Drooniparvet avuksi maastopalojen seurantaan ja torjuntaan
Maastopalot ovat suuri ilmastonmuutoksen aiheuttama ympäristöuhka. FireMan konsortio kehittää tekoälyyn ja miehittämättömiin ilmajärjestelmiin perustuvaa teknologiaa metsäpalojen nopea havaitsemista ja tilannekuvan muodostamista varten.
Kuva: Lauri Markelin
VTT:n tutkimusprofessori Fabrice Saffre avaa simulointinäytön, jossa vihreät ja harmaat pisteet havainnollistavat metsän syttymisvaarassa olevia materiaaleja ja kivikkoisia alueita. Hän sytyttää virtuaalisen maastopalon hiiren painalluksella. Palo leviää nopeasti, ja kolme miehittämätöntä ilma-alusta eli droonia alkavat tarkkailla sitä.
”Kyseessä on yksinkertaistettu malli, joka simuloi metsän maastopaloa sekä havainnollistaa, mitä tapahtuu, kun droonit alkavat tarkkailla sitä. Ne tarkkailevat leviävää paloa niin hyvin kuin voivat ja pysyttelevät turvallisen etäisyyden päässä,” selittää Saffre.
Saffre on kehittänyt simulaatiomallin FireMan-projektissa. Simulaation avulla hän tuo esille, kuinka drooniparvia voidaan hyödyntää tulevaisuudessa maastopalotilanteissa niin Suomessa kuin missä tahansa muuallakin maailmassa. FireMan-projektissa kehitteillä olevaa puoliautonomista järjestelmää kokeillaan Suomessa vuonna 2024. Ilmastonmuutoksen seurauksena ympäri maailmaa on viime aikoina syttynyt valtavia maastopaloja, joten niiden tehokkaille seuranta- ja torjuntajärjestelmille on kasvava tarve.
Droonit pystyvät mittaamaan lämmönlähdettä infrapunalämpökameroidensa avulla. Sijaintitietojaan keskenään vaihtamalla ne kykenevät muodostamaan palon ympärille seurantavyöhykkeen, joka muuttaa muotoaan palon edetessä. Myötätuulessa droonit pysyttelevät etäämmällä palosta, minkä vuoksi ne järjestäytyvät soikion muotoon ympyräkehän sijasta varmistaakseen, että laitteet lentävät turvallisen välimatkan päässä liekeistä. Parvijärjestelmän toiminta mukautuu käytössä olevien droonien määrään. FireMan-projektissa kehitetään myös tietyllä alueella olevien useiden samanaikaisten maastopalojen havaitsemista.
On tärkeää, että parvi toimii ilman käyttäjänsä jatkuvaa tarkkaa ohjausta. Palojen tunnistamisessa hyödynnetään erilaisia optisia anturiteknologioita: yleensä käytetään visuaalisia kameroita ja infrapunalämpökameroita, mutta myös moni- ja hyperspektrikamerat voivat tulla kyseeseen. Pienoiskamerat voivat myös olla tulevaisuudessa vaihtoehtona.
”Tavoitteemme FireMan-projektissa on etsiä ratkaisuja siihen, miten uusia ja käänteentekeviä miehittämättömiä ilma-alusjärjestelmiä (Unmanned Aerial System, UAS) voidaan hyödyntää maastopalojen nopeassa, kustannustehokkaassa ja vähäpäästöisessä havainnoinnissa. UAS-ratkaisut palvelevat hyvin myös tilannekuvan muodostamisessa ja palopäälliköiden päätöksenteon tukena.Toivomme, että voimme myös tulevina kesinä säiden puolesta järjestää droonien koelentoja metsienhallittujen kulotusten yhteydessä eri puolilla Suomea”, kertoo VTT:n erikoistutkija Hannu Karvonen.
”Ajan myötä saamme selville, kuinka kokonaan tai osittain autonomisia drooniparvijärjestelmiävoidaan hyödyntää maastopalojen havainnoinnissa ja kuinka ne voivat tukea pelastuslaitosten henkilöstöä päätöksenteossa. Arvioimme ja määritämme myös ihmisten roolit droonien käyttäjinä ja heidän vuorovaikutuksensa drooniparvijärjestelmän sekä muiden sidosryhmien kanssa,” hän jatkaa.
Miten tekoälyä hyödyntävät droonit muuttavat palomiesten työnkuvaa?
”Pyrimme tarjoamaan palokunnille aiempaa paremmat mahdollisuudet muodostaa tilannekuva ja samalla keventää niiden työtaakkaa automatisoimalla rutiinitehtäviä”, kertoo Saffre. ”Emme vielä tiedä lopullisen ratkaisumme yksityiskohtia, mutta se on varmaa, että droonit ja automaatio ovat siinä mukana. Ihmisen valvoma drooniparvi voi auttaa palokuntaa koordinoimaan operaatiotaan parvijärjestelmän tarjoaman tilannetiedon perusteella. On myös mahdollista, että muutaman vuoden kuluttua droonit pystyvät sammuttamaan paloja itsenäisesti esimerkiksi luontoystävällisten palonestoaineiden avulla,” hän jatkaa.
Saffren tehtävä FireMan-projektissa liittyy droonien kollektiivisen älykkyyden kehittämiseen niiden luoman tilannekuvan parantamiseksi. ”Eräs droonien merkittävimmistä eduista liittyy siihen, että niille voi esittää vain karttaa klikkaamalla vaativia tehtäviä, kuten: ”Mene tälle alueelle ja anna minulle mahdollisimman paljon tietoa palon leviämisestä”, Saffre kertoo ja jatkaa: ”Sen jälkeen droonit luovat toimintasuunnitelman ja laskevat lentoreittinsä”.
”Korkean automaatiotason ansiosta ihmisen tekemä manuaalinen ja rutiininomainen työ vähenee. Nykyiset työnkuvat saattavat muuttua tulevaisuudessa: Erityisiä data-analyytikkoja saatetaan tarvita palopäälliköiden tueksi, jotta päälliköt voivat tehdä ripeitä päätöksiä erilaisissa nopeasti kehittyvissä tilanteissa”, kertoo Karvonen.
Tulevaisuudessa täysin integroitu järjestelmä, joka koostuu satelliittikuvista, nelikoptereista ja kiinteäsiipisistä drooneista, voi parantaa vasteaikaa erityisesti erämaa-alueilla, joissa ei välttämättä ole ennakkovaroitusjärjestelmiä. Tällä hetkellä Suomen palovalvontalennot tehdään pienlentokoneilla. Voisiko ne toteuttaa tehokkaammin ja ympäristöystävällisemmin drooneilla, jotka pystyvät paikantamaan palon älykkyytensä ansiosta ja kutsumaan paloalueelle muita droonejaautomaattisesti?
”Autonomisten alustojen integroinnilla on tässä asiassa suuri merkitys”, Saffre sanoo. Hän ottaa esimerkiksi erämaa-alueen, Amazonin, jossa ei välttämättä ole käytössä ennakkovaroitusjärjestelmää. Hallussa saattaa olla satelliittikuva, josta käy ilmi maastopalon sijainti syrjäisessä paikassa. ”Tällaisessa tapauksessa saatat lähettää lentokoneen tarkkailemaan tilannetta ja vahvistamaan, onko kyseessä oikea tulipalo. Mikäli kyseessä on tulipalo, siirryt seuraavalle tasolle ja lähetät paikalle nelikopterin seuraamaan tilannetta. Pitkälle automatisoidusta järjestelmästä on näin ollen etua tilanteen tunnistamisessa.”
Etäohjattuja drooneja käytetään jo nykyään metsäpalojen torjunnassa erityisesti Etelä-Euroopassa ja Kaliforniassa, mutta tutkijoiden tietojen mukaan ei kuitenkaan ”älykkäiden” ja miehittämättömien ilma-alusparvien autonomisia ratkaisuja.
”Yksi tavoitteistamme on osoittaa, voiko yksi käyttäjä operoida samanaikaisesti useaa drooniaparviälyn tukemana”, Saffre kertoo. Etäalustojen, droonien tai jopa maa-asemien hyödyntäminen vaarallisten kohteiden valvonnassa vaatii paljon työtä. Eräs hankkeen lähtökohdista on ajatus drooniparvesta niin, että yksi käyttäjä ohjaa yhtä droonia toisten droonien ollessa järjestäytyneenä sen ympärille. Tällainen lentomuodostelma tarjoaisi eri kuvakulmia palotapahtumaan ja samalla enemmän informaatiota.”
Ensimmäiset nelikopteridroonien koelennot suoritettiin Maanmittauslaitoksen kanssa Karkkilassa toukokuussa 2022. Vuosina 2022 ja 2023 suoritetaan lisää koelentoja erityyppisten droonien, kameroiden ja optisten anturien kanssa edellyttäen, että sääolosuhteet mahdollistavat hallitut kulotukset. Näin tutkimusryhmät voivat kartoittaa, kuinka puoliautonomista drooniparvijärjestelmää voidaan hyödyntää maastopalon seurannassa ja palokuntien päätöksenteossa. Lisäksi tarkoituksena on määrittää droonien ihmiskäyttäjien eri roolit.
Kuva: Lauri Markelin
”Tavoitteena on luoda hajautettuja päätöksentekoalgoritmeja, jotka skaalautuvat drooniparvenmukaan”, Saffre kertoo. ”Algoritmit toimivat tehokkaimmalla mahdollisella tavalla myös ainoastaan kahden eri droonin tapauksessa. Jos käytössä on kymmenen droonia paraneesuorituskyky samassa suhteessa. Tarkkailtavan alueen koko on riippuvainen käytössä olevasta droonimallista”, hän jatkaa.
FireMan-projektissa käytettävät tekoälyteknologiat ovat: syväoppiminen (enimmäkseen offline-tilassa), konenäkö kohteentunnistukseen ja navigointiin (reaaliaikainen) sekä kollektiivinen älykkyys drooniparvitehtävissä. Tavoitteena on, että drooniparvi toimii autonomisesti, mutta kuitenkin niin, että se tarvittaessa pystyy suorittamaan annettavia käskyjä. Eräs tärkeä tavoite on tehdä drooniparven seurannasta ja operoinnista käyttäjilleen mahdollisimman helppoa ja intuitiivista. Käyttäjä voisi esimerkiksi osoittaa kohdealueen ja jättää droonijoukon ”päätettäväksi”, kuinka tarkkailutehtävä tulee suorittaa. Tämä vapauttaisi hänet yksityiskohtaisesta suunnittelusta.
Milloin teköälypohjaisia drooniparvia voidaan käyttää maastopalojen seurannassa?
”Se riippuu siitä, millaisesta kyvykkyydestä on kyse. Jotkin seurantatekniikoista voidaan ottaa käyttöön viiden vuoden kuluessa, mutta täysautonomisen ja ihmisestä riippumattoman, maastopalon havaitsemiseen, seurantaan ja sammuttamiseen kykenevän drooniparven kehitys vie todennäköisesti 20 vuotta. Kehityskulku etenee ensimmäisestä prototyypistä aina täysautomatisoituun integroituun ratkaisuun asti”, toteaa Saffre.
FireMan-projektin tuloksia esitellään kohdekäyttäjille useissa eri yhteyksissä. Saffre korostaa palautteenannon merkitystä: ”Yksi esimerkki palautteen merkityksestä liittyy drooniensijoittumiseen maastopalon ympärille. Ennen kuin keskustelimme asiantuntijoiden kanssa, oletimme, että drooniparven pitäisi asemoitua liekkien ympärille tasavälein. Nyt olemme sisäistäneet ajatuksen, että myötätuuli on drooneille vastatuulta turvattomampi tilanne. Olemme sisällyttäneet tämän myös laskelmaan siitä, mikä on droonille paras palon havainnointietäisyys. Näin simuloidut droonit järjestäytyvät nyt soikion muotoon ympyräkehän sijasta.”
Drooniparville on useita käyttötarkoituksia
Saffre hahmottelee useita eri tekoälysovelluksia vastaisuutta varten: ”Mikä tahansa seurantaa edellyttävä laajeneva katastrofi soveltuu drooniparvien tarkkailtaviksi: esimerkiksi öljypäästöt ja kelluvat jätteet. Mikäli käytetään oikeanlaisia antureita, esimerkiksi saastevanan reunan havaitsemisen ja seurannan pitäisi olla mahdollista. Anturit voisivat tällöin ’nuuhkia’ ilmassa leijuvaa kemikaalia.”
Drooniparvia voitaisiin hyödyntää myös maanjäristyksessä romahtaneiden rakennusten raunioiden tutkimisessa tai erämaahan kadonneiden henkilöiden paikantamisessa.
FireMan-projekti
FireMan-projektia rahoittaa Suomen Akatemia. Sen kokonaisbudjetti vuosille 2022–2024 on 2,8 miljoonaa euroa. Tutkimuskonsortioon kuuluvat Paikkatietokeskus, Oulun ja Jyväskylän yliopistot ja VTT. Yhteistyöhön osallistuu yli 50 viranomaistahoa ja yritystä. Lisätietoa: https://www.maanmittauslaitos.fi/tutkimus/fireman