Πολλά ακραία συμβάντα, όπως ένα τεράστιο κύμα που υψώνεται από ήρεμα νερά, μια αστάθεια μέσα σε μια τουρμπίνα, η ξαφνική εξαφάνιση ενός προηγουμένως ανθεκτικού είδους άγριας πανίδας, φαίνεται να συμβαίνουν χωρίς καμία προειδοποίηση. Ο Θεμιστοκλής Σαψής με τον συνεργάτη του μεταδιδακτορικό ερευνητή Μοχαμάντ Φαραζμάντ, έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Science Advances.
Πολλά ακραία συμβάντα, όπως ένα τεράστιο κύμα που υψώνεται από ήρεμα νερά, μια αστάθεια μέσα σε μια τουρμπίνα, η ξαφνική εξαφάνιση ενός προηγουμένως ανθεκτικού είδους άγριας πανίδας, φαίνεται να συμβαίνουν χωρίς καμία προειδοποίηση. Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι αδύνατον να προβλεφθεί ένα τέτοιο ξέσπασμα «αστάθειας» θα κάνει την εμφάνισή του, ιδίως στα πολύπλοκα συστήματα με πολλά αλληλεξαρτώμενα μέρη. Τώρα οι μηχανικοί στο MIT, με επικεφαλής έναν Έλληνα ερευνητή, έχουν σχεδιάσει ένα πλαίσιο για την αναγνώριση βασικών μοτίβων που προηγούνται ενός ακραίου γεγονότος. Το πλαίσιο μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα περίπλοκων, πολυδιάστατων συστημάτων για την επιλογή των προειδοποιητικών ενδείξεων που είναι πιθανότερο να εμφανιστούν στον πραγματικό κόσμο. Αυτή η μέθοδος μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη hotspots της αστάθειας που επηρεάζουν το κλίμα, την απόδοση των αεροσκαφών και την κυκλοφορία των ωκεανών.
Ο Θεμιστοκλής Σαψής με τον συνεργάτη του μεταδιδακτορικό ερευνητή Μοχαμάντ Φαραζμάντ, έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Science Advances.
«Σήμερα δεν υπάρχει καμία μέθοδος που να εξηγεί πότε θα συμβούν αυτά τα ακραία συμβάντα. Εφαρμόσαμε αυτή τη μέθοδο σε χαοτικές ροές ρευστών, που είναι το «άγιο δισκοπότηρο» των ακραίων γεγονότων. Αντιμετωπίζονται στη δυναμική του κλίματος, με τη μορφή ακραίων βροχοπτώσεων, σε ροές μηχανικού ρευστού, όπως τάσεις γύρω από μια αεροτομή, και ακουστικές αστάθειες μέσα σε αεριοστρόβιλους. Αν μπορούμε να προβλέψουμε την εμφάνιση αυτών των ακραίων γεγονότων, ελπίζουμε ότι μπορούμε να εφαρμόσουμε ορισμένες στρατηγικές ελέγχου για να τις αποφύγουμε» δήλωσε ο Σαψής, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων και Ναυπηγών Μηχανικών του ΜΙΤ.
Κοιτάζοντας προηγούμενες εξωτικές προειδοποιήσεις
Στην πρόβλεψη ακραίων γεγονότων σε σύνθετα συστήματα, οι επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να λύσουν σύνολα δυναμικών εξισώσεων – απίστευτα πολύπλοκες μαθηματικές φόρμουλες που, όταν επιλυθούν, μπορούν να προβλέψουν την κατάσταση ενός πολύπλοκου συστήματος με την πάροδο του χρόνου. Οι ερευνητές μπορούν να συνδέσουν σε αυτές τις εξισώσεις ένα σύνολο από αρχικές συνθήκες ή τιμές για ορισμένες μεταβλητές και να λύσουν τις εξισώσεις κάτω από αυτές τις συνθήκες. Αν το αποτέλεσμα αποφέρει κατάσταση που θεωρείται ακραία περίπτωση στο σύστημα, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν ότι αυτές οι αρχικές συνθήκες πρέπει να είναι πρόδρομες ή προειδοποιητικές ενδείξεις. Οι δυναμικές εξισώσεις διαμορφώνονται με βάση την υποκείμενη φυσική του συστήματος. Αλλά ο Σαψής λέει ότι η φυσική που διέπει πολλά πολύπλοκα συστήματα συχνά δεν έχει ακόμη κατανοηθεί επαρκώς και η μοντελοποίησή τους εμπεριέχει σοβαρά λάθη. Η χρησιμοποίηση αυτών των εξισώσεων για την πρόβλεψη της κατάστασης τέτοιων συστημάτων θα ήταν συνεπώς μη ρεαλιστική.
Ακόμη και σε συστήματα όπου η φυσική είναι καλά χαρακτηρισμένη, λέει ότι υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός αρχικών συνθηκών που θα μπορούσε κανείς να συνδέσει σε συσχετισμένες εξισώσεις, για να αποδώσει έναν εξίσου τεράστιο αριθμό πιθανών αποτελεσμάτων. Επιπλέον, οι εξισώσεις, βασισμένες στη θεωρία, θα μπορούσαν να εντοπίσουν επιτυχώς έναν τεράστιο αριθμό προδρόμων για ακραία γεγονότα, αλλά αυτοί οι πρόδρομοι, ή αρχικές καταστάσεις, ίσως να μην συμβούν όλοι στον πραγματικό κόσμο.
“Εάν παίρνουμε απλά τυφλά τις εξισώσεις και αρχίσουμε να αναζητούμε αρχικές καταστάσεις που εξελίσσονται σε ακραία γεγονότα, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να καταλήξουμε σε αρχικές καταστάσεις που είναι πολύ εξωτικές, πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα συμβούν ποτέ σε καμία πρακτική κατάσταση”, δήλωσε ο Σαψής. “Έτσι, οι εξισώσεις περιέχουν περισσότερες πληροφορίες από ό, τι πραγματικά χρειαζόμαστε.”
Εκτός από τις εξισώσεις, οι επιστήμονες εξέτασαν επίσης τα διαθέσιμα δεδομένα σχετικά με τα συστήματα του πραγματικού κόσμου για να διαλέξουν χαρακτηριστικά πρότυπα προειδοποίησης. Αλλά από τη φύση τους, τα ακραία γεγονότα συμβαίνουν σπάνια και ο Σαψής λέει ότι αν κάποιος βασιζόταν αποκλειστικά στα δεδομένα, θα χρειαζόταν ένα τεράστιο όγκο δεδομένων, για μεγάλο χρονικό διάστημα, για να είναι σε θέση να εντοπίσει πρόδρομους με κάποια βεβαιότητα.
Αναζήτηση για hotspots
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα γενικό πλαίσιο, με τη μορφή ενός αλγορίθμου ηλεκτρονικού υπολογιστή, που συνδυάζει και τις δύο εξισώσεις και τα διαθέσιμα δεδομένα για τον εντοπισμό των προδρόμων των ακραίων γεγονότων που είναι πιθανότερο να εμφανιστούν στον πραγματικό κόσμο.
«Εξετάζουμε τις εξισώσεις για πιθανά σημεία που έχουν πολύ υψηλά ποσοστά ανάπτυξης και γίνονται ακραία γεγονότα, αλλά είναι επίσης συμβατά με τα δεδομένα, λέγοντάς μας αν αυτή η κατάσταση έχει πιθανότητα να συμβεί ή αν είναι κάτι τόσο εξωτικό που ναι, θα οδηγήσει σε ένα ακραίο γεγονός, αλλά η πιθανότητα να συμβεί είναι ουσιαστικά μηδενική ” διευκρινίζει ο Έλληνας επιστήμονας.
Με αυτό τον τρόπο, το πλαίσιο λειτουργεί ως ένα είδος κόσκινου, συλλαμβάνοντας μόνο εκείνους τους πρόδρομους που θα δούμε πραγματικά σε ένα πραγματικό σύστημα.
“Χρησιμοποιήσαμε τις εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα, καθώς και κάποιες βασικές ιδιότητες του συστήματος, που εκφράζονται με δεδομένα που προέρχονται από ένα μικρό αριθμό αριθμητικών προσομοιώσεων και καταλήξαμε σε πρόδρομες ουσίες που είναι χαρακτηριστικά σήματα, που μας λένε πριν ξεκινήσει το ακραίο γεγονός να αναπτύσσεται, ότι υπάρχει κάτι που έρχεται» συμπληρώνει ο Σαψής.
Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από το Γραφείο Ναυτικής Έρευνας, το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας και το Γραφείο Έρευνας Στρατού.
Ο Θεμιστοκλής Σάψης είναι Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων και Ναυπηγών Μηχανικών. Έλαβε το Δίπλωμά του από το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και τη Σχολή Ναυπηγικής και Θαλάσσιας Μηχανικής το 2005 και το διδακτορικό του από το MIT το 2011 στη Μηχανολογία. Το 2011 διορίστηκε βοηθός ερευνητής στο Ινστιτούτο Μαθηματικών Επιστημών του Courant στο NYU και προσχώρησε στο MIT ως καθηγητής το 2013.
