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  • Ben Jones

Praktischer Test eines Waldbrand-Frühwarnsystems

Aktualisiert: Aug 3, 2023

Der folgende Artikel ist die Übersetzung eines Artikels, der zuerst in der AFZ-DerWald (Ausgabe 11/2023) erschienen ist. Die deutsche Version des Artikels finden Sie hier abgerufen werden. Die Bildrechte liegen bei Prof. Dr. Axel Göttlein.


Dieser Artikel befasst sich mit dem Praxistest unseres Silvanet Waldbrand-Ultra-Frühwarnsystems das fortschrittliche Sensortechnologie einsetzt, um Waldbrände in ihrem frühesten Stadium zu erkennen. Durch die Kombination von Gassensoren, die in der Lage sind, wechselnde Gaszusammensetzungen zu erkennen, und künstlicher Intelligenz bietet Silvanet die Möglichkeit der präventiven Überwachung und der Überwachung nach dem Löschen.


Der Artikel beleuchtet ein kontrolliertes Brennexperiment, das in einem repräsentativen Kiefernwald in Nürnberg, Bayern, durchgeführt wurde, und beschreibt die Installation eines Netzwerks von Sensoren, die über eine drahtlose Infrastruktur kommunizieren. Das System ist mit der Website cloud platform verbunden und ermöglicht die Konsolidierung, Überwachung und Analyse von Daten in Echtzeit. In diesem speziellen Test erweitert eine automatisierte Drohne mit Wärmebildtechnik die Möglichkeiten des Systems.


Der Artikel behandelt die Aktivierung der Sensoren während des Experiments, den Einfluss von Windrichtung und -geschwindigkeit auf die Erkennung und die erfolgreiche Reaktion der Feuerwehren. Abschließend werden die Praxistauglichkeit des Systems, sein Potenzial für die Überwachung von Hochrisikogebieten und die Bedeutung der Früherkennung für die Eindämmung von Waldbränden hervorgehoben.


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Praktischer Test eines Waldbrand-Frühwarnsystems


Je früher ein Waldbrand erkannt wird, desto besser sind die Chancen, ihn auf ein begrenztes Gebiet einzudämmen und zu verhindern, dass er unkontrollierbar wird. Moderne Sensortechnik bietet zusammen mit einer umfassenden drahtlosen Verbindungsinfrastruktur für die Sensoreinheiten die Möglichkeit, Rauchentwicklung sowohl präventiv als auch in bereits gelöschten Gebieten zu erkennen und direkt an die Kommandozentrale zu melden.


Mit den zunehmenden sommerlichen Trockenperioden als Folge des Klimawandels steigt auch die Gefahr von Waldbränden. In Bayern sind der Alpenraum und die mittelfränkischen Kiefernwälder in dieser Hinsicht besonders gefährdet [1]. Um ein für die Kiefernwälder in der Region Nürnberg repräsentatives Testgebiet zu schaffen, wurde ein kontrollierter Brandversuch durchgeführt.


Das Experiment


Die Bayerischen Staatsforsten, insbesondere die Forstbezirke Nürnberg und Allersberg, ermittelten zunächst 14 potenziell geeignete Gebiete für den Versuch. Nach Überlagerung dieser Gebiete mit öffentlich zugänglichen Daten über Wasserschutzgebiete, Lebensraumkartierungen usw. wurden fünf Gebiete in die engere Wahl gezogen.


Nach einer Bewertung durch die Forstverwaltung und die örtliche Naturschutzbehörde wurde ein 70 Jahre alter Kiefernbestand mit begrenzter Naturverjüngung und ohne nennenswerte Flechtenvorkommen als Versuchsfläche ausgewählt. Der Bestand befindet sich auf trockenen Sanden der mittleren Keuperformation im Brunnauer Wald nahe der Gemeinde Allersberg.


Die vorgesehene Brandfläche von 30 m x 30 m war von einem etwa 1 m breiten Frässtreifen umgeben, um eine Barriere gegen die unterirdische Ausbreitung des Feuers zu schaffen. Am Vorabend des Versuchs wurden der gefräste Streifen und ein angrenzender, bis zu 10 m breiter Sicherheitsstreifen gründlich bewässert (Abb. 1).

Grafik zur Positionierung der Sensoren
Abb. 1: Versuchsaufbau mit Sensorpositionierung; rot: Brandfläche 30 m x 30 m, orange: gefräster Streifen; blau: bewässerter Sicherheitsstreifen, 10 m; Luftbild DOP20 (© Bayerische Vermessungsverwaltung 2018); Mitte oben: durchschnittliche Windrichtung während des Brandes; Bild oben rechts: die verwendeten Brandsensoren (aus [2]).

Zur Bewässerung des Sicherheitsstreifens und zum Löschen des Feuers wurden von den beteiligten Feuerwehren zwei Speicher mit einem Fassungsvermögen von je 4.000 Litern entlang der Forststraße aufgestellt. Diese Behälter wurden mit Hilfe von Tankwagen und Miststreuern mit Wasser befüllt. Aus diesen Behältern wurde der Löscheinsatz mit Wasser versorgt. Wir bedanken uns bei Brandoberinspektor Egbert Petz für die hervorragende Organisation des Löscheinsatzes und bei den 50 freiwilligen Helfern der beteiligten Feuerwehren und den beteiligten Landwirten für ihre Unterstützung.


"Das Brandmeldefrühwarnsystem hat seine Praxistauglichkeit bewiesen." - Axel Göttlein.

Das Frühwarnsystem


Es wurde ein Netz von Gassensoren installiert, die mehrere Rauchgase (Wasserstoff, Kohlenmonoxid und flüchtige Kohlenstoffverbindungen) aufspüren und durch eingebaute künstliche Intelligenz (KI) zuverlässig Waldbrände erkennen können [2]. Durch ihr Design und den energieautarken, batterielosen Betrieb mit integrierten Solarzellen können sie einfach, zuverlässig und unauffällig im Wald eingesetzt werden.


Sie kommunizieren über eine solarbetriebene Mesh-Netzwerk-Infrastruktur (LoRa) und verbinden sich schließlich über 4G/LTE oder Satellitenkommunikation mit dem Portal der Behörde für öffentliche Sicherheit und Ordnung (BOS) (BOS: Behörden und Einrichtungen mit Sicherheitsaufgaben, in diesem Fall die Feuerwehr). Das BOS-Portal für die Feuerwehr dient der Konsolidierung, Überwachung und Analyse der vom Sensornetzwerk bereitgestellten Daten. Zusätzliche Informationen wie Lagepläne, Weginformationen, Hydranten, lokale Wetterstationen oder Kameras sind ebenfalls auf dem BOS-Portal verfügbar. Sie ermöglichen es den Einsatzkräften, sich optimal vorzubereiten und schnell und koordiniert Maßnahmen zur Brandbekämpfung einzuleiten.


Um eine frühzeitige und umfassende Beurteilung der Einsatzlage zu ermöglichen, wurde das Frühwarnsystem um eine automatisierte Drohne erweitert, die im Regelbetrieb auf einer Feuerwache oder Leitstelle stationiert werden kann. Die Drohne wird mit der GPS-Position des auslösenden Sensors versorgt und fliegt selbstständig zu dem vorgesehenen Ort. Der Flug kann von einer Leitstelle der Feuerwehr initiiert und überwacht werden. Die Bilder der optischen und thermischen Kameras der Drohne werden in Echtzeit an die Leitstelle übermittelt. In Zukunft können weitere Sensoren wie Bodenfeuchte- oder Baumwachstumsmessung problemlos in das Frühwarnnetz integriert werden. Derzeit müssen diese wertvollen Daten noch manuell erfasst werden.


Das Ergebnis


Schnelle Übersicht
  • Mit zunehmender Sommertrockenheit steigt auch die Gefahr von Waldbränden.

  • Mit einem kontrollierten Abbrandversuch wurde eine Testfläche geschaffen, die repräsentativ für die Kiefernwälder im Nürnberger Raum ist.

  • Vier Minuten nach dem Auslösen des Feuers lösten die Sensoren einen Voralarm aus.

  • Das Brandmeldefrühwarnsystem hat sich als praktisch erwiesen.

Bereits vier Minuten nach der Brandentstehung gaben die Sensoren Nr. 9 (direkt am Brandort) und Nr. 3 (östlich des Brandortes) einen Voralarm und drei Minuten später einen Brandalarm ab. Kurz darauf meldeten auch weiter entfernte Sensoren das Auftreten des Brandes (siehe Zeitleiste in Abb. 2).

Zeitplan des Experiments
Abb. 2: Zeitleiste des Experiments mit Angabe der Zeitpunkte, zu denen die einzelnen Sensoren einen Voralarm oder Alarm ausgelöst haben.

Die mit einer Wärmebildkamera ausgestattete Drohne wurde aktiviert und flog nach Erhalt des Feueralarms automatisch von ihrer stationierten Position zum Brandort. Schon beim Anflug erkannte die Drohne anhand der Wärmestrahlung, dass es sich nicht um einen Fehlalarm, sondern um einen echten Brand handelte (Abb. 3).


Während des kontrollierten Brandes wehte der Wind aus einem Bereich zwischen 270 und 360 Grad, mit einem Durchschnitt von 319 Grad, was genau der nordwestlichen Richtung entspricht. Die Windgeschwindigkeit im Freien lag zwischen 3,3 und 5,9 m/s, mit einem Durchschnitt von 4,5 m/s. Diese Daten stammen von der nächstgelegenen Wetterstation des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in Roth (Stationsnummer 4280, 10-Minuten-Werte von https://opendata.dwd.de), die etwa 7,5 km südwestlich des Versuchsgeländes liegt. Die Reihenfolge der Aktivierung der Feuersensoren lässt sich durch die Windrichtung und ihre Position relativ zum Brandort erklären. Nach den Sensoren Nr. 9 und Nr. 3, die sich in der Nähe des Brandortes befanden, meldeten die Sensoren Nr. 5, 7 und 6 (in einem Abstand von weniger als 33 m vom Brandort) und der Sensor Nr. 4, der sich in östlicher Richtung innerhalb der Rauchfahne befand (56 m vom Brandort), das Brandereignis mit einer Verzögerung von 15 bis 25 Minuten.

Kamerabilder einer Drohne
Abb. 3: Schnappschuss des Drohnen-Statusbildschirms mit Infrarotbild, regulärem Bild (kleines Overlay in der rechten oberen Ecke des Infrarotbildes), Flugbahn der Drohne (rechtes Bild) und einigen Statusanzeigen.

Der letzte Sensor, der aktiviert wurde, war Sensor Nr. 1, der 29 m nördlich des Brandherdes angebracht war, mit einer Verzögerung von etwa einer Stunde. Der Sensor Nr. 8, der sich 40 m windabwärts befindet, und der Sensor Nr. 2, der 74 m nördlich platziert ist, haben das Brandereignis jedoch nicht erkannt. Obwohl die anwesenden Feuerwehren das Feuer weitgehend löschten und bei ihrer Abreise kein Rauch mehr aus dem Boden aufstieg, meldete Sensor Nr. 5 am nächsten Tag erneut Rauch (Abb. 2). Zu diesem Zeitpunkt kam der Wind aus unterschiedlichen Richtungen mit einer mittleren Außenwindgeschwindigkeit von 2,7 m/s, die von West bis Nordost reichte. Dies erklärt, warum der Sensor Nr. 5, der sich südlich des Brandortes befand, die Rauchentwicklung feststellte und nicht der Sensor Nr. 9, der direkt am Brandort installiert war. Daraufhin rückten die Feuerwehren aus Allersberg und Lampersdorf mit acht Einsatzkräften aus, um das verbliebene reaktivierte Schwelbrandnest zu löschen.


Ausblick


Das Brandmeldefrühwarnsystem hat seine Praxistauglichkeit bewiesen. Eine flächendeckende Überwachung riesiger brandgefährdeter Gebiete wie des gesamten Nürnberger Reichswaldes ist aus finanzieller und logistischer Sicht kaum machbar und sinnvoll. Wenn man jedoch bedenkt, dass die meisten Brände durch menschliche Aktivitäten verursacht werden [1], wäre es eine Überlegung wert, stark von Besuchern frequentierte Gebiete für die Überwachung mit diesem System zu priorisieren. Darüber hinaus hat das kontrollierte Feuerexperiment gezeigt, dass trotz intensiver und sorgfältiger Löscharbeiten schwelende Nester zurückbleiben und noch Tage später eine neue Gefahr darstellen können. Daher kann das Frühwarnsystem bei gelöschten Bränden seine Fähigkeiten voll ausschöpfen und das Gebiet über einen längeren Zeitraum detailliert überwachen. Dies reduziert den Personal- und Zeitaufwand für die Überwachung eines Brandortes erheblich und entlastet so die ehrenamtlichen Einsatzkräfte. Im Falle eines Wiederaufflammens einzelner Glutnester kann durch die Kenntnis der auslösenden Sensoren insbesondere bei größeren Brandstellen eine präzise Einsatzplanung erreicht werden.

Feuerwehraktion
Abb. 4: Brandbekämpfungsmaßnahmen

Referenzen


[1] ZIMMERMANN, L., HOLZAPFEL, K. (2022): Ent-wicklung der Waldbrandgefahr in Bayern. LWB-aktuell. 2/2022, 4-8.


Mitwirkende

  • Prof. Dr. Axel Göttlein leitet den Lehrstuhl für Waldernährung und Wasserhaushalt an der Technischen Universität München in Freising/Weihenstephan.

  • Roman Laniewski arbeitet im Rahmen des vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten geförderten Projekts "Notfallmischung" an der Universität, an der das Experiment durchgeführt wurde.

  • Carsten Brinkschulte ist Geschäftsführer der Dryad Networks GmbH, der Firma, die das Brandmeldesystem entwickelt hat.

  • Heiko Schwichtenberg ist Mitarbeiter der Bosch Sicherheitssysteme GmbH, die die Integration der Brandsensoren in die Brandmelde-Infrastruktur und den Drohnenflug organisiert hat.


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