Na oživenie nového vývoja dizajnu, zavedenie nových technických riešení do výroby alebo testovanie nových myšlienok je potrebný experiment. V nedávnej minulosti mohol byť taký experiment vykonaný buď v laboratórnych podmienkach na špeciálne vytvorených inštaláciách, alebo na mieste, to znamená na skutočnej vzorke výrobku, ktorá bola podrobená všetkým druhom testov. Na štúdium napríklad prevádzkových vlastností akejkoľvek jednotky alebo jednotky bola umiestnená do termostatu, zmrazená v špeciálnych komorách, trepaná na vibračných stojanoch, spadnutá atď. Je dobré, ak ide o nové hodinky alebo vysávač ~ je malá strata pri zničení. A ak lietadlo alebo raketa?
Laboratórne a terénne experimenty vyžadujú veľké materiálové náklady a čas, ale ich dôležitosť je napriek tomu veľmi veľká.
Už bolo povedané, že v prvej fáze sú pri analýze pôvodného objektu identifikované elementárne objekty, ktoré by v procese modelovania mali byť podrobené rôznym experimentom. Ak sa vrátime k príkladu s lietadlom, potom na experimenty s uzlami a systémami, ako sa hovorí, sú všetky prostriedky dobré. Na kontrolu zefektívnenia trupu sa používa aerodynamický tunel a modely krídel a trupu v plnom rozsahu, na simuláciu napájacích a protipožiarnych systémov bez úrazov je možné použiť rôzne simulačné modely a na testovanie je nevyhnutný špeciálny stojan. výfukový systém podvozku.
S rozvojom počítačovej technológie sa objavila nová unikátna metóda výskumu - počítačový experiment. Na pomoc a niekedy aj na nahradenie experimentálnych modelov a testovacích lavíc v mnohých prípadoch prišli počítačové štúdie modelov. Fáza vykonávania počítačového experimentu zahŕňa dve fázy: vypracovanie plánu modelovania a technológiu modelovania.
Simulačný plán by mala jasne odrážať postupnosť práce s modelom.
Plán sa často zobrazuje ako postupnosť očíslovaných odsekov opisujúcich činnosti, ktoré musí výskumný pracovník vykonať s počítačovým modelom. Tu nie je potrebné špecifikovať, ktoré softvérové nástroje by sa mali používať. Podrobný plán je akýmsi odrazom stratégie počítačového experimentu.
Prvým krokom v tomto pláne je vždy testovanie návrhu a potom testovanie modelu.
Testovanie je proces overovania správnosti modelu.
Test je súbor počiatočných údajov, pre ktoré je výsledok vopred známy.
Aby sme si boli istí správnosťou získaných výsledkov simulácie, je potrebné najskôr vykonať počítačový experiment na modeli pre zostavený test. Pri tom by ste mali pamätať na nasledujúce:
Po prvé, test by mal byť vždy zameraný na kontrolu vyvinutého algoritmu fungovania počítačového modelu. Test neodráža jeho sémantický obsah. Výsledky získané v procese testovania vám však môžu poskytnúť predstavu o zmene počiatočného informačného alebo znakového modelu, kde je v prvom rade položený sémantický obsah vyhlásenia o probléme.
Za druhé, počiatočné údaje v teste nemusia vôbec odrážať skutočnú situáciu. Môže to byť akákoľvek zbierka jednoduchých čísel alebo symbolov. Je dôležité, aby ste mohli vopred poznať očakávaný výsledok pre konkrétnu verziu počiatočných údajov. Model je napríklad prezentovaný vo forme komplexných matematických vzťahov. Musíme to otestovať. Vyberiete niekoľko možností pre najjednoduchšie hodnoty počiatočných údajov a vopred vypočítate konečnú odpoveď, to znamená, že poznáte očakávaný výsledok. Ďalej vykonáte počítačový experiment s týmito počiatočnými údajmi a porovnáte výsledok s očakávaným. Musia sa zhodovať. Ak sa nezhodujú, musíte hľadať príčinu a odstrániť ju.
Po testovaní, keď máte dôveru v správne fungovanie modelu, prejdete priamo na technológia modelovania.
Technológia modelovania je súbor účelových akcií používateľa nad počítačovým modelom.
Každý experiment by mal sprevádzať pochopenie výsledkov, ktoré bude tvoriť základ pre analýzu výsledkov simulácie.
Metóda na štúdium určitého javu za podmienok kontrolovaných pozorovateľom. [ ]. Líši sa od pozorovania aktívnou interakciou so skúmaným objektom. Experiment sa zvyčajne vykonáva ako súčasť vedeckej štúdie a slúži na testovanie hypotézy a stanovenie príčinných vzťahov medzi javmi. Experiment je základným kameňom empirického prístupu k poznaniu. Popperovo kritérium uvádza možnosť vytvorenia experimentu ako hlavný rozdiel medzi vedeckou teóriou a pseudovedeckou.
Zvláštnosti:
- samotný výskumník spôsobuje skúmaný jav a nečaká, kým sa stane;
- môže zmeniť podmienky študovaného procesu;
- v experimente môžete striedavo vylúčiť jednotlivé podmienky, aby ste vytvorili pravidelné spojenia;
- experiment umožňuje meniť kvantitatívny pomer podmienok a vykonávať matematické spracovanie údajov.
Experimentálne modely
Existuje niekoľko modelov experimentov [ ] :
Psychologický experiment
Psychologický experiment je experiment vedený v špeciálnych podmienkach s cieľom získať nové vedecké poznatky cieľavedomým zásahom bádateľa do života subjektu.
Myšlienkový experiment
Myšlienkový experiment vo filozofii, fyzike a niektorých ďalších oblastiach znalostí je typom kognitívnej činnosti, pri ktorej sa štruktúra skutočného experimentu reprodukuje v predstavách. Myšlienkový experiment sa spravidla vykonáva v rámci určitého modelu (teórie), aby sa skontrolovala jeho konzistencia. Pri vedení myšlienkového experimentu sú rozpory vnútorných postulátov modelu alebo ich nezlučiteľnosť s vonkajšími (vo vzťahu k tomuto modelu) princípmi, ktoré sa považujú za bezpodmienečne pravdivé (napríklad so zákonom zachovania energie, princípom kauzality (atď.) môžu byť odhalené.
Kritický experiment
Kritický experiment je experiment, ktorého výsledok jednoznačne určuje, či je konkrétna teória alebo hypotéza správna. Tento experiment by mal poskytnúť predvídateľný výsledok, ktorý nemožno odvodiť z iných všeobecne uznávaných hypotéz a teórií, z ktorých niektoré môžu súvisieť s líčením.
Pilotný experiment
Pilotný experiment je pilotná experimentálna štúdia, v ktorej sa testuje hlavná hypotéza, prístupy k výskumu, plán, kontroluje sa použiteľnosť použitých metód a špecifikujú sa technické aspekty experimentálnych postupov. Vykonáva sa na malej vzorke bez prísnej kontroly premenných. Pilotný experiment umožňuje odstrániť hrubé chyby pri formulácii hypotézy, špecifikovať cieľ, objasniť experimentálny postup a posúdiť možnosť získania experimentálneho účinku.
Pomocné metódy
- testovanie
- analýza produktov činnosti
- matematické štatistiky
L. V. Pigalitsyn,
, www.levpi.narod.ru, stredná škola MOU č. 2, Dzeržinsk, región Nižný Novgorod.
Experiment z počítačovej fyziky
4. Výpočtový počítačový experiment
Výpočtový experiment sa otáča
do nezávislej oblasti vedy.
R. G. Efremov, doktor fyzikálnych a matematických vied
Výpočetný počítačový experiment je v mnohých ohľadoch podobný tomu obvyklému (v plnom rozsahu). To zahŕňa plánovanie experimentov, vytváranie experimentálneho nastavenia, vykonávanie kontrolných testov, vykonávanie série experimentov, spracovanie experimentálnych údajov, ich interpretáciu atď. Neuskutočňuje sa však nad skutočným objektom, ale cez jeho matematický model; úlohu experimentálneho nastavenia zohráva počítač vybavený špeciálnym programom.
Výpočtový experiment je stále populárnejší. Pôsobia v mnohých ústavoch a univerzitách, napríklad na Moskovskej štátnej univerzite. MV Lomonosov, Moskovská štátna pedagogická univerzita, Cytologický a genetický ústav SB RAS, Ústav molekulárnej biológie Ruskej akadémie vied atď. Vedci už môžu získať dôležité vedecké výsledky bez skutočného „mokrého“ experimentu. Na to nie je len výkon počítača, ale aj potrebné algoritmy, a čo je najdôležitejšie - porozumenie. Ak sa kedysi delili - in vivo, in vitro, - teraz viac v silikóne... V skutočnosti sa výpočtový experiment stáva nezávislou oblasťou vedy.
Výhody takéhoto experimentu sú zrejmé. Obvykle je to lacnejšie ako prírodné. Do toho sa dá ľahko a bezpečne zasahovať. Kedykoľvek sa to môže opakovať a prerušiť. Počas tohto experimentu môžete simulovať podmienky, ktoré nie je možné vytvoriť v laboratóriu. Je však dôležité mať na pamäti, že výpočtový experiment nemôže úplne nahradiť prirodzený experiment a budúcnosť spočíva v ich rozumnej kombinácii. Výpočtový počítačový experiment slúži ako most medzi experimentom v plnom rozsahu a teoretickými modelmi. Východiskovým bodom pre numerické modelovanie je vývoj idealizovaného modelu uvažovaného fyzického systému.
Uvažujme o niekoľkých príkladoch experimentu z výpočtovej fyziky.
Moment zotrvačnosti. V „Otvorenej fyzike“ (2.6, časť 1) je zaujímavý výpočtový experiment na nájdenie momentu zotrvačnosti tuhého telesa na príklade systému pozostávajúceho zo štyroch guľôčok navlečených na jeden lúč. Môžete zmeniť polohu týchto guličiek na lúči a tiež zvoliť polohu osi otáčania tak, aby prechádzala stredom lúča aj cez jeho konce. Pre každé umiestnenie loptičiek študenti pomocou Steinerovej vety o paralelnom prenose osi otáčania vypočítajú hodnotu momentu zotrvačnosti. Údaje pre výpočty poskytuje učiteľ. Po výpočte momentu zotrvačnosti sa údaje vložia do programu a skontrolujú sa výsledky, ktoré študenti získali.
"Čierna krabica". Na implementáciu výpočtového experimentu sme so svojimi študentmi vytvorili niekoľko programov na štúdium obsahu elektrickej „čiernej skrinky“. Môže obsahovať odpory, žiarovky, diódy, kondenzátory, cievky atď.
Ukazuje sa, že v niektorých prípadoch je možné bez otvorenia „čiernej skrinky“ zistiť jeho obsah pripojením rôznych zariadení k vstupu a výstupu. Samozrejme, na úrovni školy sa to dá urobiť pre jednoduchú troj- alebo štvorportovú sieť. Takéto úlohy rozvíjajú predstavivosť, priestorové myslenie a kreativitu študentov, nehovoriac o potrebe mať hlboké a trvalé znalosti na ich riešenie. Preto nie je náhoda, že na mnohých celoeurópskych a medzinárodných olympiádach vo fyzike je štúdium „čiernych skriniek“ z mechaniky, tepla, elektriny a optiky navrhnuté ako experimentálne problémy.
Na hodinách špeciálneho kurzu vediem tri skutočné laboratórne práce v „čiernej skrinke“:
- iba odpory;
- odpory, žiarovky a diódy;
- odpory, kondenzátory, cievky, transformátory a oscilačné obvody.
Štrukturálne sú „čierne skrinky“ usporiadané v prázdnych škatuliach. Vnútri škatule je elektrický obvod a samotná krabica je zapečatená páskou. Výskum sa vykonáva pomocou nástrojov - avometrov, generátorov, osciloskopov atď. na to je potrebné vybudovať charakteristiku I - V a frekvenčnú charakteristiku. Študenti zadávajú hodnoty prístrojov do počítača, ktorý spracuje výsledky a zostaví charakteristiku I - V a AFC. To umožňuje študentom zistiť, ktoré časti sú v „čiernej skrinke“, a určiť ich parametre.
Pri vykonávaní frontálnej laboratórnej práce s „čiernymi skrinkami“ dochádza k ťažkostiam kvôli nedostatku nástrojov a laboratórneho vybavenia. Na uskutočnenie výskumu je skutočne potrebné mať povedzme 15 osciloskopov, 15 generátorov zvuku atď. 15 sád drahého vybavenia, ktoré väčšina škôl nemá. A tu prichádzajú na pomoc virtuálne „čierne skrinky“ - zodpovedajúce počítačové programy.
Výhodou týchto programov je, že výskum môže vykonávať súčasne celá trieda. Ako príklad uveďme program, ktorý implementuje „čierne skrinky“ obsahujúce iba odpory pomocou generátora náhodných čísel. Na ľavej strane pracovnej plochy je „čierna skrinka“. Má elektrický obvod pozostávajúci iba z odporov, ktoré môžu byť umiestnené medzi bodmi A, B, C. a D.
Študent má k dispozícii tri zariadenia: zdroj energie (jeho vnútorný odpor sa na zjednodušenie výpočtov berie ako nula a EMF program náhodne generuje); voltmetr (vnútorný odpor sa rovná nekonečnu); ampérmeter (vnútorný odpor je nulový).
Keď spustíte program vo vnútri „čiernej skrinky“, náhodne sa vygeneruje elektrický obvod obsahujúci 1 až 4 odpory. Študent môže urobiť štyri pokusy. Po stlačení ľubovoľného klávesu sa mu ponúkne pripojiť akékoľvek z ponúkaných zariadení v ľubovoľnom poradí k svorkám „čiernej skrinky“. Napríklad sa pripojil k terminálom AB prúdový zdroj s EMF = 3 V (hodnota EMF je programom generovaná náhodne, v tomto prípade sa ukázalo, že je 3 V). K terminálom CD Pripojil som voltmetr a jeho hodnoty boli 2,5 V. Z toho by sa malo vyvodiť, že v „čiernej skrinke“ je aspoň delič napätia. Ak chcete pokračovať v experimente, namiesto voltmetra môžete pripojiť ampérmeter a odčítať údaje. Tieto údaje zjavne nestačia na vyriešenie záhady. Preto je možné vykonať ďalšie dva experimenty: zdroj prúdu je pripojený k svorkám CD, a voltmetr a ampérmeter - na svorky AB... Údaje získané v tomto prípade už budú celkom postačovať na rozuzlenie obsahu „čiernej skrinky“. Žiak nakreslí diagram na papier, vypočíta parametre odporov a výsledky ukáže učiteľovi.
Učiteľ po skontrolovaní práce zadá do programu príslušný kód a obvod vo vnútri tejto „čiernej skrinky“ a parametre odporov sa objavia na ploche.
Program napísali moji študenti v ZÁKLADNOM jazyku. Spustiť to Windows XP alebo v Windows Vista môžete použiť program emulátora DOS, napríklad, DosBox... Môžete si ho stiahnuť z mojej webovej stránky www.physics-computer.by.ru.
Ak sú vo „čiernej skrinke“ nelineárne prvky (žiarovky, diódy atď.), Okrem priamych meraní budete musieť vziať aj charakteristiku I - V. Na tento účel je potrebné mať zdroj prúdu, napätie, na ktorého výstupoch je možné napätie meniť od 0 do určitej hodnoty.
Na štúdium indukčností a kapacít je potrebné odstrániť frekvenčnú odozvu pomocou virtuálneho generátora zvuku a osciloskopu.
Volič rýchlosti. Uvažujme o inom programe z Otvorenej fyziky (2.6, časť 2), ktorý nám umožňuje vykonať výpočtový experiment s voličom rýchlosti v hmotnostnom spektrometri. Na stanovenie hmotnosti častice pomocou hmotnostného spektrometra je potrebné vykonať predbežný výber nabitých častíc z hľadiska rýchlostí. K tomuto cieľu slúžia tzv volič rýchlosti.
V najjednoduchšom voliči rýchlosti sa nabité častice pohybujú v krížených rovnomerných elektrických a magnetických poliach. Medzi doskami plochého kondenzátora sa vytvorí elektrické pole, v medzere elektromagnetu sa vytvorí magnetické pole. štartovacia rýchlosť υ nabité častice sú nasmerované kolmo na vektory E a V. .
Na nabitú časticu pôsobia dve sily: elektrická sila q E a Lorentzova magnetická sila q υ × B ... Za určitých podmienok sa tieto sily môžu navzájom presne vyvážiť. V tomto prípade sa nabitá častica bude pohybovať rovnomerne a priamočiaro. Častica po prelete kondenzátorom prejde malým otvorom na obrazovke.
Podmienka priamej trajektórie častice nezávisí od náboja a hmotnosti častice, ale závisí iba od jej rýchlosti: qE = qυB→υ = E / B.
V počítačovom modeli môžete zmeniť hodnoty sily elektrického poľa E, magnetickej indukcie B a počiatočnú rýchlosť častíc υ ... Experimenty s výberom rýchlosti je možné vykonať na atómoch elektrónu, protónu, alfa častíc a plne ionizovaného uránu-235 a uránu-238. Výpočtový experiment v tomto počítačovom modeli prebieha nasledovne: študentom je povedané, ktorá nabitá častica letí do voliča rýchlosti, sily elektrického poľa a počiatočnej rýchlosti častice. Študenti vypočítajú magnetickú indukciu pomocou vyššie uvedených vzorcov. Potom sa údaje vložia do programu a sleduje sa let častíc. Ak častica letí horizontálne vo vnútri voliča rýchlosti, potom sú výpočty vykonané správne.
Zložitejšie výpočtové experimenty je možné vykonať pomocou bezplatného balíka „MODEL VISION for WINDOWS“. Plastový sáčok ModelVisionStudium (MVS) je integrovaný grafický shell na rýchle vytváranie interaktívnych vizuálnych modelov komplexných dynamických systémov a vykonávanie výpočtových experimentov s nimi. Balíček vyvinula výskumná skupina „Experimentálne objektové technológie“ na Katedre „distribuovaných počítačových a počítačových sietí“ Fakulty technickej kybernetiky Štátnej technickej univerzity v Petrohrade. Bezplatná redistribuovateľná verzia balíka MVS 3.0 je dostupný na webovej stránke www.exponenta.ru. Technológia simulácie prostredia MVS je založená na koncepte virtuálnej laboratórnej lavice. Na stojan užívateľ položí virtuálne bloky simulovaného systému. Virtuálne bloky pre model sú buď vybrané z knižnice, alebo ich znova vytvorí používateľ. Plastový sáčok MVS je navrhnutý tak, aby automatizoval hlavné fázy výpočtového experimentu: zostavenie matematického modelu skúmaného objektu, vygenerovanie softvérovej implementácie modelu, štúdium vlastností modelu a prezentovanie výsledkov vo forme vhodnej na analýzu. Skúmaný objekt môže patriť do triedy spojitých, diskrétnych alebo hybridných systémov. Tento balík je najvhodnejší na štúdium komplexných fyzikálnych a technických systémov.
Ako príklad zvážte pomerne populárny problém. Hmotný bod nech je vrhnutý pod určitým uhlom k horizontálnej rovine a absolútne elasticky na ňu narazí. Tento model sa stal takmer povinným v demo súprave balíkov simulácie vzoriek. Skutočne sa jedná o typický hybridný systém s kontinuálnym správaním (let v gravitačnom poli) a diskrétnymi udalosťami (odrazy). Tento príklad tiež ilustruje objektovo orientovaný prístup k modelovaniu: lopta letiaca v atmosfére je potomkom lopty letiacej v bezvzduchovom priestore a automaticky zdedí všetky spoločné črty, pričom pridáva svoje vlastné charakteristiky.
Posledná, konečná, z užívateľského hľadiska, etapa modelovania je etapa opisu formy prezentácie výsledkov výpočtového experimentu. Môžu to byť tabuľky, grafy, povrchy a dokonca aj animácie, ktoré ilustrujú výsledky v reálnom čase. Užívateľ tak skutočne sleduje dynamiku systému. Body vo fázovom priestore sa môžu pohybovať, konštrukčné prvky nakreslené užívateľom, farebná škála sa môže meniť a používateľ môže na obrazovke sledovať napríklad procesy zahrievania alebo chladenia. Vo vytvorených softvérových balíkoch na implementáciu modelu môžu byť k dispozícii špeciálne okná, ktoré v priebehu výpočtového experimentu umožňujú meniť hodnoty parametrov a okamžite vidieť dôsledky zmien.
Veľa práce na vizuálnom modelovaní fyzikálnych procesov v MVS koná na Moskovskej štátnej pedagogickej univerzite. Tam bolo vyvinutých množstvo virtuálnych prác o kurze všeobecnej fyziky, ktoré môžu byť spojené so skutočnými experimentálnymi inštaláciami, čo vám umožňuje súčasne na displeji v reálnom čase sledovať zmenu parametrov skutočného fyzikálneho procesu a parametrov svojho modelu, čo jasne ukazuje jeho primeranosť. Ako príklad uvádzam sedem laboratórnych prác z mechaniky z laboratórnej dielne internetového portálu otvoreného vzdelávania, čo zodpovedá existujúcim štátnym vzdelávacím štandardom pre odbor „učiteľ fyziky“: štúdium priamočiareho pohybu pomocou stroja Atwood; meranie rýchlosti strely; pridanie harmonických vibrácií; meranie momentu zotrvačnosti kolesa bicykla; štúdium rotačného pohybu tuhého telesa; stanovenie gravitačného zrýchlenia pomocou fyzikálneho kyvadla; štúdium voľných vibrácií fyzického kyvadla.
Prvých šesť je virtuálnych a simulovaných na PC v ModelVisionStudium zadarmo, a ten má virtuálnu aj dve skutočné verzie. V jednom, určenom na dištančné vzdelávanie, musí študent nezávisle vyrobiť kyvadlo z veľkej kancelárskej sponky a gumy a zavesením pod hriadeľ počítačovej myši bez gule získať kyvadlo, z ktorého sa odčíta uhol vychýlenia. špeciálnym programom a študent by ich mal použiť pri spracovaní výsledkov experimentu. Tento prístup umožňuje, aby niektoré zručnosti potrebné pre experimentálnu prácu boli vypracované iba na počítači PC a ostatné - pri práci s dostupnými skutočnými zariadeniami a so vzdialeným prístupom k vybaveniu. V ďalšej verzii, určenej na domácu prípravu študentov denného štúdia na vykonávanie laboratórnych prác v dielni Katedry všeobecnej a experimentálnej fyziky Fyzikálnej fakulty Moskovskej štátnej pedagogickej univerzity, si študent osvojuje schopnosti práce s experimentálnou inštaláciou na virtuálnom modeli a v laboratóriu súčasne experimentuje na konkrétnej skutočnej inštalácii a s jej virtuálnym modelom. Zároveň používa ako tradičné meracie prístroje vo forme optickej stupnice a stopiek, tak aj presnejšie a rýchlejšie pôsobiace prostriedky - pohybový senzor na báze optickej myši a počítačový časovač. Súčasné porovnanie všetkých troch zobrazení (tradičných, upresnených pomocou elektronických senzorov pripojených k počítaču a modelu) toho istého javu nám umožňuje dospieť k záveru o hraniciach primeranosti modelu, keď údaje počítačovej simulácie po chvíli sa začínajú stále viac líšiť od čítaní. natočených na skutočnej inštalácii.
Vyššie uvedené nevyčerpáva možnosti použitia počítača vo fyzickom výpočtovom experimente. Pre kreatívne pracujúceho učiteľa a jeho študentov teda vždy budú existovať nevyužité príležitosti v oblasti virtuálnych a skutočných fyzických experimentov.
Ak máte akékoľvek pripomienky a návrhy k rôznym typom fyzických počítačových experimentov, napíšte mi na adresu:
Počítačové modelovanie - základ pre reprezentáciu znalostí v počítači. Na vytváranie nových informácií používa počítačové modelovanie všetky informácie, ktoré je možné aktualizovať pomocou počítača. Pokrok modelovania je spojený s vývojom počítačových modelovacích systémov a pokrok v informačných technológiách - s aktualizáciou skúseností s modelovaním na počítači, s vytváraním bánk modelov, metód a softvérových systémov, ktoré umožňujú zbieranie nových modelov od bankové modely.
Druh počítačového modelovania je výpočtový experiment, to znamená experiment vykonaný experimentátorom na skúmanom systéme alebo procese pomocou experimentálneho nástroja - počítača, počítačového prostredia, technológie.
Výpočtový experiment sa stáva novým nástrojom, metódou vedeckých poznatkov, novou technológiou aj kvôli rastúcej potrebe prejsť od štúdia lineárnych matematických modelov systémov (pre ktoré sú metódy výskumu a teória dobre známe alebo vyvinuté) k štúdium komplexných a nelineárnych matematických modelov systémov (ktorých analýza je oveľa ťažšia). Zhruba povedané, naše znalosti o svete okolo nás sú lineárne a procesy vo vonkajšom svete sú nelineárne.
Výpočtový experiment vám umožňuje nájsť nové vzorce, testovať hypotézy, vizualizovať priebeh udalostí atď.
Na oživenie nového vývoja dizajnu, zavedenie nových technických riešení do výroby alebo testovanie nových myšlienok je potrebný experiment. V nie príliš dávnej minulosti mohol byť takýto experiment vykonaný buď v laboratórnych podmienkach na špeciálne vytvorených zariadeniach, alebo v prírode, to znamená na skutočnej vzorke výrobku, ktorá bola podrobená všetkým druhom testov.
S rozvojom počítačovej technológie sa objavila nová unikátna metóda výskumu - počítačový experiment. Počítačový experiment zahŕňa určitú postupnosť práce s modelom, súbor účelových akcií používateľa nad počítačovým modelom.
Fáza 4. Analýza výsledkov simulácie.
Konečný cieľ modelovanie - rozhodnutie, ktoré by malo byť vyvinuté na základe komplexnej analýzy výsledkov. Táto fáza je zásadná - buď pokračujete vo výskume, alebo skončíte. Možno poznáte očakávaný výsledok, potom musíte porovnať prijaté a očakávané výsledky. V prípade zhody sa môžete rozhodnúť.
Výsledky testovania a experimentov sú základom pre vývoj riešenia. Ak výsledky nezodpovedajú cieľom úlohy, v predchádzajúcich fázach sa urobili chyby. Môže ísť buď o príliš zjednodušenú konštrukciu informačného modelu, alebo o neúspešný výber metódy alebo prostredia na modelovanie, alebo o porušenie technologických techník pri vytváraní modelu. Ak sú identifikované takéto chyby, je to potrebné korekcia modelu , t.j. vráťte sa k jednej z predchádzajúcich fáz. Proces opakuje kým výsledky experimentu nezareagujú Ciele modelovanie. Hlavnou vecou je vždy mať na pamäti, že výsledkom je aj zistená chyba. Ako hovorí ľudová múdrosť, učia sa na chybách.
Simulačné programy
ANSYS- univerzálny softvérový systém konečných prvkov ( FEM), ktorá existuje a vyvíja sa za posledných 30 rokov, je medzi odborníkmi v oblasti počítačového inžinierstva veľmi populárna ( CAE(Počítačové inžinierstvo) a FE riešenia lineárnych a nelineárnych, stacionárnych a nestacionárnych priestorových problémov mechaniky telesa a štruktúrnej mechaniky (vrátane nestacionárnych geometricky a fyzikálne nelineárnych problémov kontaktnej interakcie štruktúrnych prvkov), problémov mechaniky tekutín a plynov, prenosu tepla a prenos tepla, elektrodynamika, akustika, ako aj mechanika spojených polí. Simulácia a analýza v niektorých odvetviach zabraňuje nákladným a časovo náročným testovacím cyklom návrhu-zostavenia. Systém funguje na základe geometrického jadra Parasolid .
AnyLogic - softvér pre simulácia komplexné systémy a procesy vyvinutý Rusky od Ex J Technologies ( Angličtina XJ Technológie). Program má grafické užívateľské prostredie a umožňuje vám používať Jazyk Java pre vývoj modelov .
Modely AnyLogic môžu byť založené na ktorejkoľvek z hlavných simulačných paradigiem: simulácia diskrétnych udalostí, dynamika systému a modelovanie na báze agentov.
Dynamika systému a modelovanie pomocou diskrétnych udalostí (proces), ktorým rozumieme akýkoľvek vývoj myšlienok GPSS sú tradične zavedené prístupy, modelovanie na báze agentov je relatívne nové. Dynamika systému funguje hlavne s časovo spojitými procesmi, zatiaľ čo modelovanie na základe diskrétnych udalostí a agentov-s diskrétnymi.
Dynamika systému a modelovanie diskrétnych udalostí sa v histórii učili úplne odlišné skupiny študentov: manažment, inžinieri výroby a inžinieri návrhu riadiaceho systému. V dôsledku toho vznikli tri odlišné, prakticky neprekrývajúce sa komunity, ktoré medzi sebou takmer nekomunikujú.
Agentúrne modelovanie bolo donedávna striktne akademickým smerom. Rastúci dopyt po globálnej optimalizácii z podnikateľskej strany však prinútil popredných analytikov venovať pozornosť modelovaniu na báze agentov a jeho kombinácii s tradičnými prístupmi, aby získali komplexnejší obraz o interakcii komplexných procesov rôzneho charakteru. Tak sa zrodil dopyt po softvérových platformách, ktoré umožňujú integráciu rôznych prístupov.
Teraz sa pozrime na prístupy simulačného modelovania na stupnici úrovne abstrakcie. Dynamika systému, nahrádzajúca jednotlivé objekty ich agregátmi, predpokladá najvyššiu úroveň abstrakcie. Diskrétne modelovanie udalostí funguje v dolnom a strednom rozsahu. Pokiaľ ide o modelovanie na základe agentov, môže byť použité takmer na akejkoľvek úrovni a v akomkoľvek meradle. Agenti môžu zastupovať chodcov, autá alebo roboty vo fyzickom priestore, zákazníka alebo predajcu na strednej úrovni alebo konkurenčné spoločnosti na vysokej úrovni.
Pri vývoji modelov v AnyLogic môžete použiť koncepty a nástroje z niekoľkých modelovacích metód, napríklad v modeli založenom na agentoch môžete použiť metódy systémovej dynamiky na znázornenie zmien v stave prostredia alebo vziať do úvahy diskrétne udalosti v spojitom modeli. dynamického systému. Napríklad riadenie dodávateľského reťazca pomocou simulácie vyžaduje opis účastníkov v dodávateľskom reťazci agentmi: výrobcami, predajcami, spotrebiteľmi, sieťou skladov. V tomto prípade je výroba opísaná v rámci modelovania na základe diskrétnych udalostí (proces), kde produktom alebo jeho časťami sú aplikácie a automobily, vlaky a zakladače sú zdrojmi. Samotné dodávky sú reprezentované diskrétnymi udalosťami, ale dopyt po tovare je možné opísať kontinuálnym systémovo-dynamickým diagramom. Schopnosť kombinovať prístupy vám umožňuje popísať procesy v skutočnom živote, a nie prispôsobiť ich dostupnému matematickému aparátu.
LabVIEW (Angličtina Lab oratórium V. irtuálne Ja nstrumentácia E inžinierstvo W orkbench) je vývojové prostredie a plošina na vykonávanie programov vytvorených v grafickom programovacom jazyku „G“ spoločnosti Národné nástroje(USA). Prvá verzia LabVIEW bola vydaná v roku 1986 pre Apple Macintosh, v súčasnej dobe existujú verzie pre UNIX, GNU / Linux, Mac OS atď., a najrozvinutejšie a najobľúbenejšie sú verzie pre Microsoft Windows.
LabVIEW sa používa v systémoch získavania a spracovania údajov, ako aj na riadenie technických objektov a technologických procesov. Ideovo je LabVIEW veľmi blízko SCADA-systémy, ale na rozdiel od nich je viac zameraný na riešenie problémov nie tak v teréne APCS koľko v oblasti ASNI.
MATLAB(skratka pre Angličtina « Matica Laboratórne» ) je termín označujúci balík aplikovaných programov na riešenie problémov technických výpočtov, ako aj programovací jazyk použitý v tomto balíku. MATLAB zamestnáva viac ako 1 000 000 inžinierov a vedcov, funguje na väčšine moderných operačné systémy počítajúc do toho GNU / Linux, Mac OS, Solaris a Microsoft Windows .
Javor- softvérový balík, systém počítačovej algebry... Je to výrobok spoločnosti Waterloo Maple Inc. Rok 1984 uvádza na trh softwarové produkty zamerané na komplexné matematické výpočty, vizualizáciu údajov a modelovanie.
Systém Maple je navrhnutý tak, aby symbolický výpočet, aj keď má množstvo nástrojov na numerické riešenie diferenciálne rovnice a nachádzanie integrály... Disponuje pokročilými grafickými nástrojmi. Má svoje vlastné programovací jazyk podobajúci sa Pascal.
Mathematica - systém počítačovej algebry spoločnosť Wolfram Research... Obsahuje veľa funkcie pre analytické transformácie, ako aj pre numerické výpočty. Program navyše podporuje prácu s grafika a zvuk, vrátane konštrukcie dvoj- a trojrozmerných grafy funkcie, kresba ľubovoľná geometrických tvarov, import a export obraz a zvuk.
Prognostické nástroje- softvérové produkty, ktoré majú funkcie na výpočet prognóz. Prognózy- jeden z najdôležitejších typov ľudskej činnosti dneška. Už v dávnych dobách predpovede umožňovali ľuďom vypočítať obdobia sucha, dátumy zatmenia Slnka a Mesiaca a mnoho ďalších javov. S príchodom počítačovej technológie dostalo prognózovanie silný impulz pre rozvoj. Jednou z prvých aplikácií počítačov bolo vypočítať balistickú trajektóriu projektilov, to znamená v skutočnosti predpovedať bod dopadu projektilu na zem. Tento typ prognózy sa nazýva statický predpoveď. Existujú dve hlavné kategórie prognóz: statické a dynamické. Kľúčovým rozdielom je, že dynamické predpovede poskytujú informácie o správaní skúmaného objektu za významné časové obdobie. Statické predpovede zase odrážajú stav skúmaného objektu iba v jednom časovom okamihu a spravidla v takýchto predpovediach časový faktor, v ktorom sa objekt podrobuje zmenám, hrá bezvýznamnú úlohu. Dnes existuje veľké množstvo nástrojov, ktoré vám umožňujú vytvárať prognózy. Všetky z nich je možné klasifikovať podľa mnohých kritérií:
|
Názov nástroja |
Pôsobnosť |
Implementované modely |
Požadované školenie používateľov |
Pripravené na prevádzku |
|
Microsoft Excel , OpenOffice.org |
široké uplatnenie |
algoritmická, regresia |
základné znalosti zo štatistiky |
potrebné výrazné zlepšenie (implementácia modelov) |
|
Štatistiky , SPSS , E-pohľady |
výskum |
široký rozsah regresie, neurónová sieť |
balený výrobok |
|
|
Matlab |
výskum, vývoj aplikácií |
algoritmické, regresné, neurónové siete |
špeciálne matematické vzdelávanie |
potrebné programovanie |
|
SAP APO |
obchodné prognózy |
algoritmické |
nie sú potrebné žiadne hlboké znalosti | |
|
ForecastPro , Predpoveď X |
obchodné prognózy |
algoritmické |
nie sú potrebné žiadne hlboké znalosti |
balený výrobok |
|
Logickosť |
obchodné prognózy |
algoritmická, neurónová sieť |
nie sú potrebné žiadne hlboké znalosti |
je potrebná významná revízia (pre obchodné procesy) |
|
ForecastPro SDK |
obchodné prognózy |
algoritmické |
potrebná základná znalosť štatistiky |
potrebné programovanie (integrácia so softvérom) |
|
iLog , AnyLogic , Myslím , MatlabSimulink , GPSS |
vývoj aplikácií, modelovanie |
imitácia |
potrebné špeciálne matematické vzdelanie |
potrebné programovanie (pre špecifiká oblasti) |
SP LIRA- multifunkčný softvérový balík určený na navrhovanie a výpočet strojárskych a stavebných konštrukcií na rôzne účely. Výpočty v programe sa vykonávajú pre statické aj dynamické efekty. Základ pre výpočty je metóda konečných prvkov(FEM). Rôzne zásuvné moduly (procesory) vám umožňujú vyberať a kontrolovať sekcie oceľových a železobetónových konštrukcií, modelovať pôdu, počítať mosty a správanie budov počas inštalácie atď.
Vo vyššie uvedenej definícii má výraz „experiment“ dvojaký význam. Na jednej strane sa v počítačovom experimente, ako aj v skutočnom, skúmajú reakcie systému na určité zmeny parametrov alebo na vonkajšie vplyvy. Ako parametre sa často používa teplota, hustota a zloženie. A nárazy sa najčastejšie realizujú prostredníctvom mechanických, elektrických alebo magnetických polí. Jediným rozdielom je, že experimentátor sa zaoberá skutočným systémom, zatiaľ čo v počítačovom experimente sa zvažuje správanie matematického modelu skutočného objektu. Na druhej strane schopnosť získať rigorózne výsledky pre presne definované modely umožňuje použiť počítačový experiment ako nezávislý zdroj informácií na testovanie predpovedí analytických teórií, a preto v tejto funkcii výsledky simulácie hrajú úlohu rovnakého štandardu ako experimentálne údaje.
Zo všetkého, čo bolo povedané, je zrejmé, že existujú možnosti dvoch veľmi odlišných prístupov k vytvoreniu počítačového experimentu, čo je dané povahou riešeného problému, a tým určuje výber popisu modelu.
Po prvé, výpočty metódami MD alebo MC môžu sledovať čisto utilitárne ciele súvisiace s predpovedaním vlastností konkrétneho skutočného systému a ich porovnaním s fyzikálnym experimentom. V takom prípade môžete robiť zaujímavé predpovede a vykonávať výskum v extrémnych podmienkach, napríklad pri ultra vysokých tlakoch alebo teplotách, keď skutočný experiment z rôznych dôvodov nie je uskutočniteľný alebo vyžaduje príliš veľa nákladov na materiál. Počítačová simulácia je často jediným spôsobom, ako získať najpodrobnejšie („mikroskopické“) informácie o správaní komplexného molekulárneho systému. Zvlášť jasne to ukazujú numerické experimenty dynamického typu s rôznymi biosystémami: globulárne proteíny v pôvodnom stave, fragmenty DNA a RNA. , lipidové membrány. Získané údaje si v mnohých prípadoch vyžiadali revíziu alebo výraznú zmenu predtým existujúcich predstáv o štruktúre a fungovaní týchto objektov. Malo by sa pamätať na to, že keďže pri takýchto výpočtoch sa používajú rôzne druhy valenčných a nevalenčných potenciálov, ktoré len približujú skutočné interakcie atómov, táto okolnosť v konečnom dôsledku určuje mieru korešpondencie medzi modelom a realitou. Spočiatku sa vykonáva riešenie inverzného problému, keď sa potenciály kalibrujú podľa dostupných experimentálnych údajov a až potom sa tieto potenciály použijú na získanie podrobnejších informácií o systéme. Niekedy je možné parametre interatomických interakcií v zásade nájsť z kvantovo -chemických výpočtov vykonaných pre jednoduchšie modelové zlúčeniny. Pri simulácii metódami MD alebo MC nie je molekula interpretovaná ako súbor elektrónov a jadier, ktoré sa riadia zákonmi kvantovej mechaniky, ale ako systém viazaných klasických častíc - atómov. Tento model sa nazýva mechanický model molekuly .
Cieľom iného prístupu k zriadeniu počítačového experimentu môže byť pochopenie všeobecných (univerzálnych alebo modelmi nemenných) vzorcov správania sa skúmaného systému, to znamená tých vzorcov, ktoré sú určené iba najtypickejšími vlastnosťami daného trieda predmetov, nie však podrobnosťami o chemickej štruktúre jednej zlúčeniny. To znamená, že v tomto prípade je počítačový experiment zameraný na vytváranie funkčných vzťahov, a nie na výpočet numerických parametrov. Táto ideológia je najzreteľnejšie prítomná v teórii škálovania polymérov. Z hľadiska tohto prístupu počítačové modelovanie funguje ako teoretický nástroj, ktorý vám predovšetkým umožňuje skontrolovať závery existujúcich analytických metód teórie alebo doplniť ich predpovede. Táto interakcia medzi analytickou teóriou a počítačovým experimentom môže byť veľmi plodná, ak je v oboch prístupoch možné použiť identické modely. Najvýraznejším príkladom tohto druhu generalizovaných modelov molekúl polyméru je tzv mriežkový model . Na jeho základe bolo vykonaných mnoho teoretických konštrukcií, ktoré sa týkali najmä riešenia klasického a v istom zmysle hlavného problému fyzikálnochemickej reakcie polymérov na vplyv objemových interakcií na konformáciu, a teda aj na vlastnosti flexibilného polymérneho reťazca. Hromadnými interakciami sa zvyčajne rozumejú odpudivé sily krátkeho dosahu, ktoré vznikajú medzi článkami vzdialenými pozdĺž reťazca, keď sa k sebe približujú v priestore v dôsledku náhodných ohybov makromolekuly. V modeli mriežky je skutočný reťazec považovaný za prerušenú trajektóriu, ktorá prechádza uzlami pravidelnej mriežky daného typu: kubická, tetrahedrálna atď. Obsadené miesta mriežky zodpovedajú polymérnym článkom (monomérom) a segmentom spájajúcim zodpovedajú chemickým väzbám v kostre makromolekúl. Zákaz vlastných priesečníkov trajektórie (alebo inými slovami nemožnosť súčasného vstupu dvoch alebo viacerých monomérov do jedného mriežkového miesta) simuluje hromadné interakcie (obr. 1). To znamená, že ak sa napríklad použije metóda MC a keď sa posunie náhodne vybraný odkaz, spadne do už obsadeného uzla, takáto nová konformácia sa zahodí a už sa nebude brať do úvahy pri výpočte zaujímavé systémové parametre. Rôzne usporiadania reťazcov na mriežke zodpovedajú konformáciám polymérneho reťazca. Priemerované sú požadované vlastnosti, napríklad vzdialenosť medzi koncami reťazca R.
Štúdia takého modelu umožňuje pochopiť, ako objemové interakcie ovplyvňujú závislosť efektívnej hodnoty
Existujú rôzne modifikácie modelov mriežky, napríklad tie, v ktorých dĺžky väzieb medzi článkami nemajú pevné hodnoty, ale môžu sa meniť v rámci určitého intervalu, čo zaručuje iba zákaz vlastných priesečníkov reťazca, takto rozšírený model s „kolísavými dlhopismi“ funguje. Všetky mriežkové modely však majú spoločné to, že sú diskrétne, to znamená, že počet možných konformácií takéhoto systému je vždy konečný (aj keď to môže byť astronomické aj pri relatívne malom počte článkov v reťazci). Všetky diskrétne modely majú veľmi vysokú výpočtovú účinnosť, ale spravidla ich možno skúmať iba metódou Monte Carlo.
V mnohých prípadoch sa používajú kontinuálne zovšeobecnené polymérne modely, ktoré sú schopné kontinuálne meniť konformáciu. Najjednoduchším príkladom je reťazec tvorený daným číslom N. pevné guľôčky spojené v sérii tuhými alebo elastickými väzbami. Takéto systémy je možné študovať tak metódou Monte Carlo, ako aj metódou molekulárnej dynamiky.
