Giới thiệu phần mềm MM&S với các tính năng mới – Mô hình hóa và mô phỏng hệ động

01/07/2013

Mô hình là sự mô tả trừu tượng các mối tương quan của một hệ thống thực bằng một hình thức ước lệ, thường là bằng phương trình toán học. Mô phỏng là sự thí nghiệm trên một mô hình. Phần mềm mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cho phép các chuyên gia không chuyên sâu về toán giải quyết các bài toán phi tuyến bằng việc mô hình hóa và mô phỏng hệ thống - bước quan trọng cuối cùng trong quá trình phân tích hệ thống (Bossel, 1992). Bruenig và các cộng sự (1986) đã nghiên cứu và đưa ra hướng dẫn áp dụng phân tích hệ thống trong bảo tồn, sử dụng và phát triển tài nguyên đất nhiệt đới và á nhiệt đới của Trung Quốc. Barry Richmond (2005) cho rằng, cần đưa tư duy hệ thống (system thinking) vào trường phổ thông và hy vọng bằng cách đó sẽ tạo được sự tiến hóa về tư duy, giao tiếp và học tập; từ đó có thể tiến tới giải quyết các vấn đề xã hội đầy áp lực (vô gia cư, đói, nghiện, bất công trong thu nhập, hiểm họa môi trường, dịch AIDS) đã xuất hiện từ lâu nhưng không giải quyết được và ngày càng trầm trọng. Công cụ được Barry Richmond sử dụng là phần mềm Stella của Mỹ. Jay Forrester (1989), người tiên phong trong lĩnh vực động thái hệ thống và là giáo sư trường đại học công nghệ Massachusetts, cho rằng cần chuyển đổi phương pháp giảng dạy quản trị kinh doanh từ dựa trên nghiên cứu trường hợp (case study) sang phân tích động thái hệ thống với việc mô hình hóa động thái hệ thống. Theo ông, dù là dạy trong trường phổ thông hay trường đại học, vấn đề quan trọng là tập trung truyền thụ một số cấu trúc chung nhất (generic structures). Bossel (2007) đã phát triển các dạng mô hình cơ bản nhất của các lĩnh vực khác nhau, các cuốn sách đã thể hiện khả năng ứng dụng mô hình hóa và mô phỏng trong việc giải quyết vấn đề thực tiễn của nhiều lĩnh vực khác nhau: Vật lý và chế tạo máy, Khí hậu, hệ sinh thái, tài nguyên, Kinh tế, xã hội và phát triển.

Phần mềm MM&S đã được tác giả TS. Nguyễn Văn Sinh - Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật bắt đầu xây dựng từ năm 1999. Đến năm 2008 phần mềm đã được đăng ký bản quyền (số: 529/2008/QTG). Trước năm 2010, giao diện của phần mềm chủ yếu gồm các thanh công cụ và 4 cửa sổ con.

Cửa sổ mô hình dạng văn bản: cho phép soạn thảo và lưu mô hình dưới dạng tệp văn bản trơn với đuôi tệp là “*.ptm” (ptm=plain text model). Để sử dụng tiếng Việt phải dùng bảng mã TCVN3 (“.vntime”,…). Khuôn thức của mô hình gồm phần khai báo khung thời gian và phần khai báo các yếu tố của hệ. Phần khai báo khung thời gian gồm 3 dòng để khai báo thời điểm bắt đầu, thời điểm cuối và bước thời gian. Phần khai báo các yếu tố chia làm 3 nhóm: nhóm các yếu tố không đổi (hằng số) được bắt đầu bằng dòng có từ khoá parameters; nhóm các yếu tố trung gian được bắt đầu bằng dòng có từ khoá varparameters; nhóm các yếu tố trạng thái và biến động của chúng được bắt đầu bằng từ khoá states&rates. Mô hình hoàn thiện lưu dưới dạng tệp có thể được tính toán bằng cách kích chuột vào nút hình người chạy trên thanh công cụ cửa số chính và chọn tệp mô hình trong hộp thoại hiện ra sau đó.
Cửa sổ đồ thị: cho phép vẽ đồ thị và lưu đồ thị dưới dạng tệp hình ảnh (*.bmp) hoặc dạng stream với đuôi tệp “*.stm”. Có thể vẽ đồ thị thời gian (thể hiện biến động giá trị các yếu tố của hệ theo thời gian) và đồ thị pha (thể hiện tương quan 1 cặp yếu tố theo thời gian).
Cửa sổ sơ đồ mô phỏng: cho phép vẽ sơ đồ mô phỏng thể hiện tương tác giữa các yếu tố của hệ: (*) biểu tượng hình vuông dành cho yếu tố trạng thái, (*) biểu tượng hình tròn dành cho yếu tố không đổi, (*) biểu tượng hình thoi dành cho yếu tố trung gian. Các đường liên kết được đánh dấu điểm xuất phát từ một yếu tố tác động bằng 1 khong tròn và điểm đến yếu tố bị tác động bằng 1 đoạn màu đỏ. Có thể nạp thông tin và công thức vào sơ đồ mô phỏng qua hộp thoại bằng cách kích đúp chuột lên từng biểu tượng đại diện cho các yếu tố của hệ. Khi đã nạp công thức xong có thể chạy tính toán mô phỏng từ cửa sổ sơ đồ mô phỏng.
Cửa sổ bảng: cho phép hiển thị kết quả tính toán mô phỏng dưới dạng bảng, lưu dưới dạng tệp (*.tbl) và lưu vào tệp văn bản trơn (*.txt).

Trước khi được bổ sung tính năng, phần mềm MM&S chưa sử dụng được font unicode để hiển thị tiếng Việt, chưa có mũi tên cho đường liên kết. Đặc biệt, phần mềm MM&S chưa thể hiện được cấu trúc của những hệ thống có yếu tố thay đổi nhưng được liệt kê giá trị trước.

Trong khuôn khổ đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam “Nghiên cứu mô hình hoá các hệ sinh thái rừng trồng chủ yếu của vùng Đông Bắc Việt Nam để đề xuất các giải pháp phát triển bền vững“ được thực hiện trong 2 năm 2010-2011, tác giả phần mềm MM&S đã bổ sung tính năng mới cho phép mô hình hóa và mô phỏng các hệ động có yếu tố thay đổi nhưng được liệt kê giá trị trước.

Trên thực tế có nhiều trường hợp ta không thể xếp một yếu tố của hệ thống vào một trong các nhóm yếu tố đã định nghĩa trước đây của phần mềm MM&S để tính toán mô phỏng. Đó là trường hợp của những yếu tố có giá trị thay đổi theo thời gian, tuy nhiên giá trị của chúng ở tất cả hoặc một số thời điểm nhất định đã được định sẵn. Chúng không thuộc nhóm các yếu tố không đổi vì giá trị của chúng thay đổi theo thời gian. Chúng không thuộc nhóm các yếu tố trung gian, vì giá trị của các yếu tố trung gian ở mỗi thời điểm nhất định được tính từ giá trị của một hoặc nhiều yếu tố khác. Chúng không thuộc nhóm các yếu tố trạng thái vì giá trị của chúng ở một thời điểm bất kỳ không thể xác định được bằng cách cân, đo, đong, đếm, và giá trị của chúng ở thời điểm hiện tại cũng không được tính toán bằng cách cộng giá trị của bản thân ở thời điểm trước với biến động trong khoảng từ thời điểm trước đến thời điểm hiện tại. Do đó, đây phải là một nhóm yếu tố mới.

mms2 Dựa trên đặc điểm của các yếu tố này tác giả tạm đặt tên cho nhóm yếu tố này là nhóm các “yếu tố liệt kê”, để thể hiện đặc điểm của chúng là có các giá trị được liệt kê sẵn cho các thời điểm khác nhau. Giá trị của các yếu tố thuộc nhóm này của hệ thống được khai báo dưới dạng hàm bảng: tức là các giá trị được liệt kê cùng với thời gian, các giá trị thời gian được liệt kê trên một dòng và các giá trị của yếu tố tại từng thời điểm được liệt kê trong các ô tương ứng trên dòng thứ hai.

Cùng với việc đưa thêm một nhóm yếu tố mới, khuôn thức của mô hình văn bản cũng được thay đổi như hình bên, với phần khai báo khung thời gian (3 dòng đầu) và bốn nhóm yếu tố của một hệ động.

Cũng như trước đây, sơ đồ mô phỏng có biểu tượng hình tròn thể hiện các yếu tố không đổi, biểu tượng hình thoi thể hiện các yếu tố trung gian, biểu tượng hình vuông thể hiện các yếu tố trạng thái. Ngoài ra còn có thêm một biểu tượng hình tròn với 3 dấu cộng hoặc trừ bên trong để thể hiện các yếu tố liệt kê. Một điểm mới nữa ở đây là các đường liên kết có mũi tên ở cuối. Kích đúp chuột lên biểu tượng của một yếu tố, một hộp thoại thông tin về yếu tố sẽ hiện ra phù hợp với nhóm yếu tố như hình dưới đây.

mms3

Ta có thể gõ thông tin (tên yếu tố, biến đại diện cho yếu tố trong mô hình toán...) và công thức tính. Ngoài ra hộp thoại còn cho biết yếu tố này tác động lên những yếu tố nào hay bị những yếu tố nào tác động như được liệt kê trong các danh sách ở cuối hộp thoại.

mms4

Nguyên tắc tính toán chung cho các nhóm yếu tố cũ vẫn được giữ nguyên như trước. Với giá trị ban đầu của các yếu tố trạng thái và các giá trị của các yếu tố không đổi và các yếu tố liệt kê, giá trị các yếu tố trung gian và đặc biệt là Giá trị biến động của các yếu tố trạng thái tại thời điểm xuất phát sẽ được tính. Từ thời điểm tính toán mô phỏng thứ nhất trở đi, giá trị các yếu tố trạng thái sẽ được tính bằng cách cộng giá trị của nó với giá trị biến động của nó tại thời điểm trước. Sau đó trên cơ sở giá trị của các yếu tố trạng thái, các yếu tố không đổi và các yếu tố liệt kê, chương trình sẽ tính giá trị cho các yếu tố trung gian. Tuy nhiên, nếu các giá trị của yếu tố liệt kê không được khai báo cho tất cả các thời điểm tính toán, chương trình sẽ tính giá trị của chúng trước khi bắt đầu tính toán mô phỏng.

Như vậy, một vấn đề mới nảy sinh cho tính toán mô phỏng là các giá trị liệt kê chưa chắc đã trùng với các thời điểm tính toán mô phỏng. Hơn nữa có thể các giá trị liệt kê chỉ có ít nhưng lại cần tính toán mô phỏng cho khoảng thời gian dài. Trong những trường hợp thời điểm tính toán mô phỏng không trùng với thời điểm yếu tố liệt kê được khai báo, chương trình MM&S sẽ xử lý như sau:

+ Nếu thời điểm tính toán mô phỏng nằm trong khoảng thời gian được chỉ dẫn là không tính giá trị của yếu tố liệt kê cho thời điểm không được khai báo (dấu trừ trong mô hình dạng văn bản) giá trị của yếu tố liệt kê sẽ được gán giá trị 0.
+ Nếu thời điểm tính toán mô phỏng nằm trong khoảng thời gian được chỉ dẫn là cần tính giá trị của yếu tố liệt kê cho thời điểm không được khai báo (dấu cộng trong mô hình dạng văn bản), như trên đã nêu, giá trị của yếu tố liệt kê sẽ được tính như sau:

Từ 2 giá trị của các thời điểm được khai báo liền trước V_t1 và liền sau V_t2 (nếu thời điểm không được khai báo i nằm giữa 2 thời điểm được khai báo):

V_i := ((V_t2-V_t1)/(t2-t1))*(i-t1); trong đó t1

Từ 2 giá trị của các thời điểm được khai báo liền trước V_t1 và V_t2 (nếu thời điểm không được khai báo nằm sau thời điểm muộn nhất được khai báo):

V_i := ((V_t2-V_t1)/(t2-t1))*(i-t2); trong đó t1

Từ 2 giá trị của các thời điểm được khai báo liền sau V_t1 và V_t2 (nếu thời điểm không được khai báo nằm trước thời điểm sớm nhất được khai báo):

V_i := ((V_t2-V_t1)/(t2-t1))*(t1-i); trong đó i

Kết luận

Hàm bảng đã được bổ sung thành công cho phần mềm MM&S cùng với việc bổ sung nhóm yếu tố mới - nhóm yếu tố liệt kê – là nhóm thứ 4 vào danh sách các nhóm yếu tố của hệ động. Cũng như các nhóm yếu tố khác, nhóm Yếu tố liệt kê được khai báo riêng trong mô hình dạng văn bản và các yếu tố liệt kê trong sơ đồ mô phỏng được nạp thông tin vào qua một hộp thoại riêng. Với việc bổ sung hàm bảng, phần mềm có thể được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng các hệ động có yếu tố liệt kê - yếu tố có giá trị cho trước cho các thời điểm khác nhau trong khoảng thời gian tính toán mô phỏng.

Nguồn tin: Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật
Xử lý tin: Minh Tâm

Tags: