Η τεχνητή νοημοσύνη βρίσκει τύπο για την πρόβλεψη κυμάτων τεράτων χρησιμοποιώντας δεδομένα 700 ετών

Θεωρείται από καιρό μύθος, τα τρομακτικά μεγάλα αδίστακτα κύματα είναι αληθινά και μπορούν να χωρίσουν τα πλοία και ακόμη και να καταστρέψουν τις εξέδρες άντλησης πετρελαίου. Χρησιμοποιώντας δεδομένα 700 ετών από περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο κύματα, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης και το Πανεπιστήμιο της Βικτώριας χρησιμοποίησαν τεχνητή νοημοσύνη για να βρουν μια φόρμουλα για να προβλέψουν την εμφάνιση αυτών των θαλάσσιων τεράτων. Οι νέες γνώσεις μπορούν να κάνουν τη ναυτιλία ασφαλέστερη.

Οι ιστορίες με τερατώδη κύματα, που ονομάζονται αδίστακτα κύματα, αποτελούν μέρος της παράδοσης των ναυτικών εδώ και αιώνες. Αλλά όταν ένα αδίστακτο κύμα ύψους 26 μέτρων χτύπησε τη νορβηγική πλατφόρμα πετρελαίου Draupner το 1995, ψηφιακά όργανα ήταν εκεί για να συλλάβουν και να μετρήσουν το τέρας της Βόρειας Θάλασσας. Ήταν η πρώτη φορά που ένας απατεώνας μετρήθηκε και παρείχε επιστημονικές αποδείξεις ότι υπάρχουν στην πραγματικότητα ανώμαλα κύματα του ωκεανού.

Από τότε, αυτά τα ακραία κύματα έχουν γίνει αντικείμενο πολυάριθμων μελετών. Και τώρα, ερευνητές στο Ινστιτούτο Niels Bohr στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης χρησιμοποίησαν μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης για να ανακαλύψουν ένα μαθηματικό μοντέλο που παρέχει μια συνταγή για το πώς – και ειδικά πότε – μπορούν να εμφανιστούν αδίστακτα κύματα.

Χρησιμοποιώντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων για τις κινήσεις των ωκεανών, οι ερευνητές μπορούν να προβλέψουν την πιθανότητα να χτυπηθούν από ένα κύμα τέρατος στη θάλασσα ανά πάσα στιγμή.

“Βασικά, είναι απλώς πολύ κακή τύχη όταν χτυπήσει ένα από αυτά τα γιγάντια κύματα. Προκαλούνται από έναν συνδυασμό πολλών παραγόντων που, μέχρι τώρα, δεν έχουν συνδυαστεί σε μια ενιαία εκτίμηση κινδύνου “Στη μελέτη, χαρτογραφήσαμε τις αιτιώδεις μεταβλητές που δημιούργησε αδίστακτα κύματα και χρησιμοποίησε τεχνητή νοημοσύνη για να τα συγκεντρώσει σε ένα μοντέλο που μπορεί να υπολογίσει την πιθανότητα σχηματισμού απατεώνων κυμάτων», εξηγεί ο Dion Häfner.

Ο Häfner είναι πρώην διδακτορικός φοιτητής. φοιτητής στο Ινστιτούτο Niels Bohr και πρώτος συγγραφέας της επιστημονικής μελέτης, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS).

Αδίστακτα κύματα συμβαίνουν κάθε μέρα

Στο μοντέλο τους, οι ερευνητές συνδύασαν διαθέσιμα δεδομένα για τις κινήσεις των ωκεανών και τις θαλάσσιες καταστάσεις, καθώς και τα βάθη του νερού και τις βαθυμετρικές πληροφορίες. Το πιο σημαντικό, τα δεδομένα κυμάτων συλλέχθηκαν από σημαδούρες που βρίσκονται σε 158 διαφορετικές τοποθεσίες γύρω από τις ακτές των ΗΠΑ και τις υπερπόντιες περιοχές, οι οποίες συλλέγουν δεδομένα 24 ώρες την ημέρα. Όταν συνδυαστούν, αυτά τα δεδομένα – από περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο κύματα – περιέχουν πληροφορίες για το ύψος κύματος και θαλάσσια κατάσταση πάνω από 700 χρόνια.

Οι ερευνητές ανέλυσαν πολλούς τύπους δεδομένων για να βρουν τις αιτίες των απατεώνων κυμάτων, που ορίζονται ως κύματα τουλάχιστον δύο φορές υψηλότερα από τα γύρω κύματα, συμπεριλαμβανομένων των ακραίων αδίστακτων κυμάτων που μπορούν να φτάσουν πάνω από 20 μέτρα ύψος. Χρησιμοποιώντας μηχανική μάθηση, τα μετέτρεψαν όλα σε έναν αλγόριθμο που στη συνέχεια εφαρμόστηκε στο σύνολο δεδομένων τους.

“Η ανάλυσή μας δείχνει ότι τα φρικτά κύματα εμφανίζονται συνεχώς. Στην πραγματικότητα, καταγράψαμε 100.000 κύματα στο σύνολο δεδομένων μας που μπορούν να οριστούν ως αδίστακτα κύματα. Αυτό ισοδυναμεί με περίπου ένα κύμα τέρας που εμφανίζεται κάθε μέρα σε n “οποιοδήποτε τυχαίο μέρος στον ωκεανό. Ωστόσο, δεν είναι όλα τερατώδη κύματα ακραίου μεγέθους», εξηγεί ο Johannes Gemmrich, ο δεύτερος συγγραφέας της μελέτης.

Τεχνητή νοημοσύνη ως επιστήμονας

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές βοηθήθηκαν από την τεχνητή νοημοσύνη. Χρησιμοποίησαν πολλές μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης, συμπεριλαμβανομένης της συμβολικής παλινδρόμησης που δίνει μια εξίσωση ως έξοδο, αντί να επιστρέφουν απλώς μια πρόβλεψη όπως κάνουν οι παραδοσιακές μέθοδοι τεχνητής νοημοσύνης.

Εξετάζοντας περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο κύματα, ο αλγόριθμος των ερευνητών ανέλυσε τη δική του μέθοδο για την εύρεση των αιτιών των αδίστακτων κυμάτων και τη συμπύκνωσε σε μια εξίσωση που περιγράφει τη συνταγή για ένα απατεώνα κύμα. Το AI μαθαίνει την αιτιότητα του προβλήματος και το επικοινωνεί στους ανθρώπους με τη μορφή μιας εξίσωσης που οι ερευνητές μπορούν να αναλύσουν και να ενσωματώσουν στη μελλοντική τους έρευνα.

“Για δεκαετίες, ο Tycho Brahe συνέλεγε αστρονομικές παρατηρήσεις από τις οποίες ο Κέπλερ, μετά από πολλές δοκιμές και λάθη, μπόρεσε να εξαγάγει τους νόμους του Κέπλερ. Ο Ντιον χρησιμοποίησε μηχανές για να κάνει με τα κύματα ό,τι έκανε ο Κέπλερ με τους πλανήτες. Για μένα είναι ακόμα συγκλονιστικό ότι κάτι τέτοιο είναι δυνατό», λέει ο Markus Jochum.

Φαινόμενο γνωστό από το 1700

Η νέα μελέτη επίσης έρχεται σε ρήξη με την κοινή αντίληψη για το τι προκαλεί αδίστακτα κύματα. Μέχρι τώρα, η πιο κοινή αιτία ενός αδίστακτου κύματος πιστευόταν ότι ήταν όταν ένα κύμα συνδυάστηκε για λίγο με ένα άλλο και έκλεψε την ενέργειά του, προκαλώντας την κίνηση ενός μεγάλου κύματος.

Ωστόσο, οι ερευνητές αποδεικνύουν ότι ο πιο κυρίαρχος παράγοντας στην υλοποίηση αυτών των ανώμαλων κυμάτων είναι αυτό που ονομάζεται «γραμμική υπέρθεση». Αυτό το φαινόμενο, γνωστό από το 1700, συμβαίνει όταν δύο συστήματα κυμάτων τέμνονται και ενισχύονται το ένα το άλλο για μια σύντομη χρονική περίοδο.

“Εάν δύο συστήματα κυμάτων συναντηθούν στη θάλασσα με τρόπο που αυξάνει τις πιθανότητες δημιουργίας υψηλών κορυφών ακολουθούμενες από βαθιές γούρνες, προκύπτει ο κίνδυνος εξαιρετικά μεγάλων κυμάτων. Αυτή είναι η γνώση που υπάρχει εδώ και 300 χρόνια και την οποία υποστηρίζουμε τώρα μέσω δεδομένων. », λέει η Dion Häfner.

Ασφαλέστερη αποστολή

Ο αλγόριθμος των ερευνητών είναι καλά νέα για τη ναυτιλιακή βιομηχανία, η οποία έχει περίπου 50.000 φορτηγά πλοία που πλέουν ανά τον πλανήτη ανά πάσα στιγμή. Πράγματι, χάρη στον αλγόριθμο, θα είναι δυνατό να προβλεφθεί πότε θα υπάρχει αυτός ο «τέλειος» συνδυασμός παραγόντων για να αυξηθεί ο κίνδυνος ενός κύματος τέρατος που θα μπορούσε να αποτελέσει κίνδυνο για οποιονδήποτε στη θάλασσα.

“Καθώς οι ναυτιλιακές εταιρείες σχεδιάζουν τα δρομολόγιά τους πολύ εκ των προτέρων, μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον αλγόριθμό μας για να αξιολογήσουν τον κίνδυνο και να προσδιορίσουν εάν υπάρχει κίνδυνος να συναντήσουν επικίνδυνα αδίστακτα κύματα στη διαδρομή. εναλλακτικές διαδρομές”, εξηγεί ο Dion Häfner. .

Ο αλγόριθμος και η έρευνα είναι δημόσια διαθέσιμα, όπως και τα δεδομένα καιρού και κυμάτων που αναπτύχθηκαν από τους ερευνητές. Ο Dion Häfner λέει ότι τα ενδιαφερόμενα μέρη, όπως οι δημόσιες αρχές και οι μετεωρολογικές υπηρεσίες, μπορούν εύκολα να αρχίσουν να υπολογίζουν την πιθανότητα αδίστακτων κυμάτων. Και σε αντίθεση με πολλά άλλα μοντέλα που δημιουργήθηκαν με χρήση τεχνητής νοημοσύνης, όλοι οι ενδιάμεσοι υπολογισμοί στον αλγόριθμο των ερευνητών είναι διαφανείς.

“Το AI και η μηχανική μάθηση είναι συνήθως μαύρα κουτιά που δεν ενισχύουν την ανθρώπινη κατανόηση. Αλλά σε αυτή τη μελέτη, ο Dion χρησιμοποίησε μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης για να μετατρέψει μια τεράστια βάση δεδομένων παρατηρήσεων κυμάτων σε μια νέα εξίσωση πιθανότητας για αδίστακτα κύματα, η οποία μπορεί να γίνει εύκολα κατανοητή από τους ανθρώπους και συνδέεται με τους νόμους της φυσικής», καταλήγει ο καθηγητής Markus Jochum, επιβλέπων και συν-συγγραφέας της διατριβής του Dion.