Simulación

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Una simulación es la imitación del funcionamiento de un proceso o sistema del mundo real a lo largo del tiempo. ^{[1] Las} simulaciones requieren el uso de modelos ; el modelo representa las características o comportamientos clave del sistema o proceso seleccionado, mientras que la simulación representa la evolución del modelo a lo largo del tiempo. A menudo, se utilizan computadoras para ejecutar la simulación.

La simulación se utiliza en muchos contextos, tales como la simulación de la tecnología para la optimización del rendimiento o la optimización, ingeniería de seguridad , las pruebas , la formación , la educación , ^[2] y los videojuegos . La simulación también se utiliza con el modelado científico de sistemas naturales ^[2] o sistemas humanos para obtener información sobre su funcionamiento, ^[3] como en la economía.. La simulación se puede utilizar para mostrar los posibles efectos reales de condiciones y cursos de acción alternativos. La simulación también se utiliza cuando el sistema real no se puede activar, porque puede que no sea accesible, o puede ser peligroso o inaceptable para activar, o está siendo diseñado pero aún no se ha construido, o simplemente puede que no exista. ^[4]

Los problemas clave en el modelado y la simulación incluyen la adquisición de fuentes válidas de información sobre la selección relevante de características y comportamientos clave utilizados para construir el modelo, el uso de aproximaciones y supuestos simplificadores dentro del modelo, y la fidelidad y validez de los resultados de la simulación. Los procedimientos y protocolos para la verificación y validación de modelos son un campo continuo de estudio académico, refinamiento, investigación y desarrollo en tecnología o práctica de simulaciones, particularmente en el trabajo de simulación por computadora .

Clasificación y terminología

Simulación humana en el circuito del espacio ultraterrestre

Visualización de un modelo de simulación numérica directa .

Históricamente, las simulaciones utilizadas en diferentes campos se desarrollaron en gran medida de forma independiente, pero los estudios del siglo XX sobre la teoría de sistemas y la cibernética, combinados con la difusión del uso de las computadoras en todos esos campos, han llevado a cierta unificación y una visión más sistemática del concepto.

La simulación física se refiere a la simulación en la que los objetos físicos son sustituidos por objetos reales (algunos círculos ^[5] usan el término para simulaciones por computadora que modelan leyes físicas seleccionadas, pero este artículo no lo hace). Estos objetos físicos a menudo se eligen porque son más pequeños o más baratos que el objeto o sistema real.

La simulación interactiva es un tipo especial de simulación física, a menudo denominada simulación humana en el bucle , en la que las simulaciones físicas incluyen operadores humanos, como en un simulador de vuelo , un simulador de navegación o un simulador de conducción .

La simulación continua es una simulación basada en tiempo continuo, en lugar de pasos de tiempo discretos, utilizando la integración numérica de ecuaciones diferenciales . ^[6]

La simulación de eventos discretos estudia sistemas cuyos estados cambian sus valores solo en momentos discretos. ^[7] Por ejemplo, una simulación de una epidemia podría cambiar el número de personas infectadas en los momentos en que las personas susceptibles se infectan o cuando las personas infectadas se recuperan.

La simulación estocástica es una simulación en la que alguna variable o proceso está sujeto a variaciones aleatorias y se proyecta utilizandotécnicas de Monte Carlo utilizando números pseudoaleatorios. Por lo tanto, las ejecuciones replicadas con las mismas condiciones de contorno producirán resultados diferentes dentro de una banda de confianza específica. ^[6]

La simulación determinista es una simulación que no es estocástica: por tanto, las variables están reguladas por algoritmos deterministas. Por lo tanto, las ejecuciones replicadas de las mismas condiciones de contorno siempre producen resultados idénticos.

La simulación híbrida (en ocasiones la simulación combinada) corresponde a una mezcla entre la simulación de eventos continua y discreta y da como resultado la integración numérica de las ecuaciones diferenciales entre dos eventos secuenciales para reducir el número de discontinuidades. ^[8]

Una simulación independiente es una simulación que se ejecuta en una sola estación de trabajo por sí misma.

Una simulación distribuida es aquella que utiliza más de una computadora simultáneamente, con el fin de garantizar el acceso desde / hacia diferentes recursos (por ejemplo, multiusuarios que operan diferentes sistemas o conjuntos de datos distribuidos); un ejemplo clásico es la simulación interactiva distribuida (DIS). ^[9]

La simulación en paralelo acelera la ejecución de una simulación al distribuir simultáneamente su carga de trabajo en varios procesadores, como en la informática de alto rendimiento . ^[10]

Simulación interoperable donde múltiples modelos, simuladores (a menudo definidos como Federados) interoperan localmente, distribuidos en una red; un ejemplo clásico es la arquitectura de alto nivel . ^{[11] [12]}

Modelado y simulación como servicio donde se accede a la simulación como servicio a través de la web. ^[13]

Modelado, simulación interoperable y juegos serios donde los enfoques de juegos serios (por ejemplo, motores de juego y métodos de interacción) se integran con la simulación interoperable. ^[14]

Simulation Fidelity se utiliza para describir la precisión de una simulación y qué tan cerca imita a la contraparte de la vida real. La fidelidad se clasifica ampliamente en una de tres categorías: baja, media y alta. Las descripciones específicas de los niveles de fidelidad están sujetas a interpretación, pero se pueden hacer las siguientes generalizaciones:

• Bajo: la simulación mínima requerida para que un sistema responda para aceptar entradas y proporcionar salidas
• Medio: responde automáticamente a los estímulos, con precisión limitada
• Alto: casi indistinguible o lo más parecido posible al sistema real

Las simulaciones de humanos en el bucle pueden incluir una simulación por computadora como un llamado entorno sintético . ^[17]

La simulación en el análisis de fallas se refiere a la simulación en la que creamos un entorno / condiciones para identificar la causa de la falla del equipo. Este fue el método mejor y más rápido para identificar la causa de la falla.

Simulación por computadora

Artículo principal: simulación por computadora

Una simulación por computadora (o "sim") es un intento de modelar una situación hipotética o de la vida real en una computadora para que pueda estudiarse para ver cómo funciona el sistema. Al cambiar las variables en la simulación, se pueden hacer predicciones sobre el comportamiento del sistema. Es una herramienta para investigar virtualmente el comportamiento del sistema en estudio. ^[1]

La simulación por computadora se ha convertido en una parte útil del modelado de muchos sistemas naturales en física , química y biología , ^[18] y sistemas humanos en economía y ciencias sociales (por ejemplo, sociología computacional ), así como en ingeniería para obtener información sobre el funcionamiento de esos sistemas. . Un buen ejemplo de la utilidad de usar computadoras para simular se puede encontrar en el campo de la simulación de tráfico de red . En tales simulaciones, el comportamiento del modelo cambiará cada simulación de acuerdo con el conjunto de parámetros iniciales asumidos para el entorno.

Tradicionalmente, el modelado formal de sistemas se ha realizado mediante un modelo matemático , que intenta encontrar soluciones analíticas que permitan predecir el comportamiento del sistema a partir de un conjunto de parámetros y condiciones iniciales. La simulación por computadora se usa a menudo como un complemento o una sustitución de los sistemas de modelado para los que no son posibles soluciones analíticas simples de forma cerrada . Hay muchos tipos diferentes de simulación por computadora, la característica común que todos comparten es el intento de generar una muestra de escenarios representativos para un modelo en el que una enumeración completa de todos los estados posibles sería prohibitiva o imposible.

Existen varios paquetes de software para ejecutar el modelado de simulación basado en computadora (por ejemplo , simulación Monte Carlo , modelado estocástico , modelado multimétodo) que hace que todo el modelado sea casi sin esfuerzo.

El uso moderno del término "simulación por computadora" puede abarcar virtualmente cualquier representación basada en computadora.

Ciencias de la computación

En informática , la simulación tiene algunos significados especializados: Alan Turing usó el término "simulación" para referirse a lo que sucede cuando una máquina universal ejecuta una tabla de transición de estado (en terminología moderna, una computadora ejecuta un programa) que describe las transiciones de estado, entradas y salidas de una máquina de estado discreto sujeto. ^[19] La computadora simula la máquina objeto. En consecuencia, en informática teórica el término simulación es una relación entre sistemas de transición de estados , útil en el estudio de la semántica operativa .

De manera menos teórica, una aplicación interesante de la simulación por computadora es simular computadoras usando computadoras. En arquitectura de computadora , un tipo de simulador, típicamente llamado emulador , se usa a menudo para ejecutar un programa que debe ejecutarse en algún tipo de computadora inconveniente (por ejemplo, una computadora de nuevo diseño que aún no se ha construido o una computadora obsoleta que ya no está disponible), o en un entorno de prueba estrictamente controlado (consulte Simulador de arquitectura de computadora y Virtualización de plataforma ). Por ejemplo, se han utilizado simuladores para depurar un microprogramao, a veces, programas de aplicación comerciales, antes de que el programa se descargue en la máquina de destino. Dado que se simula el funcionamiento de la computadora, toda la información sobre el funcionamiento de la computadora está directamente disponible para el programador, y la velocidad y ejecución de la simulación se puede variar a voluntad.

Los simuladores también se pueden utilizar para interpretar árboles de fallas o probar diseños lógicos VLSI antes de que se construyan. La simulación simbólica utiliza variables para representar valores desconocidos.

En el campo de la optimización , las simulaciones de procesos físicos se utilizan a menudo junto con el cálculo evolutivo para optimizar las estrategias de control.

Simulación en educación y formación

Artículo principal: Hipermedia educativa adaptativa

pdf simuladores militares

La simulación se utiliza ampliamente con fines educativos. ^[2] Se utiliza para casos en los que es prohibitivamente caro o simplemente demasiado peligroso permitir que los alumnos utilicen el equipo real en el mundo real. En tales situaciones, pasarán tiempo aprendiendo lecciones valiosas en un entorno virtual "seguro", pero viviendo una experiencia realista (o al menos ese es el objetivo). A menudo, la conveniencia es permitir errores durante el entrenamiento para un sistema crítico para la seguridad.

Las simulaciones en educación son algo así como simulaciones de entrenamiento. Se centran en tareas específicas. El término 'micromundo' se usa para referirse a simulaciones educativas que modelan algún concepto abstracto en lugar de simular un objeto o entorno realista, o en algunos casos modelan un entorno del mundo real de una manera simplista para ayudar al alumno a desarrollar una comprensión de los conceptos clave. Normalmente, un usuario puede crear algún tipo de construcción dentro del micromundo que se comportará de una manera consistente con los conceptos que se modelan. Seymour Papert fue uno de los primeros en defender el valor de los micromundos, y el entorno de programación Logo desarrollado por Papert es uno de los micromundos más conocidos.

La simulación de gestión de proyectos se utiliza cada vez más para capacitar a estudiantes y profesionales en el arte y la ciencia de la gestión de proyectos. El uso de la simulación para la formación en gestión de proyectos mejora la retención del aprendizaje y mejora el proceso de aprendizaje. ^{[20] [21]}

Las simulaciones sociales se pueden utilizar en las aulas de ciencias sociales para ilustrar los procesos sociales y políticos en los cursos de antropología, economía, historia, ciencias políticas o sociología, generalmente a nivel de escuela secundaria o universitaria. Estos pueden, por ejemplo, tomar la forma de simulaciones cívicas, en las que los participantes asumen roles en una sociedad simulada, o simulaciones de relaciones internacionales en las que los participantes participan en negociaciones, formación de alianzas, comercio, diplomacia y uso de la fuerza. Tales simulaciones pueden basarse en sistemas políticos ficticios o basarse en eventos actuales o históricos. Un ejemplo de esto último sería el Barnard College 's reacción a las anteriores series de juegos educativos históricos. ^[22] ElLa National Science Foundation también ha apoyado la creación de juegos de reacción que abordan la educación científica y matemática. ^[23] En las simulaciones de redes sociales, los participantes entrenan la comunicación con los críticos y otras partes interesadas en un entorno privado.

En los últimos años, ha aumentado el uso de simulaciones sociales para la formación del personal en las agencias de ayuda y desarrollo. La simulación de Carana, por ejemplo, fue desarrollada por primera vez por el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo , y ahora el Banco Mundial la utiliza en una forma muy revisada para capacitar al personal para tratar con países frágiles y afectados por conflictos. ^[24]

Los usos militares para la simulación a menudo involucran aviones o vehículos de combate blindados, pero también pueden apuntar al entrenamiento de armas pequeñas y otros sistemas de armas. Específicamente, los rangos de armas de fuego virtuales se han convertido en la norma en la mayoría de los procesos de entrenamiento militar y hay una cantidad significativa de datos que sugieren que esta es una herramienta útil para los profesionales armados. ^[25]

Sistemas comunes de interacción con el usuario para simulaciones virtuales

Las simulaciones virtuales representan una categoría específica de simulación que utiliza equipos de simulación para crear un mundo simulado para el usuario. Las simulaciones virtuales permiten a los usuarios interactuar con un mundo virtual. Los mundos virtuales operan en plataformas de componentes de software y hardware integrados. De esta manera, el sistema puede aceptar entradas del usuario (por ejemplo, seguimiento corporal, reconocimiento de voz / sonido, controladores físicos) y producir una salida para el usuario (por ejemplo, pantalla visual, pantalla auditiva, pantalla háptica). ^[26] Las simulaciones virtuales utilizan los modos de interacción antes mencionados para producir una sensación de inmersión para el usuario.

Hardware de entrada de simulación virtual

Motocicleta simulador de Bienal del Automóvel exposición, en Belo Horizonte , Brasil .

Existe una amplia variedad de hardware de entrada disponible para aceptar la entrada del usuario para simulaciones virtuales. La siguiente lista describe brevemente varios de ellos:

Seguimiento corporal : el método de captura de movimiento se utiliza a menudo para registrar los movimientos del usuario y traducir los datos capturados en entradas para la simulación virtual. Por ejemplo, si un usuario gira físicamente la cabeza, el hardware de simulación capturaría el movimiento de alguna manera y se traduciría en un cambio de vista correspondiente dentro de la simulación.

• Se pueden usar trajes de captura y / o guantes para capturar los movimientos de las partes del cuerpo de los usuarios. Los sistemas pueden tener sensores incorporados en su interior para detectar movimientos de diferentes partes del cuerpo (por ejemplo, dedos). Alternativamente, estos sistemas pueden tener dispositivos de seguimiento exterior o marcas que pueden ser detectadas por ultrasonidos externos, receptores ópticos o sensores electromagnéticos. Los sensores de inercia internos también están disponibles en algunos sistemas. Las unidades pueden transmitir datos de forma inalámbrica o mediante cables.
• Los rastreadores oculares también se pueden utilizar para detectar movimientos oculares de modo que el sistema pueda determinar con precisión dónde está mirando un usuario en un instante determinado.

Controladores físicos : los controladores físicos proporcionan entrada a la simulación solo a través de la manipulación directa por parte del usuario. En las simulaciones virtuales, la retroalimentación táctil de los controladores físicos es muy deseable en varios entornos de simulación.

• Las cintas de correr omnidireccionales se pueden utilizar para capturar la locomoción de los usuarios mientras caminan o corren.
• La instrumentación de alta fidelidad, como paneles de instrumentos en cabinas de aviones virtuales, proporciona a los usuarios controles reales para elevar el nivel de inmersión. Por ejemplo, los pilotos pueden utilizar los controles del sistema de posicionamiento global real del dispositivo real en una cabina simulada para ayudarlos a practicar procedimientos con el dispositivo real en el contexto del sistema de cabina integrado.

Reconocimiento de voz / sonido : esta forma de interacción puede usarse para interactuar con agentes dentro de la simulación (por ejemplo, personas virtuales) o para manipular objetos en la simulación (por ejemplo, información). La interacción de voz presumiblemente aumenta el nivel de inmersión del usuario.

• Los usuarios pueden usar auriculares con micrófonos de brazo, micrófonos de solapa o la habitación puede estar equipada con micrófonos ubicados estratégicamente.

Investigación actual sobre los sistemas de entrada de datos de los usuarios

La investigación en futuros sistemas de entrada es muy prometedora para las simulaciones virtuales. Los sistemas como las interfaces cerebro-computadora (BCI) ofrecen la capacidad de aumentar aún más el nivel de inmersión para los usuarios de simulación virtual. Lee, Keinrath, Scherer, Bischof, Pfurtscheller ^[27] demostraron que los sujetos ingenuos podían ser entrenados para usar un BCI para navegar por un apartamento virtual con relativa facilidad. Usando el BCI, los autores encontraron que los sujetos podían navegar libremente por el entorno virtual con un esfuerzo relativamente mínimo. Es posible que este tipo de sistemas se conviertan en modalidades de entrada estándar en futuros sistemas de simulación virtual.

Hardware de salida de simulación virtual

Existe una amplia variedad de hardware de salida disponible para ofrecer un estímulo a los usuarios en simulaciones virtuales. La siguiente lista describe brevemente varios de ellos:

Pantalla visual : las pantallas visuales proporcionan el estímulo visual al usuario.

• Las pantallas fijas pueden variar desde una pantalla de escritorio convencional hasta pantallas envolventes de 360 ​​grados y pantallas estéreo tridimensionales. Las pantallas de escritorio convencionales pueden variar en tamaño de 15 a 60 pulgadas (380 a 1,520 mm). Las pantallas envolventes se utilizan normalmente en lo que se conoce como un entorno virtual automático de cueva (CAVE). Las pantallas estéreo tridimensionales producen imágenes tridimensionales con o sin gafas especiales, según el diseño.
• Las pantallas montadas en la cabeza (HMD) tienen pantallas pequeñas que se montan en el arnés que lleva el usuario. Estos sistemas están conectados directamente a la simulación virtual para brindar al usuario una experiencia más inmersiva. El peso, las tasas de actualización y el campo de visión son algunas de las variables clave que diferencian a los HMD. Naturalmente, los HMD más pesados ​​no son deseables ya que causan fatiga con el tiempo. Si la tasa de actualización es demasiado lenta, el sistema no puede actualizar las pantallas lo suficientemente rápido como para corresponder con un rápido giro de cabeza por parte del usuario. Las tasas de actualización más lentas tienden a provocar problemas en la simulación e interrumpir la sensación de inmersión. El campo de visión o la extensión angular del mundo que se ve en un momento dado, el campo de visión puede variar de un sistema a otro y se ha descubierto que afecta la sensación de inmersión del usuario.

Pantalla auditiva : existen varios tipos diferentes de sistemas de audio para ayudar al usuario a escuchar y localizar sonidos espacialmente. Se puede utilizar un software especial para producir efectos de audio en 3D. Audio en 3D para crear la ilusión de que las fuentes de sonido se colocan dentro de un espacio tridimensional definido alrededor del usuario.

• Pueden usarse sistemas de altavoces convencionales estacionarios para proporcionar sonido envolvente de dos o múltiples canales. Sin embargo, los altavoces externos no son tan efectivos como los auriculares para producir efectos de audio en 3D. ^[26]
• Los auriculares convencionales ofrecen una alternativa portátil a los altavoces fijos. También tienen las ventajas adicionales de enmascarar el ruido del mundo real y facilitan efectos de sonido de audio 3D más efectivos. ^{[26] [ dudoso - discutir ]}

Pantalla háptica : estas pantallas proporcionan un sentido del tacto al usuario ( tecnología háptica ). Este tipo de salida a veces se denomina retroalimentación de fuerza.

• Las pantallas táctiles de mosaico utilizan diferentes tipos de actuadores, como vejigas inflables, vibradores, subwoofers de baja frecuencia, actuadores de clavija y / o termoactuadores para producir sensaciones para el usuario.
• Las pantallas de los efectores finales pueden responder a las entradas de los usuarios con resistencia y fuerza. ^[26] Estos sistemas se utilizan a menudo en aplicaciones médicas para cirugías remotas que emplean instrumentos robóticos. ^[28]

Pantalla vestibular : estas pantallas proporcionan una sensación de movimiento al usuario ( simulador de movimiento ). A menudo se manifiestan como bases de movimiento para la simulación de vehículos virtuales, como simuladores de conducción o simuladores de vuelo. Las bases de movimiento están fijas en su lugar, pero usan actuadores para mover el simulador de manera que puedan producir las sensaciones de cabeceo, guiñada o balanceo. Los simuladores también pueden moverse de tal manera que produzcan una sensación de aceleración en todos los ejes (por ejemplo, la base de movimiento puede producir la sensación de caída).

Simuladores de salud clínica

Artículo principal: simulación médica

Los simuladores médicos se están desarrollando e implementando cada vez más para enseñar procedimientos terapéuticos y de diagnóstico, así como conceptos médicos y toma de decisiones al personal de las profesiones de la salud. Se han desarrollado simuladores para procedimientos de entrenamiento que van desde lo básico, como la extracción de sangre, hasta la cirugía laparoscópica ^[29] y la atención de traumatismos. También son importantes para ayudar en la creación de prototipos de nuevos dispositivos ^[30] para problemas de ingeniería biomédica. Actualmente, los simuladores se aplican a la investigación y desarrollo de herramientas para nuevas terapias, ^[31] tratamientos ^[32] y diagnóstico precoz ^[33] en medicina.

Muchos simuladores médicos involucran una computadora conectada a una simulación plástica de la anatomía relevante. ^{[ cita requerida ] Los} simuladores sofisticados de este tipo emplean un maniquí de tamaño natural que responde a las drogas inyectadas y se puede programar para crear simulaciones de emergencias potencialmente mortales. En otras simulaciones, los componentes visuales del procedimiento se reproducen mediante técnicas de gráficos por computadora , mientras que los componentes táctiles se reproducen mediante dispositivos de retroalimentación háptica combinados con rutinas de simulación física calculadas en respuesta a las acciones del usuario. Las simulaciones médicas de este tipo a menudo utilizarán TC o RM en 3D.escaneos de datos del paciente para mejorar el realismo. Algunas simulaciones médicas están desarrolladas para ser ampliamente distribuidas (como las simulaciones habilitadas para la web ^[34] y las simulaciones de procedimientos ^[35] que se pueden ver a través de navegadores web estándar) y se puede interactuar con ellas utilizando interfaces de computadora estándar, como el teclado y el mouse. .

Otra aplicación médica importante de un simulador, aunque tal vez denota un significado ligeramente diferente de simulador, es el uso de un fármaco placebo , una formulación que simula el fármaco activo en ensayos de eficacia farmacológica (ver Placebo (orígenes del término técnico) ). .

Mejora de la seguridad del paciente

La seguridad del paciente es una preocupación en la industria médica. Se sabe que los pacientes han sufrido lesiones e incluso la muerte debido a errores de gestión y la falta de uso de los mejores estándares de atención y capacitación. Según Building a National Agenda for Simulation-Based Medical Education (Eder-Van Hook, Jackie, 2004), "la capacidad de un proveedor de atención médica para reaccionar con prudencia en una situación inesperada es uno de los factores más críticos para crear un resultado positivo en la medicina emergencia, independientemente de si ocurre en el campo de batalla, la autopista o la sala de emergencias de un hospital ". Eder-Van Hook (2004) también señaló que los errores médicos matan hasta 98.000 con un costo estimado de entre $ 37 y $ 50 millones y de $ 17 a $ 29 mil millones para eventos adversos prevenibles en dólares por año.

La simulación se está utilizando para estudiar la seguridad del paciente, así como para formar a los profesionales médicos. ^[36] Estudiar la seguridad del paciente y las intervenciones de seguridad en el cuidado de la salud es un desafío, porque hay una falta de control experimental (es decir, complejidad del paciente, variaciones del sistema / proceso) para ver si una intervención hizo una diferencia significativa (Groves & Manges, 2017). ^[37] Un ejemplo de simulación innovadora para estudiar la seguridad del paciente es la investigación en enfermería. Groves y col. (2016) utilizaron una simulación de alta fidelidad para examinar los comportamientos orientados a la seguridad de la enfermería durante momentos como el informe de cambio de turno . ^[36]

Sin embargo, el valor de las intervenciones de simulación para traducir a la práctica clínica es aún discutible. ^[38] Como afirma Nishisaki, "existe buena evidencia de que el entrenamiento con simulación mejora la autoeficacia y competencia del proveedor y del equipo en maniquíes. También hay buena evidencia de que la simulación de procedimiento mejora el desempeño operativo real en entornos clínicos". ^[38] Sin embargo, es necesario contar con pruebas mejoradas que demuestren que la formación en gestión de recursos de la tripulación mediante simulación. ^[38] Uno de los mayores desafíos es demostrar que la simulación de equipo mejora el rendimiento operativo del equipo junto a la cama. ^[39]Aunque la evidencia de que el entrenamiento basado en la simulación realmente mejora el resultado del paciente ha tardado en acumularse, hoy en día la capacidad de la simulación para proporcionar una experiencia práctica que se traduzca en el quirófano ya no está en duda. ^{[40] [41] [42]}

Uno de los factores más importantes que podrían afectar la capacidad de que la capacitación afecte el trabajo de los profesionales junto a la cama es la capacidad de empoderar al personal de primera línea (Stewart, Manges, Ward, 2015). ^{[39] [43]}Otro ejemplo de un intento de mejorar la seguridad del paciente mediante el uso de capacitación en simulaciones es la atención al paciente para brindar un servicio justo a tiempo o justo en el lugar. Esta capacitación consiste en 20 minutos de capacitación simulada justo antes de que los trabajadores se presenten a su turno. Un estudio encontró que el entrenamiento justo a tiempo mejoraba la transición a la cabecera de la cama. La conclusión, según lo informado en el trabajo de Nishisaki (2008), fue que el entrenamiento con simulación mejoró la participación de los residentes en casos reales; pero no sacrificó la calidad del servicio. Por lo tanto, podría plantearse la hipótesis de que al aumentar el número de residentes altamente capacitados mediante el uso de la capacitación con simulación, la capacitación con simulación, de hecho, aumenta la seguridad del paciente.

Historia de la simulación en la asistencia sanitaria

Los primeros simuladores médicos fueron modelos simples de pacientes humanos. ^[44]

Desde la antigüedad, estas representaciones en arcilla y piedra se utilizaron para demostrar las características clínicas de los estados patológicos y sus efectos en los seres humanos. Se han encontrado modelos en muchas culturas y continentes. Estos modelos se han utilizado en algunas culturas (p. Ej., La cultura china) como un instrumento de " diagnóstico " que permite a las mujeres consultar a médicos varones manteniendo las leyes sociales de la modestia. Los modelos se utilizan hoy en día para ayudar a los estudiantes a aprender la anatomía del sistema musculoesquelético y los sistemas de órganos. ^[44]

En 2002, se formó la Society for Simulation in Healthcare (SSH) para convertirse en líder en avances interprofesionales internacionales en la aplicación de la simulación médica en la asistencia sanitaria ^[45]

McGaghie et al. Reconocieron la necesidad de un "mecanismo uniforme para educar, evaluar y certificar a los instructores de simulación para la profesión médica". en su revisión crítica de la investigación en educación médica basada en simulación. ^[46] En 2012, la SSH puso a prueba dos nuevas certificaciones para brindar reconocimiento a los educadores en un esfuerzo por satisfacer esta necesidad. ^[47]

Tipo de modelos

Modelos activos

Los modelos activos que intentan reproducir la anatomía o fisiología viva son desarrollos recientes. El famoso maniquí "Harvey" fue desarrollado en la Universidad de Miami y puede recrear muchos de los hallazgos físicos del examen cardiológico , incluida la palpación , auscultación y electrocardiografía . ^[48]

Modelos interactivos

Más recientemente, se han desarrollado modelos interactivos que responden a las acciones realizadas por un estudiante o un médico. ^[48] Hasta hace poco, estas simulaciones eran programas informáticos bidimensionales que actuaban más como un libro de texto que como un paciente. Las simulaciones por computadora tienen la ventaja de permitir al estudiante emitir juicios y también cometer errores. El proceso de aprendizaje iterativo a través de la evaluación, la toma de decisiones y la corrección de errores crea un entorno de aprendizaje mucho más sólido que la instrucción pasiva.

Simuladores de computadora

El alumno de 3DiTeams está percutiendo el pecho del paciente en un hospital de campaña virtual

Los simuladores se han propuesto como una herramienta ideal para evaluar las habilidades clínicas de los estudiantes. ^[49] Para los pacientes, la "cibertoterapia" se puede utilizar para sesiones que simulen experiencias traumáticas, desde el miedo a las alturas hasta la ansiedad social. ^[50]

Los pacientes programados y las situaciones clínicas simuladas, incluidos los simulacros de desastres, se han utilizado ampliamente para la educación y la evaluación. Estas simulaciones "realistas" son caras y carecen de reproducibilidad. Un simulador "3Di" completamente funcional sería la herramienta más específica disponible para la enseñanza y medición de habilidades clínicas. Se han aplicado plataformas de juegos para crear estos entornos médicos virtuales para crear un método interactivo para el aprendizaje y la aplicación de información en un contexto clínico. ^{[51] [52]}

Las simulaciones inmersivas del estado de la enfermedad permiten a un médico o HCP experimentar cómo se siente realmente una enfermedad. Mediante el uso de sensores y transductores, los efectos sintomáticos pueden transmitirse a un participante permitiéndole experimentar el estado de enfermedad del paciente.

Dicho simulador cumple los objetivos de un examen objetivo y estandarizado de competencia clínica. ^[53] Este sistema es superior a los exámenes que utilizan " pacientes estándar " porque permite la medición cuantitativa de la competencia, además de reproducir los mismos hallazgos objetivos. ^[54]

Simulación en el entretenimiento

La simulación en el entretenimiento abarca muchas industrias grandes y populares como el cine , la televisión , los videojuegos (incluidos los juegos serios ) y las atracciones en los parques temáticos. Aunque se cree que la simulación moderna tiene sus raíces en el entrenamiento y el ejército, en el siglo XX también se convirtió en un conducto para empresas que eran de naturaleza más hedonista.

Historia de la simulación visual en películas y juegos

Historia temprana (décadas de 1940 y 1950)

El primer juego de simulación puede haber sido creado ya en 1947 por Thomas T. Goldsmith Jr. y Estle Ray Mann. Este era un juego sencillo que simulaba un misil disparado a un objetivo. La curva del misil y su velocidad se pueden ajustar mediante varios botones. En 1958, Willy Higginbotham creó un juego de computadora llamado " Tennis for Two " que simulaba un juego de tenis entre dos jugadores que podían jugar al mismo tiempo usando controles manuales y se mostraba en un osciloscopio. ^[55] Este fue uno de los primeros videojuegos electrónicos en utilizar una pantalla gráfica.

1970 y principios de 1980

Imágenes generadas por computadora se usaron en la película para simular objetos ya en 1972 en Una mano animada por computadora , partes de las cuales se mostraron en la pantalla grande en la película Futureworld de 1976 . Muchos recordarán la "computadora de selección" que el joven Skywalker apaga en la película de 1977 Star Wars .

La película Tron (1982) fue la primera película en utilizar imágenes generadas por computadora durante más de un par de minutos. ^[56]

Los avances en la tecnología en la década de 1980 causaron 3D de simulación para ser más ampliamente utilizado y que comenzaron a aparecer en las películas y en los juegos basados en computadoras como de Atari Battlezone (1980) y Acornsoft 's Elite (1984), uno de los primeros alambre marco Juegos de gráficos 3D para ordenadores domésticos .

Era de la cinematografía pre-virtual (principios de los 80 a los 90)

Los avances en tecnología en la década de 1980 hicieron que la computadora fuera más asequible y más capaz que en décadas anteriores, ^{[57] lo} que facilitó el surgimiento de computadoras como los juegos de Xbox. Las primeras consolas de videojuegos lanzadas en la década de 1970 y principios de la de 1980 fueron víctimas del colapso de la industria en 1983, pero en 1985, Nintendo lanzó Nintendo Entertainment System (NES), que se convirtió en una de las consolas más vendidas en la historia de los videojuegos. ^[58] En la década de 1990, los juegos de computadora se hicieron muy populares con el lanzamiento de juegos como Los Sims y Command & Conquer y el poder aún creciente de las computadoras de escritorio. Hoy, los juegos de simulación por computadora comoWorld of Warcraft lo juegan millones de personas en todo el mundo.

En 1993, la película Jurassic Park se convirtió en la primera película popular en utilizar ampliamente gráficos generados por computadora, integrando los dinosaurios simulados casi sin problemas en escenas de acción en vivo.

Este evento transformó la industria cinematográfica; en 1995, la película Toy Story fue la primera película que utilizó sólo imágenes generadas por computadora y, en el nuevo milenio, los gráficos generados por computadora fueron la opción principal para efectos especiales en películas. ^[59]

Cinematografía virtual (principios de la década de 2000 hasta la actualidad)

La llegada de la cinematografía virtual a principios de la década de 2000 (década) ha llevado a una explosión de películas que hubieran sido imposibles de rodar sin ella. Los ejemplos clásicos son los imitaciones digitales de Neo, Smith y otros personajes en las secuelas de Matrix y el uso extensivo de carreras de cámara físicamente imposibles en la trilogía El Señor de los Anillos (serie de películas) .

La terminal de Pan Am (serie de televisión) ya no existía durante el rodaje de esta serie transmitida de 2011 a 2012, lo cual no fue un problema, ya que la crearon en cinematografía virtual utilizando la búsqueda y combinación de puntos de vista automatizados junto con la composición de imágenes reales y simuladas. que ha sido el pan y la mantequilla de la película de artista en y alrededor de los estudios de cine desde la década de 2000.

Las imágenes generadas por computadora son "la aplicación del campo de los gráficos por computadora en 3D a los efectos especiales". Esta tecnología se usa para efectos visuales porque son de alta calidad, controlables y pueden crear efectos que no serían factibles con ninguna otra tecnología, ya sea por costo, recursos o seguridad. ^[60] Los gráficos generados por computadora se pueden ver hoy en muchas películas de acción en vivo, especialmente las del género de acción. Además, las imágenes generadas por computadora han suplantado casi por completo la animación dibujada a mano en las películas para niños, que cada vez son más generadas por computadora. Ejemplos de películas que utilizan imágenes generadas por computadora incluyen Finding Nemo , 300 y Iron Man .

Ejemplos de simulación de entretenimiento no cinematográfico

Juegos de simulación

Los juegos de simulación , a diferencia de otros géneros de videojuegos y juegos de computadora, representan o simulan un entorno con precisión. Además, representan las interacciones entre los personajes jugables y el entorno de manera realista. Este tipo de juegos suelen ser más complejos en términos de jugabilidad. ^[61] Los juegos de simulación se han vuelto increíblemente populares entre personas de todas las edades. ^[62] Los juegos de simulación más populares incluyen SimCity y Tiger Woods PGA Tour . También hay simuladores de vuelo y simuladores de conducción .

Paseos en parques temáticos

Los simuladores se han utilizado para el entretenimiento desde el Link Trainer en la década de 1930. ^[63] El primer viaje en simulador moderno que se abrió en un parque temático fue Disney's Star Tours en 1987, seguido por Universal's The Funtastic World of Hanna-Barbera en 1990, que fue el primer viaje que se hizo completamente con gráficos por computadora. ^[64]

Los paseos en simulador son la progenie de los simuladores de entrenamiento militar y los simuladores comerciales, pero son diferentes de manera fundamental. Si bien los simuladores de entrenamiento militar reaccionan de manera realista a la entrada del aprendiz en tiempo real, los simuladores de conducción solo sienten que se mueven de manera realista y se mueven de acuerdo con los guiones de movimiento pregrabados. ^[64] Uno de los primeros paseos en simulador, Star Tours, que costó $ 32 millones, utilizó una cabina basada en movimiento hidráulico. El movimiento fue programado por un joystick. Los juegos de simuladores de hoy, como The Amazing Adventures of Spider-Man, incluyen elementos para aumentar la cantidad de inmersión experimentada por los ciclistas, tales como: imágenes en 3D, efectos físicos (rociar agua o producir aromas) y movimiento a través de un entorno. ^{[sesenta y cinco]}

Simulación y fabricación

La fabricación representa una de las aplicaciones más importantes de la simulación. Esta técnica representa una herramienta valiosa que utilizan los ingenieros al evaluar el efecto de la inversión de capital en equipos e instalaciones físicas como plantas fabriles, almacenes y centros de distribución. La simulación se puede utilizar para predecir el rendimiento de un sistema existente o planificado y para comparar soluciones alternativas para un problema de diseño en particular. ^[66]

Otro objetivo importante de la simulación en sistemas de fabricación es cuantificar el rendimiento del sistema. Las medidas habituales del rendimiento del sistema son las siguientes: ^[67]

• Rendimiento bajo cargas medias y máximas;
• Tiempo de ciclo del sistema (cuánto tiempo se tarda en producir una pieza);
• Utilización de recursos, mano de obra y máquinas;
• Cuellos de botella y cuellos de botella;
• Hacer cola en los lugares de trabajo;
• Colas y retrasos causados ​​por dispositivos y sistemas de manipulación de materiales;
• Necesidades de almacenamiento de WIP;
• Requisitos de personal;
• Efectividad de los sistemas de programación;
• Efectividad de los sistemas de control.

Más ejemplos de simulación

Automóviles

Simulador de carreras de coches

Un soldado prueba un simulador de conductor de un vehículo de ruedas pesadas.

Un simulador de automóvil brinda la oportunidad de reproducir las características de vehículos reales en un entorno virtual. Replica los factores externos y las condiciones con las que interactúa un vehículo, lo que permite que el conductor se sienta como si estuviera sentado en la cabina de su propio vehículo. Los escenarios y eventos se replican con suficiente realidad para garantizar que los conductores se sumerjan por completo en la experiencia en lugar de simplemente verla como una experiencia educativa.

El simulador proporciona una experiencia constructiva para el conductor novato y permite que el conductor más maduro realice ejercicios más complejos. Para los conductores novatos, los simuladores de camiones brindan la oportunidad de comenzar su carrera aplicando las mejores prácticas. Para los conductores maduros, la simulación proporciona la capacidad de mejorar la buena conducción o detectar prácticas inadecuadas y sugerir los pasos necesarios para la acción correctiva. Para las empresas, brinda la oportunidad de educar al personal en las habilidades de conducción que logran reducir los costos de mantenimiento, mejorar la productividad y, lo más importante, garantizar la seguridad de sus acciones en todas las situaciones posibles.

Biomecánica

Una plataforma de simulación de código abierto para crear modelos mecánicos dinámicos construidos a partir de combinaciones de cuerpos rígidos y deformables, uniones, restricciones y varios actuadores de fuerza. Está especializado en la creación de modelos biomecánicos de estructuras anatómicas humanas, con la intención de estudiar su función y eventualmente asistir en el diseño y planificación del tratamiento médico.

Se utiliza un simulador de biomecánica para analizar la dinámica de la marcha, estudiar el rendimiento deportivo, simular procedimientos quirúrgicos, analizar cargas articulares, diseñar dispositivos médicos y animar el movimiento humano y animal.

Un simulador neuromecánico que combina simulación de redes neuronales biomecánica y biológicamente realista. Permite al usuario probar hipótesis sobre la base neuronal del comportamiento en un entorno virtual 3D físicamente preciso.

Ciudad y urbano

Más información: simulación de tráfico

Un simulador de ciudades puede ser un juego de construcción de ciudades, pero también puede ser una herramienta utilizada por los planificadores urbanos para comprender cómo es probable que las ciudades evolucionen en respuesta a diversas decisiones políticas. AnyLogic es un ejemplo de simuladores urbanos modernos a gran escala diseñados para su uso por planificadores urbanos. Simuladores de la ciudad son generalmente agentes -basado simulaciones con representaciones explícitas de uso de la tierra y el transporte . UrbanSim y LEAM son ejemplos de modelos de simulación urbana a gran escala que son utilizados por agencias de planificación metropolitana y bases militares para el uso del suelo y la planificación del transporte .

Navidad

Más información: NORAD Tracks Santa , Google Santa Tracker y emailSanta.com

Existen varias simulaciones de temática navideña , muchas de las cuales se centran en Santa Claus . Un ejemplo de estas simulaciones son los sitios web que pretenden permitir al usuario rastrear a Santa Claus. Debido al hecho de que Santa es un personaje legendario y no una persona real y viva, es imposible proporcionar información real sobre su ubicación y servicios como NORAD Tracks Santa y Google Santa Tracker (el primero de los cuales afirma usar radar y otras tecnologías para rastrear a Santa) ^[68]mostrar información de ubicación predeterminada falsa a los usuarios. Otro ejemplo de estas simulaciones son los sitios web que afirman permitir al usuario enviar correos electrónicos o mensajes a Santa Claus. Los sitios web como emailSanta.com o la página anterior de Santa en el ahora desaparecido Windows Live Spaces de Microsoft utilizan programas o scripts automatizados para generar respuestas personalizadas que se dice que son del mismo Santa, basadas en la entrada del usuario. ^{[69] [70] [71] [72]}

Aula del futuro

El "aula del futuro" probablemente contendrá varios tipos de simuladores, además de herramientas de aprendizaje textuales y visuales. Esto permitirá que los estudiantes ingresen a los años clínicos mejor preparados y con un mayor nivel de habilidad. El estudiante avanzado o posgrado tendrá un método más conciso y completo de reentrenamiento —o de incorporar nuevos procedimientos clínicos en su conjunto de habilidades— y los organismos reguladores y las instituciones médicas encontrarán más fácil evaluar la competencia y competencia de los individuos.

El aula del futuro también formará la base de una unidad de habilidades clínicas para la educación continua del personal médico; y de la misma manera que el uso de entrenamiento de vuelo periódico ayuda a los pilotos de líneas aéreas, esta tecnología ayudará a los profesionales a lo largo de su carrera. ^{[ cita requerida ]}

El simulador será más que un libro de texto "vivo", se convertirá en una parte integral de la práctica de la medicina. ^{[ cita requerida ]} El entorno del simulador también proporcionará una plataforma estándar para el desarrollo curricular en instituciones de educación médica.

Satélites de comunicación

Sistemas modernos de comunicaciones por satélite ( SATCOM) son a menudo grandes y complejas con muchas partes y elementos que interactúan. Además, la necesidad de conectividad de banda ancha en un vehículo en movimiento ha aumentado drásticamente en los últimos años tanto para aplicaciones comerciales como militares. Para predecir con precisión y ofrecer un servicio de alta calidad, los diseñadores de sistemas SATCOM deben tener en cuenta el terreno, así como las condiciones atmosféricas y meteorológicas en su planificación. Para hacer frente a tal complejidad, los diseñadores y operadores de sistemas recurren cada vez más a modelos informáticos de sus sistemas para simular las condiciones operativas del mundo real y obtener información sobre la usabilidad y los requisitos antes de la aprobación del producto final.El modelado mejora la comprensión del sistema al permitir que el diseñador o planificador del sistema SATCOM simule el rendimiento del mundo real inyectando los modelos con múltiples condiciones atmosféricas y ambientales hipotéticas. La simulación se utiliza a menudo en la formación de personal civil y militar. Esto suele ocurrir cuando es prohibitivamente caro o simplemente demasiado peligroso permitir que los alumnos utilicen el equipo real en el mundo real. En tales situaciones, pasarán tiempo aprendiendo lecciones valiosas en un entorno virtual "seguro" y viviendo una experiencia realista (o al menos ese es el objetivo). A menudo, la conveniencia es permitir errores durante el entrenamiento para un sistema crítico para la seguridad.Esto suele ocurrir cuando es prohibitivamente caro o simplemente demasiado peligroso permitir que los alumnos utilicen el equipo real en el mundo real. En tales situaciones, pasarán tiempo aprendiendo lecciones valiosas en un entorno virtual "seguro" y viviendo una experiencia realista (o al menos ese es el objetivo). A menudo, la conveniencia es permitir errores durante el entrenamiento para un sistema crítico para la seguridad.Esto suele ocurrir cuando es prohibitivamente caro o simplemente demasiado peligroso permitir que los alumnos utilicen el equipo real en el mundo real. En tales situaciones, pasarán tiempo aprendiendo lecciones valiosas en un entorno virtual "seguro" y viviendo una experiencia realista (o al menos ese es el objetivo). A menudo, la conveniencia es permitir errores durante el entrenamiento para un sistema crítico para la seguridad.

Ciclo de vida digital

Simulación de flujo de aire sobre un motor.

Las soluciones de simulación se integran cada vez más con las soluciones y procesos CAx (CAD, CAM, CAE ...). El uso de la simulación a lo largo del ciclo de vida del producto, especialmente en las primeras etapas de concepto y diseño, tiene el potencial de proporcionar beneficios sustanciales. Estos beneficios van desde problemas de costos directos, como la reducción de la creación de prototipos y un tiempo de comercialización más corto, hasta productos de mejor rendimiento y mayores márgenes. Sin embargo, para algunas empresas, la simulación no ha proporcionado los beneficios esperados.

El uso exitoso de la simulación, en las primeras etapas del ciclo de vida, se ha visto impulsado en gran medida por una mayor integración de las herramientas de simulación con todo el conjunto de soluciones CAD, CAM y PLM. Las soluciones de simulación ahora pueden funcionar en toda la empresa extendida en un entorno multi-CAD e incluir soluciones para administrar datos y procesos de simulación y garantizar que los resultados de la simulación formen parte del historial del ciclo de vida del producto. La capacidad de utilizar la simulación a lo largo de todo el ciclo de vida se ha mejorado a través de interfaces de usuario mejoradas, como interfaces de usuario adaptables y "asistentes" que permiten que todos los participantes PLM apropiados participen en el proceso de simulación.

Preparación para desastres

El entrenamiento con simulación se ha convertido en un método para preparar a las personas para los desastres. Las simulaciones pueden replicar situaciones de emergencia y rastrear cómo responden los alumnos gracias a una experiencia realista . Las simulaciones de preparación para desastres pueden incluir capacitación sobre cómo manejar ataques terroristas , desastres naturales, brotes de pandemias u otras emergencias que amenacen la vida.

Una organización que ha utilizado la capacitación con simulación para la preparación ante desastres es CADE (Centro para el Avance de la Educación a Distancia). CADE ^[73] ha utilizado un videojuego para preparar a los trabajadores de emergencia para múltiples tipos de ataques. Como informó News-Medical.Net, "El videojuego es el primero de una serie de simulaciones para abordar el bioterrorismo, la gripe pandémica, la viruela y otros desastres para los que el personal de emergencia debe prepararse. ^[74] " Desarrollado por un equipo de la Universidad de Illinois en Chicago (UIC), el juego permite a los alumnos practicar sus habilidades de emergencia en un entorno seguro y controlado.

El Programa de simulación de emergencia (ESP) del Instituto de Tecnología de Columbia Británica (BCIT), Vancouver, Columbia Británica, Canadá es otro ejemplo de una organización que utiliza la simulación para entrenar en situaciones de emergencia. ESP utiliza simulación para entrenar en las siguientes situaciones: extinción de incendios forestales, respuesta a derrames de petróleo o químicos, respuesta a terremotos, aplicación de la ley, extinción de incendios municipales, manipulación de materiales peligrosos, entrenamiento militar y respuesta a un ataque terrorista ^[75] Una característica del sistema de simulación es la implementación de "Dynamic Run-Time Clock", que permite que las simulaciones ejecuten un marco de tiempo 'simulado', "'acelerando' o 'ralentizando' el tiempo según se desee" ^[75] Además, el sistema permite grabaciones de sesiones, navegación basada en iconos de imágenes, almacenamiento de archivos de simulaciones individuales, componentes multimedia y lanzamiento de aplicaciones externas.

En la Universidad de Québec en Chicoutimi, un equipo de investigación en el laboratorio de investigación y experiencia al aire libre (Laboratoire d'Expertise et de Recherche en Plein Air - LERPA) se especializa en el uso de simulaciones de accidentes en áreas silvestres para verificar la coordinación de la respuesta a emergencias.

Desde el punto de vista educativo, los beneficios del entrenamiento de emergencia a través de simulaciones son que el rendimiento del alumno se puede rastrear a través del sistema. Esto permite al desarrollador hacer los ajustes necesarios o alertar al educador sobre temas que pueden requerir atención adicional. Otras ventajas son que el alumno puede ser guiado o capacitado sobre cómo responder adecuadamente antes de continuar con el siguiente segmento de emergencia; este es un aspecto que puede no estar disponible en el entorno en vivo. Algunos simuladores de entrenamiento de emergencia también permiten una retroalimentación inmediata, mientras que otras simulaciones pueden proporcionar un resumen e indicar al alumno que se involucre nuevamente en el tema de aprendizaje.

En una situación de emergencia en vivo, los servicios de emergencia no tienen tiempo que perder. La capacitación en simulación en este entorno brinda una oportunidad para que los alumnos recopilen tanta información como puedan y practiquen sus conocimientos en un entorno seguro. Pueden cometer errores sin riesgo de poner en peligro vidas y tener la oportunidad de corregir sus errores para prepararse para la emergencia de la vida real.

Economía

En economía y especialmente en macroeconomía , los efectos de las acciones de política propuestas, como cambios de política fiscal o cambios de política monetaria , se simulan para juzgar su conveniencia. Un modelo matemático de la economía, que se ha ajustado a los datos económicos históricos, se utiliza como proxy de la economía real; Los valores propuestos de gasto público , impuestos , operaciones de mercado abierto , etc. se utilizan como insumos para la simulación del modelo, y diversas variables de interés como la tasa de inflación , la tasa de desempleo , el déficit de la balanza comercial , el gobierno.déficit presupuestario , etc. son los resultados de la simulación. Los valores simulados de estas variables de interés se comparan para diferentes insumos de política propuestos para determinar qué conjunto de resultados es el más deseable.

Ingeniería, tecnología y procesos

La simulación es una característica importante en los sistemas de ingeniería o en cualquier sistema que involucre muchos procesos. Por ejemplo, en ingeniería eléctrica , las líneas de retardo pueden usarse para simular el retardo de propagación y el cambio de fase causado por una línea de transmisión real . De manera similar, las cargas ficticias se pueden usar para simular la impedancia sin simular la propagación y se usan en situaciones en las que la propagación no es deseada. Un simulador puede imitar solo algunas de las operaciones y funciones de la unidad que simula. Contraste con : emular . ^[76]

La mayoría de las simulaciones de ingeniería implican modelos matemáticos e investigación asistida por computadora. Sin embargo, hay muchos casos en los que el modelado matemático no es confiable. La simulación de problemas de dinámica de fluidos a menudo requiere simulaciones tanto matemáticas como físicas. En estos casos, los modelos físicos requieren similitud dinámica . Las simulaciones físicas y químicas también tienen usos realistas directos, en lugar de usos de investigación; en ingeniería química , por ejemplo, simulaciones de procesosse utilizan para dar los parámetros del proceso que se utilizan inmediatamente para el funcionamiento de plantas químicas, como las refinerías de petróleo. Los simuladores también se utilizan para la formación de operadores de plantas. Se llama Operator Training Simulator (OTS) y ha sido ampliamente adoptado por muchas industrias, desde la química hasta la de petróleo y gas y la industria de la energía. Esto creó un entorno virtual seguro y realista para capacitar a operadores e ingenieros de placas. Mimic es capaz de proporcionar modelos dinámicos de alta fidelidad de casi todas las plantas químicas para capacitación de operadores y pruebas de sistemas de control.

Ergonomía

La simulación ergonómica implica el análisis de productos virtuales o tareas manuales dentro de un entorno virtual. En el proceso de ingeniería, el objetivo de la ergonomía es desarrollar y mejorar el diseño de productos y entornos de trabajo. ^{[77] La} simulación ergonómica utiliza una representación antropométrica virtual del ser humano, comúnmente referenciada como un maniquí o modelos humanos digitales (DHM), para imitar las posturas, cargas mecánicas y desempeño de un operador humano en un entorno simulado como un avión. automóvil o instalación de fabricación. Los DHM son reconocidos como una herramienta valiosa y en evolución para realizar análisis y diseño ergonómicos proactivos. ^[78]Las simulaciones emplean gráficos en 3D y modelos basados ​​en la física para animar a los humanos virtuales. El software de ergonomía utiliza la capacidad de cinemática inversa (IK) para plantear los DHM. ^[77]

Las herramientas de software normalmente calculan las propiedades biomecánicas, incluidas las fuerzas musculares individuales, las fuerzas articulares y los momentos. La mayoría de estas herramientas emplean métodos de evaluación ergonómicos estándar, como la ecuación de levantamiento de NIOSH y la evaluación rápida de miembros superiores (RULA). Algunas simulaciones también analizan medidas fisiológicas, incluido el metabolismo, el gasto de energía y los límites de fatiga Los estudios de tiempo de ciclo, la validación del diseño y el proceso, la comodidad del usuario, la accesibilidad y la línea de visión son otros factores humanos que pueden examinarse en paquetes de simulación ergonómica. ^[79]

El modelado y la simulación de una tarea se pueden realizar manipulando manualmente al humano virtual en el entorno simulado. Algunos programas de simulación de ergonomía permiten la simulación y evaluación interactivas en tiempo real a través de información humana real a través de tecnologías de captura de movimiento. Sin embargo, la captura de movimiento para la ergonomía requiere equipos costosos y la creación de accesorios para representar el medio ambiente o el producto.

Algunas aplicaciones de simulación ergonómica incluyen análisis de recolección de desechos sólidos, tareas de gestión de desastres, juegos interactivos, ^[80] línea de ensamblaje automotriz, ^[81] prototipos virtuales de ayudas de rehabilitación, ^[82] y diseño de productos aeroespaciales. ^{[83] Los} ingenieros de Ford utilizan software de simulación ergonómica para realizar revisiones de diseño de productos virtuales. Usando datos de ingeniería, las simulaciones ayudan a evaluar la ergonomía del ensamblaje. La compañía utiliza el software de simulación ergonómica Jack and Jill de Siemen para mejorar la seguridad y la eficiencia de los trabajadores, sin la necesidad de construir prototipos costosos. ^[84]

Finanzas

Artículos principales: métodos de Montecarlo en finanzas y finanzas matemáticas

En finanzas , las simulaciones por computadora se utilizan a menudo para la planificación de escenarios. El valor actual neto ajustado al riesgo , por ejemplo, se calcula a partir de entradas bien definidas pero no siempre conocidas (o fijas). Al imitar el desempeño del proyecto que se está evaluando, la simulación puede proporcionar una distribución del VAN sobre un rango de tasas de descuento y otras variables. Las simulaciones también se utilizan a menudo para probar una teoría financiera o la capacidad de un modelo financiero. ^[85]

Las simulaciones se utilizan con frecuencia en la capacitación financiera para involucrar a los participantes en la experiencia de diversas situaciones históricas y ficticias. Hay simulaciones de mercado de valores, simulaciones de cartera, simulaciones o modelos de gestión de riesgos y simulaciones de divisas. Estas simulaciones se basan normalmente en modelos de activos estocásticos . El uso de estas simulaciones en un programa de formación permite la aplicación de la teoría en algo parecido a la vida real. Al igual que con otras industrias, el uso de simulaciones puede estar impulsado por la tecnología o por estudios de casos.

Vuelo

Artículo principal: simulación de vuelo

Los dispositivos de entrenamiento de simulación de vuelo (FSTD) se utilizan para entrenar a los pilotos en tierra. En comparación con el entrenamiento en una aeronave real , el entrenamiento basado en simulación permite el entrenamiento de maniobras o situaciones que pueden ser poco prácticas (o incluso peligrosas) de realizar en la aeronave mientras se mantiene al piloto y al instructor en un entorno de riesgo relativamente bajo en la aeronave. tierra. Por ejemplo, las fallas del sistema eléctrico, las fallas de los instrumentos, las fallas del sistema hidráulico e incluso las fallas del control de vuelo se pueden simular sin riesgo para los pilotos o una aeronave.

Los instructores también pueden proporcionar a los estudiantes una mayor concentración de tareas de capacitación en un período de tiempo determinado de lo que normalmente es posible en el avión. Por ejemplo, realizar múltiples aproximaciones por instrumentos en la aeronave real puede requerir un tiempo significativo para reposicionar la aeronave, mientras que en una simulación, tan pronto como se haya completado una aproximación, el instructor puede colocar inmediatamente la aeronave simulada en una posición ideal (o menos que ideal). ) ubicación desde la que comenzar la próxima aproximación.

La simulación de vuelo también proporciona una ventaja económica sobre el entrenamiento en un avión real. Una vez que se tienen en cuenta los costos de combustible, mantenimiento y seguro, los costos operativos de un FSTD suelen ser sustancialmente más bajos que los costos operativos de la aeronave simulada. Para algunos aviones de gran categoría de transporte, los costos operativos pueden ser varias veces más bajos para el FSTD que para el avión real.

Algunas personas que usan software de simulador, especialmente software de simulador de vuelo , construyen su propio simulador en casa. Algunas personas, para aumentar el realismo de su simulador casero, compran tarjetas y bastidores usados ​​que ejecutan el mismo software que utilizaba la máquina original. Si bien esto implica resolver el problema de hacer coincidir el hardware y el software, y el problema de que cientos de tarjetas se conectan a muchos racks diferentes, muchos todavía encuentran que vale la pena resolver estos problemas. Algunos son tan serios acerca de una simulación realista de que van a comprar piezas de aviones reales, como secciones completas de la nariz dados de baja aviones , en Boneyards aviones . Esto permite a las personas simular un pasatiempo que no pueden seguir en la vida real.

Marina

Con semejanza con los simuladores de vuelo, los simuladores marinos entrenan al personal de los barcos. Los simuladores marinos más comunes incluyen:

• Simuladores de puente de barco
• Simuladores de sala de máquinas
• Simuladores de manipulación de carga
• Simuladores de comunicación / GMDSS
• Simuladores ROV

Los simuladores como estos se utilizan principalmente en colegios marítimos, instituciones de formación y armadas. A menudo consisten en una réplica del puente de un barco, con la (s) consola (s) operativa y una serie de pantallas en las que se proyecta el entorno virtual.

Militar

Artículo principal: simulación militar

Las simulaciones militares , también conocidas informalmente como juegos de guerra, son modelos en los que las teorías de la guerra se pueden probar y perfeccionar sin necesidad de hostilidades reales. Existen en muchas formas diferentes, con distintos grados de realismo. En los últimos tiempos, su alcance se ha ampliado para incluir no solo factores militares, sino también políticos y sociales (por ejemplo, la serie de ejercicios estratégicos NationLab en América Latina). ^[86] Si bien muchos gobiernos hacen uso de la simulación, tanto individualmente como en colaboración, se sabe poco sobre los detalles específicos del modelo fuera de los círculos profesionales.

Sistemas distribuidos y de red

Los sistemas distribuidos y de red se han simulado ampliamente en otros para comprender el impacto de los nuevos protocolos y algoritmos antes de su implementación en los sistemas reales. La simulación puede centrarse en diferentes niveles ( capa física , la capa de red , capa de aplicación ), y evaluar diferentes métricas (ancho de banda de red, consumo de recursos, tiempo de servicio, pérdida de paquetes, la disponibilidad del sistema). Ejemplos de escenarios de simulación de redes y sistemas distribuidos son:

• Redes de distribución de contenido ^{[87] [88] [89] [90]}
• Ciudades inteligentes
• Internet de las Cosas

Sistema de pago y liquidación de valores

También se han aplicado técnicas de simulación a los sistemas de pago y liquidación de valores. Entre los principales usuarios se encuentran los bancos centrales, que generalmente son responsables de la supervisión de la infraestructura del mercado y tienen derecho a contribuir al buen funcionamiento de los sistemas de pago.

Los bancos centrales han estado utilizando simulaciones de sistemas de pago para evaluar cosas como la adecuación o suficiencia de la liquidez disponible (en forma de saldos de cuentas y límites de crédito intradía) para los participantes (principalmente bancos) para permitir una liquidación eficiente de los pagos. ^{[91] [92]} La necesidad de liquidez también depende de la disponibilidad y el tipo de procedimientos de compensación en los sistemas, por lo que algunos de los estudios se centran en las comparaciones de sistemas. ^[93]

Otra aplicación es evaluar los riesgos relacionados con eventos como averías en la red de comunicación o la imposibilidad de los participantes para enviar pagos (por ejemplo, en caso de posible quiebra bancaria). ^[94] Este tipo de análisis se enmarca dentro de los conceptos de pruebas de resistencia o análisis de escenarios .

Una forma común de realizar estas simulaciones es replicar las lógicas de liquidación de los sistemas de liquidación de pagos o valores reales bajo análisis y luego utilizar datos de pagos reales observados. En caso de comparación de sistemas o desarrollo de sistemas, naturalmente, también se deben implementar las otras lógicas de asentamiento.

Para realizar pruebas de estrés y análisis de escenarios, los datos observados deben modificarse, por ejemplo, algunos pagos retrasados ​​o eliminados. Para analizar los niveles de liquidez, se varían los niveles de liquidez inicial. Las comparaciones de sistemas (evaluación comparativa) o evaluaciones de nuevos algoritmos o reglas de compensación se realizan ejecutando simulaciones con un conjunto fijo de datos y variando solo las configuraciones del sistema.

Por lo general, se realiza una inferencia comparando los resultados de la simulación de referencia con los resultados de las configuraciones de simulación modificadas mediante la comparación de indicadores como transacciones no liquidadas o retrasos en la liquidación.

Gestión de proyectos

Artículo principal: simulación de gestión de proyectos

La simulación de gestión de proyectos es una simulación que se utiliza para la formación y el análisis de la gestión de proyectos. A menudo se utiliza como simulación de formación para directores de proyectos. En otros casos, se utiliza para análisis hipotéticos y para apoyar la toma de decisiones en proyectos reales. Con frecuencia, la simulación se realiza utilizando herramientas de software.

Robótica

Artículo principal: Simulador de robótica

Se utiliza un simulador de robótica para crear aplicaciones integradas para un robot específico (o no) sin depender del robot "real". En algunos casos, estas aplicaciones se pueden transferir al robot real (o reconstruir) sin modificaciones. Los simuladores de robótica permiten reproducir situaciones que no se pueden "crear" en el mundo real debido al costo, el tiempo o la "singularidad" de un recurso. Un simulador también permite la creación rápida de prototipos de robots. Muchos simuladores de robots cuentan con motores físicos para simular la dinámica de un robot.

Producción

La simulación de sistemas de producción se utiliza principalmente para examinar el efecto de mejoras o inversiones en un sistema de producción. La mayoría de las veces, esto se hace usando una hoja de cálculo estática con tiempos de proceso y tiempos de transporte. Para simulaciones más sofisticadas, se utiliza la simulación de eventos discretos (DES) con las ventajas de simular la dinámica en el sistema de producción. Un sistema de producción es muy dinámico en función de variaciones en los procesos de fabricación, tiempos de montaje, puesta a punto de la máquina, roturas, averías y pequeñas paradas. ^[95] Existe una gran cantidad de software que se utiliza comúnmente para la simulación de eventos discretos. Se diferencian en usabilidad y mercados, pero a menudo comparten la misma base.

Proceso de ventas

Artículo principal: Ingeniería de procesos de ventas

Las simulaciones son útiles para modelar el flujo de transacciones a través de procesos comerciales, como en el campo de la ingeniería de procesos de ventas , para estudiar y mejorar el flujo de pedidos de clientes a través de varias etapas de finalización (por ejemplo, desde una propuesta inicial para proporcionar bienes / servicios a través de aceptación e instalación de pedidos). Dichas simulaciones pueden ayudar a predecir el impacto de cómo las mejoras en los métodos podrían afectar la variabilidad, el costo, el tiempo de trabajo y el número de transacciones en varias etapas del proceso. Se puede usar un simulador de proceso computarizado con todas las funciones para representar tales modelos, al igual que demostraciones educativas más simples usando software de hoja de cálculo, monedas de un centavo que se transfieren entre tazas según el rollo de un dado, o que se sumergen en una tina de cuentas de colores con una cuchara. ^[96]

Deportes

En los deportes, las simulaciones por computadora a menudo se realizan para predecir el resultado de los eventos y el rendimiento de deportistas individuales. Intentan recrear el evento a través de modelos construidos a partir de estadísticas . El aumento de la tecnología ha permitido a cualquier persona con conocimientos de programación la capacidad de ejecutar simulaciones de sus modelos. Las simulaciones se construyen a partir de una serie de algoritmos matemáticos o modelos y pueden variar con precisión. Accuscore, que tiene licencia de empresas como ESPN , es un programa de simulación muy conocido para los principales deportes . Ofrece un análisis detallado de los juegos a través de líneas de apuestas simuladas, totales de puntos proyectados y probabilidades generales.

Con el creciente interés en los modelos de simulación de deportes de fantasía que predicen el rendimiento de un jugador individual, han ganado popularidad. Empresas como What If Sports y StatFox se especializan no solo en usar sus simulaciones para predecir los resultados del juego, sino también en lo bien que lo harán los jugadores individuales. Mucha gente usa modelos para determinar quién comenzar en sus ligas de fantasía.

Otra forma en que las simulaciones están ayudando al campo deportivo es mediante el uso de la biomecánica . Los modelos se derivan y las simulaciones se ejecutan a partir de datos recibidos de sensores conectados a atletas y equipos de video. La biomecánica deportiva con la ayuda de modelos de simulación responde preguntas sobre técnicas de entrenamiento como el efecto de la fatiga en el rendimiento de lanzamiento (altura del lanzamiento) y factores biomecánicos de las extremidades superiores (índice de fuerza reactiva; tiempo de contacto de la mano). ^[97]

Las simulaciones por computadora permiten a sus usuarios tomar modelos que antes eran demasiado complejos para ejecutar y darles respuestas. Las simulaciones han demostrado ser una de las mejores ideas sobre el rendimiento del juego y la previsibilidad del equipo.

Cuenta atrás del transbordador espacial

Firing Room 1 configurada para lanzamientos de transbordadores espaciales

La simulación se utilizó en el Centro Espacial Kennedy (KSC) para capacitar y certificar a los ingenieros del transbordador espacial durante las operaciones de cuenta regresiva de lanzamiento simulado. La comunidad de ingenieros del Transbordador Espacial participaría en una simulación integrada de cuenta regresiva de lanzamiento antes de cada vuelo del Transbordador. Esta simulación es una simulación virtual en la que personas reales interactúan con el vehículo del transbordador espacial simulado y el hardware del equipo de apoyo en tierra (GSE). La simulación de la fase de cuenta regresiva final del transbordador, también conocida como S0044, involucró procesos de cuenta regresiva que integrarían muchos de los vehículos del transbordador espacial y los sistemas GSE. Algunos de los sistemas Shuttle integrados en la simulación son el sistema de propulsión principal, RS-25 , propulsores de cohetes sólidos, hidrógeno líquido terrestre y oxígeno líquido, tanque externo , controles de vuelo, navegación y aviónica. ^[98] Los objetivos de alto nivel de la simulación de la fase de cuenta regresiva final del transbordador son:

• Demostrar las operaciones de la fase de cuenta regresiva final de la sala de fuego .
• Brindar capacitación a los ingenieros de sistemas para reconocer, informar y evaluar los problemas del sistema en un entorno de tiempo crítico.
• Ejercer la capacidad del equipo de lanzamiento para evaluar, priorizar y responder a problemas de manera integrada dentro de un entorno de tiempo crítico.
• Proporcionar procedimientos que se utilizarán en la realización de pruebas de falla / recuperación de las operaciones realizadas en la fase final de cuenta regresiva. ^[99]

La simulación de la fase de cuenta regresiva final del transbordador tuvo lugar en las salas de disparo del centro de control de lanzamiento del Kennedy Space Center . La sala de tiro utilizada durante la simulación es la misma sala de control donde se ejecutan las operaciones de cuenta atrás de lanzamiento real. Como resultado, se activa el equipo utilizado para operaciones de cuenta atrás de lanzamiento real. Durante la simulación se utilizan computadoras de comando y control, software de aplicación, herramientas de trazado y tendencias de ingeniería, documentos de procedimiento de cuenta regresiva de lanzamiento, documentos de criterios de confirmación de lanzamiento, documentos de requisitos de hardware y cualquier otro elemento utilizado por los equipos de cuenta regresiva de lanzamiento de ingeniería durante las operaciones de cuenta regresiva de lanzamiento real. El hardware del vehículo del transbordador espacial y el hardware GSE relacionado se simula mediante modelos matemáticos (escrito en lenguaje de modelado Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS) ^[100]) que se comportan y reaccionan como hardware real. Durante la simulación de la fase de cuenta regresiva final de Shuttle, los ingenieros comandan y controlan el hardware a través de un software de aplicación real que se ejecuta en las consolas de control, como si estuvieran controlando el hardware real del vehículo. Sin embargo, estas aplicaciones de software reales no interactúan con el hardware Shuttle real durante las simulaciones. En cambio, las aplicaciones interactúan con representaciones de modelos matemáticos del vehículo y el hardware GSE. En consecuencia, las simulaciones evitan mecanismos sensibles e incluso peligrosos al tiempo que proporcionan mediciones de ingeniería que detallan cómo habría reaccionado el hardware. Dado que estos modelos matemáticos interactúan con el software de aplicación de comando y control, los modelos y simulaciones también se utilizan para depurar y verificar la funcionalidad del software de aplicación. ^[101]

Navegación por satélite

La única forma verdadera de probar los receptores GNSS (comúnmente conocidos como Sat-Nav en el mundo comercial) es mediante el uso de un simulador de constelaciones de RF. Un receptor que, por ejemplo, se puede utilizar en un avión, se puede probar en condiciones dinámicas sin necesidad de llevarlo a un vuelo real. Las condiciones de prueba se pueden repetir exactamente y existe un control total sobre todos los parámetros de prueba. esto no es posible en el 'mundo real' usando las señales reales. Para probar los receptores que utilizarán el nuevo Galileo (navegación por satélite) no hay alternativa, ya que las señales reales aún no existen.

Clima

La predicción de las condiciones meteorológicas mediante la extrapolación / interpolación de datos anteriores es uno de los usos reales de la simulación. La mayoría de los pronósticos meteorológicos utilizan esta información publicada por las oficinas meteorológicas. Este tipo de simulaciones ayuda a predecir y advertir sobre condiciones climáticas extremas como la trayectoria de un huracán / ciclón activo. La predicción numérica del tiempo para la predicción implica complicados modelos informáticos numéricos para predecir el tiempo con precisión teniendo en cuenta muchos parámetros.

Juegos de simulación

Artículo principal: juego de simulación

Los juegos de estrategia, tanto tradicionales como modernos, pueden verse como simulaciones de toma de decisiones abstractas con el propósito de entrenar líderes militares y políticos (ver Historia de Go para un ejemplo de tal tradición, o Kriegsspiel para un ejemplo más reciente).

Muchos otros videojuegos son simuladores de algún tipo. Estos juegos pueden simular varios aspectos de la realidad, desde los negocios hasta el gobierno , la construcción y el pilotaje de vehículos (ver arriba).

Uso histórico

Históricamente, la palabra tenía connotaciones negativas:

... por lo tanto, una costumbre general de simulación (que es este último grado) es un vicio, utilizando ya sea una falsedad natural o un temor ...

-  Francis Bacon , De simulación y disimulación, 1597

... en aras de la distinción, un engaño con palabras, comúnmente se llama lejía, y un engaño mediante acciones, gestos o comportamiento, se llama simulación ...

-  Robert South , Sur, 1697, p.525

Sin embargo, la conexión entre simulación y disimulo más tarde se desvaneció y ahora solo es de interés lingüístico. ^[102]

Ver también

• Interfaz cerebro-computadora
• Astrofísica computacional
• Quimica computacional
• Dinámica de fluidos computacional
• Simulación por ordenador
• Física computacional
• Diseño asistido por ordenador
• Ingenieria asistida por computadora
• Experimento informático
• Tecnologia Educacional
• Emulador
• Perspectiva en primera persona
• Estudios de futuros
• Modelo caja gris
• Proyecto Illustris
• En silico
• Mentir
• Experiencia realista
• Lista de software de simulación por computadora
• Lista de software de simulación de eventos discretos
• Modelo matemático
• Simulación de fusiones
• Simulación de microarquitectura
• Simulador de minería
• Modelo
• Dinámica molecular
• Algoritmo de Montecarlo
• Simulación de red
• Simulación de farmacocinética
• Placebo
• Simulador de planetas
• Simulación de gestión de proyectos
• Simulación de juego de roles
• Modelado basado en reglas
• Similitud (modelo)
• Realidad simulada
• Lenguaje de simulación
• Identificación del sistema
• Telepresencia
• Simulación de entrenamiento
• UltraHLE
• Realidad virtual
• Simulación basada en web

Referencias

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102. South, en el pasaje citado, estaba hablando de las diferencias entre una falsedad y una declaración honestamente equivocada; la diferencia es que para que la declaración sea una mentira, la verdad debe ser conocida, y lo contrario de la verdad debe haber sido pronunciado a sabiendas. Y, a partir de esto, en la medida en que una mentira involucra palabras engañosas, una simulación involucra acciones engañosas, gestos engañosos o comportamiento engañoso. Por lo tanto, parecería que si una simulación es falsa , entonces la verdad debe ser conocida (para que algo más que la verdadpara ser presentado en su lugar); y, para la simulación para simular . Porque, de lo contrario, uno no sabría qué ofrecer en una simulación. El ensayo de Bacon De simulación y disimulación expresa puntos de vista algo similares; También es significativo que Samuel Johnson pensara tan bien en la definición de South, que la usó en la entrada para simulación en su Dictionary of the English Language .

Enlaces externos

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• Bibliografías que contienen más referencias se encuentran en el sitio web de la revista Simulation & Gaming .