Компьютерное моделирование

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Компьютерное моделирование краш-теста методом конечных элементов.

Компьютерная модель (англ. computer model), или численная модель (англ. computational model) — компьютерная программа, работающая на отдельном компьютере, суперкомпьютере или множестве взаимодействующих компьютеров (вычислительных узлов), 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. [1] 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 выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее 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.[1] 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.

Сравнительная компьютерная анимация двух моделей здания,[2].

К основным этапам компьютерного моделирования относятся:

  • обработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия;
  • формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы;
  • планирование и проведение компьютерных экспериментов;
  • анализ и интерпретация результатов[3].

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 путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Практическое применение[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

См. также[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]

  1. 1 2 Ножнов В.А. Модель учебного курса. //Сборник трудов Международной научно-практической конференции ИТО-2009.
  2. A new line of base isolation under shake-table testing and analysis
  3. Earthquake Performance Evaluation Tool Online