تاریخچه شبیه سازی

تاریخچه
واژه لاتین شبیه سازی یا (simulation) در ابتدا توسط یک کشیش انگیلیسی مطرح شد.

Robert South
که در قرن ۱۶ میلادی و اوایل قرن ۱۷ زندگی می کرد واژه لاتین Simulation را اینگونه تعبیر کرد :
“… به جهت تمایز، همانگونه که بکاربردن کلمات و واژه ها را برای فریفتن اشخاص، دروغ می نامیم، فریفتن به واسطه اعمال، اشارات و رفتار را سیمولیشن می نامیم. “

اگر چه این جمله امروزه مضحک جلوه می کنند ولی به هر جهت زمینه ساز صنعتی بزرگ در دنیا شد و واژه ای گسترده در علوم پدید آورد.
امروزه شبیه سازی مفاهیم گسترده ای پیدا کرده است و دامنه وسیعی دارد. یک وجه جدا نشدنی از شبیه سازی مدل سازی می باشد. مدل کردن پدیده های طبیعی مهمترین جزء یک شبیه سازی می باشد.

اما سوال مهمی که مطرح می شود این است که چرا شبیه سازی؟! بجای پاسخ به این سوال بهتر است چند نمونه از شبیه سازی را مورد بررسی قرار دهیم تا به اصل موضوع پی ببریم.

اولین شبیه سازی های دنیا به معنای واقعی در ابتدای قرن ۲۰ میلادی طراحی شدند. در جنگ جهانی اول سربازان سواره نظام جنگی که از اسب استفاده می کردند، می بایستی در مواقعی که بر اثر انفجار اسب رم می کرد، اسب را کنترل می کردند. از آنجا که نمی توان تعداد زیادی از سربازان را با استفاده از اسب های واقعی آموزش داد و بعلاوه اسب ها لزوما همانند شرایط جنگی رفتار نمی کردند، دانشمندان و مهندسین بر آن شدند تا یک شبیه ساز طراحی کنند تا به کمک آن سربازان را آموزش دهند.

در همان زمان کاربرد مشابهی در علوم هوایی مطرح شد. برای آموزش خلبانان در روی زمین نیاز به یک شبیه ساز احساس شد. بله ابتدای قرن ۲۰ هستیم. نه سیستم کامپیوتری وجود دارد و نه مانیتوری و نه محرک های مکانیکی دقیق و ظریف!

همان گونه که در تصویر زیر دیده می شود. یک مکانیزم چوبی که شبیه یک ارابه است و آزادی عمل لازم برای شبیه سازی یک هواپیمای قدیمی ملخی آن زمان را دارد برای این منظور بکار گرفته شده است. با این مکانیزم خلبانان ماهر شرایط خطر ناک را برای مبتدیان نشان می دادند و نحوه برخورد با آن را تشریح و یا عملا نشان می دادند. در این سیستم خلبان باید زاویه افق را مد نظر قرار دهد و هواپیما را به نحوی کنترل کند که همواره این زاویه در محدوده مطلوب قرار بگیرد.

امروزه شبیه سازها بسته به نوع و کارایی از ویژه گیهای مختلفی برخوردارند.
برخی از دلایل امروزی استفاده از شبیه ساز به شرح ذیل است:

– امنیت – نبود امکان عملیات سعی خطا و بکارگیری یک مدل واقعی به دلیل خطرات بالای آن برای مبتدیان (هدایت هواپیما، عمل جراحی یک بیمار،…)
– سرعت بالای اجرای فرآیند – طراحی کنترل های هوشمند از روی نمونه و مدل شبیه سازی شده به دلیل سرعتی بالاتر از سرعت طبیعی آن (کنترل ربات ۲ پا، کننترل ترافیک، …)
– هزینه پائین شبیه سازها- ممکن است نمونه واقعی به دلیل هزینه بالا در دسترس نباشد ( آزمایش الگوریتم های مسیر یابی، کیفیت سرویس دهی و غیره بر روی یک شبکه بزرگ کامپیوتری و ….)

 

دسته بندی کلی شبیه ساز ها
با توجه به تاریخچه شبیه سازی، در ابتدا همگرایی خاصی برای سیستم های شبیه ساز وجود نداشت، اما در ادامه قرن ۲۰ میلادی و مطالعه در زمینه تئوری سیستم ها و علوم سایبرنتیک رفته رفته تعاریف شبیه سازی همگرا شد و یک مفهوم مشخص از آن برداشت شد.

بدون شک کامپیوتر مهمترین نقش را در توسعه سیستم های شبیه سازی داشته. مهمترین عامل آن توان مدل سازی پدیده های فیزیکی است.
در برخی از انواع شبیه سازی ها که به شبیه سازی فیزیکی موسوم هستند، کاربر با برخی اجزای فیزیکی معادل در ارتباط است، چراکه این اجزای معادل بسیار ارزان تر و سهل الوصول تر از نمونه های واقعی هستند. فرایند و حلقه شبیه سازی بسیاز اهمیت دارد. هم از نظر زمان اجرا و هم از نظر ساختار ارتباطی. در برخی از انواع نیاز به اپراتور وجود دارد و در این چرخه سیستم با اپراتور در ارتباط متقابل است.

 

در نوع دیگری نیاز به دخالت اپراتور در چرخه شبیه سازی نیست و Interaction میان سیستم شبیه ساز با کاربر صورت نمی گیرد.
از این رو سرعت فرآیند بسیار بالا می باشد و معمولا از این سیستم ها برای تکامل کنترلرها، آموزش سیستم های خودکار و ایجاد یک کنترلر هوشمند برای یک سیستم واقعی استفاده می شود.

نمونه آن را می توان در شبیه سازی ربات های فوتبالیست، کنترل شبکه برق سراسری، شبکه های آب، کنترل ترافیک و غیره نام برد.

گاهی اوقات نیز نتیجه یک شبیه سازی تنها خروجی بصری زیبای آن است که امروزه تحت عنوان جلوه های ویژه هنری در سینما بکار برده می شود. این فرآیند نیز شبیه سازی کامپیوتری نامیده می شود و در برخی موارد برای طبیعی جلوه کردن حرکات از ابزاری خاص جهت نمونه برداری از دنیای واقعی استفاده می کنند.

در انتها تصاویری از شبیه سازی مختلف ارائه می شود که خود گویای صدها صفحه توضیح است.

– شبیه ساز ایرباس ۳۲۰ که به منظور آموزش خلبانان با این هواپیما طراحی شده است.

شبیه ساز یک کشتی باری که شرایط مختلف جوی را می توان با آن بر روی کشتی آزمایش کرد و عملکرد کاپیتان یا ناخدای کشتی را سنجید.

نمایی دیگر از نمونه تحت کامپیوتر آن که به Simulator Ship 2008 معروف است.

شبیه سازی برخورد برای بررسی اصطحکام خودرو که معمولا در برنامه NASTRAN انجام می شود. نمونه بالایی همانطور که دیده می شود کامپیوتری است و نمونه بعدی واقعی می باشد. که هزینه و زمان بیشتری را برای شبیه سازی در بر دارد. نتایج بسیار شبیه به هم هستند چراکه پارامترها و مدل رفتاری اجزاء به دقت تعریف و پیاده سازی شده اند.

شبیه ساز ترافیک و مدیریت و کنترل حوادث و بحران های شهری در سطح ماکروسکپیک می باشد. تصویر اول بر اساس ابزار سومو و سرور مسابقات رباتیک در لیگ شبیه سازی امدادگر طراحی شده است و تصویر دوم نمونه اولیه یکی از شبیه سازیهای خودم است که در سطح میکروسکپیک می باشد که بر روی نقشه هایی از گوگل-ارس پیاده سازی شده است.

شبیه ساز الگور که به منظور شبیه سازی در سطح نانو برای تکنولوژیهای MEMS بکار می رود. در این تصویر یک موتور الکتریکی در سطح تکنولوژی MEMS مشاهده می شود که به کمک این شبیه ساز میزان نیروی موتور بر اثر ولتاژ اعمال شده اندازه گیری می شود.
شبیه سازی در عرصه پزشکی
یک بیمار مجهز به سیستم های اندازه گیری مختلف که نسبت به محرکهای بیرونی واکنش نشان می دهد و قادر است همانند یک بیمار رفتار کند. رفتار های آن قابل تعریف است و برای مثال می توان آن را به عنوان یک بیمار قلبی، بیمار دچار به فشار خون و یا یک بیمار در حال زایمان برنامه ریزی کرد!
این شبیه ساز همانند انسان نبض دارد، نبض آن با اعمال آمپول های مجازی مختلف تغییر می کند. دمای بدنش بالا و یا پائین می آید و رفتار طبیعی همانند یک مدل انسانی دارد. چراکه برای آموزش به دانشجویان پزشکی طراحی شده است.