सिस्टम क्या है? सीमा और वातावरण
सिस्टम कई पुर्ज़ों का ऐसा समूह है जो मिलकर एक काम करता है। साइकिल, फ़ोन, पानी का पंप और मेट्रो लाइन, सब सिस्टम हैं।
सिस्टम की सीमा एक काल्पनिक रेखा है जो हमारे अध्ययन वाले पुर्ज़ों को घेरती है। रेखा के भीतर जो है वह सिस्टम है। बाहर जो है वह वातावरण है। जो चीज़ें रेखा पार करती हैं वे इनपुट (अंदर आती हैं) और आउटपुट (बाहर जाती हैं) हैं।
- उत्पाद सिस्टम: जो हम इस्तेमाल करते हैं (पंखा, कार)।
- प्रक्रिया सिस्टम: कुछ बनाने के चरण (बोतल भरने का प्लांट)।
- सेवा सिस्टम: लोगों को दी जाने वाली मदद (बस नेटवर्क)।
पहले सीमा खींचो। सीमा दूसरी जगह खींचोगे तो दूसरा सिस्टम पढ़ोगे।
ज़रूरत से शर्त तक
अच्छी इंजीनियरिंग ज़रूरत से शुरू होती है: उपयोगकर्ता कौन है और उसे क्या चाहिए? यूज़-केस उपयोगकर्ता के इस्तेमाल की एक छोटी कहानी है ("एक बच्चा दरवाज़े के पास आता है")।
ज़रूरत धुँधली होती है। शर्त (requirement) साफ़ और मापने लायक होती है: "दरवाज़ा 2 सेकंड से कम में खुले।" कार्यात्मक विश्लेषण में मुख्य कार्य (दरवाज़ा खोलना) और बाधाएँ (सुरक्षित, सस्ता, कम बिजली) लिखी जाती हैं।
इंजीनियर सिस्टम को डिब्बों और तीरों से बनाते हैं। ब्लॉक आरेख (SysML इसे बनाने का एक मानक तरीका है) में हर डिब्बा एक पुर्ज़ा है और हर तीर बताता है कि पुर्ज़ों के बीच क्या जाता है।
पदार्थ, ऊर्जा और सूचना के प्रवाह
उत्पाद में तीन चीज़ें बहती हैं:
- पदार्थ (पानी, हवा, सामग्री), जैसे kg/s में नापा जाता है।
- ऊर्जा (बिजली, ऊष्मा, गति), प्रवाह के रूप में वाट (W) में।
- सूचना (संकेत, डेटा), जैसे बिट प्रति सेकंड में।
भंडार (stock) जमा की हुई मात्रा है (भरी बैटरी, टंकी)। प्रवाह (flow) प्रति सेकंड चलती मात्रा है। बैटरी भंडार है, उससे मिलने वाली धारा प्रवाह है।
ऊर्जा श्रृंखला के चार काम हैं: ऊर्जा देना (स्रोत), उसे बदलना (बैटरी से मोटर), पहुँचाना (गियर, बेल्ट) और काम करना (दरवाज़ा हिलना)। सूचना श्रृंखला के तीन काम हैं: पाना (सेंसर), प्रक्रिया (नियंत्रक), बताना (आदेश भेजना या नतीजा दिखाना)।
हर चरण कुछ ऊर्जा बर्बाद करता है, ज़्यादातर गर्मी बनकर। दक्षता = उपयोगी शक्ति ÷ इनपुट शक्ति। सैंकी आरेख हर प्रवाह को एक पट्टी से दिखाता है: पट्टी जितनी चौड़ी, प्रवाह उतना बड़ा, और नुकसान किनारे से निकलती पट्टी है। पुर्ज़े एक श्रृंखला में हों तो उनकी दक्षताएँ गुणा करो।
V-चक्र: डिज़ाइन, निर्माण, सत्यापन, मान्यता
V-चक्र किसी परियोजना की तस्वीर है। बायाँ भाग नीचे जाता है: ज़रूरतें, फिर पूरा डिज़ाइन, फिर हर पुर्ज़े का डिज़ाइन। सबसे नीचे पुर्ज़े बनते हैं। दायाँ भाग ऊपर जाता है: हर पुर्ज़े की जाँच, उन्हें जोड़ना (एकीकरण), पूरे उत्पाद की जाँच, और आख़िर में उपयोगकर्ता के साथ आज़माना।
- सत्यापन (verification): "क्या हमने सही बनाया?" नापे गए नतीजों को शर्तों से मिलाओ (अपेक्षित बनाम मापा गया)।
- मान्यता (validation): "क्या हमने सही चीज़ बनाई?" देखो कि वह सच में उपयोगकर्ता की ज़रूरत पूरी करती है।
- अर्हता (qualification): औपचारिक मंज़ूरी कि उत्पाद बेचा जा सकता है।
उत्पाद सत्यापन में पास और मान्यता में फ़ेल हो सकता है: दरवाज़ा 1.6 सेकंड में खुलता है, जैसा माँगा था, पर इतना तेज़ कि छोटे बच्चे डर जाते हैं। तब शर्त ही ग़लत थी।
व्यवहार की योजना के लिए इंजीनियर अवस्थाएँ (दरवाज़ा बंद, खुल रहा, खुला, बंद हो रहा) और घटनाओं का क्रम बनाते हैं। कंप्यूटर सिमुलेशन से बनाने से पहले ही डिज़ाइन आज़माया जा सकता है।
करके देखो
घर का कोई उत्पाद चुनो: टेबल फ़ैन। उसकी सीमा खींचो। एक इनपुट और एक आउटपुट लिखो। ऊर्जा श्रृंखला (सॉकेट, मोटर, पंखुड़ियाँ, हवा) और सूचना श्रृंखला (स्विच या रिमोट, स्पीड नॉब) लिखो। फिर एक मापने लायक शर्त लिखो, जैसे "1 मीटर दूर हवा की गति कम से कम 2 m/s"।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- दक्षता η = उपयोगी आउटपुट ÷ इनपुट × 100%
- खोई शक्ति = इनपुट शक्ति − उपयोगी शक्ति
- ऊर्जा E = शक्ति P × समय t (J = W × s; 1 kWh = 1000 W × 1 घंटा)
- श्रृंखला में पुर्ज़े: कुल η = η1 × η2 × η3
- सूचना दर = प्रति सेकंड संख्या × प्रति संख्या बिट
हल किए गए उदाहरण
1. एक मोटर 200 W बिजली लेती है और 150 W गति देती है। दक्षता और खोई शक्ति निकालो।
η = 150 ÷ 200 × 100 = 75%। खोई शक्ति = 200 − 150 = 50 W (ज़्यादातर गर्मी)।
2. एक ड्राइव में बैटरी (90% दक्ष), मोटर (80%) और गियर बॉक्स (95%) हैं। पूरी श्रृंखला की दक्षता क्या है?
कुल η = 0.90 × 0.80 × 0.95 = 0.684, यानी 68.4%। हर पुर्ज़ा कुछ खोता है, इसलिए पूरी श्रृंखला किसी भी एक पुर्ज़े से कम दक्ष है।
3. एक पंखा 8 घंटे तक 50 W लेता है। यह kWh में कितनी ऊर्जा है?
E = 50 W × 8 h = 400 Wh = 0.4 kWh।
4. दरवाज़े का सेंसर हर सेकंड 10 रीडिंग भेजता है। हर रीडिंग 16 बिट की है। सूचना प्रवाह कितना है?
प्रवाह = 10 × 16 = 160 बिट प्रति सेकंड।
5. शर्त है "2 s से कम में खुले"। जाँच में 1.6 s आया। बच्चे कहते हैं बहुत तेज़ है और डर लगता है। कौन-सी जाँच पास हुई, कौन-सी फ़ेल?
सत्यापन पास: 1.6 s, 2 s से कम है। मान्यता फ़ेल: असली उपयोगकर्ता के लिए यह सुरक्षित और आरामदेह नहीं है। शर्त बदलनी होगी (जैसे 2 s से 3 s)।
6. एक लैंप हर सेकंड 10 J लेता है और 2 J रोशनी देता है। दक्षता निकालो और बताओ बाकी ऊर्जा कहाँ जाती है।
η = 2 ÷ 10 × 100 = 20%। बाकी 8 J हर सेकंड गर्मी बनकर खो जाती है। इसीलिए बल्ब गरम लगता है।
आम गलतियाँ
- सीमा न खींचना। सीमा के बिना पता नहीं चलता कि सिस्टम क्या है और वातावरण क्या।
- सत्यापन और मान्यता को मिला देना। सत्यापन = शर्तों से मेल। मान्यता = असली उपयोगकर्ता की संतुष्टि।
- ऐसी शर्त लिखना जो नापी न जा सके ("तेज़", "मज़बूत")। संख्या और इकाई दो: "2 s से कम में खुले"।
- श्रृंखला में दक्षताएँ जोड़ देना। गुणा करो: 0.9 × 0.8 = 0.72, 1.7 नहीं।