Моделирование

Часть серии по
Исследование
Список академических направлений Прикладные науки Формальные науки Гуманитарные науки Естественные науки Профессии Социальные науки
Дизайн исследования Предложение исследования Исследовать вопрос Письмо Аргумент Ссылка
Философия Конструктивизм Эмпиризм Позитивизм / Антипозитивизм / Постпозитивизм Реализм Критический реализм Тонкий реализм
Стратегия исследования Междисциплинарный Мультиметодология Качественный Количественный
Методология Исследование действий Художественная методология Критическая теория Феминизм Обоснованная теория Герменевтика Историография Повествовательный запрос Феноменология Прагматизм Научный метод
Методы Тематическое исследование Анализ содержания Описательная статистика Анализ речи Этнография Эксперимент Полевой эксперимент Квазиэксперимент Полевые исследования Исторический метод Выведенный статистика Интервью Картография Культурное картографирование Феноменография Вторичные исследования Библиометрия Литературный обзор Мета-анализ Обзор объема работ Регулярный обзор Научное моделирование Моделирование Опрос
Философский портал
v т е

Моделирования является имитация работы реального мирового процесса или системы с течением времени. ^[1] Моделирование требует использования моделей ; модель представляет ключевые характеристики или поведение выбранной системы или процесса, тогда как имитация представляет эволюцию модели во времени. Часто для моделирования используются компьютеры .

Моделирование используется во многих контекстах, таких как моделирование технологии для оптимизации производительности или оптимизации, техники безопасности , тестирования , обучения , образования , ^[2] и видеоигр . Моделирование также используется с научным моделированием природных систем ^[2] или человеческих систем, чтобы получить представление об их функционировании ^[3], как в экономике.. Моделирование может использоваться для демонстрации возможных реальных эффектов альтернативных условий и действий. Моделирование также используется, когда реальная система не может быть задействована, потому что она может быть недоступна, или может быть опасно или неприемлемо задействовать, или она разрабатывается, но еще не построена, или может просто не существовать. ^[4]

Ключевые вопросы моделирования и моделирования включают получение достоверных источников информации о соответствующем выборе ключевых характеристик и поведения, используемых для построения модели, использование упрощающих приближений и предположений в модели, а также точность и достоверность результатов моделирования. Процедуры и протоколы для верификации и валидации моделей являются постоянной областью академических исследований, уточнений, исследований и разработок в области технологий или практики моделирования, особенно в области компьютерного моделирования .

Классификация и терминология [ править ]

Исторически моделирование, используемое в разных областях, развивалось в значительной степени независимо, но исследования теории систем и кибернетики в 20-м веке в сочетании с распространением использования компьютеров во всех этих областях привели к некоторой унификации и более систематическому взгляду на концепцию.

Физическое моделирование относится к моделированию, в котором физические объекты заменяются реальными объектами (в некоторых кругах ^[5] используется термин для компьютерного моделирования, моделирующего отдельные законы физики , но в этой статье этого не происходит). Эти физические объекты часто выбирают, потому что они меньше или дешевле, чем реальный объект или система.

Интерактивная моделирование представляет собой особый вид физического моделирования, часто упоминается как человек в контуре моделировании, в котором физические моделирования включают в себя человеческие операторы, такие как в имитаторе полета , парусный тренажер или тренажер вождения .

Непрерывное моделирование - это моделирование, основанное на непрерывном времени, а не на дискретных временных шагах, с использованием численного интегрирования дифференциальных уравнений . ^[6]

Дискретно-событийное моделирование исследует системы, состояния которых изменяют свои значения только в дискретные моменты времени. ^[7] Например, моделирование эпидемии может изменить количество инфицированных людей в моменты времени, когда восприимчивые люди заражаются или когда инфицированные люди выздоравливают.

Стохастическое моделирование - это моделирование, при котором некоторая переменная или процесс подвержены случайным изменениям и прогнозируется с использованиемметодов Монте-Карло с использованием псевдослучайных чисел. Таким образом, повторные прогоны с одинаковыми граничными условиями будут давать разные результаты в пределах определенного диапазона достоверности. ^[6]

Детерминированное моделирование - это моделирование, которое не является стохастическим: таким образом, переменные регулируются детерминированными алгоритмами. Таким образом, повторные прогоны с одинаковыми граничными условиями всегда дают одинаковые результаты.

Гибридное моделирование (иногда комбинированное моделирование) соответствует сочетанию непрерывного и дискретного моделирования событий и приводит к численному интегрированию дифференциальных уравнений между двумя последовательными событиями для уменьшения количества разрывов. ^[8]

Автономная симуляция симуляция работает на одной рабочей станции само по себе.

Распределенная моделирование является один , который использует более одного компьютера одновременно, для того , чтобы гарантировать доступ с / к различным ресурсам (например , несколько пользователей действуют различные системы, или распределенные наборы данных); Классическим примером является распределенное интерактивное моделирование (DIS). ^[9]

Параллельное моделирование ускоряет выполнение моделирования за счет одновременного распределения рабочей нагрузки по нескольким процессорам, как в высокопроизводительных вычислениях . ^[10]

Совместимое моделирование, при котором несколько моделей, имитаторов (часто определяемых как федерации) взаимодействуют локально, распределенные по сети; классический пример - архитектура высокого уровня . ^{[11] [12]}

Моделирование и моделирование как услуга, при которой доступ к моделированию предоставляется как услуга через Интернет. ^[13]

Моделирование, совместное моделирование и серьезные игры, в которых серьезные игровые подходы (например, игровые движки и методы взаимодействия) интегрированы с взаимодействующим моделированием. ^[14]

Simulation Fidelity используется для описания точности моделирования и того, насколько близко оно имитирует реальный аналог. Верность широко классифицируется по одной из трех категорий: низкая, средняя и высокая. Конкретные описания уровней верности подлежат интерпретации, но можно сделать следующие обобщения:

• Низкий - минимальное моделирование, необходимое для того, чтобы система реагировала на прием входных сигналов и выдачу выходных данных.
• Средний - автоматически реагирует на раздражители с ограниченной точностью
• Высокая - почти неотличима или максимально приближена к реальной системе

Моделирование «человек в петле» может включать компьютерное моделирование в виде так называемой синтетической среды . ^[17]

Моделирование в анализе отказов относится к моделированию, в котором мы создаем среду / условия для определения причины отказа оборудования. Это был лучший и самый быстрый метод определения причины сбоя.

Компьютерное моделирование [ править ]

Компьютерное моделирование (или «симуляция») - это попытка смоделировать реальную или гипотетическую ситуацию на компьютере, чтобы ее можно было изучить, чтобы увидеть, как работает система. Изменяя переменные в моделировании, можно делать прогнозы о поведении системы. Это инструмент для виртуального исследования поведения исследуемой системы. ^[1]

Компьютерное моделирование стало полезным элементом моделирования многих природных систем в физике , химии и биологии , ^[18] и системы организма человека в экономике и социальной науке (например, вычислительная социология ), а также в технике , чтобы разобраться в работу этих систем . Хороший пример полезности использования компьютеров для моделирования можно найти в области моделирования сетевого трафика . В таких симуляциях поведение модели будет изменяться при каждой симуляции в соответствии с набором начальных параметров, принятых для окружающей среды.

Традиционно формальное моделирование систем осуществляется с помощью математической модели , которая пытается найти аналитические решения, позволяющие прогнозировать поведение системы на основе набора параметров и начальных условий. Компьютерное моделирование часто используется в качестве дополнения или замены систем моделирования, для которых простые аналитические решения в замкнутой форме невозможны. Существует много различных типов компьютерного моделирования, и их общая черта - это попытка создать выборку репрезентативных сценариев для модели, в которой полное перечисление всех возможных состояний было бы недопустимым или невозможным.

Существует несколько программных пакетов для запуска компьютерного имитационного моделирования (например, моделирование методом Монте-Карло , стохастическое моделирование , многомодовое моделирование), что делает моделирование практически простым.

Современное использование термина «компьютерное моделирование» может охватывать практически любое компьютерное представление.

Информатика [ править ]

В информатике симуляция имеет несколько специализированных значений: Алан Тьюринг использовал термин «симуляция» для обозначения того, что происходит, когда универсальная машина выполняет таблицу переходов состояний (в современной терминологии компьютер запускает программу), которая описывает переходы состояний, входные данные. и выходы предметного автомата с дискретными состояниями. ^[19] Компьютер моделирует предметную машину. Соответственно, в теоретической информатике термин « моделирование» - это отношение между системами перехода состояний , полезное при изучении операционной семантики .

Менее теоретически интересным приложением компьютерного моделирования является моделирование компьютеров с помощью компьютеров. В компьютерной архитектуре тип симулятора, обычно называемый эмулятором , часто используется для выполнения программы, которая должна работать на каком-либо неудобном типе компьютера (например, недавно спроектированный компьютер, который еще не был построен, или устаревший компьютер, который больше не доступен) или в строго контролируемой среде тестирования (см. Симулятор архитектуры компьютера и Виртуализация платформы ). Например, симуляторы использовались для отладки микропрограммы.или иногда коммерческие прикладные программы, прежде чем программа будет загружена на целевую машину. Поскольку работа компьютера моделируется, вся информация о работе компьютера напрямую доступна программисту, а скорость и выполнение моделирования могут изменяться по желанию.

Симуляторы также могут использоваться для интерпретации деревьев отказов или тестирования логических схем СБИС перед их построением. Символьное моделирование использует переменные для обозначения неизвестных значений.

В области оптимизации моделирование физических процессов часто используется в сочетании с эволюционными вычислениями для оптимизации стратегий управления.

Моделирование в образовании и обучении [ править ]

Моделирование широко используется в образовательных целях. ^[2] Он используется в случаях, когда слишком дорого или просто слишком опасно позволять обучающимся использовать реальное оборудование в реальном мире. В таких ситуациях они будут проводить время, изучая ценные уроки в «безопасной» виртуальной среде, но при этом сохраняя жизненный опыт (или, по крайней мере, это цель). Часто удобство состоит в том, чтобы допускать ошибки во время обучения критически важной для безопасности системе.

Симуляции в образовании чем-то похожи на тренировочные симуляции. Они сосредоточены на конкретных задачах. Термин `` микромир '' используется для обозначения образовательных симуляций, которые моделируют некоторую абстрактную концепцию, а не имитируют реалистичный объект или среду, или в некоторых случаях моделируют реальную среду упрощенным способом, чтобы помочь учащемуся развить понимание ключевые понятия. Обычно пользователь может создать в микромире некую конструкцию, которая будет вести себя в соответствии с моделируемыми концепциями. Сеймур Паперт был одним из первых, кто отстаивал ценность микромиров, а среда программирования Logo, разработанная Papert, является одним из самых известных микромиров.

Моделирование управления проектами все чаще используется для обучения студентов и профессионалов в области искусства и науки управления проектами. Использование моделирования для обучения управлению проектами улучшает удержание знаний и ускоряет процесс обучения. ^{[20] [21]}

Социальные симуляции могут использоваться в классах социальных наук для иллюстрации социальных и политических процессов в курсах антропологии, экономики, истории, политологии или социологии, обычно на уровне средней школы или университета. Они могут, например, принимать форму гражданских симуляций, в которых участники берут на себя роли в симулируемом обществе, или симуляций международных отношений, в которых участники участвуют в переговорах, формировании союзов, торговле, дипломатии и применении силы. Такое моделирование может быть основано на фиктивных политических системах или на текущих или исторических событиях. Примером последнего может служить серия исторических образовательных игр Barnard College « Reacting to the Past ». ^[22]Национальный научный фонд также поддержал создание игр с реакциями , посвященных естественным наукам и математике. ^[23] В симуляциях в социальных сетях участники тренируют общение с критиками и другими заинтересованными сторонами в частной среде.

В последние годы все чаще используются социальные симуляторы для обучения персонала агентств по оказанию помощи и развитию. Например, симуляция Карана была впервые разработана Программой развития Организации Объединенных Наций , а сейчас используется в очень переработанной форме Всемирным банком для обучения персонала работе в нестабильных и затронутых конфликтом странах. ^[24]

Военное использование для моделирования часто связано с самолетами или боевыми бронированными машинами, но также может быть нацелено на обучение стрелковому оружию и другим системам вооружения. В частности, виртуальные полигоны для огнестрельного оружия стали нормой в большинстве процессов военной подготовки, и существует значительный объем данных, позволяющих предположить, что это полезный инструмент для вооруженных профессионалов. ^[25]

Общие системы взаимодействия с пользователем для виртуального моделирования [ править ]

Виртуальное моделирование представляет собой особую категорию моделирования, в которой используется оборудование для моделирования для создания моделируемого мира для пользователя. Виртуальные симуляции позволяют пользователям взаимодействовать с виртуальным миром. Виртуальные миры работают на платформах интегрированных программных и аппаратных компонентов. Таким образом, система может принимать ввод от пользователя (например, отслеживание тела, распознавание голоса / звука, физические контроллеры) и производить вывод для пользователя (например, визуальный дисплей, звуковой дисплей, тактильный дисплей). ^[26] Виртуальные симуляции используют вышеупомянутые режимы взаимодействия, чтобы вызвать у пользователя ощущение погружения .

Оборудование ввода виртуального моделирования [ править ]

Существует широкий выбор оборудования ввода, позволяющего принимать вводимые пользователем данные для виртуального моделирования. В следующем списке кратко описаны некоторые из них:

Отслеживание тела : метод захвата движения часто используется для записи движений пользователя и преобразования собранных данных во входные данные для виртуального моделирования. Например, если пользователь физически поворачивает голову, движение каким-то образом фиксируется аппаратными средствами моделирования и переводится в соответствующий сдвиг в поле зрения при моделировании.

• Костюмы для захвата и / или перчатки могут использоваться для захвата движений частей тела пользователей. В системы могут быть встроены датчики для определения движений различных частей тела (например, пальцев). В качестве альтернативы, эти системы могут иметь внешние устройства слежения или метки, которые могут быть обнаружены внешним ультразвуком, оптическими приемниками или электромагнитными датчиками. В некоторых системах также доступны внутренние инерционные датчики. Устройства могут передавать данные по беспроводной сети или по кабелю.
• Слежение за глазами также может использоваться для обнаружения движений глаз, чтобы система могла точно определять, куда пользователь смотрит в любой момент времени.

Физические контроллеры . Физические контроллеры обеспечивают ввод в моделирование только посредством непосредственных манипуляций со стороны пользователя. В виртуальном моделировании тактильная обратная связь от физических контроллеров очень желательна в ряде сред моделирования.

• Всенаправленные беговые дорожки можно использовать для отслеживания движений пользователей во время ходьбы или бега.
• Приборы высокой точности, такие как приборные панели в виртуальных кабинах самолетов, предоставляют пользователям фактические средства управления для повышения уровня погружения. Например, пилоты могут использовать фактические элементы управления глобальной системой позиционирования с реального устройства в имитируемой кабине, чтобы помочь им отработать процедуры с реальным устройством в контексте интегрированной системы кабины.

Распознавание голоса / звука : эта форма взаимодействия может использоваться либо для взаимодействия с агентами в моделировании (например, виртуальными людьми), либо для управления объектами в моделировании (например, информацией). Голосовое взаимодействие предположительно увеличивает степень погружения пользователя.

• Пользователи могут использовать гарнитуры с микрофонами на штанге, микрофонами на лацканах, или комната может быть оборудована микрофонами, расположенными в стратегическом месте.

Текущие исследования систем пользовательского ввода [ править ]

Исследования будущих систем ввода открывают большие перспективы для виртуального моделирования. Такие системы, как интерфейсы мозг-компьютер (BCI), предлагают возможность еще больше повысить уровень погружения для пользователей виртуального моделирования. Ли, Кейнрат, Шерер, Бишоф, Пфурчеллер ^[27] доказали, что наивных испытуемых можно относительно легко научить использовать BCI для навигации по виртуальной квартире. Используя BCI, авторы обнаружили, что испытуемые могли свободно перемещаться в виртуальной среде с относительно минимальными усилиями. Возможно, что эти типы систем станут стандартными модальностями ввода в будущих системах виртуального моделирования.

Аппаратное обеспечение вывода виртуального моделирования [ править ]

Доступно большое количество оборудования для вывода, которое стимулирует пользователей при виртуальном моделировании. В следующем списке кратко описаны некоторые из них:

Визуальный дисплей : визуальные дисплеи предоставляют пользователю визуальный стимул.

• Стационарные дисплеи могут варьироваться от обычных настольных дисплеев до экранов с круговым обзором на 360 градусов и стерео-трехмерных экранов. Обычные настольные дисплеи могут иметь размер от 15 до 60 дюймов (от 380 до 1520 мм). Обертывание экранов обычно используется в так называемой автоматической виртуальной среде пещеры (CAVE). Стерео трехмерные экраны воспроизводят трехмерные изображения как в специальных очках, так и без них - в зависимости от дизайна.
• Головные дисплеи (HMD) имеют небольшие дисплеи, которые устанавливаются на головной убор, который носит пользователь. Эти системы подключаются непосредственно к виртуальному моделированию, чтобы предоставить пользователю более захватывающий опыт. Вес, частота обновления и поле зрения - вот некоторые из ключевых переменных, которые отличают HMD. Естественно, более тяжелые HMD нежелательны, так как со временем вызывают утомление. Если скорость обновления слишком низкая, система не может обновлять дисплеи достаточно быстро, чтобы соответствовать быстрому повороту головы пользователя. Более медленная частота обновления, как правило, вызывает болезнь симуляции и нарушает ощущение погружения. Поле зрения или угловая протяженность мира, который виден в данный момент, поле зрения может варьироваться от системы к системе, и было обнаружено, что это влияет на ощущение погружения пользователя.

Звуковой дисплей : существует несколько различных типов аудиосистем, помогающих пользователю слышать и локализовать звуки в пространстве. Для создания трехмерных звуковых эффектов можно использовать специальное программное обеспечение. Трехмерное звуковое сопровождение создает иллюзию того, что источники звука размещены в определенном трехмерном пространстве вокруг пользователя.

• Стационарные обычные акустические системы могут использоваться для обеспечения двух- или многоканального объемного звука. Однако внешние динамики не так эффективны, как наушники, в создании трехмерных звуковых эффектов. ^[26]
• Обычные наушники предлагают портативную альтернативу стационарным динамикам. Они также обладают дополнительными преимуществами маскировки реального шума и создания более эффективных звуковых 3D-звуковых эффектов. ^{[26] [ сомнительно - обсудить ]}

Тактильный дисплей : эти дисплеи обеспечивают пользователю осязание ( тактильная технология ). Этот тип выхода иногда называют обратной связью по усилию.

• В дисплеях с тактильной плиткой используются различные типы исполнительных механизмов, такие как надувные баллоны, вибраторы, низкочастотные сабвуферы, штифтовые исполнительные механизмы и / или термо-исполнительные механизмы, чтобы вызывать ощущения у пользователя.
• Дисплеи с конечным эффектором могут реагировать на действия пользователя с сопротивлением и силой. ^[26] Эти системы часто используются в медицинских приложениях для удаленных операций, в которых используются роботизированные инструменты. ^[28]

Вестибулярный дисплей : эти дисплеи обеспечивают пользователю ощущение движения ( имитатор движения ). Они часто проявляются как основы движения для виртуального моделирования транспортных средств, таких как симуляторы вождения или имитаторы полета. Основания движения фиксируются на месте, но для перемещения симулятора используются приводы, которые могут вызывать ощущения качки, рыскания или крена. Симуляторы также могут перемещаться таким образом, чтобы вызывать ощущение ускорения по всем осям (например, основание движения может вызывать ощущение падения).

Симуляторы клинического здравоохранения [ править ]

Медицинские тренажеры все чаще разрабатываются и используются для обучения терапевтическим и диагностическим процедурам, а также медицинским концепциям и принятию решений для персонала медицинских профессий. Тренажеры были разработаны для тренировочных процедур, начиная от таких основ, как забор крови, до лапароскопической хирургии ^[29] и оказания помощи при травмах. Они также важны для помощи в создании прототипов новых устройств ^[30] для решения задач биомедицинской инженерии. В настоящее время симуляторы применяются для исследования и разработки инструментов для новых методов лечения ^[31] лечения ^[32] и ранней диагностики ^[33] в медицине.

Многие медицинские симуляторы включают компьютер, подключенный к пластической симуляции соответствующей анатомии. ^{[ необходима цитата ] В} сложных симуляторах этого типа используется манекен в натуральную величину, который реагирует на вводимые наркотики и может быть запрограммирован на создание симуляций опасных для жизни чрезвычайных ситуаций. В других симуляциях визуальные компоненты процедуры воспроизводятся методами компьютерной графики , в то время как сенсорные компоненты воспроизводятся устройствами тактильной обратной связи в сочетании с процедурами физического моделирования, вычисляемыми в ответ на действия пользователя. В медицинских симуляторах такого рода часто используется 3D КТ или МРТ.сканирование данных пациентов для повышения реалистичности. Некоторые медицинские симуляции разработаны для широкого распространения (например, симуляции с поддержкой Интернета ^[34] и процедурные симуляции ^[35], которые можно просматривать через стандартные веб-браузеры), и с ними можно взаимодействовать с помощью стандартных компьютерных интерфейсов, таких как клавиатура и мышь. .

Еще одно важное медицинское применение симулятора - хотя, возможно, обозначающее несколько иное значение симулятора - это использование плацебо , состава, имитирующего активное лекарство в испытаниях лекарственной эффективности (см. Плацебо (происхождение технического термина) ) .

Повышение безопасности пациентов [ править ]

Безопасность пациентов - важная проблема в медицинской промышленности. Известно, что пациенты получают травмы и даже умирают из-за ошибки руководства и отсутствия лучших стандартов ухода и обучения. Согласно «Построению национальной программы медицинского образования на основе моделирования» (Eder-Van Hook, Jackie, 2004), «способность медицинского работника осмотрительно реагировать на неожиданную ситуацию является одним из наиболее важных факторов в достижении положительного результата в медицине. экстренная ситуация, независимо от того, произошло ли это на поле боя, на шоссе или в отделении неотложной помощи ». Эдер-Ван Хук (2004) также отметил, что медицинские ошибки убивают до 98000 человек с оценочной стоимостью от 37 до 50 миллионов долларов и от 17 до 29 миллиардов долларов в год на предотвращаемые нежелательные явления.

Моделирование используется для изучения безопасности пациентов, а также для обучения медицинских специалистов. ^[36] Изучение безопасности пациентов и вмешательств в области здравоохранения является сложной задачей, потому что отсутствует экспериментальный контроль (например, сложность пациента, различия системы / процесса), чтобы увидеть, внесло ли вмешательство значимое изменение (Groves & Manges, 2017). ^[37] Примером инновационного моделирования для изучения безопасности пациентов является исследование медсестер. Groves et al. (2016) использовали симуляцию с высокой точностью для изучения поведения медсестер, ориентированного на безопасность, в такие периоды, как отчет о смене смены . ^[36]

Тем не менее, значение моделирования вмешательств в клиническую практику все еще остается спорным. ^[38] Как заявляет Нишисаки, «есть убедительные доказательства того, что имитационное обучение улучшает самоэффективность и компетентность медработников и бригад на манекенах. Есть также убедительные доказательства того, что процедурное моделирование улучшает фактические рабочие характеристики в клинических условиях». ^[38] Тем не менее, существует потребность в улучшенных доказательствах, чтобы показать, что обучение управлению ресурсами экипажа посредством моделирования. ^[38] Одна из самых больших проблем - показать, что командное моделирование повышает эффективность работы команды у постели больного. ^[39]Несмотря на то, что доказательства того, что обучение на основе моделирования действительно улучшает результаты лечения пациентов, собираются медленно, сегодня способность моделирования обеспечить практический опыт, который можно применить в операционной, больше не вызывает сомнений. ^{[40] [41] [42]}

Одним из важнейших факторов, которые могут повлиять на способность тренинга повлиять на работу практикующих у постели больного, является способность расширять возможности передового персонала (Stewart, Manges, Ward, 2015). ^{[39] [43]}Другим примером попытки повысить безопасность пациентов с помощью симуляционного обучения является оказание помощи пациентам с целью оказания своевременной услуги или / и на месте. Это обучение состоит из 20 минут имитационного обучения непосредственно перед выходом рабочих на смену. Одно исследование показало, что своевременные тренировки улучшили переход к постели больного. Вывод, изложенный в работе Nishisaki (2008), заключался в том, что имитационное обучение улучшило участие резидентов в реальных случаях; но не стал жертвовать качеством обслуживания. Таким образом, можно предположить, что, увеличивая количество высококвалифицированных резидентов за счет использования имитационного обучения, имитационное обучение действительно повышает безопасность пациентов.

История моделирования в здравоохранении [ править ]

Первые медицинские симуляторы были простыми моделями пациентов-людей. ^[44]

С древних времен эти изображения из глины и камня использовались для демонстрации клинических особенностей болезненных состояний и их воздействия на человека. Модели были найдены во многих культурах и на разных континентах. Эти модели использовались в некоторых культурах (например, в китайской культуре) в качестве « диагностического » инструмента, позволяющего женщинам консультироваться с врачами-мужчинами при соблюдении социальных законов скромности. Модели используются сегодня , чтобы помочь студентам изучить анатомию из костно - мышечной системы и органов систем. ^[44]

В 2002 году было сформировано Общество моделирования в здравоохранении (SSH), которое стало лидером в международных межпрофессиональных достижениях в области применения медицинского моделирования в здравоохранении ^[45]

Необходимость в «едином механизме обучения, оценки и сертификации инструкторов-симуляторов для медицинских работников» была признана McGaghie et al. в своем критическом обзоре исследований в области медицинского образования, основанных на симуляциях. ^[46] В 2012 году SSH провела пилотные испытания двух новых сертификатов, чтобы обеспечить признание преподавателей в стремлении удовлетворить эту потребность. ^[47]

Типы моделей [ править ]

Активные модели [ править ]

Активные модели, которые пытаются воспроизвести живую анатомию или физиологию, являются недавними разработками. Знаменитый манекен «Харви» был разработан в Университете Майами и может воссоздать многие физические данные кардиологического обследования, включая пальпацию , аускультацию и электрокардиографию . ^[48]

Интерактивные модели [ править ]

Совсем недавно были разработаны интерактивные модели, которые реагируют на действия, предпринимаемые студентом или врачом. ^[48] До недавнего времени эти симуляции представляли собой двухмерные компьютерные программы, которые больше походили на учебник, чем на пациента. Компьютерное моделирование позволяет студенту делать суждения, а также делать ошибки. Процесс итеративного обучения посредством оценивания, оценки, принятия решений и исправления ошибок создает гораздо более сильную среду обучения, чем пассивное обучение.

Компьютерные тренажеры [ править ]

Тренажеры были предложены как идеальный инструмент для оценки клинических навыков студентов. ^[49] Для пациентов «кибертерапия» может использоваться для сеансов, имитирующих травматические переживания, от страха высоты до социальной тревожности. ^[50]

Запрограммированные пациенты и смоделированные клинические ситуации, включая имитацию учений по чрезвычайным ситуациям, широко использовались для обучения и оценки. Эти «реалистичные» симуляции дороги и не воспроизводятся. Полнофункциональный тренажер «3Di» был бы наиболее специфическим инструментом, доступным для обучения и измерения клинических навыков. Игровые платформы были применены для создания этих виртуальных медицинских сред для создания интерактивного метода обучения и применения информации в клиническом контексте. ^{[51] [52]}

Иммерсивное моделирование болезненного состояния позволяет врачу или медицинскому работнику испытать, как на самом деле ощущается болезнь. Используя датчики и преобразователи, участники могут получать симптоматические эффекты, позволяя им почувствовать болезненное состояние пациента.

Такой тренажер отвечает целям объективного и стандартизированного экзамена на клиническую компетентность. ^[53] Эта система превосходит обследования, в которых используются « стандартные пациенты », поскольку она позволяет количественно измерить компетентность, а также воспроизвести те же объективные результаты. ^[54]

Симуляторы в развлечениях [ править ]

Моделирование в сфере развлечений охватывает многие крупные и популярные отрасли, такие как кино , телевидение , видеоигры (включая серьезные игры ) и аттракционы в тематических парках. Хотя считается, что современные симуляторы уходят корнями в обучение и военные, в 20-м веке они также стали проводником для предприятий, которые были более гедонистическими по своей природе.

История визуального моделирования в кино и играх [ править ]

Ранняя история (1940-е и 1950-е годы) [ править ]

Первая игра-симулятор, возможно, была создана еще в 1947 году Томасом Т. Голдсмитом-младшим и Эстлом Рэем Манном. Это была простая игра, имитирующая запуск ракеты по цели. Изгиб ракеты и ее скорость можно было регулировать с помощью нескольких ручек. В 1958 году Вилли Хиггинботам создал компьютерную игру под названием « Теннис для двоих », которая имитировала теннисную игру между двумя игроками, которые могли играть одновременно с помощью ручного управления, и отображалась на осциллографе. ^[55] Это была одна из первых электронных видеоигр, в которой использовался графический дисплей.

1970-е и начало 1980-х годов [ править ]

Компьютерные изображения использовались в фильме для моделирования объектов еще в 1972 году в « Компьютерной анимированной руке» , части которой были показаны на большом экране в фильме 1976 года « Мир будущего» . Многие помнят «компьютер наведения», который юный Скайуокер выключает в фильме 1977 года « Звездные войны» .

Фильм « Трон» (1982) был первым фильмом, в котором использовались компьютерные изображения продолжительностью более пары минут. ^[56]

Развитие технологий в 1980-х годах привело к тому, что 3D-моделирование стало более широко использоваться, и оно стало появляться в фильмах и компьютерных играх, таких как Atari Battlezone (1980) и Acornsoft 's Elite (1984), одна из первых каркасных моделей. Игры с 3D графикой для домашних компьютеров .

Эра до-виртуального кинематографа (с начала 1980-х по 1990-е годы) [ править ]

Развитие технологий в 1980-х сделало компьютер более доступным и более функциональным, чем в предыдущие десятилетия ^[57], что способствовало развитию компьютеров, таких как игры для Xbox. Первые игровые приставки, выпущенные в 1970-х и начале 1980-х годов, пали жертвой краха индустрии в 1983 году, но в 1985 году Nintendo выпустила Nintendo Entertainment System (NES), которая стала одной из самых продаваемых консолей в истории видеоигр. ^[58] В 1990-х годах компьютерные игры стали широко популярными с выпуском таких игр, как The Sims и Command & Conquer, а также с ростом мощности настольных компьютеров. Сегодня компьютерные симуляторы, такие какВ World of Warcraft играют миллионы людей по всему миру.

В 1993 году фильм « Парк Юрского периода» стал первым популярным фильмом, в котором широко использовалась компьютерная графика, почти без проблем интегрируя смоделированные динозавры в сцены живых выступлений.

Это событие изменило киноиндустрию; В 1995 году фильм «История игрушек» стал первым фильмом, в котором использовались только изображения, созданные компьютером, а в новом тысячелетии компьютерная графика стала основным выбором для спецэффектов в фильмах. ^[59]

Виртуальный кинематограф (начало 2000-х - настоящее время) [ править ]

Появление виртуального кинематографа в начале 2000-х (десятилетие) привело к взрыву фильмов, которые без него было бы невозможно снимать. Классическими примерами являются цифровые двойники Нео, Смита и других персонажей в сиквелах «Матрицы», а также широкое использование физически невозможных съемок в трилогии «Властелин колец» (серия фильмов) .

Терминал в Pan Am (телесериал) больше не существовал во время съемок этого эфирного сериала 2011–2012 годов, что не было проблемой, поскольку они создали его в виртуальной кинематографии с использованием автоматического поиска и сопоставления точек обзора в сочетании с компоновкой реальных и смоделированных кадров. который был хлеб и масло из фильма художника и вокруг киностудий с начала 2000 - х годов.

Компьютерные изображения - это «приложение области трехмерной компьютерной графики к спецэффектам». Эта технология используется для визуальных эффектов, потому что они имеют высокое качество, управляемость и могут создавать эффекты, которые невозможно реализовать с помощью других технологий из-за стоимости, ресурсов или безопасности. ^[60] Компьютерная графика сегодня можно увидеть во многих фильмах с живыми боевиками, особенно в жанрах боевиков. Кроме того, компьютерные изображения почти полностью вытеснили рисованную анимацию в детских фильмах, которые все чаще создаются только на компьютере. Примеры фильмов, в которых используются изображения, созданные компьютером, включают в себя «В поисках Немо» , « 300 человек» и « Железный человек» .

Примеры симуляторов развлечений, не связанных с кино [ править ]

Симуляторы [ править ]

Игры-симуляторы , в отличие от видео- и компьютерных игр других жанров, точно представляют или моделируют окружающую среду. Более того, они реалистично представляют взаимодействия между игровыми персонажами и окружающей средой. Такие игры обычно более сложны с точки зрения игрового процесса. ^[61] Симуляторы стали невероятно популярными среди людей всех возрастов. ^[62] Популярные игры-симуляторы включают SimCity и Tiger Woods PGA Tour . Есть также симулятор полета и симулятор вождения игра.

Аттракционы в тематических парках [ править ]

Симуляторы использовались для развлечения со времен Link Trainer 1930-х годов. ^[63] Первым современным симулятором, который открылся в тематическом парке, стал Disney Star Tours в 1987 году, вскоре за ним последовал The Funtastic World of Hanna-Barbera в 1990 году, который стал первым аттракционом, полностью выполненным с использованием компьютерной графики. ^[64]

Аттракционы на симуляторах являются порождением симуляторов военной подготовки и коммерческих симуляторов, но они принципиально отличаются друг от друга. В то время как симуляторы военной подготовки реалистично реагируют на действия обучаемого в режиме реального времени, симуляторы езды только кажутся реалистичными и движутся в соответствии с заранее записанными сценариями движения. ^{[64] В} одном из первых симуляторов, Star Tours, стоимостью 32 миллиона долларов, использовалась кабина с гидравлическим приводом. Движение программировалось джойстиком. Современные аттракционы-симуляторы, такие как «Удивительные приключения Человека-паука», включают в себя элементы, увеличивающие степень погружения, испытываемого гонщиками, такие как: трехмерные изображения, физические эффекты (распыление воды или создание запахов) и движение в окружающей среде. ^[65]

Моделирование и производство [ править ]

Производство представляет собой одно из важнейших приложений моделирования. Этот метод представляет собой ценный инструмент, используемый инженерами при оценке эффекта капиталовложений в оборудование и физические объекты, такие как фабрики, склады и распределительные центры. Моделирование можно использовать для прогнозирования производительности существующей или планируемой системы и для сравнения альтернативных решений конкретной проектной проблемы. ^[66]

Еще одна важная цель моделирования в производственных системах - количественная оценка производительности системы. Общие меры производительности системы включают следующее: ^[67]

• Пропускная способность при средних и пиковых нагрузках;
• Время цикла системы (сколько времени нужно для производства одной детали);
• Использование ресурсов, рабочей силы и машин;
• Узкие места и узкие места;
• Очередь на рабочих местах;
• Очереди и задержки, вызванные подъемно-транспортными устройствами и системами;
• Потребности WIP-хранилищ;
• Кадровые требования;
• Эффективность систем диспетчеризации;
• Эффективность систем управления.

Еще примеры моделирования [ править ]

Автомобили [ править ]

Автомобильный симулятор дает возможность воспроизвести характеристики реальных транспортных средств в виртуальной среде. Он воспроизводит внешние факторы и условия, с которыми взаимодействует транспортное средство, позволяя водителю чувствовать себя так, как будто он сидит в кабине своего транспортного средства. Сценарии и события воспроизводятся с достаточной реальностью, чтобы водители полностью погрузились в опыт, а не просто рассматривали его как образовательный опыт.

Симулятор обеспечивает конструктивную работу для начинающего водителя и позволяет более опытному водителю выполнять более сложные упражнения. Для начинающих водителей симуляторы грузовиков дают возможность начать свою карьеру с применения передового опыта. Для опытных водителей моделирование дает возможность улучшить навыки вождения или выявить неэффективные действия и предложить необходимые меры для исправления ситуации. Для компаний это дает возможность обучать персонал навыкам вождения, которые позволяют снизить затраты на техническое обслуживание, повысить производительность и, что наиболее важно, обеспечить безопасность их действий во всех возможных ситуациях.

Биомеханика [ править ]

Платформа моделирования с открытым исходным кодом для создания динамических механических моделей, построенных из комбинаций жестких и деформируемых тел, соединений, ограничений и различных силовых исполнительных механизмов. Он специализируется на создании биомеханических моделей анатомических структур человека с целью изучения их функций и, в конечном итоге, оказания помощи в разработке и планировании лечения.

Симулятор биомеханики используется для анализа динамики ходьбы, изучения спортивных результатов, моделирования хирургических процедур, анализа нагрузок на суставы, проектирования медицинских устройств и анимации движений человека и животных.

Нейромеханический симулятор, сочетающий в себе биомеханическое и биологически реалистичное моделирование нейронной сети. Это позволяет пользователю проверять гипотезы на нейронной основе поведения в физически точной трехмерной виртуальной среде.

Город и город [ править ]

Симулятор города может быть игрой о строительстве города, но также может быть инструментом, используемым градостроителями, чтобы понять, как города могут развиваться в ответ на различные политические решения. AnyLogic - это пример современных крупномасштабных городских симуляторов, предназначенных для использования градостроителями. Симуляторы города - это, как правило, моделирование на основе агентов с явным представлением землепользования и транспорта . UrbanSim и LEAM являются примерами крупномасштабных городских имитационных моделей, которые используются городскими агентствами планирования и военными базами для планирования землепользования и транспорта .

Рождество [ править ]

Существует несколько симуляторов на рождественскую тематику, многие из которых сосредоточены вокруг Санта-Клауса . Примером таких симуляций являются веб-сайты, которые утверждают, что позволяют пользователю отслеживать Санта-Клауса. Из-за того, что Санта является легендарным персонажем, а не реальным живым человеком, невозможно предоставить актуальную информацию о его местонахождении и таких сервисах, как NORAD Tracks Santa и Google Santa Tracker (первый из которых утверждает, что использует радар). и другие технологии для отслеживания Санты) ^[68]отображать поддельную, заранее определенную информацию о местоположении для пользователей. Другим примером такого моделирования являются веб-сайты, которые утверждают, что позволяют пользователю отправлять электронные письма или сообщения Деду Морозу. Такие веб-сайты, как emailSanta.com или бывшая страница Санты в ныне несуществующих пространствах Windows Live Spaces от Microsoft, используют автоматизированные программы или сценарии для генерации персонализированных ответов, которые, как утверждается, исходят от самого Санты, на основе ввода данных пользователем. ^{[69] [70] [71] [72]}

Класс будущего [ править ]

«Класс будущего», вероятно, будет содержать несколько видов тренажеров в дополнение к текстовым и визуальным средствам обучения. Это позволит студентам поступить в клинические годы лучше подготовленными и с более высоким уровнем квалификации. У продвинутого студента или аспиранта будет более краткий и всеобъемлющий метод переподготовки или включения новых клинических процедур в свой набор навыков, а регулирующим органам и медицинским учреждениям будет легче оценивать квалификацию и компетентность людей.

Классная комната будущего также станет основой подразделения клинических навыков для непрерывного обучения медицинского персонала; и так же, как использование периодической летной подготовки помогает пилотам авиакомпаний, эта технология будет помогать практикам на протяжении всей их карьеры. ^{[ необходима цитата ]}

Тренажер станет больше, чем «живым» учебником, он станет неотъемлемой частью медицинской практики. ^{[ необходима цитата ]} Среда симулятора также предоставит стандартную платформу для разработки учебных программ в медицинских учебных заведениях.

Спутники связи [ править ]

Современные системы спутниковой связи ( SATCOM) часто бывают большими и сложными с множеством взаимодействующих частей и элементов. Кроме того, потребность в широкополосной связи на движущемся транспортном средстве резко возросла за последние несколько лет как для коммерческих, так и для военных приложений. Чтобы точно прогнозировать и обеспечивать высокое качество обслуживания, проектировщики систем SATCOM должны учитывать при планировании местность, а также атмосферные и метеорологические условия. Чтобы справиться с такой сложностью, разработчики и операторы систем все чаще обращаются к компьютерным моделям своих систем, чтобы имитировать реальные условия эксплуатации и получить представление об удобстве использования и требованиях до утверждения конечного продукта.Моделирование улучшает понимание системы, позволяя разработчику или планировщику системы SATCOM моделировать реальную производительность, вводя в модели несколько гипотетических атмосферных и окружающих условий. Симуляция часто используется при обучении гражданского и военного персонала. Обычно это происходит, когда позволять обучающимся использовать реальное оборудование в реальном мире непомерно дорого или просто слишком опасно. В таких ситуациях они будут проводить время, изучая ценные уроки в «безопасной» виртуальной среде, но при этом сохраняя жизненный опыт (или, по крайней мере, это цель). Часто удобство состоит в том, чтобы допускать ошибки во время обучения критически важной для безопасности системе.Обычно это происходит, когда позволять обучающимся использовать реальное оборудование в реальном мире непомерно дорого или просто слишком опасно. В таких ситуациях они будут проводить время, изучая ценные уроки в «безопасной» виртуальной среде, но при этом сохраняя жизненный опыт (или, по крайней мере, это цель). Часто удобство состоит в том, чтобы допускать ошибки во время обучения критически важной для безопасности системе.Обычно это происходит, когда позволять обучающимся использовать реальное оборудование в реальном мире непомерно дорого или просто слишком опасно. В таких ситуациях они будут проводить время, изучая ценные уроки в «безопасной» виртуальной среде, но при этом сохраняя жизненный опыт (или, по крайней мере, это цель). Часто удобство состоит в том, чтобы допускать ошибки во время обучения критически важной для безопасности системе.

Цифровой жизненный цикл [ править ]

Решения для моделирования все чаще интегрируются с решениями и процессами CAx (CAD, CAM, CAE ....). Использование моделирования на протяжении всего жизненного цикла продукта, особенно на ранних этапах разработки концепции и проектирования, может дать существенные преимущества. Эти преимущества варьируются от вопросов прямых затрат, таких как сокращение прототипов и более короткий срок вывода на рынок, до более эффективных продуктов и более высокой рентабельности. Однако для некоторых компаний моделирование не принесло ожидаемых преимуществ.

Успешное использование моделирования на ранних этапах жизненного цикла в значительной степени обусловлено расширенной интеграцией инструментов моделирования со всем набором решений CAD, CAM и PLM. Решения для моделирования теперь могут функционировать на масштабном предприятии в среде с несколькими САПР и включают решения для управления данными и процессами моделирования и обеспечения включения результатов моделирования в историю жизненного цикла продукта. Возможность использования моделирования на протяжении всего жизненного цикла была улучшена за счет улучшенных пользовательских интерфейсов, таких как настраиваемые пользовательские интерфейсы и «мастера», которые позволяют всем соответствующим участникам PLM принимать участие в процессе моделирования.

Готовность к стихийным бедствиям [ править ]

Имитационное обучение стало методом подготовки людей к стихийным бедствиям. Моделирование может воспроизводить чрезвычайные ситуации и отслеживать реакцию учащихся благодаря реалистичному опыту . Моделирование готовности к стихийным бедствиям может включать обучение тому, как справляться с террористическими атаками, стихийными бедствиями, вспышками пандемии или другими опасными для жизни чрезвычайными ситуациями.

Одна организация, которая использовала симуляционное обучение для подготовки к стихийным бедствиям, - это CADE (Центр развития дистанционного образования). CADE ^[73] использовал видеоигру, чтобы подготовить аварийных работников к нескольким типам атак. Как сообщает News-Medical.Net, «Видеоигра является первой в серии симуляторов, направленных на борьбу с биотерроризмом, пандемическим гриппом, оспой и другими бедствиями, к которым должен подготовиться персонал службы экстренной помощи. ^[74] » Разработана командой из Университет Иллинойса в Чикаго (UIC), игра позволяет учащимся практиковать свои навыки работы в чрезвычайных ситуациях в безопасной контролируемой среде.

Программа моделирования аварийных ситуаций (ESP) Технологического института Британской Колумбии (BCIT), Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, является еще одним примером организации, которая использует моделирование для обучения работе в аварийных ситуациях. ESP использует моделирование для обучения в следующих ситуациях: борьба с лесными пожарами, ликвидация разливов нефти или химикатов, реагирование на землетрясения, правоохранительные органы, пожаротушение в муниципальных районах, обращение с опасными материалами, военная подготовка и реагирование на террористические атаки ^[75] Одна особенность системы моделирования представляет собой реализацию «Dynamic Run-Time Clock», которая позволяет моделировать «смоделированные» временные рамки, «ускорять» или «замедлять» время по желанию » ^[75] Кроме того, система позволяет записывать сеансы, навигацию на основе пиктограмм, хранить файлы отдельных симуляций, мультимедийные компоненты и запускать внешние приложения.

В Университете Квебека в Шикутими исследовательская группа из лаборатории исследований и экспертизы на открытом воздухе (Laboratoire d'Expertise et de Recherche en Plein Air - LERPA) специализируется на использовании моделирования аварий в дикой местности для проверки координации действий в чрезвычайных ситуациях.

С точки зрения обучения, преимущества экстренной подготовки с помощью моделирования заключаются в том, что успеваемость учащихся можно отслеживать с помощью системы. Это позволяет разработчику вносить необходимые изменения или предупреждать преподавателя о темах, которые могут потребовать дополнительного внимания. Другие преимущества заключаются в том, что учащегося можно направить или обучить тому, как правильно реагировать, прежде чем перейти к следующему аварийному сегменту - это аспект, который может быть недоступен в реальной среде. Некоторые симуляторы экстренной подготовки также позволяют получить немедленную обратную связь, в то время как другие симуляторы могут предоставить резюме и инструктировать учащегося снова заняться изучением темы.

В аварийной ситуации у спасателей нет времени терять зря. Симуляционное обучение в этой среде дает учащимся возможность собрать как можно больше информации и применить свои знания на практике в безопасной среде. Они могут совершать ошибки без риска для жизни и иметь возможность исправить свои ошибки, чтобы подготовиться к реальной чрезвычайной ситуации.

Экономика [ править ]

В экономике и особенно макроэкономике эффекты предлагаемых мер политики, таких как изменения налогово-бюджетной политики или изменения денежно-кредитной политики , моделируются, чтобы судить об их желательности. Математическая модель экономики, приспособленная к историческим экономическим данным, используется в качестве прокси для реальной экономики; предлагаемые значения государственных расходов , налогообложения , операций на открытом рынке и т. д. используются в качестве исходных данных для моделирования модели и различных переменных, представляющих интерес, таких как уровень инфляции , уровень безработицы , торговый дефицит, правительствобюджетный дефицит и т. д. являются результатами моделирования. Смоделированные значения этих интересующих переменных сравниваются для различных предлагаемых входных параметров политики, чтобы определить, какой набор результатов является наиболее желательным.

Инжиниринг, технологии и процессы [ править ]

Моделирование - важная особенность инженерных систем или любой системы, которая включает в себя множество процессов. Например, в электротехнике линии задержки могут использоваться для моделирования задержки распространения и фазового сдвига, вызванного реальной линией передачи . Аналогичным образом, фиктивные нагрузки могут использоваться для моделирования импеданса без моделирования распространения и используются в ситуациях, когда распространение нежелательно. Симулятор может имитировать только некоторые операции и функции моделируемого устройства. Контраст с : подражать . ^[76]

Большинство инженерных симуляций влечет за собой математическое моделирование и компьютерные исследования. Однако во многих случаях математическое моделирование ненадежно. Моделирование задач гидродинамики часто требует как математического, так и физического моделирования. В этих случаях физические модели требуют динамического подобия . Физическое и химическое моделирование также имеет прямое реалистичное применение, а не исследовательское; в химической инженерии , например, моделирование процессовиспользуются для получения параметров процесса, которые сразу используются для действующих химических заводов, таких как нефтеперерабатывающие заводы. Тренажеры также используются для обучения операторов оборудования. Он называется «Симулятор обучения оператора» (OTS) и широко применяется во многих отраслях промышленности, от химической до нефтегазовой и энергетической. Это создало безопасную и реалистичную виртуальную среду для обучения операторов досок и инженеров. Mimic может предоставить высокоточные динамические модели практически всех химических заводов для обучения операторов и тестирования систем управления.

Эргономика [ править ]

Эргономическое моделирование включает анализ виртуальных продуктов или ручных задач в виртуальной среде. В процессе проектирования цель эргономики заключается в разработке и улучшении дизайна продуктов и рабочей среды. ^[77] Эргономическое моделирование использует антропометрическое виртуальное представление человека, обычно называемое манекеном или цифровыми моделями человека (DHM), для имитации позы, механических нагрузок и действий человека-оператора в моделируемой среде, такой как самолет, автомобиль или производственное предприятие. DHM признаны развивающимся и ценным инструментом для выполнения упреждающего эргономического анализа и проектирования. ^[78]В симуляциях используются 3D-графика и модели, основанные на физике, для оживления виртуальных людей. Программное обеспечение Ergonomics использует возможность обратной кинематики (IK) для позиционирования DHM. ^[77]

Программные инструменты обычно рассчитывают биомеханические свойства, включая индивидуальные мышечные силы, суставные силы и моменты. В большинстве этих инструментов используются стандартные методы эргономической оценки, такие как уравнение подъема NIOSH и быстрая оценка верхних конечностей (RULA). В некоторых симуляциях также анализируются физиологические показатели, включая метаболизм, расход энергии и пределы утомляемости. Изучение времени цикла, проверка конструкции и процесса, комфорт пользователя, доступность и прямая видимость - это другие человеческие факторы, которые можно исследовать в пакетах эргономичного моделирования. ^[79]

Моделирование и симуляция задачи может выполняться вручную, манипулируя виртуальным человеком в симулируемой среде. Некоторое программное обеспечение для моделирования эргономики позволяет интерактивное моделирование в реальном времени и оценку посредством фактического участия человека с помощью технологий захвата движения. Однако захват движения для эргономики требует дорогостоящего оборудования и создания реквизита для представления окружающей среды или продукта.

Некоторые приложения эргономического моделирования включают анализ сбора твердых отходов, задачи управления стихийными бедствиями, интерактивные игры, ^[80] сборочный конвейер ^[81], виртуальное прототипирование средств реабилитации ^[82] и дизайн аэрокосмической продукции. ^[83] Инженеры Ford используют программное обеспечение для моделирования эргономики для выполнения виртуальных обзоров дизайна продукции. Моделирование с использованием инженерных данных помогает оценить эргономичность сборки. Компания использует программное обеспечение для моделирования эргономики Джека и Джилла от Siemen для повышения безопасности и эффективности рабочих без необходимости создания дорогостоящих прототипов. ^[84]

Финансы [ править ]

В финансах компьютерное моделирование часто используется для планирования сценариев. Например, чистая приведенная стоимость , скорректированная с учетом риска , рассчитывается на основе четко определенных, но не всегда известных (или фиксированных) исходных данных. Имитируя эффективность оцениваемого проекта, моделирование может обеспечить распределение чистой приведенной стоимости по диапазону ставок дисконтирования и другим переменным. Моделирование также часто используется для проверки финансовой теории или возможностей финансовой модели. ^[85]

Моделирование часто используется в финансовом обучении, чтобы вовлечь участников в различные исторические, а также вымышленные ситуации. Есть моделирование фондового рынка, моделирования портфеля, моделирования или моделирования управления рисками и моделирования форекс. Такие симуляции обычно основаны на стохастических моделях активов . Использование этих симуляций в тренировочной программе позволяет применить теорию к чему-то похожему на реальную жизнь. Как и в других отраслях, использование моделирования может быть обусловлено технологиями или тематическими исследованиями.

Полет [ править ]

Тренажеры для имитации полета (FSTD) используются для обучения пилотов на земле. По сравнению с обучением на реальном самолете , обучение на основе моделирования позволяет отработать маневры или ситуации, которые могут быть непрактичными (или даже опасными) для выполнения в самолете, при этом пилот и инструктор находятся в среде с относительно низким уровнем риска на воздушном судне. земля. Например, отказы электрической системы, отказы приборов, отказы гидравлической системы и даже отказы управления полетом можно смоделировать без риска для пилотов или самолета.

Инструкторы также могут предоставить студентам более высокую концентрацию учебных задач в определенный период времени, чем это обычно возможно в самолете. Например, выполнение нескольких заходов на посадку по приборам на реальном самолете может потребовать значительного времени, затрачиваемого на изменение положения самолета, в то время как в моделировании, как только один заход на посадку был завершен, инструктор может немедленно подготовить моделируемый самолет к идеальному (или менее идеальному). ) место, с которого следует начать следующий подход.

Имитация полета также дает экономическое преимущество перед обучением на реальном самолете. С учетом затрат на топливо, техническое обслуживание и страхование эксплуатационные расходы FSTD обычно значительно ниже, чем эксплуатационные расходы моделируемого самолета. Для некоторых самолетов большой транспортной категории эксплуатационные расходы для FSTD могут быть в несколько раз ниже, чем для реальных самолетов.

Некоторые люди, использующие программное обеспечение симулятора, особенно программное обеспечение имитатора полета , создают свой собственный симулятор дома. Некоторые люди - для большей реалистичности своего самодельного симулятора - покупают бывшие в употреблении карты и стойки, на которых установлено то же программное обеспечение, что и на исходной машине. Хотя это включает в себя решение проблемы согласования аппаратного и программного обеспечения - и проблемы, заключающейся в том, что сотни карт вставляются во множество различных стоек - многие все же считают, что решение этих проблем стоит того. Некоторые настолько серьезно относятся к реалистичной симуляции, что будут покупать настоящие детали самолетов, такие как целые носовые части списанных самолетов , на кладбищах самолетов . Это позволяет людям моделировать хобби, которым они не могут заниматься в реальной жизни.

Морской [ править ]

Морские тренажеры, напоминающие авиасимуляторы, тренируют личный состав судов. К наиболее распространенным морским тренажерам относятся:

• Симуляторы судового мостика
• Симуляторы машинного отделения
• Симуляторы погрузочно-разгрузочных работ
• Симуляторы связи / ГМССБ
• Симуляторы ROV

Подобные тренажеры в основном используются в морских колледжах, учебных заведениях и на флоте. Они часто состоят из копии корабельного мостика с пультом управления и ряда экранов, на которых проецируется виртуальное окружение.

Военные [ править ]

Военные симуляторы, также неофициально известные как военные игры, представляют собой модели, в которых теории войны могут быть проверены и уточнены без необходимости реальных боевых действий. Они существуют во многих различных формах с разной степенью реализма. В последнее время их охват расширился и теперь включает не только военные, но и политические и социальные факторы (например, серия стратегических учений NationLab в Латинской Америке). ^[86] Хотя многие правительства используют моделирование, как индивидуально, так и совместно, мало что известно о специфике модели за пределами профессиональных кругов.

Сетевые и распределенные системы [ править ]

Сетевые и распределенные системы были тщательно смоделированы в другом, чтобы понять влияние новых протоколов и алгоритмов перед их развертыванием в реальных системах. Моделирование может быть сосредоточено на разных уровнях ( физический уровень , сетевой уровень , уровень приложений ) и оценивать различные метрики (пропускная способность сети, потребление ресурсов, время обслуживания, отброшенные пакеты, доступность системы). Примеры сценариев моделирования сетевых и распределенных систем:

• Сети доставки контента ^{[87] [88] [89] [90]}
• Умные города
• Интернет вещей

Платежная система и система расчетов по ценным бумагам [ править ]

Методы моделирования также применялись к платежным системам и системам расчетов по ценным бумагам. Среди основных пользователей - центральные банки, которые обычно несут ответственность за надзор за рыночной инфраструктурой и имеют право вносить вклад в бесперебойное функционирование платежных систем.

Центральные банки использовали моделирование платежных систем для оценки таких вещей, как адекватность или достаточность ликвидности, доступной (в форме остатков на счетах и ​​внутридневных кредитных лимитов) участникам (в основном банкам), чтобы обеспечить эффективные расчеты по платежам. ^{[91] [92]} Потребность в ликвидности также зависит от наличия и типа процедур взаимозачета в системах, поэтому некоторые исследования сосредоточены на сравнении систем. ^[93]

Другое приложение - оценка рисков, связанных с такими событиями, как сбои в сети связи или неспособность участников отправлять платежи (например, в случае возможного банкротства банка). ^[94] Этот вид анализа подпадает под понятие стресс-тестирования или сценарного анализа .

Обычный способ проведения такого моделирования - воспроизвести логику расчетов реальных платежных систем или систем расчетов по ценным бумагам, которые подвергаются анализу, а затем использовать реальные наблюдаемые данные о платежах. В случае сравнения систем или разработки системы, естественно, необходимо реализовать и другую логику расчета.

Для выполнения стресс-тестирования и анализа сценариев наблюдаемые данные необходимо изменить, например, задержать или удалить некоторые платежи. Для анализа уровней ликвидности варьируются начальные уровни ликвидности. Системные сравнения (сравнительный анализ) или оценки новых алгоритмов или правил неттинга выполняются путем моделирования с фиксированным набором данных и изменения только настроек системы.

Вывод обычно делается путем сравнения результатов эталонного моделирования с результатами измененных настроек моделирования путем сравнения таких индикаторов, как незавершенные транзакции или задержки расчетов.

Управление проектом [ править ]

Моделирование управления проектами - это моделирование, используемое для обучения и анализа управления проектами. Его часто используют в качестве учебного симулятора для руководителей проектов. В других случаях он используется для анализа «что, если» и для поддержки принятия решений в реальных проектах. Часто моделирование проводится с использованием программных средств.

Робототехника [ править ]

Симулятор робототехники используется для создания встроенных приложений для конкретного (или нет) робота, не зависящего от «настоящего» робота. В некоторых случаях эти приложения можно перенести на настоящего робота (или перестроить) без модификаций. Симуляторы робототехники позволяют воспроизводить ситуации, которые невозможно «создать» в реальном мире из-за стоимости, времени или «уникальности» ресурса. Симулятор также позволяет быстро создавать прототипы роботов. Многие симуляторы роботов оснащены физическими двигателями для имитации динамики робота.

Производство [ править ]

Моделирование производственных систем используется в основном для изучения эффекта улучшений или инвестиций в производственную систему. Чаще всего это делается с помощью статической электронной таблицы с указанием времени обработки и времени транспортировки. Для более сложных симуляций используется дискретное моделирование событий (DES) с преимуществами моделирования динамики в производственной системе. Производственная система очень динамична в зависимости от изменений производственных процессов, времени сборки, настройки машин, поломок, поломок и небольших остановок. ^[95] Существует много программного обеспечения, обычно используемого для моделирования дискретных событий. Они различаются по удобству использования и рынкам, но часто имеют одну и ту же основу.

Процесс продаж [ править ]

Моделирование полезно при моделировании потока транзакций через бизнес-процессы, например, в области проектирования процессов продаж , для изучения и улучшения потока заказов клиентов на различных этапах выполнения (например, от первоначального предложения по предоставлению товаров / услуг до прием и установка заказа). Такое моделирование может помочь спрогнозировать влияние того, как улучшения в методах могут повлиять на изменчивость, стоимость, рабочее время и количество транзакций на различных этапах процесса. Для изображения таких моделей можно использовать полнофункциональный компьютеризированный симулятор процесса, а также более простые обучающие демонстрации с использованием программного обеспечения для работы с электронными таблицами, копейки, перемещаемые между чашками на основе ролика кубика, или погружение в ванну с цветными бусами с помощью совка. ^[96]

Спорт [ править ]

В спорте компьютерное моделирование часто используется для прогнозирования исхода событий и результатов отдельных спортсменов. Они пытаются воссоздать событие с помощью моделей, построенных на основе статистики . Развитие технологий позволило любому, кто разбирается в программировании, выполнять моделирование своих моделей. Моделирование строится на основе серии математических алгоритмов или моделей и может варьироваться в зависимости от точности. Accuscore, лицензированная такими компаниями, как ESPN , - это хорошо известная программа-симулятор для всех основных видов спорта . Он предлагает подробный анализ игр с помощью смоделированных линий ставок, прогнозируемого общего количества очков и общих вероятностей.

С повышенным интересом к фэнтези-спортивным симуляторам стали популярны модели, которые позволяют прогнозировать индивидуальные результаты игроков. Такие компании, как What If Sports и StatFox, специализируются не только на использовании своих симуляторов для прогнозирования результатов игр, но и на том, насколько хорошо будут играть отдельные игроки. Многие люди используют модели, чтобы определить, кого начинать в своей фантастической лиге.

Еще один способ, которым симуляции помогают спортивной сфере, - это использование биомеханики . На основе данных, полученных от датчиков, прикрепленных к спортсменам, и видеооборудования создаются модели и выполняется симуляция. Спортивная биомеханика с помощью имитационных моделей отвечает на вопросы, касающиеся тренировочных приемов, таких как влияние усталости на результативность броска (высота броска) и биомеханические факторы верхних конечностей (индекс реактивной силы; время контакта рук). ^[97]

Компьютерное моделирование позволяет пользователям брать модели, которые раньше были слишком сложными для запуска, и давать им ответы. Моделирование оказалось одним из лучших способов понять как производительность игры, так и предсказуемость команды.

Обратный отсчет космического корабля [ править ]

Моделирование использовалось в Космическом центре Кеннеди (KSC) для обучения и сертификации инженеров космических челноков во время моделирования операций обратного отсчета запуска. Инженерное сообщество Space Shuttle будет участвовать в интегрированном моделировании обратного отсчета запуска перед каждым полетом Shuttle. Эта симуляция представляет собой виртуальную симуляцию, в которой реальные люди взаимодействуют с смоделированным космическим кораблем «Шаттл» и оборудованием наземной поддержки (GSE). Имитация фазы окончательного обратного отсчета шаттла, также известная как S0044, включала процессы обратного отсчета, которые объединяли бы многие из космических кораблей и систем GSE. Некоторые из систем Shuttle, интегрированных в моделирование, - это главная двигательная установка, РС-25 , твердотопливные ракетные ускорители., наземный жидкий водород и жидкий кислород, внешний бак , средства управления полетом, навигация и авионика. ^[98] Основные цели имитации фазы окончательного обратного отсчета шаттла:

• Демонстрация операций последней фазы обратного отсчета Firing Room .
• Обеспечить обучение системных инженеров распознаванию, составлению отчетов и оценке системных проблем в критических по времени условиях.
• Осуществить способность команды запуска оценивать, расставлять приоритеты и реагировать на проблемы комплексным образом в критичной по времени среде.
• Предоставить процедуры, которые будут использоваться при выполнении тестирования отказов / восстановления операций, выполняемых на заключительной фазе обратного отсчета. ^[99]

Имитация фазы окончательного обратного отсчета шаттла проходила в огневых помещениях Центра управления запуском Космического центра Кеннеди . Помещение для стрельбы, используемое во время моделирования, является той же самой диспетчерской, где выполняются реальные операции обратного отсчета запуска. В результате задействовано оборудование, используемое для реальных операций обратного отсчета пуска. Во время моделирования используются управляющие и управляющие компьютеры, прикладное программное обеспечение, инструменты для построения графиков и анализа тенденций, документы процедуры обратного отсчета запуска, документы критериев фиксации запуска, документы требований к оборудованию и любые другие элементы, используемые инженерными командами обратного отсчета запуска во время реальных операций обратного отсчета запуска. Аппаратное обеспечение космического корабля "Шаттл" и связанное с ним оборудование GSE моделируется математическими моделями.(написано на языке моделирования Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS) ^[100]), которые ведут себя и реагируют как реальное оборудование. Во время симуляции фазы финального обратного отсчета шаттла инженеры управляют оборудованием и управляют им с помощью реального прикладного программного обеспечения, выполняемого на консолях управления - точно так же, как если бы они управляли оборудованием реального транспортного средства. Однако эти реальные программные приложения не взаимодействуют с реальным оборудованием Shuttle во время моделирования. Вместо этого приложения взаимодействуют с математическими моделями транспортного средства и оборудования GSE. Следовательно, моделирование обходят чувствительные и даже опасные механизмы, обеспечивая инженерные измерения, детализирующие реакцию оборудования. Поскольку эти математические модели взаимодействуют с прикладным программным обеспечением для управления и контроля, модели и симуляции также используются для отладки и проверки функциональности прикладного программного обеспечения. ^[101]

Спутниковая навигация [ править ]

Единственный верный способ проверить приемники GNSS (обычно известные как спутниковая навигация в коммерческом мире) - это использовать имитатор радиочастотного созвездия. Приемник, который может, например, использоваться на летательном аппарате, может быть испытан в динамических условиях без необходимости брать его с собой в реальный полет. Условия испытаний могут быть точно повторены, и есть полный контроль над всеми параметрами испытаний. это невозможно в «реальном мире» с использованием реальных сигналов. Для тестирования приемников, которые будут использовать новый Galileo (спутниковая навигация), альтернативы нет, так как реальных сигналов еще нет.

Погода [ править ]

Прогнозирование погодных условий путем экстраполяции / интерполяции предыдущих данных - одно из реальных применений моделирования. Большинство прогнозов погоды используют эту информацию, публикуемую метеорологическими бюро. Такое моделирование помогает прогнозировать и предупреждать об экстремальных погодных условиях, таких как путь активного урагана / циклона. Численное прогнозирование погоды для прогнозирования включает сложные числовые компьютерные модели для точного прогнозирования погоды с учетом многих параметров.

Симуляторы [ править ]

Стратегические игры - как традиционные, так и современные - можно рассматривать как моделирование абстрактного процесса принятия решений с целью обучения военных и политических лидеров (см. « Историю го» для примера такой традиции или « Кригспиль» для более свежего примера).

Многие другие видеоигры представляют собой своего рода симуляторы. Такие игры могут моделировать различные аспекты реальности, от бизнеса до правительства , строительства и пилотирования транспортных средств (см. Выше).

Историческое использование [ править ]

Исторически это слово имело отрицательную коннотацию:

... поэтому общий обычай симуляции (который является последней степенью) - это порок, использующий либо естественную фальшь, либо страх ...

-  Фрэнсис Бэкон , О моделировании и диссимуляции, 1597 г.

... для различения, обман словами обычно называют щелочью, а обман действиями, жестами или поведением - симуляцией ...

-  Роберт Саут , Юг, 1697, стр. 525.

Однако связь между симуляцией и маскировкой позже исчезла и теперь представляет только лингвистический интерес. ^[102]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме моделирования .

Поищите моделирование в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Библиографии, содержащие дополнительные ссылки, можно найти на веб-сайте журнала Simulation & Gaming .