تاریخ آخرین ویرایش : دوشنبه،5-8-1399
تعداد بازدید :189

مهار سریع آتش با پهپاد تشخیص حریق

جنگل ها در حفظ تعادل طبیعت نقش مهمی‌ایفا می‌کنند. آنها آب را تصفیه می‌کنند، موجب ثبات خاک می‌شوند، مواد مغذی را به چرخه در می‌آورند، اقلیم را معتدل می‌کنند و ذخیره گاه کربن هستند. حدود سه چهارم سطح زمین پوشیده از جنگل است و دو سوم گونه های خشکی زی دنیا در مناطق جنگلی زندگی می‌کنند. جنگل ها زیستگاه های حیات وحش و منبع تنوع زیستی در سیاره ما هستند. متأسفانه سالانه آتش سوزی های جنگلی میلیون ها هکتار از جنگل ها را نابود می‌کنند و صدها میلیون دلار هزینه می‌شود تا این شعله های مهیب خاموش شوند. با این که حیات وحش خودش به ایجاد جنگل های تازه کمک می‌کند، نمی‌توان مطمئن شد که آتش سوزی های کنترل نشده به نقاطی که سیستم اکولوژیکی جنگل ها به آنها وابسته است منتشر نمی‌شوند یا به مناطق مسکونی انسان ها نمی‌رسند.
بنابراین تشخیص زودهنگام و مهار آتش سوزی جنگل‌ها در به حداقل رساندن ویرانی اجتناب ناپذیر است. تکنیک‌های سنجش از راه دور به یکی از رایج ترین ابزار برای بررسی وضعیت ایمنی جنگل‌ها
‌و مدیریت آنها تبدیل شده است. پیشرفت‌های سریع در زمینه‌های‌ الکترونیک، علوم رایانه و فناوری های دوربین دیجیتال ظهور سیستم های‌‌ حسگر از راه دور مجهز به بینایی رایانه‌ای را امکان پذیر کرده‌اند.
‌در حال حاضر سه رویکرد سنجش از راه دور رایج برای پایش و ردیابی آتش سوزی‌های جنگلی وجود دارند: سیستم‌های ‌زمینی، سیستم‌های هوایی با سرنشین و سیستم‌های ماهواره‌ای. اما هر کدام از این رویکردها مشکلات کاربردی و فنی مربوط به خودشان را دارند. برای مثال، تجهیزات سنجش زمینی مساحت محدودی را پوشش می‌دهند و سیستم های هوایی با سرنشین هم بزرگ و پرهزینه هستند، علاوه بر این که ممکن است زندگی خلبان در طول عملیات به خطر بیافتد.
وسیله ای که بر همه این سیستم ها برتری دارد، «پهپاد تشخیص حریق» است. پهپادهای تشخیص حریق، «وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین» یا به اختصار «UAV» مجهز به سیستم پویش از راه دور با بینایی رایانه ای هستند و یک انتخاب
واقع‌گرایانه، سریع و کم هزینه برای نظارت بر آتش سوزی در جنگل‌ها،
‌تشخیص زودهنگام و مقابله با آن به شمار می‌روند. با کمک این پهپادها می‌توان کار اطفاء حریق را برای مدت طولانی، به طور منظم و یکنواخت و به طور مکرر انجام داد، کاری که از توانایی نیروهای انسانی خارج است.
پایش بی درنگ و به موقع آتش سوزی همیشه یک مشکل اساسی در حفاظت از جنگل ها، به ویژه جنگل های بزرگ بوده است، چون اقدام همراه با تأخیر خسارات زیادی به اقتصاد کشورها وارد آورده است. بنابراین، تشخیص زودهنگام آتش و نجات زود هنگام جنگل هدف اصلی در جلوگیری از آتش سوزی های جنگلی و مهار آنها بوده است. پهپادهای تشخیص حریق که به آنها «روبات های هوایی» نیز می‌گویند به خوبی از عهده این مهم بر می‌آیند. این پرنده های UAVمتشکل از سیستم هدایت خودکار داخلی برای کنترل خودران هستند و عملکرد آنها توسط کنترلگرهای خارجی توسط ایستگاه های از راه دور کنترل می‌شود.
پهپادها یا UAVانواع مختلفی دارند؛ آنها بر اساس حالت پرواز به انواع هواپیمای بدون سرنشین با بال ثابت، پهپادهای چرخانه دار، کشتی هوایی بدون سرنشین و غیره تقسیم بندی می‌شوند. از لحاظ ویژگی های طراحی و طبقه بندی وظایف نیز دارای انواعی مانند پهپادهای تاکتیکی، پهپادهای بدون سرنشین مینیاتوری و پهپادهای جیبی هستند. با توجه به این که پهپادهای مینیاتوری مزایایی مانند هزینه پایین، اندازه کوچک، وزن کم، قابلیت مانور بالا و فرود آسان و بدون محدودیت دارند و می‌توانند خود را با شرایط محیطی نامساعد و بی ثبات سازگار کنند، موضوع اصلی پژوهش های روباتیک هوایی فعلی و گزینه شماره یک در کاربردهای عملی هستند. به همین خاطر است که پهپادهای مینیاتوری در عملیات تشخیص آتش سوزی های جنگلی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
پهپادهای تشخیص حریق به طور کلی عملکردهای پایش (پیدا کردن محل آتش سوزی)، شناسایی (فعال کردن هشدار جهت آگاه کردن اپراتورها)، تشخیص (تعیین محل دقیق آتش، گستره و پیشروی آن) و پیش بینی (پیش بینی تغییر رویه آتش در آینده بر اساس وضعیت باد و شرایط مقابله با آتش در زمان بی درنگ) را انجام می‌دهند. این عملکردها یا با یک پهپاد اجرا می‌شوند یا با کمک تیمی‌از پهپادها که در این صورت مجموعه ای از حسگرها هستند وارد عمل می‌شوند. یک ایستگاه زمینی مرکزی هم هدایت آنها را در کنترل دارد. اهداف کلی استفاده از پهپادها شامل ردیابی محل آتش سوزی، پیش بینی سیر تحول آن و تهیه اطلاعات در زمان
بی‌درنگ برای آتش نشان‌های انسانی یا به منظور مقابله با آتش سوزی توسط خود پهپادها است.
علی رغم این که در دهه های اخیر پیشرفت های قابل توجهی در حوزه فناوری های آتش نشانی به دست آمده اند، پژوهش های کمی‌در زمینه استفاده از پهپادها در ردیابی آتش سوزی های جنگلی و مهار آنها انجام شده اند. نخستین کاربرد پهپادها برای جمع آوری اطلاعات از آتش سوزی در جنگل به سال ۱۹۶۱ برمی‌گردد. در سال ۱۹۹۶ از پهپادی به نام «فایِر بِرد ۲۰۰۱» برای تصویربرداری از آتش سوزی جنگلی در شهرستان میزولا در ایالت مونتانا استفاده شد. این پهپاد مجهز به یک دوربین و یک سیستم تصویربرداری نصب شده روی آن بود. مدتی بعد، در سال ۲۰۰۶، دو پهپاد «آلتایر» و «ایخانا» (Predator-B)ساخت ناسا، توانایی های خود را در مأموریت های تصویربرداری از آتش سوزی جنگلی در زمانی نزدیک به زمان بی درنگ از خود نشان دادند.
در پروژه ای به نام «فایِر» که در ایالات متحده انجام شد، تشخیص آتش سوزی در جنگل توسط یک پهپاد آزمایش شد تا کارایی پهپادها برای جمع آوری اطلاعات در زمان بی درنگ ارزیابی شود. در این پروژه از یک پهپاد قدرتمند که دارای حسگرهای پیچیده‌ای ‌بود استفاده شد. نتیجه این بود که پهپاد توانست در عرض ۱۵ دقیقه جمع آوری اطلاعات کلی، دوری سنجی، پردازش داده‌های زمین شناختی و تحویل کلیه اطلاعات را انجام دهد. در اروپا نیز پروژه‌ای
‌با به کارگیری گروهی از پهپادهای ارزان قیمت که دوربین‌هایچشمیو مادون قرمز روی آنها نصب شده بودند اجرا شد. آزمایش‌هایی جهت نظارت، شناسایی، نقطه یابی، تأیید و سنجش آتش سوزی‌های جنگلی با این پهپادها انجام شدند. آنها در واقع نقش حسگرهای محلی را داشتند که از نقاطی در بعد مسافتی کوتاه تصویر و داده تهیه می‌کردند.
در سال ۲۰۱۱ دو پهپاد مجهز به دوربین های چشمی‌و مادون قرمز به پرواز درآمدند تا توانایی آنها در شناسایی و نقطه یابی دو آتش سوزی واقعی در جنگل های هلند محک زده شود. در سال های بعد پهپادهای تشخیص حریق در جنگل ها پیشرفته تر شدند.
برای مثال در سال ۲۰۱۸ یک سیستم پایش آتش سوزی جنگلی در زمان بی درنگ با استفاده از پهپاد توسط مهندسین دانشگاه پلی تکنیک سِمارانگ اندونزی راه اندازی شد. پهپاد آنها مجهز به پنج حسگر، یک ریزپردازشگر و یک «اتوپایلوت متن باز» به نام «(Ardu Pilot Mega (APM»برای کنترلگر پرواز است. نخستین حسگر این پهپاد، حسگر دما برای اندازه گیری دمای منطقه جنگلی مورد تهدید بود. چهار حسگر دیگر نیز درون APMبه کار گذاشته شدند. علاوه بر این ها یک بارومتر، یک GPS، یک IMUو یک حسگر قطب نما نیز روی این پهپاد نصب شدند. پهپاد از GPSو قطب نما برای پرواز و مسیریابی و از بارومتر برای فشار هوا که معیاری برای حفظ ارتفاع آن است استفاده می‌کند. قطعه IMUنیز متشکل از یک حسگر شتاب سنج و یک حسگر ژیروسکوپ جهت اندازه گیری و حفظ جهت در هوا است. داده هایی که از حسگر دما و GPSبه دست می‌آیند با کمک ریز پردازشگر Raspberry Pi سه پردازش می‌شوند. در نهایت نتایجی که از پردازش داده ها به دست می‌آیند به سرور ارسال می‌شوند تا به صورت آنلاین و بی درنگ روی وب سایت سیستم اطلاع رسانی آتش سوزی های جنگلی منتشر شوند. این پهپاد پیشرفته می‌تواند با سرعت ثابت ۵ متر در ثانیه پرواز کند و دمای سطح زمین را در ارتفاع ۲۰ متری تشخیص دهد.

مأموریت پهپادها در مقابله با آتش
مأموریت هایی که پهپادهای مقابله کننده با آتش در جنگل انجام می‌دهند به طور کلی در سه مرحله جست و جوی حریق، تأیید وجود حریق و مشاهده حریق انجام می‌شوند. در مرحله جست‌و‌جوی‌ حریق، ایستگاه کنترل زمینی مأموریت را با توجه به ویژگی های منطقه در معرض آتش و توانایی های هر کدام از پهپادها بین آنها تقسیم می‌کند. توانایی هر پهپاد بر اساس حسگری که رویش نصب شده تعریف می‌شود. در مرحله بعد، یک پهپاد به تنهایی یا ناوگانی از آنها که می‌توانند پهپادهایی با بال ثابت یا پهپادهایی با بال چرخان یا ترکیبی از هر دو نوع باشند به محل آتش سوزی پرواز داده می‌شوند تا کار گشت زنی را آغاز کنند. در این حین، روش های قطعه قطعه سازی جنگل محاصره شده در آتش و واگذاری هر قطعه به یک پهپاد انجام می‌شوند تا به طور خودکار و با به کارگیری حسگرهای شناسایی آتش از جمله دوربین های چشمی‌و مادون قرمز شعله های آتش را روی زمین تشخیص دهند.
مرحله تأیید وجود آتش سوزی بعد از شناسایی محل آتش سوزی آغاز می‌شود. ایستگاه کنترل زمینی به پهپادهای جستجوگر فرمان می‌دهد با حفظ فاصله ای ایمن در بالای محل آتش سوزی بمانند، حین این که پهپادهای دیگر نیز اعزام می‌شوند تا محل را شناسایی کرده و در صورت نیاز آن را تأیید کنند. آخرین مرحله، یعنی مرحله مشاهده آتش سوزی زمانی شروع می‌شود که واقعی بودن آتش سوزی تأیید شده باشد، در غیر این صورت جستجو ادامه پیدا می‌کند. در مرحله مشاهده به پهپادها دستور داده می‌شود تا به طور مداوم درباره آتش سوزی اطلاعات به دست آورند. این کار نیازمند برداشت همزمان چندین تصویر از زوایای مختلف است. در نهایت این تصاویر به اپراتورها یا مدیران آتش نشانی مستقر در پایگاه زمینی تحویل داده می‌شوند تا بهتر بتوانند عملیات اطفاء حریق را هدایت کنند.

فناوری های بصری برای شناسایی اتوماتیک آتش سوزی در جنگل
مزایای تکنیک های بصری از جمله برداشت تصاویر مستقیماً حس شده، مفید و موثق، کسب داده ها در زمان بی درنگ و برد شناسایی وسیع سبب شده اند تا این تکنیک ها به یک موضوع پژوهشی مهم در شناسایی و پایش آتش سوزی جنگلی تبدیل شوند.
در یک دهه گذشته، تکنیک های پردازش تصویر به طور گسترده ای برای شناسایی آتش سوزی در جنگل مورد استفاده قرار گرفته اند. بر اساس دامنه طیفی دوربین به کار رفته، فناوری های شناسایی آتش بر پایه تجهیزات بصری را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: سیستم های شناسایی چشمی‌و سیستم های شناسایی مادون قرمز٫ کار شناسایی آتش هم به دو دسته شناسایی شعله و شناسایی دود تفکیک می‌شود. مهمتر از همه، رنگ، حرکت و شکل هندسی آتش سه ویژگی تعیین کننده در شناسایی آتش هستند.
از عامل رنگ بیشتر برای قطعه بندی کردن مناطق آتش گرفته توسط حسگرهای بصری استفاده می‌شود. تلاش‌های زیادی برای شناسایی آتش با کمک تصاویر ویدیویی و بدون اتصال با اینترنت انجام شده اند. برخی پژوهشگرها از دو عامل رنگ و حرکت بر اساس مدل RGB(قرمز، سبز، آبی) به منظور استخراج سکانس‌های
‌ویدیویی از آتش و دود واقعی استفاده می‌کنند. بیشتر پژوهش‌ها
‌روی تشخیص آتش سوزی جنگلی با استفاده از شعله تمرکز دارند، در حالی که دود نیز عامل مهمی‌در شناسایی دقیق و زودهنگام آتش در جنگل به شمار می‌رود.
با توجه به این که می‌توان در شرایط نور کم یا نبود نور تصویرهای مادون قرمز برداشت کرد و دود هم در این تصاویر نامرئی است، در نتیجه استفاده از دوربین های مادون قرمز برای پایش و شناسایی آتش سوزی هم در روز و هم در شب کاربردی است.
یک موضوع کاربردی در برداشت تصاویر و پردازش آنها این است که تکان ها و لرزش های اجتناب ناپذیر پهپادها در طول پرواز ممکن است باعث جا به جا شدن دوربین روی آنها شود و در نتیجه تصاویری که از آنها به دست می‌آید ناواضح و تار شوند. عدم وضوح تصویر بر کار شناسایی محل حریق تأثیر منفی می‌گذارد و حتی ممکن است آن را با شکست مواجه کند. به منظور کاهش این هشدارها باید از ابزار ضد لرزش استفاده شود.
قطعات الکترومکانیکی در حذف این لرزش ها مفید عمل می‌کنند، اما این سیستم ها اغلب سنگین و گران قیمت هستند و خودشان هم اثری از لرزش در تصویر به جا می‌گذارند.فناوری های بصری در کنار مزایایی که دارند، دارای نقاط ضعفی هم هستند. به هر ترتیب پایش آتش سوزی در جنگل ها، شناسایی و مقابله با آن زمانی بازده بیشتری دارد که پهپادها به صورت گروهی به محل اعزام شوند. برای این منظور باید الگوریتم های کاربردی بیشتری برای تعیین وظیفه هر پهپاد و کنترل آنها به منظور همکاری با یکدیگر در یک مأموریت گروهی برای آنها نوشته شود.
****
برج هایی برای ارتباط پهپادها با مرکز اطفاء حریق
پژوهشگرهای دانشگاه مادرید یک سیستم پروازی خودران کامل به همراه برج هایی برای مخابره اطلاعات با مرکز فوریت های حریق ساخته اند. این پهپاد که مجهز به یک دوربین گرمایی، یک دوربین اپتیکال ( optical) و چهار حسگر است به کاربر امکان می‌دهد دمای آن را در محیط شناسایی کند. کنترلگرهای متفاوت پهپاد کمک می‌کنند تا کاربر از وضعیت داخلی آن با خبر شود و سیستم ارتباطی طراحی شده برای آن این اطلاعات را در زمان بی درنگ دریافت می‌کند.
برج های ارتباطی ساخته شده برای این سیستم پروازی نقش رابط پهپاد با مرکز فوریت ها هستند و می‌توانند منشأ شروع آتش سوزی را تا شعاع ۱۵ کیلومتری شناسایی کنند. آشیانه و پهپاد درون این برج ها قرار می‌گیرند. زمانی که شروع آتش سوزی تشخیص داده می‌شود، حسگرهای گرمایی هشداری به این برج ها می‌فرستند و موقعیت دقیق آن آتش سوزی را مخابره می‌کنند. سپس پهپاد به طور خودران به آن نقطه پرواز می‌کند، حتی در شرایطی که دید خوب نباشد، تصاویر گرمایی و اپتیک از آتش سوزی می‌گیرد و در زمان بی درنگ آنها را ارسال می‌کند.
این سیستم پروازی همچنین به مرکز فوریت ها امکان می‌دهد پهپاد را طوری هدایت کند که به جمع آوری اطلاعات بپردازد و محیط سوخته شده را ردیابی کند. زمانی که مأموریت پهپاد تمام می‌شود به طور اتوماتیک به آشیانه باز می‌گردد و خود را شارژ می‌کند.
ساخت این پهپاد و زیرساخت مورد نیاز آن یک راه حال کاملاً نوین برپایه دانش روباتیک و اتوماسیون است. این سیستم نه فقط شغل کسی را از او سلب نمی‌کند، بلکه راه جدیدی برای خدمات امداد رسانی آتش سوزی در جنگل در پیش رو می‌گذارد.

روزنامه اطلاعات 



نظرات:

برای ارسال نظر جدید ابتدا باید وارد سایت شوید