Сімулятар

Матэрыял з Вікіпедыі - вольнай энцыклапедыі
Перайсці да навігацыі Перайсці да пошуку
Сімулятар ваджэння.

Сімулятар - імітатар (звычайна механічны або кампутарны), задача якога складаецца ў імітацыі кіравання якім-небудзь працэсам, апаратам або транспартным сродкам.

Часцей за ўсё зараз слова "сімулятар" выкарыстоўваецца ў дачыненні да кампутарных праграм (звычайна гульняў). З дапамогай кампутарна-механічных сімулятараў, абсалютна сапраўды якія прайграваюць інтэр'ер кабіны апарата, трэніруюцца пілоты , касманаўты , машыністы высакахуткасных цягнікоў.

Сімулятары – праграмныя і апаратныя сродкі, якія ствараюць уражанне рэчаіснасці, адлюстроўваючы частку рэальных з'яў і ўласцівасцяў у віртуальным асяроддзі. [ крыніца не паказаны 378 дзён ] Часта для вывучэння імітацыйных мадэляў выкарыстоўваюцца кампутарныя эксперыменты [1] . Сімуляванне таксама выкарыстоўваецца пры навуковым мадэляванні прыродных сістэм або сістэм чалавека, каб атрымаць уяўленне аб іх функцыянаванні. Мадэляванне можа быць скарыстана для дэманстрацыі магчымых эфектаў альтэрнатыўных умоў і спосабаў дзеянняў. Імітацыя таксама выкарыстоўваецца, калі рэальная сістэма не можа быць задзейнічана, таму што яна можа быць недаступная, ці яна можа быць небяспечнай ці непрымальнай для ўдзелу, ці яна праектуецца, але яшчэ не пабудавана, ці яна можа проста не існаваць [2] .

Класіфікацыя і тэрміналогія

Мадэляванне выхаду ў адкрыты космас .

Гістарычна сімуляванне, якое ўжываецца ў розных абласцях, развівалася ў значнай ступені незалежна, але даследаванні тэорыі сістэм і кібернетыкі XX стагоддзі ў спалучэнні з распаўсюджваннем выкарыстання кампутараў ва ўсіх гэтых абласцях прывялі да некаторай уніфікацыі і больш сістэматычнаму погляду на гэтую канцэпцыю.

У выпадку фізічнага мадэлявання фізічныя аб'екты замяняюцца рэальнай рэччу. Гэтыя фізічныя аб'екты часта выбіраюцца таму, што яны меншыя або таннейшыя, чым рэальны аб'ект або сістэма.

Інтэрактыўнае мадэляванне - гэта асаблівы від фізічнага мадэлявання, часта званы сімуляцыяй чалавека ў цыкле, у якім фізічнае мадэляванне ўключае ў сябе людзей-аператараў, такіх як сімулятар палёту , сімулятар паруснага спорту або сімулятар кіравання .

Бесперапыннае мадэляванне - гэта мадэляванне, заснаванае на бесперапынным часе, а не на дыскрэтных часовых кроках, з выкарыстаннем колькаснага інтэгравання дыферэнцыяльных ураўненняў [3] .

Дыскрэтна-падзейнае мадэляванне вывучае сістэмы, станы якіх змяняюць свае значэнні толькі ў дыскрэтныя моманты часу [4] . Напрыклад, мадэляванне эпідэміі можа змяніць колькасць інфікаваных людзей у моманты часу, калі ўспрымальныя людзі заражаюцца, а інфікаваныя людзі здаравеюць.

Гібрыднае мадэляванне (часам камбінаванае мадэляванне) адпавядае спалучэнню бесперапыннага і дыскрэтнага мадэлявання падзей і прыводзіць да колькаснага інтэгравання дыферэнцыяльных ураўненняў паміж двума паслядоўнымі падзеямі для памяншэння колькасці парываў [5] .

Аўтаномнае мадэляванне - гэта мадэляванне, якое выконваецца на адной працоўнай станцыі само па сабе.

Размеркаванае мадэляванне выкарыстоўвае больш за адзін кампутар адначасова, каб гарантаваць доступ да розных рэсурсаў(напрыклад, шматкарыстальніцкія аперацыйныя сістэмы або размеркаваныя наборы дадзеных ).

Паралельнае мадэляванне паскарае выкананне мадэлявання, адначасова размяркоўваючы яго працоўную нагрузку па некалькіх працэсарам, як у высокапрадукцыйных вылічэннях [6] .

Пры аператыўна сумяшчальным мадэляванні некалькі мадэляў, сімулятары, размеркаваныя па сетцы, узаемадзейнічаюць лакальна; класічным прыкладам з'яўляецца архітэктура высокага ўзроўню [7] і сур'ёзныя гульні, дзе сур'ёзныя гульнявыя падыходы (напрыклад, гульнявыя рухавічкі і метады ўзаемадзеяння) інтэграваныя з интероперабельным мадэляваннем [8] .

Паняцце дакладнасці мадэлявання выкарыстоўваецца для апісання таго, наколькі блізка яно імітуе рэальны аналаг. Можна прыблізна падзяліць дакладнасць на наступныя ўзроўні:

Нізкі ўзровень - мінімальнае мадэляванне, неабходнае для таго, каб сістэма рэагавала на прыём уваходных дадзеных і забяспечвала выхады.

Сярэдні ўзровень - аўтаматычна рэагуе на раздражняльнікі, з абмежаванай дакладнасцю.

Высокі ўзровень - амаль неадметная або максімальна набліжаная да рэальнай сістэме.

Навучальныя сімулятары:

Кампутарнае мадэляванне

Кампутарнае мадэляванне - гэта спроба змадэляваць рэальную або гіпатэтычную сітуацыю на кампутары, каб можна было ўбачыць, як працуе сістэма [1] . Змяняючы зменныя ў мадэляванні, можна прадказаць паводзіны сістэмы. Гэта прылада, які дазваляе практычна даследаваць паводзіны доследнай сістэмы. Кампутарнае мадэляванне стала важнай часткай мадэлявання шматлікіх прыродных сістэм у фізіцы, хіміі і біялогіі [9] , у эканоміцы і сацыяльных навуках (напрыклад, вылічальнай сацыялогіі), а таксама ў інжынернай справе. Добры прыклад карыснасці выкарыстання кампутараў можна знайсці ў вобласці мадэлявання сеткавага трафіку. Пры такім мадэляванні паводзіны мадэлі будуць змяняцца пры кожным мадэляванні ў адпаведнасці з наборам зыходных параметраў, прынятых для навакольнага асяроддзя. Традыцыйна фармальнае мадэляванне сістэм ажыццяўлялася з дапамогай матэматычнай мадэлі, якая спрабуе знайсці аналітычныя рашэнні, якія дазваляюць прагназаваць паводзіны сістэмы па наборы параметраў і пачатковых умоў. Кампутарнае мадэляванне часта выкарыстоўваецца ў якасці дадатку ці замены сістэм мадэлявання, для якіх простыя аналітычныя рашэнні замкнёнай формы немагчымыя.

Існуе некалькі праграмных пакетаў для выканання кампутарнага імітацыйнага мадэлявання (напрыклад, мадэляванне метадам Монтэ-Карла , стахастычнае мадэляванне , мультыметоднае мадэляванне), якія значна спрашчаюць апрацоўку дадзеных.

Кампутарныя навукі

У інфарматыцы сімуляцыя мае некалькі спецыялізаваных значэнняў: Алан Ц'юрынг выкарыстоўваў тэрмін "сімуляцыя" для абазначэння таго, што адбываецца, калі ўніверсальная машына выконвае табліцу пераходаў станаў (у сучаснай тэрміналогіі кампутар запускае праграму), якая апісвае пераходы станаў, уваходы і выхады аб'екта дыскрэтнай машыны станаў [10] . У кампутарнай архітэктуры тып сімулятара, звычайна званы эмулятарам , часта выкарыстоўваецца для выканання праграмы, якая павінна выконвацца на некаторым нязручным тыпе кампутара (напрыклад, нядаўна спраектаваным кампутары, які яшчэ не быў пабудаваны, ці састарэлым кампутары, які больш не даступны), ці ў строга кантраляванай асяроддзі тэсціравання . Напрыклад, імітатары выкарыстоўваліся для адладкі мікрапраграм ці часам камерцыйных прыкладных праграм, перш чым праграма загружалася на мэтавую машыну. Паколькі праца кампутара мадэлюецца, уся інфармацыя аб працы кампутара непасрэдна даступная праграмісту, а хуткасць і выкананне мадэлявання могуць быць зменены па жаданні.

Імітатары могуць таксама выкарыстоўвацца для інтэрпрэтацыі дрэў адмоваў ці тэставанні лагічных схем VLSI да іх пабудовы. Сімвольнае мадэляванне выкарыстоўвае зменныя для абазначэння невядомых значэнняў.

У вобласці аптымізацыі мадэляванне фізічных працэсаў часта выкарыстоўваецца ў спалучэнні з эвалюцыйнымі вылічэннямі для аптымізацыі стратэгій кіравання.

Мадэляванне ў адукацыі і навучанні

Мадэляванне шырока выкарыстоўваецца ў адукацыйных мэтах . Яго ўжываюць у тых выпадках, калі занадта дорага ці небяспечна дазволіць стажорам выкарыстоўваць рэальнае абсталяванне ў рэальным свеце. У такіх сітуацыях яны атрымліваюць рэалістычны вопыт у бяспечным віртуальным асяроддзі. Часта зручнасць заключаецца ў тым, каб дазволіць памылкі падчас навучання ва ўмовах крытычнай сістэмы бяспекі. Сімуляцыі ў адукацыі нечым падобныя да навучальных сімуляцый. Яны засяроджаны на канкрэтных задачах. Тэрмін " мікрасвет " выкарыстоўваецца для абазначэння навучальных сімуляцый, якія мадэлююць некаторую абстрактную канцэпцыю, а не імітуюць рэалістычны аб'ект або навакольнае асяроддзе, або ў некаторых выпадках мадэлююць рэальнае асяроддзе спрошчаным спосабам, каб дапамагчы навучэнцу развіць разуменне ключавых паняццяў. Звычайна карыстач можа стварыць у мікрасвеце нейкую канструкцыю, якая будзе паводзіць сябе ў адпаведнасці з мадэляванымі канцэпцыямі. Сеймур Пейперт быў адным з першых, хто зразумеў каштоўнасць мікраміраў, і мова праграмавання Logo , распрацаваны Пейпертам, з'яўляецца адным з самых вядомых мікраміраў.

Мадэляванне кіравання праектамі ўсё часцей выкарыстоўваецца для навучання студэнтаў і спецыялістаў. Яно паляпшае навучальны працэс, спрыяючы хуткаму засваенню інфармацыі [11] .

Сацыяльнае мадэляванне можа выкарыстоўвацца ў сацыяльных навуках для ілюстрацыі сацыяльных і палітычных працэсаў у антрапалогіі, эканоміцы, гісторыі, паліталогіі ці сацыялогіі, як правіла, на ўзроўні сярэдняй школы ці ўніверсітэта. Напрыклад, пры мадэляванні грамадзянскай супольнасці, у якой удзельнікі прымаюць на сябе ролю ў мадэляваным грамадстве, або мадэляванні міжнародных адносін, у якіх студэнты ўдзельнічаюць у перамовах, стварэнні альянсаў, гандлі, дыпламатыі і прымяненні сілы. Такія сімуляцыі могуць грунтавацца на выдуманых палітычных сістэмах ці на бягучых ці гістарычных падзеях. Прыкладам апошняга можа служыць рэакцыя каледжа Барнарда на серыю гістарычных адукацыйных гульняў [12] . Нацыянальны навуковы фонд таксама падтрымаў стварэнне інтэрактыўных гульняў, якія датычацца навукі і матэматычнай адукацыі [13] .

У апошнія гады ўсё шырэй выкарыстоўваецца сацыяльнае мадэляванне для навучання персанала ва ўстановах развіцця і дабрачынных арганізацыях. Напрыклад, мадэль Карана была ўпершыню распрацавана Праграмай развіцця Арганізацыі Аб'яднаных Нацый і ў цяперашні час выкарыстоўваецца ў вельмі перагледжанай форме Сусветным банкам для падрыхтоўкі персанала для працы з нестабільнымі і закранутымі канфліктамі краінамі [14] .

Выкарыстанне мадэлявання для навучання прафесійных вайскоўцаў часта ўключае ў сябе самалёты або баявыя браняваныя машыны, але таксама можа быць накіравана на навучанне стралковай зброі і іншым сістэмам узбраення. У прыватнасці, віртуальныя палігоны агнястрэльнай зброі сталі нормай у большасці працэсаў ваеннай падрыхтоўкі.

Агульныя сістэмы ўзаемадзеяння з карыстальнікамі для віртуальнага мадэлявання

Віртуальныя сімуляцыі ўяўляюць сабой асаблівую катэгорыю сімуляцыі, якая выкарыстоўвае імітацыйнае абсталяванне для стварэння мадэляваных свету для карыстальніка. Віртуальныя сімуляцыі дазваляюць карыстальнікам узаемадзейнічаць з віртуальным светам . Віртуальныя міры працуюць на платформах інтэграваных праграмных і апаратных кампанентаў. Такім чынам, сістэма можа прымаць уваходныя дадзеныя ад карыстача (напрыклад, адсочванне цела, распазнанне голасу/гуку , фізічныя кантролеры) і выдаваць выходныя дадзеныя карыстачу (напрыклад, візуальны дысплей, гукавы дысплей, тактыльны дысплей) [15] . Віртуальныя сімуляцыі выкарыстоўваюць вышэйзгаданыя рэжымы ўзаемадзеяння, каб стварыць у карыстача адчуванне апускання .

Уваходнае абсталяванне віртуальнага мадэлявання

Існуе вялікая разнастайнасць апаратных сродкаў уводу, даступных для віртуальнага мадэлявання:

Адсочванне цела : метад захопу руху часта выкарыстоўваецца для запісу рухаў карыстальніка і пераўтварэнні захопленых дадзеных ва ўваходныя дадзеныя для віртуальнага мадэлявання. Напрыклад, калі карыстач фізічна паварочвае галаву, то гэты рух будзе нейкім чынам зафіксавана апаратным забеспячэннем і пераведзена ў адпаведнае зрушэнне ў поле зроку ўнутры віртуальнага асяроддзя.

  • Захопныя гарнітуры і/або пальчаткі могуць выкарыстоўвацца для захопу рухаў частак цела карыстачоў. Гэтыя сістэмы могуць мець убудаваныя ў іх датчыкі для ўспрымання рухаў розных частак цела (напрыклад, пальцаў). Да таго ж, гэтыя сістэмы могуць мець вонкавыя якія адсочваюць прылады ці пазнакі, якія могуць быць выяўлены вонкавым ультрагукам , аптычнымі прымачамі ці электрамагнітнымі датчыкамі. Унутраныя інерцыйныя датчыкі таксама даступныя ў некаторых сістэмах. Прылады могуць перадаваць дадзеныя альбо па бесправадной сетцы , альбо па кабелях .
  • Вочныя трэкеры таксама могуць быць скарыстаны для выяўлення рухаў вачэй так, што сістэма можа сапраўды вызначыць, куды карыстач глядзіць у дадзены момант часу.

Фізічныя кантролеры : фізічныя кантролеры забяспечваюць увод у сімуляцыю толькі з дапамогай прамога маніпулявання карыстальнікам. У віртуальным мадэляванні тактыльная зваротная сувязь ад фізічных кантролераў вельмі пажаданая ў шэрагу асяроддзяў мадэлявання.

  • Усенакіраваныя бегавыя дарожкі можна выкарыстоўваць для захопу руху карыстальнікаў падчас хады або бегу.
  • Высокадакладныя прыборы, такія як прыборныя панэлі ў віртуальных кабінах самалётаў, падаюць карыстальнікам рэальныя сродкі кіравання для павышэння ўзроўню апускання. Напрыклад, пілоты могуць выкарыстоўваць фактычныя элементы кіравання глабальнай сістэмай пазіцыянавання з рэальнай прылады ў імітаванай кабіне, каб дапамагчы ім практыкаваць працэдуры з фактычнай прыладай у кантэксце інтэграванай сістэмы кабіны.

Распазнаванне голасу/гуку : гэтая форма ўзаемадзеяння можа выкарыстоўвацца або для ўзаемадзеяння з агентамі ў сімуляцыі (напрыклад, віртуальнымі людзьмі), або для маніпулявання аб'ектамі ў сімуляцыі (напрыклад, інфармацыяй). Галасавое ўзаемадзеянне меркавана падвышае ўзровень апускання карыстальніка. Магчыма выкарыстанне гарнітур з мікрафонамі, нагрудных мікрафонаў, ці пакой можа быць абсталявана стратэгічна размешчанымі мікрафонамі.

Бягучыя даследаванні ў галіне сістэм карыстацкага ўводу

Даследаванні ў вобласці будучых сістэм уводу дадзеных даюць вялікія далягляды для віртуальнага мадэлявання. Такія сістэмы, як нейрокомпьютерные інтэрфейсы (BCIs) , прапануюць магчымасць наступнага падвышэння ўзроўня апускання для карыстачоў віртуальнага мадэлявання. Lee, Keinrath, Scherer, Bischof, Pfurtscheller даказалі, што наіўныя падыспытныя могуць быць навучаны выкарыстоўваць BCI для навігацыі па віртуальнай кватэры з адноснай лёгкасцю [16] . Выкарыстоўваючы ІМК, аўтары выявілі, што падыспытныя маглі свабодна арыентавацца ў віртуальным асяроддзі з адносна мінімальнымі намаганнямі. Цалкам магчыма, што гэтыя тыпы сістэм стануць стандартнымі мадальнасцямі ўводу ў будучых сістэмах віртуальнага мадэлявання.

Выходное абсталяванне віртуальнага мадэлявання

Існуе вялікая разнастайнасць выходных апаратных сродкаў, даступных для дастаўкі сігналу карыстачам у віртуальных сімуляцыях:

Візуальныя дысплеі забяспечваюць візуальны стымул для карыстальніка.

  • Стацыянарныя дысплеі могуць вар'іравацца ад звычайнага настольнага дысплея да абгорнутых на 360 градусаў экранаў і стэрэадысплеяў . Звычайныя настольныя дысплеі могуць вар'іравацца па памеры ад 15 да 60 цаляў (ад 380 да 1520 мм). Абкручванне вакол экранаў звычайна выкарыстоўваецца ў так званым пячорным аўтаматычнай віртуальнай асяроддзі (CAVE) . Стереоскопические трехмерные экраны производят трехмерное изображение либо с помощью специальных очков, либо без них — в зависимости от конструкции.
  • Наголовные дисплеи монтируются на головных уборах пользователя. Эти системы подключаются непосредственно к виртуальному моделированию, чтобы обеспечить пользователю более захватывающий опыт. Вес, частота обновления и поле зрения — некоторые из ключевых переменных, определяющих их. Естественно, тяжелые дисплеи нежелательны, так как они вызывают усталость с течением времени. Если скорость обновления слишком низкая, система не может обновить изображение достаточно быстро, чтобы соответствовать быстрому повороту головы пользователя. Поэтому медленные темпы обновления нарушают чувство погружения. Поле зрения или угловая протяженность мира, который виден в данный момент, может варьироваться от системы к системе и, как было обнаружено, влияет на чувство погружения пользователя.

Звуковой дисплей : существует несколько различных типов аудиосистем, которые помогают пользователю слышать и локализовать звуки в пространстве. Специальное программное обеспечение может быть использовано для создания 3D-аудиоэффектов, чтобы создать иллюзию того, что источники звука размещены в трехмерном пространстве вокруг пользователя.

  • Стационарные акустические системы могут использоваться для обеспечения двойного или многоканального объемного звучания . Однако внешние динамики не так эффективны в создании 3D-аудиоэффектов, как наушники.
  • Наушники предлагают портативную альтернативу стационарным динамикам. Они также имеют дополнительные преимущества маскировки реального шума и поддерживают множество звуковых эффектов [15] .

Тактильный дисплей : эти дисплеи обеспечивают ощущение прикосновения к пользователю ( тактильная технология ). Этот тип вывода иногда называют силовой обратной связью.

  • Тактильные плиточные дисплеи используют различные типы приводов, такие как надувные пузыри, вибраторы, низкочастотные сабвуферы , штыревые приводы и/или термоприводы для создания дополнительных ощущений [15] .
  • Дисплеи конечных эффекторов могут реагировать на входы пользователей с сопротивлением и силой. Эти системы часто используются в медицинских приложениях для удаленных операций, в которых используются роботизированные инструменты [17] .

Вестибулярный дисплей : эти дисплеи обеспечивают ощущение движения для пользователя ( имитатор движения ). Они часто проявляются как основы движения для виртуального моделирования транспортных средств, таких как симуляторы вождения или летные тренажеры . Основания движения фиксируются на месте, но используют приводы для перемещения тренажера таким образом, чтобы вызвать ощущения качки, отклонения или качения. Тренажеры также могут двигаться таким образом, чтобы создавать ощущение ускорения по всем осям (например, основание движения может создавать ощущение падения).

Симуляторы в медицине

Медицинские тренажеры все чаще разрабатываются и используются для обучения персонала медицинских профессий терапевтическим и диагностическим процедурам, а также медицинским концепциям и принятию решений. Тренажеры были разработаны для обучения процедурам, начиная от основ, таких как забор крови, до лапароскопической хирургии и травматологии [18] . Они также важны для помощи в создании прототипов новых устройств для задач биомедицинской инженерии . В настоящее время тренажеры применяются для исследования и разработки новых методов лечения и ранней диагностики в медицине [19] .

Многие медицинские тренажеры имеют компьютер, подключенный к пластическому моделированию соответствующей анатомии. Сложные симуляторы этого типа используют манекен в натуральную величину, который реагирует на инъекционные наркотики и может быть запрограммирован для создания симуляций опасных для жизни чрезвычайных ситуаций. В других симуляциях визуальные компоненты процедуры воспроизводятся методами компьютерной графики , в то время как сенсорные компоненты воспроизводятся тактильными устройствами обратной связи в сочетании с физическими процедурами моделирования, вычисляемыми в ответ на действия пользователя.

Медицинские симуляции такого рода часто используют КТ или МРТ -сканирование данных пациентов для повышения реалистичности. Некоторые медицинские симуляции разрабатываются для широкого распространения (например, веб-симуляции [20] и процедурные симуляции [21] , которые можно просматривать через стандартные веб-браузеры ) и могут взаимодействовать с использованием стандартных компьютерных интерфейсов, таких как клавиатура и мышь .

Другое важное медицинское применение симулятора — это использование препарата плацебо , имитирующего активный препарат в испытаниях эффективности препарата.

Повышение безопасности пациентов

Безопасность пациентов — это проблема медицинской промышленности. Известно, что пациенты получают травмы и даже умирают из-за ошибок руководства и отсутствия лучших стандартов ухода и обучения. В соответствии с национальной программой создания симуляционного медицинского образования, "способность медицинского работника разумно реагировать в неожиданной ситуации является одним из наиболее важных факторов в создании положительного результата в неотложной медицинской помощи , независимо от того, происходит ли это на поле боя, автостраде или в отделении больницы. Эдер-Ван Хук, автор вышеупомянутой национальной программы, также отметил, что медицинские ошибки убивают до 98 000 человек с предполагаемой стоимостью от 37 до 50 миллионов долларов и от 17 до 29 миллиардов долларов за предотвратимые неблагоприятные события в год.

Моделирование используется для исследования безопасности пациентов, а также для обучения медицинских работников [22] . Изучение безопасности пациентов и мер безопасности в здравоохранении является сложной задачей, поскольку отсутствует экспериментальный контроль (сложность пациента, отклонения системы/процесса), чтобы увидеть, имело ли вмешательство существенное значение [23] . Примером инновационного моделирования для изучения безопасности пациентов являются исследования сестринского дела. Авторы использовали высокоточное моделирование для изучения поведения медсестер, ориентированного на безопасность, в такие периоды, как отчет об изменении графика работы [22] .

Однако ценность имитационных вмешательств для перевода их в клиническую практику все еще остается спорной. Имеются убедительные доказательства того, что имитационное обучение повышает самоэффективность и компетентность команды при испытаниях на манекенах . Имеются также убедительные доказательства того, что процедурное моделирование улучшает фактические оперативные показатели в клинических условиях [24] . Основная проблема заключается в том, чтобы показать, что командное моделирование улучшает оперативные показатели команды у постели больного [25] . Сегодня способность симуляции обеспечить практический опыт в операционной больше не вызывает сомнений [26] [27] .

История моделирования в здравоохранении

Первые медицинские тренажеры были простыми моделями человеческих пациентов. С древнейших времен эти изображения в глине и камне использовались для демонстрации клинических особенностей болезненных состояний и их воздействия на человека. Модели были найдены во многих культурах и континентах. Эти модели использовались в некоторых культурах (например, в китайской культуре) в качестве " диагностического " инструмента, позволяющего женщинам консультироваться с врачами-мужчинами, сохраняя при этом социальные законы скромности. Модели используются сегодня, чтобы помочь студентам изучить анатомию опорно-двигательного аппарата и систем органов [28] .

В 2002 году было сформировано общество моделирования в здравоохранении , которое стало лидером в международном межпрофессиональном продвижении медицинского моделирования в здравоохранении [29] . Необходимость в "едином механизме обучения, оценки и сертификации инструкторов по моделированию для медицинских работников" была признана в критическом обзоре исследований в области медицинского образования, основанных на моделировании [30] . В 2012 году общество моделирования в здравоохранении учредило два новых сертификата для тренеров по имитационному обучению сотрудников [31] .

Типы моделей

Активная модель

Активные модели, которые пытаются воспроизвести живую анатомию или физиологию, появились недавно. Знаменитый манекен "Харви" , разработанный в Университете Майами , способен воссоздать многие физические результаты кардиологического обследования, включая пальпацию , аускультацию и электрокардиографию [32] .

Интерактивная модель

Совсем недавно были разработаны интерактивные модели, которые реагируют на действия, предпринятые студентом или врачом. До недавнего времени эти симуляции представляли собой двумерные компьютерные программы, которые действовали скорее как учебник, чем как пациент. Компьютерное моделирование имеет то преимущество, что позволяет студенту делать суждения, а также ошибки. Процесс итеративного обучения через оценку, оценку, принятие решений и исправление ошибок создает гораздо более сильную среду обучения, чем пассивное обучение.

Компьютерный тренажер

Гранатометчик тренируется с помощью компьютерного тренажера

Компьютерные тренажеры были предложены в качестве идеального инструмента для оценки клинических навыков студентов [33] . Для пациентов "кибертерапия" может использоваться в сеансах, имитирующих травматические переживания, от страха высоты до социальной тревоги [34] .

Запрограммированные пациенты и смоделированные клинические ситуации, включая имитационные учения по ликвидации последствий стихийных бедствий , широко используются для обучения и оценки. Эти "реалистичные" симуляции стоят дорого, и им не хватает воспроизводимости. Полнофункциональный тренажер " 3Di " был бы наиболее специфическим инструментом, доступным для обучения и измерения клинических навыков. Для создания виртуальных медицинских сред были применены игровые платформы , поддерживающие интерактивный метод обучения и применения информации в клиническом контексте [35] [36] .

Иммерсивное моделирование состояния болезни позволяет доктору или студенту-медику пережить состояние больного. С помощью датчиков и преобразователей симптоматические эффекты передаются участнику эксперимента, позволяя ему испытать болезненное состояние пациента. Такой тренажер отвечает целям объективного и стандартизированного обследования на клиническую компетентность [37] . Эта система превосходит исследования, в которых используются " стандартные пациенты ", поскольку она поддерживает количественную оценку, а также воспроизводство одних и тех же объективных результатов [38] .

Симуляция в сфере развлечений

Симуляция в сфере развлечений охватывает многие крупные и популярные отрасли, такие как кино , телевидение , видеоигры и аттракционы в тематических парках. Хотя считается, что современная симуляция имеет свои корни в обучении и армии, в 20-м веке она также стала широко использоваться компаниями, предоставляющими развлекательные услуги.

История визуального моделирования в кино и играх

Ранняя история (1940–1950-е годы)

Первая игра-симулятор, возможно, была создана еще в 1947 году Томасом т. Голдсмитом-младшим и Эстлом Рэем Манном. Это была простая игра, которая имитировала ракету, выпущенную по цели. Кривизну ракеты и ее скорость можно было регулировать с помощью нескольких ручек. В 1958 году Вилли Хиггинботем создал игру под названием "теннис для двоих", которая имитировала игру в теннис между двумя игроками, используя ручное управление, и отображалась на осциллографе . Это была одна из первых электронных видеоигр , использующих графический дисплей .

1970-е и начало 1980-х годов

Компьютерные изображения были использованы в фильме для имитации объектов еще в 1972 году в анимированной руке , части которой были показаны на большом экране в фильме 1976 года Мир будущего . Многие помнят "компьютер наведения" из " Звездных войн " 1977 года. Фильм " Трон "(1982) был первым фильмом, в котором компьютерные изображения использовались более двух минут [39] .

Развитие технологий в 1980-х годах привело к тому, что 3D-моделирование стало более широко использоваться в фильмах и компьютерных играх, таких как Battlezone(1980) и Elite(1984) компании Acornsoft , одной из первых использующих каркасную модель в персональных компьютерах .

Эпоха до виртуального кинематографа (начало 1980-х–1990-е годы)

Достижения в области технологий в 1980-х годах сделали компьютер более доступным и более способным, чем в предыдущие десятилетия, что способствовало появлению таких компьютеров, как Xbox gaming [40] . Первые игровые приставки , выпущенные в 1970-х и начале 1980-х годов, стали жертвой краха индустрии в 1983 году, но в 1985 году Nintendo выпустила Nintendo Entertainment System (NES), которая стала одной из самых продаваемых консолей в истории видеоигр . В 1990-х годах стали широко популярны такие компьютерные игры, как The Sims и Command & Conquer , рассчитанные на растущую мощность настольных компьютеров. Сегодня в компьютерные симуляторы, такие как World of Warcraft , играют миллионы людей по всему миру.

" Парк Юрского периода ", вышедший на экраны в 1993 году, стал первым популярным фильмом, в котором широко использовалась компьютерная графика , почти полностью интегрировавшая смоделированных динозавров в сцены действия. Это событие преобразило киноиндустрию ; в 1995 году фильм " История игрушек " стал первым фильмом, в котором использовались только компьютерные изображения, а к новому тысячелетию компьютерная графика стала основным способом создания спецэффектов в кино [41] .

Виртуальное кино (начало 2000-х–настоящее время)

Появление виртуального кинематографа в начале 2000-х годов привело к резкому росту числа фильмов, снятых на основе виртуальных изображений. Классическими примерами являются цифровые двойники Нео , Смита и других персонажей в трилогии "Матрица" и множество фантастических персонажей, создание которых невозможно без компьютерной графики, в трилогии "Властелин колец" .

В сериале Pan Am терминал , который уже не существовал во время съемок в 2011-2012 годах, был создан средствами виртуального кинематографа, такими как автоматизированный поиск точки съёмки и сочетание реальных и имитированных кадров в одной сцене, которые прочно закрепились в киноиндустрии с начала 2000-х годов. CGI-графика используется для визуальных эффектов, потому что она является высококачественной, хорошо управляемой и способной создавать эффекты, которые были бы невозможны при использовании любой другой технологии из-за высокой стоимости или недостаточной безопасности [42] . Компьютерную графику сегодня можно увидеть во многих фильмах, особенно в жанре экшн . Кроме того, компьютерные изображения почти полностью вытеснили рисованную анимацию в детских фильмах, большинство из которых сейчас создается только на компьютере. Примерами фильмов, использующих компьютерные образы, являются " В поисках Немо ", " 300 спартанцев " и " Железный Человек ".

Другие виды развлечений на основе симуляции

Игровые симуляторы

Игровые симуляторы [en] , в отличие от других жанров видео-и компьютерных игр, точно представляют или имитируют окружающую среду . Более того, они реалистично отображают взаимодействие между игровыми персонажами и окружающей средой. Эти виды игр обычно более сложны с точки зрения геймплея [43] . Многие симуляторы, такие как SimCity и Tiger Woods PGA Tour , стали невероятно популярны среди людей всех возрастов [44] .

Аттракционы в тематическом парке

Симуляторы использовались для развлечения со времен Link Trainer в 1930-х годах [45] . Первым современным симуляционным аттракционом , открывшимся в тематическом парке, стал Disney's Star Tours в 1987 году, а вскоре за ним последовал The Funtastic World of Hanna-Barbera в 1990 году, который стал первым аттракционом, сконструированным только с помощью компьютерной графики [46] . Симуляционные аттракционы произошли от военных и коммерческих тренажеров, но между первыми и последними есть принципиальная разница. В то время как военные тренажеры реагируют на ввод обучаемого в режиме реального времени, аттракционы только создают иллюзию реагирования, на самом деле соответствуя заранее записанным сценариям движения [46] . Один из первых симуляторов Star Tours стоимостью $32 млн, имел кабину на гидравлическом приводе . Движение было запрограммировано джойстиком . Современные симуляционные аттракционы, такие как The Amazing Adventures of Spider-Man , включают в себя элементы для усиления погружения , испытываемого пользователями, такие как 3D-изображения , физические эффекты (распыление воды или ароматов) и движение через окружающую среду [47] .

Моделирование в производстве

Производство представляет собой одно из наиболее важных применений моделирования. Этот метод представляет собой ценный инструмент, используемый инженерами при оценке эффекта капитальных вложений в оборудование и физические объекты, такие как заводы, склады и распределительные центры. Моделирование может быть использовано для прогнозирования производительности существующей или планируемой системы и сравнения альтернативных решений для конкретной проектной задачи [48] .

Другой важной целью моделирования в производственных системах является количественная оценка производительности системы .

Общие показатели эффективности системы включают следующее [49] :

  • Длительность одного цикла (сколько времени требуется для изготовления одной детали)
  • Использование ресурсов, рабочей силы и машин
  • Очереди на рабочих местах
  • Потребности в персонале

Эрганоміка

Эргономическое моделирование включает в себя анализ виртуальных продуктов или ручных задач в виртуальной среде. В процессе проектирования целью эргономики является разработка и совершенствование дизайна изделий и рабочей среды [50] . Эргономическое моделирование использует антропометрическое виртуальное представление человека – манекен или цифровую модель человека, чтобы имитировать позы, механические нагрузки и производительность человека-оператора в моделируемой среде, такой как самолет, автомобиль или производственный объект. Цифровые модели человека являются ценным инструментом для анализа эргономики и проектирования [51] . Моделирование использует 3D-графику и модели для анимации виртуальных людей. Программное обеспечение эргономики использует методы обратной кинематики для управления цифровой моделью [50] .

Программные средства обычно рассчитывают биомеханические свойства, включая индивидуальные мышечные силы , совместные силы и моменты . Некоторые модели также анализируют физиологические показатели, включая метаболизм , расход энергии и пределы усталости во временных циклах и комфорт пользователя [52] .

Моделирование и имитация задачи могут быть выполнены путем ручного манипулирования виртуальным человеком в моделируемой среде. Некоторые программы для моделирования эргономики позволяют проводить интерактивное моделирование и оценку в реальном времени с помощью ввода данных , используя технологии захвата движения . Однако захват движения требует дорогостоящего оборудования и создания реквизита для представления окружающей среды .

Эргономическое моделирование включает анализ сбора твердых отходов, управление стихийными бедствиями, интерактивные игры, проектирование сборочной линии автомобиля [53] , виртуальное прототипирование реабилитационных средств и проектирование аэрокосмической техники [54] . Например, инженеры Ford используют программное обеспечение эргономического моделирования "Siemen's Jack and Jill ergonomics simulation" для виртуальных обзоров дизайна продукта, что способствует повышению безопасности и эффективности труда без необходимости создания дорогостоящих прототипов.

Моделирование запуска спейс шаттла

Комната , сконфигурированная для моделирования запуска спейс шаттла

Имитационное моделирование использовалось в Космическом центре Кеннеди для обучения и сертификации инженеров спейс шаттлов во время имитации обратного отсчета запуска . Инженерный отдел принимает участие в интегрированном моделировании обратного отсчета запуска перед каждым полетом шаттла. Это виртуальная симуляция, в которой реальные люди взаимодействуют с моделируемым космическим челноком и оборудованием наземной поддержки. Системы шаттла, интегрированные в симуляцию, включают основную двигательную установку, RS-25 , твердотопливные ракетные ускорители , жидкий водород и жидкий кислород , внешний бак , средства управления полетом , навигацию и авионику [55] .

Основные цели моделирования запуска шаттла заключаются в следующем:

  • демонстрация операций обратного отсчета в комнате запуска
  • обеспечение подготовки инженеров по распознаванию и оценке системных проблем в критической по времени среде
  • использование способности стартовой группы оценивать, расставлять приоритеты и реагировать на проблемы комплексным образом в критической по времени среде
  • обеспечение процедур, которые будут использоваться при выполнении операций восстановления в случае отказов системы, выполняемых на заключительном этапе обратного отсчета [56]

Комната запуска, используемая во время моделирования, – это та же самая диспетчерская , где выполняются реальные операции обратного отсчета запуска. В результате задействовано оборудование, используемое для реальных операций обратного отсчета старта: командные и управляющие компьютеры, прикладное программное обеспечение , инженерные инструменты построения графиков и трендов. Аппаратное обеспечение космического челнока и связанное с ним оборудование наземной поддержки моделируется математическими моделями (написанными на языке моделирования Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS) [57] ), которые реагируют как реальное оборудование. Во время моделирования фазы окончательного обратного отсчета шаттла инженеры управляют аппаратным обеспечением с помощью реального прикладного ПО, исполняемого на пультах управления . Во время моделирования программные приложения взаимодействуют не с реальным оборудованием шаттла, а с математическими модельными представлениями аппаратного обеспечения. Следовательно, моделирование позволяет обойти чувствительные и опасные механизмы, обеспечивая инженерные измерения, детально считывающие реакцию оборудования. Поскольку эти математические модели взаимодействуют с прикладным ПО командования и управления, модели и симуляции также используются для отладки и проверки функциональности прикладного ПО [58] .

Игровые симуляторы

Нататкі

  1. 1 2 J. Banks; J. Carson; B. Nelson; D. Nicol (2001). Discrete-Event System Simulation . Prentice Hall. p. 3. ISBN 978-0-13-088702-3 .
  2. John A. Sokolowski, Catherine M. Banks. Principles of modeling and simulation : a multidisciplinary approach . — Hoboken, NJ : John Wiley, 2009. — 260 с. — ISBN 978-0-470-28943-3 .
  3. McLeod, J. (1968) “Simulation: the Dynamic Modeling of Ideas And Systems with Computers”, McGraw-Hill, NYC.
  4. Zeigler, BP, Praehofer, H., & Kim, TG (2000) "Theory of Modeling and Simulation: Integrating Discrete Event and Continuous Complex Dynamic Systems", Elsevier, Amsterdam.
  5. Giambiasi, N., Escude, B., & Ghosh, S. (2001). GDEVS: A generalized discrete event specification for accurate modeling of dynamic systems. In Autonomous Decentralized Systems, 2001. Proceedings. 5th International Symposium on (pp. 464–469).
  6. Kuhl, F., Weatherly, R., & Dahmann, J. (1999). Creating computer simulation systems: an introduction to the high-level architecture. Prentice Hall PTR.
  7. Bruzzone AG, Massei M., Simulation-Based Military Training, in Guide to Simulation-Based Disciplines, Vol.1. 315–361.
  8. Bruzzone, AG, Massei, M., Tremori, A., Longo, F., Nicoletti, L., Poggi, S., ... & Poggio, G. (2014). MS2G: simulation as a service for data mining and crowdsourcing in vulnerability Reduction. Proceedings of WAMS, Istanbul, September.
  9. Main AS and stats down, ETA for fix 10am pacific time (англ.) . [email protected] (10 February 2009). Дата абарачэння: 9 верасня 2020.
  10. Universal Turing Machine . web.mit.edu . Дата абарачэння: 9 верасня 2020.
  11. Davidovitch, L.; A. Parush & A. Shtub (April 2008). "Simulation-based Learning: The Learning-Forgetting-Relearning Process and Impact of Learning History". Computers & Education . 50 (3): 866–880. doi:10.1016/j.compedu.2006.09.003.
  12. Reacting to the Past: Home . web.archive.org (16 апреля 2009). Дата обращения: 12 сентября 2020.
  13. Reacting to the Past: STEM Games . sites.google.com . Дата обращения: 12 сентября 2020.
  14. Carana (англ.) . PAXsims (27 January 2009). Дата обращения: 12 сентября 2020.
  15. 1 2 3 Sherman, WR; Craig, AB (2003). Understanding Virtual Reality . San Francisco, CA: Morgan Kaufmann. ISBN 978-1-55860-353-0 .
  16. Leeb, R.; Lee, F.; Keinrath, C.; Schere, R.; Bischof, H.; Pfurtscheller, G. (2007). "Brain-Computer Communication: Motivation, Aim, and Impact of Exploring a Virtual Apartment" (PDF). IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering . 15 (4): 473–481.
  17. Zahraee, AH, Szewczyk, J., Paik, JK, Guillaume, M. (2010). Robotic hand-held surgical device: evaluation of end-effector's kinematics and development of proof-of-concept prototypes. Proceedings of the 13th International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, Beijing, China.
  18. Ahmed K, Keeling AN, Fakhry M, Ashrafian H, Aggarwal R, Naughton PA, Darzi A, Cheshire N, et al. (January 2010). "Role of Virtual Reality Simulation in Teaching and Assessing Technical Skills in Endovascular Intervention". J Vasc Interv Radiol . 21 (1): 55–66.
  19. Leary SP, Liu CY, Apuzzo ML (June 2006). "Toward the emergence of nanoneurosurgery: part III—nanomedicine: targeted nanotherapy, nanosurgery, and progress toward the realization of nanoneurosurgery".
  20. Web Simulation Portfolio - Transparent Reality Simulations and Web-enabled Simulations . vam.anest.ufl.edu . Дата абарачэння: 24 верасня 2020.
  21. Benjamin PT Loveday, George V. Oosthuizen, B. Scott Diener, John A. Windsor. A randomized trial evaluating a cognitive simulator for laparoscopic appendectomy // ANZ journal of surgery. — 2010-09. — Т. 80 , вып. 9 . — С. 588–594 . — ISSN 1445-2197 . — doi : 10.1111/j.1445-2197.2010.05349.x .
  22. 1 2 Groves, Patricia S.; Bunch, Jacinda L.; Cram, Ellen; Farag, Amany; Manges, Kirstin; Perkhounkova, Yelena; Scott-Cawiezell, Jill (2016-10-19). "Priming Patient Safety Through Nursing Handoff Communication: A Simulation Pilot Study". Western Journal of Nursing Research . 39 (11): 1394–1411.
  23. Patricia S. Groves, Kirstin Manges. Understanding Nursing Handoffs: Safety Scholarship in Nursing: (англ.) // Western Journal of Nursing Research. — 2017-08-24. — doi : 10.1177/0193945917727237 .
  24. Nishisaki A, Keren R, Nadkarni V (June 2007). "Does simulation improve patient safety? Self-efficacy, competence, operational performance, and patient safety". Anesthesiol Clin . 25 (2): 225–36.
  25. Stewart, Greg L; Manges, Kirstin A; Ward, Marcia M (2015). "Empowering Sustained Patient Safety". Journal of Nursing Care Quality . 30 (3): 240–6.
  26. B. Zendejas, R. Brydges, S. Hamstra, D. Cook. State of the Evidence on Simulation-Based Training for Laparoscopic Surgery: A Systematic Review // Annals of surgery. — 2013. — doi : 10.1097/SLA.0b013e318288c40b .
  27. Vikas A. Pandey, John HN Wolfe. Expanding the use of simulation in open vascular surgical training // Journal of Vascular Surgery. — 2012-09. — Т. 56 , вып. 3 . — С. 847–852 . — ISSN 0741-5214 . — doi : 10.1016/j.jvs.2012.04.015 .
  28. A Typology of Simulators for Medical Education . web.archive.org (27 ноября 1999). Дата абарачэння: 24 верасня 2020.
  29. Richard H. Riley. Manual of Simulation in Healthcare . — Oxford University Press, 2008. — 566 с. — ISBN 978-0-19-920585-1 .
  30. McGaghie WC, Issenberg SB, Petrusa ER, Scalese RJ (2010). "A critical review of simulation-based medical education research: 2003–2009". Medical Education . 44 (1): 50–63
  31. Certified Healthcare Simulation Educator (CHSE) – an update for ASPE (англ.) . ASPE News (11 April 2013). Дата абарачэння: 24 верасня 2020.
  32. JB Cooper, VR Taqueti. A brief history of the development of mannequin simulators for clinical education and training (англ.) // Postgraduate Medical Journal. — 2008-11-01. - Vol. 84 , iss. 997 . — P. 563–570 . — ISSN 1469-0756 0032-5473, 1469-0756 . — doi : 10.1136/qshc.2004.009886 .
  33. Murphy D, Challacombe B, Nedas T, Elhage O, Althoefer K, Seneviratne L, Dasgupta P (May 2007). "[Equipment and technology in robotics]". Arch. Esp. Urol. (in Spanish). 60 (4): 349–55
  34. In Cybertherapy, Avatars Assist With Healing - NYTimes.com . archive.vn (2 октября 2011). Дата абарачэння: 24 верасня 2020.
  35. "The New Game Theory": Update | Duke . alumni.duke.edu . Дата абарачэння: 30 верасня 2020.
  36. How video games can make you smarter - CNN . web.archive.org (7 февраля 2011). Дата абарачэння: 30 верасня 2020.
  37. ingentaconnect Immediate Impact of an Intensive One-Week Laparoscopy … . archive.vn (3 января 2013). Дата абарачэння: 30 верасня 2020.
  38. Wayback Machine . web.archive.org (22 января 2009). Дата абарачэння: 30 верасня 2020.
  39. TRON - The 1982 Movie . web.archive.org (25 мая 2009). Дата абарачэння: 30 верасня 2020.
  40. History of Computers 1980 . web.archive.org (18 августа 2009). Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  41. Early Computer Graphics in Film . web.archive.org (17 июля 2012). Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  42. Computer-generated imagery . web.archive.org (24 апреля 2015). Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  43. List of simulation video games . open-site.org . Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  44. IBISWorld - Industry Market Research, Reports, and Statistics (англ.) . www.ibisworld.com . Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  45. Link Trainer Restoration . www.starksravings.com . Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  46. 1 2 Wayback Machine . web.archive.org (17 января 1999). Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  47. Bringing Spidey to Life: Kleiser-Walczak Construction Company . web.archive.org (7 сентября 2009). Дата абарачэння: 6 кастрычніка 2020.
  48. Benedettini, O.; Tjahjono, B. (2008). "Towards an improved tool to facilitate simulation modeling of complex manufacturing systems". International Journal of Advanced Manufacturing Technology . (1/2): 191–9
  49. Banks, J.; Carson J.; Nelson BL; Nicol, D. (2005). Discrete-event system simulation (4th ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-088702-3 .
  50. 1 2 Reed, MP, Faraway, J., Chaffin, DB, & Martin, BJ (2006). The HUMOSIM Ergonomics Framework: A new approach to digital human simulation for ergonomic analysis. SAE Technical Paper, 01-2365
  51. Chaffin, DB (2007). Human motion simulation for vehicle and workplace design. Human Factors and Ergonomics in Manufacturing & Service Industries,17(5), 475–484.
  52. Jack and Process Simulate Human: Siemens PLM Software . web.archive.org (8 мая 2013). Дата абарачэння: 9 кастрычніка 2020.
  53. Niu, JW, Zhang, XW, Zhang, X., & Ran, LH (December 2010). Investigation of ergonomics in automotive assembly line using Jack. industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), 2010 IEEE International Conference on (pp. 1381–1385).
  54. GR Bennett. The application of virtual prototyping in the development of complex aerospace products. Virtual Prototyping Journal, 1 (1) (1996), pp. 13–20
  55. Sikora, EA (2010, July 27). Space Shuttle Main Propulsion System expert, John F. Kennedy Space Center. Interview.
  56. Shuttle Final Countdown Phase Simulation. National Aeronautics and Space Administration KSC Document # RTOMI S0044, Revision AF05, 2009.
  57. Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS) Summary Description Manual. National Aeronautics and Space Administration KSC Document # KSC-LPS-SGOS-1000, Revision 3 CHG-A, 1995.
  58. Math Model Main Propulsion System (MPS) Requirements Document, National Aeronautics and Space Administration KSC Document # KSCL-1100-0522, Revision 9, June 2009.