Einsatzmöglichkeiten von Robotern in Brandbekämpfung und Katastrophenschutz

Dr. Frank E. Schneider, Dennis Wildermuth und Thomas Barz

Fraunhofer FKIE

Die Aufgaben von Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) sind oft unvorhersehbar und erfordern Einsätze unter gesundheitsgefährdenden, teilweise sogar lebensgefährlichen Bedingungen. Das Einsatzspektrum reicht dabei von traditionellen Lösch- und Rettungseinsätzen über die Bewältigung von Umweltschäden und industriellen Großschadenslagen bis hin zu Naturkatastrophen und terroristischen Anschlägen. Immer weiter zu nimmt zudem die Komplexität der Herausforderungen, mit denen sich Einsatzkräfte täglich bei der Bewältigung ihrer Aufgaben konfrontiert sehen.

Und durch weitläufige Einsatzgebiete und zeitlichen Druck, beispielsweise bei Waldbränden oder Hochwasser, werden die Gefahren für die Einsatzkräfte oft noch weiter verstärkt. Trotz guter Ausbildung, ausgereifter taktischer Konzepte und zuverlässiger Schutzausrüstung werden jedes Jahr weltweit zahlreiche Einsatzkräfte bei ihrer Arbeit verletzt oder getötet. Mit fortschreitender technischer Entwicklung ist jedoch absehbar, dass mobile Robotersysteme künftig zunehmend Aufgaben übernehmen. Sie können bestehende Lücken schließen, um Einsätze sowohl für die Helfer als auch für die gefährdeten Menschen sicherer zu gestalten.

Der Roboter GARM mit dem dafür konstruierten Löschaufsatz bei einer Übung in...
Der Roboter GARM mit dem dafür konstruierten Löschaufsatz bei einer
Übung in der Schweiz. Ein mögliches Einsatzszenario sind beispielsweise
Wald- und Vegetationsbrände.
Quelle: Fraunhofer FKIE

Aufbau des Deutschen Rettungsrobotik-­Zentrums in Dortmund

Um diesem Ziel möglichst schnell näher zu kommen, fiel am 6. Dezember 2018 auf dem ehemaligen Dortmunder Industriegelände Phoenix-West der offizielle Startschuss zum Aufbau des Deutschen Rettungsrobotik-Zentrums (A-DRZ). Kern des Projekts ist der Aufbau eines deutschlandweiten Kompetenzzentrums für die Entwicklung, den Einsatz und Tests von boden- und luftgebundenen Robotersystemen, welche Einsatzkräfte bei Rettungseinsätzen im Bereich der zivilen Gefahrenabwehr unterstützen. Gefördert wird das zunächst auf vier Jahre angelegte Forschungsprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderbekanntmachung „Zivile Sicherheit – Innovationslabore/Kompetenzzentren für Robotersysteme in menschenfeindlichen Umgebungen“ im Rahmen des Programms „Forschung für die zivile Sicherheit 2012 bis 2017“. 13 Partner aus Industrie, Forschung und Endanwendern werden gemeinsam Robotersysteme entwickeln, die Rettungskräfte in gefährlichen Einsatzsituationen entlasten.

Einer der Partner ist das Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE, dessen Abteilung „Kognitive Mobile Systeme“ (CMS) bereits seit 25 Jahren innovative Verfahren zur effizienten Führung mobiler Robotersysteme entwickelt. Der Fokus der Arbeiten liegt auf Systemen für Aufklärungs- und Inspektionsaufgaben im Gelände sowie in urbanen Strukturen. Ziel der Arbeiten ist es, die Leistungsfähigkeit und das Einsatzspektrum von Robotern durch die Verwendung von Assistenzfunktionen in der Kontrollsoftware zu erhöhen. CMS entwickelt Softwarelösungen für aufgabenübergreifende Fragestellungen wie die teilautonome Navigation und Manipulation oder Verfahren zur Koordination von Mehrrobotersystemen und setzt diese auch in Experimentalsystemen um.

ick-off des BMBF-geförderten Projekts „Aufbau des Deutschen...
Kick-off des BMBF-geförderten Projekts „Aufbau des Deutschen Rettungsrobotik-Zentrums“ auf dem ehemaligen Dortmunder Industriegelände Phoenix-West (www.rettungsrobotik.de).
Quelle: Fraunhofer FKIE

Einsatzszenarien in der Brandbekämpfung…

Die Bekämpfung von Bränden ist mit großen Gefahren für das eingesetzte Personal der Feuerwehr verbunden. Neben den unmittelbaren Bedrohungen durch die enorme Hitzeentwicklung und die Entstehung von giftigem Rauch und Ausgasungen spielen – besonders bei größeren Schadenslagen mit langen Einsatzzeiten – Überbeanspruchung und Erschöpfung der Einsatzkräfte eine wichtige Rolle. Gerade bei nicht-urbanen Lösch- und Brandbekämpfungsaufgaben ist dies häufig der Fall. Vegetations- und Waldbrände können sich unkontrolliert ausbreiten und sind dann mit den vorhandenen Ressourcen der beteiligten Feuerwehrverbände kaum noch sinnvoll zu bekämpfen. Zur Unterstützung in solchen extremen Situationen wurde am Fraunhofer FKIE ein Löschaufsatz mit einem ferngelenkten Wasserwerfer für eine mobile Roboterplattform (GARM) entwickelt.

Neben dem bereits erwähnten Einsatzszenario eines Wald- oder Vegetationsbrandes besteht ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld für einen solchen Löschroboter in der professionellen Brandbekämpfung in schwer zugänglichen oder potenziell gefährlichen Bereichen. Beispielsweise muss in der chemischen Industrie im Brandfall zusätzlich zur Rauchentwicklung immer mit dem Entstehen giftiger Substanzen gerechnet werden; bei Vorfällen in Kernkraftwerken oder anderen kerntechnischen Anlagen kann lebensgefährliche Strahlung austreten. In solchen Schadensgebieten, die von Feuerwehrleuten nicht mehr oder nur noch unter größten Gefahren betreten werden können, ist der Einsatz eines möglichst autonomen Löschroboters wünschenswert, um das menschliche Personal zu schützen.

…sowie im Katastrophenschutz

Die Einsatzszenarien im Alltag von Sicherheits- und Rettungskräften skalieren vom Einsatz einfacher Löschtechnik bis zum größten anzunehmenden Unfall und sind in ihrer Ausprägung vielfältig. Neben einem unbemannten Fahrzeug zum Löschen ist bei den oben genannten Schadenslagen etwa in der chemischen Industrie oder in kerntechnischen Anlagen eine Vielzahl weiterer Einsatzmöglichkeiten für Robotertechnik denkbar. So kann ein Roboter mit Sensoren zum Aufspüren von chemischen, biologischen, radiologisch-nuklearen oder Explosivstoffen (CBRNE) ausgestattet werden und so für ein genaues Lagebild sorgen, ohne dass sich Menschen in den unmittelbaren Gefahrenbereich begeben müssen. Mittels eines geeigneten Manipulator-Arms ist sogar die automatisierte Probennahme zur späteren Laboranalyse denkbar. Genauso kann ein mit passender Sensorik versehener Roboter genutzt werden, um nach Verletzten zu suchen und eine grobe Ersteinschätzung ihres Zustands zu liefern. Auch wenn derzeit noch keine völlig automatisierten Hebe- und Transportvorrichtungen für Personen verfügbar sind, stellt der Einsatz von Robotern zum selbstständigen Retten und Bergen von Personen einen weiteren sinnvollen Aufgabenbereich dar.

Darüber hinaus reichen die Einsatzmöglichkeiten für Roboterfahrzeuge von einfachen Transportaufgaben zur Entlastung von Einsatzkräften über längerfristige Überwachungsaufgaben, beispielsweise der Brandwache nach Großbränden, bis hin zur Handhabung von Explosivmaterial wie etwa Munitionsresten oder Blindgängern aus den Weltkriegen. Mit Blick auf diese sehr unterschiedlichen Einsatzszenarien für Roboter auch in der Katastrophenhilfe wurden am Fraunhofer FKIE neben dem Löschaufsatz weitere prototypische Nutzlasten für Roboter, beispielsweise zum Erkunden und Aufspüren von Gefahrstoffen, zum Bergen und Retten von Personen sowie zum selbstständigen Material­transport entwickelt.

Ein Experimentalsystem zur Gefahrstoffdetektion:
Ein Experimentalsystem zur Gefahrstoffdetektion:
Der Roboter ist mit verschiedenen chemischen sowie Strahlungssensoren ausgestattet und kann bei der Beurteilung einer Gefährdungslage maßgeblich unterstützen
Quelle: Frauenhofer FKIE

Ziele beim Einsatz von unbemannten ­Systemen

Bei all diesen Anwendungen sind der Schutz und die Erweiterung des Fähigkeitsspektrums der Einsatzkräfte vor Ort wesentliche Kernziele, ohne dabei ungewollt neue Risiken und Gefahren zu generieren. Um durch die Zuhilfenahme moderner unbemannter Systeme einen Fortschritt gegenüber den heutigen Möglichkeiten der Einsatzkräfte zu schaffen, muss eine Reihe von Aspekten adressiert werden:

Verringerte Gefährdungen durch Abstandsfähigkeit

Überall dort, wo Gefahr für Leben oder Gesundheit der Einsatzkräfte besteht und diese durch übliche Schutzmaßnahmen nicht abgewendet werden kann, ist der Einsatz von unbemannten Systemen eine sinnvolle Option. Durch einen größeren räumlichen Abstand kann das Dilemma zwischen der zu erfüllenden Aufgabe und dem Schutz der eigenen Kräfte aufgelöst werden.

Verbesserung des Lagebildes durch mobile Sensorik

Für die effektive Gefahrenabwehr und Katastrophenbewältigung ist eine möglichst umfassende Einschätzung der Lage an der Einsatzstelle essenziell. Daher muss jedes unbemannte System auch in kontaminierten oder gefährlichen Bereichen relevante Sensorinformationen erfassen und möglichst in Echtzeit an die Einsatzleitung oder das Lagezentrum übertragen.

Erweiterte Eingriffsmöglichkeiten durch Fernmanipulation

Als Reaktion auf das so gewonnene Lagebild ist es häufig erforderlich, zeitnah und aus einem geschützten Bereich heraus in die Situation einzugreifen. Neben der Fernmanipulation von Objekten und der Probennahme aus möglicherweise kontaminierten Umgebungen kann ein unbemanntes System auch das aktive Retten von Personen ermöglichen.

Entlastung der Einsatzkräfte durch Assistenzfunktionen

Je nach Komplexität der Situation kann der Umgang mit Robotern anspruchsvoll sein. Das unbemannte System muss für den Bediener ohne lange Trainingszeit auch in Stresssituationen schnell und effektiv einsetzbar sein. Nur so wird sich eine Integration von Robotik-Technologie in bestehende Einsatzabläufe erfolgreich umsetzen lassen.

Erweiterte Einsatzmöglichkeiten durch Modularität

Bedingt durch die Vielzahl möglicher Anwendungen muss die unbemannte Plattform je nach Bedarf mit unterschiedlichen Sensoren und Werkzeugen ausgerüstet werden können. Mittels eines modularen und schnell wechselbaren Aufbaus soll ein Roboter unterschiedlichste Aufgaben wahrnehmen können und damit ein hohes praktisches Anwendungspotenzial bieten.

Ausblick

Die genannten grundlegenden Aspekte zum Einsatz von Robotern in Brandbekämpfung und Katastrophenschutz finden sich natürlich auch in der Agenda des Deutschen Rettungsrobotik-Zentrums. Insofern kann das Fraunhofer FKIE – genau wie die übrigen beteiligten Partner – wichtige Expertise in das Verbundprojekt einbringen. Durch den bereits von den Projektpartnern als Trägerorganisation gegründeten Verein „Deutsches Rettungsrobotik-­Zen­trum e. V.“ (DRZ e. V.) soll das Kompetenzzentrum über den Förderzeitraum von vier Jahren hinaus weiter betrieben und kontinuierlich ausgebaut werden. Langfristiges Ziel ist es, eine wissenschaftlich orientierte Einrichtung zu etablieren, die mit ihren Partnern aus Forschung und Industrie innovative Entwicklungen vorantreibt. Auf diese Weise soll leistungsfähige und im täglichen Einsatz nützliche Robotik-Technologie für Rettungskräfte am Markt verfügbar gemacht werden.


Dr. Frank E. Schneider
Stellvertretender Leiter der Abteilung „Kognitive Mobile Systeme“
Gründer der „European Robotics Group“  

Dennis Wildermuth
Abteilung „Kognitive Mobile Systeme“
Forschungsfeld Kommunikation in Mehrroboter-
Systemen und Benchmarks in der Robotik  

Thomas Barz
Projektleiter in der Abteilung „Kognitive Mobile Systeme“
Themenschwerpunkt Mobile Experimentalsysteme
im Aufgabenspektrum terrestrischer Gefahrenabwehr  


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