모델링 및 시뮬레이션

Modeling and simulation

모델링 및 시뮬레이션(M&S)은 관리 또는 기술적 [1][2]의사결정에 사용되는 데이터를 개발하기 위한 시뮬레이션의 기초로 모델(예: 시스템, 실체, 현상 또는 프로세스의 물리적, 수학적 또는 논리적 표현)을 사용하는 것이다.

모델링 및 시뮬레이션의 컴퓨터 응용에서 컴퓨터는 물리적 모델의 주요 매개변수를 포함하는 수학적 모델을 구축하기 위해 사용됩니다.수학적 모델은 물리적 모델을 가상 형태로 나타내며, 관심 있는 실험을 설정하는 조건이 적용됩니다.시뮬레이션이 시작되고(즉, 컴퓨터가 수학적 모델에 대한 이러한 조건의 결과를 계산), 구현에 따라 기계 또는 사람이 읽을 수 있는 형식으로 결과를 출력합니다.

엔지니어링 분야에서의 M&S 활용은 잘 알려져 있습니다.시뮬레이션 기술은 모든 애플리케이션 도메인의 엔지니어 도구 집합에 속하며 엔지니어링 관리 지식 본문에 포함되어 있습니다.M&S는 비용 절감, 제품 및 시스템의 품질 향상, 학습한 교훈의 문서화 및 아카이브에 도움이 됩니다.시뮬레이션의 결과는 기본 모형만큼만 좋기 때문에 엔지니어, 측정 시스템 및 분석가는 시뮬레이션의 구성에 특히 주의를 기울여야 합니다.시뮬레이션 결과를 실제 환경에 적용할 수 있도록 하기 위해 사용자는 구현의 전제, 개념화 및 제약사항을 이해해야 합니다.또한 실제 실험 결과를 사용하여 모델을 업데이트하고 개선할 수 있습니다.M&S는 그 자체로 하나의 학문이다.애플리케이션 도메인이 많기 때문에 M&S는 순수한 애플리케이션이라고 가정하는 경우가 많다.이는 해당되지 않으며 M&S 적용 시 엔지니어링 경영진에 의해 인정되어야 한다.

이러한 수학적 모델과 시뮬레이션을 사용하면 실제 실험을 피할 수 있으며, 이는 비용과 시간이 많이 소요될 수 있다.대신 수학 지식과 계산 능력이 실제 문제를 저렴하고 시간 효율적인 방식으로 해결하기 위해 사용됩니다.따라서 M&S는 실제 환경에서 시스템을 테스트하지 않고도 시스템의 동작을 쉽게 이해할 수 있습니다.예를 들어, 경주용 자동차를 설계하는 동안 트랙션을 가장 개선할 수 있는 스포일러 유형을 결정하기 위해, 차량의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 다양한 스포일러 모양이 회전 시 마찰 계수에 미치는 영향을 추정할 수 있습니다.실제로 자동차를 제작하지 않고도 설계의 다양한 의사결정에 대한 유용한 통찰력을 얻을 수 있습니다.또한 시뮬레이션은 전적으로 소프트웨어 또는 시뮬레이션이 시스템을 나타내거나 실험 목표를 달성하는 데 필요한 데이터를 생성하는 루프 내 인간 환경에서 발생하는 실험을 지원할 수 있습니다.게다가 시뮬레이션을 사용해 가상 환경을 사용하는 사람을 훈련시킬 수 있습니다.이 환경이 없으면 생산하기 어렵거나 비용이 많이 들 수 있습니다.

시뮬레이션에 대한 관심

기술적으로 시뮬레이션은 잘 받아들여지고 있습니다.2006년 미국 국립과학재단(NSF)의 시뮬레이션 기반 엔지니어링 [3]과학 보고서는 시뮬레이션 기술과 방법을 사용해 엔지니어링 과학을 혁신할 가능성을 보여주었다.시뮬레이션 애플리케이션에 대한 관심이 지속적으로 증가하는 이유 중 하나는 다음과 같습니다.

  1. 시뮬레이션을 사용하는 것이 실제 실험을 수행하는 것보다 일반적으로 더 저렴하고 안전하며 때로는 더 윤리적이다.예를 들어 슈퍼컴퓨터는 핵폭발 [4]시 보다 나은 대비태세를 지원하기 위해 핵장치의 폭발과 그 영향을 시뮬레이션하는 데 사용된다.허리케인 및 기타 [5][6][7]자연재해를 시뮬레이션하기 위한 유사한 노력이 수행된다.
    다음 항목도 참조하십시오.허리케인 기상 조사 및 예보 모델
  2. 시뮬레이션은 최종 제품의 운영 애플리케이션 필드에서 발견된 환경 매개변수를 자유롭게 구성할 수 있기 때문에 기존 실험보다 훨씬 더 현실적일 수 있습니다.미 해군의 심해 작전 지원이나 NASA 임무 준비를 위한 인접 행성 표면 시뮬레이션 지원 등이 대표적이다.
  3. 시뮬레이션은 종종 실시간보다 더 빠르게 수행될 수 있습니다.이를 통해 특히 시뮬레이션을 초기화하는 데 필요한 데이터를 운영 데이터에서 쉽게 얻을 수 있는 경우 다양한 대안들의 효율적인 if-then-else 분석에 사용할 수 있다.이러한 시뮬레이션을 사용하면 의사결정 지원 시뮬레이션 시스템이 기존 의사결정 지원 시스템의 도구 상자에 추가됩니다.
  4. 시뮬레이션을 사용하면 최초의 프로토타입 컴포넌트가 혼재된 가상 시스템을 통해 초기 분석 단계에서 시뮬레이션된 시스템을 최종 시스템의 가상 테스트 환경으로 통합할 수 있는 일관된 합성 환경을 구축할 수 있습니다.적절하게 관리하면 시스템을 위한 후속 라이프 사이클 단계에서 개발 및 테스트 영역에서 훈련 및 교육 영역으로 환경을 이행할 수 있습니다(최초의 컴포넌트가 구축되기 전부터 실제 시스템의 가상 트윈을 현실적인 제약 하에 훈련 및 최적화할 수 있는 옵션 포함).

특히 미국 내에서 군사 및 방위 분야는 자금 지원 및 현대 군사 조직에서의 M&S 적용의 형태로 주요 M&S 챔피언이었다. 예를 들어, M&S는 획득/조달 전략의 일부이다.특히, M&S는 군사 시스템의 요건과 훈련에 영향을 미치는 이벤트와 실험을 수행하는 데 사용된다.따라서 M&S는 군사 시스템의 시스템 엔지니어링에 필수적인 부분으로 간주됩니다.그러나 다른 애플리케이션 도메인은 현재 따라잡고 있습니다.의료, 운송 및 기타 산업 분야의 M&S는 향후 [8]몇 년 동안 DoD의 M&S 사용을 빠르게 앞지를 태세입니다.

과학 시뮬레이션

상세 정보:과학적 모델링

모델링과 시뮬레이션은 연구에서 중요하다.실제 시스템을 더 작은 규모의 물리적 재현을 통해 표현하거나 시뮬레이션을 통해 시스템의 역동성을 표현할 수 있는 수학적 모델을 통해 표현하면 종종 불가능하거나 현실 세계에서 너무 위험한 방식으로 시스템 동작을 탐색할 수 있습니다.

모델링이 연구의 기초가 되는 과학적 방법을 확장하는 방법

새로운 분야로서

M&S의 새로운 분야는 시스템 이론, 시스템 엔지니어링, 소프트웨어 엔지니어링, 인공지능 등의 발전뿐만 아니라 다양한 컴퓨터 과학 분야의 발전을 기반으로 하고 있습니다.이 기반은 엔지니어링 관리만큼이나 다양하며, 복잡하고 독특한 방식으로 예술, 엔지니어링 및 과학 요소를 한데 모아 이 문서의 맥락에서 M&S 기술의 적용 또는 개발에 있어 도메인 전문가가 적절한 결정을 내릴 수 있도록 해야 합니다.이 새로운 분야의 다양성과 응용 프로그램 지향적인 특성으로 인해 지원되는 응용 프로그램 도메인 자체가 분리 도메인 간에 반드시 정렬되지 않은 어휘를 이미 보유하고 있다는 문제가 발생할 수 있습니다.M&S 분야의 전문 지식 집단을 구성하는 개념, 용어 및 활동의 포괄적이고 간결한 표현이 필요합니다.다양한 기여자가 있기 때문에 이 프로세스는 아직 [9]진행 중입니다."

Padilla 등은 "Do We Need M&S Science"에서 M&S Science, Engineering 및 [10]Applications를 구별하도록 권장하고 있습니다.

  • M&S 사이언스는 M&S 이론에 기여하여 해당 분야의 학문적 토대를 정의합니다.
  • M&S 엔지니어링은 이론(Theory)에 뿌리를 두고 있지만, 적용 가능한 솔루션 패턴을 찾고 있습니다.초점은 다양한 문제 영역에 적용할 수 있는 일반적인 방법입니다.
  • M&S 어플리케이션은 M&S를 사용한 솔루션에 초점을 맞추어 실제 문제를 해결합니다.대부분의 솔루션은, M&S의 방법이나 이론이 아닌, 문제의 영역에 특유한 것으로, 문제의 영역에 관한 전문 지식으로부터 파생되고 있습니다.

모델은 특정 목표를 달성하기 위해 서로 다른 단위(세밀한 세분화된 모델)로 구성될 수 있습니다. 따라서 모델링 솔루션이라고도 할 수 있습니다.

보다 일반적으로 모델링과 시뮬레이션은 시스템 엔지니어링 활동의 핵심 요소이며, 컴퓨터 판독 가능(및 실행 가능) 모델에서의 시스템 표현은 엔지니어가 시스템(또는 시스템 오브 시스템) 동작을 재현할 수 있도록 하기 때문입니다.에 [11]기재되어 있는 시스템엔지니어링 액티비티를 지원하기 위한 응용 모델링 및 시뮬레이션 방법의 집합.

약학 교육

미국의 약사 부족은 학급 규모와 대학과 약대에서의 위성 및 원격 학습 프로그램의 수를 증가시켰다.이러한 급속한 확장은 기존 임상 실험 [12]현장에 부담을 안겨주었다.ACPE(Accreditation Council on Pharmacy Education)는 APPE(Advanced Pharmacy Practice Experience)를 1440시간 이상 필요로 합니다.APE(APE)의 1440시간 중 ACPE는 첫 3회 사이에 최소 300시간의 입문 약학 실습(Introductory Pharmacy Practice Experience)을 제공해야 합니다.몇 년간의 약학 [13]커리큘럼시뮬레이션 훈련은 학생들에게 교훈적인 지식을 적용하고 체험 현장의 부담을 줄일 수 있는 기회를 제공하기 위한 모델 중 하나일 수 있다.IPPEs에 시뮬레이션을 포함시키는 것은 받아들여지고 있으며, ACPE에 의해 「ACPE의 프로페셔널 학위 프로그램의 인정 정책과 절차」(2010년 1월)에 기술되어 있는 바와 같이 권장되고 있다.부록 1.3 "약국 입문 프랙티스 익스피리언스 시뮬레이션– 2010년 6월 승인"에는 다음과 같이 기재되어 있습니다.

시뮬레이션은 이전에 확립된 정책에 명시된 실제 약국 실무 환경에서 소요된 최소 예상 시간을 대체하거나 대체하기 위해 사용할 수 없습니다.실제 약국 실습 환경에서 대부분의 시간을 넘어 대학과 학교는 시뮬레이션을 사용하여 총 IPPE 시간의 20%(예를 들어 300시간 IPPE 프로그램의 60시간)를 초과할 수 없다.

몇몇 약대 및 학교에서는 시뮬레이션을 핵심 커리큘럼의 일부로 통합했습니다.피츠버그 대학 약학대학에서는 치료법을 강화하기 위해 충실도가 높은 환자 시뮬레이터를 사용합니다.로드 아일랜드 대학 약학대학은 시뮬레이션 프로그램을 약학 및 약화학 과정에 통합했으며, 약학대학으로는 처음으로 충실도가 높은 환자 시뮬레이터를 구입했습니다.일부 약학 대학과 학교에서는 가상 현실 및 전체 환경 시뮬레이션 프로그램을 주최합니다.예를 들어 Purdue University Pharmacy School of Pharmacopeia(USP)와 이 대학의 Imvision Center for Data Perceptization은 USP 797 표준을 준수하는 [14]가상 클린룸을 만들기 위해 미국 약국(USP)과 협력했습니다.

응용 프로그램 도메인

많은 분류가 가능하지만, 다음의 분류법은 국방 분야에서 매우 성공적으로 사용되어 현재 의료 시뮬레이션과 수송 시뮬레이션에도 적용되고 있다.

  • 분석 지원은 계획 및 실험을 지원하기 위해 실시됩니다.대부분의 경우 구현해야 할 최적의 솔루션을 찾는 것이 이러한 노력을 촉진합니다.대안에 대한 what-if 분석도 이 범주에 속합니다.이러한 작업 스타일은 시뮬레이션과 분석가로서의 기술을 모두 갖춘 동시 분석가들에 의해 종종 달성됩니다.이러한 시뮬레이션과 분석가의 혼합은 Kleijnen에서 [citation needed]잘 알려져 있다.
  • 시스템 엔지니어링 지원은 시스템의 조달, 개발 및 테스트에 적용됩니다.이 지원은 초기 단계에서 시작하여 실행 가능한 시스템 아키텍처 등의 토픽을 포함할 수 있습니다.또한 테스트가 실행되는 가상 환경을 제공함으로써 테스트를 지원할 수 있습니다.이러한 작업 스타일은 엔지니어와 건축가에 의해 종종 달성됩니다.
  • 트레이닝 및 교육 지원은 시뮬레이터, 가상 트레이닝 환경 및 중요한 게임을 제공하여 사람들을 훈련 및 교육합니다.이러한 작업 스타일은 컴퓨터 과학자들과 함께 일하는 트레이너들에 의해 종종 달성된다.

분석 지원의 특별한 용도는 지속적인 비즈니스 운영에 적용됩니다.기존에는 의사결정 지원 시스템이 이 기능을 제공합니다.시뮬레이션 시스템은 동적 요소를 추가하여 기능을 개선하고 최적화 및 what-if 분석을 포함한 추정치와 예측을 계산할 수 있습니다.

개개의 개념

상세 정보:개념 모델

「모델링」과 「시뮬레이션」은, M&S를 툴로서 전용하는 분야에서는 동의어로 사용되는 경우가 많지만, M&S 분야에서는, 양쪽 모두 개별적이고도 중요한 개념으로 취급되고 있다.모델링은 현실의 목적적 추상화로 이해되며, 그 결과 개념화의 공식 사양과 기본적인 가정 및 제약이 발생합니다.M&S는 특히 컴퓨터에서 실행 가능한 버전의 구현을 지원하기 위해 사용되는 모델에 관심이 있습니다.시간의 경과에 따른 모델의 실행은 시뮬레이션으로 이해됩니다.모델링은 개념화를 목표로 하지만 시뮬레이션 과제는 주로 구현에 초점을 맞추고 있습니다. 즉, 모델링은 추상화 수준에 있는 반면 시뮬레이션은 구현 수준에 있습니다.

개념화와 구현(모델화와 시뮬레이션)은 상호의존적인 두 가지 활동이지만 개별 개인이 수행할 수 있습니다.잘 연결되어 있는지 확인하기 위해서는 관리 및 엔지니어링 지식과 지침이 필요합니다.시스템 엔지니어링의 엔지니어링 관리 전문가가 시스템 아키텍처에서 캡처한 시스템 설계가 시스템 개발과 일치하는지 확인해야 하는 것과 마찬가지로 이 작업도 구현해야 하는 모델에 대해 동일한 수준의 전문성을 가지고 수행해야 합니다.빅데이터와 분석의 역할이 계속 증가함에 따라 분석의 결합 시뮬레이션의 역할은 가장 단순한 것으로 불리는 또 다른 전문가의 영역입니다. 즉, 의사결정자가 직접 사용할 수 있는 시각화를 통해 알고리즘과 분석 기술을 혼합하는 것입니다.Lee 등이 노동통계국을[15] 위해 설계한 연구는 부트스트랩 기법(통계 분석)이 시뮬레이션과 함께 사용되어 존재하지 않는 모집단 데이터를 생성하는 방법에 대한 흥미로운 정보를 제공한다.

학술 프로그램

모델링과 시뮬레이션은 최근에야 독자적인 학문 분야가 되었습니다.이전에는 현장에서 일하는 사람들은 대개 공학에 대한 경력이 있었다.

모델링 및 시뮬레이션 학위를 제공하는 기관은 다음과 같습니다.

박사 과정
마스터 프로그램
프로페셔널 사이언스 마스터 프로그램
졸업증명서 프로그램
학부 프로그램

모델링 및 시뮬레이션 지식 체계

M&S BoK(Modeling and Simulation Body of Knowledge)는 지식(정보)과 능력(능력)의 영역으로서 실무의 모델링 및 시뮬레이션 커뮤니티와 M&S 전문직, 산업 및 [16]시장을 식별합니다.

M&S BoK 색인은 주제 정보 내용을 표시, 식별, 액세스 및 [16]조작할 수 있도록 핸들을 제공하는 포인터 세트이다.

요약

성공을 보장하려면 다음 세 가지 작업을 수행하고 조정해야 합니다.

  1. 개념화를 공식적으로 포착하는 모델이 생성되어야 한다.
  2. 시뮬레이션은 이 모델을 구현해야 합니다.
  3. 경영진은 모델과 시뮬레이션이 상호 연결되고 현재 상태(일반적으로 시뮬레이션이 변경될 경우 모델도 업데이트되어야 함을 의미)를 확인해야 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Department of Defense INSTRUCTION NUMBER 5000.61: Modeling and Simulation (M&S) Verification, Validation, and Accreditation" (PDF). Department of Defense. 2009-12-09. Archived from the original (PDF) on July 14, 2007.
  2. ^ "Department of Defense DIRECTIVE NUMBER 5000.59: DoD Modeling and Simulation (M&S) Management" (PDF). Department of Defense. 2007-08-08. Archived from the original (PDF) on July 10, 2007.
  3. ^ "Report on Simulation-Based Engineering Science" (PDF). National Science Foundation (NSF) Blue Ribbon Panel. 2006-05-01. Archived (PDF) from the original on 2021-06-07.
  4. ^ George Dvorsky (6 June 2012). "Supercomputer simulates nuclear explosion down to the molecular level". io9. Gawker Media. Archived from the original on 2021-06-07.
  5. ^ "Hurricane Force Supercomputing: Petascale Simulations of Sandy". HPCwire. 15 November 2013. Archived from the original on 2021-06-07.
  6. ^ "NOAA's SciJinks :: Simulate a Hurricane". Archived from the original on 2021-06-07.
  7. ^ "9 Super-Cool Uses for Supercomputers". LiveScience.com. 30 April 2010. Archived from the original on 2021-06-07.
  8. ^ Collins, A.J.; S.R. Shefrey; J. Sokolowski; C.D. Turnitsa; E. Weisel (January 2011). "Modeling and Simulation Standards Study: Healthcare Workshop report". VMASC Report, Suffolk VA.
  9. ^ Tolk, Andreas. "Engineering Management Challenges for Applying Simulation as a Green Technology" (PDF). {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  10. ^ Padilla, Jose; S.Y. Diallo; A. Tolk (October 2011). "Do We Need M&S Science?" (PDF). SCS M&S Magazine (4): 161–166. Archived from the original (PDF) on June 6, 2013. Retrieved July 1, 2012.
  11. ^ Gianni, Daniele; D'Ambrogio, Andrea; Tolk, Andreas, eds. (December 2, 2014). Modeling and Simulation-Based Systems Engineering Handbook (1st ed.). CRC Press. p. 513. ISBN 9781466571457.
  12. ^ Vyas, Deepti; Wombwell, Eric; Russell, Erica; Caligiuri, Frank (2010). "High-Fidelity Patient Simulation Series to Supplement Introductory Pharmacy Practice Experiences". American Journal of Pharmaceutical Education. 74 (9): 169. doi:10.5688/aj7409169. PMC 2996759. PMID 21301603.
  13. ^ "Accreditation Council forPharmacy Education: Policies and Procedures for ACPE Accreditation forProfessional Degree Programs" (PDF). 2011. Archived (PDF) from the original on 2021-06-07. Retrieved July 13, 2013.
  14. ^ 린, K, 트래블로스, D. V., 와델린, J. W., & 블라시스, P. H. (2011년)시뮬레이션 및 입문 약학 실습 경험.미국 약학 교육 저널, 75(10), 209.doi: 10.5688/ajpe7510209
  15. ^ Lee, Hyunshik J.; et al. (2013). "Simulation Study to Validate Sample Allocation for the National Compensation Survey" (PDF). JSM 2013 - Survey Research Methods Section. Bureau of Labor Statistics. Archived from the original (PDF) on 2014-05-04.
  16. ^ a b "Waite, W. (2004) "Foundations '04: A Workshop for VV&A in the 21st Century, Session 10: V&V Education Initiatives". Archived from the original on 2011-09-30. Retrieved 2010-10-15.

추가 정보

  • Springer 출판사는 Simulation Foundations, Methods, and Applications 시리즈[1]를 발행합니다.
  • 최근에 Wiley는 자체 모델링 및 시뮬레이션 시리즈를 시작했습니다[2].

외부 링크

무료 사전인 Wiktionary에서 모델링 및 시뮬레이션을 찾아보세요.
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