Байкал и его цифровой двойник
«8 февраля 2018 года президент России Владимир Владимирович Путин посещал Сибирское отделение РАН, встречался с учеными, и как раз на этой встрече была озвучена необходимость проведения работы, связанной с комплексированием огромного объема разнородных и разноформатных данных, объединения различных вычислительных и информационных методов для того, чтобы мы перешли на совершенно новый уровень, связанный с мониторингом и оценкой крупных природных объектов, — пояснил руководитель проекта, заместитель председателя СО РАН, научный руководитель Иркутского научного центра СО РАН и директор Иркутского филиала СО РАН академик Игорь Вячеславович Бычков. — Поэтому на сегодня мы ставим перед собой одну из важнейших задач — создание новой цифровой платформы, методов и технологий на основе передовых вычислительных технологий, в частности нейронных сетей».
По словам ученого, одна из главных особенностей проекта — не просто накопить те или иные данные, но понять взаимосвязь процессов, происходящих на Байкальской природной территории (БПТ). «Поэтому у нас очень обширная география исполнителей проекта, которые подбирались по определенной схеме, исходя из шести направлений, — подчеркнул академик Бычков. — Первое направление связано с созданием такой инструментальной платформы, на базе которой участники консорциума, а потом и другие исследователи БПТ могли бы взаимодействовать. Важно, чтобы этот электронный ресурс продолжал поддерживаться и обновляться после окончания сроков выполнения проекта — например, по типу “Википедии”». Еще один немаловажный аспект — подключение к этой платформе не только научных организаций, но и региональных структур, начиная с органов государственной власти и заканчивая представительствами федеральных организаций и корпораций.
Несколько направлений касаются формирования концептуальных основ мониторинга: экстремальных природных явлений и антропогенных выбросов в атмосферу; экстремальных геологических и эколого-геохимических процессов; медико-экологических и эпидемиологических аспектов. Здесь речь идет об отслеживании важных параметров в гидрологии, энергетике и так далее, а также новых технологиях, которые должны быть разработаны. «Мы очень аккуратно подходим к понятию “мониторинг”, — отметил академик Бычков. — Есть государственный, осуществляющийся на базе утвержденных методик и соответствующих инструментальных средств, и по его результатам принимаются управленческие решения разного типа, это одна часть работы. Что касается нашей деятельности, то мы должны предложить новые фундаментальные основы, методики и инструментальные средства». В частности, как подчеркнул Игорь Вячеславович, стоит задача организации онлайн-мониторинга, который дополняет лабораторный, но по сути своей является совершенно новой системой.
Если говорить о формальных показателях, которые уже достигнуты за 92 дня исследований, то это: 11 статей в научных изданиях первого и второго квартилей, одна диссертация на соискание ученой степени кандидата наук по тематике проекта, а также 44 % аспирантов и молодых ученых до 39 лет в общей численности участников.
«Основа интеграции по информационным и вычислительным ресурсам — концепция цифровой трансформации научных исследований экологических проблем БПТ, — рассказал Игорь Бычков. — Фактически мы говорим о возможности использования в исследованиях данных, которые получены разными группами ученых и хранятся в разных форматах, структурах и базах; об информационных сервисах и применении высокопроизводительных вычислений для реализации deeplearning и нейронных сетей. Причем очень важно, что дальнейшее развитие во всём этом направлении будет связано с математическим моделированием». Еще одна значимая проблема — система хранения большого объема данных и, главное, возможности их потоковой обработки. Наконец, есть острый вопрос доступности информации. «К сожалению, на сегодняшний момент многие данные, в том числе полученные за счет федерального бюджета и различного рода грантов, не становятся открытыми для других исследователей», — констатировал академик Бычков.
Всё это планируется исправить в ходе выполнения проекта. Предполагается, что создаваемая инструментальная цифровая платформа будет включать различного рода геопорталы и информационные системы, которые позволят использовать и запускать программы, находящиеся на разных узлах, для разных пользователей и обмениваться при этом данными. Что касается обработки данных, то на сегодня речь идет о комплексировании больших объемов информации, их корректировке и уточнении.
«За тот период, что выполняется проект, мы провели существенное развитие центра обработки данных, увеличили количество процессоров, объем оперативной памяти, и на сегодня это дает возможность организовать необходимое хранилище, которое может принять данные всех участников консорциума», — акцентировал Игорь Бычков.
Ученый рассказал о некоторых результатах, полученных в ходе работ по проекту. В частности, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН апробировал разработанные подходы к интеграции данных гетерогенных систем мониторинга на примере данных о качестве воздуха различного типа. По словам Игоря Бычкова, разнородная информация, полученная как от контактных измерений, так и со спутниковых изображений и так далее, может быть объединена с помощью математических моделей и интерпретирована.
«Еще одна важная работа, которую проводит ИВМиМГ СО РАН совместно с Институтом геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН (Иркутск), касается рекультивации площадки “Усольхимпром” и биомониторинга ртути, — сказал Игорь Бычков. — Здесь были разработаны малопараметрические модели реконструкции и численно восстановлены поля загрязнений от основных очагов атмосферных поступлений ртути. Высокую точность таких моделей подтвердили реальные измерения».
Игорь Бычков (Фото Юлии Поздняковой)
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (Томск), используя лидары — как стационарные, так и находившиеся на кораблях, — оценил проявление в атмосфере пожаров, в том числе и отдаленных. Лимнологический институт СО РАН (Иркутск) в рамках работы по этому же блоку исследований дооснастил станцию мониторинга «Листвянка», которая находится в одноименном поселке там же, где расположен Байкальский солнечно-вакуумный телескоп, то есть эта станция не подвержена влиянию самого населенного пункта и позволяет получить данные по газовым примесям. Это также характеризует состояние атмосферы рядом с озером Байкал.
Направление исследований, которое ведет Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН (Иркутск), касается обоснования внедрения экологически чистых энергетических технологий.
«Уже есть рекомендации с соответствующими обоснованиями для модернизации ТЭЦ в Байкальске, в частности переход от угольной котельной к электрообогреву. Также рассматриваются вопросы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии, в частности оценка показателей их потенциала с учетом самых разных показателей, включая, например, фактор обледенения ветроэнергетических установок», — прокомментировал Игорь Бычков.
За счет установки новых мониторинговых станций ЛИН СО РАН уже выставляет данные, связанные с гидрологическими режимами Байкальской природной территории: по изменению температуры, уровня кислорода, pH, хлорофилла, минерализации.
«Впервые разработана и опробована на Байкале станция, позволяющая в автоматическом режиме измерять толщину льда и снега, температуру воды, солнечную радиацию, — отметил академик Бычков. — На сегодня в рамках проекта установлены уже две уровнемерные станции: на нижнем бьефе Ангары и в Листвянке. В январе мы договорились с ОАО “РЖД” о том, что поставим такие датчики на железнодорожных мостах».
Кроме того, ученые интегрировали данные мониторинга, который производится государственными службами, в частности Енисейским бассейновым водным управлением Федерального агентства водных ресурсов РФ. Эта информация собирается ими раз в сутки, а датчики ЛИН СО РАН это делают каждые 5 секунд. Получилось, что расхождение при прохождении максимального уровня составляет 9—17 сантиметров, а правительство РФ устанавливает предельно допустимый уровень с точностью 1 см.
«Фактически необходимо внести существенные изменения в действующее законодательство, чтобы учесть эти данные», — сказал Игорь Бычков.
Один из прикладных результатов, полученных специалистами Института физического материаловедения СО РАН (Улан-Удэ), — технология георадарного исследования ледяного покрова.
«Каждый год происходит довольно ощутимое количество в том числе и смертельных случаев в связи с недооценкой толщины льда. Люди выезжают на лед на машинах, проваливаются. Очень тяжелая ситуация связана с формированием переправ. МЧС в основном использует бурение, это довольно трудоемко, — актуализировал проблему академик Бычков. — Мы использовали георадар на борту катера на воздушной подушке. В итоге измерений получается профиль, по которому сразу видно, где как промерз водоем, причем эти данные можно всё время обновлять».
Причем эта информация важна и для самих ученых — в частности, для биологов, которые смогут оценить, как промерзание, например, до дна влияет на экосистему озера.
Институту земной коры СО РАН (Иркутск) в сентябре удалось запустить комплексное оборудование для оценки опасных геологических процессов. Оно было установлено на трех точках: «Приольхонье», «Бугульдейка» и «Листвянка».
«С 2008 года до недавнего времени было затишье: у нас фактически не случалось землетрясений. В сентябре 2020-го такое событие произошло, и, что самое важное, ученые получили информацию о предвестниках новых землетрясений, которые возникли уже в декабре и январе, — пояснил Игорь Бычков. — На сегодня это одно из выдающихся достижений, которые меняют взгляд на сейсмологию. Это еще не предсказания, но тем не менее. Как раз использование такого оборудования и возможностей комплексирования дает возможность существенно продвинуться в этом направлении».
Академик добавил, что после предоставления данных с администрацией Иркутской области и региональным МЧС достигнута договоренность о размещении пунктов мониторинга на других площадках, чтобы расширить систему наблюдения.
В числе других важных работ Игорь Бычков назвал составление списка стойких органических загрязнителей, присутствующих в экосистемах БПТ в концентрациях, которые способны оказывать негативное влияние на живые организмы и человека; создание методики радиоэкологического мониторинга сверхлегкими беспилотными аппаратами; разработку измерительных систем для роботизированного гидрофизического и гидрохимического комплекса; получение детальной карты рельефа БПТ, комплектацию и камеральную верификацию минимальной совокупности участков, которая позволяет следить за биологическим разнообразием территории и многое другое. Более подробно Игорь Бычков остановился на тематике, связанной с лесными пожарами.
«Они наносят не только прямой ущерб с точки зрения уничтожения деревьев, но оказывают существенное влияние на людей: увеличиваются количество обращений за медицинской помощью и показатели нарушения здоровья. Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований (Ангарск) провел эксперименты с белыми крысами, они четко показывают, что происходит возбуждение нервной системы, изменяется биоэлектрическая активность мозга, а также гипометилирование ДНК в крови. Возрастает тревожность и неадекватность поведения», — рассказал Игорь Бычков.
Комментируя его выступление, Александр Сергеев уточнил: «Фактически вы делаете цифрового двойника Байкала, и в результате будет модель со взаимосвязью разных подблоков и параметрами, которые можно менять и смотреть, на что и как это влияет?»
Александр Сергеев (Фото Юлии Поздняковой)
«Это наша суперцель, — подчеркнул Игорь Бычков. — Через четыре года проекта мы продвинемся в решении вопроса, и главное — чтобы наш цифровой двойник не был лоскутным одеялом, ведь основная задача не столько просто наблюдать, сколько уметь предсказать те или иные изменения. Еще одна немаловажная задача — предложить методики и инструментарий для совершенствования государственного мониторинга».
Справка: В ходе визита президента РАН академика Александра Михайловича Сергеева в новосибирский Академгородок московской делегации рассказали об одном из крупных проектов-стомиллионников, который посвящен фундаментальным основами, методам и технологиям цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории. Проект объединил 14 научных институтов из 5 городов Сибири и 210 исследователей.
Дата опубликования: 2.02.2021