سیستم‌های فنی و توصیف عملکردشان

توصیف عملکرد با جریان انرژی و ماده و سیگنال

همانطور که گفتیم، تعدادی از طراحان اعتقاد داشتند که بهتر است با مصنوعات فنی به عنوان سیستم رفتار کنیم و لذا در بخش قبل، پاره‌ای از مهم‌ترین نکات مربوط به سیستم‌ها را مرور کردیم. اما سوال این است که از این مباحث چه هدفی را دنبال می‌کنیم؟ فرقی ندارد که کدام فرایند طراحی را مبنا قرار می‌دهیم. به صورت کلّی یکی از موضوعاتی که در طراحی مفهومی مورد توجه قرار می‌گیرد، عملکردهایی است که از محصول انتظار داریم و نگاه سیستمی ما به توصیف این عملکردها کمک می‌کند. به عبارتی دیگر، هدف ما از سیستم دانستن مصنوعات فنی و تعریف مرز و تعیین ورودی‌ها و خروجی‌ها این است که عملکردشان را به تصویر بکشیم.

طبیعتاً برای نمایش عملکردها، آزادی عمل داریم که مرزها و ورودی‌ها و خروجی‌ها را به سلیقه‌ی خودمان تعیین کنیم، مثلاً در تصویر زیر عملکرد یک مداد را به صورت سیستمی نشان دادیم.

با این که مدل‌سازی ارائه شده در تصویر قبلی می‌تواند واقعاً کارساز باشد و مبنای عمل قرار بگیرد، اما نظریه‌ای وجود دارد که کار را ساده‌تر می‌کند و طراحان زیادی از آن استقبال کرده‌اند. بر اساس این نظریه می‌توانیم سیستم‌های فنی (کارخانه، تجهیزات، ماشین‌آلات، مجموعه‌ها، قطعات) را مبدّل‌های انرژی و ماده و سیگنال بدانیم، یعنی برای توصیف عملکرد یک سیستم کافیست نشان دهیم که چگونه انرژی و ماده و سیگنال را تبدیل می‌کند.

برای اینکه بتوانیم سیستم خود را مطابق این نظریه پیاده‌سازی کنیم لازم است مرزها و ورودی‌ها و خروجی‌ها به نحوی تعریف شود که نمایانگر تغییرات ماده و انرژی و سیگنال توسط سیستم باشد که در تصویر زیر نشان دادیم. به این شیوه‌ی نمایش اصطلاحاً جعبه‌ی سیاه (Black Box) و به تغییرات ماده و انرژی و سیگنال اصطلاحاً جریان (Flow) می‌گویند (جریان ماده، جریان انرژی، جریان سیگنال).

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، برای نمایش جریان‌های ماده و انرژی و سیگنال از بردارهای متفاوتی استفاده شده است. به صورت کلّی لازم است که بردارها به شیوه‌های متفاوتی نمایش داده شوند، اما ضرورتی ندارد که الزاماً مطابق تصویر بالا باشند. (مثلاً می‌توانید سیگنال‌ها را با خط چین و ماده را با خط صف نشان دهید)

در ادامه لازم است که منظورمان از جریان‌های انرژی و ماده و سیگنال را شفاف‌سازی کنیم.

انرژی همان توان انجام کار است. اگر انرژی نباشد، کاری انجام نمی‌شود. انرژی می‌تواند در اشکال متفاوتی مثل مکانیکی، حرارتی، هسته‌ای یا الکتریکی باشد و از منابع طبیعی و مصنوعی متفاوتی تأمین شود. وقتی می‌گوییم که سیستم‌های فنی مبدل انرژی هستند، یعنی ممکن است آن را ذخیره، تبدیل، منتقل یا اتلاف کنند. یک موتور الکتریکی، انرژی الکتریکی را به مکانیکی تبدیل می‌کند. یک خازن، انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند. یک کابل مسی، انرژی الکتریسیته را منتقل می‌کند. یک موتور احتراق، انرژی شیمیایی را به حرارتی و مکانیکی تبدیل می‌کند. یک ایستگاه هسته‌ای، انرژی هسته‌ای را به انرژی حرارتی و انواع دیگر انرژی تبدیل می‌کند.

در مدل‌سازی از سیستم‌های فنّی توجه کنید که نیروهای وارد بر سیستم یا تغییرات‌شان هم می‌تواند به عنوان جریان انرژی در نظر گرفته شود. البته در بسیاری از مدل‌ها نیازی به توصیف نیروها نیست، اما اگر این نیاز وجود داشته باشد، می‌توانید نیروها را مستقیماً به عنوان ورودی یا خروجی نشان دهید و تبدیل‌شان به انرژی لازم نیست.

ماده به همه‌ی چیزهای فیزیکی گفته می‌شود که فضایی را اشغال می‌کنند. ماده می‌تواند در حالت‌های مختلف جامد، مایع، گاز یا پلاسما باشد. سیستم‌های فنّی همانطور که انرژی را تبدیل می‌کنند، مبدّل ماده هم هستند. جریان ماده می‌تواند با عملیاتی مثل ترکیب، انتقال، جدایش، پوشش‌دهی، بسته‌بندی، شکل‌دهی یا تغییر حالت شکل بگیرد. ارّه‌ی دستی با بریدن مواد، آن‌ها را از هم جدا می‌کند. مته با سوراخ کردن قطعه‌کار، بخشی از آن را حذف می‌کند. دستگاه بخارساز، آب را از حالت مایع به گاز تبدیل می‌کند. لوله‌ها برای انتقال مواد مایع یا گاز استفاده می‌شوند. مخلوط کن، مواد را در هم ادغام می‌کند.

سومین جریان، جریانِ اطلاعات یا همان سیگنال‌ است. سیستم فنی می‌تواند اطلاعات را آماده‌سازی، منتقل، دریافت، ارسال یا پردازش کند. رادیو اطلاعات را در قالب امواج دریافت می‌کند. سی‌پی‌یو اطلاعات را دریافت و پردازش و ارسال می‌کند. ترموستات دمای محیط را به سیگنال تبدیل، و آن را به مرکز کنترل ارسال می‌کند. یک کیت آزمایشگاهی با قرار گرفتن در معرض بعضی مواد، تغییر رنگ می‌دهد و وجود آن ماده را اطلاع‌رسانی می‌کند. کولیس با ابعاد هندسی قطعه‌کار تنظیم می‌شود و اندازه‌ی آن را نشان می‌‌دهد.

از آن جایی که معمولاً مستندات طراحی به زبان انگلیسی هستند، نسخه‌ی انگلیسی جدول بالا را هم برایتان آماده کردیم تا برای انتخاب کلمات از آن استفاده کنید.

در سیستم‌های فنی ممکن است که یکی از جریان‌های ماده، انرژی یا سیگنال پررنگ و جریان‌های دیگر کمرنگ باشد. معمولاً طراحان، جریان قوی‌تر است را جریان اصلی (Main Flow) و سایر جریان‌ها را جریان فرعی می‌دانند. گاهی یک یا هر دو جریان فرعی به اندازه‌ای ناچیز هستند که نادیده گرفته می‌شوند، با این حال معمولاً هر سه جریان وجود دارند و برای توصیف عملکرد از آن‌ها استفاده می‌شود.

به عنوان یک نکته‌ی کاربردی یادتان باشد که در روش جعبه سیاه، لازم نیست در مورد مرزهای سیستم حساسیت نشان دهیم و جای آن باید روی نمایش ورودی‌ها و خروجی‌ها تمرکز کنیم تا هیچ تبدیل مهمی از قلم نیافتد. البته این مسأله تعارضی با مفاهیم سیستم ندارد، منتها گاهاً تجسم دقیق مرزها دشوار است و ضمناً در طراحی محصولات جدید (Original Design) تجسم دقیقی از محصول وجود ندارد. برای درک این نکته به تصویر زیر نگاه کنید. این مدلی است که در کتاب طراحی مهندسی جورج دیتر برای توصیف عملکرد یک خودکار ارائه شده است.

در درس بعد با نمونه‌های متعددی از ساختارهای عملکرد آشنا می‌شوید و یاد می‌گیرید که معمولاً این ساختار را برای یک عملکرد کلّی می‌نویسیم نه یک محصول مشخص. به عبارت دیگر، سیستم بالا در اصل برای خودکار نیست، بلکه می‌خواهد عملکرد سیستمی را توصیف کند که برای ثبت جوهر روی کاغذ استفاده می‌شود. طبیعتاً این سیستم نمی‌تواند مرزهای دقیق و مشخصی داشته باشد و تمرکز اصلی روی تبدیل‌های ماده و انرژی است. این در حالی است که اگر واقعاً یک خودکار را شبیه‌سازی می‌کردیم، احتمالاً مرز تعریف شده طوری نبود که جوهر و کاغذ به عنوان ورودی‌ها و خروجی‌های آن باشند و به این ترتیب، توصیف عملکرد دشوارتر می‌شد.