Loading AI tools
Из Википедии, свободной энциклопедии
Симулятор — имитатор (обычно механический или компьютерный), задача которого состоит в имитации управления каким-либо процессом, аппаратом или транспортным средством.
Чаще всего сейчас слово «симулятор» используется применительно к компьютерным программам (обычно играм). С помощью компьютерно-механических симуляторов, абсолютно точно воспроизводящих интерьер кабины аппарата, тренируются пилоты, космонавты, машинисты высокоскоростных поездов.
Симуляторы — программные и аппаратные средства, создающие впечатление действительности, отображая часть реальных явлений и свойств в виртуальной среде[1]. Часто для изучения имитационных моделей используются компьютерные эксперименты[2]. Симулирование также используется при научном моделировании природных систем или систем человека, чтобы получить представление об их функционировании. Моделирование может быть использовано для демонстрации возможных эффектов альтернативных условий и способов действий. Имитация также используется, когда реальная система не может быть задействована, потому что она может быть недоступна, или она может быть опасной или неприемлемой для участия, или она проектируется, но еще не построена, или она может просто не существовать[3].
Исторически симулирование, применяемое в различных областях, развивалось в значительной степени независимо, но исследования теории систем и кибернетики XX века в сочетании с распространением использования компьютеров во всех этих областях привели к некоторой унификации и более систематическому взгляду на эту концепцию.
В случае физического моделирования физические объекты заменяются реальной вещью. Эти физические объекты часто выбираются потому, что они меньше или дешевле, чем реальный объект или система.
Интерактивное моделирование — это особый вид физического моделирования, часто называемый симуляцией человека в цикле, в котором физическое моделирование включает в себя людей-операторов, таких как симулятор полета, симулятор парусного спорта или симулятор вождения.
Непрерывное моделирование — это моделирование, основанное на непрерывном времени, а не на дискретных временных шагах, с использованием численного интегрирования дифференциальных уравнений[4].
Дискретно-событийное моделирование изучает системы, состояния которых изменяют свои значения только в дискретные моменты времени[5]. Например, моделирование эпидемии может изменить число инфицированных людей в моменты времени, когда восприимчивые люди заражаются, а инфицированные люди выздоравливают.
Гибридное моделирование (иногда комбинированное моделирование) соответствует сочетанию непрерывного и дискретного моделирования событий и приводит к численному интегрированию дифференциальных уравнений между двумя последовательными событиями для уменьшения числа разрывов[6].
Автономное моделирование — это моделирование, выполняемое на одной рабочей станции само по себе.
Распределенное моделирование использует более одного компьютера одновременно, чтобы гарантировать доступ к различным ресурсам(например, многопользовательские операционные системы или распределенные наборы данных).
Параллельное моделирование ускоряет выполнение моделирования, одновременно распределяя его рабочую нагрузку по нескольким процессорам, как в высокопроизводительных вычислениях[7].
При оперативно совместимом моделировании несколько моделей, симуляторы, распределенные по сети, взаимодействуют локально; классическим примером является архитектура высокого уровня[8] и серьезные игры, где серьезные игровые подходы (например, игровые движки и методы взаимодействия) интегрированы с интероперабельным моделированием[9].
Понятие точности моделирования используется для описания того, насколько близко оно имитирует реальный аналог. Можно приблизительно разделить точность на следующие уровни:
Низкий уровень — минимальное моделирование, необходимое для того, чтобы система реагировала на прием входных данных и обеспечивала выходы.
Средний уровень — автоматически реагирует на раздражители, с ограниченной точностью.
Высокий уровень — почти неразличимая или максимально приближенная к реальной системе.
Учебные симуляторы:
Компьютерное моделирование — это попытка смоделировать реальную или гипотетическую ситуацию на компьютере, чтобы можно было увидеть, как работает система[2]. Изменяя переменные в моделировании, можно предсказать поведение системы. Это инструмент, позволяющий практически исследовать поведение исследуемой системы. Компьютерное моделирование стало важной частью моделирования многих природных систем в физике, химии и биологии[10], в экономике и социальных науках (например, вычислительной социологии), а также в инженерном деле. Хороший пример полезности использования компьютеров можно найти в области моделирования сетевого трафика. При таком моделировании поведение модели будет изменяться при каждом моделировании в соответствии с набором исходных параметров, принятых для окружающей среды. Традиционно формальное моделирование систем осуществлялось с помощью математической модели, которая пытается найти аналитические решения, позволяющие прогнозировать поведение системы по набору параметров и начальных условий. Cимулятор от эмулятора отличается тем, что он сделан на основе физического моделирования, когда эмулятор на основе копирования функций. Компьютерное моделирование часто используется в качестве дополнения или замены систем моделирования, для которых простые аналитические решения замкнутой формы невозможны.
Существует несколько программных пакетов для выполнения компьютерного имитационного моделирования (например, моделирование методом Монте-Карло, стохастическое моделирование, мультиметодное моделирование), которые значительно упрощают обработку данных.
В информатике симуляция имеет несколько специализированных значений: Алан Тьюринг использовал термин «симуляция» для обозначения того, что происходит, когда универсальная машина выполняет таблицу переходов состояний (в современной терминологии компьютер запускает программу), которая описывает переходы состояний, входы и выходы объекта дискретной машины состояний[11]. В компьютерной архитектуре тип симулятора, обычно называемый эмулятором, часто используется для выполнения программы, которая должна выполняться на некотором неудобном типе компьютера (например, недавно спроектированном компьютере, который еще не был построен, или устаревшем компьютере, который больше не доступен), или в строго контролируемой среде тестирования. Например, имитаторы использовались для отладки микропрограмм или иногда коммерческих прикладных программ, прежде чем программа загружалась на целевую машину. Поскольку работа компьютера моделируется, вся информация о работе компьютера непосредственно доступна программисту, а скорость и выполнение моделирования могут быть изменены по желанию.
Имитаторы могут также использоваться для интерпретации деревьев отказов[англ.] или тестирования логических схем VLSI[англ.] до их построения. Символьное моделирование использует переменные для обозначения неизвестных значений.
В области оптимизации моделирование физических процессов часто используется в сочетании с эволюционными вычислениями для оптимизации стратегий управления.
Моделирование широко используется в образовательных целях[англ.]. Его применяют в тех случаях, когда слишком дорого или опасно позволить стажерам использовать реальное оборудование в реальном мире. В таких ситуациях они получают реалистичный опыт в безопасной виртуальной среде. Часто удобство заключается в том, чтобы позволить ошибки во время обучения в условиях критической системы безопасности. Симуляции в образовании чем-то похожи на учебные симуляции. Они сосредоточены на конкретных задачах. Термин «микромир» используется для обозначения учебных симуляций, которые моделируют некоторую абстрактную концепцию, а не имитируют реалистичный объект или окружающую среду, или в некоторых случаях моделируют реальную среду упрощенным способом, чтобы помочь учащемуся развить понимание ключевых понятий. Обычно пользователь может создать в микромире некую конструкцию, которая будет вести себя в соответствии с моделируемыми концепциями. Сеймур Пейперт был одним из первых, кто понял ценность микромиров, и язык программирования Logo, разработанный Пейпертом, является одним из самых известных микромиров.
Моделирование управления проектами все чаще используется для обучения студентов и специалистов. Оно улучшает учебный процесс, способствуя быстрому усвоению информации[12].
Социальное моделирование может использоваться в социальных науках для иллюстрации социальных и политических процессов в антропологии, экономике, истории, политологии или социологии, как правило, на уровне средней школы или университета. Например, при моделировании гражданского общества, в котором участники принимают на себя роль в моделируемом обществе, или моделировании международных отношений, в которых студенты участвуют в переговорах, создании альянсов, торговле, дипломатии и применении силы. Такие симуляции могут основываться на вымышленных политических системах или на текущих или исторических событиях. Примером последнего может служить реакция колледжа Барнарда на серию исторических образовательных игр[13]. Национальный научный фонд также поддержал создание интерактивных игр, которые касаются науки и математического образования[14].
В последние годы все шире используется социальное моделирование для обучения персонала в учреждениях развития и благотворительных организациях. Например, модель Карана была впервые разработана Программой развития Организации Объединенных Наций и в настоящее время используется в весьма пересмотренной форме Всемирным банком для подготовки персонала для работы с нестабильными и затронутыми конфликтами странами[15].
Использование моделирования для обучения профессиональных военных часто включает в себя самолеты или боевые бронированные машины, но также может быть нацелено на обучение стрелковому оружию и другим системам вооружения. В частности, виртуальные полигоны огнестрельного оружия стали нормой в большинстве процессов военной подготовки.
Виртуальные симуляции представляют собой особую категорию симуляции, которая использует имитационное оборудование для создания моделируемого мира для пользователя. Виртуальные симуляции позволяют пользователям взаимодействовать с виртуальным миром. Виртуальные миры работают на платформах интегрированных программных и аппаратных компонентов. Таким образом, система может принимать входные данные от пользователя (например, отслеживание тела, распознавание голоса/звука, физические контроллеры) и выдавать выходные данные пользователю (например, визуальный дисплей, звуковой дисплей, тактильный дисплей)[16]. Виртуальные симуляции используют вышеупомянутые режимы взаимодействия, чтобы создать у пользователя ощущение погружения.
Существует большое разнообразие аппаратных средств ввода, доступных для виртуального моделирования:
Отслеживание тела: метод захвата движения часто используется для записи движений пользователя и преобразования захваченных данных во входные данные для виртуального моделирования. Например, если пользователь физически поворачивает голову, то это движение будет каким-то образом зафиксировано аппаратным обеспечением и переведено в соответствующее смещение в поле зрения внутри виртуальной среды.
Физические контроллеры: физические контроллеры обеспечивают ввод в симуляцию только посредством прямого манипулирования пользователем. В виртуальном моделировании тактильная обратная связь от физических контроллеров весьма желательна в ряде сред моделирования.
Распознавание голоса / звука: эта форма взаимодействия может использоваться либо для взаимодействия с агентами в симуляции (например, виртуальными людьми), либо для манипулирования объектами в симуляции (например, информацией). Голосовое взаимодействие предположительно повышает уровень погружения пользователя. Возможно использование гарнитур с микрофонами, нагрудных микрофонов, или комната может быть оборудована стратегически расположенными микрофонами.
Исследования в области будущих систем ввода данных дают большие перспективы для виртуального моделирования. Такие системы, как нейрокомпьютерные интерфейсы (BCIs), предлагают возможность дальнейшего повышения уровня погружения для пользователей виртуального моделирования. Lee, Keinrath, Scherer, Bischof, Pfurtscheller доказали, что наивные испытуемые могут быть обучены использовать BCI для навигации по виртуальной квартире с относительной легкостью[17]. Используя ИМК, авторы обнаружили, что испытуемые могли свободно ориентироваться в виртуальной среде с относительно минимальными усилиями. Вполне возможно, что эти типы систем станут стандартными модальностями ввода в будущих системах виртуального моделирования.
Существует большое разнообразие выходных аппаратных средств, доступных для доставки сигнала пользователям в виртуальных симуляциях:
Визуальные дисплеи обеспечивают визуальный стимул для 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.
Тактильный дисплей: эти дисплеи обеспечивают ощущение прикосновения к пользователю (тактильная технология). Этот тип вывода иногда называют силовой обратной связью.
Вестибулярный дисплей: эти дисплеи обеспечивают ощущение движения для пользователя (имитатор движения[англ.]). 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).
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[19]. 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[20].
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[21] и процедурные симуляции[22], 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.
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[23]. 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[24]. 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[англ.][23].
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[25]. Основная проблема заключается в том, чтобы показать, что командное моделирование улучшает оперативные показатели команды у постели больного[26]. Сегодня способность симуляции обеспечить практический опыт в операционной больше не вызывает сомнений[27][28].
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[29].
В 2002 году было сформировано общество моделирования в здравоохранении[англ.], которое стало лидером в международном межпрофессиональном продвижении медицинского моделирования в здравоохранении[30]. 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[31]. В 2012 году общество моделирования в здравоохранении учредило два новых сертификата для тренеров по имитационному обучению сотрудников[32].
Активные модели, которые пытаются воспроизвести живую анатомию или физиологию, появились недавно. Знаменитый манекен «Харви»[англ.], разработанный в Университете Майами, способен воссоздать многие физические результаты кардиологического обследования, включая пальпацию, аускультацию и электрокардиографию[33].
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.
Компьютерные тренажеры были предложены в качестве идеального инструмента для оценки клинических навыков студентов[34]. Для пациентов «кибертерапия» может использоваться в сеансах, имитирующих травматические переживания, от страха высоты до социальной тревоги[35].
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[англ.]» 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[36][37].
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[38]. Эта система превосходит исследования, в которых используются «стандартные пациенты[англ.]», поскольку она поддерживает количественную оценку, а также воспроизводство одних и тех же объективных результатов[39].
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.
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.
Компьютерные изображения были использованы в фильме для имитации объектов еще в 1972 году в анимированной руке[англ.], 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[40].
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[англ.], одной из первых использующих каркасную модель в персональных компьютерах.
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[41]. 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[42].
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[43]. 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».
Игровые симуляторы[англ.], 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[44]. Многие симуляторы, такие как SimCity и PGA Tour[англ.], стали невероятно популярны среди людей всех возрастов[45].
Симуляторы использовались для развлечения со времен Link Trainer[англ.] в 1930-х годах[46]. Первым современным симуляционным аттракционом, открывшимся в тематическом парке, стал Disney’s Star Tours[англ.] в 1987 году, а вскоре за ним последовал The Funtastic World of Hanna-Barbera[англ.] в 1990 году, который стал первым аттракционом, сконструированным только с помощью компьютерной графики[47]. 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[47]. 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[англ.], включают в себя элементы для усиления погружения, испытываемого пользователями, такие как 3D-изображения, физические эффекты (распыление воды или ароматов) и движение через окружающую среду[48].
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[49].
Другой важной целью моделирования в производственных системах является количественная оценка производительности системы.
Общие показатели эффективности системы[англ.] включают следующее[50]:
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[51]. 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[52]. Моделирование использует 3D-графику и модели для анимации виртуальных людей. Программное обеспечение эргономики использует методы обратной кинематики для управления цифровой моделью[51].
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[53].
Моделирование и имитация задачи могут быть выполнены путем ручного манипулирования виртуальным человеком в моделируемой среде. Некоторые программы для моделирования эргономики позволяют проводить интерактивное моделирование[англ.] 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[54], виртуальное прототипирование реабилитационных средств и проектирование аэрокосмической техники[55]. 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.
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[56].
Основные цели моделирования запуска шаттла заключаются в следующем:
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)[58]), 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[59].