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Simulación por ordenador

Una simulación por computadora de 48 horas del tifón Mawar utilizando el modelo de pronóstico e investigación meteorológica
Proceso de construcción de un modelo informático y la interacción entre experimento, simulación y teoría.

La simulación por computadora es el proceso de modelado matemático , realizado en una computadora , que está diseñado para predecir el comportamiento o el resultado de un sistema físico o del mundo real. La confiabilidad de algunos modelos matemáticos se puede determinar comparando sus resultados con los resultados del mundo real que pretenden predecir. Las simulaciones por computadora se han convertido en una herramienta útil para el modelado matemático de muchos sistemas naturales en física ( física computacional ), astrofísica , climatología , química , biología y manufactura , así como sistemas humanos en economía , psicología , ciencias sociales , atención médica e ingeniería . La simulación de un sistema se representa como la ejecución del modelo del sistema. Puede utilizarse para explorar y obtener nuevos conocimientos sobre nuevas tecnologías y para estimar el rendimiento de sistemas demasiado complejos para soluciones analíticas . [1]

Las simulaciones por computadora se realizan ejecutando programas de computadora que pueden ser pequeños, que se ejecutan casi instantáneamente en dispositivos pequeños, o programas a gran escala que se ejecutan durante horas o días en grupos de computadoras basadas en red. La escala de los acontecimientos que se simulan mediante simulaciones por ordenador ha superado con creces todo lo posible (o quizás incluso imaginable) utilizando modelos matemáticos tradicionales de papel y lápiz. En 1997, una simulación de batalla en el desierto en la que una fuerza invadía a otra implicó el modelado de 66.239 tanques, camiones y otros vehículos en terreno simulado alrededor de Kuwait , utilizando múltiples supercomputadoras en el Programa de Modernización de Computadoras de Alto Rendimiento del Departamento de Defensa . [2] Otros ejemplos incluyen un modelo de mil millones de átomos de deformación material; [3] un modelo de 2,64 millones de átomos del complejo orgánulo productor de proteínas de todos los organismos vivos, el ribosoma , en 2005; [4] una simulación completa del ciclo de vida de Mycoplasma genitalium en 2012; y el proyecto Blue Brain de la EPFL (Suiza), iniciado en mayo de 2005 para crear la primera simulación por ordenador de todo el cerebro humano, hasta el nivel molecular. [5]

Debido al costo computacional de la simulación, se utilizan experimentos informáticos para realizar inferencias como la cuantificación de la incertidumbre . [6]

Simulación versus modelo

Un modelo de computadora son los algoritmos y ecuaciones que se utilizan para capturar el comportamiento del sistema que se está modelando. Por el contrario, la simulación por computadora es la ejecución real del programa que contiene estas ecuaciones o algoritmos. La simulación, por tanto, es el proceso de ejecutar un modelo. Por tanto, no se "construiría una simulación"; en cambio, uno "construiría un modelo (o un simulador)" y luego "ejecutaría el modelo" o, de manera equivalente, "ejecutaría una simulación".

Historia

La simulación por computadora se desarrolló de la mano del rápido crecimiento de la computadora, luego de su primer despliegue a gran escala durante el Proyecto Manhattan en la Segunda Guerra Mundial para modelar el proceso de detonación nuclear . Fue una simulación de 12 esferas duras usando un algoritmo de Monte Carlo . La simulación por computadora se utiliza a menudo como complemento o sustituto de los sistemas de modelado para los cuales no son posibles soluciones analíticas simples y cerradas . Existen muchos tipos de simulaciones por computadora; su característica común es el intento de generar una muestra de escenarios representativos para un modelo en el que una enumeración completa de todos los estados posibles del modelo sería prohibitiva o imposible. [7]

Preparación de datos

Los requisitos de datos externos de simulaciones y modelos varían ampliamente. Para algunos, la entrada puede ser sólo unos pocos números (por ejemplo, la simulación de una forma de onda de electricidad de CA en un cable), mientras que otros pueden requerir terabytes de información (como modelos meteorológicos y climáticos).

Las fuentes de entrada también varían ampliamente:

Por último, el momento en que los datos están disponibles varía:

Debido a esta variedad, y debido a que los diversos sistemas de simulación tienen muchos elementos comunes, existe una gran cantidad de lenguajes de simulación especializados . El más conocido puede ser Simula . Ahora hay muchos otros.

Los sistemas que aceptan datos de fuentes externas deben tener mucho cuidado al saber qué están recibiendo. Si bien es fácil para las computadoras leer valores de archivos de texto o binarios, lo que es mucho más difícil es saber cuál es la exactitud (en comparación con la resolución y precisión de las mediciones ) de los valores. A menudo se expresan como "barras de error", una desviación mínima y máxima del rango de valores dentro del cual se espera que se encuentre el valor verdadero. Debido a que las matemáticas digitales por computadora no son perfectas, los errores de redondeo y truncamiento multiplican este error, por lo que es útil realizar un "análisis de errores" [8] para confirmar que los valores generados por la simulación seguirán siendo útilmente precisos.

Tipos

Los modelos informáticos se pueden clasificar según varios pares independientes de atributos, que incluyen:

Otra forma de categorizar modelos es observar las estructuras de datos subyacentes. Para simulaciones escalonadas en el tiempo, existen dos clases principales:

Las ecuaciones definen las relaciones entre los elementos del sistema modelado e intentan encontrar un estado en el que el sistema esté en equilibrio. Estos modelos se utilizan a menudo en la simulación de sistemas físicos, como un caso de modelado más simple antes de intentar la simulación dinámica.

Visualización

Anteriormente, los datos de salida de una simulación por computadora a veces se presentaban en una tabla o matriz que mostraba cómo los datos se veían afectados por numerosos cambios en los parámetros de la simulación . El uso del formato matricial estaba relacionado con el uso tradicional del concepto de matriz en modelos matemáticos . Sin embargo, los psicólogos y otros observaron que los humanos podían percibir rápidamente las tendencias mirando gráficos o incluso imágenes en movimiento generadas a partir de los datos, tal como se muestran en la animación de imágenes generadas por computadora (CGI). Aunque los observadores no necesariamente podían leer números o citar fórmulas matemáticas, al observar un mapa meteorológico en movimiento podrían predecir eventos (y "ver que la lluvia se dirigía hacia ellos") mucho más rápido que escaneando tablas de coordenadas de nubes de lluvia . Estas intensas visualizaciones gráficas, que trascendieron el mundo de los números y las fórmulas, a veces también conducían a resultados que carecían de una cuadrícula de coordenadas o omitían marcas de tiempo, como si se alejaran demasiado de las visualizaciones de datos numéricos. Hoy en día, los modelos de pronóstico del tiempo tienden a equilibrar la visión de las nubes de lluvia/nieve en movimiento con un mapa que utiliza coordenadas numéricas y marcas de tiempo numéricas de los eventos.

De manera similar, las simulaciones por computadora CGI de tomografías computarizadas pueden simular cómo un tumor podría reducirse o cambiar durante un período prolongado de tratamiento médico, presentando el paso del tiempo como una vista giratoria de la cabeza humana visible, a medida que el tumor cambia.

Se están desarrollando otras aplicaciones de simulaciones por computadora CGI [ ¿a partir de? ] para mostrar gráficamente grandes cantidades de datos, en movimiento, a medida que se producen cambios durante una ejecución de simulación.

En la ciencia

Simulación por ordenador del proceso de ósmosis.

Ejemplos genéricos de tipos de simulaciones por computadora en ciencia, que se derivan de una descripción matemática subyacente:

Ejemplos específicos de simulaciones por computadora incluyen:

Las simulaciones por computadora notables, y a veces controvertidas, utilizadas en la ciencia incluyen: Donella Meadows ' World3 utilizado en Los límites del crecimiento , Daisyworld de James Lovelock y Tierra de Thomas Ray .

En las ciencias sociales, la simulación por computadora es un componente integral de los cinco ángulos de análisis fomentados por la metodología de percolación de datos, [12] que también incluye métodos cualitativos y cuantitativos, revisiones de la literatura (incluida la académica) y entrevistas con expertos, y que forma una extensión de la triangulación de datos. Por supuesto, al igual que cualquier otro método científico, la replicación es una parte importante del modelado computacional [13]

En contextos prácticos

Las simulaciones por computadora se utilizan en una amplia variedad de contextos prácticos, tales como:

La confiabilidad y la confianza que las personas depositan en las simulaciones por computadora depende de la validez del modelo de simulación , por lo tanto, la verificación y la validación son de crucial importancia en el desarrollo de simulaciones por computadora. Otro aspecto importante de las simulaciones por ordenador es el de la reproducibilidad de los resultados, lo que significa que un modelo de simulación no debe proporcionar una respuesta diferente para cada ejecución. Aunque esto pueda parecer obvio, es un punto especial de atención [ editorial ] en simulaciones estocásticas , donde los números aleatorios en realidad deberían ser números semialeatorios. Una excepción a la reproducibilidad son las simulaciones con seres humanos, como las simulaciones de vuelo y los juegos de ordenador . Aquí un ser humano es parte de la simulación y, por lo tanto, influye en el resultado de una manera que es difícil, si no imposible, de reproducir exactamente.

Los fabricantes de vehículos utilizan la simulación por computadora para probar características de seguridad en nuevos diseños. Al construir una copia del automóvil en un entorno de simulación física, pueden ahorrar los cientos de miles de dólares que de otro modo se necesitarían para construir y probar un prototipo único. Los ingenieros pueden recorrer la simulación milisegundos a la vez para determinar las tensiones exactas que se ejercen sobre cada sección del prototipo. [15]

Se pueden utilizar gráficos por computadora para mostrar los resultados de una simulación por computadora. Las animaciones se pueden utilizar para experimentar una simulación en tiempo real, por ejemplo, en simulaciones de entrenamiento . En algunos casos, las animaciones también pueden resultar útiles en modos más rápidos que el tiempo real o incluso más lentos que el tiempo real. Por ejemplo, las animaciones más rápidas que en tiempo real pueden resultar útiles para visualizar la acumulación de colas en la simulación de humanos evacuando un edificio. Además, los resultados de la simulación a menudo se agregan en imágenes estáticas utilizando diversas formas de visualización científica .

En la depuración, simular la ejecución de un programa bajo prueba (en lugar de ejecutarlo de forma nativa) puede detectar muchos más errores de los que el propio hardware puede detectar y, al mismo tiempo, registrar información de depuración útil, como seguimiento de instrucciones, alteraciones de la memoria y recuentos de instrucciones. Esta técnica también puede detectar desbordamientos del búfer y errores similares "difíciles de detectar", así como producir información de rendimiento y datos de ajuste .

Escollos

Aunque a veces se ignora en las simulaciones por computadora, es muy importante [ editorializar ] realizar un análisis de sensibilidad para garantizar que se comprenda adecuadamente la precisión de los resultados. Por ejemplo, el análisis de riesgo probabilístico de los factores que determinan el éxito de un programa de exploración de yacimientos petrolíferos implica combinar muestras de una variedad de distribuciones estadísticas utilizando el método de Monte Carlo . Si, por ejemplo, uno de los parámetros clave (por ejemplo, la proporción neta de estratos petrolíferos) se conoce sólo con una cifra significativa, entonces el resultado de la simulación podría no ser más preciso que una cifra significativa, aunque podría ( engañosamente) presentarse con cuatro cifras significativas.

Ver también

Referencias

  1. ^ Strogatz, Steven (2007). "El fin de la percepción". En Brockman, John (ed.). ¿Cuál es tu idea peligrosa? . HarperCollins. ISBN 9780061214950.
  2. ^ " "Investigadores realizan la simulación militar más grande jamás realizada" Archivado el 22 de enero de 2008 en Wayback Machine , Jet Propulsion Laboratory , Caltech , diciembre de 1997.
  3. ^ "Simulación molecular de fenómenos macroscópicos". Archivado desde el original el 22 de mayo de 2013.
  4. ^ "La simulación de biología computacional más grande imita la nanomáquina más esencial de la vida" (noticia), comunicado de prensa, Nancy Ambrosiano, Laboratorio Nacional de Los Alamos , Los Alamos, NM, octubre de 2005, página web: LANL-Fuse-story7428 Archivado el 4 de julio de 2007 en el Máquina de Wayback .
  5. "Comienza la misión para construir un cerebro simulado" Archivado el 9 de febrero de 2015 en Wayback Machine , proyecto del instituto en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne , Suiza, New Scientist , junio de 2005.
  6. ^ Santner, Thomas J; Williams, Brian J; Notz, Guillermo I (2003). El diseño y análisis de experimentos informáticos . Springer Verlag.
  7. ^ Bratley, Pablo; Fox, Bennet L.; Schrage, Linus E. (28 de junio de 2011). Una guía para la simulación. Medios de ciencia y negocios de Springer. ISBN 9781441987242.
  8. ^ John Robert Taylor (1999). Introducción al análisis de errores: el estudio de las incertidumbres en las medidas físicas. Libros de ciencias universitarias. págs. 128-129. ISBN 978-0-935702-75-0. Archivado desde el original el 16 de marzo de 2015.
  9. ^ ab Gupta, Ankur; Rawlings, James B. (abril de 2014). "Comparación de métodos de estimación de parámetros en modelos cinéticos químicos estocásticos: ejemplos en biología de sistemas". Revista AIChE . 60 (4): 1253–1268. doi :10.1002/aic.14409. ISSN  0001-1541. PMC 4946376 . PMID  27429455. 
  10. ^ Atanasov, AG; Waltenberger, B; Pferschy-Wenzig, EM; Linder, T; Wawrosch, C; Uhrin, P; Temml, V; Wang, L; Schwaiger, S; Heiss, EH; Rodador, JM; Schuster, D; Breuss, JM; Bochkov, V; Mihovilovic, MD; Kopp, B; Bauer, R; Dirsch, VM; Stuppner, H (2015). "Descubrimiento y reabastecimiento de productos naturales de origen vegetal farmacológicamente activos: una revisión". Avanzado en biotecnología . 33 (8): 1582–614. doi :10.1016/j.biotechadv.2015.08.001. PMC 4748402 . PMID  26281720. 
  11. ^ Mizukami, Koichi; Saito, Fumio; Barón, Michel. Estudio sobre molienda de productos farmacéuticos con ayuda de simulación por ordenador Archivado el 21 de julio de 2011 en Wayback Machine.
  12. ^ Mesly, Olivier (2015). Creación de modelos en investigación psicológica. Estados Unidos: Springer Psychology: 126 páginas. ISBN 978-3-319-15752-8 
  13. ^ Wilensky, Uri; Rand, William (2007). "Hacer que los modelos coincidan: replicar un modelo basado en agentes". Revista de Sociedades Artificiales y Simulación Social . 10 (4): 2.
  14. ^ Wescott, Bob (2013). The Every Computer Performance Book, Capítulo 7: Modelado del rendimiento de la computadora. Crear espacio . ISBN 978-1482657753.
  15. ^ Base, Sara. Un regalo de fuego: cuestiones sociales, legales y éticas para la informática e Internet. 3. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2007. Páginas 363–364. ISBN 0-13-600848-8

Otras lecturas

enlaces externos