بهبود عملکرد مدل‌های شبیه‌سازی پیچیده

به گزارش واحد فناوری اطلاعات سایبربان؛ در زمان طراحی سامانه‌های پیچیده‌ی نظامی مانند وسایل نقلیه‌ی هوایی و موتورهای آن، مدل‌های محاسباتی و شبیه‌سازی می‌توانند کمک بزرگی به کاهش هزینه‌ها و زمان تولید بکنند. اگرچه در مدل‌هایی با وفاداری بالا¹ (high-fidelity models) و واقع‌بینانه، به توان محاسباتی بسیار بالایی نیاز است تا بتوان همه‌ی عوامل محیطی و تغیرهای مختلف را برای افزایش دقت پیش‌بینی پیاده‌سازی کرد. محققان معمولاً برای کاهش هزینه‌های محاسباتی از مدل‌های ساده شده استفاده می‌کنند؛ اما این مدل‌ها دارای فرضیات، اطلاعات ناقص، ابهامات و ورودی‌ها غیرقابل ‌پیش‌بینی متفاوت هستند. این مشکل زمانی تشدید می‌شود که در زمان تعامل با سیستم‌های پیچیده نوعی عدم قطعیت به وجود آید.
به طور معمول محققان در زمان انجام آزمایش‌هایی با گستردگی بالا  به نتایج به دست آمده از مدل‌سازی‌های خود تکیه می‌کنند. این مدل‌سازی دریک فرآیند تکرار ساخت، آزمایش، بررسی در طی چندین سال، بارها صورت گرفته و هزینه‌ها را به شدت افزایش می‌دهد.
سازمان دارپا به تازگی برنامه‌ای به نام ایکوییپز (EQUiPS²) را برای کاهش چالش‌های یاد شده معرفی کرد. این کار از طریق توسعه‌ی ابزارهای ریاضی و روش‌های برخورد با مسائل سامانه‌های بزرگی که شمار بالایی متغیر غیرقطعی دارند، در هر مرحله از فرآیند طراحی و مدل‌سازی صورت می‌گیرد. این برنامه نوعی ابزار عدم قطعیت³ (uncertainty quantification) به حساب آمده و تلاش می‌کند روی چگونگی افزایش دقت پیش‌بینی‌ها متمرکز شود.
طراحان با استفاده از یک ابزار عدم قطعیت پیشرفته می‌توانند خطرات موجود در طرح‌های خاص را به شکل بهتری درک کنند. به دست آوردن این‌گونه اطلاعات، فرصت ایجاد مدل‌های جدید برای وسایل نقلیه‌ی زمینی، هوایی و فضاپیماهای پیچیده‌ی ارتش را در زمان ساخت نمونه‌ی اولیه و آزمایش آن افزایش می‌دهد.
در بسیاری از موارد زمانی که سامانه‌ها در حال توسعه هستند، مدل‌سازی‌ها ناکافی به نظر می‌رسد؛ زیرا ممکن است داده‌ها از دست رفته یا درباره‌ی شرایطی که سیستم در آن عمل می‌کند اطلاعات ناکافی وجود داشته باشد. این موضوع پیش‌بینی رفتار سیستم‌ها را مشکل‌تر کرده و حتی در مواردی قابلیت اطمینان طرح‌های ایجاد شده توسط پژوهشگران را کاهش می‌دهد.
هم‌اکنون ابزارها و محیط‌های پیچیده‌ی محاسباتی مانند تونل‌های باد و شبیه‌سازی‌های دریایی به مهندسان در توسعه، طراحی و آزمایش مدل‌ها در شرایط واقعی کمک می‌کنند؛ اما طرح‌های جدید به علت دارا بودن ویژگی‌های پیچیده غیرقابل پیاده‌سازی به شکل مدل‌های فیزیکی هستند. برای مثال می‌توان به هواپیماهایی مافوق صوتی با سرعت 21 هزار کیلومتر (13 هزار مایل) در ساعت، یا کشتی‌هایی با توان حرکتی 120 گره‌ی دریایی اشاره کرد که دارای تعداد بسیار زیادی متغیر نامشخص هستند و برای بررسی آن‌ها استفاده از ابزارهای عدم قطعیت بهترین گزینه به شمار می‌آید.
فریبا فهری (Fariba Fahroo)، مدیر برنامه‌ی دارپا گفت: «با استفاده از ایکوییپز روش‌های مدل‌سازی و شبیه‌سازی جهان فیزیکی و سامانه‌های مهندسی به شدت تغییر خواهند کرد. هدف ما ایجاد یک ابزار عدم قطعیت برای شبیه‌سازی و درک مسائل طرح‌های بسیار پیچیده است و ابزارهای ریاضی که در حال توسعه‌ی آن‌ها هستیم، زمینه‌های مختلفی مانند معماری‌های جدید هوافضا تا مدارهای مجتمع را در برمی‌گیرد.»
اولین فاز پروژه‌ی ایکوییپز در سال 2015 تکمیل شد و با موفقیت توانست به پیش‌بینی عملکرد هواپیماهای مافوق صوت، کشتی‌هایی با سرعت بالا و موتورهای آن‌ها بپردازد.
دانشگاه براون (Brwon University) یکی از گروه‌های تحقیقاتی است که ایکوپییز استفاده کرده و در حال ایجاد یک مبانی نظری با نام «طراحی در شرایط عدم اطمینان» (DUU⁴) هستند. هدف این طرح ساده‌سازی فرآیند طراحی سامانه‌های دفاعی غیرمتعارف است؛ زیرا این سامانه‌ها در شرایط عملیاتی نامشخص ممکن است دارای هزار متغیر و ویژگی نامعین دیگر باشند. همچنین ممکن است رفتارهای و مشکلات کاملاً جدید و نامشخص که خارج از درک بوده و شناسایی نشده‌اند به وجود آید.
پژوهشگران براون هم‌اکنون در حال طراحی نوعی کشتی هیدروفیل⁵ (Hydrofoil) هستند که در شرایط دریایی آرام با سرعت بیش از 120 و در هوای طوفانی با 60 گره‌ی دریایی حرکت می‌کند. این مدل‌سازی در شرایطی انجام می‌شود که هیچ تاریخچه‌ای از شرایط دریایی مختلف وجود نداشته و به ابزارهای عدم قطعیت برای محاسبه‌ی آن‌ها نیاز پیدا می‌شود. این گروه موفق شد با کمک برنامه‌ی یاد شده تمامی فرایند را مدیریت کرده و علاوه بر ایجاد بهترین نوع طراحی، تمامی حالت‌های مختلف را نیز پیش‌بینی کند.
فهرو توضیح داد: «ساخت کشتی‌های هیدروفیل با چالش‌های فیزیکی بسیاری همراه است و حتی برای ایجاد یک نمونه‌ی فوق‌العاده ساده نیز داده‌های بسیاری کمی در دسترس قرار دارد. در نتیجه برطرف سازی مشکلات آن و ایجاد یک معماری سه‌بعدی کارآمد، یک چالش محاسباتی بسیار بزرگ است؛ اما با کمک ایکوییز می‌توان میزان وفاداری مدل‌ها را افزایش و خطرهای بهینه‌سازی را کاهش داد که در نهایت باعث کاهش هزینه‌ها می‌شود.»
در حال حاضر دانشگاه‌های ام.آی.تی، موسسه فناوری و پلیتیکنیک ویرجینیا (Virginia Tech)، کالیفرنیا، سانتا کروز، و مدرسه‌ی عالی نیروی دریایی آمریکا (Naval Postgraduate School) با محققان براون برای ساخت یک هیدروفیل همکاری می‌کنند.
دانشگاه استفورد نیز با همکاری مدرسه‌ی ماینز کلرادو (Colorado School of Mines)، دانشگاه مشیگان، آزمایشگاه ملی سندیا (Sandia National Laboratories) از ایکوییپز به‌منظور مطالعه و بهینه‌سازی یک موتور جت برای هواپیماهای مافوق صوت استفاده می‌کند.

____________________________

1- در زمینه‌ی شبیه‌سازی، وفاداری به میزان دقت بازتولید حالت‌ها و رفتارهای جهان واقعی در مدل‌سازی‌ها گفته می‌شود. هر چه شبیه‌سازی بهتر صورت گیرد، درجه وفاداری نیز افزایش پیدا می‌کند.
2- Enabling Quantification of Uncertainty in Physical Systems
3- عدم قطعیت، علم بررسی خصوصیات کَمی و کاهش عدم قطعیت در برنامه‌های محاسباتی و جهان واقعیت است. در علوم رایانه، آزمایش‌های صورت گرفته در در شبیه‌سازها یکی از رایج‌ترین ابزارهایی بررسی مشکلات در عدم قطعیت به شمار می‌آید
4- Design Under Uncertainty
5- قایق باله دار نوعی وسیله است که در دو پهلویِ آن باله‌هایی نصب می‌گردد. هنگامی که این قایق به سرعتِ لازم برسد و نیروی آن کافی باشد، قایق به حالت باله‌ران  درمی‌آید. یعنی بدنه‌ی قایق از آب جدا می‌شود و وسیله بر روی باله‌هایش حرکت می‌کند.