Компьютерлік модельдеу процесі және қолданылуы

Кіріспе

Компьютерлік модельдеу – компьютерде жүзеге асырылатын математикалық модельдеу процесі, ғылыми контекстте компьютерлік модель.

Компьютерлік симуляция – нақты дүниедегі немесе физикалық жүйенің мінез-құлқын немесе нәтижесін болжауға бағытталған, компьютерде жүзеге асырылатын математикалық модельдеу процесі. Кейбір математикалық модельдердің дұрыстығын олардың нәтижелерін, олар болжауға тырысқан нақты дүниедегі нәтижелермен салыстыру арқылы анықтауға болады. Компьютерлік симуляция физикада (компутациялық физика), астрофизикада, климаттануда, химияда, биологияда және өндірісте көптеген табиғи жүйелерді математикалық модельдеу үшін, сондай-ақ экономикада, психологияда, әлеуметтік ғылымдарда, денсаулық сақтауда және инженериядағы адам жүйелерін модельдеу үшін пайдалы құралға айналды. Жүйенің симуляциясы – жүйенің моделінің жұмыс істеуі ретінде ұсынылады. Оны жаңа технологияларды зерттеу және түсіну үшін, сондай-ақ аналитикалық шешімдерге қол жеткізу қиын жүйелердің өнімділігін бағалау үшін пайдалануға болады. Компьютерлік симуляциялар кішкентай құрылғыларда дерлік бірден іске қосылатын шағын компьютерлік бағдарламаларды немесе желілік компьютерлер тобында сағаттар немесе күндер бойы жұмыс істейтін ірі масштабты бағдарламаларды пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Компьютерлік симуляциялар арқылы модельдеуге болатын оқиғалардың масштабы дәстүрлі қағаз және қаламмен математикалық модельдеу мүмкіндіктерін асып түседі. 1997 жылы бір күштің екінші күшке шабуыл жасауының шөлдегі шайқасын модельдеуге Кувейт маңындағы модельденген жер бедерінде 66 239 танк, жүк көлігі және басқа да көлік құралдарын модельдеу кірді. Бұл үшін Қорғаныс министрлігінің (DoD) Жоғары өнімділіктегі компьютерді жаңарту бағдарламасының бірнеше суперкомпьютерлері қолданылды. Басқа мысалдарға материалдың деформациясының 1 миллиард атомдық моделі; 2005 жылы барлық тірі организмдердегі күрделі ақуыз өндіретін органелланың – рибосоманың 2,64 миллион атомдық моделі; 2012 жылы Mycoplasma genitalium-ның толық өмірлік циклының симуляциясы; және EPFL (Швейцария) -де 2005 жылдың мамырында бүкіл адам миының алғашқы компьютерлік симуляциясын жасау үшін басталған Blue Brain жобасы жатады. Симуляцияның есептеу шығындарына байланысты компьютерлік эксперименттер белгісіздікті сандық бағалау сияқты қорытындылар жасау үшін қолданылады.

Computer simulation is the process of mathematical modelling, performed on a computer, which is designed to predict the behaviour of, or the outcome of, a real world or physical system. The reliability of some mathematical models can be determined by comparing their results to the real world outcomes they aim to predict. Computer simulations have become a useful tool for the mathematical modeling of many natural systems in physics (computational physics), astrophysics, climatology, chemistry, biology and manufacturing, as well as human systems in economics, psychology, social science, health care and engineering. Simulation of a system is represented as the running of the system's model. It can be used to explore and gain new insights into new technology and to estimate the performance of systems too complex for analytical solutions. Computer simulations are realized by running computer programs that can be either small, running almost instantly on small devices, or large scale programs that run for hours or days on network based groups of computers. The scale of events being simulated by computer simulations has far exceeded anything possible (or perhaps even imaginable) using traditional paper and pencil mathematical modeling. In 1997, a desert battle simulation of one force invading another involved the modeling of 66,239 tanks, trucks and other vehicles on simulated terrain around Kuwait, using multiple supercomputers in the DoD High Performance Computer Modernization Program. Other examples include a 1 billion atom model of material deformation; a 2.64 million atom model of the complex protein producing organelle of all living organisms, the ribosome, in 2005;
a complete simulation of the life cycle of Mycoplasma genitalium in 2012; and the Blue Brain project at EPFL (Switzerland), begun in May 2005 to create the first computer simulation of the entire human brain, right down to the molecular level. Because of the computational cost of simulation, computer experiments are used to perform inference such as uncertainty quantification.

Модель мен симуляция

Модель – жүйе мінез-құлқын бейнелеу үшін қолданылатын теңдеулер жиынтығы. Ал компьютерлік симуляция – бұл осы теңдеулерді шешетін алгоритмдерді іске қосатын бағдарламаны іске қосу процесі, көбінесе шамамен есептеу арқылы. Демек, симуляция – модельді іске қосу. Сондықтан "симуляция жасау" дұрыс емес, оның орнына "модель (немесе симулятор) жасау" керек, содан кейін "модельді іске қосу" немесе оған тең "симуляцияны іске қосу".

Тарих

Компьютерлік симуляция компьютердің қарқынды дамуымен бірге қатар дамыды, екінші дүниежүзілік соғыстағы Манхэттен жобасында ядролық жарылыс процесін модельдеу үшін алғаш рет кең көлемде қолданылғаннан кейін. Бұл Монте-Карло алгоритмін пайдаланып 12 қатты шарды симуляциялау болды. Компьютерлік симуляция көбінесе жабық түрдегі аналитикалық шешімдері жоқ жүйелерді модельдеуге қосымша немесе олардың орнына қолданылады. Компьютерлік симуляциялардың көптеген түрлері бар; олардың ортақ ерекшелігі – модельдің барлық мүмкін күйлерін толық санау өте қиын немесе мүмкін емес болған жағдайда, модель үшін өкілдік беретін сценарийлердің үлгісін жасауға талпыну.

Көрнекілендіру

Бұрын компьютерлік симуляциядан алынған нәтижелер кейде кесте немесе матрица түрінде ұсынылатын, онда симуляция параметрлерінің көптеген өзгерістері деректерге қалай әсер ететіні көрсетілетін. Матрицалық форматты қолдану математикалық модельдердегі матрица тұжырымдамасының дәстүрлі қолданылуымен байланысты болды. Алайда психологтар және басқа мамандар адамдардың деректерден жасалған графиктерді немесе тіпті компьютерлік бейнелеу (CGI) анимациясы арқылы көрсетілген жылжымалы суреттер мен кинокартиналарды қарап, трендтерді жылдам қабылдай алатынын атап өтті. Байқаушылар міндетті түрде сандарды оқып немесе математикалық формулаларды жаттай алмаса да, қозғалатын ауа райы картасын қарау арқылы жаңбыр бұлттарының координаттарын қарап шығуға қарағанда оқиғаларды (және "жаңбыр өздеріне қарай келе жатқанын көру") әлдеқайда жылдам болжауға мүмкіндік алатын. Сандар мен формулалар әлемінен асып түсетін мұндай қарқынды графикалық бейнелеу кейде координаттар желісі немесе уақыт белгілері жоқ нәтижелерге әкелетін, сандық деректерді көрсетуден тым алыстағандай сезілді. Бүгінде ауа райын болжау модельдері жаңбыр мен қар бұлттарының қозғалысын, сандық координаттар мен оқиғалардың сандық уақыт белгілерін қолданатын картамен үйлестіреді. Сол сияқты, КТ сканерлерінің компьютерлік симуляциясы ісіктің ұзақ емдеу кезінде қалай қысқаруы немесе өзгеруі мүмкін екенін модельдей алады, уақыттың өтуін ісік өзгерген кезде адам басының айналуы ретінде көрсетеді. Компьютерлік симуляциялардың басқа да қолданбалары симуляция кезінде болатын өзгерістерді қозғалыстағы үлкен көлемдегі деректерді графикалық түрде көрсету үшін жасалып жатыр.

Қаттылықтар

Кейде компьютерлік симуляцияларда назардан тыс қалғандықтан, нәтижелердің дәлдігін дұрыс түсіну үшін сезімталдық талдау жүргізу өте маңызды. Мысалы, мұнай кен орындарын барлау бағдарламасының табыстылығын анықтайтын факторлардың ықтималдық тәуекел талдауы, Монте-Карло әдісін қолдана отырып, әртүрлі статистикалық үлестірімдерден алынған үлгілерді біріктіруді қамтиды. Егер, мысалы, маңызды параметрлердің бірі (мысалы, мұнайлы қабаттардың таза қатынасы) бір ғана маңызды цифрмен белгілі болса, онда симуляция нәтижесі бір маңызды цифрдан да дәл болмауы мүмкін, бірақ ол (шатастыратын) төрт маңызды цифрмен көрсетілуі мүмкін.