مقدمة

ويعد قطاع النقل أحد أكبر المساهمين في انبعاثات غازات الدفيئة العالمية، مما يلقي حاجة ملحة إلى مركبات تقلل من الضرر البيئي، إذ كثيرا ما تكافح أساليب التصميم التقليدية لإدارة هذا التعقيد، سواء كانت السيارات الكهربائية، أو حافلات خلايا الوقود الهيدروجينية، أو مركبات الإيكسيد الخفيف الوزن، حيث تتفاعل جميع أنواع التصميم على نحو كامل مع أساليب التصميم التقليدية، وذلك من أجل إدارة هذه المراحل المعقدة لأنها تميل إلى التركيز على الحلول ذات المستوى الأول دون النظر في كيفية تفاعلها الكامل.

ويوفر النموذج الوظيفي إطارا منظما ومرنا لتمثيل ما يجب أن يحققه النظام، مستقلا عن خيارات تكنولوجية محددة، إذ أنه بفصل " ما " عن " كيف " ، يفتح الباب للابتكار، ويتيح الاتصال المتعدد التخصصات، ويدعم مباشرة إدماج التكنولوجيات المستدامة، وبما أن الضغط العالمي على التنقل الأخضر يكثف، فهم كيف يسهم النموذج الوظيفي في تصميم المركبات الصديقة للبيئة يصبح أمرا أساسيا للمهندسين المعنيين في المستقبل، ومديري المنتجات، وأي شخص آخر.

ما هو النموذج الخيالي؟

والنموذج الوظيفي هو نهج منهجي يستخدم في تصميم الهندسة والمنتجات لتحديد وتحديد وتمثّل الوظائف التي يجب أن يؤديها نظام أو منتج ما، خلافاً للنموذج الجغرافي أو المادي الذي يصف كيفية ترتيب المكونات أو كيفية تحركها، يركز النموذج الوظيفي على الغرض وراء كل عنصر. والفكرة الأساسية هي الإجابة على السؤال: " ماذا يفعل النظام؟ " [FLT:T] بدلاً من [1]:

وقد تم تطوير جذور النماذج الوظيفية للتطورات الهندسية للقيمة وتقنية نظام تحليل الأداء، التي وضعها الجيش الأمريكي في الخمسينات، ثم صقلها مهندسون مثل تشارلز بايتوي، وهي توفر طريقة بيانية لتحديد المهام، وتظهر علاقات سببية وآثار وعلاقات هامة، وطريقة أخرى تستخدم على نطاق واسع هي " شجرة الأداء - الأهداف " ، التي تُكيف في إطارات النظم البديلة.

وفي سياق تصميم المركبات، يساعد النموذج الوظيفي الأفرقة على كسر الهدف العام المتمثل في " توفير النقل المستدام " في وظائف منفصلة وقابلة للاختبار مثل " الطاقة المتجهة " ، و " تحويل المواد الكيميائية إلى طاقة حركية " ، و " التحميل الحراري " ، و " الحرارة المنقطعة " ، و " المساندة " ، و " التواصل مع الهياكل الأساسية " .

المساهمات الأساسية في تصميم النقل الميسر

توضيح المهام الأساسية للاستدامة

وفي تصميم المركبات التقليدية، كثيرا ما تصبح الاستدامة بعد التفكير، وتعالج في وقت متأخر من دورة التنمية، وتدفع النماذج الوظيفية إلى القدرة على الاستمرار في الاحتياجات الأساسية منذ البداية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يتضمن نموذج وظيفي للحافلة الكهربائية " الطاقة المتجددة الرأسية " و " درجة حرارة البطاريات " و " السحب الديناميكي الجوي " ، بوصفها وظائف أولية، ويمكن للمهندسين أن يقي ِّموا عوامل السلامة بين الحجم والبطارية.

تحقيق الاستخدام الأمثل لتدفق الطاقة وكفاءتها

ومن أقوى التطبيقات في مجال النماذج الوظيفية في المركبات الصديقة للبيئة تحليل تدفق الطاقة، ويمكن أن يرسم نموذج وظيفي تحويل ونقل الطاقة من المصدر (الكهرباء، الهيدروجين، الطاقة الشمسية) عن طريق مختلف النظم الفرعية إلى العجلات والمساعدات، مما يتيح للمصممين تحديد الاختناقات أو أوجه القصور - مثل الطاقة الضائعة في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، أو إجراء تحسينات مفرطة في الحمولة الكهربائية، أو الفقرات ذات الأولوية.

تصميم الوزن الخفيف بدون السلامة المُعَوِّلة

ويعد الوزن الخفيف استراتيجية حاسمة لتحسين كفاءة أي مركبة، ولا سيما المركبات الكهربائية التي يهيمن عليها وزن البطاريات، كما أن نماذج العمل تساعد في تصميم الوزن الخفيف بمساعدة المهندسين على تحديد الهياكل الهيكلية البحتة )حمولات الحمل( مقابل تلك التي تخدم وظائف إضافية مثل امتصاص الطاقة المتحطمة، أو صبغ اليقظة، أو الدرع الحراري، ومن خلال فهم المتطلبات المتعددة الوظائف، يمكن للمصممين استخدام مواد متطورة مثل الكربون الخي.

تيسير اختيار المواد وتقييم دورة الحياة

ويتجاوز تصميم المركبات المراعية للبيئة الانبعاثات التشغيلية؛ ويجب أن يُحسب الأثر البيئي للمواد المستخدمة في التصنيع والتخلص من النفايات في نهاية العمر؛ ويُدمج النموذج العملي دون هوادة مع تقييم دورة الحياة عن طريق ربط كل وظيفة بالمواد والعمليات التي تقارنها؛ فعلى سبيل المثال، يمكن أن تُستوفى وظيفة " السطح الداخلي السريع " من خلال عدة مواد: نماذج الخرائط الفوقية، أو الحلول البديلة القائمة على التقلبات.

تقنيات النماذج الوظيفية الرئيسية المطبقة على تصميم المركبات

مقياس نظام تحليل الأداء

فرسومات القوات المسلحة التقليدية في غرب أفريقيا هي من بين الأدوات الأكثر استخداماً في النموذج الوظيفي، وهي تنظم وظائف في هيكل هرمي منطقي " كيف " ، بدءاً من وظيفة أولية وانتهاءً من العمل في وظائف فرعية، وبالنسبة لسيارة كهربائية، يمكن أن تكون الوظيفة الرئيسية " ركاب نقل مستدامين " .

التصويب الوظيفي ورسم الخرائط

ويكسر التحلل الوظيفي نظاما معقدا إلى هيكل هرمي من الوظائف، وكثيرا ما يكون تمثيله في مخططات عامة، وهذه التقنية أساسية في الهندسة النُظمية والعمل يدويا مع النموذج الوظيفي، وفي تصميم المركبات الصديق للبيئة، يستخدم المهندسون التحلل الوظيفي لإدارة التفاعل بين الكتائب الكهربائية، والإدارة الحرارية، ونظم مراقبة المركبات، مثلا، مما يؤدي إلى تداخل المهام مع " تكسير العمل " .

التكامل مع نشر وظائف الجودة

إن نشر وظيفة الجودة هو طريقة منظمة لترجمة احتياجات العملاء إلى خصائص هندسية، وعندما يقترن ذلك بالنمذجة الوظيفية، تساعد إدارة الشؤون المالية على ضمان عدم فقدان سمات الاستدامة - مثل الضوضاء المنخفضة، والنطاق الطويل، والمواد القابلة لإعادة التدوير - أثناء التصميم التفصيلي، ويوفر النموذج الوظيفي لغة مشتركة تجمع بين أفرقة التسويق والتصميم والتصنيع حول أهداف ملائمة للبيئة، مما يحول دون حدوث تغييرات متأخرة التكلفة.

التطبيق العالمي الحقيقي: النموذج الوظيفي في المركبات الكهربائية والمركبات البديلة

حافلات كهربائية: تحقيق الاستدامة في المناطق الحضرية على النحو الأمثل

ByL buses is a textbook example of how operational modeling drives eco-friendly design. Consider a transit agency aiming to replace its diesel with bat-electric buses. The first step is building a functional model that captures essential functions: store electrical energy,

وعلاوة على ذلك، أبرز النموذج الوظيفي أهمية تكرير الطاقة المتجددة كوظيفة فرعية رئيسية من " الطاقة الحركية " ، وذلك بإعطاء الأولوية لهذه المهمة، خصص المهندسون مزيدا من الميزانية وبذل جهود تصميمية لنظم تجديد الكفاءة العالية، مما أدى إلى تحسين استعادة الطاقة بنسبة 15-20 في المائة خلال دورات القيادة الحضرية.

مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية: إدارة النظم المعقدة

وتزيد مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية تعقيداً من المركبات الكهربائية بالبطارية بسبب دمج أكوام خلايا الوقود، وخزانات تخزين الهيدروجين، ومكونات توازن الصنع (الطاقات، والرواسب، والمبادلات الحرارية)، ومنظومات البطاريات الهجينة، والنموذج الوظيفي هو أمر أساسي هنا لأنه يوفر رؤية واحدة عن كيفية إدارة عوامل التثبيت الهيدروجينية والهوية والماء والحرارة.

الوزن الزائد الشخصي: E-Scooters and E-Bikes

ولا يقتصر النموذج الوظيفي على المركبات الكبيرة؛ بل يؤدي دورا أيضا في تصميم ناقلات شخصية صغيرة وسهلة بيئيا مثل أجهزة الاستنشاق الإلكترونية والمركبات الإلكترونية، وهنا، فإن القيود على التصميم هي الوزن والتكاليف والارتباط، وقد يشمل نموذجا وظيفيا للجهاز الإلكتروني مهام مثل " المستخدم المجهز " ، " المزودين بأجهزة إعادة التخزين " ، " المجهزين للوزن غير المباشر " ، وذلك بالتركيز على هذه المحركات الرئيسية.

التصدي للتحديات مع النماذج الوظيفية

ورغم الفوائد الواضحة التي حققها تطبيق النماذج الوظيفية على تصميم المركبات الصديقة للبيئة ليس بدون عقبات، ويتمثل أحد التحديات في التعقيد الحاد للمركبات الحديثة، التي تتضمن مئات المهام التي تعمل في مجالات متعددة (الميكانيكية والكهربائية والبرمجيات والحرارية) ويصبح النموذج الوظيفي المفصل أكثر من اللازم غير مرغوب فيه، ويفتقد النهج العملية - 20 التي توصي بالبدء في وضع نموذج رفيع المستوى يستوعب 10 نماذج.

وثمة تحد آخر هو ضرورة التبادل المتعدد الجوانب، إذ كثيرا ما يُحدِث التصميم الصديق للبيئة الاستدامة مقابل التكلفة، أو النطاق مقابل الوزن، أو القابلية للتصنيع ضد الديناميكية الهوائية، ويوفر النموذج الوظيفي الإطار لجعل هذه المبادلات واضحة، ولكنه يتطلب تعاونا قويا بين مختلف التخصصات، ويجب أن يكون المهندسون على استعداد للطعن في افتراضاتهم الخاصة والنظر إلى النظام ككل.

وعلاوة على ذلك، فإن النموذج الوظيفي نفسه لا يولد حلولاً - بل يحدد فقط ما يلزم عمله، ويجب على الأفرقة أن تطبق الإبداع والهندسة المفصلة لتطوير عمليات التنفيذ المادي، غير أنه بمواءمة الفريق حول هيكل وظيفي مشترك يركز على الاستدامة، فإن جهود النماذج تقلل من إعادة العمل وتعجل الطريق نحو مركبة خضراء صالحة.

مستقبل النماذج الوظيفية في النقل المستدام

ومع اقتراب صناعة النقل من المركبات التي لا تحمل انبعاثات واحدة ومبادئ الاقتصاد الدائري، فإن النموذج الوظيفي يستعد ليصبح أكثر مركزية، وتشمل الاتجاهات الناشئة إدماج الاستخبارات الاصطناعية لتوليد نماذج وظيفية تلقائيا من المتطلبات الرفيعة المستوى، باستخدام تجهيز اللغات الطبيعية أو خوارزميات التصميم السخية، مما يمكن أن يقلل بدرجة كبيرة من الوقت اللازم لاستكشاف البنى البديلة.

وثمة حدود أخرى تتمثل في تطبيق النماذج الوظيفية على المركبات المستقلة والمتصلة، إذ إن وظائف مثل " البيئة المأمونة " و " مسار الخطة " و " الاتصال بالمركبات الأخرى " تفرض مطالب جديدة على الطاقة، والطاقة الحسابية، والتنسيب المشعر، وكلها لها آثار على الاستدامة، ومن خلال وضع نماذج لهذه الوظائف في وقت مبكر، يمكن للمصممين أن يخفضوا الحد الأمثل من الخوار الاصنة أو تبادل البيانات مع الهياكل الأساسية للحد من القيادة غير الضرورية،

وأخيراً، فإن مفهوم التصميم الدائري - حيث تصمم المنتجات لتفككها وإعادة استخدامها وإعادة تدويرها يعتمد اعتماداً كبيراً على النموذج الوظيفي، إذ يمكن للنظم التنظيمية، بتوثيق كل وظيفة والمواد التي تفي بها، أن تخلق " جوازات سفر رقمية " تجعل إعادة التدوير أكثر كفاءة وتسمح بتطبيقات الحياة الثانية على مجموعات البطاريات أو محطات الكهرباء، وبالتالي فإن النموذج الوظيفي لا يدعم تصميم نظم إدارة ملائمة للبيئة وإنما أيضاً للحياة.

خاتمة

فالنموذج الوظيفي أكثر بكثير من مجرد عملية أكاديمية، وهو أداة عملية على مستوى النظم تسهم مباشرة في تصميم مركبات نقل ملائمة للبيئة، وذلك بتوضيح ما يجب القيام به، وتمكين منظمات التبديل المبكر، وتشجيع الابتكار، ومن الحافلات الكهربائية إلى شاحنات الهيدروجين إلى أجهزة الشاشة الإلكترونية ذات الوزن الخفيف، يساعد النموذج الوظيفي المهندسين والمصممين على إعطاء الأولوية للاستدامة دون التضحية بالأداء أو القدرة على تحمل التكاليف.