Байкал и его цифровой двойник
В ходе визита президента РАН академика Александра Михайловича Сергеева в новосибирский Академгородок московской делегации рассказали об одном из крупных проектов-стомиллионников, который посвящен фундаментальным основам, методам и технологиям цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории. Проект объединил сотрудников 14 научных институтов из 5 городов Сибири и 210 исследователей.
«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». 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?» «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».
Фото Юлии Поздняковой