معرفی سامانه افرا
در هجدهمین نمایشگاه دستاوردهای علمی – پژوهشی
پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله با حضور در هجدهمین دوره از نمایشگاه معرفی دستاوردهای پژوهش، فنّاوری و فنّ بازار، که همزمان با هفته پژوهش و فنّاوری برگزار شد، به معرفی یافته های علمی و پژوهشی خود پرداخت.معرفی «سامانه افرا » یکی از شاخصترین آنهاست که قادر به ثبت جابجایی دینامیکی سازه ها با فرکانس بالا بوده و قابلیت کاربرد در بسیاری از حوزه ها از جمله مهندسی عمران، صنایع هوایی، اتومبیل سازی و … را داراست .
به همین بهانه گفتگویی با آقای دکتر حسین جهانخواه عضو هیات علمی پژوهشکده مهندسی ژئوتکنیک پژوهشگاه و سرپرست تیم تحقیقاتی این سامانه داشتیم که ما حصل آن به شرح زیر است:
جناب آقای دکتر جهانخواه لطفا بفرمایید؛ ایده این اختراع از کجا شکل گرفت؟
ایدۀ این طرح در خلال انجام پروژه پژوهشی با عنوان ”تهیه نرم افزار برداشت تصویری پاسخ استاتیکی و دینامیکی“، در سال ۹۴ در پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله شکل گرفت. پیشنهاد پروژۀ مذکور به عنوان یک طرح فنّاورانه در پژوهشگاه زلزله تصویب و توسط یک تیم سه نفره متشکل از آقای دکتر گودرزی، آقای مهندس کبیری و اینجانب دنبال گردید. در پروژۀ مورد اشاره که با هدف استفاده از برداشت‌های تصویری در ثبت پاسخ دینامیکی سازه‌ها آغاز گردید، این نیاز احساس شد که برای دستیابی به دقت‌های بالا در ثبت حرکت، لازم است که از دوربین‌های پرسرعت استفاده گردد. این در حالیست که دوربین‌های پرسرعت علاوه بر هزینه بالا، داده های حجیم تولید می‌کنند که تحلیل آنها بسیار زمان‌بر خواهد بود. همچنین دوربین‌های پرسرعت که دارای قیمت‌های متوسط هستند، معمولا در سرعت‌های بالای فیلمبرداری با افت چشمگیر در کیفیت تصاویر مواجه می‌باشند. اینجا بود که ایده سامانه افرا شکل گرفت. در حقیقت جستجو برای یافتن راه حلی بود که علاوه بر حذف نیاز به دوربین‌های پرسرعت در برداشت پاسخ دینامیکی، داده‌های با حجم معمولی تولید کرده و به تبع آن سرعت تحلیل داده‌ها را نیز به نحو ملموسی افزایش دهد. خوشبختانه این ایده در تحقیقات اولیه به نتایج مطلوبی منجر شده که نتیجه آن تعریف پروژه فنّاوری دیگری با عنوان ”توسعه برداشت تاریخچه زمانی پاسخ دینامیکی حرکت‌های با فرکانس بالا با پیشنهاد و بکارگیری سامانه افرا“ بوده است.
لطفا در خصوص این سامانه توضیح مختصری بدهید و این که این سامانه در چه حوزه هایی کاربرد دارد ؟
سامانه افرا (افزایش فرکانس رصد آنی) در بخش رونمایی از فنّاوری‌های منتخب وزارت علوم در نمایشگاه هفته پژوهش امسال با حضور وزیر علوم برای نخستین بار معرفی گردید. این سامانه بر مبنای روش نوین برداشت چند موقعیتی بنا شده است و امکان ثبت تاریخچه‌ی جابجایی حرکت اجسام با سرعت بالا را بدون نیاز به دوربین‌های پرسرعت و تنها با استفاده از دوربین‌های عادی فراهم می‌آورد. این سامانه از سه بخش دوربین معمولی، نشانگر نوری افرا و نرم افزار جامع افرا تشکیل شده است. با نصب نشانگر افرا بر روی جسم متحرک و تصویر برداری حرکت آن توسط یک دوربین ساده، می‌توان تاریخچه حرکت جسم مذکور را به نحو مطلوبی برآورد نمود. بدین منظور، نرم افزار جامع افرا تهیه شده است که با برآورد موقعیت‌های مکانی – زمانی جدید جسم و بکارگیری تکنیک‌های پردازش تصویر، به تحلیل فیلم حرکت پرداخته و تاریخچه جابجایی جسم را استخراج می‌نماید. استفاده از این سامانه نسبت به روش‌های موجود مبتنی بر بهره‌گیری از جابجایی سنج‌های مکانیکی و یا بکارگیری دوربین‌های پرسرعت، مزایای فنی و اقتصادی چشمگیری را فراهم می‌آورد.
ماهیت و کارکرد اصلی سامانه چیست ؟
کارکرد این محصول بدین صورت است که نشانگر افرا بر روی جسم هدف نصب شده و در حین حرکت از جابجایی این نشانگر فیلمبرداری می‌گردد. در حقیقت این نشانگر تصاویر را کدگذاری کرده، به گونه‌ای که بتوان نرخ داده‌برداری در واحد زمان را تا چند ده برابر افزایش داد. سپس فیلم ضبط شده توسط نرم افزاری که مختص این سامانه تهیه شده، تحلیل گردیده و موقعیت‌های چندگانه حرکتی از فیلم مذکور استخراج می‌گردد. بدین ترتیب عملا یک دوربین معمولی، با حفظ خصوصیت حجم کم مورد نیاز برای ثبت حرکت نقاط، کاملا عملکرد دوربین پرسرعت را داشته و نیاز به در اختیار داشتن این دوربین‌های گرانقیمت را منتفی می‌کند.
آقای دکتر جهانخواه لطفا بفرمایید؛ این اختراع در مراحل آزمایش و پایلوت است یا به مرحله بهره برداری رسیده؟
این محصول در مراحل اولیه بوده و آزمایشات پایلوت آن در چند مورد به انجام رسیده است. تیم انجام این تحقیق در تلاش است در ماه‌های آتی، این جابجایی سنج در مرحله بهره‌برداری آزمایشگاهی قرار گیرد.
آیا مشابه این کار در کشورهای دیگر انجام شده یا خیر ؟
سابقه ثبت تاریخچه حرکت بر اساس مشاهدات تصویری در جهان به بیش از ۴ دهه می‌رسد.ثبت حرکت هم در حوزه تغییرمکان‌های کم‌سرعت و هم در حوزه تغییر مکان‌های پرسرعت به دفعات به انجام رسیده است. نکته قابل ذکر آن است که برای ثبت تصویری تغییرمکان‌های پرسرعت، نیاز به استفاده از دوربین‌های پرسرعت است. لیکن در استفاده از این دوربین‌ها محدودیت‌های بسیاری وجود دارد. از جمله این محدودیت‌ها می‌توان به هزینه بالای دوربین‌های مذکور اشاره نمود. بطور مثال چنانچه درصدد باشیم فیلمی با کیفیت k۴ و با سرعت فیلمبرداری ۱۰۰۰ فریم برثانیه تهیه کنیم، یکی از دوربین های پرسرعت موجود، مدل ۲۰۱۷ دوربین Phantom Flex4k-GS است که صرفنظر از ملاحظات مربوط به تحریم‌های اقتصادی، هزینه‌‌ی آن در کشور مبدأ، بالغ بر ۱۰۰۰۰۰ دلار است. از دیگر محدودیت‌های این دوربین‌ها حجم بالای دیتای ذخیره‌سازی شده برای هر فِرِیم می باشد. به گونه‌ای که ذخیره سازی و تحلیل این حجم زیاد داده‌های اخذ شده از این دوربین‌ها، زمان تحلیل بسیار بالایی را طلب می‌کند. همچنین مدت زمان فیلمبرداری با استفاده از دوربین مورد اشاره با کیفیت مذکور بسیار محدود است. البته لازم به ذکر است چنانچه بر دقت برداشت جابجایی، حساسیت چندانی وجود نداشته باشد و از فیلم‌هایی با کیفیت پایین‌تر استفاده شود، می‌توان از دوربین‌هایی با هزینه کمتر و نیز حجم ذخیره و زمان تحلیل مورد نیازِ کمتر نیز بهره برد. در این میان، علی‌رغم سابقه طولانی در ثبت تاریخچه حرکت بر اساس مشاهدات تصویری در جهان، تکنیک مشابهی مانند آنچه در سامانه پیشنهادی افرا مورد استفاده قرارگرفته، توسط محققین این طرح در ادبیات فنی یافت نشد. این سامانه ضمن استفاده از دوربین‌های فیلمبرداری معمولی مانند دوربین موبایل، که عموما دارای نرخ داده برداری برابر با ۳۰ فریم برثانیه با کیفیت FHD هستند، معادل یک دوربین پرسرعت تا ۱۰۰۰ فرم بر ثانیه داده تولید کرده که این عدد تا چند برابر نیز قابل افزایش است. به عبارت دیگر ، سامانه افرا عملا نیاز به استفاده از دوربین‌های خاص و پر هزینه را از معادلات برداشت به طور کامل حذف می‌نماید. نکته‌ی مهمتر اینکه، در سامانه افرا ، افزایش نرخ داده برداری به افزایش حجم ذخیره داده‌ها منجر نگردیده و این قابلیت ارزشمند فراهم خواهد شد که زمان تحلیل داده به طور چشمگیری کاهش یابد. چنانچه حتی به جای دوربین معمولی از یک وب‌کم با کیفیت تصویربرداری k ۴ استفاده شود، باز هم هزینه مجموعه دوربین و نشانگر کمتر از ۱۰۰۰ دلار خواهد بود که قابل مقایسه با هزینه استفاده از دوربین پرسرعت فوق الذکر نیست.
آقای دکتر؛ مزایای اصلی سامانه افرا نسبت به گزینه‌های جایگزین چیست؟
هر چند در خلال توضیحات مورد اشاره قرار گرفت، لیکن به صورت مشخص می‌توان گفت مزیت اصلی این سامانه تبدیل یک دوربین معمولی به یک دوربین پر سرعت برای ثبت حرکت دینامیکی نقاط هدف است. اگر اصلی‌ترین مزایای این سامانه نسبت به دوربین‌های پرسرعت مد نظر قرار گیرد، باید اشاره شود که سامانه افرا امکان فیلم‌برداری‌های بسیار طولانی‌تر با حفظ کیفیت، سرعت و حجم ذخیره داده‌ها را فراهم می آورد. علاوه بر آن، سرعت تحلیل داده‌ها در سامانه افرا به مراتب بالاتر از فیلم‌های بدست آمده از دوربین‌های پرسرعت است.
مزایای دیگر این سامانه را می توان در مقایسه با LVDT به عنوان یک ابزار شناخته شده برای ثبت جابجایی برشمرد. این سامانه نیاز به دیتالاگر ندارد و ضمن برداشت غیر تماسی حرکت، امکان ثبت همزمان جابجایی چند نقطه را داراست. همچنین دامنه بیشینه جابجایی قابل ثبت آن امکان تنظیم داشته و علاوه بر امکان ثبت حرکات چرخشی، بر خلاف LVDT (که به صورت تماسی به جسم وصل می گردد) حساسیت منفی به جابجایی همزمان در جهات متعامد ندارد. محدوده فرکانسی قابل پوشش توسط این سامانه نیز نسبت به LVDT ها گسترده‌تر است.
لازم به ذکر است مزایای فوق‌الذکر از لحاظ فنی بوده و از لحاظ هزینه، بخش سخت‌افزاری سامانه افرا هزینه‌ای کمتر از ۱۰ درصد هزینه استفاده از دو گزینه جایگزین فوق را در بر خواهد داشت.
و به عنوان سوال پایانی؛ چه آینده ای را برای پیشرفت کار پیش بینی میکنید؟
با توجه به مولفه‌های عملکردی سامانه پیشنهادی که به آنها اشاره شد، امید است این محصول بتواند در آینده به عنوان جایگزین مناسبی برای LVDT ها، که ثبت کننده‌های تماسی جابجایی هستند، در نظر گرفته شود. همچنین انتظار می‌رود برخی از نیازها به استفاده از دروبین‌های پرسرعت در مهندسی عمران و نیز سایر صنایع، که در آنها ثبت جابجایی‌های استاتیکی – دینامیکی به صورت کم هزینه و طولانی مدت و نیز با دقت زیاد مدنظر باشد، توسط سامانه پیشنهادی مرتفع گردد.
