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시뮬레이션

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목차

1. 개요

시뮬레이션은 대상 시스템의 작동 원리를 모방한 모델, 모형, 또는 컴퓨터 프로그램을 사용하여 수행되며, 현실에서 실험하기 어렵거나 불가능한 상황을 가상으로 구현하여 연구하는 데 사용된다. 물리 시뮬레이션, 대화형 시뮬레이션, 컴퓨터 시뮬레이션 등 다양한 유형이 있으며, 기상 예보, 경제, 군사, 교육, 재난 대비, 제조 등 광범위한 분야에서 활용된다. 컴퓨터의 발전으로 복잡한 계산이 가능해지면서 시뮬레이션의 활용 범위가 더욱 넓어졌으며, 교육 및 훈련, 제품 개발, 정책 결정 등 다양한 분야에서 중요한 도구로 사용된다.

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시뮬레이션
개요
컴퓨터 시뮬레이션 예시
컴퓨터 시뮬레이션 예시
정의시간 경과에 따른 실제 프로세스 또는 시스템의 작동 모방
관련 분야수학
물리학
컴퓨터 과학
목적 및 응용
목적시스템의 동작 예측, 성능 분석, 의사 결정 지원, 교육 및 훈련 등
응용 분야공학
경제학
생물학
사회과학
군사
엔터테인먼트
유형
분류 기준모델 유형 (연속 vs. 이산)
확률성 (결정적 vs. 확률적)
시간 처리 방식 (정적 vs. 동적)
주요 유형몬테카를로 방법
이산 사건 시뮬레이션
에이전트 기반 모델링
시스템 다이내믹스
모델링 및 구현
모델링 단계문제 정의
개념 모델 개발
전산 모델 개발
검증 및 유효성 확인
실험 설계
결과 분석 및 보고
구현 도구범용 프로그래밍 언어 (예: C++, 파이썬)
시뮬레이션 전용 언어 (예: GPSS, Simula)
시뮬레이션 소프트웨어 (예: AnyLogic, Arena)
장점 및 단점
장점실제 시스템 실험의 어려움 극복
비용 절감
위험 감소
다양한 시나리오 분석 가능
단점모델의 정확성 문제
개발 및 실행 시간 소요
결과 해석의 어려움
같이 보기
관련 항목모델링
컴퓨터 모델
가상 현실
시뮬레이션 이론
시뮬레이터
모의 실험
에뮬레이션
실험

2. 시뮬레이션의 정의 및 유형

시뮬레이션은 대상 시스템의 작동 원리를 추정하고 이를 모방하여 구축한 모델, 모형, 컴퓨터 프로그램 등을 사용하여 수행된다.[113][116]

현실 시스템을 작동시켜 그 거동과 결과를 확인하는 것이 어렵거나, 불가능하거나, 위험한 경우에 시뮬레이션이 사용된다.[113][116]

예를 들어, 사회 현상 등에서의 문제 해결 방법을 모색할 때 (악영향이 있으므로 실제 사회에서는 우선 시도할 수 없으므로) 실제 사회와 유사한 상황을 수식 등으로 만들어 컴퓨터 등을 사용하여 모의적으로 작동시켜 그 특성 등을 파악하는 데 사용한다.[117] 예를 들어 풍동 실험, 수조 실험에서 작동하는 법칙을 수학적 모델로 대체하여 수행한다.[117][113][116][118][119] 또한 예를 들어 경영에 관한 다양한 사상을 수학적 모델로 대체해 보고, 다양한 수치를 입력하거나 변화시킴으로써 결과를 추정한다.[117][120]

시뮬레이션을 위한 장치나 프로그램을 시뮬레이터(simulator)라고 한다.

대상 시스템에서 작동하는 법칙을 얼마나 충실하게 모방하느냐에 따라 시뮬레이션의 정밀도는 달라진다. 시뮬레이션의 질은 시뮬레이션을 설계하는 사람의 기량과 어느 정도까지 법칙을 간파하고 어디까지 그 법칙을 모방시켰는지에 따라 달라진다. 현실의 법칙을 충분히 모방하지 않은 시뮬레이션은 현실과는 다른 거동을 보인다.

컴퓨터를 사용하여 연속 현상을 이산화한 적산에 의한 시뮬레이션은 반드시 오차가 발생하며, 그 오차는 축적된다.[121][122] 따라서 컴퓨터에 의한 시뮬레이션을 통해 양호한 결과를 얻기 위해서는 모델링에 의한 오차 추정이 중요해진다.

== 시뮬레이션의 유형 ==


  • '''물리 시뮬레이션:''' 실제 물체를 사용하여 실물을 대체하는 시뮬레이션을 의미한다.[7] 이러한 물리적 객체는 실제 객체나 시스템보다 작거나 저렴하기 때문에 선택되는 경우가 많다.
  • '''대화형 시뮬레이션:''' 특수한 종류의 물리 시뮬레이션으로, 종종 ''인간-루프'' 시뮬레이션이라고 하며, 항공 시뮬레이터, 항해 시뮬레이터, 또는 운전 시뮬레이터와 같이 인간 조작자를 포함하는 물리 시뮬레이션이다.
  • '''연속 시뮬레이션:''' 이산 시간이 아닌 연속 시간 단계를 기반으로 하며, 미분 방정식의 수치 적분을 사용한다.[8]
  • '''이산 사건 시뮬레이션:''' 상태가 이산적인 시간에만 값을 변경하는 시스템을 연구한다.[9] 예를 들어, 전염병 시뮬레이션은 감염되기 쉬운 개인이 감염되거나 감염된 개인이 회복되는 시점에 감염된 사람의 수를 변경할 수 있다.
  • '''확률적 시뮬레이션:''' 일부 변수 또는 프로세스가 임의 변동의 영향을 받고 몬테카를로 기법을 사용하여 의사 난수를 사용하여 투영되는 시뮬레이션이다. 따라서 동일한 경계 조건을 가진 반복 실행은 각기 특정 신뢰 구간 내에서 서로 다른 결과를 생성한다.[8]
  • '''결정론적 시뮬레이션:''' 확률적이지 않은 시뮬레이션이다. 따라서 변수는 결정론적 알고리즘에 의해 규제된다. 따라서 동일한 경계 조건에서 반복 실행하면 항상 동일한 결과가 생성된다.
  • '''하이브리드 시뮬레이션'''(또는 결합된 시뮬레이션): 연속 시뮬레이션과 이산 사건 시뮬레이션 간의 혼합에 해당하며, 불연속점 수를 줄이기 위해 두 개의 순차적인 사건 간에 미분 방정식을 수치적으로 통합하는 결과를 낳는다.[10]
  • '''독립형 시뮬레이션:''' 단일 워크스테이션에서 자체적으로 실행되는 시뮬레이션이다.
  • ''':''' 여러 대의 컴퓨터를 동시에 사용하여(예: 서로 다른 시스템을 운영하는 다중 사용자 또는 분산 데이터 세트) 다양한 리소스에서/에 대한 액세스를 보장하는 시뮬레이션이다. 고전적인 예는 분산 상호 작용 시뮬레이션 (DIS)이다.[11]
  • '''병렬 시뮬레이션:''' 고성능 컴퓨팅과 같이 여러 프로세서에 작업 부하를 동시에 분산시켜 시뮬레이션 실행 속도를 높인다.[12]
  • '''상호 운용 가능한 시뮬레이션:''' 여러 모델, 시뮬레이터(종종 페더레이트라고 정의됨)가 로컬로 상호 작용하고 네트워크에 분산되는 경우이다. 고전적인 예는 상위 수준 아키텍처이다.[13][14]
  • '''서비스로서의 모델링 및 시뮬레이션:''' 웹을 통해 시뮬레이션에 서비스로 액세스하는 경우이다.[15]
  • '''모델링, 상호 운용 가능한 시뮬레이션 및 진지한 게임:''' 진지한 게임 접근 방식(예: 게임 엔진 및 참여 방법)이 상호 운용 가능한 시뮬레이션과 통합되는 경우이다.[16]
  • '''시뮬레이션 충실도'''는 시뮬레이션의 정확도와 실제와 얼마나 가깝게 모방하는지를 설명하는 데 사용된다. 충실도는 일반적으로 낮음, 중간, 높음의 세 가지 범주 중 하나로 분류된다. 충실도 수준에 대한 구체적인 설명은 해석에 따라 다르지만, 다음과 같은 일반화를 할 수 있다.
  • * 낮음 – 시스템이 입력을 수락하고 출력을 제공하는 데 필요한 최소 시뮬레이션
  • * 중간 – 제한된 정확도로 자극에 자동으로 응답
  • * 높음 – 실제 시스템과 거의 구별할 수 없거나 최대한 가깝게
  • '''합성 환경'''은 인간-루프 시뮬레이션에 포함될 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션이다.
  • '''고장 분석에서의 시뮬레이션'''은 장비 고장의 원인을 식별하기 위해 환경/조건을 생성하는 시뮬레이션을 의미한다. 이는 고장 원인을 식별하는 가장 좋고 빠른 방법일 수 있다.

우주 공간의 인간-루프 시뮬레이션


|thumb|right|직접 수치 시뮬레이션 모델의 시각화]]

2. 1. 물리 시뮬레이션

실제 물체를 사용하여 실물을 대체하는 것도 시뮬레이션의 일종이다. 이를 '물리적 시뮬레이션'이라고도 한다.[140] 대체하는 물체로는 실물보다 작거나 저렴한 것이 선택된다. 제1차 세계 대전 당시에는 목제 말을 사용한 시뮬레이션 훈련이 이루어졌다.
목제 말을 사용한 시뮬레이션 훈련. (제1차 세계 대전 당시)


항공기나 자동차의 공기 특성 예측[141]이나 교통 사고 상황 재현[142] 등에서 모형 실험이 활용되었지만, 재현성에 관련된 요인이 부족하면 현실의 현상을 정확하게 근사할 수 없다. 예를 들어 미니어처(유사 모형)에 의한 실험에서 상사 법칙이 성립하는지 여부의 지표가 되는 것은 파이 수라는 무차원량이다.[140]

2. 2. 컴퓨터 시뮬레이션

컴퓨터 시뮬레이션은 실제 또는 가상의 상황을 컴퓨터로 모델링하여 시스템의 작동 방식을 연구하는 것이다.[3] 변수를 변경함으로써 시스템의 동작에 대한 예측을 할 수 있으며, 연구 대상 시스템의 동작을 가상으로 조사하는 도구이다.[3]

컴퓨터 시뮬레이션은 물리학, 화학, 생물학의 많은 자연 시스템[19] 및 경제학, 사회 과학 (예: 계산 사회학)의 인간 시스템뿐만 아니라 공학 분야에서도 이러한 시스템의 작동에 대한 통찰력을 얻는 데 사용된다. 예를 들어 네트워크 트래픽 시뮬레이션 분야에서 유용성이 잘 드러난다. 이러한 시뮬레이션에서 모델의 동작은 환경에 대해 가정된 초기 매개변수 집합에 따라 각 시뮬레이션마다 변경된다.[3]

전통적으로 시스템의 공식적인 모델링은 수학적 모델을 통해 이루어졌으며, 이는 매개변수 집합과 초기 조건에서 시스템의 동작을 예측할 수 있도록 하는 분석적 해를 찾는 것을 시도한다. 컴퓨터 시뮬레이션은 간단한 폐쇄형 분석적 해가 불가능한 시스템 모델링에 대한 보조 또는 대체로 자주 사용된다.[3]

컴퓨터 시뮬레이션에는 여러 가지 유형이 있으며, 그들이 공유하는 공통적인 특징은 모든 가능한 상태를 완전하게 열거하는 것이 금지되거나 불가능할 모델에 대한 대표적인 시나리오 샘플을 생성하려는 시도이다.[3]

컴퓨터 기반 시뮬레이션 모델링을 실행하기 위한 여러 소프트웨어 패키지(예: 몬테카를로 시뮬레이션, 확률적 모델링, 다중 방법 모델링)가 존재한다.[3]

앨런 튜링은 ''시뮬레이션''이라는 용어를 사용하여 범용 기계가 대상 이산 상태 기계의 상태 전이, 입력 및 출력을 설명하는 상태 전이 테이블(현대 용어로 컴퓨터가 프로그램을 실행하는 것)을 실행할 때 발생하는 현상을 지칭했다.[20]

이론적인 것 외에도, 컴퓨터 시뮬레이션의 흥미로운 응용 분야는 컴퓨터를 사용하여 컴퓨터를 시뮬레이션하는 것이다. 컴퓨터 아키텍처에서 일반적으로 ''에뮬레이터''라고 불리는 유형의 시뮬레이터는 불편한 유형의 컴퓨터에서 실행해야 하는 프로그램을 실행하는 데 자주 사용된다.[3]

시뮬레이터는 또한 고장 트리를 해석하거나, 제작 전에 VLSI 논리 설계를 테스트하는 데 사용될 수 있다. 기호 시뮬레이션은 알려지지 않은 값을 나타내기 위해 변수를 사용한다. 최적화 분야에서는 물리적 프로세스의 시뮬레이션이 진화 컴퓨팅과 함께 제어 전략을 최적화하는 데 자주 사용된다.[3]

네트워크 및 분산 시스템은 실제 시스템에 배포되기 전에 새로운 프로토콜과 알고리즘의 영향을 이해하기 위해 광범위하게 시뮬레이션되어 왔으며, 콘텐츠 전송 네트워크[96][97][98][99], 스마트 시티, 사물 인터넷등의 시뮬레이션에 사용된다.

기후 변화의 예측에는 적절한 기후 모델을 사용한 컴퓨터 시뮬레이션이 필수적이다. 2021년에는, 처음으로 대기 해양 결합 모델을 개발하여 지구 온난화에 대해 구체적인 온도 변화의 숫자도 컴퓨터로 산출하여 과학적 연구를 가능하게 한 마나베 슈쿠로에게 노벨 물리학상이 수여되었다.

3. 시뮬레이션의 역사

고대부터 질병 상태를 보여주는 모형이 여러 문화와 대륙에서 발견되었으며, 이러한 모형은 질병의 임상적 특징과 인간에게 미치는 영향을 보여주기 위해 사용되었다. 일부 문화에서는 여성이 남성 의사와 상담하면서 사회적 예절을 유지할 수 있도록 "진단" 도구로 사용되기도 했다.[45] 현대에는 모델을 통해 학생들이 해부학적 구조와 근골격계 및 장기 시스템을 배울 수 있다.[45]

1940년대에는 최초의 시뮬레이션 게임이 등장했다. 1947년경 토마스 T. 골드스미스 주니어와 에스틀 레이 만은 미사일 궤적과 속도를 조정할 수 있는 간단한 미사일 시뮬레이션 게임을 만들었다. 1958년에는 윌리 히긴보덤이 만든 Tennis for Two라는 컴퓨터 게임이 등장했는데, 이 게임은 오실로스코프에 표시되는 두 명의 플레이어 간의 테니스 게임을 시뮬레이션했다.[56]

20세기에는 시스템 이론 및 사이버네틱스 연구와 함께 시뮬레이션 개념이 발전했다. 1972년 영화 ''A Computer Animated Hand''에서는 컴퓨터 생성 이미지가 객체를 시뮬레이션하는 데 사용되었고, 1976년 영화 ''미래의 세계''에서 대형 스크린으로 상영되었다. 1977년 영화 ''스타워즈''에서는 어린 스카이워커가 끄는 "타겟팅 컴퓨터"가 등장했다. 영화 ''트론''(1982)은 컴퓨터 생성 이미지를 몇 분 이상 사용한 최초의 영화였다.[57]

1980년대 기술 발전으로 3D 시뮬레이션이 더 널리 사용되었으며, 영화와 아타리의 ''배틀존''(1980) 및 Acornsoft의 ''엘리트''(1984)와 같은 컴퓨터 기반 게임에 등장하기 시작했다. 엘리트는 홈 컴퓨터용 최초의 와이어프레임 3D 그래픽 게임 중 하나였다.

1980년대 기술 발전으로 컴퓨터 가격이 저렴해지고 성능이 향상되면서[58], Xbox 게이밍과 같은 컴퓨터의 성장을 촉진했다. 1970년대와 1980년대 초에 출시된 최초의 비디오 게임 콘솔들은 1983년 산업 붕괴의 희생양이 되었지만, 1985년 닌텐도는 닌텐도 엔터테인먼트 시스템(NES)을 출시하여 비디오 게임 역사상 가장 많이 팔린 콘솔 중 하나가 되었다.[59] 1990년대에는 ''심즈''와 ''커맨드 앤 컨커''와 같은 게임이 출시되고 데스크톱 컴퓨터의 성능이 계속 증가하면서 컴퓨터 게임이 널리 인기를 얻었다. 오늘날, ''월드 오브 워크래프트''와 같은 컴퓨터 시뮬레이션 게임은 전 세계 수백만 명의 사람들에게 즐겨지고 있다.

1993년 영화 ''쥬라기 공원''은 컴퓨터로 생성된 그래픽을 광범위하게 사용하고 시뮬레이션된 공룡을 실사 장면에 거의 완벽하게 통합한 최초의 대중적인 영화가 되었다.

이 사건은 영화 산업을 변화시켰다; 1995년 영화 ''토이 스토리''는 컴퓨터로 생성된 이미지만을 사용한 최초의 영화였고, 새로운 밀레니엄 시대에는 컴퓨터로 생성된 그래픽이 영화 특수 효과의 주요 선택이 되었다.[60]

2000년대 초 가상 시네마토그래피의 등장으로 인해 이것 없이는 촬영이 불가능했을 영화들이 폭발적으로 증가했다. 고전적인 예로는 가상 배우인 ''매트릭스'' 속편의 네오, 스미스 및 기타 캐릭터의 디지털 모습과, ''반지의 제왕'' 3부작에서 물리적으로 불가능한 카메라 움직임을 광범위하게 사용한 것이다.

''팬암'' 촬영 당시에는 더 이상 터미널이 존재하지 않았지만, 자동화된 카메라 앵글 찾기 및 실제 영상과 시뮬레이션 영상을 합성하는 가상 시네마토그래피를 사용하여 문제를 해결했다. 이는 2000년대 초부터 영화 예술가들의 주된 기술이 되었고 영화 스튜디오에서 널리 사용되었다.

컴퓨터 생성 이미지는 "3D 컴퓨터 그래픽스 분야를 특수 효과에 적용한 것"이다. 이 기술은 비용, 자원 또는 안전 문제로 인해 다른 기술로는 불가능한 고품질의, 제어 가능한 효과를 만들 수 있기 때문에 시각 효과에 사용된다.[61] 컴퓨터 생성 그래픽은 오늘날 많은 실사 영화, 특히 액션 장르 영화에서 볼 수 있다. 또한 컴퓨터 생성 이미지는 어린이 영화에서 손으로 그린 애니메이션을 거의 완전히 대체했으며, 이러한 영화는 점점 더 컴퓨터로만 생성되고 있다. 컴퓨터 생성 이미지를 사용하는 영화의 예로는 ''니모를 찾아서'', ''300'' 및 ''아이언맨''이 있다.

2002년에는 의료 시뮬레이션 학회(SSH, Society for Simulation in Healthcare)가 설립되어 의료 분야에서 의료 시뮬레이션 적용의 국제적인 전문 분야 간 발전을 선도하게 되었다.[46]

4. 시뮬레이션의 활용 분야

시뮬레이터나 움직임이 빠른 텔레비전 게임은 영상을 만들어 내고 그것을 연속적으로 바꿔 줌으로써, 마치 움직이는 것처럼 보이게 하는 컴퓨터의 기능을 이용한 장치이다. 군대, 항공수송 기관, 우주개발 기관 등에서 많이 쓰이며, 더욱 정교한 성능의 시뮬레이터를 개발하기 위한 연구가 계속되고 있다.

모형을 사용한 지진 시 건물의 거동 시뮬레이션

  • 건축물이나 자동차 등 제품의 메커니즘에 내재된 결함(부하, 강도 등)을 모형이나 컴퓨터로 찾아 제거한다.
  • 비즈니스에서 고객층, 상품, 시간대, 점포 등의 조사 결과를 시뮬레이션에 반영하여 효율적인 판매를 한다.
  • 재해 발생 및 규모 예측. 지진,[123] 해일,[124][125] 화재 등 자연재해, 원자력 발전소의 멜트다운이나 항공기 사고 등 인재 등 방재.
  • 자동차의 드라이브 시뮬레이터나 항공기의 플라이트 시뮬레이터 등 각종 조종, 조작을 배우는 수단으로 활용. 다양한 상황, 특히 실제 기기에서는 위험을 수반하는 장면을 체험하는 것이 가능.[126][127][128][129][130][131]
  • 시뮬레이션 게임에서는 시뮬레이션을 오락으로 즐긴다. 보드, 말, 카드 등을 사용하여 현상을 재현하는 룰에 따라 플레이하는 것과, 컴퓨터를 사용하여 현상을 재현하는 것이 있다. 워 게임, 전략 게임, 경영 게임 등[132][133][134]。 앞서 언급한 드라이브, 플라이트 시뮬레이터는 레이스, 전투 등의 형태로 게임으로도 존재한다.
  • 그 외에도, 일기 예보나 인구의 추이, 예측, 분석, 의료 분야에서도 널리 사용되고 있다.[135][136][137][138][139]

컴퓨터의 등장으로, 인간의 손으로 계산하기에는 거의 불가능한 방대한 양의 총력전을 통해서만 수행할 수 있는 계산이 비교적 짧은 시간 안에 가능해졌기 때문에, 컴퓨터에 의한 시뮬레이션은 자연 현상, 경제 활동, 인구의 추이 등에 사용되게 되었다. 컴퓨터의 연산 능력의 발전은, 이전에는 축소 모형이나 실물 크기 모형 등으로 수행되던 실험을 계산에 의한 가상 공간에서만 실험・예측하는 것이 가능하게 되었다.

;물리학

예를 들어, 나뭇잎이 흩날리는 움직임을 통상적인 손 계산으로 이끌어내는 것은 불가능했다. 이것은 중력이나 공기 저항뿐만 아니라, 나뭇잎 자체의 움직임에 의한 공기의 상태 변화 등이 복잡하게 얽혀 있기 때문이다. 이러한, 카오스틱한 행동에 대해, 단순 계산을 방대하게 반복할 수 있는 컴퓨터를 통해, 어느 정도의 주기성이나 규칙성을 찾아낼 수 있다.[116][156]

;기상학・기상 예보

최근의 기상 예보에는, 컴퓨터 시뮬레이션이 필수적이다. 지구라는 구체를 격자(메쉬)로 구획한 모델을 사용하여, 슈퍼컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션을 수행하고 있다. 컴퓨터의 성능이 향상됨에 따라 점차 격자의 크기를 작게 할 수 있게 되었고, 예측 정확도가 향상되었다.[157][158]

;천문학

수치 시뮬레이션은 천문학에서 세 번째 방법으로 간주된다. 천문 현상은 시간의 길이와 공간적 규모가 크기 때문에 실험실에서 실험하는 것이 불가능하므로, 컴퓨터 시뮬레이션이 필요하다. 천체 물리학자는 컴퓨터 안에 우주를 창조하고 그 안에서 천문 현상을 재현하여 그 거동을 확인한다.[159]

;컴퓨터의 실기 시뮬레이션(모방)

컴퓨터를 사용한 컴퓨터의 시뮬레이션이라는 것도 있다. 에뮬레이터라고 불리는 시뮬레이터도 사용된다(예를 들어 실기로 실행하는 것이 어렵거나 귀찮은 경우, 제어된 테스트 환경 하에서 프로그램을 실행하여 실질적인 피해가 발생하지 않는 안전한 상태에서 결과를 사전에 확인하기 위해 사용된다).

가상화라는 것도 시뮬레이션의 일종이다. 예를 들어, 마이크로프로그램이나 응용 프로그램을 실기에 전송하기 전에 디버깅하는 데 사용한다. 컴퓨터의 동작이 시뮬레이션이므로, 컴퓨터의 동작에 대한 모든 정보를 프로그래머가 직접 사용할 수 있으며, 속도를 변경하거나 단계별 실행 등을 원하는 대로 할 수 있다. 한편, 소위 "게이트 레벨"의 완전한 에뮬레이션은 현실적이지 않은 경우가 많고, 또한 보통은 거기까지 엄밀하게 에뮬레이션할 필요가 없는 경우도 많지만, 예를 들어 에뮬레이션할 수 없는 부분의 실기에 버그가 있는 경우의 디버깅까지는 할 수 없다. 프로그램에 의한 시뮬레이션으로는 속도적으로 불충분한 필요한 경우에는, FPGA 등과 같은 프로그래밍 가능한 하드웨어를 통해, 에뮬레이션 또는 시뮬레이션을 수행하는 경우도 있다. VMware, VirtualBox, Hyper-V 등을 사용하여, 가상으로 OS를 구축하고, 다양한 환경을 설정하여 OS의 동작을 안전한 환경에서 확인하는 방법도 일반화되고 있다.

::에뮬레이터, 명령어 집합 시뮬레이터, 가상화, 가상 머신 등도 참조.

;통신 프로토콜 시뮬레이션

TCP/IP 등의 통신 프로토콜 분야에서는 매일 새로운 방식이 제안되고 있다. IEEE나 ITU, 또는 일본의 전파 산업회 (ARIB) 등에서 차세대 통신 프로토콜의 표준 규격이 논의되는데, 이 때 각 제안자의 안으로 제시되는 규격이, 다양한 조건 하에서 어떤 특성을 가지고 있는지 비교 검토할 필요가 있다. 이러한 국면에서 통신 프로토콜의 시뮬레이션이 필수적이다. 2계층(데이터 링크 계층) 이상의 통신 프로토콜 규격은 상태 전이도로 기술되는 경우가 많지만, 기술된 상태 전이 등의 처리, 조건을 컴퓨터 상에서 시뮬레이션하여, 처리량 및 오류 처리에 대한 평가를 수행한다.

학술 기관에서 사용되는 시뮬레이터는 ns[160] 등의 오픈 소스 소프트웨어가 많지만, 민간 기업이나 민간 연구소와 같이, 자금에 여유가 있고 응용에 가까운 연구를 수행하는 조직에서는, 대규모 토폴로지 구축 등을 용이하게 수행할 수 있는 툴이 정비되어, 보다 신속하게 현실에 맞는 해석이 가능한 Qualnet[161][162], OPNET Modeler[163][164] 등의 상용 시뮬레이터를 사용하는 경우가 많다.

이 분야의 시뮬레이션에서는 신호 처리 부분을 MATLAB/Simulink,[165] 전파 전파 부분을 WirelessInSight, Winprop, Atoll 등의 다른 시뮬레이터 및 계산 소프트웨어와 연계하는 경우도 있다. 또한, 특히 무선, 이동체의 분야에서는 각 통신기기의 움직임도 중요한 요소가 되므로 그 부분에 관해서 다른 툴이나 실제 계측값 등과 연계하는 시도도 이루어지고 있다.

Qualnet, OPNET Modeler[166] 등의 상용 툴에서는 실제 네트워크 상에서 흐르는 통신 패킷을 시뮬레이터와 연결할 수 있는 것도 있어, 가상 네트워크를 이용했을 때의 동영상 품질 확인 등에도 사용되고 있다.

;전자 회로의 설계・실험

컴퓨터에서 전자 회로의 설계나 실험을 하는 데, SPICE나 SPICE를 기원으로 하는 전자 회로 시뮬레이션 소프트웨어 등이 사용되고 있다. 전자 회로를 소정의 형식으로 시뮬레이터에 입력(GUI에 의한 입력이 가능한 것도 많다)하면, 각 전자 부품의 전기적 특성을 바탕으로 회로의 동작이 계산되어, 회로의 동작을 조사할 수 있다.[167]

마이크로프로세서 등 고도로 복잡한 디지털 LSI의 논리 설계도, 실제로 제조에 들어가기 전에 시뮬레이터로 테스트된다.

;안테나 시뮬레이션

무선 공학에서는, 안테나의 설계를 하는 데 안테나 시뮬레이션 소프트웨어가 사용된다. 아마추어 용도로는 MMANA나 MMANA-GAL 등의 프리웨어가 있다. 안테나의 물리적인 형상을 입력하면, 자유 공간 및 특정 지상고에서의 안테나 상의 전압 분포, 전류 분포, 공진 주파수, 급전점에서의 임피던스 특성, SWR 특성 등을 계산에 의해 구할 수 있다. 단축형 안테나 및 멀티 밴드 안테나의 설계를 위해, 연장 코일, 단축 콘덴서, LC 트랩 등을 삽입했을 때의 리액턴스 값을 구하는 것도 가능하다.

;전파 전파 시뮬레이션

무선 공학에서, 전파 전파 (전파의 전달 방식)를 시뮬레이션하는 데 전파 전파 시뮬레이션 소프트웨어가 사용된다. VHF 및 UHF의 텔레비전 방송국 및 중계국의 서비스 에어리어를 조사하기 위해, 미국의 연구자 A. G. Longley 와 P. L. Rice 가 1968년에 Longley-Rice Model 알고리즘을 개발・발표했다. 이 알고리즘은 20 MHz - 20 GHz의 주파수에 적용할 수 있으며, 이것을 기반으로 한 전파 전파 시뮬레이션 소프트웨어가, 일본의 몇몇 전기 통신 컨설턴트 회사에 의해 개발되고 있다.[168]

시뮬레이션하려면, 소프트웨어에, 대지의 전도율과 비유전율, 대기의 굴절률, 송신 장소 및 수신 장소의 표고, 주파수, 전파의 편파면, 안테나의 이득 및 지상고, 송신기의 출력, 수신기의 감도 등의 값을 부여한다. 또한, 시뮬레이션 대상 지역의 디지털 지형 데이터(예를 들어 NASA의 FTP 사이트[169]에서 다운로드할 수 있다)를 부여한다. 그러면, 전파의 대기에 의한 굴절, 지형에 의한 반사 및 회절, 전파가 전달되는 과정에서 받는 감쇠 등을 계산하여, 전파가 도달하는 범위를 시뮬레이션한다. 결과는, 숫자 및 지도 상에 전파의 세기별로 그래픽하게 색상으로 구분하여 표시된다.[168]

프리웨어로서는 캐나다의 아마추어 무선가 Roger Coude(VE2DBE)가 1988년에 개발한 Radio Mobile[170]이 있다.[168]

;군사

군사 분야에서는 전투 상황을 시뮬레이션한 모델 연구가 진행되고 있으며, 지형, 시간, 손해율, 병력 수, 전투 가치, 이동 속도, 발견율, 명중률 등의 요소로부터 전투의 추이, 양군의 손해 등을 이끌어낼 수 있다. 또한 지휘관 시스템, 보급 계획 입안, 전술 연구, 해공군의 훈련 등에서 시뮬레이션이 사용되고 있다.[171][172]

또한, 최근의 전쟁에서는 정보를 전달하기 위한 통신 확보는 전황을 좌우하는 중요한 요소이므로, 부대 전개 시 산악 지대나 시가지 등에서도 병력 간의 통신이 끊기지 않고 이루어질 수 있음을 시뮬레이션하는 시스템(JCSS: 구칭 NetWars)을 미국 국방 정보 시스템국(DISA)이 개발하고 있다[173][174]。

역사적으로는 군사학적 연구에 유래하는 일부를 가진 작전 연구에서는, 수리적인 모델화와 컴퓨터 시뮬레이션은 양 바퀴를 이루고 있으며, 경제 등 사회 활동의 분석에 현대에서 널리 활용되고 있으며, 지금은 오히려 군사는 단지 그 응용 분야 중 하나일 뿐이다.[175][176][177]

;기타

시뮬레이터를 사용하여 고장 트리 분석을 수행하는 경우도 있다[178][179][180]。

최적화 문제 분야에서는, 물리 프로세스의 시뮬레이션이 진화적 계산과 함께 사용되어, 제어 전략의 최적화를 수행한다.

== 국방 ==

컴퓨터 시뮬레이터를 사용하여 훈련하는 유탄 발사기


군사 시뮬레이션은 전쟁 게임이라고도 하며, 실제 적대 행위 없이도 전쟁 이론을 시험하고 개선할 수 있는 모델이다.[95] 이들은 다양한 형태로 존재하며, 현실성이 다양한 정도를 갖는다. 최근에는 군사적 요소뿐만 아니라 정치적, 사회적 요소(예: 네이션랩 시리즈의 라틴 아메리카 전략 연습)까지 포함하도록 그 범위가 넓어졌다.[95] 많은 정부가 개별적으로 또는 공동으로 시뮬레이션을 활용하지만, 전문적인 분야 외에는 모델의 세부 사항에 대해 알려진 바가 거의 없다.

모형(도표와 말)을 사용한 전쟁 시뮬레이션의 예로, 『전국책』, 『묵자』에는 묵자가 공수반과 전쟁을 논하며 초왕 앞에서 모형을 사용하여 승부를 겨루었고, 공수반이 신병기인 운제를 사용하여 9번 공격했지만, 묵자의 수비가 견고하여 함락시키지 못했고, 이를 본 왕은 송을 침략하지 않겠다고 약속했다는 일화가 기록되어 있다. 이는 모형을 사용한 시뮬레이션을 통해 전쟁을 막은(수성전을 보여준) 일화이다. 또한 일본에서도 전국 시대의 다이묘인 우에스기 겐신은 2미터 사방의 성 모형을 사용하여 합전 시뮬레이션을 했다고 전해진다[143]。

병사가 행군이나 보병 전투 등을 시뮬레이션 하기도 한다. Operation Flashpoint: Cold War Crisis나 ArmA: Armed Assault에서 발전한 VBS1・VBS2가 미국, 호주 등의 군에서 채용되고 있다.

분대 단위의 사격 훈련이 가능한 대형 시뮬레이터도 등장하고 있으며, 육상자위대에서는 10명이 동시에 이용할 수 있는 "보통과 부대 전투 사격 훈련 시뮬레이터(GICCS)"를 도입하고 있다.

== 경제 및 금융 ==

경제학 시뮬레이션은 거시경제학에서 제안된 정책 조치(예: 재정 정책 변화, 통화 정책 변화)의 효과를 판단하는 데 사용된다.[77] 역사적 경제 데이터에 맞춰진 경제의 수학적 모델을 통해 정부 지출, 과세, 공개 시장 조작 등의 값을 입력하고, 인플레이션율, 실업률, 무역 수지 적자, 정부 예산 적자 등의 변수들을 출력하여 정책 입력값에 따른 결과를 비교한다.[77]

금융에서 컴퓨터 시뮬레이션은 시나리오 계획에 사용된다.[87] 위험 조정 순현재가치(NPV)는 입력값으로부터 계산되는데, 시뮬레이션은 다양한 할인율 및 변수에 대한 NPV 분포를 제공한다.[87] 금융 이론이나 모델의 능력을 테스트하는 데에도 시뮬레이션이 사용된다.[87]

시뮬레이션은 금융 교육에도 활용되어 참가자들이 다양한 상황을 경험하도록 돕는다. 주식 시장, 포트폴리오, 위험 관리, 외환 시뮬레이션 등이 있으며, 확률적 자산 모형을 기반으로 한다.[87]

지급 결제 및 증권 결제 시스템에도 시뮬레이션 기법이 적용된다.[100][101] 중앙 은행은 지급 시스템 시뮬레이션을 통해 유동성(계정 잔액 및 일중 신용 한도)의 적절성을 평가한다.[100][101] 유동성 필요성은 시스템의 가용성 및 네팅 절차 유형에 따라 달라지며, 시스템 비교 연구도 진행된다.[102] 통신 네트워크 고장, 참가자 지급 불능 등과 같은 사건 관련 위험 평가에도 활용된다.[103]

실제 경제에서는 사람들의 개별 행동 동기가 다양하지만, "사람은 모두 자신의 이익 추구만을 추구한다"는 복잡계 모델을 통해서도 사회 전체의 움직임을 파악하기는 어렵다. 주가나 물가 변동 등 경제 움직임 예측은 컴퓨터 시뮬레이션으로도 쉽지 않다.

금융에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 위험을 고려한 순현재가치(NPV)를 구하는 등 다양한 시나리오를 수립한다.

== 교육 및 훈련 ==

시뮬레이션은 교육 및 훈련 목적으로 광범위하게 사용된다.[21][22] 훈련생이 실제 장비를 실제 환경에서 사용하는 것이 비용이 너무 많이 들거나 위험한 경우, "안전한" 가상 환경에서 실생활과 같은 경험을 하며 훈련을 받을 수 있다.

각종 조종 및 조작 훈련에 시뮬레이터가 사용된다. 비행 시뮬레이터는 비행기 조종사 훈련에 필수적인 장치이다. 훈련받지 않은 조종사에게 실물 비행기를 조종시키는 것은 위험하고 비용이 많이 들기 때문이다. 비행 시뮬레이터는 조종석을 상하로 이동시키고 방향을 회전시키는 유압 장치 조작 컴퓨터와, 조종사가 보는 시계를 만들어 내는 컴퓨터로 구성된다. 컴퓨터는 여러 가지 기상 조건을 설정할 수 있으며, 밤과 낮에 맞추어 밝기를 조절할 수 있다.[88] 운전 시뮬레이터는 가상 환경에서 실제 차량의 특성을 재현하여 초보 운전자에게 유익한 경험을 제공하고, 숙련된 운전자는 더 복잡한 연습을 할 수 있게 한다.[181][182] 선박 시뮬레이터는 선박 승무원 훈련에 사용되며,[183][184] 선교 시뮬레이터, 기관실 시뮬레이터, 화물 처리 시뮬레이터, 통신/GMDSS 시뮬레이터, ROV 시뮬레이터 등이 있다.[93]

선박 조종 시뮬레이터


벨루오리존치에서 열린 ''Bienal do Automóvel'' 전시회의 오토바이 시뮬레이터


의료 교육 분야에서는 임상 의료 시뮬레이터가 의료 전문 인력에게 치료 및 진단 절차, 의료 개념 및 의사 결정을 가르치기 위해 개발 및 배포되고 있다.[30][31] 채혈과 같은 기본 절차에서부터 복강경 수술[30] 및 외상 치료에 이르기까지 다양한 절차를 훈련할 수 있다. 또한, 시뮬레이터는 새로운 치료법,[32] 치료법[33] 및 조기 진단을 위한 도구를 연구하고 개발하는 데 사용된다.[34] 환자 안전 연구 및 의료 전문가 교육에도 시뮬레이션이 활용된다.[37]

프로젝트 관리 시뮬레이션은 프로젝트 관리 교육 및 분석에 사용되며,[21][22] 주로 프로젝트 관리자를 위한 교육 시뮬레이션으로 활용된다.

사회 과학 교육에서는 ''사회 시뮬레이션''이 사용될 수 있다. 고등학교나 대학교 수준에서 인류학, 경제학, 역사, 정치학 또는 사회학 강좌에서 사회적 및 정치적 과정을 설명하는 데 활용된다.[23] 예를 들어, 시민 시뮬레이션이나 국제 관계 시뮬레이션 형태로 사용될 수 있다. 이러한 시뮬레이션은 허구의 정치 체제나 현재 또는 역사적 사건을 기반으로 할 수 있다.[23] 최근에는 원조 및 개발 기관의 직원 훈련에도 사회 시뮬레이션이 사용되고 있다.[25]

군사 훈련에서는 가상 사격장이 표준이 되었으며,[26] 소형 무기 및 기타 무기 시스템 훈련에도 시뮬레이션이 활용된다.

== 재난 대비 ==

시뮬레이션 훈련은 실제와 같은 경험을 통해 학습자가 비상 상황에 어떻게 반응하는지 추적하며, 테러 공격, 자연 재해, 팬데믹 발병 등 생명을 위협하는 비상 사태에 대처하는 방법에 대한 훈련을 포함한다.[74]

원격 교육 진흥 센터(CADE)는 응급 구조 요원들이 여러 유형의 공격에 대비할 수 있도록 비디오 게임을 활용했다.[75] 일리노이 대학교 시카고 캠퍼스(University of Illinois at Chicago, UIC)에서 개발한 이 게임은 학습자가 안전하고 통제된 환경에서 응급 기술을 연습할 수 있도록 돕는다.

캐나다 브리티시 컬럼비아 기술 연구소(BCIT)의 비상 시뮬레이션 프로그램(ESP)은 산불 진압, 석유 또는 화학 물질 유출 대응, 지진 대응, 법 집행, 시립 소방, 유해 물질 처리, 군사 훈련 및 테러 공격 대응 등 다양한 상황에 대한 훈련에 시뮬레이션을 사용한다.[76] ESP는 "동적 런타임 시계"를 구현하여 시뮬레이션 시간을 조절하고, 세션 기록, 그림 아이콘 기반 탐색, 개별 시뮬레이션 파일 저장, 멀티미디어 구성 요소 및 외부 응용 프로그램 실행을 지원한다.[76]

퀘벡 대학교 시쿠티미(University of Québec in Chicoutimi)의 야외 연구 및 전문 지식 연구소(LERPA) 연구팀은 야생 오지 사고 시뮬레이션을 사용하여 비상 대응 조정을 검증하는 연구를 진행한다.

시뮬레이션 훈련은 학습자의 성과를 추적하여 필요에 따라 교육 내용을 조정하고, 학습자에게 즉각적인 피드백 또는 요약을 제공하여 실제 비상 상황에 대비할 수 있도록 돕는다.

위기 관리 시뮬레이션은 쿠바 미사일 위기(1962년), 타이완 해협 위기, 냉전 시대의 핵전쟁 회피, 북한 핵 개발 관련 6자 회담, 2010년 어선 충돌 사건 등을 주제로 진행되어 왔다. 게이밍 시뮬레이션은 현실과 달리 "종료"가 있고 예정 조화적인 "상자 정원"적인 특징을 가지므로, 막바지 행동을 제어하는 것이 과제이다.[190][191]

예상치 못한 행동(사태)을 평가하는 것은 게이밍 시뮬레이션에서 중요한 문제이다.[192] 한국 전쟁(1950년), 소련 붕괴(1991년), 9.11 테러(2001년), 카불 함락(2021년), 2022년 러시아의 우크라이나 침공 등 현실에서 발생한 "예상 밖"의 사건에 대응하여 가상 세계에서 유사한 변화를 일으키는 경우가 있지만, 이를 적절히 평가하고 반영해야 한다.

위기 상황에서는 오인, 오해, 의심, 상호 불신이 높아지면서[193] 집단 사고의 가능성을 고려한 인지적 접근이 필요하며, 게이밍 시뮬레이션은 이러한 위기 상황에서의 행동 특성을 이해하는 데 유용하다.[194]

== 제조 및 생산 ==

제조 시뮬레이션은 장비 및 물리적 시설에 대한 자본 투자의 영향을 평가할 때 엔지니어가 사용하는 중요한 도구이다.[67] 시뮬레이션을 통해 기존 또는 계획된 시스템의 성능을 예측하고 설계 문제에 대한 대체 솔루션을 비교할 수 있다.[67]

제조 시스템 시뮬레이션의 또 다른 목표는 시스템 성능을 정량화하는 것이다.[68] 일반적인 시스템 성능 측정에는 다음이 포함된다.[68]

  • 평균 및 최대 부하에서의 처리량
  • 시스템 사이클 시간(하나의 부품을 생산하는 데 걸리는 시간)
  • 자원, 인력 및 기계의 사용
  • 병목 현상 및 초크 포인트
  • 작업 위치에서의 대기
  • 자재 취급 장치 및 시스템으로 인한 대기 및 지연
  • WIP(재공품) 보관 요구 사항
  • 인력 요구 사항
  • 스케줄링 시스템의 효과
  • 제어 시스템의 효과


엔진 위의 기류 시뮬레이션


시뮬레이션 솔루션은 컴퓨터 지원 설계(CAD), 컴퓨터 지원 제조(CAM), 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 등 컴퓨터 지원 솔루션 및 프로세스와 점점 더 통합되고 있다. 특히 초기 개념 및 설계 단계에서 제품 수명 주기 전체에 걸쳐 시뮬레이션을 사용하면 프로토타입 제작 감소, 시장 출시 시간 단축, 더 나은 성능의 제품 및 더 높은 마진과 같은 이점을 얻을 수 있다.

시뮬레이션은 공학 시스템 또는 많은 프로세스가 관련된 모든 시스템에서 중요한 기능이다. 예를 들어, 전기 공학에서 지연 회선은 실제 전송선으로 인한 전파 지연 및 위상 이동을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다. 대부분의 공학 시뮬레이션에는 수학적 모델링 및 컴퓨터 지원 조사가 수반된다. 그러나 수학적 모델링이 신뢰할 수 없는 경우가 많아, 유체 역학 문제의 시뮬레이션에는 수학적 및 물리적 시뮬레이션이 모두 필요하다.

인체공학 시뮬레이션은 가상 환경 내에서 가상 제품 또는 수작업 작업을 분석한다.[79] 인체공학 시뮬레이션은 마네킹 또는 디지털 휴먼 모델(DHMs)이라고 하는 인간의 인체 측정 가상 표현을 활용하여 시뮬레이션 환경에서 인간 작업자의 자세, 기계적 부하 및 성능을 모방한다.[79] 인체공학 소프트웨어는 DHM을 포즈하기 위해 역기구학(IK) 기능을 사용한다.[79] 소프트웨어 도구는 일반적으로 개별 근육 힘, 관절 힘 및 모멘트를 포함한 생체역학적 특성을 계산하며, NIOSH 리프팅 방정식 및 신속 상지 평가(RULA)와 같은 표준 인체공학 평가 방법을 사용한다.

생산 시스템 시뮬레이션은 주로 생산 시스템의 개선 또는 투자가 미치는 영향을 조사하는 데 사용된다. 생산 시스템은 제조 공정, 조립 시간, 기계 설정, 휴식, 고장 및 작은 중단의 변화에 따라 매우 역동적이므로, 이산 사건 시뮬레이션 (DES)이 사용된다.[104]

== 기타 ==

시뮬레이션은 기상 예보[157][158], 인구 예측, 교통 시뮬레이션, 우주 개발[195], 엔터테인먼트, 스포츠 등 다양한 분야에서 활용된다.

컴퓨터의 등장으로 이전에는 불가능했던 복잡한 계산이 가능해지면서 자연 현상, 경제 활동, 인구 추이 예측 등에 시뮬레이션이 활용되기 시작했다.[116][156] 특히 카오스틱한 현상에서 규칙성을 찾는 데 유용하다.

최근의 기상 예보에는 컴퓨터 시뮬레이션이 필수적이며, 지구를 격자(메쉬)로 나눈 모델을 사용하여 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션을 수행한다.[157][158] 수치 예보는 복잡한 수치 모델을 통해 다양한 매개변수를 고려하여 날씨를 예측한다.

천문학에서 수치 시뮬레이션은 실험이 불가능한 천문 현상을 연구하는 데 중요한 역할을 한다.[159] 천체 물리학자들은 컴퓨터를 통해 우주를 재현하고 천문 현상의 거동을 확인한다.

컴퓨터 생성 이미지(CGI)는 영화, 텔레비전, 비디오 게임 등 엔터테인먼트 산업에서 널리 사용된다. 1972년 영화 ''A Computer Animated Hand''에서 처음 사용된 이후, ''미래의 세계''(1976), ''스타워즈''(1977) 등을 거쳐 ''트론''(1982)에서 본격적으로 활용되었다.[57] 1993년 영화 ''쥬라기 공원''은 컴퓨터 그래픽을 실사 장면에 통합하여 영화 산업에 큰 영향을 미쳤으며, 1995년 ''토이 스토리''는 최초의 풀 CG 애니메이션 영화로 기록되었다.[60] 2000년대 이후 가상 시네마토그래피 기술이 발전하면서 ''매트릭스'' 시리즈, ''반지의 제왕'' 3부작 등에서 활용되었다.

우주왕복선 발사를 위해 구성된 발사 통제실 1


케네디 우주 센터에서는 우주왕복선 기술자 훈련에 시뮬레이션을 활용했다.[107] 발사 카운트다운 통합 시뮬레이션은 실제 발사 환경과 유사하게 구성되어 엔지니어들이 실제 상황에 대비할 수 있도록 돕는다.[108] 수학 모델을 통해 실제 하드웨어처럼 동작하는 가상 환경을 구현하여 안전하고 효율적인 훈련을 가능하게 한다.[109][110]

스포츠 분야에서는 경기 결과 및 선수 경기력 예측, 생체역학 분석 등에 컴퓨터 시뮬레이션이 활용된다.[106] 통계 기반 모델을 통해 경기를 재현하고, 선수에게 부착된 센서와 비디오 장비 데이터를 활용하여 훈련 기술 개선에 기여한다.

도시 계획 분야에서는 도시 시뮬레이터를 활용하여 다양한 정책 결정에 따른 도시 변화를 예측한다. 에이전트 기반 시뮬레이션을 통해 토지 이용 및 교통 계획 수립에 활용된다.

군사 분야에서는 전투 상황 시뮬레이션, 지휘관 훈련, 전술 연구 등에 시뮬레이션이 활용된다.[171][172]

4. 1. 국방



군사 시뮬레이션은 전쟁 게임이라고도 하며, 실제 적대 행위 없이도 전쟁 이론을 시험하고 개선할 수 있는 모델이다.[95] 이들은 다양한 형태로 존재하며, 현실성이 다양한 정도를 갖는다. 최근에는 군사적 요소뿐만 아니라 정치적, 사회적 요소(예: 네이션랩 시리즈의 라틴 아메리카 전략 연습)까지 포함하도록 그 범위가 넓어졌다.[95] 많은 정부가 개별적으로 또는 공동으로 시뮬레이션을 활용하지만, 전문적인 분야 외에는 모델의 세부 사항에 대해 알려진 바가 거의 없다.

모형(도표와 말)을 사용한 전쟁 시뮬레이션의 예로, 『전국책』, 『묵자』에는 묵자가 공수반과 전쟁을 논하며 초왕 앞에서 모형을 사용하여 승부를 겨루었고, 공수반이 신병기인 운제를 사용하여 9번 공격했지만, 묵자의 수비가 견고하여 함락시키지 못했고, 이를 본 왕은 송을 침략하지 않겠다고 약속했다는 일화가 기록되어 있다. 이는 모형을 사용한 시뮬레이션을 통해 전쟁을 막은(수성전을 보여준) 일화이다. 또한 일본에서도 전국 시대의 다이묘인 우에스기 겐신은 2미터 사방의 성 모형을 사용하여 합전 시뮬레이션을 했다고 전해진다[143]。

병사가 행군이나 보병 전투 등을 시뮬레이션 하기도 한다. Operation Flashpoint: Cold War Crisis나 ArmA: Armed Assault에서 발전한 VBS1・VBS2가 미국, 호주 등의 군에서 채용되고 있다.

분대 단위의 사격 훈련이 가능한 대형 시뮬레이터도 등장하고 있으며, 육상자위대에서는 10명이 동시에 이용할 수 있는 "보통과 부대 전투 사격 훈련 시뮬레이터(GICCS)"를 도입하고 있다.

4. 2. 경제 및 금융

경제학 시뮬레이션은 거시경제학에서 제안된 정책 조치(예: 재정 정책 변화, 통화 정책 변화)의 효과를 판단하는 데 사용된다.[77] 역사적 경제 데이터에 맞춰진 경제의 수학적 모델을 통해 정부 지출, 과세, 공개 시장 조작 등의 값을 입력하고, 인플레이션율, 실업률, 무역 수지 적자, 정부 예산 적자 등의 변수들을 출력하여 정책 입력값에 따른 결과를 비교한다.[77]

금융에서 컴퓨터 시뮬레이션은 시나리오 계획에 사용된다.[87] 위험 조정 순현재가치(NPV)는 입력값으로부터 계산되는데, 시뮬레이션은 다양한 할인율 및 변수에 대한 NPV 분포를 제공한다.[87] 금융 이론이나 모델의 능력을 테스트하는 데에도 시뮬레이션이 사용된다.[87]

시뮬레이션은 금융 교육에도 활용되어 참가자들이 다양한 상황을 경험하도록 돕는다. 주식 시장, 포트폴리오, 위험 관리, 외환 시뮬레이션 등이 있으며, 확률적 자산 모형을 기반으로 한다.[87]

지급 결제 및 증권 결제 시스템에도 시뮬레이션 기법이 적용된다.[100][101] 중앙 은행은 지급 시스템 시뮬레이션을 통해 유동성(계정 잔액 및 일중 신용 한도)의 적절성을 평가한다.[100][101] 유동성 필요성은 시스템의 가용성 및 네팅 절차 유형에 따라 달라지며, 시스템 비교 연구도 진행된다.[102] 통신 네트워크 고장, 참가자 지급 불능 등과 같은 사건 관련 위험 평가에도 활용된다.[103]

실제 경제에서는 사람들의 개별 행동 동기가 다양하지만, "사람은 모두 자신의 이익 추구만을 추구한다"는 복잡계 모델을 통해서도 사회 전체의 움직임을 파악하기는 어렵다. 주가나 물가 변동 등 경제 움직임 예측은 컴퓨터 시뮬레이션으로도 쉽지 않다.

금융에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 위험을 고려한 순현재가치(NPV)를 구하는 등 다양한 시나리오를 수립한다.

4. 3. 교육 및 훈련

시뮬레이션은 교육 및 훈련 목적으로 광범위하게 사용된다.[21][22] 훈련생이 실제 장비를 실제 환경에서 사용하는 것이 비용이 너무 많이 들거나 위험한 경우, "안전한" 가상 환경에서 실생활과 같은 경험을 하며 훈련을 받을 수 있다.

각종 조종 및 조작 훈련에 시뮬레이터가 사용된다. 비행 시뮬레이터는 비행기 조종사 훈련에 필수적인 장치이다. 훈련받지 않은 조종사에게 실물 비행기를 조종시키는 것은 위험하고 비용이 많이 들기 때문이다. 비행 시뮬레이터는 조종석을 상하로 이동시키고 방향을 회전시키는 유압 장치 조작 컴퓨터와, 조종사가 보는 시계를 만들어 내는 컴퓨터로 구성된다. 컴퓨터는 여러 가지 기상 조건을 설정할 수 있으며, 밤과 낮에 맞추어 밝기를 조절할 수 있다.[88] 운전 시뮬레이터는 가상 환경에서 실제 차량의 특성을 재현하여 초보 운전자에게 유익한 경험을 제공하고, 숙련된 운전자는 더 복잡한 연습을 할 수 있게 한다.[181][182] 선박 시뮬레이터는 선박 승무원 훈련에 사용되며,[183][184] 선교 시뮬레이터, 기관실 시뮬레이터, 화물 처리 시뮬레이터, 통신/GMDSS 시뮬레이터, ROV 시뮬레이터 등이 있다.[93]

의료 교육 분야에서는 임상 의료 시뮬레이터가 의료 전문 인력에게 치료 및 진단 절차, 의료 개념 및 의사 결정을 가르치기 위해 개발 및 배포되고 있다.[30][31] 채혈과 같은 기본 절차에서부터 복강경 수술[30] 및 외상 치료에 이르기까지 다양한 절차를 훈련할 수 있다. 또한, 시뮬레이터는 새로운 치료법,[32] 치료법[33] 및 조기 진단을 위한 도구를 연구하고 개발하는 데 사용된다.[34] 환자 안전 연구 및 의료 전문가 교육에도 시뮬레이션이 활용된다.[37]

프로젝트 관리 시뮬레이션은 프로젝트 관리 교육 및 분석에 사용되며,[21][22] 주로 프로젝트 관리자를 위한 교육 시뮬레이션으로 활용된다.

사회 과학 교육에서는 ''사회 시뮬레이션''이 사용될 수 있다. 고등학교나 대학교 수준에서 인류학, 경제학, 역사, 정치학 또는 사회학 강좌에서 사회적 및 정치적 과정을 설명하는 데 활용된다.[23] 예를 들어, 시민 시뮬레이션이나 국제 관계 시뮬레이션 형태로 사용될 수 있다. 이러한 시뮬레이션은 허구의 정치 체제나 현재 또는 역사적 사건을 기반으로 할 수 있다.[23] 최근에는 원조 및 개발 기관의 직원 훈련에도 사회 시뮬레이션이 사용되고 있다.[25]

군사 훈련에서는 가상 사격장이 표준이 되었으며,[26] 소형 무기 및 기타 무기 시스템 훈련에도 시뮬레이션이 활용된다.

4. 4. 재난 대비

시뮬레이션 훈련은 실제와 같은 경험을 통해 학습자가 비상 상황에 어떻게 반응하는지 추적하며, 테러 공격, 자연 재해, 팬데믹 발병 등 생명을 위협하는 비상 사태에 대처하는 방법에 대한 훈련을 포함한다.[74]

원격 교육 진흥 센터(CADE)는 응급 구조 요원들이 여러 유형의 공격에 대비할 수 있도록 비디오 게임을 활용했다.[75] 일리노이 대학교 시카고 캠퍼스(University of Illinois at Chicago, UIC)에서 개발한 이 게임은 학습자가 안전하고 통제된 환경에서 응급 기술을 연습할 수 있도록 돕는다.

캐나다 브리티시 컬럼비아 기술 연구소(BCIT)의 비상 시뮬레이션 프로그램(ESP)은 산불 진압, 석유 또는 화학 물질 유출 대응, 지진 대응, 법 집행, 시립 소방, 유해 물질 처리, 군사 훈련 및 테러 공격 대응 등 다양한 상황에 대한 훈련에 시뮬레이션을 사용한다.[76] ESP는 "동적 런타임 시계"를 구현하여 시뮬레이션 시간을 조절하고, 세션 기록, 그림 아이콘 기반 탐색, 개별 시뮬레이션 파일 저장, 멀티미디어 구성 요소 및 외부 응용 프로그램 실행을 지원한다.[76]

퀘벡 대학교 시쿠티미(University of Québec in Chicoutimi)의 야외 연구 및 전문 지식 연구소(LERPA) 연구팀은 야생 오지 사고 시뮬레이션을 사용하여 비상 대응 조정을 검증하는 연구를 진행한다.

시뮬레이션 훈련은 학습자의 성과를 추적하여 필요에 따라 교육 내용을 조정하고, 학습자에게 즉각적인 피드백 또는 요약을 제공하여 실제 비상 상황에 대비할 수 있도록 돕는다.

위기 관리 시뮬레이션은 쿠바 미사일 위기(1962년), 타이완 해협 위기, 냉전 시대의 핵전쟁 회피, 북한 핵 개발 관련 6자 회담, 2010년 어선 충돌 사건 등을 주제로 진행되어 왔다. 게이밍 시뮬레이션은 현실과 달리 "종료"가 있고 예정 조화적인 "상자 정원"적인 특징을 가지므로, 막바지 행동을 제어하는 것이 과제이다.[190][191]

예상치 못한 행동(사태)을 평가하는 것은 게이밍 시뮬레이션에서 중요한 문제이다.[192] 한국 전쟁(1950년), 소련 붕괴(1991년), 9.11 테러(2001년), 카불 함락(2021년), 2022년 러시아의 우크라이나 침공 등 현실에서 발생한 "예상 밖"의 사건에 대응하여 가상 세계에서 유사한 변화를 일으키는 경우가 있지만, 이를 적절히 평가하고 반영해야 한다.

위기 상황에서는 오인, 오해, 의심, 상호 불신이 높아지면서[193] 집단 사고의 가능성을 고려한 인지적 접근이 필요하며, 게이밍 시뮬레이션은 이러한 위기 상황에서의 행동 특성을 이해하는 데 유용하다.[194]

4. 5. 제조 및 생산

제조 시뮬레이션은 장비 및 물리적 시설에 대한 자본 투자의 영향을 평가할 때 엔지니어가 사용하는 중요한 도구이다.[67] 시뮬레이션을 통해 기존 또는 계획된 시스템의 성능을 예측하고 설계 문제에 대한 대체 솔루션을 비교할 수 있다.[67]

제조 시스템 시뮬레이션의 또 다른 목표는 시스템 성능을 정량화하는 것이다.[68] 일반적인 시스템 성능 측정에는 다음이 포함된다.[68]

  • 평균 및 최대 부하에서의 처리량
  • 시스템 사이클 시간(하나의 부품을 생산하는 데 걸리는 시간)
  • 자원, 인력 및 기계의 사용
  • 병목 현상 및 초크 포인트
  • 작업 위치에서의 대기
  • 자재 취급 장치 및 시스템으로 인한 대기 및 지연
  • WIP(재공품) 보관 요구 사항
  • 인력 요구 사항
  • 스케줄링 시스템의 효과
  • 제어 시스템의 효과


시뮬레이션 솔루션은 컴퓨터 지원 설계(CAD), 컴퓨터 지원 제조(CAM), 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 등 컴퓨터 지원 솔루션 및 프로세스와 점점 더 통합되고 있다. 특히 초기 개념 및 설계 단계에서 제품 수명 주기 전체에 걸쳐 시뮬레이션을 사용하면 프로토타입 제작 감소, 시장 출시 시간 단축, 더 나은 성능의 제품 및 더 높은 마진과 같은 이점을 얻을 수 있다.

시뮬레이션은 공학 시스템 또는 많은 프로세스가 관련된 모든 시스템에서 중요한 기능이다. 예를 들어, 전기 공학에서 지연 회선은 실제 전송선으로 인한 전파 지연 및 위상 이동을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다. 대부분의 공학 시뮬레이션에는 수학적 모델링 및 컴퓨터 지원 조사가 수반된다. 그러나 수학적 모델링이 신뢰할 수 없는 경우가 많아, 유체 역학 문제의 시뮬레이션에는 수학적 및 물리적 시뮬레이션이 모두 필요하다.

인체공학 시뮬레이션은 가상 환경 내에서 가상 제품 또는 수작업 작업을 분석한다.[79] 인체공학 시뮬레이션은 마네킹 또는 디지털 휴먼 모델(DHMs)이라고 하는 인간의 인체 측정 가상 표현을 활용하여 시뮬레이션 환경에서 인간 작업자의 자세, 기계적 부하 및 성능을 모방한다.[79] 인체공학 소프트웨어는 DHM을 포즈하기 위해 역기구학(IK) 기능을 사용한다.[79] 소프트웨어 도구는 일반적으로 개별 근육 힘, 관절 힘 및 모멘트를 포함한 생체역학적 특성을 계산하며, NIOSH 리프팅 방정식 및 신속 상지 평가(RULA)와 같은 표준 인체공학 평가 방법을 사용한다.

생산 시스템 시뮬레이션은 주로 생산 시스템의 개선 또는 투자가 미치는 영향을 조사하는 데 사용된다. 생산 시스템은 제조 공정, 조립 시간, 기계 설정, 휴식, 고장 및 작은 중단의 변화에 따라 매우 역동적이므로, 이산 사건 시뮬레이션 (DES)이 사용된다.[104]

4. 6. 기타

시뮬레이션은 기상 예보[157][158], 인구 예측, 교통 시뮬레이션, 우주 개발[195], 엔터테인먼트, 스포츠 등 다양한 분야에서 활용된다.

컴퓨터의 등장으로 이전에는 불가능했던 복잡한 계산이 가능해지면서 자연 현상, 경제 활동, 인구 추이 예측 등에 시뮬레이션이 활용되기 시작했다.[116][156] 특히 카오스틱한 현상에서 규칙성을 찾는 데 유용하다.

최근의 기상 예보에는 컴퓨터 시뮬레이션이 필수적이며, 지구를 격자(메쉬)로 나눈 모델을 사용하여 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션을 수행한다.[157][158] 수치 예보는 복잡한 수치 모델을 통해 다양한 매개변수를 고려하여 날씨를 예측한다.

천문학에서 수치 시뮬레이션은 실험이 불가능한 천문 현상을 연구하는 데 중요한 역할을 한다.[159] 천체 물리학자들은 컴퓨터를 통해 우주를 재현하고 천문 현상의 거동을 확인한다.

컴퓨터 생성 이미지(CGI)는 영화, 텔레비전, 비디오 게임 등 엔터테인먼트 산업에서 널리 사용된다. 1972년 영화 ''A Computer Animated Hand''에서 처음 사용된 이후, ''미래의 세계''(1976), ''스타워즈''(1977) 등을 거쳐 ''트론''(1982)에서 본격적으로 활용되었다.[57] 1993년 영화 ''쥬라기 공원''은 컴퓨터 그래픽을 실사 장면에 통합하여 영화 산업에 큰 영향을 미쳤으며, 1995년 ''토이 스토리''는 최초의 풀 CG 애니메이션 영화로 기록되었다.[60] 2000년대 이후 가상 시네마토그래피 기술이 발전하면서 ''매트릭스'' 시리즈, ''반지의 제왕'' 3부작 등에서 활용되었다.

케네디 우주 센터에서는 우주왕복선 기술자 훈련에 시뮬레이션을 활용했다.[107] 발사 카운트다운 통합 시뮬레이션은 실제 발사 환경과 유사하게 구성되어 엔지니어들이 실제 상황에 대비할 수 있도록 돕는다.[108] 수학 모델을 통해 실제 하드웨어처럼 동작하는 가상 환경을 구현하여 안전하고 효율적인 훈련을 가능하게 한다.[109][110]

스포츠 분야에서는 경기 결과 및 선수 경기력 예측, 생체역학 분석 등에 컴퓨터 시뮬레이션이 활용된다.[106] 통계 기반 모델을 통해 경기를 재현하고, 선수에게 부착된 센서와 비디오 장비 데이터를 활용하여 훈련 기술 개선에 기여한다.

도시 계획 분야에서는 도시 시뮬레이터를 활용하여 다양한 정책 결정에 따른 도시 변화를 예측한다. 에이전트 기반 시뮬레이션을 통해 토지 이용 및 교통 계획 수립에 활용된다.

군사 분야에서는 전투 상황 시뮬레이션, 지휘관 훈련, 전술 연구 등에 시뮬레이션이 활용된다.[171][172]

5. 컴퓨터 시뮬레이션의 장점 및 한계

5. 1. 장점

5. 2. 한계

6. 결론

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