[논문 리뷰] Unmanned Aerial Systems for Wildland and Forest Fires: Sensing, Perception, Cooperation and Assistance

Moulay A. Akhloufi, Nicolas Castro외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 28.

Fire effects on ecosystems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 야생화재 관리에 대한 무인 항공 시스템(UAS)을 검토하며, 감지, 인식, 협업 및 무인 지상 차량(UGV)과의 통합에 초점을 맞춘다. UAS는 저비용이며 이동성이 뛰어난 솔루션으로, 대규모 화재 지역에서 실시간 화재 탐지, 특성 분석 및 협업을 가능하게 하여 상황 인식 능력과 대응 효율성을 향상시킨다.

ABSTRACT

Wildfires represent an important natural risk causing economic losses, human death and important environmental damage. In recent years, we witness an increase in fire intensity and frequency. Research has been conducted towards the development of dedicated solutions for wildland and forest fire assistance and fighting. Systems were proposed for the remote detection and tracking of fires. These systems have shown improvements in the area of efficient data collection and fire characterization within small scale environments. However, wildfires cover large areas making some of the proposed ground-based systems unsuitable for optimal coverage. To tackle this limitation, Unmanned Aerial Systems (UAS) were proposed. UAS have proven to be useful due to their maneuverability, allowing for the implementation of remote sensing, allocation strategies and task planning. They can provide a low-cost alternative for the prevention, detection and real-time support of firefighting. In this paper we review previous work related to the use of UAS in wildfires. Onboard sensor instruments, fire perception algorithms and coordination strategies are considered. In addition, we present some of the recent frameworks proposing the use of both aerial vehicles and Unmanned Ground Vehicles (UV) for a more efficient wildland firefighting strategy at a larger scale.

연구 동기 및 목표

• 화재 빈도와 심각도 증가에 대응하기 위해 탐지 및 대응 시스템을 개선한다.
• 대규모이고 고립된 화재 지역을 커버하는 데에 한계가 있는 지상 기반 시스템의 한계를 극복한다.
• 실시간 화재 운영 중 원격 감지, 화재 인식 및 작업 계획 수립을 위한 UAS 기반 솔루션을 개발한다.
• UAS를 무인 지상 차량(UGV)과 통합하여 대규모 화재 진압 효과를 향상시킨다.
• 공중 및 지상 UAS 간의 협업 전략을 발전시켜 상황 인식 능력과 운영 효율성을 향상시킨다.

제안 방법

• UAS의 탑재 센서를 활용해 화재의 열적, 시각적, 적외선 서명에 대한 실시간 데이터를 수집한다.
• 다중 스펙트럼 및 열 이미징 데이터를 사용해 활성 화재를 탐지하고 특성화하는 화재 인식 알고리즘을 구현한다.
• 대규모 화재 지역 전역에서 UAS 비행 경로와 센서 커버리지를 최적화하기 위해 작업 계획 및 할당 전략을 적용한다.
• UAS 및 UGV 플랫폼 간의 통신과 작업 공유를 가능하게 하는 협업 프레임워크를 개발한다.
• 복잡한 지형에서 상호 보완적인 감지 및 대응 행동을 가능하게 하기 위해 공중 및 지상 UAS 시스템을 통합한다.
• UAS의 이동성 활용으로 위험하거나 접근이 어려운 지역에 진입해 화재 모니터링 및 데이터 확보를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 기반 시스템에 비해 UAS는 대규모 야생화재에서 어떻게 화재 탐지 및 특성 분석을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 UAS를 사용해 실시간으로 화재 전선과 뜨거운 구역을 정확하게 식별하는 데에 어떤 감지 및 인식 기법이 필요한가?
• RQ3 다중 UAS 및 UGV 간의 협업 전략은 화재 대응 중 상황 인식 능력을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 작업 계획 및 할당 알고리즘은 UAS 커버리지와 대응 효율성을 최적화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 통합된 공중 및 지상 UAS 시스템은 복잡한 환경에서 전체 화재 진압 효과를 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• UAS는 높은 이동성과 고립되거나 위험한 지역에 접근할 수 있는 능력 덕분에 저비용이며 확장 가능한 야생화재 모니터링 대안을 제공한다.
• 특히 열화상 및 다중 스펙트럼 이미징을 포함한 탑재 감지 시스템은 초기 화재 탐지 및 실시간 특성 분석 능력을 크게 향상시킨다.
• 인식 알고리즘은 화재 전선과 뜨거운 구역의 정확한 식별을 가능하게 하여 비상 대응 요원의 신속한 의사결정을 지원한다.
• UAS와 UGV 간의 협업 프레임워크는 대규모 야생화재 발생 시 운영 커버리지 및 상황 인식 능력을 향상시킨다.
• 통합된 공중 및 지상 UAS 시스템은 복잡한 대규모 화재 환경에서 더 높은 대응 효율성과 데이터 수집 능력을 입증한다.
• 작업 계획 및 할당 전략은 UAS 비행 경로를 최적화하여 센서 커버리지를 증가시키고 동적 화재 조건에서 대응 시간을 단축시킨다.