شبیه سازی ها و کاربردهای آن — آشنایی با مفاهیم اولیه

۹۲۴۵ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۳۰ خرداد ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۳۹ دقیقه
شبیه سازی ها و کاربردهای آن — آشنایی با مفاهیم اولیه

تجربه، حاصل عملکرد سعی و خطا است. انسان با به کارگیری قدرت خلاقانه و تفکر خود، قادر است از گذشته یاد گرفته و برای آینده برنامه‌ریزی کند. ولی متاسفانه زمان کسب تجربه طولانی است و حتی ممکن است تجربه‌ها، نتایجی تلخ و غیرقابل جبران داشته باشند. به کمک شبیه‌سازی، بدون آنکه هزینه زیاد زمانی، مالی و احتمالا جانی را متحمل شویم، عملکرد سعی و خطا را انجام داده و نتایج حاصل را به دنیایی واقعی تعمیم می‌دهیم. در این نوشتار به شبیه سازی ها و کاربردهای آن اشاره کرده و با بعضی از مفاهیم اولیه آن هم آشنا خواهیم شد.

فهرست مطالب این نوشته

بعضی از اصطلاحات مطرح در شبیه‌سازی در نوشتارهای دیگر فرادرس معرفی شده‌ است. به همین علت پیشنهاد می‌شود به عنوان مطالب مکمل، نوشتارهای شبیه سازی مونت کارلو (Monte Carlo Simulation) – محاسبه انتگرال‌ به روش عددی و شبیه سازی مدار در متلب — راهنمای کاربردی را بخوانید. همچنین خواندن شبیه سازی تبرید (Simulated Annealing) — به زبان ساده نیز خالی از لطف نیست.

شبیه سازی ها و کاربردهای آن

شبیه سازی (Simulation) در بسیاری از زمینه‌ها، مانند شبیه‌سازی فناوری برای تنظیم عملکرد یا بهینه سازی، مهندسی ایمنی، آزمایش، آموزش و بازی‌های ویدیویی استفاده می‌شود. اغلب‌، نرم‌افزار یا سخت‌افزارهای رایانه‌ای برای مطالعه مدل‌های شبیه‌سازی شده، مورد استفاده قرار می‌گیرند. امروزه شبیه سازی ها با الگوبرداری علمی از سیستم‌های طبیعی یا انسانی برای بدست آوردن بینش از عملکرد آنها مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

شبیه سازی را می‌توان برای نشان دادن اثرات واقعی یک پدیده روی موضوع هدف، تحت شرایط کنترل شده و قانونمند به کار برد. شبیه سازی ها همچنین در مواردی که سیستم واقعی قابل استفاده نباشد، مورد استفاده هستند، زیرا ممکن است چنین سیستمی در دسترس نبوده یا به کارگیری آن خطرناک یا غیرقابل قبول باشد.

موضوعات اصلی در شبیه سازی، دستیابی به منابع معتبر اطلاعات در مورد انتخاب مناسب خصوصیات و ویژگی‌های رفتارهای کلیدی پدیده مورد مطالعه است. همچنین ساده‌سازی تقریبی و حداقل کردن فرضیات مدل شبیه‌سازی، بطوری که اصول واقعی پدیده را مخدوش نکرده و آن را بی‌اعتبار نسازد، از جنبه‌های دیگر شبیه سازی محسوب می‌شود.به همین علت شبیه سازی یک فعالیت علمی است که نیاز به رویه‌ها و پروتکل‌های مربوط به تأیید و اعتبار مدل، پالایش، تحقیق و توسعه در فناوری، بخصوص در شبیه سازی رایانه‌ای، دارد.

شبیه سازی، تقلید تقریبی از عملیات یک فرآیند یا سیستم بوده؛ که بیانگر عملکرد آن در طول زمان است.

طبقه‌بندی شبیه سازی ها

از نظر تاريخی، در ابتدای راه، تکنیک‌های شبيه سازی‌های مورد استفاده در زمينه‌های مختلف، تا حد زيادی به طور مستقل، توسعه يافتند. اما مطالعات صورت گرفته در قرن بيستم و پدید آمدن علوم جدید مانند «نظريه سيستم‌ها» (Systems Theory) و «سايبرنتيک» (Cybernetics) همراه با گسترش استفاده از كامپيوترها، باعث شده تا ديد سيستماتيک و یکسانی در علوم مختلف از مفهوم شبیه سازی ایجاد شود. بعضی از دسته یا طبقه‌های مطرح در شبیه سازی ها در ادامه معرفی خواهند شد.

  • شبیه سازی فیزیکی (Physical Simulation)، به شبیه سازی اطلاق می‌شود که در آن اشیاء بدلی و مجازی جایگزین اجسام واقعی می‌شوند. این اجسام فیزیکی اغلب به دلیل کوچکتر یا ارزانتر بودن از شیء یا سیستم واقعی انتخاب می‌شوند.
  • شبیه سازی تعاملی (Interactive Simulation)، نوعی خاص از شبیه سازی فیزیکی است که اغلب با همکاری یک یا دسته‌ای از انسان‌ها صورت می‌گیرد. برای مثال شبیه‌ساز (Simulator) پرواز یا قایقرانی و حتی شبیه‌ساز رانندگی در این دسته قرار می‌گیرند.
  • شبیه سازی مداوم (Continuous Simulation)، شبیه سازی مبتنی بر زمان پیوسته به جای گام‌های زمانی گسسته است. این گونه شبیه‌سازی ها اغلب نیاز به محاسبات عددی و حل معادلات دیفرانسیل دارند.
  • شبیه سازی رویداد گسسته (Discrete Event Simulation)، یک شبیه سازی بر اساس مراحل یا گام‌های زمانی گسسته است که برای نشان دادن لحظه‌های حساس انتخاب شده است. در این شبیه‌سازی، مقادیر متغیرها در هر دوره مختلف، مستقل از یکدیگر هستند.
  • شبیه سازی تصادفی (Random Simulation) نوعی از شبیه سازی ها است که در آن برخی از متغیرها یا فرآیندها، تحت تاثیر پدیده‌های تصادفی هستند و با استفاده از روش‌ها یا تکنیک‌های مونت کارلو (Monte Carlo Methods) و بهره‌گیری از اعداد شبه تصادفی (Pseudo Random)، شبیه سازی صورت می‌گیرد. بدین ترتیب تکرار شبیه‌سازی با همان شرایط، نتایج مختلفی را در یک بازه اطمینان خاص ایجاد می‌کند.
  • شبیه سازی قطعی (Deterministic Simulation)، یک شبیه سازی است که برپایه عوامل تصادفی ساخته نشده، بنابراین متغیرها توسط الگوریتم‌های قطعی تنظیم می‌شوند. در این گونه شبیه‌سازی ها، تکرار عمل شبیه‌سازی در شرایط یکسان، نتایج سازگار و هم‌سانی خواهد داشت.
  • شبیه سازی ترکیبی (Hybrid Simulation)، به ترکیبی از شبیه سازی ها رویدادهای زمان-پیوسته و زمان-گسسته مربوط می‌شود و منجر به ادغام معادلات دیفرانسیل بین دو رویداد متوالی عددی می‌شود تا تعداد ناپیوستگی‌ها را کاهش دهد. معمولا این گونه ریاضیات را به نام معادلات دیفرانسیل تصادفی می‌شناسیم.
  • شبیه سازی مستقل (Stand alone Simulation) نوعی از شبیه سازی ها است که توسط رایانه، برنامه‌ریزی و به تنهایی روی یک ایستگاه کاری (Workstation) اجرا می شود.
  • شبیه سازی توزیع شده (Distributed Simulation)، روشی است که از بیش از یک رایانه استفاده می‌کند تا دسترسی به منابع مختلف میسر شود. به عنوان مثال چند کاربر که برنامه کاربردی یا سیستم‌های عامل مختلفی را اجرا یا مجموعه داده‌های توزیع شده را به کار می‌گیرند، نمونه‌هایی کلاسیک از شبیه سازی تعاملی توزیع شده (DIS) هستند.
  • شبیه سازی موازی (Parallel Simulation)، بر روی چندین پردازنده انجام می‌شود. این کار معمولا به علت توزیع بار محاسباتی اتفاق می‌افتد و بخصوص زمانی که لازم است محاسبات با کارایی بالا رخ دهد از این روش استفاده می‌شود.
  • شبیه سازی قابل تعامل (Inter-operable)، در آن چندین مدل، یا شبیه ساز، به صورت محلی با یکدیگر توافق دارند و از طریق شبکه به صورت توزیع شده عمل‌ می‌کنند. یک نمونه کلاسیک از این گونه شبیه سازی ها می‌تواند معماری سطح بالا (High Level Architecture) باشد.
  • مدل سازی و شبیه سازی خدماتی (Modeling & Simulation as a Service) که روشی برای شبیه‌سازی ارائه خدمات در اینترنت محسوب می‌شود.
  • شبیه سازی در تجزیه و تحلیل خرابی (Simulation in failure analysis)، نوعی از شبیه سازی ها است که در آن ما محیط و شرایط را به شکلی تنظیم می‌کنیم که علت خرابی تجهیزات شناسایی و مشخص شود. این بهترین و سریعترین روش برای شناسایی علت خرابی بدون ایجاد خسارت جانی و مالی است.

اصطلاح وفاداری شبیه سازی (Simulation Fidelity) برای توصیف صحت یک شبیه سازی و چگونگی تقلید از همتای واقعی زندگی استفاده می‌شود. مقدار وفاداری به طور گسترده به عنوان یکی از سه گروه وفاداری پایین، متوسط ​​و زیاد دسته‌بندی می‌شود. توضیحات خاص در مورد وفاداری منوط به تفسیر است، اما دسته‌ها را می‌توان براساس مقیاس خاصی که در ادامه آمده است در نظر گرفت. وفاداری کم - حداقل شبیه سازی لازم برای پاسخگویی یک سیستم به پذیرش ورودی‌ها و ارائه خروجی‌ها. وفاداری متوسط ​​- با دقت محدود به طور خودکار به محرک‌ها پاسخ می‌دهد. وفاداری زیاد - تقریباً غیرقابل تشخیص از سیستم واقعی یا تا حد ممکن نزدیک به آن.

در بیشتر شبیه سازی ها عامل انسانی می‌تواند با رایانه به عنوان یک محیط به اصطلاح مصنوعی، جایگزین و به طول مستقل در نظر گرفته شود. به همین علت در ادامه این متن به شبیه سازی رایانه‌ای خواهیم پرداخت.

engine-airflow-simulation
تصویر ۱- شبیه‌سازی رایانه‌ای جریان هوا در اطراف یک موتور تراکتور

شبیه سازی رایانه‌ای

شبیه سازی رایانه‌ای (یا به اختصار sim) تلاشی برای الگوبرداری از وضعیت واقعی یا فرضی یک پدیده درون برنامه‌های رایانه‌ای است، به گونه‌ای که بتوان کارکرد سیستم در مواجه با پدیده‌ها را مطالعه و از چگونه فعالیت سیستم اطلاع حاصل کرد. با تغییر متغیرها در این شبیه سازی ها ممکن است پیش بینی‌هایی نیز در مورد رفتار سیستم انجام شود. این شبیه سازی ها ابزاری برای بررسی واقعی رفتار سیستم مورد بررسی هستند.

امروزه، شبیه سازی رایانه به یک ابزار مفید برای مدل‌سازی بسیاری از سیستم‌های طبیعی در فیزیک، شیمی و زیست شناسی و حتی سیستم‌های انسانی در اقتصاد و علوم اجتماعی بدل شده است. به عنوان مثال، جامعه شناسی محاسباتی و مهندسی اجتماعی از جنبه‌ها میان رشته‌های این گونه شبیه سازی‌ها محسوب می‌شوند. حتی در مهندسی نیز برای به دست آوردن دیدگاه از عملکرد سیستم‌ها، از شبیه‌سازی رایانه‌ای استفاده می‌شود. نمونه مناسب برای نمایش سودمندی استفاده از رایانه‌ها برای شبیه سازی، شبیه سازی ترافیک شبکه‌های حمل و نقل با رایانه است. در این شبیه سازها، رفتار مدل هر بار شبیه سازی را با توجه به تغییر مجموعه پارامترهای اولیه محیط بدست می‌آورند.

به طور سنتی، سیستم‌ها، به واسطه یک مدل ریاضی یا آماری مدل‌سازی می‌شوند. در این مدل‌ها، سعی در یافتن راه حل‌های تحلیلی است که امکان پیش بینی رفتار سیستم را از مجموعه پارامترها و شرایط اولیه فراهم بیاورد. شبیه سازی رایانه‌ای اغلب به عنوان سیستم کمکی یا جایگزینی برای مدل‌سازی چنین سیستم‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اغلب این روش‌ها راه حل‌های ساده‌تر نسبت به روش‌های تحلیلی ایجاد کرده و در مواقعی که امکان ایجاد مدل تحلیلی به فرم بسته وجود ندارد، بسیار کارآمد عمل می‌کنند.

انواع مختلفی از شبیه سازی رایانه وجود دارد ولی ویژگی مشترکی که در همه آن‌ها به چشم می‌خورد، تلاش برای تولید نمونه‌ای از سناریوهای مختلف برای مدلی است که در آن امکان مشخص کردن حالت‌های مختلف با مقادیر اولیه متفاوت، بسیار زمان‌بر و طولانی است و در عمل امکان استفاده از مدل‌های تحلیلی وجود ندارد.

چندین بسته نرم افزاری برای اجرای مدل سازی شبیه سازی مبتنی بر رایانه (به عنوان مثال شبیه سازی مونت کارلو ، مدل‌سازی تصادفی، مدل سازی چند متغیره) وجود دارد که باعث می‌شود تمام مدل‌های ریاضی و آماری تقریبا به شکل مناسب در دسترس باشند.

Lambda2_scherschicht
تصویر ۲- شبیه سازی به کمک مدل ریاضی

به علت بُعد عملیاتی و عملکرد مناسب این نوع شبیه سازی ها را اغلب با اصطلاح «شبیه سازی رایانه» اشتباه می‌گیرند.

کاربرد آمار در شبیه سازی ها

در اغلب اوقات در شبیه‌سازی لازم است رفتار طبیعی یک پدیده را مشخص و مدل ریاضی آن را معرفی کنیم. با توجه به اینکه در دنیایی واقعی، عوامل تصادفی و غیرقابل پیش‌بینی نیز در تعیین رفتار مقادیر کمی و کیفی دخیل هستند، استفاده از توزیع‌های آماری در شبیه سازی های مربوط به پدیده‌هایی مانند سیل، زلزله، تصادفات رانندگی و رفتار اجتماعات (که به آن حتی مهندسی اجتماعی نیز می‌گویند) اهمیت پیدا می‌کند. به این منظور، داده‌هایی از توزیع‌های خاصی آماری که مطابق با رفتار آن پدیده است، در شبیه سازی، تولید شده و بسته به آن متغیرهای پاسخ و عملکردی، اندازه‌گیری می‌شود. به این ترتیب مثلا قدرت مقابله با سیل تحت سناریوهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته و بهترین سناریو شناسایی می‌شود.

اغلب برای شبیه‌سازی آماری پدیده‌هایی که شامل مقادیر کمی و پیوسته باشند از توزیع‌های زیر استفاده می‌شود. این امر بخصوص در زمانی که با داده‌های سری زمانی (Time Series) یا مقادیری وابسته به زمان مواجه هستیم، بیشتر نمود پیدا می‌کند.

  • توزیع نرمال (Normal Distribution): این توزیع بخصوص برای مشخص کردن نویز یا نوفه برای پدیده‌های تصادفی استفاده می‌شود. وجود قانون اعداد بزرگ (Law of Large Number) توجیه مناسبی برای استفاده از این توزیع در بیشتر پدیده‌ها است. حتی پدیده‌هایی که از توزیع طبیعی یا نرمال (Normal Distribution) پیروی نمی‌کنند در صورت تکرار می‌توانند در مجموع، رفتاری شبیه توزیع نرمال داشته باشند.
  • توزیع پارتو (Pareto Distribution): از این توزیع برای مدل‌سازی آماری برای پدیده‌های کمیاب استفاده می‌شود. توزیع پارتو و قانون پارتو (Pareto Law) همچنین در صنعت نیز به کار می‌روند.
  • توزیع وایبل (Weibull Distribution): توزیع وایبل هم اغلب برای پدیده‌های نادر هواشناسی و مشخص کردن زمان سیلاب‌ها استفاده می‌شود. به همین دلیل استفاده از این توزیع در شبیه‌سازی های هواشناسی بسیار عمومیت دارد.
  • توزیع نمایی (Exponential Distribution): توزیع نمایی اغلب برای بیان طول عمر پدیده‌های تصادفی به کار می‌رود. خاصیت عدم حافظه در متغیر تصادفی با توزیع نمایی از خصوصیات جالب این توزیع بوده و مشخص می‌کند احتمال رخداد یک پیشامد در آینده ارتباطی با گذشته آن پدیده ندارد.

از طرفی هم ممکن است شبیه سازی ها به بیان رفتار پدیده‌های بپردازد که مقادیر آن‌ها کیفی بوده یا از طریق شمارش بدست می‌آیند. در اغلب این موارد توزیع‌های آماری زیر برای توصیف این گونه داده‌ها به کار می‌روند.

  • توزیع دو جمله‌ای (Binomial Distribution): با توجه به وجود یا ناموجود بودن یک ویژگی در یک مشاهده، این متغیر تصادفی توصیف می‌شود. این امر را می‌توان به موفقیت یا شکست نیز توصیف کرد. در این صورت تعداد پیروزی‌ها با تکرار یک فرآیند و آزمایش تصادفی، از توزیع دو جمله‌ای پیروی می‌کند. در صورتی که تعداد حالت‌های رخداد پیشامد بیش از دو حالت باشد، استفاده از توزیع چندجمله‌ای (Multinomial Distribution) نیز مفید خواهد بود.
  • توزیع پواسن (Poisson Distribution): این توزیع هم تعداد موفقیت‌ها یا شکست‌ها را اندازه‌گیری می‌کند ولی این مقادیر به زمان یا مکان نیز وابسته هستند و احتمال رخداد آن‌ها بستگی به اندازه طول یا بازه زمانی یا مکانی دارد. توزیع پواسن نیز در شبیه‌سازی‌های مقادیر گسسته و کیفی به کار می‌رود.

از طرفی استفاده از ادغام یا ترکیب توزیع‌ها نیز در شبیه‌سازی ها میسر است به این معنی که ممکن است یک پدیده چند متغیره دارای خصوصیات با ویژگی‌هایی باشد که بعضی از آن‌ها پیوسته و بعضی گسسته باشند. در این صورت توزیع آماری به صورت چند متغیره پیوسته-گسسته در نظر گرفته می‌شود. حتی در موقعیت‌هایی با پدیده‌هایی مواجه هستیم که در بعضی از مقاطع رفتاری پیوسته و در بعضی دیگر رفتاری گسسته دارند. در این حالت از توزیع آمیخته برای بیان رفتار آن‌ها در شبیه‌سازی استفاده خواهد شد.

StatisticalSim
تصویر ۳- شبیه سازی پدیده‌های تصادفی با استفاده از توزیع‌های آماری

برای مشاهده خصوصیات و معرفی توزیع‌های آماری مشهور و کاربردی بهتر است نوشتار توزیع های آماری — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس را هم مطالعه کنید. در ادامه کابردهایی از شبیه‌سازی رایانه‌ای را در حوزه‌های علوم کامپیوتر، معرفی می‌کنیم.

علوم کامپیوتر و شبیه سازی ها

در علوم رایانه، اصطلاح شبیه سازی دارای معنی و مفهوم خاصی است. آلن تورینگ (Alen Turing) دانشمند انگلیسی و مبتکر ماشین تورینگ، از اصطلاح شبیه سازی برای توصیف عملیاتی که یک «ماشین عمومی» (َUniversal Machine) روی یک جدول انتقال (Transition Table) انجام می‌دهد، استفاده کرد. این اصطلاح امروزه به معنی اجرای یک برنامه توسط رایانه است که توصیف وضعیت یا حالت گذار (Transition)، ورودی (Input) و خروجی (Output) است. این چرخه عملکرد یک دستگاه یا ماشین وضعیت-گسسته (Discrete-State Machine) است. بر این اساس، در علم نظری رایانه اصطلاح شبیه سازی رابطه‌ای بین سیستم‌های انتقال حالت است.

Turing_Princeton
تصویر ۴- آلن تورینگ، ابداع کننده اولین ماشین تحلیلی و محاسباتی و پدر کامپیوترهای امروزی

کاربرد جالب شبیه سازی رایانه‌ای شبیه سازی عملیات خود رایانه ها است. در معماری رایانه، نوعی شبیه ساز، اغلب برای اجرای برنامه‌ای که باید بر روی نوعی کامپیوتر نامشخص اجرا شود، به کار می‌رود. به عنوان مثال، عملیاتی که باید توسط کامپیوتر که هنوز در مرحله طراحی است، توسط یک رایانه دیگر شبیه‌سازی می‌شود تا یک محیط تست و آزمون کاملاً کنترل شده (بر اساس شبیه ساز معماری رایانه و مجازی سازی) ایجاد شود.

وضعیتی را در نظر بگیرید که برای نمایش بارگیری برنامه در دستگاه مورد نظر، از شبیه سازها برای اشکالزدایی در زیر برنامه‌ها یا گاهی برنامه‌های کاربردی تجاری استفاده شده است. از آنجایی که عملکرد رایانه شبیه‌سازی شده است، تمام اطلاعات مربوط به عملکرد رایانه طراحی شده را به طور مستقیم در اختیار برنامه نویس قرار می‌دهد، عملیات دریافت اطلاعات شبیه سازی شده و خطاهای احتمالی مرتفع خواهند شد. در این حالت سرعت و اجرای شبیه سازی می‌تواند در صورت تمایل متفاوت باشد. در زمینه بهینه‌سازی (Optimization)، اغلب از شبیه سازی فرآیندهای فیزیکی در رابطه با محاسبات تکاملی برای بهینه سازی استراتژی های کنترل، استفاده می‌شود.

شبیه سازی ها در آموزش و تحصیل

شبیه سازی ها  به طور گسترده برای اهداف آموزشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این امر غالباً با استفاده از روش‌های چند رسانه‌ای (MultiMedia) ​​انجام می‌شود. شبیه سازی اغلب در آموزش پرسنل غیرنظامی و نظامی هم به کار می‌رود. این نوع شبیه سازی، بخصوص در صنایع نظامی، معمولاً زمانی به کار گرفته می‌شود که هزینه‌های آموزشی فردی بسیار گران قیمت است یا انجام مراحل آموزش بسیار خطرناک است، زیرا کارآموزان باید با تجهیزات واقعی و در دنیای واقعی آموزش ببینند.

در چنین شرایطی آنها وقت خود را صرف یادگیری در یک محیط مجازی ایمن می‌کنند. اغلب راحتی این است که اجازه دهید در هنگام آموزش برای یک سیستم ایمنی ، خطاها نادیده گرفته شوند. شبیه سازی‌های آموزشی به طور معمول در یکی از سه دسته زیر قرار می‌گیرند:

  • شبیه سازی زنده: جایی که بازیکنان واقعی از یک سیستم واقعی در یک محیط واقعی استفاده می‌کنند.
  • شبیه سازی مجازی: جایی که بازیکنان واقعی از سیستم های شبیه سازی شده در یک محیط مصنوعی استفاده می‌کنند.
  • شبیه سازی سازنده: جایی که بازیکنان شبیه سازی شده از سیستم های شبیه سازی شده در یک محیط مصنوعی استفاده می‌کنند.

این گونه شبیه سازی ها سازنده اغلب به عنوان «بازی جنگی» ("Wargaming) خوانده می‌شوند، زیرا شباهت زیادی به بازی‌های جنگی دارند. در این بازی‌ها، بازیکنان به ارتش و تجهیزاتی که در اطراف یک تخته بازی قرار گرفته‌اند، فرمان داده و چیدمان و نتایج جنگ را پیش‌بینی می‌کنند.

شبیه سازی تحصیلی تا حدودی مانند شبیه‌سازی‌های آموزشی است. آنها روی کارهای خاص تمرکز می‌کنند. گاهی اصطلاح «ریزجهان» (Microworld) برای اشاره به شبیه سازی های آموزشی استفاده می شود که به جای شبیه سازی یک شیء یا محیط واقع گرایانه، از برخی مفهوم انتزاعی استفاده، یا در برخی موارد، یک محیط دنیای واقعی را به روشی ساده و سهلتر مدل می‌کنند تا به یک یادگیرنده در درک پدیده‌های مورد نظر، کمک نمایند.

کاربر می‌تواند نوعی ساخت و ساز را درون ریزجهان، ایجاد کند که به شکلی مطابق با مفاهیم مدل سازی شده رفتار کند. «سیمور پاپرت» (Symour Papert) از نخستین کسانی بود که از این گونه شبیه‌سازی‌ها با عنوان ریزجهان‌ها حمایت کرد و محیط برنامه نویسی Logo که توسط او ساخته شده است، یکی از شناخته شده ترین ریزجهان‌ها است.

شبیه سازی مدیریت پروژه (Project Management) به طور فزاینده‌ای برای آموزش دانشجویان و متخصصان در هنر و علم مدیریت پروژه مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از شبیه سازی ها برای آموزش مدیریت پروژه، یادگیری را بهبود بخشیده و روند یادگیری را تقویت می‌کند.

شبیه سازی‌های اجتماعی (Social Simulation) ممکن است در کلاس‌های علوم اجتماعی مورد استفاده قرار گیرند تا فرآیندهای اجتماعی و سیاسی را در رشته‌های مردم شناسی، اقتصاد، تاریخ، علوم سیاسی یا جامعه شناسی، در سطح دبیرستان یا دانشگاه نشان دهند. به عنوان مثال، این آموزش ممکن است براساس شبیه سازی‌های مدنی باشد، که در آن شرکت‌کنندگان نقش‌هایی را در یک جامعه شبیه سازی شده، ایفا می‌کنند. همچنین این شبیه سازی ها می‌توانند در توصیف روابط بین المللی نقش داشته باشند که در آن شرکت کنندگان در مذاکرات، تشکیل اتحادیه‌ها، تجارت، دیپلماسی و استفاده از نیروی کار شرکت می‌کنند.

از طرفی این شبیه سازی ها ممکن است مبتنی بر سیستم‌های سیاسی ساختگی بوده یا الگو گرفته از وقایع جاری یا تاریخی باشند. بنیاد ملی علوم از ایجاد بازی‌های تعاملی که به علوم و آموزش ریاضی می‌پردازند حمایت کرده است. در شبیه سازی رسانه‌های اجتماعی، شرکت‌کنندگان در یک محیط خصوصی ارتباط با منتقدین و سایر ذینفعان آموزش داده می‌شوند.

در سال‌های اخیر، استفاده از شبیه سازهای اجتماعی برای آموزش کارکنان در سازمان‌ها رو به توسعه و افزایش است. استفاده‌های نظامی برای شبیه سازی اغلب شامل شبیه‌ساز هواپیما یا وسایل نقلیه زرهی جنگی است. اما این گونه شبیه‌سازها، همچنین در آموزش اسلحه کوچک و سایر سیستم‌های تسلیحاتی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. به طور خاص، سلاح گرم مجازی در اکثر فرایندهای آموزش نظامی به یک ابزار اساسی تبدیل شده است و مقدار قابل توجهی از داده‌های مرتبط با آن‌ها نیز  وجود دارد که نشان می‌دهد این شبیه‌سازها یک ابزار مفید برای متخصصان اسلحه و نیروهای مسلح هستند.

Vehicle_simulator
تصویر ۵- یک شبیه‌ساز ماشین جنگی که توسط یک سرباز به کار گرفته شده

سیستم‌های متداول شبیه سازی مجازی و تعاملی

شبیه سازی‌های مجازی در یک گروه خاص از شبیه‌سازها قرار دارند که از تجهیزات شبیه سازی برای ایجاد یک دنیای مجازی قابل استفاده و کاربر پسند بهره می‌برند. شبیه‌سازی‌های مجازی به کاربران امکان تعامل با دنیای مجازی را می‌دهند. دنیاهای مجازی روی سیستم عامل‌های مختلف و همچنین سخت‌افزارهای متفاوت قابل اجرا هستند.

با این روش، سیستم رایانه‌ای می‌تواند ورودی را از طرف کاربر (به عنوان مثال، ردیابی بدن ، تشخیص صدا / صوت، کنترل کننده‌های بدنی) بپذیرند و خروجی را برای کاربر روی صفحه نمایش تولید کنند.

سخت‌افزارهای ورودی شبیه سازی ها

سخت افزار ورودی متنوعی برای پذیرش داده‌های ورودی کاربر در شبیه سازی‌های مجازی در دسترس است. در ادامه به لیستی از این تجهیزات و دستگاه‌ها اشاره می‌کنیم.

  • ردیابی بدنی (Body tracking): اغلب از روش ضبط حرکات (Motion Capture) برای ثبت جابجایی اعضای بدن کاربر و ترجمه داده‌های ضبط شده به ورودی برای شبیه سازی مجازی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، اگر یک کاربر سر خود را بچرخاند، این حرکت توسط سخت‌افزار شبیه سازی، به طریقی ضبط و نمای مربوطه براساس دیدگاه او تغییر می‌یابد. دستگیره و یا دستکش‌های تعاملی نیز  ممکن است برای دریافت حرکات اعضای بدن استفاده شود. این سیستم‌ها، سنسورهایی را برای مشخص کردن حرکات قسمتهای مختلف بدن (مثلاً انگشتان دست) به کار می‌برند. از طرف دیگر، ممکن است با دستگاه ردیاب‌های بیرونی علائمی که توسط دستکش‌های تعاملی ایجاد می‌شوند، رصد و قابل تشخیص باشند. این کار معمولا توسط گیرنده‌های نوری یا حسگرهای الکترومغناطیسی صورت می‌پذیرد. این گونه واحدها معمولا داده‌ها را بصورت بی‌سیم (Wireless) یا از طریق کابل‌ها منتقل می‌کنند.از ردیاب‌های چشم نیز می‌توان برای تشخیص حرکات چشم استفاده کرد تا سیستم قادر به تشخیص ناحیه‌ای باشد که چشم کاربر در لحظه‌ای خاص به آن توجه دارد.
  • کنترل کننده‌های فیزیکی (Physical controllers): کنترل کننده‌های فیزیکی فقط از طریق دستکاری مستقیم توسط کاربر، در شبیه سازی نقش دارند. در شبیه سازی‌های مجازی، بازخورد لمسی از کنترل‌های فیزیکی در بعضی از محیط‌های شبیه سازی بسیار مطلوب است. «تردمیل‌های چند جهته» (Omnidirectional Treadmills) می‌توانند به این منظور مورد استفاده قرار گیرند تا در حین راه رفتن یا دویدن، حرکات کاربران را ثبت کنند. ابزار کنترل دقیق مانند پانل‌های ابزار مثلا در کابین شبیه‌ساز هواپیمای مجازی، درست به مانند دستگاه‌های کنترل واقعی عمل کرده و سطح بالایی از دسترسی به سیستم را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. همچنین به کمک این گونه شبیه‌سازیها به عنوان مثال، خلبانان می‌توانند از کنترل‌های واقعی سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPMS) مجازی، درست به مانند نمونه واقعی آن استفاده کنند تا نسبت به موقعیت‌های واقعی عکس‌العمل نشان داده و کاربران را در تمرین روش‌های به کارگیری دستگاه واقعی در کابین خلبان کمک کنند.
  • تشخیص صدا / صوت: این شکل از تعامل ممکن است یا برای ارتباط با عوامل درون شبیه سازی (به عنوان مثال، افراد مجازی) یا برای دستکاری اشیاء درون شبیه سازی (به عنوان مثال، اطلاعات) استفاده شود. ممکن است کاربران از هدست‌ یا میکروفن‌های دیجیتال استفاده کنند که کیفیت به مراتب بیشتری نسبت به میکروفن‌های معمولی دارند.

تحقیقات در مورد سیستم‌های ورودی شبیه‌ساز، نویدبخش آینده‌ای درخشان برای شبیه‌سازی است. سیستم‌هایی مانند رابط‌های مغزی و ذهنی رایانه‌ای (Brain-Computer Interface) یا به اختصار BCI، توانایی افزایش تعامل کاربران شبیه سازی مجازی را دارند.

سخت افزار خروجی شبیه سازی ها

انواع سخت افزاری خروجی برای تحریک کاربران در شبیه سازی‌های مجازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه نیز لیستی از چندین مورد از ساخت‌افزارهای خروجی شبیه سازی مجازی را شرح می‌دهیم.

  • نمایشگر تصویری (Visual Display): نمایشگرهای بصری ابزاری برای تحریک بینایی کاربران محسوب می‌شود. نمایشگرهای ثابت، می‌توانند از یک صفحه نمایش رومیزی معمولی تا صفحه نمایش 360 درجه‌ای یا صفحه‌های استریو سه بعدی متفاوت باشند. صفحه نمایش رومیزی معمولی که در اندازه 15 تا 60 اینچ (380 تا 1،520 میلی متر) تولید می‌شوند، قابلیت اطمینان زیادی داشته و برای کاربردهای روزانه مناسب هستند. نمایشگرهای نصب شده روی سر (Head-mounted displays) یا به اختصار HMDs، دارای نمایشگرهای کوچکی هستند که بر روی سر کاربر نصب می‌شوند. این سیستم‌ها مستقیماً به شبیه سازی مجازی متصل شده تا یک تجربه همه جانبه را در اختیار کاربر قرار دهند. وزن، نرخ به روزرسانی و میدان دید، برخی از متغیرهای کلیدی هستند که HMDها را متمایز می‌کنند. واضح است که HMDهای سنگین، نامطلوب هستند زیرا باعث خستگی کاربران در طول زمان می‌شوند. اگر سرعت بروزرسانی خیلی آهسته باشد، سیستم قادر به نمایش سریع تصاویر نیست تا بتواند با یک چرخش سریع سر توسط کاربر، مطابقت ایجاد کند. سرعت به روزرسانی آهسته باعث می‌شود میدان دید یا وسعت زاویه‌ای کلی، به کندی صورت گرفته و کارایی سیستم شبیه‌سازی را مختل کند.
  • صفحه نمایش شنیداری (Aural Display): چندین نوع سیستم صوتی مختلف برای کمک به شنیدن و ایجاد صداها به صورت مکانی وجود دارد. حتی می‌توان از نرم افزار ویژه‌ای می‌توان برای تولید جلوه‌های صوتی سه بعدی به منظور ایجاد توهم صوتی نیز استفاده کرد. سیستم‌های بلندگو معمولی ثابت، برای تهیه صدای فراگیر استریو یا چند کانال استفاده می‌توان کمک گرفت. با این حال، بلندگوهای خارجی به اندازه هدفون، در تولید جلوه‌های صوتی سه بعدی مؤثر نیستند.هدفون معمولی جایگزینی قابل قبول و متحرک برای بلندگوهای ثابت بوده و همچنین دارای مزیت حذف سر و صدای محیط واقعی و تسهیل جلوه های صوتی سه بعدی مؤثرتر نیز بهره می‌برند.
  • نمایشگر Haptic: این نمایشگرها حس لامسه را به کاربر با فناوری haptic، ارائه می‌دهند. اغلب از این نوع دستگاه‌ها به عنوان دستگاه‌های باخوردی یاد می‌شود. فشار و قدرت لامسه در این گونه سخت‌افزارهای وجود دارد. نمایشگرهای لمسی از انواع مختلفی از محرک‌ها مانند فشرده‌سازهای بادکنکی، لرزاننده (ویبارتور) و بلندگوهای با صدای بم و فرکانس پایین، محرک‌های درد یا فعال المنت‌های حرارتی استفاده می‌کنند تا احساساتی مذبور را برای کاربر ایجاد کنند. همچنین این گونه ابزارها می توانند به مقاومت و نیرو وارد شده توسط کاربر پاسخ دهند. این سیستم ‌ا اغلب در برنامه‌های پزشکی برای جراحی‌های از راه دور که از ابزارهای رباتیک استفاده می‌گردند، بهره برداری می‌شود.
  • نمایشگر وستیبولار‌ (Vestibular display): این نمایشگرها حس حرکت را به کاربر (شبیه ساز حرکت) ارائه می‌دهند. آنها معمولاً به عنوان پایه حرکت برای شبیه سازی وسایل نقلیه مجازی مانند شبیه سازهای رانندگی یا شبیه سازهای پرواز شناخته می‌شوند. پایه‌ها اصلی در جای خود ثابت هستند اما از محرک‌ها برای جابجایی شبیه ساز از روش‌هایی استفاده می‌شود که می‌توانند احساس چرخیدن را ایجاد کرد. شبیه‌سازها همچنین می‌توانند به گونه‌ای حرکت کنند که احساس شتاب در همه محورها ایجاد شود، به عنوان مثال، پایه حرکت می‌تواند احساس افتادن را در ذهن کاربر شبیه سازی کند.
Car_racing_simulator
تصویر ۶- شبیه سازی رانندگی خودرو مسابقه

شبیه سازهای مراقبت‌های بهداشتی بالینی

شبیه‌سازهای پزشکی به طور فزاینده‌ای برای آموزش روش‌های درمانی و تشخیصی و همچنین مفاهیم پزشکی توسط پرسنل در حرفه‌های بهداشتی، مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. شبیه‌سازها برای روش‌های آموزشی اعم از اصول اولیه مانند خون‌گیری، جراحی لاپاروسکوپی و درمان تروما ساخته شده‌اند. این شبیه‌سازها همچنین الگویی برای دستگاه های جدید محسوب شده و برای غلبه بر مشکلات و موانع در سر راه مهندسی پزشکی مهم هستند. در حال حاضر، از شبیه‌سازها برای تحقیق و توسعه ابزارهای درمانی جدید، ابداع روش‌های درمان جدید و تشخیص زودهنگام در مراکز پزشکی استفاده می‌شود.

بسیاری از شبیه‌سازهای پزشکی به یک رایانه متصل هستند که شبیه سازی آناتومی عضو مربوطه را به خوبی انجام می‌دهد. در شبیه‌سازی‌های پزشکی، اغلب از اسکن سه بعدی یا داده‌های جمع‌آوری شده از دستگاه‌های MRI برای تقویت واقع گرایی استفاده می‌شود. برخی از شبیه سازی‌های پزشکی در محیط‌های شبکه‌ای (مانند وب) پیاده‌سازی شده‌ و با استفاده از رابط‌های رایانه‌ای معمول مانند صفحه کلید و ماوس ارتباط خود را با کاربر برقرار می‌کنند.

شبیه سازی ها و بهبود ایمنی بیمار

ایمنی بیمار یکی از مسائل مهم در صنعت پزشکی است. در مواردی دیده شده است که بیماران به دلیل خطای مدیریت و عدم استفاده از بهترین استانداردهای مراقبت و آموزش، دچار صدمات و حتی مرگ می‌شوند. ایجاد دستور کار عمومی برای آموزش پزشکی مبتنی بر شبیه سازی، توانایی ارائه خدمات درمانی برای واکنش احتیاطی در شرایط غیر منتظره را به همراه دارد. این امر یکی از مهمترین فاکتورها در ایجاد و به کارگیری شبیه سازی در پزشکی محسوب می‌شود.

شبیه سازی برای مطالعه ایمنی بیمار و همچنین آموزش متخصصان پزشکی استفاده می‌شود. بررسی مداخلات ایمنی و ایمنی بیمار در مراقبت‌های بهداشتی چالش برانگیز است، زیرا عدم وجود آزمایش تجربی (یعنی پیچیدگی بیمار یا بیماری فرد) برای دیدن اینکه آیا یک روش درمان، تفاوت معناداری ایجاد کرده است، توجیه به کارگیری شبیه سازی ها را بهتر نمایش می‌دهد.

نمونه‌ای از شبیه سازی نوآورانه برای بررسی ایمنی بیمار، تحقیقات پرستاری است. امروزه با اطمینان بالا از شبیه سازی ها برای بررسی رفتارهای ایمنی پرستارها در مواقعی مانند گزارش تغییر شیفت استفاده می‌شود تا خطای انسانی و عوامل آن شناسایی و به حداقل ممکن برسد.

با این حال، ارزش استفاده از شبیه سازی برای اجرای عمل‌های پزشکی قابل بحث است. شواهد خوبی مبنی بر کارایی و تاثیر شبیه سازی ها در افزایش کارآمدی و صلاحیت ارائه دهنده خدمات پزشکی وجود دارد. تحقیقات نشان می‌دهد که شبیه سازی ها رویه عملکرد عملیاتی واقعی را در مراقبت‌های بالینی بهبود می‌بخشد.

3DiTeams_percuss_chest
تصویر ۷- شبیه‌ساز اتاق احیا در بخش اورژانس بیمارستان

شبیه سازی ها و ساخت

ساخت و تولید یکی از مهمترین کاربردهای شبیه سازی در صنعت محسوب می‌شود. این تکنیک، ابزاری با ارزش است که توسط مهندسان هنگام ارزیابی تأثیر سرمایه گذاری در تجهیزات و تأسیسات اصلی مانند ماشین‌آلات کارخانه، انبارها و مراکز توزیع استفاده می‌شود. از شبیه سازی ها می‌توان برای پیش بینی عملکرد سیستم موجود یا برنامه‌ریزی شده و مقایسه راه حل‌های جایگزین برای یک مشکل خاص استفاده کرد.

یکی دیگر از اهداف مهم شبیه سازی ها در سیستم‌های تولید، اندازه‌گیری عملکرد سیستم است. اقدامات متداول برای اندازه‌گیری عملکرد سیستم شامل موارد زیر است:

  • توان تولید زیر بارهای متوسط ​​و اوج بار
  • زمان چرخه سیستم و اندازه‌گیری زمان تولید هر قطعه و در مجموع محصول قابل ارائه.
  • برنامه‌ریزی و استفاده از منابع، نیروی کار و ماشین آلات.
  • شناسایی گره‌های موجود در روند و مراحل تولید محصولات.
  • صف‌بندی و تأخیرهای ناشی از دستگاه‌ها و سیستم‌های انتقال مواد.
  • نیازهای انبار و بررسی کارایی سیستم‌های انبارداری.
  • نیازهای کارمندان و کارگران در زمان‌های متوسط و اوج بار کاری.
  • اندازه‌گیری اثربخشی سیستم‌های برنامه‌ریزی.
  • اندازه‌گیری اثربخشی سیستم‌های کنترل.

شبیه‌ساز خودرو و کارکرد آن در صنایع خودروسازی

یک شبیه ساز خودرو فرصتی را برای تولید در یک محیط مجازی فراهم می‌کند. این کار درست به مانند تولید یک خودرو واقعی و بررسی خصوصیات (نقاط ضعف و مزایا) خواهد بود. در شبیه‌سازی خودرو، عوامل و شرایط بیرونی را که وسیله نقلیه آنها در تعامل است، در نظر گرفته می‌کند. این کار باعث می‌شود راننده احساس کند که در کابین وسیله نقلیه خود قرار گرفته است. سناریوها و رویدادها مطابق با واقعیت تکرار می شوند تا اطمینان حاصل شود که رانندگان کاملاً در این تجربه قرار گرفته و آن را به عنوان یک تجربه آموزشی مشاهده کنند.

از طرفی شبیه ساز خودرو، تجربه سازنده‌ای را برای راننده تازه کار فراهم می‌کند و امکان انجام تمرین‌های پیچیده‌تری برای راننده‌های حرفه‌ای به ارمغان می‌آورد. برای رانندگان تازه کار ، شبیه‌سازهای خودروهای سنگین مانند کامیون و تریلی، فرصتی برای شروع کار با استفاده از بهترین تمرینات فراهم می‌آورند. برای رانندگان باتجربه، شبیه سازی امکان تقویت رانندگی خوب یا تشخیص مشکلات و ضعف‌های خودرو را می‌دهد که این اطلاعات و داده‌ها، سرمایه بزرگی برای شرکت‌های تولید کننده خودرو محسوب می‌شوند. همچنین شبیه‌سازی برای شرکت‌های حمل و نقل فرصتی برای آموزش رانندگان در مهارت‌های رانندگی فراهم می‌کند که به کاهش هزینه‌های نگهداری، بهبود بهره‌وری و از همه مهمتر برای اطمینان از ایمنی اقدامات خود در همه شرایط همراه است.

بیومکانیک

یک شبیه ساز بیومکانیک برای تجزیه و تحلیل دینامیک راه رفتن، مطالعه عملکرد ورزشی، شبیه سازی روش های جراحی، تجزیه و تحلیل بارهای مفصل‌های زانو و بازو، طراحی وسایل پزشکی و تحریک حرکت انسان و حیوانات استفاده می‌شود.

یک بستر شبیه سازی منبع باز (Open Source) برای ایجاد مدل های مکانیکی پویا ساخته شده از ترکیب اجسام سفت و تغییر شکل، اتصالات، محدودیت‌ها و محرک‌های مختلف نیرو به کار می‌رود. این کار تخصصی برای ایجاد مدلهای بیومکانیکی ساختارهای آناتومیکی انسان با هدف مطالعه عملکرد آنها و درنهایت کمک به طراحی و برنامه ریزی درمان پزشکی ضروری است.

شبیه ساز عصبی مکانیکی این امکان را به کاربر می‌دهد تا فرضیه‌هایی را بر اساس رفتار عصبی در یک محیط مجازی سه بُعدی آزمایش کند. چنین شبیه‌سازی از ترکیبی شبیه سازی شبکه عصبی، بیومکانیکی و بیولوژیکی ایجاد می‌شود.

شهر و شهرسازی و شبیه سازی ها

یک شبیه ساز شهر (Sim City) می‌تواند حتی یک بازی شهرسازی باشد. چنین ابزاری می‌تواند توسط برنامه‌ریزان شهری برای درک چگونگی تکامل شهرها در پاسخ به تصمیمات مختلف و سیاست‌ها، مورد استفاده قرار گیرد. AnyLogic نمونه‌ای از شبیه‌سازهای مدرن در مقیاس بزرگ است که برای استفاده توسط برنامه‌ریزان شهری، طراحی شده است. شبیه سازهای شهری عموماً شبیه سازی های مبتنی بر ساختمان‌ها، جمعیت، مراکز تجاری و حمل و نقل هستند. UrbanSim و LEAM نمونه‌هایی دیگری از مدل‌های شبیه سازی شهری در مقیاس بزرگ هستند که توسط شرکت‌های برنامه‌ریزی شهری و حتی پایگاه‌های نظامی برای استفاده از زمین و برنامه ریزی حمل و نقل استفاده می‌شوند.

کلاس درس آینده با شبیه سازی ها

کلاس درس آینده (Future Classrooms) علاوه بر ابزارهای یادگیری متنی و تصویری، احتمالاً شامل چندین نوع شبیه ساز خواهد بود. این امر به دانشجویان و دانش‌آموزان این امکان را می‌دهد تا سال‌های تحصیلی را با آمادگی بهتر و با سطح مهارت بالاتری طی کنند. دانشجوی مقاطع تحصیلی ارشد و دکتری (تحصیلات تکمیلی) روش‌های دقیق‌تر و جامع‌تری برای آموزش در مجموعه مهارت‌های خود خواهند داشت.

کلاس آینده همچنین پایه‌ای برای ایجاد مهارت‌های بالینی برای ادامه آموزش کارکنان پزشکی خواهد بود و به همان روشی که استفاده از آموزش دوره‌ای پرواز به خلبانان هواپیمایی کمک می‌کند، این فناوری به پزشکان در طول عمر حرفه‌ایشان نیز کمک خواهد کرد تا تجربه‌های جدیدی داشته و سطح آمادگی خود را حفظ کنند.

شبیه سازها در کلاس درس آینده، چیزی بیش از یک کتاب درسی «زنده» خواهند بود، بطوری که محیط شبیه ساز یک بستر استاندارد برای تدوین برنامه درسی در موسسات آموزش (بخصوص پزشکی) فراهم می‌آورد.

Class simulator
تصویر ۸- محیط شبیه‌سازی شده کلاس درس به صورت مجازی

ماهواره‌های ارتباطی

سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای مدرن (SATCOM) اغلب شامل بخش‌ها بسیار بزرگ و پیچیده هستند که ساخت و برپایی آن‌ها را هزینه‌بر می‌کند. از طرف دیگر، نیاز به اتصال باند پهن به صورت موبایل و متحرک روی وسایل نقلیه در چند سال گذشته برای کاربردهای تجاری و نظامی به طرز چشمگیری افزایش یافته است. برای پیش بینی دقیق و ارائه خدمات با کیفیت بالا، طراحان سیستم SATCOM در برنامه‌ریزی خود باید در زمین و همچنین شرایط جوی و هواشناسی مختلف، سیستم ارتباطی خود را آزمایش کنند که این امر به علت عدم دستیابی به همه عوامل جوی و هوشناسی و همچنین موقعیت‌های جغرافیایی عملا امکان‌پذیر نیست. برای مقابله با چنین پیچیدگی‌هایی، طراحان سیستم و اپراتورها بطور فزاینده‌ای به سمت مدل‌های رایانه‌ای و شبیه‌سازی سیستم‌های خود می‌روند تا شرایط عملیاتی در دنیای واقعی را به صورت مجازی ایجاد کنند و قبل از تولید محصول نهایی، بینشی تحلیلی و واضح در مورد قابلیت استفاده و الزامات صحت عملکرد آن کسب کنند. مدل‌سازی با فعال کردن طراح یا برنامه شبیه‌سازی عملکرد در دنیای واقعی یا به کارگیری مدل‌ها با شرایط جوی و فرضی مختلف، درک نحوه عملیات انجام شده در سیستم را بهبود می‌بخشد.

در بخش نظامی فعالیت‌های ماهواره‌ای نیز شبیه سازی اغلب در آموزش پرسنل غیرنظامی و نظامی استفاده می‌شود. این کار معمولاً زمانی رخ می‌دهد که تجهیزات مورد نظر (ماهواره و ایستگاه‌‌های زمینی) بسیار گران قیمت بوده و به سادگی می‌توانند تخریب شوند حتی این تخریب ممکن است جان کاربران را هم به خطر بیاندازد. به این ترتیب شبیه‌سازی بخصوص به کارآموزان اجازه می‌دهد از تجهیزات واقعی در دنیای مجازی استفاده کنند. در چنین شرایطی، آنها وقت خود را صرف یادگیری کرده و در یک محیط مجازی «ایمن» فعالیت و درصد خطا هنگام استفاده از دستگاه‌های واقعی را کاهش می‌دهند.

چرخه زندگی دیجیتال

راه حل‌های شبیه سازی و استفاده از رایانه‌ها به طور فزاینده‌ای با راه حل‌ها و فرآیندهای مربوط به طراحی (Computer Aided Design)، تولید و ساخت (Computer Aided Manufacture) و مهندسی (Computer Aided Engineering) که به ترتیب به صورت مخفف به شکل CAD، یا CAM و CAE شناخته می‌شوند، ادغام می‌شوند. استفاده از شبیه سازی ها در طول چرخه محصول، به ویژه در مراحل اولیه طراحی، مزایای اساسی دارد. این مزایا از مسائل مربوط به هزینه‌های مستقیم مانند کاهش نمونه برداری اولیه و زمان کوتاه‌تر ورود به بازار را شامل شده و همچنین حاشیه سود بهتری را نیز ارائه می‌دهند. با این حال، برای برخی از شرکت‌ها، ممکن است شبیه سازی مزایای مورد انتظار را برآورده نکند زیرا میزان تولید و سرمایه‌گذاری محدودی دارند.

نتایج مطالعات شرکت تحقیقاتی Aberdeen Group به این مضوع رسیده است که تقریباً همه تولیدکنندگانی که سهم بیشتری در بازار دارند، در مراحل اولیه طراحی، از شبیه سازی استفاده می‌کنند در عوض شرکت‌هایی که در رتبه سوم یا چهار در بازار هستند یا اصلا از شبیه‌سازی استفاده نکرده یا سهمی کمی از گام‌های طراحی و تولید توسط شبیه‌سازی، برنامه‌ریزی می‌شوند.

استفاده موفقیت آمیز از شبیه سازی، در اوایل چرخه تولید می‌تواند راز موفقیت شرکت‌ها در ارائه محصولات با کیفی باشد. در حال حاضر راه حل‌های شبیه سازی می‌توانند در یک شرکت توسعه یافته در یک محیط چند متغیره عمل کنند، و شامل راه حل‌هایی برای مدیریت داده‌ها (Data Management) و فرآیندهای شبیه سازی باشند. همچنین باید این اطمینان را هم کسب کرد که نتایج حاصل از شبیه سازی بخشی از چرخه محصول هستند.

آمادگی در مقابل فاجعه و بلاهای طبیعی

آموزش برمبنای شبیه سازی می‌تواند به روشی برای آماده‌سازی مردم برای فاجعه و بلاهای طبیعی تبدیل شود. شبیه سازها می‌توانند موقعیت‌های اضطراری را ایجاد و برای چندین بار تکرار کنند و نحوه یادگیری پاسخ به محرک‌ها را برای مردم فراهم آورند. چنین تجربه‌ای ممکن است هرگز به عمل نیاید ولی آمادگی در مقابل این گونه فجایع، از تلفات و تخریب‌های جبران ناپذیر می‌کاهد. شبیه سازی آمادگی در برابر بحران ممکن است شامل آموزش نحوه برخورد با حملات تروریستی، بلایای طبیعی، شیوع بیماری همه‌گیر (مانند ویرویس کرونا Covid 19) یا سایر موارد اضطراری خطرناک برای زندگی باشد.

یکی از سازمان‌هایی که از آموزش شبیه سازی ها برای آمادگی فاجعه استفاده کرده است شرکت مرکز پیشرفته آموزش از راه دور (Center for Advancement of Distance Education) است که به اختصار CADE نامیده می‌شود. در این شرکت از یک بازی ویدیویی برای آماده سازی کارمندان اورژانس برای انواع حملات استفاده شده است. طبق گزارش شبکه اخبار بهداشتی، این بازی ویدئویی اولین بار در یک سری شبیه سازی ها برای پرداختن به بیوتروریسم، آنفولانزای همه گیر، آبله و سایر بلایا مورد استفاده قرار گرفت و پرسنل اورژانس بوسیله آن آموزش‌های مورد نیاز را فرا گرفتند. این بازی توسط تیمی از در دانشگاه ایلینویز در شیکاگو (UIC) طراحی گردیده است. این بازی یا در حقیقت شبیه‌ساز، به کارکنان اورژانس امکان می‌دهد مهارت‌های مربوط به موقعیت‌های اضطراری را در یک محیط امن و کنترل شده تمرین کنند.

برنامه شبیه سازی اضطراری (Emergency Simulation Program) که به اختصار ESP گفته می‌شود، در انستیتوی فناوری بریتیش کلمبیا (BCIT)، در ونکوور کانادا نمونه دیگری از شبیه ساز است که برای آموزش شرایط اضطراری و اورژانس مورد بهره‌برداری قرار گرفته است.

از ESP به منظور آموزش موقعیت‌های خاص مانند زیر استفاده می‌کند:

  • آتش سوزی جنگل‌ها
  • واکنش به نشت نفت یا مواد شیمیایی
  • واکنش به زلزله
  • آتش نشانی و خطرات ناشی از آتش
  • اداره و نگهداری از مواد خطرناک
  • آموزش نظامی
  • پاسخ به حمله تروریستی.

یکی از ویژگی‌های سیستم شبیه سازی اجرای «ساعت پویا زمان-اجرا» (Dynamic Run-Time Clock) است، که به شبیه سازی‌ها امکان می‌دهد یک واقعه را با سرعت زمانی زیاد یا کم به اجرا درآورند. علاوه بر این، سیستم امکان ضبط تصویری تمرینات، نیز از ویژگی‌های چنین شبیه‌سازی خواهد بود.

در دانشگاه کبک، یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه تحقیقات و تخصص در فضای باز (Laboratoire d'Expertise et de Recherche en Plein Air) که به آن LERPA نیز می‌گویند، به فعالیت مشغول هستند. این تیم متخصص در استفاده از شبیه سازی‌های بلایای طبیعی و سنجش پاسخ‌های اضطراری ممکن توسط تیم‌های نجات هستند.

LERPA
تصویر ۹- تیم‌های شبیه‌ساز بلایای طبیعی در دانشگاه کبک

از نظر آموزشی، مزایای آموزش اورژانس از طریق شبیه سازی این است که می‌توان عملکرد یادگیرنده را از طریق سیستم ردیابی کرد. این به توسعه دهنده این شبیه‌سازها این امکان را می‌دهد تا تنظیماتی را در صورت لزوم انجام دهد تا مربی در مورد موضوعاتی که احتیاج به توجه بیشتری دارند، دقت بیشتری داشته باشد. از مزایای دیگر این سیستم می‌توان به بررسی نحوه پاسخ کاربر اشاره کرد که در موقعیت‌های خاص چه عکس‌العملی نشان می‌دهد. چنین امکانی ممکن است هرگز در محیط زندگی و امن قابل بررسی و ارزیابی نباشد. برخی از شبیه سازهای آموزش اورژانس نیز امکان بازخورد فوری را فراهم می‌کنند و خیلی سریع نسبت به عمل کاربر، واکنش نشان می‌دهند و موقعیت‌های جدید خلق کنند.

آموزش شبیه سازی در این محیط فرصتی را برای کاربران فراهم می‌کند تا به حداکثر مقدار ممکن، تمرین کرده و موقعیت‌های مختلف را در یک محیط امن و بدون خطر بررسی کنند. آنها می‌توانند‌ بدون به خطر انداختن زندگی دیگران اشتباهاتی مرتکب اشتباه شوند و سیستم به آنها فرصت می‌دهد خطاهای خود را اصلاح و از آن درس بگیرند تا برای شرایط اضطراری در زندگی واقعی آماده شوند

اقتصاد

در اقتصاد و به ویژه اقتصاد کلان (Macroeconomics)، اثرات اقدامات پیشنهادی سیاستگذاری، از جمله تغییرات سیاست مالی یا تغییرات سیاست پولی و مالیات، برای تعیین مطلوبیت در رونق اقتصادی و رشد بازار سرمایه، شبیه سازی می‌شود. در این شبیه سازی ها از الگوی ریاضی اقتصاد، متناسب با داده‌های اقتصادی در مقاطع زمانی مختلف، به عنوان نماینده یا نمایش مجازی از اقتصاد واقعی، استفاده می‌شود. مقادیر پیشنهادی بودجه و هزینه‌های دولت، مالیات، عملیات در کسب و کار و بازار آزاد و ... به عنوان ورودی در شبیه سازی این چنین مدل‌هایی استفاده می‌شود.

به این ترتیب متغیرهای مختلفی مانند نرخ تورم، نرخ بیکاری، تراز کسری تجاری، کسری بودجه دولت و غیره محاسبه و به عنوان خروجی‌های شبیه‌سازی شمرده می‌شوند. مقادیر شبیه سازی شده این متغیرهای پاسخ، برای ورودی‌های مختلف، سیاست پیشنهادی برای تعیین نتایج مطلوب‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

GDP simulations
تصویر ۱۰- نرم‌افزارهای شبیه‌ساز اقتصاد و آموزش آن

مهندسی، فناوری و فرایندها

بیشتر شبیه سازی‌های مهندسی مستلزم مدل سازی ریاضی و تحقیق در مورد پارامترهای آن به کمک رایانه است. با این وجود موارد بسیاری وجود دارد که مدل سازی ریاضی قابل اطمینان نیست. شبیه سازی ها مشکلات درونی در مکانیک و دینامیک سیالات را که در اغلب موارد در حالت ایده‌ها در مدل‌سازی ریاضی و فیزیکی وجود دارد، برطرف می‌کند. در این موارد، مدل‌های اصلی نیاز به شبیه‌سازی پویا (Dynamic Similitude) دارند. شبیه سازهای فیزیکی و شیمیایی علاوه بر جنبه تحقیقاتی، کاربردهایی نیز در دنیایی واقعی دارند. به عنوان مثال در مهندسی شیمی، از شبیه سازی فرآیند استفاده می‌شود تا پارامترهای مدل فرآیندی بلافاصله برای کارخانه‌های شیمیایی مانند پالایشگاه های نفت مورد استفاده قرار گیرد.

شبیه سازها همچنین برای آموزش اپراتور نیروگاه‌ها نیز به کار می‌آیند. در اغلب موارد شبیه‌سازهای یادگیری یا آموز کاربر (Operator Training Simulator) که به اختصار آن را OTS می‌نامند، در بسیاری از صنایع از جمله صنایع شیمیایی تا نفت و گاز و صنایع برق به طور گسترده ای مورد پذیرش واقع شده و به کار گرفته شده‌اند. این شبیه‌سازها، یک محیط مجازی ایمن و در عین حال واقعی برای آموزش مجریان و مهندسان ایجاد کرده است. در این بین می‌توان به محیط شبیه سازی Mimic اشاره کرد که قادر به ارائه مدل‌های پویا در تقریباً همه گونه نیروگاه و راکتورهای شیمایی است. این شبیه‌ساز، برای آموزش مجریان و کاربران نیروگاه‌ها و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی بسیار مناسب است.

boiler simulator
تصویر ۱۱- شبیه‌ساز عملکرد بویلر برای آموزش کاربران

ارگونومی

شبیه سازی ارگونومیک شامل تجزیه و تحلیل محصولات مجازی یا کارهای دستی در یک محیط مجازی است. در فرایند مهندسی، هدف ارگونومی توسعه و بهبود طراحی محصولات و محیط‌های کاری است. شبیه سازی ارگونومیک با استفاده از بازنمایی مجازی آناتومی انسان، که معمولاً به عنوان مانکن یا مدل‌های دیجیتال انسانی (Digital Human Model) که به اختصار DHM شناخته می‌شوند، عمل می‌کند. این کار برای تقلید از وضعیت، بارهای مکانیکی و عملکرد یک اپراتور انسانی در یک محیط شبیه سازی شده مانند هواپیما، اتومبیل یا موارد دیگر به کار گرفته می‌شود. امروزه DHMها به عنوان ابزاری در حال تحول و ارزشمند برای انجام تجزیه و تحلیل و طراحی ارگونومیک تعاملی و تحریک پذیر شناخته می‌شوند. این شبیه سازی ها از مدل‌های گرافیکی سه بعدی و مدل‌های مبتنی بر فیزیک برای توصیف حرکت انسان‌ها بطور مجازی استفاده می‌کنند.

ابزارهای نرم افزاری شبیه‌سازی DHMها به طور معمول خصوصیات بیومکانیکی شامل نیروهای عضله فرد، نیروهای جاذبه و زمان را محاسبه و به کار می‌گیرند. بیشتر این ابزارها و شبیه‌سازها از روش‌های استاندارد ارزیابی ارگونومیک استفاده می‌کنند. برخی از شبیه سازی ها همچنین عملکردهای فیزیولوژیکی از جمله متابولیسم، مصرف انرژی و محدودیت‌های ناشی از خستگی را هم لحاظ و به کار می‌گیرند.

مدل سازی و شبیه سازی عملیات یا فعالیت‌هایی که توسط یک کارمند یا کارگر صورت می‌گیرد توسط مدل‌های دیجیتال انسانی به خوبی صورت می‌گیرد. برخی از نرم افزارهای شبیه سازی ارگونومیک ، شبیه سازی و ارزیابی زمان واقعی را از طریق ورودی واقعی از بدن انسان از طریق فن آوری‌های ضبط حرکت، مجازی می‌سازند. با این حال، ضبط حرکت برای ارگونومی نیاز به تجهیزات گران قیمت و ایجاد واحدهایی برای نشان دادن محیط یا محصول دارد.

برخی از کاربردهای شبیه سازی ارگونومیک شامل تجزیه و تحلیل جمع آوری زباله‌ها، عملیات مدیریت بحران، بازی‌های تعاملی، خط مونتاژ خودرو، نمونه سازی مجازی تجهیزاتی توانبخشی و طراحی محصول هوافضا می‌باشد. مهندسان شرکت خودروسازی فورد برای انجام بررسی‌های طراحی مجازی محصول، از نرم افزار شبیه سازی ارگونومی استفاده می‌کنند. با استفاده از داده‌های مهندسی، شبیه سازی‌ها به ارزیابی ارگونومی مونتاژ کمک می‌کنند. این شرکت بدون نیاز به ساخت نمونه‌های گران قیمت، از نرم افزار شبیه سازی ارگونومیک برای افزایش ایمنی کارگران و بالا بردن کارایی آن‌ها استفاده می‌کند.

biomechanical-modeling
تصویر ۱۱- شبیه‌سازی ارگونومی کارگران در وضعیت جابجایی بار

دارایی، امور مالی و سرمایه گذاری

در امور مالی، شبیه سازی های رایانه‌ای اغلب برای برنامه‌ریزی سناریوهای مختلف اقتصادی و گردش مالی شرکت‌ها و حتی کشورها استفاده می‌شود. به عنوان مثال محاسبه ارزش فعلی، تنظیم ریسک، به واسطه ورودی‌های مختلف محاسبه شده و بهترین عملکرد مورد شناسایی قرار می‌گیرند. با تقلید و تکرار از عملکرد پروژه تحت ارزیابی‌های مختلف، شبیه سازی می‌تواند توزیع مثلا ارزش فعلی خلاص (Net Present Value) را در طیف وسیعی از نرخ‌های تخفیف و سایر متغیرها فراهم کند. همچنین از شبیه سازی ها، اغلب برای آزمایش یک تئوری یا نظریه یا توانایی یک مدل مالی استفاده می‌شود.

شبیه سازی ها اغلب در آموزش‌های مالی نیز مورد استفاده هستند، تا شرکت کنندگان در تجربه موقعیت‌های مختلف تاریخی و داستانی سهم داشته باشند. شبیه سازی بازار سهام، شبیه سازی مدیریت ریسک و شبیه سازی‌های فارکس امروزه مورد پسند خیلی از افراد است. چنین شبیه‌سازهایی معمولاً بر اساس مدل‌های دارایی تصادفی، انجام می‌شوند. استفاده از این شبیه سازی ها در یک برنامه آموزشی امکان استفاده از تئوری را در محیطی شبیه به زندگی واقعی فراهم می‌آورد.

سیستم پرداخت و تسویه اوراق بهادار

تکنیک‌های شبیه سازی نیز در سیستم‌های پرداخت و تسویه اوراق بهادار به کار رفته است. کاربران اصلی این شبیه سازی ها بانک‌های مرکزی کشورها هستند که عموما مسئولیت نظارت بر زیرساخت‌های بازار را بر عهده دارند و حق دارند در عملکرد چنین بازهاریی دخالت کنند.

بانک های مرکزی برای ارزیابی و سیاست‌گذاری در مواردی از قبیل کفایت یا کاهش نقدینگی موجود در جامعه از شبیه سازی استفاده می‌کنند. نقدینگی ممکن است به شکل‌های مختلف مانند مانده حساب و گردش روزانه حساب‌ها بروز کند. کاربران یا به طور عمده بانک ها از شبیه سازی سیستم پرداخت استفاده کرده تا امکان تسویه حساب کارآمد پرداخت ها را فراهم کنند. میزان نقدشوندگی نیز به نوع رویه‌های شبکه سیستم بانکی کشور بستگی دارد، بنابراین برخی از مطالعات بر روی مقایسه سیاست‌های مختلف و سنایورهای گوناگون در سیستم بانکی، تمرکز دارند.

برنامه دیگر ارزیابی ریسک‌ها و خطرات ناشی از بروز حوادثی نظیر خرابی شبکه ارتباطی یا عدم توانایی بانک‌ها و شعبه‌هایشان در ارسال پرداخت‌ها است. برای مثال ممکن است به علت اشکال در زیرساخت یا تاسیسات بانکی مشکلی در ثبت یا ارسال تراکنش‌های مالی رخ دهد. شبیه‌سازی در این موارد می‌تواند برای شناخت از رخدادها و کسب آمادگی بیشتر سیستم بانکی کمک کند.

یک روش معمول برای انجام این شبیه سازی ها، تکرار منطقی تسویه حساب سیستم های پرداخت واقعی یا اوراق بهادار است. این کار توسط تجزیه و تحلیل و سپس استفاده از داده های پرداخت واقعی صورت می‌پذیرد. توزیع آماری (Statistical Distribution) این داده‌ها نقش مهمی در شبیه‌سازی و تجزیه و تحلیل آن‌ها دارد. این گونه آزمایش‌ها به نام تست استرس ( Stress Testing) معروف هستند. به این ترتیب نقاط قوت و ضعف سیستم‌های پرداخت مالی توسط شبیه سازی ها شناسایی شده و قابلیت بررسی سناریوها بدون تغییر در نظام بانکی امکان‌پذیر می‌شود.

برای انجام تست استرس و تجزیه و تحلیل سناریو، داده های مشاهده شده باید تغییر یابند، به عنوان مثال فرض کنید که برخی از پرداخت‌ها به تأخیر افتاده یا از سیستم حذف شده‌اند. مقایسه سیستم (معیار) یا ارزیابی الگوریتم‌ها یا قوانین جدید شبکه‌سازی با اجرای شبیه سازی با یک مجموعه ثابت از داده‌ها بصورت تکراری انجام شده و در هر بار تکرار فقط تنظیمات سیستم متفاوت است.

استنتاج معمولاً با مقایسه نتایج شبیه سازی معیار با نتایج حاصل از شبیه سازی تغییر یافته انجام می‌شود در این بین از شاخص‌هایی از قبیل معاملات ثبت نشده یا تأخیر در تسویه حساب کمک گرفته می‌شود.

پرواز

از دستگاه‌های آموزش شبیه سازی پرواز (Flight Simulation Training Device) یا به اختصار FSTD، برای آموزش خلبانان نه در هوا بلکه روی زمین استفاده می‌شود. در مقایسه با آموزش در یک هواپیمای واقعی، آموزش مبتنی بر شبیه سازی ها امکان آموزش مانورها یا موقعیت هایی را که ممکن است غیر عملی (و یا حتی خطرناک) برای انجام در هواپیما باشد را امکان‌پذیر می‌سازد. این کارها در حقیقت در وضعیتی که خلبان و مربی در یک محیط نسبتاً کم خطر قرار دارند، فراهم می‌کند. به عنوان مثال، خرابی سیستم الکتریکی، خرابی ابزار، خرابی سیستم هیدرولیک و حتی خرابی‌های کنترل پرواز را می‌توان بدون خطر برای خلبانان یا هواپیما شبیه سازی اجرا و نتایج را بررسی کرد.

مربیان همچنین می‌توانند در دوره معینی و البته کوتاه‌تر از دنیایی واقعی و با تمرکز بالاتر، موضوعات آموزشی را در اختیار دانشجویان قرار دهند. شبیه سازی پرواز همچنین یک مزیت اقتصادی نسبت به آموزش در هواپیمای واقعی دارد. پس از در نظر گرفتن هزینه‌های سوخت، نگهداری و تعمیرات، هزینه‌های عملیاتی FSTD معمولاً از هزینه‌های عملیاتی هواپیمای شبیه سازی شده بسیار کم‌تر است. برای برخی از هواپیماهای دسته حمل و نقل بزرگ، هزینه‌های عملیاتی برای هواپیمایی واقعی ممکن است چندین برابر FSTD باشد.

دریایی و عملیات دریایی

شبیه سازهای دریایی که مانند شبیه سازهای پرواز هستند، پرسنل کشتی‌ها را آموزش می‌دهند. متداول‌ترین شبیه سازهای دریایی عبارتند از:

  • شبیه سازهای برج کشتی
  • شبیه ساز اتاق موتور
  • شبیه سازهای حمل بار
  • شبیه سازهای ارتباطی / GMDSS یا سامانه جهانی اضطرار و ایمنی دریایی (Global Maritime Distress and Safety System)
  • شبیه ساز مانور و حرکت کشتی

شبیه سازهایی از این دست بیشتر در دانشکده‌های دریایی ، مؤسسات آموزش و نیروی دریایی استفاده می‌شود. آنها غالباً از برج مراقبت کشتی با کنسول عملیاتی و تعدادی صفحه نمایش که محیط کاری را به صورت مجازی بازسازی می‌کنند، تشکیل شده است.

نظامی

شبیه‌سازی‌های نظامی، که به طور غیر رسمی به عنوان بازی های جنگی (War Game) نیز شناخته می‌شوند، الگویی هستند که در آنها تئوری‌های جنگ بدون نیاز به شلیک گلوله و استفاده از سلاح‌های جنگی واقعی آزمایش و پالایش شوند. این گونه بازی ها یا شبیه سازی‌ها به اشکال مختلف و با درجات مختلف واقع گرایی تولید و عرضه می‌شوند. در زمان های اخیر، دامنه استفاده از بازی و شبیه سازهای جنگی گسترش یافته است که شامل نه تنها عوامل نظامی بلکه عوامل سیاسی و اجتماعی نیز هستند. به عنوان مثال سری تمرینات استراتژیک NationLab در آمریکای لاتین از این گونه شبیه سازی ها محسوب می شود.

شبکه و سیستم های توزیع شده

شبکه و سیستم‌های توزیع شده به طور گسترده‌ای شبیه سازی شده‌اند تا تأثیر پروتکل‌ها و الگوریتم‌های جدید قبل از استقرار آن‌ها، در سیستم‌های واقعی درک و مورد ارزیابی قرار گیرند. این شبیه سازی می‌تواند بر روی سطوح مختلف (لایه فیزیکی - Physical Layer، لایه شبکه - Network Layer، لایه کاربرد - Application Layer) متمرکز و معیارهای مختلف (پهنای باند شبکه - ‌band Width، مصرف منابع - Resources، زمان سرویس- Time of Service، بسته‌های گمشده - Missed Packet، در دسترس بودن سیستم- Accessibility) را ارزیابی کند. نمونه‌هایی از سناریوهای شبیه سازی سیستم‌های شبکه و توزیع شده عبارتند از:

  • شبکه‌های ارائه محتوا
  • شهرهای هوشمند
  • اینترنت اشیاء

رباتیک

یک شبیه ساز روباتیک برای توسعه و ارزیابی برنامه‌هایی یک ربات بدون حضور فیزیکی آن عمل کند. در برخی موارد، این برنامه‌ها می‌توانند بدون تغییر به ربات واقعی (یا بازسازی شده) منتقل شوند. شبیه سازهای روباتیک اجازه می‌دهند موقعیت‌هایی که به دلیل هزینه، زمان یا منحصر به فرد بودن منابع در دنیای واقعی امکان ایجاد آن وجود ندارد، بازسازی شوند. یک شبیه ساز همچنین امکان نمونه سازی سریع ربات را می‌دهد تا پس از ارزیابی به تولید انبوه برسد. بسیاری از شبیه سازهای روبات از قوانین فیزیکی برای شبیه سازی دینامیک ربات استفاده می‌کنند.

eseminar-robotics
تصویر ۱۲- شبیه‌ساز روبات‌های جوشکاری

تولید

همانطور که در ابتدای متن نیز اشاره شد، شبیه سازی سیستم‌های تولید به طور عمده برای بررسی اثر پیشرفت‌ها یا سرمایه گذاری‌ها در یک سیستم تولید نیز مورد استفاده هستند. اغلب، این کار با استفاده از یک صفحه گسترده مانند اکسل یا نرم‌افزارها مشابه انجام می‌شود. ولی در سیستم‌ها یپچیده به کمک آمار و توزیع‌های آماری از شبیه سازی رویداد گسسته (DES) کمک گرفته می‌شود. به این ترتیب می‌توان از شبیه سازی ها برای سیستم‌های تولید پیچیده و حساس نیز استفاده کرد.

یک سیستم تولید& به تغییرات فرآیندهای تولید، زمان مونتاژ، تنظیم دستگاه، خطاها و توقف کوچک بسیار حساس است. تعداد زیادی نرم افزار معمولاً برای شبیه سازی رویدادهای گسسته مورد استفاده قرار می گیرد.

روند فروش

شبیه سازی ها برای مدل سازی جریان معاملات از طریق فرآیندهای تجاری، از جمله در زمینه مهندسی فرآیند فروش، برای مطالعه و بهبود جریان سفارشات مشتری در مراحل مختلف، مفید هستند. مثلاً شبیه ساز ممکن است کلیه مراحل از ثبت یک پیشنهاد اولیه برای ارائه کالا / خدمات تا نحوه ارسال و پیشتیبانی خدمات و کالا را مدل‌سازی کند. چنین شبیه سازهایی می‌تواند در پیش بینی تأثیر تغییر در روش‌ها را اندازه‌گیری کرده و  در تصمیم‌گیری مدیران فروش نقش داشته باشند. یک شبیه ساز فرایند رایانه‌ای کامل و مورد اطمینان، می‌تواند برای به تصویر کشیدن مدل‌های مختلف فروش مورد استفاده قرار گیرد.

ورزش

در ورزش، اغلب شبیه سازی های رایانه‌ای برای پیش بینی نتیجه حوادث و عملکرد افراد ورزشکار مورد استفاده واقع می‌شوند. این شبیه‌سازها سعی  دارند این رویدادها را از طریق مد‌ل‌های رابطه‌ای آماری، بازآفرینی کرده و نتایج رقابت‌های ورزشی را پیش بینی کنند. پیشرفت تکنولوژی به هر کسی که حتی دانش اندکی از برنامه‌نویسی دارد، اجازه استفاده از چنین شبیه سازهایی را فراهم آورده است. شبیه سازی های این چنینی، از یک سری الگوریتم‌های ریاضی یا مدل‌ها آماری ساخته شده‌اند و با دقتی قابل قبول می‌توانند مطابق با عملکردشان، به یاری کاربران بیایند. شبیه‌ساز Accuscore، که توسط شرکت‌هایی مانند ESPN مورد تایید هستند، یک برنامه شبیه سازی شناخته شده برای همه گونه رقابت‌های ورزش محسوب می‌شود. این شبیه‌ساز، تجزیه و تحلیل دقیقی از بازی‌ها را برای تعیین دقیق میزان شرط بندی، براساس مجموع امتیازات پیش بینی شده و احتمالات رخداد پیشامدهای آینده، ارائه می دهد.

یکی دیگر از راه های شبیه سازی ورشی، کمک به ورزشکار و حفظ آمادگی او است. مدل‌های شبیه‌سازی شده از سنسورهای متصل به ورزشکاران و تجهیزات ویدئویی تشکیل شده است. بیومکانیک ورزشی به کمک مدل‌های شبیه سازی به سؤالات مربوط به انتخاب تکنیک‌های موثر با توجه به میزان خستگی و میزان انرژی مصرفی و کارایی عضلانی می‌پردازند. مثلا در ورزش پرتاب وزنه عوامل بیومکانیکی اندامهای فوقانی (شاخص مقاومت در برابر واکنش؛ زمان تماس با دست) مواردی است که توسط چنین شبیه‌سازهای مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند.

حتی در بازی‌های جمعی استفاده از شبیه سازهای رایانه‌ای در اتخاذ استراتژی بازی در مقابل تیم حریف بسیار مطرح هستند. این گونه شبیه‌سازها این امکان را می‌دهند که نقش هر یک از بازیکنان در تیم نیز مقایسه و بهترین چیدمان در زمین بازی ساخته و آزمایش شود. به این ترتیب مریبان و سرپرست تیم‌ها اطلاعات مناسبی از تیم و خود و حتی تیم حریف کسب خواهند کرد و بیشترین کارایی را خواهند داشت.

Soccer-Simulator
تصویر ۱۳- شبیه‌ساز ورشیی برای ایجاد آمادگی جسمانی

پرتاب ماهواره‌ها وشبیه سازی ها

شبیه سازی در مرکز فضایی کندی (Kennedy Space Center) یا KSC)، برای آموزش و صدور گواهینامه مهندسان شاتل فضایی (Space Shuttle) در طی عملیات شبیه سازی پرتاب استفاده می‌شود. مهندسین شاتل فضایی قبل از هر پرواز شاتل در یک شبیه سازی یکپارچه شمارش معکوس پرتاب شرکت می‌کنند. این عملیات در حقیقت درون یک شبیه‌ساز به کمک مجازی سازی محیط یک شاتل و گام‌های پرتاب، انجام می‌گیرد.

البته تیم مهندسین پرواز و اتاق کنترل زمینی نیز در این شبیه‌ساز به کار می‌روند. در این شبیه ساز، افراد واقعی با سخت افزار شبیه سازی شده شاتل فضایی و تجهیزات پشتیبانی زمینی (Ground Support Equipment) یا GSE در تعامل هستند.

شبیه سازی فاز شمارش معکوس شاتل، که همچنین با عنوان S0044 نیز شناخته می‌شود، فرآیندهای شمارش معکوس را به کار گرفته و سیستم‌های شاتل فضایی و ناوبری و پشتیبانی زمینی ( GSE) را به هم پیوند می‌دهد. برخی از سیستم‌های شاتل یکپارچه در شبیه سازی شامل، پیشرانه اصلی، تقویت کننده‌های موشک، مخازن هیدروژن و اکسیژن مایع، مخزن‌های خارجی، کنترل پرواز و ناوبری است.

اهداف سطح بالا از شبیه سازی فاز شمارش معکوس شاتل عبارتند از:

  • نشان دادن عملیات مرحله نهایی شمارش معکوس اتاق آتش نشانی.
  • ارائه آموزش برای مهندسان سیستم در شناخت، گزارش و ارزیابی مشکلات سیستم در یک مقطع حساس زمانی.
  • استفاده از توانایی تیم پرتاب در ارزیابی، اولویت بندی و پاسخگویی به مشکلات به صورت یکپارچه در یک زمان بحران.
  • برای تهیه دستورالعمل هنگام عملیات شکست/ریکاوری که باید در مرحله نهایی شمارش معکوس انجام شوند تا در صورت بروز واقعی مورد استفاده قرار گیرند.
KSCFiringroom1
تصویر ۱۴- شبیه‌سازی پرتاب موشک شاتل قبل از پرواز واقعی

شبیه سازی فاز شمارش معکوس Shuttle Final در اتاقهای شلیک مرکز کنترل پرتاب مرکز فضایی کندی انجام شد. اتاق شلیک مورد استفاده در طول شبیه سازی همان اتاق کنترل است که در آن عملیات شمارش معکوس پرتاب واقع شده است. در نتیجه، تجهیزات مورد استفاده برای عملیات شمارش معکوس پرتاب در حقیقت با همه امکانات در شبیه‌سازی ها درگیر می‌شوند.

سخت افزار شاتل فضایی و سخت افزار GSE مربوطه توسط مدل های ریاضی که به زبان مدل سازی عملیات به آن  شبیه‌ساز زمینی شاتل (Shuttle Ground Simulator) گفته می‌شود، مانند سخت افزار واقعی رفتار و واکنش نشان می‌دهند. در طی شبیه سازی نهایی فاز شمارش معکوس شاتل، مهندسین از طریق نرم افزار کاربردی واقعی که در کنسول های کنترل اجرا می‌شوند، سخت افزار را مدیریت و عملیات صورت گرفته را تایید می‌کنند، دقیقاً گویی که آنها در حال فرماندهی سخت افزار واقعی هستند.

با این حال، این برنامه‌های نرم‌افزاری واقعی در هنگام شبیه سازی ها با سخت افزار واقعی شاتل ارتباط ندارند بلکه این مدل ریاضی و آماری است که به صورت پویا تغییرات را ایجاد و مدل‌سازی می‌کند. در نتیجه، شبیه سازی‌ها ضمن ارائه قابلیت‌های مهندسین، جزئیات نحوه واکنش سخت افزار را هم در نظر می‌گیرد.

این مدل‌های ریاضی و آماری با نرم افزار برنامه کاربردی فرمان و کنترل‌های شاتل در تعامل هستند، در نتیجه از آن‌ها هنگام شبیه سازی ها برای اشکال زدایی و تأیید عملکرد نرم افزارهای کاربردی نیز استفاده می‌شود.

پیمایش ماهواره ای

تنها روش واقعی برای تست گیرنده‌های GNSS (که معمولاً در دنیای تجارت با نام Sat-Nav شناخته می شود) استفاده از یک شبیه ساز RF یا فرکانس رادیویی (radio Frequency) است. گیرنده‌ای که به عنوان مثال ممکن است در هواپیما مورد استفاده قرار گیرد ، بدون نیاز به سوار شدن در یک پرواز واقعی، می تواند در شرایط دینامیکی آزمایش شود. شرایط آزمایش دقیقاً قابل تکرار است و کنترل کاملی بر تمام پارامترهای آزمون وجود دارد. این امر در دنیای واقعی با استفاده از سیگنال‌های واقعی امکان پذیر نیست. برای آزمایش گیرنده‌هایی که در Galileo جدید استفاده خواهند شد (پیمایش ماهواره ای) هیچ جایگزینی وجود ندارد، زیرا سیگنال‌های واقعی هنوز وجود ندارند.

آب و هوا و شبیه سازی ها

پیش بینی شرایط آب و هوایی با برون یابی / درون یابی داده‌های قبلی یکی از کاربردهای واقعی شبیه سازی است. بیشتر پیش بینی‌های هواشناسی از اطلاعاتی استفاده می‌کند که توسط دفاتر پیش بینی هوا منتشر می‌شود. این نوع شبیه سازی ها در پیش بینی و پیش بینی هشدارها در مورد شرایط جوی شدید مانند مسیر طوفان / سیکلون فعال کمک می‌کند. پیش بینی آب و هوا عددی برای پیش بینی شامل مدل‌های پیچیده رایانه‌ای عددی برای پیش بینی دقیق آب و هوا با در نظر گرفتن بسیاری از پارامترها. به کار می‌رود.

شبیه سازی ها در سرگرمی و تفریحات

شبیه سازی ها در سرگرمی شامل بسیاری از صنایع بزرگ و پرطرفدار مانند فیلم، تلویزیون، بازی‌های ویدئویی و سواری در پارک‌های مجازی می‌شود. اگر چه این تصور وجود دارد که شبیه سازی مدرن ریشه در آموزش و سازمان‌های نظامی دارد، اما در قرن بیستم این موضوع به یک جریان موثر در بین شرکت‌هایی شده که ماهیت آن بیشتر تفریح و سرگرمی است.

اولین بازی شبیه سازی را می‌توان مربوط به در اوایل سال 1947 دانست که توسط توماس تو. گلدسمیت جونیور (Thomas T. Goldsmith Jr.) و استل ری مان (Estle Ray Mann) ایجاد شده باشد. این یک بازی سرراست بود که موشکی را که به سمت هدف شلیک می‌شد شبیه سازی می‌کرد. منحنی موشک و سرعت آن با استفاده از چندین دستگیره قابل تنظیم بود. در سال 1958 ، یک بازی رایانه‌ای به نام "تنیس برای دو نفر" توسط ویلی هیگینگوتام (Willy Higginbotham) ایجاد شد که یک بازی تنیس بین دو بازیکن را شبیه سازی می‌کرد. در این بازی هر دو نفر می‌توانستند همزمان با استفاده از کنترل‌های دست بازی کنند و حرکت توپ و راکت‌ها در یک اسیلوسکوپ نمایش داده می‌شدند. این اولین بازی الکترونیکی ویدیویی بود که از نمایشگر گرافیکی استفاده کرد.

از تصاویر رایانه‌ای در این فیلم برای شبیه سازی اشیاء در اوایل سال 1972 در یک فیلم کوتاه به نام دست متحرک رایانه‌ای (A Computer Animated Hand) استفاده شد، که بخش‌هایی از آن در فیلم دنیایی آینده (Futureworld) در سال 1976 روی پرده بزرگ نمایش داده شد. بسیاری از "کامپیوتر هدف‌گیری" را که Skywalker جوان در فیلم سال 1977 جنگ ستارگان خاموش کرد را به خاطر می آورند. کامپیوتر هدف‌گیری در حقیقت کار شبیه سازی و جنگ را به عهده داشت.

فیلم Tron اولین فیلمی بود که در سال ۱۹۸۲، بیش از دو دقیقه از تصاویر تولید شده توسط رایانه استفاده کرد. پیشرفت‌های فن آوری در دهه 1980 باعث شد تا از شبیه سازی های سه بعدی استفاده گسترده‌تری صورت گیرد و آغازی برای به نمایش درآمدن فیلم و بازی‌های مبتنی بر پردازش تصویر توسط رایانه بوجود آمد. این تکنولوژی در آن سال‌ها، باعث شد رایانه مقرون به صرفهتر و تواناتر از دهه گذشته باشد که باعث پیشرفت کنسول‌های بازی مانند Xbox شد. اولین کنسول‌های بازی ویدیویی که در دهه 1970 و اوایل دهه 1980 منتشر شد، در سال 1983 در معرض سقوط قرار گرفتند، اما در سال 1985 ، نینتندو سیستم سرگرمی نینتندو (NES) را منتشر کرد که به یکی از پرفروش ترین کنسول‌ها در تاریخ بازی‌های ویدیویی تبدیل شد. در دهه 1990 ، با انتشار بازی‌هایی مانند The Sims and Command & Conquer و قدرت رو به افزایش رایانه‌های رومیزی، بازی‌های رایانه‌ای بسیار محبوب شدند. امروزه شبیه سازی رایانه ای مانند World of Warcraft توسط میلیون ها نفر در سراسر جهان بازی می‌شود‌.

در سال 1993 ، فیلم پارک ژوراسیک (Jurassic Park) اولین فیلم محبوب شد که از گرافیک های رایانه‌ای گسترده استفاده کرد و دایناسورهای شبیه سازی شده را تقریباً یکپارچه در صحنه های اکشن زنده ادغام کرد. این رویداد صنعت فیلم را دگرگون کرد. در سال 1995، فیلم داستان اسباب‌بازی (Toy Story) اولین فیلمی بود که فقط از تصاویر ایجاد شده در رایانه استفاده می‌کرد و توسط گرافیک‌های ایجاد شده توسط رایانه، گزینه برتر برای جلوه‌های ویژه در فیلم‌ها بود.

شبیه سازهای دستگاه‌های شهر بازی، مرتبط با شبیه سازهای آموزش نظامی و تجاری هستند، ولی با آن‌ها در یک موضوع تفاوت اصلی و اساسی دارند. . در حالی که شبیه سازهای آموزش نظامی واقعاً نسبت به ورودی کارآموز در زمان واقعی واکنش نشان می‌دهند ، شبیه سازهای دستگاه‌های شهر‌بازی فقط این احساس ار منتقل می کنند که واقع گرایانه حرکت را انجام می‌دهند. یکی از اولین سواری‌های شبیه ساز، Star Tours است که 32 میلیون دلار هزینه داشت. این شبیه‌ساز از کابین مبتنی بر حرکت هیدرولیکی استفاده می‌کرد. این حرکت‌ها توسط یک جوی استیک برنامه ریزی می‌شد. شبیه سازهای امروزی، مانند The Amazing Adventures of Spider-Man شامل عناصری برای افزایش میزان غوطه‌وری هستند که سواران را به یک دنیایی شبیه سازی شده برده و وضعیت‌های مختلفی را برایشان ایجاد می‌کنند.

universals-islands-of-adventure-park
تصویر ۱۵- یک شهر‌بازی و استفاده از سخت‌افزارهای شبیه‌سازی برای تفریح کاربران

خلاصه و جمع‌بندی

در این نوشتار با شبیه سازی ها و اصطلاحات آن آشنا شده و همچنین کاربردهای آن را در علوم و فنون مختلف یادآوری کردیم. مشخص است که طبق گفته دو صد گفته چون نیم کردار نیست، در شبیه سازی ها نمی‌توان همه عوامل را در نظر گرفت. ولی به هر حال استفاده از شبیه‌سازی بخصوص در زمان‌هایی که امکان تجربه و آزمایش کردن بسیار مشکل یا خطرناک باشد راه‌کار بسیار مناسبی خواهد بود.

بر اساس رای ۳۱ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
wikipediaمجله فرادرس
۲ دیدگاه برای «شبیه سازی ها و کاربردهای آن — آشنایی با مفاهیم اولیه»

اگه بیشتر. در مسائل مهندسی مکانیک در مورد شبیه‌سازی چکار برد های آن می‌گفتید بهتر بود

به نام الله بی نظیر.باسلام .متن توضیحات بسیار خوبی داشت. استفاده کردم و بهره بردم . متشکرم.good luck in the shelter of fact and truth.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *