Краткий промежуточный отчет за 2021 г.
по теме ГФ 2021-2023 ИРН АР09260155
«Разработать метод прогноза снежных лавин в Иле Алатау с использованием методов искусственного интеллекта»
Научный руководитель: академик НАН РК, д.г.н., проф.Медеу А.Р.
Целью проекта является разработка метода автоматизированного прогноза лавинной опасности разного уровня для горных районов Иле Алатау.
Актуальность темы определяется необходимостью качественных прогнозов лавинной опасности для обеспечения безопасности населения и туристов, находящихся в горных районах г. Алматы.
Задачами на этот период являлись:
- Перевод в электронный формат архивных данных об условиях лавинообразования и лавинах.
- Сбор данных о текущих снежно-метеорологических условиях и сходе лавин.
- Обучение компьютерной программы искусственного интеллекта распознаванию лавиноопасных ситуаций различного уровня.
Поставленные задачи выполнены полностью.
В ходе выполнения работ в 2021 г. получены следующие результаты.
1 Собраны архивные данные о погоде, снежном покрове и лавинах за 20 лет.
Данные о погоде и снежном покрове включали в себя суточные значения температуры воздуха, осадков, снегопадов и высоты снежного покрова на метеостанциях Шымбулак (2200 м), БАО (2516 м), Мынжылкы (3017 м), Туйыксу (3440 м), а также данные о водном эквиваленте снега, приросте высоты свежего снега и коэффициенте устойчивости снежного покрова на СЛС Шымбулак (2200 м) и БАО (2500 м) за период с 2000 по 2021 годы. Общий объем массива снежно-метеорологических данных составил более 20 тыс. записей.
Данные о лавинах включали в себя дату и место схода лавин, причину, тип и объем лавин, причиненный ущерб. Всего собраны сведения более чем о 4 тыс. лавин в 55 лавиносборах в бассейнах рек Киши и Улкен Алматы за период с 1978 по 2021 годы, зафиксированных на СЛС Шымбулак и БАО.
2 Создана обучающая выборка данных о погоде, снежном покрове и лавинах за 20 лет в виде электронных таблиц.
Из архивных данных создана обучающая выборка сведений о погодных условиях и уровнях лавинной опасности в виде электронных таблиц. Выборка предназначена для обучения компьютерной программы искусственного интеллекта распознаванию уровней лавинной опасности по международной пятибалльной шкале. Выборка содержит около 10 тыс. записей.
3 Собраны ежедневные данные о текущих снежно-метеорологических условиях (температура воздуха, осадки, снегопады, высота снежного покрова) и сходе лавин (дата и место схода, объем и тип лавины) за зимний период 2021 года.
Данные о погоде, снежном покрове и лавинах получены со снеголавинных станций и постов Казгидромета: «Турбаза Алматау» (1870 м), «Шымбулак» (2200 м), «Большое Алматинское озеро» (2516 м), «Жосалы Кезень» (3333 м). Они дополнялись метеорологическими данными с метеостанций Мынжылкы и Туйыксу.
С периодичностью 1 раз в 7 дней на репрезентативных площадках проводилось исследование стратиграфии снежной толщи с выявлением слоев ослабленного снега и выполнением тестов на устойчивость.
Всего сделано около 1200 записей о снежно-метеорологических условиях около 200 записей о лавинах.
4 Выполнено обучение компьютерной программы искусственного интеллекта распознаванию лавиноопасных ситуаций разного уровня в Иле Алатау.
Эксперимент по машинному обучению программ искусственного интеллекта показал, что ИИ способен распознавать текущую лавиноопасную ситуацию с точностью 70-90 %. Наибольшая ошибка распознавания отмечалась при использовании нейросимулятора Ясницкого и Черепанова при короткой обучающей выборке (бассейн Улкен Алматы за 2002-2021 гг.). Лучшие результаты показал нейросимулятор компании StatSoft при использовании длинной обучающей выборки (бассейн Киши Алматы за 1978-2019 гг.).
5 Сверх плана выполнен экспериментальный выпуск Лавинного Бюллетеня в лавиноопасный период для бассейнов рек Киши и Улкен Алматы.
В бюллетене приводился анализ снежно-метеорологических условий и лавинной активности за предшествующие 7 дней, и давалась оценка текущего уровня лавинной опасности с картой лавиноопасных участков. Затем на основе прогноза температуры воздуха и осадков давался прогноз изменения уровня лавинной опасности на последующие 7 дней. Бюллетень публиковался на сайте Института географии и водной безопасности и в социальной сети Телеграм-канал, а также передавался в ДЧС г. Алматы, Казселезащиту, Казгидромет и в Федерацию альпинизма и скалолазания.
Оценка уровня лавинной опасности выполнялась экспертами ИГиВБ, участвующими в данном проекте. Она сравнивалась с оценкой, полученной искусственным интеллектом с применением нейросимулятора Ясницкого и Черепанова. Точность оценки текущего УЛО искусственным интеллектом ИИ составила 71 %, а точность оценки УЛО лавинными экспертами – 81 %.
7 Собраны ежедневные данные о текущих снежно-метеорологических условиях и сходе лавин за период с 1 по 15 ноября 2021 года.
Снежно-метеорологические данные собраны за период с 1 по 15 ноября 20221 г. по трем пунктам наблюдений в бассейнах рек Киши и Улкен Алматы: Шымбулак (2200 м), Большое Алматинское озеро (2516 м) и Мынжылкы (3010 м). Данные о температуре и влажности воздуха, направлении и скорости ветра, облачности собирались через каждые 3 часа, данные об осадках и высоте снежного покрова – через 12 часов. Данные о лавинах собирались во время полевых маршрутов, в которых на местности определялись место и время схода лавины, причины схода и объем лавины. При этом оценивался также уровень лавинной опасности.
Состав исследовательской группы
(Scopus Author ID, Researcher ID, ORCID, если имеются) и ссылками на соответствующие профили
| № п/п | Ф.И.О., степень/ученая степень, ученое звание | Основное место работы, должность | Роль в проекте | ID | |
| 1 | Медеу А.Р. доктор географических наук, академик НАН РК |
АО «Институт географии и водной безопасности»,
председатель правления. |
Руководитель проекта | Scopus author ID:57195068722 | |
| 2 | Благовещенский В.П., доктор географических наук | АО «Институт географии и водной безопасности»,
главный научный сотрудник |
Ответственный исполнитель | Scopus ID:55807973400
https://orcid.org/0000-0002-8032-283X eLibrary (РИНЦ) SPIN-код 275472
|
|
| 3 | Ранова С.У. кандидат географических наук. |
АО «Институт географии и водной безопасности», руководитель лаборатории природных опасностей. | Руководитель раздела | Scopus author ID: 57200988502 | |
| 4 | Гуляева Т.С., кандидат географических наук. | АО «Институт географии и водной безопасности»,
ведущий научный сотрудник. |
Руководитель раздела | https://orcid.org/0000-0001-9262-7991 | |
| 5 | Жданов В.В., кандидат технических наук | АО «Институт географии и водной безопасности», старший научный сотрудник. | Руководитель раздела | Scopus ID: 57195073468
https://orcid.org/000-0001-7678-1374 eLibrary (РИНЦ) SPIN-код 9204-7369
|
|
| 6 | Алдаберген У.Р., молодой ученый |
АО «Институт географии и водной безопасности», младший научный сотрудник | Обработка
данных, полевые работы. |
https://orcid.org/0000-0002-9400-607X | |
| 7 | Камалбекова А.Н.,
Молодой ученый |
АО «Институт географии и водной безопасности», младший научный сотрудник | Обработка
данных, полевые работы. |
https://orcid.org/0000-0003-3283-0319 |
Работы будут продолжаться в течение всего зимнего периода 2021/22 годов.
7 Опубликована 1 статья в рецензируемом отечественном издании, рекомендованном КОКСОН.
А.Р. Медеу, В.П. Благовещенский, В.В. Жданов. Инновационные технологии оценки и прогноза уровня лавинной опасности в горах Иле Алатау / Вестник КазНУ, Серия географическая. № 2 (61), 2021. С. 76-87. https://doi.org/10.26577/JGEM.2021.v61.i2.07\
Сверх плана сданы в печать 1 статья в зарубежном рецешзируемом научном журнале, индексируемом в РИНЦ, и 1 монография.
Благовещенский В.П., Жданов В.В. Лавинный риск в Казахстане при различных уровнях лавинной опасности // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2021. Т. 3. Вып. 2.
Жданов В.В. Основы лавинной безопасности. – Адматы, 2021. – 198 с.
В 2022-2023 годах будет продолжен сбор данных о текущих снежно-метеорологических условиях и сходе лавин для тестирования компьютерной программы ИНС.
В 2022 году будет разработан метод оценки текущего и прогнозного уровней лавинной опасности на основе искусственного интеллекта.
В 2023 году будет выполнено тестирование этого метода и создана концепция региональной автоматизированной системы прогноза лавинной опасности в Иле Алатау.