Simulación

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Una simulación es una representación imitativa de un proceso o sistema que podría existir en el mundo real. ^{[1] [2] [3]} En este sentido amplio, simulación a menudo se puede usar indistintamente con modelo . ^[2] A veces se hace una distinción clara entre los dos términos, en la que las simulaciones requieren el uso de modelos; el modelo representa las características o comportamientos clave del sistema o proceso seleccionado, mientras que la simulación representa la evolución del modelo a lo largo del tiempo. ^[3] Otra forma de distinguir entre los términos es definir simulación como experimentación con la ayuda de un modelo. ^[4] Esta definición incluye simulaciones independientes del tiempo. A menudo, se utilizan computadoras para ejecutar la simulación .

La simulación se utiliza en muchos contextos, como la simulación de tecnología para ajustar o optimizar el rendimiento, la ingeniería de seguridad , las pruebas, la formación, la educación y los videojuegos. La simulación también se utiliza en el modelado científico de sistemas naturales o humanos para obtener información sobre su funcionamiento, ^[5] como en economía. La simulación se puede utilizar para mostrar los efectos reales eventuales de condiciones y cursos de acción alternativos. La simulación también se utiliza cuando no se puede utilizar el sistema real, porque puede no ser accesible, o puede ser peligroso o inaceptable utilizarlo, o se está diseñando pero aún no se ha construido, o simplemente puede no existir. ^[6]

Las cuestiones clave en el modelado y la simulación incluyen la adquisición de fuentes válidas de información sobre la selección relevante de características y comportamientos clave utilizados para construir el modelo, el uso de aproximaciones y suposiciones simplificadoras dentro del modelo, y la fidelidad y validez de los resultados de la simulación. Los procedimientos y protocolos para la verificación y validación de modelos son un campo de estudio académico, refinamiento, investigación y desarrollo en curso en la tecnología o práctica de las simulaciones, particularmente en el trabajo de simulación por computadora.

Históricamente, las simulaciones utilizadas en diferentes campos se desarrollaron en gran medida de forma independiente, pero los estudios del siglo XX sobre la teoría de sistemas y la cibernética, combinados con el uso cada vez más extendido de las computadoras en todos esos campos, han llevado a cierta unificación y a una visión más sistemática del concepto.

La simulación física se refiere a una simulación en la que se sustituyen objetos físicos por objetos reales (algunos círculos ^[7] utilizan el término para las simulaciones por computadora que modelan leyes seleccionadas de la física, pero este artículo no lo hace). Estos objetos físicos a menudo se eligen porque son más pequeños o más baratos que el objeto o sistema real.

La simulación interactiva es un tipo especial de simulación física, a menudo denominada simulación con participación humana , en la que las simulaciones físicas incluyen operadores humanos, como en un simulador de vuelo , un simulador de navegación o un simulador de conducción .

La simulación continua es una simulación basada en pasos de tiempo continuo en lugar de pasos de tiempo discreto , utilizando la integración numérica de ecuaciones diferenciales . ^[8]

La simulación de eventos discretos estudia sistemas cuyos estados cambian sus valores solo en momentos discretos. ^[9] Por ejemplo, una simulación de una epidemia podría cambiar el número de personas infectadas en instantes de tiempo en que los individuos susceptibles se infectan o cuando los individuos infectados se recuperan.

La simulación estocástica es una simulación en la que una variable o un proceso está sujeto a variaciones aleatorias y se proyecta utilizando técnicas de Monte Carlo utilizando números pseudoaleatorios. Por lo tanto, las ejecuciones replicadas con las mismas condiciones de contorno producirán cada una resultados diferentes dentro de una banda de confianza específica. ^[8]

La simulación determinista es una simulación que no es estocástica: por lo tanto, las variables están reguladas por algoritmos deterministas. Por lo tanto, las ejecuciones repetidas a partir de las mismas condiciones de contorno siempre producen resultados idénticos.

La simulación híbrida (o simulación combinada) corresponde a una mezcla entre simulación de eventos continuos y discretos y da como resultado la integración numérica de las ecuaciones diferenciales entre dos eventos secuenciales para reducir el número de discontinuidades. ^[10]

Una simulación independiente es una simulación que se ejecuta en una sola estación de trabajo.

ALa simulación distribuida es aquella que utiliza más de una computadora simultáneamente, para garantizar el acceso desde/hacia diferentes recursos (por ejemplo, múltiples usuarios que operan diferentes sistemas o conjuntos de datos distribuidos); un ejemplo clásico esla Simulación Interactiva Distribuida(DIS).^[11]

La simulación paralela acelera la ejecución de una simulación al distribuir simultáneamente su carga de trabajo entre múltiples procesadores, como en la informática de alto rendimiento . ^[12]

La simulación interoperable es aquella en la que múltiples modelos, simuladores (a menudo definidos como federados) interoperan localmente, distribuidos a través de una red; un ejemplo clásico es la arquitectura de alto nivel . ^{[13] [14]}

El modelado y la simulación como servicio es cuando se accede a la simulación como un servicio a través de la web. ^[15]

El modelado, la simulación interoperable y los juegos serios son áreas en las que los enfoques de los juegos serios (por ejemplo, los motores de juego y los métodos de participación) se integran con la simulación interoperable. ^[16]

La fidelidad de simulación se utiliza para describir la precisión de una simulación y el grado de fidelidad con el que imita a su contraparte real. La fidelidad se clasifica en tres categorías: baja, media y alta. Las descripciones específicas de los niveles de fidelidad están sujetas a interpretación, pero se pueden hacer las siguientes generalizaciones:

• Bajo: la simulación mínima requerida para que un sistema responda para aceptar entradas y proporcionar salidas.
• Medio: responde automáticamente a los estímulos, con precisión limitada.
• Alto: casi indistinguible o lo más cercano posible al sistema real

Un entorno sintético es una simulación por computadora que puede incluirse en simulaciones con intervención humana. ^[19]

La simulación en el análisis de fallas se refiere a la simulación en la que creamos un entorno o condiciones para identificar la causa de la falla del equipo. Este puede ser el mejor y más rápido método para identificar la causa de la falla.

Una simulación por computadora (o "sim") es un intento de modelar una situación real o hipotética en una computadora para poder estudiarla y ver cómo funciona el sistema. Al cambiar las variables en la simulación, se pueden hacer predicciones sobre el comportamiento del sistema. Es una herramienta para investigar virtualmente el comportamiento del sistema en estudio. ^[3]

La simulación por computadora se ha convertido en una parte útil del modelado de muchos sistemas naturales en física , química y biología ^[20] y sistemas humanos en economía y ciencias sociales (por ejemplo, sociología computacional ), así como en ingeniería, para obtener información sobre el funcionamiento de esos sistemas. Un buen ejemplo de la utilidad de usar computadoras para simular se puede encontrar en el campo de la simulación de tráfico de red . En tales simulaciones, el comportamiento del modelo cambiará en cada simulación de acuerdo con el conjunto de parámetros iniciales asumidos para el entorno.

Tradicionalmente, el modelado formal de sistemas se ha realizado mediante un modelo matemático , que intenta encontrar soluciones analíticas que permitan predecir el comportamiento del sistema a partir de un conjunto de parámetros y condiciones iniciales. La simulación por ordenador se utiliza a menudo como complemento o sustitución del modelado de sistemas para los que no son posibles soluciones analíticas simples en forma cerrada . Existen muchos tipos diferentes de simulación por ordenador, la característica común que todos ellos comparten es el intento de generar una muestra de escenarios representativos para un modelo en el que una enumeración completa de todos los estados posibles sería prohibitiva o imposible.

Existen varios paquetes de software para ejecutar modelos de simulación basados ​​en computadora (por ejemplo, simulación de Monte Carlo , modelado estocástico , modelado multimétodo) que hacen que todo el modelado sea prácticamente sin esfuerzo.

El uso moderno del término "simulación por computadora" puede abarcar prácticamente cualquier representación basada en computadora.

En informática , simulación tiene algunos significados especializados: Alan Turing utilizó el término simulación para referirse a lo que sucede cuando una máquina universal ejecuta una tabla de transición de estados (en terminología moderna, una computadora ejecuta un programa) que describe las transiciones de estados, entradas y salidas de una máquina de estados discretos sujeto. ^[21] La computadora simula la máquina sujeto. En consecuencia, en informática teórica el término simulación es una relación entre sistemas de transición de estados , útil en el estudio de la semántica operacional .

Menos teóricamente, una aplicación interesante de la simulación por ordenador es la de simular ordenadores mediante ordenadores. En arquitectura informática , se suele utilizar un tipo de simulador, normalmente llamado emulador , para ejecutar un programa que tiene que ejecutarse en algún tipo de ordenador poco práctico (por ejemplo, un ordenador de nuevo diseño que todavía no se ha construido o un ordenador obsoleto que ya no está disponible), o en un entorno de pruebas estrictamente controlado (véase Simulador de arquitectura informática y Virtualización de plataformas ). Por ejemplo, los simuladores se han utilizado para depurar un microprograma o, a veces, programas de aplicaciones comerciales, antes de que el programa se descargue en la máquina de destino. Dado que se simula el funcionamiento del ordenador, toda la información sobre el funcionamiento del ordenador está directamente disponible para el programador, y la velocidad y la ejecución de la simulación se pueden variar a voluntad.

Los simuladores también se pueden utilizar para interpretar árboles de fallas o probar diseños lógicos VLSI antes de construirlos. La simulación simbólica utiliza variables para representar valores desconocidos.

En el campo de la optimización , las simulaciones de procesos físicos se utilizan a menudo junto con la computación evolutiva para optimizar las estrategias de control.

La simulación se utiliza ampliamente con fines educativos. Se utiliza en casos en los que resulta prohibitivamente caro o simplemente demasiado peligroso permitir que los alumnos utilicen el equipo real en el mundo real. En tales situaciones, dedicarán tiempo a aprender lecciones valiosas en un entorno virtual "seguro" pero viviendo una experiencia similar a la real (o al menos ese es el objetivo). A menudo, la conveniencia consiste en permitir errores durante la capacitación de un sistema crítico para la seguridad.

Las simulaciones en educación son algo así como simulaciones de formación. Se centran en tareas específicas. El término "micromundo" se utiliza para referirse a las simulaciones educativas que modelan algún concepto abstracto en lugar de simular un objeto o entorno realista, o en algunos casos modelan un entorno del mundo real de una manera simplista para ayudar al alumno a desarrollar una comprensión de los conceptos clave. Normalmente, un usuario puede crear algún tipo de construcción dentro del micromundo que se comportará de una manera coherente con los conceptos que se están modelando. Seymour Papert fue uno de los primeros en defender el valor de los micromundos, y el entorno de programación Logo desarrollado por Papert es uno de los micromundos más conocidos.

La simulación de gestión de proyectos se utiliza cada vez más para formar a estudiantes y profesionales en el arte y la ciencia de la gestión de proyectos. El uso de la simulación para la formación en gestión de proyectos mejora la retención del aprendizaje y mejora el proceso de aprendizaje. ^{[22] [23]}

Las simulaciones sociales pueden utilizarse en las aulas de ciencias sociales para ilustrar procesos sociales y políticos en cursos de antropología, economía, historia, ciencias políticas o sociología, normalmente en el nivel secundario o universitario. Estas pueden, por ejemplo, adoptar la forma de simulaciones de educación cívica, en las que los participantes asumen roles en una sociedad simulada, o simulaciones de relaciones internacionales en las que los participantes participan en negociaciones, formación de alianzas, comercio, diplomacia y uso de la fuerza. Estas simulaciones pueden basarse en sistemas políticos ficticios o en eventos actuales o históricos. Un ejemplo de esto último sería la serie de juegos educativos históricos Reacting to the Past del Barnard College . ^[24] La National Science Foundation también ha apoyado la creación de juegos de reacción que abordan la educación científica y matemática. ^[25] En las simulaciones de redes sociales, los participantes entrenan la comunicación con los críticos y otras partes interesadas en un entorno privado.

En los últimos años, se ha hecho cada vez más uso de simulaciones sociales para la capacitación del personal de los organismos de ayuda y desarrollo. La simulación Carana, por ejemplo, fue desarrollada por primera vez por el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo y ahora la utiliza el Banco Mundial, en una versión muy revisada , para capacitar al personal que trabaja con países frágiles y afectados por conflictos. ^[26]

Los usos militares de la simulación suelen incluir aeronaves o vehículos blindados de combate, pero también pueden estar destinados al entrenamiento con armas pequeñas y otros sistemas de armas. En concreto, los campos de tiro virtuales se han convertido en la norma en la mayoría de los procesos de entrenamiento militar y existe una cantidad significativa de datos que sugieren que se trata de una herramienta útil para los profesionales armados. ^[27]

Una simulación virtual es una categoría de simulación que utiliza equipos de simulación para crear un mundo simulado para el usuario. Las simulaciones virtuales permiten a los usuarios interactuar con un mundo virtual . Los mundos virtuales funcionan en plataformas de componentes de software y hardware integrados. De esta manera, el sistema puede aceptar la entrada del usuario (por ejemplo, seguimiento corporal, reconocimiento de voz/sonido, controladores físicos) y producir salida para el usuario (por ejemplo, pantalla visual, pantalla auditiva, pantalla háptica). ^[28] Las simulaciones virtuales utilizan los modos de interacción antes mencionados para producir una sensación de inmersión para el usuario.

Existe una amplia variedad de hardware de entrada disponible para aceptar la entrada del usuario para simulaciones virtuales. La siguiente lista describe brevemente varios de ellos:

• Seguimiento corporal : el método de captura de movimiento se utiliza a menudo para registrar los movimientos del usuario y traducir los datos capturados en entradas para la simulación virtual. Por ejemplo, si un usuario gira físicamente la cabeza, el hardware de simulación capturará el movimiento de alguna manera y lo traducirá en un cambio correspondiente en la vista dentro de la simulación.
  • Se pueden utilizar trajes y/o guantes de captura para capturar los movimientos de las partes del cuerpo de los usuarios. Los sistemas pueden tener sensores incorporados en su interior para detectar los movimientos de diferentes partes del cuerpo (por ejemplo, los dedos). Alternativamente, estos sistemas pueden tener dispositivos de seguimiento externos o marcas que se pueden detectar mediante ultrasonidos externos, receptores ópticos o sensores electromagnéticos. Algunos sistemas también cuentan con sensores inerciales internos. Las unidades pueden transmitir datos de forma inalámbrica o mediante cables.
  • Los rastreadores oculares también se pueden utilizar para detectar movimientos oculares, de modo que el sistema pueda determinar con precisión dónde está mirando un usuario en un instante determinado.
• Controladores físicos : los controladores físicos proporcionan información a la simulación únicamente a través de la manipulación directa del usuario. En las simulaciones virtuales, la retroalimentación táctil de los controladores físicos es muy deseable en varios entornos de simulación.
  • Las cintas de correr omnidireccionales se pueden utilizar para capturar la locomoción de los usuarios mientras caminan o corren.
  • La instrumentación de alta fidelidad, como los paneles de instrumentos en las cabinas de mando de aeronaves virtuales, proporciona a los usuarios controles reales para aumentar el nivel de inmersión. Por ejemplo, los pilotos pueden utilizar los controles reales del sistema de posicionamiento global del dispositivo real en una cabina simulada para practicar procedimientos con el dispositivo real en el contexto del sistema de cabina integrado.
• Reconocimiento de voz/sonido : esta forma de interacción se puede utilizar para interactuar con agentes dentro de la simulación (por ejemplo, personas virtuales) o para manipular objetos en la simulación (por ejemplo, información). La interacción por voz presumiblemente aumenta el nivel de inmersión del usuario.
  • Los usuarios pueden utilizar auriculares con micrófonos de brazo, micrófonos de solapa o la sala puede estar equipada con micrófonos ubicados estratégicamente.

La investigación sobre los sistemas de entrada del futuro es muy prometedora para las simulaciones virtuales. Sistemas como las interfaces cerebro-computadora (BCI) ofrecen la posibilidad de aumentar aún más el nivel de inmersión de los usuarios de la simulación virtual. Lee, Keinrath, Scherer, Bischof y Pfurtscheller ^[29] demostraron que se podía entrenar a sujetos ingenuos para que utilizaran una BCI para navegar por un apartamento virtual con relativa facilidad. Los autores descubrieron que, utilizando la BCI, los sujetos podían navegar libremente por el entorno virtual con un esfuerzo relativamente mínimo. Es posible que este tipo de sistemas se conviertan en modalidades de entrada estándar en los futuros sistemas de simulación virtual.

Existe una amplia variedad de hardware de salida disponible para entregar un estímulo a los usuarios en simulaciones virtuales. La siguiente lista describe brevemente varios de ellos:

• Pantalla visual : Las pantallas visuales proporcionan el estímulo visual al usuario.
  • Las pantallas fijas pueden variar desde una pantalla de escritorio convencional hasta pantallas envolventes de 360 ​​grados y pantallas tridimensionales estereoscópicas. Las pantallas de escritorio convencionales pueden variar en tamaño de 15 a 60 pulgadas (380 a 1520 mm). Las pantallas envolventes se utilizan normalmente en lo que se conoce como un entorno virtual automático de cueva (CAVE). Las pantallas tridimensionales estereoscópicas producen imágenes tridimensionales con o sin gafas especiales, según el diseño.
  • Los visores montados en la cabeza (HMD, por sus siglas en inglés) tienen pequeñas pantallas que se montan en el casco que lleva el usuario. Estos sistemas se conectan directamente a la simulación virtual para proporcionar al usuario una experiencia más inmersiva. El peso, las tasas de actualización y el campo de visión son algunas de las variables clave que diferencian a los HMD. Naturalmente, los HMD más pesados ​​no son deseables, ya que causan fatiga con el tiempo. Si la tasa de actualización es demasiado lenta, el sistema no puede actualizar las pantallas lo suficientemente rápido como para corresponder con un giro rápido de la cabeza por parte del usuario. Las tasas de actualización más lentas tienden a causar mareos por simulación y perturban la sensación de inmersión. El campo de visión o la extensión angular del mundo que se ve en un momento dado puede variar de un sistema a otro y se ha descubierto que afecta la sensación de inmersión del usuario.
• Visualización auditiva : existen varios tipos diferentes de sistemas de audio para ayudar al usuario a escuchar y localizar los sonidos en el espacio. Se puede utilizar un software especial para producir efectos de audio en 3D para crear la ilusión de que las fuentes de sonido están ubicadas dentro de un espacio tridimensional definido alrededor del usuario.
  • Se pueden utilizar sistemas de altavoces fijos convencionales para proporcionar sonido envolvente de dos o varios canales. Sin embargo, los altavoces externos no son tan eficaces como los auriculares para producir efectos de audio 3D. ^[28]
  • Los auriculares convencionales ofrecen una alternativa portátil a los altavoces fijos. También tienen la ventaja adicional de enmascarar el ruido del mundo real y facilitar efectos de sonido de audio 3D más efectivos. ^{[28] [ dudoso – discutir ]}
• Pantalla háptica : estas pantallas proporcionan una sensación táctil al usuario ( tecnología háptica ). Este tipo de salida a veces se denomina "retroalimentación de fuerza".
  • Las pantallas táctiles utilizan diferentes tipos de actuadores, como vejigas inflables, vibradores, subwoofers de baja frecuencia, actuadores de pasador y/o termoactuadores para producir sensaciones en el usuario.
  • Las pantallas de los efectores finales pueden responder a las entradas de los usuarios con resistencia y fuerza. ^[28] Estos sistemas se utilizan a menudo en aplicaciones médicas para cirugías remotas que emplean instrumentos robóticos. ^[30]
• Pantalla vestibular : estas pantallas proporcionan una sensación de movimiento al usuario ( simulador de movimiento ). A menudo se manifiestan como bases de movimiento para la simulación virtual de vehículos, como simuladores de conducción o simuladores de vuelo. Las bases de movimiento están fijas en su lugar, pero utilizan actuadores para mover el simulador de manera que puedan producir sensaciones de cabeceo, guiñada o balanceo. Los simuladores también pueden moverse de tal manera que produzcan una sensación de aceleración en todos los ejes (por ejemplo, la base de movimiento puede producir la sensación de caída).

Cada vez se desarrollan más simuladores de atención médica clínica y se utilizan para enseñar procedimientos terapéuticos y de diagnóstico, así como conceptos médicos y toma de decisiones al personal de las profesiones de la salud. Se han desarrollado simuladores para procedimientos de capacitación que van desde los conceptos básicos, como la extracción de sangre , hasta la cirugía laparoscópica ^[31] y la atención de traumatismos. También son importantes para ayudar en la creación de prototipos de nuevos dispositivos ^[32] para problemas de ingeniería biomédica. Actualmente, los simuladores se aplican para investigar y desarrollar herramientas para nuevas terapias ^[33] , tratamientos ^[34] y diagnóstico temprano ^[35] en medicina.

Muchos simuladores médicos implican una computadora conectada a una simulación plástica de la anatomía relevante. ^{[ cita requerida ]} Los simuladores sofisticados de este tipo emplean un maniquí de tamaño real que responde a drogas inyectadas y puede programarse para crear simulaciones de emergencias potencialmente mortales.

En otras simulaciones, los componentes visuales del procedimiento se reproducen mediante técnicas de gráficos por ordenador , mientras que los componentes táctiles se reproducen mediante dispositivos de retroalimentación háptica combinados con rutinas de simulación física calculadas en respuesta a las acciones del usuario. Las simulaciones médicas de este tipo suelen utilizar tomografías computarizadas o resonancias magnéticas tridimensionales de los datos del paciente para mejorar el realismo. Algunas simulaciones médicas se desarrollan para su amplia distribución (como las simulaciones habilitadas para la web ^[36] y las simulaciones de procedimientos ^[37] que se pueden ver a través de navegadores web estándar) y se puede interactuar con ellas mediante interfaces informáticas estándar, como el teclado y el ratón .

Una aplicación médica importante de un simulador —aunque tal vez denote un significado ligeramente diferente de simulador— es el uso de un fármaco placebo , una formulación que simula el fármaco activo en ensayos de eficacia farmacológica.

La seguridad de los pacientes es una preocupación en la industria médica. Se sabe que los pacientes han sufrido lesiones e incluso la muerte debido a errores de gestión y a la falta de aplicación de los mejores estándares de atención y formación. Según Building a National Agenda for Simulation-Based Medical Education (Eder-Van Hook, Jackie, 2004), "la capacidad de un proveedor de atención sanitaria para reaccionar con prudencia en una situación inesperada es uno de los factores más críticos para crear un resultado positivo en una emergencia médica, independientemente de si se produce en el campo de batalla, en la autopista o en la sala de urgencias de un hospital". Eder-Van Hook (2004) también señaló que los errores médicos matan a hasta 98.000 personas con un coste estimado de entre 37 y 50 millones de dólares y de entre 17 y 29 mil millones de dólares en eventos adversos evitables por año.

La simulación se está utilizando para estudiar la seguridad del paciente, así como para capacitar a los profesionales médicos. ^[38] Estudiar la seguridad del paciente y las intervenciones de seguridad en la atención médica es un desafío, porque existe una falta de control experimental (es decir, complejidad del paciente, variaciones del sistema/proceso) para ver si una intervención hizo una diferencia significativa (Groves y Manges, 2017). ^[39] Un ejemplo de simulación innovadora para estudiar la seguridad del paciente proviene de la investigación de enfermería. Groves et al. (2016) utilizaron una simulación de alta fidelidad para examinar los comportamientos orientados a la seguridad de la enfermería durante momentos como el informe de cambio de turno . ^[38]

Sin embargo, el valor de las intervenciones de simulación para trasladarlas a la práctica clínica aún es discutible. ^[40] Como afirma Nishisaki, "existe buena evidencia de que la capacitación con simulación mejora la autoeficacia y la competencia del proveedor y del equipo en los maniquíes. También hay buena evidencia de que la simulación de procedimientos mejora el desempeño operativo real en entornos clínicos". ^[40] Sin embargo, es necesario tener evidencia mejorada para demostrar que la capacitación en gestión de recursos de la tripulación a través de la simulación. ^[40] Uno de los mayores desafíos es demostrar que la simulación del equipo mejora el desempeño operativo del equipo en la cabecera del paciente. ^[41] Aunque la evidencia de que la capacitación basada en simulación realmente mejora los resultados del paciente ha tardado en acumularse, hoy en día la capacidad de la simulación para proporcionar experiencia práctica que se traduzca al quirófano ya no está en duda. ^{[42] [43] [44]}

Uno de los factores más importantes que podrían afectar la capacidad de que la capacitación influya en el trabajo de los profesionales en la cabecera del paciente es la capacidad de empoderar al personal de primera línea (Stewart, Manges, Ward, 2015). ^{[41] [45]} Otro ejemplo de un intento de mejorar la seguridad del paciente mediante el uso de capacitación con simulaciones es la atención al paciente para brindar un servicio justo a tiempo o/y justo en el lugar. Esta capacitación consiste en 20 minutos de capacitación simulada justo antes de que los trabajadores se presenten a su turno. Un estudio encontró que la capacitación justo a tiempo mejoró la transición a la cabecera del paciente. La conclusión, como se informó en el trabajo de Nishisaki (2008), fue que la capacitación con simulación mejoró la participación de los residentes en casos reales; pero no sacrificó la calidad del servicio. Por lo tanto, se podría plantear la hipótesis de que al aumentar el número de residentes altamente capacitados mediante el uso de capacitación con simulación, la capacitación con simulación, de hecho, aumenta la seguridad del paciente.

Los primeros simuladores médicos eran modelos simples de pacientes humanos. ^[46]

Desde la antigüedad, estas representaciones en arcilla y piedra se utilizaban para demostrar las características clínicas de las enfermedades y sus efectos en los seres humanos. Se han encontrado modelos en muchas culturas y continentes. Estos modelos se han utilizado en algunas culturas (por ejemplo, la cultura china) como un instrumento de " diagnóstico ", lo que permitía a las mujeres consultar a médicos varones manteniendo las leyes sociales del pudor. Los modelos se utilizan hoy en día para ayudar a los estudiantes a aprender la anatomía del sistema musculoesquelético y los sistemas de órganos. ^[46]

En 2002, se formó la Sociedad para la Simulación en la Atención Médica (SSH) para convertirse en un líder en avances interprofesionales internacionales en la aplicación de la simulación médica en la atención médica ^[47].

McGaghie et al. reconocieron la necesidad de un "mecanismo uniforme para educar, evaluar y certificar a los instructores de simulación para la profesión de atención médica" en su revisión crítica de la investigación sobre educación médica basada en simulación. ^[48] En 2012, la SSH puso a prueba dos nuevas certificaciones para brindar reconocimiento a los educadores en un esfuerzo por satisfacer esta necesidad. ^[49]

Los modelos activos que intentan reproducir la anatomía o fisiología en vivo son desarrollos recientes. El famoso maniquí "Harvey" fue desarrollado en la Universidad de Miami y es capaz de recrear muchos de los hallazgos físicos del examen cardiológico , incluyendo la palpación , la auscultación y la electrocardiografía . ^[50]

Más recientemente, se han desarrollado modelos interactivos que responden a las acciones que realiza un estudiante o un médico. ^[50] Hasta hace poco, estas simulaciones eran programas informáticos bidimensionales que actuaban más como un libro de texto que como un paciente. Las simulaciones informáticas tienen la ventaja de permitir que un estudiante haga juicios y también cometa errores. El proceso de aprendizaje iterativo a través de la evaluación, la toma de decisiones y la corrección de errores crea un entorno de aprendizaje mucho más sólido que la instrucción pasiva.

Los simuladores se han propuesto como una herramienta ideal para evaluar las habilidades clínicas de los estudiantes. ^[51] Para los pacientes, la "ciberterapia" se puede utilizar para sesiones que simulen experiencias traumáticas, desde el miedo a las alturas hasta la ansiedad social. ^[52]

Los pacientes programados y las situaciones clínicas simuladas, incluidos los simulacros de desastres, se han utilizado ampliamente con fines educativos y de evaluación. Estas simulaciones "realistas" son caras y carecen de reproducibilidad. Un simulador "3Di" completamente funcional sería la herramienta más específica disponible para la enseñanza y la medición de las habilidades clínicas. Se han aplicado plataformas de juegos para crear estos entornos médicos virtuales con el fin de crear un método interactivo para el aprendizaje y la aplicación de la información en un contexto clínico. ^{[53] [54]}

Las simulaciones inmersivas de estados patológicos permiten que un médico o profesional de la salud experimente cómo se siente realmente una enfermedad. Mediante el uso de sensores y transductores, se pueden transmitir efectos sintomáticos a un participante para que experimente el estado patológico del paciente.

Este simulador cumple los objetivos de un examen objetivo y estandarizado de la competencia clínica. ^[55] Este sistema es superior a los exámenes que utilizan " pacientes estándar " porque permite la medición cuantitativa de la competencia, así como reproducir los mismos hallazgos objetivos. ^[56]

La simulación en el mundo del entretenimiento abarca muchas industrias grandes y populares, como el cine, la televisión, los videojuegos (incluidos los juegos serios ) y las atracciones de los parques temáticos. Aunque se cree que la simulación moderna tiene sus raíces en el entrenamiento y en el ámbito militar, en el siglo XX también se convirtió en un vehículo para empresas de naturaleza más hedonista.

El primer juego de simulación fue creado probablemente en 1947 por Thomas T. Goldsmith Jr. y Estle Ray Mann. Se trataba de un juego sencillo que simulaba el lanzamiento de un misil contra un objetivo. La curva del misil y su velocidad se podían ajustar mediante varios mandos. En 1958, Willy Higginbotham creó un juego de ordenador llamado Tennis for Two (Tenis para dos) ^{, que simulaba un partido de tenis entre dos jugadores que podían jugar al mismo tiempo mediante controles manuales y se mostraba en un osciloscopio. [57]} Este fue uno de los primeros videojuegos electrónicos en utilizar una pantalla gráfica.

En la película, ya en 1972 se utilizaron imágenes generadas por ordenador para simular objetos en A Computer Animated Hand , partes de las cuales se mostraron en la pantalla grande en la película Futureworld de 1976. A esto le siguió la "computadora de puntería" que el joven Skywalker apaga en la película Star Wars de 1977 .

La película Tron (1982) fue la primera película en utilizar imágenes generadas por computadora durante más de un par de minutos. ^[58]

Los avances tecnológicos en la década de 1980 hicieron que la simulación 3D se usara más ampliamente y comenzara a aparecer en películas y en juegos de computadora como Battlezone (1980) de Atari y Elite (1984) de Acornsoft , uno de los primeros juegos de gráficos 3D con estructura alámbrica para computadoras domésticas .

Los avances tecnológicos de la década de 1980 hicieron que las computadoras fueran más asequibles y más capaces que en décadas anteriores, ^[59] lo que facilitó el auge de los juegos informáticos como la Xbox. Las primeras consolas de videojuegos lanzadas en la década de 1970 y principios de la de 1980 fueron víctimas de la crisis de la industria en 1983, pero en 1985, Nintendo lanzó la Nintendo Entertainment System (NES), que se convirtió en una de las consolas más vendidas en la historia de los videojuegos. ^[60] En la década de 1990, los juegos de computadora se volvieron muy populares con el lanzamiento de juegos como Los Sims y Command & Conquer y la potencia cada vez mayor de las computadoras de escritorio. Hoy en día, millones de personas en todo el mundo juegan juegos de simulación por computadora como World of Warcraft .

En 1993, la película Jurassic Park se convirtió en la primera película popular en utilizar ampliamente gráficos generados por computadora, integrando dinosaurios simulados casi a la perfección en escenas de acción en vivo.

Este evento transformó la industria cinematográfica; en 1995, la película Toy Story fue la primera película en utilizar sólo imágenes generadas por computadora y en el nuevo milenio los gráficos generados por computadora eran la opción principal para los efectos especiales en las películas. ^[61]

La llegada de la cinematografía virtual a principios de la década de 2000 ha dado lugar a una explosión de películas que habrían sido imposibles de rodar sin ella. Ejemplos clásicos son los dobles digitales de Neo, Smith y otros personajes en las secuelas de Matrix y el uso extensivo de movimientos de cámara físicamente imposibles en la trilogía de El Señor de los Anillos .

La terminal de Pan Am (serie de televisión) ya no existía durante el rodaje de esta serie transmitida entre 2011 y 2012, lo que no fue un problema ya que la crearon en cinematografía virtual utilizando búsqueda y combinación automática de puntos de vista junto con la composición de metraje real y simulado, que ha sido el pan de cada día del artista cinematográfico dentro y alrededor de los estudios cinematográficos desde principios de la década de 2000.

Las imágenes generadas por computadora son "la aplicación del campo de los gráficos de computadora en 3D a los efectos especiales". Esta tecnología se utiliza para efectos visuales porque son de alta calidad, controlables y pueden crear efectos que no serían factibles utilizando ninguna otra tecnología, ya sea por el costo, los recursos o la seguridad. ^[62] Los gráficos generados por computadora se pueden ver en muchas películas de acción en vivo en la actualidad, especialmente las del género de acción. Además, las imágenes generadas por computadora han reemplazado casi por completo la animación dibujada a mano en las películas infantiles, que cada vez son más generadas solo por computadora. Algunos ejemplos de películas que utilizan imágenes generadas por computadora incluyen Buscando a Nemo , 300 y Iron Man .

Los juegos de simulación , a diferencia de otros géneros de videojuegos y juegos de computadora, representan o simulan un entorno con precisión. Además, representan las interacciones entre los personajes jugables y el entorno de manera realista. Este tipo de juegos suelen ser más complejos en términos de jugabilidad. ^[63] Los juegos de simulación se han vuelto increíblemente populares entre personas de todas las edades. ^[64] Los juegos de simulación populares incluyen SimCity y Tiger Woods PGA Tour . También hay juegos de simulador de vuelo y simulador de conducción .

Los simuladores se han utilizado para el entretenimiento desde el Link Trainer en la década de 1930. ^[65] El primer simulador moderno que se inauguró en un parque temático fue Star Tours de Disney en 1987, seguido rápidamente por The Funtastic World of Hanna-Barbera de Universal en 1990, que fue el primer simulador realizado completamente con gráficos de computadora. ^[66]

Los simuladores de conducción son la progenie de los simuladores de entrenamiento militar y los simuladores comerciales, pero son diferentes en un sentido fundamental. Mientras que los simuladores de entrenamiento militar reaccionan de forma realista a la entrada del alumno en tiempo real, los simuladores de conducción solo dan la sensación de que se mueven de forma realista y se mueven de acuerdo con guiones de movimiento pregrabados. ^[66] Uno de los primeros simuladores de conducción, Star Tours, que costó 32 millones de dólares, utilizaba una cabina basada en movimiento hidráulico. El movimiento se programaba con un joystick. Los simuladores de conducción actuales, como The Amazing Adventures of Spider-Man, incluyen elementos para aumentar la cantidad de inmersión experimentada por los pasajeros, como: imágenes en 3D, efectos físicos (rociar agua o producir aromas) y movimiento a través de un entorno. ^[67]

La simulación de la fabricación representa una de las aplicaciones más importantes de la simulación. Esta técnica representa una herramienta valiosa que utilizan los ingenieros para evaluar el efecto de la inversión de capital en equipos e instalaciones físicas como plantas de fabricación, almacenes y centros de distribución. La simulación se puede utilizar para predecir el rendimiento de un sistema existente o planificado y para comparar soluciones alternativas para un problema de diseño particular. ^[68]

Otro objetivo importante de la simulación en los sistemas de fabricación es cuantificar el rendimiento del sistema. Entre las medidas habituales del rendimiento del sistema se incluyen las siguientes: ^[69]

• Rendimiento en condiciones de carga media y máxima
• Tiempo de ciclo del sistema (cuánto tiempo se tarda en producir una pieza)
• Uso de recursos, mano de obra y máquinas
• Cuellos de botella y puntos de estrangulamiento
• Colas en los lugares de trabajo
• Colas y retrasos causados ​​por dispositivos y sistemas de manipulación de materiales
• Necesidades de almacenamiento de WIP
• Requisitos de personal
• Eficacia de los sistemas de programación
• Eficacia de los sistemas de control

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Un simulador de automóvil ofrece la oportunidad de reproducir las características de los vehículos reales en un entorno virtual. Replica los factores y condiciones externas con las que interactúa un vehículo, lo que permite al conductor sentirse como si estuviera sentado en la cabina de su propio vehículo. Los escenarios y eventos se replican con suficiente realismo para garantizar que los conductores se sumerjan por completo en la experiencia en lugar de verla simplemente como una experiencia educativa.

El simulador proporciona una experiencia constructiva para el conductor novel y permite que el conductor más experimentado realice ejercicios más complejos. Para los conductores noveles, los simuladores de camiones ofrecen una oportunidad de comenzar su carrera aplicando las mejores prácticas. Para los conductores experimentados, la simulación proporciona la capacidad de mejorar la buena conducción o detectar malas prácticas y sugerir los pasos necesarios para la acción correctiva. Para las empresas, proporciona una oportunidad de educar al personal en las habilidades de conducción que permiten reducir los costes de mantenimiento, mejorar la productividad y, lo más importante, garantizar la seguridad de sus acciones en todas las situaciones posibles.

• 
  Simulador de carreras de coches
• 
  Un soldado prueba un simulador de conducción de vehículos de ruedas pesadas.

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Un simulador de biomecánica es una plataforma de simulación para crear modelos mecánicos dinámicos construidos a partir de combinaciones de cuerpos rígidos y deformables, articulaciones, restricciones y diversos actuadores de fuerza. Está especializado en la creación de modelos biomecánicos de estructuras anatómicas humanas, con la intención de estudiar su función y, eventualmente, ayudar en el diseño y planificación de tratamientos médicos.

Un simulador de biomecánica se utiliza para analizar la dinámica de la marcha, estudiar el rendimiento deportivo, simular procedimientos quirúrgicos, analizar cargas articulares, diseñar dispositivos médicos y animar el movimiento humano y animal.

Un simulador neuromecánico que combina simulación biomecánica y de redes neuronales biológicamente realistas. Permite al usuario probar hipótesis sobre la base neuronal del comportamiento en un entorno virtual tridimensional físicamente preciso.

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Un simulador de ciudad puede ser un juego de construcción de ciudades , pero también puede ser una herramienta utilizada por los planificadores urbanos para comprender cómo es probable que evolucionen las ciudades en respuesta a diversas decisiones políticas. AnyLogic es un ejemplo de simuladores urbanos modernos a gran escala diseñados para su uso por parte de los planificadores urbanos. Los simuladores de ciudad son generalmente simulaciones basadas en agentes con representaciones explícitas del uso del suelo y el transporte. UrbanSim y LEAM son ejemplos de modelos de simulación urbana a gran escala que utilizan las agencias de planificación metropolitana y las bases militares para la planificación del uso del suelo y el transporte .

Existen varias simulaciones con temática navideña, muchas de las cuales se centran en Santa Claus . Un ejemplo de estas simulaciones son los sitios web que afirman permitir al usuario rastrear a Santa Claus. Debido al hecho de que Santa es un personaje legendario y no una persona real, es imposible proporcionar información real sobre su ubicación, y servicios como NORAD Tracks Santa y Google Santa Tracker (el primero de los cuales afirma utilizar radar y otras tecnologías para rastrear a Santa) ^[70] muestran información de ubicación predeterminada y falsa a los usuarios. Otro ejemplo de estas simulaciones son los sitios web que afirman permitir al usuario enviar correos electrónicos o mensajes a Santa Claus. Sitios web como emailSanta.com o la antigua página de Santa en el ahora extinto Windows Live Spaces de Microsoft utilizan programas automatizados o scripts para generar respuestas personalizadas que se dice que son del propio Santa en función de la entrada del usuario. ^{[71] [72] [73] [74]}

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Las aulas del futuro probablemente contendrán varios tipos de simuladores, además de herramientas de aprendizaje textuales y visuales. Esto permitirá a los estudiantes entrar a los años clínicos mejor preparados y con un nivel de habilidad más alto. El estudiante avanzado o de posgrado tendrá un método más conciso y completo de reentrenamiento (o de incorporación de nuevos procedimientos clínicos a su conjunto de habilidades) y a los organismos reguladores e instituciones médicas les resultará más fácil evaluar la competencia y la habilidad de los individuos.

El aula del futuro también será la base de una unidad de habilidades clínicas para la educación continua del personal médico; y de la misma manera que el uso del entrenamiento periódico de vuelo ayuda a los pilotos de aerolíneas, esta tecnología ayudará a los profesionales a lo largo de su carrera. ^{[ cita requerida ]}

El simulador será más que un libro de texto "vivo", se convertirá en una parte integral de la práctica de la medicina. ^{[ cita requerida ]} El entorno del simulador también proporcionará una plataforma estándar para el desarrollo curricular en instituciones de educación médica.

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Los sistemas de comunicaciones por satélite modernos ( SATCOM ) suelen ser grandes y complejos, con muchas partes y elementos que interactúan entre sí. Además, la necesidad de conectividad de banda ancha en un vehículo en movimiento ha aumentado drásticamente en los últimos años, tanto para aplicaciones comerciales como militares. Para predecir con precisión y ofrecer un servicio de alta calidad, los diseñadores de sistemas SATCOM deben tener en cuenta el terreno, así como las condiciones atmosféricas y meteorológicas en su planificación. Para hacer frente a tal complejidad, los diseñadores y operadores de sistemas recurren cada vez más a modelos informáticos de sus sistemas para simular las condiciones de funcionamiento del mundo real y obtener información sobre la usabilidad y los requisitos antes de la aprobación del producto final. El modelado mejora la comprensión del sistema al permitir que el diseñador o planificador del sistema SATCOM simule el rendimiento en el mundo real inyectando los modelos con múltiples condiciones atmosféricas y ambientales hipotéticas. La simulación se utiliza a menudo en la formación de personal civil y militar. Esto suele ocurrir cuando es prohibitivamente caro o simplemente demasiado peligroso permitir que los alumnos utilicen el equipo real en el mundo real. En tales situaciones, dedicarán tiempo a aprender lecciones valiosas en un entorno virtual "seguro" y, al mismo tiempo, vivir una experiencia realista (o al menos, ese es el objetivo). A menudo, la conveniencia consiste en permitir errores durante el entrenamiento de un sistema crítico para la seguridad.

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Las soluciones de simulación se están integrando cada vez más con soluciones y procesos asistidos por ordenador ( diseño asistido por ordenador o CAD, fabricación asistida por ordenador o CAM, ingeniería asistida por ordenador o CAE, etc.). El uso de la simulación a lo largo del ciclo de vida del producto , especialmente en las primeras etapas de concepción y diseño, tiene el potencial de proporcionar beneficios sustanciales. Estos beneficios van desde cuestiones de costes directos, como la reducción de la creación de prototipos y un menor tiempo de comercialización, hasta productos de mejor rendimiento y mayores márgenes. Sin embargo, para algunas empresas, la simulación no ha proporcionado los beneficios esperados.

El uso exitoso de la simulación, en las primeras etapas del ciclo de vida, se ha visto impulsado en gran medida por una mayor integración de las herramientas de simulación con todo el conjunto de soluciones CAD, CAM y de gestión del ciclo de vida del producto. Las soluciones de simulación ahora pueden funcionar en toda la empresa en un entorno multi-CAD e incluyen soluciones para gestionar los datos y procesos de simulación y garantizar que los resultados de la simulación formen parte del historial del ciclo de vida del producto.

La formación mediante simulación se ha convertido en un método para preparar a las personas ante desastres. Las simulaciones pueden reproducir situaciones de emergencia y hacer un seguimiento de cómo responden los alumnos gracias a una experiencia similar a la real. Las simulaciones de preparación ante desastres pueden incluir formación sobre cómo manejar ataques terroristas , desastres naturales, brotes de pandemias u otras emergencias que pongan en peligro la vida.

Una organización que ha utilizado la formación con simulación para la preparación ante desastres es CADE (Center for Advancement of Distance Education). CADE ^[75] ha utilizado un videojuego para preparar a los trabajadores de emergencias para múltiples tipos de ataques. Como informó News-Medical.Net, "El videojuego es el primero de una serie de simulaciones para abordar el bioterrorismo, la gripe pandémica, la viruela y otros desastres para los que el personal de emergencias debe prepararse. ^[76] " Desarrollado por un equipo de la Universidad de Illinois en Chicago (UIC), el juego permite a los estudiantes practicar sus habilidades de emergencia en un entorno seguro y controlado.

El Programa de Simulación de Emergencias (ESP) del Instituto de Tecnología de Columbia Británica (BCIT), Vancouver, Columbia Británica, Canadá, es otro ejemplo de una organización que utiliza la simulación para entrenarse en situaciones de emergencia. El ESP utiliza la simulación para entrenarse en las siguientes situaciones: lucha contra incendios forestales, respuesta a derrames de petróleo o químicos, respuesta a terremotos, aplicación de la ley, lucha contra incendios municipales, manipulación de materiales peligrosos, entrenamiento militar y respuesta a ataques terroristas ^[77]. Una característica del sistema de simulación es la implementación de un "reloj de tiempo de ejecución dinámico", que permite que las simulaciones se ejecuten en un marco de tiempo "simulado", "'acelerando' o 'ralentizando' el tiempo según se desee" ^[77]. Además, el sistema permite grabaciones de sesiones, navegación basada en iconos de imágenes, almacenamiento de archivos de simulaciones individuales, componentes multimedia y lanzamiento de aplicaciones externas.

En la Universidad de Quebec en Chicoutimi, un equipo de investigación del laboratorio de investigación y experiencia al aire libre (Laboratoire d'Expertise et de Recherche en Plein Air – LERPA) se especializa en el uso de simulaciones de accidentes en áreas silvestres para verificar la coordinación de la respuesta a emergencias.

En términos educativos, los beneficios de la capacitación en situaciones de emergencia mediante simulaciones son que se puede hacer un seguimiento del desempeño del alumno a través del sistema. Esto permite al desarrollador realizar ajustes según sea necesario o alertar al educador sobre temas que pueden requerir atención adicional. Otras ventajas son que se puede guiar o capacitar al alumno sobre cómo responder adecuadamente antes de continuar con el siguiente segmento de emergencia; este es un aspecto que puede no estar disponible en el entorno real. Algunos simuladores de capacitación en situaciones de emergencia también permiten una retroalimentación inmediata, mientras que otras simulaciones pueden proporcionar un resumen e indicarle al alumno que participe nuevamente en el tema de aprendizaje.

En una situación de emergencia real, los equipos de respuesta a emergencias no tienen tiempo que perder. La capacitación con simulación en este entorno brinda a los estudiantes la oportunidad de recopilar la mayor cantidad de información posible y poner en práctica sus conocimientos en un entorno seguro. Pueden cometer errores sin riesgo de poner en peligro sus vidas y tener la oportunidad de corregirlos para prepararse para la emergencia de la vida real.

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Las simulaciones en economía , y especialmente en macroeconomía , juzgan la conveniencia de los efectos de las acciones políticas propuestas, como cambios en la política fiscal o en la política monetaria . Un modelo matemático de la economía, que se ha ajustado a los datos económicos históricos, se utiliza como proxy de la economía real; los valores propuestos de gasto gubernamental , impuestos, operaciones de mercado abierto , etc. se utilizan como entradas para la simulación del modelo, y varias variables de interés como la tasa de inflación , la tasa de desempleo , el déficit de la balanza comercial , el déficit presupuestario del gobierno , etc. son los resultados de la simulación. Los valores simulados de estas variables de interés se comparan para diferentes entradas de políticas propuestas para determinar qué conjunto de resultados es el más deseable. ^[78]

La simulación es una característica importante en los sistemas de ingeniería o en cualquier sistema que involucre muchos procesos. Por ejemplo, en ingeniería eléctrica , las líneas de retardo se pueden utilizar para simular el retardo de propagación y el cambio de fase causados ​​por una línea de transmisión real . De manera similar, se pueden utilizar cargas ficticias para simular la impedancia sin simular la propagación y se utilizan en situaciones en las que la propagación no es deseada. Un simulador puede imitar solo algunas de las operaciones y funciones de la unidad que simula. Contraste con : emular . ^[79]

La mayoría de las simulaciones de ingeniería implican modelado matemático e investigación asistida por computadora. Sin embargo, hay muchos casos en los que el modelado matemático no es confiable. La simulación de problemas de dinámica de fluidos a menudo requiere simulaciones matemáticas y físicas. En estos casos, los modelos físicos requieren similitud dinámica . Las simulaciones físicas y químicas también tienen usos realistas directos, en lugar de usos de investigación; en ingeniería química , por ejemplo, las simulaciones de procesos se utilizan para proporcionar los parámetros de proceso utilizados inmediatamente para operar plantas químicas, como refinerías de petróleo. Los simuladores también se utilizan para la capacitación de operadores de planta. Se llama Simulador de capacitación de operadores (OTS) y ha sido ampliamente adoptado por muchas industrias, desde química hasta petróleo y gas y la industria energética. Esto creó un entorno virtual seguro y realista para capacitar a los operadores e ingenieros de la placa. Mimic es capaz de proporcionar modelos dinámicos de alta fidelidad de casi todas las plantas químicas para la capacitación de operadores y la prueba del sistema de control.

La simulación ergonómica implica el análisis de productos virtuales o tareas manuales dentro de un entorno virtual. En el proceso de ingeniería, el objetivo de la ergonomía es desarrollar y mejorar el diseño de productos y entornos de trabajo. ^[80] La simulación ergonómica utiliza una representación virtual antropométrica del ser humano, comúnmente denominada maniquí o Modelo Humano Digital (DHM), para imitar las posturas, cargas mecánicas y el desempeño de un operador humano en un entorno simulado, como un avión, un automóvil o una planta de fabricación. Los DHM se reconocen como una herramienta valiosa y en evolución para realizar análisis y diseños ergonómicos proactivos. ^[81] Las simulaciones emplean gráficos 3D y modelos basados ​​en la física para animar a los humanos virtuales. El software de ergonomía utiliza la capacidad de cinemática inversa (IK) para posar los DHM. ^[80]

Las herramientas de software suelen calcular propiedades biomecánicas, incluidas las fuerzas musculares individuales, las fuerzas articulares y los momentos. La mayoría de estas herramientas emplean métodos de evaluación ergonómica estándar, como la ecuación de levantamiento de NIOSH y la Evaluación rápida de miembros superiores (RULA). Algunas simulaciones también analizan medidas fisiológicas, como el metabolismo, el gasto de energía y los límites de fatiga. Los estudios de tiempos de ciclo, la validación del diseño y el proceso, la comodidad del usuario, la accesibilidad y la línea de visión son otros factores humanos que pueden examinarse en paquetes de simulación ergonómica. ^[82]

El modelado y la simulación de una tarea se pueden realizar manipulando manualmente al humano virtual en el entorno simulado. Algunos programas de simulación ergonómica permiten la simulación y evaluación interactivas en tiempo real mediante la participación de personas reales mediante tecnologías de captura de movimiento. Sin embargo, la captura de movimiento para la ergonomía requiere un equipo costoso y la creación de accesorios para representar el entorno o el producto.

Algunas aplicaciones de la simulación ergonómica incluyen el análisis de la recolección de residuos sólidos, las tareas de gestión de desastres, los juegos interactivos, ^[83] la línea de montaje de automóviles, ^[84] la creación de prototipos virtuales de ayudas para la rehabilitación, ^[85] y el diseño de productos aeroespaciales. ^[86] Los ingenieros de Ford utilizan software de simulación ergonómica para realizar revisiones virtuales del diseño de productos. Utilizando datos de ingeniería, las simulaciones ayudan a evaluar la ergonomía del montaje. La empresa utiliza el software de simulación ergonómica Jack and Jill de Siemens para mejorar la seguridad y la eficiencia de los trabajadores, sin necesidad de construir prototipos costosos. ^[87]

En finanzas, las simulaciones por computadora se utilizan a menudo para la planificación de escenarios. El valor actual neto ajustado al riesgo , por ejemplo, se calcula a partir de datos de entrada bien definidos pero no siempre conocidos (o fijos). Al imitar el desempeño del proyecto en evaluación, la simulación puede proporcionar una distribución del VPN en un rango de tasas de descuento y otras variables. Las simulaciones también se utilizan a menudo para probar una teoría financiera o la capacidad de un modelo financiero. ^[88]

Las simulaciones se utilizan con frecuencia en la formación financiera para que los participantes experimenten diversas situaciones históricas y ficticias. Existen simulaciones del mercado de valores, simulaciones de cartera, simulaciones o modelos de gestión de riesgos y simulaciones de divisas. Estas simulaciones suelen basarse en modelos de activos estocásticos . El uso de estas simulaciones en un programa de formación permite aplicar la teoría a algo parecido a la vida real. Al igual que en otras industrias, el uso de simulaciones puede estar impulsado por la tecnología o por estudios de casos.

La simulación de vuelo se utiliza principalmente para entrenar a los pilotos fuera de la aeronave. ^[89] En comparación con el entrenamiento en vuelo, el entrenamiento basado en simulación permite practicar maniobras o situaciones que pueden resultar poco prácticas (o incluso peligrosas) de realizar en la aeronave, mientras que el piloto y el instructor se encuentran en un entorno de riesgo relativamente bajo en tierra. Por ejemplo, se pueden simular fallas del sistema eléctrico, fallas de los instrumentos, fallas del sistema hidráulico e incluso fallas del control de vuelo sin riesgo para la tripulación o el equipo. ^[90]

Los instructores también pueden proporcionar a los estudiantes una mayor concentración de tareas de entrenamiento en un período de tiempo determinado de lo que normalmente es posible en el avión. Por ejemplo, realizar múltiples aproximaciones instrumentales en el avión real puede requerir un tiempo significativo dedicado a reposicionar el avión, mientras que en una simulación, tan pronto como se haya completado una aproximación, el instructor puede reposicionar inmediatamente el avión simulado en una ubicación desde la que se pueda iniciar la siguiente aproximación.

La simulación de vuelo también ofrece una ventaja económica con respecto al entrenamiento en una aeronave real. Una vez que se tienen en cuenta los costos de combustible, mantenimiento y seguro, los costos operativos de un FSTD suelen ser sustancialmente inferiores a los costos operativos de la aeronave simulada. En el caso de algunos aviones de transporte de gran tamaño, los costos operativos del FSTD pueden ser varias veces inferiores a los de la aeronave real. Otra ventaja es el menor impacto ambiental, ya que los simuladores no contribuyen directamente a las emisiones de carbono o ruido. ^[91]

También existen "simuladores de vuelo de ingeniería" que son un elemento clave en el proceso de diseño de aeronaves . ^[92] Muchos de los beneficios que se derivan de un menor número de vuelos de prueba, como las mejoras en los costos y la seguridad, se describieron anteriormente, pero existen algunas ventajas únicas. Tener un simulador disponible permite un ciclo de iteración de diseño más rápido o utilizar más equipo de prueba del que podría caber en una aeronave real. ^[93]

Un simulador marino , que se parece a un simulador de vuelo , está destinado a la formación del personal de los barcos. Los simuladores marinos más comunes son: ^[94]

• Simuladores de puentes de barco
• Simuladores de sala de máquinas ^[95]
• Simuladores de manipulación de carga
• Simuladores de comunicación/ SMSSM
• Simuladores de ROV

Este tipo de simuladores se utilizan sobre todo en escuelas navales, instituciones de formación y armadas. Suelen consistir en una réplica del puente de mando de un barco, con las consolas de mando y una serie de pantallas en las que se proyecta el entorno virtual.

Las simulaciones militares, también conocidas informalmente como juegos de guerra, son modelos en los que se pueden poner a prueba y refinar teorías de guerra sin necesidad de hostilidades reales. Existen en muchas formas diferentes, con distintos grados de realismo. En los últimos tiempos, su alcance se ha ampliado para incluir no sólo factores militares sino también políticos y sociales (por ejemplo, la serie de ejercicios estratégicos Nationlab en América Latina). ^[96] Si bien muchos gobiernos hacen uso de la simulación, tanto de forma individual como colaborativa, se sabe poco sobre los detalles del modelo fuera de los círculos profesionales.

Los sistemas distribuidos y de red se han simulado ampliamente para comprender el impacto de los nuevos protocolos y algoritmos antes de su implementación en los sistemas reales. La simulación puede centrarse en diferentes niveles ( capa física , capa de red , capa de aplicación ) y evaluar diferentes métricas (ancho de banda de red, consumo de recursos, tiempo de servicio, paquetes descartados, disponibilidad del sistema). Algunos ejemplos de escenarios de simulación de sistemas distribuidos y de red son:

• Redes de distribución de contenidos ^{[97] [98] [99] [100]}
• Ciudades inteligentes
• Internet de las cosas

Las técnicas de simulación también se han aplicado a los sistemas de pago y de liquidación de valores. Entre los principales usuarios se encuentran los bancos centrales, que suelen ser responsables de la supervisión de la infraestructura del mercado y tienen derecho a contribuir al buen funcionamiento de los sistemas de pago.

Los bancos centrales han estado utilizando simulaciones de sistemas de pago para evaluar aspectos como la adecuación o suficiencia de la liquidez disponible (en forma de saldos de cuentas y límites de crédito intradiarios) para los participantes (principalmente bancos) para permitir una liquidación eficiente de los pagos. ^{[101] [102]} La necesidad de liquidez también depende de la disponibilidad y el tipo de procedimientos de compensación en los sistemas, por lo que algunos de los estudios se centran en comparaciones de sistemas. ^[103]

Otra aplicación es evaluar los riesgos relacionados con eventos como fallas en la red de comunicaciones o la incapacidad de los participantes para enviar pagos (por ejemplo, en caso de una posible quiebra bancaria). ^[104] Este tipo de análisis se enmarca dentro de los conceptos de pruebas de estrés o análisis de escenarios .

Una forma habitual de llevar a cabo estas simulaciones es replicar las lógicas de liquidación de los sistemas de pago o de liquidación de valores reales que se analizan y, a continuación, utilizar los datos de pago reales observados. En caso de comparación o desarrollo de sistemas, naturalmente, también es necesario implementar las demás lógicas de liquidación.

Para realizar pruebas de estrés y análisis de escenarios, es necesario modificar los datos observados, por ejemplo, retrasar o eliminar algunos pagos. Para analizar los niveles de liquidez, se varían los niveles iniciales de liquidez. Las comparaciones de sistemas (evaluaciones comparativas) o las evaluaciones de nuevos algoritmos o reglas de compensación se realizan ejecutando simulaciones con un conjunto fijo de datos y variando solo las configuraciones del sistema.

Generalmente, se realiza una inferencia comparando los resultados de la simulación de referencia con los resultados de configuraciones de simulación modificadas, comparando indicadores como transacciones no liquidadas o retrasos en la liquidación.

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La simulación de gestión de proyectos es una simulación que se utiliza para la formación y el análisis de la gestión de proyectos. A menudo se utiliza como simulación de formación para directores de proyectos. En otros casos, se utiliza para el análisis hipotético y para apoyar la toma de decisiones en proyectos reales. Con frecuencia, la simulación se lleva a cabo utilizando herramientas de software.

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Un simulador de robótica se utiliza para crear aplicaciones integradas para un robot específico (o no) sin depender del robot "real". En algunos casos, estas aplicaciones se pueden transferir al robot real (o reconstruir) sin modificaciones. Los simuladores de robótica permiten reproducir situaciones que no se pueden "crear" en el mundo real debido al costo, el tiempo o la "singularidad" de un recurso. Un simulador también permite la creación rápida de prototipos de robots. Muchos simuladores de robots cuentan con motores de física para simular la dinámica de un robot.

La simulación de sistemas de producción se utiliza principalmente para examinar el efecto de las mejoras o inversiones en un sistema de producción . La mayoría de las veces, esto se hace utilizando una hoja de cálculo estática con tiempos de proceso y tiempos de transporte. Para simulaciones más sofisticadas, se utiliza la Simulación de Eventos Discretos (DES) con las ventajas de simular la dinámica en el sistema de producción. Un sistema de producción es muy dinámico dependiendo de las variaciones en los procesos de fabricación, tiempos de ensamblaje, configuraciones de máquinas, roturas, averías y pequeñas paradas. ^[105] Hay mucho software que se usa comúnmente para la simulación de eventos discretos. Difieren en usabilidad y mercados, pero a menudo comparten la misma base.

Las simulaciones son útiles para modelar el flujo de transacciones a través de procesos de negocios, como en el campo de la ingeniería de procesos de ventas , para estudiar y mejorar el flujo de pedidos de clientes a través de varias etapas de finalización (por ejemplo, desde una propuesta inicial para proporcionar bienes/servicios hasta la aceptación del pedido y la instalación). Estas simulaciones pueden ayudar a predecir el impacto de cómo las mejoras en los métodos podrían afectar la variabilidad, el costo, el tiempo de trabajo y el número de transacciones en varias etapas del proceso. Se puede utilizar un simulador de proceso computarizado con todas las funciones para representar dichos modelos, al igual que demostraciones educativas más simples utilizando software de hojas de cálculo, monedas que se transfieren entre tazas según el lanzamiento de un dado o se sumergen en un recipiente con cuentas de colores con una cuchara. ^[106]

En los deportes, las simulaciones por computadora se realizan a menudo para predecir el resultado de los eventos y el rendimiento de los deportistas individuales. Intentan recrear el evento a través de modelos construidos a partir de estadísticas. El aumento de la tecnología ha permitido que cualquier persona con conocimientos de programación pueda ejecutar simulaciones de sus modelos. Las simulaciones se construyen a partir de una serie de algoritmos matemáticos , o modelos, y pueden variar con precisión. Accuscore, que cuenta con licencia de empresas como ESPN , es un conocido programa de simulación para todos los deportes principales . Ofrece un análisis detallado de los juegos a través de líneas de apuestas simuladas, totales de puntos proyectados y probabilidades generales.

Con el creciente interés en los deportes de fantasía, los modelos de simulación que predicen el rendimiento de jugadores individuales han ganado popularidad. Empresas como What If Sports y StatFox se especializan no solo en usar sus simulaciones para predecir los resultados de los juegos, sino también en predecir el rendimiento de los jugadores individuales. Muchas personas usan modelos para determinar a quiénes poner de titulares en sus ligas de fantasía.

Otra forma en que las simulaciones ayudan en el campo deportivo es mediante el uso de la biomecánica . Los modelos se derivan y se ejecutan simulaciones a partir de los datos recibidos de sensores conectados a los atletas y equipos de video. La biomecánica deportiva asistida por modelos de simulación responde a preguntas sobre técnicas de entrenamiento como el efecto de la fatiga en el rendimiento de lanzamiento (altura del lanzamiento) y factores biomecánicos de las extremidades superiores (índice de fuerza reactiva; tiempo de contacto de la mano). ^[107]

Las simulaciones por computadora permiten a sus usuarios tomar modelos que antes eran demasiado complejos para ejecutar y darles respuestas. Las simulaciones han demostrado ser una de las mejores fuentes de información sobre el rendimiento del juego y la previsibilidad del equipo.

La simulación se utilizó en el Centro Espacial Kennedy (KSC) para entrenar y certificar a los ingenieros del transbordador espacial durante las operaciones simuladas de cuenta regresiva del lanzamiento. La comunidad de ingenieros del transbordador espacial participaría en una simulación integrada de cuenta regresiva del lanzamiento antes de cada vuelo del transbordador. Esta simulación es una simulación virtual donde personas reales interactúan con el vehículo del transbordador espacial simulado y el hardware del equipo de soporte terrestre (GSE). La simulación de la fase de cuenta regresiva final del transbordador, también conocida como S0044, involucró procesos de cuenta regresiva que integrarían muchos de los sistemas del vehículo del transbordador espacial y del GSE. Algunos de los sistemas del transbordador integrados en la simulación son el sistema de propulsión principal, RS-25 , los propulsores de cohetes sólidos , el hidrógeno líquido terrestre y el oxígeno líquido, el tanque externo , los controles de vuelo, la navegación y la aviónica. ^[108] Los objetivos de alto nivel de la simulación de la fase de cuenta regresiva final del transbordador son:

• Para demostrar las operaciones de la fase de cuenta regresiva final de la sala de disparo .
• Proporcionar capacitación a ingenieros de sistemas para reconocer, informar y evaluar problemas del sistema en un entorno crítico en el tiempo.
• Ejercitar la capacidad del equipo de lanzamiento para evaluar, priorizar y responder a los problemas de manera integrada dentro de un entorno crítico en el tiempo.
• Proporcionar procedimientos que se utilizarán para realizar pruebas de falla/recuperación de las operaciones realizadas en la fase de cuenta regresiva final. ^[109]

La simulación de la fase final de la cuenta regresiva del transbordador se llevó a cabo en las salas de lanzamiento del Centro de Control de Lanzamiento del Centro Espacial Kennedy . La sala de lanzamiento utilizada durante la simulación es la misma sala de control donde se ejecutan las operaciones reales de cuenta regresiva del lanzamiento. Como resultado, se utilizan los equipos utilizados para las operaciones reales de cuenta regresiva del lanzamiento. Durante la simulación se utilizan computadoras de comando y control, software de aplicación, herramientas de trazado y tendencias de ingeniería, documentos de procedimientos de cuenta regresiva del lanzamiento, documentos de criterios de confirmación del lanzamiento, documentos de requisitos de hardware y cualquier otro elemento utilizado por los equipos de ingeniería de cuenta regresiva del lanzamiento durante las operaciones reales de cuenta regresiva del lanzamiento.

El hardware del transbordador espacial y el hardware GSE relacionado se simulan mediante modelos matemáticos (escritos en el lenguaje de modelado Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS) ^[110] ) que se comportan y reaccionan como hardware real. Durante la simulación de la fase de cuenta regresiva final del transbordador, los ingenieros controlan el hardware mediante software de aplicación real que se ejecuta en las consolas de control, tal como si estuvieran comandando el hardware del vehículo real. Sin embargo, estas aplicaciones de software reales no interactúan con el hardware real del transbordador durante las simulaciones. En cambio, las aplicaciones interactúan con representaciones de modelos matemáticos del vehículo y el hardware GSE. En consecuencia, las simulaciones pasan por alto mecanismos sensibles e incluso peligrosos al tiempo que proporcionan mediciones de ingeniería que detallan cómo habría reaccionado el hardware. Dado que estos modelos matemáticos interactúan con el software de aplicación de comando y control, los modelos y las simulaciones también se utilizan para depurar y verificar la funcionalidad del software de aplicación. ^[111]

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La única forma real de probar los receptores GNSS (comúnmente conocidos como Sat-Nav en el mundo comercial) es mediante un simulador de constelación de RF. Un receptor que, por ejemplo, se puede utilizar en un avión, se puede probar en condiciones dinámicas sin necesidad de llevarlo a un vuelo real. Las condiciones de prueba se pueden repetir exactamente y existe un control total sobre todos los parámetros de prueba. Esto no es posible en el "mundo real" utilizando las señales reales. Para probar los receptores que utilizarán el nuevo Galileo (navegación por satélite) no hay alternativa, ya que las señales reales aún no existen.

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La predicción de las condiciones meteorológicas mediante la extrapolación o interpolación de datos anteriores es uno de los usos reales de la simulación. La mayoría de los pronósticos meteorológicos utilizan esta información publicada por las agencias meteorológicas. Este tipo de simulaciones ayudan a predecir y advertir sobre condiciones meteorológicas extremas, como la trayectoria de un huracán o ciclón activo. La predicción numérica del tiempo para la previsión implica modelos informáticos numéricos complejos para predecir el tiempo con precisión teniendo en cuenta muchos parámetros.

Los juegos de estrategia , tanto tradicionales como modernos, pueden verse como simulaciones de toma de decisiones abstractas con el propósito de entrenar líderes militares y políticos (véase Historia del Go para un ejemplo de dicha tradición, o Kriegsspiel para un ejemplo más reciente).

Muchos otros videojuegos son simuladores de algún tipo. Estos juegos pueden simular diversos aspectos de la realidad, desde los negocios hasta el gobierno , la construcción o el pilotaje de vehículos (véase más arriba).

Históricamente, la palabra tenía connotaciones negativas:

...por lo tanto, una costumbre general de simulación (que es este último grado) es un vicio, utilizando ya sea una falsedad natural o un temor...

—  Francis Bacon , De simulación y disimulación, 1597

...para mayor claridad, un engaño con palabras se llama comúnmente mentira, y un engaño con acciones, gestos o comportamiento se llama simulación...

—  Robert South , Sur, 1697, pág. 525

Sin embargo, la conexión entre simulación y disimulación se desvaneció más tarde y ahora sólo tiene interés lingüístico. ^[112]

• Astrofísica computacional
• Química computacional
• Dinámica de fluidos computacional
• Física computacional
• Estudios de futuros
• Dinámica molecular
• Identificación del sistema

• Proyecto Illustris
• Simulador de planetas
• UltraHLE
• Simulacros y simulación

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• Las bibliografías con más referencias se pueden encontrar en el sitio web de la revista Simulation & Gaming.