الهندسة الحاسوبية

الهندسة الحاسوبية هي تخصص ناشئ يُعنى بتطوير وتطبيق النماذج الحاسوبية في الهندسة، والمعروفة بنماذج الهندسة الحاسوبية ^{[ 1 ]} أو CEM. تستخدم الهندسة الحاسوبية الحواسيب لحل مشكلات التصميم الهندسي المهمة لمختلف الصناعات. ^{[ 2 ]} حاليًا، تُجمع تحت مُصطلح الهندسة الحاسوبية مناهج مختلفة، بما في ذلك استخدام الهندسة الحاسوبية والتصميم الافتراضي في المهام الهندسية، ^{[ 3 ] [ 4 ]} وغالبًا ما تقترن هذه المناهج بنهج قائم على المحاكاة. ^{[ 5 ]} في الهندسة الحاسوبية، تحل الخوارزميات النماذج الرياضية والمنطقية ^{[ 6 ]} التي تصف التحديات الهندسية، وأحيانًا تقترن ببعض جوانب الذكاء الاصطناعي. ^{[ 7 ]}

في الهندسة الحاسوبية، يُشفّر المهندس معرفته في برنامج حاسوبي. والنتيجة هي خوارزمية ، تُعرف بنموذج الهندسة الحاسوبية، قادرة على إنتاج العديد من التصاميم الهندسية المختلفة، بناءً على متطلبات إدخال متنوعة. ويمكن بعد ذلك تحليل النتائج من خلال نماذج رياضية إضافية لإنشاء حلقات تغذية راجعة خوارزمية . ^{[ 8 ]}

تُستخدم محاكاة السلوكيات الفيزيائية ذات الصلة بالمجال، وغالبًا ما تقترن بالحوسبة عالية الأداء ، لحل المشكلات الفيزيائية المعقدة التي تنشأ في التحليل والتصميم الهندسي (وكذلك الظواهر الطبيعية ( علم الحوسبة )). ولذلك، فهي مرتبطة بعلم الحوسبة والهندسة ، الذي وُصف بأنه "النمط الثالث للاكتشاف" (إلى جانب النظرية والتجريب). ^{[ 9 ]}

في الهندسة الحاسوبية، توفر المحاكاة الحاسوبية القدرة على إنشاء تغذية راجعة لا يمكن الوصول إليها من خلال التجارب التقليدية أو عندما يكون إجراء التحقيقات التجريبية التقليدية مكلفًا للغاية.

لا ينبغي الخلط بين الهندسة الحسابية وعلوم الحاسوب البحتة ، ولا مع هندسة الحاسوب ، ^{[ 10 ]} على الرغم من استخدام مجال واسع في الأول في الهندسة الحسابية (على سبيل المثال، خوارزميات معينة، وهياكل البيانات، والبرمجة المتوازية، والحوسبة عالية الأداء) ويمكن نمذجة بعض المشكلات في الأخير وحلها باستخدام أساليب الهندسة الحسابية (كمجال تطبيق).

تشمل أساليب وأطر الهندسة الحاسوبية ما يلي:

• الحوسبة عالية الأداء والتقنيات اللازمة لتحقيق الكفاءة (من خلال تغيير بنية الحاسوب، والخوارزميات المتوازية، وما إلى ذلك).
• النمذجة والمحاكاة​
• خوارزميات لحل المسائل المنفصلة والمتصلة
• تحليل البيانات وتصويرها
• الأسس الرياضية: الجبر الخطي العددي والتطبيقي، مسائل القيم الابتدائية والحدية، تحليل فورييه، التحسين
• علم البيانات لتطوير أساليب وخوارزميات لمعالجة واستخلاص المعرفة من البيانات العلمية الضخمة

في مجال الحوسبة، تلعب برمجة الحاسوب والخوارزميات والحوسبة المتوازية دورًا محوريًا في الهندسة الحاسوبية. تُعد لغة فورتران (FORTRAN) لغة البرمجة الأكثر استخدامًا في الأوساط العلمية . ^{[ 11 ]} وقد ازدادت شعبية لغتي C++ وC مؤخرًا مقارنةً بفورتران. ونظرًا لغنى فورتران بالبرمجيات القديمة وبساطة تركيبها، كان تبني لغة C++ كلغة مشتركة في الأوساط العلمية بطيئًا. وبفضل سهولة التعبير عن العمليات الحسابية الرياضية، وقدراتها المدمجة في مجال التصور، تُستخدم لغة/بيئة ماتلاب (MATLAB) على نطاق واسع، لا سيما لتطوير التطبيقات بسرعة والتحقق من النماذج. وقد اكتسبت لغة بايثون، إلى جانب مكتباتها الخارجية (مثل NumPy و SciPy و Matplotlib )، بعض الشعبية كبديل مجاني ومتاح عبر الإنترنت لماتلاب.

يوجد عدد من أدوات البرمجيات المجانية والمفتوحة المصدر ( FOSS ) التي تدعم الهندسة الحاسوبية.

• تم إصدار OpenSCAD في عام 2010 وهو يسمح بإنشاء نماذج CAD باستخدام البرامج النصية، والتي يمكن أن تشكل الأساس لنماذج الهندسة الحاسوبية.
• يستخدم برنامج CadQuery لغة بايثون لإنشاء نماذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) ، وهو مبني على إطار عمل OpenCascade . وهو مُرخص بموجب رخصة أباتشي .
• PicoGK هو إطار عمل مفتوح المصدر للهندسة الحاسوبية تم إصداره بموجب ترخيص Apache .

تجد الهندسة الحاسوبية تطبيقات متنوعة، بما في ذلك في:

• هندسة الطيران والفضاء والهندسة الميكانيكية : محاكاة الاحتراق ، ديناميكيات الهياكل ، ديناميكيات الموائع الحسابية ، الديناميكا الحرارية الحسابية ، ميكانيكا المواد الصلبة الحسابية، محاكاة حوادث المركبات، الميكانيكا الحيوية، حساب مسارات الأقمار الصناعية
• الأنظمة الفيزيائية الفلكية
• محاكاة ساحات المعارك والألعاب العسكرية، الأمن الداخلي ، الاستجابة للطوارئ
• علم الأحياء والطب : محاكاة طي البروتينات (والجزيئات الكبيرة الأخرى)، المعلوماتية الحيوية، علم الجينوم، النمذجة العصبية الحاسوبية، نمذجة الأنظمة البيولوجية (مثل الأنظمة البيئية)، التصوير المقطعي المحوسب ثلاثي الأبعاد، التصوير بالرنين المغناطيسي، الشبكات الحيوية الجزيئية، مكافحة السرطان والنوبات
• الكيمياء : حساب هياكل وخصائص المركبات/الجزيئات والمواد الصلبة الكيميائية، الكيمياء الحاسوبية /المعلوماتية الكيميائية، محاكاة الميكانيكا الجزيئية، الطرق الكيميائية الحاسوبية في فيزياء الحالة الصلبة ، نقل التلوث الكيميائي
• الهندسة المدنية : تحليل العناصر المحدودة ، المنشآت ذات الأحمال العشوائية، هندسة الإنشاءات، أنظمة إمداد المياه، نمذجة النقل/المركبات
• هندسة الحاسوب ، والهندسة الكهربائية ، والاتصالات : الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI)، والكهرومغناطيسية الحاسوبية، ونمذجة أشباه الموصلات، ومحاكاة الإلكترونيات الدقيقة، والبنية التحتية للطاقة، ومحاكاة الترددات الراديوية، والشبكات
• علم الأوبئة : انتشار الإنفلونزا
• الهندسة البيئية والتنبؤ العددي بالطقس : أبحاث المناخ ، والجيوفيزياء الحاسوبية (المعالجة الزلزالية)، ونمذجة الكوارث الطبيعية.
• التمويل : تسعير المشتقات، إدارة المخاطر
• الهندسة الصناعية : محاكاة الأحداث المنفصلة ومحاكاة مونت كارلو (لأنظمة الخدمات اللوجستية والتصنيع على سبيل المثال)، وشبكات الانتظار، والتحسين الرياضي
• علم المواد : صناعة الزجاج، والبوليمرات، والبلورات
• الهندسة النووية : نمذجة المفاعلات النووية، ومحاكاة الحماية من الإشعاع، ومحاكاة الاندماج النووي
• هندسة البترول : نمذجة مكامن البترول، واستكشاف النفط والغاز
• الفيزياء : فيزياء الجسيمات الحاسوبية، والحساب التلقائي لتفاعل الجسيمات أو اضمحلالها، ونمذجة البلازما، والمحاكاة الكونية.
• مواصلات

• الرياضيات التطبيقية
• العلوم الحاسوبية
• الرياضيات الحسابية
• ديناميكا الموائع الحسابية
• الكهرومغناطيسية الحاسوبية
• الرياضيات الهندسية
• الحوسبة عالية الأداء
• التحديات الكبرى
• النمذجة والمحاكاة
• الفيزياء المتعددة

• معهد أودن للهندسة الحاسوبية والعلوم
• نطاق الهندسة الحاسوبية
• جمعية الرياضيات الصناعية والتطبيقية
• المركز الدولي للهندسة الحاسوبية (IC2E)
• معهد جورجيا للتكنولوجيا، الولايات المتحدة الأمريكية، برنامج ماجستير/دكتوراه في علوم وهندسة الحوسبة
• برنامج الدراسات العليا بجامعة تينيسي في تشاتانوغا
• برنامج الماجستير والدكتوراه في النمذجة الحاسوبية بجامعة ولاية ريو دي جانيرو
• العلوم والهندسة الحاسوبية باستخدام برنامج Scilab
• المركز الدولي للأساليب العددية في الهندسة (CIMNE)
• ماجستير في النمذجة الحاسوبية في الهندسة في معهد كارلسروه للتكنولوجيا