DE69028296T2

DE69028296T2 - Feuerbekämpfungssystem geeignet für Waldüberwachung

Info

Publication number: DE69028296T2
Application number: DE69028296T
Authority: DE
Inventors: Giulio I-00143 Rome Brogi; Francesco I-00151 Rome Frau; Luca I-00186 Rome Pietranera
Original assignee: Selenia Industrie Elettroniche Associate SpA
Current assignee: Leonardo SpA
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: BR9007134A; ATE142039T1; WO1991009390A1; ES2094807T3; CA2047190A1; EP0458938A1; PT96268B; EP0458938B1; CA2047190C; TNSN90156A1; PT96268A; IT1237262B; DE69028296D1; IT8948686A0; GR3021588T3

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes System, das insbesondere hervorragend geeignet ist, um bewaldete Gebiete gegen Feuer zu schützen.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brandbekämpfungssystem, das vor allem für den Schutz von waldgebieten durch Abgabe eines Feueralarms geeignet ist und das eine periphere Erfassungsstation aufweist, umfassend
- einen Infrarotsender zur Erfassung einer vorbestimmten, überwachten Fläche, der den Strahlungsfluß mißt, welcher von einem kleinen Winkelsektor der Fläche kommt,
- Rotationsorgane, die den Infrarotsender tragen und diesem eine Azimutabtastung ermöglichen,
- eine lokale Recheneinheit, die von dem Infrarotsensor Daten aufnimmt und Daten mit einem lokalen Steuerzentrum austauscht, von dem sie Befehle empfängt, sowie
- ein Kommunikations - Subsystem in einer peripheren Station zur Datenübertragung auf das lokale Steuerzentrum, wobei das lokale Steuerzentrum aufweist:
- ein Kommunikations - Subsystem, das die von den in den peripheren Stationen untergebrachten Kommunikations - Subsystemen abgegebenen Daten empfängt und Befehle zur Steuerung der lokalen Recheneinheit abgibt,
- einen peripheren Speicher zur Aufnahme von Daten und
- eine zentrale Recheneinheit, welche die periphere Erfassungstation sowie den Austausch von Befehlen und Daten steuert, den gemeldeten Alarm auf einer topographischen Karte des Gebietes sichtbar macht, Daten in dem peripheren Speicher speichert, den Systemstatuts anzeigt und den gemeldeten Alarm mit den Daten einer historischen Datenbank integriert, welche Informationen über die Vegetationsverteilung der überwachten Fläche enthält.
In letzter Zeit hat das Problem von Bränden in Waldgebieten besorgniserregende Ausmaße genommen. Die Wälder von Argentario und Sardinien sind beredte Zeugen hierfür.
G. Jacovitti und R. Cusani beschreiben in ihrem Artikel "A real time image processor for automatic bright spot detection", 11. Kolloquium über die Signal- und Bildverarbeitung in Nizza vom 01. bis 05. Juni 1987, Seiten 587 bis 590, Techniken zur Bilderzeugung, die bei Infrarot-Fernsehbildern angewandt wurden, um Vegetationsfeuer festzustellen und zu lokalisieren. Dabei ist eine Peripherstation mit einigen Infrarot-Fernsehkameras ausgerüstet. Die Kameras können in der Azimutebene über einen Winkel von 180º geschwenkt werden. Die periphere Station ist über eine Mikrowellen-Funkverbindung und eine zweiseitig gerichtete UHF- Funkverbindung mit einer Steuerstation in Verbindung, in der sämtliche überwachungsoperationen durchgeführt werden. Damit sind wenigstens zwei Infrarotkameras erforderlich, um den Bereich von 360º abzutasten. Außerdem benötigt die zentrale Steuerstation einen sehr leistungsfähigen Hauptprozessor, um die Bildverarbeitung durchführen zu können.
In dem beschriebenen System sind keine Wettersensoren vorgesehen. Der Prozessor ist nicht in der Lage, den empfangenen Alarm mit den laufenden und den vergangenen Wetterdaten zu integrieren. Aus diesem Grunde besteht keine Möglichkeit, ein Ausbreitungsmodell für das Feuer mit Informationen über die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Richtung des Feuer zu errechnen.
Bekanntlich besteht der häufigste Nachteil bisher immer darin, daß die Feuerwehr aufgrund der Tatsache sehr spät eintrifft, daß niemals eine unmittelbare Feuererfassung und Alarmübermittlung durchgeführt wurde.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, das eine automatische Feuerüberwachung durchführt und ein Modell für die Feuerausbreitung errechnet. Der Einsatz von Infrarotsensoren und den Geräten, die das System insgesamt bilden, sind ein erheblicher Schritt vorwärts bei der Überwachung bewaldeter Gebiete, was bisher von Türmen und Personen visuell durchgeführt wurde.
Das System gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Recheneinheit der peripheren Erfassungstation außerdem Daten erhält von einer Einrichtung zum Sammeln von Daten über das jeweilige Wetter, die in der peripheren Erfassungsstation untergebracht ist, den Feueralarm auslöst und das Alarmsignal sowie die Wetterdaten über das Kommunikations - Subsystem an das lokale Steuerzentrum weiterleitet, und daß die zentrale Recheneinheit des lokalen Steuerzentrums außerdem den durch die periphere Erfassungsstation ausgelösten Alarm mit den augenblicklichen Wetterdaten und Daten der historischen Datenbank integriert, die Informationen über letzte Wetterbedingungen enthält, wodurch in Funktion dieser Integration ein Feuerausbreitungsmodell erzeugt wird, das auf den augenblicklichen Wetterdaten, der Vegetationsverteilung und den letzten Wetterbedingungen beruht, woraus sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Richtung des Feuers ergibt.
Das System gemäß der Erfindung besteht damit aus zwei Subsystemen, nämlich dem entfernt aufgestellten Detektor und dem lokalen Steuerzentrum. Mit dem lokalen Steuerzentrum können mehr als ein Detektor verbunden werden, etwa zwischen fünf und zehn Detektoren.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des gesamten Systems, in welchem die Pfeile die Verbindung zwischen den einzelnen Einheiten des Systems darstellen:
1 peripherer Detektor (im allgemeinen hat jedes System mehr als einen Detektor); dieser Block ist in Figur 2 im einzelnen dargestellt;
2 Kommunikations-Subsystem;
3 zentrale Recheneinheit;
4 Vorhersagemodell für die überwachte Feuerausbreitung;
5 historische Datenbank;
6 Fernsehmonitor;
7 Videorekorder;
8 Speichereinheit (Festplatte, Bandeinheit);
9 Drucker.
Figur 2 zeigt schematisch den peripheren Detektor, der in Figur 1 als Block 1 dargestellt ist. In diesem bedeuten:
10 Infrarotsensor;
11 Fernsehkamera;
12 Drehplattform;
13 lokale Recheneinheit;
14 Wettersensoren;
15 Kommunikations-Subsystem.
Im einzelnen besteht der entfernt aufgestellte Detektor aus einem Infrarotsensor 10, dessen Spektralempfindlichkeit so ausgelegt ist, daß sie ein optimales Aufspüren heißer Herde (300 bis 700ºC) gegenüber einem Umgebungstemperaturumfeld (0 bis 40ºC) ermöglicht. Bezüglich Funktion und Aufbau dieses Sensors wird auf die Erfindung verwiesen, die in Italien am 21.12.1989 unter der Nr. 48 685-A/89 (= WO-A-9109389 und EP-A- 458 925) hinterlegt wurde.
Eine Reihe von Wettersensoren 14 liefert Daten zu Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, Druck, Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Sonnenstrahlung und Regenmengen.
Eine Fernsehkamera 11 dient zur visuellen Aufzeichnung des überwachten Gebietes. Eine von einem Motor angetriebene Plattform 10 sorgt für eine Azimutabtastung durch den Infrarotsensor und die Fernsehkamera über 360º. Eine Recheneinheit 13 erhält Daten von dem Infrarotsensor und löst möglicherweise einen Alarm aus, empfängt Daten von den Wettersensoren und organisiert den Datenaustausch mit dem lokalen Steuerzentrum, von welchem sie alle Befehle empfängt. Die Datenverarbeitung des Infrarotsensors beruht auf dem folgenden Verfahren. Der Infrarotsensor mißt den Strahlungsfluß, der von einem schmalen Winkelbereich kommt, beispielsweise 1º x 1º; die vertikale Totalüberdeckung des Sensors liegt zwischen 15º und 20º und wird durch die Verwendung einer linearen Matrix von Fühlern erhalten. Es werden alle Daten berücksichtigt, die von einem Detektor kommen; im vorliegenden Fall, der als Beispiel dient, handelt es sich um 360 Datenpunkte, und zwar einen Datenpunkt für jeden überdeckten Azimutgrad. Die Zahl der Daten kann geringer sein, wenn das überwachte Gebiet nur ein Teil einer Winkeldrehung ist.
Die Recheneinheit ermittelt den Wert der Ableitung des Signals. Dadurch ist es möglich, die über einen langen Zeitraum wechselnden Wirkungen des Signals zu eliminieren, beispielsweise über einen Winkelbereich in der Größenordnung von 10º. Diese Änderungen beruhen typischerweise auf den Schwankungen des Winkels zwischen der Sichtlinie des Sensors und der Sonnenstellung.
Demgegenüber bleiben punktförmige Veränderungen unverändert, wenn sie gleich oder weniger als 10 betragen, da sie typische Signale für entstehende Feuer sind. Der Rechner ermittelt dabei die mittleren quadratischen Schwankungen des Signals, das der Ableitung für jede Gruppe von Daten entsprechend einer vertikalen Position unterworfen ist, die als Zeile bezeichnet werden soll. Dieser Wert ist proportional zu den Schwankungen des Hindergrundes derselben Zeile und wird durch Multiplikation mit einem geeigneten, konstanten Wert als Schwelle für die Ermittlung eventueller Signale angenommen.
-Auf der Grundlage des in dieser Weise ermittelten Schwellenwertes identifiziert der Rechner Zeile für Zeile alle Signale, die diesen Schwellenwert überschreiten. Die Winkelstellung des Signals wird dann mit der Winkelstellung der Signale verglichen, die durch die vorhergehenden Abtastungen erfaßt wurden. Dieses Verfahren ist erforderlich, um durch eine bestimmte Zahl von aufeinander folgenden Bestätigungen eine höhere Zuverlässigkeit für den Alarm zu erhalten.
Im Betriebszustand wird ein Alarm als wahr angenommen und damit an das lokale Steuerzentrum nur dann weitergeleitet, wenn er eine Bestätigungszahl erhalten hat, die größer oder gleich von zwei in vier aufeinanderfolgenden Abtastungen ist.
Es ist hervorzuheben, daß dieses Verfahren durch die periphere Erfassungsstation in ungefähr drei Minuten abgeschlossen werden kann, so daß die Ermittlungszeit für ein Feuer in Waldgebieten ganz erheblich reduziert wird.
Ein Kommunikationssystem 15, beispielsweise eine von dem Rechner ferngesteuerte Funkverbindung, sorgt für die digitale Übertragung der von dem Infrarotsensor festgestellten Alarme, der Wetterdaten und des Fernsehbildes zu dem örtlichen Steuerzentrum. In dem lokalen Steuerzentrum werden die übertragenen Daten an Einheiten weitergeleitet, die ihre Auswertung, Speicherung und Integration mit den Informationen besorgen, die in kartographischen, thematischen und historischen Archiven zur Verfügung stehen.
Das lokale Steuerzentrum besteht aus den f6lgenden Bausteinen:
Ein Fernsehmonitor 6 und ein Videospeicher 7 dienen für die Sichtbarmachung und die mögliche Aufzeichnung der Fernsehbilder, die von den entfernt aufgestellten Erfassungszentren kommen.
Eine oder mehrere Recheneinheiten haben die folgenden Funktionen:
A: Kontrolle und Steuerung der peripheren Stationen, Austausch von Befehlen und Daten.
B: Sichtbarmachung der Alarme, die von den peripheren Erfassungsstation festgestellt wurden, auf einer topographischen Karte des Gebietes mit Hilfe einer dreidimensionalen Projektion; Errechnung möglicher Überschneidungen zwischen den Alarmen, die von unterschiedlichen Peripherstationen kommen, um eine noch genauere Lokalisierung sicherzustellen.
C: Integration der Alarme mit den augenblicklichen Wetterdaten und mit den Datenbanken, die Informationen über die Vegetationsausdehnung, die meteorologischen Bedingungen der letzten Zeit und die Anwesenheit von Menschen in diesem Gebiet enthalten.
D: Im Anschluß an die Integration der Daten und in Funktion dieser Integration wird ein Modell für die Feuerausbreitung entwickelt, das nachfolgend näher erläutert wird und eines der wesentlichsten Punkte dieser Erfindung darstellt.
E: Speicherung der Daten auf einer Festplatte oder in peripheren Einheiten 8, beispielsweise Bandheiten oder Einheiten mit optischen Scheiben.
F: Anzeige des Zustandes des Systems mit eventuellen Alarmmeldungen auf einem Drucker 9.
Nachstehend wird kurz das Verfahren erläutert, das für die Vorhersage der Entwicklung eines beobachteten Feuers angewandt wird.
Die von dem Programm gelieferten Funktionen können sowohl während des Betriebs des Brandbekämpfungssystems (nachfolgend "On-line-Funktionen" genannt) oder getrennt (off-line) durchgeführt werden. Die hauptsächlichen Funktionen, die das Programm ausführt, sind die folgenden:
Digitalisierung der topographischen und thematischen Karten. Die sich aus dieser Digitalisierung ergebenden Daten stellen die unbedingt erforderliche Grundlage für die Sichtbarmachung der Alarme auf dem Monitor des Rechners und für die Ermittlung der Vorhersage-Algorithmen für die Ausbreitung des Feuers dar.
Periphere Steuerung: Diese Funktion wird vor allem off-line verwendet und überträgt die am Monitor angezeigten Graphiken auf Papier; dies ist die erforderliche Dokumentation für die Feuerwehr-Einsatzgruppen.
Errechnung der Sichtverhältnisse zwischen irgendeinem Punkt der Karte und den peripheren Erfassungsstationen. Diese Funktion wird hauptsächlich beim Aufbau des Systems durchgeführt und dient zur Wahl der besten Aussichtspunkte für die peripheren Erfassungsstationen.
Vorhersage der Ausbreitung des Feuers. Das Modell beruht auf der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes, der Geländeneigung und der Brennstoffart, so daß eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feuers in Funktion des absoluten Azimutwinkels gegen Norden ermittelt werden kann. Der hierbei angewandte Algorithmus benutzt die folgenden Parameter:
- Vfo mittlere Eigengeschwindigkeit der Feuerausbreitung;
- Vfc = Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feuers, abhängig vom Typ und von der Feuchtigkeit der brennenden Vegetation. Die Daten über die Vegetationsverbreitung werden jeweils aus dem Archiv (Datenbank) ausgelesen. Der Einfluß des Windes wird durch die folgenden Parameter quantifiziert, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit beeinflussen:
- Ci = Zuwachskonstante der größeren Sauerstoffaufnahme aufgrund des Windes. Sie ist unabhängig vom Winkel zur Windrichtung, hängt jedoch von der Windstärke ab.
- Ct = Transportkonstante der Feuerfront, abhängig von dem Winkel zwischen der Ausbreitungslinie und der Windrichtung.
Das Programm liefert am Ausgang eine graphische Darstellung, die der digitalisierten topographischen Karte überlagert wird und die die nachfolgenden Positionen der Feuersfront in vorbestimmten Zeitintervallen zeigt.
Anschließend wird die Betriebsweise des Systems anhand der beiden Figuren erläutert.
Die Daten, die von dem Infrarotsensor 10 erfaßt werden, werden in der peripheren Erfassungsstation (Figur 2) aufgenommen und von der lokalen Recheneinheit 13 ausgewertet. Eine Aufgabe der Recheneinheit besteht auch darin, die rotierende Plattform 12 zu steuern, auf welcher der Infrarotsensor und die Fernsehkamera installiert sind. Die Recheneinheit überträgt nach Abfrage der Wetterstation 14 über das Kommunikationssystem 15 die Positionen eventueller Alarme sowie die meteorologischen Daten. Die Fernsehkamera überträgt die Bilder über dasselbe Kommunikationssystem direkt auf das lokale Steuerzentrum.
Die von den peripheren Erfassungsstationen 1 kommenden Daten werden in dem Kommunikationssubsystem 2 sortiert. Die Videosignale TV werden auf dem Monitor 6 wiedergegeben und können auch aufgezeichnet werden (7). Die Daten des Infrarotsensors bezüglich der Position möglicher Alarme werden an die Recheneinheit 3 weitergegeben, welche sie auf den topographischen Karten plaziert. Das Modellprogramm 4 entwickelt eine Vorhersage der Brandausbreitung in den Stunden, die auf die Entdeckung folgen, und bedient sich hierbei der historischen, meteorologischen, vegetativen und anderer Daten der Datenbank 5. Die bei der letzten Abtastung erfaßten Wetterdaten. werden in die Datenbank eingespeichert.
Alle Alarme werden auf dem Monitor des Systems, einem Drucker 9 und gegebenenfalls einem Massenspeicher 8 festgehalten.

Claims

1. Brandbekämpfungssystem, insbesondere für den Schutz von Waldgebieten durch Abgabe eines Feueralarms, mit einer peripheren Erfassungsstation (1), umfassend

- einen Infrarotsender (10) zur Erfassung einer vorbestimmten, überwachten Fläche, der den Strahlungsfluß mißt, welcher von einem kleinen Winkelsektor der Fläche kommt,

- Rotationsorgane (12), die den Infrarotsender (10) tragen und diesem eine Azimutabtastung ermöglichen,

- eine lokale Recheneinheit (13), die von dem Infrarotsensor (10) Daten aufnimmt und Daten mit einem lokalen Steuerzentrum austauscht, von dem sie Befehle empfängt,

- ein Kommunikations - Subsystem (15) in einer peripheren Station zur Datenübertragung auf das lokale Steuerzentrum, wobei das lokale Steuerzentrum aufweist:

- ein Kommunikations - Subsystem (2), das die von den in den peripheren Stationen (15) untergebrachten Kommunikations - Subsystemen abgegebenen Daten empfängt und Befehle zur Steuerung der lokalen Recheneinheit (13) abgibt,

- einen peripheren Speicher (8) zur Aufnahme von Daten,

- eine zentrale Recheneinheit (3), welche die periphere 1erfassungstation (1) sowie den Austausch von Befehlen und Daten steuert, den gemeldeten Alarm auf einer topographischen Karte des Gebietes sichtbar macht, Daten in dem peripheren Speicher (8) speichert, den Systemstatuts anzeigt und den gemeldeten Alarm mit den Daten einer historischen Datenbank (5) integriert, welche Informationen über die Vegetationsverteilung der überwachten Fläche enthält, dadurch gekennzeichnet,

daß die lokale Recheneinheit (13) der peripheren Erfassungstation (1) außerdem Daten erhält von einer Einrichtung (14) zum Sammeln von Daten über das jeweilige Wetter, die in der peripheren Erfassungsstation (1) untergebracht ist, den Feueralarm auslöst und das Alarmsignal sowie die Wetterdaten über das Kommunikations - Subsystem (15, 2) an das lokale Steuerzentrum weiterleitet,

und daß die zentrale Recheneinheit (3) des lokalen Steuerzentrums außerdem den durch die periphere Erfassungsstation (1) ausgelösten Alarm mit den augenblicklichen Wetterdaten und Daten der historischen Datenbank (5) integriert, die Informationen über letzte Wetterbedingungen enthält, wodurch in Funktion dieser Integration ein Feuerausbreitungsmodell erzeugt wird, das auf den augenblicklichen Wetterdaten, der Vegetationsverteilung und den letzten Wetterbedingungen beruht, woraus sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Richtung des Feuers ergibt.

2. Brandbekämpfungssytem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Sammeln von Daten über das jeweilige Wetter eine Gruppe von Wettersensoren (14) hat, die Daten über die Temperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, den Druck, die Windgeschwindigkeit und Windrichtung, die Sonneneinstrahlung und die Regenrate bereitstellt.

3. Brandbekämpfunssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die historische Datenbank (5) Informationen über den Bodenverlauf und den Aufenthalt von Menschen in dem überwachten Gebiet enthält, welche zur Berechnung des Feuerausbreitungsmodells und zur Anzeige der besonders zu schützenden Fläche verwendet werden.

4. Brandbekämpfungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dab die periphere Erfassungsstation (1) ferner eine Fernsehkamera (11) zur möglichen visuellen Aufnahme des überwachten Gebietes hat, die auf den Rotationsorganen (12) angebracht ist, und daß das lokale Steuerzentrum einen Femsehmonitor (6) zur Wiedergabe der Bilder, die von der Fernsehkamera (11) der peripheren Erfassungsstation (1) aufgenommen und über das Kommunikations-Subsystem (15, 2) übertragen worden sind, sowie einen Videorecorder (7) zur Aufnahme der Bilder aufweist.

5. Brandbekämpfungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Steuerzentrum einen Drucker (9) aufweist, auf welchem die von der zentralen Recheneinheit (3) erzeugten Alarmsignale ausgedruckt werden.

6. Brandbekämpfungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotsensor (10) eine solche Empfindlichkeit hat, daß eine optimale Feststellung heißer Quellen im Bereich zwischen 300 und 700ºC gegen eine Umgebungstemperatur zwischen 0 und 40ºC erfolgt.

7. Brandbekämpfungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsorgane aus einer rotierenden Plattform (12) bestehen, welche von der lokalen Recheneinheit (13) der peripheren Erfassungsstation (1) gesteuert wird und eine Azimutabtastung über 360º an den Infrarotsensor (10) und gegebenenfalls die Fernsehkamera (11) weiterleitet.

8. Brandbekämpfungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet&sub1; daß das von dem Infrarotsensor (10) abgegebene Signal die. lokale Recheneinheit (13) erreicht, welche die Größe der Ableitung des Signals errechnet und den mittleren Quadratwert der Schwankungsbreite des Signals extrahiert, das für jede einer vertikalen Position entsprechenden Datengruppe einer Ableitung unterworfen ist, diesen mittleren Quadratwert mit einer Konstante multipliziert und den Schwellenwert für die Erfassung eines möglichen Alarmsignals liefert.

9. Brandbekämpfungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Steuerzentrum eine Vielzahl peripherer Erfassungsstationen (1) steuert.

10. Brandbekämpfungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Recheneinheit (3) die Alarmsignale aufnimmt, die von den verschiedenen peripheren Erfassungsstationen (1) kommen, und mögliche Überschneidungen zwischen diesen Alarmsignalen errechnet, um eine nochmals genauere Lokalisierung des Feuers sicherzustellen.