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現(xiàn)在可以提前兩周準(zhǔn)確預(yù)測地球?qū)α鲗樱ㄎ覀兇髿鈱拥淖畹退剑┲械某粞跛?，這比目前只能提前三天準(zhǔn)確預(yù)測臭氧水平的系統(tǒng)有了顯著改進(jìn)。

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休斯頓大學(xué)空氣質(zhì)量預(yù)測和建模實驗室開發(fā)的新人工智能（AI）系統(tǒng)可以改進(jìn)控制高臭氧問題的方法，甚至有助于解決氣候變化問題。

“這是非常具有挑戰(zhàn)性的。以前沒有人這樣做過。我相信我們是第一個嘗試提前兩周預(yù)測地表臭氧水平的人。” UH自然科學(xué)學(xué)院大氣化學(xué)和人工智能深度學(xué)習(xí)教授 Yunsoo Choi（崔）說。其研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)期刊《科學(xué)報告-自然》線上版。

臭氧是一種無色氣體，在正確的位置和數(shù)量上有幫助。作為地球平流層（“臭氧層”）的一部分，它通過過濾來自太陽的紫外線輻射來保護(hù)人類。但是當(dāng)?shù)厍虮砻娓浇某粞鯘舛群芨邥r，它對人類肺和心臟是有毒的。

“臭氧是一種二次污染物，它會對人類產(chǎn)生不良影響，”博士生Alqamah Sayeed解釋說，他是Choi實驗室的研究員，也是該研究論文的第一作者。接觸會導(dǎo)致喉嚨刺激、呼吸困難、哮喘，甚至呼吸道損傷。有些人特別容易受到影響，包括非常年輕的人、老年人和慢性病患者。

臭氧水平已成為每日天氣報告的常見部分。但與可以合理準(zhǔn)確地提前 14 天進(jìn)行的天氣預(yù)報不同，臭氧水平只能提前兩三天進(jìn)行預(yù)測——直到全新突破。

預(yù)測方面的巨大改進(jìn)只是這項新研究故事的一部分。另一個是團(tuán)隊如何做到這一點。傳統(tǒng)預(yù)測使用數(shù)值模型，這意味著研究是基于大氣中氣體和流體運動的方程。

對于崔和他的團(tuán)隊來說，這些限制是顯而易見的。數(shù)值過程很慢，獲得結(jié)果的成本很高，而且精度有限?！霸谇叭旌?，數(shù)值模型的準(zhǔn)確性開始下降，” Choi 說。

研究團(tuán)隊在開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法時使用了獨特的損失函數(shù)。損失函數(shù)通過將決策映射到相關(guān)成本來幫助優(yōu)化 AI 模型。在這個項目中，研究人員使用一致性指數(shù)（稱為 IOA）作為 AI 模型相對于傳統(tǒng)損失函數(shù)的損失函數(shù)。IOA 是對預(yù)期與實際結(jié)果之間差距的數(shù)學(xué)比較。

換句話說，隨著團(tuán)隊成員逐漸完善程序的反應(yīng)，他們將歷史臭氧數(shù)據(jù)添加到試驗中。數(shù)值模型和作為損失函數(shù)的 IOA 的結(jié)合最終使 AI 算法能夠通過識別之前在類似情況下發(fā)生的事情來準(zhǔn)確預(yù)測現(xiàn)實生活中臭氧條件的結(jié)果。這很像人類記憶的建立方式。

“想像一個小男孩，他看到桌上的一杯熱茶，出于好奇而試圖去觸摸它。當(dāng)孩子觸摸杯子的那一刻，他意識到它是熱的，不應(yīng)該直接觸摸。通過那次經(jīng)歷，孩子已經(jīng)訓(xùn)練了他的思想?！辟惲x德說?！皬囊粋€非?；镜囊饬x上講，它與 AI 相同。你提供輸入，計算機(jī)給你輸出。經(jīng)過多次重復(fù)和修正，這個過程隨著時間的推移不斷完善，AI 程序開始‘知道’如何應(yīng)對之前已經(jīng)出現(xiàn)過的情況。在基本層面上，人工智能的發(fā)展方式與孩子學(xué)會了不要急于搶下一杯熱茶的方式相同?！?/section>

在實驗室中，該團(tuán)隊使用了四到五年的臭氧數(shù)據(jù)，Sayeed 將其描述為“一個不斷發(fā)展的過程”，教人工智能系統(tǒng)識別臭氧條件并估計預(yù)測，隨著時間的推移變得越來越好。

“將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于空氣質(zhì)量和天氣預(yù)報就像在尋找圣杯，如同在電影中一樣。”動作情節(jié)的忠實粉絲崔說?！霸趯嶒炇依?，我們經(jīng)歷了幾年的艱難時期。有一個過程。最后，我們抓住了圣杯。這個系統(tǒng)有效。人工智能模型‘理解’如何預(yù)測。盡管工作了多年，不知何故，即使在今天，它仍然讓我感到驚訝?！?/section>

在實驗室的成功可以帶來現(xiàn)實世界的服務(wù)之前，許多商業(yè)步驟在世界可以從這一發(fā)現(xiàn)中受益之前先行一步。

“如果你知道未來——在這種情況下空氣質(zhì)量——你可以為社區(qū)做很多事情。對這個星球來說可能非常關(guān)鍵。誰知道？也許我們可以找出解決氣候變化問題的方法。未來可能會超越天氣預(yù)報和臭氧預(yù)測。這有助于確保地球安全。”崔說。

對于任何好的動作故事來說，這聽起來都是一個圓滿的結(jié)局。

來源 | Ai時代前沿

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