Моделирование и имитация ( M&S ) — это использование моделей (например, физического , математического, поведенческого или логического представления системы , сущности, явления или процесса) в качестве основы для моделирования с целью разработки данных, используемых для принятия управленческих или технических решений . [1] [2]
В компьютерном приложении моделирования и имитации компьютер используется для построения математической модели , которая содержит ключевые параметры физической модели. Математическая модель представляет физическую модель в виртуальной форме, и применяются условия, которые устанавливают интересующий эксперимент. Начинается имитация — т. е. компьютер вычисляет результаты этих условий на математической модели — и выводит результаты в формате, который может быть прочитан машиной или человеком, в зависимости от реализации.
Использование M&S в инженерии общепризнанно. Технология моделирования относится к набору инструментов инженеров всех прикладных областей и была включена в совокупность знаний инженерного менеджмента . M&S помогает сократить расходы , 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 является дисциплиной сама по себе. Ее многочисленные прикладные области часто приводят к предположению, что M&S является чистым приложением. Это не так, и инженерное управление должно это осознавать при применении M&S.
Использование таких математических моделей и симуляций позволяет избежать реальных экспериментов, которые могут быть дорогостоящими и отнимающими много времени. Вместо этого математические знания и вычислительная мощность используются для решения реальных проблем дешево и эффективно по времени. Таким образом, M&S может облегчить понимание поведения системы без фактического тестирования системы в реальном мире. Например, чтобы определить, какой тип спойлера улучшит сцепление больше всего при проектировании гоночного автомобиля, можно использовать компьютерное моделирование автомобиля для оценки влияния различных форм спойлера на коэффициент трения в повороте. Полезные сведения о различных решениях в конструкции можно получить без фактического создания 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, которую в противном случае было бы сложно или дорого создать.
Технически, моделирование хорошо принято. Отчет Национального научного фонда (NSF) 2006 года «Инженерная наука на основе моделирования» [3] показал потенциал использования технологий и методов моделирования для революционизации инженерной науки. Среди причин неуклонно растущего интереса к приложениям моделирования можно назвать следующие:
Военная и оборонная сфера, в частности в Соединенных Штатах, была главным чемпионом M&S, как в форме финансирования, так и в форме применения M&S. Например, M&S в современных военных организациях является частью стратегии приобретения / закупки . В частности, M&S используется для проведения мероприятий и экспериментов, которые влияют на требования и обучение для военных систем. Как таковая, M&S считается неотъемлемой частью системной инженерии военных систем. Однако другие области применения в настоящее время догоняют. M&S в области медицины, транспорта и других отраслей промышленности готовы быстро превзойти использование M&S Министерством обороны в ближайшие годы, если это уже не произошло. [8]
Моделирование и имитация играют важную роль в исследовании. Представление реальных систем либо через физические воспроизведения в меньшем масштабе, либо через математические модели , которые позволяют представлять динамику системы через имитацию, позволяет исследовать поведение системы в артикулированном виде, что часто либо невозможно, либо слишком рискованно в реальном мире.
«Развивающаяся дисциплина M&S основана на разработках в различных областях компьютерной науки, а также на нее повлияли разработки в области теории систем , системной инженерии , программной инженерии , искусственного интеллекта и других. Эта основа столь же разнообразна, как и основа инженерного менеджмента, и объединяет элементы искусства, инженерии и науки сложным и уникальным образом, который требует от экспертов в данной области принятия соответствующих решений, когда речь идет о применении или разработке технологии M&S в контексте этой статьи. Разнообразие и прикладная природа этой новой дисциплины иногда приводят к проблеме, поскольку поддерживаемые прикладные домены сами по себе уже имеют словари, которые не обязательно соответствуют дизъюнктивным доменам. Необходимо всеобъемлющее и краткое представление концепций, терминов и видов деятельности, которые составляют профессиональный свод знаний для дисциплины M&S. Из-за большого разнообразия участников этот процесс все еще продолжается». [9]
Падилла и др. рекомендуют в своей работе «Нужна ли нам наука M&S» различать науку M&S, инженерию и приложения. [10]
Модели могут состоять из различных единиц (модели с более низкой степенью детализации), связанных с достижением определенной цели; по этой причине их также можно называть модельными решениями .
В более общем плане моделирование и имитация являются ключевыми факторами для деятельности по системной инженерии, поскольку представление системы в виде компьютерно-читаемой (и, возможно, исполняемой) модели позволяет инженерам воспроизводить поведение системы (или систем системы). Коллекция методов прикладного моделирования и имитации для поддержки деятельности по системной инженерии представлена в. [11]
Существует множество возможных категоризаций, но следующая таксономия очень успешно используется в сфере обороны и в настоящее время применяется также к медицинскому моделированию и моделированию транспорта .
Специальное использование Analyses Support применяется к текущим бизнес-операциям. Традиционно системы поддержки принятия решений предоставляют эту функциональность. Системы моделирования улучшают свою функциональность, добавляя динамический элемент и позволяя вычислять оценки и прогнозы, включая оптимизацию и анализ «что если».
Хотя термины «моделирование» и «симуляция» часто используются как синонимы в дисциплинах, применяющих M&S исключительно как инструмент, в дисциплине M&S оба рассматриваются как отдельные и одинаково важные концепции. Моделирование понимается как целенаправленная абстракция реальности, приводящая к формальной спецификации концептуализации и базовым предположениям и ограничениям. M&S в частности интересуется моделями, которые используются для поддержки реализации исполняемой версии на компьютере. Выполнение модели с течением времени понимается как симуляция. В то время как моделирование нацелено на концептуализацию , задачи моделирования в основном сосредоточены на реализации , другими словами, моделирование находится на уровне абстракции, тогда как симуляция находится на уровне реализации.
Концептуализация и реализация — моделирование и имитация — это два вида деятельности, которые взаимозависимы, но тем не менее могут выполняться отдельными лицами. Необходимы знания и руководящие принципы в области управления и инжиниринга, чтобы гарантировать их хорошую связь. Подобно тому, как специалист по управлению инженерией в системной инженерии должен убедиться, что проектирование систем, зафиксированное в архитектуре систем, соответствует разработке систем, эта задача должна выполняться с тем же уровнем профессионализма для модели, которая должна быть реализована. Поскольку роль больших данных и аналитики продолжает расти, роль комбинированного моделирования анализа является сферой еще одного специалиста, называемого простейшим, — для того, чтобы смешивать алгоритмические и аналитические методы с помощью визуализаций, доступных непосредственно лицам, принимающим решения. Исследование, разработанное для Бюро труда и статистики [12] Ли и др., дает интересный взгляд на то, как методы бутстрапа (статистический анализ) использовались с имитацией для генерации данных о населении там, где их не было.
Моделирование и имитация лишь недавно стали самостоятельной академической дисциплиной. Раньше те, кто работал в этой области, обычно имели инженерное образование.
Следующие учебные заведения предлагают степени в области моделирования и имитации:
Свод знаний по моделированию и имитации (M&S BoK) — это область знаний (информации) и возможностей (компетенций), которая определяет сообщество практикующих специалистов по моделированию и имитации , а также профессию, отрасль и рынок M&S. [13]
Индекс M&S BoK представляет собой набор указателей, предоставляющих маркеры, с помощью которых можно обозначать, идентифицировать, получать доступ и манипулировать содержанием предметной информации. [13]
Для обеспечения успеха необходимо провести и организовать три вида деятельности:
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
