07.03.2022 •

Der Technologiefaktor in der Krisenbewältigung

Kai Nürnberger, Bernd Brüggemann

Uwe Bellhäuser

Wer sich für die Geschichte des Bergbaus interessiert, weiß um die einstige Rolle von Kanarienvögeln unter Tage. Diese Geschöpfe reagieren aufgrund ihrer besonderen Atmung sehr sensitiv auf Kohlenmonoxid und dienten den Bergleuten als eine Art Sensor zur Überwachung der Luftqualität. Faktisch ging es schon vor fast 300 Jahren um die Erfassung gefährlicher Situationen, die unsere menschlichen Sinne entweder nicht rechtzeitig erkennen können oder die zeitlich und räumlich außerhalb unseres Wahrnehmungsspektrums liegen. Anhand des Bergbaus ließe sich das Potenzial technologischer Neuerungen zur Verbesserung der Sicherheit sehr überzeugend veranschaulichen. Selbstverständlich müssen technische Innovationen dabei immer in Systeme und Prozesse eingebunden sein, um effektiv wirken zu können.

Entwurf eines Phasenmodells zur Krisenbewältigung
Entwurf eines Phasenmodells zur Krisenbewältigung
Quelle: Fraunhofer FKIE

Im Folgenden soll es mit Blick auf extreme Umweltereignisse, deren Häufigkeit aufgrund klimatischer Veränderungen zunehmen könnte, um die Rolle ausgewählter Technologien in einem ­zyklischen Modell zur Krisenbewältigung gehen. In der Fachliteratur gibt es zahlreiche Modelle eines aktiven Krisenmanagements, die meist einen Bogen von der Vorsorge bis zum Wiederaufbau spannen und in unterschiedlich viele Phasen eingeteilt sein ­können. Da es hier im Kern um die Betrachtung des Faktors Technologie geht, sind die Anzahl und Granularität der Phasen nicht so entscheidend. Für eine strukturierte Diskussion erscheint eine Gliederung in fünf Abschnitte zweckmäßig.

Das Modell verknüpft im Schritt Risikoanalyse die Aspekte Gefährdungslage, Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadens­potenzial miteinander und schafft damit eine Orientierung für geeignete Maßnahmen zur Prävention. Im Fokus stehen also konzeptionelle Überlegungen auf einer analytisch-empirischen Grundlage. Die nächsten beiden Phasen Frühwarnung und Soforthilfe haben dann einen unmittelbaren Bezug zum Schadensereignis. Hier geht es um die Minimierung der Auswirkungen im Ernstfall. Die Phase des Wiederaufbaus befasst sich mit der funktionalen ­Restitution und dem Ziel einer verbesserten Resilienz.

In jeder Phase fallen spezifische Aufgaben an, die unterschiedliche Fähigkeiten, Ressourcen und Werkzeuge erfordern. Die Art der technologischen Unterstützung variiert stark. Die nachfolgende Übersicht ist nicht als erschöpfende Auflistung aller wesentlichen Aufgaben und sämtlicher relevanten Technologien gedacht, sondern soll den verschiedenen Phasen exemplarisch mögliche Hilfsmittel aus dem Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie zuordnen.

In der Fachliteratur gibt es detaillierte Beschreibungen der Zuständigkeiten, Aufgaben und Prozesse im Krisenmanagement, die über die oben skizzierte Darstellung weit hinausgehen. Es besteht kein Mangel an Vorschriften. Die Realität im Ernstfall scheint jedoch nahezulegen, dass gerade im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie das Potenzial der technischen Möglichkeiten nicht ausgeschöpft wird. Das kann zu unzureichender Vorsorge, fragmentarischem Lagebewusstsein, verzögertem Handeln, widersprüchlichen Warnungen und schlechter Koordination führen und in Summe dramatische Konsequenzen haben. Die Technologie darf in der Krisenbewältigung über alle Phasen hinweg nicht vernachlässigt werden, da sie einen wesentlichen Hebel für die Effizienz und Effektivität der Maßnahmen und für die Sicherheit der Einsatzkräfte darstellt. Das gilt insbesondere bei Naturkatastrophen (z.B. Orkane, Fluten, Waldbrände), deren Ort, Zeit, Dauer und Verlauf schwer vorhersagbar sind. Eine objektive Risikoanalyse und umsichtige Vorbereitung können jedoch dabei helfen, die leiblichen und materiellen Schäden zu minimieren.

Innovative Technologien müssen sich reibungslos in bestehende System- und Prozesslandschaften einfügen und intuitiv nutzbar sein. Dazu sind unter anderem technische, organisatorische, finanzielle, rechtliche und kulturelle Hürden zu überwinden. Wer der Überzeugung ist, dass aufgrund irreversibler klimatischer Veränderungen in Deutschland zukünftig häufiger mit extremen Naturereignissen zu rechnen ist, wird zu der Einschätzung kommen, dass sich der Aufwand lohnt.

Damit der Appell zur aktiven Erschließung technischer Möglichkeiten nicht zu generisch bleibt, werden nachfolgend drei prototypisch realisierte Innovationen aus dem Portfolio des Fraunhofer FKIE vorgestellt. Sie stehen stellvertretend für die anwendungsorientierte Forschung und könnten in Zusammenarbeit mit Behörden, Kommunen, Rettungskräften und Unternehmen zukünftig einen Beitrag zu einer verbesserten Krisenbewältigung leisten.

LEVIDA für das interaktive ­Lage­management

In der tabellarischen Übersicht tauchen mehrfach die Begriffe Datenanalyse, Lagebild und Lagebewertung auf. Im Kern geht es darum, statische Daten, dynamische Daten und Kontextinformationen für ein bestimmtes Gebiet zu erfassen, im Hinblick auf spezifische (Schutz-)Ziele auszuwerten und die Verantwortlichen bei der Erfüllung ihrer Aufgaben zu unterstützen. Das Fraunhofer FKIE hat dazu unter der Bezeichnung LEVIDA einen leistungs­fähigen Technologiekern entwickelt, der die Basis für flexibel erweiterbare Lagemanagementsysteme bildet. Der LEVIDA-Kern enthält Module zur georeferenzierten Verarbeitung von Kartenmaterial, zur Integration heterogener Daten (Datenbanken, Sensordaten, Kontextdaten) und zur logischen Verknüpfung dieser Daten mit Blick auf hinterlegte Soll-Ist-Werte und Soll-Ist-Prozesse. Bemerkenswert an dieser Lösung ist die Verknüpfung eines robusten, generischen Softwarekerns und individueller, funktionaler Module für spezifische Anwendungen. 

Letztere werden in enger Kooperation mit den Nutzern entwickelt. Wichtig ist zu erwähnen, dass es sich nicht um ein reines Informationssystem handelt, sondern um ein bidirektionales Managementsystem mit aktiver Warnfunktion und Kommunikationsschnittstellen zu internen und externen Kräften. Das System ist in einer entsprechenden Version seit mehreren Jahren an einem internationalen Verkehrsflughafen im Einsatz. Mit Blick auf das Krisenmanagement können damit in den beiden Frühphasen unter anderem Infrastrukturelemente, Einsatztechnik oder Betriebsmittel verwaltet werden, während das System in den ereignisnahen Phasen bei der Lagebewertung und Krisenbewältigung unterstützen kann. Die Achillesferse digitaler Assistenzsysteme bleibt die Abhängigkeit von Energie- und Kommunikationsinfrastruktur, sodass eine redundante Auslegung ratsam erscheint. Darauf verzichten sollte man nicht.

Karte des Fraunhofer-Campus Wachtberg erstellt mit 3D-Mapping-Technologie
Karte des Fraunhofer-Campus Wachtberg erstellt mit 3D-Mapping-Technologie
Quelle: Fraunhofer FKIE

3D-MAPPING für die Einsatzplanung

Genaue Gebietskarten sind für die Phasen Risikoanalyse und Prävention wichtig, um potenziell gefährdete Bereiche und mögliche Evakuierungsstrecken zu dokumentieren. Georeferenzierte Karten helfen den Einsatzkräften dabei, die aktuelle Lage zu erfassen und Entscheidungen vorzubereiten. Im Katastrophenfall sind diese Karten aber nur bedingt gültig, da sich die Topographie des Geländes in kürzester Zeit stark verändern kann. In dieser Situation ist es wichtig, schnell über aktualisierte Karten der betroffenen Gebiete zu verfügen.

Zwei Fachabteilungen des Fraunhofer FKIE haben mit Blick auf derartige Szenarien eine Lösung zur schnellen Geländekartographierung mithilfe unbemannter Luft- und Bodenfahrzeuge entwickelt. Bei diesem 3D-Mapping werden die optischen Daten der Drohnen und die LIDAR-Daten der Bodenroboter zu detaillierten dreidimensionalen Karten zusammengefügt. Im Gegensatz zu Karten, die nur auf Basis der luftgestützten Erfassung eines Geländes entstehen, weisen diese Karten kaum Abschattungen auf. Bereiche unter Bäumen, unter Brücken oder innerhalb von Tunneln werden ebenfalls dargestellt. 

Technisch erfolgt dies durch die Nutzung spezieller Fusionsalgorithmen, die die unterschiedlichen Daten in Echtzeit zu einer konsistenten Karte zusammensetzen. Bei Verfügbarkeit einer geeigneten Kommunikations­infrastruktur kann die Karte schon während der Entstehung übertragen und genutzt werden. Die Einsatzkräfte erhalten so wertvolle Informationen über verfügbare Wege für schweres Gerät, über mögliche Evakuierungsoptionen oder über einsturzgefährdete Infrastruktur. Ist die Kartierung beendet, kann das System weitere Monitoring-Aufgaben übernehmen. Zum Beispiel lassen sich durch das kontinuierliche Erstellen von 3D-Modellen einer gefährdeten Staumauer auch geringe Veränderungen erkennen, um rechtzeitig agieren zu können.

LUCY für die Opferlokalisierung

Schwere Naturkatastrophen in besiedelten Gebieten führen ­häufig zu gefährlichen Situationen, in denen hilfebedürftige Menschen eingeschlossen oder isoliert sind. Für die Rettungskräfte ist es oft schwierig, diese Personen zu lokalisieren und entlang der noch verfügbaren Routen zu bergen. Das oben dargestellte 3D-Mapping hilft bei der schnellen Erzeugung aktueller Karten, die eine Orientierung ermöglichen. Die Suche nach Opfern kann diese Technologie jedoch nur sehr bedingt unterstützen. Eine Forschungsgruppe des Fraunhofer FKIE hat mit Blick auf derartige „Search-and Rescue-Szenarien“ das Potenzial drohnengestützter Mikrofone untersucht und erfolgreich umgesetzt. Dabei waren verschiedene technische Herausforderungen wie die Filterung der Umgebungsgeräusche, die Genauigkeit der Lokalisierung oder das Gewicht der Apparatur zu bewältigen. 

Das Experimentalsystem LUCY basiert auf einer über viele Jahre entwickelten Basistechnologie zur akustischen Detektion von Ereignissen. Der entscheidende Durchbruch für das oben skizzierte Szenario gelang durch die Nutzung winziger MEMS-Mikrofone in Verbindung mit hardwarenaher Signalverarbeitung in einer programmierbaren Logik, die insgesamt eine erhebliche Miniaturisierung des Systems ermöglichten. In Kombination mit adaptiven Geräuschfiltern, einer KI-gestützten Klassifikation und einer äußerst präzisen akustischen Peilung (bspw. durch Beamforming) ist es möglich, über eine nachgewiesene Entfernung von ca. 150 m impulsive Geräusche wie Schreien, Klatschen oder Klopfen zu erkennen, zu lokalisieren und die Koordinaten an die Einsatzkräfte zu übermitteln. In Kombination mit anderer Sensorik und unter Nutzung intelligenter Autopilotfunktionen zur systematischen Suche kann diese Technologie in der zeitkritischen Phase der Soforthilfe Leben retten.

Zusammenfassung

Naturkatastrophen lassen sich nicht verhindern, aber es muss das Ziel der Verantwortungsträger und Einsatzkräfte sein, die negativen Auswirkungen durch kluges und vorausschauendes Handeln zu minimieren. Technologie in ihrer vielfältigen Form war und ist einer der größten Hebel in allen Phasen der Krisenbewältigung. Nicht unterschätzt werden sollte im Hinblick auf die Nachwuchsrekrutierung, dass gerade junge Menschen eine attraktive und innovative Arbeitsumgebung erwarten. Die anwendungsorientierte Forschung verfügt über zahlreiche prototypische Lösungen mit großem Nutzenpotenzial. Durch einen engeren Austausch in organisationsübergreifenden Netzwerken mit Behörden, Kommunen, Rettungskräften, Forschung und Industrie könnten die Weichen für eine bessere Krisenbewältigung in der Zukunft gestellt werden.


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