Новые технологии использования дронов улучшают мониторинг лесных пожаров

Фото: Исследователь Чжаодань Конг и его команда разрабатывают гибридный БПЛА, который может приземляться и взлетать вертикально, как винтокрылый аппарат, но также обладает качествами самолета, который может часами летать на больших высотах.

Сеть технологических инструментов может раньше обнаруживать лесные пожары

Обычно основным индикатором растущего лесного пожара в Калифорнии является шлейф туманного серого дыма, поднимающийся в воздух, видимый спутниками или камерами. Калифорнийский департамент лесного хозяйства и противопожарной защиты (CalFire) получает предупреждение, после чего принимаются меры по смягчению последствий и сдерживанию.

Но Чжаодань Конг , профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Дэвисе, считает, что жизнь по идее «где дым, там и огонь» приводит пожарных к проблеме слишком поздно, после того, как она уже распространилась. и его трудно сдержать.

«Сейчас это работает так: вы видите огонь, а затем реагируете», — сказал Конг. «Это очень пассивно, очень реактивно».

Вместо этого Конг, чьи исследования в области искусственного интеллекта и автономности включают в себя беспилотные летательные аппараты или БПЛА, считает, что интегрированная система технологий для обнаружения пожаров до того, как они достигнут точки дымления, может изменить правила игры, потенциально предотвращая широкомасштабный ущерб от лесных пожаров.

Датчики и чувствительность

Обнаружение начнется на земле с помощью подключенных к Интернету датчиков, размещенных в стратегических местах, где произошли или могут произойти лесные пожары (места размещения определяются CalFire). Эти датчики размером с ладонь, разработанные Энтони Векслером , выдающимся профессором кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и директором Исследовательского центра качества воздуха Калифорнийского университета в Дэвисе , измеряют температуру, влажность и скорость ветра, чтобы определить, какие районы могут подвергаться более высокому риску возникновения лесного пожара.

«Факторы, которые вызывают высокий риск возникновения лесных пожаров, — это высокая температура, низкая влажность и высокая скорость ветра», — сказал Векслер, который работал над этими датчиками почти десять лет. «Температура и влажность относительно однородны на больших географических территориях, но скорость ветра в Калифорнии резко меняется от места к месту из-за топографии».

Как только тройная угроза — сверхсухая почва, высокая температура и сильный ветер — будет обнаружена, БПЛА будут отправлены с полезной нагрузкой камер и химических датчиков для проверки территории на предмет дальнейших признаков пожара, включая повышенное содержание твердых частиц и диоксида углерода в воздухе, а затем сообщать о любых результатах в CalFire. 

«Химическое зондирование более чувствительно, чем визуальное», — сказал Векслер. «Если вы гуляете по району и чувствуете, что кто-то жжет дрова в камине, то вы определяете это по запаху, так как камина не видите».

Для разведывательных миссий лаборатория Конга строит винтокрылые машины, оснащенные навигационными системами, датчиками и камерами. Хотя одним из преимуществ использования винтокрылых аппаратов является то, что они могут приземляться и взлетать где угодно, одной из основных проблем является малая максимальная продолжительность полета – около 30 минут. Чтобы решить эту проблему, лаборатория Конга разрабатывает гибридный самолет, который может приземляться и взлетать вертикально, как винтокрылый летательный аппарат, но обладает качествами самолета, который может часами летать на больших высотах.

Пожары

Хотя многие пожарные службы используют дроны для сбрасывания воды и антипиренов на горящие пожары, они могут колебаться, соглашаясь на использование БПЛА в качестве инструмента обнаружения пожара. Камеры, спутники и пилотируемые самолеты уже имеют решающее значение для отслеживания распространения лесных пожаров и определения направления и скорости, с которой они могут распространяться. Зачем добавлять БПЛА?

По словам Конга и Векслера, в нынешней системе обнаружения есть пробелы, которые необходимо заполнить. 1000 камер, установленных на башнях по всему штату и управляемых AlertCalifornia, могут видеть огонь только тогда, когда он находится в их поле зрения. Кроме того, алгоритмы НАСА по обнаружению пожаров сканируют спутники на высоте более 500 миль над Землей, что затрудняет определение точного местоположения и размера пожара.

К тому времени, когда эти визуальные датчики улавливают пожар и информация передается в соответствующие органы, он, скорее всего, распространится до такой степени, что его будет трудно сдержать. Пилотируемый самолет все равно должен пролететь над огнем и оценить ситуацию, прежде чем принять меры. 

По словам Конга, если БПЛА будут использоваться для полетов над лесными пожарами, пожарным не придется подвергать свою жизнь опасности в этом качестве. Если дрон настигнет дым лесного пожара и он врежется в дерево или гору, это всего лишь часть технологии, а не человеческая жизнь.

«Некоторые из лесных пожаров происходят в очень сложных условиях местности, например в глубоких долинах рек. Приходится направлять туда самолет, а это может быть довольно опасно», — сказал Конг. «Мы надеемся продемонстрировать, что использование БПЛА может значительно повысить безопасность».

После того, как дым (в основном) рассеялся

Использование БПЛА для обнаружения пожаров может значительно улучшить здоровье пожарных и людей в пострадавших районах.  Многочисленные медицинские исследования связывают дым лесных пожаров, который содержит твердые частицы, летучие органические соединения, окись углерода и другие вредные химические вещества, с неблагоприятными последствиями для здоровья, включая снижение функции легких, воспаления и сердечно-сосудистые проблемы у пожарных. Это также связано со снижением веса при рождении и преждевременными родами, увеличением обращений в отделения неотложной помощи по поводу пневмонии и острого бронхита, а также с более высоким риском смерти от COVID-19 и сердечно-сосудистых заболеваний в сообществах, где распространен дым от лесных пожаров.

Экстремальные лесные пожары также могут нанести огромный ущерб. В документе 2020 года, анализирующем экономические последствия лесных пожаров в Калифорнии в 2018 году, которые, как сообщается, были «самыми смертоносными и одними из самых разрушительных за любой год в истории Калифорнии на тот момент», было обнаружено, что ущерб составил 148,5 миллиардов долларов, включая разрушенные 22 582 постройки, вызванные 8 527 пожарами, которые В том году сожжено 1,9 миллиона акров.

Лесные пожары также являются частью обратной связи по потеплению климата. Изменения окружающей среды, такие как усиление засухи, повышение температуры и снижение влажности, являются питательной средой для большего количества пожаров, которые длятся дольше и становятся более интенсивными. Эти пожары создают выбросы парниковых газов и загрязнение воздуха, способствуя изменению климата, и цикл начинается заново.

Работать лучше вместе

Конг, Векслер и другие исследователи знают, что ущерб, нанесенный лесными пожарами, невозможно исправить, а лесные пожары невозможно полностью предотвратить. Но зная, что нам приходится жить с лесными пожарами, создание этой сети раннего обнаружения могло бы раньше предупредить CalFire и другие пожарные агентства о пожарах, чтобы они могли начать меры по сдерживанию до того, как пожары выйдут из-под контроля, что, мы надеемся, уменьшит вызванный ими ущерб и количество смертей.

Два исследователя вместе с Цзявэй Чжаном , доцентом кафедры компьютерных наук Калифорнийского университета в Дэвисе, и Авестой Сасан , доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники, недавно предложили свои идеи по раннему обнаружению лесных пожаров Национальному научному фонду и Калифорнии. Климатические инвестиции для финансирования.

«Мы собираемся использовать сеть наземных датчиков для прогнозирования высокого риска, а затем БПЛА для патрулирования района в поисках огня, а затем мы собираемся предупредить власти и вылететь», — сказал Конг. «Это должны быть спутники, сторожевые вышки, БПЛА, пилотируемые самолеты, наземные датчики — все механизмы, работающие вместе, чтобы иметь систему прогнозирования и обнаружения лесных пожаров».