شبیه سازی روشی است که به وسیله ی آن یک تجربه ی مصنوعی یا فرعی ایجاد می شود که فراگیر را در فعالیتی درگیر می سازد که شرایط زندگی واقعی را بدون پیامدهای خطرناک یک موقعیت واقعی منعکس می سازد. در واقع شبیه سازی تقلید کردن یا مشابه سازی یک نظام واقعی است، به طوری که ما بتوانیم آن را جستجو کنیم، تجربیاتی را در آن انجام دهیم و قبل از اجرا کردن، آن را در جهان واقعی، درک کنیم.
در واقع شبیه سازی تقلیدی از یک سیستم یا یک پدیده طبیعی در محدوده آزمایشگاه و محیط آزمایشی است. شبیه سازی در واقع تقلید از یک نظام واقعی زندگی است، به طوری که ما در آن می توانیم جست و جو کرده و تجربیاتی به دست آوریم و قبل از اجرا کردن آن در جهان واقعی، آن را درک کرده و از ابعاد مختلف مورد تحلیل قرار دهیم.
شبیه سازی نمادی از کاربرد اصول «سایبرنتیک یا علم فرمانشی» است. بر اساس این علم، انسان یک نظام کنترلی است که یک دوره فعالیت را انجام می دهد در مرحله ی بعد همان فعالیت را اصلاح نموده و جهت می دهد. این رشته به عنوان مطالعه ی تطبیقی مکانیسم کنترل انسان (یا زیست شناختی) و نظام های الکترو مکانیکی نظیر رایانه توصیف می شود. با قیاس بین انسان و ماشین، فراگیر را به عنوان نظام بازخوردی خود تنظیم مفهوم سازی می کنند. به عبارتی یادگیری بر اساس سایبرنتیک تجربه کردن نتایج محیطی رفتار و اشتغال در رفتار خود اصلاحی است و محیط زمانی مناسب یادگیری است که تمام بازخوردها کامل رخ دهند. بر این اساس تمام رفتار انسانی یک طرح قابل درک حرکتی را در بر دارد که این طرح شامل رفتار نا آشکار (مثل تفکر) و رفتار نمادی آشکار است، افراد در شرایط فرضی رفتار خود را بر حسب بازخوردی که از محیط دریافت می کنند تغییر داده و شکل حرکات و پاسخ خود را در ارتباط با این بازخورد سازمان می دهند. در این فرآیند توانمندی های حسی-حرکتی آنان به نظام های بازخوردی آنان شکل می دهد.
در زير به برخي از سيستم هايي که کارايي ابزار شبيه سازی در آن ها به اثبات رسيده و از ابزار شبيه سازي به صورت گسترده استفاده مي کنند اشاره مي شود:
زنجيره تامين و لجستيك
بيمارستان ها و مراكز درماني
فرآيند بازاريابي و تحليل رقبا
فرآيند هاي ساخت و توليد
فرودگاه ها، فروشگاه ها و سيستم هاي تردد عابرين
سيستم هاي حمل و نقل و انبارداري
مديريت پروژه و مديريت دارايي ها
سيستم هاي خدماتي
سيستم هاي ريلي
سيستم هاي دفاعي و نظامي
سيستم هاي ارتباطي و مخابراتي
مديريت استراتژيك و برنامه ريزي
فرآيندهاي اجتماعي
مدل سازی سیستم های بیولوژیک
از عناصر مهم در شبیه سازی، استفاده از شبیه ساز می باشد. شبیه ساز یک وسیله مهارت آموزی است که از آن می توان برای نشان دادن واقعیت ها از نزدیک استفاده کرد و پیچیدگی رویدادها را با استفاده از آن کنترل نمود. شبیه ساز قادر است برای فراگیران وظایف یادگیری مستلزم پاسخ را فراهم آورد، که البته واقعی نیستند همانند برخورد اتومبیل شبیه سازی شده در آموزش رانندگی.
انواع شبیه سازی
- شبیه سازی همانی: در این روش، خود سیستم را به عنوان مدل آن در نظر گرفته و رفتار آن را بررسی می‌کنیم. به عبارت دیگر این روش، همان آزمایش مستقیم روی سیستم است و در صورت یافتن پاسخی برای مسئله مورد نظر، صد درصد قابل استفاده و مفید است.
- شبیه سازی نیمه همانی: در این روش، تا آن جا که امکان دارد، از اشیا و قوانین واقعی سیستم استفاده می کنیم. تنها، اشیا یا مراحلی از سیستم واقعی که باعث غیر ممکن شدن شبیه سازی همانی است، مدل‌سازی می‌شود. به عبارت دیگر، بخشی از مدل سیستم، واقعی و بخش دیگر غیر واقعی یا شبیه سازی شده است.
شبیه‌سازی آزمایشگاهی: در این روش، بعضی از نماها و اشیای سیستم واقعی، به وسیله امکانات آزمایشگاهی ساخته شده و بعضی نماها و روابط دیگر به وسیله سمبل‌ها جایگزین می‌شوند. مثل راداری که با امکانات و مقیاس آزمایشگاهی ساخته می‌شود.
شبیه‌سازی کامپیوتری: در شبیه‌سازی کامپیوتری، مدل ساخته شده، برنامه‌ای کامپیوتری است که کلیه اشیا و نماهای سیستم، به ساختارهای برنامه‌ای و کلیه مشخصات و رفتار آن، به متغیرها و توابع ریاضی تبدیل شده و قوانین و روابط حاکم بر سیستم و ارتباط‌شان با یکدیگر، در درون برنامه در نظر گرفته می‌شود . شبیه سازی کامپیوتری (به علت عملی بودن و داشتن امتیازات خاص خود)، برای بررسی و مطالعه اغلب سیستم‌ها؛ از قبیل حمل و نقل، بیمارستان، سیستم‌های صنعتی، تولیدی، ترافیک، انبار و غیره به‌کار می‌رود.
شبیه سازی به کمک کامپیوتر
شبیه سازی کامپیوتری یا شبیه سازی رایانه ای به اجرای یک شبیه سازی با استفاده از یک برنامه کامپیوتری می گویند طوری که این برنامه کامپیوتری مدل شبیه سازی شده را تعریف کرده و آن را تحلیل کند. شبیه سازی کامپیوتری یک شبیه‌سازی است که در یک کامپیوتر واحد یا شبکه‌ای از کامپیوترها برای باز تولید رفتار یک سیستم اجرا می‌شود. شبیه سازی های کامپیوتری بسته به مدل شبیه سازی شده دارای حجم محاسباتی مختلف اند. در شبیه سازی های پیچیده، حجم محاسبات در شبیه سازی کامپیوتری به مراتب بسیار وسیع تر از شیوه های سنتی که در آن شبیه سازی به وسیله محقق و با استفاده از ریاضیات روی کاغذ انجام می شوند، است.
دلایل استفاده از شبیه سازی
- فشردن زمان: به کمک شبیه سازی می توان فرآیند های یک سیستم را که ممکن است چندین سال به طول می انجامد در چند ثانیه شبیه سازی کرد.
- گسترش زمان: به وسیله اطلاعات به دست آمده از شبیه سازی، پژوهشگر می تواند به جزئیاتی که در زمان واقعی (به علت بالا بودن سرعت ایجاد پدیده در سیستم واقعی) قابل مشاهده نیستند را مورد مطالعه قرار دهد.
- شبیه سازی این امکان را فراهم می کند تا یک آزمایش یا تحلیل یک پدیده را با حفظ تمامی پارامترها بارها تکرار کرد. در هر بار تکرار تنها مقادیر مورد نظر را تغییر داده و وابستگی و اثرات پارامتر تغییر داده شده را بر روی پدیده مورد ارزیابی قرار داد.
- شبیه سازی قادر به بررسی تغییرات جدید در سیستم‌های موجود و مطالعه سیستم‌هایی که در مرحله طرح می‌باشند و هنوز هیچ‌گونه امکانات، سرمایه و زمان برای پیشرفت یا ایجاد فیزیکی آن‌ها صرف نشده است. هم چنین بررسی و آزمایش سیستم‌های فرضی که احیاناً ایجاد و مطالعه آن‌ها به وسیله روش‌های دیگر غیرممکن یا خطرناک می‌باشد با این روش امکان‌پذیر است.
معایب استفاده از شبیه سازی
شبیه سازی کامپیوتری اغلب نیازمند دقت بسیار بالا می باشد. در یک شبیه سازی پیچیده کوچک ترین اشتباه می تواند به جواب های نامطمئن منتهی شود.
اغلب به علت عددی بودن حلگر در نرم افزار های شبیه سازی، همواره شبیه سازی دقیق نبوده و همواره درصدی خطا در نتایج وجود دارد.
مثال‌های خاص شبیه سازی‌های کامپیوتری عبارتند از
شبیه سازی‌های آماری براساس مجموعه‌ای از تعداد زیادی از پروفایل‌های ورودی از قبیل پیش‌بینی دمای موازنه دریافت آب‌ها، دادن اجازه ورود به گاموت هواشناسی به یک محل خاص. این روش برای پیش‌بینی آلودگی گرمایی بسط داده شد.
از شبیه‌سازی عاملی به طور مؤثر در اکولوژی استفاده شده‌است؛ که در آن اغلب مدل‌سازی فردی نامیده می‌شود و در موقعیت‌هایی استفاده می‌شود که برای آن‌ها تغییرپذیری فردی در عامل هارا نمی‌توان نادیده گرفت. از جمله جنبش‌های جمعیت ماهی‌های آزاد و قزل آلا.
مدل پویای مرحله بندی شده زمانی–در هیدرولوژی چندین مدل حمل و نقل هیدرولوژی از این دست وجود دارند از جمله مدل‌های SWMM و DSSAM که توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا برای پیش‌بینی کیفیت آب رودخانه بسط داده شدند.
از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری هم چنین برای مدل‌سازی رسمی تئوری‌های شناخت انسان و عملکرد استفاده شده‌اند از جمله ACT-R
شبیه سازی کامپیوتری با استفاده از مدل‌سازی مولکولی برای کشف مواد.
شبیه سازی کامپیوتری برای مطالعه حساسیت انتخابی پیوندها به وسیله مکانیک–شیمی در طول خرد کردن مولکول‌های آلی.
از شبیه سازی‌های دینامیک سیالات کامپیوتری برای شبیه‌سازی رفتار هوای در حال جریان، آب و سیالات دیگر استفاده می‌شود. از مدل‌های۱، ۲ و ۳ بعدی استفاده می‌شوند. یک مدل یک بعدی اثرات چکش آب را بر یک خط لوله شبیه سازی می‌کند. یک مدل دو بعدی برای شبیه سازی نیروهای کششی در مقطع بال یک هواپیما استفاده می‌شود. یک شبیه‌سازی سه بعدی گرما و سرمای یک ساختمان بزرگ را برآورد می‌کند.
یک شناخت تئوری مولکولی ترمو دینامیک آماری برای شناخت راه حل‌های مولکولی اساسی می‌باشد. توسعه تئوری PDT اجازه ساده شدن این موضوع پیچیده را به نمایش‌های پایین زمینی تئوری مولکولی می‌دهد.
ابزارهای شبیه سازی - نمونه پروژه های شبیه سازی - Matlab - AUTOCAD