Le vie della Matematica sono infinite - Intervista a Emanuele Ragnoli

Con una laurea in Matematica puoi insegnare. O lavorare come programmatore. Oppure trovare posto in banca! Vero. Tutte belle professioni. Ma suvvia, non fermiamoci a queste prime possibilità. Se non vi riconoscete in nessuna di esse, sappiate che con una laurea in Matematica si possono fare un sacco di altre cose!

Noi, per esempio, ci siamo imbattuti in un matematico che dal Dipartimento di via Saldini in quel di Milano ha preso - letteralmente! - il volo e ora mette a frutto le proprie conoscenze per “imbrigliare” le acque marine e ridurre al minimo i danni che ne possono derivare in caso si imbizzarriscano.

Lo abbiamo dunque intervistato. Il suo nome è Emanuele Ragnoli, Research Staff Member e Technical Leader in Physical Analytics presso l’IBM Research Smarter Cities Technology Centre di Dublino. Emanuele si occupa di ricerca nell'area di sistemi che integrano, tramite l'utilizzo delle tecniche di Data Assimilation, modelli matematici e fisici complessi con dati derivanti da misurazioni/sensori, e ci racconta il grande progetto a cui sta lavorando.

XTG. Lei lavora al progetto IBM DeepCurrent: ci può raccontare in breve di che cosa si tratta?

E.R. IBM DeepCurrent è una piattaforma di modellistica e dati per il monitoraggio e la previsione delle condizioni marine e oceanografiche delle aree costiere. In IBM DeepCurrent sono coinvolti modelli fisici di idrodinamica e trasporto, modelli biochimici per la qualità dell’acqua, funzioni di streaming per il trasferimento in real time dei dati da sensori, satelliti e modelli di previsione atmosferici e idrologici, nonché un’interfaccia grafica che permette visualizzazioni in 2D e 3D. I dati in streaming vengono integrati con i modelli fisici in real time mediante alcune tecniche di teoria del controllo che si chiamano Data Assimilation (l’idea è quella di modelli come sistemi dinamici le cui traiettorie vengono perturbate in modo stabile dalle informazioni generate dai dati).

XTG. Sembra piuttosto complicato per un comune mortale… dunque, provando a riepilogare con poche semplici parole (e sperando di non banalizzare troppo), potremmo dire che con IBM DeepCurrent si mettono a punto dei modelli particolarmente sofisticati, al fine di monitorare e prevedere le condizioni marine? E qual è la ragione di un progetto sulle acque del Pianeta? Perché un progetto per monitorarle?

E.R. La BLUE economy, il settore dell’economia globale che si focalizza sugli oceani e le zone marine, è considerata una delle maggiori aree di sviluppo per i prossimi decenni. Si pensi all’importanza dei settori di desalinizzazione, di petrolio e gas, delle energie alternative, delle acquaculture e della pesca sostenibile. Ambiti quanto mai attuali, per i quali sono sempre più richiesti sistemi che permettano di prevedere, ammortizzare e gestire i rischi di impatto originati dalle condizioni marine.

XTG. Può farci qualche esempio?

E.R. Un esempio lampante è stata la chiusura temporanea di una centrale nucleare nel Connecticut nel 2012, dove le condizioni di temperatura dell’acqua erano diventate proibitive per il raffreddamento del reattore. Un altro riguarda il fenomeno delle maree rosse nel Golfo Persico, che ha impatti sugli impianti di purificazione e desalinizzazione. Un altro ancora sono gli incidenti di oil spill, come quello accaduto nella 2010 alla piattaforma petrolifera DeepWater Horizon nel Golfo del Messico. In casi come questo, avere sistemi modellistici in grado di guidare le operazioni di contenimento e bonifica attraverso l’integrazione in tempo reale con i dati forniti da navi, droni e satelliti sta diventando una priorità sempre più urgente.

XTG. Che cosa ci fa un matematico in un contesto del genere? Come è potuto accadere che da Via Saldini sia finito dove è ora? Ci racconta un po’ della sua storia professionale?

E.R. I settori di Geofisica e Data Assimilation sono dominati da matematici e da fisici. Dopo la mia tesi in Analisi Funzionale applicate alle Equazioni alle Derivate Parziali in via Saldini, sono andato a fare un dottorato di ricerca in Teoria del Controllo all’Hamilton Institute in Irlanda. Poi ho fatto due postdoc industriali con Intel Ireland. Lì mi occupavo di calcolare in tempo reale i modelli al plasma utilizzati per i reattori al plasma per la produzione di semiconduttori. Qualche anno dopo IBM Research cercava degli specialisti nell’area di Data Assimilation per Large Scale models, ed è dove sono finito.

XTG. Quanta matematica c’è nel progetto IBM DeepCurrent?

E.R. Tanta, i concetti di Data Assimilation per Fluidi usano PDEs, Analisi Funzionale e Analisi Numerica, combinati con calcolo stocastico e delle variazioni. Usiamo anche approcci statistici in cui tentiamo si stimare le probability density functions di variabili fisiche. Il tutto viene combinato con strutture computazionali che sono embedded su supercomputers.
Per entrare più nello specifico, nel nostro caso, equazioni di Navier Stokes e del trasporto vengono accoppiate con equazioni stocastiche come quelle di Kolmogorov, nei casi più complicati, o con sistemi di equazioni più semplici come quelle dei filtri di Kalman. Il primo tipo di equazioni risultano essere classiche nell'ambito del moto dei fluidi. Le altre, quelle stocastiche, tengono conto di variazioni random nel moto. La combinazione fra il primo tipo e il secondo non dipende soltanto dalla modellizzazione ma anche dalla complessità computazionale e dalla performance del supercomputer usato.

XTG. Perché un supercomputer e non un computer? E, in pratica, che cosa è un supercomputer?

E.R. Beh, un supercomputer ha capacità computazionali incomparabili con quelle di un normale computer. Se si misurano quelle capacità in termini di FLOPS (Floating Points Operations Per Second), un Intel CoreI750 computer arriva più o meno a 7GigaFlops, mentre il più veloce supercomputer del mondo, il China's Tianhe-2, raggiunge i 33.86 petaflops. L’applicazione di IBM DeepCurrent per l’area che interessa il DeepWater Horizon necessita di una performance minima di 23 petaflops, che cresce velocemente verso i 35 petaflops quando si richiedono più velocità e risoluzione spaziale.

XTG. Un’applicazione per il DeepWater Horizon? Di che cosa si tratta?

E.R. È appena partito un progetto FET (Future and Emerging Technologies) dell’Unione Europea: si tratta di “combinare” un supercomputer Exascale con nuove metodologie di assimilazione di terabyte di data e modellistica fisica, in modo da creare un sistema in tempo reale che usi l’esempio dell’incidente di   DeepWater Horizon  . La sfida sarà non solo quella di far funzionare il sistema in tempo reale assimi lando terabyte di dati su larga scala, ma anche quella di raggiungere una risoluzione spaziale che non è mai stata raggiunta fino ad ora (4m contro il record di 20m). L’esempio di  DeepWater Horizon  ci permetterà di testare DeepCurrent come sistema di risposta veloce per simili incidenti.   

Anna Betti