Počítačové modelování
Počítačová simulace je proces výpočtu počítačového modelu (jinak numerického modelu) na jednom nebo více výpočetních uzlech. Implementuje reprezentaci objektu, systému, konceptu ve formě odlišné od skutečné, ale blízké algoritmickému popisu. Zahrnuje soubor dat charakterizujících vlastnosti systému a dynamiku jejich změny v čase [1] .
Popis
Počítačové modely se staly běžným nástrojem matematického modelování a používají se ve fyzice, astrofyzice, mechanice, chemii, biologii, ekonomii, sociologii, meteorologii, dalších vědách a aplikovaných problémech v různých oblastech radioelektroniky, strojírenství, automobilovém průmyslu atd. Počítačové modely se používají k získání nových znalostí o objektu nebo k aproximaci chování systémů, které jsou příliš složité pro analytické studium.
Počítačová simulace je jednou z účinných metod pro studium složitých systémů . Počítačové modely se snáze a pohodlněji studují díky schopnosti provádět tzv. výpočetní experimenty v případech, kdy jsou skutečné experimenty obtížné kvůli finančním nebo fyzickým překážkám nebo mohou poskytnout nepředvídatelné výsledky. Formalizace počítačových modelů umožňuje určit hlavní faktory, které určují vlastnosti původního studovaného objektu (nebo celé třídy objektů), zejména zkoumat odezvu simulovaného fyzikálního systému na změny jeho parametrů a počáteční podmínky.
Konstrukce počítačového modelu je založena na abstrakci od specifické povahy jevů nebo původního zkoumaného objektu a skládá se ze dvou etap – nejprve vytvoření kvalitativního a poté kvantitativního modelu. Čím významnější vlastnosti jsou identifikovány a přeneseny do počítačového modelu, čím více se bude blížit skutečnému modelu, tím více možností bude mít systém využívající tento model. Počítačová simulace spočívá v provedení řady výpočtových experimentů na počítači, jejichž účelem je analyzovat, interpretovat a porovnávat výsledky simulace s reálným chováním studovaného objektu a v případě potřeby model dále zpřesňovat atd. .
Jedná se o analytické a simulační modelování . V analytickém modelování jsou studovány matematické (abstraktní) modely reálného objektu ve formě algebraických, diferenciálních a jiných rovnic, ale i těch, které zahrnují implementaci jednoznačného výpočetního postupu, který vede k jejich přesnému řešení. Při simulačním modelování jsou matematické modely studovány ve formě algoritmu (algoritmů), který reprodukuje fungování studovaného systému postupným prováděním velkého počtu elementárních operací.
Výhody počítačové simulace
Počítačové modelování to umožňuje :
- rozšířit okruh výzkumných objektů - je možné studovat neopakující se jevy, jevy minulosti a budoucnosti, objekty, které se nereprodukují v reálných podmínkách;
- vizualizovat předměty jakékoli povahy, včetně abstraktních;
- zkoumat jevy a procesy v dynamice jejich rozmístění;
- řídit čas (zrychlit, zpomalit atd.);
- provést více testů modelu, pokaždé jej vrátit do původního stavu;
- získat různé charakteristiky objektu v číselné nebo grafické podobě;
- najít optimální návrh objektu bez vytváření jeho zkušebních kopií;
- provádět experimenty bez rizika negativních důsledků pro lidské zdraví nebo životní prostředí.
Hlavní fáze počítačové simulace
| Etapa | Akce |
|---|---|
| 1. Stanovení problému a jeho analýza | 1.1. Zjistěte, za jakým účelem je model vytvořen.
1.2. Ujasněte si, jaké počáteční výsledky a v jaké formě by měly být získány. 1.3. Určete, jaká vstupní data jsou potřebná k vytvoření modelu. |
| 2. Sestavení informačního modelu | 2.1. Určete parametry modelu a identifikujte vztah mezi nimi.
2.2. Vyhodnoťte, které z parametrů jsou pro daný úkol vlivné a které lze zanedbat. 2.3. Matematicky popište vztah mezi parametry modelu. |
| 3. Vývoj metody a algoritmu pro implementaci počítačového modelu | 3.1. Vyberte nebo vyviňte metodu pro získání počátečních výsledků.
3.2. Sestavte algoritmus pro získání výsledků pomocí vybraných metod. 3.3. Zkontrolujte správnost algoritmu. |
| 4. Vývoj počítačového modelu | 4.1. Vyberte prostředky softwarové implementace algoritmu na počítači.
4.2. Vytvořte počítačový model. 4.3. Zkontrolujte správnost vytvořeného počítačového modelu. |
| 5. Provedení experimentu | 5.1. Vypracujte plán výzkumu.
5.2. Proveďte experiment na základě vytvořeného počítačového modelu. 5.3. Analyzujte výsledky. 5.4. Vyvodit závěry o vlastnostech modelu prototypu. |
Během experimentu se může ukázat, že budete potřebovat:
- upravit výzkumný plán;
- zvolit jiný způsob řešení problému;
- zlepšit algoritmus pro získání výsledků;
- zpřesnit informační model;
- provést změny v prohlášení o problému.
V tomto případě dojde k návratu do odpovídající fáze a proces se spustí znovu.
Praktická aplikace
Počítačové modelování se používá pro širokou škálu úkolů, jako jsou:
- analýza rozložení znečišťujících látek v atmosféře ;
- navrhování protihlukových stěn pro boj s hlukem ;
- konstrukce vozidel ;
- simulace letu na leteckém simulátoru pro výcvik pilotů ;
- předpověď počasí ;
- emulace jiných elektronických zařízení;
- předvídání cen na finančních trzích ;
- studium chování budov, konstrukcí a částí při mechanickém zatížení;
- předpovídání pevnosti struktur a mechanismů jejich ničení;
- navrhování výrobních procesů , např. chemických;
- strategické řízení organizace;
- studium chování hydraulických systémů: ropovody, vodovodní potrubí;
- modelování robotů a automatických manipulátorů;
- možnosti modelování scénářů rozvoje měst;
- modelování dopravních systémů;
- modelování nárazových zkoušek metodou konečných prvků ;
- modelování výsledků plastické chirurgie ;
Různé oblasti použití počítačových modelů kladou různé požadavky na spolehlivost výsledků získaných s jejich pomocí. Modelování budov a částí letadel vyžaduje vysokou míru přesnosti a věrnosti, zatímco modely vývoje měst a socioekonomických systémů se používají k získání přibližných nebo kvalitativních výsledků.
Algoritmy počítačové simulace
- Metoda konečných prvků
- Metoda konečných rozdílů
- Metoda konečných objemů
- Metoda pohyblivých celulárních automatů
- Klasická metoda molekulární dynamiky
- Metoda komponentního obvodu
- Metoda uzlového potenciálu
Viz také
Odkazy
- ↑ Nozhnov V. A. Model výcvikového kurzu. // Sborník příspěvků z mezinárodní vědecké a praktické konference ITO-2009.
 Slovníky a encyklopedie | ||||
|---|---|---|---|---|
| ||||