Präzisere Löscheinsätze aus der Luft durch Simulation und Sensordaten

Source: Fraunhofer-GesellschaftImmer stärker wütende Waldbrände, zunehmende Wasserknappheit, Klimawandel und CO2-Emissionen werden zur Herausforderung für Einsatzkräfte bei der modernen Waldbrandbekämpfung aus der Luft. Benötigt werden neue Technologien, die schnelleres Löschen, geringeren Wasserverbrauch, effizientere Hubschraubereinsätze und mehr Sicherheit für das Einsatzpersonal ermöglichen. Im Rahmen des Projekts Forest Shield entwickeln Forschende des Fraunhofer ITWM in Kooperation mit CAURUS Technologies eine datengetriebene Entscheidungsunterstützung, die Brandbekämpfung aus der Luft präziser und sicherer macht. Das innovative System kombiniert die mobile Sensorplattform von CAURUS Technologies mit einem Vorhersagesystem und der Simulationssoftware MESHFREE des Fraunhofer ITWM. Löschmittelabwürfe werden in Echtzeit vorhergesagt und optimiert, um die Effizienz zu erhöhen. So entsteht ein lernendes System, das Einsatzkräften das Planen, Durchführen und Auswerten erleichtert. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt BMFTR fördert das Vorhaben im Rahmen der Innovationscommunity FFFLab, kurz für ForestFireFighting TransferLaboratory.
Dynamische Unterstützung im laufenden Einsatz
Bei Wasserabwürfen aus der Luft hängt der Einsatzerfolg häufig von der Erfahrung der Hubschrauberbesatzung ab. Viele Faktoren wie Wind oder die Beschaffenheit des Waldes beeinflussen, wie wirksam ein Abwurf ist. »Die Einsatzkräfte sitzen meistens allein im Hubschrauber. Sie müssen sich auf das Fliegen konzentrieren und zeitgleich wählen, wo sie das Wasser über dem brennenden Wald am besten abwerfen – eine schwierige Aufgabe bei intensiver Rauchentwicklung«, beschreibt Dominik Loroch, Wissenschaftler am Fraunhofer ITWM, die Herausforderung. Bei einer relativ niedrigen Flughöhe von 15 bis 40 Metern öffnen die Einsatzkräfte den Boden des Löschmittelbehälters. Winde und Thermik beeinflussen die Verteilung des Löschmittels am Boden. Hinzu kommt, dass zwischen den Abwürfen wertvolle Zeit vergeht, bis der Wasserbehälter erneut befüllt ist. Aktuelle Studien zeigen, dass kleinste Veränderungen im Abwurfmoment wie Flughöhe und Zeitpunkt die Löschwirkung um mehr als 20 Prozent verbessern können. Sofortiges Feedback ist deswegen sehr wertvoll. Dennoch konzentriert sich der Stand der Technik bislang auf Vorab-Simulationen optimaler Löschkampagnen – nicht auf die dynamische Unterstützung im laufenden Einsatz vor Ort. »Hier kommt der Mehrwert unseres Systems zum Tragen, es gibt Hubschrauberbesatzungen mehr Sicherheit, da aus größerer Höhe gezielter und situationsabhängig getroffen werden kann«, so Loroch.
Sensordaten und Simulation intelligent verknüpft
Die Sensorplattform von CAURUS Technologies wird oberhalb des Löschwasserbehälters befestigt und liefert mithilfe von HD- und Infrarot-Kameras sowie Lagesensoren Echtzeitdaten über das Brandgeschehen. Die Daten können georeferenziert, d.h. auf einer Karte verortet werden, und somit ein ganzheitliches Bild über das Brandgeschehen geben. Zusätzlich sollen die Sensordaten nun im Forest-Shield-Projekt dazu verwendet werden, Echtzeitvorhersagen zu Löschmittelabwürfen zu geben. Dadurch können die Einsatzleitungen genau sehen, wieviel der einzelne Abwurf bringt.
Damit aber die Vorhersagesysteme für den komplexen Wassereinsatz aus der Luft richtig und schneller trainiert werden können, sind viele Datensätze notwendig. Und genau hier kommt die Simulationssoftware MESHFREE ins Spiel: Die Sensor- und Bilddaten der CAURUS-Sensorplattform erlauben es, einen digitalen Zwilling vom Abwurfort zu erstellen und mit Simulationsmodellen Löschwasserabwürfe präzise nachzustellen und zu analysieren. Die Software MESHFREE erstellt physikalisch korrekte Simulationen, indem klimatische Einflüsse wie Wind und Waldstruktur in die Planung einbezogen werden. Der Mehrwert ergibt sich aus der Möglichkeit, Abwurfbedingungen und weitere Parameter im Nachhinein zu verändern und alternative Szenarien durchzuspielen. Dadurch können deutlich mehr Informationen aus jedem Einsatz gewonnen werden, was direkt zur Verbesserung der Vorhersagemodelle im Feld beiträgt.
»Das echtzeitfähige Vorhersagesystem basiert auf den Simulationsdaten, die unsere Software MESHFREE liefert. MESHFREE simuliert den Weg der Wassertröpfchen vom Abwurfbehälter bis zum Brand am Boden inklusive aller Umweltfaktoren«, erläutert Dr. Isabel Michel, ebenfalls Wissenschaftlerin am Fraunhofer ITWM. Machine-Learning-Surrogatmodelle – also vereinfachte Modelle, die komplexe Simulationen näherungsweise und deutlich schneller abbilden – lernen aus Simulationsdaten und erfassen die komplexe Abwurfdynamik statistisch. Im Einsatz liefern sie schnelle Vorhersagen direkt vor Ort. Anschließend fließen die aufgezeichneten realen Abwurfdaten zurück in das Simulationssystem und verbessern die Vorhersagemodelle kontinuierlich, sodass ein Cloud-Edge-System entsteht, das kontinuierlich dazulernt und seine Vorhersagen mit jedem neuen Einsatz weiter verbessert.
Luftgestützte Brandbekämpfung der nächsten Generation
Die neue Technologie erfasst also nicht nur die Brandsituation, sondern schlägt zudem den besten Abwurfzeitpunkt vor, bewertet die reale Wirksamkeit und gibt dem Einsatzpersonal ein sofortiges Feedback. »Mit der CAURUS-Sensorplattform vermessen wir die Realität, mit der physikalischen Simulation schaffen wir eine digitale Version des Abwurfszenarios – einen digitalen Zwilling«, so Loroch.
Das Ergebnis des Projekts wird ein System sein, welches Sensordaten, Simulation und Echtzeitvorhersagen kombiniert und die Abwurfeffizienz für Einsatzkräfte anschaulich darstellt. Einen ersten Demonstrator haben die Projektpartner bereits im Juni dieses Jahres auf der INTERSCHUTZ 2026, der internationalen Leitmesse für u.a. Feuerwehren und Katastrophenschutz, in Hannover präsentiert. Bis zum Projektende im Juli 2027 wird der Demonstrator fertiggestellt und dann zusammen mit der Feuerwehr in Testflügen erprobt.
Die Vision für die Zukunft ist eine Plattform, mit deren Hilfe man Brandbekämpfungseinsätze besser planen und durchführen kann. Zum Beispiel kann die Brandausbreitung vorhergesagt und damit die Planung der Löschmittelverteilung angepasst werden. Eingeschlossene Personen und Fahrzeuge können geortet und der Einsatzleitung angezeigt werden. Auch Fragen des Naturschutzes können adressiert werden, indem schützenswerte Zonen besonders berücksichtigt werden.

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