Моделирование и симуляция

Моделирование и имитация ( M&S ) — это использование моделей (например, физического , математического, поведенческого или логического представления системы , объекта, явления или процесса) в качестве основы для моделирования для разработки данных, используемых для принятия управленческих или технических решений . ^[1]^[2]

При компьютерном моделировании и симуляции компьютер используется для построения математической модели , которая содержит ключевые параметры физической модели. Математическая модель представляет физическую модель в виртуальной форме, и применяются условия, определяющие интересующий эксперимент. Начинается симуляция – т. е. компьютер вычисляет результаты этих условий на математической модели – и выводит результаты в формате, читаемом машиной или человеком, в зависимости от реализации.

Использование M&S в инженерном деле широко признано. Технология моделирования принадлежит к набору инструментов инженеров всех областей применения и включена в совокупность знаний инженерного менеджмента . M&S помогает снизить затраты , повысить качество продуктов и систем, а также документировать и архивировать извлеченные уроки. Поскольку результаты моделирования настолько хороши, насколько хороши базовые модели, инженеры, операторы и аналитики должны уделять особое внимание их построению. Чтобы гарантировать, что результаты моделирования применимы к реальному миру, пользователь должен понимать предположения, концептуализации и ограничения его реализации. Кроме того, модели могут обновляться и улучшаться с использованием результатов реальных экспериментов. M&S — это отдельная дисциплина. Многие области применения часто приводят к предположению, что M&S — это чистое приложение. Это не так, и это должно быть признано инженерным руководством при применении M&S.

Использование таких математических моделей и симуляций позволяет избежать реальных экспериментов, которые могут быть дорогостоящими и отнимать много времени. Вместо этого математические знания и вычислительная мощность используются для решения реальных проблем дешево и с минимальными затратами времени. Таким образом, M&S может облегчить понимание поведения системы без фактического тестирования системы в реальном мире. Например, чтобы определить, какой тип спойлера больше всего улучшит сцепление с дорогой при проектировании гоночного автомобиля, можно использовать компьютерное моделирование автомобиля для оценки влияния различных форм спойлера на коэффициент трения при повороте. Полезную информацию о различных решениях в конструкции можно было бы почерпнуть даже без фактической сборки автомобиля. Кроме того, моделирование может поддерживать эксперименты, которые происходят полностью в программном обеспечении или в средах с участием человека, где моделирование представляет системы или генерирует данные, необходимые для достижения целей эксперимента. Кроме того, моделирование можно использовать для обучения людей с использованием виртуальной среды, создание которой в противном случае было бы сложно или дорого.

Интерес к симуляциям [ править ]

Технически моделирование хорошо принято. (NSF) 2006 года Отчет Национального научного фонда о «Инженерных науках, основанных на моделировании». ^[3] показал потенциал использования технологий и методов моделирования для революции в инженерной науке. Среди причин неуклонно растущего интереса к приложениям моделирования можно назвать следующие:

Использование моделирования, как правило, дешевле, безопаснее, а иногда и более этично, чем проведение реальных экспериментов. Например, суперкомпьютеры иногда используются для моделирования детонации ядерных устройств и их последствий, чтобы обеспечить лучшую готовность в случае ядерного взрыва . [4] Аналогичные усилия проводятся для моделирования ураганов и других природных катастроф. [5] [6] [7]
Моделирование часто может быть даже более реалистичным, чем традиционные эксперименты, поскольку оно позволяет свободно конфигурировать реалистичный диапазон параметров окружающей среды, встречающихся в области оперативного применения конечного продукта. Примерами являются поддержка глубоководных операций ВМС США или моделирование поверхности соседних планет при подготовке миссий НАСА .
Моделирование часто может проводиться быстрее, чем в реальном времени . Это позволяет использовать их для эффективного анализа «если-то-иначе» различных альтернатив, в частности, когда необходимые данные для инициализации моделирования можно легко получить из оперативных данных. Такое использование моделирования добавляет системы моделирования поддержки принятия решений к набору инструментов традиционных систем поддержки принятия решений .
Моделирование позволяет создать согласованную синтетическую среду , которая позволяет интегрировать моделируемые системы на раннем этапе анализа через смешанные виртуальные системы с первыми прототипными компонентами в виртуальную среду тестирования 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). до того, как будут построены первые компоненты).

Военная и оборонная сфера, в частности в Соединенных Штатах, была основным лидером M&S как в плане финансирования, так и в плане применения M&S. Например, M&S в современных военных организациях является частью стратегии закупок / закупок . В частности, M&S используется для проведения мероприятий и экспериментов, которые влияют на требования и обучение военных систем. Таким образом, M&S считается неотъемлемой частью системного проектирования военных систем. Однако другие области приложений в настоящее время догоняют эту тенденцию. M&S в области медицины, транспорта и других отраслей промышленности может быстро превзойти использование M&S Министерством обороны в ближайшие годы, если этого еще не произошло. ^[8]

Моделирование в науке [ править ]

Моделирование и симуляция важны в исследованиях. Представление реальных систем либо через физическое воспроизведение в меньшем масштабе, либо через математические модели , которые позволяют представить динамику системы посредством моделирования, позволяет детально изучить поведение системы, что часто либо невозможно, либо слишком рискованно в реальном мире.

новая дисциплина Как

«Новая дисциплина M&S основана на разработках в различных областях информатики, а также под влиянием разработок в области теории систем , системной инженерии , разработки программного обеспечения , искусственного интеллекта и т. д. Эта основа столь же разнообразна, как и основа инженерного менеджмента, и включает в себя элементы искусства, техники и науки вместе сложным и уникальным способом, который требует от экспертов в предметной области принятия соответствующих решений, когда дело доходит до применения или развития технологии M&S в контексте этой статьи. Разнообразие и прикладной характер этой новой дисциплины. Иногда возникает проблема, заключающаяся в том, что в самих поддерживаемых доменах приложений уже есть словари, которые не обязательно согласованы между отдельными доменами. Необходимо всестороннее и краткое представление концепций, терминов и действий, которые составляют профессиональную совокупность знаний для. Дисциплина M&S из-за большого количества участников этот процесс все еще продолжается». ^[9]

Падилья и др. в разделе «Нужна ли нам наука M&S» рекомендуется проводить различие между наукой, инженерией и приложениями M&S. ^[10]

M&S Science вносит вклад в теорию M&S, определяя академические основы дисциплины.
M&S Engineering опирается на теорию, но ищет применимые шаблоны решений. Основное внимание уделяется общим методам, которые можно применять в различных проблемных областях.
Приложения M&S решают реальные проблемы, фокусируясь на решениях с использованием M&S. Часто решение является результатом применения метода, но многие решения очень специфичны для предметной области и основаны на опыте предметной области, а не на какой-либо общей теории или методе M&S.

Модели могут состоять из различных модулей (моделей с более высокой степенью детализации), связанных с достижением конкретной цели; по этой причине их можно также назвать моделирующими решениями .

В более общем смысле моделирование и симуляция являются ключевым фактором в деятельности по системному проектированию, поскольку представление системы в читаемой компьютером (и, возможно, исполняемой) модели позволяет инженерам воспроизводить поведение системы (или систем систем). Представлен набор методов прикладного моделирования и симуляции для поддержки деятельности по системному проектированию. ^[11]

Домены приложений [ править ]

Существует множество возможных классификаций, но следующая таксономия очень успешно используется в оборонной сфере применяется к медицинскому моделированию и транспортному моделированию , а в настоящее время также .

Анализы Поддержка осуществляется в поддержку планирования и экспериментирования. Зачастую движущей силой этих усилий является поиск оптимального решения, которое должно быть реализовано. Анализ альтернатив «что, если» также попадает в эту категорию. Этот стиль работы часто выполняется специалистами по моделированию – теми, кто обладает навыками как моделирования, так и аналитики. Это смешение моделирования и аналитики хорошо отмечено у Кляйнена. ^{[ нужна ссылка ]}
Поддержка системного проектирования применяется для закупок, 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. Этот стиль работы часто выполняют инженеры и архитекторы.
Поддержка обучения и образования предоставляет симуляторы, виртуальную среду обучения и серьезные игры для обучения и обучения людей. Этот стиль работы часто выполняется тренерами, работающими совместно с учеными-компьютерщиками.

Специальная поддержка анализа применяется к текущим бизнес-операциям. Традиционно системы поддержки принятия решений предоставляют эту функциональность. Системы моделирования улучшают свою функциональность за счет добавления динамического элемента и позволяют рассчитывать оценки и прогнозы, включая оптимизацию и анализ «что, если».

Индивидуальные концепции [ править ]

Хотя термины «моделирование» и «симуляция» часто используются как синонимы в рамках дисциплин, применяющих M&S исключительно в качестве инструмента, в рамках дисциплины M&S оба рассматриваются как отдельные и одинаково важные понятия. Моделирование понимается как целенаправленная абстракция реальности, приводящая к формальным спецификациям концептуализации и лежащим в ее основе предположениям и ограничениям. M&S особенно заинтересована в моделях, которые используются для поддержки реализации исполняемой версии на компьютере. Под симуляцией понимается выполнение модели с течением времени. В то время как моделирование нацелено на концептуализацию , задачи моделирования в основном сосредоточены на реализации , другими словами, моделирование находится на уровне абстракции, тогда как моделирование находится на уровне реализации.

Концептуализация и реализация – моделирование и симуляция – это два вида деятельности, которые взаимозависимы, но, тем не менее, могут осуществляться отдельными людьми. Для обеспечения их хорошей связи необходимы управленческие и инженерные знания и рекомендации. Подобно тому, как специалист по инженерному менеджменту в системной инженерии должен убедиться, что проект системы, отраженный в системной архитектуре, соответствует разработке системы, эта задача должна выполняться с тем же уровнем профессионализма для модели, которую необходимо реализовать. . Поскольку роль больших данных и аналитики продолжает расти, роль комбинированного моделирования анализа становится сферой деятельности еще одного профессионала, называемого простейшим, — чтобы объединить алгоритмические и аналитические методы посредством визуализации, доступной непосредственно лицам, принимающим решения. Исследование, разработанное для Бюро труда и статистики ^[12] Ли и др. представляет интересный взгляд на то, как методы начальной загрузки (статистический анализ) использовались с моделированием для создания данных о населении там, где их не было.

Академические программы [ править ]

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

Следующие учебные заведения предлагают степени в области моделирования и моделирования:

Докторские программы

Пенсильванский университет (Филадельфия, Пенсильвания)
Университет Олд Доминион (Норфолк, Вирджиния)
Университет Алабамы в Хантсвилле (Хантсвилл, Алабама)
Университет Центральной Флориды (Орландо, Флорида)
Военно-морская аспирантура (Монтерей, Калифорния)
Университет Генуи (Генуя, Италия)

Магистерские программы

Национальный университет науки и технологий Пакистана (Исламабад, Пакистан)
Университет штата Аризона (Темпе, Аризона)
Университет Олд Доминион (Норфолк, Вирджиния)
Университет Центральной Флориды (Орландо, Флорида)
Университет Алабамы в Хантсвилле (Хантсвилл, Алабама)
Ближневосточный технический университет (Анкара, Турция)
Университет Нового Южного Уэльса (Австралия)
Военно-морская аспирантура (Монтерей, Калифорния)
Кафедра научных вычислений, моделирования и моделирования (M.Tech (Modelling & Simulation)) (Университет Савитрибай Пхуле Пуна, Индия)
Государственный университет Колумбуса (Колумбус, Джорджия)
Университет Пердью Калумет (Хаммонд, Индиана)
Делфтский технологический университет (Делфт, Нидерланды)
Университет Генуи (Генуя, Италия)
Гамбургский университет прикладных наук (Гамбург, Германия)

Магистерские программы профессиональных наук

Университет Центральной Флориды (Орландо, Флорида)

Программы сертификации выпускников

Портлендского государственного университета Системные науки
Государственный университет Колумбуса (Колумбус, Джорджия)
Университет Алабамы в Хантсвилле (Хантсвилл, Алабама)

Программы бакалавриата

Университет Олд Доминион (Норфолк, Вирджиния)
Институт инженерных наук и технологий Гулама Исхака Хана (Сваби, Пакистан)

знаний по моделированию и симуляции Свод

Свод знаний по моделированию и симуляции (M&S BoK) — это область знаний (информации) и возможностей (компетенций), которая определяет практикующее сообщество моделирования и моделирования , а также профессию, отрасль и рынок M&S. ^[13]

Индекс M&S BoK представляет собой набор указателей, предоставляющих дескрипторы, позволяющие обозначать, идентифицировать предметную информацию, получать к ней доступ и манипулировать ею. ^[13]

Резюме [ править ]

Для обеспечения успеха необходимо провести и организовать три вида деятельности:

должна быть создана модель, формально отражающая концептуализацию,
моделирование должно реализовывать эту модель, и
руководство должно гарантировать, что модель и моделирование взаимосвязаны и находятся в текущем состоянии (это означает, что обычно модель необходимо обновлять в случае изменения моделирования).

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ «ИНСТРУКЦИЯ Министерства обороны НОМЕР 5000.61: Проверка, валидация и аккредитация моделирования и симуляции (M&S)» (PDF) . Министерство обороны . 09.12.2009. Архивировано из оригинала (PDF) 14 июля 2007 г.
^ «ДИРЕКТИВА Министерства обороны НОМЕР 5000.59: Управление моделированием и симуляцией (M&S) Министерства обороны» (PDF) . Министерство обороны . 8 августа 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 10 июля 2007 г.
^ «Отчет о инженерных науках, основанных на моделировании» (PDF) . Панель «Голубой ленты» Национального научного фонда (NSF). 01 мая 2006 г. Архивировано (PDF) из оригинала 7 июня 2021 г.
^ Георгий Дворский (6 июня 2012 г.). «Суперкомпьютер моделирует ядерный взрыв вплоть до молекулярного уровня» . ио9 . Гоукер Медиа. Архивировано из оригинала 07 июня 2021 г.
^ «Суперкомпьютеры Hurricane Force: петамасштабное моделирование Сэнди» . HPCwire . 15 ноября 2013 г. Архивировано из оригинала 07 июня 2021 г.
^ «Научные идеи NOAA :: Имитация урагана» . Архивировано из оригинала 07 июня 2021 г.
^ «9 суперкрутых способов использования суперкомпьютеров» . LiveScience.com . 30 апреля 2010 г. Архивировано из оригинала 7 июня 2021 г.
^ Коллинз, Эй Джей; С.Р. Шефри; Дж. Соколовский; КД Турница; Э. Вайзель (январь 2011 г.). «Исследование стандартов моделирования: отчет семинара по здравоохранению». Отчет VMASC, Саффолк, Вирджиния .
^ Толк, Андреас. «Проблемы инженерного управления при применении моделирования в качестве зеленой технологии» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Падилья, Хосе; С.И. Диалло; А. Толк (октябрь 2011 г.). «Нужна ли нам наука M&S?» (PDF) . Журнал SCS M&S (4): 161–166. Архивировано из оригинала (PDF) 6 июня 2013 года . Проверено 1 июля 2012 г.
^ Джанни, Даниэле; Д'Амброджо, Андреа; Толк, Андреас, ред. (2 декабря 2014 г.). Справочник по системному проектированию на основе моделирования и моделирования (1-е изд.). ЦРК Пресс. п. 513. ИСБН 9781466571457 .
^ Ли, Хюншик Дж.; и др. (2013). «Имитационное исследование для проверки распределения выборки для национального обследования компенсаций» (PDF) . JSM 2013 — Секция методов опросного исследования . Бюро статистики труда. Архивировано из оригинала (PDF) 4 мая 2014 г.
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б «Уэйт, В. (2004) «Основы '04: Семинар по VV&A в 21 веке, сессия 10: Образовательные инициативы V&V» . Архивировано из оригинала 30 сентября 2011 г. Проверено 15 октября 2010 г. .

Магистр наук, Калумет Университета Пердью. «Моделирование, симуляция и визуализация» . Архивировано из оригинала 8 октября 2014 г. Проверено 8 октября 2014 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

Издательство Springer публикует серию «Основы моделирования, методы и приложения» [1] .
Недавно компания Wiley начала свою собственную серию статей по моделированию и симуляции [2] .

Внешние ссылки [ править ]

[1] «ИНСТРУКЦИЯ Министерства обороны НОМЕР 5000.61: Проверка, валидация и аккредитация моделирования и симуляции (M&S)» (PDF) . Министерство обороны . 09.12.2009. Архивировано из оригинала (PDF) 14 июля 2007 г.

[2] «ДИРЕКТИВА Министерства обороны НОМЕР 5000.59: Управление моделированием и симуляцией (M&S) Министерства обороны» (PDF) . Министерство обороны . 8 августа 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 10 июля 2007 г.

[3] «Отчет о инженерных науках, основанных на моделировании» (PDF) . Панель «Голубой ленты» Национального научного фонда (NSF). 01 мая 2006 г. Архивировано (PDF) из оригинала 7 июня 2021 г.

[4] Георгий Дворский (6 июня 2012 г.). «Суперкомпьютер моделирует ядерный взрыв вплоть до молекулярного уровня» . ио9 . Гоукер Медиа. Архивировано из оригинала 07 июня 2021 г.

[5] «Суперкомпьютеры Hurricane Force: петамасштабное моделирование Сэнди» . HPCwire . 15 ноября 2013 г. Архивировано из оригинала 07 июня 2021 г.

[6] «Научные идеи NOAA :: Имитация урагана» . Архивировано из оригинала 07 июня 2021 г.

[7] «9 суперкрутых способов использования суперкомпьютеров» . LiveScience.com . 30 апреля 2010 г. Архивировано из оригинала 7 июня 2021 г.

[8] Коллинз, Эй Джей; С.Р. Шефри; Дж. Соколовский; КД Турница; Э. Вайзель (январь 2011 г.). «Исследование стандартов моделирования: отчет семинара по здравоохранению». Отчет VMASC, Саффолк, Вирджиния .

[9] Толк, Андреас. «Проблемы инженерного управления при применении моделирования в качестве зеленой технологии» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[10] Падилья, Хосе; С.И. Диалло; А. Толк (октябрь 2011 г.). «Нужна ли нам наука M&S?» (PDF) . Журнал SCS M&S (4): 161–166. Архивировано из оригинала (PDF) 6 июня 2013 года . Проверено 1 июля 2012 г.

[11] Джанни, Даниэле; Д'Амброджо, Андреа; Толк, Андреас, ред. (2 декабря 2014 г.). Справочник по системному проектированию на основе моделирования и моделирования (1-е изд.). ЦРК Пресс. п. 513. ИСБН 9781466571457 .

[12] Ли, Хюншик Дж.; и др. (2013). «Имитационное исследование для проверки распределения выборки для национального обследования компенсаций» (PDF) . JSM 2013 — Секция методов опросного исследования . Бюро статистики труда. Архивировано из оригинала (PDF) 4 мая 2014 г.

[scs-13] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б «Уэйт, В. (2004) «Основы '04: Семинар по VV&A в 21 веке, сессия 10: Образовательные инициативы V&V» . Архивировано из оригинала 30 сентября 2011 г. Проверено 15 октября 2010 г. .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]