توسعه‌ی ساختارهای کاری (Working Structures)

جستجو برای اصول کاری

اولین کاری که برای توسعه‌ی ساختار کاری انجام می‌شود، جستجو برای اصول کاری مناسب است. به این منظور باید به سؤالات زیر پاسخ دهیم:

۱- منظور از اصول کاری (Working Principles) چیست و چه ارتباطی با راهکارها (Solutions) دارد؟

۲- چگونه می‌توانیم اصول کاری را پیدا کنیم؟

۳- بعد از پیدا کردن اصول کاری مناسب، چگونه می‌توانیم آن‌ها را توصیف کنیم؟

در ادامه‌ی این قسمت به سؤالات بالا پاسخ می‌دهیم.

۱- منظور از اصول کاری چیست و چه ارتباطی با راهکارها دارند؟

همانطور که گفتیم مطابق فرایند عمومی حلّ مسأله باید پس از تعریف مسأله به دنبال راهکار باشیم، مثلاً اگر عملکردهای محصول‌مان (۱) اندازه‌گیری وزن و (۲) جابه‌جا کردن یک وزنه باشد، برای مورد اول، راهکارهایی مثل استفاده از باسکول یا نیروسنج فنری و برای مورد دوم، راهکارهایی مثل استفاده از نوار نقاله یا جرثقیل را پیشنهاد کنیم. اما در بعضی از فرایندهای طراحی مفهومی به جای کلمه‌ی راهکار (Solution) از عبارت اصول کاری (Working Principles) استفاده می‌شود، مثلاً در فرایند پال و بیتز، پس از انتزاعی‌سازی صورت مسأله و تشکیل ساختار عملکرد به مرحله‌ی جست‌وجوی اصول کاری (Searching for Working Principles) می‌رسیم. حال سؤال این است که آیا اصول کاری همان راهکارها هستند یا تفاوت دارند؟

کلمه‌ی اصول (Principles)، صورتِ جمع کلمه‌ی اصل (Principle) و به معنای قواعد کلّی است. لذا منظور از اصلِ کاری، یک قاعده‌ی کلّی است که اولاً جنبه‌ی عمومی دارد و می‌تواند طیفی از مسائل مختلف را حل کند و دوماً می‌تواند به محصول برای انجام عملکردهای تعیین شده کمک کند. مثلاً اگر به دنبال راهکاری برای اتصال موقت دو یا چند قطعه‌ی فلزی باشیم، استفاده از پیچ و مهره یا استفاده از گیره‌های اهرمی، و اگر به دنبال راهکاری برای انتقال قدرت باشیم، استفاده از چرخ‌دنده یا تسمه و پولی را می‌توانیم راهکارهای کلّی یا اصول کاری (Working Principles) بدانیم.

با این اوصاف وقتی یک اصل (Principle) را مردود اعلام می‌کنیم، خود به خود گروهی از راهکارهای مبتنی بر آن نیز حذف می‌شوند. این رویکرد (تمرکز روی اصول کاری به جای راهکارها) با ماهیت طراحی مفهومی سازگارتر است، چرا که در این مرحله وارد جزئیات نمی‌شویم و راهکارهایمان جنبه‌ی کلّی دارند، مثلاً اگر عملکرد مورد نظرمان چرخش نرم و روان یک شفت در سوراخ باشد، لازم نیست از همان ابتدا جزئیات قطر سوراخ و شفت، ضریب اصطکاک، گشتاور و امثالهم را بدانیم بلکه به صورت اجمالی می‌گوییم که یکی از راهکارهای موجود، استفاده از بلبرینگ است و در این حالت، اصطلاحاً یک اصل کاری را پیشنهاد کرده‌ایم.

در ادامه، با توجه به تصویر زیر فرض کنید که ارتفاع سقف یک کارگاه سه متر است و می‌خواهیم ابزاری طراحی کنیم که جعبه‌ی مورد نظر را تا ارتفاع ۱۳۵ سانتی‌متر از سطح زمین بلند کند. برای انجام این کار، می‌توانیم از طرحی مشابه لیفتراک استفاده کنیم، اما آیا استفاده از طرح جرثقیل (بالا کشیدن جعبه با کابل) هم منطقی به نظر می‌رسد؟ با توجه به این که وقتی جعبه در ارتفاع ۱۳۵ سانتی‌متری قرار می‌گیرد، فاصله‌ی آن تا سقف ۵ سانتی‌متر است، فضای کافی برای استقرار قرقره‌ها یا ایجاد کشش در کابل وجود ندارد. لذا بدون این که راهکار مشخصی را در نظر بگیریم، به صورت کلّی می‌گوییم که قاعده یا اصلِ بالا کشیدن توسط کابل برای این مسأله کارایی ندارد.

۲- اصول کاری را چگونه پیدا کنیم؟

همانطور که گفتیم اصول کاری نوعی راهکار هستند و لذا برای کشف آن‌ها باید به روش‌های حل مسأله متوسل شویم، اما صورت مسأله‌ی ما چیست؟ اصول کاری قرار است به انجام عملکردها کمک کنند، لذا در مورد هر عملکرد جزئی با این مسأله روبه‌رو هستیم که چه اصول کاری (یا راهکارهایی) برای انجام آن وجود دارد؟  در بخش مبانی طراحی، مفصل در مورد اهمیت حل مسأله در طراحی صحبت کردیم و در ادامه‌ی آن چند درس را به روش‌ها و ابزارهای حل مسأله اختصاص دادیم که با کمک آن‌ها می‌توانید اصول کاری مناسب را شناسایی کنید.

۳- اصول کاری را چگونه توصیف کنیم؟

از نظر نویسندگان طراحی مهندسی برای توصیف کامل اصول کاری باید تأثیرات فیزیکی، مشخصات هندسی و مشخصات مواد را توضیح دهیم، اما این توصیه بسیار سخت‌گیرانه است و به ندرت رعایت می‌شود. به صورت کلی نباید فراموش کنیم که هدف اصلی از توصیف اصول کاری، درک دقیق‌تر و کامل‌تر آن‌هاست، لذا اگر یک اصل کاری بسیار شفاف و ساده باشد، یک توضیح ساده (مثلاً اشاره به عنوان آن) کفایت می‌کند، مثلاً در شرایط معمول، طریقه‌ی استفاده از پیچ به اندازه‌ی آشکار است که نیازی به توصیف دقیق تأثیرات فیزیکی یا مشخصات مواد سازنده‌ی آن وجود ندارد. در نتیجه اولاً مواردی که اشاره کردیم، لازم نیست در مورد همه‌ی اصول کاری توصیف شوند و دوماً اگر قرار به توصیف‌شان است، لازم نیست به همه‌ی جزئیات‌شان اشاره کنیم و تا همین اندازه که کارایی‌شان قابل احراز باشد،‌کافی است. در ادامه برای تکمیل بحث‌مان باید بدانیم که منظور از تأثیرات فیزیکی، مشخصات هندسی و مشخصات مواد چیست؟

تأثیرات فیزیکی (Physical Effects) تأثیرات فیزیکی اصلی کاری روی محیط هستند که انجام عملکردهای مورد انتظار را محقق می‌سازند.مثلاً عملکرد {انتقال قدرت} می‌تواند به واسطه‌ی تأثیرات فیزیکی ناشی از ارتباط چرخ‌دنده‌ها انجام شود، یا {برای تنظیم مقدار نیرو} می‌توانیم از تأثیرات فیزیکی ناشی از سیلندرهای هیدرولیکی، نیروی الکترومغناطیس، اثر گوه یا اهرم‌ها استفاده کنیم. البته اگر قصد طراحی محصولاتی مثل فراورده‌های شیمیایی یا منابع ژنتیکی را داشته باشیم، باید جای تأثیرات فیزیکی روی تأثیرات شیمیایی یا بیولوژیک متمرکز شویم، اما در طراحی مهندسی عموماً عملکردهای مورد نظرمان از طریق تأثیرات فیزیکی انجام می‌شوند. نهایتاً برای توصیف تأثیرات فیزیکی، می‌توانیم از توضیحات متنی یا ترسیمات مهندسی (مثل نقشه‌ای فنی یا مدل‌های کامپیوتری) یا حتی ویدئو استفاده کنیم، اما اگر ضروری و مقدور است می‌توانیم برای توصیف کامل‌تر به روابط ریاضی میان متغیرها هم اشاره کنیم تا به درک کامل‌تر و دقیق‌تر اثرات فیزیکی کمک کند (مثال‌هایی از درج روابط ریاضی در توصیف اصول کاری را کمی پایین‌تر مشاهده خواهید کرد).

مشخصات هندسی (Geometric Characteristics) شامل مواردی مثل سطوح کاری (یا گاهاً فضاهای کاری) و حرکات مهم است. به عبارتی، برای توصیف دقیق یک اصل کاری باید به صورت تقریبی نشان دهیم که اولاً سطوح آن در چه موقعیت‌هایی قرار می‌گیرند و شکل و اندازه‌ی تقریبی آن‌ها چگونه است و دوماً اجزای مختلف آن چه نوع حرکاتی (مثلاً انتقالی یا چرخشی) و در چه جهاتی (مثلاً در جهات محوز x) و چه مقادیری (مثل سرعت و شتاب) انجام می‌دهند.

مشخصات مواد (Material Characteristics) معمولاً شامل مواردی مثل حالت ماده (جامد، مایع، گاز) یا ویژگی‌هایی همچون چقرمگی، انعطاف‌پذیری، شکل‌پذیری، استحکام یا سختی است. از آن جایی که در طراحی مفهومی معمولاً وارد جزئیات نمی‌شویم، در توصیف این موارد نیازی به درج مقادیر دقیق نیست، مثلاً می‌توانیم اشاره کنیم که قطعه‌ی مورد نظر باید سختی بالایی داشته باشد یا به حدود تقریبی آن اشاره کنیم و بنویسیم که باید بیشتر از ۶۵ راکول C سخت باشد.

با در نظر داشتن موارد بالا، می‌توانیم برای ارائه‌ی اصول کاری از جدولی شبیه زیر استفاده کنیم. در این جدول به هر عملکرد جزئی یک ردیف اختصاص می‌دهیم و اصول کاری که برای انجام آن قابل استفاده است را در ردیف مربوطه درج می‌کنیم، ضمناً می‌دانیم که عملکردهای جزئی قبلاً در مرحله‌ی تشکیل ساختار عملکرد تعیین شده‌اند و در این مرحله فهرست‌شان موجود است. لازم به ذکر است که در جدول زیر از توصیف مواد سازنده صرف نظر کردیم، چون اهمیت چندانی در درک اصول ارائه شده ندارد. همچنین می‌توانستیم ارتباط میان سرعت (یا شتاب) حرکت چرخشی با سرعت حرکت طولی را بنویسیم تا توصیف دقیق‌تری ارائه شود.

در کتاب طراحی مهندسی پال و بیتز، مثال‌های زیادی در بحث اصول کاری ارائه شده است که در ادامه‌ی درس، تعدادی از آن‌ها را عیناً بارگذاری می‌کنیم. به عنوان مثال اول، ابتدا ساختار عملکرد زیر (مربوط به دستگاه کشش) را در نظر بگیرید:

برای عملکردهای جزئی که در ساختار بالا وجود دارد، اصول کاری زیر را می‌توانیم پیشنهاد کنیم:

در مثال دوم، شاهد توصیف دقیق‌تری از اصول کاری هستیم که در آن تأثیرات فیزیکی هر یک از گزینه‌های پیشنهادی، هم به صورت روابط ریاضی (در ستون دوم) و هم به صورت بصری (در ستون سوم) درج شده است و علاوه برآن گاهاً به نوع مواد (مثلاً جیوه)، سطوح مهم و تلورانس‌های هندسی اشاره می‌شود.

به عنوان نکته‌ی نهایی این بخش، توجه داشته باشید که معمولاً اصول کاری به همان شکلی که درج می‌کنیم قابل استفاده نیستند و باید اصلاح یا تکمیل شوند، لذا اولاً اصولی که پیشنهاد می‌شوند را نباید نهایی و ثابت بدانیم و دوماً در مراحل بعدی می‌توانیم به عقب بازگشته و آن‌ها را اصلاح کنیم، چرا که به صورت کلّی بسیاری از تصمیم‌های ما در طراحی مهندسی با تکیه بر آزمون و خطا انجام می‌شوند.

ایجاد ساختارهای کاری با ترکیب اصول کاری

در مرحله‌ی قبل، برای هر یک از عملکردهای جزئی (Subfunctions) چند اصل کاری پیشنهاد کردیم، اما محصول‌مان قرار است که ترکیبی از همه‌ی این عملکردها باشد و نتیجتاً اصول کاری که جداگانه برای هر عملکرد پیشنهاد کرده بودیم، باید ترکیب شوند تا به یک راهکار جامع‌تر برسیم. به عبارت دیگر ما برای ساده‌تر شدن حل مسأله، خواسته‌ها و عملکردهای مورد انتظارمان را تجزیه کرده بودیم تا به دور از پیچیدگی، برای هر کدام‌شان راهکارهای جداگانه و مستقل پیدا کنیم، اما حالا وقت آن است که اصول کاری پیشنهاد شده را طوری ترکیب کنیم که به یک راهکار جامع تبدیل شوند و در عین حال تمام عملکردهای مورد انتظارمان انجام شود.

منظور از ساختار کاری (Working Structure)، راهکاری است که از ترکیب اصول کاری (Working Principles) حاصل می‌شود، یعنی اگر راهکار پیشنهادی برای هر عملکرد جزئی را با راهکارهای پیشنهادی برای عملکردهای دیگر ترکیب کنیم، نتیجه‌ی آن یک ساختار کاری است. از آن جا که اصول کاری متفاوتی برای هر عملکرد پیشنهاد می‌شود، ساختارهای کاری متفاوتی را می‌توانیم از آن‌ها استخراج کنیم، مثلاً در جدول زیر ۳۶ اصل کاری وجود دارد که ۴۶۶۵۶ ترکیب مختلف از آن‌ها می‌تواند وجود داشته باشد.

برای به دست آوردن تعداد ترکیب‌ها کافی است تعداد اصول کاری که برای هر عملکرد ارائه شده را در هم ضرب کنیم، مثلاً اگر سه عملکرد وجود داشته باشد که برای اولی، چهار اصل کاری و برای دومی، سه اصل کاری و برای سومی دو اصل کاری پیشنهاد شده باشد، با ضرب چهار، سه و دو به عدد ۲۴ می‌رسیم.

برای تشکیل ساختار عملکرد، اولاً باید منطقی‌ترین راهکارها را برای هر عملکرد جزئی انتخاب کنیم. دوماً باید اصولی را انتخاب کنیم که از نظر تأثیرات فیزیکی و مشخصات هندسی، بیشترین هماهنگی را داشته باشند، طوری که جریان‌های انرژی، ماده و سیگنال به خوبی از طریق آن‌ها منتقل شوند و تداخل هندسی (مثلاً ایجاد محدودیت در حرکات همدیگر) وجود نداشته باشد و سوماً اگر مقدور است،‌ ترکیب‌هایی را انتخاب کنیم که از حیث اقتصادی و فنّی وضعیت مطلوب‌تری داشته باشد. البته مورد سوم معمولاً قابل انجام نیست، چون بررسی آن‌ها به جزئیاتی نیاز دارد که به ندرت در طراحی مفهومی به آن‌ها توجه می‌شود.

روشن است که برای انتخاب بهترین اصل برای هر عملکرد، باید گزینه‌ها را ارزیابی کنیم. قبلاً در بخش مبانی طراحی مهندسی، رایج‌ترین روش‌ها و ابزارهای ارزیابی را معرفی کردیم که برای این بخش کارایی دارند. به عنوان مثال شناسایی و استفاده از معیارهای مطلق، یکی از رایج‌ترین روش‌هایی است که برای غربالگری اصول کاری استفاده می‌شود.

برای مرور آن چه گفتیم، مثال خوبی در کتاب پال و بیتز هست که به آن اشاره خواهیم کرد. ساختار عملکرد زیر برای طراحی یک ماشین برداشت سیب‌زمینی تشکیل شده است:

اصولی که برای انجام عملکردهای جزئی این ماشین پیشنهاد شده است در جدول زیر مشاهده می‌کنید. برای هر عملکرد، یک از اصول کاری انتخاب شده است تا برای ترکیب عملکردها (ایجاد ساختار عملکرد) مبنا قرار بگیرد.

نهایتاً از ترکیب اصول کاری انتخاب شده در جدول بالا به طرحی شبیه زیر می‌رسیم. این طرح می‌تواند توسط دست یا کامپیوتر ترسیم شود یا حتی می‌توانیم از مدل‌های سه‌بعدی کامپیوتری استفاده کنیم.

توجه داشته باشید که در مثال بالا فقط یکی از ساختارهای کاری ترسیم شده است، در حالی که اصولاً در طراحی مفهومی (و به صورت کلّی در فرایندهای حلّ مسأله) تعداد بیشتری از آن‌ها تشکیل می‌شود تا گزینه‌های بیشتری پیش روی طراحان قرار بگیرد.

غربالگری ساختارهای کاری

تا این مرحله تعدادی ساختار کاری داریم که باید از میان آن‌ها ساختارهای مناسب‌تر را انتخاب کنیم و برای ورود به مراحل بعدی طراحی مفهومی آماده شویم. برای انتخاب ساختارهای کاری، دقیقاً مشابه انتخاب اصول کاری برای هر عملکرد، باید از روش‌های ارزیابی گزینه‌ها استفاده کنیم که قبلاً توضیحات‌شان ارائه شده است. البته ذکر این نکته‌ی تکمیلی ضروری است که چون ساختارهای کاری، جنبه‌ی کلّی دارند و بسیاری از جزئیات‌شان معلوم نیست، اصولاً روش‌های ارزیابی که مبتنی بر پارامترهای کمی هستند (مثل روش‌های ریاضی) برای این مرحله به کار نمی‌آیند. لذا معمولاً انتخاب ساختارهای مناسب با تکیه بر تجربه‌ی طراحان و تجزیه‌وتحلیل مشخصات کیفی انجام می‌شود.