Chương I. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG TIN HỌC Mô phỏng tin học (Computer simulation) là thuật ngữ được xuất hiện vào cuối thế kỷ 20, nhưng hiện nay ở Mỹ và châu Âu, Mô phỏng tin học đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế - xã hội (công nghiệp, thương mại, giải trí, khoa học và công nghệ, giáo dục và đào tạo,. Mô phỏng tin học mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người sử dụng thông qua tổng hợp các kênh cảm giác như thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác. Giới thiệu về mô phỏng tin học Mô phỏng là quá trình "bắt chước" một hiện tượng có thực thông qua một tập các công thức toán học hoặc một tập các quy tắc suy luận nào đó.
Về mặt kỹ thuật, mô phỏng (phương pháp mô phỏng) hàm chứa việc ứng dụng một mô hình nào đó để tạo ra kết quả, chứ không đơn thuần là thử nghiệm một hệ thống thực tế nào đó đang cần nghiên cứu hay khảo sát. Nếu mô hình có chứa các thành phần hay yếu tố ngẫu nhiên thì ta có mô phỏng ngẫu nhiên. Mô phỏng được sử dụng để khám phá và nhận được những hiểu biết mới theo các công nghệ mới, và ước tính hiệu suất của hệ thống phức tạp khi thực hiện các giải pháp phân tích [3, 9]. Mô phỏng tin học là những chương trình máy tính để mô phỏng một mô hình trừu tượng của một hệ thống cụ thể thông qua các hiện tượng, các sự kiện trong thực tế hoặc số liệu đã có như: các điều kiện thời tiết, các phản ứng hoá học, các quá trình sinh học và các số liệu kinh tế….
Quy mô sự kiện được mô phỏng bằng mô phỏng tin học vượt xa những gì con người có thể hình dung (hoặc tưởng tượng) được so với cách sử dụng mô hình toán học truyền thống giấy và bút. Kết quả mô phỏng mạng hạt Plasma[10] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Mô hình mô phỏng tin học là mô hình máy tính bắt chước những tình huống thực tế. Nó giống như các mô hình toán học khác nhưng các yếu tố đầu vào thường là không chắc chắn. Khi thực hiện một mô phỏng, người ta thường sử dụng các yếu tố ngẫu nhiên để đưa giá trị khác nhau cho các yếu tố đầu vào và theo dõi mọi kết quả đầu ra cần quan tâm.
Bằng cách này, ta có thể quan sát được các kết quả đầu ra đã phụ thuộc vào các đầu vào ngẫu nhiên ra sao. Mô phỏng máy tínhvề sự trao đổi chất của David Rhodes [4] Mô hình mô phỏng là hết sức hữu ích để xác định cách thức mà một hệ thống phản ứng với những thay đổi trong điều kiện hoạt động. Ví dụ, ta có thể mô phỏng hoạt động của siêu thị để trả lời một số câu hỏi What-if như: nếu các kinh nghiệm kinh doanh của công ty tăng 20% thì thời gian trung bình chờ đợi dịch vụ của khách hàng sẽ thay đổi thế nào ? Mô phỏng tin học nói chung thường có các đặc điểm sau: - Mô phỏng tin học là một hệ thống trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra kết quả như thật. Hơn nữa, kết quả mô phỏng không tĩnh tại, nó phản ứng và thay đổi theo dữ liệu đầu vào của người sử dụng thông qua kịch bản.
Tương tác của người sử dụng với mô hình mô phỏng tin học là tương tác thời gian thực (real-time interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được dữ liệu đầu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức kết quả đầu ra. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này (yếu tố tương tác). LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 - Các phương pháp hiển thị với tốc độ cao lôi cuốn và tạo cảm giác cho người sử dụng như giống trong thực tế.
Người sử dụng có cảm giác như là một phần của hành động trên màn hình họ đang trải nghiệm. Nhưng mô phỏng tin học còn đẩy cảm giác đó "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người. Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa, điều khiển được đối tượng trên màn hình, mà còn cảm thấy kết quả của chúng như có thật (yếu tố đắm chìm). - Mô phỏng tin học không chỉ là hệ thống tương tác Người- Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải quyết các vấn đề thực tế trong kỹ thuật, y học, quân sự, kinh tế.Các ứng dụng đó được thiết kế bởi các nhà phát triển công cụ mô phỏng tin học và nó phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người (yếu tố tưởng tượng).
Do đó có thể coi mô hình mô phỏng tin học là tổng hợp của 3 yếu tố: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng [11]. Một số lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của mô phỏng tin học 1. Mô phỏng dự báo biến đổi khí hậu Vào đầu thế kỉ 20, nhà khí tượng học người Na Uy Vilhelm Bjerknes đã đề ra khoa học dự báo thời tiết. Ông cho rằng với những điều kiện thời tiết chi tiết ban đầu đã biết và những quy luật vật lí có liên quan, người ta có thể dự báo được các điều kiện thời tiết trong tương lai bằng toán học.
Lewis Fry Richardson tiếp nối ý tưởng này vào thập niên 1920 bằng việc sử dụng kỹ thuật số học giải các phương trình vi phân cho dòng chất lưu. Dự báo của Richardson sai lệch nhiều, nhưng phương pháp luận của ông đã đặt nền tảng cho những mô hình dự báo thời tiết bằng máy tính đầu tiên được xây dựng trong những năm 1950. Vào thập niên 1970, mô hình này chính xác hơn nhiều so với cách dự báo thời tiết chỉ dựa trên các biểu đồ thời tiết và nó liên tục được cải tiến cho tới hiện nay. Việc lập các mô hình mô phỏng để kiểm tra đối với dữ liệu khí hậu hiện nay và trong quá khứ, mô hình mô phỏng cho chúng ta biết khí hậu có thể biến đổi như thế nào theo năm tháng và có nguồn gốc từ đâu ? Trước tiên, người ta đưa vào kịch bản phát thải khí nhà kính trong tương lai.
Nhiều kịch bản khác nhau đã được sử dụng, dựa trên sự ước tính các nhân tố kinh tế và xã hội, và đây là một trong những nguồn bất định chủ yếu của việc dự báo thời tiết. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một mô phỏng về thay đổi nhiệt độ và lượng mưa của Luke Oman và các cộng sự - Đại học Rutgers Nhiều mô hình dự báo thời tiết khác nhau đã được phát triển trên khắp thế giới và chất lượng dự báo của các mô hình này phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của các tham số hóa bên trong các mô hình trong đó tham số hóa mây có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì các đám mây vừa làm lạnh khí quyển qua sự phản xạ, vừa làm ấm bởi làm giảm sự bức xạ. Có thể nói, trong lĩnh vực dự báo thời tiết, mục tiêu của khoa học đương đại là cải thiện mô hình mô phỏng và quan sát nhiều quá trình để hoàn thiện các dự báo thời tiết, nhất là ở quy mô vùng và theo mùa.
Ví dụ, những cơn bão và bão nhiệt đới vẫn chưa được biểu diễn trong nhiều mô hình dự báo và những hiện tượng khác như các dòng hải lưu vẫn chưa được hiểu một cách đầy đủ do thiếu quan trắc. Do đó, người ta không rõ là các cơn bão và những cơn dông tố sẽ biến đổi như thế nào do sự ấm lên toàn cầu, hoặc hiện tượng nước biển dâng sẽ bị ảnh hưởng thế nào bởi các dòng hải lưu,. Con người đang ở thời khắc lịch sử quan trọng, trong đó con người không những có thể nhận thức và gây tác động lên khí hậu Trái Đất, mà còn có khả năng dự báo hiệu ứng này. Dự báo thời tiết là một trong những chương trình quốc tế nghiên cứu khoa học lớn nhất từng được thực hiện và nó đã đưa đến Nghị định thư Kyoto do Liên Hiệp Quốc thiết lập nhằm hạn chế sự phát thải khí nhà kính [8].
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một kết quả của một mô phỏng biến đổi khí hậu Mô hình mô phỏng khí hậu Cộng đồng khoa học thống nhất rằng sự ấm lên của Trái Đất trong nửa thế kỉ qua chủ yếu là do phát thải khí nhà kính. Dự báo sự biến đổi khí hậu dựa trên các mô hình máy tính phức tạp được phát triển trong 50 năm qua. Các mô hình khí hậu dựa trên hệ phương trình Navier-Stockes cho chất lưu, được giải bằng số trong một mạng lưới bao quanh địa cầu.
Những mô hình này đã thành công trong việc mô phỏng khí hậu trong quá khứ, cho kết quả dự báo khá tin cậy. Thông qua mô phỏng, các nhà khoa học dự báo nhiệt độ toàn cầu vào năm 2100 sẽ tăng trong khoảng 1,4 – 5,8oC, điều này có thể gây ra những hệ quả thảm khốc [17]. Mô phỏng trong sản xuất kinh doanh Trong thời đại mà kinh tế - xã hội, khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng nhanh chóng thì hoạt động hoạch định chính sách sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp được đặt ở vị trí quan trọng hàng đầu. Để đạt được mục tiêu tốt nhất như kỳ vọng trong sản xuất kinh doanh, công cụ mô phỏng trong doanh nghiệp đã trở thành một trong những công cụ hỗ trợ đắc lực, hiệu quả cho việc ra quyết định, lựa chọn chiến lược kinh doanh của doanh nghiệp.
Ngày 29/04/2009 tại SOUTHPOINTE, các nhà sáng tạo hàng đầu trong lĩnh vực phần mềm mô phỏng và công nghệ thiết kế để tối ưu hóa quá trình phát triển LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 sản phẩm, đã công bố phần mềm mô phỏng ANSYS ® 12.0 để hỗ trợ việc thiết kế và phát triển sản phẩm. Trong các ngành công nghiệp, gần đây việc phát triển sản phẩm truyền thống sử dụng kỹ thuật mô phỏng đã trở thành một chiến lược quan trọng để phát triển thêm các sản phẩm mới, giảm chi phí phát triển và sản xuất, đẩy nhanh thời gian cung ứng ra thị trường.