stringtranslate.com

Моделирование и симуляция

Моделирование и симуляция ( 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

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

  1. 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]
  2. 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 .
  3. 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 .
  4. 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

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 исследовать поведение системы, что часто либо невозможно, либо слишком рискованно в реальном мире.

Как моделирование расширяет научный метод, лежащий в основе исследования

Как новая дисциплина

«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 содержит 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 разработки технологии M&S в контексте этой статьи.Разнообразие и прикладной характер этой новой дисциплины Иногда возникают проблемы, связанные с тем, что поддерживаемые домены приложений сами по себе уже имеют словари, которые не обязательно согласованы между отдельными доменами. 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]

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). Сборник методов прикладного моделирования и симуляции для поддержки деятельности по системному проектированию представлен в [11] .

Домены приложений

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

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

Хотя термины «моделирование» и «симуляция» часто используются как синонимы в дисциплинах, 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, проведенное Lee et al. по заказу Бюро труда и статистики [12] . 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

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:

Докторантура. Программы
Магистерские программы
Магистерские программы профессиональных наук
Программы сертификации выпускников
Программы бакалавриата

Свод знаний по моделированию и симуляции

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

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

Краткое содержание

Для обеспечения успеха необходимо провести и организовать три вида деятельности:

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «ИНСТРУКЦИЯ Министерства обороны НОМЕР 5000.61: Проверка, валидация и аккредитация моделирования и моделирования (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. ↑ Джордж Дворский (6 июня 2012 г.). «Суперкомпьютер моделирует ядерный взрыв на молекулярном уровне». 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 7 июня 2021 г.
  6. ^ "Научные исследования 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, AJ; 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}}: Требуется цитировать журнал |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, Хёншик Дж.; и другие. (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.
  13. ^ ab «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. .

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Найдите «Моделирование и симуляция» в Викисловаре, бесплатном словаре.
Викискладе есть медиафайлы, связанные с моделированием и моделированием .