• 1396/5/13 8/4/2017 11:50:20 AM 8/4/2017 11:50:20 AM
  • 0
  • 68

شبیه سازی کامپیوتری (شبیه سازی رایانه، جزو مفیدی برای بسیاری از سیستم‌های طبیعی در فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی و نیز برای سیستم‌های انسانی در اقتصاد و علوم اجتماعی (جامعه‌شناسی کامپیوتری) و همچنین در مهندسی برای به دست آوردن بینش نسبت به عمل این سیستم‌ها شده است. یک نمونه خوب از سودمندی استفاده از رایانه‌ها در شبیه سازی را می‌توان در حیطه شبیه سازی ترافیک شبکه جستجو کرد. در چنین شبیه سازی‌هایی رفتار مدل هر شبیه سازی را مطابق با مجموعه پارامترهای اولیه منظور شده برای محیط تغییر خواهد داد.شبیه سازی‌های کامپیوتری] اغلب به این منظور به کار گرفته می‌شوند تا انسان از شبیه سازی‌های حلقه‌ای در امان باشد. به طور سنتی، مدل برداری رسمی سیستم‌ها از طریق یک مدل ریاضی بوده است به نحوی که تلاش در جهت یافتن راه حل تحلیلی برای مشکلات بوده است که پیش بینی رفتار سیستم را با استفاده از یک سری پارامترها و شرایط اولیه ممکن ساخته است. شبیه سازی کامپیوتری اغلب به عنوان یک ضمیمه یا جانشین برای سیستم‌های مدل سازی است که در آن‌ها راه حل‌های تحلیلی بسته ساده ممکن نیست. انواع مختلفی از شبیه سازی کامپیوتری وجود دارد که وجه مشترک همه آن‌ها در این است که تلاش می‌کند تا یک نمونه از برنامه‌ای برای یک مدل تولید کنند که در آن امکان محاسبه کامل تمام حالات ممکن مدل مشکل یا غیر ممکن است.)
به طور رو به افزونی معمول شده است که نام انواع مختلفی از شبیه سازی شنیده می‌شود که به عنوان «محیط‌های صناعی» اطلاق می‌شوند. این عنوان اتخاذ شده است تا تعریف شبیه سازی عملاً به تمام دستاوردهای حاصل از رایانه تعمیم داده شود.

مزايا و معايب‌ شبيه‌ سازي‌ ( شبيه‌ سازي‌ كامپيوتري‌)
در سراسر بحث‌ از مزايا شبيه‌ سازي‌ به‌ نوعي‌ ياد شده‌ است‌ . در اينجا بعضي‌ از مزاياي‌ شبيه‌ سازي‌ را فهرست‌وار عنوان‌ مي‌ كنيم‌  :
داشتن‌ قدرت‌ فشردن‌ زمان‌ . بدين‌ ترتيب‌ كه‌ به‌ وسيله‌ شبيه‌ سازي‌  ممكن‌ است‌ چندين‌ سال‌ از فعاليت‌يك‌ سيستم‌  را در چند ثانيه‌  ملاحظه‌  و بررسي‌ نمود . در نتيجه‌، بررسي‌ كننده‌ قادر است‌ چندين‌ طرح‌ از يك‌سيستم‌ را در يك‌ فرصت‌ كوتاه‌ مطالعه‌ نموده‌ و نتاج‌ عملكرد آنها را مقايسه‌ نمايد .
داشتن‌ قدرت‌ گسترش‌ زمان‌. به‌ وسيله‌ جمع‌ آوري‌ آمار و اطلاعات‌  لازم‌ در برنامه‌ شبيه‌ سازي‌ ، بررسي‌كننده‌ قادر است‌ جزئيات‌ تغييراتي‌ كه‌ در زمان‌ واقعي‌  قابل‌ مشاهده‌ نيستند مطالعه‌ كند . بعبارتي‌ ديگر تغييراتي‌كه‌ بعلت‌ بالا بودن‌ سرعت‌ ايجاد آنها در سيستم‌ واقعي‌ قابل‌ مشاهده‌ يا مطالعه‌ نمي‌ باشند ، در اين‌ روش‌ قابل‌كنترل‌ و بررسي‌ هستند. اين‌ عمل‌ با كمك‌ كند نمودن‌ زمان‌ در مدل‌ صورت‌ مي‌ گيرد مانند كند نمودن‌ سرعت‌حركت‌ يك‌ فيلم‌ براي‌ بررسي‌ حركت‌ هايي‌ كه‌ در حال‌ عادي‌ قابل‌ دقت‌ و بررسي‌ نيستند .
در يك‌ بررسي‌ گاه‌ لازم‌ است‌ كه‌ حركت‌ زمان‌ را متوقف‌ كرده‌ و نتايج‌ بدست‌ آمده‌ تا اين‌ لحظه‌ را مطالعه‌نمود و پس‌ از تصميم‌ هاي‌ لازم‌ بررسي‌ را از همان‌ نقطه‌ توقف‌ يا از سر گرفت‌ . لازمه‌ اين‌ نياز، اين‌ است‌ كه‌ تمام‌پديده‌ هاي‌ وابسته‌ به‌ سيستم‌ وضعيت‌ خود را تاشروع‌ مجدد بررسي‌ و آزمايش‌ دقيقاً حفظ‌ كنند . اين‌ امكان‌فقط‌ در شبيه‌ سازي‌ ممكن‌ است‌ .
شبيه‌ سازي‌ اين‌ امكان‌ را به‌ تحليل‌ گر مي‌ دهد كه‌ يك‌ آزمايش‌ يا بررسي‌ را با حفظ‌ كليه‌ شرايط‌ اوليه‌ ورفتار سيستم‌ بوسيله‌ يك‌ برنامه‌ تكرار كند . در هر يك‌ از دفعات‌ تكرار، تنها مقادير بعضي‌ از پارامترها را به‌منظور دريافت‌  اثر آنها بر رفتار سيستم‌ و نتايج‌ حاصل‌ تغيير مي‌ دهد .
شبيه‌ سازي‌ قادر به‌ بررسي‌ تغييرات‌ جديد در سيستم‌  هاي‌ موجود و مطالعه‌ سيستم‌ هايي‌ كه‌ در مرحله‌طرح‌ مي‌ باشند و هنوز هيچ‌ گونه‌ امكانات‌ ، سرمايه‌ و زمان‌ براي‌ پيشرفت‌  يا ايجاد فيزيكي‌ آنها صرف‌ نشده‌است‌ . همچنين‌  بررسي‌ و آزمايش‌ سيستمهاي‌ فرضي‌ كه‌ احياناً ايجاد و مطالعه‌ آنها بوسيله‌ روش‌ هاي‌ ديگرغير ممكن‌ يا خطر ناك‌ مي‌ باشد با اين‌ روش‌ امكان‌ پذير است‌. و اما معايب‌ شبيه‌ سازي‌ را مي‌ توان‌ چنين‌ عنوان‌كرد  :
ايجاد و توسعه‌ يك‌ مدل‌ خوب‌ شبيه‌ سازي‌ اغلب‌ گران‌ و  محتاج‌ زمان‌ است‌ و نياز به‌ اطلاعات‌ زيادي‌دارد كه‌ ممكن‌ است‌ به‌ آساني‌ دردسترس‌ نباشد . شانون‌ به‌ به‌ نقل‌ از فازستو در كتاب‌ خود ذكر مي‌ كند كه‌توسعه‌ يك‌ مدل‌ خوب‌ برنامه‌ ريزي‌ شركتها ممكن‌ است‌  3 تا 10 سال‌ وقت‌ بخواهد .
شبيه‌ سازي‌ مي‌ تواند چنين‌ وانمود كند كه‌ وضعيت‌ جهان‌ واقعي‌ را به‌ دقت‌ نشان‌ مي‌دهد  ، در حالي‌ كه‌واقعاً اين‌ كار را نميكند . چندين‌ مسئله‌ ذاتي‌ در شبيه‌ سازي‌  وجود دارند كه‌ اگر به‌ درستي‌ حل‌ نشوند مي‌ توانندنتايج‌ غلطي‌ را به‌ وجود آورند .
شبيه‌ سازي‌ دقيق‌ نبوده‌ و نمي‌ توان‌ درجه‌ اين‌ بي‌ دقتي‌ را اندازه‌ گرفت‌ . تحليل‌ حساسيت‌ مدل‌ نسبت‌ به‌تغيير مقدار  پارارمترها تنها قسمتي‌  از اين‌ مشكل‌ را حل‌ مي‌ كند .
معمولا نتايج‌ شبيه‌ سازي‌ به‌ صورت‌ عددي‌ بوده‌ و با هر تعداد ارقام‌ اعشاري‌ كه‌ آزمايشگر انتخاب‌ كند ،معين‌ مي‌ شوند در نتيجه‌، خطر بزرگ‌  كردن‌ اعداد، يعني‌ اعتبار دادن‌ بيش‌ از حد به‌ اعداد پيش‌ مي‌ آيد .
درنهايت‌ هر چند شبيه‌ سازي‌  روش‌ بسيار با ارزش‌ و مفيد براي‌ حل‌ مسائل‌ است‌ ، ولي‌ به‌ طور حتم‌ راه‌ حل‌تمام‌ مسائل‌ مديريت‌ نيست‌ . هنوز تا حد زيادي‌ توسعه‌ و استفاده‌ از مدلهاي‌ شبيه‌ سازي‌ به‌ جاي‌ اينكه‌ علم‌باشد هنر است‌ . بنابراين‌  مانند ساير هنرها تا حد زيادي‌ فن‌ ، موفقيت‌  يا شكست‌ را معين‌ نمي‌ كند بلكه‌  عامل‌تعيين‌ كننده‌ ، چگونگي‌  كار برد آن‌ است‌ .

شبيه سازي كامپيوتري ويروس ها
يروس ها ميكروارگانيسم هاي خطرناكي هستند كه در طول تاريخ بشر باعث بيماري هاي مختلف و مرگباري مانند آبله، فلج، تب زرد و... شده اند. اولين تلاش ها براي مقابله با ويروس، به هزار سال پيش برمي گردد؛ در آن زمان پزشكان براي نجات جان كودكان مبتلا به آبله كوشش مي كردند.
امروزه، اگرچه پيشرفت هاي زيادي در زمينه شناخت و درمان بيماري هاي ويروسي صورت گرفته ، ولي همچنان ماهيت ويروس، نحوه عملكرد و درمان بعضي از آنها (مانند ويروس ايدز يا HIV) براي بشر ناشناخته است. چه بسا هنوز هم تعداد زيادي ويروس كشف نشده وجود دارد كه مي تواند در زمان يا مكان خاصي، آثار مخربي بر سلامت انسان بگذارد.
اما سئوال اين است كه آيا با پيشرفت هاي زيادي كه در علوم مختلف پزشكي و كامپيوتر حاصل شده است، مي توان از كامپيوتر براي شناسايي و امحاي ويروس ها استفاده كرد؟
محققان دانشگاه كاليفرنيا و مركز ملي محاسبات آمريكا واقع در دانشگاه ايلينويز، ادعا كرده اند ويروسي كامپيوتري به صورت مدلي از يك ويروس طبيعي ساخته اند. اين ويروس در واقع يك شبيه سازي كامپيوتري از ويروس خاصي به نام ويروس موزائيك توتون است. ويروس موزائيك توتون معمولاً به گياه گوجه فرنگي حمله كرده و فقط زماني مي تواند تكثير يابد كه در سلولي كه قبلاً توسط همين نوع ويروس آلوده شده است، قرار گيرد. اين ويروس نسبت به انواع ديگر ويروس ها داراي ساختاري ساده و مناسب براي شبيه سازي است.
اگرچه عبارت «ويروس كامپيوتري» معمولاً ذهن را متوجه خطر امنيت داده ها و اطلاعات در كامپيوتر مي كند ولي دانشمندان معتقدند اين نوآوري و پيشرفت آنها در ساخت ويروس، قدمي بزرگ در شناخت و درمان ويروس ها و بهتر كردن سطح بهداشت عمومي است.
محققان براي اين شبيه سازي از سريع ترين كامپيوترهاي جهان (در مركز ملي محاسبات آمريكا واقع در دانشگاه ايلينويز) استفاده كرده اند تا بتوانند با اجراي برنامه هاي تعبيه شده و انجام محاسبات فوق العاده زياد و سريع، حركت ديناميكي همه اتم هاي تشكيل دهنده ويروس و ذره بسيار ريز آب درون آن را مشاهده كنند.
پيتر فردولينو دانشجوي دكتراي رشته بيوفيزيك و يكي از محققان در اين زمينه مي گويد: «ويروس كامپيوتري شبيه سازي شده در شرايط مختلف، رفتاري كاملاً مشابه ويروس موزائيك توتون دارد ولي براي مدت زمان بسيار كوتاه. در عين حال مي توان به خوبي خاصيت هاي فيزيكي و اصلي مربوط به اين نوع ويروس خاص را با مدل ساخته شده توضيح داد.»
دانشمندان قبلاً هم شبيه سازي هايي از مولكول هاي مهمي مانند آنزيم ها انجام داده اند (كه به آنها در ساخت داروها كمك بسياري كرده است) ولي ساختار ويروس بسيار پيچيده تر از يك مولكول تنهاست، زيرا ويروس علاوه بر پوشينه پروتئيني، داراي يك هسته مركزي از جنس اسيد نوكلئيك DNA يا RNA نيز است كه عمل همانندسازي ويروس را انجام مي دهد. برخلاف ديگر گونه هاي زنده، ويروس ها در يك لحظه مي توانند زنده و در يك لحظه غيرزنده باشند و فقط زماني مي توانند مانند يك موجود زنده فعاليت كنند و تكثير يابند كه به سلول زنده ديگري (سلول ميزبان) حمله كرده و وارد آن شوند. همين خصوصيات ويروس ها است كه ساختار آنها را پيچيده و عمل شبيه سازي شان را بسيار دشوار مي كند.دانشمندان معتقدند كه ويروس شبيه سازي شده، آنها را در فهم مكانيسم مولكول و نحوه عملكرد ويروس ها ياري خواهد كرد و منتج به فهميدن طبيعت يك ويروس و چگونگي خنثي كردن آن خواهد شد.اميد است اين تلاش دانشمندان، آنها را در راه شناخت و امحاي ويروس هاي جديد ياري دهد و نويدي براي درمان مبتلايان به ويروس ايدز باشد.

شبیه‌سازی کامپیوتری (computer simulation)
پژوهشگران غالباً از شبیه‌سازی کامپیوتری برای مطالعه شیوه‌های حل مسئله در آدمیان استفاده می‌کنند. برای این منظور از افراد می‌خواهند هر آنچه ضمن حل مسئله‌های پیچیده فکر می‌کنند، بازگو کنند (بلنداندیشی کنند). برمبنای این گزارش‌ها برنامهٔ کامپیوتری حل مسئله تهیه می‌شود، و سپس خروجی کامپیوتر با جنبه‌هائی از عملیات حل مسئله افراد (مثلاً توالی حرکات در شطرنج) مقایسه می‌شود تا معلوم شود بین کامپیوتر و آدمی تا چه اندازه همخوانی وجود دارد. در صورت وجود همخوانی، با استفاده از برنامهٔ کامپیوتری، نظریه‌ای دربارهٔ جنبه‌هائی از حل مسئله ارائه می‌شود. شبیه‌سازی کامپیوتری، هم در پرورش روش‌های ضعیف و هم در پرورش روش‌های ویژهٔ خبرگان نقش عمده‌ای داشته است.
چه لزومی دارد برای کسب آگاهی دربارهٔ آدمیان به کامپیوتر متوسل شویم؟ جالبترین پاسخ به این سؤال، ادعائی است که سیمون عنوان کرده است: ”علت اینکه آدمیان می‌توانند بی‌اندیشند این است که می‌توانند با نورون‌های خود همان فرآیندهای ساده‌ای را انجام دهند که کامپیوتر با استفاده از لامپ‌های تصویر (tubes) و ریزمدارها (chips) انجام می‌دهد“ (سیمون، ۱۹۸۵، ص ۳). برخی از این فرآیندهای ساده عبارتند از: خواندن، برون‌دهی (تهیهٔ خروجی)، ذخیره‌سازی، و مقایسهٔ نمادها. اگر نمادها همخوان باشند عمل معینی انجام می‌دهیم، و اگر ناهمخوان باشند دست به‌عمل دیگری می‌زنیم. کامپیوتر که توانائی آن در حد همین فرآیندهای ساده است، اگر بتواند جریان حل مسئله را در آدمیان شبیه‌سازی (تقلید) کند می‌توان گفت شواهدی در تأیید ادعای سیمون به‌دست آمده است.     
ببینیم چگونه می‌توان برنامه‌ای کامپیوتری نوشت که عملکرد آدمیان را در حل معادلات جبری ساده شبیه‌سازی کند. اگر حل معادلهٔ ۳X + ۴ = X + ۱۰ را از شما خواسته باشند شاید به‌شیوهٔ زیر استدلال کنید:          
جواب معادله چیزی است مثل حرف x و بعد علامت = و به‌دنبال آن یک عدد. البته نه هر عددی، بلکه عددی که اگر آن را در معادله قرار دهم درست درمی‌آید. حالا اگر معادله‌ای باشد که در سمت چپ آن عددی قرار گرفته، بهتر است آن عدد را حذف کنم و از شرش راحت شوم. پس اگر داشته باشم.
۳x + ۴ = x + ۱۰

می‌توانم عدد ۴ را از معادله حذف کنم (البته که می‌دانم عدد ۴ را باید از هر دو سوی معادله کمک کنم). در این‌صورت معادلهٔ 3x = x + ۶ را خواهم داشت. اما به سمت x سمت راست معادله هم نیازی نیست. پس ۱x را هم از معادله کسر می‌کنم و در این‌صورت خواهم داشت 2x = ۶. اما به‌جای ۲x فقط یک x در سمت چپ معادله لازم دارم. پس معادله را بر ۲ تقسیم می‌کنم. حالا معادلهٔ x = ۳ را دارم (اقتباس از سیمون، ۱۹۸۵، ص ۶).
استدلال فوق را می‌توان در قالب چهار قاعده بیان کرد:        

  1. اگر عددی در سمت چپ معادله بود آن را از هر دو سمت معادله کم کن.  
  2. اگر x یا مضربی از آن در سمت راست معادله بود آن را از هر دو سمت معادله کم کن.   
  3. اگر در سمت چپ معادله، عددی قبل از x آمده باشد هر دو سمت معادله را به آن عدد تقسیم کن.
  4. اگر به معادله‌ای مانند ”یک عدد = x“ رسیدی، کار تمام است. فقط جواب را وارسی کن.   

این قواعد، ولو آنکه به‌صراحت بیان نشوند، در هرحال اساس توانائی ما در حل معادله‌های جبر محسوب می‌شوند. می‌توان به‌سهولت این قواعد را به‌صورت برنامهٔ کامپیوتری در آورد. هر برنامهٔ کامپیوتری عبارت است از سلسله دستورهای مفصلی که به‌زبان ویژهٔ کامپیوتر نوشته شده و در آن هرگامی که ماشین باید بردارد مشخص شده است. قواعد ما آدمیان چیزی شبیه همین دستورهای کامپیوتری هستند. بنابراین، شبیه‌سازی مستلزم آن است که نخست اطلاعات موردنیاز به‌دقت مشخص گردد، و سپس به زبان کامپیوتر برگردانده شود.          
برخی منتقدان به تشبیه آدمی به کامپیوتر ایراد گرفته‌اند. به‌نظر آنان کامپیوتر فقط از عهدهٔ کارهائی برمی‌آید که برای آنها برنامه‌ریزی شده است. در پاسخ به این ایراد گفته‌اند که آدمیان نیز فقط توانائی کارهائی را دارند که وراثت و تجربه برای آنان برنامه‌ریزی کرده است. این قیاس بین کامپیوتر و آدمی از این نظر مسئلهٔ جالبی است که در اینجا با دو عنصر هستی سروکار پیدا می‌کنیم که در حال حاضر پیچیده‌ترین دستگاه‌های اطلاع‌پردازی (information- processing) محسوب می‌شوند. به‌علاوه، تلاش دانشمندان برای طراحی کامپیوترهائی که کارکردشان بیشتر شبیه آدمیان باشد، احتمالاً رونق بیشتری به اندیشهٔ تشبیه ذهن به کامپیوتر خواهد بخشید.

 

نظرات 0
برای ارسال دیدگاه وارد حساب کاربری خود شوید.

ورود به حساب کاربری ایجاد حساب کاربری
لیلا مردانه
شبیه سازی کامپیوتری
زیگماوب