Ученые работают над созданием цифрового двойника Байкала

Сибирские ученые создают цифровой двойник озера Байкал. В проекте участвуют специалисты из 16 научных институтов, которые вместе разрабатывают новую систему мониторинга. Она позволит следить за экологическим состоянием Байкальской природной территории в режиме реального времени и производить сценарные расчеты возможных изменений. 

Главная ценность проекта — это понимание того, как связаны между собой природные процессы на Байкальской природной территории, как они поведут себя в будущем, а не просто сбор отдельных данных.

«Предложения о создании комплексных интеграционных программ исследований озера возникли еще восемь лет назад. Центром аккумулирования всех данных о Байкале могут послужить институты математического и информационно-вычислительного профиля. На сегодня в рамках крупного проекта, в ходе которого также предполагается выполнить моделирование тех или иных процессов, участвуют 16 институтов. Одна из основных задач такого моделирования — не только оценить то, что происходит сегодня, но и сделать прогноз»,— рассказал руководитель проекта научный руководитель Иркутского филиала СО РАН и директор Института динамики систем и теории управления имени В. М. Матросова СО РАН академик Игорь Вячеславович Бычков.

Прогностические математические модели и обработка данных нужны для того, чтобы понимать, в каком состоянии находится Байкал и что его ждет. Цифровой двойник должен не только позволять оперативно отслеживать текущие изменения, но и предсказать, как они повлияют на всю экосистему и что может произойти с уникальным природным объектом в будущем.

«Мы занимаемся не прогнозом (потому что он предполагает сертификацию расчетных программ, а это не является задачей научной организации), а сценарными расчетами. Разрабатываются математические модели, методы усвоения данных, программные платформы — всё это в комплексе можно назвать цифровым двойником. Для этого используются методы вычислительной математики и искусственного интеллекта. Например, вместе мы уже придумали, как обрабатывать данные, которые поступают из недр Земли на интересующей нас территории. Один из результатов — созданная программная платформа», — отметил директор Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Михаил Александрович Марченко.

Работа над цифровым двойником Байкала ведется в разных направлениях, одно из них — математический двойник управляемого селя. По словам заместителя директора по научной работе ИВМиМГ СО РАН доктора технических наук Игоря Николаевича Ельцова, существует угроза загрязнения озера токсичными отходами, накопленными в результате работы Байкальского целлюлозно-бумажного комбината недалеко от берега. По рекам, опоясывающим эти загрязненные территории, с периодичностью раз в 20—25 лет спускаются селевые потоки, состоящие из смеси воды и горных пород и набирающие невероятную силу. Они могут зацепить шламохранилища, что, возможно, приведет к катастрофе.

«Нужно воздействовать на природу постепенно, небольшими шагами, чтобы снять эту опасность. В основе нашего проекта — идея управляемого селя. Уже существуют модели, позволяющие сделать сценарные расчеты образования селей, но пока эти модели далеки от реальности. Мощности Сибирского суперкомпьютерного центра СО РАН на базе ИВМиМГ позволяют рассчитывать более сложные конфигурации, и сейчас мы готовим комплексный проект, в котором будет обозначено создание цифрового двойника управляемого селя с учетом элементов расчета напряженно-деформированного состояния пород, влияния сейсмичности на устойчивость фильтрационных барьеров и других аспектов», — прокомментировал Игорь Ельцов.

О работе с загрязнением воздуха Байкальской природной системы рассказал заместитель директора по научной работе ИВМиМГ СО РАН доктор физико-математических наук Алексей Владимирович Пененко.

«Прежде всего, мы занимаемся методами объединения данных измерения и математических моделей, связанных с качеством воздуха. Цель этих работ — по разнородной частичной информации восстановить общую картину происходящего. Мы двигаемся в двух основных направлениях. Первое — разработка относительно быстрых моделей, которые можно использовать для интерпретации данных в полевых условиях. Второе направление — разработка полномасштабных моделей с учетом всевозможных процессов трансформаций примесей в атмосфере, учитывающих рельеф, климат и другие параметры», — объяснил Алексей Пененко.

Ученые планируют получить целый набор математических моделей разной сложности с тем, чтобы затем объединить их в систему и определить воздействия, которые можно к ней применить, чтобы оптимизировать состояние природы в каком-то направлении, например улучшить качество воздуха. Вместе с этим ведутся и исследования атмосферных процессов, происходящих на Байкальской природной территории.

«Разрабатываются стохастические генераторы погоды, которые описывают метеорологические процессы с помощью теории вероятностей и создают математические модели для определения сценариев метеопроцессов. Например, они могут моделировать, как меняются температура воздуха, влажность и другие метеопараметры во времени и пространстве с учетом особенностей БПТ. Эти генераторы можно будет применять в различных прикладных областях и биоклиматологии для, например, оценки влияния метеопараметров на здоровье человека», — пояснила заведующая лабораторией стохастических задач ИВМиМГ СО РАН доктор физико-математических наук Нина Александровна Каргаполова.

Первая версия цифрового двойника Байкальской природной территории уже работает и моделирует происходящие в реальности процессы. Для использования его как прогностической методики требуется дальнейшая доработка системы.

Газета «Наука в Сибири» от 10 апреля 2025 года