رسم الخرائط الفضائية

ابتكر جون باندلر منهجية رسم خرائط الفضاء لنمذجة وتحسين تصميم الأنظمة الهندسية لأول مرة عام 1993. وتعتمد هذه المنهجية على المعرفة الموجودة ذات الصلة لتسريع عملية توليد النماذج وتحسين تصميم النظام. ويتم تحديث هذه المعرفة بمعلومات التحقق الجديدة من النظام عند توفرها.

تعتمد منهجية رسم الخرائط المكانية على صياغة "شبه عالمية" تربط بذكاء بين نماذج "تقريبية" (مثالية أو منخفضة الدقة) ونماذج "دقيقة" (عملية أو عالية الدقة) ذات تعقيدات مختلفة. في التصميم الهندسي، تعمل هذه المنهجية على مواءمة نموذج تقريبي سريع مع نموذج دقيق يتطلب حسابًا مكلفًا، وذلك لتجنب التحسين المباشر والمكلف للنموذج الدقيق. يمكن إجراء هذه المواءمة إما خارج الخط (تحسين النموذج) أو أثناء التشغيل باستخدام تحديثات بديلة (مثل رسم الخرائط المكانية المكثف).

جوهر هذه العملية هو نموذجان: أحدهما دقيق للغاية ولكنه مكلف جدًا لاستخدامه مباشرةً مع إجراءات التحسين التقليدية، والآخر أقل تكلفةً وبالتالي أقل دقة. يُشار عادةً إلى النموذج الثاني (النموذج السريع) بالنموذج "التقريبي" ( الفضاء التقريبي ). أما النموذج الأول (النموذج البطيء) فيُشار إليه عادةً بالنموذج "الدقيق". يُمثل فضاء التحقق ("الواقع") النموذج الدقيق، على سبيل المثال، نموذج فيزيائي عالي الدقة. يتضمن فضاء التحسين، حيث يُجرى التحسين التقليدي، النموذج التقريبي (أو النموذج البديل )، على سبيل المثال، النموذج الفيزيائي منخفض الدقة أو نموذج "المعرفة". في مرحلة تحسين تصميم رسم الخرائط المكانية، توجد خطوة تنبؤ أو "تنفيذ"، حيث تُسند نتائج "النموذج التقريبي المُحسَّن" (النموذج البديل المُحدَّث) إلى النموذج الدقيق للتحقق من صحته. بعد عملية التحقق، إذا لم تُلبَّ مواصفات التصميم، تُنقل البيانات ذات الصلة إلى فضاء التحسين (" التغذية الراجعة ")، حيث يُحدَّث النموذج الأولي المُعزَّز بالرسم البياني (يُحسَّن، ويُعاد ضبطه مع النموذج الدقيق) من خلال عملية تحسين تكرارية تُسمى "استخراج المعلمات". تتضمن صياغة الرسم البياني نفسها "الحدس"، وهو جزء مما يُسمى "إحساس" المهندس بالمشكلة. ^{[ 1 ]} على وجه الخصوص، تُظهر عملية رسم الخرائط الفضائي العدواني (ASM) خصائص رئيسية للإدراك (نهج الخبير في حل المشكلة)، وغالبًا ما تُوضَّح بمصطلحات إدراكية بسيطة.

استنادًا إلى مفهوم جون باندلر عام 1993، ^{[ 1 ] [ 2 ]} استُخدمت تحديثات برودن (رسم خرائط الفضاء العدواني)، ^{[ 3 ]} ومناطق الثقة، ^{[ 4 ]} والشبكات العصبية الاصطناعية . ^{[ 5 ]} تشمل التطورات رسم خرائط الفضاء الضمني، ^{[ 6 ]} حيث نسمح بتغيير المعلمات المُحددة مسبقًا والتي لم تُستخدم في عملية التحسين في النموذج الأولي، ورسم خرائط فضاء الإخراج، حيث يُطبق تحويل على استجابة النموذج. استعرضت ورقة بحثية نُشرت عام 2004 أحدث ما توصل إليه العلم بعد السنوات العشر الأولى من التطوير والتنفيذ. ^{[ 7 ]} يستخدم رسم خرائط فضاء الضبط ^{[ 8 ]} ما يُسمى بنموذج الضبط - الذي يُبنى بشكل تدخلي من النموذج الدقيق - بالإضافة إلى عملية معايرة تُترجم تعديل معلمات نموذج الضبط المُحسَّن إلى تحديثات مناسبة لمتغيرات التصميم. تم توسيع مفهوم رسم خرائط الفضاء ليشمل رسم خرائط الفضاء القائم على الشبكات العصبية للنمذجة الإحصائية للإشارات الكبيرة لأجهزة الميكروويف غير الخطية . ^{[ 9 ] [ 10 ]} يدعم رسم الخرائط المكانية نظرية التقارب السليمة ويرتبط بنهج تصحيح العيوب. ^{[ 11 ]}

خُصصت مراجعة شاملة لأحدث التقنيات في عام 2016 لرسم خرائط الفضاء المتقدمة. ^{[ 12 ]} وتغطي هذه المراجعة عقدين من التطوير والتطبيقات الهندسية. وتناقش ورقة بحثية شاملة أخرى نُشرت عام 2021 [13] رسم خرائط الفضاء في سياق تحسين تصميم الترددات الراديوية والميكروويف ^{؛ وفي سياق} النماذج الهندسية البديلة ، والتصميم القائم على الميزات، والتصميم الموجه بالإدراك؛ وفي سياق التعلم الآلي ، والحدس ، والذكاء البشري.

يمكن أيضاً استخدام منهجية رسم الخرائط المكانية لحل المسائل العكسية . تشمل التقنيات المُثبتة خوارزمية رسم الخرائط المكانية العكسية الخطية (LISM) ^{[ 14 ]} ، بالإضافة إلى طريقة رسم الخرائط المكانية باستخدام الفرق العكسي (SM-ID) ^{[ 15 ] .}

ينتمي تحسين رسم الخرائط المكانية إلى فئة أساليب التحسين القائمة على النماذج البديلة، ^{[ 16 ]} أي أساليب التحسين التي تعتمد على نموذج بديل .

طُبقت تقنية رسم الخرائط الفضائية في العديد من التخصصات، بما في ذلك تصميم الموجات الدقيقة والكهرومغناطيسية ، والتطبيقات المدنية والميكانيكية، وهندسة الطيران والفضاء ، والبحوث الطبية الحيوية. ومن الأمثلة على ذلك:

• تحسين انحناء جناح الطائرة ^{[ 17 ]}
• تصميم مقاومة الصدمات في السيارات ^{[ 18 ] [ 19 ]}
• تحليل مصدر تخطيط كهربية الدماغ ^{[ 20 ] [ 21 ]}
• تحسين هوائي الهاتف المحمول ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}
• تصميم الدوائر الميكروية المركزية ^{[ 25 ]}
• تصميم الآلات الكهربائية باستخدام النمذجة متعددة الفيزياء ^{[ 26 ]}
• التحكم في المعادلات التفاضلية الجزئية . ^{[ 27 ]}
• تصميم مشغل الملف الصوتي ^{[ 28 ]}
• إعادة بناء الخصائص المغناطيسية المحلية ^{[ 29 ]}
• التحسين الهيكلي ^{[ 30 ]}
• تصميم مرشحات الميكروويف ومضاعفات الإرسال ^{[ 31 ] [ 32 ]}
• تحسين هياكل التأخير ^{[ 33 ]}
• إلكترونيات الطاقة ^{[ 34 ] [ 35 ]}
• سلامة الإشارة ^{[ 36 ]}
• الهندسة المدنية ^{[ 37 ]}

يمكن استخدام العديد من برامج المحاكاة في عمليات تحسين ونمذجة رسم الخرائط المكانية.

• في مجال الموجات الدقيقة والترددات الراديوية (RF)
  • إعلانات Keysight
  • Keysight Momentum
  • أنسيس إتش إف إس إس
  • استوديو سي إس تي للميكروويف
  • فيكو
  • سونيت إم

ركزت ثلاث ورش عمل دولية بشكل كبير على فن وعلم وتكنولوجيا رسم الخرائط الفضائية.

• ورشة العمل الدولية الأولى حول النمذجة البديلة ورسم الخرائط المكانية لتحسين الهندسة (لينغبي، الدنمارك، نوفمبر 2000)
• ورشة العمل الدولية الثانية حول النمذجة البديلة ورسم الخرائط المكانية لتحسين الهندسة (لينغبي، الدنمارك، نوفمبر 2006)
• ورشة العمل الدولية الثالثة حول النمذجة البديلة ورسم الخرائط المكانية لتحسين الهندسة (ريكيافيك، أيسلندا، أغسطس 2012)

يوجد طيف واسع من المصطلحات المرتبطة برسم خرائط الفضاء: النموذج المثالي، النموذج التقريبي، الفضاء التقريبي، النموذج الدقيق، النموذج المرافق، النموذج الرخيص، النموذج المكلف، النموذج البديل، النموذج منخفض الدقة، النموذج عالي الدقة، النموذج التجريبي، نموذج الفيزياء المبسط، النموذج القائم على الفيزياء، النموذج شبه العالمي، النموذج المعبر فيزيائيًا، الجهاز قيد الاختبار، النموذج القائم على الكهرومغناطيسية، نموذج المحاكاة، النموذج الحسابي ، نموذج الضبط ، نموذج المعايرة، النموذج البديل، تحديث النموذج البديل، النموذج التقريبي المرسوم، تحسين النموذج البديل، استخراج المعلمات، الاستجابة المستهدفة، فضاء التحسين، فضاء التحقق، رسم خرائط الفضاء العصبي، رسم خرائط الفضاء الضمني، رسم خرائط فضاء الإخراج، ضبط المنافذ، التشوه المسبق (لمواصفات التصميم)، رسم خرائط المتشعبات، تصحيح العيوب، إدارة النموذج، النماذج متعددة الدقة، الدقة المتغيرة/التعقيد المتغير، طريقة الشبكة المتعددة ، الشبكة التقريبية، الشبكة الدقيقة. النمذجة القائمة على البدائل، والنمذجة القائمة على المحاكاة، والنمذجة القائمة على النماذج، والنمذجة القائمة على الميزات.