編者按：為展現(xiàn)智能科技動(dòng)態(tài)，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進(jìn)展，回應(yīng)種種關(guān)切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時(shí)代。

?

海洋，這個(gè)地球上最廣闊的舞臺，孕育了無數(shù)生命，也隱藏著無盡的力量。在眾多類型的海洋波浪中，有一種神秘而危險(xiǎn)的自然現(xiàn)象--孤立波，也被稱為“瘋狗波”。這些突如其來的巨浪往往在沒有明顯征兆的情況下出現(xiàn)，像遠(yuǎn)古神話中那些神秘莫測的海上巨獸一般，給海上航行和作業(yè)帶來巨大威脅。然而，隨著科技的進(jìn)步，我們是否能夠預(yù)測這些海上巨獸的出現(xiàn)，從而避免潛在的災(zāi)難呢？

?

孤立波：海上的隱形威脅

孤立波是一種異常巨大的波浪，它們通常比周圍波浪高出許多，有時(shí)甚至能達(dá)到周圍波浪高度的兩倍。這種波浪的出現(xiàn)往往難以預(yù)測，給海上航行的船只和海上設(shè)施帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)孤立波襲擊船只時(shí)，可能導(dǎo)致船只失去平衡、損壞甚至沉沒，會(huì)破壞漁網(wǎng)、漁具，影響捕撈作業(yè)，甚至導(dǎo)致漁船傾覆。其強(qiáng)大的沖擊力還會(huì)造成海上石油平臺、燈塔、碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)損壞，影響其正常運(yùn)行和使用壽命，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

此外，孤立波沖擊海岸時(shí)，會(huì)帶走大量的泥沙和巖石，加劇海岸的侵蝕，破壞海灘和沿海的生態(tài)環(huán)境。而且，因?yàn)楣铝⒉ê茈y被預(yù)測到，在一些沿海旅游景點(diǎn)或居民密集區(qū)，人們往往難以察覺它的到來，在靠近海邊時(shí)就可能會(huì)被突然襲來的浪卷走，造成傷亡事故。

“海上巨獸”蘊(yùn)含無盡力量

（圖片來源：veer圖庫）

?

預(yù)測孤立波的挑戰(zhàn)

科學(xué)家們已經(jīng)對孤立波的形成機(jī)制進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)其形成涉及多種復(fù)雜的隨機(jī)過程，如波高的隨機(jī)變化和波浪相位的隨機(jī)疊加。

海洋波浪的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)上呈現(xiàn)出非線性特征，這導(dǎo)致波浪之間的相互作用可能產(chǎn)生不可預(yù)測的結(jié)果，如能量的集中和巨浪的形成，此外，海洋環(huán)境本身極其復(fù)雜多變，其中涉及風(fēng)速、風(fēng)向、海流、溫度和鹽度等諸多因素的交互影響，都可能改變波浪的形態(tài)和行為，因此，準(zhǔn)確預(yù)測孤立波的出現(xiàn)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神奇能力

孤立波由于生成機(jī)制過于復(fù)雜而難以被有效地預(yù)測，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種模擬人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模型，它對復(fù)雜規(guī)律具有極其強(qiáng)大的學(xué)習(xí)歸納和預(yù)測能力。

尤其是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理龐大的時(shí)間序列數(shù)據(jù)方面展現(xiàn)出卓越的能力，這涵蓋了諸如氣象數(shù)據(jù)、股市數(shù)據(jù)以及海洋波浪數(shù)據(jù)等關(guān)鍵領(lǐng)域。該網(wǎng)絡(luò)模型擅長從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)規(guī)律，并利用這些規(guī)律預(yù)測未來的發(fā)展趨勢。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被視為預(yù)測復(fù)雜自然現(xiàn)象的優(yōu)選工具，其應(yīng)用價(jià)值不言而喻。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種特殊類型，特別擅長處理和預(yù)測時(shí)間序列數(shù)據(jù)。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中引入“記憶”功能，能夠記住輸入數(shù)據(jù)中的重要信息，并將這些信息應(yīng)用到未來的預(yù)測中。簡單來說，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以像人類一樣，通過回顧過去的經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測未來。

未來的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能如人腦一般復(fù)雜。

（圖片來源：veer圖庫）

要理解循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何工作，我們可以把它比作一個(gè)擁有短期記憶的人。例如，當(dāng)我們聽到一個(gè)句子時(shí)，我們會(huì)記住前面的單詞，并根據(jù)這些單詞來理解和預(yù)測接下來的內(nèi)容。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理類似，它會(huì)記住時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的前N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并利用這些數(shù)據(jù)來預(yù)測下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

以預(yù)測孤立波為例，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過分析海洋中已有的波浪數(shù)據(jù)，識別出波浪的周期性和波動(dòng)特征。然后，它可以利用這些信息預(yù)測未來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的波浪高度和形態(tài)。

基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何用于波浪預(yù)測通常包括以下幾個(gè)步驟：

數(shù)據(jù)收集：我們首先需要收集大量的海洋波浪數(shù)據(jù)，包括波浪的高度、周期和方向等信息。本研究中有超過200億個(gè)海平面波浪數(shù)據(jù)，相當(dāng)于1600萬個(gè)半小時(shí)時(shí)間間隔（即實(shí)驗(yàn)中時(shí)間觀測單位）或者880年的數(shù)據(jù)。因此，本研究在弗洛里亞波(巴西)阿努(美屬薩摩亞)塞班(美國)關(guān)島(美國)、帕勞(馬紹爾群島)和馬朱羅(馬紹爾群島)等地設(shè)置了海洋浮標(biāo)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)量。

a）在各地設(shè)置的海洋浮標(biāo)；b）浮標(biāo)設(shè)置的深度

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練：將這些數(shù)據(jù)輸入到循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐步學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù)中的規(guī)律，并形成一個(gè)預(yù)測模型。

將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理訓(xùn)練。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練出的用于海浪預(yù)報(bào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

預(yù)測：在訓(xùn)練好的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中輸入最新的波浪數(shù)據(jù)，并預(yù)測未來的波浪情況。例如，預(yù)測未來1分鐘內(nèi)某個(gè)區(qū)域的波浪高度。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具提前1分鐘預(yù)測海浪，準(zhǔn)確率達(dá)到了75%。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

通過對大量浮標(biāo)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和驗(yàn)證，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在大多數(shù)情況下準(zhǔn)確預(yù)測孤立波的出現(xiàn)。在提前1分鐘的預(yù)測中，準(zhǔn)確率達(dá)到了75%，而在提前5分鐘的預(yù)測中，準(zhǔn)確率略有下降，但仍然保持在73%左右。這表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測孤立波方面具有很高的潛力。

預(yù)測的普適性和實(shí)際應(yīng)用

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練后的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅能夠預(yù)測訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的孤立波，還能夠準(zhǔn)確預(yù)測其他未包含在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的浮標(biāo)位置的孤立波。這表明該預(yù)測方法是通用的，適用于不同海域和環(huán)境，這進(jìn)一步加深了人們對海洋波浪的了解，為海洋科學(xué)研究提供了更多可能性。

未來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具不斷完善后，不僅可以用來為船舶提供預(yù)警，讓船員能夠提前得知巨浪來臨，從而尋求庇護(hù)，采取緊急停機(jī)等措施，最小化巨浪對船舶的影響，降低船舶受損風(fēng)險(xiǎn)，保障生命安全。

此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具可以為近海平臺提供安全保障，在近海平臺工作的人員可根據(jù)預(yù)警采取防護(hù)或應(yīng)急措施，減少安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。還可以通過預(yù)測波浪的高度、周期和方向等參數(shù)，設(shè)計(jì)更合理的港口布局和防波堤結(jié)構(gòu)，從而降低建設(shè)成本，提高港口的安全性和效率。

要將這種預(yù)測方法應(yīng)用于實(shí)際的海洋監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步地改進(jìn)和優(yōu)化。例如，可以通過使用更復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、結(jié)合更多的海洋物理信息，或者利用更高分辨率的空間數(shù)據(jù)來提高預(yù)測的準(zhǔn)確性并為應(yīng)急預(yù)留時(shí)間。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具的使用場景逐漸增多，如華為云盤古氣象大模型能實(shí)現(xiàn)全球氣象秒級預(yù)報(bào)、臺風(fēng)路徑預(yù)測、強(qiáng)降水等氣象要素預(yù)報(bào)等，幫助人們更好地應(yīng)對天氣變化，減少氣象災(zāi)害帶來的損失，為各行業(yè)的決策和運(yùn)營提供更準(zhǔn)確的氣象信息支持。我們期待在未來，該技術(shù)能夠更廣泛地應(yīng)用于更多領(lǐng)域，幫助我們更好地理解和利用這個(gè)神秘的藍(lán)色星球。

參考文獻(xiàn)：

[1]Breunung, Thomas;Balachandran, Balakumar.FREAK WAVE FORECASTING: A DATA-DRIVEN APPROACH[J].Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering - OMAE,2022,Vol.2

[2]Breunung, Thomas;Balachandran, Balakumar.Data-driven, high resolution ocean wave forecasting and extreme wave predictions.[J].Ocean Engineering,2023,Vol.268: 0

[3]Breunung, Thomas;Balachandran, Balakumar.Prediction of freak waves from buoy measurements.[J]Scientific Reports,2024,14:16048