شبیه سازی

مبانی شبیه سازی

شبیه سازی برج تقطیر

مــقدمه

انسان برای رفع نیازهای خویش سیستم های متنوعی اعم از تولیدی و خدماتی را بوجود آورده است. این سیستم ها در طول زمان رشد و توسعه یافته اند و به نوبة خود مسائل و مشکلات مـختلفی را هم ایجاد نموده اند. از طرف دیگر پیچیدگیهای این سیستم ها، فرآیند تصمیم گیری هدایت و کـنترل را برای افراد مسئول، بسیار حساس و مشکل ساخته است. لذا برای حل مسائل و مشکلات و در نهایت کمک به مسئولان به منظورشناخت و بهبود عملکرد و تصمیم گیری در مورد سیستم ها،  روشها و تکنیکهای متفاوتی بوجود آمده اند. یکی از روشهائی که برای شناخت وضع موجود و بهبود عملکرد سیتم ها بوجود آمده، شبیه سازی است. شبیه سازی یکی از مفیدترین و پرقدرترین ابزارهای تحلیل عملکرد فرآیندهای پیچیدة سیستم هاست. مدلسازی از طریق شبیه- سازی تا حد زیادی به علوم کامپیوتر، ریاضیات، احتمالات و آمار متکی است. چون شبیه سازی نوعی مدلسازی سیستم اسـت لذا در بخش نخست سیستم ها و سپس مدلها و در نهایت شبیه- سازی را موردبحث قرار خواهیم داد.

1-1      سیستم ها

برای آشنایی با مفهوم سیستم ابتدا مثالی از یک واحد شیرین سازی ارئـه می دهیم. در این واحد برجهای جذب و دفع و سپراتورها و پمپ و میکسرها بوسیلة خطوط لوله و اتصالات به یکدیگر ربط دارند و در یک رنج دما و فشار و شرایط عملیاتی خاص کار می کنند و میزان کارائـی هرکدام بر روی بـقیه اجـزاء نیز تاثیر دارد و در اجرای نقش خود یعنی تولید گاز شیرین از دیگر اجزاء تاثیرپذیر و بر دیگر اجزاء تاثیرگذار می باشد. مسلماً هدف از ایجاد یک سیستم یـا اداره یـک سیستم موجود، کسب بهترین نتایج حاصل از آن است. لذا در مورد سیستم های موجود باید تاثیر اجزاء آن بر یکدیگر، قوانین و رابطه های حاکم بر آن و دیگر خصوصیات آنرا شناخت و اگر هدف
مبانی شبیه سازی                                                                                                 3 ایجاد یک سیستم است باید بهترین تعداد و ترکیـب اشیـاء و مؤثرتریـن قوانیـن را برای آن انتخاب نمود.

2-1       مدلها

بطور کلی مدل را می توان چنین تعریف کرد: مدل، ترکیب مناسبی از خصوصیات یک سیستم و اطلاعات  مربوط به آن است که به منظور بررسی مورد استفاده قرار می گیرد.

معمولاً نوع بررسی سیستم، مدل و میزان اطلاعات قرار داده شده در آنرا تعین می کند. لـذا ممکن است بررسی های متفاوت، مدل های متفاوتی از یک سیستم را لازم داشته باشد. در موقع مدلسازی دو سؤال مطرح می گردد:

        ·  در کدامیک و به چه اندازه خصوصیات و جزئیات سیستم باید وجود داشته باشد؟

        ·  میزان شباهت مدل به سیستم واقعی چقدر است؟

مسلماً هرچه جزئیات بیشتر از سیستم در مدل گنجانده شود شباهت زیادتری به سیستم واقعی پیدا نموده و رفتار آنرا بهتر نمایش می دهد. از طرف دیگر، وجود جزئیات بیشتر در مدل سبب مشکل تر نمودن مطالعه و رسیدن به نتیجه می گردد. اغلب افزودن جزئیات بیش از حد به یک مدل باعث تغیر روش بررسی شده و کلیت بحث از دست می رود.

بهرحال، در مدلسازی معیاری برای قابل قبول بودن شمول جزئیات یک مدل قبل از بکارگیری نتایج در واقعیت وجود ندارد. بنابراین تعادل باید بگونه ای باشد که اولاً بوسیلة تکنیکها و وسایل موجود، بررسی مدل امکان پذیر بوده و ثانیاً نتایج بررسی منطبق یا نزدیک به واقعیت باشد.

3-1      شبیه سازی

همانطور که ذکر شد یکی از روشهای تجزیه و تحلیل سیستم ها، شبیه سازی است. این که مفهوم دقـیق شبیه سازی چیست و جه موقع از آن استفاده می شود و دارای چه کاربردهایی است و چه مزایا و معایبی دارد و دارای چه فرایندی است بحث هایی هستند که در این بخش به آنها خواهیم پرداخت.

بر خلاف بسیاری از علوم فنی که می توانند بر حسب رشته ای که منشاء آنها است رده بندی شوند ( مـانند فیزیـک یـا شیـمی ) شبیه سازی در تمام رشته ها قابل استفاده است. انگیزة اصلی شبیه- سازی، ریشه در برنامه های فضایی دارد. امّا حتی یک بررسی غیر رسمی نوشته های مربوط به شبیه سازی، می تواند زمینه وسیع کاربردهای فعلی آنرا نشان دهد.

مبانی شبیه سازی                                                                                                                                                                     4

تعریف شبیـه سازی

از شبیه سازی تعاریف زیادی ارائه شده است امّا جامعترین و کاملترین تعریف را شانون ارائه داده است. شانون شبیه سازی را چنین تعریف می کند:

« شبیه سازی عبارتست از فرآیند طراحی مدلی از سیستم واقعی و انجام آزمایشهای با این مدل است که با هدف پی بردن به رفتار سیستم، یا ارزیابی استراتژیهای گوناگون برای عملیات سیـسـتم صورت می گیرد.»

بنابراین در می یابیم که فرآیند شبیه سازی، هم شامل ساختن مـدل و هم شـامل استفاده تحلیلی از آن برای مطالعة یک مسئله است.

چه موقع از شبیه سازی استفاده می کنیم؟

مسئله یا مسائل موردنظر در بررسی یک سیستم اغلب روش بررسی و حل آنرا تعین می کنند. روشهای تحلیل ریاضی هرجا که ممکن باشد، مطلوب ترین و دقیق ترین روشها برای مطالعة سیستم ها می باشند، زیرا این روشها معمولاً با کمترین کوشش، جوابها یا نتایجی را تولید مـی- کنند که برای مقادیر مختلف پارامترهای مدل قابل محاسبه بوده و میزان دقت آنها صددرصد می باشد. امًا جائیکه روشهای تحلیلی، بعلت پیچیدگی مدلها یا نیاز به تولید واقعـی تر رفتار سیستم غیر عملی است، روشهای مطالعه سیستم از طریق شبیه سازی مطرح می گردد. شبیه سازی به عنوان آزمایش کردن با مدل یک سیستم واقعی تعریف می شود. آزمایش کـردن روی سیستم واقعی، مشکلات زیادی را که در تطبیق دادن مناسب مـدل بـا شرایطـی واقعی وجـود دارد از بین می برد. شانون در کتاب خود به نقل از بریش معایب آزمایش مستقیم را چنین بیان می کند:

       ×می توانند عملیات سازمان را مختل کنند.

       × ممکن است یکسان نگه داشتن شرایط عمل برای هربار تکرار یا اجرای آزمایش بسیار      مشکل باشد.

       × بدست آوردن حجم نمونه ای یکسان ممکن است به زمان و هزینة زیادی نیاز داشته باشد.

       ×ممکن است که آزمایش کردن در جهان واقعی امکان کاوش بسیاری از گزینه ها را نداشته باشد.

مبانی شبیه سازی                                                                                                                                                                    5

انواع شبیه سازی

فرم های مختلفی از شبیه سازی وجود دارد که اینجا برخی از آنها را یادآور می شویم: