شبیه‌سازی‌ها و کاربردهای آن

شبیه‌سازی یا تقلید تقریبی یک عملیات، فرآیند، یا یک سیستم است که عملکرد آن را در طول زمان نشان می‌دهد. شبیه‌سازی در بسیاری از زمینه‌ها استفاده می‌شود، مانند شبیه‌سازی فناوری برای بهینه‌سازی یا تنظیم عملکرد، مهندسی ایمنی، آزمایش، یاددهی مهارت، آموزش‌وپرورش و بازی‌های ویدئویی. به‌طور معمول برای مطالعه مدل‌های شبیه‌سازی، از آزمایش‌های رایانه‌ای استفاده می‌شود. از شبیه‌سازی همچنین در مدل‌سازی علمی سیستم‌های طبیعی یا انسانی نیز استفاده می‌شود. از شبیه‌سازی زمانی استفاده می‌شود که سیستم واقعی را نتوان درگیر کرد. ممکن است سیستم واقعی در دسترس نباشد، یا اینکه درگیرشدن با سیستم واقعی خطرناک باشد. موضوعات اصلی در شبیه‌سازی، دستیابی به منابع معتبر اطلاعات درمورد انتخاب مناسب خصوصیات و ویژگی‌های رفتارهای کلیدی پدیده مورد مطالعه است.

همچنین ساده‌سازی تقریبی و حداقل کردن فرضیات مدل شبیه‌سازی، به‌طوری که اصول واقعی پدیده را مخدوش نکرده و آن را بی‌اعتبار نسازد، از جنبه‌های دیگر شبیه‌سازی محسوب می‌شود. به همین علت شبیه‌سازی یک فعالیت علمی است که نیاز به رویه‌ها و پروتکل‌های مربوط به تایید و اعتبار مدل، پالایش، تحقیق و توسعه در فناوری به‌خصوص در شبیه‌سازی رایانه‌ای دارد. فرض کنید قرار است درمورد اپیدمی یک بیماری واگیردار شبیه‌سازی شود. در این فرآیند متخصصان علوم مختلف درکنار یکدیگر قرار می‌گیرند. سپس جامعه واقعی درگیر با بیماری با تمامی المان‌های موجود در آن شناسایی و داده‌های آماری آن استخراج می‌شود. پس از این مرحله نمونه‌ای از جامعه واقعی، اما به‌صورت مجازی طراحی و ساخته می‌شود.

تمامی مولفه‌های استخراج‌شده نیز به این جامعه افزوده و نوع، جنسیت، وضعیت سلامتی، شغل، تعداد افراد خانواده و... تک‌تک افراد جامعه در قالب یک جامعه مجازی تعریف می‌شود. این جامعه مجازی به شکل یک جامعه واقعی به زندگی و فعالیت‌های روزمره خود ادامه می‌دهد تا پس از طی یک دوره مشخص مثلا یک‌ماهه یا دوماهه مشخص شود نحوه سرایت بیماری به افراد چگونه بوده است. نتایج به دست آمده علاوه‌بر پیش‌بینی آینده بیماری در جامعه، این امکان را فراهم می‌کند تا سیاستگذاران با دریافت نقاط ضعف و قوت موجود در جامعه، برای مهار بیماری، برنامه‌ریزی و سیاستگذاری کنند. این تعاریف نمونه بسیاری ساده‌ای از شبیه‌سازی است.

   تشکیل یک تیم 12نفره

همان‌طور که گفته شد پس از شیوع کرونا در کشور، گروهی از پژوهشگران جوان ایرانی در اقدامی اپیدمی کرونا را در کشور شبیه‌سازی کردند. یوسف جمالی، عضو هیات‌علمی دانشگاه تربیت‌مدرس و سرپرست تیم پروژه شاکر در گفت‌وگو با «فرهیختگان» با اشاره به روند ساخت این شبیه‌ساز گفت: «با شیوع کرونا این موضوع مطرح شد که چه کمکی می‌توان برای پیشگیری از افزایش تعداد مبتلایان و کاهش میزان مرگ‌ومیر ناشی از کرونا در کشور انجام داد. در این راستا یک تیم 12نفره متشکل از متخصصان و کارشناسان حوزه‌‌های مرتبط تشکیل و قرار شیک شبیه‌ساز که از طریق آن بتوان روند شیوع کرونا را پیگیری کرد، طراحی و ساخته شود. درواقع مصمم بودیم ابزاری بسازیم که براساس آن وضعیت کرونا در آینده قابل پیش‌بینی باشد. در این زمینه فراخوانی داده شد که نتیجه آن تشکیل یک تیم 12نفره بود.»

به گفته وی، فاز اول تهیه شبیه‌ساز، فاز مطالعاتی بود. به این ترتیب که هرروز اعضای تیم جلساتی را به‌صورت مجازی برگزار می‌کردند و در جریان آن، موضوع مورد بحث و بررسی قرار می‌گرفت و تقسیم کار می‌شد. در ابتدای امر اطلاعاتی که درمورد کرونا دراختیار داشتیم، همان اطلاعات اولیه بود که در مقالات معتبر جهان چاپ و منتشر می‌شد. پس از مطالعه تمامی مقالات و تحقیقاتی که در سراسر جهان درمورد این ویروس انجام شده بود، داده‌های اولیه به دست آمد و وارد فاز مدل‌سازی شدیم.

وی افزود: «طبق برنامه‌ریزی انجام‌شده، قرار بود در مدت یک‌ماه (تا پایان اسفندماه 98) ساخت شبیه‌ساز به پایان برسد اما با توجه به حجم سنگین و تخصصی‌بودن کار، فعالیت ما تا پایان اردیبهشت‌ماه به طول انجامید و درنهایت در اوایل خرداد کار شبیه‌ساز به پایان رسید. این شبیه‌ساز با رویکرد بسیار قوی و معروف به «مدل‌سازی مبتنی‌بر عامل» طراحی و ساخته شد.»

وی معتقد است در بحث مدل‌سازی هرچه تعداد آمار و داده‌های آماری بیشتر باشد، پدیده بهتر قابل تشریح و پیش‌بینی است. لذا در این شبیه‌ساز نیز وجود آمار اهمیت بسیار زیادی در نتیجه نهایی دارد. درواقع هدف اصلی از مدل‌سازی، پیش‌بینی ماوقع است و هرچه جزئیات بیشتری دراختیار باشد، دقت و البته پیچیدگی عملکرد شبیه‌ساز نیز بیشتر می‌شود.

   نگاه بالا به پایین وزارت بهداشت

جمالی گفت: «در حوزه اپیدمی که خود یک گرایش بسیاری علمی و دانشگاهی است، یکی از موضوعات مهم،‌ بیماری‌های واگیردار است که کارشناسان با ابزار ریاضی، مدلی را ساخته و درنهایت در کامپیوتر شبیه‌سازی می‌کنند. این روش چند رویکرد مهم دارد؛ نخست سیستم داینامیک است که معمولا اپیدمولوژیست‌ها از این سیستم استفاده می‌کنند و یک روش معمول و عرف است. درحال حاضر نیز تیم‌های اپیدمولوژیست وزارت بهداشت نیز از این روش برای کرونا استفاده می‌کنند. در این روش که روش «بالا به پایین» نیز گفته می‌شود، جامعه هدف از بالا مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این روش، جزئیات جامعه هدف دیگر مهم نیست و کلیت دیده می‌شود. درست مثل زمانی که فردی در هواپیمای درحال پرواز به زمین نگاه می‌کند. در این صورت امکان مشاهده تک‌تک افراد وجود ندارد بلکه یک شهر به‌صورت یک انبوهه یا توده دیده می‌شود. در این روش معادله براساس انبوه جمعیت نوشته می‌شود. برای مثال 20درصد از جامعه بیمار هستند، 10درصد سالم، 30درصد در معرض خطر و... سپس اعداد به دست آمده در ضریب مشخصی ضرب‌شده و احتمال ابتلای افراد دیگر به‌صورت درصدی به دست می‌آید. در این معادله، دیگر تعداد، شغل، وضعیت جسمی، سن‌وسال و موارد دیگر اهمیت ندارد بلکه آنچه مهم است یک دید کلی نسبت به اپیدمی است.»

وی ادامه داد: «اما درمقابل، روش پایین ‌به بالا قرار دارد که در این روش تک‌تک اجزای تاثیرگذار در اپیدمی در نظر گرفته می‌شود. سن، شغل، سلامتی، خانواده و تمامی مولفه‌های فردی افراد جامعه مدنظر قرار داده می‌شود. درست مثل یک بازی کامپیوتری. در این بازی برای مثال تمام مردم شهر تهران به‌صورت فردفرد در داخل بازی کامپیوتری شبیه‌سازی می‌شوند به‌گونه‌‌ای که بتوانند در یک شهر مجازی (تهران مجازی) زندگی و با افراد جامعه تعامل کنند. اگر فردی دانشجو است بتواند در این شهر مجازی به دانشگاه برود. اگر کسی راننده است بتواند طبق برنامه یک راننده تاکسی به امور روزانه خود بپردازد. اگر فردی کارمند است بتواند در ساعت اداری در محل کار حاضر شود. این مدل‌سازی از یک شهر واقعی رویکردی بود که تیم ما برای وضعیت کنونی کشور طراحی کرد.»

   کرونا قابل پیشگیری بود

سرپرست پروژه شاکر افزود: «هدف از انجام این پروژه کمک به مهار کرونا بود. لذا در این مدل تلاش کردیم جامعه کاملی از افراد با قابلیت‌ها و خصوصیات‌های مختلف درنظر بگیریم. یکی از خصوصیاتی که به افراد داده شد، حالت‌های مختلف بیماری کرونا بود. اینکه آیا بیماری فرد آشکار است یا نهان؟ آیا فرد بیمار بوده و اکنون ناقل است؟ آیا فرد بر اثر بیماری فوت‌کرده یا اکنون بهبودی کامل پیدا کرده و دوباره به جامعه بازگشته است؟ درکنار این موارد، افراد دیگر جامعه نیز به زندگی روزمره خود مشغول هستند. درنهایت همه آنچه لازم بود ساخته و در کامپیوتر قرار داده شد سپس اجازه دادیم افراد، در مدت زمان مشخصی به زندگی خود بپردازند. ناگفته نماند که ساخت این مدل نیاز به اطلاعات وسیعی در حوزه‌های مختلف دارد؛ مثل اینکه چند خانوار در کشور وجود دارد، هر خانوار به‌طور میانگین چه تعداد جمعیت دارد، چه تعداد محصل و دانشجو در کشور تحصیل می‌کنند. چه تعداد بیمارستان و به‌ازای چه تعداد بیمار بیمارستان وجود دارد. تعداد ادارات دولتی چقدر است. روزانه چه تعداد جابه‌جایی درون‌شهری و برون‌شهری در کشور انجام می‌شود و هزاران داده‌‌ آماری دیگر که بخشی از آن را توانستیم از طریق گزارش‌های منتشرشده در اینترنت به دست آوریم و بخشی را براساس تحلیل‌‌های ریاضی محاسبه کردیم.»

به گفته وی، یکی دیگر از مزیت‌های مهم این شبیه‌ساز، سرعت آن بود که ما می‌توانستیم با استفاده از رایانه‌های موجود، چندین میلیون نفر را شبیه‌سازی کنیم و با سناریوهای مختلف، نتایج دقیق‌تری به دست بیاوریم. حتی با ارائه نمونه‌های مختلف به شبیه‌ساز، نتیجه برخی سیاستگذاری‌ها نیز قابل پیش‌بینی است. برای مثال می‌توان این سناریو را برای شبیه‌ساز تعریف کرد که درصورت تعطیلی یک‌هفته یا دوهفته یا بیشتر، روند همه‌گیری کرونا چگونه خواهد بود؟ یا فرضا با بازشدن مدارس و دانشگاه‌ها چه اتفاقی خواهد افتاد؟ یا اگر 60درصد مردم نکات بهداشتی را رعایت کنند، نتیجه چه می‌شود؟ تعطیلی کدام مشاغل به کاهش آمار کرونا کمک می‌کند؟ به این ترتیب و با استفاده از نتایجی که به دست می‌آید به‌خوبی می‌توان نقاط ضعف و قوت مقابله با کرونا را استخراج و برای هرکدام از آنها برنامه‌ریزی کرد، بدون آنکه نیاز به آزمون و خطا باشد.

   آمار این‌روزها را پیش‌بینی کرده بودیم

به گفته جمالی، در خردادماه سال جاری نتیجه حاصل از شبیه‌ساز نشان داد که روند بیماری درحال افزایش است. این، نتایج اولیه شبیه‌ساز بود اما برای کسب نتایج بهتر به اطلاعات بیشتری نیاز داشتیم. از این‌رو نامه‌ای به وزارت بهداشت نوشتیم و درخواست کردیم آمارهای مورد نیاز را در اختیارمان بگذارند. نکته حائز اهمیت این بود که در تمام نامه‌نگاری‌های انجام‌شده،‌ بر این نکته تاکید داشتیم که هدف از طراحی این شبیه‌ساز، کمک به کشور و بحران به وجود آمده است و تیم ما هیچ‌گونه چشمداشت مالی ندارد. حتی تاکید کردیم اسامی تیم سازنده نیز مطرح نشود چراکه هدف اصلی ما نجات جان انسان‌هایی بود که این روزها بر اثر ابتلا به کرونا از دنیا می‌روند. همچنین در نامه‌نگاری‌های انجام‌شده، موکدا تاکید کردیم وزارت بهداشت طرح ارائه‌شده را توسط تیم‌های متخصص خود مورد ارزیابی قرار دهد و درصورتی که مورد تایید کارشناسان وزارت بهداشت قرار گرفت مورد استفاده قرار گیرد یا درصورت وجود ایراد، ایرادات آن برطرف شود. اما متاسفانه نتیجه نامه‌نگاری‌های انجام‌شده این بود که وزارت بهداشت اعلام کرد درحال حاضر 6تیم زیر نظر این وزارتخانه مشغول مدل‌سازی در این حوزه هستند و درصورت نیاز، طرح شاکر مورد بررسی قرار می‌گیرد.

وی افزود: «پس از آنکه وزارت بهداشت دست ‌رد به سینه تیم ما زد، جلسه‌ای با دبیر ستاد توسعه زیست‌فناوری معاونت علمی‌وفناروی ریاست‌جمهوری برگزار کردیم. در این جلسه شبیه‌ساز را به‌طور کامل معرفی و اعلام کردیم طبق نتایج به دست آمده،‌ روند بیماری در کشور رو به افزایش است. اما متاسفانه نه‌تنها این نتیجه مورد قبول قرار نگرفت، بلکه گفته شد طبق مولفه‌های به‌دست‌آمده در ستاد ملی مبارزه با کرونا،‌ بیماری کنترل شده است و تا یک‌ماه دیگر قصه کرونا در کشور تمام می‌شود!»

  تشدید کرونا محصول نگاه بسته مسئولان

جمالی می‌افزاید: «متاسفانه از هر مسیری که برای ارائه شبیه‌ساز و کمک به کنترل کرونا در کشور وارد شدیم، به بن‌بست خوردیم. معتقدیم که با استفاده از این شبیه‌ساز که با تلاش شبانه‌روزی متخصصان رشته‌های ریاضیات زیستی، ریاضی، فیزیک محاسباتی، فیزیک، بیوشیمی و پزشکی ساخته شده، ‌کرونا قابل کنترل است. اما نگاه بسته مسئولان این حوزه اجازه ورود ایده‌های نو و خلاقانه را نمی‌دهد. درحال حاضر تنها نمونه این شبیه‌ساز، در استرالیا ساخته شده که سال‌های پیش برای کنترل یک بیماری واگیردار طراحی و ساخته شد و اکنون با به‌روزرسانی این شبیه‌ساز از همین مدل برای پیشگیری از کرونا استفاده می‌شود. هر چند ما به‌واسطه عدم همکاری نهادهای مختلف، آمارها و داده‌های کاملی در اختیار نداریم، اما به جرات می‌توان گفت که شبیه‌ساز ساخته شده در نوع خود بسیار قوی و قدرتمند است.»

وی می‌گوید: «اکنون و پس از چندین ماه تلاش مداوم وقتی به نتیجه‌ای نرسیدیم، فعالیت خود را کنار گذاشته و احساس می‌کنیم وظیفه و دین خود را به جامعه ادا کردیم. با این وجود هر روز که آمار مرگ‌ومیر و ابتلا به کرونا در کشور منتشر می‌شود، افسوس می‌خوریم که چرا مسئولان با نگاه بسته خود، به بحران پیش‌آمده دامن می‌زنند در صورتی که می‌توان راهکارهای ساده و بهتری برای مقابله با کرونا درپیش گرفت، هر روز با برخوردهای سلیقه‌ای و غیرکارآمد، آتش به خرمن بحران کرونا در کشور می‌اندازند.»
 
  شعارزدگی مسئولان مانع مهار کرونا

مرتضی خطیری، دانشجوی پسادکتری IPM و یکی از اعضای تیم سازنده شبیه‌ساز شاکر نیز در گفت‌وگو با «فرهیختگان» با تاکید بر این پیش‌بینی که وضعیت کرونا درکشور به خوبی امکان‌پذیر است، می‌گوید: «با استفاده از شبیه‌ساز کرونا آمار ابتلا و مرگ‌ومیر کاملا قابل پیش‌بینی بود. حتی با وجود اینکه بسیاری از ارگان‌ها و نهادها از ارائه آمارهای موردنیاز ما امتناع کردند، اما توانستیم با آمارهایی که در اختیار داشتیم و محسباتی که انجام دادیم، پیش‌بینی کنیم که در چه صورتی آمار ابتلا و مرگ‌ومیر افزایش می‌یابد و در چه صورت روند کاهشی پیدا می‌کند.»

به گفته وی در اوایل سال جاری نتایج به‌دست آمده از این شبیه‌ساز تطابق کاملی با آمار‌ ابتلا و مرگ‌ومیر داشت و حتی دقیق‌تر از آمارهایی بود که تیم‌های دیگر درحال ارزیابی آن بودند. از طرف دیگر توانستیم طبق استراتژی‌هایی که ستاد ملی مبارزه با کرونا درپیش می‌گرفت، روند بیماری را پیگیری کنیم. برای مثال اینکه در صورت تعطیلی برخی مشاغل، حرکت بیماری به چه سمتی خواهد بود. حتی پیش‌بینی کردیم که در صورت بازگشایی مدارس و دانشگاه‌ها در اردیبهشت‌ماه نمودار آمار ابتلا صعود خواهد کرد و با این زمینه آمار دقیق نیز در اختیار داشتیم که اگرچه اعتنایی به این آمار نشد، اما پیش‌بینی‌ها کاملا با واقعیت تطابق داشت و آمار ابتلا در اردیبهشت‌ماه روند افزایشی به خود گرفت. متاسفانه بی‌مهری مسئولان نسبت به این پروژه موجب شد تا مهار کرونا از کنترل خارج شود.

به گفته وی برای به ثمر رساندن این پروژه اقدامات اداری مختلف و نامه‌نگاری‌های متعددی نیز انجام شد که هیچ‌کدام به نتیجه نرسید. متاسفانه اقتدارگرایی، شعارزدگی، غرور، اعتماد کاذب و انحصارطلبی برخی از مسئولان موجب شد تا اکنون شاهد بالا رفتن آمار مرگ‌ومیر و ابتلا به کرونا در کشور باشیم. شعار «کرونا را شکست می‌دهیم» اگرچه قابل تحقق است، اما در صورتی که به متخصصان و نیروهای جوان و صاحب فکر و ایده، اعتماد شود. این درحالی است که هرکدام از ارگان‌ها تنها به تیم‌های خود اعتماد می‌کنند و تمایلی به همکاری با متخصصان دیگر ندارند. اکنون موضوع کرونا یک بحران ملی است؛ بحرانی که منحصر به یک فرد یا یک بخش از جامعه نیست. بنابراین در حل این بحران نیز همه بخش‌ها و ارگان‌ها باید در کنار یکدیگر باشند.

* نویسنده : زهرا فریدزادگان،روزنامه‌نگار