مقدمه و تعاریف
شبیه‌سازی عبارتست از تقلید از عملکرد یک سیستم واقعی در طول زمان. برای این کار بر اساس یک سری مفروضات، یک مدل شبیه‌سازی توسعه داده می‌شود. بعد از توسعه مدل، می‌توان سناریوهای مختلف را روی آن تست و بررسی کرد.
شبیه‌سازی آسانسور
کاربردهای شبیه‌سازی
شبیه‌سازی در موارد زیر کاربرد دارد
- کمک به مطالعه سیستم و بهبود درک آن
- مطالعه و تست روابط میان اجزای داخلی یک سیستم پیچیده را فراهم می‌کند
- تغییرات محیطی، سازمانی و اطلاعاتی یک سیستم می‌تواند شبیه سازی شده و اثرات این تغییرات بر روی سیستم مورد بررسی قرار گیرد
- فرایند طراحی یک مدل شبیه‌سازی می‌تواند دانش ارزشمندی را از سیستم مورد بررسی فراهم کند
- تغییر ورودی‌ها و مشاهده اثر آنها در خروجی‌ها می‌تواند اطلاعات ارزشمندی از نحوه تعامل متغیرهای یک سیستم در اختیار ما قرار دهد
- شبیه سازی می‌تواند امکان ارزانی برای آزمون و خطای طرح‌ها و سیاست‌های جدید بر روی سیستم فراهم آورد
- شبیه سازی می‌تواند برای صحت سنجی راهکارهای تحلیلی مورد استفاده قرار گیرد
- شبیه سازی قابلیت‌های مختلف یک سیستم می‌تواند نیازهای آن را نمایان کند
شبیه‌سازی در موارد زیر توجیه ندارد
- در مواردی که رفتار سیستم از یک تابع ساده ریاضی پیروی می‌کند
- زمانی که تست روی مدل واقعی ارزان‌تر از ساخت یک مدل شبیه‌سازی باشد
- زمانی که هزینه ساخت مدل شبیه سازی بیشتر از هزینه ساخت مدل واقعی باشد
- زمانی که داده‌های کافی برای ساخت مدل در دسترس نباشد
- زمانی که به دلایل فنی امکان صحت سنجی مدل شبیه سازی وجود نداشته باشد
مزایای شبیه‌سازی
- بدون مداخله در فعالیت سیستم واقعی می‌توان سیاست‌ها و تصمیمات جدید را اعمال و نتایج آن را ارزیابی کرد
- می‌توان مدل شبیه‌سازی شده را با سرعت بیشتر یا کمتر از واقعیت تست کرد
- تعامل متغیرهای مدل شبیه‌سازی شده می‌تواند به درک بهتر سیستم کمک کند
- در سیستم‌هایی که فرایند با تاخیرات نامتعارف همراه است، می‌توان با استفاده از مدل شبیه‌سازی گلوگاه‌ها را شناسایی کرده و تاثیر آنها را بر روی تاخیرات اندازه گرفت
معایب شبیه‌سازی
- مدل‌سازی فرایندی پیچیده و تخصصی است و نیاز به آموزش و تجربه دارد
- نتایج شبیه‌سازی گاها می‌تواند پیچیده بوده و تحلیل آنها با چالش همراه باشد
- مدل‌سازی می‌تواند فرایندی زمان‌بر و پر هزینه باشد
نمونه‌هایی از کاربردهای شبیه‌سازی در زمینه‌های مختلف
- شبیه سازی فرایندهای تولید
- بهینه‌سازی الگوی تعمیر نگهداری با استفاده از شبیه‌سازی
- مدیریت بهره وری در سیستم‌های تولیدی
- بهینه سازی چیدمان در کارگاه‌های ساختمانی
- شبیه‌سازی عرضه و تقاضای بازار و آنالیز اقتصادی آن
- پیش بینی فروش با استفاده از شبیه‌سازی
- زمانبندی دستگاه قطع و خم آرماتور
- شبیه‌سازی پروژه‌های ساختمانی تکراری
- تحلیل ترافیک با استفاده از روش‌های شبیه‌سازی
- ابزار پشتیبان تصمیم برای برنامه‌ریزی ساخت تونل
- تحلیل و بهبود عملکرد ترمینال‌های باربری با استفاده از شبیه‌سازی
- پیش بینی تامین موجودی انبار با استفاده از روش‌های شبیه‌سازی
- مطالعه چرخه‌های محیط زیستی با استفاده از مدل‌های شبیه‌سازی
- مطالعه شیوع بیماری‌های مسری با استفاده از شبیه‌سازی
- شبیه‌سازی گسترش آتش در جنگل
- تخمین تاخیر در پاسخگویی مراکز تماس با استفاده از شبیه‌سازی
- شبیه‌سازی چیدمان بهینه باجه‌های بانک
- شبیه‌سازی زنجیره تامین پروژه‌های ساخت
نمونه‌هایی از مقالات پژوهشی که از شبیه‌سازی استفاده کرده‌اند
- The Turkish Army Uses Simulation to Model and Optimize Its Fuel-Supply System
- PLATO Helps Athens Win Gold: Olympic Games Knowledge Modeling for Organizational Change and Resource Management
- Schlumberger Uses Simulation in Bidding and Executing Land Seismic Surveys
- Operations Research Helps Reshape Operations Strategy at Standard Register Company
- Simulation implements demand-driven workforce scheduler for service industry
- Simulation improves end-of-line sortation and material handling pickup scheduling at appliance manufacturer
- Off-Site Construction Planning Using Discrete Event Simulation
- Improving materials logistics plan in road construction projects using discrete event simulation
- Planning and Control of Modular Building Construction Projects Using Discrete-Event Simulation
سیستم
تعریف سیستم: مجموعه‌ای از اجزا که برای رسیدن به هدف خاصی با هم تعامل می‌کنند
- یک سیستم ورودی را دریافت کرده، پردازش می‌کند و نتیجه را خروجی می‌دهد
- خروجی یک سیستم می‌تواند ورودی یک سیستم دیگر باشد
- یک سیستم تحت تاثیر عوامل محیطی قرار دارد
- برای مدل‌سازی یک سیستم، تعیین مرزهای سیستم با محیط بسیار اهمیت دارد به طور مثال برای یک کارخانه تولیدی میزان سفارشات یک عامل محیطی محسوب می‌شود. در صورتی که هدف مدل تحلیل پاسخ به سفارشات باشد مقدار سفارشات به عنوان یک متغیر بایستی لحاظ شود.
اجزای سیستم
- موجودیت: اشیا و عوامل درون یک سیستم موجودیت‌های سیستم هستند
- مشخصه: ویژگی‌های یک موجودیت که با آن تعریف می‌شود
- فعالیت: عمل یا عکس‌العملی است که یک موجودیت در سیستم انجام می‌دهد
- وضعیت: مقدار متغیرهای سیستم در یک مقطع زمانی خاص بیانگر وضعیت سیستم می‌باشد
- رویداد: عمل یا اتفاقی است که وضعیت سیستم را تغییر می‌دهد
به طور مثال در مدل یک بانک با هدف تعیین تعداد اپراتورها برای سرویس دهی دریافت و پرداخت، اپراتورها و مشتری‌ها موجودیت‌های سیستم هستند، دریافت و پرداخت یک فعالیت محسوب می‌شود. در یک مقطع زمانی خاص مقدار دریافت و پرداخت و تعداد مشتریان در صف برای هر اپراتور وضعیت سیستم را بیان می‌کند. ورود یا خروج یک مشتری یک رویداد محسوب می‌شود.
نمونه‌هایی از اجزای سیستم
| سیستم | موجودیت | مشخصه | فعالیت | رویداد | وضعیت |
|---|---|---|---|---|---|
| قطار سریع السیر | مسافر | مبدا و مقصد | سفر | ورود به ایستگاه مبدا یا مقصد | تعداد مسافران در ایستگاه |
| تولید | دستگاه | سرعت و ظرفیت | جوشکاری | خرابی | تعداد دستگاه‌های مشغول |
| ارتباطات | پیام | طول پیام | ارسال | رسیدن پیام به دریافت کننده | تعداد پیام‌های در صف ارسال |
| انبارداری | انبار | ظرفیت | خروج کالا | تقاضا | موجودی انبار |
مدل
تعریف مدل: مدل نماینده یک سیستم برای مطالعه آن است
- مدل یک سیستم بایستی ساده باشد و در عین حال جزئیات مهم سیستم در مدل لحاظ شده باشد
- مدل‌های شبیه‌سازی با استفاده از روش‌های عددی به جای روش‌های تحلیلی اجرا می‌شوند.
انواع مدل
- ریاضی: مدل ریاضی از علائم و توابع ریاضی برای بیان سیستم استفاده می‌کند. مدل شبیه سازی یک حالت خاص مدل سازی ریاضی است
- فیزیکی: مدل فیزیکی نسخه کوچک‌تر یا بزرگتر مدل واقعی است. مانند نسخه بزرگ اتم یا نسخه کوچک منظومه شمسی
تقسیم بندی‌های جزئی‌تری هم برای مدل‌های شبیه‌سازی وجود دارد:
- استاتیک یا دینامیک: در استاتیک زمان ثابت و در دینامیک زمان متغیر است
- متعین یا تصادفی: در متعین متغیرها قطعی و در تصادفی متغیرها احتمالاتی هستند
- گسسته یا پیوسته: در گسسته رویدادها در زمان‌های گسسته و مشخص و در پیوسته رویدادها به صورت پیوسته رخ می‌دهند
به طور مثال مدل شبیه سازی بانک یک مدل گسسته تصادفی دینامیک است.
مراحل شبیه‌سازی
- تعریف مسئله و فرمولاسیون آن: برای ساخت مدل پیشنهاد می‌شود که کاربر مدل در ساخت آن همفکری و مشارکت داشته باشد
- تعیین اهداف مدل‌سازی: اهداف مدل عبارتند از سوالاتی که قصد داریم با شبیه سازی به پاسخ آن برسیم
- مفهوم سازی مدل: یک فرایند تکرار شونده شامل تعریف تعیین ویژگی‌های اصلی مسئله، تثبیت مفروضات و تکمیل مدل است که از یک مدل ساده شروع می‌شود و به یک مدل کامل ختم می‌شود. در این مرحله پیشنهاد می‌شود که کاربر مدل نیز در ساخت آن همفکری و مشارکت داشته باشد
- جمع آوری داده‌ها: عبارت است از شناسایی اجزا و ساختار داده‌ها که بسته به پیچیدگی مدل می‌تواند متغیر باشد
- ترجمه مدل: عبارت است از پیاده سازی مدل در قالب یک برنامه کامپیوتری.
- صحت سنجی: در این مرحله اطمینان حاصل می‌شود که برنامه کامپیوتری به خوبی عمل می‌کند
- اعتبارسنجی: عبارت است از کالیبراسیون مدل با سیستم واقعی. در این مرحله رفتار مدل با رفتار سیستم واقعی مقایسه شده و مغایرت‌های احتمالی آن برطرف می‌شود
- اجرا و تحلیل مدل: در این مرحله مدل اجرا شده و عملکرد آن مورد تحلیل و بررسی قرار می‌گیرد
- مستندسازی: مستندسازی در دو بخش برنامه و فرایند مدل سازی انجام می‌شود.
- پیاده سازی
تمرین
-
موجودیت‌ها، مشخصه‌ها، فعالیت‌ها، رویدادها و وضعیت سیستم‌های زیر را مشخص کنید
- برگزاری مناقصه
- دیوار چینی
- بتن‌ریزی
- انتخاب واحد
- تاکسی اینترنتی
- خط تولید خودرو
-
شبیه‌سازی فرآیند بتن‌ریزی فونداسیون در یک پروژه ساختمانی به روش رویدادهای گسسته: در این پروژه ساختمانی، بتن‌ریزی فونداسیون به عنوان یکی از فعالیت‌های کلیدی برای شبیه‌سازی به روش رویدادهای گسسته انتخاب شده است. موجودیت‌های اصلی در این شبیه‌سازی شامل ماشین‌های بتن‌ریز (تراک میکسرها)، کارگران ساختمانی، و محل فونداسیون هستند. فعالیت‌های اصلی شامل حمل بتن از محل تولید (کارخانه) به سایت، تخلیه بتن در محل فونداسیون، و پخش و تسطیح بتن می‌باشند. هر ماشین بتن‌ریز دارای مشخصه‌هایی مانند ظرفیت بارگیری بتن و زمان حمل و تخلیه است، در حالی که کارگران ساختمانی بر اساس تعداد و سرعت کار در انجام فعالیت‌ها تأثیر دارند. رویدادهای اصلی شامل ورود تراک میکسر به سایت، شروع و پایان تخلیه بتن، و شروع و پایان پخش بتن توسط کارگران است. وضعیت سیستم می‌تواند شامل در حال حمل بتن، در حال تخلیه، در حال پخش و انتظار برای تراک بعدی باشد. هدف از این شبیه‌سازی، بررسی کارایی فرایند بتن‌ریزی و شناسایی گلوگاه‌های احتمالی، بهینه‌سازی تعداد تراک میکسرها و کارگران، و کاهش زمان کلی اجرای عملیات است.