وبلاگ

انگلیسی…………………………………………………………………………………………………………………………… 64

فهرست جداول

فهرست نمودارها

N    فهرست تصاویر

انسان همواره در جهان اطراف خود به دنبال یافته های جدیدی است. اما در این میان آنچه اهمیت دارد نگاه عالمانه به جهان می باشد که بتوان با بهره گیری از آن نگاه، پدیده های مختلف را مورد موشکافی قرار داده و به ایده ها ی جدیدی دست یافت که راهگشای گوشه ای از مشکلات زندگی بشر امروز باشد. خداوند متعال در آفرینش جهان نظم و قانون خاصی حکمفرما کرده است، این مساله میتواند توجه انسان را در کشف رمز و راز این قوانین برانگیزد. به عنوان مثال چرا درختان در هنگام تابش آفتاب طوری شاخه های خود را به حرکت در می آورند که در ساعات مختلف روز استفاده کافی از نور را داشته باشند و یا اینکه چگونه هنگام بارش باران، آب باران کوتاه ترین مسیر را برای رسیدن به رودخانه ها طی میکند. البته این نگاه انسان فقط به پدیده های جهان اطراف ختم نمی شود، مثلا ساز و کار اندام های موجود در بدن انسان، آشنایی بیشتر با آنها می تواند سوال های جدیدی را در ذهن انسان ایجاد کند. به عنوان مثال چرا بافت های شش انسان منبسط و منقبض می گردند و … تنها پاسخ گویی به این نوع سوالات راهگشای مشکلات نخواهد بود بلکه دستیابی به ایده های جدید و پیاده سازی آن بطور عملی در علم روز باید هدف قرار گیرد.
   نظم حاکم در جهان هستی و پدیده های موجود در طبیعت همواره دست مایه محققین در آفرینش ایده های  جدید بوده است. یکی از این ایده های جدید که به صورت یک تئوری بیان شده، تئوری ساختاری است. همانطور که از نام این تئوری مشخص می شود از نظم ساختاری موجود در پدیده های طبیعی الهام گرفته شده است.
تئوری ساختاری در واقع یک پیش­زمینه ایست که در طراحی ساختار جریان بکار می رود. پایه و اساس آن می تواند یک اصل فیزیکی برگرفته از طبیعت باشد، این از آنجا ناشی می گردد که سیستم­های جریان طبیعی دارای ساختار بهینه هستند. در نتیجه ایده دستیابی به ساختار بهینه را محققین از پدیده های طبیعی گرفته اند]1[.
  از طرفی پروژه ها نمایانگر توسعه پایدار در هر کشور می باشد. یکی از پروژهایی که در هر کشور بخصوص کشورهای نفت خیز در حال توسعه اهمیت بسیار زیادی دارد، انتقال و توزیع نفت و گاز از طریق خطوط لوله می باشد. اقتصاد این کشورها به شدت بستگی به عملیات روان و بدون نقص این خطوط دارد و همچنین امروزه با توجه نیاز جامعه، افزایش رو به رشد جمعیت و محدودیت در منابع، استفاده از روش های نوین برای بهینه سازی سیستم های انتقال و توزیع این منابع (نفت وگاز) از اهمیت زیاد و قابل توجهی برخوردار است.
البته ممکن است که با بکارگیری تکنیک های پیشرفته، پروسه های طراحی و بهینه سازی پیچیده تر گردد. اما با بکارگیری همزمان ریاضیات و استفاده از رایانه به عنوان ابزاری در حل بسیار دقیق، میتوان این مشکل را حل کرد.
در این پایان نامه طراحی و بهینه سازی شبکه های توزیع گاز شهری و روستایی مورد مطالعه قرار گرفته است. که ابتدا به معرفی این نوع سیستم های توزیع گاز پرداخته شده و در ادامه طراحی و بهینه سازی آن مورد بررسی قرارگرفته شده است.
 یک شبکه توزیع گاز دارای چند خط اصلی[1] است که گاز را از ایستگاه تقلیل فشار وارد شهر کرده و به دست مصرف کنندگان می رساند]2[.
اصولا در طراحی شبکه توزیع گاز سرعت، فشار و شدت جریان گاز و قطر لوله ها از پارامترهای موثر در طراحی هستند که بر روی یکدیگر تاثیر متقابل دارند. عموما جریان در شبکه توزیع گاز در حالت دائمی فرض می شود.
با توجه به متغیرهای فراوانی که در شبکه توزیع گاز وجود دارد با بهره گرفتن از رایانه و بهره گیری از یک روش بهینه سازی مناسب می

 توان هزینه نهایی سیستم را کمینه کرد.

  در واقع هدف از این تحقیق کاهش هزینه ها نهایی برای شبکه شاخه ای توزیع گاز می باشد. بدین منظور از روش تئوری ساختاری به عنوان یک روش نوین در طراحی سیستم شاخه ای توزیع گاز طبیعی و بهینه سازی آن استفاده می گردد.
درادامه این فصل مروری بر تحقیقات پیشین صورت می پذیرد.
در فصل دوم مفاهیم کلی طراحی و بهینه سازی بیان گردیده و همچنین مقایسه ای بین طراحی همراه با فرایند بهینه سازی با طراحی متداول[2] انجام گرفته است. تاریخچه بهینه سازی، روش های مختلف بهینه سازی[3] و الگوی بهینه سازی استاندارد از جمله مواردی است که در ادامه این فصل شرح داده می شود.
معادلات حاکم بر جریان های تراکم پذیر و تراکم ناپذیر با رژیم های آرام و آشفته درون لوله های صاف و لوله های زبر در فصل سوم این پایان نامه ارائه می گردد.
در فصل چهارم روش طراحی با تئوری ساختاری و چگونگی استفاده از آن برای طراحی و بهینه سازی سیستم های مختلف توزیع سیال شرح داده شده است.
امکان بکارگیری تئوری ساختاری برای شبکه شاخه ای گاز در فصل پنجم مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در این فصل روش طراحی و بهینه سازی در قالب یک الگوریتم بر مبنای سعی وخطا بیان شده است. درانتهای فصل پنجم یک ساختار ساده شاخه ای گاز به عنوان نمونه انتخاب و بر اساس روش حل پیشنهادی طراحی می گردد تا کارایی تئوری ساختاری در بهینه سازی شبکه شاخه ای گاز مورد ارزیابی قرار گیرد.
در فصل ششم روش بهینه سازی شبکه شاخه ای گاز  بر مبنای تئوری ساختاری  برای چهار مسئله مختلف (از نظر تعداد مصرف کننده) بکار گرفته شده و برای هر مسئله مسیرهای بحرانی از نظر هزینه مشخص گردیده است و همچنین هزینه نهایی کل در هر شبکه با طراحی های مشابه قبلی مورد مقایسه قرار گرفته است.
در فصل هفتم نتایج به دست آمده در این پژوهش ارائه و همچنین پیشنهاداتی برای بکارگیری تئوری ساختاری در زمینه های دیگر گردیده است.
1-2- اهداف پایان نامه حاضر
اهداف این پایان نامه را می توان بصورت زیر بیان نمود:

1. بررسی امکان بکارگیری تئوری ساختاری درسیستم شاخه­ای گاز طبیعی

1. طراحی یک سیستم تیپ [4]شاخه ای گاز طبیعی

1. بهینه سازی سیستم شاخه ای گاز با تئوری ساختاری

• مطالعات پیشین

این بخش را به دو قسمت مجزا طراحی شبکه گاز و تئوری ساختاری تقسیم کرده و مطالعات قبلی صورت گرفته در هر دو بخش به ترتیب مورد بررسی قرار می گیرد.
1-3-1- طراحی شبکه گاز
اخیرا بیشترین توجه در شبکه های توزیع جریان روی دستیابی به الگوریتم های کارآمدی برای آنالیز جریان متمرکز است و هم اکنون تعداد زیادی برنامه رایانه ای قابل استفاده و موثری برای شبیه سازی وجود دارد و طرحهای بهینه ای را پیشنهادی می کند. به عنوان مثال برنامه سیم نت[5] ]3[ بطور گسترده در لهستان[6] برای آنالیز و شبیه سازی سیستم های توزیع گاز استفاده                می گردد.
  البته هم اکنون مطالعات محدودی در راستای گسترش روش هایی با هدف بهینه کردن طراحی شبکه لوله در جهان صورت می پذیرد که اغلب این تحقیقات موجب دستیابی به برنامه های رایانه ای قابل دسترسی که عمدتا استفاده تجاری دارند، شده اند که این برنامه ها مهندسین را در طراحی و بهینه سازی شبکه توزیع بسیار کمک می کنند.
روش هایی که در حال حاضر در طراحی شبکه توزیع گاز استفاده می شود و بر اساس پروسه انتخاب قطر لوله ها به سه دسته زیر تقسیم می گردد]3[:

• روش های ذهنی[7] (ابتکاری).

• روش هایی که در آن فرض می شود گستره پیوسته[8] ای از قطر لوله ها در دسترس است.

• روش های بهینه سازی گسسته[9].

 امروزه استفاده از صفحه نمایش های لمسی، بسیار گسترده شده و با توجه به این روند در حال پیشرفت تقاضای استفاده از آن نیز رو به افزایش است(شکل 1-2 نشانگر افزایش روز افزون استفاده از این تکنولوژی را نشان می دهد). به گونه ای که نظر بسیاری از کمپانی ها و موسسات بین المللی را به خود جلب کرده است، تا جایی که بسیاری از موسسات  در حیطه های مختلف کاری از جمله IT, Medicine ,Computer, ATM و غیره سعی در بکارگیری و پشتیبانی از این تکنولوژی نه چندان جدید در محصولات خود را داشته اند(شکل 1- 1).[1-3]

شکل 1-1- موارد کاربرد صفحه نمایش های لمسی در حیطه های مختلف و سهم فروش آن در بازار کالا [1]

همچنین استفاده از این تکنولوژی به گونه ای شایع شده که اغلب کشورهای صنعتی جهان تمایل خاصی به استفاده از آن در محصولات مختلف خود نموده اند، به عنوان مثال طی بررسی های انجام شده توسط موسسه DisplaySearch آمریکا در سال 2010 بیشترین میزان استفاده از صفحه نمایش لمسی در محصولات ژاپنی وسپس در آمریکایی بوده است.(شکل 1-2 بیانگر این موضوع می باشد.)[2].

شکل 1-2-  میزان استفاده از صفحات لمسی در تولیدات صنعتی، توسط کشور های مختلف [2]

شکل 1-3- میزان رشد درآمد های حاصل از بکارگیری تکنولوژی صفحه نمایش های لمسی از سال 2006 تا 2014 (تخمین)[3]؛ تصویر سمت راست: میزان در آمد حاصله از فروش –  تصویر سمت چپ: میزان استفاده از صفحه نمایش های لمس

علاوه بر این، در بررسی های انجام شده توسط همین موسسه در سال 2011 ، پیش بینی شده است که میزان خرید این محصول تا سال 2014 رشدی حدود 105 درصدی خواهد داشت. (بیش از دو برابر نسبت به سال 2011) که این خود نشان دهنده اهمیت این تکنولوژی می باشد. (شکل 1-3) [3].

1-2- دسته بندی صفحات لمسی

از زمان پیدایش این تکنولوژی انواع مختلفی از صفحه نمایش های لمسی تولید و ارائه شده است و با گذشت چیزی نزدیک به سه دهه از ساخت و ارائه اولین مدل از این تکنولوژی همچنان موضوعات مطرح در این حیطه جذاب و مورد توجه محققین در علوم مختلف می باشد. بدلیل طیف گسترده تولید کنندگان و تنوع تحقیقات در این زمینه، دسته بندی های مختلفی تاکنون برای انواع مختلف صفحات لمسی ارائه شده است که مشهور ترین آن ها عبارتند از:

الف)  دسته بندی Wigdor

 این نوع از دسته بندی بر اساس داده های دریافتی و نحوه پردازش صفحه لمسی مورد نظر می باشد که در شکل1-5 نشان داده شده است [47].

ب) دسته بندی Walker  

این دسته بندی بر اساس نوع پلتفرم ، میزان شفافیت صفحه و غیره تقسیسم بندی شده است شکل 1- 4 نشان دهنده این نوع دسته بندی می باشد [40].

      ج) دسته بندی موسسه آمریکایی Display Search [1]

در این نوع دسته بندی معیار نوع سنسور ها و تکنولوژی ساخت هر یک از صفحات لمسی می باشد که در شکل1-6 به صورت نموداری رسم شده است[46].

• پیشگفتار

فلج شدگی[1] از­کار­افتادگی دائم اندام­های تحتانی  بدن است که براثر صدمه وارده به نخاع[2] واقع در ستون فقرات، معمولاً ناشی از حوادث یا بیماری، ایجاد می­ شود. این امر باعث از بین رفتن توانایی کنترل حرکت و احساس در اندام­های پایین­تر از سطحی که نخاع آسیب‌دیده است، می­گردد. نوع فلج شدگی به سطح آسیب­ بستگی دارد و بر اثر فلج شدن ممکن است علاوه بر اندام­های تحتانی بخشی یا تمام اندام­های فوقانی متأثر گردند.
در این قسمت برای بررسی سطح آسیب­دیدگی و شناخت اندام­های متأثر شده بر اثر فلج­شدگی آناتومی نخاع و ستون فقرات انسان را بررسی می‌شود.

• آناتومی نخاع و ستون فقرات

طناب نخاعی از سوراخ پس سری[3] تا سطح نخستین یا دومین مهره کمری امتداد می‌یابد. سوراخ پس سری، سوراخی است بزرگ در استخوان پس سر که مغز و نخاع در آنجا به یکدیگر متصل می‌شوند. طناب نخاعی، نخاع شوکی نیز خوانده می‌شود. از برجستگی کمری به پایین، نخاع شوکی باریک شده و تا ناحیه مخروط انتهایی[4] که دربرگیرنده­ی بخش‌های خاجی[5] طناب نخاعی است ادامه دارد. مخروط انتهایی، پایین‌ترین ناحیه تنه نخاع است.
نخاع دو وظیفه اصلی را بر عهده دارد: اول آن­که اعصابی را در بر دارد که نواحی حسی و کنترل حرکتی[6] مغز را به سایر قسمت ­های بدن متصل می­ کند. این اعصاب مسیرهایی را برای هدایت پالس­ها از دریافت­کننده­ های حسی[7] بدن به مغز و سپس در جهت عکس توسط عصب­های حرکتی به ماهیچه­ها و غدد فراهم می­ کند. دوم آن‌که نخاع مستقیماً اعصاب حسی را به اعصاب حرکتی مناسب برای ایجاد پاسخ،

 به‌صورت مستقل از مغز متصل می­ کند که این امر به‌عنوان واکنش نخاعی[8] شناخته می­ شود. نخاع درون کانال داخلی ستون فقرات[9] قرار دارد. اعصاب نخاعی به‌طور کلی به چهار بخش تقسیم می‌شود که متناظر با ناحیه­ای ­از ستون فقرات هستند که در آن قرارگرفته­اند. این بخش­ها عبارتند از: 1-گردنی[10] 2- سینه­ای[11] 3-کمری[12] 4 – خاجی[13] (‏ شكل1-1 ).

• شكل1-1 آناتومی نخاع

اعصاب نخاعی ۳۱ جفت است که از طناب نخاع منشعب می‌گردند که عبارت‌اند از: 1-اعصاب گردنی، هشت زوج 2-اعصاب سینه‌ای، دوازده زوج 3-پنج زوج کمری 4-پنج زوج خاجی 5-یک زوج دنبالچه‌ای.
به علت ارتباط نخاع با ۳۱ جفت عصب نخاعی، طناب نخاعی را به ۳۱ قطعه (سگمنت) تقسیم می‌کنند. یک قطعه نخاعی، استوانه‌ای از طناب نخاعی است که یک عصب نخاعی به آن اتصال می‌یابد. با توجه به اینکه طول نخاع به‌طور متوسط حدود ۲۵ سانتی‌متر کمتر از طول ستون فقرات است، بنابراین قطعات نخاعی از سطح گردنی به‌طرف انتهایی‌ترین قسمت نخاع در مقایسه با مهره‌های همنام، یکسان نبوده و به‌تدریج از هم دورتر می‌گردند. به‌عنوان مثال قطعه اول نخاعی (C1)، در سطح مهره اول گردنی قرار می‌گیرد، در حالی که قطعه اول خاجی (S1) در مجاورت مهره اول کمری است که در ‏ شكل1-1  قابل‌مشاهده است. از هشت زوج عصب گردنی، هفت عصب بالاتر از سطح مهره‌ی مربوط به خود از نخاع خارج می‌گردند و فقط زوج هشتم گردنی از زیر مهره هفتم عبور می‌کند. عصب‌های نخاعی سینه‌ای، کمری و خاجی از زیر مهره‌های مربوط به خود خارج می‌شوند.

• صفحات آناتومی بدن انسان و نام‌گذاری درجات آزادی مرتبط با آن در پایین‌تنه

به‌منظور طراحی، بهبود و یا بررسی ساختار ارتز­های مورد استفاده در اندام تحتانی، نیاز به شناخت آناتومی بدن انسان در قسمت پایین­تنه و درجات آزادی موجود در این قسمت احساس می‌شود. پای انسان در حالت کلی به‌صورت یک سازه با هفت درجه­ آزادی مدل می­ شود ، به این ترتیب که سه درجه­ آزادی در مفصل ران ( لگن)، یک درجه­ آزادی در مفصل زانو و سه درجه­ آزادی در قوزک پا خواهیم داشت. ‏ شكل1-2  صفحات آناتومی بدن انسان را نشان می­دهد و همچنین ‏ شكل1-3  یک مدل ساده‌شده از بدن انسان را در درجات آزادی موجود در هر صفحه، به نمایش می­گذارد. در این جا، به دوران مفاصل در صفحه­ی طولی خمش[14] و کشش[15] اطلاق می­ شود (برای مچ پا الفاظ خمش به عقب[16] و خمش به کف پا[17] به ترتیب به‌جای خمش و کشش استفاده می­ شود). علاوه بر این، حرکت مفصل ران و مچ پا در صفحه­ی عرضی بدن، دور شدن [18] (هنگامی که پا از بدن دور می­ شود) و نزدیکی[19] (هنگامی که پا  به بدن نزدیک می­ شود) نامیده می­شوند. به درجات آزادی باقیمانده برای ران و قوزک پا دوران[20] می­گویند (‏ شكل1-3 ).

 جهان محاسباتی که امروزه با آن روبرو هستیم روز به‌روز در حال بزرگ­تر و پیچیده‌تر شدن است. محاسبات ابری نیز در ادامه سبک‌های دیگر مانند محاسبات توری با هدف پردازش حجم عظیمی از داده با بهره گرفتن از خوشه‌هایی از کامپیوتر‌هاست. طبق گراش ارائه شده ای از گوکل، در حال حاضر به لطف محاسبات توزیع شده روزانه بیش از 20 ترابایت داده خام اینترنتی مورد پردازش قرار می‌گیرد. تکامل و شکل‌گیری محاسبات ابری خواهد توانست این چنین مسائلی را به راحتی و به شکلی مناسب‌تر از طریق سرویس‌های مبتنی بر تقاضا حل و فصل نماید. از زاویه دیگر، جهان محاسباتی اطراف ما در حال حرکت به سمت الگوهای “پرداخت برای استفاده” حرکت می‌کند و همین الگو یکی دیگر از پایه‌های اصلی محاسبات ابری محسوب می‌شود.

محاسبات ابری که در اواخر سال 2007 پا به عرضه ظهور گذاشت هم­اکنون به دلیل توانایی‌اش در ارائه زیر ساخت فناوری پویا و بسیار منعطف، محیط‌های محاسباتی تصمین شده از نظر کیفیت و همچنین سرویس‌های نرم‌افزاری قابل پیکر­بندی به موضوع داغ بدل شده است . در گزارش رویکردی گوگل همانطور که در شکل ‏1‑1 مشاهده می‌نمایید، محاسبات ابری، محاسبات توری را پشت سر گذاشته است [1]. محاسبات ابری از رویکرد مجازی­سازی بهره­ گیری می­نماید که این امر سبب انعطاف­پذیری بیشتر سیستم ابر می­ شود. در حقیقت با بهره گرفتن از این تکنولوژی، برنامه­ها می­توانند سرویس‌های مختلف را به صورت مجزا و انتزاعی از گره‌های سرویس‌دهنده دریافت نمایند.

 شکل ‏1‑1رویکرد یه تکنولوژی‌های مختلف محاسبات توزیع شده [1]

تعاریف زیادی در مورد محاسبات ابری ارائه شده است که سعی می‌نمایند مشخصه‌ های اصلی محاسبات ابری را مد نظر بگیرند که سیستم ابری را ” یک مدل برای دسترسی بنابر تقاضا و راحت تحت شبکه به یک مجموعه اشتراکی از منابع محاسباتی قابل پیکربندی” تعریف می‌نمایند درحالی­که “این منابع با کمترین تلاش و هزینه به صورت آزاد” فراهم گردند [2].

محاسبات ابری از خصوصیات منحصر به فردی بهره می‌برد که این سبک محاسباتی را از سایر سبک‌ها متمایز می‌کند. البته برخی از این خصوصیات کما بیش در سبک‌های پیشین نیز وجود داشته اند. بعضی از این خصوصیات عبارتند از:

• ارائه سرویس مبتنی بر تقاضا: در اینجا لازم نیست تا برای آن چه استفاده نمی‌کنید هزینه پرداخت کنید. این بدان معناست که مشتریان تنها بر اساس مقدار و کیفیت سرویسی که مصرف می‌نمایند، هزینه استفاده پرداخت می‌نمایند. در حقیقت رویکرد این تکنولوژی همانند سرویس‌های عمومی قابل استفاده دیگر امروزی است. برای مثال همان­طور که برای تولید برق نیاز نیست که هر خانوار دارای ژنراتور و سایر وسایل تولید الکتریسیته باشد، دریافت سرویسی مانند محاسبات یا محل ذخیره داده نیز دیگر نیازی به خصوصی بودن ندارد و می‌توان آن را از فراهم آوردنگان ابر[1] اجاره کرد.

• دسترسی شبکه گسترده (اینترنت): این سیستم برای تحویل و ارئه سرویس‌ها از بستر موجود برای اینترنت استفاده می کند. بنابراین مشتریان سرویس‌ها به هیچگونه نرم‌افزار یا سخت‌افزار خاصی نیاز ندارند و با همان مرورگری که هر روزه به گشت و گذار در وب می‌پردازند می‌توانند از سرویس‌های ابر بهره ببرند.

• استخر منابع: در این سیستم با حجم وسیعی از منابع روبرو هستیم. این منابع از طریق مجازی­سازی از محل فیزیکی خود مستقل شده ­اند. بنابراین به راحتی می‌توانند در بستر شبکه جا­به­جا شوند. در واقع نرم‌افزارها، پایگاه‌های داد، وب سرورها و سیستم‌های عامل همگی به عنوان سرورهای مجازی در سیستم ابر حضور دارند.

• قابلیت اطمینان بالا: فراهم آورندگان ابر به مشتریان خود تضمین می‌دهند که سیستم ابر همیشه قابلیت ارائه سرویس را داشته باشد. حال آنکه در سیستم‌های خانگی یک اشکال در نرم‌افزار یا سخت‌افزار می‌تواند موجب عدم دسترسی به اطلاعات و سرویس شود.

• هزینه پایین: به صورت سنتی برای اجرای برنامه‌های سنگین محاسباتی یا داده ای عظیم نیاز به یک سیستم با توان بالای محاسباتی و داده­ای احساس می‌شده است. این سیستم هزینه سنگینی را برای شرکت و یا افراد سرویس­گیرنده فراهم می‌آورده است. حال با بهره گرفتن از سرویس‌های موجود بر روی ابر، کاربران می‌توانند بر روی پروژه خود تمرکز بیشتری داشته باشد و هزینه گزافی را بابت تهیه زیرساخت‌ها نپردازد.

• به‌روز بودن: هزینه‌های گزافی که برای برپا بودن و به‌روز بودن زیرساخت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری باید پرداخت شوند با بهره گرفتن از ابر از بین می‌رود. در حقیقت به‌روز در آوردن زیرساخت‌ها از وظایف فراهم­آورندگان ابر می‌شود که بدون آن­که کاربر نهایی از این موضوع مطلع شود انجام می‌پذیرد.