Floreon: Infrastruktura, která předpovídá povodně

Povodně jsou ve středoevropském prostoru v podstatě běžným přírodním jevem, který formoval tvář krajiny po statisíce let s různou intenzitou a dynamikou. Minulé století bylo, co se týče povodňových událostí, vcelku klidné, a není proto divu, že rozvoj sídelní i průmyslové zástavby toto riziko bral méně v potaz. Poslední události ale ukazují, že je vhodné se těmito jevy zabývat a vědět, jak se s případnou povodní vypořádat tak, aby se minimalizovaly její následky.

Predikce chování
Hydrologický cyklus a srážkoodtokový proces (tedy přeměnu ovzdušné srážky na odtok vody v korytech či její akumulaci v nádržích) lze poměrně dobře matematicky popsat. Tento matematický popis lze poté transformovat do programového kódu. Tímto způsobem vznikly numerické hydrologické modely, které „jazykem počítačů“ popisují oba jevy.

Existují dvě základní skupiny numerických hydrologických modelů: srážkoodtokové modely (SM) a hydraulické (přesněji hydrodynamické) modely (HM). Ta první řeší pomocí nejrůznějších metod transformaci ovzdušné srážky na odtok z povodí či jeho případnou akumulaci např. v nádržích.

Druhá skupina pak má na starosti transformaci vodní masy v hydrologických objektech (koryta toků, přirozené a umělé nádrže apod.) a rozlivy vody za povodní ve spolupráci s GIS (geografickými informačními systémy) – tzv. GIS postprocessing.

Kombinace MH a GIS je v současnosti nejefektivnějším nástrojem hydrologických analýz a prognóz. Pro zmíněné modely přitom byly naprogramovány i doplňkové funkce a utility, které například upravují vybrané parametry modelů podle aktuálních hydrologických podmínek na povodí apod.

HM se používají i v ČR zejména v rámci hydrologické předpovědní služby (Hlásné a předpovědní povodňové služby ČR). Tyto modely se však spouštějí ručně prostřednictvím pracovníků hydroprognóz ČHMÚ a dispečinků správců povodí. Proto vyvstal požadavek na vývoj systému, který by transformoval tyto procesy na IT systémy, rozšířil možnosti předpovědí (například o rutinní výpočet rozlivů a záplavových zón) a postupně se vyvinul do integrovaného systému pro podporu rozhodování v krizovém řízení - tak vznikl systém Floreon+.

Pod drobnohledem
Systém Floreon+ byl od začátku budován jako modulární, neboť důraz na flexibilitu řešení je podle tvůrců nezbytným předpokladem pro jeho reálné nasazení, provozování a rozšiřování. Celkový koncept vychází z modelu, kdy jednotlivé tematické funkční prvky tvoří jakési bloky modulů (GUI, poskytování informací a dat, získávání dat a jejich zpracování, datové sklady a úložiště, výpočetní modely atd.), které jsou mezi sebou propojené a navzájem komunikují. Díky tomu je možné rozlišovat vnitřní transport dat v systému a komunikaci s externími subjekty či systémy třetích stran (a na základě toho aplikovat příslušné bezpečnostní politiky či funkční omezení) a také lze provozovat jednotlivé moduly na různých hardwarových platformách, a to s ohledem na požadované softwarové zázemí daného modulu a jeho nároky na výpočetní výkon.

V praxi tak některé moduly fungují na standardních serverech  osazených systémem Windows (webové servery, relační databáze, importovací aplikace, výpočetní modely atd.), další pak na serverech postavených na platformě Linux (GIS databáze a výpočetní modely) či na vysoce výkonných HPC zařízeních (především výpočetní modely a strojově a časově náročné úlohy). Pokud jde o architekturu z pohledu implementačního, pak samotný systém Floreon+ je realizován na platformě Microsoft .Net Framework.

V současné době jsou výstupy ze systému poskytovány ve dvou podobách, a to jak v surové podobě ve formě dat využitelných dalšími systémy, tak v podobě vizualizace a prezentace dat v prostředí webu. Zde je využit standardní rámec platformy ASP.Net, pomocí kterého jsou vybudovány webové stránky poskytující základní informace o projektu, o datech v něm obsažených a o výsledcích a výstupech výpočetních částí systému.

Významným výstupem této prezentační části je pak samotná mapová aplikace, která realizuje vizuální podobu všech dostupných dat v závislosti na jejich vztahu k poloze na mapě. Tato mapová aplikace je implementována pomocí technologie Silverlight od společnosti Microsoft.

Moduly jsou propojeny prostřednictvím přímého volání, kooperací nad databází (v případě úzce propojených interních modulů) nebo pomocí webových služeb. Posledně jmenované  umožňují efektivní vývoj v týmu. a jejich prostřednictvím je tak nejen řízen přístup a jeho zabezpečení k jednotlivým funkcím a výstupům systému, ale také je standardním způsobem umožněno odebírání určitých dat systémy třetích stran (např. záplavová jezera, hydrogramy).

Výpočetní model
Jedním ze stěžejních míst systému je výpočetní modul, který slouží k predikci průtoků na říční síti. Náročnost takových simulací rychle roste, pokud jsou uvažovány přesnější numerické modely nebo jestliže se do výpočtů zahrnou i nejistoty ve vstupních datech, které jsou pro tyto simulace zcela přirozené. Pro urychlení těchto výpočtů a přiblížení simulací k reálnému času jsou využívány výkonné výpočetní clustery na platformách Linux a Microsoft.

Cílem je paralelně spouštět na několika uzlech výpočetního clusteru více instancí speciálních aplikací pro výpočet průtoků, které odpovídají různým uživatelským požadavkům či náhodně generovaným vstupním veličinám. Jedná se o komerční i nekomerční aplikace třetích stran či o vlastní aplikace vytvořené pomocí technologie Microsoft .Net Framework nebo speciálně udělané numerické modely počítané pomocí nástroje Mathworks Matlab.

Systémy HPC byly využity pro scénářové výpočty hydrologických modelů (ty lze zjednodušeně popsat slovy „co se stane, když naprší o tolik méně, a co, když tolikrát více“. Jakkoliv se takový postup může jevit jako hrubý odhad, vzhledem k nejistotám, kterými jsou zatížena vstupní data zejména na úrovni predikce konvekčních srážek, je to zejména pro plánování krizového řízení úloha zcela nezbytná. Odpovědné složky jsou pak připraveny i na horší varianty. K takové paralelizaci úloh je právě potenciál HPC nedocenitelný, protože například na území jedné správní jednotky existuje několik samostatných povodí, což znamená, že je nutno provést několik výpočtů už pro jediný scénář.

Celá výpočetní kaskáda na úrovni hydrologických modelů a GIS pak v hrubých rysech vypadá tak, že po importu dat z ČHMÚ (měření a předpověď srážek a dalších meteorologických prvků) jsou spuštěny srážkoodtokové modely – konkrétně jde o nástroje HEC-HMS, Hydrog a vlastními silami vyvinutý matematický model v prostředí Matlab.

Poté jsou informace předány hydrodynamickým modelům, které jsou zastoupeny produkty Mike 11 a HEC-RAS a jež předají informaci GIS, a jsou vypočítány případné rozlivy, pokud by došlo k vybřežení. V současnosti probíhá implementace plně distribuovaných modelů typu Mike SHE pro možnosti simulace odezvy povodí na přívalové srážky a testování propojení pomocí rozhraní OpenMI tak, aby byly implementovány standardy pro další rozšíření funkcionalit celého systému. Rovněž je ve fázi finalizace modelování kvality a znečištění vod a také vodní eroze, která může často eskalovat i během výskytu přívalových srážek a bleskových povodní. Poslední rozšiřovanou funkcionalitou je i zapojení 2D hydrodynamických modelů typu Mike 21c, které krom proudění v korytech dokáží simulovat i dlouhodobý vývoj koryt v čase.

Závěrem
Cílovým stavem systému Floreon+ by měl být stále rozvíjený systém, který bude schopen počítat variantní řešení pro různé situace – tzv. ansámbly –, což laicky řečeno znamená úlohy, kdy se bude například řešit rozsah povodně při dvojnásobku či vícenásobku předpokládaných srážek, při rychlejším a pomalejším tání sněhu, při větším či menším úniku kontaminantů do vody, ovzduší a půdy. Umožní také navrhnout optimalizace zásahů – třeba plánování evakuačních tras.

A v neposlední řadě bude schopen se sám učit – tzn. provozem bude budován expertní systém, který s rostoucí bází dat a znalostí bude schopen na základě analýz podobnosti rychle odhadnout vývoj situace ještě před tím, než proběhnou výpočty s využitím numerických modelů a geografických informačních systémů (GIS).

Autor pracuje v Institutu geologického inženýrství Vysoké školy báňské – Technické Univerzity Ostrava.