Компютърна симулация

Компютърна симулация, компютърен модел, или изчислителен модел е компютърна програма, или мрежа от компютри, която се опитва да симулира абстрактен модел на дадена система. Компютърните симулации са се превърнали в полезна част от математическо моделиране на много природни системи по физика (изчислителна физика), астрофизика, химия и биология,на човешки системи в областта на икономиката, психологията и социалната наука и в процеса на инженеринг на нови технологии.

Видове на компютърни симулации

Традиционно, формирането на големи модели на системи е ставало чрез математически модел, който се опитва да намери аналитични решения на проблемите и по този начин дава възможност за прогнозиране на поведението на системата от набор от параметри и начални условия .

Докато компютърните симулации могат да използват някои алгоритми от чисто математически модели, компютрите могат да комбинират симулации с реални или действителни събития.

Понятието компютърна симулация е по-широко разпространено от компютърно моделиране, което означава, че всички аспекти са моделирани в компютърно изображение. Въпреки това, компютърната симулация включва генериране на информация от симулационни потребители, които да управляват действителен компютърен софтуер или оборудване, като само част от системата е моделирана: пример могат да бъдат полетните симулатори, които могат да работят с машини толкова добре, колкото с фактически полетен софтуер.

Компютърните симулации са използвани в много области, включително в науката, технологиите, развлекателните игри, в бизнес планирането и изготвянето на графици.

История

Компютърната симулация е разработена успоредно с бързия растеж на компютъра, следвайки първото й мащабно използване по време на проекта "Манхатън" през Втората световна война за моделиране на процеса на ядрената детонация. Това е симулация от 12 твърди сфери, използвайки алгоритъма Монте Карло. Компютърната симулация често се използва като допълнение към, или замяна на системите за моделиране, за които просто завършена форма на аналитични решения не е възможна. Има много различни видове компютърна симулация, но общата характеристика, която всички те имат, е опитът да се създаде представителна извадка за модел, в който пълно изброяване на всички възможни състояния на модела би било възпрепятстващо или невъзможно. Компютърните модели първоначално са били използвани като допълнение за други инструменти, но тяхната употреба по-късно става доста широко разпространена.

Подготовка на данните

Входящите и изходящите данни при симулацията могат да бъдат или чрез форматирани текстови файлове или чрез предварителен и постпроцесор.

Подготовката на данните е може би най-важният аспект на компютърна симулация. Тъй като симулацията е цифрова с присъщата необходимост от закръгляваща / отрязваща грешка, дори и малките грешки в първоначалните данни могат да се превърнат в значително голяма грешка на по-късен етап в симулацията. Въпреки че всички компютърни анализи са предмет на рестрикциите на "GIGO" (garbage in, garbage out), това е особено вярно за цифрова симулация. В действителност, наблюдението на тази присъща нарастваща грешка при цифровите системи е в основата на теорията на хаоса.

Компютърна симулация в областта на науката

Общи примери за видове компютърни симулации в областта на науката:===

• цифрова симулация на диференциални уравнения, които не могат да бъдат решени аналитично. Теории за непрекъснати системи като явления във физическата космология, динамика на флуидите (например климатичните модели, модели „пътен шум”, дисперсни модели „пътно платно на въздуха”), класическа механика и химическа кинетика попадат в тази категория.

• стохастична симулация, която обикновено се използва за дискретни системи, където възникването на събития е вероятностно, и които не могат да бъдат описани директно с диференциални уравнения (това е дискретна симулация в горния смисъл). Явления в тази категория включват генетично отклонение, биохимични или генетични регулаторни мрежи с малък брой молекули. (виж също: Монте Карло метод).

Конкретни примери на компютърни симулации:

• статистически симулации въз основа на агломерацията на голям брой входящи профили, като например прогнозирането на температурното равновесие на водоприемниците, което позволява наборът от метеорологични данни да бъде въведен за определена локал. Тази техника е разработена за прогнозиране на термичното замърсяване.

• симулация чрез представител е използвана ефективно в областта на екологията, където често се нарича индивидуално моделиране и се използва в ситуации, при които индивидуалните различия в представителите не могат да бъдат пренебрегнати, като динамиките на популациите на сьомгата и пъстървата (най-чисто математическите модели показват, че всички пъстърви се държат подобно).

• ориентиран във времето динамичен модел. В хидрологията има няколко такива хидрологични транспортни модели като например SWMM и DSSAM модели, разработени от Агенцията за защита на околната среда на САЩ за прогнозиране качеството на речната вода.

• компютърни симулации също са били използвани за модели на теории на човешкото познание и поведение, например Закон-R

• компютърната симулация използва молекулно моделиране за откриване на лекарства;

• Симулации чрез динамики на изчислителна течност се използват за симулация на поведението на „течащ” въздух, вода и други течности. Използват се едно-, дву- и триизмерни модели. Едноизмерен модел може да симулира ефекта от хидравличен удар в тръба. Двуизмерен модел може да се използва за симулиране на сили на плъзгане на напречното сечение на самолетно крило. Триизмерна симулация може да покаже нуждите от отопление и охлаждане на голяма сграда.

Разбирането на статистическата термодинамична молекулярна теория е в основата на оценяването на молекулярните решения. Теоремата за развитие на потенциалното разпределение (Development of the Potential Distribution Theorem - PDT) позволява да се опрости тази сложна тема за презентирането на молекулярната теория.

Известни и понякога противоречиви, компютърни симулации, използвани в областта на науката са: Donella Meadows' World3 използван в Границите на растежа, Daisyworld на Джеймс Лъвлок и Tierra на Томас Рей.

Приложение

Компютърните симулации са използвани в широк спектър от практиката като например:

• анализите на разпространението на замърсители на въздуха използват моделиране на атмосферната дисперсия;

• проектиране на комплексни системи като системи за самолети, както и логистични системи;

• проектиране на шумови бариери за намаляване на шума от пътищата;

• полетни симулатори за обучение на пилоти;

• прогнозиране на времето;

• прогнозиране на цените на финансовите пазари (например Adaptive Modeler);

• поведението на структури (като сгради и индустриални части) под стрес и други фактори;

• проектиране на промишлени процеси, като химически предприятия за преработка;

• Стратегическо управление и организационни науки;

• резервоарна симулация за петролния инженеринг за моделиране на подземните резервоари;

• симулационни инструменти на производствените процеси;

• робот симулатори за проектирането на роботи и алгоритми за контрол на роботите;

• Трафик инженеринг за планиране или проектиране на части от уличната мрежа от единични възли през цели градове до национална пътна мрежа, виж например VISSIM.

• моделиране на автомобилни катастрофи за тестване на обезопасителните механизми в нови автомобили;

Вижте още

• Когнитивна наука
• Симулация
• Стрес
• Делови игри
• Видове делови игри
• Компютърна образователна игра
• Бизнес игра
• Симулационна игра

Източници

• Ron White and Timothy Edward Downs, How Computers Work (9th Edition)
• Brett McLaughlin, What Is HTML5?
• Henry Beam Piper, The Cosmic Computer
• Steven Levy, Hackers: Heroes of the Computer Revolution - 25th Anniversary Edition
• Morris Rosenthal, Computer Repair with Diagnostic Flowcharts: Troubleshooting PC Hardware Problems from Boot Failure to Poor Performance, Revised Edition

Външни препратки

• Simulation
• What is C.S.
• Computer simulation
• Introduction to simulation