محاكاة بالحاسوب

المحاكاة بالحاسوب أو تشغيل النموذج على الحاسوب، هو برنامج حاسوبي أو شبكة من أجهزة الكمبيوتر، تحاول عمل محاكاة نموذج مجردة من النظام المعين (أي محاكاة نظرية بالحاسوب).
محاكيات الحاسوب أصبحت جزءا أساسيا ومفيدا للنمذجة الرياضية للعديد من الأنظمة الطبيعية في الفيزياء (فيزياء الحسابية)، والفيزياء الفلكية والكيمياء والبيولوجيا، والنظم البشرية في الاقتصاد وعلم النفس والعلوم الاجتماعية والدراسات في عملية هندسة التكنولوجيا الجديدة، تدخل في العديد من الصناعات وتوفر العديد من التجارب التي تحتاج إلى وقت ومال.
المحاكاة الحاسوبية تختلف من برامج الكمبيوتر التي تعمل بضع دقائق لمجموعات على أساس شبكة من أجهزة الكمبيوتر التي تعمل لساعات لمحاكاة الجارية التي تعمل لعدة أيام. حجم الأحداث التي محاكاة عن طريق المحاكاة الحاسوبية قد تجاوز بكثير أي شيء ممكن (أو ربما حتى تخيلها) باستخدام التقليدي الورق والقلم النمذجة الرياضية. منذ أكثر من 10 عاما، محاكاة الصحراوية معركة قوة واحدة غزو تشارك آخر نمذجة 66239 الدبابات والشاحنات والمركبات الأخرى على أرض محاكاة حول الكويت ، وذلك باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة متعددة في وزارة الدفاع برنامج تحديث عالية الأداء الحاسوب  ومن الأمثلة الأخرى نموذج 1 مليار ذرة من تشوه المادي. نموذجا 2.64 مليون ذرة من صانع معقدة من البروتين في جميع الكائنات الحية، وهو الريبوسوم ، في عام 2005؛  محاكاة كاملة من دورة حياة المفطورة التناسلية في 2012؛ و الأزرق الدماغ المشروع إلى EPFL (سويسرا)، التي بدأت في مايو 2005 لخلق جهاز محاكاة الأولى من الدماغ البشري بأكمله، وصولا إلى المستوى الجزيئي.
بسبب التكلفة الحسابية من المحاكاة، و التجارب الكمبيوتر وتستخدم لأداء الاستدلال مثل عدم اليقين الكمي .

محاكاة مقابل نموذج

نموذج الكمبيوتر يشير إلى الخوارزميات والمعادلات المستخدمة لالتقاط سلوك النظام يجري غرار. على النقيض من ذلك، تشير محاكاة الكمبيوتر إلى تشغيل الفعلي للبرنامج الذي يحتوي على هذه المعادلات أو الخوارزميات. المحاكاة، لذلك، يشير إلى نتيجة تشغيل نموذج. وبعبارة أخرى، لن "بناء المحاكاة". هل "بناء نموذج"، ومن ثم إما "تشغيل نموذج" أو "تشغيل المحاكاة".نعم انا احبكم

التاريخ

المحاكاة الحاسوبية وضعت جنبا إلى جنب مع النمو السريع للكمبيوتر، بعد أول نشر على نطاق واسع له خلال مشروع مانهاتن في الحرب العالمية الثانية لنمذجة عملية تفجير نووي. وكانت محاكاة ل12 المجالات الصعبة باستخدام خوارزمية مونتي كارلو. وكثيرا ما يستخدم جهاز محاكاة كمساعد لل، أو بديلا عنها، نظم الحلول التي شكل تحليلي مغلقة بسيطة ليست ممكنة النمذجة. وهناك أنواع عديدة من المحاكاة الحاسوبية. ميزة المشترك بينهما هو محاولة لتوليد عينة من سيناريوهات تمثيلية للنموذج الذي تعداد كامل لجميع الحالات الممكنة للنموذج ستكون باهظة أو المستحيل

التصور

سابقا، تم تقديم بيانات الناتج من المحاكاة الحاسوبية في بعض الأحيان في جدول أو مصفوفة يظهر كيف تأثرت البيانات عن طريق العديد من التغييرات في معلمات المحاكاة. ويرتبط استخدام شكل مصفوفة لالاستخدام التقليدي لمفهوم المصفوفة في النماذج الرياضية . ومع ذلك، لاحظ علماء النفس وغيرهم أن البشر يمكن أن يرى بسرعة الاتجاهات من خلال النظر في الرسوم البيانية أو حتى الصور المتحركة أو الحركة الصور المتولدة من البيانات، كما هو معروض من قبل الحاسوب ولدت-الصور (CGI) الرسوم المتحركة. على الرغم من أن المراقبين لا يمكن قراءة بالضرورة أرقام أو صنبور الصيغ الرياضيات، من مراقبة مخطط الطقس تتحرك لأنها قد تكون قادرة على التنبؤ أحداث (و "رؤية وتوجه أن المطر طريقهم") أسرع بكثير من طريق مسح الجداول من المطر سحابة الإحداثيات . هذه الشاشات الرسومية المكثفة، التي تجاوز عالم الأرقام والصيغ، وأدى في بعض الأحيان أيضا إلى الإخراج الذي يفتقر إلى تنسيق الشبكة أو حذف الطوابع الزمنية، كما لو الشرود بعيدا جدا عن عرض البيانات الرقمية. اليوم، التنبؤ بالطقس نماذج تميل إلى التوازن وجهة نظر تتحرك غيوم المطر / الثلج ضد خريطة يستخدم إحداثيات رقمية والطوابع الزمنية رقمية للأحداث.
وبالمثل، المحاكاة الحاسوبية CGI من الاشعة المقطعية يمكن محاكاة كيف يمكن ل ورم قد يتقلص أو تغيير خلال فترة طويلة من العلاج الطبي، وتقديم مرور الوقت وجهة نظر الغزل من رأس الإنسان وضوحا، كلما تغير الورم.
ويجري تطوير التطبيقات الأخرى من المحاكاة الحاسوبية CGI لعرضه بيانيا كميات كبيرة من البيانات، في الحركة، كما تحدث تغييرات خلال شوط المحاكاة.

بيئات المحاكاة للفيزياء والهندسة

بيئات رسومية تم تطويرها لتصميم المحاكاة. تم إيلاء عناية خاصة للتعامل مع الأحداث (الحالات التي المعادلات المحاكاة ليست صحيحة ويجب أن تتغير). مشروع مفتوح المصدر المفتوح الفيزياء بدأ لتطوير المكتبات التي يمكن إعادة استخدامها لمحاكاة في جاوة ، جنبا إلى جنب مع من السهل جافا المحاكاة ، بيئة رسومية كاملة أن ينشئ رمز بناء على هذه المكتبات.

مطبات

وعلى الرغم من تجاهل أحيانا في المحاكاة الحاسوبية، من المهم جدا إجراء تحليل الحساسية لضمان دقة النتائج ويفهم بشكل صحيح. على سبيل المثال، وتحليل المخاطر المحتملة من العوامل المحددة لنجاح أي برنامج استكشاف حقول النفط ينطوي على الجمع بين عينات من مجموعة متنوعة من التوزيعات الإحصائية باستخدام طريقة مونتي كارلو . إذا، على سبيل المثال، واحدة من المعايير الأساسية (على سبيل المثال، فإن نسبة صافي الطبقات الحاوية للنفط) من المعروف أن الرقم كبير واحد فقط، ثم نتيجة للمحاكاة قد لا تكون أكثر دقة من الرقم واحد كبير، على الرغم من أنه قد ( مضلل) ستعرض وجود أربع شخصيات كبيرة

نموذج تقنيات المعايرة

وينبغي أن تستخدم الخطوات الثلاث التالية لإنتاج نماذج محاكاة دقيقة: المعايرة والتحقق، والتحقق من الصحة. المحاكاة الحاسوبية جيدة في تصوير ومقارنة السيناريوهات النظرية، ولكن من أجل نموذج بدقة دراسات الحالة الفعلية التي يجب أن تتطابق مع ما يحدث في الواقع اليوم. يجب إنشاء نموذج قاعدة ومعايرة بحيث يطابق المنطقة التي تجري دراستها. وينبغي بعد ذلك التحقق من نموذج معايرة لضمان أن النموذج يعمل كما هو متوقع على أساس المدخلات. مرة واحدة وقد تم التحقق من هذا النموذج، والخطوة الأخيرة هي للتحقق من صحة النموذج بمقارنة النتائج إلى البيانات التاريخية من منطقة الدراسة. ويمكن القيام بذلك عن طريق استخدام التقنيات الإحصائية وضمان قيمة-R التربيعية كافية. ما لم يتم توظيف هذه التقنيات، فإن نموذج محاكاة خلق تسفر عن نتائج غير دقيقة وليس أن تكون أداة مفيدة التنبؤ.
ويتحقق معايرة النموذج من خلال تعديل أية معلمات المتاحة من أجل ضبط كيفية عمل النموذج ويحاكي العملية. على سبيل المثال، في محاكاة حركة المرور، وتشمل المعلمات النموذجية المسافة نظرة إلى الأمام، والحساسية التالية السيارة، تقدم التفريغ، وبدء فقدان الوقت. هذه المعايير تؤثر سلوك السائق مثل متى والزمن الذي يستغرقه سائق لتغيير الممرات، كم المسافة يترك السائق بين سيارته والسيارة أمامه، وكيف يبدأ بسرعة سائق لتسريع من خلال التقاطع.ضبط هذه المعلمات لديها تأثير مباشر على كمية من حجم حركة المرور التي يمكن أن تعبر من خلال شبكة الطرق على غرار بجعل السائقين أكثر أو أقل عدوانية. هذه أمثلة من المعلمات المعايرة التي يمكن ضبطها غرامة لتتناسب مع الخصائص التي لوحظت في مجال في الموقع الدراسة. معظم النماذج حركة المرور والقيم الافتراضية النموذجية لكنها قد تحتاج إلى تعديل لتتناسب بشكل أفضل سلوك السائق في موقع معين تجري دراستها.
ويتحقق التحقق من نموذج من خلال الحصول على بيانات الناتج من النموذج ومقارنتها مع ما هو متوقع من إدخال البيانات. على سبيل المثال، في محاكاة حركة المرور، ويمكن التحقق من حجم حركة المرور لضمان إنتاجية حجم الفعلية في نموذج قريبة بشكل معقول لحجم حركة المرور مدخلات النموذج. عشرة في المئة هي عتبة المعتادة المستخدمة في محاكاة حركة المرور لتحديد ما إذا كميات الانتاج قريبة بشكل معقول لحجم المدخلات. نماذج محاكاة التعامل مع مدخلات النموذج بطرق مختلفة حتى حركة المرور التي يدخل الشبكة، على سبيل المثال، قد أو قد لا تصل إلى غايتها المنشودة. بالإضافة إلى ذلك، حركة المرور التي يريد ان يقتحم الشبكة قد لا تكون قادرة على، في حالة وجود ازدحام. هذا هو السبب في التحقق النموذج هو جزء مهم جدا من عملية النمذجة.
والخطوة الأخيرة هي للتحقق من صحة النموذج من خلال مقارنة النتائج مع ما هو متوقع استنادا إلى البيانات التاريخية من منطقة الدراسة. من الناحية المثالية، ينبغي أن نموذج تسفر عن نتائج مماثلة لما حدث تاريخيا. وعادة ما يتم التحقق من ذلك عن طريق يست أكثر من نقلا عن إحصائية-R التربيعية من مناسبة. يقيس هذا الإحصاء جزء من التقلبات التي استأثرت به النموذج. قيمة R-المربعة عالية لا يعني بالضرورة نموذج يناسب البيانات بشكل جيد. أداة أخرى تستخدم للتحقق من صحة النماذج هي تحليل المتبقية رسومية. إذا قيم الانتاج نموذج تختلف بشكل كبير من القيم التاريخية، وربما يعني أن هناك خطأ في النموذج. قبل استخدام هذا النموذج بوصفه قاعدة لإنتاج نماذج إضافية، فمن المهم للتحقق من ذلك لسيناريوهات مختلفة لضمان أن كل واحد دقيقة. إذا كانت النواتج لا تتطابق إلى حد معقول من القيم التاريخية خلال عملية التحقق من الصحة، ينبغي إعادة النظر في نموذج وتحديثها لتحقيق نتائج أكثر انسجاما مع التوقعات. وهي عملية تكرارية التي تساعد على إنتاج نماذج أكثر واقعية.
التحقق من صحة نماذج المحاكاة المرورية يتطلب مقارنة حركة المرور المقدرة بالنموذج أمام حركة المرور لوحظ على أنظمة الطريق والعبور. مقارنات الأولية للتقاطعات رحلة بين الأرباع أو القطاعات أو المناطق الكبيرة الأخرى المثيرة للاهتمام. والخطوة التالية هي لمقارنة حركة المرور التي يقدرها نماذج لتعداد حركة المرور، بما في ذلك الركاب العبور، عبور الحواجز المفتعلة في منطقة الدراسة. هذه هي عادة دعا screenlines، cutlines، وخطوط الطوق ويمكن أن تكون الحواجز المادية وهمية أو الفعلية. خطوط الطوق تحيط مناطق معينة مثل منطقة الأعمال المركزية في المدينة أو مراكز النشاط الرئيسية الأخرى. يتم التحقق من صحة تقديرات عبور الركاب عادة عن طريق مقارنتها رعاية الفعلية عبور خطوط الطوق حول منطقة الأعمال المركزية.
ثلاثة مصادر الخطأ يمكن أن يسبب ضعف ارتباط أثناء المعايرة: خطأ في إدخال البيانات، خطأ النموذج، والخطأ المعلمة. بشكل عام، خطأ في إدخال البيانات والخطأ المعلمة يمكن تعديلها بسهولة من قبل المستخدم. خطأ النموذج لكن سببه المنهجية المستخدمة في النموذج وقد لا يكون سهلا كما لإصلاح. تبنى نماذج المحاكاة عادة باستخدام عدة نظريات النمذجة المختلفة التي يمكن أن تنتج نتائج متضاربة. وأكثر تعميم بعض النماذج حين أن البعض الآخر أكثر تفصيلا. إذا حدث خطأ النموذج بوصفه نتيجة لذلك، قد يكون من الضروري لضبط منهجية نموذج لجعل نتائج أكثر اتساقا.
من أجل إنتاج النماذج الجيدة التي يمكن استخدامها لتحقيق نتائج واقعية، وهذه هي الخطوات الضرورية التي يتعين اتخاذها من أجل ضمان أن محاكاة نماذج تعمل بشكل صحيح. نماذج المحاكاة يمكن استخدامها كأداة للتحقق من النظريات الهندسية، لكنها صالحة فقط إذا معايرتها. وبمجرد الحصول على تقديرات مرضية من المعلمات لجميع الموديلات، يجب فحص النماذج لضمان أن تكون أداء كاف وظائف المقصود. عملية التحقق من صحة تضع مصداقية النموذج من خلال إظهار قدرتها على تكرار أنماط حركة المرور الفعلية. أهمية التحقق من صحة النموذج تؤكد الحاجة إلى تخطيط دقيق والشمول والدقة في برنامج لجمع مدخلات البيانات التي لديه هذا الغرض. وينبغي بذل الجهود لضمان البيانات التي تم جمعها يتسق مع القيم المتوقعة. على سبيل المثال، في تحليل حركة المرور هو الحال بالنسبة للمهندس المرور لأداء زيارة الموقع للتحقق من التهم حركة المرور، وأصبح معتادا أنماط حركة المرور في المنطقة. سوف ينتج عنها من النماذج والتوقعات أن يكون هناك أفضل من البيانات المستخدمة لتقدير النموذج والتحقق من الصحة.

مزيد من القراءة

"إطار تخصيص الموارد لتجربة القائم على التحقق من النماذج العددية"، مجلة ميكانيكا المواد المتقدمة والهياكل (تايلور وفرانسيس).
الشباب، ويوسف وفيندلي، مايكل. 2014. "النمذجة الحسابية لدراسة الصراعات والإرهاب." كتيب من مناهج البحث في الدراسات العسكرية تم بواسطة Soeters، يوسف. الدروع، باتريشيا وRietjens، سيباستيان. ص. 249-260. نيويورك: روتليدج،