چکیده :
سیستم حمل و نقل هوشمند (ITS)، یکی از راهکارهای حل و تخفیف مشکلات مرتبط با حمل و نقل و ترافیک محسوب میشود، این سیستم از بخشهای مختلف نرمافزاری و سختافزاری تشکیل شده است که مدل تخمین جریان ترافیک در کوتاه مدت یکی از این بخشها میباشد. این مدل با استفاده از اطلاعات وضعیت فعلی ترافیک هر معبر ( حجم ترافیک عبوری از معبر که توسط سنسورها برداشت میشود )، حجم عبوری از معبر در فواصل زمانی کوتاه مدت آتی را پیشبینی میکند. آگاهی از وضعیت پیشبینی شده برای جریان ترافیک در بخشهای مدیریت ترافیک و اطلاع رسانی به مسافران از اهمیت بسیاری برخوردار است و هدف اصلی این تحقیق نیز ارائه مدلهایی برای پیشبینی جریان ترافیک در فواصل زمانی ۵، ۱۰، ۱۵ و ۳۰ دقیقه آینده است.
در این تحقیق روشی دو مرحلهای برای طراحی مدل پیشبینی جریان ترافیک پیشنهاد شده است. در مرحله نخست، با استفاده از روش شبکههای عصبی به عنوان یکی از ارکان هوش محاسباتی، از توانایی پیشبینی پدیدههای مختلف برخوردار است، اما این توانایی تنها زمانی حاصل میشود که اجزای شبکه عصبی به درستی انتخاب شده و شبکه عصبی با استفاده از روش مناسبی آموزش داده شده باشد. طی این تحقیق ضمن بیان نحوه دستیابی به یک شبکه عصبی مناسب، اجزای مناسب برای مدلهای پیشبینی جریان ترافیک شامل توابع انتقال و روش آموزش تعیین میشود.
الگوریتم ژنتیک روشی ابتکاری است که از نحوه تکامل موجودات در طبیعت الهام گرفته شده است و برای حل مسائل بهینه سازی بکار میرود. در این تحقیق ضمن بهینه سازی شبکههای عصبی به کمک الگوریتم ژنتیک، سهم عملگرهای ژنتیکی و اندازه جمعیت مناسب برای بهینه سازی شبکههای عصبی تعیین میشود.
فهرست مطالب :
فصل اول : تعریف مساله و کلیات
۱-۱ مقدمه
۱-۲ سیستم حمل و نقل هوشمند و ساختار آن
۱-۳ مدیریت سفر و ترافیک
۱-۳-۱ کنترل ترافیک
۱-۳-۲ سیستم اطلاع رسانی به مسافران
۱-۴ تعریف تخمین کوتاه مدت جریان ترافیک
۱-۵ شبکه های عصبی
۱-۶ بهبود ساختار شبکه عصبی به کمک الگوریتم ژنتیک
۱-۷ هدف از تحقیق
۱-۸ تعریف مساله
۱-۹ فرمول بندی مساله
۱-۱۰ پیشینه تحقیق
فصل دوم : کلیات شبکه های عصبی
۲-۱ مقدمه
۲-۲ شبکه عای عصبی مغز انسان
۲-۳ ساختار یک سلول عصبی ساده
۲-۴ تعریف شبکه های عصبی
۲-۵ توانایی ها و کاربرد شبکه های عصبی
۲-۶ ویژگی های کلی شبکه های عصبی
۲-۷ داده ها در شبکه عصبی
۲-۷-۱ جمعیت و نمونه
۲-۷-۲ مجموعه آموزش، مجموعه اعتبار ستجی و مجموعه تست
۲-۸ توانایی شبکه های عصبی
۲-۸-۱ تابع ترکیب کننده
۲-۸-۲ تابع انتقال
۲-۸-۳ تابع هدف
۲-۹ معیار کارایی شبکه
۲-۹-۱ متوسط خطای مطلق
۲-۹-۲ میانگین خطای نسبی بین خروجی های حقیقی و دلخواه
۲-۹-۳ جذر میانگین مربع خطاها
۲-۹-۴ ضریب همبستگی بین خروجی های حقیقی و خروجی هدف
۲-۱۰ آستانه
۲-۱۱ نحوه شمارش لایه ها
۲-۱۲ شرایط تعمیم موفقیت آمیز
۲-۱۳ انواع شبکه های عصبی
فصل سوم : مروری بر مطالعات پیشین
۳-۱ مقدمه
۳-۲ پژوهش یاسدی
۳-۳ پژوهش ایناما
۳-۴ پژوهش هائو دینگ و همکاران
۳-۵ پژوهش باهر عبدالحی و هیمانشو پروال
۳-۶ پژوهش کارلافتیس و همکاران
فصل چهارم : شبکه های چند لایه از جلو تغذیه شونده و روش آموزش پس از انتشار خطا
۴-۱ مقدمه
۴-۲ شبکه های دولایه ای
۴-۲-۱ نگاشت غیر خطی
۴-۳ قاعده کلی دلتا
۴-۴ تصحیح وزن های لایه خروجی
۴-۵ تصحیح وزن های لایه ورودی
۴-۶ شبکه هایی با خروجی خطی
۴-۷ بسط قاعده کلی دلتا برای شبکه های چند لایه MLF
۴-۸ محاسبات بازگشتی دلتا
۴-۹ الگوریتم پس از انتشار خطا به همراه اندازه حرکت
۴-۹-۱ فرمول افزایش اصلاح شده
۴-۹-۲ تاثیر اندازه حرکت
۴-۱۰ مقادیر اولیه وزن ها
۴-۱۱تعداد لایه های پنهان و تعداد سلول های عصبی
۴-۱۲ مساله مینیمم محلی در تعین وزن ها
۴-۱۳ روش های آموزش
۴-۱۳-۱ آموزش پس از انتشار خطا با نرخ یادگیری متغیر
۴-۱۳-۲ آموزش پس از انتشار خطای انعطاف پذیر
۴-۱۳-۳ روش لونبرگ – مارکوارت
۴-۱۳-۴ روش BFGS
۴-۱۳-۵ روش سکانت یک مرحله ای
فصل پنجم : بررسی روش های ابتکاری و نقش آن در حل مسایل حمل و نقل
۵-۱ مقدمه
۵-۲ جستجوی همسایه
۵-۳ گرم و سرد کردن شبیه سازی شده
۵-۴ الگوریتم مورچگان
۵-۵ جستجوی میتنی بر منع
۵-۶ الگوریتم ژنتیک
۵-۷ الگوریتم فرهنگی
۵-۸ استراتژی تکاملی
۵-۹ دلایل انتخاب الگوریتم ژنتیک
۵-۱۰ ساختار الگوریتم ژنتیک
۵-۱۰-۱ کد گذاری جواب ها
۵-۱۰-۲ تابع صلاحیت
۵-۱۰-۳ مکانیزم انتخاب
۵-۱۰-۴ تکثیر
۵-۱۰-۵ ترکیب
۵-۱۰-۶ جهش
۵-۱۰-۷ پارمترهای کنترلی
۵-۱۱ مزایای الگوریتم ژنتیک
۵-۱۲ مراحل الگوریتم ژنتیک
فصل هفتم : کاربرد روش پیشنهادی در مطالعه موردی
۷-۱ مقدمه
۷-۲ مطالعه موردی شماره یک – محور قزوین رشت
۷-۲-۱ ساختار پیشنهادی
۷-۲-۲ مدل پیش بینی جریان ترافیک در ۵ دقیقه آتی
۷-۲-۳ انتخاب روش آموزش مناسب
۷-۲-۴ بررسی انواع توابع انتقال آب
۷-۲-۵ بینه سازی مدل پیش بینی ۵ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۶ مدل پیش بینی ۱۰ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۷ مدل پیش بینی ۱۵ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۸ مدل پیش بینی ۱۵ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۹ مقایسه مدل های پیش بینی جریان ترافیک محور قزوین – رشت
۷-۳ مطالعه موردی شماره دو – بزرگراه BHL
۷-۳-۱ بررسی تاثیر آگاهی از اطلاعات مکانی بر عملکرد مدل
۷-۳-۲ انتخاب اطلاعات مکانی
۷-۳-۳ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۵ دقیقه آتی
۷-۳-۴ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۱۰ دقیقه آتی
۷-۳-۵ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۱۵ دقیقه آتی
۷-۳-۶ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۳۰ دقیقه آتی
۷-۳-۷ مقایسه مدل های پیش بینی جریان ترافیک بزرگراه BHL
۷-۴ ساختار مدل های پیش بینی جریان ترافیک بزرگراه BHL
۷-۴-۱ مدل های پیش بینی باکس – جنکینز محور قزوین – رشت
۷-۴-۲ مدل های پیش بینی باکس – چنکینز بزرگراه BHL
۷-۴-۳ مقایسه روش پیشنهادی تحقیق با روش باکس – جنکینز
فصل هشتم : نتیجه گیری و پیشنهاد هایی برای مطالعات آینده
۸-۱ نتایج تحقیق
۸-۲ نتایج بدست آمده از مطالعه موردی
۸-۳ پیشنهادهایی برای مطالعات آینده
۸-۳-۱ پیش بینی زمان سفر
۸-۳-۲ مطالعه زمان سفر
۸-۳-۳ مطالعه بر روی شبکه های بزرگ
۸-۳-۴ طراحی مدلی با استفاده از فازی و مقایسه آن با شبکه های عصبی
۸-۳-۵ بررسی نحوه واکنش مسافران و رانندگان
منابع
چکیده :
سیستم حمل و نقل هوشمند (ITS)، یکی از راهکارهای حل و تخفیف مشکلات مرتبط با حمل و نقل و ترافیک محسوب میشود، این سیستم از بخشهای مختلف نرمافزاری و سختافزاری تشکیل شده است که مدل تخمین جریان ترافیک در کوتاه مدت یکی از این بخشها میباشد. این مدل با استفاده از اطلاعات وضعیت فعلی ترافیک هر معبر ( حجم ترافیک عبوری از معبر که توسط سنسورها برداشت میشود )، حجم عبوری از معبر در فواصل زمانی کوتاه مدت آتی را پیشبینی میکند. آگاهی از وضعیت پیشبینی شده برای جریان ترافیک در بخشهای مدیریت ترافیک و اطلاع رسانی به مسافران از اهمیت بسیاری برخوردار است و هدف اصلی این تحقیق نیز ارائه مدلهایی برای پیشبینی جریان ترافیک در فواصل زمانی ۵، ۱۰، ۱۵ و ۳۰ دقیقه آینده است.
در این تحقیق روشی دو مرحلهای برای طراحی مدل پیشبینی جریان ترافیک پیشنهاد شده است. در مرحله نخست، با استفاده از روش شبکههای عصبی به عنوان یکی از ارکان هوش محاسباتی، از توانایی پیشبینی پدیدههای مختلف برخوردار است، اما این توانایی تنها زمانی حاصل میشود که اجزای شبکه عصبی به درستی انتخاب شده و شبکه عصبی با استفاده از روش مناسبی آموزش داده شده باشد. طی این تحقیق ضمن بیان نحوه دستیابی به یک شبکه عصبی مناسب، اجزای مناسب برای مدلهای پیشبینی جریان ترافیک شامل توابع انتقال و روش آموزش تعیین میشود.
الگوریتم ژنتیک روشی ابتکاری است که از نحوه تکامل موجودات در طبیعت الهام گرفته شده است و برای حل مسائل بهینه سازی بکار میرود. در این تحقیق ضمن بهینه سازی شبکههای عصبی به کمک الگوریتم ژنتیک، سهم عملگرهای ژنتیکی و اندازه جمعیت مناسب برای بهینه سازی شبکههای عصبی تعیین میشود.
فهرست مطالب :
فصل اول : تعریف مساله و کلیات
۱-۱ مقدمه
۱-۲ سیستم حمل و نقل هوشمند و ساختار آن
۱-۳ مدیریت سفر و ترافیک
۱-۳-۱ کنترل ترافیک
۱-۳-۲ سیستم اطلاع رسانی به مسافران
۱-۴ تعریف تخمین کوتاه مدت جریان ترافیک
۱-۵ شبکه های عصبی
۱-۶ بهبود ساختار شبکه عصبی به کمک الگوریتم ژنتیک
۱-۷ هدف از تحقیق
۱-۸ تعریف مساله
۱-۹ فرمول بندی مساله
۱-۱۰ پیشینه تحقیق
فصل دوم : کلیات شبکه های عصبی
۲-۱ مقدمه
۲-۲ شبکه عای عصبی مغز انسان
۲-۳ ساختار یک سلول عصبی ساده
۲-۴ تعریف شبکه های عصبی
۲-۵ توانایی ها و کاربرد شبکه های عصبی
۲-۶ ویژگی های کلی شبکه های عصبی
۲-۷ داده ها در شبکه عصبی
۲-۷-۱ جمعیت و نمونه
۲-۷-۲ مجموعه آموزش، مجموعه اعتبار ستجی و مجموعه تست
۲-۸ توانایی شبکه های عصبی
۲-۸-۱ تابع ترکیب کننده
۲-۸-۲ تابع انتقال
۲-۸-۳ تابع هدف
۲-۹ معیار کارایی شبکه
۲-۹-۱ متوسط خطای مطلق
۲-۹-۲ میانگین خطای نسبی بین خروجی های حقیقی و دلخواه
۲-۹-۳ جذر میانگین مربع خطاها
۲-۹-۴ ضریب همبستگی بین خروجی های حقیقی و خروجی هدف
۲-۱۰ آستانه
۲-۱۱ نحوه شمارش لایه ها
۲-۱۲ شرایط تعمیم موفقیت آمیز
۲-۱۳ انواع شبکه های عصبی
فصل سوم : مروری بر مطالعات پیشین
۳-۱ مقدمه
۳-۲ پژوهش یاسدی
۳-۳ پژوهش ایناما
۳-۴ پژوهش هائو دینگ و همکاران
۳-۵ پژوهش باهر عبدالحی و هیمانشو پروال
۳-۶ پژوهش کارلافتیس و همکاران
فصل چهارم : شبکه های چند لایه از جلو تغذیه شونده و روش آموزش پس از انتشار خطا
۴-۱ مقدمه
۴-۲ شبکه های دولایه ای
۴-۲-۱ نگاشت غیر خطی
۴-۳ قاعده کلی دلتا
۴-۴ تصحیح وزن های لایه خروجی
۴-۵ تصحیح وزن های لایه ورودی
۴-۶ شبکه هایی با خروجی خطی
۴-۷ بسط قاعده کلی دلتا برای شبکه های چند لایه MLF
۴-۸ محاسبات بازگشتی دلتا
۴-۹ الگوریتم پس از انتشار خطا به همراه اندازه حرکت
۴-۹-۱ فرمول افزایش اصلاح شده
۴-۹-۲ تاثیر اندازه حرکت
۴-۱۰ مقادیر اولیه وزن ها
۴-۱۱تعداد لایه های پنهان و تعداد سلول های عصبی
۴-۱۲ مساله مینیمم محلی در تعین وزن ها
۴-۱۳ روش های آموزش
۴-۱۳-۱ آموزش پس از انتشار خطا با نرخ یادگیری متغیر
۴-۱۳-۲ آموزش پس از انتشار خطای انعطاف پذیر
۴-۱۳-۳ روش لونبرگ – مارکوارت
۴-۱۳-۴ روش BFGS
۴-۱۳-۵ روش سکانت یک مرحله ای
فصل پنجم : بررسی روش های ابتکاری و نقش آن در حل مسایل حمل و نقل
۵-۱ مقدمه
۵-۲ جستجوی همسایه
۵-۳ گرم و سرد کردن شبیه سازی شده
۵-۴ الگوریتم مورچگان
۵-۵ جستجوی میتنی بر منع
۵-۶ الگوریتم ژنتیک
۵-۷ الگوریتم فرهنگی
۵-۸ استراتژی تکاملی
۵-۹ دلایل انتخاب الگوریتم ژنتیک
۵-۱۰ ساختار الگوریتم ژنتیک
۵-۱۰-۱ کد گذاری جواب ها
۵-۱۰-۲ تابع صلاحیت
۵-۱۰-۳ مکانیزم انتخاب
۵-۱۰-۴ تکثیر
۵-۱۰-۵ ترکیب
۵-۱۰-۶ جهش
۵-۱۰-۷ پارمترهای کنترلی
۵-۱۱ مزایای الگوریتم ژنتیک
۵-۱۲ مراحل الگوریتم ژنتیک
فصل هفتم : کاربرد روش پیشنهادی در مطالعه موردی
۷-۱ مقدمه
۷-۲ مطالعه موردی شماره یک – محور قزوین رشت
۷-۲-۱ ساختار پیشنهادی
۷-۲-۲ مدل پیش بینی جریان ترافیک در ۵ دقیقه آتی
۷-۲-۳ انتخاب روش آموزش مناسب
۷-۲-۴ بررسی انواع توابع انتقال آب
۷-۲-۵ بینه سازی مدل پیش بینی ۵ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۶ مدل پیش بینی ۱۰ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۷ مدل پیش بینی ۱۵ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۸ مدل پیش بینی ۱۵ دقیقه آتی محور قزوین – رشت
۷-۲-۹ مقایسه مدل های پیش بینی جریان ترافیک محور قزوین – رشت
۷-۳ مطالعه موردی شماره دو – بزرگراه BHL
۷-۳-۱ بررسی تاثیر آگاهی از اطلاعات مکانی بر عملکرد مدل
۷-۳-۲ انتخاب اطلاعات مکانی
۷-۳-۳ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۵ دقیقه آتی
۷-۳-۴ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۱۰ دقیقه آتی
۷-۳-۵ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۱۵ دقیقه آتی
۷-۳-۶ مدل پیش بینی وضعیت ترافیک بزرگراه BHL در ۳۰ دقیقه آتی
۷-۳-۷ مقایسه مدل های پیش بینی جریان ترافیک بزرگراه BHL
۷-۴ ساختار مدل های پیش بینی جریان ترافیک بزرگراه BHL
۷-۴-۱ مدل های پیش بینی باکس – جنکینز محور قزوین – رشت
۷-۴-۲ مدل های پیش بینی باکس – چنکینز بزرگراه BHL
۷-۴-۳ مقایسه روش پیشنهادی تحقیق با روش باکس – جنکینز
فصل هشتم : نتیجه گیری و پیشنهاد هایی برای مطالعات آینده
۸-۱ نتایج تحقیق
۸-۲ نتایج بدست آمده از مطالعه موردی
۸-۳ پیشنهادهایی برای مطالعات آینده
۸-۳-۱ پیش بینی زمان سفر
۸-۳-۲ مطالعه زمان سفر
۸-۳-۳ مطالعه بر روی شبکه های بزرگ
۸-۳-۴ طراحی مدلی با استفاده از فازی و مقایسه آن با شبکه های عصبی
۸-۳-۵ بررسی نحوه واکنش مسافران و رانندگان
منابع
2-مروری بر تحقیقات انجام شده :
از زمانیکه مدل یک بعدی سیستم شریانی انسان به وسیله EULER در سال 1775 معرفی شد تا به امروز، مدلی که تمام جنبههای همودینامیکی سیستم شریانی انسان را در بربگیرد، توسعه داده نشده است. این امر ناشی از طبیعت غیرخطی جریان خون در شبکهی پیچیده و ویسکوالاستیک عروقی و وجود انشعابات فراوان میباشد. دلیل دیگر این است که خون مادهی پیچیدهای است و سیستم گردش خون توانایی تطبیق و تنظیم خود را با شرایط محیط دارد. این عوامل رویهمرفته مدلسازی جریان خون واقعی را دشوار میسازد.
در طی سه دههی گذشته مطالعات متعددی برای آنالیز جریان خون در شریانهای تکی و انشعابی صورت گرفته است.womersly در سال 1955، Atabek و Lew در1966، Cox در 1968، Rubinow و Keller در 1976، Bauer و Buses در 1975، Schwerdt و Constantinescu در 1976Baue , در 1985، Holestein در سال 1984-1980، Gidden در سال 1983 و Sekhonدر 1985 در این زمینه به تحقیق پرداختهاند.
این چنین مطالعاتی از نظر کاربردهای عملی به دلیل اینکه سیستم شریانی واقعی انسان از تعداد زیادی اتصالات رگها با طولها و مقاطع مختلف تشکیل شده، محدود شده است. بنابراین نمی توان با سیستم گردش خون به عنوان یک رگ تنها برخورد کرد.
مک دونالد در سال 1974 از مدل ویندکسل برای تعیین برونده قلبی با فرض سرعت نامحدود موج پالسی استفاده کرده است. در سال (1965 و 1966) فیلر یک مدل برای رگهای سیستمیک سگ که شامل 41 بلوک 4 مسیره از جنس تیوبهای الاستیکی میباشد، پیشنهاد داده است. مدلی که تیلور در سال 1966 پیشنهاد داد، شامل یک درخت شریانیست که شاخههایش دارای طولی با توزیع رندوم میباشد.
نوردرگراف (در سال 1956 تا 1963) یک مدل شبه الکتریکی از درخت شریانی سیستمیک که شامل 113 RLC می باشد پیشنهاد داده است. وسترهوف و نوردرگراف در سال 1968 مدل الکتریکی مذکور را بهینهسازی نمودند.
(1980) Avolio مدل پیچیدهای را که شامل 128 شاخه بود فرموله کرد. او از مقایسهی الکتریکی برای آنالیز تاثیرات امواج منتشر شده تحت شرایط جریان ضرباندار استفاده کرد که البته در این مدل انعکاس موجها در نظر گرفته نشده بود.
استفاده از روشهای تصویربرداری (MRI و CT-SCAN) برای بازسازی مدل سهبعدی رگ در نوشتجات بسیاری مورد بحث قرار گرفته است. بیشتر تحقیقات درمورد همودینامیک جریانخون محدود به شبکههای ساده یا هندسهی ایدهآل آن است و در بیشتر مطالعات الگوهای جریان خون با استفاده از هندسهی آناتومیکی حقیقی تفسیر میشود. تصویربرداری چندبعدی شامل MRI و CT scan و آنژیوگرافی MR (MRA) برای شبیهسازی هندسهی بخشهای مختلف سیستم شریانی انسان مورد استفاده قرار میگیرد. تاکنون هیچگونه تلاشی برای شبیهسازی سیستم شریانی mesenteric صورت نگرفته است.
در سالهای اخیر مدلهای سهبعدی برای مطالعهی اثرات نیروهای برشی دیوارهی رگ روی گسترش زخمها و تصلب شرائین در شبکههای شریانی ساده توسعه داده شده است. در حالحاضر حل یک الگوریتم محاسباتی جریان سه بعدی روی یک شبکهی پیچیده، امکانپذیر نیست. دلیل این امر فقدان مجموعهی بزرگی از دادههای مورفولوژیکی و فرضیات محدودکننده است.
شامل 49 صفحه فایل word
1-1 جدایش جریان
محدوده مقادیر لزجت در سیالات مختلف بسیار وسیع است. مثلاً لزجت هوا در فشارها و درجه حرارتهای معمول، نسبتاً کوچک است. این مقدار کوچک لزجت در بعضی شرایط، نقش مهمی در توصیف رفتار جریان ایفا میکند. یکی از اثرات مهم لزجت سیالات در تشکیل لایه مرزی[1] است.
جریان سیالی که بر روی یک سطح صاف و ثابت حرکت میکند را در نظر بگیرید. به تجربه ثابت شده است که سیال در تماس با سطح به آن میچسبد (شرط عدم لغزش[2]). این پدیده باعث میشود که حرکت سیال در یک لایه نزدیک به سطح کند شود و ناحیهای به نام لایه مرزی بوجود میآید. در داخل لایه مرزی سرعت سیال از مقدار صفر در سطح به مقدار کامل خود افزایش مییابد، که معادل سرعت جریان در خارج از این لایه است. بعبارت دیگر، در لایه مرزی سرعت افقی در امتداد عمود بر سطح تغییر میکند، که این تغییرات در نزدیکی سطح بسیار شدید است. یک نمونه از توزیع سرعت در لایه مرزی تشکیل شده بر روی سطح یک جسم در شکل 1-1 نشان داده شده است.
لایه مرزی نزدیک یک صفحه تخت در جریان موازی با زاویه صفر نسبت به امتداد جسم، بعلت اینکه فشار استاتیکی در کل میدان جریان ثابت باقی میماند، نسبتاً ساده است. از آنجا که خارج از لایه مرزی سرعت ثابت باقی میماند و همچنین به خاطر اینکه در جریان بدون اصطکاک معادله برنولی معتبر است، فشار نیز ثابت باقی خواهد ماند. بنابراین فشار در امتداد لایه مرزی هم اندازه با فشار در خارج از لایه مرزی، ولی در فواصل مشابه است. بعلاوه در فاصله x مشخص از ابتدای صفحه، فرض میشود که فشار در امتداد ضخامت لایه مرزی ثابت باقی میماند. این اتفاق بطور مشابه برای هر جسمی با شکل دلخواه، زمانی که فشار خارج لایه مرزی در امتداد طول جسم تغییر کند نیز رخ میدهد. بعبارتی میتوان گفت فشار خارجی بر لایه مرزی اثر میگذارد. بنابراین برای حالتی که جریان عبوری از یک صفحه تخت داریم، فشار در سرتاسر لایه مرزی ثابت باقی میماند.
دو اثر بسیار مهم در جریان سیال، اثرات اینرسی و لزجت است. رابطه بین این دو اثر با یکدیگر مشخص کننده نوع جریان است. این رابطه بصورت پارامتر بدون بعد Re یا عدد رینولدز که برابر با اندازه نسبت نیروهای اینرسی به لزجتی است، تعریف میشود. نسبت نیروی اینرسی به نیروی لزجت برای یک المان سیال با بعد سطح، به وسیله رابطه زیر که همان عدد رینولدز است تعریف میشود:
(1-1)
بنابراین وقتی عدد رینولدز بزرگ است، اثرات اینرسی حاکم میشود و زمانی که کوچک است، اثرات لزجت قویتر است. شایان ذکر است که مفهوم عدد رینولدز در رابطه با مرزها که بر جریان اثر میگذارد، یک کمیت موضعی است، بعبارتی 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 بگونهای انتخاب میشود که نمایانگر یک بعد کلی از جسم باشد.
اگر حرکت ذرات سیال موجود در لایه مرزی به اندازه کافی به وسیله نیروهای اصطکاکی کاهش یابد، جدایش[3] جریان بوجود میآید. بعبارتی دیگر میتوان گفت، جدایش جریان بدلیل کاهش زیاد اندازه حرکت یا مومنتوم جریان نزدیک دیوار اتفاق میافتد. میتوان با یک بحث هندسی در خصوص مشتق دوم سرعت u روی دیوار، پدیده جدایی جریان را تجزیه و تحلیل کرد.[1]
معادله بقای مومنتوم در لایه مرزی در امتداد محور x بصورت زیر است:
(1-2) با توجه به شرط مرزی عدم لغزش سیال روی صفحه تخت در، خواهیم داشت،، شرط مرزی در جریانهای آرام و متلاطم را میتوان چنین نوشت:
(1-3)
بطور کلی هر المان سیال تحت تأثیر دو عامل قرار میگیرد، یکی نیروی لزجت که همیشه با حرکت سیال مخالفت میکند و سرعت المان سیال را کاهش میدهد، دیگری نیروی فشاری که بسته به اینکه گرادیان فشار، ، مثبت یا منفی باشد با حرکت المان سیال مخالفت یا به پیشروی آن کمک میکند.
فصل اول: مقدمه 1
1-1 جدایش جریان 1
1-2 نحوه تشکیل و پخش گردابه 7
1-3 کاربرد جریان¬بندها در مهندسی 18
فصل دوم: مروری بر فعالیت¬های تحقیقاتی گذشته 21
2-1 مقدمه 21
2-2 هندسه یک سیلندری در جریان آرام 21
2-3 هندسه یک سیلندری در جریان مغشوش 31
2-4 هندسه چند سیلندری در جریان آرام 39
2-5 هندسه چند سیلندری در جریان مغشوش 48
فصل سوم: بیان مسأله مورد نظر و معادلات حاکم بر آن 59
3-1 طرح مسأله فعلی و جایگاه آن 59
3-2 هندسه مسأله 62
3-3 معادلات حاکم در جریان آرام 63
3-3-1 میدان جریان سیال 63
3-3-2 میدان دما و انتقال حرارت 67
3-4 معادلات حاکم در جریان مغشوش 69
3-4-1 میدان جریان سیال و دما 69
3-5 جمع¬بندی معادلات 72
3-6 روش حل مسأله 74
3-7 شرایط مرزی و نحوه اعمال آنها 87
3-7-1 مقدمه 87
3-7-2 شرط مرزی ورودی 87
3-7-3 شرط مرزی خروجی 89
3-7-4 شرط مرزی دیوار 90
3-7-5 شرط مرزی تقارن 92
فصل چهارم: نتایج جریان آرام 94
4-1 مقدمه 94
4-2 مقایسه نتایج بدست آمده برای هندسه یک سیلندری با نتایج موجود 95
4-3 مطالعه شبکه 99
4-4 مطالعه نسبت انسداد 105
4-5 تحلیل نتایج رژیم جریان آرام 118
4-5-1 تحلیل نتایج جریان سیال برای فاصله بین سیلندری ثابت G=5 118
4-5-2 تحلیل نتایج جریان سیال برای فواصل بین سیلندری مختلف 138
4-5-3 تحلیل نتایج انتقال حرارت و میدان دما 147
فصل پنجم: نتایج جریان مغشوش 161
5-1 مقدمه 161
5-2 تحلیل نتایج بدست آمده برای جریان سیال 162
5-3 تحلیل نتایج میدان دما و انتقال حرارت 178
جمع¬بندی نتایج و ارائه پیشنهادات 183
پیوستها
پیوست الف: متن کامل مقاله ارائه شده در دهمین کنفرانس دینامیک شاره¬ها 1385 186
پیوست ب: متن کامل مقاله پذیرفته شده جهت ارائه در کنفرانسISME2007 197
پیوست ج: استخراج معادلات حاکم بر جریان و نحوه بی¬بعد کردن آنها 203
پیوست د: محاسبه مشتق اول با دقت مرتبه دوم در یک نقطه در شبکه غیر یکنواخت 212
فهرست منابع 215
1-1) تعیین مشخصات حرکتی قطار
همانطور که می دانید، برای تعیین نحوة حرکت قطارها در هر مسیر از راه آهن، از یک جدول زمانبندی (Time Table) استفاده می شود که دارای سه بعد: 1- شمارة قطار، 2- مسافت قطار، 3- زمان
می باشد. از طرفیتعیین جدول زمانبندی یک مسیر نیازمند دانستن دو دسته اطلاعات برای هر قطار است.
دسته اول شامل اطلاعات مربوط به لحظات خارج بودن قطار از مسیر هستند مانند: زمان توقف در هر ایستگاه (Dwell Time) ، زمان تعویض مسیر ( Time Shunting) و ... که با توجه به طراحی اولیه معلوم فرض می شوند.
دسته دوم شامل اطلاعات مربوط به لحظات حرکت قطار در مسیر هستند که از حل معادلات حرکتی قطار بدست می آیند. برای حل این معادلات، باید در هر لحظه نیروهای وارد بر قطار را که شامل نیروی کششی (Tractive Effort) قطار، نیروی مقاوم (Drag Resistance) یا نیروی کند کننده قطار و نیروی ترمزگیری (Braking Effort) یا متوقف کنندة قطار هستند، تعیین شوند. در ادامه به محاسبه این نیروها می پردازیم.
1-1-1) نیروی محرک قطار
به طور کلی نیروی محرک قطار، تابع نوع موتورهای کششی (Traction Motors) موجود در لکوموتیو و سیستم کنترل آنها بوده و مشخصه این نیرو توسط کارخانه سازنده برای هر نوع لکوموتیو بصورت منحنی نیروی کششی بر حسب سرعت قطار تعیین می گردد.
شکل (1-1) منحنی نیروی کششی F بر حسب سرعت V یک لکوموتیو را نشان می دهد. همانطور که می بینید این منحنی شامل دو ناحیه است. در ناحیه اول نیروی محرک زیاد و بطور تقریباً ثابتی از لحاظ راه اندازی تا سرعت پایه (Base Speed) به لکوموتیو اعمال می شود، بنحویکه سرعت قطار با شتابی زیاد و بصورت تقریباً ثابتی افزایش یابد. در ناحیه دوم که قطار دارای سرعتی بیش از سرعت پایه است، نیروی محرک قطار با افزایش سرعت، کاهش می یابد، بنحویکه حاصلضرب آنها که همان توان مکانیکی قطار است تقریباً ثابت بماند. بنابراین چنانچه نوع لکوموتیو معلوم باشد، نیروی محرک در طول مسیر، تابعی از سرعت قطار خواهد بود. بنابراین داریم:
(1-1) F = fF(V)
1-1-2) نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance )
بطور کلی، نیروی مقاوم قطار در طول مسیر حرکت آن ثابت نیست. این نیرو از مولفه هایی که تابع نوع، وضعیت و مشخصات حرکتی قطار هستند، تشکیل می شود. در ادامه به معرفی این مؤلفه ها می پردازیم.
الف) مقاومت مخصوص چرخشی:
(Specific Rolling Resistance)
مقاومت مخصوص چرخشی Rr ، تابع سرعت قطار V بوده و شکل عمومی آن عبارتست از:
(2-1) Rr = C0+C1.v + C2.v2
در این رابطه ضریب C0 ناشی از مقاومت غلتشی بوده و شامل اصطکاک یاتاقانها و مقاومت مسیر نیز می باشد. ضریب C1 ناشی از تکانهای مزاحم واحد جلو برندة قطار است و ضریب C2 نیز ناشی از مقاومت هوا می باشد.
یکی از روابط تجربی متداول برای مدل کردن مقاومت مخصوص چرخشی، رابطه شاتوف (Sauthoffs formula) می باشد که بصورت زیر بیان می شود:
(3-1)
Rr مقاومت مخصوص چرخشی بر حسب [ N/t]
a ضریبی وابسته به نوع یاتاقانها
v سرعت قطار بر حسب [Km/h]
Fe ضریبی وابسته به سطح جلویی واگنها
W جرم قطار بر حسب [t]
nw تعداد واگنها
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
ب) مقاومت مخصوص شیب (Specific Grade Resistance):
مقاومت شیب، مولفه ای، از نیروی جرم قطار است که در جهت عکس قطار و یا در جهت حرکت آن اعمال می شود. بنابراین هنگامیکه شیب مثبت باشد، موجب کندی سرعت قطار شده و در حالیکه شیب منفی است موجب افزایش سرعت آن می شود. بعبارت دیگر، این مقاومت تابع وضعیت قطار بر روی مسیر است.
شکل (2-1) اثر مقاومت شیب بر روی سرعت قطار
مطابق شکل (2-1) می توان نوشت:
(4-1)
Rg مقاومت مخصوص شیب بر حسب [N/Kg]
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
زاویه بین سطح قطار و سطح افق
رابطه (4) معمولاً بصورت زیر بیان می شود:
(5-1)
مقدار s برای نقاط مختلف مسیر بصورت جدول داده می شود.
این مقاومت ناشی از لغزش بین چرخ قطار و ریل در قسمتهای خمیدة مسیر است و در نتیجه، تابع وضعیت قطار بر روی مسیر می باشد. یکی از روابط تجربی متداول برای محاسبه مقاومت مخصوص قوس، رابطه عمومی (Universal Formula) می باشد که بدین صورت بیان می شود:
(6-1)
Ra مقاومت مخصوص قوس بر حسب [N/t]
S فاصلة بین سطوح چرخ های گردانندة محور قطار بر حسب [m]
d مقدار متوسط طول کلیه پایه های نگهدارنده چرخها بر حسب [m]
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
R شعاع قوس بر حسب [m]
ت) مقاومت مخصوص شتاب:
(Specific Acceleration Resistance)
بر اساس قانون دوم نیوتن، این مقاومت ناشی از اینرسی قطار بوده و به شتاب قطار بستگی دارد. در عمل، جرم مؤثر قطار متحرک را کمی بیشتر از جرم واقعی آن در نظر می گیرند و بنابراین می توان نوشت:
(7-1) Rac = 1060.a
Rac مقاومت مخصوص شتاب بر حسب [N/t]
a شتاب قطار بر حسب [m/s2]
ث) مقاومت مخصوص راه اندازی:
(Specific Starting Resistance)
گذر از حالت سکون به حرکت قطار، همراه با مقاومت می باشد. این مقاومت که تنها در لحظه راه اندازی وجود دارد، به نوع یاتاقانهای قطار بستگی دارد. بنابراین می توان نوشت:
(8-1) برای یاتاقانهای چرخنده 15 < Rst < 70
(9-1) برای یاتاقانهای مسطح 120 < Rst < 260
در اینجه Rst بر حسب [N/t] می باشد.
تا اینجا روش محاسبه مولفه های نیروی مقاوم بیان شد. بنابراین، نیروی مقاوم یک قطار در حال حرکت بدین صورت محاسبه می شود:
(10-1) R = W (Rr + Rg + Ra + Rac)
R نیروی مقاوم قطار بر حسب [N]
W وزن قطار بر حسب [t]
Rr و Rg و Ra و Rac مولفه های نیروی مقاوم بر حسب [N/t]
بنابراین چنانچه نوع قطار معلوم باشد. نیروی مقاوم را می توان تابعی از مسافت x، سرعت v و شتاب a قطار در طول مسیر دانست.
پیشگفتار
فصل اول
کشش الکتریکی
تعیین مشخصات حرکتی قطار
نیروی محرک قطار
نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance )
مقاومت مخصوص چرخشی
مقاومت مخصوص شیب (Specific Grade Resistance)
مقاومت مخصوص شتاب
مقاومت مخصوص راه اندازی
نیروی ترمز گیری قطار
محاسبه منحی سرعت بر حسب زمان
ناحیه از لحظه to تا t
ناحیه از لحظه t تا t
ناحیه از لحظه t تا t
ناحیه از لحظه t تا t
ناحیه از لحظه t تا t
تعیین مشخصات موتورهای کششی
مشخصه گشتاور – سرعت موتورهای الکتریکی
عملکرد موازی
نوسانهای ولتاژ
محدودیت وزن وحجم
فصل دوم
موتورهای تراکشن جریان مستقیم
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی DC
موتور جریان مستقیم با تحریک موازی
موتورهای جریان مستقیم با تحریک مجزا
معادلات ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا در حالت موتوری
ناحیه اول موتوری
ناحیه دوم موتوری
شکل (1) منحنی مشخصه های موتور در ناحیه دوم
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک مجزا درحالت ژنراتوری
ناحیه اول ژنراتوری
شکل (2) منحنی مشحصه های ژنراتور در حالت گشتاور ثابت در ناحیه اول
ناحیه دوم ژنراتوری
ج) ناحیه سوم ژنراتوری
شکل (3) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه دوم ژنراتوری
شکل (4) منحنی مشخصه های ماشین در ناحیه سوم ژنراتوری
موتور جریان مستقیم با تحریک سری
معادلات ماشین جریان مستقیم با تحریک سری
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک سری در حالت موتوری
ناحیه اول موتوری
ناحیه دوم موتوری
شکل (5) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه اول موتوری
شکل (6) مقاومت قابل تنظیم برای کنترل ماشین در ناحیه دوم موتوری
شکل (7) منحنی مشخصه های ماشین سری در ناحیه دوم موتوری
کنترل ماشین جریان مستقیم با تحریک سری در حالت ژنراتوری
ناحیه اول ژنراتوری
ناحیه دوم ژنراتوری
ناحیه سوم ژنراتوری
شکل (8) منحنی مشخصه ماشین سری در ناحیه دوم ژنراتوری
شکل (9) منحنی مشخصه ماشین سری در ناحیه دوم ژنراتوری
فصل سوم
مدارهای کنترل سیستم های تراکشنن جریان مستقیم
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل مقاومتی
مدار کامل روش قدیمی کنترل موتور تحریک سری
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل چاپر یک ربعی
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل چاپر دو ربعی
موتور جریان مستقیم تحریک سری با کنترل چاپر ترکیبی
موتور جریان مستقیم موازی با کنترل چاپر چهار ناحیه ای
نتیجه گیری
فصل چهارم
ملاحظات کاربردی در سیستم های تراکشن القایی
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی AC
مقایسه کاربرد موتورهای القایی قفسه سنجابی با انواع دیگرسیستم های کشنده
( Traction )
مقایسه با موتور DC
سرعتهای زیاد
مقاومت و قابلیت بالا و هزینه نگهداری و تعمیرات کم
گشتاور یکنواخت بالا با قابلیت اضافه بار ذاتی
نسبت توان به وزن بالا
قابلیت ترمز احیا کنندة ذاتی
مشخصه گشتاور – سرعت تند (Hteep )
مقایسه با موتور سنکرون
مقایسه با موتور سوئیچ رلوکتانس و سنکرون رلوکتانس
مدار معادل تکفاز و معادلات حاکم بر موتور القایی در حالت دائمی سینوسی
ایجاد گشتاور در موتور القایی سه فاز
مدار معادل تکفاز
شکل(10)مدار معادل تکفاز موتور القایی
شکل (11) دیاگرام فازوری مدار معادل شکل ( ب)
V/f ثابت
شکل(12)مدار معادل تقریبی
شکل(13) منحنی گشتاور سرعت در فرکانس و ولتاژ ثابت
عملکرد ولتاژ متغیر
عملکرد فرکانس متغیر
شکل (14) منحنی گشتاور – سرعت در فرکانس های مختلف
شکل (15) منحنی های گشتاور لغزش در نسبت ثابت ( هرتز/ ولت)
شکل (16) ناحیه های مختلف منحنی گشتاور – سرعت با منبع تغذیه فرکانس متغیر – ولتاژ متغیر
شکل(17)اتباط بین فرکانس ولتاژدرماشین القایی
عملکرد جریان کنترل کننده استاتور
شکل(18) منحنی گشتاور لغزش با جریان های متفاوت استاتور
عملکرد HP ثابت (ConstantHorse Power)
فصل پنجم
طراحی و مقادیر نامی موتور و اینورتر در سیستم های تراکشن القایی
کلیات طراحی موتور و اینورتر در سیستم های تراکشن
شکل (19) مدار قدرت اینورتر PWM
طراحی موتور القایی برای کاربردهای تراکشن
مشخصه های الکترومغناطیسی (Electromagnetic Characteristic)
معیار طراحی موتور
تعداد قطب
نسبت طول رتور به قطر رتور
جدول (1) تأثیر نسبت طول به قطر رتور بر مشخصه های موتور ( P.U.)
تعداد شیار استاتور و رتور
جدول (2) تأثیر تعداد شیارهای استاتور بر مشخصه های موتور (P.U. )
ضخامت فاصله هوایی
جدول (3) تأثیر ضخامت فاصله هوایی بر مشخصه های موتور (P.U. )
چگالی جریان استاتور و رتور
سوئیچینگ تغذیه
جدول (4) مقایسه بین پارامترهای دو موتور طرح معمولی و طرح مخصوص
فاکتورهای احیا کنندگی (Regeneration Factors)
شکل (20) مقایسه احیاء کنندگی دو اینورتر
بررسی نمونه عملی
نیازهای عملکردی
نیازهای ترمزی
شکل (21) دیاگرام شماتیکی سیستم ترمزی
شکل (22) منحنی پیش بینی شده برای نیروهای ترمزی
طراحی الکتریکی
شکل (23) شیارهای استاتور و رتور TAIM
نوسان های گشتاور
فصل ششم
درایوهای تراکشن اینورتری پیشرفته و کنترل آنها
سیر تکامل درایو AC در سیستم های تراکشن
درایوهای تراکشن موتور القایی
چاپر (DC Chopper )DC
درایوهای تراکشن اینورتر منبع جریان تغذیة DC
شکل(24) سیستم اینورتر منبع جریان با تغذیه DC
ترمز احیاء کننده در درایوهای اینورتر منبع جریان
درایوهای تراکشن اینورتر منبع ولتاژ تغذیه DC
اینورتر منبع ولتاژ(VSI)
شکل (25) اینورتر منبع ولتاژ مدار قدرت و شکل موج ها
درایوهای تراکشن اینورتر دوسطحی
درایوهای تراکشن اینورتر سه سطحی
شکل (26) اینورتر منبع ولتاژ سه سطحی NPC مدار قدرت و جدول سوئیچینگ
درایوهای تراکشن VSI تغذیه AC مبدل پالس
سیستم نیرو محرکة توان بالای لوکوموتیو BR
بررسی انواع روش های PWM
PWM موج مربعی(Square – Wave PWM)
عملکرد ثابت PWM موج مربعی
PWM سینوسی (Sinusoidal PWM)
عملکرد ثابت PWM سینوسی
PWMبا کنترل جریان
شکل(27 ) سیستم کنترل کننده جریان PWM در حالت کلی
شکل (1) اینورتر PWM با کنترل جریان
پیوست
مقایسه سیستم های محرک انواع لوکوموتیو و انتخاب سیستم مناسب برای حمل و نقل ریلی
مقدمه
لکوموتیو بخاری
لکوموتیو الکتریکی
لکوموتیوهای دیزل – الکتریک
نتیجه گیری
منابع و مآخذ