Maritime Sicherheit erhält durch prädiktive KI-Analyse einen Schub bei Rogue-Wellen

Diese Woche markiert einen wichtigen Meilenstein in den ozeanografischen Studien und der maritimen Sicherheit, nachdem ein Team von Ingenieuren eine Studie veröffentlicht hat, die zeigt, wie KI‑Neuronale Netze dabei helfen können, Rogue Waves vorherzusagen und zu warnen. Diese massiven Ereignisse galten früher als unvorhersehbar und haben über Jahrhunderte hinweg zu erheblichen Verlusten geführt. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Rogue-Wellen

Rogue-Wellen sind unter vielen Namen bekannt, darunter Killer-, Monster- und Extremwellen. Diese Wellen erreichen eine Höhe, die das Doppelte der normalen ozeanischen Bedingungen beträgt, und können plötzlich auftauchen, wodurch alles, was ihnen begegnet, in große Gefahr gerät. Im Laufe der Geschichte waren Rogue-Wellen Teil der Folklore von Seereisenden, die zweifellos Legenden über diese gewaltigen Wellen hörten, die ihre Mitsegler in die Tiefe zogen. Heute stellen diese Wellen weiterhin eine erhebliche Gefahr dar.
Bemerkenswert ist, dass diese seltenen ozeanischen Ereignisse in Größe und Zerstörungskraft Tsunamis ähneln. Im Gegensatz zu ihren gut verstandenen Gegenstücken können Rogue-Wellen jedoch ohne ein deutlich erkennbares Ereignis wie ein Erdbeben auftreten. Daher stellen diese großen und unvorhersehbaren Wellen eine große Gefahr für Offshore‑Infrastruktur, Reisende und andere Ausrüstungen dar.

Wie Rogue-Wellen entstehen

Bis vor kurzem gab es nicht genug Daten und Rechenleistung, um zuverlässige Entstehungsmechanismen für Rogue-Wellen zu erstellen. Daher basierte der Großteil der Wissenschaft über die Entstehung dieser schwer fassbaren Ereignisse auf der Beobachtungssammlung nach den Ereignissen. Diese Informationen führten die Forscher zu den drei wichtigsten Arten, wie Rogue-Wellen entstehen.

Langsame Anhäufung

Interessanterweise kann eine Rogue-Welle beginnen zu entstehen und sich aufbauen, ohne mit anderen Wellen kombiniert zu werden. Starke Strömungen wie der Golfstrom können resonieren und sich ausdehnen, um eine massive Seeanomalie zu erzeugen. Wissenschaftler, die dieses Phänomen untersuchen, verwenden häufig die sogenannte Benjamin‑Feir‑Instabilität, um die Ausdehnung einer einzelnen Wellenzuges zu erklären. Dies ist eine der seltensten Formen von Rogue-Wellen, die von Forschern erfasst wurden.

Mehrere Wellen

Die am weitesten verstandene Entstehung von Rogue-Wellen erfolgt durch die Interferenz mehrerer Wellen, die zum perfekten Zeitpunkt zusammentreffen und die Größe verstärken. Wenn Wellen aufbauen und resonieren, können sie die Strömung und Heftigkeit der Welle vergrößern und intensivieren. Man kann sich das wie einen Schneeballeffekt vorstellen, bei dem jede Welle in den größeren Impuls absorbiert wird und eine massive Wand entsteht, die alles in ihrem Weg zerstören kann.

Aktuelle Methoden zur Bestimmung von Rogue-Wellen

Es gibt weltweit keine zuverlässigen Vorhersagesysteme für Rogue-Wellen, obwohl diese Ereignisse jährlich Schäden in Milliardenhöhe verursachen können. Die gängigsten Methoden zur Bestimmung dieser Ereignisse basieren auf Echtzeit-Ozeandaten, die nur vorhergesagt werden können, wenn das Ereignis eintritt, und Wissenschaftler über den Anstieg des Meeresspiegels informieren. Diese Strategie lässt in Bezug auf Frühwarnungen und Sicherheitsvorkehrungen viel zu wünschen übrig.

Studie zu Rogue-Wellen

Die „Vorhersage von Freak-Wellen anhand von Bojenmessungen“‑Studie versucht, Licht auf diese einzigartigen Ozeanereignisse zu werfen. Die Forscher setzten sich das Ziel, ein KI‑Neuronales Netzwerk zu erstellen, das die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens einer Rogue‑Welle basierend auf dem aktuellen Ozeanzustand vorhersagen kann. Im Rahmen dieses Ansatzes wollten die Forscher bestimmen, welche Vorfaktoren vor der Entstehung von Rogue‑Wellen auftreten.
Dieser Ansatz sollte die funktionale Beziehung zwischen den vorherigen Wellen und dem finalen Rogue‑Ereignis mithilfe von Feldmessgeräten und fortschrittlichen neuronalen Netzen demonstrieren. Noch wichtiger war, dass das Team die Phasen der Synchronisation zwischen den einzelnen Wellen erfassen und dokumentieren wollte, die zur Entstehung von Rogue‑Wellen notwendig sind.

Testphase

Die Tests begannen mit der Erstellung eines neuronalen Netzwerks. Das Team entschied sich für die Verwendung eines Long Short-Term Memory (LSTM)‑KI‑Algorithmus. Diese KI‑Systeme wurden entwickelt, um die funktionale Beziehung zwischen Eingabedaten und Ausgabedaten zu optimieren. Daher eignen sie sich ideal zur Erstellung datengetriebener Vorhersagen komplexer Systeme.

Ozeanbojen

Die Forscher sammelten Daten von 172 Bojen entlang der Ostküste der USA und den Pazifikinseln mit Tiefen von 20 Meter bis über 4000 Meter. Zwei Bojentypen wurden im Test verwendet: Der Datawell Directional Wave Rider MkIII mit einer Abtastrate von 1,28 Hz und der Datawell Directional Wave Rider MkIII mit einer Rate von 2,56 Hz. Diese Geräte sind gut erprobt und liefern zuverlässige Daten, einschließlich Beschleunigungsmesser, die die vertikale Verschiebung überwachen.

Quelle – MATLAB

Datensatz

Das neuronale Netzwerk wurde mit einer Stichprobengröße programmiert, die 880 Jahre an aufeinanderfolgenden Daten zu Vorbedingungen von Rogue‑Wellen entspricht. Insbesondere wurden 14 Millionen 30‑minütige Messungen der Meeresoberflächenerhebung mit 40 000 Messungen derselben Bojen kombiniert. Diese Daten wurden anschließend gescannt, um Anomalien zu prüfen. Die Daten wurden dann zurück in den Algorithmus gespeist, um ihn besser zu trainieren, solche Faktoren zu erkennen.

Relevanz für Ozeanbedingungen

Die Forscher wollten die Rogue‑Wellen‑Beispiele im Testabschnitt möglichst selten halten, um sicherzustellen, dass die Daten realen Szenarien näher kommen. Die Beispiele wurden dann in die Kategorien Nicht‑Rogue‑Welle und Rogue‑Welle aufgeteilt und verstärkt. Insbesondere wurden die Ausgangsdaten über das Coastal Data Information Program (CDIP) in Zusammenarbeit mit dem Scripps Institution of Oceanography bezogen.

Auf Rogue-Wellen gescannt

Die Forscher scannten die Wellenprobendaten mithilfe der Supercomputing‑Ressourcen der University of Maryland. Dieser Zugriff ermöglichte ihnen, eine NVIDIA (NVDA ) A100‑GPU in Kombination mit einer lokalen NVIDIA Quadro P1000‑GPU zu nutzen, um die KI‑Leistung, Trainingszeiten und Genauigkeit zu verbessern.

Ergebnisse

Die Ergebnisse dieser Studie könnten erhebliche Auswirkungen darauf haben, wie Ingenieure und Forscher Rogue‑Wellen künftig betrachten. Diese einst nahezu unmöglich zu bestimmenden Ereignisse konnten mit einer Genauigkeit von 75 % durch die KI‑Systeme isoliert werden. Konkret wurden 75 % der Rogue‑Wellen innerhalb von 1 Minute nach ihrem Auftreten vorhergesagt. Die Rate sank nur auf 73 %, wenn die Vorwarnzeit auf 5 Minuten ausgeweitet wurde.
Insgesamt sagte die KI fast 3 000 Rogue‑Wellen korrekt vorher. Nur 855 Ereignisse entgingen der KI‑Erkennung, sodass das System eine Genauigkeit von 23 % aufwies. Da viele Forscher glaubten, dass es unmöglich sei, diese Ereignisse zu bestimmen, öffneten diese Ergebnisse die Tür für neue und effektivere Vorhersagesysteme.

Vorteile

Diese Studie könnte dem Markt zahlreiche Vorteile bringen. Zum einen ist es das erste zuverlässige Konzept für ein Vorhersagesystem für Rogue‑Wellen. Es nimmt die Annahme, dass diese Ereignisse zu komplex zum Vorhersagen seien, und bietet stattdessen eine sehr zuverlässige und kostengünstige Lösung, die bei Bedarf wertvolle Frühwarnungen für Schiffe und Offshore‑Plattformen liefern kann.

Verwendet aktuelle Bojendaten

Ein weiterer großer Vorteil dieses Ansatzes zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeit von Rogue‑Wellen besteht darin, dass keine neuen Sensoren oder Systeme installiert werden müssen. Bojen wurden bereits seit Jahrzehnten eingesetzt und getestet. Daher bieten sie eine zuverlässige und bewährte Datenquelle mit nachvollziehbarer Historie. Dieses KI‑Vorhersage‑Upgrade ist Software. Somit kann es die Millionen von Stunden an Daten, die von diesen Geräten bereitgestellt werden, nutzen, um die zukünftige Leistung zu verbessern und zu erweitern.

Universelle Anwendung

Ein besonders interessanter Aspekt ihres KI‑Trainings ist, dass das Modell erfolgreich auf Standorte außerhalb des ursprünglichen Bojen‑Datensatzes angewendet werden konnte. Das Team konnte mit hoher Wahrscheinlichkeit das Rogue‑Wellen‑Risiko für zwei externe Bojen vorhersagen. Sie testeten ihre Theorie an Boje 132 in der Nähe von Jacksonville, Florida, und Boje 067 nahe der San‑Nicolas-Insel vor der Küste von Los Angeles. Die Ergebnisse zeigten, dass der Algorithmus erfolgreich auf andere Standorte übertragen werden kann.

Selbstverbessernd

Einer der größten Vorteile dieses KI‑Algorithmus ist, dass er seinen Datensatz kontinuierlich verbessern kann, wodurch sein Verständnis verstärkt und die Leistung gesteigert wird. Diese Systeme verbessern sich, sobald die Daten verfeinert werden. Daher bietet diese Methode eine kostengünstige und effiziente Möglichkeit, den Betrieb zu optimieren.

Forscher

Thomas Breunung und Balakumar Balachandran waren die leitenden Forscher der Studie. Sie erreichten ihr Ziel, eine Methode zu demonstrieren, mit der Rogue‑Wellen weltweit mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Die University of Maryland stellte Supercomputing‑Ressourcen und Unterstützung für das Team bereit, das nun plant, seine Ergebnisse zu verbessern, indem es weitere Daten in sein Modell einfließen lässt, darunter Windgeschwindigkeit, Standort und Tiefe. All diese Faktoren könnten dazu beitragen, die Erkennungszeiten zu verkürzen und sogar die Höhe des Ereignisses zu bestimmen.

Unternehmen, die diese Technologie heute integrieren können

Viele Unternehmen könnten sofort von dieser Studie profitieren. Es gibt derzeit Milliarden an Offshore‑Infrastruktur und Schiffsflotten, die die Ozeane durchqueren. Diese Unternehmen werden sicherlich in jede Technologie investieren, die katastrophale Verluste und Todesfälle verhindern kann.

1. Diamond Offshore Drilling Inc.

Diamond Offshore Drilling Inc. ist ein großes Öl- und Gasbohrunternehmen mit Sitz in Katy, Texas. Das Unternehmen trat 1987 als Diamond M Drilling in den Markt ein, bevor es mehrere Umbenennungen durchlief. Derzeit verfügt es über 44 Offshore‑Bohrinseln, darunter 32 halbuntertauchbare Plattformen und 5 Bohrschiffe.
Diamond Offshore Drilling Inc. hat Verträge mit vielen der größten Öl- und Gasunternehmen der Welt, darunter Hess Corporation , Petrobras, BP und Occidental Petroleum (OXY ). Seine Positionierung und die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen machen diese Aktie zu einem starken „Hold“. Das Unternehmen hat jedoch einige Nachteile erlebt, da erneuerbare Energien in den Markt eindringen, doch Analysten prognostizieren zukünftige Gewinne, da Konflikte und andere Faktoren die Gaspreise in die Höhe treiben.

2. Sable Offshore Corp

SOC Preisdiagramm

Sable Offshore Corp (SOC ) ist ein weiteres Bohrunternehmen, das ein Vorhersagesystem für Rogue‑Wellen nutzen könnte, um seine Flotte von Offshore‑Bohrinseln und Bohrstationen zu schützen. Das Unternehmen wurde 2020 als Flame Acquisition Corp gegründet, bevor es seinen Namen in Sable änderte. Sable betreibt Offshore‑Operationen vor der Küste Kaliforniens in Bundesgewässern. Es besitzt zudem 76 000 Acres an Unterwasser‑Leasingflächen, die den Transport von Rohöl und Erdgas ermöglichen.
Das Unternehmen hat zahlreiche strategische Partnerschaften mit Branchenführern, darunter ExxonMobil (XOM ), Canada Ltd, Imperial Oil (IMO ) Resources Limited und Pengrowth Energy Corporation, um nur einige zu nennen. Die Aktie des Unternehmens hat kürzlich aufgrund von Marktschwankungen gelitten. Dennoch wächst die Nachfrage in Kalifornien nach diesen Dienstleistungen, wodurch Sable Offshore Corp als führender lokaler Energieversorger positioniert ist.

Zukunft der Vorhersage von Rogue-Wellen

Diese Studie wirft ein Licht auf die schwer fassbare Welt der Rogue‑Wellen. Diese Ereignisse sind keine Seemannsgeschichten mehr, sondern vorhersehbare Vorgänge. In Zukunft werden diese Systeme in der gesamten maritimen Wirtschaft integriert, um Risiken zu mindern und die Effizienz zu steigern. Insbesondere werden diese Systeme mit zunehmenden Daten immer genauer und zuverlässiger.
Sie können erwarten, dass diese Vorhersageart mit Systemen wie Blockchain‑Netzwerken kombiniert wird, die eine Echtzeit‑Überwachung massiver Daten weltweit ermöglichen. Diese Verbesserung würde es den Systemen erlauben, Echtzeit‑Ereignisse über den Ozean hinweg unveränderlich zu protokollieren und zu verfolgen. Diese Daten könnten dann genutzt werden, um das Verständnis der Wissenschaftler für diese schwer fassbaren Ereignisse zu verbessern.

Rogue-Wellen sind ein Problem, das durch Erkennung gelöst werden kann

Es gibt bislang keine Möglichkeit, das Entstehen von Rogue‑Wellen zu verhindern. Der erste Schritt zur Vermeidung großer Verluste besteht jedoch darin, zu bestimmen, wann und warum diese Ereignisse auftreten. Diese Ingenieure haben die ersten Schritte unternommen und die Grundlage für zukünftige Forschungen gelegt, die Leben retten könnten. Derzeit erzeugen ihre Bemühungen „Wellen“ in zahlreichen Branchen.
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