Ce este un experiment pe calculator. Experiment pe calculator și simulare pe calculator. Experiment de fizică pe computer
În definiția prezentată mai sus, termenul „experiment” are o dublă semnificație. Pe de o parte, într-un experiment pe calculator, cât și într-unul real, sunt studiate răspunsurile sistemului la anumite modificări ale parametrilor sau la influențe externe. Temperatura, densitatea, compoziția sunt adesea folosite ca parametri. Iar efectele sunt realizate cel mai adesea prin mecanice, electrice sau campuri magnetice. Singura diferență este că experimentatorul are de-a face cu un sistem real, în timp ce într-un experiment pe computer este luat în considerare comportamentul unui model matematic al unui obiect real. Pe de altă parte, capacitatea de a obține rezultate riguroase pentru modele bine definite face posibilă utilizarea unui experiment pe calculator ca sursă independentă de informații pentru a testa predicțiile teoriilor analitice și, prin urmare, în această calitate, rezultatele simulării joacă rolul rolul aceluiași standard ca și datele experimentale.
Din tot ceea ce s-a spus, se poate observa că există posibilitatea a două abordări foarte diferite pentru realizarea unui experiment pe calculator, ceea ce se datorează naturii problemei care se rezolvă și determină astfel alegerea unei descrieri de model.
În primul rând, calculele prin metodele MD sau MC pot urmări obiective pur utilitare legate de predicția proprietăților unui anumit sistem real și compararea acestora cu un experiment fizic. În acest caz, este posibil să faceți predicții interesante și să efectuați cercetări în condiții extreme, de exemplu, la presiuni sau temperaturi ultraînalte, când un experiment real este imposibil din diverse motive sau necesită costuri prea mari ale materialelor. Simularea pe computer este, în general, singura modalitate de a obține cele mai detaliate informații ("microscopice") despre comportamentul unui sistem molecular complex. Acest lucru a fost demonstrat mai ales clar de experimentele numerice de tip dinamic cu diverse biosisteme: proteine globulare în stare nativă, fragmente de ADN și ARN. , membrane lipidice. Într-o serie de cazuri, datele obținute au făcut necesară revizuirea sau modificarea semnificativă a ideilor existente anterior despre structura și funcționarea acestor obiecte. Trebuie avut în vedere însă că, din moment ce în astfel de calcule alt fel potențiale de valență și non-valență, care doar aproximează adevăratele interacțiuni ale atomilor, atunci această împrejurare determină în cele din urmă gradul de corespondență dintre model și realitate. Inițial se rezolvă problema inversă, când potențialele sunt calibrate în funcție de datele experimentale disponibile, iar abia apoi aceste potențiale sunt folosite pentru a obține informații mai detaliate despre sistem. Uneori, parametrii interacțiunilor interatomice pot fi găsiți în principiu din calcule chimice cuantice efectuate pentru compuși model mai simpli. Atunci când se modelează prin metode MD sau MC, o moleculă este tratată nu ca un set de electroni și nuclee, respectând legile mecanicii cuantice, ci ca un sistem de particule clasice legate - atomi. Un astfel de model se numește modelul mecanic al unei molecule .
Scopul unei alte abordări pentru realizarea unui experiment pe calculator poate fi înțelegerea tiparelor generale (universale sau invariante de model) de comportament ale sistemului studiat, adică modele care sunt determinate doar de caracteristicile cele mai tipice ale unei clase date. de obiecte, dar nu de detaliile structurii chimice a unui singur compus. Adică, în acest caz, experimentul pe calculator are ca scop stabilirea relațiilor funcționale, și nu calculul parametrilor numerici. Această ideologie este prezentă cel mai clar în teoria de scalare a polimerilor. Din punctul de vedere al acestei abordări, modelarea computerizată acționează ca un instrument teoretic, care, în primul rând, vă permite să verificați concluziile metodelor analitice existente ale teoriei sau să completați predicțiile acestora. Această interacțiune între teoria analitică și experimentul pe computer poate fi foarte fructuoasă atunci când ambele abordări reușesc să folosească modele identice. Cel mai frapant exemplu de astfel de modele generalizate de molecule de polimer este așa-numitul model de zăbrele . Pe baza acesteia s-au realizat multe construcții teoretice, în special legate de soluționarea clasicului și, într-un anumit sens, principala problemă a fizicochimiei polimerilor asupra efectului interacțiunilor în vrac asupra conformației și, în consecință, asupra proprietățile unui lanț polimeric flexibil. Interacțiunile în vrac sunt de obicei înțelese ca forțe de respingere cu rază scurtă de acțiune care apar între legăturile aflate la distanță de-a lungul lanțului atunci când se apropie una de cealaltă în spațiu, datorită îndoirii aleatorii a macromoleculei. În modelul rețelei, un lanț real este considerat ca o traiectorie ruptă care trece prin nodurile unei rețele obișnuite de un tip dat: cubic, tetraedric etc. Nodurile rețelei ocupate corespund unităților polimerice (monomeri), iar segmentele care leagă lor - legături chimiceîn coloana vertebrală a macromoleculei. Interzicerea auto-intersecțiilor traiectoriei (sau, cu alte cuvinte, imposibilitatea introducerii simultane a doi sau mai mulți monomeri într-un loc de rețea) modelează interacțiunile volumetrice (Fig. 1). Adică, dacă, de exemplu, dacă se folosește metoda MC și când o legătură selectată aleatoriu este deplasată, aceasta cade într-un nod deja ocupat, atunci o astfel de nouă conformație este eliminată și nu mai este luată în considerare în calculul parametrii sistemului de interes. Diferitele aranjamente ale lanțului pe rețea corespund conformațiilor lanțului polimeric. Potrivit acestora, caracteristicile necesare sunt mediate, de exemplu, distanța dintre capetele lanțului R.
Studiul unui astfel de model face posibilă înțelegerea modului în care interacțiunile de volum afectează dependența valorii rădăcină-pătrată medie
Există diverse modificări ale modelelor de zăbrele, de exemplu, cele în care lungimile legăturilor dintre verigi nu au valori fixe, dar se pot schimba într-un anumit interval, ceea ce garantează doar interzicerea auto-încrucișării lanțului, așa se face pe scară largă. este aranjat modelul folosit cu „legături fluctuante”. Cu toate acestea, toate modelele de zăbrele au în comun faptul că sunt discret, adică numărul de conformații posibile ale unui astfel de sistem este întotdeauna finit (deși poate fi o valoare astronomică chiar și cu un număr relativ mic de verigi în lanț). Toate modelele discrete au o eficiență de calcul foarte mare, dar, de regulă, pot fi investigate doar prin metoda Monte Carlo.
Pentru unele cazuri, utilizați continuu modele generalizate de polimeri care sunt capabili să schimbe conformația într-o manieră continuă. Cel mai simplu exemplu este un lanț format dintr-un număr dat N bile solide legate în serie prin legături rigide sau elastice. Astfel de sisteme pot fi studiate atât prin metoda Monte Carlo, cât și prin metoda dinamicii moleculare.
Acasă > PrelegereLECTURA
Subiect: Experiment pe calculator. Analiza rezultatelor simulării
Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, introduceți noi solutii tehniceîn producție sau pentru a testa idei noi, aveți nevoie de un experiment. Un experiment este un experiment care este efectuat cu un obiect sau model. Constă în efectuarea unor acțiuni și determinarea modului în care eșantionul experimental reacționează la aceste acțiuni. La școală, faci experimente la lecțiile de biologie, chimie, fizică, geografie. Experimentele sunt efectuate atunci când se testează mostre de produse noi la întreprinderi. De obicei, în acest scop este utilizată o configurație special concepută, care face posibilă efectuarea unui experiment în condiții de laborator sau produsul real în sine este supus la tot felul de teste (un experiment la scară completă). Pentru a studia, de exemplu, proprietățile de funcționare ale unei unități sau ansambluri, acesta este plasat într-un termostat, înghețat în camere speciale, testat pe suporturi de vibrații, scăpat etc. E bine dacă este un ceas nou sau un aspirator - nu este o mare pierdere la distrugere. Și dacă un avion sau o rachetă? Experimentele de laborator și la scară reală necesită costuri mari de materiale și timp, dar valoarea lor, cu toate acestea, este foarte mare. Odată cu dezvoltarea tehnologiei informatice, a apărut o nouă metodă unică de cercetare - experiment pe calculator.În multe cazuri, studiile pe modele computerizate au venit să ajute, și uneori chiar să înlocuiască, probele experimentale și bancurile de testare. Etapa de realizare a unui experiment pe calculator include două etape: elaborarea unui plan de experiment și realizarea unui studiu. Planul de experiment Planul de experiment ar trebui să reflecte în mod clar succesiunea de lucru cu modelul. Primul punct al unui astfel de plan este întotdeauna testarea modelului. Testare - procesverificăricorectitudineconstruitmodele. Test - trusainiţialădate, permițânddefiniGrozav-ticăloşieclădiremodele. Pentru a fi siguri de corectitudinea rezultatelor simulării obținute, este necesar:
- verificați algoritmul dezvoltat pentru construirea modelului; asigurați-vă că modelul construit reflectă corect proprietățile originalului, care au fost luate în considerare în simulare.
TESTARE DE MODEL
PLAN DE EXPERIMENTE
EFECTUAREA DE CERCETĂRI
ANALIZA REZULTATELOR
Orez. 11.7. Schema unui experiment pe calculator
Analiza rezultatelor simulării
Scopul final al modelării este luarea unei decizii, care ar trebui dezvoltată pe baza unei analize cuprinzătoare a rezultatelor modelării. Această etapă este decisivă - fie continui studiul, fie termini. Figura 11.2 arată că etapa de analiză a rezultatelor nu poate exista în mod autonom. Concluziile obținute contribuie adesea la o serie suplimentară de experimente și, uneori, la o schimbare a sarcinii. Baza pentru dezvoltarea unei soluții sunt rezultatele testelor și experimentelor. Dacă rezultatele nu corespund obiectivelor sarcinii, înseamnă că au fost făcute greșeli în etapele anterioare. Aceasta poate fi fie o declarație incorectă a problemei, fie o construcție prea simplificată a unui model de informații, fie o alegere nereușită a unei metode sau a unui mediu de modelare, fie o încălcare a metodelor tehnologice la construirea unui model. Dacă se găsesc astfel de erori, atunci ajustarea modelului, adică o revenire la una din etapele anterioare. Procesul se repetă până când rezultatele experimentului îndeplinesc obiectivele simulării. Principalul lucru de reținut este că eroarea detectată este și rezultatul. După cum spune proverbul, înveți din greșelile tale. Marele poet rus A.S. Pușkin a mai scris despre asta: O, câte descoperiri minunate ne sunt pregătite de spiritul iluminării Și experiența, fiul greșelilor grele, Și geniul, prieten al paradoxurilor, Și șansa, Dumnezeule inventatorul. ..
Controlîntrebărișisarcini
- Care sunt cele două tipuri principale de modelare a declarațiilor problemei.
- În binecunoscuta „Cartea problemelor” de G. Oster, există următoarea problemă:
- Enumerați cele mai cunoscute obiective ale modelării. Formalizați problema jucăușă din „Cartea problemelor” a lui G. Oster:
Conceptul de informare
DocumentLumea din jurul nostru este foarte diversă și constă dintr-un număr mare de obiecte interconectate. Pentru a-ți găsi locul în viață, tu copilărie timpurieÎmpreună cu părinții tăi, iar apoi cu profesorii tăi, vei învăța toată această diversitate pas cu pas.
Redactor-șef V. Zemskikh Redactor N. Fedorova Redactor de artă R. Yatsko Layout T. Petrova Corectori M. Odinokova, M. Schukina bbk 65. 290-214
CarteШ39 Cultură organizațională și leadership / Per. din engleza. ed. V. A. Spivak. - Sankt Petersburg: Peter, 2002. - 336 p: ill. - (Seria „Teoria și practica managementului”).
Complex educațional și metodologic la disciplina: specialitatea „Marketing”: 080116 „Metode matematice în economie”
Complex de instruire și metodologieDomeniul de activitate profesională: analiza și modelarea proceselor și obiectelor economice la nivel micro, macro și global; monitorizarea modelelor economice și matematice; prognoza, programarea si optimizarea sistemelor economice.
Calculatorul modern are multe utilizări. Printre acestea, după cum știți, capacitățile computerului ca mijloc de automatizare a proceselor informaționale sunt de o importanță deosebită. Dar nu mai puțin semnificative sunt posibilitățile sale ca instrument efectuarea de lucrări experimentale și analizarea rezultatelor acesteia.
Experiment de calcul este cunoscut de mult în știință. Amintiți-vă de descoperirea planetei Neptun „la vârful stiloului”. Adesea, rezultatele cercetării științifice sunt considerate de încredere numai dacă pot fi prezentate sub formă de modele matematice și confirmate prin calcule matematice. Mai mult, acest lucru se aplică nu numai fizicii.
sau design tehnic, dar și sociologie, lingvistică, marketing - tradițional umaniste, departe de matematică.
Un experiment de calcul este o metodă teoretică de cunoaștere. Dezvoltarea acestei metode este simulare numerica- o metodă științifică relativ nouă care s-a răspândit datorită apariției computerelor.
Simularea numerică este utilizată pe scară largă atât în practică, cât și în cercetarea științifică.
Exemplu. Fără construirea de modele matematice și efectuarea diferitelor calcule asupra datelor în continuă schimbare provenite de la instrumentele de măsurare, operarea liniilor automate de producție, a autopiloților, a stațiilor de urmărire și a sistemelor automate de diagnosticare este imposibilă. Mai mult, pentru a asigura fiabilitatea sistemelor, calculele trebuie efectuate în timp real, iar erorile acestora pot fi milioanemi de procent.
Exemplu. Un astronom modern poate fi văzut adesea nu la ocularul unui telescop, ci în fața unui ecran de computer. Și nu numai teoretician, ci și observator. Astronomia este o știință neobișnuită. Ea, de regulă, nu poate experimenta direct cu obiectele de cercetare. Tipuri diferite radiații (fluxuri electromagnetice, gravitaționale, de neutrini sau de raze cosmice) astronomii doar „peep” și „ascultă”. Aceasta înseamnă că trebuie să învățați cum să extrageți maximum de informații din observații și să le reproduceți în calcule pentru a testa ipotezele care descriu aceste observații. Aplicațiile computerelor în astronomie, ca și în alte științe, sunt extrem de diverse. Aceasta este atât automatizarea observațiilor, cât și procesarea rezultatelor acestora (astronomii văd imaginile nu în ocular, ci pe un monitor conectat la dispozitive speciale). De asemenea, computerele sunt necesare pentru a lucra cu cataloage mari (stele, analize spectrale, compuși chimici etc.).
Exemplu. Toată lumea cunoaște expresia „o furtună într-o ceașcă de ceai”. Pentru a studia în detaliu un proces hidrodinamic atât de complex precum furtuna, este necesar să se implice metode complexe de simulare numerică. Prin urmare, computerele puternice sunt situate în mari centre hidrometeorologice: „se desfășoară o furtună” în cristalul procesorului computerului.
Chiar dacă nu faceți calcule foarte complexe, dar trebuie să le repetați de un milion de ori, atunci este mai bine să scrieți un program o dată, iar computerul îl va repeta de câte ori este necesar (limitarea, desigur, va fi viteza computerului).
Simularea numerică poate fi o metodă de cercetare independentă atunci când doar valorile unor indicatori sunt de interes (de exemplu, costul de producție sau spectrul integral al galaxiei), dar cel mai adesea acționează ca unul dintre mijloacele de construire a computerului. modele în sensul mai larg al termenului.
Din punct de vedere istoric, prima lucrare de modelare pe calculator a fost asociată cu fizica, unde o întreagă clasă de probleme de hidraulică, filtrare, transfer de căldură și transfer de căldură, mecanică solidă etc. a fost rezolvată folosind simularea numerică.Modelarea a fost în principal o soluție a unor probleme neliniare complexe. a fizicii matematice și în esență a fost, desigur, modelarea matematică. Succesul modelării matematice în fizică a contribuit la răspândirea acesteia la problemele de chimie, energie electrică, biologie, iar schemele de modelare nu diferă prea mult unele de altele. Complexitatea problemelor rezolvate pe baza modelării a fost limitată doar de puterea calculatoarelor disponibile. Acest tip de modelare este larg răspândit în prezent. Mai mult, pe parcursul dezvoltării simulării numerice s-au acumulat biblioteci întregi de subrutine și funcții care facilitează aplicarea și extind posibilitățile de simulare. Și totuși, în prezent, conceptul de „modelare pe computer” este de obicei asociat nu cu disciplinele fundamentale ale științelor naturii, ci în primul rând cu o analiză de sistem a sistemelor complexe din punctul de vedere al ciberneticii (adică din punctul de vedere al managementului, al autogestionării). , autoorganizare). Și acum modelarea pe computer este utilizată pe scară largă în biologie, macroeconomie, în crearea sistemelor de control automate etc.
Exemplu. Amintiți-vă experimentul lui Piaget descris în paragraful anterior. Desigur, ar putea fi realizat nu cu obiecte reale, ci cu o imagine animată pe ecranul de afișare. Dar, până la urmă, mișcarea jucăriilor ar putea fi filmată pe film obișnuit și afișată la televizor. Este potrivit să numim utilizarea unui computer în acest caz o simulare computerizată?
Exemplu. Modelul de zbor al unui corp aruncat vertical în sus sau într-un unghi față de orizont este, de exemplu, un grafic al înălțimii corpului în funcție de timp. Îl poți construi
a) pe o bucată de hârtie punct cu punct;
b) într-un editor grafic pentru aceleași puncte;
c) utilizarea unui program de grafică pentru afaceri, de exemplu, în
foi de calcul;
d) scrierea unui program care nu numai că afișează
calea de zbor rană, dar vă permite, de asemenea, să setați diferite
date inițiale (unghiul de înclinare, viteza inițială
creştere).
De ce nu doriți să apelați opțiunea b) un model de computer, dar opțiunile c) și d) corespund pe deplin acestui nume?
Sub model de calculatorînțelegeți adesea un program (sau un program plus un dispozitiv special) care oferă o imitație a caracteristicilor și comportamentului unui anumit obiect. Rezultatul executării acestui program se mai numește și model de computer.
În literatura de specialitate, termenul „model de computer” este definit mai strict după cum urmează:
O imagine condiționată a unui obiect sau a unui sistem de obiecte (procese, fenomene), descrisă folosind tabele computerizate interconectate, organigrame, diagrame, grafice, desene, fragmente de animație, hipertexte și așa mai departe și afișând structura (elementele și relațiile dintre ele). ) a obiectului. Modelele computerizate de acest fel se numesc structurale si functionale;
Un program separat sau un set de programe care, folosind o succesiune de calcule și o afișare grafică a rezultatelor acestora, reproduce (simulează) procesele de funcționare a unui obiect sub influența diferiților factori, de obicei aleatorii, asupra acestuia. Se numesc astfel de modele imitaţie.
Modelele computerizate pot fi simple sau complexe. Ai creat modele simple de multe ori când ai învățat programarea sau ai construit baza de date. În sistemele de grafică 3D se construiesc și se folosesc sisteme expert, sisteme de control automatizate, modele computerizate foarte complexe.
Exemplu. Ideea de a construi un model de activitate umană cu ajutorul unui calculator nu este nouă și este greu de găsit un domeniu de activitate în care să nu se încerce să fie implementat. Sistemele experte sunt programe de calculator care simulează acțiunile unui expert uman în rezolvarea problemelor din orice domeniu pe baza cunoștințelor acumulate care alcătuiesc baza de cunoștințe. ES rezolvă problema modelării activitate mentala. Datorită complexității modelelor, dezvoltarea ES, de regulă, durează câțiva ani.
Sistemele expert moderne, pe lângă baza de cunoștințe, au și o bază de precedente - de exemplu, rezultatele sondajului oameni adevărațiși informații despre succesul/eșecul ulterior al activităților lor. De exemplu, baza de cazuri a sistemului expert NYPD este 786 000 oameni, Centrul „Hobby” (politica de personal la întreprindere) - 512 000 oameni, iar conform specialiștilor acestui centru, ES dezvoltat de aceștia a funcționat cu precizia așteptată doar atunci când baza a depășit 200 000 omule, a fost nevoie de 6 ani să-l creez.
Exemplu. Progresul în crearea graficii pe computer s-a mutat de la imagini wireframe ale modelelor tridimensionale cu o imagine simplă în semiton la imagini moderne realiste care sunt exemple de artă. Acesta a fost rezultatul succesului în definirea mai precisă a mediului de modelare. Transparența, reflexia, umbrele, modelele de iluminare și proprietățile suprafeței sunt câteva dintre domeniile în care echipele de cercetare lucrează din greu, venind constant cu noi algoritmi pentru a crea imagini artificiale din ce în ce mai realiste. Astăzi, aceste metode sunt folosite și pentru a crea animații de înaltă calitate.
nevoi practice în modelarea pe computer reprezintă provocări pentru dezvoltatorii de hardware fonduri calculator. Adică, metoda influențează în mod activ nu numai apariția de noi și programe noi dar și pe dezvoltare mijloace tehnice.
Exemplu. Pentru prima dată, holografia computerizată a fost discutată în anii '80. Așadar, în sistemele de proiectare asistată de computer, în sistemele de informații geografice, ar fi frumos să poți nu numai să vezi obiectul de interes într-o formă tridimensională, ci să-l prezinți sub forma unei holograme care poate fi rotită. , înclinat, uită-te înăuntru. Pentru a crea o imagine holografică utilă în aplicatii reale, Necesar
holografică
Poze 
display-uri cu un număr gigantic de pixeli - până la un miliard. Acum o astfel de muncă este desfășurată în mod activ. Concomitent cu dezvoltarea afișajului holografic, se lucrează în plină desfășurare la crearea unei stații de lucru tridimensionale bazată pe un principiu numit „substituție a realității”. În spatele acestui termen se află ideea aplicării pe scară largă a tuturor acelor metode naturale și intuitive pe care o persoană le folosește atunci când interacționează cu modele naturale (material-energie), dar, în același timp, se pune accent pe îmbunătățirea și dezvoltarea lor cuprinzătoare folosind capabilități unice ale sistemelor digitale. Se presupune, de exemplu, că va fi posibilă manipularea și interacțiunea cu hologramele computerului în timp real folosind gesturi și atingeri.
Modelare pe calculator are următoarele avantaje:
Oferă vizibilitate;
Disponibil pentru utilizare.
Principalul avantaj al simulării pe computer este că permite nu numai observarea, ci și prezicerea rezultatului unui experiment în anumite condiții speciale. Datorită acestei posibilități, această metodă și-a găsit aplicație în biologie, chimie, sociologie, ecologie, fizică, economie și multe alte domenii ale cunoașterii.
Modelarea computerizată este utilizată pe scară largă în predare. Cu ajutorul unor programe speciale, puteți vedea modele ale unor fenomene precum fenomenele microcosmosului și a lumii cu dimensiuni astronomice, fenomenele nucleare și fizică cuantică, dezvoltarea plantelor și transformarea substanțelor în reacții chimice.
Pregatirea specialistilor in multe profesii, in special precum controlorii de trafic aerian, pilotii, directorii de centrale nucleare si electrice, se realizeaza cu ajutorul unor simulatoare controlate de un calculator care simuleaza situatii reale, inclusiv cele de urgenta.
Lucrările de laborator pot fi efectuate pe un computer dacă nu există dispozitive și instrumente reale necesare sau dacă rezolvarea unei probleme necesită utilizarea unor metode matematice complexe și calcule intensive în muncă.
Modelarea pe computer face posibilă „reînvierea” legilor fizice, chimice, biologice, sociale studiate, pentru a pune o serie de experimente cu modelul. Dar nu uitați că toate aceste experimente sunt de natură foarte condiționată și valoarea lor cognitivă este, de asemenea, foarte condiționată.
Exemplu. Înainte de utilizarea practică a reacției de fisiune nucleară, fizicienii nucleari pur și simplu nu știau despre pericolele radiațiilor, dar prima aplicare în masă a „realizărilor” (Hiroshima și Nagasaki) a arătat clar cât de multă radiație
este periculos pentru oameni. Începeți fizica cu electronucleul
stații, omenirea nu ar fi aflat mult timp despre pericolele radiațiilor. Realizarea chimiștilor de la începutul secolului trecut - cel mai puternic pesticid DDT - a fost considerat absolut sigur pentru oameni pentru o lungă perioadă de timp -
În contextul utilizării tehnologiilor moderne puternice, al replicării pe scară largă și al utilizării necugetate a produselor software eronate, atât de foarte specializate, s-ar părea, întrebări, cum ar fi adecvarea unui model computerizat al realității, pot dobândi o semnificație universală semnificativă.
Experimente pe calculator- este un instrument pentru studierea tiparelor, nu a fenomenelor naturale sau sociale.
Prin urmare, un experiment la scară completă ar trebui să fie întotdeauna efectuat simultan cu un experiment pe calculator, astfel încât cercetătorul, comparând rezultatele lor, să poată evalua calitatea modelului corespunzător, profunzimea înțelegerii noastre a esenței fenomenelor.
naştere. Nu uitați că fizica, biologia, astronomia, informatica sunt științe despre lumea reală, și nu despre realitatea virtuală.
LA cercetare științifică, atât fundamental cât și practic dirijat (aplicat), computerul acționează adesea ca instrument esențial munca experimentala.
Un experiment pe calculator este cel mai adesea asociat cu:
Cu calcule matematice complexe (număr
modelare leneșă);
Cu construirea și studiul vizual și/sau dinamic
modele de microfon (modelare pe calculator).
Sub model de calculatorînseamnă un program (sau un program în combinație cu un dispozitiv special) care oferă o imitație a caracteristicilor și comportamentului unui anumit obiect, precum și rezultatul executării acestui program sub formă de imagini grafice (staționare sau dinamice), numerice. valori, tabele etc.
Există modele pe computer structural-funcțional și de simulare.
Structural-funcțional un model computerizat este o imagine condiționată a unui obiect sau a unui sistem de obiecte (procese, fenomene), descrisă folosind tabele computerizate interconectate, organigrame, diagrame, grafice, desene, fragmente de animație, hipertexte și așa mai departe și afișând structura unui obiectul sau comportamentul acestuia.
Un model computerizat de simulare este un program sau pachet software separat care permite, folosind o secvență de calcule și o afișare grafică a rezultatelor acestora, să reproducă (simuleze) procesele funcționării unui obiect sub influența diverșilor factori aleatori.
Modelarea computerizată este o metodă de rezolvare a problemei analizei sau sintetizării unui sistem (cel mai adesea un sistem complex) pe baza utilizării modelului său computerizat.
Avantajele simulării pe calculator sunt asta:
Permite nu numai observarea, ci și prezicerea rezultatului experimentului în anumite condiții speciale;
Vă permite să modelați și să studiați fenomenele prezise de orice teorie;
Este prietenos cu mediul și nu reprezintă un pericol pentru natură și oameni;
Oferă vizibilitate;
Disponibil pentru utilizare.
Metoda de modelare pe calculator și-a găsit aplicație în biologie, chimie, sociologie, ecologie, fizică, economie, lingvistică, jurisprudență și multe alte domenii de cunoaștere.
Modelarea computerizată este utilizată pe scară largă în educația, formarea și recalificarea specialiștilor:
Pentru o reprezentare vizuală a unor modele ale fenomenelor microlumii și lumii cu dimensiuni astronomice;
Pentru a simula procesele care au loc în lumea naturii animate și neînsuflețite
Pentru a simula situații reale de gestionare a sistemelor complexe, inclusiv urgente;
Pentru munca de laborator când nu există dispozitive și dispozitive necesare;
Pentru rezolvarea problemelor, în cazul în care aceasta necesită utilizarea de metode matematice complexe și calcule intensive în muncă.
Este important să ne amintim că nu realitatea obiectivă este modelată pe un computer, ci ideile noastre teoretice despre aceasta. Obiectul modelării computerizate sunt modele matematice și alte modele științifice, și nu obiecte, procese, fenomene reale.
Experimente pe calculator- este un instrument pentru studierea tiparelor, nu a fenomenelor naturale sau sociale.
Criteriul de fidelitate al oricăruia dintre rezultatele simulării pe calculator a fost și rămâne un experiment la scară completă (fizică, chimică, socială). În cercetarea științifică și practică, un experiment pe computer poate însoți doar unul la scară largă, astfel încât cercetătorul să poată compara
Nivaya rezultatele lor, ar putea evalua calitatea modelului, profunzimea ideilor noastre despre esența fenomenelor naturale.
Este important să ne amintim că fizica, biologia, astronomia, economia, informatica sunt științe despre lumea reală, și nu despre 
realitate virtuala.
Exercitiul 1
O scrisoare scrisă într-un editor de text și trimisă prin e-mail este puțin probabil să fie numită model de computer.
Editorii de text vă permit adesea să creați nu numai documente obișnuite (scrisori, pachete, rapoarte), ci și șabloane de documente în care există informații constante pe care utilizatorul nu le poate modifica, există câmpuri de date care sunt completate de utilizator și există câmpuri în care calcule pe baza datelor introduse. Un astfel de șablon poate fi considerat un model de computer? Dacă da, care este obiectul modelării în acest caz și care este scopul creării unui astfel de model?
Sarcina 2
Știți că înainte de a crea o bază de date, trebuie mai întâi să construiți un model de date. Știți, de asemenea, că un algoritm este un model de activitate.
Atât modelele de date, cât și algoritmii sunt dezvoltați cel mai adesea având în vedere implementarea computerului. Putem spune că la un moment dat devin un model de computer și, dacă da, când se întâmplă acest lucru?
Notă. Verificați răspunsul dvs. față de definiția „modelului de computer”.
Sarcina 3
Descrieți etapele construirii unui model de calculator folosind exemplul dezvoltării unui program care simulează un fenomen fizic.
Sarcina 4
Dați exemple de când simularea pe computer a adus beneficii reale și când a dus la consecințe nedorite. Pregătiți un raport pe această temă.
Modelare pe calculator - baza pentru reprezentarea cunoștințelor în calculatoare. Modelarea computerizată pentru nașterea de noi informații utilizează orice informație care poate fi actualizată cu ajutorul unui computer. Progresul modelării este asociat cu dezvoltarea sistemelor de modelare pe computer, iar progresul în tehnologia informației este cu actualizarea experienței de modelare pe computer, cu crearea de bănci de modele, metode și sisteme software care vă permit să colectați noi modele. din modelele bancare.
Un fel de simulare pe computer este un experiment de calcul, adică un experiment efectuat de un experimentator asupra unui sistem sau proces aflat în studiu cu ajutorul unui instrument experimental - un computer, mediu de calculator, tehnologie.
Experimentul computațional devine un nou instrument, o metodă de cunoaștere științifică, o nouă tehnologie și datorită nevoii tot mai mari de a trece de la studiul modelelor matematice liniare ale sistemelor (pentru care metodele și teoria de cercetare sunt bine cunoscute sau dezvoltate) la studiul modelelor matematice complexe și neliniare ale sistemelor (a căror analiză este mult mai dificilă). În linii mari, cunoștințele noastre despre lumea înconjurătoare sunt liniare, iar procesele din lumea înconjurătoare sunt neliniare.
Un experiment de calcul vă permite să găsiți noi modele, să testați ipoteze, să vizualizați cursul evenimentelor etc.
Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, pentru a introduce noi soluții tehnice în producție sau pentru a testa idei noi, este nevoie de un experiment. În trecutul recent, un astfel de experiment putea fi realizat fie în condiții de laborator pe instalații special create pentru acesta, fie în natură, adică pe un eșantion real de produs, supunându-l la tot felul de teste.
Odată cu dezvoltarea tehnologiei informatice, a apărut o nouă metodă de cercetare unică - un experiment pe computer. Un experiment pe computer include o anumită secvență de lucru cu un model, un set de acțiuni intenționate ale utilizatorului pe un model de computer.
Etapa 4. Analiza rezultatelor simulării.
Scopul final modelare - luarea unei decizii, care ar trebui dezvoltată pe baza unei analize cuprinzătoare a rezultatelor obținute. Această etapă este decisivă - fie continui studiul, fie termini. Poate că știți rezultatul așteptat, atunci trebuie să comparați rezultatele primite și cele așteptate. În cazul unui meci, puteți lua o decizie.
Baza pentru dezvoltarea unei soluții sunt rezultatele testelor și experimentelor. Dacă rezultatele nu corespund obiectivelor sarcinii, înseamnă că au fost făcute greșeli în etapele anterioare. Aceasta poate fi fie o construcție prea simplificată a unui model de informații, fie o alegere nereușită a unei metode sau a unui mediu de modelare, fie o încălcare a metodelor tehnologice la construirea unui model. Dacă se găsesc astfel de erori, atunci ajustarea modelului , adică reveniți la unul dintre pașii anteriori. Proces se repetă până când rezultatele experimentului se întâlnesc obiective modelare. Principalul lucru de reținut este că eroarea detectată este și rezultatul. După cum spune proverbul, înveți din greșelile tale.
Programe de simulare
ANSYS- sistem software universal de elemente finite ( FEM) analiza, existentă și în curs de dezvoltare în ultimii 30 de ani, este destul de populară în rândul specialiștilor din domeniul ingineriei informatice ( CAE, Computer-Aided Engineering) și soluții FE ale problemelor spațiale liniare și neliniare, staționare și nestaționare ale mecanicii deformabile corp solidși mecanica structurilor (inclusiv problemele nestationare geometrice și fizice neliniare ale interacțiunii de contact ale elementelor structurale), probleme de mecanică a fluidelor și gazelor, transferul de căldură și transferul de căldură, electrodinamica, acustica, precum și mecanica câmpurilor cuplate. Modelarea și analiza în unele industrii evită ciclurile de dezvoltare costisitoare și lungi, cum ar fi „proiectare – fabricare – testare”. Sistemul funcționează pe baza nucleului geometric Parasolid .
AnyLogic - software pentru modelare prin simulare sisteme complexeși proceselor, dezvoltat Rusă de XJ Technologies ( Engleză XJ tehnologii). Programul are mediul grafic al utilizatoruluiși vă permite să utilizați limbajul Java pentru dezvoltarea modelului .
Modelele AnyLogic se pot baza pe oricare dintre paradigmele majore de modelare prin simulare: simulare de evenimente discrete, dinamica sistemului, și modelarea agentului.
Dinamica sistemului și modelarea cu evenimente discrete (proces), prin care înțelegem orice dezvoltare a ideilor GPSS sunt abordări tradiționale bine stabilite, modelarea bazată pe agenți este relativ nouă. Dinamica sistemului operează în principal cu procese care sunt continue în timp, în timp ce modelarea cu evenimente discrete și bazată pe agenți - cu cele discrete.
Dinamica sistemului și modelarea evenimentelor discrete au fost predate complet grupuri diferite studenți: ingineri de management, de producție și ingineri de dezvoltare a sistemelor de control. Drept urmare, au apărut trei comunități diferite, aproape nesuprapuse, care aproape niciodată nu comunică între ele.
Modelarea bazată pe agenți a fost un domeniu strict academic până de curând. Cu toate acestea, cererea tot mai mare de optimizare globală din partea afacerilor i-a forțat pe analiștii de top să acorde atenție modelării bazate pe agenți și combinației acesteia cu abordările tradiționale pentru a obține o imagine mai completă a interacțiunii proceselor complexe de natură variată. Astfel, a luat naștere cererea de platforme software care să permită integrarea diferitelor abordări.
Acum să luăm în considerare abordările de modelare prin simulare la scara nivelului de abstractizare. Dinamica sistemului, prin înlocuirea obiectelor individuale cu agregatele lor, presupune cel mai înalt nivel de abstractizare. Simularea evenimentelor discrete funcționează în intervalul scăzut și mediu. În ceea ce privește modelarea bazată pe agenți, aceasta poate fi aplicată la aproape orice nivel și la orice scară. Agenții pot reprezenta pietoni, mașini sau roboți într-un spațiu fizic, un client sau agent de vânzări la un nivel mediu sau companii concurente la un nivel înalt.
Când dezvoltați modele în AnyLogic, puteți utiliza concepte și instrumente din mai multe metode de modelare, de exemplu, într-un model bazat pe agenți, utilizați metodele dinamicii sistemului pentru a reprezenta schimbări în starea mediului sau într-un model continuu al unui sistem dinamic, luați în considerare evenimentele discrete. De exemplu, managementul lanțului de aprovizionare folosind modelarea prin simulare necesită descrierea participanților lanțului de aprovizionare de către agenți: producători, vânzători, consumatori, o rețea de depozite. În același timp, producția este descrisă în cadrul modelării cu evenimente discrete (proces), în care produsul sau părțile sale sunt aplicații, iar mașinile, trenurile, stivuitoarele sunt resurse. Livrările în sine sunt reprezentate de evenimente discrete, dar cererea de bunuri poate fi descrisă printr-o diagramă sistem-dinamică continuă. Abilitatea de a combina abordări vă permite să descrieți procesele din viața reală și nu să ajustați procesul la aparatul matematic disponibil.
LabVIEW (Engleză laborator oratorie V virtual eu instrumentaţie E inginerie W orkbench) este mediu de dezvoltareși platformă să execute programe create în limbajul de programare grafică „G” al firmei National Instruments(STATELE UNITE ALE AMERICII). Prima versiune a LabVIEW a fost lansată în 1986 pentru Apple Macintosh, există în prezent versiuni pentru UNIX, GNU/Linux, MacOS etc., iar cele mai dezvoltate și populare versiuni sunt pentru Microsoft Windows.
LabVIEW este utilizat în sistemele de colectare și prelucrare a datelor, precum și pentru gestionarea obiectelor tehnice și proceselor tehnologice. Ideologic, LabVIEW este foarte aproape de SCADA-sisteme, dar spre deosebire de acestea, este mai axat pe rezolvarea problemelor nu atât din domeniul APCS cati in zona ASNI.
MATLAB(scurt pentru Engleză « matrice Laborator» ) este un termen care se referă la un pachet de programe aplicate pentru rezolvarea problemelor de calcule tehnice, precum și la limbajul de programare utilizat în acest pachet. MATLAB folosit de peste 1.000.000 de ingineri și oameni de știință, funcționează pe cele mai moderne sisteme de operare, inclusiv GNU/Linux, MacOS, Solarisși Microsoft Windows .
arțar- pachete software, sistem algebric computerizat. Este un produs al Waterloo Maple Inc., care 1984 produce și comercializează produse software axate pe calcule matematice complexe, vizualizarea datelor și modelare.
Sistemul Maple este conceput pentru calcule simbolice, deși are o serie de instrumente pentru soluția numerică ecuatii diferentialeși găsirea integrale. Are o grafică avansată. Are propriul limbaj de programare amintind de Pascal.
Mathematica - sistem algebric computerizat companiilor Cercetarea Wolfram. Conține multe funcții atât pentru transformări analitice cât şi pentru calcule numerice. În plus, programul acceptă graficăși sunet, inclusiv construcția de două și tridimensionale grafice funcții, desen arbitrar forme geometrice, importși export imagini si sunet.
Instrumente de prognoză- produse software care au funcții de calculare a prognozelor. Prognoza este una dintre cele mai importante activități umane de astăzi. Chiar și în cele mai vechi timpuri, prognozele le-au permis oamenilor să calculeze perioadele de secetă, datele eclipselor de soare și de lună și multe alte fenomene. Odată cu apariția tehnologiei informatice, prognoza a primit un impuls puternic pentru dezvoltare. Una dintre primele aplicații ale computerelor a fost calculul traiectoriei balistice a proiectilelor, adică, de fapt, predicția punctului în care proiectilul lovește solul. Acest tip de prognoză se numește static prognoza. Există două categorii principale de prognoze: statice și dinamice. Diferența cheie este că prognozele dinamice oferă informații despre comportamentul obiectului studiat pe o perioadă semnificativă de timp. La rândul lor, previziunile statice reflectă starea obiectului studiat doar într-un singur moment în timp și, de regulă, în astfel de prognoze, factorul de timp în care obiectul suferă modificări joacă un rol nesemnificativ. Până în prezent, există un număr mare de instrumente care vă permit să faceți prognoze. Toate pot fi clasificate după mai multe criterii:
|
Numele instrumentului |
Scopul aplicatiei |
Modele implementate |
Instruire obligatorie pentru utilizatori |
Gata de folosit |
|
Microsoft Excel , openoffice.org |
scop general |
algoritmic, regresie |
cunoștințe de bază de statistică |
este necesară o rafinare semnificativă (implementarea modelelor) |
|
statistici , SPSS , e-views |
cercetare |
o gamă largă de regresie, rețea neuronală |
produs ambalat |
|
|
matlab |
cercetare, dezvoltare de aplicații |
algoritmic, regresie, rețea neuronală |
educație matematică specială |
programare necesară |
|
SAP APO |
prognoza afacerilor |
algoritmic |
nu sunt necesare cunoștințe profunde | |
|
ForecastPro , PrognozaX |
prognoza afacerilor |
algoritmic |
nu sunt necesare cunoștințe profunde |
produs ambalat |
|
Logilitatea |
prognoza afacerilor |
algoritmică, rețea neuronală |
nu sunt necesare cunoștințe profunde |
Este necesară îmbunătățirea semnificativă (pentru procesele de afaceri) |
|
ForecastPro SDK |
prognoza afacerilor |
algoritmic |
necesare cunoștințe de bază de statistică |
programare necesară (integrare software) |
|
iLog , AnyLogic , Eu cred MatlabSimulink , GPSS |
dezvoltare de aplicatii, simulare |
imitaţie |
se cere educaţie matematică specială |
programare este necesara (conform specificului regiunii) |
PC LIRA- un pachet software multifuncțional conceput pentru proiectarea și calculul construcțiilor de mașini și structuri de construcție în diverse scopuri. Calculele din program sunt efectuate atât pentru impacturile statice, cât și pentru cele dinamice. Baza calculelor este metoda elementului finit(FEM). Diverse module plug-in (procesoare) vă permit să selectați și să verificați secțiuni din oțel și structuri din beton armat, să simulați solul, să calculați poduri și comportamentul clădirilor în timpul instalării etc.
Un experiment pe calculator cu un model de sistem în timpul cercetării și proiectării acestuia este efectuat pentru a obține informații despre caracteristicile procesului de funcționare a obiectului în cauză. Sarcina principală a planificării experimentelor pe calculator este de a obține informațiile necesare despre sistemul studiat sub constrângeri de resurse (timp computer, memorie etc.). Printre sarcinile particulare rezolvate la planificarea experimentelor pe computer se numără sarcinile de reducere a costului timpului de calculator pentru modelare, creșterea acurateței și fiabilității rezultatelor modelării, verificarea adecvării modelului etc.
Eficacitatea experimentelor pe computer cu modele depinde în mod semnificativ de alegerea planului experimental, deoarece acesta este planul care determină volumul și procedura de efectuare a calculelor pe computer, metodele de acumulare și prelucrarea statistică a rezultatelor simulării sistemului. . Prin urmare, sarcina principală de planificare a experimentelor pe calculator cu un model este formulată astfel: este necesar să se obțină informații despre obiectul modelării, date sub forma unui algoritm (program) de modelare, cu cheltuirea minimă sau limitată a resurselor mașinii pentru implementarea procesului de modelare.
Avantajul experimentelor pe calculator față de cele naturale este capacitatea de a reproduce integral condițiile experimentului cu modelul sistemului studiat. . Un avantaj semnificativ față de cele la scară completă este ușurința întreruperii și reluării experimentelor pe computer, ceea ce permite utilizarea tehnicilor de planificare secvențială și euristică care ar putea să nu fie fezabile în experimentele cu obiecte reale. Atunci când lucrați cu un model de computer, este întotdeauna posibil să întrerupeți experimentul pentru timpul necesar pentru a analiza rezultatele și a lua decizii cu privire la cursul său ulterioară (de exemplu, cu privire la necesitatea de a schimba valorile caracteristicilor modelului).
Dezavantajul experimentelor pe calculator este că rezultatele unor observații depind de rezultatele uneia sau mai multor observații anterioare și, prin urmare, conțin mai puține informații decât observațiile independente.
În ceea ce privește baza de date, un experiment pe computer înseamnă manipularea datelor în conformitate cu scopul stabilit, folosind instrumentele SGBD. Scopul experimentului poate fi format pe baza scopului general al simulării și luând în considerare cerințele unui anumit utilizator. De exemplu, există o bază de date „Decanatul”. Scopul general al creării acestui model este gestionarea procesului educațional. Dacă aveți nevoie să obțineți informații despre progresul elevilor, puteți face o cerere, de ex. efectuați un experiment pentru a selecta informațiile dorite.
Setul de instrumente pentru mediu DBMS vă permite să efectuați următoarele operații asupra datelor:
1) sortarea - ordonarea datelor după un anumit atribut;
2) căutare (filtrare) - selectarea datelor care satisface o anumită condiție;
3) crearea câmpurilor de calcul - transformarea datelor într-o altă formă pe bază de formule.
Managementul modelului de informații este indisolubil legat de dezvoltarea diferitelor criterii de căutare și sortare a datelor. Spre deosebire de dulapurile din hârtie, unde sortarea este posibilă după unul sau două criterii, iar căutarea se face în general manual - prin sortarea prin carduri, bazele de date computerizate vă permit să setați orice formulare de sortare pentru diverse câmpuri și diverse criterii de căutare. Calculatorul va sorta sau selecta informațiile necesare fără cheltuieli de timp conform criteriului dat.
Pentru a lucra cu succes cu modelul de informații, mediile software de baze de date vă permit să creați câmpuri de calcul în care informațiile originale sunt convertite într-o formă diferită. De exemplu, pe baza notelor semestriale, o funcție specială încorporată poate calcula GPA-ul unui student. Astfel de câmpuri calculate sunt folosite fie ca informații suplimentare, fie ca criterii de căutare și sortare.
Un experiment pe calculator include două etape: testarea (verificarea corectitudinii operațiunilor) și efectuarea unui experiment cu date reale.
După formularea formulelor pentru câmpurile și filtrele calculate, trebuie să vă asigurați că acestea funcționează corect. Pentru a face acest lucru, puteți introduce înregistrări de testare pentru care rezultatul operației este cunoscut în prealabil.
Experimentul pe calculator se termină cu rezultatele într-o formă convenabilă pentru analiză și luare a deciziilor. Unul dintre avantajele modelelor informatice computerizate este capacitatea de a crea diverse forme de prezentare a informațiilor de ieșire, numite rapoarte. Fiecare raport conține informații care îndeplinesc scopul unui anumit experiment. Comoditatea rapoartelor computerizate constă în faptul că vă permit să grupați informații după criterii date, să introduceți câmpurile finale pentru numărarea înregistrărilor pe grupe și în general pentru întreaga bază de date, iar apoi să utilizați aceste informații pentru a lua o decizie.
Mediul vă permite să creați și să stocați mai multe formulare de raport tipice, utilizate frecvent. Pe baza rezultatelor unor experimente, puteți crea un raport temporar care este șters după ce l-ați copiat în Document text sau imprimate. Unele experimente nu necesită deloc raportare. De exemplu, este necesar să selectați cel mai de succes student pentru a acorda o bursă sporită. Pentru a face acest lucru, este suficient să sortați după scorul mediu al notelor din semestru. Informațiile solicitate vor conține prima intrare din lista studenților.
