Omdat klimaatverandering leidt tot grotere en frequentere bosbranden, gebruiken onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy sensoren, drones en machine learning om zowel branden te voorkomen als hun schade aan het elektriciteitsnet te verminderen. Ingenieurs zijn bezig met het verfijnen van technologie om op afstand elektrische vonken en defecte apparatuur te detecteren, evenals de richting van het verspreiden van branden.

De behoefte is dringend. Volgens gegevens van het National Interagency Fire Center hebben de grootste geregistreerde bosbrandjaren plaatsgevonden sinds 2004, wat samenviel met veel van de warmste jaren ooit. Elektriciteitsbedrijven hebben een groot belang bij het aanpakken van de crisis, aangezien veel bosbranden worden veroorzaakt door hoogspanningsleidingen en bosbranden wijdverbreide stroomuitval kunnen veroorzaken.

Afgelopen brandseizoen richtte DOE financiering op voor een handvol natuurbrandprojecten, waaronder twee bij ORNL. "We hebben ervoor gekozen om dit onderzoek te versnellen omdat we erkennen hoe kritisch en gevaarlijk natuurbranden zijn geworden als gevolg van klimaatverandering en andere factoren", zegt Stewart Cedres, senior technisch leider en strateeg van DOE. Wildvuurschade aan transmissielijnen kan brownouts en black-outs in verschillende staten veroorzaken, merkte hij op.

"Het werk dat ORNL doet met sensortechnologie op drones die verder kunnen gaan dan de gezichtslijn, is uniek en zeer belangrijk omdat het ons in staat stelt om problemen die het net in gevaar kunnen brengen een aantal stappen voor te zijn, waardoor het onbetrouwbaar en minder veerkrachtig wordt." zei Cedres.

Cedres zei dat DOE een tweeledig belang heeft:voorkomen dat branden worden gestart door het elektriciteitsnet en het beschermen van het net tegen branden. Een ORNL-team onder leiding van Peter Fuhr, hoofd van ORNL's Grid Communications and Security Group, werkt aan beide problemen. Het verbetert ook de detectie van branddetectie voor de U.S. Forest Service, de belangrijkste instantie voor het bestrijden van bosbranden.

Het Witte Huis wees in juli op het natuurbrandonderzoek dat werd uitgevoerd door het team van Fuhr om uit te leggen hoe de regering-Biden de natuurbranddreiging aanpakt.

Preventie

Sensoren die in de buurt van hoogspanningsleidingen of in vermogenselektronica worden geplaatst, kunnen variaties in de vermogensstroom registreren die leiden tot oververhitte vonken. ORNL-onderzoeker Ali Ekti ontwikkelt een algoritme voor het snel herkennen en classificeren van deze elektrische booggebeurtenissen, die optreden wanneer elektriciteit tussen twee geleiders door de lucht springt.

Ekti gebruikt een bibliotheek met "signaturen" in golfvorm, bijgedragen door nutsbedrijven en universiteiten, die pieken in spanning of stroom vertonen die worden veroorzaakt door anomalieën zoals boogvorming. Zijn algoritme detecteert deze anomaliegebieden. De volgende stappen omvatten het trainen van een softwareprogramma om vergelijkbare handtekeningen te herkennen en te bepalen waar de boogvorming plaatsvindt. Het algoritme, dat zou kunnen worden ingezet in vermogenselektronica-apparatuur, zou het commandocentrum van het nutsbedrijf waarschuwen, zodat het personeel de locatie kan controleren - als deze toegankelijk is.

Dit is waar drones van pas komen:vonken komen vaak voor in ruige gebieden die moeilijk te bereiken zijn. Vliegtuigen en helikopters kunnen soms niet laag of dichtbij genoeg komen om kleine bogen te vinden. Ze zijn ook veel duurder om te vliegen en moeilijk snel in te plannen, zei Fuhr.

Een veelbelovend alternatief is het gebruik van drones die zijn uitgerust met sensoren die video opnemen en geluids-, warmte- en radiofrequentie-emissies van kleine bogen detecteren. Deze gecombineerde zintuiglijke vermogens kunnen gedetecteerde problemen bevestigen en interferentie overwinnen.

Drones helpen bij het identificeren van onderhoudsbehoeften voordat branden beginnen. ORNL's ervaring met het besturen van drones buiten de visuele gezichtslijn maakt het inspecteren van transmissielijnen over lange afstanden mogelijk. De Federal Aviation Administration heeft onlangs het team van Fuhr ongebruikelijke toestemming verleend om met drones door de Verenigde Staten te vliegen, en tot 1500 voet met speciale toestemming.

"Drones zijn al bezig met vegetatiebeheer. Dus waarom gebruiken we niet een extra technologie op hetzelfde platform om tegelijkertijd op boogvorming te controleren?" zei Fuhr. "We organiseren het komende jaar demonstraties bij grote en kleine nutsbedrijven in het hele land."

Op een drone gemonteerde audiosensoren staan ​​voor een uitdaging om het knetterende geluid van een boog te onderscheiden van het gezoem van de drone-propeller. Maar Ekti heeft een nieuwe techniek ontwikkeld die wiskunde gebruikt om de audiosignatuur van boogvorming uit achtergrondruis te halen.

Regie bij brandbestrijding

Het team van Fuhr kan dit in de praktijk testen tijdens een andere demonstratie in oktober voor Staatsbosbeheer. Rond het Kootenai National Forest in Montana zullen ORNL-onderzoekers laten zien hoe ze drones kunnen gebruiken om vonken thermisch te detecteren voor een grote brand.

Het team testte de techniek deze zomer op een nabijgelegen boerderij door een ingeperkt vreugdevuur aan te steken tussen verspreide kleine blikjes brandende gelbrandstof. Ze experimenteerden om de hoogte te leren waarop een op een drone gemonteerde sensor de kleine vlammen eronder kon identificeren.

Deze mogelijkheid zou een game-changer kunnen zijn bij het bestrijden van bosbranden, zei Marva Willey, een brandstofspecialist van de US Forest Service die deel uitmaakt van het tools- en technologieteam van het bureau. "Hittedetecterende sensoren hebben zoveel toepassingen die ons situationeel bewustzijn en kennis van waar hitte en vuur zijn, kunnen vergroten", zei ze. "Het gaat erom te weten wat er aan de hand is voordat je mensen naar buiten brengt."

Op een drone gemonteerde sensoren kunnen helpen bij het vinden van nieuwe branden veroorzaakt door sintels die tot anderhalve kilometer van de hoofdbrand kunnen blazen, zei Willey. Niets anders kan warmte voelen onder een bladerdak van bomen waar geen rook zichtbaar is. De drones kunnen ook worden gebruikt om hotspots in een afgebrand gebied te lokaliseren - een taak die nu met de hand wordt uitgevoerd terwijl brandweerlieden door as ziften.

ORNL-onderzoekers leveren sensoren voor een ander Forest Service-experiment, gerelateerd aan het detecteren van hitte van extreem grote hoogte. Sensoren kunnen worden gedragen door een ballon of door een op zonne-energie aangedreven voertuig met een lange levensduur dat boven onweersbuien vliegt en controleert op branden die zijn ontstoken door blikseminslagen. Die technologie wordt later dit jaar getest. Willey zei dat het de behoefte aan geleide vluchten voor het spotten van vuur zou kunnen verminderen, waardoor menselijke risico's worden geëlimineerd en de beperkte middelen verstandig worden gebruikt.

Het team van Fuhr is begonnen met het onderzoeken van andere manieren om elektrische brand te voorkomen met behulp van op een drone gemonteerde sensoren, zoals het detecteren of verbindingen of transformatoren overtollige warmte genereren.

In 2021, toen in het nabijgelegen Wears Valley, Tennessee, een natuurbrand veroorzaakt door neergestorte hoogspanningslijnen brandde, kregen Fuhr en zijn team toestemming van brandweerlieden om drones te gebruiken om de warmte in transmissielijnen en transformatoren te midden van de brand te bewaken. Zelfs als ze de brand overleven, kunnen transformatoren worden aangetast door blootstelling aan temperaturen die heter zijn dan hun bedrijfslimieten, zei Fuhr. Dit kan helpen bepalen waar apparatuur moet worden vervangen.

"New Mexico stond eerder dit jaar in brand, en als je de verwoesting ziet die is gebeurd met de (2018) Camp Fire en het resulterende faillissement van het hulpprogramma - als onze activiteiten dat soort resultaten kunnen verminderen, is dat goed voor iedereen," Fuhr gezegd. + Verder verkennen

Detectie van natuurbranden:drones gecombineerd met sensoren op de grond