KTU Informatikos fakulteto mokslininkai kartu su Lietuvos energetikos instituto tyrėjais sukūrė integruotą fizikinės elgsenos ir dirbtinio intelekto modelį, skirtą lygumų upių hidromorfologinėms savybėms tirti.
KTU Informatikos fakulteto (IF) mokslininkai kartu su Lietuvos energetikos instituto (LEI) tyrėjais sukūrė integruotą fizikinės elgsenos ir dirbtinio intelekto (DI) modelį, skirtą lygumų upių hidromorfologinėms savybėms tirti. Ši technologija padeda tiksliau nustatyti vandens telkinio būklę, stebėti jo pokyčius vykstant kraštovaizdžio transformacijoms ir vertinti galimą poveikį ekosistemoms.
Asociatyvi nuotr.
Panašūs tyrimai dažniausiai vykdomi kalnuotose vietovėse, kur dėl didelių nuolydžių ir intensyvios tėkmės hidromorfologiniai procesai yra gerokai dinamiškesni. Tačiau didžioji Lietuvos upių dalis yra lyguminės – monotoninės ir mažo nuolydžio, todėl net smulkūs pokyčiai jose sunkiau identifikuojami.
Pasak KTU IF profesorės Dalios Čalnerytės, modelio tikslas – įvertinti tėkmės greitį nesiremiant supaprastintomis prielaidomis. „Daugelis matematinių modelių nevertina lokalių parametrų, tokių kaip dugno struktūra, akmenys ar augmenijos tankumas – būtent šie veiksniai lemia pasipriešinimą vandens tėkmei“, – pasakoja KTU profesorė.
Mokslininkų sukurtas modelis įvertina lokalias upės savybes ir apskaičiuoja numanomą tėkmės vidurkį. Tokiu būdu DI modelis susieja vaizdų seką su upės tėkmės greičiu, ypač aplinkose, pasižyminčiose lygumų vandens telkiniams būdingomis charakteristikomis.
Daugialypė mokslo integracija
LEI Hidrologijos laboratorijos vadovas dr. Vytautas Akstinas teigia, kad kuriant modelį buvo integruotos kelios mokslo sritys, kurios tarpusavyje papildė viena kitą.
Hidromorfologinis upių vertinimas suteikė aiškią problemos apibrėžtį ir padėjo įvardyti praktinį poreikį, skaitmeninis modeliavimas leido tiksliai atkurti fizikos procesus realiomis sąlygomis, kompiuterinė rega buvo pasitelkta vaizdų sekų analizei, o dirbtinio intelekto metodai atliko esminį vaidmenį mokant modelį veikti tiksliai ir patikimai.
„Kiekvienas gamtoje vykstantis procesas turi savo fizikinę prigimtį, todėl visų šių sričių visuma padeda mums geriau suprasti aplinkoje vykstančius procesus“, – sakė dr. V. Akstinas.
Duomenys – iš dronų surinktų vaizdo sekų
Tradiciniai metodai upių tėkmės greitį modeliuoja remdamiesi tik dviem vaizdo kadrais, todėl informacijos tikslumas yra ribotas, o tiesioginiai matavimų gavimas gali užtrukti ilgiau.
KTU mokslininkai šiam tikslui pritaikė dronus, kurie leidžia pagreitinti duomenų rinkimo ir analizavimo procesą. Tuo pačiu tai palengvina gaunamuose rezultatuose panaikinti vėjo, atsitiktinių nešmenų, atspindžių ir kitų aplinkos veiksnių įtaką.
Anot prof. D. Čalnerytės, gauti duomenys papildomi fizikos principais grįsto baigtinių elementų modelio rezultatais, kurie įvertina lokalias upės savybes ir apskaičiuoja vidutinį tėkmės greitį. Ši informacija naudojama DI modeliui apmokyti, kad jis gebėtų susieti vaizdų seką su realiomis tėkmės greičio reikšmėmis.
„Pagal tiesioginius matavimus sukurtas modelis įvertina lokalias upės savybes ir leidžia išplėsti duomenų rinkinį. Jis suteikia galimybę susieti vaizdo pokyčius su tėkmės greičiu bet kuriame analizuojamo upės ruožo taške“, – pasakoja KTU profesorė.
Nauda ekstremaliomis klimato sąlygomis
Mokslininkų ir partnerių sukurtas metodas padeda operatyviai reaguoti į staigius hidrodinaminius upės pokyčius ekstremalių oro reiškinių metu.
„Modelis leidžia dažniau ir greičiau vertinti upės ruožo būklę per potvynius, sausras ar kitas ekstremalias situacijas. Turint daugiau duomenų galima laiku imtis apsaugos priemonių ir sumažinti galimą žalą“, – akcentuoja KTU profesorė.
Tyrėjai pažymi, kad metodas gali būti taikomas ir vertinant žmogaus veiklos poveikį ekosistemoms – pavyzdžiui, šalia užtvankų, hidroelektrinių, tiltų ar ištiesintų upių ruožuose. „Upės yra kritinis įvairių organizmų buveinių elementas. Mūsų metodika padeda identifikuoti žmogaus poveikį pažeistose vietovėse“, – prideda laboratorijos vadovas.
„Projekte sprendėme įdomų informatikos srities uždavinį – skaitinio modeliavimo ir DI metodų integraciją ir ši idėja gali būti pritaikoma kitose srityse“, – sako KTU prof. D. Čalnerytė.
Mokslininkė pažymi, kad ateities tyrimai galėtų būti susiję su skaičiavimo efektyvumu ir modelių architektūros modifikacija. Pasak dr. V. Akstino, technologija galėtų būti panaudojama ne tik kiekybiniame vandens telkinių vertinime, bet ir kokybiniame.
„Galimi tyrimai, skirti vandens užterštumui, drumstumui ar kitiems fiziko-cheminiams parametrams analizuoti. Viskas priklauso nuo naudojamų sensorių ir surinktų duomenų apdorojimo, todėl ši technologija turi didelį potencialą įvairioms skirtingoms taikymo sritims“, – pasakoja LEI atstovas.
