Моделирование
-
Определение и классификация моделирования
- Моделирование — это имитация процесса или системы, которые могли бы существовать в реальном мире.
- Моделирование часто используется для оптимизации производительности, разработки систем безопасности, тестирования, обучения и видеоигр.
- Моделирование также применяется в научном моделировании природных и человеческих систем.
-
Типы моделирования
- Физическое моделирование заменяет реальные объекты физическими объектами.
- Интерактивное моделирование включает людей-операторов, например, в авиасимуляторах.
- Непрерывное моделирование использует численное интегрирование дифференциальных уравнений.
- Моделирование дискретных событий изучает системы, состояния которых изменяются в отдельные моменты времени.
- Стохастическое моделирование использует методы Монте-Карло для прогнозирования случайных изменений.
- Детерминированное моделирование использует детерминированные алгоритмы.
- Гибридное моделирование сочетает непрерывное и дискретное моделирование.
- Автономное моделирование выполняется на одной рабочей станции.
- Распределенное моделирование использует несколько компьютеров для доступа к ресурсам.
- Параллельное моделирование ускоряет выполнение за счет распределения нагрузки между процессорами.
- Интероперабельное моделирование позволяет моделям взаимодействовать локально.
- Моделирование и симуляция как услуга предоставляет доступ к симуляции через Интернет.
- Моделирование, совместимая симуляция и серьезные игры интегрируют игровые движки с симуляторами.
-
Точность моделирования
- Точность моделирования подразделяется на низкую, среднюю и высокую.
- Низкий уровень — минимальное моделирование для реакции системы.
- Средний уровень — автоматическая реакция с ограниченной точностью.
- Высокий уровень — почти неразличимая или максимально приближенная к реальной системе.
-
Компьютерное моделирование
- Компьютерное моделирование — это попытка смоделировать реальную или гипотетическую ситуацию на компьютере.
- Изменяя переменные, можно делать прогнозы о поведении системы.
- Компьютерное моделирование используется в физике, химии, биологии, экономике, социальных науках и инженерии.
- Существует множество типов компьютерного моделирования, таких как моделирование методом Монте-Карло и стохастическое моделирование.
-
Моделирование в информатике
- В информатике моделирование используется для изучения операционной семантики.
- Компьютер имитирует исследуемую машину, выполняя таблицу переходов состояний.
-
Использование симуляторов в компьютерной архитектуре
- Симуляторы используются для выполнения программ на неудобных компьютерах или в условиях тестирования.
- Они позволяют программистам контролировать скорость и качество выполнения моделирования.
- Симуляторы также используются для интерпретации деревьев неисправностей и тестирования логических схем.
-
Моделирование в образовании и профессиональной подготовке
- Моделирование используется для обучения в условиях, когда реальное оборудование опасно или дорого.
- Микромиры моделируют абстрактные концепции и упрощенные среды для развития понимания.
- Моделирование управления проектами улучшает усвоение материала и ускоряет учебный процесс.
- Социальное моделирование используется для иллюстрации социальных и политических процессов.
- В военных целях используются виртуальные стрельбища и боевые машины.
-
Виртуальное моделирование
- Виртуальные симуляторы создают имитируемый мир для пользователя.
- Используются различные аппаратные средства ввода и вывода для создания ощущения погружения.
- Исследования в области систем ввода данных открывают перспективы для будущих систем виртуального моделирования.
-
Аппаратное обеспечение для ввода данных
- Используются съемочные костюмы, перчатки, датчики и внешние устройства слежения.
- Айтрекеры и всенаправленные беговые дорожки также применяются.
- Высокоточные приборы, такие как приборные панели, повышают уровень погружения.
-
Аппаратное обеспечение для вывода результатов
- Стационарные дисплеи варьируются от настольных до 360-градусных.
- Дисплеи, устанавливаемые на голову, обеспечивают полное погружение.
- Обычные наушники и тактильные плиточные дисплеи создают дополнительные ощущения.
- Вестибулярные дисплеи имитируют движение и используются в симуляторах вождения и летных тренажерах.
-
Симуляторы клинического здравоохранения
- Медицинские симуляторы используются для обучения терапевтическим и диагностическим процедурам.
- Они также помогают медицинским работникам развивать медицинские концепции и принятие решений.
-
Применение симуляторов в медицине
- Симуляторы используются для обучения различным медицинским процедурам.
- Они важны для создания прототипов новых устройств и исследований.
- Симуляторы применяются для ранней диагностики и разработки новых методов лечения.
-
Типы медицинских симуляторов
- Используются манекены в натуральную величину, реагирующие на инъекции и имитирующие чрезвычайные ситуации.
- Визуальные компоненты воспроизводятся с помощью компьютерной графики, сенсорные — с помощью тактильной обратной связи.
- Часто используется трехмерная компьютерная томография или МРТ-сканирование для повышения реалистичности.
-
Плацебо и безопасность пациентов
- Плацебо-препараты имитируют активные лекарственные средства в испытаниях.
- Безопасность пациентов является важной задачей, так как ошибки руководства приводят к травмам и смертям.
- Моделирование используется для изучения безопасности пациентов и обучения медицинских работников.
-
История моделирования в здравоохранении
- Первые медицинские симуляторы представляли собой простые модели пациентов.
- В 2002 году создано Общество моделирования в здравоохранении (SSH).
- В 2012 году SSH провела две новые сертификации для преподавателей.
-
Типы моделей
- Активные модели воспроизводят живую анатомию или физиологию.
- Интерактивные модели реагируют на действия студентов или врачей.
- Компьютерные тренажеры используются для оценки клинических навыков.
-
Симуляция в сфере развлечений
- Симуляция охватывает кино, телевидение, видеоигры и аттракционы.
- Ранняя история симуляции включает игры-симуляторы и компьютерные игры.
- В 1970-х и 1980-х годах компьютерные изображения использовались в фильмах и играх.
- В 1980-х годах 3D-моделирование получило широкое распространение.
-
Развитие технологий в 1980-х
- Компьютеры стали более доступными и мощными
- Появление игровых консолей, таких как Nintendo Entertainment System (NES)
-
Компьютерные игры в 1990-х
- Популярность игр The Sims и Command & Conquer
- Рост мощности настольных компьютеров
-
Компьютерные симуляторы в 2000-х
- Появление World of Warcraft
- Использование компьютерной графики в фильмах, таких как Jurassic Park и Toy Story
-
Виртуальная кинематография
- Появление виртуальной кинематографии в начале 2000-х
- Примеры: цифровые двойники в «Матрице» и «Властелине колец»
-
Компьютерно-генерируемые изображения
- Использование 3D компьютерной графики для спецэффектов
- Примеры: Finding Nemo, 300, Iron Man
-
Симуляционные игры
- Игры, точно имитирующие окружающую среду
- Примеры: SimCity, Tiger Woods PGA Tour
-
Симуляторы в тематических парках
- Использование симуляторов с 1930-х годов
- Примеры: Star Tours, The Funtastic World of Hanna-Barbera
-
Симуляция в производстве
- Важный инструмент для инженеров
- Примеры: оценка эффективности оборудования, сравнение альтернативных решений
-
Другие примеры симуляции
- Автомобильные симуляторы для обучения и улучшения навыков
- Биомеханические симуляторы для изучения анатомии и медицины
- Городские симуляторы для планирования и анализа
-
Рождественские симуляторы
- Сайты, предлагающие отслеживать Санта-Клауса
- Автоматизированные программы для генерации ответов от Санта-Клауса
-
Класс будущего
- Использование симуляторов в обучении
- Повышение уровня подготовки студентов и врачей
- Симуляторы как часть медицинской практики
-
Спутники связи
- Современные системы спутниковой связи сложны и требуют учета рельефа местности и атмосферных условий.
- Моделирование помогает улучшить понимание системы и обеспечить высокое качество обслуживания.
- Моделирование используется для обучения гражданского и военного персонала.
-
Цифровой жизненный цикл
- Моделирование интегрируется с компьютерными решениями и процессами.
- Использование моделирования на ранних стадиях разработки может принести существенные преимущества.
- Успешное моделирование требует интеграции с CAD, CAM и CAE системами.
-
Готовность к стихийным бедствиям
- Имитационное обучение используется для подготовки к стихийным бедствиям.
- Моделирование позволяет воспроизводить чрезвычайные ситуации и отслеживать реакцию учащихся.
- Примеры организаций, использующих моделирование: CADE, ESP, LERPA.
-
Экономика
- Моделирование в экономике позволяет оценить последствия политических мер.
- Математические модели используются для анализа экономических данных.
-
Проектирование, технологии и процессы
- Моделирование важно в инженерных системах и процессах.
- Физическое и химическое моделирование используется для определения технологических параметров.
- Тренажеры используются для обучения операторов.
-
Эргономика
- Эргономическое моделирование включает анализ виртуальных продуктов и ручных задач.
- Используются антропометрические виртуальные изображения человека для имитации поз и нагрузок.
- Программное обеспечение Ergonomics использует обратную кинематику для настройки DHMS.
-
Эргономическое моделирование
- Анализ сбора твердых отходов
- Задачи управления при стихийных бедствиях
- Интерактивные игры
- Автомобильные сборочные линии
- Виртуальное прототипирование реабилитационных средств
- Аэрокосмический дизайн
-
Финансы
- Сценарное планирование
- Расчет скорректированной чистой текущей стоимости
- Тестирование финансовых теорий и моделей
- Обучение участников в различных ситуациях
-
Полет
- Обучение пилотов вне самолета
- Практические маневры и ситуации
- Экономические и экологические преимущества
- Инженерные летные симуляторы
-
Морской
- Обучение персонала судов
- Симуляторы мостика, машинного отделения, грузообработки, связи и ROV
- Использование в морских колледжах и учебных заведениях
-
Военные
- Моделирование теорий войны
- Политические и социальные факторы
- Использование в военных и политических кругах
-
Сетевые и распределенные системы
- Понимание влияния новых протоколов и алгоритмов
- Оценка различных метрик
- Примеры: сети доставки контента, умные города, интернет вещей
-
Платежные и расчетные системы
- Оценка ликвидности и процедур
- Анализ рисков и стресс-тестирование
- Использование реальных данных и изменение настроек
-
Энергетические системы
- Обучение и анализ управления проектами
- Использование программных инструментов
-
Робототехника
- Создание приложений для роботов
- Быстрое прототипирование
- Использование физических движков
-
Производство
- Изучение влияния улучшений и инвестиций
- Использование статических и динамических моделей
- Популярность дискретного моделирования событий
-
Процесс продаж
- Моделирование потока транзакций
- Улучшение методов и процессов
- Использование компьютерных и образовательных симуляторов
-
Спорт
- Предсказание результатов и производительности
- Использование статистических моделей
- Доступность для всех с навыками программирования
-
Симуляции в спорте
- Accuscore и другие программы предлагают анализ игр и прогнозы.
- Популярны модели для предсказания результатов и индивидуальных показателей игроков.
- Биомеханика использует данные для улучшения тренировок.
-
Симуляции в космической отрасли
- В Космическом центре Кеннеди проводились симуляции для подготовки инженеров.
- Симуляции включали взаимодействие с виртуальными моделями и оборудованием.
- Цели симуляций: демонстрация операций, обучение инженеров, отработка действий в критических ситуациях.
-
Симуляции в спутниковой навигации
- RF Constellation Simulator используется для тестирования GNSS-приемников.
- Симуляции позволяют точно повторять условия и контролировать параметры.
- Для тестирования новых систем, таких как Galileo, альтернативы нет.
-
Симуляции в метеорологии
- Симуляции помогают предсказывать экстремальные погодные условия.
- Используются сложные компьютерные модели для точного прогнозирования.
-
Симуляции в играх
- Стратегические игры могут быть симуляциями для обучения лидеров.
- Видеоигры часто являются симуляторами различных аспектов реальности.
-
Историческое использование
- Слово «симуляция» изначально имело негативные коннотации.
- Со временем связь между симуляцией и обманом ослабла.
-
Другие области применения
- Компьютерные эксперименты, модели «серый ящик», in silico.
- Симуляции используются в различных областях, таких как вычислительная астрофизика, химия, физика и другие.