El Instituto Internacional de Investigación de la Ciencia de los Desastres de la Universidad de Tohoku, el Instituto de Investigación de Terremotos de la Universidad de Tokio y Fujitsu Laboratories han anunciado el desarrollo de un modelo de IA que permitirá a los equipos de gestión de desastres predecir las inundaciones por tsunami en las zonas costeras, casi en tiempo real, aprovechando la potencia de cálculo del superordenador más rápido del mundo, Fugaku, desarrollado conjuntamente por RIKEN y Fujitsu.
Como parte de esta iniciativa, se llevaron a cabo numerosas simulaciones de tsunamis de alta resolución utilizando el superordenador Fugaku. Posteriormente, se creó un nuevo modelo de IA utilizando como datos de entrenamiento formas de onda de tsunami simuladas en alta mar y condiciones de inundación costera.
El modelo de IA, probado con Fugaku, puede ejecutarse en cuestión de segundos en ordenadores normales, lo que facilita la creación de sistemas prácticos de predicción de inundaciones en tiempo real
En caso de que se produzca un terremoto real, la introducción de datos de ondas de tsunami observadas en alta mar en este modelo de IA, recién creado, permitirá predecir las condiciones de las inundaciones en las zonas costeras antes de la llegada a tierra, con una alta resolución espacial. Esto facilitará obtener, con mayor precisión y rapidez, datos detallados sobre la previsión de inundaciones en zonas específicas, ofreciendo una visión crítica de los efectos de las olas localizadas en las infraestructuras circundantes, como edificios y carreteras de las zonas urbanas costeras. Además, el modelo de IA, probado de antemano con Fugaku, puede ejecutarse en cuestión de segundos en ordenadores normales, lo que facilita mucho la creación de sistemas prácticos de predicción de inundaciones en tiempo real, que antes requerían superordenadores. En última instancia, esta tecnología ofrece la posibilidad de que los equipos de gestión de catástrofes tomen medidas de mitigación y evacuación, casi en tiempo real y basadas en datos.
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Antecedentes y desafíos
En marzo de 2011, el Gran Terremoto del Este de Japón desencadenó un tsunami masivo que provocó daños catastróficos en la región de Tohoku, a lo largo de la costa oriental de Japón, poniendo en evidencia los desafíos de los esfuerzos de mitigación de desastres. Este trágico suceso puso de manifiesto que siguen existiendo muchos problemas desde el punto de vista de la adquisición y utilización de información para una evacuación eficaz y segura, en caso de catástrofe.
La predicción de tsunamis representa un área clave en este sentido, requiere del desarrollo de tecnologías que permitan a las autoridades obtener rápidamente información precisa y detallada, para ayudar a los equipos de gestión de catástrofes a mitigar los daños al ordenar las acciones de evacuación adecuadas. Desde el Gran Terremoto del Este de Japón, la red de observación de tsunamis en las aguas costeras japonesas se ha reforzado significativamente, a la vez que se ha promovido como prioridad urgente el desarrollo de tecnologías de predicción de tsunamis altamente precisas en las zonas costeras, que aprovechen los datos de su observación en tiempo real, fuera de la costa.
La tecnología de IA de alta resolución es capaz de predecir instantáneamente las inundaciones causadas por los tsunamis, utilizando el entorno de evaluación de Fugaku
Convencionalmente, las predicciones de tsunamis en zonas costeras se han basado principalmente en el método de selección de los datos bajo las condiciones generales de terremotos y tsunamis más similares, en comparación con las observaciones de las bases de datos preparadas de antemano mediante simulaciones, y en el método de ajuste gradual de las predicciones de tsunamis en zonas costeras, para que sean coherentes con las observaciones de tsunamis en alta mar. En ambos casos, los cálculos de simulación para la predicción de inundaciones dependen de superordenadores a gran escala o de la búsqueda en bases de datos, lo que dificulta la implementación y el funcionamiento de un sistema de predicción viable.
Tecnología e iniciativa desarrollada
Para resolver este problema, Fujitsu, la Universidad de Tohoku y la Universidad de Tokio trabajaron conjuntamente en el desarrollo de una tecnología de IA de alta resolución capaz de predecir instantáneamente las inundaciones causadas por los tsunamis, utilizando el entorno de evaluación de Fugaku en el tema de investigación’Previsión de tsunamis basada en IA a exascale para predecir lo imprevisto’.
Aprovechando la potencia de cálculo excepcionalmente rápida del superordenador Fugaku, los miembros del proyecto generaron datos de entrenamiento para 20.000 posibles escenarios de tsunami basados en simulaciones de alta resolución en unidades de tres metros. Al entrenar un modelo de IA con estos 20.000 conjuntos de datos, fue posible construir un modelo de IA que puede predecir la inundación de zonas terrestres con una resolución igualmente alta, a partir de los datos de la forma de onda del tsunami observados en alta mar, en el momento de un terremoto.
Para el modelo de IA, se desarrolló una nueva tecnología de aprendizaje profundo, con una configuración de IA en dos etapas. Primero acerca de la situación de las inundaciones en tierra con una resolución aproximada y a partir de las formas de onda del tsunami observadas en alta mar. A continuación, la IA se utiliza para aumentar la resolución de las condiciones de inundación estimadas y optimiza el rendimiento del cálculo para el aprendizaje en Fugaku. Normalmente, los ordenadores adecuados para la simulación y para la IA son diferentes, pero con esta iniciativa, los miembros del proyecto pudieron aprovechar las características especiales de Fugaku para agilizar, en gran medida, la creación de la IA, en la predicción de tsunamis de alta precisión, utilizando los datos de entrenamiento generados en Fugaku, de la misma manera que para el aprendizaje automático. En concreto, el superordenador aporta a los miembros del proyecto un potente recurso que ofrece un alto rendimiento, tanto en la simulación como en las aplicaciones de IA.
Cuando se aplicó esta tecnología al caso de la predicción de inundaciones por tsunami en la bahía de Tokio causadas por un terremoto teórico y masivo en la cuenca de Nankai, se confirmó que era posible realizar una predicción altamente precisa utilizando un PC normal en cuestión de segundos, para una variedad de escenarios de tsunami diferentes.
