Теперь инструмент прогнозирования, разработанный инженерами Массачусетского технологического института, может предупреждать моряков о приближающейся волне-убийце за 2-3 минуты, давая им достаточно времени, чтобы завершить важные операции на корабле или морской платформе.Инструмент в форме алгоритма просматривает данные от окружающих волн, чтобы выявлять кластеры волн, которые могут развиться в волну-убийцу. В зависимости от длины и высоты группы волн алгоритм вычисляет вероятность того, что группа превратится в волну-убийцу в течение следующих нескольких минут.«Это точно в том смысле, что он очень точно сообщает нам место и время, когда произойдет это редкое событие», — говорит Фемис Сапсис, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института Американского бюро судоходства. «У нас есть ряд возможностей, и мы можем сказать, что это будет опасная волна, и вам лучше сделать что-нибудь.
Это действительно все, что вам нужно».Сапсис и бывший постдок Уилл Казинс опубликовали свои результаты на этой неделе в Journal of Fluid Mechanics.
"Не просто невезение"Как и многие сложные системы, открытый океан можно представить как хаотическое сочетание постоянно меняющихся точек данных. Чтобы понять и предсказать редкие события, такие как волны-убийцы, ученые, как правило, использовали подход, не оставляющий волн позади, в котором они пытаются смоделировать каждую отдельную волну в данном водоеме, чтобы получить картину с высоким разрешением. состояние моря, а также любые подозрительные, мошеннические действия.
Этот чрезвычайно подробный подход также требует больших вычислительных ресурсов, поскольку требует наличия кластера компьютеров для решения уравнений для каждой волны и их взаимодействия с окружающими волнами.«Это точно, но очень медленно — вы не можете запустить эти вычисления на своем ноутбуке», — говорит Сапсис. «Невозможно предсказать волны-убийцы практически. Это пробел, который мы пытаемся устранить».Сапсис и Казинс разработали гораздо более простой и быстрый способ предсказания волн-убийц на основе данных об окружающем волновом поле.
В предыдущей работе команда определила один механизм, с помощью которого волны-убийцы образуются в однонаправленных волновых полях. Они заметили, что, хотя открытый океан состоит из множества волн, большинство из которых движутся независимо друг от друга, некоторые волны объединяются в одну группу волн, вместе катясь по океану. Они обнаружили, что определенные группы волн в конечном итоге «фокусируются» или обмениваются энергией таким образом, что в конечном итоге приводит к экстремальной волне-убийце.«Эти волны действительно разговаривают друг с другом», — говорит Сапсис. «Они взаимодействуют и обмениваются энергией.
Это не просто невезение. Это динамика создает это явление».Идти изгоем
В своей текущей работе исследователи стремились идентифицировать предшественники или закономерности в тех группах волн, которые в конечном итоге превращаются в волны-убийцы. Для этого они объединили данные о морских волнах, полученные из измерений, сделанных океанскими буями, с нелинейным анализом лежащих в основе уравнений волн на воде.Сапсис и Казинс использовали статистические данные для количественной оценки диапазона возможных волн для данного водоема.
Затем они разработали новый подход к анализу нелинейной динамики системы и предсказанию того, какие группы волн превратятся в экстремальные волны-убийцы.Они смогли предсказать, какие группы стали изгоями, на основе двух параметров: длины и высоты волновой группы. Комбинация статистики и динамики помогла команде определить масштаб длины критической волновой группы, которая с наибольшей вероятностью превратится в волну-убийцу.
Используя это, команда разработала простой алгоритм для прогнозирования волны-убийцы на основе входящих данных. Отслеживая энергию окружающего волнового поля на этом масштабе длины, они могли немедленно вычислить вероятность развития волны-убийцы.«Используя данные и уравнения, мы определили для любого состояния моря группы волн, которые могут превратиться в волны-убийцы», — говорит Сапсис. «Из них мы наблюдаем только те, которые с наибольшей вероятностью превратятся в редкое событие. Это очень эффективно».
Сапсис говорит, что алгоритм команды может предсказывать волны-изгои за несколько минут до того, как они полностью разовьются. По его словам, чтобы реализовать алгоритм на практике, корабли и морские платформы должны будут использовать технологии сканирования с высоким разрешением, такие как лидар и радар, для измерения окружающих волн.
«Если мы знаем волновое поле, мы можем сразу определить, какой будет критический масштаб длины, который нужно наблюдать, а затем идентифицировать пространственные области с высокой вероятностью для редкого события», — говорит Сапсис. «Если вы выполняете операции на авианосце или морской платформе, это чрезвычайно важно».