سیستم ها
مقدمه
انسان برای رفع نیازهای خویش سیستم های متنوعی اعم از تولیدی و خدماتی را بوجود آورده است . این‌سیستمها در طول زمان رشد و توسعه یافته‌اند و به نوبه خود مسائل و مشکلات مختلفی را هم ایجاد نموده‌اند.از طرف دیگر پیچیدگی های این سیستم ها فرایند تصمیم‌گیری ، هدایت و کنترل را برای افراد مسئول بسیارحساس و مشکل ساخته است . لذا برای حل مسائل و مشکلات و در نهایت کمک به مسؤلان به منظورشناخت و بهبود عملکرد و تصمیم‌گیری در مورد سیستم ها ، روشها و تکنیک‌های متفاوتی بوجود آمده اند که‌بکارگیری آنها بستگی به نوعی سیستم و مشکل مربوطه دارد . تجزیه و تحلیل های ریاضی مشاهده عینی وتجربی و فنون مختلف پژوهش عملیاتی را میتوان نمونه‌ای از این روشها دانست . طبیعی است که هریک ازروشهای مذکور دارای نقاط قوت و محدودیت‌هایی می‌باشند و بکارگیری همه آنها در مورد یک سیستم‌خاص نه بسادگی امکان پذیر است و نه نتیجه مشابه خواهد داشت . یکی دیگر از روشهائی که برای شناخت‌وضع موجود و بهبود عملکرد سیستم ها بوجود آمده ، شبیه سازی است که در این فصل به معرفی آن‌می‌پردازیم . شبیه سازی یکی از پرقدرترین و مفید ترین ابزارهای تحلیل عملکرد فرایندهای پیچیده سیستم‌هااست . هر مهندس یا مدیری که بخواهد اطلاعاتش را کامل کند باید با این روش آشنا باشد . مدلسازی از طریق‌شبیه سازی تاحد زیادی به‌علوم کامپیوتر، ریاضیات ، احتمالات و آمار متکی است.
چون شبیه سازی نوعی مدلسازی سیستم است لذا در بخش نخست سیستم ها و سپس م دلها و در نهایت‌شبیه سازی را مورد بحث قرار خواهیم داد .
سیستم ها
برای آشنایی با مفهوم سیستم ابتدا مثالهای از سیستم را ارائه می‌کنیم و سپس با جزئیات بیشتر به بحث‌خواهیم پرداخت . به تشکیلات یک بانک توجه کنید . یک بانک تعدادی انسان ، ماشین، دفاتر، کامپیوتر،مقررات اداری و قوانین پولی و اقتصادی است که همه به نوعی وابسته به یکدیگر بوده و با اثر گذاشتن بر هم‌بمنظور ارائه خدمات بانکی و کسب درآمدهای اقتصادی دارای وحدت و هماهنگی هستند . یک واحدتولیدی ، مثلاً تولید اتومبیل ، مثال دیگری از سیستم است در این واحد هم تعداد زیادی از مهندسین ،کارگران، ماشین آلات ، قوانین کار ، فرمولهای مهندسی، مواد اولیه و قوانین تولید گردهم آمده و هریک در راه‌هدف نهایی یعنی تولید دارای نقشی بوده و در اجرای این نقش از دیگران تأثیر پذیر و بر دیگران تاثیر گذارمی‌باشند. مسلماً هدف از ایجاد یک سیستم یا اداره یک سیستم موجود، کسب بهترین نتایج حاصل از آن‌است. لذا در مورد سیستم های موجود باید تأثیر اجزاء آن بریکدیگر، قوانین و رابطه‌های حاکم برآن و دیگرخصوصیات آنرا شناخت. و اگر هدف ایجاد یک سیستم است باید بهترین تعداد و ترکیب اشیاء و مؤثرترین‌قوانین را برای آن انتخاب نمود . اما انتخاب بهترین ها خود مستلزم شناخت رفتار سیستم با ترکیبات و قوانین‌متفاوت می‌باشد . در هر حال لازمه ایجاد یا اداره مطلوب یک سیستم ، بررسی و تجزیه و تحلیل آن است .بطور کلی سیستم را میتوان چنین تعریف کرد "مجموعه‌ای از اشیاء با مشخصه‌های معلوم ، که روابط بین آنهاو قوانین حاکم بر آنها مشخص است . اشیاء یک سیستم ممکن است دائمی یا موقت باشند." مثلاً در یک‌سیستم تولیدی ، ماشین های تولیدی جزء اشیاء دائمی و مواد اولیه و یا تولیدات از اشیاء موقت سیستم بشمارمی‌روند . هر یک از اشیاء دائمی یا موقت دارای یک یا چندین مشخصه هستند . اما در یک بررسی تنها آندسته‌مشخصهایی که در ارتباط با هدف بررسی بوده و نتایج از آنها تأثیر پذیر است مدنظر قرار گرفته و بعنوان‌مشخصه در مدل سیستم گنجانیده میشوند. به چگونگی اشیاء ، مشخصات و روابط یک سیستم در یک لحظه‌زمانی وضعیت سیستم در آن لحظه می‌گویند . اغلب ، تغییرات خارجی سیستم مؤثر واقع شده و بعضی‌تغییرات در سیستم دارای اثراتی بر عوامل خارجی هستند. مجموعه این گونه عوامل خارجی را که بر سیستم‌مؤثر و یا از آن تأثیر پذیرند محیط سیستم خوانند . همراه با گذر زمان مقدار بعضی از مشخصه‌های اشیاءسیستم تغییر می‌یابند . این تغییرات نسبت به زمان ممکن است بصورت پیوسته یا ناپیوسته باشد . بطور مثال‌در یک سیستم بانک تعداد مشتریها یکی از مشخصه‌های سیستم است که تغییرات آن بصورت ناپیوسته باورود و خروج مشتری ها صورت میگیرد . یک ورود باعث افزایش آن و یک خروج باعث کاهش آن میگردد .در عوض یک تصفیه خانه را در نظر بگیرید . مایعات تصفیه نشده و تصفیه شده از اشیاء سیستم بوده و مقدارآنها مشخصه‌ای برای سیستم هستند. تغییرات این مشخصه با گذر زمان ارتباط پیوسته‌ای دارد . به این نوع‌سیستم، سیستم پیوسته و به سیستم مثال قبل یک سیستم گسسته گویند .
مدلها
همانطور که گفته شد برای مطالعه و تجزیه و تحلیل سیستمها، روشهای متفاوتی وجود دارد . در مطالعه‌تجربی یکی سیستم ، متغیرها تغییر داده شده و تاثیر آنها بر روی سیستم مشاهده می‌شود . اما تعدادسیستمهای که بتوان این روش را برای بررسی آنها بکار برد بسیار محدودند . زیرا اولاً تغییر یک متغیر در یک‌سیستم ممکن است باعث دگرگونی سیستم و لذا بی اعتباری بررسی و نتایج حاصل از آن گردد . ثانیاً ایجادتغییر برای مشاهده عکس العمل رفتاری در همه سیستم ها عملی نیست . علاوه بر این ، این روش ، زمانیکه‌طراحی و ایجاد یک سیستم جدید در کار بوده و برای رسیدن به نتیجه مطلوب باید رفتار آن مورد بررسی قرارگیرد ، بی معنی خواهد بود . در اینگونه موارد از یک الگو یا مدلی از سیستم که شامل اطلاعات لازم برای‌بررسی و تجزیه و تحلیل آن باشد استفاده می‌کنند.
بطور کلی مدل را میتوان چنین تعریف کرد «مدل ، ترکیب مناسبی از خصوصیات یک سیستم و اطلاعات‌مربوط به آن است که به منظور بررسی سیستم مورد استفاده قرار میگیرد.» معمولاً نوع بررسی، مدل و میزان‌اطلاعات قرار داده شده در انرا تعیین می‌کند . لذا ممکن است بررسی های متفاوت، مدلهای متفاوتی از یک‌سیستم را لازم داشته باشد . بعبارت دیگر سیستم ها در بررسی های گوناگون دارای یک مدل منحصر بفردنیستند . مسئله‌ای که در اینجا پیش می‌آید ، فراگیری جزئیات سیستم بوسیله مدل و یا میزان نزدیک بودن مدل‌به واقعیت است . به بیان دیگر در موقع مدلسازی دو سؤال مطرح میگردد:
در مدل کدامیک و به چه اندازه خصوصیات و جزئیات سیستم باید وجود داشته باشد ؟
میزان شباهت مدل به سیستم واقعی چقدر است ؟
مسلماً هرچه جزئیات بیشتر از سیستم در مدل گنجانده شود ،شباهت زیادتری به سیستم واقعی پیدا نموده‌و رفتار آنرا بهتر نمایش می‌دهد . در این صورت اگر نتیجه‌ای از مطالعه و بررسی مدل حاصل گردد ، به واقعیت‌نزدیکتر و لذا بکارگرفتن آن در سیستم واقعی عملی‌تر است . از طرف دیگر، وجود جزئیات بیشتر در مدل‌سبب مشکل تر نمودن مطالعه و رسیدن به نتیجه میگردد . اغلب افزودن جزئیات بیش از حد به یک مدل باعث‌تغییر روش بررسی شده و کلیت بحث از دست میرود . بالعکس از قلم انداختن بعضی جزئیات ، تجزیه وتحلیل مدل را ساده‌تر و راه رسیدن به نتیجه را آسانتر و کوتاه تر می‌نماید و از طرف دیگر نتایج حاصل را ازواقعیت‌ها دورتر و بکارگیری آنها را در سیستم واقعی بی‌ثمر خواهد ساخت . بهر حال ، در مدل سازی معیاری‌برای قابل قبول بودن شمول جزئیات یک مدل قبل از بکارگیری نتایج در واقعیت وجود ندارد . ازمسئولیت‌های تحلیل‌گر است که در ساخت مدل و گنجانیدن جزئیات سیستم در آن ، با توجه به دقت مورد نیازدر نتایج ، جانب تعادل و اعتبار را رعایت کند . این تعادل باید به گونه‌ای باشد که اولاً بوسیله تکنیکها و وسایل‌موجود، بررسی مدل امکان پذیر بوده و ثانیاً نتایج بررسی منطبق یا نزدیک به واقعیت باشد . فرایند یک‌مدلسازی مطلوب در زیر نشان داده شده است .
مدلهایی که برای مطالعه سیستمها ساخته و بکار برده میشوند ، با توجه به خصوصیات عمومی شان بطرق‌مختلف دسته‌بندی میشوند . با این دسته‌بندیها نه تنها انواع مدلها از یکدیگر متمایز می‌سازند ، بلکه‌روش‌هایی برای بررسی هر گروه تعیین می‌کنند . در مرحله اوّل مدلها را میتوان به دو دسته فیزیکی و ریاضی‌تقسیم نمود . مدلهای فیزیکی ، شامل خصوصیات عمده و فیزیکی سیستم واقعی بوده و تنها از مقیاس‌کوچکتری برخوردارند. مدلهای ریاضی که خود به دو دسته متمایز بنام های سمبولیک و گرافیک تقسیم‌می‌شوند ، با بکار بردن سمبولها یا گرافها و چارتها سیستم را نمایش می‌دهند . در مدلهای ریاضی ،مشخصه‌های سیستم به وسیله متغیرها ، و روابط موجود بین آنها نمایش داده میشوند . در یک تقسیم بندی‌دیگر مدلها ، اعم از فیزیکی یا ریاضی ، بدو دسته ایستا و پویا تقسیم می‌گردند . در یک مدل ایستا، یا بعد زمان‌بطور کلی نادیده گرفته می‌شود یا وضعیت یک سیستم در یک لحظه زمانی بطور ایستا نشان داده می‌شود . درمقابل ، یک مدل پویا به طور صریح گذر زمان را شامل بوده و رابطه وضعیت سیستم و زمان را به نمایش‌می‌گذارد . مدلهای ریاضی با یک دیدگاه دیگر شامل مدلهای تحلیلی و عددی میشوند. این تقسیم بندی‌بیشتر با توجه به روش بررسی مدل و کسب نتایج انجام شده است . بالاخره نوع دیگر تقسیم بندی مدلها،بصورت قطعی و احتمالی است . کلیه تغییرات در یک مدل قطعی، معین و براساس روابط غیر احتمالی‌صورت میگیرد، اما در یک مدل احتمالی، حداقل قسمتی از تغییرات یا روابط، تصادفی و احتمالی است.نمودار زیر دسته‌بندی مدلها را نشان می‌دهد
تاریخچه
شبیه سازی
همانطور که ذکر شد یکی از روشهای تجزیه و تحلیل سیستمها ، شبیه سازی است . این که مفهوم دقیق‌شبیه سازی چیست و چه موقع از آن استفاده می‌شود و دارای چه کاربردهایی است و چه مزایا و معایبی دارد ودارای چه فرایندی است ،بحث هایی هستند که در این بخش به آنها خواهیم پرداخت.
برخلاف بسیاری از علوم فنی که می‌توانند برحسب رشته‌ای که منشاء آنها است رده‌بندی شوند (مانندفیزیک یا شیمی) ، شبیه سازی در تمام رشته‌ها قابل استفاده است . انگیزه اصلی شبیه سازی ریشه در برنامه‌های فضایی دارد ، اما حتی یک بررسی غیر رسمی نوشته‌های مربوط به شبیه سازی ، می‌تواند زمینه وسیع‌کاربردهای فعلی آن را نشان دهد . به عنوان مثال رابرت شانون در کتاب خود (علم و هنر شبیه سازی‌سیستم‌ها) از کتابهایی که در رابطه با کاربرد شبیه سازی در موارد زیر نوشته شده‌اند نام می‌برد . این مواردعبارتند از بازرگانی ، اقتصاد، بازاریابی، تعلیم و تربیت، سیاست ، علوم اجتماعی ، علوم رفتاری، روابط‌بین‌الملل ، ترابری، نیروی انسانی، اجرای قوانین ، مطالعات شهری و سیستم‌های جهانی. بعلاوه تعداد بیشمارمقالات فنی ، گزارشها و رساله‌های دوره دکترا و کارشناسی ارشد، تقریباً در همه زمینه‌های اجتماعی ،اقتصادی، فنی و انسانی، گواه بر تأثیر و رشد گسترده استفاده از شبیه سازی در تمام جنبه‌های زندگی دارد .
تعریف شبیه سازی :
از شبیه‌سازی تعاریف زیادی ارائه شده است اما جامعترین و کاملترین تعریف را شانون ارائه داده است .شانون شبیه سازی را چنین تعریف می‌کند «شبیه سازی عبارت از فرایند طراحی مدلی از سیستم واقعی‌وانجام آزمایشهایی با این مدل است که با هدف پی‌بردن به رفتار سیستم ، یا ارزیابی استراتژیهای گوناگون (درمحدوده‌ای که به وسیله معیار و یا مجموعه‌ای از معیارها اعمال شده است) برای عملیات سیستم ، صورت‌می‌گیرد.» بنابراین در می‌یابیم که فرایند شبیه سازی، هم شامل ساختن مدل و هم شامل استفاده تحلیلی از آن‌برای مطالعه یک مسئله است . در تعریف فوق، سیستم واقعی به معنای سیستمی که وجود دارد یا قابلیت‌ایجاد شدن را دارد ، بکار رفته است . قبل از پرداختن به مسائل دیگر شاید بهتر باشد که برای تشریح مفهوم‌شبیه سازی به مثال ساده‌ای توجه کنیم . سیستم باجه پرداخت پول یک بانک را در نظر بگیرد . فرض کنید که‌یک نفر در قسمت پرداخت پول کار می‌کند . و همچنین فرض کنید که زمان بین ورود مشتریان روی 1 تا 10دقیقه بطور یکنواخت توزیع شده باشد (برای سادگی ، اندازه تمام زمانها را به نزدیکترین عدد صحیح گردمی‌کنیم). همچنین فرض کنید که زمان لازم برای خدمت به هر مشتری روی 1 تا 6 دقیقه به طور یکنواخت‌توزیع شده است . می‌خواهیم متوسط مدت زمانی را که مشتری در سیستم صرف می‌کند، اعم از زمان انتظارمشتری و زمان خدمت و درصد مدت زمانی را که صندوقدار مشغول به کار نیست محاسبه کنیم . برای شبیه‌سازی کردن این سیستم نیاز داریم آزمایشی ساختگی که معرف وضعیت بالا باشد ، بوجود آوریم . بدین‌منظور باید روشی برای تولید مراجعه ساختگی گروهی از مشتریان و زمان لازم برای خدمت به هر یک از آنهارا ایجاد کنیم . در یکی از روشهایی که می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد کار را با 10 مهره و یک تاس آغازمی‌کنیم . سپس مهره ها را از یک تا ده شماره گذاری کرده ، آنها را داخل ظرفی می‌گذاریم و با تکان دادن ظرف‌آنها را قاطی می‌کنیم . با استخراج یک مهره از داخل ظرف و خواندن عدد روی آن میتوان زمان بین ورودی‌مشتری فعلی و قبلی را مشخص کرد. زمان خدمت به این مشتری را نیز میتوان با پرتاب تاس و خواندن تعدادنقطه‌های روی وجه فوقانی آن به دست آورد . با تکرار این عملیات (با جایگذاری مهره ها در داخل ظرف وتکان دادن آن بعد از هر بار استخراج) ما ورود و زمانهای خدمت یک گروه از مشتریان فرضی را تولید کرده‌ایم .جدول زیر نشان می‌دهد که نمونه‌ای با 15 مشتری چه شکلی خواهد داشت .