Bài giảng: Kỹ thuật Mô hình mô phỏng

KỸ THUẬT MƠ HÌNH MƠ PHỎNG
MODELLING AND SIMULATION TECHNIQUES
Chương I: Các khái niệm và cơng cụ cơ bản
Chương II:Mơ hình hố một số hệ thống khơng đồng nhất
Chương III: Một số bài toán thực tế


Chương I: Các khái niệm và cơng cụ cơ bản
• Khi nào cần mơ hình hố ? Khi chưa có mô phỏng cho
hệ thống thực hay vật lý; Khi hiện tượng hoặc các điều
kiện trở lên quá phức tạp, chúng có thể được đơn giản
hố và thể hiện bằng các mơ hình.
• Mơ hình thể hiện một số khía cạnh (tính chất) của thế
giới thực; trong quá khứ, hiện tại hay tưởng tượng (giả
tưởng).
• Các mơ hình này có thể được sử dụng như là những cơ
sở để mơ phỏng.
• Khi nào cần mơ phỏng? Khi ta (cố gắng) tìm hiểu ứng xử
hay đặc tính của mơ hình theo thời gian và trong một
hồn cảnh (vớicác điều kiện) cụ thể.
• Mơ phỏng được xây dụng trên cơ sở mơ hình và được
vận hành tuân theo các quy luật logic của mơ hình.


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Mô phỏng là một kỹ thuật rất hiệu quả để giải quyết nhiều vấn
đề trong thực tế; là sự sao chép có nghiên cứu sự ứng xử
của hệ thống, hiện tượng.
Mơ phỏng hướng tới những tính chất đặc trưng cần được xem
xét của hệ thống để có thể hiểu rõ hơn tính chất, ứng xử
của hệ thống thực và đưa ra những dự báo trong tương lai.

Mô phỏng bao gồm sự phát triển mơ hình của hệ thống, các
thí nghiệm, thực nghiệm…
Mơ phỏng giúp giảm chu trình thiết kế, giảm kinh phí và tăng
cường hiểu biết …


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Mô phỏng bao gồm:
1) Xây dựng mơ hình tượng trưng mơ tả sự hoạt động
của hệ thống,
2) Phân chia hệ thống thành những bộ phận (thành phần)
và liên kết chúng theo tính chất và quy luật logic (thiết
lập mối quan hệ),
3) Phân tích những tác động /hiệu ứng tương tác giữa
các thành phần với nhau,
4) Nghiên cứu các khả năng khác nhau liên quan tới sự
thể hiện của mơ hình và lựa chọn trường hợp tốt nhất.


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Hệ thống và mơ hình:
- Một hệ thống bao gồm một tập hợp các đối tượng phân
biệt mà các hoạt động và tương tác lẫn nhau nhằm đạt
được mục tiêu nào đó.
- Với một hệ thống: sẽ có 1 tập hợp các tham biến mà tại
thời điểm xác định bất kỳ xác định được chúng thì coi
như đã biết trạng thái của hệ thống.
- Xây dựng một mơ hình phù hợp cho hệ thống được
nghiên cứu là một công việc tinh tế và quan trọng bậc
nhất trong mô phỏng.

Chương I: Các khái niệm và cơng cụ cơ bản
• Mơ hình là tổ hợp thơng tin về hệ thống được tập hợp lại
nhằm mục đích nghiên cứu hệ thống;
• Các bước để thiết lập mơ hình gồm:
- Thiết lập cấu trúc mơ hình – xác định giới hạn của hệ
thống; định nghĩa các đại lượng, thuộc tính và hoạt động
của hệ thống.
- Cung cấp số liệu - những giá trị mà các thuộc tính có thể
có và định nghĩa các quan hệ bao hàm trong các hoạt
động.
- Thiết lập quan hệ: có thể chọn trong các phương án
+ Hệ phương trình (từ đơn giản tới phức tạp)
+ Các luật logic (phương trình có thể được đơn giản
hố thành chuỗi “yes” “no”
+ Khả năng ứng xử của hệ thống có thể được lựa chọn
trong 1 tập hợp các khả năng có thể xảy ra (chẳng hạn:
tạo ra tập hợp tựa ngẫu nhiên)


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Mô hình được mơ phỏng trên máy tính có thể địi hỏi:
+ Xấp xỉ và rời rạc hoá
+ Các quan hệ toán học và logic cần phải được thể hiện
qua chuỗi các bước tính một cách tường minh.


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Giải quyết vấn đề bằng mơ phỏng và mơ hình hố gồm:

- Phân tích hệ thống
- Thiết lập các giả thiết
- Thiết lập các mơ hình tốn học, logic
- Nhận định / đưa ra chiến lược giải quyết vấn đề
- Giải số
- Đơn giản hố và kiểm định mơ hình
- Phỏng theo mơ hình bằng máy tính
- Viết chương trình máy tính
- Tổ chức chạy chương trình
- Minh chứng bằng tài liệu, tư liệu
- Thu thập, phân tích, biên dịch kết quả.


Chương I: Các khái niệm và cơng cụ cơ bản
Ví dụ: Đi từ nhà đến trường:
- Xác định tuyến đường
- Phương trình vận tốc: S = D / T
- Các quy tắc lựa chọn các tuyến đường
- Mức độ tương tác với các phương tiện giao thông khác
- Ảnh hưởng của các biến cố bất thường
- …


Chương I: Các khái niệm và cơng cụ cơ bản
Kích cỡ thời gian: Trạng thái của một cơ hệ được xem xét
vào những thời điểm cần quan tâm.
- Bắt đầu khi nào?
- Khoảng thời gian nhỏ nhất giữa 2 sự kiện? Khoảng
thờ gian xảy ra sự kiện
- Kết thúc khi nào?

Tính chất cơ bản của mơ phỏng
- Mơ phỏng là thực nghiệm: giá rất thấp (giảm giá tới 75%
với thí nghiệm trong phịng thí nghiệm); dễ dàng thực
hiện.
- Khơng có lý thuyết thống nhất: khơng có cái chung cho
việc thiết lập mơ hình mơ phỏng.
- Mơ phỏng là khoa học hay là nghệ thuật (science or art)


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Mô phỏng hệ liên tục: là mô phỏng hệ thống mà trạng thái
của nó thay đổi từ từ hoặc liên tục, chẳng hạn như phản
ứng hố học khơng thuận nghịch.
Mơ phỏng hệ rời rạc: là mô phỏng hệ thống mà trạng thái
thái đổi một cách đột ngột tại các thời điểm, chẳng hạn
xếp hàng, kiểm kê.
Với hệ này có thể chia thành 2 loại:
+ Mô phỏng với bước thời gian cố định: đồng hồ thay
đổi với khoảng thời gian cố định và hệ thống được kiểm
tra xem có xảy ra biến cố nào trong khoảng thời gian đó.
+ Mơ phỏng với biến cố tiếp theo: Máy tính sẽ cập nhật
vào thời điểm xuất hiện biến cố, tức là chuyển từ biến cố
này sang biến cố tiếp theo.


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Sự

1.

2.

3.
4.

khác nhau (mơ phỏng và mơ hình hố)
Khơng giống như mơ hình tốn học, các quan hệ logic
(if .. then ..) và các số liệu thống kê từ quan trắc trực
tiếp cũng như số liệu nhận được từ phân bố ngẫu
nhiên có thể dễ dàng đưa vào mơ hình mơ phỏng trên
máy tính.
Mơ hình mơ phỏng khơng thể xác định được nghiệm tối
ưu. Chúng chỉ có thể so sánh được các phương án với
nhau.
Mơ phỏng là “xa xỉ” và địi hỏi nhiều chi tiết đầu vào
hơn mơ hình giải tích.
Những thay đổi cấu trúc nhỏ trong mơ hình có thể dẫn
đến tồn bộ cách giải bằng mơ hình giải tích trong khi
mơ phỏng nói chung vẫn giữ khơng đổi.


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Kiểm tra và hiệu chỉnh mơ hình
Kiểm tra mơ hình lý thuyết:
- Kiểm tra tất cả các giả thuyết để chuyển đổi hệ thống
thực sang hệ khái niệm.
- Cần nhiều sự phán đốn và địi hỏi hiểu biết sâu sắc
về hệ thống thực
Thực hiện xây dựng mơ hình
- Kiểm tra thuật tốn, sơ đồ và chương trình máy tính

- Mục tiêu


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Kiểm tra mơ hình đã có
Sử dụng input thực tế và so sánh kết quả của mơ hình
với kết quả trong thực tế.
Với mơ hình sử dụng lần đầu tiên
Sẽ rất khó khăn khi khơng có số liệu để so sánh. Nếu mơ
hình dựa trên các giả thiết thì phải kiểm tra các giả thiết
đó.
Có thể tiến hành như sau:
- Kiểm tra hệ thống con (sub system): hệ giả thiết có thể
được chia nhỏ thành các hệ con và từng hệ con này sẽ
được kiểm tra riêng biệt
- Kiểm tra bản chất bên trong: mơ hình sẽ khơng được
chấp nhận nếu có sự thay đổi lớn khi tiến hành chuỗi
phép thử ngẫu nhiên khác nhau.


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
-

-

Phân tích sự nhạy cảm của mơ hình: Thay đổi tham số
đầu vao của mơ hình trong khi giữ khơng thay đổi các
tham số khác, qan sát sự thay đổi (phản ứng) của mơ
hình. Từ đó có thể rút ra được những tham số nào
nhạy cảm đối với mơ hình.

Kiểm tra thể hiện bên ngồi: mơ hình sẽ khơng được
chấp nhận nếu không tuân theo quy luật chung.


Chương I: Các khái niệm và công cụ cơ bản
Hạn chế của mô phỏng
- Phương kế cuối cùng
- Kỹ thuật giải quyết vấn đề có ảnh hưởng lẫn nhau
- Tốn kém về nhân lực và máy tính
- Thơng thường chỉ đạt được nghiệm tối ưu cục bộ.
- Khó khăn trong việc kiểm tra mơ hình
- Địi hịi sự hiểu biết sâu rộng về thống kê và các lĩnh
vực khác.