Bài giảng: Kỹ thuật Mô hình mô phỏng

Khi nào cần mô hình hóa? Khi chưa có mô phỏng cho hệ thống thực hay vật lý, khi hiện tượng hoặc các điều kiện trở nên quá phức tạp, chũng có thể được đơn giản hóa và thực hiện bằng các mô hình. Mô hình thể hiện một số khía cạnh của thế giới thực, trong quá khứ, hiện tại hay tưởng tượng
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng: Kỹ thuật Mô hình mô phỏng KỸ THUẬT MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MODELLING AND SIMULATION TECHNIQUES Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Chương II:Mô hình hoá một số hệ thống không đồng nh ất Chương III: Một số bài toán thực tế Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản • Khi nào cần mô hình hoá ? Khi chưa có mô phỏng cho hệ thống thực hay vật lý; Khi hiện tượng hoặc các điều kiện trở lên quá phức tạp, chúng có thể được đơn giản hoá và thể hiện bằng các mô hình. • Mô hình thể hiện một số khía cạnh (tính chất) của th ế giới thực; trong quá khứ, hiện tại hay tưởng tượng (giả tưởng). • Các mô hình này có thể được sử dụng như là những cơ sở để mô phỏng. • Khi nào cần mô phỏng? Khi ta (cố gắng) tìm hiểu ứng xử hay đặc tính của mô hình theo thời gian và trong m ột hoàn cảnh (vớicác điều kiện) cụ thể. • Mô phỏng được xây dụng trên cơ sở mô hình và được vận hành tuân theo các quy luật logic của mô hình. Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Mô phỏng là một kỹ thuật rất hiệu quả để giải quyết nhiều vấn đề trong thực tế; là sự sao chép có nghiên cứu sự ứng xử của hệ thống, hiện tượng. Mô phỏng hướng tới những tính chất đặc trưng cần được xem xét của hệ thống để có thể hiểu rõ hơn tính chất, ứng xử của hệ thống thực và đưa ra những dự báo trong tương lai. Mô phỏng bao gồm sự phát triển mô hình của h ệ thống, các thí nghiệm, thực nghiệm… Mô phỏng giúp giảm chu trình thiết kế, giảm kinh phí và tăng cường hiểu biết … Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Mô phỏng bao gồm: 1) Xây dựng mô hình tượng trưng mô tả sự hoạt động của hệ thống, 2) Phân chia hệ thống thành những bộ phận (thành phần) và liên kết chúng theo tính chất và quy lu ật logic (thiết lập mối quan hệ), 3) Phân tích những tác động /hiệu ứng t ương tác giữa các thành phần với nhau, 4) Nghiên cứu các khả năng khác nhau liên quan t ới sự thể hiện của mô hình và lựa chọn trường h ợp tốt nh ất. Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Hệ thống và mô hình: - Một hệ thống bao gồm một tập hợp các đối tượng phân biệt mà các hoạt động và tương tác lẫn nhau nh ằm đạt được mục tiêu nào đó. - Với một hệ thống: sẽ có 1 tập hợp các tham biến mà tại thời điểm xác định bất kỳ xác định được chúng thì coi như đã biết trạng thái của hệ thống. - Xây dựng một mô hình phù hợp cho hệ thống được nghiên cứu là một công việc tinh tế và quan tr ọng bậc nhất trong mô phỏng. Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản • Mô hình là tổ hợp thông tin về hệ thống được tập hợp lại nhằm mục đích nghiên cứu hệ thống; • Các bước để thiết lập mô hình gồm: - Thiết lập cấu trúc mô hình – xác định giới h ạn của h ệ thống; định nghĩa các đại lượng, thuộc tính và hoạt động của hệ thống. - Cung cấp số liệu - những giá trị mà các thuộc tính có thể có và định nghĩa các quan hệ bao hàm trong các hoạt động. - Thiết lập quan hệ: có thể chọn trong các phương án + Hệ phương trình (từ đơn giản tới phức tạp) + Các luật logic (phương trình có thể được đơn giản hoá thành chuỗi “yes” “no” + Khả năng ứng xử của hệ thống có thể được lựa chọn trong 1 tập hợp các khả năng có th ể xảy ra (ch ẳng hạn: tạo ra tập hợp tựa ngẫu nhiên) Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Mô hình được mô phỏng trên máy tính có th ể đòi h ỏi: + Xấp xỉ và rời rạc hoá + Các quan hệ toán học và logic cần phải được thể hiện qua chuỗi các bước tính một cách tường minh. Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Giải quyết vấn đề bằng mô phỏng và mô hình hoá gồm: - Phân tích hệ thống - Thiết lập các giả thiết - Thiết lập các mô hình toán học, logic - Nhận định / đưa ra chiến lược giải quyết vấn đề - Giải số - Đơn giản hoá và kiểm định mô hình - Phỏng theo mô hình bằng máy tính - Viết chương trình máy tính - Tổ chức chạy chương trình - Minh chứng bằng tài liệu, tư liệu - Thu thập, phân tích, biên dịch kết quả. Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Ví dụ: Đi từ nhà đến trường: - Xác định tuyến đường - Phương trình vận tốc: S = D / T - Các quy tắc lựa chọn các tuyến đường - Mức độ tương tác với các phương tiện giao thông khác - Ảnh hưởng của các biến cố bất thường -… Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Kích cỡ thời gian: Trạng thái của một cơ hệ được xem xét vào những thời điểm cần quan tâm. - Bắt đầu khi nào? - Khoảng thời gian nhỏ nhất giữa 2 sự kiện? Khoảng thờ gian xảy ra sự kiện - Kết thúc khi nào? Tính chất cơ bản của mô phỏng - Mô phỏng là thực nghiệm: giá rất thấp (giảm giá tới 75% với thí nghiệm trong phòng thí nghiệm); dễ dàng th ực hiện. - Không có lý thuyết thống nhất: không có cái chung cho việc thiết lập mô hình mô phỏng. - Mô phỏng là khoa học hay là nghệ thuật (science or art) Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Mô phỏng hệ liên tục: là mô phỏng hệ thống mà trạng thái của nó thay đổi từ từ hoặc liên tục, chẳng hạn như phản ứng hoá học không thuận nghịch. Mô phỏng hệ rời rạc: là mô phỏng hệ thống mà trạng thái thái đổi một cách đột ngột tại các thời điểm, chẳng hạn xếp hàng, kiểm kê. Với hệ này có thể chia thành 2 loại: + Mô phỏng với bước thời gian cố định: đồng hồ thay đổi với khoảng thời gian cố định và hệ thống được kiểm tra xem có xảy ra biến cố nào trong khoảng th ời gian đó. + Mô phỏng với biến cố tiếp theo: Máy tính sẽ cập nh ật vào thời điểm xuất hiện biến cố, tức là chuyển từ biến cố này sang biến cố tiếp theo. Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản Sự khác nhau (mô phỏng và mô hình hoá) Không giống như mô hình toán học, các quan h ệ logic 1. (if .. then ..) và các số liệu thống kê từ quan tr ắc tr ực tiếp cũng như số liệu nhận được từ phân bố ngẫu nhiên có thể dễ dàng đưa vào mô hình mô phỏng trên máy tính. Mô hình mô phỏng không thể xác định được nghiệm 2. tối ưu. Chúng chỉ có thể so sánh được các phương án với nhau. Mô phỏng là “xa xỉ” và đòi hỏi nhiều chi tiết đầu vào 3. hơn mô hình giải tích. Những thay đổi cấu trú ...