افسانه ای که مدت ها در نظر گرفته می شد، امواج سرکش بسیار بزرگ بسیار واقعی هستند و می توانند کشتی ها را از هم جدا کنند و حتی به سکوهای نفتی آسیب برسانند. دانشمندان دانشگاه کپنهاگ و دانشگاه ویکتوریا با استفاده از داده های موجی به ارزش 700 سال از بیش از یک میلیارد موج، از هوش مصنوعی برای یافتن فرمولی برای چگونگی پیش بینی وقوع این هیولاهای دریایی استفاده کرده اند. دانش جدید می تواند حمل و نقل را ایمن تر کند.
داستان‌هایی درباره امواج عظیم که امواج سرکش نامیده می‌شوند، برای قرن‌ها مورد توجه ملوانان بوده است. اما هنگامی که در سال 1995 یک موج سرکش به ارتفاع 26 متر به سکوی نفتی دراپنر نروژ برخورد کرد، ابزارهای دیجیتالی برای گرفتن و اندازه گیری هیولای دریای شمال وجود داشت. این اولین باری بود که یک سرکش اندازه‌گیری شد و شواهد علمی نشان داد که امواج غیرعادی اقیانوس واقعاً وجود دارند.
از آن زمان، این امواج شدید موضوع مطالعات زیادی بوده است. و اکنون، محققان مؤسسه نیلز بور دانشگاه کپنهاگ از روش‌های هوش مصنوعی برای کشف یک مدل ریاضی استفاده کرده‌اند که دستور العملی برای چگونگی – و نه کم‌کم‌تر از زمان – وقوع امواج سرکش ارائه می‌دهد.
با کمک حجم عظیمی از داده های بزرگ در مورد حرکات اقیانوس ها، محققان می توانند احتمال برخورد یک موج هیولایی در دریا را در هر لحظه پیش بینی کنند.
اساساً، زمانی که یکی از این امواج غول‌پیکر برخورد می‌کند، شانس بسیار بدی است. آنها توسط ترکیبی از عوامل بسیاری ایجاد می‌شوند که تاکنون در یک تخمین ریسک واحد ترکیب نشده‌اند. در این مطالعه، ما متغیرهای علی را ترسیم کردیم. دیون هافنر می گوید که امواج سرکش ایجاد می کند و از هوش مصنوعی برای جمع آوری آنها در مدلی استفاده می کند که می تواند احتمال تشکیل موج سرکش را محاسبه کند.
هافنر دانشجوی سابق دکترا در موسسه نیلز بور و اولین نویسنده این مطالعه علمی است که به تازگی در مجله مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ( PNAS ) منتشر شده است.
امواج سرکش هر روز اتفاق می افتد
در مدل خود، محققان داده های موجود در مورد حرکات اقیانوس ها و وضعیت دریا و همچنین عمق آب و اطلاعات عمق سنجی را با هم ترکیب کردند. مهمتر از همه، داده های موج از شناورها در 158 مکان مختلف در اطراف سواحل ایالات متحده و سرزمین های خارج از کشور جمع آوری شد که 24 ساعت در روز داده ها را جمع آوری می کنند. وقتی این داده ها با هم ترکیب شوند – از بیش از یک میلیارد موج – حاوی اطلاعات 700 ساله ارتفاع موج و وضعیت دریا هستند.
محققان انواع مختلفی از داده ها را برای یافتن علل امواج سرکش تجزیه و تحلیل کردند، که به عنوان امواجی با ارتفاع حداقل دو برابر امواج اطراف تعریف می شود – از جمله امواج سرکش شدید که می توانند بیش از 20 متر ارتفاع داشته باشند. با یادگیری ماشینی، آنها همه آن را به یک الگوریتم تبدیل کردند که سپس در مجموعه داده آنها اعمال شد.
“تحلیل ما نشان می دهد که امواج غیرعادی همیشه رخ می دهند. در واقع، ما 100000 موج را در مجموعه داده خود ثبت کردیم که می توانند به عنوان امواج سرکش تعریف شوند. این معادل حدود 1 موج هیولا است که هر روز در هر مکان تصادفی در اقیانوس رخ می دهد. یوهانس گمریچ، نویسنده دوم این مطالعه، توضیح می دهد که همه آنها امواج هیولایی با اندازه بسیار زیاد نیستند.
هوش مصنوعی به عنوان یک دانشمند
در این مطالعه، هوش مصنوعی به محققان کمک کرد. آنها از چندین روش هوش مصنوعی استفاده کردند، از جمله رگرسیون نمادین که معادله ای را به عنوان خروجی ارائه می دهد، به جای اینکه فقط یک پیش بینی را مانند روش های سنتی هوش مصنوعی برگرداند.
با بررسی بیش از 1 میلیارد موج، الگوریتم محققان راه خود را برای یافتن علل امواج سرکش تجزیه و تحلیل کرده و آن را در معادله ای متراکم کرده است که دستور العمل یک موج سرکش را توصیف می کند. هوش مصنوعی علیت مشکل را می آموزد و آن علیت را در قالب معادله ای به انسان منتقل می کند که محققان می توانند آن را تجزیه و تحلیل کنند و در تحقیقات آینده خود بگنجانند.
“در طول چندین دهه، تیکو براهه مشاهدات نجومی را جمع آوری کرد که از آنها کپلر با آزمون و خطاهای فراوان توانست قوانین کپلر را استخراج کند. دیون از ماشین هایی استفاده می کرد تا با امواج همان کاری را که کپلر با سیارات انجام می داد انجام دهد. برای من هنوز تکان دهنده است که چیزی شبیه به مارکوس یوخوم می گوید این امکان پذیر است.
پدیده ای که از سال 1700 شناخته شده است
مطالعه جدید همچنین با تصور رایج در مورد عواملی که باعث ایجاد امواج سرکش می شود، شکسته می شود. تا به حال، اعتقاد بر این بود که شایع ترین علت موج سرکش زمانی است که یک موج برای مدت کوتاهی با موج دیگری ترکیب شده و انرژی آن را ربوده و باعث می شود یک موج بزرگ به حرکت درآید.
با این حال، محققان ثابت می‌کنند که غالب‌ترین عامل در تحقق این امواج عجیب چیزی است که به عنوان “برهم نهی خطی” شناخته می‌شود. این پدیده که از دهه 1700 شناخته شده است، زمانی رخ می دهد که دو سیستم موج از روی یکدیگر عبور می کنند و یکدیگر را برای مدت کوتاهی تقویت می کنند.
“اگر دو سیستم موجی در دریا به گونه‌ای به هم برسند که شانس ایجاد تاج‌های بلند و به دنبال آن فرورفتگی‌های عمیق را افزایش دهد، خطر امواج بسیار بزرگ به وجود می‌آید. این دانشی است که برای 300 سال وجود دارد و ما اکنون با داده‌ها از آن پشتیبانی می‌کنیم. دیون هافنر می گوید.
حمل و نقل ایمن تر
الگوریتم محققان خبر خوبی برای صنعت کشتیرانی است که در هر زمان تقریباً 50000 کشتی باری در سراسر کره زمین در حال حرکت هستند. در واقع، با کمک این الگوریتم، می توان پیش بینی کرد که چه زمانی این ترکیب “عالی” از عوامل وجود دارد تا خطر موج هیولایی را که می تواند برای هر کسی در دریا خطری ایجاد کند، افزایش دهد.
دیون هافنر می گوید: “از آنجایی که شرکت های کشتیرانی مسیرهای خود را از قبل برنامه ریزی می کنند، می توانند از الگوریتم ما برای ارزیابی ریسک در مورد احتمال مواجهه با امواج خطرناک سرکش در مسیر استفاده کنند. بر این اساس، آنها می توانند مسیرهای جایگزین را انتخاب کنند.” .
هم الگوریتم و هم تحقیقات در دسترس عموم هستند و همچنین داده های آب و هوا و امواجی که توسط محققان به کار گرفته شده است. بنابراین، دیون هافنر می گوید که افراد علاقه مند، مانند مقامات دولتی و خدمات هواشناسی، می توانند به راحتی محاسبه احتمال امواج سرکش را شروع کنند. و بر خلاف بسیاری از مدل های دیگر ایجاد شده با استفاده از هوش مصنوعی، تمام محاسبات میانی در الگوریتم محققان شفاف هستند.
هوش مصنوعی و یادگیری ماشین معمولا جعبه‌های سیاهی هستند که درک انسان را افزایش نمی‌دهند. اما در این مطالعه، دیون از روش‌های هوش مصنوعی برای تبدیل یک پایگاه داده عظیم از مشاهدات امواج به معادله‌ای جدید برای احتمال امواج سرکش استفاده کرد که به راحتی قابل درک است. پروفسور مارکوس جوخوم، ناظر پایان نامه دیون و نویسنده همکار، نتیجه گیری می کند.