ИИ научился предсказывать появление гигантских волн-убийц в океане
Истории о гигантских волнах, так называемых «волнах-убийцах», моряки рассказывали на протяжении веков. Но когда в 1995 году 26-метровая волна (высотой с восьмиэтажный дом) врезалась в норвежскую нефтяную платформу Draupner, удалось зафиксировать и измерить это чудовище Северного моря. Это был первый случай измерения одиночной гигантской волны, который стал научным доказательством того, что аномальные океанские волны действительно существуют.
С тех пор эти экстремальные волны стали предметом пристального изучения. Исследователи из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете с помощью методов искусственного интеллекта обнаружили математическую модель, которая предсказывает при каких условиях возникают волны-убийцы.
«Такие гигантские волны удается обнаружить очень редко. Они возникают внезапно, при тихой погоде и вызваны сочетанием многих факторов, которые до сих пор не были объединены в единую оценку риска. Мы определили причинно-следственные связи, которые приводят к образованию волн-убийц, и с помощью ИИ собрали их в модель, которая позволяет рассчитать вероятность этих опаснейших волн», — говорит соавтор исследования Дион Хефнер.
Гигантские волны возникают каждый день
Ученые определяют волны-убийцы в первую очередь по высоте: она должна превышать 20 метров. В своей модели исследователи объединили имеющиеся данные об океанских течениях, ветрах и глубинах, о рельефе дна. Данные о волнах были собраны с буев, собирающих информацию 24 часа в сутки. В совокупности были собраны данные о более чем миллиарде волн. Суммарная продолжительность измерений составила 700 лет. На этом наборе была обучена модель ИИ.
«Наш анализ показывает, что аномальные волны возникают постоянно. Фактически мы зарегистрировали 100 000 волн в нашем наборе данных, которые можно определить как одиночные волны. Это эквивалентно примерно одной волне-убийце, возникающей в океане каждый день. Однако не все они достигают экстремальных размеров», — поясняет второй автор исследования Йоханнес Геммрих.
Как работает искусственный интеллект
Ученые использовали несколько методов искусственного интеллекта, в том числе символическую регрессию, которая в результате получает уравнение, а не просто возвращает одно предсказание, как это делают традиционные методы ИИ. Изучив более миллиарда волн, алгоритм вывел свой собственный способ поиска причин возникновения волн-убийц и написал уравнение, описывающее такую волну.
Почему возникают волны-убийцы
До сих пор считалось, что наиболее распространенной причиной возникновения гигантских волн является интерференция: если две волны совпадают по фазе, и большая волна забирает энергию малой и быстро растет.
Однако исследователи установили, что основной причиной является так называемая «линейная суперпозиция», которая была описана математиками еще в XVIII веке. При такой суперпозиции две волновые системы пересекаются и усиливают друг друга за короткий промежуток времени.
«Если две волновые системы встречаются в море таким образом, что повышается вероятность образования высоких гребней, за которыми следуют глубокие впадины, возникает риск возникновения чрезвычайно больших волн», — говорит Дион Хефнер.
Безопасное судоходство
Разработанный исследователями алгоритм — хорошая новость для судоходной отрасли, ведь в любой момент времени по планете курсирует около 50 000 судов. С помощью алгоритма можно будет предсказать, когда возникнет «идеальное» сочетание факторов, повышающее риск возникновения чудовищной волны, которая представляет опасность для всех, кто находится в море близки нее.
«Поскольку судоходные компании планируют свои маршруты заблаговременно, они могут использовать наш алгоритм для получения оценки риска — есть ли вероятность встретить на своем пути волны-убийцы. Исходя из этого, они могут выбирать альтернативные маршруты», — говорит Дион Хефнер.
«Модели ИИ обычно представляют собой "черные ящики", которые хотя и дают ответы, но не расширяют наше понимание исследуемой области. Но в данной работе Хефнер использовал методы ИИ для преобразования огромной базы наблюдений за волнами в новое уравнение, описывающее вероятность возникновения волн-убийц. Это уравнение легко понять людям», — заключает профессор Маркус Йохум, соавтор работы Диона Хефнер.