vpravo|200px|náhled|Dřevěný mechanický simulátor koně z období první světové války
Simulace je napodobení nějaké skutečné věci, stavu nebo procesu. Samotný akt simulace něčeho obecně znamená zobrazení některých klíčových vlastností nebo chování vybraných fyzikálních, nebo abstraktních systémů.
Simulace se používá v mnoha souvislostech, zahrnujících modelování přírodních systémů nebo lidských systémů s cílem získat poznatky o jejich fungování. Jiné souvislosti zahrnují technologické simulace pro optimalizaci výkonu, bezpečnostní inženýrství, testování, školení a vzdělávání. Simulace může být použita pro zobrazení případných reálných dopadů alternativních podmínek a způsobů jednání.
Klíčové otázky v simulaci zahrnují např. pořízení platných zdrojů informací o příslušném výběru klíčových charakteristik a chování, využití zjednodušujícího odhadu a předpokladů v rámci simulace a věrnost a platnost výsledků dané simulace.
Klasifikace a terminologie Historicky se simulace používané v různých oblastech rozvíjely do značné míry nezávisle, až do 20. století, kdy studie o systémových teoriích a kybernetice v kombinaci s rozšiřováním použití počítačů ve všech těchto oblastech vedly k určité unifikaci a systematičtějšímu pohledu na koncepci.
Fyzikální simulace se týkají simulací, v nichž jsou fyzické objekty nahrazeny skutečnými objekty (některé kruhy užívají termín pro počítačové simulace pro modelování vybraných fyzikálních zákonů, ale v tomto článku se nevyskytují). Tyto fyzické objekty jsou často vybírány, protože jsou menší a levnější, než skutečný objekt nebo systém.
Interaktivní simulace jsou speciálním druhem fyzikálních simulací, často označované jako "human in the loop simulace" (člověk ve smyčce), což jsou fyzikální simulace, v níž jsou zahrnuty lidské operace, jako např. v leteckých či automobilových simulátorech.
Počítačová simulace vpravo|180px|náhled|Simulace vesmíru "Human-in-the-loop"
Počítačová simulace je pokusem o vymodelování reálného světa či hypotetické situace za pomoci počítače tak, aby bylo možné studovat tento systém a vysledovat jak funguje. Chování tohoto systému může být pak předpovídáno měněním proměnných.
Počítačové simulace se staly užitečným nástrojem při modelování mnoha přirozených systémů ve fyzice, chemii a biologii, ale také systémů z oblastí jako je ekonomie a společenské vědy (výpočetní sociologie), stejně jako napomohly proniknout do podstaty fungování systémů ve strojírenství. Příkladem prospěšnosti využití počítačů pro simulace je oblast zabývající se simulacemi silničního provozu. V takovýchto simulacích se mění chování modelu v závislosti na nastavení původních parametrů převzatých z reálného prostředí.
Tradičně bylo formální modelování systémů vytvářeno přes matematické modely, které se pokoušely nalézt analytická řešení, což umožňovalo předvídat chování systému dle souboru parametrů a počátečních podmínek. Počítačová simulace je často používána jako doplněk nebo náhrada modelování takových systémů, pro které není možné použit analytického řešení uzavřenými vzorci. Existuje mnoho různých druhů počítačových simulací, jejichž společnou vlastností je snaha o vytváření příkladů reprezentativních scénářů modelu, u nějž nelze vytvořit kompletní výčet všech možných stavů či tento výčet není dostupný.
Existují rozmanité softwarové balíčky určené pro modelování počítačově založených simulací (např. simulace Monte Carlo, stochastické modelování, multiagentní modelování), které umožňují jeho relativně snadnou realizaci. Moderní užívání pojmu „počítačové simulace“ může zahrnovat v podstatě jakoukoliv reprezentaci založenou na činnosti počítače.
Informatika vpravo|180px|náhled|Vizualizace přímé numerické simulace modelu V informatice má simulace poněkud zvláštní význam. Alan Turing použil výraz “simulace”, aby popsal, co se stane, když jeho tzv. univerzální stroj spustí přechodovou stavovou tabulku (v moderní terminologii: počítač spustí program), která popisuje stavovou přechodovou rovnici, vstupy a výstupy samostatného stroje. Počítač simuluje tento stroj. Obdobně v teoretické informatice je pojem simulace spojován se systémem překladače, který je užitečný pro studii operační sémantiky.
Oprostíme-li se trochu od teorie, zajímavým užitím počítačové simulace je simulování chodu počítačů, používajících jiné počítače. V síťové architektuře, je často užíván druh simulátoru, typicky nazýván emulátor, ke spuštění programu, který musí běžet na nějakém nevhodném počítači (např. nově navržený počítač, který zatím nebyl sestaven nebo starý počítač, který už není dostupný) nebo v nějakém těžce kontrolovaném testovacím prostředí. Simulátory byly např. používány k ladění mikroprogramu nebo někdy komerčních aplikačních programů, než je program stáhnut do cíleného stroje. Jelikož je počítačový proces simulován, veškeré informace o procesech daného počítače jsou přímo dostupné programátorovi a tak rychlost a výkon simulace mohou být měněny podle potřeb.
Simulátory mohou být také používány k interpretaci FTA nebo k testování VLSI logických designů před vlastní výrobou. Symbolická simulace používá proměnné veličiny k nahrazení neznámých.
V oblasti optimalizace jsou simulace fyzických procesů často používány ve spojení s evolučními výpočty pro optimalizaci strategie řízení.
Simulace ve výuce a výcviku Simulace je často používána při výcviku civilních a vojenských zaměstnanců. K tomu obvykle dochází v případě, že je příliš drahé, nebo příliš nebezpečné, aby cvičenci používali skutečné zařízení v reálném světě. V takovýchto situacích tráví čas učením se cenných zkušeností v "bezpečném" virtuálním prostředí. Výhodou jsou také chyby, které tento systém při tréninku v bezpečnostně-kritických systémech umožňuje. Například v simSchool si učitelé trénují třídní management a metody výuky na simulovaných studentech, čímž se vyvarují učení se za chodu, které může poškodit reálné studenty. Je zde však přece jen rozdíl mezi simulací používanou pro výcvik a instruktážní simulací.
Tréninková simulace obvykle spadá do jedné ze tří kategorií: "live" simulace (kde skuteční lidé využívají simulovaného (či "falešného") zařízení v reálném světě); "virtuální" simulace (kde skuteční lidé využijí simulovaného vybavení v simulovaném světě, nebo virtuálním prostředí), nebo "konstruktivní" simulace (simulace, kde lidé používají simulované vybavení v simulovaném prostředí). Konstruktivní simulace je často označována jako "válečná", protože je podobná strategickým válečným hrám, ve kterých hráči velí armádám vojáků a válečným strojům, kterými můžeme pohybovat po hrací ploše.
Ve standardizovaných testech jsou někdy "live" simulace označovány jako "high-fidelity“ (vysoce přesné) produkující vzorky pravděpodobných výkonů, na rozdíl od "low-fidelity“, málo přesných. "Pencil-and-paper" simulace produkují jen náznaky možné výkonnosti. Rozdíl mezi vysokou, střední a nízkou přesností zůstává relativní, v závislosti na kontextu konkrétního srovnání.
Simulace v oblasti vzdělávání mají určitou podobnost s výcvikovými simulacemi. Jsou však zaměřeny na konkrétní úkoly. Termín 'mikrosvět' se používá pro označení vzdělávací simulace, která tvoří nějaký abstraktní pojem, spíše než simulaci reálného objektu nebo prostředí. V některých případech tvoří reálné světové prostředí ve zjednodušené podobě, která pomůže studentovi pochopit klíčové pojmy. Normálně může uživatel vytvářet jakési konstrukce v rámci mikrosvěta, který se bude chovat způsobem, jaký bude v souladu s předvedenou koncepcí. Seymour Papert byl jedním z prvních, kdo prosazoval hodnoty mikrosvěta a programovacího jazyka Logo. Jako další příklad, Global Challenge Award on-line STEM učení webových stránek používá mikrosvětových simulací pro výuku vědeckých pojmů souvisejících s globálním oteplováním a budoucností energetiky. Dalšími projekty v oblasti simulací ve vzdělání jsou Open Source Physics a jeho EJS prostředí.
Managementové hry (nebo obchodní simulace) nachází v posledních letech oblibu v oblasti marketingu. Obchodní simulace, které zahrnují dynamický model a umožňují experimentování s obchodní strategií v bezrizikovém prostředí, poskytují užitečné diskuze o případových studiích.
Sociální simulace mohou být použity ve společensko-vědeckých třídách, aby ilustrovaly společenské a politické procesy v antropologii, ekonomii, historii, politologii, nebo sociologickém rozvoji. Obvykle se s nimi setkáváme na středních školách nebo na univerzitní úrovni. Mohou na sebe brát například podobu simulací v občanské výchově, ve které účastníci přebírají role v simulované společnosti nebo mezinárodních vztazích. Zde účastníci zapojí své jednání, vytváří spojenectví, společný obchod, diplomacii a používají sílu. Takové simulace mohou být založeny na fiktivních politických systémech, nebo na současných a historických událostech. Příkladem z poslední doby by byla "Reacting to the Past“ (Reakce na minulost) od Barnard College ze série vzdělávacích simulací. "Reacting to the Past" zahrnuje i simulační hry, které se zabývají vědeckým vzděláváním.
V posledních letech došlo ke zvýšení využití sociálních simulací pro vzdělávání zaměstnanců na pomoc a rozvojové agentury. Například simulace Carana, byla nejprve vyvinuta Rozvojovým programem OSN a nyní se používá ve velmi pozměněné podobě Světovou bankou při školení personálu řešícího konflikty v postižených zemích.
Zdravotnické simulátory Zdravotnické simulátory jsou stále ve větším množství rozvíjeny a rozmisťovány k výuce léčebných a diagnostických procedur stejně jako k výuce lékařských konceptů a rozvoje rozhodování personálu v lékařských profesích. Simulátory byly vyvinuty k výcviku základních zákroků, jako např. odběry krve, přes laparotomii a péči o traumatizované. Jsou také důležité pro prototypování nových zařízení na biomedicínské strojírenské problémy. V současnosti jsou simulátory aplikovány především v oblasti výzkumu a vývoje nástrojů pro nové terapie, léčby a počáteční diagnózu v lékařství.
Mnoho zdravotnických simulátorů zahrnuje počítač připojený k plastové podobě lidského těla. Sofistikované simulátory tohoto typu používají figurínu v životní velikosti, která reaguje na vstříknuté léky a může být naprogramován k simulaci životně nebezpečných situací. V ostatních simulacích jsou visuální prvky procedur reprodukovány technikami počítačové grafiky, zatímco komponenty citlivé na dotek jsou reprodukovány hmatovými přístroji se zpětnou vazbou v kombinaci s fyzickými simulačními rutinami vypočtenými na základě uživatelova konání. Zdravotnické simulace takového druhu často používají snímky pacientových údajů, buď snímky z tomografu nebo z magnetické rezonance v 3D rozlišení, aby se zvýšila reálnost simulace. Některé zdravotnické simulace jsou vyvinuty k široké distribuci (jako třeba webové simulace, které mohou být sledovány skrze standardní webový prohlížeč) a mohou být propojeny s použitím standardních počítačových rozhraní, jako např. klávesnice nebo myš.
Další důležitá lékařská aplikace simulátoru, i když možná značící trochu jiný význam slova simulátor, je používání placeba, což je preparát simulující aktivní lék v době, kdy se testuje účinnost daného léku.
Zlepšování bezpečnosti pacientů skrze nové inovace