Eles têm como meta entregar um software aberto e flexível de simulação numérica para a resolução de problemas inversos.

Os problemas inversos são temas cada vez mais recorrentes na academia. São situações em que os cientistas têm medidas sobre alguma coisa, mas não sabem exatamente o que ela é, e querem descobrir. Por exemplo: o tamanho e a geometria de um reservatório de óleo e gás – onshore ou offshore. Ou a condição dos ventos em todos os pontos de uma localidade em que se pretende montar um parque eólico. Os problemas inversos exigem abordagens diferentes dos problemas diretos: aqueles em que os cientistas têm acesso ao objeto estudado.

“Um modelo numérico tem de ser capaz de reproduzir o comportamento do seu modelo físico. Num problema normal de modelagem, geralmente o que acontece é que você tem acesso ao objeto, pode testá-lo em laboratório e pode ir propondo equações cada vez mais sofisticadas que reproduzam o comportamento daquele objeto. Num problema inverso, você não tem acesso ao objeto, mas tem formas de testá-lo: pode dar uma entrada nessa caixa preta que você não consegue acessar, e medir uma saída. A partir dessa resposta, e de algum conhecimento e suposições que você tem a respeito do objeto e das leis físicas que o regem, você propõe um modelo do objeto”, explica Bruno Carmo, coordenador geral do novo projeto.

Ele detalha o interesse do tema para a indústria de petróleo e gás. “Basicamente é interessante para otimizar a resolução de questões de imageamento sísmico, que são problemas inversos:  em offshore, por exemplo, há o subsolo marinho, os reservatórios, que não conhecemos. Para saber se há óleo ou gás ali, um barco munido de uma pistola de ar dispara tiros de ar que geram ondas acústicas. Elas refletem no subsolo, uma parte refrata, e essas ondas sonoras voltam para a superfície, e são captadas por microfones – que chamamos hidrofones.  Isso para saber como é o subsolo. Então, são feitas as leituras dessas informações por meio de softwares que, com base na interpretação dos dados, nos fornecem um ‘mapa’ da área prospectada.”

Evidentemente a indústria já faz esse tipo de sondagem, mas o “plus” do projeto do RCGI seriam a performance e flexibilidade do software usado para a interpretação das informações de campo.  “O desempenho é importante, porque a indústria hoje faz isso com um custo enorme. Mas o mais importante do nosso diferencial é a flexibilidade. Hoje em dia, há programas que dão conta desses problemas, mas qualquer alteração no software é algo muito complicado. Às vezes não foi o próprio geofísico que fez o programa, então as alterações são coisas que levam semanas, meses – ou porque se tratam de softwares comerciais, e aí não há tanta flexibilidade, ou porque são produtos que vêm sendo desenvolvidos pela indústria há muito tempo e têm manutenção muito custosa”, esclarece Carmo.

Ele e a equipe, composta por mais de 60 pesquisadores, sendo 12 deles estrangeiros (a maior equipe reunida em um projeto do RCGI até agora), querem produzir softwares nos quais as equações sejam escritas de forma quase ‘simbólica’. “Automaticamente, o software gerará um código para resolver as equações. Ou seja, essa tarefa, que usualmente é do geofísico ou do programador – traduzir as equações em códigos computacionais – seria feita de forma totalmente automática. E não pretendemos apenas otimizar a geração do método numérico de solução das equações, mas também toda a parte de compilação e otimização para a arquitetura computacional no ambiente em que o programa vai ser rodado.”

O projeto também tem uma frente que desenvolverá geradores de malha. De acordo com Carmo, o mundo é um tanto carente de geradores de malha abertos com bom desempenho e flexibilidade. “Um gerador de malha é um software que, partindo de uma geometria dada, divide-a em pedaços menores para permitir obter uma solução numérica aproximada das equações que a caracterizam. Em simulação numérica, essa é a parte mais cara do ponto de vista de homem/hora.” Segundo ele, as opções disponíveis hoje ainda têm muito ajuste manual e se o grupo conseguir conceber um gerador de malha que seja amigável ao usuário e de boa qualidade, poderá gerar um impacto grande da comunidade científica. “Tem de ser algo fácil de usar para quem não é versado em ciência da computação nem em programação, mas tem o conhecimento de física, das equações. A linguagem do software tem de ser muito próxima da linguagem que o pesquisador usa”, adianta.

Open source – O projeto dura quatro anos e a equipe entregará softwares abertos que servirão para a resolução de qualquer problema inverso, em diversos ambientes e áreas do conhecimento. “Vamos estudar aplicações para diferentes arquiteturas, otimizar e testar para diversas plataformas: para a nuvem, para clusters, para GPUs. Temos de validar a ferramenta para cada uma delas e ela tem de funcionar em todas”, afirma Bruno. Segundo ele, a validação será feita com dados sintéticos, similares aos originais.

O engenheiro detalha que a medida de desempenho do software é dada pelo tempo computacional gasto para caracterizar o objeto. “Você não consegue validar propriamente porque, no caso de um reservatório, por exemplo, nunca vai saber o que está lá em baixo, mas consegue produzir um modelo do objeto, teste-lo com uma entrada e ver se o resultado é igual ou similar ao que você obteve em campo.” De acordo com ele, considera-se o problema finalizado quando a diferença entre a saída calculada pelo software e a medida de campo é pequena, dentro de uma certa tolerância.

A nova iniciativa do RCGI é composta por cinco frentes de trabalho, cada uma com um coordenador: métodos numéricos aplicados a diferenças finitas (a cargo de uma equipe do IME – Instituto de Matemática e Estatística da USP); cálculo de sensibilidade (refere-se à variação da resposta do objeto a cada nova entrada, ou estímulo); métodos descontínuos de alta ordem; geração e adaptação de malha; e geração e otimização de código. “Os coordenadores somos eu, mais os professores Rafael Gioria, Emílio Silva e Ernani Volpe, da Poli/USP; e o professor Saulo Barros, do IME”, ressalta Carmo.

No âmbito do RCGI, o novo projeto ‘conversa’ com diversos outros, sobretudo do Programa de CO2 Abatement. O software poderá, por exemplo, ser utilizado para procurar bons lugares para cavar uma caverna de sal; ou para prospectar e encontrar reservas de gás não convencional onshore. “Uma coisa importante a se dizer é que ele não faz parte do programa de CO2 Abatement, mas veio de uma demanda de um outro time da Shell, que lida com geofísica. Ele é uma expansão de outra ordem, independente. Estamos entrando em outra seara, que é a sísmica.”