AI hittar formel för att förutsäga monstervågor med hjälp av 700 år gamla data

By | November 20, 2023

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


Kredit: Pixabay/CC0 Public domain

× nära


Kredit: Pixabay/CC0 Public domain

Länge ansett som en myt, monstruöst stora vågor är mycket verkliga och kan splittra fartyg och till och med skada oljeriggar. Med hjälp av 700 år av vågdata från mer än en miljard vågor, har forskare vid Köpenhamns universitet och University of Victoria använt artificiell intelligens för att hitta en formel för hur man förutsäger utseendet på dessa havsmonster. Ny kunskap kan göra frakten säkrare.

Berättelser om monstervågor, kallade rogue waves, har varit sjömäns lärdomar i århundraden. Men när en 26 meter hög skurkvåg slog in i den norska oljeplattformen Draupner 1995 fanns digitala instrument där för att fånga och mäta Nordsjömonstret. Det var första gången en skurk mättes och gav vetenskapliga bevis för att onormala havsvågor verkligen existerar.

Sedan dess har dessa extrema vågor varit föremål för mycket studier. Och nu har forskare vid Niels Bohr Institutet vid Köpenhamns universitet använt artificiell intelligensmetoder för att upptäcka en matematisk modell som ger ett recept för hur (och inte minst när) oseriösa vågor kan uppstå.

Med hjälp av enorma mängder data om havsrörelser kan forskare förutsäga sannolikheten att vid varje given tidpunkt träffas av en monstervåg till havs.

“I grund och botten, när en av dessa jättevågor kommer, ger det mycket otur. De orsakas av en kombination av många faktorer som hittills inte har kombinerats till en enda riskuppskattning. I studien har vi kartlagt orsaksvariablerna som skapa vågor skurkvågor och använde artificiell intelligens för att sätta ihop dem till en modell som kan beräkna sannolikheten för skurkvågbildning, säger Dion Häfner.

Häfner är före detta läkare. student vid Niels Bohr Institute och första författare till den vetenskapliga studien, som har publicerats i tidskriften National Academy of Sciences (PNAS).

Rogue vågor uppstår varje dag

I sin modell kombinerade forskarna tillgängliga data om havets rörelser och havets tillstånd, såväl som vattendjup och batymetrisk information. Viktigast av allt, vågdata samlades in från bojar på 158 olika platser runt kusterna i USA och utomeuropeiska territorier som samlar in data 24 timmar om dygnet. När de kombineras innehåller dessa data (från mer än en miljard vågor) 700 år av information om våghöjd och sjötillstånd.

Forskarna analyserade många typer av data för att hitta orsakerna till oseriösa vågor, definierade som vågor som är minst dubbelt så höga som omgivande vågor, inklusive extrema oseriösa vågor som kan vara mer än 20 meter höga. Med hjälp av maskininlärning omvandlade de allt till en algoritm som de sedan tillämpade på sin datamängd.

“Vår analys visar att onormala vågor uppstår hela tiden. Faktum är att vi registrerade 100 000 vågor i vår datamängd som kan definieras som oseriösa vågor. Det motsvarar ungefär en monstervåg som inträffar varje dag på vilken slumpmässig plats som helst i havet. Men “Alla är inte monstervågor av extrem storlek”, förklarar Johannes Gemmrich, den andra författaren till studien.


Dion Häfner försvarar sin doktorsexamen. avhandling En ocean av data: att sluta sig till orsakerna till verkliga vågor vid Niels Bohr Institutet, Köpenhamns universitet. Kredit: Niels Bohr Institute / Köpenhamns universitet.

× nära


Dion Häfner försvarar sin doktorsexamen. avhandling En ocean av data: att sluta sig till orsakerna till verkliga vågor vid Niels Bohr Institutet, Köpenhamns universitet. Kredit: Niels Bohr Institute / Köpenhamns universitet.

Artificiell intelligens som vetenskapsman.

I studien fick forskarna hjälp av artificiell intelligens. De använde flera AI-metoder, inklusive symbolisk regression som ger en ekvation som ett resultat, snarare än att bara returnera en enda förutsägelse som traditionella AI-metoder gör.

Genom att undersöka mer än en miljard vågor analyserade forskarnas algoritm sitt eget sätt att hitta orsakerna till oseriösa vågor och kondenserade dem till en ekvation som beskriver receptet för en oseriös våg. AI:n lär sig orsakssambandet av problemet och kommunicerar det till människor i form av en ekvation som forskare kan analysera och införliva i sin framtida forskning.

“I årtionden samlade Tycho Brahe astronomiska observationer från vilka Kepler, med mycket försök och misstag, kunde extrahera Keplers lagar. Dion använde maskiner för att göra med vågor vad Kepler gjorde med planeter. För mig är det fortfarande chockerande att något sådant här Detta är möjligt, säger Markus Jochum.

Fenomen känt sedan 1700-talet.

Den nya studien bryter också den vanliga uppfattningen om orsakerna till oseriösa vågor. Fram till nu har den vanligaste orsaken till en skurkvåg antagits vara när en våg kort kombineras med en annan och berövade den på sin energi, vilket fick en stor våg att röra sig framåt.

Forskarna konstaterar dock att den mest dominerande faktorn i materialiseringen av dessa onormala vågor är vad som kallas “linjär superposition”. Fenomenet, känt sedan 1700-talet, uppstår när två vågsystem skär varandra och förstärker varandra under en kort tidsperiod.

“Om två vågsystem möts i havet på ett sätt som ökar möjligheten att generera höga toppar följt av djupa dalar uppstår risken för extremt stora vågor. Det är kunskap som har funnits i 300 år och som vi nu stödjer med data. säger Dion Häfner.

Säkrare frakt

Forskarnas algoritm är goda nyheter för sjöfartsnäringen som vid varje given tidpunkt har cirka 50 000 lastfartyg som seglar runt jorden. Faktum är att det med hjälp av algoritmen kommer att vara möjligt att förutsäga när denna “perfekta” kombination av faktorer finns för att öka risken för en monstervåg som kan utgöra en fara för vem som helst på havet.

“Eftersom rederier planerar sina rutter i god tid kan de använda vår algoritm för att bedöma risken och avgöra om det finns möjlighet att stöta på farliga vågor längs vägen. Utifrån detta kan de välja alternativa vägar”, säger Dion Häfner.

Både algoritmen och forskningen är allmänt tillgängliga, liksom väder- och vågdata som forskarna använder. Därför säger Dion Häfner att intresserade, som myndigheter och meteorologiska tjänster, lätt kan börja räkna på sannolikheten för oseriösa vågor. Och till skillnad från många andra modeller skapade med artificiell intelligens är alla mellanberäkningar av forskarnas algoritm transparenta.

“AI och maskininlärning är vanligtvis svarta lådor som inte främjar mänsklig förståelse. Men i den här studien använde Dion AI-metoder för att omvandla en enorm databas med vågobservationer till en ny ekvation för sannolikheten för oseriösa vågor, som lätt kan förstås. människor och relaterat till fysikens lagar”, avslutar professor Markus Jochum, chef för Dions avhandling och medförfattare.

Mer information:
Häfner, Dion et al, Maskinstyrd upptäckt av en verklig skurkvågsmodell, National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2306275120. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2306275120

Tidningsinformation:
National Academy of Sciences

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *