الحسابات العلمية

من ويكي الهندسة المعلوماتية
اذهب إلى: تصفح، ابحث

النمذجة هي ان نقوم بدراسة ظاهرة حقيقة محددة مثل (حركة اسراب النمل , انهيار بناء , الجاذبية , التصادم , تفاعل الافراد فيما بينهم , حركات الاجسام في الماء , تفاعلات كيميائية,.... الخ ) واستنتاج القوانين التي تعمل على تسيير تلك الظاهرة وفق دراسات معينة لاستنتاج خوارزميات قابلة للبرمجة وبالتالي محاكاة عمل تلك الظاهرة على الحاسب كما لو انها تتم بالواقع .

حيث عمل مهندس المعلوماتية الرئيسي مهما كان تخصصه هو نمذجة المشاكل الحياتية وإسقاطها على الحاسب فمهندس البرمجيات والذكاء يقوم بفهم المشكلة واسقاطها بشكل برنامج كذلك مهندس الشبكات يقوم بإدارة الشبكة لحل مشكلة معينة كإيصال المعلومات باسرع وقت الى ماذلك .

من أهم فوائد النمذجة أنها قللت من كلف تجارب عديدة لمحاكاة ظواهر عديدة . فنحن نجد أن تصميم الطائرات يتم عبر الحاسب ويتم اختبار فعالية هذه الطائرات في الأجواء الماطرة أو العاصفة أو في حال الإقلاع أو الهبوط الإضطراري أو غير آمن كأن لا يوجد مدرج للهبوط أيضاً عبر الحاسب . فبدلاً من إنشاء طائرة كاملة وتجربة التصميم على أرض الواقع وبالتالي خسارة كم كبير من الأموال, نقوم بعمل محاكاة على الحاسب بحيث توفر برامج المحاكاة بيئة واقعية لاختبار التصاميم وبالتالي توفر الملايين.

بما ان هذه المادة تملك خصوصية في جامعة دمشق وتتندرج ضمن مواد الحقيقة الافتراضية في باقي الجامعات لذا سيتم الشرح عن هذه المادة على اساس ان قارىء هذا المقال هو من كلية الهندسة المعلوماتية في جامعات سوريا .

  • مستوى المادة: وفقاً لنوعية المشروع المختار
  • الدكتور المشرف: الدكتور زهير صندوق
  • مشرفو المادة: مهندسين خريجين من الكلية .
  • نصائح حول المشرفين:
    • المشرف هو الشخص الاهم والذي سيتم التواصل معه خلال الفصل. المشرف يقدم مساعدة علمية, توجيهية بخصوص المشروع. ومن أهم النصائح عند اختيار المشرف هو :
      • أن يتوفر وقت جيد للمشرف لمتابعة آخر تطورات المشروع فالعديد منهم لديهم انشغالات كثيرة تمنعه من متابعة العمل مع طلابه .
      • أن يكون ذو مؤهل علمي للمساعدة العلمية لذا ينصح باختيار المهندسين الذين يملكون معدل عالي كون الإشراف على المشروع يتطلب معرفة اكاديمية قوية.
      • أن يكون المشرف ذو شخصية قوية كون المشرف هو الوحيد الذي سيدافع عن مشروعكم في المقابلة.
  • الحضور:

يعطي الدكتور زهير جلستين على الاكثر او ثلاث كونه سيشرح كافة الافكار المتعلقة بالمشروع بشكل تفصيلي ولا يعطي بعدها جلسات اخرى. لذا الحضور هام جداً.

  • متطلبات المادة:
    • لا تتطلب المادة سوى معرفة جيدة بالعلوم الاساسية التي تستلزم للمشروع كالفيزياء أو رياضيات ...
    • أحد اعضاء الفريق على الأقل يملك خبرة بالعمل مع احد مكتبات الرسم ثلاثي البعد (مثل OpenGl أو XNA أو DirectX أو Java3d مثلاً)
    • الإرادة والقدرة على البحث العلمي
  • لمحة عن المادة:

يعد مشروع الحسابات العلمية من أولى مشاريع الذكاء الصنعي التي يقوم بها الطلاب. كون النمذجة أولاً وأخيراً هي مهمة من مهام الذكاء الصنعي وبما أن هذا النوع من المواد هو جديد لذا من الضروري ان نسغب بالحديث اكثر عن هذا الموضوع.

ماذا نقصد بالنمذجة؟

    • النمذجة هي ان نقوم بدراسة ظاهرة حقيقة محددة مثل (حركة اسراب النمل , انهيار بناء , الجاذبية , التصادم , تفاعل الافراد فيما بينهم , حركات الاجسام في الماء , تفاعلات كيميائية,.... الخ ) واستنتاج القوانين التي تعمل على تسيير تلك الظاهرة وفق دراسات معينة لاستنتاج خوارزميات قابلة للبرمجة وبالتالي محاكاة عمل تلك الظاهرة على الحاسب كما لو انها تتم بالواقع .

- حيث عمل مهندس المعلوماتية الرئيسي مهما كان تخصصه هو بنمذجة المشاكل الحياتية واسقاطها على الحاسب فمهندس البرمجيات والذكاء يقوم بفهم المشكلة واسقاطها بشكل برنامج كذلك مهندس الشبكات يقوم بإدارة الشبكة لحل مشكلة معينة كإيصال المعلومات باسرع وقت الى ماذلك .

ما هي فوائد النمذجة؟

من أهم فوائد النمذجة أنها قللت من كلف تجارب عديدة لمحاكاة ظواهر عديدة . فنحن نجد أن تصميم الطائرات يتم عبر الحاسب ويتم اختبار فعالية هذه الطائرات في الأجواء الماطرة أو العاصفة أو في حال الإقلاع أو الهبوط الإضطراري أو غير آمن كأن لا يوجد مدرج للهبوط أيضاً عبر الحاسب . فبدلاً من إنشاء طائرة كاملة وتجربة التصميم على أرض الواقع وبالتالي خسارة كم كبير من الأموال, نقوم بعمل محاكاة على الحاسب بحيث توفر برامج المحاكاة بيئة واقعية لاختبار التصاميم وبالتالي توفر الملايين.

ما هي أنواع النمذجة

هناك أربع أنواع للنمذجة والتي هي ..

  • النمذجة الوصفية Descriptive model
  • النمذجة االتحليلية Analytic model
  • المذجة الرقمية Numerical model
  • Smart model

أمثلة على بعض مشاريع الحسابات العلمية

  • مثال 1: دراسة حركة قذيفة :

يمكننا ان نقوم بدراسة ظواهر تم دراستها في المرحلة الثانوية وفق الفيزياء الكلاسيكية النيوتونية كحركة قذيفة في الهواء, بحيث عندما نقوم بدراسة تلك الظاهرة "اي حركة القذيفة " فنحن نحدد الجمل المدروسة , القوانين الفيزيائية التي تحدد حركة القذيفة في الهواء في كل لحظة زمنية بحيث تمثل كمعادلة رياضية تابعة للزمن المتغير بكل لحظة , ولا ننسى احتساب قوى الاحتكاك ومقاومة الهواء والجاذبية .. الخ من أجل إضفاء حس الواقعية على المشروع ففي حال إهمال بعض الامور كمقاومة الهواء فنحن لا نقوم بنمذجة كاملة , عندما نصل الى جميع القوانين التي تجعلنا نفهم تلك الظاهرة بحيث يمكن أن نقول أننا قدرنا على استعياب الظاهرة المعينة بان اعرف مكان القذيفة بالهواء بلحظة زمنية معينة وبلحظة زمنية اخرى تالية. غير أن للأسف معظم الظواهر ليست مستوعبة بشكل كامل . العلماء لم يتوصلو الى محاكاة البشر بشكل كامل فالشخص X في لحظة زمنية معينة قد يكون غاضباً وفي لحظة اخرى ربما يكون عكس ذلك الامر يتعلق بامور عديدة وشتى لذلك تعد محاكاة الانسان من اصعب المحاكات على الاطلاق .

  • مثال 2 :انهيار بناء :

احد مشاريع الحسابات العلمية المثيرة للاهتمام هي مشاريع هدم الابنية , ففي المدن التي تشهد تطور كبير على صعيد العمارة والبنيان بشكل متجدد, نجد بناء أبنية جديدة بعد حذف القديم , لكن للأسف لا يوجد زر Delete يقوم بحذف بناء بشكل بسيط وانما يجب القيام بدراسة من فريق خبير في هذا المجال وخاصة ان كان البناء المراد هدمه ضمن منطقة سكنية. فنجد على سبيل المثال في مدينة لاس فيغاس الأمريكية بأنه يتم بناء أبنية جديدة على حساب قديمة بمعدل 100 بناء بكل سنة خلال الفترات 1990 – 2000. ومعظم تلك الأبنية المراد هدمها كان في وسط أبنية أخرى . فقبل أن يتم هدم أي بناء يقوم فريق من الخبراء بدراسة أماكن وضع المتفجرات على الحاسب بحيث يتم هدم البناء بأقل خسائر ممكنة (دون أن تؤدي إلى وقوع البناء على آخر, أقل مايمكن من التراب المتطاير في الهواء الناتج عن الهدم ... الخ ) فكل ذلك يتم وفق دراسات عديدة.

  • مثال 3 : مخبر فيزيائي أو كيمائي :

احد اهم المشاريع المتميزة هي مشاريع محاكاة المخابر بحيث يمكنك أن تتخيل نفسك في مخبر حقيقي تتجول في أروقة البناء وتقوم بتجاربك دون أي تكلفة في إحضار المواد المكلفة . المخبر الفيزيائي يتناول دراسة للعديد من الحركات وبالتالي يوجد عدة دراسات فيزيائية فمثلاً يوجد في هذا المخبر دراسة حركة نواس , الموجات الجيبية , نابض يهتز , ..... المخبر الكيميائي يتناول دراسة للعديد من التفاعلات كتفاعل الهيدروجين مع ثنائي اكسيد الكبريتات ... فيتولد غاز في حال عناصر معينة , أو أبخرة معينة أو يتكون سائل معين كل تلك الظواهر يمكن مشاهدتها ضمن برنامج المحاكاة . هذه البرمجيات مفيدة جداً في حال تم تطبيقها في المدارس ذات الدخل المحدود .

  • مثال 4 : دراسة حركة كائنات حية

مع بداية التسعينات من القرن الماضي بدأت الأبحاث تتجه إلى أبعد مما سبق فبدأت بمحاكاة الكائنات الحية الأقل ذكاء والتي لها امكانيات محدودة كالنمل والطيور والأسماك .. الخ . والتي في نفس الوقت تبدي سلوكاً اجتماعياً شديد الذكاء ففي عام 1990 اقترح العالم الإيطالي Diarogo الخوارزمية ACO التي تحاكي مستعمرات النمل كما اقترح خوارزميات اخرى فيما بعد مثل PSO لمحاكاة أسراب الطيور . هذا المشروع كان أحد المشاريع المقترحة ولكن لم يطبق إلى الآن لصعوبته وانما تقتصر معظم مشاريع الطلاب على ظواهر للجمادات كونها أسهل للنمذجة .

كيفية عمل دراسة فيزيائية

أحد أهم الفوائد العلمية للمادة هي البحث العلمي . فأنت تختار مشروع ويجب عليك أن تقوم بدراسة النواحي الفيزيائية أو الرياضية للمشروع, عن طريق إيجاد أوراق بحث بالانترنت أو بشكل تقليدي عن طريق الكتب.



قائمة بأهم المشاريع الممكن تطبيقها

سنرد قائمة بأسماء مشاريع فقط (وهي القائمة التي توضع في لوحة الإعلانات عادةً ولكن لا يلزم الطلاب باختيار مشاريع منها): 1-مشهد تحريك ربوت ضمن غرفة

2-حركة النواسات(النواس الثقلي)

3-انزلاق جسم صلب على مائل

4-محاكاة حركة قمر صناعي

5-المجموعة الشمسية

6-الصدم تام المرونة

7-حركة العلم

8-حركة المسننات

9-قذف قذيفة من طائرة

10-الشقوط المظلي

11-محاكاة سلوك المركبات

12-دراسة نظام الدرع الصاروخي

13-دراسة حركات القذف بكافة أنواعه

14-محاكاة قطرة ماء

15-محاكاة سحابةالانفجار النووي

16-محاكاة قذيفة لهدف ثابت ومتحرك

17-محاكاة حركة سيارة

18-محاكاة صاروخ باليستي

19-محاكاة حركة طائرة هليكوبتر

20-محاكاة حركة طائرة


  • الأدوات المطلوبة:
    • لغات البرمجة المستعملة : يتاح للطلاب حرية الاختيار بين لغات البرمجة والمكتبات المستعملة لذا يفضل العمل وفق لغة برمجة يستطيع جميع أفراد المجموعة الواحدة التآلف معها لتوزيع الأدوار.
    • المكتبات المطلوبة : معظم مشاريع المحاكاة تتطلب إظهاراً ثلاثي البعد ولكن ليس بالضرورة . فهناك مشاريع تتطلب دراسة فعلية ونمذجة ولا تتطلب الكثير من العرض ثلاثي البعد كما في مشروع الليزر على سبيل المثال. فهدف المشروع اولاً واخيرا هو النمذجة اي إيجاد المعادلات والقوانين التي تحكم الظاهرة وليس صنع عالم ثلاثي البعد فحسب.
    • ينصح بمكتبة OpenGl لسبب مهم :
      • كون مادة عملي البيانيات في الفصل الثاني تتطلب العمل وفق مكتبة OpenGl حصراً .
    • كما يمكن الاستعانة بمكاتب اخرى : java3D, XNA .Net Framework , DirectX دون أي مشكلة .
  • نصائح للبرامج:

• ينصح بكتابة التعليقات دوماً

• عدم وضع أرقام بشكل مفرد وانما يجب أن تكون كـEnum أو متحول معين يحوي قيمة معينة

• الاعتناء بمظهر الكود في بعض الاحيان يتم مشاهدة الكود ضمن المقابلة

• حاول تطبيق مفاهيم OOP بعملك قدر المستطاع

  • توزيع العلامات:

- عادةً يتم توزيع الـ100 علامة في المشروع على الشكل التالي: • 40 علامة عملي وهي التي يضعها المهندس المشرف على المشروع. • 60 علامة وهي للمقابلة والتي تجسد تقييم اللجنة للمشروع.

  • محتوى التقرير النهائي:

• غلاف جيد المظهر يحوي اسم الدكتور واسم المشرف

• مقدمة عن المشروع

• الدراسة الفيزيائية

• القوانين التي سيتم نمذجتها بشكل يمكن تطبيقه على الحاسب (لتوضيح الفكرة يمكن أن يوجد لدينا قانون فيزيائي يطبق بالفيزياء ولا يمكن تطبيقه بالحاسب كحساب التكاملات على سبيل المثال لا يمكن للحاسب القيام بحسابات مستمرة وانما متقطعة لذلك يستخدم طرق التحليل العددي لإيجاد ارقام تقريبية)

• مخططات الصفوف في حال وجدت UML (طبعاً هذا إن كان العمل وفقاً للـOOP)

• شرح لأهم الصفوف والتوابع الموجودة

• المراجع المستخدمة للحصول على الدراسة الفيزيائية.



  • السلايدات:

- يجب على الطلاب إعداد سلايدات لعرضها بالمقابلة بشكل سريع تقوم بشرح النقاط التالية الأساسية:

• اسم المشروع , اسم المشرف , أسماء الطلاب

• الاسباب الدافعة للمشروع

• التحدث عن السبب لاختيار لغة البرمجة والمكتبة

• شرح اهم النقاط بالدراسة الفيزيائية بشكل مختصر

• مميزات المشروع البرمجية

• مخطط سريع UML للصفوف

• المراجع (سئل عنها باكثر من مشروع)

  • المقابلات:

يتم توزيع المقابلات على عدة أيام يتم توزيع المشاريع وفق أوقات محددة ينصح بشدة عدم التأخر عن المقابلة. مجمل الأسئلة تشمل النواحي الفيزيائية والبرمجية للمشروع.

  • نصائح للمقابلة:

• أهم نصيحة هي الثقة بالنفس فقد تكون قد أنجزت أفضل مشروع ولكن لا تملك القدرة على إبراز قوة مشروعك

• الشرح بإيجاز (لأن الوقت المخصص لمقابلة مشروعك لا يتجاوز النصف ساعة وربما أقل).

• حاول أن تظهر إيجابيات مشروعك كما حاول أن تظهر السلبيات بشكل يكون فيها السلبيات قليلة

• وافق المقابلين على نقدهم ولا تعارض كأن تقول "نعم دكتور لديك وجهة نظر لم تخطر على بالنا, نحن هنا لنتعلم من خبرتكم"

• تأكد أن هناك بعض المشاريع ستتعرض للإستهزاء في بعض الاحيان لذا كن صبوراً فكون المقابل يستهزىء بك بالمقابلة ليس دليل انه سيضع لك علامة ضعيفة ولكن الرد السيء بيجيب علامة سيئة.