Имитация, симуляция или эмуляция?
Выскажу свое мнение относительно использования этих слов в контексте программного обеспечения как развлекательной так и образовательной направленности в т.ч. с использованием систем формирования виртуальной реальности (VR).
Итак, давайте попытаемся определится с терминами, вопрос достаточно не простой), начнем с словообразования:
Слово emulate (эмулировать, подражать) происходит от латинского глагола aemulari (соперничать, подражать), к которому добавлен суффикс -ate; оно связано с emulation (эмуляция, соперничество), а в русском языке имеет производные, такие как существительное «эмуляция» (имитация работы системы) и глаголы, описывающие подражание действиям или качествам других. Эмулировать (в техническом контексте) — воссоздавать работу системы, программы или оборудования с помощью другой системы.
Слово Simulate (имитировать) основано на латинском корне simul (подобно, вместе) и происходит от лат. simulare (делать похожим, притворяться), образуя множество однокоренных слов через прибавление суффиксов и префиксов, таких как Simulation (имитация), Simulator (симулятор), Simulated (смоделированный) и др., обозначающих процесс или объект, связанный с имитацией. Таким образом, словообразование
simulateстроится вокруг идеи «делать подобным».
Согласитесь, разница достаточно …. непонятна)
Давайте посмотрим на ГОСТ, например на Тренажёр/тренажер для профессионального обучения, может быть там есть точное разделение на имитатор/симулятор….
Тренажёр – техническое средство профессиональной подготовки обучаемого, предназначенное для формирования и совершенствования у обучаемых профессиональных навыков и умений, необходимых им для управления материальным объектом путём многократного выполнения обучаемыми действий, свойственных управлению реальным объектом Тренажёр должен иметь три необходимые части: конструктивную (точную копию рабочего места оператора); программную (адекватную модель оборудования и процессов); дидактическую (рабочее место инструктора с программой оценки и контроля действий оператора, прочих не менее важных сервисных программ). [РД 50-34.698-90. Методические указания. Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы.] [ГОСТ 34.003-90. Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы // Комитет стандартизации и метрологии СССР по стандартам. – М.: Изд-во стандартов, 1991.] [Разработка системы автоматизированного проектирования компьютерных имитационных тренажёров: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.13.12 / Гаммер Максим Дмитриевич. — Тюмень, 2007. 20 с.]. [https://lcontent.ru/scifi/]
Так, тут тоже непонятно, “точная копия”…. это ближе к симуляции или к имитации?
тренажер для профессионального обучения: Техническое средство профессиональной подготовки обучаемого, предназначенное для формирования и совершенствования у него профессиональных навыков и умений, необходимых для управления материальным объектом, путем многократного выполнения им действий, свойственных управлению реальным объектом.[ГОСТ Р 70138—2022]
В более современном ГОСТе … вообще убрали “точность”) Вообще терминология (https://lcontent.ru/technology/terminologiya/) Российская и зарубежная не разделяет эти термины….
Обзор мнения на профильных форумах фактически сводится примерно к такой трактовке – главное отличие : эмуляция — точная копия (всё работает как на оригинале), симуляция — модель поведения (копирует лишь нужные характеристики).
Эмуляция — это создание точной копии системы, воссоздающей все ее компоненты (процессор, память, I/O), чтобы программа «думала», будто работает на оригинале (например, эмулятор игровой приставки).
Имитация (симуляция) — это моделирование поведения или отдельных функций, фокусировка на результате, а не на точной копии железа (например, симулятор погоды или аэродинамики).
Давайте попытаемся рассмотреть эту самую разницу на реальных примерах…
Рассмотрим несколько тренажеров, начнем с тренажера буровой установки ZBO S15 (https://habr.com/ru/articles/663664/). Реальная установка выглядит вот так:
Использование технологии формирования виртуальной реальности (VR) для создания тренажеров для обучения персонала часто создает проблему точного управления различными элементами при помощи “стандартных” устройств VR. Использование джойстиков HTC Vive, например, очень затрудняет точное и быстрое управление джойстиками и тумблерами реальных установок, что не создает правильный механизм переноса навыков управления. Cовмещение VR шлема и трекеров для отслеживания рук, а само управление реализовано на интерактивном макете. Таким образом удалось с одной стороны максимально точно и реалистично реализовать восприятие пространства, с другой стороны точно воспроизвести устройства управления и пользователь точно ощущает качания и управление, вибрацию, сопротивление и т.д.
Видео можно посмотреть тут – https://www.youtube.com/watch?v=AoTl9TQv3vQ и тут – https://www.youtube.com/watch?v=uPnYUYI-pr8
Обратите внимание на различные подходы для отслеживания рук – трекеры и камеры самого шлема.
Ранее я уже приводил несколько методов по поводу оценки “схожести” объектов и их моделируемых копий… (https://habr.com/ru/articles/730986/). Исходя из этого можно попытаться найти различия используя два подхода (А и Б):
Подход А: Оценка адекватности (степени схожести реального и имитируемого при помощи КИТ объекта или процесса) как меры эффективности КИТ. Данный подход сфокусирован на решении вопроса «насколько точно КИТ воспроизводит реальное оборудование и процессы». Его основным плюсом является то, что реализующие его методы учитывают следующие факторы, характеризующих КИТ как ТСО:
- уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу;
- уровень соответствия синтезируемого звукового окружения оригиналу;
- уровень соответствия механизмов управления оригиналу;
- уровень соответствия условий окружающей среды (температура, давление, влажность, ветровая нагрузка и т.д.)
- адекватность и универсальность математических моделей, применяемых в тренажере;
- возможность работы в реальном времени и т.д.
При данном подходе можно уйти “глубоко в лес”, например уровень соответствия изображения это уже отдельная история …
Уровень соответствия синтезируемого изображения оригиналу: При оценке степени соответствия синтезируемого изображения оригиналу целесообразно использовать, как в кинематографии и телевидении, три уровня подобия: физическое, психофизическое (физиологическое) и психологическое. В применении к машинной графике физическое подобие означает, что синтезированное изображение по основным физическим характеристикам повторяет оригинал. Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик: геометрических (пространственных), яркостных (энергетических) и временных. При физически точном подобии определенные характеристики синтезированного изображения должны полностью соответствовать характеристикам оригинала либо быть пропорциональными им. Стоит отметить, что условия физического подобия не могут быть реализованы в полной мере, если синтезируется двухмерное изображение (в котором теряется информация, определяемая бинокулярным зрением) без применения специальных средств, создающих условия объемного восприятия. Как правило, такие средства используются в системах виртуальной реальности (стереоскопическая визуализация, голографическая визуализацию, визуализация на объемных носителях и т. д.). Более подробно указанные средства рассматриваются в главе, целиком посвященной системам формирования виртуальной реальности. При психофизическом (физиологическом) подобии соответствие устанавливается на уровне зрительных ощущений. В силу ограниченных возможностей зрительного аппарата наблюдатель при некотором уровне искажений не может ощутить разницы между синтезированным изображением и оригиналом, так как зрительные ощущения идентичны, хотя яркость, форма и цвет неодинаковы. Психологическое подобие предполагает, что по общему восприятию синтезированное изображение и оригинал являются схожими. Вследствие этого синтезированное изображение обеспечивает формирование у наблюдателя вполне определенного суждения о реальном объекте или сюжете, хотя синтезированное изображение и оригинал значительно различаются по физическим характеристикам.
[Разработка системы автоматизированного проектирования компьютерных имитационных тренажёров: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.13.12 / Гаммер Максим Дмитриевич. — Тюмень, 2007. 20 с.]. [https://lcontent.ru/scifi/]
В качестве основного недостатка подхода А, является необходимость применения экспертных оценок (при задании «весов» факторов и границ факторов).
Рассмотрим подход Б –
Рассмотрение “схожести” с точки зрения сенсорных процессов и восприятия. В этом случае уже решается вопрос не «как точно воссоздано оборудование и различные технологические процессы?», а «насколько сильно различие в восприятии между обучением на тренажере и обучением на реальном оборудовании?». т. е. акцент смещается с оборудования на обучаемого. Для оценки адекватности (или схожести) восприятия необходимо проведение дорогостоящих и сложных исследований, т. к. таком подходе уже необходимо учитывать множество физиологических показателей:
- eye-трекинг (слежение за траекторией взгляда);
- биохимические изменения в крови обучаемого;
- регистрация электрической активности головного мозга и т. д.
В целом данный подход представляет значительный интерес не только с точки зрения оценки эффективности тренажеров, но и оценки профессиональной пригодности персонала к определенному виду деятельности (например, выявление физиологических или умственных ограничений при допуске к некоторым видам оборудования или работ).
Давайте рассмотрим еще несколько примеров… и, возможно, найдем ответ). Возьмем объект “побольше” – буровую установку (более подробно тут – https://habr.com/ru/articles/844810/)
В данном примере также используется 100% копия рабочего места бурильщика, помошников бурильщика, механиков и др.:
Кроме точной копии элементов управления все рассматриваемые тренажеры имеют высокоточную математическую модель (подробнее тут – https://habr.com/ru/articles/863316/), например имитация гидравлических и электрических схем элементов оборудования на примере системы верхнего привода:
И его высокоточное моделирование в реальном времени в тренажере:
Аналогичным образом тренажер имеет возможность работы в составе систем формирования виртуальной реальности (VR), в т.ч. VR-платформ:
Стоит сказать, что на больгих объектах возможности VR-платформ являются все-таки ограниченными, например вот “так” упасть не получится)
Ну и наконец мое мнение относительно разницы на крайнем примере….. один и тот-же тренажер в разном исполнении, с использованием “реального, настоящего” железа и с использованием “похожей копии” – смотрим – тренажер кустовой площадки добывающих скважин:
Вот вид ближе…
Подробно можно посмотреть на RuTube (https://rutube.ru/plst/873041/?r=wd), коротко: https://embedd.srv.habr.com/iframe/69676b89bd24f6785c58f662?theme=dark&mobile=false
Работа пользователя в данном тренажере показана тут – https://rutube.ru/plst/873041/?r=wd
Вот это по моему личному мнению это как и вышеприведенные тренажеры – имитация, и вот почему – “ненастоящее железо”. Посмотрите на фотографию ниже….
А вот следующий тренажер – точно такой-же (кустовая площадка), но выполненный из “настоящего железа” – симулятор….. отличия ниже:
Вот реальная задвижка… тяжелая, тугая…..
Видео работы:
https://embedd.srv.habr.com/iframe/6967630c29d7357412453a65?theme=dark&mobile=falsehttps://embedd.srv.habr.com/iframe/6967633629d7357412453a8f?theme=dark&mobile=false
А вот реальная станция управления (не имитация, а работа реального контроллера реальной станции) используемая в тренажере – симуляторе.
к такой станции можно подключать ПО производителей для настройки и снятия показаний, “как в жизни”, а в имитаторе в виде “сенсорного экрана с нарисованной станцией” – нельзя.
Аналогично и с измерительными приборами с которыми работает оператор добычи – СИДДОС и СУДОС
И реальный прибор СУДОС также используемый в тренажере с возможностью подключения к реальному ПО производителя для снятия и обработки показаний.
Таким образом (лично я) и вижу разницу между “имитаторами” и “симуляторами”. Если за логику работы станции управления отвечает отдельно написанная программа (не код контроллера производителя оборудования) – это симулятор, если используется реальная станция управления – эмулятор. Ну и с другими приборами, управляющими и показывающими устройствами аналогично.
Спасибо за внимание, буду рад обсудить вопрос в комментариях)
