Российские ученые научили алгоритмы проверять датчики цунами
На дне Тихого океана установлены специальные приборы – станции, которые измеряют давление воды и колебания дна. Когда под водой происходит землетрясение или оползень, может возникнуть цунами. Датчики улавливают все изменения и передают сигнал на берег. По этим данным становится понятно, будет ли волна, когда она придет и какой высоты.
Но в агрессивной среде приборы нередко ломаются, начинают передавать искаженные показания – либо бьют ложную тревогу, либо вовсе пропускают опасность. Ученые кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова предложили не спускаться к датчикам, а «вычислять» поломку по самим данным. То есть система по цифрам, которые присылают станции, «понимает», что какой-либо прибор неисправен.
Результат – на поверхности
Ученые решили проверять подозрительные показания четырьмя разными способами. Первый – сравнение с приливами. Уровень океана меняется по расписанию – из-за приливов и отливов. Из реальных показаний датчика система «вычитает» ожидаемые приливные изменения. У исправного прибора «остаток» должен быть небольшим и объяснимым. Второй способ – сравнение с соседними датчиками. Настоящее цунами или землетрясение обычно «чувствуют» сразу несколько станций. Еще один алгоритм пытается восстановить последнюю четверть временного ряда по первым трем четвертям – для неисправных приборов ошибка такого прогноза обычно значительно выше. На заключительном этапе алгоритм машинного обучения объединяет результаты всех проверок и определяет, какие станции требуют внимания специалистов. Каждый метод по отдельности может ошибаться, но вместе они ошибаются редко. Заявленная точность выявления неисправных приборов составляет около 90%.
Технология уже была протестирована на сети S-net восточного побережья Японии. Через алгоритм «прогнали» двухнедельные данные со 150 станций. Система нашла 15 неисправных приборов. Причем одна станция сломалась прямо во время наблюдений – и алгоритм это сразу заметил.
На несколько ходов вперед
Цунами – одно из самых разрушительных природных явлений на Земле. За последнее столетие они унесли жизни более 260 тысяч человек. Научное сообщество продолжает работать над технологиями, которые позволяют предупредить разрушительную катастрофу и спасти множество жизней.
Ученый Института морской геологии и геофизики ДВО РАН Юрий Королев исследовал возможности краткосрочного прогнозирования цунами на Курильских островах. По его мнению, по данным измерения уровня океана в одной точке (например, на глубоководной станции) можно рассчитать форму волны в другой точке, у берега. Экспресс-метод Королева требует достоверных данных с глубоководных станций в реальном времени. Таким образом, система МГУ, контролирующая исправность измерительного оборудования, и метод Королева, использующий эти измерения для прогноза, – взаимодополняющие технологии, которые в перспективе могут стать основой обновленной российской системы предупреждения о цунами.
Ранее ученые Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН создали устройство, которое устанавливается на обычный компьютер и позволяет за считанные минуты смоделировать распространение волны цунами. Система особенно актуальна для Сахалина, Камчатки и Японии, где волна может дойти до берега за 25-30 минут после землетрясения.
А научно-технологический университет «Сириус» сообщил о создании и апробации мультисенсорной системы геодинамического мониторинга. Исследователи развернули сеть из десяти пунктов сейсмического мониторинга и 23 пунктов высокоточной спутниковой геодезии. Оборудование фиксирует малейшие колебания земной коры и перемещения поверхности, а данные поступают в единый аналитический центр для автоматизированной обработки. Разработка предназначена для оценки геологических опасностей на Черноморском побережье, включая угрозы землетрясений, оползней и цунами.
Сила цифровых технологий
В России действует государственная система предупреждения о цунами, охватывающая прежде всего Дальний Восток. Для Камчатки, Курильских островов, Сахалина и Приморья достоверность измерений имеет первостепенное значение. Цифровые технологии повысят надежность предупреждений о цунами и, соответственно, безопасность жителей прибрежных населенных пунктов. Когда система сможет быстро обнаруживать неисправные датчики, специалисты получат возможность исключать сомнительные измерения из расчетов и быстрее принимать решения. Это важно для организации эвакуации, работы спасательных служб и защиты инфраструктуры.
В перспективе возможно сотрудничество разработчиков с Росгидрометом и Геофизической службой РАН. Подобные решения можно использовать для контроля не только океанографических датчиков, но и других распределенных измерительных сетей, включая сейсмические, метеорологические и промышленные комплексы. Очевидно одно – российская наука переходит от создания отдельных средств наблюдения за опасными природными явлениями к разработке интеллектуальных систем, которые умеют самостоятельно анализировать качество поступающих данных.
