Monstres marins : l’intelligence artificielle décode les vagues scélérates

Patrick Lesggie

Les scientifiques ont utilisé l’intelligence artificielle pour analyser plus d’un milliard d’ondes couvrant 700 ans, aboutissant à une formule révolutionnaire pour prédire les vagues scélérates. Cette étude, qui transforme les vastes données océaniques en une équation de probabilité de vague scélérate, remet en question les théories antérieures et offre des implications significatives pour la sécurité maritime. L’accessibilité de la recherche et le rôle de l’IA dans l’amélioration de la compréhension humaine marquent un progrès significatif dans le domaine.

Utilisant sept siècles de données sur les vagues océaniques, englobant plus d’un milliard d’observations de vagues, des chercheurs de l’Université de Copenhague et de l’Université de Victoria ont employé des techniques avancées d’intelligence artificielle pour trouver une formule permettant de prédire l’apparition de ces monstres maritimes.

Longtemps considérées comme de simples mythes, les vagues scélérates d’une taille monstrueuse sont bien réelles et peuvent détruire des navires et endommager même des plateformes pétrolières. En analysant sept siècles de données provenant de plus d’un milliard d’ondes océaniques, des chercheurs de l’Université de Copenhague et de l’Université de Victoria ont utilisé l’intelligence artificielle pour élaborer une formule prédictive pour ces redoutables géants des mers. Ce nouvel apport peut rendre le transport maritime plus sûr.

Les histoires de vagues monstrueuses, appelées vagues scélérates, sont la légende des marins depuis des siècles. Mais lorsqu’une vague scélérate de 26 mètres de haut a frappé la plateforme pétrolière norvégienne Draupner en 1995, des instruments numériques étaient là pour capturer et mesurer ce monstre de la mer du Nord. C’était la première fois qu’une vague scélérate était mesurée et fournissait des preuves scientifiques de l’existence réelle de vagues océaniques anormales.

Depuis lors, ces vagues extrêmes ont fait l’objet de nombreuses études. Et aujourd’hui, les chercheurs de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague ont utilisé des méthodes d’IA pour découvrir un modèle mathématique qui offre une recette pour savoir – et surtout quand – les vagues scélérates peuvent survenir.

Avec l’aide d’énormes quantités de données sur les mouvements océaniques, les chercheurs peuvent prédire la probabilité d’être frappé par une vague monstrueuse en mer à n’importe quel moment.

« Fondamentalement, c’est juste de la très mauvaise chance quand l’une de ces vagues géantes frappe. Elles sont causées par une combinaison de nombreux facteurs qui, jusqu’à présent, n’ont pas été combinés en une seule estimation de risque. Dans l’étude, nous avons cartographié les variables causales qui créent des vagues scélérates et utilisé l’intelligence artificielle pour les regrouper dans un modèle capable de calculer la probabilité de formation de vagues scélérates », déclare Dion Häfner.

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

Dans leur modèle, les chercheurs ont combiné des données disponibles sur les mouvements océaniques et l’état de la mer, ainsi que des profondeurs d’eau et des informations bathymétriques. Plus important encore, les données sur les vagues ont été collectées à partir de bouées dans 158 emplacements différents le long des côtes américaines et des territoires d’outre-mer qui collectent des données 24 heures sur 24. Lorsqu’elles sont combinées, ces données – provenant de plus d’un milliard d’ondes – contiennent 700 ans d’informations sur la hauteur des vagues et l’état de la mer.

Les chercheurs ont analysé de nombreux types de données pour trouver les causes des vagues scélérates, définies comme des vagues qui sont au moins deux fois plus hautes que les vagues environnantes – y compris les vagues scélérates extrêmes pouvant dépasser 20 mètres de hauteur. Grâce à l’apprentissage automatique, ils ont transformé le tout en un algorithme qui a ensuite été appliqué à leur ensemble de données.

« Notre analyse démontre que des vagues anormales se produisent tout le temps. En fait, nous avons enregistré 100 000 vagues dans notre ensemble de données pouvant être définies comme des vagues scélérates. Cela équivaut à environ 1 vague monstre se produisant chaque jour à un emplacement aléatoire dans l’océan. Cependant, ce ne sont pas toutes des vagues monstres de taille extrême », explique Johannes Gemmrich, deuxième auteur de l’étude.

Dans l’étude, les chercheurs ont été aidés par l’intelligence artificielle. Ils ont utilisé plusieurs méthodes d’IA, y compris une régression symbolique qui donne une équation en sortie, plutôt que de renvoyer une seule prédiction comme le font traditionnellement les méthodes d’IA.

En examinant plus d’un milliard d’ondes, l’algorithme des chercheurs a analysé sa propre façon de trouver les causes des vagues scélérates et les a condensées en une équation qui décrit la recette d’une vague scélérate. L’IA apprend la causalité du problème et communique cette causalité aux humains sous la forme d’une équation que les chercheurs peuvent analyser et intégrer dans leurs recherches futures.

Le nouvel étude rompt également avec la perception commune de ce qui cause les vagues scélérates. Jusqu’à présent, on pensait que la cause la plus courante d’une vague scélérate était lorsqu’une vague se combinait brièvement avec une autre et lui volait son énergie, provoquant le déplacement d’une grande vague.

Cependant, les chercheurs établissent que le facteur le plus dominant dans la matérialisation de ces vagues monstrueuses est ce qu’on appelle la « superposition linéaire ». Le phénomène, connu depuis les années 1700, se produit lorsque deux systèmes d’ondes se croisent et se renforcent mutuellement pendant une brève période de temps.

« Si deux systèmes d’ondes se rencontrent en mer de manière à augmenter la probabilité de générer des crêtes élevées suivies de creux profonds, le risque de vagues extrêmement grandes se présente. Il s’agit d’une connaissance qui existe depuis 300 ans et que nous soutenons maintenant avec des données », explique Dion Häfner.

L’algorithme des chercheurs est une bonne nouvelle pour l’industrie du transport maritime, qui compte environ 50 000 cargos naviguant autour de la planète à tout moment donné. En effet, avec l’aide de l’algorithme, il sera possible de prédire quand cette « combinaison parfaite » de facteurs est présente pour élever le risque d’une vague monstrueuse qui pourrait représenter un danger pour quiconque en mer.

« Comme les compagnies maritimes planifient bien à l’avance leurs itinéraires, elles peuvent utiliser notre algorithme pour obtenir une évaluation du risque de rencontrer des vagues scélérates dangereuses en cours de route. Sur cette base, elles peuvent choisir des itinéraires alternatifs », explique Dion Häfner.

Tant l’algorithme que la recherche sont disponibles publiquement, de même que les données météorologiques et océaniques déployées par les chercheurs. Par conséquent, Dion Häfner dit que les parties intéressées, comme les autorités publiques et les services météorologiques, peuvent commencer facilement à calculer la probabilité des vagues scélérates. Contrairement à de nombreux autres modèles créés à l’aide de l’intelligence artificielle, toutes les calculs intermédiaires dans l’algorithme des chercheurs sont transparents.

« L’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique sont généralement des boîtes noires qui n’améliorent pas la compréhension humaine. Mais dans cette étude, Dion a utilisé des méthodes d’IA pour transformer une énorme base de données d’observations d’ondes en une nouvelle équation pour la probabilité de vagues scélérates, qui peut être facilement comprise par les gens et reliée aux lois de la physique », conclut le professeur Markus Jochum, directeur de thèse de Dion et co-auteur.

Référence : « Découverte guidée par les machines d’un modèle de vague scélérate du monde réel » par Dion Häfner, Johannes Gemmrich et Markus Jochum, 20 novembre 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2306275120