機(jī)器學(xué)習(xí)模型為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

航海船只和海上平臺(tái)承受著不斷的波浪和水流。經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)作，這些結(jié)構(gòu)可以在沒(méi)有任何警告的情況下與流氓浪潮，怪異風(fēng)暴或其他一些極端事件直接相遇，并可能帶來(lái)潛在的破壞性后果。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種算法，可以快速查明復(fù)雜系統(tǒng)中可能發(fā)生的極端事件的類型，例如海洋環(huán)境，其中不同大小，長(zhǎng)度和高度的波浪可以在船上產(chǎn)生壓力和壓力或海上平臺(tái)。研究人員可以模擬極端事件(以波浪形式)可能在特定結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的力和應(yīng)力。

與傳統(tǒng)方法相比，該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)通過(guò)不僅考慮現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)而且考慮到現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，為可能在其預(yù)期壽命期間的某個(gè)時(shí)刻承受極端事件的系統(tǒng)提供更快，更準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。潛在動(dòng)態(tài)。

“通過(guò)我們的方法，您可以從初步設(shè)計(jì)階段評(píng)估一個(gè)結(jié)構(gòu)如何表現(xiàn)不是一個(gè)波浪，而不是整個(gè)集合或波浪系列可以擊中這個(gè)結(jié)構(gòu)，”機(jī)械和海洋副教授Themistoklis Sapsis說(shuō)。麻省理工學(xué)院的工程學(xué) “你可以更好地設(shè)計(jì)你的結(jié)構(gòu)，這樣你就不會(huì)遇到超出一定限度的結(jié)構(gòu)問(wèn)題或壓力。”

Sapsis表示，該技術(shù)不僅限于船舶和海洋平臺(tái)，還可以應(yīng)用于任何易受極端事件影響的復(fù)雜系統(tǒng)。例如，該方法可用于識(shí)別可在城市中產(chǎn)生嚴(yán)重洪水的風(fēng)暴類型，以及可能發(fā)生洪水的地方。它還可以用于估計(jì)可能導(dǎo)致停電的電氣過(guò)載類型，以及在整個(gè)城市的電網(wǎng)中發(fā)生停電的地方。

Sapsis和Mustafa Mohamad是Sapsis小組的前研究生，目前是紐約大學(xué)Courant數(shù)學(xué)科學(xué)研究所的助理研究科學(xué)家，他本周將在“ 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上發(fā)表他們的研究成果。

繞過(guò)快捷方式

工程師通常使用計(jì)算密集型模擬來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)對(duì)極端事件的耐久性，以模擬結(jié)構(gòu)對(duì)來(lái)自特定方向的波的響應(yīng)，具有一定的高度，長(zhǎng)度和速度。這些模擬非常復(fù)雜，因?yàn)樗鼈儾粌H模擬了感興趣的波，而且模擬了它與結(jié)構(gòu)的相互作用。通過(guò)模擬整個(gè)“波場(chǎng)”作為特定的波浪滾入，工程師可以估計(jì)結(jié)構(gòu)如何被特定波浪搖動(dòng)和推動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的力和應(yīng)力可能導(dǎo)致?lián)p壞。

這些風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模擬非常精確，并且在理想情況下可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)如何對(duì)每種可能的波類型做出反應(yīng)，無(wú)論是否極端。但是這種精確度要求工程師模擬數(shù)百萬(wàn)個(gè)波浪，使用不同的參數(shù)，如高度和長(zhǎng)度尺度 - 這個(gè)過(guò)程可能需要數(shù)月才能計(jì)算出來(lái)。

“這是一個(gè)非常昂貴的問(wèn)題，”薩普西斯說(shuō)。“為了模擬可能在100秒內(nèi)發(fā)生的一種可能的波浪，它需要一個(gè)現(xiàn)代圖形處理器單元，這是非常快的，大約24小時(shí)。我們有興趣了解100年來(lái)極端事件發(fā)生的可能性。”

作為一種更實(shí)用的捷徑，工程師使用這些模擬器只運(yùn)行幾種情況，選擇模擬他們認(rèn)為可能造成最大損害的幾種隨機(jī)波類型。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在這些極端的，隨機(jī)產(chǎn)生的波浪中幸存下來(lái)，那么工程師就會(huì)認(rèn)為該設(shè)計(jì)能夠抵御海洋中類似的極端事件。

但是在選擇隨機(jī)波來(lái)模擬時(shí)，Sapsis說(shuō)，工程師可能會(huì)錯(cuò)過(guò)其他不太明顯的情景，例如中等波浪的組合，或者具有某種斜坡的波浪可能會(huì)發(fā)展成具有破壞性的極端事件。

“我們?cè)O(shè)法做的是放棄這種隨機(jī)抽樣邏輯，”Sapsis說(shuō)。

快速學(xué)習(xí)者

Sapsis和Mohamad不是通過(guò)計(jì)算密集的模擬運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)波甚至幾個(gè)隨機(jī)選擇的波，而是開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，首先快速識(shí)別出“最重要”或“信息量最大”的波，以便通過(guò)這樣的模擬。

該算法基于這樣的想法：每個(gè)波都有一定的概率導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的極端事件。概率本身具有一些不確定性或誤差，因?yàn)樗砹藦?fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)的影響。此外，一些波浪更加肯定會(huì)導(dǎo)致極端事件超過(guò)其他波浪。

研究人員設(shè)計(jì)了這種算法，以便能夠快速輸入各種類型的波及其物理特性，以及它們?cè)诶碚摵Ｉ掀脚_(tái)上的已知效應(yīng)。從研究人員插入算法的已知波中，它可以基本上“學(xué)習(xí)”并粗略估計(jì)平臺(tái)在響應(yīng)任何未知波時(shí)的行為方式。通過(guò)該機(jī)器學(xué)習(xí)步驟，該算法學(xué)習(xí)離岸結(jié)構(gòu)如何在所有可能的波上行為。然后，它識(shí)別出最大程度地減少極端事件概率誤差的特定波。該波很可能發(fā)生并導(dǎo)致極端事件。通過(guò)這種方式，該算法超越了純粹的統(tǒng)計(jì)方法，并考慮了所考慮的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。

研究人員在一個(gè)理論場(chǎng)景中測(cè)試了該算法，該場(chǎng)景涉及受到入射波影響的簡(jiǎn)化海上平臺(tái) 該團(tuán)隊(duì)首先將四個(gè)典型的波浪插入到機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，包括波浪對(duì)海上平臺(tái)的已知影響。由此，該算法快速識(shí)別出具有高發(fā)生概率的新波的維數(shù)，并且最大限度地減少了極端事件概率的誤差。

然后，該團(tuán)隊(duì)將此浪潮插入到計(jì)算密集度更高的開(kāi)源模擬中，以模擬簡(jiǎn)化的海上平臺(tái)的響應(yīng)。他們將第一次模擬的結(jié)果反饋到他們的算法中，以確定下一個(gè)要模擬的最佳波，并重復(fù)整個(gè)過(guò)程。總的來(lái)說(shuō)，該小組在幾天內(nèi)進(jìn)行了16次模擬，以模擬平臺(tái)在各種極端事件下的行為。相比之下，研究人員使用更傳統(tǒng)的方法進(jìn)行模擬，他們盲目地模擬盡可能多的波浪，并且只有在經(jīng)過(guò)數(shù)月的數(shù)千個(gè)場(chǎng)景后才能生成類似的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

Sapsis說(shuō)，結(jié)果表明，該團(tuán)隊(duì)的方法很快就會(huì)在最極端事件中涉及波浪，并為設(shè)計(jì)人員提供更加明智，逼真的模擬場(chǎng)景，以便測(cè)試不僅僅是海上平臺(tái)的耐力，還有電網(wǎng)和洪水易發(fā)地區(qū)。

“這種方法為基于極端事件統(tǒng)計(jì)的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，設(shè)計(jì)和優(yōu)化鋪平了道路，這是一種在沒(méi)有嚴(yán)格簡(jiǎn)化的情況下尚未考慮或完成的事情，”Sapsis說(shuō)。“我們現(xiàn)在可以說(shuō)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，我們可以根據(jù)極端事件的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，使用這樣的想法來(lái)理解和優(yōu)化您的系統(tǒng)。”

這項(xiàng)研究部分得到了海軍研究辦公室，陸軍研究辦公室和空軍科學(xué)研究辦公室的支持，并通過(guò)美國(guó)航運(yùn)局的資助啟動(dòng)。