کارگاه طراحی آزمایش

بنا شده است خدمت دوستان عزیزم در دانشگاه صنعتی سهند کارگاهی در باب طراحی آزمایش و یکی از نرم‌افزار‌های مطرح آن، نرم‌افزار Design Expert برگزار کنم. عقیده دارم که هر دانشجویی باید در مورد محتوای دوره‌ای که در آن شرکت می‌کند اطلاعات داشته باشد و ببیند که آیا اساساً چنین دوره‌ای برای او کارآمد است یا خیر؟ در این مقاله به این موضوع خواهیم پرداخت که طراحی آزمایش چیست و چرا باید دانشجویان رشته‌های فنی یا علوم پایه آن را بیاموزند. سپس به محتوای دورهٔ مورد اشاره خواهم پرداخت. طرح‌واره‌هایی از طراحی‌آزمایش‌های معروف طراحی آزمایش چیست؟طراحی آزمایش یک روش مطالعاتی در علوم تجربی است که امروزه به خوبی جنبه‌های مختلف آن مورد استفادهٔ محققین قرار می گیرد. در طراحی آزمایش می‌کوشیم با انجام آزمایشاتی از پیش طراحی شده بیشترین اطلاعات ممکن را در مورد یک سامانهٔ واقعی -حتی ناشناخته- به‌ دست بیاوریم. طراحی آزمایش می‌تواند چارچوبی برای مراحل انجام آزمایش، مدلسازی آن و بررسی مدل فراهم آورد. چه خواهیم آموخت؟اگر فقط یک سرفصل کوتاه می خواهید می توانید فایل PDF آن را دانلود کنید. اگر نه به مطالعهٔ این متن ادامه دهید. تا به طور مشروح با سرفصل آشنا شده و ببینیم چه افرادی و با چه رشته‌هایی مخاطب دوره هستند؟جلسهٔ اول:مقدمه‌ای بر آمار و کنترل کیفیتمسألهٔ شناخت سامانه‌هاچیستی و چرایی طراحی آزمایشآشنایی با طرح‌های آزمایش متداول آشنایی با محیط نرم افزاربرای اینکه بتوان روش طراحی آزمایش و ظرافت‌های آن را درک کرد، نیاز به داشتن اندکی دانش آمار است. بنابراین در سرآغاز این درس به طور مختصری به علم آمار و بحث کنترل کیفیت خواهیم پرداخت. سپس به تعریف مسألهٔ شناخت سامانه‌ها ورود می کنیم. طراحی آزمایش را به عنوان راهی برای شناخت سامانه‌ها معرفی خواهیم کرد. در مسیر تعریف طراحی آزمایش به چیستی و چرایی آن خواهیم پرداخت و انواع طرح‌های آزمایش متداول را مرور خواهیم کرد. در پایان اولین جلسهٔ آموزش با محیط نرم‌افزار آشنا خواهیم شد و شاید حتی انجام یک طرح آزمایش فاکتوریل ساده را کلید بزنیم. جلسهٔ دوم:طرح‌های عاملی (فاکتوریل): طرح‌های دو سطحی، طرح‌های چند سطحی کامل، طرح‌های دو عاملی با تفکیک کاهش یافته و طراحی آزمایش غربالی پلاکت-بورمنروند ایجاد، مدل‌سازی و تحلیل طرح‌های عاملی ابزارهای تحلیل نتایج حاصل از طراحی آزمایش تسلط بر پنل‌های موجود در نرم افزاردر جلسهٔ دوم به طراحی‌های نسبتاً کلاسیک اشاره خواهیم کرد. طرح‌های عاملی (فاکتوریل) را مورد کنکاش قرار خواهیم داد و انواع این نوع از طراحی آزمایش، مثل: طرح‌های دو سطحی، طرح‌های چند سطحی کامل، طرح‌های دو عاملی با تفکیک کاهش یافته و طراحی آزمایش غربالی پلاکت-بورمن را مورد مطالعه قرار خواهیم داد. در این جلسه از شرکت کنندگان انتظار می رود، روند ایجاد، مدل‌سازی و تحلیل طرح‌های عاملی که پایهٔ طراحی آزمایشات هستند را بیاموزد و با محیط نرم‌افزار مأنوس شود. جلسهٔ سوم:بنیان‌ها، توانایی‌ها و محدودیت‌های مجموعه روش‌های سطح پاسخ طرح باکس-بنکن و طرح مرکب مرکزی به عنوان روش‌های شناخته شدهطرح های بهینه: خواستگاه و تمایزات طرح‌های غربالی معیندر سومین جلسه به طراحی آزمایش در قالب قرن بیستمی آن نگاه خواهیم کرد. به عبارت بهتر طرح‌هایی که امروزی‌تر هستند و جز در برخی موارد خاص -که اطلاعات در مورد سیستم بسیار ناچیز است- بهتر است از این روش‌ها برای طراحی آزمایش استفاده کرد. در این قسمت به طرح‌های سطح پاسخ از جمله طراحی‌های معروفی مثل طرح مرکب مرکزی و طراحی باکس-بنکن پرداخته می‌شود. در بخش آتی به طرح های بهینه (اپتیمال) می‌پردازیم که گونهٔ بسیار منعطفی از طرح‌ها هستند. طرح‌های غربالی معین آخرین و جدیدترین تحول در طراحی آزمایش هستند که در پایان جلسه به آن‌ها پرداخته خواهد شد. جلسهٔ چهارم:طرح‌های اختلاط و سامانه‌های مخلوط-فرآیندروش‌های طراحی آزمایش کلاسیک مخلوط‌ها طرح‌های مخلوط بهینهآنالیز داده‌های از پیش اندازه گیری شدهارزیابی آموخته‌هاچهارمین جلسه را با اهمیت طرح‌های اختلاط و سامانه‌های مخلوط-فرآیند آغاز خواهیم کرد، انواع روش‌های طراحی مخلوط‌ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد. آخرین قسمت در این زمینه استفاده از داده‌های از پیش‌اندازه گیری شده و نحوه‌ٔ استفاده از آن‌ها برای طی مراحل ساخت مدل است. در پایان این جلسه پرسش و پاسخ از کل مباحث مطرح شده را انجام خواهیم داد. سپس یک برگه حاوی ۲۰ سوال چهار گزینه‌ای در مورد مفاهیم طراحی آزمایش به مخاطب دوره داده می‌شود. کسانی که در این آزمون بتوانند شاخص‌های لازم را کسب کنند، گواهی پایان دوره آشنایی با طراحی آزمایش دریافت خواهند کرد. مخاطبینی که مایلند در مدرک آن‌ها عنوان گواهی پایان دورهٔ کارگاه عملی طراحی آزمایش قید شود، باید علاوه بر قبولی در معیار کتبی در آزمون عملی این دوره شرکت کنند. چه افرادی و با چه رشته‌هایی مخاطب دوره هستند؟اصولاً هر کسی که به نوعی با آزمایش کردن در ارتباط است مخاطب این دوره است. پس مهندسین و پژوهشگران علوم پایه از جمله افرادی هستند که ممکن است این دوره برایشان مفید باشد. با این وجود شاید ذکر مثال‌هایی از کاربرد طراحی آزمایش خالی از لطف نباشد:مهندسین مکانیک: یک مهندس مکانیک جامدات ممکن است بخواهد بداند که پارامتر‌های هندسی طراحی قطعه، جنس آن، دمای آنیل کردن قطعه و شدت بارگذاری چه تأثیری بر خواص مکانیکی آن خواهد داشت. آیا برای بهبود خواص مکانیکی بهتر است مثلا از فلز A و با طراحی خاص شمارهٔ پنج (از مجموعه طراحی‌های هندسی انجام شده) و دمای آنیل کردن ۵۰۰ درجهٔ سلسیوس استفاده کرد؟ آیا در این حالت خواص مختلف مکانیکی همگی با یکدیگر بهینه خواهند شد؟ مهندس مکانیک سیالات نیز می تواند از این روش برای بهینه سازی پارامترهای مبدل حرارتی (ضریب حجمی جریان و رینولدز) که با نانو سیال کار می کند استفاده کند تا مقدار افت فشار در مبدل را کمینه کرده و مقدار انتقال حرارت را بیشنه کند. مهندسین شیمی: مهندسی شیمی پر است از مسائل طراحی غیر خطی و پیچیده که در هر گرایش آن وجود دارند؛ به عنوان مثال به برخی از این مسائل که ممکن است مطرح شوند خواهیم پرداخت. مهندس شیمی فرآیند می‌خواهد بداند تنظیم پارامتر‌های طراحی (مثلاً شدت جریان‌ها، غلظت‌ها و دماها) فرآیند شیمیایی را چگونه تحت تأثیر قرار می‌دهد. در مهندسی شیمی گرایش جداسازی (یا حتی گرایش محیط زیست) نیز پارامتر‌های مختلفی بسته به نوع روش جداسازی مطرح می‌شود. مثلاً در بررسی سامانه‌های جذب سطحی میزان جاذب، غلظت جذب شونده، دمای جذب، نوع جاذب و ... ممکن است مورد نظر باشد، طراحی آزمایش یافتن مقادیر بهینهٔ این متغیر‌ها را تسهیل می‌کند. در گرایش بیوتکنولوژی با رشد و نمو موجود ظریف و حساسی مواجه هستیم که پارامتر‌های بسیاری بر رشد مناسب آن و توزیع محصولات تولیدیش تأثیر می‌گذارند. این تأثیرات باعث ایجاد مسألهٔ بهینه سازی پیچیده‌ای می شوند که طراحی آزمایش روش سهل و ممتعی برای حل آن‌ است. مهندسی شیمی گرایش ترموسینتیک نیز با طراحی کاتالیست‌ها مواجه هستیم که یکی از مواد اولیه گران قیمت و پیشرفته مورد استفاده در صنایع شیمیایی هستند و طراحی آزمایش سال‌هاست به ساخت انواع بهتر کاتالیست کمک می‌کند. مهندسین شیمی صنایع غذایی و دارویی برای ساخت محصولات بهتر نیاز به بهینه‌سازی روش تولید و همچنین فورمولاسیون محصولات خود دارند. طراحی آزمایش برای درک و بهینه‌سازی بسیاری از مسائل واقعی در صنایع شمیایی چارچوبی ارزشمند است. شیمیست‌ها: در علوم پایه کمتر رشته‌ای را می توان یافت که ذات آن چون شیمی با تجربه پیوند خورده باشد. اگر نتوان به طور خاص در زمینهٔ شیمی محض طراحی آزمایش را مطرح کرد در عوض در زمینهٔ شیمی کاربردی و شیمی تجزیه طراحی آزمایش از ابزا‌رهای شناخته شدهٔ محققین شیمی کاربردی و زمینه‌های وابسته است. گوشه‌ای از علم شیمی که با نام کیمومتریکس شناخته می‌شود با طراحی آزمایش و مفاهیم آن ارتباط دارد و طراحی آزمایش می‌تواند به این افراد در زمینهٔ ارتقاء سیستم‌های شیمیایی که از پیچیدگی بالایی برخوردار هستند کمک کند. مهندسین معدن و مهندسین مواد هم در جنبه‌های مختلفی از فرآیند‌های معدنی و متالورژیکی ممکن است به کاربرد فن طراحی آزمایش نیاز پیدا کنند. به عنوان نمونه در مهندسی مواد: ساخت یک آلیاژ مهندسی با خواص فوق العاده،‌ بدست آوردن پارامترهای جوشکاری بهینه برای دو فولاد ناهمجنس، بررسی اثر عوامل مختلف بر خوردگی یک قطعه آلومینیومی، ساخت نانوذرات با ویژگی‌های خاص طراحی شده همگی مستلزم بدست آوردن رابطهٔ یک یا چند ویژگی با چندین پارامتر مؤثر است. در مهندسی معدن هم بخش استخراج و هیدرومتالورژی می تواند از طراحی آزمایش برای بهینه سازی فرآیند‌های مربوطه استفاده کند. تمامی آنچه مورد اشاره قرار گرفت کاربرد‌های نسبتاً روشن و توسعه یافتهٔ طراحی آزمایش را در بر می گیرد. حال آنکه طراحی آزمایش می تواند با توجه به ابتکار عمل استفاده کننده‌ها در زمینه‌های بسیار نامعمول تری به کار برده شود. مهندسی نفت: مهندسی نفت به علت پیچیدگی بالای مسائلی که دارد، بستر مناسبی برای به کار بردن طراحی آزمایش است. هر چند پیامد‌های اقتصادی پژوهش در حوزهٔ نفت، باعث گسترش مطالعات شبیه سازی نسبت به مطالعات میدانی و آزمایشگاهی شده است. با این وجود استفاده از طراحی آزمایش به عنوان ابزاری برای آزمایش با حداکثر کارآمدی مورد علاقهٔ این مهندسین قرار گرفته است. به عنوان نمونه بررسی آزمایشگاهی تاثیر نانو اکسید روی بر پایدارسازی سازندهای شیلی از کارهایی است که با طراحی آزمایش انجام شده، تعیین بهینه پارامترهای ساخت سیال افرونی و بررسی آزمایشگاهی خواص رئولوژیکی و آسیب سازندی آن هم یکی دیگر از مطالعات صورت گرفته با طراحی آزمایش است. مهندسی عمران: مهندسی عمران از اولین زمینه‌هایی است که طرح های اختلاط در آن‌ها به کار برده شدند. ساخت بتن‌های بهتر با تغییر دادن مواد اولیهٔ بتن از کارهایی است که طراحی آزمایش به خوبی از عهدهٔ آن بر می‌آید. آشنایی با مدرسدر علم چیزی داریم به نام حق سخن، یک قانون نانوشتهٔ عجیب که می‌گوید شما باید در مورد چیزی که در موردش می‌خواهید سخن برانید صلاحیت داشته باشید. این صلاحیت به روش‌های گوناگونی بدست می‌آید؛یکی از این روش‌ها تجربه داشتن است. اگر می خواهید مرا بیشتر بشناسید، می‌توانید به فضا‌هایی نظیر: ریسرچگیت، گوگل‌اسکولار، توئیتر و اینستاگرام من مراجعه کنید.