شبیه‌سازی با استفاده از آمار و احتمال

شبیه‌سازی

شبیه‌سازی در بسیاری از متون شامل مدل سازی سیستم‌های طبیعی و سیستم‌های انسانی استفاده می‌شود. برای به دست آوردن بینش به کارکرد این سیستم ها و همچنین در تکنولوژی و مهندسی ایمنی که هدف، آزمون بعضی سناریوهای عملی در دنیای واقعی است از شبیه‌سازی استفاده می‌شود. در شبیه‌سازی با استفاده از یک شبیه ساز یا وسیله دیگری در یک موقعیت ساختگی می‌توان اثرات واقعی بعضی شرایط احتمالی را بازسازی کرد.

▪  شبیه‌سازی فیزیکی و متقابل

ـ  شبیه‌سازی فیزیکی ، به شبیه‌سازی اطلاق می‌شود که در آن اشیای فیزیکی به جای شی حقیقی جایگزین می‌شوند و این اجسام فیزیکی اغلب به این خاطر استفاده می‌شوند که کوچکتر یا ارزان تر از شی یا سیستم واقعی هستند.
ـ   شبیه‌سازی متقابل که شکل خاصی از شبیه‌سازی فیزیکی است و غالباً به انسان در شبیه سازی‌های حلقه‌ای اطلاق می‌شود یعنی شبیه سازی‌های فیزیکی که شامل انسان می‌شوند مثل مدل استفاده شده در شبیه ساز پرواز.

▪ شبیه‌سازی در آموزش

شبیه‌سازی اغلب در آموزش پرسنل شهری و نظامی استفاده می‌شود و معمولاً هنگامی رخ می‌دهد که استفاده از تجهیزات در دنیای واقعی از لحاظ هزینه کمرشکن یا بسیار خطرناک است تا بتوان به کارآموزان اجازه استفاده از آن‌ها را داد .
در چنین موقعیت‌هایی کارآموزان وقت خود را با آموزش دروس ارزشمند در یک محیط مجازی « ایمن » می گذرانند. غالباً این اطمینان وجود دارد تا اجازه خطا را به کارآموزان در طی آموزش داد تا ارزیابی سیستم ایمنی- بحران صورت گیرد.
شبیه سازی‌های آموزشی به‌طور خاص در یکی از چهار گروه زیر قرار می‌گیرند :
ـ  شبیه‌سازی زنده ( جایی که افراد حقیقی از تجهیزات شبیه‌سازی شده ( یا آدمک ) در دنیای واقعی استفاده می‌کنند. )
ـ  شبیه‌سازی مجازی ( جایی که افراد حقیقی از تجهیزات شبیه‌سازی شده در دنیای شبیه‌سازی شده ( یا محیط مجازی ) استفاده می‌کنند. )  یا 
ـ  شبیه‌سازی ساختاری ( جایی که افراد شبیه‌سازی شده از تجهیزات شبیه‌سازی شده در یک محیط شبیه‌سازی شده‌استفاده می‌کنند. ) شبیه‌سازی ساختاری اغلب به عنوان بازی جنگی نامیده می‌شود  زیرا که شباهتهایی با بازی‌های جنگی رومیزی دارد که در آن‌ها بازیکنان،  ارتش سربازان و تجهیزات را اطراف یک میز هدایت می‌کنند .
ـ  شبیه‌سازی ایفای نقش ( جایی که افراد حقیقی نقش یک شخصیت با کاری مجازی را بازی می‌کنند. )

▪ شبیه سازهای پزشکی

شبیه سازهای پزشکی به‌طور فزاینده‌ای در حال توسعه و کاربرد هستند تا روش‌های درمانی و تشخیص و همچنین اصول پزشکی و تصمیم گیری به پرسنل بهداشتی آموزش داده شو د. طیف شبیه سازها برای آموزش روش‌ها از پایه مثل خونگیری تا جراحی لاپاراسکوپی و مراقبت از بیمار دچار ضربه، وسیع و گسترده است. بسیاری از شبیه سازهای پزشکی دارای یک کامپیوتر می‌باشند که به یک ماکت پلاستیکی با آناتومی مشابه واقعی متصل است. در سایر آنها، ترسیم‌های کامپیوتری، تمام اجزای قابل رؤیت را به دست می‌دهد و با دستکاری در دستگاه می‌توان جنبه‌های شبیه‌سازی شده کار ر ا تولید کرد. بعضی از این دستگاه‌ها دارای       شبیه سازهای گرافیکی کامپیوتری برای تصویر برداری هستند مثل اشعه ایکس یا سایر تصاویر پزشکی. بعضی از شبیه سازهای بیمار، دارای یک مانکن انسان نما هستند که به داروهای تزریق شده واکنش می‌دهد و می‌توان آن را برای خلق صحنه‌های مشابه اورژانس‌های خطرناک برنامه‌ریزی کرد.
بعضی از شبیه سازهای پزشکی از طریق شبکه اینترنت قابل گسترش می‌باشند و با استفاده از جستجوگرهای استاندارد شبکه به تغییرات جواب می دهند. در حال حاضر، شبیه سازی‌ها به موارد غربال گری پایه محدود شده‌اند به نحوی که استفاده کنندگان از طریق وسایل امتیازدهی استاندارد با شبیه‌سازی در ارتباط هستند.

▪ شبیه سازهای پرواز

یک شبیه ساز پرواز برای آموزش خلبانان روی زمین مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این شبیه سازی، به خلبان اجازه داده می‌شود تا به هواپیمای شبیه‌سازی شده اش آسیب برساند بدون آن که خود دچار آسیب شود. شبیه سازهای پرواز اغلب برای آموزش خلبانان استفاه می‌شوند تا هواپیما را در موقعیت‌های بسیار خطرناک مثل زمین نشستن بدون داشتن موتور یا نقص کامل الکتریکی یا هیدرولیکی هدایت کنند. پیشرفته‌ترین شبیه سازها دارای سیستم بصری با کیفیت بالا و سیستم حرکت هیدرولیک هستند. کار با شبیه ساز به‌طور معمول نسبت به هواپیمای واقعی ارزان تر است.

▪ شبیه‌سازی و بازی‌ها

بسیاری از بازی‌های ویدئویی نیز شبیه ساز هستند که به‌طور ارزان تر آماده‌سازی شده‌اند. بعضی اوقات از این‌ها به عنوان بازی‌های شبیه‌سازی ( sim ) نامبرده می‌شود. چنین بازیهایی جنبه‌های گوناگون واقعی را شبیه‌سازی می‌کنند از اقتصاد گرفته تا وسایل هوانوردی مثل شبیه سازهای پرواز.

▪ شبیه‌سازی مهندسی

شبیه‌سازی یک مشخصه مهم در سیستم‌های مهندسی است. به عنوان مثال در مهندسی برق، از خطوط تأخیری استفاده می‌شود تا تأخیر تشدید شده و شیفت فاز ناشی از خط انتقال واقعی را شبیه‌سازی کنند. مشابهاً، از بارهای ظاهری می‌توان برای شبیه‌سازی مقاومت بدون شبیه‌سازی تشدید استفاده کرد و از این حالت در مواقعی استفاده می‌شود که تشدید ناخواسته باشد. یک شبیه ساز ممکن است تنها چند تا از توابع و  عملکردهای واحد را شبیه‌سازی کند که  در مقابل با عملی است که تقلید نامیده می‌شود.
اغلب شبیه سازی‌های مهندسی مستلزم مدل‌سازی ریاضی و بررسی‌های رایانه یار هستند. به هر حال موارد زیادی وجود دارد که مدل‌سازی ریاضی قابل اعتماد نمی‌باشد. شبیه‌سازی مشکلات مکانیک سیالات اغلب مستلزم شبیه سازی‌های ریاضی و نیز فیزیکی است. در این موارد، مدل‌های فیزیکی نیاز به شبیه‌سازی دینامیک دارند.

▪ شبیه‌سازی کامپیوتری

شبیه‌سازی رایانه ای ، جزو مفیدی برای مدل‌سازی بسیاری از سیستم‌های طبیعی در فیزیک، شیمی و زیست شناسی و نیز برای سیستم‌های انسانی در اقتصاد و علوم اجتماعی ( جامعه شناسی محاسباتی ) و همچنین در مهندسی برای به دست آوردن بینش نسبت به عمل این سیستم‌ها شده‌است. یک نمونه خوب از سودمندی استفاده از رایانه ها در شبیه‌سازی را می‌توان در حیطه شبیه‌سازی ترافیک شبکه یافت. در چنین شبیه سازی‌هایی رفتار مدل هر شبیه‌سازی را مطابق با مجموعه پارامترهای اولیه منظور شده برای محیط تغییر خواهد داد. شبیه سازی‌های رایانه‌ای اغلب به این منظور به کار گرفته می‌شوند تا انسان از شبیه سازی‌های حلقه‌ای در امان باشد.
به‌طور سنتی، مدل برداری رسمی سیستم‌ها از طریق یک مدل ریاضی بوده‌است به نحوی که تلاش در جهت یافتن راه حل تحلیلی برای مشکلات بوده‌است که پیش‌بینی رفتار سیستم را با استفاده از یک سری پارامترها و شرایط اولیه ممکن ساخته است. شبیه‌سازی رایانه ای اغلب به عنوان یک ضمیمه یا جانشین برای سیستم‌های مدل‌سازی می‌باشد که در آن‌ها راه حل‌های تحلیلی بسته ساده ممکن نمی‌باشد. انواع مختلفی از شبیه‌سازی رایانه‌ای وجود دارد که وجه مشترک همه آن‌ها در این است که تلاش می‌کند تا یک نمونه از سناریوهای نمایانگر برای یک مدل تولید کنند که در آن امکان محاسبه کامل تمام حالات ممکن مدل که مشکل یا غیرممکن بوده وجود داشته باشد.
به‌طور رو به افزونی معمول شده‌است که نام انواع مختلفی از شبیه‌سازی شنیده می‌شود که به عنوان   « محیط‌های صناعی » اطلاق می‌شوند. این عنوان اتخاذ شده‌است تا تعریف شبیه‌سازی عملاً به تمام دستاوردهای حاصل از کامپیوتر تعمیم داده شود.

▪ شبیه‌سازی در علم کامپیوتر

در برنامه نویسی کامپیوتر، یک شبیه ساز اغلب برای اجرای برنامه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد که انجام آن برای کامپیوتر با مقداری دشواری همراه است. مثلاً، شبیه سازها معمولاً برای رفع عیب یک ریزبرنامه استفاده می‌شوند. از آن جایی که کار کامپیوتر شبیه‌سازی شده‌است، تمام اطلاعات در مورد کار کامپیوتر مستقیماً در دسترس برنامه دهنده است و سرعت و اجرای شبیه‌سازی را می‌توان تغییر داد.
شبیه سازها همچنین برای تفسیر درخت‌های عیب یا تست کردن طراحی‌های منطقی VLSI قبل از ساخت مورد استفاده قرار می‌گیرند. در علم نظری کامپیوتر، عبارت شبیه‌سازی نشان دهنده یک رابطه بین سیستم‌های انتقال وضعیت است که در مطالعه مفاهیم اجرایی سودمند می‌باشد.

▪ شبیه‌سازی در تعلیم و تربیت

شبیه سازی‌ها در تعلیم و تربیت گاهی مثل شبیه سازی‌های آموزشی هستند. آن‌ها روی وظایف خاص متمرکز می‌شوند. در گذشته از ویدئو برای معلمین و دانش آموزان استفاده می شده تا مشاهده کنند، مسائل را حل کنند و نقش بازی کنند؛ هرچند یک استفاده جدید تر از شبیه سازی‌ها در تعلیم و تربیت شامل فیلم‌های انیمیشن است ( ANV ). ANV‌ها نوعی فیلم ویدئویی کارتون مانند با داستان‌های تخیلی یا واقعی هستند که برای آموزش و یادگیری کلاس استفاده می‌شوند.ANV‌ها برای ارزیابی آگاهی، مهارت‌های حل مسئله و نظم بچه‌ها و معلمین قبل و حین اشتغال کارایی دارند.
شکل دیگری از شبیه‌سازی در سال‌های اخیر با اقبال در آموزش تجارت مواجه شده‌است.  شبیه سازی‌های تجاری که یک مدل پویا را به کار می برند، آزمون استراتژی‌های تجارت را در محیط فاقد خطر مهیا می سازند و محیط مساعدی برای بررسی موردی مباحث ارائه می دهند.