Моделирование и симуляция - Modeling and simulation

Моделирование и симуляция (РС) - это использование модели (например., физический, математический, или логичный представление система, сущность, явление или процесс) в качестве основы для симуляции для разработки данных, используемых для управленческих или технических принятие решений.[1][2]

В компьютерном приложении моделирования и моделирования компьютер используется для создания математическая модель который содержит ключевые параметры физической модели. Математическая модель представляет физическую модель в виртуальной форме, и применяются условия, которые устанавливают интересующий эксперимент. В симуляция запускается - то есть компьютер вычисляет результаты этих условий на математической модели - и выводит результаты в формате, который может считываться компьютером или человеком, в зависимости от реализации.

Использование M&S в инженерное дело хорошо известен. Технология моделирования принадлежит набору инструментов инженеров всех областей применения и была включена в сумма знаний из Управление проектированием. M&S помогает снизить затраты, повышать качество продуктов и систем, документировать и архивировать извлеченные уроки. Поскольку результаты моделирования настолько хороши, насколько хороши лежащие в их основе модели, инженеры, операторы и аналитики должны уделять особое внимание ее построению. Чтобы гарантировать, что результаты моделирования применимы к реальному миру, пользователь должен понимать допущения, концептуальные представления и ограничения его реализации. Кроме того, модели могут быть обновлены и улучшены с использованием результатов реальных экспериментов. M&S - это отдельная дисциплина. Многие его прикладные области часто приводят к предположению, что M&S - это чистое приложение. Это не так, и это должно быть признано техническим менеджментом при применении M&S.

Использование таких математических моделей и симуляций позволяет избежать реальных экспериментов, которые могут быть дорогостоящими и требующими много времени. Вместо этого математические знания и вычислительная мощность используются для дешевого и эффективного по времени решения реальных проблем. Таким образом, M&S может облегчить понимание поведения системы без фактического тестирования системы в реальном мире. Например, чтобы определить, какой тип спойлера лучше всего улучшит сцепление с дорогой при проектировании гоночного автомобиля, компьютерное моделирование автомобиля можно использовать для оценки влияния спойлеров различной формы на коэффициент трения в повороте. Полезные сведения о различных решениях в дизайне можно было получить, не собирая машину. Кроме того, моделирование может поддерживать эксперименты, которые происходят полностью в программном обеспечении или в средах с участием человека в цикле, где моделирование представляет системы или генерирует данные, необходимые для достижения целей эксперимента. Кроме того, моделирование можно использовать для обучения людей, использующих виртуальную среду, создание которой в противном случае было бы сложно или дорого.

Интерес к симуляторам

Технически симуляция - это хорошо. 2006 год Национальный фонд науки (NSF) Отчет "Инженерное моделирование на основе моделирования"[3] продемонстрировал потенциал использования технологий и методов моделирования для революции в инженерной науке. Среди причин постоянно растущего интереса к приложениям моделирования можно выделить следующие:

  1. Использование моделирования обычно дешевле, безопаснее и иногда более этично, чем проведение реальных экспериментов. Например, суперкомпьютеры иногда используются для моделирования взрыва ядерных устройств и их воздействия, чтобы обеспечить лучшую готовность в случае ядерный взрыв.[4] Аналогичные усилия предпринимаются для моделирования ураганов и других природных катастроф.[5][6][7]
    Смотрите также: Модель исследования и прогнозирования погоды ураганов
  2. Моделирование часто может быть даже более реалистичным, чем традиционные эксперименты, поскольку они позволяют произвольно настраивать параметры среды, найденные в области оперативного применения конечного продукта. Примеры включают поддержку глубоководных операций ВМС США или моделирование поверхности соседних планет при подготовке к Миссии НАСА.
  3. Моделирование часто можно проводить быстрее, чем реальное время. Это позволяет использовать их для эффективного если-то-еще анализ различных альтернатив, в частности, когда необходимые данные для инициализации моделирования могут быть легко получены из рабочих данных. Такое использование моделирования добавляет системы моделирования поддержки принятия решений к инструментарию традиционных системы поддержки принятия решений.
  4. Моделирование позволяет настроить согласованный синтетическая среда что позволяет интегрировать смоделированные системы на ранней стадии анализа через смешанные виртуальные системы с первыми прототипными компонентами в виртуальную тестовая среда для окончательной системы. При правильном управлении среду можно перенести из области разработки и тестирования в область обучения и обучения на последующих этапах жизненного цикла систем (включая возможность обучения и оптимизации виртуального двойника реальной системы даже при реалистичных ограничениях). перед сборкой первых компонентов).

Военная и оборонная сфера, в частности в Соединенных Штатах, была главным поборником модели и моделирования как в форме финансирования, так и в плане применения моделей и моделирования. Например, M&S в современном военный организаций является частью получение /закупка стратегия. В частности, M&S используется для проведения событий и экспериментов, влияющих на требования и обучение военных систем. Таким образом, M&S считается неотъемлемой частью системная инженерия военных систем. Однако другие области приложений в настоящее время догоняют. M&S в области медицины, транспорта и других отраслях готово быстро превзойти использование Министерством обороны США M&S в ближайшие годы, если этого еще не произошло.[8]

Моделирование в науке

Дальнейшая информация: Научное моделирование

Моделирование и симуляция важны в исследованиях. Представление реальных систем либо через физический репродукции в меньшем масштабе или через математические модели которые позволяют представить динамику системы посредством моделирования, позволяют исследовать поведение системы четко сформулированным образом, что часто либо невозможно, либо слишком рискованно в реальном мире.

Как моделирование расширяет научный метод на основе исследования

Как развивающаяся дисциплина

«Возникающая дисциплина M&S основана на достижениях в различных областях информатики, а также на Теория систем, Системная инженерия, Программная инженерия, Искусственный интеллект, и больше. Эта основа столь же разнообразна, как и фундамент инженерного менеджмента, и объединяет элементы искусства, инженерии и науки сложным и уникальным образом, что требует от экспертов в предметной области принятия соответствующих решений, когда дело доходит до применения или разработки технологии M&S в контексте этого. бумага. Разнообразие и ориентированный на приложения характер этой новой дисциплины иногда приводит к тому, что в самих поддерживаемых доменах приложений уже есть словари, которые не обязательно выровнены между дизъюнктивными доменами. Необходимо исчерпывающее и краткое представление концепций, терминов и действий, составляющих профессиональную совокупность знаний по дисциплине M&S. Из-за большого количества участников этот процесс все еще продолжается ".[9]

Padilla et al. рекомендую в статье «Нужна ли нам наука о модели и модели», чтобы различать науку о модели и модели, разработку и приложения.[10]

  • M&S Science вносит свой вклад в теорию модели и моделирования, определяя академические основы дисциплины.
  • M&S Engineering основан на теории, но ищет подходящие шаблоны решений. Основное внимание уделяется общим методам, которые можно применять в различных проблемных областях.
  • Приложения M&S решать проблемы реального мира, сосредотачиваясь на решениях с помощью M&S. Часто решение является результатом применения метода, но многие решения очень специфичны для предметной области и основаны на экспертных знаниях предметной области, а не на основе какой-либо общей теории или метода модели и моделирования.

Модели могут состоять из различных единиц (моделей с более высокой степенью детализации), связанных с достижением определенной цели; по этой причине их также можно назвать решения для моделирования.

В более общем смысле, моделирование и имитация являются ключевым фактором для деятельности по проектированию систем, поскольку представление системы в машиночитаемой (и, возможно, исполняемой) модели позволяет инженерам воспроизводить поведение системы (или систем системы). Набор прикладных методов моделирования и симуляции для поддержки системной инженерии, представленный в.[11]

В фармацевтическом образовании

Нехватка фармацевты в Соединенных Штатах привела к увеличению размеров классов и количества программ спутникового и дистанционного обучения в колледжах и фармацевтических школах. Это быстрое расширение создало нагрузку на существующие клинические экспериментальные центры.[12] Совет по аккредитации фармацевтического образования (ACPE) требует не менее 1440 часов передового опыта фармацевтической практики (APPE); Включенный в 1440 часов APPE, ACPE требует, чтобы колледжи и фармацевтические школы предоставляли минимум 300 часов вводного опыта фармацевтической практики (IPPE), перемежающихся в течение первых трех лет учебной программы по аптеке.[13] Имитационное обучение может быть одной из таких моделей, чтобы предоставить студентам возможность применить дидактические знания и снизить нагрузку на экспериментальные сайты. Включение моделирования в IPPE получило признание и поощряется ACPE, как описано в Политике и процедурах ACPE для аккредитации программ профессионального обучения - январь 2010 г. В Приложении 1.3, Моделирование опыта вводной фармацевтической практики - утверждено в июне 2010 г.

Моделирование не может использоваться для замены или замены минимальных ожиданий в отношении времени, проведенного в реальных условиях аптеки, как указано в ранее установленной политике. Помимо большей части времени в реальных условиях аптечной практики, колледжи и школы могут использовать моделирование для учета не более 20% (например, 60 часов 300-часовой программы IPPE) от общего времени IPPE.

Некоторые аптечные колледжи и школы включили симуляцию в свои основные учебные программы. В фармацевтической школе Питтсбургского университета высококачественные симуляторы пациента используются для усиления терапевтических навыков. В то время как фармацевтический колледж Университета Род-Айленда интегрировал свою программу моделирования в свои курсы фармакологии и медицинской химии; и был первым фармацевтическим колледжем, купившим высококачественный симулятор пациента. В некоторых аптечных колледжах и школах проводятся программы моделирования виртуальной реальности и полной среды. Например, фармацевтический факультет Университета Пердью и университетский центр восприятия данных Envision в сотрудничестве с Фармакопеей США (USP) создали виртуальную чистую комнату, соответствующую стандартам USP 797.[14]

Домены приложений

Есть много возможных категорий, но следующая таксономия очень успешно использовалась в область защиты, и в настоящее время применяется к медицинское моделирование и транспортная симуляция также.

  • Анализирует Поддержка проводится в поддержку планирования и экспериментов. Очень часто поиск оптимального решения, которое должно быть реализовано, движет этими усилиями. Что, если анализ альтернатив также попадает в эту категорию. Этот стиль работы часто достигается симуляторами - теми, кто имеет навыки как в симуляции, так и в качестве аналитиков. Это смешение моделирования и аналитики хорошо известно у Клейнена.[нужна цитата ]
  • Техническая поддержка систем применяется для закупки, разработки и тестирования систем. Эта поддержка может начинаться на ранних этапах и включать такие темы, как архитектура исполняемых систем, а также может поддерживать тестирование, предоставляя виртуальную среду, в которой проводятся тесты. Такой стиль работы часто выполняют инженеры и архитекторы.
  • Поддержка обучения и образования предоставляет тренажеры, виртуальное обучение среды и серьезные игры обучать и обучать людей. Этот стиль работы часто достигается инструкторами, работающими совместно с компьютерными специалистами.

Специальное использование Анализирует Поддержка применяется к текущим бизнес-операциям. Традиционно эту функцию предоставляют системы поддержки принятия решений. Системы моделирования улучшают свою функциональность, добавляя динамический элемент и позволяя вычислять оценки и прогнозы, включая оптимизацию и анализ возможных вариантов.

Индивидуальные концепции

Дальнейшая информация: Концептуальная модель

Хотя термины «моделирование» и «симуляция» часто используются как синонимы в дисциплинах, применяющих модели и модели исключительно как инструмент, в рамках дисциплины модели и моделирования оба они рассматриваются как индивидуальные и одинаково важные концепции. Моделирование понимается как целенаправленная абстракция реальности, приводящая к формальной спецификации концептуализации и лежащих в основе предположений и ограничений. M&S особенно интересуется моделями, которые используются для поддержки реализации исполняемой версии на компьютере. Выполнение модели во времени понимается как симуляция. При моделировании нацелены концептуализация, симуляция проблемы в основном сосредоточены на реализация другими словами, моделирование находится на уровне абстракции, а моделирование - на уровне реализации.

Концептуализация и реализация - моделирование и симуляция - это два вида деятельности, которые взаимозависимы, но, тем не менее, могут выполняться отдельными людьми. Необходимы управленческие и инженерные знания и рекомендации, чтобы гарантировать, что они хорошо связаны. Подобно тому, как специалист по инженерному менеджменту в системной инженерии должен убедиться, что проект системы, отраженный в системной архитектуре, согласован с разработкой системы, эта задача должна выполняться с тем же уровнем профессионализма, что и модель, которая должна быть реализована. . Поскольку роль больших данных и аналитики продолжает расти, роль комбинированного моделирования анализа является прерогативой еще одного профессионала, называемого простейшим - для объединения алгоритмических и аналитических методов с помощью визуализаций, доступных непосредственно лицам, принимающим решения. Исследование, разработанное для Бюро труда и статистики.[15] Ли и др. дает интересный взгляд на то, как методы начальной загрузки (статистический анализ) использовались с моделированием для генерации данных о населении там, где их не было.

Академические программы

Моделирование и симуляция только недавно стали самостоятельной академической дисциплиной. Раньше те, кто работал в этой области, обычно имели инженерное образование.

Следующие учреждения предлагают степени в области моделирования и моделирования:

Программы PhD
Магистерские программы
Программы магистратуры профессиональных наук
Программы сертификации выпускников
Программы бакалавриата

Свод знаний о моделировании и имитационном моделировании

В Свод знаний о моделировании и имитационном моделировании (M&S BoK) - это область знаний (информации) и возможностей (компетенции), которая определяет моделирование и имитацию сообщество практики а также профессию, отрасль и рынок M&S.[16]

Индекс M&S BoK Index - это набор указателей, обеспечивающих указатели, позволяющие обозначать, идентифицировать, получать доступ и управлять содержанием предметной информации.[16]

Резюме

Чтобы добиться успеха, необходимо провести и согласовать три действия:

  1. должна быть создана модель, формально отражающая концептуализацию,
  2. симуляция должна реализовывать эту модель, и
  3. руководство должно гарантировать, что модель и симуляция взаимосвязаны и соответствуют текущему состоянию (что означает, что обычно модель нуждается в обновлении в случае изменения симуляции).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «ИНСТРУКЦИЯ № 5000.61 Министерства обороны: Моделирование и симуляция (M&S) Проверка, валидация и аккредитация» (PDF). Министерство обороны. 2009-12-09.
  2. ^ «ДИРЕКТИВНЫЙ НОМЕР 5000.59 Министерства обороны: Управление моделирования и моделирования (M&S) Министерства обороны США» (PDF). Министерство обороны. 2007-08-08.
  3. ^ «Отчет по инженерной науке, основанной на моделировании» (PDF). Панель с голубой лентой Национального научного фонда (NSF). 2006-05-01.
  4. ^ Георгий Дворский. «Суперкомпьютер имитирует ядерный взрыв до молекулярного уровня». io9. Gawker Media.
  5. ^ «Суперкомпьютерные вычисления ураганной силы: моделирование песчаного горизонта в петафакте». HPCwire.
  6. ^ "SciJinks NOAA :: Имитация урагана".
  7. ^ «9 супер-крутых способов применения суперкомпьютеров». LiveScience.com.
  8. ^ Коллинз, A.J .; S.R. Шефри; Я. Соколовски; CD. Турница; Э. Вайзель (январь 2011 г.). «Исследование стандартов моделирования и имитации: отчет о семинаре в сфере здравоохранения». Отчет VMASC, Саффолк, Вирджиния.
  9. ^ Толк, Андреас. «Проблемы инженерного менеджмента для применения моделирования в качестве зеленой технологии» (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  10. ^ Падилья, Хосе; С.Ю. Diallo; А. Толк (октябрь 2011 г.). "Нужна ли нам наука M&S?" (PDF). Журнал SCS M&S (4): 161–166. Архивировано из оригинал (PDF) 6 июня 2013 г.. Получено 1 июля, 2012.
  11. ^ Джанни, Даниэле; Д'Амброджо, Андреа; Толк, Андреас, ред. (2 декабря 2014 г.). Справочник по моделированию и системной инженерии на основе имитационного моделирования (1-е изд.). CRC Press. п. 513. ISBN  9781466571457.
  12. ^ Вьяс, Дипти; Вомбвелл, Эрик; Рассел, Эрика; Калиджури, Франк (2010). «Серия высокоточных симуляций пациента, дополняющая вводный опыт фармацевтической практики». Американский журнал фармацевтического образования. 74 (9): 169. Дои:10,5688 / aj7409169. ЧВК  2996759. PMID  21301603.
  13. ^ «Совет по аккредитации фармацевтического образования: политика и процедуры аккредитации ACPE для программ профессионального обучения» (PDF). 2011. Получено 13 июля, 2013.
  14. ^ Лин, К., Травлос, Д. В., Ваделин, Дж. У., и Влассес, П. Х. (2011). Моделирование и вводный опыт аптечной практики. Американский журнал фармацевтического образования, 75 (10), 209. DOI: 10.5688 / ajpe7510209
  15. ^ Ли, Хюншик Дж .; и другие. (2013). «Имитационное исследование для подтверждения распределения выборки для национального обследования компенсаций» (PDF). JSM 2013 - Секция методов исследования исследований. Бюро статистики труда.
  16. ^ а б "Уэйт, У. (2004)" Foundation '04: Семинар для V&A в 21 веке, Сессия 10: Образовательные инициативы V&V ". Архивировано из оригинал на 2011-09-30. Получено 2010-10-15.

дальнейшее чтение

  • В Springer Издательство издает серию «Основы, методы и приложения моделирования». [1].
  • Недавно, Wiley начали свою собственную серию по моделированию и симуляции [2].

внешняя ссылка