モデリングとシミュレーション

モデリングとシミュレーション（M&S）は、経営上または技術上の意思決定に利用されるデータを作成するためのシミュレーションの基礎としてモデル（システム、エンティティ、現象、またはプロセスの物理的、数学的、動作的、または論理的表現など）を使用することです。^[1]^[2]

モデリングとシミュレーションのコンピューターアプリケーションでは、コンピューターを使用して、物理モデルの主要パラメータを含む数学モデルを構築します。数学モデルは物理モデルを仮想形式で表し、対象の実験を設定する条件が適用されます。シミュレーションが開始され、つまりコンピューターが数学モデルに対してそれらの条件の結果を計算し、実装に応じて機械または人間が判読できる形式で結果を出力します。

エンジニアリングにおける M&S の使用は広く認識されています。シミュレーション技術は、すべてのアプリケーションドメインのエンジニアのツールセットに属し、エンジニアリング管理の知識体系に含まれています。M&S は、コストの削減、製品とシステムの品質の向上、および学んだ教訓の文書化とアーカイブに役立ちます。シミュレーションの結果は基礎となるモデルと同じくらい優れているだけなので、エンジニア、オペレーター、およびアナリストは、その構築に特に注意を払う必要があります。シミュレーションの結果を現実世界に適用できるようにするには、ユーザーは、その実装の仮定、概念化、および制約を理解する必要があります。さらに、実際の実験の結果を使用して、モデルを更新および改善することもできます。M&S は独自の分野です。その多くのアプリケーションドメインから、M&S は純粋なアプリケーションであると想定されることがよくあります。これは事実ではなく、M&S の適用においてエンジニアリング管理によって認識される必要があります。

このような数学モデルとシミュレーションを使用すると、コストと時間がかかる実際の実験を回避できます。代わりに、数学的知識と計算能力を使用して、現実の問題を安価かつ時間効率よく解決します。そのため、M&S を使用すると、現実の世界で実際にシステムをテストすることなく、システムの動作を理解できます。たとえば、レースカーを設計する際に、どのタイプのスポイラーが最もトラクションを向上させるかを判断するには、車のコンピューターシミュレーションを使用して、さまざまなスポイラーの形状が旋回時の摩擦係数に与える影響を予測できます。実際に車を製造しなくても、設計におけるさまざまな決定に関する有用な洞察を得ることができます。さらに、シミュレーションは、完全にソフトウェアで行われる実験、またはシミュレーションがシステムを表し、実験の目的を達成するために必要なデータを生成するヒューマンインザループ環境で行われる実験をサポートできます。さらに、シミュレーションを使用すると、通常は作成が困難または高価になる仮想環境を使用して人をトレーニングできます。

シミュレーションへの関心

技術的には、シミュレーションは広く受け入れられています。2006 年の全米科学財団(NSF) の「シミュレーションベースの工学科学」に関するレポート^[3]では、シミュレーション技術と方法を使用して工学科学に革命を起こす可能性が示されています。シミュレーションアプリケーションへの関心が着実に高まっている理由には、次のものがあります。

シミュレーションの使用は、一般的に、現実世界での実験を行うよりも安価で安全であり、時にはより倫理的です。たとえば、核爆発が発生した場合のより良い準備を支援するために、核装置の爆発とその影響をシミュレートするためにスーパーコンピュータが使用されることがあります。^[4]同様の取り組みが、ハリケーンやその他の自然災害をシミュレートするために行われています。^[5]^[6]^[7]
シミュレーションは、最終製品の運用アプリケーション分野における現実的な範囲の環境パラメータを自由に構成できるため、従来の実験よりもさらに現実的になることがよくあります。例としては、米国海軍の深海作戦のサポートや、NASA ミッションの準備における近隣惑星の表面のシミュレーションなどがあります。
シミュレーションは、多くの場合、リアルタイムよりも高速に実行できます。これにより、シミュレーションをさまざまな選択肢の効率的なif-then-else分析に使用できます。特に、シミュレーションを初期化するために必要なデータが運用データから簡単に取得できる場合はそうです。このシミュレーションの使用により、従来の意思決定支援システムのツールボックスに意思決定支援シミュレーションシステムが追加されます。
シミュレーションにより、最初のプロトタイプコンポーネントを含む混合仮想システムを介して、初期の分析フェーズでシミュレートされたシステムを最終システムの仮想テスト環境に統合できる、一貫性のある合成環境を設定できます。適切に管理されていれば、システムのライフサイクルフェーズの後続フェーズで、環境を開発およびテスト領域からトレーニングおよび教育領域に移行できます (最初のコンポーネントが構築される前でも、現実的な制約の下で実際のシステムの仮想ツインをトレーニングおよび最適化するオプションを含む)。

軍事および防衛分野、特に米国では、M&S の資金面および応用面で、M&S の主な推進者となっています。たとえば、現代の軍事組織における M&S は、買収/調達戦略の一部です。具体的には、M&S は、軍事システムの要件とトレーニングに影響を与えるイベントや実験を実施するために使用されます。そのため、M&S は軍事システムのシステムエンジニアリングの不可欠な部分と見なされています。ただし、他の応用分野は現在追い上げています。医療、輸送、その他の産業の分野における M&S は、すでにそうなっていないとしても、今後数年間で国防総省の M&S の使用を急速に上回る勢いにあります。^[8]

科学におけるシミュレーション

モデリングとシミュレーションは研究において重要です。実際のシステムを、より小規模な物理的再現、またはシミュレーションによるシステムのダイナミクスの表現を可能にする数学モデルのいずれかで表現することで、現実世界では不可能であったり、リスクが大きすぎたりすることが多い、明確な方法でシステムの動作を調査できるようになります。

新たな分野として

「M&S という新しい分野は、さまざまなコンピュータサイエンス分野の発展に基づいているだけでなく、システム理論、システムエンジニアリング、ソフトウェアエンジニアリング、人工知能などの発展の影響を受けています。この基盤はエンジニアリング管理の基盤と同じくらい多様で、芸術、エンジニアリング、科学の要素を複雑かつ独自の方法で組み合わせているため、この論文の文脈で M&S 技術を適用または開発する際には、ドメインの専門家が適切な決定を下す必要があります。この新しい分野の多様性とアプリケーション指向の性質により、サポートされているアプリケーションドメイン自体に、必ずしも分離ドメイン間で整合していない語彙がすでに存在するという課題が生じることがあります。M&S 分野の専門的な知識体系を構成する概念、用語、アクティビティの包括的かつ簡潔な表現が必要です。貢献者が多岐にわたるため、このプロセスはまだ進行中です。」^[9]

Padillaらは「M&S科学は必要か」の中で、M&S科学、工学、応用を区別することを推奨している。^[10]

M&S サイエンスはM&S の理論に貢献し、この分野の学術的基礎を定義します。
M&S エンジニアリングは理論に基づいていますが、適用可能なソリューションパターンを求めています。さまざまな問題領域に適用できる一般的な方法に重点を置いています。
M&S アプリケーションは、 M&S を使用したソリューションに重点を置くことで、現実世界の問題を解決します。多くの場合、ソリューションは方法を適用することで得られますが、多くのソリューションは問題領域に非常に特化しており、一般的な M&S 理論や方法からではなく、問題領域の専門知識から導き出されます。

モデルは、特定の目標の達成に結びついたさまざまなユニット（より細かい粒度のモデル）で構成できるため、モデリングソリューションとも呼ばれます。

より一般的には、モデリングとシミュレーションはシステムエンジニアリング活動の重要な推進力となります。コンピュータで読み取り可能な（場合によっては実行可能な）モデルでシステムを表現することで、エンジニアはシステム（またはシステムオブシステム）の動作を再現することができるからです。システムエンジニアリング活動をサポートするための実用的なモデリングとシミュレーション手法のコレクションが提供されています。^[11]

アプリケーションドメイン

さまざまな分類が可能ですが、次の分類法は防衛分野で非常に効果的に使用されており、現在は医療シミュレーションや輸送シミュレーションにも適用されています。

分析サポートは、計画と実験をサポートするために行われます。多くの場合、実装すべき最適なソリューションの探索がこれらの取り組みの原動力となります。代替案の What-if 分析もこのカテゴリに含まれます。このスタイルの作業は、シミュレーションと分析の両方のスキルを持つシミュレーション専門家によって達成されることが多いです。シミュレーションと分析の融合は、Kleijnen でよく取り上げられています。^{[引用が必要]}
システムエンジニアリングサポートは、システムの調達、開発、テストに適用されます。このサポートは、実行可能なシステムアーキテクチャなどのトピックを含む初期段階から開始でき、テストを実行する仮想環境を提供することでテストをサポートできます。このスタイルの作業は、多くの場合、エンジニアやアーキテクトによって行われます。
トレーニングおよび教育サポートでは、シミュレーター、仮想トレーニング環境、シリアスゲームを提供して、人々をトレーニングおよび教育します。このスタイルの作業は、多くの場合、トレーナーがコンピューターサイエンティストと協力して行います。

分析サポートの特別な用途は、進行中のビジネスオペレーションに適用されます。従来、この機能は意思決定サポートシステムが提供します。シミュレーションシステムは、動的要素を追加することで機能を向上させ、最適化や what-if 分析などの推定値と予測値を計算できるようにします。

個々のコンセプト

「モデリング」と「シミュレーション」という用語は、M&S をツールとしてのみ適用する分野では同義語としてよく使用されますが、M&S の分野では、どちらも個別の、同等に重要な概念として扱われます。モデリングは、現実を意図的に抽象化することと理解されており、概念化と基礎となる仮定および制約の正式な仕様をもたらします。M&S は、コンピューター上で実行可能なバージョンの実装をサポートするために使用されるモデルに特に関心があります。時間の経過に伴うモデルの実行は、シミュレーションとして理解されます。モデリングは概念化を対象としていますが、シミュレーションの課題は主に実装に焦点を当てています。つまり、モデリングは抽象化レベルにあり、シミュレーションは実装レベルにあります。

概念化と実装、つまりモデリングとシミュレーションは、相互に依存している 2 つのアクティビティですが、別々の個人が実行することもできます。これらが適切に連携されるようにするには、管理とエンジニアリングの知識とガイドラインが必要です。システムエンジニアリングのエンジニアリング管理の専門家が、システムアーキテクチャに取り込まれたシステム設計がシステム開発と一致していることを確認する必要があるのと同様に、このタスクは、実装する必要があるモデルに対しても同じレベルの専門性を持って実行する必要があります。ビッグデータと分析の役割が拡大し続けるにつれて、分析を組み合わせたシミュレーションの役割は、最も単純な専門家と呼ばれる別の専門家の領域になります。これは、意思決定者が直接利用できる視覚化を通じてアルゴリズムと分析手法を融合するためのものです。Lee らが労働統計局向けに設計した研究^[12]では、ブートストラップ手法 (統計分析) がシミュレーションでどのように使用され、存在しない人口データが生成されたかについて興味深い見解が示されています。

学術プログラム

モデリングとシミュレーションは、ごく最近になって独自の学問分野として確立されました。以前は、この分野で働く人々は、通常、エンジニアリングのバックグラウンドを持っていました。

以下の機関ではモデリングとシミュレーションの学位を提供しています。

博士課程

ペンシルバニア大学（ペンシルベニア州フィラデルフィア）
オールドドミニオン大学（バージニア州ノーフォーク）
アラバマ大学ハンツビル校（アラバマ州ハンツビル）
セントラルフロリダ大学（フロリダ州オーランド）
海軍大学院（カリフォルニア州モントレー）
ジェノヴァ大学（イタリア、ジェノヴァ）

修士課程

パキスタン国立科学技術大学（パキスタン、イスラマバード）
アリゾナ州立大学(アリゾナ州テンピ)
オールドドミニオン大学（バージニア州ノーフォーク）
セントラルフロリダ大学（フロリダ州オーランド）
アラバマ大学ハンツビル校（アラバマ州ハンツビル）
中東工科大学（トルコ、アンカラ）
ニューサウスウェールズ大学（オーストラリア）
海軍大学院（カリフォルニア州モントレー）
科学計算、モデリング、シミュレーション学科 (M.Tech (モデリングとシミュレーション)) (サヴィトリバイ・プーレ・プネ大学、インド)
コロンバス州立大学(ジョージア州コロンバス)
パーデュー大学カルメット校（インディアナ州ハモンド）
デルフト工科大学（オランダ、デルフト）
ジェノヴァ大学（イタリア、ジェノヴァ）
ハンブルク専門大学（ドイツ、ハンブルク）

専門科学修士課程

セントラルフロリダ大学（フロリダ州オーランド）

大学院修了証プログラム

ポートランド州立大学システム科学
コロンバス州立大学 (ジョージア州コロンバス)
アラバマ大学ハンツビル校（アラバマ州ハンツビル）

学部プログラム

オールドドミニオン大学（バージニア州ノーフォーク）
グラーム・イシャク・カーン工学科学技術研究所（パキスタン、スワビ）