From Wikipedia, the free encyclopedia
Počítačová simulace je simulace, při níž je modelem počítačový program, který se pokouší simulovat abstraktní model určitého systému. Úkolem simulačního programu je zjistit, jak se bude systém chovat pro zadaná vstupní data. Úkolem simulačního programu není provádět optimalizaci, tzn. hledat, pro která vstupní data dostaneme optimální řešení. Uživatel může provádět se simulačním programem opakované simulační experimenty s cílem zjistit očekávané výsledky pro různá vstupní data a nalézt tak optimální řešení problému.[1]
Simulace je v matematice a kybernetice vědecká metoda, při které se zkoumají vlastnosti nějakého systému pomocí experimentů s jeho matematickým modelem. Počítačové simulace se staly užitečnou součástí matematického modelování mnoha přirozených systémů ve fyzice, chemii a biologii, psychologii a získaly nový pohled do fungování těchto systémů.[2]
Počítačová simulace byla vyvinuta ruku v ruce s rychlým růstem počítačů. První velké nasazení bylo v Manhattanském projektu ve druhé světové válce na procesní model jaderného výbuchu. Jednalo se o simulaci 12 těžkých koulí pomocí algoritmu Monte Carlo. Počítačová simulace se často používá jako doplněk nebo náhrada pro modelování systémů. Existuje mnoho různých druhů počítačových simulací. Společným rysem, které všechny sdílejí, je pokus generovat vzorek reprezentativních scénářů pro model ve kterém kompletní výčet všech možných stavů modelu by byl nepřístupný nebo nemožný. Počítačové modely byly původně používány jako doplněk k další argumentaci, ale jejich použití se později stalo poměrně rozšířené.
1.Návrh modelu
2.Provedení simulace
3.Analýza získaných dat[3]
S pojmem simulace se spojují dva základní významy: 1) napodobovat, 2) předstírat. Počítačové simulace představují velkou rozmanitost. Mezi ty nejnápadnější simulované jevy pro mladší generaci patří 3D akční hry, které představují virtuální prostředí založené na vizuální podobnosti s reálným světem kolem nás. V případě počítačových simulací je možné říci, že cokoliv, co můžeme popsat, lze také simulovat pomocí počítače. Popisem se má na mysli proces rozčlenění jevu na základní samostatné prvky, kterým lze přiřadit určité hodnoty a určitý počet pravidel, podle kterých se tyto prvky mezi sebou chovají. Počítačově simulovaná realita je proto založena na popisu skutečného světa a sama o sobě vytváří jednodušší a ve své jednoduchosti také dokonalejší svět. Jevy, které nás obklopují, jsme se rozhodli vysvětlit či popsat určitými zákonitostmi, které se zdají být efektivní. Nesmíme však zapomínat, že z konečné množiny pozorování přírodních úkazů většinou usuzujeme na absolutní, tedy nekonečnou, platnost námi stanovených zákonů. Tyto zákony pak však popisují spíše ideální svět než realitu[4]
Předvídatelnost událostí
Podle času
Forma výstupu
Počtu používaných počítačů
Modelování patří k tradičním postupům v některých technických disciplínách, například v kybernetice nebo v teorii automatického řízení. S rozvojem levných a dostupných počítačů v posledních desetiletích proniklo počítačové modelování do většiny technických věd a stalo se důležitou metodou i v biologii, meteorologii, geologii a dokonce v ekonomii a ve vědách sociálních.
Hlavní praktickou výhodou modelování je možnost pomocí pokusů a omylů vyřešit úlohy, které nemají analytické řešení, nebo ověřit vlastnosti nákladných zařízení před jejich fyzickou realizací (např. složité integrované obvody, letadla nebo atomové bomby). Simulační modely se používají také jako součást trenažérů nebo počítačových her. Biologické modely mohou zabránit některým pokusům na zvířatech.
Pro modelování v různých oborech byla vyvinuta řada specializovaných softwarových balíků, k nejznámějším patří například Matlab Simulink pro modelování dynamických systémů nebo Spice pro elektrické obvody. V minulosti se používaly pro modelování analogové počítače (výpočet obyčejných diferenciálních rovnic s počátečními podmínkami) nebo simulační programovací jazyky, jako např. Simula (systémy s diskrétními událostmi, Discrete event simulation) nebo CSSL (Continuous System Simulation Language, spojité systémy).
Prvním krokem při počítačovém modelování bývá sestavení matematického modelu zkoumaného systému. Model může být získán buďto teoreticky ze základních fyzikálních vlastností systému, nebo empiricky z naměřených hodnot. Určování parametrů teoreticky vytvořeného modelu z empirických hodnot se nazývá identifikace systémů.
Matematický model musí vhodně charakterizovat závislost výstupů systému na jeho vstupech. Modely fyzikálních soustav jsou obvykle sestaveny jako soustavy několika diferenciálních rovnic. V kybernetice nebo elektrotechnice jsou to obvykle obyčejné diferenciální rovnice, jiné obory pracují také s parciálními diferenciálními rovnicemi. Rovnice obvykle upravujeme do některé z kanonických forem. V jiných disciplínách můžeme použít pro popis systému diferenční rovnice, stochastické diferenciální rovnice, přenosové funkce v Laplaceově transformaci nebo zcela jiný matematický aparát.
Model ale málokdy dokáže popsat dění v přírodě dostatečně přesně. Výsledek jsme např. získali s použitím zjednodušujících předpokladů, nebo byl použit nevhodný model. Při modelování je proto zásadní znát omezení použitého modelu a nevyvozovat z modelování nepatřičné závěry.
Rovnice matematického modelu řešíme vhodnou numerickou metodou. Vypočtené výsledky vhodně interpretujeme.
Počítačová simulace výrobního systému je etapa dynamického zkoumání výrobního systému. Jejím principem je experimentování s počítačovým modelem, který je pokud možno přesným obrazem stochasticky se chovajícího výrobního systému. Na simulačním modelu se simulují stavy systému (např. transport součásti, proces obrábění, porucha atd.) v závislosti na čase. Jejich změna přitom nastává diskrétně v časových okamžicích, které jsou reprezentovány diskrétní událostí (např. příchod zakázky, začátek obrábění, začátek seřizování, začátek poruchy apod.). Cílem experimentování je vyhledáni takových hodnot výstupních veličin modelu, které vyhovují předem stanoveným požadavkům (cílům simulační studie). Vstupní hodnoty tohoto řešení jsou potom použitelné i pro reálný systém.[5]
Požadavky na data u simulací a modelů se velmi liší podle konkrétní modelované situace. Pro některé může být vstup jen několik čísel (například simulace průběhu střídavého proudu), zatímco jiné simulace požadují několik terabajtů informací (jedná se např. o počítačové simulace jako je počasí a klimatické modely).
Vstupní proměnné se různě liší:
Dále se data simulace liší podle údajů, které jsou k dispozici v určitém čase:
V počítačových simulací je vidět velká rozmanitost, ale také mnoho společných prvků. Proto existuje velké množství specializovaných simulačních jazyků. Například Simula 67.
Lze využít při ladění programu. Při každé aktivaci procesu (ošetření jedné jeho události) můžeme vypsat do výstupního souboru řádek s informací o událostech, které se simulací souvisí (čas události, identifikace procesu, druh události, důležité údaje o aktuálním stavu modelu).[1]
V nejjednodušším případě to může být čas, kdy simulace skončí (je odvezen všechen písek, ze samoobsluhy odešel poslední zákazník). Dále můžeme mít jiné požadavky, příslušné podklady je pak třeba průběžně evidovat a ukládat v průběhu simulace (kolik písku odvezlo které auto, jaké nejdelší fronty během dne vznikly v samoobsluze a kdy).[1]
Mezi výhody použití simulace se řadí:
Mezi nevýhody použití simulace se řadí:
Oblastí využití je velký počet. Zde je uveden hrubý přehled oblastí, kde velmi často lidé sahají po simulačních modelech, jako nástroj pro podporu rozhodování a vizualizaci, analýzu a predikci chování systému či na řešení konkrétních problémů, uplatnění u výrobních systémů a systémů manipulujících s materiálem.
Typické úlohy pro řešení pomocí počítačové simulace:
Optimalizace obchodních procesů
Plánování a řízení výroby
Zlepšení logistických koncepcí
Projektování výrobních systémů
Analýzy výrobních systémů
Školení pracovníků v oblasti
Aplikace ve veřejném sektoru
Aplikace u obslužných systémů
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
