Ciencia Cibernética: Simulación

Introducción a la simulación.

El verbo simular cada vez toma mayor auge en diversas disciplinas científicas, para describir el viejo arte de la construcción de modelos. Aun cuando esta palabra se aplica a diversas formas de construcción de modelos, tales como:

Los de la escultura y pintura del Renacimiento; Los modelos a escala de aviones; Los modelos en computadora de los procesos cognoscitivos, e incluso en las ciencias físicas y en las del comportamiento.

Su empleo moderno se remota hacia fines de 1940, cuando Von Neumann y Ulam acuñaron el término “ análisis de Monte Carlo” para aplicarlo a una técnica matemática que usaban entonces en la resolución de ciertos problemas de protección nuclear que eran, demasiado costosos para resolverse experimentalmente o de enorme complejidad para un tratamiento analítico.

Con la llegada de computadoras de gran velocidad, la simulación tomó otro significado aún, al surgir la posibilidad de experimentar con modelos matemáticos (que describen algún sistema de interés) en la computadora. Por vez primera, los sociólogos al igual que los físicos encontraron que podrían realizar experimentos controlados de laboratorio.

Glosario

Simulación: es la experimentación con un modelo de una hipótesis o un conjunto de hipótesis de trabajo.

Modelo: es una representación de un objeto, sistema o idea de forma diferente a la de identidad misma. Por lo general el modelo nos ayuda a entender y mejorar un sistema

sistema dinámico: es un sistema complejo que presenta un cambio o evolución de su estado en un tiempo, el comportamiento en dicho estado se puede caracterizar determinando los límites del sistema, los elementos y sus relaciones; de esta forma se puede elaborar modelos que buscan representar la estructura del mismo sistema.

dinámica de sistemas: es una metodología que trata la aproximación a la modelización de la dinámica de sistemas complejos, tales como las galaxias, poblaciones biológicas o los sistemas económicos, en los que las partes demuestran propiedades interactivas entre los objetos, dando como resultado una comunicación gracias a las transacciones energéticas que se derivan de las relaciones mutuas.

Sistema Complejo: está compuesto por varias partes interconectadas o entrelazadas cuyos vínculos contienen información adicional y oculta al observador. Como resultado de las interacciones entre elementos, surgen propiedades nuevas que no pueden explicarse a partir de las propiedades de los elementos aislados. Dichas propiedades se denominan propiedades emergentes.

Resumen

Que es la simulación.

Es un término muy amplio, en realidad existen varios enfoques para analizar problemas.

La Simulación requiere de MODELOS (validez)
Es una solución analítica
No obtiene resultados exactos (desventaja)
Permite modelar sistemas complejos (ventaja)
Es mejor una respuesta aproximada al problema correcto que una respuesta correcta al problema aproximado
Es la técnica de modelado estocástico más útil, de mayor reconocimiento en diversos campos de aplicación
Un modelo es una representación de un sistema pensada para unos objetivos. Un mismo sistema real puede tener varios modelos.

Simulación

Simulación es un área de estudio que forma parte de la investigación de Operaciones (IDO), La cual es usada prácticamente en todas las áreas de estudio conocidas. Simulación permite estudiar un sistema sin tener que realizar experimentación sobre el sistema real. Esto presenta muchas ventajas que discutiremos más adelante aquí. Sin embargo, esta no es la única forma de estudiar un sistema; otra posibilidad es construir un modelo analítico conformado por un conjunto de ecuaciones (generalmente diferenciales) que representan al sistema para luego resolverlo para diferentes situaciones, o bien plantear un modelo de optimización que pretende proporcionar la mejor estrategia que el sistema debe adoptar para funcionar mejor de acuerdo con alguna medida de rendimiento establecida en la "función objetivo" y satisfaciendo las diversas condiciones del problema, establecidas en "las restricciones". Los modelos que se obtienen como un conjunto de ecuaciones se denominan con frecuencia modelos analíticos, es decir modelos de ecuaciones diferenciales o de optimización. Por cierto que, los estudiosos de las ecuaciones diferenciales afirman con orgullo que todos los modelos analíticos son de ecuaciones diferenciales, ya que incluso una simple ecuación algebraica es una ecuación diferencial de orden cero (sic). Cualquiera que sea el caso, analizaremos aquí a manera de introducción los modelos analíticos y los de simulación, que por cierto aún no decimos como son, pues primero veremos algunas inconveniencias de los modelos analíticos. Posteriormente, después de discutir brevemente que son los modelos de simulación, indicaremos ventajas y desventajas de los modelos de simulación.

La simulación es una técnica muy poderosa y ampliamente usada en las ciencias para analizar y estudiar sistemas complejos. En Investigaciones se formularon modelos que se resolvían en forma analítica. En casi todos estos modelos la meta era determinar soluciones óptimas. Sin embargo, debido a la complejidad, las relaciones estocásticas, etc., no todos los problemas del mundo real se pueden representar adecuadamente en forma de modelo. Cuando se intenta utilizar modelos analíticos para sistemas como éstos, en general necesitan de tantas hipótesis de simplificación que es probable que las soluciones no sean buenas, o bien, sean inadecuadas para su realización. En eso caso, con frecuencia la única opción de modelado y análisis de que dispone quien toma decisiones es la simulación. Simular, es reproducir artificialmente un fenómeno o las relaciones entrada-salida de un sistema. Esto ocurre siempre cuando la operación de un sistema o la experimentación en él son imposibles, costosas, peligrosas o poco prácticas, como en el entrenamiento de personal de operación, pilotos de aviones, etc.

Si esta reproducción está basada en la ejecución de un programa en una computadora digital, entonces la simulación se llama digital y usualmente se conoce como simulación por computadora, aunque esto incluye la simulación en las computadoras analógicas. La simulación por computadora está relacionada con los simuladores. Por simulador entendemos no sólo un programa de simulación y la computadora que lo realiza, sino también un aparato que muestra visualmente y a menudo físicamente las entradas y salidas (resultados) de la simulación, como es el caso de los simuladores profesionales de vuelo, aunque en este curso no se hablará sobre los simuladores ni sobre la simulación analógica. A partir del advenimiento de las computadoras electrónicas, la simulación ha sido una de las herramientas más importantes y útiles para analizar el diseño y operación de complejos procesos o sistemas. Simular, según el Diccionario Universitario Webster, es “fingir, llegar a la esencia de algo, prescindiendo de la realidad”.

Se puede definir a la simulación como la técnica que imita el funcionamiento de un sistema del mundo real cuando evoluciona en el tiempo. Esto se hace por lo general al crear un modelo de simulación. En síntesis, cada modelo o representación de una cosa es una forma de simulación. La simulación es un tema muy amplio y mal definido que es muy importante para los responsables del diseño de sistemas, así como para los responsables de su operación.

Shannon define la simulación como el proceso de diseñar un modeló de un sistema real y realizar experimentos con él para entender el comportamiento del sistema o evaluar varias estrategias (dentro de los límites impuestos por un criterio o por un conjunto de criterios) para la operación del sistema. Por lo que se entiende que el proceso de simulación incluye tanto la construcción del modelo como su uso analítico para estudiar un problema. Un modelo de simulación comúnmente toma la forma de un conjunto de hipótesis acerca del funcionamiento del sistema, expresado con relaciones matemáticas o lógicas entre los objetos de interés del sistema. En contraste con las soluciones matemáticas exactas disponibles en la mayoría de los modelos analíticos, el proceso de simulación incluye la ejecución del modelo a través del tiempo, en general en una computadora,

para generar nuestras representativas de las mediciones del desempeño o funcionamiento. En este aspecto, se puede considerar a la simulación como un experimento de muestreo acerca del sistema real, cuyos resultados son puntos de muestra. Por ejemplo, para obtener la mejor estimación del promedio de la medición del funcionamiento, calculamos el promedio de los resultados de muestra. Es claro que tanto más puntos de muestra generemos, mejor será nuestra estimación. Sin embargo, hay otros factores que tienen influencia sobre la bondad de nuestra estimación final, como las condiciones iniciales de la simulación, la longitud del intervalo que simula y la exactitud del modelo mismo.

Simulación de tráfico en la ciudad

Usos de la simulación

Las áreas de aplicación de la simulación son muy amplias, numerosas y diversas, basta mencionar sólo algunas de ellas: Análisis del impacto ambiental causado por diversas fuentes Análisis y diseño de sistemas de manufactura análisis y diseño de sistemas de comunicaciones. Evaluación del diseño de organismos prestadores de servicios públicos (por ejemplo: hospitales, oficinas de correos, telégrafos, casas de cambio, etc.). Análisis de sistemas de transporte terrestre, marítimo o por aire, análisis de grandes equipos de cómputo, análisis de un departamento dentro de una fábrica. Adiestramiento de operadores (centrales carboeléctricas, termoeléctricas, nucleoeléctricas, aviones, etc.).Análisis de sistemas de acondicionamiento de aire, planeación para la producción de bienes. Análisis financiero de sistemas económicos. Evaluación de sistemas tácticos o de defensa militar. La simulación se utiliza en la etapa de diseño para auxiliar en el logro o mejoramiento de un proceso o diseño o bien a un sistema ya existente para explorar algunas modificaciones. Se recomienda la aplicación de la simulación a sistemas ya existentes cuando existe algún problema de operación o bien cuando se requiere llevar a cabo una mejora en el comportamiento. El efecto que sobre el sistema ocurre cuando se cambia alguno de sus componentes se puede examinar antes de que ocurra el cambio físico en la planta para asegurar que el problema de operación se soluciona o bien para determinar el medio más económico para lograr la mejora deseada. Todos los modelos de simulación se llaman modelos de entrada-salida. Es decir, producen la salida del sistema si se les da la entrada a sus subsistemas interactuantes. Por tanto los modelos de simulación se “corren” en vez de “resolverse”, a fin de obtener la información o los resultados deseados. Son incapaces de generar una solución por si mismos en el sentido de los modelos analíticos; solo pueden servir como herramienta, para el análisis del comportamiento de un sistema en condiciones especificadas por el experimentador. Por tanto la simulación es una teoría, si no una metodología de resolución de problemas. Además la simulación es solo uno de varios planteamientos valiosos para resolver problemas que están disponibles para el análisis de sistemas. Pero ¿Cuándo es útil utilizar la simulación? Cuando existan una o más de las siguientes condiciones:1.- No existe una completa formulación matemática del problema o los métodos analíticos para resolver el modelo matemático no se han desarrollado aún. Muchos modelos de líneas de espera corresponden a esta categoría2.- Los métodos analíticos están disponibles, pero los procedimientos matemáticos son tan complejos y difíciles, que la simulación proporciona un método más simple de solución.3.- Las soluciones analíticas existen y son posibles, pero están más allá de la habilidad matemática del personal disponible El costo del diseño, la prueba y la corrida de una simulación debe entonces evaluarse contra el costo de obtener ayuda externa.4.- Se desea observar el trayecto histórico simulado del proceso sobre un período, además de estimar ciertos parámetros.5.- La simulación puede ser la única posibilidad, debido a la dificultad para realizar experimentos y observar fenómenos en su entorno real, por ejemplo, estudios de vehículos espaciales en sus vuelos interplanetarios.6.- Se requiere la aceleración del tiempo para sistemas o procesos que requieren de largo tiempo para realizarse. La simulación proporciona un control sobre el tiempo, debido a que un fenómeno se puede acelerar o retardar según se desee.

Los modelos pueden ser de dos tipos:

A. Modelos Físicos: Que son representaciones físicas de la realidad. Ej. Maquetas de Aeromodelismo reducida a escala

B. Modelos Abstractos: Son representaciones de tipo verbal, matemático o gráfico (planos, dibujos), que hacen posible se desarrollen muchos modelos verbales, matemáticos y gráficos.

La diferencia entre cada uno de ellos son los distintos tipos de lenguajes que son utilizados para poder manifestarlas formas de conceptualización de la realidad.

Los modelos nos sirven para conocer el sistema que tenemos bajo estudio. También, para aprender acerca de lo que acontece en el sistema o para intentar predecir su probable comportamiento y así poder actuar sobre una posible acción futura del mismo

Ejemplos de simulación

Simulación de choque entre la vía láctea y galaxia Andrómeda

La colisión entre las dos galaxias más grandes del Grupo Local, la Vía Láctea y Andrómeda es un evento que se cree tendrá lugar en el futuro, y en el cual las dos galaxias acabarán por fundirse en una galaxia mayor muy posiblemente.

Simulación del impacto del Boeing 767 contra la primera torre del WTC

Con esta simulación del impacto del Boeing 767 contra la primera torre del WTC, está claro que podemos simular cualquier cosa. Desde el análisis del impacto del fuselaje, del fuel, del polvo y la suciedad generados o de las condiciones térmicas producidas a causa del impacto que empiezan a debilitar la estructura.

Simulación y videojuegos

Un tipo popular de simuladores de vuelo son los simuladores de vuelo de combate, los cuales simulan el combate aéreo desde el punto de vista de los pilotos y su tripulación. Los títulos de simuladores de vuelo de combate son más numerosos que los simuladores de vuelo civiles, debido a la variedad de temas disponibles y a la demanda del mercado.

RELACIÓN EXISTENTE ENTRE INGENIERÍA DE SISTEMAS, SIMULACIÓN Y TGS

Al hablar de Ingeniería de sistemas, simulación y TGS estamos hablando de tres formas del desarrollo del conocimiento y las ciencias creadas por el hombre que tienen un fin en común, la de resolver problemas generados en la búsqueda de la mejora de sistemas del mundo real, para su mejor funcionamiento y su mayor eficiencia. Cada uno de estos modelos tiene una concepción teórica, una aplicación y dan su aporte a los sistemas de acuerdo al tiempo y las circunstancias en que fueron surgiendo. La Ingeniería de sistemas se encarga del diseño, la programación, implantación y el mantenimiento de sistemas; la simulación es una técnica que busca el mejoramiento de sistemas mediante modelos que tratan de imitar la realidad resolviendo algunas de las siguientes preguntas, ¿Cómo fuera si…?, ¿Qué pasaría si…?, ¿sí en ves de esto fuera este otro?, al tratar de resolver estas preguntas nos pueden dar como resultado soluciones aunque no del 100% de efectividad si con una gran aproximación a como lo habíamos planeado; por ultimo la TGS parte de un concepto mas abstracto de sistema, busca reglas de valor general, aplicables a cualquier sistema y en cualquier nivel de la realidad.