» » Ученые приступили к созданию высокоточного цифрового двойника нашей планеты

Ученые приступили к созданию высокоточного цифрового двойника нашей планеты

68


Цифровой двойник нашей планеты призван в будущем моделировать систему Земли. Он предназначен для поддержки лиц, определяющих политику, в принятии соответствующих мер для лучшей подготовки к экстремальным явлениям. В новом стратегическом документе европейских ученых и компьютерных специалистов ETH Zurich показано, как этого можно достичь.


Чтобы стать климатически нейтральным к 2050 году, Европейский Союз запустил две амбициозные программы: Green Deal и DigitalStrategy. В качестве ключевого компонента их успешной реализации ученые-климатологи и специалисты по информатике запустили инициативу Destination Earth, реализация которой начнется в середине 2021 года и, как ожидается, продлится до десяти лет. В течение этого периода должна быть создана высокоточная цифровая модель Земли, цифровой двойник Земли, чтобы максимально точно отображать развитие климата и экстремальные явления в пространстве и времени.


Данные наблюдений будут постоянно вводиться в цифровой двойник, чтобы сделать цифровую модель Земли более точной для отслеживания эволюции и прогнозирования возможных будущих траекторий. Но в дополнение к данным наблюдений, обычно используемым для моделирования погоды и климата , исследователи также хотят интегрировать в модель новые данные о соответствующей деятельности человека. Новая модель системы Земли будет максимально реалистично отображать практически все процессы на поверхности Земли, включая влияние человека на управление водными ресурсами, продуктами питания и энергией, а также процессы в физической системе Земли.


Информационная система для принятия решений


Цифровой двойник Земли призван стать информационной системой, которая разрабатывает и тестирует сценарии, которые демонстрируют более устойчивое развитие и, таким образом, лучше информируют политику. «Например, если вы планируете построить двухметровую дамбу в Нидерландах, я могу просмотреть данные в моем цифровом двойнике и проверить, будет ли дамба по-прежнему защищать от ожидаемых экстремальных явлений в 2050 году», - говорит Питер Бауэр. , заместитель директора по исследованиям Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) и со-инициатор Destination Earth.

Цифровой двойник также будет использоваться для стратегического планирования поставок пресной воды и продуктов питания или ветряных электростанций и солнечных электростанций.


Движущими силами Destination Earth являются ЕЦСПП, Европейское космическое агентство (ЕКА) и Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников (ЕВМЕТСАТ). Вместе с другими учеными Бауэр занимается климатологией и метеорологическими аспектами цифрового двойника Земли, но они также полагаются на ноу-хау компьютерных ученых из ETH Zurich и Швейцарского национального суперкомпьютерного центра (CSCS), а именно профессора ETH Торстена Хефлера. из Института высокопроизводительных вычислительных систем и Томас Шультесс, директор CSCS.


Бауэр подчеркивает, что для того, чтобы сделать этот большой шаг в цифровой революции, науки о Земле должны быть связаны с компьютерными науками. В недавней публикации в Nature Computational Science группа исследователей из области наук о Земле и компьютерных наук обсуждает, какие конкретные меры они хотели бы использовать для продвижения этой «цифровой революции наук о земных системах », где они видят проблемы и какие возможные решения можно найти.


Модели погоды и климата как основа


В своей статье исследователи оглядываются на неуклонное развитие погодных моделей с 1940-х годов, историю успеха, которая имела место незаметно. Метеорологи первыми начали, так сказать, моделировать физические процессы на крупнейших компьютерах мира. Таким образом, как физик и специалист по информатике, Шультесс из CSCS убежден, что сегодняшние модели погоды и климата идеально подходят для определения совершенно новых способов эффективного использования суперкомпьютеров для многих других научных дисциплин.


В прошлом при моделировании погоды и климата использовались разные подходы к моделированию системы Земля. В то время как климатические модели представляют собой очень широкий набор физических процессов, они обычно не учитывают мелкомасштабные процессы, которые, однако, необходимы для более точных прогнозов погоды, которые, в свою очередь, фокусируются на меньшем количестве процессов. Цифровой двойник объединит обе области и позволит моделировать в высоком разрешении сложные процессы всей системы Земли. Но для этого коды программ моделирования должны быть адаптированы к новым технологиям, обещающим значительно более высокую вычислительную мощность.


При наличии компьютеров и алгоритмов, доступных сегодня, очень сложные симуляции вряд ли могут быть выполнены с запланированным чрезвычайно высоким разрешением в один километр, потому что в течение десятилетий разработка кода с точки зрения информатики застопорилась. Климатические исследования выиграли от возможности повысить производительность за счет использования процессоров нового поколения без необходимости кардинально менять свою программу. Этот бесплатный прирост производительности с каждым новым поколением процессоров прекратился около 10 лет назад. В результате современные программы часто могут использовать только 5 процентов максимальной производительности обычных процессоров (ЦП).


Для достижения необходимых улучшений авторы подчеркивают необходимость совместного проектирования, то есть совместной и одновременной разработки аппаратных средств и алгоритмов, что успешно продемонстрировала CSCS в течение последних десяти лет. Они предлагают обратить особое внимание на общие структуры данных, оптимизированную пространственную дискретизацию вычисляемой сетки и оптимизацию длин временных шагов. Ученые также предлагают отделить коды для решения научной проблемы от кодов, которые оптимально выполняют вычисления в соответствующей системной архитектуре. Эта более гибкая структура программы позволит быстрее и эффективнее переключиться на будущие архитектуры.


Получение прибыли от искусственного интеллекта


Авторы также видят большой потенциал в искусственном интеллекте (ИИ). Его можно использовать, например, для ассимиляции данных или обработки данных наблюдений, представления неопределенных физических процессов в моделях и сжатия данных. Таким образом, ИИ позволяет ускорить моделирование и отфильтровать наиболее важную информацию из больших объемов данных. Кроме того, исследователи предполагают, что использование машинного обучения не только делает вычисления более эффективными, но и может помочь более точно описать физические процессы.


Ученые рассматривают свой стратегический документ как отправную точку на пути к созданию цифрового двойника Земли. Среди компьютерных архитектур, доступных сегодня и ожидаемых в ближайшем будущем, суперкомпьютеры на базе графических процессоров (GPU) представляются наиболее многообещающим вариантом. По оценкам исследователей, для работы цифрового двойника в полном масштабе потребуется система с примерно 20 000 графических процессоров, потребляющая примерно 20 МВт энергии. Как по экономическим, так и по экологическим причинам, такой компьютер должен работать в месте, где генерируемая с нейтралью CO 2 электроэнергия доступна в достаточных количествах.

https://phys.org/news/2021-02-scientists-highly-accurate-digital-twin.html

новости | Ошибка? Четверг,13:55 0 Просмотров:65
Другие новости по теме:
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.