الاستفادة من النماذج الوظيفية لدعم مبادرات الاقتصاد العلماني في الهندسة

التحولات القادمة: لماذا يحتاج الهندسة إلى مخطط جديد

الاقتصاد الصناعي يعمل منذ وقت طويل على نموذج التخلص من المخلفات الخام يتم استخراجه وتحويله إلى منتجاته و التخلص منه بعد استخدام واحد

فالنموذج العملي يوفر لغة مرئية صارمة لوصف ما يفعله المنتج، وليس فقط ما هو عليه، ويحول التركيز بعيدا عن المكونات المادية، ويتجه نحو الأغراض الأساسية التي تخدمها هذه المكونات، وهذا الاختلال قوي، ويفتح الباب أمام حلول تقنية مختلفة تماما تستخدم مواد أقل، ويستهلك طاقة أقل، ويمكّن من استعادة موارد قيمة أسهل في نهاية الحياة، حيث تتطور الضغوط التنظيمية وتوقعات العملاء، وتبرز النماذج الوظيفية بوصفها عوامل حاسمة.

فهم النماذج الوظيفية في ديبث

المبادئ الأساسية والأعراف

النموذج الوظيفي هو منهجية هندسية نظمية تقطع منتج أو عملية إلى وظائفها التأسيسية وتدفقات الطاقة والمواد والإشارات بينها، أكثر الأشكال شهرة هو نهج الركيزة الوظيفية الذي طوره الباحثون في جامعة تكساس في أوستن والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، وهذا النهج يوفر نظاما موحدا للاختيارات،

على سبيل المثال، وظيفة صانع القهوة قد تشمل "السائل المخزني" "السائل المقلي" "السائل المغنطيسي والأسس" و "الأراضي المنفصلة عن السائل"

كيف يُناسب عملية التصميم

ويستخدم النموذج الوظيفي عادة أثناء مرحلة التصميم المفاهيمي، إلى جانب أساليب مثل التحليل الفيولوجي وتوليد المفاهيم، ويساعد الأفرقة على استكشاف حلول متعددة لنفس الاحتياجات الوظيفية قبل الالتزام بهيكل محدد، وعندما يتم الأخذ بأهداف الاقتصاد الدائري في وقت مبكر، يتيح النموذج الوظيفي للمهندسين طرح أسئلة حاسمة: هل يمكن إنجاز هذه المهمة بأجزاء أقل؟ وهل يمكن تقسيم وظيفة واحدة إلى أغراض متعددة؟ وهل يمكن تقسيم هذه المهمة بحيث يسهل الوصول إلى عناصر عالية القيمة لإعادة التشغيل؟

' 1` ' ' الاقتصاد الدائري``

ومن المتوقع أن يضاعف الاستهلاك العالمي للمواد بحلول عام 2060، وفقا لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي، وفي الوقت نفسه، يقدر المنتدى الاقتصادي العالمي أن الاقتصاد الدائري يمكن أن يولد 4.5 تريليون دولار في الفوائد الاقتصادية بحلول عام 2030، ويستحيل على قادة الهندسة تجاهل هذه الأعداد، ويجري الآن بالفعل: ويحدد تصميم الاتحاد الأوروبي على تنظيم المنتجات المستدامة متطلبات القابلية للدوام، وإمكانية الإصلاح، وإمكانية إعادة التدوير، وتبرز اليابان سياسات مماثلة في الولايات المتحدة.

وبالنسبة للمنظمات الهندسية، يعني هذا أن التعميم لم يعد مبادرة لاستدامة النشء، بل هو مفرق تنافسي وضرورة امتثال، فالتصميم من أجل التعميم يتطلب فهما عميقا للتدفقات المادية، والتسلسلات المتقطعة، والمسارات النهائية، ويوفر النموذج العملي الإطار التحليلي لجعل هذه الاعتبارات واضحة وقابلة للتنفيذ خلال المراحل الأولى من تطوير المنتجات.

حيث النمذجة الوظيفية وعلمانية

التصميم لأغراض التفكيك

ومن المستحيل تقريبا إعادة تدوير المنتج الذي يصعب تفكيكه اقتصاديا، ويساعد النموذج الوظيفي المهندسين على تحديد المجموعة الدنيا من المهام التي يجب فصلها مادياً لتمكين استعادة العناصر، ومن خلال رسم خرائط هياكل المهام إلى هياكل مادية، يمكن أن تكتشف الأفرقة فرص تخفيض سرعة التسارع، واستخدام أساليب الانضمام القابلة للعكس، وتجميع الوظائف ذات القيمة العالية في وحدات يمكن إزالتها بصورة سليمة.

الكفاءة المادية والوزن الخفيف

كما أن فهم التدفقات الوظيفية للطاقة والمواد يكشف أيضاً عن المكان الذي يمكن فيه تخفيض الكتلة دون التضحية بالأداء، فعلى سبيل المثال، يمكن إعادة تصميم معقوفة هيكلية تؤدي وظيفة " حمولة الدعم " مع تحسين التلويث أو استبدالها بهيكل مضلل يستخدم 40 في المائة من المواد الأقل.

الصناعة التحويلية وتمديد العمر

المنتجات المصممة لإعادة التصنيع يجب أن تسمح ببعض المهام أن تُستعاد أو تستبدل بينما تُحفظ الآخرين وثائق النموذج الوظيفي التي تعمل تحت تأثيرها والتي تتحلل بمرور الوقت والتي تظل مستقرة طوال حياة المنتج هذه المعلومات ضرورية للتخطيط لبروتوكولات إعادة التصنيع ولتصميم منتجات يمكن أن تخضع لدورات حياة متعددة

الفوائد الملموسة: لماذا تستثمر الأفرقة في هذا النهج

حلقات الابتكار المعجلة

من خلال وظيفة التزييف من الشكل، يوسع النموذج الوظيفي بشكل كبير حيز الحل، ولم تعد الأفرقة محصورة بخيارات المكونات القديمة، ويمكنها استكشاف تكنولوجيات جديدة، ومواد بديلة، ونماذج جديدة تماما للأعمال التجارية، مثل المنتجات في الخدمة، حيث يحتفظ المصنع بملكية ومسؤولية دورة حياة المنتج الكاملة، وتشير الأدلة المبكرة من الشركات التي تستخدم النماذج الوظيفية في تطوير المنتجات إلى تخفيض في تصميمات من الناحية المفاهيمية إلى مرحلة إعادة تصميم المشاريع.

خفض تكاليف المواد والنفايات

ويؤدي تحقيق الاستخدام الأمثل لتدفقات المواد من خلال التحليل الوظيفي إلى خفض تكاليف الشراء بصورة مباشرة، إذ أن استبدال مواد واحدة، مثل استبدال جمعية متعددة المواد ببديل أحادي المعالم لا يزال يؤدي المهام المطلوبة، يمكن أن يقلل تكاليف الفرز وإعادة التدوير بعامل يبلغ ثلاثة أو أكثر، وعلى مدى حجم المنتج، فإن الوفورات كبيرة.

الامتثال التنظيمي والوصول إلى الأسواق

وتحتاج ولايات قضائية عديدة الآن إلى جوازات سفر للمنتجات الرقمية توثق المواد والمكونات وخيارات نهاية العمر بالنسبة للمنتجات التي تباع في أسواقها، وتوفر نماذج وظيفية البيانات المنظمة اللازمة لتوليد هذه الجوازات بكفاءة، كما أنها توفر القدرة على التعقب التي تتطلبها العلامات الإيكولوجية ومعايير الشراء الخضراء.

تعزيز التعاون بين الشركات

ويخلق النموذج الوظيفي لغة مشتركة تربط بين الهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية وسلسلة الإمدادات وأفرقة الاستدامة، وعندما ينسق الجميع المهام التي يجب أن يقوم المنتج بتسليمها، تصبح المفاضلات بين التكلفة والأداء والتعميم شفافة وقابلة للتداول.

إطار تنفيذ المشاريع الهندسية

ويتطلب إدماج النماذج الوظيفية في تدفقات العمل الهندسية القائمة نهجا منظما، وتوفر الخطوات التالية خريطة طريق عملية لأفرقة تبدأ رحلتها الاقتصادية الدائرية.

الخطوة 1: تحديد وظائف الأساس والوظيفة الابتدائية في النظام

بدءًا من تحديد المنتج أو النظام قيد التحليل، ما هي وظائفه الرئيسية؟ على سبيل المثال، إنّه يعمل في مجال الحفر الكهربائيّة، "تحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية تناوبية"

الخطوة 2: بناء عملية

:: توزيع كل وظيفة رئيسية على وظائف فرعية - يمكن استخدام مخطط هرمي أو شبكي يبين كيف تتدفق الطاقة والمواد والإشارات بين المهام، ويمكن أن تساعد أدوات البرمجيات المخصصة، مثل نماذج السيرمينز NX الوظيفية أو نموذج نظام أنسيز، على إدارة النماذج المعقدة، ولكن استخدام الورق أو لوحة التزلج على الجليد يعمل جيدا في العمليات الأولية.

الخطوة 3: المهام المأخوذة من الخرائط إلى المفاهيم المادية

بالنسبة لكل وظيفة فرعية، تولد مفاهيم بدنية متعددة يمكن أن تلبيها، هذه هي مرحلة التفكير المتباينة، افتراضات التحدي: هل يمكن إدماج وظيفة "القليل" في وظيفة "النقل السريع" باستخدام التصادم السريع؟ هل يمكن تحقيق وظيفة " سرعة التحكم " من خلال حاكم آلي بدلا من الإلكترونيات؟

الخطوة 4: تحليل مقاييس العلمانية

مؤشرات التعميم التطبيقية لكل مفهوم: تقدم مؤشرات العلمانية للمواد التي وضعتها مؤسسة إلين ماك آرثر ومؤسسة غرانتا للتصميم، درجة كمية تستند إلى تدفقات المواد، ومحتويات المعاد تدويرها، وعمر المنتجات، كما تقيّم الوقت المضطرب، وعدد الصومعات، ووجود مواد خطرة، وتيسر النماذج الوظيفية مقارنة درجات التعميم عبر البنى البديلة.

الخطوة 5: الإرسال والتفعيل الأمثل

(ب) اختيار أكثر مزيجات المفاهيم واعدة وصقل النموذج الوظيفي: استكشاف المبادلات: يمكن أن يستخدم التصميم الذي يزيد إلى أقصى حد من إعادة التدوير مواد أكثر شمولاً، أو تصميم يقلل من الوقت المضطرب، قد يتطلب صومعات أكثر تكلفة، واستخدام النموذج الوظيفي لإبلاغ هذه المبادلات إلى أصحاب المصلحة، وتوجيه قرارات التصميم التفصيلية.

الخطوة 6: إدخال نظم إدارة دورة الحياة

وبعد الانتهاء من وضع تصميم دائري، يصبح النموذج الوظيفي وثيقة حية، وينبغي ربطه بفاتورة المواد المعدة، وسجلات الصيانة والخدمات، وتعليمات نهاية العمر.

دراسات الحالة: حيث تُمارس النظرية

Consumer Electronics: Fairphone

إنّ (فايرفون) مثالٌ واسع النطاق على تصميم التعميم في صناعة الهواتف الذكية، إنّ هيكله النموذجي يسمح للمستعملين باستبدال وحدة التصوير، البطارية، الشاشة، وغيرها من المكونات بأدوات الحد الأدنى، وقد استخدم الفريق الهندسي النموذج الوظيفي في وقت مبكر من عملية التصميم لتحديد المهام التي تتطلب معدات حيازة الممتلكات والتي يمكن توحيدها، ونتيجة لذلك هاتف ذو رقم 10 من أصل 10 على نطاق نظام إيفيزيت وجهاز إنتاجي أطول بكثير من عمر

السيارات: إعادة التصنيع في رينو

مصنع (رينو) للتشاتفورات في فرنسا المحركات الصنعية، والبث، ومكونات أخرى للتحكم، يستخدم المرفق نماذج وظيفية لرسم أنماط الارتداء وطرق الفشل لكل عنصر، وهذه النماذج تسترشد بالقرارات التي يمكن تجديد الأجزاء والتي يجب استبدالها والتي يمكن تحسينها لتحسين الأداء، النتيجة هي نظام تصنيع للسيارات يعمل على أساس أقل بنسبة 30 في المائة من الطاقة و 50 في المائة.

معدات البناء: برنامج ريمان كاتربيلر

وتشغل الكادرات إحدى أكبر شبكات إعادة التصنيع في العالم، وتطبق فرقها الهندسية نماذج وظيفية على المكونات الأساسية مثل المضخات الهيدروليكية، والأسطوانات المتطابقة، ومحركات المحركات، وبفهم المهام المحددة التي يخدمها كل عنصر، تقوم شركة كاتربيلر بتصميم منتجاتها الجديدة لتيسير القبول الأساسي، مما يعني أنه يمكن إعادة الأجزاء المستعملة، وتفتيشها، وتجديد النماذج لضمان حلول وظيفية جديدة.

تجميع: نظم قابلة لإعادة استخدامها في السوقيات

صناعة التغليف هي أحد المساهمين الرئيسيين في النفايات البلاستيكية، وتستخدم شركات مثل محطة التنس وشركة توسكا نماذج وظيفية لتصميم نوافذ قابلة لإعادة الاستخدام، وصناديق، وحاويات لتطبيقات سلسلة الإمداد، وتستوعب النماذج مهام "محتويات الحماية" و"الحزم مع وحدات أخرى" و"موقع المسار" و"مع التنظيف المتكرر" من خلال تحسين هذه الوظائف لتصلبها وتسريعها بنسبة 95 في المائة

الأدوات والتكنولوجيات والطرق التكاملية

ويتطلب تنفيذ النماذج الوظيفية على نطاق واسع وجود هياكل أساسية ملائمة للبرامج والبيانات، ويدعم العديد من البرامج التجارية والمفتوحة المصدر عملية التحلل والتعميم:

• Siemens NX Functional Modeling:] Integrated with CAD and simulation tools, this module allows engineers to create function structures, link them to 3D geometry, and perform trade-off analysis.
• Ansys ModelCenter:] A systems engineering platform that supports function decomposition and parametric optimization for multi-domain systems.
• Granta MI for Sustainable Materials:] Provides material property data and circularity indicators that can be linked to function structures for early-stage material selection.
• OpenModelica:] An open-source environment for modeling and simulation of complex systems, useful for academic and collaborative industrial projects.
• MATLAB/Simulink:] مناسبة بشكل خاص للنموذج الوظيفي لنظم الطاقة والمراقبة، مع مجموعة أدوات لتحقيق الاستخدام الأمثل على مستوى المنظومة.

وقد بدأت التكنولوجيات الناشئة مثل التعلم الآلي وتجهيز اللغات الطبيعية في التشغيل الآلي لقطع النماذج الوظيفية، فعلى سبيل المثال، أظهر الباحثون مقاييس يمكن أن تقطع قواعد البيانات التقنية وقواعد البراءات لتوليد هياكل وظيفية للمرشحين للمنتجات الجديدة، مما يقلل الجهد اليدوي المطلوب ويساعد الأفرقة على اكتشاف حلول تصميم غير واضحة.

مواجهة التحديات: ما هو القابض يعود

وعلى الرغم من وعدها، فإن النموذج الوظيفي لم ينتشر بعد في الممارسة الهندسية، ويجب التغلب على عدة حواجز:

جيم - الثغرات في المهارات والاحتياجات التدريبية

ويتطلب النموذج الوظيفي تحولاً عقلياً من التفكير الموجه نحو العناصر إلى التفكير الموجه نحو العمل، إذ يجد العديد من المهندسين ذوي الخبرة هذا الانتقال غير مريح، إذ يتعين على المنظمات الاستثمار في برامج التدريب وتقديم التوجيه أثناء مرحلة التبني المبكر، ويمكن للمشاريع التجريبية القصيرة المتعلقة بالمنتجات المنخفضة المخاطر أن تبني الثقة وتثبت القيمة.

التكامل مع أدوات ومسارات ليغايسي

ومعظم المنظمات الهندسية لديها استثمارات كبيرة في نظم الإدارة المستدامة للأراضي، وإدارة الجمارك وحماية الحدود، ونظام تخطيط الموارد في المؤسسة، ويجب أن تدمج أدوات النموذج الوظيفي مع هذه النظم لتجنب إنشاء أجهزة لتسجيل البيانات، فالبرمجيات المتوسطة والمخططات التطبيقية التي تربط هياكل المهام بفواتير المواد وقواعد بيانات دورة الحياة لها أهمية حاسمة في توسيع نطاق النهج.

ضبط الوقت والموارد

ويمكن أن يستغرق بناء نموذج وظيفي مفصل لمنتج معقد أياماً أو أسابيع، وقد تقاوم الأفرقة التي تتعرض للضغط من أجل تقديم تصميمات جديدة هذا الاستثمار المباشر بسرعة، والرد على ذلك هو أن النماذج الوظيفية تقلل من دورات إعادة التصميم في أسفل المجرى، ويمكن أن يُحدث هذا الأمر على سبيل المثال، نموذج مستهدف يُستخدم فيه مقاييس واضحة، مثل خفض التغيرات الهندسية في المراحل المتأخرة.

توافر البيانات للمؤشرات العلمانية

ويتطلب التقييم التعميمي الدقيق بيانات عن تكوين المواد، والهياكل الأساسية لإعادة التدوير، وأنماط استخدام المنتجات، وكثيرا ما تكون هذه البيانات غير كاملة أو غير متاحة، ولا سيما بالنسبة للموردين في سلاسل القيمة العالمية، ويمكن للشركات أن تعالج ذلك بالتعاون مع رابطات الصناعة ومنظمات وضع المعايير لبناء قواعد بيانات مشتركة، وبإجبار الموردين على الكشف عن البيانات المادية كشرط للمشتريات.

الاتجاهات المستقبلية: حيث يتجه هذا الميدان

إن تقاطع النموذج الوظيفي والاقتصاد الدائري مجال نشط للبحث والابتكار، وسيشكل تطوره عدة اتجاهات خلال العقد القادم:

التحلل الوظيفي الآلي

وستؤدي أدوات التصميم التي تعمل بالقوى العاملة إلى توليد هياكل وظيفية بصورة تلقائية من مواصفات المنتجات ومن مجموعات بيانات التصميمات القائمة، مما سيقلل إلى حد كبير من الحواجز التي تعترض الدخول ويتيح للأفرقة استكشاف مئات البنى البديلة قبل اختيار مفهوم للتنقيح.

التكامل مع التوائم الرقمية

التوأم الرقمي الذي يمثل حالة المنتج الحالية في الوقت الحقيقي سيتضمن نماذج وظيفية للتنبؤ ببقايا الحياة المفيدة، ولتحديد الوقت الأمثل لإعادة التصنيع، ويصبح النموذج الوظيفي سجلا ديناميا في البناء وليس وثيقة ثابتة كما هو مخطط.

جوازات سفر المواد البلوكشاينية

تركيب نماذج وظيفية مع سلسلة من السلاسل ستخلق سجلات مضادة للاختلاس عن تركيبة المنتج المادية وتاريخ الخدمة هذه الجوازات الرقمية ستسهل المعاملات التعميمية مثل بيع عنصر مستعمل لإعادة التصنيع، عن طريق توفير بيانات متحققة عن حالته وإثباته.

السياسات والتوحيد القياسي

وتتجه الهيئات التنظيمية نحو طلب نماذج وظيفية لفئات معينة من المنتجات، ويتضمن اقتراح المفوضية الأوروبية بشأن جوازات المنتجات الرقمية عناصر تتواءم بشكل وثيق مع التحلل الوظيفي، وتقوم منظمات المعايير مثل المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس وآلية التكيف الهيكلي بوضع مبادئ توجيهية لممارسة النماذج الوظيفية في سياقات التصميم الدائري، مما سيعجل بالتبني عبر الصناعات.

منابر التعاون عبر القطاعات

ومن شأن البرامج المشتركة التي تتيح للشركات المتعددة المساهمة في نماذج وظيفية للنظم الفرعية المشتركة، مثل وحدات بطارية المركبات الكهربائية أو مكونات HVAC، أن تقلل من ازدواجية الجهود وتعزز التعميم على نطاق الصناعة، ويمكن أن تصبح مكتبات المصادر المفتوحة التي تضم هياكل وظيفية مصدق عليها سلعة عامة، مثل مستودعات البرامجيات المفتوحة المصدر اليوم.

نداء للعمل من أجل القادة الهندسيين

فالاقتصاد الدائري ليس مثالياً مجرداً؛ بل هو ضرورة تشغيلية لها آثار هندسية ملموسة؛ فالنموذج الوظيفي يوفر طريقة صارمة وقابلة للتقسيم إلى الحمض النووي لتصميم المنتجات، ويتيح الأفرقة تخفيض الاستهلاك المادي وتوسيع عمر المنتج وإنشاء مجاري جديدة للإيرادات من نماذج التصنيع والخدمات.

وينبغي أن يبدأ القادة الهندسيون بتحديد أسرة منتج واحد أو نظام فرعي تكون فيه أهداف التعميم أكثر إلحاحاً، وبناء فريق صغير متعدد الوظائف، والاستثمار في التدريب المناسب، والالتزام بتجربة تجريبية مدتها ثلاثة أشهر، وقياس النتائج من حيث الوفورات المادية، والحد من الوقت المزعج، وتحسين الأداء التعميمي.

ولن يحدث الانتقال بين عشية وضحاها، ولكن الأدوات والأساليب متاحة بالفعل، فالنموذج الوظيفي هو الحلقة المفقودة بين الطموح الاقتصادي الدائري والواقع الهندسي، والسؤال ليس ما إذا كان ينبغي اعتماده، ولكن مدى سرعة بدء فريقك.

For further reading, explore the Ellen MacArthur Foundation resources on circular design and the ]NIST standards for job representation. The academic literature in ]Journal of Mechanical Design offers peer-reviewed techniques.