Применение искусственного интеллекта в научной работе позволяет ученым объять необъятное. К примеру, чтобы спрогнозировать динамику берегов Карского моря, как это делает Дарья Богатова, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории геоэкологии Севера географического факультета МГУ, необходимо учитывать множество факторов одновременно. Арктическое Карское море – само по себе труднодоступная точка на карте Земли, а прогнозировать изменение береговой линии – и того более сложная задача. Для разработки подходов к прогнозированию динамики берегов Карского моря Дарья Богатова, победитель конкурса грантовой поддержки фонда «Интеллект», использует методы машинного обучения.
– Дарья, не могли бы вы рассказать, как современные ученые изучают арктические моря – необходимо ли присутствие на месте или можно это делать дистанционно по каким-то данным?
– Что касается чисто морских исследований – я не специалист говорить об этой области знаний, я занимаюсь берегами. Арктические берега изучаются как в ходе полевых исследований, так и по данным дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ), например, с помощью аэро- и космосъемки. Арктика – очень труднодоступный регион в плане экспедиционных работ, особенно если говорить об области криолитозоны, зоны распространения мерзлых грунтов. Однако проводить какие-либо научные исследования только по ДДЗЗ неуместно, ибо на снимках мы не видим того, что видим в реальности на берегах. Таким образом, самый подходящий вариант – комбинировать данные полевых исследований и данные дистанционного зондирования.
– Как помогает машинное обучение прогнозировать динамику берегов?
– Исследования динамики арктических берегов ведутся уже не одно десятилетие, однако остаются проблемы с прогнозом этой динамики. Влияние множества факторов на динамику берега осложняет процесс моделирования. Под множеством факторов подразумеваются геологические, мерзлотные, климатические и прочие, то есть это достаточно сложная система, и пока что наука не в состоянии выявить все конкретные факторы и связи между различными воздействиями, влияющими друг на друга, тем более, зачастую это влияние в разные промежутки времени может быть разнонаправленным. Поэтому мы и пытаемся прибегнуть к помощи искусственного интеллекта, чтобы выявить неочевидные связи.
– Часто ли вы ездите в экспедиции?
– Стараемся каждый сезон в летнее время, иногда удается, иногда нет. В среднем получается, что раз в два года выезжаю.
– В чем цель вашего исследования?
– Выявить неочевидные закономерности динамики берегов Карского моря и разработать методы и подходы для предсказания поведения берега в будущем. Процесс разрушения или отступания берега очень сложен и существует множество факторов, которые на него воздействуют, причем воздействия могут быть как однонаправленными, так и разнонаправленными, какие-то факторы связаны напрямую, какие-то обратно пропорциональны, какие-то вообще не связаны. Гидрометеорологические факторы – температурный и гидродинамический, – включающие штормовую и ветровую нагрузку, температуру морской воды и воздуха, ледовитость, уровень моря и другие, определяют как пространственную, так и временную изменчивость скоростей отступания. Еще одна группа факторов связана с характеристикой самой береговой зоны (морфология берегов, состав, строение и свойства многолетнемерзлой толщи), сюда относятся высота берегового уступа, форма поперечного профиля, температура пород, состав и свойства пород, включения залежеобразующего льда (ледяные жилы, подземный лед) и другие. Современная береговая линия служит отражением противостояния берега воздействию моря на этот берег в конкретный момент времени. Говоря упрощенно, проект направлен на то, чтоб «поработать» с нейронной сетью и подобрать такие параметры сети, чтобы она научилась прогнозировать изменение береговой линии наиболее точно, отражая современные тенденции, информация о которых, по сути, уже имеется в современной конфигурации берега.
– Какие результаты уже удалось получить?
– В науке все неоднозначно, и отрицательный результат – тоже результат. Пока удалось выяснить, что используемая повсеместно методика по определению темпов отступания берега очень плохо работает с мерзлыми берегами, бровка берегового обрыва которых изрезана повторно-жильными льдами – сеть ледяных жил, рассекающая грунты берега. Разработана другая методика, и по этой методике определены темпы отступания для всех рассматриваемых ключевых участков. При этом для отдельных периодов на конкретных участках выявлена пространственная закономерность динамики берега, зависящая от одного или нескольких ведущих факторов, однако не все из этих факторов прослеживаются для конкретного участка за длительный промежуток времени. В настоящее время ведутся работы по корректировке данных для машинного обучения, подбираются те параметры для нейронной сети, которые позволяют удачно прогнозировать положения бровки берегового обрыва.
– Кому, в первую очередь, будут полезны результаты вашего исследования?
– Ну, надеюсь, в первую очередь это будет полезно производственникам, которые на арктических берегах России проектируют различные объекты, как нефтегазовой инфраструктуры, так и связанные с Северным морским путем. Кроме того, вносить вклад в науку никогда не лишне и для человечества в целом. Аналитические модели обычно применимы только автором разработки, то есть если есть формула, в ней обычно есть несколько эмпирических коэффициентов, которые подбираются интуитивно, чтобы, как говорится, «работало». Использование ИИ позволит многократно расширить область подбора таких коэффициентов, что даст положительное влияние на точность модели и ее применимость.
– В чем особенность Карского моря? Чем оно примечательно?
– Особенностей, связанных с берегами Карского моря, множество. Берега Карского моря расположены в области сплошного распространения многолетне-мерзлых пород, в отличие от берегов Печорского моря. От морей восточной части Российской Арктики берега отличаются другим криогенным строением и составом грунтов. В юго-западной части Карского моря берега сложены мерзлыми дисперсными (пески, супеси, суглинки, глины) породами, которые к тому же засолены. Засоленые грунты более чувствительны к изменению температуры, даже в отрицательном спектре. Кроме того, даже на отступающих берегах отмечается наличие пляжа (пляж – аккумулятивная форма), и часто море размывает материал, который попадает на пляж вследствие развития множества гравитационных процессов на склонах. Еще одной отличительной особенностью Карского моря является продолжительность безледного периода, сильно меньшего чем в море Лаптевых и Восточно-Сибирском море, но длительнее чем в Баренцевом море.
– Сильно ли изменилась береговая линия Карского моря, скажем, за последние 20 лет?
– Отдельные участки Карского моря за последние 20 лет отступили на 40-60 м. В общемировом масштабе это мало, а если это на территории какого-то объекта… Кроме того, отступание берегов иногда наблюдается там, где не отмечалось в прошлом, то есть на берегах, которые в прошлом были аккумулятивными. Понятно, что в природе все стремится к равновесию, и если где-то отступает, где-то, наоборот, намывается. Однако, изучая разрушающиеся берега, мы изучаем наиболее критические условия природной среды для антропогенного вмешательства и последствия этого вмешательства.