Давно считавшийся мифом, чудовищно большие волны-убийцы вполне реальны и могут расколоть корабли на части и даже повредить нефтяные вышки. Используя данные о более чем миллиарде волн за 700 лет, ученые из Университета Копенгагена и Университета Виктории использовали искусственный интеллект, чтобы найти формулу, позволяющую предсказать появление этих морских монстров. Новые знания могут сделать судоходство безопаснее.

Истории о волнах-монстрах , называемых волнами-убийцами, были преданиями моряков на протяжении веков. Но когда в 1995 году волна-убийца высотой 26 метров обрушилась на норвежскую нефтяную платформу Драупнер, цифровые инструменты смогли поймать и измерить чудовище Северного моря. Это был первый случай, когда аномальное океанское волнение было измерено и предоставлено научное доказательство того, что аномальные океанские волны действительно существуют.

С тех пор эти экстремальные волны стали предметом многочисленных исследований. И теперь исследователи из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете использовали методы искусственного интеллекта, чтобы открыть математическую модель , которая дает рецепт того, как — и не в последнюю очередь — когда — могут возникать волны-убийцы.

С помощью огромных объемов больших данных о движении океана исследователи могут предсказать вероятность того, что в любой момент времени их ударит огромная волна в море.

«По сути, когда возникает одна из этих гигантских волн, это просто очень невезение. Они вызваны сочетанием многих факторов, которые до сих пор не были объединены в единую оценку риска. В исследовании мы нанесли на карту причинные переменные. которые создают волны-убийцы, и использовали искусственный интеллект , чтобы собрать их в модели, которая может рассчитать вероятность образования волн-убийц», — говорит Дион Хефнер.

Хефнер — бывший доктор философии. студент Института Нильса Бора и первый автор научного исследования, которое было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Волны-убийцы случаются каждый день

В своей модели исследователи объединили доступные данные о движении океана и состоянии моря, а также глубины воды и батиметрическую информацию. Самое главное, данные о волнах были собраны с буев в 158 различных местах вдоль побережья США и заморских территорий, которые собирают данные 24 часа в сутки. В совокупности эти данные — более чем о миллиарде волн — содержат информацию о высоте волн и состоянии моря за 700 лет.

Исследователи проанализировали множество типов данных, чтобы найти причины возникновения волн-убийц, определяемых как волны, которые как минимум в два раза превышают окружающие волны, включая экстремальные волны-убийцы, высота которых может превышать 20 метров. С помощью машинного обучения они преобразовали все это в алгоритм, который затем применили к их набору данных.

«Наш анализ показывает, что аномальные волны возникают постоянно. Фактически, в нашем наборе данных мы зарегистрировали 100 000 волн, которые можно определить как волны-убийцы. Это эквивалентно примерно одной гигантской волне, возникающей каждый день в любом случайном месте океана. Однако , это не все волны-монстры огромных размеров», — объясняет Йоханнес Геммрих, второй автор исследования.

Искусственный интеллект как учёный

В исследовании исследователям помог искусственный интеллект. Они использовали несколько методов искусственного интеллекта, включая символическую регрессию, которая выдает на выходе уравнение, а не просто возвращает один прогноз, как это делают традиционные методы искусственного интеллекта.

Изучив более 1 миллиарда волн, алгоритм исследователей проанализировал свой собственный способ поиска причин возникновения волн-убийц и свел его в уравнение, описывающее рецепт возникновения волны-убийцы. ИИ изучает причинно-следственную связь проблемы и сообщает эту причинно-следственную связь людям в форме уравнения, которое исследователи могут проанализировать и включить в свои будущие исследования.

«На протяжении десятилетий Тихо Браге собирал астрономические наблюдения , из которых Кеплер методом проб и ошибок смог извлечь законы Кеплера. Дион использовал машины, чтобы делать с волнами то же, что Кеплер делал с планетами. Меня до сих пор шокирует то, что что-то вроде это возможно», — говорит Маркус Йохум.

Феномен, известный с 1700-х годов.

Новое исследование также противоречит общепринятому представлению о том, что вызывает волны-убийцы. До сих пор считалось, что наиболее распространенной причиной возникновения волны-убийцы является то, что одна волна ненадолго объединяется с другой и крадет ее энергию, заставляя одну большую волну двигаться дальше.

Однако исследователи установили, что наиболее доминирующим фактором в материализации этих странных волн является то, что известно как «линейная суперпозиция». Явление, известное с 1700-х годов, возникает, когда две волновые системы пересекаются и усиливают друг друга в течение короткого периода времени.

«Если две волновые системы встречаются в море таким образом, что увеличивается вероятность образования высоких гребней, за которыми следуют глубокие впадины, возникает риск чрезвычайно больших волн. Это знание существует уже 300 лет и которое мы теперь подтверждаем данными. », — говорит Дион Хефнер.

Безопасная доставка

Алгоритм исследователей является хорошей новостью для судоходной отрасли, которая в любой момент времени насчитывает около 50 000 грузовых судов , курсирующих по планете. Действительно, с помощью алгоритма можно будет предсказать, когда появится эта «идеальная» комбинация факторов, которая повысит риск возникновения огромной волны, которая может представлять опасность для любого, кто находится в море.

«Поскольку судоходные компании планируют свои маршруты заранее, они могут использовать наш алгоритм, чтобы получить оценку риска того, есть ли вероятность встречи с опасными волнами-убийцами на этом пути. На основании этого они могут выбирать альтернативные маршруты», — говорит Дион Хефнер. .

И алгоритм, и исследования общедоступны, как и данные о погоде и волнах, предоставленные исследователями. Поэтому Дион Хефнер говорит, что заинтересованные стороны, такие как государственные органы и метеорологические службы, могут легко начать рассчитывать вероятность возникновения волн-убийц. И в отличие от многих других моделей, созданных с помощью искусственного интеллекта, все промежуточные вычисления в алгоритме исследователей прозрачны.

«ИИ и машинное обучение, как правило, представляют собой черные ящики, которые не улучшают человеческое понимание. Но в этом исследовании Дион использовал методы ИИ, чтобы преобразовать огромную базу данных наблюдений за волнами в новое уравнение для вероятности возникновения волн-убийц, которое можно легко понять . людьми и связаны с законами физики», — заключает профессор Маркус Йохум, научный руководитель и соавтор диссертации Дион.