Modelado y simulación

El modelado y la simulación ( M&S ) consisten en el uso de modelos (por ejemplo, representaciones físicas , matemáticas, conductuales o lógicas de un sistema , entidad, fenómeno o proceso) como base para simulaciones con el fin de generar datos utilizados para la toma de decisiones gerenciales o técnicas . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En la aplicación informática del modelado y la simulación, se utiliza un ordenador para construir un modelo matemático que contiene los parámetros clave del modelo físico. El modelo matemático representa el modelo físico de 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 por máquina o por humanos, según la implementación. ^{[ 3 ]}

El uso de la modelización y simulación (M&S) en ingeniería está ampliamente reconocido. La tecnología de simulación forma parte del conjunto de herramientas de los ingenieros de todos los ámbitos de aplicación y se ha incorporado al cuerpo de conocimientos de la gestión de ingeniería . La M&S ayuda a reducir costes , aumentar la calidad de productos y sistemas, y documentar y archivar las lecciones aprendidas. Dado que los resultados de una simulación dependen de la calidad del 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 las suposiciones, conceptualizaciones y limitaciones de su implementación. Además, los modelos pueden actualizarse y mejorarse utilizando los resultados de experimentos reales. La M&S es una disciplina en sí misma. Sus múltiples ámbitos de aplicación suelen llevar a la suposición de que la M&S es una aplicación pura. Esto no es así y la gestión de ingeniería debe reconocerlo en la aplicación de la M&S.

El uso de modelos y simulaciones matemáticas evita la experimentación real, que puede ser costosa y consumir mucho tiempo. En su lugar, se utilizan conocimientos matemáticos y capacidad computacional para resolver problemas del mundo real de forma económica y eficiente. De este modo, los modelos y simulaciones facilitan la comprensión del comportamiento de un sistema sin necesidad de probarlo en condiciones reales. 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 para estimar el efecto de diferentes formas de alerón en el coeficiente de fricción en una curva. Se podrían obtener valiosas conclusiones sobre las distintas decisiones de diseño sin necesidad de construir el coche. Además, la simulación puede respaldar la experimentación que se realiza completamente mediante software o en entornos con interacción humana, donde la simulación representa sistemas o genera los datos necesarios para alcanzar los objetivos del experimento. Asimismo, la simulación puede utilizarse para capacitar a personas mediante un entorno virtual que, de otro modo, sería difícil o costoso de producir.

Técnicamente, la simulación está ampliamente aceptada. El informe de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de 2006 sobre "Ciencia de la ingeniería basada en la simulación" ^{[ 4 ]} demostró el potencial del uso de 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:

1. El uso de simulaciones suele ser más económico, seguro y, en ocasiones, más ético que la realización de experimentos reales. Por ejemplo, a veces se utilizan supercomputadoras para simular la detonación de dispositivos nucleares y sus efectos con el fin de mejorar la preparación ante una posible explosión nuclear . ^{[ 5 ]} Se realizan esfuerzos similares para simular huracanes y otras catástrofes naturales. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}
2. Las simulaciones suelen ser incluso más realistas que los experimentos tradicionales, ya que permiten configurar libremente el rango realista de parámetros ambientales presentes en el ámbito de aplicación operativa del producto final. Algunos ejemplos son el apoyo a las operaciones en aguas profundas de la Armada de los Estados Unidos o la simulación de la superficie de planetas vecinos en preparación para las misiones de la NASA .
3. Las simulaciones suelen realizarse más rápido que en tiempo real . Esto permite utilizarlas para análisis condicionales eficientes de diferentes alternativas, especialmente cuando los datos necesarios para inicializar la simulación se pueden obtener fácilmente a partir de datos operativos. Este uso de la simulación incorpora sistemas de simulación para la toma de decisiones al conjunto de herramientas de los sistemas tradicionales de apoyo a la toma de decisiones .
4. Las simulaciones permiten configurar un entorno sintético coherente que posibilita la integración de sistemas simulados en la fase inicial de análisis, mediante sistemas virtuales mixtos con componentes prototípicos iniciales, en un entorno de prueba virtual para el sistema final. Si se gestiona correctamente, el entorno puede migrarse del ámbito de desarrollo y pruebas al de formación y educación en fases posteriores del ciclo de vida de los sistemas (incluida la opción de entrenar y optimizar un gemelo virtual del sistema real bajo restricciones realistas incluso antes de la construcción de los primeros componentes).

El ámbito militar y de defensa, en particular en Estados Unidos, ha sido el principal impulsor de la modelización y simulación (M&S), tanto en financiación como en aplicación. Por ejemplo, en las organizaciones militares modernas , la M&S forma parte de la estrategia de adquisición . Específicamente, se utiliza para realizar eventos y experimentos que influyen en los requisitos y el entrenamiento de los sistemas militares. Por ello, la M&S se considera una parte integral de la ingeniería de sistemas militares. Sin embargo, otros ámbitos de aplicación están poniéndose al día. Se prevé que la M&S en los campos de la medicina, el transporte y otras industrias supere rápidamente el uso que hace el Departamento de Defensa en los próximos años, si es que no ha sucedido ya. ^{[ 9 ]}

El modelado y la simulación son fundamentales 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 a través de la simulación, permite explorar el comportamiento del sistema de forma articulada, algo que a menudo no es posible o resulta demasiado arriesgado en el mundo real.

La disciplina emergente de modelado y simulación (M&S) se basa en avances en diversas áreas de la informática y está influenciada por 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 tomar decisiones apropiadas en lo que respecta a la aplicación o el desarrollo de la tecnología M&S en el contexto de este documento. La diversidad y la naturaleza orientada a la aplicación de esta nueva disciplina a veces plantean el desafío de que los dominios de aplicación admitidos ya cuentan con vocabularios establecidos que no necesariamente están alineados entre dominios disyuntivos. Se necesita una representación completa y concisa de conceptos, términos y actividades que conformen un Cuerpo de Conocimiento profesional para la disciplina M&S. Debido a la amplia variedad de colaboradores, este proceso aún está en curso. ^{[ 10 ]}

Padilla et al. recomiendan en "¿Necesitamos ciencia de modelado y simulación?" distinguir entre ciencia, ingeniería y aplicaciones de modelado y simulación. ^{[ 11 ]}

• La ciencia de los modelos y simulaciones contribuye a la teoría de los modelos y simulaciones, definiendo los fundamentos académicos de la disciplina.
• M&S Engineering se basa en la teoría, pero busca patrones de solución aplicables. Se centra en métodos generales que pueden aplicarse a diversos ámbitos problemáticos.
• Las aplicaciones de modelado y simulación (M&S) resuelven problemas del mundo real centrándose en soluciones que utilizan M&S. A menudo, la solución surge de la aplicación de un método, pero muchas soluciones son muy específicas del dominio del problema y se derivan del conocimiento especializado de dicho dominio, y no de ninguna teoría o método general de M&S.

Los modelos pueden estar compuestos de diferentes unidades (modelos con mayor nivel de detalle) vinculadas para lograr un objetivo específico; por esta razón, también se les puede llamar soluciones de modelado .

En términos más generales, el modelado y la simulación son fundamentales 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 sistemas de sistemas). En ^{[ 12 ] se proporciona una colección de métodos de modelado y simulación aplicables para apoyar las actividades de ingeniería de sistemas.}

Los diversos aspectos de la profesión de modelado y simulación se recopilaron en un libro. ^{[ 13 ]}

Existen muchas categorizaciones posibles, pero la siguiente taxonomía se ha utilizado con mucho éxito en el ámbito de la defensa y actualmente también se aplica a la simulación médica y a la simulación de transporte .

• El soporte para análisis se brinda para la planificación y la experimentación. Con frecuencia, la búsqueda de la solución óptima para su implementación impulsa estos esfuerzos. Los análisis de escenarios hipotéticos también se incluyen en esta categoría. Este tipo de trabajo suele ser realizado por especialistas en simulación, quienes poseen habilidades tanto en simulación como en análisis. Esta combinación de simulación y análisis es bien conocida en Kleijnen.
• El soporte de ingeniería de sistemas se aplica a la adquisición, el desarrollo y las pruebas de sistemas. Este soporte puede comenzar en fases iniciales e incluir temas como arquitecturas de sistemas ejecutables, y puede brindar apoyo a las pruebas proporcionando un entorno virtual para su realización. Este tipo de trabajo suele ser llevado a cabo por ingenieros y arquitectos.
• El servicio de apoyo a la formación y la educación proporciona simuladores, entornos de formación virtual y juegos serios para capacitar y educar a las personas. Este tipo de trabajo suele realizarse mediante la colaboración entre formadores y científicos informáticos.

El soporte para análisis se aplica de forma especial a las operaciones comerciales en curso. Tradicionalmente, los sistemas de apoyo a la toma de decisiones ofrecen esta funcionalidad. Los sistemas de simulación mejoran su funcionalidad al incorporar el elemento dinámico y permiten calcular estimaciones y predicciones, incluyendo optimización y análisis de escenarios hipotéticos.

Aunque los términos «modelado» y «simulación» se utilizan a menudo como sinónimos en disciplinas que aplican el modelado y la simulación (M&S) exclusivamente como herramienta, en el ámbito del M&S ambos se consideran conceptos individuales e igualmente importantes. El modelado se entiende como la abstracción intencionada de la realidad, que da como resultado la especificación formal de una conceptualización y sus supuestos y restricciones subyacentes. El M&S se interesa particularmente en los modelos que se utilizan para apoyar la implementación de una versión ejecutable en un ordenador. La ejecución de un modelo a lo largo del tiempo se entiende como simulación. Mientras que el modelado se centra en la conceptualización , los desafíos de la simulación se centran principalmente en la implementación ; en otras palabras, el modelado se sitúa en el nivel de abstracción, mientras que la simulación se sitúa en el nivel de implementación.

La conceptualización y la implementación —modelado y simulación— son dos actividades interdependientes, pero que pueden ser realizadas por personas distintas. Se requieren conocimientos y directrices de gestión e ingeniería para asegurar su correcta conexión. Al igual que un profesional de la gestión de ingeniería en ingeniería de sistemas debe garantizar que el diseño del sistema plasmado en la arquitectura del sistema esté alineado con el desarrollo del sistema, esta tarea debe llevarse a cabo con el mismo nivel de profesionalismo para el modelo que se va a implementar. A medida que el papel del big data y la analítica sigue creciendo, la simulación combinada de análisis se convierte en un ámbito de otro profesional, denominado analista, cuyo objetivo es combinar técnicas algorítmicas y analíticas mediante visualizaciones disponibles directamente para quienes toman las decisiones. Un estudio diseñado para la Oficina de Estadísticas Laborales ^{[ 14 ]} por Lee et al. ofrece una perspectiva interesante sobre cómo se utilizaron técnicas de 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 independiente. Anteriormente, quienes trabajaban en este campo solían tener formación en ingeniería.

Las siguientes instituciones ofrecen titulaciones en Modelado y Simulación:

Programas de doctorado

• Universidad de Pensilvania (Filadelfia, PA)
• Universidad Old Dominion (Norfolk, Virginia)
• Universidad de Alabama en Huntsville (Huntsville, AL)
• Universidad de Florida Central (Orlando, FL)
• Escuela Naval de Posgrado (Monterey, California)
• Universidad de Génova (Génova, Italia)

Programas de maestría

• Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Pakistán (Islamabad, Pakistán)
• Universidad Estatal de Arizona (Tempe, AZ)
• Universidad Old Dominion (Norfolk, Virginia)
• Universidad de Florida Central (Orlando, FL)
• La Universidad de Alabama en Huntsville (Huntsville, AL)
• Universidad Técnica de Oriente Medio (Ankara, Turquía)
• Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia)
• Escuela Naval de Posgrado (Monterey, California)
• Departamento de Computación Científica, Modelado y Simulación (Máster en Tecnología (Modelado y Simulación)) (Universidad Savitribai Phule Pune, India)
• Universidad Estatal de Columbus (Columbus, GA)
• Universidad Purdue Calumet (Hammond, Indiana)
• Universidad Tecnológica de Delft (Delft, Países Bajos)
• Universidad de Génova (Génova, Italia)
• Universidad de Ciencias Aplicadas de Hamburgo (Hamburgo, Alemania)

Programas de maestría en ciencias profesionales

• Universidad de Florida Central (Orlando, FL)

Programas de Certificado de Posgrado

• Ciencias de los Sistemas de la Universidad Estatal de Portland
• Universidad Estatal de Columbus (Columbus, GA)
• La Universidad de Alabama en Huntsville (Huntsville, AL)

Programas de pregrado

• Universidad Old Dominion (Norfolk, Virginia)
• Instituto Ghulam Ishaq Khan de Ciencias e Ingeniería Tecnológica (Swabi, Pakistán)

El Cuerpo de Conocimientos de Modelado y Simulación (M&S BoK) es el dominio de conocimiento (información) y capacidad (competencia) que identifica a la comunidad de práctica de modelado y simulación y a la profesión, industria y mercado de M&S. ^{[ 15 ]}

El índice M&S BoK es un conjunto de punteros que proporcionan identificadores para que el contenido de la información del tema pueda ser denotado, identificado, accedido y manipulado. ^{[ 15 ]}

El presidente de la Sociedad Internacional de Modelado y Simulación (SCS) encargó a tres miembros de la SCS —Tuncer Ören, Bernard P. Zeigler y Andreas Tolk— la recopilación del M&S BoK en un libro. El proyecto se finalizó en 2022 y el libro fue publicado por Springer Nature en su serie sobre Fundamentos, Métodos y Aplicaciones de la Simulación: ^{[ 16 ]}

Para garantizar el éxito, es necesario llevar a cabo y coordinar tres actividades:

1. Se debe producir un modelo que capture formalmente la conceptualización,
2. una simulación debe implementar este modelo, y
3. La dirección debe asegurarse de que el modelo y la simulación estén interconectados y actualizados (lo que significa que, normalmente, el modelo debe actualizarse si la simulación también cambia).

• Máster en Ciencias, Universidad Purdue Calumet. "Modelado, simulación y visualización" . Consultado el 8 de octubre de 2014 .{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )

• La editorial Springer Publishing House publica la serie Fundamentos, métodos y aplicaciones de la simulación..
• Recientemente, Wiley inició su propia serie sobre modelado y simulación. ^{[ 1 ]}

• Oficina de Coordinación de Modelado y Simulación (M&SCO) del Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD)
• Conferencia Mundial MODSIM
• Sociedad para el Modelado y la Simulación
• Grupo de Interés Especial (SIG) sobre Simulación y Modelado (SIM) de la Asociación para la Maquinaria Informática (ACM)
• Grupo parlamentario de modelado y simulación del Congreso de los Estados Unidos
• Ejemplo de un índice M&S BoK desarrollado por Tuncer Ören.
• Entorno colaborativo SimSummit compatible con M&S BoK