بيشينه داخل سيلندر در مقابل دور موتور قبل از اصلاح در پارامترهاي طراحي
شكل(7-34) زمانبندي جرقه موتور در دورهاي مختلف براي دو حالت تنفس طبيعي( (NAو پرخوران شده) (TC
شكل(7-35) دماي گازهاي ورودي به توربين در دورهاي مختلف براي زمانبندي جرقة جديد براي موتور TC
شكل(7-36) فشار بيشينه داخل سيلندر در دورهاي مختلف براي زمانبندي جرقة جديد براي موتور TC
شكل(7-37) فشار بيشينه داخل سيلندر موتور پورخوران شده در مقابل دور با زمانبندي جرقة جديد و نسبت تراکم 9.8
شكل(7-38) تعيين بهترين زمان باز شدن سوپاپ ورودي در دورrpm1500
شكل(7-39) شکل(7-43) منحني سوپاپ ورودي و خروجي موتور براي دو حالت تنفس طبيعي و پرخوران شده
شكل(7-40) مقادير بازده حجمي موتور پرخوران شده با دو منحني سوپاپ مختلف در مقابل دور موتور
شكل(7-41) نقاط كاركردي موتور بر روي منحني عملكردي كمپرسور در حالت بار کامل
شكل(7-42) نقاط كاركردي موتور بر روي منحني عملكردي توربين در حالت بار کامل
شكل(7-43) مقدار دبي جرمي عبوري از دريچة كنترل توربين در دورهاي مختلف
شكل(7-44) بازده حجمي موتور EF7 در مقابل دور موتور براي دو حالت تنفس طبيعي و پرخوراني شده
شكل(7-45) مقادير گشتاور ترمزي در مقابل دور موتور براي موتور EF7 در حالت تنفس طبيعي و پرخوراني شده
شكل(7-46) مقادير فشار بيشينة سيلندر در دورهاي مختلف موتور براي دو حالت تنفس طبيعي و پرخوراني شده
شكل(7-47) دماي گازهاي حاصل از احتراق در خروجي منيفولد خروجي در موتورEF7 براي دو حالت تنفس طبيعي و پرخوراني شده
شکل(7-48) ماکزيمم فشار سيلندر
شكل(7-49) سرعت گردشي کمپرسور
شكل(7-50) شکل BMEP موتور EF7 مدل شده
نمودار (8-1) آناليز حساسيت فشار موثر متوسط ترمزي
نمودار (8-2) متوسط مقادير مطلق فشار موثر متوسط ترمزي در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-3) نتايج آناليز حساسيت براي مصرف مخصوص ترمزي سوخت
نمودار (8-4) متوسط مقادير مصرف مخصوص ترمزي سوخت در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-5) نتايج آناليز حساسيت براي راندمان حجمي
نمودار (8-6) متوسط مقادير راندمان حجمي در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-7) نتايج آناليز حساسيت براي سرعت توربين
نمودار (8-8) متوسط مقادير سرعت توربين در سرعت هاي مختلف موتور
نمودار (8-9) نتايج آناليز حساسيت براي راندمان کمپرسور
نمودار (8-10) متوسط مقادير راندمان کمپرسور در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-11) نتايج آناليز حساسيت براي فشار در پائين دست کمپرسور
نمودار (8-12) متوسط مقادير فشار در پائين دست کمپرسور در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-13) نتايج آناليز حساسيت براي جريان هوا
نمودار (8-14) متوسط مقادير جريان هوا در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-15) نتايج آناليز حساسيت براي جريان سوخت
نمودار (8-16) متوسط مقادير جريان سوخت در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-17) نتايج آناليز حساسيت براي گشتاور ترمزي موتور
نمودار (8-18) متوسط مقادير گشتاور موتور در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-19) نتايج آناليز حساسيت براي دماي پائين دست کمپرسور
نمودار (8-20) متوسط مقادير دماي پائين دست کمپرسور در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-21) نتايج آناليز حساسيت براي دماي پائين دست خنک کن
نمودار (8-22) متوسط مقادير دماي پائين دست خنک کن در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-23) نتايج آناليز حساسيت براي دماي منيفولد
نمودار (8-24) متوسط مقادير دماي منيفولد در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-25) نتايج آناليز حساسيت براي فشار منيفولد
نمودار (8-26) متوسط مقادير فشار منيفولد در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-27) نتايج آناليز حساسيت براي فشار ورودي توربين
نمودار (8-28) متوسط مقادير فشار ورودي توربين در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-29) نتايج آناليز حساسيت براي فشار خروجي توربين
نمودار (8-30) متوسط مقادير فشار خروجي توربين در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-31) نتايج آناليز حساسيت براي دماي ورودي توربين
نمودار (8-32) متوسط مقادير دماي ورودي توربين در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-33) نتايج آناليز حساسيت براي دماي خروجي از توربين
نمودار (8-34) متوسط مقادير دماي خروجي از توربين در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-35) نتايج آناليز حساسيت براي راندمان توربين
نمودار (8-36) متوسط مقادير راندمان توربين در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-37) نتايج آناليز حساسيت براي راندمان انديکاتوري موتور
نمودار (8-38) متوسط مقادير راندمان انديکاتوري موتور در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-39) نتايج آناليز حساسيت براي توان مصرفي کمپرسور
نمودار (8-40) متوسط مقادير راندمان توربين در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-41) نتايج آناليز حساسيت براي فشار موثر متوسط انديکاتوري
نمودار (8-42) متوسط مقادير فشار موثر متوسط انديکاتوري در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-43) نتايج آناليز حساسيت براي ماکزيمم فشار سيلندر
نمودار (8-44) متوسط مقادير ماکزيمم فشار سيلندر در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-45) نتايج آناليز حساسيت براي درجه ماکزيمم فشار سيلندر
نمودار (8-46) متوسط مقادير درجه مربوط به ماکزيمم فشار در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-47) نتايج آناليز حساسيت براي ماکزيمم دماي سيلندر
نمودار (8-48) متوسط مقادير ماکزيمم دماي سيلندر در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-49) نتايج آناليز حساسيت براي فشار ورودي به سيلندر
نمودار (8-50) متوسط مقادير فشار ورودي به سيلندر در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-51) نتايج آناليز حساسيت براي دماي ورودي به سيلندر
نمودار (8-52) متوسط مقادير دماي ورودي به سيلندر در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-53) نتايج آناليز حساسيت براي فشار خروجي از سيلندر
نمودار (8-54) متوسط مقادير فشار خروجي از سيلندر در سرعت هاي مختلف
نمودار (8-55) نتايج آناليز حساسيت براي دماي خروجي از سيلندر
نمودار (8-56) متوسط مقادير دماي خروجي از سيلندر در سرعت هاي مختلف
شكل(9-1) منحني عملکرد موتور توربوشارژ شده و تنفس طبيعي در حالت بار کامل
شكل(9-2) مسير جريان هوا در کمپرسور روتز
شكل(9-3) طريقه اتصال توربوشارژ و سوپرشارژ به موتور
شكل(9-4) نحوه قرار گيري سوپرشارژ و توربوشارژ در مدل
شکل(9-5) انطباق ناصحيح موتور و يک سوپرشارژ روتز
شکل(9-6) نقشه عملکرد کمپرسور همراه نقاط عملکردي موتور در حالت بار کامل
شکل(9-7) فشار داخل سيلندر با نسبت دنده5.1 در حالت بار کامل
شکل(9-8) دماي گازهاي ورودي به توربين در حالت بار کامل
شکل(9-9) مقايسه توان ترمزي دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-10) مقايسه گشتاور ترمزي دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-11) مقايسه راندمان حجمي دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-12) ميزان گشودگي دريچه ميان گذر
شکل(9-13) ميزان افزايش گشتاور توسط سوپرشارژ بعد از رعايت حد کوبش
شکل(9-14) ميزان افزايش راندمان حجمي توسط سوپرشارژ بعد از رعايت حد کوبش
فهرست علائم
دما
فشار
دور N
قطر D
شعاع R
دبي جرمي
ظرفيت گرمايي ويژه گاز
حجم جاروب شده
فشار منيفولد
دماي منيفولد
سطح
سرعت صوت
سرعت صوت بي بعد
طول
ضريب تخليه جريان
سطح موثر
عدد پرانتل
نرخ جريان سوخت انژكتور(g/s)
سرعت موتور(rpm)
حجم جابجايي(liter)
نسبت سوخت به هوا
تعداد سيلندرها
مدت تزريق(بر حسب زاويه لنگ)
مقدمه
متوسط غلظت آلاينده هائي مانند منواكسيدكربن، هيدروكربنهاي نسوخته و اكسيدهاي نيتروژن در بسياري از نقاط شهر تهران بيشتر از حد مجاز توصيه شده توسط سازمان بهداشت جهاني مي‌باشد. با توجه به رشد سريع ترافيك، وضعيت در آينده بدتر خواهد شد.
با توجه به اينكه 89 درصد از منابع آلوده كننده هواي تهران مربوط به خودروها است جايگزيني سوختهاي پاكتر كه هم از نظر اقتصادي با صرفه تر و هم از لحاظ اثرات زيست محيطي آلودگي كمتري داشته باشند مورد توجه قرار گرفته و بصورت يك ضرورت اجتماعي مطرح گرديده است[1].
گاز سوختي ارزان با آلودگي كمتر است و در صورت فراهم شدن امكان دسترسي بيشتر، يكي از بهترين سوختهاي جايگزين بنزين و گازوئيل مي‌باشد. با گازسوز كردن خودروها، منواكسيدكربن، هيدروكربنهاي نسوخته، دي اكسيد گوگرد و ذرات معلق حاصل از احتراق به ميزان قابل ملاحظه اي كاهش مي‌يابند. علاوه براين سرب بعنوان يكي از زيانبارترين آلوده كننده ها به كلي حذف مي‌شود و همچنين از سروصداي موتور نيز كاسته مي‌شود.
در مقايسه موتورهاي گازسوز با موتورهاي بنزيني، توان حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد كاسته مي‌شود. دو علت عمده اين كاهش يكي حالت گازي سوخت CNGدر هنگام تزريق به موتور مي‌باشد كه مقداري از فضاي هواي ورودي به موتور را اشغال مي‌نمايد و باعث افت راندمان حجمي مي‌گردد، دليل ديگر بالابودن نسبت هوا به سوخت در شرايط استوكيومتري گاز نسبت به بنزين مي‌باشد كه براي گاز اين رقم در حدود 17.2 به يك مي‌باشد و براي بنزين 14.7 به يك مي‌باشد. اين عامل نياز بيشتر موتور گازسوز به هوا را نسبت به موتور بنزيني معلوم مي سازد يعني به زبان ديگر اگر بتوان آن مقدار گازي را وارد موتور نماييم كه مقدار انرژي آزاد شده آن معادل مقدار بنزين وارد شده به موتور باشد، مي‌بايست هواي بيشتري نسبت به حالت بنزيني وارد موتور گردد.
چون مقدار هواي ورودي به موتور در حالت گازي حتي كمتر از مقدار آن درحالت بنزيني مي‌باشد بنابراين در موتورهاي گازسوز براي بهبود عملكرد نياز به هواي بيشتري مي‌باشد. با توجه به مقاومت گاز طبيعي در مقابل خوداشتعالي مي‌توان توان كاسته شده را توسط روشهاي مختلفي جبران كرد. اگر خواستار تشويق مردم براي استفاده از گاز طبيعي هستيم كاهش توان در زمان استفاده از گاز طبيعي قابل قبول نيست. روشي كه در اين نوشتار براي بدست آوردن قدرت بيشتر ارائه مي‌شود، عبارت است از بكارگيري توربوشارژر به منظور افزايش دبي جرمي هوا و متعاقب آن افزايش راندمان حجمي و قدرت موتور. همچنين با استفاده از پرخوراني مي‌توان برخي از آلاينده هاي موتور را با هوادهي بيشتر يا اصطلاحا فقيرسوز كردن موتور درحد پائين تري نگه داشت.
فصل اول
مقدمه و مرور بر تحقيقات انجام شده در گذشته
1-1- تاريخچه
توربوشارژينگ موتورهاي احتراق داخلي ايده اي بود که به فاصله کمي از اختراع موتورهاي احتراق داخلي مطرح گرديد. در سال 1885 دايملر مقاله اي درباره استفاده از يک فن يا کمپرسور براي اضافه کردن هواي ورودي به موتور دريافت کرد. در سال 1902 لوييس رنو براي اولين بار توربوشارژري از نوع سانتريفيوژ ساخت و بر روي موتور نمونه اي نصب کرد. اين توربوشارژر توسط تسمه به ميل لنگ متصل مي‌گشت و با پنج برابر سرعت آن دوران مي‌کرد. اولين سوپرشارژ متحرک با دود اگزوز (توربوشارژ) بين سال هاي 1909 و 1912 توسط دکتر آلفرد بوچي سوئيسي ساخته شد. اولين نمونه موتور ديزل مجهز به توربوشاژر را او در سال 1915 ارائه کرد[2]. در توربوشارژر ساخت بوچي توربين و کمپرسور هر دو از نوع جريان محوري بودند که توسط اتصال مکانيکي به ميل لنگ موتور متصل مي شدند. امروزه به اين نوع موتور، موتور مرکب اتلاق مي‌شود. بعد از چند سال بوچي مدل اصلاح شده اي را مطرح کرد که در آن اتصال مکانيکي بين موتور و توربوشارژر برداشته شده بود، ولي اتصال مکانيکي بين توربين و کمپرسور کماکان پابرجا بود. اولين توربوشارژر ساخت بوچي از نوع جريان يکنواخت بود که با موفقيت و اقبال روبرو نگرديد. در سال 1925 بوچي سيستم موفق توربوشارژ ضربه اي ارائه کرد، که به مدل بوچي معروف مي‌باشد. رونق بيشتر توربوشارژينگ زماني آغاز شد که توربوشارژرها بر روي موتورهاي سيلندر و پيستوني هواپيماها نصب گرديد و ميزان سقف پرواز را افزايش داد. زيرا در اين هواپيما اين مشکل وجود داشت که با اوج گرفتن هواپيما به علت کاهش فشار، قدرت خروجي موتور شديدا کاهش مي‌يافت و اين امر سقف پرواز را محدود مي‌کرد. با بکارگيري توربوشارژرها و افزايش فشار ورودي کمک زيادي به افزايش ارتفاع پرواز شد. تا زمان جنگ جهاني دوم صنعت توربوشارژر توسعه زيادي يافت. بکارگيري توربوشارژر بر روي موتور ديزلي بهترين روش براي کاهش هزينه هاي مصرف سوخت، کاهش جاي مورد نياز براي موتور و کاهش وزن موتور، افزايش راندمان و کاهش صدا بود. در دهه هفتاد ميلادي استفاده از توربوشارژر براي موتورهاي بنزيني بسيار رواج پيدا کرد و کمپانيها خودروهاي اسپرتي خود را با موتورهاي توربوشارژري ارائه کردند ولي به دليل تاخير عملکرد توربوشارژر اين موتورها با استقبال مصرف کنندگان روبرو نشدند. توفيق توربوشارژينگ در صنعت خودروهاي سواري از زمان ارائه توربو ديزل هايي بود که مي‌توانستند با حجم مساوي با موتورهاي بنزيني برابري کنند و از لحاظ آلودگي در سطح پائين تري نسبت به موتورهاي بنزيني قرار بگيرند[3].1-2- تجربيات انجام شده در زمينه موتور گازسوز
فعاليت هاي انجام شده را مي‌توان به دو دسته کلي مدل سازي موتورها و انطباق تقسيم بندي نمود. تا به امروز، بيشتر تلاشها به مدل سازي موتورهاي احتراق داخلي محدود بوده است. از اينرو در ابتدا به تاريخچه مدل سازي موتور مي پردازيم.
نخستين قدم جدي در اين راه توسط بنسون و آناند برداشته شد[4]. اين دو دانشمند مدل شبيه سازي تحليلي موتور را پايه گذاري کردند. در اين مدل هر فرآيند به چند مدل ساده رياضي تبديل مي شد که براي هر يک از اين مدل ها فرم هاي خاصي از معادلات بقا صادق بود. اين زير مجموعه ها در نهايت به يکديگر مرتبط مي شدند. اين مدل سازي عليرغم محدوديت زياد به علت سادگي و دقت مناسب هنوز از روش هاي متداول و معتبر به حساب مي‌آيد.
چند سال بعد اين روش بهبود يافت. بنسون و بورا[5] با در نظر گرفتن مدل احتراق دو ناحيه اي با کمک روش عددي رانگ کوتا توانستند به نتايجي بسيار نزديک به اندازه گيري هاي تجربي دست يابند. امروزه اين روش به دليل سادگي و جامع بودن يکي از معتبرترين روش هاي تحليلي براي آناليز موتور به حساب مي‌آيد.
با افزايش بهاي بنزين و بحران جهاني سوخت در دهه 1970 مطالعات بنيادي روي سوخت هاي جايگزين از جمله گاز طبيعي رونق يافت. اين روند بار ديگر در دهه 1990 و به منظور غلبه بر مشکل آلودگي محيط زيست احيا گرديد. براي شناخت بيشتر و بهتر خواص موتورهاي گاز طبيعي ويکس وموسکوا[6] به روش تجربي و با کمک يک دستگاه اندازه گيري فشار غيرخطي، نرخ گذراي هواي عبوري از موتور را در حالات مختلف کاري اندازه گيري کردند.
ويزينسکي و واگنر[7] از دانشگاه بيرمنگام تحقيقات مفصلي بر روي نوع خاصي از سيستم EGR انجام دادند. با استفاده از گازهاي خروجي از موتور که سرشار از هيدروژن مي‌باشد، توانستند راندمان احتراق را به نحو قابل توجهي افزايش دهند.
در کنار اين تحليل ها تلاش هاي زيادي براي تعيين استانداردها و دسته بندي مزايا و معايب اين موتورها به عمل آمد. از آن جمله وگزين و گوروويچ [8] مزايا و معايب گاز طبيعي مايع شده را براي اتوبوسها و کاميونها بررسي نمودند.
همزمان با تحقيقات انجام شده در زمينه هاي احتراق داخلي و انتقال حرارت، سيستم هاي کنترلي مورد استفاده نيز تحت بررسي قرار گرفتند تا با بهينه سازي آن ها آلودگي محيط کاهش و راندمان موتورها افزايش يابد. از جمله اين فعاليتها و تحقيقات مي‌توان به تلاش مالم و کيست [9] اشاره کرد. آنها با اندازه گيري بار و دور موتور در محدوده وسيع دما و ترکيب آن ها با اندازه گيري ديناميکي فشار و ارتعاش سيلندر سيستم هاي کنترلي را تحت بررسي قراردادند.
در همين زمان تحقيقات مفصلي نيز بر روي انطباق موتور و توربوشارژر انجام شد. پنج دانشمند ژاپني به نامهاي فوکوزاوا، شيمادو، کاکوهوما، اندو و تاناکا تغييرات راندمان حرارتي موتور گازسوز شش سيلندر را نسبت به پارامترهاي نسبت تراکم، شکل محفظه احتراق، اثر سوپاپها و خود توربوشارژر مورد برسي قراردادند[10].
در لابراتوار ملي ماشين هاي گازي NGML يک سري آزمايش توسط چپمن از دانشگاه کانزاس براي تطابق توربوشارژر و موتور گاز طبيعي دو زمانه صورت گرفت[11] تا اثر اين تطابق روي راندمان اين مجموعه و ميزان توليد NOx مورد بررسي قرارگيرد.
پلکمنس، دوکوکلير، و لنارس اتوبوسها و کاميونهاي با سوخت ديزل را با گاز طبيعي از لحاظ ميزان سوخت توان و ميزان ايجاد آلاينده ها مورد مقايسه قرار دادند[12].
همچنين با استفاده از مدلسازي يكبعدي بسياري از مهندسان فعاليت هايي در زمينة بهينه سازي عملكرد موتور انجام داده اند كه از آن جمله مي‌توان به انتخاب توربوشارژر متناسب با يك موتور مشخص اشاره نمود.[13]
در کشور ما در سال هاي اخير چند پروژه تحقيقاتي نيز به ثبت رسيده است که در آنها با مدلسازي يک موتور تغذيه طبيعي، رفتار کاري موتور توربوشارژري را پيش بيني مي‌نمايد[14].
1-3- اقدامات انجام شده براي نصب توربوشارژر
اقدامات فراواني براي نصب توربوشارژر بر روي خودروها و بهينه سازي آن صورت گرفته است. در يک تحقيق تاثير تغييرات زمان بندي سوپاپ ها بر روي قدرت و کاهش مصرف سوخت موتورهاي توربوشارژري بررسي شده است[15]. در اين مقاله بيان شده است که براي کاهش مصرف سوخت احتياج به افزايش نسبت تراکم مي‌باشد و براي جلوگيري از توليد کوبش، بازخوراند گاز اگزوز در حالت بار کامل راهکار مناسبي است. در عين حال بيان مي‌دارد چهار سوپاپه بودن اين موتور قدرت آن را تا 20% افزايش مي‌دهد.
در تحقيق ديگر موتور 6 سيلندر جگوار با حجم 4 ليتر به سوپرشارژر و خنک کن هوا مجهز گرديده است[16]. هدف اصلي اين پروژه افزايش گشتاور اين موتور در دورهاي پائين و کاهش آلايندگي بوده است. پس از انجام تمامي تغييرات و نصب سوپرشارژر اين نتيجه حاصل شد که در حالت دريچه کاملا باز خروجي موتور بسيار مطلوب است و از قدرت خروجي موتور 12 سيلندر جگوار پيشي مي‌گيرد و افزايش قدرتي بين 35 تا 50% با موتور 6 سيلندر اوليه حاصل مي‌شود. در نهايت جگوار توانسته است با انتخاب مناسب سوپرشارژر ميزان قدرت موتور چهار ليتري خود را به موتور 6 ليتري تنفس طبيعي برساند، در حاليکه مصرف سوخت آن در حد موتور چهار ليتري تنفس طبيعي مي‌باشد.
طي يک تحقيق توسط اسپيندلر، اقدام به نصب توربوشارژر بر روي يک موتور بنزيني(با حداکثر قدرت 70 کيلو وات) با هدف افزايش قدرت، کاهش مصرف ويژه سوخت و کاهش آلودگي، شده است[17]. بعد از آزمايش تعداد زيادي توربوشارژر با سطح مقطع هاي مختلف، اين نتيجه حاصل شد که هر چه سطح مقطع کوچک تر باشد، ميزان گشتاور در سرعت هاي پائينتر افزايش مي‌يابد ولي ميزان فشار خروجي موتور در سرعت هاي بالاتر زياد خواهد بود. لذا لازم است شرايط بهينه اي بين اين دو مسئله انتخاب گردد. آزمايشها نشان داده است استفاده از توربين هايي با دو ورودي حائز ارجحيت مي‌باشد[17]. در نهايت روش بهينه اي که انتخاب گرديده است روش ضرباني به همراه توربيني با دو ورودي مي‌باشد. نتيجه اين تغييرات افزايش قدرت موتور تا 120 اسب بخار با منحني گشتاوري مشابه موتور تنفس طبيعي با همان قدرت با مزيت کوچکي ابعاد و کمي وزن (150 کيلوگرم در مقابل 185 کيلوگرم) و نيز کم بودن آلاينده هاي گاز اگزوز مي‌باشد.
در تحقيق ديگر موتورهاي هينو که بر روي کاميون ها کاربرد دارد با هدف بهينه سازي مصرف سوخت و کاهش آلودگي ها بخصوص اکسيدهاي نيتروژن به توربوشارژر مجهز گرديده است[18]. در نتيجه بهبود مصرف سوخت، افزايش گشتاور در سرعت هاي بالا و ثابت ماندن ميزان توليد NOx حاصل شده است. به عنوان يک نتيجه گيري در اين مقاله ذکر شده است که در انتخاب توربوشارژر اگر هدف افزايش شتاب اوليه و قدرت در سرعت پائين باشد، استفاده از يک توربوشارژر با اندازه کوچک و دريچه فرار مناسب مي‌باشد. در صورتيکه هدف کاهش مصرف سوخت در سرعت هاي بالاي موتور باشد، استفاده از يک توربوشارژر با اندازه بزرگ توصيه مي‌گردد.
فيليپي در سال 1994 انطباق توربوشارژر با موتور را به صورت ميانيابي در نقشه عملکرد توربوشارژر انجام داد9]1 .[در اين تحقيق سه مدل براي سطح سوپاپ در نظر گرفته شد و سعي شده است تا براي به دست آوردن راندمان بيشتر، بهترين مدل سوپاپ به دست آيد. در اين تحقيق از فناوري سطح متغير سوپاپ و از مدل صفر بعدي (مدل ترموديناميكي) براي موتور استفاده شد. براي احتراق مدل شعله دو ناحيه‌اي در نظر گرفته شد كه بدين ترتيب شكل محفظه احتراق در محاسبات تأثير خواهد داشت.
واتسون در بررسي انطباق موتور به توربوشارژر به انطباق موتور ليلاند با چند توربوشارژر متفاوت پرداخت[20]، او عمليات انطباق را توافقي بين گشتاور، توان خروجي موتور، محدوده سرعت موتور، محدوديت دما ، فشار و آلودگي موتور دانست. وي استفاده از توربوشارژرهاي هندسه متغير را بهترين راه توربوشارژرينگ دانست اما در عين حال اين نوع توربوشارژرها را از نظر قيمت و قابليت اطمينان مناسب نمي‌دانست.
اينوال و يوهانسون در سال 1997 روي موتور گاز طبيعي سوز توربورشارژر شده Volvo TD 102 شش نوع پيستون مختلف با محفظه احتراق متفاوت را آزمايش كردند و سرعت متوسط و توربولانس را با سرعت‌سنج ليزري اندازه‌گيري نمودند[21]. آنها علاوه بر موارد فوق، انتقال حرارت، فشار، بازده و آلودگي را اندازه‌گيري كردند. بيشترين توربولانس در محفظه كوارتت در نزديكي نقطه مرگ بالا مشاهده شد. اندازه‌گيري فشار و انتقال حرارت نيز نشان مي‌دهد كه اين محفظه احتراق سريعي دارد. در عين حال، اين محفظه احتراق بيشترين محدوده لاندا را بين كوبش و عدم اشتعال دارد. همچنين كمترين ميزان NOx و HCرا دارا مي‌باشد و بهترين حالت پايداري احتراق را دارا مي‌باشد. دو محفظه احتراق توربين و نبولا نسبت به حالت قبل احتراق نامناسب‌تري دارند. محفظه‌هاي احتراق ديگر شرايط بدتري را نشان مي‌دهد.
گوارني و سندال[22] در سال 2002 موتور احتراق جرقه‌اي را به صورت يك بعدي مدل کردند و نتايج آن را با نتايج تجربي مقايسه كردند و مدل خود را براي پيش‌بيني راندمان منيفولد و طراحي آن و زمان‌بندي سوپاپ‌ها بسيار كاربردي دانستند و دقت مدل خود را با بررسي تجربي روي موتور نشان دادند.
1-4- معرفي پروژه حاضر
در بخش اول اين پروژه تاريخچه ابداع و اقدامات انجام شده براي نصب توربوشارژر مرور مي‌شود. در بخش دوم هدف استفاده از توربوشارژينگ و روش هاي آن توضيح داده مي‌شود. بخش سوم تغييرات موتور براي تجهيز به توربوشارژر، مشکلات توربوشارژينگ و روش هاي کاهش آن را بيان مي‌کند. در بخش چهارم به معادلات حاکم بر توربوشارژر، انتخاب و انطباق توربوشارژر مناسب پرداخته مي‌شود. بخش پنجم معادلات و روش مدلسازي موتور و توربوشارژر در نرم افزار GT POWER توضيح داده مي‌شود. بخش هفتم مدلسازي موتورEF7 توربوشارژ شده گاز سوز ارائه مي‌شود، سپس براي اطمينان از صحت عملکرد اين مدل نتايج بدست آمده از مدلسازي در حالت تمام بار و بار جزيي در زماني که ميزان فشردگي دريچه گاز 25 درصد است، روش کاليبراسيون و مقايسه نتايج آن با نتايج تست هاي تجربي آورده مي‌شود. در بخش هشتم آناليز حساسيت موتور توربوشارژ شده براي بسياري از پارامترهاي عملکردي موتور و توربوشارژر و دما و فشار اکثر نقاط نسبت به شرايط هواي ورودي، تايمينگ سوپاپ ها، زمان جرقه، نسبت تراکم و تغيير هندسه سيستم مکش و تخليه انجام مي‌شود. در بخش نهم سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده به منظور افزايش فشار تقويتي در دورهاي پائين موتور که توربوشارژ قادر به تامين آن به دليل سرعت پائين خود، نمي‌باشد توضيح داده مي‌شود و به دنبال آن نتايج سوپرتوربوشارژ کردن موتور EF7 گازسوز نشان داده مي‌شود. در آخر نتايج به دست آمده از انجام پايان نامه بيان شده است.

فصل دوم
توربوشارژ كردن موتورهاي احتراق داخلي
2-1- هدف توربوشارژينگ
بطور كلي توربوشارژرها را به دو منظور عمده در موتورهاي احتراق داخلي مورد استفاده قرار مي دهند.
استفاده از توربوشارژر به جهت بالا بردن توان و عملكرد بهتر موتور، دراين حالت مي‌توان با افزايش فشار و چگالي هواي ورودي و اضافه كردن مقدار پاشش سوخت توان يك موتور را تا دو برابر افزايش داد. بنابراين با طراحي مناسب قطعاتي مانند پيستونها، شاتونها، ياتاقانها و ساير اجزا موتور براي شرايط توربوشارژرينگ مي‌توان مقدار قدرت به وزن موتور را بالا برد و بجاي استفاده از موتورهايي با حجم بالا و قدرت بالا، موتورهاي كم حجم تر و مجهز به توربوشارژر با راندمان و قدرت بالا استفاده نمود.
استفاده از توربوشارژر جهت كاهش آلايندگي موتور، هرگاه با ثابت نگه داشتن مقدار سوخت وارد شده به موتور مقدار هواي ورودي را افزايش دهيم مي‌توانيم مقدار آلايندگي موتور را كاهش دهيم اين روش عمدتًا در موتورهاي ديزلي كه مخلوط شدن سوخت و هوا بسيار مهم و كيفيت احتراق بسته به اين موضوع مي‌باشد بسيار حائز اهميت مي‌باشد. واردكردن هواي فشرده با ثابت نگه داشتن سوخت باعث بهبود احتراق و كاهش آلايندگي بدليل بالا رفتن ميزان نسبت هوا به سوخت در موتور مي‌گردد.
در بعضي موارد هر دو روش را در يك موتور انجام مي‌دهند يعني با بالا بردن نسبتًا زياد فشار هواي ورودي و افزايش كم سوخت نسبت به موتور معمولي مي‌توان هم توان يك موتور را بالا برد هم مقدار آلايندگي موتور را كاهش داد .[23]
2-2- روشهاي پرخوراني
دو روش كلي براي پرخوراني در موتورهاي احتراق داخلي وجود دارد:
پرخوراني توسط سوپرشارژها
سوپرشارژها پرخورانهايي مي‌باشند كه تنها از يك كمپرسور تشكيل شده اند. اين كمپرسور توسط تسمه يا چرخ دنده از ميل لنگ موتور نيرو گرفته و باعث افزايش فشار هواي ورودي به موتور مي‌گردد. از مزاياي سوپرشارژها، مي‌توان به عكس العمل سريع پرخوران در دورهاي پائين موتور اشاره نمود كه بدليل متصل بودن سوپرشارژها توسط تسمه يا چرخ دنده به ميل لنگ موتور، اين امكان فراهم مي‌گردد. بنابراين با افزايش سريع دور موتور، پرخوران به سرعت فعال مي‌گردد. از معايب سوپرشارژها توان گرفته شده از ميل لنگ موتور است كه در حدود ۳۰ درصد از توان افزايش يافته توسط سوپرشارژر است كه مي‌بايست صرف خود سوپرشارژر گردد. در شکل (2-1) يک نمونه سوپرشارژ نشان داده شده است.

شکل(2-1) يک نمونه سوپرشارژر
پرخوراني توسط توربوشارژرها
توربوشارژرها، پرخورانهايي هستند كه از يك توربين و يك كمپرسور با شافت مشترك تشكيل شده اند. در اين پرخورانها قسمت ورودي توربين به فلانچ خروجي چند راهه دود متصل مي‌گردد و قسمت خروجي توربين به مسير اگزوز متصل مي‌شود. در هنگام خروج محصولات احتراق از چندراهه خروجي، گازهاي گرم با سرعت بالا به پره هاي توربين نيرو وارد مي‌نمايد و باعث چرخش آن مي‌شود و پس از انتقال انرژي خود به پره ها از توربين خارج مي گردد. شفت متصل به اين چرخ توربين از سمت ديگر به چرخ پره كمپرسور متصل مي‌باشد كه با چرخش و سرعت بالاي خود سيال ورودي(هوا) را از ورودي كمپرسور كه به مسير صافي هوا متصل مي‌باشد به داخل كمپرسور شعاعي يا گريز از مركز کشيده و با عبور از صدا خفه كن وارد چرخ‌گردان كمپرسور مي‌شود و پس از انتقال انرژي از پره‌هاي چرخ‌گردان به اين هوا، موجب شتاب گرفتن و به تبع افزايش سرعت آن مي‌شود، سپس به درون ديفيوزر هدايت مي‌شود. در درون ديفيوزر انرژي جنبشي هوا به انرژي فشاري تبديل شده و با فشار زياد وارد خروجي كمپرسور كه به مسير چند راهه ورودي متصل مي‌باشد مي‌گردد. از طرفي ديگر بالا رفتن فشار هوا منجر به گرم شدن آن مي‌گردد. افزايش دما در شروع تراكم موجب مشكلات خود اشتعالي و كوبش در قسمت انتهاي مرحله تراكم و يا در طي احتراق مي‌گردد. به اين دليل كمپرسورها مي‌توانند به يك پس‌خنك‌كن مجهز گردند تا دماي هواي متراكم شده ورودي را كاهش دهند. پس‌خنك‌كن، مبدل هاي گرما هستند كه اغلب از هواي بيرون به عنوان سيال خنك كننده استفاده مي‌كنند. همچنين بسياري از توربوشارژرها داراي يك ميان‌بر هستند كه در صورت عدم نياز به افزايش فشار هواي ورودي، گازهاي خروجي مي‌توانند توربوشارژر را دور بزنند. توربين‌هاي پيشرفته امروزي داراي هندسه تغيير سطح مقطع ورودي از طريق پره هاي راهنماي ورودي توربين مي‌باشند، به طوريکه با نقاط عملياتي مختلف موتور، حداكثر بازده حاصل گردد. براي مثال هنگامي كه موتور با سرعت پائين در حال فعاليت است، جريان سطح مقطع با بسته شدن اين پره‌هاي راهنما كاهش مي‌يابد. توربوشارژرها ممكن است به يك تانك روغن اضطراري نيز مجهز باشند كه اگر سيستم روغن‌كاري اصلي موتور از كار افتاد، اين سيستم رزرو بتواند روغن‌كاري روتورهاي دوار در ميان دو ياتاقان صفحه‌اي شعاعي را انجام دهد. توربوشارژرها را وسيعتر ازسوپرشارژرها مورد استفاده قرار مي‌دهند. توربوشارژرها بخشي از انرژي جنبشي گازهاي خروجي اگزوز را كه در موتورهاي معمولي تلف مي‌گردد را به كار تبديل كرده و به موتور باز مي گرداند، همچنين بالا بودن فشار هواي ورودي و مخلوط شدن بهتر سوخت و هوا باعث بهتر شدن كيفيت احتراق مي‌گردد. بنابراين راندمان حرارتي در موتورهاي توربوشارژ شده نسبت به موتورهاي معمولي بالاتر مي‌باشد. در شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر نشان داده شده است.

شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتيک
2-3- مقايسه موتورهاي توربوشارژ شده و تنفس طبيعي
يكي از اهدافي كه در استفاده از توربوشارژر مطرح است، جايگزين كردن يك موتور تنفس طبيعي با يك موتور توربوشارژ شده كوچكتر كه مصرف سوخت آن كمتر است مي‌باشد. در اين جايگزيني نبايد تغييرات منفي در مشخصات رفتاري موتور نظير قدرت، گشتاور و آلاينده‌ها بوجود آيد. همچنين با توجه به اينكه موتور توربوشارژ شده گرانتر از موتور تنفس طبيعي است بايد كاهش مصرف سوخت موتور توربوشارژ شده اين اختلاف قيمت را جبران ‌نمايد. جدول(2-1) به مقايسه موتور توربوشارژ شده و تنفس طبيعي در حالتي كه حداكثر گشتاور و قدرت يكساني دارد مي‌پردازد.
جدول(2-1) مقايسه يك موتور توربوشارژري و تنفس طبيعي با گشتاور و توان حداكثر برابر
مزايا معايب
كاهش تلفات سوخت کاهش نسبت تراكم
كاهش افت اصطكاكي عمل بد دريچه كنترل سوخت در حالت گذرا
كاهش افت پمپاژ در دورهاي پائين افزايش تنشهاي حرارتي
كاهش آلودگيهاي HC,CO افزايش آلودگيهاي ناشي از NOx *
كاهش وزن موتور ( افزايش توان ويژه) نياز به روانكاري پيشرفته‌
كاهش اثرات تغيير شرايط محيط بر موتور افزايش هزينه توليد
كاهش ابعاد موتور نياز به خنك كن مياني
افزايش بازده گشتاور نامناسب در دور پائين **
* با اضافه نمودن خنك كن مياني NOX از حالت تنفس طبيعي هم كمتر مي‌گردد.
** با توربوشارژر هندسه متغير اين اشكال رفع مي‌شود.
2-5- انواع سيستمهاي توربوشارژري
براساس نحوه ورود گازهاي اگزوز به توربين توربوشارژر و ثبات يا نوسان جريان ورودي به توربين از دو نوع سيستم مختلف توربوشارژ كردن استفاده مي‌شود.
2-5-1- توربوشارژر فشار ثابت
يك موتور رفت و برگشتي ذاتاً يك وسيله با جريان غيردائم است. گازهاي خروجي از سيلندر يك جريان غير‌دائمي را به وجود مي‌آورد. از طرفي، توربو ماشينها براي جريان دائمي طراحي و ساخته مي‌شوند. البته توربينها مي‌توانند تحت شرايط غير دائم كار كنند ولي بازده شان در مقايسه با شرايط دائم بطور قابل ملاحظه‌اي كاهش خواهد يافت. بنابراين تركيب موتور و توربين عمل مشكلي خواهد بود. بوچي (مبتكر سوئيسي توربوشارژر) از يك محفظه با حجم مناسب براي كنترل و ثابت كردن جريان گاز غيردائمي خروجي از سيلندر استفاده كرد. بنابراين بدين گونه جريان ورودي به توربين يكنواخت و فشار ثابت گرديد. حجم منيفولد دود يا حجم مخزن، وابسته به فركانس ضربان گازهاي خروجي است كه به تناوب از هر سيلندر خارج مي‌شود. شدت ضربان گازهاي خروجي تابعي از بار موتور، زمانبندي سوپاپ دود، سطح ورودي توربين و حجم منيفولد است. معمولا نسبت حجم منيفولد دود به حجم موتور براي تبديل نوسانات به فشار ثابت بزرگتر از يك مي‌باشد. اين نسبت براي موتورهاي با تعداد سيلندر بيشتر، در مقايسه با موتورها با تعداد سيلندر كمتر، كوچكتر است. قاعده خاصي را نمي‌توان براي اين امر بيان نمود ولي بازة آن ما بين 4/1 تا 6 در تغيير است. يكي از مشكلات ايجاد فشار ثابت در ورودي توربين اين است كه در صورت تغيير ناگهاني بار يا دور موتور، فشار در مخزن بصورت آرام تغيير كرده و بنابراين انرژي گازهاي ورودي به توربين بتدريج زياد مي‌شود كه اين امر باعث ايجاد تأخير در پاسخ موتور است. بنابراين اگر تغيير سريع دور يا بار موتور مورد نظر باشد، سيستم فشار ثابت مناسب نخواهد بود. شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور را نشان مي‌دهد.

شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
حجم بزرگ چندراهه ورودي ما را از ثابت ماندن فشار در ورودي توربوشارژ مطمئن مي سازد .براي دستيابي به نسبت فشارهاي بالاتر از يک، توربوشارژ بايد داراي راندمان بالاي 45 درصد باشد،پس با داشتن يک توربوشارژر با راندمان بالاي 45 درصد فشار ورودي از فشار خروجي بيشتر مي‌شود. بنابراين هنگامي که سوپاپ هاي ورودي و خروجي با هم باز باشند(قيچي سوپاپ ها در زمان تخليه) مقداري هواي تازه وارد سيلندر مي‌شود که باعث تخليه کامل گازهاي سوخته از داخل سيلندر خواهد شد.
2-5-2- توربوشارژينگ با سيستم ضرباني
نقطه ضعف سيستم فشار ثابت اين است كه بطور كامل از انرژي جنبشي گازهائي خروجي استفاده نمي‌كند. زماني كه گاز با فشار زياد از سطح نيمه باز سوپاپ تخليه عبور مي‌كند سرعتش به طور محسوس افزايش مي‌يابد ولي اين گازهاي سرعت بالا بطور ناگهاني وارد محفظه تخليه با حجم وسيع مي‌شود و با گاز سرعت پائين برخورد مي‌کند و بدليل پديده مخلوط شدن اتلافات اصطكاكي بوجود مي‌آيد و تمام انرژي جنبشي گاز به انرژي فشاري تبديل نمي‌شود و بخشي از آن به هدر مي‌رود. با استفاده از توربوشارژينگ ضرباني مي‌توان بخش عمده اي از انرژي گازهاي خروجي را به توربين منتقل نمود. براي رسيدن به اين منظور بهتر است تلفات ناشي از خفانش جريان در هنگام عبور از سوپاپ خروجي را كاهش داد. بنابراين هر چقدر سوپاپ دود سريعتر باز شود، اين تلفات کمتر مي‌شود. تلفات ناشي از خفانش وقتي اتفاق مي‌افتد كه مدت زمان اندكي از باز شدن سوپاپ دود گذشته و سطح جريان گذرنده از اطراف سوپاپ بسيار كم است. در اين حالت سرعت سيال به سرعت صوت مي‌رسد و هنگامي كه سيال به پورت خروجي مي‌رسد ناگهان بدليل افزايش سطح مقطع منبسط مي‌شود كه اين امر باعث تلفات خفانشي مي‌گردد. بنابراين هر چه سوپاپ خروجي سريعتر باز شود و همچنين هرچه نسبت سطح گلوگاه سوپاپ به سطح پورت خروجي به مقدار ۱ ميل كند تلفات خفانشي كمتر مي‌شود.
از مزيت هاي پرخوراني ضرباني اين است كه مي‌توان با طراحي مناسب، فشار را در پائين دست سوپاپ خروجي به نحو مطلوبي كمتر از فشار سيلندر و فشار منيفولد ورودي(در لحظه اي كه سوپاپ ورودي و خروجي هر دو باز است) رساند. اما در پرخوراني با فشار ثابت فشار در مخزن و رانرهاي خروجي برابر است. بنابراين نمي‌توان فشار را در پائين دست سوپاپ خروجي كاهش داد. در طراحي منيفولد خروجي يك موتور پرخوراني شده طول رانرهاي خروجي را بايد نسبتًا طولاني در نظر گرفت تا امواج فشاري منعكس شده از توربين به سوپاپ خروجي در حاليكه باز مي‌باشد نرسد. ولي معمولا طول رانرهاي خروجي را كوتاه تر در نظر مي‌گيرند تا انرژي گازهاي خروجي از سيلندر كاهش نيابد در عوض همان طور که بيان شد زمان باز ماندن سوپاپ خروجي را كاهش مي‌دهند تا امواج فشاري منعكس شده به داخل سيلندر راه نيابند[24]. همچنين انتخاب منيفولد خروجي كوچك باعث خواهد شد كه فشار در منيفولد خروجي در لحظه اي كه سوپاپ دود باز مي‌شود سريعتر افزايش يابد و در نتيجه سرعت پاسخ نيز بيشتر شود.
يكي از بزرگترين مزاياي پرخوراني ضرباني نسبت به پرخوراني فشار ثابت اين است كه مي‌توان انرژي بيشتري از گازهاي خروجي را كه قابليت تبديل شدن به كار مفيد را دارند در اختيار توربين قرار داد. اما نكته اي كه بايد به آن توجه كرد اين است كه ناپايا بودن جريان باعث مي‌شود كه توربين در ناحيه اي با بازده پائين كار كند. زيرا در پورخوراني ضرباني وقتي كه فشار گازهاي خروجي بالا مي‌رود، اين امر باعث شتاب گرفتن پره هاي توربين مي‌شود و وقتي كه فشار پائين مي‌آيد حركت پره هاي توربين نيز كند مي‌شود. بنابراين مقداري از انرژي هميشه صرف شتاب دهي به پره هاي توربين مي‌شود و اين امر باعث كاهش كارايي توربين مي‌گردد[24].
اگر در اين سيستم از توربين با کارايي بالا استفاده نشود تمام انرژي هايي که از سيستم فشار ثابت، بيشتر جذب مي‌شود از بين مي‌رود و اين سيستم ديگر مزيتي نسبت به سيستم فشار ثابت ندارد چون راندمان توربين مستقيما بر راندمان موتور تاثير مي‌گذارد[17]. براي بالا بردن راندمان توربين بايد فواصل بين گازرساني به توربين را کاهش داد و در ضمن از قيچي سوپاپ ها استفاده کنيم، با اين حال راندمان توربين از حالتي که جريان پايا داريم کمتر است. اگر دو سيلندر به ورودي توربين متصل باشد، بازدهي توربين به دليل فاصله هوايي ايجاد شده، کاهش مي‌يابد. به همين دليل سيستم ضربه اي هنگامي مناسب مي‌باشد که تعداد سيلندرهاي ورودي به توربين حداقل سه عدد باشند.
2-6- سيستم‌هاي تك توربوشارژري
رفتار يك سيستم تك توربوشارژري همگام با پيشرفت توربوشارژرها بهبود مي‌يابد که اين توسعه براي كامل شدن نيازمند زمان است. توربين هاي در دسترس با يا بدون دريچه فرار، بازده كافي براي تأمين توان مورد نياز كمپرسور جهت توليد فشار كافي در سرعت‌هاي پائين و در حالت گذرا را ندارند. علاوه براين، تغييرات دبي در يك كمپرسور جريان شعاعي يك پارامتر محدودكننده ديگر است[25]. محدوده جريان با افزايش نسبت فشار كاهش مي‌يابد، اگر توان كافي براي رساندن كمپرسور به حالت خفگي يا سرج در جريان موجود باشد، اين موضوع مي‌تواند مشكل ايجاد کند. همچنين در نسبت فشارهاي بالاتر دستيابي به محدوده قابل استفاده بسيار سخت تر مي‌شود.
در سال 1990، محققان پورشه طي يک بررسي موتور مدل 944 چهار سيلندر پورشه را با چهار سيستم مختلف توربو را مورد آزمايش قرار دادند. آنها سيستم استاندارد را كه حجم منيفولد زيادي داشت به يك سيستم كوچكتر شده تغيير دادند و به اين منيفولد كوچك شده يك توربوشارژر تك ورودي با دريچه فرار، يك توربوشارژر با ورودي دوگانه (ولي با يك دريچه فرار) و يك توربوشارژر با هندسه متغير(VTG) متصل كردند و براي به دست آوردن رفتار حالت گذرا آزمايشاتي انجام دادند. شبيه‌سازي وسيله نقليه را روي دنده دوم و با 2000rpm و فشار متوسط مؤثر ترمزي bar2 آغاز كردند و حالت گذرا را با تغيير دور تا فشار متوسط مؤثر ترمزي bar15 مورد بررسي قرار دادند[33].
با توربورشارژرVTG عكس‌العمل توربوشارژر حدود60% بهبودي داشت براي ورودي دوگانه 24% و براي حالت تک ورودي با كاهش اندازه منيفولد اين بهبودي حدود 22% بود. بهبود زياد در حالت هندسه متغير، نه فقط به خاطر تغييرات رفتار جريان در توربين بلكه به خاطر كاهش شصت درصدي در اينرسي روتور بود. قابليت تغيير هندسه در اين توربوشارژر اجازه انتخاب پره توربيني که 18% كوچكتر باشد، را مي‌دهد. در نهايت آنها به اين نتيجه رسيدند كه بازده كلي يك توربوشارژر با ممان اينرسي روتور آن متناسب است. در اين زمينه مقالات متعددي به چاپ رسيده است. مؤثرترين تكنولوژي موجود (VGT) است که به خاطر دماي بالاي موتورهاي احتراق جرقه‌اي نيازمند طراحي پيشرفته است[25]. تكنولوژي ديگر كه در آن عرض نازل توربين تغيير مي‌كند (VNT) است[26].
ويلاند تحقيقاتي را براي كاهش زمان عكس‌العمل توربورشارژر انجام داد. با استفاده از پره توربين از جنس SiN (نيتريد سيليسم) اينرسي (فقط اينرسي پره توربين) 64% كاهش داشت و با جنسTiAl اين كاهش به 50% نسبت به حالت استاندارد رسيد[27]. راه‌حل ديگر براي بهبود عكس‌العمل توربوشارژر كاهش اصطكاك در ياتاقان‌هاست. ويلاند نشان داد كه در سرعت‌هاي پائين تواني كه صرف مقابله با اصطكاك مي‌شود يك سوم كل توان توربين است. با تغيير در بلبرينگ، توان لازم براي مقابله با اصطكاك به 50% كاهش مي‌يابد. در شرايطي كه توان توربين در سرعت‌هاي پائين و به تبع آن در دبي جرمي پائين، بالا مي‌رود كمپرسور مي‌تواند به حالت سرج برسد. براي جلوگيري از سرج، كمپرسور بايد محدوده وسيع‌تري را تحت پوشش قرار دهد[28].
2-7- سيستم‌هاي ترتيبي
نوع ديگر مورد استفاده در توربوشارژرهاي با هندسه متغير استفاده از سيستم‌هاي ترتيبي است. به اين صورت كه به جاي تغيير در هندسه يك توربوشارژر تعداد توربوشارژرها افزايش يابد. دليل استفاده از اين سيستم ازدياد دامنه تغييرات جريان براي تأمين فشار مورد نياز است.
محققين ولوو آزمايش‌هايي در زمينه سيستم‌هاي ترتيبي در سال 1991 انجام دادند]39[. آنها روي موتور 6 سيلندر با فشار نهايي كمي كمتر از 2barتحقيقات خود را انجام دادند. آنها به اين نتيجه رسيدند كه اينرسي يك سيستم توربوشارژري موازي30% پائين‌تر از يك سيستم تك توربوشارژري با همان مشخصات نهايي است و به علت كمي اينرسي، عكس‌العمل بهتري نشان خواهد داد. آنها به اين نتيجه رسيدند كه سيستم ترتيبي سري مزاياي بيشتري از سيستم ترتيبي موازي دارد. دليل آن اين است كه رسيدن به حالت گذراي يكنواخت براي حالت موازي مشكل‌تر است. سيستم سري محدوده جريان را باريكتر مي‌سازد، زيرا جريان بايد از دو كمپرسور عبور كند بنابراين اجازه رسيدن به فشارهاي بالاتر را مي‌دهد. اين سيستم شامل يك توربوشارژر فشار پائين و يك توربوشارژر فشار بالا است كه توربين فشار پائين مي‌تواند با يك شير پروانه‌اي از مسير خارج شود. شير ديگر مي‌تواند كمپرسور را از حالت سري به موازي تبديل كند. كارخانه‌هاي پورشه و مزدا از اين سيستم‌هاي براي موتورهاي خود استفاده مي‌كنند. در اين سيستم از توربوشارژرهاي يكسان استفاده مي‌شود.
2-8- سيستم‌هاي دومرحله‌اي
معمولاً اين سيستم براي فشارهاي بالاي 2bar است. محققين كارخانه kkk سيستم دو مرحله‌اي را براي فشار مطلق 3bar براي موتور ديزل در نظر گرفتند. اين سيستم شامل دو توربوشارژر با سايزهاي متفاوت به همراه دريچه فرار در قسمت فشار بالا و نيز خنك‌كن مياني براي هر مرحله است. اين سيستم براي يك موتور 12 ليتري ديزلي استفاده شد. مقدار افزايش در قسمت فشار بالا و پائين نسبت به حالت استاندارد تك توربوشارژري 85% و 112% گرديد[30].
فصل سوم
تغييرات موتور براي تجهيز به توربوشارژر
3-1- استفاده از توربوشارژر براي موتور گازسوز
معمولا موتورهايي كه تبديل به گازسوز مي‌شوند از ابتدا براي سوخت بنزين و بدون استفاده از پرخوران طراحي شده اند لذا در هنگام استفاده از پرخوران براي اين موتورها مي‌بايست به اين نكته توجه نمود كه فشارهاي ديناميكي، ارتعاشات و نيروهاي وارده به قطعات موتور نبايد بيش از آنچه كه در موتور معمولي است باشد. بنابراين دراستفاده از پرخوران براي يك موتور گازسوز بايد سعي نمود تا با در نظر گرفتن محدوديت هاي تعيين شده براي موتور بنزيني بدون پرخوران نسبت به بهبود عملكرد آن اقدام گردد. اضافه كردن توان در اين موتورها مي‌بايست با بررسي بيشتر قطعات و مشخص نمودن حد دوام آن ها صورت پذيرد.
3-2- تغييرات موتور براي تجهيز به توربوشارژر
از آنجاييکه هدف از نصب توربوشارژر علاوه بر افزايش قدرت، افزايش بازده موتور و نيز احتمالا کاهش آلودگي مي‌باشد، بر روي قسمت هاي ديگر موتور نيز لازم است تغييراتي انجام گيرد. براي مثال سيستم پاشش سوخت بايد طوري تغيير کند که ميزان افزايش سوخت مورد نياز موتور را با توجه به جرم افزوده هوا تامين کند. همينطور در منيفولدها بايد تغييراتي داده شود تا هم امکان نصب توربوشارژر ميسر گردد و هم امکان حداکثر استفاده از انرژي ضربه اي موجود در منيفولد ميسر گردد. از سوي ديگر با توجه به ايجاد اختلاف فشار مثبت فشار بين منيفولد ورودي و خروجي احتياج به تغيير زمان بندي سوپاپ ها و همچنين ميزان همپوشاني سوپاپ ها مي‌باشد. علاوه بر اين تغيير زمانبندي سيستم جرقه احتمال دارد موجب بهبود عملکرد موتور گردد که تغييرات احتمالي آن از طريق انجام مدلسازي و نيز از طريق انجام آزمون قابل بررسي مي‌باشد.
مباحثي که در زمينه تغييرات لازم موتور ذکر گرديد مطالب مربوطه به تصحيح عملکرد موتور از لحاظ بازده و توان خروجي مي‌باشد. لازم به ذکر است که تغييراتي نيز در مورد سيستم هاي جانبي موتور لازم الاجرا هستند. از قبيل تغيير در سيستم هاي خنک کاري و روغن کاري. با توجه به افزوده شدن دما و فشار در موتور توربوشارژري ميزان حرارت تحويلي به بدنه موتور نيز افزايش مي‌يابد. اگر سيستم خنک کاري جوابگوي اين مازاد حرارت نباشد دماي سطح داخلي موتور افزايش مي‌يابد، که اين امر موجب اختلال در کيفيت روغن و کاهش گرانروي و عملکرد نامناسب آن مي‌گردد. لذا عملکرد سيستم خنک کاري بايد مورد بررسي قرار گيرد. در مورد سيستم روغن کاري نيز افزايش روغن مصرفي توربوشارژر براي روغن کاري ياتاقان ها موجب بازنگري بر روي سيستم روغنکاري مي‌گردد که در صورت کافي نبودن ظرفيت سيستم پمپاژ روغن موتور بايد تمهيداتي براي رفع اين نقيصه به کار گرفته شود.
نوع ديگر از ملاحظات در نصب توربوشارژر بر روي موتورهاي تنفس طبيعي تحليل مقاومت بدنه موتور در برابر تنش هاي مکانيکي و حرارتي القا شده در اثر افزايش فشار و دما توسط توربوشارژر مي‌باشد. بنابر ادعاي واتسون[24] اگر ميزان افزايش قدرت موتور تا حدود 50 درصد قدرت موتور تنفس طبيعي باشد موتور قابليت تحمل تنش هاي ناشي از نصب توربوشارژر را خواهد داشت، ولي اگر افزايش قدرت خروجي مورد نظر بيش از اين مقدار باشد، طراحي مجدد بعضي از قطعات موتور لازم مي‌باشد.
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژينگ
3-3-1- جلوگيري از توليد کوبش
در مرحله احتراق پس از جرقه زدن شمع شعلة اوليه تشکيل مي‌شود که به آن شعله جلويي گفته مي‌شود. اين شعله شروع به پيشروي در ميان مخلوط نسوخته مي‌کند و با گذشت زمان در مرحله احتراق حجم گازهاي نسوخته کمتر و کمتر مي‌شود و اين موجب مي‌گردد تا دماي مخلوط انتهايي افزايش يابد تا حدي که ممكن است مخلوط به دماي اشتعال برسد. يعني قبل از رسيدن شعله جلويي مخلوط يا گازهاي انتهايي خودبخود مشتعل مي‌شوند. اين اشتعال خودبخودي بسيار سريع و لحظه اي مي‌باشد و موجب ايجاد موج هاي فشاري در داخل محفظه احتراق مي‌شود. از اين پديده بنام پديده ناک يا کوبش تعبير مي‌شود. كوبش موجب خرابي در سر سيلندر و پيستون و نيز باعث کاهش بازده و افزايش آلاينده هايي نظير منوکسيد کربن مي‌شود.
3-3-1-1- روش هاي جلوگيري از توليد کوبش
کاهش نسبت تراکم. کاهش نسبت تراکم باعث کاهش فشار و دما در انتهاي مرحله تراکم مي‌شود و اين کاهش احتمال خود اشتعالي را کمتر مي‌کند. اکثر موتورهاي اشتعال جرقه اي توربوشارژ شده در مقايسه با موتورهاي تنفس طبيعي نسبت تراکم کمتري دارند. به عنوان مثال طبق شكل(3-1) براي يک موتور تنفس طبيعي با نسبت تراکم 9 اگر بخواهيم فشار تقويتي را 0.5 بار اضافه کنيم بايد براي جلوگيري از کوبش، نسبت تراکم را به 6.7 برسانيم[24].

شکل(3-1) رابطه بين نسبت تراکم و افزايش فشار ورودي موتور [24]

user8309

تقدیم به پدر و مادرم:
ماحصل آموخته هایم را تقدیم می کنم به آنان که مهر آسمانی شان، آرام بخش آلام زمینی ام است.
"به استوارترین تکیه گاهم،دستان پرمهر پدرم" " به سبز ترین نگاه زندگیم،چشمان پرعاطفه مادرم"
که هرچه آموختم در مکتب عشق شما آموختم و هرچه بکوشم قطره ای از دریای بی کران مهربانیتان را سپاس نتوانم بگویم. ره آوردی گران سنگتر از این ارزان نداشتم تا به خاک پایتان نثار کنم.
باشد که حاصل تلاشم نسیم گونه غبار خستگیتان را بزاید.
"امروز هستی ام به امید شماست و فردا کلید باغ بهشتم رضای شما"
بوسه بر دستان پرمهرتان
تقدیم به همسرم:
به پاس قدر دانی از قلبی آکنده از عشق و معرفت که محیطی سرشار از سلامت و امنیت و آرامش و آسایش برای من فراهم آورده است.

فهرست مطالب TOC h z t "B Lotus 16,2,B Lotus 18,1,B Lotus 14,3,B Lotus 12,4"
چکیده PAGEREF _Toc374928314 h ض‌فصل اول مقدمه و معرفی بازار برق ایران، مروری بر تحقیقات انجام شده PAGEREF _Toc374928317 h 11-1مقدمه PAGEREF _Toc374928318 h 21-2بازار برق دنیا و اصول پیشنهاد قیمت در بازار برق ایران PAGEREF _Toc374928319 h 51-3تشکیل بازار برق ایران و خصوصی سازی صنعت برق PAGEREF _Toc374928320 h 91-4ساختار جدید بازار برق و عمده فروشی PAGEREF _Toc374928321 h 101-5تغییر تفکر و نوع نگاه به برق PAGEREF _Toc374928322 h 111-6شکل گیری بازار برق در ایران PAGEREF _Toc374928323 h 121-7موانع شکل گیری و یا انحراف بازار رقابتی برق PAGEREF _Toc374928324 h 131-7-1ذينفع بودن بهره بردار مستقل سيستم و بازار از مبادلات PAGEREF _Toc374928325 h 131-7-2قدرت بازار PAGEREF _Toc374928326 h 131-7-3ذخيره توليد PAGEREF _Toc374928327 h 131-7-4نيروگاههاي خاص PAGEREF _Toc374928328 h 131-7-5تباني PAGEREF _Toc374928329 h 141-7-6دسترسي منصفانه به شبكه PAGEREF _Toc374928330 h 141-7-7تعرفه هاي استفاده از خدمات انتقال و توزيع PAGEREF _Toc374928331 h 141-7-8بازبيني مستمر بر عملكرد بازار PAGEREF _Toc374928332 h 14فصل دوم مدل سازی با استفاده از شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928334 h 151-2معرفی شبکه عصبی مصنوعی PAGEREF _Toc374928335 h 162-2سابقه تاریخی PAGEREF _Toc374928336 h 182-3ساختار شبکه های عصبی مصنوعی PAGEREF _Toc374928337 h 182-4مبانی محاسباتی شبکه های عصبی مصنوعی PAGEREF _Toc374928338 h 212-4-1لایه ورودی PAGEREF _Toc374928339 h 222-4-2لایه پنهانی PAGEREF _Toc374928340 h 222-4-3لایه خروجی PAGEREF _Toc374928341 h 222-4-4عناصر محاسباتی یک نرون PAGEREF _Toc374928342 h 242-4-5معرفی برخی از توابع انتقال خطی و غیرخطی قابل استفاده در شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928343 h 262-4-5-1تابع انتقال Hard limit PAGEREF _Toc374928344 h 262-4-5-2تابع انتقال خطی PAGEREF _Toc374928345 h 262-4-5-3تابع انتقال Log sigmoid PAGEREF _Toc374928346 h 272-4-5-4تابع انتقال Radial basis PAGEREF _Toc374928347 h 272-4-5-5تابع انتقال Tan sigmoid PAGEREF _Toc374928348 h 272-5نحوه عملکرد شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928349 h 282-6توابع آموزش PAGEREF _Toc374928350 h 29فصل سوم بهینه سازی مدل با استفاده از الگوریتم ژنتیک PAGEREF _Toc374928352 h 303-1مقدمه ای بر الگوریتم ژنتیک PAGEREF _Toc374928353 h 313-2نکات مهم در الگوریتم های ژنتیک PAGEREF _Toc374928354 h 313-3مفاهیم اولیه در الگوریتم ژنتیک PAGEREF _Toc374928355 h 32اصول پايه PAGEREF _Toc374928356 h 323-4کد کردن PAGEREF _Toc374928357 h 333-4-1انواع كدينگ PAGEREF _Toc374928358 h 343-4-2روش های کدینگ PAGEREF _Toc374928359 h 343-4-2-1كدينگ باينري PAGEREF _Toc374928360 h 343-4-2-2کدینگ جهشی PAGEREF _Toc374928361 h 343-4-2-3کدینگ ارزشی PAGEREF _Toc374928362 h 353-4-2-4کدینگ درختی PAGEREF _Toc374928363 h 353-4-3مسائل مربوط به کدینگ PAGEREF _Toc374928364 h 363-5کروموزوم PAGEREF _Toc374928365 h 383-6جمعیت PAGEREF _Toc374928366 h 383-7مقدار برازندگی PAGEREF _Toc374928367 h 393-8عملگر تقاطعی PAGEREF _Toc374928368 h 393-9عملگر جهشی PAGEREF _Toc374928369 h 413-10مراحل اجرای الگوریتم ژنتیک PAGEREF _Toc374928370 h 41فصل چهارم الگوریتم پیشنهادی به منظور تعیین استراتژی قیمت دهی برق PAGEREF _Toc374928372 h 464-1طرح پیشنهادی به منظور تعیین استراتژی قیمت دهی PAGEREF _Toc374928373 h 474-2متغیرهای ورودی PAGEREF _Toc374928374 h 504-3متغیرخروجی PAGEREF _Toc374928375 h 504-4بکارگیری الگوریتم ژنتیک جهت بدست آوردن معماری شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928376 h 504-4-1قیود اعمال شده به فضای جستجوی الگوریتم ژنتیک جهت معماری شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928377 h 514-4-2پارامترهای مهم تعیین شده در الگوریتم PAGEREF _Toc374928378 h 514-4-3نتایج بدست آمده از الگوریتم ژنتیک در معماری شبکه عصبی جعبه های تصمیم گیری PAGEREF _Toc374928379 h 524-4-4روش های اندازه گیری خطاهای نتایج خروجی PAGEREF _Toc374928380 h 544-4-5جداول خطاهای نتایج خروجی از الگوریتم PAGEREF _Toc374928381 h 554-4-6رگرسیون شبکه عصبی مربوط به جعبه های الگوریتم پیشنهادی PAGEREF _Toc374928382 h 574-5اعتبارسنجی نتایج در بازار واقعی برق ایران PAGEREF _Toc374928383 h 61نتایج خروجی نرم افزار در یک روز مشخص(قیمت بهینه پیش بینی شده) PAGEREF _Toc374928384 h 63فصل پنجم نتایج کلی و ارائه پیشنهادات PAGEREF _Toc374928386 h 665-1نتیجه گیری PAGEREF _Toc374928387 h 675-2پیشنهادات PAGEREF _Toc374928388 h 68مراجع PAGEREF _Toc374928389 h 69

فهرست اشکال TOC h z t "Lotus 10" c شکل 1-1: منحنی عرضه و تقاضا و نقطه تسویه بازار PAGEREF _Toc374928507 h 4شکل 2- 1: ساختمان سلول عصبی PAGEREF _Toc374928508 h 19شکل 2- 2: الگوی کلی از یک شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928509 h 21شکل 2- 3: شماتیک ارتباطات بین لایه ها و وزن های سیناپتیکی در شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928510 h 22شکل 2- 4: تناظر بین شبکه عصبی و شبکه عصبی مصنوعی PAGEREF _Toc374928511 h 23شکل 2- 5: نمای شماتیک یک نرون PAGEREF _Toc374928512 h 23شکل 2- 6: شبیه سازی یک نرون بیولوژیکی و مصنوعی PAGEREF _Toc374928513 h 24شکل 2- 7: برخی از توابع انتقال غیرخطی قابل استفاده در شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928514 h 25شکل 2- 8: تابع انتقال Hard limit PAGEREF _Toc374928515 h 26شکل 2- 9: تابع انتقال خطی PAGEREF _Toc374928516 h 26شکل 2- 10: تابع انتقال Log sigmoid PAGEREF _Toc374928517 h 27شکل 2- 11: تابع انتقال Radial basis PAGEREF _Toc374928518 h 27شکل 2- 12: تابع انتقال Tan sigmoid PAGEREF _Toc374928519 h 27شکل 2- 13: نمایش لایه ای از شبکه عصبی PAGEREF _Toc374928520 h 28شکل 2- 14: نمایش شبکه عصبی سه لایه ای PAGEREF _Toc374928521 h 28شکل 3- 1: کدینگ باینری PAGEREF _Toc374928523 h 34شکل 3- 2: کدینگ جهشی PAGEREF _Toc374928524 h 35شکل 3- 3: کدینگ ارزشی PAGEREF _Toc374928525 h 35شکل 3- 4: کدینگ درختی PAGEREF _Toc374928526 h 36شکل 3- 5: فضای کدینگ و فضای جواب PAGEREF _Toc374928527 h 36شکل 3- 6: رابطه بين كروموزوم ها و جواب ها PAGEREF _Toc374928528 h 37شکل 3- 7: انواع روابط بین کروموزوم ها و جواب ها PAGEREF _Toc374928529 h 38شکل 3- 8: نمایش یک کروموزوم n بیتی PAGEREF _Toc374928530 h 38شکل 3- 9: تقاطع در کرموزوم هایی که از شکل کد شده چهار متغیر به وجود آمده اند. PAGEREF _Toc374928531 h 40شکل 3- 10: مراحل اجرای الگوریتم ژنتیک PAGEREF _Toc374928532 h 42شکل 3- 11:چرخ رولت PAGEREF _Toc374928533 h 43شکل 4- 1: شماتیک پله های قیمت در بازار، میزان تقاضا، نقطه تسویه بازار در یک ساعت مشخص PAGEREF _Toc374928535 h 47شکل 4- 2: شماتیک طرح پیشنهادی و جعبه های تصمیم گیری تعبیه شده در الگوریتم حل مساله PAGEREF _Toc374928536 h 49شکل 4- 3: نتایج خروجی الگوریتم ژنتیک برای جعبه مربوط به داده های 1 سال گذشته PAGEREF _Toc374928538 h 52شکل 4- 4: نتایج خروجی الگوریتم ژنتیک برای جعبه مربوط به داده های 1 ماه گذشته PAGEREF _Toc374928539 h 52شکل 4- 5: نتایج خروجی الگوریتم ژنتیک برای جعبه مربوط به داده های 1 هفته گذشته PAGEREF _Toc374928540 h 53شکل 4- 6: نتایج خروجی الگوریتم ژنتیک برای جعبه مربوط به داده های بارهای مصرفی نزدیک به داده مورد نظر PAGEREF _Toc374928541 h 53شکل 4- 7: رگرسیون شبکه عصبی مربوط به جعبه داده های 1 سال گذشته PAGEREF _Toc374928546 h 57شکل 4- 8: رگرسیون شبکه عصبی مربوط به جعبه داده های 1 ماه گذشته PAGEREF _Toc374928547 h 58شکل 4- 9: رگرسیون شبکه عصبی مربوط به جعبه داده های 1 هفته گذشته PAGEREF _Toc374928548 h 59شکل 4- 10: رگرسیون شبکه عصبی مربوط به جعبه داده های بارهای مصرفی نزدیک به داده مورد نظر PAGEREF _Toc374928549 h 60شکل 4- 11: فرم ثبت قیمت برای فروشندگان برق و مالکان نیروگاه ها PAGEREF _Toc374928550 h 61شکل 4- 12: فرم مخصوص خریداران برق جهت مشخص شدن نیاز بار مصرفی در روزهای آتی PAGEREF _Toc374928551 h 61شکل 4- 13: گزارش آرایش تولید فروشنده PAGEREF _Toc374928552 h 62شکل 4- 14: قیمت های بهینه استخراج شده از نرم افزار در روز 27/01/1392 و ثبت آنها در بازار واقعی PAGEREF _Toc374928553 h 63شکل 4- 15: مقدار ظرفیت مگاواتی پیشنهادی در هر پله فروش برق در روز 27/01/1392 PAGEREF _Toc374928554 h 63شکل 4- 16: آرایش تولید نیروگاه تست شده در روز 27/01/1392 PAGEREF _Toc374928555 h 64شکل 4- 17: آرایش تولید نیروگاه تست شده در روز 28/01/1392 PAGEREF _Toc374928556 h 65شکل 4- 18: آرایش تولید نیروگاه تست شده در روز 29/01/1392 PAGEREF _Toc374928557 h 65

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 فرايند تجديد ساختار بازار برق ، روش هاي قيمت دهي توليد کنندگان نيرو مهمترين عامل براي بدست آوردن سود بيشتر مي باشد و به همين دليل پژوهش هاي زيادي با رويکرد هاي مختلف مانند رويکرد بهينه سازي در زمينه تعيين استراتژي هاي قيمت دهي صورت گرفته است. در اين پژوهش سعي شده است با استفاده از مفاهيم کاربردي الگوریتم ژنتیک و استخراج یک مدل مناسب از شبکه عصبی به اين مسئله نگاه شود. در واقع نو آوري اين پژوهش نيز 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 اين 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 قيمت 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 كار بازار برق ايران، مساله پيشنهاد قيمت براي شركت‌هاي فروشنده برق داراي اهميت بسيار بوده و فاكتور مهمي جهت كسب درآمد و سودآوري براي اين شركت‌ها محسوب مي‌شود. همراه با تغيير در ساختار اقتصادي صنعت برق ايران و راه‌اندازي بازار برق، مسأله تنظيم و تامين هزينه‌هاي ساليانه شركت‌هاي برق منطقه اي با چالش‌ها و مشكلات ويژه‌اي مواجه شد. بهترين دليل براي اين وضعيت وجود عدم قطعيت‌هاي مختلف تأثيرگذار بر درآمدها و هزينه‌هاي اين شركت‌ها در فرايند فروش انرژي به بازار برق مي باشد.
با راه‌اندازي بازار برق ايران در سطح عمده فروشي و در سمت فروشندگان در آبان‌ماه سال 1382، درآمد شركت‌هاي برق منطقه‌اي به نحوه قيمت دهي وابسته شده است. بنابراين بازاربرق، در شركت‌هاي آب و برق منطقه‌اي توليد كننده انرژي الكتريكي، انگيزه مضاعفي جهت پيشنهاد قيمت بهينه ايجاد نموده است. محدوديت‌هايي در بازار برق ايران نظير محدوديت‌هاي انتقال، عدم خروج واحدهاي سيكل تركيبي و بخاري بزرگ و... موجود است.
مسأله تنظيم و تامين هزينه متوسط و برنامه‌ريزي جهت تحقق آن از جمله مهمترين مسائل مطرح در افق زماني ميان مدت براي هر بنگاه اقتصادي است. حل دقيق اين مسأله، نقشي كليدي در جهت نيل به اهداف مورد نظر بنگاه اقتصادي و رشد و توسعه اقتصادي آن دارد. در فضاي سنتي صنعت برق، حل مسأله برنامه‌ريزي هزينه‌ها با توجه به عدم قطعيت نه‌چندان قابل توجه موجود در درآمدها و هزينه ها، با مشكل چنداني مواجه نبود، اما با ايجاد فضاي رقابتي در صنعت برق و جداسازي بخش‌هاي توليد، انتقال و توزيع و در نتيجه تصميم‌گيري مستقل بنگاه‌هاي اقتصادي، مسأله تخمين هزينه درفضاي سنتي به مسأله كنترل هزينه‌ها و درآمدهاي بنگاه‌هاي اقتصادي تغيير يافت. از طرف ديگر مسأله تخمين و تنظيم درآمدها و هزينه‌هاي بنگاه‌هاي اقتصادي به علت تغيير رفتار بازيگران بازار با توجه به اطلاعات ناقصشان از محيط بازار برق داراي عدم قطعيت محسوسي مي‌باشد. همچنين تخمين درآمدها و هزينه‌هاي هر بنگاه اقتصادي در افق زماني ميان‌مدت بايد به گونه‌اي صورت گيرد كه اهداف موجود دراستراتژي قيمت‌دهي را نيز برآورده سازد و بالعكس. حل مسائل برنامه‌ريزي ميان مدت مستلزم مدل سازي عدم قطعيت‌هاي موجود در متغيرهاي مسأله و بكارگيري روش‌هاي بهينه‌سازي است. آشنايي با برخي تحقيقات انجام‌شده در اين زمينه لازم است.
در مرجع [1] رفتار بهينه مصرف‌كننده‌ها جهت خريد انرژي از بازار برق با توجه به قيد بودجه آن‌ها كه محدودكننده ميزان هزينه خريد انرژي مي‌باشد تعيين شده است. استراتژي تعيين ميزان تعرفه توسط بهره‌بردار شبكه انتقال بلژيك براي مصرف‌كنندگان و توليدكنندگاني كه از خدمات آن بهره مي‌گيرند با در نظر گرفتن قيد هزينه بهره بردار تنظيم مي‌گردد [2]. قيد بودجه به گونه‌اي عمل مي‌كند كه سود بهره‌بردار ناشي از ارائه خدمات انتقال و هزينه سرمايه‌گذاري آن از حد معيني بيشتر باشد. در اين شرايط نياز به روشي كارا جهت مدل‌سازي عدم قطعيت‌هاي موجود در مسأله تخمين درآمدها و هزينه‌ها در افق زماني ميان مدت و هماهنگ با استراتژي‌هاي قيمت‌دهي و با در نظرگرفتن اهداف و قيود بنگاه اقتصادي ضروري به نظر مي‌رسد.
در مرجع [3] مدلي جهت مديريت ريسك ناشي از قيمت سوخت، تقاضا، دبي آب و قيمت برق كه نيروگاه‌هاي آبي یا حرارتي در بازار برق با آن‌ها مواجه هستند ارائه شده است. در مرجع [4] از درخت تصميم به منظور مينيمم كردن هزينه‌هاي بهره‌برداري هفتگي واحدهاي توليدي با توجه به عدم قطعيت تقاضا استفاده شده است. در مرجع [5] مدلي رياضي به منظور بهره‌برداري بهينه براي سيستم توليد كه از واحدهاي آبي و حرارتي تشكيل شده، ارائه شده است. در اين مرجع عدم قطعيت‌هاي جريان آب ورودي به سد براي واحد آبي و قيمت سوخت در مورد نيروگاه حرارتي درنظر گرفته شده‌است. در مرجع [6] با استفاده از درخت تصميم، مدلي به منظور ماكزيمم كردن درآمد با توجه به وجود قراردادهاي ميان مدت براي واحدهاي آبي ارائه شده‌است.
به علت عدم قطعيت‌هاي موجود در بازار برق، شناسايي و مدل‌سازي عدم قطعيت‌ها در درآمدها و هزينه‌هاي شركت برق منطقه‌اي در افق زماني ميان مدت امري ضروري است. با توجه به اينكه عدم قطعيت‌ها در افق زماني ميان‌مدت مدل‌سازي مي‌شوند و به علت اينرسي بالاي قيمت سوخت درايران از عدم قطعيت موجود در قيمت سوخت صرف‌نظر مي‌شود. بنابراين تنها، نياز به مدل‌سازي رفتار قيمت تسويه بازار به‌طور ماهانه مي‌باشد. البته مي‌توان عدم قطعيت ناشي از وقوع پيش‌آمدهاي اتفاقي در سيستم قدرت و تغييرات تقاضا را نيز جهت مدل‌سازي دقيق‌تر مسأله در نظر گرفت. با جمع‌آوري اطلاعات قيمت تسويه بازار برق براي هر ماه در سال‌هاي گذشته و انتخاب بازه‌هاي تغيير قيمت تسويه بازار (تعيين بازه‌هاي پيشامدهاي قيمت پايين، متوسط و بالا) و بهره‌گيري از مدل فركانسي، احتمال وقوع پيشامدهاي مختلف براي مقدار قيمت تسويه بازار در هر ماه تعيين مي‌گردد[7].
توليدكنندگان با ارائه مقدار توليد و قيمت پيشنهادي در بازار برق شركت مي‌كنند. بهره‌بردار بازار نيز پيشنهاد برنده را مشخص مي‌كند. در مبادلات قراردادي مانند قراردادهاي دوطرفه روند مناظره و بحث بين دو طرف لازم است. البته شايان ذكر است كه قيمت دهي درطرف مصرف هم به مرور زمان و با توسعه بازار در سمت خريد برق، داراي اهميت خواهد شد.
مسأله پيشنهاد قيمت در بازارهاي برق به مبادلات حراج مربوط است و توليدكنندگان با ارائه پيشنهاد قيمت و مقدار توليد به بهره بردار بازار، در آن شركت مي‌كنند و بهره‌بردار بازار، برندگان و مقدار پول تخصيص يافته به آنان را مشخص مي‌كند.
قوانين تخصيص پول به شركت كنندگان نيز عبارتند از:
پرداخت به ميزان پيشنهاد (PAB)
تخصيص يكنواخت (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 پيشنهاد قيمت به طور كلي به صورت يافتن قيمت بهينه و تعيين استراتژي مناسب جهت رقابت با فروشندگان ديگر تعريف مي‌شود. مساله مدنظر ما شركت در حراج مي‌باشد كه به صورت مناقصه اجرا مي‌شود. به بيان ديگر مساله پيشنهاد قيمت عبارت خواهد بود از تعيين قيمت‌هاي بهينه در افق زماني بهره‌برداري از بازارهاي بلادرنگ (از چند دقيقه در بازارگرفته تا چندين ساعت در بازارهاي روزانه) به‌طوري‌كه عوامل موثر بر پارامترهاي مورد توجه فروشنده (مانند سود، درآمد، ريسك و ...) در نظر گرفته‌شود.
با توجه به مطالعات انجام شده عواملي كه فروشنده بايد درهنگام پيشنهاد قيمت در مناقصه‌هاي انرژي لحاظ كند در زيرخلاصه شده اند:
عدم قطعيت‌ها
نحوه بستن بازار و پرداخت پول به برندگان بازار
ساختار و قوانين بازار
هزينه توليد
قيود حاكم بر ژنراتور و قيود شبكه انتقال
لحاظ كردن سود بلندمدت
نحوه قيمت‌دهي طرف مصرف
قراردادهاي دوطرفه
وجود بازارهاي مختلف و تأثير آنها بر يكديگر
البته دو مورد آخر پس از توسعه بازار برق ايران و راه‌اندازي بازارهاي مختلف و قراردادهاي دوجانبه در مساله قيمت‌دهي دخيل خواهند بود. مطالعات انجام‌شده در زمينه مساله پيشنهاد قيمت به دو بخش قابل تقسيم‌اند: PAB و UP.
بديهي است كه نحوه مدل‌سازي و فرمول‌بندي مساله در بازارهاي مختلف به دليل تفاوت قوانين كاملا متفاوت است. مديريت بازار برق ايران به صورت حراج PAB است. مطالعات انجام‌شده نشان مي‌دهد كه به مساله پيشنهاد قيمت به صورت جدي در بازارهاي PABپرداخته نشده است. دليل اين امر شايد اين باشد كه حراج PAB در بسياري از بازارهاي دنيا به‌كار گرفته نمي‌شود و اكثر بازارهاي دنيا بر مبناي حراج UP مي‌باشد. به علاوه بازارهايي كه حراج PAB مبناست، حجم كمي از معاملات را به خود اختصاص داده است. از آن ‌جا كه حراج بازار برق ايران بر مبناي حراج PAB است نياز به تحقيقات جدي در اين زمينه احساس مي‌شود.
بررسي مساله پيشنهاد قيمت از ديد يك توليدكننده انرژي در ابتداي راه است. در حراج PAB به اين دليل كه پول تخصيص يافته بابت هر مگاوات انرژي برابر با قيمت پيشنهادي ارائه شده ازسوي فروشنده مي‌باشد، مساله پيشنهاد قيمت از اهميت دسته از قيود در محيط سنتي وجود نداشته ولي درمحيط جديد بايد لحاظ شوند.
قيد درآمد، قيدي است كه يك شركت به واسطه سياست‌هاي مالي خود لحاظ مي‌كند. به‌طور مثال از سياست‌هاي كلي شركت اين نتيجه به‌دست آمده كه در آمد شركت در طول يك دوره پيشنهاد قيمت از يك مقدار خاص نبايد كمتر باشد. اين مساله در فرآيند پيشنهاد قيمت بايد لحاظ شود.
قيد حداقل فروش، قيدي است كه براي اجتناب از جريمه پيشنهاد قيمت لحاظ مي‌شود زيرا اگر قيمت واحدهاي بخاري يا سيكل تركيبي برنده نشوند دچار جريمه 0,9 حداقل قيمت مي‌شوند. بنابراين حداقل توليد مجاز واحدهاي بخاري به ‌فروش خواهد رسيد. پس قيمت اين واحدها بايد به‌گونه‌اي ارائه شود تا توليد موجب ضرر نشود و از طرفي دچار جريمه نيز نگردد. در فرآيند حل مساله پيشنهاد قيمت، جهت دستيابي به ‌روش‌هاي كارا جهت حل مساله بايد پارامترهايي كه بر پاسخ مساله و قيمت بهينه تاثير مي‌گذارند، استخراج گردند. اين پارامترها بسته به قوانين بازار، شرايط شبكه انتقال و موقعيت جغرافيايي تغيير مي‌كنند. بنابراين براي هر شركتي بايد پارامترهاي موثر به صورت جداگانه استخراج شوند.
تشکیل بازار برق ایران و خصوصی سازی صنعت برقشايد نتوان كشوري را يافت كه متاثر از موج تحولات يك دهه اخير صنعت برق نباشد. اين تحولات در قالب بحث تجديد ساختار باعث شفافيت و تفكيك وظايف بخشهاي مختلف گرديده كه به تدريج باعث ايجاد بازار برق در سطح عمده فروشي و به دنبال آن در سطح خرده فروشي شده است. موفقيت اين برنامه‌ها متاثر از عوامل مختلفي نظير اجراي صحيح برنامه‌هاي تجديد ساختار و تقويت نتايج تجديد ساختار با اجراي برنامه خصوصي‌سازي در صنعت برق مي باشد. در اين ميان اجراي برنامه آزادسازي به موقع مشتركين، پيشگيري از شكل گيري پديده قدرت بازار، باز بيني منظم بازار، ايجاد فضايي منصفانه براي دستيابي همه علاقمندان به فعاليت در صنعت برق، تدوين تعرفه خدمات انتقال و توزيع، تعريف خدمات پشتيبان و تدوين تعرفه متناسب براي آنها و غیره از جمله مطالب مهمي هستند كه اهميت بسزايي در موفقيت يا شكست برنامه تجديد ساختار و بازار برق دارند.
تلاش براي تحقق بخشيدن به تئوري هاي اقتصادي و تشكيل آرمان شهر بازار رقابت كامل اگر چه(به شكل كامل) هيچ گاه از لاي صفحات و متون اقتصادي فراتر نرفته اما اين حسن بزرگ را داشته كه بهبود قابل توجهي در سامان دهي به بازار را باعث شود. گر چه صنعت برق در ابتدا و با احداث واحدهاي كوچك و خصوصي توليد برق حيات خود را آغاز كرد اما به تدريج و با درك اهميت اين صنعت روند دولتي شدن(و بنابراين انحصاري شدن) آن آغاز شد. بنابراين صنعت برق به عنوان يك صنعت يكپارچه و كاملا انحصاري در اذهان شكل گرفت كه هر كسي توان ورود به اين عرصه و انجام فعاليت در آن را نداشت. با همين ذهنيت بود كه دولت ها(به طور عام) كنترل صنعت برق را در دست گرفتند. به تدريج و با بروز مشكلاتي در اداره دولتي صنعت برق، همانند ناتواني دولت در تامين مالي مناسب براي اين صنعت، ناكارايي سرمايه گذاري و بهره برداري و… اين سئوال شكل گرفت كه به چه نحوي مي توان از پتانسيل بخش خصوصي در اين صنعت استفاده كرد؟ پاسخ به اين سئوال همزاد شكستن ائتلاف عمودي اين صنعت و ورود تدريجي بخش خصوصي به حوزه هاي مختلف فعاليت آن است. اولين نتايج اين موضوع تفكيك بخشهاي توليد، شبكه و عرضه بود. بنابراين با تفكيك انجام شده اين امكان فراهم شد تا برخي متخصصان اقتصاد صنعت برق به امكان ايجاد رقابت در بخش توليد فكر كنند و اين در واقع زمينه تشكيل بازار عمده فروشي برق بود. تحولات بعدي صنعت برق را بايد مديون اين جسارت و تجربه قلمداد كرد.
ساختار جدید بازار برق و عمده فروشیهمان طور كه اشاره شد بروز مشكلات ناشي از ساختار سابق صنعت برق باعث گرديد سياستگزاران و تصميم گيرندگان اين صنعت تجديد نظري اساسي در نوع نگاه به اين صنعت و چگونگي اداره آن صورت دهند. جداي از مشكلاتي كه دليل اصلي تجديد ساختار بود، تلاش براي ايجاد فضايي جديد كه انعطاف پذيري بيشتري داشته و با اهداف كلان اقتصادي نيز هماهنگ باشد، به طور مضاعفي اجراي برنامه هاي تجديد ساختار را تجويز مي كرد. بنابراين به طور كلي اهداف تجديد ساختار را مي توان به صورت زير ذكر كرد:
الف- بهبود فضا و قاعده بازي براي ارتقاي كارايي
ب- ايجاد فرصت هاي شغلي بيشتر
ج- شفاف نمودن و تفكيك بخشهاي مختلف از هم
د- ايجاد فضاي مناسب براي محوري نمودن علائم اقتصادي در تصميم سازي
ه- جايگزيني تفكر بنگاهي در صنعت برق به جاي تلقي خدمت عمومي از برق
اما نكته قابل توجه اينكه بحث تجديد ساختار و خصوصي سازي دو مقوله متفاوت از هم هستند. در واقع تجديد ساختار مي تواند زمينه هاي خصوصي سازي صحيح را فراهم كند. اهداف خصوصي سازي را مي توان به صورت زير خلاصه كرد:
الف- كاهش تصدي دولت و تقويت بعد نظارتي آن با واگذاري امور به بخش خصوصي
ب- كاهش بار مالي دولت و انتقال آن به بخش خصوصي
ساير اهداف ريز را مي توان در موارد فوق خلاصه كرد. در واقع اين موارد باعث شد مجموعه اقداماتي در صنعت برق صورت پذيرد كه به طور كلي باعث تغيير نوع نگاه به كالاي برق شدند.
تغییر تفکر و نوع نگاه به برقدر واقع براي درك انگيزه هاي تجديد ساختار و تشكيل بازار برق بايد توجه داشت كه مدتهاي مديدي اين تصور در ميان سياستگزاران و متخصصان صنعت برق كشورهاي مختلف نهادينه شده بود كه صنعت برق از يك انحصار ذاتي برخوردار است و قابليت و انعطاف پذيري لازم جهت رقابتي شدن را ندارد. تاسيسات هزينه برآن بايد در تملك دولت باشد و بخش خصوصي در اين زمينه نه علاقمندي خواهد داشت و نه حضورآن نتيجه مثبتي ! اين عقيده در اوايل دهه 90 ميلادي با تحركات اوليه صنعت برق كشورانگلستان متزلزل شد[8] و اكنون تقريبا به فرضيه اي فراموش شده تبديل گرديده است. اگر صنعت برق را به چهار بخش عمده توليد، انتقال، توزيع و عرضه(خدمات مشتركين)‌ تقسيم كنيم،‌ تجربه بسياري از كشورها نشان مي دهد دو بخش توليد و عرضه(خدمات مشتركين) انعطاف پذيري كافي براي رقابتي شدن را دارند. به همين خاطر و همان طور كه در بخش مربوط به ساختارهاي صنعت برق ملاحظه خواهد شد تمركز زدايي اولين اقدام در اجراي تغييرات ساختاري اين صنعت بود بلكه زمينه براي تفكيك بخشهاي داراي پتانسيل رقابتي از ساير بخش ها فراهم گردد. سپس در بخش توليد با فراهم كردن زمينه براي مشاركت بخش خصوصي و احداث نيروگاه توسط سرمايه گذاران داخلي و خارجي و يا واگذاري ظرفيت هاي نصب شده موجود، فراهم سازي زمينه رقابت(با افزايش توليد كنندگان) و ايجاد شرايطي براي رقابت دركاهش هزينه ها و فروش برق به مدير شبكه، سعي در جايگزيني فضاي رقابتي بجاي شرايط انحصار گرديده كه در بسياري از كشورها اين امر موفقيت آميز بوده است. اما بخش انتقال با توجه به ماهيتي كه دارد و اين واقعيت كه نمي توان دو يا چند شبكه موازي دركنار هم تاسيس كرد تا براي انتقال برق با هم رقابت نمايند، تقريبا هنوز هم به شكل انحصاري اداره شده و به عنوان شبكه ملي باقي مانده است.
در بخش توزيع نيز كه كليه فعاليتها از نقطه دريافت برق از شبكه انتقال تا تحويل به مصرف كنده نهايي انحصاري بود، ابتدا بخش خطوط‌ از بخش مشتركين تفكيك شده سپس اين بخش يا در تملك دولت باقي مانده و يا در برخي كشورها تجهيزات توزيع به بخش خصوصي واگذار شده اند[9]. هرچند تجربه و مطالعات انجام شده نشان از عدم تفاوت معني دار كارايي و كاهش هزينه در واگذاري اين شركت ها به بخش خصوصي دارد اما حسن اين كار فراهم سازي زمينه رقابتي شدن است كه معمولاً افزايش كارايي را به دنبال داشته است. در بخش خدمات مشتركين نيز كليه امور از درخواست مشترك براي اتصال به شبكه برق تا صدور صورتحساب و وصول مطالبات و … توسط شركت هاي خرده فروشي انجام مي گردد. از آنجايي كه اين بخش از شرايطي متفاوت با بخشهاي انتقال و توزيع برخوردار مي باشد، فعاليتهاي اين بخش از خاصيت انحصاري برخوردار نبوده و بنابراين شركت هاي خرده فروش همزمان مي توانند براي جلب رضايت مشتري با هم رقابت نمايند كه به بهبود كيفيت و كاهش هزينه ها منتهي خواهدشد. لذا واگذاري امور به بخش خصوصي وايجاد زمينه مناسب براي رقابتي كردن اين بخش نتايج مثبت قابل توجهي به همراه داشته است.
در واقع آنچه در صنعت برق در طي دهه اخير اتفاق افتاده بر يك محور اساسي استوار است بدين معني كه به تدريج نگاه كالايي به برق جايگزين تفكر تلقي برق به عنوان يك خدمت عمومي شده است[10]. در واقع در فضاي بازار اين ايده مورد تاكيد قرار گرفته كه هر علاقمندي كه محدوديت ها و استانداردهاي شبكه را رعايت نمايد مي تواند از شبكه(همانند جاده ها) استفاده و برق توليدي خود را به مشتري تحويل دهد. اين نگاه را مي توان اساس تحولات نوين صنعت برق قلمداد كرد.
شکل گیری بازار برق در ایراندر ايران نيز از چند سال قبل برنامه هايي براي اجراي فرايند تجديد ساختار و ايجاد بازار برق تدارك ديده شده است. ليكن پيشنهاد تشكيل بازار برق در ايران به تغييراتي برمي گردد كه در سال 1382 در ساختار برق كشور(تشكيل شركتهاي مادر تخصصي، پيش بيني تشكيل شركت مديريت بازار(مديریت شبكه برق ایران)، تغيير نظام مبادلات و بودجه ای شركتها، حذف يارانه بين بنگاهي و…) پيش بيني شده بود. در همين راستا دستورالعملي براي خريد و فروش رقابتي برق توسط هیات تنظیم بازار برق ایران تهيه شد كه مقدمه اي براي تشكيل بازار برق در ايران 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 اين دستورالعمل محتاط عمل كرده و قيمت ها در آن تنها در يك بازه معين(با تعريف يك نرخ پايه و تعريف ضرايبي براي اوقات مختلف و انحراف پيشنهاد نرخ خريداران و فروشندگان در يك بازه معين) شكل خواهند گرفت، اما به هر حال زمينه اي براي ايجاد بازار برق در ايران محسوب مي شود. در شرايط فعلي اکثر واحدهاي توليد و عرضه دولتي بوده و به نظر نمي رسد مكانيزم پيشنهادي در كوتاه مدت تحولي در صنعت برق به وجود بياورد اما مقدمه مناسبي در کشور فراهم شده است كه مي تواند زمينه را براي تحولات آينده فراهم نمايد. در اين دستورالعمل بهاي پرداختي به توليد كنندگان بر اساس قيمت پيشنهادي و قدرت تحويلي آنان خواهد بود كه با اعمال قيمت نهايي بازار و پرداخت بها بر اساس آن به همه توليد كنندگان در يك ساعت معين(نظامي كه اكثر كشورها هم اكنون آن را پياده مي كنند) تفاوت دارد[13].

موانع شکل گیری و یا انحراف بازار رقابتی برقايجاد بازار رقابتي صحيح در بخش برق علي رغم نتايج بسيار ارزشمند آن مي تواند بسيار شكننده بوده و از سوي ديگر نتايج آن(با فرض عدم پيش بيني و برنامه ريزي صحيح، عدم نظارت مناسب و عدم ايجاد شرايط مساعد براي ورود بخش خصوصي به بازار) مي تواند عقيم و يا حتي مخرب باشد. ايالت كاليفرنيا نمونه اي از شكست بازار و مخرب بودن طراحي نامناسب بازار مي باشد. در زير به مواردي كه مي تواند باعث انحراف يا شكست بازار شود اشاره مي شود[10].
ذينفع بودن بهره بردار مستقل سيستم و بازار از مبادلاتدر واقع در ابتداي امر لازم است نهادهايي(شركت هایي) مسئوليت هماهنگي عرضه كنندگان و تقاضا كنندگان(خريداران و فروشندگان عمده) را به عهده داشته باشند. حال اگر اين نهادها نتوانند بي طرفي خود را حفظ كنند، عملاً ممكن است توسعه پتانسيل توليد و شبكه و بهره برداري بهينه از منابع موجود بر اساس عملكرد بازار صورت نگيرد.
قدرت بازاردر واقع در صورتي كه هر يك از تقاضا كنندگان و عرضه كنندگان بازار سهم بزرگي از بازار را به خود اختصاص دهند(در برخي كشورها سهم فوق 15% مي باشد) به طوري كه بتوانند بر عملكرد بازار اثر گذاشته و باعث تغيير و انحراف قيمت هاي بازار شوند، اين موضوع مي تواند به شكست بازار منتهي شود.
ذخيره توليددر صورتي كه در بخش توليد(عرضه)به اندازه كافي ذخيره توليد وجود نداشته باشد اين امر مي تواند به انحراف و شكست بازار منتهي شود.
نيروگاههاي خاصبرخي نيروگاهها (حتي گاهي اوقات يك نيروگاه كوچك)به واسطه موقعيت خاص خود مي توانند در پايداري شبكه نقش بسيار مهمي ايفا نمايند، حال اگر اين نيروگاهها در اختيار بخش خصوصي قرار گيرند و مركز كنترل نتواند اختيار تعيين زمان ورود و خروج آنها را داشته باشد،صاحب اين قدرت مي تواند از اين موقعيت براي انحراف قيمت هاي بازار استفاده نمايد.
تبانياين موضوع كه به شكل گيري قدرت بازار براي گروه خاصي منتهي مي گردد مي تواند باعث انحراف و حتي شكست بازار منتهي گردد.
دسترسي منصفانه به شبكهيكي از ويژگي هاي هر بازار رقابت كامل امكان ورود و خروج فعالان به اين بازار است.در صنعت برق اين موضوع بايد با تهيه دستورالعمل معيني براي دسترسي بيطرفانه علاقمندان به شبكه دنبال شود. زيرا عدم تهيه يك دستورالعمل منسجم مي تواند به ايجاد تبعيض ميان فعالان صنعت منتهي گردد.
تعرفه هاي استفاده از خدمات انتقال و توزيعتدوين تعرفه هاي استفاده از خدمات انتقال و توزيع مي تواند باعث شفاف شدن مبادلات شده و توليدكنندگان و عرضه كنندگان مي دانند در صورت استفاده از بخشهاي انتقال و توزيع براي جابجايي انرژي و قدرت مورد نياز چه مبلغي بايد به شبكه بپردازند.اين موضوع در تصميم گيري خريداران براي انتخاب فروشنده برق بسيار حائز اهميت است.
بازبيني مستمر بر عملكرد بازارطبيعي است در صورتي كه مكانيزم بازار به طور مستقيم و دقيق دنبال نشود تشخيص يك مشكل تنها مي تواند پس از فروپاشي بازار صورت گيرد.
البته نكات ديگري را نيز مي توان ذكر كرد كه مواد فوق از اهم آنها انتخاب شده اند.
فصل دوممدل سازی با استفاده از شبکه عصبی
معرفی شبکه عصبی مصنوعیقدرت و سرعت كامپيوترهاي امروزي به راستي شگفتانگيز است؛ زيرا كامپيوترهاي قدرتمند مي‌توانند ميليون‌ها عمليات را در كمتر از يك ثانيه انجام دهند. شايد آرزوي بسياري از ما انسان‌ها اين باشد كه اي كاش مي‌شد ما نيز مانند اين دستگاه‌ها كارهاي خود را با آن سرعت انجام مي‌داديم، ولي اين نكته را نبايد ناديده بگيريم كه كارهايي هستند كه ما مي‌توانيم آن‌ها را به آساني و در كمترين زمان ممكن انجام دهيم، ولي قوي‌ترين كامپيوترهاي امروزي نيز نمي‌توانند آن‌ها را انجام دهند و آن قدرت تفكري است كه مغز ما انسان‌ها دارد. حال تصور كنيد كه دستگاهي وجود داشته باشد كه علا‌وه بر قدرت محاسبه و انجام كارهاي فراوان در مدت زمان كوتاه، قدرت تفكر نيز داشته باشد يا به قول معروف هوشمند باشد! اين تصور در حقيقت هدف فناوري هوش مصنوعي يا به اختصار AI است[14].
يكي از راه‌حل‌هاي تحقق اين هدف، شبكه‌هاي عصبي است. شبكه‌هاي عصبي در واقع از شبكه‌هاي عصبي و سيستم عصبي انسان الگوبرداري مي‌كنند. برخي از محققان براين باورند كه هوش مصنوعي و شبكه‌هاي عصبي دو راه‌حل متفاوت و در دو جهت مختلف هستند، ولي اين باور را نمي‌توان كاملاً صحيح دانست؛ چرا كه در حقيقت علم شبكه‌هاي عصبي و هوش‌مصنوعي وابسته به هم هستند. بدين‌معنا كه قبل از اين‌كه Symbolها بتوانند توسط هوش مصنوعي شناسايي شوند، بايد مراحلي طي شود. مثلاً تصور كنيد كه Symbol هايي مانند خانه، انسان يا ميز وجود دارند. قبل از اين كه AI بتواند هر كدام از اين Symbol ها را شناسايي كند، بايد از توانايي‌ها و صفات هر كدام از اين‌ها اطلاع كامل حاصل كند. مثلاً تصور كنيد كه يك روبات كه هوش مصنوعي دارد، يك انسان را مي‌بيند، ولي از كجا مي‌فهمد كه اين جسم يك انسان است؟ مثلاً بر اساس مشخصاتي مثل داشتن دو پا، دست، صورت، دهان و قدرت تكلم. اما شما وقتي يك انسان ديگر را مي‌بينيد، نيازي نداريد كه اول تعداد پاهاي او را بشماريد و بعد بگوييد كه اين جسم، انسان است. مغز انسان‌ها مي‌تواند با ديدن يك جسم فقط براي يك بار ياد بگيرد و اگر مجدداً آن جسم را مشاهده كرد، مي‌تواند سريع تشخيص دهد و قسمت‌هاي مختلف مغز مي‌توانند به صورت همزمان فعاليت كنند و از اطلاعات درون مغز استفاده نمايند. شبكه‌هاي عصبي در بسياري از پروژه‌هاي هوش مصنوعي به كار گرفته مي‌شود. مثلاً براي برنامه‌هاي تشخيص و الگوبرداري، شناسايي تصوير و كاراكتر، روبات‌ها و برنامه‌هاي فيلترينگ اطلاعات. اين شبكه‌ها امروزه حتي در اتومبيل‌هاي بي‌سرنشين نيز كاربرد دارد. به طوري‌كه با ديدن و بررسي رانندگي انسان‌ها، مي‌توانند رانندگي كنند.
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 هاي عصبي مصنوعي جز آن دسته از سيستمهاي ديناميکي قرار دارند که با پردازش روي دادههاي تجربي، دانش يا قانون نهفته در وراي دادهها را به ساختار شبکه منتقل ميکنند. به همين خاطر به اين سيستمها هوشمند ميگويند، چرا که بر اساس محاسبات روي دادههاي عددي يا مثالها، قوانين کلي را یاد مي گيرند. براي نخستين بار شخصي به نام سگال اعلام کرد که مغز از عناصر اصلي ساختاري به نام نرون تشکيل شده است و هر نرون بيولوژيکي به عنوان اجتماعي از مواد آلي، اگر چه داراي پيچيدگي يک ميکروپروسسور است، ولي داراي سرعت محاسباتي برابر با يک ميکروپروسسور نيست. دانشمندان علم بيولوژي دريافتهاند که عملکرد نرونهاي بيولوژيکي از قبيل ذخيرهسازي و حفظ اطلاعات، در خود نرونها و ارتباطات بين نرونها نهفته است. گرچه همه نرونها کارکرد يکساني دارند، ولي اندازه و شکل آنها بستگي به محل استقرارشان در سيستم عصبی دارد.
با وجود اين همه تنوع، بيشتر نرونها از سه قسمت اساسي تشکيل شدهاند:
بدنه سلول (که شامل هسته و قسمت هاي حفاظتي ديگر است)
دندريت
اکسون
دو قسمت آخر، عناصر ارتباطي نرون را تشکيل مي دهند. شکل 2-1 ساختمان سلول عصبي را نشان ميدهند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 1: ساختمان سلول عصبینرون ها بر اساس ساختارهايي که بين آنها پيامها هدايت ميشوند به سه دسته تقسيم ميگردند:
نرونهاي حسي که اطلاعات را از ارگانهاي حسي به مغز و نخاع مي فرستند.
نرونهاي محرک که سيگنالهاي فرمان را از مغز و نخاع به ماهيچهها و غدد هدايت ميکنند.
نرونهاي ارتباطي که نرونها را به هم متصل ميکنند.
روابط بين نرونهاي ارتباطي موجبات انجام کارهاي پيچيده را از قبيل تفکر، احساسات، ادراک و محفوظات فراهم ميآورد. با توجه به مقدمات فوق، ميتوان گفت که با تمام اغراقها در مورد شبکههاي عصبي مصنوعي، اين شبکهها اصلا سعي در حفظ پيچيدگي مغز ندارند. از جمله شباهت اين دو سيستم میتوان به موارد زير اشاره نمود:
بلوکهاي ساختاري در هر دو شبکه مصنوعي و بیولوژيکي، دستگاههاي محاسباتي خيلي ساده هستند و علاوه بر اين، نرونهاي مصنوعي از سادگي بيشتري برخوردار هستند.
ارتباطهاي بين نرونها، عملکرد شبکه را تعيين ميکند اگر چه نرونهاي بيولوژيکي از نرونهاي مصنوعي که توسط مدارهاي الکتريکي ساخته ميشوند، بسيار کندتر هستند(يک ميليون بار)، اما عملکرد مغز، خيلي سريعتر از عملکرد يک کامپيوتر معمولي است. علت اين پديده بيشتر به خاطر ساختار کاملا موازي نرونها است و اين يعني همه نرونها معمولا به طور همزمان کار ميکنند و پاسخ ميدهند.
شبکههاي عصبي مصنوعي هم داراي ساختار کاملا موازي هستند. اگرچه بيشتر شبکههاي عصبي مصنوعي هم اکنون توسط کامپيوترهاي سريع پيادهسازي ميشوند، اما ساختار موازي شبکههاي عصبي، اين امکان را فراهم ميآورد که به طور سختافزاري، توسط پردازشگرهاي موازي، سيستمهاي نوري و تکنولوژي پياده سازي شوند.
شبکههاي عصبي مصنوعي با وجود اين که با سيستم عصبي طبيعي قابل مقايسه نيستند ويژگيهايي دارند که آنها را در بعضي از کاربردها مانند تفکيک الگو، رباتيک، کنترل و به طور کلي در هرجا که نياز به يادگيري يک نگاشت خطي و يا غيرخطي باشد، ممتاز مينمايد. اين ويژگي ها به شرح زير هستند:
قابليت يادگيري: استخراج نتايج تحليلي از يک نگاشت غيرخطي که با چند مثال مشخص شده، کار سادهاي نيست. زيرا نرون يک دستگاه غيرخطي است و در نتيجه يک شبکه عصبي که از اجتماع اين نرونها تشکيل ميشود نيز يک سيستم کاملا پيچيده و غيرخطي خواهد بود. بهعلاوه، خاصيت غيرخطي عناصر پردازش، در کل شبکه توزيع ميگردد. پيادهسازي اين نتايج با يک الگوريتم معمولي و بدون قابليت يادگيري، نياز به دقت و مراقبت زيادي دارد. در چنين حالتي سيستمي که بتواند خود اين رابطه را استخراج کند، بسيار سودمند بهنظر ميرسد. خصوصا افزودن مثالهاي احتمالي در آينده به يک سيستم با قابليت يادگيري، به مراتب آسانتر از انجام آن در يک سيستم بدون چنين قابليتي است، چراکه در سيستم اخير، افزودن يک مثال جديد به منزله تعويض کليه کارهاي انجام شده قبلي است. قابليت يادگيري يعني توانايي تنظيم پارامترهاي شبکه(وزنهاي سيناپتيکي) در مسير زمان که محيط شبکه تغيير ميکند و شبکه شرايط جديد را تجربه ميکند، با اين هدف که اگر شبکه براي يک وضعيت خاص آموزش ديد و تغيير کوچکي در شرايط محيطي آن(وضعيت خاص) رخ داد، شبکه بتواند با آموزش مختصر براي شرايط جديد نيز کارآمد باشد.
پراکندگي پردازش اطلاعات بهصورت متن: آنچه شبکه فرا ميگيرد(اطلاعات يا دانش) در وزنهاي سيناپسي مستتر ميباشد. رابطه يکبهيک بين وروديها و وزنهاي سيناپتيکي وجود ندارد. ميتوان گفت که هر وزن سيناپسي مربوط به همه وروديها است ولي به هيچيک از آنها به طور منفرد و مجزا مربوط نيست. بهعبارت ديگر هر نرون در شبکه، از کل فعاليت ساير نرونها متاثر است. در نتيجه، اطلاعات بهصورت متن توسط شبکههاي عصبي پردازش ميشوند. بر اين اساس چنانچه بخشي از سلولهاي شبکه حذف شوند و يا عملکرد غلط داشته باشند باز هم احتمال رسيدن به پاسخ صحيح وجود دارد. اگر چه اين احتمال براي تمام وروديها کاهش يافته ولي براي هيچ يک از بين نرفته است.
قابليت تعميم: پس از آنکه مثالهاي اوليه به شبکه آموزش داده شد، شبکه ميتواند درمقابل يک ورودي آموزش داده نشده قرار گيرد و يک خروجي مناسب ارائه کند. اين خروجي بر اساس مکانيزم تعميم، که همانا چيزي جز فرايند درونيابي نيست به دست ميآيد. به عبارت روشنتر، شبکه، تابع را ياد ميگيرد، الگوريتم را ميآموزد يا رابطه تحليلي مناسبي را براي تعدادي نقاط در فضا به دست ميآورد.
پردازش موازي: هنگاميکه شبکه عصبي در قالب سختافزار پياده ميشود، سلولهايي که در يک تراز قرار ميگيرند ميتوانند بهطور همزمان به وروديهاي آن تراز پاسخ دهند. اين ويژگي باعث افزايش سرعت پردازش ميشود. در واقع در چنين سيستمي، وظيفه کلي پردازش بين پردازندههاي کوچکتر مستقل از يکديگر توزيع ميگردد.
مقاوم بودن: در يک شبکه عصبي هر سلول به طور مستقل عمل ميکند و رفتار کلي شبکه، برآيند رفتارهاي محلي سلولهاي متعدد است؛ اين ويژگي باعث مي شود تا خطاهاي محلي از چشم خروجي نهايي دور بمانند.
مبانی محاسباتی شبکه های عصبی مصنوعیدر شکل های 2-2 و 2-3 الگوی کلی يک شبکه عصبي مصنوعي نشان داده شده است. در الگوی نشان داده شده در شکل 2-2، سه لايه قابل تشخيص است.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 2: الگوی کلی از یک شبکه عصبیلایه ورودیلايه ورودي: يک لايه از نرونها که اطلاعات را از منابع بيروني دريافت ميکنند و آنها را به شبکه منتقل ميکنند.
لایه پنهانیلايه پنهانی: يک لايه از نرونها که اطلاعات را از لايه ورودي دريافت ميکنند و آنها را به صورت مخفي پردازش مي کنند.
لایه خروجیلايه خروجي:لايهاي از نرونها که اطلاعات پردازششده را دريافت ميکنند و آنها را به سيستم ميفرستند.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 3: شماتیک ارتباطات بین لایه ها و وزن های سیناپتیکی در شبکه عصبیباياس: مانند يک افست روي سيستم عمل ميکند. عمل باياس به اينگونه است که يک سرآغاز براي فعال سازي نرون ايجاد ميکند. باياس روي لايه مخفي و لايه خروجي عمل ميکند.
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 نرونهاي وروديها به تعداد متغير ورودي و تعداد نرونهاي خروجي به تعداد متغيرهاي پاسخ بستگي دارد. تعداد نرونهاي لايه مخفي هم به کاربرد شبکه بستگي دارد. مهمترين عنصر شبکههاي عصبي، نرون است. نرونها شامل عناصر محاسباتي هستند که عمل يک شبکه عصبي را انجام مي دهند. شکل 2-5 يک نرون از شبکه عصبي را نشان ميدهد.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 5: نمای شماتیک یک نرونعناصر محاسباتی یک نرونوروديها و خروجيها: وروديها باan ، a2 ، a1 و خروجيها با bj نمايش داده شدهاند.
وزن ها: اين متغيرها باwnj ،w2j و w1j نمايش داده ميشوند که هر کدام به يک ورودي مرتبط هستند. اين متغيرها همانند سيناپسها در سلولهاي عصبي واقعي هستند. آنها ضرايب تطبيقپذيري در شبکه هستند که شدت سيگنال ورودي را معين ميکنند. هر ورودي با وزن مربوطهاش ضرب شده و نرون از حاصلجمع اين حاصلضربها استفاده ميکند. اگر علامت وزن مثبت باشد، حاصلضرب وزن در ورودي اثر نرون را تقويت ميکند و اگر منفي باشد، اثر نرون را کم ميکند. در يک شبکه عصبي مقدار وزنها با توجه به يک توزيع آماري مشخص ميشوند و سپس در طول آموزش شبکه اين مقادير تغيير کرده و به مقدار ثابتي خواهند رسيد.
باياس ورودي: ورودي ديگر به نرون، T است که به سرآغاز يا باياس معروف است.
باياس يک مقدار تصادفي است که به صورت زير در معادله نرون وارد مي شود:
(2-1) Total Activation= xi= i=1n(wij ai)- Tj Total Activation به اندازه باياس ورودی بستگي دارد. اگر باياسي به نرون وارد نشود، باياس صفر فرض مي 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، برروي Total Activation عمل کرده وخروجي نرون مشخص ميشود. تابع انتقال ميتواند به صورت خطي يا غيرخطي عمل کند. تعدادي از توابع انتقال بهصورت شکل 2-7 ميباشند.

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 كه در شكل 2-13 مشاهده مي‌كنيد، نرون‌ها به صورت گروهي لايه‌بندي مي‌شوند. وقتي سيگنال يا پالسي  به يك لايه ارسال مي‌شود، اين سيگنال از لايه بالايي شروع به فعاليت مي‌كند و توسط نرون‌هاي آن لايه بررسي و اصلاح مي‌گردد. در حقيقت هر نورون قدرت سيگنال را بالا مي‌برد و آن پالس را به لايه بعدي انتقال مي‌دهد.

user8307

جدول 4-2 : معادلات مدلهاي جريان ترافيک غير ساده ..................................................................101
جدول 4-3: نتايج کمي نمونه هاي موردي اجراشده حمل ونقل جادهاي در پروژه UNITE ..... 108
جدول 4-4: ارتباط هزينه هاي زمان و سوخت دوگروه وسايل نقليه.............................................. 109
جدول 4-5: نحوه محاسبه متوسط ارزش زمان سفر اتومبيل هاي شخصي ...................................109
جدول 4-6: ارزش زمان سفر اتومبيل ها در کشورهاي اروپايي در هر کيلومتر ........................... 110
جدول 4-7: نتايج محاسباتي هزينه نهايي تراکم برخي از آزادراه هاي اروپا در سال 2001 ....... 110
جدول 5-1 : ارزش زمان سفر وسايل نقليه در کشور ايران در سال 1387 بر حسب تومان ......... 133
جدول 5-2: ظرفيت هر خط عبور آزادراهها برحسب کيفيت ترافيک و سرعت طرح .................. 134
جدول 5-3 : مقدار ضرايب بهينه تابع تردد خودروها .................................................................... 138
جدول 5-4 : نتايج حاصل از طراحي شبکه ..................................................................................... 144
جدول 5-5 : خلاصه مدل رگرسيون خطي ...................................................................................... 147
جدول 5-6 : خلاصه نتايج آزمون فرضيات ......................................................................................148
فهرست شكل ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 : عملکرد هزينه هاي حمل و نقل ...................................................................................... 14
شکل 2-2 : روند تحليلي هزينه هاي ثابت بر حسب ميزان بهره برداري ........................................ 16
شکل 2-3: عملکرد هزينه هاي ثابت بر حسب تن-مسافت ............................................................ 17
شکل 2-4: هزينه هاي متغير بر حسب عملکرد حمل و نقل ............................................................ 19
شكل 2-5: تعادل عرضه بنزين با احتساب هزينه هاي آلوده سازي محيط زيست ......................... 21
شكل 2-6: اجزاي اصلي يک شبکه عصبي بيولوژيک ...................................................................... 27
شكل 2-7: مدل نرون تک ورودي ..................................................................................................... 33
شكل 2-8: توابع مورد استفاده در مدل سلول عصبي ..................................................................... 35
شكل 2-9: مدل چند ورودي يک نرون ............................................................................................. 36
شكل 2-10: فرم ساده شده نرون با R ورودي ................................................................................... 37
شكل 2-11: شبکه تک لايه با S نرون ................................................................................................ 38
شكل 2-12: شبکه پيشخور سه لايه ................................................................................................ 39
شكل 2-13: نرون شبکه پرسپترون .................................................................................................. 40
شكل 2-14: بلوک تاخير زماني .......................................................................................................... 41
شكل 2-15: شبکه تک لايه برگشتي .................................................................................................41
شکل 4-1 : نمودار سرعت بر حسب تراکم ........................................................................................ 79
شکل 4-2 : نمودار سرعت بر حسب جريان ...................................................................................... 80
شکل 4-3 : نمودار زمان سفر بر حسي تقاضا ....................................................................................82
شکل 4-4 : نمودار تقاضا بر حسب عرضه ......................................................................................... 89
عنوان صفحه
شکل 4-5: نمودار هزينه متوسط و جانبي ....................................................................................... 92
شکل 4-6 : جريان ترافيک در چند روز مختلف در طول شبانه روز ............................................... 96
شکل 4-7 : نحوه ارتباط سرعت، جريان و چگالي در توابع جريان ترافيک ................................... 100
شکل 4-8 : نمونه جريان ترافيک در بزرگراه ها .............................................................................. 101
شکل 4-9 : نمودار سرعت – تقاضا در مدل ويکري ........................................................................ 103
شکل 4-10 : نمودار هزينه حاشيه اي و هزينه تراکم ....................................................................... 104
شکل 4-11 : ساختار مدل پيشنهادي براي پيش بيني جريان ترافيک .......................................... 117
شکل 4-12 مراحل ساخت مدل پيش بيني حجم ترافيک ............................................................. 118
شکل 4-13: رگرسيون خطی ساده .................................................................................................. 121
شکل 5-1: انواع هزينه هاي حمل و نقل .......................................................................................... 131
شکل 5-2 : نمودار ترافيك عبوري خودروها را در بازه زماني يك ساعت .....................................137
شکل 5-3 : نمودار ترافيك عبوري خودروها ...................................................................................137
شکل 5-4 : نمودار مبلغ تراکم در ساعت هاي مختلف ....................................................................139
شکل 5-5: ارتباط مابين تقاضا، عرضه و حجم ترافيک ...................................................................139
شکل 5-6: مدل چهار مرحلهاي برنامه ريزي حمل ونقل ............................................................... 140
شکل 5-7 : خروجي Train شبکه عصبي ........................................................................................144
شکل 5-8: خروجي مربوط به اعتبار سنجي شبکه عصبي .............................................................144
شکل 5-9 : خروجي مربوط به آزمايش شبکه عصبي ......................................................................145
شکل 5-10: تعداد epochهاي مورد استفاده توسط الگوريتم يادگيري شبکه .............................145
شکل5-11 : مقايسه خروجي شبکه عصبي با اطلاعات موجود ........................................................146
شکل5-12 : مقايسه خروجي مدل رگرسيون با اطلاعات موجود ....................................................151

فهرست نشانه هاي اختصاري
TDNN = Time delay neural network
BOT = Build-operate-transfer
PCI = Pavement Condition Index
PSI = Present Serviceability Index
MLF = Multi-layer feed forward
TTI = Texas Transportation Institute
BPR = Bureau of Public Roads
VOTT = Value of Travel Time
HCM = Highway Capacity Manual
BP = Back Propagation
فصل اول
مقدمه و طرح مسئله
1- مقدمه1-1- مقدمهبخش حمل ونقل نيز به عنوان يکي شاهرگ اصلي اقتصاد، نقش بسزايي در شکوفايي و توسعه جامعه ايفا مي کند. در کشور ما تاکنون اين بخش نتوانسته به جايگاه واقعي خود دست يابد. شايد به جرأت بتوان گفت که امروزه ملاك توسعه يافتگي کشورها پس از صنعت، مربوط به توسعه ارتباطات ريلي، جاده اي، هوايي و دريايي است. بنابراين حمل و نقل را مي توان به شرياني تشبيه کرد که موجب پويايي و شکوفايي اقتصاد کشورها مي شود.
اگر امروز در جهان از خدمات حمل ونقل تحت عنوان صنعت ياد مي شود بخاطر گستردگي و اهميت اين خدمات به عنوان حلقه اتصال صنايع با يکديگر و عامل ارتباط ميان بازارهاي توليد و مصرف است . بدين خاطر است که بين نظام حمل ونقل و فرآيند توسعه اقتصادي و اجتماعي جوامع همبستگي شديدي وجود دارد و اقتصاد دانان، صنعت حمل ونقل را به عنوان نيروي محرکه توسعه مي دانند و کارآمدي و توانمندي آن را زمينه ساز توسعه پايدار مي شناسند. لذا چنانچه اين بخش از اقتصاد، مورد بي مهري و بي توجهي برنامه ريزان اقتصادي قرار گيرد يا به دليل سياستگذاري هاي نامناسب کارايي لازم را نداشته باشد، خواسته يا ناخواسته اقتصاد کشورها را با مشکلات جدي مواجه خواهد کرد.
کشور ايران به دليل موقعيت جغرافيايي و دسترسي به آبهاي آزاد، از موقعيت ويژه اي در حمل ونقل منطقه برخوردار است. اينکه ايران موقعيت طلايي براي ترانزيت و عبور کالا را دارد بر کسي پوشيده نيست ولي متأسفانه طي دهه اخير، عليرغم گنجاندن اين مهم در راهبردهاي اقتصادي و برنامه هاي توسعه کشور، عملاً شاهد تحقق بهره برداري از اين پتانسيل نبوده ايم. يکي از مهم ترين عوامل زيربنايي براي توسعه هر کشوري، وجود يک شبکه کارا و مناسب جهت رفع نيازهاي حمل ونقلي آن است. بطور کلي حمل ونقل به جهت رفع نيازهاي مختلف اقتصادي، اجتماعي و دسترسي صورت مي گيرد و تقاضاي آن ناشي از تقاضا براي ساير بخش ها است (صفارزاده،هدايتي،1378).
بين صنعت حمل ونقل و ساير بخش هاي صنعتي از منظر اقتصاد تفاوت هايي وجود دارد . فعاليت هاي حمل ونقل داراي هزينه ثابت بسيار بالا هستند که بيشتر صرف زيرساخت هاي حمل ونقل مي شود و براي ساخت زيرساخت هاي حمل ونقل نياز به سرمايه گذاري بلند مدت است. اين دو خصيصه از جمله ويژگي هاي بارزي هستند که حمل ونقل را از نظر اقتصادي، از ديگر صنايع جدا مي کند. بر همين اساس تامين منابع مالي و جذب سرمايه گذاري در اين بخش در مقايسه با ديگر بخش هاي اقتصادي با مشکلات بيشتري همراه است.
حمل ونقل جاده اي به دليل خصوصيات ويژه اي که داراست (از جمله انعطاف پذيري در انتخاب مسير، ميزان بار، زمان سفر، دسترسي به نقاط مختلف، عدم نياز به تجهيزات بارگيري و تخليه) به عنوان متداول ترين شيوه حمل ونقل در کشورهاي مختلف محسوب مي شود. در ايران نيز علاوه بر ويژگي هاي خاص حمل ونقل جاده اي، موقعيت ويژه جغرافيايي، عدم پوشش گسترده شبکه ريلي در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفي حمل ونقل جاده اي همچون مسائل زيست محيطي، سبب گشته تا درصد بسيار بالايي از حمل ونقل کالا و مسافر توسط اين زيربخش صورت گيرد، بطوريکه هم اکنون بيش از 90 % کل حمل بار و مسافر در کشور توسط جاده انجام مي شود(سازمان راهداري و حمل و نقل جاده اي، 1383).
در حاليکه فعاليت هاي حمل و نقل بيش از 9% از توليد ناخالص ملي کشور را در بر مي گيرد و در حدود 5/7 ميليون نفر از شاغلان کشور در اين حوزه فعاليت مي کنند و همچنين بر اساس برآوردهاي کارشناسان در صورتي که تمام فعاليتهاي مستقيم و غير مستقيم حمل ونقل به حساب اين بخش منظور شود، ارزش افزوده آن بالغ بر 20 % از توليد ناخالص داخلي را تشکيل خواهد داد (سايت اينترنتي بانک مرکزي جمهوري اسلامي ايران، 1389).
ضرورت توجه به حمل ونقل در کشور دو چندان نمايان مي شود. در برنامه چهارم توسعه و در ماده 28 آن بطور مشخص اقداماتي در اين خصوص پيش بيني شده است که بر اساس آن دولت موظف شده است اقداماتي را به منظور تقويت اقتصاد حمل و نقل، بهره برداري مناسب از موقعيت جغرافيايي کشور، افزايش ايمني و سهولت حمل ونقل بار و مسافر انجام دهد.
علاوه بر اين موارد، افزايش جمعيت، روند رو به رشد اقتصاد کشور و گذر از درحال توسعه به توسعه يافته و استعداد ترانزيت بين المللي، لزوم توسعه و ساخت هر چه بيشتر زيرساخت هاي حمل ونقل را بيشتر نمايان مي کند. اما محدوديت منابع مالي و سرمايه، اکثر کشورهاي جهان و ازجمله ايران را به فکر يافتن راه حلي جهت تامين سرمايه مورد نياز توسعه زيرساخت هاي حمل ونقل انداخته است . کشورهاي مختلف خط مشي هاي متنوعي براي تامين سرمايه در پروژه هاي راهسازي در پيش گرفته اند. از روش هاي متداول اتخاذ شده از سوي دولت ها مي توان به وضع ماليات بر سوخت و ساير کالاهاي مرتبط با حمل ونقل، ماليات بر خودرو و دريافت عوارض از رانندگان وسايل نقليه اشاره نمود. معمولاً هزينه هاي دوره بهره برداري زيربناها نيز از محل اخذ عوارض از کاربران راهها تامين مي شود (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
در دهه هاي 80 و 90 ميلادي، در سطح دنيا تمايل بسوي ساخت زيربناهاي حمل ونقل با مشارکت بخش غيردولتي به جاي زيربناهايي عمومي و رايگان صددرصد دولتي، بسيار افزايش يافت . ساخت و توسعه راهها از طريق مشارکت بخش غيردولتي به دليل استحصال فوايد و نتايج مطلوبي همچون کمک به جبران کمبود بودجه عمومي جهت ساخت و نگهداري راهها، پاسخگويي به رشد تقاضا و نيز ارتقا کيفيت و مطلوبيت خدمات حمل ونقل فراگير شده است. همچنين قيمت گذاري راهها به عنوان فرآيندي مناسب جهت بازگشت سرمايه و هزينه هاي مديريت و نگهداري راهها، از سوي کشورها پذيرفته شده و در بيشتر آنها به اجرا درآمده است (Heggie,1995).
بنابراين بايد اذعان داشت که امروزه قيمت گذاري راهها به يکي از اولويت هاي کاري در رئوس سياست هاي حمل ونقل در سراسر جهان تبديل شده است . بيشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنين سياست مداران متقاعد شده اند که قيمت گذاري راه، و هزينه هاي جانبي مربوط به آنها، راهکار مؤثري براي کسب و جذب منابع مالي جهت توسعه و بهبود سيستم هاي حمل ونقل و همچنين مديريت تقاضا و کنترل ازدحام روي راهها است.
در مجموع با بررسي اجمالي وضعيت خدمات راهسازي و راهداري در ايران مي توان گفت: کشور ايران از نظر توسعه زيرساخت ها و بهبود شبکه راههاي خود داراي نياز زيادي است. تامين منابع مالي و سرمايه از مشکلات اصلي کنوني براي رفع نيازهاي زيرساختي است. همچنين در صورت عدم ايجاد فضاي منطقي و هدفمند براي ساخت آزادراهها با مشارکت بخش غيردولتي، مشکلات تقاضاي برآورده نشده دوچندان شده و آثار نامناسبي بر اقتصاد خواهد گذاشت. علاوه براين، در صورتيکه حتي بخش غير دولتي نيز به مشارکت بخش دولتي بيايد اما ساز و کار مناسب براي بازگشت سرمايه به سرمايه گذاران در نظر گرفته نشود، مشکلات بيشتري به دولت و سيستم حمل ونقل وارد شده و بار مالي زيادي به بودجه عمومي وارد مي شود.
قيمت گذاري راه مفهوم جديدي نيست. عوارض روي جاده ها و پلها از اواخر قرن هيجدهم يعني سال 1790 ميلادي در آمريکا رايج بوده است. اين دوران با شکوفايي اقتصاد آمريکا مقارن بود . در آن موقع حمل ونقل بهتر به معني آزادراههاي بهتر بود. ايالت ها و دولت هاي محلي بودجه و منابع مالي محدودي در اختيار داشتند که پاسخگوي نيازهاي حمل ونقل نبود . بهمين دليل آزادراههاي خصوصي با فاينانس شرکت هاي سهامي احداث شد و سهام آن در بازارهاي بورس معامله مي شد. صاحبان سهام از محل دريافت عوارض و ماليات هاي بزرگراهها، سود سهام خود را دريافت مي کردند (Durenberger,1981).
به اين طريق راههاي خصوصي و سيستم عوارضي در اين راهها تا اواسط قرن نوزدهم ادامه داشت و در آن سا لها به اوج خود رسيد. توسعه ريل رقابت شديدي را بين ريل و جاده به وجود آورد که منجر به کم رنگ شدن اهميت جاده شد. در نتيجه بيشتر بزرگراهها يا به دولت واگذار شدند يا به صورت نيمه دولتي درآمدند. از آن زمان يعني اواسط قرن نوزدهم تا اواسط قرن بيستم مردم آمريکا رغبت چنداني به قيمت گذاري راهها نشان داده و با آن مخالفت ورزيده اند . از اوايل سال هاي 1960 سيستم عوارض سنتي برچيده شد و بجاي آن سيستم پرداخت فوري جايگزين شد و در دهه هاي60، 70 و 80 ميلادي مورد استفاده قرار گرفت (پژوهشکده حمل و نقل، 1389).
در کشور انگليس از سال 1964 تاکنون با هدف کم کردن بار ترافيکي راهها و کمک به تامين اعتبارات براي ساخت و توسعه راهها، استراتژي هاي مختلفي براي قيمت گذاري راهها اجرا شده است. از سال 2003 به بعد در شهر لندن سياست هاي سخت گيرانه تر و همراه با نرخ هاي بالاتر با هدف کاهش هرچه بشتر بارترافيک اعمال شده است.
يکي از موفق ترين تجربه هاي قيمت گذاري راهها را کشورهاي هنگ کنگ(Ison, Rye,2005) و سنگاپور(Goh,2002) از اواسط دهه 70 ميلادي تا کنون داشته اند. هنگ کنگ در خلال سال هاي 80 و 90 ميلادي عليرغم رشد جمعيت و تقاضاي حمل و نقل توانست 20 % از بارترافيکي درون پايتخت بکاهد. همچنين سنگاپور نيز در مديريت ترافيک توفيق زيادي داشته و دو دهه است اخذ الکترونيکي عوارض را تجربه مي کند.
در کشور نروژ از سال 1930 تا 1980 5% کل بودجه ساخت و توسعه زيرساخت هاي حمل ونقل از ، محل قيمت گذاري راهها تامين شده است . اما در دو دهه 80 و 90 ميلادي تحولات زيادي در سيستم قيمت گذاري راهها به وجود آمد و در نتيجه 26 % کل بودجه ساخت زيربناهاي حمل ونقل کشور نروژ در دو دهه مذکور از محل قيمت گذاري راهها تامين گرديد. در سال 1997 تعداد پروژه هاي راهسازي با استفاده از درآمد هاي حاصل از قيمت گذاري راهها به 30 پروژه رسيد(Odeck, Bråthen,1997).
در کشور ايران تا کنون قيمت گذاري سيستماتيک و جامعي روي شبکه راههاي کشور انجام نشده است و تنها در چند آزادراه کشور سيستم اخذ عوارض سنتي وجود دارد که البته بيشتر درآمدهاي آن صرف پوشش هزينه هاي ساخت آزادراههاي مذکور مي شود. در واقع اين آزادراهها با سرمايه بخش خصوصي يا بانک ها ساخته شده و در قالب قراردادهاي ساخت-عمليات-واگذاري احداث شده اند و تا دوره ي مشخصي با نظارت دولت مجازند کابران اين راهها را شارژ کنند.
بطور كلي در بيشتر كشورهاي دنيا در سه دهه اخير، قيمت گذاري راهها به عنوان منبعي مكمل جهت تامين اعتبارات و منابع مالي بخش حمل ونقل، همچنين مشوقي جهت همكاري و تعامل توأم بخش خصوصي و دولتي براي ساخت و توسعه راههاي جديد، مديريت تقاضا و كنترل ترافيك روي شبكه راهها، مورد نگاهي ويژه قرار گرفته است(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
1-2- اهداف قيمت گذاري راههااهدافي زيادي براي قيمت گذاري راهها ذكر شده است. در اينجا به ۴ هدف اشاره مي شود كه در زيرآمده اند.
1. از مشهورترين و مهمترين اهداف قيمت گذاري راهها، هدف مالي و سرماي هاي است.قيمت گذاري راهها به عنوان منبعي براي کسب درآمد جهت بهسازي و توسعه زير ساخت هاي حمل ونقل عمل مي کند. شکاف موجود بين نيازهاي زيرساختي حمل ونقل و درآمدهاي موجود يکي از محرك هاي اصلي قيمت گذاري است. جمع آوري منابع مالي از اين طريق براي پوشش دادن و جبران هزينه هاي ساخت راه، توسعه راههاي فعلي و ساخت زيرساخت هاي جديد حمل ونقل صورت مي گيرد. در بيشتر کشورهاي دنيا بخش زيادي از اين منابع از محل ماليات بر سوخت، ماليات بر وسائل نقليه تامين مي گردد. با توجه به تحولات تکنولوژيکي و ورود وسائل نقليه با سوخت هاي نوين مانند باطري هاي خورشيدي، پيل هاي سوختي و امثالهم، که جايگزين وسايل با سوخت فسيلي مي شوند ، انتظار مي رود بخش حمل ونقل با کاهش ماليات بر سوخت و در نتيجه کاهش منابع مالي مواجه شود. لذا اهميت قيمت گذاري راهها به عنوان محلي براي تامين منابع مالي مذکور بيشتر مي شود . البته به دليل اينکه در کشور ايران ماليات بر سوخت گرفته نمي شود، اين نگراني بدين صورت براي کشور ما وجود ندارد؛ بلکه بيشتر کمبود منابع مالي براي ساخت و توسعه شبکه راهها دغدغه اصلي محسوب ميشود. قابل ذکر است اين هدف بيشتر در قيمت گذاري راههاي بين شهري در کشور ما و نيز ديگر کشورها دنبال ميشود. (پژوهشکده حمل و نقل،1389).
2. هدف دوم ارائه مکانيزمي براي مديريت تقاضاي حمل ونقل است. با تغيير تعرفه ها در طول شبانه روز (که گاهي قيمت گذاري تراکم يا قيمت گذاري ارزش ناميده مي شود ) استفاده کنندگان بگونه اي ترغيب مي شوند که در طول ساعات شلوغ و پرتردد از سفر پرهيز کنند و سفرهاي خود را در ساعات کم تردد انجام دهند. بدين طريق جريان ترافيک تعديل شده و تقاضاي سفر بگونه اي در طول ساعات روز توزيع مي شود که کمتر بار ترافيکي شديد به وجود آيد. علاوه بر توزيع تقاضا در ساعات مختلف، با تقسيم شبکه راهها به بخش هاي مختلف و تخصيص تعرفه هاي متفاوت به هر کدام به توزيع مناسب تقاضا روي کل شبکه پرداخته و از ترافيک شديد جلوگيري مي کنند. طبيعي است با کاهش ترافيک، شاخص دسترسي پذيري افزايش يافته و کارايي حمل ونقل بهبود مي يابد(May,1992). البته اين هدف، بيشتر در مناطق شهري و درون شهرها مدنظر قرار مي گيرد. امروزه در بيشتر شهرهاي بزرگ و شلوغ دنيا از جمله شهر تهران اين هدف دنبال مي شود.
3. هدف سوم کاهش آثار زيان آور زيست محيطي است. معمولاً فعاليت هاي حمل ونقل اعم ازاحداث راهها و حرکت وسايل نقليه، موجب وارد شدن آسيب هايي به محيط زيست مي شو ند. هزينه هاي محيط زيستي مربوط به زيرساخت هاي حمل و نقل، شامل مواردي چون تصرف زمين و اراضي، تغيير مناظر و زيباييهاي طبيعي، تخريب زيست گاههاي وحوش، آسيب رساني به منابع و ذخاير زميني، آلاينده هاي جوي و غيره است(بيضايي،1382). لذا قيمت گذاري بگونه اي انجام مي شود که بخشي از قيمت صرف جبران خسارات وارده به محيط زيست شود.
4. هدف چهارم که بيشتر در مناطق خارج از شهر و روستايي دنبال مي شود، شارژ مستقيم کساني است که از راهها، استفاده هاي مخاطره آميز مي کنند. مثلاً، ادوات سنگين کشاورزي و عمراني، ممکن است سبب وارد کردن خساراتي به راهها شوند. تصادفات جاده اي نيز به دليل تحميل هزينه به اجتماع و البته بخش حمل ونقل، مي تواند شامل اين مورد باشد که در اين صورت، شرکت هاي بيمه اي بايد هزينه ها و عوارض مربوطه را بپردازند . علاوه بر اين موارد، استفاده از وسايل غيراستاندارد و فرسوده که بيش از وسايل استاندارد به راهها آسيب مي رسانند، مشمول اين نوع قيمت گذاري مي شوند. در کشور ايران، فرسود گي زياد ناوگان حمل ونقل از جمله عوامل فرساينده راه بشمار رفته و اصولاً اين دسته از وسايل حمل ونقل بايد قيمت بيشتري را بابت استفاده ار راهها بپردازند. پيگيري اين هدف مي تواند به بهبودي وضع ناوگان و کاهش فرسودگي کمک کند(پژوهشکده حمل و نقل،1389).
برحسب اهداف در نظر گرفته شده براي قيمت گذاري راهها، استراتژي هاي قيمت گذاري نيز متفاوت خواهد بود. بطور مثال، قيمت گذاري در شهرهاي کشورهاي سنگاپور و هنگ کنگ بيشتر با هدف کاهش تراکم و مديريت تقاضا است (Olszewski, Xie,2005) و در شهر لندن اين کار بيشتر با هدف کاهش آلودگي هاي زيست محيطي و البته کاهش تراکم صورت مي گيرد(Mitchell,2005) در حاليکه در کشور نروژ قيمت گذاري راه با هدف اصلي ساخت و توسعه شبکه راهها انجام مي شود(Odeck, Bråthen,2002). در حوزه فعاليت وزارت راه و ترابري در کشور ايران، قيمت گذاري راهها، بيش از آنکه براي کاهش بار ترافيکي مورد نظر باشد، با هدف ساخت و توسعه شبکه راهها و جبران هزينه هاي ساخت راههاي موجود، انجام مي گيرد.
1-3- جمع بندي و نتيجه گيريحمل ونقل جاده اي به دليل خصوصيات ويژه اي که داراست (از جمله انعطاف پذيري در انتخاب مسير، ميزان بار، زمان سفر، دسترسي به نقاط مختلف، عدم نياز به تجهيزات بارگيري و تخليه) به عنوان متداول ترين شيوه حمل ونقل در کشورهاي مختلف محسوب مي شود. در ايران نيز علاوه بر ويژگي هاي خاص حمل ونقل جاده اي، موقعيت ويژه جغرافيايي، عدم پوشش گسترده شبکه ريلي در سطح کشور، فقدان مقررات محدود کننده در خصوص آثار منفي حمل ونقل جاده اي همچون مسائل زيست محيطي، سبب گشته تا درصد بسيار بالايي از حمل ونقل کالا و مسافر توسط اين زيربخش صورت گيرد. بنابراين بايد اذعان داشت که امروزه قيمت گذاري راهها به يکي از اولويت هاي کاري در رئوس سياست هاي حمل ونقل در سراسر جهان تبديل شده است . بيشتر کارشناسان و اقتصاددانان حمل ونقل و همچنين سياست مداران متقاعد شده اند که قيمت گذاري راه، و هزينه هاي جانبي مربوط به آنها، راهکار مؤثري براي کسب و جذب منابع مالي جهت توسعه و بهبود سيستم هاي حمل ونقل و همچنين مديريت تقاضا و کنترل ازدحام روي راهها است.

فصل دوم
مباني نظري
2- مباني نظري تحقيق2-1- مقدمهحمل و نقل يا جابجايي انسان و کالا از نقطه اي به نقطه ديگر، از جمله خصايص ذاتي و کهن ماندگار انسان ها است. در جوامع ابتدايي به فرم معيشتي نيز، حرکت جزو اساسي ترين الزامات روزانه به شمار مي رود و براي تولطد و يا جابجايي هر محصول غير اقتصادي لازم است حجم معيني از حرکات از محل توليد تا مصرف صورت پذيرد تا کالاي مورد نياز به مصرف کننده برسد.
چنين فرايندي از حرکت از حرکت در يک جامعه توسعه يافته مبادلاتي، ابعاد وسيع تري دارد و اشکال مختلفي از حرکت و جابجايي را پديد مي آورد. بنابراين حرکت و جابجايي يکي از عمده الزامات انساني است که نتايج اقتصادي به دنبال دارد. در علم اقتصاد، مجموعه خدماتي که سبب انتقال و جابجايي منابع توليد مي گردد داراي ارزش اقتصادي است و بخشي از جريان توليد محسوب مي شود. از اين رو حمل و نقل از جمله ضروريات اقتصادي است و تقاضا براي حمل و نقل مشتق از ساير فعاليت هاي اقتصادي و اجتماعي است و لذا محصول حمل و نقل در عين حال که يک توليد پيچيده و مرکب است، تابع تغييرات تقاضا در نقاط و يا بخش هاي ديگر اقتصاد نيز مي باشد(محمودي،1389)
حمل و نقل به گونه ساير فعاليت هاي اقتصادي بدون هزينه نيست و حرکت در ابعاد فضايي، همانند هر توليد ديگري داراي هزينه مي باشد. تفاوت هاي ساختاري در عملکرد هزينه هاي انواع مختلف حمل و نقل ميدان کاربري وسيعي را براي برنامه ريزي حمل و نقل فراهم مي آورد.
روند توسعه در افزايش تسهيلات حمل و نقل جهاني مبين يک روند فزاينده در تقاضا براي سرمايه گذاري در زير ساخت هاي حمل و نقل مي باشد و به همين دليل است که سرمايه گذاري در زير ساخت هاي حمل و نقل اهميت يافته و جزو لاينفک برنامه هاي توسعه ملي گرديده است. در بسياري از کشورهاي توسعه يافته تامين مالي حمل و نقل بخصوص از اين جهت اهميت دارد که حمل و نقل بزرگترين جزء سرمايه گذاري اين کشورها را تشکيل مي دهد.
به دليل بالا بودن هزينه هاي اجرايي طرح هاي زير بنايي حمل و نقل و همچنين به خاطر مسئوليت هاي مالي دولت ها و ضرورت هاي توزيع در سطح ملي لازم است دولت ها به سرمايه گذاري در زير ساخت هاي حمل و نقل توجه عمده اي مبذول دارند.
2-2- هزينه هاي حمل ونقلعملکردهاي زيانبخش فاصله و محدود ساختن ابعاد حرکت در واقع ناشي از هزينه هاي حرکت است که بر اثر غلبه بر فاصله به وجود مي آيد. زيرا عملا هر مصرف کننده اي در حرکت بسوي گردآوري منابع مورد نياز و يا بمنظور مبادله مقداري از درآمد خود با کالا و خدمات، ضرورتا مقادير مشخصي از منابع کمياب (پول، وقت و انرژي فيزيکي ) را به مصرف مي رساند تا هزينه مسافت را از ميان بردارد. بنابراين وقتي از موانع ناشي از مسافت و سنجش آن با واحدهاي پولي صحبت مي کنيم، در واقع اشاره به عملکرد خدمات حمل و نقل در غلبه بر مسافت و ساخت هزينه هاي حرکت و بهاي مربوط به آن است که بر پايه ذخاير مالي قرار دارد.
ولي روند غلبه بر هزينه هاي مسافت هميشه بر اساس مبادلات پولي استوار نيست. مثلا قدم زدن تا فروشگاه براي خريد کالاي مورد نياز، پرداخت هزينه اي را شامل مي شود که صرفا جنبه فعاليت بدني داشته و مي توان آنرا از طريق محاسبه واحد کالري مصرفي اندازه گيري نمود. در حالي که استفاده از وسايل ارتباطي محتاج مبادله پولي است و روند چنين مبادله اي بر اساس ميزان سرمايه گذاري، نوع خدمات و هزينه هاي ناشي از آن بسيار متنوع است.
از اين رو، براي تجزيه و تحليل هزينه هاي حمل و نقل ضرورتا بايد شناخت وسيعي از ماهيت هزينه هاي حمل و نقل داشت.حمل و نقل نوع ويژه اي از توليد است که بر خلاف اصول جاري در توليد کالاهاي اقتصادي، در يک نقطه مشخص مکاني مستقر نيست ، بلکه عوامل توليد در چنين شيوه اي در طول يک خط معين و يا در امتداد مسيرهاي مختلف ترکيب يافته وشکل مي گيرند. بنابراين، از لحاظ اقتصادي، ساخت موقعيتي حمل و نقل با موضوعات مورد مطالعه در ساير فعاليت هاي اساسي دارد. اين وضع زاييده اختلاف هاي بنيادي بين اهميت و نقش توليدي خطوط و گذرگاه ها در مقايسه با ساير فعاليت هاي اقتصادي است که خود مسائل ويژه اي را در موقعيت مکاني پديده هاي توليد مطرح مي کند. اهميت بنادر، ايستگاه هاي راه آهن و ساير ترمينال ها به عنوان کانون فعاليت هاي حمل و نقل در واقع نتيجه مستقيم ارتباط هاي زنجيره اي اين نقاط با پاره اي از نقاط ديگر است که هرگز به تنهايي حاوي ارزش هاي اقتصادي بالقوه اي نيستند. ارزش و اعتبار چنين مراکزي يا بر اساس شاخص هايي مانند تعداد مسافران و وزن کالاهاي حمل شده و درآمدهاي حاصله از آن تعيين مي شود و يا ارزيابي آن ها بر پايه معيارهاي فيزيکي ديگري قرار دارد. در هر حال، وسايل حمل و نقل و موسسات مربوط به آن عملا کالاهايي را عرضه نمي کنند و درآمد آن ها ناشي از خدماتي است که در مقطع زماني و مکاني مشخصي ارائه شده است(محمودي،1389).
در هندسه فرض بر اين است که هر خطي از به هم پيوستن بي انقطاع مجموعه اي از نقاط هندسي تشکيل مي شود که عملکرد هر يک از نقاط مفروض در ساخت اين خط برابر و يکسان است. خطوط ارتباطي را از بسياري جهات همانند عملکرد نقاط در تشکيل خط مي توان فرض کرد و ثابت کرد که توليد در طول چنين خطوطي و بر سر هر نقطه اي مي تواند احتمال وقوع داشته باشد. بنابراين، سهمي که هر يک از اين نقاط در حرکت دادن مسافر . کالا دارند از طريق محاسبه اي ساده (نرخ کالا هنگام صدور از مبدا منهاي ارزش آن در زمان ورود به مقصد) مي توان تعيين کرد. ولي کيفيت اين گونه استدلال ها انسان را متقاعد مي سازد که اين نوع محاسبات تقريبا غير عملي است و کمتر با واقعيت هاي موجود در حمل يک کالا مطابقت دارد. زيرا حمل و نقل هر محموله اي از ايستگاه مبدا علاوه بر هزينه هاي خدماتي عملا متضمن پاره اي هزينه هاي سرمايه اي نيز هست. بنابراين ، اگر از تطبيق اين فرضيه که قسمت هاي مختلف يک خط را نقاط هندسي تشکيل مي دهند صرف نظر کنيم و حرکت فرضي يک کالا را با ابعاد محدودتر، در طول يک راه آهن در نظر بگيريم در زمينه ترکيب هزينه هاي حمل و نقل به نتايج بهتري دست خواهيم يافت.
هزينه هايي که در طول راه آهن خيالي ما به واسطه انتقال کالاهاي فرضي پديد مي آيد، نتيجه محاسبه و جمع زدن هزينه هايي مانند دستمزد، اجاره بها، بهره و غيره است. بسياري از اين هزينه ها به خدمات انجام شده در ادارات مرکزي متعلق مي گيرد و برخي ديگر به خدمات انجام شده در ايستگاه هاي بين راه مربوط است و ساير هزينه ها به طول مسير طي شده مربوط مي شود. بدين ترتيب، سود حاصله از اين خدمات برخي به بخش هاي ويژه اي از دارايي راه آهن و برخي ديگر به قسمت هاي واقع در طول راه مربوط خواهد بود.
حسابداران و متخصصان نرخ گذاري در بررسي توزيع درآمدهاي حاصله، روش هاي ويژه اي دارند که بر حسب اين روش ها، نخست هزينه هاي اداره مرکزي و ساير اقلام مربوط به آن معين مي شود، سپس دستمزدها و هزينه هاي عملياتي شهرهايي که ايستگاه ها در آنجا واقع شده اند و در آخر، بخش هاي ويژه اي از مسير که به طريقي به نظام ارتباطي مربوط اند تعيين مي شوند. چنين روشي را در مورد حمل و نقل هاي زميني، دريايي و هوايي نيز مي توان تعميم داد و به کار بست. ولي يک اصل عمده در چنين شيوه اي از برنامه ريزي اين است که حجم عمده اي از درآمد تقريبا در ترمينال ها جاي گرفته و چنين به نظر مي رسد که راه هايي که اين ترمينال ها را به هم متصل مي کنند بدون هزينه نگهداري مي شوند، در حالي که چنين نيست و در واقع ساخت هزينه ها در انواع مختلف حمل و نقل سبب و نتيجه عملکرد هزينه هاي ثابت و هزينه هاي متغير است که از سرمايه گذاري در طول مسير حاصل آمده است. شکل (2-1) توجيه ساده اي از اين مطلب است.