Компьютерная модель, или численная модель — это компьютерная программа, построенная на основе физических уравнений, описывающих моделируемый процесс и работающая на отдельном компьютере, суперкомпьютере или целом множестве взаимодействующих компьютеров, реализующая представление объекта, системы или понятия в форме, отличной от реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей и набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем.
О компьютерном моделировании
Компьютерные модели стали обычным инструментом математического моделирования и применяются в физике, астрофизике, механике, химии, биологии, экономике, социологии, метеорологии, других науках и прикладных задачах в различных областях радиоэлектроники, машиностроения, автомобилестроения и проч. Компьютерные модели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения систем, слишком сложных для аналитического исследования.
Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т. н. вычислительные эксперименты, в тех случаях когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет определить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения её параметров и начальных условий.
Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов — сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Чем больше значимых свойств будет выявлено и перенесено на компьютерную модель — тем более приближенной она окажется к реальной модели, тем большими возможностями сможет обладать система, использующая данную модель. Компьютерное же моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели и т. д.
Различают аналитическое и имитационное моделирование. При аналитическом моделировании изучаются математические (абстрактные) модели реального объекта в виде алгебраических, дифференциальных и других уравнений, а также предусматривающих осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. При имитационном моделировании исследуются математические модели в виде алгоритма(ов), воспроизводящего функционирование исследуемой системы путём последовательного выполнения большого количества элементарных операций.
Преимущества компьютерного моделирования
Компьютерное моделирование дает возможность:
- расширить круг исследовательских объектов – становится возможным изучать не повторяющиеся явления,явления прошлого и будущего,объекты,которые не воспроизводятся в реальных условиях;
- визуализировать объекты любой природы,в том числе и абстрактные;
- исследовать явления и процессы в динамике их развертывания;
- управлять временем(ускорять,замедлять и т.д);
- совершать многоразовые испытания модели,каждый раз возвращая её в первичное состояние;
- получать разные характеристики объекта в числовом или графическом виде;
- находить оптимальную конструкцию объекта, не изготовляя его пробных экземпляров;
- проводить эксперименты без риска негативных последствий для здоровья человека или окружающей среды.
Основные этапы компьютерного моделирования
| Название этапа | Исполнение действий |
|---|---|
| 1. Постановка задачи и её анализ | 1.1. Выяснить, с какой целью создается модель.1.2. Уточнить, какие исходные результаты и в каком виде следует их получить.
1.3. Определить, какие исходные данные нужны для создания модели. |
| 2. Построение информационной модели | 2.1. Определить параметры модели и выявить взаимосвязь между ними.2.2. Оценить, какие из параметров влиятельные для данной задачи, а какими можно пренебрегать.
2.3. Математически описать зависимость между параметрами модели. |
| 3. Разработка метода и алгоритма реализации компьютерной модели | 3.1. Выбрать или разработать метод получения исходных результатов.3.2. Составить алгоритм получения результатов по избранным методам.
3.3. Проверить правильность алгоритма. |
| 4. Разработка компьютерной модели | 4.1. Выбрать средства программной реализации алгоритма на компьютере.4.2. Разработать компьютерную модель.
4.3. Проверить правильность созданной компьютерной модели. |
| 5. Проведение эксперимента | 5.1. Разработать план исследования.5.2. Провести эксперимент на базе созданной компьютерной модели.
5.3. Проанализировать полученные результаты. 5.4. Сделать выводы насчет свойств прототипа модели. |
В процессы проведения эксперимента может выясниться, что нужно:
- скорректировать план исследования;
- выбрать другой метод решения задачи;
- усовершенствовать алгоритм получения результатов;
- уточнить информационную модель;
- внести изменения в постановку задачи.
В таком случае происходит возвращение к соответствующему этапу и процесс начинается снова.
Практическое применение
Компьютерное моделирование применяют для широкого круга задач, таких как:
- анализ распространения загрязняющих веществ в атмосфере;
- проектирование шумовых барьеров для борьбы с шумовым загрязнением;
- конструирование транспортных средств;
- полетные имитаторы для тренировки пилотов;
- прогнозирование погоды;
- эмуляция работы других электронных устройств;
- прогнозирование цен на финансовых рынках;
- исследование поведения зданий, конструкций и деталей под механической нагрузкой;
- прогнозирование прочности конструкций и механизмов их разрушения;
- проектирование производственных процессов, например химических;
- стратегическое управление организацией;
- исследование поведения гидравлических систем: нефтепроводов, водопровода;
- моделирование роботов и автоматических манипуляторов;
- моделирование сценарных вариантов развития городов;
- моделирование транспортных систем;
- конечно-элементное моделирование краш-тестов;
- моделирование результатов пластических операций;
Различные сферы применения компьютерных моделей предъявляют разные требования к надежности получаемых с их помощью результатов. Для моделирования зданий и деталей самолетов требуется высокая точность и степень достоверности, тогда как модели эволюции городов и социально-экономических систем используются для получения приближенных или качественных результатов.
Алгоритмы компьютерного моделирования
- Метод конечных элементов
- Метод конечных разностей
- Метод конечных объёмов
- Метод подвижных клеточных автоматов
- Метод классической молекулярной динамики
- Метод компонентных цепей
- Метод узловых потенциалов
