CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG 1. Khái quát về mô phỏng Mô phỏng [1,3] được sử dụng để giảm thiểu rủi ro và chi phí khi tạo một hệ thống mới hoặc thay đổi hệ thống đang có. Hơn thế nữa, còn nhiều hệ thống chỉ mới tồn tại trên lý thuyết, chưa hề được triển khai trong thế giới thực do thiếu các điều kiện cần thiết hoặc kinh phí quá lớn. Việc mô phỏng các hệ thống đó sẽ giúp cho các nhà khoa học hiểu rõ hơn bản chất của hệ thống trước khi đem vào áp dụng.
Cuộc sống càng hiện đại thì những yêu cầu về độ chính xác trong việc mô phỏng càng khắt khe hơn. Vì vậy, những kĩ thuật mới trong mô phỏng trên máy tính trở nên quan trọng và cần phải nghiên cứu để hiểu rõ nó. Khái niệm mô phỏng Mô phỏng là phỏng theo một hoạt động của một tiến trình thế giới thực hay một hệ thống trong suốt thời gian nó tồn tại [3]. Mô phỏng được dùng để mô tả và phân tích các hoạt động của một hệ thống, với mục tiêu là thể hiện giống nhất những gì đang xảy trong thế giới thực.
Mô phỏng trên máy tính là mô phỏng mà trong đó các mô hình được tạo ra thông qua việc lập trình. Việc mô phỏng trên máy tính bao gồm thiết kế một mô hình vật lý của hệ thống, thực thi mô hình đó trên một máy tính và phân tích kết quả đầu ra. Từ đó, người ta phân mô phỏng thành ba lĩnh vực nhỏ: thiết kế mô hình, thực thi mô hình và phân tích mô hình. Mô hình được định nghĩa là biểu diễn của một hệ thống thực.
Một mô hình không nên quá phức tạp, mà chỉ cần đủ để trả lời những câu hỏi mà người ta đặt ra khi nghiên cứu. Bởi vì một hệ thống thực luôn có rất nhiều ràng buộc và ảnh hưởng qua lại với những hệ thống khác, việc mô phỏng toàn bộ tất cả các mối quan hệ này là hết sức khó khăn mà nhiều khi không giúp ích gì cho việc nghiên cứu hệ thống. Mô phỏng phẫu thuật download by : skknchat@gmail. Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng Sự cạnh tranh trong công nghệ máy tính làm cho các hãng sản xuất phần cứng liên tục tạo ra các sản phẩm tốt hơn.
Gần như các công ty đưa ra các sản phẩm mới với nhiều tính năng, bộ nhớ, khả năng đồ họa và sức mạnh vi xử lý lớn hơn chỉ trong thời gian ngắn. Điều này tạo hiệu ứng thúc đẩy sự phát triển của các ngành liên quan khác, đặc biệt là kỹ nghệ mô phỏng bằng phần mềm. Sự phát triển của phần cứng tỉ lệ thuận với sự phát triển của phần mềm. Số lượng ngành nghề sử dụng mô phỏng như một công cụ hỗ trợ cho công việc đang tăng lên một cách nhanh chóng.
Các nhà quản lý đã nhận ra rất nhiều ưu điểm của công nghệ mô phỏng trong việc tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất. Ưu điểm Sử dụng mô phỏng mang lại rất nhiều ưu điểm trong việc đưa ra các quyết định về phương hướng sản xuất và phát triển. Trong đó, nổi bật nhất là những ưu điểm sau: Cho phép thử nghiệm mà không phá vỡ hệ thống hiện tại: Với một hệ thống đang tồn tại, một ý tưởng mới đang có ý định áp dụng vào có thể rất khó, chi phí bỏ ra nhiều và thậm chí bất khả thi. Mô phỏng cho phép tạo ra một mô hình và so sánh để đảm bảo rằng mô hình đó phản ánh đúng đắn hệ thống hiện tại.
Bất cứ một thay đổi nào muốn áp dụng vào hệ thống thực tế có thể được tiến hành trên mô hình đó và kiểm tra tất cả các ảnh hưởng lên mô hình. Sau quá trình đánh giá đó những thay đổi mới được áp dụng vào thực tế khi đã đảm bảo rằng sẽ không có một sai sót nào đó xảy ra có thể phá vỡ hệ thống sẵn có. Kiểm tra các lý thuyết trước khi cài đặt: Mô phỏng trên trên máy tính cho phép các lý thuyết được kiểm tra trước khi cài đặt, xây dựng một hệ thống mới. Phép kiểm tra này sẽ cho phép nhận ra được những kẽ hở trong thiết kế không được dự đoán trước.
Từ kết quả kiểm tra này, người thiết kế có thể khắc phục và cải tiến hệ thống trước khi nó được cài đặt. Cũng với những sai lầm này, nếu chỉ được phát hiện sau khi đã thiết lập xong hệ thống thì chi phí khắc phục sẽ tăng lên rất cao, thậm chí là không thể sử dụng được. Nhận biết các vấn đề không được dự đoán trước: Khi một hệ thống được mô phỏng trước khi cài đặt và làm việc theo đúng như tính toán thì mô hình thường được cải tiến để có thể mô phỏng chi tiết hơn lúc ban đầu. Việc này có thể làm cho các vấn đề trong thiết kế bị bộc lộ ra.
Khi lỗi thiết kế được sửa thì chi phí cho việc sửa chữa hệ thống thực sau này sẽ được giảm thiểu. Thêm vào đó, các tính năng của hệ thống cũng có thể được cải tiến. Tìm hiểu hệ thống: download by : skknchat@gmail.com 4 Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của tiến trình mô phỏng là giúp chúng ta nghiên cứu hệ thống để rút ra những hiểu biết về hệ thống đó. Tại thời điểm một dự án mô phỏng mới được bắt đầu, đặc biệt là một dự án mô hình hóa một hệ thống phức tạp thì các kiến thức về hệ thống thường phân tán vì mỗi chuyên gia đều có những kiến thức riêng trong lĩnh vực của mình.
Để phát triển mô hình của hệ thống thì các mảnh kiến thức rời rạc đó phải được thu thập lại để tạo thành một bức tranh tổng thể về hệ thống. Quá trình tìm hiểu hệ thống thông qua mô hình, ngoài những kiến thức tổng hợp từ người khác, ta có thể tìm hiểu sâu thêm về những hoạt động cũng như những tương tác của hệ thống với môi trường bên ngoài. Nâng cao tốc độ phân tích: Sau khi phát triển một mô hình, chúng ta có thể chạy hệ thống mô phỏng ở tốc độ lớn hơn nhiều so với thế giới thực, do đó tiết kiệm rất nhiều thời gian. Một sự kiện có thể mất hàng năm trong thế giới thực có thể chỉ xảy ra vài phút trong mô hình.
Việc đưa ra kết quả rất nhanh sẽ đẩy nhanh quá trình phân tích rất nhiều. Phát triển các khái niệm của hệ thống: Nhằm tạo ra một mô hình có thể làm việc của một hệ thống thì mọi mặt của hệ thống đó cần phải được tìm hiểu. Nếu một định nghĩa thiếu sót hay thậm chí là sai trong hệ thống thì mô hình sẽ không hoạt động chính xác và mô hình đó không thể dùng làm công cụ phân tích hệ thống. Vì thế, việc phát triển mô hình đồng nghĩa với việc các nhà phân tích phải đưa ra đầy đủ các định nghĩa, tham số cho các hoạt động của nó.
Nếu một số định nghĩa không được xác định rõ ràng, độ an toàn của mô hình sẽ trở thành một vấn đề lớn. Thúc đẩy sáng tạo: Có một mô hình sẽ giúp nâng cao tính sáng tạo của thiết kế. Ví dụ, một kĩ sư có thể đưa ra hai giải pháp cho một vấn đề xảy ra. Một đảm bảo cho sự hoạt động của hệ thống nhưng lại đắt.
Giải pháp còn lại sử dụng phương pháp mới rẻ hơn nhưng lại tồn tại rủi ro. Thường thì người ta lựa chọn giải pháp an toàn hơn mà không dám lựa chọn cách làm mới. Điều này làm giảm tính sáng tạo trong công việc. Nhưng nếu có một mô hình mô phỏng thì giải pháp mới có thể được sử dụng để so sánh.
Nếu như hệ thống vẫn hoạt động tốt và thực sự giảm chi phí thì người kĩ sư sẽ yên tâm lựa chọn phương pháp mới. Ngoài ra, các ý tưởng mới cũng có thể được đưa lên mô hình để kiểm tra mà không sợ gặp rủi ro. Tựu trung lại, các ưu điểm của mô phỏng đều có điểm chung là giảm rủi ro và tiếp kiệm chi phí. Nhược điểm download by : skknchat@gmail.com 5 Tuy vậy, mô phỏng không phải là một phương pháp hoàn hảo đến mức có thể sử dụng trong mọi trường hợp.
Cụ thể còn tồn tại những nhược điểm như sau: Khó khăn khi mô phỏng: Việc tạo ra một hệ thống mô phỏng giống với thực tế đòi hỏi người làm chương trình mô phỏng phải hiểu rõ cấu trúc, phương thức hoạt động, vận hành của hệ thống đó trên thực tế. Chỉ một yếu tố không được tính đến có thể dẫn tới sự đổ vỡ của chương trình mô phỏng. Kết quả đưa ra mang tính tương đối: Nhược điểm này xuất phát từ chính khó khăn đầu tiên khi tiến hành mô phỏng. Một hệ thống có thể là rất phức tạp, để hiểu rõ toàn bộ những hệ thống đó là điều khó có thể khẳng định 100%.
Bên cạnh đó có nhiều đối tượng mà con người không thể hiểu biết hoàn toàn hoặc chưa được biết đến (một ví dụ điển hình là mô phỏng hố đen). Để khẳng định kết quả đưa ra là chính xác tuyệt đối, đơn giải là tiến hành thực nghiệm chứ không phải mô phỏng, nhưng lúc đó chi phí sẽ là rất lớn. Khó để xác thực: Quá trình xác thực là nhằm đảm bảo mô hình được xây dựng phản ánh chính xác hoạt động của hệ thống. Nếu như hệ thống chưa có thực thì việc kiểm tra này không thể thực hiện được.
Thậm chí với một hệ thống đã có thì việc xác định này cũng rất khó khăn, vì thường thì một hệ thống có nhiều hoạt động và quan hệ phức tạp. Xu hướng thực hiện mô phỏng ba chiều Có nhiều xu hướng khác nhau nhằm tiếp cận và xây dựng một hệ thông mô phỏng ba chiều. Tuy nhiên có thể nhắc tới hai xu hướng chính cụ thể như sau: Cách thứ nhất: thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++ v. Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ cũng như cấu hình mạnh của phần cứng, hơn nữa nó có thể thực hiện các mô phỏng phức tạp đòi hỏi sự chính xác cao.
Tuy nhiên nó không được nhiều người sử dụng vì đó không phải là công việc đơn giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình cao, các thuật toán phức tạp, mất nhiều thời gian và nhất là rất khó trong việc tạo ra những cảnh rộng lớn. Mặc dù ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọn cho những ai muốn mô phỏng chính xác các hiện tượng thiên nhiên đúng với bản chất của nó.