Autor: James Wormald
Kurt Winter je generálním ředitelem IQ Technologies for Earth and Space GmbH, vývojářů systému včasné detekce IQ FireWatch pro lesní požáry. Hovoří s Electro Optics o IQ FireWatch, automatizovaném detekčním a včasném varovném systému pro lesní požáry, diskutuje o výhodách systému a různých senzorových technologiích, které používá.
Můžete vysvětlit důležitost fotoniky a technologií založených na fotonice, jako jsou kamery a obrazové senzory používané v systému a softwaru IQ FireWatch?
Za pomoci různých optických senzorů a jednotky senzoru systém IQ FireWatch detekuje kouř a kouřové jevy v reálném čase, aby divoké požáry mohly být odhaleny a uhašeny co nejdříve. Senzorová jednotka umístěná na vysokých strukturách se otáčí o 360 stupňů každé čtyři až šest minut a pořizuje snímky na pevných pozicích. Spojuje tak monochromatické a barevné senzory se senzorem s obzvláště vysokou citlivostí na infračervené (NIR) světlo.
Monochromatický senzor se používá pro detekci kouře během dne na dlouhé vzdálenosti. Vzhledem k tomu, že surová obrazová data z monochromatických senzorů mají lepší úroveň detailů a citlivosti na světlo než barevné kamery.
Proč tomu tak je?
Barevné kamery vytvářejí pixely pomocí barevného filtračního pole (CFA) v mozaikové vzoru – jedním z nejběžnějších z nich je Bayerův vzor – a v důsledku toho každé pixelové kanály přijímají pouze třetinu dopadajícího světla, což snižuje rozlišení získaného obrazu asi o 20%.
Na druhou stranu monochromatické senzory zachycují celé dopadající světlo. Mít přístup k takovým dodatečným obrazovým datům je nesmírně výhodné pro software pro detekci kouře, protože vyšší úrovně kontrastu umožňují přesnější rozlišení kouře od mlhy, oparu a dalších kouřem podobných jevů.

Druhým senzorem v systému je RGB senzor, který umožňuje vidět další vlastnosti krajiny v různých barevných vlnových délkách. Důvodem je multispektrální překryv. Systém, který je krmený současným vstupem z monochromatického a RGB senzoru, umožňuje porovnat a sladit barevné informace v zachycených snímcích. To zvyšuje přesnost a minimalizuje falešné poplachy. To je také důležité, protože různé typy kouře a kouřem podobných jevů mohou mít různé barvy.
Infračervený (NIR) senzor umožňuje spolehlivou detekci kouře v noci, i na dlouhé vzdálenosti. Využívá lampový efekt – jak chlorofyl v NIR spektru (700 – 1 100 nm) odráží přibližně šestkrát více světla než na vlnových délkách viditelných lidskému oku. Tento jev umožňuje senzoru také zachytit skryté požáry za horskými hřebeny.
Současné použití těchto osvědčených optických senzorů kouře ve spolupráci se softwarem umožňuje systému pokrýt radius 20 km, ačkoliv až 50 km je obvykle funkční za předpokladu jasného počasí, které přetrvává během letních období náchylných k požárům. Snímky jsou zpracovávány v reálném čase pomocí moderního softwaru, který kombinuje algoritmy založené na funkcích s umělou inteligencí. Jakmile software detekuje kouř, jednotka systému odešle upozornění do kontrolního centra pro požáry. Tam operátoři ověřují varování a vyhlašují poplach, pokud byl skutečně vyvolán požárem. Klíčové pro proces ověřování jsou snímky události kouře. Ty jsou tím důležitější, neboť na této úrovni se přijímají časově kritická rozhodnutí, která přímo ovlivňují všechny následující fáze reakcí na nouzové situace.

Jaké výzvy představuje integrace těchto technologií s cílem vytvořit spolehlivý produkt?
Jelikož se jedná o vysoce citlivé záležitosti v oblasti bezpečnosti, nové technologie a senzory musely projít dlouhým procesem testování a hodnocení, aby prokázaly svou funkčnost a potvrdily, že jejich technická bezpečnost bude zaručena v dlouhodobém horizontu. To je klíčové pro úspěch a základy pro rozhodování o kritické bezpečnosti.
Tato technologie byla původně vyvinuta v 90. letech pro misi Rosetta Evropské vesmírné agentury a stala se základem pro automatizované včasné odhalení divokých požárů. Rozsáhlé testování až do roku 2002 potvrdilo její spolehlivost v nepřetržitém monitorování velkých oblastí. Systém byl implementován v Německu a následně po celém světě a neustále se zlepšoval. Původně byl používán pouze monochromatický senzor. V roce 2010 byl přidán druhý senzor pro detekci kouře jak ve dne, tak v noci. Do roku 2017 sedmá technická generace zahrnovala barevný senzor spolu s existujícími senzory. V roce 2021 byl zaveden nový software pro detekci kouře, který spojuje tradiční algoritmy založené na funkcích s umělou inteligencí po testování.
Jak uživatelsky přívětivý je systém pro instalaci a efektivní provoz?
Aby byla zajištěna bezproblémová integrace hardwaru a softwaru, je vyžadováno precizní měření a kalibrace systému. Certifikovaní odborníci instalují systém na vysoké struktury a software je poté spravován vzdáleně. Po více než 20 letech zkušeností lze říci, že systém vykazuje nadprůměrnou životnost, přičemž instalace fungují více než deset let.
Dnes se úkol detekce požárů přesunul z izolovaných povinností na hlídkových věžích do moderních, dobře vybavených kontrolních center pro požáry v mnoha zemích. Bývalí pracovníci hlídkových věží byli důkladně vyškoleni, aby ovládli systém IQ FireWatch Office. Jejich odborné znalosti a místní znalosti zůstávají nezbytné pro ověřování poplachů. Zkušenosti a analytické nástroje, které mají tito operátoři k dispozici, pomáhají předcházet falešným poplachům, což zajišťuje, že hasičské sbory mohou efektivně rozdělovat zdroje tam, kde jsou nejvíce potřeba.

Jaký dopad má produkt IQ FireWatch na životní prostředí a udržitelnost ?
Klimatické změny postupují rychle, což znamená, že s každým rokem se lesní požáry stávají stále vážnější hrozbou. V současnosti se každoročně ztrácí 14 milionů hektarů (34,6 milionu akrů) lesa kvůli požárům, a toto číslo neustále roste. Ani ta nejúčinnější opatření nikdy zcela neeliminují hrozbu lesních požárů. Proto je včasná detekce klíčová, když začnou – požáry, které nejsou uhašeny co nejrychleji, mohou rychle nabývat na síle a způsobit vážné škody lidem, přírodě a majetku.
Existují další příklady, jak lze systém použít k detekci jiných typů požárů nebo nouzových situací – kromě lesních požárů?
IQ FireWatch byl primárně vyvinut pro včasnou detekci lesních požárů, což zůstává jeho hlavní funkcí, avšak lesní požáry se mohou rozšířit do obytných oblastí a průmyslových zón a ovlivnit kritickou infrastrukturu. Proto se systém dále vyvíjí pro použití v těchto oblastech a získává na významu v širších nouzových aplikacích.
Detekční přesnost systému může být optimalizována pro specifické podmínky. Například může být naprogramována tak, aby ignorovala oblasti s konstantními emisemi kouře, jako jsou oblasti poblíž komínů, aby se předešlo falešným poplachům. Další způsoby, jak optimalizovat systém pro specifické podmínky, zahrnují citlivost závislou na vzdálenosti, různé filtry, výběr senzorů závislý na situaci a nastavení parametrů. Tato flexibilita zvyšuje jeho účinnost v různých environmentálních podmínkách.

Kdo jsou dodavatelé nebo vývojáři fotonických systémů používaných systémem IQ FireWatch a jaké jsou jejich důležité komponenty?
IQ FireWatch je zcela vyvinut a vyráběn společností IQ Technologies for Earth and Space GmbH, německou společností. Systém využívá pokročilé průmyslové senzory pro včasnou detekci lesních požárů, které jsou pečlivě integrovány, kalibrovány a interně testovány, aby byla zajištěna dlouhodobá spolehlivost. Nejmodernější software je nejen vyvinut, ale také neustále vylepšován interně, což zajišťuje, že technologie zůstává na špici inovace. Globální síť partnerů pomáhá IQ FireWatch s integrací systému na celém světě, a díky tomu jsou systémy instalovány již na čtyřech kontinentech.
Můžete sdílet některé nedávné projekty, kde byl systém IQ FireWatch implementován, a jaké hmatatelné výhody přinesl klientům nebo komunitám?
IQ FireWatch hraje zásadní roli v minimálním poškození způsobeném lesními požáry po celém světě. Například v Kalifornii je infrastruktura utilit jednou z hlavních příčin lesních požárů. Město Redding v okrese Shasta, CA, proto vyvinulo komplexní plán mitigace lesních požárů, v němž hraje IQ FireWatch centrální roli.
Dalším skvělým příkladem je Sintra, oblíbená turistická destinace v Portugalsku, proslulá svým malebným přírodním parkem a stoletými paláci. V roce 1995 byla tato oblast prohlášena UNESCO za chráněné místo světového dědictví jako uznání její kulturní a historické hodnoty. Vzhledem k vysokému riziku lesních požárů v regionu je IQ FireWatch v Národním paláci Pena v Sintra v provozu již mnoho let a chrání nenahraditelný odkaz této důležité turistické destinace.
Kromě toho Kolumbie v Jižní Americe používá IQ FireWatch k ochraně své části amazonského deštného pralesa, což je klíčové, protože již více než 20 % tohoto vitálního ekosystému bylo ztraceno kvůli lesním požárům.
Podle Vašeho názoru, existují nějaké budoucí vývoje, které by mohly zlepšit výkon technologie?
Technologie senzorů se neustále vyvíjí a neustále se vyvíjejí výkonnější komponenty. To má dopad nejen na velikost systémů, ale také na dlouhověkost komponent. Použití nejnovějších technologií v kombinaci s dalším vývojem detekčních algoritmů (na základě funkcí a AI) zajistí, že IQ FireWatch zůstane špičkový i v budoucnu.

Jak může AI dále zlepšit dopad a výkon těchto algoritmů?
Softwarové zpracování obrazu systému detekuje kouř pomocí algoritmů, které kombinují umělou inteligenci a klasický přístup založený na funkcích. Detekce založená na funkcích spoléhá na lidské zkušenosti a znalosti, aby přesně popsala a algoritmicky reprezentovala události kouře. Naopak přístupy založené na umělé inteligenci se snaží napodobit lidský mozek tím, že umožňují stroji učit se procesy, akce nebo funkce a aplikovat je v podobných situacích za účelem rozpoznávání a lokalizace objektů.
Z tohoto důvodu jsou různé neuronové sítě školeny na datech sestávajících z několika set tisíc obrazů. Tyto obrázky, pečlivě vybrané, byly pořízeny po celém světě během posledních 20 let. Zobrazují různé roční sezóny, krajiny, klimatické a vegetační typy a povětrnostní podmínky. Proces školení v rámci tohoto přístupu zahrnuje více vrstev, diskrétní konvoluce, vážení, podvzorkování a aktivace funkcí.
Kombinace obou metod poskytuje nepřekonatelnou přesnost v automatizované detekci kouře, což umožňuje IQ FireWatch neustále zlepšovat svůj poměr pravdivě pozitivních výsledků k falešným pozitivům v různých terénech, od plochých rovin po drsné kopce a hory.
Comentarios