النمذجة والمحاكاة | الفصل الأول : مقدمة Introduction to Modeling & Simulation

0
الفصل الأول :
مقدمة في النمذجة والمحاكاة :
النظام : النظام هو اي مجموعة من الاجزاء المترابطة معا لهدف محدد ، ويعني ان النظام يحتوي على بعض المدخلات التي تحتاج الى معالجة لانتاج المخرجات المطلوبة كما في الرسم التالي :
مدخلات > النظام > مخرجات 
ايضا يعرّف  بمجموعة من الكينونات مثل : الاشخاص ، الآلات التي تعمل مع بعضها البعض للحصول على نهاية منطقية . والنظام البنكي مثالا على ذلك 
النظام البنكي : النقد ، التحويل ، تصفية الحسابات

امثلة اخرى :
نظام الطوابير، نظام المخزون ، نظام البريد الإلكتروني ، نظام المرور، نظام المتجر

اجزاء النظام : للنظام خمسة اجزاء اساسية :
  1. الكينونة : الكينونة هو كائن ذو مصلحة او اهمية في النظام 
  2. السمة : السمة هي خاصية الكينونة ، فالكينونة تملك مجموعة من السمات 
  3. الفعالية : الفعالية تتمثل في فترة محددة من الوقت
  4. حالة النظام : حالة النظام تعرف بمجموعة من المتغيرات مثل ( الكينونات ، السمات ، والفعاليات ) الضرورية لوصف النظام في اي وقت نسبيا لاهداف الدراسة  
  5. الحدث : الحدث يعرف كحادثة فورية التي من الممكن تغير حالة النظام 
مثال : دعنا نأخذ النظام البنكي في هذا المثال : 
نظام الكينونة هنا هما العميل و امين الصندوق .
سمة العميل هي الميزانية (بمعنى قد تكون اكثر من سمة ، معرف العميل ، الاسم ، رقم الجوال ، العنوان الخ )
الفعالية هي سحب النقود او ايداع النقود .
حالة النظام هي وصول العميل و مغادرة العميل . 
فحالة النظام تتغير بواسطة هذه الاحداث : عدد العملاء في القائمة ( يكون رقم من 0 الى رقم معين) وحالة امين الصندوق ( مشغول ، متاح)
تقدم النظام يدرس بتغير حالة النظام 
مثال 2 : 
اذا كان احد يريد عمل دراسة على بنك لتحديد الرقم لاحتياج امناء الصناديق لتقديم خدمة كافية للعملاء الذين يريدون فقط التحقق من النقد او عمل ادخار للودائع ، فيمكن للنظام  ان يعرّف وضع البنك المؤلف من امناء الصناديق ، والعملاء المنتظرين في الصفوف او الذين تجري خدمتهم .

بيئة النظام : الاجزاء الخارجية التي تتفاعل مع النظام و انتاج التغييرات الازمة واتخاذ القرار في الحدود بين النظام وبيئته ، هذا القرار يمكن اعتماده بهدف الدراسة
مثال : العملاء هم المكون الخارجي الذي يتفاعل مع نظام البنك وينتج عن هذا المكون التغييرات
النظام الداخلي : مصطلح داخلي يستخدم لوصف الانشطة او الفعاليات التي تحدث داخل النظام مثل : سحب النقود داخل البنك.
النظام الخارجي : مصطلح يستخدم لوصف الانشطة او الفعاليات التي تحدث في بيئة النظام وتؤثر عليه مثل : وصول العملاء
النظام المغلق : النظام الذي لا يرتبط باي نشاط خارجي ويسمى بالنظام المغلق.
النظام المفتوح : نظام يرتبط بالانشطة والفعاليات الخارجية مثل النظام البنكي ( يمكن للعميل سحب وتحويل النقود من خارج البنك الخدمات الهاتفية مكائن الصرف الخ ) .

النمذجة والمحاكاة :



النمذجة المحاكاة
ايجاد مجموعة معادلات (نموذج رياضي) تفسر سلوك النظام استخدام النموذج الرياضي لتحديد استجابة النظام في مختلف الأوضاع
المحاكاة عملية تصميم النموذج في النظام الحقيقي و اجراء التجارب على هذا النموذج إما لهدف فهم استجابة النظام أو تقييم الاستراتيجيات المختلفة لتشغيل النظام.
فالمحاكاة تستخدم الكمبيوتر لتقييم النموذج رقميا ، والبيانات تجمع من اجل تقدير الخصائص الصحيحة او الحقيقية للنموذج
النموذج : مجموعة من الافتراضات عن طريقة عمل النظام والذي غالبا ما ياخذ نموذج او شكل رياضي او علاقة منطقية ، لتشكل نموذجاً ، يستخدم لمحاولة كسب المزيد من الفهم لطريقة تصرف النظام المقابل " ويعني ان النموذج يفسر العلاقات الرياضية بين المدخلات والمخرجات " .
أو يفسر نموذج "متماثل او محاكي " للشكل الاصلي او العمل بينهما .

الاسباب لاجراء النماذج : او لماذا نعمل نماذج ؟

    1. لدراسة تصرف النظام اذا كان في حالته الاصلية او كان غير متاح
    2. دراسة النموذج اذا ماكان اسهل ، اسرع ، اكثر امانا مقارنة بالنظام الحقيقي
    3. لمساعدتنا على التصور او تنظيم وتصميم افكارنا
    4. لمساعدتنا على توصيل افكار تصاميمنا الى الاخرين 
    5. يمكننا تجربة الافكار الموسعة على النموذج
    6. لإعطاء التدريب الازم للمتدريب (مثل السفر للفضاء)
مثال : فرضاً بناء يريد عمل عمارة ، بالتالي لا يمكنه عمل العمارة بشكل مباشر ، أولا يقوم بعمل نوذج بحيث يمكن للناس رؤية مخطط التصميم قبل شراء تلك الشقق في تلك العمارة .
مثال نموذج للمجمع المعماري في المثال السابق


مثال نموذج الكرة الارضية
مثال نوذج للنظام الشمسي

طرق دراسة النظام :
في مرحلة ما في دوارت حياة معظم الانظمة ، هناك احتياج لدراسة تلك الدورات لمحاولة الحصول على بعض الافكار حول العلاقة بين المكونات المختلفة أو للتنبؤ بالأداء  تحت بعض الظروف الجديدة اللتي يجري النظر فيها او تتم دراستها . يوضح الشكل التالي طرقًا مختلفة يمكن من خلالها دراسة النظام.

لماذا المحاكاة ضرورية ؟ :

  1. تمكننا من اختبار الفرضيات دون الحاجة الى تنفيذها في الحياة الواقعية وكذلك تحفظ الحياة والمال 
  2. توفر وسيلة فعالة من حيث التكلفة ، لاستكشاف عمليات جديدة ، وفهم العالم من حولنا.
  3. ويمكن استخدامها 24/7. فالمحاكاة غير مقيدة بالطقس ، الوقت ، اليوم ، إلخ.
  4. قد يكون وصف سلوك النظام غير ممكن بواسطة التجربة في الحياة الواقعية لسببين هما : 
  • قد لا يمكننا الوصول للمدخلات والمخرجات .
  • قد تكون التجربة خطيرة جدا ، فنستعيض بالمحكاة بدلا منها .
عندما تكون المحاكاة أداة مناسبة:
  1. المحاكاة تمكننا من دراسة التفاعل الداخلي للنظام الفرعي مع النظام المعقد.
  2. يساعدنا نموذج المحاكاة في اكتساب المعرفة حول تحسين النظام.
  3. العثور على عوامل الإدخال الهامة مع تغيير مدخلات المحاكاة.
  4. يمكن استخدام المحاكاة مع التصميم وايضا مع السياسات الجديدة قبل التنفيذ.
  5. محاكاة كفآت مختلفة للآلة من الممكن أن تساعد في تحديد المتطلبات .
  6. نماذج المحاكاة مصممة للتدريب ، حيث تجعل من التعلم ممكنًا دون اخلال بالتكلفة.
  7. الخطط يمكن تنفيذها  بواسطة المحاكاة الحركية .
  8. النظام العصري تفاعله الداخلي معقد جدا ويمكن معالجته او التعامل معه بواسطة المحاكاة فقط ! مثل: ( المصانع ، المنظمات الخدمية ).
عندما تكون المحاكاة غير مناسبة:
  1. عندما يمكن حل المشكلة عن طريق المنطق السليم.
  2. عندما يمكن حل المشكلة تحليليا.
  3. إذا كان من الأسهل إجراء تجارب مباشرة.
  4. إذا كانت التكلفة تتجاوز المدخرات.
  5. إذا كان المورد أو الوقت غير متاح.
  6. إذا كان سلوك النظام معقد للغاية. (مثل السلوك البشري).
تصنيف نماذج المحاكاة
  1.  ثابت vs ديناميكي : نموذج المحاكاة الثابت هو تمثيل لنظام في وقت معين (مثل: Monte Carlo Models). ، نموذج المحاكاة الديناميكية تمثيل لنظام يمكن تطويره بمرور الوقت (مثل: نظام الحزام الناقل في المصنع).
  2. المنظم vs العشوائي : إذا كان النموذج لا يحتوي على أي مكونات احتمالية (مثل: المكونات العشوائية) ، فيُطلق عليه منظم (على سبيل المثال: نظام معقد من المعادلات التفاضلية يصف تفاعل كيميائي). ، تحتوي نماذج المحاكاة العشوائية على بعض مكونات الإدخال العشوائي وينتج عنها مخرجات عشوائية وتعامل فقط كتقدير للخصائص الحقيقية للنموذج.
  3. مستمر vs منفصل: تستخدم المحاكاة المستمرة لنمذجة الأنظمة التي تختلف باستمرار مع مرور الوقت ؛ كالأنظمة المصممة ديناميكيا ولكنها قد تكون إما منظمة أو عشوائية. ،،و تُستخدم المحاكاة المنفصلة لنمذجة الأنظمة التي يُفترض أن تتغير فقط في مجموعة منفصلة من النقاط الزمنية (واللتي تتوافق مع تغييرات الحالة). كالأنظمة التي تم تصميمها ديناميكيا ،او كعشاوئية تقريبا . 
معظم النماذج التشغيلية اما ديناميكية ، او عشوائية ، او منفصلة -وتسمى نماذج محاكاة الأحداث المنفصلة.

مجالات تطبيق المحاكاة:
  • تصميم وتحليل نظم التصنيع.
  • تقييم أنظمة الأسلحة العسكرية أو متطلباتها اللوجستية.
  • تحديد متطلبات الأجهزة أو بروتوكولات شبكات الاتصال.
  • تصميم وتشغيل أنظمة النقل مثل المطارات والطرق السريعة والموانئ ومترو الإنفاق. تقييم التصميمات لمؤسسات الخدمة مثل مراكز الاتصال ومطاعم الوجبات السريعة والمستشفيات ومكاتب البريد.
  • إعادة هندسة العمليات التجارية.
  • تحديد سياسات الطلب لنظام المخزون.
  • تحليل النظم المالية أو الاقتصادية.

مزايا المحاكاة
  • المحاكاة تسمح  بتقدير أداء النظام الحالي في ظل مجموعة من ظروف التشغيل المتوقعة.
  • يمكن مقارنة تصاميم النظام المقترحة البديلة (أو سياسات التشغيل البديلة لنظام واحد) من خلال المحاكاة لمعرفة أفضل ما يلبي المتطلبات المحددة.
  • في المحاكاة ، يمكننا الحفاظ على تحكم أفضل بكثير في الظروف التجريبية مما سيكون ممكنًا عموما عند تجربة النظام على ارض الواقع.
  • تسمح لنا المحاكاة بدراسة نظام مع إطار زمني طويل --- على سبيل المثال ، نظام اقتصادي --- في وقت مضغوط ، أو بدلاً من ذلك لدراسة الأعمال التفصيلية للنظام في وقت موسع.
مساوئ المحاكاة
  • يقدم كل تشغيل لنموذج المحاكاة العشوائية تقديرات فقط لخصائص النموذج الحقيقية لمجموعة معينة من عوامل الإدخال. في حالة توفر نموذج تحليلي "صالح" أو يمكن تطويره بسهولة ، فسيكون ذلك أفضل بشكل عام على نموذج المحاكاة.
  • غالبًا ما تكون نماذج المحاكاة مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً لتطويرها.
  • إذا لم يمثل النموذج تمثيلا "صحيحًا" لنظام ما قيد الدراسة ، فسينتج عن االمحاكاة  معلومات مفيدة قليلة عن النظام الفعلي.
مصاعب وعقبات استكمال دراسة المحاكاة الناجح 
  • الفشل في الحصول على مجموعة من الأهداف المحددة بشكل جيد في بداية دراسة المحاكاة
  • مستوى غير مناسب من تفاصيل النموذج
  • الفشل في الحصول على أشخاص لديهم معرفة بمنهجية المحاكاة والإحصاءات في فريق النمذجة
  • الفشل في جمع البيانات الجيدة للنظام
  • برنامج المحاكاة غير مناسب
  • استخدام مقاييس اداء خاطئة 
 المحاكاة الموازية ( الموزعة).
تشير المحاكاة المتوازية (الموزعة) إلى التكنولوجيا المعنية بتنفيذ عمليات محاكاة الكمبيوتر على أنظمة الحوسبة التي تحتوي على معالجات متعددة.  
  • أنظمة محكمة و متعددة المعالجات    
  • ترابط محطات العمل عبر شبكة (على سبيل المثال ، الإنترنت) 
  • أجهزة الكمبيوتر المحمولة مع الاتصالات الاسلكية مثل الفقرتين بالاعلى
  •  أجهزة الكمبيوتر الموزعة (معالجات غير مترابطة). مثل محطات العمل الشبكية .  
في السنوات الأخيرة ، تمكنت تقنية الكمبيوتر من ربط أجهزة الكمبيوتر الفردية أو المعالجات معًا ببيئات الحوسبة المتوازية أو الموزعة. على سبيل المثال ، يمكن ربط العديد من الحواسيب الصغيرة غير المكلفة نسبيًا (أو حتى الحواسيب الصغيرة) ببعضها البعض ، أو يمكن لجهاز كمبيوتر أكبر أن يضم عددًا من المعالجات الفردية التي يمكنها العمل بمفردها وكذلك التواصل مع بعضها البعض. في مثل هذه البيئة ، قد يكون من الممكن "توزيع" أجزاء مختلفة من مهمة الحوسبة عبر معالجات فردية تعمل في نفس الوقت ، أو  "متوازي" ، وبالتالي تقليل الوقت الإجمالي لإكمال المهمة. تعتمد القدرة على إنجاز ذلك بشكل طبيعي على طبيعة مهمة الحوسبة ، وكذلك على الأجهزة والبرامج المتاحة.
لماذا يتم التنفيذ بوحدات المعالجة المركزية المتعددة او حتى اكثر من ذلك؟
  • خفض وقت التنفيذ للنموذج .. (ما يصل الى الحد N-fold باستخدام وحدات المعالجة المركزية N)
  • قد لا تملك ذاكرة كافية على جهاز فردي
  •   أداء قابل للتطوير :
-الحفاظ على نفس سرعة التنفيذ للنماذج الكبيرة / البيئات الافتراضية باستخدام المزيد من وحدات المعالجة المركزية
-مهم بشكل خاص في البيئات الافتراضية
  • المستخدمون الموزعون جغرافيا  / أو الموارد (مثل قواعد البيانات والمعدات المتخصصة) 
-الموقع المشترك قد يكون عالي التكلفة ! وقد يكون غير عملي 

  •  دمج عمليات المحاكاة التي تعمل على منصات مختلفة (الشبكة بدلاً من المنفذ "البورت")
  • التسامح مع الخطأ (من الصعب التسامح مع الاخطاء) 
 خطوات في دراسة المحاكاة :  
  1.  صياغة المشكلة والتخطيط للدراسة. : يجب أن تبدأ كل دراسة ببيان واضح للأهداف العامة للدراسة والقضايا المحددة التي يتعين معالجتها ؛ بدون مثل هذا البيان هناك أمل ضئيل للنجاح. يجب تحديد تصاميم النظام البديل المطلوب دراستها (إن أمكن) ، كما يجب تقديم معايير لتقييم فعالية هذه البدائل. يجب التخطيط للدراسة الشاملة من حيث عدد الأشخاص والتكلفة والوقت اللازم لكل جانب من جوانب الدراسة. (- اذكر المشكلة بوضوح. - كيف ينبغي لنا أن نتعامل مع المشكلة.)
  2.  جمع البيانات وتحديد نموذج.
    يجب جمع المعلومات والبيانات على النظام للفائدة (إن وجد) واستخدامها لتحديد إجراءات التشغيل وتوزيعات الاحتمالات للمتغيرات العشوائية المستخدمة في النموذج. (-إنشاء نموذج معقول. -جمع البيانات اللازمة لتشغيل المحاكاة (مثل معدل الوصول ، وعملية الوصول ، وانضباط الخدمة ، ومعدل الخدمة وما إلى ذلك.  )
  3. ان تكون المحاكاة صالحة او فعلية 
    عند بناء النموذج ، من الضروري أن يقوم المصممون بإشراك الأشخاص في الدراسة الذين لديهم دراية وثيقة بعمليات النظام الفعلي. من المستحسن أيضًا أن يتفاعل المصممون مع صانع القرار (أو صانع النماذج) على أساس منتظم. سيؤدي ذلك إلى زيادة الصلاحية الفعلية للنموذج ، كما ستتم زيادة مصداقية النموذج إلى صانع القرار.(-إشراك أشخاص مطلعين على النظام -
    إشراك المستخدم - التحقق من وفرة توزيعات الاحتمالات
  4.  بناء برنامج كمبيوتر والتحقق منه.
    يجب أن يقرر مصمم نماذج المحاكاة ما إذا كان سيتم برمجة النموذج بلغة الأهداف العامة أو بلغة محاكاة مصممة خصيصًا. فمن المحتمل أن تكون لغة الأهداف العامة معروفة ومتاحة بالفعل على كمبيوتر المصمم. وقد يؤدي أيضًا إلى تقليص وقت التنفيذ. ومن ناحية أخرى ، من خلال توفير العديد من الميزات المطلوبة في برمجة النموذج ، فإن لغة المحاكاة قد تقلل من وقت البرمجة المطلوب بشكل كبير. ( -لغة الأهداف العامة مقابل لغة المحاكاة - التحقق من الاكواد البرمجية)
  5.  التشغيل
    يتم إجراء عمليات تشغيل النموذج الذي تم التحقق منه لهدف التحقق من صحته . الأهداف في الخطوة 6. يمكن فيها استخدام عمليات التشغيل لاختبار حساسية إخراج النموذج للتغيرات الصغيرة في عوامل الإدخال.
  6. التحقق التحقق هو عملية التأكد من أن النموذج يتصرف كما هو مطلوب، عادةً عن طريق تصحيح الأخطاء أو من خلال التحريك(انميشن). التحقق ضروري ولكن ليس كافيًا للتحقق من الصحة ، فهذا نموذج يمكن التحقق منه ولكنه غير صالح. التحقق من الصحة يضمن أن لايوجد فرق كبير بين النموذج والنظام الحقيقي وأن النموذج يعكس الواقع. يمكن التحقق من الصحة من خلال التحليل الإحصائي. بالإضافة إلى ذلك ، على سبيل المثال يمكن الحصول على صحة الوجوه  من خلال مراجعة النموذج ودعمه بواسطة خبير.(اختبار حساسية الإخراج للتغيرات في عوامل الإدخال. -
    مقارنة الإخراج مع النظام الحالي.)
  7.  تجارب التصميم.: يجب أن يقرر ما هي تصاميم النظام التي يجب محاكاتها ، كما هو الحال أحيانًا في الممارسة ، هناك بدائل أكثر مما يمكن للمرء أن يحاكيها بشكل معقول.
    في كثير من الأحيان لا يمكن اتخاذ القرار الكامل في الوقت الحالي. بدلاً من ذلك ، باستخدام بيانات الإخراج من عمليات الإنتاج لبعض تصميمات النظام المحددة ، يمكن للمحلل تحديد الأنظمة الإضافية التي يجب محاكاتها. ولكي يتم محاكاة كل تصميم للنظام ، يجب اتخاذ القرارات بشأن المسائل مثل الشروط الأولية لتشغيل (عمليات) المحاكاة ، وطول فترة التسخين (إن وجدت) ، وطول تشغيل (عمليات) المحاكاة ، و عدد عمليات المحاكاة المستقلة (النسخ المتماثلة) التي يمكن إجراؤها لكل بديل.
    عند تصميم وتشغيل الإنتاج ، من الممكن أحيانًا استخدام بعض تقنيات تقليل التباين لإعطاء نتائج بدقة إحصائية أكبر.(-
    الظروف الأولية -فترات الاحماء -طول التشغيل -عدد النسخ المتماثلة.)
  8. جعل الإنتاج يعمل يتم إجراء عمليات الإنتاج لتوفير بيانات الأداء عن تصميمات النظام المهمة. يتم استخدام عمليات الإنتاج ، والتحليل اللاحق لها ، لتقدير مقاييس الأداء لتصاميم النظام التي يتم فيها محاكاة تحليل تجارب المحاكاة.
  9. تحليل بيانات الإخراج. تتضمن التجربة تطوير النموذج البديل ، وتنفيذ عمليات المحاكاة ، ومقارنة إحصائية أداء النظام بأداء النظام الحقيقي. 
  10. المستند الحالي ، وتنفيذ النتائج.
خطوات دراسة المحاكاة
 

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق

شركنا الاراء ،،

جميع الحقوق محفوظه © مدونة فـاب

تصميم الورشه