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シミュレーション (Simulation)とは、実験・訓練を目的とし、複雑な事象・システムを定式化して行う模擬実験をいう。「シュミレーション」という呼称・表記も良く見られるが、これは誤りである。

◆ 概要

実際に実験を行うことが極めて困難、不可能、または危険である場合、多岐にわたる選択条件を事前に検証しようとすると、現象の特定要素を簡略化・デフォルメして検証する必要がある。シミュレーションの実施には現象を論理的に単純化したモデル、模型、コンピュータプログラムなどが用いられる。シミュレーションを行う装置やプログラムをシミュレータ (Simulator) と言う。ただし、シミュレータは必須ではなく、自然状態の再現が容易な場合、特に単純化されたモデルを用いる場合などは必要とされない場合もある。

通常シミュレーションは現象の全てを試行要素とせず、対象要素を絞り込むことにより要素が現象に与える影響を検証する事が主な目的とされる。よって、結果が完全に不確定な事象を検証することは困難とされる。特にコンピュータを用いた積算によるシミュレーションは、基本的に線形近似による計算となるため、非線形要素を含む自然現象をシミュレートする場合は必ず誤差が生ずる。従ってコンピュータによるシミュレーションによって良好な結果を得る為には、モデル化による誤差見積もりが重要となる。モデル化によるシミュレーションは、現象についてどの程度正確に真似るかによって計算量を調整することが可能であり、現象についての完全な知識は必要とされないなどのメリットがある。

システムのモデル化を行わず、完全な模倣を目的とする場合は、シミュレーションと言わずエミュレーションという。エミュレーションは、模倣したいシステムにおいて、予測できる現象より予測できない現象が支配的である場合などに使われる。

◆ 分類と用語

歴史的には、シミュレーションという用語はいくつかの分野で独自に使われていた。しかし、20世紀になって、一般システム理論やサイバネティックスの研究により、コンピュータの各種利用をシミュレーションという用語で表すようになり、用語としての意味が統一されていった。

◇ 物理的シミュレーションと対話型シミュレーション

「物理的シミュレーション」とは、何らかの物理的な物体で実物を置き換えることを指す。置換する物体としては、実物よりも小さいものや安価なものが選ばれる。

「対話型シミュレーション」は物理的シミュレーションの特殊形態であり、シミュレーション環境内に人間が入り込むものを指す。例えば、フライトシミュレータやドライブシミュレータがある。

◇ コンピュータシミュレーション

コンピュータシミュレーションは、実世界や何らかの仮説的状況をコンピュータ上でモデル化するもので、それによってそのシステムがどのように作用するのかを研究することができる。変数を変化させることで、システムの振る舞いについて予測を立てることができる。

コンピュータシミュレーションの面白い応用として、コンピュータを使ってコンピュータをシミュレートするというものがある。関連するソフトウェアとして、コンピュータ・アーキテクチャ・シミュレータと呼ばれるものは、命令セットシミュレータとフルシステムシミュレータに分けられる。

コンピュータシミュレーションは、物理学/化学/生物学における様々な自然科学的システムのモデル化、経済学/社会科学における人間に関わるシステムのモデル化、さらには工学におけるシステムのモデル化において、それらシステムの作用について洞察を得る助けとなる。シミュレーションにコンピュータを使うことの利便性を表す例として、ネットワーク交通量シミュレーションがある。このようなシミュレーションにおいては、その環境についての初期設定を変更するとモデルの振る舞いが変化する。一般にコンピュータシミュレーションは、人間との対話を排除した形で行われるものとされる。

古来、システムの形式的モデル化には数学が用いられ、解析的な解を求めることで、あるパラメータと初期条件におけるシステムの振る舞いを予測する。コンピュータシミュレーションは、そのような単純な解法が不可能な場合の補助あるいは置換として使われることが多い。コンピュータシミュレーションには様々なタイプがあるが、それらに共通するのは、システムが取りうる全ての状態を列挙するのが不可能あるいは現実的でない場合に、そのモデルの代表的シナリオの標本を生成しようとするという点である。

モンテカルロ法や確率論的モデリングによるコンピュータシミュレーションは、モデル化が非常に簡単という特徴がある。

◇ 計算機科学におけるシミュレーション

計算機科学では、「シミュレーション」という言葉には特別な意味がある。アラン・チューリングは、離散状態機械の状態遷移表をコンピュータ上に置き、その機械の動作を行わせることを「シミュレーション」とした。

コンピュータ・アーキテクチャにおいては、扱いにくい種類のコンピュータで動作するプログラムの実行にシミュレータが使われたり、マイクロプログラムや場合によっては商用アプリケーションのデバッグにシミュレータが使われる。シミュレータではプログラマが任意の時点で様々な情報を参照することが可能であり、実行速度も好きなように設定できる。シミュレータを使ってフォルトツリー解析を行うこともある。また、大規模集積回路の論理設計は実際に製造に入る前にシミュレータでテストされる。例えば、シンボリックシミュレーションと呼ばれる手法がある。

理論計算機科学では、状態遷移系間の関係を「シミュレーション」と呼ぶ。これは特に操作的意味論の研究で使われる。

最適化問題の分野では、物理プロセスのシミュレーションが進化的計算と共に使われ、制御戦略の最適化を行う。

◆ 目的・用途

# 建築物や自動車などの製品の機構に内在する欠陥(負荷や強度など)を模型やコンピュータによって探して取り除く。

# ビジネスにおいて客層や商品、時間帯、店舗等の調査結果をシミュレーションに取り入れることで、効率的な販売をする。

# 災害の発生や規模の予知。地震、津波、火災などの自然災害や、原子力発電所のメルトダウンや航空機事故などの人災などの防災。

# 自動車におけるドライブシミュレータや航空機におけるフライトシミュレータ等、各種の操縦、操作を学ぶ手立てとしての利用。いろいろなシチュエーション、特に実機では危険を伴うような場面を体験することが可能となる。

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