Цифровой двойник Байкала поможет сохранить уникальное озеро

Сохранить уникальную природу Байкала поможет крупный научный проект, над которым работают специалисты 16 институтов Иркутска, Новосибирска, Томска, Омска и Москвы. По сути, ученые создают цифровой двойник сибирского озера - то есть описывают его с помощью математического языка. И это отнюдь не "дважды два": только представьте, какое огромное количество процессов одновременно протекают и влияют друг на друга в сложном природном объекте. И как трудно описать формулами каждый, да еще и объединить в систему. Чем сложнее она будет, тем точнее можно просчитать влияние тех или иных факторов на "живой" Байкал и защитить озеро от возможного вреда.

Вот конкретная ситуация, помогающая оценить важность исследований ученых. Известно, что одна из угроз природе озера - опасные отходы, накопленные за годы работы Байкальского целлюлозно-бумажного комбината.

- Шлам-хранилища с токсичным лигнином каскадом спускаются к берегу, ближайший находится всего в четырехстах метрах от озера. По протекающим здесь рекам - Большой и Малой Осиновкам - раз в 20-25 лет с вершин хребта Хамар-Дабан спускаются селевые потоки из грязи и камней. Паводки и ливневые дожди могут спровоцировать сель, если он зацепит отстойники с лигнином - будет настоящая экологическая катастрофа, - подчеркивает заместитель директора по научной работе Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН Игорь Ельцов.

По инициативе руководителя проекта "Цифровой двойник" - академика РАН Игоря Бычкова данную территорию обследовала экспедиция ученых разных специальностей. Они пришли к выводу, что отстойники не выдержат напор грязевого потока. И предложили решение проблемы.

- В основе проекта - идея управляемого селя, - поясняет Игорь Ельцов. - Нужно аккуратно воздействовать, так, чтобы маленькими порциями снять эту угрозу. И, конечно, сначала проверить все на цифровом двойнике.

Математические модели для защиты от селей разрабатывали уже во времена СССР, достаточно вспомнить работы основателя Академгородка Михаила Лаврентьева, под руководством которого с помощью направленного взрыва была создана противоселевая плотина в Медео, защитившая Алма-Ату. Но сегодня математики могут сделать все гораздо точнее.

- Сибирский суперкомпьютерный центр, работающий на базе нашего института, позволяет рассчитывать намного более сложные модели, чем раньше, я называю их "реалистичными", - говорит Игорь Ельцов. - В ходе экспедиции были собраны материалы, чтобы наполнить такую модель адекватным содержанием. Сейчас готовим комплексный проект по решению селевой проблемы - надеюсь, он будет поддержан в минприроды РФ и минобрнауки РФ.

Это только одна проблем, а ведь их множество. Как в их решении помогает цифровой двойник (ЦД), корреспонденту "РГ" рассказал директор ИВМиМГ СО РАН доктор физико-математических наук Михаил Марченко.

Михаил Марченко: Цифровой двойник - это набор математических моделей, параметры которых определяются на основе данных измерений, мониторинга, телеметрии. Далее по результатам расчетов в ЦД формируются управляющие воздействия на объект. Цифровой двойник работает в режиме реального времени и требует значительных вычислительных мощностей.

Например, в ряде городов ЦД применяют для оперативного анализа качества атмосферного воздуха. Датчики измерят концентрации загрязнений в разных районах. Затем производятся расчеты, и на их основании дают рекомендации - где прокладывать дороги, как оперативно управлять автотрафиком, как регулировать выбросы промпредприятий.

Перейдем к Байкалу. Подчеркну, что мы работаем в рамках крупного проекта, которым руководит академик РАН Игорь Бычков, директор головной организации - Института динамики систем и теории управления имени В.М. Матросова в Иркутске (ИДСТУ СО РАН). Наша задача - разрабатывать математические модели процессов, протекающих в Байкальском регионе, методы усвоения и обработки мониторинговых данных. А в ИДСТУ создается интегрированная программная платформа "Цифровой двойник Байкала", объединяющая набор моделей от нас и других научных организаций.

Как ЦД будет влиять на Байкал? С его помощью можно проводить сценарные расчеты на основе данных мониторинга. Отвечать на вопросы: что будет происходить с озером, если уровень загрязнений останется таким как сегодня? А если ограничить выбросы промпредприятий? Это поможет совершенствовать природоохранные меры, разрабатывать законодательство. Сейчас в очередной раз обсуждаются поправки к федеральному закону "Об охране озера Байкал". С помощью двойника можно будет оценить, какие ограничительные меры целесообразны, а какие чрезмерны. Ведь нельзя полностью запретить хозяйственную деятельность людей на этой территории.

Готов ли уже "двойник" к использованию?

Михаил Марченко: Завершена первая стадия - разнородные модели и методы усвоения данных объединены в единую платформу. Далее нужно увеличивать число моделей, учитывать большее количество процессов. Мы работаем со всей Байкальской природной территорией - это и вода, и сейсмика, и воздух. Влияют и глобальное изменение климата, и перенос загрязнений с других территорий. Необходимо оценить, что происходит с рекой Селенгой, питающей Байкал. Также надо усложнять модели, делать их более реалистичными - работы много. Отмечу, что первые модели природных процессов были очень упрощенные, потом их усложняли, а от некоторых и вовсе отказались. Математическое моделирование эволюционирует, появляются новые методы.

Зачем нужна сертификация моделей?

Михаил Марченко: Численный прогноз на государственном уровне строится только на сертифицированных моделях. Сертификация - это законодательно регламентируемый процесс, тестированием занимаются специалисты Росстандарта. И только после нее расчетные сценарии ЦД Байкала будут предоставлены федеральным органам, принимающим решения.

Сейчас идут научные проверки качества моделей и программного обеспечения. Мы публикуем результаты в ведущих журналах, они успешно прошли научную экспертизу. По окончанию второй части проекта в 2027 году будем переходить к сертификации цифрового двойника.

Достаточно ли у вас вычислительных мощностей для решения столь сложных задач?

Михаил Марченко: Центры коллективного пользования суперкомпьютерами есть у нас и в Иркутске. У нас - 300 терафлопс, в ИДСТУ - 200, вместе получается около 0,5 петафлопса. При этом можно обмениваться задачами.

Подчеркну, что наши математические модели - это десятилетия работы. В нашем институте созданы экономичные, оптимальные по соотношению "точность численных оценок к затраченному машинному времени" алгоритмы. У нас есть математическое обоснование, программы - все, что входит в ЦД.

Алексей Пененко, заместитель директора по научной работе ИВМиМГ СО РАН:

- Наша часть работы в ЦД Байкала концентрируется на моделировании загрязнения атмосферы и вопросах метеорологии и климата. Мы поддерживаем четыре ключевых направления. Во-первых, моделирование источников выбросов, в частности, процессов подъема дымовых факелов от труб предприятий. Во-вторых, модели оценивания долгосрочных загрязнений территорий в масштабах городов. Третье направление - моделирование атмосферы Байкальского региона с учетом химических трансформации атмосферных примесей. Здесь учитываются физико-химические изменения выбрасываемых загрязнений под действием солнечных лучей, влажности и других факторов. В частности, поднимется очень важный для природоохранной деятельности вопрос - как идентифицировать источник загрязнения при недостатке информации?

И в-четвертых, это стохастические модели метеорологических процессов и климата в Байкальском регионе, которые могут использоваться при планировании работы энергетических предприятий региона - оценки сроков отопительного сезона, режимов функционирования солнечных и ветровых электростанций. Эти исследования также связаны с биоклиматическими вопросами. Например, с воздействием метеорологических условий и климата на здоровье людей. Эти алгоритмы важны и для сельского хозяйства - в частности, при оценке влияния на урожай заморозков или других неблагоприятных факторов.

В качестве входных параметров для наших алгоритмов мы используем как результаты контактных измерений, так и спутниковые данные. Первый этап проекта как раз и был во многом посвящен объединению разнотипных данных, что оказалось весьма нетривиальной задачей. Печать