KI findet Formel zur Vorhersage von Monsterwellen anhand von Daten aus 700 Jahren

Lange galten sie als Mythos, aber unglaublich große Schurkenwellen sind sehr real und können Schiffe auseinanderreißen und sogar Bohrinseln beschädigen. Anhand von Wellendaten aus über 700 Jahren von mehr als einer Milliarde Wellen haben Wissenschaftler der Universität Kopenhagen und der Universität Victoria mithilfe künstlicher Intelligenz eine Formel gefunden, mit der sich das Auftreten dieser Seeungeheuer vorhersagen lässt. Die neuen Erkenntnisse können die Schifffahrt sicherer machen.

Geschichten über Monsterwellen, sogenannte Rogue Waves, sind seit Jahrhunderten die Sagen der Seefahrer. Doch als 1995 eine 26 Meter hohe Schurkenwelle auf die norwegische Ölplattform Draupner prallte, waren digitale Instrumente zur Stelle, um das Nordseeungeheuer einzufangen und zu vermessen. Es war das erste Mal, dass ein Schurke gemessen wurde und der wissenschaftliche Beweis dafür erbracht wurde, dass tatsächlich abnormale Meereswellen existieren.

Seitdem sind diese extremen Wellen Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Und jetzt haben Forscher des Niels-Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen mithilfe von KI-Methoden ein mathematisches Modell entdeckt, das ein Rezept dafür liefert, wie – und nicht zuletzt wann – Schurkenwellen auftreten können.

Mithilfe enormer Mengen an Big Data über Meeresbewegungen können Forscher die Wahrscheinlichkeit vorhersagen, zu einem bestimmten Zeitpunkt von einer Monsterwelle auf See getroffen zu werden.

„Im Grunde ist es einfach großes Pech, wenn eine dieser Riesenwellen zuschlägt. Sie werden durch eine Kombination vieler Faktoren verursacht, die bisher nicht in einer einzigen Risikoabschätzung zusammengefasst wurden. In der Studie haben wir die ursächlichen Variablen kartiert.“ die Rogue-Wellen erzeugen, und haben sie mithilfe künstlicher Intelligenz in einem Modell zusammengefasst, das die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Rogue-Wellen berechnen kann“, sagt Dion Häfner.

Häfner ist ein ehemaliger Ph.D. Student am Niels-Bohr-Institut und Erstautor der wissenschaftlichen Studie veröffentlicht im Tagebuch Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS).

Schurkenwellen passieren jeden Tag

In ihrem Modell kombinierten die Forscher verfügbare Daten zu Meeresbewegungen und dem Meereszustand sowie Wassertiefen undbathymetrische Informationen. Am wichtigsten ist, dass Wellendaten von Bojen an 158 verschiedenen Orten an den Küsten der USA und in Überseegebieten gesammelt wurden, die 24 Stunden am Tag Daten sammeln. Zusammengenommen enthalten diese Daten – von mehr als einer Milliarde Wellen – Wellenhöhen- und Seegangsinformationen aus 700 Jahren.

Die Forscher analysierten die vielen Arten von Daten, um die Ursachen für Rogue Waves zu finden. Definiert als Wellen, die mindestens doppelt so hoch sind wie die umgebenden Wellen – einschließlich extremer Rogue Waves, die über 20 Meter hoch sein können. Mit maschinellem Lernen wandelten sie alles in einen Algorithmus um, der dann auf ihren Datensatz angewendet wurde.

„Unsere Analyse zeigt, dass ständig abnormale Wellen auftreten. Tatsächlich haben wir in unserem Datensatz 100.000 Wellen registriert, die als Schurkenwellen definiert werden können. Dies entspricht etwa einer Monsterwelle, die jeden Tag an einem beliebigen Ort im Ozean auftritt. Allerdings.“ „Es sind nicht alles Monsterwellen von extremer Größe“, erklärt Johannes Gemmrich, der Zweitautor der Studie.

Künstliche Intelligenz als Wissenschaftler

Bei der Studie half den Forschern künstliche Intelligenz. Sie verwendeten mehrere KI-Methoden, darunter die symbolische Regression, die eine Gleichung als Ausgabe liefert, anstatt nur eine einzelne Vorhersage zurückzugeben, wie dies bei herkömmlichen KI-Methoden der Fall ist.

Durch die Untersuchung von mehr als einer Milliarde Wellen hat der Algorithmus der Forscher seinen eigenen Weg analysiert, um die Ursachen von Rogue-Wellen zu finden, und diese in einer Gleichung zusammengefasst, die das Rezept für eine Rogue-Welle beschreibt. Die KI lernt die Kausalität des Problems und teilt diese Kausalität den Menschen in Form einer Gleichung mit, die Forscher analysieren und in ihre zukünftige Forschung integrieren können.

„Über Jahrzehnte sammelte Tycho Brahe astronomische Beobachtungen, aus denen Kepler mit viel Versuch und Irrtum die Keplerschen Gesetze extrahieren konnte. Dion benutzte Maschinen, um mit Wellen zu machen, was Kepler mit Planeten tat. Für mich ist es immer noch schockierend, dass so etwas das ist möglich“, sagt Markus Jochum.

Phänomen seit dem 18. Jahrhundert bekannt

Die neue Studie bricht auch mit der allgemeinen Vorstellung, was Rogue Waves verursacht. Bisher ging man davon aus, dass die häufigste Ursache einer Schurkenwelle darin besteht, dass sich eine Welle kurzzeitig mit einer anderen verbindet und deren Energie stiehlt, wodurch sich eine große Welle weiterbewegt.

Die Forscher stellen jedoch fest, dass der dominierende Faktor bei der Entstehung dieser Freak-Wellen die sogenannte „lineare Überlagerung“ ist. Das seit dem 18. Jahrhundert bekannte Phänomen tritt auf, wenn zwei Wellensysteme einander kreuzen und sich für kurze Zeit gegenseitig verstärken.

„Wenn zwei Wellensysteme auf See so aufeinandertreffen, dass die Chance steigt, hohe Wellenkämme und anschließend tiefe Wellentäler zu erzeugen, besteht die Gefahr extrem großer Wellen. Das ist ein Wissen, das es schon seit 300 Jahren gibt und das wir nun mit Daten untermauern.“ „, sagt Dion Häfner.

Sicherer Versand

Der Algorithmus der Forscher ist eine gute Nachricht für die Schifffahrtsindustrie, in der zu jeder Zeit rund 50.000 Frachtschiffe um den Planeten segeln. Mit Hilfe des Algorithmus wird es tatsächlich möglich sein, vorherzusagen, wann diese „perfekte“ Kombination von Faktoren vorliegt, die das Risiko einer Monsterwelle erhöht, die eine Gefahr für jeden auf See darstellen könnte.

„Da Reedereien ihre Routen weit im Voraus planen, können sie mithilfe unseres Algorithmus eine Risikoeinschätzung darüber erhalten, ob auf dem Weg gefährliche Wellen auf sie zukommen. Auf dieser Grundlage können sie alternative Routen auswählen“, sagt Dion Häfner .

Sowohl der Algorithmus als auch die Forschung sind öffentlich verfügbar, ebenso wie die von den Forschern bereitgestellten Wetter- und Wellendaten. Deshalb, sagt Dion Häfner, können interessierte Parteien wie Behörden und Wetterdienste leicht damit beginnen, die Wahrscheinlichkeit von Störwellen zu berechnen. Und im Gegensatz zu vielen anderen Modellen, die mit künstlicher Intelligenz erstellt wurden, sind alle Zwischenberechnungen im Algorithmus der Forscher transparent.

„KI und maschinelles Lernen sind typischerweise Black Boxes, die das menschliche Verständnis nicht verbessern. Aber in dieser Studie nutzte Dion KI-Methoden, um eine riesige Datenbank von Wellenbeobachtungen in eine neue Gleichung für die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Wellen umzuwandeln, die leicht zu verstehen ist.“ von Menschen und steht im Zusammenhang mit den Gesetzen der Physik“, schließt Professor Markus Jochum, Dions Doktorvater und Co-Autor.