Arvutisimulatsioon

Allikas: Vikipeedia

Arvutisimulatsiooniks nimetatakse simulatsiooni (vaata ka simuleerimine), mille eesmärgiks on matkida mingi uuritava süsteemi käitumist ning mille simuleerimine toimub kas ühes arvutis või koguni terves arvutite võrgus.

Tänapäeval on arvutisimulatsioonid muutunud väga tähtsaks modelleerimise viisiks erinevate looduslike süsteemide modelleerimises. Modelleerimisvaldkondadeks võivad olla näiteks füüsika, arvutiteadus, astrofüüsika ja keemia, aga ka bioloogia, majandus, psühholoogia ja sotsiaalteadused. Neid simulatsioone saab kasutada uute teadmiste produtseerimiseks, uute tehnoloogiate disainimiseks, süsteemi keerukuse hindamiseks ja paljuks muuks.

Arvutisimulatsioone võivad läbi viia arvutiprogrammid, mida jooksutab üks arvuti ja mille simuleerimiseks kuluv aeg on minutites, aga ka programmid, mille simulatsiooni jooksutab kogu arvutite võrgustik ning mille simuleerimiseks kuluv aeg on päevades, nädalates või veelgi kauem. Arvutisimulatsioonide mudelid ületavad tihtipeale keerukuselt traditsioonilist paberi ja pliiatsi stiilis modelleerimist ja esineb ka mudeleid, mida ei olegi paberi ja pliiatsi meetodil võimalik modelleerida. Näiteks detsembris 1997 korraldati Ameerika Ühendriikides simulatsioon, mis matkis ühe väe pealetungi teisele kõrbealal, kusjuures simulatsioonis modelleeriti kokku 66 239 tanki, veoautot ja teisi sõidukeid. Selleks kasutati USDoDi superarvuteid, kuna tavaarvutite arvutusvõimekus ei olnud nii keeruka simulatsiooni jaoks piisav.[1] Teiseks selliseks näiteks on materjali deformatsiooni mudel, mille simuleerimiseks kasutati 1 000 000 000 aatomit.[2]

Simulatsioon või mudel[muuda | muuda lähteteksti]

Termini arvutimudel all mõeldakse algoritme ja võrdusi, mis kirjeldavad modelleeritava süsteemi käitumist. Arvutisimulatsioon seevastu tähendab sellise programmi tööd, mis sisaldab andmeid ülalkirjeldatud algoritmide ja võrduste kohta. Arvutisimulatsioon on seega arvutimudeli arvutis jooksutamine ehk simuleerimine.[3]

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Arvutisimulatsioonide ja arvutite kiire areng käivad käsikäes. Mida arenenumad on arvutid, seda keerukamaid simulatsioone saab jooksutada. Esimeseks suuremaks arvutisimulatsiooniks oli Manhattani projekt. Selle eesmärk oli teise maailmasõja ajal tuumarelva plahvatuse protsessi simuleerimine. Selle teostamiseks simuleeriti 12 mittekattuvat kera Monte Carlo algoritmiga.[4]

Sisendandmed ja nende ettevalmistamine[muuda | muuda lähteteksti]

Simulatsioonide ja mudelite jaoks vajalik andmete hulk varieerub. Mõne simulatsiooni jaoks on vaja sisestada vaid paar numbrit (näiteks vahelduvvoolu lainekuju juhtmes), kuid mõne teise jaoks on vaja terabaitides andmeid (näiteks ilmastiku- ja kliimamudelid).

Samuti varieeruvad nende andmete allikad. Nendeks võivad olla näiteks sensorid ja teised mudeliga ühendatud seadmed; kontrollpinnad, mida kasutatakse simulatsiooni suunamiseks; käsitsi sisestatud andmed ja teiste simulatsioonide tulemusena saadud andmed. Lisaks sellele võivad varieeruda veel sisendandmete sisestamise ajad. Invarientsed andmed on tavaliselt juba eelnevalt mudeli koodis defineeritud (näiteks π väärtus), eelnevalt kogutud andmed sisestatakse simulatsiooni alguses (nt juba tehtud katse tulemused või mõne teise simulatsiooni tulemused), jooksvad andmed sisestatakse simulatsiooni ajal (sensoritelt tuleb pidevalt uut informatsiooni, mis edastatakse jooksvalt simulatsiooni sisendisse). Välistest allikatest andmeid sisestades peab kasutaja teadma, millises vormingus tuleks andmed sisestada, vastasel juhul ei pruugi simulatsiooni süsteem neid õigesti lugeda osata. Isegi väikesed vead algandmetes võivad viia suurte vigadeni simulatsiooni tulemustes. Selline simuleerimisele omane viga oli peamiseks kaoseteooria loomise põhjuseks.[5]

Arvutisimulatsioonide ja mudelite tüübid[muuda | muuda lähteteksti]

Arvutimudelid saab jaotada erinevatesse rühmadesse vastavalt atribuutide paaridele: stohhastiline või deterministlik (selle erijuhuna ka kaootiline), fikseeritud või dünaamiline olek, pidev või diskreetne, lokaalne või hajutatud. Võrrandid defineerivad erinevate elementide vahelised sidemed antud mudelis ja üritavad leida oleku, mille korral süsteem on tasakaalus. Selliseid mudeleid kasutatakse tihti füüsikaliste süsteemide simuleerimiseks, kuna see on võrreldes dünaamilise simulatsiooniga lihtsam.

Simulatsiooni tüüpe iseloomustavad järgmised kirjeldused:

  • Dünaamilise süsteemi simulatsiooni mudel muutub vastavalt sisendandmete muutustele.
  • Stohhastilised mudelid kasutavad juhuslike arvude generaatoreid, modelleerimaks tõenäosusi või juhuslikke sündmusi.
  • Diskreetse sündmuse simulatsioon tegeleb sündmuste ajalise järjestusega (enamik arvutisimulatsioone on seda tüüpi). Selles simulatsioonitüübis on simulaatori ülesandeks hallata erinevatest sündmustest moodustuvat järjekorda, mis on ajaliselt õiges järjekorras. Simulaator loeb järjekorda ja käivitab uue sündmuse pärast eelmise valmissaamist, kusjuures ei ole tähtis, kas simulatsioon käivitatakse reaalajas või mitte. Tavaliselt on tähtsam ligipääs simulatsiooni tekitatud andmetele, et näha protsessi erinevaid samme.
  • Kestev dünaamiline simulatsioon on simulatsioon, mis otsib numbrilisi lahendusi regulaarsetele (ODE) või algebralistele diferentsiaalvõrranditele (DAE). Simulatsioon lahendab perioodiliselt kõik võrrandid ja kasutab lahendiks saadud numbreid simulatsiooni oleku ja väljundi muutmiseks. Seda simulatsiooni tüüpi kasutatakse näiteks lennusimulaatorites, keemiliste protsesside modelleerimises ja elektriahelate simuleerimises. Algselt kasutati selliste simulatsioonide jaoks analoogarvuteid, kuid hilistel 80ndatel mindi analoogarvutitelt üle digitaalarvutitele, millel on võimalik emuleerida analoogarvuti käitumist.
  • Jagatud simulatsioonid on sellised simulatsioonid, mille arvutamiseks jagatakse töö erinevateks iseseisvateks alamosadeks, mis omakorda jagatakse laiali arvutite võrgustikus. Sellise arvutamise jaoks on kasutusel erinevad standardid: koondtasandi simulatsiooni protokoll (Aggregate Level Simulation Protocol ehk ALSP), jagatud interaktiivne simulatsioon (Distributed Interactive Simulation ehk DIS), kõrgtaseme arhitektuur (High Level Architecture ehk HLA) ning test ning väljaõppe arhitektuur (Test and Training Enabling Architecture ehk TENA).[6]

Visualiseerimine[muuda | muuda lähteteksti]

Algselt esitati simulatsiooni tulemusena saadud andmeid tabeli või maatriksina. Selle esituse eesmärgiks oli näidata, kuidas väljundandmed sõltusid simulatsiooni parameetrite muutumisest. Psühholoogid on aga kindlaks teinud, et inimesed tajuvad trende kiiremini, kui nad vaatavad maatriksite asemel graafikuid, animatsioone või simulatsiooni tulemustest valmistatud liikuvaid pilte (CGI).[7] Liikuvalt pildilt ei saa alati välja lugeda numbreid või matemaatilisi võrrandeid, kuid liikuvat ilmastiku kaarti jälgides saab kindlaks teha, millises suunas liigub vihm väga kiiresti. Kui aga vihma suuna kindlakstegemiseks kasutatakse ainult numbritest koosnevat maatriksit, siis võtaks see protsess kindlasti kauem aega.[8]

Arvutisimulatsioonid teaduses[muuda | muuda lähteteksti]

Arvutimudeli valmistamise protsess ja selle seos eksperimendi, simulatsiooni ja teooriaga.

Geneerilise arvutisimulatsiooni tüübi üheks näiteks teaduses on numbriline diferentsiaalvõrrandite simulatsioon, mida ei saa analüütiliselt lahendada. Sellesse kategooriasse kuuluvad näiteks pidevaid süsteeme hõlmavaid teooriaid nagu kosmoloogia, vedelike dünaamika, katkematu mehaanika ja keemiline kineetika. Teiseks näiteks on stohhastiline simulatsioon, mida kasutatakse tavaliselt diskreetsete süsteemide simuleerimiseks. Nendes süsteemides toimuvad sündmused tõenäosuslikult ja seega ei saa neid otseselt kirjeldada diferentsiaalvõrrandite abil. Sellesse kategooriasse kuuluvad näiteks geneetiline triiv ja biokeemilised või geeniregulatsiooni võrgustikud väikese arvu molekulide puhul.

Spetsiifilised arvutisimulatsioonide näited:

  • Statistilised simulatsioonid, mille aluseks on suure arvu sisendandmete kokkulangevus (näiteks tasakaalulise temperatuuri ennustamine veekogus pärast sadu).
  • Üksikindiviidi põhist modelleerimist kasutatakse olukordades, kus üksikud simulatsiooni osad ei ole mitte kõik ühesugused, vaid varieeruvad, näiteks kalade rahvastikudünaamika (matemaatilised mudelid eeldaksid, et kõik kalad käituvad antud situatsioonis alati täpselt ühtemoodi, üksikindiviidi põhine aga mitte).
  • Etapiline dünaamiline mudel, mille üheks kasutusvaldkonnaks on hüdroloogia transpordi mudelid, mis kirjeldavad jõgede ja ojade voolamist, arvutades seeläbi välja vee kvaliteedi parameetrid.
  • Arvutisimulatsioon, mis kasutab molekulaarset modelleerimist uute ravimite avastamiseks.[9]
  • Arvutuslikke vedelikudünaamika simulatsioone kasutatakse õhuringluse, vee ja muude vedelike käitumise simuleerimiseks. Simulatsioonid võivad olla kahemõõtmelised, kuid ka ühe- ja kolmemõõtmelised (näiteks õhuringluse simulatsioon toas küttekeha tõttu).[10]

Simulatsioonikeskkonnad füüsikas[muuda | muuda lähteteksti]

Tänapäevaks on arendatud välju palju erinevaid graafilisi simulatsioonikeskkondi. Sellised on näiteks COMSOL Multiphysics, simulationHub ja OpenModelica. Mõned keskkonnad visualiseerivad simulatsiooni ise, mõne puhul tuleb aga visualiseerimine teha eraldi programmiga. Üheks selliseks vabavaraliseks visualiseerimistarkvaraks on Ovito.

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. " "Researchers stage largest Military Simulation ever", Jet Propulsion Laboratory, Caltech, detsember 1997. Vaadatud 24. november 2016.
  2. "Molecular Simulation of Macroscopic Phenomena". Vaadatud 24. november 2016. 
  3. "What is simulation?" Paul Fishwick, 19 oktoober, 1995. Vaadatud 24. november 2016.
  4. "Computing and the Manhattan Project". Vaadatud 24. november 2016.  Enrico Fermi, John von Neumann, Edward Teller.
  5. Paul Humphreys. "What are data about?". Vaadatud 24. november 2016. 
  6. Peter L. Bonate. Pharmacokinetic-Pharmacodynamic Modeling and Simulation. Springer. p. 490. 
  7. Rob Mitchum. "CGI for science". Vaadatud 24. november 2016. 
  8. Fabian Beck, Michael Burch, Stephan Diehl, Daniel Weiskopf. "A Taxonomy and Survey of Dynamic Graph Visualization". Vaadatud 24. november 2016. 
  9. Atanasov AG, Waltenberger B, Pferschy-Wenzig EM, Linder T, Wawrosch C, Uhrin P, Temml V, Wang L, Schwaiger S, Heiss EH, Rollinger JM, Schuster D, Breuss JM, Bochkov V, Mihovilovic MD, Kopp B, Bauer R, Dirsch VM, Stuppner H. DOI:10.1016/j.biotechadv.2015.08.001 Discovery and resupply of pharmacologically active plant-derived natural products: A review. Biotechnol Adv. 2015, PMID 26281720. Vaadatud 24. november 2016.
  10. Eric Winsberg. "Computer simulations in science". Vaadatud 24. november 2016. 

Kirjandus[muuda | muuda lähteteksti]