Lange tijd beschouwd als een mythe, zijn buitengewoon grote schurkengolven zeer reëel en kunnen schepen splijten en zelfs olieplatforms beschadigen. Met behulp van 700 jaar aan golfgegevens van meer dan een miljard golven hebben wetenschappers van de Universiteit van Kopenhagen en de Universiteit van Victoria kunstmatige intelligentie gebruikt om een formule te vinden waarmee het voorkomen van deze maritieme monsters kan worden voorspeld. Nieuwe kennis kan de scheepvaart veiliger maken.
Verhalen over monsterlijke golven, malafide golven genoemd, zijn al eeuwenlang bekend onder zeelieden. Maar toen in 1995 een 26 meter hoge golf op het Noorse olieplatform Draupner neerstortte, waren er digitale instrumenten om het Noordzeemonster te vangen en te meten. Het was de eerste keer dat een afwijkende entiteit werd gemeten en wetenschappelijk bewijs leverde dat afwijkende oceaangolven daadwerkelijk bestonden.
Sindsdien zijn deze extreme golven het onderwerp geweest van veel onderzoeken. En nu hebben onderzoekers van het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen kunstmatige intelligentiemethoden gebruikt om een wiskundig model te ontdekken dat een recept biedt voor hoe – en niet in de laatste plaats wanneer – schurkengolven kunnen ontstaan.
Met behulp van enorme hoeveelheden big data over oceaanbewegingen kunnen onderzoekers voorspellen hoe groot de kans is dat ze op een bepaald moment door een monstergolf op zee worden getroffen.
“In wezen is het gewoon een hoop pech als je op een van deze gigantische golven stuit. Ze worden veroorzaakt door een combinatie van vele factoren die tot nu toe niet in één enkele risicoschatting zijn gecombineerd. In het onderzoek hebben we de causale variabelen die malafide golven creëren en kunstmatige intelligentie gebruiken om ze samen te brengen in een model dat de waarschijnlijkheid van de vorming van malafide golven kan berekenen”, zegt Dion Häfner.
Häfner is een voormalig promovendus aan het Niels Bohr Instituut en eerste auteur van de wetenschappelijke studie, zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen (PNAS).
Schurkengolven komen elke dag voor
In hun model combineerden de onderzoekers beschikbare gegevens over oceaanbewegingen en zeetoestand, evenals waterdiepte en bathymetrische informatie. Belangrijker nog is dat de golfgegevens werden verzameld vanaf boeien op 158 verschillende locaties langs de kusten van de Verenigde Staten en overzeese gebiedsdelen die 24 uur per dag gegevens verzamelen. Gecombineerd bevatten deze gegevens – van meer dan een miljard golven – 700 jaar aan informatie over golfhoogten en zeetoestanden.
De onderzoekers analyseerden talloze soorten gegevens om de oorzaken van schurkengolven te vinden, gedefinieerd als golven die minstens twee keer zo hoog zijn als omringende golven, inclusief extreme schurkengolven die meer dan 20 meter hoog kunnen zijn. Met machine learning hebben ze dit allemaal omgezet in een algoritme dat vervolgens op hun dataset is toegepast.
“Uit onze analyse blijkt dat er voortdurend schurkengolven optreden. In feite hebben we 100.000 golven in onze dataset geregistreerd die kunnen worden gedefinieerd als schurkengolven. Dit komt neer op ongeveer 1 monstergolf die elke dag op een willekeurige locatie in de oceaan voorkomt. Maar ze Het zijn niet allemaal monstergolven van extreme omvang”, legt Johannes Gemmrich, de tweede auteur van het onderzoek, uit.
Kunstmatige intelligentie als wetenschapper
De onderzoekers werden bij het onderzoek geholpen door kunstmatige intelligentie. Ze gebruikten verschillende AI-methoden, waaronder symbolische regressie die een vergelijking als output oplevert, in plaats van simpelweg één enkele voorspelling terug te geven, zoals traditionele AI-methoden doen.
Door meer dan 1 miljard golven te onderzoeken, analyseerde het algoritme van de onderzoekers de manier om de oorzaken van schurkengolven te vinden en condenseerde ze tot een vergelijking die het recept voor een schurkengolf beschrijft. De AI leert de causaliteit van het probleem kennen en communiceert dit naar mensen in de vorm van een vergelijking die onderzoekers kunnen analyseren en opnemen in hun toekomstig onderzoek.
‘In de loop van de decennia heeft Tycho Brahe astronomische waarnemingen verzameld waaruit Kepler, na veel vallen en opstaan, de wetten van Kepler kon afleiden. Dion gebruikte machines om met golven te doen wat Kepler met planeten deed. Voor mij is het nog steeds schokkend dat zoiets als dat kan”, zegt Markus Jochum.
Fenomeen bekend sinds 1700
De nieuwe studie breekt ook met de algemene perceptie van wat de oorzaak is van schurkengolven. Tot nu toe werd aangenomen dat de meest voorkomende oorzaak van een schurkengolf was dat de ene golf kortstondig met de andere samensmolt en zijn energie stal, waardoor een grote golf afdreef.
De onderzoekers stellen echter vast dat de meest dominante factor in de materialisatie van deze schurkengolven de zogenoemde ‘lineaire superpositie’ is. Het fenomeen, bekend sinds de 18e eeuw, doet zich voor wanneer twee golfsystemen elkaar gedurende een korte tijd kruisen en elkaar versterken.
“Als twee golfsystemen elkaar op zee ontmoeten op een manier die de mogelijkheid vergroot om hoge toppen te genereren, gevolgd door diepe dalen, ontstaat het risico van extreem grote golven. Dit is kennis die al 300 jaar bestaat en die we nu ondersteunen met data. zegt Dion Häfner.
Veiliger verzenden
Het algoritme van de onderzoekers is goed nieuws voor de scheepvaartsector, waar op elk moment ongeveer 50.000 koopvaardijschepen rond de planeet varen. Met behulp van het algoritme zal het inderdaad mogelijk zijn om te voorspellen wanneer deze ‘perfecte’ combinatie van factoren aanwezig zal zijn, waardoor het risico op een monsterlijke golf, die een gevaar kan vormen voor iedereen in de zee, toeneemt.
“Omdat rederijen hun routes ruim van tevoren plannen, kunnen ze ons algoritme gebruiken om een risicobeoordeling te verkrijgen om te zien of er een mogelijkheid bestaat om gevaarlijke golven langs de route tegen te komen. Op basis hiervan kunnen ze alternatieve routes kiezen”, zegt Dion Häfner.
Zowel het algoritme als het onderzoek zijn openbaar beschikbaar, evenals de weer- en golfgegevens die de onderzoekers gebruiken. Daarom zegt Dion Häfner dat geïnteresseerde partijen, zoals overheden en meteorologische diensten, eenvoudig kunnen beginnen met het berekenen van de waarschijnlijkheid van schurkengolven. En in tegenstelling tot veel andere modellen die met behulp van kunstmatige intelligentie zijn gemaakt, zijn alle tussenliggende berekeningen in het algoritme van de onderzoekers transparant.
“AI en machinaal leren zijn typisch zwarte dozen die het menselijk begrip niet vergroten. Maar in dit onderzoek gebruikte Dion methoden van kunstmatige intelligentie om een enorme database met golfwaarnemingen om te zetten in een nieuwe vergelijking voor de waarschijnlijkheid van golven. gemakkelijk te begrijpen voor mensen en gekoppeld aan de wetten van de natuurkunde”, besluit professor Markus Jochum, Dion’s scriptieadviseur en co-auteur.