Chương 3 phương pháp mô phỏng

3.1- Bản chất của phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng có thể định nghĩa như sau:

“Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống thực và sau đó tiến hành tính toán thực nghiệm trên mô hình để mô tả, giải thích và dự đoán hành vi của hệ thống thực”.

Theo định nghĩa này, có ba điểm cơ bản mà mô phỏng phải đạt được. Thứ nhất là phảI có mô hình toán học tốt tức là mô hình có tính đồng nhất cao với hệ thực đồng thời mô hình được mô tả rõ ràng thuận tiện cho người sử dụng. Thứ hai là mô hình cần phải có khả năng làm thực nghiệm trên mô hình tức là có khả năng thực hiện các chương trình máy tính để xác định các thông tin về hệ thực. Cuối cùng là khả năng dự đoán hành vi của hệ thực tức là có thể mô tả sự phát triển của hệ thực theo thời gian. Phương pháp mô phỏng được đề xuất vào những năm 80 của thế kỷ 20, từ đó đến nay phương pháp mô phỏng đã được nghiên cứu, hoàn thiện, và ứng dụng thành công vào nhiều lĩnh vực khác nhau như lĩnh vực khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội, kinh tế, y tế,...

3.2 các lĩnh vực mp được ứng dụng

- Phân tích và thiết kế hệ thống sản xuất, lập kế hoạch sản xuất.

- Đánh giá phần cứng, phần mềm của hệ thống máy tính.

- Quản lý và xác dịnh chính sách dự trữ mua sắm vật tư của hệ thống kho vật tư, nguyên

liệu.

- Phân tích và đánh giá hệ thống phòng thủ quân sự, xác định chiến lược phòng thủ, tấn công.

- Phân tích và thiết kế hệ thống thông tin liên lạc, đánh giá khả năng làm việc của mạng thông tin.

- Phân tích và thiết kế các hệ thống giao thông như đường sắt, đường bộ, hàng không, cảng biển.

- Đánh giá, phân tích và thiết kế các cơ sở dịch vụ như bệnh viện, bưu điện, nhà hàng, siêu thị.

- Phân tích hệ thống kinh tế, tài chính.

3.3.4- Các bước nghiên cứu mô phỏng

Khi tiến hành nghiên cứu mô phỏng thông thường phải thực hiện qua 10 bước như được

biểu diễn bởi lưu đồ như hình 2.2.

Bước 1: Xây dựng mục tiêu mô phỏng và kế hoạch nghiên cứu. Điều quan trọng trước tiên là phải xác định rõ mục tiêu nghiên cứu mô phỏng. Mục tiêu đó được thể hiện bằng các chỉ tiêu đánh giá, bằng hệ thống các câu hỏi cần được trả lời.

Bước 2: Thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý.

Bước 3: Hợp thức mh nguyên lý là kiểm tra tính đúng đắn hợp lý của mh xem có đầy đủ tính chất của mh không.

Bước 4: Xây dựng mhmp trên máy tính.

Bước 5: Chạy thử.

Bước 6: Kiểm chứng mhmp nếu sai quay lại bước 2.

Bước 7: Lập kế hoạch thực nghiệm mô phỏng.

Bước 8: thực nghiệm mp.

Bước 9: Xử lý kết quả mp.

Bước 10: sử dụng và lưu trữ kết quả.

3.5.7- Ưu nhược điểm của phương pháp mô phỏng

Như đã trình bày ở trên, phương pháp mô phỏng ngày càng được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu, phân tích và tổng hợp các hệ phức tạp.

Ưu điểm:

- Có khả năng nghiên cứu các hệ thống phức tạp, có các yếu tố ngẫu nhiên, phi tuyến,đối với những hệ thống này phương pháp giải tích thường không có hiệu lực.

- Có thể đánh giá các đặc tính của hệ thống làm việc trong điều kiện dự kiến trước hoặc ngay cả khi hệ thống còn đang trong giai đoạn khảo sát, thiết kế, hệ thống chưa tồn tại.

- Có thể so sánh, đánh giá, các phương án khác nhau của hệ thống.

- Có thể nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống.

- Có thể nghiên cứu trong một khoảng thời gian ngắn đối với hệ thống có thời gian hoạt động dài như hệ thống kinh tế, hệ thống xã hội.

Nhược điểm:

- Phương pháp đòi hỏi công cụ mô phỏng đắt tiền như máy tính, phần mềm chuyên dụng.

- Phương pháp mô phỏng thường sản sinh ra khối lượng lớn các dữ liệu có tính thống kê xác suất, do đó đòi hỏi phải có những chuyên gia thành thạo về phân tích dữ liệu để xử lý kết quả mô phỏng.

Khi quyết định dùng phương pháp mô phỏng để nghiên cứu hệ thống phải phân tích kỹ ưu nhược điểm và điều kiện cần thiết để thực hiện phương pháp này, đồng thời so sánh với phương pháp giải tích nếu có thể được.

3.6 So sánh pp giải tích với mhmp

- Phương pháp giải tích cho một lời giải tổng quát và chính xác với giả thiết là các thông số của mô hình không thay đổi trong suốt quá trình được khảo sát.

- Phương pháp mô phỏng chỉ cho lời giải của từng bước tính, mỗi bước ứng với một điều kiện nhất định của mô hình, muốn có kết quả chính xác phải tăng số bước tính lên đủ lớn (theo lý thuyết là vô cùng lớn) và lời giải nhận được cũng chỉ ở dạng các “đánh giá” theo xác suất. Cần phải nhấn mạnh rằng nếu trong mô hình có các yếu tố ngẫu nhiên thì phương pháp giải tích không thể giải được đối với loại mô hình đó. Trong trường hợp này phương pháp mô phỏng là giải pháp duy nhất để nghiên cứu loại mô hình ngẫu nhiên.

3.8- Các phương pháp mô phỏng

Tuỳ theo trạng thái của hệ thống thay đổi liên tục hay gián đoạn theo thời gian mà người ta phân biệt thành hệ thống liên tục hay hệ thống gián đoạn. Đứng về mặt mô hình mà xét, người ta có thể chọn một trong hai mô hình liên tục hoặc gián đoạn để mô hình hoá hệ thống. Vì vậy, không nhất thiết phải có sự tương đương giữa loại hệ thống và loại mô hình. Việc phân biệt mô hình liên tục hay gián đoạn trở nên quan trọng khi tiến hành mô phỏng, đặc biệt là khi lập trình trên máy tính để thực hiện việc mô phỏng bởi vì kỹ thuật tính toán dùng cho các loại mô hình sẽ rất khác nhau. Chính vì vậy, có hai phương pháp mô phỏng chủ yếu là phương pháp mô phỏng liên tục và mô phỏng gián đoạn.

- Phương pháp mô phỏng liên tục (Continuous Simulation) thường được dùng cho hệ liên tục mà mô hình của nó được biểu diễn bằng các hệ phương trình vi phân. Nếu phương trình vi phân tương đối đơn giản, nó có thể được giải bằng phương pháp giải tích và cho lời giải tổng quát là một hàm của giá trị của biến trạng thái tại thời điểm t = 0. Có nhiều trường hợp phương pháp giải tích không giải được. Trong trường hợp này, người ta phải dùng phương pháp số như phương pháp tích phân Runge-Kutta để giải phương trình vi phân và cho lời giải đặc biệt của biến trạng thái tại thời điểm t = 0.

- Phương pháp mô phỏng gián đoạn hay còn có tên là phương pháp mô phỏng các sự kiện gián đoạn (Discrete Event Simulation) thường được dùng cho các hệ gián đoạn. Trong những hệ này sự kiện xảy ra tại các thời điểm gián đoạn và làm thay đổi trạng thái của hệ thống.

Ngoài hai phương pháp mô phỏng chính kể trên còn có nhiều phương pháp mô phỏng

khác như:

- Phương pháp mô phỏng hỗn hợp liên tục – gián đoạn (Combined Discrete – Continuous Simulation).

- Phương pháp Monte – Carlo (Monte – Carlo Simulation).

Các phương pháp mô phỏng này được coi là những trường hợp riêng của hai phương pháp mô phỏng chính nêu trên.