كانت محاكاة الكمبيوتر رائدة كأداة علمية في الأرصاد الجوية ، والفيزياء النووية في الفترة التي تلت الحرب العالمية الثانية مباشرة ، ومنذ ذلك الحين أصبحت لا غنى عنها في عدد متزايد من التخصصات ، وقد نمت قائمة العلوم التي تستخدم على نطاق واسع محاكاة الكمبيوتر ، لتشمل الفيزياء الفلكية ، فيزياء الجسيمات ، علم المواد ، الهندسة ، ميكانيكا الموائع ، علوم المناخ ، علم الأحياء التطوري ، علم البيئة ، الاقتصاد ، نظرية القرار ، الطب ، علم الاجتماع ، علم الأوبئة ، وغيرها الكثير .
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.
ماهي محاكاة الكمبيوتر
محاكاة الكمبيوتر هي استخدام جهاز كمبيوتر ، لتمثيل الاستجابات الديناميكية لنظام واحد ، من خلال سلوك نظام آخر على غرار ذلك ، وتستخدم المحاكاة وصفًا رياضيًا ، أو نموذجًا لنظام حقيقي في شكل برنامج كمبيوتر.
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. [1]
استخدامات محاكاة الكمبيوتر
تستخدم المحاكاة الحاسوبية لدراسة السلوك الديناميكي للأشياء ، أو الأنظمة استجابة للظروف التي لا يمكن تطبيقها بسهولة أو بأمان في الحياة الواقعية ، فعلى سبيل المثال ، يمكن وصف الانفجار النووي من خلال نموذج رياضي ، يتضمن متغيرات مثل الحرارة ، والسرعة ، والانبعاثات المشعة.
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
هناك ثلاث فئات عامة للأغراض التي يمكن وضع المحاكاة الحاسوبية عليها ، فيمكن استخدام المحاكاة لأغراض استكشافية ، لغرض التنبؤ بالبيانات التي لا نمتلكها ، ولإنشاء فهم للبيانات التي لدينا بالفعل.
تحت فئة النماذج الاستكشافية ، يمكن تقسيم المحاكاة بشكل إضافي إلى تلك المستخدمة لتوصيل المعرفة للآخرين ، وتلك المستخدمة لتمثيل المعلومات لأنفسنا ، فعندما لعب واتسون وكريك بلوحات من الصفيح والأسلاك ، كانا يفعلان الأخير في البداية ، والأول عندما أظهروا النتائج للآخرين.
وعندما بنى فيلق الجيش نموذج خليج سان فرانسيسكو لإقناع الناخبين بأن تدخلًا معينًا كان خطيرًا ، كانوا يستخدمونه لهذا النوع من الأغراض الاستكشافية ، ويمكن استخدام المحاكاة الحاسوبية لكلا هذين النوعين من 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 العملية 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.[2]
وفيما يتعلق بالدقة النسبية للتنبؤات التي نقوم بها باستخدام المحاكاة ، يمكننا أن نكون أكثر دقة في تصنيفنا ، فهناك أ) توقعات النقطة: وهي أين سيكون كوكب المريخ في 21 أكتوبر 2300؟ ، ب) التنبؤات النوعية أو العالمية أو النظامية : هل مدار هذا الكوكب مستقر؟ ما قانون التحجيم الذي يظهر في هذه الأنواع من الأنظمة؟ ، وما هو البعد الكسري للجاذب للأنظمة من هذا النوع؟ ، ج) تنبؤات المدى : من المحتمل بنسبة 66٪ أن يزيد متوسط درجة حرارة سطح الأرض ما بين 2-5 درجة مئوية بحلول عام 2100 ، ومن المحتمل جداً أن يرتفع مستوى سطح البحر بمقدار قدمين على الأقل ، (من غير المعقول) أن يتم إغلاق thermohaline في الخمسين سنة القادمة.
وأخيرًا يمكن استخدام المحاكاة لفهم الأنظمة وسلوكها ، إذا كانت لدينا بالفعل بيانات تخبرنا عن كيفية تصرف بعض النظام ، فيمكننا استخدام محاكاة الكمبيوتر للإجابة على الأسئلة حول كيفية حدوث هذه الأحداث ، أو حول كيفية حدوث هذه الأحداث بالفعل.
مكونات محاكاة الكمبيوتر البسيطة
تتكون المحاكاة الأبسط التي تقوم بها أجهزة الكمبيوتر الشخصية بشكل رئيسي ، من نماذج الأعمال ، والنماذج الهندسية ، ويتضمن الأول برامج جداول البيانات ، والبرامج المالية ، والإحصائية المستخدمة في تحليل الأعمال والتخطيط.
وتُستخدم النماذج الهندسية للعديد من التطبيقات ، التي تتطلب نمذجة رياضية بسيطة للأشياء ، مثل المباني ، والأجزاء الصناعية ، والهياكل الجزيئية للمواد الكيميائية ، وعادةً ما يتم إجراء عمليات محاكاة أكثر تقدمًا ، مثل تلك التي تحاكي أنماط الطقس ، أو سلوك أنظمة الاقتصاد الكلي ، على محطات عمل قوية ، أو على أجهزة الكمبيوتر المركزية.
وفي الهندسة ، تخضع نماذج الكمبيوتر للهياكل المصممة حديثًا ، لاختبارات محاكاة لتحديد استجاباتها للضغوط والمتغيرات المادية الأخرى ، كما يمكن التلاعب بمحاكاة الأنهار لتحديد الآثار المحتملة للسدود ، وشبكات الري قبل حدوث أي بناء فعلي.
وتشمل الأمثلة الأخرى لمحاكاة الكمبيوتر ، تقدير الاستجابات التنافسية للشركات في سوق معينة ، وإعادة إنتاج حركة المركبات الفضائية وهروبها.
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.[3]
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).
ويمكن إما محاكاة المحاكاة القائم على الجسيمات ، حيث يوجد العديد من الأجسام المنفصلة ، ومجموعة من المعادلات التفاضلية التي تحكم تفاعلها ، أو يمكن أن تكون قائمة على المجال ، حيث توجد مجموعة من المعادلات التي تحكم التطور الزمني ، لوسط أو حقل مستمر.
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
تعتبر المحاكاة القائمة على الوكيل أكثر شيوعًا في العلوم الاجتماعية والسلوكية ، على الرغم من أننا نجدها أيضًا في تخصصات مثل الحياة الاصطناعية ، وعلم الأوبئة والإيكولوجيا وأي تخصص يتم فيه دراسة التفاعل الشبكي للعديد من 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 ، وبدلاً من ذلك ، في عمليات المحاكاة القائمة على الوكيل ، تملي 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 نماذج المحاكاة هي هجينة من أنواع مختلفة من طرق النمذجة ، فنماذج المحاكاة متعددة المقاييس ، على وجه الخصوص ، تجمع بين عناصر النمذجة من مقاييس وصف مختلفة ، ومن الأمثلة الجيدة على ذلك نموذجًا يحاكي ديناميكيات المادة السائبة عن طريق معالجة المادة ، كحقل يخضع للضغط والتوتر ، عند مستوى وصف خشن نسبيًا ، ولكنه يكبر إلى مناطق معينة من المادة حيث تكون التأثيرات الصغيرة ذات الأهمية الصغيرة ، وتحدث تلك المناطق الأصغر بأساليب نمذجة أكثر دقة نسبيًا.
وقد تعتمد مثل هذه الطرق على الديناميكيات الجزيئية ، أو ميكانيكا الكم ، أو كليهما وكل منهما يمثل وصفًا أكثر دقة للمادة من تلك المقدمة من خلال معالجة المادة 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.
ولا تكون الطرق التسلسلية متعددة المقاييس فعالة عندما تقترن المقاييس المختلفة بقوة معًا ، عندما تتفاعل المقاييس المختلفة بقوة لإنتاج السلوك الملاحظ ، فإن المطلوب هو نهج يحاكي كل منطقة في وقت واحد ، وهذا ما يسمى النمذجة المتوازية متعددة المقاييس ، إن النمذجة المتوازية متعددة المقاييس هي أساس أسلوب محاكاة شبه شامل : ما يسمى 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.
وفي علم المناخ والتخصصات المشابهة ، تسمى نمذجة الشبكة الفرعية تحديد المعايير ، ويشير هذا ، مرة أخرى ، إلى طريقة استبدال العمليات ، والعمليات صغيرة الحجم أو معقدة للغاية بحيث لا يمكن تمثيلها فعليًا في النموذج من خلال 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.
وعلى الرغم من أن معلمات تشكيل السحابة في العصر الحديث أكثر تعقيدًا من هذا ، فإن الفكرة الأساسية موضحة جيدًا في المثال ، واستخدام طرق نمذجة الشبكة الفرعية في المحاكاة له عواقب مهمة لفهم بنية نظرية المعرفة للمحاكاة.
ويمكن مقارنة طرق نمذجة الشبكة الفرعية بنوع آخر من النماذج المتوازية متعددة المقاييس ، حيث تكون خوارزميات الشبكة الفرعية أكثر نظريًا ، ولكن يتم تحفيزها بنظرية على مستوى مختلف من الوصف ، في مثال 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.
فإذا قمت برسم وحدة مربعة على قطعة من الورق وأدرجت دائرة فيها ، ثم أسقطت مجموعة من الأشياء داخل المربع بشكل عشوائي ، فإن نسبة الأشياء التي تهبط في الدائرة ستكون مساوية تقريبًا لـ π / 4، محاكاة الكمبيوتر التي تحاكي إجراءًا كهذا ستسمى محاكاة MC لحساب π.
ولقد انحرف العديد من فلاسفة العلم عن اللغة العلمية العادية هنا ، وأبعدوا عن التفكير في محاكاة MC على أنها محاكاة حقيقية. يقدم Grüne -Yanoff and Weirich )2010) المنطق التالي: إن نهج مونت كارلو ليس له غرض تقليد ، إنه يقلد النظام الحتمية ليس من أجل أن يكون بديلاً يتم التحقيق فيه بدلاً منه ولكن فقط من أجل تقديم حساب بديل لخصائص النظام الحتمية.
وهذا يدل على أن محاكاة MC لا تتناسب مع أي من التعريفات المذكورة أعلاه بشكل مناسب ، ومن ناحية أخرى ، ربما يمكن تقسيم الفجوة بين الفلاسفة واللغة العادية من خلال ملاحظة أن محاكاة MC تحاكي عملية وهمية ، ويمكن استخدامها لحساب شيء ذي صلة بدراسة عملية أخرى ، لنفترض أنني أصمم مدارًا كوكبيًا ولحساباتي أحتاج إلى معرفة قيمة π.
وإذا قمت بمحاكاة MC المذكورة في الفقرة الأخيرة ، فأنا أقوم بمحاكاة عملية إسقاط الأشياء بشكل عشوائي في مربع ، ولكن ما أقوم بوضعه هو مدار كوكبي ، هذا هو المعنى الذي تكون فيه محاكاة MC محاكاة ، لكنها ليست محاكاة للأنظمة التي يتم استخدامها للدراسة ، ومع ذلك ، كما يشير Beisbart و Norton )2012) ، فإن 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. [4]
مميزات محاكاة الكمبيوتر
توفر الإصدارات الحديثة من تكنولوجيا المحاكاة بانتظام ، مجموعة من الميزات هي:
1- بيئة منظمة بشكل فريد تسهل النماذج مع وظيفة الإعداد الهندسي السريع.
2- تفاصيل إنشاء التوليد وواجهات النوافذ ، والقوائم المنبثقة تلقائيًا.
3- سهل وسريع الاستخدام ، مع مخاطر أقل للأخطاء.
4- المدمج في أنماط وقوالب مناولة المواد.
5- تم التحقق من تصميم المنتج واختباره بشكل أسرع ، مما يوفر بدائل طرق عرض ثلاثية الأبعاد.
6- يتم إنشاء رسومات ثلاثية الأبعاد تلقائيًا عندما يقوم المستخدم بإدخال البيانات.
7- يمكن عرض نتائج المحاكاة على الفور في الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد.
