El modelado y la simulación ( M&S ) es el uso de modelos (por ejemplo, representación física , matemática, conductual o lógica de un sistema , entidad, fenómeno o proceso) como base para simulaciones para desarrollar datos utilizados para la toma de decisiones técnicas o gerenciales . [1] [2]
En la aplicación informática de modelado y simulación, se utiliza un ordenador para construir un modelo matemático que contiene parámetros clave del modelo físico. El modelo matemático representa el modelo físico en forma virtual y se aplican condiciones que configuran el experimento de interés. La simulación comienza (es decir, el ordenador calcula los resultados de esas condiciones en el modelo matemático) y genera los resultados en un formato legible para máquinas o personas, según la implementación.
El uso de M&S dentro de la ingeniería es bien reconocido. La tecnología de simulación pertenece al conjunto de herramientas de los ingenieros de todos los dominios de aplicación y se ha incluido en el cuerpo de conocimientos de la gestión de la ingeniería . M&S ayuda a reducir los costos , aumentar la calidad de los productos y sistemas, y documentar y archivar las lecciones aprendidas. Debido a que los resultados de una simulación son tan buenos como el modelo subyacente, los ingenieros, operadores y analistas deben prestar especial atención a su construcción. Para garantizar que los resultados de la simulación sean aplicables al mundo real, el usuario debe comprender los supuestos, las conceptualizaciones y las limitaciones de su implementación. Además, los modelos pueden actualizarse y mejorarse utilizando los resultados de experimentos reales. M&S es una disciplina en sí misma. Sus muchos dominios de aplicación a menudo conducen a la suposición de que M&S es una aplicación pura. Este no es el caso y debe ser reconocido por la gestión de ingeniería en la aplicación de M&S.
El uso de estos modelos y simulaciones matemáticas evita la experimentación real, que puede ser costosa y consumir mucho tiempo. En su lugar, se utilizan los conocimientos matemáticos y la potencia computacional para resolver problemas del mundo real de forma económica y eficiente en términos de tiempo. De este modo, la simulación y el análisis pueden facilitar la comprensión del comportamiento de un sistema sin necesidad de probarlo en el mundo real. Por ejemplo, para determinar qué tipo de alerón mejoraría más la tracción al diseñar un coche de carreras, se podría utilizar una simulación por ordenador del coche para estimar el efecto de las distintas formas de alerón en el coeficiente de fricción en una curva. Se podrían obtener conocimientos útiles sobre las distintas decisiones del diseño sin tener que construir realmente el coche. Además, la simulación puede respaldar la experimentación que se produce totalmente en software o en entornos en los que intervienen personas, en los que la simulación representa sistemas o genera datos necesarios para cumplir los objetivos del experimento. Además, la simulación se puede utilizar para formar a personas utilizando un entorno virtual que, de otro modo, sería difícil o costoso de producir.
Desde el punto de vista técnico, la simulación goza de una amplia aceptación. El informe de 2006 de la National Science Foundation (NSF) sobre "Ciencia de ingeniería basada en simulación" [3] mostró el potencial de utilizar la tecnología y los métodos de simulación para revolucionar la ciencia de la ingeniería. Entre las razones del creciente interés en las aplicaciones de simulación se encuentran las siguientes:
El ámbito militar y de defensa, en particular en los Estados Unidos, ha sido el principal defensor de la M&S, tanto en forma de financiación como de aplicación de la M&S. Por ejemplo, la M&S en las organizaciones militares modernas forma parte de la estrategia de adquisición / adquisición . En concreto, la M&S se utiliza para llevar a cabo eventos y experimentos que influyen en los requisitos y la formación de los sistemas militares. Como tal, la M&S se considera una parte integral de la ingeniería de sistemas de los sistemas militares. Sin embargo, otros ámbitos de aplicación están poniéndose al día en la actualidad. La M&S en los campos de la medicina, el transporte y otras industrias está preparada para superar rápidamente el uso de la M&S por parte del Departamento de Defensa en los próximos años, si es que no ha sucedido ya. [8]
El modelado y la simulación son importantes en la investigación. Representar los sistemas reales, ya sea mediante reproducciones físicas a menor escala o mediante modelos matemáticos que permitan representar la dinámica del sistema mediante simulación, permite explorar el comportamiento del sistema de una manera articulada, lo que a menudo no es posible o es demasiado arriesgado en el mundo real.
"La disciplina emergente de M&S se basa en desarrollos en diversas áreas de la ciencia informática, así como en la influencia de los desarrollos en teoría de sistemas , ingeniería de sistemas , ingeniería de software , inteligencia artificial y más. Esta base es tan diversa como la de la gestión de ingeniería y reúne elementos de arte, ingeniería y ciencia de una manera compleja y única que requiere expertos en el dominio para permitir decisiones apropiadas cuando se trata de la aplicación o el desarrollo de la tecnología de M&S en el contexto de este documento. La diversidad y la naturaleza orientada a la aplicación de esta nueva disciplina a veces resultan en el desafío de que los propios dominios de aplicación respaldados ya tienen vocabularios establecidos que no están necesariamente alineados entre dominios disyuntivos. Se necesita una representación integral y concisa de conceptos, términos y actividades que conforman un cuerpo de conocimiento profesional para la disciplina de M&S. Debido a la amplia variedad de contribuyentes, este proceso aún está en curso". [9]
Padilla et al. recomiendan en "Do We Need M&S Science" distinguir entre M&S Science, Engineering, y Applications. [10]
Los modelos pueden estar compuestos de diferentes unidades (modelos de granularidad más fina) vinculadas al logro de un objetivo específico; por esta razón también pueden denominarse soluciones de modelado .
En términos más generales, el modelado y la simulación son elementos clave para las actividades de ingeniería de sistemas, ya que la representación del sistema en un modelo legible por computadora (y posiblemente ejecutable) permite a los ingenieros reproducir el comportamiento del sistema (o de los sistemas de sistemas). Se proporciona una colección de métodos de modelado y simulación aplicativos para respaldar las actividades de ingeniería de sistemas. [11]
Hay muchas categorizaciones posibles, pero la siguiente taxonomía se ha utilizado con mucho éxito en el ámbito de la defensa y actualmente se aplica también a la simulación médica y a la simulación de transporte .
Un uso especial del soporte de análisis se aplica a las operaciones comerciales en curso. Tradicionalmente, los sistemas de soporte de decisiones proporcionan esta funcionalidad. Los sistemas de simulación mejoran su funcionalidad al agregar el elemento dinámico y permiten calcular estimaciones y predicciones, incluida la optimización y los análisis hipotéticos.
Aunque los términos "modelado" y "simulación" se utilizan a menudo como sinónimos dentro de las disciplinas que aplican M&S exclusivamente como una herramienta, dentro de la disciplina de M&S ambos se tratan como conceptos individuales e igualmente importantes. El modelado se entiende como la abstracción intencionada de la realidad, que resulta en la especificación formal de una conceptualización y suposiciones y restricciones subyacentes. M&S está particularmente interesado en los modelos que se utilizan para respaldar la implementación de una versión ejecutable en una computadora. La ejecución de un modelo a lo largo del tiempo se entiende como la simulación. Mientras que el modelado apunta a la conceptualización , los desafíos de la simulación se centran principalmente en la implementación ; en otras palabras, el modelado reside en el nivel de abstracción, mientras que la simulación reside en el nivel de implementación.
La conceptualización y la implementación (modelado y simulación) son dos actividades que dependen mutuamente, pero que pueden ser llevadas a cabo por personas independientes. Para garantizar que estén bien conectadas, se necesitan conocimientos y directrices de gestión e ingeniería. Así como un profesional de la gestión de ingeniería en ingeniería de sistemas debe asegurarse de que el diseño de sistemas capturado en una arquitectura de sistemas esté alineado con el desarrollo de sistemas, esta tarea debe llevarse a cabo con el mismo nivel de profesionalismo para el modelo que se debe implementar. A medida que el papel de los macrodatos y la analítica sigue creciendo, el papel de la simulación combinada de análisis es el ámbito de otro profesional llamado el más simple, con el fin de combinar técnicas algorítmicas y analíticas a través de visualizaciones disponibles directamente para los tomadores de decisiones. Un estudio diseñado para la Oficina de Trabajo y Estadísticas [12] por Lee et al. ofrece una mirada interesante sobre cómo se utilizaron las técnicas bootstrap (análisis estadístico) con simulación para generar datos de población donde no existían.
El modelado y la simulación se han convertido recientemente en una disciplina académica propia. Antes, quienes trabajaban en este campo solían tener formación en ingeniería.
Las siguientes instituciones ofrecen títulos en Modelado y Simulación:
El Cuerpo de Conocimiento de Modelado y Simulación (M&S BoK) es el dominio de conocimiento (información) y capacidad (competencia) que identifica la comunidad de práctica de modelado y simulación y la profesión, industria y mercado de M&S. [13]
El índice M&S BoK es un conjunto de indicadores que proporcionan puntos de referencia para que el contenido de información temática pueda ser denotado, identificado, accedido y manipulado. [13]
Para garantizar el éxito se deben llevar a cabo y orquestar tres actividades:
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