«Цифровой двойник» Байкала: сибирские ученые рассказали, зачем он нужен и как используется

В ТАСС 1 апреля состоялась пресс-конференция о создании цифровых двойников и математических моделей природных процессов Байкальской территории.

Директор Института динамики систем и теории управления им. Матросова СО РАН, академик РАН Игорь Бычков рассказал, чем обусловлено проведение научных исследований Байкальской природной территории, какие научные организации принимают участие в этой работе и что дает привлечение к этой работе институтов математического направления. Он отметил, что идеи создания комплексных интеграционных программ исследований озера Байкал были предложены около восьми лет назад.

– «Цифра» вошла в нашу жизнь так плотно, что мы не представляем себе без нее вообще в принципе ни одного не только профессионального, но и обычного житейского действия. Озеро Байкал регулярно изучается уже более 150 лет, идет накопление материала, а его обобщение и анализ сегодня невозможны без применения вычислительных методов искусственного интеллекта, обработки больших данных. Естественно, что точкой сборки, если можно так сказать, всей информации могут и должны были послужить институты математического и информационно-вычислительного профиля, – пояснил он.

Зачем нужно?

«Цифровой двойник» – это уже второй крупный проект такого рода, который посвящен Байкалу. В первом участвовали 17 институтов, в этом – 16. Привлекаются не только те учреждения, которые работают рядом с Байкалом, но и специалисты из Новосибирска, Томска, Омска, Москвы, Санкт-Петербурга.

Вместе с тем для столь сложного объекта, как Байкал, ученые не смогут получить полноценного цифрового двойника. Будут изучены отдельные аспекты, которые сегодня в комплексе влияют на экосистему и характеризуют экосистему озера. По некоторым создадут более подробные и более соответствующие им модели, другие будут более обобщенными.

При этом одна из основных задач любого моделирования, любой обработки данных – это не только оценка того, что в настоящее время происходит с объектом, но и прогноз: что будет с ним в тех или иных обстоятельствах и условиях. В таких случаях без моделей не обойтись. Работы ведутся по разным направлениям, одно из них связано с гидрологией, другое – с биологией, третье – с опасными экзогенными и эндогенными процессами, и так далее.

Директор Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН Михаил Марченко подчеркнул, что Байкал – это уникальный природный объект, который надо защищать. Как раз для этой цели необходимы прогностические математические модели и обработка данных, чтобы понимать, каково состояние озера, что его ждет в текущих условиях, и что может произойти при изменении, например, антропогенной нагрузки. Какие шаги нужно предпринять и к чему это приведет, покажут математические модели.

– Вот так и появляется новый термин «цифровой двойник». Это комплекс математических моделей, это суперкомпьютер, это методы усвоения данных. Цифровой двойник должен предсказать, спрогнозировать, что будет в данном случае с природным объектом. Мы действительно только начинаем. Работа очень сложная. Данных накоплено много, они разнородны и прибавляются каждый год: что происходит в воде, на земле вокруг Байкала, в воздухе; есть данные из космоса, аэрофотосъемки… Все это нужно обрабатывать, – рассказал он, добавив, что, просто накопив данные, сценарного расчета не провести.

Михаил Марченко акцентировал, что слова «прогнозирование» в том смысле, как оно понимается в современной практике, ученые стараются избегать:

– Прогноз – это большая ответственность. Мы занимаемся сценарными расчетами. Мы разрабатываем математические модели, методы усвоения данных, программные платформы. Вот это все в комплексе, когда будет достаточно накоплено моделей и методов, и станет цифровым двойником.

В ИВМиМГ СО РАН концентрируются на вычислительной математике, на методах искусственного интеллекта, на вычислениях, и по некоторым направлениям уже были достигнуты серьезные успехи. В частности, речь идет о выявлении предвестников землетрясений. На основе данных недр была создана программная платформа совместно с Институтом земной коры.

Экология и стихийные бедствия

Замдиректора ИВМиМГ СО РАН по научной работе Игорь Ельцов напомнил об угрозе загрязнения Байкала продуктами отходов работы БЦБК: в картах-накопителях бывшего комбината до сих пор сосредоточено около шести тонн токсичных отходов. Ближайший из отстойников находится в 400 метрах от береговой территории. Неразрывно с этой проблемой связана угроза селей – по соседним рекам они спускаются в среднем каждые 20-25 лет. В периоды паводков или дождевой активности есть вероятность схода селевых потоков с вершин хребта Хамар-Дабан, которые могут зацепить шламонакопители, и тогда наступит настоящая катастрофа, пояснил ученый.

– По инициативе академика Бычкова ранее состоялась экспедиция на русла этих рек и к самим шламохранилищам. Десятилетия, прошедшие с момента строительства этих сооружений, привели к их существенному старению, и на этой территории мы запланировали геофизические работы, чтобы оценить устойчивость этих барьеров с позиции науки, – рассказал Игорь Ельцов. – Изучить эту потенциальную опасность можно как раз на тренажере, который мы называем «цифровым двойником». Некоторые расчетные модели позволяют сделать сценарные расчеты образования селей, но, к сожалению, они очень далеки от реальности.

По итогам экспедиции был собран материал для того, чтобы наполнить эти модели более адекватным содержанием. Сейчас готовится комплексный проект, в котором будет и «цифровой двойник» управляемого селя, и элементы расчетов напряженно-деформированного состояния, влияние сейсмичности на устойчивость фильтрационных барьеров, и другие аспекты.

Также «цифровой двойник» поможет ученым в исследовании качества прибайкальского воздуха. Работы ведутся в двух направлениях, рассказал замдиректора ИВМиМГ СО РАН по научной работе Андрей Пененко. Одно из них – разработка относительно быстрых моделей, которые можно запускать и использовать для интерпретации данных в полевых условиях на планшетах, не требующих больших вычислительных мощностей. Второе связано уже с полномасштабными моделями, которые в реальном времени учитывают всевозможные процессы трансформации примесей в атмосфере, рельеф, климат и позволяют уточнять их параметры.

И о погоде

В лаборатории стохастических задач ИВМиМГ СО РАН занимаются исследованием атмосферных процессов озера Байкал и прилегающей территории. Специалисты разрабатывают так называемые стохастические «генераторы погоды». Это описание того, что происходит в атмосфере, метеорологических процессов, которые происходят в ее приземном слое, с помощью языка теории вероятностей и создания математических моделей и комплексов вычислительных программ для построения различных сценариев метеопроцессов.

– То есть, как во времени и в пространстве с учетом каких-то специфических особенностей Байкальской природной территории изменяются, например, температура и влажность воздуха относительно других метеопараметров, – пояснила заведующая лабораторией Нина Каргаполова. – Цель разработки этих моделей достаточно очевидна, это применение в различных прикладных областях. Одно из последних направлений, которым мы начали заниматься, это применение этих моделей в энергетике. Буквально несколько месяцев назад передали в Институт динамики систем и теории управления СО РАН наши разработки. Это программный комплекс, чтобы они могли тестировать «цифровой двойник» локальных энергетических систем, то есть тех, которые производят энергию с помощью возобновляемых источников энергии – солнечных батарей, ветряков и прочего, – в зависимости от метеоусловий в той или иной точке Байкальской природной территории.

Еще одна цель разработки «генераторов погоды» – это применение их в биоклиматологии, то есть для оценки того, как метеопараметры комплексно воздействуют на здоровье и самочувствие людей.

Михаил Марченко подытожил, что в настоящее время ученые уже имеют «цифровой двойник» Байкала – или, по крайней мере, его альфа-версию. Однако он будет совершенствоваться, модели и методы обработки данных будут уточняться, и это длительный процесс. Впрочем, в него уже внедрен опыт сибирских институтов, накопленный за десятилетия работы. Этот комплекс моделей, методов обработки данных, вычислительной технологии с известной точностью уже воспроизводит процессы на Байкальской природной территории.

– Но еще предстоит много работы для того, чтобы этот проект можно было использовать как инструмент для прогнозирования. В частности, его надо сертифицировать, эта процедура очень серьезная, это все впереди, – резюмировал он.

• Интереснейшие публикации иркутских СМИ — в соцсетях: ВКонтакте, Одноклассники, Telegram