Simulação - Simulation

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Uma simulação é a imitação da operação de um processo ou sistema do mundo real ao longo do tempo. As simulações requerem o uso de modelos ; o modelo representa as principais características ou comportamentos do sistema ou processo selecionado, enquanto a simulação representa a evolução do modelo ao longo do tempo. Freqüentemente, os computadores são usados ​​para executar a simulação .

A simulação é usada em muitos contextos, como simulação de tecnologia para ajuste ou otimização de desempenho , engenharia de segurança , testes, treinamento, educação e videogames. A simulação também é usada com a modelagem científica de sistemas naturais ou humanos para obter uma visão sobre seu funcionamento, como na economia. A simulação pode ser usada para mostrar os eventuais efeitos reais de condições alternativas e cursos de ação. A simulação também é usada quando o sistema real não pode ser acionado, porque pode não estar acessível ou pode ser perigoso ou inaceitável de ser acionado, ou está sendo projetado, mas ainda não foi construído, ou pode simplesmente não existir.

As principais questões na modelagem e simulação incluem a aquisição de fontes válidas de informação sobre a seleção relevante de características e comportamentos chave usados ​​para construir o modelo, o uso de aproximações e suposições simplificadas dentro do modelo e a fidelidade e validade dos resultados da simulação. Procedimentos e protocolos para verificação e validação de modelos são um campo contínuo de estudo acadêmico, refinamento, pesquisa e desenvolvimento em tecnologia ou prática de simulações, particularmente no trabalho de simulação computacional.

Classificação e terminologia

Historicamente, as simulações usadas em diferentes campos desenvolveram-se amplamente de forma independente, mas os estudos do século 20 da teoria dos sistemas e da cibernética combinados com a disseminação do uso de computadores em todos esses campos levaram a alguma unificação e a uma visão mais sistemática do conceito.

Simulação física refere-se à simulação na qual objetos físicos são substituídos por objetos reais (alguns círculos usam o termo para simulações de computador que modelam leis físicas selecionadas, mas este artigo não). Esses objetos físicos são frequentemente escolhidos porque são menores ou mais baratos do que o objeto ou sistema real.

A simulação interativa é um tipo especial de simulação física, muitas vezes referida como simulação humana no circuito , na qual as simulações físicas incluem operadores humanos, como em um simulador de vôo , simulador de vela ou simulador de direção .

A simulação contínua é uma simulação baseada em tempo contínuo em vez de etapas de tempo discreto , usando integração numérica de equações diferenciais .

A simulação de eventos discretos estuda sistemas cujos estados mudam seus valores apenas em momentos discretos. Por exemplo, a simulação de uma epidemia pode alterar o número de pessoas infectadas nos momentos em que os indivíduos suscetíveis são infectados ou quando os indivíduos infectados se recuperam.

A simulação estocástica é uma simulação onde alguma variável ou processo está sujeito a variações aleatórias e é projetada usandotécnicas de Monte Carlo usando números pseudo-aleatórios. Assim, execuções replicadas com as mesmas condições de contorno produzirão, cada uma, resultados diferentes dentro de uma banda de confiança específica.

A simulação determinística é uma simulação que não é estocástica: portanto, as variáveis ​​são reguladas por algoritmos determinísticos. Portanto, execuções replicadas a partir das mesmas condições de contorno sempre produzem resultados idênticos.

A simulação híbrida (ou simulação combinada) corresponde a uma mistura entre simulação de eventos contínuos e discretos e resulta na integração numericamente das equações diferenciais entre dois eventos sequenciais para reduzir o número de descontinuidades.

Uma simulação autônoma é uma simulação em execução em uma única estação de trabalho.

UMA simulação distribuída é aquela que usa mais de um computador simultaneamente, para garantir o acesso de / para diferentes recursos (por exemplo, multiusuários operando sistemas diferentes ou conjuntos de dados distribuídos); um exemplo clássico é asimulação interativa distribuída(DIS).

A simulação paralela acelera a execução de uma simulação, distribuindo simultaneamente sua carga de trabalho por vários processadores, como na computação de alto desempenho .

A simulação interoperável é onde vários modelos, simuladores (geralmente definidos como federados) interoperam localmente, distribuídos em uma rede; um exemplo clássico é a arquitetura de alto nível .

A modelagem e simulação como um serviço é onde a simulação é acessada como um serviço pela web.

Modelagem, simulação interoperável e jogos sérios é onde as abordagens de jogos sérios (por exemplo, motores de jogo e métodos de engajamento) são integrados à simulação interoperável.

A fidelidade da simulação é usada para descrever a precisão de uma simulação e quão próximo ela imita a sua contraparte da vida real. A fidelidade é amplamente classificada em uma das três categorias: baixa, média e alta. Descrições específicas dos níveis de fidelidade estão sujeitas a interpretação, mas as seguintes generalizações podem ser feitas:

• Baixo - a simulação mínima necessária para um sistema responder para aceitar entradas e fornecer saídas
• Médio - responde automaticamente a estímulos, com precisão limitada
• Alto - quase indistinguível ou o mais próximo possível do sistema real

Um ambiente sintético é uma simulação de computador que pode ser incluída em simulações de humano em loop.

Simulação em análise de falha refere-se à simulação na qual criamos ambiente / condições para identificar a causa da falha do equipamento. Esse pode ser o método melhor e mais rápido para identificar a causa da falha.

Simulação de computador

Uma simulação de computador (ou "sim") é uma tentativa de modelar uma situação da vida real ou hipotética em um computador para que possa ser estudada para ver como o sistema funciona. Ao alterar as variáveis ​​na simulação, as previsões podem ser feitas sobre o comportamento do sistema. É uma ferramenta para investigar virtualmente o comportamento do sistema em estudo.

A simulação por computador tornou-se uma parte útil da modelagem de muitos sistemas naturais em física , química e biologia , e sistemas humanos em economia e ciências sociais (por exemplo, sociologia computacional ), bem como na engenharia para obter uma visão sobre a operação desses sistemas. Um bom exemplo da utilidade do uso de computadores para simular pode ser encontrado no campo da simulação de tráfego de rede . Nessas simulações, o comportamento do modelo mudará a cada simulação de acordo com o conjunto de parâmetros iniciais assumidos para o ambiente.

Tradicionalmente, a modelagem formal de sistemas tem se dado por meio de um modelo matemático , que busca encontrar soluções analíticas que possibilitem a previsão do comportamento do sistema a partir de um conjunto de parâmetros e condições iniciais. A simulação por computador é freqüentemente usada como um complemento ou substituição de sistemas de modelagem para os quais soluções analíticas simples de forma fechada não são possíveis. Existem muitos tipos diferentes de simulação de computador; a característica comum que todos compartilham é a tentativa de gerar uma amostra de cenários representativos para um modelo em que uma enumeração completa de todos os estados possíveis seria proibitiva ou impossível.

Existem vários pacotes de software para executar a modelagem de simulação baseada em computador (por exemplo , simulação de Monte Carlo , modelagem estocástica , modelagem multimétodo) que torna toda a modelagem quase sem esforço.

O uso moderno do termo "simulação de computador" pode abranger virtualmente qualquer representação baseada em computador.

Ciência da Computação

Na ciência da computação , simulação tem alguns significados especializados: Alan Turing usou o termo simulação para se referir ao que acontece quando uma máquina universal executa uma tabela de transição de estado (na terminologia moderna, um computador executa um programa) que descreve as transições de estado, entradas e saídas de uma máquina de estado discreto sujeito. O computador simula a máquina do assunto. Assim, em ciência da computação teórica, o termo simulação é uma relação entre sistemas de transição de estado , útil no estudo da semântica operacional .

Menos teoricamente, uma aplicação interessante de simulação de computador é simular computadores usando computadores. Na arquitetura de computador , um tipo de simulador, normalmente chamado de emulador , é freqüentemente usado para executar um programa que deve ser executado em algum tipo de computador inconveniente (por exemplo, um computador recém-projetado que ainda não foi construído ou um computador obsoleto que não está mais disponível) ou em um ambiente de teste rigidamente controlado (consulte Simulador de arquitetura de computador e virtualização de plataforma ). Por exemplo, simuladores têm sido usados ​​para depurar um microprograma ou, às vezes, programas de aplicativos comerciais, antes que o programa seja baixado para a máquina de destino. Como a operação do computador é simulada, todas as informações sobre a operação do computador estão diretamente disponíveis para o programador, e a velocidade e execução da simulação podem ser variadas à vontade.

Simuladores também podem ser usados ​​para interpretar árvores de falhas ou testar projetos lógicos VLSI antes de serem construídos. A simulação simbólica usa variáveis ​​para representar valores desconhecidos.

No campo da otimização , as simulações de processos físicos são frequentemente usadas em conjunto com a computação evolutiva para otimizar as estratégias de controle.

Simulação em educação e treinamento

A simulação é amplamente utilizada para fins educacionais. É usado para casos em que é proibitivamente caro ou simplesmente muito perigoso permitir que os trainees usem o equipamento real no mundo real. Em tais situações, eles passarão o tempo aprendendo lições valiosas em um ambiente virtual "seguro", mas vivendo uma experiência real (ou pelo menos é o objetivo). Freqüentemente, a conveniência é permitir erros durante o treinamento de um sistema crítico para a segurança.

Simulações na educação são como simulações de treinamento. Eles se concentram em tarefas específicas. O termo 'micromundo' é usado para se referir a simulações educacionais que modelam algum conceito abstrato ao invés de simular um objeto ou ambiente realista, ou em alguns casos modelam um ambiente do mundo real de uma forma simplista, de modo a ajudar o aluno a desenvolver uma compreensão de os conceitos-chave. Normalmente, um usuário pode criar algum tipo de construção dentro do micromundo que se comportará de uma maneira consistente com os conceitos que estão sendo modelados. Seymour Papert foi um dos primeiros a defender o valor dos micromundos, e o ambiente de programação Logo desenvolvido por Papert é um dos micromundos mais conhecidos.

A simulação de gerenciamento de projetos é cada vez mais usada para treinar estudantes e profissionais na arte e na ciência do gerenciamento de projetos. O uso de simulação para treinamento em gerenciamento de projetos melhora a retenção do aprendizado e aprimora o processo de aprendizado.

Simulações sociais podem ser usadas em salas de aula de ciências sociais para ilustrar processos sociais e políticos em cursos de antropologia, economia, história, ciências políticas ou sociologia, geralmente no ensino médio ou na universidade. Podem, por exemplo, assumir a forma de simulações cívicas, nas quais os participantes assumem papéis em uma sociedade simulada, ou simulações de relações internacionais nas quais os participantes se envolvem em negociações, formação de alianças, comércio, diplomacia e uso da força. Essas simulações podem ser baseadas em sistemas políticos fictícios ou em eventos atuais ou históricos. Um exemplo deste último seria Barnard College 's Reagindo ao passado série de jogos educativos históricos. A National Science Foundation também apoiou a criação de jogos reativos que abordam o ensino de ciências e matemática. Em simulações de mídia social, os participantes treinam a comunicação com os críticos e outras partes interessadas em um ambiente privado.

Nos últimos anos, tem havido um uso crescente de simulações sociais para treinamento de pessoal em agências de ajuda e desenvolvimento. A simulação Carana, por exemplo, foi desenvolvida pela primeira vez pelo Programa de Desenvolvimento das Nações Unidas e agora é usada de uma forma bastante revisada pelo Banco Mundial para treinar equipes para lidar com países frágeis e afetados por conflitos.

Os usos militares para simulação geralmente envolvem aeronaves ou veículos blindados de combate, mas também podem ter como alvo o treinamento de armas pequenas e outros sistemas de armas. Especificamente, os alcances virtuais de armas de fogo se tornaram a norma na maioria dos processos de treinamento militar e há uma quantidade significativa de dados que sugerem que esta é uma ferramenta útil para profissionais armados.

Simulação virtual

Uma simulação virtual é uma categoria de simulação que usa equipamentos de simulação para criar um mundo simulado para o usuário. As simulações virtuais permitem que os usuários interajam com um mundo virtual . Os mundos virtuais operam em plataformas de software integrado e componentes de hardware. Desta forma, o sistema pode aceitar entrada do usuário (por exemplo, rastreamento corporal, reconhecimento de voz / som, controladores físicos) e produzir saída para o usuário (por exemplo, exibição visual, exibição aural, exibição tátil). As simulações virtuais usam os modos de interação mencionados acima para produzir uma sensação de imersão para o usuário.

Hardware de entrada de simulação virtual

Há uma grande variedade de hardware de entrada disponível para aceitar a entrada do usuário para simulações virtuais. A lista a seguir descreve brevemente vários deles:

• Rastreamento do corpo : O método de captura de movimento é freqüentemente usado para registrar os movimentos do usuário e traduzir os dados capturados em entradas para a simulação virtual. Por exemplo, se um usuário virar fisicamente a cabeça, o movimento seria capturado pelo hardware de simulação de alguma forma e traduzido para uma mudança de visão correspondente dentro da simulação.
  • Trajes de captura e / ou luvas podem ser usados ​​para capturar movimentos de partes do corpo do usuário. Os sistemas podem ter sensores incorporados dentro deles para detectar movimentos de diferentes partes do corpo (por exemplo, dedos). Alternativamente, esses sistemas podem ter dispositivos de rastreamento externos ou marcas que podem ser detectadas por ultrassom externo, receptores ópticos ou sensores eletromagnéticos. Sensores inerciais internos também estão disponíveis em alguns sistemas. As unidades podem transmitir dados sem fio ou por meio de cabos.
  • Rastreadores oculares também podem ser usados ​​para detectar movimentos oculares, de forma que o sistema possa determinar com precisão para onde um usuário está olhando em um determinado instante.
• Controladores físicos : os controladores físicos fornecem dados para a simulação apenas por meio de manipulação direta pelo usuário. Em simulações virtuais, o feedback tátil de controladores físicos é altamente desejável em vários ambientes de simulação.
  • As esteiras omnidirecionais podem ser usadas para capturar a locomoção do usuário enquanto caminha ou corre.
  • Instrumentação de alta fidelidade, como painéis de instrumentos em cockpits virtuais de aeronaves, fornece aos usuários controles reais para aumentar o nível de imersão. Por exemplo, os pilotos podem usar os controles reais do sistema de posicionamento global do dispositivo real em um cockpit simulado para ajudá-los a praticar procedimentos com o dispositivo real no contexto do sistema de cockpit integrado.
• Reconhecimento de voz / som : esta forma de interação pode ser usada para interagir com agentes dentro da simulação (por exemplo, pessoas virtuais) ou para manipular objetos na simulação (por exemplo, informações). A interação de voz provavelmente aumenta o nível de imersão do usuário.
  • Os usuários podem usar fones de ouvido com microfones de haste, microfones de lapela ou a sala pode estar equipada com microfones estrategicamente localizados.

Pesquisa atual sobre sistemas de entrada do usuário

A pesquisa em futuros sistemas de entrada é muito promissora para simulações virtuais. Sistemas como as interfaces cérebro-computador (BCIs) oferecem a capacidade de aumentar ainda mais o nível de imersão para usuários de simulação virtual. Lee, Keinrath, Scherer, Bischof, Pfurtscheller provaram que indivíduos ingênuos podiam ser treinados para usar um BCI para navegar em um apartamento virtual com relativa facilidade. Usando o BCI, os autores descobriram que os indivíduos eram capazes de navegar livremente no ambiente virtual com esforço relativamente mínimo. É possível que esses tipos de sistemas se tornem modalidades de entrada padrão em futuros sistemas de simulação virtual.

Hardware de simulação virtual de saída

Há uma grande variedade de hardware de saída disponível para fornecer um estímulo aos usuários em simulações virtuais. A lista a seguir descreve brevemente vários deles:

• Exibição visual : exibições visuais fornecem o estímulo visual para o usuário.
  • Os monitores fixos podem variar de um monitor de desktop convencional a telas envolventes de 360 ​​graus e telas tridimensionais estéreo. Os monitores de mesa convencionais podem variar em tamanho de 15 a 60 polegadas (380 a 1.520 mm). Wrap around screens é normalmente usado no que é conhecido como um ambiente virtual automático de caverna (CAVE). Telas tridimensionais estéreo produzem imagens tridimensionais com ou sem óculos especiais - dependendo do design.
  • Os visores tipo head-mounted (HMDs) têm pequenos visores que são montados no capacete usado pelo usuário. Esses sistemas são conectados diretamente à simulação virtual para fornecer ao usuário uma experiência mais envolvente. Peso, taxas de atualização e campo de visão são algumas das principais variáveis ​​que diferenciam os HMDs. Naturalmente, HMDs mais pesados ​​são indesejáveis, pois causam fadiga ao longo do tempo. Se a taxa de atualização for muito lenta, o sistema não será capaz de atualizar as telas com rapidez suficiente para corresponder a um giro rápido da cabeça do usuário. Taxas de atualização mais lentas tendem a causar problemas de simulação e interromper a sensação de imersão. O campo de visão ou a extensão angular do mundo que é visto em um determinado momento, o campo de visão pode variar de sistema para sistema e pode afetar a sensação de imersão do usuário.
• Visor auditivo: Existem vários tipos diferentes de sistemas de áudio para ajudar o usuário a ouvir e localizar sons espacialmente. Um software especial pode ser usado para produzir efeitos de áudio 3D em áudio 3D para criar a ilusão de que as fontes de som são colocadas dentro de um espaço tridimensional definido ao redor do usuário.
  • Os sistemas de alto-falantes convencionais fixos podem ser usados ​​para fornecer som surround duplo ou multicanal. No entanto, os alto-falantes externos não são tão eficazes quanto os fones de ouvido na produção de efeitos de áudio 3D.
  • Os fones de ouvido convencionais oferecem uma alternativa portátil aos alto-falantes fixos. Eles também têm as vantagens adicionais de mascarar o ruído do mundo real e facilitar efeitos sonoros de áudio 3D mais eficazes.
• Visor tátil : esses visores fornecem uma sensação de toque ao usuário ( tecnologia tátil ). Esse tipo de saída às vezes é conhecido como feedback de força.
  • Os visores táteis usam diferentes tipos de atuadores, como bexigas infláveis, vibradores, subwoofers de baixa frequência, atuadores de pino e / ou termo-atuadores para produzir sensações para o usuário.
  • Os monitores finalizadores podem responder às entradas do usuário com resistência e força. Esses sistemas são frequentemente usados ​​em aplicações médicas para cirurgias remotas que empregam instrumentos robóticos.
• Visor vestibular : Esses visores fornecem uma sensação de movimento ao usuário ( simulador de movimento ). Eles geralmente se manifestam como bases de movimento para simulação de veículo virtual, como simuladores de direção ou simuladores de vôo. As bases de movimento são fixas no lugar, mas usam atuadores para mover o simulador de maneiras que podem produzir as sensações de pitch, yawing ou roll. Os simuladores também podem se mover de forma a produzir uma sensação de aceleração em todos os eixos (por exemplo, a base de movimento pode produzir a sensação de queda).

Simuladores de saúde clínica

Os simuladores de saúde clínica estão cada vez mais sendo desenvolvidos e implantados para ensinar procedimentos terapêuticos e diagnósticos, bem como conceitos médicos e tomada de decisão para profissionais de saúde. Os simuladores foram desenvolvidos para procedimentos de treinamento que vão desde o básico, como coleta de sangue , até cirurgia laparoscópica e tratamento de traumas. Eles também são importantes para ajudar na criação de protótipos de novos dispositivos para problemas de engenharia biomédica. Atualmente, os simuladores são aplicados para pesquisar e desenvolver ferramentas para novas terapias, tratamentos e diagnóstico precoce na medicina.

Muitos simuladores médicos envolvem um computador conectado a uma simulação plástica da anatomia relevante. Simuladores sofisticados desse tipo empregam um manequim em tamanho real que responde a drogas injetáveis ​​e pode ser programado para criar simulações de emergências com risco de vida.

Em outras simulações, os componentes visuais do procedimento são reproduzidos por técnicas de computação gráfica , enquanto os componentes baseados em toque são reproduzidos por dispositivos de feedback tátil combinados com rotinas de simulação física computadas em resposta às ações do usuário. Simulações médicas desse tipo costumam usar tomografias computadorizadas 3D ou varreduras de ressonância magnética dos dados do paciente para aumentar o realismo. Algumas simulações médicas são desenvolvidas para serem amplamente distribuídas (como simulações habilitadas para web e simulações de procedimentos que podem ser visualizadas em navegadores da web padrão) e podem interagir com o uso de interfaces de computador padrão, como teclado e mouse .

Placebo

Uma importante aplicação médica de um simulador - embora, talvez, denote um significado ligeiramente diferente de simulador - é o uso de um medicamento placebo , uma formulação que simula o medicamento ativo em testes de eficácia do medicamento.

Melhorando a segurança do paciente

A segurança do paciente é uma preocupação na indústria médica. Os pacientes são conhecidos por sofrerem ferimentos e até morte devido a erros de gerenciamento e à falta de uso dos melhores padrões de atendimento e treinamento. De acordo com Construindo uma Agenda Nacional para Educação Médica Baseada em Simulação (Eder-Van Hook, Jackie, 2004), "a capacidade de um provedor de saúde de reagir com prudência em uma situação inesperada é um dos fatores mais críticos na criação de um resultado positivo na área médica emergência, independentemente de ocorrer no campo de batalha, na rodovia ou no pronto-socorro de um hospital. " Eder-Van Hook (2004) também observou que erros médicos matam até 98.000 com um custo estimado entre $ 37 e $ 50 milhões e $ 17 a $ 29 bilhões para eventos adversos evitáveis ​​dólares por ano.

A simulação está sendo usada para estudar a segurança do paciente, bem como treinar profissionais médicos. Estudar a segurança do paciente e as intervenções de segurança na área da saúde é um desafio, porque há uma falta de controle experimental (ou seja, complexidade do paciente, variações de sistema / processo) para ver se uma intervenção fez uma diferença significativa (Groves & Manges, 2017). Um exemplo de simulação inovadora para estudar a segurança do paciente vem da pesquisa em enfermagem. Groves et al. (2016) usaram uma simulação de alta fidelidade para examinar os comportamentos de enfermagem orientados para a segurança durante períodos como o relatório de mudança de turno .

No entanto, o valor das intervenções de simulação para traduzir para a prática clínica ainda é discutível. Como afirma Nishisaki, "há boas evidências de que o treinamento por simulação melhora a autoeficácia e competência do provedor e da equipe em manequins. Há também boas evidências de que a simulação de procedimentos melhora o desempenho operacional real em ambientes clínicos." No entanto, é necessário ter evidências aprimoradas para mostrar o treinamento de gerenciamento de recursos da tripulação por meio de simulação. Um dos maiores desafios é mostrar que a simulação da equipe melhora o desempenho operacional da equipe ao lado do leito. Embora a evidência de que o treinamento baseado em simulação realmente melhora o resultado do paciente tenha demorado a surgir, hoje a capacidade da simulação de fornecer experiência prática que se traduz na sala de cirurgia não está mais em dúvida.

Um dos maiores fatores que podem impactar a capacidade de ter um impacto de treinamento no trabalho dos profissionais ao lado do leito é a capacidade de capacitar a equipe de linha de frente (Stewart, Manges, Ward, 2015). Outro exemplo de tentativa de melhorar a segurança do paciente por meio do uso de simulações de treinamento é o atendimento ao paciente para fornecer serviço just-in-time ou / e just-in-place. Este treinamento consiste em 20 minutos de treinamento simulado antes que os trabalhadores se apresentem ao turno. Um estudo descobriu que o treinamento just in time melhorou a transição para a beira do leito. A conclusão, conforme relatado no trabalho de Nishisaki (2008), foi que o treinamento de simulação melhorou a participação dos residentes em casos reais; mas não sacrificou a qualidade do serviço. Pode-se, portanto, hipotetizar que, ao aumentar o número de residentes altamente treinados por meio do uso de treinamento de simulação, o treinamento de simulação, de fato, aumenta a segurança do paciente.

História da simulação em saúde

Os primeiros simuladores médicos eram modelos simples de pacientes humanos.

Desde a antiguidade, essas representações em argila e pedra eram usadas para demonstrar características clínicas de estados de doença e seus efeitos em humanos. Modelos foram encontrados em muitas culturas e continentes. Esses modelos foram usados ​​em algumas culturas (por exemplo, a cultura chinesa) como um instrumento de " diagnóstico ", permitindo que as mulheres consultassem médicos do sexo masculino enquanto mantinham as leis sociais do pudor. Os modelos são usados ​​hoje para ajudar os alunos a aprender a anatomia do sistema músculo - esquelético e sistemas orgânicos.

Em 2002, a Society for Simulation in Healthcare (SSH) foi formada para se tornar um líder em avanços interprofissionais internacionais na aplicação de simulação médica em cuidados de saúde

A necessidade de um "mecanismo uniforme para educar, avaliar e certificar instrutores de simulação para a profissão de saúde" foi reconhecida por McGaghie et al. em sua revisão crítica da pesquisa em educação médica baseada em simulação. Em 2012, o SSH testou duas novas certificações para fornecer reconhecimento aos educadores em um esforço para atender a essa necessidade.

Tipo de modelos

Modelos ativos

Modelos ativos que tentam reproduzir a anatomia ou fisiologia viva são desenvolvimentos recentes. O famoso manequim "Harvey" foi desenvolvido na Universidade de Miami e é capaz de recriar muitos dos achados físicos do exame de cardiologia , incluindo palpação , ausculta e eletrocardiografia .

Modelos interativos

Mais recentemente, foram desenvolvidos modelos interativos que respondem às ações realizadas por um aluno ou médico. Até recentemente, essas simulações eram programas de computador bidimensionais que agiam mais como um livro do que como um paciente. As simulações por computador têm a vantagem de permitir ao aluno fazer julgamentos e também cometer erros. O processo de aprendizagem iterativa por meio de avaliação, avaliação, tomada de decisão e correção de erros cria um ambiente de aprendizagem muito mais forte do que a instrução passiva.

Simuladores de computador

Simuladores têm sido propostos como uma ferramenta ideal para avaliação de alunos quanto às habilidades clínicas. Para os pacientes, a "ciberterapia" pode ser usada para sessões que simulam experiências traumáticas, desde o medo de altura até a ansiedade social.

Pacientes programados e situações clínicas simuladas, incluindo simulações de simulação de desastres, têm sido usados ​​extensivamente para educação e avaliação. Essas simulações "realistas" são caras e não têm reprodutibilidade. Um simulador "3Di" totalmente funcional seria a ferramenta mais específica disponível para o ensino e a medição das habilidades clínicas. Plataformas de jogos foram aplicadas para criar esses ambientes médicos virtuais para criar um método interativo de aprendizagem e aplicação de informações em um contexto clínico.

As simulações imersivas do estado de doença permitem que um médico ou HCP experimente como é realmente uma doença. Usando sensores e transdutores, os efeitos sintomáticos podem ser fornecidos a um participante, permitindo que ele experimente o estado de doença do paciente.

Tal simulador atende aos objetivos de um exame objetivo e padronizado de competência clínica. Esse sistema é superior aos exames que utilizam " pacientes padrão ", pois permite a medida quantitativa da competência, além de reproduzir os mesmos achados objetivos.

Simulação em entretenimento

A simulação em entretenimento abrange muitos setores grandes e populares, como cinema, televisão, videogames (incluindo jogos sérios ) e passeios em parques temáticos. Embora se acredite que a simulação moderna tenha suas raízes no treinamento e nas forças armadas, no século 20 ela também se tornou um canal para empreendimentos de natureza mais hedonística.

História da simulação visual em filmes e jogos

História inicial (anos 1940 e 1950)

O primeiro jogo de simulação pode ter sido criado já em 1947 por Thomas T. Goldsmith Jr. e Estle Ray Mann. Este era um jogo simples que simulava um míssil sendo disparado contra um alvo. A curva do míssil e sua velocidade podem ser ajustadas usando vários botões. Em 1958, um jogo de computador chamado Tennis for Two foi criado por Willy Higginbotham que simulava um jogo de tênis entre dois jogadores que podiam jogar ao mesmo tempo usando controles manuais e era exibido em um osciloscópio. Este foi um dos primeiros videogames eletrônicos a usar um display gráfico.

Década de 1970 e início de 1980

Imagens geradas por computador foram usadas no filme para simular objetos já em 1972 em A Computer Animated Hand , partes das quais foram mostradas na tela grande no filme Futureworld de 1976 . Isso foi seguido pelo "computador de mira" que o jovem Skywalker desliga no filme Star Wars de 1977 .

O filme Tron (1982) foi o primeiro filme a usar imagens geradas por computador por mais de alguns minutos.

Avanços na tecnologia na década de 1980 causou simulação 3D para tornar-se mais amplamente usado e começou a aparecer em filmes e em jogos baseados em computador, tais como Atari Battlezone (1980) e Acornsoft de Elite (1984), um dos primeiros fio-frame Jogos gráficos 3D para computadores domésticos .

Era da cinematografia pré-virtual (início dos anos 1980 a 1990)

Os avanços na tecnologia na década de 1980 tornaram o computador mais acessível e mais capaz do que eram nas décadas anteriores, o que facilitou o surgimento de computadores como os jogos do Xbox. Os primeiros consoles de videogame lançados na década de 1970 e no início dos anos 1980 foram vítimas da quebra da indústria em 1983, mas em 1985, a Nintendo lançou o Nintendo Entertainment System (NES), que se tornou um dos consoles mais vendidos da história dos videogames. Na década de 1990, os jogos de computador tornaram-se amplamente populares com o lançamento de jogos como The Sims e Command & Conquer e com o poder cada vez maior dos computadores desktop. Hoje, jogos de simulação de computador como o World of Warcraft são jogados por milhões de pessoas em todo o mundo.

Em 1993, o filme Jurassic Park se tornou o primeiro filme popular a usar gráficos gerados por computador extensivamente, integrando os dinossauros simulados quase perfeitamente em cenas de ação ao vivo.

Este evento transformou a indústria cinematográfica; em 1995, o filme Toy Story foi o primeiro filme a usar apenas imagens geradas por computador e, no novo milênio, os gráficos gerados por computador foram a principal escolha para efeitos especiais em filmes.

Cinematografia virtual (início dos anos 2000 - presente)

O advento da cinematografia virtual no início dos anos 2000 levou a uma explosão de filmes que seria impossível filmar sem ela. Exemplos clássicos são os sósias digitais de Neo, Smith e outros personagens nas sequências de Matrix e o uso extensivo de execuções de câmera fisicamente impossíveis na trilogia O Senhor dos Anéis .

O terminal na Pan Am (série de TV) não existia mais durante as filmagens desta série exibida em 2011-2012, o que não foi problema, pois eles o criaram em cinematografia virtual usando localização automática de ponto de vista e correspondência em conjunto com a composição de imagens reais e simuladas, que tem sido o pão com manteiga do artista de cinema e em torno dos estúdios de cinema desde o início dos anos 2000.

Imagens geradas por computador são "a aplicação do campo da computação gráfica 3D a efeitos especiais". Esta tecnologia é utilizada para efeitos visuais porque são de alta qualidade, controláveis ​​e podem criar efeitos que não seriam viáveis ​​com qualquer outra tecnologia, seja pelo custo, recursos ou segurança. Gráficos gerados por computador podem ser vistos em muitos filmes de ação ao vivo hoje, especialmente aqueles do gênero de ação. Além disso, as imagens geradas por computador suplantaram quase completamente a animação desenhada à mão em filmes infantis, que são cada vez mais gerados apenas por computador. Exemplos de filmes que usam imagens geradas por computador incluem Procurando Nemo , 300 e Homem de Ferro .

Exemplos de simulação de entretenimento não cinematográfico

Jogos de simulação

Os jogos de simulação , ao contrário de outros gêneros de vídeo e jogos de computador, representam ou simulam um ambiente com precisão. Além disso, eles representam as interações entre os personagens jogáveis ​​e o ambiente de forma realista. Esses tipos de jogos são geralmente mais complexos em termos de jogabilidade. Os jogos de simulação tornaram-se incrivelmente populares entre pessoas de todas as idades. Jogos de simulação populares incluem SimCity e Tiger Woods PGA Tour . Há também simulador de vôo e jogos de simulador de direção .

Passeios em parque temático

Simuladores têm sido usados ​​para entretenimento desde o Link Trainer na década de 1930. O primeiro simulador moderno a abrir em um parque temático foi o Disney's Star Tours em 1987, logo seguido pelo The Funtastic World of Hanna-Barbera da Universal em 1990, que foi o primeiro passeio feito inteiramente com computação gráfica.

Os passeios em simulador são descendentes de simuladores de treinamento militar e simuladores comerciais, mas eles são diferentes em um aspecto fundamental. Enquanto os simuladores de treinamento militar reagem de forma realista à entrada do trainee em tempo real, os simuladores de passeio apenas parecem se mover de forma realista e de acordo com scripts de movimento pré-gravados. Um dos primeiros passeios em simulador, o Star Tours, que custou US $ 32 milhões, usou uma cabine baseada em movimento hidráulico. O movimento foi programado por um joystick. Os simuladores atuais, como The Amazing Adventures of Spider-Man, incluem elementos para aumentar a quantidade de imersão experimentada pelos pilotos, como: imagens 3D, efeitos físicos (borrifando água ou produzindo aromas) e movimento em um ambiente.

Simulação e fabricação

A simulação de fabricação representa uma das aplicações mais importantes da simulação. Essa técnica representa uma ferramenta valiosa usada por engenheiros ao avaliar o efeito do investimento de capital em equipamentos e instalações físicas, como fábricas, depósitos e centros de distribuição. A simulação pode ser usada para prever o desempenho de um sistema existente ou planejado e para comparar soluções alternativas para um determinado problema de projeto.

Outro objetivo importante da simulação em sistemas de manufatura é quantificar o desempenho do sistema. As medidas comuns de desempenho do sistema incluem o seguinte:

• Taxa de transferência sob carga média e de pico
• Tempo de ciclo do sistema (quanto tempo leva para produzir uma peça)
• Uso de recursos, mão de obra e máquinas
• Gargalos e pontos de estrangulamento
• Fila nos locais de trabalho
• Enfileiramento e atrasos causados ​​por dispositivos e sistemas de manuseio de materiais
• Necessidades de armazenamento WIP
• Requisitos de pessoal
• Eficácia dos sistemas de agendamento
• Eficácia dos sistemas de controle

Mais exemplos de simulação

Automóveis

Um simulador de automóvel oferece a oportunidade de reproduzir as características de veículos reais em um ambiente virtual. Ele reproduz os fatores externos e as condições com as quais um veículo interage, permitindo que o motorista sinta que está sentado na cabine de seu próprio veículo. Cenários e eventos são replicados com realidade suficiente para garantir que os motoristas fiquem totalmente imersos na experiência, em vez de simplesmente vê-la como uma experiência educacional.

O simulador fornece uma experiência construtiva para o motorista novato e permite que exercícios mais complexos sejam realizados pelo motorista mais maduro. Para os motoristas novatos, os simuladores de caminhão oferecem uma oportunidade de começar sua carreira aplicando as melhores práticas. Para motoristas maduros, a simulação fornece a capacidade de melhorar a boa direção ou detectar práticas inadequadas e sugerir as etapas necessárias para ações corretivas. Para as empresas, é uma oportunidade de educar os funcionários nas habilidades de direção que permitem reduzir os custos de manutenção, aumentar a produtividade e, o mais importante, garantir a segurança de suas ações em todas as situações possíveis.

Biomecânica

Um simulador biomecânico é uma plataforma de simulação para a criação de modelos mecânicos dinâmicos construídos a partir de combinações de corpos rígidos e deformáveis, juntas, restrições e vários atuadores de força. É especializada na criação de modelos biomecânicos de estruturas anatômicas humanas, com o intuito de estudar sua função e eventualmente auxiliar na concepção e planejamento de tratamentos médicos.

Um simulador biomecânico é usado para analisar a dinâmica da caminhada, estudar o desempenho esportivo, simular procedimentos cirúrgicos, analisar cargas articulares, projetar dispositivos médicos e animar o movimento humano e animal.

Um simulador neuromecânico que combina simulação de rede neural biomecânica e biologicamente realista. Ele permite que o usuário teste hipóteses com base no comportamento neural em um ambiente virtual 3-D fisicamente preciso.

Cidade e urbano

Um simulador de cidade pode ser um jogo de construção de cidades, mas também pode ser uma ferramenta usada por planejadores urbanos para entender como as cidades tendem a evoluir em resposta a várias decisões políticas. AnyLogic é um exemplo de simuladores urbanos modernos de grande escala projetados para uso por planejadores urbanos. Os simuladores de cidade geralmente são simulações baseadas em agentes com representações explícitas do uso da terra e transporte. UrbanSim e LEAM são exemplos de modelos de simulação urbana em grande escala usados ​​por agências de planejamento metropolitano e bases militares para o uso do solo e planejamento de transporte .

Natal

Existem várias simulações com temas de Natal, muitas das quais centradas em torno do Papai Noel . Um exemplo dessas simulações são os sites que afirmam permitir ao usuário rastrear o Papai Noel. Como o Papai Noel é um personagem lendário e não uma pessoa real e viva, é impossível fornecer informações reais sobre sua localização e serviços como o NORAD rastreia o Papai Noel e o Rastreador do Papai Noel do Google (o primeiro afirma usar radar e outras tecnologias para rastrear o Papai Noel) exibem informações de localização predeterminadas e falsas para os usuários. Outro exemplo dessas simulações são sites que afirmam permitir ao usuário enviar e-mail ou enviar mensagens para o Papai Noel. Sites como emailSanta.com ou a página anterior do Papai Noel no extinto Windows Live Spaces da Microsoft usam programas ou scripts automatizados para gerar respostas personalizadas que dizem ser do próprio Papai Noel com base na entrada do usuário.

Sala de aula do futuro

A sala de aula do futuro provavelmente conterá vários tipos de simuladores, além de ferramentas de aprendizagem textual e visual. Isso permitirá que os alunos entrem nos anos clínicos melhor preparados e com um nível de habilidade mais alto. O aluno avançado ou pós-graduado terá um método mais conciso e abrangente de retreinamento - ou de incorporação de novos procedimentos clínicos em seu conjunto de habilidades - e os órgãos reguladores e instituições médicas acharão mais fácil avaliar a proficiência e competência dos indivíduos.

A sala de aula do futuro também formará a base de uma unidade de habilidades clínicas para a educação continuada do pessoal médico; e da mesma forma que o uso de treinamento de vôo periódico auxilia os pilotos de avião, esta tecnologia ajudará os praticantes ao longo de sua carreira.

O simulador será mais do que um livro "vivo", ele se tornará uma parte integrante da prática da medicina. O ambiente do simulador também fornecerá uma plataforma padrão para o desenvolvimento curricular em instituições de ensino médico.

Satélites de comunicação

Os modernos sistemas de comunicação por satélite ( SATCOM ) são frequentemente grandes e complexos, com muitas partes e elementos interativos. Além disso, a necessidade de conectividade de banda larga em um veículo em movimento aumentou dramaticamente nos últimos anos para aplicações comerciais e militares. Para prever com precisão e fornecer alta qualidade de serviço, os projetistas do sistema SATCOM devem levar em consideração o terreno, bem como as condições atmosféricas e meteorológicas em seu planejamento. Para lidar com essa complexidade, os projetistas e operadores de sistema cada vez mais se voltam para modelos de computador de seus sistemas para simular condições operacionais do mundo real e obter insights sobre usabilidade e requisitos antes da aprovação do produto final. A modelagem melhora a compreensão do sistema, permitindo que o projetista ou planejador do sistema SATCOM simule o desempenho do mundo real ao injetar nos modelos várias condições atmosféricas e ambientais hipotéticas. A simulação é freqüentemente usada no treinamento de pessoal civil e militar. Isso geralmente ocorre quando é proibitivamente caro ou simplesmente muito perigoso permitir que os trainees usem o equipamento real no mundo real. Em tais situações, eles passarão o tempo aprendendo lições valiosas em um ambiente virtual "seguro", mas vivendo uma experiência real (ou pelo menos é o objetivo). Freqüentemente, a conveniência é permitir erros durante o treinamento de um sistema crítico para a segurança.

Ciclo de vida digital

Simulação soluções estão sendo cada vez mais integrado com computer-aided soluções e processos ( computer-aided design ou CAD, computer-aided fabricação ou CAM, engenharia auxiliada por computador ou CAE, etc.). O uso de simulação em todo o ciclo de vida do produto , especialmente nos primeiros estágios de conceito e design, tem o potencial de fornecer benefícios substanciais. Esses benefícios variam de problemas de custo direto, como prototipagem reduzida e menor tempo de colocação no mercado, até produtos de melhor desempenho e margens mais altas. No entanto, para algumas empresas, a simulação não proporcionou os benefícios esperados.

O uso bem-sucedido da simulação, no início do ciclo de vida, foi amplamente impulsionado pela maior integração das ferramentas de simulação com todo o conjunto de soluções CAD, CAM e de gerenciamento do ciclo de vida do produto. As soluções de simulação agora podem funcionar em toda a empresa em um ambiente multi-CAD e incluem soluções para gerenciar dados e processos de simulação e garantir que os resultados da simulação façam parte do histórico do ciclo de vida do produto.

Preparação para desastres

O treinamento de simulação tornou-se um método de preparação de pessoas para desastres. As simulações podem replicar situações de emergência e rastrear como os alunos respondem graças a uma experiência real . As simulações de preparação para desastres podem envolver treinamento sobre como lidar com ataques terroristas , desastres naturais, surtos de pandemia ou outras emergências com risco de vida.

Uma organização que tem usado treinamento de simulação para preparação para desastres é o CADE (Centro para Avanço de Educação a Distância). O CADE usou um videogame para preparar trabalhadores de emergência para vários tipos de ataques. Conforme relatado por News-Medical.Net, "O videogame é o primeiro de uma série de simulações para lidar com o bioterrorismo, a gripe pandêmica, a varíola e outros desastres para os quais o pessoal de emergência deve se preparar." Desenvolvido por uma equipe da Universidade de Illinois em Chicago (UIC), o jogo permite que os alunos pratiquem suas habilidades de emergência em um ambiente seguro e controlado.

O Programa de Simulação de Emergência (ESP) do Instituto de Tecnologia da Colúmbia Britânica (BCIT), Vancouver, Colúmbia Britânica, Canadá, é outro exemplo de organização que usa simulação para treinar para situações de emergência. O ESP usa simulação para treinar nas seguintes situações: combate a incêndios florestais, resposta a derramamento de óleo ou produto químico, resposta a terremotos, aplicação da lei, combate a incêndios municipais, manuseio de materiais perigosos, treinamento militar e resposta a ataques terroristas. Uma característica do sistema de simulação é a implementação de "Dynamic Run-Time Clock", que permite que as simulações executem um período de tempo 'simulado', "'acelerando' ou 'desacelerando' o tempo conforme desejado" Além disso, o sistema permite gravações de sessão, navegação baseada em ícone de imagem, arquivo armazenamento de simulações individuais, componentes de multimídia e lançamento de aplicativos externos.

Na Universidade de Québec em Chicoutimi, uma equipe de pesquisa do laboratório de perícia e pesquisa ao ar livre (Laboratoire d'Expertise et de Recherche en Plein Air - LERPA) se especializou no uso de simulações de acidentes em áreas remotas para verificar a coordenação de respostas a emergências.

Instrucionalmente, os benefícios do treinamento de emergência por meio de simulações são que o desempenho do aluno pode ser rastreado por meio do sistema. Isso permite que o desenvolvedor faça os ajustes necessários ou alerte o educador sobre tópicos que podem exigir atenção adicional. Outras vantagens são que o aluno pode ser orientado ou treinado sobre como responder apropriadamente antes de continuar para o próximo segmento de emergência - este é um aspecto que pode não estar disponível no ambiente ao vivo. Alguns simuladores de treinamento de emergência também permitem feedback imediato, enquanto outras simulações podem fornecer um resumo e instruir o aluno a se envolver no tópico de aprendizagem novamente.

Em uma situação de emergência ao vivo, os socorristas não têm tempo a perder. O treinamento de simulação neste ambiente oferece uma oportunidade para os alunos coletarem o máximo de informações que puderem e praticarem seus conhecimentos em um ambiente seguro. Eles podem cometer erros sem risco de colocar vidas em risco e ter a oportunidade de corrigir seus erros para se preparar para a emergência da vida real.

Economia

Simulações em economia e especialmente em macroeconomia , julgam a conveniência dos efeitos das ações de política propostas, tais como mudanças na política fiscal ou mudanças na política monetária . Um modelo matemático da economia, tendo sido ajustado aos dados econômicos históricos, é usado como um proxy para a economia real; valores propostos de gastos do governo , tributação, operações de mercado aberto , etc. são usados ​​como entradas para a simulação do modelo, e várias variáveis ​​de interesse, como a taxa de inflação , a taxa de desemprego , o déficit da balança comercial , o déficit orçamentário do governo , etc. são os resultados da simulação. Os valores simulados dessas variáveis ​​de interesse são comparados para diferentes contribuições de políticas propostas para determinar qual conjunto de resultados é mais desejável.

Engenharia, tecnologia e processos

A simulação é um recurso importante em sistemas de engenharia ou qualquer sistema que envolva muitos processos. Por exemplo, em engenharia elétrica , as linhas de atraso podem ser usadas para simular o atraso de propagação e a mudança de fase causada por uma linha de transmissão real . Da mesma forma, cargas fictícias podem ser usadas para simular a impedância sem simular a propagação e são usadas em situações onde a propagação é indesejada. Um simulador pode imitar apenas algumas das operações e funções da unidade que simula. Compare com : emular .

A maioria das simulações de engenharia envolve modelagem matemática e investigação assistida por computador. Existem muitos casos, entretanto, em que a modelagem matemática não é confiável. A simulação de problemas de dinâmica de fluidos geralmente requer simulações matemáticas e físicas. Nestes casos, os modelos físicos requerem similitude dinâmica . Simulações físicas e químicas também têm usos realistas diretos, em vez de usos de pesquisa; na engenharia química , por exemplo, simulações de processo são usadas para fornecer os parâmetros de processo imediatamente usados ​​para operar fábricas de produtos químicos, como refinarias de petróleo. Simuladores também são usados ​​para treinamento de operadores de instalações. É denominado Operator Training Simulator (OTS) e tem sido amplamente adotado por muitas indústrias, desde química a óleo e gás e à indústria de energia. Isso criou um ambiente virtual seguro e realista para treinar os operadores e engenheiros do conselho. O Mimic é capaz de fornecer modelos dinâmicos de alta fidelidade de quase todas as fábricas de produtos químicos para treinamento do operador e teste do sistema de controle.

Ergonomia

A simulação ergonômica envolve a análise de produtos virtuais ou tarefas manuais em um ambiente virtual. No processo de engenharia, o objetivo da ergonomia é desenvolver e melhorar o design de produtos e ambientes de trabalho. A simulação ergonômica utiliza uma representação antropométrica virtual do ser humano, comumente referido como um manequim ou Modelos Humanos Digitais (DHMs), para imitar as posturas, cargas mecânicas e desempenho de um operador humano em um ambiente simulado, como um avião, automóvel ou instalação de fabricação. Os DHMs são reconhecidos como uma ferramenta valiosa e em evolução para realizar análises e projetos ergonômicos proativos. As simulações empregam gráficos 3D e modelos baseados na física para animar os humanos virtuais. O software de ergonomia usa a capacidade de cinemática inversa (IK) para posicionar os DHMs.

As ferramentas de software normalmente calculam as propriedades biomecânicas, incluindo forças musculares individuais, forças articulares e momentos. A maioria dessas ferramentas emprega métodos de avaliação ergonômica padrão, como a equação de levantamento NIOSH e a avaliação rápida do membro superior (RULA). Algumas simulações também analisam medidas fisiológicas, incluindo metabolismo, gasto de energia e limites de fadiga. Estudos de tempo de ciclo, validação de projeto e processo, conforto do usuário, acessibilidade e linha de visão são outros fatores humanos que podem ser examinados em pacotes de simulação ergonômica.

A modelagem e simulação de uma tarefa podem ser realizadas manipulando manualmente o ser humano virtual no ambiente simulado. Alguns softwares de simulação de ergonomia permitem simulação e avaliação interativas em tempo real por meio de dados humanos reais por meio de tecnologias de captura de movimento. No entanto, a captura de movimento para ergonomia requer equipamentos caros e a criação de adereços para representar o ambiente ou produto.

Algumas aplicações de simulação ergonômica incluem análise de coleta de resíduos sólidos, tarefas de gerenciamento de desastres, jogos interativos, linha de montagem automotiva, prototipagem virtual de auxiliares de reabilitação e design de produtos aeroespaciais. Os engenheiros da Ford usam um software de simulação de ergonomia para realizar análises virtuais de projetos de produtos. Usando dados de engenharia, as simulações auxiliam na avaliação da ergonomia da montagem. A empresa usa o software de simulação ergonômica Jack and Jill da Siemen para melhorar a segurança e a eficiência do trabalhador, sem a necessidade de construir protótipos caros.

Finança

Em finanças, as simulações de computador costumam ser usadas para o planejamento de cenários. O valor presente líquido ajustado pelo risco , por exemplo, é calculado a partir de dados de entrada bem definidos, mas nem sempre conhecidos (ou fixos). Ao imitar o desempenho do projeto sob avaliação, a simulação pode fornecer uma distribuição do VPL em uma gama de taxas de desconto e outras variáveis. As simulações também são freqüentemente usadas para testar uma teoria financeira ou a capacidade de um modelo financeiro.

As simulações são freqüentemente usadas no treinamento financeiro para envolver os participantes na experiência de várias situações históricas e fictícias. Existem simulações de mercado de ações, simulações de portfólio, simulações ou modelos de gestão de risco e simulações de forex. Essas simulações são normalmente baseadas em modelos de ativos estocásticos . O uso dessas simulações em um programa de treinamento permite a aplicação da teoria em algo semelhante à vida real. Como acontece com outras indústrias, o uso de simulações pode ser baseado na tecnologia ou em estudos de caso.

Voo

Dispositivos de treinamento de simulação de vôo (FSTD) são usados ​​para treinar pilotos no solo. Em comparação com o treinamento em uma aeronave real, o treinamento baseado em simulação permite o treinamento de manobras ou situações que podem ser impraticáveis ​​(ou mesmo perigosas) de realizar na aeronave, mantendo o piloto e o instrutor em um ambiente de risco relativamente baixo no chão. Por exemplo, falhas do sistema elétrico, falhas de instrumentos, falhas do sistema hidráulico e até mesmo falhas de controle de vôo podem ser simuladas sem risco para os pilotos ou uma aeronave.

Os instrutores também podem fornecer aos alunos uma concentração maior de tarefas de treinamento em um determinado período de tempo do que normalmente é possível na aeronave. Por exemplo, a realização de múltiplas abordagens por instrumentos na aeronave real pode exigir um tempo significativo gasto no reposicionamento da aeronave, enquanto em uma simulação, assim que uma abordagem for concluída, o instrutor pode imediatamente pré-posicionar a aeronave simulada em um ideal (ou menos do que o ideal ) local a partir do qual iniciar a próxima abordagem.

A simulação de vôo também oferece uma vantagem econômica sobre o treinamento em uma aeronave real. Uma vez que os custos de combustível, manutenção e seguro são levados em consideração, os custos operacionais de um FSTD são geralmente substancialmente mais baixos do que os custos operacionais da aeronave simulada. Para alguns aviões de grande categoria de transporte, os custos operacionais podem ser várias vezes mais baixos para o FSTD do que para a aeronave real.

Algumas pessoas que usam software de simulador, especialmente software de simulador de vôo, constroem seu próprio simulador em casa. Algumas pessoas - para aumentar o realismo de seu simulador feito em casa - compram cartões e racks usados ​​que executam o mesmo software usado pela máquina original. Embora isso envolva resolver o problema de combinar hardware e software - e o problema de que centenas de placas se conectam a muitos racks diferentes - muitos ainda acham que vale a pena resolver esses problemas. Alguns são tão sérios quanto a uma simulação realista que compram peças reais de aeronaves, como seções completas do nariz de aeronaves perdidas , em seus cemitérios . Isso permite que as pessoas simulem um hobby que não conseguem praticar na vida real.

Marinho

Parecido com simuladores de vôo, um simulador marinho treina o pessoal dos navios. Os simuladores marinhos mais comuns incluem:

• Simuladores de ponte de navio
• Simuladores de sala de máquinas
• Simuladores de manuseio de carga
• Simuladores de comunicação / GMDSS
• Simuladores de ROV

Simuladores como esses são usados ​​principalmente em faculdades marítimas, instituições de treinamento e marinhas. Eles geralmente consistem em uma replicação de uma ponte de navio, com o (s) console (s) operacional (is) e uma série de telas nas quais os arredores virtuais são projetados.

Militares

Simulações militares, também conhecidas informalmente como jogos de guerra, são modelos nos quais as teorias da guerra podem ser testadas e refinadas sem a necessidade de hostilidades reais. Eles existem em muitas formas diferentes, com vários graus de realismo. Recentemente , seu escopo foi ampliado para incluir não apenas fatores militares, mas também políticos e sociais (por exemplo, a série de exercícios estratégicos do Nationlab na América Latina). Embora muitos governos façam uso de simulação, tanto individual quanto colaborativamente, pouco se sabe sobre as especificações do modelo fora dos círculos profissionais.

Rede e sistemas distribuídos

A rede e os sistemas distribuídos foram amplamente simulados em outros, para compreender o impacto de novos protocolos e algoritmos antes de sua implantação nos sistemas reais. A simulação pode se concentrar em diferentes níveis ( camada física , camada de rede , camada de aplicação ), e avaliar diferentes métricas (largura de banda de rede, consumo de recursos, tempo de serviço, perda de pacotes, disponibilidade do sistema). Exemplos de cenários de simulação de rede e sistemas distribuídos são:

• Redes de distribuição de conteúdo
• Cidades inteligentes
• Internet das Coisas

Sistema de liquidação de pagamentos e títulos

Técnicas de simulação também têm sido aplicadas a sistemas de pagamento e liquidação de títulos. Entre os principais usuários estão os bancos centrais, que geralmente são responsáveis ​​pela supervisão da infraestrutura do mercado e têm o direito de contribuir para o bom funcionamento dos sistemas de pagamentos.

Os bancos centrais têm usado simulações de sistemas de pagamento para avaliar itens como a adequação ou suficiência da liquidez disponível (na forma de saldos de contas e limites de crédito intradiário) aos participantes (principalmente bancos) para permitir a liquidação eficiente dos pagamentos. A necessidade de liquidez também depende da disponibilidade e do tipo de procedimentos de compensação nos sistemas, portanto, alguns dos estudos têm foco em comparações de sistemas.

Outra aplicação é a avaliação de riscos relacionados a eventos como quebra de rede de comunicação ou impossibilidade de envio de pagamentos por parte dos participantes (por exemplo, em caso de possível quebra de banco). Esse tipo de análise se enquadra nos conceitos de teste de estresse ou análise de cenário .

Uma maneira comum de realizar essas simulações é replicar a lógica de liquidação dos sistemas de pagamento real ou de liquidação de títulos em análise e, em seguida, usar dados de pagamento reais observados. No caso de comparação ou desenvolvimento de sistema, naturalmente, também as demais lógicas de liquidação precisam ser implementadas.

Para realizar testes de estresse e análise de cenários, os dados observados precisam ser alterados, por exemplo, alguns pagamentos atrasados ​​ou removidos. Para analisar os níveis de liquidez, os níveis de liquidez inicial são variados. As comparações do sistema (benchmarking) ou avaliações de novos algoritmos ou regras de compensação são realizadas executando simulações com um conjunto fixo de dados e variando apenas as configurações do sistema.

Uma inferência é geralmente feita comparando os resultados da simulação de benchmark com os resultados das configurações de simulação alteradas, comparando indicadores como transações não liquidadas ou atrasos na liquidação.

Gerenciamento de Projetos

A simulação de gerenciamento de projeto é a simulação usada para treinamento e análise de gerenciamento de projeto. Geralmente é usado como simulação de treinamento para gerentes de projeto. Em outros casos, é usado para análises de hipóteses e para apoiar a tomada de decisões em projetos reais. Freqüentemente, a simulação é realizada usando ferramentas de software.

Robótica

Um simulador de robótica é usado para criar aplicativos embutidos para um robô específico (ou não) sem ser dependente do robô 'real'. Em alguns casos, esses aplicativos podem ser transferidos para o robô real (ou reconstruídos) sem modificações. Simuladores de robótica permitem reproduzir situações que não podem ser 'criadas' no mundo real por causa do custo, do tempo ou da 'singularidade' de um recurso. Um simulador também permite a prototipagem rápida do robô. Muitos simuladores de robôs apresentam motores físicos para simular a dinâmica de um robô.

Produção

A simulação de sistemas de produção é usada principalmente para examinar o efeito de melhorias ou investimentos em um sistema de produção . Na maioria das vezes, isso é feito usando uma planilha estática com tempos de processo e tempos de transporte. Para simulações mais sofisticadas, a Discrete Event Simulation (DES) é usada com as vantagens de simular a dinâmica no sistema de produção. Um sistema de produção é muito dinâmico, dependendo das variações nos processos de fabricação, tempos de montagem, configurações de máquinas, quebras, quebras e pequenas paradas. Existem muitos softwares comumente usados ​​para simulação de eventos discretos. Eles diferem em usabilidade e mercados, mas geralmente compartilham a mesma base.

Processo de vendas

As simulações são úteis na modelagem do fluxo de transações por meio de processos de negócios, como no campo da engenharia de processos de vendas , para estudar e melhorar o fluxo de pedidos de clientes por meio de vários estágios de conclusão (digamos, de uma proposta inicial para fornecer bens / serviços por meio aceitação do pedido e instalação). Essas simulações podem ajudar a prever o impacto de como as melhorias nos métodos podem afetar a variabilidade, o custo, o tempo de trabalho e o número de transações em vários estágios do processo. Um simulador de processo computadorizado com todos os recursos pode ser usado para representar esses modelos, assim como demonstrações educacionais mais simples usando software de planilha, centavos sendo transferidos entre copos com base no rolo de um dado ou mergulhando em um tubo de contas coloridas com uma concha.

Esportes

Nos esportes, as simulações de computador costumam ser feitas para prever o resultado dos eventos e o desempenho de cada esportista. Eles tentam recriar o evento por meio de modelos construídos a partir de estatísticas. O aumento da tecnologia permitiu que qualquer pessoa com conhecimento de programação pudesse executar simulações de seus modelos. As simulações são construídas a partir de uma série de algoritmos matemáticos , ou modelos, e podem variar com precisão. Accuscore, que é licenciado por empresas como a ESPN , é um programa de simulação bem conhecido para todos os principais esportes . Ele oferece uma análise detalhada dos jogos por meio de linhas de aposta simuladas, totais de pontos projetados e probabilidades gerais.

Com o aumento do interesse em modelos de simulação de esportes fantásticos que preveem o desempenho individual do jogador, ganharam popularidade. Empresas como What If Sports e StatFox se especializam não apenas em usar suas simulações para prever resultados de jogos, mas também em quão bem os jogadores individuais se sairão. Muitas pessoas usam modelos para determinar quem começar em suas ligas de fantasia.

Outra forma com que as simulações estão ajudando o campo esportivo é no uso da biomecânica . Os modelos são derivados e as simulações são executadas a partir de dados recebidos de sensores acoplados a atletas e equipamentos de vídeo. A biomecânica esportiva auxiliada por modelos de simulação responde a questões relacionadas às técnicas de treinamento, como o efeito da fadiga no desempenho do arremesso (altura do arremesso) e fatores biomecânicos dos membros superiores (índice de força reativa; tempo de contato da mão).

Simulações de computador permitem que seus usuários pegem modelos que antes eram complexos demais para rodar e lhes dêem respostas. As simulações provaram ser alguns dos melhores insights sobre o desempenho do jogo e a previsibilidade do time.

Contagem regressiva do ônibus espacial

A simulação foi usada no Kennedy Space Center (KSC) para treinar e certificar os engenheiros do ônibus espacial durante as operações simuladas de contagem regressiva de lançamento. A comunidade de engenharia do ônibus espacial participaria de uma simulação integrada de contagem regressiva de lançamento antes de cada voo do ônibus espacial. Esta simulação é uma simulação virtual onde pessoas reais interagem com o veículo simulado do Ônibus Espacial e o hardware do Equipamento de Apoio no Solo (GSE). A simulação da fase de contagem regressiva final do ônibus espacial, também conhecida como S0044, envolveu processos de contagem regressiva que integrariam muitos dos veículos do ônibus espacial e sistemas GSE. Alguns dos sistemas Shuttle integrados na simulação são o sistema de propulsão principal, RS-25 , impulsionadores de foguetes sólidos , hidrogênio líquido terrestre e oxigênio líquido, tanque externo , controles de vôo, navegação e aviônica. Os objetivos de alto nível da simulação da fase de contagem regressiva final do ônibus espacial são:

• Para demonstrar as operações da fase final de contagem regressiva da sala de tiro .
• Para fornecer treinamento para engenheiros de sistema em reconhecer, relatar e avaliar problemas de sistema em um ambiente crítico de tempo.
• Exercitar a capacidade da equipe de lançamento de avaliar, priorizar e responder aos problemas de maneira integrada em um ambiente crítico de tempo.
• Fornecer procedimentos a serem usados ​​na execução de testes de falha / recuperação das operações realizadas na fase final de contagem regressiva.

A simulação da fase de contagem regressiva final do ônibus espacial ocorreu nas salas de tiro do Centro de Controle de Lançamento do Kennedy Space Center . A sala de disparo usada durante a simulação é a mesma sala de controle onde as operações reais de contagem regressiva de lançamento são executadas. Como resultado, o equipamento usado para operações reais de contagem regressiva de lançamento é acionado. Comandar e controlar computadores, software aplicativo, plotagem de engenharia e ferramentas de tendência, documentos de procedimento de contagem regressiva de lançamento, documentos de critérios de confirmação de lançamento, documentos de requisitos de hardware e quaisquer outros itens usados ​​pelas equipes de contagem regressiva de lançamento de engenharia durante operações de contagem regressiva de lançamento real são usados ​​durante a simulação.

O hardware do veículo do ônibus espacial e o hardware GSE relacionado são simulados por modelos matemáticos (escritos na linguagem de modelagem do Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS)) que se comportam e reagem como hardware real. Durante a simulação da fase de contagem regressiva final do ônibus espacial, os engenheiros comandam e controlam o hardware por meio de um software aplicativo real em execução nos consoles de controle - como se estivessem comandando o hardware real do veículo. No entanto, esses aplicativos de software reais não fazem interface com o hardware real do Shuttle durante as simulações. Em vez disso, os aplicativos fazem interface com representações de modelos matemáticos do veículo e do hardware GSE. Conseqüentemente, as simulações contornam mecanismos sensíveis e até mesmo perigosos, enquanto fornecem medições de engenharia detalhando como o hardware teria reagido. Como esses modelos matemáticos interagem com o software aplicativo de comando e controle, os modelos e simulações também são usados ​​para depurar e verificar a funcionalidade do software aplicativo.

Navegação por satélite

A única maneira verdadeira de testar receptores GNSS (comumente conhecidos como Sat-Nav no mundo comercial) é usando um Simulador de Constelação de RF. Um receptor que pode, por exemplo, ser usado em uma aeronave, pode ser testado em condições dinâmicas sem a necessidade de levá-lo em um vôo real. As condições de teste podem ser repetidas exatamente e há controle total sobre todos os parâmetros de teste. isso não é possível no 'mundo real' usando os sinais reais. Para testar os receptores que usarão o novo Galileo (navegação por satélite) não há alternativa, pois os sinais reais ainda não existem.

Clima

Prever as condições meteorológicas extrapolando / interpolando dados anteriores é um dos usos reais da simulação. A maioria das previsões do tempo usa essa informação publicada pelos departamentos de tempo. Este tipo de simulação ajuda a prever e alertar sobre condições climáticas extremas, como a trajetória de um furacão / ciclone ativo. A previsão numérica do tempo para a previsão envolve complicados modelos numéricos de computador para prever o tempo com precisão, levando muitos parâmetros em consideração.

Jogos de simulação

Os jogos de estratégia - tradicionais e modernos - podem ser vistos como simulações de tomada de decisão abstraída com o propósito de treinar líderes militares e políticos (veja History of Go para um exemplo de tal tradição, ou Kriegsspiel para um exemplo mais recente).

Muitos outros videogames são simuladores de algum tipo. Esses jogos podem simular vários aspectos da realidade, desde negócios , governo , construção e veículos de pilotagem (veja acima).

Uso histórico

Historicamente, a palavra tinha conotações negativas:

... portanto, um costume geral de simulação (que é este último grau) é um vício, usando tanto de uma falsidade natural quanto de um medo ...

-  Francis Bacon , Of Simulation and Dissimulation, 1597

... por causa da distinção, um Enganar por Palavras, é comumente chamado de Lye, e um Enganar por Ações, Gestos ou Comportamento, é chamado de Simulação ...

-  Robert South , South, 1697, p.525

No entanto, a conexão entre simulação e dissimulação mais tarde desapareceu e agora é apenas de interesse linguístico.

Veja também

Referências

links externos

• Bibliografias contendo mais referências podem ser encontradas no site da revista Simulation & Gaming .