Математическое моделирование в России: кто создаёт цифровую реальность будущего

Ещё в 1814 году французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил умозрительный эксперимент. Он вообразил существо, которое знает положение и скорость каждой частицы во Вселенной в данный момент. Такой «демон» (его так и назвали — демон Лапласа) мог бы с абсолютной точностью предсказать как прошлое, так и будущее. Звучит захватывающе, не правда ли?

Увы, реальность вносит свои коррективы. Во-первых, квантовая механика и принцип неопределённости Гейзенберга говорят нам, что невозможно одновременно точно измерить и положение, и скорость даже одной частицы. Во-вторых, на микроуровне всё описывается вероятностями, а не жёсткими законами. Полной определённости не существует.

И всё же мы на школьных уроках вполне успешно рассчитывали, как покатится шарик по наклонной плоскости. Где же проходит та самая граница между тем, что мы можем просчитать, и полным хаосом мироздания? Ответ знают специалисты по математическому моделированию.

Создание таких моделей — работа для тысяч человек. Сначала учёные из академических институтов и лабораторий разрабатывают теоретические подходы, проводят эксперименты и собирают данные, чтобы вывести уравнения. Это только начало.

Затем, как объясняет Андрей Деулин, начальник отдела Института теоретической и математической физики (ИТМФ), наступает второй, куда более сложный этап — превращение этих уравнений в инструмент для промышленности. Здесь в дело вступают математики и инженеры-практики, которые понимают, как эти расчёты будут использоваться на реальном производстве. Они совместно дорабатывают и проверяют модели.

«Мало сформулировать базовые уравнения. Нужно заставить их реально считать и выдавать верные результаты — это титанический труд», — говорит Андрей Деулин.

«Если говорить просто, этим программным продуктом должны пользоваться люди, не погружённые в глубины теоретической физики», — добавляет Дмитрий Фомичев, директор по математическому моделированию Росатома.

Может показаться, что это какая-то новая, модная область. Но это не так. Современные моделисты стоят на плечах гигантов — на мощном фундаменте, который закладывали ещё советские учёные и инженеры с середины прошлого века. Они же развивали вычислительную технику, без которой все эти расчёты были бы просто немыслимы.

«Суперкомпьютер тридцатилетней давности сегодня заменит хороший сервер. Сейчас мы считаем с несоизмеримо большей детализацией, — поясняет Андрей Деулин. — Мы занимаемся этим десятилетиями, поэтому и модели, и код нашей платформы «Логос» изначально создавались для работы на суперЭВМ. В обычный компьютер всё это не поместится — ни по памяти, ни по мощности. Так что суперкомпьютер — это и основа, и естественный предел для моделирования».

За прошедшие годы специалисты прошли колоссальный путь. Андрей Деулин приводит яркий пример: «Раньше мы могли примерно прикинуть динамику автомобиля. Сегодня — учитываем каждую деталь, каждый изгиб, каждое зеркало. Детализация невероятная, видно, где и как формируются воздушные потоки».

Для учёных и инженеров, которые применяют эти программы на практике, такая точность — не роскошь, а необходимость. Конкретный пример — использование модуля «Логос Аэро-Гидро» при проектировании самолётов. Раньше новую инженерную идею можно было проверить только на опытном образце. Теперь же многое можно просчитать заранее.

Одно дело — оцифровать результаты реальных испытаний. Совсем другое — предсказать поведение системы в условиях, которые невозможно измерить напрямую. С этой проблемой постоянно сталкиваются исследователи экстремальных сред и промышленники.

«Простой пример — струя раскалённого газа из высокотемпературной горелки. Сунуть туда датчик нельзя — он мгновенно расплавится. Но можно ненадолго поместить в поток защищённый термодатчик, измерить динамику нагрева, а потом с помощью модели рассчитать, какая же температура была в потоке, чтобы вызвать именно такой нагрев. Мы измеряем лишь часть данных, а модель достраивает полную картину», — объясняет Андрей Деулин.

Другой кейс из практики — применение «Логоса» в Росатоме. Здесь процессы, разумеется, сложнее, и предсказывать их нужно до запуска даже экспериментального реактора.

«Вообще в Росатоме «Логос» используется во всех ключевых проектах, — продолжает Дмитрий Фомичев. — Первый — это создание реактора для атомного ледокола «Лидер», все данные экспериментов загружаются в нашу программу. Второй — реакторы ВВЭР, которые мы поставляем на международный рынок. Уже семь лет их гидродинамический и прочностной анализ делается с помощью «Логоса». И в этом году команда этого проекта победила в отраслевом чемпионате AtomSkills по математическому моделированию. Мы ими гордимся — это настоящие профессионалы!

Есть и более специализированное направление — реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Здесь мы работаем с коллегами с Белоярской АЭС и по проекту «БРЕСТ» в Северске».

А ещё команда моделировала смешение теплоносителей разной температуры при отключении парогенератора в реакторах «РИТМ-200». Эти реакторы уже в работе — они стоят на новейших атомных ледоколах типа «Арктика». Три таких судна — «Арктика», «Сибирь» и «Урал» — уже бороздят Северный морской путь.

Но отключение парогенератора — это цветочки. Команда достигла такой детализации, что модули «Логоса» позволяют проигрывать по-настоящему экстремальные сценарии. «Не всё можно проверить экспериментом. Например, мы же не можем устроить на действующей АЭС аварию или уронить на неё самолёт, чтобы обосновать меры безопасности», — рассуждает Андрей Деулин.

Бывает, что нагрузки концентрируются в одной крошечной точке конструкции. Даже самый опытный инженер может этого не предусмотреть, а вот программа, «обученная» с участием экспертов и проверенная на реальных данных, — может.

Математическое моделирование в Росатоме курирует Рашит Шагалиев, заместитель директора по приоритетным технологиям, член-корреспондент РАН.

Андрей Деулин работает в этой сфере уже 20 лет и помогает молодым специалистам быстро вливаться в команду: «Я, наверное, один из «старейших» разработчиков. У нас в основном молодёжь, средний возраст — 30-35 лет. Многие горят своими идеями. Только в саровской команде больше 300 человек. А ещё коллеги в вузах, лабораториях, компаниях — всех и не сосчитать».

Любопытно, кого больше: математиков, физиков или программистов? «Основной костяк — математики и программисты. Ключевую роль играют физики-теоретики. И, конечно, инженеры-практики, которые понимают, как эти технологии будут работать «в металле».

Тесная работа с инженерами на предприятиях — залог успеха. «Например, в рамках модуля «Логос Атом» для новых проектов создаются специальные математические модели, чтобы корректно описать, скажем, течение расплавленного металла. Мы их разрабатываем, коллеги применяют. А они нам, в свою очередь, дают данные экспериментов, по которым мы уточняем наш математический аппарат», — добавляет Дмитрий Фомичев.

Чтобы объединить опыт инженеров, математиков и программистов в одном месте, создаётся «Логос Платформа». «Идея не нова — сделать одно универсальное приложение, способное решать огромный класс задач: от гидродинамики и прочности до электромагнетизма и оптики. Мы проанализировали наши наработки и уникальные проекты коллег и поняли: чтобы закрыть все запросы промышленности, нужна единая платформа».

Что фантастическое мы сможем создать с помощью моделирования в будущем?

«Даже не знаю, — улыбается Андрей Деулин. — Мне кажется, моделирование физических систем развивается довольно предсказуемо. А вот моделирование поведения живых организмов, а уж тем более человеческих сообществ — это terra incognita. Наверное, будущее за этим направлением, за нейросетями и их сложными взаимодействиями».

Но вернёмся в настоящее. «Из перспективного: мы ещё не fully вошли, но уже имеем задел по моделированию композитных материалов. Второе — термоядерные реакторы, такие как ИТЭР. Третий пласт — медицинская техника, томографы и МРТ. Четвёртый — накопители энергии, литий-ионные и другие аккумуляторы. Огромный класс задач, который нам ещё предстоит решить».

Всё это требует сотрудничества с учёными из самых разных, порой неожиданных областей. И хотя в самой команде «Логоса» работает несколько сотен человек, они взаимодействуют с тысячами российских специалистов. Это взаимодействие — главный залог того, что сложные расчёты действительно помогут двигать науку и технологию вперёд.

На каком этапе находится математическое моделирование в России?

«На мой взгляд, где-то на середине пути, — отвечает Дмитрий Фомичев. — Сейчас в стране около десяти крупных производителей подобного ПО. Все они на рынке больше десяти лет — это состоявшиеся компании с пониманием своей аудитории, опытом внедрения и продаж. Плюс множество многообещающих академических разработок».

Получается, у нас есть всё: и опытные команды разработчиков, и тысячи инженеров, которые используют эти программы на производстве, и новое поколение талантливых специалистов. Будущее цифровых двойников и виртуальных испытаний выглядит довольно определённо. А вот куда заведёт нас моделирование сложных живых систем — покажет только время. Не правда ли, интересно будет посмотреть?

Реклама. Частное учреждение «Центр коммуникаций». ИНН 9705152344. Erid: LjN8KC4QH