Počítačová simulace, počítačový model nebo výpočetní model je počítačový program, nebo síť počítačů, která se pokouší simulovat abstraktní model určitého systému. výpočetní fyzika), chemie a biologie, lidské systémy v ekonomii, psychologii a sociálních vědách a v procesu inženýrství nových technologií, získat vhled do fungování těchto systémů, nebo pozorovat jejich chování.
Počítačové simulace se liší od počítačových programů, které běží několik minut, přes síťové skupiny počítačů, které běží hodiny, až po probíhající simulace, které běží několik dní. Rozsah událostí, které jsou simulovány počítačovými simulacemi, daleko přesáhl vše možné (nebo snad dokonce představitelné) s použitím tradičního matematického modelování papíru a tužky: před více než 10 lety simulace pouštní bitvy, kdy jedna síla napadla druhou, zahrnovala modelování 66 239 tanků, nákladních aut a dalších vozidel na simulovaném terénu kolem Kuvajtu, s využitím více superpočítačů v programu High Performance Computer Modernization Ministerstva obrany Spojených států;
model materiálové deformace o velikosti 1 miliardy atomů (2002); model o velikosti 2,64 milionu atomů komplexního tvůrce bílkovin ve všech organismech, ribozomu, v roce 2005;
a projekt Blue Brain na EPFL (Švýcarsko), začal v květnu 2005, aby vytvořil první počítačovou simulaci celého lidského mozku, až na molekulární úroveň.
Simulace versus modelování
Formální modelování, neboli modelování systémů, probíhá tradičně prostřednictvím matematického modelu, který se pokouší najít analytická řešení problémů, která umožňují predikovat chování systému z množiny parametrů a počátečních podmínek.
Zatímco počítačové simulace mohou používat některé algoritmy z čistě matematických modelů, počítače mohou kombinovat simulace s realitou skutečných událostí, jako je generování vstupních odpovědí, a simulovat tak testovací subjekty, které již nejsou přítomny. Zatímco chybějící testovací subjekty jsou modelovány/simulovány, systémem, který používají, by mohlo být skutečné zařízení, které odhalí výkonnostní limity nebo závady v dlouhodobém používání simulovanými uživateli.
Povšimněte si, že pojem počítačová simulace je širší než počítačové modelování, z čehož vyplývá, že v počítačové reprezentaci jsou modelovány všechny aspekty. Počítačová simulace však také zahrnuje generování vstupů od simulovaných uživatelů pro spuštění skutečného počítačového softwaru nebo zařízení, přičemž je modelována pouze část systému: příkladem by byly letové simulátory, které mohou provozovat stroje, stejně jako skutečný letový software.
Počítačové simulace se používají v mnoha oborech, včetně vědy, techniky, zábavy a podnikového plánování a plánování.
Počítačová simulace byla vyvinuta ruku v ruce s rychlým růstem počítače, po jeho prvním rozsáhlém nasazení během druhé světové války v projektu Manhattan Projectin k modelování procesu jaderného výbuchu. Byla to simulace 12 tvrdých koulí pomocí algoritmu Monte Carlo. Počítačová simulace se často používá jako doplněk nebo náhrada modelovacích systémů, pro které nejsou možná jednoduchá analytická řešení uzavřených forem. Existuje mnoho různých typů počítačových simulací; společným rysem, který všechny sdílejí, je pokus vygenerovat vzorek reprezentativních scénářů pro model, ve kterém by byl úplný výčet všech možných stavů modelu neúnosný nebo nemožný. Počítačové modely byly zpočátku používány jako doplněk pro jiné argumenty, ale jejich použití se později stalo poměrně rozšířeným.
Vstupem/výstupem dat pro simulaci mohou být buď formátované textové soubory nebo pre- a postprocesor.
Druhy počítačových simulací
Počítačové modely lze klasifikovat podle několika kritérií včetně:
Dříve byla výstupní data z počítačové simulace někdy prezentována v tabulce nebo matici, která ukazovala, jak byla data ovlivněna četnými změnami v parametrech simulace. Použití maticového formátu souviselo s tradičním používáním maticového konceptu v matematických modelech; nicméně psychologové a jiní poznamenali, že lidé dokázali rychle vnímat trendy pohledem na grafy nebo dokonce pohyblivé obrázky nebo pohyblivé obrázky generované z dat, jak je zobrazovala počítačově generovaná obrazová animace (CGI). Ačkoliv pozorovatelé nemohli nutně číst čísla nebo chrlit matematické vzorce z pozorování pohyblivého grafu počasí, mohli být schopni předvídat události (a „vidět, že déšť míří jejich směrem“), mnohem rychleji než skenování tabulek souřadnic dešťových mraků. Takto intenzivní grafické zobrazení, které přesahovalo svět čísel a vzorců, někdy také vedlo k výstupu, který postrádal souřadnicovou mřížku nebo vynechával časová razítka, jako by se příliš vzdálil od číselných zobrazení dat. Dnes mají modely předpovědí počasí tendenci vyvažovat pohled na pohybující se dešťové/sněhové mraky s mapou, která používá číselné souřadnice a číselné časová razítka událostí.
Podobně CGI počítačové simulace CAT skenů mohou simulovat, jak se nádor může zmenšit nebo změnit, během prodloužené doby lékařské léčby, prezentující plynutí času jako otáčející se pohled na viditelnou lidskou hlavu, jak se nádor mění.
Další aplikace počítačových simulací CGI jsou vyvíjeny tak, aby graficky zobrazovaly velké množství dat, v pohybu, protože během simulačního běhu dochází ke změnám.
Počítačová simulace v psychologii
Obecné příklady typů počítačových simulací ve vědě, které jsou odvozeny od základního matematického popisu:
Následují konkrétní příklady počítačových simulací relevantních pro psychology:
Úskalí v počítačové simulaci
Přestože se to v počítačových simulacích někdy nebere v potaz, je velmi důležité provést analýzu citlivosti, aby se zajistilo správné pochopení přesnosti výsledků. Například analýza pravděpodobnostního rizika faktorů určujících úspěch programu průzkumu ropných polí zahrnuje kombinování vzorků z různých statistických rozložení pomocí metody Monte Carlo. Pokud je například jeden z klíčových parametrů (tj. čistý poměr ropných ložisek) znám pouze pro jeden významný údaj, pak výsledek simulace nemusí být přesnější než jeden významný údaj, i když by mohl být (zavádějícím způsobem) prezentován jako údaj se čtyřmi významnými údaji.
Počítačová simulace v praktických souvislostech
Počítačové simulace se používají v celé řadě praktických kontextů, například:
Spolehlivost a důvěra, kterou lidé vkládají do počítačových simulací, závisí na platnosti simulačního modelu, a proto má ověřování a validace zásadní význam při vývoji počítačových simulací. Dalším důležitým aspektem počítačových simulací je reprodukovatelnost výsledků, což znamená, že simulační model by neměl poskytovat odlišnou odpověď pro každé provedení. Ačkoli by se to mohlo zdát samozřejmé, jedná se o zvláštní bod pozornosti u stochastických simulací, kde by náhodná čísla měla být ve skutečnosti polonáhodnými čísly. Výjimkou reprodukovatelnosti jsou lidé ve smyčkových simulacích, jako jsou letecké simulace a počítačové hry. Zde je člověk součástí simulace a ovlivňuje tak výsledek způsobem, který je těžké, ne-li nemožné přesně reprodukovat.
K zobrazení výsledků počítačové simulace lze použít počítačovou grafiku. Animace lze použít k prožití simulace v reálném čase, např. při tréninkových simulacích. V některých případech mohou být animace užitečné také v rychlejších než v reálném čase nebo dokonce pomalejších než v reálném čase. Například animace rychlejší než v reálném čase mohou být užitečné při vizualizaci hromadění front v simulaci evakuace lidí z budovy. Výsledky simulace jsou navíc často agregovány do statických obrazů pomocí různých způsobů vědecké vizualizace.
Při ladění může simulace běhu testovaného programu (spíše než jeho nativní spouštění) detekovat mnohem více chyb, než dokáže detekovat samotný hardware, a zároveň zaznamenávat užitečné ladicí informace, jako je trasování instrukcí, změny paměti a počty instrukcí. Tato technika může také detekovat přetečení vyrovnávací paměti a podobné „těžko detekovatelné“ chyby, stejně jako produkovat informace o výkonu a ladicí data.