Huawei Cloud разработала систему прогнозирования погоды Pangu Weather на основе ИИ

5 июля 2023 года ведущий международный научный журнал Nature опубликовал статью о Pangu Weather, революционном устройстве для прогнозирования погоды на основе искусственного интеллекта. Статья описывает, как разработать точную и достоверную международную систему прогнозирования погоды на основе искусственного интеллекта и глубинного обучения, применяя данные за 43 года.

Что такое Pangu Weather

Pangu Weather — первое устройство прогнозирования на основе искусственного интеллекта, демонстрирующее лучшую точность по сравнению с традиционными численными методами. Изобретение позволяет ускорить прогнозирование в 10 000 раз, это уменьшит время прогнозирования погоды во всем мире до нескольких секунд. В статье, которая называется "Точное среднесрочное международное прогнозирование погоды благодаря 3D нейронным сетям", приведена независимая оценка этих возможностей.

Pangu Weather бросает вызов предыдущим предположениям о том, что прогнозирование погоды на основе искусственного интеллекта уступает в точности традиционным методам. Разработанная командой Huawei Cloud, эта первая модель прогнозирования на основе искусственного интеллекта имеет более высокую точность по сравнению с предыдущими решениями.

Благодаря быстрому развитию вычислительной мощности за последние 30 лет точность численного прогнозирования значительно улучшилась. Так, появилась возможность предоставлять предупреждения о стихийных бедствиях и прогнозы по изменению климата. Однако этот метод до сих пор остается трудоемким. Чтобы улучшить скорость прогнозирования, исследователи изучали, как применять методы глубинного обучения. Но точность прогнозов на основе искусственного интеллекта для среднесрочных и долгосрочных сценариев оставалась ниже по сравнению с численным прогнозированием. Искусственный интеллект обычно не мог предсказать экстремальные и необычные погодные условия, в частности тайфуны.

Ежегодно в мире происходит около 80 тайфунов. По данным Министерства Китая по вопросам чрезвычайных ситуаций, в 2022 году только в Китае прямые экономические убытки из-за тайфунов достигли 5,42 млрд юаней. Чем раньше можно будет получать предупреждения о стихийных бедствиях, тем проще будет подготовиться к ним.

Благодаря своей скорости интеллектуальные устройства прогнозирования погоды стали популярными, однако им не хватало точности по двум причинам. Во-первых, имеющиеся метеорологические системы прогнозирования на основе искусственного интеллекта создавались на базе 2D нейронных сетей, которые не могут эффективно обрабатывать неравномерные 3D метеорологические данные. Во-вторых, среднесрочные прогнозы погоды могут пострадать от кумулятивных ошибок прогнозирования, когда система включается слишком часто.

Как Pangu Weather преодолевает эти вызовы?

Во время научных испытаний Pangu Weather продемонстрировала более высокую точность по сравнению с традиционными численными методами для прогнозирования сроком от 1 часа до 7 дней с увеличенной в 10 000 раз скоростью. Эта система может предсказать метеорологические явления за считанные секунды, в частности влажность, скорость ветра, температуру и давление на уровне моря.

Pangu Weather применяет архитектуру 3D Earth-Specific Transformer (3DEST) для обработки сложных неоднородных 3D метеорологических данных. Благодаря иерархической временной стратегии агрегации модель была обучена различным интервалам прогнозирования — 1-, 3-, 6- и 24-часовым. В результате значительно уменьшилось количество итераций для прогнозирования метеорологических явлений в конкретное время, а также количество ошибочных прогнозов.

Для прогнозирования в конкретные временные интервалы исследователи изучили 100 эпох (циклов), применив почасовые образцы погодных данных за 1979-2021 годы. Каждая из субмоделей требовала 16 дней обучения на 192 графических картах V100. Сейчас модель PanguWeather может обеспечить 24/7 прогнозирование погоды во всем мире всего за 1,4 секунды на графической карте V100, что в 10 000 раз лучше по сравнению с традиционными численными методами.

Объясняя, почему команда Huawei Cloud в сфере искусственного интеллекта решила сосредоточиться на прогнозах погоды, доктор Тянь Ци (Tian Qi), главный научный сотрудник Huawei Cloud в сфере искусственного интеллекта, член IEEE и преподаватель Международной Евразийской академии наук, отметил: "Прогноз погоды — один из важнейших сценариев в сфере научных вычислений, поскольку метеорологические прогнозы являются сверхсложной системой. Однако трудно охватывать все аспекты математических и физических знаний. Мы рады, что наше исследование было опубликовано в журнале Nature. Системы на основе искусственного интеллекта могут анализировать статистические закономерности атмосферной эволюции на базе больших данных. Сейчас PanguWeather завершает работу над системой прогнозов и в основном сконцентрирована на прогнозировании эволюции атмосферных явлений. Наша конечная цель — построить структуру прогнозирования погоды следующего поколения, применяя технологии на основе искусственного интеллекта для улучшения существующих систем прогнозирования".

Комментируя важность и качество исследования команды Huawei Cloud, научные рецензенты журнала Nature объяснили, что PanguWeather не только очень просто загрузить и начать пользоваться ею, она также очень быстро запускается с настольного компьютера. Это означает, что по желанию каждый член метеорологического общества может ею пользоваться. Это открывает значительные возможности для исследования того, насколько хорошо система прогнозирует конкретные явления, а также будет способствовать развитию отрасли. Кроме того, рецензенты добавили, что такие результаты, безусловно, являются прогрессом по сравнению с предыдущими показателями. Эта статья позволит представить, как будут выглядеть модели прогнозирования в будущем.

В мае 2023 года тайфун "Мавар" привлек внимание всего мира как самый мощный тропический циклон года. По данным Метеорологического управления Китая, PanguWeather точно предсказала траекторию движения "Мавара" за пять дней до того, как он изменил курс в восточных водах Тайваня.

Стабильная работа облачных сред, рабочие комплекты и соответствующие эксплуатация и техобслуживание важны для постоянного совершенствования ведущих моделей прогнозирования погоды на основе искусственного интеллекта.

О "Huawei Украина"

Huawei является ведущим мировым поставщиком инфраструктуры информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), а также интеллектуальных устройств. Создавая интегрированные решения в различных сферах (телекоммуникационные сети, ИТ, "умные" устройства, облачные сервисы, digital power), компания стремится открыть цифровой мир, в котором все является интеллектуальным и взаимосвязанным, для каждого человека, дома и организации. Компания вкладывает значительные средства в фундаментальные исследования, концентрируясь на технологических прорывах, которые продвигают мир вперед. В компании работают более 197 000 сотрудников в более чем 170 странах и регионах, которые обслуживают 3 миллиарда человек во всем мире.

Комплексный портфель продуктов, решений и услуг Huawei является конкурентоспособным и безопасным. Благодаря открытому сотрудничеству с партнерами из экосистем мы создаем долгосрочную ценность для наших клиентов, стремимся расширять возможности людей, обогащать личную жизнь и способствуем внедрению инноваций в организациях всех форм и размеров. Компания Huawei основана в 1987 году. Это частная компания, которая полностью принадлежит ее сотрудникам.

В Украине компания Huawei осуществляет свою деятельность с 2000 года. Стратегия социальной ответственности "Хуавей Украина" охватывает четыре направления: образование, здравоохранение, защита окружающей среды, развитие. В Украине компания начала социальное партнерство для безбарьерности в цифровом мире: создано первое украиноязычное мобильное приложение Digital Inclusion для коммуникации, развития речи и социализации людей, для которых вербальная коммуникация невозможна. В течение всего 2022 года компания вместе с партнерами проводила комплексные проекты по оказанию гуманитарной и технической поддержки по всей Украине и активно развивала экосистему в сфере образования.