••• 4 ••• Wasserabwurf bei Waldbränden optimieren Präzisere Luftlösch-Einsätze durch Simulation und Künstliche Intelligenz Großflächige Waldbrände werden infolge des Klimawandels zunehmend auch für Deutschland zum Problem. Die Brandbekämpfung erfolgt sowohl am Boden als auch aus der Luft und erfordert eine enge Koordination aller Maßnahmen und Beteiligten – nicht nur, um Sachschäden zu begrenzen, sondern auch, um Menschenleben zu retten. Bei Wasserabwürfen aus der Luft hängt der Einsatzerfolg bislang häufig von der Erfahrung Piloten ab. Faktoren wie Wind oder die Beschaffenheit des Waldes beeinflussen maßgeblich die Wirksamkeit eines Abwurfs. Gleichzeitig zählt jeder Einsatz: Zwischen den Abwürfen vergeht wertvolle Zeit, bis der Wasserbehälter erneut befüllt ist. Aktuelle Studien zeigen, dass zeitnahe Luftbilddaten und Analysen zur Unterstützung der Einsatzkräfte die Löschwirkung um mehr als 20 Prozent verbessern. Dennoch konzentriert sich der Stand der Technik bislang vor allem auf Vorab-Simulationen optimaler Löschkampagnen – nicht auf die dynamische Unterstützung im laufenden Einsatz vor Ort. Ein lernendes System für präzisere Brandbekämpfung aus der Luft Ziel ist es, Abwürfe nicht nur zu analysieren, sondern aktiv zu unterstützen, sodass jeder Abwurf seine volle Wirksamkeit entfalten kann. Das Ergebnis des Projekts ist ein Demonstrator, der Sensordaten, Simulation und Echtzeitvorhersagen in einem System kombiniert und die Abwurfeffizienz anschaulich darstellt. Die Besonderheit des Projekts liegt in der Kopplung eines kompakten und schnellen Echtzeitvorhersagesystems mit mächtiger, aber rechenaufwändiger Simulation. Relativ kleine Machine Learning Surrogatmodelle – also vereinfachte Modelle, die komplexe Simulationen näherungsweise und deutlich schneller abbilden – lernen aus Simulationsdaten und erfassen die komplexe Abwurfdynamik statistisch. Simulation und Sensordaten intelligent verknüpfen Die Abwurfdynamik ist komplex, da viele Faktoren wie die Hubschraubergeschwindigkeit, Abwurfbehälteröffnung, Wind und Flammentemperatur Einfluss auf die Löschwirkung des Wassers haben. Diese komplexe Dynamik lässt sich mittels der Simulationssoftware MESHFREE abbilden: Die Software simuliert den Weg der Wassertröpfchen vom Abwurfbehälter bis zum Brand am Boden inklusive aller Umweltfaktoren. Die Grundlage für die Modellierung in der Simulation sind Daten, die von der Sensorplattform geliefert werden. So entsteht ein Digitaler Zwilling, d.h. eine virtuelle Kopie der Realität. Sensorik als Datenbasis: Die Plattform von CAURUS Technologies Die Datengrundlage für „Forest Shield“ bildet die von vom Fraunhofer ITWM Projektpartner CAURUS Technologies entwickelte Sensorplattform. Sie wird während des Flugs eingesetzt und erfasst georeferenzierte Bilddaten im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Ein wesentlicher Vorteil besteht im einfachen Einsatz: Die Plattform wird lediglich zusammen mit dem Abwurfbehälter an den Hubschrauber gehängt, weitere Installationen sind nicht erforderlich. Sie ist so konzipiert, dass sie sich flexibel in unterschiedliche Trägersysteme integrieren lässt und ohne zusätzliche Besatzung betrieben werden kann. Sie liefert hochwertige Daten direkt aus dem Einsatzgeschehen, die eine notwendige Grundlage für die Modellierung und Auswertung schaffen. Simulation mit MESHFREE Ein zentraler Baustein von „Forest Shield“ ist zudem die Simulationssoftware MESHFREE, die das Fraunhofer ITWM im Projekt gezielt anwendet. Mit wirf das Verhalten von Löschmitteln unter realen Einsatzbedingungen physikalisch fundiert virtuell abgebildet. Im Gegensatz zu klassischen Verfahren arbeitet MESHFREE ohne festes Rechengitter und nutzt stattdessen Punktwolken, die sich dynamisch an die jeweiligen Strömungsprozesse anpassen. Dadurch lassen sich auch komplexe Wechselwirkungen, etwa zwischen Tropfen, Luftströmung und Umgebungseinflüssen, effizient und präzise simulieren. Die langjährige Erfahrung mit dieser Technologie, beispielsweise im Wassermanagement von Fahrzeugen, ermöglicht es, die Methode auf die Vegetationsbrandbekämpfung zu übertragen und für diesen neuen Anwendungsfall einzusetzen. Einsatzunterstützung durch Machine Learning im Feld Auf Basis der gewonnenen Sensor- und Simulationsdaten werden Machine Learning Modelle für den Einsatz im Feld entwickelt. Die kompakten Modelle lernen die Abwurfdynamik statistisch und ermöglichen schnelle Vorhersagen zur Wirksamkeit von Löschmittelabwürfen. Besonders wichtig ist die EchtzeitAnwendung: Einsatzkräfte erhalten direkt im Feld Rückmeldungen zu Abwürfen und können ihre Entscheidungen darauf stützen. Damit wirf über bestehende Ansätze hinaus gegangen, die häufig auf nachgelagerte Analysen oder vorberechnete Szenarien beschränkt sind. Durch die enge Verzahnung von Simulation und Machine Learning entsteht ein Cloud-Edge-System, das kontinuierlich dazulernt und seine Vorhersagen mit jeder neuen Datengrundlage weiter verbessert. Perspektive: Zusammenführung aller Interessenslagen bei der Brandbekämpfung „Forest Shield“ ist Teil der „Forest Fire Fighting Transfer Laboratory“ (FFFLab) Innovationscommunity, welche den Anspruch hat, alle beteiligten Parteien über die Feuerwehr hinaus zusammenzubringen, wie z.B. Forstämter und Naturschutzbünde. Hier laufen viele verschiedene Interessenslagen zusammen, sodass Brandbekämpfung als umfassendes Thema verstanden wird, welche diverse Ziele verfolgt. Diese Sicht spiegelt sich auch in dem Fraunhofer ITWM Projekt wider. Das Softwaresystem ist ein erster Schritt in Richtung eines Digitalen Zwillings, der viele Aspekte der Brandbekämpfung umfasst. So sollen in Zukunft alle Teile des Einsatzortes abgebildet werden, z.B. Fahrzeuge und Personen, um die Sicherheit von Einsatzpersonal sowie von betroffenen Personen zu verbessern, oder auch Baumbestände, um besonders brandgefährdete oder schützenswerte Zonen zu identifizieren. Das Ziel ist ein langfristig lernendes System, das sich kontinuierlich an neue Einsatzbedingungen anpasst. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in eine langfristige Roadmap einfließen, mit der zusätzliche Funktionen in der Community erschlossen und die datenbasierte Einsatzunterstützung zum Wohle aller Beteiligten kontinuierlich ausgebaut werden können. Auf der INTERSCHUTZ zu finden im Wildfire Camp auf dem Freigelände (Stand D90 / 32) Der Demonstrator zeigt, wie Sensordaten und Simulationen kombiniert werden, um Löschmittelabwürfe zu bewerten Foto: CAURUS Technologies Wasserabwürfe aus der Luft werden datenbasiert analysiert und bewertet Foto: CAURUS Technologies Fortsetzung von Seite 1 Innovationen
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