L’IA trouve une formule pour prédire les vagues monstres

Longtemps considérées comme un mythe, les vagues scélérates d’une taille effrayante sont bien réelles et peuvent diviser les navires et même endommager les plates-formes pétrolières. En utilisant 700 ans de données sur plus d’un milliard de vagues, des scientifiques de l’Université de Copenhague et de l’Université de Victoria ont utilisé l’intelligence artificielle pour trouver une formule permettant de prédire l’apparition de ces monstres marins. Les nouvelles connaissances peuvent rendre le transport maritime plus sûr.

Les histoires de vagues monstrueuses, appelées vagues scélérates, font partie de la tradition des marins depuis des siècles. Mais lorsqu’une vague scélérate de 26 mètres de haut s’est abattue sur la plate-forme pétrolière norvégienne Draupner en 1995, des instruments numériques étaient là pour capturer et mesurer le monstre de la mer du Nord. C’était la première fois qu’un voyou était mesuré et fournissait des preuves scientifiques de l’existence réelle de vagues océaniques anormales.

Depuis, ces vagues extrêmes ont fait l’objet de nombreuses études. Et maintenant, des chercheurs de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague ont utilisé des méthodes d’IA pour découvrir un modèle mathématique qui fournit une recette pour savoir comment – ​​et surtout quand – des vagues scélérates peuvent se produire.

Grâce à d’énormes quantités de données sur les mouvements des océans, les chercheurs peuvent prédire la probabilité d’être frappé par une vague monstrueuse en mer à un moment donné.

« Au fond, c’est tout simplement une très mauvaise chance lorsqu’une de ces vagues géantes frappe. Elles sont causées par une combinaison de nombreux facteurs qui, jusqu’à présent, n’ont pas été combinés en une seule estimation du risque. Dans l’étude, nous avons cartographié les variables causales. qui créent des vagues scélérates et ont utilisé l’intelligence artificielle pour les rassembler dans un modèle capable de calculer la probabilité de formation de vagues scélérates », explique Dion Häfner.

Häfner est un ancien doctorant à l’Institut Niels Bohr et premier auteur de l’étude scientifique qui vient d’être publiée dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Des vagues scélérates se produisent tous les jours

Dans leur modèle, les chercheurs ont combiné les données disponibles sur les mouvements des océans et l’état de la mer, ainsi que sur les profondeurs de l’eau et les informations bathymétriques. Plus important encore, les données sur les vagues ont été collectées à partir de bouées situées dans 158 endroits différents autour des côtes américaines et des territoires d’outre-mer, qui collectent des données 24 heures sur 24. Lorsqu’elles sont combinées, ces données – provenant de plus d’un milliard de vagues – contiennent des informations sur la hauteur des vagues et l’état de la mer sur 700 ans.

Les chercheurs ont analysé de nombreux types de données pour trouver les causes des vagues scélérates, définies comme des vagues au moins deux fois plus hautes que les vagues environnantes, y compris des vagues scélérates extrêmes pouvant atteindre plus de 20 mètres de haut. Grâce au machine learning, ils ont transformé le tout en un algorithme qui a ensuite été appliqué à leur ensemble de données.

« Notre analyse démontre que des vagues anormales se produisent tout le temps. En fait, nous avons enregistré 100 000 vagues dans notre ensemble de données qui peuvent être définies comme des vagues scélérates. Cela équivaut à environ 1 vague monstre se produisant chaque jour à n’importe quel endroit aléatoire de l’océan. Cependant, ce ne sont pas toutes des vagues monstrueuses de taille extrême », explique Johannes Gemmrich, le deuxième auteur de l’étude.

L’intelligence artificielle en tant que scientifique

Dans cette étude, les chercheurs ont été aidés par l’intelligence artificielle. Ils ont utilisé plusieurs méthodes d’IA, notamment la régression symbolique qui donne une équation en sortie, plutôt que de simplement renvoyer une seule prédiction comme le font les méthodes d’IA traditionnelles.

En examinant plus d’un milliard de vagues, l’algorithme des chercheurs a analysé sa propre méthode pour trouver les causes des vagues scélérates et l’a condensé en une équation décrivant la recette d’une vague scélérate. L’IA apprend la causalité du problème et la communique aux humains sous la forme d’une équation que les chercheurs peuvent analyser et intégrer dans leurs recherches futures.

« Pendant des décennies, Tycho Brahe a collecté des observations astronomiques à partir desquelles Kepler, après de nombreux essais et erreurs, a pu extraire les lois de Kepler. Dion a utilisé des machines pour faire avec les ondes ce que Kepler a fait avec les planètes. Pour moi, il est toujours choquant que quelque chose comme c’est possible », déclare Markus Jochum.

Phénomène connu depuis les années 1700

La nouvelle étude rompt également avec la perception commune de ce qui cause les vagues scélérates. Jusqu’à présent, on pensait que la cause la plus courante d’une vague scélérate était lorsqu’une vague se combinait brièvement avec une autre et volait son énergie, provoquant le déplacement d’une grande vague.

Cependant, les chercheurs établissent que le facteur le plus dominant dans la matérialisation de ces ondes anormales est ce que l’on appelle la « superposition linéaire ». Ce phénomène, connu depuis les années 1700, se produit lorsque deux systèmes de vagues se croisent et se renforcent mutuellement pendant une brève période de temps.

« Si deux systèmes de vagues se rencontrent en mer d’une manière qui augmente les chances de générer des crêtes élevées suivies de creux profonds, le risque de vagues extrêmement grandes apparaît. C’est une connaissance qui existe depuis 300 ans et que nous étayons désormais par des données. « , déclare Dion Häfner.

Expédition plus sûre

L’algorithme des chercheurs est une bonne nouvelle pour l’industrie du transport maritime, qui compte à tout moment environ 50 000 cargos naviguant autour de la planète. En effet, grâce à l’algorithme, il sera possible de prédire quand cette combinaison « parfaite » de facteurs sera présente pour augmenter le risque d’une vague monstre qui pourrait constituer un danger pour toute personne en mer.

« Comme les compagnies maritimes planifient leurs itinéraires longtemps à l’avance, elles peuvent utiliser notre algorithme pour évaluer les risques et déterminer s’il existe un risque de rencontrer de dangereuses vagues scélérates en cours de route. Sur cette base, elles peuvent choisir des itinéraires alternatifs », explique Dion Häfner. .

L’algorithme et les recherches sont accessibles au public, tout comme les données météorologiques et de vagues déployées par les chercheurs. Dion Häfner affirme que les parties intéressées, telles que les autorités publiques et les services météorologiques, peuvent facilement commencer à calculer la probabilité de vagues scélérates. Et contrairement à de nombreux autres modèles créés grâce à l’intelligence artificielle, tous les calculs intermédiaires de l’algorithme des chercheurs sont transparents.

« L’IA et l’apprentissage automatique sont généralement des boîtes noires qui n’améliorent pas la compréhension humaine. Mais dans cette étude, Dion a utilisé des méthodes d’IA pour transformer une énorme base de données d’observations de vagues en une nouvelle équation de probabilité de vagues scélérates, qui peut être facilement comprise. par les humains et liés aux lois de la physique », conclut le professeur Markus Jochum, directeur de thèse et co-auteur de Dion.

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