×
بهینه سازی و ضرورت آن در پیشرفت صنایع

طراحی مبتنی بر بهینه سازی

 

۱. بهینه سازی چیست؟

 

مهندسی، حرفه ای است که به موجب آن اصول طبیعت برای ساخت اشیاء کاربردی به کار گرفته می شود. یک مهندس مکانیک یک موتور جدید، یا یک سیستم تعلیق خودرو یا یک روبات طراحی می کند، یک مهندس عمران پل یا ساختمانی را طراحی می کند، یک مهندس شیمی یک برج تقطیر یا یک فرآیند شیمیایی را طراحی می کند. یک مهندس برق یک کامپیوتر یا یک مدار مجتمع را طراحی می کند.

به دلایل زیادی، که مهمترین آنها بازار رقابتی می باشد، برای یک سیستم ممکن است بتوان طراحی های مختلفی ارائه کرد اما یک مهندس بدنبال آن است بین این همه طراحی بهترین آنها را انتخاب کند. فرایند تعیین بهترین طرح را بهینه سازی می نامند. بنابراین ممکن است بخواهیم کوچکترین مبدل حرارتی را طراحی کنیم که انتقال حرارت مطلوب را انجام دهد، یا ممکن است بخواهیم کم هزینه ترین پل را برای یک مجموعه طراحی کنیم، یا ممکن است بخواهیم بارهایی را که ربات می تواند بلند کند به حداکثر برسانیم.

اغلب بهینه سازی مهندسی به طور ضمنی انجام می شود. با استفاده از ترکیبی از قضاوت، تجربه، شبیه سازی، نظرات دیگران و غیره، مهندس تصمیمات طراحی را می گیرد، که امیدوار است منجر به یک طراحی بهینه شود. برخی از مهندسان در این زمینه بسیار خوب عمل می کنند. با این حال، اگر متغیرهای زیادی برای تعدیل اهداف و یا محدودیت های متناقض وجود داشته باشد، این نوع بهینه سازی مبتنی بر تجربه می تواند به شناسایی طرح بهینه ختم شود. فعل و انفعالات بسیار پیچیده و متغیرهای بسیار زیاد هستند تا به طور مستقیم طراحی بهینه را تعیین کنند.

 

مهندسین ما در شرکت فنی مهندسی سرمدبرین از یک رویکرد مبتنی بر کامپیوتر جهت بهینه سازی در طراحی ها مورد استفاده قرار می دهند. با استفاده از این رویکرد، ما از رایانه برای جستجوی بهترین طرح با توجه به معیارهایی که تعیین کرده ایم، استفاده می کنیم. قدرت پردازش عظیم رایانه به ما این امکان را می دهد تا تعداد بیشتری از ترکیبات طراحی را نسبت به آنچه که به صورت دستی انجام می دهیم، ارزیابی کنیم. علاوه بر این، ما از الگوریتم های پیچیده ای استفاده می کنیم که کامپیوتر را قادر می سازد تا بهینه سازی را به طور کارآمدتر انجام دهد. مهندسین ما در شرکت فنی مهندسی سرمدبرین براساس تخصص و تجربه ای که در پروژه های مختلف کسب کرده اند بدنبال کارآمدترین الگوریتم ها جهت بهینه سازی در طراحی استفاده می کنند. 

 

برای استفاده از این نوع بهینه سازی، باید چندین شرایط را در نظر گرفت. اول، ما باید یک مدل کمی برای محاسبه پاسخ های مورد علاقه داشته باشیم. اگر می خواهیم انتقال حرارت را به حداکثر برسانیم، باید بتوانیم انتقال گرما را برای پیکربندی های مختلف طراحی محاسبه کنیم. اگر می خواهیم هزینه را به حداقل برسانیم، باید بتوانیم هزینه را محاسبه کنیم. گاهی اوقات دستیابی به چنین مدل های چندان آسان نیست. دستیابی به یک مدل معتبر و دقیق از مشکل طراحی مهمترین مرحله در بهینه سازی است. این امر غیر معمول نیست که 90 درصد از تلاش برای بهینه سازی یک طرح صرف توسعه و اعتبار سنجی مدل می شود. هنگامی که یک مدل خوب به دست می آید، نتایج بهینه سازی اغلب می تواند به سرعت محقق شود.

خوشبختانه، ما در مهندسی اغلب مدل های خوب و پیش بینی کننده (یا حداقل مدلهای جزئی) برای یک مسئله طراحی داریم. به عنوان مثال، ما مدل هایی برای پیش بینی انتقال حرارت یا افت فشار در مبدل داریم. ما مدل هایی برای پیش بینی تنش ها و انحرافات در پل داریم. اگرچه مدلهای مهندسی معمولاً ماهیت فیزیکی دارند (بر اساس اصول فیزیکی)، ما همچنین می توانیم از مدلهای تجربی (بر اساس نتایج آزمایشات) استفاده کنیم. حل مدلهای عددی (برای مثال، با استفاده از روش المان محدود) نیز کاملاً قابل قبول است.

علاوه بر یک مدل، ما باید برخی متغیرها را داشته باشیم که مقادیر آنها را می توان بطور منطقی توسط طراح تعیین کرد. ما از این متغیرها به عنوان متغیرهای طراحی نام می بریم. در مورد مبدل حرارتی، متغیرهای طراحی ممکن است تعداد لوله ها، تعداد پوسته ها، قطر لوله ها، طول لوله ها و غیره باشد. گاهی اوقات ما به تعداد متغیرهای طراحی به عنوان درجه آزادی مدل کامپیوتر اشاره می کنیم.

آزادی ما برای تغییر متغیرهای طراحی منجر به مفهوم فضای طراحی می شود. اگر چهار متغیر طراحی داشته باشیم، یک فضای طراحی چهار بعدی داریم که می توانیم برای یافتن بهترین طرح جستجو کنیم. اگرچه انسانها معمولاً در درک فضاهای بیش از سه بعدی مشکل دارند، اما رایانه ها در جستجوی فضاهای مرتبه بالاتر مشکلی ندارند. در برخی موارد، مسئله های هزاران متغیره حل شده است.

علاوه بر متغیرهای طراحی، باید معیارهایی نیز داشته باشیم که مایل به بهینه سازی آنها هستیم. این معیارها دو شکل دارند: اهداف و محدودیت ها. اهداف نشان دهنده اهدافی هستند که ما می خواهیم آنها را به حداکثر یا حداقل برسانیم. محدودیت ها بیانگر محدودیت هایی هستند که باید در آنها بمانیم. ما در مجموع اهداف و محدودیت ها را توابع طراحی می نامیم.

هنگامی که یک مدل تجزیه و تحلیل مبتنی بر کامپیوتر ایجاد کردیم، باید مدل را به نرم افزار بهینه سازی پیوند دهیم. روش¬های بهینه سازی تا حدی کلی هستند زیرا بسیاری از روش ها برای انواع مختلف مسئله ها کار می کنند. پس از ایجاد اتصال به گونه ای که نرم افزار بهینه سازی بتواند با مدل مهندسی "صحبت" کند، مجموعه ای از متغیرهای طراحی و اهداف و محدودیت ها را مشخص می کنیم. سپس بهینه سازی می تواند آغاز شود. نرم افزار بهینه سازی چندین بار (گاهی هزاران بار) با مدل مورد نظر تماس می گیرد تا طرح بهینه را جستجو کند.

معمولاً ما فقط به یک بهینه بسنده نمی کنیم، بلکه می خواهیم فضای طراحی را جستجو کنیم. ما اغلب این کار را با تغییر مجموعه متغیرهای طراحی و توابع طراحی و بهینه سازی مجدد انجام می دهیم تا ببینیم چگونه طرح تغییر می کند. به عنوان مثال، با محدود کردن استرس، به جای کاهش وزن، ممکن است بخواهیم با محدودیت وزن، استرس را به حداقل برسانیم. با جستجو به این روش، می توان بینش ها و تعاملات حاکم بر مسئله طراحی، بینشی پیدا کرد.

به طور خلاصه، بهینه سازی مبتنی بر کامپیوتر به استفاده از الگوریتم های رایانه ای برای جستجوی فضای طراحی یک مدل اشاره دارد. متغیرهای طراحی توسط یک الگوریتم به منظور دستیابی به اهداف و رفع محدودیت ها تنظیم می شوند. بسیاری از این مفاهیم در بخش های بعدی با جزئیات بیشتری توضیح داده خواهد شد.

 

2. مدلهای مهندسی در بهینه سازی
 
• تجزیه و تحلیل متغیرها و توابع
 

همانطور که گفته شد، مدلهای مهندسی نقش مهمی در بهینه سازی مهندسی ایفا می کنند. در این بخش برخی از جنبه های دیگر مدل های مهندسی را مورد بحث قرار می دهیم. ما به مدلهای مهندسی به عنوان مدلهای تجزیه و تحلیل اشاره می کنیم.

در یک مفهوم کلی، مدل¬های تحلیل را می توان در شکل زیر مشاهده کرد. یک مدل برای انجام محاسبات به برخی ورودی ها نیاز دارد. این ورودی ها متغیرهای تحلیل نامیده می شوند. متغیرهای تجزیه و تحلیل شامل متغیرهای طراحی (متغیرهایی که می توانیم تغییر دهیم) به اضافه مقادیر دیگر مانند خواص مواد، شرایط مرزی و غیره که معمولاً متغیرهای طراحی نیستند. هنگامی که همه مقادیر برای همه متغیرهای تجزیه و تحلیل تنظیم شده اند، مدل تجزیه و تحلیل را می توان ارزیابی کرد. مدل تحلیل، خروجی هایی به نام توابع تجزیه و تحلیل را محاسبه می کند. این توابع نشان دهنده چیزی است که ما برای تعیین "خوبی" یک طراحی نیاز داریم. به عنوان مثال، توابع تجزیه و تحلیل ممکن است تنش، انحراف، هزینه، کارایی، انتقال حرارت، افت فشار و غیره باشند. از توابع تجزیه و تحلیل است که ما توابع طراحی را انتخاب می کنیم، یعنی اهداف و محدودیت ها.                                                          

بنابراین از دیدگاه بسیار کلی، مدل های تحلیل نیاز به توابع تجزیه ورودی، متغیرهای تحلیل و خروجی¬های محاسبه کننده دارند. اساساً همه مدل های تجزیه و تحلیل را می توان به این طریق بیان کرد.

 

3. مدل ها و بهینه سازی توسط آزمون و خطا

 

همانطور که در بخش قبل مورد بحث قرار گرفت، کار مدل تجزیه و تحلیل، محاسبه مقادیر توابع تجزیه و تحلیل است. طراح مقادیر متغیرهای تجزیه و تحلیل را تعیین و مدل توابع مربوطه را محاسبه می کند.

توجه داشته باشید که نرم افزار تجزیه و تحلیل هیچ گونه "قضاوتی" در مورد خوب بودن طرح نمی کند. به عنوان مثال، اگر مهندسی در حال طراحی پل باشد و نرم افزاری برای پیش بینی تنش ها و انحرافات داشته باشد، نرم افزار تجزیه و تحلیل صرفاً این مقادیر را گزارش می کند، نحوه تغییر طرح پل برای کاهش تنش ها در یک مکان خاص را نشان نمی دهد. تعیین نحوه بهبود طراحی کار طراح است.

برای بهینه سازی طراحی، طراح اغلب از مدل به روش تکرار استفاده می کند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. طراح مجموعه ای از ورودی ها را تعیین می کند، مدل را ارزیابی و خروجی ها را بررسی می کند. فرض کنید در برخی موارد، خروجی ها رضایت بخش نیستند. با استفاده از مشاهده و تجربه، طراح مجموعه جدیدی از ورودی ها را پیشنهاد می کند که به نظر او مجموعه خروجی های بهتری را در پی خواهد داشت. مدل دوباره ارزیابی می شود. این روند ممکن است بارها تکرار شود.

 

ما از این فرایند به عنوان "بهینه سازی طراحی با آزمون و خطا" یاد می کنیم. این روشی است که بیشتر نرم افزارهای تجزیه و تحلیل استفاده می شود. اغلب فرآیند طراحی با اتمام زمان و یا پول به پایان می رسد.

 

4. بهینه سازی با الگوریتم های رایانه ای

 

بهینه سازی مبتنی بر رایانه تلاشی برای کمک به فناوری بالا در بخش تصمیم گیری شکل ۲ می باشد. با این رویکرد، طراح از حلقه آزمون و خطا خارج می شود. در حال حاضر از رایانه برای ارزیابی مدل و جستجوی طراحی بهتر استفاده می شود. این فرایند در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 

اکنون طراحان در سطح بالاتری فعالیت می کنند. به جای تنظیم متغیرها و تفسیر مقادیر عملکرد، طراح اهداف مسئله طراحی را مشخص کرده و نتایج بهینه سازی را تفسیر می کند. فضای طراحی را می توان بسیار بیشتر مورد بررسی قرار داد. معمولاً طرح بهتری را می توان در زمان کوتاه تری پیدا کرد.

 

5. تعیین مشکل بهینه سازی

 

• متغیرها، اهداف، محدودیت ها
 

مشکلات بهینه سازی اغلب با استفاده از یک فرم خاص مشخص می شوند. ابتدا متغیرهای طراحی بیان می شوند. سپس اهداف ارائه می¬شوند و در نهایت محدودیت ها بیان می شوند. 

 

6. فضای طراحی

 

تا کنون ما در مورد نقش نرم افزار تجزیه و تحلیل در بهینه سازی بحث کرده ایم. ما اشاره کردیم که اولین قدم در بهینه سازی یک مسئله، بدست آوردن یک مدل تجزیه و تحلیل خوب است. ما همچنین در مورد مرحله دوم بحث کرده ایم: تنظیم مسئله طراحی. هنگامی که مسئله بهینه سازی را تعریف کردیم، آماده شروع به جستجوی فضای طراحی می شویم. 


7. نحوه کار الگوریتم ها

 

قوی ترین الگوریتم های بهینه سازی برای مسائل پیوسته غیر خطی از مشتقات در فضای چند بعدی استفاده که هدف مسئله را بهبود و محدودیت ها را برآورده می کند. معمولاً این مشتقات به صورت عددی به دست می آیند. 

با فرض مشتقات به صورت عددی، تعداد دفعاتی که الگوریتم ها باید مدل را ارزیابی کنند، تقریباً 10-15 برابر تعداد متغیرهای بهینه سازی است. بنابراین یک مسئله با 3 متغیر نیاز به ارزیابی تقریبی 30 تا 45 مدل دارد. یک مسئله با 10 متغیر نیاز به ارزیابی 100-150 مدل دارد.

 

8. احتیاط در مورد بهینه سازی

 

الگوریتم های بهینه سازی می توانند به طراح در ترکیب کمی طراحی کمک کنند. با این حال:

طراح همیشه باید مدل مهندسی را با دقت مورد بررسی قرار دهد. بهینه سازی یک مدل نادرست در بهترین حالت نسبتاً روشن و گمراه کننده و در بدترین حالت اتلاف وقت است. اغلب الگوریتم های بهینه سازی از ضعف های مدل در صورت وجود استفاده می کنند. به عنوان مثال، در مورد سیستم های حرارتی، اگر مدلی قانون دوم ترمودینامیک را اجرا نکند، آیا می توانید چند طرح بسیار کارآمد دریافت کنید؟

الگوریتم ها به طراح کمک می کنند تا یک مفهوم طراحی خاص را بهینه کند. الگوریتم ها به هیچ وجه نشان نمی دهند که آیا یک مفهوم متفاوت مناسب تر است. دستیابی به یک بهینه سازی کلی بستگی به انتخاب بهترین مفهوم و همچنین بهینه سازی کمی دارد.

اکثر طرح های مهندسی سازگاری بین اهداف متضاد را نشان می دهند. معمولاً طراح برای بدست آوردن بینش و درک فضای طراحی، می بایست تعدادی از مفاهیم جایگزین مسئله را بررسی کند. گاهی اوقات ملاحظات غیر کمی به طرق مهم طراحی را به پیش می برد.

• ما باید مطمئن شویم که مسئله بهینه سازی نشان دهنده مسئله واقعی است که باید حل کنیم. فاکس در این راستا مطلب مهمی را بیان می کند:

"در طراحی مهندسی ما اغلب احساس می کنیم که عملکردهای عینی بدیهی هستند. اما مشکلات وجود دارند. باید با توجه به عملکرد عینی که تقریباً اهداف واقعی مسئله طراحی را منعکس می کند، بهینه سازی شود. چند مثال از خطاهای رایج، باید به تمرکز این نکته کمک کند. در ساختارهای استاتیک، طراحی مورد نظر (کاملاً تحت فشار) همیشه سبک ترین وزن نیست. سبک ترین وزن همیشه ارزان ترین نیست؛ در مکانیزم ها، طراحی با زاویه انتقال مطلوب لزوماً کمترین سطوح نیرو را ندارد. به حداقل رساندن سطح نیرو به هزینه حرکت می افزاید و در نهایت منجر به واکنش دینامیکی ناکافی می شود. "

• طراح باید این نکته را مد نظر داشته باشد که در هنگام بهینه سازی کل سیستم را در نظر بگیرد و نباید اجزا سیستم بصورت تکی بهینه سازی شوند. تغییرات در یک جز ممکن است باعث ضعف در باقی اجزا شود به این دلیل می بایست طراح یک نگاه کلی به سیستم داشته باشد.

 

9. سخن پایانی
 

ما در این بخش به مفهوم بهینه سازی در حرفه مهندسی پرداختیم اما این نکته را همیشه مد نظر داشته باشید که بهینه سازی محدود به سیستم های مهندسی نمی باشد و می توان مفاهیمی که در این قسمت بیان شد را به دیگر شاخه ها از جمله اقتصاد، سیاست، کسب و کار و ... گسترش داد. ما روزانه در زندگی و کار خود تصمیم هایی می گیریم بدون در نظر گرفتن نتیجه کار. ممکن است شما بعنوان مدیر یک کسب و کار نیاز داشته باشید تصمیماتی در زمینه گسترش کسب و کار خود بگیرید بدون آنکه از عواقب آن آگاه باشید. ما به شما پیشنهاد می دهیم با مشاورین و متخصصین تیم سرمدبرین در  تماس  باشید. در مجموعه فنی مهندسی سرمدبرین طراحان و مشاوران خلاق و با استعدادی حضور دارند تا راه کارهایی برای مشکلاتی که یک کسب و کار می تواند با آن درگیر باشد ارائه دهند. عمده مشکلاتی که بیشتر کسب و کارها و واحدهای تولیدی با آن مواجه هستند را می توان نداشتن یه مسیر راه دانست. برنامه کسب و کار یا همان بیزنس پلن را می توان حلقه گم شده بیشتر کسب و کارها در ایران دانست. ما در تیم سرمدبرین در کنار شما هستیم تا در هر مرحله ای از کسب و کار خود قرار دارید با در نظر گرفتن تمام جوانب و شرایط اقتصادی و سیاسی ایران یک برنامه بهینه شده جامع کسب و کار در اختیار مدیران قرار دهیم. این برنامه کسب و کار به شما کمک می کند تا حدودی از مسیر پیش روی کسب و کار خود آگاهی پیدا کنید. شما می توانید از طریق راه های ارتباطی با تیم سرمدبرین در  تماس باشید. همنشینی و هم صحبتی با شما بزرگترین افتخار ماست. 

 
اشتراک گذاری
ارسال دیدگاه
دیدگاه کاربران
  • سعید

    ۱۴۰۰-۷-۲۶

    دوست داران محیط زیست روم توردوست داران محیط زیست روم توردوست داران محیط زیست روم توردوست داران محیط زیست روم توردوست داران محیط زیست روم توردوست داران محیط زیست روم توردوست داران محیط زیست روم تور

css
balls
balls
balls
balls
balls
balls
شرکت فنی مهندسی سرمدبرین

شرکت فنی مهندسی سرمدبرین یک شرکت نوآورانه در زمینه خدمات فنی مهندسی از جمله خدمات طراحی صنعتی،...

درباره ما
شیراز خیابان فردوسی انتهای کوچه ۱۰
۰۷۱-۳۲۲۳۵۴۳۱
sarmadbarin@gmail.com

با عضویت در خبرنامه سرمدبرین از آخرین اخبار، پروژه ها و فرصتهای شغلی شرکت مطلع شوید.