Istorija simulacija se može posmatrati na razne načine. Može se govoriti o razvoju alata koji su korišćeni(od mehaničkih trenažera do modernih superračunara), problema na koje su primenjivani, o modelima koji su korišćeni pri simulacijama(diskretni, kontinualni, kombinovani), o razvoju preciznosti procena itd. U ovom tekstu ćemo se koncentrisati na istoriju modelovanja i simulacije u računarskim sistemima.
Prvi pokušaji modeliranja i simulacija u računarstvu
Pionirima u ovoj disciplini smatraju se matematičari Stanislav Ulam i Džon fon Nojman. Oni su tokom istraživanja na Menhetn projektu za izradu nuklearne bombe bili suočeni sa problemom procene ponašanja neutrona. Obzirom da je cena eksperimenata bila neprihvatljivo visoka, i problem je bio isuviše komplikovan da bi se rešio kroz teorijski pristup, ova dva briljantna istraživača se odlučuju da koriste Monte-Karlo metode. Ovakav pristup podrazumevao je da slučajno biraju početne konfiguracije čestica, i da kroz simulaciju njihovog ponašanja dobiju moguće ishode ovakvih postavki. Veliki uspeh ovog pristupa veoma brzo dovodi i do znatne popularnosti simulacije i uskoro se traže nove mogućnosti u primenama.
U ovo doba aktuelna su bila dva pristupa u realizovanju računarskih tehnologija: analogni i digitalni. Analogni računari su bili naročito pogodni za rešavanje problema koji su zahtevali upotrebu diferencijalnih jednačina. U njima su elektronski DC pojačivači konfigurisani da rade kao integratori, dok su razne nelinearne, elektromehaničke i elektronske komponente korišćene za realizaciju operacija sabiranja, množenja, deljenja, generisanja funkcija, itd. Ove komponente su bile povezivane na takav način da su davale rešenja za razne sisteme diferencijalnih jednačine koje su opisivale dati fizički model. Često je bilo neophodno značajno umeće i preciznost u realizaciji komponenti da bi se dobili upotrebljivi rezultati simulacija. U ovo doba glavne poluprovodničke komponente su i dalje bile vakuumske cevi, tranzistori su tek trebali da budu otkriveni.
Pojava komercijalnih računara i razvoj alata za simulaciju
Računarska simulacija nije bila od preterane koristi osim za određeni skup prilično ograničenih problema(uglavnom nastalih za potrebe vojne industrije) do kraja 1950’. Razlog za ovo je to što su računari bili isuviše spori, te je bilo potrebno dosta vremena da bi se dobili rezultati, a programiranje ovih računara je bilo toliko komplikovano da je samo mali broj usko specijalizovanih ljudi mogao da radi sa njima. Obično je programer morao da zna osim komplikovanog simulacionog modela i detaljnu arhitekturu računara da bi uspeo da napravi koliko-toliko korisnu simulaciju.
Ogroman korak napred načinjen je 60-tih godina, pojavom računara serijske proizvodnje koji se programiraju pomoću bušenih kartica. Abstrahovanjem mnogih koncepata niskog nivoa problem programiranja se prebacuje sa razmišljanja o specifičnoj arhitekturi računarskog sistema na razmišljanje o samom problemu koji treba simulirati. Ovaj novi način razmišljanja u računarskoj tehnici dovodi i do ideje o razvoju alata specijalne namene koji bi koristile sopstveni jezik izražavanja koji bi se bavio samo stvarima relevantnim za simulaciju, a posebni prevodioci bi se brinuli o tome da se taj program ispravno izvršava na mašini. Jedan od prvih ovakvih alata je Gordonov programabilni simulacioni sistem ili GPSS, čije je ime kasnije iz komercijalnih razloga promenjeno u Simulacioni sistem opšte namene(GPSS – General Purpose Simulation Sistem. Alat je pravljen tako da je prilagodljiv za rešavanje raznih problema, tako da uskoro biva stavljen u pogon za rešavanje problema poput predviđanja zagušenja saobraćaja, proizvodnje drvne građe, ili je čak korišćen u svrhu meteoroloških predikcija. IBM je prva kompanija koja je pružila podršku ovom projektu kroz donacije odgovarajućeg softvera i hardvera. Da bi još bolje približili koliko je ovaj alat dobro prihvaćen, napomenimo samo da ga u tim godinama koriste firme poput sledećih: Boeing, Air Force Logistics Command, General Dynamics, Hughes Aircraft, Raytheon, Exxon.
Uspeh ovog alata je dao ohrabrenje entuzijastičnim programerima da razvijaju nove i bolje tehnologije. Uskoro se u programerskom svetu pojavljuju novi alati za simulaciju: SIMSCRIPT, SIMULA, SPURT, GASP, SIMSCRIPT II, SIMAN… Zbog potrebe obrazovanja kadrova i sve većeg razumevanja značaja i potencijala ove vrste prgoramiranja u svetu postaju sve aktuelniji seminari i konferencije na kojima se donose fundamentalne odluke o nastavku razvijanja ovih tehnologija. Veliki značaj ovih konferencija je i u širenju popularnosti ovih metoda, kada one prvi put dobijaju veću pažnju javnosti.
Trendovi simulacije od 1970-tih pa sve do današnjih dana
Napredovanje metoda simulacija od 1970-tih pa do danas se najviše vidi u pojednostavljenju alata, optimizaciji njihovih performansi, kao i u povećanju njihove fleksibilnosti za primene. Napredovanje tehnologije dovodi do sve moćnijeg hardvera, što kao posledicu ima stvaranje sve moćnijih ali i jeftinijih mašina. Gotovo svaka fabrika koristi ove alate da bi optimizovala proizvodnju, tako što će da smanji „prazan hod“ mašina. Pristupačne cene računara dovode i do stvaranja alata za kućnu primenu, kakvi su MATLAB, Mathematica, R,… Neki problemi koji su ranije bili nezamislivi danas su ostvarivi na većini računara, kao što je problem generisanja trodimenzionog sadržaja i trodimenzionih animacija, simulacija fizičkih okruženja(npr računarske igrice sa visokim nivoom realizma), integracija kompleksnih višedimenzionih funkcija itd.
Neke od naprednijih upotreba simulacionog softvera u moderno vreme su:
- dizajn kompleksnih sistema poput vazduhoplovnih logističkih sistema,
- simulatori letenja za trenažu pilota,
- predviđanje vremena,
- procena rizika,
- modelovanje sudara vozila u cilju ojačavanja sigurnosti,
- testiranje nuklearnih oružja,
- izučavanje socioloških pojava i predviđanje ponašanja većih socijalnih grupacija, idr.
Velika primenljivost i gotovo fundamentalan značaj za sve procese u svetu dovode do ogromnih ulaganja u ovu oblast. Jedan od parametara tehnološke razvijenosti neke države je i to koliko ima moćnih računara. Zato države ulažu veliki novac u razvoj hardvera za izračunavanja visokih performansi. Prave se računari sa stotinama hiljada procesora, koji paralelno izvršavaju kompleksne algoritme. Ovakve arhitekture dovode i do specijalizovanih konkurentnih i distribuiranih algoritama. Trenutno laskavu titulu najbržeg računara na svetu nosi kineski Tianhe-2 računar brzinu od 54 902 petaflopova.
Budući izazovi
Razvoj modelovanja i simulacije se smatra jednim od fundamentalnih puteva za razvoj nauke i civilizacije uopšte. Trenutna aktivnost u ovoj oblasti je usmerena ka što većoj efikasnosti ovih sistema. Poseban akcenat se stavlja na ekonomičnost i korišćenje takozvanih „zelenih“ tehnologija koje čuvaju životnu sredinu. Moderni alati su omogućili čak i simulaciju razvoja kosmosa kroz 14 milijardi godina. Ovakvi simulacioni eksperimenti su pogodni za testiranje naučnih hipoteza i mogu dovesti do novih teorija čija bi simulacija bolje odgovarala stvarnim merenjima. Jedan od vodećih izazova današnjice je analiza osetljivosti ovih algoritama, koji kontrolišu varijabilnost rezultata simulacije u odnosu na početne parametre, kao i rasptrostranjenje grešaka u toku simulacije.
Autor: Aleksa Stanković