El modelado y simulación ( M&S ) es el uso de modelos (por ejemplo, representación física , matemática o lógica de un sistema , entidad, fenómeno o proceso) como base para las simulaciones para desarrollar datos utilizados para la toma de decisiones gerenciales o técnicas . [1] [2]
En la aplicación informática de modelado y simulación, se utiliza una computadora para construir un modelo matemático que contiene parámetros clave del modelo físico. El modelo matemático representa el modelo físico en forma virtual y se aplican las condiciones que configuran el experimento de interés. La simulación comienza - es decir, la computadora calcula los resultados de esas condiciones en el modelo matemático - y genera los resultados en un formato que es legible por máquina o por humanos, dependiendo de la implementación.
El uso de M&S dentro de la ingeniería es bien reconocido. La tecnología de simulación pertenece al conjunto de herramientas de los ingenieros de todos los dominios de aplicación y se ha incluido en el cuerpo de conocimientos de la gestión de la ingeniería . M&S ayuda a reducir costos , aumentar la calidad de productos y sistemas, y documentar y archivar las lecciones aprendidas. Debido a que los resultados de una simulación son tan buenos como los modelos subyacentes, los ingenieros, operadores y analistas deben prestar especial atención a su construcción. Para asegurarse de que los resultados de la simulación sean aplicables al mundo real, el usuario debe comprender las suposiciones, conceptualizaciones y limitaciones de su implementación. Además, los modelos pueden actualizarse y mejorarse utilizando los resultados de experimentos reales. M&S es una disciplina en sí misma. Sus múltiples dominios de aplicación a menudo llevan a la suposición de que M&S es una aplicación pura. Este no es el caso y debe ser reconocido por la gerencia de ingeniería en la aplicación de M&S.
El uso de tales modelos matemáticos y simulaciones evita la experimentación real, que puede resultar costosa y llevar mucho tiempo. En cambio, el conocimiento matemático y el poder computacional se utilizan para resolver problemas del mundo real de manera económica y eficiente en el tiempo. Como tal, M&S puede facilitar la comprensión del comportamiento de un sistema sin tener que probarlo en el mundo real. Por ejemplo, para determinar qué tipo de spoiler mejoraría más la tracción al diseñar un auto de carreras, se podría usar una simulación por computadora del auto para estimar el efecto de diferentes formas de spoiler en el coeficiente de fricción en un giro. Se podrían obtener ideas útiles sobre diferentes decisiones en el diseño sin realmente construir el automóvil. Además, la simulación puede respaldar la experimentación que ocurre totalmente en software o en entornos humanos en el bucle donde la simulación representa sistemas o genera datos necesarios para cumplir con los objetivos del experimento. Además, la simulación se puede utilizar para capacitar a personas que utilizan un entorno virtual que, de otro modo, sería difícil o costoso de producir.
Interés por las simulaciones
Técnicamente, la simulación está bien aceptada. El informe de la National Science Foundation (NSF) de 2006 sobre "Ciencias de la ingeniería basadas en simulación" [3] mostró el potencial de utilizar tecnología y métodos de simulación para revolucionar la ciencia de la ingeniería. Entre las razones del creciente interés en las aplicaciones de simulación se encuentran las siguientes:
- El uso de simulaciones es generalmente más barato, más seguro y, a veces, más ético que realizar experimentos en el mundo real. Por ejemplo, a veces se utilizan supercomputadoras para simular la detonación de dispositivos nucleares y sus efectos a fin de respaldar una mejor preparación en caso de una explosión nuclear . [4] Se realizan esfuerzos similares para simular huracanes y otras catástrofes naturales. [5] [6] [7]
- Las simulaciones a menudo pueden ser incluso más realistas que los experimentos tradicionales, ya que permiten la configuración libre de los parámetros ambientales que se encuentran en el campo de aplicación operativa del producto final. Algunos ejemplos son el apoyo a la operación en aguas profundas de la Marina de los EE. UU. O la simulación de la superficie de planetas vecinos en preparación de misiones de la NASA .
- Las simulaciones a menudo se pueden realizar más rápido que en tiempo real . Esto permite utilizarlos para análisis eficientes de " si-entonces-si no" de diferentes alternativas, en particular cuando los datos necesarios para inicializar la simulación pueden obtenerse fácilmente a partir de datos operativos. Este uso de la simulación agrega sistemas de simulación de apoyo a la toma de decisiones a la caja de herramientas de los sistemas tradicionales de apoyo a la toma de decisiones .
- Las simulaciones permiten configurar un entorno sintético coherente que permite la integración de sistemas simulados en la fase de análisis inicial a través de sistemas virtuales mixtos con los primeros componentes prototípicos en un entorno de prueba virtual para el sistema final. Si se gestiona correctamente, el entorno se puede migrar del dominio de desarrollo y prueba al dominio de formación y educación en las siguientes fases del ciclo de vida de los sistemas (incluida la opción de capacitar y optimizar un gemelo virtual del sistema real bajo restricciones realistas incluso antes de que se construyan los primeros componentes).
El dominio militar y de defensa, en particular dentro de los Estados Unidos, ha sido el principal defensor de M&S, tanto en forma de financiamiento como de aplicación de M&S. Por ejemplo, M&S en las organizaciones militares modernas es parte de la estrategia de adquisiciones / adquisiciones . Específicamente, M&S se utiliza para realizar Eventos y Experimentos que influyen en los requisitos y el entrenamiento de los sistemas militares. Como tal, M&S se considera una parte integral de la ingeniería de sistemas de sistemas militares. Sin embargo, otros dominios de aplicaciones se están poniendo al día. M&S en los campos de la medicina, el transporte y otras industrias está preparado para superar rápidamente el uso de M&S por parte del Departamento de Defensa en los próximos años, si es que aún no ha sucedido. [8]
Simulación en ciencia
El modelado y la simulación son importantes en la investigación. Representar los sistemas reales ya sea a través de reproducciones físicas a menor escala, o mediante modelos matemáticos que permitan representar la dinámica del sistema a través de la simulación, permite explorar el comportamiento del sistema de una manera articulada que muchas veces no es posible o es demasiado arriesgada en el mundo real.
Como disciplina emergente
"La disciplina emergente de M & S se basa en la evolución de diversas áreas de la informática, así como la influencia de la evolución de la teoría de sistemas , Ingeniería de Sistemas , Ingeniería de Software , Inteligencia Artificial , y más. Esta fundación es tan diversa como la de gestión de ingeniería y aporta elementos del arte, la ingeniería y la ciencia juntas de una manera compleja y única que requiere expertos en el dominio para permitir decisiones apropiadas cuando se trata de la aplicación o el desarrollo de la tecnología M&S en el contexto de este documento. La diversidad y la naturaleza orientada a la aplicación de esta nueva disciplina a veces resultan en el desafío de que los propios dominios de aplicación soportados ya tienen vocabularios en su lugar que no están necesariamente alineados entre dominios disyuntivos. Se necesita una representación completa y concisa de conceptos, términos y actividades que componen un cuerpo de conocimiento profesional para el Disciplina de M&S. Debido a la amplia variedad de contribuyentes, este proceso todavía está en curso ". [9]
Padilla y col. recomendar en "¿Necesitamos ciencia de M&S" para distinguir entre ciencia, ingeniería y aplicaciones de M&S? [10]
- M&S Science contribuye a la Teoría de M&S, definiendo los fundamentos académicos de la disciplina.
- M&S Engineering tiene sus raíces en la teoría, pero busca patrones de solución aplicables. El enfoque son los métodos generales que se pueden aplicar en varios dominios de problemas.
- Las aplicaciones M&S resuelven problemas del mundo real centrándose en soluciones que utilizan M&S. A menudo, la solución resulta de la aplicación de un método, pero muchas soluciones son muy específicas del dominio del problema y se derivan de la experiencia en el dominio del problema y no de ninguna teoría o método general de M&S.
Los modelos pueden estar compuestos por diferentes unidades (modelos con una granularidad más fina) vinculados al logro de un objetivo específico; por esta razón también pueden denominarse soluciones de modelado .
De manera más general, el modelado y la simulación es un habilitador clave para las actividades de ingeniería de sistemas, ya que la representación del sistema en un modelo legible por computadora (y posiblemente ejecutable) permite a los ingenieros reproducir el comportamiento del sistema (o Sistemas de sistema). Se proporciona una colección de modelado aplicativo y método de simulación para apoyar las actividades de ingeniería de sistemas. [11]
En educación farmacéutica
La escasez de farmacéuticos en los Estados Unidos ha provocado un aumento en el tamaño de las clases y el número de programas de aprendizaje a distancia y satélite en las universidades y escuelas de farmacia. Esta rápida expansión ha creado una carga para los sitios experimentales clínicos existentes. [12] El Consejo de Acreditación de Educación Farmacéutica (ACPE) requiere al menos 1440 horas de experiencia en práctica farmacéutica avanzada (APPE); Incluidas entre las 1440 horas de APPE, la ACPE requiere que las universidades y escuelas de farmacia proporcionen un mínimo de 300 horas de experiencia introductoria en la práctica de la farmacia (IPPE) intercaladas a lo largo de los primeros tres años del plan de estudios de farmacia. [13] El entrenamiento con simulación puede ser uno de esos modelos para brindar a los estudiantes la oportunidad de aplicar el conocimiento didáctico y reducir la carga en los sitios experimentales. La inclusión de la simulación en los IPPE ha ganado aceptación y es alentada por ACPE como se describe en las Políticas y Procedimientos para la Acreditación ACPE de Programas de Grado Profesional - enero de 2010. El Anexo 1.3, Simulaciones para Experiencias Introductorias de Prácticas Farmacéuticas - Aprobado en junio de 2010, establece:
La simulación no se puede utilizar para suplantar o reemplazar la expectativa mínima de tiempo dedicado a la práctica de la farmacia como se establece en la política previamente establecida. Más allá de la mayor parte del tiempo en entornos de práctica farmacéutica reales, las universidades y las escuelas pueden utilizar la simulación para representar no más del 20% (por ejemplo, 60 horas de un programa IPPE de 300 horas) del tiempo total de IPPE.
Varias facultades y escuelas de farmacia han incorporado la simulación como parte de sus planes de estudios básicos. En la Facultad de Farmacia de la Universidad de Pittsburgh, se utilizan simuladores de pacientes de alta fidelidad para reforzar la terapéutica. Mientras que la Facultad de Farmacia de la Universidad de Rhode Island integró su programa de simulación en sus cursos de farmacología y química médica; y fue la primera facultad de farmacia en adquirir un simulador de pacientes de alta fidelidad. Algunas facultades y escuelas de farmacia albergan programas de simulación de entorno completo y realidad virtual. Por ejemplo, la Facultad de Farmacia de la Universidad de Purdue y el Envision Center for Data Perceptualization de la universidad colaboraron con la Farmacopea de los Estados Unidos (USP) para crear una sala blanca virtual que cumpla con los estándares USP 797. [14]
Dominios de aplicación
Hay muchas categorizaciones posibles, pero la siguiente taxonomía se ha utilizado con mucho éxito en el dominio de la defensa y actualmente también se aplica a la simulación médica y la simulación de transporte .
- El soporte de análisis se lleva a cabo en apoyo de la planificación y la experimentación. Muy a menudo, la búsqueda de una solución óptima que se implementará está impulsando estos esfuerzos. Los análisis hipotéticos de alternativas también entran en esta categoría. Este estilo de trabajo a menudo lo logran simuladores: aquellos que tienen habilidades tanto en simulación como como analistas. Esta combinación de simulación y analista se nota bien en Kleijnen. [ cita requerida ]
- El soporte de ingeniería de sistemas se aplica para la adquisición, el desarrollo y la prueba de sistemas. Este soporte puede comenzar en las primeras fases e incluir temas como arquitecturas de sistemas ejecutables, y puede respaldar las pruebas al proporcionar un entorno virtual en el que se realizan las pruebas. Este estilo de trabajo a menudo lo logran ingenieros y arquitectos.
- El soporte de formación y educación proporciona simuladores, entornos de formación virtual y juegos serios para formar y educar a las personas. Este estilo de trabajo a menudo lo logran los instructores que trabajan en conjunto con los informáticos.
Se aplica un uso especial del soporte de análisis a las operaciones comerciales en curso. Tradicionalmente, los sistemas de apoyo a la toma de decisiones proporcionan esta funcionalidad. Los sistemas de simulación mejoran su funcionalidad al agregar el elemento dinámico y permiten calcular estimaciones y predicciones, incluida la optimización y los análisis hipotéticos.
Conceptos individuales
Aunque los términos "modelado" y "simulación" se utilizan a menudo como sinónimos dentro de las disciplinas que aplican M&S exclusivamente como una herramienta, dentro de la disciplina de M&S ambos se tratan como conceptos individuales e igualmente importantes. El modelado se entiende como la abstracción intencionada de la realidad, que da como resultado la especificación formal de una conceptualización y los supuestos y restricciones subyacentes. M&S está particularmente interesado en los modelos que se utilizan para respaldar la implementación de una versión ejecutable en una computadora. La ejecución de un modelo en el tiempo se entiende como simulación. Mientras que el modelado apunta a la conceptualización , los desafíos de la simulación se enfocan principalmente en la implementación , en otras palabras, el modelado reside en el nivel de abstracción, mientras que la simulación reside en el nivel de implementación.
La conceptualización y la implementación (modelado y simulación) son dos actividades que son mutuamente dependientes, pero que, no obstante, pueden ser realizadas por personas independientes. Se necesitan conocimientos y directrices de gestión e ingeniería para garantizar que estén bien conectados. Al igual que un profesional de la gestión de ingeniería en ingeniería de sistemas necesita asegurarse de que el diseño de sistemas capturado en una arquitectura de sistemas esté alineado con el desarrollo de sistemas, esta tarea debe realizarse con el mismo nivel de profesionalismo para el modelo que también debe implementarse. . A medida que el papel del big data y el análisis sigue creciendo, el papel de la simulación combinada del análisis es competencia de otro profesional llamado más simple, con el fin de combinar técnicas algorítmicas y analíticas a través de visualizaciones disponibles directamente para los tomadores de decisiones. Un estudio diseñado para la Oficina de Trabajo y Estadísticas [15] por Lee et al. proporciona una mirada interesante a cómo se utilizaron las técnicas de arranque (análisis estadístico) con la simulación para generar datos de población donde no existían.
Programas academicos
El modelado y la simulación se han convertido solo recientemente en una disciplina académica propia. Anteriormente, quienes trabajaban en el campo solían tener experiencia en ingeniería.
Las siguientes instituciones ofrecen títulos en Modelado y Simulación:
- Programas de doctorado
- Universidad de Pensilvania (Filadelfia, PA)
- Universidad Old Dominion (Norfolk, VA)
- Universidad de Alabama en Huntsville (Huntsville, AL)
- Universidad de Florida Central (Orlando, FL)
- Escuela de Posgrado Naval (Monterey, CA)
- Programas de Maestría
- Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología, Pakistán (Islamabad, Pakistán)
- Universidad Estatal de Arizona (Tempe, AZ)
- Universidad Old Dominion (Norfolk, VA)
- Universidad de Florida Central (Orlando, FL)
- la Universidad de Alabama en Huntsville (Huntsville, AL)
- Universidad Técnica de Oriente Medio (Ankara, Turquía)
- Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia)
- Escuela de Posgrado Naval (Monterey, CA)
- Departamento de Computación Científica, Modelado y Simulación (M.Tech (Modelado y Simulación)) (Universidad Savitribai Phule Pune, India)
- Universidad Estatal de Columbus (Columbus, GA)
- Universidad Purdue Calumet (Hammond, IN)
- Universidad Tecnológica de Delft (Delft, Países Bajos)
- Programas de Maestría en Ciencias Profesionales
- Universidad de Florida Central (Orlando, FL)
- Programas de certificado de posgrado
- Ciencias de sistemas de la Universidad Estatal de Portland
- Universidad Estatal de Columbus (Columbus, GA)
- la Universidad de Alabama en Huntsville (Huntsville, AL)
- Programas de Licenciatura
- Universidad Old Dominion (Norfolk, VA)
- Instituto de Ciencias y Tecnología de la Ingeniería Ghulam Ishaq Khan (Swabi, Pakistán)
Conocimientos sobre modelado y simulación
El cuerpo de conocimiento de modelado y simulación (M&S BoK) es el dominio de conocimiento (información) y capacidad (competencia) que identifica la comunidad de práctica de modelado y simulación y la profesión, industria y mercado de M&S. [dieciséis]
El índice M&S BoK es un conjunto de indicadores que proporcionan identificadores para que el contenido de la información del tema se pueda indicar, identificar, acceder y manipular. [dieciséis]
Resumen
Se deben realizar y orquestar tres actividades para garantizar el éxito:
- Debe producirse un modelo que capture formalmente la conceptualización,
- una simulación debe implementar este modelo, y
- La gerencia debe asegurarse de que el modelo y la simulación estén interconectados y en el estado actual (lo que significa que normalmente el modelo debe actualizarse en caso de que también se cambie la simulación).
Ver también
- Centro de información técnica de defensa
- Glosario de modelado y simulación militar
- Conferencia de capacitación, simulación y educación entre servicios / industria (I / ITSEC)
- Modelos a microescala y macroescala
- Sociedad de Investigación de Operaciones Militares (MORS)
- Simulación militar
- Oficina de Coordinación de Modelado y Simulación
- La investigación de operaciones
- Modelado de órbitas
- Simulación de sistemas de energía
- Modelado basado en reglas
- Organización de estándares de interoperabilidad de simulación (SISO)
- Sociedad Internacional de Modelado y Simulación (SCS)
Referencias
- ^ "Departamento de defensa número de instrucción 5000.61: verificación, validación y acreditación de modelado y simulación (M&S)" (PDF) . Departamento de Defensa . 2009-12-09.
- ^ "NÚMERO DE DIRECTIVA 5000.59 del Departamento de Defensa: Gestión de Modelado y Simulación (M&S) del Departamento de Defensa" (PDF) . Departamento de Defensa . 2007-08-08.
- ^ "Informe sobre ciencia de la ingeniería basada en simulación" (PDF) . Panel Blue Ribbon de la National Science Foundation (NSF). 2006-05-01.
- ^ George Dvorsky. "La supercomputadora simula una explosión nuclear hasta el nivel molecular" . io9 . Gawker Media.
- ^ "Supercomputación de la fuerza del huracán: simulaciones de petaescala de Sandy" . HPCwire .
- ^ "SciJinks de NOAA :: Simular un huracán" .
- ^ "9 usos súper geniales para supercomputadoras" . LiveScience.com .
- ^ Collins, AJ; SR Shefrey; J. Sokolowski; CD Turnitsa; E. Weisel (enero de 2011). "Estudio de estándares de modelado y simulación: informe del taller de asistencia sanitaria". Informe VMASC, Suffolk VA .
- ^ Tolk, Andreas. "Desafíos de la gestión de ingeniería para la aplicación de la simulación como tecnología verde" (PDF) . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Padilla, José; SY Diallo; A. Tolk (octubre de 2011). "¿Necesitamos ciencia de M&S?" (PDF) . Revista SCS M&S (4): 161–166. Archivado desde el original (PDF) el 6 de junio de 2013 . Consultado el 1 de julio de 2012 .
- ^ Gianni, Daniele; D'Ambrogio, Andrea; Tolk, Andreas, eds. (2 de diciembre de 2014). Manual de ingeniería de sistemas basados en simulación y modelado (1ª ed.). Prensa CRC. pag. 513. ISBN 9781466571457.
- ^ Vyas, Deepti; Wombwell, Eric; Russell, Erica; Caligiuri, Frank (2010). "Serie de simulación de pacientes de alta fidelidad para complementar las experiencias de práctica farmacéutica introductoria" . Revista Estadounidense de Educación Farmacéutica . 74 (9): 169. doi : 10.5688 / aj7409169 . PMC 2996759 . PMID 21301603 .
- ^ "Consejo de Acreditación para la Educación en Farmacia: Políticas y Procedimientos para la Acreditación de ACPE para Programas de Grado Profesional" (PDF) . 2011 . Consultado el 13 de julio de 2013 .
- ^ Lin, K., Travlos, DV, Wadelin, JW y Vlasses, PH (2011). Simulación y experiencias de práctica introductoria en farmacia. Revista estadounidense de educación farmacéutica, 75 (10), 209. doi: 10.5688 / ajpe7510209
- ^ Lee, Hyunshik J .; et al. (2013). "Estudio de simulación para validar la asignación de la muestra para la encuesta nacional de compensación" (PDF) . JSM 2013 - Sección de métodos de investigación de encuestas . Oficina de estadísticas laborales.
- ^ a b "Waite, W. (2004)" Foundations '04: A Workshop for VV&A in the 21st Century, Session 10: V&V Education Initiatives " . Archivado desde el original el 30 de septiembre de 2011. Consultado el 15 de octubre de 2010 .
- Maestría en Ciencias, Purdue University Calumet. "Modelado, Simulación y Visualización" . Archivado desde el original el 8 de octubre de 2014 . Consultado el 8 de octubre de 2014 .
Otras lecturas
- El Springer Publishing House publica los Fundamentos de la simulación, Métodos y Aplicaciones de la Serie [1] .
- Recientemente, Wiley inició su propia serie sobre modelado y simulación [2] .
enlaces externos
- Oficina de Coordinación de Modelado y Simulación (M & SCO) del Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD)
- Conferencia Mundial MODSIM
- Sociedad de Modelado y Simulación
- Association for Computing Machinery (ACM) Grupo de interés especial (SIG) sobre simulación y modelado (SIM)
- Caucus de modelado y simulación del Congreso de EE. UU.
- Ejemplo de un índice M&S BoK desarrollado por Tuncer Ören
- Entorno colaborativo SimSummit que respalda un M&S BoK