11-7 أدوات النمذجة
في أكوابونيكش، تستخدم مخططات التدفق أو مخططات المخزون والتدفق (سفد) والرسوم البيانية حلقة السببية (كلدس) عادة لتوضيح وظائف نظام أكوابونك. في ما يلي، سيتم وصف المخطط الانسيابي و CLDs.
11.7.1 المخططات الانسيابية
للحصول على فهم منهجي للأكوابونيكش، الرسوم البيانية الانسيابية مع أهم مكونات أكوابونيكش هي أداة جيدة لإظهار كيفية تدفق المواد في النظام. ويمكن أن يساعد ذلك، على سبيل المثال، في العثور على المكونات المفقودة والتدفقات غير المتوازنة والتأثير بشكل رئيسي على محددات العمليات الفرعية. ويبين الشكل 11.18 مخطط تدفق بسيط في أكوابونيكش. في مخطط التدفق، يتم إضافة أغذية الأسماك والمياه إلى خزان الأسماك، حيث يتم أخذ العلف من قبل الأسماك للنمو، ويتم إثراء المياه مع النفايات السمكية وتضاف المياه الغنية بالمغذيات إلى نظام الزراعة المائية لإنتاج الكتلة الحيوية النباتية. من المخطط الانسيابي، يمكن إنشاء CLD الموضح في الشكل. 11.19 بسهولة.
** الشكل 11.18** مثال على مخطط انسيابي في أكوابونيكش (تبادل راس و هب فقط)
الشكل 11.19 رسم تخطيطي للحلقة السببية (CLD) يوضح أمثلة على حلقة تقوية ومتوازنة داخل أنظمة aquaponic. حلقة التسليح (R) هي الحلقة التي ينتج فيها عمل نتيجة تؤثر على أكثر من نفس الإجراء وبالتالي تؤدي إلى النمو أو الانخفاض، حيث تحاول حلقة موازنة (B) جلب الأشياء إلى الحالة المرغوبة والاحتفاظ بها هناك (مثل تنظيم درجة الحرارة في المنزل)
11.7.2 مخططات الحلقة السببية
الرسوم البيانية حلقة السببية (CLDs) هي أداة لإظهار بنية التغذية المرتدة للنظام (Sterman 2000). هذه المخططات يمكن أن تخلق أساسا لفهم النظم المعقدة من خلال تصور الترابط بين المتغيرات المختلفة داخل النظام. عند رسم CLD، يتم تصوير المتغيرات كعقد. ترتبط هذه العقد بالحواف، والتي تشكل اتصالاً بين متغيرين وفقًا لذلك. ويبين الشكل 11.19 أنه يمكن وضع علامة على هذه الحواف إما إيجابية أو سلبية. هذا يعتمد على علاقة المتغيرات ببعضها البعض. عندما يتغير كلا المتغيرين في نفس الاتجاه، يمكن للمرء أن يتحدث عن علاقة سببية إيجابية. وبالتالي فإن العلاقة السببية السلبية تؤدي إلى تغيير في اتجاهين متعاكسين. عند توصيل عقدتين من كلا الجانبين، يقوم أحدهما بإنشاء دورة مغلقة يمكن أن يكون لها خاصتان: (1) حلقة _esteing _ التي تصف علاقة سببية، وخلق نمو أسي أو انهيار داخل الحلقة أو (2) حلقة _balancing _ التي تحافظ التأثيرات السببية على النظام في توازن . يوضح الشكل 11.19 مثالاً على كلا النوعين من الحلقات.
دعونا نوضح هذا (الشكل 11.20) لمخطط التدفق من الشكل 11.18.
من الواضح أن CLD و SFD مفيدان جدًا لفهم النظام، عندما لا يتطلب النموذج دقة عددية. وإذا كانت الدقة العددية مطلوبة، ينبغي مواصلة دراسة العملية باستخدام رسم تخطيطي للأداة الديناميكية للنظام (SDTD) ونمذجة في برنامج محاكاة النظام الديناميكي. على سبيل المثال، يمكن زيادة CLD في الشكل 11.20 بالمعادلات التفاضلية إلى SDTD (الشكل 11.21).
** الشكل 11.20** مثال CLD لتبادل RAS و HP
من SDTD، يمكننا الآن أن نرى كيف تبدو المعادلات التفاضلية لتوازن العناصر الغذائية في الخزان. ونحن نعلم أن تدفق المغذيات من خزان الأسماك (MSUBXFout/sub) يجب أن يكون تدفق المياه (QSubfout/sub) مرات التركيز في تيار خارج (CSUBXF/sub):
$M_ {xfout} == C_ {xf} Q_ {fout} $
بافتراض أن الخزان المقلب يعطي تركيز المغذيات لخزان fink إلى:
$C_ {xf} = M_ {xf} /V_F $
يمكن اشتقاق المعادلات التفاضلية لجزء RAS إلى:
$XV_F/DT = Q_ {زعنفة} -Q_ {الصنبور} $
$DM_ {XF} /DT = M_ {xfin} -M_ {xfout} $،
** الشكل 11.21** مثال SDTD لتبادل RAS و HP
وبالنسبة للتركيز
$dc/dt= (Q_ {زعنفة} C_ {xfin} -Q_ {fout} C_ {xf} /V_F) $
11.7.3 البرمجيات
بالإضافة إلى لغات الكمبيوتر الأساسية، مثل فورتران، C ++ و بيثون، للحساب السريع والتنفيذ الخاص بالمستخدم بالكامل، تتوفر جميع أنواع أدوات البرامج المتقدمة. توفر أدوات البرمجيات المتقدمة هذه مجموعة متنوعة من البيئات والمفاهيم والخيارات. يمكننا تصميم متغيرات الحالة والمعادلات التفاضلية والاتصالات والحلقات. وبالإضافة إلى ذلك، يمكننا استخدام نموذج لمحاكاة، وتحليل الاستقرار، والتحسين والسيطرة.
الأسباب الرئيسية لنمذجة النظام هي فهمه والتحكم فيه. لذلك، يساعد النموذج على التنبؤ بديناميات النظام أو سلوكه. ويمكن أن تسمح لنا تطبيقات البرمجيات بالقيام بثلاث مهام لاحقة: (أ) النمذجة نفسها، (ب) محاكاة النموذج (النماذج)، (ج) تحسين النموذج و/أو المحاكاة.
برنامج Mathematica هو لتحليل وظيفي للمشاكل وصفها رياضيا (ولفرام 1991). ويستند هذا المفهوم على نهج ليسب (مكارثي وليفين 1965.)، وهي لغة برمجة وظيفية فعالة للغاية. بناء الجملة بسيط إلى حد معقول، وهذا البرنامج هو شعبية في الرياضيات والفيزياء وعلم الأحياء النظم. خصوصا، وحدة ندسولوف يساعد على حل المعادلات التفاضلية العادية، رسم الحل والعثور على قيم محددة.
يتم تقديم أدوات مشابهة جدا لحل ODEs من قبل Maple. هذا البرنامج هو قوي جدا; بين معالمه تنتمي حل مشاكل الحدود, الحلول الدقيقة والتقريب الرياضي. Copasi (محاكي مسار معقد) هو أداة برمجية لمحاكاة وتحليل الشبكات البيوكيميائية عبر المعادلات التفاضلية العادية.
SAGEMATH هو نظام برمجيات رياضيات مفتوح المصدر مجاني. البرنامج هو بيثون القائم ويسهل محاكاة نماذج ODE. برنامج Data2Dynamics عبارة عن مجموعة من الطرق العددية للنمذجة الديناميكية الكمية وهو نموذج شامل ولغة وصف البيانات. يتيح البرنامج تحليل الضوضاء والمعايرة والتنبؤات عدم اليقين، ولديه مكتبات من النماذج البيولوجية.
ربما تكون أفضل لغة محاكاة هي Simula (ربما لم تعد قيد الاستخدام) و Simula 67، التي تعتبر في البداية كحزمة لـ Algol 60. وكانت هذه هي أول لغات وجوه المنحى تماما، وإدخال الطبقات، والميراث، والفئات الفرعية، جامع القمامة وغيرها. في بداية القرن الحادي والعشرين، حصل المبدعون أول-يوهان دال وكريستين نيغارد على ميدالية IEEE جون فون نيومان وجائزة A. تورينغ (دال ونيغارد 1966).
كانت الفكرة وراء Simula أن الكائنات لها حياة؛ فإنها تبدأ في الوجود، وتفعل وجودهم وتتوقف. يتم تعريف الكائنات كفئات عامة (رمز القالب)، ولكل مثيل من هذا الكائن «حياة» في المحاكاة. كان من الصعب جدا تعلم اللغة. ومع ذلك، فإنه يوفر إمكانية لنموذج العمليات كائن حسب الكائن وتشغيل محاكاة حياتهم. تعمل المحاكاة على أساس الأحداث المنفصلة، ومن الممكن محاكاة الكائنات في الروتين المشترك. يمكن بدء تشغيل المزيد من المهام وتشغيلها وفصلها واستئنافها وإكمالها في فترات زمنية متداخلة في عمليات شبه متوازية. الأجهزة اليوم يسمح لنا النمذجة والمحاكاة في المواضيع المتوازية تماما. ومع ذلك، تم استخدام العديد من مفاهيم Simula بالفعل لتطوير لغات أخرى، وهي Java و C++/C\ # ومكتبات الكائنات الثابتة مثل DOL (Soukup و Machacek 2014). الخلف الحالي لـ Simula هو BETA، الذي يوسع ويعرض إمكانيات الميراث في مفاهيم الطبقات المتداخلة (الفرعية) (مع التوقيت المحلي المتداخل) والأنماط (Madsen et al. 1993).
هو دائما خيار لاستخدام أي من اللغات وجوه المنحى ومكتبات محددة وبرنامج كل التعليمات البرمجية اللازمة لنموذج معين. من ناحية أخرى، تسمح بيئات البرمجة الرسومية الموجودة بالفعل بتصميم وربط بنية النظام النموذجي من مكتبات الكائنات (مولد الإشارة، المجموع، التكامل، وما إلى ذلك)، parametrize لهم وتشغيل المحاكاة في الوقت الافتراضي.
برنامج آخر شائع للمحاكاة هو MathWorks Simulink، واصفا نفسه كأداة تصميم على أساس نموذج. البيئة تسمح للجمع بين و parametrize كتل محددة مسبقا (من مجموعة واسعة من المكتبات) والرسوم البيانية في النظم الفرعية. تتم البرمجة باستخدام كتل رسومية واتصالاتها في أجزاء وظيفية مع حلقات التغذية المرتدة. وتستخدم البيئة على نطاق واسع للتحكم والأتمتة ومعالجة الإشارات. إمكانية أخرى هي دمج التعليمات البرمجية الخاصة من لغة MathWorks Matlab أو استخدام صناديق الأدوات المختلفة (Jablonsky et al. 2016). واحد منهم، SENSSB، يركز على تحليل الحساسية ويسمح لاستيراد نماذج أخرى باستخدام لغة ترميز بيولوجيا النظم. لمجرد التصور من النماذج الموجودة في Simulink، فمن الممكن أيضا استخدام عارض نماذج سريعة جدا diffplug. تدعم pottersWheel نمذجة الأنظمة الديناميكية المعتمدة على الوقت ومعايرة المعلمات والتحليل والتنبؤ. أداة مثيرة للاهتمام هي التصميم التجريبي للتحقق من النموذج.
لنمذجة وتحليل ديناميات النظام، يتم استخدام استراتيجية مماثلة من قبل تطبيق البرمجيات Stella Architect isee، حيث يتكون النموذج من كتل، والتي ترتبط من قبل العلاقات. تسمح ستيلا بنمذجة ومحاكاة أنواع مختلفة جدا من التطبيقات، بدءا من الاحتياجات الطبية وحتى بناء المباني والطائرات. يتم تسويق ستيلا في بعض الأحيان كبرنامج Ithink. تم تصميم برنامج Powersim في الأصل لأغراض اقتصادية. ومع ذلك، تطورت إلى أداة أكثر تطورا، بما في ذلك المحاكاة الإلكترونية أو الطاقة الشمسية أو المعالجة من تعاطي المخدرات. يقوم المطور السابق لـ Powersim حاليًا بإنتاج برنامج مماثل للمهام الأكثر تعقيدًا Dynaplan Smia. Vensim هو نظام لنمذجة علاقات البيانات الكبيرة للأنظمة الحقيقية. قوة Vensim هي أنه يسمح بالتتبع السببي وتحليل الحساسية والمعايرة والمحاكاة المكثفة. ومع ذلك، فإن البرنامج قادر أيضًا على التعامل مع مجموعة واسعة من الأنظمة الحقيقية البسيطة والمعقدة (Hassan et al. 2016). True-World برنامج ديناميكيات النظام يسهل المحاكاة الديناميكية متعددة الأجسام المعقدة في وقت منفصل ومستمر. النمذجة تبدأ أساسا من الأرصدة.
نهج مختلفة تماما للنمذجة والمحاكاة هي الآلي الخلوي أو نهج النمذجة القائمة على وكيل، شعبية من قبل ستيفن ولفرام (ولفرام 1991) كنوع جديد من العلوم. ويسمى هذا النهج في بعض الأحيان أيضا لعبة الحياة. يتم تنفيذ النمذجة من خلال تفاعلات الأفراد المستقلين (ماكال وشمال 2005). وتظهر عمليات المحاكاة سلوكا ناشئا وبالتالي فهي تحظى بشعبية كبيرة في بيولوجيا النظم لديناميات السكان. أداة بسيطة للنمذجة والمحاكاة الأساسية (والمتقدمة، وكذلك) المستندة إلى وكيل هو برنامج NetLogo، حيث أوصاف بسيطة و parametrization خلق نماذج قوية. البرنامج يسمح التصور من تطور الوقت وتحريض الضوضاء (Stys et al. 2015). يتم كتابة التطبيق في جافا، مما يحد في بعض الأحيان من الذاكرة المتاحة. ربما كان أكبر جهد في النمذجة متعددة العوامل من خلال تطوير برنامج Wolfram، وهو استمرار Mathematica الشعبية، مع أدوات موسعة للنمذجة والمحاكاة. وقد وضعت النمذجة مثل Simulink في دعوى أكثر جاذبية وأيضا يخلق إمكانيات النمذجة القائمة على وكيل وأكثر من ذلك بكثير الأدوات للتخصصات الرياضية الأخرى (الإحصاءات متعددة المتغيرات، والتعدين البيانات، والتحسين العالمي).
AnyLogic هو برنامج مثير جدا للاهتمام لمشاكل التدفق — المعلومات, المال, حركة المرور, اللوجستية والتعدين. المحاكاة يحل مشكلة التدفق الأمثل في النظام المصمم مع الحد الأدنى من الجهد والكفاءة القصوى. والمفاهيم المستخدمة هي ديناميات النظام والنمذجة القائمة على العميل والحدث الدقيق. كما يقدم الهجينة بين مفاهيم النمذجة المختلفة. والبرنامج مفيد، على سبيل المثال، في عمليات محاكاة انتشار الوباء (Emrich et al. 2007).
أداة نمذجة أخرى قائمة على العميل هي Insight Maker، لمحاكاة تفاعل السكان في المساحة الجغرافية أو الشبكة. يدعم البرنامج بناء نموذج رسومي، واستخدام نماذج متعددة، جزءا لا يتجزأ من البرمجة وأدوات التحسين (فورتمان-رو 2014).
بالنسبة للنمذجة نفسها، يمكن استخدام وصف متغيرات الحالة، حل ODEs، parametrization وتحليل التبعية الوقت، المجموعة الأولى من البرامج، من Mathematica إلى Matlab، دون تردد. وهي تمثل أدوات قوية لأغراض النمذجة. في حالة التحليل الأكثر تعقيدا، مثل المتعلقة بالبيانات الكبيرة، والمحاكاة، وتحريض الضوضاء، والتحسين، والحساسية و ستوكاستيكش، هناك حاجة إلى أدوات أكثر تقدما، مع نهج وجوه المنحى، والتي تنطوي أيضا على تحريض أعلى في بناء الجملة لغات البرمجة.