ИЯФIT – информационные технологии в ядерном мире

 Май 2022

Cложные объекты

Не так давно мы обсуждали гуманитарную составляющую обучения в ИЯФиТ, а сегодня мы хотим поговорить об ИТ компоненте наших учебного и исследовательского процессов. 

Для начала давайте разберемся, насколько цифровые технологии нужны физику-ядерщику в современном мире. Как в случае больших экспериментов по физике частиц, так и в делах ядерно-энергетических, каждому выпускнику предстоит работать с технически, физически и технологически сложными объектами, такими как атомные электростанции, ускорительные комплексы, системы детекторов и т.д.

Проведение физических расчетов уже без малого лет пятьдесят не обходится без численных расчетов с помощью пакетов математического моделирования, разработка конструкторской документации и чертежей уже давно ведется только в CAD-программах, да даже учет посещаемости и планирование экспериментов в лабораториях постепенно переходит в LIMS системы (Laboratory Information Management Systems). Да что таить, даже первокурсники не первый год проверяют свою домашку по матанализу в Wolfram Alpha. Доступность информационных технологий с каждым годом только растет и все больше проникает в деятельность каждой области знаний.

На картинке ниже мы рассмотрели примеры жизненного цикла одного из таких сложных инженерных объектов, как атомная электростанция. Жизнь АЭС начинается задолго до закладывания первого бетона в фундамент будущей площадки – еще на стадии проектирования самой реакторной установки и разработки конструкций основных элементов систем безопасности. Далее следуют этапы строительства, ввода в эксплуатацию, многолетний этап непосредственной работы и вывод из эксплуатации реактора и прочего оборудования. 

Сегодня ни одна из перечисленных стадий жизненного цикла не обходится без новых цифровых решений. Это программы для создания информационных BIM моделей зданий и сооружений; многочисленные пакеты моделирования нейтронных, теплофизических и прочностных характеристик активной зоны реактора для обоснования безопасности; решения по автоматизации процессов и системы внутриреакторного контроля; аналитические и полномасштабные тренажеры для подготовки персонала; и многое другое. 

Знание таких технологий и обладание навыками работы с ними с каждым годом все более необходимы для профессионала в атомной отрасли. На одном из недавних заседаний учебно-методического совета ИЯФиТ мы с интересом изучали требования к одной из вакансий в отделении нейтронно-физических расчетов Курчатовского института, две третьих из которых занимало перечисление языков программирования, которые должен знать кандидат. 

В физике частиц и высоких энергий все аналогично: растущие объемы данных, новые форматы их хранения и обработки, новые подходы к визуализации, все большая роль машинного обучения, опять же пакеты математического моделирования и так далее. Мы недавно упоминали об ИТ-решениях в ЦЕРНе, рекомендуем к ознакомлению еще один документ от той же группы, где более подробно описаны вызовы и перспективы развития цифровых технологий на больших экспериментах.

Исследования

Вместе с цифровизацией науки и технологий тематически меняется и исследовательское пространство ИЯФиТ. За последние десять лет появились целые подразделения института, занимающиеся информатизацией в нашей области знаний.

Открыта кафедра компьютерного инженерного моделирования, преподавательский состав которой представлен преимущественно совместителями-специалистами из Института прикладной математики РАН, Курчатовского института и росатомовского НИКИЭТа. Коллеги занимаются подготовкой специалистов в области математического моделирования физических процессов, но не с точки зрения профессиональных пользователей, а именно со стороны разработчиков такого программного обеспечения. Для примера приводим типичную тему магистерской диссертации выпускника кафедры: «Разработка алгоритмов и комплекса программ параллельной генерации поверхностных и объемных сеток для решения задач вычислительной гидродинамики».

Другое подразделение – лаборатория виртуальной реальности. Представлена молодыми сотрудниками и аспирантами, которые за несколько лет дали старт ряду уникальных проектов по созданию виртуальных аналогов ядерных установок. В виртуальную реальность перенесены подкритические уран-графитовая и уран-водная сборки, расположенные в лабораториях 5-ой кафедры. Создан виртуальный прототип импульсного критического стенда «Леди Годива», работавший до 60-х годов в одной из лабораторий в Лос-Аламосе. Вместе с НЕВОДом в лаборатории ведутся работы по визуализации атмосферных ливней элементарных частиц, а с кафедрой теплофизики – по визуализации теплогидравлических параметров в режиме реального времени в одном из экспериментальных стендов. Ребята также активно готовят студентов младших курсов к соревнованиям Worldskills, и даже ведут один из курсов в IT-классе Лицея 1511.

Высшая инжиниринговая школа. Хотя она и была открыта в 2017 году как самостоятельная структура вне ИЯФиТ, сегодня ВИШ является одним из подразделений института и все больше интегрируется в нашу исследовательскую повестку. Высшая инжиниринговая школа является подразделением, выпускающим команды магистров для цифровых проектов Росатома. Выпускники ВИШ — это уникальные специалисты по системной инженерии и цифровому управлению всем жизненным циклом сложных инженерных объектов, разработчики цифровых двойников, специалисты по виртуальной и дополненной реальности, машинному обучению и даже промышленному интернету вещей. Такие выпускники изначально готовились, преимущественно, в интересах АСЭ, а с недавних пор и для других цифровых предприятий Росатома: Гринатом, Русатом Сервис и Цифрум. С прошлого года в ИЯФиТ стартовал большой проект по созданию масштабного цифрового двойника нашего исследовательского реактора, в котором, помимо преподавателей кафедры №5, ребят из VR-лаборатории и сотрудников самого ИРТ, активную роль в проведении исследований занимают и преподаватели ВИШ. 

Перечисленные новые подразделения – далеко не полная картина новых активностей ИЯФиТ в области цифровых решений в ядерной физике и атомных технологиях.

Образование

Вслед за исследовательской частью (а может и опережая) в ИЯФИТ меняются и образовательные подходы касательно цифровых технологий.

Опустим естественные процессы модернизации учебных курсов по численным методам, моделированию и визуализации физических процессов, и использование современного программного обеспечения в рамках НИРС. А поговорим о том, какие новые образовательные предложения для наших студентов в части ИТ появились в последнее время.

В рамках введение элективных курсов для магистров ИЯФиТ разработан каталог выборных дисциплин, который содержит целый ряд предметов по базовому и углубленному изучению различных языков программирования, курсы по работе с Linux и верстке текста в LaTeX. «Введение в машинное обучение» и «Обработка данных в ROOT» теперь стали доступны не только студентам, специализирующимся на физике частиц, но и для учащихся всех остальных профилей. Также для магистров стал доступен аспирантский курс по визуальной аналитике в 3dsMax. 

В рамках другого эксперимента, в котором подопытными стали первокурсники бакалавриата ИЯФиТ и ЛаПлаз, помимо элективов по гуманитарным предметам, введены уровневые физика и информатика. Вопрос необходимости уровневого подхода к базовой информатике назревал долгие годы: кто-то в рамках школьной программы неплохо овладел навыками программирования и способен численно взять интеграл, а кому-то базовые алгоритмические подходы кажутся чем-то непосильным. Поэтому с осени 2021 года было решено попробовать разделить программу по информатике на два уровня: «базовый» и «углубленный». Опыт показал, что пропустить изучение базовых навыков алгоритмизации и основ программирования могут позволить себе не более 20-30% от общего числа первокурсников (см. картинку выше). Пускай процесс модернизации подходов и содержания базового курса по информатике только в начале пути, мы очень рады, что первый большой шаг на этом пути был сделан.

Говоря о будущем образовательного процесса в ИЯФиТ в части ИТ, следует вновь порассуждать о требованиях к выпускникам со стороны индустрии и научного мира. Мы привыкли полагать, что знание тех или иных цифровых продуктов и методов является важным требованием к ядерному специалисту, но информационные технологии не более чем инструмент в руках физика. Зачастую мы слышим, что порог знаний при входе инженера-физика в ИТ индустрию куда более преодолимый, чем при вхождении программиста в атомную отрасль или физику высоких энергий. Однако мы все чаще видим, как в Росатоме появляются целые предприятия по цифровым продуктам, а на больших физических экспериментах разрастаются группы ИТ сопровождения. Все чаще начинает казаться, что для разработки современных программных решений для создания и управления сложными инженерными и физическими объектами специалист все больше должен знать особенности компьютерной логики и все меньше – физику (по крайней мере в относительной величине).  Так ли это?

Все это большой вопрос. Но мы сами все чаще при обсуждении новых образовательных программ смотрим в сторону открытия в ИЯФиТ направлений из разряда программной инженерии, но с уклоном в физику реакторов или физику элементарных частиц.

Обсудить материал в социальных сетях