محاكاة حاسوبية

الموسوعة الحرة
محاكاة حاسوبية لمدة 48 ساعة لإعصار ماوار باستخدام نموذج أبحاث وتنبؤات الطقس
عملية بناء نموذج حاسوبي، والتفاعل بين التجربة والمحاكاة والنظرية

المحاكاة الحاسوبية هي تشغيل نموذج رياضي على جهاز حاسوب ، مصمم لتمثيل سلوك أو نتائج نظام واقعي أو فيزيائي. ويمكن تحديد موثوقية بعض النماذج الرياضية بمقارنة نتائجها بالنتائج الواقعية التي تهدف إلى التنبؤ بها. وقد أصبحت المحاكاة الحاسوبية أداةً مفيدةً للنمذجة الرياضية للعديد من الأنظمة الطبيعية في الفيزياء ( الفيزياء الحاسوبية )، والفيزياء الفلكية ، وعلم المناخ ، والكيمياء ، وعلم الأحياء ، والتصنيع ، بالإضافة إلى الأنظمة البشرية في الاقتصاد ، وعلم النفس ، والعلوم الاجتماعية ، والرعاية الصحية ، والهندسة . وتُمثل محاكاة النظام بتشغيل نموذجه. ويمكن استخدامها لاستكشاف التقنيات الحديثة واكتساب رؤى جديدة عنها ، ولتقدير أداء الأنظمة المعقدة للغاية بحيث لا يمكن إيجاد حلول تحليلية لها . [ 1 ]

تُنفَّذ عمليات المحاكاة الحاسوبية بتشغيل برامج حاسوبية ، قد تكون صغيرة الحجم، تعمل بشكل فوري تقريبًا على الأجهزة الصغيرة، أو برامج ضخمة تعمل لساعات أو أيام على مجموعات من الحواسيب المتصلة بشبكة. وقد تجاوز نطاق الأحداث التي تُحاكى بواسطة المحاكاة الحاسوبية أي شيء ممكن (أو ربما حتى متخيل) باستخدام النمذجة الرياضية التقليدية القائمة على الورقة والقلم. ففي عام 1997، تضمنت محاكاة معركة صحراوية لغزو قوة لأخرى نمذجة 66,239 دبابة وشاحنة ومركبة أخرى على تضاريس محاكاة حول الكويت ، باستخدام عدة حواسيب عملاقة ضمن برنامج تحديث الحواسيب عالية الأداء التابع لوزارة الدفاع الأمريكية . [ 2 ] ومن الأمثلة الأخرى نموذج لتشوه المواد يتكون من مليار ذرة؛ [ 3 ] ونموذج للريبوسوم، وهو عُضَيّة معقدة تُنتج البروتين في جميع الكائنات الحية، يتكون من 2.64 مليون ذرة ، في عام 2005؛ [ 4 ] ومحاكاة كاملة لدورة حياة الميكوبلازما التناسلية في عام 2012. ومشروع الدماغ الأزرق في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (سويسرا)، الذي بدأ في مايو 2005 لإنشاء أول محاكاة حاسوبية للدماغ البشري بأكمله، وصولاً إلى المستوى الجزيئي. [ 5 ]

نظراً للتكلفة الحسابية للمحاكاة، تُستخدم التجارب الحاسوبية لإجراء الاستدلال مثل تحديد كمية عدم اليقين . [ 6 ]

المحاكاة مقابل النموذج

يتألف النموذج من المعادلات المستخدمة لوصف سلوك النظام. في المقابل، تُعدّ المحاكاة الحاسوبية التشغيل الفعلي للبرنامج الذي يُنفّذ خوارزميات لحل تلك المعادلات، غالبًا بطريقة تقريبية. لذا، فإن المحاكاة هي عملية تشغيل نموذج. وبالتالي، لا يُقال "بناء محاكاة"، بل يُقال "بناء نموذج (أو مُحاكي)"، ثم "تشغيل النموذج" أو ما يُعادله "تشغيل محاكاة".

تاريخ

تطورت المحاكاة الحاسوبية بالتوازي مع النمو السريع للحاسوب، وذلك بعد أول استخدام واسع النطاق لها خلال مشروع مانهاتن في الحرب العالمية الثانية لمحاكاة عملية التفجير النووي . وقد كانت محاكاةً لـ 12 كرة صلبة باستخدام خوارزمية مونت كارلو . تُستخدم المحاكاة الحاسوبية غالبًا كأداة مساعدة أو بديلة لنمذجة الأنظمة التي لا يمكن إيجاد حلول تحليلية بسيطة لها. تتعدد أنواع المحاكاة الحاسوبية، وتتمثل سمتها المشتركة في محاولة توليد عينة من السيناريوهات التمثيلية لنموذج ما، حيث يكون حصر جميع الحالات الممكنة لهذا النموذج أمرًا بالغ الصعوبة أو مستحيلاً. [ 7 ]

إعداد البيانات

تختلف متطلبات البيانات الخارجية لعمليات المحاكاة والنماذج اختلافاً كبيراً. فبالنسبة لبعضها، قد تكون المدخلات مجرد بضعة أرقام (على سبيل المثال، محاكاة شكل موجة التيار المتردد على سلك)، بينما قد تتطلب نماذج أخرى تيرابايتات من المعلومات (مثل نماذج الطقس والمناخ).

وتختلف مصادر الإدخال أيضاً اختلافاً كبيراً:

  • أجهزة الاستشعار والأجهزة المادية الأخرى المتصلة بالنموذج؛
  • أسطح التحكم المستخدمة لتوجيه تقدم المحاكاة بطريقة ما؛
  • البيانات الحالية أو التاريخية المدخلة يدويًا؛
  • القيم المستخرجة كمنتج ثانوي من عمليات أخرى؛
  • القيم الناتجة لهذا الغرض من عمليات المحاكاة أو النماذج أو العمليات الأخرى.

وأخيرًا، يختلف وقت توفر البيانات:

  • غالباً ما يتم تضمين البيانات "الثابتة" في كود النموذج، إما لأن القيمة ثابتة بالفعل (مثل قيمة π) أو لأن المصممين يعتبرون القيمة ثابتة لجميع الحالات ذات الأهمية؛
  • يمكن إدخال البيانات في المحاكاة عند بدء تشغيلها، على سبيل المثال عن طريق قراءة ملف واحد أو أكثر، أو عن طريق قراءة البيانات من معالج مسبق ؛
  • يمكن توفير البيانات أثناء تشغيل المحاكاة، على سبيل المثال عن طريق شبكة استشعار.

بسبب هذا التنوع، ولأن أنظمة المحاكاة المختلفة تشترك في العديد من العناصر، يوجد عدد كبير من لغات المحاكاة المتخصصة . ولعل أشهرها لغة Simula ، وهناك الآن العديد من اللغات الأخرى.

يجب على الأنظمة التي تستقبل بيانات من مصادر خارجية توخي الحذر الشديد في معرفة طبيعة البيانات التي تتلقاها. فبينما يسهل على الحواسيب قراءة القيم من الملفات النصية أو الثنائية، فإن تحديد دقة هذه القيم (مقارنةً بدقة القياس ووضوحه ) يُعدّ أكثر صعوبة . وغالبًا ما تُعبّر هذه الدقة عن نفسها بـ"هامش الخطأ"، وهو الحد الأدنى والحد الأقصى للانحراف عن نطاق القيمة الذي يُتوقع أن تقع ضمنه القيمة الحقيقية. ولأن الرياضيات الحاسوبية الرقمية ليست مثالية، فإن أخطاء التقريب والاقتطاع تُضاعف هذا الخطأ، لذا يُنصح بإجراء "تحليل للأخطاء" [ 8 ] للتأكد من أن القيم التي تُخرجها المحاكاة ستظل دقيقة بما يكفي.

الأنواع

يمكن تصنيف النماذج المستخدمة في عمليات المحاكاة الحاسوبية وفقًا لعدة أزواج مستقلة من السمات، بما في ذلك:

  • عشوائي أو حتمي (وكحالة خاصة من الحتمي، فوضوي) - انظر الروابط الخارجية أدناه للاطلاع على أمثلة للمحاكاة العشوائية مقابل الحتمية
  • حالة مستقرة أو ديناميكية
  • مستمر أو منفصل (وكحالة خاصة مهمة من النماذج المنفصلة، ​​نماذج الأحداث المنفصلة أو نماذج الأحداث المنفصلة)
  • محاكاة النظام الديناميكي ، على سبيل المثال الأنظمة الكهربائية أو الأنظمة الهيدروليكية أو الأنظمة الميكانيكية متعددة الأجسام (الموصوفة بشكل أساسي بواسطة المعادلات التفاضلية الجبرية) أو محاكاة ديناميكيات مشاكل المجال، على سبيل المثال محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية لعناصر FEM (الموصوفة بواسطة المعادلات التفاضلية الجزئية).
  • محلي أو موزع .

ثمة طريقة أخرى لتصنيف النماذج وهي النظر إلى هياكل البيانات الأساسية. بالنسبة لعمليات المحاكاة المتدرجة زمنيًا، هناك فئتان رئيسيتان:

في عمليات المحاكاة في حالة الاستقرار، تحدد المعادلات العلاقات بين عناصر النظام المُمَثَّل، وتسعى إلى إيجاد حالة يكون فيها النظام في حالة توازن. تُستخدم هذه النماذج غالبًا في محاكاة الأنظمة الفيزيائية، كحالة نمذجة أبسط قبل محاولة إجراء المحاكاة الديناميكية.

التصور

في السابق، كانت بيانات المحاكاة الحاسوبية تُعرض أحيانًا في جداول أو مصفوفات توضح كيفية تأثر البيانات بالتغيرات العديدة في معايير المحاكاة . ويرتبط استخدام صيغة المصفوفة بالاستخدام التقليدي لمفهوم المصفوفة في النماذج الرياضية . مع ذلك، لاحظ علماء النفس وغيرهم أن البشر قادرون على إدراك الاتجاهات بسرعة من خلال النظر إلى الرسوم البيانية أو حتى الصور المتحركة المُولّدة من البيانات، كما هو الحال في الرسوم المتحركة المُولّدة بالحاسوب (CGI). ورغم أن المراقبين لا يستطيعون بالضرورة قراءة الأرقام أو ذكر المعادلات الرياضية، إلا أن مراقبة مخطط الطقس المتحرك قد تُمكّنهم من التنبؤ بالأحداث (ورؤية أن المطر قادم نحوهم) أسرع بكثير من مسح جداول إحداثيات السحب الممطرة . وقد أدت هذه العروض الرسومية المكثفة، التي تجاوزت عالم الأرقام والمعادلات، أحيانًا إلى مخرجات تفتقر إلى شبكة إحداثيات أو تُغفل الطوابع الزمنية، وكأنها تبتعد كثيرًا عن عرض البيانات الرقمية. اليوم، تميل نماذج التنبؤ بالطقس إلى الموازنة بين رؤية السحب الممطرة/الثلجية المتحركة وخريطة تستخدم الإحداثيات الرقمية والطوابع الزمنية الرقمية للأحداث.

وبالمثل، يمكن لمحاكاة الصور المقطعية المحوسبة باستخدام تقنية CGI أن تحاكي كيف يمكن أن يتقلص الورم أو يتغير خلال فترة طويلة من العلاج الطبي، حيث تقدم مرور الوقت على شكل عرض دوار للرأس البشري المرئي، مع تغير الورم.

يجري تطوير تطبيقات أخرى لمحاكاة الكمبيوتر CGI لعرض كميات كبيرة من البيانات بشكل بياني، أثناء الحركة، مع حدوث التغييرات أثناء تشغيل المحاكاة.

في العلوم

محاكاة حاسوبية لعملية التناضح

أمثلة عامة لأنواع المحاكاة الحاسوبية في العلوم، والتي تستمد من وصف رياضي أساسي:

تتضمن الأمثلة المحددة لمحاكاة الحاسوب ما يلي:

  • تعتمد المحاكاة الإحصائية على تجميع عدد كبير من بيانات المدخلات، مثل التنبؤ بدرجة حرارة التوازن للمياه المستقبلة، مما يسمح بإدخال مجموعة واسعة من البيانات المناخية لموقع محدد. وقد طُوّرت هذه التقنية للتنبؤ بالتلوث الحراري .
  • لقد تم استخدام المحاكاة القائمة على العوامل بشكل فعال في علم البيئة ، حيث يطلق عليها غالبًا اسم "النمذجة القائمة على الأفراد" وتستخدم في المواقف التي لا يمكن فيها إهمال التباين الفردي في العوامل، مثل ديناميكيات السكان لسمك السلمون المرقط (تفترض معظم النماذج الرياضية البحتة أن جميع أسماك السلمون المرقط تتصرف بشكل متطابق).
  • نموذج ديناميكي متدرج زمنيًا. في علم المياه، توجد العديد من نماذج نقل المياه هذه، مثل نموذجي SWMM و DSSAM اللذين طورتهما وكالة حماية البيئة الأمريكية للتنبؤ بجودة مياه الأنهار.
  • كما تم استخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية لنمذجة نظريات الإدراك والأداء البشري بشكل رسمي، على سبيل المثال، ACT-R .
  • المحاكاة الحاسوبية باستخدام النمذجة الجزيئية لاكتشاف الأدوية . [ 10 ]
  • محاكاة حاسوبية لنمذجة العدوى الفيروسية في خلايا الثدييات. [ 9 ]
  • محاكاة حاسوبية لدراسة الحساسية الانتقائية للروابط بواسطة الكيمياء الميكانيكية أثناء طحن الجزيئات العضوية. [ 11 ]
  • تُستخدم محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية لمحاكاة سلوك تدفق الهواء والماء والسوائل الأخرى. وتُستخدم نماذج أحادية وثنائية وثلاثية الأبعاد. قد يُحاكي نموذج أحادي الأبعاد تأثيرات ظاهرة الطرق المائي في الأنابيب، بينما قد يُستخدم نموذج ثنائي الأبعاد لمحاكاة قوى السحب على المقطع العرضي لجناح طائرة. أما المحاكاة ثلاثية الأبعاد، فقد تُستخدم لتقدير متطلبات التدفئة والتبريد لمبنى كبير.
  • يُعدّ فهم النظرية الديناميكية الحرارية الإحصائية للجزيئات أساسيًا لفهم الحلول الجزيئية. وقد ساهم تطوير نظرية توزيع الجهد (PDT) في تبسيط هذا الموضوع المعقد وتقديمه بأسلوب عملي وواضح.

تشمل عمليات المحاكاة الحاسوبية البارزة، والتي تثير الجدل أحيانًا، المستخدمة في العلوم: برنامج World3 لدونيلا ميدوز المستخدم في كتاب " حدود النمو" ، وبرنامج Daisyworld لجيمس لوفلوك، وبرنامج Tierra لتوماس راي .

في العلوم الاجتماعية، تُعدّ المحاكاة الحاسوبية عنصرًا أساسيًا من عناصر التحليل الخمسة التي تدعمها منهجية ترشيح البيانات [ 12 ] ، والتي تشمل أيضًا الأساليب النوعية والكمية، ومراجعات الأدبيات (بما فيها الأكاديمية)، والمقابلات مع الخبراء، وتُشكّل امتدادًا لتثليث البيانات. وبطبيعة الحال، وكما هو الحال في أي منهج علمي آخر، يُعدّ التكرار جزءًا مهمًا من النمذجة الحاسوبية [ 13 ].

في السياقات العملية

تُستخدم عمليات المحاكاة الحاسوبية في مجموعة واسعة من السياقات العملية، مثل:

تعتمد موثوقية المحاكاة الحاسوبية وثقة المستخدمين بها على صحة نموذج المحاكاة ، لذا يُعد التحقق والتدقيق عنصرين أساسيين في تطويرها. ومن الجوانب المهمة الأخرى للمحاكاة الحاسوبية إمكانية تكرار النتائج، أي ألا يُقدم نموذج المحاكاة نتيجة مختلفة في كل مرة يُنفذ فيها. ورغم أن هذا قد يبدو بديهيًا، إلا أنه يُمثل نقطة بالغة الأهمية في المحاكاة العشوائية ، حيث ينبغي أن تكون الأرقام العشوائية في الواقع شبه عشوائية. ويُستثنى من ذلك المحاكاة التي يتدخل فيها الإنسان، مثل محاكاة الطيران وألعاب الفيديو . ففي هذه الحالة، يُعد الإنسان جزءًا من المحاكاة، وبالتالي يؤثر على النتيجة بطريقة يصعب، إن لم يستحيل، تكرارها بدقة.

تستخدم شركات تصنيع السيارات المحاكاة الحاسوبية لاختبار ميزات السلامة في التصاميم الجديدة. فمن خلال بناء نسخة طبق الأصل من السيارة في بيئة محاكاة فيزيائية، يمكنها توفير مئات الآلاف من الدولارات التي كانت ستُنفق لولا ذلك على بناء واختبار نموذج أولي فريد. ويستطيع المهندسون تتبع خطوات المحاكاة بدقة متناهية (أجزاء من الثانية) لتحديد الضغوط الدقيقة التي يتعرض لها كل جزء من النموذج الأولي. [ 15 ]

يمكن استخدام رسومات الحاسوب لعرض نتائج محاكاة حاسوبية. كما يمكن استخدام الرسوم المتحركة لتجربة المحاكاة في الوقت الفعلي، كما هو الحال في محاكاة التدريب . وفي بعض الحالات، قد تكون الرسوم المتحركة مفيدة أيضًا في أوضاع أسرع من الوقت الفعلي أو حتى أبطأ منه. على سبيل المثال، يمكن أن تكون الرسوم المتحركة الأسرع من الوقت الفعلي مفيدة في تصوير تراكم الطوابير في محاكاة إخلاء البشر لمبنى. علاوة على ذلك، غالبًا ما تُجمع نتائج المحاكاة في صور ثابتة باستخدام طرق مختلفة للتصوير العلمي .

في عملية تصحيح الأخطاء، يُمكن لمحاكاة تنفيذ البرنامج قيد الاختبار (بدلاً من تنفيذه مباشرةً) اكتشاف أخطاء أكثر بكثير مما يستطيع الجهاز نفسه اكتشافه، وفي الوقت نفسه، تسجيل معلومات تصحيح أخطاء مفيدة مثل تتبع التعليمات، وتغييرات الذاكرة، وعدد التعليمات. كما تُمكن هذه التقنية من اكتشاف تجاوز سعة المخزن المؤقت وأخطاء أخرى يصعب اكتشافها، بالإضافة إلى توفير معلومات عن الأداء وبيانات الضبط .

المخاطر

على الرغم من تجاهل تحليل الحساسية أحيانًا في عمليات المحاكاة الحاسوبية، إلا أنه من الأهمية بمكان إجراؤه لضمان فهم دقة النتائج فهمًا صحيحًا. فعلى سبيل المثال، يتضمن تحليل المخاطر الاحتمالية للعوامل التي تحدد نجاح برنامج استكشاف حقل نفطي دمج عينات من توزيعات إحصائية متنوعة باستخدام طريقة مونت كارلو . فإذا كان أحد المعايير الرئيسية (مثل النسبة الصافية للطبقات الحاملة للنفط) معروفًا برقم معنوي واحد فقط، فقد لا تكون نتيجة المحاكاة أكثر دقة من رقم معنوي واحد، على الرغم من إمكانية عرضها (بشكل مضلل) على أنها تحتوي على أربعة أرقام معنوية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ستروغاتز، ستيفن (2007). "نهاية البصيرة". في بروكمان، جون (محرر). ما هي فكرتك الخطيرة؟ هاربر كولينز. ​​ISBN 9780061214950.
  2. ↑ "باحثون يُجرون أكبر محاكاة عسكرية على الإطلاق" . مختبر الدفع النفاث . معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا . 4 ديسمبر 1997. مؤرشف من الأصل في 22 يناير 2008.
  3. ↑ "المحاكاة الجزيئية للظواهر العيانية" . أبحاث آي بي إم - ألمادن . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-05-2013.
  4. ↑ «لقد كان مختبر لوس ألاموس الوطني رائدًا عالميًا في تطوير واستخدام المحاكاة الحاسوبية لفهم العالم من حولنا» . لوس ألاموس، نيو مكسيكو: مختبر لوس ألاموس الوطني . ديسمبر 2020. مؤرشف من الأصل في 4 يوليو 2007.
  5. ↑ غراهام-رو، دنكان (6 يونيو 2005). "بدء مهمة بناء دماغ محاكٍ" . مجلة نيو ساينتست . مؤرشف من الأصل في 9 فبراير 2015.
  6. ↑ سانتنر، توماس جيه؛ ويليامز، برايان جيه؛ نوتز، ويليام آي (2003). تصميم وتحليل التجارب الحاسوبية . سبرينغر فيرلاغ.
  7. ↑ براتلي، بول؛ فوكس، بينيت ل.؛ شراج، لينوس إي. (28-06-2011). دليل المحاكاة . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 9781441987242.
  8. ↑ جون روبرت تايلور (1999). مقدمة في تحليل الأخطاء: دراسة الشكوك في القياسات الفيزيائية . منشورات جامعة العلوم. الصفحات 128-129 . ISBN  978-0-935702-75-0تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 2015-03-16 .
  9. 1 2 غوبتا، أنكور؛ راولينغز، جيمس ب. (أبريل 2014). "مقارنة طرق تقدير المعلمات في نماذج الحركية الكيميائية العشوائية: أمثلة في بيولوجيا الأنظمة" . مجلة AIChE . 60 (4): 1253-1268 . Bibcode : 2014AIChE..60.1253G . doi : 10.1002/aic.14409 . ISSN 0001-1541 . PMC 4946376. PMID 27429455 .   
  10. ^ أتاناسوف، أ.ج. والتنبرجر، ب؛ بفيرشي-وينزيج، م. ليندر، تي؛ فاروسش، سي؛ أورين، ف؛ تيمل، الخامس؛ وانغ ، إل. شويجر، س. هيس، EH؛ رولينجر، جي إم؛ شوستر، د؛ بروس، JM. بوتشكوف، ف؛ ميهوفيلوفيتش، دكتوراه في الطب؛ كوب، ب؛ باور، ر. ديرش، VM. ستوبنر، ح (2015). "اكتشاف وإعادة إمداد المنتجات الطبيعية المشتقة من النباتات النشطة دوائيًا: مراجعة" . دعاية التكنولوجيا الحيوية . 33 (8): 1582–614 . دوى : 10.1016/j.biotechadv.2015.08.001 . بمك 4748402 . PMID 26281720 .  
  11. ↑ ميزوكامي، كويتشي؛ سايتو، فوميو؛ بارون، ميشيل. دراسة حول طحن المنتجات الصيدلانية بمساعدة المحاكاة الحاسوبية. مؤرشفة بتاريخ 21 يوليو 2011 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
  12. ↑ ميسلي، أوليفييه (2015). بناء النماذج في البحث النفسي. الولايات المتحدة: سبرينغر سايكولوجي: 126 صفحة. ISBN 978-3-319-15752-8
  13. ↑ ويلينسكي، أوري ؛ راند، ويليام (2007). "جعل النماذج متطابقة: محاكاة نموذج قائم على الوكلاء" . مجلة المجتمعات الاصطناعية والمحاكاة الاجتماعية . 10 (4): 2.
  14. ↑ ويسكوت، بوب (2013). كتاب أداء كل حاسوب، الفصل 7: نمذجة أداء الحاسوب . كريت سبيس . ISBN 978-1482657753.
  15. ↑ باس، سارة. هبة من نار: قضايا اجتماعية وقانونية وأخلاقية للحوسبة والإنترنت. الطبعة الثالثة. أبر سادل ريفر: برنتيس هول، 2007. الصفحات 363-364. ISBN 0-13-600848-8.

للمزيد من القراءة