В поисках двойника. «В мире науки» №1-2

Что такое цифровой двойник? Правда ли, что он есть у каждого из нас? Зачем нам нужны суперкомпьютеры? Как с помощью наноспутников зажечь вторую Луну? О таких, казалось бы, разных проблемах — наш разговор с директором Института прикладной математики им. М.В. Келдыша, членом-корреспондентом РАН Александром Ивановичем Аптекаревым.

— Александр Иванович, мы находимся в мемориальном кабинете М.В. Келды­ша, который основал этот институт. Ка­кова была главная идея его создания?

—  Наш институт был организован в мар­те 1953 г. указом заместителя председате­ля Совета министров СССР Л.П. Берии. Он должен был выполнять работы для боль­ших проектов в области энергетики и ос­воения космического пространства. Тог­да уже разрабатывались ракеты, которые выводили аппараты в космос, создавались ракетные двигатели. Основная задача со­стояла в том, чтобы привлекать математи­ческие методы для решения таких задач, в первую очередь связанных с вычисли­тельной техникой.

   В то время существовали большие рас­четные бюро, где сидели девушки и на им­портной технике — арифмометрах «Мер­седес» — выполняли соответствующие вы­числения. Сегодня такой арифмометр есть в экспозиции нашего музея. Девушки счи­тали, а между рядов ходили умудренные ученые мужи и смотрели, правильно ли они все делают.

—  Говорят, эти девушки даже не знали, что считают.

—  Конечно, они не знали. Они были как полуавтоматы, действующие согласно чет­ким схемам. Хотя многие из них впослед­ствии остались и работали еще очень долго. А потом, буквально за пять лет, появились первые отечественные вычислительные машины на лампах. Они занимали боль­шие залы. В этом была наша задача — быстро перевести математические расче­ты и обоснования различных моделей, экс­периментов на современный язык.

  Наша страна ничуть не проиграла тогда в этой гонке. Это было не только развитие базы электронных вычислительных ма­шин, но и создание новых алгоритмов для счета. Все это сложилось благодаря орга­низаторскому таланту М.В. Келдыша, ко­торый собрал лучших математиков. Вме­сте с ним работали ученые, составившие гордость мировой математики и механики: И.М. Гельфанд, Д.Е. Охоцимский, К.И. Ба­бенко. Тогда в институте А.Н. Тихонов и А.А. Самарский разработали техноло­гии численных решений дифференциаль­ных уравнений, моделирующих физиче­ские процессы. С.К. Годунов и Н.Н. Яненко — одни из основателей вычислительной газовой и гидродинамики, А.А. Ляпунов — пионер отечественного программирова­ния. Эти ученые начинали свой путь в нау­ке в нашем институте, а потом уехали в но­восибирский Академгородок и зародили там замечательный росток всей сибирской науки. Это было время настоящих энтузи­астов.

—  Понятно, что в те времена удалось создать мощную математическую базу. А как вы оцениваете наш нынешний уро­вень вычислительной математики?

—  Это вопрос непростой. Да, у нас есть от­ставание, и не на один порядок, в том, что называется суперкомпьютерной базой, — и в стране, и, в частности, в нашем инсти­туте. В этом году мы отмечаем 110-летие со дня рождения М.В. Келдыша. Я делал до­клад на заседании президиума академии наук, посвященный этой дате, и при подго­товке к докладу увидел записку Мстислава Всеволодовича А.Н. Косыгину в Совет ми­нистров, где он писал об отставании от за­падных стран, в первую очередь от США. Это были уже 1970-е гг.

   М.В. Келдыш приводил цифры, сколь­ко электронно-вычислительных машин вводится в Америке и сколько у нас. От­ставание началось уже давно. Но, несмо­тря на это, я думаю, что у нас в стране все не так плохо. У нас есть свои методы сче­та, мы много сотрудничаем с организаци­ями, которые имеют свои суперкомпьюте­ры. У нас много международных проектов. Поэтому я смотрю в будущее с оптимизмом.

—  Как вы думаете, у нас появятся свои достаточно мощные суперкомпьютеры, которые будут удовлетворять задачам, стоящим перед страной?

— Да, конечно. Ведется большая работа, развивается и элементная база. Наши про­цессоры «Эльбрус» вполне неплохи. Могут рвануть совершенно новые вычислитель­ные направления, такие как квантовые технологии, связанные с искусственным интеллектом. И все это может произойти очень скоро. Сегодня многим ясно: для вы­полнения народно-хозяйственных задач стране нужны мощные суперкомпьютеры.

— У вас институт прикладной матема­тики, а значит, ваша работа имеет прак­тический характер. Это так?

— Да, безусловно. Мы идем широким фронтом. Традиционно наше любимое де­тище — это баллистика космических поле­тов. Мы гордимся тем, что именно в нашем институте впервые рассчитали траекторию спутника, который смог сфотографировать обратную сторону Луны. Используя грави­тационное поле самой Луны, спутник уда­лось вернуть обратно на Землю, чтобы он передал эту сенсационную фотографию.

   Кстати, один французский винодел за­ключил пари на вагон вина, что никто ни­когда не увидит обратную сторону Луны. Сегодня в нашем музее хранится бутылка из того вагона.

— Сейчас это направление исследова­ний продолжается?

— Да, и одно из наших достижений — за­пущенный несколько лет назад космиче­ский телескоп «Спектр-РГ». Он был отправ­лен в определенную точку пространства, где на него не действуют, уравновешива­ясь, силы Луны, Солнца и Земли. Это так называемая точка Лагранжа, где он может теоретически стоять неподвижно. Но если за ним не следить, не держать его на не­устойчивой орбите вокруг этой точки, он очень скоро оттуда уйдет. Нам удается его поддерживать, и он передает ценнейшую информацию. Мы получаем картину всей Вселенной в диапазоне рентгеновского и гамма-излучения.

— Знаю, у вас есть такое направление, как микроспутники. Что это такое?

— Это, пожалуй, один из самых молодых отделов в нашем институте. Более того, в нем ведется большая работа со школьни­ками, которые постоянно участвуют в раз­личных олимпиадах, связанных с космо­сом. Недавно у нас проводился квест сре­ди вузов Москвы. Ребята готовили миссию на один из спутников Юпитера. Участники разбивались на команды и должны были полностью просчитать все полетные харак­теристики, траектории спутников, и было очень интересно на это смотреть. А глав­ная их задача — управление роем малень­ких спутников, которые могут, например, так направить свои рефлекторы, что высве­тится какая-то надпись на небе.

— Можно заказывать на день рожде­ния?

— Это обязательно будет. Но вообще, это очень сложные научные задачи — управ­ление тысячами крошечных спутников, способными так выстроить свою отража­тельную поверхность, чтобы на Земле где- то сфокусировалась надпись. Насколько я помню, в 1990-е гг. на нашей космической станции должны были запустить очень большое зеркало, фактически «включить» еще одну Луну. В тот раз не получилось. Но такое зеркало можно направлять на вы­полнение самых разных задач — разведку, освещение каких-то важных объектов.

— Или использовать в северных регио­нах, где полярная ночь и не хватает света.

— Думаю, фантазировать тут можно мно­го. Исторически так сложилось, что в на­шем институте занимаются проблемами искусственного интеллекта, и здесь тоже много новостей. Сейчас ИИ во многом уже стал технологией, и мы подключаемся тог­да, когда эту технологию можно убыстрить, улучшить.

   Вот пример. К нам обратилось Министер­ство чрезвычайных ситуаций с просьбой о помощи в предсказании наводнений. Это огромная проблема.

   Мы смотрели конкрет­ную задачу — наводнения в районе Ново­российска. У них была сделана специаль­ная нейронная сеть, которая предсказыва­ла по многим параметрам, когда случится наводнение.

— Как работает эта технология?

— Это технология черного ящика. С од­ной стороны, вы вводите какие-то показа­тели, с другой — данные, когда и после ка­ких признаков происходит наводнение. Это целая шкала предвестников — температу­ра воды и воздуха, дожди и т.д. Сеть трени­руется и выдает желаемый результат. Как она это делает? Это известная система уга­дывания: чем чаще ты это делаешь, тем бы­стрее угадываешь.

   Конечно, тренировки на природных ката­строфах — звучит плохо. Поэтому решили подключать сюда математические модели, разработанные в нашем институте, и си­туация изменилась. Мы учитываем множе­ство неслучайных параметров — вопросы, связанные с течением жидкости, фильтра­цию, гидродинамику... Математические мо­дели, включающие в себя физические явле­ния, которые происходят в гидродинамике наших рек, позволяют значительно уточ­нить предсказание наводнения. Если про­стые модели ИИ предсказывали, что через три часа будет наводнение, то наша модель может сделать это с точностью до девяти часов, когда можно и корову увести, и жи­телей эвакуировать.

— Замечательный пример. Есть ли у вас еще какие-то истории, когда вам удалось конкретно помочь людям?

— Наш научный руководитель академик Б.Н. Четверушкин предложил проект, кото­рый регулировал движение транспорта в ма­леньком подмосковном городе Звенигороде. Эти проблемы, связанные с решением мно­жества экстремальных задач, переплетены в один клубок. Такая модель универсальна, с ее помощью можно решать задачи пробок и других транспортных проблем в любых на­селенных пунктах, в том числе в Москве.

   Среди наших традиционных направле­ний также исследования в гидро- и газовой динамике, аэроакустике. Сейчас в стра­не создан ряд научных центров мирово­го уровня, и мы в консорциуме с Централь­ным аэрогидродинамическим институтом и Центральным авиамоторным институ­том входим в такой центр под названием «Сверхзвук», предназначенный для постро­ения сверхзвукового пассажирского само­лета. Сверхзвуковые пассажирские само­леты Ту-144 и «Конкорд» успешно эксплуа­тировались, но потом оказалось, что они не соответствуют современным требовани­ям по экологии и экономии. Они были очень шумными. Проекты были закрыты, но, тем не менее нужда в гражданских сверхзвуко­вых полетах существует.

— Чтобы полет до Владивостока зани­мал пару часов?

— Да, именно так. И основная проблема тут — это шумы, которые присущи сверх­звуковой авиации. Когда речь идет о граж­данской авиации, существуют повышен­ные требования ввиду массовости это­го вида человеческой деятельности. Для страны это архиважная задача, и мы заня­ты решением проблемы аэроакустики на­шей гражданской авиации. Мы моделируем сверхзвуковые течения вокруг самолетов, выясняем, какие советы можно дать авиа­строителям, конструкторам, чтобы у них получился такой самолет.

— Как вы думаете, скоро он у нас поя­вится?

— Тут нет ничего невозможного. У нас уже есть «Сухой-Суперджет-100», который прошел международную стандартизацию на средние линии. Делается дальнемаги­стральный самолет. И хотя это тяжелая ра­бота, мы с ней справимся.

— У вас есть филиал в подмосковном Пущине, специализирующийся на био­логических исследованиях. Чего удалось достичь?

— Этот филиал был создан при непо­средственном участии Мстислава Всево­лодовича в начале 1970-х гг., когда он был президентом академии наук. Уже было ясно, что современные исследования в био­логии сулят нам огромные перспективы. Это требовало математической поддержки, в первую очередь вычислительной.

   Если помните, в романе А.Н. и Б.Н. Стру­гацких «Понедельник начинается в суббо­ту» программист Александр Привалов при­ехал в городок, где живут волшебники, что­бы открыть там вычислительный центр. Этот сюжет в точности повторяет историю создания нашего филиала, когда М.В. Кел­дыш послал сотрудника нашего института А.М. Молчанова, чтобы он открыл вычисли­тельный центр для поддержки работы всех пущинских биологических институтов.

   Потом этот вычислительный центр сам стал институтом, который назывался «Ма­тематические проблемы биологии». В нем решались очень важные задачи, связан­ные с исследованием электрофизических свойств молекул ДНК для создания аналога вычислительной техники, но основанной на других принципах.

   Сейчас там ведется множество интерес­ных работ, связанных с исследованием мозга, невозможных без привлечения мате­матических исследований, которые носят название «Анализ больших данных». На­пример, наши коллеги из Пущина проводят анализ магнитного поля, которое исходит из нашего мозга. Для этого нужны тончай­шие магнитометры, которые рисуют карти­ны, и их удается обрабатывать цифровым образом. Таким образом мы получаем так называемых цифровых двойников.

— Что это такое?

— Цифровые двойники были всегда. Ког­да только начиналось масштабное строи­тельство самолетов, выпускник МГУ мо­лодой Мстислав Келдыш был направлен в ЦАГИ, и уже тогда он поражал своих кол­лег тем, что мог любую область — сечение фюзеляжа или профиль крыла — отобра­зить конформно на стандартную область в виде конкретных формул. Это значит, что все элементы конструкции можно задать математическими формулами, то есть соз­дать цифровой двойник самолета.

— А сейчас появились цифровые двой­ники нашего мозга?

— Да, в этом исследовании надо обрабо­тать и сохранить измерения магнитного поля нашего мозга, а это гигантские масси­вы данных, чтобы, например, видеть раз­ницу между мозгом здорового и больного человека. Так можно диагностировать, ска­жем, эпилепсию.

— У них разные показатели магнитно­го поля?

— Да, в разных состояниях эти показа­тели меняются. Это новое направление в медицине, когда сам мозг выдает опре­деленный сигнал без внешнего сигнала, без источника раздражения, как делается во время МРТ. Думаю, со временем этот ме­тод станет незаменимым в диагностике са­мых разных состояний.

— А что за цифровой керн вы создаете? Неужели у нефти тоже есть двойник?

— Да, это тоже цифровой двойник, свя­занный с добычей нефти. Керн — это то, что образуется, когда бурят скважины и достают породу, после чего подвергают ее различным физическим и геофизиче­ским экспериментам, проверяют на плот­ность, фильтрацию, выясняют, как сквозь нее проходят различного сорта жидкости.

   Но есть большие проблемы. Во-первых, достать эту породу очень тяжело, а во- вторых, после каждого эксперимента она разрушается, потому что все нужно делать под очень большим давлением. При этом нефть становится все менее доступной и все более трудно добываемой.

   Для того чтобы выяснить, где залега­ет нефть, как ее лучше выкачивать, нуж­ны геофизические данные грунта, кото­рый находится на глубине. Мы их модели­руем в этом эксперименте и получаем очень впечатляющие результаты. Это конкретная работа, которую мы выполняем по заказу «Роснефти». Прикладных задач много, и мы стараемся решать их успешно.

Источник иллюстраций: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, предоставлены Александром Ивановичем Аптекаревым.