Durante décadas, a construção de simulações de sistemas complexos – seja em engenharia, defesa ou ciência – foi limitada por ferramentas de software incompatíveis e metodologias inconsistentes. Um novo estudo propõe uma solução prática enraizada na teoria de sistemas baseada matematicamente. Os pesquisadores Professor Bernard Zeigler da RTSync, Dr. Robert Kewley da simlytics.cloud e Professor Gabriel Wainer da Carleton University mostraram que um método de modelagem chamado DEVS (abreviação de Especificação de Sistema de Eventos Discretos) pode servir como um padrão universal para simular todos os tipos de sistemas, não importa quão diferentes eles possam parecer.
O professor Zeigler e sua equipe focaram em três características principais do DEVS: fechamento, universalidade e exclusividade sob acoplamento. Esses recursos podem parecer técnicos, mas oferecem benefícios reais. O fechamento sob acoplamento significa que modelos menores podem ser combinados em modelos maiores, permanecendo dentro da estrutura DEVS, de forma semelhante ao empilhamento de peças de Lego para construir estruturas maiores reempilháveis. “Qualquer sistema construído conectando vários modelos DEVS pode ser representado matematicamente como um único modelo DEVS, que fornece os mesmos resultados quando simulado”, explica o professor Ziegler. Isto significa que mesmo sistemas muito complexos podem ser tratados como sistemas simples, tornando as simulações mais gerenciáveis e escaláveis.
A equipa do Professor Zeigler também enfatizou a generalidade do DEVS, nomeadamente a sua capacidade de descrever qualquer sistema que opere por eventos que ocorrem em momentos específicos, conhecidos como eventos discretos. Por exemplo, seja um horário de trem, uma linha de produção ou um sistema de comércio on-line, o DEVS pode modelar tudo. “A representação DEVS também é única, o que significa que a versão básica e mais simples de qualquer sistema tem uma correspondência exata no modelo DEVS”, disse o professor. Wyner. Isto permite que o DEVS integre diferentes modelos sob um padrão consistente.
Sua pesquisa fornece etapas práticas para fazer sistemas legados ou não padronizados funcionarem com DEVS. Ao “embrulhar” esses sistemas (adicionando interfaces compatíveis para que possam se comunicar como modelos DEVS), eles podem trabalhar com outros componentes DEVS. Essa abordagem é particularmente útil para organizações como o Departamento de Defesa dos EUA, que costumam usar ferramentas de simulação legadas. Como aponta o Dr. Kewley, “Isso remove uma grande barreira à adoção generalizada de DEVS em organizações com grandes investimentos analógicos legados”.
Esta abordagem apoia a Abordagem de Sistemas Abertos Modulares (MOSA) do Departamento de Defesa, uma estratégia de design que enfatiza a construção de sistemas usando peças separadas e intercambiáveis que são facilmente atualizadas e combinadas. Os investigadores sugerem que o DEVS poderia constituir a base de tal abordagem, garantindo que todos os componentes de um sistema, independentemente da forma como são criados, funcionam perfeitamente em conjunto. Um conceito chamado barramento DEVS ajuda a atingir esse objetivo, permitindo que diferentes ferramentas e sistemas se comuniquem entre si em um ambiente de simulação compartilhado.
A pesquisa do professor Ziegler também analisa duas técnicas úteis: achatamento e aprofundamento. Achatar significa simplificar um modelo complexo removendo camadas aninhadas para que todas as peças fiquem no mesmo nível, o que ajuda as simulações a serem executadas mais rapidamente. O aprofundamento, por outro lado, introduz mais estrutura ao organizar as peças em módulos reutilizáveis maiores, tornando-as mais fáceis de gerenciar e construir. “O lisonjeiro remove a estrutura, reduzindo o tráfego de mensagens e aumentando a eficiência da simulação; o aprofundamento introduz a estrutura hierárquica para melhorar a modularidade, a reutilização e a escalabilidade”, disse o professor Ziegler.
O professor Zeigler e sua equipe finalmente descreveram como o DEVS se desenvolveu. Eles recomendaram a criação de módulos DEVS padrão, o aprimoramento das ferramentas de simulação e a garantia de que o DEVS funcione bem com plataformas amplamente utilizadas, como FMI, que significa Functional Model Interface e é um padrão para troca de modelos e co-simulação. Todos estes esforços visam construir um sistema flexível e confiável baseado em DEVS onde os modelos possam ser facilmente reutilizados, adaptados e combinados.
Ao construir a sua abordagem sobre bases teóricas sólidas e fornecer métodos fáceis de usar para conectar sistemas díspares, os investigadores acreditam que o DEVS oferece um caminho prático a seguir. À medida que o software se torna mais conectado e complexo, é mais importante do que nunca ter uma forma confiável de simulá-lo e testá-lo de forma holística, e esta pesquisa fornece uma solução robusta e apoiada matematicamente.
Doowhan Kim, presidente da RTSync, enfatizou que o DEVS continua demonstrando sua capacidade de fornecer o rigor e a modularidade que a indústria exige para um ambiente de simulação escalonável e confiável. “A RTSync está liderando esforços para comercializar plataformas baseadas em DEVS, como gêmeos digitais do mundo real e infraestrutura de simulação baseada em nuvem”, disse ele. Ao mesmo tempo, organizações como a Organização Internacional de Normalização (ISO) estão a trabalhar na normalização do DEVS para garantir a interoperabilidade e a fiabilidade na defesa, na ciência e na indústria. Juntos, estes esforços marcam a transformação do DEVS de investigação académica num pilar mundialmente reconhecido de investigação científica e inovação em engenharia.
Referência do diário
Zeigler B., Kewley R., Wainer G., “DEVS Closure sob Acoplamento, Universalidade e Exclusividade: Habilitando Simulação e Interoperabilidade de Software a partir dos Fundamentos da Teoria de Sistemas.” Computador, 2025. doi: https://www.mdpi.com/2073-431X/14/12/514
Sobre o autor
Bernard P. Ziegler é Professor Emérito de Engenharia Elétrica e de Computação na Universidade do Arizona, onde lecionou até se aposentar. Entre outras coisas, ele atua como cientista-chefe de uma empresa spin-off que foi originalmente fundada em seu laboratório no Centro de Modelagem e Simulação Integrada do Arizona (ACIMS). Ele recebeu o diploma de bacharel em engenharia física pela Universidade McGill, mestrado em engenharia elétrica pelo MIT e doutorado. em Ciência da Computação/Comunicação pela Universidade de Michigan. Ele é conhecido por seu desenvolvimento de estruturas DEVS para modelagem e simulação e é membro de importantes associações profissionais. Seu trabalho abrange pesquisas acadêmicas e aplicações comerciais de modelagem em engenharia de sistemas e ambientes de software.
Roberto Chiuley é diretor e engenheiro de sistemas na Simlytics.cloud LLC, onde se concentra na aplicação de métodos de simulação e modelagem a sistemas complexos, incluindo ambientes operacionais, baseados em nuvem e “sistemas de sistemas”. Sua carreira incluiu engenharia de sistemas de defesa e educação em simulação. Ele escreveu sobre modelagem orientada a dados, simulação federada e estruturas de modelos distribuídos. Na Simlytics, ele é responsável por integrar tecnologias antigas e novas para que possam ser utilizadas em conjunto em uma plataforma de simulação flexível. A experiência de Kewley combina a profundidade técnica da engenharia de sistemas com uma orientação prática para desafios industriais e organizacionais.
Gabriel Weiner é professor do Departamento de Engenharia de Sistemas e Computação da Carleton University em Ottawa, Canadá, onde lidera o Laboratório Avançado de Simulação em Tempo Real. Ele possui um Ph.D. Possui doutorado pela Universidade de Buenos Aires/Aix-Marseille e ocupou cargos de visitante em instituições de pesquisa na Argentina, França e Canadá. Sua pesquisa abrange métodos de modelagem e simulação, sistemas em tempo real, modelos celulares e ambientes de simulação paralelos ou baseados em rede. Ele publicou extensivamente, liderou importantes bolsas e ocupou cargos de liderança editorial e em conferências. Wiener continua a moldar a forma como as ferramentas de simulação são desenvolvidas, integradas e ensinadas.
