Im Falle einer Katastrophe ist es wichtig, rasch einen Überblick über die Gefahrenlage zu gewinnen. Dies ist auch heute noch vorwiegend Sache der Einsatzkräfte – mit entsprechenden Risiken. Auch heute schon werden vereinzelt Roboter und Sensoren eingesetzt, um die Lage am Katastrophenort zu klären und daraus Maßnahmen abzuleiten. Fraunhofer-Forscher verschiedener Fachrichtungen arbeiten nun daran, verschiedene Roboter und autonome Sensoren so zu vernetzen, dass die Situation schnell und effizient erfasst werden kann.

Jede Katastrophe ist einmalig, das Krisenszenario damit unvorhersehbar. Den Einsatzkräften vor Ort und den verwendeten Hilfsmitteln wird deswegen ein hohes Maß an Flexibilität abverlangt. Beispielsweise nach einem Erdbeben ist das oberste Ziel, den Betroffenen vor Ort möglichst rasch zu helfen. Die Einsatzkräfte benötigen dazu vor allem einen schnellen Überblick über die entstandenen Schäden und mögliche Gefahren: Strömen gefährliche Gase aus? Wo sind Brandherde? Wo liegen Opfer unter den Trümmern?

Um in einem solchen Katastrophenumfeld schnell und effizient reagieren zu können, entwickeln die Fraunhofer-Institute IOSB, IAIS, IIS, IOSB-AST, IPA und IPM in dem Gemeinschaftsprojekt SENEKA (»Sensornetzwerk mit mobilen Robotern für das Katastrophenmanagement) Sensoren und mobile Luft- und Landroboter. Mit diesen Messgeräten sollen betroffene Gebiete effizient und ohne Gefahr für die Hilfskräfte inspiziert werden. Die untereinander vernetzten Sensoren erkunden das Katastrophengebiet, fusionieren die gemessenen Daten, um das Katastrophenumfeld in einem Gesamtbild darzustellen. Diese Informationen erhält die Einsatzzentrale, die auf dieser Basis geeignete Maßnahmen einleitet. Ein möglichst übersichtliches Bild der Gefahrenlage in möglichst kurzer Zeit – dies ist das Ziel des Gemeinschaftsprojekts. Dazu müssen die vielen Messdaten auf das Wesentliche reduziert und übersichtlich dargestellt werden.

Sensoren kommunizieren per Funk

Abb. 2 Sensorkugeln zur Messungen von giftigen und explosiven Gasen mit verschiedenen Sensoren, einer Ortungs- und einer Funkeinheit. (Bild: K.-U. Wudtke/Fraunhofer IPM)

Abb. 2 Sensorkugeln zur Messungen von giftigen und explosiven Gasen mit verschiedenen Sensoren, einer Ortungs- und einer Funkeinheit. (Bild: K.-U. Wudtke/Fraunhofer IPM)

Im Projekt SENEKA ist ein Forschungsschwerpunkt die Entwicklung kostengünstiger, batteriebetriebener Sensorknoten, die Gefahrenquellen und verschüttete Personen auffinden sollen. Die Sensoren sind in stabile, kugelförmige Gehäuse integriert, die z. B. von Drohnen über dem Katastrophengebiet abgeworfen werden, ohne dass die Sensoren beschädigt werden. Weiterhin werden Systeme entwickelt, die sich in einem Erdbebengebiet durch Geröll „rütteln“ können, um so an verschüttete Opfer zu gelangen, die dann beispielsweise durch Berührungssensoren gefunden werden können. Alle für einen derartigen Einsatz tauglichen Sensoren sollten möglichst energiearm sein, um einen langen, netzunabhängigen Einsatz zu überdauern. Zudem sollten die Sensoren möglicht kostengünstig sein; nur so besteht die Möglichkeit, sehr viele Sensoreinheiten zu platzieren, die dann autark Messungen durchführen können.

Fraunhofer IPM entwickelt in Kooperation mit dem Fraunhofer IPA und dem Fraunhofer IIS Sensorknoten zum Aufspüren von giftigen und explosiven Gasen, die nach einem Erdbeben z. B. bei gebrochenen Gasleitungen austreten können. Auch durch Brände können giftige Gase entstehen, die je nach Konzentration für Opfer und Einsatzkräfte gefährlich werden können. Die etwa tennisballgroßen Sensorknoten sind mit unterschiedlichen kostengünstigen und energiearmen Sensoren zur Erfassung toxischer oder explosiver Gase wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Stickstoffdioxid und Methan ausgestattet. Zudem werden Temperatur und Luftfeuchte gemessen, da sie die Messung der Gase beeinflussen. Weitere relevante Gase können durch die Erweiterung der Systeme mit entsprechenden Sensoren zusätzlich gemessen werden. Die Sensorknoten sind zusätzlich mit einem Anemometer zum Messen von Strömungen der Luft sowie mit Ortungseinheiten bestückt. Alle Knoten sind mit Funkeinheiten ausgestattet, damit die Messdaten untereinander und zu den Einsatzkräften weitergeleitet werden können.

Durch die Verwendung einzelner, verteilter Sensorknoten werden flächendeckende Messungen im Katastrophengebiet möglich: Die punktuell gewonnen Messdaten werden von den Sensorknoten intelligent fusioniert, so dass zusätzliche wichtige Informationen gewonnen werden. Anhand von Sensor-Ortung, gemessener Gaskonzentration und gemessener Luftströmungen können beispielsweise Aussagen darüber getroffen werden, wo sich Gasquellen befinden und wie sich Gaswolken im Einsatzgebiet ausbreiten. Das Sensornetzwerk ist ein geschlossenes System, in dem die Messdatenerfassung zwar von vielen Einzelsystemen dezentral durchgeführt wird, das Messergebnis aber kann als fusionierter Datensatz mit berechneten Zusatzinformationen vom Anwender zentral abgerufen werden. Durch den Einsatz einer Vielzahl kostengünstiger Sensoreinheiten kann der Ausfall einzelner Sensorknoten durch andere Einheiten kompensiert und damit die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems erhöht werden.

Dynamische Gefahrenkarte

Einsatz-Szenario des SENEKA-Systems in einem Katastrophengebiet nach einem Erdbeben: Nach Eintreffen der Rettungskräfte fahren und fliegen die Luft- und Landroboter in die kritischen Regionen. Die Roboter sind mit verschiedenen high-end Sensoren, wie etwa Infrarotkameras, ausgestattet zur Gebietserkunung. Gleichzeitig streuen die Roboter flächendeckend viele low-cost Sensoren über das zu erkundende Gebiet. Alle Sensoren orten sich untereinander und starten ihre Messungen zum Aufspüren von Opfern und Gefahrenquellen, z. B. durch die Messung giftiger oder explosiver Gase. Die gewonnenen Daten tauschen die Sensoreinheiten untereinander per Funk aus und berechnen daraus ein dynamisches Bild des Einsatzgebietes, das kontinuierlich an die Einsatzzentrale weitergegeben wird. So entstehen jeweils aktuelle 2D oder 3D-Karten des Katastrophengebiets oder Schadstoffkarten, anhand derer die Rettungskräfte schneller Schadensquellen und gefährliche Bereiche erkennen können.

Fazit

Im Projekt SENEKA werden Werkzeuge für Rettungskräfte entwickelt, die eine möglichst schnelle Übersicht über Krisengebiete, wie z. B. nach einem Erdbeben, ermöglichen. Ab 2014 erproben die Wissenschaftler die Messsysteme erstmalig auf einem Testgelände des Technischen Hilfswerks unter realitätsnahen Bedingungen.

Aufmacherbild: Einsatz von verteilten Sensoren und mobilen Luft- und Landrobotern als geschlossenes System zur Aufklärung der Einsatzlage bei Erdbeben. (Grafik: Fraunhofer IOSB)

Sven Rademacher

Rademacher_PassbildAnschrift des Verfassers:
M.Sc., Dipl.-Ing. (FH) Sven Rademacher
Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Heidenhofstrasse 8
79110 Freiburg
Tel.: 0761/8857-347

geb. am 31. Juli 1974 in
Siegen-Weidenau
1991 – 1994: Ausbildung zum Kommunikationselektroniker/Deutsche Bahn AG
1996 – 2001: Studium der Technischen Informatik an der Fachhochschule Furtwangen
Seit 2000: Tätigkeit im Fraunhofer IPM im Bereich der Gasmesstechnik mit dem Schwerpunkt der Systementwicklung
2007 – 2010: Master-Studiengang Elektro- und Informationstechnik, Vertiefungsrichtung Eingebettete ­Systeme an der Fern-Universität in Hagen
Seit 2012: Promotion an der Universität Freiburg am Institut für Mikrosystemtechnik am Lehrstuhl für Gassensoren