Számítógépes modellezés
A számítógépes szimuláció egy számítógépes modell (egyébként numerikus modell) kiszámításának folyamata egy vagy több számítási csomóponton. Egy objektum, rendszer, fogalom ábrázolását a valóstól eltérő, de az algoritmikus leíráshoz közeli formában valósítja meg. Tartalmazza a rendszer tulajdonságait és azok időbeli változásának dinamikáját jellemző adathalmazt [1] .
Leírás
A számítógépes modellek a matematikai modellezés elterjedt eszközévé váltak, és használatosak a fizikában, asztrofizikában, mechanikában, kémiában, biológiában, közgazdaságtanban, szociológiában, meteorológiában, egyéb tudományokban és alkalmazott problémák megoldásában a rádióelektronika, a gépészet, az autóipar stb. különböző területein. A számítógépes modelleket arra használják, hogy új ismereteket szerezzenek egy objektumról, vagy közelítsék az analitikai vizsgálathoz túl bonyolult rendszerek viselkedését.
A számítógépes szimuláció az egyik hatékony módszer a komplex rendszerek tanulmányozására . A számítógépes modellek könnyebben és kényelmesebben tanulmányozhatók az ún. számítási kísérletek olyan esetekben, amikor a valódi kísérletek pénzügyi vagy fizikai akadályok miatt nehézkesek, vagy előre nem látható eredményeket adhatnak. A számítógépes modellek formalizálása lehetővé teszi a vizsgált eredeti objektum (vagy objektumok egész osztálya) tulajdonságait meghatározó főbb tényezők meghatározását, különösen a szimulált fizikai rendszer paramétereinek változásaira, ill. kezdeti feltételek.
A számítógépes modell felépítése a jelenségek sajátos természetétől vagy a vizsgált eredeti objektumtól való elvonatkoztatáson alapul, és két szakaszból áll - először egy kvalitatív, majd egy kvantitatív modell létrehozásából. Minél jelentősebb tulajdonságokat azonosítunk és viszünk át a számítógépes modellbe, minél közelebb áll a valós modellhez, annál több lehetősége lesz az ezt a modellt használó rendszernek. A számítógépes szimuláció egy sor számítási kísérlet elvégzését jelenti számítógépen, melynek célja a szimulációs eredmények elemzése, értelmezése és összehasonlítása a vizsgált objektum valós viselkedésével, és szükség esetén a modell tovább finomítása stb. .
Létezik analitikus és szimulációs modellezés . Az analitikus modellezés során egy valós objektum matematikai (absztrakt) modelljeit algebrai, differenciál- és egyéb egyenletek formájában vizsgálják, valamint olyanokat, amelyek egy egyértelmű számítási eljárás megvalósítását foglalják magukban, ami a pontos megoldáshoz vezet. A szimulációs modellezés során a matematikai modelleket olyan algoritmus(ok) formájában vizsgálják, amelyek nagyszámú elemi művelet szekvenciális végrehajtásával reprodukálják a vizsgált rendszer működését.
A számítógépes szimuláció előnyei
A számítógépes modellezés lehetővé teszi :
- bővítse a kutatási objektumok körét - lehetővé válik a nem visszatérő jelenségek, a múlt és a jövő jelenségei, a valós körülmények között nem reprodukálható tárgyak tanulmányozása;
- bármilyen jellegű objektum megjelenítése, beleértve az absztraktokat is;
- jelenségek és folyamatok feltárása azok alkalmazásának dinamikájában;
- kezelni az időt (gyorsítani, lassítani stb.);
- hajtsa végre a modell többszöri tesztelését, minden alkalommal visszaállítva azt eredeti állapotába;
- megkapja az objektum különböző jellemzőit numerikus vagy grafikus formában;
- megtalálja egy objektum optimális kialakítását anélkül, hogy próbamásolatot készítene;
- kísérleteket végezni az emberi egészségre vagy a környezetre gyakorolt negatív következmények kockázata nélkül.
A számítógépes szimuláció főbb szakaszai
| Színpad | Műveletek |
|---|---|
| 1. A probléma megfogalmazása és elemzése | 1.1. Nézze meg, milyen célból készült a modell.
1.2. Tisztázza, hogy milyen kezdeti eredményeket és milyen formában kell elérni. 1.3. Határozza meg, milyen bemeneti adatokra van szükség a modell létrehozásához. |
| 2. Információs modell felépítése | 2.1. Határozza meg a modell paramétereit, és határozza meg a köztük lévő kapcsolatot.
2.2. Értékelje, hogy a paraméterek közül melyek befolyásolják az adott feladatot, és melyek az elhanyagolhatóak. 2.3. Matematikailag írja le a modellparaméterek közötti kapcsolatot. |
| 3. Számítógépes modell megvalósítására szolgáló módszer és algoritmus kidolgozása | 3.1. Válasszon vagy dolgozzon ki egy módszert a kezdeti eredmények eléréséhez.
3.2. Állítson össze egy algoritmust az eredmények megszerzéséhez kiválasztott módszerekkel. 3.3. Ellenőrizze az algoritmus helyességét. |
| 4. Számítógépes modell kidolgozása | 4.1. Válassza ki az algoritmus számítógépen történő szoftveres megvalósításának módját.
4.2. Számítógépes modell kidolgozása. 4.3. Ellenőrizze a létrehozott számítógépmodell helyességét. |
| 5. Kísérlet lefolytatása | 5.1. Dolgozzon ki kutatási tervet.
5.2. Végezzen kísérletet az elkészített számítógépes modell alapján. 5.3. Elemezze az eredményeket. 5.4. Következtetések levonása a prototípus modell tulajdonságairól! |
A kísérlet során kiderülhet, hogy szüksége van:
- módosítsa a kutatási tervet;
- válasszon másik módszert a probléma megoldására;
- az eredmények eléréséhez szükséges algoritmus javítása;
- finomítsa az információs modellt;
- módosítsa a problémafelvetést.
Ebben az esetben megtörténik a visszatérés a megfelelő szakaszba, és a folyamat újraindul.
Gyakorlati alkalmazás
A számítógépes modellezést számos feladatra használják, mint például:
- a szennyező anyagok légköri eloszlásának elemzése ;
- zajvédő falak tervezése a zajszennyezés elleni küzdelem érdekében ;
- járművek építése ;
- repülésszimuláció repülésszimulátoron pilóták képzésére ;
- időjárás előrejelzés ;
- más elektronikus eszközök emulációja;
- ár-előrejelzés a pénzügyi piacokon ;
- épületek, építmények és részek mechanikai terhelés alatti viselkedésének vizsgálata;
- a szerkezetek szilárdságának és tönkretételi mechanizmusainak előrejelzése;
- gyártási folyamatok tervezése , például vegyi eljárások;
- a szervezet stratégiai irányítása;
- hidraulikus rendszerek viselkedésének vizsgálata: olajvezetékek, vízvezetékek;
- robotok és automata manipulátorok modellezése;
- modellezési forgatókönyvek a városfejlesztéshez;
- közlekedési rendszerek modellezése;
- töréstesztek végeselemes modellezése ;
- a plasztikai sebészet eredményeinek modellezése ;
A számítógépes modellek különböző alkalmazási területei eltérő követelményeket támasztanak a segítségükkel kapott eredmények megbízhatóságával szemben. Az épületek és repülőgép-alkatrészek modellezése nagyfokú pontosságot és hűséget igényel, míg a városok és a társadalmi-gazdasági rendszerek fejlődésének modelljei közelítő vagy minőségi eredményeket kapnak.
Számítógépes szimulációs algoritmusok
- Végeselem módszer
- Véges különbség módszer
- Véges térfogatú módszer
- Mozgatható cellás automata módszer
- Klasszikus molekuladinamikai módszer
- Alkatrész áramköri módszer
- Csomóponti potenciál módszer
Lásd még
Linkek
- ↑ Nozhnov V. A. Tanfolyammodell. // Az ITO-2009 Nemzetközi Tudományos és Gyakorlati Konferencia anyaga.
 Szótárak és enciklopédiák | ||||
|---|---|---|---|---|
| ||||