UNIDAD I. INTRODUCCION A LA SIMULACION

TEMARIO

1.1 Definiciones e importancia de la simulación en la Ingeniería.

1.2 Conceptos básicos de modelación.

1.3 Metodología de la simulación.

1.4 Sistemas, modelos y control.

1.5 Estructura y etapas de un estudio de simulación.

1.6 Etapas de un proyecto de simulación.

INTRODUCCION

Con el llegado de las computadoras, una de las mas importantes herramientas de analizar el diseño y operación de sistemas o procesos complejos de la simulación.
Aunque la construcción de modelos arranca desde el renacimiento, el uso moderno de la palabra simulación

CONCEPTO DE SIMULACION
Según Thomas H. Naylor; simulación es una técnica numérica para conducir experimentos en una computadora digital. Estos experimentos comprenden ciertos tipos de relaciones matemáticas y lógicas, las cuales son necesarias para describir el comportamiento y la estructura de sistemas complejos del mundo real a través  de lagos periodos de tiempo.
Según H. Maisel y G. Gnugnoli; simulación es una técnica numérica para realizar experimentos en una computadora digital. Estos experimentos involucran ciertos tipos de modelos matemáticos y lógicos que describen el comportamiento de sistemas de negocios, económicos, sociales, biológicos, físicos o químicos, a través de largos periodos de tiempo.
Según Robert E. Shannon; simulación es el proceso de diseñar y desarrollar un modelo computarizado de un sistema o proceso y conducir experimentos con este modelo con el propósito de entender el comportamiento del sistema o evaluar varias estrategias con las cuales puede operar el sistema.

TIPOS DE SIMULACION
Sistema Discreto
Las variables de estado cambian con solo en puntos discretos o contables en el tiempo. Un ejemplo típico de simulación discreta ocurre en las colas donde estamos interesados en la estimación de medidas como la longitud de la línea de espera. Tales medidas solo cambian cuando el cliente entra o sale del sistema; en todos los demás momentos, no ocurre nada en el sistema desde el punto de vista de la interferencia estadística. Otra definición es que el sistema discreto es una descripción en el estado del mismo.
Sistema Continuo
Las variables de estado cambian en forma continua a través del tiempo. Un ejemplo típico de simulación continua es el estudio de la dinámica de la población mundial. Otra descripción es que un sistema continuo tiene la forma de ecuaciones en que los atributos del sistema cambian con el tiempo.
Modelo
Se define modelo como el cuerpo de información relativa a un sistema recabado para fines de estudiarlo. Ya que al recabarlo y el propósito del estudio determina la naturaleza de la información que se reúne, no hay un modelo único de un sistema. Los distintos analistas interesados en diferentes aspectos del sistema o el mismo analista producirán distintos modelos del mismo sistema según cambie su comprensión del sistema.

CLASIFICACION DE LOS MODELOS
Existen múltiples tipos de modelos para representar la realidad. Algunos de ellos son:

• Dinámicos; utilizados para representar sistemas cuyo estado varía con el tiempo.
• Estáticos; utilizados para representar sistemas cuyo estado es invariables a través del tiempo.
• Matemáticos; representan la realidad en forma abstracta de muy diversas maneras
• Físicos; son aquellos en que la realidad es representada por algo tangible, construido en escala o que por lo menos se comporta en forma análoga a esa realidad (maquetas, prototipos, modelos analógicos, etc).
• Analíticos; la realidad se representa por formulas matemáticas. Estudiar el sistemas consiste en operar con esas formulas matemáticas (resolución de ecuaciones).
• Numéricos; se tiene el comportamiento numérico de las variables intervinientes. No se obtiene ninguna solución analítica.
• Continuos; representan sistemas cuyos cambios de estado son graduales. Las variables intervinientes son continuas.
• Discretos; representan sistemas cuyos cambios de estado son de saltos. Las variables varían en forma discontinua.
• Determinísticos; son modelos cuya solución para determinadas condiciones es única y siempre la misma.
• Estocásticos; representan sistemas donde los hechos suceden al azar, lo cual no es repetitivo. No se puede asegurar cuales acciones ocurren en un determinado instante. Se conoce la probabilidad de ocurrencia y su distribución equiparable dentro del intervalo.

PROCESO
Un proceso puede definirse informalmente como un programa en ejecución. Formalmente un proceso es una de una secuencia de instrucciones, un estado actual y un conjunto de recursos del sistema asociado.
Los procesos son gestionados por el sistema operativo y están formados por:

• Las instrucciones de un programa destinados a ser ejecutados por el microprocesador.
• Su estado de ejecución en un momento dado, esto es, los valores de los registros de la unidad central de procesamiento para dicho programa.
• Su memoria de trabajo (memoria crítica), es decir, la memoria que ha reservado y sus contenidos.
• Otra información que permite al sistema operativo su planificación.

Creación de un proceso
Básicamente hasta el día de hoy existen solo 4 formas de crear un proceso:

• Arranque del sistema
• Ejecución, desde un proceso de una llamada al sistema para la creación del proceso
• Una petición deliberada del usuario para crear un proceso
• El inicio de un trabajo por lotes.

Terminación de un proceso
El ciclo de vida de un proceso es sencillo, consta de la creación, la ejecución de instrucciones y la terminación. Cabe señalar que un proceso en el transcurso su ciclo puede estar en diferentes estados; salida normal, salida por error, error fatal y eliminado por otro proceso.
Tipos de procesos
Existen dos tipos de procesos, aquellos que se ejecutan en modo kernel, y aquellos que se ejecutan en modo usuario. Los primeros son más lentos por las llamadas al sistema que realizan, sin embargo, son más seguros por la integridad que representan. Cuando hablamos de los procesos de usuario, podemos decir que el sistema operativo podría no ser multiproceso, ya que se vale de librerías como pthread, para hacer un multiplexado y dar la apariencia de trabajar como multiproceso.

METODOLOGIA
Hace referencia al conjunto de procedimientos racionales utilizados para alcanzar una gama de objetivos que rigen en una investigación científica, una exposición doctrinal o tareas que requirieron habilidades, conocimientos o cuidados específicos. Alternativamente puede definirse la metodología como el estudio o elección de un método pertinente para un determinado objetivo.

IMPORTANCIA DE LA SIMULACIÓN EN LA INGENIERIA

• A través de un estudio de simulación, se puede estudiar el efecto de cambios internos y externos del sistema al hacer alteraciones en el modelo del sistema y observando los efectos de esas alteraciones en el comportamiento del sistema.
• Una observación detallada al sistema que se esta simulando puede conducir a un mejor entendimiento del sistema y por consiguiente a sugerir estrategias que mejoren la operación y eficiencia del sistema.
• La simulación de sistemas complejos puede ayudar a entender mejor la operación del sistema, a detectar las variables mas importantes que interactúan en el sistema y a entender mejor las interrelaciones entre estas variables.
• La técnica de simulación puede ser utilizada para experimentar con nuevas situaciones, sobre las cuales tiene poca o ninguna información. A través de esta experimentación se puede anticipar mejor a posibles resultados no previstos.
• Cuando nuevos elementos son introducidos en un sistema, la simulación puede ser usada para anticipar cuellos de botella o algún otro problema que puede surgir en el comportamiento del sistema.

EJEMPLOS DE USO DE LA SIMULACION
Simulación de un Sistema de Colas
Con la técnica de simulación es posible estudiar y analizar sistemas de colas cuya representación matemática seria demasiado complicado de analizar. Ejemplo de estos sistemas serian aquellos donde es posible la llegada a sistema en grupo, la salida de las cola del sistema, el reusar entrar al sistema cuando la cola es excesivamente grande, etc.
Simulación de un Sistema de Inventarios
A través de la simulación es mas fácil analizar sistemas de inventarios donde todos los parámetros (tiempo de entrega, demanda, costo de llevar inventario, etc.), son estocásticos.
Simulación de un Proyecto de Inversión
Existen en la práctica una gran cantidad de proyectos de inversión, donde la incertidumbre con respecto a los flujos de efectivo que el proyecto genera a las tareas de interés a las tasas de inflación, etc., hacen difícil y a veces imposible manejar analíticamente este tipo de problemas.
Simulación de Sistemas Económicos
La simulación puede ser utilizada para evaluar el efecto de cierto tipo de decisiones (devaluación de la moneda, el IVA, etc.), en las demás variables económicas, como producto nacional bruto, balanza comercial, inflación, oferta monetaria, etc.
Simulación de Estados Financieros
La expansión, la diversificación de una organización a través de la adquisición y establecimiento de nuevas empresas, repercute significativamente en su posición y estructura financiera. La simulación permite analizar cual de las estrategias de crecimiento son las que llevaran a la organización al logro de sus objetivos y metas de corto, mediano y largo plazo.

VENTAJAS DE LA SIMULACIÓN

• Se puede estudiar el efecto de cambio interno y externo del sistema al hacer alteraciones en el modelo del sistema y observando los efectos de esas alteraciones en el comportamiento del sistema.
• Una observación detallada del sistema que se esta simulando  puede conducir a un mejor entendimiento del sistema y por consiguiente sugerir estrategias que mejoren la operación y eficiencia del sistema.
• La simulación puede ser utilizada como instrumento pedagógico para enseñar a estudiantes, habilidades básicas en análisis estadístico, etc.
• Cuando nuevo elementos son introducidos en un sistema, la simulación puede ser utilizada para anticipar cuellos de botella o algún otro problema que pueda surgir en el comportamiento del sistema.

DESVENTAJAS

La simulación presenta el problema de requerir equipo computacional y recursos humanos costosos. Además generalmente se requiere bastante tiempo para que un modelo de simulación sea desarrollado y perfeccionado. Finalmente, es posible que la alta administración de una organización no entienda esta técnica y esto crea dificultad en vender la idea.

ETAPAS PARA REALIZAR UN ESTUDIO DE SIMULACION
Para llevar a cabo un experimento de simulación es:
Definición del sistema
Primero es necesario hacer un análisis preliminar del mismo, con el fin de determinar la interacción del sistema con otros sistemas, con el fin de las restricciones del sistema, las variables que interactúan dentro del sistema y sus interrelaciones, las medidas de efectividad que se van a utilizar  para definir y estudiar el sistema y los resultados que se esperan obtener del estudio.
Formulación del modelo
El siguiente paso es definir y construir el modelo con el cual se obtendrán los resultados deseados. En la formulación del modelo es necesario definir todas las variables que forman parte de él, sus relaciones lógicas y los diagramas de flujo que describen en forma completa al modelo.
Colección de datos
Es importante que se definan con claridad y exactitud los datos que el modelo va a requerir para producir los resultados deseados. Normalmente la información requerida por un modelo se puede obtener de registros contables, de ordenes de trabajo, de ordenes de compra, de opiniones de expertos y si no hay otro remedio por experimentación.
Implementación del modelo en la computadora
Con el modelo definido, el siguiente paso es decidir si se utiliza algún tipo de lenguaje como fortran, basic, algol, etc., o se utiliza algún paquete como GPSS, simula, script, etc., para procesarlo en la computadora y obtener los resultados deseados.
Validación
A través de esta etapa es posible detallar deficiencias en la formulación del modelo o en los datos alimentados al modelo. Las formas más comunes de validar un modelo son:

• La opinión de expertos sobre los resultados de la simulación
• La exactitud con que se predicen datos históricos
• La exactitud en la predicción del futuro
• La comprobación de falla del modelo de simulación al utilizar datos que hacen fallar al sistema real.
• La aceptación y confianza en el modelo de la persona que hará uso de los resultados que arroje el experimento de simulación.

Experimentación
La experimentación con el modelo se realiza después de que este ha sido validado. La experimentación consiste en generar los datos deseados y en realizar análisis de sensibilidad de los índices requeridos.
Interpretación
En esta etapa del estudio, se interpretan los resultados que arroja la simulación y en base a esto se toma una decisión. Es obvio que los resultados que se obtienen de un estudio de simulación ayudan a soportar decisiones del tipo semi-estructurado, es decir, la computadora en si no toma la decisión , sino que la información que proporciona ayuda a tomar mejores decisiones y por consiguiente a sistemáticamente obtener mejores resultados.
Documentación
Dos tipos de documentación son requeridos para hacer un mejor uso del modelo de simulación. La primera se refiere a la documentación del tipo técnico, es decir, la documentación que el departamento de procesamiento de datos de tener del modelo. La segunda se refiere al manual del usuario, con el cual se facilita la interacción y el uso del modelo desarrollo, a través de una terminal de computadora.

¿CUANDO SIMULAR?
Como regla general, la simulación es apropiada cuando:

• Desarrollar un modelo analógico, es muy difícil o quizás aun imposible.
• El sistema tiene una o mas variables aleatorias relacionadas.
• La dinámica del sistema es extremadamente compleja.
• El objetivo es observar el comportamiento del sistema sobre un periodo.
• La habilidad de mostrar la animación es importante.

TIPOS DE MODELOS DE SIMULACION
Modelo Estático Vs Dinámico
Un modelo de simulación estática, se entiende como la representación de un sistema para instante (en el tiempo) en particular o bien para representar un sistema en el que el tiempo no es importante, por ejemplo la simulación Monte Carlo; en cambio un modelo de simulación dinámica representa un sistema en el que el tiempo es una variable de interés, por ejemplo el sistema de transporte de materiales dentro de una fabrica, una torre de enfriamiento en una central termoeléctrica, etc.
Modelo de Simulación Deterministica Vs Estocastica
Si un modelo de simulación no considera ninguna variable importante, comportandose de acuerdo con la ley probabilistica, se le llama a un modelo de simulacion deterministica. En estos modelos las salidas queda determinado una vez que se especifican los datos y realidad de tiempo de computo para su evaluación. Sin embargo, muchos sistemas se modela tomando en cuenta algun componente aleatorio de entrada, lo que da la caracteristica del modelo estocastico de simulación.
Modelo de Simulación Continuo Vs Discreto
Se definen de manera analoga a los sistemas discretos y continuos respectivamente. Un sistema discreto no utiliza necesariamente un modelo discreto para su simulación, el uso del modelo depende de los objetivos especificos de estudio.