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시뮬레이션

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시뮬레이션(영어: simulation)은 현실 세계에 존재할 수 있는 과정이나 시스템을 모방하여 표현한 것이다.[1][2][3] 이러한 넓은 의미에서 시뮬레이션은 종종 모델과 혼용되어 사용되기도 한다.[2] 때때로 두 용어 사이에 명확한 구분을 두기도 하는데, 이 경우 시뮬레이션은 모델의 사용을 필요로 한다. 모델이 선택된 시스템이나 과정의 주요 특성 또는 행동을 나타낸다면, 시뮬레이션은 시간이 지남에 따른 모델의 진화를 나타낸다.[3] 이 용어들을 구분하는 또 다른 방법은 시뮬레이션을 모델의 도움을 받는 실험으로 정의하는 것이다.[4] 이 정의에는 시간 독립적인 시뮬레이션도 포함된다. 흔히 컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션을 수행한다.

시뮬레이션은 성능 조정이나 최적화를 위한 기술 시뮬레이션, 안전공학, 테스트, 훈련, 교육 및 비디오 게임과 같은 많은 맥락에서 사용된다. 시뮬레이션은 또한 경제학에서와 같이 자연 시스템이나 인간 시스템의 작동 방식에 대한 통찰력을 얻기 위해 해당 시스템의 과학적 모델링과 함께 사용된다.[5] 시뮬레이션은 대안적인 조건과 행동 방침이 가져올 최종적인 실제 효과를 보여주는 데 사용될 수 있다. 또한 실제 시스템에 직접 관여할 수 없는 경우, 즉 접근이 불가능하거나 위험하거나 부적절한 경우, 또는 설계 중이지만 아직 구축되지 않은 경우, 혹은 단순히 존재하지 않는 경우에도 시뮬레이션이 사용된다.[6]

모델링 및 시뮬레이션의 주요 과제에는 모델 구축에 사용되는 주요 특성 및 행동의 관련 선택에 대한 유효한 정보원 확보, 모델 내에서의 단순화된 근사와 가정의 사용, 시뮬레이션 결과의 충실도와 타당성이 포함된다. 컴퓨터 시뮬레이션 모델의 검증 및 타당성 확인 절차와 규약은 시뮬레이션 기술 또는 실무, 특히 컴퓨터 시뮬레이션 작업에서 지속적인 학술 연구, 개선 및 개발 분야이다.

분류 및 용어

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우주 공간에 대한 휴먼인더루프 시뮬레이션
직접 수치 시뮬레이션 모델의 시각화

역사적으로 다양한 분야에서 사용되는 시뮬레이션은 대체로 독립적으로 발전해 왔으나, 20세기 체계 이론과 사이버네틱스 연구가 모든 분야에 걸친 컴퓨터 보급과 결합되면서 개념의 통합과 보다 체계적인 관점이 형성되었다.

물리적 시뮬레이션은 실제 사물을 물리적 객체로 대체하는 시뮬레이션을 의미한다. 이러한 물리적 객체는 실제 객체나 시스템보다 작거나 저렴하기 때문에 선택되는 경우가 많다.(참고: 물리 모델 및 축척 모형) 또는 물리적 시뮬레이션은 다중물리 시뮬레이션에서와 같이 선택된 물리 법칙을 고려하는 컴퓨터 시뮬레이션을 의미할 수도 있다.[7] (참고: 물리 엔진)

대화형 시뮬레이션은 물리적 시뮬레이션의 특수한 종류로, 종종 휴먼인더루프 시뮬레이션이라고 불린다. 여기에는 비행 시뮬레이터, 세일링 시뮬레이터 또는 드라이빙 시뮬레이터와 같이 인간 운영자가 포함된 물리적 시뮬레이션이 해당된다.

연속 시뮬레이션은 이산 시간 단계가 아닌 연속 시간을 기반으로 하며, 미분방정식의 수치 적분을 사용하는 시뮬레이션이다.[8]

이산 사건 시뮬레이션은 상태 값이 이산적인 시간에만 변화하는 시스템을 연구한다.[9] 예를 들어, 전염병 시뮬레이션에서 감염자 수는 감수성 개체가 감염되거나 감염된 개체가 회복되는 특정 시점에만 변할 수 있다.

확률적 시뮬레이션은 일부 변수나 과정이 무작위적 변동을 겪으며, 의사 난수를 사용하는 몬테카를로 방법 기술을 통해 투영되는 시뮬레이션이다. 따라서 동일한 경계 조건으로 반복 실행하더라도 특정 신뢰 구간 내에서 각각 다른 결과가 생성된다.[8]

결정론적 시뮬레이션은 확률적이지 않은 시뮬레이션이다. 즉, 변수가 결정론적 알고리즘에 의해 조절된다. 따라서 동일한 경계 조건에서 반복 실행하면 항상 동일한 결과가 생성된다.

하이브리드 시뮬레이션(또는 결합 시뮬레이션)은 연속 및 이산 사건 시뮬레이션의 혼합에 해당하며, 불연속성을 줄이기 위해 두 개의 순차적 사건 사이의 미분 방정식을 수치적으로 통합하는 결과를 낳는다.[10]

독립형 시뮬레이션은 단일 워크스테이션에서 자체적으로 실행되는 시뮬레이션이다.

분산 시뮬레이션은 서로 다른 리소스(예: 서로 다른 시스템을 운영하는 다수의 사용자 또는 분산된 데이터 세트)에 대한 접근을 보장하기 위해 둘 이상의 컴퓨터를 동시에 사용하는 시뮬레이션이다. 고전적인 예로 분산 대화형 시뮬레이션(DIS)이 있다.[11]

병렬 시뮬레이션은 고성능 컴퓨팅에서와 같이 작업 부하를 여러 프로세서에 동시에 분산하여 시뮬레이션 실행 속도를 높인다.[12]

상호 운용 가능한 시뮬레이션은 여러 모델과 시뮬레이터(종종 페더레이트라고 정의됨)가 로컬에서 또는 네트워크를 통해 분산되어 상호 작용하는 경우이다. 고전적인 예로 고위층 아키텍처(High-Level Architecture)가 있다.[13][14]

서비스형 모델링 및 시뮬레이션(MaaS)은 웹을 통해 서비스 형태로 시뮬레이션에 접근하는 경우를 말한다.[15]

모델링, 상호 운용 가능한 시뮬레이션 및 시리어스 게임은 시리어스 게임 접근 방식(예: 게임 엔진 및 참여 방식)이 상호 운용 가능한 시뮬레이션과 통합된 경우를 말한다.[16]

시뮬레이션 충실도는 시뮬레이션의 정확도와 실제 대상과 얼마나 유사하게 모방하는지를 설명하는 데 사용된다. 충실도는 크게 저, 중, 고의 세 가지 범주로 분류된다. 충실도 수준에 대한 구체적인 설명은 해석에 따라 다르지만, 다음과 같이 일반화할 수 있다:

  • 저 – 입력을 수락하고 출력을 제공하기 위해 시스템에 필요한 최소한의 시뮬레이션
  • 중 – 제한된 정확도로 자극에 자동으로 반응함
  • 고 – 실제 시스템과 거의 구별할 수 없거나 가능한 한 유사함

합성 환경은 휴먼인더루프 시뮬레이션에 포함될 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션이다.[19]

고장 분석에서의 시뮬레이션은 장비 고장의 원인을 식별하기 위해 환경/조건을 조성하는 시뮬레이션을 의미한다. 이는 고장 원인을 파악하는 가장 좋고 빠른 방법이 될 수 있다.

데이터 시뮬레이션

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데이터 시뮬레이션은 실제 데이터의 행동을 복제하기 위해 인공 데이터를 생성한다. 인공 데이터는 특정 규칙, 패턴 또는 특성을 기반으로 컴퓨터 모델이나 프로그램을 사용하여 생성된다. 이러한 유형의 데이터는 실제 시스템, 과정 또는 행동의 작동을 모방하도록 설계되어, 연구자와 분석가가 현실 세계에서 정보를 직접 관찰하거나 수집하지 않고도 시나리오를 연구하고 테스트할 수 있게 해준다.[20]

컴퓨터 시뮬레이션

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컴퓨터 시뮬레이션(또는 "심")은 실제 또는 가상 상황을 컴퓨터에서 모델링하여 시스템이 어떻게 작동하는지 연구하려는 시도이다. 시뮬레이션 내의 변수를 변경함으로써 시스템의 행동에 대한 예측을 수행할 수 있다. 이는 연구 대상 시스템의 행동을 가상으로 조사하기 위한 도구이다.[3]

컴퓨터 시뮬레이션은 물리학, 화학 및 생물학의 많은 자연 시스템 모델링과[21] 경제학 및 사회과학(예: 전산사회학)의 인간 시스템, 그리고 시스템 운영에 대한 통찰력을 얻기 위한 공학 분야에서 유용한 부분이 되었다. 컴퓨터 시뮬레이션의 유용성에 대한 좋은 예는 네트워크 트래픽 시뮬레이션 분야에서 찾을 수 있다. 이러한 시뮬레이션에서 모델의 행동은 환경에 대해 가정한 초기 매개변수 집합에 따라 매 시뮬레이션마다 달라진다.

전통적으로 시스템의 정식 모델링은 수학적 모델을 통해 이루어졌으며, 이는 매개변수와 초기 조건 집합으로부터 시스템의 행동을 예측할 수 있게 하는 분석적 해를 찾으려 시도한다. 컴퓨터 시뮬레이션은 종종 간단한 폐쇄형 분석 해가 불가능한 시스템 모델링의 보조 수단이나 대체 수단으로 사용된다. 컴퓨터 시뮬레이션에는 여러 유형이 있는데, 이들의 공통적인 특징은 모든 가능한 상태를 완전히 열거하는 것이 금지되거나 불가능한 모델에 대해 대표적인 시나리오 표본을 생성하려는 시도라는 점이다.

모델링을 거의 수월하게 만들어 주는 컴퓨터 기반 시뮬레이션 모델링(예: 몬테카를로 시뮬레이션, 확률적 모델링, 다중 방법 모델링)을 실행하기 위한 여러 소프트웨어 패키지가 존재한다.

"컴퓨터 시뮬레이션"이라는 용어의 현대적 사용은 사실상 모든 컴퓨터 기반 표현을 아우를 수 있다.

컴퓨터 과학

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컴퓨터 과학에서 시뮬레이션은 몇 가지 전문적인 의미를 갖는다. 앨런 튜링은 범용 기계가 대상 이산 상태 기계의 상태 전이, 입력 및 출력을 설명하는 상태 전이 표(현대 용어로는 컴퓨터가 프로그램을 실행하는 것)를 실행할 때 일어나는 일을 지칭하기 위해 시뮬레이션이라는 용어를 사용했다.[22] 컴퓨터는 대상 기계를 시뮬레이션한다. 이에 따라 이론 컴퓨터 과학에서 시뮬레이션이라는 용어는 상태 전이 시스템 간의 관계를 의미하며, 동작적 의미론 연구에 유용하다.

덜 이론적인 측면에서, 컴퓨터 시뮬레이션의 흥미로운 응용은 컴퓨터를 사용하여 컴퓨터를 시뮬레이션하는 것이다. 컴퓨터 구조에서 일반적으로 에뮬레이터라고 불리는 시뮬레이터 유형은 종종 불편한 유형의 컴퓨터(예: 아직 구축되지 않은 새로 설계된 컴퓨터나 더 이상 사용할 수 없는 구형 컴퓨터)에서 실행되어야 하는 프로그램을 실행하거나, 엄격하게 제어된 테스트 환경에서 실행하는 데 사용된다. (컴퓨터 구조 시뮬레이터 및 플랫폼 가상화 참조). 예를 들어, 시뮬레이터는 프로그램이 대상 기계에 다운로드되기 전에 마이크로프로그램이나 때로는 상업용 응용 프로그램을 디버깅하는 데 사용되어 왔다. 컴퓨터의 작동이 시뮬레이션되기 때문에 컴퓨터 작동에 관한 모든 정보를 프로그래머가 직접 확인할 수 있으며, 시뮬레이션의 속도와 실행을 마음대로 변경할 수 있다.

시뮬레이터는 또한 결함 나무를 해석하거나 건설되기 전의 VLSI 논리 설계를 테스트하는 데 사용될 수 있다. 상징적 시뮬레이션은 알 수 없는 값을 나타내기 위해 변수를 사용한다.

최적화 분야에서 물리적 과정의 시뮬레이션은 제어 전략을 최적화하기 위해 진화 연산과 결합되어 자주 사용된다.

교육 및 훈련에서의 시뮬레이션

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군사 시뮬레이터 pdf

시뮬레이션은 교육 목적으로 널리 사용된다. 훈련생이 실제 세계에서 실제 장비를 사용하는 것이 지나치게 비싸거나 단순히 너무 위험한 경우에 사용된다. 이러한 상황에서 훈련생들은 "안전한" 가상 환경에서 소중한 교훈을 배우면서도 실감 나는 경험을(적어도 그것이 목표임) 하는 데 시간을 보낸다. 종종 안전이 중요한 시스템에 대해 훈련 중에 실수를 허용하는 것이 편리하다.

교육에서의 시뮬레이션은 훈련 시뮬레이션과 다소 비슷하다. 이들은 특정 과업에 집중한다. '마이크로월드'라는 용어는 현실적인 사물이나 환경을 시뮬레이션하기보다는 어떤 추상적인 개념을 모델링하거나, 학습자가 핵심 개념을 이해하도록 돕기 위해 실제 환경을 단순하게 모델링하는 교육용 시뮬레이션을 지칭하는 데 사용된다. 보통 사용자는 마이크로월드 내에서 모델링되는 개념과 일치하는 방식으로 행동하는 일종의 구조물을 만들 수 있다. 시모어 페퍼트는 마이크로월드의 가치를 옹호한 최초의 인물 중 한 명이었으며, 페퍼트가 개발한 로고 프로그래밍 환경은 가장 잘 알려진 마이크로월드 중 하나이다.

프로젝트 관리 교육 및 분석에서 학생과 전문가를 훈련하기 위해 프로젝트 관리 시뮬레이션이 점점 더 많이 사용되고 있다. 프로젝트 관리 훈련에 시뮬레이션을 사용하면 학습 기억력이 향상되고 학습 과정이 강화된다.[23][24]

사회 시뮬레이션은 인류학, 경제학, 역사학, 정치학 또는 사회학 수업에서 사회적 및 정치적 과정을 설명하기 위해 사회과학 교실에서 사용될 수 있으며, 일반적으로 고등학교나 대학 수준에서 이루어진다. 예를 들어, 참가자들이 모의 사회에서 역할을 맡는 시민 의식 시뮬레이션이나 참가자들이 협상, 동맹 형성, 무역, 외교 및 무력 사용에 참여하는 국제 관계 시뮬레이션의 형태를 취할 수 있다. 이러한 시뮬레이션은 가상의 정치 체제를 기반으로 하거나 현재 또는 역사적 사건을 기반으로 할 수 있다. 후자의 예로는 바너드 칼리지의 '과거에 반응하기'(Reacting to the Past) 시리즈의 역사 교육 게임이 있다.[25] 미국 국립과학재단 또한 과학 및 수학 교육을 다루는 반응형 게임의 제작을 지원해 왔다.[26] 소셜 미디어 시뮬레이션에서 참가자들은 비공개 환경에서 비판자 및 기타 이해관계자와의 소통을 훈련한다.

최근 몇 년 동안 원조 및 개발 기관에서 직원 교육을 위한 사회 시뮬레이션 사용이 증가하고 있다. 예를 들어 카라나(Carana) 시뮬레이션은 유엔 개발 계획에 의해 처음 개발되었으며, 현재는 세계은행에서 취약 및 분쟁 영향을 받는 국가를 다루는 직원들을 교육하기 위해 크게 개정된 형태로 사용되고 있다.[27]

시뮬레이션의 군사적 용도는 종종 항공기나 장갑 전투 차량을 포함하지만, 소화기 및 기타 무기 체계 훈련을 목표로 할 수도 있다. 특히 가상 사격장은 대부분의 군사 훈련 과정에서 표준이 되었으며, 이것이 무장 전문가들에게 유용한 도구임을 시사하는 상당한 양의 데이터가 존재한다.[28]

가상 시뮬레이션

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가상 시뮬레이션은 사용자에게 시뮬레이션된 세계를 제공하기 위해 시뮬레이션 장비를 사용하는 시뮬레이션 범주이다. 가상 시뮬레이션은 사용자가 가상 세계와 상호 작용할 수 있게 한다. 가상 세계는 통합된 소프트웨어 및 하드웨어 구성 요소 플랫폼에서 작동한다. 이러한 방식으로 시스템은 사용자로부터 입력(예: 바디 트래킹, 음성/소리 인식, 물리적 컨트롤러)을 받아 사용자에게 출력(예: 시각 디스플레이, 청각 디스플레이, 햅틱 디스플레이)을 생성할 수 있다.[29] 가상 시뮬레이션은 앞서 언급한 상호 작용 방식을 사용하여 사용자에게 몰입감을 제공한다.

가상 시뮬레이션 입력 하드웨어

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브라질 벨루오리존치에서 열린 자동차 비엔날레 전시회의 오토바이 시뮬레이터

가상 시뮬레이션을 위한 사용자 입력을 수락하기 위해 다양한 입력 하드웨어를 사용할 수 있다. 다음 목록은 그중 몇 가지를 간략히 설명한다:

  • 바디 트래킹: 사용자의 움직임을 기록하고 캡처된 데이터를 가상 시뮬레이션의 입력으로 변환하기 위해 모션 캡처 방식이 자주 사용된다. 예를 들어, 사용자가 실제로 고개를 돌리면 시뮬레이션 하드웨어가 이를 캡처하여 시뮬레이션 내에서 해당하는 시야 이동으로 변환한다.
    • 사용자의 신체 부위 움직임을 포착하기 위해 캡처 수트 및 장갑을 사용할 수 있다. 시스템 내부에는 다른 신체 부위(예: 손가락)의 움직임을 감지하기 위한 센서가 포함되어 있을 수 있다. 또는 외부 초음파, 광학 수신기 또는 전자기 센서에 의해 감지될 수 있는 외부 추적 장치나 마크가 있을 수도 있다. 일부 시스템에서는 내부 관성 센서도 사용 가능하다. 장치는 무선 또는 케이블을 통해 데이터를 전송할 수 있다.
    • 사용자가 어느 순간에 정확히 어디를 보고 있는지 시스템이 판단할 수 있도록 눈의 움직임을 감지하는 아이 트래커도 사용할 수 있다.
  • 물리적 컨트롤러: 물리적 컨트롤러는 사용자의 직접 조작을 통해서만 시뮬레이션에 입력을 제공한다. 가상 시뮬레이션에서 물리적 컨트롤러의 촉각 피드백은 많은 시뮬레이션 환경에서 매우 바람직하다.
    • 사용자가 걷거나 뛸 때의 이동을 캡처하기 위해 전방향 트레드밀을 사용할 수 있다.
    • 가상 항공기 조종석의 계기판과 같은 고충실도 계기는 사용자에게 실제 제어 장치를 제공하여 몰입도를 높인다. 예를 들어, 조종사는 가상 조종석에서 실제 장치의 실제 글로벌 포지셔닝 시스템 컨트롤을 사용하여 통합 조종석 시스템의 맥락에서 실제 장치로 절차를 연습할 수 있다.
  • 음성/소리 인식: 이러한 형태의 상호 작용은 시뮬레이션 내의 에이전트(예: 가상 인물)와 상호 작용하거나 시뮬레이션 내의 사물(예: 정보)을 조작하는 데 사용될 수 있다. 음성 상호 작용은 사용자의 몰입도를 높여주는 것으로 추정된다.
    • 사용자는 붐 마이크가 달린 헤드셋이나 라펠 마이크를 사용할 수 있으며, 방에 전략적으로 배치된 마이크를 갖출 수도 있다.

사용자 입력 시스템에 대한 현재 연구

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미래 입력 시스템에 대한 연구는 가상 시뮬레이션에 있어 큰 가능성을 지니고 있다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 같은 시스템은 가상 시뮬레이션 사용자의 몰입 수준을 더욱 높일 수 있는 능력을 제공한다. 게리 리브(R. Leeb), 파비안 리(F. Lee), 클라우디아 카인라트(C. Keinrath), 라인홀트 슈러(R. Scherer), 호르스트 비쇼프(H. Bischof), 거트 퍼첼러(G. Pfurtscheller)[30]는 초보 피험자들이 비교적 쉽게 가상 아파트를 탐색하기 위해 BCI를 사용하도록 훈련될 수 있음을 증명했다. BCI를 사용하여 저자들은 피험자들이 비교적 최소한의 노력으로 가상 환경을 자유롭게 탐색할 수 있음을 발견했다. 이러한 유형의 시스템은 미래 가상 시뮬레이션 시스템에서 표준 입력 방식이 될 가능성이 있다.

가상 시뮬레이션 출력 하드웨어

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가상 시뮬레이션에서 사용자에게 자극을 전달하기 위해 다양한 출력 하드웨어를 사용할 수 있다. 다음 목록은 그중 몇 가지를 간략히 설명한다:

  • 시각 디스플레이: 시각 디스플레이는 사용자에게 시각적 자극을 제공한다.
    • 고정형 디스플레이는 일반적인 데스크톱 디스플레이부터 360도 서라운드 스크린, 스테레오 3D 스크린까지 다양하다. 일반적인 데스크톱 디스플레이는 크기가 15 to 60 inches (380 to 1,520 mm)까지 다양할 수 있다. 서라운드 스크린은 일반적으로 케이브 자동 가상 환경(CAVE)이라고 알려진 곳에서 사용된다. 스테레오 3D 스크린은 설계에 따라 특수 안경을 쓰거나 쓰지 않고 3D 이미지를 생성한다.
    • 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)는 사용자가 착용하는 머리 장구에 장착된 작은 디스플레이를 갖추고 있다. 이러한 시스템은 사용자에게 보다 몰입감 있는 경험을 제공하기 위해 가상 시뮬레이션에 직접 연결된다. 무게, 업데이트 속도 및 시야는 HMD를 차별화하는 주요 변수 중 일부이다. 당연히 무거운 HMD는 시간이 지남에 따라 피로를 유발하므로 바람직하지 않다. 업데이트 속도가 너무 느리면 시스템이 사용자의 빠른 고개 회전에 대응할 만큼 디스플레이를 빠르게 업데이트할 수 없다. 느린 업데이트 속도는 시뮬레이션 멀미를 유발하고 몰입감을 깨뜨리는 경향이 있다. 특정 순간에 보이는 세계의 각도 범위인 시야는 시스템마다 다를 수 있으며 사용자의 몰입감에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
  • 청각 디스플레이: 사용자가 소리를 듣고 공간적으로 위치를 파악하는 것을 돕기 위해 여러 유형의 오디오 시스템이 존재한다. 사용자 주변의 정의된 3D 공간 내에 음원이 배치된 것과 같은 환상을 만들기 위해 3D 오디오 효과를 생성하는 특수 소프트웨어를 사용할 수 있다.
    • 고정형 일반 스피커 시스템은 듀얼 또는 다채널 서라운드 사운드를 제공하는 데 사용될 수 있다. 그러나 외부 스피커는 3D 오디오 효과를 생성하는 데 헤드폰만큼 효과적이지 않다.[29]
    • 일반 헤드폰은 고정형 스피커에 대한 휴대용 대안을 제공한다. 또한 실제 세계의 소음을 차단하고 보다 효과적인 3D 오디오 사운드 효과를 촉진한다는 추가적인 장점이 있다.[29]
  • 햅틱 디스플레이: 이 디스플레이는 사용자에게 촉감을 제공한다(햅틱 기술). 이러한 유형의 출력은 때때로 포스 피드백(force feedback)이라고도 불린다.
    • 촉각 타일 디스플레이는 팽창식 블래더, 진동기, 저주파 서브우퍼, 핀 액추에이터 및 열 액추에이터와 같은 다양한 유형의 액추에이터를 사용하여 사용자에게 감각을 생성한다.
    • 엔드 이펙터(end effector) 디스플레이는 저항과 힘으로 사용자의 입력에 반응할 수 있다.[29] 이러한 시스템은 종종 로봇 기구를 사용하는 원격 수술과 같은 의료 응용 분야에서 사용된다.[31]
  • 전정 기관 디스플레이: 이 디스플레이는 사용자에게 운동감을 제공한다(모션 시뮬레이터). 이들은 종종 드라이빙 시뮬레이터나 비행 시뮬레이터와 같은 가상 차량 시뮬레이션을 위한 모션 베이스로 나타난다. 모션 베이스는 제자리에 고정되어 있지만 액추에이터를 사용하여 피칭, 요잉 또는 롤링 감각을 생성할 수 있는 방식으로 시뮬레이터를 움직인다. 시뮬레이터는 또한 모든 축에서 가속감을 생성하는 방식으로 움직일 수 있다(예: 모션 베이스가 추락하는 느낌을 생성할 수 있음).

임상 의료 시뮬레이터

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임상 의료 시뮬레이터는 의료계 종사자들에게 치료 및 진단 절차뿐만 아니라 의료 개념과 의사 결정을 가르치기 위해 점점 더 많이 개발 및 배치되고 있다. 채혈과 같은 기초 과정부터 복강경 수술 및[32] 외상 치료에 이르기까지 훈련 절차를 위한 시뮬레이터가 개발되었다. 이들은 또한 의공학 문제에 대한 새로운 장치의 프로토타입 제작을 돕는 데 중요하다.[33] 현재 시뮬레이터는 의학 분야의 새로운 요법,[34] 치료법[35] 및 조기 진단[36] 도구의 연구 및 개발에 적용되고 있다.

많은 의료 시뮬레이터는 관련 해부학적 구조의 플라스틱 모형에 연결된 컴퓨터를 포함한다.[37] 이러한 유형의 정교한 시뮬레이터는 주입된 약물에 반응하고 생명을 위협하는 응급 상황을 시뮬레이션하도록 프로그래밍할 수 있는 실물 크기의 마네킹을 사용한다.

다른 시뮬레이션에서는 절차의 시각적 요소가 컴퓨터 그래픽 기술에 의해 재현되는 반면, 촉각 기반 요소는 사용자의 동작에 반응하여 계산된 물리적 시뮬레이션 루틴과 결합된 햅틱 피드백 장치에 의해 재현된다. 이러한 종류의 의료 시뮬레이션은 현실감을 높이기 위해 환자 데이터의 3D CT 또는 MRI 스캔을 자주 사용한다. 일부 의료 시뮬레이션은 널리 배포되도록 개발되었으며(표준 웹 브라우저를 통해 볼 수 있는 웹 기반 시뮬레이션[38] 및 절차 시뮬레이션 등[39]), 키보드 및 마우스와 같은 표준 컴퓨터 인터페이스를 사용하여 상호 작용할 수 있다.

플라시보

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시뮬레이터의 중요한 의료 응용 분야는—아마도 시뮬레이터라는 말의 의미가 약간 다를 수 있지만—약물 효능 시험에서 활성 약물을 모방한 제형인 플라시보 약물을 사용하는 것이다.

환자 안전 개선

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환자 안전은 의료 산업의 주요 관심사이다. 환자들이 관리상의 오류, 표준 치료 및 훈련의 부족으로 인해 부상을 입거나 심지어 사망에 이르는 사례가 알려져 왔다. '의료 교육을 위한 국가 의제 구축'(Eder-Van Hook, Jackie, 2004)에 따르면, "예기치 못한 상황에서 신중하게 반응하는 의료진의 능력은 전장, 고속도로, 병원 응급실 어디에서 발생하든 의료 응급 상황에서 긍정적인 결과를 만들어내는 가장 결정적인 요인 중 하나이다." 에더-반 훅(2004)은 또한 의료 오류로 인해 연간 최대 98,000명이 사망하며, 예방 가능한 부작용으로 인한 예상 비용이 연간 3700만~5000만 달러에서 170억~290억 달러에 달한다고 언급했다.

시뮬레이션은 환자 안전을 연구하고 의료 전문가를 교육하는 데 사용되고 있다.[40] 의료 분야에서 환자 안전 및 안전 중재를 연구하는 것은 실험적 통제(예: 환자의 복잡성, 시스템/과정의 변동성)가 부족하여 중재가 유의미한 차이를 만들었는지 확인하기 어렵기 때문에 도전적이다(Groves & Manges, 2017).[41] 환자 안전을 연구하기 위한 혁신적인 시뮬레이션의 예는 간호 연구에서 찾아볼 수 있다. 그로브스 외(2016)는 근무 교대 보고와 같은 시간 동안 간호사의 안전 지향적 행동을 조사하기 위해 고충실도 시뮬레이션을 사용했다.[40]

그러나 시뮬레이션 중재가 실제 임상 관행으로 이어지는 가치에 대해서는 여전히 논란의 여지가 있다.[42] 니시사키(Nishisaki)가 언급했듯이, "시뮬레이션 훈련이 마네킹에 대한 의료진과 팀의 자기효능감 및 역량을 향상시킨다는 좋은 증거가 있다. 또한 절차 시뮬레이션이 임상 환경에서 실제 운영 성능을 향상시킨다는 좋은 증거도 있다."[42] 그러나 시뮬레이션을 통한 크루 자원 관리(crew resource management) 교육의 근거를 개선할 필요가 있다.[42] 가장 큰 도전 과제 중 하나는 팀 시뮬레이션이 병상에서의 팀 운영 성과를 향상시킨다는 것을 보여주는 것이다.[43] 시뮬레이션 기반 교육이 실제로 환자 결과를 개선한다는 증거는 서서히 쌓여왔지만, 오늘날 시뮬레이션이 수술실로 이어지는 실무 경험을 제공하는 능력은 더 이상 의심의 여지가 없다.[44][45][46]

교육이 실제 의료 현장에서 의료진의 업무에 영향을 미칠 수 있게 하는 가장 큰 요인 중 하나는 현장 직원의 권한을 강화하는 능력이다(Stewart, Manges, Ward, 2015).[43][47] 시뮬레이션 교육을 통해 환자 안전을 개선하려는 시도의 또 다른 예는 적기(just-in-time) 또는 적지(just-in-place) 환자 케어 서비스 제공을 위한 교육이다. 이 교육은 직원이 근무를 시작하기 직전에 수행하는 20분간의 시뮬레이션 훈련으로 구성된다. 한 연구는 이러한 적기 교육이 병상으로의 전환을 개선한다는 것을 발견했다. 니시사키(2008)의 보고에 따르면, 시뮬레이션 교육이 서비스의 질을 떨어뜨리지 않으면서 실제 사례에 대한 전공의의 참여를 향상시켰다는 결론이 도출되었다. 따라서 시뮬레이션 교육을 통해 고도로 훈련된 전공의 수를 늘림으로써 실제로 환자 안전을 높인다는 가설을 세울 수 있다.

의료 시뮬레이션의 역사

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최초의 의료 시뮬레이터는 환자의 단순한 모형이었다.[48]

고대부터 진흙과 돌로 만든 이러한 재현물은 질병 상태의 임상적 특징과 그것이 인간에게 미치는 영향을 보여주는 데 사용되었다. 이러한 모델은 많은 문화권과 대륙에서 발견되었다. 일부 문화권(예: 중국 문화)에서 이 모델은 여성들이 사회적 관습인 정조를 유지하면서 남성 의사에게 상담을 받을 수 있게 해주는 "진단" 도구로 사용되었다. 오늘날 모델은 학생들이 해부학, 근골격계 및 장기 시스템을 배우는 데 사용된다.[48]

2002년, 의료 분야에서 의료 시뮬레이션의 적용을 촉진하는 국제적, 다학제적 리더가 되기 위해 의료 시뮬레이션 협회(SSH)가 설립되었다.[49]

시뮬레이션 기반 의료 교육 연구에 대한 비판적 고찰에서 맥개히(McGaghie) 등은 "의료계 시뮬레이션 강사를 교육, 평가 및 인증하기 위한 통일된 메커니즘"의 필요성을 인식했다.[50] 2012년 SSH는 이러한 필요를 충족하기 위해 교육자들에게 인정을 제공하는 두 가지 새로운 인증 제도를 시범 운영했다.[51]

모델의 유형

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능동형 모델

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살아있는 해부학이나 생리학을 재현하려는 능동형 모델은 최근의 발전이다. 유명한 "하비" 마네킹은 마이애미 대학교 (플로리다주)에서 개발되었으며, 촉진, 청진, 심전도를 포함한 심장학 검사의 많은 물리적 소견을 재현할 수 있다.[52]

대화형 모델

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보다 최근에는 학생이나 의사가 수행한 동작에 반응하는 대화형 모델이 개발되었다.[52] 최근까지 이러한 시뮬레이션은 환자라기보다 교과서처럼 작동하는 2D 컴퓨터 프로그램이었다. 컴퓨터 시뮬레이션은 학생이 판단을 내리고 오류를 범할 수 있게 해준다는 장점이 있다. 판단, 평가, 의사 결정 및 오류 수정을 통한 반복적인 학습 과정은 수동적인 지시보다 훨씬 강력한 학습 환경을 조성한다.

컴퓨터 시뮬레이터

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3DiTeams 학습자가 가상 야전병원에서 환자의 가슴을 타진하고 있다.

시뮬레이터는 학생들의 임상 기술을 평가하기 위한 이상적인 도구로 제안되어 왔다.[53] 환자들에게 "사이버 요법"은 고소공포증부터 사회 불안까지 트라우마적인 경험을 시뮬레이션하는 세션에 사용될 수 있다.[54]

모의 재난 훈련을 포함하여 프로그래밍된 환자와 시뮬레이션된 임상 상황은 교육과 평가에 광범위하게 사용되어 왔다. 이러한 "실물 같은" 시뮬레이션은 비용이 많이 들고 재현성이 떨어진다. 완벽하게 작동하는 "3Di" 시뮬레이터는 임상 기술 교육 및 측정에 사용 가능한 가장 구체적인 도구가 될 것이다. 임상적 맥락에서 정보의 학습 및 적용을 위한 대화형 방법을 만들기 위해 이러한 가상 의료 환경을 조성하는 데 게임 엔진이 적용되었다.[55][56]

몰입형 질병 상태 시뮬레이션은 의사나 의료 전문가가 질병이 실제로 어떤 느낌인지 경험할 수 있게 해준다. 센서와 트랜스듀서를 사용하여 증상 효과를 참가자에게 전달함으로써 환자의 질병 상태를 경험하게 할 수 있다.

이러한 시뮬레이터는 임상 역량에 대한 객관적이고 표준화된 시험 목표를 충족한다.[57] 이 시스템은 역량의 정량적 측정을 가능하게 할 뿐만 아니라 동일한 객관적 소견을 재현하기 때문에 "표준화 환자"를 사용하는 시험보다 우수하다.[58]

엔터테인먼트에서의 시뮬레이션

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엔터테인먼트에서의 시뮬레이션은 영화, 텔레비전, 비디오 게임(시리어스 게임 포함) 및 테마파크 놀이기구와 같은 많은 대규모의 인기 있는 산업을 아우른다. 현대 시뮬레이션의 뿌리는 훈련과 군사에 있는 것으로 생각되지만, 20세기에는 보다 향락적인 성격의 기업들을 위한 통로가 되기도 했다.

영화 및 게임에서의 시각 시뮬레이션 역사

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초기 역사 (1940년대 및 1950년대)

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최초의 시뮬레이션 게임은 1947년 토머스 T. 골드스미스 주니어(Thomas T. Goldsmith Jr.)와 에슬 레이 맨(Estle Ray Mann)에 의해 만들어졌을 수 있다. 이것은 목표물을 향해 발사되는 미사일을 시뮬레이션하는 간단한 게임이었다. 여러 개의 노브를 사용하여 미사일의 곡선과 속도를 조절할 수 있었다. 1958년에는 윌리 히긴보덤(Willy Higginbotham)에 의해 테니스 포 투라는 컴퓨터 게임이 만들어졌는데, 이는 손 컨트롤러를 사용하여 두 명의 플레이어가 동시에 즐길 수 있는 테니스 게임을 시뮬레이션했으며 오실로스코프에 표시되었다.[59] 이것은 그래픽 디스플레이를 사용한 최초의 전자 비디오 게임 중 하나였다.

1970년대 및 1980년대 초반

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컴퓨터 생성 이미지는 1972년 '컴퓨터 애니메이션 손'(A Computer Animated Hand)에서 사물을 시뮬레이션하기 위해 영화에 사용되었으며, 그 일부가 1976년 영화 미래세계의 음모의 대형 스크린에 상영되었다. 그 뒤를 이어 1977년 영화 스타워즈에서 어린 스카이워커가 끄는 "조준 컴퓨터"가 등장했다.

영화 트론(1982)은 2분 이상 컴퓨터 생성 이미지를 사용한 최초의 영화였다.[60]

1980년대 기술의 발전으로 3D 시뮬레이션이 더 널리 사용되기 시작했으며 영화와 아타리의 배틀존(1980), 가정용 컴퓨터를 위한 최초의 와이어프레임 3D 그래픽 게임 중 하나인 애콘소프트의 엘리트(1984)와 같은 컴퓨터 기반 게임에 등장하기 시작했다.

프리 버추얼 시네마토그래피 시대 (1980년대 초반 ~ 1990년대)

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1980년대 기술의 발전으로 컴퓨터는 이전 수십 년보다 저렴해지고 성능이 좋아졌으며,[61] 이는 엑스박스 게임과 같은 컴퓨터의 성장을 촉진했다. 1970년대와 1980년대 초반에 출시된 최초의 비디오 게임 콘솔들은 1983년 업계 붕괴의 희생양이 되었으나, 1985년 닌텐도가 닌텐도 엔터테인먼트 시스템(NES)을 출시하여 비디오 게임 역사상 가장 많이 팔린 콘솔 중 하나가 되었다.[62] 1990년대에는 심즈 및 커맨드 앤 컨커와 같은 게임의 출시와 데스크톱 컴퓨터의 지속적인 성능 향상으로 컴퓨터 게임이 널리 대중화되었다. 오늘날 월드 오브 워크래프트와 같은 컴퓨터 시뮬레이션 게임은 전 세계 수백만 명의 사람들이 즐기고 있다.

1993년 영화 쥬라기 공원은 시뮬레이션된 공룡을 실사 장면에 거의 완벽하게 통합하며 컴퓨터 생성 그래픽을 광범위하게 사용한 최초의 대중 영화가 되었다.

이 사건은 영화 산업을 변화시켰다. 1995년 영화 토이 스토리는 컴퓨터 생성 이미지만 사용한 최초의 영화가 되었으며, 새 밀레니엄에 이르러 컴퓨터 생성 그래픽은 영화 특수 효과의 주요 선택지가 되었다.[63]

버추얼 시네마토그래피 (2000년대 초반 ~ 현재)

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2000년대 초 버추얼 시네마토그래피의 등장은 그것 없이는 촬영이 불가능했을 영화들의 폭발적 증가로 이어졌다. 대표적인 예로 매트릭스 속편의 네오, 스미스 및 기타 캐릭터의 디지털 대역과 반지의 제왕 3부작에서 사용된 물리적으로 불가능한 카메라 워킹이 있다.

2011~2012년 방영된 드라마 팬 암 촬영 당시 해당 터미널은 더 이상 존재하지 않았으나, 실사 영상과 시뮬레이션 영상을 합성하는 것과 결합하여 자동화된 카메라 각도 찾기 및 매칭을 사용하는 버추얼 시네마토그래피로 터미널을 생성함으로써 문제를 해결했다. 이는 2000년대 초반부터 영화 스튜디오 안팎에서 영화 아티스트들의 필수적인 작업 방식이 되었다.

컴퓨터 생성 이미지는 "특수 효과에 3D 컴퓨터 그래픽 분야를 적용하는 것"이다. 이 기술은 품질이 높고 제어가 가능하며, 비용이나 자원 또는 안전 문제로 인해 다른 기술로는 불가능한 효과를 낼 수 있기 때문에 시각 효과에 사용된다.[64] 오늘날 많은 실사 영화, 특히 액션 장르에서 컴퓨터 생성 그래픽을 볼 수 있다. 더 나아가 컴퓨터 생성 이미지는 어린이 영화에서 손으로 그린 애니메이션을 거의 완벽하게 대체했으며, 어린이 영화는 점점 더 컴퓨터 생성 이미지로만 제작되고 있다. 컴퓨터 생성 이미지를 사용하는 영화의 예로는 니모를 찾아서, 300 및 아이언맨이 있다.

비영화 엔터테인먼트 시뮬레이션의 예

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시뮬레이션 게임

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시뮬레이션 게임은 다른 장르의 비디오 및 컴퓨터 게임과 달리 환경을 정확하게 표현하거나 시뮬레이션한다. 또한 플레이 가능한 캐릭터와 환경 사이의 상호 작용을 현실적으로 나타낸다. 이러한 종류의 게임은 대개 게임플레이 측면에서 더 복잡하다.[65] 시뮬레이션 게임은 모든 연령대의 사람들 사이에서 엄청난 인기를 얻고 있다.[66] 인기 있는 시뮬레이션 게임으로는 심시티와 타이거 우즈 PGA 투어(Tiger Woods PGA Tour)가 있다. 비행 시뮬레이터 및 드라이빙 시뮬레이터 게임도 존재한다.

테마파크 놀이기구

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시뮬레이터는 1930년대 링크트레이너 이후로 엔터테인먼트에 사용되어 왔다.[67] 테마파크에 개장한 최초의 현대적 시뮬레이터 놀이기구는 1987년 디즈니의 스타 투어스(Star Tours)였으며, 곧이어 1990년 유니버설의 '한나-바베라의 환상적인 세계'(The Funtastic World of Hanna-Barbera)가 뒤를 이었는데, 이는 전체가 컴퓨터 그래픽으로 제작된 최초의 놀이기구였다.[68]

시뮬레이터 놀이기구는 군사 훈련용 시뮬레이터와 상업용 시뮬레이터의 후손이지만 근본적인 방식에서 차이가 있다. 군사 훈련용 시뮬레이터는 훈련생의 입력에 실시간으로 현실적으로 반응하는 반면, 놀이기구 시뮬레이터는 현실적으로 움직이는 것처럼 느껴질 뿐이며 미리 녹화된 모션 스크립트에 따라 움직인다.[68] 3200만 달러가 투입된 최초의 시뮬레이터 놀이기구 중 하나인 스타 투어스는 유압 모션 베이스 객실을 사용했다. 움직임은 조이스틱으로 프로그래밍되었다. 오늘날의 어메이징 어드벤처 오브 스파이더맨과 같은 시뮬레이터 놀이기구는 3D 이미지, 물리적 효과(물 분사 또는 향기 생성) 및 환경을 통한 이동과 같이 탑승자가 경험하는 몰입감을 높이기 위한 요소들을 포함한다.[69]

시뮬레이션 및 제조

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제조 시뮬레이션은 시뮬레이션의 가장 중요한 응용 분야 중 하나를 나타낸다. 이 기술은 엔지니어가 공장, 창고 및 물류 센터와 같은 물리적 시설 및 장비에 대한 자본 투자 효과를 평가할 때 사용하는 가치 있는 도구이다. 시뮬레이션은 기존 또는 계획된 시스템의 성능을 예측하고 특정 설계 문제에 대한 대안 솔루션을 비교하는 데 사용될 수 있다.[70]

제조 시스템 시뮬레이션의 또 다른 중요한 목표는 시스템 성능을 정량화하는 것이다. 시스템 성능의 일반적인 척도는 다음과 같다:[71]

  • 평균 및 최대 부하 시의 처리량
  • 시스템 사이클 타임 (부품 하나를 생산하는 데 걸리는 시간)
  • 자원, 노동력 및 기계의 이용률
  • 병목 현상 및 정체 지점
  • 작업 위치에서의 대기 행렬
  • 자재 취급 장치 및 시스템에 의한 대기 행렬 및 지연
  • 재공품(WIP) 저장 필요성
  • 인력 요구 사항
  • 스케줄링 시스템의 효과성
  • 제어 시스템의 효과성

시뮬레이션의 더 많은 예시

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자동차

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자동차 시뮬레이터는 가상 환경에서 실제 차량의 특성을 재현할 기회를 제공한다. 차량이 상호 작용하는 외부 요인과 조건을 복제하여 운전자가 마치 자신의 차량 운전석에 앉아 있는 것처럼 느끼게 해준다. 시나리오와 사건은 운전자가 이를 단순한 교육적 경험으로 보는 것이 아니라 경험에 완전히 몰입할 수 있도록 충분한 현실감을 가지고 복제된다.

시뮬레이터는 초보 운전자에게 건설적인 경험을 제공하고 숙련된 운전자가 더 복잡한 연습을 수행할 수 있게 해준다. 초보 운전자에게 트럭 시뮬레이터는 모범 사례를 적용하여 경력을 시작할 기회를 제공한다. 숙련된 운전자에게 시뮬레이션은 좋은 운전 습관을 강화하거나 잘못된 관행을 감지하여 필요한 시정 조치 단계를 제안하는 능력을 제공한다. 기업 입장에서는 직원들에게 유지보수 비용 절감, 생산성 향상, 그리고 무엇보다도 발생 가능한 모든 상황에서 행동의 안전을 보장하는 운전 기술을 교육할 기회를 제공한다.

생물역학

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생물역학 시뮬레이터는 강체 및 변형체, 관절, 구속 조건 및 다양한 힘 액추에이터의 조합으로 구축된 동역학 기계 모델을 생성하기 위한 시뮬레이션 플랫폼이다. 이는 인간의 해부학적 구조에 대한 생물역학적 모델을 생성하여 그 기능을 연구하고 궁극적으로 의료 치료의 설계 및 계획을 돕기 위해 특화되어 있다.

생물역학 시뮬레이터는 보행 역학 분석, 스포츠 성과 연구, 수술 절차 시뮬레이션, 관절 부하 분석, 의료 기기 설계, 인간 및 동물의 움직임 애니메이션 제작에 사용된다.

생물역학적 시뮬레이션과 생물학적으로 현실적인 신경망 시뮬레이션을 결합한 신경 역학 시뮬레이터도 있다. 이는 사용자가 물리적으로 정확한 3D 가상 환경에서 행동의 신경적 기초에 대한 가설을 테스트할 수 있게 해준다.

도시 및 도시 계획

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도시 시뮬레이터는 도시 건설 게임일 수도 있지만, 도시 계획가가 다양한 정책 결정에 대응하여 도시가 어떻게 진화할지 이해하기 위해 사용하는 도구일 수도 있다. 애니로직은 도시 계획가가 사용하도록 설계된 현대적이고 대규모인 도시 시뮬레이터의 예이다. 도시 시뮬레이터는 일반적으로 토지 이용 및 교통에 대한 명시적인 표현을 가진 경제 주체 기반 시뮬레이션이다. UrbanSim과 LEAM은 대도시 계획 기구와 군사 기지에서 토지 이용 및 교통 계획을 위해 사용하는 대규모 도시 시뮬레이션 모델의 예이다.

크리스마스

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여러 크리스마스 테마의 시뮬레이션이 존재하며, 그중 다수는 산타클로스를 중심으로 한다. 이러한 시뮬레이션의 예로는 사용자가 산타클로스를 추적할 수 있다고 주장하는 웹사이트가 있다. 산타는 전설적인 캐릭터이며 실제 살아있는 인물이 아니라는 사실 때문에[72][73], 그의 위치에 대한 실제 정보를 제공하는 것은 불가능하며, NORAD 산타 추적 및 구글 산타 트래커(전자는 레이더 및 기타 기술을 사용하여 산타를 추적한다고 주장함)[74]와 같은 서비스는 가짜의 미리 결정된 위치 정보를 사용자에게 표시한다. 이러한 시뮬레이션의 또 다른 예는 사용자가 산타클로스에게 이메일이나 메시지를 보낼 수 있다고 주장하는 웹사이트이다. emailSanta.com이나 현재는 없어진 마이크로소프트의 윈도우 라이브 스페이스에 있던 산타의 이전 페이지와 같은 웹사이트는 자동화된 컴퓨터 프로그램이나 스크립트를 사용하여 사용자의 입력을 바탕으로 산타 본인이 보낸 것으로 주장되는 개인화된 답장을 생성한다.[75][76][77][78]

미래의 교실

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미래의 교실은 텍스트 및 시각적 학습 도구 외에도 아마도 여러 종류의 시뮬레이터를 포함할 것이다. 이를 통해 학생들은 더 나은 준비와 더 높은 기술 수준을 갖추고 임상 단계에 진입할 수 있을 것이다. 상급 학생이나 대학원생은 재훈련을 받거나 새로운 임상 절차를 자신의 기술 세트에 통합할 수 있는 더 간결하고 포괄적인 방법을 갖게 될 것이며, 규제 기관과 의료 기관은 개인의 숙련도와 역량을 평가하기가 더 쉬워질 것이다.

미래의 교실은 또한 의료 종사자의 계속 교육을 위한 임상 기술 부서의 기초를 형성할 것이다. 정기적인 비행 훈련을 사용하는 것이 항공기 조종사를 돕는 것과 같은 방식으로, 이 기술은 실무자들이 경력 전반에 걸쳐 도움을 줄 것이다.

시뮬레이터는 "살아있는" 교과서 그 이상이 될 것이며, 의학 실습의 필수적인 부분이 될 것이다. 시뮬레이터 환경은 또한 의료 교육 기관의 커리큘럼 개발을 위한 표준 플랫폼을 제공할 것이다.

통신 위성

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현대 위성 통신 시스템(SATCOM)은 종종 상호 작용하는 많은 부품과 요소들로 구성되어 크고 복잡하다. 또한 이동하는 차량에서의 광대역 연결 필요성이 지난 몇 년 동안 상업적 및 군사적 응용 분야 모두에서 급격히 증가했다. 서비스 품질을 정확하게 예측하고 제공하기 위해 SATCOM 시스템 설계자는 지형뿐만 아니라 대기 및 기상 조건도 계획에 반영해야 한다. 이러한 복잡성에 대처하기 위해 시스템 설계자와 운영자는 시스템의 컴퓨터 모델을 활용하여 실제 운영 조건을 시뮬레이션하고 최종 제품 승인 전 사용성 및 요구 사항에 대한 통찰력을 얻고 있다. 모델링은 SATCOM 시스템 설계자나 계획자가 가상의 여러 대기 및 환경 조건을 모델에 주입하여 실제 성능을 시뮬레이션할 수 있게 함으로써 시스템에 대한 이해를 높인다. 시뮬레이션은 민간 및 군사 인력 훈련에도 자주 사용된다. 이는 대개 훈련생이 실제 세계에서 실제 장비를 사용하는 것이 지나치게 비싸거나 단순히 너무 위험할 때 발생한다. 그러한 상황에서 그들은 "안전한" 가상 환경에서 학습하면서도 실감 나는 경험을(적어도 그것이 목표임) 하는 데 시간을 보낸다. 흔히 안전이 중요한 시스템에 대해 훈련 중에 실수를 허용하는 것이 편리하다.

디지털 라이프사이클

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시뮬레이션 솔루션은 컴퓨터 지원 솔루션 및 공정(컴퓨터 지원 설계 또는 CAD, 컴퓨터 지원 제조 또는 CAM, 컴퓨터 이용 공학 또는 CAE 등)과 점점 더 통합되고 있다. 특히 초기 개념 및 설계 단계에서 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 시뮬레이션을 사용하면 상당한 이점을 제공할 잠재력이 있다. 이러한 이점은 프로토타입 제작 감소 및 시장 출시 기간 단축과 같은 직접적인 비용 문제부터 더 나은 성능의 제품 및 더 높은 수익 마진에 이르기까지 다양하다. 그러나 일부 기업의 경우 시뮬레이션이 기대한 이점을 제공하지 못하기도 했다.

수명 주기의 초기 단계에서 시뮬레이션을 성공적으로 사용하는 것은 시뮬레이션 도구와 CAD, CAM 및 제품 수명 주기 관리 솔루션 전체 세트 간의 통합 강화에 의해 크게 주도되었다. 시뮬레이션 솔루션은 이제 다중 CAD 환경에서 확장된 기업 전반에 걸쳐 기능할 수 있으며, 시뮬레이션 데이터 및 공정을 관리하고 시뮬레이션 결과가 제품 수명 주기 이력의 일부가 되도록 보장하는 솔루션을 포함한다.

재난 대비

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시뮬레이션 훈련은 재난에 대비하는 방법이 되었다. 시뮬레이션은 비상 상황을 복제하고 실감 나는 경험 덕분에 학습자가 어떻게 반응하는지 추적할 수 있다. 재난 대비 시뮬레이션에는 테러리즘 공격, 자연 재해, 범유행 발발 또는 기타 생명을 위협하는 응급 상황을 처리하는 방법에 대한 교육이 포함될 수 있다.

재난 대비를 위해 시뮬레이션 교육을 활용해 온 한 기관은 CADE(Center for Advancement of Distance Education)이다. CADE는[79] 응급 요원들이 여러 유형의 공격에 대비할 수 있도록 비디오 게임을 사용해 왔다. News-Medical.Net이 보도한 바에 따르면, "이 비디오 게임은 응급 요원이 대비해야 하는 생물 테러, 팬데믹 인플루엔자, 천연두 및 기타 재난을 다루는 일련의 시뮬레이션 중 첫 번째이다.[80]" 일리노이 대학교 시카고(UIC) 팀이 개발한 이 게임은 학습자가 안전하고 통제된 환경에서 응급 기술을 연습할 수 있게 해준다.

캐나다 브리티시컬럼비아주 밴쿠버에 위치한 브리티시컬럼비아 공과대학교(BCIT)의 응급 시뮬레이션 프로그램(ESP)은 비상 상황 훈련을 위해 시뮬레이션을 사용하는 기관의 또 다른 예이다. ESP는 산불 진압, 기름 또는 화학 물질 유출 대응, 지진 대응, 법 집행, 시 소방, 위험 물질 취급, 군사 훈련 및 테러 공격 대응과 같은 상황을 훈련하기 위해 시뮬레이션을 사용한다.[81] 시뮬레이션 시스템의 한 가지 특징은 "동적 런타임 클록"의 구현인데, 이는 시뮬레이션이 '시뮬레이션된' 시간대 내에서 실행되게 하여 "원하는 대로 시간을 '앞당기거나' '늦출' 수 있게" 한다.[81] 또한 이 시스템은 세션 녹화, 그림 아이콘 기반 탐색, 개별 시뮬레이션의 파일 저장, 멀티미디어 구성 요소 및 외부 응용 프로그램 실행 기능을 제공한다.

시쿠티미 퀘벡 대학교의 야외 연구 및 전문 지식 연구소(LERPA) 연구팀은 비상 대응 조율을 확인하기 위해 야생 오지 사고 시뮬레이션을 전문적으로 사용한다.

교육적으로 시뮬레이션을 통한 응급 훈련의 이점은 시스템을 통해 학습자의 성과를 추적할 수 있다는 점이다. 이를 통해 개발자는 필요에 따라 조정하거나 추가 주의가 필요한 주제에 대해 교육자에게 알릴 수 있다. 다른 장점은 학습자가 다음 응급 세그먼트로 넘어가기 전에 적절하게 대응하는 방법에 대해 안내받거나 훈련받을 수 있다는 점인데, 이는 실제 환경에서는 불가능할 수 있는 측면이다. 일부 응급 훈련 시뮬레이터는 즉각적인 피드백을 허용하는 반면, 다른 시뮬레이션은 요약을 제공하고 학습자에게 학습 주제에 다시 참여하도록 지시할 수 있다.

실제 응급 상황에서 응급 구조대원은 낭비할 시간이 없다. 이 환경에서의 시뮬레이션 교육은 학습자가 가능한 한 많은 정보를 수집하고 안전한 환경에서 지식을 연습할 기회를 제공한다. 그들은 생명을 위협할 위험 없이 실수를 할 수 있으며, 실제 응급 상황에 대비하여 오류를 수정할 기회를 부여받는다.

경제학

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경제학에서의 시뮬레이션은 특히 거시경제학에서 재정 정책 변경이나 통화 정책 변경과 같은 제안된 정책 조치의 효과에 대한 바람직함을 판단한다. 역사적 경제 데이터에 맞춰진 경제의 수학적 모델이 실제 경제의 대리인으로 사용된다. 정부 지출, 과세, 공개 시장 운영 등의 제안된 수치가 모델 시뮬레이션의 입력값으로 사용되며, 인플레이션율, 실업률, 무역수지 적자, 정부 재정 적자 등 관심 있는 다양한 변수들이 시뮬레이션의 출력값이 된다. 이러한 관심 변수들의 시뮬레이션 수치들을 서로 다른 제안된 정책 입력값들에 대해 비교하여 어떤 결과 세트가 가장 바람직한지 결정한다.[82]

공학, 기술 및 공정

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시뮬레이션은 공학 시스템이나 많은 공정을 포함하는 모든 시스템에서 중요한 기능이다. 예를 들어, 전기공학에서 지연선은 실제 전송선로에 의해 발생하는 전달 지연 및 위상 변화를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다. 마찬가지로 온저항을 시뮬레이션하기 위해 더미 로드를 사용할 수 있는데, 이는 전파가 원치 않는 상황에서 전파를 시뮬레이션하지 않고 사용된다. 시뮬레이터는 시뮬레이션 대상 장치의 작동 및 기능 중 일부만 모방할 수 있다. 대조되는 용어로 에뮬레이션이 있다.[83]

대부분의 공학 시뮬레이션은 수학적 모델링과 컴퓨터 지원 조사를 수반한다. 그러나 수학적 모델링을 신뢰할 수 없는 경우도 많다. 유체역학 문제의 시뮬레이션은 수학적 및 물리적 시뮬레이션 모두를 필요로 하는 경우가 많다. 이 경우 물리 모델은 동역학적 유사성을 필요로 한다. 물리 및 화학 시뮬레이션은 연구 용도뿐만 아니라 직접적인 현실적 용도로도 사용된다. 예를 들어 화학공학에서 공정 시뮬레이션은 정유소와 같은 화학 공장을 가동하는 데 즉시 사용되는 공정 매개변수를 제공하는 데 사용된다. 시뮬레이터는 공장 운영자 교육에도 사용된다. 이를 운영자 교육 시뮬레이터(OTS)라고 하며 화학에서 석유 및 가스, 전력 산업에 이르기까지 많은 산업 분야에서 널리 채택되었다. 이는 보드 운영자와 엔지니어를 교육하기 위한 안전하고 현실적인 가상 환경을 조성했다. Mimic 시뮬레이션 소프트웨어는 운영자 교육 및 제어 시스템 테스트를 위해 거의 모든 화학 공장의 고충실도 동역학 모델을 제공할 수 있다.

인간공학

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인간공학 시뮬레이션은 가상 환경 내에서 가상 제품이나 수동 작업을 분석하는 것을 포함한다. 공학 과정에서 인간공학의 목표는 제품과 작업 환경의 설계를 개발하고 개선하는 것이다.[84] 인간공학 시뮬레이션은 일반적으로 마네킹 또는 디지털 휴먼 모델(DHM)로 지칭되는 인체 측정학적 가상 인간 표현을 활용하여 항공기, 자동차 또는 제조 시설과 같은 시뮬레이션된 환경에서 인간 운영자의 자세, 기계적 부하 및 성능을 모방한다. DHM은 사전 예방적 인간공학 분석 및 설계를 수행하기 위해 진화하고 가치 있는 도구로 인정받고 있다.[85] 시뮬레이션은 가상 인간을 애니메이션화하기 위해 3D 그래픽과 물리 기반 모델을 사용한다. 인간공학 소프트웨어는 DHM의 포즈를 취하기 위해 역운동학(IK) 기능을 사용한다.[84]

소프트웨어 도구는 일반적으로 개별 근육의 힘, 관절 힘 및 모멘트를 포함한 생물역학적 특성을 계산한다. 이러한 도구들 대부분은 NIOSH 들어 올리기 방정식 및 상지 자세 평가(RULA)와 같은 표준 인간공학 평가 방법을 사용한다. 일부 시뮬레이션은 신진대사, 에너지 소비 및 피로 한계를 포함한 생리학적 측정치도 분석한다. 사이클 타임 연구, 설계 및 공정 검증, 사용자 편의성, 도달 범위 및 시야는 인간공학 시뮬레이션 패키지에서 조사될 수 있는 다른 인간 요인들이다.[86]

작업의 모델링 및 시뮬레이션은 시뮬레이션된 환경에서 가상 인간을 수동으로 조작하여 수행할 수 있다. 일부 인간공학 시뮬레이션 소프트웨어는 모션 캡처 기술을 통한 실제 인간 입력을 통해 대화형 실시간 시뮬레이션 및 평가를 허용한다. 그러나 인간공학을 위한 모션 캡처는 고가의 장비와 환경이나 제품을 나타내기 위한 소품 제작을 필요로 한다.

인간공학 시뮬레이션의 일부 응용 사례에는 고형 폐기물 수거 분석, 재난 관리 작업, 대화형 게임,[87] 자동차 조립 라인,[88] 재활 보조 기구의 가상 프로토타이핑,[89] 항공우주 제품 설계 등이 포함된다.[90] 포드(Ford) 엔지니어들은 가상 제품 설계 검토를 수행하기 위해 인간공학 시뮬레이션 소프트웨어를 사용한다. 엔지니어링 데이터를 사용하여 시뮬레이션은 조립 인간공학 평가를 돕는다. 이 회사는 고가의 프로토타입을 제작할 필요 없이 작업자의 안전과 효율성을 개선하기 위해 지멘스(Siemens)의 잭 앤 질(Jack and Jill) 인간공학 시뮬레이션 소프트웨어를 사용한다.[91]

금융

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금융 분야에서 컴퓨터 시뮬레이션은 시나리오 계획에 자주 사용된다. 예를 들어, 위험 조정 순현재가치는 잘 정의되어 있지만 항상 알려져 있지 않은(또는 고정되지 않은) 입력값으로부터 계산된다. 평가 대상 프로젝트의 성과를 모방함으로써 시뮬레이션은 다양한 할인율 및 기타 변수에 따른 NPV 분포를 제공할 수 있다. 시뮬레이션은 또한 금융 이론이나 금융 모델의 능력을 테스트하는 데 자주 사용된다.[92]

시뮬레이션은 참가자들이 다양한 역사적 상황과 가상 상황을 경험하도록 유도하기 위해 금융 교육에서 자주 사용된다. 주식 시장 시뮬레이션, 포트폴리오 시뮬레이션, 위험 관리 시뮬레이션 또는 모델, 외환 시뮬레이션 등이 있다. 이러한 시뮬레이션은 대개 확률적 자산 모델을 기반으로 한다. 교육 프로그램에서 이러한 시뮬레이션을 사용하면 이론을 실생활과 유사한 것에 적용할 수 있다. 다른 산업과 마찬가지로 시뮬레이션의 사용은 기술 또는 사례 연구 중심으로 이루어질 수 있다.

비행

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군용 비행 시뮬레이터

비행 시뮬레이션은 주로 항공기 밖에서 조종사를 훈련하는 데 사용된다.[93] 실제 비행 훈련과 비교할 때 시뮬레이션 기반 훈련은 조종사와 교관을 지상의 상대적으로 위험이 적은 환경에 두면서, 실제 항공기에서 수행하기에는 비현실적이거나(혹은 위험한) 기동이나 상황을 연습할 수 있게 해준다. 예를 들어, 전기 계통 고장, 계기 고장, 유압 계통 고장, 심지어 비행 제어 계통 고장까지 승무원이나 장비에 대한 위험 없이 시뮬레이션할 수 있다.[94]

교관은 또한 학생들에게 실제 항공기에서 보통 가능한 것보다 주어진 시간 동안 더 집중적인 훈련 과업을 제공할 수 있다. 예를 들어, 실제 항공기에서 여러 번의 계기 접근을 수행하려면 항공기 위치를 다시 잡는 데 상당한 시간이 필요할 수 있지만, 시뮬레이션에서는 한 번의 접근이 끝나자마자 교관이 즉시 시뮬레이션된 항공기를 다음 접근을 시작할 수 있는 위치로 이동시킬 수 있다.

비행 시뮬레이션은 실제 항공기 훈련보다 경제적인 이점도 제공한다. 연료, 유지보수 및 보험 비용을 고려하면 비행 훈련 장치(FSTD)의 운영 비용은 일반적으로 시뮬레이션 대상 항공기의 운영 비용보다 훨씬 낮다. 일부 대형 수송기 범주의 경우 FSTD의 운영 비용이 실제 항공기보다 몇 배 더 낮을 수 있다. 또 다른 장점은 시뮬레이터가 탄소나 소음 배출에 직접 기여하지 않기 때문에 환경적 영향이 줄어든다는 점이다.[95]

또한 항공기 설계 과정의 핵심 요소인 "엔지니어링 비행 시뮬레이터"도 존재한다.[96] 비용 및 안전 개선과 같이 시험 비행 횟수 감소에서 오는 많은 이점이 위에 설명되어 있지만, 독특한 장점들도 있다. 시뮬레이터를 사용할 수 있으면 설계 반복 주기를 더 빠르게 가져가거나 실제 항공기에 장착할 수 있는 것보다 더 많은 시험 장비를 사용할 수 있다.[97]

해양

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선박 선교 시뮬레이터

비행 시뮬레이터와 유사한 해양 시뮬레이터는 선박 인력의 훈련을 위한 것이다. 가장 일반적인 해양 시뮬레이터는 다음과 같다:[98]

  • 선박 선교(Bridge) 시뮬레이터
  • 엔진룸 시뮬레이터[99]
  • 화물 취급 시뮬레이터
  • 통신 / GMDSS 시뮬레이터
  • ROV 시뮬레이터

이와 같은 시뮬레이터는 주로 해양 대학, 훈련 기관 및 해군 내에서 사용된다. 이들은 흔히 조작 콘솔과 가상 주변 환경이 투영되는 다수의 스크린을 갖춘 선박 선교의 복제물로 구성된다.

군사

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파일:Гранатометчик тренируется с помощью компьютерного тре나жера.jpg
유탄 발수수가 컴퓨터 시뮬레이터를 사용하여 훈련하고 있다.

비공식적으로 워게임(war games)이라고도 불리는 군사 시뮬레이션은 실제 교전 없이 전쟁 이론을 테스트하고 개선할 수 있는 모델이다. 현실성 수준이 다양한 많은 형태로 존재한다. 최근에는 그 범위가 군사뿐만 아니라 정치적, 사회적 요인까지 포함하도록 확대되었다(예를 들어 라틴 아메리카의 전략 연습인 Nationlab 시리즈).[100] 많은 정부가 개별적으로 또는 공동으로 시뮬레이션을 활용하지만 전문적인 집단 밖에서는 모델의 구체적인 내용에 대해 알려진 바가 거의 없다.

네트워크 및 분산 시스템

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네트워크 및 분산 시스템은 실제 시스템에 배치하기 전에 새로운 프로토콜과 알고리즘의 영향을 이해하기 위해 광범위하게 시뮬레이션되어 왔다. 시뮬레이션은 다양한 수준(물리 계층, 네트워크 계층, 응용 계층)에 초점을 맞출 수 있으며 다양한 지표(네트워크 대역폭, 자원 소비, 서비스 시간, 드롭된 패킷, 시스템 가용성)를 평가할 수 있다. 네트워크 및 분산 시스템의 시뮬레이션 시나리오의 예는 다음과 같다:

지급 및 증권 결제 시스템

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시뮬레이션 기술은 지급 및 증권 결제 시스템에도 적용되어 왔다. 주요 사용자로는 시장 인프라 감독을 담당하고 지급 시스템의 원활한 기능을 도울 권한이 있는 중앙은행들이 있다.

중앙은행들은 지급 결제의 효율적인 처리를 위해 참가자들(주로 은행)이 이용 가능한 유동성(계좌 잔액 및 일중 신용한도 형태)의 적절성이나 충분성을 평가하기 위해 지급 시스템 시뮬레이션을 사용해 왔다.[105][106] 유동성의 필요성은 시스템 내 상계 절차의 가용성과 유형에 따라서도 달라지므로 일부 연구는 시스템 비교에 중점을 두기도 한다.[107]

또 다른 응용 분야는 통신망 고장이나 참가자의 지급 송신 불능(예: 은행 파산 가능성)과 같은 사건과 관련된 위험을 평가하는 것이다.[108] 이러한 종류의 분석은 스트레스 테스트나 시나리오 분석의 개념에 해당한다.

이러한 시뮬레이션을 수행하는 일반적인 방법은 분석 중인 실제 지급 또는 증권 결제 시스템의 결제 로직을 복제한 다음 실제 관찰된 지급 데이터를 사용하는 것이다. 시스템 비교나 시스템 개발의 경우 당연히 다른 결제 로직도 구현되어야 한다.

스트레스 테스트와 시나리오 분석을 수행하려면 관찰된 데이터를 변경해야 한다(예: 일부 지급 지연 또는 제거). 유동성 수준을 분석하려면 초기 유동성 수준을 다양하게 설정한다. 시스템 비교(벤치마킹)나 새로운 상계 알고리즘 또는 규칙의 평가는 고정된 데이터 세트로 시스템 설정만 변경하여 시뮬레이션을 실행함으로써 수행된다.

추론은 대개 벤치마크 시뮬레이션 결과와 변경된 시뮬레이션 설정 결과를 비교하여 미결제 거래나 결제 지연과 같은 지표를 비교함으로써 이루어진다.

전력 시스템

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프로젝트 관리

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프로젝트 관리 시뮬레이션은 프로젝트 관리 훈련 및 분석에 사용되는 시뮬레이션이다. 프로젝트 관리자를 위한 훈련 시뮬레이션으로 자주 사용된다. 다른 경우에는 가상 분석 및 실제 프로젝트의 의사 결정 지원에 사용된다. 흔히 소프트웨어 도구를 사용하여 시뮬레이션이 진행된다.

로봇 공학

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로봇 시뮬레이터는 '실제' 로봇에 의존하지 않고 특정(또는 불특정) 로봇을 위한 임베디드 응용 프로그램을 만드는 데 사용된다. 어떤 경우에는 이러한 응용 프로그램을 수정 없이 실제 로봇으로 전송(또는 재구축)할 수 있다. 로봇 시뮬레이터는 비용, 시간 또는 자원의 '유일성' 때문에 실제 세계에서 '만들어낼 수 없는' 상황을 재현할 수 있게 해준다. 또한 시뮬레이터는 빠른 로봇 프로토타이핑을 가능하게 한다. 많은 로봇 시뮬레이터는 로봇의 동역학을 시뮬레이션하기 위해 물리 엔진을 탑재하고 있다.

생산

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생산 시스템 시뮬레이션은 주로 생산 시스템의 개선이나 투자 효과를 조사하기 위해 사용된다. 가장 흔히 공정 시간과 운송 시간이 포함된 정적인 스프레드시트를 사용한다. 보다 정교한 시뮬레이션에는 생산 시스템의 역동성을 시뮬레이션할 수 있는 장점을 가진 이산 사건 시뮬레이션(DES)이 사용된다. 생산 시스템은 제조 공정, 조립 시간, 기계 설정, 휴식, 고장 및 소규모 정지의 변동에 따라 매우 역동적이다.[109] 이산 사건 시뮬레이션에 흔히 사용되는 많은 소프트웨어가 있다. 이들은 사용성이나 시장 면에서 차이가 있지만 대개 동일한 토대를 공유한다.

영업 과정

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시뮬레이션은 영업 과정 공학 분야에서와 같이 비즈니스 공정을 통한 거래 흐름을 모델링하여 완료의 다양한 단계(예: 상품/서비스 제공을 위한 초기 제안부터 주문 수락 및 설치까지)를 통한 고객 주문의 흐름을 연구하고 개선하는 데 유용하다. 이러한 시뮬레이션은 방법의 개선이 가변성, 비용, 노동 시간 및 공정의 다양한 단계에서의 거래 수에 어떤 영향을 미칠지 예측하는 데 도움을 줄 수 있다. 이러한 모델을 묘사하기 위해 모든 기능을 갖춘 전산화된 공정 시뮬레이터를 사용할 수도 있고, 스프레드시트 소프트웨어를 사용하거나 주사위 굴리기에 따라 컵 사이로 동전을 옮기거나 스쿱으로 색 구슬 통을 푸는 등의 더 간단한 교육용 시연을 사용할 수도 있다.[110]

스포츠

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스포츠에서 컴퓨터 시뮬레이션은 경기 결과와 개별 스포츠 선수의 성과를 예측하기 위해 자주 수행된다. 이들은 통계를 바탕으로 구축된 모델을 통해 경기를 재현하려 시도한다. 기술의 발전으로 프로그래밍 지식이 있는 사람이라면 누구나 자신의 모델로 시뮬레이션을 실행할 수 있게 되었다. 시뮬레이션은 일련의 수학적 알고리즘 또는 모델로 구축되며 정확도가 다를 수 있다. ESPN과 같은 회사에 라이선스를 제공하는 어큐스코어(Accuscore)는 모든 주요 스포츠에 대해 잘 알려진 시뮬레이션 프로그램이다. 이는 시뮬레이션된 베팅 라인, 예상 총점 및 전반적인 확률을 통해 경기에 대한 상세한 분석을 제공한다.

판타지 스포츠에 대한 관심이 높아지면서 개별 선수의 성과를 예측하는 시뮬레이션 모델이 인기를 얻고 있다. '왓 이프 스포츠'(What If Sports) 및 '스탯폭스'(StatFox)와 같은 회사는 시뮬레이션을 경기 결과 예측뿐만 아니라 개별 선수가 얼마나 잘할지 예측하는 데에도 전문화되어 있다. 많은 사람이 판타지 리그에서 누구를 선발할지 결정하기 위해 모델을 사용한다.

시뮬레이션이 스포츠 분야를 돕는 또 다른 방법은 생물역학의 활용이다. 선수에게 부착된 센서와 비디오 장비로부터 받은 데이터로 모델을 도출하고 시뮬레이션을 실행한다. 시뮬레이션 모델의 도움을 받는 스포츠 생물역학은 투구 성과(투구 높이)에 대한 피로의 영향 및 상지의 생물역학적 요인(반응 강도 지수, 손 접촉 시간)과 같은 훈련 기술에 관한 질문에 답한다.[111]

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 사용자는 이전에는 실행하기에 너무 복잡했던 모델을 사용하여 답을 얻을 수 있다. 시뮬레이션은 경기 성과와 팀 예측 가능성 모두에 대해 가장 좋은 통찰력 중 일부를 제공하는 것으로 입증되었다.

우주왕복선 카운트다운

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우주왕복선 발사를 위해 구성된 1번 발사 통제실

시뮬레이션은 케네디 우주 센터(KSC)에서 시뮬레이션된 발사 카운트다운 작전 중에 우주왕복선 엔지니어들을 훈련하고 인증하기 위해 사용되었다. 우주왕복선 엔지니어링 커뮤니티는 각 셔틀 비행 전에 발사 카운트다운 통합 시뮬레이션에 참여하곤 했다. 이 시뮬레이션은 실제 사람들이 시뮬레이션된 우주왕복선 기체 및 지상 지원 장비(GSE) 하드웨어와 상호 작용하는 가상 시뮬레이션이다. S0044라고도 알려진 셔틀 최종 카운트다운 단계 시뮬레이션은 많은 우주왕복선 기체 및 GSE 시스템을 통합하는 카운트다운 과정을 포함했다. 시뮬레이션에 통합된 일부 셔틀 시스템은 메인 추진 시스템, RS-25, 고체 로켓 부스터, 지상 액체 수소 및 액체 산소, 외부 연료 탱크, 비행 제어, 항법 및 항공 전자 공학 등이다.[112] 셔틀 최종 카운트다운 단계 시뮬레이션의 높은 수준의 목표는 다음과 같다:

  • 발사 통제실의 최종 카운트다운 단계 작전을 시연한다.
  • 시간적으로 촉박한 환경에서 시스템 문제를 인식, 보고 및 평가하는 시스템 엔지니어 교육을 제공한다.
  • 시간적으로 촉박한 환경에서 통합된 방식으로 문제를 평가하고 우선순위를 정하며 대응하는 발사 팀의 능력을 연습한다.
  • 최종 카운트다운 단계에서 수행되는 작전의 실패/복구 테스트를 수행하는 데 사용할 절차를 제공한다.[113]

셔틀 최종 카운트다운 단계 시뮬레이션은 케네디 우주 센터 발사 통제 센터 발사 통제실에서 진행되었다. 시뮬레이션 중에 사용된 발사 통제실은 실제 발사 카운트다운 작전이 실행되는 것과 동일한 제어실이다. 결과적으로 실제 발사 카운트다운 작전에 사용되는 장비가 사용된다. 명령 및 제어 컴퓨터, 응용 소프트웨어, 엔지니어링 플로팅 및 트렌딩 도구, 발사 카운트다운 절차 문서, 발사 약속 기준 문서, 하드웨어 요구 사항 문서 및 엔지니어링 발사 카운트다운 팀이 실제 발사 카운트다운 작전 중에 사용하는 기타 모든 항목이 시뮬레이션 중에 사용된다.

우주왕복선 기체 하드웨어 및 관련 GSE 하드웨어는 실제 하드웨어처럼 작동하고 반응하는 수학적 모델(셔틀 지상 작전 시뮬레이터(SGOS) 모델링 언어로 작성됨[114])에 의해 시뮬레이션된다. 셔틀 최종 카운트다운 단계 시뮬레이션 중에 엔지니어들은 마치 실제 기체 하드웨어에 명령을 내리는 것처럼 제어 콘솔에서 실행되는 실제 응용 소프트웨어를 통해 하드웨어를 명령하고 제어한다. 그러나 이러한 실제 소프트웨어 응용 프로그램은 시뮬레이션 중에 실제 셔틀 하드웨어와 인터페이스하지 않는다. 대신 응용 프로그램은 기체 및 GSE 하드웨어의 수학적 모델 표현과 인터페이스한다. 결과적으로 시뮬레이션은 민감하고 심지어 위험한 메커니즘을 우회하면서 하드웨어가 어떻게 반응했을지 상세히 설명하는 엔지니어링 측정값을 제공한다. 이러한 수학 모델이 명령 및 제어 응용 소프트웨어와 상호 작용하므로 모델 및 시뮬레이션은 응용 소프트웨어의 기능을 디버깅하고 검증하는 데에도 사용된다.[115]

위성 항법

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GNSS 수신기(상업계에서는 흔히 위성 항법 장치로 알려짐)를 테스트하는 유일한 진정한 방법은 RF 별자리 시뮬레이터를 사용하는 것이다. 예를 들어 항공기에서 사용될 수 있는 수신기는 실제 비행을 할 필요 없이 역동적인 조건에서 테스트될 수 있다. 테스트 조건을 정확하게 반복할 수 있으며 모든 테스트 매개변수를 완벽하게 제어할 수 있다. 이는 실제 신호를 사용하는 '현실 세계'에서는 불가능하다. 새로운 갈릴레오를 사용할 수신기를 테스트하는 데에는 실제 신호가 아직 존재하지 않기 때문에 대안이 없다.

철도

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기상

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이전 데이터를 외삽/내삽하여 기상 조건을 예측하는 것은 시뮬레이션의 실제 용도 중 하나이다. 대부분의 일기 예보는 기상청에서 발표하는 이 정보를 사용한다. 이러한 종류의 시뮬레이션은 활성 허리케인/사이클론의 경로와 같은 극한의 기상 조건을 예측하고 사전에 경고하는 데 도움이 된다. 예보를 위한 수치 예보는 많은 매개변수를 고려하여 날씨를 정확하게 예측하기 위해 복잡한 수치 컴퓨터 모델을 수반한다.

시뮬레이션 게임

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전통적인 것과 현대적인 것을 막론하고 전략 게임은 군사 및 정치 지도자를 훈련하기 위한 추상화된 의사 결정의 시뮬레이션으로 볼 수 있다(그러한 전통의 예로 바둑의 역사를, 더 최근의 예로 크리크슈필을 보라).

다른 많은 비디오 게임들도 일종의 시뮬레이터이다. 이러한 게임은 경영부터 정부, 건설, 탈것 조종에 이르기까지 현실의 다양한 측면을 시뮬레이션할 수 있다(위의 내용 참조).

역사적 용례

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역사적으로 이 단어는 부정적인 함축을 담고 있었다:

...그러므로 (마지막 단계인) 시뮬레이션의 일반적인 관습은 타고난 허위나 두려움 중 하나를 사용하는 악덕이다...

— 프랜시스 베이컨, 시뮬레이션과 디시뮬레이션에 관하여, 1597

...구별을 위해 말에 의한 속임수는 흔히 거짓말이라 부르고, 행동이나 몸짓, 또는 행동거지에 의한 속임수는 시뮬레이션이라 부른다...

— 로버트 사우스, South, 1697, p.525

그러나 시뮬레이션과 위장 사이의 연결은 나중에 사라졌으며 현재는 언어학적인 관심사에 불과하다.[116]

같이 보기

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참고 자료

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외부 링크

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