Des chercheurs de l’Université de Copenhague et de l’Université de Victoria ont utilisé sept siècles de données sur les vagues océaniques, couvrant plus d’un milliard d’observations de vagues, et ont utilisé des techniques avancées d’intelligence artificielle pour trouver une formule permettant de prédire l’apparition de ces monstres océaniques. Longtemps considérées comme un mythe, les vagues inhabituellement grandes et violentes sont réelles et peuvent diviser les navires et même endommager les plates-formes pétrolières.

En analysant sept siècles de données provenant de plus d'un milliard de vagues océaniques, des chercheurs de l'Université de Copenhague et de l'Université de Victoria ont utilisé l'intelligence artificielle pour concevoir une formule prédictive pour ces puissants géants océaniques. De nouvelles connaissances pourraient rendre les transports plus sûrs.

Les histoires de vagues monstrueuses, appelées « vagues sauvages », sont une légende parmi les marins depuis des siècles. Mais en 1995, lorsqu’une vague de 26 mètres a frappé la plateforme pétrolière Draupner en Norvège, des instruments numériques étaient là pour capturer et mesurer le monstre de la mer du Nord. C'est la première fois que Rogue est mesuré et fournit des preuves scientifiques de l'existence réelle de vagues inhabituelles.

Depuis, ces vagues extrêmes ont fait l’objet de nombreuses études. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague ont utilisé des méthodes d’intelligence artificielle pour découvrir un modèle mathématique qui met en lumière comment et surtout quand des ondes inhabituelles se produisent.

Dion Häfner soutient sa thèse de doctorat « Océans de données – Déduire les causes des ondes anormales dans le monde réel » à l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague. Crédit image : Institut Niels Bohr/Université de Copenhague

En utilisant de grandes quantités de données sur les mouvements des océans, les chercheurs peuvent prédire la probabilité d’être frappé par une vague géante à un moment donné. "Souvent, des choses très malheureuses se produisent lorsque ces vagues géantes frappent. 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 cette étude, nous avons cartographié les variables causales qui génèrent des vagues anormales et utilisé l'intelligence artificielle pour les collecter dans un modèle capable de calculer la probabilité de formation anormale de vagues", explique Dion Häfner.

Häfner est un ancien doctorant. étudiant à l'Institut Niels Bohr et premier auteur de l'étude scientifique, qui vient d'être publiée dans la prestigieuse revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Des vagues sauvages se produisent chaque jour

Dans leur modèle, les chercheurs ont combiné les données disponibles sur le mouvement des océans et les conditions de la mer avec la profondeur de l'eau et les informations bathymétriques. En plus de cela, les données sur les vagues sont collectées à partir de bouées situées à 158 endroits différents autour de la côte américaine et des territoires d'outre-mer, qui collectent des données 24 heures sur 24. Ensemble, les données de plus d’un milliard de vagues contiennent 700 ans d’informations sur la hauteur des vagues et l’état de la mer.

Les chercheurs ont analysé plusieurs types de données pour trouver la cause des vagues anormales, définies comme des vagues au moins deux fois plus hautes que les vagues environnantes, y compris des vagues anormales extrêmes dépassant 20 mètres de hauteur. Avec l’apprentissage automatique, ils transforment tout cela en algorithme, puis l’appliquent à leur ensemble de données.

"Notre analyse montre que des vagues inhabituelles se produisent tout le temps. En fait, nous avons enregistré 100 000 vagues dans l'ensemble de données qui pourraient être définies comme des vagues sauvages. Cela correspond à environ 1 vague sauvage se produisant par jour à n'importe quel endroit aléatoire de l'océan. Cependant, ce ne sont pas toutes des vagues sauvages", explique Johannes Gemmrich, deuxième auteur de l'étude.

Scientifique invité en intelligence artificielle

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

En examinant plus d'un milliard d'ondes, l'algorithme des chercheurs a identifié les causes des ondes anormales et les a condensées en équations décrivant pourquoi les ondes anormales se forment. L’IA comprend la cause et l’effet d’un problème et communique cette cause et cet effet aux humains sous la forme d’une équation que les chercheurs peuvent analyser et intégrer dans des études futures.

"Pendant des décennies, Tycho Brahe a collecté des observations astronomiques et Kepler, après de nombreux essais et erreurs, est finalement parvenu aux lois de Kepler. Dion a utilisé des machines pour étudier les ondes, tout comme Kepler a utilisé des machines pour étudier les planètes. Pour moi, la possibilité d'une telle chose est toujours étonnante", a déclaré Markus Jochum.

Phénomènes connus depuis les années 1700

La nouvelle recherche brise également les croyances communes sur les causes de ces vagues inhabituelles. On pense que la cause de loin la plus fréquente des vagues inhabituelles est la fusion brève d’une vague avec une autre et le vol de son énergie, créant ainsi une grande vague qui continue.

Cependant, les chercheurs ont découvert que le facteur le plus dominant dans la matérialisation de ces ondes étranges 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 sur une courte période et se renforcent mutuellement.

"Si deux systèmes de vagues se rencontrent en mer, augmentant ainsi le risque de crêtes élevées et de creux profonds, il existe un risque de vagues énormes. Cette connaissance existe depuis 300 ans et nous l'étayons désormais par des données", explique Dion Häfner.

Rendre les transports plus sûrs

L'algorithme des chercheurs est une bonne nouvelle pour l'industrie du transport maritime, qui compte environ 50 000 cargos naviguant à tout moment dans le monde. En fait, grâce à des algorithmes, nous pouvons prédire quand cette combinaison « parfaite » de facteurs se produira, augmentant le risque de grosses vagues qui pourraient être dangereuses pour toute personne en mer.

"Comme les compagnies maritimes planifient leurs itinéraires à l'avance, elles peuvent utiliser nos algorithmes pour évaluer si elles risquent de rencontrer des vagues dangereuses en cours de route. Sur cette base, elles peuvent choisir des itinéraires alternatifs", a déclaré Dion Häfner.

Les algorithmes et les recherches sont accessibles au public, tout comme les données météorologiques et houlomotrices déployées par les chercheurs. Les parties intéressées telles que les autorités publiques et les services météorologiques peuvent donc facilement commencer à calculer la probabilité de vagues inhabituelles, a déclaré Dion Hafner. Contrairement à de nombreux autres modèles créés grâce à l'intelligence artificielle, tous les calculs intermédiaires de l'algorithme des chercheurs sont transparents.

"L'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique sont souvent des boîtes noires qui n'apportent rien à la compréhension humaine. Mais dans cette étude, Dionne a utilisé des méthodes d'intelligence artificielle pour transformer une énorme base de données d'observations de vagues en une nouvelle équation de probabilité de vagues anormales, facile à comprendre pour les humains et liée aux lois de la physique." Directeur de thèse et co-auteur.

Référence : « Découverte guidée par machine de modèles d'ondes scélérates du monde réel » par Dion Häfner, Johannes Gemmrich et Markus Jochum, 20 novembre 2023, Actes de l'Académie nationale des sciences.

DOI : 10.1073/pnas.2306275120

Source compilée : ScitechDaily