بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبيه سازي و بهبود يک سيستم کنترل تهويه اتاق عمل
چکيده
در اين پژوهش ، سعي شده است شرط هاي لازم و مناسب براي تعادل هوا و دمـاي اتـاق عمـل ، بـه وسـيله يـک سيستم کنترل کننده خبره فازي ١ و دوربين حرارتي ٢ طراحي شود. شرط هاي پياده سازي و شبيه سازي اين سيسـتم مورد مطالعه قرار گرفته است تا ببينيم مي توان آن را به صورت حقيقي در بيمارستان ها اجرا کـرد يـا نـه . در ايـن روش که يک روش کاملا جديد مي باشد، همه موقعيت هاي اتاق عمل توسط کنترل کننده فازي به همراه تصـوير حرارتي محيط به نحو مناسبي در حالت تعادل قرار گرفته تا سيستم تهويه درست کار کند. بـه همـين منظـور اتـاق عمل با نرم افزار متلب شبيه سازي شده است تا به وسيله سيستم کنتـرل کننـده فـازي فرضـي بتـوان مزايـاي ايـن سيستم کنترلي را نشان داد. پارامترهاي ورودي اين سيستم چند عامـل مهـم تعيـين کننـده در حفـظ تعـادل دمـا و حرارت محيط مي باشند. مسير انتشار اين پارامترها به عنوان پارامتر خروجـي محسـوب شـده اسـت . توسـط ايـن سيستم خبره ، يک عبارت حسابي همراه با تابع عضويت ٣ را براي پارامترهـاي ورودي تعريـف شـد. بعـد از طبقـه بندي سيستم تهويه و اطلاعات مربوط به آن ، با استفاده از مفهوم رابط طراحي شده که بـا نـرم افـزار متلـب شـبيه سازي شده است ، به کامپيوتر منتقل شده و همچنين کل عمليات سيستم در اتاق عمل در طـول مـدت زمـان صـد دقيقه نشان داده شده است . نتايج به دست آمده توسط اين کنترلر نشان داد که از لحاظ اقتصادي و قابليت اعتماد و ساير موارد مزاياي بيشتري نسبت به سيستم فازي تکي پيشين خود دارد.
واژه هاي کليدي: کنترل اتاق عمل ٤، سيستم کنترل فازي ٥، کنترل فازي سازگار٦، سيستم خبره ٧، دوربين حرارتي
مقدمه
منطق فازي مثل منطق انسان که محدوده خاصي ندارد و بر مبناي روشهاي تصميم گيري استوار است ، استفاده مي کند. به همين جهت براي تصميم گيري بهتر، احتياج به کنترل عمل هست که سبب شده از مکانيزم کنترل فازي که بر پايه منطق استوار است ، استفاده کند[١] . سيستم هاي کنترل منطق فازي ٩ احتياج به دانش کامل از مدل ندارند در صورتي که در ديگرکنترلهاي شناخته شده ، دانش لازم است [٢]. استفاده از تستهاي عدم قطعيت سيستم هاي فازي و دانش خبره به صورت کنترلي، در بسياري از زمينه هاي مختلف علمي عموميت پيدا کرده و مورد استفاده قرار مي گيرد[٣].
هدف اصلي اين پژوهش ، استفاده از سيستم کنترلي فازي مبتني بر منطق مي باشد تا بتواند تهويه هواي محل مورد نظر را در شرايط بهينه قرار دهد. معمولا مطالعه و تحقيق در زمينه امور تهويه در مکان هايي مثل استخرهاي ورزشي، گرم خانه ها و گلخانه ها که احتياج به تهويه مناسب تر و کنترل شده تري دارند صورت مي گيرد[٤]. اين سيستم ها عموما سيستم گرمازا، تهويه کننده و تهويه هوا١٠ نام دارند. دليل عمده استفاده از منطق فازي در اين نوع تهويه هوا حفظ انرژي و راحتي انسان است [٥]. سيستم هاي کنترل فازي مخصوصا درکنترل اتاقهاي عملي که پارامترهاي غيرقطعي و پيچيده ، نقش سختي دارد و احتياج به کنترل محتاط و اهميت حياتي دارد، استفاده مي شوند[٦].
طبق پژوهشهاي[١١]: "در طول مدت جراحي، لازم است تا پشتيباني درجه حرارت در سطح مشخصي انجام شود. با کمک اين ، تعداد ذرات در هوايي که باعث سرايت بيماري مي شوند کاهش يابند، و کمک مي کند تا گرماي مناسب فراهم شود تا توابع بيولوژيکي بتوانند به درستي کار کنند. در اتاقهاي عمل ، بعضي استانداردهاي مشخص و کنترلها براي مشاهده اين که در توابع بيولوژيکي موثر هستند يا نه الزامي است و در کاهش خون از دست رفته بيمار، محافظت از عفونت بيماري و کارکنان اتاق عمل موثر است [٧]". طبق يک سري استانداردهايي که توسط [١٠]مطرح شده "در محيط هاي بيمارستاني به خصوص در اتاق عمل - به اضافه در علم بهداشت ، دماي رطوبتي و هواي تازه تعداد ذرات و ميکرو ارگانيسم ها و فشار هوا در محيط تحت سطوح مطلوبي نگه داشته مي شوند[٨],[٩]. گردش هوا در اتاق عمل عمده ترين تعيين کننده براي بيمار و کارکنان اتاق عمل است . طبق استانداردها، سه سيستم مختــلف ؛ منتشر کننده ، Laminar (داراي ورقه نازک) و turbulence (آشفتگي، تلاطم ) به کار مي روند [١٠] ".
مواردي که در تهويه هواي اتاق عمل تاثير دارد؛ آلودگي، صداهاي بسيار بالا، گرما و بادهاي شديد خارج از ساختمان پالايش ، جداسازي و موارد ديگري است که باعث ضرورت استفاده از سيستم تهويه مطبوع مي شود. در پژوهش [١١] مسئله کنترل شرايط بهينه مورد نياز براي سيستم تهويه ، تخليه ، گرما، رطوبت و سطوح ذرات اتاق عمل با تعيين داده هاي گرفته شده همزمان توسط حسگرها آزمايش شد. براي رفع اين مشکل ، سيستم کنترل اتاق عمل در اين که کدام داده از گرما، رطوبت ، ذرات و حسگرهاي اکسيژن بدست آمده توسط سيستم کنترل فازي براي فعاليت خنک نگهداشتن شرايط هوا، انتخاب حرارت ، سرعت دميدن و تعيين ميزان گردش تهويه طراحي شد.
مقاله به صورت زير سازماندهي شده است : تئوري پيش زمينه در بخش ٢ ارائه شده است ؛ ساختار توسعه سيستم و ارزيابي در بخش ٣ آورده شده است در بخش ٤ بررسي و آزمايش روي سيستم و در بخش ٥ نتايج مقاله مطرح شده است .
١. تئوري پيش زمينه
در سيستم هاي پيچيده اي که درک آنها مشکل ميباشد و يا مسائلي که وابسته به استدلال ، تصميم گيري و استنباط بشري هستند، منطق فازي به عنوان ابزاري مؤثر به شمار ميرود. انتخاب يک روش و رويکرد مناسب براي مدل سازي يک سيستم ، کاملاً بستگي به ميزان پيچيدگي آن سيستم دارد و پيچيدگي نيز ارتباط معکوس با ميزان دانش و شناخت ما از آن سيستم دارد. هميشه تلاش انسان بر اين بوده که سيستم را با بيشترين دقت ممکن مدل سازي کند، اما چنانچه شناخت کافي نسبت به آن نداشته باشد، مجبوراست دقت مورد نظر از مدل را با ميزان شناخت خود از سيستم ، منطبق نمايد. در طول ساليان متمادي، منطق دو ارزشي و رياضيات مبتني بر آن ، پايه تمام علوم قرارگرفته و تقريب سياه و سفيد از دنياي خاکستري به عنوان روش مقبول ، مورد استفاده بوده است [١٢]. اين منطق که بيش از دو قرن مبناي علوم و رياضيات بوده ، سعي ميکند براي تمام گزاره ها ارزش درست يا نادرست قائل شود. با پيشرفت سريع علم و دانش منطق دو ارزشي ارسطو در توجيه مسائلي نظير عدم قطعيت موجود در برخي پديده هاي جهان هستي با مشکلاتي روبرو شد.
آنچه که امروزه تئوري فازي ناميده ميشود، به وسيله پرفسور لطفي عسگرزاده ، استاد دانشگاه برکلي آمريکا پايه گذاري شده است . ايشان در اوائل دهه ٦٠ به اين نتيجه رسيد که تئوري کلاسيک بيش از حد بر روي دقت تأکيد داشته ، از اين رو سيستم هاي پيچيده براساس اين تئوري کارايي چنداني ندارند. در يک مجموعه کلاسيک هر عضو مي تواند مقدار تعلقي برابر صفر يا يک داشته باشد، در حالي که در يک مجموعه فازي، تابع تعلق به صورت يک تابع پيوسته در محدوده صفر و يک ميباشد. بنابراين مجموعه فازي A در فضاي جهاني U را ميتوان به صورت زوج هاي مرتبي از x و مقدار تابع تعلق آن مطابق رابطه مقابل نمايش داد:
اشکال مختلفي از توابع عضويت ارائه شده است ، پنج نوع استاندارد آن که استفاده بيشتري دارند عبارتند از: نوع مثلثي، نوع ذوذنق اي، نوع گوسي، نوع Z و S . براي نمونه تابع عضويت مثلثي که سه پارامتر {a, b, c} که نشان دهنده مختصات رئوس تابع عضويت مثلث شکل ميباشند به صورت زير تعريف شده و نمودار آن را نشان ميدهد:
١. معماري و ارزيابي سيستم
در اتاق عمل شبيه سازي شده ، جراحان عمليات خاصي شامل علم بهداشت ، گرما، روشنايي، هوا و ذرات ضروري را بررسي مي کنند تا از نقطه نظر سلامتي بيماران و کارکنان اتاق عمل در حين و قبل و بعد عمليات جراحي مطمئن باشند. يکي از مهمترين شرايط در اين زمينه نگهداري درجه هواي اتاق عمل در سطح تعيين شده ، کاهش ذرات در اتاق براي متعادل کردن سطح نگهداري حرارت مي باشد که در انجام موفقيت آميز و کنترل اتاق تاثير بسزايي دارد.
آلودگي، صداهاي بسيار بالا، گرما و بادهاي شديد خارج از ساختمان پالايش ، جداسازي و تهويه هوايديگر بخشها را براي استفاده کارکنان لازم مي سازند. مسئله هايي از قبيل حرارت دادن ابزار پزشکي که گازهاي بي حس کننده ، گازهاي گندزدا و ديگر بوهاي بد منتشر مي کنند تعادل جريان هوا، فقدان پنجره رو به بيرون ، ايجاد هواي کثيف به علت تنفس کارکنان و انتشار ميکروبها به کل محيط از ساختمان خودش قابل حل است . به دليل شرايط نامناسب بيرون و داخل ذکر شده در بالا، سطوح مشخصي از معيار (حرارت ، رطوبت ، سطوح هواي تازه و ...) در محيط اتاق عمل حفظ مي شود.
در اين پژوهش ، مسئله کنترل شرايط بهينه مورد نياز براي سيستم تهويه ، تخليه ، گرما، رطوبت و سطوح ذرات اتاق عمل با تعيين داده هاي گرفته شده همزمان توسط حسگرها آزمايش مي شود. سيستم کنترل اتاق عمل در اين که کدام داده از گرما، رطوبت ، ذرات و حسگرهاي اکسيژن بدست مي آيد توسط سيستم هيبريد خبره فازي ١١ و دوربين حرارتي براي فعاليت خنک نگهداشتن شرايط هوا، انتخاب حرارت ، سرعت دميدن و تعيين ميزان گردش تهويه طراحي شده است .
نخست سعي خواهيم کرد با استفاده از تصوير گرمايي ١٢ گرفته شده از اتاق عمل با استفاده از دوربين حرارتي که در سقف اتاق قرار گرفته است نقاطي از اتاق را که نياز به هواي تازه بيشتري دارند بيابيم . سپس يکي از چند گروه از موتورهاي اتاق عمل را با استفاده از منطق فازي کنترل کنيم .
مقدار ورودي و خروجي کنترل فازي در سه عبارت حسابي زباني به صورت ضعيف ، نرمال و سطح بالا تعريف مي شوند.
چهار پارامتر به عنوان ورودي انتخاب شدند و عبارات رياضي زباني در جدول ١ آورده شده اند. محدوديتهاي حسگر طبق استانداردهايي به صورت زير مطرح شده است :
مقدار گردش موتور ملخ بين ١٠٠٠تا ٤٠٠٠(دور بر دقيقه ) در پارامترهاي خروجي، است . مقاديرگرمايش و سرمايش در سيستم تهويه هوا بين ١٥ و ٢٨ درجه سلسيوس است . سيستم پارامترها، رطوبت ، اکسيژن و تعداد ذرات هوا و سرعت ملخ وگرمايش و سرمايش تطبيقي با تهويه هوا را ارزيابي مي کند. براي همه استنتاجهاي فازي، مکانيزم استنتاج ممداني استفاده مي کنيم که براي سيستم طراحي سيستم فازي راحت تر و مناسب تر خواهد بود. ويژگيها و هم ارزي زباني فازي متغيرهاي ورودي و خروجي در جدول ١ ،٢ و ٣ داده شده اند. پارامترهاي اتاق عمل براي سيستم خبره فازي ساخته شدند. طبق موارد مذکور در مقالات [١٣]مناسبترين روش فازي کننده مثلثي را انتخاب کرديم .
تابع عضويت پارامترها به صورت مثلثي در نظر گرفته شده اند، فرمولهاي رياضي آنها با يک روش مناسب جمع شده اند.
مجموعه هاي فازي، رطوبت ، اکسيژن ، ذرات ، گردش ملخ و گرمايش و سرمايش ، تابع عضويت به صورت مثالهايي ار درجه حرارت در نظر گرفته شده اند.
براي فراهم آوردن شرايط مناسب براي انجام عمل جراحي در اتاق عمل ،نياز مند تهيه ي يک سيستم استنتاج فازي مي باشيم .
اين سيستم داراي ٤ ورودي و ٢ خروجي مطابق جدول ٢ و٣ مي باشد. نماي کلي فازي شده اين سيستم در شکل ٢ آورده شده است .
براي مقدار درجه (A) عبارت زباني و تابع عضويت فازي به صورت زير هستند
بنابرين ، مجموعه فازي برا درجه حرارت را به صورت زير بدست آورديم :
