16.08.2021 •

Das Potenzial autonom agierender Teams von Multikoptern

Ulrich Schade, Kai Nürnberger, Arne Schwarze, Axel Leyendecker

Securitas Deutschland

Die Einsatzmöglichkeiten von Multikoptern zur Unterstützung von Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) sind vielfältig und bieten angesichts ihrer schnellen technologischen Fortschritte stetig neue Perspektiven. Bereits heute liefern Drohnen den Einsatzkräften der Feuerwehr Bilder, Videos und Live-Aufnahmen von Einsatzstellen, geben genaue Auskunft über ihre Ausdehnung und die Gefahrenstellen, zeigen Wege und Zugänge sowie Positionen verletzter Personen auf und helfen den Einsatzkräften so dabei, vor die Lage zu kommen. Autonom agierende Teams von Multikoptern können weitere Chancen eröffnen. In der Forschung werden sie aktuell diskutiert und in Demonstrationen konnten sie bereits eindrucksvoll belegt werden. Insbesondere zwei Aspekte treten dabei hervor: Dies ist zum einen die Erweiterung der Funktionen, die durch den Einsatz eines komplementären Teams von Multikoptern möglich wird. Zum anderen entfällt durch das weitestgehend autonome Agieren des Teams das Erfordernis der Steuerung durch einen oder mehrere Piloten.

Unter einem Team von Multikoptern ist eine kleine Anzahl Systeme (zwei bis sechs) zu verstehen, die jeweils über unterschiedliche Fähigkeiten verfügen. Im Gegensatz dazu besteht ein Schwarm von Multikoptern aus vielen gleichartigen Einzelsystemen mit identischen Fähigkeiten. Beim Schwarm ergibt sich das erhebliche Potenzial aus der großen Anzahl parallel agierender Systeme, beim Team aus dem intelligenten Zusammenspiel der unterschiedlichen Fähigkeiten, beispielsweise intelligent eingesetzter heterogener Sensorik (optische Kamera, Wärmebildkamera, chemische Sensoren etc.). Das Team verfügt weiterhin über ein gemeinsames Kontrollsystem in Form einer Künstlichen Intelligenz (KI). Die Kontroll-KI nimmt vom Disponenten Befehle im Sinne von „Führen mit Auftrag“ entgegen und setzt die einzelnen Kopter des Teams „intelligent“ nach deren Fähigkeiten ein, sodass die Aufträge erfolgreich und effizient erledigt werden.

Paradigmenwechsel hin zu eigenständiger agierenden Systemen

Ein zielgerichtetes und sicheres Agieren in Krisensituationen, etwa bei der Brandbekämpfung, erfordert einen hohen kognitiven Aufwand zur Analyse und Bewertung des Geschehens, zur Koordination der Einsatzkräfte und zum effektiven Einsatz der Mittel. Daher ist es wichtig, dass die Bedienung der Einsatzmittel, zu denen auch die Multikopter gehören, die mentale Belastung der Einsatzkräfte nicht unangemessen erhöht. Sie sollen sich auf ihre wesentlichen Aufgaben konzentrieren können. Die Technik muss dem Menschen dienen. Dies entspricht dem Prinzip von Calm Technology. Es besagt: Wenn gutes Technologiedesign den Nutzer auf dem kürzesten Weg ans Ziel gelangen lässt, sorgt Calm Technology dafür, dass dies auch mit dem geringsten mentalen Aufwand geschieht.

Übertragen auf das Team von Multikoptern bedeutet dies, dass es im Einsatz so weit wie möglich autonom agieren sollte. Würde jedes Einzelsystem von einem eigenen Piloten gesteuert, wären erhebliche Ressourcen allein mit der Steuerung von Hilfssystemen gebunden. Darüber hinaus entstünde aufgrund der erforderlichen Koordination der Einzelsysteme eine zusätzliche kognitive Belastung für die Piloten. Insgesamt wäre der mit dem Einsatz eines manuell gesteuerten Teams von Multikoptern verbundene Aufwand unangemessen hoch. Dagegen beschränken sich die Nutzer in einer ausgereiften Version eines autonom agierenden Teams von Multikoptern weitestgehend auf die Spezifikation ihres Informationsbedarfs und sind von planerischen und operativen Aufgaben nahezu vollständig entlastet. Der wesentliche Hebel liegt also nicht im Training der kognitiven und motorischen Fähigkeiten der Piloten, sondern in der schrittweisen Substitution der manuellen Steuerungsfunktion durch eigenständig agierende technische Systeme. Das ist ein wesentlicher Paradigmenwechsel.

Lage und Informationsbedarf bestimmen den Auftrag an das Drohnen-Team

Dennoch bleiben dispositive Aufgaben – also die Spezifikation des Informationsbedarfs, die Festlegung des Operationsgebietes, die Auswahl der Ressourcen und die Initiierung der Mission – in der Verantwortung des Menschen. Der Disponent führt das Team aus der Leitstelle durch die Erteilung einfacher Aufträge. Piloten werden nicht eingesetzt. Die Aufträge veranlasst der Disponent – oder eine Person vor Ort – durch einfaches Auswählen aus einem Dialogmenü: Art des Auftrags per Auswahl aus einer Liste vorgegebener möglicher Aufträge; Ort des Einsatzes durch Markierung von Weg-, Ziel- und Beobachtungspunkten oder -gebieten in der Lagekarte. Dazu ist es erforderlich, technisch komplexe Steuerbefehle in semantisch einfach strukturierte, natürlichsprachliche Befehle zu übersetzen, um den schnellen, souveränen und effizienten Einsatz der Mittel zu ermöglichen.

Womit der Disponent das Multikopter-Team beauftragt, ergibt sich aus seiner Beurteilung der Lage und aus seinem Informationsbedarf. Benötigt er zum Beispiel optisches Bildmaterial und eine Infrarotaufnahme von einem bestimmten Gebäude, so erteilt er dem Multikopter-Team (bzw. der Kontroll-KI) einen entsprechenden Auftrag. Wie dieser Auftrag optimal umgesetzt wird, liegt in der Verantwortung der Kontroll-KI. Diese weist den einzelnen Koptern Teilaufgaben wie die Ansteuerung des betreffenden Gebäudes, die Erstellung entsprechender Aufnahmen oder die Übermittlung der Daten an den Disponenten zu und erteilt die dazu erforderlichen Befehle. Die Kontroll-KI weiß grundsätzlich, mit welcher Sensorik die jeweiligen Kopter des Teams ausgestattet sind, wo sie sich aktuell befinden und welchen Ladezustand sie besitzen. Dadurch kann sie den für die Erfüllung des Auftrags am besten geeigneten Kopter unter dem Aspekt einer Gesamtoptimierung auswählen. Zum Teil kann die Ausführung des Auftrags auch in der Verantwortung der Kopter selbst liegen, da sie eigenständig Kollisionen vermeiden, Wegpunkte abfliegen und Positionen halten.

Das Potenzial autonom agierender Teams von Multikoptern
Demonstratorvorstellung im Rahmen einer Übung der Securitas-Werkfeuerwehr im...
Demonstratorvorstellung im Rahmen einer Übung der Securitas-Werkfeuerwehr im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen im Frühjahr 2018: Die untere Bildhälfte zeigt die reale Szene, die obere Bildhälfte die entsprechende Darstellung auf den Monitoren der Leitstelle. Auf dem linken Bildschirm ist das Live-Videobild zu sehen. Der rechte Bildschirm zeigt die zusammengeführte Lagedarstellung mit Lagekarte, Ressourcenübersicht und Steuerbefehlen für die Kontroll-KI.
Quelle: Fraunhofer FKIE

Live-Demonstration bei einer Chemiepark-­Feuerwehrübung

Im Frühjahr 2018 fand im Rahmen einer Leistungsschau im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen, in enger Kooperation mit einer Werkfeuerwehr, eine Live-Demonstration des Konzepts statt. Allerdings konnte im Rahmen dieser Demonstration aus rechtlichen Gründen nur ein Multikopter des Typs „Fire & Safety Drohne FD-8“ (also kein Team im oben geschilderten Sinne) eingesetzt werden. Dieses System wurde bei der Vorführung vom Feuerwehrdisponenten über einen Leitstand der Leitstelle befehligt und agierte ohne navigierenden Piloten.

Für die Live-Demonstration war das Einsatzgebiet auf einen Teil des Chemiepark-Geländes begrenzt. Durch diese Beschränkung konnte die im Leitstand vorliegende kartenbasierte Gelände- und Infrastrukturdarstellung gleichzeitig als einsatzbezogene Lagedarstellung genutzt werden. Damit lagen statische Informationen zu Anfahrtswegen, Gebäuden, Rohrleitungen, Standorten von Hydranten usw. in dem gleichen Format vor wie einsatzbezogene Daten zur Position der Einsatzkräfte, zum Status der technischen Systeme (inklusive des Kopters) oder zum eigentlichen Brand­ereignis. Die Kommunikation im Einsatzgebiet erfolgte zentral über einen eigenen autonomen WLAN-Knoten. Weiterhin erleichterte die Beschränkung auf ein fest definiertes Gelände die Erlaubnis für den autonomen Einsatz des Multikopters. Gerade die Zulassung von Systemen, die nicht von Piloten gesteuert werden, ist ein wesentliches Hindernis für eine weitergehende Demonstration der technologischen Möglichkeiten.

Trotz der Beschränkung auf den Einsatz eines einzelnen Multikopters konnten wesentliche Aspekte des Ansatzes einer KI-gestützten, weitgehend autonomen Steuerung von Systemen zur Erfüllung komplexer Aufgaben demonstriert werden. Der Einsatz begann damit, dass in der Übung ein Alarm ausgelöst und im Leitstand angezeigt wurde. Selbstverständlich hätten die ausgebrachten Sensoren den Alarm anhand der erfassten Messdaten auch automatisiert auslösen können. Der Disponent schickte dann mittels der Kontroll-KI den Kopter samt Beobachtungsauftrag zum Einsatzort. Auch dieser Schritt ließe sich automatisieren, sodass ein Alarm den Start des Kopters sowie dessen Flug zum vermuteten Einsatzort direkt auslöst. Diese hochgradige Automatisierung ermöglicht unter Umständen einen kritischen Zeitgewinn bei der Erfassung und Übermittlung erster Informationen an die Einsatzkräfte, bevor diese am Einsatzort eintreffen. Wie erhofft, sendete der eingesetzte Kopter dem Disponenten bereits kurz nach Auslösung des Alarms Bilder und Video-Streams vom Ort des Alarms. Der Disponent verfügte damit zeitnah über Bilder und Videos vom Geschehen, die er an die Einsatzkräfte noch vor deren Eintreffen weiterleiten konnte. Daraus ergab sich ein wertvoller Zeit- und Informationsgewinn.

Der potenzielle Mehrwert für die eintreffenden Einsatzkräfte bestand unter anderem in einer genaueren faktischen Informationslage und in einer besseren mentalen Vorbereitung auf die Gefahrensituation. Dadurch lassen sich gegebenenfalls Einsatztaktik, Ressourcen und Schutzausrüstung vorausschauend an die Situation anpassen. Weiterhin kann der Bedarf einer Nachalarmierung früher festgestellt werden, da der Leitstelle schon vor dem Eintreffen der Einsatzkräfte am Einsatzort eine solide Einschätzung der Lage möglich ist. In der Demonstration wurde etwa unter Nutzung der vom Kopter übermittelten Videos und Wärmebilder eine verletzte Person anhand der charakteristischen Signatur bestimmt und lokalisiert, sodass das Einsatzteam bereits während der Anfahrt darüber informiert war. Zudem wurden Teilgebiete am Einsatzort identifiziert und markiert, die aufgrund der Rauch­entwicklung nur mit Atemschutz betreten werden konnten.

Während des Einsatzes konnte der Disponent dann in Abstimmung mit dem Einsatzleiter vor Ort den Kopter flexibel auf Positionen dirigieren, die der integrierten Sensorik die Erstellung und Übermittlung von Bildmaterial von schwer einsehbaren Stellen ermöglichte. Prinzipiell erlaubt der hier geschilderte Ansatz die vollständige Ad-hoc-Übertragung der Kontroll-KI (und damit den Einsatz der Kopter) vom Disponenten an ein Mitglied des Einsatzteams. Dafür wird lediglich ein Tablet, PC oder ein Smartphone mit entsprechender Applikation benötigt.

Lückenlose Echtzeit-Daten- und Informations­gewinnung

Im geschilderten Fall (und insbesondere bei lang andauernden, eskalierenden Szenarien) empfiehlt sich der Einsatz eines Teams von Multikoptern, die von einer Kontroll-KI gesteuert werden. Dadurch können Bildaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven gleichzeitig erstellt oder mehrere Brandherde parallel beobachtet werden. Der Einsatz mehrerer Multikopter im Team hätte auch Vorteile in Bezug auf die Stand- und Einsatzzeit. Der Disponent könnte der KI beispielsweise befehlen, nicht alle Kopter parallel zu nutzen, sondern eine Reserve in der Basisstation zu belassen. Eine solche Reserve und eine geschickte Koordination von Einsatz- und Ladezeiten würde eine kontinuierliche Nutzung dieser kritischen Ressource zur Sicherstellung einer lückenlosen Daten- und Informationsgewinnung ermöglichen. Dennoch zeigte bereits der Einsatz eines einzelnen Systems mit vereinfachter Missions- und Aufgabenzuweisung und weitgehender Autonomie bei der eigentlichen Missionsdurchführung, welcher Nutzensprung hier liegt. Knapp zusammengefasst lassen sich folgende Vorteile benennen:

  • Zuwachs an Flexibilität bei der schnellen und gezielten Informationsgewinnung
  • Fokussierung wertvoller Ressourcen auf nicht-substituierbare Aufgaben der Krisenbewältigung
  • Verringerung der Kritikalität und des Trainingsaufwands von speziell geschulten Piloten
  • Reduktion der kognitiven Belastung durch vereinfachte Steuerung komplexer Systeme
  • Größere Unabhängigkeit von ungünstigen Sichtverhältnissen bei der Koptersteuerung (z. B. Rauch, Nebel, Dunkelheit, Abschattung, Entfernung)

Gleichzeitig ist unstrittig, dass vor dem routinemäßigen Einsatz weitgehend autonom agierender fliegender Systeme noch eine Reihe technischer und rechtlicher Aspekte zu adressieren sind. 


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