Una simulación por computadora, un modelo de simulación por
computador o un modelo informatizado es un programa
informático o una red de
ordenadores cuyo fin es crear una simulación de un modelo abstracto de un determinado sistema. Las simulaciones
por computadora se han convertido en una parte relevante y útil de los modelos matemáticos de muchos sistemas naturales de ciencias como la física, la astrofísica, la química y la biología; así como de sistemas humanos de economía, psicología y ciencias sociales. Además, se emplea en el diseño de nueva tecnología para llegar a comprender mejor su funcionamiento.
Video de una pequeña simulación realizada en un software, que representa de manera clara los alcances de la ingeniería asistida por computadora
Las simulaciones por
computadora abarcan desde programas informáticos cuya ejecución dura unos
minutos hasta conjuntos de ordenadores conectados en red cuya ejecución dura
horas, e incluso hay simulaciones que se extienden varios días. La variedad de
acontecimientos que se pueden recrear mediante simulaciones por computadora ha
superado con creces las posibilidades del modelo matemático tradicional de
lápiz y papel: hace más de diez años.
Video: Simulación Guerra Nuclear entre Russia y China vs OTAN
Simulación vs modelado numérico
Para crear modelos de la
realidad se emplea el modelado matemático. Un modelo matemático trata de
encontrar soluciones analíticas a las ecuaciones que gobiernan los procesos que
se suponen responsables del sistema que se estudia y del cual se tienen
observaciones metódicas. El objetivo es validar esas ecuaciones y posibilitar
la predicción del comportamiento del sistema partiendo de un conjunto de
parámetros y condiciones iniciales. Los modelos numéricos resultaron de
utilizar los ordenadores con el mismo propósito, resolver las ecuaciones no de
forma analítica sino numérica.
Aunque las simulaciones por
computadora emplean algunos algoritmos de modelos matemáticos, los ordenadores
pueden, además, combinar las simulaciones con la realidad o con acontecimientos
reales tales como la generación de respuestas de entrada o la simulación de
sujetos de prueba que no están ya presentes. Mientras que los sujetos de prueba
ausentes son fruto de la simulación o modelación, el sistema que utilizan
podría ser el equipo real, lo cual serviría para revelar los límites de
rendimiento o los defectos tras un uso continuado gracias a estos usuarios
simulados.
El término simulación por
computadora es más amplio que el de modelado por ordenador, pues este último
implica que todos los aspectos se modelan en la representación del ordenador.
Sin embargo, simulación por computadora también incluye generar entradas de
usuarios simulados para ejecutar un software de ordenador real o un equipo y
solo se modela una parte del sistema. Un ejemplo de esto serían los simuladores
de vuelo que pueden ejecutar tanto máquinas como software de vuelo real.
Las simulaciones por
computadora se emplean en muchos campos, incluida la ciencia, la tecnología, el
entretenimiento y la planificación de negocios.
Historia
La simulación por computadora
se desarrolló a la par que se produjo el vertiginoso progreso del ordenador. Su
primer despliegue a gran escala fue en el Proyecto Manhattan, durante la
Segunda Guerra Mundial, para recrear una detonación nuclear. Se empleó el Método
de Montecarlo. Las simulaciones por computadora a veces complementan o incluso
sustituyen a los sistemas de modelización para los que no es posible hallar
soluciones analíticas de forma cerrada. Existen muchos tipos de simulación por
computadora, pero todos ellos comparten una característica común: tratan de
generar una muestra de escenarios representativos para un modelo en el que una
relación completa de todos los estados posibles de este sería muy costoso o
imposible. Los modelos informatizados se emplearon inicialmente como suplemento
de otros parámetros, pero más adelante su uso se extendió a otros ámbitos.
Preparación de los datos
La entrada y salida de datos
para la simulación pueden realizarse a través de documentos de texto formateados
o de un procesador para antes y después de la simulación.
La preparación de los datos,
es, probablemente, la parte más importante de la simulación por computadora.
Como la simulación es digital, al producirse los inevitables errores de
redondear o truncar cifras, incluso el error más pequeño en los datos
originales puede transformarse en un error grave más adelante en la simulación.
Aunque todos los análisis informáticos están sujetos al GIGO (entrada
falsa/salida falsa), este se produce de manera especial en la simulación por
computadora. De hecho, el descubrimiento de este error acumulativo e inevitable
en los sistemas digitales es el origen de la teoría del caos.
Tipos
Los modelos computacionales
pueden clasificarse atendiendo a distintos pares de atributos, a saber:
- Estocástico o determinista
- Estático o dinámico
- Continuo o discreto
- Local o distribuido
Simulaciones de CGI (imagen generada por computadora)
Antes, los datos de salida
de una simulación por computadora se presentaban en una tabla o en una matriz,
de manera que se mostraba el efecto que los múltiples cambios en los parámetros
tenían sobre los datos. El empleo del formato de matriz se debía al uso
tradicional que se hacía de la matriz en los modelos matemáticos. Sin embargo,
los psicólogos advirtieron que los seres humanos percibían mejor los cambios en
el desarrollo de las situaciones si miraban gráficos o incluso imágenes en
movimiento o animaciones generadas a partir de los datos, como las que se
ejecutan en las animaciones de imágenes generadas por computadora. Así, aunque
los sujetos no pudieran comprender los números o descifrar fórmulas
matemáticas, al observar un gráfico del tiempo meteorológico en movimiento
podrían ser capaces de predecir determinados acontecimientos mucho más rápido
que con el análisis de tablas con coordenadas de nubes de lluvia. Estas
representaciones gráficas tan potentes, que fueron más allá del mundo de los
números y las fórmulas, a veces producían salidas de datos que carecían de un
mapa de coordenadas o de cuadros de tiempo, desviándose demasiado de las
representaciones de datos numéricas. Hoy en día, los modelos de los partes
meteorológicos tienden a buscar un equilibrio entre los gráficos de nubes de
lluvia o de nieve en movimiento con los mapas que emplean coordenadas numéricas
y cuadros de tiempo numéricos de acontecimientos.
Del mismo modo, las
simulaciones de CGI de TAC pueden recrear cómo un tumor disminuye o cambia
durante un período largo de tratamiento médico, mostrando así el transcurso del
tiempo en una representación de la cabeza humana en rotación.
Se están desarrollando otros
usos de las simulaciones CGI para representar gráficamente gran cantidad de
datos en movimiento a medida que se producen los cambios en la ejecución de la
simulación.
Ejemplo de simulación CGI
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