Řešení činností 2012

Činnost 3: Integrace subsystému ASIM do produktu HARP, online napojení na meteo a radiační měření

Pro přenos numerických meteorologických předpovědí od jejich poskytovatele na výpočetní severy v UTIA v.v.i. byla navržena architektura založená na OPeNDAP systému pro přenos objemných dat. Dále byl zkonstruován preprocesor pro jejich transformaci do formátu podporovaného systémem HARP.

V současnosti probíhá implementace webového rozhranní pro vzdálený přístup k systému ASIM. Komponenta ASIM bude mít dva uživatelské režimy: (i) On-line režim, kdy je systém napojen na radiační a meteorologická data a vyhodnocování radiační situace může probíhat průběžně (podrobněji viz činnost 9); (ii) Off-line režim, kdy bude možno radiační a/nebo meteorologická data vkládat ručně nebo simulovat pomocí twin experimentů. V off-line režimu může uživatel testovat různé scénáře úniku (what-if analysis) a tento režim může být také využíván pro školení uživatelů. Systém HARP je připraven provádět asimilaci dat z radiačních měření a meteorologických dat jak aktuálně měřených, tak i dat z numerických prognóz vývoje meteorologické situace. Zpracování s daty získávanými v rámci Radiační monitorovací sítě (RMS) ČR bylo z hlediska technického testováno a ověřeno na historických datech RMS. Dostupnost uvedených dat - jak historických pro Off-line režim tak i aktuálních pro On-line režim - pro jejich průběžné používání v systému HARP je nutné projednat s vlastníky těchto dat (SÚJB - RMS, ČHMÚ - meteo, AČR - SVZ, ČEZ - TDS). Takový úkol však bude nutně záležitostí budoucích uživatelů produktu HARP majících autorizovaný přístup k těmto datům.

Integrace subsystému ASIM byla zahájena v samostatném projektovém adresáři ASIM. Byly vytvořeny abstraktní třídy disperzního modelu, meteosituace a jejich metody, které budou představovat veřejné API. Jako prvním implementovaným dispezním modelem je model PUFF, koncem roku 2012 byla dále provedena integrace gausovského segmentovaného modelu SGPM s možností zadávat náhodné hodnoty vstupních parametrů.

Činnost 3 je průběžně plněna a pokračuje v roce 2013.

Činnost 4: Rozšiřování HARP (nové meteo, nově dávka z mraku, anomální meteorologické situace,kritické skupiny do ingesce a další)

V této etapě byl dokončen vývoj desktopové verze environmentálního modelu HARP, který nyní obsahuje všechny funkce nutné pro návazné asimilační modelování. Konkrétně v roce 2012 byla dokončena tato nejdůležitější rozšíření:

  • Byly přepracovány vstupní panely depozičního a ingesčního modelu a odladěn nový interaktivní zobrazovací subsystém, vše na jednotném základě v jazyce PYTHON.
  • Jsou definovány grupy neurčitostí pro řetěz submodelů disperze, depozice, ingesce a dozimetrie. Byl použit subsystém LHS pro generování velkého počtu náhodných realizací každého submodelu, které vstupují do výpočtu jako vstupní soubory NAHADM.DAT, NAHFCM.DAT, NAHDOS.DAT.
  • Pro zjemněnou radiální síť na 42 pásem byl vytvořen nový algoritmus segmentovaného modelu, umožňující podrobnou interpretaci dynamiky šíření radiologických důsledků v prostoru a v čase (časový krok 1 hodina). Zpřesnění odhadů dávek z ozáření z radioaktivního mraku konečných rozměrů. Algoritmus a nový zobrazovací modul jsou popsány v příslušných kapitolách nového metodického manuálu systému HARP připravovaného pro standardizační proceduru plánovanou na rok 2013
  • Dořešena otázka intercepce aktivity na listech rostlin při dešti a odpovídající snižování konzervativnosti odhadu ingesční dávky (presentováno na konferenci XXXIX Dny Radiační ochrany 2012, [6]).
  • Presentace ingesčního modelu a jeho interaktivních vstupů a výstupů na konferenci FOODSIM 2012 [1]. Demonstrování pravděpodobnostních výstupů a jejich interaktivních možností.
  • V rámci validace produktu proběhly testy konvergence externího ozáření z mraku podle konečného modelu k tabelovaným hodnotám pro uniformní polonekonečné kontaminované prostředí [7].
  • Zpřesnění výpočtu dávkových příkonů z příkonu fluence fotonů.
  • Rozšíření algoritmu výpočtu dávky z mraku pro rozsáhlou síť čidel v zóně havarijního plánování pro případ rozsáhlé směsi radionuklidů (podstatné urychlení výpočtů při separaci prostorové a energetické komponenty).
  • Interaktivní vstupní panely podle návrhů uživatele - testy a rozšíření nově konstruovaných vstupních panelů HAVAR a INGMODEL v jazyce PYTHON.
  • Paralelně s rozvojem gaussovského segmentovaného modelu proběhl vývoj gaussovského puffového modelu umožňujícího změnu uniklé aktivity a meteorologických podmínek po 10-ti minutových krocích.
Úkoly činnosti č. 4 byly za rok 2012 splněny podle harmonogramu projektu. Činnost 4 tak byla úspěšně završena. Nezbytné doplňkové aktivity týkající se dokumentace ke standardizaci produktu HARP jakož i další běhy a zpracování validačních úloh budou prováděny v roce 2013 v rámci činností č. 6 a 7 harmonogramu projektu.

Činnost 5: Interaktivní prezentační část pravděpodobnostní verze HARP, vývoj presentace ASIM

Při návrhu systému ASIM je kladen důraz na pravděpodobnostní analýzu poskytující více informativní odpovědi než deterministické metody, případně bodové odhady. Těmto novým typům výsledků bylo přizpůsobeno i grafické uživatelské rozhranní, kde odhadnuté pravděpodobnostní distribuce cílových veličin je třeba vhodně prezentovat koncovému uživateli. Na základě konzultací s pracovníky ze Státního ústavu radiační ochrany v.v.i. bylo navrženo několik ukazatelů umožňujících rychlou orientaci, např.: kvantily pravděpodobnosti přestoupení radiačních limitů pro různé zásahové úrovně, histogramy empiricky odhadnutých distribucí dávek v bodech zájmu atd.

V pravděpodobnostních bězích (viz Činnost 4) je umožněno mnohonásobné opakování výpočtů s následným pravděpodobnostním vyhodnocením následků radiační nehody. Byla vytvořena verze vyhodnocování založená na tomto pravděpodobnostním základě. Zpracování je prováděno ve 2 krocích: (i) EXTRACTOR (výběr matic výsledků pro jednotlivé realizace náhodných parametrů, týkajících se zvolené radiologické veličiny z interaktivně nabízené široká škály výstupů ), (ii) ImplicitProcessor_v2 -provádí statistické zpracování podle zvolených požadavků.

V aplikacích byly použity funkce presentačního interaktivního systému pro pravděpodobnostní přístup. Jednalo se konkrétně o histogramy, intervaly spolehlivosti, výběrové průměry, kvantily výsledných radiologických veličin a pod. Lze zobrazovat též například očekávané hodnoty radiologických veličin v 2-D reprezentaci. Jako příklad byla v roce 2011 připravena výsledková dokumentace pro konferenci PSA 2011 (viz výstup [1] z roku 2011). V roce 2012 byl zobrazovací subsystém použit pro dílčí analýzy neurčitosti a studie sensitivity pro náhodnou distribuci přenosových faktorů půda-rostlina a následujícího transportu přes koncentrační faktory krmivo-zvířecí produkt. Podrobné výsledky byly předneseny na konferenci FOODSIM 2012 [7] pro log-uniformní nebo omezené normální rozdělení náhodných vstupů. Zobrazování umožnilo rychlou a efektivní analýzu citlivosti ingesční zátěže osob, která vycházela z nejnovějších doporučení Technical Report Series 472 pro oblast průniku radioaktivity přes potravní řetězce k člověku. Výsledky byly předneseny na konferenci XXXIV. DRO [6].

Princip zobrazování pro asimilaci vychází ze zobrazování mnohonásobně opakovaných pravděpodobnostních běhů popsaných shora. Vývoj proběhl v desktopové verzi grafického uživatelského rozhranní systému HARP. Nicméně se ukázalo jako mimořádně potřebné zlepšit a zjednodušit přístup uživatelů k systému na základě moderních IT technologií. Řešitelským týmem projektu VG20102013018 bylo navrženo originální řešení realizované formou webového klienta s výpočty běžícími na webovém serveru. Byla implementována první verze ověřující zvolené technologie (MongoDB, Python, Javascript) a v průběhu Q4/2012 byla webová verze systému zprovozněna v ÚTIA na novém výpočetním webovém serveru. I zde jsou interaktivně zpřístupněny vstupní panely pro konfiguraci atmosférického disperzního modelu, ingesčního modelu a vizualizačního subsystému. Byl také zprovozněn klientský přístup z tabletu přes webové rozhraní a ověřeny i grafické funkce. Výhledově by se měl realizovat plně automatizovaný výpočet asimilačních scénářů s jejich následným zpracováním. Přesto, že s touto aktivitou původní harmonogram projektu nepočítal, manažer projektu rozhodl v progresivní problematice webové aplikace pokračovat i v dalším roce v rámci Činností č.3, 10 a 12.

Činnost 5 byla splněna a v roce 2012 skončila. Práce jsou zdokumentovány ve výše zmíněných publikacích a byl vytvořen podrobný uživatelský návod, který bude součástí dokumentace předkládané v roce 2013 při standardizaci produktu HARP.

Činnost 6: Kontinuální zpracování dokumentace dílčích kroků

Dokumentace k dílčím krokům je průběžně doplňována na webu projektu asim.utia.cas.cz. Aktivity k Činnosti 6 přímo souvisejí s publicitou projektu podrobně rozvedenou v popisu Činnosti č. 14 níže. Hlavní dokumentační aktivitou pokračující v roce 2012 jsou články do časopisů, příspěvky na mezinárodních konferencích a příprava kapitol do standardizačních manuálů systému HARP:

  • Popis metodiky
  • Uživatelský manuál
  • Validace a aplikace v oblasti radiační ochrany
Činnost 6 je průběžně plněna a bude dále pokračovat.

Činnost 9: Automatizace SW pro vyhodnocování radiační situace v časné fázi

Na základě konzultace s předpokládanými uživateli vyvíjeného produktu HARP byly v roce 2012 rozšířeny možnosti analýzy na vícesegmentové úniky (až 12 segmentů), kdy celkové trvání může dosáhnout až 72 hodin. Celý proces zadávání scénáře, jeho zpracování a zobrazování výstupů je ovládáno novým jednotným uživatelsky snadným rozhraním založeným na PYTHON technologii. Efektivní a uživatelsky snadný přístup k interaktivnímu zobrazovacímu modulu nabízí širokou škálu radiologických výstupů (prakticky všech smysluplných). Navíc lze zobrazovat (1-D případně 2-D) průběhy v alternativě (i) pro dané místo na mapě (například souřadnice měst a obcí) se generuje časový vývoj radiologické veličiny od počátku úniku do zadaného času (prakticky neomezeně), (ii) pro zvolený čas od počátku úniku generováno prostorové rozložení v celé oblasti kolem zdroje.

Nový efektivní algoritmus pro výpočet dávek z ozáření z radioaktivního mraku konečných rozměrů v časné fázi nehody (publikace [7]) je nezbytným SW nástrojem pro realistickou analýzu radiologické situace v časné fázi nehody. Umožňuje simultánní výpočet na zjemněné výpočetní mříži pro velké množství senzorů i mobilních monitorovacích míst, přičemž vše lze provádět v reálném čase. Lze odhadovat nejdůležitější stavové veličiny: směr větru, rychlost větru a množství uniklé aktivity a návazné radiologické veličiny důležité z pohledu krizového řízení, jako například totální dávky v sídlech v různých časových horizontech. Vyvinutý software je otestován na základě simulačních experimentů a je připraven k automatickému napojení za předpokladu, že odpovědný administrátor online radiačních a meteorologických sítí mající oficiální přístup k těmto databázím se k tomu rozhodne. V oblasti metodické byla realizována další vylepšení asimilační metody sekvenčního vzorkování založená na metodě population Monte Carlo (publikace [2, 10, 11]). Díky tomuto vylepšení je nyní systém ASIM schopen sledovat průběžně libovolný profil úniku.

Činnost 9 byla splněna a ověřena simulačními experimenty. V roce 2012 skončila a je připravena ke spuštění pro analýzu jak běžných tak abnormálně dlouhých scénářů úniku radioaktivity. Byl vypracován podrobný popis software, který bude v roce 2013 zařazen jako samostatná kapitola v "Uživatelském manuálu systému HARP" překládaném při standardizační proceduře pro hodnocení produktu pro jeho užívání v oblasti jaderné bezpečnosti.

Činnost 12: Simulační testy (twin experimenty) ASIM komponent

Testování probíhá formou Monte Carlo výpočtů, kdy se chování algoritmů nevyhodnocuje z jediného simulačního experimentu, ale z celé řady experimentů, jejichž výsledky se dále statisticky zpracovávají. Tato metodika umožňuje testování pro různé vstupní podmínky (meteorologické podmínky, konfigurace radiační monitorovací sítě) a je vhodná pro ověření robustnosti navržených algoritmů.

Nový algoritmus subsystému ASIM byl testován na různých profilech úniku, včetně výrazných skokových změn a opakovaných úniků. Všechny tyto situace byl systém ASIM schopen správně odhadnout (publikace [2, 8, 9, 10, 11]).

Činnost 12 je průběžně plněna a bude dále pokračovat v roce 2013.

Činnost 14: Publicita výsledků projektu (min 2 mezinárodní konference, min 2 články v časopisech, semináře)

Byla uzavřena druhá smlouva o využití výsledků projektu VG20102013018, tentokrát mezi příjemcem ÚTIA a uživatelem SÚRO (Státní ústav radiační ochrany).

Výsledky rozvoje ingesčního modelu systému HARP a jeho nových možností interaktivního presentačního prostředí byly osobně předvedeny (P. Pecha) na konferenci FOODSIM 2012 (Freising, Německo, June 18-20, 2012) - viz publikace za rok 2012 [1].

Byla navázána spolupráce s Jihočeskou univerzitou v Českých Budějovicích (JČU). JČU byla předána testovací data spolu se souřadnicemi výpočtových bodů systému HARP pro ověření vhodnosti těchto dat jako podkladů pro vyhodnocování ekonomických a jiných důsledků havárií JE v oblasti zemědělství a produkce potravin.

Pokračovala spolupráce s SÚRO ohledně využití výsledků produktu HARP. Dne 13.3. Petr Pecha ve Státním ústavu radiační ochrany v.v.i. přednesl odborný seminář na téma „Některá aktuálně řešená témata matematického odhadování následků mimořádných úniků do životního prostředí“ zaměřený zejména na aktuální problémy a stav vývoje ingesčního modelu systému HARP. Byly diskutovány další oblasti možné spolupráce a využití výsledků projektu VG20102012018. Proběhlo rozšiřování funkčnosti produktu podle návrhů uživatelů ze SÚRO.

Webové rozhranní pro vzdálený přístup ke komponentě ASIM bylo představeno na konferenci ICRS12 v září 2012 v příspěvku „Development of Real-Time Bayesian Data Assimilation System“ - publikace [3].

Výsledky nově vyvinutého rychlého algoritmu pro ozáření z mraku konečných rozměrů v rozsáhlé síti receptorů byly shromážděny v článku "Calculations of external irradiation from radioactive plume in the early stage of a nuclear accident", který byl publikován v časopise International Journal of Environment and Pollution - publikace [7].

Výsledky nových asimilačních metod byly zaslány do časopisu Technometrics (Efficient Sequential Monte Carlo Sampling for Continuous Monitoring of Radiation Situation - publikace 11] - v recenzním řízení) a Atmospehric Environment (Tracking of Atmospheric Release of Pollutant using Unmanned Aerial Vehicles - publikace [8]). Konferenční příspěvek (publikace [9]) byl presentován na konferenci CDC (Navigation of UAVs for Tracking of Atmospheric Release of Radiation). Příspěvky k rozvoji asimilačních technik byly přijaty v časopise Progress in Nuclear Science and Technology (Development of Real-Time Bayesian Data Assimilation System for Off-Site Consequence Assessment - publikace [10]). Další rozvoj metodiky asimilace obsahuje výzkumná zpráva UTIA č. 2322 (Application of Sequential Monte Carlo Estimation for Early Phase of Radiation Accident - publikace [2]).

Na konferenci XXXIV. Dny radiační ochrany bylo presentováno:

  • Konferenčí příspěvek formou posteru na XXXIV. Dny radiační ochrany: Modelování dopadu hypotetického úniku radionuklidů z jaderného zařízení aplikacemi ESTE a HARP - publikace [4].
  • Konferenčí příspěvek formou posteru na XXXIV. Dny radiační ochrany: Webové prostředí pro atmosférické disperzní modelování - publikace [5].
  • Konferenčí příspěvek - přednáška na XXXIV. Dny radiační ochrany: Variabilita a neurčitosti při odhadech ingesčních dávek - publikace [6].
Činnost 14 je průběžně plněna a bude dále pokračovat.

Zpracoval dne 10.1.2013 Ing. Petr Pecha, CSc. , manažer projektu VG20102013018