Что такое компьютерное моделирование

Лучше? Будем надеяться.

Компьютерное моделирование

Что такое компьютерное моделирование? Как правило, компьютерное моделирование включает запуск ряда математических сценариев для определения потенциального масштаба или влияния, которое может иметь указанный сценарий. Например, симуляции помогают производителям автомобилей проводить виртуальное краш-тестирование своих новых моделей автомобилей. Вместо того, чтобы физически разбивать десятки новых автомобилей, исследователи запускают симуляции, чтобы увидеть все возможные сценарии, которые могут произойти как с автомобилем, так и с пассажирами во множестве аварий. Эти симуляции определяют, достаточно ли безопасно управлять автомобилем.

В этом видео ученые НАСА используют компьютерное моделирование, чтобы понять, что происходит при столкновении сверхмассивных черных дыр.

5 кратких примеров компьютерных симуляторов в действии

1. Реагирование на смертельные пандемии

Вместе с Озиком и их коллегой-исследователем Ником Кольером Макал также работал над проектом по моделированию и симуляции, который определял, что может произойти, если смертельный вирус Эбола (который первоначально распространился по Западной Африке в 2013–2016 годах и имел разрушительные последствия) поразит что население США. Частью этого процесса было посещение чикагских больниц, чтобы узнать о процедурах, связанных с лихорадкой Эбола, а затем включение этих процедур в их модели (также известные как математические описания).

2. Улучшение лечения рака

Другие ученые из Аргонны использовали моделирование и симуляцию, чтобы улучшить лечение рака с помощью прогностической медицины, выясняя, как разные пациенты и опухоли реагируют на разные лекарства. И это только пара примеров. Будь то академическая наука или промышленность, в наши дни компьютерное моделирование используется повсюду.

«Если работа с самой реальной системой слишком масштабна, слишком дорога или слишком рискованна — вот почему мы используем компьютерное моделирование».

"Если работать с самой реальной системой слишком масштабно, слишком дорого или слишком рискованно, мы используем компьютерное моделирование, – говорит Барри Нельсон, профессор инженерных наук Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс. – Моделирование". позволяет создавать концептуальные данные или системы, которые люди хотят создавать, рассматривать или изменять. Иногда я говорю, что моделирование — это анализ данных для систем, которых еще не существует».

3. Прогнозирование нарушений Кодекса здоровья

Или громоздкие системы. В Чикаго Департамент общественного здравоохранения города использует компьютерное моделирование и симуляцию, чтобы предсказать, где в первую очередь могут возникнуть критические нарушения. Затем эти рестораны поднимаются на вершину списка из 15 000 заведений, за которым наблюдают всего три десятка инспекторов. И, видимо, это работает; недавнее моделирование выявило на 14 % больше нарушений, что в идеале означает более ранний осмотр и меньшую вероятность того, что посетители заболеют плохо охлажденным морским чертом.

4. Понимание наших отношений с религией

В Бостонском университете Уэсли Уайлдман, профессор философии, теологии и этики, использует компьютерное моделирование для изучения, как он выразился в статье 2018 года для The Conversation, "как религия взаимодействует со сложным человеческим разумом, в том числе в такие процессы, как управление реакцией на ужасающие события».

Для этого он и его команда спроектировали мир и наполнили его управляемыми компьютером персонажами или «агентами», которые «запрограммированы следовать правилам и тенденциям, выявленным у людей с помощью психологических экспериментов, этнографических наблюдений и социальных анализ." Затем они увидели, что произошло, когда их агенты были проверены на «хорошо известных, реальных» примерах, таких как мощное землетрясение, которое произошло в Крайстчерче, Новая Зеландия, в 2011 году.

"Чем лучше наши агенты имитируют поведение реальных людей в подобных обстоятельствах, – продолжает Уайлдман, – тем точнее модель соответствует реальности, и тем удобнее мы говорим, что люди могут вести себя таким образом. агенты поступали в новых и неизведанных ситуациях».

5. Исследование землетрясений

А в Германии группа специалистов из Суперкомпьютерного центра имени Лейбница провела моделирование землетрясений, взяв за основу разрушительное землетрясение в Индийском океане 2004 года, вызвавшее мощное цунами. По словам одного из исследователей, профессора Михаэля Бадера из Института информатики Германии, они хотели «лучше понять весь процесс того, почему одни землетрясения и вызванные ими цунами намного сильнее других. Иногда мы видим относительно небольшие цунами при сильных землетрясениях или удивительно большие цунами, связанные с относительно небольшими землетрясениями. Моделирование — один из инструментов, позволяющих получить представление об этих событиях».

Но это далеко не идеально. В недавней статье New York Times под названием «Это высокотехнологичное решение для реагирования на стихийные бедствия может быть слишком хорошим, чтобы быть правдой» репортер Шери Финк подробно описала, как стартап по реагированию на стихийные бедствия из Сиэтла под названием One Concern разработал моделирование землетрясения, в которое не удалось включить многие густонаселенные коммерческие структуры в своих тестовых запусках, «потому что расчеты ущерба в значительной степени основывались на данных переписи населения». Потенциальный реальный результат этой ошибочной прогностической модели: спасатели могли не знать местонахождение многих нуждающихся жертв. И это был лишь один из многих отмеченных вопросов.

Суперкомпьютер Mira в Аргонне — один из многих, используемых для моделирования по всему миру

Что нужно для моделирования

Благодаря мощной обработке данных супердорогих суперкомпьютеров (в настоящее время в Аргонне их два, и вскоре появится еще один, использующий так называемую "массивно-параллельную обработку"), моделирование стало более совершенным, чем когда-либо, и развивается с быстрый темп.

"Мы не заинтересованы в простой экстраполяции в будущее", – сказал Макал. «Мы заинтересованы в рассмотрении всех неопределенностей, а также различных параметров, характеризующих модель, и выполнении тысяч или миллионов симуляций всех различных возможностей и попытке понять, какие вмешательства будут наиболее надежными. И здесь на помощь приходят высокопроизводительные вычисления».

Вычислительные ресурсы, находящиеся в их распоряжении, добавил Озик, позволяют аргоннским исследователям (и всем, у кого есть доступ к суперкомпьютерам) «полностью изучить поведение, которое могут демонстрировать эти модели, а не просто применять специальные подходы для поиска определенных интересных моделей поведения, которые могут отражать некоторые аспект реальности».

Иными словами, симуляции намного шире и, следовательно, еще более реалистичны — по крайней мере, с гипотетической точки зрения.

С другой стороны, многие симуляции выполняются с гораздо меньшими вычислительными мощностями, чем у Argonne. Элисон Бриджер, заведующая кафедрой метеорологии и климатологии Государственного университета Сан-Хосе в Калифорнии, сказала, что кластерные компьютеры на месте достаточно сильны, чтобы запускать модели моделирования климата, которые она создает. Сервисы облачных вычислений, подобные тем, которые предлагают Amazon (AWS) и Microsoft (Azure), также постепенно завоевывают популярность в этом пространстве.

Наряду с ядерной физикой метеорология была одной из первых дисциплин, в которой после Второй мировой войны использовалось компьютерное моделирование. А моделирование климата, по словам Бриджера, «похоже на близкого родственника прогнозирования погоды. Еще в 1960-х годах люди использовали ранние модели прогнозирования погоды для предсказания климата. Прежде чем вы сможете предсказать погоду, вы должны правильно воспроизвести ее в своей модели».

В работе Бриджера используется широко используемая модель "локального масштаба" под названием WRF, что означает "Погода, исследования и прогнозирование". и вниз в центральную часть государства. Он будет прогнозировать такие вещи, как высокие и низкие температуры, дождь и так далее. И обычно он запускается только для имитации погоды на 24, 48 или 72 часа».

Компьютерное моделирование и симуляция используются для прогнозирования погодных условий

Дальше объясняя свой процесс, Бриджер использует изображение куба с центром в Чикаго, расположенного примерно в километре с востока на запад и на километр с севера на юг. Цель состоит в том, чтобы предсказать температуру в центре куба и экстраполировать это значение на все пространство. Есть также, по ее словам, дополнительные кубы, окружающие первоначальный, «сложенные до самого верха атмосферы», будущие температуры которых будут предсказываться с различными временными интервалами — через час, через 12 часов, через день, через три дня и так далее. Затем к смеси добавляются переменные, влияющие на температуру, такие как количество солнечного света, облачный покров, стихийные бедствия, такие как лесные пожары и техногенное загрязнение. Затем нужно применить законы физики для определения различных явлений, связанных с погодой: повышения и понижения температуры, силы ветра и дождя.

Сказал Бриджер: "Вы делаете тысячи, возможно, миллионы вычислений, чтобы получить ответ".

Строительство — одна из многих отраслей, в которых компьютерное моделирование выгодно

Компьютерное моделирование и промышленность

За последние 75 лет компьютерное моделирование и симуляция превратились из преимущественно научного инструмента в инструмент, используемый промышленностью в целях оптимизации и, в конечном счете, повышения прибыльности.

«Промышленность осваивает моделирование быстрее, чем когда-либо прежде, и связывает его с тем, что я бы назвал аналитикой данных для таких вещей, как планирование и управление цепочками поставок», — сказал Макал. «Промышленность пытается имитировать все, что они делают, потому что они понимают, что это дешевле и быстрее, чем реальное создание прототипа системы».

Нельсон из Northwestern говорил с Built In, он недавно вернулся с ежегодной конференции по прикладным вероятностям. Там обсуждаемые приложения для моделирования включали, но не ограничивались следующим: авиационное моделирование, кибербезопасность, экологическая устойчивость и риски, управление финансовыми рисками, здравоохранение, логистика, цепочка поставок и транспорт, производство полупроводников, военные приложения, сетевые коммуникации, проекты управление и строительство.

"Часто компании, использующие моделирование, хотят в некотором смысле оптимизировать производительность системы", – сказал Нельсон, приведя в качестве примера автомобильную компанию, которая хочет построить новый сборочный завод или решить, какие автомобили вывести на рынок.

"Поэтому оптимизация является ключом к успеху во многих отраслях промышленности, но оптимальные решения часто ненадежны. Под этим я подразумеваю, что если небольшие проблемы, связанные с предположениями или приближениями моделирования, которые вы сделали, неверны, то внезапно что-то, что казалось оптимальным в вашей модели, может оказаться катастрофически плохим».

Техническим термином для этого является «риск модели». Те, кто строит модели и запускает симуляции, пытаются оценить риски, присущие решениям, принимаемым на основе этих моделей. Эту тему сложно анализировать, не говоря уже о том, чтобы сделать ее широко понятной, но Нельсон делает прекрасную попытку. В конце концов, это его область знаний.

«Когда люди строят математические и компьютерные модели, — сказал он, — даже если модель создается на основе данных, они обращаются с ней так, как будто модель верна, а значит, и решение, которое [результаты] является оптимальным. Что мы пытаемся сделать, так это продолжать включать в модель неопределенность, которая была создана, когда мы ее строили».

Финансовый кризис 2008 года, по словам Нельсона, — это один из примеров, когда риск модели был пагубно занижен.

«Финансовая индустрия использует огромное количество очень сложных математических компьютерных моделей [методов]. И совершенно очевидно, что корреляции между различными финансовыми инструментами и ценными бумагами и т. д. были как бы проигнорированы, поэтому мы получили каскадные сбои ».

Однако подобные предостережения не означают, что те, кто создает математические и компьютерные модели, на которых основаны симуляции, должны стремиться к совершенству, добавляет Нельсон, поскольку ни одна модель не идеальна, а «модели двигают нас вперед». Требование совершенства, сказал он, «парализует нас. Но по мере того, как мы начинаем принимать более важные для жизни решения на основе моделей, становится все более важным учитывать риски».

Компьютерное моделирование используется для улучшения лечения рака

Что дальше?

Представьте себе: через несколько лет у вашего знакомого диагностировали раковую опухоль. Но вместо того, чтобы немедленно бомбардировать их радиацией и высокотоксичными химиотерапевтическими препаратами и надеяться на лучшее, врачи вместо этого проводят тесты, из которых создают виртуальный (математический) двойник злокачественной опухоли этого человека. Затем цифровая копия подвергается вычислительным воздействиям в виде миллионов или даже миллиардов симуляций, которые быстро определяют наиболее эффективную форму обработки.

Это менее фантастично, чем кажется.

"Недавние разработки в области "больших данных" и экспериментальных технологий, связанных с раком, в сочетании с достижениями в области анализа данных и высокопроизводительными вычислительными возможностями создают беспрецедентные возможности для углубления понимания рака в более широких и точных масштабах", – Национальный Недавно об этом сообщил Институт рака.

Другие революционные разработки с далеко идущими последствиями уже внедряются. Научная газета сообщила о многих из них.

Например, вот этот: «[Искусственные] нейронные сети можно научить кодировать законы квантовой механики для описания движения молекул, потенциально повышая симуляции в широком диапазоне областей».

По словам физика Лос-Аламосской национальной лаборатории Джастина Смита, это означает, что "теперь мы можем моделировать материалы и молекулярную динамику в миллиарды раз быстрее, чем с помощью обычных квантовых методов, сохраняя при этом тот же уровень точности".

Это хорошая новость для разработчиков лекарств, чьи исследователи изучают молекулярные движения, чтобы увидеть, что подходит для использования в фармацевтическом производстве, а также для пациентов, которые слишком часто оказываются вовлеченными в пагубную игру в догадки, когда дело касается лечения.< /p>

И это: исследователи из Пенсильванского университета, работающие в тандеме с коллегами из Университета Альмерии в Испании, разработали «компьютерную модель, которая может помочь прогнозистам быстрее и точнее распознавать потенциальные сильные штормы». Как объяснил Стив Вистар, старший судебный метеоролог в AccuWeather, этот инструмент может привести к более точным прогнозам, поскольку он и его коллеги-синоптики будут иметь «моментальный снимок наиболее полной картины атмосферы».

Итак, хотя мы можем или не можем жить в мире, смоделированном компьютером (еще одна тема для другой истории), мир трансформируется с помощью компьютерного моделирования. Поскольку компьютеры становятся быстрее, а методы исследований совершенствуются, неизвестно, к чему это может привести.

Муди Янг, старшеклассник из Нэшвилла, моделирующий космос, в прошлом году красноречиво сказал об этом: «Компьютерное моделирование дало нам возможность создавать виртуальные миры, и эти виртуальные миры позволили нам лучше понять наш реальный мир. ”

Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

компьютерное моделирование, использование компьютера для представления динамических реакций одной системы поведением другой системы, смоделированной по ее образцу. Моделирование использует математическое описание или модель реальной системы в виде компьютерной программы. Эта модель состоит из уравнений, которые дублируют функциональные отношения в реальной системе. При запуске программы результирующая математическая динамика формирует аналог поведения реальной системы, а результаты представляются в виде данных. Моделирование также может иметь форму компьютерной графики, которая представляет динамические процессы в анимированной последовательности.

Компьютерное моделирование используется для изучения динамического поведения объектов или систем в ответ на условия, которые невозможно легко или безопасно применить в реальной жизни. Например, ядерный взрыв можно описать математической моделью, включающей такие переменные, как тепло, скорость и радиоактивное излучение. Затем можно использовать дополнительные математические уравнения, чтобы приспособить модель к изменениям определенных переменных, таких как количество расщепляющегося материала, вызвавшего взрыв. Моделирование особенно полезно, поскольку позволяет наблюдателям измерять и прогнозировать, как на функционирование всей системы может повлиять изменение отдельных компонентов в этой системе.

Компьютеры размещают веб-сайты, состоящие из HTML, и отправляют текстовые сообщения так же просто, как. РЖУ НЕ МОГУ. Взломайте этот тест, и пусть какая-нибудь технология подсчитает ваш результат и раскроет вам его содержание.

Простое моделирование, выполняемое персональными компьютерами, состоит в основном из бизнес-моделей и геометрических моделей. К первым относятся электронные таблицы, финансовые и статистические программы, которые используются в бизнес-анализе и планировании. Геометрические модели используются во многих приложениях, требующих простого математического моделирования объектов, таких как здания, промышленные детали и молекулярные структуры химических веществ. Более продвинутые модели, например моделирующие погодные условия или поведение макроэкономических систем, обычно выполняются на мощных рабочих станциях или суперкомпьютерах. В инженерии компьютерные модели вновь спроектированных конструкций проходят симуляционные испытания для определения их реакции на нагрузку и другие физические переменные. Моделированием речных систем можно манипулировать, чтобы определить потенциальное влияние плотин и ирригационных сетей до того, как начнется какое-либо фактическое строительство. Другие примеры компьютерного моделирования включают оценку конкурентной реакции компаний на конкретном рынке и воспроизведение движения и полета космических аппаратов.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Эриком Грегерсеном.

Технология компьютерного моделирования развивалась в тесной связи как с компьютерной индустрией, так и с инженерными процессами. Моделирование, связанное с обрабатывающей промышленностью, обычно используется как инструмент для увеличения производственных мощностей.

На ранних этапах компьютерное моделирование было не очень доступно; длительный процесс, неоднозначность получаемых моделей и большое количество необходимых специалистов привели к непомерно высоким сопутствующим затратам. До широкомасштабного внедрения вычислительных алгоритмов в 1970-х годах промышленные инженеры изучают модели компьютерного моделирования в школах, но редко применяют их.

Развитие вычислительной техники, современного языка программирования, инструментов визуализации и графики оказали огромное влияние на эволюцию технологии моделирования.

Основные вехи истории

1943 г. – ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер) был первым устройством для создания цифровых машин, которое тайно началось в Школе электротехники Мура Пенсильванского университета. Его основной целью был расчет баллистической траектории [1];

1945 – Джон фон Нейман разработал алгоритм сортировки слиянием, который был интегрирован с одной из первых программ компьютерного моделирования, работающей на DVAC (электронный автоматический компьютер с дискретными переменными) [2];

1952 – Джон Маклеод, пионер современного моделирования, основал первый Совет по моделированию, известный сегодня как Общество компьютерного моделирования (SCS) [3];

1961 — IBM представила Norden (компания по проектированию систем) «Симулятор Гордона», который включал в себя инструмент, используемый для разработки системы распространения информации о погоде для авиации общего назначения [4];

1964 г. — компания CACI Products выпустила SIMSCRIPT, мощный язык моделирования в свободной форме, предназначенный для упрощения написания программ для имитационных моделей, особенно используемых при моделировании запасов [3];

1967 — Норвежский компьютерный центр разработал язык Simula67 [3];

1967 — Язык непрерывного системного моделирования (CSSL) был разработан Обществом компьютерного моделирования [3];

1979 – Алан Прицкер разработал первую версию SLAM, языка компьютерного моделирования на основе FORTRAN;

1998 – Micro Saint версии 2.0 для Windows 95 обеспечивает автоматический сбор данных, оптимизацию и новый интерфейс Windows без каких-либо требований к языку программирования;

2008 – НАСА выпустило Стандарт разработки моделей и симуляций;

2012 — Барна Сабо и Рикардо Актис представили управление моделированием как техническое требование к механическому проектированию [5];

2013 г. — SimScale официально выпустила первую и единственную в мире платформу инженерного моделирования, полностью основанную на веб-интерфейсе [6];

Что сегодня предлагают технологии компьютерного моделирования?

Сегодняшние современные версии технологии моделирования регулярно предоставляют набор функций:

• Среда с уникальной структурой, позволяющая создавать модели с функцией быстрой настройки геометрии.
• Автоматическое создание деталей, интерфейсы Windows и всплывающие меню.
• Простой и быстрый в использовании, с меньшим риском ошибок.
• Встроенные схемы и шаблоны обработки материалов.
• Дизайн продукта проверяется и тестируется быстрее, предлагая альтернативные 3D-представления
• 3D-графика создается автоматически, когда пользователь вводит данные.
• Результаты моделирования можно мгновенно просмотреть в 3D-анимации [3].

Технология моделирования в реальном времени сегодня используется в различных промышленных приложениях в области производства, энергетических и энергетических систем, промышленного оборудования, клапанов, насосов, автомобильных и авиационных двигателей. Основными задачами промышленного моделирования являются интеграция цифровых моделей, сокращение времени выхода на рынок, вычислительная мощность, энергоэффективность и связанное с этим снижение затрат.

Первым шагом к упрощению процесса моделирования стало отделение от традиционно разработанных приложений, достигнутое за счет универсального распознавания основных файлов проекта со стандартными расширениями. Это обеспечило полную независимость между проектированием продукта и процессом моделирования.

Миграция программного обеспечения для компьютерного моделирования в облако оказала огромное влияние на снижение стоимости продукта, повышение качества и выход на рынок. Все основные поставщики CAE начали предлагать услуги, альтернативные традиционному локальному программному обеспечению для моделирования, но не охватывающие все преимущества, которые может предложить облако.

Что дальше в инженерном моделировании?

Некоторые тенденции отраслевого анализа были выявлены на последнем Всемирном конгрессе NAFEMS (Международная ассоциация инженерного моделирования, анализа и моделирования, созданная в 1983 г.)[6].

• Рабочий процесс, ориентированный на дизайн, уже используется в цифровых отраслевых моделях.
• Простота использования и/или удобство использования: приложения должны быть удобными для большого числа пользователей.
• Анализ и моделирование САПР как часть современных цифровых процессов
• Влияние Интернета, облака и мобильных устройств — открытие доступа и средств связи.
• Сбор и повторное использование знаний за счет внедрения моделей обработки цифровых данных.
• Системный подход к объединению разнородных моделей — мультифизическое моделирование
• Скорость и точность модели – улучшены благодаря безграничной вычислительной мощности облака.
• Непривлекательные технические проблемы — ограничение доступа к знаниям.
• Изменения в моделях лицензирования — из-за существенных различий, предлагаемых моделями облачной подписки «Программное обеспечение как услуга» (SaaS).
• Наномоделирование — анализ методом конечных элементов и моделирование на наноуровне открывают широкие возможности для применения в области биологической инженерии.

Эти тенденции связаны с крупной инициативой по расширению использования и преимуществ инженерного моделирования для более широких категорий пользователей: «Цель состоит в том, чтобы получить больше преимуществ и роста программного обеспечения CAE с учетом бизнес-факторов, которые подталкивают к необходимости большего количества инноваций и творческая конкурентоспособность», — говорит Джо Уолш, генеральный директор IntrinSIM [6].

«Следующее» уже здесь, с надежными альтернативами

Благодаря своей веб-платформе инженерного моделирования SimScale предлагает реальные ответы на все три основных препятствия в процессе демократизации автоматизированного проектирования (CAE). SimScale создала совершенно новый подход к использованию технологии CAE, сделав ее доступной, экономичной, простой в освоении и использовании.

Доступность — любой пользователь имеет доступ к необходимой мощной технологии компьютерного моделирования, работающей в простом веб-браузере, без какого-либо дополнительного оборудования, программного обеспечения или ресурсов обслуживания;

Экономичность — используя SimScale, пользователи платят только за то, что используют, добиваясь наилучшего соотношения цены и производительности в процессе разработки;

Дэвид Хейни, управляющий директор SimScale

Преодолевая барьеры знаний — любая операция SimScale проста в освоении и использовании. «С SimScale у нас сложилась уникальная ситуация: впервые в истории программного обеспечения для моделирования сама функциональность, люди, контент и ноу-хау собраны в одном месте, на одной платформе, которая в конечном итоге может помочь всем быстрее освоить моделирование и применять его более эффективно», — сказал Дэвид Хейни, управляющий директор и соучредитель SimScale, в интервью журналу DEVELOP3D LIVE.

Генеральный директор SimScale Дэвид Хейни тестирует возможности платформы для решения реальной инженерной задачи. Заполните форму и посмотрите этот бесплатный вебинар, чтобы узнать больше!

Читайте также:

  
• Oracle soa Suite что это такое
  
• Не удалось загрузить модуль winprint dll
  
• Что такое программа для чтения с экрана
  
• Kaspersky продолжает блокировать мой телефон
  
• Кнопка Esc не работает на ноутбуке, как переназначить