برامج المحاكاة

برامج المحاكاة هي برامج تُحاكي ظاهرة حقيقية باستخدام مجموعة من المعادلات الرياضية . تُمكّن هذه البرامج المستخدم من رؤية نتائج إجراء ما دون القيام به فعليًا. تُستخدم برامج المحاكاة على نطاق واسع لتصميم المعدات بحيث يكون المنتج النهائي مطابقًا لمواصفات التصميم قدر الإمكان. تُستخدم برامج المحاكاة التي تعمل في الوقت الفعلي بكثرة في ألعاب الفيديو، ولها أيضًا تطبيقات صناعية هامة. فعندما تكون عواقب التشغيل غير السليم باهظة، كما هو الحال عند قيادة طائرة أو تشغيل محطة طاقة نووية، يتم ربط نموذج مُصغّر للوحة التحكم الفعلية بمحاكاة فورية للاستجابة الفيزيائية، مما يُتيح تدريبًا قيّمًا دون عواقب.

تستطيع برامج الحاسوب المتقدمة محاكاة سلوك أنظمة الطاقة ، ^{[ 1 ]} والظروف الجوية ، والدوائر الإلكترونية ، والتفاعلات الكيميائية ، والميكاترونيات ، ^{[ 2 ]} ومضخات الحرارة ، وأنظمة التحكم التغذية الراجعة ، والتفاعلات الذرية، والضوء، وحتى العمليات البيولوجية المعقدة . نظريًا، يمكن محاكاة أي ظاهرة يمكن اختزالها إلى بيانات ومعادلات رياضية على الحاسوب. إلا أن المحاكاة قد تكون صعبة لأن معظم الظواهر الطبيعية تخضع لعدد لا حصر له تقريبًا من المؤثرات أو مصادر أسباب غير معروفة. ويتمثل جزء من تطوير محاكاة مفيدة في تحديد أهم العوامل المؤثرة فيها.

إضافةً إلى محاكاة العمليات لمعرفة سلوكها في ظل ظروف مختلفة، تُستخدم المحاكاة أيضًا لاختبار النظريات الجديدة. فبعد وضع نظرية للعلاقات السببية، يستطيع الباحث تدوين هذه العلاقات في برنامج حاسوبي. وإذا تصرف البرنامج بنفس طريقة العملية الحقيقية، فمن المرجح أن تكون العلاقات المقترحة صحيحة.

تنقسم برامج المحاكاة العامة إلى فئتين رئيسيتين: محاكاة الأحداث المنفصلة ومحاكاة الأحداث المستمرة . تُستخدم محاكاة الأحداث المنفصلة لنمذجة الأحداث الإحصائية، مثل وصول العملاء إلى طوابير الانتظار في أحد البنوك. ومن خلال الربط الصحيح بين احتمالات الوصول والسلوك المرصود، يمكن للنموذج تحديد العدد الأمثل لصفوف الانتظار للحفاظ على أوقات الانتظار عند مستوى محدد. أما محاكاة الأحداث المستمرة، فتُستخدم لنمذجة مجموعة واسعة من الظواهر الفيزيائية، مثل مسارات المقذوفات، والتنفس البشري، واستجابة المحركات الكهربائية، واتصالات البيانات عبر الترددات اللاسلكية، وتوليد الطاقة بواسطة التوربينات البخارية، وغيرها. تُستخدم المحاكاة في التصميم الأولي للنظام لتحسين اختيار المكونات ومعاملات التحكم، وكذلك في أنظمة التصميم القائمة على النماذج لإنشاء رمز تحكم مضمن. ويُستخدم التشغيل في الوقت الفعلي لمحاكاة الأحداث المستمرة لتدريب المشغلين وضبط وحدات التحكم خارج الخط.

هناك أربعة مناهج محاكاة رئيسية مشهورة: طريقة جدولة الأحداث، ومسح الأنشطة، وتفاعل العمليات، ومنهج المراحل الثلاث، وبالمقارنة، يمكن ملاحظة ما يلي:

تُعدّ طريقة جدولة الأحداث أبسط، إذ تتألف من مرحلتين فقط، ما يُلغي الحاجة إلى تحديد الأحداث المشروطة (Cs) والأحداث غير المشروطة (Bs). يُتيح هذا للبرنامج العمل بسرعة أكبر لعدم وجود عملية مسح للأحداث المشروطة. مع ذلك، تُشير هذه المزايا إلى بعض عيوب هذه الطريقة، فوجود مرحلتين فقط يعني خلط جميع الأحداث (بدون تحديد الأحداث المشروطة)، ما يُفقدها كفاءتها، ويجعل تطويرها صعبًا للغاية (بيد، 1998). كما أن أسلوب مسح الأنشطة أبسط من طريقة المراحل الثلاث لعدم اعتماده على التقويم، ودعمه للنمذجة المُقتصدة. إلا أن هذا الأسلوب أبطأ بكثير من طريقة المراحل الثلاث لأنه يُعامل جميع الأنشطة على أنها مشروطة. في المقابل، تتألف طريقة المراحل الثلاث من مرحلتين. غالبًا ما يُخلط بين هذا الأسلوب وطريقة المراحل الثلاث (بيد، 1998). تتميز منهجية تفاعل العمليات بميزتين رئيسيتين: أولاً، تجنب البرامج البطيئة التنفيذ، وثانياً، تجنب الحاجة إلى التفكير في جميع النتائج المنطقية المحتملة لأي حدث (بيد، 1998). ومع ذلك، وكما يذكر بيد (1998)، تعاني هذه المنهجية من مشكلة التعطل، إلا أنها جذابة للغاية للمبتدئين في تصميم النماذج. على الرغم من ذلك، يقول شريبر وآخرون (2003): "لم يكن مفهوماً إلا من قبل نخبة من الأفراد، وكان بعيداً عن متناول المبرمجين العاديين". في الواقع، يضيف شريبر وآخرون (2003): "كانت تطبيقات تعدد الخيوط تُناقش في مقررات علوم الحاسوب، ولكن نادراً ما كانت تُستخدم على نطاق واسع". مما يشير إلى أن تطبيق منهجية تفاعل العمليات كان صعباً للغاية. ويعود التناقض الواضح في الاقتباس السابق إلى الخلط بين منهجية تفاعل العمليات ومنهجية تدفق المعاملات. لفهم الفكرة الكاملة لأصول تدفق المعاملات، يُلخصها (شرايبر وآخرون، 2003) على النحو التالي: كانت هذه هي النواة الأولى التي انبثق منها محاكي غوردون. كانت رؤية غوردون لتدفق المعاملات شكلاً مُقنّعًا بذكاء لتفاعل العمليات، مما جعل هذا النهج في متناول المستخدمين العاديين. لقد أنجز غوردون أحد أعظم أعمال التغليف على الإطلاق. ابتكر مجموعة من اللبنات الأساسية التي يمكن تجميعها لإنشاء مخطط انسيابي يُصوّر بيانيًا عمل النظام. في ظل نموذج النمذجة هذا، كان تدفق العناصر عبر النظام واضحًا للعيان، لأنه كان محور التركيز الرئيسي لهذا النهج. يسمح نهج المراحل الثلاث بـ "محاكاة التوازي مع تجنب حالة الجمود" (بيد وكاسيل، 1998). ومع ذلك، يتطلب نهج المراحل الثلاث فحص الجدول الزمني بحثًا عن الأنشطة المرتبطة، ثم فحص جميع الأنشطة المشروطة، مما يُبطئه. ومع ذلك، يتخلى الكثيرون عن الوقت المُستغرق في سبيل حل مشكلة الجمود. في الواقع، يُستخدم مصطلح "ثلاثي المراحل" في الأنظمة الموزعة سواءً أكان الحديث عن أنظمة التشغيل أو قواعد البيانات، وما إلى ذلك، تحت مسميات مختلفة من بينها "التزام ثلاثي المراحل" (انظر: تانينباوم وستين، 2002). ^{[ 3 ]}

تستخدم برامج محاكاة الإلكترونيات نماذج رياضية لمحاكاة سلوك الأجهزة أو الدوائر الإلكترونية الفعلية. تتضمن هذه البرامج محررًا للمخططات ، ومحاكي SPICE ، وعرضًا للموجات على الشاشة. تُحسّن محاكاة سلوك الدائرة قبل بنائها فعليًا من كفاءتها، وتُوفّر فهمًا أعمق لسلوكها واستقرارها. تستخدم معظم برامج المحاكاة محرك SPICE الذي يُحاكي الدوائر التناظرية والرقمية والمختلطة ( A/D) بكفاءة ودقة عاليتين. كما تحتوي عادةً على مكتبات واسعة من النماذج والأجهزة. ورغم أن هذه البرامج تتمتع عادةً بإمكانية تصدير لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، إلا أنها ليست ضرورية لتصميم الدوائر واختبارها، وهو التطبيق الأساسي لمحاكاة الدوائر الإلكترونية.

على الرغم من وجود محاكيات دوائر إلكترونية تناظرية بحتة ^{[ 4 ]،} فإن محاكيات الدوائر الإلكترونية التي تتضمن إمكانيات محاكاة تناظرية ورقمية تعتمد على الأحداث ^{[ 5 ]} ، تُعرف باسم محاكيات الوضع المختلط ^{[ 6 ]} . وهذا يعني أن أي محاكاة قد تحتوي على مكونات تناظرية، أو تعتمد على الأحداث (رقمية أو بيانات مُعينة)، أو مزيج من الاثنين. ويمكن إجراء تحليل كامل للإشارات المختلطة من مخطط متكامل واحد. وتوفر جميع النماذج الرقمية في محاكيات الوضع المختلط تحديدًا دقيقًا لزمن الانتشار وتأخيرات زمن الصعود/الهبوط.

تُعدّ خوارزمية الأحداث التي توفرها محاكيات الوضع المختلط خوارزمية عامة الأغراض، وتدعم أنواع البيانات غير الرقمية. على سبيل المثال، يمكن للعناصر استخدام قيم حقيقية أو صحيحة لمحاكاة وظائف معالجة الإشارات الرقمية أو مرشحات البيانات المأخوذة عينات منها. ولأن خوارزمية الأحداث أسرع من حل مصفوفة SPICE القياسي، فإن وقت المحاكاة ينخفض ​​بشكل كبير للدوائر التي تستخدم نماذج الأحداث بدلاً من النماذج التناظرية. ^{[ 7 ]}

تتم معالجة المحاكاة المختلطة على ثلاثة مستويات؛ مع العناصر الرقمية الأولية التي تستخدم نماذج التوقيت ومحاكي المنطق الرقمي المدمج ذو 12 أو 16 حالة، ومع نماذج الدوائر الفرعية التي تستخدم بنية الترانزستور الفعلية للدائرة المتكاملة ، ومع تعبيرات المنطق البولياني المضمنة .

تُستخدم التمثيلات الدقيقة بشكل أساسي في تحليل مشاكل خطوط النقل وسلامة الإشارة ، حيث يلزم فحص دقيق لخصائص الإدخال/الإخراج للدوائر المتكاملة. تُعدّ تعابير المنطق البولياني دوالًا لا تتطلب تأخيرًا، وتُستخدم لتوفير معالجة فعّالة لإشارات المنطق في بيئة تناظرية. تستخدم تقنيتا النمذجة هاتان برنامج SPICE لحل المشكلة، بينما تستخدم الطريقة الثالثة، وهي العناصر الرقمية الأولية، إمكانية الوضع المختلط. لكل طريقة من هذه الطرق مزاياها وتطبيقاتها المستهدفة. في الواقع، تتطلب العديد من عمليات المحاكاة (خاصةً تلك التي تستخدم تقنية التحويل التناظري/الرقمي) الجمع بين الطرق الثلاث. لا تكفي أي طريقة بمفردها.

لفهم آلية عمل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) فهمًا صحيحًا، من الضروري تخصيص وقت طويل لبرمجة برامجها واختبارها وتصحيح أخطائها . أنظمة PLC مكلفة، وغالبًا ما يكون توقفها عن العمل مكلفًا للغاية. كما أن البرمجة غير الصحيحة قد تؤدي إلى ظروف خطيرة. يمكن أن تساعد محاكاة وحدات PLC مسبقًا في منع ظهور هذه المشكلات. ^{[ 8 ]} توفر محاكاة PLC للمستخدمين إمكانية كتابة البرامج وتعديلها وتصحيح أخطائها باستخدام تنسيق قائم على الوسوم. تستخدم العديد من وحدات PLC الأكثر شيوعًا الوسوم، وهي طريقة فعالة لبرمجة وحدات PLC، ولكنها أيضًا أكثر تعقيدًا. تدمج محاكاة PLC برامج منطق السلم القائمة على الوسوم مع رسوم متحركة تفاعلية ثلاثية الأبعاد لتحسين تجربة المستخدم. ^{[ 9 ]} تشمل هذه الرسوم المتحركة التفاعلية إشارات المرور ، ومعالجة الدفعات ، وخطوط تعبئة الزجاجات. ^{[ 10 ]}

باستخدام محاكاة وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، يستطيع مبرمجو هذه الوحدات تجربة سيناريوهات مختلفة، وتغيير تعليمات وبرامج منطق السلم ، ثم إعادة تشغيل المحاكاة لمعرفة تأثير التغييرات على تشغيل وحدة التحكم وأدائها. غالبًا ما يكون هذا النوع من الاختبار غير ممكن باستخدام وحدات التحكم المنطقية المبرمجة ذات الأسلاك الثابتة التي تتحكم في عمليات مهمة لعمل النظام. ^{[ 11 ]}

تستخدم برامج محاكاة تشكيل الصفائح المعدنية نماذج رياضية لمحاكاة سلوك عملية تصنيع الصفائح المعدنية الفعلية. تمنع هذه المحاكاة مصانع المعادن من حدوث عيوب في خطوط إنتاجها، وتقلل من الاختبارات والأخطاء المكلفة، مما يحسن كفاءة عملية تشكيل المعادن.

تُجرى محاكاة صب المعادن حاليًا باستخدام برامج محاكاة تعتمد على طريقة العناصر المحدودة، وهي مصممة كأداة للتنبؤ بالعيوب لمهندسي المسابك ، وذلك لتصحيح و/أو تحسين عملية الصب ، حتى قبل إنتاج النماذج الأولية. وتتلخص الفكرة في استخدام المعلومات لتحليل النتائج والتنبؤ بها بطريقة بسيطة وفعالة لمحاكاة عمليات مثل:

• صب الرمل بالجاذبية
• صب القوالب بالجاذبية
• صبّ بالجاذبية المائلة
• صب القوالب بالضغط المنخفض

عادةً ما تتضمن مواصفات البرنامج ما يلي:

• واجهة رسومية وأدوات شبكية
• مذيب ملء القوالب
• محلل التصلب والتبريد: الحراري والحراري الميكانيكي (انكماش الصب).

يُحدد التفاعل بين كيانات الشبكة بواسطة بروتوكولات اتصال متنوعة . تحاكي برامج محاكاة الشبكات سلوك الشبكات على مستوى البروتوكول. يمكن استخدام هذه البرامج لتطوير سيناريوهات اختبار، وفهم سلوك الشبكة تجاه رسائل بروتوكول محددة، والتحقق من توافق تطبيق حزمة البروتوكولات الجديدة ، واختبار حزمة البروتوكولات. تستند هذه المحاكيات إلى مواصفات بنية بروتوكولات الاتصالات التي وضعتها هيئات المعايير الدولية مثل الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU-T) ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) وغيرها. تشمل مخرجات برامج محاكاة البروتوكولات تتبعات تفصيلية للحزم وسجلات الأحداث، وما إلى ذلك.