النمذجة والمحاكاة

النمذجة والمحاكاة ( M&S ) هي استخدام النماذج (مثل التمثيل المادي أو الرياضي أو السلوكي أو المنطقي لنظام أو كيان أو ظاهرة أو عملية) كأساس لعمليات المحاكاة لتطوير البيانات المستخدمة في اتخاذ القرارات الإدارية أو الفنية . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

في تطبيقات النمذجة والمحاكاة الحاسوبية، يُستخدم الحاسوب لبناء نموذج رياضي يتضمن المعايير الأساسية للنموذج الفيزيائي. يُمثل النموذج الرياضي النموذج الفيزيائي بصورة افتراضية، وتُطبق عليه شروط تُهيئ لإجراء التجربة المطلوبة. تبدأ المحاكاة - أي يحسب الحاسوب نتائج هذه الشروط على النموذج الرياضي - ويُخرج النتائج بصيغة قابلة للقراءة آليًا أو بشريًا، وذلك حسب التطبيق المُستخدم. ^{[ 3 ]}

يُعدّ استخدام النمذجة والمحاكاة في الهندسة أمرًا شائعًا. تُعتبر تقنية المحاكاة جزءًا لا يتجزأ من أدوات المهندسين في جميع مجالات التطبيق، وقد أُدرجت ضمن مناهج إدارة الهندسة . تُسهم النمذجة والمحاكاة في خفض التكاليف ، ورفع جودة المنتجات والأنظمة، وتوثيق الدروس المستفادة وأرشفتها. ولأن جودة نتائج المحاكاة تعتمد على جودة النموذج (أو النماذج) الأساسية، يجب على المهندسين والمشغلين والمحللين إيلاء اهتمام خاص لبنائها. ولضمان قابلية تطبيق نتائج المحاكاة على أرض الواقع، يجب على المستخدم فهم الافتراضات والمفاهيم والقيود التي تحكم تنفيذها. إضافةً إلى ذلك، يمكن تحديث النماذج وتحسينها باستخدام نتائج التجارب الفعلية. تُعتبر النمذجة والمحاكاة تخصصًا قائمًا بذاته، وغالبًا ما يؤدي تعدد مجالات تطبيقها إلى افتراض أنها تطبيق بحت. وهذا غير صحيح، ويجب على إدارة الهندسة إدراك ذلك عند تطبيق النمذجة والمحاكاة.

يُغني استخدام النماذج الرياضية والمحاكاة عن التجارب العملية، التي قد تكون مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً. فبدلاً من ذلك، تُستخدم المعرفة الرياضية والقدرة الحاسوبية لحل مشكلات واقعية بكفاءة عالية من حيث التكلفة والوقت. وبذلك، تُسهّل المحاكاة فهم سلوك النظام دون الحاجة إلى اختباره فعليًا في العالم الحقيقي. على سبيل المثال، لتحديد نوع الجناح الخلفي الذي يُحسّن التماسك بشكل أكبر عند تصميم سيارة سباق، يُمكن استخدام محاكاة حاسوبية للسيارة لتقدير تأثير أشكال الجناح المختلفة على معامل الاحتكاك عند المنعطفات. ويمكن استخلاص رؤى قيّمة حول القرارات المختلفة في التصميم دون الحاجة إلى بناء السيارة فعليًا. إضافةً إلى ذلك، تدعم المحاكاة التجارب التي تُجرى بالكامل داخل البرمجيات، أو في بيئات تفاعلية حيث تُمثّل المحاكاة الأنظمة أو تُولّد البيانات اللازمة لتحقيق أهداف التجربة. علاوةً على ذلك، يُمكن استخدام المحاكاة لتدريب الأفراد باستخدام بيئة افتراضية يصعب أو يُكلّف إنتاجها بطريقة أخرى.

من الناحية التقنية، تحظى المحاكاة بقبول واسع. وقد أظهر تقرير المؤسسة الوطنية للعلوم لعام 2006 بعنوان "العلوم الهندسية القائمة على المحاكاة" ^{[ 4 ]} إمكانات استخدام تقنيات وأساليب المحاكاة لإحداث ثورة في العلوم الهندسية. ومن بين أسباب الاهتمام المتزايد بتطبيقات المحاكاة ما يلي:

1. يُعدّ استخدام المحاكاة عمومًا أرخص وأكثر أمانًا، وأحيانًا أكثر أخلاقية، من إجراء التجارب على أرض الواقع. فعلى سبيل المثال، تُستخدم الحواسيب العملاقة أحيانًا لمحاكاة تفجير الأجهزة النووية وآثارها، وذلك لتعزيز الاستعداد في حال وقوع انفجار نووي . ^{[ 5 ]} وتُبذل جهود مماثلة لمحاكاة الأعاصير والكوارث الطبيعية الأخرى. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}
2. غالباً ما تكون عمليات المحاكاة أكثر واقعية من التجارب التقليدية، إذ تتيح ضبطاً حراً لنطاق معايير البيئة الواقعية الموجودة في مجال التطبيق التشغيلي للمنتج النهائي. ومن الأمثلة على ذلك دعم عمليات البحرية الأمريكية في المياه العميقة، أو محاكاة سطح الكواكب المجاورة استعداداً لمهام وكالة ناسا .
3. يمكن إجراء عمليات المحاكاة في كثير من الأحيان بسرعة تفوق سرعة الوقت الفعلي . وهذا يتيح استخدامها لإجراء تحليلات فعّالة تعتمد على مبدأ " إذا-ثم-وإلا" لمختلف البدائل، لا سيما عندما يمكن الحصول بسهولة على البيانات اللازمة لبدء المحاكاة من البيانات التشغيلية. يُضيف هذا الاستخدام للمحاكاة أنظمة محاكاة دعم القرار إلى مجموعة أدوات أنظمة دعم القرار التقليدية .
4. تتيح عمليات المحاكاة إنشاء بيئة اصطناعية متكاملة تسمح بدمج الأنظمة المحاكاة في مرحلة التحليل الأولية عبر أنظمة افتراضية مختلطة مع مكونات أولية نموذجية، وصولاً إلى بيئة اختبار افتراضية للنظام النهائي. وفي حال إدارتها بشكل صحيح، يمكن نقل هذه البيئة من مجال التطوير والاختبار إلى مجال التدريب والتعليم في مراحل دورة حياة الأنظمة اللاحقة (بما في ذلك خيار تدريب وتحسين نسخة افتراضية مطابقة للنظام الحقيقي في ظل قيود واقعية حتى قبل بناء المكونات الأولى).

لطالما كان القطاع العسكري والدفاعي، ولا سيما في الولايات المتحدة، الداعم الرئيسي لنمذجة ومحاكاة الأنظمة، سواءً من حيث التمويل أو التطبيق. فعلى سبيل المثال، تُعدّ نمذجة ومحاكاة الأنظمة في المؤسسات العسكرية الحديثة جزءًا لا يتجزأ من استراتيجية الاستحواذ / التوريد . وتحديدًا، تُستخدم نمذجة ومحاكاة الأنظمة لإجراء فعاليات وتجارب تؤثر على متطلبات وتدريب الأنظمة العسكرية. ولذلك، تُعتبر نمذجة ومحاكاة الأنظمة جزءًا أساسيًا من هندسة النظم العسكرية. مع ذلك، فإن مجالات تطبيق أخرى تسعى حاليًا إلى اللحاق بركبها. ومن المتوقع أن تتجاوز نمذجة ومحاكاة الأنظمة في مجالات الطب والنقل وغيرها من الصناعات استخدام وزارة الدفاع الأمريكية لها بسرعة في السنوات القادمة، إن لم تكن قد تجاوزته بالفعل. ^{[ 9 ]}

يُعدّ النمذجة والمحاكاة من الأمور المهمة في البحث العلمي. فتمثيل الأنظمة الحقيقية، سواء من خلال نماذج مادية مصغرة، أو من خلال نماذج رياضية تسمح بتمثيل ديناميكيات النظام عبر المحاكاة، يتيح استكشاف سلوك النظام بطريقة واضحة ومفصلة، ​​وهو أمر غالباً ما يكون غير ممكن أو محفوفاً بالمخاطر في العالم الحقيقي.

يستند مجال النمذجة والمحاكاة الناشئ إلى تطورات في مجالات متنوعة من علوم الحاسوب، ويتأثر أيضًا بتطورات في نظرية النظم ، وهندسة النظم ، وهندسة البرمجيات ، والذكاء الاصطناعي ، وغيرها. هذا الأساس متنوعٌ كتنوع إدارة الهندسة، ويجمع عناصر الفن والهندسة والعلوم بطريقة معقدة وفريدة تتطلب خبراء في المجال لاتخاذ القرارات المناسبة عند تطبيق أو تطوير تقنية النمذجة والمحاكاة في سياق هذه الورقة. يؤدي تنوع هذا المجال الجديد وطبيعته التطبيقية أحيانًا إلى تحدٍّ يتمثل في أن مجالات التطبيق المدعومة نفسها لديها بالفعل مصطلحات لا تتوافق بالضرورة بين المجالات المنفصلة. لذا، ثمة حاجة إلى تمثيل شامل وموجز للمفاهيم والمصطلحات والأنشطة التي تُشكل أساسًا معرفيًا مهنيًا لمجال النمذجة والمحاكاة. ونظرًا لتنوع المساهمين، لا تزال هذه العملية مستمرة. ^{[ 10 ]}

يوصي باديلا وآخرون في مقالهم "هل نحتاج إلى علوم النمذجة والمحاكاة؟" بالتمييز بين علوم النمذجة والمحاكاة والهندسة والتطبيقات. ^{[ 11 ]}

• يساهم علم النمذجة والمحاكاة في نظرية النمذجة والمحاكاة، ويحدد الأسس الأكاديمية لهذا التخصص.
• تستند هندسة النمذجة والمحاكاة إلى النظرية، لكنها تبحث عن أنماط حلول قابلة للتطبيق. وينصب التركيز على الأساليب العامة التي يمكن تطبيقها في مختلف مجالات المشكلات.
• تُعالج تطبيقات النمذجة والمحاكاة مشاكل العالم الحقيقي من خلال التركيز على الحلول باستخدام النمذجة والمحاكاة. غالبًا ما ينتج الحل عن تطبيق منهجية معينة، ولكن العديد من الحلول تكون خاصة جدًا بمجال المشكلة وتستمد من خبرة في مجال المشكلة وليس من أي نظرية أو منهجية عامة للنمذجة والمحاكاة.

يمكن أن تتكون النماذج من وحدات مختلفة (نماذج بتفاصيل أدق) مرتبطة بتحقيق هدف محدد؛ ولهذا السبب يمكن تسميتها أيضًا بحلول النمذجة .

بشكل عام، يُعدّ النمذجة والمحاكاة عنصرًا أساسيًا في أنشطة هندسة النظم، إذ يُمكّن تمثيل النظام في نموذج قابل للقراءة بواسطة الحاسوب (وربما التنفيذ) المهندسين من إعادة إنتاج سلوك النظام (أو أنظمة الأنظمة). وتُقدّم مجموعة من أساليب النمذجة والمحاكاة التطبيقية لدعم أنشطة هندسة النظم في المرجع ^{[ 12 ] .}

تم تجميع الجوانب المختلفة لمهنة النمذجة والمحاكاة في كتاب. ^{[ 13 ]}

هناك العديد من التصنيفات الممكنة، ولكن التصنيف التالي تم استخدامه بنجاح كبير في مجال الدفاع ، ويتم تطبيقه حاليًا على المحاكاة الطبية ومحاكاة النقل أيضًا.

• يُجرى دعم التحليلات لدعم التخطيط والتجريب. وغالبًا ما يكون البحث عن الحل الأمثل الذي سيتم تنفيذه هو الدافع وراء هذه الجهود. وتندرج تحليلات "ماذا لو" للبدائل ضمن هذه الفئة أيضًا. غالبًا ما يُنجز هذا النمط من العمل بواسطة محللي المحاكاة - أولئك الذين يمتلكون مهارات في كل من المحاكاة والتحليل. وقد لوحظ هذا المزج بين المحاكاة والتحليل بشكل جيد في كلاينين.
• يُطبَّق دعم هندسة النظم في عمليات شراء وتطوير واختبار النظم. ويمكن أن يبدأ هذا الدعم في المراحل المبكرة، ويشمل مواضيع مثل بنى النظم القابلة للتنفيذ، كما يُمكنه دعم عملية الاختبار من خلال توفير بيئة افتراضية لإجراء الاختبارات. وغالبًا ما يُنجز هذا النوع من العمل بواسطة المهندسين والمعماريين.
• يقدم قسم دعم التدريب والتعليم أجهزة محاكاة وبيئات تدريب افتراضية وألعابًا تعليمية جادة لتدريب وتثقيف الأفراد. غالبًا ما يتم إنجاز هذا النوع من العمل من خلال مدربين يعملون بالتنسيق مع علماء الحاسوب.

يُستخدم دعم التحليلات بشكل خاص في العمليات التجارية الجارية. تقليديًا، توفر أنظمة دعم القرار هذه الوظيفة. تُحسّن أنظمة المحاكاة وظائفها بإضافة العنصر الديناميكي، مما يسمح بحساب التقديرات والتنبؤات، بما في ذلك التحسين وتحليلات "ماذا لو".

على الرغم من أن مصطلحي "النمذجة" و"المحاكاة" يُستخدمان غالبًا كمترادفين في التخصصات التي تُطبّق النمذجة والمحاكاة كأداة حصرية، إلا أنهما يُعاملان في مجال النمذجة والمحاكاة كمفهومين مستقلين ومتساويين في الأهمية. تُفهم النمذجة على أنها تجريد هادف للواقع، مما يؤدي إلى تحديد رسمي للتصور والافتراضات والقيود الأساسية. تهتم النمذجة والمحاكاة بشكل خاص بالنماذج المستخدمة لدعم تنفيذ نسخة قابلة للتنفيذ على الحاسوب. يُفهم تنفيذ النموذج بمرور الوقت على أنه محاكاة. بينما تستهدف النمذجة التصور ، تركز تحديات المحاكاة بشكل أساسي على التنفيذ ، أي أن النمذجة تقع على مستوى التجريد، بينما تقع المحاكاة على مستوى التنفيذ.

يُعدّ كلٌّ من التصور والتنفيذ - أي النمذجة والمحاكاة - نشاطين مترابطين، لكن يمكن تنفيذهما بشكل منفصل. ويلزم توفير المعرفة والإرشادات الإدارية والهندسية لضمان ترابطهما بشكل فعّال. فكما يحرص مهندس إدارة النظم على ضمان توافق تصميم النظم المُجسّد في بنية النظم مع تطويرها، يجب تنفيذ هذه المهمة بنفس مستوى الاحترافية بالنسبة للنموذج الذي سيتم تنفيذه. ومع تزايد أهمية البيانات الضخمة والتحليلات، يبرز دور دمج المحاكاة والتحليل كأحد اختصاصات متخصصين آخرين، وهو دمج التقنيات الخوارزمية والتحليلية من خلال عروض مرئية متاحة مباشرةً لصناع القرار. وتُقدّم دراسة أجراها لي وآخرون لصالح مكتب إحصاءات العمل ^{[ 14 ]} نظرةً ثاقبةً حول كيفية استخدام تقنيات إعادة التوزيع (التحليل الإحصائي) مع المحاكاة لتوليد بيانات سكانية من مصادر غير متوفرة.

لم يصبح النمذجة والمحاكاة تخصصًا أكاديميًا قائمًا بذاته إلا مؤخرًا. في السابق، كان العاملون في هذا المجال عادةً ما يمتلكون خلفية هندسية.

تقدم المؤسسات التالية شهادات في مجال النمذجة والمحاكاة:

برامج الدكتوراه

• جامعة بنسلفانيا (فيلادلفيا، بنسلفانيا)
• جامعة أولد دومينيون (نورفولك، فيرجينيا)
• جامعة ألاباما في هنتسفيل (هنتسفيل، ألاباما)
• جامعة سنترال فلوريدا (أورلاندو، فلوريدا)
• كلية الدراسات العليا البحرية (مونتيري، كاليفورنيا)
• جامعة جنوة (جنوة، إيطاليا)

برامج الماجستير

• الجامعة الوطنية للعلوم والتكنولوجيا، باكستان (إسلام آباد، باكستان)
• جامعة ولاية أريزونا (تيمبي، أريزونا)
• جامعة أولد دومينيون (نورفولك، فيرجينيا)
• جامعة سنترال فلوريدا (أورلاندو، فلوريدا)
• جامعة ألاباما في هنتسفيل (هنتسفيل، ألاباما)
• جامعة الشرق الأوسط التقنية (أنقرة، تركيا)
• جامعة نيو ساوث ويلز (أستراليا)
• كلية الدراسات العليا البحرية (مونتيري، كاليفورنيا)
• قسم الحوسبة العلمية والنمذجة والمحاكاة (ماجستير في الهندسة (النمذجة والمحاكاة)) (جامعة سافيتريباي فول بونا، الهند)
• جامعة ولاية كولومبوس (كولومبوس، جورجيا)
• جامعة بيردو كالوميت (هاموند، إنديانا)
• جامعة دلفت للتكنولوجيا (دلفت، هولندا)
• جامعة جنوة (جنوة، إيطاليا)
• جامعة هامبورغ للعلوم التطبيقية (هامبورغ، ألمانيا)

برامج الماجستير المهنية في العلوم

• جامعة سنترال فلوريدا (أورلاندو، فلوريدا)

برامج الشهادات العليا

• قسم علوم الأنظمة بجامعة ولاية بورتلاند
• جامعة ولاية كولومبوس (كولومبوس، جورجيا)
• جامعة ألاباما في هنتسفيل (هنتسفيل، ألاباما)

برامج البكالوريوس

• جامعة أولد دومينيون (نورفولك، فيرجينيا)
• معهد غلام إسحاق خان للعلوم الهندسية والتكنولوجيا (سوابي، باكستان)

تُعدّ مجموعة معارف النمذجة والمحاكاة (M&S BoK) مجال المعرفة (المعلومات) والقدرة (الكفاءة) التي تحدد مجتمع ممارسي النمذجة والمحاكاة ومهنة النمذجة والمحاكاة والصناعة والسوق. ^{[ 15 ]}

يُعد فهرس M&S BoK مجموعة من المؤشرات التي توفر مقابض بحيث يمكن الإشارة إلى محتوى معلومات الموضوع وتحديده والوصول إليه ومعالجته. ^{[ 15 ]}

كلّف رئيس الجمعية الدولية للنمذجة والمحاكاة (SCS) ثلاثة من زملائها - تونجر أورين، وبرنارد ب. زيغلر، وأندرياس تولك - بتجميع كتاب "دليل النمذجة والمحاكاة" (M&S BoK). أُنجز المشروع في عام 2022، ونُشر الكتاب من قِبل دار نشر سبرينغر نيتشر ضمن سلسلة "أسس المحاكاة، والأساليب، والتطبيقات": ^{[ 16 ]}

يجب تنفيذ وتنسيق ثلاثة أنشطة لضمان النجاح:

1. يجب إنتاج نموذج يجسد التصور بشكل رسمي.
2. يجب أن تُطبّق المحاكاة هذا النموذج، و
3. يجب على الإدارة ضمان أن يكون النموذج والمحاكاة مترابطين وفي الحالة الحالية (مما يعني أنه عادة ما يحتاج النموذج إلى التحديث في حالة تغيير المحاكاة أيضًا).

• ماجستير العلوم، جامعة بيردو كالوميت. "النمذجة والمحاكاة والتصوير" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 أكتوبر 2014 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )

• تنشر دار نشر سبرينغر سلسلة "أسس المحاكاة، والأساليب، والتطبيقات" ..
• بدأت دار نشر وايلي مؤخراً سلسلة خاصة بها حول النمذجة والمحاكاة. ^{[ 1 ]}

• مكتب تنسيق النمذجة والمحاكاة التابع لوزارة الدفاع الأمريكية (DoD)
• مؤتمر MODSIM العالمي
• جمعية النمذجة والمحاكاة
• مجموعة الاهتمام الخاصة (SIG) التابعة لجمعية آلات الحوسبة (ACM) بشأن المحاكاة والنمذجة (SIM)
• تجمع النمذجة والمحاكاة في الكونغرس الأمريكي
• مثال على مؤشر ماركس وسبنسر لبنك المعرفة الذي طوره تونجر أورين
• بيئة تعاونية من SimSummit تدعم مجموعة أدوات M&S