סימולציה

סימולציה (או הדמיה) היא חיקוי של מציאות מורכבת באמצעות מודל מתאים. מטרת הסימולציה היא לייצג מאפיינים מסוימים בהתנהגותה של מערכת, למטרות שונות, כגון: בידור, לימוד והסבר, בדיקת מערכות בטרם ייושמו בפועל, קבלת תחזיות על התנהגות מערכות, אימון משתמשים עתידיים במערכת המדומה, ועוד.

סימולטור סוס עץ בתקופת מלחמת העולם הראשונה.

סימולטור תת-מימי של נאס"א להדמיית תנאי חלל על פני כדור הארץ.

הסימולציה מוכרת מזה מאות שנים. כך למשל השתמשו מצביאים רבים בסימולציה (כאשר משטח כגון ארגז חול מייצג את השטח, וכלים שונים מייצגים את הכוחות הלוחמים) כדי לתכנן את קרבות עתידיים. במהלך המאה ה-20 התפתח תחום הסימולציה באופן משמעותי עם הופעת מודלים מתמטיים מחד גיסא ואפשרות השימוש במחשב מאידך גיסא דבר שהוביל לפיתוח ענף חדש של סימולציה ממוחשבת.

דוגמאות למצבים שבהם הסימולציה מועילה:

• חקר מציאות מורכבת באמצעים זולים יותר מאשר ביצוע ניסויים ממשיים על מציאות זו.

דוגמה: סימולציה של פיצוץ גרעיני כתחליף לביצוע ממשי של הפיצוץ.

• בדיקת השערות שאי אפשר בשום אופן לבדוק באמצעות ניסוי.

דוגמה: בדיקת השערות בקוסמולוגיה, כגון זו העוסקת במפץ הגדול או אחרת העוסקת באופן היווצרותם של כדור הארץ והירח.

• תרגול פעילות במצבים שונים, ובפרט מצבים מסוכנים, בלא שיהיה צורך לחוות ממש מצבים אלה.

דוגמה: אימון טייסים באמצעות סימולטור טיסה או אימון לוחמים בסימולטור המדמה פעילות בשדה קרב.

• חקר פעילותם של מתקנים שונים בשלב התכנון של מתקנים כאלה, כדי לברר את התאמת התכנון למציאות הצפויה.

דוגמה: סימולציה של פעולתו של קניון גדול, כדי לוודא שלא ייווצרו בו תורים ומוקדי לחץ וסיכון.

טכניקות סימולציה

לחיקוי המציאות, שבה יש מידה רבה של אקראיות, משמשות שיטות המתבססות על מספרים אקראיים, כגון שיטת מונטה-קרלו. פעמים אחרות מוקם מתקן פיזי המדמה את המציאות הממשית, ולעיתים משולב בסימולטור הפיזי מחשב המפקח על פעולתו. סימולציה של פיצוץ גרעיני, למשל, מבוצעת באמצעות מחשב-על, ואילו מדמה טיסה = סימולטור מורכב ממתקן המספק את התחושה של תא הטייס ומחשב המדמה את מצבי הטיסה המתורגלים. "משחק מלחמה" הוא דוגמה לסימולציה רבת משתתפים (Multiplayer), שבמסגרתה מתורגלים מצבי מלחמה שונים. חלק מהמשתתפים מתרגלים מצבים שלהם ייחשפו בזמן מלחמה, ומשתתפים אחרים מדמים את פעולות האויב.

טכניקות סימולציה:

• סימולציה פיזית - סימולציה בה עצמים מחלפים אלמנטים מהמערכת המדומה. למשל, ההכנה למבצע צבאי בה חיילי פלסטיק המוזזים בארגז חול מייצגים כוחות צבאיים.
• סימולציה אינטראקטיבית - סימולציה שבה בני אדם לוקחים חלק בניסיון לחקות מצב אמיתי. לדוגמה, שחקני תיאטרון המבצעים חזרה גנרלית ללא קהל.
• סימולציה ממוחשבת - הדמיה בה מיוצגת המערכת האמיתית על-גבי מחשב. למשל, הדמיית התנהגות האטמוספירה כדי לחזות את מזג האוויר. סימולציה ממוחשבת יכולה להיות אינטראקטיבית או עצמאית.

שימושי הסימולציה

בידור

ערך מורחב – סימולציות ניהול ממוחשבות

משחקי מחשב רבים מבוססים על סימולציה של מצבים מציאותיים, כגון תוכניות מדמה טיסה, המציגות על-גבי המסך של המחשב האישי לוח שעונים של מטוס מדגם מסוים, כך שהמשתמש מסוגל לנווט את ה"מטוס" המוצג לו בנופים שונים. באופן דומה פועלים מדמים של כלי רכב אחרים. סימולציה מוחשית יותר מתבצעת במתקנים שנועדו לכך בגני שעשועים.

סימולציה מסוג שונה נעשית במשחקים המבוססים על סימולציה של ניהול עיר או מדינה (SIM CITY).

לימוד ואימון

חייל בוחן סימולטור של רכב כבד.

כשעלויות הלימוד על מכשיר אמיתי הן גבוהות במיוחד, או כרוכות בסיכון גבוה, ניתן להשתמש בסימולציה. כך למשל משתמשים במדמי טיסה כדי לאמן טייסים. בצורת אימון זו אין לא עלויות של דלק ולא סיכון לפגיעה פיזית במקרה של התרסקות.

בדיקת מערכות

בתעשיות שונות משתמשים בסימולציה כדי לבדוק התאמה של חלק לתפקידו, בטרם ייוצר החלק. סימולציה זו עשויה לחסוך עלויות רבות שהיו נובעות מייצור חלק, שהיה מתגלה בהמשך כלא-מתאים. למשל, בתעשיית הרכב ניתן לבדוק את מקדם הגרירה של צורות מעטפת שונות בעזרת סימולציה ממוחשבת, מבלי לייצר את הרכב בפועל ולנסותו. כך ניתן, בעלות נמוכה יחסית, לבדוק צורות רבות ושונות ולמצוא את המתאימה ביותר.

בייצור כלי טיס החליפה הסימולציה הממוחשבת כמעט לחלוטין את מנהרת האוויר.

מחקר

בכימיה, פיזיקה ומדעים מדויקים אחרים, משתמשים בסימולציה כדי לגלות כיצד יתנהגו מערכות מסוימות במצבים שונים. מרבית המחקר ה"מעשי" בנוגע לראשית היקום, למשל, מתבסס על הדמיות שונות של המפץ הגדול.

סימולציות של מערכות פיזיקליות משמשת גם בפיתוח נשק גרעיני. אפשרות השימוש במחשבים כדי לדמות ביקוע גרעיני הובילה להגבלות ייצוא שונות על רכיבי מחשב מצד ממשלת ארצות הברית.

במדע המטאורולוגיה נעשה שימוש יומיומי בסימולציות במטרה לחזות באופן מדויק ככל האפשר את מזג האוויר.

כלכלה ועסקים

סימולציה של כוחות השוק השונים משמשת לעיתים בכלכלה ובקבלת החלטות עסקיות שונות. למשל, בעזרת סימולציה ניתן לבדוק אם עדיף להשתמש בתור אחד משותף עבור כל הכספרים בבנק, או בתור נפרד לכל כספר.

תוכנת סימולציה

לביצוע הסימולציה משתמשים פעמים רבות בתוכנות מחשב הנכתבות בשפות תכנות שנועדו למטרה זו (כגון Simula או SIMSCRIPT). שפות תכנות אלה הן משתי קטגוריות:

• שפות שנועדו לסימולציה בדידה, כלומר סימולציה שבה המודל מורכב מאוסף גדול של מאורעות בדידים, הקורים זה אחר זה או במקביל.
• שפות שנועדו לסימולציה רציפה, שבה המאורעות מתרחשים בצורה רציפה, ולכן מתוארים באמצעות אוסף של משוואות דיפרנציאליות.

דוגמאות לתוכנות סימולציה: Arena, Anylogic, R, Excel

מושגים קרובים

• ניסוי מחשבתי - זהו ניסיון לפתור בעיה מדעית מסוימת, או דווקא להציג בעיה מדעית מסוימת, שלא באמצעות ניסוי ממשי, אלא בכוח המחשבה והדמיון בלבד.
• קאטה - הקאטות משמשות לתרגול קרב באמנויות לחימה שונות. באמצעות סדרת טכניקות קבועה מראש המבוצעת כנגד יריב מדומה.
• דימות (או הדמאה) - יצירה של תמונה ממוחשבת ממקורות שונים. הדימות נעשים לצרכים רבים, ביניהם צרכים רפואיים (ראו למשל טומוגרפיה ממוחשבת) או צבאיים.

ראו גם

• מציאות מדומה
• דיגיסקופיה

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא סימולציה בוויקישיתוף

• אבני דרך, עשרת החידושים הבולטים של מדעי המחשב, באתר ifeel
• הדמיה ממוחשבת בוויקיפדיה
• אתר ללימוד עצמי של מודלים בסימולציה בעזרת תוכנת הארנה, אתר מכון לב