暴風雨対策のためのデジタルツイン・プラットフォームの開発に成功

地球

米国では、人口の半分以上が沿岸域の郡や郡区に住んでいます。その中でもメキシコ湾沿岸地域は人口が多く、エネルギー資源が集中していることから、大規模な炭素貯留施設が多く存在する地域でもあります。

地域社会もエネルギーインフラも海に近いため、ハリケーンの季節が来るたびに頻度と強さが増しているメキシコ湾の悪天候による洪水や風害の被害を受けやすくなっています。

オースティン大学航空宇宙工学・工学機械学部の教授であり、同大学計算工学・科学研究所の計算水理学グループのディレクターであるクリント・ドーソン氏は、ハリケーンによる高潮の予測をこれまで以上に正確に行うための研究を行っています。ドーソン氏は、エネルギー省(DOE)からの助成金を受けて、マルチフィジックス1複数の物理モデルや複数の同時発生する物理現象を含むシミュレーションを扱う計算機科学の一分野である。 例えば、反応速度論と流体力学の組み合わせや、有限要素法と分子動力学法の組み合わせがある。 マルチフィジックスでは一般的に偏微分方程式の結合系を解いている。シミュレーションと人工知能(AI)および機械学習(ML)技術による知識発見との間のギャップを埋める計算機上の「デジタルツイン」フレームワーク(MuSiKAL)を開発する学際的な研究プロジェクトを主導します。

デジタルツインとは、ある物体やシステムを仮想的に表現したもので、その物体やシステムに張り巡らされたセンサーから提供される定期的なリアルタイムのデータ更新により、そのライフサイクル全体をカバーします。デジタルツインは、シミュレーション、機械学習、その他の意思決定技術を用いて、将来の性能や行動を予測することができます。

ドーソン氏のチームは、ハリケーン・カトリーナ、リタ、アイク、ハービーから、今シーズンのこれまでで最大の暴風雨であるハリケーン・アイダまで、20年間にわたって高潮の予測モデルを作成してきました。高潮の専門家は、それぞれが独自の特徴を持っていることを真っ先に指摘します。しかし、それぞれの台風からは、将来の対応に役立つ教訓が得られるはずです。

ADCIRC Surge Guidance System(ASGS)を用いて開発されたハリケーン「アイダ」の高潮モデルによる画像。

ADCIRC Surge Guidance System(ASGS)を用いて開発されたハリケーン「アイダ」の高潮モデルによる画像。©Coastal Emergency Risks Assessment (CERA)

CERA - Coastal Emergency Risks Assessment
A real-time, event-triggered storm surge guidance system for the coastal regions of the U.S.

現在、ハリケーンのモデルを実行する際には、海岸線や海など、非常にバラバラな場所で計測が行われていますが、これらの地点が、影響を受ける可能性のあるすべての地域のすべての地点を表しているわけではありません。

「しかし、これらのポイントは、影響を受ける可能性のあるすべての地域のポイントを表しているわけではありません。そのようなデータがあれば、現在実行しているモデルにより良い情報を提供することができます」とドーソン氏は言います。「そして、そのモデルとデータを比較することで、より正確な情報を得ることができます」。

デジタルツインは、最新の航空機の設計から、都市全体の管理を支援するシステムまで、さまざまな場面ですでに開発されています。異常気象のモデル化においては、AIやMLの助けを借りて過去の嵐に関する知識を組み合わせることで、リアルタイムで嵐の行動をより速く予測することができるようになります。

「これらのモデルは非常に複雑で、スーパーコンピュータでシミュレーションするのに数時間かかることもあります。これらのモデルは非常に複雑で、スーパーコンピュータでのシミュレーションには何時間もかかります。よく似た過去のハリケーンから収集したデータに基づいて機械学習を利用できれば、リアルタイムでより速い予測が可能になるでしょう。」とドーソン氏は述べています。

DOE(アメリカ合衆国エネルギー省)は、ASCR(Advanced Scientific Computing Research)プログラムを通じて、テキサス大学オースティン校、ルイジアナ州立大学、ノートルダム大学、パシフィック・ノースウエスト国立研究所の実験・計算科学者からなる共同チームを支援します。このチームを率いるのは、ドーソン氏と、同じくオースティン大学航空宇宙工学・工学機械学部の教授でオーデン研究所のコア・ファカルティであるタン・ブイタン氏です。

オーデン研究所の提携教員であるジャクソン地学部のデヴ・ニヨギ氏も、同僚のゾン・リャンヤン氏とともにUTの専門研究チームの一員です。さらに、テキサス大学オースティン校のBureau of Economic Geologyのブリジット・スカンロン氏とアレクサンダー・サン氏もこのプロジェクトに協力します。

DOEは最近、気候研究のための地球システムモデルの開発に投資しています。ドーソン氏は、気候予測に直接関係する研究に取り組めることを楽しみにしているといいます。

ドーソン氏は、「これは画期的なプロジェクトになると思いますし、私たちが20年間かけて蓄積してきた専門知識とも合致します。」と語ります。ドーソンは、「エネルギー省と協力して、将来の気候によってエネルギー部門や社会全体に何が起こるのか、より長期的な予測を行うことは非常にエキサイティングなことです。」と語りました。

DOEの「科学研究のための統合された計算・データインフラ」基金は、このプロジェクトに全体で520万ドルを提供し、テキサス大学オースティン校は300万ドルを受け取ります。

Published by Oden Institute for Computational Engineering and Sciences

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