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Supercomputadora “Fugaku” que predice tsunamis


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 exitoso 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 de la supercomputadora más rápido del mundo. Fugaku, desarrollado conjuntamente por RIKEN y Fujitsu. 

Fugaku

Como parte de esta iniciativa, se llevaron a cabo numerosas simulaciones de tsunamis de alta resolución utilizando la supercomputadora 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.

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.

Precisión y rapidez

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 la supercomputadora Fugaku Fugaku, puede ejecutarse en cuestión de segundos en computadoras normales; lo que facilita la creación de sistemas prácticos de predicción de inundaciones en tiempo real, que antes requerían supercomputadoras.

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

Fig. 1 Visión general de la predicción de tsunamis con IA
Antecedentes y desafíos

La predicción de tsunamis representa un área clave que requiere 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; y han 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. 

Los cálculos de simulación para la predicción de inundaciones dependen de supercomputadoras 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. 

Nueva tecnología e iniciativa desarrollada

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. Para ello, utilizan el entorno de evaluación de Fugaku en el tema de investigación “Previsión de tsunamis basada en IA a exascale para predecir lo imprevisto”; seleccionado en los proyectos de uso preliminar de Fugaku para el año 2020 y solicitados por la Organización de Investigación para la Ciencia y la Tecnología de la Información. 

Aprovechando la potencia de cálculo rápida de la supercomputadora 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.

Modelo de IA

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 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, las computadoras adecuadas 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, la supercomputadora aporta a los miembros del proyecto un potente recurso que ofrece un alto rendimiento; tanto en la simulación como en las aplicaciones de IA. 

Predicción

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, incluyendo el modelo de tsunami asumido por la Oficina del Gabinete de Japón (Fig. 2 y Fig. 3).

Si en el futuro se sigue utilizando el rendimiento a gran escala y alta velocidad de Fugaku, y se entrena simultáneamente el sistema con otros escenarios de tsunami, los socios pueden ayudar a realizar una IA que pueda ofrecer predicciones de tsunamis e inundaciones inesperadas en un área más amplia

Fig. 2. Comparación entre la inundación prevista (modelo de fuente de tsunami creado por la Cabinet Office de Japón) del Terremoto de la Fosa de Nankai y los resultados de la predicción de la nueva IA.

Fig. 3. Comparación entre la inundación prevista (modelo de fuente de tsunami creado por la Cabinet Office de Japón con alturas de ola triplicadas) del Terremoto de la Fosa de Nankai y los resultados de la predicción de la IA recientemente desarrollada.

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