– (301)

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب
دانشکده تحصیلات تکمیلی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc”
مهندسي مکانیک – تبدیل انرژی
عنوان :
بررسی تئوری و تجربی عملکرد یک آب‌گرم‌کن خورشیدی با کلکتور صفحه تخت
(تحت حمایت شرکت بهینه سازی مصرف سوخت کشور)
استاد راهنما :

استاد مشاور :

نگارش:
آرش اسدزاده زرگر

دی ماه 1390

فهرست مطالب
عنوان مطالب شماره صفحه
-7620-4953000چكيده 1
مقدمه 2 فصل اول : كليات 3
1-1) مقدمه 4
1-2) تاریخچه 4
1-3) کاربردهای انرژی خورشیدی 6
فصل دوم : انواع کلکتور خورشیدی و بررسی استانداردهای مربوطه 9
2-1) مقدمه 10
2-2) کلکتورهای صفحه تخت 9
2-2-1) صفحه جاذب 9
2-2-2) صفحات پوششی یا جداری 11
2-2-3) محفظه کلکتور 11
2-3) کلکتور لوله خلاء 12
2-4) کلکتور سهموی 14
2-5) زاویه شیب کلکتور خورشیدی 15
2-6) مقایسه استاندارهای تست کلکتورهای تخت خورشیدی 9806-1 ISO، EN 12975-2 و ASHRAE 93 15
2-6-1) استاندارد ASHRAE 93 16
2-6-1-1) تست ثابت زمانی- τ 16
2-6-1-2) تست بازده حرارتی – gη 16
2-6-1-3) تست اصلاح کننده زاویه تابش – Kθb(θ) 17
2-6-1-4) توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی 17
فهرست مطالب
عنوان مطالب شماره صفحه
-349258572500 2-6-1-5) مدت زمان انجام تست 17
2-6-2) استاندارد ISO 9806-1 و EN 12975-2 18
2-6-2-1) تست ثابت زمانی- τ 18
2-6-2-2) تست بازده حرارتی – gη 18
2-6-2-3) تست اصلاح کننده زاویه تابش – Kθb(θ) 19
2-6-2-4) توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی 19
2-6-2-5) روش تست شبه دینامیکی استاندارد EN12975-2 19
2-7) مقایسه استاندارد ها 20
فصل سوم : آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی و بررسی استاندارد‌های مربوطه 23
3-1) مقدمه 24
3-2) اجزای آب‌گرم‌کن خورشیدی 24
3-3) شرح دستگاه آب‌گرم‌کن خورشیدی 25
3-4) انواع آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی 26
3-4-1) سیستم گردش اجباری 27
3-4-1-1) سیستم گردش اجباری- مدار بسته 27
3-4-1-2) سیستم گردش اجباری- مدار باز 28
3-4-2) سیستم با گردش طبیعی 28
3-4-2-1) سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار باز 30
3-4-2-2) سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار بسته 30
3-5) بررسی و مقایسه استانداردهای آب‌گرم‌کن خورشیدی 31
3-5-1) استاندارد ISO 9459 31
3-5-1-1) استانداردهای راندمان ( عملکرد ) سیستم 31
3-5-1-2) روش آزمون بر اساس تست در فضای داخلی 31
3-5-1-3) آزمون در فضای خارج برای سیستم‌های فقط خورشیدی 31
3-5-1-4) آزمون در فضای خارجی برای سیستم‌های آب‌گرم‌کن خورشیدی با گرم‌کن کمکی با یک مخزن ذخیره 32
3-5-2) استانداردهای اروپایی برای سیستم‌های گرمایش خورشیدی 32
3-5-2-1) استانداردهای اروپایی جدید 32
3-5-2-2) روش‌های تست برای سیستم‌های آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی ( EN 12976-2 و ENV 12977-2 ) 33
3-5-3) استاندارد ASHRAE 95 34
3-5-4) مقایسه استاندارد‌های تست آب‌گرم‌کن خورشیدی 35
3-5-4-1) مقایسه سه استاندارد9459-2 ISO ، ISO 9459-3 و ASHRAE 95 35
فصل چهارم : معادلات حاکم بر تعیین عملکرد کلکتور‌های صفحه تخت و حل نمونه عددی 38
4-1) مقدمه 39
4-2) تابش خورشیدی 39
4-3) تشعشع جذب شده و عبور تشعشع از میان پوشش شیشه‌ای 40
4-3-1) انعکاس تشعشع 40
4-3-2) جذب پوشش شیشه‌ای 41
4-3-3) حاصل‌ضرب ضریب های عبور – جذب ( ) 42
4-4) کلکتورهای صفحه تخت و معادلات مربوطه 43
4-4-1) انرژی مفید 43
4-4-2) توزیع دما در کلکتورهای صفحه تخت خورشیدی 43
4-4-3) ضریب انتقال گرمای کل یک کلکتور 45
4-4-4) توزیع دما بین لوله‌ها و ضریب بازدهی کلکتور 48
4-4-4-1) لوله در زیر صفحه جاذب 48
4-4-4-2) لوله در بالای صفحه جاذب 54
4-4-4-3) لوله در وسط صفحه جاذب 56
4-4-5) ضریب دفع گرمای کلکتور و ضریب جریان 58
4-5) تست کلکتور 58
4-5-1) بازده 58
4-6) حل عددی 59
4-7) مشخصات تجهیزات مورد استفاده 59
4-8) مشخصات فنی کلکتور صفحه تخت 63
4-9) حل معادلات برای یک حالت نمونه 64
فصل پنجم : آزمایش، نتایج و ترسیم نمودارهای مربوطه 68
5-1) مقدمه 69
5-2) روش انجام آزمایش 69
5-3) نتایج 70
5-4) نمودار‌ها و تحلیل 71
5-4-1) نمودارهای داده‌های هواشناسی 71
5-4-2) تغییرات دمای خروجی از کلکتور بر حسب تغییرات دبی 72
5-4-3) بررسی انرژی دریافتی مدل تئوری و تجربی 75
5-4-4) بررسی بازده کلکتور در مدل‌های تئوری و تجربی 80
5-4-5) نمودار‌های افت دما در مسیر آب ورودی 82
5-5) بررسی اثر پارامترهای مختلف 84
5-5-1) تاثیر موقعیت قرارگیری لوله و صفحه جاذب 84
5-5-2) تاثیر زاویه کلکتور خورشیدی 85
5-5-3) تاثیر تعداد شیشه‌های محافظ کلکتور 86
5-5-4) تاثیر فاصله بین رایزرهای صفحه جاذب بر بازده کلکتور 86
5-5-5) تاثیر پوشش صفحه جاذب بر بازده کلکتور 87
5-5-6) تاثیر ضخامت عایق حرارتی بر بازده کلکتور 88
5-5-7) تاثیر جنس عایق بر بازده کلکتور 89
5-5-8) تاثیر نوع سیال انتقال حرارت بر بازده کلکتور 89
5-5-9) تاثیر فشار گاز داخل کلکتور بر بازده 90
نتیجه گیری 91
پیشنهادات برای ادامه طرح 93
منابع و ماخذ 96
فهرست منابع فارسي 97
فهرست منابع لاتين 98
چكيده انگليسي 99
تعهدنامه اصالت پایان نامه 100

فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه

90170762000
2-1- شرایط تست شبه دینامیکی 19
2-2- دمای متوسط سیال و شرایط آب و هوایی برای هر نوع روز 20
2-3- بیشترین دمای خروجی بر اساس نوع کلکتور 20
2-4- مقایسه حدود مجاز پارامتر‌های مختلف جهت دست‌یابی به شرایط یکنواخت در سه استاندارد 21
2-5- شرایط آب و هوایی لازم در سه استاندارد 21
2-6- شرایط زمانی بازه داده و پیش بازه داده برای تست در حالت کلکتور ساکن 22
3-1- تشابه پارامتر‌های تست آب‌گرم‌کن خورشیدی در ISO 9459-2، ISO 9459-3 ، ASHRAE 95 36
3-2- تفاوت‌های پارامتر‌های تست آب‌گرم‌کن خورشیدی در ISO 9459-2 ، ISO 9459-3، ASHRAE 95 36
4-1- مشخصات فنی کلکتور مورد آزمایش، ساخت شرکت دریا 64
4-2 – پارامترهای موثر جهت حل یک نمونه عددی 65
5-1 – مقادیر محاسبه شده با دبی 200 لیتر بر ساعت 70
5-2 – مقادیر محاسبه شده با دبی 150 لیتر بر ساعت 71
5-3 – مقادیر محاسبه شده با دبی 100 لیتر بر ساعت 71
فهرست شكل‌ها
عنوان شماره صفحه

1016001270000
2-1- کارکرد کلکتور صفحه تخت در حالت کلی 8
2-2 – کلکتور صفحه تخت به همراه اجزای آن 9
2-3 – صفحه جاذب 10
2-4 – فرآیند حرارتی یک کلکتور صفحه تخت 11
2-5 – کلکتورتخت، مایع و هوایی 12
2-6 – کلکتور لوله‌ای تحت خلاء 13
2-7 – انواع کلکتورهای تحت خلاء 14
2-8 – کلکتور سهموی 14
2-9 – زاویه کلکتور خورشیدی 15
3-1- طرح ساده‌ای از یک آب‌گرم‌کن خورشیدی 25
3-2- طرح کلی یک آب‌گرم‌کن خورشیدی به همراه قسمت‌های مختلف آن 26
3-3- سیستم اجباری- مدار بسته 28
3-4- سیستم اجباری- مدار باز 28
3-5- آب‌گرم‌کن با سیستم ترموسیفون 29
3-6- سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار باز 30
3-7- سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار بسته 30
4-1- زوایای تابش و انعکاس در محیطی با ضریب شکست های و 40
4-2- عبور از یک پوشش شیشه‌ای غیر جاذب 41
4-3- جذب تابش خورشید توسط صفحه جاذب زیر شبکه پوشش شیشه‌ای 42
4-4- برش عمودی از یک گردآورنده خورشیدی 43
4-5- توزیع دمای صفحه جاذب 44
4-6- شبکه گرمایی یک گردآورنده صفحه تخت با یک پوشش شیشه‌ای 46
4-7- شبکه گرمایی معادل 46
4-8- a- ترکیب لوله و صفحه جاذب 48
4-8-b,c- معادله انرژی صفحه جاذب 49
4-9- مقاومت‌های ایجاد شده در مقابل جریان گرما به سیال در حالتی‌که لوله در زیر صفحه جاذب باشد 52
4-10- نحوه اتصال لوله و صفحه جاذب در حالتی‌که لوله در زیر صفحه جاذب باشد 52
4-11- نحوه اتصال لوله و صفحه جاذب در حالتی‌که لوله در بالای صفحه جاذب باشد 54
4-12- مقاومت‌های ایجاد شده در مقابل جریان گرما به سیال در حالتی‌که لوله در بالای صفحه جاذب باشد 54
4-13- نحوه اتصال لوله و صفحه جاذب در حالتی‌که لوله در وسط صفحه جاذب باشد 56
4-14- مقاومت‌های ایجاد شده در مقابل جریان گرما به سیال در حالتی‌که لوله در وسط صفحه جاذب باشد 56
4-15- پیرانومتر و دما سنج نصب شده در سایت تست 60
4-16- باد سنج و ثبت کننده اطلاعات 60
4-17- باد سنج، ثبت کننده اطلاعات و مخزن ذخیره 61
4-18- سنسور دما و نمایشگر دیجیتالی 62
4-19- پمپ و مانومتر 62
4-20- شیر کنترل کننده دبی و کلکتور صفحه تخت 63
4-21- نمای کلی از تجهیزات نصب شده در سایت تست دانشگاه آزاد اسلامی تهران جنوب 63
5-1- داده‌های ثبت شده توسط ایستگاه هواشناسی در روز 8 آگوست 2011 72
5-2- دمای هوا و میزان تشعشع در روز 8 آگوست 2011 برای نقاط داده برداری شده 72
5-3- دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی با دبی آب 200 لیتر بر ساعت 73
5-4- دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی با دبی آب 150 لیتر بر ساعت 73
5-5- دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی با دبی آب 100 لیتر بر ساعت 74
5-6- میزان خطای اطلاعات ثبت شده از سایت تست 74
5-7- اختلاف دمای ورودی و خروجی برای دبی‌های مختلف 75
5-8- انرژی دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب 200 لیتر بر ساعت 76
5-9- انرژی دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب 150 لیتر بر ساعت 76
5-10- انرژی دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب 100 لیتر بر ساعت 77
5-11- انرژی دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی‌های آب گذرنده مختلف 77
5-12- مقدار انرژی کسب شده توسط کلکتور صفحه تخت 78
5-13- مقایسه حرارت اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور با دبی 200 لیتر بر ساعت 79
5-14- مقایسه حرارت اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور با دبی 150 لیتر بر ساعت 79
5-15- مقایسه حرارت اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور با دبی 100 لیتر بر ساعت 79
5-16- بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 200 لیتر بر ساعت 80
5-17- بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 150 لیتر بر ساعت 81
5-18- بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 100 لیتر بر ساعت 81
5-19- مقایسه بازده مدل تئوری و تجربی با دبی‌های آب گذرنده متفاوت 82
5-20- مقایسه مقادیر تئوری و تجربی بازده کلکتور 82
5-21- افت دمای مسیر مخزن تا ورودی کلکتور با دبی 200 لیتر بر ساعت 83
5-22- افت دمای مسیر مخزن تا ورودی کلکتور با دبی 150 لیتر بر ساعت 83
5-23- افت دمای مسیر مخزن تا ورودی کلکتور با دبی 100 لیتر بر ساعت 84
5-24- انرژی دریافتی کلکتور صفحه تخت با توجه به موقعیت قرار گیری لوله و صفحه جاذب 85
5-25- انرژی دریافتی کلکتور صفحه تخت با توجه به زاویه کلکتور با سطح زمین 86
5-26- انرژی دریافتی کلکتور صفحه تخت با تعداد کاورهای شیشه‌ای کلکتور 86
5-27- بازده کلکتور صفحه تخت با توجه به فاصله بین رایزرهای صفحه جاذب 87
5-28- بازده کلکتور صفحه تخت با توجه به ضریب نشر کاور شیشه‌ای کلکتور 88
5-29- نمودارهای بازده کلکتور خورشیدی برای ضخامت‌های مختلف عایق حرارتی 88
5-30- اثر جنس عایق بر بازده کلکتور خورشیدی 89
5-31- اثر نوع سیال انتقال حرارت بر بازده کلکتور خورشیدی 89
5-32- اثر فشار گاز داخل کلکتور بر بازده 90

فهرست علائم و نشانه‌ها:
عنوان نشانه‌ها
190509017000
ضریب اتلاف انتقال حرارت از بالای کلکتور (W/m2C)
ضریب اتلاف انتقال حرارت از زیر کلکتور (W/m2C)
ضریب اتلاف انتقال حرارت از لبه‌های کلکتور (W/m2C)
ضریب اتلاف انتقال حرارت کلکتور (W/m2C)
دمای سیال (درجه سلسیوس)
دمای هوای محیط (درجه سلسیوس)
دمای آب ورودی (درجه سلسیوس)
دمای آب خروجی (درجه سلسیوس)
دمای مرکز صفحه جاذب (درجه سلسیوس)
دمای عرض اتصال
قطر لوله‌های صفحه جاذب (متر)
قطر داخلی لوله‌های صفحه جاذب (متر)
بازده استاندارد پره
ضریب بازدهی کلکتور
ضریب جریان کلکتور
ضریب دفع حرارت کلکتور
انرژی دریافتی (J)
دبی حرارتی- نرخ انتقال حرارت (W)
مساحت کلکتور ( m2)
تشعشع کلی خورشیدی روی سطح دهانه (W/m2)
بازده حرارتی (%)
ظرفیت ویژه گرمایی
دبی جرمی- نرخ انتقال جرم (kg/s)
ضریب انتقال حرارت باد
تعداد شیشه‌های محافظ کلکتور
ضریب نشر صفحه جاذب
ضریب نشر شیشه
فاصله بین رایزها
ضریب انتقال حرارت جوش
ضریب انتقال گرما بین سیال و جدار لوله
ضریب جذب صفحه جاذب
ضریب عبور شیشه
چکيده:
هدف از این تحقیق مقایسه تحلیل تئوری و نتایج تجربی حاصل از تست عملی بر روی یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت، با توجه به شرایط آب و هوایی شهر تهران می‌باشد. به این منظور ابتدا یک کلکتور صفحه تخت از نظر ساختمان، بازده و سایر پارامترها بر طبق روابط انتقال حرارت به‌صورت تئوری مدل شده، پس از آن با استفاده از یک سیستم آب‌گرم‌کن خورشیدی و استفاده از یک کلکتور صفحه تخت به عنوان جاذب انرژی خورشید، داده‌های مورد نیاز به طور تجربی استخراج شده‌اند.
سیستم آب‌گرم‌کن خورشیدی مورد آزمایش که در مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب مستقر است، و بر اساس استاندارد ISO 9806-1 مدل شده‌است، از یک کلکتور صفحه تخت و یک مخزن ذخیره تشکیل شده‌است. کلکتور شامل دو هدر افقی به قطر داخلی mm12 و 12 عدد رایزر عمودی می‌باشد که به‌صورت موازی قرار گرفته‌اند. صفحات جاذب از فین های مجزا تشکیل شده‌اند. جنس فین ها از آلومینیوم بوده و از شیشه معمولی به ضخامت mm4 به عنوان پوشش صفحه جاذب برای جلوگیری از اتلافات جابجایی و تابشی استفاده شده‌است. از آن‌جایی که آزمون‌ها در فصل تابستان انجام شده‌است و دمای هوا در هنگام شب به گونه‌ای نیست که باعث یخ‌زدگی آب داخل کلکتور شود، به این جهت تنها از آب (بدون ضد یخ) به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده شده‌است. هم‌چنین دمای محیط، میزان تابش روی سطح کلکتور صفحه تخت و سرعت باد محوطه مورد آزمایش توسط یک دستگاه ثبت کننده اطلاعات ثبت شده‌اند.
بازده و انرژی مفید کسب شده توسط کلکتور به‌صورت تجربی با مقادیر حاصل از مدل تئوری مقایسه شده و بر طبق نتایج به‌دست آمده مدل تجربی با مدل تئوری مطابقت خوبی دارد. آزمایشات فوق با دبی‌های مختلف انجام گرفت و با کاهش دبی سیال عبوری از کلکتور، افزایش در انرژی مفید کسب شده و بازده کلکتور مشاهده گردید. بر اساس آزمایشات انجام شده، حداکثر بازده ممکن برای یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت زمانی حاصل می‌شود که حتی الامکان دمای آب ورودی کلکتور به دمای هوای محیط نزدیک باشد. هم‌چنین عوامل تاثیر گذار بر بازده یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت، از جمله فاصله بین رایزرها، نوع پوشش شیشه‌ای کلکتور، ضخامت عایق حرارتی، جنس عایق، نوع سیال انتقال حرارت و… مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته و با توجه به مقایسه های انجام شده می‌توان نمودار‌های مفیدی پیرامون بازده کلکتور بر اساس پارامتر‌های تاثیرگذار رسم نمود. این نمودار‌ها علاوه بر استفاده در صنعت ساخت تجهیزات خورشیدی، می‌تواند به عنوان راهنما جهت تست سایر کلکتور‌های مشابه مورد استفاده قرار گیرد.
مقدمه:
با درنظر گرفتن محدودیت منابع سوخت فسیلی و هم‌چنین با توجه به این‌که استفاده غیر اصولی از سوختهای فسیلی باعث آسیب دیدن محیط زیست می‌شود، لذا تحقیقات و کاربردهای انرژی‌های تجدید پذیر از اهمیت ویژه ای برخوردار گشته است.
مشکل محدودیت منابع انرژی، کم و بیش برای کلیه کشورها، اعم از صنعتی، توسعه یافته و یا در حال توسعه، مشترک می‌باشد. در کشورهای مختلف به‌طور میانگین بیش از نود درصد از مصارف انرژی در ارتباط با صنعت، حمل و نقل و ساختمآن‌ها است و بین این سه بخش ساختمآن‌ها ی مسکونی و تجاری بیش از 40٪ را به خود اختصاص داده‌اند. قابل توجه است که عمده ترین مصرف انرژی در ساختمآن‌ها در تامین گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع ساختمآن‌ها در فصول سرد و گرم می‌باشد.
دراین میان انرژی خورشید، با توجه به این‌که انرژی کاملا پاک و عاری از هرگونه آلودگی بوده و پتانسیل آن در ایران بالا می‌باشد، از اهمیت بیشتری برخوردار است. کشور ايران در بين مدارهاي 25 تا 40 درجه عرض شمالي قرار گرفته است و در منطقه‌اي واقع شده كه به لحاظ دريافت انرژي خورشيدي در بين نقاط جهان در بالاترين رده‌ها قرار دارد. ميزان تابش خورشيدي در ايران بين 1800 تا 2200 كيلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمين زده شده‌است كه البته بالاتر از ميزان متوسط جهاني است. در ايران به طور متوسط ساليانه بيش از 280 روزآفتابي گزارش شده‌است كه بسيار قابل توجه است. از این انرژی می‌توان به طرق مختلف، مثل تولید برق، گرمایش و سرمایش، تولید آب شیرین، تامین آب‌گرم و … استفاده نمود.
روشهای گوناگونی برای استفاده از این انرژی پاک وجود دارد، اما گرم کردن آب با استفاده از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، بعنوان یکی از آسانترین و اقتصادی ترین روش‌ها شناخته شده‌است. زیرا با داشتن دانش کافی در باره تابش خورشید، براحتی و به‌صورت بسیار موثرتر می‌توان انرژی خورشید را برای گرم کردن آب مصرفی منازل و حتی کاربرهای صنعتی به‌کار برد. مهم‌ترین بخش یک سیستم آب‌گرم‌کن خورشیدی کلکتور خورشیدی می‌باشد که دارای انواع مختلف است. یکی از انواع این کلکتورها که به‌علت کارایی بالا، سهولت ساخت، عدم حضور قطعات متحرک و عدم نیاز به نگهداری، کاربرد بیشتری پیدا کرده است، کلکتور صفحه تخت می‌باشد. در این تحقیق کلکتور صفحه تخت از نظر ساختمان، بازده و سایر پارامترهای انتقال حرارت به‌صورت تئوری و تجربی بررسی شده‌است.
فصل اول
کلیات
مقدمه :
از آن‌جا که کلیه فعالیت‌های مربوط به انرژیهای فسیلی توام با آلوده سازی و تخریب محیط زیست است و این دو سبب ایجاد ضایعات جبران ناپذیری در قسمتهای مختلف زندگی بشر می‌شود ، شناخت و به کارگیری انرژیهای نو بسیار ضروری می‌باشد و تلاش و تحقیق گسترده ای را می طلبد. هم‌چنین با رشد جمعیت که خود مستلزم استفاده بیشتر از انرژی می‌باشد به زودی به زمانی می رسیم که دیگر منابع انرژی فسیلی پاسخگوی نیاز جامعه نمی‌باشند و بایستی هر چه سریعتر به فکر استفاده از انرژی‌های نو باشیم.
مشکل محدودیت منابع انرژی، کم و بیش برای کلیه کشورها، اعم از صنعتی، توسعه یافته و یا در حال توسعه، مشترک می‌باشد. در کشورهای مختلف به‌طور میانگین بیش از نود درصد از مصارف انرژی در ارتباط با صنعت، حمل و نقل و ساختمآن‌ها است و بین این سه بخش ساختمآن‌ها ی مسکونی و تجاری بیش از 40٪ را به خود اختصاص داده‌اند. قابل توجه است که عمده ترین مصرف انرژی در ساختمآن‌ها در تامین گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع ساختمآن‌ها در فصول سرد و گرم می‌باشد. پس هر اقدامی که در جهت ارتقاء کیفیت ساختمآن‌ها از دیدگاه تبادل حرارتی صورت پذیرد، به صرفه جویی قابل توجهی در مصرف کل انرژی، ختم خواهد شد. ]4[
به این جهت پژوهشگران همراه با ارائه راهکارهای بهینه سازی مصارف انرژی، در پی منابع انرژی پاک و لایزالی مانند انرژی‌های تجدیدپذیر و در رأس آن‌ها انرژی خورشیدی هستند که به اشکال مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. ]2[
كشور ايران در بين مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقه‌ای واقع شده كه به لحاظ دريافت انرژی خورشيدی در بين نقاط جهان در بالاترين رده‌ها قرار دارد. ميزان تابش خورشيدی در ايران بين 1800 تا 2200 كيلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمين زده شده‌است كه البته بالاتر از ميزان متوسط جهانی است. در ايران به طور متوسط ساليانه بيش از 280 روز آفتابی گزارش شده‌است كه بسيار قابل توجه است. ]20[
با توجه به پتانسیل بسیار خوب تشعشع خورشیدی در تهران و سایر شهرهای آفتاب خیز، لازم است طرح‌ها و پروژه‌های مختلفی در جهت بهینه سازی در مصرف انرژی و استفاده از انرژی خورشیدی در ساختمآن‌ها به مرحله اجرا درآید تا فرهنگ صرفه جویی در مصرف و حفاظت از محیط زیست سرلوحه زندگی هر ایرانی باشد.
تاریخچه :
از بدو پیدایش حیات در روی زمین انرژی خورشیدی در پدیده فتوسنتز کاربرد داشته است. در پیدایش ساختمان جهت سکونت، انسان از نور خورشید به‌طور طبیعی برای روشنایی و گرمایش خود استفاده نموده است. اولین و شاید تنها استفاده نظامی از انرژی خورشیدی توسط ارشمیدس در شهر سیراکوز در شرق جزیره سیسیل که در تصرف یونان بود انجام شد. او موفق گردید با منعکس کردن نور خورشید بوسیله چند آینه روی بادبان کشتی ها، آن‌ها را به آتش بکشد و بدین ترتیب کشتی‌های جنگی رومیان را که به جزیره سیسیل حمله کرده بودند از کار بیاندازد. امروزه از این اصل یعنی منعکس نمودن نور خورشید توسط چند آینه به یک نقطه، در تبدیل انرژی خورشیدی به گرمایی و سپس الکتریکی استفاده می‌شود. استفاده‌های صنعتی و پیشرفته انرژی خورشیدی از سال‌های 1770 میلادی آغاز گردید. شاید جالب ترین استفاده از آفتاب در کشف گاز اکسیژن صورت گرفته باشد. پریستلی در سال 1774 توانست نور خورشید را روی ظروف حاوی اکسید جیوه متمرکز نموده و گازی تولید کند که بعد ها اکسیژن نامیده شد. در سال 1872 اولین واحد خورشیدی برای نمک زدایی آب دریا در شمال کشور شیلی ساخته شد. این واحد با سطح 5100 متر مربع می توانست حدود 24 متر مکعب آب شیرین در روز تولید نماید. از اواخر سال‌های 1800 تا اوایل سال‌های 1900 ، تعدادی متمرکز کننده خورشیدی جهت دست‌یابی به دماهای بالا برای تولید بخار در فرانسه ، آمریکا و مصر ساخته شد که از بخار حاصله برای راه اندازی ماشین های بخار و آبیاری استفاده می‌گردید. ]2[
در سال 1880 اولین کلکتور تخت خورشیدی بوسیله چارلز تلیر ساخته شد. در سال 1888 وستر پیشنهاد استفاده از انرژی خورشیدی در ترموکوپل‌ها را ارائه داد به این ترتیب که با متمرکز کردن انرژی خورشیدی روی ترموکوپل و با استفاده از اساس کار آن‌ها و ایجاد منابع گرم و سرد، انرژی الکتریکی در دو سر سیم نیکل و آهن ایجاد نمود.
در قرن بیستم استفاده از کلکتورها جهت تولید بخار در نیروگاه‌های برقی مورد توجه زیادی قرار گرفت. گرم کردن ساختمآن‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در سال‌های 1930 مطرح و در یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجهی نایل آمد. اولین خانه خورشیدی در انستیتو تکنولوژی ماساچوست آمریکا در سال 1938 ساخته شد. پیشرفت در طراحی و ساخت خانه‌های خورشیدی و آب‌گرم‌کن‌ها آن چنان سریع بود که تصور می‌شد تا سال 1970 گرمایش میلیون‌ها خانه در کشورهای مختلف بوسیله انرژی خورشید تأمین خواهد شد اما نه تنها چنین نشد، آمار نشان می‌دهد که گرمایش خورشیدی در سال‌های 1970 نسبت به 1955 کمتر هم شده بود. بالا بودن هزینه‌های اولیه چنین سیستم‌هایی، و در عین حال عرضه نفت و گاز ارزان، سد راه پیشرفت این سیستم‌ها شده بود. اما بحران انرژی در سال 1974 و از طرفی پیشرفت تکنیک ساخت کلکتورهای مختلف خورشیدی، و احتمال کاهش یا اتمام بعضی از منابع زیر زمینی، بار دیگر توجه جهانیان را به انرژی خورشیدی جلب کرده و تلاش های زیادی در اکثر کشورهای جهان، در جهت تکامل و پیشرفت این تکنیک صورت می‌گیرد.
مطالعات انرژی خورشیدی در ایران در حدود سال 1348 شمسی در دانشگاه شیراز و یکی دو سال بعد در دانشگاه صنعتی شریف آغار گردید. این فعالیت‌ها در سال‌های قبل از پیروزی انقلاب اسلامی به اوج خود رسید و در آن زمان مرکز انرژی خورشیدی دانشگاه شیراز و مرکز پژوهش‌های خواص و کاربرد مواد و نیرو در تهران فعالیت‌های قابل توجهی داشتند. از جمله طرح‌های مهم قابل توجه در این مراکز، طرح و توسعه و ساخت سلول‌های فتوالکتریک بوده است. یکی از اولین مطالعات انجام شده در زمینه انرژی خورشیدی در سال‌های آغازین، بررسی امکان استفاده از گرمایش خورشیدی در ایران می‌باشد که توسط دکتر مهدی بهادری نژاد در دانشگاه شیراز و برای ساختمانی در حوالی این شهر صورت گرفته و به یازده شهر اصلی دیگر تعمیم داده شده‌است. ]2[
در حال حاضر علاوه بر کارهای پژوهشی انجام شده توسط دانشگاه‌ها ، فعال ترین مؤسساتی که به کاربرد انرژی خورشیدی توجه دارند ، مرکز پژوهش‌های مواد و انرژی، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی کشور، واحد انرژی‌های نوی سازمان انرژی اتمی، سازمان انرژی‌های نو وابسته به وزارت نیرو و شرکت بهینه سازی مصرف سوخت کشور می‌باشد. برخی از این طرح‌های انجام شده عبارتند از: ذخیره سازی انرژی خورشیدی با استفاده از گرمای نهان ذوب، ژنراتور گرمازای خورشیدی، سلول خورشیدی سیلیکون، خانه خورشیدی فعال با مساحت 38 متر مربع، حمام‌های خورشیدی نصب شده در روستاهای مرکزی ایران و نیروگاه برق خورشیدی به روش فتوالکتریک در روستای دربید یزد. ]1[ بر اساس آمار، مجموع ظرفیت سلول‌های فوتوولتاییک نصب شده جهت تولید الکتریسیته 175 کیلو وات است. در سال 2007 حدود 71000 کیلووات ساعت الکتریسیته توسط نیروگاه 30 کیلواتی تهران، دربید یزد و سرکویر سمنان تولید شده‌است. علاوه بر موارد فوق فعالیت‌هایی نیز در زمینه حرارت خورشیدی انجام گرفته است که برای نمونه می‌توان به راه اندازی نیروگاه 250 کیلوواتی شیراز اشاره نمود که یکی از مهم‌ترین پروژه‌ها در این زمینه است. ]3[
کاربردهای انرژی خورشیدی :
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف استفاده می‌شود که عبارت‌اند از ]19[:
استفاده از انرژی حرارتی خورشید که این بخش از کاربردهای انرژی خورشید شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می‌باشد.
تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله سلول‌های فتوولتائیک.
کابردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می‌باشد که اهم آن‌ها عبارت‌اند از :
الف – آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی و حمام خورشیدی :
تهیه آب‌گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان هایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد. چنآن‌چه ظرفیت این سیستم‌ها افزایش یابد می‌توان از آن‌ها در حمام‌های خورشیدی نیز استفاده نمود. تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آب‌گرم‌کن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور از جمله استآن‌ها ی خراسان – سیستان و بلوچستان و یزد نصب و راه اندازی شده‌است.
ب – گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی :
گرمایش و سرمایش ساختمآن‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در سال‌های ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی می‌توان علاوه بر آب‌گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم‌ها در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.
پ – آب شیرین کن خورشیدی :
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می‌ماند. سپس با استفاده از روشهای مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تأمین کرد. آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند.
ت – خشک کن خورشیدی :
خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آن‌ها از زمآن‌ها ی بسیار قدیم مرسوم بوده و انسآن‌ها ی نخستین خشک کردن را یک هنر می‌دانستند. خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتری‌ها می‌باشد. در خشک کن‌های خورشیدی به‌طور مستقیم و یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به‌صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می‌گردد. خشک کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها و طرح‌های مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می‌شوند.
ث – اجاق‌های خورشیدی :
دستگاه‌های خوراک‌پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق‌بندی شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه‌ای درپوش آن را تشکیل می‌داد اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش می‌داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می‌باشد. امروزه طرح‌های متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد که این طرح‌ها در مکآن‌ها ی مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند. استفاده از این اجاق‌ها به ویژه در مناطق شرقی کشور ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه می‌باشند بسیار مفید خواهد بود.
ج – کوره خورشیدی :
در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.
بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد. متداول ترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می‌شود. طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز می‌شوند به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد. امروزه پروژه‌های متعددی در زمینه کوره‌های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می‌باشد.
چ – خانه‌های خورشیدی :
ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌کردند. آنان ساختمآن‌ها را به ترتیبی بنا می‌کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می‌تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در اغلب فرهنگ‌های دیگر دنیا نیز می‌توان نمونه‌هایی از این قبیل طرح‌ها را مشاهده نمود. در سال‌های بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرح‌های فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران به‌طور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده‌اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند مثلاً در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده‌است. در این گونه خانه‌ها سعی می‌شود از انرژی خورشید برای روشنایی – تهیه آب‌گرم بهداشتی – سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با به‌کار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.
در ایران نیز پروژه ساخت اولین ساختمان خورشیدی واقع در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت و به‌منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهینه سازی مصرف انرژی و امکان بررسی روش‌های استفاده از انواع انرژی‌های تجدیدپذیر به ویژه انرژی خورشیدی اجرا گردیده‌است.
سیستم‌های فتوولتاییک :
به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده‌ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم‌های فتوولتائیک یکی از پر مصرف‌ترین کاربرد انرژی‌های نو می‌باشند و تاکنون سیستم‌های گوناگونی با ظرفیت‌های مختلف (5/0 وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده‌است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم‌ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آن‌ها افزوده می‌شود. از سری و موازی کردن سلول‌های آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلول‌های سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می‌گویند. امروزه اینگونه سلول‌ها عموماً از ماده سیلیسیم تهیه می‌شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می‌شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می‌گردد. بنابراین از نظر تأمین ماده اولیه این سلول‌ها هیچ گونه کمبودی در ایران وجود ندارد. ]19[
فصل دوم
انواع کلکتورهای خورشیدی
و
بررسی استانداردهای مربوطه
مقدمه :
مهم‌ترین بخش هر آب‌گرم‌کن خورشیدی را می‌توان کلکتور آن دانست که کار اصلی آن جذب تابش خورشید و تبدیل آن به گرما و انتقال آن به سیال عامل که در لوله‌ها جریان دارد، می‌باشد.
کلکتورها به سه دسته تقسیم می‌شوند که بر اساس این تقسیم بندی روش انتقال حرارت هر کدام متفاوت خواهد بود. انتخاب نوع کلکتور به شرایط آب و هوایی منطقه و دمای مطلوب مورد نیاز ( دمای آب داغ ) بستگی دارد. اگرچه امروزه انواع کلکتورها با تکنولوژی جدید و پیشرفته ساخته می‌شوند و مواد جاذب به کار رفته دارای حداکثر جذب و حداقل نشر و انعکاس می‌باشند .
در حالت کلی کلکتورها را می‌توان به سه دسته زیر تقسیم کرد :
1) کلکتور صفحه تخت[1] .2) کلکتور لوله‌ای تحت خلاء[2] .3) کلکتور سهموی[3] .
کلکتور نوع مسطح هر دو انرژی تابشی (مستقیم و پراکنده) را جذب می‌کند در حالی‌که در نوع متمرکز کننده تنها تابش مستقیم خورشید جذب می‌شود. به همین دلیل کلکتورهای متمرکز کننده همواره باید خورشید را تعقیب کنند. انرژی جذب شده توسط این کلکتورها از نوع تخت بیشتر است اما تجهیزات مورد نیاز مکانیکی برای تعقیب خورشید و نگهداری از آن در دراز مدت بسیار گران قیمت خواهد بود. این کلکتورها باید در هر ساعت حدود 15 درجه در جهت حرکت خورشید چرخش داشته باشند. با توجه به این‌که کلکتورهای تخت دمای مورد نیاز تا 100 درجه سلسیوس را تأمین می‌کنند، استفاده از این نوع کلکتور معمولا توصیه می‌شود و کلکتورهای متمرکز کننده بیشتر برای مصارف خاص کاربرد دارند.
شکل 2-1 کارکرد یک کلکتور خورشیدی در حالت کلی را نشان می‌دهد.

شکل 2-1- کارکرد کلکتور صفحه تخت در حالت کلی
کلکتور صفحه تخت :
یکی از ساده‌ترین و پر استفاده‌ترین نوع کلکتور‌های خورشیدی که امروزه در کشور‌های مختلف دنیا به بازار عرضه می‌شود، کلکتور‌های صفحه تخت می‌باشد.
ساختار آن به‌صورت یک جعبه مستطیل شکل بوده که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم که معمولا به رنگ‌های تیره به‌منظور جذب بهتر می‌باشد. در زیر این صفحه لوله یا کانال‌هایی قرارگرفته که سیال عامل ( آب، هوا و مایع ضد یخ ) در آن‌ها جریان دارد. جهت افزایش کارایی و کاهش اتلافات حرارتی اطراف کلکتور عایق‌بندی شده‌است و این نوع کلکتورها جهت دماهای متوسط (بین 30 تا 70 درجه سانتی‌گراد) مورد استفاده قرار می‌گیرد و یا زمانی که نیاز به گرما در طول ماه‌های زمستان دارند مناسب‌ترین کلکتور می‌باشند .
در شکل 2-2 کلکتور صفحه‌ای تخت به همراه اجزای آن نمایش داده شده‌است . در ادامه اجزاء هر کلکتور خورشیدی تشریح خواهد شد.

شکل 2-2- کلکتور صفحه تخت به همراه اجزای آن
2-2-1) صفحه جاذب :
صفحه جاذب[4] مهم‌ترین بخش یک کلکتور می‌باشد که وظیفه جذب تابش خورشید و انتقال گرما به سیال عامل را بر عهده دارد. یک صفحه جاذب باید از خواصی همچون انتقال حرارت خوب، ضریب هدایت حرارتی بالا، ضریب جذب بالا و ضریب صدور پایین برخوردار بوده و از پایداری مناسبی در دماهای بالا برخوردار باشد.
برای ساختن صفحه جاذب از موادی مثل مس،‌ آلومینیوم و فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود. از آن‌جا که این مواد از قدرت جذب کنندگی خوبی برخوردار نیستند، با استفاده از روکش می‌توان قابلیت جذب آن‌ها را افزایش داد. در صورتی‌که ماده ای سیاه رنگ گرم و درجه حرارتش بالا رود، مقداری از گرمای جذب شده را به‌صورت تشعشعی به محیط پیرامون برمی‌گرداند. همین پدیده در صفحات داغ الکتریکی و بخاری های برقی به راحتی ملموس می‌باشند. زمانیکه صفحات ( المنت ها ) روشن می‌شوند، انرژی گرمایی به‌صورت تشعشعی، بدون این‌که بر روی صفحات داغ اثر منفی برجای گذارند، از روی آن ساطع می‌شود. حال در کلکتورهای خورشیدی، پوشش تیره رنگ تاثیر مشابهی را از خود نشان می‌دهند. این کلکتورها بخش اعظمی از انرژی جذب شده را به آبی که در داخل لوله جاذب جاری است منتقل نموده و مقدار بسیار کمتری را به‌صورت تشعشعی به محیط اطراف بر می‌گرداند.
ار این رو، بخش جاذب کلکتور‌های خورشیدی غالبا همچون پوشش مشکی رنگ توضیح داده شده می‌ماند و مقدار بسیار کمی از پرتو دریافتی را به‌صورت تشعشع بر می‌گرداند. حال آنکه فرآیند پوشش دهی مورد نیاز این مواد بسیار پیچیده تر می‌باشند. زیرا این کار باید با دقت بهتری انجام پذیرد و در مورد کلکتور‌های خورشیدی بازده جذب پرتو خورشید دارای نقش عمده‌ای است.
به عنوان یک نتیجه‌گیری کلی باید گفت بسیاری از جاذب‌های مورد کاربرد در کلکتورهای صفحه تخت امروزی از پوشش انتخابی بهره‌مند هستند که این پوشش‌ها از جنس کروم مشکی، نیکل تیره یا TiNox می‌باشند.
هم‌چنین از رنگ بعنوان روکش صفحه جاذب می‌توان استفاده کرد، بهترین رنگ‌ها آن‌ها یی هستند که با مخلوط‌های از اکسیدهای کرم، مس، آهن، منکنز، رنگین شده‌اند.

شکل 2-3- صفحه جاذب
2-2-2) صفحات پوششی یا جداری :
با محدود کردن جریان هوا می‌توان افت گرمایی جابجایی در کلکتورها را کاهش داد و موجب افزایش بازده شد که این عمل توسط صفحات پوششی[5] انجام می‌گیرد. هم‌چنین این پوشش موجب افت گرمای تابشی از صفحه جاذب می‌گردد. در ضمن بعنوان یک محافظ برای صفحه جاذب عمل نموده و از ورود آب باران، گرد و غبار به داخل محفظه کلکتور جلوگیری بعمل می‌آورد. برای این‌که پوشش مفید واقع شود باید قابلیت جذب و بازتاب آن به حداقل کاهش داد.
2-2-3) محفظه کلکتور :
محفظه کلکتور اغلب از جنس آلومینیوم، فولاد و یا چوب ساخته می‌شود و در برخی موارد نیز از فایبر گلاس است. در صورت استفاده از محفظه فلزی، باید مسیرهای انتقال گرما از بخش‌های گرم کلکتور به محفظه را مسدود نمود. یعنی محفظه باید طوری عایق‌کاری شود تا گرمای حاصله از طریق انتقال از محفظه تلف نگردد. علیرغم این تمهیدات، کلکتور‌های صفحه تخت هنوز دارای تلفات گرمایی هستند که عمده دلیل آن اختلاف درجه حرارت میان جاذب و هوای پیرامون می‌باشد که به دو نوع انتقال گرمای تشعشعی و همرفتی خود را نشان می‌دهند. انتقال گرمای همرفتی به سبب حرکت هوا و تابشی ناشی از اختلاف درجه حرارت بخش فوقانی کلکتور و هوای پیرامون است.
پاره‌ای از کلکتورها از نظر تهویه وجریآن‌ها ی داخل نیز به شدت کنترل می‌شود تا از هر گونه چگالش بر روی قسمت داخلی شیشه جلوی کلکتور جلوگیری شود. در شکل 2-4 فرآیند توضیح داده شده در خصوص یک کلکتور صفحه تخت مشاهده می‌شود.

شکل 2-4- فرآیند حرارتی یک کلکتور صفحه تخت
کلکتورهای صفحه تخت بر حسب نوع سیال عامل به دو دسته تقسیم می‌شوند :
کلکتور صفحه تخت با سیال مایع[6]
کلکتور صفحه تخت با سیال گاز[7] ( هوا )

شکل 2-5- کلکتورتخت، مایع ( شکل سمت چپ ) و هوایی ( شکل سمت راست )
کلکتور لوله خلاء :
اتلاف گرمایی همرفت ناشی از حرکت هوا در داخل کلکتور را می‌توان به‌صورت قابل ملاحظه‌ای با ثابت نگاه داشتن و ماندگاری خلاء بوجود آمده میان صفحه شفاف رو به آفتاب و جاذب کلکتور خورشید کاهش داد. از سوی دیگر خلاء ایجاد شده موجب می‌گردد تا فشارهای هوای محیط (فشار اتمسفر) وارد بر صفحه شفاف جلوی کلکتور، آن را به سمت عقب (سمت عقب) براند. لذا برای حل این مشکل لازم است تا نگاه‌دارنده‌های کوچکی در حد فاصل قسمت تحتانی و فوقانی کلکتور و در داخل آن قرار گیرد تا شکل کلکتور حفظ شود.
این که در کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت بتوان حالت خلاء درون کلکتور را به مدت زمان طولانی حفظ نمود امری دشوار است، زیرا همیشه هوای اطراف کلکتور از میان محل اتصال صفحه شفاف رو به آفتاب و دیواره های کلکتور برای جریان یافتن به داخل کلکتور راهی پیدا می‌کند. لذا می‌بایست به‌صورت دوره‌ای نسبت به ایجاد خلاء مجدد در داخل محفظه کلکتور خورشیدی صفحه تخت اقدام شود. این عیب عمده که در کنار هزینه بالای تعمیر و نگهداری، بازده کلی کلکتور و سامانه خورشیدی را کاهش می‌دهد را می‌توان با استفاده از کلکتور‌های لوله خلاء شده رفع نمود.
خلاء بسیار بالا ( تقریبا کامل) داخل لوله شیشه‌ای خلاء شده در بسته مورد استفاده در کلکتور‌های لوله خلاء[8] در مقایسه با محفظه خلاء شده در کلکتورهای صفحه تخت به مدت بسیار طولانی تری شرایط خلاء خود را حفظ می‌کنند. این لوله‌ها به سبب شکلشان در مقابل فشار هوای خارج از خود مقاومت بالاتری بروز داده و نتیجه این‌که به قطعات پشتیبان در داخل خود نیاز ندارند.

شکل 2-6- کلکتور لوله‌ای تحت خلاء
کلکتورهای لوله خلاء از کاراترین و گران‌ترین انواع کلکتورهای خورشیدی است . این کلکتور از تعدادی لوله دو جداره شفاف موازی تشکیل شده‌است که در داخل آن یک تیوب با پوششی از ماده جاذب قرار دارد. هوا از فضای بین دو جداره خارج گردیده و خلاء ایجاد شده از اتلاف حرارت جلوگیری می‌کند.
این کلکتورها برای تامین دماهای بالای 60 درجه سانتی‌گراد یا مناطق بسیار سرد مورد استفاده قرار می‌گیرد و کاربرد آن بیشتر از سایر کلکتورها بوده و برای موارد تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بعنوان مثال می‌توان به آب‌گرم‌کن خانگی، گرم کردن ساختمآن‌ها و استخرهای خانگی اشاره کرد.
راندمان بالا و کم‌ترین اتلاف حرارتی از مزیت‌های این کلکتورها بوده و به‌علت وجود خلاء بین پوشش و جذب کننده، اتلاف گرمایی آن‌ها حتی در هوای سرد بسیار پایین است. در شکل 2-6 کلکتور لوله‌ای تحت خلاء به همراه اجزای آن نمایش داده شده‌است.
این کلکتورها در دو نوع زیر طبقه بندی می‌شوند :
Direct Flow Evacuated Tube Collector
Heat Pipe Evacuated Tube Collector

شکل 2-7- انواع کلکتورهای تحت خلاء
برای کار بهینه لازم است تا لوله‌های خلا با حداقل زاویه ممکن نصب شوند تا حرکت بخار از پایین به بالا و سیال عامل چگالیده شده از بالا به پایین به پایستگی صورت پذیرد.
با استفاده از کلکتور‌های لوله خلا به مراتب انرژی بیشتری را می‌توان مورد استحصال قرار داد که این وضعیت در ماه‌های سرد و کم آفتاب سال بیشتر نمود پیدا می‌کند.
کلکتور سهموی :
این کلکتورها سطح آیینه‌ای داشته و برای تجمع انرژی خورشیدی بر روی تیوب جاذب که شامل سیال انتقال حرارت است به‌کار می‌رود. در شکل 2-8 یک نمونه از کلکتورهای سهموی[9] نشان داده شده‌است.

شکل 2-8- کلکتور سهموی
زاویه شیب کلکتور خورشیدی :
زاویه بین کلکتور با محور افقی را زاویه شیب کلکتور گویند که در اکثر مواقع حالات زیر می‌تواند حادث شود :
زاویه شیب کلکتور مساوی عرض جغرافیایی باشد، این زاویه معمولا زاویه‌ای است که حداکثر تابش سالیانه خورشید را خواهیم داشت. یعنی سیستم تمام سال کار می‌کند.
زاویه شیب کلکتور 15 درجه کمتر از طول جغرافیایی محل است. این زاویه معمولا حداکثر تابش خورشید در تابستان را خواهد داد .
زاویه شیب کلکتور 15 درجه بیشتر از طول جغرافیایی محل است. این زاویه معمولا حداکثر تابش خورشید در زمستان را خواهد داد .
زاویه شیب کلکتور برابر زاویه شیب سقفی باشد که کلکتور روی آن نصب می‌شود. در این حالت به‌طور قاطع نمی‌توان گفت که حداکثر تابش به‌دست می‌آید. انتخاب این زاویه فقط باعث کاهش هزینه‌های نصب خواهد شد.

شکل 2-9- زاویه کلکتور خورشیدی
مقایسه استاندارد‌های تست کلکتور‌های تخت خورشیدی (ISO 9806-1 و EN 12975-2 و ASHRAE 93):
در این بخش به اختصار به توضیح سه استاندارد تست کلکتورهای تخت خورشیدی خواهیم پرداخت. در هر سه استاندارد به پارامتر‌های شرایط یکنواخت[10] اشاره شده‌است. هر سه استاندارد نیازمند محاسبه تست ثابت زمانی[11]، تست بازده حرارتی لحظه‌ای[12] و تست اصلاح کننده زاویه تابش[13] هستند. علیرغم برخی از تفاوت‌های جزیی در خواسته‌های هر استاندارد، تمامی استاندارد‌ها پارامترهایی که برای محاسبه بازده حرارتی دراز مدت لازم است را توضح داده‌اند. در این بخش به توضیح پارامترها و تست‌ها می‌پردازیم.
2-6-1) استاندارد ASHRAE 93 :
2-6-1-1) تست ثابت زمانی- τ :
در استاندارد ASHRAE 93 [12]، تست ثابت زمانی از دو مرحله تشکیل می‌شود. ابتدا کلکتور در مقابل تابش خورشید قرار گرفته و دمای ورودی سیال به کلکتور تحت کنترل قرار می‌گیرد به طوری‌که برابر دمای خشک هوای محیط[14] باشد. بعد از این‌که به شرایط یکنواخت رسیدیم (مطابق جدول2-4) کلکتور به سرعت توسط پوشش شفافی از تشعشع خورشید پوشانیده می‌شود. سپس بلافاصله دمای سیال ورودی (که تحت کنترل است) و دمای سیال خروجی از کلکتور (که تحت کنترل نیست) به طور مداوم تحت بررسی قرار می‌گیرد. کاهش دمای خروجی سیال در طول زمان اطلاعات لازم جهت تخمین ثابت زمانی کلکتور را به‌دست می‌دهد. ثابت زمانی کلکتور عبارتست از مدت زمان لازم برای کاهش اختلاف دمای سیال ورودی و خروجی از کلکتور به میزان 0.368 (1/e) از مقدار اولیه آن.
2-6-1-2) تست بازده حرارتی – gη :
بازده حرارتی لحظه‌ای یک کلکتور، gη، از طریق محاسبه نسبت بین انرژی مفید دریافتی و تشعشع خورشید به‌دست می‌آید که در معادله 2-1 نشان داده شده‌است:
(2-1)
اگر تست بازده حرارتی در شرایط تابش عمودی انجام شود به طوریکه ثابت بوده و FR و UL نیز در دماهای مورد تست ثابت باشند، وقتی که ηg بر حسب x رسم شود که در آن ، حاصل یک خط راست خواهد بود. مقادیر اندازه‌گیری شده برای ηg و x های مرتبط با آن نقطه داده[15] نامیده می‌شوند. تمام تست‌های مبتنی بر شرایط یکنواخت نیازمند حداقل 16 نقطه داده در 4 دمای ورودی مختلف هستند تا نمودار بازده برای یک کلکتور به‌دست آید. نمودار بازده با استفاده از روش حداقل مربعات برای 16 نقطه داده به‌دست می‌آید. شرایط لازم جهت انجام تست بازده در جدول2-5 داده شده‌است. این شرایط در طول تست باید ثابت نگاه داشته شوند و میزان نوسان از حد تعیین شده در جدول2-4 آمده است.
2-6-1-3) تست اصلاح کننده زاویه تابش – Kθb(θ) :
بازده حرارتی واقعی یک کلکتور به اصلاح کننده زاویه تابش تشعشع خورشیدی وابسته است. اصلاح کننده زاویه تابش Kθb(θ) جهت تعیین وابستگی زاویه‌ای به کار می‌رود. تست اصلاح کننده زاویه تابش عبارتست از اندازه‌گیری بازده کلکتور در دماهای ورودی ثابت سیال در شرایط یکنواخت و با زاویه‌های تابش متفاوت. زاویه‌های تابش مختلف با تغییر دادن زاویه سمت کلکتور قابل دستیابی است. وابستگی زاویه‌ای اصلاح کننده زاویه تابش به طور تقریبی طبق فرمول زیر برقرار است:
(2-2)
پارامتر b0 ثابت فرض می‌شود و ضریب اصلاح کننده زاویه تابش نامیده می‌شود که معمولا عددی مثبت است. در استاندارد ASHRAE اندازه‌گیری بازده در چهار زاویه 0، 30، 45 و 60 درجه برای انجام این تست نیاز است.
2-6-1-4) توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی :
در استاندارد ASHRAE 93 چهار دمای ورودی متفاوت در نظر گرفته شده و دو روش برای تعیین این دماها مشخص شده‌است. در هر دو روش حداقل دمای ورودی سیال برابر با دمای هوای محیط محل تست قرار داده شده‌است که در صورتی‌که دمای محیط کمتر از صفر درجه سانتیگراد باشد، این امر می‌تواند مشکل ساز باشد. حداکثر دمای ورودی نیز بر اساس توصیه سازنده کلکتور یا حصول بازده‌های مشخص شده در استاندارد تعیین می‌شود. در هر دو روش، بازه دماهای ورودی برای کلکتور‌های صفحه تخت[16] یا استوآن‌ها ی[17] می‌تواند به دماهای بالاتر از 130 درجه سانتیگراد برسد. در صورت استفاده از سیال آب این دما غیرکاربردی است و بسیار بالاتر از دمایی است که در طول کاربری معمولی کلکتور حاصل می‌شود.
2-6-1-5) مدت زمان انجام تست :
یک مجموعه کامل جهت تست بازده حرارتی کلکتور نیازمند 16 نقطه داده است تا بتوان عملکرد حرارتی یک کلکتور صفحه تخت را محاسیه نمود. بازده برای یک نقطه داده، از اندازه‌گیری هایی که در طول یک بازه داده[18] در شرایط یکنواخت (شرایط مندرج در جدول2-4) انجام می‌شود به‌دست می‌آید. تنها اطلاعاتی که در طول بازه داده به‌دست می‌آیند برای محاسبه بازده هر نقطه داده استفاده می‌شوند. به علاوه، برای دستیابی به شرایط یکنواخت در طول بازه داده، شرایط یکنواخت باید در طول مدت زمان قبل از آن نیز برقرار باشد که به این زمان پیش بازه داده[19] می‌گویند. پیش بازه داده تاثیر زیادی روی زمان مورد نیاز جهت تست کلکتور می‌گذارد. در جدول2-6 اختلاف بازه‌های داده و پیش بازه داده در استانداردهای ASHRAE، ISO و EN آمده است.
2-6-2) استاندارد ISO 9806-1 و EN 12975-2 :
2-6-2-1) تست ثابت زمانی- τ :
دو استاندارد ISO 9806-1 [13] و EN 12975-2 [14] نیز اساسا دارای پروسه مشابه با استاندارد ASHRAE هستند. با این تفاوت که به جای اندازه‌گیری اختلاف بین دمای ورودی سیال و دمای خروجی سیال از کلکتور، اختلاف دمای بین دمای هوای محیط و دمای خروجی سیال از کلکتور اندازه‌گیری می‌شود. ابتدا کلکتور با استفاده از پوششی در مقابل تشعشع خورشید محافظت می‌شود تا شرایط یکنواخت حاصل شود، سپس پوشش به سرعت از روی کلکتور برداشته می‌شود و اندازه‌گیری‌ها تا رسیدن به شرایط یکنواخت ثانویه ادامه می‌یابد. در این حالت ثابت زمانی کلکتور که با زمان τ نشان داده می‌شود عبارتست از زمانی که لازم است تا اختلاف دمای هوای محیط و سیال خروجی از کلکتور به میزان اختلاف دمای هوای محیط و سیال خروجی اولیه به علاوه 0.632 از مقدار اولیه و ثانویه افزایش یابد. حصول شرایط یکنواخت در این استاندارد مطابق جدول2-4 است. در استاندارد EN 12975-2 انجام این تست اختیاری است.
2-6-2-2) تست بازده حرارتی :
بازده حرارتی لحظه‌ای یک کلکتور، gη، در دو استاندارد ISO و EN نیز با استفاده از نقاط داده به‌دست می‌آیند، اما روش محاسبه بازده کمی با استاندارد ASHRAE متفاوت است. در این استاندارد بازده حرارتی لحظه‌ای از طریق محاسبه نسبت بین انرژی مفید دریافتی و تشعشع خورشید به‌دست می‌آید که در معادله 2-3 نشان داده شده‌است:
(2-3)
در این استاندارد بازده حرارتی لحظه‌ای به‌صورت تابعی از اختلاف دمای کاهش یافته بیان می‌شود. دمای کاهش یافته بر اساس دمای ورودی سیال به کلکتور طبق معادله 2-4 نشان داده شده‌است.
(2-4)
(2-5)
با استفاده از معادله 2-5 بازده کلکتور را می‌توان به‌دست آورد. دو مجهول a1 و a2 را با استفاده از برازش منحنی[20] به‌صورت خطی یا درجه دوم به‌دست می‌آیند. شرایط لازم جهت انجام تست بازده در جدول2-5 داده شده‌است. این شرایط در طول تست باید ثابت نگاه داشته شوند و میزان نوسان از حد تعیین شده در جدول2-4 آمده است.
2-6-2-3) تست اصلاح کننده زاویه تابش – Kθb(θ) :
در استاندارد ISO اندازه‌گیری بازده در چهار زاویه 0، 30، 45 و 60 درجه برای انجام این تست نیاز است، اما در استاندارد EN برای کلکتور‌های صفحه تخت اندازه‌گیری بازده در یک زاویه، 50 درجه، کفایت می‌کند.
2-6-2-4) توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی :
وقتی که آب به عنوان سیال انتقال استفاده می‌شود استاندارد ISO 9806-1 و EN12975-2 به ترتیب دماهای 70 و 80 دجه سانتیگراد را پیشنهاد می‌کنند. از طرفی، روش تست گذرای[21] استاندارد اروپایی EN12975-2 انواع کلکتورها را بر حسب کاربرد آن‌ها مشخص نموده و حداکثر دمای ورودی به کلکتور را بر اساس نوع کلکتور تعیین نموده است. در استاندارد EN12975-2 مقادیر بیشینه دمای ورودی سیال باید انتخاب شوند تا بتوان به حداکثر دمای خروجی سیال دست یافت.
2-6-2-5) روش تست شبه دینامیکی استاندارد EN12975-2 :
تفاوت عمده استاندارد EN12975-2 و ASHRAE 93 در آن است که در استاندارد ASHRAE حتما باید شرایط یکنواخت وجود داشته باشد اما در استاندارد EN12975-2 می‌توان با استفاده از روش شبه دینامیکی و بدون وجود شرایط یکنواخت نیز تست را بر اساس اثر گذرا انجام داد.
تفاوت عمده این روش با تست در شرایط یکنواخت آن است که انرژی مفید دریافتی کلکتور در طول بازه‌های کوچک (5 الی دقیقه ای) اندازه‌گیری می‌شود در حالی‌که تشعشع خورشیدی و دمای محیط می‌توانند متغیر باشند. سایر پارامتر‌های کنترلی در محدوده خاصی نگاه داشته می‌شوند. این شرایط در جدول2-1 نشان داده شده‌اند.
جدول2-1- شرایط تست شبه دینامیکی
زاویه سمت کلکتور (درجه) Facing south ± 5
زاویه شیب (درجه) 45 ± 5
تشعشع خورشید (W/m2) بیشتر از 300
سرعت باد (متر بر ثانیه) 1 – 4
دبی جرمی جریان (kg/s m2) 0.02 ± 1%
روش پیشنهاد شده برای طول مدت تست، جمع آوری اطلاعات در طول 4-5 روز است، اما در حقیقت زمان واقعی انجام تست به شرایط آب و هوایی در طول تست بستگی دارد. نوع روز[22] (DT) به‌صورت ترکیبی از دمای متوسط صفحه[23] و شرایط آب و هوایی تعریف می‌شود. در استاندارد EN 12975-2 برای هر نوع روز باید دمای ورودی سیال در اندازه‌ای مشخص ثابت گردد تا دمای متوسط سیال در محدوده داده شده در جدول2-2 قرار گیرد.
جدول 2-2- دمای متوسط سیال و شرایط آب و هوایی برای هر نوع روز
دمای متوسط سیال آسمان صاف آسمان نیمه ابری
Ta ± 3 K روز نوع 1 روز نوع 2
(Ta +Thot)/3 روز نوع 3 روز نوع 3
2(Ta +Thot)/3 روز نوع 3 روز نوع 3
Thot روز نوع 4 روز نوع 4
تست برای روزهای نوع 1 و 2 می‌توانند در کمتر از 1 روز انجام شوند، اما برای تست در روزهای نوع 3 دست کم 2 روز زمان نیاز است. روش انتخاب دمای ماکزیمم (Thot) نیز در جدول 2-3 [22] آمده است.
جدول2-3- بیشترین دمای خروجی بر اساس نوع کلکتور
نوع کلکتور Thot (°C)
آب‌گرم مصرفی Ta ± 60
گرمایش محیط Ta ± 70
استخر شنا Ta ± 15
گرمایش فرآیندی Ta ± 90
مقایسه استاندارد‌ها :
جداول مقایسه‌ای بین استاندارد‌ها در این بخش به ترتیب آمده‌اند.
جدول2-4- مقایسه حدود مجاز پارامتر‌های مختلف جهت دستیابی به شرایط یکنواخت در سه استاندارد
متغیر حداکثر مجاز نوسان
استاندارد ISO 9806-1 EN 12975-2 ASHRAE 93
حداقل تشعشع خورشید جهت انجام تست (W/m2) 800 700 790
مجموع تشعشع خورشید عمود بر سطح (W/m2) ± 50 ± 50 ± 32
دمای محیط ± 1 K ± 1 K ± 1.5 K
دبی حجمی جریان ± 1%
در 30 ثانیه هر کدام بزرگتر باشد ± 1%
در 30 ثانیه هر کدام بزرگتر باشد ± 2% یا ± 0.005 gpm
در 15 دقیقه هر کدام بزرگتر باشد
دمای سیال ورودی 0.1 K
در 30 ثانیه هر کدام بزرگتر باشد 0.1 K
در 30 ثانیه هر کدام بزرگتر باشد ± 2% یا 1 K
در 15 دقیقه هر کدام بزرگتر باشد
دمای سیال خروجی ± 0.05 °C per minute ± 0.05 °C per minute –
جدول 2- 5- شرایط آب و هوایی لازم در سه استاندارد
متغیر حداکثر مجاز نوسان
استاندارد ISO 9806-1 EN 12975-2 ASHRAE 93
حداقل تشعشع خورشید جهت انجام تست (W/m2) 800 700 790
حداکثر کسر تابش پراکنده[24] (W/m2) 20% 30% 20%
سرعت باد، u، (m/s) 2<u<4 2<u<4 2.2<u<4.5
اصلاح کننده زاویه تابش 98%<normal incicence value<102% 98%<normal incicence value<102% 98%<normal incicence value<102%
جدول 2- 6- شرایط زمانی بازه داده و پیش بازه داده برای تست در حالت کلکتور ساکن
متغیر مدت زمان تست
استاندارد ISO 9806-1 EN 12975-2 ASHRAE 93
پیش زمان داده 15 min. 15 min or 4τ 15 min
زمان داده 15 min. 10 min or 4τ max (5 min, τ)
فصل سوم
آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی
و
بررسی استانداردهای مربوطه
مقدمه :
امروزه بشر با دو بحران اساسی مواجه است که بیش از آن‌چه که بنظر می‌رسد با یکدیگر مرتبط هستند. از یک سو شهرهای بزرگ و صنعتی با مشکل آلودگی محیط زیست روبرو هستند و از یک سو منابع فسیلی و ذخایر آن به سرعت در حال اتمام است.
خورشید می‌تواند بعنوان یکی از منابع بی پایان انرژی، جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی باشد. اما نکته قابل توجه این است که از نور خورشید نمی‌توان به‌طور مستقیم استفاده نمود. در نتیجه نیازمند تجهیزات و دستگاه‌هایی هستیم که بتوان به کمک آن‌ها انرژی تابشی خورشید را به انرژی‌های قابل استفاده از قبیل مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و غیره تبدیل نمود.
از کاربردهای انرژی خورشیدی می‌توان به مواردی چون گرمایش و سرمایش خورشیدی، نیروگاه‌های خورشیدی، آب شیرین کن خورشیدی، استخرهای خورشیدی، خوراک پزهای خورشیدی، سیستم‌های فتوولتائیک، آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، باتری‌های خورشیدی و غیره اشاره نمود.
بر اساس تحقیقات بعمل آمده در ایران، با استفاده از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی خانگی می‌توان مصرف سالیانه نفت سفید را برای هر خانوار به میزان 740 لیتر کاهش داد. هم‌چنین در مقایسه با سیستم‌های برقی موجود، به ازای هر خانوار 13 برابر خطر تخریب لایه ازن کاهش می‌یابد. طبق این آمار یک مخرن 200 لیتری آب‌گرم‌کن خورشیدی یک تن Co2 در سال از هوا کسر می‌کند. ]5[
آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی سیستم‌های سازگار با محیط زیست هستند که در روزهای آفتابی، انرژی خورشید تابیده شده به سطح کلکتور را جذب کرده و از این طریق آب‌گرم مصرفی خانگی را تامین می‌کند و در روزهای ابری می‌توان از طریق هیتر برقی کمکی، آب‌گرم مصرفی مورد نیاز را تامین نمود.
استفاده از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی در ساختمآن‌ها ی مسکونی به دلیل رایگان بودن انرژی خورشید، هزینه‌های آب‌گرم را تا حدود 60٪ در سال کاهش می‌دهد که این مبلغ در کل مدت عمر سیستم خورشیدی معادل میلیون‌ها ریال خواهد بود. ]5[
اجزای آب‌گرم‌کن خورشیدی :
از آغاز ساخت اولین نمونه‌های آب‌گرم‌کن خورشیدی، مدل‌های گوناگونی ارائه شده‌است و همچنان مطالعه و بررسی در خصوص شکل ظاهری، نحوه عملکرد و دیگر عوامل موثر بر آن ادامه دارد.
در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، با عبور سیال عامل از درون لوله‌های کلکتور، تبادل حرارتی صورت گرفته و آب‌گرم مصرفی تامین می‌گردد. مراحل تامین آب‌گرم که شامل گردآوری و انتقال انرژی، تبادل حرارتی و ذخیره آب‌گرم می‌باشد، باعث ایجاد تنوع در این نوع سیستم‌ها شده‌است.
با توجه به متنوع بودن آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، آن‌ها اساسا شامل اجزاء زیر می‌باشند :
کلکتور خورشیدی.
سیستم انتقال گرما و سیال عامل.
سیستم ذخیره حرارتی ( مخازن ذخیره ).

شکل 3-1- طرح ساده‌ای از یک آب‌گرم‌کن خورشیدی
شرح دستگاه آب‌گرم‌کن خورشیدی :
دستگاه آب‌گرم‌کن خورشیدی شامل مجموعه‌ای است که حداقل دارای منبع، کلکتور و لوله‌های رابط باشد و در بعضی از انواع آن از پمپ نیز استفاده می‌شود. تشعشعات خورشیدی از طریق کلکتور جذب گردیده و حرارت را به مایع درون لوله‌های رابط منتقل می‌سازد و از آن‌جا در منبع ذخیره می‌گردد.
بخش اصلي يک آب‌گرم‌کن خورشيدي کلکتور آن است که خود شامل يک ورق است که بوسيله تابش کلي خورشيد حرارت يافته و حرارت خود را به يک سيال جذب کننده ( مانند آب ) که داخل لوله در حال جريان است، منتقل مي‌کند. رنگ اين ورق هميشه تيره انتخاب مي‌شود و داراي پوشش خاصي است که بتواند ضريب جذب انرژي را به حداکثر و ضريب پخش را به حداقل برساند. براي رسيدن به دماي بالا، مجموعه ورق و لوله‌ها را در داخل يک جعبه عايق با روکش شيشه قرار مي‌دهند.
دو عامل دیگر که در بازده کار آب‌گرم‌کن خورشیدی بسیار موثر است جهت و شیب کلکتور می‌باشد.
آبي که با اين روش گرم مي‌شود، بر اثر اختلاف دما و با گردش طبيعي وارد يک تانک دوجداره شده و آب مخزن را گرم مي‌کند. اين آب‌گرم شده يا به طور مستقيم به مصرف گرمايش خانوار مي‌رسد و يا توسط يك مبدل حرارتي دماي آب مصرفي خانواده را افزايش مي‌دهد.
در حالت کلی وظایف اصلی هر آب‌گرم‌کن خورشیدی عبارت است از :
الف) جمع آوری: تابش خورشیدی بوسیله کلکتور خورشیدی تسخیر و جذب می‌شود.
ب) انتقال: این انرژی بسته به نوع کلکتور با روشی خاص به آب منتقل می‌شود.
ج) ذخیره سازی: آب داغ در یک تانک ذخیره می‌شود تا بعدا و در مواقع مورد نیاز استفاده شود. این
منبع ذخیره بسته به نوع آب‌گرم‌کن می‌تواند روی سقف یا داخل منزل قرار گیرد .

شکل 3-2- طرح کلی یک آب‌گرم‌کن خورشیدی به همراه قسمت‌های مختلف آن
انواع آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی :
در سيستمهاي آب‌گرمكن خورشيدي، بر حسب این‌که آب مصرفی چگونه گرم می‌شود به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند :
الف) سیستم مدار باز[25] : آب مصرفی به‌طور مستقیم با عبور از کلکتور گرم می‌شود .
ب) سیستم مدار بسته[26] : آب مصرفی به‌طور غیر مستقیم توسط يك مبدل حرارتي كه خود در يك
سيكل بسته توسط سيال داخل كلكتور گرم شده‌است، گرم می‌شود .

سیال عامل نیز به دو صورت زیر جابجا می‌شود :
الف) طبیعی یا غیر فعال[27] : بر اثر پدیده ترموسیفون( اثر نیروی جاذبه ) بوجود می‌آید .
ب) اجباری یا فعال[28] : براي گردش اجباري اين سيال از يك پمپ استفاده ميشود .
به‌طور کلی با توجه به توضیحات فوق می‌توان براي گرم كردن آب مصرفي يا بهداشتی، یکی از چهار نوع سیستم خورشیدی زیر مورد استفاده قرار گیرد :
1) سیستم گردش اجباری- مدار بسته ( Indirect )
2) سیستم گردش اجباری- مدار باز ( Direct )
3) سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار باز
4) سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار بسته
3-4-1) سیستم گردش اجباری :
سیستم‌های گردش اجباری[29] دارای راندمان بالاتر و هزینه اولیه بالاتری نسبت به سیستم‌های گردش طبیعی می‌باشند و برای جلوگیری از یخ‌زدگی در مناطق سردسیر، از مواد ضد یخ و سیستم دو مداره استفاده می‌شود .
در این نوع از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی به‌منظور عملکرد بهتر، گردش سیال توسط پمپ صورت می‌گیرد. این آب‌گرم‌کن‌ها علاوه بر سیستم‌های خانگی در سیستم‌های بزرگ نیز به‌کار می‌روند. این سیستم‌ها از نوع ترموسیفونی گرانتر می‌باشد و مزیت اصلی آن این است که مخزن ذخیره آن در هر محلی از ساختمان می‌تواند قرار گیرد.
پمپی که در این سیستم به‌کار می‌رود در مسیر ورودی سیال سرد به کلکتورها قرار می‌گیرد و این سیال پس از گرم شدن توسط صفحات جاذب برگشت می‌کند. در این نوع از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی به‌علت وجود پمپ در مدار گردش سیال، راندمان سیستم بهبود می‌یابد.
سیستم‌های گردش اجباری به دو دسته مدار باز و مدار بسته تقسیم می‌شوند که در ادامه به ویژگی‌های هر کدام اشاره خواهد شد.
3-4-1-1) سیستم گردش اجباری- مدار بسته[30] :
در این نوع از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی ضد یخ در یک لوپ بسته قرار دارد و با عبور از کلکتور خورشیدی، مستقیما گرم می‌شود.
ضد یخ در سیستم، با آب مصرفی تبادل حرارتی دارد و آب مصرفی به‌طور غیر مستقیم گرم می‌شود . همانطور که توضیح داده شد، در این سیستم‌ها با استفاده از پمپ آب به گردش درمی‌آید لذا با قطع برق پمپ از کار افتاده و در نتیجه امکان یخ‌زدگی سیستم وجود دارد، به این منظور از شیر انجماد استفاده می‌شود.
در این سیستم مخزن آب مصرفی به‌صورت مستقل عمل می‌کند و نیازی نیست که در کنار یا بالای کلکتور قرار گیرد. در شکل 3-3 نمونه‌ای از این سیستم را می‌توان مشاهده کرد.

شکل3-3- سیستم اجباری- مدار بسته
3-4-1-2) سیستم گردش اجباری- مدار باز[31] :
خصوصیات این سیستم همانند سیستم گردش اجباری- مدار بسته می‌باشد با این تفاوت که این سیستم تک مداره بوده و فاقد ضد یخ می‌باشد لذا از سیستم اجباری- مدار بسته ساده تر می‌باشد.
آب مصرفی با عبور از کلکتور مستقیما توسط خورشید گرم می‌شود و در مخزن ذخیره می‌گردد، به همین علت این سیستم در زمانی که تابش خورشید کم باشد مناسب است. در شکل3-4 نمونه‌ای از این سیستم را می‌توان مشاهده نمود.

شکل3-4- سیستم اجباری- مدار باز
3-4-2) سیستم با گردش طبیعی :
متداولترین نوع آب‌گرم‌کن خورشیدی، آب‌گرم‌کن‌های با سیستم گردش طبیعی( ترموسیفونی )[32] می‌باشند. این نوع آب‌گرم‌کن‌ها به‌علت سهولت ساخت، هزینه تعمیر و نگهداری پایین و کارایی بالا، نسبت به انواع دیگر آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی برتری دارند. شکل3-5 یک سیستم ترموسیفون را نشان می‌دهد.

شکل3-5- آب‌گرم‌کن با سیستم ترموسیفون
ساده‌ترین روش برای ذخیره آب استفاده از نیروی شناوری[33] می‌باشد. می‌دانیم وزن مخصوص آب‌گرم از وزن مخصوص آب سرد کمتر بوده و این اصلی است که در کار یک آب‌گرم‌کن خورشیدی بدون استفاده از پمپ به‌کار می‌رود. تشعشعات خورشیدی پس از عبور از صفحات پوشش (شیشه) به سطح صفحات جذب کننده انرژی که لوله‌هایی روی این صفحه لحیم شده‌اند و برای جذب بهتر به رنگ مشکی درآمده‌اند برخورد نموده و باعث بالا رفتن درجه حرارت می‌گردد.
ازدیاد درجه حرارت باعث گرم شدن آب درون لوله‌ها گردیده و وزن مخصوص آب کاهش یافته، در نتیجه به قسمت بالای کلکتور حرکت نموده و جای خود را با آب سردی که قبلا گرم بوده و حرارتش را درون منبع از دست داده و ضمنا وزن مخصوص آن زیاد شده می‌دهد و این عمل تا زمانی که نور خورشید به سطح کلکتور می تابد ادامه خواهد داشت و از این طریق آب منبع گرم می‌شود.
در مناطق سردسیر که زمستان احتمال یخبندان و در نتیجه ترکیدن کلکتور وجود دارد ، از منابع دو جداره استفاده می‌شود و در عین حال می‌توان در داخل کلکتور محلول ضد یخ ریخت که تا حدودی در مقابل یخ‌زدگی مقاومت نماید. هم‌چنین این محلول در روزهای آفتابی عمل گرم کردن آب داخل جداره اول را انجام می‌دهد.
نکته قابل توجه این‌که در این سیستم، منبع ذخیره آب باید در بالای کلکتور قرار گیرد زیرا در صورت نبودن تابش کافی خورشید یا بهنگام شب، به‌علت این‌که نیروی شناوری رو به بالا، نمی‌تواند بر افتهای اصطکاکی سیال داخل لوله غلبه کند، در نتیجه سیستم بر عکس کار کرده و تمام آب سرد خواهد شد. به همین دلیل مخزن ذخیره در ارتفاع مشخصی حدود 30 تا 60 سانتیمتر نسبت به بالاترین قسمت کلکتور نصب می‌شود تا از چرخش معکوس سیال در ساعاتی که تابش خورشید وجود ندارد، جلوگیری بعمل آید.
از دیگر ویژگی‌های این نوع آب‌گرم‌کن‌ها این است که این سیستم فاقد هرگونه اجزای الکتریکی می‌باشد و دارای انعطاف پذیری بیشتر، هزینه نگهداری کمتر و عمر بالاتر می‌باشد. این سیستم‌ها بیشتر مصارف خانگی دارند و برای مناطقی که خیلی سرد هستند کاربرد ندارند.
سیستم‌های با گردش طبیعی نیز همانند سیستم‌های گردش اجباری به دو دسته مدار باز (مستقیم) و مدار بسته (غیر مستقیم) تقسیم می‌شوند که در ادامه آورده شده‌اند.
3-4-2-1) سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار باز :
در این نوع از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، آب مصرفی به‌طور مستقیم با عبور از کلکتور گرم می‌شود.
شکل3-6 یک سیستم گردش طبیعی ترموسیفون مدار باز را نشان می‌دهد. یکی از اشکالات وارد به این نوع سیستم‌ها این است که در آب و هوای سرد یا مناطق سردسیر، لوله‌ها و اتصالات دچار یخ‌زدگی می‌شوند.

شکل3-6- سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار باز
3-4-2-2) سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار بسته :
آب مصرفی به‌طور غیر مستقیم توسط یک مبدل حرارتی که در یک سیکل بسته توسط سیال داخل کلکتور (محلول ضدیخ) گرم شده‌است، گرما می‌گیرد. شکل3-7 یک سیستم گردش طبیعی ترموسیفون مدار باز را نمایش می‌دهد.

شکل3-7- سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار بسته
بررسی و مقایسه استانداردهای آب‌گرم‌کن خورشیدی :
3-5-1) استاندارد ISO 9459 :
استانداردهای ISO بر مبنای اعداد استاندارهای ملی شکل گرفت و با استانداردهای اروپایی هماهنگی دارد . در نتیجه استانداردهای ملی در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی توسط ایجاد مقادیر متوسط برای تطبیق راندمان و سایر الزامات بر طبق حد و مرزهای ملی ، ایجاد تعادل می‌کنند .
3-5-1-1) استانداردهای راندمان ( عملکرد ) سیستم :
روش‌های تست سیستم ( آب‌گرم‌کن خورشیدی ) توسط بخش‌های مختلف استاندارد ISO 9459 مشخص می‌شوند. این استاندارها ارزشیابی عملکرد سیستم را از سه جنبه مورد بررسی قرار می‌دهند.

– (300)

دانشــگاه یــــزد
دانشکده معدن و متالورژی
گروه استخراج معدن
پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد مکانیک سنگ
تخمین قابلیت انفجار در معادن سنگ آهن بلوک ایران مرکزی با تأکید بر سرعت امواج طولی
استاد راهنما:
دکتر علی رضا یار‌احمدی بافقی
استاد مشاور:
مهندس مهدی پور قاسمی
نگارش:
محمد امجد
تیر 1393

این پایان نامه را ضمن تشکر و سپاس بیکران و در کمال افتخار و امتنان تقدیم می نمایم به
خدایی که آفریدجهان را، انسان را، عقل را، علم را، معرفت را و عشق را
تقدیم میکنم به پدر بزرگوار و مادر مهربانم
آن دو فرشته ای که از خواسته هایشان گذشتند، سختی ها را به جان خریدند و خود را سپر بلای مشکلات و ناملایمات کردند تا من به جایگاهی که اکنون در آن ایستاده ام برسم

فهرست مطالب
عنوانصفحه
فصل اول قابلیت انفجار11-1- مقدمه21-2- سیستم توده سنگ41-3- سیستم انفجار51-4- شرایط انفجار71-5- تعیین قابلیت انفجار توده سنگ91-6- روابط تخمین خردایش101-6-1- باند10‌1-6-2- هینو111-6-3- دنیس و گاما121-6-4- لارسون121-6-5- فورنی131-6-6- دا گاما131-6-7- کازنتسوف131-6-8- رزین ـ راملر141-6-9- کانینگهام141-6-10- کو و روستن151-6-11- آلر151-6-12- کیسر151-6-13- کلیک161-7- روابط تخمین خرج ویژه16‌‌1-7-1- هانسن16‌1-7-2- هنین و دیماک171-7-3- اشبی171-7-4- لانگفورس181-7-5- پریلت191-7-6- لیتون191-7-7- لوپز جیمنو201-7-8- گوپتا211-7-9- پال روی و ذر211-8- شاخص قابلیت انفجار211-8-1- فرانکل221-8-2- ساسا و ایتو221-8-3- بورکویز221-8-4- راکیشف241-9- طبقه بندی قابلیت انفجار241-9-1- لایلی25‌1-9-2- گوس271-9-3- هاگان281-9-4- اسکوت281-9-5- مرکز تحقیقات JKMRC291-9-6- لاتهام و لو291-9-7- یاراحمدی و دشتکی331-9-8- فرامرزی‌، منصوری و ابراهیمی351-10- بحث و جمع بندی نتایج371-11- اهداف تحقیق38فصل دوم مشخصات موارد مطالعاتی و اندازه‌گیری ویژگی‌ها392-1- مقدمه402-1-1- معادن سنگ آهن ايران مركزي412-2- معدن سنگ آهن چغارت422-2-1- زمين‎شناسي كانسار چغارت422-2-2- استخراج معدن چغارت452-3- معدن سنگ آهن سه چاهون462-3-1- زمين‎شناسي کانسار سه چاهون462-3-2- استخراج معدن سه چاهون XI492-4-معدن سنگ آهن چادرملو502-4-1- زمين‎شناسي معدن چادرملو502-4-2- استخراج معدن چادرملو532-5- پارامتر های هندسه انفجار (طراحی آتشباری) و مواد منفجره542-6- خصوصیات ژئومکانیکی توده سنگ572-7- اندازه‌گیری خصوصیات توده سنگ572-7-1- نوع سنگ602-7-2- هوازدگی602-7-3- ساخت سنگ و اندازه بلوک‌ها612-7-4- مقاومت سنگ622-7-5- نوع ناپیوستگی642-7-6- جهت داری ناپیوستگی662-7-7- تداوم ناپیوستگی682-7-8- بازشدگی نا‌پیوستگی682-7-9- پرکننده702-7-10- مقدار نشت702-7-11- فاصله داری ناپیوستگی712-7-12- شرایط سطح درزه722-8- تجهیزات برداشت داده‌های لرزه‌ای742-8-1- منبع لرزه‎زا742-8-2- لرزه سنج752-8-3- لرزه نگار762-9- روند برداشت داده‌های لرزه‌ای782-10- پردازش داده‌های لرزه‌ای برداشت شده802-11- تعیین میزان خردایش ناشی از انفجار82فصل سوم تحلیل آماری853-1- مقدمه863-2- روش‌های آماری863-2-1-آمار توصیفی‌:863-2-2-آمار استنباطی‌:863-3-تحليل حساسيت ویژگی‌های ژئومكانيكي توده سنگ883-4-تحليل حساسيت ويژگي‌هاي سيستم انفجار913-5- رگرسیون‌گیری خطی چند‌متغیره933-6 شبکه عصبی‌1053-7- تحلیل‌های شبکه عصبی1083-8- جمع بندی فصل114فصل چهارم طبقه بندی قابلیت انفجارمنطقه و پهنه بندی معدن چغارت1174-1- تخمین خردایش و خرج ویژه1184-2- اندیس خردایش1184-3- طبقه بندی1194-3-1- طبقه بندی با استفاده از مفهوم سطح معنی داری (Signification):1204-3-2- توزیع امتیاز بر اساس داده‌های نرمال شده1214-3-3- طبقه بندی با استفاده از مفهوم همبستگی (Correlation)1254-4- پهنه بندی قابلیت انفجار در معدن چغارت128بحث و نتیجه گیری133پیشنهادات134منابع و مآخذ135
فهرست جداول
عنوانصفحه
جدول(1-1) ثابت قابلیت انفجار برای سنگ‌های مختلف12جدول(1-2) مقادیر فاکتور سنگ با توجه ساختار توده سنگ [5]13جدول(1-3) ضریب دگرگونی جهت اصلاح مقدار RQD23جدول(1-4) رابطه قابلیت انفجار و سرعت بحرانی شکست24جدول(1-5) نحوه امتیازدهی این شاخص‌ها را نشان می‌دهد.26جدول(1-6) مقادیر متغیرهای انتخاب شده برای محاسبه شاخص قابلیت انفجار پیشنهادی گوس27جدول(1-7) رابطه بین شاخص قابلیت انفجار و خرج ویژه پیشنها شده توسط گوس28جدول(1-8) ماتریس اندرکنش عوامل موثر بر قابلیت انفجار [22]31شکل (1-11)هیستوگرام وزن دهی و رتبه بندی پارامتر های موثر در روش لاتهام31جدول(1-9) وزن و رتبه بندی تاثیر پارامتر‌ها در روش لاتهام32جدول(1-10) فهرست كمي طبقه بندي قابليت انفجار مربوط به هريك از فاكتورها و پارامترهاي مربوط به آن‌ها33جدول(1-11) پارامتر های داراي امتياز مثبت در طبقه بندی پيشنهادي BRMR34جدول(1-12) امتيازات منفی مربوط به اختلاف جهتداري جبهه کار و ناپیوستگی ها و شيب35جدول(1-13)عملکردمدل‌های تحلیلی مختلف36جدول(1-14)پارامترهای مؤثر بکار رفته در مدلRSE36جدول(1-15) وزن دهی پارامتر‌های مؤثر بر خردایش36جدول(2-1) مشخصات معادن سنگ آهن مورد مطالعه41جدول(2-2) ذخیره زمین‌شناسی آنومالی XI سه چاهون49جدول(2-3) ذخیره قابل استخراج و نسبت باطله برداری آنومالی XI سه چاهون49جدول(2-4) نتایج آماری برخی از خصوصیات حفاری در معادن مورد مطالعه55جدول(2-5) نتایج آماری خرج ویژه در معادن مورد مطالعه56جدول(2-6) طبقه بندی توده سنگ بر اساس درجه هوا‌زدگی61جدول (2-7) رده بندی اندازه بلوک‌های توده سنگ[30]62جدول (2-8) رتبه بندی انواع ناپیوستگی65جدول(2-9) رتبه بندی تداوم ناپیوستگی[27]68جدول (2-10) رتبه بندی بازشدگی ناپیوستگی[27]69جدول (2-11) رتبه بندی انواع مصالح پرکننده70جدول (2-12) توصیف مقدار نشت در ناپیوستگی‌های پر شده[27]70جدول (2-13) نحوه رتبه بندی فاصله‌داری ناپیوستگی[27]72جدول (2-14) رتبه بندی شرایط ناپیوستگی73جدول(3-1) بازه تغییرات پارامتر‌های برداشت شده در سه معدن چغارت‌، چاردملو‌، سه چاهون87جدول (3-2) بهترین مدل برازش یافته میان خصوصیات توده سنگ و خردایش91جدول (3-3) بهترین مدل برازش یافته میان خصوصیات طراحی آتشباری و مواد منفجره با خردایش93جدول(3-4) رگرسیون خطی بین پارامتر‌های مستقل و D80 در حالت بدون عرض از مبدا با Vpm94جدول(3-5) رگرسیون خطی بین پارامتر‌های مستقل و D80 در حالت بدون عرض از مبدا با Vpi94جدول(3-6) رگرسیون خطی بین پارامتر‌های مستقل و D80 در حالت بدون عرض از مبدا و با Kp95جدول(3-7) رگرسیون خطی بین پارامتر‌های مستقل و D80 در حالت با عرض از مبدا با Vpm96جدول(3-8) رگرسیون خطی بین پارامتر‌های مستقل و D80 در حالت با عرض از مبدا با Vpi96جدول(3-9) رگرسیون خطی بین پارامتر‌های مستقل و D80 در حالت با عرض از مبدا باKp97جدول (3-10)رگرسیون خطی بین پارامتر‌های ژئومکانیکی و Vpm98جدول (3-11)رگرسیون خطی بین پارامتر‌های ژئومکانیکی و Vpi98جدول (3-12)رگرسیون خطی بین پارامتر‌های ژئومکانیکی و Kp98جدول (3-13) رگرسیون خطی بین q و Vpm با D8099جدول (3-14) رگرسیون خطی بین q و Vpi با D8099جدول (3-15) رگرسیون خطی بین q و Kp با D8099جدول(3-16) رگرسیون خطی بین پارامتر‌های برداشت شده و D80 بدون سرعت موج طولی103جدول(4-1) امتیاز و سهم پارامتر های مؤثر121جدول(4-3) طبقه بندی BRMRاصلاح شده با استفاده از سطح معنی داری124جدول(4-4) امتیاز و سهم پارامتر های مؤثر126جدول(4-5) طبقه بندی BRMRاصلاح شده با استفاده از همبستگی126جدول (4-6) محاسبه قابلیت انفجار با روش‌های مختلف برای معدن چغارت128
فهرست اشکال
عنوانصفحه
شکل (1-1)حفاری مجدد قطعات بزرگ ناشی از آتشباری ناموفق (معدن چادرملو)2شکل (1-2)عوامل مؤثر بر قابلیت انفجار4شکل (1-3)ویژگی‌های توده سنگ موثر بر قابلیت انفجار5شکل (1-4)پارامترهای هندسی انفجار [9]7شکل (1-5)مراحل طراحی شبکه آتشباری یک بلوک انفجاری [5]8شکل (1-6)ارتباط بین خرج ویژه و سرعت موج در سنگ17شکل (1-7)رابطه خرج ویژه با فراوانی شکستگی18شکل (1-8)ارتباط بین خرج ویژه و شاخص کیفی سنگ20شکل (1-9)ارتباط بین خرج ویژه و شاخص حفاری21شکل (1-10)رابطه خرج ویژه با فراوانی شکستگی یا RQD اصلاح شده23شکل (1-11)هیستوگرام وزن دهی و رتبه بندی پارامتر های موثر در روش لاتهام31شکل (1-12)هیستوگرام فراوانی استفاده از پارامترهای موثر سیستم توده سنگ بر قابلیت انفجار37شکل(2-1) راه‌هاي دسترسي معادن مورد مطالعه42شکل(2-2) نقشه زمين‎شناسي کانسار چغارت43شکل(2-3) بلوک‌های تکتونیکی کانسار چغارت44شکل(2-4) محدوده نهایی معدن چغارت (کاوشگران سال 1391)46شکل(2-5) نقشه زمین شناسی کانسار سه چاهون 1148شکل(2-6) نقشه زمین شناسی کانسار چادرملو51شکل(2-7) نقشه گسل های منطقه معدن چادر ملو53شکل(2-8) محدوده نهایی معدن چادر ملو54شکل (2-9) شمایی از روش برداشت خطی در طول یک خط پیمایش59شکل (2-10) خصوصیات ناپیوستگی‌های سنگ60شکل (2-11) شمایی از انواع بلوک در توده سنگ. (aبلوکی (bنامنظم (cتخته‌ای (dستونی62شکل (2-12) نحوه اندازه‌گیری سختی[31]63شکل (2-13) تخمین مقاومت فشاری از سختی اشمیت[31]64شکل (2-14) نمایی از جهت داری ناپیوستگی66شکل (2-15) نحوه اندازه‌گیری جهت شیب با قطب نما66شکل (2-16) نمایش اشکال ساختاری با نرم افزار DIPS67شکل (2-17) تداوم دسته‌های مختلف ناپیوستگی[27]68شکل (2-18) مقادیر مختلف نشت در ناپیوستگی71شکل (2-19) نمایی از نحوه اندازه‌گیری فاصله‌داری ناپیوستگی‌ها71شکل (2-20) نمایی از زبری سطح درزه در یک ماسه سنگ73شکل (2-21) پروفیل نشانگر انواع زبری و شکل درزه[27]73شکل(2-22)تجهیزات لرزه‎نگاری مورد استفاده74شکل(2-23) وسیله مورد استفاده برای ایجاد موجS75شکل(2-24)نحوه ایجادو ثبت موجS]75شکل(2-25) ژئوفون افقی برای اندازه‎گیری موج برشی76شکل(2-26) ژئوفون عمودی برای اندازه‎گیری موج تراکمی76شکل(2-27) دستگاه لرزه‎نگار TERRALOC Mk 877شکل(2-28) محیط نرم‎افزارSeisTW77شکل(2-29)چیدمان پروفیل لرزه‌‌نگاری با توجه به امتداد جبهه آزاد بلوک آتشباری79شکل(2-30) نحوه ایجاد و ثبت موج P مستقیم و منکسر شده با زاویه انکسار بحرانی cα توسط یک لرزه‌‌نگار 12 کاناله80شکل(2-31) تعداد و طول پروفیل‎های لرزه‎ای برداشت شده در مناطق مطالعاتی80شکل(2-32) امواج دریافت شده توسط ژئوفون ها در نرم افزار reflexw81شکل(2-33) نمونه‌ای از عکس گرفته شده از کپه انفجاری82شکل(2-34) تصویر آنالیز شده در محیط نرم افزار split desktop83شکل(2-35) نمودار دانه بندی رسم شده توسط نرم افزار split desktop84شکل(3-1)ارتباط میان مقاومت فشاری تک محوری و D8088شکل(3-2)ارتباط میان طول اثر و D8088شکل(3-3)ارتباط میان بازشدگی و D8089شکل(3-4)ارتباط میان چگالی درزه داری و D8089شکل(3-5) ارتباط میان جهت یافتگی درزه ها و D8089شکل(3-6) ارتباط میان سرعت آزمایشگاهی موج و D8090شکل(3-7) ارتباط میان سرعت صحرایی موج و D8090شکل(3-8) ارتباط میان سرعت نسبی و D8090شکل(3-9) ارتباط میان حفاری ویژه و D8092شکل(3-10) ارتباط میان خرج ویژه و D8092شکل(3-11) ارتباط میان فاصله ردیفی چال‌ها و D8093شکل(3-12) ارتباط میان بارسنگ و D8093شکل (3-13) نمودارهای هیستوگرام و احتمالاتی برای رابطه (3-10)100شکل (3-14) نمودارهای هیستوگرام و احتمالاتی برای رابطه (3-11)101شکل(3-15) نمودارهای هیستوگرام و احتمالاتی برای رابطه (3-12)102شکل(3-16) نمودارهای هیستوگرام و احتمالاتی برای رابطه (3-13)103شکل (3-17) نمودارهای هیستوگرام و تست نرمال برای کنترل رابطه (3-10)105شکل(3-18)نمودار وتنیجه تست شبکه عصبی برای رابطه (3-3)108شکل(3-19)نمودار وتنیجه تست شبکه عصبی برای رابطه (3-7)109شکل(3-20)نمودار وتنیجه تست شبکه عصبی برای رابطه (3-10)110شکل(3-21)نمودار و نتیجه تست شبکه عصبی برای رابطه (3-11)111شکل(3-22) نمودار و نتیجه تست شبکه عصبی برای رابطه (3-12)112شکل(3-23) نمودار و نتیجه تست شبکه عصبی برای رابطه (3-13)113شکل(4-1) ماتریس اندرکنش120شکل (4-2) آنالیز حساسیت هر یک از پارامتر‌های دخیل در طبقه بندی122شکل (4-3) مقایسه حساسیت تمام پارامتر‌ها123جدول (4-2) بهترین مدل برازش یافته میان پارامتر‌های نرمال شده123شکل(4-4) نمودار احتمالاتی خطای رابطه (4-8)125شکل (4-5) ماتریس اندر کنش126شکل(4-6) نمودار احتمالاتی خطای رابطه (4-12)127شکل(4-7)رابطه میان BRMR(Sig) و BD129شکل(4-8) رابطه میان BRMR(Sig) و BRMR129شکل(4-9) پهنه بندی قابلیت انفجار معدن چغارت به روش BRMR اصلاح شده130شکل(4-10) پهنه بندی قابلیت انفجار معدن چغارت با روش لو ولاتهام (BD)131شکل (4-11) پهنه بندی معدن چغارت بر اساس سرعت امواج طولی در توده سنگ132
چکیدهقابلیت انفجار توده سنگ ویژگی بسیار مهمی در طراحی‌های آتشباری در معادن و فعالیت‌های عمرانی می‌باشد که با سیستم توده سنگ‌، شرایط محیطی و سیستم انفجار ارتباطی تنگاتنگ دارد. از میان عوامل مؤثر بر قابلیت انفجار مواردی قابل کنترل بوده و مواردی هم وجود دارند که غیر قابل کنترل می‌باشند و چه بسا بیشترین تأثیر را نیز بر قابلیت انفجار همین پارامتر‌ها دارند. این پارامتر‌ها مربوط به سیستم توده سنگ می‌باشند. از جمله عوامل مؤثر بر قابلیت انفجار ویژگی‌های دینامیکی توده سنگ مانند سرعت امواج الاستیک است. به دلیل تعدد و پیچیدگی عوامل مؤثر بر قابلیت انفجار هر یک از محققان تنها تأثیر یک یا تعداد محدودی از این پارامتر‌ها را بر قابلیت انفجار مورد بررسی قرار داده‌اند‌، اما با جمع بندی مطالعات انجام شده مشخص شد که با وجود تأثیر بسیار زیاد سرعت امواج در قابلیت انفجار‌، تحقیقات زیادی بر روی آن انجام نگرفته است. هدف اصلی در این پایان نامه بررسی امکان جایگزینی سرعت امواج طولی با پارامتر های ژئومکانیکی توده سنگ و ارائه یک رابطه برای پیش بینی میزان خردایش پس از انفجار با استفاده از نرم افزار تحلیل آماری SPSS و سپس بررسی و مقایسه ضریب همبستگی روابط بدست آمده با روش داده کاوی شبکه عصبی مصنوعی و نرم افزارneuro solution می‌باشد. هدف دیگر ارائه یک طبقه بندی برای تعیین قابلیت انفجار در معادن سنگ آهن بلوک ایران مرکزی است که با استفاده از سیستم مهندسی سنگ انجام گرفت که روش کار در ادامه به تفصیل توضیح داده خواهد شد.
کلمات کلیدی‌: قابلیت انفجار‌، سیستم تودهسنگ‌، پارامتر‌های دینامیکی‌، طبقهبندی قابلیت انفجار
فصل اولقابلیت انفجار2330450462915000
1-1- مقدمهآتشباري يكي از اصلی‌ترین عملیات معدنكاري برای جدا کردن سنگ از توده و خردایش آن تا حد قابل قبول است. و در اصل به کار بردن انرژی آزاد شده حاصل از انفجار مواد منفجره برای شکستن و جدا کردن آن از توده می‌باشد. لذا این عملیات نیازمند شناخت کامل همه پارامترهای موثر و طراحی بهینه می‌باشد که در نتيجه شرايط نامناسب زمين يا طراحي ضعيف، ممكن است باعث پیامد های نامطلوبی مثل پرتاب سنگ، لرزش زمین، لرزش هوا، عقب زدگی، ایجاد سر و صدا، تولید گرد و غبار وبر جای ماندن بلوك‎هاي بزرگی نيازمند شكستن مجدد شود (شکل1-1).

شکل (1-1)حفاری مجدد قطعات بزرگ ناشی از آتشباری ناموفق (معدن چادرملو)يك عمليات آتشباري خوب طراحي شده، عملياتي است كه منجر به توليد سنگ خرد شده‌ای شود که ابعاد و توزیع دانه بندی آن مطابق با ابعاد و توزیع دانه بندی قابل بارگیری و باربری توسط تجهيزات موجود و قابل خردایش توسط كارخانه سنگ‎شكنی باشد و نياز به خرد كردن مجدد سنگ نباشد. از آنجايي كه ميزان خردايش ناشي از آتشباري تأثير مهمي بر فرآيند دیگر عملیات معدن‎كاري از قبيل بارگيري، باربری، سنگ‎شكني و آسيا كنی دارد، انجام مطالعات جهت بهينهسازي خردايش اهمیت بسزایی دارد چرا که علاوه بر تأثير مستقيم بر هزينه استخراج و فرآوري ماده معدني، بر ايمني این عملیات و كنترل پرتاب سنگ و دیواره‌ها نيز مؤثر است [1][2][3].
عليرغم توسعه روش‌های مختلف در زمينه تعیین قابلیت انفجار تاكنون تلاش كمي جهت توسعه پارامترهاي كمي و سيستماتيك مؤثر بر این قابليت سنگ صورت گرفته است. مطالعات صورت گرفته در اين زمينه كه گاهاً منجر به ارائه روابطي نيز شده است، قادر به بيان خصوصيت قابليت آتشباري توده سنگ نيستند و هنوز رابطه يا سيستم طبقه‎بندي جامعي جهت پيش‎بيني اين قابليت توده سنگ ارائه نگرديده است. تلاش‌هایی نيز كه در اين زمينه صورت گرفته، قابليت كاربرد وسيع در عمليات آتشباري را ندارند. زيرا جهت عملياتي كردن اين سيستم‎هاي طبقه‎بندي نياز به بررسي يكسري از خصوصيات توده سنگ مي‎باشد كه برآورد آن‌ها زمان زيادي را مي‎طلبد. در حالی که در صنعت معدن کاری وقت و سرعت توليد بسيار حائز اهميت است و اين طراحي سيستم طبقه‎بندي توده سنگي را مي‎طلبد كه به سرعت بتواند خصوصيات توده سنگ را در رابطه با قابليت آتشباري آن توصيف كند. از طرفي نيز قابليت ايجاد رابطه با پارامترهاي طراحي و مواد منفجره را دارا باشد.
اهميت وجود چنين سيستم طبقه‎بندي توده سنگي قابليت كاربرد آن در پروژه‎هاي معدني جهت طراحي بهينه طرح آتشباري براي رسيدن به توزيع اندازه مورد نظر ذرات حاصل از انفجار با حداقل مواد منفجره مصرفي مي‎باشد. در صورت دست‎يابي به چنين طبقه‎بندي توده سنگي علاوه بر كاهش هزينه توليد مصالح معدني دلخواه مي‎توان هزينه بارگيري، حمل‎و‎نقل، خردايش و فرآوري ماده معدني را تا حد زيادي كاهش داد و در نتيجه قابليت اقتصادي معدن را به شدت افزايش داد.
قابلیت انفجار توده سنگ ویژگی بسیار مهمی در طراحی آتشباری در معادن و فعالیت‌های عمرانی می‌باشد که با سیستم توده سنگ، سیستم انفجار و شرایط محیطی انفجار دارای ارتباط تنگاتنگ است (شکل1-2) و نتیجه آن خردایش توده سنگ به ابعاد و با توزیع دانه بندی مورد نیاز می‌باشد.
از آنجائیکه ویژگی‌های مؤثر بر قابلیت انفجار و نتیجه آتشباری زیاد می‌باشد، محققان در تحقیقات خود بسته به وزن تاثیر، برخی از آن‌ها را مورد بررسی قرار ‌داده‌اند و تأثیر آن‌ها را از طریق روابطی استنباط کرده‌اند.
برخی از این دانشمندان قابلیت انفجار را با شاخصی ساده بیان نموده، برخی با یک طبقه بندی دارای پارامتر های متعدد و برخی دیگر با استفاده از روش‌های هوشمند ارتباط آن‌ها را پیدا نموده‌اند. در این فصل همه دیدگاه‌ها و تحقیقات گذشته که در مورد قابلیت انفجار توده سنگ انجام گرفته‌ مورد بررسی قرار می‌گیرد.

شکل (1-2)عوامل مؤثر بر قابلیت انفجار1-2- سیستم توده سنگپارامترهای مربوط به طبیعت توده سنگ شامل ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی سنگ بکر و ناپیوستگی‌ها، قوانین حاکم بر مقاومت و رفتار آن‌ها و شرایط محیطی مثل تنش‌ها، بارهای دینامیکی و هیدرو سیستم می‌شود که به پارامتر های غیر قابل کنترل موثر بر انفجار نام برده می‌شود. از خصوصیات سنگ بکر می‌توان به مقاومت تراکمی و کششی، وزن حجمی، مقاومت برشی، سختی، الاستیسیته، تغییر شکل‌پذیری، دوام و اندازه دانه‌ها اشاره کرد. این خصوصیات مرتبط با بافت سنگ، پیوندهای داخلی، ترکیب و توزیع کانی‌های تشکیل دهنده سنگ هستند. از خصوصیات ناپیوستگی‌ها نیز می‌توان به جهت‌داری، فاصله‌داری، تداوم، بازشدگی، زبری، خصوصیات مواد پرکننده،… اشاره کرد. شکل(1-3)برخی از ویژگی‌های توده سنگ موثر بر قابلیت انفجار را نشان می‌دهد.

شکل (1-3)ویژگی‌های توده سنگ موثر بر قابلیت انفجارویژگی‌های توده سنگ در عملیات آتشباری مهم‌ترین و پیچیده‌ترین عواملی هستند که بر آن مؤثر بوده و لذا در هنگام شروع معدن کاری در معادن روباز و یا در پروژه‌های عمرانی و همچنین در هنگام برنامه ریزی و طراحی باید مد نظر قرار گیرد.[2]
به جز پارامتر‌های استاتیکی مؤثر بر قابلیت انفجار عوامل دیگری نیز وجود دارند که تأثیر بسزایی بر میزان خردایش‌، قابلیت انفجار و تأثیرات منفی انفجار دارند که از آن‌ها با عنوان پارامتر‌های دینامیکی مؤثر بر قابلیت انفجار نام برده می‌شود. این پارامتر‌ها شامل امواجی هستند که در اثر انفجار تولید شده و در سنگ‌ها انتشار می‌یابند. قدرت‌، سرعت و نحوه انتشار این امواج از جمله فاکتورهای مهم و تعیین کننده قابلیت انفجار بوده، لذا در این مطالعه سعی شده به امواج حاصل از انفجار‌، قوانین حاکم بر امواج‌، نحوه ایجاد و برداشت آن‌ها به طور اجمالی اشاره شود.
1-3- سیستم انفجاربه مجموعه مواد منفجره، روش‌های انفجار و هندسه انفجار سیستم انفجار گفته می‌شود. پارامتر های این سیستم معمولاً قابل کنترل بوده و برای رسیدن به انفجار بهینه قابل تغییر می‌باشند لذا هرگاه سخن از طراحی انفجار و آتشباری است مقصود تغییر در این پارامترها بر اساس پارامتر های غیر قابل کنترل توده سنگ و شرایط انفجار تا رسیدن به نتیجه انفجار مطلوب است.
ماده منفجره ترکیبی شیمیایی و یا مخلوطی مکانیکی است که در اثر جرقه، ضربه، حرارت و یا شعله در مدت زمان کوتاهی تجزیه و مقدار بسیار زیادی گاز و حرارت تولید می‌کند. این مواد انرژی را به صورت ذخیره در خود نگه می‌دارند و آماده برای اجرای مقاصد نظامی و مهندسی می‌باشند. مواد منفجره به صورت جامد، مایع و یا مخلوط جامد و مایع وجود دارند. در یک انفجار، بیشتر مواد متشکله ماده منفجره، تغییر حالت داده و ضمن ایجاد موج ضربه، اکثراً به گاز تبدیل می‌شوند و در این فعل و انفعالات، مقدار زیادی حرارت تولید می‌شود که باعث انبساط گازها شده و به دیواره محیط اطراف فشار وارد می‌کند.
به منظور ارزیابی و قابلیت تشخیص و طبقه‌بندی توانایی و کارایی مواد منفجره باید خصوصیات شیمیایی و فیزیکی و نوع مواد ناریه دقیقاً شناسایی و مورد بررسی قرار گیرند. از جمله مهم‌ترین پارامترهای مواد منفجره می‌توان به نوع ماده منفجره، چگالی، مقاومت در برابر رطوبت و حرارت، سرعت انفجار، حساسیت، قدرت و قطر بحرانی اشاره کرد. تمامی این پارامترها نیز قابل کنترل می‌باشند.[4]
روش‌های انفجاری معمولا بسته به نوع ارتباط دهنده‌ها و چاشنی‌ها دسته بندی می‌شوند و بسته به نوع توده سنگ و شرایط انفجار انتخاب می‌گردند.
از انواع این روش‌ها می‌توان به روش فتیله انفجاری (کرتکس[1])، روش الکتریکی (چاشنی‌های الکتریکی)، روش نانل (تیوب‌ها و چاشنی‌های نانلی) و غیره اشاره نمود.
از مهم‌ترین پارامتر های آتشباری پس از انتخاب ماده منفجره و روش انفجار ویژگی‌های ابعادی هندسه انفجار می‌باشد که معمولا با تغییرات پارامتر های غیر قابل کنترل معادن ناشی از سیستم توده سنگ و شرایط انفجار بهینه سازی می‌شوند تا نتیجه مورد نظر آتشباری را حاصل کنند. قطر چال، ارتفاع پله، بار سنگ، فاصله ردیفی چال‌ها، اضافه حفری چال، طول گل گذاری، جهت انفجار مهم‌ترین پارامترهای هندسی انفجار و قابل کنترل می‌باشند. شکل(1-4) این پارامترها را به صورت شماتیک نشان می‌دهد.
و شکل(1-5) مراحل طراحی شبکه آتشباری یک بلوک انفجاری را نشان می‌دهد.

شکل (1-4)پارامترهای هندسی انفجار [9]1-4- شرایط انفجارحتی وقتی عوامل موثر ناشی از سیستم توده سنگ و سیستم انفجار بر قابلیت انفجار را شناختیم و طراحی صحیحی نیز انجام گرفت، عدم توجه به حضور آب در توده سنگ، دمای منطقه مورد مطالعه و بعضاً مسائل پرسنلی می‌تواند تمام محاسبات را به هم بریزد. به طور مثال در حضور آب امکان استفاده از بسیاری از مواد منفجره وجود ندارد و این مشکل هزینه های انفجار را تا چندین برابر افزایش می‌دهد و یا نبود نیروی آموزش دیده و ماهر لطمات جبران ناپذیری را به مجموعه معدن وارد می‌آورد. لذا شناخت تمام این مسائل و اعمال در محاسبات و طراحی انفجار می‌تواند این اثرات را به حداقل برساند.
مقدار آب موجود در سنگ‌ها معمولاً با درصد آب یا درصد رطوبت بیان می‌شود. وجود آب یا عدم آن و مقدار درصد آن در سنگ بر کلیه خواص فیزیکی و مکانیکی و مقاومت و رفتار سنگ تأثیر دارد. به طور خلاصه آب اشباع کننده به طور محسوس سبب افزایش سرعت انتقال امواج انفجاری می‌شود. زیرا به واسطه پر شدن خلل و فرج و شکستگی‌ها با آب یک محیط خوب برای انتقال امواج الاستیک پدید می‌آید و موجب کاهش میرایی امواج می‌شود.

شکل (1-5)مراحل طراحی شبکه آتشباری یک بلوک انفجاری [5]همچنین آب به علت کاهش اصطکاک داخلی بین اجزاء سنگ سبب کاهش مقاومت‌های کششی و تراکمی سنگ می‌شود و از طرفی هم به علت اینکه مقداری از حرارت مواد منفجره صرف تبخیر آب موجود در خلل و فرج سنگ‌ها می‌شود و عملاٌ بخشی از انرژی ماده منفجره که می‌توانست به مصرف شکستن سنگ برسد تلف می‌شود در نتیجه وجود آب باعث کاهش قدرت ماده منفجره می‌گردد.
دمای بالای توده سنگ همچنین دمای هوای منطقه مورد انفجار معمولاً تأثیرات منفی در ایجاد انفجارات ناخواسته دارند. مواد معدنی حاوی پیریت معمولا به علت اکسیداسیون تدریجی با مشکل دمای بالا مواجه می‌شوند. دمای بالا‌،10120 درجه سانتی‌گراد‌،باعث می‌شود تا عوامل انفجاری همچون آنفو به صورت گرمازا با پیریت واکنش دهند. تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که واکنش اولیه مابین آنفو و سولفات آهن هیدراته (نیترات آمونیوم با آهن) صورت می‌گیرد که واکنشی گرمازا است و می‌تواند دمای خود را در 80 درجه سانتی‌گراد حفظ نماید. سولفات آهن مذبور به همراه سولفات‌های آهن دار دیگر و اسید سولفوریک از محصولات فروپاشی پیریت هستند. برای جلو‌گیری از این مشکلات که تا کنون در چندین مورد باعث حادثه شده‌اند‌، موادی همچون اوره‌، اکسالات پتاسیم دار و… به ماده منفجره ای مثل آنفو اضافه می‌شود. قابل ذکر است که افزودن 5 درصد وزنی اوره به آنفو باعث بالا رفتن دمای واکنش تا حدود 180 درجه سانتی‌گراد می‌گردد.
گاهی اوقات بسیاری از حوادث و اتفاقات نا‌مطلوبی که در معادن اتفاق می‌افتد ناشی از خطاهای انسانی است‌، ازاینرو بکار گیری افراد با دانش و مجرب در کلیه عملیات معدنی می‌تواند موجب بهبود این فرایند‌ها و رسیدن به هدف مورد نظر که همان دست یابی به حداکثر محصول با خردایش مناسب در حداقل زمان است‌، شود و در مجموع قابلیت انفجار توده سنگ را افزایش دهد.
1-5- تعیین قابلیت انفجار توده سنگتا کنون روشهای مختلفی برای بدست آوردن قابلیت انفجار بکار برده شده است. هنگامی که گروهی از محققان سعی میکردند تا وابستگی قابلیت انفجار را نسبت به دادههای آزمایشگاهی و تنشهای صحرایی پیدا کنند، گروهی دیگر قابلیت انفجار را به پارامترهای طراحی انفجار و سنگ مربوط میساختند و هنوز گروهی در حال تحقیق برای تخمین قابلیت انفجار بر اساس راندمان حفاری و نتیجه انفجار هستند. جدیدترین اقدامات در این زمینه مربوط به روش‌های کامپیوتری و استفاده از روشهای هوش مصنوعی در تخمین قابلیت انفجار میباشد[6].
به طور کلی کارهای انجام شده را می‌توان به 4 دسته تقسیم نمود. دسته اول روابط تجربی تعیین انرژی مورد نیاز خردایش و تخمین ابعاد سنگ خرد شده یا دانه بندی. دسته دوم روابط تجربی تخمین ابعاد هندسی انفجار و خرج مورد نیاز اند. در این دو دسته اخیر معمولا یک یا چند ویژگی توده سنگ مورد توجه قرار گرفته‌اند.دسته سوم شاخصی با عنوان شاخص قابلیت انفجار را تعریف و سعی در تخمین آن با چند پارامتر موثر از سیستم توده سنگ و سیستم انفجار جهت دسته بندی قابلیت انفجار توده سنگ دارند و دسته چهارم سیستم‌های طبقه بندی قابلیت انفجارند. محققین در این گروه با مطالعات گسترده سعی نموده‌اند تا تعداد زیادی از پارامترهای موثر بر انفجار را به روش‌های آماری و یا هوشمند به قابلیت انفجار مرتبط نمایند.
1-6- روابط تخمین خردایشاین روابط اغلب به دنبال ارزیابی ابعاد سنگ خرد شده پس از انفجار و یا توزیع دانه بندی آن بر اساس تعدادی از پارامتر های موثر بر قابلیت انفجار توده سنگ و انرژی مورد نیاز می‌باشند.
1-6-1- باند[2]باند در سال 1952 رابطه زیر را برای ارزیابی انرژی مورد نیاز برای خردایش سنگ از ابعاد مشخص تا ابعاد مشخص پیشنهاد کرد:
(1-1)
در معادله (1-1) W انرژی مورد نیاز برای خردایش (kwh/ton)، Wi شاخص کار باند (مرتبط با خصوصیات فیزیکو ـ مکانیکی سنگ)، d80 ابعادی که 80% از مواد خرد شده از آن عبور کند بر حسب µm و F80 ابعادی که 80% از خوراک اولیه از آن عبور کند بر حسب µm می‌باشد.[7]
‌1-6-2- هینو[3]هینو در سال 1959 دريافت كه تعداد قطعه سنگ‌های توليدي به وسیله تكه تكه شدن كششي مرتبط با مقاومت كششي و تراكمي سنگ و دامنه امواج فشارشي است. وي نسبت مقاومت تراكمي سنگ به مقاومت كششي سنگ را ضريب آتشباري ناميد.[8]
(1-2)
امواج فشاری از طرف چال به سمت سطح آزاد مجاور چال انتقال پیدا کرده و پس از برخورد با سطح جبهه آزاد به صورت موج کششی به سمت داخل توده سنگ بر می‌گردند و در صورتی که از مقاومت کششی سنگ فراتر باشند باعث شکست سنگ شده و سنگ خرد می‌شود و این فرآیند تا جایی که مقاومت تراکمی باقی مانده بسیار ضعیف شود ادامه می‌یابد. وسعت ترک‌های کششی و تعداد ورقه سنگ‌های ایجاد شده به مقاومت کششی توده سنگ (σt)، دامنه (σa) و طول موج فشاری (L) بستگی دارد. به نظر وی تعداد ورقه‌های سنگی ایجاد شده در اثر ورقه زایی کششی به علت امواج منعکس شده به صورت زیر خواهد بود:
و یا
که در اینجا t ضخامت ورقه سنگ می‌باشد. هینو همچنین دریافت که رابطه خطی بین مقاومت تراکمی توده سنگ (σc)، و دامنه موج فشاری(σa) منتشر شده در توده سنگ وجود دارد، از آنجا که می‌باشد و همچنین ، پس مقدار را به عنوان ضریب آتشباری معرفی کرد.
1-6-3- دنیس و گاما[4]این مدل در سال 1970 توسط دنیس و گاما ارائه شد. در این مدل ابعاد مواد معدنی طی عملیات انفجار طبق رابطه زیر پیش بینی می‌شود.[5]
(1-3)
بطوریکه d(x)درصد تجمعی قطعات کوچک‌تر از دهانه سرند X، W انرژی مورد نیاز برای خردایش (kwh/ton)، B بارسنگ به متر، X دهانه سرند به سانتی متر، a,b,c ثابت‌های وابسته به نوع سنگ و مواد منفجره و مقدارW بر اساس فرمول (1-1) به شکل زیر به دست می‌آید:
(1-4)
بطوریکه Wi شاخص کار باند، d80 ابعادی که 80% از مواد خرد شده از آن عبور کند بر حسب µm است.
1-6-4- لارسون[5]این مدل در سال 1973 میلادی توسط لارسون برای تعیین d50 (ابعادی که50% از مواد خرد شده از آن عبور کند) ارائه شده است و به صورت ذیل می‌باشد:[9]
(1-5)
که در این رابطه B بارسنگ، S فاصله ردیفی چال‌ها، CE خرج ویژه به کیلوگرم بر متر مکعب، C ثابت سنگ که معادل خرج ویژه دینامیت ژلاتینی لازم برای خرد کردن سنگ بوده و معمولا بین 0.3 تا 0.5 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته می‌شود. Cbثابت قابلیت انفجار وابسته به عوامل ساختاری مطابق با جدول (1-1) تعیین می‌شود.
جدول(1-1) ثابت قابلیت انفجار برای سنگ‌های مختلفوضعیت توده سنگ قابلیت انفجار
دارای درزه و شکاف خیلی زیاد 0.6
دارای درزه و شکاف نسبتا زیاد 0.55
توده سنگ معمولی با ترک‌های ریز 0.5
نسبتا همگن 0.45
همگن 0.4
1-6-5- فورنی[6]فورنی و همکاران در سال 1983 آزمایشاتی بر روی مکانیزم خردایش آغاز شده از درزه انجام دادند. برای یک محیط لایه‎ای این مکانیزم اندازه متوسط قطعات کوچک‌تری نسبت به خردایش بدست آمده در یک محیط هموژن داد. این کاهش اندازه قطعات 5/1 برابر بود.[10]
1-6-6- دا گاما[7]دا گاما در سال 1983در آتشباری پله‎ای تمام مقیاس پی برد که انرژی کمتری برای خرد کردن یک سنگ ناپيوسته نسبت به یک سنگ هموژن لازم است.[11]
1-6-7- کازنتسوف[8]کازنتسوف در سال 1973برای پیش بینی ابعاد متوسط سنگ‌های خرد شده پس از آتشباری رابطه زیر را ارائه داده است:
(1-6)
بطوریکه متوسط ابعاد خرد شده به سانتی متر، A شاخص قابلیت انفجار یا فاکتور سنگ که به ساختار توده بستگی دارد و از جدول (1-2) به دست می‌آید، V حجم سنگ خرد شده در اثر انفجار هر چال به متر مکعب، QTNT مقدار TNT به کیلوگرم که از نظر انرژی معادل ماده منفجره داخل چال است.[5]
جدول(1-2) مقادیر فاکتور سنگ با توجه ساختار توده سنگ [5]وضعیت توده سنگ ضریب پروتودیاکنف فاکتور سنگ
خیلی نرم 5-3 3
نرم 8-5 5
متوسط 10-7 7
سخت و درزه دار 14-10 10
سخت و همگن 16-14 13
اگر وزن ماده منفجره داخل چال Q کیلو گرم باشد و قدرت وزنی ماده منفجره نسبت به آنفو E (قدرت وزنی آنفو و TNT به ترتیب 100 و 115 است) باشد رابطه تعادلی زیر برقرار است:
(1-7)
در این صورت رابطه 1-6 برای ماده منفجره آنفو به شکل زیر در می‌آید:
(1-8)
1-6-8- رزین ـ راملر[9]رزین ـ راملر تابع نمایی زیر را برای تخمین توزیع ابعاد قطعات خرد شده ارائه نمودند:
(1-9)
بطوریکه d(x)درصد تجمعی قطعات کوچک‌تر از دهانه سرند X، X دهانه سرند به سانتی متر، Xc اندازه مشخصه[10] سرند، n شاخص یکنواختی[11] است که نشان دهنده یکنواختی توزیع ابعاد سنگ خرد شده می‌باشد و مقدار آن معمولا بین 0.8 تا 2.2 متغیر است.[5]
از آنجا که معادله کازنتسوف مقدار متوسط X را محاسبه می‌کند بنابراین d(x)=0.5 خواهد بود و لذا:
(1-10)
1-6-9- کانینگهام[12]کانینگهام در سال 1983 مدلی با عنوان کازـ رام[13] را برای پیش‎بینی یکنواختی در خردایش بر اساس مدل کازنتسوف و فرمول رزین ـ راملر ارائه کرد.[12]
(1-11)
در این رابطه n شاخص یکنواختی، B بارسنگ (متر)، D قطر چال حفاری(میلی متر)، σB انحراف از بارسنگ اجرا شده یا انحراف چال (متر)، Lb طول خرج انتهایی(متر)، Lc طول خرج ستون(متر)، Lch طول کل خرج(متر)، Hb ارتفاع پله و f فاکتور آرایش چال که برای آرایش‌های مربعی 1 و برای آرایش‌های لوزی 1.1 است.
1-6-10- کو و روستن[14]کو و روستن در سال 1993 با اضافه کردن تأثیر عمق چال (L) و طول انسداد (T) به فرمول لارسون معادله زیر را با عنوان مدل سوئدیفو پیشنهاد دادند: [5]
(1-12)
در این مدل d(x)درصد تجمعی قطعات کوچک‌تر از دهانه سرند X از رابطه زیر به دست می‌آید: [5]
(1-13)
1-6-11- آلر[15]آلر و همکاران در سال 1996 ارزیابی بازده خردایش آتشباری و پیش‎بینی آن را به وسیله روش‌های تحلیل چند متغیره مطالعه کردند. ایشان روشی را بر اساس توزیع اندازه بلوک در توده سنگ با توزیع اندازه در سنگ خرد شده آتشباری توصیه کردند.[13]
1-6-12- کیسر[16]کیسر و همکاران در سال 2003 مطالعاتی راجع به رابطه میان فاصله‎داری ناپیوستگی و اختلاف جهت‎داری (زاویه میان امتداد سطح جبهه کار با ناپیوستگی اصلی) با اندازه‎های عبوری 50% و 80% (d50 و d80) و هزینه آتشباری انجام دادند. ایشان دریافتند که با افزایش زاویه جهت‎داری، خردایش حاصله منجر به تولید قطعات بزرگ‌تری می‌شود و وقتی دسته درزه اصلی موازی با سطح جبهه کار باشد خردایش خوب با هزینه آتشباری کمتری بدست می‎آید. همچنین هنگامی‌که فاصله‎داری ناپیوستگی‎ها یا شاخص اندازه بلوک افزایش یابد، پارامترهای خردایش نیز افزایش می‎یابند.[14]
1-6-13- کلیک[17]کلیک و همکاران در سال 2009 تأثیر خصوصیات نمونه سنگ از قبیل وزن حجمی، جذب آب، مقاومت تراکمی تک محوره، مقاومت کششی، زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی و اندازه بلوک‎ها در توده سنگ را بر روی میزان خردایش حاصل از عملیات آتشباری ارزیابی کردند. ایشان با انجام تحلیل آماری رابطه خوبی میان ویژگی‌های توده سنگ و خردایش حاصله پیدا کردند[15]
1-7- روابط تخمین خرج ویژهاین روابط اغلب به دنبال ارزیابی و یا تعیین خرج یا خرج ویژه ,و یا یکی از ابعاد هندسی انفجار بر اساس تعدادی از پارامتر های موثر بر قابلیت انفجار توده سنگ می‌باشند.
‌‌1-7-1- هانسن[18]هانسن در سال 1968 رابطه زیر را برای تخمین مقدار مواد منفجره مورد نیاز برای خردایش بهینه سنگ پیشنهاد کرده است.[16]
(1-14)
در رابطه فوق Q، کل خرج واقع در یک چال با بارسنگ آزاد بر حسب کیلوگرم، B بارسنگ به متر، H ارتفاع سطح آزاد به متر وC ثابت سنگ تخمین زده شده با آزمایش می‌باشد.
‌1-7-2- هنین و دیماک[19]در سال 1976 يك روش گرافيكي براي ارزيابي شاخص قابليت آتشباري بر اساس سرعت انتشار لرزه‎اي در توده سنگ را پيشنهاد كرده‎اند[8]. این افراد بر اساس مطالعات انجام شده در معدن مس نوادا رابطه بین خرج ویژه با سرعت انتشار موج را بدست آوردند که در آن خرج ویژه با افزایش سرعت انتشار موج در سنگ افزایش می‌یابد. (شکل1-6)

شکل (1-6)ارتباط بین خرج ویژه و سرعت موج در سنگ1-7-3- اشبی[20]در سال 1977 اشبی رابطه ای تجربی را برای بدست آوردن خرج ویژه از مشاهداتش در یک معدن مس پیشنهاد کرد.[16]
(1-15)
در رابطه فوق q خرج ویژه برای آنفو به کیلوگرم بر مترمکعب، φ زاویه اصطکاک داخلی سنگ به درجه، iزاویه زبری (زاویه اتساع) به درجه و p10 چگالی خطی درزه داری (تعداد به متر) می‎باشد. شکل (1-7) نمودار رابطه فوق را نشان می‎دهد.

شکل (1-7)رابطه خرج ویژه با فراوانی شکستگی1-7-4- لانگفورس[21]لانگفورس در سال 1978 فاکتوری پیشنهاد نمود که نمایانگر تأثیر سنگ بوده و تنها زمانی که به یک شارژ معین دلالت داشته باشد آن را C0 نامید (بسته به شرایط صفر در نظر گرفته میشود). Cبیانگر مقدار خرج برای خردایش مطلوب است و میزان آن برابر با C=1.2C0 میباشد. C0 دارای ارزشی برابر با 0.17 kg/m3 برای سنگ گرانیت و ارزشی بین 0.18-0.35 kg/m3 برای سایر سنگها است. برای طراحی انفجار مستقیماً ارزش C=0.4 kg/m3 در نظر گرفته میشود و برای خردایش و پرتاب سنگ مطلوب بر اساس پارامترهای طراحی و زمینشناسی نیاز به تعدیل در خرج ویژه میباشد. این تغییر ممکن است به عنوان فاکتور هندسی و یا تثبیت شده در نظر گرفته شود. فرانکل پیشنهاد کرد که برای محاسبه تجربی قابلیت انفجار سنگ، C (kg/m3) میتواند از طریق انفجار آزمایشی یک چال عمودی به قطر 33 میلی‌متر و عمق 33/1 متر و خرجی به اندازه ای که یک پله عمودی یک متری با بارسنگ یک متر، پرتاب سنگ و خردایش حداکثر یک متر داشته باشد، در نظر گرفت”. لارسون بیان کرد که به طور معمول میزان ارزش ثابت سنگ (0.4 kg/m3) میتواند تا 25% تفاوت داشته باشد[17].
1-7-5- پریلت[22] پریلت در سال 1980 مقاومت تراکمی سنگ را بر اساس نرخ نفوذ، وزن پشت سرمته حفاری، سرعت دوران مته و قطر آن محاسبه و بر اساس یک معادله درجه سوم میزان بارسنگ را بر اساس تابعی از ارتفاع پله و دانسیته خرج، سرعت انفجار، طول گل گذاری، مقاومت تراکمی، اجزایی که وابسته به سایر تجهیزات بارگیری هستند، محاسبه نمود.
مزیت این روش در این است که الگوی حفاری به عنوان تابعی از پارامترهای شناخته شده به غیر از مقاومت تراکمی بدست میآید و مقاومت تراکمی نیز از پارامترهای شناخته شده حفاری محاسبه میگردد. بنا بر این به چال و انفجار آزمایشی کمتری نیاز دارد[18].
1-7-6- لیتون[23]لیتون در سال 1982 شاخص کیفیت سنگ را با خرج ویژه آنفو مرتبط ساخت. وی شاخص کیفیت سنگ را از چالزنی دورانی با استفاده از رابطه زیر تعیین کرد:
(1-16)
در رابطه فوق RQI شاخص کیفیت سنگ، Eh فشار هیدرولیک چالزن (کیلو پاسکال)،t زمان چالزنی (دقیقه) و L طول چال به متر می‎باشد. مسئله اساسی روش وی این است که فقط برای چالزن زنجیری B.E. 40-R با قطر 229 میلی‌متر با دور سرمته و فشار پشت سرمته مشخص و ثابت قابل کاربرد است. شکل(1-8) ارتباط بین خرج ویژه و شاخص کیفی سنگ را نشان می‌دهد.[8]

شکل (1-8)ارتباط بین خرج ویژه و شاخص کیفی سنگ 1-7-7- لوپز جیمنو[24]جیمنو در سال 1984روی محدودیتها و اشکالات RQI کار کرد و یک اندیس حفاری در سنگ به صورت زیر ارائه نمود:
(1-17)
بطوری VP نرخ نفوذ (متر بر ساعت)، D قطر حفاری (اینچ)، E وزن پشت سرمته (1000 پوند)، Nr دور سرمته (دور بر دقیقه) است. این فرمول تحت شرایط زیر صادق میباشد:
سر مته حفاری بایستی بهترین نوع سرمته برای حفاری باشد.
میزان هوا برای خروج قطعات حفاری شده کافی باشد.
در رابطه نرخ نفوذ خالص در نظر گرفته شود (تعویض سرمته و یا انتقال دستگاه محاسبه نگردد)
رابطه خرج ویژه (q) و اندیس حفاری (IP) به کمک رگرسیون گیری و تحلیل دادههای معادن مختلف از طریق رابطه زیر بیان شده است[8]:
(1-18)

شکل (1-9)ارتباط بین خرج ویژه و شاخص حفاری1-7-8- گوپتا[25]گوپتا و همکاران در سال 1990معادله زیر را برای تخمین خرج ویژه بر اساس مشاهدات صحرایی پیشنهاد کردند.[16و18]
(1-19)
بطوریکه B بارسنگ موثر به متر، F شاخص مقاومت پروتودیاکنف[26]و q خرج ویژه می‎باشد. شاخص مقاومت پروتودیاکنف را می‌توان با رابطه زیر بدست آورد.
(1-20)
در رابطه فوق σc مقاومت تراکمی تک محوره به کیلوگرم بر سانتیمتر مربع و E مدول الاستیسیته به کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می‎باشد.
1-7-9- پال روی و ذر[27]پال روی و ذر در سال 1996 یک مقیاس پیش‎بینی خردایش را بر اساس جهت‎یابی درزه نسبت به سطح پله پیشنهاد کردند.[19]
1-8- شاخص قابلیت انفجاربرخی از محققین حوزه آتشباری سنگ در تعیین قابلیت انفجار بیشتر به دنبال تعیین شاخصی بوده‌اند تا بر اساس آن بتوانند منطقه مورد مطالعه خود را از این نظر دسته بندی نمایند. ایشان اغلب به تعدادی از پارامتر های موثر ناشی از سیستم توده سنگ و سیستم انفجار و بعضا شرایط انفجار توجه کرده‌اند و به دلیل کم اهمیت بودن و یا حساس نبودن منطقه مورد مطالعه به دیگر پارامترها، آن‌ها را در محاسبات خود وارد ننموده‌اند. در زیر به برخی از این محققین اشاره خواهد شد.
1-8-1- فرانکل[28]
فرانکل سال 1954 رابطه تجربی زیر را بین طول و قطر خرج، عمق چال، ماکزیمم بارسنگ و قابلیت انفجار بیان کرد.[14]
(1-21)
بطوری که S قابلیت انفجار، Bmax ماکزیمم بارسنگ (m)، H عمق چال (m)، h طول خرج (m)، D قطر خرج (mm).
1-8-2- ساسا و ایتو[29]ساسا و ایتو در سال 1974 روشی را برای بررسی قابلیت انفجار در عملیات حفاری تونل پیشنهاد کردند و ‌شاخص صحرایی شکست سنگ (RBFI )[30]‌ و سپس فرم نهایی شاخص آزمایشگاهی شکست سنگ (RBLI )[31]‌ را ارائه دادند. این اندیس‌ها به کمک رگرسیون گرفتن از خواص مکانیکی سنگ‌ها‌ که در آزمایشگاه و در سر زمین بدست می‌آیند‌،‌ محاسبه می‌گردد.[8]
1-8-3- بورکویز[32]بورکویز فاکتور قابلیت انفجار (Kv)را بر اساس معادله شکست جهت محاسبه بارسنگ و بر اساس اندیس RQD که با ضریب دگرگونی تصحیح شده در سال 1981 محاسبه نمود. این ضریب تصحیح دگرگونی بر اساس مقاومت درزهها به عنوان تابعی از سختی و نسبت پرشدگی درزهها وارد شده است.
جدول (1-3)‌، ضریب دگرگونی جهت اصلاح مقدار RQD را بر اساس مقاومت درزه جهت تعیین ERQD نمایش می‌دهد[20].
(1-22)
(1-23)
به طوری که a و b ضرایب ثابت اند. شکل( 1-10)، فاکتور قابلیت انفجار را نسبت به ERQD نمایش می‌دهد.
جدول(1-3) ضریب دگرگونی جهت اصلاح مقدار RQDمقاومت درزه ضریب دگرگونی K
زیاد 1
متوسط 9/0
ضعیف 8/0
خیلی ضعیف 7/0

شکل (1-10)رابطه خرج ویژه با فراوانی شکستگی یا RQD اصلاح شده1-8-4- راکیشف[33]راکیشف در سال 1982 مقاومت در برابر شکستگی ایجاد شده توسط آتشباری را به عنوان قابلیت انفجار بیان کرد. که تابعی از چگالی سنگ (کیلوگرم بر متر مکعب)، سرعت موج طولی (متر بر ثانیه)، نسبت پواسون، مدول الاستیک (کیلو نیوتن بر متر مربع)، مقاومت تراکمی (σc) و کششی (σt) سنگ (کیلو نیوتن بر متر مربع)، بعد متوسط واحد ساختمانی طبیعی (dn) و یک ضریب نشان‌دهنده خصوصیات پر‎کننده و میزان بازشدگی شکستگی (k) می‌باشد. وی با استفاده پارامترهای فوق سرعت شکست بحرانی را تعریف کرد و سپس قابلیت انفجار را در پنج طبقه مطابق با مقادیر مختلف سرعت شکست بحرانی طبقه‌بندی کرد (جدول 1-4). سرعت شکست بحرانی(Vcr) را می‌توان از رابطه زیر محاسبه کرد[21]:
(1-24)
(1-25)
در رابطه فوق g، شتاب ثقل(m/s2)، ρ0 چگالی سنگ و c سرعت موج طولی می‎باشد.
جدول(1-4) رابطه قابلیت انفجار و سرعت بحرانی شکستسرعت شکست بحرانی (متر بر ثانیه) قابلیت انفجار
6/3> سرعت شکست بحرانی به آسانی منفجر میشود (EB)[34]
5/4-6/3 تقریباً به آسانی منفجر میشود (MB)[35]
4/5-5/4 به سختی منفجر میشود [36](DB)
3/6-4/5 خیلی سخت منفجر میشود [37](VDB)
3/6 < سرعت شکست بحرانی به طور ویژه سخت منفجر میشود [38](EDB)
1-9- طبقه بندی قابلیت انفجارچنانچه گفته شد عوامل زيادي بر ظرفيت انفجار سنگ‌ها از جانب توده سنگ تأثیر می‌گذارند اين عوامل شامل مجموعه وسيع و جامعي از خصوصيات ذاتي و ساختاري سنگ‌ها هستند كه هر كدام با درجه متفاوتي بر قابليت انفجار تأثیرگذارند. بنابراين قابليت انفجار توده هاي سنگي يك خصوصيت ذاتي تركيبي به شمار می‌رود.
مسئله تعيين انفجار پذيري یا قابلیت انفجار با استفاده از تعداد زيادي از عوامل موثر، حداقل سه ويژگي شاخص دارد كه اغلب در مطالعات قبلي ناديده گرفته شده‌اند. يكي از اين ویژگی‌ها واكنش بين عوامل موثر است. ديگري درجه تأثیر هر عامل يا مجموعه عوامل و سومي نياز به بررسي مجموعه داده هاي نظري و تجربی است كه اغلب سیستم‌هایی شامل خاك، سنگ، سيالات و ناپيوستگي هاست. به دليل پيچيدگي سيستم ژئوتكنيكي، اغلب ضروري است تا از كل داده هاي موجود آن‌هایی كه سودمند هستند را بكار بنديم.
هر چند بحث ارزیابی قابلیت انفجار سنگ‌ها نسبتا جدید است اما تاريخ با ارزشي دارد و هنوز جای يك متدلوژي پيشرفته در تعیین قابليت انفجار توده سنگ در عمليات انفجار استاندارد خالي است. يكي از عوامل پيچيدگي تأثیر عوامل مختلف و مکانیسم‌های كنشي بين آن‌ها است. عامل ديگر فاكتورهاي قابل كنترل و مرتبط با طرح انفجار در محدوده شرايط قابليت انفجار است.
سوالي كه در اينجا مطرح می‌شود اين است كه چگونه می‌توان از تكراری شدن پارامترهاي مشابه و تأثیر بيش از حد پارامترهاي كم اهميت جلوگيري كرد؟ چگونه می‌توان عوامل مهمي را كه با اندازه گیری‌های عيني قابل بيان نيستند به حساب آورد؟ چگونه اندركنش هاي بين تک تک پارامترها را می‌توان توصيف كرد و نشان داد؟ بدون داشتن روشي پيشرفته پاسخ به اين سوالات دشوار خواهد بود.[22]
محققین در این گروه تعیین قابلیت انفجار با مطالعات گسترده سعی نموده‌اند تا تعداد زیادی از پارامترهای موثر بر انفجار را به روش‌های آماری و یا هوشمند به قابلیت انفجار مرتبط نمایند. در زیر به بخش اعظم این دانشمندان اشاره خواهد شد.
1-9-1- لایلی[39]لایلی در سال 1986 یک معادله برای تعیین قابلیت آتشباری توده سنگ بر اساس پارامترهای مرتبط با شرایط ساختگاه ارائه کرد.[16]
(1-26)
بطوریکه RMD امتیاز توصيف توده سنگ، JPS امتیاز فاصله‎داری درزه‎ها، JPS امتیاز جهت‎داری درزه‎ها، SGI فاکتور توصيف تأثیر وزن مخصوص، H امتیاز سختي سنگ در مقياس موس است.
جدول(1-5) نحوه امتیازدهی این شاخص‌ها را نشان می‌دهد.شاخص امتیاز
توصیف توده سنگ RMD
توده سنگ‌های ترد و پودری 10
توده سنگهای بلوکی 20
توده سنگ‌های توده ای 50
فاصله داری ناپیوستگی ها JPS
برای بازشدگی کم (<0.1 m) 10
برای بازشدگی متوسط (0.1-1.0 m) 20
برای بازشدگی زیاد (>1.0 m) 50
جهت داری ناپیوستگی ها با سطح آزاد JPO
افقی: اختلاف شیب درزه با افق کمتر از 10 درجه 10
هم جهت و شیبدار: اختلاف بین جهت شیب درزه و سطح آزاد کمتر از 30 درجه 20
عمود: اختلاف بین جهت شیب درزه و سطح آزاد بیشتر از 60 درجه 30
خلاف جهت: اختلاف بین جهت شیب درزه و سطح آزاد بین 180 تا 120 درجه 40
چگالی سنگ SGI
: وزن حجمی سنگ (تن بر متر مکعب)
سختی سنگ (سختی در مقیاس موس) H
مدول یانگ کمتر از 50 گیگا پاسکال یک سوم مدول یانگ (گیگا پاسکال)
مدول یانگ بیش از 50 گیگا پاسکال یک پنجم مقاومت تراکمی (مگا پاسکال)
در نهایت با استفاده از شاخص قابلیت آتشباری پیشنهاد شده توسط لایلی، مقدار خرج ویژه و انرژی انفجار از رابطه‎های زیر بدست می‌آید:
(1-27)
(1-28)
بطوريكه Q مقدار آنفو به کیلوگرم بر تن توده سنگ و E انرژی مورد نیاز به مگا ژول بر تن توده سنگ است.
‌1-9-2- گوس[40]گوس در سال 1988 یک سیستم طبقه بندی ژئومکانیکی توده سنگ جهت تعیین اندیس قابلیت انفجار توده سنگ برای معادن زغال سنگ پیشنهاد داد[23].
(1-29)
در رابطه فوق BI شاخص قابلیت انفجار، DR امتیاز دانسیته، DSR امتیاز فاصله‎داری ناپیوستگی‎ها، PLR امتیاز شاخص بار نقطه‎ای، JPO امتیاز جهت شیب ناپیوستگی‎ها، AF1 فاکتور تعدیل1 و AF2 فاکتور تعدیل2 می‎باشد. جدول(1-6) حدود مقادیر موثر و امتیاز متعلقه در این طبقه بندی را نشان می‌دهد.
جدول(1-6) مقادیر متغیرهای انتخاب شده برای محاسبه شاخص قابلیت انفجار پیشنهادی گوسپارامترهاحدود و امتیاز
وزن حجمی t/m3)) DR <1.6 1.6-2.0 2.0-2.3 2.3-2.5 >2.5
20 15 12 6 4
فاصلهداری (m) DSR <0.2 0.2-0.4 0.4-0.6 0.6-2.0 >2.0
35 25 20 12 8
اندیس مقاومت بار نقطهای (MPa) PLR <1 1-2 2-4 4-6 >6
25 20 15 8 5
امتیاز جهتداری درزهها JPO DIF SAF SNF DOF HOR
20 15 12 10 6
فاکتور تعدیل 1 AF1 جبهه کار به شدت محدود
جبهه کار تا حد قابل قبولی آزاد -5
0
فاکتور تعدیل 2 AF2 نسبت عمق چال به بار سنگ > 2
نسبت عمق چال به بار سنگ 2 – 5/1
نسبت عمق چال به بار سنگ < 5/1 0
-2
-5
وی رابطه بین اندیس قابلیت انفجار توده سنگ و فاکتور خرج ویژه را براساس تجربیات خود در 12 معدن روباز با ماده منفجره اسلاری (سرعت انفجار3800 متر بر ثانیه) طبق جدول(1-7) به دست آورد.
جدول(1-7) رابطه بین شاخص قابلیت انفجار و خرج ویژه پیشنها شده توسط گوسشاخص قابلیت انفجار 40-30 50-40 60-50 70-60 85-70
خرج ویژه (کیلوگرم بر متر مکعب) 8/0-7/0 7/0-6/0 6/0-5/0 5/0-3/0 3/0-2/0
1-9-3- هاگان[41]هاگان در سال 1995 نتیجه گرفت که نتایج آتشباری سنگ نسبت به هر متغیر دیگری بیشتر تحت تأثیر خصوصیات سنگ است. وی همچنین بر این اعتقاد بود که با کاهش فاصله‎داری متوسط درزه‎ها اهمیت مقاومت ماده سنگ کاهش می‎یابد. در حالی که اهمیت مقاومت توده سنگ افزایش می‎یابد. وی افزود که در یک توده سنگ با فاصله‎داری زیاد درزه‎ها، آتشباری نیاز به ایجاد ترک‎های جدید بیشتری دارد. از طرف دیگر در یک توده سنگ با فاصله‎داری کم درزه‎ها نیاز به ایجاد ترک‎های جدید نمی‎باشد و خردایش به وسیله تبدیل توده سنگ به قطعات کوچک‌تر در اثر باز شدن درزه‎ها توسط فشار گازهای انفجار حاصل خواهد شد. او همچنین توضیح داد که بازده آتشباری در مقایسه با مقاومت سنگ در درجه کمتری تحت تأثیر اصطکاک داخلی، اندازه دانه و تخلخل است.[18]
1-9-4- اسکوت[42]اسکوت در سال 1996 گزارش داد که خصوصیات توده سنگ کنترل کننده آتشباری شامل پارامترهای مقاومتی، ویژگی‌های مکانیکی مثل مدول الاستیسیته، نسبت پواسون، قابلیت عبور موج ضربه، اندازه و شکل بلوک طبیعی و کاهش اندازه قطعه مورد نیاز به وسیله آتشباری است.[24]
1-9-5- مرکز تحقیقات JKMRCاین مرکز در سال 1996یک سیستم طبقه‌بندی توده سنگ بر اساس ویژگی‌های مؤثر بر راندمان انفجار و تحلیل قابلیت انفجار که در یک معدن زغال سنگ توسط پارامترهای زیر ارائه داد:
توده سنگ : مقاومت، چگالی، مدول یانگ
ساختار : اندازه برجای بلوک، تأثیر ساختمان
طراحی انفجار : اندازه خردایش مورد نظر، جابجایی مطلوب سنگ خرد شده، محدودیت ایجاد شده، مقیاس عملیات
زیست محیطی : آب
شاخص‌های برآورد شده در این روش عبارتند از: شاخص مقاومت که نشان دهنده میزان مقاومت سنگ نسبت به خرج ویژه می‌باشد. شاخص خردایش شامل نسبت اندازه بلوک برجا به اندازه خردشدگی مورد نظر می‌باشد. این شاخص متناسب با مدول یانگ می‌باشد. شاخص جابجایی سنگ خرد شده: میزان انرژی مورد نیاز جابجایی سنگ خرد شده و متناسب است با معکوس مدول یانگ سنگ. شاخص تصحیح: این شاخص برای تنظیم خرج ویژه بر اساس ساختار، میزان تصحیح مقیاس و محدودیت می‌باشد. جزئیات دقیق و فرمولی برای محاسبه در این روش معلوم نیست، اما نرم افزاری توسط این مرکز ساخته شده است.[8]
1-9-6- لاتهام و لو[43]لاتهام و لو در سال 1999 يك سيستم تعيين قابليت انفجار را براي پيش‎بيني توزيع اندازه خردایش حاصل از آتشباري ارائه كردند. اين مدل بر اساس اطلاعات جامعي از خصوصيات سنگ بكر و ناپيوستگي ها توسعه يافته است. ایشان توده سنگ‌ها را بر اساس قابلیت انفجارشان به پنج کلاس خیلی راحت، راحت، متوسط، سخت و خیلی سخت طبقه بندی کردند. روش مورد استفاده در مطالعات ایشان روش سیستم مهندسی سنگ[44] (RES) و ماتريس اندركنش بود.
ﺳﯿﺴﺘﻢﻫﺎي ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ ﺳﻨﮓ روشی استﮐﻪ ﻗﺎﺑﻠﯿﺖﺗﺠﺰﯾﻪ و ﺗﺤﻠﯿﻞ همزمان ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎي ﭘﯿﭽﯿﺪه ﻣﻬﻨﺪﺳﯽﺳﻨﮓ را دارد. اﯾﻦ روش در سال 1992 ﺗﻮﺳﻂﻫﺎدﺳﻮن ﭘﺎﯾﻪﮔﺬاري ﺷﺪ. ﺑﻪ ﻃﻮرﮐﻠﯽ در اﯾﻦ روش ﺧﺼﻮﺻﯿﺎت و رﻓﺘﺎر ﻫﺮ ﭘﺎراﻣﺘﺮﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﯾﮏ ﺳﯿﺴﺘﻢ دو ﻣﺘﻐﯿﺮه ﺑﺮآورد ﺷﺪه و در ﻧﻬﺎﯾﺖ اﯾﻦ ﺳﯿﺴﺘﻢ دوتایی را به ﮐﻞ ﺗﻮده ﺳﻨﮓﺗﻌﻤﯿﻢ می دﻫﺪ. RES روﺷﯽ اﺳﺖ ﮐﻪ اﻣﮑﺎن ﺗﺤﻠﯿﻞ ﻫﻤﺰﻣﺎن رواﺑﻂ ﺑﯿﻦ ﭘﺎراﻣﺘﺮﻫﺎي ﻣﺆﺛﺮ ﺗﻮده ﺳﻨﮓ، ﻣﺤﻞ و ﺳﺎزه را دارد وآﺛﺎر ﻧﺎﺷﯽ از اﻧﺪرﮐﻨﺶ ﺑﯿﻦ آن‌ها را ﻣﻮرد ﺑﺮرﺳﯽ ﻗﺮار ﻣﯽدﻫﺪ. در ﺳﯿﺴﺘﻢ ﻫﺎي ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ ﺳﻨﮓ، ﺷﻨﺎﺳﺎﯾﯽﭘﺎراﻣﺘﺮﻫﺎي ﺑﺤﺮاﻧﯽ، ﻣﺴﯿﺮﻫﺎي ﺗﺎﺛﯿﺮﮔﺬار، ﺣﻠﻘﻪﻫﺎي ﺑﺮﮔﺸﺘﯽ و ارزﯾﺎﺑﯽ روشﻫﺎي اﻧﺘﺨﺎﺑﯽﻣﻬﻨﺪﺳﯽﻣﻨﺎﺳﺐ، ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻣﺎﺗﺮﯾﺲ اﻧﺪرﮐﻨﺶﺳﻨﮓ ﺻﻮرت ﻣﯽﮔﯿﺮد. ﻣﺎﺗﺮﯾﺲ اﻧﺪرﮐﻨﺶﻋﻨﺼﺮ ﮐﻠﯿﺪي ﺳﯿﺴﺘﻢﻫﺎي ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ ﺳﻨﮓ اﺳﺖﮐﻪ ﺟﻬﺖﻓﻬﺮﺳﺖﮐﺮدن ﭘﺎراﻣﺘﺮﻫﺎي ﻣﺆﺛﺮ در ﯾﮏ ﭘﺮوژه ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ ﺳﻨﮓ و ﻧﻤﺎﯾﺶ اﻧﺪرﮐﻨﺶﺑﯿﻦ آن‌ها ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﯽﮔﯿﺮد. در ماتريس اندركنش يك سيستم مهندسي مثلا سيستم قابليت انفجار تمام عوامل يا پارامترهاي موثر بر سيستم در طول قطر اصلي ماتريس مرتب می‌شوند که جملات قطري ناميده می‌شوند.
در این طبقه بندی 12 عامل به عنوان عوامل اصلي در سيستم طبقه بندي قابلیت انفجار به شمار مي روند. اين 12 عامل جملات قطري ماتريس اندركنشي هستند. ماتريس با استفاده از نتايج و تجارب نظري يا اندازه گيري هاي عيني يا هر دو كدبندي می‌شود. اما با توجه به اين 12 عامل، يك يا دو پارامتر قابل اندازه گيري وجود دارد كه مي توان به اندازه اي به كمك آن‌ها تاثير عوامل در يك منطقه مورد مطالعه را نشان داد. اين عوامل به عنوان جملات قطري در ماتريس اندركنشي عمل مي كنند. عوامل و پارامترهاي مربوطه عبارتند از: P1 مقاومت تراکمی توده سنگ، P2 مقاومت کششی توده سنگ، P3 چگالی سنگ، P4 الاستیسیته، P5 سرعت امواج طولی، P6 سختی سنگ، P7 نسبت پواسن، P8 مقاومت در برابر شکست، P9 اندازه برجای بلوک‌ها، P10 تردی توده سنگ، P11 نسبت سرعت میدانی امواج طولی به سرعت آزمایشگاهی، P12 مقاومت صفحات ناپیوستگی. كمي سازی و تعيين ارزش اثر جهت داري، مقدار ‌آب موجود و برخي ديگر عوامل نيز اهميت زيادي دارند که به تحقيقات بيشتر نياز دارد.
لاتهام سپس با استفاده از ماتریس اندر کنش و محاسبه میزان اثر و تأثیر پذیری‌، اهمیت پارامتر‌ها را مشخص کرد. عوامل متعددي بر قابلیت انفجار اثر مي گذارند. اما تنها عواملي كه سهم بيشتري در تاثيرگذاري بر سيستم قابليت انفجار دارند اهميت عملي پيدا مي كنند. بر اساس نمودار C-E (جدول 1-8 ) و هيستوگرام ترتيبي بدست آمده(شکل1-11 و جدول 1-9)، عواملي كه سهم بيشتري در سيستم دارند يعني بيش از 70% كل را به خود اختصاص داده اند به عنوان عوامل مورد استفاده در ارزيابي قابليت انفجار توده سنگ انتخاب می‌شوند.[22]
جدول(1-8) ماتریس اندرکنش عوامل موثر بر قابلیت انفجار [22]

شکل (1-11)هیستوگرام وزن دهی و رتبه بندی پارامتر های موثر در روش لاتهامبدین ترتیب این روش قابلیت انفجار توده سنگ را بر اساس فرمول زیر بدست می آورد:
(1-30)
كه BD مقاومت سنگ در برابر خردایش و عامل تعيين كننده قابلیت انفجار ناميده می‌شود. Rj مقدار فاكتور J ام بدست آمده از منطقه مورد مطالعه است. Wj ضريب ارزش ()بدست آمده برای فاكتور J ام. بدین ترتیب مقدار BD بين محدوده 0 تا 1 خواهد ود و هرچه BD بيشتر باشد، سنگ مقاومت بیشتری در مقابل انفجار خواهد داشت.
جدول(1-9) وزن و رتبه بندی تاثیر پارامتر‌ها در روش لاتهامرتبه C+E پارامتر
1 12.4 مقاومت تراکمی
2 11.8 مقاومت کششی
3 10.7 الاستیسیته
4 10.5 چگالی
5 10.3 سختی سنگ
6 10.15 سرعت موج P
7 9.5 تردی توده سنگ
8 9.2 اندازه برجای بلوک‌ها
9 8.9 مقاومت برابر شکست
10 8.75 یکپارچگی توده سنگ
11 7.4 نسبت پواسن
12 7.2 مقاومت صفحات ناپیوستگی
لاتهام با استفاده از يافته هاي تئوري و عملی انفجار، فهرست كمي برای طبقه بندی‌های قابليت انفجار مربوط به هريك از پارامترهاي مربوط به طبقه بندی خود را در جدول (1-10) آورده است. اين جدول پايه تعيين امتياز تاثير هر پارامتر بر قابليت انفجار و بدست آوردن مقدار امتياز با استفاده از معادله 1-30 است.[22]
جدول(1-10) فهرست كمي طبقه بندي قابليت انفجار مربوط به هريك از فاكتورها و پارامترهاي مربوط به آن‌ها کلاس قابلیت انفجار
فاکتور مؤثر بر قابلیت انفجار پارامتر توصیف خیلی راحت
1 راحت
2 متوسط
3 سخت
4 خیلی سخت
5
مقاومت مقاومت فشاری تک محوره (MPa) < 25 25-60 60 – 100 100 – 180 > 180
شاخص بار نقطه‌ای (Mpa) < 1 1–5/2 5/2 – 4 4 – 9 > 9
مقاومت در برابر شکست مقاومت کششی (Mpa) < 5/1 5/1–3 3 – 6 6 – 12 > 12
سفتی سنگ چگالی (t/m3) < 2 2–4/2 4/2 – 75/2 75/2 – 3 > 3
الاستیسیتۀ سنگ E (GPa) < 5/1 5/2–5/1 5/2 – 3 3 – 4 > 4
سختی سنگ مقدار عدد چکش اشمیت < 15 15-30 30 – 40 40 – 50 >50
شکل پذیری نسبت پواسن >35/0 3/0–35/0 25/0 – 3/0 2/0 – 25/0 <2/0
مقاومت گسستگی زیری ترک سنگ (MPa.m1/2) <5/0 5/0–5/1 5/1 – 5/2 5/2 – 5/3 >5/3
اندازۀ برجای بلوک‌ها بعد فراکتال توده سنگ برجا، D <35/0 35/0–55/0 55/0– 75/0 75/0 – 9/0 > 9/0
مقاومت در برابر بارگذاری دینامیک سرعت موج P (km/s) <5/1 5/1–5/2 5/2 – 5/3 5/3 –◦/4 >◦/4
یکپارچگی سنگ نسبت سرعت میدانی موج P به سرعت آزمایشگاهی <5/3 5/3–5/5 5/5 – 5/7 5/7 –9/◦ >9/◦
RQD(%) <40 40-60 60 – 75 75 – 90 >90
مقاومت صفحات ناپیوستگی چسبندگیC(MPa) <05/0 05/0–15/0 15/0-25/0 25/0-5/0 >50/0
زاویۀ اصطکاک φ(0) <5/7 5/7-15 15-20 20-30 >30
1-9-7- یاراحمدی و دشتکی[45]یاراحمدی و دشتکی در سال 2005 بر اساس طبقه بندي مهندسی سنگ RMR به عنوان بهترین طبقه بندی توصیف توده سنگ‌های درزه دار به خصوص در منطقه مورد مطالعه (منطقه معدن چغارت) و اصلاحات صورت گرفته بر اساس طبقه بندی لاتهام و لو طبقه بندی خود را با عنوان [46]BRMR ارائه نمودند. در اين طبقه بندي، علاوه برعواملي كه در طبقه بندي RMRقيد شده است، عواملي كه در طبقه بندي پيشنهادي آقایان لو و لاتهام ذكر گرديده است و در معدن چغارت قابل اندازه گيري بوده است، گنجانده شده است. ميزان تاثير هر يك از عوامل بر قابليت انفجار به مانند تاثيري است كه آقایان لو ولاتهام براي طبقه بندي خود لحاظ نموده اند. در بعضي موارد، تاثير يك پارامتر در طبقه بندي پيشنهادي معادل مجموع تاثير چند پارامتر در طبقه بندي آقایان لو لاتهام در نظر گرفته شده است و امتيازات بين اين عوامل تقسيم گرديده اند. در اين طبقه بندي حداکثر امتيازات مثبت 100 و حداکثر امتيازات منفي 30 در نظر گرفته شده است.[25]
جدول(1-11) پارامتر های داراي امتياز مثبت در طبقه بندی پيشنهادي BRMR
عامل بازه مقادیر
1 مقاومت كششي تك محوري (Mpa) 5/1> 3-5/1 6-3 12-6 12<
امتیاز 2 4 6 8 10
مقاومت فشاری تك محوري(MPa) 1> 5-1 25-5 50-25 100-50 250-100 250<
امتیاز 0 1 2 3 7 12 15
2 مدول یانگ(MPa) 25> 50-25 100-50 150-100 150<
امتياز 2 4 6 8 10
3 چگالي 5/2> 3-5/2 5/3-3 4-5/3 4<
امتياز 2 4 6 8 10
4 RQD(%) 25-0 50-25 75-50 90-75 100-90
امتياز 2 4 6 8 10
5 فاصله ناپيوستگي‎ها سانتیمتر6> 20-6 سانتیمتر 6/0-2/0 متر 2-6/0 متر 2 متر<
امتياز 4 6 8 12 15
6 شرایط ناپيوستگي‎ها ضخامت پرشدگي بيش از mm5 با جدايش بزرگتر از mm5 پيوسته سطوح جانبي صاف يا پرشدگي کمتر از mm 5 يا جدايش mm 5-1 پيوسته سطوح نسبتاً زبر، جدايش جدايش کوچک‌تر از mm1، ديواره‎ها شديداً هوازده سطوح نسبتاً زبر، جدايش جدايش کوچک‌تر از mm1، ديواره‎ها کمي هوازده سطوح خيلي زبر فاقد پيوستگي، فاقد جدايش سنگ ديواره، غير هوازده
امتياز 0 4 8 12 15
7 شرایط آب زير زميني جريان قطره قطره تر مرطوب کاملا خشک
امتیاز 0 4 7 10 15
جدول(1-12) امتيازات منفی مربوط به اختلاف جهتداري جبهه کار و ناپیوستگی ها و شيب
عوامل بازه مقادیر
1 اختلاف جهت شیب 0-30 30-60 60-90 90-120 120-150 150-180
امتیاز 15- 12- 9- 6- 3- 0
2 اختلاف شیب 0- 15 15- 35 35-55 55- 75 75-90
امتیاز 0 4- 8- 12- 15-
Han و همكاران در سال 2000 از شبكه عصبي براي طبقه‎بندي قابليت آتشباري توده سنگ استفاده كردند (Han et al., 2000). در اين مدل بردار ورودي از 6 پارامتر توصيف كننده ساختار توده سنگ، مقاومت سنگ و درجه خردايش آتشباري تشكيل شده بود. خروجي شبكه عصبي بكار رفته نيز يك بردار منفرد دال بر رتبه قابليت آتشباري توده سنگ بود.
(1-31)
در این رابطه K پارامتر خروجی( قابلیت انفجار)، میانگین دانه بندی خردایش به میلی‌متر، L کل طول درزه در اندازه‎گیری بلوک متر، S میانگین فاصله در بلوک متر، مقاومت تراکمی دینامیکی سنگ به MPa، مدول الاستیسیته دینامیکی سنگ به GPa و درصد بلوک‎های بی کیفیت به درصد می‎باشد.
1-9-8- فرامرزی‌، منصوری و ابراهیمیایشان در سال 2013 یک مدل جدید برای پیش بینی خردایش توسط آتشباری بر اساس مفهوم سیستم مهندسی سنگ(RSE) ارائه دادند. برای این کار 16 پارامتر مؤثر بر خزدایش در نظر گرفته شدند که از 30 انفجار در معدن سونگون برداشت شدند.
برای تأیید مدل‌های جدید‌، خردایش حاصل از 9 آتشباری با مقادیر پیش بینی شده با روش‌های kuz-Ram و رگرسیون چند گانه با مقایسه ضریب همبستگی (R2 ) و ریشه میانگین مربع خطا (RMSE) انجام گرفت[26].
برای مدل‌های RSE‌، خطی‌، چند جمله‌ای‌، توانی‌، لگاریتمی‌، نمایی و Kuz-Ram، R2 و RSME برابر شد با (0.65 و 14.51)‌، (0.58 و 29.73)‌، (0.54 و 21.58)‌، (0.6 و 32.64)‌، (0.61 و 23.8)‌، (0.5 و 184.6) و (0.46 و 22.22).
بهترین مدل‌، مدلی است که بیشترین ضریب همبستگی و کمترین ریشه میانگین خطا باشد.

– (3)

2444115-30162500
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد رشت
پایاننامه تحصیلی جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
رشته: جغرافیا و برنامه ریزی توریسم
عنوان:
راهکار های توسعه توریسم در حوزه آبخیز رود دوهزار تنکابن
موردی دو راهی لتاک تا دریاسر
استاد راهنما:
دکترمحمد رضا افشاری آزاد
استاد مشاور:
دکترعلیرضا کشوردوست
نگارش:
مریم اسمعیلی
نیمسال اول 1392
-174625-125095002616200602996000-692155603240تارخ:………………………..
شماره:……………………..
پیوست:……………………
00تارخ:………………………..
شماره:……………………..
پیوست:……………………
44799255393690دانشگاه آزاد اسلامی
سازمان مرکزی
00دانشگاه آزاد اسلامی
سازمان مرکزی

تعهد نامه اصالت رساله یا پایان نامه
اينجانب مریم اسمعیلی دانش آموخته مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته/ دکترای حرفه ای/ دکترای تخصصی در رشته جغرافیا و برنامه ریزی توریسم که در تاریخ 29/11/1392 از پایان نامه خود تحت عنوان “راهکار های توسعه توریسم در حوزه آبخیز رود دوهزار تنکابن موردی دو راهی لتاک تا دریاسر” با کسب نمره 18 (هجده) با درجه عالی دفاع نموده ام. بدینوسیله متعهد می شوم:
این پایان نامه حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب، مقاله و…) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منابع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کرده ام.
این پایان نامه قبلاً برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر و یا بالاتر) در سایر دانشگاه ها و مؤسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
چنانچه بعد از فراغت از تحصیل، قصد استفاده و هر گونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و … از این پایان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوزهای مربوطه را اخذ نمایم.
چنانچه در هر مقطع زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را می پذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلی ام هیچگونه ادعایی نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگی:
تاریخ و امضاء:
سپاسگزاری:
سپاس و ستایش تو را که از فیض اساتید و معلمانی والا ذهنم را بارور ساختی و وجود مقدسشان را پیامبر روح و دلم گردانیدی تا مرا به بهشت علم و سعادت رهنمون سازند.
نخست، از استاد راهنمای بزرگوارم جناب دکتر محمدرضا افشاری آزاد که با صبر و شکیبایی و خلق نیکوی خود، روشنی بخش مسیر علم و سعادت من بوده اند و اینجانب را در راهنمایی و هدایت این تحقیق با متانت و رفتار هر چه بی نظیرتر یاری نموده اند، سپاسگزارم.
از جناب دکتر علیرضا کشوردوست که به عنوان استاد مشاور بنده بوده اند، به دلیل یاری ها و راهنمایی های بی چشمداشت ایشان که بسیاری از سختی ها را برایم آسان نمودند، سپاسگزارم.
و در نهایت از جناب دکتر پرویز رضایی که به عنوان استاد داور، اینجانب را در به اتمام رساندن این پایان نامه یاری نمودند، کمال تشکر و قدردانی را دارم.
و حال این تحقیق را به وجود عالِم و فرهیخته شان تقدیم می نمایم.
تقدیم به:
پدر و مادرم
که از نگاهشان صلابت
از رفتارشان محبت
و از صبرشان ایستادگی را آموختم …
فهرست مطالب
چکیده………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1
مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2
فصل اول: کلیات تحقیق………………………………………………………………………………………………………………. 4
1-1-بیان مسأله……………………………………………………………………………………………………………………………. 5
1-2- سؤال تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………….. 6
1-3- فرضیات تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………… 7
1-4- ضرورت و اهمیت تحقیق……………………………………………………………………………………………………… 7
1-5- انگیزه تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………….. 8
1-6- اهداف تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………. 8
1-7- محدوده مورد مطالعه…………………………………………………………………………………………………………….. 9
1-8- موانع و محدودیت ها……………………………………………………………………………………………………………. 9
1- 9- پیشینه تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………… 10
1-10- بهره وران تحقیق……………………………………………………………………………………………………………….. 14
1-11- روش تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………….. 14
1-12- تعاریف عملیاتی………………………………………………………………………………………………………………… 14
1-12-1- توسعه………………………………………………………………………………………………………………………….. 14
1-12-2- گردشگری (توریسم)……………………………………………………………………………………………………… 15
1-12-3- حوزه آبخیز…………………………………………………………………………………………………………………… 15
فصل دوم: ادبیات و موضوع شناسی تحقیق…………………………………………………………………………………….. 16
2-1- تاریخچه گردشگری……………………………………………………………………………………………………………… 17
2-2- گردشگری و انواع آن…………………………………………………………………………………………………………… 19
2-2-1 تعریف گردشگری………………………………………………………………………………………………………………. 19
2-2-2- تعریف گردشگر………………………………………………………………………………………………………………. 20
2-2-3-انواع توریسم……………………………………………………………………………………………………………………. 21
2-3- توسعه پایدار……………………………………………………………………………………………………………………….. 25
2-5- توسعه پایدار جهانگردی……………………………………………………………………………………………………….. 26
2-6- طبیعت و توریسم…………………………………………………………………………………………………………………. 27
موقعیت جغرافیایی……………………………………………………………………………………………………………. 2-6-1- 28
آب وهوا………………………………………………………………………………………………………………………… 2-6-2- 28
توپوگرافی وشکل زمین…………………………………………………………………………………………………….. 2-6-3- 28
مواد سطحی…………………………………………………………………………………………………………………… 2-6-4- 28
آب………………………………………………………………………………………………………………………………… 2-6-5- 28
پوشش گیاهی…………………………………………………………………………………………………………………. 2-6-6- 29
حیات جانوری………………………………………………………………………………………………………………… 2-6-7- 29
توریسم تابستانی………………………………………………………………………………………………………………. 2-6-8- 29
توریسم زمستانی………………………………………………………………………………………………………………. 2-6-9- 30
2-7- اکوتوریسم…………………………………………………………………………………………………………………………. 30
2-7-1- اصطلاحات مرتبط با اکوتوریسم یا بوم گردی………………………………………………………………………. 31
2-8- محیط زیست و آلودگی های آن……………………………………………………………………………………………… 32
2-8-1- تعریف محیط زیست…………………………………………………………………………………………………………. 32
2-8-2- تعریف آلودگی زیست محیطی……………………………………………………………………………………………. 33
2-8-3- انواع آلودگی…………………………………………………………………………………………………………………… 33
2-8-3-1- آلودگی خاک………………………………………………………………………………………………………………. 33
2-9- عناصر اصلی در ساختار صنعت گردشگری……………………………………………………………………………… 33
2-10- تأثیر گردشگری بر اقتصاد……………………………………………………………………………………………………. 34
2-11- بررسی آثار مثبت اقتصادی گردشگری……………………………………………………………………………………. 35
2-12- آثار منفی اقتصادی گردشگری……………………………………………………………………………………………… 36
2-13- اشتغال و گردشگری…………………………………………………………………………………………………………… 36
فصل سوم: شهرستان تنکابن و ویژگی های جغرافیایی منطقه مورد مطالعه…………………………………………. 38
3-1-1- موقعیت ، وسعت و جمعیت تنکابن…………………………………………………………………………………….. 41
3-1-2- وجه تسمیه تنکاین……………………………………………………………………………………………………………. 41
3-1-3- وجه تسمیه شهسوار………………………………………………………………………………………………………….. 42
3-1-4- تقسیمات تنکابن………………………………………………………………………………………………………………. 42
3-1-5- اوضاع طبیعی تنکابن………………………………………………………………………………………………………… 44
3-1-5-1- درجه حرارت ودما………………………………………………………………………………………………………. 45
3-1-5-2- بارندگی و میزان رطوبت………………………………………………………………………………………………. 47
3-1-5-3- رطوبت نسبی تنکابن…………………………………………………………………………………………………….. 50
3-1-5-4- پوشش ابر در تنکابن…………………………………………………………………………………………………….. 51
3-1-6- راه های ارتباطی تنکابن…………………………………………………………………………………………………….. 52
3-1-7- پوشش گیاهی و جانوری در تنکابن…………………………………………………………………………………….. 53
3-1-8- اوضاع اقتصادی تنکابن……………………………………………………………………………………………………… 54
3-1-9- رودخانه های تنکابن…………………………………………………………………………………………………………. 55
3-1-10- جاذبه های تنکابن…………………………………………………………………………………………………………… 56
3-2- آشنایی با محدوده مورد مطالعه………………………………………………………………………………………………. 58
3-2-1- جاذبه های گردشگری محدوده مورد مطالعه…………………………………………………………………………. 63
3-2-1-1- جاذبه های تاریخی و مذهبی………………………………………………………………………………………….. 63
3-2-1-1-1- قلعه اکر………………………………………………………………………………………………………………….. 63
3-2-1-1-2- قلعه نرس و یچم قلای…………………………………………………………………………………………….. 64
3-2-1-1-3- قلعه اسل محله…………………………………………………………………………………………………………. 65
3-2-1-1-4- حمام قدیمی امیر اسعد……………………………………………………………………………………………… 65
3-2-1-1-5- مسجد قدیمی امیر اسعد…………………………………………………………………………………………….. 66
3-2-1-1-6- امامزاده عون (اوج) بن علی(ع)………………………………………………………………………………….. 68
3-2-1-1-7- امامزاده سید یحیی و سید ذکریا در عسل محله……………………………………………………………… 69
3-2-1-2- جاذبه های طبیعی…………………………………………………………………………………………………………. 69
3-2-1-2-1- منطقه ی گردشگری چالدره ی 2000………………………………………………………………………….. 69
3-2-1-2-2- رودخانه دوهزار……………………………………………………………………………………………………….. 70
3-2-1-2-3- قله سیالان……………………………………………………………………………………………………………….. 71
3-2-1-2-4- دشت زیبای دریاسر………………………………………………………………………………………………….. 71
3-2-1-2-5- آبشار سردابه…………………………………………………………………………………………………………… 74
3-2-2-معرفی برخی از رستوران ها و متل در منطقه…………………………………………………………………………. 75
3-2-2-1- رستوران کاکوی جنگل…………………………………………………………………………………………………. 75
3-2-2-2-رستوران هام هام…………………………………………………………………………………………………………… 76
3-2-2-3- رستوران نگین سبز……………………………………………………………………………………………………….. 77
3-2-2-4- رستوران و ماهی سرای شاهمنصوری………………………………………………………………………………. 77
3-2-2-5- هتل و رستوران سیالان…………………………………………………………………………………………………. 78
3-2-3- آلودگی های زیست محیطی منطقه مورد مطالعه…………………………………………………………………….. 78
فصل چهارم: یافته های تحقیق……………………………………………………………………………………………………….. 80
4-1- جامعه آماری………………………………………………………………………………………………………………………. 81
4-2- نمونه آماری……………………………………………………………………………………………………………………….. 81
4-3- روش تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………….. 81
4-4- ابزار تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………… 81
4-5- روش آماری ( شیوه تجزیه و تحلیل آماری)……………………………………………………………………………… 82
4-6- متغیر های تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………. 82
4-7- تعریف متغیر کیفی………………………………………………………………………………………………………………… 83
4-8- متغیر مستقل………………………………………………………………………………………………………………………… 83
4-9- متغیر وابسته………………………………………………………………………………………………………………………… 83
4-10- تجزیه و تحلیل SWOT در جهت ارائه راهکارهای توسعه توریسم در حوزه رود دوهزار تنکابن.. 84
4- 10- 1 – نقاط قوت ، ضعف ، فرصت ها و تهدید ها……………………………………………………………………. 84
4-10-1-1- عوامل مؤثر داخلی بر گردشگری در ناحیه مورد مطالعه……………………………………………………. 85
4-10-1-2- عوامل مؤثر خارجی بر گردشگری ناحیه مورد مطالعه………………………………………………………. 88
4-10-1-3- جمع بندی دیدگاه ها و ارائه اولویت های نهایی از تحلیل SWOT………………………………….. 90
4-11- یافته های پژوهش و تحلیل آمار و اطلاعات پرسشنامه گردشگران…………………………………………….. 93
4-12- اطلاعات توصیفی ویژگی های افراد مورد مطالعه…………………………………………………………………….. 93
مربوط به سه سؤال اصلی پرسشنامه ………………………………………………………………….. T4-13- آزمون های 145
فصل پنجم: نتیجه گیری ، ارزیابی فرضیه ها و پیشنهادات……………………………………………………………………. 149
5-1- پاسخ پرسش های تحقیق……………………………………………………………………………………………………….. 151
5-2- نتایج……………………………………………………………………………………………………………………………………. 151
5-2-1- نتایج حاصل از مطالعات میدانی و اطلاعات توصیفی…………………………………………………………….. 151
5-3- فرضیه های تحقیق………………………………………………………………………………………………………………… 152
5-4- آزمون فرضیه ها……………………………………………………………………………………………………………………. 153
5-4-1- اثبات فرضیه اول………………………………………………………………………………………………………………. 153
5-4-2- اثبات فرضیه دوم………………………………………………………………………………………………………………. 153
5-5- راهکارها……………………………………………………………………………………………………………………………… 154
منابع و مأخذ…………………………………………………………………………………………………………………………………. 156
ضمائم……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 160
چکیده انگلیسی………………………………………………………………………………………………………………………………. 166
فهرست جداول
جدول 3-1: تقسیمات کشوری در محدوده استان 1389…………………………………………………………………………. 43
جدول 3-2: وضع جوی شهرستان تنکابن در سال 1351…………………………………………………………………………. 46
جدول 3-3: وضع جوی شهرستان تنکابن در سال 1354………………………………………………………………………….. 46
جدول 3-4: میزان درجه حرارت متوسط ماهیانه بر حسب سانتیگراد………………………………………………………… 47
جدول 3-5: نزولات جوی یا باران در ماه های سنوات مختلف به میلیمتر…………………………………………………… 48
جدول 3-6: مبزان کل بارندگی در سال های مختلف………………………………………………………………………………. 48
جدول 3-7: اوضاع جوی شهرستان تنکابن در سال های 51 و 54…………………………………………………………….. 49
جدول 3-8: نمودار تعداد روزهای بارندگی در منطقه تنکابن…………………………………………………………………. 50
جدول 3-9: سال های 59 تا 68 میانگین رطوبت نسبی در ایستگاه های منطقه تنکابن و رامسر……………………. 51
جدول 3-10: پوشش ابر در آسمان تنکابن…………………………………………………………………………………………….. 52
جدول 3-11: مسير دسترسي به تنكابن از راه جاده تهران – چالوس………………………………………………………….. 53
جدول 4-1: بررسی نقاط قوت در تحلیل سوات……………………………………………………………………………………… 86
جدول 4-2: بررسی نقاط ضعف در تحلیل سوات…………………………………………………………………………………… 87
جدول 4-3: بررسی فرصت ها در تحلیل سوات…………………………………………………………………………………….. 88
جدول 4-4: بررسی تهدید ها در تحلیل سوات………………………………………………………………………………………. 89
جدول 4-5: اولویت بندی نقاط قوت و ضعف در تحلیل سوات………………………………………………………………. 91
جدول 4-6: اولویت بندی فرصت ها و تهدیدها در تحلیل سوات…………………………………………………………….. 92
جدول 4-7 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب جنسیت……………………………………………………………………….. 93
جدول 4-8: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب سن……………………………………………………………………………….. 94
جدول4-9 : توزیع فراوانی افراد نمونه برحسب سطح تحصیلات………………………………………………………………. 95
جدول 4-10: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب دفعات سفر…………………………………………………………………. 96
جدول 4-11 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب مدت اقامت………………………………………………………………… 97
جدول 4-12: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب مکان اقامت………………………………………………………………….. 98
جدول 4-13 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نحوه اطلاع یابی گردشگران………………………………………….. 99
جدول 4-14: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب میزان تشویق دوستان به منطقه………………………………………… 100
جدول 4-15 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب تمایل سفر مجدد به منطقه…………………………………………… 101
جدول 4-16 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب استفاده از خدمات در منطقه………………………………………… 102
جدول 4-17: فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازدید از مناظر و راهپیمایی در اطراف رودخانه دوهزار…… 103
جدول 4-18: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش کوهنوردی در منطقه دوهزار………………………………. 104
جدول4-19: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش ماهی سراها در منطقه………………………………………….. 105
جدول 4-20: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش اماکن متبرکه در منطقه……………………………………….. 106
جدول 4-21: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازارهای محصولات زراعی در منطقه دوهزار……….. 107
جدول 4-22: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش استفاده از چشمه های آب در منطقه…………………….. 108
جدول 4-23: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازارهای محصولات دامی در منطقه…………………….. 109
جدول 4-24: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش ماهی گیری و شکار تفریحی در منطقه…………………. 110
جدول 4-25: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازدید ازبافت قدیمی روستا در منطقه………………….. 111
جدول 4-26: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش قایق رانی در منطقه…………………………………………. 112
جدول 4-27: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش تورهای علمی در منطقه…………………………………………. 113
جدول 4-28: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش برگذاری کمپ ها در طبیعت منطقه دوهزار……………… 114
جدول4-29: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش اسب سواری در منطقه……………………………………………. 115
جدول 4-30: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش دوچرخه و موتورسواری در منطقه………………………….. 116
جدول 4-31: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش اسکی روی برف در منطقه دوهزار…………………………. 117
جدول 4-32: فراوانی نمونه بر حسب نقش بازدید گردشگران از فعالیت کشاورزان و دامداران……………………… 118
جدول 4-33: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش شرکت در جشن ها در منطقه دوهزار………………………. 119
جدول 4-34: فراوانی نمونه بر حسب نقش نا کافی بودن خدمات اطلاع رسانی و تبلیغات گردشگری درمنطقه. 120
جدول 4-35: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش شرکت در جشن ها در منطقه دوهزار………………………. 121
جدول 4-36: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش عدم تمایل مردم و بخش خصوصی در سرمایه گذاری.. 122
جدول4-37: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش نا کافی بودن تنوع غذایی رستوران های منطقه…………… 123
جدول4-38: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش نا مناسب بودن زیرساخت ها در منطقه……………………… 124
جدول4-39: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش عدم وجود پارکینگ مناسب خودرو ……………………….. 125
جدول4-40: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش عدم توجه به زیباسازی در منطقه…………………………. 126
جدول 4-41: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش کمبود تسهیلات بهداشتی و خدماتی……………………….. 127
جدول 4-42: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش کمبود تسهیلات اقامتی در منطقه…………………………….. 128
جدول 4-43: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش کمبود تسهیلات رفاهی در منطقه…………………………….. 129
جدول4-44: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش عدم آشنایی گردشگران با مزایا……………………………….. 130
جدول 4-45: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش تعارض فرهنگی گردشگران و بومیان……………………… 131
جدول 4-46: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش توزیع نا مناسب گردشگران……………………………………. 132
جدول4-47: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش کم توجهی دولت به گردشگری……………………………. 133
جدول 4-48: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش وجود رودخانه پر آب دوهزار………………………………… 134
جدول4-49 توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش چشم انداز طبیعی در منطقه دوهزار……………………….. 135
جدول 4-50: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش نزدیکی منطقه دوهزار به شهر……………………………… 136
جدول 4-51: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش وجود ارتفاعات و قلل مرتفع در منطقه…………………. 137
جدول 4-52:توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش وجود محیط آرام و بدون آلودگی………………………… 138
جدول 4-53: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش وجود آداب و رسوم غنی در منطقه……………………… 139
جدول 4-54: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش وجود منابع انسانی جویای کار……………………………. 140
جدول 4-55: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش برخورد دوستانه مردم بومی با گردشگران…………….. 141
جدول4-56 : مشخصه های آماری پاسخ افراد نمونه در خرده مقیاس پتانسیل و استعدادهای گردشگری………. 142
جدول 4-57 : مشخصه های آماری پاسخ افراد نمونه به خرده مقیاس موانع و ضعف های گردشگری………….. 143
جدول 4-58: مشخصه های آماری پاسخ افراد نمونه به خرده مقیاس فرصت و قوتهای گردشگری………………. 144
جدول 4-59 : مشخصه های آماری افراد نمونه برحسب نقش و استفاده از استعداد های گردشگری منطقه…….. 145
برای مقایسه نقش استعدادهای گردشگری………………………………………………………T جدول 4-60: نتایج آزمون 145
جدول 4-61 : مشخصه های آماری افراد نمونه برحسب نقش ضعف های گردشگری…………………………………. 146
برای مقایسه نقش ضعف های گردشگری……………………………………………………….Tجدول 4-62: نتایج آزمون 146
جدول 4-63 : مشخصه های آماری افراد نمونه برحسب نقش قوت های گردشگری…………………………………… 147
برای مقایسه نقش قوت های گردشگری………………………………………………………..T جدول 4-64: نتایج آزمون 147
فهرست نمودارها
نمودار4-1: توزیع افراد نمونه بر حسب جنسیت………………………………………………………………………………………… 94
نمودار4-2: توزیع افراد نمونه بر حسب سن………………………………………………………………………………………………. 95
نمودار 4-3 : توزیع افراد نمونه بر حسب مدرک تحصیلی…………………………………………………………………………… 96
نمودار 4-4 : توزیع فراوانی نمونه برحسب دفعات سفر به منطقه دوهزار………………………………………………………. 97
نمودار 4-5 : توزیع فراوانی نمونه برحسب مدت اقامت درمنطقه دوهزار………………………………………………………. 98
نمودار 4-6: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب مکان اقامت در منطقه دوهزار تنکابن……………………………………. 99
نمودار 4-7 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نحوه اطلاع یابی گردشگران………………………………………………. 100
نمودار 4-8 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب میزان تشویق دوستان به منطقه……………………………………………. 101
نمودار 4-9 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب تمایل سفر مجدد گردشگران……………………………………………… 102
نمودار 4-10 : : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب استفاده از خدمات در منطقه دوهزار……………………………….. 103
نمودار 4-11 : توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازدید از مناظر و راهپیمایی در اطراف رودخانه………. 104
نمودار 4-12 : توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش کوهنوردی در منطقه دوهزار…………………………………. 105
نمودار 4-13 : توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش ماهی سراها در منطقه دوهزار……………………………….. 106
نمودار 4-14: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش اماکن متبرکه در منطقه دوهزار……………………………….. 107
نمودار 4-15: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازار های محصولات زراعی………………………………….. 108
نمودار 4-16: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش چشمه های آب در منطقه دوهزار…………………………… 109
نمودار 4-17: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازارهای محصولات دامی در منطقه دوهزار…………….. 110
نمودار 4-18: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش ماهی گیری و شکار در منطقه………………………………… 111
نمودار 4-19: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش بازدید از بافت قدیمی روستا منطقه………………………… 112
نمودار 4-20: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش قایق رانی در منطقه دوهزار……………………………………….. 113
نمودار 4-21: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش تورهای علمی در منطقه دوهزار………………………………… 114
نمودار 4-22: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش برگذاری کمپ ها در طبیعت منطقه دوهزار ……………….. 115
نمودار 4-23: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش اسب سواری در منطقه دوهزار…………………………………… 116
نمودار 4-24: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش دوچرخه و موتور سواری در منطقه……………………………. 117
نمودار 4-25: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش اسکی روی برف در منطقه دوهزار…………………………….. 118
نمودار 4-26: فراوانی نمونه بر حسب نقش بازدید گردشگران از فعالیت کشاورزان و دامداران………………………… 119
نمودار 4-27: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش شرکت در جشن ها در منطقه……………………………………. 120
نمودار 4-28 : فراوانی نمونه بر حسب نقش نا کافی بودن خدمات اطلاع رسانی گردشگری درمنطقه……………….. 121
نمودار 4-29: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش شرکت در جشن ها در منطقه……………………………………. 122
نمودار 4-30: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش عدم تمایل مردم و بخش خصوصی در سرمایه گذاری. 122
نمودار 4-31:توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش ناکافی بودن تنوع غذایی رستورانهای منطقه………………. 123
نمودار 4-32: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش نا مناسب بودن زیرساخت ها…………………………………….. 124
نمودار 4-33: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش عدم وجود پارکینگ مناسب خودرو……………………….. 125
نمودار 4-34: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش عدم توجه به زیباسازی در منطقه……………………………. 126
نمودار 4-35: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش کمبود تسهیلات بهداشتی و خدماتی…………………………… 127
نمودار 4-36: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش کمبود تسهیلات اقامتی در منطقه……………………………….. 128
نمودار 4-37: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش کمبود تسهیلات رفاهی در منطقه……………………………….. 129
نمودار 4-38: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش عدم آشنایی گردشگران با مزایا………………………………….. 130
نمودار 4-39: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش تعارض فرهنگی گردشگران و بومیان…………………………. 131
نمودار 4-40: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش توزیع نا مناسب گردشگران……………………………………….. 132
نمودار 4-41: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش کم توجهی دولت به گردشگری……………………………… 133
نمودار 4-42 : توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش وجود رودخانه پر آب دوهزار………………………………….. 134
نمودار 4-43: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش چشم انداز طبیعی…………………………………………………. 135
نمودار 4-44: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش نزدیکی منطقه دوهزار به شهر………………………………… 136
نمودار 4-45: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش وجود ارتفاعات و قلل مرتفع…………………………………. 137
نمودار 4-46: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش عدم وجود محیط آرام و بدون آلودگی……………………. 138
نمودار 4-47: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش وجود آداب و رسوم غنی………………………………………. 139
نمودار 4-48: توزیع فراوانی افراد نمونه را بر حسب نقش وجود منابع انسانی جویای کار………………………………. 140
نمودار 4-49: توزیع فراوانی افراد نمونه بر حسب نقش برخورد دوستانه مردم بومی با گردشگران…………………… 141
فهرست نقشه ها
نقشه3-1: نقشه ماهواره ای تنکابن……………………………………………………………………………………………………………. 39
نقشه 3-2: موقعیت تنکابن در استان و کشور ……………………………………………………………………………………………. 40
نقشه 3-3:تقسیمات کشوری شهرستان تنکابن در سال 1389……………………………………………………………………….. 43
نقشه 3-4: دوراهی لتاک تا گلعلی آباد………………………………………………………………………………………………………. 59
نقشه 3-5: پارک چالدره به سرجیپشت……………………………………………………………………………………………………… 60
نقشه 3-6: کلیشم به هالوکله……………………………………………………………………………………………………………………. 61
نقشه 3-7: هلوکله به دریاسر…………………………………………………………………………………………………………………… 62
فهرست تصاویر
تصویر 3-1: رودخانه چشمه کیله………………………………………………………………………………………………………. 54
تصویر 3-2: اوضاع اقتصادی تنکابن…………………………………………………………………………………………………… 55
تصویر 3-3: دشت دریاسر……………………………………………………………………………………………………………….. 58
تصویر 3-4: دوراهی لتاک………………………………………………………………………………………………………………… 58
تصویر 3-5: قلعه اکر که اکنون چیزی از آن باقی نمانده است……………………………………………………………….. 63
تصویر 3-6: تپه اکر………………………………………………………………………………………………………………………….. 64
تصویر 3-7: تپه اکر………………………………………………………………………………………………………………………….. 64
تصویر 3-8: نمای بیرونی حمام امیر اسعد…………………………………………………………………………………………… 65
تصویر 3-9: نمای داخلی حمام امیر اسعد………………………………………………………………………………………….. 66
تصویر 3-10: نمای بیرونی مسجد امیر اسعد……………………………………………………………………………………….. 67
تصویر 3-11: نمای داخلی مسجد امیر اسعد……………………………………………………………………………………….. 67
تصویر 3-12: امامزاده عون……………………………………………………………………………………………………………….. 68
تصویر 3-13:روستای پایین اشتوج…………………………………………………………………………………………………….. 68
تصویر 3-14: پارک چالدره………………………………………………………………………………………………………………. 69
تصویر 3-15: رودخانه دوهزار…………………………………………………………………………………………………………… 70
شکل 3-16: کوه سیالان……………………………………………………………………………………………………………………. 71
تصویر 3-17: دشت دریاسر………………………………………………………………………………………………………………. 73
تصویر 3-18: تپه دریاسر………………………………………………………………………………………………………………….. 73
تصویر 3-19: آبشار سردابه………………………………………………………………………………………………………………. 74
تصویر 3-20: رستوران کاکوی جنگل………………………………………………………………………………………………… 75
تصویر 3-21: تور هندی در رستوران کاکوی جنگل…………………………………………………………………………….. 76
تصویر 3-22: رستوران هام هام…………………………………………………………………………………………………………. 76
تصویر3-23: رستوران نگین سبز……………………………………………………………………………………………………….. 77
تصویر3-24: ماهی سرا شاهمنصوری…………………………………………………………………………………………………. 78
تصویر3-24: هتل سیالان………………………………………………………………………………………………………………….. 78
تصویر3-25: مکان تخلیه زباله پرده سر………………………………………………………………………………………………. 79
چکیده
تبلور یافتن گردشگری به عنوان یک نیاز، تبدیل شدن آن به بزرگترین صنعت خدماتی دنیا و تخصصی شدن گردشگری این فرصت را فراهم کرده تا هر مقصدی جهت بهره جستن از منافع حاصل از گردشگری امیدوار باشد . اما مسلمأ این کار بدون شناسایی عوامل تأثیرگذار،برنامه ریزی و مدیریت استراتژیک امکان پذیر نخواهد بود. هدف کلی تحقیق حاضر ، ارائه راهکارهای توسعه توریسم در حوزه آبخیز رود دوهزار تنکابن می باشد.این منطقه که یکی از مقاصد مهم گردشگری کشور می باشد، می تواند با برنامه ریزی اصولی و شناسایی توان ها و محدودیت های گردشگری آن،نقش مؤثری در توسعه این مناطق و تنوع بخشی به اقتصاد ملی داشته باشد. در پژوهش حاضر ، از روش توصیفی و پیمایشی استفاده شده است که ابتدا با فهرست کردن عوامل خارجی و داخلی (SWOT) تأثیر گذار در توسعه یا عدم توسعه گردشگری با استفاده از تحلیل ارزیابی قابلیت های توسعه گردشگری دوهزار تنکابن پرداخته شد و در ادامه با نظرسنجی پرسشنامه ای از گردشگران و متخصصان و سپس با اولویت بندی عوامل مذکور ، استراتژیها و راهکارهایی درخور جهت بهبود شرایط منطقه ارائه گردید. براساس نتایج بدست آمده از تحقیق وجود رودخانه دوهزار بیشترین نقش را در توسعه گردشگری منطقه داشته و با عنایت به اینکه کم توجهی دولت به زیر ساخت ها عمده ترین ضعف صنعت توریسم در منطقه می باشد ، لذا دولت می بایست با اختصاص بودجه جهت بهبود زیر ساخت ها و همچنین ایجاد بسته های تشویقی به منظور جذب سرمایه گذاران برای ایجاد پارک های تفریحی، مراکز ورزش های آبی ، احداث هتل ها ،رستوران ها و …. بپردازد.
لغات کلیدی:توریسم، حوزه آبخیز، رودخانه دوهزار،شهرستان تنکابن
مقدمه
با توجه به گسترش بیش از اندازه شهرها و افزایش مشکلات ناشی از شهر نشینی و همچنین خالی شدن و سرازیر شدن جمعیت روستاها به شهرها ، جایی که انسان با محدودیت های بسیاری در زمینه بهره مندی از امکانات و مواهب طبیعی از قبیل چشم انداز های طبیعی مواجه است. انسان های خسته از زندگی شهری و ماشینی همواره به دنبال گریزگاه هایی هستند که دور از هیاهو و روزمرگی های زندگی مدرن، اوقات فراغتشان را سپری کنند وطبیعت بهترین پناهگاه برای این قشر از انسان ها است.گردشگری در سال های اخیر تأثیرات زیادی بر وضعیت اقتصادی،اجتماعی و فرهنگی جهان داشته است و به عنوان صنعت پیشرو در توسعه اقتصادی کشور ها مطرح می باشد.
اثرات فراوان مثبت اقتصادی گردشگری و به خصوص نفش اشتغال زایی این صنعت،توجه استراتژیست ها و دولتمردان کشور های مختلف را به برنامه ریزی جهت توسعه زیرساخت ها و سرمایه گذاری در این بخش جلب نموده است (میمند و همکاران،7،1390).
گردشگری برای کشورهای دارای جاذبه های غنی جهانگردی نظیر ایران می تواند به مهمترین منبع کسب درآمد ارزی تبدیل شود.اما برای شکل گیری صنعت گردشگری در ایران، راهی دراز و دشوار در پیش روی مسئولان و مدیران وجود دارد.بررسی عملی و تخصصی نقاط قوت ، ضعف ،فرصت ها و تهدیدهای گردشگری می تواند زمینه های توسعه و پیشرفت آن را بیش از پیش فراهم کند.
گردشگری در مناطق شمالی کشور ( به ویژه گیلان و مازندران) ،بیشتر مرهون طبیعت (جنگل،کوه،دریا،اقلیم معتدل و …) آن بوده است تا مدیریت و برنامه ریزی مسئولان امر.در این میان ” اکوتوریسم “یا “بوم گردی” به عنوان یکی از زیرشاخه های گردشگری ، طی سال های اخیر اهمیت شایان توجهی یافته است . اکوتوریسم نه تنها با آگاهی و درک گردشگر همراه است ، بلکه به توسعه پایدار وحفاظت ازمحیط زیست نیز پایبند می باشد.
استان مازندران نیز به لحاظ دارا بودن موقعیت مکانی از پتانسیل های قوی اکوتوریسمی برخوردار است. علی رغم چندین دهه پذیرش گردشگران در استان مازندران، شیوه های پاسخگویی به تقاضا و نیاز های آنان همچنان سنتی و غیر تخصصی باقی مانده است. اگرچه در دو دهه اخیر سرمایه گذاری های هنگفتی در زمینه ایجاد هتل ها و رستوران ها صورت گرفته است اما مهم قابل توجهی از گردشگران همچنان از امکانات غیراستاندارد و خدمات نا کارآمد برخوردار می گردند.
در مناطقی که پتانسیل های با القوه فراوانی برای توسعه گردشگری دارند،اما روند مطلوبی را طی ننموده اند ، باید به دنبال عوامل و عناصری گشت که سبب سرعت بخشیدن به حرکت کند جریان گردشگری هستند (توکلی و همکاران، 73،1389)، به همین دلیل توجه به بهره برداری از توان های گردشگری در هر منطقه به منظور ارائه راهکار هایی جهت توسعه گردشگری ، بسیار با اهمیت است.
لذا منطقه دوهزارخصوصآ حاشیه رودخانه دوهزار ، با داشتن جاذبه های غنی ، یکی از قطب های گردشگری استان مازندران و از کانون های مهم در زمینه گردشگری محسوب می شود و نقش مهمی در توسعه اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی منطقه ایفا می کند، اما هنوز از نظر امکانات اقامتی ، تسهیلات ، پذیرایی و تاسیسات ، از وضعیت مطلوبی که برازنده آن است برخوردار نمی باشد .
فصل اول
کلیات تحقیق
بیان مسأله
صنعت گردشگری امروزه بعد از صنعت نفت و اتومبیل سازی در ردیف سومین صنعت پردرآمد، پاک و کم هزینه دنیا قرار دارد(غفاری ،1386) و از هر15 نفر شاغل در سطح دنیا ، یک نفر در این بخش فعال می باشد و نقش مهمی را در اشتغالزایی و درآمدزایی کشور ها ایفا می کند.طبق آمار منتشر شده از سوی انجمن جهانی مسافرت و توریسم ، تعداد شاغلان در این صنعت در سال 2010 تعداد 235،785،000 (یعنی 8،1% کل مشاغل جهان) بوده است. انتظار می رود در سال 2020 به 303،019،000 (یعنی 9،2% کل مشاغل جهان) برسد (میمند و همکاران،11،1390 ). از آنجا که این صنعت به سرمایه گذاری سنگین اولیه نیاز ندارد، بنابر این با توجه بیشتر به آن می توان چرخ اقتصادی کشور را به خوبی به گردش درآورد. چه اینکه از لحاظ اقتصادی ، سبب ایجاد اشتغال ، کاهش بیکاری و افزایش درآمد می شود. به طوری که در سال 2000 از 12 شغل در جریان ،یک شغل متعلق به بخش گردشگری بوده و از هر 9 کارگر و کارمند در سراسر دنیا ، یک نفر در صنعت جهانگردی مشغول است (سازمان بین المللی کار، 2001).ایران به عنوان کشوری که از یک سو دارای پتانسیل ها و توانمندی های فراوان در عرصه شاخه های گوناگون گردشگری است، و از سوی دیگر کشوری است دارای جمعیت جوان که نرخ بیکاری نسبتأ بالایی دارد، می تواند با برنامه ریزی درست در حوزه گردشگری ، بر معضل بیکاری خود فائق آید. متأسفانه تا کنون شاهد بهره مندی کشورمان از این موقعیت نبوده ایم.
با وجودی که ایران از لحاظ منابع تاریخی ، فرهنگی و طبیعی جزء 10 کشور اول دنیا است، اما تنها کمتر از 1 درصد سهم درآمد جهانی از صنعت را به خود اختصاص داده است (سازمان جهانی گردشگری). پس از گذشت سالیان دراز ، صنعت گردشگری در ایران ، نه تنها به سهم قابل قبولی در درآمد ملی دست نیافته است، بلکه همین سهم ناچیز هم هر سال با افول بیشتری مواجه می شود.
استفاده از مدیران غیر متخصص ،ساختار های فراقانونی قدرت، اولویت حفظ ارزش های دینی در دید مدیران دولتی و عدم سرمایه گذاری مدیران بخش های کلان در صنعت گردشگری، از جمله عوامل ضعف مدیریتی در این صنعت می باشند که به آنها باید رسیدگی نمود.
شیوه های مدیریت گردشگری در ایران نشان داده است که اولویت های این صنعت در ایران ، نه اقتصادی است و نه اجتماعی، بلکه اولویت اصلی حفظ ارزش ها( حجاب و …) است و بر خلاف اکثر کشور های جهان، برای ایجاد راحتی و جذابیت برای گردشگران نیست .همچنین برای توسعه گردشگری در ایران ،نیاز به سرمایه گذاری های مدیران بخش های کلان می باشد که در اکثر مواقع آنها نیز از سرمایه گذاری های لازم سر باز می زنند، زیرا به صنعت گردشگری به مثابه یک صنعت نگاه نکرده اند.
کشور های در حال توسعه از جمله ایران ، که وابستگی زیادی به اقتصاد تک محصولی دارند و از تغییر قیمت کالاها به شدت آسیب می بینند، می توانند گردشگری را برای تنوع بخشی به اقتصاد و به عنوان شکل مطلوب از دگرگون سازی بر گزینند(لی،1378،70).
منطقه دوهزار تنکابن ، به لحاظ موقعیت مکانی و جغرافیایی آن ، به خصوص وجود رود پرآب و زیبای دوهزار در این منطقه ، از پتانسیل های قوی به خصوص اکوتوریسمی برخوردار است که از گذشته تا به امروز پذیرای گردشگران زیادی از سراسر نقاط بوده است . اگرچه در دو دهه اخیر سرمایه گذاری های هنگفتی در زمینه ایجاد هتل ها ، رستوران ها و انواع ماهی سراها در این منطقه صورت گرفته است، اما مهم قابل توجهی از گردشگران همچنان با امکانات غیر استاندارد و خدمات نا کارآمد مواجه اند و به شیوه های سنتی و غیر تخصصی پاسخگوی نیاز آنان در این منطقه می باشند. در واقع هنوز تناسبی میان تقاضای گردشگران و عرضه خدمات گردشگری، در این منطقه وجود ندارد. استفاده از مدیران غیر متخصص ، نه تنها مشکل صنعت گردشگری در منطقه دوهزار ، بلکه مشکل عمده اما معمول در سایر مناطق گردشگری و بخش های مدیریتی در ایران است که باید برای آن چاره ای اندیشید.
بر این اساس پروژه حاضر در پی پاسخگویی به این سؤال می باشد ، که چگونه می توان باعث توسعه گردشگری در منطقه دوهزار تنکابن و حوزه آبخیز رود دوهزار گشت.
1-2- سؤال تحقیق
این تحقیق در صدد پاسخگویی به سؤالات اساسی زیر می باشد :
– آیا با افزایش امکانات رفاهی و سکونتی و بخش خدمات، می توان منطقه مورد مطالعه را به صورت قطب گردشگری در آورد واشتغال زایی را رونق داد؟
– راهکار های مناسب جهت توسعه گردشگری در منطقه مورد مطالعه کدام است؟
1-3- فرضیات تحقیق
فرضیه های پژوهش حاضر عبارتند از:
– افزایش امکانات رفاهی باعث جذب بیشتر گردشگران در اطراف رودخانه دوهزار می شود .
– توانمندی ها وپتانسیل های بالای منطقه دوهزار می تواند این منطقه را، به یکی از بزرگترین کانون های جذب گردشگری در ایران تبدیل نماید.
1-4- ضرورت و اهمیت تحقیق
تنوع بخشی به اقتصاد،بالا بردن شاخص های توسعه انسانی، مشکلات ناشی از صنعتی شدن و آلودگی بیش از استاندارد شهرها به ویژه شهرهای بزرگ ، افزایش بهره وری و کارآمدی نیروی انسانی،اشتغال زایی ، تعامل فرهنگ ها و حفظ محیط زیست و در مجموع توسعه پایدار از دغدغه هایی است که جهان امروز با آن روبروست و هر یک از کشورها در هر سطحی از توسعه در تلاش هستند که پاسج لازم به دغدغه های مذکور را بیابند و در این میان کشورهایی که به تنوع اقتصادی روی آورده اند و می خواهند خود را از اقتصاد تک پایه ای برهانند در جستجوی شناخت مزیت ها و یا خلق مزیت های جدید هستند. یکی از این مؤلفه ها ،گردشگری و اکوتوریسم می باشد که اغلب کشورها به ویژه کشورهایی که به لحاظ موقعیت مکانی از این مزیت برخوردار هستند، آن را در برنامه های توسعه ملی خود گنجانده اند تا از این طریق بتوانند فرآیند توسعه ملی خود را تکامل بخشند.(افتخاری،صالحی امین،1،1378) صنعت گردشگری در ایران از ظرفیت‌های بسیار بالایی برای رشد و توسعه برخوردار است ولی متآسفانه طی سال های اخیر توجه چندانی به آن نشده واز توسعه‌ای که شایسته آن می باشد برخوردار نبوده‌است .و این امرسبب شده است تا بسیاری از معضلات اقتصادی-اجتماعی کشورکه می تواند با توسعه گردشگری مرتفع گردد، همچنان پابرجا بماند.لـذا ضروری است ضمن برشمردن چالش های اساسی مرتبت براین صنعت، به بررسی راهکار های توسعه ی صنعت گردشگری در ایران پرداخته شود.
پر واضح است که هر منطقه ای با توجه به ظرفیت ها و توان های خود زمینه ای برای سرمایه گذاری در جهت توسعه اقتصادی را دارا می باشد.منطقه سرسبز و زیبای دو هزار در ضلع شمالی ارتفاعات البرز و در جنوب شهر تنکابن، به علت شرایط طبیعی و اقلیمی ویژه، مجموعه زیستی و طبیعی کم‏نظیری است که قله‏ها، چمنزارها، جنگل‏ها، مرتع‏ها و یخچال‏های طبیعی را در خود جای داده است.رودخانه دو هزار، که از ارتفاعات الموت قزوین و تخت سلیمان سرچشمه می‏گیرد،در این منطقه واقع شده است و در فصل تابستان محل مناسبی برای گذراندن اوقات فراغت گردشگران محسوب می‏شود.به نظر می رسد برنامه ریزی برای قابلیت های منطقه ی مذکور در راستای بهره برداری های گردشگری به خصوص گردشگری رودخانه ای ، بسیار با اهمیت است.
برنامه ریزی ،سرمایه گذاری وتوجه بیش از پیش به توسعه فعالیت گردشگری در این منطقه می تواند زمینه ی رسیدن به اشتغال کامل و توانمندسازی مردم محلی، تنوع اقتصاد محلی،حفاظت از محیط طبیعی و اکوسیستم حساس رودخانه را در پی داشته لذا ضروری است توان های منطقه ی مورد مطالعه در زمینه بهره برداری های گردشگری مورد بررسی قرار گرفته و به بررسی راهکار های توسعه توریسم در منطقه ی مذکور پرداخته شود.
1-5- انگیزه تحقیق
منطقه سرسبز و زیبای دوهزار ، همچنین رودخانه دوهزار و حاشیه آن، از توان های گردشگری بسیار بالایی برخوردار است و سالانه پذیرای گردشگران بسیاری از سراسر نقاط می باشد با توجه به اینکه طی سال های اخیر سرمایه گذاری های هنگفتی درزمینه ایجاد هتل ها، رستوران ها وانواع مجتمع های گردشگری صورت گرفته است ،لذا مردم بومی- محلی بهره چندانی از این فعالیت روبه گسترش نبرده اند . فقدان آموزش های تخصصی گردشگری و همچنین نبود نیروی انسانی متخصص که بتوانند به خوبی جوابگوی گردشگران به منطقه باشند ، موجب گردیده است که بهره گیری و استفاده از امکانات و تجهیزات نا کارآمد گردد . به کار گرفتن شیوه های نوین در جذب گردشگران و بوم گردان، می تواند این صنعت را از نابسامانی موجود رهایی بخشد و زمینه های توسعه ی پایدار را فراهم سازد همچنین منطقه را به یک قطب گردشگری هم برای کشور ایران و هم برای گردشگران خارجی فراهم نماید.

1-6- اهداف تحقیق
– جلب توجه مسئولان برای افزایش تسهیلات و بهبود هرچه بیشتر زیر ساخت ها برای توسعه گردشگری منطقه مورد تحقیق .
– شناسایی مناطق مستعد گردشگری اطراف رود دوهزار و توانایی آنها در جذب توریست .
– جذب بیشتر گردشگران در نتیجه فرهنگ سازی و آشنا نمودن جامعه میزبان با فوائد توسعه گردشگری در منطقه مورد تحقیق .
– شناخت و ارزیابی ارتباط بین نقش گردشگری و میزان درآمد ساکنان نقاط مورد مطالعه .
– شناخت و ارزیابی ارتباط بین نقش گردشگری و ایجاد فرصت های شغلی برای ساکنان منطقه مورد مطالعه.
1-7- محدوده مورد مطالعه
شهر تنکابن ،یکی از شهر های استان مازندران می باشد که بین حداقل 36 درجه و 17 دقیقه و  حداکثر 36 درجه 53 دقیقه عرض شمالی و حداقل 50 درجه و 31دقیقه و حداکثر 54 درجه و 10 دقیقه طول شرقی قرار دارد که ازطرف شمال به دریای خزر و از طرف شرق به شهرستان چالوس از جنوب به شهرستان تهران و قزوین واز غرب به شهرستان رامسر متصل می باشد ( سالنامه آماری مازندران – سال86 – ص 7 و9) . دوهزار نام یک منطقه ی توریستی از توابع بخش خرم آباد شهرستان تنکابن درشمال ایران و مشتمل بر31 روستا با وسعت5 / 268 کیلومتر می باشد . آب و هوای آن معتدل کوهستانی با تابستان‏های مطبوع و زمستان‏های نسبتاً سرد است. محدوده مورد مطالعه از منطقه دوهزار تنکابن ، دوراهی لتاک تا دریاسر (25 کیلومتر) در حاشیه رود دوهزار می باشد که 17 روستا را در بر می گیرد که عبارتند از:
لتاک، گاوپل ، پرچین پشته ، درازلات ، گلیج پل ، پرده سر ، چالدروه ، خرماکله ، توبن ، پایین اشتاج ، بالااشتاج ، کلیشم ، پایین هلوکله ، بالا هلوکله ، پایین نرس ، بالا نرس و عسل محله
که هر یک دارای جاذبه ها و زیبایی های منحصربه فرد می باشد.
1-8- موانع و محدودیت ها
انجام این گونه مطالعات و تحقیقات به ویژه اگر در سطح روستاها باشد ، با محدودیت های خاصی همراه است. از مهمترین محدودیت های این تحقیق می توان به موارد زیر اشاره نمود.
– شرایط نا مساعد جوی در فصل زمستان و اوایل بهار و تغییر ناگهانی اوضاع جوی این منطقه در این فصول به هنگام بازدید و جمع آوری اطلاعات از بسیاری از روستاهای واقع در منطقه دوهزار.
– عدم تمایل تعدادی از افراد منتخب اعم از روستاییان و گردشگران و حتی بعضی از سرمایه گذاران در گردشگری جهت پاسخگویی به پرسش ها.
– عدم تمایل تعدادی از مؤسسات جهت راهنمایی و یاری رساندن به انجام پژوهش ها.
– عدم وجود یا کمبود آمار و اطلاعات دقیق در مورد تعداد گردشگران بازدیدکننده از منطقه.
– محدودیت زمانی انجام این تحقیق.
1- 9- پیشینه تحقیق
تحقیقات داخلی:
1- محمدی ، (1384)، نقش گردشگری در توسعه روستایی (مطالعه موردی : دهستان زریبار شهرستان مریوان) ، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران. روش این تحقیق پیمایشی و ابزار آن پرسشنامه است. نمونه مورد نظر شامل سه گروه مردم (156 نفر) ، گردشگران(170 نفر) و مسئولین (40 نفر) می شود . از اهداف این تحقیق بررسی اثرات و پیامد های گردشگری بر محیط زیست و شرایط اقتصادی منطقه است. در بخش نظری اطلاعاتی از وضعیت اقلیم، جمعیت ، صنایع دستی، ویژگی های طبیعی ، آثار باستانی و … ارائه شده است. در بخش آماری پس از توصیف متغیر های مستقل تحقیق ( سن ، جنس ، تحصیلات و …) جداول مرتبط با اهداف تحقیق ذکر شده است. بر اساس نتایج 27% روستائیان نقش گردشگری را در تغییر شیوه زندگی روستایی زیاد می دانند. 68% نقش گردشگری را در تغییر الگوی مصرف کم می دانند. 15% تأثیر گردشگری را در تقویط روابط اجتماعی مردم، خیلی زیاد ارزیابی کرده اند، 61% تغییر در شیوه رفتار مردم را زیاد می دانند، 15% نیز معتقدند که گردشگری توسعه اقتصادی اجتماعی روستا ها را به دنبال داشته است .
2- سنایی ، (1386) ، عملکرد و نقش گردشگری در توسعه پایدار نواحی روستایی ( مطالعه: دهستان مرکزی کلاردشت )، پایان نامه دکتری ، دانشگاه تهران.
این پژوهش نیز با هدف اندازه گیری اثر گردشگری بر اوضاع اقتصادی ، اجتماعی ، فرهنگی و زیست محیطی منطقه کلاردشت انجام شده است . روش تحقیق پیمایشی ، همچنین استفاده از آمارهای موجود سازمان ها در ارتباط با منطقه است. جامعه آماری مردم محلی (338 نفر) ،گردشگران (310 نفر) و مسئولین (60 نفر ) می باشد. این تحقیق ابتدا توصیف مفصلی از وضعیت جمعیتی، طبیعی و آب و هوا ، تاریخی و …ارائه، سپس به نتایج حاصل از پرسشنامه می پردازد. از اثرات اقتصادی گردشگری، ایجاد اشتغال مورد تأیید گروه مردم و مسئولین قرار گرفته است . پیشگیری از مهاجرت ، از نظر خانوار های محلی در حد زیاد و از نظر مسئولین در حد خیلی زیاد مورد تأیید قرار گرفته است. افزایش درآمد خانوارهای محلی از طریق اجاره ویلا و منزل و سرمایه گذاری در بخش ساختمان ، عرضه و فروش تولیدات روستایی توسط خانوار های محلی در حد زیاد و خیلی زیاد تأیید شده است. در زمینه بالا رفتن سطح رفاه خانوارهای محلی و مسئولین نگرش مثبت داشته اند. از پیامد های منفی گردشگران، الگوبرداری جوانان روستایی از گردشگران ، افزایش ناهنجاری های اجتماعی ، افزایش نگرانی های خانوارهای محلی ار رواج فرهنگ غریبه و تغییر آداب و سنن محلی همچنین تهدید انسجام و یکپارچگی خانوارهای محلی تأیید شده است.
3- زینلیا، (1386)، زمینه یابی توسعه گردشگری روستایی درشهرستان پاسارگاد،پایان نامه کارشناسی ارشد.
وی در این تحقیق به بررسی زمینه های توسعه گردشگری روستایی در شهرستان پاسارگاد پرداخته است و با استفاده از نتایج تحلیل عاملی نشان داده است که شش عامل ، زیرساخت های فیزیکی – رفاهی ،جاذبه های طبیعی روستایی، زمسنه های فرهنگی – حرفه ای ،زمینه های مشارکتی – نهادی ،زیر ساخت های فیزیکی – نهادی و زمینه های تاریخی – گردشگری ، حدود71% واریانس را تبیین می کنند. وی در این تحقیق همچنین ، به بررسی آثار مثبت و منفی گردشگری روستایی پداخته است.
4- پارسا بسیر ، (1386)،بررسی زمینه ها و راهکارهای توسعه گردشگری روستایی بخش طالقان از شهرستان ساوجبلاغ ،پایان نامه کارشناسی ارشد.
این تحقیق از نوع پیمایشی است . جامعه آماری آن شامل روستائیان ساکن در مناطق روستایی جاذب گردشگری بخش طالقان ، گردشگرانی که به این ناحیه سفر می کنند و مسئولان و کارشناسان سازمان های مرتبط می باشد که با روش کوکران و روش نمونه گیری تصادفی 120 نفر تعیین و برای کارشناسان و مسئولان سازمان های مربوطه 30 عدد پرسشنامه تکمیل گردید.جهت تجزیه و تحلیل داده ها از آمارهای استنباطی و توصیفی نظیر میانگین ، انحراف معیار ، ضریب تغییرات ، من وایتنی و تحلیل عاملی و همچنین از تحلیل سوات استفاده گردید و نتایج تحلیل عاملی اثرات مثبت گردشگری روستایی در منطقه نشان داد که سه عامل اثرات اجتماعی – فرهنگی، اثرات اقتصادی و اثرات زیر ساختی در مجموع 75% درصد واریانس را تبیین می کنند.
5- شکری ، (1383)، نقش گردشگری در توسعه پایدار روستایی اسکومحله شهرستان آمل .
وی در پایان نامه خود به بررسی اثرات و پی آمدهای اقتصادی و اجتماعی گردشگری روستایی پرداخته است. او در این تحقیق از روش های کتابخانه ای و میدانی به ویژه انجام مصاحبه و تکمیل پرسشنامه از گردشگران، مردم محلی و مسئولین استفاده نموده است. بررسی های انجام گرفته نشان می دهد که صنعت گردشگری تا به امروز در بخش اشتغالزایی 24% از شاغلین روستا را به فعالیت وا داشته و نوعی از تنوع شغلی را به ویژه در بخش خدمات ایجاد کرده است.
6- شورمیج ،قنبرزاده، (1391)،در مقاله ای تحت عنوان تحلیل عوامل مؤثر بر توسعه صنعت گردشگری شهرستان تنکابن با بهره گیری از رویکرد راهبردی ،پس از فهرست کردن عوامل داخلی و خارجی به ارزیابی استراتژیک قابلیت های توسعه تأثیرگذار در توسعه یا عدم توسعه گردشگری با استفاده از مدلswot گردشگری شهرستان تنکابن پرداخته اند و در ادامه با نظرسنجی پرسشنامه ای از متخصصان و کارشناسان امور شهری و گردشگران تنکابن، با اولویت بندی عوامل مذکور ، استراتژیهای درخور ارائه گردید و پس از تجزیه و تحلیل های صورت گرفته نشان داده شد که جهت تأکید بر توسعه گردشگری حوزه مطالعه شده ، استراتژی های تهاجمی باید در اولویت برنامه های توسعه گردشگری حوزه مذکور قرار گیرد.
7- حیدری، کوچکی، (1391) ، در مقاله ای تحت عنوان خانه های دوم و تغییر بافت مساکن روستایی، مطالعه موردی ؛ دهستان دوهزار تنکابن ، با استفاده از روش تحقیق توصیفی – تحلیلی با تأکید بر مطالعات کتابخانه ای و میدانی به این نتایج رسیدند که توسعه گردشگری در این منطقه تأثیر زیادی بر بافت مساکن روستایی داشته و ساخت مسکن با استفاده از الگوهای مدرن شهری و مصالح نوساز انجام گرفته است.
8- رضوانی، رمضان زاده،محمدپور،(1389) ، در مقاله ای تحت عنوان تحلیل اثرات اقتصادی – اجتماعی نواحی صنعتی در توسعه نواحی روستایی موردی ؛ ناحیه صنعتی سلیمان آباد تنکابن، با جمع آوری داده ها به روش میدانی و تجزبه و تحلیل پرسشنامه های توزیع شده ، نتایج حاصل بیانگر ارتقاء کلی شاخص های اقتصادی – اجتماعی روستائیان شاغل پس از ایجاد ناحیه صنعتی بوده و آثار مثبتی در زمینه های بیمه اجتماعی ، اشتغال و درآمد و مشارکت به همراه داشته است.
تحقیقات خارجی
(Johan Viljan& KHoladi tlabela) – ویلژوئن و تلابلا (2007) 9
در تحقیق تحت عنوان توسعه گردشگری روستایی در آفریقای جنوبی (گرایش ها و چالش ها )پس از بیان تعاریف گوناگون از گردشگری روستایی به معرفی فعالیت های کشورهای مختلف در زمینه گردشگری روستایی وبیان گرایش های توسعه گردشگری روستایی بین المللی پرداخته و پس ازآن به ارائه سیاست های ممکن در توسعه گردشگری روستایی در آفریقای جنوبی اقدام نموده اند. در قسمتی از این تحقیق به توصیف انواع مختلف گردشگری روستایی توسعه یافته در آفریقای جنوبی که سبب موفقیت این کشور در جلب گردشگر به نواحی روستایی شده اند ، پرداخته و هر یک را به اختصار توضیح داده اند . بنا به گفته این دو دانشمند ، انواع مختلف گردشگری روستایی توسعه یافته در آفریقای جنوبی شامل :
گردشگری مبتنی بر اجتماع ، اکوتوریسم، گردشگری فرهنگی ، گردشگری ماجراجویانه و کم خرج و در نهایت شکارهای مزرعه ای می باشد.
، (2012) Reihanian, Noor Zalina binti ,Tan van hin10-
. SWOT پارک ملی بوجاق؛ایران.عنوان مقاله: راهکارهای توسعه پایدار توریسم با استفاده از
)BNP) در این مقاله به بررسی فایده تغییر شرایط کنونی توریسم در پارک ملی بوجاق
(منطقه ای در شمال ایران به وسعت 3177 هکتار)برای ایجاد مدل پایدارگردشگری می پردازد .برای برنامه ریزی و استفاده از این مدل ، از ابزار مختلف مدیریتی و تصمیم گیری مانند مصاحبه ، تحقیقات پرسشنامه ای و تحلیل سوات استفاده شده است.
محققان در این مقاله بر این عقیده می باشند که این منطقه از پتانسیل های بالایی برای جذب گردشگر برخوردار است ولی متأسفانه زیرساخت آن و توسعه آن کافی نمی باشد زیرا دولت در این منطقه توجه کافی به صنعت گردشگری نداشته است و پارک ملی بوجاق به شکل فعالیت های عمده و ناپایدار گردشگری رها شده است و به نظر می رسد مسأله اصلی گردشگری در ایران ، عدم وجود مطالعات کامل برتوریسم پایدار می باشد.
، عنوان: ” تحقیق در زمینه راهکارهای توسعه گردشگری (2012)Xueming Zhang11-
)) براساس تحلیل سوات”. Suzhou))روستایی در
در این مقاله از روش تحلیل سوات برای ارزیابی جامع و نقاط مثبت و منفی ، فرصت ها وتحلیل ها درراه توسعه گردشگری روستایی در Suzhou استفاده شده است و هدف آن ارتقاء توسعه پایدار گردشگری روستایی در آن منطقه می باشد و معتقد است که گردشگری روستایی می تواند از منابع گردشگری در مناطق روستایی استفاده کند و به این شکل ساختار های صنعتی روستایی را تحلیل نماید و زنجیره صنعتی کشاورزی را توسعه دهد ، خدمات گردشگری روستایی را افزایش دهد ، اشتغال ورزی را جدا از کشاورزی تقویت کند و پایه اقتصادی بهتری برای ساختار روستایی جدید ایجاد نماید .
،در مقاله ای با عنوان ” اشتغال توریسم در طول تحول اقتصادی” (1997)Szivas Edith & Riley 12- به بررسی اشتغال در صنعت توریسم پرداخته اند و بر این عقیده اند که صنعت توریسم به عنوان پناهگاهی برای شاغلین سایر صنایع محسوب می شود و کارگران این بخش معمولأ از طیف وسیعی از صنایع دیگر آمده اند.
،با مقاله ای با عنوان ” توریسم و اشتغال در پارک آدیرون داک” (2002)Brkwn Tommy & Nancy13- ، به بررسی اثرات توریسم و فصلی شدن آن می پردازد. بر اساس داده های اولیه بدست آمده از این پارک می توان به برآورد های منطقی از اشتغال مربوط به توریسم و فصلی شدن آنها پرداخت.
1-10- بهره وران تحقیق
سازمان میراث فرهنگی و گردشگری استان مازندران- استانداری استان مازندران – سازمان تأمین اجتماعی
به علت پیدایش شغل های جدید: جهاد سازندگی – اداره منابع طبیعی
1-11- روش تحقیق
روش گرد آوری اطلاعات بر اساس مشاهدات ميداني – استفاده از نقشه – پرسشنامه – اسناد و مدارك و تحليل آماري و روش كار در تحقيق بصورت توصيفي و تحليلي با اهداف كاربردي بر مبناي مشاهدات ميداني و روش ومدل سوات (spss) تجزیه و تحلیل اطلاعات با استفاده از .(swot)
1-12- تعاریف عملیاتی
1-12-1- توسعه
بهبود رشد و گسترش همه شرایط و جنبه های مادی و معنوی زندگی اجتماعی- فرآیند بهبود بخشیدن به کیفیت زندگی افراد جامعه( آقا بخشی، افشاری آزاد،1383؛179)
1-12-2- گردشگری (توریسم)
گردشگری عبارت است از فعالیت های افرادی که برای استراحت ، کار و دیگر دلایل به خارج از محیط سکونت معمول خویش سفر کرده و حداکثر برای یک سال متوالی در آنجا اقامت می کنند.
1-12-3- حوزه آبخیز
حوزه آبخیز پهنه ای است که آب از طریق آبراهه ،رودخانه یا در یاچه در این پهنه جریان دارد.
).Principles of watershed management(
فصل دوم
ادبیات و موضوع شناسی تحقیق
2-1- تاریخچه گردشگری
گردشگری پدیده ای است کهن که از دیر زمان در جوامع انسانی وجود داشته است و به تدریج در طی مراحل تاریخی مختلف، به موضع فنی، اقتصادی و اجتماعی کنونی خود رسیده است.انسان از دیر یاز برای رهایی از تنهایی و نیز وابستگی های محلی و عادات و آداب و رسوم یکنواخت و مکرر زندگی خود ، دست به سفر می زده است. قدیمیترین اشکال جهانگردی که در اروپا بسیار رایج بوده ، مسافرت های اشراف زادگان و شاهزاده های جوان بوده است که به منظور آشنایی یا شیوه های مختلف حکومت و زندگی مردم به نقاط مختلف صورت می گرفته است. جهانگردی و سفر از جمله عادت قدیم طبقه حاکم و ثروتمند بوده است.
رومیان صاحب مال و جاه و مقام ، همواره به منظور اقامت و کسب درآمد و گذران اوقات فراغت ، خانه هایی را در روستاهای پیرامون شهر محل سکونت خود خریداری کرده و مورد استفاده قرار می دادند.بدیهی است که در گذشته ، بخشی از طبقات اشرافی که فاقد مشاغل ثابت و تولیدی بودند، به فعالیت هایی که برخی از انواع گذران اوقات فراغت امروزی را در بر می گیرد ، می پرداختند .این گروه تفریحات و سرگرمی های خاص خود را داشتند که می توان به عنوان نمونه از مسابقات المپیک که در یونان برگزار می شد، یا نبرد های سرگرم کننده گلادیاتورها وبرده ها در امپراتوری رم نام برد.
در جوامع شرقی می توان نمونه های روشنتری از صور بی شکل گذران اوقات فراغت و توریسم تفریحی را در میان گروه های اشرافی ردیابی کرد. مثلاٌ برنامه های شکار دسته جمعی درباریان که در فرهنگ نقاشی ایران، چه در سنگ نبشته های تخت جمشید یا طاق بستان و چه در هنر مینیاتور منعکس است، خود حکایت از وجود نوعی از توریسم تفریحی و سرگرم کننده در بین طبقات اشراف می نمایند.
اشکال دیگری از جهانگردی در دنیای قدیم ، سفر های درویشان، قلندران، جاسوسان و مسافرت های استثنایی ماجراجویان بود که برای کسب اطلاعات و ارضاء حسن حادثه جویی خود ، صورت می گرفت. مسافرت های زیادی به اماکن و یا شهر های مذهبی از گذشته های دور وجود داشته و در بین پیروان تمام ادیان ، روز به روز رونق گرفته و با استفاده و به کار گیری تسهیلات جدید، گسترش خارق العاده ای یافته است.
حج، یکی از عوامل اصلی در ترغیب مسلمین به جهانگردی بوده است . بسیاری از مسلمانان ،خصوصأ دو قشر بازرگانان و علما، در اثر برخورد با مسلمانان سایر بلاد، به زیارت و سیاحت سرزمین های دیگر ترغیب می شدند. تا آنجا که اطلاعات تاریخی نشان می دهد ، سیر و سیاحت برای استراحت و تفریح از اوایل قرن 16 شروع شده و مردم برای بازدید از شهر های بزرگ و معروف دنیا ، اقدام به مسافرت نموده اند. بدیهی است که انگیزه اصلی سفر سیاحان معروفی چون مارکوپولو ، ابن بطوطه و نظایر آنها را نمی توان تفریح و استراحت دانست. بلکه اینان سیاحان حرفه ای بوده اند که برای اکتشافات ، تجارت ، ماجراجویی ، شناخت سرزمین ها و اقوام دیگر و یا زیارت و مقاصدی که ناشی از استراحت و تفریح نبود ، اقدام به سفر های چندین ساله می کردند. سوابق تاریخی و معروفیت شهر ها و جاذبه های مختلفی که در آنها وجود داشت، انگیزه سفر نخستین مسافران تفریحی بوده است. در قرن هفدهم ، هجوم مسافران به فرانسه ، به جایی رسید که موجب شد ، شخصی به نام ” سن موریس” در سال 1672 نشریه ای به نام ” راهنمای سفر به فرانسه” منتشر نماید. این نشریه ، برای راهنمایی مسافران نوشته شده بود که برای بازدید و ستایش زیبایی های فرانسه و آموختن زبان و آشنایی با نحوه زندگی مردم به این کشور می آمدند. در آن زمان جوانان و اشراف زادگان فرانسه نیز برای تعطیلات و کسب تجربه های لازم ، اقدام به مسافرت می نمودند و آنها را ” توریست” می خواندند. به دنبال دگرگونی ها و تحولاتی که در ساختار اجتماعی و اقتصادی اروپا در طی قرون 18 و19 منبعث از انقلابات کشاورزی و صنعتی روی داد، به تدریج یک نوع مسافرت تفریحی برای استفاده از سواحل دریاها و سرگرمی و استرتحت، جای مسافرت های سنتی_ آموزشی اشراف را گرفت و افرادی که بدین منظور بویژه در فرانسه مسافرت می کردند، “توریست ” نامیده می شدند. اینگونه مسافرت ها را اصطلاحأ ” مسافرت بزرگ” می گویند. از قرن نوزدهم به بعد ، تحولات و دگرگونی های وسیعی صورت گرفت. راه آهن ساخته شد و استفاده از آن برای انتقال مسافر شروع گردید. راه آهن انقلاب بزرگی در امر سفر به وجود آورد. در اوسط قرن نوزدهم، توریسم بین المللی تحت تأثیر ایده های رمانتیک نقاشان و شاعران، اعتلای جیدی پیدا کرد. که به موازات آن گسترش کوهنوردی و تصورات ناشی از کشف ارتفاعات نا شناخته ، ابعاد تازه ای به جریان جهانگردی داد. در بین طبقات پایین جوامع شهری ، جهانگردی کوتاه مدت استراحتی در حاشیه شهر ها گسترش و تکامل یافت. توسعه جهانگردی وپیشرفت آن از زمانی شروع شد که از یک سو قوانین و مقرراتی در زمینه حق مرخصی برای کارمندان و کارگران به مرحله اجرا درآمد و از طرف دیگر بالا رفتن سطح زندگی مردم در کشور های صنعتی، امکان مسافرت را ایجاد کرد. در مجموع می توان گفت توسعه جهانگردی ، مرهون پیشرفت های حاصل در وسایل حمل و نقل بوده است.
زیرا تحول حمل و نقل که همراه با افزایش سرعت وسایل مسافرت ، ارزانی و آسایش نسبی آن بود، انقلاب بزرگی در صنعت جهانگردی به وجود آورد و باعث گردید تأسیسات پذیرایی جهانگردی به سرعت توسعه یابد. همچنین لازم به ذکر است که پیدایش جهانگردی با مفهوم امروزی آن ناشی از تحولات قرن نوزدهم است که انقلاب صنعتی موجب اختراع وسایل رفاهی بسیر گشت و در نتیجه زندگی در شهرها طاقت فرسا شد ، از این رو نیاز مردم به استراحت و مرخصی و پیدایش وسایل مسافرتی راحت و سریع مانند هواپیما ، کشتی، قطار و اتومبیل موجبات توسعه جهانگردی را بیش از پیش فراهم آورد.
2-2- گردشگری و انواع آن
2-2-1 تعریف گردشگری:
از نظر علم روانشناسی کلمه ،”tour” از واژه لاتین”Tornare” و واژه یونانی” tornos ” مشتق شده است که به معنی “چرخ” یا “دایره” و یا “حرکت به دور یک نقطه مرکزی یا محور استفاده می شده است.
ویژگی اصلی چنین حرکتی بازگشت به نقطه آغازین حرکت است. بنابراین واژه “tour” بر یک سفر رفت و برگشتی دلالت می کند (تئوبالد، 1998).
گرچه نوع بشر از دیرباز با مقوله گردشگری سر و کار داشته است اما در سال های اخیر است که گردشگری به عنوان یک پدیده اجتماعی و اقتصادی شناسایی شده است . در این سال ها این پدیده تأثیر روز افزونی بر رابطه دو جانبه فرد و اجتماع داشته است.
سازمان جهانی گردشگری،وابسته به سازمان ملل (NWTO) تعریف خود را ازگردشگری اینگونه بیان می کند:
” مسافرت افراد یه مناطقی خارج از محیط معمولی زندگی خود و اقامت در آنجا برای مدتی بیش از 24 ساعت و کمتر از یک سال پیاپی با هدف تفریح ،موارد شغلی و سایر موارد غیر مرتبط با کسب درآمد از منطقه ای که به آنجا مسافرت شده است “( سازمان جهانی گردشگری 1995 ) .
توریسم به شکل های مختلفی می تواند وجود داشته باشد :
-توریسم خانگی یا توریسم بومی (در داخل Domestic): شامل سفر افراد مقیم در یک کشور خاص فقط کشور می شود.این شامل بازدید از نقاطی از کشور غیر از منطقه زندگی عادی او می گردد. مدت زمان مسافرت نباید از 12 ماه تجاوز کند و هدف از مسافرت چیزی غیر از کسب درآمد از منطقه مورد بازدید باشد.
-توریسم ورودی یا وارد شونده (Inbound) : شامل سفر افراد غیرمقیم در یک کشور خاص توریسم ورودی یا وارد شونده به آن کشور می شود.به عبارت دیگر ،کشور میزبان از توریست هایی استقبال می کند که مبداء آنها یک کشورخارجی است.
-توریسم خروجی یا خارج شونده (Outbound): شامل سفر افراد مقیم در یک کشور توریسم خروجی یا خارج شوندهخاص به کشورهای دیگر می شود. به عبارت دیگر ،کشور مبداء، توریست هایی را بدرقه می کند که مقصد آنها یک کشور خارجی باشد.
با یک نوع دسته بندی دیگر از اشکال مختلف توریسم، می توان شکل های دیگری را نیز معرفی کرد:
شامل توریسم خانگی و توریسم وارد شونده می شود. :(Internal- توریسم داخلی (
: شامل توریسم خانگی و توریسم خارج شونده می شود. (National توریسم ملی (-
-توریسم بین المللی (International): شامل توریسم وارد شونده و توریسم خارج شونده می شود.
2-2-2- تعریف گردشگر
اصطلاح توریست (جهانگرد) از قرن نوزدهم معمول شد. در آن زمان اشراف زادگان فرانسه می بایست برای تکمیل تحصیلات و کسب تجربه های لازم زندگی، اقدام به مسافرت نمایند. این جوانان در آن زمان توریست نامیده می شدند و بعدها در فرانسه این اصطلاح در مورد کسانی به کار می رفت که برای سرگرمی و وقت گذرانی و گردش به فرانسه سفر می کردند و بعداً با تعمیم بیشتر به کسانی اطلاق می شد که اصولاً به این منظور به سفر می رفتند. کم کم کلمه توریست به بعضی زبانهای دیگر وارد شد و از آن واژه توریسم به وجود آمد، از همان زمان توریست و توریسم به بعضی از مسافرت ها و مسافرینی گفته می شود که هدف آنها استراحت، گردش، سرگرمی و آشنایی با مردم بود و نه کسب درآمد و اشتغال به کار.
بر اساس تعريف بين المللي ” گردشگر کسي است که به منظور تفريح ، بازديد از نقاط ديدني، معالجه ، تجارت ، ورزش و زيارت به کشور ديگري سفر کند ، مشروط بر اينکه مدت اقامت او از 24 ساعت کمتر و از 6 ماه بيشتر نباشد و در فاصله اي کمتر از 70 کيلومتر انجام نگيرد”.
2-2-3-انواع توریسم
توریسم ، دارای اشکال مختلف و انواع گوناگونی است ، که بسته به شرایط محیطی ، متفاوت می باشد ، همین مسئله باعث شده تا تقسیم بندی های گوناگونی برای انها بیان شود.
فعالیتهای گردشگری به دسته های زیر (W.T.O) تقسیم بندی سازمان جهانی جهانگردی طبق
تقسیم می گردند:
– توریسم فرهنگی
توریسم طبیعی –
توریسم تجاری –
– توریسم مذهبی
توریسم ورزشی –
:(Leisure tourism)توریسم تفریحی -1
این گروه ازجهانگردان شامل افرادی است که برای استفاده از تعطیلات و سایر موارد تفریحی و وقت گذرانی به مسافرت و گردش می روند . در این ، گردش گران با استفاده از تعطیلات برای تفریح ، استراحت ، استفاده از آب و هوای گرم تر یا خنک تر از محل اقامت خود خارج شده و به مسافرت و سیر و سیاحت می پردازند جهانگرد تفریحی مایل است تا از زمانی که در سفر سپری می کند برای تجدید قوای روحی ، روانی جسم خود بهره ببرد . موارد مورد استفاده این جهانگردان متنوع بوده اما سهم قابل توجهی از آنها در رابطه با مسائل طبیعی از جمله سواحل دریاها ، پارکهای طبیعی و … می باشد
:(Social tourism) توریسم اجتماعی -2
در این نوع جهانگردی عمدتا با هدفهای اجتماعی ، مردم شناسی ، جامعه شناسی وامثال آن مورد نظر است . دیدار از دوستان ، آشنایان و خویشاوندان نیز از نوع جهانگردی اجتماعی بشمار می آید.
این نوع شامل افراد و گروه هایی هستند که برای:(Health Tourism توریسم درمانی ( – 3
استفاده ازتغییر آب و هوا ( با هدف پزشکی و درمانی) ، استفاده از آب های معدنی ، گذراندن دوران نقاهت، معالجه و نظایر آن اقدام به مسافرت می کنند.
🙁 Educational Tourism / Cultural Tourismتوریسم آموزشی و فرهنگی( – 4
این نوع جهانگردی برای آشنایی مواریث فرهنگی و هنری ، آداب و رسوم ، بناها و آثار تاریخی با هدفهای آموزشی ، تحقیقاتی و پژوهشی ، صورت می گیرد.
:(Religious Tourism) – توریسم مذهبی و زیارتی5
این نوع از جهانگردی یکی از رایج ترین اشکال جهانگردی در سراسر جهان است . جاذبه های مذهبی ، زیارتگاهها و اماکن مقدسه هر ساله تعداد زیادی از جهانگردان را به سوی خود جلب می کنند.
:(Business Tourism)- توریسم بازرگانی و تجاری6
سفرهایی که افراد برای شرکت در بازار و نمایشگاه های کالا و صنایع و یا سرکشی و بازدید تاسیسات و کارخانه ها و نظایر آن انجام می دهند در زمره این نوع از گردشگری است.
:(Political tourism ) توریسم سیاسی-7
مسافرت به منظور شرکت در اجلاس و مجامع بین المللی ، کنگره ها و سمینارهای سیاسی ، جشنهای ملی و مذهبی ، مراسم ویژه سیاسی مانند تدفین رهبران و شخصیتهای سیاسی ، پیروزی رهبران احزاب و به حکومت رسیدن آنها و نظایر آن جهانگردی سیاسی خوانده می شود.
:(Sport Tourism توریسم ورزشی (-8
هر نوع مسافرتی که به منظور فعالیتهای ورزشی باشد و این مسافرتها ممکن است به صورت انفرادی یا دسته جمعی صورت گیرد توریسم ورزشی گویند.
:(Tourism ( ecotourism) Natural )(توریسم طبیعت ( اکوتوریسم- 9
توریسم طبیعت که به عنوان اکوتوریسم نامیده می شود پدیده نسبتا تازه ای است که فقط بخشی از کل صنعت توریسم را نشان می دهد . اکوتوریسم به آن دسته از توریسم اطلاق می شود که مبنی بر هدف مسافرت هدفمند به مناطق نسبتا طبیعی برای مطالعه ، لذت جویی و استفاده معنوی از مناظر گیاهان و جانوران و هر نوع جنبه فرهنگی معاصر یا گذشته موجود در این مناطق باشد.
ژئوتوریسم : -10
از انواع توریسم که به تازگی مطرح شده و شباهت بسیاری با اکوتوریسم دارد ، ژئوتوریسم است که از ترکیب وازه های ژئو ( زمین ) و توریسم ( جهانگردی ) پدید آمده است که نیازمند بهره گیری توریسم از علوم زمین ، به ویژه جغرافیای طبیعی ، زمین شناسی ، ژئوفیزیک و سایر علوم طبیعی است در این میان به لحاظ کارکردی ، مورژئوفولوژی به دلیل بررسی اشکال زمین به لحاظ جنسی ، زمان و شکل – که لندفرم ها نیز نتیجه ی عملکرد پدیده های شکل زایی و زمین ساخت بیرونی است – از اهمیت ویژه ای برخوردار است . بنابراین ژئوتوریسم ، علم بررسی و بهره گیری از شکل های ناشی از فرایندهای بیرونی در جهت توسعه گردشگری است . این فرایند باعث به وجود آوردن شکل های مختلف خشکی ها با چشم اندازهای گوناگون می شود که شرایط زیستی و آب و هوایی سبب دگرگونی محیط های مختلف شده و در هر منطقه با ویژگی اقلیمی متفاوت شرایط گوناگونی را پدید می آورد.
(Desert Tourism توریسم مناطق خشک (-11
(Electronic tourism )(- توریسم الکترونیکی (اینترنتی12
سفرها و بازدیدهایی از مقاصد در داخل :(Antarctic Tourism) -گردشگری جنوبگان13
که اغلب از طریق دریا انجام می شوند. مدار قطب جنوب
گونه و مقیاسی از گردشگری که از نظر:(Appropriate Tourism) گردشگری مناسب-14
شرایط اقتصادی ، اجتماعی ، زیست محیطی و سایر جنبه ها برای یک منطقه مناسب دیده می شود.
(Aquatic Tourism- گردشگری آبی(15
🙁 Arctic Tourism) گردشگری شمالگان-16
سفرها و بازدیدهایی از مقاصد واقع در داخل مدار قطب شمال ، در حال حاضر عمدتا در کانادا و اسکاندیناوی که دسترسی جادهای امکان پذیر است صورت می پذیرد.
(City Tourism / Urban Tourism) گردشگری شهری- 17
(Domestic Tourism) گردشگری بومی -18
) Ethnic Tourismگردشگری قومی( -19
: (Industrial Tourism /Factory Tourism توریسم صنعتی ( كارخانه اي)(- 20
سفرها و بازدیدهای انجام شده از محل های کار مانند کارخانه های مواد غذایی و نساجی و … و حتی معادن و ایستگاههای تولید نیرو ، برای مشاهده فرایندهای تولید.
(Rural Tourism / Farm Tourism توریسم روستایی ( مزرعه اي)( – 21
گردشگری در مقاصد حومه ی شهرها . گردشگری روستایی اغلب با گردشگری مزرعه شناخته می شود اما گردشگری روستایی مفهوم گسترده تری را شامل می شود که در برگیرنده مسیرهای ویژه طبیعت گردی ، مکانهای گردش دسته جمعی ، مراکز تفسیر و موزه های کشاورزی و مردم شناسی است.
🙁 Inbound Tourism / Internal Tourism) توریسم ورودی / داخلی-22
سفر و گردشگری به یک کشور توسط ساکنان سایر کشورها.
(International Tourism گردشگری بین المللی(- 23
:(Incentive Tourism) توریسم تشویقی-24
سفر توسط کارمندان ، فروشندگان و یا نمایندگان و خانواده های انها که هزینه آن توسط شرکت یا موسسه تجاری به عنوان پاداش رسیدن به فروش مورد نظر و یاسایر اهداف و یا کارهای برجسته کارمندان و یا به عنوان محرکی در جهت رسیدن به اهداف آینده ، تقبل شده است.
(Mass Tourism) گردشگری انبوه -25
🙁 National Tourism / Outbound tourism) گردشگری ملی / خروجی-26
گردشگری توسط ساکنین یک کشور به مقصد سایر کشورها.
)Space Tourism گردشگری فضایی( -27
)youth Tourism گردشگری جوانان( -28
): sustainable tourism) – گردشگري پايدار29
برگرفته از مفهوم توسعه پايدار ، و به عنوان مدلي از توسعه اقتصادي است تا كيفيت زندگي مردم جامعه ميزبان را بهبود بخشد ، تجربه ي نابي براي بازديد كننده به همراه داشته و كيفيت محيط زيست را حفظ نمايد و اجراي آن هم بستگي به جوامع ميزبان و هم بازديدكنندگان دارد.
): common interest tourism گردشگري با هدف مشترك ( -30
گردشگري با هدف مشترك اغلب با اقامت طولاني مدت و استفاده محدود از تسهيلات و خدمات تجاري در محل مورد بازديد همراه است . مثل ديدار از دوستان و اقوام ، تحصيل و مذهب.
2-3- توسعه پایدار
عبارت” توسعه پایدار ” در اوایل سال های دهه 1970 در زمان اعلامیه ” کوکویک” درباره محیط و توسعه به کار رفت.به کار بردن واژه توسعه پایدار بعد از کنفرانس ” ریودوژانیرو” در سال 1992 در محافل علمی فراگیر شد (ضرابی، 1380،13).از این روست که تعاریفو راهکار های بسیاری در زمینه توسعه پایدار ارائه گردیده است. یکی از این تعاریف ، تعریف کمیسیون “برنت لند” است : توسعه پایدار توسعه ای است که نیازهای فعلی را بدون خدشه دار کردن به توانایی نسل آینده برآورده ساخته ، نیاز های خود را نیز پاسخ گوید (جنیفر،1378،57). در این تعریف حق هر نسل در برخورداری از همان مقدار سرمایه طبیعی که در اختیار دیگر نسل ها قرار داشته به رسمیت شناخته شده و استفاده از سرمایه طبیعی در حد بهره آن، مجاز شمرده شده است.در غیر این صورت موازنه منفی در بهره برداری از سرمایه طبیعی به کاهش تدریجی آن می انجامد و توسعه را ناپایدار می کند. این همان وضعیتی است که توسعه کنونی با تکیه بر رشد اقتصادی به وجود آورده است(زیاری،1378،229) در واقع می توان گفت توسعه پایدار در یک کلیت معنایی در صدد فراهم آوردن راهبردها و ایزارهایی است که بتواند به پنج نیاز اساسی پاسخ گوید:
1. تلفیق حفاظت و توسعه،
2. تأمین نیازهای اولیه زیست انسان،
3. دستیابی به عدالت اجتماعی،
4. خودمختاری و تنوع فرهنگی ،
5. حفظ یگانگی اکولوژیکی (میر آب زاده ،1373،39).

– (299)

centercenter00

دانشگاه صنعتی اصفهان
دانشکده برق و کامپیوتر
زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال با در نظر گرفتن آسیب‌پذیری سیستم قدرت
پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق – قدرت
سعید صیّادی‌پور سی‌سخت
اساتید راهنما
دکتر غلامرضا یوسفی – دکتر محمد امین لطیفی
1394

دانشگاه صنعتی اصفهان
دانشکده برق و کامپیوتر
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق – قدرت آقای سعید صیّادی‌پور سی‌سختتحت عنوان
زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال با در نظر گرفتن آسیب‌پذیری سیستم قدرت
در تاریخ 19 / 3 /1394 توسط کمیته تخصصی زیر مورد بررسی و تصویب نهایی قرار گرفت.
استاد راهنمای اوّل پایاننامهدکتر غلامرضا یوسفی
استاد راهنمای دوم پایاننامهدکتر محمد امین لطیفی
استاد داوردکتر رحمتا… هوشمند
استاد داوردکتر حمیدرضا کارشناس
سرپرست تحصیلات تکمیلیدکتر سید محمدعلی خسرویفرد
تقدیر و تشکر
سپاس خدای را که سخنوران در ستودن او بمانند و شمارندگان شمردن نعمت‌های او ندانند و کوشندگان حق او را گزاردن نتوانند. و سلام و دورد بر محمّد و خاندان پاك او، طاهران معصوم، هم آنان که وجودمان وامدار وجودشان است؛
ازپدر و مادر عزیزم، این دو معلم بزرگوارم که همواره بر کوتاهی و درشتی من قلم عفو کشیده و کریمانه از کنار غفلت‌هایم گذشته اند و در تمام عرصه‌های زندگی یار و یاوری بی چشم داشت برای من بوده اند؛
از اساتید محترم و شایسته، جناب آقای دکتر غلامرضا یوسفی و جناب آقای دکتر محمد امین لطیفی که در کمال سعه صدر، با حسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمودند و زحمت راهنمایی این رساله را بر عهده گرفتند؛
و از اساتید فرزانه و دلسوز، جناب آقای دکتر حمیدرضا کارشناس و جناب آقای دکتر رحمت‌ا… هوشمند که زحمت داوری این رساله را متقبل شدند کمال تشکر و قدردانی را دارم.
همچنین از دوست عزیز و مهربانم مهندس مجید یزدانی که در کلیه مراحل انجام پروژه به مانند یک برادر مرا همراهی و یاری کرد، کمال تشکر را دارم.
باشد که این خردترین، بخشی از زحمات آنان را سپاس گوید.

کلّیه حقوق مادّی مترتّب بر نتایج مطالعات، ابتکارات و نوآوری‌های ناشی از تحقیق موضوع این پایان‌نامه متعلّق به دانشگاه صنعتی اصفهان است.

تقدیم به

که زیر پایشان تمام آروزهایی است که گذشتند از آن‌ها به خاطر من . . .

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست مطالبهشت
چکیده1
فصل اوّل: مقدّمهفصل دوم: تاریخچه‌ی کارهای انجام شده2-1. مقدّمه82-2. مروری بر پژوهش‌های صورت گرفته در زمینه‌ی تعمیرات سیستم قدرت92-3. مروری بر پژوهش‌‌های صورت گرفته در زمینه‌‌ی آسیب‌پذیری سیستم قدرت252-4. خلاصه‌ی فصل و نتیجه‌گیری43فصل سوم: مدل زمانی برای بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت3-1. انگیزه443-2. رویکرد453-3. نوآوری‌های مدل463-4. مدل‌سازی مسأله‌ی آسیب‌پذیری با در نظر گرفتن بُعد زمان463-4-1. فرضیات463-4-2. مدل‌سازی بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت در یک افق زمانی473-4-3. تبدیل مدل دو سطحی ارائه شده، به یک مدل یک‌سطحی523-4-4. تبدیل MPEC به یک مسأله‌ی MILP533-5. مثال عددی اوّل543-5-2. افق زمانی مطالعه543-5-3. داده‌های ورودی مسأله543-5-4. سناریوهای تعریف شده563-5-5. ارائه و تحلیل نتایج593-5-6. بار محاسباتی مسأله663-6. مثال عددی دوم673-6-1. افق زمانی مطالعه673-6-2. داده‌های ورودی مسأله683-6-3. تعریف سناریوها و ارائه و تحلیل نتایج693-7. خلاصه‌ی فصل و نتیجه‌گیری73فصل چهارم: مدلی برای زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال با لحاظ آسیب‌پذیری سیستم قدرت4-1. مقدّمه و رویکرد754-1-1. نوآوری‌های مدل774-2. مدل‌سازی مسأله‌ی زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال با در نظر گرفتن آسیب‌‌پذیری شبکه‌ قدرت784-2-1. فرضیات784-2-2. مدل‌سازی زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال شبکه با در نظر گرفتن آسیب‌پذیری سیستم قدرت784-3. مدل MWAW برای بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت در یک افق زمانی874-3-1. فرمول‌بندی مدل MWaW884-3-2. MPEC مربوط به مدل MWaW944-3-3. تبدیل MPEC مدل MWaW به یک مسأله‌ی MILP964-3-4. مدل نهایی MWaW به صورت یک مسأله‌ی MILP یک‌سطحی984-4. مدل نهایی VCTMS به صورت یک مسأله‌ی MILP دو سطحی984-5. استفاده از الگوریتم ژنتیک برای حلّ مدل VCTMS984-5-1. انتخاب متغیّرها و تابع هدف984-5-2. کدگذاری994-5-3. جمعیت اوّلیه1004-5-4. انتخاب1004-5-5. ترکیب1014-5-6. جهش1014-6. مثال عددی اوّل: اجرای مدل MWaW بر روی شبکه‌ی شش شینه‌ی گارور1014-6-2. افق زمانی مطالعه1024-6-3. داده‌های ورودی مسأله1024-6-4. ارائه و تحلیل نتایج1044-7. مثال عددی دوم: اجرای مدل VCTMS برای زمان‌بندی تعمیرات معمولی در شبکه‌ی شش شینه‌ی گارور1064-7-1. تعریف سناریوها1064-7-2. روش حل1074-7-3. ارائه و تحلیل نتایج بدست آمده1094-7-3-الف. ارائه و تحلیل نتابج مربوط به سناریوی شماره 11094-7-3-ب. ارائه و تحلیل نتابج مربوط به سناریوی شماره 21134-7-3-ج. ارائه و تحلیل نتابج مربوط به سناریوی شماره 31184-7-3-د. ارائه و تحلیل نتابج مربوط به سناریوی شماره 41214-8. خلاصه‌ی فصل و نتیجه‌گیری125فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادها5-1. جمع‌بندی نتایج1275-2. پیشنهادها و ادامه‌ی تحقیق129 مراجع131

-217805-495300020000
چکیده
بحث تعمیرات در هر سیستمی و از جمله سیستم قدرت، از اهمّیت ویژه‌ای برخوردار است. در ساختار سنّتی صنعت برق، تعمیرات مربوط به بخش تولید و انتقال، هر دو توسّط اپراتور شبکه صورت می‌گیرد. با تجدیدساختار صنعت برق، پیشنهاد زمان تعمیرات مربوط به بخش‌های مختلف سیستم به مالکان بخش‌ها واگذار می‌شود و بهره‌بردار مستقل سیستم، مسئول نظارت و هماهنگی زمان انجام تعمیرات می‌باشد.
در مدل‌هایی که برای زمان‌بندی تعمیرات سیستم انتقال ارائه شده است، عموماً سعی در انتخاب بهترین زمان تعمیرات به منظور حفظ قابلیت اطمینان سیستم در یک ناحیه‌ی امن است و قابلیت اطمینان سیستم به عنوان مهم‌ترین قید این مسأله لحاظ می‌شود. پس از سال 2001 میلادی، مطالعه‌ی تأثیر حملات عامدانه بر شبکه‌ی قدرت اهمّیت ویژه‌ای به خود گرفته است؛ چراکه اعمال استانداردهای کلاسیک برای تأمین قابلیت اطمینان سیستم نمی‌تواند به قدر کافی واقعیت موجود، یعنی بحث حمله‌ی عامدانه به شبکه‌ی قدرت، را در خود لحاظ کند. در این پایاننامه، در قدم اوّل، مدل جدیدی ارائه میشود که میتواند آسیبپذیری سیستم قدرت را در یک افق زمانی مورد بررسی قرار دهد. «بُعد زمانی» حملات عامدانه در پژوهشهای قبلی در نظر گرفته نشده است. خروجی این مرحله، مدلی زمانی است که بصورت یک مسألهی دو سطحی فرمولبندی شده است. این مدل دو سطحی با استفاده از تئوری دوگان تبدیل به یک مسألهی برنامهریزی یکسطحی میشود. در مرحلهی دوّم، از این مدل برای ارائهی یک فرمولبندی جدید برای زمانبندی تعمیرات خطوط انتقال استفاده میشود. در فرمولبندی جدید، زمانبندی تعمیرات خطوط انتقال به صورت یک مسألهی برنامهریزی چندسطحی در نظر گرفته میشود که در آن، آسیبپذیری سیستم قدرت در کنار قید قابلیت اطمینان سیستم لحاظ میشود.
مدلهای پیشنهادی بر روی شبکه‌های استاندارد Garver 6-Bus و IEEE-RTS 24-Bus پیاده‌سازی و توانایی این روشها نشان داده شده است.
کلمات کلیدی: آسیب‌پذیری سیستم قدرت، برنامه‌ریزی چندسطحی، تئوری دوگان، زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال.
فصل اوّلمقدّمهشبکه‌‌ی قدرت، از جمله مهم‌ترین زیرساخت‌های یک کشور است، به گونه‌ای که تقریباً تمام زیرساخت‌های دیگر وابسته به عملکرد صحیح این شبکه‌‌ می‌باشند. در هر کشوری، بین اقتصاد و صنعت برق آن ارتباط تنگاتنگی وجود دارد و در صورت مختل شدن عملکرد شبکه‌‌ی قدرت، ضرر‌‌های اقتصادی بزرگی برای آن کشور رقم خواهد خورد. به عنوان مثال، خسارت ناشی از خامـوشی[1] رخ داده در ایالات متحده‌‌ی آمریکا در آگوست سال 2003 ، بین چهار تا ده میلیارد دلار تخمین زده شده است. این خاموشی، جمعیتی در حدود 50 میلیون نفر را تحت تأثیر قرار داد و در برخی مناطق، مصرف‌کنندگان تا چهار روز بدون برق ماندند [1]. بزرگترین خاموشی تاریخ، خاموشی سال 2012 در هند است که طی آن، دسترسی بیش از 600 میلیون نفر به برق قطع شد. گاهی خروج‌های متوالی خطوط انتقال می‌تواند زمینه را برای بروز چنین خاموشی‌های مخرّبی آماده کند. به عنوان مثال، در خاموشی سال 2003 ایالات متحده‌ی آمریکا، با وقوع خطای همزمان روی سه خط انتقال، این سه خط از مدار خارج شدند و خروج این سه خط موجب شد تا بقیه‌ی خطوط شبکه دچار اضافه بار شوند و به سرعت، یکی پس از دیگری از مدار خارج شوند و به دنبال آن، باری در حدود 8/61 گیـگاوات از دست بـرود. بدیهی است که اهمّیت چنین سیستمی، اطمینان از عملکرد صحیح این سیستم را بسیار ضروری می‌سازد.
شبکه‌ی قدرت به طور کلّی از چهار بخش تولید، انتقال، توزیع و مصرف‌کنندگان تشکیل شده است که برای حفظ کارآیی این سیستم، هر چهار بخش ذکر شده نیاز به نگهداشت و تعمیرات دارند. افزایش قابلیت اطمینان سیستم و افزایش راندمان انرژی، از مهم‌ترین نتایج بدست آمده از انجام تعمیر و نگهداشت است.
در کتب و استانداردهای مختلف، تعاریف و معانی متعدّدی برای «تعمیرات» ذکر شده است؛ به عنوان مثال،IEEE Std 902-1998 تعمیرات را حفظ و نگهداری شرایطی می‌داند که آن شرایط برای بهره‌برداری صحیح تجهیز، با همان هدفی که آن تجهیز به خاطر آن به کار گرفته شده است، لازم و ضروری می‌باشد [2]. به هر حال، آنچه که اهمّیت دارد وابستگی چشمگیر کارکرد صحیح سیستم قدرت به تعمیرات صحیح و به موقع بخش‌های مختلف آن می‌باشد.
از آن‌جا که دوره‌ی تعمیرات تجهیزات مختلف سیستم قدرت از چند روز تا چند هفته متغیّر است، به همین خاطر زمان‌بندی تعمیرات نیز در چند افق زمانی کوتاه مدّت (چند هفته)، میان‌مدّت (حدود یک سال) و بلندمدّت (حدود سه تا چهار سال) صورت می‌گیرد و این تعمیرات در دو دسته‌ی تعمیرات پیشگیرانه[2] و تعمیرات اصلاحی[3] قرار می‌گیرند [3]. همان‌گونه که از نام این دو دسته نیز معلوم است، دسته‌ی اوّل تعمیرات به منظور حفظ سیستم در یک وضعیت مناسب که از نظر سطح راندمان انرژی و قابلیت اطمینان مطلوب است، انجام می‌گیرد و دسته‌ی دوم برای برگرداندن هرچه سریع‌تر سیستم به حالت نرمال و قابل قبول، پس از یک خطا و یا سوءعملکرد صورت می‌پذیرد [3]. علاوه بر مدّت زمان مربوط به زمان‌بندی تعمیرات، بحث دیگری که در تعمیرات مطرح است، انجام هماهنگ تعمیرات بخش‌های مختلف و به ویژه بخش‌های تولید و انتقال است. تعداد زیادی از مقالات روش‌های مختلفی را برای زمان‌بندی تعمیرات هماهنگ[4] بخش تولید و انتقال ارائه داده‌اند [4]–[6]. با این حال، تعمیرات مربوط به هر بخش می‌تواند به صورت جداگانه نیز صورت پذیرد. از این میان، تعمیرات مربوط به شبکه‌ی انتقال از اهمّیت ویژه‌ای برخوردار است و می‌توان تعمیرات کوتاه‌مدّت، میان‌مدّت و بلندمدّت را برای این بخش از سیستم انجام داد.
در محیط سنّتی صنعت برق، اپراتور شبکه به صورت متمرکز و با هدف حفظ قابلیت اطمینان شبکه، زمان‌بندی مربوط به تعمیرات بخش‌های تولید و انتقال سیستم را انجام می‌دهد و برنامه‌ی زمان‌بندی را به واحدهای تولید و خطوط انتقال محوّل می‌کند. با تجدیدساختار صنعت برق، پیشنهاد زمان تعمیرات مربوط به بخش‌های مختلف سیستم به مالکان بخش‌ها واگذار می‌شود و بهره‌بردار مستقل سیستم مسئول نظارت و هماهنگی زمان انجام تعمیرات می‌باشد.
درخصوص تحقیقات بسیاری که در زمینه‌ی تعمیرات سیستم قدرت صورت گرفته است می‌توان به مقالهی پایهای کُنِجو[5] [7] اشاره کرد که با ارائه‌ی یک روند تکراری[6] سعی در ارائه‌ی برنامه‌ای دارد که در یک محیط تجدیدساختار شده، واحدهای تولید بتوانند در یک روند رفت و برگشتی برنامه‌ی زمان‌بندی خود را به گونه‌ای تنظیم کنند که هم سود خود را بیشینه کنند و هم قیود قابلیت اطمینان سیستم با نظارت ISO برقرار بمانند. پاندزیک[7] [8] نیز با ارائه‌ی یک مدل MILP (که در واقع خطّی شده‌ی یک مسأله‌ی دو سطحی است) بهترین برنامه‌ی زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال را در یک افق یک ساله تعیین می‌کند. در این مدل، اپراتور سیستم انتقال (TSO)[8] در مسأله‌ی سطح بالا قرار می‌گیرد و تابع هدف خود را بیشینه کردن ظرفیت انتقالِ در دسترس در طی یک سال قرار می‌دهد. مسأله‌ی سطح پایین نیز تسویهی بازار را با هدف بیشینه کردن رفاه اجتماعی[9] انجام می‌دهد. وو[10] [9] نیز با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌های موجود در سیستم قدرت، برنامه‌ی تعمیرات بخش تولید و انتقال را به صورت هماهنگ و امنیت-مقیّد[11] تعیین می‌کند. لطیفی[12] [10] نیز با ارائه‌ی یک روند تکراری، قیود و عدم قطعیت‌های موجود در شبکه‌ی گاز را به بحث تعمیرات واحدهای تولید در یک محیط تجدیدساختار شده اضافه می‌کند و با ایجاد یک ارتباط بین اپراتور شبکه‌ی گاز (GNO)[13]، اپراتور مستقل بازار (IMO)[14] و اپراتور مستقلّ سیستم (ISO)[15]، برنامه‌ریزی میان‌مدّت شبکه‌های برق و گاز را به صورت هماهنگ انجام می‌دهد.
در تمام مدل‌هایی که زمان‌بندی تعمیرات سیستم قدرت را انجام می‌دهند، قابلیت اطمینان سیستم، یا خود تابع هدف می‌باشد و یا به صورت یک قید به مسأله اضافه می‌شود. در بحث قابلیت اطمینان سیستم بیشتر به پیشامد‌هایی توجّه می‌شود که به طور معمول در خود سیستم و بدون دخالت عوامل خارجی رخ می‌دهد. خطاهای اتّصال کوتاه، قطع بار، از کار افتادن یک ژنراتور و خروج ناگهانی خطوط انتقال مثال‌هایی از این دست پیشامد‌ها هستند.
بخش دیگری از خطاها که در مطالعات قابلیت اطمینان در نظر گرفته نمی‌شود، خطاهای عامدانه[16] است که توسّط شخص و یا گروه خاصّی به قصد آسیب زدن به شبکه‌ی قدرت انجام می‌گیرد. طبق آمار ارائه شده توسّط MIPT[17]، در طی یک دوره‌ی 10 ساله، از سال 1994 تا سال 2004، بیش از 300 حمله‌ی مخاصمانه در سراسر جهان به شبکه‌ی قدرت صورت گرفته است که از این بین، بیشترین حملات متوجّه خطوط انتقال و دکل‌های انتقال نیرو بوده است [11]. برای ارائه‌ی آمار و ارقامی در این خصوص، در ایالات متّحده‌ی آمریکا بیش از %90 و در بقیه‌ی کشورها حدود %60 از حملات صورت گرفته، خطوط انتقال را هدف خود قرار داده‌اند [12].
آمار‌هایی از این دست نشان می‌دهد که سیستم قدرت علاوه بر مواجهه با خطاهای معمول، از ناحیه‌ی خطاهای عامدانه نیز آسیب‌پذیر به نظر می‌رسد. مطالعات بسیاری به بررسی آسیب‌پذیری[18] سیستم قدرت در مقابل حملات عامدانه پرداخته‌اند. سالمرون[19] [13] نخستین کسی است که به مدل‌سازی حملات عامدانه به شبکه‌‌ی قدرت پرداخته است و مدل‌‌هایی از جمله مدل Max-min برای شناسایی المان‌‌های حیاتی شبکه ارائه داده‌‌ است. آرویو[20] [14] و [15] نیز از یک مدل برنامه‌ریزی دو مرحله‌‌ای، که کامل شده‌‌ی همان مدل ارائه شده توسط سالمرون است، استفاده کرده‌ است که این امکان را فراهم می‌آورد تا بتوان برای مهاجم و مدافع (اپراتور سیستم) اهداف متفاوتی را متصوّر شد. موتو[21] [16] نیز از یک مدل برنامه‌ریزی عدد صحیح برای شناسایی تجهیزات حیاتی شبکه استفاده می‌‌کند و حدّاکثر خرابکاری ممکن به ازای وجود منابع محدود برای مهاجم را محاسبه می‌‌کند. چن[22] [17] از جنبه‌‌ی دیگری موضوع نگاه می‌‌کند و با ترسیم یک چارچوب گسترده از تئوری بازی، سعی در پاسخ به دو سؤال اساسی را دارد: یکی اینکه وقتی مدافع (اپراتور سیستم) یک بودجه‌‌ی محدود دارد، بهترین نقاط شبکه برای تقویت و استحکام بیشتر کدام نقاط هستند؟ و سؤال دوم اینکه وقتی مدافع بخواهد حدّاکثر خسارات ممکن (که می‌تواند مقدار بار قطع شده و یا هزینه‌ی قطع‌بار باشد) را به یک مقدار مشخّص محدود کند، به چه میزان بودجه نیاز دارد تا بتواند بهترین و مطمئن‌ترین راهبرد را پیاده کند؟
غالب مطالعات صورت گرفته، تنها آسیب‌پذیری خطوط انتقال را مدّ نظر قرار داده‌اند؛ چراکه حمله به یک خطّ انتقال بسیار ساده‌تر از حمله به یک ژنراتور و یا یک پست برق است و احتمال موفّقیت آن نیز بالاتر است. به هرحال، نتیجه‌ای که از ترکیب مطالب ارائه شده در این بخش می‌توان گرفت این است که لحاظ قید قابلیت اطمینان در زمان‌بندی تعمیرات سیستم قدرت به تنهایی نمی‌تواند تضمین کننده‌ی یک راهبرد کاملاً مطمئن باشد و لحاظ قید آسیب‌پذیری نیز ضروری است.
هدفی که در این پایان‌نامه پیش گرفته می‌شود، ارائه‌ی مدلی است که بتوان با استفاده از آن، زمان‌بندی تعمیرات سیستم انتقال را با لحاظ قید آسیب‌پذیری سیستم قدرت در کنار قید قابلیت اطمینان سیستم انجام داد. ارائه‌ی چنین مدلی، خود نیازمند ارائه‌ی مدلی جدید است که بتواند آسیب‌پذیری سیستم انتقال را در یک بازه‌ی زمانی معیّن مورد بررسی قرار دهد و برخلاف مدل‌هایی که تا کنون برای تحلیل آسیب‌پذیری سیستم قدرت ارائه شده‌اند، بتواند علاوه بر تعیین بهترین مکان حمله، بهترین زمان حمله را (از دید کسی که قصد حمله به سیستم را دارد) نیز مشخّص کند. در این مدل، مهاجم[23] که قصد حمله به شبکه را دارد، با دو دسته قیود روبرو است. دسته‌ی اوّل شامل قیود مربوط به محدودیت منابع در هر بازه‌ی زمانی و محدودیت منابع در دسترسِ مهاجم در کلّ دوره‌ی تصمیم‌گیری است. دسته‌ی دوم قیود ناشی از این است که امکان حملات چندباره به یک عنصر ضعیف شبکه در طول دوره‌ی مطالعه وجود دارد. علاوه بر آن، از آن‌جا که حمله به تجهیز خارج از مدار، منفعتی را برای مهاجم در پی نخواهد داشت، مهاجم نسبت به انجام چنین عملی اقدام نخواهد کرد. تمامی قیود فوق در این مدل در نظر گرفته شده‌اند.در ارائه‌ی این مدل، چند فرض اساسی به شرح زیر در نظر گرفته شده است:
زمان‌بندی تعمیرات انتقال به صورت متمرکز توسّط اپراتور سیستم و در یک ساختار سنّتی صورت می‌گیرد.
مدل‌سازی‌های صورت گرفته، به صورت استاتیکی و در حالت دائمی سیستم انجام می‌شود و بحث پایداری گذرای سیستم و حوادثی که بلافاصله پس از وقوع یک حمله و خروج یک خطّ انتقال ممکن است رخ دهد، نادیده گرفته می‌شود.
سیستم [24]SCADA به قدر کافی محافظت‌شده فرض شده است و تنها حملات فیزیکی به خطوط انتقال میسّر است.
فصل‌بندی باقیمانده‌ی این پایان‌نامه بدین صورت است که ابتدا در فصل دوم مروری بر کارهای صورت گرفته در زمینه‌ی تعمیرات سیستم قدرت و همین‌طور پژوهش‌های انجام شده در زمینه‌ی آسیب‌پذیری فیزیکی سیستم قدرت صورت خواهد گرفت و پس از آن، در فصل سوم به ارائه و شرح دقیق مدل جدیدی که فراتر از کارهای صورت گرفته‌ی قبلی، فاکتور زمان را نیز در بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت در نظر می‌گیرد، پرداخته خواهد شد. مدل زمانی[25] ارائه شده در این فصل (از آن‌جا که مدل ارائه شده به این سؤال پاسخ می‌دهد که در چه زمان (When) و کجا (Where) شبکه‌ی قدرت بیشتر آسیب‌پذیر است، نام این مدل را WaW انتخاب کردهایم که مخفّف عبارت «When and Where» می‌باشد) شامل یک مسأله‌ی بهینه‌سازی دو سطحی است که با استفاده از تئوری دوگان قوی[26] و تکنیک‌های خطّی‌سازی تبدیل به یک مدل یکپارچه‌ی برنامه‌ریزی خطّی مختلط با عدد صحیح (MILP)[27] می‌شود. در این فصل، فاکتورهای مهمّی که در بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت می‌توانند بر نقشه‌ی حمله‌ی اتّخاذ شده توسّط مهاجم اثر بگذارند، معرّفی و به دقّت بررسی شده‌اند. در این فصل، برای محک زدن توانمندی مدل ارائه شده در شناسایی نقاط آسیب‌پذیر شبکه، مثال‌های عددی متنوّعی ارائه شده است.
در ادامه، در فصل چهارم مدل کامل‌شده‌ای که زمان‌بندی تعمیرات سیستم انتقال را با لحاظ قید آسیب‌پذیری سیستم قدرت انجام می‌دهد، به دقّت شرح و بسط داده خواهد شد. مدل ارائه شده برای زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال سیستم (که مدل [28]VCTMS نام دارد)، یک مدل سه سطحی است که سطح اوّل آن، مسأله‌ی تصمیم‌گیری اپراتور مستقلّ سیستم[29] در خصوص تعیین بهترین زمان‌بندی ممکن برای انجام تعمیرات معمولی خطوط انتقال شبکه را بیان می‌کند و مسائل سطوح دوم و سوم، نسخه‌ی اصلاح شده‌ی مدل WaW، با نام MWaW[30]، را شامل می‌شود که در این مدل، برنامه‌ی زمان‌بندی خطوط انتقال شبکه به عنوان یک پارامتر ورودی دریافت می‌شود و مهاجم با آگاهی از برنامه‌ی زمان‌بندی ISO برای انجام تعمیرات معمولی خطوط کاندید، بهترین نقشه‌ی حمله را به گونه‌ای انتخاب می‌کند که هزینه‌های تولید و قطع‌بار شبکه بیشینه شود. بنابراین، پس از ارائه‌ی مدل VCTMS، مدل MWaW به طور کامل بیان می‌شود و اثر لحاظ کردن پارامتر ورودی متناظر با زمان‌بندی تعمیرات معمولی خطوط کاندید بر معادلات و فرمول‌بندی مدل WaW به دقّت مورد بررسی قرار می‌گیرد. پس از آن، مدل MWaW، به صورت یک مدل MILP یک‌سطحی نوشته می‌شود و روابط آن به طور کامل ارائه می‌شود. با نوشتن مدل MWaW به صورت یک مدل MILP یک‌سطحی، مدل سه سطحی VCTMS تبدیل به یک مدل بهینه‌سازی دو سطح MILP می‌شود. پس از آن، چگونگی استفاده از الگوریتم ژنتیک[31] برای حلّ مدل دو سطحی VCTMS توضیح داده می‌شود و نهایتاً، در انتهای این فصل، ابتدا یک مثال عددی برای بررسی کارکرد صحیح مدل MWaW و به منظور بررسی قیود جدید اضافه شده در مدل MWaW نسبت به مدل WaW، ارائه می‌شود. پس از آن، یک مثال عددی دیگر برای زمان‌بندی تعمیرات دو تا از خطوط انتقال یک شبکه‌ی نمونه با استفاده از مدل VCTMS ارائه می‌شود که به دلیل محدود بودن تعداد حالات ممکن برای تعمیرات معمولی دو خطّ مورد بررسی، در این مثال از تکنیک شمارش برای یافتن جواب بهینه‌ی سراسری[32] استفاده می‌شود. در این مثال، سناریوهای مختلفی برای تحلیل دقیق فاکتورهای اثر گذار در زمان‌بندی صورت گرفته برای انجام تعمیرات معمولی خطوط شبکه تعریف و شبیه‌سازی خواهند شد. در این سناریوها، اثر تصمیم ناصحیح اپراتور مستقلّ سیستم (ISO)[33] در روند زمان‌بندی تعمیرات خطوط شبکه و در تحلیل دقیق رفتار بهینه‌ی مهاجم به دقّت بررسی می‌شوند تا بتوان اهمّیت استفاده از مدل‌های ارائه شده در این پایان‌نامه را بیشتر نشان داد.
در انتهای هر فصل، چکیده‌ای از فصل و نتایج قابل استنتاج از آن فصل ارائه می‌شود و علاوه بر آن، در فصل آخر پایان‌نامه، نتیجه‌گیری کلّی از پژوهش‌های صورت گرفته در این پایان‌نامه انجام می‌شود و در ادامه‌ی نتیجه‌گیری، یک سری پیشنهادات در قالب کارهای آینده[34] ارائه می‌شود تا مسیر تکامل و بهبود هرچه بیشتر مدل‌های ارائه شده در این پایان‌نامه را نشان دهند.

فصل دومتاریخچه‌ی کارهای انجام شدهمقدّمهانجام تعمیرات در هر سیستمی منجر به افزایش طول عمر مفید دارایی‌ها، کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری، افزایش قابلیت اطمینان[35] و کاهش خطاهای سیستم خواهد شد. با توسعه‌ی تکنولوژی و وابستگی روز افزون بشر به سیستم‌هایی که روز به روز در حال پیچیده‌تر شدن هستند، نیاز‌های قابلیت اطمینان و دسترسی‌پذیری[36] رشد چشمگیری کرده است و این در حالی است که منابعِ در دسترس، محدودتر، و هزینه‌های تعمیرات بیشتر از قبل شده‌اند. مسائلی از این دست باعث شده است که برای حفظ قابلیت اطمینان سیستم نیاز به ابزارهای جدید تصمیم‌گیری و نیز تکنیک‌های جدید برای زمان‌بندی تعمیرات سیستم بیش از پیش حس شود.
در منـابع مختلف، دسته‌بندی‌هـای متفاوتی مبتنی بر راهبردهای تعمیرات صـورت گرفته است [2] و [18]–[20] که یکی از مهم‌ترین دسته‌بندی‌های صورت گرفته به صورت زیر است [19] و [20]:
راهبرد‌ تصحیحی[37]: این راهبرد شامل دسته واکنش‌هایی می‌شود که پس از خرابی، به منظور بازیابی تجهیز و یا سیستم به شرایط بهره‌برداری صورت می‌پذیرند.
راهبرد‌ پیشگیرانه[38]: این راهبرد، یک سری برنامه‌های بازرسی متناوب را شامل می‌شود که برنامه‌ی زمانی این بازرسی‌ها از قبل تعیین شده است.
راهبرد مبتنی بر وضعیت[39]: در این راهبرد، کارایی تجهیز به صورت پیوسته پایش می‌شود و در صورت لزوم، عملیات تصحیحی لازم صورت می‌گیرد.
راهبرد پیشگویانه[40]: در این راهبرد، یک سری از پارامتر‌های بهره‌برداری تجهیز برای پایش منظّم انتخاب می‌شود تا بتوان مشکلات رخ داده در عملکرد تجهیز را قبل از این که این مشکلات منجر به خرابی تجهیز شوند، تشخیص داد و عملیات لازم را انجام داد.
به طور کلّی، نیاز صنایع به تعمیرات و نگهداری روز به روز در حال افزایش است که صنعت برق نیز از این رویه مستثنا نیست. صنعت برق نیز که از چهار بخش تولید، انتقال، توزیع و مصرفکنندگان تشکیل شده است، در هر چهار بخش، نیاز به تعمیرات و نگهداری صحیح و به موقع دارد. در سیستم قدرت نیز تمام راهبردهای بیان شده برای اجرای تعمیرات قابل اجرا هستند و گاه ترکیبی از روش‌های مختلف برای اتّخاذ بهترین راهبرد تعمیرات به کار گرفته می‌شود [19]. در محیط سنّتی صنعت برق، اپراتور شبکه به صورت متمرکز و با هدف حفظ قابلیت اطمینان شبکه، زمان‌بندی مربوط به تعمیرات بخش‌های تولید و انتقال سیستم را انجام می‌دهد و برنامه‌ی زمان‌بندی تعمیرات را به واحدهای تولید و خطوط انتقال اعلام می‌کند. با تجدیدساختار صنعت برق، پیشنهاد زمان تعمیرات مربوط به بخش‌های مختلف سیستم به مالکان بخش‌ها واگذار می‌شود و بهره‌بردار مستقل سیستم مسئول نظارت و هماهنگی زمان انجام تعمیرات می‌باشد.
در روند زمان‌بندی تعمیرات سیستم قدرت با هدف حفظ قابلیت اطمینان، تنها پیشامدهایی که در خود سیستم رخ می‌دهند در نظر گرفته می‌شوند. این پیشامدها شامل مواردی همچون خروج خطوط انتقال، خروج واحدهای تولید و خروج بارهای سیستم می‌شود. از سوی دیگر، براساس آمار منتشر شده در خصوص حملات صورت گرفته به سیستم قدرت به نظر می‌رسد که نمی‌توان از اثر عواملی که از خارج از سیستم قدرت نشأت می‌گیرند چشم‌پوشی نمود. بنابراین‌، لحاظ کردن قید آسیب‌پذیری[41] سیستم قدرت در روند زمان‌بندی تعمیرات این سیستم ضروری به نظر می‌رسد.
در ادامه‌ی این فصل، ابتدا مروری خواهیم داشت بر مهم‌ترین پژوهش‌های صورت گرفته در زمینه‌ی تعمیرات سیستم قدرت، و پس از آن به بررسی کارهای صورت گرفته در زمینه‌ی مدل‌سازی و ارزیابی آسیب‌پذیری سیستم قدرت خواهیم پرداخت.
مروری بر پژوهش‌های صورت گرفته در زمینه‌ی تعمیرات سیستم قدرتدوره‌ی تعمیرات تجهیزات مختلف سیستم قدرت از چند روز تا چند هفته متغیّر است و به همین خاطر زمان‌بندی تعمیرات نیز در چند افق زمانی کوتاه مدّت (چند هفته)، میان‌مدّت (حدود یک سال) و بلندمدّت (حدود سه تا چهار سال) صورت می‌گیرد [3]. علاوه بر مدّت زمان مربوط به زمان‌بندی تعمیرات، بحث دیگری که در تعمیرات مطرح است، انجام هماهنگ تعمیرات بخش‌های مختلف و به ویژه بخش‌های تولید و انتقال است. تعداد زیادی از مقالات روش‌های مختلفی را برای زمان‌بندی تعمیرات هماهنگ[42] بخش تولید و انتقال ارائه داده‌اند [4]–[6]، [21] و [22]. با این حال، تعمیرات مربوط به هر بخش می‌تواند به صورت جداگانه نیز صورت پذیرد. از این میان، تعمیرات مربوط به شبکه‌ی انتقال از اهمّیت ویژه‌ای برخوردار است و می‌توان تعمیرات کوتاه‌مدّت، میان‌مدّت و بلندمدّت را برای این بخش از سیستم انجام داد.
درخصوص تحقیقات بسیاری که در زمینه‌ی تعمیرات مربوط به واحدهای تولید صورت گرفته است می‌توان به مقالهی پایهای کُنِجو [7] اشاره کرد که با ارائه‌ی یک روند تکراری[43] سعی در ارائه‌ی برنامه‌ای دارد که در یک محیط تجدیدساختار شده، واحدهای تولید بتوانند در یک روند رفت و برگشتی، برنامه‌ی زمان‌بندی خود را به گونه‌ای تنظیم کنند که هم سود خود را بیشینه کنند و هم قیود قابلیت اطمینان سیستم با نظارت ISO برقرار بمانند. در ادامه، جزئیات مدلسازی انجام شده در [7] شرح داده خواهد شد تا بتوان با قیود اصلی موجود برای تعمیر واحدهای تولید آشنا شد.
این مقاله [7] یک روند تکراری را ارائه می‌دهد که طی آن مصالحه‌ای بین اپراتور سیستم و تولیدکننده‌ها صورت می‌گیرد که هم قابلیت اطمینان سیستم در یک حد قابل قبول بماند و هم مورد قبول تولیدکنندگان باشد. در این مقاله، یک بازار برق مبتنی بر حوضچه در نظر گرفته شده است امّا با این حال روش ارائه شده، برای بازار‌های با مبادلات دوجانبه نیز قابل پیاده سازی است. چارچوب زمانی در نظر گرفته شده، یک سال را به چند هفته تقسیم می‌کند که در هر هفته شش زیر بازه برای بار درنظر گرفته شده است که ترتیب آن به صورت زیر می‌باشد: پیک روز‌ کاری هفته، شانه‌ی بار روزهای کاری[44]، دره‌ی روز کاری هفته، پیک آخر هفته، شانه‌ی آخر هفته و دره‌ی آخر هفته. برای سادگی، هیچ عدم قطعیتی در نظر گرفته نشده است؛ یعنی بار و قیمت پیش‌بینی شده دقیق فرض شده است و نرخ خروج اجباری واحد‌ها نیز صفر در نظر گرفته شده است. اساس عملکرد روند ارائه شده شامل سه مرحله است:
ISO یک مسأله‌ی زمان‌بندی تعمیرات را انجام می‌دهد که طی آن همه‌ی واحد‌ها، مستقل از اینکه هر واحد مربوط به کدام تولیدکننده است، در نظر گرفته می‌شوند و هدف ISO بیشینه کردن قابلیت اطمینان سیستم در طی هفته‌های سال است. بار هر هفته به صورت یک دیماند با شش بلوک مدل شده است. فرض بر این است که بار و قیمت به صورت دقیق پیش‌بینی شده‌اند. نتیجه‌ی این مرحله، یک زمان‌بندی تعمیرات با حداکثر قابلیت اطمینان سیستم می‌باشد(MR-MS) [45]. باید دقت شود که نقش ISO حصول اطمینان از امنیت سیستم است. لذا باید با برنامه‌هایی که امنیت سیستم را حفظ می‌کند موافقت کند. حداکثر کردن قابلیت اطمینان سیستم از دید ISO تنها برای دست‌یابی به یک نقطه‌ی کار مناسب برای مذاکرات می‌باشد. به هر حال هر پیشنهاد دیگری که مورد توافقISO و سایر شرکت‌کنندگان بازار باشد و بتواند امنیت سیستم را تضمین کند می‌تواند به عنوان یک نقطه‌ی شروع مناسب در نظر گرفته شود.
هر تولیدکننده به طور مستقل یک مسأله‌ی بهینه‌سازی را با هدف بیشینه کردن سود خود حل می‌کند و به یک برنامه‌ی زمان‌بندی برای واحد‌های خود می‌رسد. دقت شود که همه‌ی تولیدکنندگان، قیمت‌پذیر فرض شده‌اند. پیش‌بینی قیمت تسویه‌ی بازار نیز معلوم فرض شده است. هزینه‌های هر واحد تولید شامل هزینه‌های راه‌اندازی و هزینه‌ی تولید می‌باشد. خروجی این مرحله، یک برنامه‌ی زمان‌بندی تعمیرات برای همه‌ی تولیدکنندگان است که سود آن‌ها را بیشینه می‌کند(MP-MS) [46].
در این مرحله، ISO برنامه‌های MR-MS و MP-MS را مقایسه می‌کند. اگر از نظر قابلیت اطمینان سیستم، نتایج حاصل شده به قدر کافی مشابه باشند، تولیدکنندگان به نتیجه‌ی نهایی می‌رسند. در غیر این صورت، ISO روند تشویقی/جریمه‌ای هفتگی را اجرا می‌کند تا تولیدکنندگان تشویق شوند تا برنامه‌ی زمان‌بندی واحد‌های خود را به گونه‌ای تغییر دهند که برنامه‌ی MP-MS از منظر قابلیت اطمینان شبکه به برنامه‌یMR-MS نزدیک شود.
برای اندازه‌گیری درجه‌ی امنیت سیستم در طول هفته‌های سال، شاخص قابلیت اطمینان زیر برای دوره‌ی t و زیربازه‌ی s تعریف شده است.

در این رابطه:
: حدّاکثر ظرفیت تولید واحد j ام مربوط به تولیدکننده‌ی I (MW)،
: متغیّر تعمیرات مربوط به واحد j ام مربوط به تولیدکننده‌ی I،
PD(t,s): تقاضای توان در دوره‌ی t و زیربازه‌ی s،
I: مجموعه‌ی شامل تمام تولیدکنندگان و
Gi: مجموعه واحدهای متعلّق به تولیدکننده‌ی i می‌باشد.
این شاخص حاصل تقسیم رزرو موجود بر رزرو خالص است. در این مدل، مسأله‌ی ISO به صورتی که در ادامه آورده شده است بیان میشود که در آن، تابع هدف ISO به صورت زیر در نظر گرفته شده است:

که در آن، T و N به ترتیب بیانگر تعداد دوره‌های زمانی و تعداد زیربازه‌ها هستند. این تابع هدف، در واقع میانگین شاخص‌های تعریف شده در رابطه‌ی ‏(2-1) است. قیودی که ISO برای مسأله‌ی خود در نظر می‌گیرد شامل هشت مورد می‌شود که به ترتیب در زیر آورده شده‌اند:
حداقل رزرو خالص برای تمام دوره‌ها و زیر دوره‌ها

که در آن:

در این رابطه، a عددی ثابت بین صفر و یک است.
دوره‌ی خروج تعمیراتی:
این قید اطمینان می‌دهد که هر واحد به تعداد روز‌های لازم به تعمیرات رفته است.

در این رابطه Dij مدّت زمانی (تعداد دوره‌های زمانی) است که برای تعمیرات واحد تولید jام مربوط به تولیدکننده‌ی i لازم است.
قید پیوستگی تعمیرات:

حداکثر تعداد واحد‌هایی که می‌توانند همزمان به تعمیرات روند:

در این رابطه، Ni(t) حدّاکثر تعداد واحدهای مربوط به تولیدکننده‌ی i هستند که می‌توانند به طور همزمان به تعمیرات بروند.
اولویت تعمیرات:

در این رابطه، مجموعه‌ای است شامل جفت‌واحدهای مربوط به تولیدکننده‌ی i که تعمیرات آن‌ها نسبت به یکدیگر اولویت دارند. این قید الزام می‌کند که واحد j1 زودتر از واحد j2 (که هردو مربوط به یک تولیدکننده هستند) به تعمیرات برود.
ممنوعیت تعمیرات همزمان واحدهای خاص:

در این رابطه، مجموعه‌ای است شامل جفت‌واحدهای مربوط به تولیدکننده‌ی i که تعمیرات آن‌ها نباید همزمان صورت گیرد. این قید الزام می‌کند که دو واحد مشخص که مربوط به یک تولیدکننده هستند، همزمان به تعمیرات نروند.
قیود فاصله بین دو تعمیر پیاپی:

در این دو رابطه:
: تعداد دوره‌های زمانی است که باید بین پایان تعمیرات واحد j1 و شروع تعمیرات واحد j2 (که هر دو متعلّق به تولیدکننده‌ی i هستند) وجود داشته باشد،
: ثابتی است برابر با ،
: ثابتی است برابر با و
: مجموعه‌ای است شامل جفت‌واحدهای مربوط به تولیدکننده‌ی i که تعمیرات آن‌ها باید با یک فاصله‌ی زمانی از هم صورت گیرد.
باید دقّت شود که. این قیود الزام می‌کنند که بین برنامه‌ی تعمیرات دو واحد مربوط به یک تولیدکننده، یک حداقل فاصله‌ی زمانی وجود داشته باشد.
هم پوشانی در تعمیرات:

در این رابطهمجموعه‌ای است شامل جفت‌واحدهای مربوط به تولیدکننده‌ی i که تعمیرات آن‌ها باید الزاماً هم‌پوشانی داشته باشد.این قیود ایجاب می‌کنند که برنامه‌ی تعمیرات دو واحد مربوط به یک تولیدکننده، به یک میزان مشخص هم پوشانی داشته باشند.
پس از بیان مسأله‌ی ISO که زمان‌بندی تعمیرات واحدهای تولید را مستقل از مالکیت واحدها انجام می‌دهد، باید مسأله‌ی مربوط به هر تولیدکننده اجرا شود. همان‌طور که پیش‌تر نیز گفته شد، هر تولیدکننده به دنبال بیشینه کردن سود خود می‌باشد و بنابراین تابع هدف مسأله‌ی هر تولیدکننده به صورت زیر تعریف میشود:

که در آن:
: قیمت انرژی پیش‌بینی شده برای زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t ( )،
: توان تولیدی واحد j مربوط به تولیدکننده‌ی i در زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t (MW)،
: هزینه‌ی تولید واحد j مربوط به تولیدکننده‌ی i ( )،
: مدّت‌زمان زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t (برحسب تعداد ساعت)،
: هزینه‌ی ثابت واحد j مربوط به تولیدکننده‌ی i ( )،
: متغیّر مربوط به وضعیت روشن/خاموش بودن واحد j مربوط به تولیدکننده‌ی i در زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t (اگر یک باشد به معنی روشن بودن این واحد است و اگر صفر باشد به معنی خاموش بودن آن)
: هزینه‌ی راه‌اندازی واحد j مربوط به تولیدکننده‌ی i ($) و
: هزینه‌ی تعمیرات واحد j مربوط به تولیدکننده‌ی i ( ) می‌باشد.
در این تابع هدف، هزینه‌های تولید، هزینه‌های ثابت، هزینه‌ی راه‌اندازی و هزینه‌ی تعمیرات از درآمد حاصل از فروش برق کم می‌شود. مجموعه‌ی قیودی که برای هر تولیدکننده وجود دارد شامل موارد زیر است:
منطق راه‌اندازی نیروگاه:
این قیود منطق تغییر وضعیت را به اجرا در می‌آورند. قید ‏(2-15) تغییر وضعیت رخ داده بین آخرین زیربازه از یک دوره را با اولین زیربازه از دوره‌ی بعد درنظر می‌گیرد. قید ‏(2-16) تغییر پیاپی بین دو زیربازه‌ی مربوط به یک دوره را در نظر می‌گیرد.

در این روابط، متغیّر مربوط به وضعیت راه‌اندازی واحد j مربوط به تولیدکننده‌ی i در زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t است و در صورتی که این واحد در ابتدای زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t راه‌اندازی شده باشد، این متغّر مقدار یک را داراست و در غیر این صورت مقدار آن صفر است.
تعمیرات و وضعیت درمدار بودن[47]:
این قید بیان می‌دارد که وقتی یک واحد تحت تعمیرات است نمی‌تواند درمدار باشد.

ظرفیت و حداقل خروجی:

در این رابطه، حدّاقل ظرفیت تولید واحد j ام مربوط به تولیدکننده‌ی i (MW) است. وقتی که واحدی خاموش است، توان تولیدی آن باید صفر باشد و وقتی که روشن است، توان تولیدی آن باید از یک مقدار کمینه، بیشتر، و از یک مقدار بیشینه، کمتر باشد.
قیود تعمیرات: قیود ‏(2-5)-‏(2-13) هستند که این بار برای یک تولیدکننده‌ بیان می‌شوند.
در مدل ارائه شده در [7] ، پس از این که ISO و تولیدکنندگان به طور مستقل به برنامه‌ریزی واحدها پرداختند، باید برنامه‌های تنظیم شده توسّط تمام تولیدکنندگان با برنامه‌ی تنظیم شده توسّط ISO هماهنگ شود. این روند را روند هماهنگ‌سازی می‌گویند. این روند امکان دستیابی به یک برنامه‌ی تعمیرات تولید را فراهم می‌کند که هم معیار حداکثر سود تولیدکننده را برآورده میسازد و هم سطح امنیت کافی را برای سیستم در هر هفته از سال فراهم می‌کند. این روند به صورت زیر است:
ISO مسأله‌ی ‏(2-2)-‏(2-13) را حل می‌کند و به حلّ MR-MS می‌رسد.
هر تولیدکننده به طور مستقل مسأله‌ی زمان بندی تعمیرات خود را حل می‌کند و به حلّ MP-MS می‌رسد.
در این مرحله، ISO جواب‌های بدست آمده را مقایسه می‌کند؛ اگر به قدر کافی یکسان بودند، تولیدکننده‌ها به برنامه‌ی مورد نظر دست می‌یابند؛ در غیر این صورت باید به مرحله‌ی چهارم رفت.
اجرای روند تشویقی/جریمه‌ای: ISO تشویق و جریمه را برای هر دوره و زیر بازه، به طور یکسان برای همه‌ی تولیدکنندگان مشخص می‌کند و با این کار، تولیدکنندگان را تشویق می‌کند که برنامه‌ی تعمیرات خود را به گونه‌ای تغییر دهند که از منظر قابلیت اطمینان شبکه، MP-MS به MR-MS نزدیک شود. میزان تشویق و جریمه به صورتی که در ادامه آورده شده است، محاسبه میشود؛
با حفظ علامت، مقدار تفاضل مربعات بین شاخص قابلیت اطمینان برای هردو برنامه‌ی زمان‌بندی، در دوره‌ی t و زیربازه‌ی s به صورت زیر محاسبه می‌شود:

که در این رابطه:
: تفاضل مربّعات مربوط به اندیس‌های قابلیت اطمینان MP-MS و MR-MS در زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t در تکرار ،
: اندیس قابلیت اطمینان MP-MS در زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t در تکرار و
: اندیس قابلیت اطمینان MR-MS در زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t می‌باشد.
مقدار نرمالیزه شده‌ی فاکتور جریمه به صورت زیر محاسبه می‌شود:

هر تولیدکننده مسأله‌ی خود را حل می‌کند و این بار تشویق/جریمه را در تابع هدف خود در نظر می‌گیرد و تابع هدف جدید به صورت زیر خواهد شد:

که در این رابطه، عدد ثابتی بر حسب است که ISO در تکرار بکار می‌برد و مقدار مربوط به تشویق و/یا جریمه است که ISO در زیربازه‌ی s مربوط به دوره‌ی t در تکرار آن را تنظیم می‌کند.
ISO مجدّداً به مقایسه‌ی نتایج می‌پردازد و متناسب با مقایسه‌ی ISO، یا روند تکرار می‌شود و یا به پایان می‌رسد. دقّت شود که زمان‌بندی تعمیراتی که در بازه‌های زمانی با قابلیت اطمینان کم قرار دارند باید به طریقی جریمه شوند و آن‌هایی که در بازه‌های زمانی با قابلیت اطمینان زیاد هستند باید تشویق شوند. در الگوریتمی که توسط تولیدکننده حل می‌شود، وقتی که الگوریتم در تکرار nام همگرا می‌شود، هزینه‌ی زمان‌بندی مجدّد تعمیرات به صورت زیر محاسبه می‌شود:

این هزینه‌ی زمان‌بندی مجدّد باید به تولیدکنندگان پرداخت شود که برای این منظور، هزینه‌ی فوق به صورت تناسبی بین مصرف‌کنندگان آن دوره‌ها و زیربازه‌ها تقسیم می‌شود که به صورت زیر محاسبه می‌شود و معمولاً در مقابل کلّ پرداخت مصرف‌کنندگان مقدار اندکی دارد (با توجّه به نتایج عددی ارائه شده در این مقاله، این هزینه کمتر از %5/0 از کلّ پرداخت مصرفکنندگان است):

هزینه‌ای که در قبال زمان‌بندی مجدّد تعمیرات به هر تولیدکننده اختصاص می‌یابد به صورت زیر محاسبه می‌شود و به این ترتیب مدل ارائه شده در [7] تکمیل میشود:

در پژوهش دیگری، داسیلوا[48] [23] برای زمان‌بندی تعمیرات واحدهای تولید به ارائه‌ی یک مدل مبتنی بر برنامه‌ریزی عدد صحیح می‌پردازد و از طریق آن نشان می‌دهد که برای انجام تعمیرات واحدهای تولید، لازم و ضروری است که قیود بهره‌برداری سیستم انتقال نیز باید در نظر گرفته شود. در این مدل، سیستم انتقال از طریق یک پخشتوان بهینهی جریان مستقیم مدل می‌شود و حدّ ظرفیت خطوط انتقال و حدّاکثر توان تولیدی ژنراتورها نیز در نظر گرفته می‌شود. تابع هدف در نظر گرفته شده در این مدل [23] به صورت زیر است:

که در آن:
T: تعداد زیربازه‌های موجود در افق برنامه‌ریزی،
NG: تعداد ژنراتورهایی که در زمان‌بندی تعمیرات در نظر گرفته شده‌اند،
NK: تعداد پیشامد‌های در نظر گرفته شده برای هر زیربازه،
NB: تعداد شین‌های سیستم،
cit: هزینه‌ی تعمیرات مربوط به واحد تولید i در زیربازه‌ی t،
xit: متغیّر تصمیم مربوط به تعمیرات واحد تولید i در زیربازه‌ی t،
: فاکتور جریمه‌ی مربوط به شین j و
rjtk: بار قطع شده در شین j در زیربازه‌ی t ناشی از پیشامد k می‌باشد.
در این تابع هدف، بخش اوّل مرتبط با هزینه‌های مستقیم تعمیرات واحدهای تولید است و قسمت دوم مربوط به هزینه‌ی قطع بار در شین‌های مختلف شبکه می‌باشد. مدل ارائه شده توسّط داسیلوا [23] برای برنامه‌ریزی کوتاه‌مدّت سیستم قدرت کاربر دارد و در این مدل، برنامه‌ی خروج واحدهای تولید در یک ماه آینده تعیین می‌شود. در ‏جدول2-1 نتایج عددی مربوط به اجرای این الگوریتم بر روی شبکهای سه شینه که دارای شش واحد تولید است، آورده شده است.
همان‌طور که در ‏جدول2-1 مشاهده می‌شود، برنامه‌ی تعمیرات واحدهای شماره 3، 4 و 5، در حالتی که قیود سیستم انتقال در نظر گرفته شوند و حالتی که قیود سیستم انتقال در نظر گرفته نشوند کاملاً متفاوتند و تصمیم‌گیری در خصوص زمان‌بندی تعمیرات این واحدها کاملاً وابسته به لحاظ و یا عدم لحاظ قیود سیستم انتقال می‌باشد.
در پژوهشی دیگر، پاندزیک [24] با ارائه‌ی مدلی به زمان‌بندی تعمیرات سالانه‌ی واحدهای تولید در یک محیط رقابتی می‌پردازد. در این مقاله، ابتدا مدلی شامل یک برنامه‌ریزی دو سطحی[49] برای یک تولیدکننده که دارای چندین واحد تولید است بیان می‌شود که از طریق آن، این تولیدکننده می‌تواند درآمد ( و یا سود) خود را بیشینه کند و در عین حال قیود تعمیرات (در مسأله‌ی سطح بالا) و همچنین قیود بهره‌برداری شبکه (در مسأله‌ی سطح پایین) نیز رعایت شوند. مسأله‌ی سطح پایین در این مدل دو سطحی، فرآیند تسویه‌ی بازار با تابع هدف حدّاکثر میزان رفاه اجتماعی است.
در ادامه، مسأله‌ی یک تولیدکننده به صورت یک برنامه‌ی ریاضی با قیود مساوی (MPEC[50]) نوشته می‌شود و از ترکیب و حلّ همزمان MPECهای مربوط به تمام تولیدکنندگان، یک EPEC[51] حاصل می‌شود که به صورت زیر فرمول‌بندی می‌شود:

این مسأله در واقع مدلی از بازی چند پیرو-یک راهبر[52] است؛ چرا که در تمام MPECهای مربوط به تولیدکنندگان، مسأله‌ی سطح پایین آن‌ها که همان روند تسویه‌ی بازار است، مشابه است. حلّ این EPEC منجر به تعادلی می‌شود که دیگر هیچ تولیدکنندهای قادر نخواهند بود با تغییر زمان‌بندی تعمیرات واحدهای تحت مالکیت خود، سود خود را افزایش دهد.از آن‌جا که با افزایش تعداد تولیدکنندگان، تعداد MPECها و در نتیجه، تعداد متغیّرهای مسأله بسیار زیاد می‌شوند، در این مقاله، برای حلّ مسأله از یک الگوریتم جدید با نام الگوریتم قطری‌سازی[53] استفاده می‌شود که در آن، در هر زمان MPEC مربوط به یکی از تولیدکنندگان حل می‌شود و فرض می‌شود که متغیّرهای تصمیم سایر تولیدکنندگان ثابت می‌ماند. این روند تا زمانی تکرار می‌شود که در یک تعادل، دیگر هیچ یک از تولیدکنندگان انگیزه‌ای برای تغییر زمان‌بندی تعمیرات واحدهای خود نداشته باشد.
وو [25] در زمان‌بندی تعمیرات میان‌مدّت واحدهای تولید یک تولیدکننده، عدم قطعیت‌های موجود در قیمت‌های انرژی، خدمات جانبی و سوخت را نیز در نظر می‌گیرد و با ارائه‌ی مدلی احتمالاتی، زمان‌بندی خروج این واحدها را مبتنی بر ریسک‌های مالی تعیین می‌کند. در این مدل، از قیمت‌های بدست آمده از یک برنامه‌ریزی مبتنی بر قیمت مشارکت واحدها (PBUC[54]) استفاده می‌شود و یک مدل MILP[55] احتمالاتی ارائه می‌شود. زمان‌بندی حاصل شده، قبل از اجرا برای تأیید و اعتبار‌سنجی به ISO ابلاغ می‌شود.
نتایج عددی مقاله‌ی [23]ژنراتور هفته‌ی شروع تعمیرات
بدون در نظر گرفتن سیستم انتقال با در نظر گرفتن سیستم انتقال
1 1 1
2 1 1
3 1 2
4 2 3
5 3 2
6 1 1
در خصوص تعمیرات خطوط انتقال نیز می‌توان به کار پاندزیک [8] اشاره کردکه با ارائه‌ی یک مدل MILP (که در واقع خطّی شده‌ی یک مسأله‌ی دو سطحی است) بهترین برنامه‌ی زمان‌بندی تعمیرات خطوط انتقال را در یک محیط متمرکز و با یک افق یک ساله تعیین می‌کند. در این مدل، اپراتور سیستم انتقال (TSO)[56] در مسأله‌ی سطح بالا قرار می‌گیرد و تابع هدف خود را به صورتی که در رابطه‌ی ‏(2-27) آورده شده است تعریف می‌کند که نتیجه‌ی آن بیشینه کردن ظرفیت انتقالِ در دسترس در طی یک سال است:

که در آن:
plmax: ظرفیت انتقال خطّ l (MW)،
pl(t): توان عبوری از خطّ l در زیربازه‌ی t (MW)،
plh (t): توان عبوری مربوط به سطح بارگذاری h خطّ l در زیربازه‌ی t (MW)،
plhabs(t): قدرمطلق plh (t) (MW)،
Uh: ضریب وزنی مربوط به سطح بارگذاری h،
kl: ضریب وزنی مربوط به خطّ l،
djcmax(t): ظرفیت بلوک jام بار cام در زیربازه‌ی t (MW)،
xl(t): متغیّر باینری مربوط به تعمیرات خطّ l در زیربازه‌ی t، که اگر این خط در این زیربازه تحت تعمیر باشد مقدار آن یک و در غیر این صورت مقدار آن صفر است،
: مجموعه‌ی شامل تمام بارهای شبکه،
: مجموعه‌ی شامل بلوک‌های مربوط به هر بار،
: مجموعه‌ی شامل خطوطی که کاندید تعمیرات هستند،
: مجموعه‌ی شامل خطوطی که کاندید تعمیرات نیستند و
: مجموعه‌ی شامل سطوح بارگذاری در نظر گرفته شده برای خطوط شبکه است.
این تابع هدف در واقع مجموع ظرفیت استفاده نشده‌ی خطوط انتقال شبکه است که باید در افق زمانی مطالعه (یک سال در این مقاله) بیشینه شود. این تابع هدف در واقع جنبه‌ی قابلیت اطمینان شبکه را در نظر می‌گیرد. مجموعه‌ی قیودی که برای این مسأله در نظر گرفته می‌شود را می‌توان در سه دسته‌ی کلّی جای داد: یکی قیود مرتبط با توان عبوری از خطوط انتقال، دیگری قیود تعمیرات خطوط انتقال و دیگری، مسأله‌ی سطح پایین است که روند تسویه‌ی بازار را در هر هفته (و یا به عبارت بهتر، در هر بازه‌ی زمانی) با هدف بیشینه کردن رفاه اجتماعی[57] انجام می‌دهد. سه دسته قید فوق در زیر آورده شده‌اند:
قیود مرتبط با توان عبوری از خطوط انتقال:

از آن‌جا که در این مقاله برای خطوط انتقال سیستم، سطوح بارگذاری متفاوتی در نظر گرفته می‌شود()، قید ‏(2-28) بیان می‌کند که در هر بازه‌ی زمانی t، مجموع قدر مطلق مربوط به فلوی عبوری بلوک‌های مختلف هر خطّ انتقال باید برابر با قدر مطلق فلوی عبوری از آن خط باشد. قید ‏(2-29) تعیین می‌کند که در هر بازه‌ی زمانی، فلوی عبوری از هر بلوک خطّ انتقال (هر سطوح مختلف بارگذاری) باید کمتر از حدّاکثر مقدار بارگذاری تعیین شده برای آن بلوک باشد. پارامتر تعیین کننده‌ی کران‌های بالای مربوط به سطوح مختلف بارگذاری خطوط انتقال سیستم، بر حسب درصدی از ظرفیت بیشینه‌ی خطوط، می‌باشد. به عنوان مثال، این پارامتر می‌تواند به صورتی که در ‏جدول2-2 آورده شده است باشد.
در این مثال چهار سطح بارگذاری برای خطوط انتقال سیستم در نظر گرفته شده است که در سطح اوّل، میزان بارگذاری هر خطّ انتقال می‌تواند بین صفر تا %70 ظرفیت خط باشد. مجموعه‌ی قیود ‏(2-30) و ‏(2-31) به طور همزمان و توأمان، الزام می‌کنند که در هر زمان، باشد.
قیود تعمیرات خطوط انتقال:

نمونه‌ای از پارامتر [8]
h
%70 – 0 1
%85 – 70 2
%95 – 85 3
%100 – 95 4

که در این روابط:
: مجموعه‌ی شامل خطوطی که نباید همزمان به تعمیرات بروند،
: مجموعه‌ی شامل خطوطی که تعمیرات آن‌ها نسبت به یکدیگر دارای تقدّم است،
: مجموعه‌ی شامل خطوطی که تعمیرات آن‌ها باید هم‌پوشانی داشته باشد،
: تعداد زیربازه‌های کاری لازم برای تعمیرات خطّ l،
: تعداد زیربازه‌های آخرهفته‌ی لازم برای تعمیرات خطّ l،
N: حدّاکثر تعداد خطوطی که می‌توانند به طور همزمان به تعمیرات بروند،
Oij: تعداد زیربازه‌هایی که تعمیرات خطّ i و j باید هم‌پوشانی داشته باشد،
: مقدار حدّاقل بین تعداد زیربازه‌های لازم برای تعمیرات خطّ i و j، و
: مقدار حدّاکثر بین تعداد زیربازه‌های لازم برای تعمیرات خطّ i و j می‌باشد.
متغیّر تعمیرات خطوط کاندید در قیود ‏(2-32) بیان شده است که اگر برای خطّ l در زمان t مقدار آن یک باشد به معنی این است که این خط تحت تعمیر است. در این مدل، هفته‌های سال، خود به دو زیربازه‌ی دیگر با نام‌های «روزهای کاری[58]» و «آخر هفته[59]» تقسیم می‌شوند که این کار برای مدل‌سازی دقیق‌تر پروفیل بار صورت گرفته است. هر خطّ انتقال برای تعمیرات خود به تعداد مشخّصی روزهای کاری نیاز دارد (Wd) و به تعداد مشخّصی آخر هفته (We). قیود ‏(2-33) و ‏(2-34)، به ترتیب، بیان‌گر تعداد هفته‌های کاری و آخر هفته‌های لازم برای تعمیرات هر خطّ انتقال هستند. قیود ‏(2-35) و ‏(2-36)، به ترتیب، الزام می‌کنند که تعمیرات روزهای کاری و آخر هفته برای هر خط، هر کدام به صورت پیوسته انجام شوند. در صورتی که Wd و We بزرگتر از صفر باشند، قیود ‏(2-37) تضمین می‌کنند که مجموعه‌ی تعمیرات روزهای کاری و آخر هفته نیز باهم به صورت پیوسته اجرا شود. قیود ‏(2-38) بیان‌گر محدودیت تیم تعمیرات در هر بازه‌ی زمانی می‌باشند. قیود ‏(2-39) از تعمیرات هم‌زمان برخی خطوط انتقال جلوگیری می‌کنند. خطوطی که نباید همزمان به تعمیرات بروند در مجموعه‌ی قرار دارند. قید ‏(2-40) تقدّم تعمیرات خطّ i را نسبت به خطّ j تضمین می‌کند. ترکیب هم‌زمان قیود ‏(2-41) و ‏(2-42) الزام می‌کند که خطوطی که باید تعمیرات آن‌ها به یک اندازه‌ی مشخّص هم‌پوشانی داشته باشد، هم‌پوشانی لازم برای آن‌ها رعایت شود.
تسویه‌ی بازار در هر بازه‌ی زمانی:
این بخش از مسأله، تسویه‌ی بازار را در هر بازه‌ی زمانی با هدف بیشینه کردن رفاه اجتماعی و مقیّد به قیود بهره‌برداری شبکه، اجرا می‌کند.
در ادامه‌ی این مقاله [8]، مسأله‌ی دو سطحی بیان شده در روابط ‏(2-27)-‏(2-42) ابتدا با استفاده از تئوری دوگان[60] به یک مسأله‌ی یک‌پارچه تبدیل می‌شود و پس از آن، قیودی که شامل ترم‌های غیرخطّی هستند، خطّی شده و مدل MILP نهایی بدست می‌آید.
گاهی تعمیرات یک خطّ انتقال باعث می‌شود که برخی از ژنراتورهای سیستم برای تأمین بار شبکه ناچار به افزایش تولید باشند. در چنین حالتی ممکن است که دیگر خطوط شبکه دچار تراکم شوند. از سوی دیگر، شرکت‌های مختلف ممکن است که از انتشار اطّلاعات خود (نظیر ضرایب تابع هزینه‌ی تولید) خودداری کنند و نتوان تعمیرات تولید و یا انتقال را به صورت متمرکز انجام داد. دلایلی از این قسم باعث می‌شود تا نیاز به انجام تعمیرات هماهنگ تولید و انتقال و ایجاد هماهنگی بین شرکت‌های مختلف بوجود بیاید [5].
گیتا[61] [5] برای انجام هماهنگ تعمیرات پیشگیرانه‌ی تولید و انتقال، روندی مشابه آن‌چه که در ‏شکل2-1 آورده شده است ارائه می‌دهد. همان‌طور که از این شکل مشاهده می‌شود، واحدهای تولید و انتقال، هرکدام به طور مجزّا، به صورت هماهنگ با ISO یک زمان‌بندی برای تعمیرات خود تعیین می‌کنند. در بلوک شماره یک در ‏‏شکل2-1، [62]GENCO با هدف کمینه کردن سود از دست رفته‌ی خود، با توجّه به بار و قیمت‌های پیش‌بینی شده به اجرای TCPBUC[63] می‌پردازد. TCPBUC نوعی برنامه‌ریزی مشارکت واحدها مبتنی بر قیمت است که در آن قیود انتقال نیز در نظر گرفته می‌شوند.
GENCO در روند زمان‌بندی خود، قابلیت اطمینان شبکه را به عنوان قید در مسأله‌ی خود لحاظ نمی‌کند. در این روند، در هر تکرار از حلّ مسأله (که در حلّ مسأله از روش تجزیه‌ی بندر[64] استفاده شده است) ISO به بررسی قابلیت اطمینان شبکه می‌پردازد و در صورتی که برنامه‌ی پیشنهادی GENCO، قابلیت اطمینان شبکه را به مخاطره بیاندازد، با ارسال یک سیگنال منفی، GENCO را وادار به تغییر زمان‌بندی خود می‌کند.
به طور مشابه، در بلوک شماره دو در ‏شکل2-1، TRANSCO[65] نیز با اجرای یک برنامه‌ریزی خطّی با هدف کمینه کردن هزینه‌ی تعمیرات و مشروط به تعداد تیم تعمیراتِ در دسترس، به صورت هماهنگ با ISO به زمان‌بندی تعمیرات مربوط به تجهیزات خود می‌پردازد. در این زمان، فرض TRANSCO بر این است که تمام واحدهای تولید برای تولید توان در مدار هستند.
پس از حصول زمان‌بندی تعمیرات GENCO و TRANSCO، هر دو شرکت، برنامه‌ی زمان‌بندی تعمیرات خود را به ISO اعلام می‌کنند و در بلوک سه در شکل1-1، ISO به بررسی وضعیت قابلیت اطمینان و امنیت شبکه تحت برنامه‌های زمان‌بندی پیشنهاد شده توسّط GENCO و TRANSCO می‌پردازد و در صورتی که قابلیت اطمینان شبکه نقض شود، با ارسال سیگنال‌های مناسب، TRANSCO را موظّف به تغییر زمان‌بندی پیشنهادی‌اش می‌نماید. این روند تا جایی ادامه می‌یابد که ISO تشخیص دهد که قابلیت اطمینان شبکه در حدّ قابل قبول خود باقی می‌ماند.
در پژوهشی دیگر، وو [9] با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌های موجود در سیستم قدرت، زمان‌بندی تعمیرات بخش تولید و انتقال را به صورت هماهنگ و امنیت-مقیّد[66] تعیین می‌کند. این مقاله [9]، مدلی احتمالاتی را به ISO پیشنهاد می‌دهد که بوسیله‌ی آن می‌تواند تعمیرات بلندمدّت واحدهای تولید و انتقال را به صورت هماهنگ و براساس برنامه‌ریزی کوتاه‌مدّت و امنیت-مقیّد مشارکت واحدها زمان‌بندی کند. یک سری از اغتشاشات سیستم قدرت، با در نظر گرفتن نرخ خروج اجباری (FOR)[67] واحدهای تولید و خطوط انتقال، خطای پیش‌بینی بار و نوسانات قیمت سوخت، به صورت اتّفاقی تولید شده و از شبیه‌سازی مونتکارلو[68] برای انجام شبیه‌سازی‌ها استفاده شده است.
در پژوهشی دیگر، لطیفی [10] با ارائه‌ی یک روند تکراری، قیود و عدم قطعیت‌های موجود در شبکه‌ی گاز را نیز به بحث تعمیرات واحدهای تولید در یک محیط تجدیدساختار شده اضافه می‌کند و با ایجاد یک ارتباط بین اپراتور شبکه‌ی گاز (GNO)[69]، اپراتور مستقل بازار (IMO)[70] و اپراتور مستقلّ سیستم (ISO)، برنامه‌ریزی میان‌مدّت شبکه‌های برق و گاز را به صورت هماهنگ انجام می‌دهد. خلاصه‌ای از روند پیشنهادی در [10] را می‌توان به صورت زیر بیان نمود:
ابتدا GNO یک مجموعهی کامل از سناریو‌های مربوط به بار‌های گازی ایجاد می‌کند.
حداکثر گاز در دسترس مبتنی بر سناریو برای واحد‌های تولید محاسبه می‌شود و برای IMO و ISO ارسال می‌شود.
IMO قیمت‌های بازار را در آن بازه‌ی زمانی مورد بحث اعلام می‌کند.
GENCO‌ها با در نظر گرفتن تابع هدف خود و قیود مربوط و قیمت‌های مبتنی بر سناریو و همین‌طور حداکثر گاز در دسترس مبتنی بر سناریو، طرح پیشنهادی تعمیرات خود را به ISO و IMO ارائه می‌دهند.

روند پیشنهادی گیتا [5] برای تعمیرات هماهنگ تولید و انتقالISO اثر این پیشنهادها را بر روی شاخص قابلیت اطمینان شبکه و حداکثر گاز در دسترس بررسی می‌کند و متناسب با میزان مشارکت هر GENCO در تخطی از این شاخص‌ها، تشویقی یا جریمه‌ای را لحاظ می‌کند.
GNO با در نظر گرفتن پیشنهادهای ارائه شده توسط GENCO‌ها، مجدداً حداکثر گاز در دسترس مبتنی بر سناریو را برای ژنراتور‌ها محاسبه می‌کند.
IMO قیمت‌های جدید بازار را با لحاظ پروپوزال‌های ارائه شده محاسبه می‌کند.
سیگنال‌های ایجاد شده، GENCO‌ها را بر آن می‌دارد تا در برنامه‌ی زمان‌بندی خود تجدید نظر کنند و اصلاحات لازم را ایجاد کنند.
فرآیند فوق تا زمانی تکرار می‌شود که یک نقطه‌ی تعادل بدست آید. در ادامه‌ی این فصل، مروری خواهیم داشت بر مهم‌ترین پژوهش‌های صورت گرفته در خصوص ارزیابی آسیب‌پذیری سیستم قدرت و مبحث حملات عامدانه در سیستم قدرت.
مروری بر پژوهش‌‌های صورت گرفته در زمینه‌‌ی آسیب‌پذیری سیستم قدرتبحث امنیت و بررسی آسیب‌پذیری تنها به شبکه‌ی برق محدود نمی‌شود و بخش‌های مختلف هر کشور نیاز به کفایت امنیت و بررسی و شناخت نقاط آسیب‌پذیر دارد. به طور کلّی، می‌توان زیرساخت‌های حیاتی[71] یک کشور را به بخش‌های زیر تقسیم نمود [26]: 1) کشاورزی 2) سیستم مالی و بانک‌داری 3) صنعت شیمیایی 4) صنایع دفاعـی 5) سرویس‌هـای اضـطراری 6) انـرژی 7) غذا 8) دولت 9) اطّلاعات و ارتباطات 10) پست و کشتی‌رانی 11) سلامت عمومی 12) سیستم حمل و نقل 13) آب.
هرکدام از این بخش‌ها می‌توانند نسبت به حمله‌های عامدانهی انسانی[72] آسیب‌پذیر باشند. پس از حادثه‌ی 11 سپتامبر 2001 و حملات صورت گرفته در کشور‌های مختلف، مبحث حمله به زیرساخت‌های ملّی[73]، به عنوان خطری جدّی برای امنیت ملّی، به یک موضوع بسیار مهم مبدّل شد. بسیاری از کشور‌ها، از جمله ایالات متّحده‌ی آمریکا، آلمان، انگلستان و استرالیا، به انجام طرح‌های حفاظت از زیرساخت‌های حیاتی (CIP[74]) اقدام ورزیده‌اند. به عنوان مثال، ایالات متّحده‌ی آمریکا سالانه 150 میلیارد دلار برای امنیت ملّی و 15 میلیارد دلار برای حفاظت از زیرساخت‌های حیاتی خود هزینه می‌کند [26]. طرّاحی استاندارد بازار (SMD[75]) تهیه شده توسّط FERC[76]، استانداردهای امنیتی ارائه شده توسّط NERC[77] را نیز شامل می‌شود و الزام می‌دارد که نکات امنیتی و آسیب‌پذیری شبکه‌ی قدرت نیز در استانداردها لحاظ شود.
در این بین، یکی از اصلی‌ترین زیرساخت‌ها، شبکه‌ی برق است. شبکه‌ی قدرت می‌تواند از جنبه‌های مختلف مورد تهاجم و حمله قرار گیرد [27]:
حمله به شبکه‌ی قدرت: در این حالت، خود شبکه‌ی قدرت هدف قرار می‌گیرد؛ به عنوان مثال، دشمن می‌تواند به المان‌های شبکه، همچون خط و ترانسفورمر، حمله کند.
حمله با استفاده از شبکه‌ی قدرت: در این حالت، دشمن می‌تواند از شبکه‌ی قدرت استفاده کند و به جامعه آسیب برساند؛ به عنوان مثال، می‌تواند از برج‌های خنک‌کننده‌ی نیروگاه، برای انتشار گاز‌ها و موادّ شیمیایی خطرناک استفاده کند.
حمله از طریق شبکه‌ی قدرت: در این حالت، طرف مخاصم می‌تواند با نصب و اتّصال یک سری تجهیزات خاص به شبکه‌ی قدرت، به زیرساخت‌های مختلف حمله کند؛ مثلاً، می‌تواند یک مولّد پالس الکترومغناطیسی به شبکه‌ی قدرت متّصل کند و از این طریق، خساراتی را به کامپیوترها و سیستم‌های ارتباطی کشور وارد آورد.
پس از سال 1982 که بحث تجدیدساختار صنعت برق شروع به رشد و توسعه نمود، با شکل‌گیری بازار برق و ایجاد بازارهای رقابتی برق، تعداد شرکت‌کنندگان بازار به تدریج افزایش یافت و این امر موجب شد تا نیاز به یک سیستم مخابره‌ی داده بیشتر حس شود. با توسعه‌ی سیستم‌های [78]SCADA، بازار برق وابستگی بیشتری به سیستم‌های مخابره‌ی داده پیدا کرد و از این رو، شبکه‌ی قدرت، بیش از پیش در معرض خطر حمله‌های سایبری قرار گرفت. بخشی از پژوهش‌ها تمرکز خود را بر روی حملات سایبری به شبکه‌ی قدرت قرار داده‌اند. واتس[79] [28] به بررسی برخی از آسیب‌پذیری‌های شبکه‌ی قدرت، از منظر حملات سایبری می‌پردازد. ریسک‌های موجود در بحث امنیت سایبری شبکه‌ی قدرت، از وابستگی به سیستم‌های SCADA، تداخل سیستم‌های بی‌سیم، مودم‌ها و PLCها[80] نشأت می‌گیرد. طبق استاندارد‌هایی که برای امنیت سایبری تدوین شده است، برای مقابله با حملات سایبری به شبکه‌ی قدرت، می‌توان راه‌کارهایی از جمله موارد زیر را به کار بست [28]:
استفاده از نرم افزار‌های Firewall،
استفاده از نرم‌افزار‌های ضدّ ویروس،
از کار انداختن سرویس‌ها و پورت‌هایی از شبکه که استفاده نمی‌شوند،
استفاده از کلمه‌ی عبور برای تجهیزات کنترلی شبکه،
بازدید دوره‌ای حساب‌های کامپیوتری و مجوّزهای دسترسی فیزیکی به شبکه
بخش دیگری از پژوهش‌ها (که هدف این پایاننامه نیز بیشتر در راستای این دسته از تحقیقات است)، آسیب‌پذیری ساختار فیزیکی شبکه‌ی قدرت را مدّ نظر قرار داده‌اند و مسأله‌ی آسیب‌پذیری شبکه‌ی قدرت را از منظر آسیب‌پذیری تجهیزات اصلی شبکه‌ی قدرت، یعنی خطوط انتقال، ترانسفورمر‌ها، ژنراتور‌ها، باس‌بار‌ها و پست‌ها، تحت مطالعه وبررسی قرار داده‌اند. معمولاً ساختار اصلی مدل‌های ارائه شده در این پژوهش‌ها به‌گونه‌ای است که در آن، یک مدافع (اپراتور مستقلِّ شبکه) سعی می‌کند که شبکه‌ی قدرت را به صورت بهینه بهره‌برداری کند و از سوی دیگر، یک مهاجم[81] در صدد انتخاب بهترین نقشه برای حمله به شبکه‌ی قدرت است، به‌گونه‌ای که بتواند با اختصاص کمترین نیروی انسانی لازم، بیشترین خسارت را به شبکه‌ی قدرت وارد آورد.
سالمِرون [13] نخستین کسی است که به مدل‌سازی حملات عامدانه در شبکه‌ی قدرت پرداخته است. مدلی که او پیشنهاد می‌دهد یک مدل دو سطحی Minimax است که در مسأله‌ی سطح بالای آن (بیشینه‌سازی)، مهاجم یک تعداد نیروی انسانی محدود برای حمله در دست دارد و قصد او این است که بهترین نقشه برای حمله به شبکه‌ی قدرت را به گونه‌ای بیابد که هزینه‌ی تولید و بار از دست رفته‌ی شبکه را بیشینه نماید. در مسأله‌ی سطح پایین نیز اپراتور شبکه به گونه‌ای پخش‌توان شبکه را انجام می‌دهد که هزینه‌ی تولید و هزینه‌ی بار از دست‌رفته‌ی شبکه کمینه شود. فرض‌هایی که در این مدل در نظر گرفته شده‌اند به شرح زیر می‌باشد:
زیرساخت مخابراتی شبکه به قدر کافی مستحکم است،
خروج‌های متوالی[82] ناشی از حمله به یک تجهیز (مثل خطّ انتقال) در نظر گرفته نمی‌شود. در واقع، این مدل هزینه‌ی تحمیل شده پس از بازیابی[83] تجهیز خارج شده را لحاظ می‌کند و هزینه‌ی خرابی تجهیز را نیز لحاظ نمی‌کند،
در مورد خطوط چندمداره (خطوطی که به دکل‌های مشترک وصل شده‌اند)، در صورت حمله به یکی از آن‌ها، سایر خطوط نیز از مدار خارج می‌شود،
در صورتی‌که به یک ترانسفورمر حمله شود، در دیاگرام تک خطی شبکه، خط معادل این ترانسفورمر از مدار خارج می‌شود،
در صورت حمله به یک ژنراتور، آن ژنراتور از مدار خارج می‌شود و از شبکه جدا می‌شود،
در صورت حمله به یک باس‌بار، کلّیه‌ی خطوط انتقال، بار‌ها، ژنراتور‌ها و ترانسفورمر‌های متّصل به آن باس‌بار از مدار خارج می‌شود و
در صورت حمله به یک پست، کلّیه‌ی باس‌بار‌های موجود در آن پست از مدار خارج می‌شوند و پیامد‌های بیان شده برای خروج یک باس‌بار نیز برای آن در نظر گرفته می‌شود.
همان‌طور که پیش‌تر توضیح داده شد، مهاجم در پی بیشینه‌سازی هزینه‌ی تولید و هزینه‌ی بار از دست رفته است. برای رسیدن به این هدف، مهاجم تعداد محدودی منابع انسانی (M) در دسترس دارد که باید این منابع را به طور بهینه به کار گیرد. گروه مهاجم برای حمله به هرکدام از تجهیزات شبکه، نیاز به تعداد افراد معیّنی به شرح زیر دارد:
MgGen: تعداد افراد لازم برای حمله به ژنراتور g
Mlline: تعداد افراد لازم برای حمله به خط انتقال l
MiBus: تعداد افراد لازم برای حمله به باس‌بارi
MsSub: تعداد افراد لازم برای حمله به پستs
تابع هدف گروه مهاجم به صورت رابطهی ‏(2-43) تعریف می‌شود (مسأله‌ی سطح بالا):

مشروط به این که:

که در آن (مسأله‌ی سطح پایین):

مشروط به این که:

که در این روابط:
: متغیّرهای حمله (اگر برابر با یک باشند، مفهوم آن این است که تجهیز مربوطه مورد حمله قرار گرفته است، در غیر این صورت مقدار صفر را به خود اختصاص می‌دهند)،
: توان تولیدی ژنراتور g (MW)،
: بار قطع شده مربوط به بلوک c بار i (MW)،
: هزینه‌ی تولید ژنراتور g ( )،
: هزینه‌ی قطع‌بار برای بلوک c بار i ()،
: توان عبوری از خطّ l (MW)،
: سوسپتانس خطّ l (S)،
: زاویه‌ی ولتاژ شین ابتدایی خطّ l،
: زاویه‌ی ولتاژ شین انتهایی خطّ l،
: تقاضای مربوط به بلوک c بار i (MW) و
: ظرفیت انتقال خطّ l می‌باشد.
رابطهی ‏(2-44) محدودیت تعداد افراد مهاجم را نشان میدهد. رابطه‌ی ‏(2-45) بیانگر تابع هدف اپراتور مستقلّ شبکه است. رابطه‌ی ‏(2-46) میزان فلوی عبوری از هر خطّ شبکه را با لحاظ این موضوع که خود آن خط، و/یا پست‌ها و/یا باس‌بار‌های مربوط به آن خط و نیز خطوط موازی با آن (در صورت وجود) مورد حمله قرار گرفته‌اند یا نه، محاسبه می‌کند. رابطه‌ی ‏(2-47) نیز بیان‌گر قید تعادل توان در هرکدام از باس‌بار‌های شبکه است. روابط ‏(2-48) و ‏(2-49) حدّاکثر فلوی مجاز عبوری از هر خط انتقال را با لحاظ حمله به المان‌های مربوط به آن، تعیین می‌کند. روابط ‏(2-50) و ‏(2-51) نیز به ترتیب بیان‌گر حدّاکثر توان تولیدی مجاز برای واحد‌های تولید و حدّاکثر باری که ممکن است در هر شین شبکه از دست برود، هستند.
همان‌طور که در روابط مربوط به این مدل مشاهده می‌شود، این مدل حاوی ترم‌های غیرخطّی و ضرب متغیّر‌های باینری است. روش حلّی که در این مقاله در پیش گرفته شده است، روش تجزیه‌ی بندر است. در این مدل می‌توان احتمال وقوع[84] سناریو‌های مختلف را نیز در نظر گرفت. مسأله‌ی دیگری که مطرح است این است که آیا این مسأله باید به صورت کوتاه مدّت[85] بررسی شود یا بلند مدّت[86] و این‌که اگر بُعد زمان نیز به مسأله افزوده شود، چه تأثیری در مدل ارائه شده خواهد داشت؟ در جواب به این سؤال باید گفت که در صورتی که بخواهیم مسأله را به صورت بلند مدّت مورد بررسی قرار دهیم و عنصر زمان را نیز در آن دخالت دهیم، بحث مدّت زمانی که تعمیرات المان‌هایی که مورد حمله قرار گرفته‌اند اهمّیت پیدا می‌کند و از این طریق، با افزایش میزان بار از دست رفته، بر روند حل و جوابی که برای مسأله به دست می‌آید اثر می‌گذارد. به عنوان مثال، در مثال‌های عددی مورد بررسی در این مقاله [13]، برای تعمیرات المان‌های مختلف شبکه، مدّت‌زمان‌های مختلفی در نظر گرفته شده است که در ‏جدول2-3 آورده شده‌اند. نسخه‌ی زمانی[87] مدل ارائه شده، در زیر آورده شده است:

مدل ، در واقع مدل Minimax را به گونه‌ای بسط می‌دهد تا هزینه‌ی ساعتی انرژی در هر بازه‌ی زمانی را نیز که در مدّت زمان آن بازه‌ی زمانی ضرب شده است، در خود لحاظ کند. هرچند که این مقاله برای یافتن بهترین عنصر برای تقویت و استحکام، فرمول‌بندی و مدل خاصّی ارائه نداده است، امّا ادّعا می‌کند که اگر به ازای مقادیر مختلف M (منابع در دسترس برای مهاجم)، یک تعداد المان‌های خاص همواره حیاتی ظاهر شوند، این المان‌ها بهترین گزینه‌ها برای تقویت و استحکام بیشتر می‌باشند.
دقّت شود که نسخه‌ی زمانی ارائه شده توسّط سالمِرون با مدل زمانی که ما در این پایان‌نامه ارائه داده‌ایم متفاوت است. توضیح بیشتر این که در نسخه‌ی زمانی مدل سالمِرون، همچنان در بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت تنها از یک تصویر از وضعیت بهره‌برداری شبکه استفاده می‌شود و تنها برای محاسبه‌ی میزان بار قطع شده، مدّت‌زمان لازم برای تعمیرات المان‌های مورد حمله واقع شده در نظر گرفته می‌شوند و این در حالی است که در مدل جدیدی که ما برای بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت ارائه می‌دهیم، فاکتور «زمان»، خود به عنوان یکی از فاکتورهایی است که مهاجم در خصوص انتخاب بهینه‌ی آن تصمیم‌گیری می‌کند و مهاجم در فرآیند تصمیم‌گیری، وضعیت بهره‌برداری شبکه در یک افق زمانی مشخّص (مثلاً یک فصل) را نیز در نظر میگیرد و علاوه بر انتخاب بهترین مکان حمله، در خصوص بهترین زمان حمله نیز تصمیم‌گیری بهینه می‌کند.
پس از سالمِرون، موتو [16] به ارائه‌ی یک روند MILP برای مسأله‌ی آسیب‌پذیری شبکه‌ی قدرت می‌پردازد که در آن سعی شده است به طریقی مدل ارائه شده توسّط سالمِرون [13] که شامل ترم‌های غیرخطّی بود، به یک مدل خطّی مختلط با عدد صحیح(MILP) تبدیل شود. در این مدل، ابتدا مدل MIBLP[88] (همان مدل ارائه شده توسّط سالمِرون [13]) که یک مدل دو سطحی است، با استفاده از تئوری دوگان تبدیل به یک مدل یک سطحی غیرخطّی (MINLP[89]) شود و پس از آن، با خطّی سازی ترم‌های غیرخطّی مسأله، یک مدل خطّی مختلط با عدد صحیح (MILP) بدست آید.
زمان لازم برای تعمیر المان‌های مختلف شبکه [13]
المان شبکه مدّت زمان تعمیرات (ساعت)
خطِّ انتقال 72
ترانسفورمر 768
پست 768
باس‌بار 360
در رویکردی دیگر، آرویو [15] برای بررسی آسیب‌پذیری سیستم قدرت از برنامه‌ریزی دو سطحی استفاده می‌کند و با تعریف دو تابع هدف متفاوت برای مهاجم به ارائه‌ی دو مدل مختلف می‌پردازد: یکی مدل آسیب‌پذیری کمینه[90] و دیگری مدل آسیب‌پذیری بیشینه[91]. مدلِ حدّاقل آسیب‌پذیری، به جستجوی حدّاقل تعداد خطوطی که خروج آن‌ها سبب می‌شود که بار از دست رفته‌ی شبکه، از یک آستانه‌ی تعیین شده توسط اپراتور شبکه و یا برنامه‌ریز شبکه بیشتر شود، می‌پردازد. به عکس، مدل حدّاکثر آسیب پذیری، برای تعداد خطوطی که می‌توانند همزمان از شبکه خارج شوند، یک مقدار حدّاکثر فرض می‌کند و سپس با این فرض، به دنبال محاسبه‌ی حدّاکثر بار از دست رفته‌ی شبکه می‌پردازد. آرویو در مدل خود هم خطاهای عامدانه و هم پیشامدهای معمول سیستم قدرت را در نظر می‌گیرد.
تابع هدف مسأله‌ی سطح بالا در مدل آسیب‌پذیری کمینه به صورت رابطه‌ی ‏(2-53) تعریف می‌شود که بیان‌گر متغیّر خروج یک خطّ انتقال است و در صورتی که مقدار صفر را به خود بگیرد معادل این است که آن خط به هر دلیلی (چه در اثر حمله و چه در اثر پیشامدهای معمول سیستم قدرت) از مدار خارج شده است.

این تابع هدف مشروط به این قید است که میزان قطعی بار[92] از یک حدّ خاص () بیشتر شود (رابطه‌ی‏(2-54)). تابع هدف مسأله‌ی سطح پایین که به عنوان قید دوم مسأله‌ی سطح بالا محسوب می‌شود به صورت زیر بیان می‌شود:

که در آن، سعی بر کمینه کردن کلّ بار قطع شده‌ی شبکه می‌باشد. در این رابطه، بیانگر بار قطع شده در شین n می‌باشد. قیود مسأله‌ی سطح پایین نیز شامل محدودیت‌های فیزیکی پخش‌توان شبکه می‌شوند که در مدل‌های قبلی به آن‌ها اشاره شده است و از تکرار آن‌ها خودداری می‌کنیم.
در مدل آسیب‌پذیری بیشینه، جای قید و تابع هدف بیان شده برای مسأله‌ی سطح بالا در مدل آسیب‌پذیری کمینه (روابط ‏(2-53) و ‏(2-54)) عوض می‌شود و این بار، در مسأله‌ی سطح بالا، هدف بیشینه کردن میزان بار قطع شده‌ی شبکه می‌باشد که محدودیت در نظر گرفته شده برای آن، این است که تعداد خطوطی از شبکه که می‌توانند به طور همزمان از شبکه خارج شوند کمتر از یک مقدار خاص می‌باشد. مسأله‌ی سطح پایین در هر دو مدل یکسان است.
بحث مهمّ دیگری که آرویو [15] به آن پرداخته است، مقایسه‌ی تعداد متغیّرها و زمان حلّ مربوط به زمانی که یک مسأله‌ی دو سطحی از روش دوگان به یک مسأله‌ی یکپارچه تبدیل شود و یا این که با استفاده از روش KKT به صورت یکپارچه باز نویسی شود، می‌باشد. آرویو با یکپارچه کردن دو مدل فوق، با استفاده از هر دو روش دوگان و KKT نشان می‌دهد که یکپارچه کردن مسأله‌ی دو سطحی با استفاده از تئوری دوگان، به شدّت زمان حلّ مسأله و نیز تعداد متغیّرهای آن را کاهش می‌دهد.

– (298)

1732280000دانشكده‌ی هنر و معماری
پايان‌نامه‌ي كارشناسي ارشد در رشته‌ی شهرسازی (گرايش برنامه‌ریزی شهری)
بازتعریف ساختار شهر استهبان با تاکید بر نقش سامانه‌ی سنتی پخشایش آب
به كوشش:
سید جواد حسینی‌نژاد
استاد راهنما:
جناب آقای دكتر سهند لطفی
جناب آقای دكتر خلیل حاجی‌پور
استاد مشاور:
سرکار خانم دکتر مهسا شعله
بهمن 1393
به
نام
خداوند
جان
و
خـرد
به نام خدا
اظهارنامه
این‌جانب سید جواد حسینی‌نژاد دانشجوی کارشناسی ارشد رشته‌ی شهرسازی (گرایش برنامه‌ریزی شهری) در دانشکده‌ی هنر و معماری اظهار می‌کنم که این پایان‌نامه دست‌آورد پژوهش خودم است و هر جا که از کارها و پژوهش‌های دیگران بهره برده‌ام، نشانی درست و مشخصات کامل آن را نوشته‌ام. هم‌چنین اظهار می‌کنم که پژوهش و موضوع پایان‌نامه‌ام تکراری نیست و متعهد می‌شوم که بدون مجوز دانشگاه، دست‌آوردهای آن را منتشر نکنم و در اختیار دیگران نگذارم. همه‌ی حقوق این پایان‌نامه برابر با آیین‌نامه‌ی مالکیت فکری و معنوی از آنِ دانشگاه شیراز است.
نام و نام خانوادگی: سید جواد حسینی‌نژاد
تاریخ و امضا:

به نام خدا
بازتعریف ساختار شهر استهبان با تاکید بر نقش سامانه‌ی سنتی پخشایش آب
به کوشش
سید جواد حسینی‌نژاد
پایان‌نامه
ارایه شده به تحصيلات تكميلي دانشگاه شيراز به عنوان بخشي از فعاليت‌هاي تحصيلي لازم برای دریافت درجه‌ی کارشناسی ارشد
در رشته‌ی شهرسازی (گرایش برنامه‌ریزی شهری)
از دانشگاه شیراز
شیراز
جمهوری اسلامی ایران
ارزیابی کمیته‌ی پایان‌نامه، با درجه‌ی: عالی
دکتر سهند لطفی، استادیار بخش شهرسازی (استاد راهنما) ————
دکتر خلیل حاجی‌پور، استادیار بخش شهرسازی (استاد راهنما) ————
دکتر مهسا شعله ، استادیار بخش شهرسازی (استاد مشاور) ————
دکتر محمدرضا بذرگر، استادیار بخش شهرسازی (داور) ————
بهمن 1393
به روشنای یاد سید محمدجعفر حسینی‌نژاد
با فروتنی، سپرده می‌شود به ارجمندان:
دکتر خلیل حاجی‌پور
دکتر سهند لطفی
و
مهندس سید جواد حسینی‌نژاد
سپاس‌گزاري
با سپاس ویژه از هم‌راهِ هم‌دلم: ملیحه غلام‌زاده؛
استادان بزرگوار راه‌نما و مشاور؛
خانواده؛
و همه‌ی کسانی که مرا در این راه یاری دادند:
محمدرضا آل‌ابراهیم، سید مهدی حسینی‌نژاد، سید بهاالدین مرشدی اصطهباناتی، سید مهدی مرشدی اصطهباناتی، سید رضا تحقیقی، سید حسین سجادی، سید محمدمعین معزی، سید مصطفا مرادیان، سید محمدصادق تابعی، سید حسن کشفی‌حقیقی، سید عباس منتصری، اسدالله فقیهی، علی خرسندنیا، مهیار شریعتمداری، فهیمه نامورحقیقی، محسن اشجار، رحیم حاجی‌باقری، میثم صفرپور، علی‌رضا نماینده، اسدالله هاشمیان، مرجان رامی، آسیه قاسمی، محسن نقیبی‌نژاد، محمدباقر شمس، امید کیامرث، جواد فتحی، علی‌اصغر منظوری و کسانی که فراموش کرده‌ام؛
و گردانندگان تارنمای اینترنتی «کنسرسیوم محتوای ملی» و همکاران‌شان در «مرکز دایره‌المعارف بزرگ اسلامی» و «کتاب‌خانه و مرکز اسناد دانشگاه تهران».
چکیده
بازتعریف ساختار شهر استهبان با تاکید بر نقش سامانه‌ی سنتی پخشایش آب
به کوشش
سید جواد حسینی‌نژاد
در بسیاری از شهرهای امروز ایران، بخش‌های تاریخی و ساختارهای هم‌بسته‌ی آن‌ها رها شده‌اند و روز به روز بر فرسودگی آن‌ها انباشته می‌شود تا جایی که دیگر چاره‌ای جز ویرانی و پاک‌سازی آن‌ها نمانده یا چنان پای خودرو به درون و دلِ آن‌ها گشوده شده که چیزی از هویت و یگانگی آن‌ها بر جای نمانده است. برای جلوگیری از این روندِ ویرانگر، نیازمند بررسی‌هایی دانشورانه و ژرف از پیشینه و امروز شهرها و ساختارهای پیشینی آن‌ها هستیم تا در پناه این کار، گنجینه‌ای از آگاهی‌ها، داده‌ها، نگاره‌ها و نقشه‌ها نیز از این شهرها فراهم آید و بر توشه‌ی شهرشناسی بومی ایران افزوده شود. در این پژوهش با دید به نگریه‌های ساختارگرا به بررسی و شناسایی ساختارِ خودبسنده و ویژه‌ی شهر استهبان با تاکید بر نقش سامانه‌ی سنتی پخشایش آب آن در سال‌های پیش از دهه‌ی چهل خورشیدی با بهره‌گیری از روش‌های تاریخی و پدیدارشناسی توصیفی پرداخته شده؛ هم‌چنین نمایی روشن از دوره‌های گوناگون رشد و گسترش شهر استهبان از سده‌های آغازین اسلام تا کنون به دست داده شده است. ساختار اصلی شهر استهبان را ساختار درختی می‌توان نامید. بر پایه‌ی ویژگی‌های بنیادین همین ساختار، معیارها و راه‌بردهایی برای بازتعریف ساختار کنونی با تاکید بر نقش سامانه‌ی سنتی پخشایش آب پیش‌نهاد شده و در پایان نقشه‌ای شماتیک برای بازتعریف ساختار کنونی و پراکنده‌ی شهر استهبان با دید به یافته‌های پژوهش فراوری شده است.
واژگان کلیدی: ساختار شهر – سامانه‌ی سنتی پخشایش آب – شهر استهبان – ساختار درختی
فهرست‌هافهرست نوشته‌هافهرست‌ها1فهرست نوشته‌ها1فهرست نگاره‌ها‌4فهرست نقشه‌ها6فهرست نمودارها و جدول‌ها8بخشِ نخست:9کلیات پژوهش9پیش‌گفتار10مقدمه و طرح موضوع11چالش و بایستگی پژوهش12فراخواست‌های پژوهش19پرسش‌های پژوهش19پیشینه‌ی پژوهش20پیش‌انگاشت‌های پژوهش27روش پژوهش27گام‌های پژوهش29روش و ابزار گردآوري داده‌ها31روش ارزیابی و برآیندیابی داده‌ها31بخشِ دوم32پایه‌ها و چارچوب‌های نگریک32ساخت و ساختار‌گرایی33برآیند نگریه‌ها درباره‌ی ساخت اصلی شهر40شهر، درخت هم می‌تواند باشد41اندکی از پیشینه و چگونگی بودِ آب در شهر45پیوند ناگزیر یا خودخواسته و اندیشیده‌ی آب و شهر47نمونه‌ها و گونه‌بندی بازتاب آب بر ساختار شهر49ایران49اروپا62گونه‌بندی بازتاب آب بر ساختار شهر73بخشِ سوم75بررسی شهر استهبان75پیش‌گفتار76کوتاهی از جغرافیا، زمین‌شناسی و آب‌شناسی شهر استهبان77جغرافیا77آب‌شناسی78زمین‌شناسی79بررسی پیشینه و نام‌واژه‌ی استهبان86پیشینه بر پایه‌ی نوشته‌های دوره‌ی اسلامی تا پیش از دوره‌ی پهلوی86پیشینه بر پایه‌ی نوشته‌های دوره‌ی پهلوی و پس از آن91نام‌واژه‌ی استهبان96بررسی سامانه‌ی سنتی پخشایش آب شهر استهبان109چشمه‌ها110مالکیت، بخش‌بندی و آب‌دهی113سَرازیری، جوخ، آسیو و اُوبَخش116مَرُو، کِرَّه و بَرم122اُواَنبار، حوض و حوضُ‌فِلکَه126سَلخ، حَموم، پُلَه و پُل132بررسی ساختار شهر استهبان با دید به سامانه‌ی سنتی پخشایش آب135مقدمه135آب‌بخش142کوی تیرونجان146کوی اهر150راسته‌ی بازار152کوی میری155کوی کزمان158کوی پنارِ کزمان164نرسنو، پنار تیرونجان و پیرِمراد166بررسی دوره‌های گوناگون رشد و گسترش شهر استهبان169بخشِ چهارم182ارزیابی و برآیندِ داده‌ها182ترسیم ساختار شهر استهبان بر پایه‌‌ی سامانه‌ی سنتی پخشایش آب183به دست دادن معیارهایی برای بازتعریف ساختار کنونی شهر استهبان184بازتعریف ساختار کنونی شهر استهبان با دید به یافته‌های پژوهش193راه‌بردهای بازتعریف ساختار کنونی شهر استهبان198دست‌آورد پژوهش201برداشت‌نامه و پایه‌های نگاشته205فارسی205لاتین218فهرست نگاره‌ها‌نگاره‌ی 2-1: ساختار درختی و ساختار نیمه‌تارنما42نگاره‌ی 2-2: یک ساختار درختی و سامانه‌ی راه‌ها؛ چگونگی ضمنی بودن بسیاری از دلالت‌ها؟43نگاره‌ی 2-3: رود نیل و زندگی آدمیان در کنار و بر روی آن46 نگاره‌ی 2-4: جایگاه درخور زاینده‌رود برای رشد اصفهان در زمینه‌های گوناگون50نگاره‌ی 2-5: در هم تنیدگی بافت شهری یزد و دشواری تفکیک کالبدی و فضایی55نگاره‌ی 2-6: میبد، کاریز و سوی گسترش و رشد شهر بر پایه‌ی کاریز57نگاره‌ی 2-7: دزفول و آب‌راه‌های دست‌کند در زیرِ زمین59نگاره‌ی 2-8: بندرعباس و خانه‌های دارای هواکش‌های باز به سوی دریا59نگاره‌ی 2-9: بندرعباس و بافت انداموار و گسسته‌ی شهری60نگاره‌ی 2-10: ونیز بر گستره‌ی آب64نگاره‌ی 2-11: سد شهری در هلند66نگاره‌ی 2-12: برگن، شهر آب‌دره‌ها72نگاره‌ی 3-1: استهبان از دید باختری78نگاره‌ی 3-2: مخروط‌افکنه و رودخانه‌های خاوری و باختری استهبان81نگاره‌ی 3-3: آتشکده‌ی بهرام در خیر92نگاره‌ی 3-4: محراب و ستون مسجد جامع93نگاره‌ی 3-5: چنار آب‌بخش دهه‌ی چهل و هفتاد خ.94نگاره‌ی 3-6: کاشی و سفال استهبان106نگاره‌ی 3-7: قلعه‌دختر نزدیک به 1312 خ.107نگاره‌ی 3-8: نیایشگاه بدره108نگاره‌ی 3-9: نمایی از باغ «بذرا» در جنوب استهبان و گذر آب از میانه‌ی آن109نگاره‌ی 3-10: چشمه‌کاریزهای قهری و پازهری111نگاره‌ی 3-11: چشمه و استخر بوخو112نگاره‌ی 3-12: سند مالکیت ثبتی آب استهبان113نگاره‌ی 3-13: بازنویسی‌شده‌ی بخشی از یک وقف‌نامه در استهبان114نگاره‌ی 3-14: جوی و شیب117نگاره‌ی 3-15: کاستن از شیب زاستاری با گذراندن آب از سرِ دیوار118نگاره‌ی 3-16: پیوندگاه آب‌راه باختری و خاوری در کوه‌های جنوبی استهبان119نگاره‌ی 3-17: تنوره و ویرانه‌ی آسیاب یازدهمی یا خان119نگاره‌ی 3-18: سنگ آسیابی رها شده در نزدیکای استهبان120نگاره‌ی 3-19: مَرُوی میدان آ‌ب‌بخش در نگاره‌های هوایی دهه‌ی سی و پنجاه خ.124نگاره‌ی 3-20: مرو و کِرَّه در پایین‌دست آسیاب نهم125نگاره‌ی 3-21: برم125نگاره‌ی 3-22: آب‌انبار؛ «بلکه‌دوتا»127نگاره‌ی 3-23: کتیبه‌ی برکه‌‌ی حاجی‌عابدی128نگاره‌ی 3-24: آب‌انبار با کاربردی دیگر129نگاره‌ی 3-25: حوض130نگاره‌ی 3-26: آبشار و بخشی از حوضُ‌فلکه‌ی آن و همان در نگاره‌ی هوایی دهه‌ی سی خ.131نگاره‌ی 3-27: استخرِ حاجی میرزاصادق132نگاره‌ی 3-28: گرمابه133نگاره‌ی 3-29: پُله134نگاره‌ی 3-30: نگاره‌ی هوایی استهبان در سال 1335 خ. با پیش‌ساختار استهبان138نگاره‌ی 3-31: نخستین خیابان شهر: خیابان مغربی (دید از جنوب و آبشار به چنار آب‌بخش)140نگاره‌ی 3-32: آب‌بخش در نگاره‌ی هوایی سال 1335 خ.145نگاره‌ی 3-33: انگاره‌ی یک استهبانی از آب‌بخش و پیرامون آن از دهه‌ی بیست تا پنجاه خ.146نگاره‌ی 3-34: بازار در نگاره‌ی هوایی سال 1335 خ.153نگاره‌ی 3-35: سنگ‌نبشته‌ی گوهریه؛ بازمانده‌ای از سده‌ی پنج مه.170نگاره‌ی 3-36: جای‌گزینی خواج و درشت‌دانگی بافت171نگاره‌ی 3-37: مسجد باغِ مو (ماهان)173نگاره‌ی 3-38: سگ‌نبشته‌ای فرمان‌داری یولقلی‌بیگ افشار در استهبان از سوی شاه‌طهماسبِ صفوی177نگاره‌ی 4-1: درخت‌مانندی شهر استهبان186فهرست نقشه‌هانقشه‌ی 2-1: گام‌های رشد جلفا52نقشه‌ی 2-2: جایگاه زاینده‌رود و مادی نیاصرم در محله‌بندی بخشی از اصفهان53نقشه‌ی 2-3: بخشی از شهر یزد با راه‌ها و کاریزها (گردی بزرگ در نیمه‌ی بالایی = محله‌ی وقت‌وساعت)56نقشه‌ی 2-4: بندر لافت61 نقشه‌ی 2-5:
لندن در 1806 م.62نقشه‌ی 2-6: بخشی از ونیز با آب‌راه‌های آن65 نقشه‌ی 2-7: آمستردام و چیرگی آب68نقشه‌ی 2-8: تلچ و میدانی کشیده در میان دریاچه‌ها69نقشه‌ی 2-9: آنتورپ 1624 م.70نقشه‌ی 3-1: جای‌گیری استهبان77نقشه‌ی 3-2: سوی باختری آب‌های روان استهبان82نقشه‌ی 3-3: استهبان و رهنمونی آب بر محور مخروط‌افکنه83نقشه‌ی 3-4: سوی جنوبی-شمالی شیب در استهبان84نقشه‌ی 3-5: صورت فارس از جیهانی87نقشه‌ی 3-6: نقشه‌ی شهر استهبان بر پایه‌ی نگاره‌ی هوایی آن در آذر سال 1343 خ.136نقشه‌ی 3-7: بافت فرسوده‌ی استهبان137نقشه‌ی 3-8: نخستین نقشه‌ی استهبان در سال1330 خ.137نقشه‌ی 3-9: ساختار خیابان مغربی141نقشه‌ی 3-10: ساختار میدان آب‌بخش143نقشه‌ی 3-11: ساختار کوی تیرونجان149نقشه‌ی 3-12: ساختار کوی اهر151نقشه‌ی 3-13: ساختار راسته و میدان بازار154نقشه‌ی 3-14: ساختار کوی میری157نقشه‌ی 3-15: ساختار کوی کزمان159نقشه‌ی 3-16: ساختار کوچه‌شاه161نقشه‌ی 3-17: ساختار کوچه‌ی خلوت163نقشه‌ی 3-18: ساختار پنار کزمان165نقشه‌ی 3-19: ساختار نرسنو، پنار تیرونجان و پیرمراد167نقشه‌ی 3-20: شهر استهبان168نقشه‌ی 3-21: دوره‌های رشد و گسترش استهبان تا آغاز دهه‌ی چهل خ.181نقشه‌ی 4-1: ساختار شهر استهبان بر پایه‌‌ی سامانه‌ی سنتی پخشایش آب183نقشه‌ی 4-2: نمایی از زنجیره‌ی رده‌ها در سامانه‌ی راه‌ها187نقشه‌ی 4-3: بر هم افتادگی سامانه‌ی سنتی پخشایش آب و راه‌های استهبان190نقشه‌ی 4-4: زیرسامانه‌ی آب‌انبارها191نقشه‌ی 4-5: زیرسامانه‌ی عناصر مذهبی192نقشه‌ی 4-6: نمایی از دوره‌های رشد و گسترش استهبان از از دهه‌ی سی تا نود خ.195نقشه‌ی 4-7: روند دور شدن و تهی شدن استهبان از ساختار سنتی از دهه‌ی سی تا نود خ.196نقشه‌ی 4-8: الگوی پیش‌نهادی برای بازتعریف ساختار شهر استهبان204فهرست نمودارها و جدول‌ها
جدول 1-1: فهرست پیشینه‌ی پژوهش25 نمودار 1-1: فرآیند انجام پژوهش30جدول 2-1: ارزیابی برخی نگریه‌ها درباره‌ی ساخت اصلی شهر39جدول 2-2: گونه‌بندی بازتاب آب بر ساختار شهر74نمودار 3-1: پروفیل بلندا به متر، هم‌سو با شیب نقشه‌ی 3-585نمودار 3-2: پروفیل درصدِ شیب، هم‌سو با شیب نقشه‌ی 3-585جدول 3-1: بسامد کاربرد نگارش‌های گوناگون نام استهبان98جدول 4-1: معیارها و راه‌بردهای بازتعریف ساختار کنونی شهر استهبان200بخشِ نخست:کلیات پژوهشپیش‌گفتار
در نوشتار این پژوهش تلاش شده است تا هر چه بیش‌تر از واژگان پارسی برای به‌نیرو کردن این زبان و افزودن بر گنجینه‌ی واژگان‌اش، بهره گرفته شود. جاهایی نیز نگارنده به برساختن واژه دست یازیده است.
شیوه‌ی نوشتار همه‌ی نوشته‌های وام‌دهنده، با شیوه‌ی نگارش این پژوهش یک‌سانیده شده است.
بهره‌گیری از واژگان پارسی و برساخته، با سرودمند شدن نوشتار، بسیار دگرگونی دارد. به دید می‌آید که تنها و تنها از روی تازگی و همیشگی نبودن واژگان، چنین انگاریده می‌شود!
مقدمه و طرح موضوعاز پرسش‌های بنیادین مردمان امروز در سرتاسر جهان، یکی هم این که یک شهر بر پایه‌ی چه چیزی پیدا شده، رشد کرده و دگرگونی یافته یا روندِ نابودی را پیموده و از میان رفته است؟
به دید می‌آید که بسیاری از شهرهای پهنه‌های خشک و نیمه‌خشک، برآمده و ساختاریافته از «آب[1]» هستند. آب بر پایه‌ی ویژگی درخورِ زندگی‌بخشی خود، بازتابی بسیار فراوان در زندگی آدمیان دارد و شهرها و روستاها که جایگاه‌ زندگی ایشان هستند، در پیوندی سرراست با آب خواهند بود. رشد و گسترش، پیرامون سرچشمه‌ها و جای‌های پخشایش و گذرِ آب، از بایسته‌ترین نمودهای این پدیدار به شمار می‌رود.
ناگفته نباید گذاشت که به پیوند شهر و آب از سویی دیگر هم می‌توان نگریست و آن هم در نمونه‌هایی چون «آمستردام[2]»، «ونیز[3]» و «لندن[4]» است که در برابر شهرهای خشک و نیمه‌خشک، اینان با فراوانی آب روبه‌رو هستند و این فراوانی به گونه‌ای دیگر بر ساختاریابی این شهرها بازتاب داشته است.
به هر روی جایگاه آب را در زندگی آدم و شهرها نادیده نمی‌توان گرفت و این خود می‌تواند دست‌مایه‌ی پژوهش‌های گسترده‌ای باشد. پژوهش‌هایی درباره‌ی بسیاری از شهرهای امروز ایران که بخش‌های کهن و ساختارهای هم‌بسته‌ی آن‌ها رها شده‌اند، چنان‌چه روز به روز بر فرسودگی آن‌ها انباشته می‌شود تا جایی که دیگر چاره‌ای جز ویرانی و پاک‌سازی آن‌ها نمانده است یا چنان پای خودرو به درون و دلِ آن‌ها گشوده شده که چیزی از هویت و یگانگی آن‌ها بر جای نمانده است. شهرهایی پیرامونِ بخش‌های کهن، گسترش و نمود یافته که هیچ بویی از هویت، یگانگی و بارزه‌های کهن و پیشینی شهر را با خود ندارند؛ کالبدی بی‌جان که در بیش‌تر نمونه‌ها از همان آغاز دست به گریبان گونه‌های گوناگونی از فرسودگی است.
باید گفت که گذشته از یک کنج‌کاوی و کششی همه‌گیر برای جست‌وجو و ریشه‌یابی بسیاری از چیزها، شناخت گذشته، ریشه و پیشینه‌ی یک شهر، بخشی درخور از دانش شهرشناسی و شهرسازی به شمار می‌رود که در پناهِ آن، شناختی فراگیر و دانشورانه از بافتِ تاریخی و معماری شهرها و گنجینه‌ای از آگاهی‌ها و گزارش‌های دسته‌بندی شده همراه نگاره‌ها و نقشه‌های گوناگون درباره‌ی آن‌ها به دست می‌دهد تا شاید کمی از این ویرانی رو به فزونی و تندشان کاسته شود و بتوان به یک برنامه‌ریزی و طراحی اندیشیده و آینده‌نگر برای آن‌ها دست یازید و به رشدی پایدار بر پایه‌ی هویت شهری رسید.
چالش و بایستگی پژوهش«و هر چيز زنده‌ای را از آب پديد آورديم» (قرآن مجید، 1385: 325) و چنان‌چه در سوره‌ی نور دوباره می‌گوید: «و خدا هر جنبنده‌ای را از آب بیافرید» (همان: 357). در «وندیداد» نیز «اهورامزدا» به «جم» در ساختن «ورجمکرد» چنین دستور می‌دهد: «و بدان‌جا آب‌ها فراز تازان در آب‌راهه‌هایی به درازای یک هاسر[5]» (دوستخواه، 1382: 670). بسیاری از پژوهشگران و اندیشه‌وران، بودِ آب و میزان آن را در شکل‌گیری شهرها و تمدن‌های گوناگون، دارای جایگاهی ویژه و درخور می‌دانند.
چیزهای فراوانی درباره‌ی پیشینه و پیدایشِ شکل و ساختار شهر و سکونتگاه‌های انسانی و چگونگی و دوره‌های گوناگون این دو، تا کنون از سوی بسیاری از پژوهشگران و اندیشمندان نوشته و پرداخت شده است و دسته‌بندی‌های گوناگونی را برای آن برشمرده‌اند که شاید بتوان آن‌ها را در یک نگاه گسترده، در چهار دسته‌ی فراگیر گرد آورد:
اقتصاد کشاورزی و آب‌یاری یا نگریه‌‌ی بوم‌شناسیک[6]،
گسترش بده‌بستان‌های بازرگانی یا نگریه‌‌ی رشد بازار،
پیدایش ساختمان‌های یادمانی و با بهره‌ی همگانی یا نگریه‌‌ی دین‌بنیاد،
پیدایی سازمان‌های سیاسی، اجتماعی، نظامی و دفاعی (مهکویی، 1391: 17-18)؛ (سِیدسجادی، 1390: 113-121)؛ (راپوپورت، 1389: 414).
برخی هم ساختاریابی زیستگاهِ ساخته شده و سامان‌دهی به آن را برآیند برهم‌کنشِ چهار چیز می‌دانند:
فضا،
مفهوم،
ارتباط،
زمان.
شاید بتوان این چهار چیز را بیانی فراگیرتر از آن چهارتای پیش‌گفته دانست. در این دیدگاه، زیستگاهِ ساخته شده را می‌توان گروهی از پیوندهای میان این چهار چیز دانست (میان عنصرها با دیگر عنصرها، میان عنصرها با مردم و میان مردم با دیگر مردمان). به گونه‌ای دیگر باید گفت که زیستگاهِ ساخته شده، برآیند سامان، الگو و ساختی ویژه یا نهادی اجتماعی است و یک‌بارگی و در پی یک پیش‌آمد نیست (راپوپورت، 1389: 421)؛ (سلطان‌زادِه، 1367: 1).
برخی دیگر نیز از پایه، داشتن یک نگریه‌‌ی فراگیر درباره‌ی ریشه و آغازگاه شهر را باور ندارند و شهر را فرایندی ویژه و انباشتی پیشینه‌ای می‌دانند که ساختار ویژه و کنونی خود را در زنجیره‌ای از روی‌دادهای کوچک و بزرگ، پیشینی، فرهنگی، بومی و بوم‌شناختی، اقتصادی و اجتماعی یافته است (لینچ، 1387: 435).
شهرهای خاورزمین و ایران نیز از آن چه در بالا آمد، جدا نیست و بایسته است که نگاهی دوباره به پیشینه و ساختار ویژه‌ی آن‌ها انداخت و هر کدام را با تیزبینی وارسید.
هواداران نگریه‌ی «خشکی‌ها» در دانشِ باستان‌شناسی، آب را کانونِ وابستگی جان‌داران و استواری این پیوند می‌دانند (ملک‌شهمیرزادی، 1373: 109). ویل دورانت، باران را از بایسته‌ها برای برپایی تمدن می‌خواند و آب را بیش از نورِ آفتاب، در پیدایش زندگی و پیش‌رفت آن کارگر می‌داند (دورانت، 1380: 3)؛ چنان‌چه جای پیدایی نخستین تمدن‌ها را در کناره‌ی رودها و دریاچه‌های بزرگ و نزدیک آن‌ها می‌دانند و آب و آب‌یاری و آب‌رسانی را هم راستا با بازرگانی، افزایش جمعیت و بارآوری کشاورزی و غیره، از مایه‌ها و انگیزه‌های زایش و گسترش شهرها می‌خوانند. واژگانی چون جامعه، تمدن و فرهنگ‌های آب‌سالار[7] و مانند آن، برآمده‌ای از همین نیاز است (سِیدسجادی، 1390: 54 و 69)؛ (دورانت، 1380: 131-133)؛ (ویتفوگل، 1391: 18)؛ (علمداری، 1387: 209). کم‌بود آب در پهنه‌های بزرگی از کره‌ی خاکی، مایه‌ی پیدایش نوآوری‌های بسیاری در زمینه‌ی سامانه‌های آب‌رسانی، آب‌یاری و انبار کردن آن شده است. شاید نخستین انگیزه‌ی این کارها، کشاورزی و گسترش آن باشد، با این همه نباید فراموش کرد که گسترش کشاورزی و یک‌جانشینی، پیوندی ناگسستنی با یک‌دیگر دارند و رشد هر کدام، گسترش دیگری را در نزدیکی آن در پی خواهد داشت. گسترش هر کدام از این دو، خود به خود به نیاز بیش‌تر به آب می‌انجامد. هر چه این رشد فزونی می‌گیرد، فراآوری آب و بخش کردن آن پیچیده‌تر می‌شود (منزوی، 1377: 1-2).
این وابستگی به آب، در شهرها و روستاهای پهنه‌های خشک و نیمه‌خشک، هر چه بیش‌تر بایستگی خود را به نمایش می‌گذارد و پیچیدگی فرا رو را بیش‌تر نمایان می‌سازد. کم‌بود آب، افزایش شمار مردم، گشترش کشاورزی و رشد روستاها و شهرها، به نوآوری در زمینه‌ی دست‌یابی و دست‌رسی به آب خواهد انجامید و سامانه‌های پیچیده‌ای را در پیوند با آب و پخشایش آن سامان می‌بخشد.
بیش‌تر شهرها و روستاهای ایران -جدا از شهرهای کناره‌ی دریای مازندران و برخی دیگر- از دسته‌ی بالا جدا نخواهند بود. ایران سرزمین کم‌آبی و خشک‌سالی است (منزوی، 1377: 2)؛ (لمتون، 1377: 32-33). از همین رو به مالکیت آب نیز با گذشت زمان رسیده که این خود نیز چیزهایی را –چه نیکو و چه بد- در پی داشته و در سامان سیاسی، اجتماعی و اقتصادی ایران رخ نموده است (مجیدزاده، 1389: 60-61)؛ (سِیدسجادی، 1390: 52-53)؛ (ویتفوگل، 1391: 93 و 244)؛ (ولی، 1380: 70)؛ (کاتوزیان، 1386: 63).
در سنگینی و درخوری پدیده‌ی آب همین بس که به واژه‌نامه‌ها و فرهنگ‌نامه‌های گوناگون زبان پارسی یا هم‌خانواده‌های آن نگاهی انداخته شود. ده‌ها واژه‌ی یک بخشی و چند بخشی یا زبان‌زد و غیره، درباره‌ی آب و برگرفته از آب می‌یابیم (اَنوری، 1386: 1-40)؛ (شکوری؛ کاپرانف؛ هاشم؛ معصومی، 1385: 1-15)؛ (دِهخُدا، 1390: 1-15)؛ (شاملو؛ سرکیسیان، 1385: 6-189)؛ (نَجفی، 1387: 1-17).
واژه‌ی آبادی و پسوند آباد، خود گویای جایگاه آب در پی‌ریزی و پیدایی شهرها و روستاها در ایران و پیرامون آن است؛ چنان که می‌گویند: «آب، آبادی است» (شاملو؛ سرکیسیان، 1385: 187-188)؛ (لطفی، 1386: 21)؛ (عباسی، 1387: 21). واژگان «آبادان» و «بیابان» هم گزارشی از سرزمین‌های دارای آب و بدون آب و جایگاه آب در رشد و گسترش روستاها و شهرها است (علمداری، 1387: 86-87). داریوش هخامنشی در سنگ‌نبشته‌ی خود، سرزمین شاهنشاهی خویش را به دور از دروغ و خشک‌سالی، آرزو می‌کند (مرادی غیاث‌آبادی، 1380: 208) که این خود نشان از چالشی بنیادین در آن سرزمین است (علمداری، 1387: 86) تا جایی که آب و آب‌یاری و کارهای هم‌پیوند با آن از کارهای بایسته‌ی فرمان‌روایان و نشان دادگستری و امنیت به شمار می‌رفته و دیوان (آب و کاست‌افزود) و سامانِ خود را می‌خواسته و «سرمیراب»، «میراب»، «آب‌یار» و مانند این‌ها با همه‌ی کارویژه‌های‌شان برآمده از این نیاز است[8] (لَمتون، 1386: 174-176)؛ (لمتون، 1377: 400-404)؛ (ولی، 1380: 71)؛ (محمدی ملایری، 1375: 107-120).
باور به آب و پاک شمردن آن که در بیش‌تر جاهای جهان به چشم می‌خورد در برخی از جای‌ها و نیز ایران، سویی پررنگ‌تر، افسانه‌ای و دینی نیز پیدا کرده و کارهای هم‌پیوند با آب (رسانش، پخشایش و انبارش و پاس‌داری آن) از جایگاهی ویژه برخوردار شده و سر از وقف و کارهای عام‌المنفعه در آورده است (عباسی، 1387: 27-34).
برای مهار کردن این دشواری و دست‌یابی به زندگی به‌تر، نوآوری‌ها و چاره‌اندیشی‌های فراوان و گوناگونی بایسته است؛ سازه‌هایی چون چاه، کاریز، بند، آب‌انبار، جوی و غیره که هر کدام از این‌ها خود گونه‌های فراوانی را در جاهای گوناگون بر پایه‌ی نیازها و بایسته‌های زیستی و بومی در بر خواهد گرفت. نمی‌توان نادیده گرفت که زیست‌بوم بر ساخت شهرها و معماری آن‌ها بازتابی گسترده داشته است (علمداری، 1387: 79 و 97)؛ (سیدسجادی، 1389: 258-259).
این پاره‌ها در کنار هم و با هم، سامانه‌های پیچیده و کارآمدی از رسانش، پخشایش و انبارش آب را به نمایش می‌گذارند که در جای جای ایران می‌شود از آن‌ها سراغ گرفت و به چشم دید. این سامانه‌ها در جایگاه خود بر ساختار شهرها، به شیوه‌های گوناگون بازتاب خواهند داشت. بسیاری از این سامانه‌ها، ساختار برخی از شهرها را تا اندازه‌ی بسیاری درگیر خود کرده و به آن، سو و کالبد بخشیده و شاید الگویی برای رشد پس از آن بوده‌اند؛ چنان‌چه در شهرهایی چون «یزد»، «مهریز»، «میبد»، «اصفهان»، «دزفول» و «شوشتر» می‌توان دید. امروزه، بسیاری از این سامانه‌ها از دست رفته یا بخش بزرگی از آن‌ها ویران یا ناکارآمد رها شده است؛ بدون آن که شناخت یا آگاهی درخوری از آن‌ها در دست باشد. نادیده انگاشتن این سامانه‌ها، نابودی بافت و بخش‌های کهن شهرها را در پی داشته است و روز به روز آن‌ها را از پیشینه و هویت خود دورتر می‌سازد. بیش‌تر و بیش‌تر و شاید همه‌ی این سامانه‌ها، بر پایه‌ی بایسته‌های بومی و زیستی شهرها و پهنه‌ی خویش سازمان یافته و پی‌ریزی شده‌اند (سلطان‌زادِه، 1367: 7-9)؛ (حبیبی، 1386: 65-66)؛ (شیعه، 1390: 3-4)؛ (بهزادفر، 1391: 51-61) و جدای از انگاره‌هایی که آدمی را از دست‌اندازی بیش از اندازه در پیرامون خویش، در دورانِ پیشانوین، دور نگاه می‌داشته (احمدی دیسفانی؛ علی‌آبادی، 1390)، توانِ فن‌آوری آن دوران نیز چندان میدانی به این کار نمی‌داده است.
بر پایه‌ی آن چه در بالا آمد، می‌توان با شناخت و شناساندن این سامانه‌ها و ویژگی‌ها و کارکردها و کاربردهای آن در برنامه‌ریزی و طراحی شهری، هر چه بیش‌تر به رشد پایدار و آینده‌نگر نزدیک شد و به احیا و مرمت بافت‌های کهن دست یازید و سرزندگی اجتماعی را به آن‌ها بازگردانید (سلطان‌زادِه، 1367: 9).
از همین روی، این پژوهش، به بررسی شهر استهبان در جنوب‌خاوری استان فارس می‌پردازد. شهری کوهستانی و سرسبز، با آب و هوایی نیمه‌خشک و با این همه، بهره‌مند از سامانه‌ای پیچیده و کارآمد در زمینه‌ی پخشایش آب که به دید می‌آید این سامانه‌، جایگاهی بنیادین در ساختاریابی شهر، تا پیش از دوران نوین (خیابان‌کشی‌هایی که از نیمه‌ی نخست سده‌ی کنونی خورشیدی آغاز شد)، داشته است. امروزه و هر چه پیش‌تر می‌رویم، شهر استهبان، بیش‌تر و بیش‌تر از بارزه‌های هویت‌بخش و کهن خود تهی و از ساختار هم‌آهنگ و بایسته‌ی خویش دور می‌شود.
ساختار استهبان پس از آغاز خیابان‌کشی‌ها در نیمه‌ی نخست سده‌ی چهارده خورشیدی تا کنون، دست‌خوش دگرگونی‌های فراوان شده است. ساختار هم‌آهنگ، درون‌گرا، پیوسته، خودبسنده و برآمده از سامانه‌ی سنتی پخشایش آب خود (میدان آب‌بخش، محله‌های چندگانه و ساختارهای هماهنگ هر کدام در پیوند با ساختار کلان‌تر شهر) در شهر کهن را به ساختاری گسسته، ناهمگن و به‌هم‌ریخته در شهر میانی و بیرونی داده است. اگر چه آهنگ این دگرگونی تا دهه‌ی شصت خورشیدی تا اندازه‌ای کند به دید می‌آمد، با این همه از آن زمان تا کنون با آهنگی تند به خودویرانگری پرداخته است و هم‌چنان سرِ باز ایستادن ندارد.
بر پایه‌ی هر آن چه تا کنون آمد، بررسی سامانه‌ی سنتی پخشایش آب در شهر استهبان و جایگاه آن در ساختار و بافت تاریخی شهر و بازتعریف ساختار شهر بر پایه‌ی این سامانه، کاری درخور و شایسته به دید می‌آید.
فراخواست‌های پژوهشفراخواست کلان این پژوهش را می‌توان بازتعریف ساختار شهر استهبان با تاکید بر نقش سامانه‌ی سنتی پخشایش آب دانست.
فراخواست‌های عملیاتی این پژوهش نیز چنین است:
شناخت دوره‌های رشد و گسترش شهر استهبان در بازه‌ی این پژوهش با تاکید بر سامانه‌ی سنتی پخشایش آب،
دست‌یابی به معیارهایی برای شناخت و بازتعریف ساختار شهر استهبان با دید به ساختار پیشینی آن،
شناخت ویژگی‌های بنیادین و اجزای سامانه‌ی سنتی پخشایش آب در شهر استهبان.
پرسش‌های پژوهشپرسش‌های این پژوهش چنین است:
دوره‌های رشد و گسترش شهر استهبان در بازه‌ی این پژوهش با تاکید بر سامانه‌ی سنتی پخشایش آب چیست؟
معیارهای شناخت و بازتعریف ساختار شهر استهبان با دید به ساختار پیشینی آن چیست؟
ویژگی‌های بنیادین و اجزای سامانه‌ی سنتی پخشایش آب در شهر استهبان چیست؟
پیشینه‌ی پژوهش
در زمینه‌ی این پژوهش، کارهایی در جاها و به روش‌های گوناگون به انجام رسیده است که در زیر به بررسی برخی از آن‌ها می‌پردازیم:
آب‌رسانی شهری: نگارش محمدتقی منزوی (گروه راه و ساختمان دانشکده‌ی فنی)، دانشگاه تهران، 1377. چاپ نخست این پژوهش، به سال 1357 برمی‌گردد. این کتاب در هشت بخش و یک پیش‌گفتار سامان یافته است. دو بخش که در پی می‌آید، پیوندهایی اگر چه اندک، با پژوهش کنونی دارند. نخست پیش‌گفتار آن که درباره‌ی پیشینه‌ی آب‌رسانی در خاورزمین و ایران و نیز آب‌رسانی شهری در ایران امروز است. سپس بخش سوم که درباره‌ی فراآوری آب است و به ویژه به کاریز و سامانه‌ی آن پرداخته. این کتاب می‌بایست نخستین پژوهش در زمینه‌ی خود در ایران و با دید به بایسته‌های بومی ایران در این زمینه باشد.
زیرساخت‌های شهری؛ آب‌رسانی و فاضلاب: نگارش مصطفی بهزادفر (هموند هیات علمی دانشگاه علم و صنعت ایران)، انتشارات شهیدی، 1391. چاپ نخست این پژوهش به سال 1388 برمی‌گردد. این کتاب در برگیرنده‌ی دو قسمت آب‌رسانی و فاضلاب و نیز یک پیش‌گفتار و یک مقدمه است. قسمت نخست که به کار این پژوهش می‌آید، دارای نه بخش است که بخش نخست آن که نام کلیات را بر خود دارد با زمینه‌ی این پژوهش هم‌پیوند است؛ به ویژه پاره‌ی 5-1 که فرایند مطالعه‌ی منابع آب نام دارد. در این پاره، گفتارهای الگو و شیوه‌ی استفاده از آب‌های سطحی در ایران و به ویژه منابع آب‌های زیرزمینی، هر چه بیش‌تر با این پژوهش همبستگی دارند. در گفتار منابع آب‌های زیرزمینی، به کاریز، تعریف، وجه تسمیه، آغازگاه و روند پیدایش، نگریه‌های پیدایش، گونه‌ها و اجزای سازنده‌ی آن، برخی از ویژگی‌های شاخص کاریزهای ایران، ابعاد زیست محیطی، اجتماعی، اقتصادی و مدیریتی کاریز، کاریز از دید اسکان شهری و روستایی و اجتماعی و فرهنگی، چالش‌های بهره‌گیری از کاریز و راه‌کارهای آن، کاریز در جایگاه یک جاذبه‌ی گردشگری در کویر و کاریز و آینده‌ی آن پرداخته شده است. در این گفتار به مادی‌های شهر اصفهان، سامانه‌ی آب‌رسانی شوشتر و دزفول، برخی از کاریزهای زنده‌ی تهران، کاریزهای مهریز، یزد و بافق و تاثیر آن‌ها بر هویت ساختاری شهر و ریخت‌شناسی آن، انگشت گذاشته شده است.
آب‌نامه‌ی تهران: نگارش اسماعیل عباسی، دفتر پژوهش‌های فرهنگی، 1387. این کتاب در مجموعه‌ی تهران‌شهر به نگارش رسیده است و چنان‌چه از نام آن هم برمی‌آید به آب و هر چه با آن در پیوند است، آن هم در تهران از گذشته تا کنون، به کوتاهی پرداخته شده است. از باورهای مردم درباره‌ی آب گرفته تا کاریز و کشاورزی و میراب و گرمابه و بسیاری چیزهای دیگر که خود می‌تواند سرنخ‌های ارزنده‌ای را در یافتن جستارها و خواسته‌ها و چگونگی نگاه به موضوع پیش‌نهاد کند.
امام‌زاده قاسم: دزج‌بالا یا بالادژ، نگارش سهند لطفی(هموند هیات علمی دانشگاه شیراز)، دفتر پژوهش‌های فرهنگی، 1386. این کتاب در مجموعه‌ی تهران‌پژوهی به نگارش رسیده است. این پژوهش به آبادی‌ای در شمال تهران می‌پردازد که اکنون به شهر تهران پیوسته است و یکی از محله‌های آن به شمار می‌رود. نگارنده‌ی کتاب در پیش‌سخن چنین می‌آورد که: «متن حاضر یک متن تخصصی شهرسازانه نیست و علاوه بر پرداختن به موضوع خاص و اصلی کتاب، شامل اطلاعات و توضیحاتی است که می‌تواند نقشی تکمیل‌کننده داشته و در شکل دادن به ذهنیت مخاطب عام، موثر بیفتد» (لطفی، 1386: 10). این پژوهش در اندازه‌ی اندک خود، از گوشه‌ها و دیدهای گوناگون به بررسی و شناخت این آبادی پرداخته است و می‌تواند راه‌گشای این پژوهش در چگونگی جست‌وجو و نگاه خویش باشد.
نخستین شهرهای فلات ایران: نگارش سید منصور سیدسجادی، سمت، ج.1، 1390 و ج.2، 1389. این کتاب که چاپ نخست آن به زمستان 1384 برمی‌گردد، نوشتاری با روی‌کرد و زمینه‌ی باستان‌شناسی است که نگارنده‌ی آن، شهر، چیستی و خاستگاه آن و شهرهای نخستین و پیشینه‌ی شهرنشینی در جهان از میان‌رودان تا سرزمین‌های خاور و شمال‌خاوری ایران و خاستگاه‌های شهرنشینی و چگونگی آن در فلات ایران را با نگاه ویژه به شوش و شهر سوخته بررسیده است.
از شار تا شهر؛ تحلیلی تاریخی از مفهوم شهر و سیمای کالبدی آن، تفکر و تاثر: نگارش سید محسن حبیبی (استاد دانشگاه تهران)، دانشگاه تهران، 1386. چاپ نخست این کتاب به سال 1375 برمی‌گردد و به پیشینه‌ی شهر، شهرنشینی، شهرگرایی و شهرسازی ایران از دوره‌ی باستان تا پس از سال 1357 خورشیدی می‌پردازد. نام کتاب، گویای پیوندهای آن با این پژوهش است.
استخوان‌بندی شهر تهران: زیر نظر ملیحه حمیدی، معاونت فنی و عمرانی شهرداری تهران و سازمان مشاور فنی و مهندسی شهر تهران، 1376. فراخواست این کتاب سه جلدی، بررسی ساختار اصلی شهر تهران از آغاز تا زمان گسترش آن است و سرانجام به الگوها، بایسته‌ها و روش‌های احیا و سامان‌دهی استخوان‌بندی شهر می‌پردازد. این نوشتار با دید به دشواری‌ها و کاستی‌های هویتی و فضایی آشکار شده در کلان‌شهرها، در پی دست‌یابی به راه‌کاری درخور و کارا، از راه بررسی و یاری از تجربه‌های پیشین است.
شهرسازی و ساخت اصلی شهر: نگارش محمدرضا بذرگر (هموند هیات علمی دانشگاه شیراز)، کوشامهر، 1382. این کتاب، برآمده از رساله‌ی دکترای بذرگر است. این نوشتار در شش فصل، یک پیش‌گفتار و یک مقدمه سامان یافته است که آوردن نام فصل‌های آن گویا خواهد بود: 1- بررسی مفهوم ساخت و نظریه‌های ساخت‌گرا در علوم مختلف، 2- مفهوم ساخت و ساخت اصلی شهر و نظریه‌های مربوط به آن‌ها، 3- معیارهای شناخت ساخت اصلی شهر، 4- ساخت شهرهای سنتی ایران، 5- تجزیه و تحلیل ساخت اصلی شهر شیراز، 6- تجزیه و تحلیل و نتیجه‌گیری.
«نقش مادي‌ها در شكل‌گيري ساختار فضايي شهر اصفهان»: نگارش حميد ماجدي و فرشته احمدي، نشريه‌ی هويت شهر، سال دوم، شماره‌ی 3، پاييز و زمستان 87. اصفهان شهري با هسته‌هاي نخستین زيستي است و «جويباره» به معناي «سرزمين جوي‌هاي روان» اصلي‌ترين هسته‌ی شهر بوده است. زاينده‌رود و سامانه‌ی مادي‌هاي جدا شده از آن، در گذشته در کارهای كشاورزي و آب‌رساني، گردآوري آب‌هاي سطحي و آباداني شهر، از جایگاه ویژه‌ای برخوردار بوده است. اين پژوهش به شناسايي پیشینه و عمل‌كرد مادي‌ها در طول تاريخ و پیوند آن با رشد و طراحي فضاهاي شهري پرداخته است. پاس‌داری ارزش‌هاي هويتي-پیشینی مادي‌ها، زيباسازي فضاي شهري با بالا بردن جایگاه ترابری مادي‌ها به «سبزراه» و برآورده ساختن نيازهاي عمل‌كردي، گردشگری و رواني شهروندان، برای بالا بردن كيفيت زيستي شهر از فراخواست‌های کلان پژوهش است.
«نقش آب در شكل‌دهي فرم كالبدي در محلات تاريخي اقليم گرم و خشك (نمونه‌ی موردي محله‌ی جلفاي اصفهان)»: نگارش ارمغان احمدي و هومن فروغمند اعرابي، اولين همايش ملي بيابان، 1391. بيش‌تر جاهای ايران از ديرباز در اقليمي قرار گرفته كه نه تنها فراآوری آب در آن از دغدغه‌هاي بنیادین بوده كه شيوه‌ی زيست در آن را هم‌بسته به نوآوری کرده است. از اين رو سرمايه‌ی اين سرزمين در برابر اروپا، نه زمين که آب است. از راه‌هاي نوآورانه در اين سرزمين برای کاهش گرمي و خشكي آب و هوا و بهینه‌سازي آن براي زيست، نهرهاي جدا شده از رودخانه‌ی زاینده‌رود در اصفهان است که آن را مادي مي‌نامند. اين نهرها عمل‌كردهاي گوناگونی از بهینه‌سازي خاك براي سكونت و كشاورزي گرفته تا آب‌رساني به جای‌ها و محله‌های گوناگون شهر و بهینه‌سازی خرد اقليم و پُربارسازي آب‌هاي زيرزميني را دارا هستند. جداي از اين جایگاه بوم‌شناسیک، در جایگاه سامانه‌اي همبستگی‌بخش به محله‌ها در پیوندهای اجتماعي نيز به شمار مي‌روند. جلفاي اصفهان از محله‌های تاريخي‌ای است كه با فرسودگي بسیار کم، از زنده‌ترين بافت‌های تاريخي است و از سوی ديگر تنها شهرك تاريخي طراحي شده در ايران است. وجود سه مادي در آن و جایگاه اين راه‌های آب در شكل‌دهي كالبدي اين محله، از دغدغه‌هاي اين پژوهش است. در این پژوهش، روند دگرگونی‌های اين محله و جایگاه آب در رشد آن بررسيده و به ارزش‌ها و کاستی‌های آن از گذشته تا امروز پرداخته شده است.
«بازشناسي تاثير آب بر شكل‌گيري شهرهاي كهن به منظور دست‌يابي به راه‌كارهاي توسعه‌ی شهري پايدار (نمونه‌ی موردي: ميبد و اصفهان)»: نگارش سيده مهسا عبداله‌زاده، همايش بين‌المللي دانش سنتي مديريت منابع آب، 1390. اين پژوهش با روش توصيفي-تحليلي و با بهره‌گيري از منابع و اسناد كتاب‌خانه‌اي با فراخواست شناسايي بعدهای بوم‌شناسیک در پايداري شهرهاي ايران، به بررسی بازتاب آب در پدیداری ساختمان‌ها و ساخت شهرهاي كهن می‌پردازد. به بازتاب گونه‌های گوناگون آب‌هاي زيرزميني و روزمینی، مانند کاریز، رود و سامانه‌های آب‌رساني بر ریخت‌شناسی و شكل‌گيري شهرهايي پايدار (با بررسی شهر ميبد و اصفهان) پرداخته است تا بتواند از آن در جایگاه راه‌كاري کارآمد برای رسیدن به فراخواست‌های پايداري در رشد شهرهاي امروز بهره ببرد.
«شبکه‌های سنتی آب‌رسانی و نقش آن در مورفولوژی شهر میبد»: نگارش سعید جانب‌اللهی، فصل‌نامه‌ی تحقیقات جغرافیایی، شماره‌ی 5، تابستان 1366.
“The Morphogenesis of Iranian Cities”: Michael E. Bonine، Annals of the Association of American Geographers، Vol. 69، No. 2 (Jun. 1979)، pp. 208-224.
این پژوهش که نزدیک به سی‌وپنج سال پیش به نگارش در آمده است به ریخت‌شناسی و شکل اندامواره‌‌‌‌‌‌‌ و تو در توی شهرهای ایران و نیز رشد و پیروی بسیاری از آن‌ها از سامانه‌ی آب‌رسانی سنتی پرداخته است.
تحلیل ساختار فضایی و کالبدی شهر بوشهر به منظور ارایه‌ی راه‌بردهايي براي توسعه‌ی آينده: نگارش داریوش مظفری، استاد راهنما اسفندیار زبردست، پايان‌نامه‌ی کارشناسی‌ارشد شهرسازی، گرایش برنامه‌ریزی شهری و منطقه‌ای، دانشکده‌ی شهرسازی پردیس هنرهای زیبای دانشگاه تهران، 1385. از فراخواست‌های این پژوهش، شناخت و تحلیل ساختار فضایی و کالبدی شهر به منظور ارتقای کیفیت و پویایی زندگی، بهبود عمل‌کردهای اقتصادی، اجتماعی و حفاظت از محیط زیست شهر و هم‌چنین ارایه‌ی راه‌کارهایی برای توسعه‌ی آتی شهر که در نهایت منجر به سامان‌دهی ساختار شهر شود، است.
تحليل نقش قنات در حيات تاريخي يزد از دوره‌ی ايلخانان تا دوران پهلوي اول 674-1320 ش. / 1295-1941 م.: نگارش زهره چراغی، استاد راهنما: فریدون اللهیاری، استاد مشاور: عبدالکریم بهنیا، رساله‌ی دکترای تاريخ، دانشکده‌ی ادبيات و علوم انساني، 1388. این رساله بر پایه‌ی فراخواست‌هایی چون شناخت نقش متقابل کاریز و نظام حکومتي، شناخت و روشن‌سازی نظام‌هاي مالکيت، پخشایش و رسانش آب و در پایان روشن‌سازی تاثير متقابل کاریز و جامعه به نگارش در آمده است. بر اين پایه، در فصل‌هايي چون قنات و حکومت، نظام آب‌یاري مبتني بر قنات، قنات و وقف، قنات و جامعه و نقش قنات در حيات سياسي، اقتصادي، اجتماعي و فرهنگي جامعه‌ی يزد در دوره‌ی پیش‌گفته، ارزيابي شده است.
تبيين و تحليل توسعه‌ی کالبدي شهر اردکان: نگارش حسن رضاپور، استاد راهنما: پروانه شاه‌حسینی، استاد مشاور: علی‌رضا استعلاجی، پايان‌نامه‌ی کارشناسی‌ارشد جغرافیا، دانشکده‌ی ادبیات و علوم انسانی، 1390. اين پايان‌نامه به بررسي روند رشد فيزيکي شهر اردکان مي‌پردازد. برای رسيدن به اين فراخواست، متغيرهايي چون راه‌هاي پیوند‌دهنده، سامانه‌ی آب‌‌های سنتي، عامل‌های اقتصادي (کشاورزي، صنعت و خدمات) و نقش سياست، مذهب و مديريت شهري بررسیده شده است. یکی از برآیندهای این پژوهش آن است که سامانه‌ی آب‌هاي سنتي (کاریز) جایگاه بسيار ارزنده‌ای در پيدايش اين شهر داشته، چنان‌چه راه‌هاي پیوند دهنده‌ی شمال به جنوب، در رشد شهر، جایگاهی بنیادین داشته‌اند.
جدول 1-1: فهرست پیشینه‌ی پژوهشنام پژوهش پدیدآور سال گونه
1 آب‌رسانی شهری محمدتقی منزوی 1377 کتاب
2 زیرساخت‌های شهری؛ آب‌رسانی و فاضلاب مصطفی بهزادفر 1391 کتاب
3 آب‌نامه‌ی تهران اسماعیل عباسی 1387 کتاب
4 امام‌زاده قاسم: دزج‌بالا یا بالادژ سهند لطفی 1386 کتاب
5 نخستین شهرهای فلات ایران؛ 2 جلد. سید منصور سیدسجادی 1389
1390 کتاب
6 از شار تا شهر؛ تحلیلی تاریخی از مفهوم شهر و سیمای کالبدی آن، تفکر و تاثر سید محسن حبیبی 1386 کتاب
7 استخوان‌بندی شهر تهران ملیحه حمیدی 1376 کتاب
8 شهرسازی و ساخت اصلی شهر محمدرضا بذرگر 1382 کتاب
9 The City Shaped: Urban Patterns and Meanings Through History Spiro Kostof 1999 کتاب
10 To Scale: One Hundred Urban Plans Eric J. Jenkins 2008 کتاب
11 Urban Spatial Structure Alex Anas; Richard Amott; Kenneth A. Small 1997 کتاب
12 «نقش مادي‌ها در شكل‌گيري ساختار فضايي شهر اصفهان» حميد ماجدي و فرشته احمدي 1387 مقاله
13 «نقش آب در شكل‌دهي فرم كالبدي در محلات تاريخي اقليم گرم و خشك (نمونه‌ی موردي محله‌ی جلفاي اصفهان)» ارمغان احمدي و هومن فروغمند اعرابي 1391 مقاله
14 «بازشناسي تاثير آب بر شكل‌گيري شهرهاي كهن به منظور دست‌يابي به راه‌كارهاي توسعه‌ی شهري پايدار (نمونه‌ی موردي: ميبد و اصفهان)» سيده مهسا عبداله‌زاده 1390 مقاله
15 «شبکه‌های سنتی آب‌رسانی و نقش آن در مورفولوژی شهر میبد» سعید جانب‌اللهی 1366 مقاله
16 “The Morphogenesis of Iranian Cities” Michael E. Bonine 1979 مقاله
17 “Historic water-cycle infrastructure and its influence on urban form in London” T.H. Teh 2009 مقاله
18 تحلیل ساختار فضایی و کالبدی شهر بوشهر به منظور ارایه‌ی راه‌بردهايي براي توسعه‌ی آينده داریوش مظفری 1385 پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد شهرسازی
19 تحليل نقش قنات در حيات تاريخي يزد از دوره‌ی ايلخانان تا دوران پهلوي اول 674-1320 ش. / 1295-1941 م. زهره چراغی 1388 رساله‌ی دکترای تاریخ
20 تبيين و تحليل توسعه‌ی کالبدي شهر اردکان حسن رضاپور 1390 پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد جغرافیا
(ماخذ: نگارنده)
پیش‌انگاشت‌های پژوهشبه دید می‌آید که سامانه‌ی سنتی پخشایش آب در ساختاریابی شهر استهبان، بازتابی سرراست داشته است،
به دید می‌آید که محله‌بندی و سامانه‌ی راه‌ها در شهر کهن استهبان، نسبتی سرراست با سامانه‌ی سنتی پخشایش آب دارد.
روش پژوهشاز آن جا که این پژوهش در پی بررسی ساختار خودبسنده و ویژه‌ی یک شهر (استهبان)، آن هم در پیوند با سامانه‌ی سنتی پخشایش آب آن است، می‌بایست از روشی بهره برد که بتوان با آن شهر استهبان، ساختار و سامانه‌ی سنتی پخشایش آب آن را در پیوند با هم و در جایگاه پدیداری ویژه و خودبسنده بررسید.
روش این پژوهش «پديدارشناسي توصیفی[9]» است و برگرفته از روش توصيفي-استقرايي؛ «خلق يك توصيف جامع از پديده‌ی تجربه‌شده براي دست‌يابي به درك ساختار ذاتي آن». پديدارشناسي «عبارت است از مطالعه‌ی پديده‌ها از هر نوع و توصيف آن‌ها با در نظر گرفتن نحوه‌ی بروز تجلي آن‌ها، قبل از هر گونه ارزش‌گذاري، تاويل و يا قضاوت ارزشي» «دو ويژگي مهم هر نوع پديده‌اي آن است كه: اولا پديده‌ها داراي ماهيت‌اند، و ماهيت، ويژگي ضروري و ثابت پديده مي‌باشد … ثانيا پديده‌ها شهودي هستند: يعني ماهيت پديدارها را نه از طريق انتزاع كه از طريق شهود به دست مي‌آوريم. گزاره‌ي شهودي، گزاره‌اي است خود اعتباربخش، يعني گزاره‌اي كه براي احراز درستي آن هيچ مدركي قوي‌تر از خودش نتوانيد ارایه بدهيد». «تحقيقي توصيفي است كه نه صرفا بر شواهد تجربي متكي است و نه بر استدلال‌هاي منطقي، بلكه بر ساختار تجربه توجه مي‌كند و اصولي را سازمان‌دهي مي‌كند كه به جهان زندگي، شكل و معني مي‌دهد. چنين تحقيقي در صدد روشن كردن ماهيت اين ساختارها، همان گونه كه در آگاهي ظاهر مي‌شوند، است؛ به عبارتي در صدد قابل رويت كردن امر ديدني است» (امامی سیگارودی؛ دهقان نيري؛ رهنورد؛ نوري سعيد، 1391). «پدیدارشناسی می‏کوشد از اصالت تحویل یا فروکاهش مفرط پرهیز کند و در صدد آن است که تنوع، پیچیدگی و غنای تجربه را بیان کند. مخالفت با فروکاهش مفرط ما را از قید سبق ذهن‏های غیرانتقادی که مانع آگهی از خصوصیت و تنوع پدیدارها است، آزاد می‏کند و به ما اجازه می‏دهد که تجربه‏ی بی‏واسطه را وسیع‏تر و عمیق‏تر کنیم و در نتیجه توصیف‏های دقیق‏تر از این تجربه را ممکن می‏سازد» (ربانی گلپایگانی، 1381).
هم‌چنین فرآيند بررسي سنجشگرانه‌ی سندها و بازمانده‌های گذشته، روش تاريخي خوانده مي‌شود. روش تاريخي تا اندازه‌ای مانند روش ميداني است زيرا بیش‌تر، فراخواست هر دو جدا کردن موضوعي کوچک يا آزمون پیش‌انگاشت نيست (بیکر، 1377: 326).
پس در این پژوهش ناگزیر از بررسی پیشینه‌ی استهبان و ساختار آن بر پایه‌ی نوشتارها و سندها و برداشت به روش میدانی و پیمایشی، برای سنجش، برهم‌نهادن و فراآوری داده‌ها هستیم تا در پایان به ترسیم ساختار شهر استهبان بر پایه‌ی یافته‌های پژوهش و سامانه‌ی سنتی پخشایش آب برسیم.
گام‌های پژوهشاین پژوهش بر پایه‌ی زنجیره‌ی زیر به انجام خواهد رسید:
فراهم کردن پیش‌نهادیه‌ی پژوهش،
بررسی پایه‌های نگریک پژوهش که در برگیرنده‌ی بخش‌های زیر است:
تعریف‌ها و مفهوم‌ها،
بررسی نگریه‌ها و دیدگاه‌های اندیشمندان و پژوهشگران،
پیشینه و چگونگی پیوند آب و شهر،
بررسی نمونه‌ها در شهرسازی ایران و جهان،
گونه‌بندی
بررسی شهر استهبان،
شناخت جغرافیای شهر استهبان،
بررسی پیشینه‌ی شهر استهبان،
بررسی نام‌واژه‌ی استهبان،
بررسی سامانه‌ی سنتی پخشایش آب شهر استهبان،
بررسی ساختار شهر استهبان با دید به سامانه‌ی سنتی پخشایش آب،
بررسی دوره‌های گوناگون رشد و گسترش شهر استهبان،
ارزیابی و برآیند داده‌ها،
ترسیم ساختار شهر استهبان بر پایه‌ی سامانه‌ی سنتی پخشایش آب،
به دست دادن معیارهایی برای بازتعریف ساختار کنونی شهر استهبان،
بازتعریف ساختار کنونی شهر استهبان با دید به یافته‌های پژوهش.
left34480500 نمودار 1-1: فرآیند انجام پژوهش
(ماخذ: نگارنده)
روش و ابزار گردآوري داده‌هابرای گردآوری داده‌هایی که در این پژوهش به آن‌ها نیاز است از روش‌های زیر بهره گرفته می‌شود:
روش کتاب‌خانه‌ای و اسنادی: برای سامان‌دهی و فراهم‌آوری بخش پایه‌های نگریک، پیشینه‌ی پژوهش و گردآوری داده‌هایی که در این پژوهش به آن‌ها نیاز است و بررسی سندها و مدرک‌های هم‌پیوند با شهر استهبان و نقشه‌ها و عکس‌های دوره‌های گوناگون و تاریخی شهر،
روش پیمایشی و میدانی: برای گردآوری و پرداخت داده‌های گردآمده در پیوند با ویژگی‌های شهر استهبان.
روش ارزیابی و برآیندیابی داده‌هاپس از شناخت شهر استهبان و فراآوری داده‌هایی که در این پژوهش به آن‌ها نیاز است، به ارزیابی داده‌های پژوهش به روش استقرایی پرداخته خواهد شد.
روش پژوهش کیفی نمایانگر یک شیوه‌ی ارزیابی استقرایی است (از جز به کل رسیدن). این شیوه‌ی ارزیابی در برابر روش‌های پژوهش کمی که بر پایه‌ی اندیشه‌ی قیاسی و یا فرایند گذار از نگریه‌ای ویژه به مشاهده‌هایی ویژه انجام می‌گیرد، است. روش استقرایی با مشاهده‌ی عینی مشخصی آغاز می‌شود و فراخواست آن شناسایی چارچوب‌ها است. روش استقرایی در بر گیرنده‌ی زنجیره‌ی گردآوری، تلخيص و ارزیابی و برآیندیابی داده‌ها و در پایان فراآوری دست‌آورد است.
بخشِ دومپایه‌ها و چارچوب‌های نگریکساخت[10] و ساختار‌گرایی[11]بر پایه‌ی نگریه‌ها و گفتارهایی که درباره‌ی چیستی ساخت شهر در دست داریم، بیش‌تر نگریه‌پردازان بر این باورند که شهر در جایگاه پدیده‌ای پیچیده، دارای ساخت است. به زبان دیگر، هستومندی سامان‌یافته از عنصرهایی هم‌پیوند که پیوندی پایدار میان عنصرهای آن فرمان‌روا است. هم‌چنین می‌توان ساخت شهر را به دو بخش اصلی[12] و غیر اصلی[13] بخش کرد. بخش اصلی که استخوان‌بندی شهر را در برمی‌گیرد و پایش، پویش و هویت شهر از آن به دست می‌آید و دیگر بخش‌های شهر که جایگاهی پُرکننده[14] دارند و نماینده‌ی دگرگونی، گوناگونی و اختیار هستند (بحرینی، 1390: 36).
ساختارگرايي، در جایگاه يك روش ارزیابی و برآیندیابی، از سوی «فرديناند دو سوسور[15]» در زبان‌شناسي[16] آغاز و گسترش پيدا كرد. «کلود لوی استراوس[17]» را می‌توان پدر ساختارگرایی با گرایش انسان‌شناسی ساختارگرا[18] دانست. این جنبش در معماری و شهرسازی با بهره‌گیری از باورها و گفته‌های چندین معمار و شهرساز آغاز شده و رشد یافته است. این جنبش اندیشگانی، واکنشی به عمل‌کردگرایی[19] «جنبش سیام[20]» است. تلاش ساختارگرایان، برای یافتن سامان در پشت پدیده‌ها را با سامان و آرایشی ساخته و پرداخته از پیش، نمی‌بایست یک‌سان دانست؛ چرا که آفرینشِ دوباره، بازسازی و نوسازمان‌دهی درباره‌ی آن چه که هست، از بایسته‌های این بینش و روش به شمار می‌رود (حمیدی؛ صبری؛ حبیبی؛ سلیمی، 1376: 12).
درباره‌ی ساخت دیدگاه‌های فراوانی در دست است. برخی آن را گروه ساده‌ای از پیوندها و برخی هم سامانه‌ی در هم پیچیده و به هم پیوسته‌ای از پیوندها و میان‌کنشِ همه‌ی عناصر می‌دانند؛ مانندِ زنجیره‌ی عضوهای یک پیکر که در برابر و کنارِ کارکرد جداگانه‌ای که دارند، نیز هستی هر یک وابسته به هستی دیگران است. چندان که از همه‌ی آن‌ها در کنارِ هم چیزی به دست می‌آید که از برآیندِ تک‌تک آن‌ها بسی بیش‌تر و شاید چیزی دیگر است. ساختارگرایی به جای ارزش درونی و جداگانه‌ی هر یک از عناصر، بر شیوه‌ی هم‌نشینی این عناصر چشم دارد (نجَفی، 1373: 19)؛ (عبدی دانشپور، 1390: 304). به دیگر سخن، «هرگاه میان عناصر و اجزای یک مجموعه که کلیت آن مدِ نظر می‌باشد، رابطه‌ای نسبتا ثابت و پابرجا برقرار باشد، به مفهوم ساخت می‌رسیم» (توسلی، 1370: 125).
ژان پیاژه[21] نیز، با آوردن واژه‌ی سامانه، به عضوها و پیوندهای میان آن‌ها دید دارد، با این همه بر روی ویژگی دگرگون‌شدگی آن پا می‌فشارد و چنین می‌نویسد: «همه‌ی ساختارهای شناخته‌شده … بدون استثتنا، نظام‌هایی هستند که در آن‌ها دگرگونی‌هایی روی داده است» (سیم، 1388: 16).
شهر نیز از آن چه در بالا آمد جدا نیست و در میان عضوهای گوناگون آن، پیوندی پویا و پایدار را می‌توان بازجُست و با دید به نگریه‌ی سامانه‌ها، شهرها را می‌توان اندامواره‌هایی زنده دانست که رشدِ آن‌ها پدیده‌ای گریزناپذیر خواهد بود و استواری و پایداری آن برآمده از ساختار اصلی[22] شهر است. بر پایه‌ی این دیدگاه، عمل‌کرد شهر هم‌چون سامانه‌ای دربرگیرنده از بی‌شمار زیرسامانه‌ها است که در یک‌دیگر بازتاب‌های گوناگون دارند و با هم مجموعه‌ای پیچیده را پدید می‌آورند. چنین است که ساخت کلان یک شهر، روشن‌کننده‌ی آن بخش از سامانه‌ی شهر است که چارچوبی نرمش‌پذیر برای پدید آمدن زیرسامانه‌های گوناگون در بازه‌های زمانی رشد فراهم می‌آورد (پاکدامن، 1372). نرمش‌پذیری و رشد در نگریه‌های ساختارگرایان، در کنار هم، از بایسته‌ترین ویژگی‌ها برای سازمان‌دهی عنصرهای اصلی شهر هستند. این نگریه در پی طراحی و تعیین شکل شهر نیست و باور دارد که با برنامه‌ریزی و طراحی بخش‌های اصلی، دیگر بخش‌ها کم‌کم و در زمان از سوی مردم ساخته و پدیدار می‌شوند (بذرگر، 1382: 56)؛ (بحرینی، 1390: 36).
باید گفت که فراخواستِ کاربردِ واژه‌ی ساخت درباره‌ی هر پدیده‌ای، ترکیب کلی آن است و درباره‌ی شهر نیز چنین است. هم‌نشینِ ساخت کالبدی، ترکیب کلی شهر را در دید دارد که پیوندها و کارکردها را در بر می‌گیرد. ساخت کالبدی شهر از عناصر، فضاها، فعالیت‌ها و دست‌رسی‌ها پدید می‌آید و شیوه‌ی پیوند این اجزا و عناصر با یک‌دیگر و کوششی که برای سازگار کردن خود با کل مجموعه می‌کنند را در دید دارد. هم‌چنین، ساختار اصلی شهر، برآیندِ فرم، فعالیت‌ها و فضاهایی از شهر است که از دیدِ فرمی-عمل‌کردی یا فضایی، دارای ویژگی‌های برجسته هستند. به دیگر سخن، ساختار اصلی نه تنها در برگیرنده‌ی فرم‌ها و کاربری‌های بنیادین شهر است، هم‌چنین فعالیت‌های ویژه و بایسته‌ی شهری نیز در این ساختار جای گرفته است (بَحرینی، 1388: 156)؛ (بذرگر، 1382: 57 و 66).
«آلدو روسی[23]» به نپرداختن نوگرایان به تاریخ می‌تازد و شهرها را هستومندهایی ویژه می‌داند که دیگرگون از هم هستند و این دیگرگونی به اجزای آن‌ها نیز می‌رسد و نمی‌توان آن چه در یک شهر با آن روبه‌رو هستیم را درباره‌ی شهرهای دیگر گسترش داد. وی شهرها را دارای دستِ‌کم دو بخش مسکونی و عناصر نخستینی (فضاها و ساختمان‌های همگانی که از دید زمانی، ماندگارتر از بخش مسکونی هستند) می‌داند. روسی با وام گیری از «تریکار[24]» سه تراز بررسی شهری را چنین یادآور می‌شود:
پژوهش در سطح خیابان و بدنه‌های ساخته‌شده و تهی‌مانده‌ی آن،
پژوهش در سطح یک محله و بلوک‌های ساختمانی ویژه‌ی آن،
پژوهش در سطح شهر هم‌چون یک کلیت و محله‌های آن هم‌چون عناصر تشکیل‌دهنده‌ی شهر (پاکْزاد، 1389: 336-338 و 350).
«از دیدگاه روسی ساخت اصلی مربوط به دوره‌ی مشخصی نیست و باید در طول زمان مطالعه شود. این ساخت اصلی قابلیت تطبیق با عمل‌کردهای هر دوره را دارد. با گذشت زمان و تغییر در عمل‌کردها، این ساخت توانایی تغییر شکل و تغییر در عمل‌کرد را دارد و هر زمان که فاقد عمل‌کرد شود از بین خواهد رفت. از نظر او ساخت اصلی شهر از پیوند میان عناصر اصلی شهر تشکیل شده است. این عناصر اصلی در طول تاریخ جریان دارند و عمل‌کردشان در گرو شکل‌شان نیست. ساخت اصلی شهر قادر است به عناصر اصلی و فرعی شهر معنی و مفهوم دهد و در طول تاریخ آن‌ها را حفظ کند» (بذرگر، 1382: 63).
«الکساندر[25]» در پی چنین نگاهی است که «اندیشه‌ی کُلِّ رشدیابنده» را پیش می‌کشد و شهرهای گذشته را دارای زندگی و انگاره‌ای به‌نیرو از آن می‌داند؛ چنان‌چه می‌گوییم این شهرها زنده هستند. این بیش‌تر برآمده از چگونگی ساختاری و سامان انداموار آن‌ها است که همه مانند یک کُل و در پیوند با آن رشد کرده‌اند. در این کل، اجزای کوچک نیز جایگاهی ویژه دارند؛ چرا که در پدید آمدن آن، به گونه‌ای هم‌بسته با بخش‌های بزرگ‌تر دست دارند. این چیزی است که شهرهای امروزی از آن دور افتاده‌اند. وی باور دارد که رشد هر پدیده از ساختارِ ویژه‌ی آن در گذشته برمی‌خیزد و چارچوب‌های درونی و فرارویی آن بر پیوستگی و آینده‌اش فرمان می‌راند. وی ویژگی‌های کُلِّ رشدیابنده را چنین برمی‌شمرد:
کم‌کم رشد می‌کند و پدیدار می‌شود،
دگرگونی و پی‌آیندِ آن پیش‌بینی‌ناپذیر است،
هم‌آهنگ و هم‌بسته است و هر یک از بخش‌های آن نیز چنین هستند و پیوند میانِ آن‌ها شگفتی‌آفرین است،
برانگیزاننده و سرشار است؛ چون زمانی که با آن برخورد می‌کنیم، به ژرفا، درون ما را به جنبش وامی‌دارد (حمیدی؛ صبری؛ حبیبی؛ سلیمی، 1376: 27)؛ (الکساندر؛ نیس؛ آنینو؛ کینگ، 1373: 10-16).
«بذرگر» در کتاب «شهرسازی و ساخت اصلی شهر»، دیدگاه‌های الکساندر را با «بی وی دوشی[26]» یک‌سان می‌داند و چنین می‌آورد: «این دو محقق ساخت اصلی شهر را در مقابل پرکننده‌ها قرار می‌دهند و معتقدند در هر شهری می‌توان به دنبال چندین عامل یا عنصر بود تا از طریق آن‌ها ساخت اصلی را شناخت. این عوامل یا عناصر عبارتند از:
شبکه‌ی اصلی دست‌رسی،
مراکز عمده‌ی فعالیتی،
عناصر اصلی شهر» (بذرگر، 1382: 59-60).
«دیوید کرین[27]» نیز شهر را دارای دو بخشِ اصلی[28] و فرعی[29] می‌داند. وی باورمند است که عناصرِ بخش همگانی باید به ساختاریابی شهر بینجامد و بر دیگر بخش‌های کوچک و پایین‌تر بازتاب داشته باشد. عناصر بخش همگانی شهر از دید وی چنین است:
سامانه‌ی حرکتی،
سامانه‌ی فضای باز و سبز،
خدمات بخش همگانی،
زیرساخت‌ها (پاکدامن، 1372).
«راجر ترانسیک[30]» نیز در همین راستا، «نگریه‌ی اتصال[31]» را پیش می‌کشد که در آن، سامانه‌های حرکتی و زیرساخت‌ها، فرم‌های شهری را پدید می‌آورند. در پی‌آیند، وی سه گونه‌ی ناهمگون فضای شهری را برمی‌شمرد:
ترکیبی[32]،
کلان[33]،
گروهی[34] (پاکزاد، 1389: 516-517).
چون فرم گروهی، هم‌پیوندی با شهرهای تاریخی و زمینه‌ی پژوهش ما می‌تواند داشته باشد، برای روشن شدن این گفتار، نوشته‌ی کتاب «سیر اندیشه‌ها در شهرسازی» را می‌آوریم: «فرم‌های گروهی، پیامد افزایش تراکم عناصر فضایی، در امتداد یک اسکلت، به عنوان هسته‌ی مرکزی است. مانند سازمان بسیاری از شهرهای تاریخی. در فرم‌های گروهی، ارتباط نه ضمنی است و نه تحمیلی، بلکه کاملا بر مبنای رشد طبیعی، تکمیل کننده‌ی ساختار ارگانیک کلیت خود هستند» (پاکزاد، 1389: 518).
جدول 2-1 نگاهی کوتاه به نگریه‌هایی درباره‌ی ساخت اصلی شهر دارد.
جدول 2-1: ارزیابی برخی نگریه‌ها درباره‌ی ساخت اصلی شهر
نگریه‌پردازان پی‌رنگ نگریه‌ی ساخت اصلی آن چه به ساخت اصلی شکل می‌دهد
گروه ده[35] شهر دارای یک ساخت اصلی است که به آن هویت می‌بخشد. عوامل اصلی شهر مانند عناصر دگرگونی‌ناپذیر و بزرگ اندازه، رودخانه‌ها، کانال‌ها یا برخی از ترکیب‌های شکلی یگانه.
کریستوفر الکساندر و بی وی دوشی ساخت اصلی شهر در مقابل پرکننده‌ها قرار دارد. سامانه‌های دست‌رسی اصلی، مراکز عمده‌ی فعالیتی و عناصر اصلی.
ادموند بیکن[36] شهر از دو قسمت اصلی و قسمت غیر اصلی تشکیل شده است. سامانه‌های پیونددهنده و ساختمان‌های اصلی شهر.
فومیهیکو ماکی[37] در هر شهری می‌توان یک بدنه‌ی اصلی و یک بدنه‌ی فرعی یافت. ساختمان‌های اصلی، فضاهای عمومی و عناصر اصلی شهر و پیوند میان آن‌ها.
دیوید کرین شهر از بخش‌های اصلی و بخش‌های فرعی تشکیل شده است. سامان حرکتی شهر، خدمات همگانی و زیرساخت‌ها.
آلدو روسی ساخت اصلی شهر به عناصر اصلی و فرعی شهر معنا و مفهوم می‌دهد از پیوند میان عناصر اصلی شهر پدید می‌آید.
کوین لینچ[38] شهر دارای یک شالوده‌ی نمادین است که باید با شناخت عوامل و عناصر اصلی آن، به این شالوده وحدت بخشید و آن را سازمان داد. عناصر اصلی سیمای شهر از دید وی، راه، لبه، محله، گره و نشانه هستند و تمایز عناصر اصلی شهر از عناصر غیراصلی امری ضروری است.
ترانسیک نگریه‌ی اتصال بر پایه‌ی ساختارهای خطی شهر در جایگاه سامانه‌ای پیونددهنده سامانه‌های حرکتی و زیرساخت‌ها
برگرفته از (بذرگر، 1382: 65) با اندک افزوده و دگرگونی‌هایی از سوی نگارنده.
برآیند نگریه‌ها درباره‌ی ساخت اصلی شهرساخت اصلی شهر که نام‌های دیگری را نیز در خود و با خود، مانند بخش‌های اصلی و استخوان‌بندی، قسمت اصلی، بدنه‌ی اصلی و عوامل و عناصر اصلی دارد، در برابر پرکننده‌ها، قسمت غیراصلی، بدنه‌ی فرعی، بخش‌های فرعی و عناصر غیراصلی جای می‌گیرد. ساخت اصلی در زندگی، پایش و پویش شهر و هویت‌بخشی، دادن معنا و مفهوم، وحدت‌بخشی و سازمان‌دهی به آن و نهادن شهر در جایگاه سامانه‌ای پیونددهنده، کارکردی درخور و بنیادین دارد و ریشه در گذشته و پیشینه‌ی آن دارد. ساخت اصلی باعث می‌شود که شهرها هم‌چون سامانه‌ای دربرگیرنده از بی‌شمار زیرسامانه‌ها که در یک‌دیگر بازتاب‌های گوناگون دارند و با هم مجموعه‌ای پیچیده را پدید می‌آورند، عمل کنند.
ساختار اصلی شهر، برآیندِ فرم، فعالیت‌ها و فضاهایی از شهر است که از دیدِ فرمی-عمل‌کردی یا فضایی، دارای ویژگی‌های برجسته هستند. به دیگرسخن، ساخت اصلی از راه عوامل اصلی شهر (عناصر دگرگونی‌ناپذیر و بزرگ اندازه، رودخانه‌ها، کانال‌ها یا برخی از ترکیب‌های شکلی یگانه)، ساختمان‌ها و عناصر اصلی شهر و پیوند میان آن‌ها، سامانه‌های اصلی دست‌رسی و پیونددهنده، مراکز عمده‌ی فعالیتی، فضاهای همگانی و عناصر آن (سامانه‌ی حرکتی، سامانه‌ی فضای باز و سبز، خدمات بخش همگانی و زیرساخت‌ها) شناخته می‌شود و عمل می‌کند.
شهر، درخت هم می‌تواند باشدالکساندر در سال 1965 نوشته‌ای با نام «شهر یک درخت نیست[39]» نوشت و چهل سال پس از آن «مارشال[40]» در پژوهش خویش، «خیابان‌ها و الگوها[41]»، به پاسخ‌گویی به وی پرداخته است.
الکساندر باور داشت که شهر پیچیده‌تر از آن است که نمودارهای درختی بتوانند آن را برای ما روشن سازند و پرده‌ای از روی آن بردارند. او از دید خویش، ساختاری پیچیده‌تر از نمودارِ درختی را پیش کشید که در آن بخش‌هایی از ساختار -در برابرِ درختی که او در انگاره داشت- هم‌پوشانی داشتند و از زنجیره‌ای از رده‌های آرایش‌نیافته[42] برخوردار بود. ناگفته نماند که وی نخست برای شهر، نموداری درختی در دید داشت که از زنجیره‌ی رده‌های آرایش‌یافته، پدید آمده بود. وی چنین سامانی را از آن رو درست پنداشته بود که در آن زیرسامانه‌ها با یک‌دیگر کم‌ترین هم‌پوشانی را دارند یا هیچ هم‌پوشانی ندارند تا در زمان ناسازگاری در یک بخش یا یکی از زیرسامانه‌ها، بخش‌ها و زیرسامانه‌های دیگر، کم‌ترین درگیری و ناسازگاری را پشتِ سر بگذارند و سامانه‌ی بنیادین و زیرسامانه‌های آن، هر چه زودتر به ایستارِ پایدار خود بازگردند. الکساندر با دید به آن چه آمد، نمودار درختی و کاربرد آن برای طراحی شهری را پیش می‌کشد که برای هر دسته از نیازها، نموداری همانند آن در دید داشت (پاکزاد، 1389: 249-255)؛ (الِکساندر، 1390: 11-21).
با این همه، اندکی پس از آن، نادرستی این نگاه به شهر را می‌پذیرد. چرا که نمودارهای درختی وی نمی‌توانستند پیچیدگی چالش‌های شهری را نمایش دهند و پیامد آن ساخته شدن شهرهایی مصنوعی در سنجش با شهرهای کهن بود. به باور وی شهرهای کهن از ساختاری پیچیده و نیمه‌تارنما[43] برخوردارند (نگاره‌ی 2-1). او شهرها را مجموعه‌ای بزرگ می‌بیند که زیرمجموعه‌هایی هم‌پیوند و هم‌پوشان با هم دارند و هر یک از این زیرمجموعه‌ها را یک «واحد شهری» می‌خواند که به باور وی، انگاره‌ای که آدم از شهرش دارد، به دست آن ساخته می‌شود (پاکزاد، 1389: 255-256)؛ (اَلکساندر، 1390: 23-26 و 33-34).
17843555372000نگاره‌ی 2-1: ساختار درختی و ساختار نیمه‌تارنما
ماخذ: (اَلکساندر، 1390)
پس الکساندر باورمند است که شهر نموداری درختی با زنجیره‌ی رده‌های سامان‌‌مند ندارد و نمی‌توان آن را پیش‌بینی کرد. در شهر ما با پیچیدگی و هم‌پوشانی روبه‌رو هستیم و در ساختار درختی چنین نیست.
با این همه، مارشال در بخشی از نوشته‌ی خود درباره‌ی ساختار شهر با گفته‌ای از «مت[44]» می‌آغازد: نیازمندیم به انگاره‌ای از زنجیره‌ی رده‌های پخش‌کننده‌ی خوراک [راه‌های بزرگ‌تر] که هم‌پیوند است با پخش‌کنندگان رده‌ی پایین‌تر که به راه‌های کوچک‌تر می‌رسد و به ساختمان‌ها دست‌رسی دارند. این سامانه می‌تواند به تنه، اندام‌ها، شاخه‌ها و در پایان سرشاخه‌ها (مانند راه‌های دست‌رسی)؛ از یک درخت همانند باشد (Mot, 1963)[45].
انگاره‌ای که مارشال از ساختار درختی[46] پیش می‌کشد، پاسخی است به آن چه الکساندر درباره‌ی نمودار درختی گفته بود. وی پله پله پیش می‌رود تا هم ساختار درختی را روشنا بخشد و هم در لابه‌لای آن پاسخی به پرسش‌های الکساندر داده باشد. او بر پایه‌ی گفته‌های «بوچانان[47]» سامانه راه‌های شهری را به ساختار درختی مانند می‌کند (نگاره‌ی 2-2).
168021069024500نگاره‌ی 2-2: یک ساختار درختی و سامانه‌ی راه‌ها؛ چگونگی ضمنی بودن بسیاری از دلالت‌ها؟ماخذ: (Marshall, 2005)
مارشال زنجیره‌ی رده‌ها را گستره‌ای از بزرگ به کوچک می‌داند و باور دارد که زنجیره‌ی رده‌ها، خود گونه‌ای ساختار ناهم‌سان است و شرایطی را برای ساختارِ درختی برمی‌شمرد:
دگرسانی جزءها (خیابان‌ها و لبه‌ها)،
رده‌بندی عنصرها (گونه‌شناسی بر پایه‌ی عرض خیابان(فرم) و جریان ترافیک (عمل‌کرد) و …)
پیوند بایسته میان عنصرهای گوناگون (که از سوی شریانی تعیین می‌شود؛ در جایگاه تارنمای درون‌شهری بومی)،
پیوندهای مجاز (محدودیت دست‌رسی در آرایش نوین راه‌ها؛ زنجیره‌ی رده‌های راه‌های شهری).
در دنباله می‌گوید که ساختار درختی، دارای ترکیب‌بندی است، پس پیش از آن، پیکربندی دارد و پیش از این نیز، سازمان. به دیگر سخن، هر ترکیب‌بندی‌ای برآمده از یک پیکربندی است که آن هم برآمده از یک سازمان است. هر چه از ترکیب‌بندی به سوی سازمان برگردیم به وضوح بیش‌تری از اجزا و پیوندها می‌رسیم. با این همه، چیزهایی را در این برگشت از دست می‌دهیم. در پیکربندی، دیگر سوگیری، زاویه و پهنا نداریم و در سازمان، شمار واقعی و چیدمان راه‌ها در سامانه را وانهاده‌ایم و به یک گونه یا لایه بسنده کرده‌ایم. در ترکیب‌بندی با ساختار و سامانه روبه‌رو هستیم و تنه بزرگ‌ترین قطر و توان عمل‌کرد شریانی را دارد. در پیکر‌بندی تنها سامانه را داریم که در آن تنه، بیش‌ترین پیوند و تداوم را دارد. در سازمان، با لایه و گونه روبه‌رو هستیم، یک عنصر مرکزی که هر کس به آن پیوند می‌خورد.
ساختار درختی گونه‌ای از ساختارهای شهری و الگویی از سامانه‌ی راه‌ها است که پیچدگی، گونه‌گونی و ناهم‌سانی، به‌هم‌پیوستگی، پیوندها و زنجیره‌ی رده‌ها از ویژگی‌های آن است. ساختاری که در پی دست‌یابی به یک الگو برای همه‌ی شهرها و همه‌ی سامانه‌ها و تارنماها نیست (Marshall, 2005: 159-177).
اندکی از پیشینه و چگونگی بودِ آب در شهرچرایی و چگونگی پیدایش نخستین شهرها، چالشی است همیشگی در میان شهرشناسان که زمینه‌ی گسترش نگریه‌های گوناگونی در این باره شده است. در این میان نگریه‌ی آب و سکونتگاه‌ها، هم‌چنین نگریه‌ی آب‌سالار، بسیار شناخته شده هستند و دانشمندان بسیاری بر درستی این نگریه‌ها، دستِ‌کم در بخش‌های گسترده‌ای از جهان هم‌دل هستند. بر پایه‌ی این نگریه‌ها، عامل‌های زاستاری[48] و بیش از همه آب در پدیداری و گسترش شهرها بازتاب داشته‌اند. بررسی تمدن‌های نخستین، مانندِ مصر و سومر در کنار آب‌راه‌های بزرگی چون نیل، دجله و فرات، ما را به درستی این نگریه‌ها می‌رساند. برخی ایستار[49] هر تمدنی را از دید پیش‌رفت با زیرساخت‌های هم‌پیوند با آب می‌سنجند و بدون آب بسیاری از دگرگونی‌های زندگی آدمی و حتی انقلاب صنعتی را هم شدنی نمی‌دانند (پاپلی یزدی؛ رجبی سناجردی، 1382: 69)؛ (علمداری، 1387: 78-79).
نگریه‌ی آب‌سالار ویتفوگل نیز مانند نگریه‌ی آب و سکونتگاه‌ها، به بازخوانی بوم‌شناسیک پیدایش شهرها می‌پردازد. در این نگرش، شهرها بر پایه‌ی فزونی فراورده‌های کشاورزی -در جاهایی که دست‌رسی به آب، هوا و خاکِ درخور برای کشاورزی هست- پدید می‌آیند. بر پایه‌ی این نگریه، آب‌یاری زمین‌های کشاورزی به افزایش شمار مردم در جاهای پیش‌گفته، می‌انجامد و پیدایش شهرها را در پی دارد برخی از هوادارانِ نگریه‌ی آب‌سالار باورمندند که در پیدایش شهرها، گذر از کشتِ بارانی به سامانه‌ی آب‌یاری، با رشد فزاینده‌ی مردم، تمرکزگرایی، پیدایش ساختمان‌های یادمانی و با بهره‌ی همگانی و قشربندی‌های اجتماعی همراه بوده و این گونه، شهرها پدیدار شده‌اند (شکویی، 1391: 142).
به دیگر سخن، در بررسی جایگاه آب، دو روی‌کرد گوناگون روایی دارد؛ روی‌کرد نخست که آب را در جایگاه یک نیاز زیستی می‌داند و روی‌کرد دوم که را آب یک عاملِ فرهنگی که شیوه‌های ویژه‌ای از زندگی و تمدن را پدید آورده است (کرسون، 1343: 112).
33401055372000342900300355000نگاره‌ی 2-3: رود نیل و زندگی آدمیان در کنار و بر روی آننورهای پیرامونی نیل در شب، آن را شریانی زندگی‌بخش می‌نمایاند. این رود بلند، سرچشمه‌ی گونه‌های گوناگونی از زندگی و سکونت شده است؛ از یک زندگی نخستینی و ساده بر توده‌های شناور در تالاب‌های جلگه‌ی نیل در سودان تا شهری هم‌چون قاهره. (ماخذ نگاره: اینترنت؛ en.wikipedia.org؛ izismile.com)
پیوند ناگزیر یا خودخواسته و اندیشیده‌ی آب و شهردرباره‌ی چگونگی پیوند آب و شهر و خواستِ آدمی در گزینش آن، می‌توان به جایگاه پیش‌رفت فن‌آوری در میان جامعه‌های انسانی پرداخت؛ چرا که برای نمونه، دست‌رسی به آب یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های بی‌شمار زندگی گروهی در جاهای خشک ایران -که با کم‌آبی یا بی‌آبی دست به گریبان است- بوده و هست و زندگی اجتماعی با محوریت آب پدیداری یافته است. در گذشته‌های دور، نیاکان ما از راه‌های گوناگون برای آن چاره‌اندیشی کرده‌اند و از نمونه‌های آشکار این تلاش‌ها، کندن کاریز و ساخت آب‌انبارها (فرهنگ آب‌انبارسازی در محله‌های شهری و در کنار راه‌های کاروان‌رو) است. هم‌چنین در شکل‌پذیری بافت‌های شهر، عامل‌های زاستاری، بزرگ‌ترین بازتاب را داشته‌اند و بافت شهرهای تاریخی ایران نشان‌دهنده‌ی تلاش سرسختانه‌ی مردم در برابر دشواری‌های آب‌هوایی و ایستار بوم‌شناسیکِ ویژه و دست‌رسی به آب است (لطفی؛ مسجدی، 1392: 17)؛ (تَوسلی، 1391: 103)؛ (علمداری، 1387: 79)؛ (شاطریان، 1388: 302 و 326).
با این همه، امروزه طراحی سامانه‌ی آب‌های روزمینی در شهرها، پیوند بسیار نزدیکی با طرح‌ریزی شهری دارد و بیش‌تر بخشی از آن به شمار می‌رود (طاهري بهبهاني؛ بزرگ‌زاده‌، 1375: 305) و در بررسی‌ها و پژوهش‌های پایه‌ای حوزه‌ها و شهرها، اقتصاد شهری، طراحی شهری و غیره، همواره آب از جایگاهی بسیار بایسته برخوردار است؛ زیرا آب بنیاد رشد و گسترش است و از آن برای آرامش‌بخشی و زیباسازی زندگی شهری بهره برده می‌شود و سامانه‌ی آب‌رسانی بایسته‌ترین زیرساخت شهری به شمار می‌رود. بدون آب، نه تنها پدیداری آبادی، در جایگاه اوجی از زندگی آدمیان با هم، شدنی نبود؛ هم‌چنین زندگی هر کس به تنهایی نیز پایداری نداشت (بهزادفر، 1391: مقدمه، 2، 10، 17 و 18).
هر چند امروزه با بهره‌گیری از فن‌آوری‌های نوین می‌توان آب را از دوردست‌ها، به نزدیکا آورد و نیز آب‌های زیرزمینی را از ژرفاهای بسیار به بالا کشید و بایستگی جایابی شهرها در کنار سرچشمه‌های آبی که به آسانی در دست‌رس باشد، کاهش یافته است، با این همه، آب هم چنان در رشد و گسترش شهرها، جایگاهی بایسته و کارا دارد؛ چنان‌چه امروزه نیز کم‌بود آب در رشد و گسترش شهرهای کناره‌ی دریاهای جنوبی و فلات درونی ایران، یک تنگنا به شمار می‌رود و شهرهای شمالی در برابر این ایستار جای می‌گیرند (شاه‌حسینی؛ رهنمایی، 1389: 49).
از این همه، چنین به دست می‌آید که آدمی و در پی آن شهرها، در گامِ نخست، نیاز و پیوندی زیستی و بوم‌شناسیک به آب دارند و از بایسته‌های زندگی، یکی هم آب است که آدمی ناگزیر از خواست و اندیشیدن به آب است. با این همه مرز و اندازه‌ی این نیاز و پیوند، به چیزهای فراوانی مانندِ توانِ فن‌آورانه و فرهنگ بستگی دارد.
به این پرسش از سویی دیگر نیز باید نگریست و آن هم، این که آیا شهرها و مردمانی نیستند که از بودِ فراوانِ آب در رنج و فشار باشند؟ به دیگر سخن، آبِ فراوان، برای ایشان -اگر چه در بخش‌هایی- تنگناهایی پدید آورده باشد؟ نمونه‌ای روشن برای پاسخ به این پرسش، تراز بالای آب‌های زیزمینی در خاور و جنوب‌خاوری دشت شیراز تا جایی که در برخی از جای‌ها، تراز ایست‌آبی از روی خاک نیز بالاتر آمده و سختی‌ها و تنگناهای پیش‌بینی‌ناشده‌ای را برای مردم و مدیریت شهری پدید آورده است (صمیمی؛ جویافر؛ خلیفه‌سلطانی، 1383)؛ (پارهاس و همکاران، 1381). پس فراوانی آب هم، چالشی ناگزیر می‌تواند باشد؛ اگر چه بتوان برای آن چاره‌ای اندیشد یا از آن بهره‌ای نیز گرفت.
نمونه‌ها و گونه‌بندی بازتاب آب بر ساختار شهرایرانبودِ آب در شهرها، بازتاب گوناگونی داشته است؛ از بازتاب بر مرزهای شهر، بر استخوان‌بندی، محله‌بندی، گذربندی و ریختارِ شهر تا در جایگاه زمینه‌ی شهر. آب در برخی از شهرهای کهن و نیز کوهستانی ایران، الگویی برای پدیداری سامانه‌ی اصلی دست‌رسی و تارنمای راه‌های پیوند‌دهنده بوده است (پاپلی یزدی؛ رجبی سناجردی، 1382: 69)؛ (سلطان‌زاده، 1372: 54).
آب در جایابی شهرها جایگاهی بسیار بایسته دارد. سکونتگاه‌ها در جای‌هایی پدید می‌آیند و رشد می‌کنند که به آب رودخانه‌ها یا آب‌های زیرزمینی یا اندوخته‌های آبی (مانندِ پشتِ بندها و آب‌انبارها) دست‌رسی داشته باشند. به دیگر سخن، شهرها، بیش‌تر در دشت‌های پای‌کوهی که رودخانه‌های همیشگی در آن‌ها روان است و به آب‌های زیرزمینی دست‌رسی دارد پدید آمده‌اند (شاه‌حسینی؛ رهنمایی، 1389: 48). آب‌های رودخانه‌های بزرگ در ساختاریابی و رشد شهرهای بزرگ با مردمان پرشمار جایگاهی بنیادین داشته و دارند. در گذشته این وابستگی به سرچشمه‌های آبی در ایران، نه تنها از روی نیاز شهرنشینان به آب آشامیدنی که بیش‌تر برای کشاورزی بوده و آب‌رسانی با سرنوشت آن‌ها گره خورده بوده است (کاتوزیان، 1386: 63)؛ (پاپلی یزدی؛ رجبی سناجردی، 1382: 68)؛ (اسپونر، 1386: 407)؛ (لمتون، 1377: سی‌وسه-سی‌وچهار)؛ (لَمتون، 1386: 173)؛ (سلطان‌زادِه، 1367: 201) و شاید بتوان گفت که: «در فلات ایران احتمال دارد شهرها از یک پایگاه کشاورزی وابسته به آب‌یاری رودخانه‌ای سرچشمه گرفته باشند» (اسپونر، 1386: 409).
شهر اصفهان، نمونه‌ی آشکاری از رشد و گسترش شهر بر پایه‌ی آبِ فراوان و رودخانه است و همین بالادستی آن را در برابر یزد -با آن همه دیرینگی و مایه- در دگرگونی به پایتخت در پی داشته (هولود، 1385: 49). «اسپونر[50]» در پژوهش خویش درباره‌ی شهر و رود در ایران چنین می‌نویسد: «بدون تردید، وجود زاینده‌رود به ما نمی‌گوید که چرا اصفهان به یکی از مهم‌ترین شهرها در تاریخ آسیای جنوب‌غربی تبدیل شد، اما اصفهان بدون یک چنین ذخیره‌ی آبی، آن‌چنان که توسعه یافت نمی‌توانست توسعه پیدا کند». وی پیوند میان رودخانه و پیدایی شهرها را تا جایی پیش می‌برد که بیش‌تر شهرهای کهن ایران در پیش از دوران کاریز را برآمده در کنار رودها می‌داند؛ اگر چه نمونه‌های در برابر این دیدگاه، چون کرمان را هم می‌آورد (اسپونر، 1386: 407 و 430).
67945056451500 نگاره‌ی 2-4: جایگاه درخور زاینده‌رود برای رشد اصفهان در زمینه‌های گوناگونماخذ: (نوربختیار، 1380)
آب، افزون بر چگونگی جایابی شهرها در ساختاریابی آن‌ها نیز بازتاب داشته است. پدیداری ساخت و بافت‌های شهری بر پایه‌ی آب و راه‌های دست‌رسی به آن و هم‌سو با رودخانه‌ها، نهرها یا جوی‌های آب و بازتاب پُررنگ آب بر ساختار شهرها را نمی‌توان نادیده گرفت؛ مانندِ اصفهان دوره‌ی صفوی که سامانه‌ی آب‌رساني، خود دست‌مايه‌ی طراحي شهري اصفهان، با محله‌های نو در آن دوره بوده است و مادی‌ها پیوندی درخور با بافت و سازمان شهر داشته‌اند. محله‌های تازه‌تر، مانندِ «خواجو»، «صالح‌آباد» و «چرخاب» در دو سوی زاینده‌رود و مادی‌های آن در درازا گسترده شده‌اند. محله‌ی جلفا نیز بر پایه‌ی ویژگی‌های بوم‌شناختی و به ویژه آب، جایابی شده و ساختار یافته که این خود در بازتعریف ساختار شهری اصفهان در دوره‌ی صفوی، جایگاهی بنیادین دارد. جلفا در کناره‌ی زاینده‌رود و در جایی که چندین مادی از آن می‌گذشته، جایابی شده است. نخستین چیزی که برای خانه‌گزینی در جلفا در دید داشته‌اند، هم‌کناری با مادی‌ها بوده است و از همین روی، مادی‌ها، هم گذرها و بخش‌های جلفا را پدید آورده و هم به آن بافتی انداموار بخشیده‌اند. به دیگر سخن، رشد و گسترش جلفا، بر پایه‌ی آب و ناپیوسته بوده و آرایش آن برگرفته از آرایش آب و مادی‌ها در آن جا است (سُلطان‌زادِه، 1372: 54)؛ (اهری؛ حبیبی، 1380: 261)؛ (احمدي؛ فروغمند اعرابي، 1391)؛ (درهومانيان، 1379: 26)؛ (ماجدي؛ احمدي، 1387).
پس مادی‌ها افزون بر بازتابی کلی که بر ساختار کالبدی شهر داشته‌، در سامانه‌ی راه‌ها نیز به روشنی بازتاب داشته‌اند. هم‌سو با مادی‌ها، برخی کوچه‌ها نیز پدید آمده‌اند و خانه‌ها در کنار آن‌ها جای گرفته‌اند. آن‌ها به دو گونه بر کالبد اصفهان بازتاب داشته‌اند: نخست به گونه‌ای طراحی شده و از پیش‌اندیشیده، مانند «چهارباغ» و دیگر بازتابی که بر بافت انداموار اصفهان داشته و به گونه‌ای مارپیچ از شهر گذشته و سبزراه‌هایی را در کنار خود پدید آورده‌اند؛ مانند مادی «نیاصرم» و «فرشادی». مادی‌ها اگر چه برای کشاورزی پدید آمدند، ولی کم‌کم در شهرها نیز جایگاهی بایسته یافتند تا جایی که «شیخ بهایی» با بهره از آن‌ها، سامانه‌ی شطرنجی «نجف‌آباد» را پی ریخته است (اهری؛ حبیبی، 1380: 261، 263 و 274-275)؛ (ماجدي؛ احمدي، 1387)؛ (بهزادفر، 1391: 59).
right34290000right336232500نقشه‌ی 2-1: گام‌های رشد جلفارشد و گسترش جلفا، بر پایه‌ی آب و ناپیوسته بوده و آرایش آن برگرفته از آرایش آب و مادی‌ها است. ماخذ: (احمدي؛ فروغمند اعرابي: 1391)[51]
پس اصفهان و زاینده‌رود، دو گونه برخورد با یک‌دیگر داشته‌اند. الگوی نخست؛ شهر در نزدیکِ رود و هم‌سو با آن رشد کرده که باید گفت رودخانه شهر را به سوی خویش کشیده است و الگوی دیگر؛ آب را به سویی کشیده و در کنار آن خانه‌سازی کرده‌اند یا در جایی ماندگار شده و شاخه‌ای از زاینده‌رود به سوی آن‌جا برده که باید گفت زاینده‌رود را به درون شهر کشانده‌اند.
center55943500نقشه‌ی 2-2: جایگاه زاینده‌رود و مادی نیاصرم در محله‌بندی بخشی از اصفهانماخذ: (اهری؛ حبیبی، 1380)
پخشایش شهرها و آبادی‌ها بر روی مَخروط‌اَفکَنه‌[52]ها و پنجه‌های آب‌رفتی، در کناره‌های بیابان‌های ایران با پخشایش سامانه‌ی کاریزها، پیوندِ تنگاتنگی دارد. جای‌گیری بسیاری از شهرهای کهن مانندِ یزد، کرمان، ساوه، سبزوار و گناباد، برآمده از سامانه‌ی کاریزها و آب‌رسانی سنتی آن‌ها بوده است (انگلیش، 1390: 65-70)؛ (اسپونر، 1386: 411 و 415-416)؛ (پاپلی یزدی؛ رجبی سناجردی، 1382: 69). هم‌چنین سوگیری و جهت که از بایسته‌ترین ویژگی‌های بافت شهر و بلوک (عنصر بنیادین ساختار آن) و خانه‌های آن است، در بسیاری از این شهرها، برآمده از ایستار زمین و فراخواست بهره‌گیری بیش‌تر از آب است (تَوسلی، 1391: 103).

– (295)

ادبیات و علوم انسانی
پایاننامه کارشناسی ارشد در رشته ایرانشناسی
مجموعه بازار وکیل؛ پیشینه و کارکرد
به‌وسیله‌ی
سودابه خیاطباشی
استاد راهنما
دکتر محمدعلی رنجبر
194754542164000اسفند 1390

209994555689500
اظهارنامه
اینجانب سودابه خیاطباشی دانشجوي رشته ایرانشناسی، گرایش تاریخ دانشکده ادبیات و علوم انسانی اظهار میکنم که این پایاننامه حاصل پژوهش خودم بوده و در قسمتهایی که از منابع دیگران استفاده کردهام، نشانی دقیق و مشخصات کامل آن را نوشتهام. همچنین اظهار میکنم که تحقیق و موضوع پایاننامهام تکراري نیست و تعهد مینمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آییننامه مالکیت فکري و معنوي متعلق به دانشگاه شیراز است.

200215578295500
به نام خدا
مجموعه بازار وکیل؛ پیشینه و کارکرد
به کوشش
سودابه خیاطباشی
پایان نامه
ارائه شده به تحصیلات تکمیلی دانشگاه به عنوان بخشی از فعالیتهای تحصیلی لازم برای اخذ درجهی کارشناسی ارشد
در رشتهی:
ایرانشناسی
از دانشگاه شیراز
شیراز
جمهوری اسلامی ایران
ارزش یابی شده توسط کمیته ی پایان نامه با درجهی …………………
دکتر محمدعلی رنجبر، استادیار بخش تاریخ (رئیس کمیته)
دکتر مصطفی ندیم، استادیار بخش تاریخ
دکتر علیرضا عسگری، استادیار بخش تاریخ
225234563373000اسفند 1390
تقدیم به آنان که از اندیشیدن نمیهراسند
14255757785104000020000
سپاسگزاری
سپاس خدایی را که زیباییهای آفرینش را بر ما برگزید، پاکترین روزیها را بر ما نازل فرمود. برتریمان بخشید به مالکیت بر همه موجودات، چنان که جمیع خلق به قدرت او گردن به امر ما نهند و به نیروی او سر بر فرمان ما سایند. و سلام و دورد بر محمّد (ص) و آل طاهرینش.
به مصداق «من لم یشکر المخلوق لم یشکر الخالق» بسی شایسته است از استاد فرهیخته و بزرگوارم جناب آقای دکتر محمدعلی رنجبر که ذهنم را روشنی بخشیدند و آموختند آنچه را که نمیدانستم همچنین با صبوری ایشان همیشه مایه امید بخش من بوده است، تقدیر و تشکر نمایم. همچنین بر خود لازم میدانم از کمیتهی پایاننامه، جناب آقای دکتر مصطفی ندیم و دکتر علیرضا عسگری که با راهنمایی دقیقشان، موجب دلگرمی و پشتکار من در این مسیر بودند، تشکر کنم.
(و یزکیهم و یعلمهم الکتاب و الحکمه).
همچنین قدردان مادر و پدری هستم که تار مویی از او به پای من سیاه نماند.
218059018897600015760707461254000020000159893086315554000020000
چکیده:
مجموعه بازار وکیل؛ پیشینه و کارکرد
به کوشش:
سودابه خیاطباشی
بازار وکیل شهر شیراز، از مشهورترین بازارهای سنتی و تاریخی ایران است. امروزه در مرکز شهر شیراز (شرق میدان شهدا) واقع شده ‌است. بازار وکیل از محدوده دروازه اصفهان تا مدخل بازارهای قدیم (بازار حاجی و اردو بازار امتداد دارد. این بازار مشتمل بر حجره‌هائی با سکوی پهن در طرفین و هفتاد و چهار دهانه طاقهای بلند و خوش تناسب ‌است و چهار سوق بلندی در میان آن قرار دارد که بازارهای فرعی و غربی و شرقی آنرا ارتباط میدهد. در شمال شرقي بازار وكيل چندین كاروانسراي قديمي به نامهاي روغني، گمرك و احمدي بنا شده است.
مجموعه بازار وکیل به عنوان مرکزیت اقتصادی- فرهنگی بافت قدیم شیراز، اهمیت ویژهای در بازشناسی حیات اجتماعی طی سدههای گذشته شیراز داشته است. این پژوهش با نگرشی تاریخی بازار وکیل را طی سه دوره صفویه، زندیه و قاجار مورد ارزیابی قرار داده است. موقعیت و کارکرد اقتصادی، دینی- فرهنگی، آموزشی و اجتماعی بازار، در زمانهای تاریخی مذکور با دگرگونیهایی مواجه بوده است؛ بدین ترتیب که اوج جایگاه آن در دوره زندیه و افول آن طی نیم قرن گذشته بوده است.
مهمترین کارکرد بازار وکیل، به عنوان ساختاری متشکل از راسته اصلی در دو محور ارتباطی شمال و جنوب شهر شیراز قرار داشته و دو دروازه مهم اصفهان و کازرون را به هم مرتبط میساخته است، که سایر کارکردهای سیاسی اجتماعی و اقتصادی را تحت پوشش خود قرار داد. طی نیم قرن گذشته و با از دست دادن کارکرد تجاری سایر کارکردهای اجتماعی- مذهبی بازار نیز رو به افول رفت. این پژوهش به بررسی چنین روندی و فراز و فرود آن از دوران زندیه تا به امروز پرداخته است.
کلید واژه ها: بازار وکیل، بناهای کریم خان زند، شیراز، بازار.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
– فصل اول: کلیات
1-1- مقدمه 1
1-2-اهمیت و ضرورت تحقیق2
1-3-اهداف تحقیق 3
1-4-پیشینه تحقیق 3
1-5-روش تحقیق 4
1-6-سوالات تحقیق4
1-7-فرضیات تحقیق4
1-8-تعاریف مفهومی5
1-9-معرفی و نقد منابع 5
1-9-1-منابع تاریخی6
1-9-2-سفرنامهها7
1-9-3-تحقیقات جدید8
1-9-3-1-تحقیقات تاریخی8
– فصل دوم: پیشینه و سیر تاریخی بازار وکیل
2-1-بازار؛ بازشناسی نام و نشان و کارکرد آن 11
2-2-بنای بازار وکیل و سیر تحول آن 13
– فصل سوم: بازار وکیل؛ عناصر و معماری آن
3-1-عناصر بازار وکیل 19
عنوان صفحه
3-1-1-راستهها و اجزای داخلی بازار وکیل19
3-1-2-چهارسو(چهارسوق) 28
3-1-3-حجره(دکان) 30
3-1-4-تیمچهها و کاروانسرا(سرا)های وکیل 30
3-1-4-1-تیمچه 27
3-1-4-2-کاروانسرا 31
3-1-4-2-1-کاروانسرای بازار وکیل شمالی 31
3-1-4-2-2-کاروانسرای بازار وکیل جنوبی 35
3-1-5-سرای مشیر 36
2-3-تناسب معماری بازار وکیل و بازار لار37
– فصل چهارم: نقش و کارکردهای بازار وکیل در حیات شهری شیراز
4-1-کارکرد اقتصادی بازار وکیل؛ مهمترین مؤلفه در حیات شهری شیراز 45
4-1-1- تناسب اقتصاد و فرهنگ بومی در حیات شهری شیراز45
4-1-2- تغییر کارکرد اقتصادی بازار وکیل در عصر قاجار51
4-1-3-بازر وکیل و اقتصاد مبتنی بر فرهنگ ماشینی و مصرفی56
4-1-4-بازار وکیل و اقتصاد مبتنی بر فرهنگ حاشیه نشینی58
4-2- کارکردهای اجتماعی- مذهبی بازار وکیل63
4-2-1- کارکرد عبوری- حرکتی بازار وکیل63
4-2-2-بازار و گسترش تعاملات اجتماعی69
4-3-کارکرد مذهبی- آموزشی بازار وکیل در گذر از سنت به مدرنیته74
– فصل پنجم: جمع بندی و نتیجه گیری
– نتیجه گیری85
– فهرست منابع89
-پیوستها(تصاویر)95
– تصویر شماره 196
– تصویر شماره 297
– تصویر شماره397
– تصویر شماره498
– تصویر شماره598
– تصویر شماره699
– تصویر شماره7101
– تصویر شماره8102
– تصویر شماره9103
– تصویر شماره10104
– تصویر شماره11104
– تصویر شماره12105
– تصویر شماره13105
– تصویر شماره14101
– تصویر شماره15106
– تصویر شماره16107
– تصویر شماره17108
– تصویر شماره18109
– تصویر شماره19110
– تصویر شماره20111
– تصویر شماره21111
– تصویر شماره22112
– تصویر شماره23112
– تصویر شماره24113
– تصویر شماره 25114
– چکیده انگلیسی115
فصل اول
کلیات
15513053949704000020000
کلیات
14001753060704000020000
1-1- مقدمه ( طرح موضوع يا مسأله تحقيق)
بازار اصطلاحا” عبارت است از منطقهای معین در دست مجموع افرادی خاص که به تناسب حرفه خویش و عرضه و تقاضایی که در جامعه وجود دارد – به تنهایی یا گروهی – داد و ستد میکنند. در دانش اقتصاد سیاسی لفظ بازار به تناسب مورد استفاده و موضوع و مقصود گوینده، معنا و مفهوم پیدا میکند (دانشنامه جهان اسلام، 1357: 316). در این بررسی بازار وکیل به عنوان نظام اجتماعی نگریسته شده که کارکردهای متفاوت اجزا موجب شکل گیری وظایف و اهداف آن شده است. این نظام اجتماعی به عنوان یک کل دارای بخشهای مرتبط با یکدیگراست که دارای حیات و از تعادل برخوردارند.
شهر شیراز در مرکز استان فارس و بر روی جلگهای به طول 40 کیلومتر و عرض 15 کیلومتر قرار گرفته است و در 29 درجه و 28 دقیقه عرض شمالی و 52 درجه و 40 دقیقه طول شرقی واقع شده و ارتفاع از سطح دریا 1585 متر میباشد. این جلگه حاصلخیز، یکی از جلگههای درون سلسله جبال زاگرس میباشد و از نظر ساختمان طبیعی به شکل ناودیسی است که دو رشته کوه نسبتا مرتفع در شمال و جنوب، آن را احاطه میکند. شیب جلگه از شمال غرب به جنوب شرق است. به همین جهت آبهای زاید و سیلاب کوههای اطراف شیراز در آخرین قسمت شرقی جلگه جمع شده و دریاچه مهارلو را ایجاد نموده که در 6 کیلومتری جنوب شرقی جلگهی شیراز واقع است. هم چنین رشته کوههای شمالی و جنوبی به واسطهی درههایی که به تنگ معروف هستند از یکدیگر جدا میشوند و معروفترین این درهها از شرق به غرب تنگ سعدی و تنگ الله اکبر میباشد. شهر شیراز با جمعیتی بالغ بر 1،727،331 نفر مطابق آمار سال 1385 در یک منطقهی کوهستانی واقع شده است و از اعتدال هوایی خاصی برخوردار میباشد. بافت عمومی شیراز دارای یک چرخش 30 درجه به سمت غرب است که خود تعیین کننده جهت بناها در 30 درجهی جنوب غربی یا 60 درجهی جنوب شرقی میباشد. بازار وکیل این شهر، یکی از مشهورترین بازارهای سنتی و تاریخی ایران است. این بازار که به فرمان کریم خان زند (۱۱۷۲ – ۱۱۹۳ هـ.ق) ساخته شده، اکنون در مرکز شهر شیراز (شرق میدان شهدا) قرار گرفته ‌است.
این بازار از نزدیکی دروازه اصفهان تا مدخل بازارهای قدیم امتداد دارد و مشتمل بر حجره‌هائی با سکوی پهن در طرفین و ۷۴ دهانه طاقهای بلند و خوش تناسب ‌است و چهار سوق بلندی در میان آن قرار داشته که بازارهای فرعی و غربی و شرقی آنرا قطع می‌نموده‌ است. در این پژوهش منظور از بازار مجموعه اقتصادی، فرهنگی – آموزشی و اجتماعی است که بر گرد محور بازار وکیل قرار گرفته است. این منطقه، محله مرکزی و اصلی معاملات و پیشه وری پیش از نفوذ الگوهای غربی بود که در هسته مرکزی شهر و در درون مجموعهای از ساختمانهای ثابت و همگن و با شکل معماری خاص جای داشت. اجزا این مجموعه شامل؛ راستههای فرعی، کاروانسراها، مدارس دینی، مسجد و حمام است که با کارکردهای ویژه خود کالبد اقتصادی، فرهنگی – آموزشی و اجتماعی بافت قدیم شهر را رقم میزدند (سلطان زاده،1362: 31).
در این پژوهش نخست با نگرشی تاریخی سیر شکل گیری این مجموعه بررسی میشود، این بررسی با شیوه میدانی تا وضع کنونی ادامه مییابد. سپس از منظر کارکرد گرایی [1]به جایگاه هر یک در کلیت مجموعه توجه میشود، به نحوی که ارتباط این اجزا در راستای ارایه کارکرد اصلی – اقتصادی، فرهنگی، آموزشی و اجتماعی- بازار آشکار شود.
1-2-اهمیت ضرورت تحقیق
مجموعه بازار وکیل به عنوان مرکزیت اقتصادی- فرهنگی بافت قدیم شیراز، اهمیت ویژهای در بازشناسی حیات اجتماعی دست کم دو سده گذشته شیراز دارد؛ به تعبیر دیگر، اجزا مجموعه بازار وکیل با کارکردهای اقتصادی، فرهنگی-آموزشی و اجتماعی، هسته حیات اجتماعی شهر را رقم زده است. از اینرو بررسی آن می‌تواند پرتوی بر تاریخ شهر داشته باشد. از سوی دیگر، پیشبرد این پژوهش با شیوه میدانی وضع کنونی آن را آشکار می‌کند و امکان بررسی مقایسهای و ارایه سیر تحول آن ميسر می‌شود.
1-3-اهداف تحقیق
از بازارهای مهم ایران که از نظر شهرسازی و معماری کم نظیر محسوب می‌شود؛ بازار وکیل است. در این رساله سعی می‌شود با بررسی به روش تاریخی، چگونگی شکل گیری مجموعه بازار وکیل مشخص شود. سپس با نگاه کارکرد گرایی وظایف هر یک از اجزا بازار و ارتباط آن با کلیت نقش اقتصادی، فرهنگی و اجتماعی بازار تعیین گردد. در نگرش کلی، دستاوردهای این پژوهش می‌تواند در توضیح و تبیین حیات شهر در سدههای گذشته مؤثر باشد.
1-4-پیشینه تحقیق
تا کنون تحقیقات اندکی درباره بازار وکیل صورت گرفته است در تألیفات مورخان معاصر درباره این سلسله مانند: «کریم خان زند و زمان او» اثر جان پری، «تاریخ زندیه» اثر هادی هدایتی، «کریم خان زند» از عبدالحسین نوائی، «کریم خان زند و زمان او» از پرویز رجبی و تک نگاریهایی چون «کریم خان زند و خلیج فارس» اثر احمد فرامرزی به طور مختصری از بازار وکیل نام بردهاند.
تألیفاتی از تاریخ شیراز مانند: کتاب شیراز در گذشته و حال، نوشته حسن امداد اشارهایی کوتاه به بازار وکیل کرده است.
تألیف دیگر در دانشنامه آثار تاریخی فارس (1348) کورش کمالی سروستانی است که به وضع معماری و معرفی مکان‌هایی در مجموعه بازار وکیل پرداخته است.
مجموعه مقالات کنگره بزرگ زندیه (1389) مقالاتی چند نیز در مورد بازار وکیل گرد آورده است از آن جمله، شکل گیری و تحول بازار در شهر های ایرانی – اسلامی با تاکید بر بازار وکیل شیراز، نوشته عبدالرضا پاک شیر است که به شرح معماری بازار وکیل پرداخته است. چنانکه مشاهده میشود. خلاء این بررسی در تحقیقات جدید کاملاً مشهود است.
1-5-روش تحقیق
با توجه به ماهیت موضوع، این پژوهش با بکار بستن دو شیوه تاریخی و میدانی به گردآوری اطلاعات می‌پردازد. بدین ترتیب با مراجعه به منابع مکتوب و جمع آوري اطلاعات (روش کتابخانهای) و هم چنین از طریق مشاهده و مصاحبه، اطلاعات میدانی گردآوری می‌شود. مجموعه این آگاهی‌ها، در راستای سازمان پژوهش و به منظور پاسخ به پرسش‌های اصلی این پایان نامه ارزیابی و نقد می‌شود.
1-6-سؤالات تحقیق

بنیاد و تداوم بازار وکیل از دوره زندیه تاکنون تابع چه عواملی بوده است؟
سیر تحول جایگاه و موقعیت بازار وکیل – در حیات اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی شهر- چگونه بوده است؟
کارکردهای بازار در حیات شهری شیراز چه بوده است؟
1-7-فرضیات تحقیق
تأسیس و تداوم بازار وکیل، پیوند نزدیکی با تحولات سیاسی عصر خویش داشته است؛ به یک معنا بازار وکیل تابعی از تحولات سیاسی عصر خویش بوده است و اقتصاد تابعی از سیاست بوده است. مجموعه بازار در سه دوره تاریخی صفویه، زندیه و قاجار تکمیل شد.
بازار وکیل به لحاظ موقعیت و جایگاه در حیات شهری شیراز، رابطه مستقیمی با امنیت و اقتدار حاکمیت داشته است و با فراز و فرود آن، بازار وکیل نیز دچار چنین فرایندی شده است.
بازار وکیل به لحاظ کارکردی، دارای کارکردهای اقتصادی، دینی- فرهنگی، آموزشی و اجتماعی بوده است و اوج کارکرد آن اقتصادی و فراز آن دوره زندیه و عصر کریم خان بوده است.
1-8-تعاریف مفهومی
کارکردگرایی؛ تحلیل کارکردی به معنای تبیین کارکرد یک دستگاه بر اساس کارکرد اجزای آن است. پارسونز معتقد است کارکرد، مجموعه فعالیت‌هایی است که در جهت برآوردن یک نیاز یا نیازهای نظام انجام می‌گیرد. وی با این تعریف معتقد است چهار وظیفه برای همه نظام‌ها – نظام زیستی، نظام شخصیتی، نظام اجتماعی و نظام فرهنگی ضرورت دارد: 1. تطبیق 2. دستیابی به هدف 3. یکپارچگی و انسجام و 4. پایداری. این چهار وظیفه با چهار کنش: سازگاری، تعیین هدف نظام، یکپارچگی، و ارائه الگوهای فرهنگی، موجب پایداری نظام مورد نظر می‌شود
1-9-بررسی و نقد منابع
در گردآوری اطلاعات این پژوهش، نگارنده تلاش کرده است که در حوزههای مختلف این موضوع را بررسی کند. مراجعه به منابع تاریخی، شهرسازی، معماری، سفرنامهها، مراجعه به کتابخانه ملی و مشاهدات میدانی، مراجعه به شهرداری، مصاحبه با کسبه بازار، اصناف و بازرگانان، اساتید رشته معماری و جامعه شناسی، مقایسه عکسهای قدیمی و جدید بازار، و بررسی نقشهها از جمله تلاشهاست.
1-9-1- منابع تاریخی
جهت بررسی موضوع این رساله، منابع تاریخی کمک چندانی به نویسنده نکرده است، این منابع به اختصار به ذکر بناهای ساخت کریم خان پرداختهاند و در این میان اشارهای هم به ساخت بازار وکیل داشتهاند؛ از جمله این منابع:
تاریخ گیتی گشا: نوشته میرزا محمد صادق موسوی اصفهانی متخلص به نامی است. تاریخ گیتی گشا وقایع ظهور خاندان زند تا سقوط این سلسله را در بر دارد. این اثر پس از توضیح وقایع تاریخی، به اجمال به ساخت بناهای کریم خان زند در شیراز و از جمله بازار وکیل پرداخته است.
رستم التواریخ: نوشته محمد هاشم متخلص به آصف و ملقب به رستم الحکماست. این اثر اطلاعات با ارزش و مختصری در مورد بازارها و اصناف ارائه داده است.
فارسنامه ناصری: تاریخ محلی که مؤلف، آن را به فرمان ناصرالدین شاه نوشته و به همین دلیل به فارسنامه ناصری معروف شده است. اوضاع جغرافیایی و اقلیمی و آثار تاریخی فارس و شهرهای آن موضوع اصلی این منبع تاریخی است. این اثر طی سالهای 13-1312هـ.ق نگاشته شده است.
مجمع التواریخ: نوشته میرزا محمد خلیل مرعشی صفوی که حوادث تاریخی را تا سال 1207 هجری قمری در بر گرفته است.
روزنامه میرزا محمد، کلانتر فارس: نویسنده این اثر هم به اوضاع اجتماعی و تصرف شیراز توسط افاغنه، میپردازد
1-9-2- سفرنامهها:
سفرنامههای اروپاییانی که در قرن دوازدهم هجری قمری یا اوایل قرن سیزدهم از ایران دیدن کردهاند اطلاعات با ارزشی ارائه کردهاند؛ نگارنده تلاش کرد ارتباط مطالب را با بازار وکیل دریابد از جمله این سفرنامهها: سفرنامههای ویرینگ، جکسن، نیبور، هربرت، کرپورتر و مشاهدات از سفر بنگال نوشته فرانکلین بود. به خاطر محدودیت دسترسی به بعضی از این سفرنامهها، اطلاعات ذی قیمت آنها، از سایر منابع تاریخی و تحقیقات جدید استخراج گردید.
سفرنامههای ونیزیان، فیگوئروا و سفرنامه شاردن که نشان دهنده وضعیت بازارهای شیراز تا قبل از احداث بازار وکیل بود و سفرنامه مادام دیولافوا و دروویل که مربوط به اوائل دوران قاجار بود توانست به ارائه تصویری از بازار وکیل در دوران زندیه، به عنوان یک مرحله انتقالی مهم در گذر از صفویه به قاجاریه را نشان دهد.
سفرنامههای “یک سال در میان ایرانیان” ادوارد بروان، “ایران و قضیهی ایران” لرد کرزن به ارائه تصویری از بازارهای شیراز در دوران ناصرالدین شاه قاجار پرداخته است. شیراز و بازار آن در این زمان تحت تسلط انگلیس بود که بر خلیج فارس سیطره داشت. با توجه به اینکه شیراز در دوران قاجاریه بر سر مهمترین راه تجاری خلیج فارس- بوشهر و تهران قرار گرفته بود، سفرنامههای سرپرسی سایکس، اوژن فلاندن، اوکانر، توانست اطلاعات پراکندهای از وضعیت راههای تجاری مشرف به شیراز به نمایش گذارد. همچنین در اوایل دوره پهلوی ریچاردز از بازار وکیل دیدن نموده است؛ لذا سفرنامه وی برای شناخت وضعیت این بازار در طی انتقال سلطنت از قاجاریه به پهلوی و در واقع در مرحله گذر از سنت به مدرنیسم بسیار با ارزش بود.
1-9-3-تحقیقات جدید:
1-9-3-1- تحقیقات تاریخی:
جهت شناخت وضعیت اقتصادی ایران در دورانهای مختلف زند، قاجار، پهلوی و جمهوری اسلامی، نگاهی به وضعیت سیاسی و رابطه ایران با کشورهای خارجی لازم مینمود؛ از اینرو به تحقیقات تاریخی –آماری و از جمله آنها “مقاومت شکننده جان فوران” و “کریم خان زند نوشته جان پری” رجوع گردید.
1-9-3-2- شهرسازی و معماری
منابع و تحقیقات جدید از جمله شهرسازی، معماری و رجوع به اساتید جامعه شناسی از جمله اقدامات نگارنده بود که امیدوار بود بتواند نمایی از بافت و ساختار شهرسازی اسلامی را به دست آورد. از جمله این کتب میتوان به فضاهای شهری در بافت تاریخی ایران نوشته حسین سلطان زاده، تاریخ آموزش پرورش در فارس تألیف حسن امداد، سیمای گذشته شهرهای ایران و تاریخ هنر معماری ایران در دوره اسلامی تألیف محمد یوسف کیانی و تاریخ بافت قدیمی شیراز نوشته کرامت الله افسر اشاره نمود.
1-9-3-3-تحقیقات میدانی:
یکی از اصول روش تحقیق این است که محقق خود را در فضای جامعه مورد تحقیق قرار دهد به همین مناسبت لازم مینمود که درکی از فضای کالبدی بازار وکیل جهت شناخت پیشینه و کارکرد آن به دست آید. مراجعه به میراث فرهنگی، هیچ کمکی به نگارنده نکرد و جز چند جمله در مورد بازار، مثلاً اینکه از دو راسته شمالی و جنوبی و از چند کاروانسرا تشکیل یافته چیز دیگری به دست نیامد. جای تأسف داشت که حتی یک نقشه تاریخی از تغییرات پیرامون کنونی بازار در میراث وجود نداشت.
نگارنده در مراجعه به شهرداری منطقه 8 شیراز، با این جمله مواجه شد: ” بروید از اینترنت مطلب جمع کنید ما تمام پروژههای خود را از اینترنت به دست میآوریم.” حتی به شهرسازی و دانشکده معماری هم مراجعه شد اما نتیجهای حاصل نیامد. بنابراین نگارنده تلاش نمود تا خود تصویری از وضعیت بافت را به دست آورد.
تنها اطلاعی که در مورد فضای کالبدی بازار وجود داشت، بنای بازار بود و اینکه بازار وکیل بین دو دروازه اصلی شهر یعنی اصفهان تا کازرون قرار گرفته است. به همین جهت و بر اساس همین سرنخ، نگارنده تمام این مسیر را خود پیاده طی نمود به نحوی که از دروازه اصفهان به بازار نو وارد شد و از آنجا به بازار وکیل، اردوبازار و بازار حاجی و نهایت به بازار شاهچراغ رسید. این مطلب نگارنده را به مهمترین کارکرد بازار وکیل یعنی کارکرد عبوری و حرکتی و درک این موضوع که بازار وکیل به مثابه ستون فقرات محلات قدیمی شیراز، سایر کارکردهای سیاسی اجتماعی و اقتصادی را به دنبال داشته است رهنمون ساخت. و بنابراین نبود این کارکرد-عبوری –حرکتی سایر کارکردها را نیز از بین برده است و لذا یکی از فرضیههای اساسی این رساله همین موضوع قرار گرفت.
نگارنده میزان ارتباط بازار با عزاداریها و از جمله ماه محرم، برگزاری نماز جمعه و جماعت و نیز کارکرد مذهبی بازار را با مساجد و مدارس پیرامون بررسی کرد و در راستای یافتن این جواب، جهت بررسی وضعیت نماز جمعه، در شاهچراغ و تأثیر آن بر بازار و مسجد وکیل به تحقیقات میدانی پرداخت و در انجام این کار زحمت بسیار کشید. چرا که با واکنش بازاریها و کسبه مواجه میگردید که وی را از فیلم برداری منع میکردند و نگارنده بارها مجبور میگردید که برای آنها توضیح دهد که از دانشجویان دانشگاه شیراز است و کار فیلم برداری وی جهت انجام پروژه درسی است و دردسری برای ایشان ایجاد نخواهد کرد.
یکی از مشکلات تحقیقات میدانی دقت در صحت اطلاعات به دست آمده است امری که بارها به سرگردانی نگارنده منجر گردید. در بررسی وضعیت اقتصادی بازار، شهرداری به ما چنین پاسخ داد که: ” بازار وضع اقتصادی خوبی دارد و هیچ مشکلی ندارد.” در حالی که با مشاهدات از بازار با صحبتهای متناقض و شکایت بازاریها و سقفهای فروریخته سراها سازگاری نداشت. در پاسخ به این تناقضات فرض در نظر گرفته شد که در گذشته اسکان اعیان و ثروتمندان و اقشار متوسط و ضعیف در کنار و پیرامون بازار، موقعیت سیاسی، اقتصادی بازار را قوام بخشیده بود و بازار مرکز تأمین نیازهای همه اقشار جامعه بود. حال این سئوال مطرح میشد که اکنون چه قشری در اطراف بازار ساکن است؟ و بازار بیشتر تأمین کننده نیازهای چه اقشاری است؟ نگارنده احساس نمود که امروزه باید اقشار ضعیف و کم درآمدی در اطراف ساکن شده باشند و بنابراین بازار منطبق با نیازهای آنها حرکت خواهد کرد. به همین جهت نیازمند اطلاعاتی در مورد ساکنین پیرامون بازار بود. به دنبال بررسی این فرضیه مراجعه برای بدست آوردن دادهها و آمار از ساکنین پیرامون بافت، از مرکز آمار ایران و نیز شرکت خصوصی مهندسین مشاورپرداراز شیراز که طرحهای تفضیلی مناطق شیراز را برای شهرداری گرد میآورد اجتناب ناپذیر مینمود. و اینک آنچه پیش روی قرار گرفته است حاصل تلاشهای چندین ماهه است، امید که مورد توجه قرار گیرد.
فصل دوم
پیشینه و سیر تاریخی بازار وکیل
136080536893540000200001524635990604000020000
2-پیشینه و سیر تاریخی بازار وکیل
2-1-بازار؛ بازشناسی نام و نشان و کارکرد آن
بازار در تمدن ایران و جهان سابقه چند هزار ساله دارد. از همان هنگام که انسان موفق به تولید محصول بیشتر از نیاز خود گردید و به فکر مبادله آن با دیگر محصولات و تولیدات مورد نیاز خود افتاد، مراحل شکل گیری بازار آغاز شد. برای این منظور، ابتدا فضاهای بازی در مجاورت روستاهای بزرگ به این کار اختصاص دادند که در فصولی از سال و به تدریج در روزهایی از هفته، محل اجتماع، داد و ستد و مبادله منطقه میشد. سپس با گسترش جوامع و مبادلات، زمان، مکان، شکل و ساختار آن نیز دچار تغییرات و تحولات تکاملی گردید و به تدریج از حالت موقت به دائمی و از وضعیت فاقد سرپناه و معماری به ساختارهای معماری متشکل و دائمی تبدیل گردید. در گذشتههای دور، بازاری بود که سالی یک بار در زمانی خاص و همراه با نوعی مراسم عمومی تشکیل، و برگزاری آن جزء آداب و عادات اهالی یک منطقه محسوب میشد و پیش از آن که مفهوم اقتصادی داشته باشد، جنبه عقیدتی داشت؛ چنانکه در مورد بازار بخارا چنین آمده است: «به بخارا بازاری بوده است که آن را بازار ماخ روز خوانده‌اند، سالی دو بار و هر بار یک روز بازار کردندی و در آن بتان فروختندی … » (نرشخی، 1351 :29-17)
در فرهنگ نامهها و دانشنامهها، تعاریف مختلفی از واژه بازار ارائه شده است: دهخدا بازار را چنین تعریف کرده است:
واژه بازار بسیار کهن است و به معنی محل خرید و فروش و عرضه کالاست. بازار در فارسی میانه به صورت «وازار» و با ترکیب‌هایی مانند وازارگ (بازاری) و وازارگان (بازرگان) به کار میرفته، و در پارتی به صورت «واژار» مورد استفاده قرار گرفته است. بازار در زمان پهلوی «واکار» و در پارسی باستان «اباکاری» (آبا= محل اجتماعی و کاری= چریدن) بوده است. ظاهراً این واژه از فارسی، وارد زبان پرتغالی و از آن به زبان فرانسه وارد شده است. بازار در زبان فارسی علاوه بر محل داد و ستد، به معنای اعتبار، معامله، بها و ارزش، اهمیت، روز ستیز و نزاع و قرار و عهد و پیمان آمده است (دهخدا، 1372 : 349- 348 ).
فرهنگ آنندراج، بازار را چنین تعریف کرده است: بازار ظاهراً در اصل «اباذر» بوده، زیرا که در چنین جاهایی اکثراً اطعمه و اباها میفروختند و به مرور، به معنی مطلق جای فروختن استعمال یافته است (آنندراج، ذیل واژه بازار).
بازار در دوران اسلامی، به شکل خطی در اطراف مسجد و در یکی از جهات جغرافیایی، شمالی- جنوبی یا شرقی- غربی، بین دو دروازه اصلی شهر امتداد مییافت. بازارهای شیراز نیز به تدریج و در یک سیر تکاملی از این الگوی اسلامی پیروی کرده است، بدین نحو که با احداث جامع شهر، توسط صفاریان (293-247هـ.ق) بافت شهری شیراز در اطراف آن شروع به رشد کرد. عضدالدوله دیلمی به منظور توسعه شهر و آسایش سربازان در مشرق شیراز، حد فاصل ((آبش خاتون)) فلکه خاتون و قصر ابونصر، شهری به نام ((فنا خسروگرد)) ایجاد و بازار بزرگی به نام ((سوق الامیر)) ساخت. در این زمان شهر دارای هشت دروازه به نامهای استخر، شوشتر، بند آستانه، غسان، سلم، کوار، مندز و فهندژ بوده است (مستوفی،1362: 114). مدارس و بازارهای چندی در اطراف این بافت در دورههای بعدی احداث گردید. از آن جمله میتوان به مدرسه فزاریه، مدرسه قراچه، مدرسه لالائیه و مدرسه امینی (در نزدیکی مسجد عتیق) و بازارهای اتابکی، بازار آقا[2]، بازار سر حوض آقا اشاره کرد. همچنین «اتابک سعد(از حاکمان سلغری شیراز) باروئی استوار برا فراشت و مسجد جامع جدید نو بنا نهاد و بازارهای مربع اتابکی احداث کرد که هر صنفی را رستهای است چنانکه در هیچ جا بازاری بدین زینت و ترتیب نشان ندادهاند» (شیرازی،1362: 92). از این رو ابن بطوطه[3] به ستایش بازارها، باغها و مردم این شهر پرداخت (بطوطه،1359: 540).
در زمان صفویه، شیراز رو به آبادی رفت و بعد از اصفهان پایتخت شاه عباس، دومین شهر ایران گردید. این شهر در سال 1003 هـ ق، به الله وردی خان قوللرآقاسی[4]و پسرش امام قلی خان، واگذار گشت. حاکمیت این مردان کاردان و لایق دوره صفوی و موقعیت خاص شیراز به عنوان محلی برای تلاقی شاهراهای ارتباطی جنوب ایران (اصطخری،1347: 7)شهر را نیازمند فضاهایی مانند کاروانسراهای درون شهری، بازار، مدارس، کاخ، باغ و سایر فضاهای خدماتی عمومی کرد که وصف غالب آنها در سفرنامههای مسافران اروپایی مانند هربرت[5] ، تاورنیه و شاردن آمده است. در این دوره، شیراز دارای 9 دروازه به نامهای استخر، موردستان، بیضا، کازرون، سلم، نو، فسا، منذر، و سعادت با حصاری مستحکم و خندقی عمیق بود. امام قلی خان با بریدن قسمتی از کوه و پائین آوردن سطح گردنه، عبور و مرور از دره تنگ الله اکبر را که سابقاً خیلی مرتفعتر از حالا بوده آسانتر نمود. شاید از همین زمان است که دروازه قدیم استخر که آغاز این راه است به دروازه اصفهان تغییر نام داده است (افسر،1374: 141).
با وجود تمام تلاشهایی که در دورههای مختلف برای رونق شیراز صورت گرفته و مدارس و بازارهای چندی در آن احداث گردیده بود، فقط بناهای زندیه بود که نامشان تا کنون بر تارک این شهر جاودان باقی ماند. فیگوئروا[6] در لار به توصیف دقیق بازار این شهر پرداخت، در حالی که فقط شرحی از وفور و ارزانی ارزاق موجود در بازارهای شیراز ارائه کرد و به معماری بازارهای آن نپرداخت(فیگوئروا،1363: 146). به نظر میرسد که وجود بازارهای کوچک و پراکنده و برجسته نبودن معماری خاص این بازارها تا قبل از احداث بازار وکیل، جذابیت چندانی جهت توصیف نداشته است.
2-2-بنای بازار وکیل و سیر تحول آن
دوره زندیه، سالهای حکومت، به ویژه فرمانروایی سی ساله کریم خان، از دورههای مهم تاریخی ایران به شمار میآید، که در آن طوایف فارسی زبان زاگرس مرکزی و جنوبی قدرت گرفتند و دورهای از نظم و ثبات سیاسی، توأم با آسایش نسبی مردم برقرار شد. حکومت زندیه، بر خلاف آن چه که در دورههای قبل و بعد از آن وجود داشت، حکومت مرکزی مطلق العنان و مستبدی نبود؛ چنانکه کریم خان زند در احداث و تجدید بناهای شیراز، مزد دوازده هزار نفر کارگر ورزیده را از خزانه پرداخت کرد، و از مردم بیگاری نگرفت (نامی اصفهانی،1317 : 155). هر چند این سلسله عمر کوتاهی داشت، اما چون بین دو حکومت طولانی مدت صفویه و قاجاریه قرار گرفت، خصوصیاتی از روزگار متأخر خود را به دورههای بعدی انتقال داد.[7]
حکومت زندیه برای اولین بار در تاریخ ایران برای مردم این سرزمین، نقشی در حاکمیت قائل گردید(پری،1383: 295). کریم خان در سال 1179 هـ.ق خود را “وکیل الرعایا” نامید(پری،1381: 143) و به عبارت دیگر مشروعیت حکومتش را نشأت گرفته از خواست مردم تلقی کرد و به همین عنوان تا پایان عمر بسنده نمود. وی نه رسالت و موهبت آسمانی برای خود قائل شد و نه اصالت عرفی و وراثت قومی یا خانوادگی. هیچ گاه گذشته خویش را به عنوان فردی عادی و عوام از یاد نبرد و حتی ارتکابش را به راهزنی نیز انکار نکرد (فسایی،1367: 616). قلمرو وی از سواحل رودخانه ارس در جنوب ایروان تا تنگه هرمز ادامه داشت (پری،1381: 195). کریم خان یا توانایی آن را نداشت و یا مصلحت میدید که از یک امپراتوری به گونه صفویان صرف نظر کند و تنها به عنوان وکیل الدوله یا وکیل السلطنه قناعت نماید. در شرق ایران شاهرخ، نواده شاه سلطان حسین صفوی و نادر افشار سلطنت میکرد، به همین جهت برای خویشتن مشروعیت بر تمام ایران را قائل بود. کریم خان در نامهای که به اسماعیل خان والی لرستان نوشت، به این حق احترام گذاشت: «ما نوکر این خانواده از قدیم بودهایم و مادام پادشاهی او در ممالک ایران، تعرض به مملکت خراسان نرسانید» (فسایی،1367: 617). وی همچنین حکومتهای قفقاز و احمد شاه درانی حکمران قندهار و هرات که قسمتی از شرق امپراطوری صفوی را شامل میشد نیز نزدیک نشد(مرعشی صفوی،1362: 119)، چون کریم خان میلی به کشورگشایی نداشت، نیاز به اخذ مالیاتهای سنگین از مردم برای مخارج لشکرکشی پیدا نکرد در نتیجه وی به خاطر نوع دوستی، مالیاتهای به دست آمده را به اقتصاد جامعه سرازیر کرد. هنگامی که وی در سال 1180 هـ ق، شیراز را به پایتختی برگزید، به ساخت حصار و برج و بارو، عمارتهایی نظیر کلاه فرنگی، ارگ، دیوانخانه و بازار وکیل اقدام کرد. چنان که تاریخ گیتی گشا در ذیل عنوان «ذکر بنیاد عمارات مبارکات در خطه غم پرداز شیراز» این روند را شرح میدهد:
« چون رای ارجمند و خاطر مشکل پسند آن شهریار دشمن شکار، الکای فارس را بجهت مستقر دولت برگزید و اختیار فرمودند، پس همت والا نهمت بعد از انصراف از سفر لار و مراتب سعادت که جمیع کارها بکام و همگی (امور) بر وفق مرام صورت انجام یافته بود بفکر تعمیر و مرمت قلعه شیراز و آبادی و رونق آن خطی گیتی طراز افتاد و در تعمیر بروج و باره و تدارک توپ و خمپاره و سایر اسباب قلعه شروع فرمودند . . . . و در هر دروازه شهر دو شاه برج بسیار متین و بغایت عظیم که هر یک در وسعت با شهری برابر و در رفعت سرکوب سپهر اخضر بودند بنیاد نهادند . . . . و در حفر خندق محیط چندان کوشیدند که بضرب تیشه مقنیان صنعت پیشه و قوت بازوی نقابان به ستوه آمد . . . . و کلانتر و ناحیه داران اعمال دیوان عدالت ارکان در کل ممالک محروسه نگاشته تاکید شد که معماران صنایع پرور و استادان بدایع ساز و بنایان اقلیدس شعار و نجاران شیرین کار و نقاشان هیکل نگار و سنگ تراشان فرهاد تن و قوی دستان خارا شکن و مقنیان نقب زن و هندسه دانان نقش بند و سایر صنایع و اصحاب از بلاد ایران زمین میباشند جمع آورده . . . . از هر مملکتی از ممالک عراق و فارس و آذربایجان و دارالمرز و کوه کیلویه و عربستان و توابع و بلاد خوزستان صنعت پیشگان گروه روی امید بدرگاه عرش شکوه آوردند . . . . در اندک زمانی از چوب و سنگ مرمر و سایر آیینههای بزرگ و عریض و طویل که از ممالک روس و روم و بلاد فرنگیه وکلای دولت جاوید مدت سرانجام کرده . . . . شروع در بدایع فنون و هر یک در فن خویش آغاز اقسام سحر و فسون نمودند.» (موسوی اصفهانی، 153-159)
در میان بناهای وی، بازار طویل و خوش طرحی بین سالهای (1187-1183 هـ.ق)، (فسائی، 1362 : 230) در محوطهای با مساحت 2180 متر مربع (موسوی اصفهانی، 1317: 153-159) در راستای محور تاریخی – مذهبی شیراز توسط معماران ایرانی ساخته شد. اوژن فلاندن که در سال 1841 م از شهر شیراز دیدن نموده، بر ساخت این بازار توسط وکیل تأکید میورزد: “تنها قسمتی که به شیراز سر و صورتی میدهد بازاری است که کریم خان ساخته است” (فلاندن،1356: 68 ). همچنین ژنرال سرپرسی سایکس که بسال 1281 هجری به ایران مسافرت نموده در سفرنامه خود «ده هزار میل در ایران» در مورد شیراز و بازار آن مینویسد: “بازار و ارگ برای کسانیکه ذوق و سلیقه تماشای آثار باستانی را دارند قابل توجه میباشد”(سایکس،1336: 87). بدین ترتیب توسط خان زند، بازاری در ادامه بازارهای قدیم بازار حاجی[8] و اردو بازار[9] ساخته شد که هماهنگ و همنوا با حرکت بافتهای شهری و در مجاورت ابنیه حکومتی(ارگ) و مذهبی(شاهچراغ)، دو دروازه شهر را از سمت جنوب(دروازه کازرون) به سمت شمال(دروازه اصفهان) متصل کرد.
بازار نو، در دوران قاجاریه و بازار شاهچراغ بعد از انقلاب اسلامی، به بازار وکیل ضمیمه گردید. بازار نو در امتداد راسته شمالی بازار وکیل، از دروازه اصفهان آغاز میشود و تا چهارراه کاروانسرای گمرک در ضلع جنوب شرقی ادامه مییابد. این بازار، راسته بلندی است، که توسط میرزا یوسف اشرفی مازندرانی از وزرای ایالت فارس ساخته شد که در اواخر قاجاریه به بازار نو اشتهار یافت. روزنامه وقایع اتفاقیه، به ساخت بازار نو در دوره قاجاریه و اتصال آن به بازار وکیل اشاره کرده است: «در شهر شیراز از دروازه اصفهان، شروع به ساختن بازار طاقی کردند که متصل به بازارهای وکیل بشود؛ و سایر بازارها را هم که تا به حال طاقی نبوده، همه را طاق خواهند زد» (صداقت کیش، 1390: 655). با استناد این گزارش میتوان چنین استنباط کرد که سقف چوبی اردو بازار و بازار حاجی در دوران قاجاریه طاقی شده است. امروزه در بعضی از قسمتهای این دو بازار، هنوز آثاری از این سقفهای چوبی وجود دارد. اوژن فلاندن ورود به بازار وکیل از طریق بازار نو و دروازه اصفهان را در سفرنامه خود شرح داده است: “جادهای پهن و زیبا در جلوی ما نمایان شد دو طرفش را باغها و خانهها و امامزادهها تزیین کردهاند . . . از دروازهای که در اول بازار بسیار خوبی بنا شده، وارد شهر گشتیم این سر در و دروازه بزرگ را میتوانم بگویم یکی از بهترین و زیباترین دروازههایی است که در ایران دیدهام از یادبودهای کریم خان زند بوده است(اوژن فلاندن،1326: 327-328).
ایجاد بازار نو و اتصال آن به بازار وکیل به گسترش راسته شمالی بازار وکیل کمک کرد. در واقع این بازار بر بنای بازارهای دوره صفویه ایجاد گردیده است که در پاورقی صفحه پیش شرح آن گذشت. در دو طرف بازار، محلات و عمارات (ارگ شاهی و مسجد وکیل) ساخته شده بود، و پیرامون بازار و عمارات را « همت والا نهمت … در تعمیر بروج و باره … شروع فرمودند . . . . و در هر دروازه شهر دو شاه برج بسیار متین و بغایت عظیم …بنیاد نهادند . . . . و در حفر خندق محیط چندان کوشیدند که بضرب تیشه مقنیان صنعت پیشه و قوت بازوی نقابان به ستوه آمد» (اصفهانی،1317: 153-59).
در دوران پهلوی و با احداث خیابان زند، بازار وکیل، بدو قسمت شمالی و جنوبی تقسیم گردید، بخشی از راسته شمالی که شامل 8 طاق و کاروانسرای قوامی و قسمتی از کاروانسرای روغنی بود تخریب(افسر،1353: 65)، و برخی از سراهای این بازار مانند سراهای دقاقها (لباس شوری) که تا حدود سال 1291 خورشیدی وجود داشت و برخی از تأسیسات مذهبی مثل: امامزادههایی که در محدوده این بازار بوده، مانند: بقعه بیدل که فرصت شیرازی آن را در آثار عجم نام میبرد[صداقت کیش، جمشید، 16/9/90، 4:50]. از بین رفت. در نتیجه بخشی از بازار وکیل، با بافت قدیمی خود به عرصه خیابان کشیده شد و مغازههای جدید در دو قسمت خیابان زند ایجاد گردید(تصویر شماره 1). و در خود بازار نیز چندین پله ایجاد گردید. با گسیختگی صورت گرفته بین بازار حاجی و اردو بازار و بین بازار وکیل، بسته شدن دربها در شب و ایام تعطیل جهت امنیت، اجتناب ناپذیر گشت و در نتیجه در مهمترین کارکرد اجتماعی بازار وکیل، یعنی کارکرد عبوری- حرکتی که ناشی از ساختار بهم پیوسته این بازار بود اختلال ایجاد شد. همچنین کف سنگفرش شده بازار را، برای تطبیق بیشتر با سطح خیابان، به وسیله سیمان پوشش دادند. عکسی که مادام دیالافوا در سفرنامه خود از بازار وکیل ارائه داده است(تصویر شماره 24).
با احداث بازار شاهچراغ در انتهای بازار حاجی، پس از انقلاب اسلامی (مصاحبه با کسبه پوشاک، بازار شاهچراغ، 5/5/90)، به نظر میرسد که این بازار به عنوان یک مرکز مذهبی – اقتصادی، بازار وکیل را تحت الشعاع قرار داده است. کالاهای داخل بازار شاهچراغ بروزتر و منطبق با نیاز زائران است. بسیاری از زائران بعد از انجام فریضه نماز در حرم شاهچراغ، با تجمع در بازارهای پیرامون، اقدام به خرید میکنند؛ در حالی که بازار وکیل، و در جنب آن مسجد وکیل، در روزهای جمعه تعطیل است و یا جوابگوی نیازمندیهای زائران نیست(مشاهدات نگارنده در یک روز جمعه از هر دو بازار).
فصل سوم
بازار وکیل؛ عناصر و معماری آن
1400175196854000020000
3- بازار وکیل؛ عناصر و معماری آن
3-1-عناصر بازار وکیل
به وجود آمدن جلگهی شیراز از آبرفت رودخانهها، ایجاد ساختمانهای محکم را در آن دشوار میسازد. به همین جهت در ساختمان سازی، محل بنا را تا عمق زیاد خاکبرداری و پس از رسیدن به زمین سخت، پی بنا را روی این زیر سازی محکم قرار میدادند(فسایی،1367: 143). فرصت الدوله شیرازی در آثار عجم دربارهی معماری بازار وکیل چنین مینویسد: «مصالح ساختمانی این بازار گچ و آجر و آهک بوده که روی پایههایی از تخته سنگهای تراشیده قرار گرفته است» (شیرازی، 1362: 823) و این سنگها از معدن سنگی در شمال و شمال غربی شیراز به نام معدن کریم خانی بدست میآمد(نامی اصفهانی،1317: 153- 159). مهمترین اجزای بازار عبارتند از: راستهها، چهارسو، کاروانسراها و تیمچهها.
لازم به ذکر است که بیشتر مطالب و عکسهای این فصل حاصل مشاهدات و مصاحبههای نگارنده است.
3-1-1- راستهها و اجزای داخلی بازار وکیل
بازار، شکل چلیپایی دارد که شامل دو رشته بازار، یکی شمالی- جنوبی(از دروازه اصفهان شروع و به کوچه جنوبی سرای مشیر ختم میشود) و دیگری شرقی- غربی است. در تقاطع این دو رشته بازار، یک چهارسوق وسیع قرار دارد و در سمت شمال شرقی آن چند کاروانسرای وسیع بنام کاروانسرای روغنی، کاروانسرای احمدی و کاروانسرای گمرک از دوره کریم خان باقی مانده که بواسطه دالانهایی بهم مرتبطاند و هر یک به طور جداگانه به داخل بازار راه مییابند. این که هر صنفی، محل مخصوص برای کسب و کار داشته باشد، یکی از اصول و طراحیهای اصلی بازارهای ایران بوده است؛ در قرن هشتم که ابن بطوطه از شیراز دیدن کرده، به راستههای مخصوص هر صنف در بازارهای شیراز اشاره کرده مینویسد: «در این شهر نظم و ترتیب عجیبی حکمفرماست. هر یک از پیشهوران بازاری مخصوص به خود داشته در آن متمرکز شدهاند» (ابن بطوطه،1359: 194). شاردن نیز این نظم در راستههای بازار اصفهان را گزارش کرده است: ((هر نوع جنس و یا مصنوع و یا خواربار محل مخصوصی دارد که مردم به هنگام حاجت می‌دانند به چه قسمت مراجعه کنند)) (شاردن، 1362: 63). علت اساسی پیدایش اصناف و رستهها را میتوان در تخصصی شدن و گسترش بازارها دید؛ این نوع بازارها اولاً کار را بر مشتری آسان می‌سازد تا جنسی را که طالب است به فوریت و رفتن به محلش پیدا کند، ثانیاً هیچ چیز خوب‌تر از این رویه نیست که هر صنفی محل خاصی داشته باشد(اوژن فلاندن،1326: 250). روابط حرفهای موجود میان صنعتگران و گروههای شغلی، و اشتراک منافع به مصلحت پیشهوران، آنان را به تجمع در یک بازار مخصوص وا میدارد، زیرا آنجا شهرت مییابد و این امر برای مشتریانش بهتر و برای کار آنها مفیدتر است، گاهی ضرورت تفکیک میان حرفههای مختلف، به ایجاد راستههای جداگانه میانجامید؛ شاید به خاطر اینکه صاحبان کالاهایی مانند عطاران نمیتوانستند با راستههای فرش فروشها با هم در آمیزند؛ به همین جهت صاحبان هر حرفه در یک بازار گرد میآمدند و حتی گاهی بازارهای حرفههای مشابه در اماکن نزدیک به هم جمع میشدند (تصویر شماره 2).
فرصت الدوله در کتاب آثار عجم در باره راستههای بازار وکیل و کالاهای موجود در آن مینویسد:
«یک بازار بزرگ تا برسد به چهارسوی مذکور چهل و یک طاق است و آن را بازار بزازان گویند، از هر گونه اقمشه و امتعه دارد. سمار و بلورفروش و خیاط و غیره نیز در آن هست. بازار دیگر چهل و شش طاق است آنرا بازار کلاهدوزان نامند از کلاهدروز و اصناف دیگر دارد با بسیاری از صرافان. بازار دیگر ده طاق است در آن تمام سراج و ترکش‌دوزاند در وسط بازار اول که بازار بزازان باشد نیز بازاری است یازده طاق در آن جماعت شمشیرگرانند. درب این بازار منتهی می‌شود بدرب مسجد وکیل . . .” (شیرازی، 1362: 800)
راسته جنوبی بازار وکیل به “راسته بزازان” معروف بوده است؛ در آنجا انواع پارچه و منسوجات عرضه میشد، امروزه نیز پارچههای مخصوص تهیه لباسهای عشایری وجه غالب این قسمت از بازار است. راسته جنوبی، 97 زوج مغازه وسیع دارد و در چهارسوق بدو قسمت شرقی – غربی تقسیم میشود. سمت شرقی آن 38 باب حجره و 19 طاق دارد و بنام بازار علاقه بندان[10] (اکنون راسته فرش فروشهاست) معروف است. سمت غربی بازار، با 11 طاق و 22 باب حجره بنام ترکش دوزها (اکنون راسته فرش فروشهاست) مشهور میباشد. این راسته از چهار سوق آغاز شده و به کوچه جنوبی سرای مشیر ختم میگردد. در میانه بازار بزازان و در ضلع غربی آن راسته، بازاری قرار دارد که به بازار شمشیرگران[11] معروف است؛ اکنون انواع فرش و دست بافتهای عشایری عرضه میشود. در دو سوی این راسته بازار 22 باب حجره قرار دارد.
راسته بازار وکیل شمالی (راسته کلاهدوزان)، از انتهای بازار نو (دروازه اصفهان) آغاز و تا خیابان زند متوقف میشود. 82 باب حجره و «چهل و شش طاق است آن را بازار کلاهدوزان نامند که کلاه دوز و اصناف دیگر دارد …» (شیرازی،1362: 820). امروزه کالاهایی متنوع در آن عرضه میگردد و هیچگونه تشخص کالایی را نمیتوان در آن تمیز داد.
موضوعی که با دیدن این دو راسته روشن میشود، تمیزی و زیبایی راسته جنوبی نسبت به شمالی است. مقایسه این دو، این مسئله را به ذهن متبادر میسازد که، چون بازار جنوبی، پذیرای جمعیت کثیری از مردم شیراز است و محل فروش پارچه و نیازهای خرده فروشی است، بیشتر مورد بازسازی و تعمیر قرار گرفته است، اما راسته شمالی بازار، حکم عمده فروشی و انبار، برای بازاریان را دارد (مشاهده و مصاحبه کسبه فرش فروشی، راسته بزازان،23/6/90).
ارتفاع و عرض راستههای بازار وکیل نسبت به سایر بازارهای ایران زیادتر است. این بازار در ابتدا ارتفاعی بیشتر از ارتفاع فعلی داشته است. در حال حاضر بلندی کف بازارها از سقف تا کف، حدود 10 متر میباشد، و کف این بازار نسبت به خیابان زند پایینتر است. تا چند ده پیش کف بازار حدود 14 پله از خیابان قرار داشت اما به مرور زمان با انباشتن کف بازار از خاک و بالا آمدن سطح آن، این تفاوت ارتفاع کاهش یافته و امروزه به 5 تا 7 پله رسیده است(پاک شیر،1389: 816). بازاریان نقل میکنند که علت ارتفاع حجره نسبت به کف، این بوده است که، حیوانات بارکش با قرار گرفتن در گودی کف، باری که حمل میکنند در موازات با سطح حجره قرار گیرد تا به راحتی قابل انتقال به داخل حجرهها باشد(مصاحبه با کسبه بازار، راسته بزازان، 15/8/1390) (تصویر شماره 3).
پوشش سقف راستهها از دیگر ویژگیهای خاص این بازار است. سقف بازارها با ردیفی از طاقهای گنبدی آجری، کاسه سازی تزئینی و آجرکاری جناقی، ساخته شده که منظری متفاوت به فضای بازار داده است. امر تهویه در بازار به وسیلهی بادگیرهای ساده که بر روی طاقهای ضربی ایجاد شده بود، انجام میگردید و چون ارتفاع بازار زیاد بود تهویه کامل صورت میگرفت. قسمتی از نور بازار و تهویه هوای آن از سقفها تأمین میشد. نور شکسته با بهرهگیری از روزنههای میان طاقها در درون بازار رخنه میکرد. و از سوی دیگر، از ریزش باران به داخل بازار جلوگیری مینمود؛ و پنجرههای جاسازی شده در پایه بلندی سقفها بر فراز هر حجره، گذشته از نقشی که در تهویه هوا داشت، روشنی بازار را نیز تأمین میکرد. لرد کرزن نیز که در زمان قاجاریه از بازار شیراز دیدن نموده است به این مسئله توجه نموده است:”…خیابان پوشیده، که پانصد متر طول آن میشود با سقفهای گنبد مانند به طرز بدیعی ساخته شده، میان هر گنبدی برای تجدید هوا و استفاده از آفتاب سوراخ های گردی تعبیه نمودهاند”(کرزن: 1347: 142). به همین جهت بازار وکیل در تابستانها دارای هوای خنک و بسیار مطبوعی بود.
وقایع اتفاقیه گزارشی را ارائه کرده است که میتوان با استناد به آن و نیز تصویری که از دوره مزبور، باقی مانده میتوان چنین نتیجه گرفت که پوشش و گل اندود کردن سقف بازار وکیل و بازارهای پیرامون آن مانند بازار حاجی و اردو بازار در اواخر دوران قاجاریه صورت گرفته است:
«بسیاری از سقفهای بازار شیراز از اندراس زیاد به هم رسانده بود و در زمستان به ارباب داد و ستد بد میگذشت، حاجی قوام الملک به موجب اجازه شاهزاده موید الدوله قرار داده است، که سقوف بازار را شیروانی نموده، روی آن را اندود کشیده، پیشکار دکاکین را سفید نمایند، که من بعد صنوف کسبه و معاملین را آسایش حاصل و بعضی از بازارها که تعمیر آن به اتمام رسیده است، کمال تنقیح و انتظام به هم رسانده و جمع مردم به نهایت خشنود و خوشوقت میباشند.» (صداقت کیش 1390: 332، به نقل از اخبار فارس ش 522، ص 7-6)
در گذشته، هر سه سال پشت بام بازار وکیل را جهت جلوگیری از شستن گل توسط باران با ترکیبی از گل، آب و نمک گل اندود میکردند. پس از چند سال که تعداد دفعات گل اندود بر پشت بام سنگینی میکرد، گل اندود مزبور را کاملاً از سقف بر داشته و دوباره این کار را انجام میدادند؛ و با این اقدام هوای داخل بازار را همیشه مطبوع و خنک نگه میداشتند؛ اما اکنون پشت بام بازار وکیل را ایزوگام میکنند، غافل از آنکه دمای گرم نفس مردمان رهگذر، روی این عایق تاثیر گذاشته، ترک برداشتن سقف بازار را منجر گردیده است که نتیجه آن نفوذ باران به درون بازار و همچنین گرفتگی هوای بازار و ایجاد رطوبت بوده است.[صداقت کیش، جمشید، 16/9/1390،4:50]؛ همچنین احداث بناهای مختلف در اطراف بازار مانند: مدرسه شاپور(تصویر شماره21-22)، باعث جلوگیری از ورود نور به داخل بازار شده، تاریک شدن و مرطوب شدن هوای بازار را به دنبال داشته است. تصویر زیر گویای این بیان است.

سقفها و پنجرههای بازار وکیل که نور را به داخل بازار انعکاس داده است. (عکس سمت راست: اواخر دوره قاجاریه، مأخذ: به یاد شیراز، منصور صانع؛ عکس سمت چپ: سفرنامه دیالافوآ)

بازار وکیل دوره جمهوری اسلامی (عکس از نگارنده)
امروزه بازار روشنایی خود را از چند چراغ تأمین میکند که بر طرف کننده نیاز بازار نیست. آجرهای اطراف پنجرهها ریخته، کف بازار آسیب دیده و سیمان آن در جاهای مختلف کنده شده و آب باران در قسمتهایی که تبدیل به چاله شده جمع میگردد. سیستم فاضلاب، نور و بهداشت بازار وکیل نیازمند تعمیرات اساسی است(مصاحبه با کسبه بازار، راسته بزازان،15/5/90).
بازاریان از عدم نظارت بر بازار شکایت داشتند، اینکه بسیاری از دستفروشیها در بازار بساط پهن میکنند و نیز مغازهدار هر چقدر که میخواهد بساطش را جلو میآورد و در رفت و آمد و زیبایی بازار اختلال ایجاد میکند. نگارنده چند ماه بعد از این مصاحبه، دوباره به بازار بازگشت و متوجه شد که در قسمت چهارسو، کف بازار را کندهاند تا سیستم فاضلاب بازار را تعمیر کنند. به گفته بازاریان طی این اقدام، به حجاریهای بدنه حجرهها آسیب رسیده است. یکی از بازاریان قطعهای از سنگ حجاری کنده شده را در انبار خود نگه داشته بود. ارجاع این مسئله به میراث فرهنگی، بینتیجه بوده است(مصاحبه با کسبه بازار روبروی کاروانسرای روغنی و کاروانسرای احمدی،16/5/90).
در مدخل شمالی، جنوبی، شرقی و غربی راستههای بازار، دربهایی تعبیه گردیده است. چند نمونه از قدیمیترین درهای حجرهها هم اکنون در محل بازار موجود است که از جمله آنها در چوبی حجره روبروی بازار شمشیرگرهاست که به همان صورت اولیه باقی مانده است. درب شمالی و جنوبی بازار نیز قدیمی است (تصویر شماره 4). با توجه به این که در دوران کریم خان بازار به صورت خیابان اصلی طراحی شده بود نیازی به بستن درها وجود نداشت و امنیت بازار را گزمهها تامین میکردند به نقل از رستم التواریخ جمعی مامور بودند که اول شب که سه ساعت از شب گذشته باشد، تا بامداد در همه کوچهها و بازارها بگردند و محافظت اهل شهر نمایند، از شر دزدان و ستمکاران و ایشانرا گزمه میخوانند(رستم الحکما،1317: 308). امروزه با گسست در ساختار بازار و ایجاد مغازههای جدید، لازم مینماید که درهای بازار منتهی به خیابانها جهت امنیت بسته شود. بازاریان در روزهای تعطیل و پشت این درهای بسته به بررسی حسابهای عقب مانده خود میپردازند(مشاهدات نگارنده در یک روز جمعه و ایام ماه محرم).
3-1-2-چهارسو(چهار سوق)
محل تقاطع دو راسته اصلی و مهم بازار را چهارسو یا چهارسوق مینامند. دهخدا چهارسوق را چنین تعریف میکند: (( بازار عبارت است از مجموعه دکانهایی در خیابانی مسقف که از آجر و چوب ساخته شده و در دو طرف دارای در میباشد که به وسیلهی آنها مسدود میشود. تقاطع این خیابانها در آخر، نقطه ای را که به صورت مربع میباشد به وجود میآورد، در زبان پهلوی به این محلها «چهارسوکه» و در فارسی «چهارسو» و در ترکی «چارشی» میگویند)) (دهخدا، 1372: 423)
چهارسو کانون یا مرکز بازار شناخته میشود و از نظر معماری نسبت به بدنه اصلی بازار، گشودهتر و طاق و گنبد بزرگتری دارد. ظاهراً در گذشتههای قدیم، محل استقرار تخت داروغه در چهارسو قرار داشت؛ در دوره کریم خان «در میان چهارسوی مذکوره حوض بزرگ پر آبی بود و بر بالای آن حوض تختی گذارده بودند و مطربان و رامشگران بر آن تخت نشسته بودند و به سازندگی و نوازندگی مشغول بودند» (رستم الحکما،1348: 345). حوض تا اواسط دوره ناصرالدین شاه که لرد کرزن به ایران سفر کرده وجود داشته است، مینویسد: بازرگانان عمامه سبز و یا کلاه دراز شیرازی غالب اوقات بر نیمکتهایی که در اطراف حوض چهارسو تعبیه کردهاند، چهار زانو نشسته، به کشیدن قلیانهای نقره و نوشیدن چای مشغولند و در مسائل مهم اقتصادی و مالی گفتگو میدارند (کرزن،1340: 142).
یک رشته مجرای آب از مدخل بازار ترکش دوزها از زیر کف بازار، آب را به حوض وسط چهار سوق میرسانیده است. هر چند حوض وسط چهارسو از بین رفته است، ولی مجرای آب در زیر بازار ترکشدوزها باقی است. به صورت طاق ضربی با آجر و ساروج مجرا را ساختهاند. مجرای فاضل آب نیز در گذشته در گوشه جنوب غربی چهار سوق بوده و چاه اصلی آن در زیر کف بازار محفوظ مانده است (تصویر شماره 5).
هنگام احداث زیر گذر زند و حفر گودی برای آن در دهه 70، متوجه سیستم آب رسانی در زیر زمین بازار وکیل شدند. وجود سنگاب آبی که در ضلع شمالی ارگ کریم خانی وجود دارد، بیان گر آن بود که آب رکن آباد به ارگ کریم خانی وارد میشده است. آب رکن آباد به گفته هربرت[12] از تنگ الله اکبر میگذشت، و طی مسافتی بیش از سه کیلومتر به پیرامون ارگ میرسید، سپس با پیچشی به سوی خیابان 22 بهمن(شاهپور سابق) به بناهای زندیه راه راست و کوتاهی را دنبال میکند؛ در خاکبرداریهای زیر گذر بازار وکیل، نمونههایی از سازهها که برای توزیع آب قنات رکن آباد در شیراز احداث شده بود؛ در زیر میدان شهرداری شیراز در ژرفای 2 متری از سطح زمین پیدا شد(جواهری، جوان، 1379: 141).
در اوایل دوره پهلوی که ریچاردز وارد بازار شده، اثری از حوض چهارسو نبوده است. ظاهراً در تعمیرات کف بازار حوض وسط چهار سوق برداشته شده است (ریچاردز،1379: 172).
به دلیل اهمیت چهارسو است که امروزه نگهبانانی که بر امنیت بازار نظارت دارند، در این مکان مستقر میشوند و حقوق آنها هم توسط بازاریان پرداخت میشود(مصاحبه با کسبه بازار جنب مسجد وکیل،15/6/90). چهارسوی بازار در هنگام عزاداریهای ایام محرم، محل استقرار عزاداران است. در این ایام صاحبان حجرهها، کف بازار را با فرش پوشانده و با قرار دادن پردهای در وسط چهارسو و جداسازی عزاداران زن و مرد، و با سخنرانی روحانیون و مداحان به عزاداری میپردازند. این روند در بازار وکیل قدمت دیرینه دارد(مصاحبه و مشاهدات نگارنده با کسبه قالی فروش بازار شمشیرگران؛ ایام محرم: سال 90) (تصویر شماره 6).
3-1-3- حجره (دکان)
حجره یا دکان سادهترین و کوچکترین عنصر و فضای بازار است. اغلب حجرهها در بازار وکیل به یک اندازه و مساحت میباشند و تکنیک ساخت و ساز آنها مانند هم است. در برابر هر حجره سکوهایی وجود دارد، سکوی سنگی تزیین بر نقوش برجسته از ترنج، که گذشت زمان، آنها را فرسوده کرده است. سکوها ضمن بخشیدن اصالت و زیبایی به فضای حجرهها، نقش واسطهای میان فروشنده و خریدار دارند. فراخی و وسعت حجرهها چشم انداز دلنشینی در برابر دیدگان رهگذر میسازد. ولی امروزه این ویژگیها دستخوش تغییراتی شده است؛ به علت وسعت فوق العاده زیاد مغازهها، بعضی از کسبه در جهت منافع خود آنرا از وسط بدو قسمت تقسیم نمودهاند که به زیبائی و اصالت آن لطمه وارد شده است. همچنین بعلت بالا آوردن کف بازار قسمتی از حجاریهای سنگی نمای سکوهای جلو مغازهها در زیر خاک مخفی شده است (تصویر شماره 7).
3-1-4- تیمچهها و کاروانسرا (سرا)های وکیل:
3-1-4-1-تیمچه:
تیمچه به معنی تیم کوچک یا سرای کوچک بوده است. مدخل این بنا در بازار وکیل شمالی و تقریباً رو به روی کاروانسرای روغنی است، که توسط دالانی به خیابان زند ارتباط دارد. به گفته یکی از کسبه که 55 سال سابقه کار داشت، سابقاً این تیمچه، ضرابخانه و در حکم مرکز معاملات نقدی و پولی بازار تا قبل از احداث بانک بوده است. با ساخته شدن بانک در محیط نزدیک بازار، بسیاری از کارکردهای اقتصادی بازار که سابقاً صرافان انجام میدادند مانند: چک، نقد پول و ضرب سکه. . . به بانکها انتقال یافت.
بازاریان اکنون تیمچهها را انبار و کاروانسراها را سرا یا تیمچه مینامند با وجود معماری بسیار زیبایی که در سقف تیمچه دیده میشود و میتواند به عنوان یادگاری از دستان هنرمند ایرانی حفظ گردد، تبدیل به انباری از زباله شده، و به سمت خرابی و ویرانی پیش میرود. تیمچه دیگری در بیرون از بازار، در خیابانی مشرف به مسجد وکیل، وجود دارد که معروف به “تیمچه گل” میباشد. آن چه که این تیمچه را متمایز میکند، زیبایی معماری و تک محصولی بودن (انبار فرش و قالی) آن است. که هر چند خارج از بازار وجود دارد اما نزدیکی آن به بازار نمایانگر ارتباط تجاریش با بازار است (تصویر شماره 8).

3-1-4-2-کاروانسراها:
کاروانسراهای وکیل، شامل کاروانسرای روغنی، احمدی، گمرک در نیمه شمال شرقی بازار و کاروانسرای فیل در بازار شمشیرگرها (بازار وکیل جنوبی) است.
امروزه لفظ سرا و تیمچه بر سر زبانها رایج است و کمتر بازاری است که از لفظ کاروانسرا استفاده کند، این امر نشاندهنده تغییر کارکرد کاروانسراهای مزبور است، در گذشته دفاتر تجارتخانههای خارجی، دفاتر بازرگانان محلی و دلالان سرشناس و دفاتر تجاری در کاروانسراها قرار داشت. و «… صدای تاخت و تاز اسبها، کاروانها، بازرگانان»(لوتی،1372: 70-71) حول محور بازار و زیر سقف آن مطرح بود. اما امروزه تبدیل به انبار کالا شده است (تصویر شماره 25).
3-1-4-2- 1-کاروانسراهای بازار وکیل شمالی
کاروانسراهای وکیل شمالی، شامل کاروانسرای گمرک، احمدی و روغنی است. این سه کاروانسرا از داخل با هم مرتبط هستند. در زیر به شرح هر یک پرداخته شده است.
3-1-4-2-1-1- کاروانسرای گمرک
کاروانسرای گمرک بعد از کاروانسرای احمدی در نیمه شمال شرقی بازار وکیل قرار دارد. علت نامگذاری آن، از آنروست که در این مکان از کاروانسراهای تجاری، مالیات اخذ میشده است. بعد از سر در ورودی یک دالان طولانی قرار دارد که به حیاط کاروانسرا مربوط میشود. سقف دالان ورودی شامل طاق آجری ساده است که در سالهای اخیر اندود گردیده است. 32 حجره دورادور صحن داخلی را پوشانده است. کاروانسرای گمرک دو طبقه است. حجرههای طبقه زیرین دارای درهای وسیعی است که در بعضی از حجرهها هنوز بجای خود باقی است. طبقه دوم شامل اتاقهای ایواندار است که به منزله نورگیر عمل میکند. یک حوض که لبه و پاشویه آن از سنگ است، در وسط صحن دیده میشود. حجرههای کاروانسرای گمرک زمانی دفاتر اموال تجار بازار به شمار میرفته است، به گفته بازاریان، ورود و خروج کاروانیان از درب کاروانسرای گمرگ به سایر کاروانسراها(احمدی و روغنی) صورت میگرفت، تا از مزاحمت حیوانات بارکش به داخل بازار جلوگیری کنند. این سخن با گفتههای پیشین کسبه در مورد علت ارتفاع حجرهها نسبت به کف تناقض مییابد (ر.ک: صفحه 26 پایان نامه). از سوی دیگر ارتباط هر سه کاروانسرا از طریق دالانهای مرتبط با هم این نظر را تقویت میکند که هدف جلوگیری از ورود حیوانات به داخل بازار بوده است.
امروزه، حجرههای این سراها، به انبار بازار واقع شده و یا متروک باقی ماندند؛ البته بهتر بگوییم که تمام حجرههای این کاروانسرا توسط صاحبان آن تا به جلو پیشروی کردند و توسط دیوارهها، تیغهها و یا چادر، راهروی ورودی آن را بستند (تصویر شماره 9). به گفته بازاریها، بازار وکیل و سراهای آن، تحت نظر کامل میراث فرهنگی شیراز میباشد، و بدین علت است که هر گونه دخل و تصرف و بازسازی توسط شخص مالک ممنوع میباشد، و اگر هم مایل به انجام بازسازی هستند، میبایست از سازمان میراث فرهنگی مشورت و اجازه بگیرند. در همین حال، آجرهای فرو ریخته، تغییرات در سقف و ساختمان کاروانسراها خود دلیلی است بر عدم نظارت بر این آثار تاریخی.
در گذر از این سراها مشاهده میکنید که کارگران افغانی، چگونه تفالههای چای را در محوطه سرا میریزند و جوشکاران به در و دیوار کاروانسرا آسیب میرسانند و تغییرات جدید میدهند. نصب ایرانیت در سقف دالانها، ریختن آجرها، جمع شدن زباله در گوشه و کنار سرا و حوضهای آبی که پر از جلبک گردیده است، رشتههای قدیمی برق سراها و سیمهای رها شده برق، که تهدیدی برای سراهاست، نشان میدهد که این آثار ارزشمند گذشتگان راهی به دنیای آیندگان نخواهد داشت. کاروانسراها در کشاکش مالکان آنها و نظارت میراث داران فرهنگ قرار دارد در حالی که در عمل هیچ صاحبی ندارد. این مسئله ما را به یاد مطلبی از ادوارد بروان در سفر به شیراز در عهد قاجار میاندازد. وی در کتاب یکسال در میان ایرانیان مینویسد که شیرازیها به شهر خود افتخار میکنند و میگویند شیراز ما بهتر از قاهره است اما “صاحب ندارد”.(بروان،1347: 125) جملهای که پس از گذشت بیش از یک قرن همچنان در بین مردم شیراز رواج دارد.
کالاهای عمده این حجرهها را شلوار و پیراهن و کفش تشکیل میدهد که عمدتاً از تهران و اصفهان وارد سراها میشود. کالاهایی نیز از بنادر وارد شیراز میکنند که البته محل فروششان محله سردزک است و وارد بازار وکیل نمیشود. بدین ترتیب شیراز شهری خدماتی و بازارش راکد و وارداتی است. تولیدی مانتوهای این شهر، خود صدق این مطلب است(مصاحبه با بازاریان داخل کاروانسرا،10/7/90).
3-1-4-2-1-2- کاروانسرای احمدی
این کاروانسرا بعد از کاروانسرای روغنی و در نیمه شمال شرقی بازار وکیل و در جنب کاروانسرای گمرک قرار دارد. در وسط سر در ورودی، که به شکل طاق ساده آجری است، کتیبهای به خط نستعلیق و برنگ سیاه، تاریخ ترمیم کاشیکاری کاروانسرا را نشان داده است: «یا حافظ کاشی پر میرزا عبدالرزاق نقاش احمد حاجی مهدی سنه 1328» (تصویر شماره 10). با گذر از این سر در، وارد دالانی میشوید که در گذشته، معروف به “تاجررو” بوده است. محوطه وسط کاروانسرا محل تجمع حیوانات بارکش بوده و تجار از طریق دالانها عبور میکردند. اما امروزه سقف دالانهای مزبور به وسیله ایرانیت و محوطه دالانها با نصب تیغهها پوشانده شده است و کارکرد عبوری آنها – تاجررو- به انبار کالا تغییر یافته است.
به گفته صاحبان “سراهای امروزی”، اگر این تیغهها برداشته شود، زیبایی کاروانسراها و دالانها نمایان میگردد. هنگام تهیه گزارش از وضع سراها، چند توریست خارجی وارد این سراها شده و چون سراها را انبار زباله یافتند از همان ابتدای درب ورودی بازگشتند (تصویر شماره 11).
با پوشیده شدن دالانها و تبدیل کردن آنها به حجره و انباری، با ساختمانی وسیع مواجه میشویم که دور تا دور آن حجره است(تصویر شماره 12). سرای احمدی، به دو قسمت اندرونی و بیرونی تقسیم گردیده است: قسمت اول و دوم بوسیله یک ردیف حجره از هم جدا میشود. این حجرهها در سمت شمال و جنوب، هر ردیف شامل 6 حجره و در جمع 16 جفت مغازه میباشد و در قسمت دومی این کاروانسرا 10 جفت مغازه وجود دارد. این حجرهها در 4 سمت کاروانسرا قرار گرفتهاند؛ و برای رسیدن از حیاط سرای اولی به دومی، سه راهرو وجود دارد که در وسط و در دو گوشه شمالی و جنوبی کاروانسرا تعبیه شدهاند. اندرونی، از نظر طرح با بیرونی تفاوت دارد و بدون ایوان است(تصویر شماره 13)، با توجه به اینکه، به تقسیم سراهای وکیل، به دو قسمت اندرونی و بیرونی در منابع اشاره نشده است، به نظر میرسد که این تقسیم بندی نیز از تغییراتی است که بعدها بوجود آمده است.
حوض مدور خوش طرحی در وسط صحن کاروانسرا بهمان صورت اولیه باقی است. لبه و پاشویه حوض مذکور از قطعات سنگ یکپارچه است. در وسط حوض، حوض کوچک دیگری نظیر حوض اصلی از سنگ نصب شده که بمنزله مجرای آب حوض در گذشته بوده است (تصویر شماره 14).
به گفته بازاریان، رو به روی کاروانسرای احمدی، و در محل مدرسه شاپور خروجی به داخل بازار وجود داشت که رفت و آمد را به داخل کاروانسرای احمدی آسان مینمود. با احداث مدرسه شاپور این خروجی پوشانده شد، و اکنون جای آن را کسبه دست فروش گرفتهاند (تصویر شماره 15).
3-1-4-2-1-3-کاروانسرای روغنی
کاروانسرای روغنی در مجاورت کاروانسرای احمدی در راسته شمالی قرار دارد. درکتاب فارسنامه ناصری آمده است که: «کاروانسرای روغنی در محله درب شاهزاده در جنب شرقی بازار وکیل است؛ وسعت صحنش از همه کاروانسراها بیشتر است از بناهای حضرت کریم خان زند است؛ حجراتش مسکن تجار معتبر است» (فسایی، 1367: 772)
با احداث خیابان زند، بخش جنوبی این سرا، تخریب و بخش باقی مانده آن به پارکینگ ماشین و انبار کالا تبدیل یافت؛ به همین جهت کاروانسرا راهی به خیابان زند دارد. سر در اصلی به صورت یک طاقنمای ساده است که بوسیله دری به دالان ورودی ارتباط دارد، و در چوبی قدیمی هنوز بجای خود باقی است. راهرو ورودی، نسبتاً طولانی و در هر سمت راهرو مغازههایی وجود دارد و در جمع در این کاروانسرا 26 جفت مغازه موجود است. در جلو مغازههای دالان ورودی، سکوی سنگی نظیر سکوهای سنگی بازار وکیل نصب گردیده است (تصویر شماره 16).
3-1-4-2-2-کاروانسرای بازار وکیل جنوبی
کاروانسرای فیل از آثار دوره کریم خان زند و جزء بازار وکیل است. در این قسمت سرای مشیر نیز قرار دارد که هر چند از ساختههای دوران قاجار است اما چون در مجموعه بازار قرار گرفته است به شرح آن در این قسمت پرداخته شده است.
3-1-4-2-2-1-کاروانسرا یا سرای فیل
کاروانسرای فیل در بازار شمشیرگرها و ترکشدوزها در سمت غربی بازار وکیل و در نیمه جنوبی آن قرار دارد. فارسنامه ناصری در این مورد کاروانسرای مذکور آورده است که :«کاروانسرای فیل در جنب شرقی مسجد جامع وکیل داخل بازار وکیل است؛ از بناهای حضرت کریم خان زند است؛ مسکن تجار معتبر است در سال 1180 و اند ساخته شده.» (فسایی،1367 :772). روبروی این سرا، حجره ادویه فروشی و جنب آن حجره قالی و گلیم قرار گرفته است.
در ورودی این سرا، به بازار شمشیرگرها باز میشود، سر در قدیمی مدخل طاقنمای ساده آجری است که بوسیله دالان طولانی به صحن کاروانسرا ارتباط دارد و در چوبی قدیمی کاروانسرا هنوز پا بر جا است؛ طرح کاروانسرا، مربع شکل است و مجموعاً 32 جفت مغازه دارد. نمای داخلی کاروانسرا فاقد هر گونه تزیینات کاشیکاری است و حوض مخروبه قدیمی در وسط حیاط کاروانسرا باقی است و دفاتر تجار معتبر بازار در حجرههای آن قرار دارد(تصویر شماره 17).
3-1-5- سرای مشیر
سرای مشیر، در راسته جنوبی بازار وکیل، از آثار خیر ابوالحسن خان مشیر الملک، والی فارس و در عهد سلطنت ناصرالدین شاه قاجار به سال 1282 هـ. ش ساخته شده است. این سرا، توسط یک ضلع هشتی و یک راهرو به حیاط منتهی میشود. سر در ورودی سرای مشیر با نقاشیهای زیبایی از کاشی تزیین یافته است. در زیر مقرنسها، کتیبهای از سنگ مرمر قرار دارد که بر روی آن تاریخ بنا و هدف از ساخت آن نوشته شده است. صحن سرای مشیر از دو طبقه ساخته و کف آن با سنگ فرش شده است. طبقه اول توسط پلکانی به طیقه دوم راه مییابد. طبقه فوقانی مقداری از طبقه اول عقب نشسته است، و بدین ترتیب به شکل یافتن راهرویی زیبا منجر گردیده است که از طریق آن میتوان به حجرههای طبقه دوم راه یافت (تصویر شماره 18).
در حجرهها از چوب ساج و مشبک و با طرحهای منبت کاری و شیشههای رنگی ساخته شده است. طبقه دوم این سرا، کمترین تغییرات و تعمیرات را به خود دیده است، به نحوی که آثار تابش چندین ساله آفتاب، بر شیشههای رنگی این طبقه مشهود است (تصویر شماره 19). در صحن حیاط، آب نمایی به شکل مستطیل قرار دارد که در پیرامون آن 4 باغچه دیده میشود (تصویر شماره 20).

– (294)

دانشکده فنی و مهندسی
گروه مکانیک
پایان نامه
برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
عنوان پایان نامه
شبیه سازی عددی تأثیرات تولیدکننده گردابه بر افزایش انتقال حرارت سیالات غیر نیوتنی در کانال مربعی
استاد راهنما: دکتر محمدرضا نظری
استاد مشاور: دکتر محمد سفید
پژوهش و نگارش: بهاره رمضانی
اسفند91
تقدیم به پدر و مادرم
که از نگاهشان صلابت
از رفتارشان محبت
و از صبرشان ایستادگی را آموختم
قدردانی
شکر شایان نثار ایزد منان که توفيق را رفیق راهم ساخت تا اين پايان نامه را به پايان برسانم.
از استاد فاضل و اندیشمند جناب آقای دکتر محمدرضا نظری به عنوان استاد راهنما به دلیل یاریها و راهنمایی‌های بی چشمداشت ایشان که بسیاری از سختیها را برایم آسان نمودند کمال تشکر را دارم.از استاد گرامیم جناب آقای دکتر محمد سفید به عنوان استاد مشاور در این پایان نامه بسیار سپاسگذارم.
با تقدیر فراوان خدمت پدر و مادر بسیار عزیز، دلسوز و فداکارم که پیوستهجرعه نوش جام تعلیم و تربیت، فضیلت و انسانیت آنها بوده‌ام و همواره چراغ وجودشانروشنگر راه من در سختی‌ها و مشکلات بوده‌است.
و با تشکر خالصانه خدمت همه کسانی که به نوعی مرا در به انجام رساندن این مهمیاری نموده‌اند.

چکیده
دست‌یابی به نرخ‌های بالاتر انتقال حرارت با استفاده از تکنیک‌های مختلف که می‌تواند منتج به ذخیره میزان قابل توجه انرژی شده و همچنین منجر به تولید دستگاه‌های فشرده‌تر و ارزانتر همراه با بازدهی حرارتی بیشتر شود مورد توجه محققین قرار گرفته‌است. تولید گردابه یکی از بهترین روش‌هایی است که برای افزایش انتقال حرارت به‌کارگرفته‌ می‌شود. در سالهای اخیر به علت کاربرد گسترده سیالات غیرنیوتنی در شیمی، داروسازی، پتروشیمی، صنایع غذایی و صنایع الکترونیکی، این گروه از سیالات توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند. با توجه به اهمیت سیالات غیرنیوتنی در صنعت، و به منظور افزایش کارایی در بالا بردن انتقال حرارت، این بررسی برای سیالات غیرنیوتنی انجام شده‌است.
در تحقیق حاضر، ابتدا ساختار جریان و انتقال حرارت از دو سیلندر مربعی پشت سرهم در معرض یک سیال غیرنیوتنی با مدل پاورلا به صورت دوبعدی، و سپس رفتار جریان و انتقال حرارت از یک جفت تولید کننده گردابه در یک کانال مربعی به صورت سه بعدی و با استفاده از روش حجم محدود و الگوریتم SIMPLEC به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این تحقیق، جریان سیال غیرنیوتنی تراکم ناپذیر و آرام در محدوده اعداد رینولدز 500Re 50 بررسی شده‌است. عدد پرانتل برابر با 50 در نظر گرفته شده‌است. همچنین تأثیر اندیس پاورلا بر رفتار جریان و انتقال حرارت در محدوده 8/1 6/0 مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق در حالت دوبعدی تأثیر زاویه انحراف سیلندرها از جریان اصلی و نیز فاصله بین سیلندرها، و در حالت سه بعدی تأثیر ارتفاع تولیدکننده‌های گردابه بر رفتار جریان و انتقال حرارت بررسی شدند. نتایج به دست آمده در حالت دو بعدی شامل ضرایب درگ و لیفت، ضریب فشار و عدد ناسلت بر روی وجوه سیلندرها می‌باشد. در حالت سه بعدی ضرایب فشار و اصطکاک روی دیواره‌های کانال، دمای بالک ()، فاکتور کولبرن، عدد ناسلت و در نهایت پارامتر JF به عنوان ضریب عملکرد حرارتی به عنوان مقیاسی برای عملکرد کانال در حالت با و بدون تولیدکننده گردابه به دست آمد.
نتایج مسئله دوبعدی نشان داد که با افزایش اندیس پاورلا و کاهش زاویه انحراف سیلندرها و همچنین کاهش فاصله بین سیلندری عدد استروهال کاهش می‌یابد. با کاهش اندیس پاورلا و نیز با افرایش فاصله بین سیلندری عدد ناسلت کلی روی وجوه هردو سیلندر افزایش می‌یابد.
همچنین در حالت سه‌بعدی نتیجه شد که سیالات شبه پلاستیک نسبت به دیگر سیالات در افزایش ضریب عملکرد کلی کانال به طور مؤثرتری عمل می‌کنند. همچنین کاهش ارتفاع تولید کننده گردابه عملکرد کلی کانال را افزایش می‌دهد.
فهرست مطالب
فصل اول1مقدمه11-1 لایه مرزی11-2 تبدیل جریان آرام به آشفته21-3 جدایی جریان31-4 روش‌های افزایش انتقال حرارت41-5 گردابه51-6 ریزش گردابه51-7 تولید کننده‌های گردابه71-8 کاربردهای تولیدکننده گردابه81-9 سیالات غیر نیوتنی91-9-1 سیال مستقل از زمان101-9-1-1 سیالات شبه پلاستیک111-9-1-2 سیال ویسکوپلاستیک151-9-1-3 سیالات دایلاتنت181-9-2 سیال وابسته به زمان181-10جمع بندی19بررسی و مرور تحقیقات گذشته202-1مقدمه202-2تحقیقات انجام شده برای سیالات نیوتنی202-3تحقیقات انجام شده برای سیالات غیرنیوتنی272- 4جمع بندی39فصل سوم40تعریف مسئله و روش حل403-1هندسه مسئله دو بعدی403-2 هندسه مسئله سه بعدی423-3 معادلات حاکم در جریان آرام443-4 روش حل معادلات453-4-1گسسته‌سازی معادلات حاکم463-4-2جمله جابجایی473-4-2-1طرح اختلاف مرکزی483-4-2-2طرح اختلاف بالادست483-4-2-3طرح اختلاف پیوندی493-4-2-4طرح اختلاف بالادست مرتبه دوم(QUICK)503-4-2-5 طرح اختلاف CHARM 503-4-3 ترم نفوذ513-5 الگوریتم حل سرعت-فشار513-6 درونیابی ری-چو543-7 گسسته سازی زمانی553-8 روند حل عددی553-9 شرایط مرزی563-9-1 شرط مرزی ورودی563-9-2شرط مرزی خروجی563-9-3شرط مرزی دیواره573-10 نحوه شبکه بندی57فصل چهارم60تجزیه و تحلیل نتایج604-1 مقدمه604-2 نتایج مسئله دوبعدی604-2-1 بررسی شبکه604-2-2 اعتبار سنجی نتایج614-2-3 ارائه و تحلیل نتایج634-2-4 بررسی تأثیر فاصله بین سیلندری در افزایش انتقال حرارت و ساختار جریان994-3 نتایج مسئله سه بعدی1164-3-1 بررسی شبکه1174-3-2 ارائه و تحلیل نتایج1184-3-3 تأثیر ارتفاع تولید کننده گردابه بر ساختار جریان و انتقال حرارت1334-4 جمع بندی، نتیجه گیری و پیشنهادات141منابع و مآخذ143فهرست شکل‌ها
شکل 1-1 لایه مرزی هیدرودینامیکی تشکیل شده بر روی صفحه تخت1شکل 1-2 لایه مرزی حرارتی تشکیل شده بر روی صفحه تخت2شکل 1-3 جریان آرام و تبدیل آن به جریانی آشفته در حین گذر از ناحیه گذرا3شکل1-4 مسیر گردابه کارمن پشت یک استوانه در جریان متقاطع در 140=Re7شکل 1-5 کانال با چیدمان باله های مربعی8شکل 1-6 توزیع سرعت در یک سیال نیوتنی9شکل1-7 انواع سیالات مستقل از زمان11شکل1-8 نمایش شماتیکی رفتار سیال شبه پلاستیک12شکل1-9 نمایش ویسکوزیته های برشی صفر و بینهایت برای یک محلول پلیمری13شکل1-10 داده های تنش برشی-نرخ برش رفتار ویسکوپلاستیک در یک عصاره گوشت و یک محلول پلیمری رقیق کاربوپل16شکل 2-1 تغییرات عدد ناسلت Nu با عدد رینولدز برای زوایای حمله مختلف21شکل 2-2 تغییرات ضریب اصطکاک f با عدد رینولدز برای زوایای حمله مختلف22شکل 2-3 تغییرات دمای بالک در جهت جریان برای اعداد رینولدز مختلف در زوایای حمله مختلف22شکل 2-4 تغییرات ضریب کولبرن J با عدد رینولدز برای زوایای حمله مختلف23شکل 2-5 تغییرات ضریب عملکرد JF با عدد رینولدز برای زوایای حمله مختلف23شکل2-6 تأثیر محل قرار گیری تولیدکننده گردابه در کانال بر افزایش انتقال حرارت (1600Re=)24شکل2-7 تأثیر فضای بین دو جفت تولیدکننده گردابه بر افزایش انتقال حرارت24شکل2-8 تأثیر ارتفاع تولیدکننده گردابه بر افزایش انتقال حرارت25شکل2-9 تأثیر ارتفاع تولیدکننده گردابه بر افت فشار25شکل2-10 کانتورهای دما برای مقاطع مختلف در جهت جریان اصلی برای750 Re=27شکل 2-11رابطه بین اندازه ویک و عددرینولدز و اندیس پاورلا28شکل 2-12تغییرات ضریب درگ با اعداد رینولدز در اندیس پاورلا مختلف با سه نسبت انسداد30شکل2-13تغییرات اندازه ویک با اعداد رینولدز در اندیس پاورلا31شکل 2-14 تغییرات عدد ناسلت متوسط سیلندر با عدد رینولدز در اندیس پاورلای مختلف برای شرط مرزی (a) دمای ثابت دیواره و (b) شار حرارتی یکنواخت32شکل 2-15 تأثیر اندیس پاورلا n روی تغییرات استروهال با رینولدز33شکل 2-16 تأثیر اندیس پاورلا بر تغییرات ضریب درگ با عدد رینولدز33شکل2-17تأثیر اندیس پاورلا روی تغییرات با عدد رینولدز34شکل 2-18 تغییرات عدد ناسلت کلی با عدد رینولدز در مقادیر اندیس پاورلای مختلف34شکل 2-19 رابطه تغییرات طول ویک با عدد رینولدز برای اندیس پاورلای مختلف35شکل 2-20 تغییرات ضریب درگ فشاری و ضریب درگ کلی با عدد رینولدز در اندیس پاورلای مختلف36شکل 2-21 تغییرات عدد ناسلت محلی روی سطح سیلندر برای محدوده‌ای از اعداد پرانتل در 1/0=Re و 40=Re در 5/0=n36شکل 2-22 تغییرات عدد ناسلت کلی با عدد رینولدز به ازای عدد پرانتل مختلف و در 5/0=n37شکل 2-23 خطوط جریان برای 40 Re= برای4/0 n=، 1 و 8/1 در زوایای مختلف38شکل 2-24 تغییرات طول ویک با زوایای سیلندر به ازای اندیس پاورلای مختلف برای سه عدد رینولدز38شکل 2-25 تغییرات ضریب درگ کلی با زوایای سیلندر به ازای اندیس پاورلای مختلف در اعداد رینولدز مختلف39شکل 2-26 تغییرات ضریب لیفت کلی با زوایای سیلندر به ازای اندیس پاورلای مختلف در اعداد رینولدز مختلف39شکل 2-27 تغییرات عدد ناسلت کلی با زوایای سیلندر به ازای اندیس پاورلای مختلف در اعداد رینولدز مختلف40شکل 3-1 هندسه و شرایط مرزی مسئله دوبعدی41شکل 3-2 الف) نحوه نامگذاری وجوه مختلف سیلندر و سیستم مختصات انتخابی ب) نمایش مؤلفه‌های سرعت و نیروه‌های وارد بر سیلندر42شکل 3-3 هندسه و شرایط مرزی مسئله سه بعدی44شکل3-4 نمایی از حجم کنترل و موقعیت گره‌ها حالت دوبعدی و حالت سه بعدی48شکل 3-5 نمونه‌ای از شبکه جابجا نشده53شکل 3-6 نمایی از سطوح حجم کنترل و موقعیت گره‌ها و سطوح56شکل 3-7 نمونه شبکه تولید شده برای دوسیلندر در هندسه دوبعدی59شکل 3-8 نمونه شبکه تولید شده برای تولیدکننده‌های گردابه در شبکه سه بعدی59شکل 3-9 نمایی از شبکه تولید شده برای هندسه سه بعدی در صفحه x-y60شکل3-10 نمایی از توزیع شبکه اطراف سیلندر60شکل 4-1 هندسه و شبکه مورد بررسی برای مقایسه نتایج63شکل 4-2 مقایسه نتایج ضریب درگ کلی متوسط زمانی با نتایج بوعزیز و همکاران63شکل 4-3 مقایسه نتایج عدد ناسلت کلی متوسط زمانی با نتایج بوعزیز و همکاران64شکل4-4 خطوط جریان متوسط زمانی اطراف سیلندرها به ازای اندیس پاورلا و زوایای انحراف مختلف در 60=Re66شکل4-5 خطوط جریان متوسط زمانی اطراف سیلندرها به ازای اندیس پاورلا و زوایای انحراف مختلف در 100=Re67شکل4-6 خطوط جریان متوسط زمانی اطراف سیلندرها به ازای اندیس پاورلا و زوایای انحراف مختلف در 160=Re68شکل4-7 خطوط جریان لحظه‌ای در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای اندیس پاورلای مختلف در 60=Re و 0=70شکل4-8 خطوط جریان لحظه‌ای در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای اندیس پاورلای مختلف در 160=Re و 0=71شکل4-9 خطوط جریان لحظه‌ای در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای اندیس پاورلای مختلف در 60=Re و 20=72شکل4-10 خطوط جریان لحظه‌ای در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای اندیس پاورلای مختلف در 160=Re و 20=73شکل4-11 خطوط جریان لحظه‌ای در یک سیکل ریزش گردابه اطراف سیلندرها به ازای اندیس پاورلای مختلف در 60=Re و 30=74شکل4-12 خطوط جریان لحظه‌ای در یک سیکل ریزش گردابه اطراف سیلندرها به ازای اندیس پاورلای مختلف در 160=Re و 30=75شکل 4-13 تغییرات ضریب درگ متوسط سیلندرها با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف در 20=76شکل 4-14 تغییرات ضریب درگ متوسط با اعداد رینولدز به ازای زوایای انحراف مختلف برای 8/0=n77شکل 4-15 تغییرات ضریب درگ متوسط با اعداد رینولدز به ازای زوایای انحراف مختلف برای 8/1=n78شکل 4-16 تغییرات ضریب درگ فشاری متوسط
سیلندرها با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف79شکل 4-17 تغییرات ضریب درگ اصطکاکی متوسط سیلندرها با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف79شکل 4-18 تغییرات ضریب فشار موضعی با اندیس پاورلا برای سیلندر اول در 100=Re و 20=α80شکل 4-19 تغییرات ضریب فشار موضعی با اندیس پاورلا برای سیلندر دوم در 100=Re و 20=α81شکل 4-20 تغییرات ضریب فشار موضعی با اعداد رینولدز برای سیلندر اول در 8/0=n و 20=α82شکل 4-21 تغییرات ضریب فشار موضعی با اعداد رینولدز برای سیلندردوم در 8/0=n و 20=α82شکل 4-22 تغییرات ضریب فشار موضعی با زاویه انحراف برای سیلندراول در 8/0=n و 100=Re83شکل 4-23 تغییرات ضریب فشار موضعی با زاویه انحراف برای سیلندردوم در 8/0=n و 100=Re84شکل 4-24 تغییرات ضریب لیفت متوسط سیلندرها با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف در 20=85شکل 4-25 تغییرات ضریب لیفت متوسط سیلندرها با عدد رینولدز به ازای زوایای انحراف مختلف در 8/0=n86شکل 4-26 تغییرات ضریب لیفت متوسط سیلندرها با عدد رینولدز به ازای زوایای انحراف مختلف در 8/1=n86شکل 4-27 تغییرات ضریب لیفت فشاری متوسط سیلندرها با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف در 20=87شکل 4-28 تغییرات ضریب لیفت اصطکاکی متوسط سیلندرها با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف در 20=88شکل 4-29 تغییرات عدد استروهال با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف در 20=89شکل 4-30 تغییرات عدد استروهال با عدد رینولدز به ازای زوایای سیلندری مختلف در 8/0=n89شکل 4-31 کانتورهای لحظه‌ای دما دریک سیکل ریزش گردابه برای دو اندیس پاورلا در 60=Re و 0=91شکل 4-32 کانتورهای لحظه‌ای دما دریک سیکل ریزش گردابه برای دو اندیس پاورلا در 160=Re و 0=92شکل 4-33 کانتورهای لحظه‌ای دما دریک سیکل ریزش گردابه برای دو اندیس پاورلا در 60=Re و 20=93شکل 4-34 کانتورهای لحظه‌ای دما دریک سیکل ریزش گردابه برای دو اندیس پاورلا در 160=Re و 20=94شکل 4-35 کانتورهای لحظه‌ای دما دریک سیکل ریزش گردابه برای دو اندیس پاورلا در60=Re و 30=95شکل 4-36 کانتورهای لحظه‌ای دما دریک سیکل ریزش گردابه برای دو اندیس پاورلا در 160=Re و 30=96شکل 4-37 تغییرات عدد ناسلت موضعی با اندیس پاورلا برای سیلندر اول در 100=Re و 20=97شکل 4-38 تغییرات عدد ناسلت موضعی با اندیس پاورلا برای سیلندردوم در 100=Re و 20=98شکل 4-39 تغییرات عدد ناسلت موضعی با عدد رینولدز برای سیلندر اول در 8/0=n و 20=99شکل 4-40 تغییرات عدد ناسلت موضعی با عدد رینولدز برای سیلندر دوم در 8/0=n و 20=99شکل4- 41تغییرات عدد ناسلت متوسط با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف در20=100شکل 4-42 خطوط جریان متوسط حول سیلندرها به ازای فواصل مختلف بین سیلندری و دو اندیس پاورلای مختلف در 60=Re101شکل 4-43 تغییرات ضریب درگ متوسط با عدد رینولدز به ازای فواصل بین سیلندری مختلف برای دو سیلندر در 8/0=n102شکل 4-44 تغییرات ضریب درگ متوسط با عدد رینولدز به ازای فواصل بین سیلندری مختلف برای دو سیلندر در 8/1=n102شکل 4-45 تغییرات ضریب درگ فشاری متوسط با عدد رینولدز به ازای فواصل بین سیلندری مختلف برای دو سیلندر در 8/0=n103شکل 4-46 تغییرات ضریب درگ اصطکاکی متوسط با عدد رینولدز به ازای فواصل بین سیلندری مختلف برای دو سیلندر در 8/0=n103شکل 4-47 تغییرات ضریب فشار موضعی برای فواصل بین سیلندری مختلف در سیلندر اول در 8/0=n و 160=Re104شکل 4-48 تغییرات ضریب فشار موضعی برای فواصل بین سیلندری مختلف در سیلندردوم در 8/0=n و 160=Re105شکل 4-49 تغییرات ضریب لیفت برای فواصل بین سیلندری مختلف با عدد رینولدز در 8/0=n106شکل 4-50 تغییرات ضریب لیفت برای فواصل بین سیلندری مختلف با عدد رینولدز در 8/1=n106شکل 4-51 تغییرات ضریب لیفت اصطکاکی برای فواصل بین سیلندری مختلف با عدد رینولدز در 8/0=n107شکل 4-52 تغییرات ضریب لیفت فشاری برای فواصل بین سیلندری مختلف با عدد رینولدز در 8/0=n108شکل 4-53 تغییرات عدد استروهال با عدد رینولدز به ازای فواصل بین سیلندری مختلف در 8/0=n و 20=108شکل 4-54 کانتورهای لحظه‌ای دما در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای فاصله بین سیلندری 4 ، 8/0=n و 8/1 و 60=Re110شکل 4-55 کانتورهای لحظه‌ای دما در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای فاصله بین سیلندری 4 ، 8/0=n و 8/1 و 160=Re111شکل 4-56 کانتورهای لحظه‌ای دما در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای فاصله بین سیلندری 8 ، 8/0=n و 8/1 و 60=Re112شکل 4-57 کانتورهای لحظه‌ای دما در یک سیکل ریزش گردابه از سیلندر اول به ازای فاصله بین سیلندری 8 ، 8/0=n و 8/1 و 160=Re113شکل 4-58 تغییرات عدد ناسلت موضعی روی وجوه سیلندر اول به ازای فواصل بین سیلندری مختلف در 8/0=n و 160=Re114شکل 4-59 تغییرات عدد ناسلت موضعی روی وجوه سیلندردوم به ازای فواصل بین سیلندری مختلف در 8/0=n و 160=Re114شکل 4-60 تغییرات عدد ناسلت کلی متوسط روی وجوه سیلندرها با عدد رینولدز به ازای فواصل بین سیلندری مختلف در 8/0=n115شکل 4-61 تغییرات عدد ناسلت کلی متوسط روی وجوه سیلندرها با عدد رینولدز به ازای فواصل بین سیلندری مختلف در 8/1=n116شکل 4-62 خطوط جریان متوسط اطراف تولیدکننده‌های گردابه در مقاطع عرضی مختلف در صفحه y-z به ازای اندیس پاورلای 6/0 و 4/1 در عدد رینولدز 50118شکل 4-63 خطوط جریان متوسط اطراف تولیدکننده‌های گردابه در مقاطع عرضی مختلف در صفحه y-z به ازای اندیس پاورلای 6/0 و 4/1در عدد رینولدز 500119شکل 4-64 تغییرات ضریب فشار متوسط زمانی با عدد رینولدز در جهت جریان برای 4/1=n120شکل 4-65 تغییرات ضریب فشار متوسط زمانی با عدد رینولدز در جهت جریان برای 6/0=n120شکل 4-66 تغییرات ضریب فشار متوسط زمانی به ازای اندیس پاورلا مختلف در 400=Re121شکل 4-67 تغییرات ضریب اصطکاک
متوسط زمانی با عدد رینولدز و به ازای اندیس پاورلا مختلف122شکل 4-68 تغییرات نسبت ضریب اصطکاک کلی کانال در حالت با و بدون تولیدکننده گردابه با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف122شکل4-69 کانتورهای متوسط دما در دیواره پایینی کانال حول تولید کننده‌های گردابه برای 6/0=n و4/1=n در 50=Re123شکل 4-70 کانتورهای دما در دیواره پایینی کانال حول تولیدکننده‌های گردابه برای 6/0=n و 4/1=n در 500=Re123شکل 4-71 کانتورهای متوسط دما در مقاطع عرضی مختلف در صفحه y-z در جهت جریان اصلی برای 6/0=n و 4/1=n در 50=Re124شکل 4-72 کانتورهای متوسط دما در مقاطع عرضی مختلف در صفحه y-z در جهت جریان اصلی برای 6/0=n و 4/1=n در 500=Re125شکل 4-73 تغییرات دمای بالک موضعی متوسط در جهت جریان با عدد رینولدز در 6/0=n126شکل 4-74 تغییرات دمای بالک موضعی متوسط در جهت جریان برای اندیس پاورلای مختلف در 200=Re126شکل 4-75 نمودار عددناسلت موضعی متوسط زمانی در جهت جریان بر روی دیواره بالایی و پایینی کانال برای اعداد رینولدز مختلف در 6/0=n127شکل 4-76 نمودار عددناسلت موضعی متوسط زمانی در جهت جریان بر روی دیواره بالایی و پایینی کانال برای اعداد رینولدز مختلف در 4/1=n128شکل 4-77 تغییرات عدد ناسلت کلی متوسط زمانی با عدد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف129شکل 4-78 تغییرات نسبت عدد ناسلت کلی کانال در حالت با و بدون تولید کننده گردابه با عدد رینولدز در اندیس پاورلای مختلف129شکل 4-79 تغییرات فاکتور کولبرن متوسط زمانی با اعداد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف130شکل 4-80 تغییرات ضریب عملکرد حرارتی متوسط با اعداد رینولدز به ازای اندیس پاورلای مختلف131شکل 4-81 خطوط متوسط جریان اطراف تولید کننده‌های گردابه برای چهار ارتفاع مختلف تولیدکننده گردابه در 6/0=n و 400=Re132شکل 4-82 تغییرات ضریب فشار متوسط زمانی برای چهار ارتفاع مختف تولیدکننده گردابه در6/0n= و برای400Re=133شکل 4-83 نمودار تغییرات ضریب اصطکاک برای چهار ارتفاع مختلف تولید کننده گردابه با عدد رینولدز در 6/0=n134شکل 4-84 کانتورهای متوسط دمای اطراف تولیدکننده‌های گردابه برای چهار ارتفاع تولید کننده گردابه در 6/0=n و 400=Re135شکل 4-85 تغییرات دمای بالک در جهت جریان اصلی برای چهار ارتفاع مختلف تولید کننده گردابه در 6/0 =n و 400=Re136شکل 4-86 عدد ناسلت موضعی در راستای جریان برای دیواره بالایی و پایینی کانال را برای چهار ارتفاع مختلف تولیدکننده گردابه به ازای 400=Re و 6/0=n137شکل 4-87 تغییرات عدد ناسلت کلی متوسط با عدد رینولدز به ازای ارتفاع مختلف تولیدکننده گردابه در 6/0=n و 400=Re138شکل 4-88 تغییرات ضریب کولبرن متوسط با عدد رینولدز به ازای ارتفاع مختلف تولیدکننده گردابه در 6/0=n و 400=Re139شکل 4-89 تغییرات ضریب عملکرد کلی تولیدکننده‌های گردابه با عدد رینولدز به ازای ارتفاع مختلف تولیدکننده گردابه در 6/0=n و 400=Re139فهرست جدول‌ها
جدول3-1 مقادیر بی‌بعد مشخصه‌های هندسی مطرح شده در این تحقیق برای مسئله دوبعدی41جدول 3-2 مقادیر بی‌بعد مشخصه‌های هندسی مطرح شده در این تحقیق برای مسئله سه بعدی44جدول4-1 مقایسه پارامترهای کلی جریان با شبکه‌های مختلف(160=Re و 8/0=n)61جدول 4-2 مقایسه درصد اختلاف در نتایج پارامترهای کلی ناشی از حل میدان با شبکه‌های مختلف(160=Re و 8/0=n)62جدول4-3 مقایسه پارامترهای کلی جریان با شبکه‌های مختلف(500=Re و 4/1=n)117جدول 4-4 مقایسه درصد اختلاف در نتایج پارامترهای کلی ناشی از حل میدان با شبکه‌های مختلف(500=Re و 4/1=n)117فصل اولمقدمه1-1 لایه مرزیلایه مرزی هیدرودینامیکی (شکل 1-1)، ناحیه ای از جریان است که در آن، نیروهای تنش برشی، نیروهای به وجود آمده ناشی از حضور دیواره جامد می باشند یا ناحیه ای است که جریان اطراف متأثر از حضور دیواره می باشند. به عبارت دیگر، لایه مرزی هیدرودینامیکی ناحیه ای از جریان است که در آن سیال اصطکاک و درگ[1] حاصل از حضور دیواره را حس می‌نماید. در این حالت، نزدیکترین مولکولها به دیواره ( که به دیواره چسبیده‌اند) به واسطه شرط عدم لغزش، نسبت به دیوار اصلاً حرکت نمی‌کنند. با فاصله گرفتن از دیواره، رفته رفته اثر دیواره بر روی جریان آنقدر کم می‌شود که دیگر جریان حضور دیواره را حس نمی‌کند، یا به عبارت دیگر اثر دیواره بر روی لایه های دور جریان از بین می‌رود. به این ناحیه به اندازه کافی دور از دیواره و غیر متأثر از دیواره اصطلاحاً ناحیه جریان آزاد گفته می‌شود.
از نقطه نظر انتقال حرارت، لایه مرزی حرارتی (شکل1-2)، ناحیه‌ای است که در آن از نقطه نظر توزیع دما، جریان اطراف متأثر از حضور دیواره‌ای با دمای متفاوت از جریان است. تشکیل لایه مرزی حرارتی و لایه لایه شدن سیال باعث تشکیل عایق و تشکیل مقاومت در مقابل انتقال حرارت از دیواره به سیال می‌گردد. در لایه مرزی تشکیل شده در جریان های آشفته، به واسطه حرکات آشفته جریان، شکل منظم لایه‌های جریان مجاور دیواره از بین رفته و لذا لایه‌های ممانعت کننده میان دیواره و جریان آزاد به نوعی کنار رفته و انتقال حرارت بهتری در مقایسه با جریان‌های آرام صورت می‌گیرد.

شکل 1-1 لایه مرزی هیدرودینامیکی تشکیل شده بر روی صفحه تخت[1]
شکل 1-2 لایه مرزی حرارتی تشکیل شده بر روی صفحه تخت[1]1-2 تبدیل جریان آرام به آشفتهبرای رسیدن به جریان آشفته مخصوصاً بر روی سطوح جامد و در داخل کانال‌های باز و یا لوله‌ها، ابتدا جریان بایستی از حالت آرام وارد مرحله گذر از حالت آرام به آشفته و در نهایت وارد فاز جریان آشفته گردد. گاهی اوقات نیز ممکن است به واسطه عوامل مختلف خارجی، ناحیه گذرا کوچک شده و یا حتی ناپدید گردد که در این صورت تبدیل مستقیم جریان آرام به آشفته در طول یک مسیر کوتاه را شاهد خواهیم بود. به عنوان مثال، در لایه مرزی تشکیل شده بر روی سطوح غیر هموار و یا بر روی سطوح دارای انتقال جرم از طریق سطوح و یا در جریان‌های اختلاطی و یا در جریان‌های مافوق صوتی که اندرکنش شوک و لایه مرزی را داریم می‌توان حالاتی را مشاهده نمود که در آنها تبدیل جریان آرام به آشفته در طی یک فاصله بسیار کوتاه را شاهد باشیم.
گذر از حالت جریان آرام به آشفته در طی فرآیندی رخ می دهد که در آن هسته‌ها و نطفه‌های محلی آشفتگی آنقدر بر روی هم انباشته می‌شوند که تمام میدان جریان را پر می‌کنند. این فرآیند را می‌توان همانند آلودگی تدریجی یک جریان عبوری از روی یک سطح آلوده درنظرگرفت که در فواصل و زمان‌های کوتاه، بخش عمده‌ای از جریان پاکیزه و تنها بخش کوچکی از آن آلوده می‌باشد، اما چنانچه به این فرآیند فرصت و مکان کافی داده‌ شود و هیچ عامل از بین برنده آلودگی نیز وجود نداشته باشد، آنقدر آلودگی ها در جریان انباشته می‌شوند که تمام جریان آلوده گردد. به این فرآیند تدریجی انباشته شدن توده‌های محلی آشفتگی بر روی هم، فرآیند گذر از حالت جریان آرام به آشفته گفته می‌شود. برای گذر از حالت جریان آرام به آشفته، مسافت و زمان مشخصی نیاز است تا تمام جریان از هسته‌های آشفتگی اشباع گردد.

شکل 1-3 جریان آرام و تبدیل آن به جریانی آشفته در حین گذر از ناحیه گذرا[1]چنانچه میزان آشفتگی موجود در جریان آزاد بالا برود و یا آنکه زبری سطح افزایش یابد، می‌توان انتظار داشت که گذر از حالت آرام به آشفته در مسافتی کوتاهتر و به عبارت دیگر سریعتر رخ دهد و بالعکس. میزان آشفتگی موجود در جریان آزاد را می توان به صورت نطفه‌های آشفتگی موجود در جریان آزاد درنظرگرفت که چنانچه این نطفه‌ها در فضای مساعد برای رشد و نمو قرار‌گیرند، می‌توانند باعث آشفته‌شدن جریان گردند. اینکه این نطفه ها چطور به وجود آمده‌اند و یا از کدام منبع سرچشمه گرفته‌اند، مهم نمی‌باشد. در برخی دیگر از مسائل مهندسی، اثراتی همچون اثر گریز از مرکز، اثر تغییرات چگالی، اثر جاذبه زمین و اثرات کاویتاسیون، ترکیدن حباب، واکنش‌های شیمیایی، اثرات اغتشاشی میدان‌های الکترومغناطیسی و غیره نیز می‌توانند باعث تسریع جریان در رسیدن به حالت آشفته گردند. [1]
1-3 جدایی جریان
دو اثر بسیار مهم در جریان سیالات شامل اثرات اینرسی و لزجت است. میزان تأثیر متقابل این دو اثر با تعریف عدد بدون بعد رینولدز ارزیابی می‌گردد. این عدد به صورت نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای لزجت تعریف می‌شود: (1-1)
بزرگ بودن عدد رینولدز به معنی حاکم بودن اثرات اینرسی و کوچک بودن آن به معنای غالب بودن اثرات لزجت است. لازم به ذکر است که مفهوم عدد رینولدز در رابطه با مرزها که بر جریان اثر می‌گذارند، یک کمیت موضعی است. به عبارت دیگر انتخاب‌های مختلف طول مشخصه L در محاسبه عدد رینولدز، منجر به مقادیر مختلفی برای این پارامتر خواهد شد. بنابراین جریان بر روی یک جسم ممکن است که محدوده وسیعی از اعداد رینولدز را شامل شود که بستگی به محلی دارد که مطالعه بر روی آن انجام می‌شود. بنابراین در بحث جریانی که از روی یک جسم عبور می‌کند، معمولاً طول مشخصه L به گونه‌ای انتخاب می‌شود که نمایانگر یک بعد کلی از جسم باشد.
اصولاً لزجت تمایل به متوقف کردن حرکت سیال دارد و در صورت نبود عاملی برای ادامه جریان، حرکت سیال به دلیل وجود لزجت به مرور کاهش پیدا کرده و نهایتاً متوقف می‌شود. عامل ادامه جریان در لایه مرزی گرادیان فشار است. گرادیان فشار منفی در جهت جریان عامل تقویت جریان است و باعث افزایش ممنتوم سیال می‌گردد، در این حالت ضخامت لایه مرزی تمایل به کاهش دارد اما اگر فشار در جهت جریان افزایش یابد (گرادیان فشار معکوس) ضخامت لایه مرزی به سرعت افزایش می‌یابد. در این حالت گرادیان فشار به شکل عاملی که با جریان مخالفت می‌کند عمل نموده و باعث کاهش ممنتوم سیال می‌گردد و به تدریج باعث متوقف شدن سیال روی مرز و حتی حرکت آن در خلاف جهت جریان می‌گردد. به این پدیده جدایی جریان می‌گویند. در نقطه جدایی جریان گرادیان سرعت برابر صفر بوده و خط جریان از مرز جدا می‌شود.
1-4 روش‌های افزایش انتقال حرارتروش‌های افزایش انتقال حرارت تک فازی ممکن است به صورت کنش‌گر[2](فعال)، کنش‌پذیر[3](غیرفعال) و ترکیبی[4] دسته‌بندی شوند. روش‌های کنش‌گر به نیروی خارجی نیاز دارند، مانند میدان‌های الکترونیکی یا آکوستیک، تجهیزات مکانیکی یا ارتعاش سطح. در مقابل روش‌های کنش‌پذیر به نیروی خارجی نیاز ندارند و از یک هندسه سطح ویژه و یا سیال افزوده برای افزایش انتقال حرارت استفاده می‌کنند. روش‌هایی که هم زمان از بیشتر از یک روش برای افزایش انتقال حرارت استفاده می‌کنند، به عنوان روش‌های ترکیبی شناخته می‌شوند.
دو دسته بندی دیگر از روش‌های افزایش انتقال حرارت نیز وجود دارند که عبارتند از: افزایش انتقال حرارت با استفاده از جریان اصلی و جریان ثانویه. در روش جریان اصلی، مشخصات اصلی جریان با تغییرات هندسی، تغییرات فشار و با روش‌های دیگر تغییر می‌کنند. در روش جریان ثانویه ساختارهای جریان محلی به طور تعمدی وارد می‌شوند. جریان اصلی می‌تواند به صورت‌های کنش‌گر یا کنش‌پذیر تغییر کند. پره‌های موج‎دار یا کانال‌های شیاردار نمونه‌هایی از تغییر جریان اصلی به صورت کنش‌پذیر و جریان ضربانی[5] نمونه‌ای از تغییر جریان اصلی به صورت کنش‌گر است. جریان ثانویه نیز می‌تواند به صورت کنش‌گر یا کنش‌پذیر باشد. استفاده از برآمدگی سطح یک نمونه از جریان ثانویه کنش‌پذیر و نیز استفاده از الکتروهیدرودینامیک برای تولید گردباد نمونه‌ای از جریان ثانویه کنش‌گر است. تولید گردابه برای افزایش انتقال حرارت یک نمونه از روش جریان ثانویه است. گردابه تولید شده می‌تواند به صورت‌های کنش‌گر یا کنش‌پذیر موجب افزایش انتقال حرارت شود.[2]
1-5 گردابه[6]گردابه ها حالت خاصی از حرکت سیال هستند که ریشه در چرخش المان سیال دارند که در آنها جریان به دور یک مرکز می‌چرخد. سرعت چرخش جریان با دور شدن از مرکز گردابه کمتر می‌شود و در مرکز گردابه جریان دارای سرعت و نرخ چرخش بزرگتری است. در مرکز گردابه به دلیل سرعت بیشتر، فشار سیال کمترین مقدار خود را دارد و در حالت سه بعدی، هر گردابه دارای یک خط مرکزی است که ذرات سیال به دور آن می‌چرخند و چند گردابه موازی با جهت چرخش یکسان می‌توانند در هم ادغام شده و تشکیل گردابه‌های واحد نمایند. انرژی گردابه‌ها به دلیل اثرات لزجت تلف می‌گردد و پس از مدتی گردابه‌ها محو می‌گردند. این پدیده مهم نه تنها در جریان هاي برشی آرام و آشفته بلکه در جریان هاي ایده آل نیز دیده می‌شود و در تحلیل نیروها و فرآیندهاي انتقال نقش اساسی دارد.
به طور کلی دو نوع گردابه عرضی و طولی وجود دارد. محور گردابه عرضی عمود بر جهت جریان اصلی قرار می‌گیرد. مسیر گردابه کارمن پشت یک سیلندر نامحدود در جریان متقاطع یک نمونه کلاسیک از سیستم گردابه عرضی است. گردابه های طولی دارای محورهایی موازی با جهت جریان اولیه هستند. جریان حول جهت جریان اصلی می‌پیچد و همیشه سه بعدی است. باله مثلثی با یک زاویه حمله می‌تواند نمونه کلاسیک تولید کننده گردابه طولی باشد.[3]
1-6 ریزش گردابهگردابه‌ها از سطوح جلویی جریان جسم جریان‌بند شروع به تشکیل شدن می‌کنند و با رشد لایه‌های برشی، از جسم جدا شده و گردابه‌های بزرگی در جریان پایین دست تولید می‌کنند. قسمت داخلی لایه‌ برشی ایجاد شده روی جسم، با سرعت کمتری نسبت به لایه‌های خارجی که تحت تأثیر جریان آزاد قرار دارد، حرکت می‌کند. به همین علت لایه‌های برشی به شکل گردابه‌هایی درآمده و در جریان پخش می‌شوند. به این پدیده که شامل تولید گردابه‌ها و جدایش آنها از سطوح بالایی و پایینی اجسام و پخش آنها در جریان است ریزش گردابه[7] گویند. بررسی ناحیه گردابه‌ای پشت جسم برای اولین بار توسط استروهال[8] انجام گرفت. بر طبق تحقیقات وی، می‌توان پدیده ریزش گردابه را با عدد بدون بعدی به نام استروهال ارزیابی نمود:
(1-2)
در این رابطه، f فرکانس یک سیکل کامل ریزش گردابه، L مشخصه‌ای از بعد جسم که عمود بر جریان متوسط سیال و U سرعت سیال می‌باشد.
ریزش گردابه در بسیاری از جریان‌های موجود در طبیعت و صنعت دیده می‌شود و در بعضی موارد اثرات بسیار مخربی بر سازه‌ها داشته و ممکن است موجب آسیب و یا حتی تخریب آنها شود. ریزش گردابه معمولاً در پی عبور سیال از جریان بندها اتفاق می‌افتد. به دلیل آنچه قبلاً بیان شد، در پشت اجسام جریان بند گردابه‌هایی تشکیل شده و به طور متناوب با فرکانسی مشخص از جسم جدا شده و در پایین دست جریان پخش می‌شوند. عبور جریان لزج از یک جسم باعث به وجود آمدن نیروهایی در جهت جریان و عمود بر جهت جریان بر جسم می‌شود که به ترتیب به آن نیروی درگ و نیروی لیفت[9] می‌گویند که در صورت تقارن، با سرعت ثابت سیال این نیروها مقدار ثابتی داشته و تغییر نمی‌کنند. ریزش گردابه به دلیل آنکه گردابه‌ها یکی در میان از بالا و پایین جسم جدا می‌شوند، در فیزیک جریان عدم تقارن بوجود آورده و فرکانس ریزش گردابه به جریان القا می‌شود. بنابراین نیروهای لیفت و درگ وارد بر جسم دیگر ثابت نبوده و جهت اعمال آنها بر جسم با فرکانسی برابر با فرکانس ریزش گردابه تغییر می‌نماید. این پدیده به تنهایی موجب لرزش جسم می‌شود اما مشکل اساسی آنجا آغاز می‌شود که فرکانس ریزش گردابه یا همان فرکانس تغییر جهت نیروهای لیفت و درگ با فرکانس طبیعی جسم برابر شود که این باعث بوجود آمدن پدیده تشدید شده، دامنه نوسانات جسم به مرور افزایش یافته که در نهایت تأثیر مخربی بر سازه‌هایی که در جریان سیال نقش جریان بند را ایفا می‌کنند خواهد داشت.
برای مثال دودکش‌ها که در جریان هوا قرار دارند نوعی جریان‌بند محسوب شده و برای جلوگیری از تخریب، دیواره آنها نازک و جنس آنها از فولاد است. راه دیگر برای جلوگیری از تخریب دودکش‌ها مغشوش کردن جریان و به تعویق انداختن جدایی جریان که منجر به ریزش گردابه می‌گردد است که این کار با پوشاندن سطح دودکش‌ها با حایلهای مارپیچی انجام می‌شود. مثال دیگر از این نوع جریان، عبور سیال از اطراف پل‌ها و ساختمان‌های بلند است که مشخص است پدیده تشدید چه آثار زیانباری می‌تواند داشته باشد.
بنابراین جلوگیری و کنترل ریزش گردابه امری بسیار مهم بوده و در طراحی سازه‌ها می‌بایست به نوعی از جدایش جریان و ریزش گردابه جلوگیری به عمل آورد. راه‌های متعددی برای کنترل ریزش گردابه توسط محققین مطرح گردیده که از آن جمله می‌توان به قرار دادن یک صفحه جدا کننده[10] در نزدیکی محل جدایش جریان اشاره کرد. این عمل به نوعی جسم را به حالت خط جریانی بودن نزدیک می‌کند. این صفحه با ممانعت از تداخل جریان، موجب برقراری آرامش در ناحیه عبور جریان می‌شود. از راه‌های دیگر کنترل ریزش گردابه می‌توان به مکش[11] از دیواره جسم اشاره نمود که باعث کاهش ضخامت لایه مرزی روی جریان‌بند شده و جدایش جریان را به تعویق می‌اندازد. همچنین دیده شده‌است که وجود دیوار در مجاورت جسم جریان‌بند می‌تواند ریزش گردابه را کاهش داده و یا حتی متوقف نماید. [4]
1-7 تولید کننده‌های گردابه همانطور که قبلاً اشاره شد، دو نوع گردابه عرضی و طولی ممکن است ایجاد شوند. گردابه‌های عرضی و تولیدکننده‌هایشان با بی ثبات کردن جریان به طور اساسی بر انتقال حرارت اثر می‌گذارند. گردابه های طولی و تولیدکننده‌هایشان ممکن است شامل تمام سه مکانیزم انتقال حرارت باشند. بعلاوه، گردابه های طولی در طول فواصل بلند در جهت جریان کشیده شده و فقط در جریانهای با عدد رینولدز بالا به آهستگی پخش می‌شوند. بنابراین تولیدکننده‌های گردابه که اساساً گردابه‌های طولی تولید می‌کنند به طور خاص برای کاربردهای انتقال حرارت مناسب هستند. تأثیر سیستم گردابه روی انتقال حرارت و افت‌های جریان به تولید کننده‌های گردابه و جریان مرجع بدون تولید کننده‌های گردابه بستگی خواهد داشت. در شکل 1-4 سیستم گردابه عرضی و شکل 1-5 تولید کننده گردابه طولی قابل مشاهده است.

شکل1-4 مسیر گردابه کارمن پشت یک استوانه در جریان متقاطع در 140=Re [5]
شکل 1-5 کانال با چیدمان باله های مربعی [5]1-8 کاربردهای تولیدکننده گردابهتولید کننده‌های گردابه، در محدوده ای از کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما به طور متداولتر در کاربردهای کنترل جدایش، مخلوط سازی و انتقال حرارت به کار گرفته می‌شوند. در کاربردهای کنترل جدایش، معمولأ روی سطوح خارجی مانند ایرفویل‌ها، در کاربردهای هوانوردی و بر روی توربین‌های گوناگون مورد استفاده در وسایل نقلیه جاده‌ای و کشتی‌ها یافت می‌شوند. همچنین در سطوح داخلی مانند کانال‌ها، دیفیوزرها و پره‌های کمپروسورها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کاربردهای مخلوط سازی، تولیدکننده‌های گردابه می‌توانند به عنوان مثال برای مخلوط کردن سم، اسید و یا دیگر مواد شیمیایی خطرناک استفاده شوند. در کاربردهای انتقال حرارت، تولید گردابه یکی از بهترین روش‌هایی است که برای افزایش انتقال حرارت به کار می‌رود. عملکرد اصلی تولید کننده‌های گردابه جابجایی سیال با دمای کم به سمت یک سطح گرم به منظور خنک کردن سطح و انتقال سیال گرم از دیواره است. در این روش، سیال خنک به طور مداوم به سمت دیواره گرم شده هدایت خواهد شد تا دمای سطح تحت کنترل بماند. این کاربرد ممکن است به عنوان مثال در مبدل های حرارتی مورد توجه قرار گیرد. عملکرد مبدل حرارتی اغلب به علت اینکه ضرایب جابجایی به طور ذاتی برای بخش گاز از مایع یا جریان دوفازی کمتر است، به بخش گازی محدود می شود. این محدودیت و میل به بهبود عملکرد انرژی با حجم کاهش یافته و هزینه های تولید منجر به انگیزه ای برای تحقیق در افزایش انتقال حرارت بخش گاز می شود.
از جمله مزایای تولیدکننده‌های گردابه مؤثر بودن، مقرون به صرفه بودن و نصب و راه اندازی آسان است که این مزیت‌ها دلیل بر این امر است که چرا به طور کلی آنها اولین گزینه برای استفاده جهت کنترل جریان می‌باشند. [6]
1-9 سیالات غیر نیوتنیسیال غیرنیوتنی، سیالیست که منحنی جریان (تنش برشی در برابر نرخ برش)، غیرخطی بوده و یا اینکه از مبدأ نمی‌‌گذرد. به این معنی که لزجت ظاهری، تنش برشی تقسیم بر نرخ برش، در یک دما وفشار داده شده ثابت نبوده و به شرایط جریان مثل هندسه جریان، نرخ برش و غیره و حتی بعضی اوقات به سابقه سینماتیکی المان سیال تحت بررسی بستگی دارد. از آنجاییکه این سیالات به طور فزاینده در یک طیف گسترده در فرایندهای صنعتی به کار گرفته می‌شوند، درک شاخص‌های آنها اهمیت یافته است. به طوریکه در دو دهة گذشته تحقیقات فراوانی در مقالات گزارش شده‌است. همانگونه که در شکل 1-6 نشان داده شده‌است، هنگامی که نیروی F در جهت x به صفحه بالایی اعمال شود، سرعت دائمی u ایجاد خواهد شد و به واسطه پیوستگی بین سیال و صفحه بالایی، سیال کشیده می‌شود. تنش برشی منتجه با رابطه بیان می‌شود که A مساحت صفحه بالایی است.

شکل 1-6 توزیع سرعت در یک سیال نیوتنی [7]اگر سیال نیوتنی باشد، مطابق آنچه در شکل 1-6 نشان داده شده است، گرادیان سرعت یا نرخ برش در عرض لایه سیال ثابت است. شیب منحنی تنش برشی برحسب گرادیان سرعت همان ضریب لزجت سیال است که برای سیال نیوتنی فقط به دما و فشار وابسته است و مستقل از نرخ برش می‌باشد. برای سیال غیرنیوتنی نمودار بر حسب یک خط مستقیم گذرنده از مبدأ نیست و لزجت ظاهری که نسبت تنش برشی به برآیند نرخ برش تعریف می‌شود ممکن است با نرخ برش افزایش یا کاهش یابد. در بعضی از سیالات ممکن است به مدت برش نیز بستگی داشته باشد. این بی‌قاعدگی در لزجت تحت عنوان رفتار غیرنیوتنی مورد بحث قرار خواهد گرفت.
سیالات غیرنیوتنی به سه دسته کلی زیر تقسیم بندی می شوند:
1-سیالاتی که نرخ برش در هر نقطه فقط با مقدار تنش برشی در آن نقطه در آن لحظه مشخص می‌شود. این سیالات به صورت‌های گوناگون ‘مستقل از زمان’، ‘کاملاً لزج’، ‘غیر‌قابل انعطاف’ یا ‘سیالات نیوتنی تعمیم یافته’ ([12]GNF) شناخته می‌شوند.
2-سیالات پیچیده‌تری که رابطه بین تنش برشی و نرخ برش، به مدت برش و سابقه سینماتیکی آنها نیز بستگی دارد. آنها ‘سیالات وابسته به زمان’ نامیده می شوند. و سرانجام،
3-موادی که هم مشخصات سیالات ایده‌آل و هم جامدات الاستیک را نشان داده و بعد از تغییر‌شکل بازیابی جزئی الاستیک از خود نشان می‌دهند. آنها به عنوان ‘سیالات ویسکوالاستیک’ طبقه‌بندی می‌شوند.
این شیوه تقسیم بندی از آنجاییکه بیشتر مواد واقعی اغلب ترکیبی از دو و یا حتی هر سه نوع صورت های غیرنیوتنی را نشان می‌دهند، اختیاری است. به طور‌کلی، تعیین مشخصات غیرنیوتنی حاکم و استفاده از آن به عنوان مبنایی برای روند محاسباتی بعدی امکان پذیر است. همچنین، همانطور که قبلا ذکر شد، تعریف یک ویسکوزیته ظاهری برای این مواد به عنوان نسبت تنش برشی به نرخ برش مناسب می‌باشد. با وجود اینکه این نسبت تابعی از تنش برشی یا نرخ برش و/یا از زمان است.
1-9-1 سیال مستقل از زماندر برش ساده، رفتار جریان این دسته از مواد ممکن است به صورت زیر توصیف شود:
(1-3)
یا به صورت معکوس:
(1-4)
این معادله نشان می‌دهد که مقدار در هر نقطه بین سیال برش داده شده فقط با مقدار فعلی تنش برشی در آن نقطه یا برعکس مشخص می‌شود. بسته به شکل تابع در معادله (1-3) یا (1-4)، این سیالات ممکن است به سه نوع دیگر تقسیم شوند: 1-شبه پلاستیک 2-ویسکوپلاستیک[13]، 3- دایلاتنت[14]. منحنی‌های کیفیت جریان بر روی مقیاس‌های خطی برای این سه نوع رفتار سیال و همچنین رابطه خطی سیالات نیوتنی در شکل(1-7) نشان داده می‌شوند.

شکل1-7 انواع سیالات مستقل از زمان [7]1-9-1-1 سیالات شبه پلاستیکرایج ترین نوع رفتار مشاهده شده در سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان، شبه پلاستیک است که با یک ویسکوزیته ظاهری که با افزایش نرخ برش کاهش می‌یابد، مشخص می‌شود. هم در نرخ‌های برشی خیلی پایین و هم خیلی بالا، بیشتر محلول‌های پلیمری و فلزات مذاب رفتار نیوتنی نشان می‌دهند، یعنی، همانطور که در شکل(1-7) نشان داده شده است، نمودار تنش برشی-نرخ برش به صورت مستقیم الخط و روی یک مقیاس خطی از مبدأ خواهد گذشت.

شکل1-8 نمایش شماتیکی رفتار سیال شبه پلاستیک [7] مقادیر ویسکوزیته ظاهری در نرخ های برشی خیلی پایین و بالا به ترتیب به عنوان ویسکوزیته برشی صفر، ، و ویسکوزیته برشی بینهایت، ، شناخته می‌شوند. بنابراین، ویسکوزیته ظاهری یک سیال شبه پلاستیک با افزایش نرخ برشی از تا کاهش می‌یابد. شکل(1-8) نمودار ویسکوزیته ظاهری-نرخ برش یک محلول رقیق پلی‌اکریل را در k293 نشان می‌دهد. نمونه‌های دیگری از این نوع سیالات عبارتند از: اغلب مرکب‌‌های چاپ، خمیر کاغذ، ناپالم (ماده مخصوص تغلیظ بنزین و تهیة بمب آتش زا)، محلولهای لاستیک، چسب‌ها، گریس‌ها، داروها و فرآورده‌های خونی.

شکل1-9 نمایش ویسکوزیته های برشی صفر و بینهایت برای یک محلول پلیمری (boger1977) [7]مدل‌های ریاضی سیال شبه پلاستیک
1-مدل پاورلا[15] یا مدل( Ostwald de Waele)
رابطه بین تنش برشی و نرخ برش برای یک سیال شبه پلاستیک اغلب می‌تواند بوسیله یک منحنی مستقیم الخط بر روی گستره محدود نرخ برشی(یا تنش) تخمین زده شود. برای این منحنی جریان شکل معادله زیر قابل کاربرد است:
(1-5)
پس ویسکوزیته ظاهری برای سیال به اصطلاح پاورلا (یا Ostwald de Waele) به این صورت به دست می‌آید:
(1-6)
برای 1n <، سیال خواص شبه پلاستیک را نشان می‌دهد.
برای 1=n، سیال رفتار نیوتنی نشان می‌دهد.
برای 1n >، سیال خواص دایلاتنت را نشان می‌دهد.
در این معادلات m و n دو پارامتر تجربی بوده و به ترتیب به عنوان ضریب سازگاری سیال و شاخص رفتار جریان شناخته می‌شوند. برای یک سیال شبه پلاستیک شاخص ممکن است هر مقداری بین 0 و1را دارا باشد. برای یک سیال شبه پلاستیک شاخص n از واحد بزرگتر خواهد بود. وقتیکه 1=n معادلات (1-5) و (1-6) به معادله (1-7) که رفتار سیال نیوتنی را بیان می‌کند، خلاصه می شود:
(1-7)
اگرچه مدل پاورلا ساده ترین تعریف رفتار سیال شبه پلاستیک را پیشنهاد می‌کند، نقایصی دارد. به طور کلی، فقط تحت گستره محدودی از نرخ های برشی به‌کار می‌رود و بنابراین مقادیر به‌دست آمده m و n به محدوده نرخ های برشی مطرح شده بستگی خواهند داشت. بعلاوه، ویسکوزیته های برشی صفر و بینهایت را همانطور که با خطوط نقطه چین در شکل (1-7) نشان داده شده پیشگویی نمی‌کند. درنهایت، باید توجه شود که ابعاد ضریب سازگاری جریان، m، به مقدار عددی n بستگی دارد و بنابراین مقادیر m وقتی‌که مقادیر n متفاوتند نباید مقایسه شوند. از سوی دیگر، مقدار m می‌تواند به عنوان مقدار ویسکوزیته ظاهری در نرخ برش واحد در نظر گرفته شود و بنابراین به واحد زمان مورد استفاده بستگی خواهد داشت. (به عنوان مثال: ثانیه، دقیقه یا ساعت).
2-معادله ویسکوزیته کاریو[16]:
با در نظر گرفتن شبکه مولکولی، کاریو (1972)، این مدل ویسکوزیته را که هر دو حد ویسکوزیته ها و را در معادله وارد می‌کند، پیش رو قرارداد:
(1-8)
که (1n<) و دو پارامتر هستند. این مدل می‌تواند رفتار سیال شبه پلاستیک را تحت محدوده وسیعی از نرخ های برشی شرح دهد. این مدل رفتار سیال نیوتنی را وقتی 1=n یا 0= و یا هر دو باشند، پیشگویی می‌‌کند.
3-معادله ویسکوزیته کراس[17]:
یکی دیگر از مدل ها متعلق به کراس (1965) است که در برش ساده به این صورت نوشته می‌‌شود:
(1-9)
در معادله (1-9)، (1n<) و k دو پارامتر مناسب هستند با در نظر گرفتن اینکه و مقادیر حدی ویسکوزیته ظاهری به ترتیب در نرخ های برشی بالا و پایین هستند. این مدل با ساده می‌‌‌شود. به طور مشابه وقتی و، به مدل شناخته شده پاورلا معادله (1-7)ساده می‌شود.
4-مدل سیال الیس[18] :
در برش ساده، ویسکوزیته ظاهری مدل سیال الیس به این صورت داده می‌شود:
(1-10)
در این معادله، ویسکوزیته برشی صفر است و دو ثابت باقیمانده () و پارامترهای قابل تنظیم هستند. در حالیکه اندیس مقیاسی از درجه رفتار سیال شبه پلاستیک است. مقدار تنش برشی در ویسکوزیته ظاهری است که به نصف مقدار برشی صفر خود کاهش می‌یابد. معادله (1-10) رفتار سیال نیوتنی را در حد پیشگویی می‌کند. می‌توان به طور ساده مشاهده نمود که در محدوده میانی تنش برشی (یا نرخ برش)، ، و معادله (1-10) به معادله (1-7) با و ساده می‌شود.
1-9-1-2 سیال ویسکوپلاستیکرفتار این نوع سیال بوسیله یک تنش تسلیم () که باید قبل از تغییر شکل دادن سیال یا جریان اعمال شود، مشخص می‌شود. به طور معکوس، وقتی که تنش خارجی به کار گرفته شده کوچکتر از تنش تسلیم است، مواد به طور الاستیکی تغییرشکل می‌یابند. هنگامیکه بزرگی تنش خارجی از مقدار تنش تسلیم بیشتر شود، ممکن است منحنی جریان خطی یا غیرخطی باشد اما از مبدأ نمی‌گذرد (شکل(1-7)). از این رو، در غیاب تأثیرات کشش سطحی، چنین ماده ای تحت جاذبه، به شکل یک سطح آزاد کاملاً صاف یکنواخت نخواهد شد. هرچند، می‌توان رفتار این نوع سیال را بوسیله این اصل که مواد در حالت سکون از یک ساختار سه بعدی با استحکام کافی جهت مقاومت در برابر هر تنش خارجی کمتر از برخوردار هستند، شرح داد. اما برای تنش‌های بزرگتر از ، ساختار از هم گسسته شده و ماده همانند یک ماده لزج رفتار می‌کند. در بعضی موارد تشکیل و از هم پاشیدگی ساختار برگشت پذیر است. یعنی، ممکن است ماده مقدار اولیه تنش تسلیم خود را بازیابی کند.
سیال با منحنی جریان خطی، برای ، سیال پلاستیک بینگهام[19] نامیده می‌شود و بوسیله یک ثابت ویسکوزیته پلاستیک (نمودار تنش برشی در برابر منحنی نرخ برش) و یک تنش تسلیم مشخص می‌شود. شکل(1-9) رفتار ویسکوپلاستیکی که در یک عصاره گوشت و یک محلول پلیمری را نشان می‌دهد.

شکل1-10 داده های تنش برشی-نرخ برش رفتار ویسکوپلاستیک در یک عصاره گوشت (پلاستیک Bingham) و یک محلول پلیمری رقیق کاربوپل رانشان می‌دهد.(تسلیم-شبه پلاستیک) [7]مدل ریاضی برای سیالات ویسکوپلاستیک
سه مدل متداول مورد استفاده برای سیالات ویسکوپلاستیک به طور مختصر در اینجا شرح داده شده اند:
1-مدل پلاستیک بینگهام
این ساده ترین معادله ای است که رفتار جریان سیال همراه با تنش تسلیم و در برش یک بعدی پایدار را شرح می‌دهد و به این صورت نوشته می‌شود:
(1-11) برای
برای
اغلب صرفنظر از اینکه آیا سیال دارای یک تنش تسلیم صحیح است یا خیر دو پارامتر مدل و به عنوان ثوابت منحنی تلقی می‌شوند.
1- مدل سیال هرشل- بالکی[20]:
یک تعمیم ساده از مدل پلاستیک بینگهام برای دربر گرفتن منحنی جریان غیرخطی ()، مدل سه ثابته سیال هرشل- بالکی است. در حرکت برشی یک بعدی پایدار به این صورت نوشته می‌شود:
(1-12) برای
برای
توجه شود که در اینجا نیز، ابعاد m به مقدار n بستگی دارد. مفهوم فیزیکی m و n (1< n) در معادله (1-12) مشابه با آنچه در معادله (1-6) بود، می‌باشد. با استفاده از پارامتر سوم، این مدل قدری بهتر با برخی از داده های تجربی سازگار می‌شود.
2-مدل سیال کیسون[21]:
برخی مواد غذایی و بیولوژیکی (زیستی)، به خصوص خون، به خوبی با استفاده از مدل دو ثابته زیر بیان می‌شوند:
(1-13) برای
برای
این مدل اغلب برای شرح رفتار تنش برشی-نرخ برش پایدار خون، ماست، پوره گوجه فرنگی، شکلات ذوب شده و غیره استفاده می‌شود. همچنین رفتار سیال برخی سوسپانسیون های دارای ذرات ریز یه دقت با این نوع مدل تخمین زده می‌شود.
1-9-1-3 سیالات دایلاتنتسیالات دایلاتنت هیچ تنش تسلیمی نشان نمی‌دهند اما ویسکوزیته ظاهری آنها با افزایش نرخ برش افزایش می‌یابد. این نوع از رفتار سیال معمولاً در سوسپانسیون های غلیظ مشاهده می‌شود. نشاسته، سیلیکات پتاسیم، توده شن نرم، محلول نشاسته، ذرت و شکر نمونه هایی از این دسته از سیالات هستند.
در سیالات مستقل از زمان، این زیر مجموعه از توجه اندکی برخوردار بوده است. در نتیجه داده‌های معتبر خیلی کمی در دسترس می باشند. اطلاعات محدود گزارش شده تاکنون پیشنهاد می کنند که داده های ویسکوزیته ظاهری-نرخ برش اغلب در نمودارهای خطی روی مختصات لگاریتمی توان زوج تحت یک گستره محدود نرخ برش نتیجه شده و رفتار جریان ممکن است بوسیله مدل پاورلا بیان شود، معادله (1-14)، با شاخص رفتار جریان بزرگتر از واحد، یعنی،
(1-14)
به وضوح می توان دید که برای 1n> ، معادله (1-14) افزایش ویسکوزیته ظاهری را با افزایش نرخ برش پیشگویی می کند.
1-9-2 سیال وابسته به زمانسیالات وابسته به زمان سیالاتی هستند که نرخ برش تابعی از زمان و بزرگی برش است. چنین سیالاتی اگر لزجت آنها در یک نرخ برش ثابت و دمای ثابت به صورت بازگشت پذیر با زمان کاهش یابد تیکسوتروپیک[22] و اگر یک نرخ برش ثابت باعث افزایش بازگشت پذیر لزجت شود سیال رئوپکتیک[23] نامیده می‌شوند. نمونه سیالات تیکسوتروپیک بعضی محلولها یا مذابهای پلیمری، روغن های مته حفاری، بسیاری از مواد غذایی و رنگها است. و سیالات رئوپکتیک نسبتاً نادر هستند. سوسپانسیون های گل نتونیت، سوسپانسیون گچ و سوسپانسیون اولئات آلومینیوم در نرخ برش متوسط، رفتار رئوپکتیک دارند. سیالات ویسکو الاستیک با برداشت تنش برشی به صورت جزئی به طور الاستیک به حالت اولیه باز می‌گردند. رفتار آنها ترکیبی از خواص سیالات لزج و جامدات الاستیک است. جامدها و پلیمرهای مذاب و محلولهای آنها معمولا طبیعت ویسکوالاستیک دارند. بعضی محلولهای صابونی، صابون های تغلیظ شده، قسمت ضخیم سفیده تخم مرغ، بعضی شامپوها، بعضی شیرهای تغلیظ شده و ژلاتین در آب نیز رفتار ویسکوالاستیک دارند.
مدل سازی سیالات ویسکوالاستیک
خواص رئولوژیکی یا شکل پذیری این سیالات در هر لحظه تابعی از سابقة تنش‌های اعمالی به آن سیال است و نمی‌توان تنها بوسیلة یک رابطه بین تنش برشی و نرخ برش آن را توصیف نمود. شکل کلی دیفرانسیلی این مدل به شکل زیر است:
(1-15)

– (293)

دانشکده آموزشهای الکترونیکی کنترل کننده فازی برای ربوت دنبال کننده دیوار تحلیل پایداری
به کوشش
نسیم پیکریاستاد راهنمادکتر فریدون شعبانی نیازمستان 1392

centercenter00centercenter00تقدیم به
پدر ، مادر، خواهر و برادرانم که همیشه حامی روزهای سختم بوده اند و مایه دلگرمی،
و تمام کسانی که در راه صلح و علم قدم برمی دارند.

سپاسگزاریاکنون که این رساله به پایان رسیده است بر خود فرض می دانم که از استاد ارجمند جناب دکتر شعبانی‏نیا به موجب زحمات و راهنمایی های بی دریغ قدردانی و تشکر نمایم. همچنین بر خود لازم می‏دانم از اساتید مشاور جناب آقای دکتر اقتصاد و جناب آقای دکتر رهیده که همکاری لازم را مبذول داشتند، تشکر و قدردانی نمایم. در پایان از تمام کسانی که من را در انجام این پایان نامه یاری رسانیدند، به ویژه دوستان هم دوره تشکر و قدردانی می‏کنم.
چکیدهکنترل کننده فازی برای ربوت دنبال کننده دیوار و تحلیل پایداریبه کوششنسیم پیکریموضوع این رساله در ارتباط با مسئله طراحی کنترل کننده هوشمند-فازی نوع 1 و نوع 2- برای کنترل سینماتیک یک ربوت -دنبال کننده دیوار یا مسیر و حتی بازیکن-می باشد. در بحث مسیریابی از منحنی‏های بزیه استفاده شده است تا بتوان هر مسیری را به راحتی شبیه سازی کرد. در راستای طراحی کنترل کننده برای شبیه سازی مدل از قابلیت تقریب و مدلسازی فازی تاکاگی- سوگنو (T-S) استفاده شده و کنترل کننده‏هایی به فرم جبران‏سازی توزیع شده موازی (PDC) برای آن طراحی شده است. قوانین در کنترل کننده ها متناظر با قوانین استفاده شده برای مدل‏سازی هستند. در نهایت هم برای نوع 1 و هم برای نوع 2 کنترل کننده بایستی منتج به پایداری سیستم حلقه بسته گردد. با استفاده از مفهوم نظریه لیاپانوف مجموعه ای از نامساوی‏های ماتریسی خطی (LMI) برای تحلیل پایداری در نظر گرفته شده است و با استفاده از نرم افزار MATLAB این نامساوی‏ها حل شده اند.واژگان کلیدی: کنترل کننده فازی نوع 1، کنترل کننده فازی نوع 2، کنترل کننده جبران‏سازی توزیع شده موازی ، مدل تاکاگی-سوگینو، ربات دنبال کننده، ربات سیار چرخ دار

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول
پیشگفتاری بر ربوت ها و کنترل2
1-1- مقدمه2
1-2- حرکت در ربوت3
1-3- ربوت های چرخ‏دار4
1-4- انواع ربوت های متحرک5
1-5- کنترل ربوت6
فصل دوم
خصوصیات ساختاری مدل و سینماتیک ربوت سیار چرخ‏دار14
2-1- مقدمه15
2-2- سینماتیک های ربوت های متحرک چرخ دار17
2-2-1- موقعیت ربوت17
2-2-2- تعریف چرخ ها19
2-2-2-1- چرخ های معمولی20
2-2-2-2-چرخ های سوئدی22
2-2-3- محدودیت های حرکت ربوت23
2-3- سینماتیک و موقعیت34
2-3-1- مدل عمومی ربوت های متحرک چرخ دار35
2-4- تحرک پذیری: قابلیت هدایت و قدرت مانور36
2-5- پیکر بندی موتورها37
فصل سوم
بیان مسئله و مسیر‏یابی41
3-1- مقدمه41
3-2- تحلیل موقعیت42
3-3- مدل ربوت سیار چرخ‏دار43
3-3-1- خطایابی در مدل سینماتیک45
3-3-2- خطای ردیابی مسیر46
3-4- توسعه ی معادلات49
3-5- مدل سازی مسیر51
3-5-1- اهداف مسیر51
3-5-2-ایجاد منحنی52
3-5-3- منحنی بزیه52
3-5-4- محدودیت های شتاب گیری56
3-5-5- بررسی جزییات مسیر نمونه57
فصل چهارم
کنترل کننده های فازی نوع 1 و نوع 2 و تحلیل پایداری64
4-1- مقدمه64
4-2- مجموعه های کلاسیک و فازی64
4-3- مفاهيم اوليه و تعاريف مقدماتي از فازی نوع 166
4-3-1- چند تعریف-برش‌ها، تحدب و اعداد فازی- در منطق فازی67
4-4- مقدماتی بر مجموعه های فازی نوع 268
4-5- سیستم منطق فازی نوع2 فاصله ای71
4-5-1- مثالی از یک سیستم فازی نوع 2 فاصله ای79
4-6- مقدمه ای بر کنترل کنندههای فازی81
4-6-1- انواع کنترل کنندههای فازی81
4-6-2- کنترل کننده فازی ممدانی82
4-6-3- کنترل کننده فازی سوگنو83
4-6-4- کنترل کننده فازی تاکاگی – سوگنو85
4-7- طراحی کنترل کننده تاکاگی-سوگینو بر پایه مجموعه های فازی نوع 185
4-7-1- مدل تاکاگی-سوگنو86
4-7-1-1- ناحیه بندی کردن غیرخطی87
4-7-1-2- تقریب محلی88
4-7-2- ناحیه بندی غیر خطی 90
4-7-3- ناحیه بندی غیر خطی 91
4-7-4- ناحیه بندی غیر خطی 91
4-7-5- ناحیه بندی غیر خطی 92
4-7-6- قواعد اگر- آنگاه ربوت92
4-8- جبران سازی موازی توزیع یافته سیستم فازی نوع 196
4-9- پایداری کنترل کننده تاکاگی – سوگنو97
4-9-1- طراحی کنترل کننده پایدار از طریق رویه تکراری98
4-9-2- رویه طراحی برپایه LMI99
4-9-3- طراحی کنترل کننده پایدار با نامساوی های ماتریس خطی100
4-10- طراحی فیدبک حالت جبرانساز موازی توزیع یافته براساس مجموعه های فازی نوع 2111
4-10-1- ناحیه بندی غیر خطی 116
4-10-2- ناحیه بندی غیر خطی 116
4-10-3- ناحیه بندی غیر خطی 116
4-10-4- ناحیه بندی غیر خطی 116
4-10-5- قواعد اگر- آنگاه ربوت120
4-11- جبران سازی موازی توزیع یافته سیستم فازی نوع 2 تاکاگی – سوگنو124
4-12- پایداری کنترل کننده تاکاگی – سوگنو126
4-13- طراحی کنترل کننده فازی127
فصل پنجم
محدودیت ها و پیشنهادات137
فهرست منابع138

فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل‏21 دوموقعیت ربوت در صفحه مختصات و حرکت چرخ برروی سطح18
شکل‏22 تماس بین چرخها-زمین و حرکت کردن پیرامون محور افقی18
شکل‏23 چرخهای ثابت و چرخهای مرکزی قابل گردش20
شکل‏24 چرخهای قابل انحراف غیر هم مرکز22
شکل‏25 چرخهای سوئدی23
شکل‏26 مرکز گردش لحظه ای برای وسیله هایی با 2و3و4 چرخ26
شکل‏27 ربوت همه سویه – نوع (0و3)29
شکل‏28 ربوت های همه سویه با چرخهای قابل انحراف غیرهم مرکز- نوع (0و3)29
شکل‏29 ربوت نوع (0و2)30
شکل‏210 ربوت نوع (1و2)31
شکل‏211 ربوت نوع (1و1)32
شکل‏212 ربوت نوع (2و1)33
شکل‏31 دوموقعیت ربوت در مختصات کارتزین44
شکل‏32 ربوت سیارچرخ‏دار در دو دوموقعیت واقعی ومجازی45
شکل‏33 مولفه های سیستم ربوت 48
شکل‏34 معماری کنترل کننده50
شکل‏35 منحنی بزیه مرتبه 353
شکل‏36 مسیر یابی برای عبور از موانع55
شکل‏37 منحنی بزیه به ازای تغییر نقاط کنترلی56
شکل‏38 نمایش انحنای مسیر قسمتa شکل 3- 757
شکل‏39 پروفایل سرعت زاویهای58
شکل‏310 پروفایل سرعت مماسی58
شکل‏311 طول مسیر انحنا60
شکل‏312 مقادیر خطا برای یک فیدبک کنترل62
شکل‏41 نمونه یک تابع عضویت برای سیستم فازی نوع 167
شکل‏42 نمایش 2 بعدی تابع عضویت فازی نوع 2 فاصله ای70
شکل‏43 نمایش 3 بعدی تابع عضویت فازی نوع 2 فاصله ای70
شکل‏44 یک مجموعه فازی نوع 272
شکل‏45 ردپای عدم قطعیت مجموعه فازی نوع 273
شکل‏46 یک مجموعه فازی نوع 2 بازهای74
شکل‏47 محاسبه سمت راست و محاسبه سمت چپ79
شکل‏48 ورودی توابع عضویت برایو79
شکل‏49 مولفه های یک سیستم فازی 83
شکل‏410 نحوه محاسبه خروجی در کنترل کننده سوگنو84
شکل‏411 نحوه محاسبه خروجی قطعی از مقادیر فازی در کنترل کننده سوگنو85
شکل‏412 ایده ناحیه بندی کردن غیرخطی89
شکل‏413 ایده ناحیه بندی کردن غیرخطی محلی89
شکل ‏414 نمایش توابع عضویت برای94
شکل‏415 مقادیرخطا در ربوت دنبال کننده دیوار104
شکل‏416 مقادیرخطا متغیرهای حالت برای ربوت دنبال کننده مسیر 105
شکل‏417 مکان هندسی ریشه ها در کنترل کننده فازی نوع یک106
شکل‏418 مکان هندسی تغییرات ریشه های حقیقی در قانونها106
شکل‏419 مکان هندسی ریشه ها ی موهومی107
شکل‏420 مسیر حرکت ربوت (قرمز) و مسیر دلخواه (سبز)107
شکل‏421 مکان هندسی ریشه ها برای هر قانون108
شکل‏422 ربوت دنبال کننده مسیر در یک مسیر آزمایشی برای ربوت بازیکن109
شکل‏423 ربوت دنبال کننده دیوار در یک مسیر منحنی110
شکل‏424 ربوت دنبال کننده دیوار برای مسیر مستقیم وگوشه دار111
شکل‏425 تغییر زاویه و و نامعینی در زاویه و113
شکل‏426 تغییر زاویه و و نامعینی در زاویه و114
شکل‏427 فضای نامعینی برای تغییرات و115
شکل‏428 فضای نامعینی برای تغییرات و115
شکل‏429 تابع عضویت های نوع 1 در سیستم فازی نوع 2118
شکل‏430 تابع عضویت فازی نوع 2 119
شکل‏431 تابع عضویت فازی نوع 2 120
شکل‏432 کنترل کننده 2 و دنبال کننده مسیر 131
شکل‏433 مقادیرخطا برای ربوت دنبال کننده برای کنترل کننده نوع 2131
شکل‏434 مقادیرخطا برای کنترل کننده های نوع 2132
شکل‏435 حرکت ربوت در مسیر دوم با کنترل کننده نوع 2133
شکل‏436 حرکت ربوت در مسیر سوم با کنترل کننده نوع 2134
شکل‏437 حرکت ربوت در مسیر چهارم با کنترل کننده نوع 2135
شکل‏438 مکان هندسی ریشه ها در کنترل کننده نوع 2136
شکل‏439 مکان هندسی قطب حقیقی در کنترل کننده نوع 2136
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول 2-1 حالت های ممکن و مانورپذیری انواع مختلف ربوت های سیارچرخ دار28
جدول 2-2 مدل سنماتیک دو موقعیت ربوت سیارچرخ دار35
جدول 4-1 یک پایگاه قانون فازی نوع 280
جدول 4-2 بازه های آتش با خروجی خام برای فازی نوع280

فهرست علایم اختصاری
ω سرعت زاویه ای Angular Velocity
COG مرکز ثقل Center of gravity
COS مرکز مجموعه ها Center of Sets
4133857747000
42291014922500
قدرت مانور Degree of maneuverability
درجه تحرک Degree of mobility
422910-952500 درجه هدایت پذیری Degree of steeribility
FOU ردپای ابهام Footprint of Uncertainty
ICR مرکز گردش لحظه ای Instantaneous center of rotation
LMI نامساوی‏های ماتریسی خطی Linear Matrix Inequalities
LMF تابع عضویت‏های پایینی Lower Membership Function
PDC جبران‏سازی توزیع شده موازی Parallel Distributed Compensation
T-S تاکاگی- سوگنو Takagi-Sugeno
TSK تاکاگی-سوگینو-کانگ Takagi-Sugeno-Kang
v سرعت مماسی Tangential Velocity
UMF تابع عضویت‏های بالایی Upper Membership Function
WMR ربوت سیار چرخ‏دار Wheeled Mobile Robot
PID تناسبی انتگرالی مشتق گیر f چرخ های ثابت معمولی c چرخ های قابل انحراف مرکزی معمولی oc چرخ های قابل انحراف غیرهم مرکزمعمولی sw چرخ های سوئدی N تعداد چرخ KM کارنیک- مندل Karnic-Mendel

فصل اول
پیشگفتاری بر ربوت ها و کنترل1-1- مقدمهبرخلاف تصور افسانه اي عمومي از ربوتها و ربوتيک[1] به عنوان ماشينهاي متحرک انسان نما که تقريباً قابليت انجام هر کاري را دارند، بيشتر دستگاه‏هاي ربوتيک در مکانهاي ثابتي در کارخانه ها بسته شده اند و در فرايند ساخت با کمک کامپيوتر، اعمال قابل انعطاف، ولي محدودي را انجام مي‏دهند. چنين دستگاهي حداقل شامل يک کامپيوتر براي نظارت بر اعمال و عملکردها و اسباب انجام دهنده عمل مورد نظر، مي باشد. بعضي از ربوتها، ماشينهاي مکانيکي نسبتاً ساده اي هستند که کارهاي اختصاصي مانند جوشکاري و يا رنگ افشاني را انجام مي‏دهند. ساير سيستم هاي پيچيده‏تر که بطور همزمان چند کار انجام مي دهند، به دستگاههاي حسي، براي جمع آوري اطلاعات مورد نياز براي کنترل کارشان نياز دارند. حسگرهاي يک ربوت ممکن است بازخورد حسي ارائه دهند، طوري‏که بتوانند اجسام را برداشته و بدون آسيب زدن، در جاي مناسب قرار دهند. ربوت ديگري ممکن است داراي نوعي ديد باشد. ساده ترين شکل ربوت‏هاي سيار، براي رساندن نامه در ساختمان هاي اداري يا جمع آوري و رساندن قطعات در ساخت، دنبال کردن مسير يک کابل قرار گرفته در زير خاک يا يک مسير رنگ شده که هرگاه حسگرهايشان در مسير، فردي را پيدا کنند متوقف مي‏شوند. ربوت‏هاي بسيار پيچيده تر در محيط هاي نامعين تر مانند معادن استفاده مي‏شود.
کلمه ربوت توسط کارل کاپک[2]نويسنده نمايشنامه ربوت‌هاي جهاني در سال 1921 ابداع شد. ريشه اين کلمه، کلمه چکسلواکي (Robotnic)به معني کارگر مي‌باشد. در نمايشنامه وي نمونه ماشين، بعد از انسان بدون دارا بودن نقاط ضعف معمولي او، بيشترين قدرت را داشت و در پايان نمايش اين ماشين براي مبارزه عليه سازندگان خود استفاده شد. امروزه معمولاً کلمه ربوت به معني هر ماشين ساخت بشر که بتواند کار يا عملي که به‌طور طبيعي توسط انسان انجام مي‌شود را انجام دهد اطلاق مي‌شود. بيشتر ربوتها امروزه در کارخانه‌ها براي ساخت محصولاتي مانند اتومبيل؛ الکترونيک و همچنين براي اکتشافات زيرآب يا در سيارات ديگر مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
سه مولفه اصلي که تقریبا در همه ربوت ها مشترک هستند را می توان به شکل زیر بیان کرد:
الکترونيک
مکانيک
کنترل (قوه تفکر و تصميم گيري ربوت).
ما در این پایان نامه بر روی قسمت سوم تمرکز خواهیم کرد، هرچند در مراحل مختلف ناچار هستیم گریزی به دو مبحث دیگر بزنیم. در فصل آتی به ذکر محدودیت ها و پارامترهای ربوت برای انتخاب مدل مناسب خواهیم پرداخت.
1-2- حرکت در ربوتهنگامي‏که حيوان یا انسان حرکت مي کند و حرکت پاها به سمت عقب، جلو، چپ و راست مي‏شوند(پاها به عقب، جلو، چپ و راست حرکت می کنند)، وزن بر روي پا ها تقسيم مي شود؛ بنابراين اين امکان را دارد(می تواند)که تعادلش را حفظ کند و بر روي زمين نيافتد. اما در ربوتها این مسئله وجود دارد اگر يکي از پاهاي آن در هوا قرار بگيرد ربوت متوقف مي شود و اين امکان وجود دارد که بر روي زمين بيافتد. برای حفظ تعادل، ربوت های چرخ‏دار ساده ترین و موثرترین ها هستند.
1-3- ربوت های چرخ‏دارچرخ ساده بوده و داراي بازدهي زيادي است. براي کاربردهاي زيادي مي توان از چرخ استفاده نمود(چرخ ابزاری ساده، با کارایی بالا و پرکاربرد است). البته متحرک بودن خود باعث پیچیدگی در بعضی جنبه های ریاضی مسئله مانند فرم ربوت می‏شود. داشتن فقط 3 چرخ مي تواند پايداري را تضمين کند. در صورت استفاده از بيش از 3 چرخ نيازمند سيستم تعليق مناسب هستيم. دغدغه‏هاي اصلي در ربوتهاي متحرک که از چرخ استفاده مي کنند عبارتند از: قدرت کشش، قدرت مانور و نحوه کنترل که در این رساله درباره قدرت مانور بحث خواهیم کرد, نحوه کنترل را نیز با روش‏های هوشمند جدید طراحی و تشریح خواهیم کرد. سينماتيک ربوت‏هاي متحرک شبيه به ربوت‏هاي صنعتي است (ربوت های متحرک، سینماتیک شبیه ربوت های صنعتی دارند)، با اين تفاوت که ربوت متحرک مي‏تواند آزادانه در محيط حرکت نمايد. چه بسا يکی از اختلاف های مهم بين ربوت متحرک و ربوت صنعتي در اندازه گيري موقعيت است. ربوت صنعتي در يک نقطه ثابت است لذا مي‏توان موقعيت آن‏را نسبت به اين نقطه ثابت اندازه گرفت ولی در ربوت‏های متحرک با در نظر گرفتن مختصات‏ مختلف گاهی پیچیدگی انتخاب فرم و محور مختصات مناسب دو چندان است. روش مستقيمي براي اندازه‏گيري موقعيت ربوت متحرک وجود ندارد؛ موقعيت را بايد در طول زمان با انتگرال گيري از حرکت هاي انجام شده بدست آورد و اين کار(روش) منجر به ايجاد خطا در اندازه گيري خواهد شد. مقابله با اين مسئله يکي ازمباحث جدي در ربوت هاي متحرک مي باشد. فرض حرکت بر روی مسیر مشخص تا حدودی از پیچیدگی مسئله می کاهد.
براي فهم حرکت ربوت بايد در مرحله اول محدوديت‏هایي که چرخ‏ها بر سر راه حرکت ايجاد مي کنند را بررسی کرد. روابط مربوط به محدودیت ها، اطلاعاتی در مورد نحوه حرکت ربوت در صورت داشتن سرعت چرخها را بدست مي‏دهند. اما در حالت کلي علاقمند هستيم که فضاي حرکت هاي ممکن براي يک ربوت با طراحي مشخص را بدانيم. در اينصورت براي توصيف حرکت ربوت مجبور خواهيم بود تا محدوديت هایي را که هر چرخ بر حرکت اعمال مي کند را نيز در نظر بگيريم.
براي محاسبه حرکت ربوت در فريم مرجع[3] مي‏توان تاثير هر يک از چرخ‏ها در فريم ربوت[4] را محاسبه کرده و نتيجه را به فريم مرجع منتقل نمود.
1-4- انواع ربوت های متحرکدونوع ربوت سيار و متحرک وجود دارد:
ربوت هاي هولونوميک[5] و
ربوت غير هولونوميک[6].
يک ربوت هولونوميک مي تواند فورا در هر مسيري حرکت داشته باشد. اين نوع ربوت نياز به عمليات دشوار براي رسيدن به توقف موازي ندارد. درجه آزادي اين نوع ربوت 2 مي باشد که مي‏تواند در سطوح X و Y آزادانه حرکت داشته باشد. به طور نمونه بازوي ربوت که از نوع تمام است داراي درجات آزادي خيلي بيشتري مي باشد.
اما ربوت هاي غيرهولونوميک طوري هستند که نمي توانند فورا به هر سويي حرکت کنند؛ همانند يک اتومبيل. اين نوع ربوت ها بايستي براي تغيير مسير حرکت يک سري از عمليات را انجام دهند. براي مثال اگر از اتومبيل خود بخواهيد تا ازفرعي ها حرکت کند بايد عمليات دشوار توقف موازي را انجام دهيد، براي اينکه اتومبيل دور بزند بايستي چرخ‏هاي اتومبيل را بچرخانيد و سپس به طرف جلو پيش برويد. اين نوع ربوت بايستي داراي درجه ي آزادي 1.5 باشد. به اين معني که مي تواند در هر دو مسير X و Y حرکت داشته باشد ولي نيازبه حرکات پيچيده دارد تا به مسير X برسد.در واقع برای ربوت های غیرهولونومیک درجه کنترل پذیری کمتر از درجه آزادی است. مدل انتخاب شده در این رساله یک ربوت غير هولونوميک می باشد.
1-5- کنترل ربوتبراي اين که زاويه ي خاصي براي يک ربوت تمام چرخ تفهيم شود، هر چرخ بايستي در يک ميسر و سرعت چرخشي خاصي به چرخش در آيد. تا زماني که ربوت در زاويه اي حرکت مي کند، براي تعيين سرعت اين چرخ‏ها نياز به يک سري محاسبات مثلثاتي دارد. اگر چه کنترل ربوت تمام چرخ به شدت بستگي به توانايي پردازش کامپيوتري ربوت دارد، اما محاسبات مثلثاتي هميشه ممکن نيست. با فرض حضور دستگاه پردازشگر مناسب برای تحلیل مناسب سیگنال های دریافتی از سنسورها، ما مبحث اصلی رساله را با تحلیل معادلات حرکت مناسب در فصل 3 شروع خواهیم نمود.
روشهای کنترلی زیادی بر پایه روشهای کلاسیک و مدرن پیشنهاد و تست شده است، که می‏توان به روشهای کنترل تطبیقی، کنترل با استفاده از الگوریتم ژنتیک و کنترل تناسبی-انتگرالی-مشتقی اشاره کرد. در ]47[ برای کنترل حرکت ربوت پیشرو از یک کنترل کننده فازی استفاده شده تا بتواند مسیر دلخواه شبیه سازی شده را دنبال کند.چندین ربوت دیگر نیز وجود دارند که باید بتوانند ربوت پیشرو را دنبال کنند. کارایی کنترل کننده فازی در وظایفی مانند مسیریابی نقطه به نقطه و شکل دهی یک ساختار بین ربوت‏ پیشرو و ربوت های دنبال کننده بر‏اساس نتایج شبیه سازی نشان داده شده است. کنترل کننده با 28 قوانین ساده “اگر-آنگاه” طراحی شده و نتیجه کار کارایی کنترل کننده را تایید می کند.
کوپلند وهمکاران با فرض وجود نامعینی درسیگنال های دریافتی حسگرهایی که ورودی های کنترل کننده را فراهم می آورند به مقایسه کنترل کننده های فازی پرداختند. به گفته آنها خوانش حسگر اغلب دارای نویز است که میزان آن بر اساس شرایط تغییر می کند. آنها کنترل کننده های نوع 1 و نوع 2 و همچنین نوع 2 فاصله ای را بر اساس 3 قوانین ساده تجربی طراحی کردند]48[.
کنترل کننده ها باید مرز یک دیوار منحنی را دنبال می کردند و در نهایت ، مسیر 50 آزمایش از کنترل کنندهها با یک روش تجربی باهم مقایسه شد که به طور خلاصه 1- کنترل کننده نوع دو بدون تناقض کارایی خوبی داشت. 2- کنترل کننده نوع دو فاصله ای کاملا خوب ولی با کمی ناسازگاری عمل کرده بود. 3- کنترل کننده نوع اول تقریبا عملکرد بدی داشت اما برای سطح خاصی از خطا مناسب بود.
یک روش کنترل دنبال کردن مسیربرای ربوت سیار چرخ دار دیفرانسیلی با استفاده از خطی سازی بازخورد Backsteppingدر]49[پیشنهاد شده است. برخلاف کنترل های قدیمی بر این پایه، ساختار کنترل بازخورد شبه Backstepping به شکل یک خطی سازی دینامیکی و سینماتیک کاسکد پیشنهاد شده است تا ساختار کنترلی ساده تر و پیمانه ای داشته باشد. ابتدا، دستورات کاذب برای سرعت مماسی رو به جلو و زاویه جهت سر[7] بر اساس سینماتیک طراحی شده اند. سپس، ورودی های کنترل گشتاور واقعی طراحی شده اند تا سرعت مماسی رو به جلوی واقعی و زاویه جهت سر دستورات کاذب متناظر را دنبال کنند. در تحلیل پایداری نشان داده شده است که خطاهای ردیابی موقعیت(موقعیت و زاویه جهت سر) به طور سراسری و بی نهایت کراندارند و کران نهایی را می توان با انتخاب مناسب پارامترهای کنترلی تنظیم کرد. به علاوه، شبیه سازی عددی خط سیرهای مرجع گوناگون (یک خط مستقیم، دایره، منحنی سینوسی، خط سیر نامنظم بدون سرعت رو به جلو و با سرعت چرخش غیر صفر، خط سیر صلیبی با تغییر جهت رو به جلو و رو به عقب و …) اعتبار الگوی پیشنهادی را نشان می دهد. از آنجا که ساختار کنترلی مدولار پیشنهاد شده می‏تواند امکان طراحی جداگانه کنترل کننده‏های سینماتیک و دینامیک را فراهم آورد، کنترل کننده سینماتیک پیشنهادی و یک کنترل کننده دینامیک PID(مدل آزاد) را می توان به سادگی ترکیب کرد. اگرچه در این حالت، کارایی مسیریابی کلی ممکن است به دلیل تصحیح دینامیک محدود رضایت بخش نباشد. بنابراین، الگوی دیگری برای تصحیح ویژگی های دینامیک باید گسترش یابد تا کارایی کنترل مسیریابی بهتری داشته باشیم. روش طراحی مسیر یک ربوت سیار در سیستم فوتبال چند عاملی را بر مبنای منحنی بزیه در]50[پیشنهاد شده است. شرایط کرانی لازم برای تعریف منحنی بزیه منطبق با وضعیت ابتدایی تخمینی ربوت و توپ است. با ثابت نگه داشتن شتاب در محدوده مناسب، سرعت ربوت در امتداد خط افزایش خواهدیافت. الگوی اجتناب از مانع برای موانع متحرک و ثابت وجود دارد. هنگامی که ربوت به مانع متحرکی نزدیک می شود، شتاب را کاهش داده و به مسیر بزیه دیگری که به هدف مورد نظر می رسد تغییر مسیر می دهد. شعاع منحنی مسیر در نقاط انتهایی از محدودیت سرعت ترمینال مشخص ربوت تعیین می شود.
در این رهیافت منحنی بزیه با 4نقطه کنترلی مسیر بهینه است. برای آزمودن تاثیر روش طراحی مسیر پیشنهادی، مساله طراحی مسیر حل شده با استفاده از برش مکعبی را با استفاده از منحنی بزیه حل شده است.
در منحنی های سرعت بخش های مسطح پروفایل سرعت، گذر از حد مجاز سرعت را نشان می‏دهد. پروفایل سرعت متناظر با حداکثر سرعت مجاز، بخش مسطح ندارد و بنابراین هیچ گذر از حداکثر شتابی ندارد. با وجود کم بودن سرعت نهایی، با استفاده از پروفایل حداکثر سرعت مجاز نشان داده شده است که سرعت متوسط ربوت بالاست تا زمان گذر بهتری داشته باشد. همچنین برای اجتناب از مانع، ربوت از مسیر اولیه منحرف می شود و در نتیجه طول مسیر افزایش می‏یابد]50[. در زمان شبیه سازی، روش های اجتناب از مانع ثابت بسیار موثرند. برای اجتناب از تصادم، ربوت انحراف زاویه ای خود را به جهت بدون تصادم تغییر می دهد و مسیر جدیدی به مقصد طرح ریزی می کند. چرخش ربوت پیرامون چرخ برای تغییر جهت، زمان رسیدن را افزایش می دهد، اگرچه در زمان حضور مانع راه دیگری وجود ندارد.
با مقایسه منحنی بزیه با چند الگوریتم دیگر در مجموع نشان داده شده منحنی بزیه برای طراحی مسیر ربوت های فوتبالیست اغلب موثر است. روش اجتناب از مانع در کناره ها و میانه به یک اندازه موثر است.روش موثر و کارای طراحی مسیر ربوت های فوتبالیست با منحنی بزیه در اینجا مورد بحث قرار گرفت. ویژگی های برجسته منحنی های بزیه با طراحی مسیر ربوت سازگار است. الگوریتم پیشنهادی با استفاده از 4نقطه کنترلی یک مسیر بزیه تعریف می کند که مکان آنها در هر زمان نمونه گیری مشخص است. محدودیت های شتاب تانژانتی و شعاعی ربوت به دلیل بررسی در طول طراحی مسیر پیشنهادی داده شده است. روش های اجتناب از مانع موثری با استفاده از خواص منحنی بزیه به منظور اجتناب از تصادم با موانع ثابت و متحرک در منطقه پیشنهاد شده است و پنجره های شبیه سازی فوتبال ربوت نشان می دهد که مختصات حرکت بین عامل ها با طراحی مسیر بر اساس منحنی بزیه ممکن است.در]51[روشی برای مسیریابی کنترل جبرانی توزیع شده موازی(PDC) بر اساس مدل ردیابی خطا برای وسایل غیرهولومونیک پیشنهاد شده است که در آنها خروجی های سیستم تاخیر یافته و تاخیر ثابت است. به طور خلاصه، این روش شامل بازنویسی مدل خطای سینماتیک مساله ردیابی ربوت سیار به یک ارائه فازی و یافتن یک کنترل کننده پایدارسازی با حل شرایط LMI برای مدل خطای ردیابی است. متغیرهای وضعیت توسط شاهد پیش بینی کننده غیرخطی تخمین زده می‏شوند که در آن خروجی ها دارای تاخیر ثابت هستند. برای ترسیم کارایی روش پیشنهادی مقایسه بین شاهد فازی و پیش بینی کننده غیرخطی نشان داده شده است. دو روش پیشنهاد داده شده در مقاله با هم مقایسه شده اند؛ روش کنترل PDC با استفاده از ناظر فازی و کنترل PDC با استفاده از ناظر پیش بینی گر غیرخطی. کنترل PDC بر اساس نظریه کنترل فازی است. وزن‏های پایدارسازی با استفاده از LMIها و پایداری در منطقه فشرده فضای خطا، نشان شده است. آنها همچنین نشان دادند که طبق انتظار ناظر پیش بینی گر غیرخطی می تواند بسیار بهتر از ناظر فازی با تاخیر کنار بیاید.مزیت های اصلی روش پیشنهادی وجود قانون کنترلی برای همه خط سیرهای در دامنه کران سرعت زاویه ای و خطی، توانایی جبران تاخیر در اندازه گیری ها و پیاده سازی زمان واقعی آسان است.
]52[کنترل حرکت ربوت متحرک را در دو سطح بررسی می کند. کنترل سطح پایین مسئول کنترل سرعت چرخ های ربوت است در حالیکه کنترل سطح بالا با درنظرگرفتن سینماتیک رده اول ربوت سرعت موردنیاز آن را تعیین می کند. معماری دولایه در عمل بسیار متداول است زیرا بیشتر ربوت های متحرک و بازوهای مکانیکی معمولا به کاربر اجازه واردکردن شتاب یا گشتاور را در ورودی نمی دهند. همچنین این را می توان به عنوان ساده سازی مساله و همچنین رویه طراحی پیمانه ای(مدولار) تر در نظر گرفت. سرعت هر چرخ(موتور) توسط یک کنترل PID گسسته با زمان کنترل شده است؛ تا تضمین کند که ربوت با سرعت چرخ مرجع مناسب حرکت کند.در این پژوهش برای کنترل سطح بالا کنترل کننده فیدبک حالت پیشنهاد شده است که علارغم در عمل قدرت لازم برای تصحیح خطا را خواهد داشت اما در مقایسه با روش های دیگر کندتر عمل می‏کند.
]53[یک مکانیسم ترکیبی را برای یک سیستم کنترلی منطقی فازی تاکاگی-سوگنو-کانگ نوع 2 فاصله ایپیشنهاد می دهد و بر کاربردهای کنترلی برای حالتی که هم کنترل کننده و هم تاسیسات از مدل های تاکاگی –سوگینو-کانگ استفاده می کنند، تمرکز دارد. سپس خروجی فازی نشده نوع 2 با میانگین گیری از خروجی های فازی نشده چهار نوع 1 درونی به دست آمده، به دست می آید تا مرز محاسباتی فازی نوع 2 را کاهش دهد. در این مقاله فازی نوع 2 ، ساده سازی شده ساختاری ترکیبی از 4سیستم فازی نوع1 در نظر گرفته شده است. با توجه به اینکه هر تابع عضویت فازی نوع 2 را می توان با تابع عضوبت نوع 1 بالا و پایین نشان داد بنابراین هر دو تابع عضویت نوع 2 در 4 نقطه باهم همپوشانی دارند و این مقاله 4 تابع عضویت بالا، پایین، چپ و راست را به عنوان 4 کنترل کننده مجزا در نظر گرفته است. تابع عضویت های هر کنترل کننده با تابع عضویت های بالا، پایین، چپ و راست جایگزین شده و به ترتیب کنترل کننده فازی بالایی ، کنترل کننده فازی پایینی، کنترل کننده فازی چپ و کنترل کننده فازی راسترا می سازد.سپس خروجی دی فازی شده نوع 2 با میانگین گرفتن از خروجی های دی فازی شده 4 کنترل کننده نوع 1 به دست آمده است. با آزمایش سیستم طراحی شده بر روی یک پاندول معکوس نشان داده شده که کنترل کننده پیشنهادی توانایی تثبیت دو پاندول معکوس زوج شده و درعین حال به دست آوردن کارایی بهتر در مقایسه با فازی نوع 1 تاکاگی-سوگینو-کانگ را دارد.
کنترل تکانشی، که ایده اصلی آن تغییر وضعیت سیستمی است که در آن برخی شرایط برآورده می شوند؛ روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. در بسیاری موارد، کنترل تکانشی می تواند بازده بهتری نسبت به کنترل پیوسته داشته باشد؛ حتی در برخی موارد، می توان تنها از روش های تکانشی استفاده کرد. به دلیل مزایای کنترل تکانشی، سیستم فازی نوع2 و مدل دینامیک فازی تاکاگی-سوگینو، یک کنترل کننده تکانشی فازی پایدار بر اساس مدل فازی تاکاگی-سوگینو نوع2 در این ]54[ پیشنهاد شده است.به دلیل ابهامات قوانین و آسیب دیدن داده های آزمون توسط نویز، تعیین رده عضویت دقیق بسیار مشکل است زیرا شرایط بسیار مبهم اند. طراحی با مدل فازی تاکاگی-سوگینو نوع2 فاصله ای تطبیق یافته است تا کنترل کننده بازخورد وضعیت تطبیقی را ارائه دهد. تحلیل پایداری توسط رویه استنتاجی لیاپانوف انجام شده و شبیه سازی عددی کنترل کردن یک پاندول معکوس ، الگوی کنترلی تکانشی پیشنهادی را در مقام مقایسه با نوع 1 آن قرار داده است. از نتایج شبیه سازی، بازده خروجی به دست آمده از کنترل کننده تکانشی فازی نوع2 فاصله ای بهتر از بازده خروجی به دست آمده از کنترل کننده فازی نوع1 بوده است. همچنین، سیستم فازی تکانشی نوع2 فاصله ای توانسته تداخل داخلی پیش بینی نشده و ابهامات داده ای مفروض در مقاله را به مدیریت کند.
روش ارائه شده برای مدلسازی در این رساله –مدل فازی- به خوبی این قابلیت را دارد سیستم را مدل کند سپس با استفاده از مبحث پایداری لیاپانوف با تهیه یک پایگاه مناسب داده[8] و قوانین[9]، کنترل کننده مناسب طراحی می کند. دلیل گرایش به این رویکرد نتایج مثبت کنترل کننده های فازی در سایر حوزه ها و همچنین بررسی کنترل‏کننده‏ه ای جدید این حوزه می باشد. همچنین خیلی مهم است که بتوانیم قوانین کنترلی بیابیم که یک سیگنال کنترلی نرم را فراهم کند زیرا در غیر این صورت اجرای آن روی مدل دینامیک غیرممکن خواهد شد که کنترل‏کننده‏های فازی دارای این خاصیت هستند. نتایج نهایی نیز تایید مجددی بر عملکرد صحیح کنترل‏کننده‏های مذکور در حوزه ربوتیک می باشد.
هدف اصلی این رساله طراحی کنترل‏کننده‏های هوشمند برای ربوت سیار با در نظر عوامل نامعینی و تحلیل پایداری آنهاست. کنترل کننده های فازی[10] نوع 1[11] و نوع 2[12] تاکاگی-سوگنو[13] در فصل پایانی مورد بحث قرار گرفته‏اند. قبل از آن مدل فیزیکی ربوت به طور خلاصه بررسی شده است. در فصل دوم به بررسی مدل استفاده شده در رساله پرداخته ایم سپس در دو فصل بعد مدل سازی معادلات ربوت با استفاده از خاصیت تقریب فازی انجام شده و با استفاده از جبران سازی موازی[14] کنترل کننده برای آن طراحی شده است. هم در فازی نوع 1 و هم در فازی نوع 2 این روش دنبال شده است. در نهایت برای هر دو نوع، بر اساس نظریه لیاپانوف[15] و با استفاده ابزار نامساوی ماتریس‏های خطی[16]، تحلیل پایداری انجام شده است و هدف نهایی دستیابی به کنترل کننده مناسب و پایدار برای تعیقب یک مرز مشخص است. برای مسیر‏یابی از منحنی بزیه استفاده شده تا ضمن استفاده از قابلیت های شبیه سازی این منحنی، با توجه به پژوهش های مختلف و ارائه الگوریتم های زیاد در این رابطه، امکان عملی سازی پروژه بیش از پیش واقعی شود.

فصل دوم
خصوصیات ساختاری مدل و سینماتیک ربوت سیار چرخ‏دارچکیده:در این بخش ساختار مدل سینماتیک[17] (جنبشی)ربوت سیار چرخ‏دار[18]مورد استفاده در فصل های آتی تحلیل شده است. در ]1[و ]2[ برای گروه بزرگی از پیکر بندی های ممکن، نشان داده شده است که می توان 5 دسته را براساس ساختار سینماتیک معادلات معرفی کرد. اجمالا تعدادی از ویژگی های گروهی که مدل مورد نظر در آن دسته قرار دارد را بررسی می‏کنیم.

2-1- مقدمهربوت های سیار چرخ‏دار گروهی از سیستم های مکانیکی را تشکیل می دهند که انتگرال پذیر نیستند و بنابراین نمی توانند از معادلات مدل حذف شوند (غیرهولومونیک[19]). درنتیجه الگوریتم‏های کنترل و طرح ریزی استاندارد توسعه داده شده برای کنترل گروه های ربوتیک بدون محدودیت دیگر قابل استفاده نخواهند بود. این موضوع، مبحثی را مطرح کرده است که با مشتق الگوریتم های طراحی و کنترل، به ویژه مدل های سینماتیک ساده سازی شده خاص سخت[20] مانند ” شبه ماشین[21] ” یا ” شبه یدک کش[22]”، سروکار دارد. قابل ذکر است ربوت‏های سیار چرخ‏دار تجاری موجود در بازار به طور معمول ساختاری کاربردی دارند که از ساختار ساده ای که در مقاله ها بررسی می شود (مثلا ربوت هایی با سه یا چهار چرخ هدایت شونده) بسیار پیچیده‏تر است و هنوز پرسش های زیادی در مورد مبحث مدل سازی آنها (که پیش نیاز طراحی کنترل و طرح ریزی حرکت است) باقی مانده است.
هدف این بخش نمایش ساده، کلی و یکپارچه مبحث مدل سازی WMR در جهت طراحی کنترل کننده مناسب است. در [2] و[1] چندین مثال از مشتق مدل های دینامیک و/یا سینماتیک در دسترس برای WMR در متون و مقاله ها- برای نمونه های اولیه خاص ربوت های سیار و همچنین برای ربوت های عمومی که به چرخ هایی با انواع گوناگون مجهز شده اند- به طور خلاصه مورد بحث قرار گرفته‏اند. رویه اصولی مشتق مدل را می توان در[3] و[4] یافت.در [2] و[1] یک WMR کلی با تعداد دلخواه از چرخ هایی با انواع گوناگون و موتوربندی های مختلف بررسی شده است. ما با دنبال کردن مدل مورد استفاده در بخش های بعد با ویژگی‏های ساختاری و سینماتیک مدل، با در نظر گرفتن محدودیت حرکت ربوت به دلیل محدودیت‏های موجود، روند طراحی کنترل کننده مناسب را در پیش خواهیم گرفت. در ادامه با معرفی مفاهیم درجه تحرک[23] و درجه هدایت شوندگی[24]، نشان داده اند که، علی رغم تنوع ساختارهای ربوت و پیکربندی های چرخ ممکن، مجموعه WMR را می توان به 5 گروه تقسیم بندی کرد [2] و[1].
در هر یک از 5 گروه، نماینده مدل ساختار عمومی خاصی دارد که امکان درک خصوصیات قابلیت مانور ربوت را فراهم می کند. قابلیت ساده سازی، قابلیت کنترل و قابلیت تثبیت مدل ها نیز تحلیل شده اند.
انتخاب مدل: در این میان بر اساس موارد زیر با توجه به گروه بندی سینماتیک و دینامیک ربوت سیار چرخ‏دار و تقسیم آن به 5 گروه برای ادامه رساله مدل نوع (2،0)– که در ادامه تشریح خواهد شد-را انتخاب می کنیم:کمترین موتور ممکن یعنی دو موتور را دارد و بر همین اساس ارزانترین در میان گروه هاست.
تعداد کم موتورها باعث می شود که مولفه های کنترلی کمتر شده و با توجه به پیچیدگی فازی نوع 2 از معادلات بسیار طولانی پرهیز شود.
دارای مدل سینماتیکی است که قسمت مشترک تمام مدل ها می باشد و به نحوی با طراحی کنترل کننده برای آن راه برای کنترل سایر مدل ها پیموده می شود.
در میان مقالات پرکاربردترین بوده است.
با توجه به فیزیک چرخ ها قابلیت طراحی معماری به شکل های مختلف را می دهد و در تمام کاربردها مزیت قابلیت سریع بودن و کوچک بودن ربوت -متناسب با دینامیک- دلیل انتخاب این سینماتیک بوده است.
در یک جستجو ساده در گوگل کاربرد آن بالغ بر 10 نوع ربوت مختلف است که در بیش از 10 هزار کاربرد مختلف اجرایی شده اند.
و…
2-2- سینماتیک های ربوت های متحرک چرخ دار2-2-1- موقعیت ربوتیک ربوت سیار چرخ‏دار وسیله نقلیه ای است که قادر به حرکت خودکار (بدون راننده خارجی انسانی) می باشد، زیرا برای حرکت به موتورهایی تجهیز شده است که توسط یک سیستم پردازنده داخلی هدایت می شوند. در این فصل پیش از استخراج حرکت شناسی ربوت، فرض های زیر برقرار است:
ربوت از یک جعبه سخت با چرخ های تغییرناپذیر ساخته شده است.
چرخ‏ها بر یک سطح افقی حرکت کرده و پیرامون محور افقی خود می‏چرخند (شکل2-1)
تماس بین چرخ ها و زمین بر سطح به یک نقطه منفرد نگاشت شده است.
در جهت چرخش قائم هیچ سر خوردنی وجود ندارد (بدون سر خوردن).
هیچ فرایند سرخوردنی بین چرخ ها و کف رخ نمی دهد(چرخش خالص).
با فرض این که ربوت های متحرک مورد مطالعه در این مقاله از چارچوب سختی با چرخ های تغییرناپذیر تشکیل شده اند و بر سطح افقی حرکت می کنند. موقعیت ربوت برسطح به شکل2-2 تعریف شده است

شکل2-1 موقعیت ربوت در صفحه مختصات و حرکت چرخ بر روی سطح
شکل 2-2 تماس بین چرخ ها – زمین و حرکت کرده پیرامون محور افقییک مبنای مختصات متعامد اینرسیال در سطح حرکت به طور ثابت در نظر گرفته شده است. نقطه مرجع اختیاری P بر چارچوب ومبنای مختصات متصل به چارچوب تعریف شده اند. سپس موقعیت ربوت توسط 3 متغیر کاملا مشخص می‏شود. بنابراین یک فريم مختصات مرجع و یک فريم محلي که بر روي ربوت قرار دارد.
مختصات نقطه مرجع P در مبنای اینرسیال هستند، یعنی

زاویه مبنای نسبت به مبنای اینرسیال است.
بنابراین بردار 3 بعدی می تواند موقعیت ربوت را توضیح ‏دهد:

همچنین براي توصيف حرکت ربوت لازم است تا حرکت در راستاي فريم مرجع به حرکت در فريم ربوت نگاشت شود. براي اينکار از ماتريس دوران با چرخش استفاده مي‏شود. ماتریس چرخش متعامد به صورت زیر را تعریف می‏شود:

2-2-2- تعریف چرخ هافرض می کنیم که در طول حرکت، سطح هر چرخ عمودی باقی مانده وچرخ پیرامون محور (افقی) خود می چرخد که چرخش آن نسبت به چارچوب می تواند ثابت یا متغیر باشد. بین دو گروه مبنای چرخ های ایده‏آل می توان تمایز قایل شد: چرخ های معمولی وچرخ های سوئدی. در هر حالت، فرض می کنیم که تماس بین چرخ و زمین تنها به یک نقطه از سطح محدود است (شکل 2-1).
برای یک چرخ معمولی، فرض بر این است که تماس بین چرخ و زمین چرخش خالص را بدون شرایط لغزش برآورده می کند، یعنی سرعت نقطه تماس برابر صفر است و دلالت بر این دارد که عناصر این سرعت موازی و متعامد با سطح چرخ برابر صفر هستند.
برای یک چرخ سوئدی، تنها یک عنصر سرعت نقطه تماس چرخ با زمین در امتداد حرکت، برابر صفر فرض می شود. جهت این عنصر صفر سرعت، یک مقدار قیاسی دلخواه، اما نسبت به انحراف چرخ ثابت است. هم اکنون عبارت های محدودیت های چرخ های معمولی و سوئدی را به طور مشروح بیان می کنیم. از آنجا که در مدل مورد استفاده در این رساله تنها از چرخ های معمولی استفاده شده است ما از ذکر جزییات مربوط به چرخ های سوئدی پرهیز می کنیم.
2-2-2-1- چرخ های معمولیچرخ های ثابت: مرکز چرخ (A) نقطه ثابتی از چارچوب است (شکل2-3). موقعیت A در مبنای با استفاده از مختصات قطبی توسط فاصله و زاویه مشخص شده است. انحراف سطح چرخ نسبت به توسط زاویه ثابت و زاویه چرخش چرخ پیرامون محور (افقی) آن با وشعاع چرخ با نمایش داده شده است.

شکل 2-3. چرخ های ثابت و چرخ های مرکزی قابل گردشبنابراین موقعیت چرخ با 4 ثابت وحرکت آن با زاویه متغیر بر اساس زمان مشخص می شود. با این توضیحات عناصر سرعت نقطه تماس به راحتی محاسبه شده و می توان 2 محدودیت زیر را در نظر گرفت:
در امتداد پلان چرخ
که
: مجموع حرکت در صفحه چرخ
: تبدیل موقعیت مرجع به موقعیت ربوت
: حرکت حاصل از چرخش
عمود بر پلان چرخ
بنا به محدوديت غلتش مي‏بايست در محل برخورد فقط چرخش خالص داشته باشيم و بنا به محدوديت سر خوردن مي بايست مولفه عمودي موقعيت چرخها نسبت به صفحه چرخ صفر باشد
چرخ‏های مرکزی قابل گردش: این چرخ به گونه ای است که حرکت پلان چرخ نسبت به چارچوب، چرخشی پیرامون محور عمودی است که از مرکز چرخ عبور می کند (شکل 2-3). توضیح آن مانند چرخ ثابت است، با این تفاوت که در اینجا زاویه ثابت نیست، بلکه بر اساس زمان متغیر است.موقعیت چرخ با سه ثابت وحرکت آن نسبت به چارچوب با دو زاویه متغیر با زمان و مشخص شده است.محدودیت ها مانند حالت قبل است:
در امتداد پلان چرخ
عمود بر پلان چرخ
چرخ های قابل گردش (هدایت/تغییرجهت) غیرهم مرکز (“چرخ های کاستور[25]”): این چرخ ها نیز نسبت به چارچوبشان قابل انحراف هستند، اما چرخش پلان چرخ پیرامون محور عمودی است که از مرکز چرخ عبور می کند (شکل 2-4). در این حالت، توضیح پیکر بندی چرخ نیاز به پارامترهای بیشتری دارد. مرکز چرخ در اینجا با B نشان داده می شود وتوسط میله سخت با طول ثابت به چارچوب متصل شده است که می تواند پیرامون محورعمودی ثابت در نقطه بچرخد.این نقطه A خودش یک نقطه ثابت ازچارچوب است وموقعیت آن توسط دو مختصات قطبی مانند بالا مشخص شده است. پلان چرخ در امتداد تراز شده است.

شکل 2-4چرخ های قابل انحراف غیرهم مرکزموقعیت چرخ توسط 4 ثابت وحرکت آن توسط دو زاویه متغیر با زمان ومشخص شده است. با این توضیحات، محدودیت ها شکل زیر را دارند:
2-2-2-2-چرخ های سوئدیموقعیت چرخ نسبت به چارچوب،مانند چرخ تثبیت شده معمولی، توسط 3 پارامتر ثابت شرح داده شده است. یک پارامتر اضافی برای تعیین جهت عنصر صفر سرعت (نسبت به پلان چرخ) در نقطه تماس لازم است که توسط زاویه نشان داده شده است (شکل 2-5). محدودیت حرکت به شکل زیر نمایش داده شده است.

شکل 2-5چرخ های سوئدی2-2-3- محدودیت های حرکت ربوتهم اکنون یک ربوت متحرک کلی را که با N چرخ از 4 گروه بالا تجهیز شده است بررسی می‏کنیم. 4 زیر نویس زیر را برای تعیین کمیت های مربوط به این 4 گروه به کار می بریم: برای چرخ های ثابت معمولی، برای چرخ های قابل انحراف مرکزی معمولی، برای چرخ های قابل انحراف غیرهم مرکزمعمولی و برای چرخ های سوئدی. تعداد چرخ های هر نوع به شکل نمایش داده می شود که.
پیکر بندی ربوت توسط بردارهای مختصات زیر کاملا شرح داده شده است.
مختصات موقعیت: برای مختصات موقعیت در صفحه
مختصات زاویه ای: برای زاویه چرخش چرخ های قابل انحراف مرکزی و برای زاویه چرخش چرخ های قابل انحراف غیرهم مرکز
مختصات چرخش: برای زاویه های چرخش چرخ ها پیرامون محور افقی چرخ
کل مجموعه مختصات موقعیت، زاویه ای وچرخش را مجموعه مختصات پیکر‏بندی گویند. تعداد مختصات پیکربندی به وضوح برابر است.
با این توضیحات محدودیت ها را می توان به شکل ماتریس عمومی

نوشت که تعاریف زیر را دارد:

که در آن به ترتیب یک ماتریس ، و هستند که فرم آنها مستقیم از محدودیت های 2-5 ،2-7 ، 2-9 و 2-11 می آید. ثابت اند، در حالی که به ترتیب از طریق نسبت به زمان متغیر هستند. یک ماتریس ثابت است که ورودی های قطری آن شعاع های چرخ ها هستند؛ به جز برای شعاع های چرخ های سوئدی که در ضرب می شود.
,
که درآن به ترتیب 3 ماتریس به ابعاد و هستند که سطرهای آنها از محدودیت های 2-6 و 2-8 به دست می آید. ثابت و متغیر نسبت به زمان هستند. ماتریس قطری است که ورودی قطری آن برای چرخ قابل انحراف غیرهم مرکزبرابر است.
حال محدودیت اول 2-13 را بررسی می‏کنیم که به طور مشروح به شکل

نوشته شده است.
این محدودیت ها دلالت بر این دارد که بردار به فضای تهی ماتریس زیر تعلق دارد:

که به وضوح در رتبه است. اگر رتبه باشد، سپس و هر حرکتی در صفحه غیر ممکن است! به طور کلی تر، محدودیت های قابلیت تحرک ربوت در ارتباط با رتبه است. این نکته در ادامه به طور مشروح مورد بحث قرار می گیرد.
پس از آن مهم است توجه کنیم که شرایط 2-16 و 2-17 تفسیر هندسی جالبی دارند. در هر لحظه، حرکت ربوت را می توان به عنوان چرخش لحظه ای پیرامون مرکز گردش لحظه ای[26]در نظر گرفت که موقعیت این نقطه نسبت به چارچوب می تواند نسبت به زمان متغیر باشد. بنابراین در هر لحظه بردار سرعت هر نقطه از چارچوب به خط مستقیمی که این نقطه و را به هم متصل می‏کند عمود است.به طور خاص این برای مراکز چرخ های قابل انحراف مرکزی وثابت معمولی صدق می کند. این دلالت براین دارد که در هر لحظه زمان، محورهای چرخش افقی همه چرخ های قابل انحراف مرکزی وثابت معمولی در متقارن هستند. این واقعیت در شکل 2-6 ترسیم شده و معادل شرایطی است که رتبه .

شکل 2-6 . مرکز گردش لحظه ای برای وسیله هایی با 2و3و4 چرخبه وضوح رتبه ماتریس به طراحی ربوت سیار بستگی دارد. درجه قابلیت تحرک یک ربوت متحرک را به شکل ذیل تعریف می کنیم:

هم اکنون رتبه موردی را بررسی می کنیم که دلالت بر این دارد که ربوت حداقل 2چرخ ثابت دارد واگر تعداد چرخ ها بیشتر باشد، محور آنها با ؛ که موقعیتش نسبت به چارچوب ثابت است؛ متقارن است. در چنین حالتی، واضح است که تنها حرکت ممکن چرخش ربوت پیرامون یک ثابت است. به وضوح این محدودیت در عمل قابل قبول نیست و بنابراین فرض می کنیم که رتبه . به علاوه فرض می کنیم که ربوت به شکل زیر غیرهم ارزاست.
آ-1: یک ربوت متحرک غیرهم ارز است اگر:

این فرض معادل شرایط زیر است:
اگر ربوت بیش از یک چرخ معمولی ثابت داشته باشد ، همه آنها بر یک محور مشترک منفرد قرار دارند.
مرکز چرخ های قابل انحراف مرکزی معمولی به این محور مشترک چرخ های ثابت تعلق ندارند.
عدد ، تعداد چرخ های قابل انحراف مرکزی معمولی است که می‏توانند به طور مستقل تغییرجهت داده و ربوت را هدایت کنند. این تعداد را درجه هدایت پذیری[28] می نامند.

تعداد و انتخاب این چرخ هدایت کننده به وضوح یکیاز امتیازات طراح ربوت است. اگر یک ربوت سیار، بیش از چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی داشته باشد (به این معنی که: )، حرکت چرخ های اضافی باید هماهنگ شود تا از وجود مرکز لحظه ای گردش در هر لحظه زمانی مطمئن شویم.
از این برمی آید که تنها 5 ساختار غیر منفرد از نظر علمی مورد توجه هستند اگر:
درجه تحرک نامساوی های زیر را برآورده می کند:
(کران بالا مشخص است. کران پایین به این معناست که تنها حالتی را بررسی کنیم که یک حرکت ممکن است، بدین معنی که δm≠0)
درجه قابلیت هدایت در نامساوی های زیر صدق می کند:
(کران بالا را می توان تنها برای ربوت های بدون چرخ ثابت به دست آورد . کران پایین نیز متناظر با ربوت های بدون چرخ قابل انحراف مرکزی است
و
نامساوی های زیر برآورده می شوند:
(مورد قابل قبول نیست زیرا به صورتی که در بالا دیده ایم متناظر با گردش ربوت پیرامون یک ثابت است. موارد ) نیز حذف می شوند زیرا براساس فرض آ-1، دلالت براین دارد که ).
بنابراین،تنها 5 نوع ربوت های سیار چرخ‏دار متناظر با 5 زوج مقادیر وجود دارد که بر اساس دو ستون دوم وسوم جدول زیر در نامساوی های 2-21، 2-22 و 2-23 صدق می کند:
جدول 2- 1حالت های ممکن و مانور پذیری انواع مختلف ربوت های سیار چرخ دار
نوع ربوت
3 0 3 3,0
3 1 2 2,1
3 2 1 2,1
2 0 2 2,0
2 1 1 1,1
0 0 0 0,0 سه چرخ ثابت!!
این انواع ساختار را با استفاده از فرم “ربوت متحرک از نوع ” مشخص شده اند.
ویژگی های طراحی اصلی هر نوع ربوت سیار در اینجا به اختصار ارائه شده است.
نوع (3،0): . این ربوت ها هیچ چرخ ثابت معمولی وچرخ قابل انحراف مرکزی معمولی ندارند. چنین ربوت هایی همه سویه[29] نامیده می شوند زیرا در صفحه تحرک کامل دارند که به این معناست که می توانند در هر لحظه بدون تغییرجهت مجدد در هر جهت حرکت کنند. به طور متضاد، 4 نوع ربوت دیگر تحرک محدود (درجه تحرک کمتر از 3) دارند.مثال هایی از ربوت های همه سویه ربوت اورانوس[30] [5] وربوت UCL[6] هستند.

شکل 2-7ربوت همه سویه – نوع (3،0)

شکل 2-8ربوت های همه سویه با چرخ های قابل انحراف غیرهم مرکز- نوع (3،0)
نوع (2،0) : . این ربوت ها هیچ چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی ندارند. آنها یا یک چرخ ثابت معمولی یا چندین چرخ ثابت معمولی با محور منفرد دارند(در غیر اینصورت رتبه بیشتر از 1 خواهد بود).تحرک ربوت محدود شده است به این معنی که برای هر مسیر قابل قبول ، سرعت متعلق به توزیع دوبعدی طی شده توسط حوزه بردارو است که در آنو دو بردارثابت گذرنده از هستند. ربوت معروفHILARE [7] به این گروه تعلق دارد.مدل مورد نظر برای این رساله به همین گروه تعلق دارد و در ادامه ویژگی تنها همین گروه را بررسی خواهیم کرد.

شکل2-9. ربوت نوع (2،0)
نوع (1،2) :. این ربوت ها بدون چرخ ثابت معمولی وبا حداقل یک چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی هستند. اگر بیش از یک چرخ مرکزی وجود داشته باشد انحراف آنها باید طوری باشد که رتبه. سرعت طوری محدود می شود که به توزیع دو بعدی پیموده شده توسط حوزه های بردارو تعلق دارد که در آن و دو بردار گذرنده وپارامتر بندی شده توسط زاویه یک چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی دلخواه است.

شکل 2-10ربوت نوع (2،1)
نوع (1،1) : . این ربوت ها یک یا چند چرخ ثابت معمولی با یک محور متداول منفرد دارند. آنها همچنین یک یا چند چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی دارند، به شکلی که مرکز یکی ازچرخ ها بر محور چرخ های ثابت معمولی قرار ندارد (در غیر اینصورت ساختار منحصربه فرد خواهد بود) واینکه انحراف آنها به طوری تنظیم شده است که رتبه. سرعت طوری محدود شده است که به توزیع یک بعدی مشخص شده توسط زاویه انحراف یک چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی اختیاری تعلق داشته باشد. ربوت های سیاری که بر اساس مدل یک ماشین قراردادی ساخته شده اند (اغلب ربوت های شبه ماشین نامیده می شوند) به این گروه تعلق دارند. مثال هایی از آنها ربوت های HERO1 وAVATAR هستند (]8[ و ]9[ را ببینید).

شکل 2-11ربوت نوع (1،1)
نوع (2،1) : . این ربوت ها هیچ چرخ ثابت معمولی ندارند . آنها حداقل دو چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی دارند . اگر بیش از دو چرخ وجود داشته باشد، انحراف آنها باید طوری تنظیم شود که . سرعت طوری محدود شده است که به یک توزیع یک بعدی مشخص شده توسط زاویه انحراف دو چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی اختیاری ربوت تعلق دارد. یک مثال متداول ربوت KLUDGE است ]10[.

شکل 2-12 ربوت نوع (2،1)
ما در ادامه بحث تمرکز خود را بر مدل مورد استفاده در فصل های آتی یعنی نوع (2،0) تمرکز خواهیم کرد و در مورد آن تا حد ممکن به بیان جزییات خواهیم پرداخت.
در بخش های قبل نشان داده شد که چرخ های یک ربوت سیار توسط (حداکثر) 6 ثابت تعیین کننده شرح داده می شوند:
1) سه زاویه
2) سه طول
اکنون به تشریح ماتریس های گوناگون و موجود در عبارت های ریاضی2-16 و 2-17 محدودیت ها برای مدل مورد نظر خواهیم پرداخت.
ربوت با دو چرخ ثابت معمولی بر محور مشابه و یک چرخ قابل انحراف غیرهم مرکز ،شکل ‏29.

محدودیت ها به فرم 2-16 و 2-17 هستند که در آن

متوجه می شویم که محدودیت های غیر لغزشی دو چرخ ثابت معادل هستند (2 سطر اول را ببینید). بنابراین، ماتریس طبق انتظار رتبه ای برابر 1 دارد.
2-3- سینماتیک و موقعیتدر این بخش، تحلیل حرکت به شکل مورد بحث در بخش‎0، به فرمیک فضای حالت فرمول بندی مجدد شده است که برای توسعه های متعاقب ما مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
نشان داده شد که [9]،ربوت سیار از هر نوع باشد، سرعت طوری محدود می‏شود که به یک توزیع به شکل زیر تعلق داشته باشد که

تعریف شده است که در ان ستون های ماتریس مبنایی برای را شکل می‏دهند:

این تا حد کمی معادل وضعیت زیر است:
برای همه ها، بردار متغیر با زمان وجود دارد به طوری که

بعد توزیع و بنابرآن بردار درجه تحرک ربوت است. به وضوح، در حالتی که ربوت هیچ چرخ قابل انحراف مرکزی معمولی ندارد،که مدل ما شامل این مورد می باشد، ماتریس ثابت بوده وعبارت 2-29 به

ساده سازی می شود.
این بازنمایی را می توان به عنوان بازنمایی فضای حالت سیستم نامید(که آن را مدل سینماتیک می نامیم)، که مختصات موقعیت و (در مواردی که چرخ قابل گردش مرکزی داریم) مختصات زاویه‏ای را به عنوان متغیر حالت دارد، در حالی که و (که نسبت به سرعت ها مشابه هستند) را می‏توان به عنوان ورودی های کنترلی که به طور خطی به مدل وارد می شوند تفسیر کرد. اگرچه، این تفسیر باید با دقت انجام شود زیرا ورودی های کنترلی فیزیکی واقعی یک ربوت متحرک، گشتاورهای ایجاد شده توسط موتورهای داخلی هستند.
در زیربخش های بعد مدل های سینماتیک؛ متناظر با مدل (2،0) را به دست می آوریم و نشان می‏دهیم که این مدل ها عمومی و غیرقابل ساده شدن هستند. این امکان بحث پیرامون کنترل پذیری و پایداری مدل سینماتیک را فراهم می آورد.
2-3-1- مدل عمومی ربوت های متحرک چرخ دارمدل سینماتیک را در شکل فشرده زیر بازنویسی می کنیم:
که (برای )

جدول 2- 2 مدل سنماتیک موقعیت ربوت سیار چرخ دار

در جدول 2-2 فرم خاص یا و معادلات سینماتیک موقعیت را برای مدل مورد نظر در نشان داده ایم. به طور طبیعی پرسشی پیش می آید:
برای هر رده WMR، آیا این مدل سینماتیک موقعیت برای همه ربوت های متعلق به این گروه عمومی است؟ پاسخ مثبت است: برای هر ربوت سالم (فرض 2-آ) همواره می‏توان نقطه مرجع P و مبنای متصل به چارچوب ربوت را به روشی انتخاب کرد که مدل سینماتیک موقعیت دقیقا به فرمی متناظر با نوع ربوت داده شده در جدول.2 به شکل زیر در آید.
تذکر 1:
برای ربوت نوع (2،0)،P به عنوان یک نقطه از محور چرخ های ثابت انتخاب شده است، که در امتداد این محور تراز می شود. به عنوان مثال شکل ‏29 را ببینید.
2-4- تحرک پذیری: قابلیت هدایت و قدرت مانور[31]مدل سینماتیک امکان بحث بیشتر پیرامون قابلیت مانور WMR را فراهم می آورد. درجه تحرکاولین شرط قدرت مانور است. درجه تحرک معادل درجه آزادی است که می تواند مستقیما از ورودی های ، بدون تغییر انحراف چرخ های مرکزی به دست آید. ذاتا، این متناظر با “مقدار درجه آزادی” است که ربوت می تواند از پیکر بندی کنونی خود بدون تغییر جهت هیچ یک از چرخ هایش به طور لحظه ای داشته باشد. این برابر مقدار کل “درجه آزادی” ربوت که می‏تواند از ورودی های به دست آید، نیست. در واقع این عدد برابر مجموع است که می تواند درجه مانور پذیری نامیده شود. این شامل درجه آزادی اضافی می شود که از ورودی های قابل دسترس است. اما فعالیت بر مختصات موقعیت غیر مستقیم است، زیرا تنها از طریق مختصات به دست می آید که عمل انتگرال گیری با در ارتباط است.
قدرت مانور یک WMR به وهمچنین به اینکه چطور این درجه آزادی بین تقسیم می شوند بستگی دارد. بنابراین 2 شناسه برای تعیین ویژگی های قدرت مانور لازم است: یا به طور معادل ، که 2شناسه مشخص کننده 5 گروه ربوت ها در جدول 2-2 هستند.
دو ربوت با مقدار یکسان، اما متفاوت، معادل نیستند. برای ربوت هایی با ، در ربوت های نوع (0،3) می توان موقعیت ICR را به طور آزادانه یا مستقیما از، و برای ربوت های نوع (1،2) و (2،1) با انحراف 1یا 2 چرخ مرکزی تخصیص داد. برای ربوت هایی با ،ICR محدود می شود تا به خطی مستقیم (محورچرخ ثابت) تعلق داشته باشد. موقعیت آن بر این خط برای ربوت های نوع (2،0) به طورمستقیم، و برای ربوت های نوع (1،1) توسط انحراف یک چرخ مرکزی، اختصاص داده شده است.
به طور مشابه، دو WMR با مقدار برابر و مختلف، معادل نیستند: ربوتی با بزرگتر، قدرت مانور بیشتری دارد.به عنوان مثال، ربوت های نوع (1و1) و (2،1) با وبه ترتیب و را مقایسه کنید. موقعیت ICR برای ربوت نوع (2،1) را می توان صرفا با انحراف دو چرخ مرکزی به طور آزادانه مشخص کرد، در حالی که برای نوع (1،1)،ICR طوری محدود شده است که به محور چرخ های ثابت تعلق داشته باشد وموقعیت آن بر این محور با توجه به انحراف چرخ مرکزی مشخص می شود. از نقطه نظر علمی، نتیجه می گیریم که ربوت نوع (2،1) قدرت مانوری بیشتر از نوع (1،1) دارد.
2-5- پیکر بندی موتورهافرض می کنیم که ربوت موتورهایی دارد که می توانند جهت چرخ های قابل انحراف (مختصات زاویه ای) یا چرخش چرخ ها (مختصات چرخش ) را مشخص کنند. گشتاور ایجاد شده توسط موتورها به شکل زیر نمایش داده شده است
برای چرخش چرخ ها
برای انحراف چرخ های غیرهم مرکز
برای انحراف چرخ های مرکزی که در مدل ما استفاده شده اند.
بردارهای و همه گشتاورهایی را که می توانند برای چرخش وانحراف چرخ ربوت اعمال شوند ارائه می کند. اگرچه، در عمل تنها تعداد محدودی از موتورها به کار می روند که به این معناست که بسیاری عناصر و به طور یکسان صفر هستند.
در این بخش پیکر بندی های موتورها را مورد بحث قرار می دهیم که قابلیت مانور کامل ربوت‏ها را فراهم می آورد و در عین حال نیاز به تعداد تا حد امکان محدودی از موتورها دارد. ابتدا واضح است که همه چرخ های مرکزی قابل انحراف، برای چرخش باید موتور داشته باشند (در غیر اینصورت تفاوتی با چرخ های ثابت ندارند).
به علاوه برای اطمینان از تحرک کامل ربوت، موتور اضافی (با) باید برای چرخش برخی چرخ ها یا برای برخی چرخ های قابل انحراف غیرهم مرکز به کار روند. بردار گشتاور توسعه داده شده توسط این موتورها با نمایش داده شده و داریم
که در آن P یک ماتریس ابتدایی است که عناصر را انتخاب می کند و به طور موثر به عنوان ورودی های کنترلی به کار رفته اند.
فرض آ-2 زیر را معرفی می کنیم.
پیکر بندی موتورها چنان است که ماتریس

برای همه رتبه کامل دارد.]1-2[
هم اکنون حداقل موتورهای ممکن را برای ربوت مورد نظر که توضیح داده شد ارائه می کنیم.
در نوع (2،0) – (شکل ‏29)ربوت با دو چرخ ثابت و یک چرخ قابل انحراف غیرهم مرکز
ماتریس به شکل زیر نوشته شده است:

چندین پیکربندی با دوموتور قابل قبول است:
2 موتور چرخش بر چرخ های 1 و 2
1 موتور برای چرخش چرخ 3 و یکی برای چرخش چرخ2 (یا 3)، با این شرط که ؛ و
2 موتور (چرخش و تغییرجهت) بر چرخ غیرهم مرکز 3، با ین شرط که .
ماتریس های انتخاب متناظر P به شکل زیر هستند:

فصل سوم
بیان مسئله و مسیر‏یابی3-1- مقدمهدر این فصل شکل کلی کنترل کننده و تمام پیش شرط های لازم برای ورود به طراحی کنترل کننده را بررسی خواهیم کرد. ابتدابا توجه به توضیحات ارائه شده در فصل قبل و بررسی سینماتیک ربوت سیار چرخ‏دار به فرمول بندی مسئله و تشریح مدل در فضای حالت خواهیم پرداخت. سپس با توجه به هدف دنبال کردن دیوار[32] (و مسیر[33]) توسط ربوت سیار چرخ‏دار به بررسی مسیر و انتخاب آن خواهیم پرداخت. در قدم بعدی به اجمال مولفه های سیستم سیار چرخ‏دار و یک کنترل کننده کلاسیک را بررسی می نماییم تا تمام شرایط لازم برای ورود به کنترل کننده‏های فازی را بررسی و انتخاب کرده باشیم.
در این فصل سعی شده تا حد ممکن مسایل به صورت کلی برای هر دو نوع ربوت سیار چرخ‏دار دنبال کننده مسیر و دنبال کننده یک مرز بررسی شود و همچنین در انتخاب مسیر به نحوی عمل شده تا حداکثر وظیفه ممکن که در ربوت های سیار چرخ‏دار مختلف انجام می گیرد پشتیبانی شود تا به این ترتیب نتایج حاصله در فضاهای دیگر نیز قابل استفاده باشد. بخاطر شباهت ربوت‏ها‏ی سیار چرخ‏دار در فضاهای مختلف سعی کرده‏ایم کلی ترین حالت ممکن بررسی کنیم که در آن برخلاف بیشتر کارهای انجام شده برای دنبال کننده های دیوار که با فرض های خاصی به حذف عامل x ویا y می پردازند تمامعوامل خطا را در نظر خواهیم گرفت. به این ترتیب واضح است می توان از طراحی انجام شده برای ربوت های سیار چرخ‏دار چندگانه (مثل لوکوموتیو و واگن ها) نیز استفاده کرد.
در ربوت های سیار چرخ‏دار از سنسورهای مختلفی از جمله سنسورهای تشخیص رنگ و سنسورهای آلتراسونیک[34] و مادون قرمز[35] یا پردازش تصویر برایتحلیل موقعیت ربوت سیار چرخ‏دار استفاده می شود.اما این مهم در ربوت سیار چرخ‏دار دنبال کننده دیوار معمولا به وسیله سنسورهای مادون قرمز یا آلتراسونیک انجام می‏شود.وظیفه اصلی این سنسورها تعیین موقعیت ربوت سیار چرخ‏دار است.گاهی این عمل فقط به وسیله دو سنسور آلتراسونیک، گاهی با 30 سنسور و در بعضی موارد با رهیافت های هوشمند مانند پردازش تصویر انجام می شود که بخاطر جلوگیری از پراکندگی موضوع رساله و گستردگی این مقوله سعی کردیم از ورود به آن پرهیز کنیم. ما فرض را بر این می‏گیریم به کمک این سنسورها اطلاعات لازم برای ورودی کنترل کننده تامین شود.
به طور معمول سیستم های Nonholonomic در جایی که ورودی های سیستم با استفاده از محدودیت‏های موجود و خاصیت دنبال کنندگی محاسبه می‏شوند،دارای یک کنترل کننده پیشرو[36] هستند که به گونه ای طراحی می شوند که چشم اندازی از محل هدف را پیش بینی کنند . با این وصف استفاده تجربی از کنترل حلقه باز (تنها کنترل کننده پیشرو) به تنهایی مفید نیست، زیرا در مقابل خطاهای اولیه و اغتشاشات در زمان عملکرد سیستم مقاوم نیست بنابراین در عمل کنترل حلقه بسته پسخورد[37] نیز به آن اضافه می‏شود. ترکیب مذکور برای بیشتر سیستم های Nonholonomic مناسب است]16[-]11[.
3-2- تحلیل موقعیتهمانطور که گفته شد کنترل ربوت سیار چرخ‏دار با محدودیت‏ها‏ی Nonholonomic در یک مسیر یکی از وظایف مهم در دسته ربوت های سیار چرخ‏دار است. سیستم‏های Nonholonomic دارای محدودیت های حرکتی ناشی از مدل سینماتیک خود هستند. بنابراین حرکت در برخی از جهت‏ها ممکن نیست. حرکت در ربوت سیار چرخ‏دار توسط دو نیروی وارده به چرخ سمت راست و چپ تامین می شود و این نیروها توسط دو موتور جداگانه به موتورها اعمال می شود. در این رساله تلاش شده است تا کنترل کننده با استفاده از معادلات مرتبه اول سینماتیک طراحی شود و انتقال حرکت ربوت به ویژگی‏های دینامیک ربوت در سایر پژوهش ها مورد مطالعه قرار گیرد، هرچند که با موتورهای قوی و سریع می‏توان سیستم دینامیک ربوت سیار چرخ‏دار را نادیده گرفت. اساس طراحی در این رساله بر پایه یک محیط بدون مانع است که به واسطه یک کنترل نقطه به نقطه قابل حل است. در ربوت های سیار چرخ‏دار مورد بحث و تعداد دیگری از سایر ربوت ها‏ی سیار چرخ‏دار،کنترل کننده باید ربوت سیار چرخ‏دار را از موقعیت اول به موقعیت دوم ببرد که به موقعیت اول موقعیت واقعی[38] و به موقعیت دوم موقعیت هدف[39] یا مجازی[40] می‏گوییم(شکل ‏32).گاهی موقعیت دوم فقط تصحیح موقعیت کنونی است؛مانند آنچه که در ربوت سیار چرخ‏دار دنبال کننده دیوار اتفاق می افتد؛ و گاهی نیز تصحیح موقعیت کنونی و حرکت به سوی موقعیت دومی است که ربوت سیار چرخ‏دار بایستی به آن برسد؛ مانند آنچه که در دنبال کردن مسیر رخ می‏دهد. در تمام موارد ربوتسیار چرخ‏دار باید با سرعتی مشخص و با در نظر گرفتن محدودیت هایی خاص مانند شتاب (که ممکن است وجود داشته باشد یا نه) مسیر را دنبال کند. آنچه را در شکل ‏32می‏بینیم به وضوح تفاوت دو کنترل کننده دنبال کننده دیوار و دنبال کننده مسیر را نشان می‏دهد. مسیر نقطه چین برای دنبال کردن مسیر و خط ممتد دیوار هدف به منظور دنبال شدن است.
در مسیرهای با مانع نیز با انتخاب مسیر مطلوب بین هر دو نقطه به وسیله الگوریتم های پیشرفته‏ای مانند تحلیل تصویر[41] و یا الگوریتم ژنتیک می توان در طول مسیر به درستی حرکت کرد.این رهیافت را می‏توان حتی در مورد ربوت های بازیکن[42] با انتخاب مسیر درست به کار برد.
3-3- مدل ربوت سیار چرخ‏داردر این بخش با در نظر گرفتن سینماتیک ربوت سیار چرخ‏دار به تشریح معادلات حاکم بر مسئله خواهیم پرداخت.همانطور که در فصل قبل نشان داده شده موقعیت ربوترا در هرلحظه می‏توان با سه مولفه نشان داد.

شکل ‏31موقعیت ربوت در مختصات کارتزینبا توجه به وجود دو محور مختصات محلی و مرجع می‏بینیم مختصات محلی روی ربوت سیار چرخ‏دار در نقطه ثابت شده است. در شکل ‏31 نقطه P مرکز ثقل هندسی ربوت سیار چرخ‏دار است که با فرض متقارن بودن ربوت و ثابت ماندن وزن ربوت در مرکز هندسی ربوت نیز قرار می‏گیرد. در رابطه با θ می توان گفت زاویه پیموده شده در جهت مثلثاتی از محور X در محور مختصات مرجع تا محور XL در مختصات محلی ربوت است. قابل ذکر است محور XLجهت سرعت مماسی ربوت سیار چرخ‏دار را نشان می دهد.همانطور که گفته شد دو چرخ ثابت به وسیله دو موتور کنترل می‏شود و چرخ سوم یا کاستور نقش حفظ تعادل در ربوت سیار چرخ‏دار را بر عهده دارد.بنابراین می‏توان نوشت:

که در آن به ترتیب سرعت مماسی و سرعت زاویه ذکر شده در فصل قبل می‏باشند.زمانی که در جهت مثلثاتی حرکت می‏کنیم مثبت و زمانی که در خلاف جهت مثلثاتی حرکت می‏کنیم منفی می‏باشد. متغیر L نصف عرض ربوت سیار چرخ‏دار و R نیز شعاع چرخ‏ها می‏باشد.
3-3-1- خطایابی در مدل سینماتیکدر شکل ‏32ربوت در دو موقعیت واقعی و هدف رسم شده است.

شکل ‏32ربوت سیار چرخ‏دار در دو موقعیت واقعی و مجازیآنچه بیش از هر چیزی بدیهی به نظر می‏رسد شباهت در دنبال کردن مسیر با دنبال کردن دیوار است و به واسطه نوع تعریف مسیر در قسمت آتی این دو وظیفه را به همراه چند وظیفه دیگر همزمان در نظر خواهیم گرفت. بحث در مورد موقعیت هدف نکته مهم دیگری را برای ما آشکار می‏کند.زمانی که اندازه فاصله بین موقعیت هدف و موقعیت واقعی کاهش می یابد سیستم برای تصحیح خطا زمان کمتری در اختیار دارد و این تا جایی پیش می‏رود که در صورتی که این مقدار به نزدیک صفر و یا حتی صفر برسد ما همواره یک تاخیر در تصحیح داریم، که البته با فرض سرعت بالای پردازنده برای محاسبه موقعیت هدف و تاخیر ناچیز قطعات الکترونیکی (که فرض منطقی نیز می باشد) این مشکل قابل چشم پوشی است.
با درنظرگرفتن شرایط بدون لغزش و حرکت ربوت سیار چرخ‏دار در دو بعد، مدل سینماتیک ربوتسیار چرخ‏دار متحرک در صفحه را می توان به شکل زیر نوشت:
x=vcosθy=vsinθ θ=w که در آن ورودی های کنترلی بررسی شده ربوت سیار چرخ‏دار متحرک(w و u) به ترتیب سرعت زاویه ای و سرعت مماسی ربوت سیار چرخ‏دار هستند. متغیرهای خروجی x و y (مرکز ثقل ربوت) و θ (زاویه بین بردار سرعت و محور x؛ یعنی انحراف ربوت) هستند. اگر بخواهیم ربوت سیار چرخ‏دار با سرعت مشخصی دیوار یا مسیر را دنبال کند معادلات زیر نیز برای دیوار یا مسیر خواهیم داشت.
3-3-2- خطای ردیابی مسیرطبق آنچه که در فصل پیش نشان داده شدربوتسیار چرخ‏دار در یک فضای دو بعدی در مختصات کارتزین قرار گرفته است و همچنین مختصات محلی ربوت به نحوی روی ربوت سیار چرخ‏دار ثابت شده است که محور X هم جهت با حرکتربوت باشد ( REF _Ref376467456 h * MERGEFORMAT شکل ‏31و تذکر 1)تذکر2: از این پس از واژه ربوت به جای ربوت سیار چرخ‏دار استفاده خواهیم کرد مگر آنکه به صراحت مورد دیگری را ذکر کنیم
همانطورکه ذکر شد موقعیت و چرخش ربوت (شکل ‏32)رادر صفحه مختصات مرجع به صورتp=xyθبیان می کنیم. حرکت ربوت به وسیله دو فاکتور سرعت مماسی v و سرعت زاویه‏ای w که توابعی از زمان هستند، کنترل می شود. مدل سینماتیک به وسیله ماتریسJ (در فصل قبل نیز معرفی شد) تعریف می شود.
p=xyθ=Jq=cos eθsineθ0001qکه در آن q=vwدو موقعیت کنونیp=xyθ و موقعیت هدفpr=xrerθrT – موقعیت واقعی و مجازی ربوت- در این سیستم استفاده می شوند(شکل ‏32). موقعیت هدف در هر لحظه مورد نظر بوده و ربوت به کمک کنترل کننده سمت آن حرکت خواهد کرد.همانطور که در شکل ‏32 پیداست تعریف خطای موقعیت pe=exeyeθT ارائه شده در چارچوب ربوت واقعی و تعیین شده با استفاده از موقعیت واقعی ربوتp=xyθ و موقعیت هدفpr=xrerθrTتوسط معادله زیر را می‏دهد:exeyeθ=cosθsinθ 0-sinθcosθ00 0 1pr-p=R(θ)-1pr-pدر این رابطه با استفاده از ماتریس چرخش، خطای موقعیت به مختصات محلی فرستاده شده است. اگر pr=p مقدار خطا صفر خواهد بوده و ربوت مسیر هدف را دنبال خواهد کرد.
اکنون ما قادر هستیم معماری یک ربوت را ارائه و گسترش دهیم (شکل ‏33). ورودی سیستم موقعیت مرجع pr و سرعت های مرجع qr=vrwr است که هر دو توابعی از زمان هستند. خروجی سیستم نیز موقعیت کنونی ربوت یعنی pc می باشد.هدف کنترل کننده این است که خطای موقعیت ربوترا به سمت صفر ببرد که نقطه کار سیستم نیز می‏باشد.در ربوت دنبال کننده دیوار نقطه ای غیر از این میل خواهد کرد. حالفرض کنیم در دنبال کننده دیوار ex(یا ey)صفر باشد (در بیشتر پژوهش ها این فرض انجام شده است)و بخواهیم موقعیت مجازی دیوار افقی (عمودی)را دنبال کند که ربوت فاصله Y0( یا X0)را از آن حفظ کند با تغییر متغیر y=Y-Y0( یا x=X-X0)دوباره به همان اهداف کنترل باز خواهیم گشت و در صورتیکهexو ey صفر نباشد با در نظر گرفتن هر دو تغییر متغیر دقیق همان نقطه کار را خواهیم داشت.
اجازه دهید مولفه های شکل ‏33 را به ترتیب توضیح دهیم (از راست به چپ شکل ‏33)

شکل ‏33مولفه های سیستم ربوتاولین جزء خطای بین دو موقعیت را با استفاده از معادله36محاسبه می کند. دومین قسمت، قسمت کنترلی سیستم خواهد بود که محاسیات مربوط به سرعت های هدف q=vw را با استفاده از خطای موقعیت، سرعت های مرجع qr=vrwr و طراحی های مورد استفاده در فصل های آتی انجام می‏دهد. هدف اصلی این رساله در این قسمت نمایان می شود.
q=vw=vpe,qrwpe,qrقسمت سوم Tمخفف سخت افزار ربوت است که قابلیت تبدیل سرعتهای هدف به سرعت واقعی ربوت را دارد. ابن قسمت مربوط به دینامیک ربوت می باشد و خارج از مبحث رساله می باشد. در این بخش، به طورخاص، هویت را به صورت زیر فرض می کنیم:
qc=vcwc=vw=q این فرض دنبال کنندگی کامل در بخش 3،تحلیل قسمت چهارم را ساده تر می‏کند. قسمت چهارم ماتریس سینماتیک در معادلات 3-5 است که مشتق موقعیت جاری ربوت را فراهم می کند. آخرین قسمت انتگرال گیر است. بنابراین تنها قسمت ناشناخته سیستم قسمت دوم و کنترلی آن است.
3-4- توسعه ی معادلاتبا استفاده از معادلات 3-2و با این فرض که ربوت مجازی (یا دیوار)مدل سینماتیک معادلات3-3 مشابه 3-2 را دارد، می‏توان مدل خطای موقعیت را به شکل زیر نوشت:
pe=exeyeθ=eywc-vc+vrcoseθ-exwc+vrcoseθwr-wcکه در آن vr سرعت مماسی مرجع و wr سرعت زاویه ای مرجع است.
اثبات: با استفاده از 3-6 و معادله برابری (که از محدودیت های چرخ های ربوت ناشی می‏شود)
xrsinθc=yrcosθc داریم
ex=xr-xccosθc+yr-ycsinθc-xr-xcθcsinθc+yr-ycθccosθc=eywc-vc+xrcosθc+yrsinθc=eywc-vc+xrcos(θr-eθ)+yrsin(θr-eθ)=eywc-vc+xrcosθrcoseθ+sin θrsineθ+yr(sinθrcoseθ-cos θrsineθ)=eywc-vc+xrcosθr+yrsin θrcoseθ+sin θrsineθ+(xrsinθr-yrcos θr)sineθ=eywc-vc+vrcoseθو

– (292)

دانشکده مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات
گروه هوش مصنوعی
استخراج ویژگی مناسب برای تشخیص سیگنالهای حرکات ارادی EEG
جمشید پیرگزی
اساتید راهنما:
دكتر علی اکبر پویان
استاد مشاور:
دکتر کاویان قندهاری
دکتر هادی گرایلو
پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
شهریور 1391
دانشگاه صنعتي شاهرود
دانشكده: مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات
گروه: هوش مصنوعی
پايان نامه کارشناسي ارشد آقاي جمشید پیرگزی
تحت عنوان: طبقه بندی سیگنال های EEG با استفاده از تکنیک های هوش مصنوعی
در تاريخ ………………………. توسط كميته تخصصي زير جهت اخذ مدرک کارشناسي ارشد مورد ارزيابي و با درجه ……………………………….. مورد پذيرش قرار گرفت.
امضاء اساتيد مشاور امضاء اساتيد راهنما
آقای دکتر کاویان قندهاری آقای دکتر علی اکبر پویان
آقای دکتر هادی گرایلو امضاء نماينده تحصيلات تكميلي امضاء اساتيد داور
نام و نام خانوادگي: نام و نام خانوادگي:
نام و نام خانوادگي:
تقدیم به
2661285115252500 چشمان منتظر مادر م
دستان خسته پدرم
تشکر و قدرداني
پاس خدایی که آدمی را به نعمت تفکر آراست و اساتید فرزانهای چون دکتر علیاکبر پویان و دکتر هادی گرایلو را در مسیر راهم قرار داد تا از اندیشه نابشان بهره گیرم و دانش و بینششان را رهتوشه خویش سازم.
آقایان پاس میدارم اندیشه بلندتان را و ارج مینهم همت والایتان را.
تشکر مینمایم از پدر و مادر یگانهام، همسر عزیزم و برادر و خواهرانم که وجودشان تکیهگاهی برای تمام لحظههای سخت من و دعاهایشان تنها سرمایه بال گشودنم بسوی خوشبختی است.

152400-571500تعهد نامه
00تعهد نامه

اینجانب جمشید پیرگزی دانشجوی دوره کارشناسی ارشد رشته مهندسی کامپیوتر دانشکده کامپیوتر و فناوری اطلاعات دانشگاه صنعتی شاهرود نویسنده پایان نامه استخراج ویژگی مناسب برای تشخیص سیگنالهای حرکات ارادی EEG تحت راهنمائی دکتر علی اکبر پویان متعهد می شوم .
تحقیقات در این پایان نامه توسط اینجانب انجام شده است و از صحت و اصالت برخوردار است .
در استفاده از نتایج پژوهشهای محققان دیگر به مرجع مورد استفاده استناد شده است .
مطالب مندرج در پایان نامه تاکنون توسط خود یا فرد دیگری برای دریافت هیچ نوع مدرک یا امتیازی در هیچ جا ارائه نشده است .
کلیه حقوق معنوی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد و مقالات مستخرج با نام « دانشگاه صنعتی شاهرود » و یا « Shahrood University of Technology » به چاپ خواهد رسید .
حقوق معنوی تمام افرادی که در به دست آمدن نتایح اصلی پایان نامه تأثیرگذار بوده اند در مقالات مستخرج از پایان نامه رعایت می گردد.
در کلیه مراحل انجام این پایان نامه ، در مواردی که از موجود زنده ( یا بافتهای آنها ) استفاده شده است ضوابط و اصول اخلاقی رعایت شده است .
در کلیه مراحل انجام این پایان نامه، در مواردی که به حوزه اطلاعات شخصی افراد دسترسی یافته یا استفاده شده است اصل رازداری ، ضوابط و اصول اخلاق انسانی رعایت شده است .
تاریخ
امضای دانشجو
-304165165100مالکیت نتایج و حق نشر
کلیه حقوق معنوی این اثر و محصولات آن (مقالات مستخرج ، کتاب ، برنامه های رایانه ای ، نرم افزار ها و تجهیزات ساخته شده است ) متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد . این مطلب باید به نحو مقتضی در تولیدات علمی مربوطه ذکر شود .
استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پایان نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمی باشد.
00مالکیت نتایج و حق نشر
کلیه حقوق معنوی این اثر و محصولات آن (مقالات مستخرج ، کتاب ، برنامه های رایانه ای ، نرم افزار ها و تجهیزات ساخته شده است ) متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد . این مطلب باید به نحو مقتضی در تولیدات علمی مربوطه ذکر شود .
استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پایان نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمی باشد.

چکيده
در این پایاننامه قصد داریم با ارائه یک ویژگی مناسب عمل دسته بندی را بر روی سیگنالهای مغزی انجام دهیم. برای این منظور ابتدا از سیگنالهای مغزی نویز دستگاه ثبت حذف می شود سپس از این سیگنالها با استفاده از تبدیل والش و آنتروپی ویژگی استخراج می شود. بعد از استخراج ویژگی ، بر اساس این ویژگیها عمل دسته بندی انجام می شود.
اولین پیش پردازش برای دسته بندی سیگنالهای مغزی حذف نویز از این سیگنالها میباشد. در این پایاننامه دو روش کلاسیک حذف نویز و دو روش پیشنهادی حذف نویز بررسی میشود. ابتدا با استفاده از روش کلاسیک ICA ، تبدیل موجک و دو روش پیشنهادی تبدیل والش و روش ترکیبی والش و ICA از سیگنال حذف نویز میشود. برای داشتن یک ارزیابی از این چند روش، نتایج حاصل از این چهار روش با استفاده از سه معیار، نسبت سیگنال به نویز(SNR)، میانگین مربع خطا(MSE) و جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد) (PRD) ارزیابی میشود. نتایج ارزیابی با استفاده از این معیارها نشان داد که روش ترکیبی والش و ICA و تبدیل والش دارای کمترین مقدار میانگین مربع خطا میباشد. همچنین این دو روش دارای بیشترین مقدار نسبت سیگنال به نویز و جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد) است.
بعد از حذف نویز از سیگنال، به بحث استخراج ویژگی از سیگنالها و دسته بندی آنهاپرداخته میشود. ویژگیهای استخراج شده تعداد ویژگی کمی می باشد و یک بردار ویژگی 22 مولفه ای است. این ویژگی ها مربوط به آنتروپی تبدیل والش کانال های سیگنال، آنتروپی تبدیل والش کل سیگنال، توان تبدیل والش کانال های سیگنال و توان تبدیل والش کل سیگنال میباشد. برای ارزیابی کارایی این ویژگیها همین ویژگیها، نیز با استفاده از تبدیل موجک و فوریه استخراج میشوند و عمل دسته بندی بر اساس ویژگیهای استخراجی این سه روش به طور جداگانه انجام میشود. بعد از استخراج ویژگی، بر اساس ویژگیهای استخراجی، به دسته بندی سیگنالها با استفاده از طبقه بندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه پرداخته می شود. نتایج حاصل نشان میدهد که دسته بندی با استفاده از ویژگیهای استخراجی تبدیل والش به مراتب بهتر از دسته بندی بر اساس ویژگیهای دو تبدیل دیگر است. نرخ تشخیص با استفاده از روش پیشنهادی و svm، 42.5 درصد و با روش نزدیکترین همسایه 39.0 درصد است.
در مقایسه ای دیگر، نتایج حاصل با نتایج پیاده سازی شده بر روی این مجموعه داده، در چهارمین دوره مسابقات BCI مقایسه شده است. نتایج نشان داد که روش دسته بندی با استفاده از تبدیل والش از همهی روشها به جز نفر اول بهتر است.. ولی مزیتی که روش پیشنهادی نسبت به همه روشها دارد این است که در بحث زمانی این روش دارای مجموع زمان تست و آموزش کمی است. این زمان 52 ثانیه می باشد که نسبت به روش اول که 403 و 640 ثانیه است به مراتب بهتر است.
کلمات کلیدی: تبدیل والش، سیگنالهای مغزی ، نسبت سیگنال به نویز(SNR)، میانگین مربع خطا(MSE) و جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد)( (PRD
ليست مقالات مستخرج از پايان نامه
[1]. Jamshid Pirgazi, Ali A. Pouyan “Using Walsh transform to Denoise EEG Signals
”, In: The 19th Iranian Conference of Biomedical Engineering (ICBME2012), 2012, Accept Extend Abstract.

. [2] جمشید پیرگزی ،علی اکبر پویان، “ترکیب تبدیل والش و آنالیز مولفه های مستقل به منظور حذف نویز از سیگنال های مغزی” ، کنفرانس مهندسی برق مجلسی ، مرداد 1391.
[3]. جمشید پیرگزی ، علی اکبر پویان “استخراج ویژگی از سیگنال های مغزی با استفاده از تبدیل والش و آنتروپی”، پانزدهمین کنفرانس دانشجویی مهندسی برق ایران دانشگاه کاشان ، شهریور 1391.

فهرست
عنوان صفحه

فصل اولمقدمه1-1-مقدمه11-2-تاریخچه BCI41-3-کاربردهای BCI71-4-تعریف مساله71-5- ساختار پایان نامه7فصل دومسیگنالهای مغزی2-1- مقدمه92-2- کشف سیگنالهای مغزی102-3- ثبت سیگنالهای مغزی112-4- پیش پردازشها روی سیگنالهای مغزی12فصل سوممروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه دسته بندی سیگنالهای مغزی3-1- مقدمه163-2- معرفی دادههای موجود173-2-1- مشخصات دادههاي ثبت شده توسط گروه دانشگاهColo–o173-2-2- مشخصات داد ههاي ثبت شده توسط گروه Graz183-2-3- مشخصات دادههای MIT-BIH193-3- استخراج ویژگی203-4- دسته بندی23فصل چهارممقایسه تحلیلی تبدیل فوریه ، موجک و والش4-1- مقدمه254-2- تبدیل فوریه254-3- تبدیل موجک304-3-1- مقیاس.324-4- تاریخچه تبدیل والش354-4-1- توابع والش354-4-2- تبدیل والش36فصل پنجمتوصیف روش پیشنهادی5-1- مقدمه405-2- پایگاه داده مورد استفاده405-3- حذف نویز425-3-1- آنالیز مولفههای مستقل435-3-2- حذف نویز با استفاده از آنالیز مولفه هایمستقل445-3-3- حذف نویز با استفاده از تبدیل موجک465-3-4- حذف نویز با استفاده از تبدیل والش475-3-5- حذف نویز با استفاده از روش ترکیبی تبدیل والش و ICA505-4- استخراج ویژگی515-4-1- آنتروپی525-4-2- استخراج ویژگی با استفاده از تبدل والش535-4-3- استخراج ویژگی با استفاده تبدیل فوریه و موجک535-5- ماشین بردار پشتیبان (Support Vector Machin)545-5-1- ابر صفحه جداساز555-5-2- جداسازی غیر خطی58فصل ششمنتایج و نتیجه گیری6-1- مقدمه606-2- حذف نویز616-3- معیارهای ارزیابی656-3-1- نسبت سیگنال به نویز (Signal to Noise Rate)656-3-2- میانگین مربع خطا (Mean Square Error)666-3-3- جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد)(Percentage Root Mean Square Difference)676-4- استخراج ویژگی686-4-1- ویژگیهای تبدیل والش696-4-2- ویژگیهای تبدیل فوریه726-4-3- ویژگیهای تبدیل موجک766-5- مقایسه با کارهای مرتبط بر روی این مجموعه داده806-6- نتیجه گیری836-7- پیشنهاد ها85منابع:…86
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 – واحد های پردازشی و دسته بندی در یک سیستم BCI4شکل 2-1- محل قرار گرفتن الکترود ها در سیستم 10- 2012شکل 2-2- محدوده دامنه و فرکانس برخی از سیگنالهای حیاتی13شکل 4-1 – سیگنال ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5 ، 10، 20 و 50 هرتز27شکل 4-2 – تبدیل فوریه سیگنال رابطه 2-4))28شکل 4-3 – سیگنال غیر ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5، 10، 20 و 50 هرتز28شکل 4-4 – تبدیل فوریه سیگنال شکل (3-4)29شکل 4-5- تجزیه سیگنال با استفاده از تبدیل موجک32شکل 4-6- مقیاسهای مختلف یک تابع کسینوسی34شکل 4-7- تبدیل موجک در یک مقیاس خاص34شکل 4-8- تابع والش برای n=836شکل 5-1- نحوه قرارگیری الکترودها بر روی سر هنگام ثبت سیگنالهای مغزی مورد استفاده42شکل 5-2- سیگنالهای گرفته شده توسط هر کانال45شکل 5-3- مولفههای بدست آمده توسط ICA45شکل 5-4- تبدیل والش از کانال های سیگنال49شکل 5-5- حد آستانه مشخص شده بر روی تبدیل والش برای حذف نویز49شکل 5-6- حد آستانه مشخص شده بر روی تبدیل والش، مولفههای ICA برای حذف نویز51شکل 5- 7 – صفحه های جداساز و بردارهای پشتیبان56شکل 5- 8 – صفحه جداساز و نواحی مربوط به هر کلاس57شکل 5-9- افزایش بعد جهت جداسازی خطی دادهها59شکل 6-1- سیگنال اصلی و سیگنال دارای نویز63شکل 6-2- سیگنال حاصل از حذف نویز با استفاده از روش ICA ، روش ترکیبی والش- ICA ، تبدیل والش و تبدیل موجک64شکل 6-3- نسبت سیگنال به نویز ده سیگنال66شکل 6-4- میانگین مربع خطا برای ده سیگنال67شکل 6-5- جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد) برای ده سیگنال68شکل 6-6- آنتروپی توالی کانالهای سیگنالهای کلاس اول70شکل 6-7- توان آنتروپی هر کانال از سیگنالهای کلاس اول71شکل 6-8- آنتروپی تبدیل فوریه کانالهای سیگنالهای کلاس اول74شکل 6-9- آنتروپی تبدیل موجک کانالهای سیگنالهای کلاس اول77فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول 3-1 – انواع ویژگیهای استفاده شده در پردازش سیگنال22جدول 4-1 – مقدار توابع والش و خروجی این تابع39جدول 6-1-نرخ تشخیص طبقه بندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه برای دو مجموعه داده بر اساس ویژگیهای تبدیل والش73جدول 6-2-نرخ تشخیص طبقه بندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه برای دو مجموعه داده بر اساس ویژگی های تبدیل فوریه75جدول 6-3-نرخ تشخیص طبقهبندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه برای دو مجموعه داده بر اساس ویژگیهای تبدیل موجک79جدول 6-4- نتایج دستهبندی بر اساس ویژگیهای سه روش79جدول 6-5- مقایسه متوسط زمان اجرای تبدیل والش ، تبدل فوریه و تبدیل موجک79جدول 6-6- مقایسه متوسط زمان اجرای روش پیشنهادی با نفر اول مسابقات BCI و تبدل فوریه و تبدیل موجک81جدول 6-7- مقایسه نرخ تشخیص روش پیشنهادی با 4 نفر اول مسابقات BCI82فصل اولمقدمه مقدمهتعامل انسان با کامپیوتر (HCI)[1] امروزه کاربردهای گسترده ای دارد. این رشته علم بررسی تعامل کامپیوتر و انسان است. در واقع این علم نقطه تقاطع دانش کامپیوتر، علوم رفتارشناسی طراحی و چند علم دیگر است. ارتباط و تعامل کامپیوتر وانسان از طریق واسط اتفاق می‌افتد. که شامل نرم‌افزار و سخت‌افزار است. یک تعریف دقیق آن چنین است:
علم تعامل کامپیوتر و انسان یک رشته مرتبط با طراحی ارزیابی و پیاده سازی سیستم‌های محاسباتی متقابل برای استفاده انسان در مطالعه پدیده‌های مهم پیرامون اوست. این رشته شاخه‌هایی از هر دو طرف درگیر را شامل می‌شود مثلا گرافیک کامپیوتری، سیتم‌های عامل، زبانهایی برنامه نویسی، تئوری ارتباطات و طراحی صنعتی برای قسمت کامپیوتری زبان‌شناسی، روانشناسی و کارایی انسان برای قسمت انسانی آن. این رشته به شاخه های زیادی تقسیم میشود که یکی از آنها واسط مغز و کامپیوتر(BCI)[2] است.
مغز انسان توانايي انتشار امواجي الكتريكي و مغناطيسي را دارد كه مي توان با ثبت آنها علاوه بر كاربردهاي پردازشي به تشخيص برخي بيماريها و حتي برقراري ارتباط به صورت تلپاتي پرداخت. يكي از روشهاي ثبت اين سيگنالها EEG)) [3] ميباشد.
سیگنالهای الکتریکی مغزی را اولین بار دکتر هانس برگر[4] در سال 1920 شناسایی و ثبت کرد. با ثبت این سیگنالها تلاش انسان برای استفاده از این سیگنالها برای کاربردهای مختلف شروع شد. اکنون بیشترین استفادههای که از این سیگنالهای میشود در تشخیص پزشکی و کمک به افراد ناتوان جسمی و فکری است[1]. در اوایل ثبت این سیگنالها، به خاطر آشفته بودن و نویزی بودن این سیگنالها کار کردن بر روی و استخراج اطلاعات مفید از آنها مشکل بود.
در اوایل کشف سیگنالهای مغزی به دلیل نبودن دستگاههای ثبت و ضبط مناسب انسان به این تصور بود که ارتباط انسان با محیط اطرافش سخت و غیر ممکن است. اما با پیشرفتهای که در حوزه رایانه و الکترونیک صورت گرفت و با ابداع ابزارهای مناسب جهت ثبت سیگنالهای مغزی این ارتباط دور از دسترس نیست. امروزه BCI علمی است که این ارتباط را برقرار می کند.
واسط مغز و رایانه از مجموعه‌ای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل میشود که فعالیت مغزی فرد را مستقیما به یک سری سیگنال‌های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می‌کند. در این سامانه ابتدا باید امواج مغزی را با استفاده از دستگاه‌های ثبت امواج مغزی ثبت کرد که معمولا به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از EEG برای ثبت امواج مغزی استفاده می‌شود. الکترودهای EEG در سطح پوست سر قرار می‌گیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت نورون‌ها[5] راه اندازهگیری می‌کنند. در مرحله بعد این امواج بررسی شده و ویژگی‌های مورد نظر استخراج می‌شود و از روی این ویژگی‌ها میتوان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد. در شکل(-11) واحدهای پردازشی سیستم BCI را میبینیم.
با توجه به پایین بودن نسبت سیگنال به نویز در این سیستم ابتدا یک پیش پردازش و عملیات حذف نویز بر روی این سیگنال ها انجام میشود. مرحله بعد مرحله استخراج ویژگی است که در فصلهای بعد در مورد انواع ویژگیها و روش های استخراج ویژگی صحبت میکنیم در نهایت با استفاده از ویژگیهای استخراج شده عمل دستهبندی را انجام میدهیم.
واسط مغز و رایانه ممکن است ساختاری ثابت داشته باشد یا اینکه به صورت انطباقی باشد و خود را با مشخصه یا مشخصههای سیگنال انطباق بدهد. همچنين ممكن است از خروجي سيستم به نوعي به شخص مورد آزمايش فيدبك[6] داده شود. اين روش به بيوفيدبك مشهور است.
در اولین همایش بین المللی که در ژوئن 1999 برگزار شد یک تعریف معمول برای BCI به صورت زیر ارائه شد[2]: (یک واسط مغز و رایانه یک سامانه ارتباطی است که وابسته به مسیرهای خروجی نرمال سامانه عصبی جانبی و ماهیچه‌ها نیست) سيگنالهاي الكتريكي مغز از نظر دامنه و فركانس با برخي ديگر از سيگنالهاي حياتي همپوشاني دارند، لذا در تعريف BCI بر مستقل بودن سيگنالها از ساير سيگنالهاي عصبي و عضلاني تاكيد شده است.

شکل 1-1 – واحد های پردازشی و دسته بندی در یک سیستم BCIتاریخچه BCI
اولین تلاشها در زمینه تعامل انسان با رایانه همزمان با کشف سیگنالهای EEG شروع شد و دانشمندان سعی کردند که بین این سیگنالها و فعالیت های مغزی ارتباط برقرار کنند[1]. اما با توجه به اینکه در ابتدا این سیگنالها بسیار آشفته و دارای نویز بودند، از این سیگنالها فقط در پزشکی استفاده میشد و فقط پزشکان متخصص با توجه به تجربه از این سیگنالها میتوانستند استفاد کنند. اما رفته رفته با تولید دستگاههای جدید و توانایی ثبت این سیگنالها با کیفیت بهتر، پژوهشها و تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام گرفت.
در سال 1969، Elul [3]اولین تلاش را انجام داد. او بر روی سیگنال عملیات ریاضی کار کرد و نشان داد که اگر فرد عملیات فکری خاصی را انجام ندهد در %66 سیگنال مغزی آن توزیع گوسی است و اگر فرد عملیات ریاضی انجام دهد در %32 سیگنال مغزی توزیع گوسی دارد و از طریق سیگنال مغز توانست تشخیص دهد که فرد چه عملیات فکری انجام میدهد.
در دانشگاه Colo–o دو محقق Keirn و Aunon تحقیقات خود را در این زمینه برای دستهبندی پنج فعالیت مختلف ذهنی شروع کردند[4]. آنها در حين انجام پنج فعاليت ذهني مشخص و همزمان از چند كانال، سيگنال EEG را ثبت نمودند. سپس به كمك يك تفكيك كنندة بيز[7] از توان باندهاي مختلف فركانسي بعنوان ويژگيهايي جهت تفكيك اين فعاليتهاي ذهني استفاده كردند. آنها در ضمن كار خود اين ايده را مطرح نمودند كه فعاليتهاي مختلف ذهني ميتوانند بعنوان الفبايي جهت برقراري ارتباط مستقيم مغز با دنياي خارج استفاده شود؛ بطوريكه شخص ميتواند با تركيب و انتخاب توالي چند فعاليت مشخص مقصود خود را به دنياي خارج منتقل كند.
چند سال بعد دکتر Anderson و همکارانش [5,6] کار این دو محقق را ادامه دادند. اين گروه در اغلب كارهاي خود از همان پنج فعاليت ذهني استفاده کردند. آنها پارامترهاي آماري همچون ضرايب(AR)[8] را تخمین زدند و با استفاده از این ضریب ویژگیهای را برای دسته بندی و تشخیص این پنج عمل استخراج کردند. بعد از استخراج ویژگی به کمک شبکه عصبی عمل دستهبندی را انجام دادند.
Pfrutscheller و همکارانش [7-11] در مرکز Graz اتریش در تحقيقات خود از سيگنالهاي ثبت شده در حين حركت انگشت اشاره و يا در حين تصور حركت دادن دست راست و چپ استفاده نمودهاند. آنها در كارهاي خود از خروجيهاي مختلفي همچون حركت يك نشانگر بر روي مانيتور، انتخاب حروف و كلمات و كنترل يك پروتز مصنوعي استفاده كردهاند. آنها جهت استخراج ويژگي از چند روش استفاده کردند. روش اول استخراج پارامترهاي AR و روش ديگر محاسبة توان باندهاي مختلف فركانسي، كه اين باندها متناسب با شخص انتخاب ميشوند. به گفته Pfrutscheller براي اين كار از يك تابع فاصلة وزندار جهت تعيين ميزان تأثير هر مؤلفة فركانسي بر عمل دسته بندي استفاده شده است. به اين روش (DSLVQ) [9] ميگويند. اين عمل براي تمام فركانسها در فاصله HZ 30-5 انجام ميشود تا مؤلفههاي فركانسي مناسب براي آن شخص بدست آيد. آنها براي دستهبندي هم عموما از دو روش استفاده نمودهاند. روش اول روشهاي مبتني بر شبكة عصبي (مانند LVQ)[10] و روش دوم مبتني بر تفكيك كنندههاي خطي.[11] (LDA) آنها جهت بهبود عملكرد سيستم خود در برخي موارد از تكنيكهاي بيو فيدبك هم استفاده نمودهاند. بعنوان مثال با نشان دادن يك فلش روي مانيتور از كاربر خواسته ميشود كه تصور حركت دادن دست راست يا چپ را ا نجام دهد. با انجام مكرر اين كار ، تفكيك كننده را براي تفكيك اين دو عمل آموزش ميدهند . سپس در مرحلة آزمايش هر بار كه از شخص خواسته ميشود كه حركت دادن يك دست را تصور كند با استفاده از تفكيك كنندة تعليم ديده سیگنال مغزی او را دستهبندي مي كنند. هر بار بسته به ميزان خطاي تفكيك كننده يك علامت فلش با طولي متناسب با ميزان خطا روي صفحه رسم ميشود . اين علامت در واقع يك فيدبك است كه با ديدن آن شخص سعي ميكند كه هر بار طول علامت خطا را كم كند.
Wolpaw و همکارانش[12 ] بیشتر در زمینه پزشکی کار کردند لذا كارهاي آنها عموما از پشتوانة فيزيولوژيك خوبي برخوردار است اما روشهاي پردازشي آنها نسبتا ساده است. اساس كار آنها بر اين مبناست كه افراد را ميتوان بگونهاي آموزش داد كه بتوانند برخي از ویژگیهای سیگنال مغزی خود را کنترل کنند.
به طور کلی از جمله تحقیقاتی که در طی سالیان دراز در زمینه BCI انجام گرفته است می توان به تصور حركت دادن دست راست و چپ ، حركت دادن انگشتان اشارة دو دست، انجام پنج فعاليت ذهني: حالت استراحت, نامه نگاري، شمارش، ضرب ذهني و دوران ذهني ، انجام عمليات ضرب با ميزان پيچيدگي مختلف، گوش دادن به انواع موسيقي، انجام فعاليتهاي احساسي و عاطفي و رانندگي شبيه سازي شده اشاره کرد که در هر زمینه محققین زیادی کار کردهاند و به نتایج قابل قبولی دست یافتهاند.
کاربردهای BCIاز زمانی که سیگنالهای EEG ثبت شد محققین سعی در استفاده از این سیگنالها برای کاربردهای مختلف داشتند. در ابتدای کار از این سیگنالها فقط برای کاربردهای پزشکی استفاده میکردند مانند تشخیص انواع بیماریها که رایج ترین آنها بیماری صرع است . اما بعدها از این سیگنالها نیز به منظور کمک رساندن به بیمارانی که دارای ناتوانی جسمی و عصبی هستند نیز استفاده شد. در این افراد مغز فرمانها را صادر میکند اما به دلیل نقص در اندام این فرمانها به طور کامل اجرا نمیشود با استفاده از BCI میتوان سیستمی طراحی کرد که فرمان را مستقیما از مغز بگیرد و بر روی این سیگنال پردازش انجام دهد و عمل مورد نظر را انجام دهد.
تعریف مساله
در این پایان نامه ما قصد داریم به تفکیک و دستهبندی سیگنالهای مغزی بپردازیم. مجموعه داده مورد استفاده ما چهار عمل حرکت دادن مچ دست به چهار جهت اصلی است. کار ما به این صورت است که ابتدا بر روی سیگنال یک سری پیش پردازشها مانند حذف نویز و… انجام میدهیم. در مرحله بعد بر روی استخراج ویژگی از سیگنال کار می کنیم و ویژگیهای مختلف را از سیگنال استخراج میکنیم. در مرحله بعد به دستهبندی سیگنالهای مغزی بر اساس ویژگیهای استخراج شده میپردازیم. کارایی دستهبندی بر اساس هر مجموعه از ویژگیها را ارزیابی میکنیم.
ساختار پایان نامهدر فصل دوم در مورد سیگنالهای مغزی و انواع آنها و نحوه ثبت آنها بحث می شود. برای اینکه یک مرور کلی بر روی کارهای گذشته و روشهای که تا کنون استفاده شده است داشته باشیم فصل سه به این منظور اختصاص داده شده است. در این فصل انواع روشهای استخراج ویژگی بررسی می شود. سپس روشهای موجود برای دسته بندی که تا کنون استفاده شده است را بررسی می کنیم. در فصل چهار به معرفی و توصیف تبدیل والش که در این پایان نامه از آن استفاده شده است میپردازیم. برای داشتن یک مقایسه، سه تبدیل فوریه، موجک و والش را معرفی می کنیم و در مورد آنها صحبت می شود. در فصل پنجم نیز روش پیشنهادی خود در حذف نویز و استخراج ویژگی را توصیف میکنیم. در نهایت در فصل ششم روش حذف نویز و عمل دستهبندی با استفاده از این ویژگیها را با سایر روشها مقایسه میکنیم و به نتیجه گیری در مورد کار میپردازیم.
فصل دومسیگنالهای مغزی2-1- مقدمهسیگنال EEG مخفف Electroencephalography است که با استفاده از یک سری الکترودها که در سطح مغز قرار می‌گیرند، فعالیت‌های الکتریکی مغز را اندازه گیری می‌کند[13]. الکترودها به منظور جمع آوری ولتاژ در مکان‌های خاصی از مغز قرار می‌گیرند. قبل از اینکه الکترودها در سطح پوست قرار گیرند یک ژل هادی به منظور کاهش مقاومت روی پوست سر مالیده می‌شود. خروجی این الکترودها به ورودی یک تقویت کننده وصل می‌شود سپس از فیلترهای بالا گذر و پایین گذر عبور داده می‌شود. تغییرات در جریان اکسیژن خون با میزان فعالیت‌های عصبی ارتباط دارد. زمانی که سلول‌های عصبی فعال هستند اکسیژنی که توسط هموگلوبین خون حمل می‌شود را مصرف می‌کنند. پاسخ محلی به این کاهش اکسیژن افزایش جریان خون در ناحیه‌هایی است که فعالیت‌های عصبی زیاد است. از طرف دیگر در اثر فعالیت‌های عصبی و انتقال پیام‌های عصبی جریان الکتریکی تولید می‌شود که این جریان الکتریکی طبق قانون مارکوف یک میدان مغناطیسی را تولید می‌کند.
2-2- کشف سیگنالهای مغزیدر سال ١٨٧٥ ريچارد كاتن جراح انگليسي ، به وجود پتانسيلهاي الکتريکي در سطح قشر مغز باز شده حيواناتي همچون خرگوش و ميمون پيبرد [14] او همچنين گزارش داد كه وقتي به چشم حيوان نور ميتابد، تغييراتي را در پتانسيل مغز او و در جهت خلاف چشمي كه در آن نور تابانده شده است مشاهده میشود . در همان سالها تحقيقات مشابهي نيز در روسيه و فنلاند انجام گرفت.[15] اما هانس برگر پزشك و روانشناس آلماني نخستين كسي بود كه سيگنالهاي مغزي يك انسان را ثبت نمود. او با اطلاع يافتن از نتايج تحقيقات كاتن برروي حيوانات، مسير تحقيقات خود را متوجه انسانها نمود .وي كه با استفاده از وسايل ابتدايي گالوانومتر رشته ای[12] تحقيقات خود را انجام ميداد، در سال ١٩٢٠ اولين نتايج خود را با افرادي كه داراي جمجمة با فاصله اي فاقد استخوان بودند بدست آورد . برگر عمل ثبت را برروي كاغذ عكاسي و با حركت يك نقطة نوراني نوساني برروي آن انجام ميداد. به همين ترتيب بود كه برگر حركات منظم با فركانس تقريبي ١٠ هرتز را كشف كرد و آنها را كه نخستين ريتم پيدا شده در سيگنالهاي مغزي انسان بودند را α نامید.
در طول چند سال بعد برگر كارهاي خود را با انجام ثبت هاي بيشتر ادامه داد تا مطمئن شود كه آنچه ثبت ميشود ناشي از هارمونيكهاي[13] توليد شده توسط جريان خون و يا ناشي از پوست سر نميباشد . تا اينكه نهايتا در سال ١٩٢٩ چنين نوشت[16]:
“EEG يك منحني با نوسانات پيوسته است كه با آن ميتوان به وجود امواج نوع اول با دوره متوسط 90ms و امواج نوع دوم، با دامنه كوچكتر و با دوره متوسط35 ms پیبرد. نوسانات با دامنه حداكثر150-200 ميكروولت اندازه گيري شده اند.”
تقريبا از همان زمان نامگذاري امواج مغزي تحت عناوينα,β,.. همچنين استفاده از اصطلاح الكترو انسفالوگرام براي سيگنالهاي مغزي متداو ل شد . برگر از همان زمان بدنبال يافتن ارتباط امواج مغزي با برخي بيماريها و فعاليتهاي ذهني بود . او در ادامه تحقيقات خود متوجه تغييرات امواج α در بيماري هايي همچون صرع، آلزايمر و همچنين در طول مدت خواب گشت.
نتايج تحقيقات برگر او را به سرعت به شهرت جهاني رساند. وي دو بار نامزد دريافت جايزة نوبل شد؛ اما بعلت مخالفت نازيها اين جوايز به او اعطا نشد. وي نهايتا در سال ۱۹۴۱ خودکشي کرد.
2-3- ثبت سیگنالهای مغزیاغلب برای قرار دادن الكترودها بر روی سر جهت ثبت امواج مغز از سیستم بین المللی 20/10 الكترود استفاده میشود. این سیستم از محلهای آناتومیكی[14] ویژه ای برای استاندارد كردن محل الكترودها استفاده میكند.
برای داشتن امکان مقایسه نتایج ثبت سیگنال مغزی و امکان تعمیم نتایج، در سال 1949 میلای یک شیوه الکترودگذاری به عنوان استاندارد بین المللی شناخته شد[17]. این چیدمان جهانی الکترودها که به عنوان `استاندارد 10-20 شناخته شد، امکان پوشاندن تقریبا تمام نواحی سر را توسط الکترودها فراهم می‌کند(شکل[18](1-2. انتخاب محل الکترودها بر اساس نقاط ویژه استخوان جمجمه انجام گرفته است. الکترود‌ها در نواحی تلاقی سطوح استخوان جمجمه قرار می‌گیرند که سایر الکترودهای میانی بر اساس 10 و 20 درصد کل فاصله چیده خواهند شد. شکل(1-2) نواحی مختلف قرار گیری الکترودها را نشان می‌دهد. نام هر منطقه بر اساس لبی که در آن قرار گرفته ‌است و قرار داشتن در نیم‌کره راست یا چپ مشخص می‌شود. به این صورت که در نیم‌کره چپ با اعداد فرد و در نیمکره راست با اعداد زوج نشان داده می‌شود.

شکل 2-1- محل قرار گرفتن الکترود ها در سیستم 10- 202-4- پیش پردازشها روی سیگنالهای مغزی
همانطور که می دانیم، سیگنال EEG ثبت شده از روی سر معمولا همراه با نویزهای مختلفی میباشند.که از آن جمله می توان به سیگنال پلک زدن و حرکات چشم EOG ،انقباض ماهیچهها EMG، سیگنال قلبی ECG و همچنین نویز برق شهر اشاره نمود.
این سیگنالها عموما در محدوده فرکانسی 0 تا 100 هرتز که بیشترین انرژی آن در محدوده 0.5 تا 60 هرتز است، میباشد. دامنه این سیگنالها نیز در محدوده 2 تا 100 میکرو ولت میباشد. لذا این سیگنالها هم از نظر فرکانس و هم از نظر دامنه با دیگر سیگنالهای حیاتی مانند ECG، EOG و … هم پوشانی دارند. در شکل(2-2) محدوده دامنه و فرکانس برخی از سیگنالهای حیاتی نشان داده شده است[16]. همانطور که ملاحظه میشود سیگنال EEG با اکثر سیگنالهای دیگر هم پوشانی دارد.
علاوه بر نویز مربوط به دیگر سیگنالهای حیاتی ، نویزهای مربوط به برق شهر که فرکانس 50 تا 60

شکل 2-2- محدوده دامنه و فرکانس برخی از سیگنالهای حیاتیهرتز دارد و همچنین نویز های مربوط به الکترودها نیز بر روی این سیگنالها تاثیر میگذارد.
وجود نویز در سیگنالهای EEG باعث میشود که پردازش بر روی این سیگنالها مشکل باشد و باعث ارزیابی و نتایج نادرست میشود. لازم است که تا حد امکان این نویزها از این سیگنالها حذف شود. برای نویز برق شهر سعی می شود که وسایل ثبت را تا حد امکان ایزوله نمایند و همچنین با استفاده از فیلترهای notch و فیلترهای نرم افزاری فرکانس ناشی از برق شهر را حذف کنند.
برای حذف نویز مربوط به سیگنالهای حیاتی و همچنین دیگر نویزها محققین روشهای زیادی را استفاده کردهاند. یکی از متداولترین روشهای پردازشی برای مقابله با اثرات نامطلوب نویز، حذف قسمتهایی ازEEG است که حاوی نویزی بزرگتر از یک آستانه تعیین شده هستند. البته این روش به منزله از دست دادن اطلاعات در آن بازه میباشد. گروه دیگر روشها بر پایه رگرسیون در حوزه زمان و یا فرکانس هستند.[19] این روشها دارای دو ایراد عمده میباشند ، اول اینکه نیاز به وجود کانال مرجع برای نویز دارند و دوم اینکه بعلت خالص نبودن سیگنال ثبت شده توسط الکترودهای EOG مقداری از سیگنال EEG که توسط الکترودهای مزبور ثبت میشود نیز به اشتباه بعنوان نویز تلقی شده و از سیگنال کم میگردد.
در [20] روشی برای حذف نویزهای مصنوعی چشمی با استفاده از آنالیز مولفههای اصلی ، PCA ، ارائه دادند. ابتدا مولفههای عمده بیانگر پلکها وحرکات افقی و عمودی چشم را درسیگنالهای کالیبره شناسایی کرده و با حذف این مولفه ها از داده EEG آنرا تصحیح نمودند . این مقاله با مقایسه روش رگرسیون و مدلهای دوقطبی مکانی –زمانی مزیت و برتری روش PCA را نشان داده است. همچنین در [21] نشان داده شد که ممکن است برخی مولفهها ترکیب EEG و EOG بوده و با حذف آنها مقداری از اطلاعات EEG نیز از دست برود. اخیرا از روش آنالیز مولفههای مستقل برای تجزیه EEG به منابع مستقل تشکیل دهنده آن استفاده شده است. [22] این روش در جداسازی و حذف منابع نویزی در سیگنالهای حیاتی و بخصوص EEG بسیار موفق بوده است. از سال 2002 تلفیق برخی از روشهای حذف نویز همراه با ICA مد نظر قرار گرفت و در [ 23 ] از تلفیق روشICA وفیلتر زیر فضا جهت حذف نویزهای داخلی و نویزهای تجمیعی استفاده شده است. در سال 2004 Zhou و Go–an از ترکیب موجک و ICA برای حذف نویز ECG وEMG استفاده نمودند .[24] آنها ابتدا داده را با روش موجک حذف نویز نموده و سپس ICA را بر روی آن اعمال نمودند. در سالهای اخیر روشهایی نرم افزاری جهت ساده کردن این فرآیند وقت گیر و حذف خودکار آرتیفکتها پیشنهاد گردیده است. در [ 25] حذف تطبیقی و بروزEOG با استفاده از ICA مبتنی بر شبکه عصبی و استفاده از PCA غیر خطی انجام شده است[26] . در سال 2007، Delorme و همکاران به حذف آرتیفکت با استفاده از ICA و آمارگانهای مرتبه بالاتر پرداختند[ 27 ] آنها ابتدا به مقایسه3 روش مختلف ICA و SoBI Infomax و Fast ICA روی داده شبیه سازی شده پرداختند و در ادامه به قسمتهایی از EEG که دارای آرتیفکت نبوده ، آرتیفکتهایی تا 30 مرتبه کوچکتر از EEG اضافه کرده و کارآیی 5 روش مختلف و معمول حذف آرتیفکت را مقایسه نمود ه اند.(آستانه استاندارد، شیبهای خطی، عدم احتمال داده، کورتوزیس والگوی طیفی) نتایج حاکی از آن است که تمامی روشها در صورتیکه روی مولفههای بدست آمده از ICA اعمال گردد، نسبت به اعمال روی خود داده EEG بسیار بهتر عمل میکنند. مگر در مورد آرتیفکت ماهیچه ای که تفاوت بارزی بین دو حالت مشاهده نشده است. در مرجع [28] از تلفیق روش ICA و موجک استفاده نمودند، آنها ابتدا روش ICA را روی داده EEG پیاده نموده و سپس مولفههای تشخیص داده شده بعنوان نویز را با استفاده از موجک حذف نویز نمودند. آنها بیان نمودند که بعلت بیشتر بودن تعداد منابع از سنسورها ممکن است چند مولفه کوچک مغزی که استقلال کمتری نسبت به EOG دارند، در یک مولفه مستقل بدست آید و حذف کامل این مولفه منجر به از دست دادن مقداری از اطلاعات EEG گردد.
فصل سوممروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه دسته بندی سیگنالهای مغزی3-1- مقدمهبا کشف سیگنالهای EEG بسیاری از محققین در سراسر دنیا شروع به فعالیت در این زمینه کردند. مجموعه دادههای متفاوت و با کاربردهای متفاوتی ایجاد شد. اکثر این محققین در تلاش به رسیدن به طراحی سیستم واسط مغز و کامپیوتر(BCI) بودند. در شکل) 1-1 ( یک سیستم BCI نشان داده شده است. این سیستم از سه بخش اصلی پیش پردازش ، استخراج ویژگی و دستهبندی تشکیل شده است. محققین مشغول به تلاش برای بهبود در هر یک از سه بخش اصلی شدند. در این فصل ابتدا مجموعه دادههای استاندارد موجود را معرفی میکنیم. در بخشهای دیگر نیز به بررسی روشهای مختلف استخراج ویژگی ، کاهش ویژگی و روشهای مختلف دستهبندی میپردازیم . لازم به ذکر است که قسمت پیش پردازش و حذف نویز را در فصل پیش توضیح دادیم
3-2- معرفی دادههای موجود3-2-1- مشخصات دادههاي ثبت شده توسط گروه دانشگاهColo–o
اولین گروه از دادهها متعلق به گروه Aunon و Keirn دانشگاه Colo–o است[4]. این دادهها مطابق استاندارد 20-10 از کانالهای C3، C4، P3، P4، O1 و O2 همراه با یک کانال EOG ثبت شده است. هر سری از دادهها به مدت 10 ثانیه و با نرخ نمونه برداری 250 هرتز ثبت شده است. این دادهها مجموعه ماتریسی به ابعاد 7*2500 را تشکیل میدهند. ثبت کانالهای EEG نسبت به کانالهای مرجع A1 و A2 ، که به استخوانهای پشت دو گوش متصل شده و از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل بودند، انجام شده است. از فیلترهای آنالوگ Grass7P511 که فیلترهایی میان گذر با باند عبور بین 1/0 تا 100 هرتز است، استفاده شده است. این دادهها از 7 نفر ثبت شده است. نفر اول چپ دست با 48 سال سن و نفر دوم راست دست با 39 سال سن می باشد. این دو نفر از کارمندان دانشگاه بوده اند و نفر سوم تا هفتم همگی راست دست و از میان دانشجویانی با سنین بین 20 تا 30 سال بودهاند. همه افراد مرد بودهاند فقط نفر پنجم زن بوده است.
از هر شخص در يك جلسه ٥ بار و هر بار از ٥ فعاليت ذهني سيگنال ثبت شده است. ٥ ثبت ديگر هم در روز ديگر انجام شده است، بجز افراد دوم و هفتم كه تنها در يك جلسه ثبت سيگنال شركت نمودهاند. از سوي ديگر نفر پنجم در يك جلسه سوم نيز شرکت نموده است. كليه ثبتهاي انجام شده، يكبار با چشمان باز و بار ديگر با چشمان بسته صورت گرفته است.Aunon و Keirn ، سعي در انتخاب فعاليتهاي ذهني نمودهاند، كه نواحي نسبتا معيني از مغز را درگير كنند و يا ميزان فعاليت دو نيم كرة مغزي در حين انجام آنها متفاوت باشد. اين پنج فعاليت ذهني عبارتند از: 1- حالت استراحت[15] 2- عمل ضرب ذهنی[16] 3- دوران ذهنی یک شی هندسی[17] 4- نامه نامه نگاری ذهنی[18] 5- شمارش ذهنی همراه با تصویر چشمی[19].
3-2-2- مشخصات داد ههاي ثبت شده توسط گروه Graz
یکی دیگر از مجموعه داده استاندارد که محققین بر روی آنها کار میکنند، توسط گروه دانشگاه Graz ثبت شده است[7-11]. این دادهها از سه نفر زن راست دست که سنشان بین 20 تا 27 سال است، ثبت شده است. در ابتدای هر آزمایش در لحظه صفر یک علامت (+) در وسط مانیتور و روبروی فرد ظاهر میگردد. دو ثانیه بعد صدای زنگ هشدار دهنده به صدا در میآید. یک ثانیه بعد علامت فلش که به سمت راست یا چپ مانیتور اشاره میکنند ظاهر میشود. این علامت به مدت 1/25 ثانیه بر روی مانیتور وجود دارد. از آن زمان به بعد شخص بر اساس جهت فلش ، مشغول به تصور حرکت یکی از دو دست راست و چپ میشود. از آن پس عمل نشان دادن فلش جهت دار با فواصل زماني بين ٩ تا ١١ ثانيه تكرار ميشود و فرد مورد آزمايش ، تصور حركت دست مربوطه را انجام ميدهد.
این سیگنالها از 56 الکترود که بر روی سر با فواصل تقریبی 2/5 سانتیمتر و نسبت به مرجع پتانسیل گوش راست قرار دارند ثبت شده است. سیگنال ثبت شده از یک فیلتر میان گذر با باند عبور 0/5 تا 50 هرتز عبور داده شده است. عمل نمونه برداری با نرخ 128 هرتز انجام گرفته است. کانال EOG هم بصورت دو قطبی[20] بین دو الکترود ، که در بالا و پایین چشم راست قرار داشت ثبت شده است. جهت اطمینان از عدم وجود سیگنال EMG این سیگنال نیز در طی آزمایش از روی ساعد دو دست راست و چپ نیز ثبت شده است.
بدین ترتیب هر مرتبه ثبت سیگنال شامل 8 ثانیه است. که فاصله زمانی 0- 4 ثانیه مربوط به آماده سازی فرد و 4-8 ثانیه نیز حاوی سیگنال تصور حرکت دست است. همه داده ها برای اطمینان از عدم وجود Artifact و یا پتانسیل حرکتی به طور جداگانه بررسی شدند. بدین ترتیب در مجموع 149 سیگنال از نفر اول ثبت شد(75 مرتبه دست راست و 74 مرتبه دست چپ) از نفر دوم 142 سیگنال (67 مرتبه دست راست و 75 مرتبه دست چپ). از نفر سوم نیز 115 سیگنال (56 مرتبه دست راست و 59 مرتبه دست چپ). دادههای ثبت شده توسط این گروه به علت پیش پردازش آماده به کار بودند ولی داده های مربوط به گروه Colo–o برای قابل استفاده شدند نیاز به پیش پردازشهای دارند.
3-2-3- مشخصات دادههای MIT-BIH
یکی دیگر از مجموعه دادهها استاندارد مربوط به دادههای مراحل خواب است. دادههای MIT-BIH شامل 8 مجموعه میباشد. 4 مجموعه آن شامل حدود 24 ساعت ثبت سیگنال و 4 مجموعه دیگر شامل حدود 12 ساعت ثبت سیگنال میباشد. سیگنالهای موجود در 4 مجموعه شامل 2 ثبت سیگنال EEG که از کانالهای Fpz-Cz و Pz-Oz ، سیگنال EOG و سیگنال EMG میباشد. این سیگنالها از مردها و زن هایی با محدوده سنی 21 تا 35 سال ثبت شده است. این دادهها با نرخ 100 هرتز نمونه برداری شدهاند. فیلترهای پایینگذر با فرکانس قطع 100 هرتز و فیلتر بالاگذر با فرکانس قطع 0/5 هرتز را، بر روی این سیگنالها عبور دادهاند. برای هر یک از مجموعهها 10 ساعت از سیگنال ثبتی شامل کل زمان خواب و دقایقی از بیداری قبل و بعد از خواب انتخاب شده است. با توجه به اینکه هر 30 ثانیه یک epoch در نظر گرفته میشود، این 10 ساعت در هر مجموعه شامل 1200 epoch میشود که توسط افراد متخصص ارزیابی میشود. مراحل خواب در این دادهها شامل Awake و1 و 2 و 3و4 وREM و MT است[29]
3-3- استخراج ویژگی
بعد از پیش پردازش بر روی سیگنالهای مغزی، مهمترین گام استخراج ویژگی است. طی سالیان اخیر روشهای استخراج ویژگی و نوع ویژگیهای زیادی مورد استفاده قرار گرفته است.
Aunon وKeirn ، که بر روی دادههای دانشگاه Colo–o کار میکردند از ویژگی ضریبی، تحت عنوان ضریب عدم تقارن استفاده کردند.
r= (1-3)
در این رابطه R توان باند فرکانسی خاص سیگنال EEGاز میان الکترودهای واقع بر نیم کره راست و L توان همان باند از میان الکترودهای نیم کره چپ است. لازم به ذکر است که فرکانس سیگنال EEG، به باندهای استاندارد δ بین 0 تا 3 هرتز ، θ بین 4 تا 7 هرتز، α بین 8 تا 13 هرتز و β بین 14 تا 20 هرتز تقسیم میشود. نتایج دستهبندی با استفاده از این ویژگی نشان داد که نرخ دستهبندی با این ویژگی مناسب نیست. این دو محقق نیز از توان باندهای α ، β ، δ ، θ به عنوان ویژگی استفاده کردند[4]. این گروه علاوه بر ویژگیهای فرکانسی از ویژگی طیف سیگنال که از روی ضرایب (AR) بدست میآید و همچنین از خود ضرایب AR هر کانال نیز به عنوان ویژگی استفاده کردند.
چند سال بعد از این دو نفر، Anderson و همکارانش از همان دانشگاه تحقیقات خود را بر روی همین مجموعه داده انجام دادند. وی از میان 5 فعالیت ذهنی تنها به دستهبندی حالت استراحت و عمل ضرب ذهنی اکتفا کرد. آنها برای حذف سیگنالهای نویز و پلک زدن پیش پردازشهایی بر روی سیگنال انجام دادند. ویژگیهای استفاده شده توسط Anderson ، ضرایب AR چند متغیره[21] است. این روش تعمیم یافته روش AR معمولی است که برای داده های چند کاناله کاربرد دارد. در این روش فرض می شود که سیگنالهای ثبت شده فرایندهایی تصادفی هستند که از مدل زیر تبعیت میکنند:
X(K)= (2-3)
در این رابطه X(k) برداری از مشاهدات d کانال مختلف در لحظه K ام است و Ai ها (i=1,2,…p) ماتریسهای d*d ضرایبی هستند که باید تخمینزده شوند. E(k) نیز برداری d بعدی از متغیرهای تصادفی ناهمبسته و با متوسط صفر میباشد. P هم درجه مدل AR با مقدار 6 است. بدین ترتیب از کنار هم قرار دادن 6 ماتریس Ai با ابعاد 6*6 کلا 216 ویژگی برای عمل دستهبندی حاصل شده است[5].
از دیگر ویژگیهای که در پردازش سیگنال استفاده میشود، بکار بردن تبدیلات مختلف مانند تبدیل فوریه، تبدیل موجک و تبدیل والش و… بر روی سیگنال است. با استفاده از این تبدیلات ما سیگنال را به فضای دیگر میبریم. در [30] با استفاده از تبدیل فوریه ویژگیهای زمان متوسط(t0) و فرکانس متوسط (F0) از سیگنال به صورت زیر بدست میآید.
=<t> =
=<f>= (3-3)
علاوه بر این ویژگیها، ویژگیهای فرکانسی دیگری نیز با استفاده از تبدیل فوریه بدست میآید.
در سالهای اخیر ویژگیهای دیگری به کمک تبدیل موجک استخراج شده است. با استفاده از سیگنال موجک سیگنال به باندهایی تقسیم میشود . هر یک از این زیر باندها و توان این زیرباندها به عنوان ویژگی شناخته میشوند.
بعضی از محققین از الگوریتم ژنتیک برای استخراج ویژگی فرکانسی از سیگنالهای حرکت دست استفاده کردهاند[31]. البته استفاده از این الگوریتم زمان استخراج ویژگی را کمی کند میکند.Katsuluro Inow و همکاران [32] از روش AR برای استخراج ویژگی برای تشخیص جهت حرکت دست استفاده کردند. بعضی از محققین از تبدیل موجک برای استخراج ویژگی از سیگنال برای تشخیص تقلب استفاده کرد [33]. اما چندی بعد محققین ازترکیب ضرایب موجک و مدل AR برای استخراج ویژگی استفاده کردند[34] به این صورت که تبدیل موجک را برای محاسبه ضرایب موجک و مدل AR را برای استخراج ویژگیهای فرکانسی بکار بردند و بردار ویژگی ترکیب ویژگیهای این دو روش بود.گروهی دیگر از تبدیل موجک و تبدیل فوریه برای استخراج ویژگیهای فرکانسی از سیگنالهای خواب استفاده کردهاند [35]. در سال 2008، Aihua Zhangو همکاران[36] از آنتروپی طیف توان برای استخراج ویژگی از سیگنالهای حرکت دست استفاده کردند و از تبدیل فوریه برای بدست آوردن فرکانس استفاده کرده اند. در جدول (1-3) انواع ویژگیهای استخراج شده در سالهای اخیر از سیگنال EEG نشان داده شده است.
جدول 3-1 – انواع ویژگیهای استفاده شده در پردازش سیگنالانواع ویژگیهای مورد استفاده
توان باند های فرکانسی با پارمترهای Adaptive AR
باند های مختلف فرکانسی مانند α ،β و ..
ویژگیهای فرکانس و زمان فرکانس تبدیل فوریه
ویژگیهای تبدیل موجک و توان ضرایب موجک
مولفههای مستقل با استفاده از ICA
استخراج اجزاء به کمک PCA
ویژگیهای ضرایب AR
آنتروپی طیف توان
ویژگیهای ترکیبی که از ترکیب چند ویژگی بدست میآید.
3-4- دستهبندی
بعد از استخراج ویژگی از سیگنالهای مغزی باید آنها را دستهبندی کنیم. طی سالیانی که محققین در این زمینه کار کردهاند روشهای دسته بندی زیادی مورد استفاده قرار گرفته است. از آن جمله میتوان به انواع شبکه عصبی ، K نزدیکترین همسایه(KNN) ، ماشین بردار پشتیبان[22] (SVM) و … اشاره کرد. Aunon و Keirn بعد از استخراج ویژگی از سیگنالهای مغزی و ایجاد ماتریس ویژگی به دستهبندی سیگنالها پرداختند. تفکیککننده مورد استفاده آنها تفکیککننده بیز بود. معیار ارزیابی میزان دسته بندی، روش Leave-One_Out است. در این روش یک سیگنال کنارگذاشته می شود و با مابقی سیگنالها تفکیککننده آموزش میبیند. سپس با سیگنال کنار گذاشته شده تفکیککننده تست میشود. این عمل برای تک تک سیگنالهای موجود تکرار میشود. درصد دستهبندی بر اساس درصد تمامی تکرارها محاسبه میشود. در صد تشخیص این گروه در بهترین حالت که با ویژگیهای ضرایب AR بدست آمد در حدود 6/84 بود[4]. Anderson و همکارانش نیز از شبکه عصبی Feed-forward با الگوریتم تعلیم Back-propagation استفاده کردند . آنها با ویژگیهای ضرایب AR و تفکیککننده شبکه عصبی به نرخ تشخیص حدود 92 درصد رسیدند[5].
در [37] که در زمینه اندازه گیری سطح درد با استفاده از سیگنالهای مغزی است. پس از استخراج ویژگیهای طیفی و ویژگیهای غیر خطی مانند نمای لیاپانوف، بعد فرکتال و آنتروپی به تفکیک کردن سیگنالها پرداختند. آنها از دو تفکیککننده SVM و الگوریتم Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Sys– (ANFIS) استفاده کردند. الگوریتم ANFIS مورد استفاده در این مقاله یک مدل فازی سوگنو[23] در قالب یک سیستم تطبیقی میباشد. این شبکه پنج لایه میباشد. در لایه اول همه گره ها تطبیقی هستند و خروجی این لایه ، درجه عضویت فازی ورودیها است. نتیجه صحت تفکیککننده ها در تفکیک درد از بیدردی با استفاده از SVM در بهترین حالت 92 درصد و با استفاده از ANFIS در بهترین حالت که با استفاده از ویژگیهای غیر خطی حاصل شد 94 درصد است.
Huaiyu و همکاران [34] پس از استخراج ضرایب موجک و مدل AR ماتریس ویژگیها را با ترکیب این دو ویژگی ایجاد کردند. آنها برای ارزیابی این ویژگیها از یک تفکیککننده خطی استفاده کردند. روش آنها به این صورت بود که برای هر ویژگی یک وزن در نظر گرفتند. سپس این وزنها را با استفاده از روش یادگیری با سرپرست تنظیم نمودند. بعد از بدست آوردن وزنهای بهینه برای هر ویژگی از ویژگیها برای تفکیک کردن تصور حرکت دست راست و چپ استفاده کردند. با استفاده از این روش ساده آنها به نرخ تشخیص 82 دصد دست یافتند.
استفاده از تفکیککننده تحلیل جداساز خطی[24] LDA در مرجع [30] برای دسته بندی حرکت دست و پای راست و چپ مورد بررسی قرار گرفت. آنها ویژگیهای زمان- فرکانس را با استفاده از تبدیل فوریه و تبدیل فوریه کوتاه مدت استخراج کردند. آنها برای بدست آوردن انداره بهینه پنجره در روش تبدیل فوریه کوتاه از الگوریتم ژنتیک استفاده کردند. با استفاده از الگوریتم ژنتیک ویژگیهای بدست آمده بسیار مناسب و بهینه بودند. در نهایت این ویژگیها را با استفاده از LDA تفکیک کردند. و به نرخ تشخیص 92 درصد با استفاده از LDA و الگوریتم ژنتیک رسیدند.
فصل چهارممقایسه تحلیلی تبدیل فوریه ، موجک و والش4-1- مقدمه همانطور که قبلا اشاره شد روشهای استخراج ویژگی زیادی وجود دارد که در پردازش سیگنال مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از رایجترین روشها استفاده از تبدیلات مختلف و استفاده از ویژگیهای حوزههای متفاوت است.با استفاد از تبدیلات مختلف مانند فوریه[25]،موجک[26]، والش[27] و … ویژگیهای از سیگنال ظاهر میشود که در پردازش سیگنال بسیار مفید میباشد. در این فصل ابتدا تبدیلات فوریه، موجک و والش معرفی میشود. سپس این سه تبدیل با هم مقایسه و مزایا و معایب آنها بیان میشود.
4-2- تبدیل فوریه
در قرن 19 ریاضیدان فرانسوی J.Fourier نشان داد که هر تابع تناوبی را میتوان به صورت مجموع توابع سینوسی نمایش داد. سالها بعد ایده او به سیگنالهای تناوبی و غیر تناوبی تعمیم داده شد.
تبدیل فوریه هر سیگنال را به یک سری توابع نمایی مختلط با فرکانسهای متفاوت تجزیه می کند. روش کار آن به صورت زیر است
X(f)= (1-4)
x(t) =
در معادله فوق t نشان دهنده زمان، f فرکانس ، x سیگنال مورد نظر در بعد زمان و X سیگنال تبدیل یافته در بعد فرکانس است. رابطه 4-1 نشان دهنده تبدیل فوریه x(t) و رابطه پایین عکس تبدیل فوریه X(f) است. در حوزه زمان سیگنال x(t) در یک فرکانس خاص ضرب میشود و سپس مجموع آن برای تمام زمانها محاسبه میشود. کاری که در واقع صورت میگیرد. سیگنال اصلی در یک عبارت مختلط شامل سینوسها و کسینوسهای فرکانس f ضرب میشود. سپس این حاصلضربها با هم جمع میشوند. اگر حاصل جمع مقدار بزرگی بود میتوان گفت که سیگنال x در فرکانس f دارای یک جزء غالب است. یعنی فرکانس f قسمت عمده فرکانس سیگنال را تشکیل میدهد. اگر سیگنال x(t) در فرکانس f دارای جزء غالب نباشد، حاصلضرب مقدار نسبتا کوچک خواهد بود[38].
اطلاعات ارائه شده در جمع مربوط به تمام زمانها از منفی بی نهایت تا مثبت بی نهایت است. در هر زمانی که فرکانس f اتفاق افتاده باشد تاثیر یکسانی در حاصل جمع دارد. این نشان میدهد که تبدیل فوریه برای سیگنالهای غیر ایستا مناسب نیست. سیگنال غیر ایستا[28] سیگنالی است که مشخصات آن در طول زمان تغییر میکند.
تبدیل فوریه نشان میدهد که آیا جزء فرکانسی خاصی در سیگنال وجود دارد یا نه. این اطلاعات مستقل از زمان وقوع آن است. یعنی زمان وقوع یک جزء فرکانسی به ما نشان داده نمی شود.
شکل (4-1) نشان دهنده سیگنال با رابطه زیر است.
x(t)=cos(2π5t) + cos(2π10t) + cos(2π20t) + cos(2π50t) (2-4)
این سیگنال دارای چهار جزء فرکانسی 5 ، 10، 20 و50 هرتز است. که در تمام زمانهای سیگنال رخ میدهد. در شکل (4-2) از این سیگنال تبدیل فوریه گرفته ایم. چهار قله موجود در این شکل نشان دهنده چهار جزء فرکانسی است[39].
در شکل (4-3) یک سیگنال سینوسوئید نشان داده شده است. این سیگنال نیز دارای همان چهار مولفه فرکانسی است. ولی در زمانهای متفاوتی رخ داده است. در شکل (4-4) تبدیل فوریه این سیگنال نشان داده شده است. همانطور که می بینیم تبدیل فوریه این سیگنال تقریبا شبیه سیگنال قبلی با همان چهار قله است. نویزهایی که بین این قلهها وجود دارد نشاندهنده آن است که این جزءهای فرکانسی نیز در سیگنال وجود دارد. چون مقدار جزء فرکانسی عمده ای نیستند مقدار کوچکی دارند. دلیل پیدایش آنها هم تغییرات ناگهانی بین فرکانسهای مختلف است.

شکل 4-1 – سیگنال ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5 ، 10، 20 و 50 هرتز
شکل 4-2 – تبدیل فوریه سیگنال رابطه 2-4))
شکل 4-3 – سیگنال غیر ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5، 10، 20 و 50 هرتز
شکل 4-4 – تبدیل فوریه سیگنال شکل (3-4)بنابراین یکی از مشکلات تبدیل فوریه این است که ابزار مناسبی برای تحلیل سیگنالهای غیر ایستا نمی باشد. به خاطر این مشکلات دانشمندان تبدیل فوریه با دوره کوتاه[29] (STFT)را معرفی کردند. در این تبدیل سیگنال به بخشهای تقسیم میشود به طوریکه هر بخش از سیگنال را بتوان ایستا فرض کرد. برای این منظور پنجرهای انتخاب میشود که عرض آن برابر بخشی از سیگنال که ثابت است میباشد. سپس تابع پنجره و سیگنال در هم ضرب میشوند. این حاصل ضرب یک سیگنال است که باید تبدیل فوریه آن محاسبه شود.
رابطه 3-4 ، اعمال STFT را بر روی سیگنال نشان میدهد.
(3-4)
در این رابطه x(t) سیگنال اصلی ، w(t) تابع پنجره و * بیانگر مزدوج مختلط است. همانطور که مشخص است STFT چیزی جز تبدیل فوریه حاصلضرب سیگنال در تابع پنجره نیست. برای هر t’ و f یک سری ضرایب STFT جدید محاسبه میشود.
مشکلی که در STFT وجود دارد به مفهومی به نام اصل عدم قطعیت هیزنبرگ[30] مربوط است این اصل به اندازه حرکت و مکان ذرات در حال حرکت بر میگردد که میتواند به عنوان اطلاعات زمان – فرکانس سیگنال بکار رود.
این اصل به طور ساده میگویید که نمی توان نمایش دقیق و همزمان زمان- فرکانس یک سیگنال را بدست آورد. یعنی کسی نمی داند چه اجزای فرکانسی در هر زمان از نمونه ی یک سیگنال وجود دارد. چیزی که میتوان فهمید فاصلههای زمانی است که هر باند فرکانسی بوجود آمده که خود مشکل درجه تفکیک پذیری یا رزولیشن را بوجود میآورد.
پس تبدیل فوریه و نسخه اصلاح شده و تعمیم یافته آن STFT هر دو دارای مشکل میباشند . محققین برای این دو مشکل به تبدیل موجک روی آوردند.
تبدیل فوریه دارای کاربردهای مختلف ی مانند استخراج ویژگی ، فشرده سازی ، حذف نویز و … میباشد. که مهمترین آنها ویژگیهای است که برای تحلیل و دستهبندی سیگنالها استفاده میکنیم.
4-3- تبدیل موجککمبودهای تبدیل فوریه در آنالیز سیگنالهای با خصوصیات غیر ایستایی، منجر به ارائه تحلیل فرکانس –زمان توسط Gabor در سال 1946 گردید. این تبدیل اگر چه توانایی ارائه اطلاعاتی در مورد فرکانس و زمان اتفاق خاصی در سیگنال را دارد ، اما به واسطه استفاده از پنجره های با اندازه ثابت دچار محدودیت می باشد این مشکل با ارائه تبدیل موجک رفع گردید .تبدیل موجک درواقع یک آنالیز پنجره ای زمان (یا مکان ) در مقیاس متغیر است. عبارت موجک یعنی موج کوچک ، یعنی تابع پنجره دارای طول محدود است[38-40].
تبدیل موجک پیوسته تابع f (t)∈ L2(R) به صورت انتگرالی روی L2(R) تعریف میشود :
(4-4)
4752975685800029527507810500تابعموجک با انتقال وتغییر مقیاس موجک مادر به دست میآید به صورت زیر تعریف میشود:
(5-4)
S پارامتر مقیاس است و با اطلاعات فرکانس مرتبط میباشد و u پارامتر انتقال بوده و حاوی اطلاعاتی در مورد زمان (یا مکان) است .این تبدیل قابل تعمیم به حالت دو بعدی و نیز برای سیگنالهای گسسته (مثل تصویر) میباشد.Mallat ثابت میکند که یک تبدیل موجک گسسته میتواند با استفاده از یک بانک فیلتری محاسبه شود. در این الگوریتم یک سیگنال یک بعدی، در یک سطح تجزیه، به دو زیر باند aو d تبدیل میگردد که a را ضریب تقریبات سیگنال (approximation ) و d را ضریب جزئیات (detail ) گویند[39].
تبديل موجك، بر خلاف تبديل فوريه، به دنبال يافتن سهم حضور يك مولفه‌ي فركانسي خاص در سيگنال نيست بلكه به دنبال يافتن جزئيات سيگنال به اندازه (يا عرض زمانيِ) a در زمان t است. گاها به جاي عبارت ‹اندازه‌ي جزئيات› از عبارت ‹درجه زوم› استفاده ميشود. هر چه میزان زوم بیشتر باشد (یعنی مایل به تحلیل رفتارهای سریعتر و به عبارت معادل، فرکانسهای بالاتر باشیم)، عرض زمانی a باید کمتر باشد. بنابراین فركانس ω و درجه زوم a معكوس يكديگر هستند. به عبارت ديگر حاصلضرب اين دو همواره برابر عدد ثابتي مانند β

شکل 4-5- تجزیه سیگنال با استفاده از تبدیل موجکاست. پس تبدیل موجک دادههای ما را چه دو بعدی و یک بعدی به زیر باندهای تقسیم میکند که هر یک
از این زیر باندها یک سری از جزئیات داده ما را نشان میدهد.و ما برای بازسازی و فشرده سازی و حذف نویز و لبه یابی میتوانیم از این زیر باندها استفاده کنیم. در شکل(4-5) یک روند کلی از این کار دیده میشود. در تبدیل موجک بر خلاف تبدیل فوریه پارامتر فرکانس نداریم در عوض پارامتری با نام مقیاس داریم.
4-3-1- مقیاس
پارامتر مقیاس نشان دهنده جزئیات سیگنال است. مقیاسهای بالا نشاندهنده یک دید کلی فاقد جزئیات سیگنال و مقیاسهای پائین نشاندهنده یک دید با تفصیل بیشتر هستند. در شکل (4-6) سیگنالهای کسینوسی با مقیاسهای مختلف نشان داده شده است[39]. مقیاسگذاری برای فشرده یا باز کردن سیگنال بکار میرود. مقیاسهای بزرگتر نشان دهنده سیگنالهای باز شده که فاقد جزئیات است. مقیاسهای کوچکتر نشان دهنده سیگنالهای فشرده شده هستند که شامل جزئیات است. فرض کنید X(t) سیگنالی باشد که قرار است تجزیه شود. موجک مادر بعنوان یک نمونه اولیه برای تمام پنجرهها انتخاب میشود. تمام پنجرههایی که استفاده میشوند، نسخههای باز شده (فشرده شده) و شیفت داده شده موجک مادر هستند. موجک در آغاز سیگنال(زمان صفر) قرار میگیرد. تابع موجک در مقیاس یک در سیگنال ضرب میشود. و سپس حاصلضربها، جمع میشوند. و نتیجه جمع در عدد ثابت 1/sqrt(s) ضرب میشود. این مقداریست مطابق با نقطه =1 و s=1 در مقیاس –زمان سپس موجک در مقیاس یک و به اندازه vبه سمت راست شیفت داده میشود. مقدار مقیاس – زمان برای مقدارهای جدید حساب میشود. این روند تا وقتی که موجک به انتهای سیگنال برسد ادامه پیدا میکند در این مرحله یک سطر از نقاط مقیاس – زمان برای s=1 محاسبه شده است. سپس s به اندازه کمی افزایش مییابد فرایند فوق برای تمامی مقادیر s تکرار میشود. هر بار متناظر با یک مقدار s یک سطر متناظر در صحفه مقیاس – زمان پر میشود. شکل(4-7) فرایند انتقال موجک را نشان میدهد[39]. بطور خلاصه مشکلات تبدیل فوریه و موجک شامل موارد زیر می باشد: تبدیل فوریه برای سیگنالهای غیر ایستا عملکرد خوبی نداشت. اعمال تبدیل فوریه بر روی سیگنال برای استخراج ویژگی زمان زیادی میگیرد. برای حل مشکل اول یک نسخه جدید تبدیل فوریه با نام تبدیل فوریه با دوره کوتاه (STFT) ارائه شد. رفع مشکل دوم استفاده از روشهای دیگر برای بدست آوردن فرکانس میباشد. اما به خوبی مولفه های فرکانسی را برای سیگنال های ایستا به خوبی جدا می نماید. تبدیل موجک برای پردازشهای بلادرنگ مناسب نیست چون حجم عملیات محاسباتی زیادی دارد و زمانبر است. ولی برای تحلیل و بدست آوردن باندهای فرکانسی بسیار مناسب میباشد.

شکل 4-6- مقیاسهای مختلف یک تابع کسینوسی
شکل 4-7- تبدیل موجک در یک مقیاس خاص4-4- تاریخچه تبدیل والشتوابع والش در سال 1923 توسط والش با ارائه توابع متعامد معرفی شد[41]. اما در سال 1969 از توابع والش برای تبدیل والش استفاده شد. تبدیل والش یک تبدیل بهینه موضعی و غیر سینوسی است این تبدیل یک تبدیل متعامد است که یک سیگنال را به مجموعه ای ازموجهای مربعی تجزیه میکند که این موجهای مربعی توابع والش نامیده میشوند. دامنه تابع والش دارای دو مقدار 1+ و 1- است .[42] تبدیل والش کاربردهای زیادی دارد از جمله این کاربردها می توان به تحلیل طیف توان، فیلترینگ، پردازش صوت و سیگنالهای پزشکی، تسهیم و کد کردن ارتباط ، مشخص کردن سیگنالهای غیرخطی، حل کردن معادلات غیر خطی، تحلیل وطراحی منطقی اشاره کرد [43].
4-4-1- توابع والشتابع والش شامل زنجیرهای از پالسهای مربعی است. با مقدارهای -1 و 1+ این چنین که تبدیل ممکن است در فاصله زمانی ثابت رخ دهد. زمان شروع ابتدایی همیشه 1+ است. یک ویژگی مهم از تابع والش توالی است. که از تعداد صفر گذرانده در واحد زمان مشخص میشود. هر تابع والش یک مقدار توالی[31] منحصر به فرد دارد. در شکل(4-8 )توابع والش برای n=16 نشان داده شده است. توابع والش و تبدیل والش نوعی خاص از توابع و تبدیل هادامارد[32] میباشند. ماتریس والش و هادامارد فقط در ترتیب ردیفها با یکدیگر متفاوت هستند[41]. روشهای مختلفی برای بدست آوردن تبدیل والش وجود دارد که محبوب ترین و بهترین آنها استفاده از ماتریس هادامارد است که در سیستمهای دیجیتال به تبدیل هارمارد مشهور است در بخشهای آتی طریقه بدست آوردن تبدیل والش را بیان میکنیم.

شکل 4-8- تابع والش برای n=84-4-2- تبدیل والشروشهای زیادی برای بدست آوردن تبدیل والش وجود دارد.این روشها بر اساس ماتریس والش می باشد که به مرتبه سطرها بستگی دارد.. تبدیل والش سیگنال x در حوزه زمان را به سیگنال y در حوزه توالی(sequency) نگاشت میکند.
X= , Y= (6-4)
در این رابطه ماتریس والش می باشد . پس برای اینکه تبدیل والش را بر روی سیگنال اعمال کنیم ابتدا باید ماتریس والش را بدست آوریم. روشهای زیادی برای بدست آوردن ماتریس والش وجود دارد. چند روش در زیر بررسی میشود.
1- نظم طبیعی تبدیل والش (Natural-ordered Walsh transform): در این روش برای بدست آوردن ماتریس والش از ماتریس هادامارد استفاده میکنیم. ماتریس هادامارد یک ماتریس مربعی N*N است که سطرها و ستونهای آن فقط شامل +1 و -1 است. که نسبت به همدیگر متعامد هستند. این ماتریس برای هر N تعریف نمیشود ما میتوانیم این ماتریس را برای هر N که عاملی از 2 است بر اساس ماتریس هادامارد اصلی بسازیم اگر N عاملی از 2 نباشد سطر و ستونهای اضافی را صفر در نظر میگیریم. طریقه ساخت ماتریس را از ماتریس در زیر میبینیم. ماتریس ماتریس هادامارد اصلی است[44].
= , = (7-4)
به عنوان مثال برای ساختن ماتریس والش به ابعاد n می توان آن را با استفاده از ماتریس والش n/2 بسازیم. در زیر ماتریس والش 4*4 را با استفاده از ماتریس والش پایه 2*2 ساختهایم.
11639553619500-1587528003500

– (291)

دانشکده مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات
گروه هوش مصنوعی
استخراج ویژگی مناسب برای تشخیص سیگنالهای حرکات ارادی EEG
جمشید پیرگزی
اساتید راهنما:
دكتر علی اکبر پویان
استاد مشاور:
دکتر کاویان قندهاری
دکتر هادی گرایلو
پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
شهریور 1391
دانشگاه صنعتي شاهرود
دانشكده: مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات
گروه: هوش مصنوعی
پايان نامه کارشناسي ارشد آقاي جمشید پیرگزی
تحت عنوان: طبقه بندی سیگنال های EEG با استفاده از تکنیک های هوش مصنوعی
در تاريخ ………………………. توسط كميته تخصصي زير جهت اخذ مدرک کارشناسي ارشد مورد ارزيابي و با درجه ……………………………….. مورد پذيرش قرار گرفت.
امضاء اساتيد مشاور امضاء اساتيد راهنما
آقای دکتر کاویان قندهاری آقای دکتر علی اکبر پویان
آقای دکتر هادی گرایلو امضاء نماينده تحصيلات تكميلي امضاء اساتيد داور
نام و نام خانوادگي: نام و نام خانوادگي:
نام و نام خانوادگي:
تقدیم به
2661285115252500 چشمان منتظر مادر م
دستان خسته پدرم
تشکر و قدرداني
پاس خدایی که آدمی را به نعمت تفکر آراست و اساتید فرزانهای چون دکتر علیاکبر پویان و دکتر هادی گرایلو را در مسیر راهم قرار داد تا از اندیشه نابشان بهره گیرم و دانش و بینششان را رهتوشه خویش سازم.
آقایان پاس میدارم اندیشه بلندتان را و ارج مینهم همت والایتان را.
تشکر مینمایم از پدر و مادر یگانهام، همسر عزیزم و برادر و خواهرانم که وجودشان تکیهگاهی برای تمام لحظههای سخت من و دعاهایشان تنها سرمایه بال گشودنم بسوی خوشبختی است.

152400-571500تعهد نامه
00تعهد نامه

اینجانب جمشید پیرگزی دانشجوی دوره کارشناسی ارشد رشته مهندسی کامپیوتر دانشکده کامپیوتر و فناوری اطلاعات دانشگاه صنعتی شاهرود نویسنده پایان نامه استخراج ویژگی مناسب برای تشخیص سیگنالهای حرکات ارادی EEG تحت راهنمائی دکتر علی اکبر پویان متعهد می شوم .
تحقیقات در این پایان نامه توسط اینجانب انجام شده است و از صحت و اصالت برخوردار است .
در استفاده از نتایج پژوهشهای محققان دیگر به مرجع مورد استفاده استناد شده است .
مطالب مندرج در پایان نامه تاکنون توسط خود یا فرد دیگری برای دریافت هیچ نوع مدرک یا امتیازی در هیچ جا ارائه نشده است .
کلیه حقوق معنوی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد و مقالات مستخرج با نام « دانشگاه صنعتی شاهرود » و یا « Shahrood University of Technology » به چاپ خواهد رسید .
حقوق معنوی تمام افرادی که در به دست آمدن نتایح اصلی پایان نامه تأثیرگذار بوده اند در مقالات مستخرج از پایان نامه رعایت می گردد.
در کلیه مراحل انجام این پایان نامه ، در مواردی که از موجود زنده ( یا بافتهای آنها ) استفاده شده است ضوابط و اصول اخلاقی رعایت شده است .
در کلیه مراحل انجام این پایان نامه، در مواردی که به حوزه اطلاعات شخصی افراد دسترسی یافته یا استفاده شده است اصل رازداری ، ضوابط و اصول اخلاق انسانی رعایت شده است .
تاریخ
امضای دانشجو
-304165165100مالکیت نتایج و حق نشر
کلیه حقوق معنوی این اثر و محصولات آن (مقالات مستخرج ، کتاب ، برنامه های رایانه ای ، نرم افزار ها و تجهیزات ساخته شده است ) متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد . این مطلب باید به نحو مقتضی در تولیدات علمی مربوطه ذکر شود .
استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پایان نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمی باشد.
00مالکیت نتایج و حق نشر
کلیه حقوق معنوی این اثر و محصولات آن (مقالات مستخرج ، کتاب ، برنامه های رایانه ای ، نرم افزار ها و تجهیزات ساخته شده است ) متعلق به دانشگاه صنعتی شاهرود می باشد . این مطلب باید به نحو مقتضی در تولیدات علمی مربوطه ذکر شود .
استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پایان نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمی باشد.

چکيده
در این پایاننامه قصد داریم با ارائه یک ویژگی مناسب عمل دسته بندی را بر روی سیگنالهای مغزی انجام دهیم. برای این منظور ابتدا از سیگنالهای مغزی نویز دستگاه ثبت حذف می شود سپس از این سیگنالها با استفاده از تبدیل والش و آنتروپی ویژگی استخراج می شود. بعد از استخراج ویژگی ، بر اساس این ویژگیها عمل دسته بندی انجام می شود.
اولین پیش پردازش برای دسته بندی سیگنالهای مغزی حذف نویز از این سیگنالها میباشد. در این پایاننامه دو روش کلاسیک حذف نویز و دو روش پیشنهادی حذف نویز بررسی میشود. ابتدا با استفاده از روش کلاسیک ICA ، تبدیل موجک و دو روش پیشنهادی تبدیل والش و روش ترکیبی والش و ICA از سیگنال حذف نویز میشود. برای داشتن یک ارزیابی از این چند روش، نتایج حاصل از این چهار روش با استفاده از سه معیار، نسبت سیگنال به نویز(SNR)، میانگین مربع خطا(MSE) و جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد) (PRD) ارزیابی میشود. نتایج ارزیابی با استفاده از این معیارها نشان داد که روش ترکیبی والش و ICA و تبدیل والش دارای کمترین مقدار میانگین مربع خطا میباشد. همچنین این دو روش دارای بیشترین مقدار نسبت سیگنال به نویز و جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد) است.
بعد از حذف نویز از سیگنال، به بحث استخراج ویژگی از سیگنالها و دسته بندی آنهاپرداخته میشود. ویژگیهای استخراج شده تعداد ویژگی کمی می باشد و یک بردار ویژگی 22 مولفه ای است. این ویژگی ها مربوط به آنتروپی تبدیل والش کانال های سیگنال، آنتروپی تبدیل والش کل سیگنال، توان تبدیل والش کانال های سیگنال و توان تبدیل والش کل سیگنال میباشد. برای ارزیابی کارایی این ویژگیها همین ویژگیها، نیز با استفاده از تبدیل موجک و فوریه استخراج میشوند و عمل دسته بندی بر اساس ویژگیهای استخراجی این سه روش به طور جداگانه انجام میشود. بعد از استخراج ویژگی، بر اساس ویژگیهای استخراجی، به دسته بندی سیگنالها با استفاده از طبقه بندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه پرداخته می شود. نتایج حاصل نشان میدهد که دسته بندی با استفاده از ویژگیهای استخراجی تبدیل والش به مراتب بهتر از دسته بندی بر اساس ویژگیهای دو تبدیل دیگر است. نرخ تشخیص با استفاده از روش پیشنهادی و svm، 42.5 درصد و با روش نزدیکترین همسایه 39.0 درصد است.
در مقایسه ای دیگر، نتایج حاصل با نتایج پیاده سازی شده بر روی این مجموعه داده، در چهارمین دوره مسابقات BCI مقایسه شده است. نتایج نشان داد که روش دسته بندی با استفاده از تبدیل والش از همهی روشها به جز نفر اول بهتر است.. ولی مزیتی که روش پیشنهادی نسبت به همه روشها دارد این است که در بحث زمانی این روش دارای مجموع زمان تست و آموزش کمی است. این زمان 52 ثانیه می باشد که نسبت به روش اول که 403 و 640 ثانیه است به مراتب بهتر است.
کلمات کلیدی: تبدیل والش، سیگنالهای مغزی ، نسبت سیگنال به نویز(SNR)، میانگین مربع خطا(MSE) و جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد)( (PRD
ليست مقالات مستخرج از پايان نامه
[1]. Jamshid Pirgazi, Ali A. Pouyan “Using Walsh transform to Denoise EEG Signals
”, In: The 19th Iranian Conference of Biomedical Engineering (ICBME2012), 2012, Accept Extend Abstract.

. [2] جمشید پیرگزی ،علی اکبر پویان، “ترکیب تبدیل والش و آنالیز مولفه های مستقل به منظور حذف نویز از سیگنال های مغزی” ، کنفرانس مهندسی برق مجلسی ، مرداد 1391.
[3]. جمشید پیرگزی ، علی اکبر پویان “استخراج ویژگی از سیگنال های مغزی با استفاده از تبدیل والش و آنتروپی”، پانزدهمین کنفرانس دانشجویی مهندسی برق ایران دانشگاه کاشان ، شهریور 1391.

فهرست
عنوان صفحه

فصل اولمقدمه1-1-مقدمه11-2-تاریخچه BCI41-3-کاربردهای BCI71-4-تعریف مساله71-5- ساختار پایان نامه7فصل دومسیگنالهای مغزی2-1- مقدمه92-2- کشف سیگنالهای مغزی102-3- ثبت سیگنالهای مغزی112-4- پیش پردازشها روی سیگنالهای مغزی12فصل سوممروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه دسته بندی سیگنالهای مغزی3-1- مقدمه163-2- معرفی دادههای موجود173-2-1- مشخصات دادههاي ثبت شده توسط گروه دانشگاهColo–o173-2-2- مشخصات داد ههاي ثبت شده توسط گروه Graz183-2-3- مشخصات دادههای MIT-BIH193-3- استخراج ویژگی203-4- دسته بندی23فصل چهارممقایسه تحلیلی تبدیل فوریه ، موجک و والش4-1- مقدمه254-2- تبدیل فوریه254-3- تبدیل موجک304-3-1- مقیاس.324-4- تاریخچه تبدیل والش354-4-1- توابع والش354-4-2- تبدیل والش36فصل پنجمتوصیف روش پیشنهادی5-1- مقدمه405-2- پایگاه داده مورد استفاده405-3- حذف نویز425-3-1- آنالیز مولفههای مستقل435-3-2- حذف نویز با استفاده از آنالیز مولفه هایمستقل445-3-3- حذف نویز با استفاده از تبدیل موجک465-3-4- حذف نویز با استفاده از تبدیل والش475-3-5- حذف نویز با استفاده از روش ترکیبی تبدیل والش و ICA505-4- استخراج ویژگی515-4-1- آنتروپی525-4-2- استخراج ویژگی با استفاده از تبدل والش535-4-3- استخراج ویژگی با استفاده تبدیل فوریه و موجک535-5- ماشین بردار پشتیبان (Support Vector Machin)545-5-1- ابر صفحه جداساز555-5-2- جداسازی غیر خطی58فصل ششمنتایج و نتیجه گیری6-1- مقدمه606-2- حذف نویز616-3- معیارهای ارزیابی656-3-1- نسبت سیگنال به نویز (Signal to Noise Rate)656-3-2- میانگین مربع خطا (Mean Square Error)666-3-3- جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد)(Percentage Root Mean Square Difference)676-4- استخراج ویژگی686-4-1- ویژگیهای تبدیل والش696-4-2- ویژگیهای تبدیل فوریه726-4-3- ویژگیهای تبدیل موجک766-5- مقایسه با کارهای مرتبط بر روی این مجموعه داده806-6- نتیجه گیری836-7- پیشنهاد ها85منابع:…86
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 – واحد های پردازشی و دسته بندی در یک سیستم BCI4شکل 2-1- محل قرار گرفتن الکترود ها در سیستم 10- 2012شکل 2-2- محدوده دامنه و فرکانس برخی از سیگنالهای حیاتی13شکل 4-1 – سیگنال ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5 ، 10، 20 و 50 هرتز27شکل 4-2 – تبدیل فوریه سیگنال رابطه 2-4))28شکل 4-3 – سیگنال غیر ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5، 10، 20 و 50 هرتز28شکل 4-4 – تبدیل فوریه سیگنال شکل (3-4)29شکل 4-5- تجزیه سیگنال با استفاده از تبدیل موجک32شکل 4-6- مقیاسهای مختلف یک تابع کسینوسی34شکل 4-7- تبدیل موجک در یک مقیاس خاص34شکل 4-8- تابع والش برای n=836شکل 5-1- نحوه قرارگیری الکترودها بر روی سر هنگام ثبت سیگنالهای مغزی مورد استفاده42شکل 5-2- سیگنالهای گرفته شده توسط هر کانال45شکل 5-3- مولفههای بدست آمده توسط ICA45شکل 5-4- تبدیل والش از کانال های سیگنال49شکل 5-5- حد آستانه مشخص شده بر روی تبدیل والش برای حذف نویز49شکل 5-6- حد آستانه مشخص شده بر روی تبدیل والش، مولفههای ICA برای حذف نویز51شکل 5- 7 – صفحه های جداساز و بردارهای پشتیبان56شکل 5- 8 – صفحه جداساز و نواحی مربوط به هر کلاس57شکل 5-9- افزایش بعد جهت جداسازی خطی دادهها59شکل 6-1- سیگنال اصلی و سیگنال دارای نویز63شکل 6-2- سیگنال حاصل از حذف نویز با استفاده از روش ICA ، روش ترکیبی والش- ICA ، تبدیل والش و تبدیل موجک64شکل 6-3- نسبت سیگنال به نویز ده سیگنال66شکل 6-4- میانگین مربع خطا برای ده سیگنال67شکل 6-5- جذر میانگین تفاضل مربعات(درصد) برای ده سیگنال68شکل 6-6- آنتروپی توالی کانالهای سیگنالهای کلاس اول70شکل 6-7- توان آنتروپی هر کانال از سیگنالهای کلاس اول71شکل 6-8- آنتروپی تبدیل فوریه کانالهای سیگنالهای کلاس اول74شکل 6-9- آنتروپی تبدیل موجک کانالهای سیگنالهای کلاس اول77فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول 3-1 – انواع ویژگیهای استفاده شده در پردازش سیگنال22جدول 4-1 – مقدار توابع والش و خروجی این تابع39جدول 6-1-نرخ تشخیص طبقه بندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه برای دو مجموعه داده بر اساس ویژگیهای تبدیل والش73جدول 6-2-نرخ تشخیص طبقه بندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه برای دو مجموعه داده بر اساس ویژگی های تبدیل فوریه75جدول 6-3-نرخ تشخیص طبقهبندی کننده SVM و نزدیکترین همسایه برای دو مجموعه داده بر اساس ویژگیهای تبدیل موجک79جدول 6-4- نتایج دستهبندی بر اساس ویژگیهای سه روش79جدول 6-5- مقایسه متوسط زمان اجرای تبدیل والش ، تبدل فوریه و تبدیل موجک79جدول 6-6- مقایسه متوسط زمان اجرای روش پیشنهادی با نفر اول مسابقات BCI و تبدل فوریه و تبدیل موجک81جدول 6-7- مقایسه نرخ تشخیص روش پیشنهادی با 4 نفر اول مسابقات BCI82فصل اولمقدمه مقدمهتعامل انسان با کامپیوتر (HCI)[1] امروزه کاربردهای گسترده ای دارد. این رشته علم بررسی تعامل کامپیوتر و انسان است. در واقع این علم نقطه تقاطع دانش کامپیوتر، علوم رفتارشناسی طراحی و چند علم دیگر است. ارتباط و تعامل کامپیوتر وانسان از طریق واسط اتفاق می‌افتد. که شامل نرم‌افزار و سخت‌افزار است. یک تعریف دقیق آن چنین است:
علم تعامل کامپیوتر و انسان یک رشته مرتبط با طراحی ارزیابی و پیاده سازی سیستم‌های محاسباتی متقابل برای استفاده انسان در مطالعه پدیده‌های مهم پیرامون اوست. این رشته شاخه‌هایی از هر دو طرف درگیر را شامل می‌شود مثلا گرافیک کامپیوتری، سیتم‌های عامل، زبانهایی برنامه نویسی، تئوری ارتباطات و طراحی صنعتی برای قسمت کامپیوتری زبان‌شناسی، روانشناسی و کارایی انسان برای قسمت انسانی آن. این رشته به شاخه های زیادی تقسیم میشود که یکی از آنها واسط مغز و کامپیوتر(BCI)[2] است.
مغز انسان توانايي انتشار امواجي الكتريكي و مغناطيسي را دارد كه مي توان با ثبت آنها علاوه بر كاربردهاي پردازشي به تشخيص برخي بيماريها و حتي برقراري ارتباط به صورت تلپاتي پرداخت. يكي از روشهاي ثبت اين سيگنالها EEG)) [3] ميباشد.
سیگنالهای الکتریکی مغزی را اولین بار دکتر هانس برگر[4] در سال 1920 شناسایی و ثبت کرد. با ثبت این سیگنالها تلاش انسان برای استفاده از این سیگنالها برای کاربردهای مختلف شروع شد. اکنون بیشترین استفادههای که از این سیگنالهای میشود در تشخیص پزشکی و کمک به افراد ناتوان جسمی و فکری است[1]. در اوایل ثبت این سیگنالها، به خاطر آشفته بودن و نویزی بودن این سیگنالها کار کردن بر روی و استخراج اطلاعات مفید از آنها مشکل بود.
در اوایل کشف سیگنالهای مغزی به دلیل نبودن دستگاههای ثبت و ضبط مناسب انسان به این تصور بود که ارتباط انسان با محیط اطرافش سخت و غیر ممکن است. اما با پیشرفتهای که در حوزه رایانه و الکترونیک صورت گرفت و با ابداع ابزارهای مناسب جهت ثبت سیگنالهای مغزی این ارتباط دور از دسترس نیست. امروزه BCI علمی است که این ارتباط را برقرار می کند.
واسط مغز و رایانه از مجموعه‌ای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل میشود که فعالیت مغزی فرد را مستقیما به یک سری سیگنال‌های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می‌کند. در این سامانه ابتدا باید امواج مغزی را با استفاده از دستگاه‌های ثبت امواج مغزی ثبت کرد که معمولا به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از EEG برای ثبت امواج مغزی استفاده می‌شود. الکترودهای EEG در سطح پوست سر قرار می‌گیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت نورون‌ها[5] راه اندازهگیری می‌کنند. در مرحله بعد این امواج بررسی شده و ویژگی‌های مورد نظر استخراج می‌شود و از روی این ویژگی‌ها میتوان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد. در شکل(-11) واحدهای پردازشی سیستم BCI را میبینیم.
با توجه به پایین بودن نسبت سیگنال به نویز در این سیستم ابتدا یک پیش پردازش و عملیات حذف نویز بر روی این سیگنال ها انجام میشود. مرحله بعد مرحله استخراج ویژگی است که در فصلهای بعد در مورد انواع ویژگیها و روش های استخراج ویژگی صحبت میکنیم در نهایت با استفاده از ویژگیهای استخراج شده عمل دستهبندی را انجام میدهیم.
واسط مغز و رایانه ممکن است ساختاری ثابت داشته باشد یا اینکه به صورت انطباقی باشد و خود را با مشخصه یا مشخصههای سیگنال انطباق بدهد. همچنين ممكن است از خروجي سيستم به نوعي به شخص مورد آزمايش فيدبك[6] داده شود. اين روش به بيوفيدبك مشهور است.
در اولین همایش بین المللی که در ژوئن 1999 برگزار شد یک تعریف معمول برای BCI به صورت زیر ارائه شد[2]: (یک واسط مغز و رایانه یک سامانه ارتباطی است که وابسته به مسیرهای خروجی نرمال سامانه عصبی جانبی و ماهیچه‌ها نیست) سيگنالهاي الكتريكي مغز از نظر دامنه و فركانس با برخي ديگر از سيگنالهاي حياتي همپوشاني دارند، لذا در تعريف BCI بر مستقل بودن سيگنالها از ساير سيگنالهاي عصبي و عضلاني تاكيد شده است.

شکل 1-1 – واحد های پردازشی و دسته بندی در یک سیستم BCIتاریخچه BCI
اولین تلاشها در زمینه تعامل انسان با رایانه همزمان با کشف سیگنالهای EEG شروع شد و دانشمندان سعی کردند که بین این سیگنالها و فعالیت های مغزی ارتباط برقرار کنند[1]. اما با توجه به اینکه در ابتدا این سیگنالها بسیار آشفته و دارای نویز بودند، از این سیگنالها فقط در پزشکی استفاده میشد و فقط پزشکان متخصص با توجه به تجربه از این سیگنالها میتوانستند استفاد کنند. اما رفته رفته با تولید دستگاههای جدید و توانایی ثبت این سیگنالها با کیفیت بهتر، پژوهشها و تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام گرفت.
در سال 1969، Elul [3]اولین تلاش را انجام داد. او بر روی سیگنال عملیات ریاضی کار کرد و نشان داد که اگر فرد عملیات فکری خاصی را انجام ندهد در %66 سیگنال مغزی آن توزیع گوسی است و اگر فرد عملیات ریاضی انجام دهد در %32 سیگنال مغزی توزیع گوسی دارد و از طریق سیگنال مغز توانست تشخیص دهد که فرد چه عملیات فکری انجام میدهد.
در دانشگاه Colo–o دو محقق Keirn و Aunon تحقیقات خود را در این زمینه برای دستهبندی پنج فعالیت مختلف ذهنی شروع کردند[4]. آنها در حين انجام پنج فعاليت ذهني مشخص و همزمان از چند كانال، سيگنال EEG را ثبت نمودند. سپس به كمك يك تفكيك كنندة بيز[7] از توان باندهاي مختلف فركانسي بعنوان ويژگيهايي جهت تفكيك اين فعاليتهاي ذهني استفاده كردند. آنها در ضمن كار خود اين ايده را مطرح نمودند كه فعاليتهاي مختلف ذهني ميتوانند بعنوان الفبايي جهت برقراري ارتباط مستقيم مغز با دنياي خارج استفاده شود؛ بطوريكه شخص ميتواند با تركيب و انتخاب توالي چند فعاليت مشخص مقصود خود را به دنياي خارج منتقل كند.
چند سال بعد دکتر Anderson و همکارانش [5,6] کار این دو محقق را ادامه دادند. اين گروه در اغلب كارهاي خود از همان پنج فعاليت ذهني استفاده کردند. آنها پارامترهاي آماري همچون ضرايب(AR)[8] را تخمین زدند و با استفاده از این ضریب ویژگیهای را برای دسته بندی و تشخیص این پنج عمل استخراج کردند. بعد از استخراج ویژگی به کمک شبکه عصبی عمل دستهبندی را انجام دادند.
Pfrutscheller و همکارانش [7-11] در مرکز Graz اتریش در تحقيقات خود از سيگنالهاي ثبت شده در حين حركت انگشت اشاره و يا در حين تصور حركت دادن دست راست و چپ استفاده نمودهاند. آنها در كارهاي خود از خروجيهاي مختلفي همچون حركت يك نشانگر بر روي مانيتور، انتخاب حروف و كلمات و كنترل يك پروتز مصنوعي استفاده كردهاند. آنها جهت استخراج ويژگي از چند روش استفاده کردند. روش اول استخراج پارامترهاي AR و روش ديگر محاسبة توان باندهاي مختلف فركانسي، كه اين باندها متناسب با شخص انتخاب ميشوند. به گفته Pfrutscheller براي اين كار از يك تابع فاصلة وزندار جهت تعيين ميزان تأثير هر مؤلفة فركانسي بر عمل دسته بندي استفاده شده است. به اين روش (DSLVQ) [9] ميگويند. اين عمل براي تمام فركانسها در فاصله HZ 30-5 انجام ميشود تا مؤلفههاي فركانسي مناسب براي آن شخص بدست آيد. آنها براي دستهبندي هم عموما از دو روش استفاده نمودهاند. روش اول روشهاي مبتني بر شبكة عصبي (مانند LVQ)[10] و روش دوم مبتني بر تفكيك كنندههاي خطي.[11] (LDA) آنها جهت بهبود عملكرد سيستم خود در برخي موارد از تكنيكهاي بيو فيدبك هم استفاده نمودهاند. بعنوان مثال با نشان دادن يك فلش روي مانيتور از كاربر خواسته ميشود كه تصور حركت دادن دست راست يا چپ را ا نجام دهد. با انجام مكرر اين كار ، تفكيك كننده را براي تفكيك اين دو عمل آموزش ميدهند . سپس در مرحلة آزمايش هر بار كه از شخص خواسته ميشود كه حركت دادن يك دست را تصور كند با استفاده از تفكيك كنندة تعليم ديده سیگنال مغزی او را دستهبندي مي كنند. هر بار بسته به ميزان خطاي تفكيك كننده يك علامت فلش با طولي متناسب با ميزان خطا روي صفحه رسم ميشود . اين علامت در واقع يك فيدبك است كه با ديدن آن شخص سعي ميكند كه هر بار طول علامت خطا را كم كند.
Wolpaw و همکارانش[12 ] بیشتر در زمینه پزشکی کار کردند لذا كارهاي آنها عموما از پشتوانة فيزيولوژيك خوبي برخوردار است اما روشهاي پردازشي آنها نسبتا ساده است. اساس كار آنها بر اين مبناست كه افراد را ميتوان بگونهاي آموزش داد كه بتوانند برخي از ویژگیهای سیگنال مغزی خود را کنترل کنند.
به طور کلی از جمله تحقیقاتی که در طی سالیان دراز در زمینه BCI انجام گرفته است می توان به تصور حركت دادن دست راست و چپ ، حركت دادن انگشتان اشارة دو دست، انجام پنج فعاليت ذهني: حالت استراحت, نامه نگاري، شمارش، ضرب ذهني و دوران ذهني ، انجام عمليات ضرب با ميزان پيچيدگي مختلف، گوش دادن به انواع موسيقي، انجام فعاليتهاي احساسي و عاطفي و رانندگي شبيه سازي شده اشاره کرد که در هر زمینه محققین زیادی کار کردهاند و به نتایج قابل قبولی دست یافتهاند.
کاربردهای BCIاز زمانی که سیگنالهای EEG ثبت شد محققین سعی در استفاده از این سیگنالها برای کاربردهای مختلف داشتند. در ابتدای کار از این سیگنالها فقط برای کاربردهای پزشکی استفاده میکردند مانند تشخیص انواع بیماریها که رایج ترین آنها بیماری صرع است . اما بعدها از این سیگنالها نیز به منظور کمک رساندن به بیمارانی که دارای ناتوانی جسمی و عصبی هستند نیز استفاده شد. در این افراد مغز فرمانها را صادر میکند اما به دلیل نقص در اندام این فرمانها به طور کامل اجرا نمیشود با استفاده از BCI میتوان سیستمی طراحی کرد که فرمان را مستقیما از مغز بگیرد و بر روی این سیگنال پردازش انجام دهد و عمل مورد نظر را انجام دهد.
تعریف مساله
در این پایان نامه ما قصد داریم به تفکیک و دستهبندی سیگنالهای مغزی بپردازیم. مجموعه داده مورد استفاده ما چهار عمل حرکت دادن مچ دست به چهار جهت اصلی است. کار ما به این صورت است که ابتدا بر روی سیگنال یک سری پیش پردازشها مانند حذف نویز و… انجام میدهیم. در مرحله بعد بر روی استخراج ویژگی از سیگنال کار می کنیم و ویژگیهای مختلف را از سیگنال استخراج میکنیم. در مرحله بعد به دستهبندی سیگنالهای مغزی بر اساس ویژگیهای استخراج شده میپردازیم. کارایی دستهبندی بر اساس هر مجموعه از ویژگیها را ارزیابی میکنیم.
ساختار پایان نامهدر فصل دوم در مورد سیگنالهای مغزی و انواع آنها و نحوه ثبت آنها بحث می شود. برای اینکه یک مرور کلی بر روی کارهای گذشته و روشهای که تا کنون استفاده شده است داشته باشیم فصل سه به این منظور اختصاص داده شده است. در این فصل انواع روشهای استخراج ویژگی بررسی می شود. سپس روشهای موجود برای دسته بندی که تا کنون استفاده شده است را بررسی می کنیم. در فصل چهار به معرفی و توصیف تبدیل والش که در این پایان نامه از آن استفاده شده است میپردازیم. برای داشتن یک مقایسه، سه تبدیل فوریه، موجک و والش را معرفی می کنیم و در مورد آنها صحبت می شود. در فصل پنجم نیز روش پیشنهادی خود در حذف نویز و استخراج ویژگی را توصیف میکنیم. در نهایت در فصل ششم روش حذف نویز و عمل دستهبندی با استفاده از این ویژگیها را با سایر روشها مقایسه میکنیم و به نتیجه گیری در مورد کار میپردازیم.
فصل دومسیگنالهای مغزی2-1- مقدمهسیگنال EEG مخفف Electroencephalography است که با استفاده از یک سری الکترودها که در سطح مغز قرار می‌گیرند، فعالیت‌های الکتریکی مغز را اندازه گیری می‌کند[13]. الکترودها به منظور جمع آوری ولتاژ در مکان‌های خاصی از مغز قرار می‌گیرند. قبل از اینکه الکترودها در سطح پوست قرار گیرند یک ژل هادی به منظور کاهش مقاومت روی پوست سر مالیده می‌شود. خروجی این الکترودها به ورودی یک تقویت کننده وصل می‌شود سپس از فیلترهای بالا گذر و پایین گذر عبور داده می‌شود. تغییرات در جریان اکسیژن خون با میزان فعالیت‌های عصبی ارتباط دارد. زمانی که سلول‌های عصبی فعال هستند اکسیژنی که توسط هموگلوبین خون حمل می‌شود را مصرف می‌کنند. پاسخ محلی به این کاهش اکسیژن افزایش جریان خون در ناحیه‌هایی است که فعالیت‌های عصبی زیاد است. از طرف دیگر در اثر فعالیت‌های عصبی و انتقال پیام‌های عصبی جریان الکتریکی تولید می‌شود که این جریان الکتریکی طبق قانون مارکوف یک میدان مغناطیسی را تولید می‌کند.
2-2- کشف سیگنالهای مغزیدر سال ١٨٧٥ ريچارد كاتن جراح انگليسي ، به وجود پتانسيلهاي الکتريکي در سطح قشر مغز باز شده حيواناتي همچون خرگوش و ميمون پيبرد [14] او همچنين گزارش داد كه وقتي به چشم حيوان نور ميتابد، تغييراتي را در پتانسيل مغز او و در جهت خلاف چشمي كه در آن نور تابانده شده است مشاهده میشود . در همان سالها تحقيقات مشابهي نيز در روسيه و فنلاند انجام گرفت.[15] اما هانس برگر پزشك و روانشناس آلماني نخستين كسي بود كه سيگنالهاي مغزي يك انسان را ثبت نمود. او با اطلاع يافتن از نتايج تحقيقات كاتن برروي حيوانات، مسير تحقيقات خود را متوجه انسانها نمود .وي كه با استفاده از وسايل ابتدايي گالوانومتر رشته ای[12] تحقيقات خود را انجام ميداد، در سال ١٩٢٠ اولين نتايج خود را با افرادي كه داراي جمجمة با فاصله اي فاقد استخوان بودند بدست آورد . برگر عمل ثبت را برروي كاغذ عكاسي و با حركت يك نقطة نوراني نوساني برروي آن انجام ميداد. به همين ترتيب بود كه برگر حركات منظم با فركانس تقريبي ١٠ هرتز را كشف كرد و آنها را كه نخستين ريتم پيدا شده در سيگنالهاي مغزي انسان بودند را α نامید.
در طول چند سال بعد برگر كارهاي خود را با انجام ثبت هاي بيشتر ادامه داد تا مطمئن شود كه آنچه ثبت ميشود ناشي از هارمونيكهاي[13] توليد شده توسط جريان خون و يا ناشي از پوست سر نميباشد . تا اينكه نهايتا در سال ١٩٢٩ چنين نوشت[16]:
“EEG يك منحني با نوسانات پيوسته است كه با آن ميتوان به وجود امواج نوع اول با دوره متوسط 90ms و امواج نوع دوم، با دامنه كوچكتر و با دوره متوسط35 ms پیبرد. نوسانات با دامنه حداكثر150-200 ميكروولت اندازه گيري شده اند.”
تقريبا از همان زمان نامگذاري امواج مغزي تحت عناوينα,β,.. همچنين استفاده از اصطلاح الكترو انسفالوگرام براي سيگنالهاي مغزي متداو ل شد . برگر از همان زمان بدنبال يافتن ارتباط امواج مغزي با برخي بيماريها و فعاليتهاي ذهني بود . او در ادامه تحقيقات خود متوجه تغييرات امواج α در بيماري هايي همچون صرع، آلزايمر و همچنين در طول مدت خواب گشت.
نتايج تحقيقات برگر او را به سرعت به شهرت جهاني رساند. وي دو بار نامزد دريافت جايزة نوبل شد؛ اما بعلت مخالفت نازيها اين جوايز به او اعطا نشد. وي نهايتا در سال ۱۹۴۱ خودکشي کرد.
2-3- ثبت سیگنالهای مغزیاغلب برای قرار دادن الكترودها بر روی سر جهت ثبت امواج مغز از سیستم بین المللی 20/10 الكترود استفاده میشود. این سیستم از محلهای آناتومیكی[14] ویژه ای برای استاندارد كردن محل الكترودها استفاده میكند.
برای داشتن امکان مقایسه نتایج ثبت سیگنال مغزی و امکان تعمیم نتایج، در سال 1949 میلای یک شیوه الکترودگذاری به عنوان استاندارد بین المللی شناخته شد[17]. این چیدمان جهانی الکترودها که به عنوان `استاندارد 10-20 شناخته شد، امکان پوشاندن تقریبا تمام نواحی سر را توسط الکترودها فراهم می‌کند(شکل[18](1-2. انتخاب محل الکترودها بر اساس نقاط ویژه استخوان جمجمه انجام گرفته است. الکترود‌ها در نواحی تلاقی سطوح استخوان جمجمه قرار می‌گیرند که سایر الکترودهای میانی بر اساس 10 و 20 درصد کل فاصله چیده خواهند شد. شکل(1-2) نواحی مختلف قرار گیری الکترودها را نشان می‌دهد. نام هر منطقه بر اساس لبی که در آن قرار گرفته ‌است و قرار داشتن در نیم‌کره راست یا چپ مشخص می‌شود. به این صورت که در نیم‌کره چپ با اعداد فرد و در نیمکره راست با اعداد زوج نشان داده می‌شود.

شکل 2-1- محل قرار گرفتن الکترود ها در سیستم 10- 202-4- پیش پردازشها روی سیگنالهای مغزی
همانطور که می دانیم، سیگنال EEG ثبت شده از روی سر معمولا همراه با نویزهای مختلفی میباشند.که از آن جمله می توان به سیگنال پلک زدن و حرکات چشم EOG ،انقباض ماهیچهها EMG، سیگنال قلبی ECG و همچنین نویز برق شهر اشاره نمود.
این سیگنالها عموما در محدوده فرکانسی 0 تا 100 هرتز که بیشترین انرژی آن در محدوده 0.5 تا 60 هرتز است، میباشد. دامنه این سیگنالها نیز در محدوده 2 تا 100 میکرو ولت میباشد. لذا این سیگنالها هم از نظر فرکانس و هم از نظر دامنه با دیگر سیگنالهای حیاتی مانند ECG، EOG و … هم پوشانی دارند. در شکل(2-2) محدوده دامنه و فرکانس برخی از سیگنالهای حیاتی نشان داده شده است[16]. همانطور که ملاحظه میشود سیگنال EEG با اکثر سیگنالهای دیگر هم پوشانی دارد.
علاوه بر نویز مربوط به دیگر سیگنالهای حیاتی ، نویزهای مربوط به برق شهر که فرکانس 50 تا 60

شکل 2-2- محدوده دامنه و فرکانس برخی از سیگنالهای حیاتیهرتز دارد و همچنین نویز های مربوط به الکترودها نیز بر روی این سیگنالها تاثیر میگذارد.
وجود نویز در سیگنالهای EEG باعث میشود که پردازش بر روی این سیگنالها مشکل باشد و باعث ارزیابی و نتایج نادرست میشود. لازم است که تا حد امکان این نویزها از این سیگنالها حذف شود. برای نویز برق شهر سعی می شود که وسایل ثبت را تا حد امکان ایزوله نمایند و همچنین با استفاده از فیلترهای notch و فیلترهای نرم افزاری فرکانس ناشی از برق شهر را حذف کنند.
برای حذف نویز مربوط به سیگنالهای حیاتی و همچنین دیگر نویزها محققین روشهای زیادی را استفاده کردهاند. یکی از متداولترین روشهای پردازشی برای مقابله با اثرات نامطلوب نویز، حذف قسمتهایی ازEEG است که حاوی نویزی بزرگتر از یک آستانه تعیین شده هستند. البته این روش به منزله از دست دادن اطلاعات در آن بازه میباشد. گروه دیگر روشها بر پایه رگرسیون در حوزه زمان و یا فرکانس هستند.[19] این روشها دارای دو ایراد عمده میباشند ، اول اینکه نیاز به وجود کانال مرجع برای نویز دارند و دوم اینکه بعلت خالص نبودن سیگنال ثبت شده توسط الکترودهای EOG مقداری از سیگنال EEG که توسط الکترودهای مزبور ثبت میشود نیز به اشتباه بعنوان نویز تلقی شده و از سیگنال کم میگردد.
در [20] روشی برای حذف نویزهای مصنوعی چشمی با استفاده از آنالیز مولفههای اصلی ، PCA ، ارائه دادند. ابتدا مولفههای عمده بیانگر پلکها وحرکات افقی و عمودی چشم را درسیگنالهای کالیبره شناسایی کرده و با حذف این مولفه ها از داده EEG آنرا تصحیح نمودند . این مقاله با مقایسه روش رگرسیون و مدلهای دوقطبی مکانی –زمانی مزیت و برتری روش PCA را نشان داده است. همچنین در [21] نشان داده شد که ممکن است برخی مولفهها ترکیب EEG و EOG بوده و با حذف آنها مقداری از اطلاعات EEG نیز از دست برود. اخیرا از روش آنالیز مولفههای مستقل برای تجزیه EEG به منابع مستقل تشکیل دهنده آن استفاده شده است. [22] این روش در جداسازی و حذف منابع نویزی در سیگنالهای حیاتی و بخصوص EEG بسیار موفق بوده است. از سال 2002 تلفیق برخی از روشهای حذف نویز همراه با ICA مد نظر قرار گرفت و در [ 23 ] از تلفیق روشICA وفیلتر زیر فضا جهت حذف نویزهای داخلی و نویزهای تجمیعی استفاده شده است. در سال 2004 Zhou و Go–an از ترکیب موجک و ICA برای حذف نویز ECG وEMG استفاده نمودند .[24] آنها ابتدا داده را با روش موجک حذف نویز نموده و سپس ICA را بر روی آن اعمال نمودند. در سالهای اخیر روشهایی نرم افزاری جهت ساده کردن این فرآیند وقت گیر و حذف خودکار آرتیفکتها پیشنهاد گردیده است. در [ 25] حذف تطبیقی و بروزEOG با استفاده از ICA مبتنی بر شبکه عصبی و استفاده از PCA غیر خطی انجام شده است[26] . در سال 2007، Delorme و همکاران به حذف آرتیفکت با استفاده از ICA و آمارگانهای مرتبه بالاتر پرداختند[ 27 ] آنها ابتدا به مقایسه3 روش مختلف ICA و SoBI Infomax و Fast ICA روی داده شبیه سازی شده پرداختند و در ادامه به قسمتهایی از EEG که دارای آرتیفکت نبوده ، آرتیفکتهایی تا 30 مرتبه کوچکتر از EEG اضافه کرده و کارآیی 5 روش مختلف و معمول حذف آرتیفکت را مقایسه نمود ه اند.(آستانه استاندارد، شیبهای خطی، عدم احتمال داده، کورتوزیس والگوی طیفی) نتایج حاکی از آن است که تمامی روشها در صورتیکه روی مولفههای بدست آمده از ICA اعمال گردد، نسبت به اعمال روی خود داده EEG بسیار بهتر عمل میکنند. مگر در مورد آرتیفکت ماهیچه ای که تفاوت بارزی بین دو حالت مشاهده نشده است. در مرجع [28] از تلفیق روش ICA و موجک استفاده نمودند، آنها ابتدا روش ICA را روی داده EEG پیاده نموده و سپس مولفههای تشخیص داده شده بعنوان نویز را با استفاده از موجک حذف نویز نمودند. آنها بیان نمودند که بعلت بیشتر بودن تعداد منابع از سنسورها ممکن است چند مولفه کوچک مغزی که استقلال کمتری نسبت به EOG دارند، در یک مولفه مستقل بدست آید و حذف کامل این مولفه منجر به از دست دادن مقداری از اطلاعات EEG گردد.
فصل سوممروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه دسته بندی سیگنالهای مغزی3-1- مقدمهبا کشف سیگنالهای EEG بسیاری از محققین در سراسر دنیا شروع به فعالیت در این زمینه کردند. مجموعه دادههای متفاوت و با کاربردهای متفاوتی ایجاد شد. اکثر این محققین در تلاش به رسیدن به طراحی سیستم واسط مغز و کامپیوتر(BCI) بودند. در شکل) 1-1 ( یک سیستم BCI نشان داده شده است. این سیستم از سه بخش اصلی پیش پردازش ، استخراج ویژگی و دستهبندی تشکیل شده است. محققین مشغول به تلاش برای بهبود در هر یک از سه بخش اصلی شدند. در این فصل ابتدا مجموعه دادههای استاندارد موجود را معرفی میکنیم. در بخشهای دیگر نیز به بررسی روشهای مختلف استخراج ویژگی ، کاهش ویژگی و روشهای مختلف دستهبندی میپردازیم . لازم به ذکر است که قسمت پیش پردازش و حذف نویز را در فصل پیش توضیح دادیم
3-2- معرفی دادههای موجود3-2-1- مشخصات دادههاي ثبت شده توسط گروه دانشگاهColo–o
اولین گروه از دادهها متعلق به گروه Aunon و Keirn دانشگاه Colo–o است[4]. این دادهها مطابق استاندارد 20-10 از کانالهای C3، C4، P3، P4، O1 و O2 همراه با یک کانال EOG ثبت شده است. هر سری از دادهها به مدت 10 ثانیه و با نرخ نمونه برداری 250 هرتز ثبت شده است. این دادهها مجموعه ماتریسی به ابعاد 7*2500 را تشکیل میدهند. ثبت کانالهای EEG نسبت به کانالهای مرجع A1 و A2 ، که به استخوانهای پشت دو گوش متصل شده و از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل بودند، انجام شده است. از فیلترهای آنالوگ Grass7P511 که فیلترهایی میان گذر با باند عبور بین 1/0 تا 100 هرتز است، استفاده شده است. این دادهها از 7 نفر ثبت شده است. نفر اول چپ دست با 48 سال سن و نفر دوم راست دست با 39 سال سن می باشد. این دو نفر از کارمندان دانشگاه بوده اند و نفر سوم تا هفتم همگی راست دست و از میان دانشجویانی با سنین بین 20 تا 30 سال بودهاند. همه افراد مرد بودهاند فقط نفر پنجم زن بوده است.
از هر شخص در يك جلسه ٥ بار و هر بار از ٥ فعاليت ذهني سيگنال ثبت شده است. ٥ ثبت ديگر هم در روز ديگر انجام شده است، بجز افراد دوم و هفتم كه تنها در يك جلسه ثبت سيگنال شركت نمودهاند. از سوي ديگر نفر پنجم در يك جلسه سوم نيز شرکت نموده است. كليه ثبتهاي انجام شده، يكبار با چشمان باز و بار ديگر با چشمان بسته صورت گرفته است.Aunon و Keirn ، سعي در انتخاب فعاليتهاي ذهني نمودهاند، كه نواحي نسبتا معيني از مغز را درگير كنند و يا ميزان فعاليت دو نيم كرة مغزي در حين انجام آنها متفاوت باشد. اين پنج فعاليت ذهني عبارتند از: 1- حالت استراحت[15] 2- عمل ضرب ذهنی[16] 3- دوران ذهنی یک شی هندسی[17] 4- نامه نامه نگاری ذهنی[18] 5- شمارش ذهنی همراه با تصویر چشمی[19].
3-2-2- مشخصات داد ههاي ثبت شده توسط گروه Graz
یکی دیگر از مجموعه داده استاندارد که محققین بر روی آنها کار میکنند، توسط گروه دانشگاه Graz ثبت شده است[7-11]. این دادهها از سه نفر زن راست دست که سنشان بین 20 تا 27 سال است، ثبت شده است. در ابتدای هر آزمایش در لحظه صفر یک علامت (+) در وسط مانیتور و روبروی فرد ظاهر میگردد. دو ثانیه بعد صدای زنگ هشدار دهنده به صدا در میآید. یک ثانیه بعد علامت فلش که به سمت راست یا چپ مانیتور اشاره میکنند ظاهر میشود. این علامت به مدت 1/25 ثانیه بر روی مانیتور وجود دارد. از آن زمان به بعد شخص بر اساس جهت فلش ، مشغول به تصور حرکت یکی از دو دست راست و چپ میشود. از آن پس عمل نشان دادن فلش جهت دار با فواصل زماني بين ٩ تا ١١ ثانيه تكرار ميشود و فرد مورد آزمايش ، تصور حركت دست مربوطه را انجام ميدهد.
این سیگنالها از 56 الکترود که بر روی سر با فواصل تقریبی 2/5 سانتیمتر و نسبت به مرجع پتانسیل گوش راست قرار دارند ثبت شده است. سیگنال ثبت شده از یک فیلتر میان گذر با باند عبور 0/5 تا 50 هرتز عبور داده شده است. عمل نمونه برداری با نرخ 128 هرتز انجام گرفته است. کانال EOG هم بصورت دو قطبی[20] بین دو الکترود ، که در بالا و پایین چشم راست قرار داشت ثبت شده است. جهت اطمینان از عدم وجود سیگنال EMG این سیگنال نیز در طی آزمایش از روی ساعد دو دست راست و چپ نیز ثبت شده است.
بدین ترتیب هر مرتبه ثبت سیگنال شامل 8 ثانیه است. که فاصله زمانی 0- 4 ثانیه مربوط به آماده سازی فرد و 4-8 ثانیه نیز حاوی سیگنال تصور حرکت دست است. همه داده ها برای اطمینان از عدم وجود Artifact و یا پتانسیل حرکتی به طور جداگانه بررسی شدند. بدین ترتیب در مجموع 149 سیگنال از نفر اول ثبت شد(75 مرتبه دست راست و 74 مرتبه دست چپ) از نفر دوم 142 سیگنال (67 مرتبه دست راست و 75 مرتبه دست چپ). از نفر سوم نیز 115 سیگنال (56 مرتبه دست راست و 59 مرتبه دست چپ). دادههای ثبت شده توسط این گروه به علت پیش پردازش آماده به کار بودند ولی داده های مربوط به گروه Colo–o برای قابل استفاده شدند نیاز به پیش پردازشهای دارند.
3-2-3- مشخصات دادههای MIT-BIH
یکی دیگر از مجموعه دادهها استاندارد مربوط به دادههای مراحل خواب است. دادههای MIT-BIH شامل 8 مجموعه میباشد. 4 مجموعه آن شامل حدود 24 ساعت ثبت سیگنال و 4 مجموعه دیگر شامل حدود 12 ساعت ثبت سیگنال میباشد. سیگنالهای موجود در 4 مجموعه شامل 2 ثبت سیگنال EEG که از کانالهای Fpz-Cz و Pz-Oz ، سیگنال EOG و سیگنال EMG میباشد. این سیگنالها از مردها و زن هایی با محدوده سنی 21 تا 35 سال ثبت شده است. این دادهها با نرخ 100 هرتز نمونه برداری شدهاند. فیلترهای پایینگذر با فرکانس قطع 100 هرتز و فیلتر بالاگذر با فرکانس قطع 0/5 هرتز را، بر روی این سیگنالها عبور دادهاند. برای هر یک از مجموعهها 10 ساعت از سیگنال ثبتی شامل کل زمان خواب و دقایقی از بیداری قبل و بعد از خواب انتخاب شده است. با توجه به اینکه هر 30 ثانیه یک epoch در نظر گرفته میشود، این 10 ساعت در هر مجموعه شامل 1200 epoch میشود که توسط افراد متخصص ارزیابی میشود. مراحل خواب در این دادهها شامل Awake و1 و 2 و 3و4 وREM و MT است[29]
3-3- استخراج ویژگی
بعد از پیش پردازش بر روی سیگنالهای مغزی، مهمترین گام استخراج ویژگی است. طی سالیان اخیر روشهای استخراج ویژگی و نوع ویژگیهای زیادی مورد استفاده قرار گرفته است.
Aunon وKeirn ، که بر روی دادههای دانشگاه Colo–o کار میکردند از ویژگی ضریبی، تحت عنوان ضریب عدم تقارن استفاده کردند.
r= (1-3)
در این رابطه R توان باند فرکانسی خاص سیگنال EEGاز میان الکترودهای واقع بر نیم کره راست و L توان همان باند از میان الکترودهای نیم کره چپ است. لازم به ذکر است که فرکانس سیگنال EEG، به باندهای استاندارد δ بین 0 تا 3 هرتز ، θ بین 4 تا 7 هرتز، α بین 8 تا 13 هرتز و β بین 14 تا 20 هرتز تقسیم میشود. نتایج دستهبندی با استفاده از این ویژگی نشان داد که نرخ دستهبندی با این ویژگی مناسب نیست. این دو محقق نیز از توان باندهای α ، β ، δ ، θ به عنوان ویژگی استفاده کردند[4]. این گروه علاوه بر ویژگیهای فرکانسی از ویژگی طیف سیگنال که از روی ضرایب (AR) بدست میآید و همچنین از خود ضرایب AR هر کانال نیز به عنوان ویژگی استفاده کردند.
چند سال بعد از این دو نفر، Anderson و همکارانش از همان دانشگاه تحقیقات خود را بر روی همین مجموعه داده انجام دادند. وی از میان 5 فعالیت ذهنی تنها به دستهبندی حالت استراحت و عمل ضرب ذهنی اکتفا کرد. آنها برای حذف سیگنالهای نویز و پلک زدن پیش پردازشهایی بر روی سیگنال انجام دادند. ویژگیهای استفاده شده توسط Anderson ، ضرایب AR چند متغیره[21] است. این روش تعمیم یافته روش AR معمولی است که برای داده های چند کاناله کاربرد دارد. در این روش فرض می شود که سیگنالهای ثبت شده فرایندهایی تصادفی هستند که از مدل زیر تبعیت میکنند:
X(K)= (2-3)
در این رابطه X(k) برداری از مشاهدات d کانال مختلف در لحظه K ام است و Ai ها (i=1,2,…p) ماتریسهای d*d ضرایبی هستند که باید تخمینزده شوند. E(k) نیز برداری d بعدی از متغیرهای تصادفی ناهمبسته و با متوسط صفر میباشد. P هم درجه مدل AR با مقدار 6 است. بدین ترتیب از کنار هم قرار دادن 6 ماتریس Ai با ابعاد 6*6 کلا 216 ویژگی برای عمل دستهبندی حاصل شده است[5].
از دیگر ویژگیهای که در پردازش سیگنال استفاده میشود، بکار بردن تبدیلات مختلف مانند تبدیل فوریه، تبدیل موجک و تبدیل والش و… بر روی سیگنال است. با استفاده از این تبدیلات ما سیگنال را به فضای دیگر میبریم. در [30] با استفاده از تبدیل فوریه ویژگیهای زمان متوسط(t0) و فرکانس متوسط (F0) از سیگنال به صورت زیر بدست میآید.
=<t> =
=<f>= (3-3)
علاوه بر این ویژگیها، ویژگیهای فرکانسی دیگری نیز با استفاده از تبدیل فوریه بدست میآید.
در سالهای اخیر ویژگیهای دیگری به کمک تبدیل موجک استخراج شده است. با استفاده از سیگنال موجک سیگنال به باندهایی تقسیم میشود . هر یک از این زیر باندها و توان این زیرباندها به عنوان ویژگی شناخته میشوند.
بعضی از محققین از الگوریتم ژنتیک برای استخراج ویژگی فرکانسی از سیگنالهای حرکت دست استفاده کردهاند[31]. البته استفاده از این الگوریتم زمان استخراج ویژگی را کمی کند میکند.Katsuluro Inow و همکاران [32] از روش AR برای استخراج ویژگی برای تشخیص جهت حرکت دست استفاده کردند. بعضی از محققین از تبدیل موجک برای استخراج ویژگی از سیگنال برای تشخیص تقلب استفاده کرد [33]. اما چندی بعد محققین ازترکیب ضرایب موجک و مدل AR برای استخراج ویژگی استفاده کردند[34] به این صورت که تبدیل موجک را برای محاسبه ضرایب موجک و مدل AR را برای استخراج ویژگیهای فرکانسی بکار بردند و بردار ویژگی ترکیب ویژگیهای این دو روش بود.گروهی دیگر از تبدیل موجک و تبدیل فوریه برای استخراج ویژگیهای فرکانسی از سیگنالهای خواب استفاده کردهاند [35]. در سال 2008، Aihua Zhangو همکاران[36] از آنتروپی طیف توان برای استخراج ویژگی از سیگنالهای حرکت دست استفاده کردند و از تبدیل فوریه برای بدست آوردن فرکانس استفاده کرده اند. در جدول (1-3) انواع ویژگیهای استخراج شده در سالهای اخیر از سیگنال EEG نشان داده شده است.
جدول 3-1 – انواع ویژگیهای استفاده شده در پردازش سیگنالانواع ویژگیهای مورد استفاده
توان باند های فرکانسی با پارمترهای Adaptive AR
باند های مختلف فرکانسی مانند α ،β و ..
ویژگیهای فرکانس و زمان فرکانس تبدیل فوریه
ویژگیهای تبدیل موجک و توان ضرایب موجک
مولفههای مستقل با استفاده از ICA
استخراج اجزاء به کمک PCA
ویژگیهای ضرایب AR
آنتروپی طیف توان
ویژگیهای ترکیبی که از ترکیب چند ویژگی بدست میآید.
3-4- دستهبندی
بعد از استخراج ویژگی از سیگنالهای مغزی باید آنها را دستهبندی کنیم. طی سالیانی که محققین در این زمینه کار کردهاند روشهای دسته بندی زیادی مورد استفاده قرار گرفته است. از آن جمله میتوان به انواع شبکه عصبی ، K نزدیکترین همسایه(KNN) ، ماشین بردار پشتیبان[22] (SVM) و … اشاره کرد. Aunon و Keirn بعد از استخراج ویژگی از سیگنالهای مغزی و ایجاد ماتریس ویژگی به دستهبندی سیگنالها پرداختند. تفکیککننده مورد استفاده آنها تفکیککننده بیز بود. معیار ارزیابی میزان دسته بندی، روش Leave-One_Out است. در این روش یک سیگنال کنارگذاشته می شود و با مابقی سیگنالها تفکیککننده آموزش میبیند. سپس با سیگنال کنار گذاشته شده تفکیککننده تست میشود. این عمل برای تک تک سیگنالهای موجود تکرار میشود. درصد دستهبندی بر اساس درصد تمامی تکرارها محاسبه میشود. در صد تشخیص این گروه در بهترین حالت که با ویژگیهای ضرایب AR بدست آمد در حدود 6/84 بود[4]. Anderson و همکارانش نیز از شبکه عصبی Feed-forward با الگوریتم تعلیم Back-propagation استفاده کردند . آنها با ویژگیهای ضرایب AR و تفکیککننده شبکه عصبی به نرخ تشخیص حدود 92 درصد رسیدند[5].
در [37] که در زمینه اندازه گیری سطح درد با استفاده از سیگنالهای مغزی است. پس از استخراج ویژگیهای طیفی و ویژگیهای غیر خطی مانند نمای لیاپانوف، بعد فرکتال و آنتروپی به تفکیک کردن سیگنالها پرداختند. آنها از دو تفکیککننده SVM و الگوریتم Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Sys– (ANFIS) استفاده کردند. الگوریتم ANFIS مورد استفاده در این مقاله یک مدل فازی سوگنو[23] در قالب یک سیستم تطبیقی میباشد. این شبکه پنج لایه میباشد. در لایه اول همه گره ها تطبیقی هستند و خروجی این لایه ، درجه عضویت فازی ورودیها است. نتیجه صحت تفکیککننده ها در تفکیک درد از بیدردی با استفاده از SVM در بهترین حالت 92 درصد و با استفاده از ANFIS در بهترین حالت که با استفاده از ویژگیهای غیر خطی حاصل شد 94 درصد است.
Huaiyu و همکاران [34] پس از استخراج ضرایب موجک و مدل AR ماتریس ویژگیها را با ترکیب این دو ویژگی ایجاد کردند. آنها برای ارزیابی این ویژگیها از یک تفکیککننده خطی استفاده کردند. روش آنها به این صورت بود که برای هر ویژگی یک وزن در نظر گرفتند. سپس این وزنها را با استفاده از روش یادگیری با سرپرست تنظیم نمودند. بعد از بدست آوردن وزنهای بهینه برای هر ویژگی از ویژگیها برای تفکیک کردن تصور حرکت دست راست و چپ استفاده کردند. با استفاده از این روش ساده آنها به نرخ تشخیص 82 دصد دست یافتند.
استفاده از تفکیککننده تحلیل جداساز خطی[24] LDA در مرجع [30] برای دسته بندی حرکت دست و پای راست و چپ مورد بررسی قرار گرفت. آنها ویژگیهای زمان- فرکانس را با استفاده از تبدیل فوریه و تبدیل فوریه کوتاه مدت استخراج کردند. آنها برای بدست آوردن انداره بهینه پنجره در روش تبدیل فوریه کوتاه از الگوریتم ژنتیک استفاده کردند. با استفاده از الگوریتم ژنتیک ویژگیهای بدست آمده بسیار مناسب و بهینه بودند. در نهایت این ویژگیها را با استفاده از LDA تفکیک کردند. و به نرخ تشخیص 92 درصد با استفاده از LDA و الگوریتم ژنتیک رسیدند.
فصل چهارممقایسه تحلیلی تبدیل فوریه ، موجک و والش4-1- مقدمه همانطور که قبلا اشاره شد روشهای استخراج ویژگی زیادی وجود دارد که در پردازش سیگنال مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از رایجترین روشها استفاده از تبدیلات مختلف و استفاده از ویژگیهای حوزههای متفاوت است.با استفاد از تبدیلات مختلف مانند فوریه[25]،موجک[26]، والش[27] و … ویژگیهای از سیگنال ظاهر میشود که در پردازش سیگنال بسیار مفید میباشد. در این فصل ابتدا تبدیلات فوریه، موجک و والش معرفی میشود. سپس این سه تبدیل با هم مقایسه و مزایا و معایب آنها بیان میشود.
4-2- تبدیل فوریه
در قرن 19 ریاضیدان فرانسوی J.Fourier نشان داد که هر تابع تناوبی را میتوان به صورت مجموع توابع سینوسی نمایش داد. سالها بعد ایده او به سیگنالهای تناوبی و غیر تناوبی تعمیم داده شد.
تبدیل فوریه هر سیگنال را به یک سری توابع نمایی مختلط با فرکانسهای متفاوت تجزیه می کند. روش کار آن به صورت زیر است
X(f)= (1-4)
x(t) =
در معادله فوق t نشان دهنده زمان، f فرکانس ، x سیگنال مورد نظر در بعد زمان و X سیگنال تبدیل یافته در بعد فرکانس است. رابطه 4-1 نشان دهنده تبدیل فوریه x(t) و رابطه پایین عکس تبدیل فوریه X(f) است. در حوزه زمان سیگنال x(t) در یک فرکانس خاص ضرب میشود و سپس مجموع آن برای تمام زمانها محاسبه میشود. کاری که در واقع صورت میگیرد. سیگنال اصلی در یک عبارت مختلط شامل سینوسها و کسینوسهای فرکانس f ضرب میشود. سپس این حاصلضربها با هم جمع میشوند. اگر حاصل جمع مقدار بزرگی بود میتوان گفت که سیگنال x در فرکانس f دارای یک جزء غالب است. یعنی فرکانس f قسمت عمده فرکانس سیگنال را تشکیل میدهد. اگر سیگنال x(t) در فرکانس f دارای جزء غالب نباشد، حاصلضرب مقدار نسبتا کوچک خواهد بود[38].
اطلاعات ارائه شده در جمع مربوط به تمام زمانها از منفی بی نهایت تا مثبت بی نهایت است. در هر زمانی که فرکانس f اتفاق افتاده باشد تاثیر یکسانی در حاصل جمع دارد. این نشان میدهد که تبدیل فوریه برای سیگنالهای غیر ایستا مناسب نیست. سیگنال غیر ایستا[28] سیگنالی است که مشخصات آن در طول زمان تغییر میکند.
تبدیل فوریه نشان میدهد که آیا جزء فرکانسی خاصی در سیگنال وجود دارد یا نه. این اطلاعات مستقل از زمان وقوع آن است. یعنی زمان وقوع یک جزء فرکانسی به ما نشان داده نمی شود.
شکل (4-1) نشان دهنده سیگنال با رابطه زیر است.
x(t)=cos(2π5t) + cos(2π10t) + cos(2π20t) + cos(2π50t) (2-4)
این سیگنال دارای چهار جزء فرکانسی 5 ، 10، 20 و50 هرتز است. که در تمام زمانهای سیگنال رخ میدهد. در شکل (4-2) از این سیگنال تبدیل فوریه گرفته ایم. چهار قله موجود در این شکل نشان دهنده چهار جزء فرکانسی است[39].
در شکل (4-3) یک سیگنال سینوسوئید نشان داده شده است. این سیگنال نیز دارای همان چهار مولفه فرکانسی است. ولی در زمانهای متفاوتی رخ داده است. در شکل (4-4) تبدیل فوریه این سیگنال نشان داده شده است. همانطور که می بینیم تبدیل فوریه این سیگنال تقریبا شبیه سیگنال قبلی با همان چهار قله است. نویزهایی که بین این قلهها وجود دارد نشاندهنده آن است که این جزءهای فرکانسی نیز در سیگنال وجود دارد. چون مقدار جزء فرکانسی عمده ای نیستند مقدار کوچکی دارند. دلیل پیدایش آنها هم تغییرات ناگهانی بین فرکانسهای مختلف است.

شکل 4-1 – سیگنال ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5 ، 10، 20 و 50 هرتز
شکل 4-2 – تبدیل فوریه سیگنال رابطه 2-4))
شکل 4-3 – سیگنال غیر ایستا دارای چهار جزء فرکانسی 5، 10، 20 و 50 هرتز
شکل 4-4 – تبدیل فوریه سیگنال شکل (3-4)بنابراین یکی از مشکلات تبدیل فوریه این است که ابزار مناسبی برای تحلیل سیگنالهای غیر ایستا نمی باشد. به خاطر این مشکلات دانشمندان تبدیل فوریه با دوره کوتاه[29] (STFT)را معرفی کردند. در این تبدیل سیگنال به بخشهای تقسیم میشود به طوریکه هر بخش از سیگنال را بتوان ایستا فرض کرد. برای این منظور پنجرهای انتخاب میشود که عرض آن برابر بخشی از سیگنال که ثابت است میباشد. سپس تابع پنجره و سیگنال در هم ضرب میشوند. این حاصل ضرب یک سیگنال است که باید تبدیل فوریه آن محاسبه شود.
رابطه 3-4 ، اعمال STFT را بر روی سیگنال نشان میدهد.
(3-4)
در این رابطه x(t) سیگنال اصلی ، w(t) تابع پنجره و * بیانگر مزدوج مختلط است. همانطور که مشخص است STFT چیزی جز تبدیل فوریه حاصلضرب سیگنال در تابع پنجره نیست. برای هر t’ و f یک سری ضرایب STFT جدید محاسبه میشود.
مشکلی که در STFT وجود دارد به مفهومی به نام اصل عدم قطعیت هیزنبرگ[30] مربوط است این اصل به اندازه حرکت و مکان ذرات در حال حرکت بر میگردد که میتواند به عنوان اطلاعات زمان – فرکانس سیگنال بکار رود.
این اصل به طور ساده میگویید که نمی توان نمایش دقیق و همزمان زمان- فرکانس یک سیگنال را بدست آورد. یعنی کسی نمی داند چه اجزای فرکانسی در هر زمان از نمونه ی یک سیگنال وجود دارد. چیزی که میتوان فهمید فاصلههای زمانی است که هر باند فرکانسی بوجود آمده که خود مشکل درجه تفکیک پذیری یا رزولیشن را بوجود میآورد.
پس تبدیل فوریه و نسخه اصلاح شده و تعمیم یافته آن STFT هر دو دارای مشکل میباشند . محققین برای این دو مشکل به تبدیل موجک روی آوردند.
تبدیل فوریه دارای کاربردهای مختلف ی مانند استخراج ویژگی ، فشرده سازی ، حذف نویز و … میباشد. که مهمترین آنها ویژگیهای است که برای تحلیل و دستهبندی سیگنالها استفاده میکنیم.
4-3- تبدیل موجککمبودهای تبدیل فوریه در آنالیز سیگنالهای با خصوصیات غیر ایستایی، منجر به ارائه تحلیل فرکانس –زمان توسط Gabor در سال 1946 گردید. این تبدیل اگر چه توانایی ارائه اطلاعاتی در مورد فرکانس و زمان اتفاق خاصی در سیگنال را دارد ، اما به واسطه استفاده از پنجره های با اندازه ثابت دچار محدودیت می باشد این مشکل با ارائه تبدیل موجک رفع گردید .تبدیل موجک درواقع یک آنالیز پنجره ای زمان (یا مکان ) در مقیاس متغیر است. عبارت موجک یعنی موج کوچک ، یعنی تابع پنجره دارای طول محدود است[38-40].
تبدیل موجک پیوسته تابع f (t)∈ L2(R) به صورت انتگرالی روی L2(R) تعریف میشود :
(4-4)
4752975685800029527507810500تابعموجک با انتقال وتغییر مقیاس موجک مادر به دست میآید به صورت زیر تعریف میشود:
(5-4)
S پارامتر مقیاس است و با اطلاعات فرکانس مرتبط میباشد و u پارامتر انتقال بوده و حاوی اطلاعاتی در مورد زمان (یا مکان) است .این تبدیل قابل تعمیم به حالت دو بعدی و نیز برای سیگنالهای گسسته (مثل تصویر) میباشد.Mallat ثابت میکند که یک تبدیل موجک گسسته میتواند با استفاده از یک بانک فیلتری محاسبه شود. در این الگوریتم یک سیگنال یک بعدی، در یک سطح تجزیه، به دو زیر باند aو d تبدیل میگردد که a را ضریب تقریبات سیگنال (approximation ) و d را ضریب جزئیات (detail ) گویند[39].
تبديل موجك، بر خلاف تبديل فوريه، به دنبال يافتن سهم حضور يك مولفه‌ي فركانسي خاص در سيگنال نيست بلكه به دنبال يافتن جزئيات سيگنال به اندازه (يا عرض زمانيِ) a در زمان t است. گاها به جاي عبارت ‹اندازه‌ي جزئيات› از عبارت ‹درجه زوم› استفاده ميشود. هر چه میزان زوم بیشتر باشد (یعنی مایل به تحلیل رفتارهای سریعتر و به عبارت معادل، فرکانسهای بالاتر باشیم)، عرض زمانی a باید کمتر باشد. بنابراین فركانس ω و درجه زوم a معكوس يكديگر هستند. به عبارت ديگر حاصلضرب اين دو همواره برابر عدد ثابتي مانند β

شکل 4-5- تجزیه سیگنال با استفاده از تبدیل موجکاست. پس تبدیل موجک دادههای ما را چه دو بعدی و یک بعدی به زیر باندهای تقسیم میکند که هر یک
از این زیر باندها یک سری از جزئیات داده ما را نشان میدهد.و ما برای بازسازی و فشرده سازی و حذف نویز و لبه یابی میتوانیم از این زیر باندها استفاده کنیم. در شکل(4-5) یک روند کلی از این کار دیده میشود. در تبدیل موجک بر خلاف تبدیل فوریه پارامتر فرکانس نداریم در عوض پارامتری با نام مقیاس داریم.
4-3-1- مقیاس
پارامتر مقیاس نشان دهنده جزئیات سیگنال است. مقیاسهای بالا نشاندهنده یک دید کلی فاقد جزئیات سیگنال و مقیاسهای پائین نشاندهنده یک دید با تفصیل بیشتر هستند. در شکل (4-6) سیگنالهای کسینوسی با مقیاسهای مختلف نشان داده شده است[39]. مقیاسگذاری برای فشرده یا باز کردن سیگنال بکار میرود. مقیاسهای بزرگتر نشان دهنده سیگنالهای باز شده که فاقد جزئیات است. مقیاسهای کوچکتر نشان دهنده سیگنالهای فشرده شده هستند که شامل جزئیات است. فرض کنید X(t) سیگنالی باشد که قرار است تجزیه شود. موجک مادر بعنوان یک نمونه اولیه برای تمام پنجرهها انتخاب میشود. تمام پنجرههایی که استفاده میشوند، نسخههای باز شده (فشرده شده) و شیفت داده شده موجک مادر هستند. موجک در آغاز سیگنال(زمان صفر) قرار میگیرد. تابع موجک در مقیاس یک در سیگنال ضرب میشود. و سپس حاصلضربها، جمع میشوند. و نتیجه جمع در عدد ثابت 1/sqrt(s) ضرب میشود. این مقداریست مطابق با نقطه =1 و s=1 در مقیاس –زمان سپس موجک در مقیاس یک و به اندازه vبه سمت راست شیفت داده میشود. مقدار مقیاس – زمان برای مقدارهای جدید حساب میشود. این روند تا وقتی که موجک به انتهای سیگنال برسد ادامه پیدا میکند در این مرحله یک سطر از نقاط مقیاس – زمان برای s=1 محاسبه شده است. سپس s به اندازه کمی افزایش مییابد فرایند فوق برای تمامی مقادیر s تکرار میشود. هر بار متناظر با یک مقدار s یک سطر متناظر در صحفه مقیاس – زمان پر میشود. شکل(4-7) فرایند انتقال موجک را نشان میدهد[39]. بطور خلاصه مشکلات تبدیل فوریه و موجک شامل موارد زیر می باشد: تبدیل فوریه برای سیگنالهای غیر ایستا عملکرد خوبی نداشت. اعمال تبدیل فوریه بر روی سیگنال برای استخراج ویژگی زمان زیادی میگیرد. برای حل مشکل اول یک نسخه جدید تبدیل فوریه با نام تبدیل فوریه با دوره کوتاه (STFT) ارائه شد. رفع مشکل دوم استفاده از روشهای دیگر برای بدست آوردن فرکانس میباشد. اما به خوبی مولفه های فرکانسی را برای سیگنال های ایستا به خوبی جدا می نماید. تبدیل موجک برای پردازشهای بلادرنگ مناسب نیست چون حجم عملیات محاسباتی زیادی دارد و زمانبر است. ولی برای تحلیل و بدست آوردن باندهای فرکانسی بسیار مناسب میباشد.

شکل 4-6- مقیاسهای مختلف یک تابع کسینوسی
شکل 4-7- تبدیل موجک در یک مقیاس خاص4-4- تاریخچه تبدیل والشتوابع والش در سال 1923 توسط والش با ارائه توابع متعامد معرفی شد[41]. اما در سال 1969 از توابع والش برای تبدیل والش استفاده شد. تبدیل والش یک تبدیل بهینه موضعی و غیر سینوسی است این تبدیل یک تبدیل متعامد است که یک سیگنال را به مجموعه ای ازموجهای مربعی تجزیه میکند که این موجهای مربعی توابع والش نامیده میشوند. دامنه تابع والش دارای دو مقدار 1+ و 1- است .[42] تبدیل والش کاربردهای زیادی دارد از جمله این کاربردها می توان به تحلیل طیف توان، فیلترینگ، پردازش صوت و سیگنالهای پزشکی، تسهیم و کد کردن ارتباط ، مشخص کردن سیگنالهای غیرخطی، حل کردن معادلات غیر خطی، تحلیل وطراحی منطقی اشاره کرد [43].
4-4-1- توابع والشتابع والش شامل زنجیرهای از پالسهای مربعی است. با مقدارهای -1 و 1+ این چنین که تبدیل ممکن است در فاصله زمانی ثابت رخ دهد. زمان شروع ابتدایی همیشه 1+ است. یک ویژگی مهم از تابع والش توالی است. که از تعداد صفر گذرانده در واحد زمان مشخص میشود. هر تابع والش یک مقدار توالی[31] منحصر به فرد دارد. در شکل(4-8 )توابع والش برای n=16 نشان داده شده است. توابع والش و تبدیل والش نوعی خاص از توابع و تبدیل هادامارد[32] میباشند. ماتریس والش و هادامارد فقط در ترتیب ردیفها با یکدیگر متفاوت هستند[41]. روشهای مختلفی برای بدست آوردن تبدیل والش وجود دارد که محبوب ترین و بهترین آنها استفاده از ماتریس هادامارد است که در سیستمهای دیجیتال به تبدیل هارمارد مشهور است در بخشهای آتی طریقه بدست آوردن تبدیل والش را بیان میکنیم.

شکل 4-8- تابع والش برای n=84-4-2- تبدیل والشروشهای زیادی برای بدست آوردن تبدیل والش وجود دارد.این روشها بر اساس ماتریس والش می باشد که به مرتبه سطرها بستگی دارد.. تبدیل والش سیگنال x در حوزه زمان را به سیگنال y در حوزه توالی(sequency) نگاشت میکند.
X= , Y= (6-4)
در این رابطه ماتریس والش می باشد . پس برای اینکه تبدیل والش را بر روی سیگنال اعمال کنیم ابتدا باید ماتریس والش را بدست آوریم. روشهای زیادی برای بدست آوردن ماتریس والش وجود دارد. چند روش در زیر بررسی میشود.
1- نظم طبیعی تبدیل والش (Natural-ordered Walsh transform): در این روش برای بدست آوردن ماتریس والش از ماتریس هادامارد استفاده میکنیم. ماتریس هادامارد یک ماتریس مربعی N*N است که سطرها و ستونهای آن فقط شامل +1 و -1 است. که نسبت به همدیگر متعامد هستند. این ماتریس برای هر N تعریف نمیشود ما میتوانیم این ماتریس را برای هر N که عاملی از 2 است بر اساس ماتریس هادامارد اصلی بسازیم اگر N عاملی از 2 نباشد سطر و ستونهای اضافی را صفر در نظر میگیریم. طریقه ساخت ماتریس را از ماتریس در زیر میبینیم. ماتریس ماتریس هادامارد اصلی است[44].
= , = (7-4)
به عنوان مثال برای ساختن ماتریس والش به ابعاد n می توان آن را با استفاده از ماتریس والش n/2 بسازیم. در زیر ماتریس والش 4*4 را با استفاده از ماتریس والش پایه 2*2 ساختهایم.
11639553619500-1587528003500