تكنولوجيا

مميزات محاكاة الكمبيوتر

كانت المحاكاة الكمبيوترية مبتكرة كأداة علمية في الأرصاد الجوية والفيزياء النووية بعد الحرب العالمية الثانية، ومنذ ذلك الحين أصبحت ضرورية في عدد من التخصصات المتزايدة، حيث تم استخدامها بشكل واسع في مجالات مثل الفيزياء الفلكية، فيزياء الجسيمات، علم المواد، الهندسة، ميكانيكا الموائع، علوم المناخ، علم الأحياء التطوري، علم البيئة، الاقتصاد، نظرية القرار، الطب، علم الاجتماع، علم الأوبئة، والعديد من الحقول الأخرى .

وحتى أن هناك بعض التخصصات ، مثل نظرية الفوضى ونظرية التعقيد ، التي برز وجودها إلى جانب تطوير النماذج الحسابية التي يدرسونها ، وبعد بداية بطيئة ، بدأ فلاسفة العلم بتكريس مزيد من الاهتمام لدور محاكاة الكمبيوتر في العلوم ، وظهرت عدة مجالات ذات أهمية فلسفية في محاكاة الكمبيوتر.

جدول المحتويات

ماهي محاكاة الكمبيوتر

تعني محاكاة الكمبيوتر استخدام جهاز الكمبيوتر لتمثيل استجابات نظام ديناميكي واحد من خلال سلوك نظام آخر مشابه له. وتستخدم المحاكاة وصفًا رياضيًا أو نموذجًا لنظام حقيقي في شكل برنامج حاسوبي.

ويتكون هذا النموذج من معادلات تكرر العلاقات الوظيفية ، داخل النظام الحقيقي ، عندما يتم تشغيل البرنامج ، وتشكل الديناميكيات الرياضية الناتجة تناظرية لسلوك النظام الحقيقي ، مع تقديم النتائج في شكل بيانات ، كما يمكن للمحاكاة أيضًا أن تأخذ شكل صورة رسومات الحاسوب التي تمثل العمليات الديناميكية ، في تسلسل متحرك.

استخدامات محاكاة الكمبيوتر

تُستخدم المحاكاة الحاسوبية لدراسة السلوك الديناميكي للأشياء أو الأنظمة الداخلة في ظروف لا يمكن تطبيقها بسهولة أو أمان في الحياة الواقعية، فمثلاً، يمكن وصف الانفجار النووي من خلال نموذج رياضي يضم متغيرات مثل الحرارة والسرعة والإشعاعات.

ويمكن بعد ذلك استخدام معادلات رياضية إضافية لضبط النموذج ، للتغيرات في متغيرات معينة ، مثل كمية المواد الانشطارية التي أنتجت الانفجار ، وتعتبر عمليات المحاكاة مفيدة بشكل خاص ، في تمكين المراقبين من قياس كيفية تأثر عمل النظام بأكمله ، والتنبؤ به كيف يمكن أن يتأثر عمل المكونات الفردية داخل هذا النظام.

أغراض محاكاة الكمبيوتر

يمكن تصنيف الأغراض التي يمكن استخدام المحاكاة الحاسوبية لها إلى ثلاث فئات عامة، حيث يُمكن استخدام المحاكاة لأغراض استكشافية، أو لتنبؤ بالبيانات التي لا نمتلكها، أو لإنشاء فهم للبيانات التي لدينا بالفعل.

يمكن تقسيم المحاكاة التي تندرج تحت فئة النماذج الاستكشافية إلى فئتين: الأولى تستخدم لتوصيل المعرفة للآخرين، والثانية تستخدم لتمثيل المعلومات لأنفسنا. وعندما لعب واتسون وكريك بلوحات من الصفيح والأسلاك، كان كريك يستخدم المحاكاة لتمثيل المعلومات لنفسه، بينما كان واتسون يستخدمها لتوصيل المعرفة للآخرين.

عندما بنى فيلق الجيش نموذجا للخليج السان فرانسيسكو لإقناع الناخبين بأن تدخلا معينا كان خطيرا، كانوا يستخدمونه لهذا النوع من الأغراض الاستكشافية، ويمكن استخدام المحاكاة الحاسوبية لكل من هاتين الأغراض، لاستكشاف ميزات الهياكل التمثيلية المحتملة أو توصيل المعرفة للآخرين، وعلى سبيل المثال: تم استخدام المحاكاة الحاسوبية للعمليات الطبيعية مثل التكاثر البكتيري والتحول التكتوني والتفاعلات الكيميائية والتطور في إعدادات الفصل الدراسي لمساعدة الطلاب على تصور البنية المخفية في الظواهر والعمليات غير القابلة للتجربة أو المستحيلة أو المكلفة للتوضيح في إعداد المختبر (الرطب).

وهناك فئة أخرى واسعة من الأغراض التي يمكن وضع المحاكاة الحاسوبية عليها ، في إخبارنا عن الكيفية التي ينبغي أن نتوقع أن يتصرف بها نظام ما في العالم الحقيقي ، في ظل مجموعة معينة من الظروف ، بشكل فضفاض يمكن استخدام محاكاة الكمبيوتر للتنبؤ ، فيمكننا استخدام النماذج للتنبؤ بالمستقبل ، أو لتقليص الماضي ، ويمكننا استخدامها لعمل تنبؤات دقيقة أو فضفاضة و عامة.

فيما يتعلق بالدقة النسبية للتنبؤات التي نقوم بها باستخدام المحاكاة ، يمكننا أن نكون أكثر دقة في تصنيفنا. هناك ثلاثة أنواع من التنبؤات: (أ) توقعات النقطة: أين سيكون كوكب المريخ في 21 أكتوبر 2300؟ (ب) التنبؤات النوعية أو العالمية أو النظامية: هل مدار هذا الكوكب مستقر؟ ما هو قانون التحجيم الموجود في هذه الأنظمة؟ وما هو البعد الكسري للجاذبية في هذا النوع من الأنظمة؟ (ج) تنبؤات المدى: من المحتمل بنسبة 66٪ أن يزيد متوسط درجة حرارة سطح الأرض بين 2-5 درجات مئوية بحلول عام 2100، ومن المحتمل جدا أن يرتفع مستوى سطح البحر بمقدار قدمين على الأقل. (غير معقول) أن تتوقف الدورة الحرارية العميقة خلال الخمسين سنة القادمة.

يمكن استخدام المحاكاة لتفسير وفهم سلوك الأنظمة، إذا كانت لدينا بيانات حول تصرف بعض الأنظمة، يمكن استخدام المحاكاة الحاسوبية للإجابة على الأسئلة حول كيفية حدوث هذه الأحداث أو تكرارها.

مكونات محاكاة الكمبيوتر البسيطة

يتكون أبسط نوع من المحاكاة التي يقوم بها أجهزة الكمبيوتر الشخصية بشكل رئيسي من نماذج الأعمال والنماذج الهندسية، ويشمل النموذج الأول برامج جداول البيانات والبرامج المالية والإحصائية التي تستخدم في تحليل الأعمال والتخطيط.

النماذج الهندسية تستخدم في العديد من التطبيقات التي تتطلب نمذجة رياضية بسيطة للأشياء، مثل المباني والأجزاء الصناعية والهياكل الجزيئية للمواد الكيميائية. وعادة ما يتم إجراء عمليات محاكاة متقدمة، مثل تلك التي تحاكي أنماط الطقس أو سلوك أنظمة الاقتصاد الكلي، على أجهزة الكمبيوتر المركزية أو محطات العمل القوية.

في مجال الهندسة، تخضع نماذج الحواسيب الخاصة بالهياكل المصممة حديثًا، لاختبارات المحاكاة لتحديد استجابتها للضغوط والمتغيرات المادية الأخرى، كما يمكن محاكاة تأثير السدود وشبكات الري على الأنهار قبل بدء أي بناء فعلي، وذلك لتحديد الآثار المحتملة على البيئة وتقليل التأثيرات السلبية.

تتضمن أمثلة أخرىلمحاكاة الكمبيوتر تقدير الاستجابات التنافسية للشركات في سوق معين، وإعادة إنتاج حركة وهروب المركبات الفضائية.

أنواع محاكاة الكمبيوتر

غالبًا ما يتم تمييز نوعين من المحاكاة الحاسوبية ، المحاكاة القائمة على المعادلة ، والمحاكاة القائمة على الوكيل (أو الفردية) ، وتُستخدم المحاكاة الحاسوبية لكلا النوعين لثلاثة أنواع مختلفة من الأغراض العامة وهي : التنبؤ (سواء النوعي أو العالمي / النوعي) ، الفهم ، والأغراض الاستكشافية.

المحاكاة القائمة على المعادلة

تستخدم المحاكاة القائمة على المعادلة بشكل شائع في العلوم الفيزيائية والعلوم الأخرى حيث توجد نظرية تحكم يمكنها توجيه بناء النماذج الرياضية القائمة على المعادلات التفاضلية. وقد استخدم مصطلح (المعادلة المستندة) هنا للإشارة إلى المحاكاة القائمة على أنواع المعادلات العالمية، والتي نربطها بالنظريات الفيزيائية – على عكس (قواعد التطور).

يمكن إما محاكاة التفاعل الذي يعتمد على الجسيمات، حيث يتم تمثيل العديد من الأجسام المنفصلة، وتطبيق مجموعة من المعادلات التفاضلية التي تحكم تفاعلها، أو يمكن أن تعتمد على المجال، حيث يتم تطبيق مجموعة من المعادلات التي تحكم التطور الزمني لوسط مستمر أو حقل.

ومثال على الأول هو محاكاة لتكوين المجرة ، حيث يتم فصل تفاعل الجاذبية بين مجموعة محدودة من الأجسام المنفصلة في الزمان والمكان ، ومثال على هذا الأخير هو محاكاة السوائل ، مثل نظام الأرصاد الجوية مثل العاصفة الشديدة ، وهنا يتم التعامل مع النظام كوسيط مستمر مائع ، ويتم فصل مجال يمثل توزيعه للمتغيرات ذات الصلة في الفضاء ، ثم يتم تحديثه على فترات زمنية منفصلة.

المحاكاة القائمة على الوكيل

تستخدم المحاكاة القائمة على الوكيل بشكل شائع في العلوم الاجتماعية والسلوكية، ويمكن العثور عليها أيضًا في مجالات أخرى مثل الحياة الاصطناعية وعلم الأوبئة والإيكولوجيا، وأي تخصص يدرس التفاعل الشبكي بين الأفراد.

وتشبه المحاكاة القائمة على العامل المحاكاة القائمة على الجسيمات ، من حيث أنها تمثل سلوك العديد من الأفراد المنفصلين ، ولكن على عكس المحاكاة القائمة على الجسيمات ، لا توجد معادلات تفاضلية عالمية تحكم حركات الأفراد ، وبدلا من ذلك ، في عمليات المحاكاة القائمة على الوكيل ، يتم تحديد سلوك الأفراد من خلال القواعد المحلية الخاصة بهم

ولإعطاء مثال واحد على المحاكاة الشهيرة والمستندة إلى عامل كان نموذج توماس شيلينج (1971) لـ (الفصل) ، فالعملاء في محاكاة له كانوا أفرادًا عاشوا على رقعة الشطرنج ، وتم تقسيم الأفراد إلى مجموعتين في المجتمع ، على سبيل المثال ، جنسان مختلفان ، أولاد وبنات ، مدخنون وغير مدخنين ، إلخ.

وكل مربع على اللوح يمثل منزلًا ، على الأكثر شخص واحد لكل منزل ، والفرد سعيد إذا كان لديه نسبة معينة من الجيران من مجموعته ، ويبقى الوكلاء السعداء حيث هم ، وينتقل الوكلاء غير الراضين إلى مواقع مجانية ، فقد وجد شيلينج أن المجلس تطور بسرعة إلى نمط موقع منفصل بشدة ، إذا تم تحديد (قواعد سعادة) العملاء بحيث تم تفضيل الفصل بشكل كبير، ولكن من المدهش أنه وجد أيضًا أن المجالس المدمجة في البداية ، تميل إلى الفصل الكامل حتى لو كانت قواعد سعادة العملاء تعبر فقط عن تفضيل معتدل ، لوجود جيران من نوعهم الخاص.

محاكاة متعددة المقاييس

بعض أنماط المحاكاة تكون مزيجا من أنواع مختلفة من أساليب النمذجة. تعتبر نماذج المحاكاة متعددة المقاييس، حيث تجمع بين عناصر النمذجة من مقاييس ووصف مختلفة. مثلا، يمكن أن يكون لدينا نموذج يحاكي ديناميكيات المادة السائبة عن طريق معالجة المادة، بما في ذلك الضغط والتوتر، على مستوى وصف خشن نسبيا. ومع ذلك، يمتد هذا النموذج إلى مناطق محددة من المادة حيث تكون التأثيرات الصغيرة ذات أهمية بسيطة. تتم محاكاة تلك المناطق الأصغر بأساليب نمذجة أكثر دقة نسبيا.

قد تعتمد هذه الطرق على الديناميكيات الجزيئية، أو ميكانيكا الكم، أو كليهما، وكل منهما يوفر وصفًا دقيقًا للمادة أكثر من المقدمة من خلال معالجتها كحقل، ويمكن تقسيم طرق المحاكاة متعددة المقاييس إلى طرق تسلسلية متعددة المقاييس ومتوازية.

والطريقة الأكثر تقليدية هي النمذجة التسلسلية متعددة المقاييس ، والفكرة هنا هي اختيار منطقة ، ومحاكاة ذلك في المستوى الأدنى من الوصف ، وتلخيص النتائج في مجموعة من المعلمات القابلة للهضم ، من خلال نموذج المستوى الأعلى ، وتمريرها إلى الجزء من حساب الخوارزمية على المستوى الأعلى.

لا تكون الطرق التسلسلية متعددة المقاييس فعالة عندما ترتبط المقاييس المختلفة بشدة مع بعضها البعض، عندما يتفاعل المقاييس المختلفة بشدة لإنتاج سلوك مرئي، فإن النهج المطلوب هو نمذجة تتماشى مع جميع المناطق في نفس الوقت، وهذا ما يسمى بالنمذجة المتوازية متعددة المقاييس. إن النمذجة المتوازية متعددة المقاييس هي أساس نهج المحاكاة الشامل: ويشار إليها أيضا بنمذجة (الشبكة الفرعية).

ويشير نمذجة الشبكة الفرعية إلى تمثيل العمليات الفيزيائية الهامة الصغيرة النطاق ، التي تحدث على مقاييس الطول التي لا يمكن حلها بشكل مناسب ، على حجم الشبكة لمحاكاة معينة ، (تذكر أن العديد من عمليات المحاكاة تميّز المعادلات المستمرة ، لذا فإن لها حجم شبكة تعسفيًا محدودًا نسبيًا).

وفي دراسة الاضطراب في السوائل ، على سبيل المثال ، فإن الاستراتيجية العملية الشائعة للحساب هي حساب الدوامات الصغيرة المفقودة ( أو الدوامات) التي تقع داخل خلايا الشبكة ، ويتم ذلك عن طريق إضافة لزوجة دوامة تميز نقل الطاقة ، وتبددها في التدفق الأصغر ، أو أي ميزة من هذا القبيل تحدث على نطاق صغير جدًا بحيث لا يمكن التقاطها بواسطة الشبكة.

في علم المناخ والتخصصات المشابهة، يُطلق على تحديد المعايير باسم نمذجة الشبكة الفرعية، ويشير هذا المصطلح، مرة أخرى، إلى استخدام طرق بديلة لتمثيل العمليات الصغيرة أو المعقدة التي لا يمكن تمثيلها بشكل فعلي في النموذج عن طريق وصف رياضي أكثر بساطة.

وهذا على عكس العمليات الأخرى ، فعلى سبيل المثال ، التدفق الواسع النطاق للغلاف الجوي ، والتي يتم حسابها على مستوى الشبكة وفقًا للنظرية الأساسية ، يطلق عليه (تحديد المعايير) لأن هناك حاجة إلى العديد من المعلمات غير المادية لدفع الخوارزميات التقريبية العالية التي تحسب قيم الشبكة الفرعية.

وتتضمن الأمثلة على تحديد المعايير في المحاكاة المناخية معدل نزول قطرات المطر ، ومعدل الانتقال الإشعاعي في الغلاف الجوي ، ومعدل تكوين السحابة ، وعلى سبيل المثال متوسط الغيوم فوق مربع شبكة مساحته 100 كيلومتر مربع ، لا يرتبط بشكل نظيف بمتوسط الرطوبة فوق الصندوق ، ومع ذلك كلما زاد متوسط الرطوبة ، سيزداد متوسط درجة التغيم ، وبالتالي قد تكون هناك معلمة تربط متوسط درجة التغيم بمتوسط الرطوبة داخل صندوق الشبكة.

على الرغم من أن معلمات تشكيل السحابة في العصر الحديث تعد أكثر تعقيدًا من هذا المثال، فإن الفكرة الأساسية موضحة بشكل جيد في المثال، ويمكن استخدام طرق نمذجة الشبكة الفرعية في المحاكاة لفهم بنية نظرية المعرفة للمحاكاة بشكل أفضل.

يمكن مقارنة طرق نمذجة الشبكة الفرعية بنوع آخر من النماذج المتوازية متعددة المقاييس، حيث تعد خوارزميات الشبكة الفرعية أكثر نظرية، ولكنها مدفوعة بنظرية تعتمد على وصف مختلف في مستوى مختلف، على سبيل المثال في محاكاة المواد السائبة المذكورة أعلاه.

فالخوارزمية التي تقود المستوى الأصغر هي في الواقع أكثر نظريًا من المستوى الأعلى ، بمعنى أن الفيزياء أكثر جوهرية ، ميكانيكا الكم أو الديناميات الجزيئية ، مقابل ميكانيكا الاستمرارية ، وبعبارة أخرى فإن هذه الأنواع من النماذج متعددة المقاييس ، تجمع بين موارد النظريات على مستويات مختلفة من الوصف ، لذا فهي تقدم أمثلة مثيرة للاهتمام تثير تفكيرنا حول العلاقات بين الطوائف ، والتي تتحدى الرأي السائد على نطاق واسع بأن مجموعة غير متناسقة من القوانين ، لا يمكن أن يكون لها نماذج.

محاكاة مونت كارلو

في الأدبيات العلمية ، هناك فئة كبيرة أخرى من المحاكاة الحاسوبية تسمى محاكاة مونت كارلو (MC) ، محاكاة MC هي خوارزميات الكمبيوتر التي تستخدم العشوائية لحساب خصائص النموذج الرياضي ، وحيث لا تكون عشوائية الخوارزمية سمة من سمات النموذج المستهدف ، مثال جيد هو استخدام خوارزمية عشوائية لحساب قيمة π.

عند رسم وحدة مربعة على قطعة من الورق وإدخال دائرة داخلها، ثم إسقاط مجموعة من الأشياء عشوائيًا داخل المربع، فإن نسبة الأشياء التي تسقط داخلالدائرة تكون مساوية تقريبًا لقيمة π / 4، ويُطلق على محاكاة الكمبيوتر التي تستخدم هذا الإجراء اسم “محاكاة MC لحساب قيمة π.

لقد انحرف العديد من فلاسفة العلم عن اللغة العلمية العادية هنا، وتجاوزوا التفكير في محاكاة MC كمحاكاة حقيقية. يقدم Grüne -Yanoff and Weirich )2010) المنطق التالي: النهج المعتمد في مونت كارلو ليس له هدف تقليد، بل يقلد النظام القانوني ليس ليحل محله أو يستبدله ولكن فقط لتقديم حساب بديل لخصائص النظام القانوني.

وهذا يشير إلى أن تمثيل MC لا يتفق بشكل مناسب مع أي من التعريفات المذكورة أعلاه، ومن ناحية أخرى، قد يكون هناك فجوة بين وجهات نظر الفلاسفة واستخدام اللغة العادية، حيث يمكن اعتبار تمثيل MC عملية افتراضية يمكن استخدامها لحساب شيء متعلق بدراسة أخرى. على سبيل المثال، لنفترض أنني أصمم مدارا كوكبيا وأحتاج إلى حسابات لتحديد قيمة ما.

وإذا قمت بمحاكاة MC المذكورة في الفقرة السابقة، فأنا أقوم بمحاكاة عملية إسقاط الأشياء بشكل عشوائي في صندوق، ولكن ما أقوم بوضعه هو مدار كوكبي، وهذا هو المعنى الذي تكون فيه محاكاة MC محاكاة. ومع ذلك، فإنها ليست محاكاة للأنظمة المستخدمة في الدراسة. وعلى الرغم من ذلك، كما يشير بيسبارت ونورتون (2012)، بعض محاكاة MC (أي تلك التي تستخدم تقنيات MC لحل المعادلات الديناميكية العشوائية، والتي تشير إلى نظام مادي)، هي في الواقع محاكاة للأنظمة التي يدرسونها.