روش شناسی طراحی تحلیلیروش شناسی طراحی تحلیلی
The Methodology of Analytical Design
By: Erfan Kasraie
 عرفان کسرایی
در این مقاله مقدمه ای بر ماهیت مسائل طراحی و شرح مختصری بر روشهای طرح منطقی در مهندسی ارائه می گردد.
مقدمه
ازتحلیل منطقی علم, به وضوح می توان چنین استنتاج نمود که بخشی از کار علم تئوریک است (تفسیر) و بخش دیگر , جنبه های عملی آن که عبارتست از پیش بینی و کاربرد تکنیکی. پوپر(k.popper) در کتاب دانش عینی و در مقاله معروف کشکول و فانوس the Bucket and the searchlight)) دو نظریه پیرامون معرفت را طرح می نماید و بیان می دارد که این دو هدف به اعتباری دو جنبه مختلف از یک فعالیت واحدند. تفسیر, به عبارتی بیان نامعلوم است بر حسب معلوم. طی تکامل تاریخ علم, با روش های گوناگون تفسیر, روبرو هستیم که غالباً متضمن نوعی قیاس منطقی هستند. قیاسی که نتیجه اش, حادثهء مورد تفسیر(Explicandum) است و مقدماتش نیز از قوانین نظام طبیعت بعلاوه شرایط خاص تفسیر کننده (initial conditions) تشکیل شده است. در اینجا نیز استنتاج از یک تک مقدمه مبهم است و مفسرها Explicans)) مشتمل بر دو قسم اند. هر تفسیری که تنها محدود به قضایای مخصوصه باشد ناقص است و وجود یک قانون کلی در کنار آن ضروریست.
 اما کار علم به تفسیرهای صرفاً تئوریک محدود نمی شود و جنبه های عملی نظیر طراحی را نیز در بر می گیرد. ناگفته نماند که جنبه های غیر تئوریک علم که عبارتند از _استنتاج پیش بینی_ و _کاربرد تکنیکی_ نیز اساساً بر پایه همان طرح منطقی قرار دارند که در تفسیر علمی با آن مواجه بودیم. با این تفاوت که توالی منطقی برای استنتاج پیش بینی دقیقاً در جهت عکس تفسیر می باشد. در یک تفسیر علمی نتیجه بر ما معلوم است و آنچه اهمیت دارد جستجوی تفسیر کننده ای مقنع و رضایت بخش است. در حالیکه استنتاج پیش بینی در جهت مخالف سیر می کند. در استنتاج پیش بینی تئوری ها و قوانین علمی بر ما معلومند و قضایای مخصوصه نیز یا با مشاهده تعیین می گردند ( یا معلوم فرض میشوند). آنچه که برای یافتن باقی می ماند پیامدهای منطقی است. در این طرح منطقی پیش بینی P جایگزین نتیجه E در تفسیر می گردد به اضافه اینکه جهت طرح نیز دقیقاً عکس تفسیر است.
 وجه دیگر علم عبارتست از کاربرد تکنیکی که طرح منطقی آن نیزدر جهت مخالف تفسیر می باشد. ( ...ساختن یک پل را در نظر بگیرید که باید با برخی نیازهای عملی که در فهرستی از مشخصات طرح مقرر شده اند وفق دهد. آنچه که بما داده شده است مشخصات طرح S می باشد که وضعیتی مطلوب (پلی که باید ساخته شود) را تشریح می کند. (S مشخصات طرح مورد خواست مشتری است که الزاماً با مشخصات فنی مهندس یکسان نیست) بعلاوه تئوری های فیزیکی مربوطه شامل برخی متد های تجربی نیز داده می شوند. آنچه که لازم است مکشوف گردد برخی قضایای مخصوصه هستند که باید به لحاظ تکنیکی محقق شوند و بصورتی هستند که مشخصات طرح و نیز تئوری را می توان از آنها استنتاج نمود. لذا در این حالت در طرح منطقی ما S جایگزین E می شود. منظور از این تحلیل آن نیست که کار مهندس فنی فقط به کار زدن تئوری هایی است که توسط دانشمندان علم نظری تدارک شده اند. به عکس مهندس و مهندس فنی پیوسته با مسائل حل نشده مواجه است. این مسائل در درجات مختلفی از تجربه قرار میگیرند اما معمولاً طبیعتی تقریباً تئوریک دارند و در تلاش برای حل آنها مهندس فنی همچون هر کس دیگر از متد تخمین یا آزمایش و امتحان و ابطال و یا حذف خطا بهره می گیرد...) ] برای مطالعه بیشتر در این زمینه رجوع کنید به کتاب برخورد علمی, J.T. Davies, The scientific Approach [
1.1 ماهیت مسائل طراحی
مسائل مهندسی اساساً متفاوت از علوم محض می باشند . اساس مهندسی نظیر تحلیل خطاها ، مدیریت پیکربندی ، برآورد ریسک و استفاده مجدد برای توسعه راه حلی امکان پذیر و مقرون به صرفه از نظر اقتصادی و زمانی به جهت حل مسائل و مشکلات جهان واقع می باشد. یک دانشمند در اکثر موارد یک مهندس نیست ؛ ولی یک مهندس باید پایه ای قوی در علوم محض داشته باشد. مفهوم طراحی , به عنوان جنبه تکنیکی و کاربردی علوم , تعاریف گسترده ای را بر می تابد. در اصولی ترین تعبیر, طراحی , فرمولبندی نقشه ای برای ارضای یک نیاز بشری است. (... مسائل طراحی بر خلاف مسائل علمی یا ریاضی جواب منحصر به فرد ندارند. درخواست جواب صحیح برای یک مساله طراحی درخواستی بی معنی است. چون چنین جوابی وجود ندارد. در حقیقت جواب "خوب" امروز ممکن است برای فردا جوابی "ضعیف" باشد. البته در صورتی که علم در این فاصله پیشرفت کرده باشد و تغییرات دیگر ساختاری یا اجتماعی به وقوع پیوسته باشد...). طراحی همیشه در معرض قیدهای مشخص مسئله است. یک مسئله طراحی به هیچ وجه مسئله ای فرضی نیست. آفرینش نتیجه نهایی به وسیله انجام اعمالی مشخص و یا خلق چیزی که واقعیت فیزیکی دارد. در مهندسی کلمه "طراحی" از نظر اشخاص مختلف معانی مختلفی دارد. در مهندسی مکانیک طراحی به معنای طرح اشیاء و سیستمهایی با ماهیت مکانیکی نظیر (ماشینها, فراورده ها, سازه ها وسایل و ابزار) است. که برای طراحی غالب این قسمتها از ریاضیات, علم مواد و علم مهندسی مکانیک بهره می گیرند. در بعضی رشته های مهندسی کلمه طراحی با عبارتهای دیگری نظیر "مهندسی سیستمها" یا "نظریه تصمیم گیری کاربردی" جایگزین شده است. اگرچه که بکارگیری لفظ "کاربردی" به دنبال اصطلاح طراحی از اساس, زاید و بیهوده به نظر می رسد. چراکه طراحی, مفهومی است که فی نفسه بر جنبه عملی و ما به ازاء خارجی و به تبع آن جنبه های کاربردی علوم متمرکز شده است. اما صرف نظر از اینکه چه کلماتی در بیان عمل طراحی به کار می رود, این موضوع فرایندی است که در آن اصول علمی و ابزار مهندسی _ریاضی, کامپیوتر, نقشه کشی و ..._ به کار گرفته می شود تا طرحی تولید شود که در صورت اجرا یکی از نیازهای بشری را برطرف کند. در مجموع فرایند طراحی مدلی منطقی را شامل می شود که از اغلب با تشخیص یک نیاز و تصمیم گیری درباره آن آغاز می شود. پس از تکرار بسیار با عرضه نقشه هایی برای رفع نیاز پایان می پذیرد.
 شکل 1.1.1
طراحی به واقع ابتکار خلاقانه ای است که در پی یک نیاز و برای بهبود وضع موجود پدید می آید. تشخیص نیاز و تبیین آن غالباً به تبع بروز یک نارضایتی مبهم یا درک نادرست چیزی جلوه می کند. اغلب, نیاز به هیچ وجه واضح نیست و تشخیص آن معلول شرایط نامناسبی است که تقریباً بطور همزمان ظاهر میشوند.
پروسه طراحی اغلب مشتمل بر مراحل زیر می باشد:
_ تشخیص نیاز
_ تعریف مساله
_ ترکیب کردن
_ تحلیل و بهینه سازی
_ ارزیابی
_ عرضه
 شکل 1.1.2
گام بعدی در طراحی پس از طی مراحل مقدماتی (تشخیص نیاز و تعریف مسئله و نیز بدست آوردن مجموعه اطلاعات و خصوصیات ضمنی), ترکیب کردن راه حل بهینه است. (...ترکیب بدون تحلیل و بهینه سازی انجام پذیر نیست. زیرا سیستم مورد نظر باید تحلیل شود تا معلوم گردد که آیا کارایی آن با خصوصیات سازگاری دارد یا نه؟ نتیجه تحلیل ممکن است آشکار کننده این واقعیت باشد که سیستم , سیستم بهینه ای نیست. اگر طرح در یک یا هردوی این آزمایشها مردود شود عمل ترکیب باید دوباره آغاز شود... طراحی فرایندی تکراری است که در آن چندید مرحله را طی می کنیم. نتایج ارزیابی می شوند و سپس به مراحل اولیه عمل بر می گردیم.
 شکل 1.1.3
این امکان وجود دارد که چندین قطعه یک سیستم ترکیب شوند سپس مورد تحلیل و بهینه سازی قرار گیرند آنگاه با بازگشت به مرحله ترکیب در می یابیم این ترکیب چه اثری بر سایر اجزای سیستم گذاشته است. هم در تحلیل و هم در بهینه سازی باید مدلهای از سیستم ساخته شود که بتوان راجع به آن نوعی تحلیل ریاضی به کار برد. هدف از ایجاد مدلهای ریاضی این است که مدلی را که به خوبی مشابه سیستم فیزیکی حقیقی است بیابیم. در یک محیط دانشگاهی توسل به روشهای ریاضی در مسائل طراحی اجتناب ناپذیر است. (...برای داشتن تصویری صحیح از موضوع بایستی به این مطلب توجه شود که در بسیاری از موارد طراحی ملاحظات مهم طرح به گونه ای هستند که به هیچ وجه به محاسبه و یا تجربه برای تعریف جزء یا سیستم نیازی نیست...هرگز اینگونه نیست که تصمیم گیری در مورد هر طرحی لزوماً با توسل به شیوه های ریاضی ممکن شود.) در مرحله نهایی طراحی, یعنی ارزیابی و عرضه سیستم این سوال را طرح می نمایم که آیا طرح پاسخگوی نیاز خواهد بود یا خیر. آیا سیستم قابل اعتمادی طراحی کرده ایم؟ آیا توان رقابت با مدلهای مشابه را دارد؟ آیا به لحاظ ساخت و مصرف توجیه اقتصادی دارد؟ آیا تعمیر و نگهداری آن به سهولت میسر است؟ آیا از فروش یا کاربرد آن سودی حاصل می شود؟ ارزیابی , آزمون نهایی یک طرح موفق است و غالباً مستلزم آزمایش مدلی از طرح در آزمایشگاه (Prototyping) است.
2.1 ملاحظات طراحی
"ملاحظات طراحی" ویژگیهایی است که بر طراحی اجزاء و یا کل سیستم اثر می گذارند. عمده این ملاحظات که عموماً در طراحی سیستم ها و سازه ها ی مهندسی لحاظ می شوند استحکام , قابلیت اعتماد, صرفه اقتصادی, ایمنی, سهولت تعمیر و نگهداری و قابلیت رقابت در بازار است . یکی از این ملاحظات ضریب ایمنی می باشد که میزان ایمنی یک عضو را ارزیابی می کند. F عاملی است که بر جزء مکانیکی ﺘﺄثیر می گذارد و می تواند نیرو لنگر پیچشی لنگر خمشی تغییر شکل خمشی و ... باشد. اگر F افزایش یابد سرانجام به مقداری می رسد که هر افزایشی در آن سبب آسیب رسیدن دائمی به توانایی عملکرد صحیح آن عضو سیستم می شود. ضریب ایمنی در مهندسی به صورت زیر تعریف می گردد:
 زمانی که F برابر Fu شود, 1 n = و اساساً ایمنی وجود ندارد. در نتیجه حاشیه ایمنی با معادله 1- m ═ n تعریف می گردد. جمله Fu جمله ای کاملاً عمومی برای هر نوع استحکام و کمیتی است که به طور آماری تغییر می کند. علاوه بر این جمله F نیز به نوبه خود تغییرات آماری دارد. (... به این دلیل ضریب ایمنی n >1 مانع گسیختگی نمی شود. بخاطر ارتباط متقابل بین درجه مخاطره و n بعضی از صاحبنظران ترجیح می دهند بجای ایمنی ضریب طراحی را به کار ببرند. بیشترین کاربرد ضریب ایمنی هنگامی است که تنش را با استحکام مقایسه می کنیم تا میزان ایمنی را تخمین بزنیم...). بنابراین از ضریب ایمنی برای محاسبه تردیدهای ناشی ازاستحکام قطعه (که ممکن است به دلایل شکل هندسی قطعه و گوناگونی فنون پردازش سردکاری و گرم کاری تغییر یابد) و بارگذاری روی آن (که سازنده و طراح هیچ کنترلی بر روی آن ندارد) به کار می رود. از جمله دیگر ملاحظات طراحی که به نسبت ازاهمیت بیشتری برخوردارند می توان به صرفه اقتصادی, در دسترس بودن , زیبایی و قابلیت اعتماد قطعه یا سازه اشاره نمود. سنجش آماری احتمال عدم گسیختگی یک قطعه مکانیکی حین کار, قابلیت اعتماد آن قطعه نامیده می شود. قابلیت اعتماد R را با عددی در گسترهء 1 ≤ R<0 سنجید. قابلیت اعتماد R= 0.9 بیانگر آن است که به احتمال % 90 قطعه وظیفه خود را بدون گسیختگی انجام خواهد داد. قابلیت اعتماد R = 1 را نمی توان بدست آورد و این مقدار برای R چنین معنی می دهد که گسیختگی مطلقاً ناممکن است. ] طراحی اجزاء در مهندسی مکانیک/جوزف ادوارد شیگلی[ . هواپیمایی را در نظر بگیرید که از صدها قسمت جزئی تشکیل شده است و بدیهی است چنانچه حتی یک قسمت بسیار جزئی آن بطور ناقص ساخته یا نصب شود ماحصل کار مصیبت بار خواهد بود. گزارش نهایی سازمان هواپیمایی کشوری ایالات متحده امریکا FAA درباره بسیاری از نواقص و معایب ساختمانی یا مکانیکی حاکی از آن است که خرابی های مزبور در نتیجه یک یا چند ترسیم ناقص و یا نصب ناقص و ناشیانه قطعات ایجاد شده اند. (...طراح مبتکری که هواپیمای عملیاتی طراحی کرده به گونه ای موفق کلیه الزامات طراحی را مد نظر قرار می دهد تا هواپیمایش بتواند سرعتهای زیاد و عملیات شدید را تحمل کند. مطلب مزبور به هیچ عنوان نمی بایست طراحان هواپیمای تفریحی سبک و فوق سبک را به این گفتار رهنمون سازد که "من هواپیمای خود را تنها برای پرواز در شرایط آب و هوای خوب و پرواز با دید کامل VFR طرح و خواهم ساخت. زیرا هواپیمای من نمی تواند بارهای تنشی را مانند یک هواپیمیای عملیاتی طراحی کند." دلیل فوق کاذب است هر وسیله ای دیر یا زود در معرض برخی سوء استفاده های غیر مترقبه و در این مثال نظیر مسیر پرواز بد آب و هوا عملیات شدید در حین پرواز به منظور اجتناب از برخورد با موانع شرایط طوفانی و ... قرار میگیرد. عادی ترین نقص یک طرح ضعیف طراحی ناشیانه آن است که در نتیجه دانش و تجربه اندک طراح یا سازنده به وجود می آید...) ]راهنمای طراحی جزئیات هواپیما/م.دزیک[ . در سازه های مهندسی اندازه های فیزیکی تمام اجزای باربر سازه ها باید معین و تعریف شوند. این اجزاء باید طوری طراحی شوند که بتوانند در مقابل نیروهای واقعی و یا احتمالی که ممکن است بر آنها ﺘﺄثیر نماید مقاومت کنند. ] مقاومت مصالح ایگور پوپوف/ شاپور طاحونی [ . حتی اگر سازه ای به لحاظ مسائل فنی بی نقص طراحی شده باشد نباید در ظاهر, غیر ایمن و غیر مستحکم جلوه کند و موجب پریشانی استفاده کنندگان گردد. در نهایت آنچه که سبب می شود طراحی و متدهای آن را یک مدل ذهنی منطبق بر منطق بدانیم آن است که محصول نهایی این پروسه, قطعه یا سازه ای خواهد بود که به نوعی همه ملاحظات طراحی و یا دست کم بخشهایی از آنرا که از اهمیت بیشتری برخوردارند ارضا می کند. شرح جزئیات ملاحظاتی را که در مسائل طراحی مد نظر قرار می گیرند باید در تئوریهای مهندسی ارزش جستجو نمود. (...مهندسی ارزش یک کوشش سازمان یافته برای تحلیل عملکرد سیستم ها ، تجهیزات ، خدمات وموسسات به منظور رسیدن به عملکرد واقعی با کمترین هزینه در طول عمر پروژه است کهسازگار با کیفیت و ایمنی مورد نظر است. مهندسی ارزش از جمله تکنیک های مطرح و موفقدر زمینه تخصیص بهینه بودجه و صرفه جویی در هزینه طرح ها در طول عمر پروژه می باشد . یک تکنیک بسیار کارا و مهم برای مصرف بهینه بودجه تخصیص یافته. این روش در واقع تکنیکی برای افزایش ارزش یک پروژه ، ارضای نیاز مصرف کننده باحداقل هزینه و نیز اجرای پروژه در کوتاه ترین زمان ممکن و با حفظ کیفیت و مطلوبیتمورد نظر است . هدف اصلی بهینه سازی ارزش یک پروژه در مرحله طراحی از طریق راهکارهای عملی و انتخاب بهترین راه حل برای رسیدن به اهداف پروژه با حداقل هزینه درطول عمر پروژه است.مهندسی ارزش صرفاً مهندسی خوب، و یا یک برنامه پیشنهادی یابرنامه کاری تکراری و روزمره نیست ،بلکه یک رویکرد مستقل و هدفمند برای برخورد باپروژه هاست . از این رو باید توجه داشت که انجام مطالعات مهندسی ارزش خود نیز دارایهزینه است و باید نسبت به میزان صرفه جویی که در هزینه ها به وجود می آورد قابلتوجیه باشد(…. تعریف انجمن مهندسی ارزش آمریکا (SAVE) بدین صورت است که "مهندسی ارزش مجموعه تکنیک های نظام مند و کاربردی است که برای تشخیص کارکرد یک محصول / خدمت و تولید آن کارکردها باحداقل هزینه میباشد " ] موسسه FAR بند 52.248به نقل ازمدیریت پروژه ایران/IPM [
 شکل 2.1.1
شکست یا موفقیت هر فعالیت مهندسی اگرچه ممکن است در نتیجه خوش شانسی یا بد شانسی باشد ولی مهندسی به طور کلی بر پایه این موارد بنا نشده است . احتمالا مهمترین ایده در پشت مهندسی ایده ای است که بتواند بصورت سازمان یافته ، آینده نگرانه ، مبتنی بر راه حل عملی و امکان پذیر ، مقرون به صرفه اقتصادی و در کوتاهترین زمان یک مساله یا مشکل مطرح شده در جهان واقعی را حل نماید . شانس ممکن است در بسیاری از پروژه های مهندسی نقش داشته باشد ولی اکثر مهندسین این طور فکر می کنند که آنها می توانند نقشی بسیار مهم و حساس در برون داد ها (خروجی های) یک فعالیت مهندسی داشته باشند .
What Is a Methodology ? E.V. Berard ترجمه: ابوذر نوذری
مهم ترین تکنیک های مهندسی مواردی هستند که :
1. بتوان آنها را به صورت کمی و کیفی تشریح نموده و توضیح داد .
2. بتوان به طور مکرر از آنها استفاده نموده و هر بار نتایج مشابه بدست آورد.
3. قابل درک و فهم ، در یک بازه زمانی منطقی ، برای دیگران باشد .
4. نتایجی قابل ملاحظه ، عمیق و بهتر نسبت به سایر تکنیک ها داشته باشد .
5. در دامنه نسبتاً وسیعی از موارد و پروژه ها قابل استفاده باشد .
|