DigBen: Digitalisierung und Automatisierung von Benchmarking-Workflows für geowissenschaftliche Prozesssimulationen

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DigBen

DigBen: Digitalisierung und Automatisierung von Benchmarking-Workflows für geowissenschaftliche Prozesssimulationen

01.03.2024 bis 28.02.2027


Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ), Department Umweltinformatik
Permoserstr. 15
04318 Leipzig

Technische Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF), Institut für Geotechnik (Bodenmechanik)
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Hannover

Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)

Digitale Geosysteme

Um die Qualität geowissenschaftlicher Prozesssimulationen sichern zu können, haben sich systematische Tests (Benchmarking) mittels verschiedener Modellierungsprogramme bewährt. Dabei ist die bisherige Vorgehensweise sehr zeitaufwändig, da oftmals redundante und vielfach analoge Tätigkeiten erforderlich sind. Mit dem Projekt DigBen sollen automatisierte Benchmarking-Arbeitsabläufe (Workflows) für geowissenschaftliche Prozesssimulationen entwickelt und erstmals auf einer interaktiven Web-Plattform bereitgestellt werden. Es ist vorgesehen, die Entwicklung der Workflows exemplarisch an einer Benchmarksammlung für thermo-hydro-mechanische (THM) Prozesse zu demonstrieren. Durch eine direkte Anbindung an Labor- und Feldversuche soll auch ein praktikables Werkzeug zur Planung und Auswertung von Experimenten entstehen. Außerdem wird durch die Verwendung quelloffener Simulationssysteme wie OpenGeoSys und FEniCS eine freie Nutzung gewährleistet. Die automatisierten Workflows erlauben eine erhebliche Beschleunigung bei der Auswertung von Experimenten sowie eine bessere Reproduzierbarkeit von Simulationsergebnissen und können zur Qualitätssicherung der eingesetzten Simulationssysteme beitragen.

Das Projekt gliedert sich in vier Arbeitspakete (AP). Im ersten Arbeitspaket ist die Entwicklung der informationstechnischen Methoden und softwaretechnischen Grundlagen für das automatische Benchmarking vorgesehen. Dafür wird ein bereits bestehendes Testsystem im Softwarepaket OpenGeoSys durch Bereitstellung angepasster Laufzeitumgebungen und Templates für Datenrepositorien wesentlich erweitert. Für den Machbarkeitsnachweis werden im zweiten und dritten Arbeitspaket Testbeispiele erstellt, die kontinuumsmechanische und geotechnische Fragestellungen umfassen. In AP2 soll das automatisierte Benchmarking auf unterschiedliche geomechanische Modellklassen angewandt werden, wobei ein hierarchischer Ansatz verfolgt wird. Mit AP3 ist eine Anwendung auf praxisnahe Probleme mit Bezug auf Geosysteme geplant. Im Mittelpunkt steht das sog. CD-A Experiment im Schweizer Untertagelabor Mont Terri, bei dem der Einfluss wechselnder Luftfeuchtigkeit auf die zyklische Deformation von Tongestein untersucht wird. Teilaspekte dieses Experiments sollen isoliert und damit für eine Benchmarksammlung zugänglich gemacht werden. Im Rahmen des vierten Arbeitspakets erfolgt die Implementierung der DigBen Web-Plattform zum automatisierten Benchmarking, in welche die in AP2 und AP3 erarbeiteten Benchmarks integriert werden sollen. Die Benchmarks werden über Python-Skripte in Form von Jupyter Notebooks definiert, auf dessen Basis eine Nutzerschnittstelle auf der Web-Plattform bereitgestellt wird, welche den Anwendern eine interaktive Arbeit ermöglicht. Hierüber können definierte Benchmarks nachvollzogen, Parametrisierungen geändert, weitergehende Auswertungen vorgenommen oder komplett neue Benchmarks entwickelt werden. Durch die Verknüpfung moderner Methoden und Softwarewerkzeuge aus Geowissenschaften und Informatik wird ein deutlicher Mehrwert gegenüber dem aktuellen Forschungsstand erzielt sowie ein wichtiger Baustein für das Konzept von Digitalen Zwillingen in den Geowissenschaften geschaffen.