“Цифровой двойник” океана: Европа на пороге научного прорыва

 Искусственный интеллект и другие новые технологии могут произвести настоящую революцию в нашем понимании океана. Но для этого необходимо получить и обработать целое море данных. Автор программы «Океан» Денис Локтев отправился в Адриатику и Северное море вместе с группами учёных, которые собирают данные, чтобы создать “цифровой двойник” океана.

Исследования «по старинке»: медленно и дорого

Неподалеку от замка Мирамаре в итальянском Триесте находится прибрежная обсерватория — она обозначена жёлтыми буйками. Это часть сети долгосрочных экологических исследований.

С 1986 года ученые ежемесячно берут здесь пробы воды и проводят различные измерения. Эти данные показывают, как прибрежная экосистема меняется на протяжении долгих лет.

Бруно Каталетто, морской биолог из Национального института океанографии и прикладной геофизики (OGS), показывает: «Мы проводим химические анализы, измеряем уровень питательных веществ, соленость, хлорофилл и биологические параметры. Мы также собираем образцы фитопланктона и микрозоопланктона и анализируем их в лаборатории.»

Ученые публикуют собранные данные в онлайн-базах данных — ими пользуются, например, рыболовы и другие морские профессионалы. Такие базы могут включать даже информацию от обычных граждан. Исследовательница Валентина Тирелли разработала бесплатное приложение под названием «avvistAPP», позволяющее любому человеку со смартфоном сообщать об увиденных медузах, дельфинах, морских черепахах и других животных.

Научная сотрудница OGS Валентина Тирелли объясняет: «Граждане присылают свои наблюдения, а мы их проверяем. Это позволяет получить достоверную информацию. Такие данные находятся в открытом доступе в базе данных EMODNet Biology, которой могут пользоваться все желающие».

Однако ручная обработка образцов — например, подсчет планктона под микроскопом,— остаётся долгой и трудоёмкой задачей. Искусственный интеллект может значительно ускорить этот процесс, и тогда базы данных будут наполняться куда быстрее.

С искусственным интеллектом — дешевле и быстрее!

Из итальянской Адриатики — к бельгийскому побережью Северного моря. На Морской станции Остенде исследователи из Морского института Фландрии уже используют цифровые камеры и искусственный интеллект, чтобы быстро идентифицировать планктон. Раньше на это уходил целый день в лаборатории, теперь — всего 30 минут.

Нас встречает специалистка по планктону Рюне Лагайссе, работающая в Морском институте Фландрии (VLIZ): «У нас есть модели искусственного интеллекта, обученные на наших изображениях и распознающие все эти виды»,- показывает Рюне. «Поэтому за считанные минуты мы можем проанализировать образец и получить полный список видов, сэкономив много времени и денег».

А вместо того, чтобы брать пробы раз в месяц, данные теперь можно собирать круглосуточно.

Наша съёмочная группа побывала на борту бельгийского исследовательского судна “Симон Стевин” вместе с учеными, которые разработали для этого автономные подводные платформы с различными датчиками.

Клаас Денодт, руководитель Центра морских наблюдений Фландрского морского института, возглавляет финансируемый ЕС проект DTO-BioFlow, в котором разрабатываются общие стандарты для пересылки всех типов данных в массивные базы данных будущего — в том числе цифровых аудио- и видеозаписей с таких подводных платформ.

Исследователи собирают эти записи в различных точках бельгийского Северного моря. Одно из практических применений — мониторинг присутствия небольших морских млекопитающих, главных хищников местной экосистемы.

Эти животные, похожие на дельфинов — морские свиньи — издают звуки, недоступные человеческому слуху, но алгоритмы искусственного интеллекта могут обнаружить характерные звуки в аудиозаписях и составить карту перемещений животных в течение года.

Эти данные могут помочь шумным отраслям, таким как оффшорная ветроэнергетика, меньше беспокоить животных.

Элизабет Дебюсшере занимается научной биоакустикой во Фландрском морском институте. Она поясняет: «В основном морские свиньи присутствуют здесь в зимнее время, а летом в бельгийских водах их меньше. Это довольно интересно само по себе, но может помочь и оффшорной индустрии планировать свою деятельность».

“Цифровой двойник” разрабатывает некоммерческая организация “Mercator Ocean International”. Там работает Саймон ван Геннип — он показал, как эта модель поможет, например, бороться с пластиковым загрязнением: «Нам известны все океанские течения в глобальном масштабе на каждый день с 1990-х годов. Это настоящее сокровище — мы можем поместить виртуальную частицу там, откуда пластик попадает в океан с побережья. А затем мы можем проследить, куда течения понесут эту виртуальную частицу на следующий день, и так далее. И в итоге мы сможем получить полное представление о том, как пластик перемещается в океане. Таким образом модель даёт нам знания, которые невозможно получить из отсутствующих у нас наблюдений.»

Еще одно приложение, представленное Келли Джонсон из немецкого исследовательского института “Hereon”, посвящено восстановлению подводных лугов морской травы: “Цифровой двойник океана позволяет нам моделировать результат с разными исходными данными — что будет, например, если увеличить размер морских лугов, если посадить их на определённой глубине — какое влияние они тогда будут оказывать на высоту волн и эрозию побережья. Мы уже обнаружили некоторые очень интересные результаты, влияние действительно есть. Поэтому для нас очень важна возможность моделировать и проверить».

Цифровой двойник океана будет полезен и в государственном управлении: можно будет моделировать различные сценарии использования моря и проверять их реалистичность перед принятием решений.

Заместитель генерального директора по морским делам и рыболовству в Европейской комиссии Кестутис Садаускас поясняет: «Как нам использовать океан рационально? Ведь нам по-прежнему нужно ловить рыбу, производить электричество из энергии океана, заниматься судоходством, прокладывать кабели. Мы должны наслаждаться морем как туристы… Принятие решений станет дешевле и точнее, ошибок будет меньше, если мы сможем всё смоделировать перед воплощением в жизнь.»

Подводные датчики, спутниковые данные, сообщения граждан — всё это будет попадать в цифровой двойник океана.

«Мы хотим рационально использовать этот великий ресурс, который мы называем океаном»,- резюмирует Клаас Денодт. «Этого можно добиться только совместной работой с разными приморскими странами — необходимо собирать все имеющиеся у нас данные и делать их легкодоступными».

Когда “цифровой двойник” запустят в рабочем режиме, у учёных, политиков, бизнесменов и обычных граждан появится свободный доступ к огромному количеству данных об океане — ценный инструмент для эффективного и экологичного использования его ресурсов.