Polscy naukowcy stworzą cyfrowego bliźniaka Bałtyku

Dzięki dofinansowaniu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w wysokości ponad 12,5 mln zł naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Instytutu Oceanologii PAN i Instytutu Budownictwa Wodnego PAN opracują cyfrowego bliźniaka Morza Bałtyckiego. Projekt MERMAID ma pomóc w bezpieczniejszym planowaniu działań na morzu – od żeglugi i pracy portów, po ochronę środowiska i reagowanie na zagrożenia. Liderem projektu jest prof. dr hab. Piotr Gwiazda z Instytutu Matematycznego PAN i Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego.

Cyfrowy bliźniak Bałtyku będzie zaawansowanym modelem komputerowym, który możliwie dokładnie odtworzy warunki panujące na morzu, m.in. temperaturę wody i powietrza, siłę i kierunek wiatru, ciśnienie, wysokość fal, kierunek falowania oraz prądy morskie.

– System będzie przewidywał rozwój sytuacji i dzięki temu wspierał decyzje podejmowane przez ludzi działających na morzu – wyjaśnia prof. Piotr Gwiazda, lider projektu.

Narzędzie prognostyczne odpowie na praktyczne pytania: jakie warunki będą panowały za kilka lub kilkadziesiąt godzin, czy możliwe będzie bezpieczne wejście jednostki do portu, kiedy zaplanować prace serwisowe na morzu albo w którym kierunku mogą przemieszczać się zanieczyszczenia.

– Pomiary na morzu są bardzo kosztowne i z natury punktowe. Model numeryczny pozwala przetworzyć te rozproszone dane w spójny obraz i przewidywać dalsze działania – tłumaczy prof. Gwiazda.

Bałtyk potrzebuje dedykowanego modelu

Projekt MERMAID odpowiada na rosnące znaczenie Bałtyku dla polskiej gospodarki i bezpieczeństwa. Morze przez większą część roku bywa trudnym środowiskiem pracy. Jesienią, zimą i wiosną okna pogodowe pozwalające na bezpieczne prowadzenie operacji morskich mogą być bardzo krótkie.

Szczególnie istotne jest to w polskiej części Bałtyku. – Nasze wybrzeże to w dużej mierze piaszczyste plaże, długie odcinki bez dużych portów i stosunkowo trudne warunki operacyjne. To oznacza, że potrzebujemy modelu dedykowanego właśnie temu obszarowi – podkreśla prof. Gwiazda.

Bezpieczniejsza żegluga, porty i energetyka offshore

Jednym z najważniejszych zastosowań cyfrowego bliźniaka Bałtyku będzie wspieranie decyzji operacyjnych. Nabiera to znaczenia w kontekście rozwoju morskich farm wiatrowych, terminali LNG, portów serwisowych oraz planowanych inwestycji związanych z energetyką jądrową. – Na Bałtyku powstaje coraz więcej infrastruktury, która nie funkcjonuje wyłącznie latem i przy dobrej pogodzie. Jeżeli coś trzeba serwisować zimą, decyzja o wyjściu w morze musi być oparta na bardzo dobrej informacji o warunkach – mówi lider projektu.

System ma wspierać m.in. wejścia statków do portów, wyjścia jednostek serwisowych do farm wiatrowych, pracę pogłębiarek i obsługę infrastruktury przybrzeżnej. Chodzi nie tylko o sprawność działań, ale także o ograniczenie ryzyka dla ludzi, sprzętu i infrastruktury. – Najbardziej niebezpieczne momenty w żegludze często zdarzają się w pobliżu brzegu, gdzie woda jest płytsza, a lokalne warunki szybko stają się trudne dla jednostek. Kluczowa jest możliwie wiarygodna informacja o bezpiecznych oknach czasowych dla manewru – tłumaczy prof. Gwiazda.

Ochrona środowiska i reagowanie na zagrożenia

MERMAID ma znaczenie także dla ochrony środowiska. Cyfrowy bliźniak może wspierać analizę procesów trudnych do bezpośredniej obserwacji: transportu zanieczyszczeń, zmian temperatury wody, przemieszczania się mas wodnych czy warunków sprzyjających zakwitom sinic.

System może być przydatny również w sytuacjach nagłych. W przypadku awarii statku, wycieku ropy lub innego zanieczyszczenia kluczowe jest szybkie określenie, w jakim kierunku będzie przemieszczała się skażona woda i które obszary mogą być zagrożone.

Superkomputery, dane i modelowanie

Największym wyzwaniem naukowym projektu będzie połączenie modelu atmosfery z modelem morza oraz integracja wielu źródeł danych. Projekt będzie korzystał z dorobku ICM UW, które od wielu lat rozwija numeryczne prognozy pogody. – Ponieważ pomiary na morzu są ograniczone, kluczowe znaczenie mają metody asymilacji danych, które pozwalają łączyć obserwacje z obliczeniami modelowymi – tłumaczy naukowiec.

Obliczenia będą prowadzone z wykorzystaniem infrastruktury dużej mocy. Ma to znaczenie nie tylko dla jakości modelu, ale przede wszystkim dla jego operacyjności: prognoza musi powstać szybciej niż zjawisko, którego dotyczy.

Jednym z celów projektu jest stworzenie systemu, który będzie działał w sposób ciągły i użyteczny dla odbiorców. Dane generowane przez cyfrowego bliźniaka mają być udostępniane różnymi kanałami, w tym przez API, co pozwoli użytkownikom pobierać je i integrować z własnymi systemami. Wyniki modelu będą mogły być przetwarzane pod kątem potrzeb np. administracji morskiej, operatorów farm wiatrowych, portów czy jednostek pływających.

Od prototypu do usług prognostycznych

Projekt realizuje konsorcjum złożone z Uniwersytetu Warszawskiego, Instytutu Oceanologii PAN oraz Instytutu Budownictwa Wodnego PAN. Realizacja ma potrwać trzy lata. W tym czasie naukowcy planują rozwój modeli, ich testowanie, kalibrację oraz przygotowanie narzędzi i usług dla przyszłych użytkowników.

Jednocześnie cyfrowy bliźniak Bałtyku będzie rozwijany stopniowo. – Tego typu systemu nie buduje się raz na zawsze. Można stworzyć platformę i podstawowe usługi, ale ich kalibracja, doskonalenie i dostosowywanie do nowych danych oraz potrzeb użytkowników będzie trwało latami – podsumowuje prof. Piotr Gwiazda.

Projekt MERMAID pokazuje, jak zaawansowane modelowanie matematyczne, superkomputery i współpraca nauki z gospodarką mogą przełożyć się na konkretne narzędzia zwiększające bezpieczeństwo, efektywność i odpowiedzialne zarządzanie zasobami Morza Bałtyckiego.