Mit der Neuausrichtung des Aufgabengebietes der Bundeswehr infolge der veränderten politischen Lage in der Welt seit Ende des Kalten Krieges haben sich auch die Anforderungen an das Gesamtschutzkonzept für militärische Fahrzeuge stark gewandelt. Die Landesverteidigung im Bündnisrahmen gegen mögliche, aber unwahrscheinliche Bedrohungen stellt nicht mehr die alleinige Hauptaufgabe der Bundeswehr dar. Immer mehr in den Fokus kommen die Einsätze zur Verhütung internationaler Konflikte und die Krisenbewältigung sowie der Kampf gegen den internationalen Terrorismus. Damit ändert sich auch das Bedrohungsszenario ausgehend von symmetrischen Angriffen regulärer Armeen hin zu asymmetrischen Angriffen irregulärer Kräfte. Dennoch ist und bleibt der Schutz der Soldatinnen und Soldaten die oberste Priorität und muss an die sich ändernden Gegebenheiten angepasst und wann immer möglich verbessert werden.
Für die Einsätze innerhalb internationaler Bündnissysteme eigenen sich besonders leichte Radfahrzeuge, die sowohl taktisch, operativ als auch strategisch mobil sind. Dementsprechend muss sich auch das Gesamtschutzkonzept dieser Fahrzeuge stark an den möglichen Gefahren während der Operationen orientieren. Hierbei treten die direkten Schutzmaßnahmen, die primär die Überlebensfähigkeit der Besatzung zum Ziel haben, in den Fokus der weiteren Betrachtung.
Ein integraler Bestandteil dieser direkten Schutzmaßnahmen in militärischen Fahrzeugen ist die Brandunterdrückungsanlage (BUA). Dieses Löschsystem dient zur Reduzierung von Sekundärschäden infolge eines explosionsähnlichen Verbrennungsvorganges (Deflagration) im Kampfraum des Fahrzeuges. Dabei sollen die Deflagrationen bereits in ihren Anfangsstadien erfasst und gelöscht werden, um ernsthafte Verletzungen der Besatzung zu vermeiden. Typische Löschzeiten liegen für diese Anwendungsumgebung im Bereich von 150 – 250 ms. Ein entscheidender Faktor des Löschvorganges ist die schnelle und fehlerfreie Detektion. Aktuelle optische Detektionssysteme basieren immer noch auf dem klassischen Angriffsprofil und werden den heutigen Bedrohungsszenarien nur noch bedingt gerecht. Zudem liefern diese Systeme nur das Detektionssignal und keine zusätzlichen Informationen über das erfasste Ereignis, was wiederum einen Spielraum für Fehlalarme durch Störquellen zulässt. Dabei könnte sich mit zusätzlichen Informationen das nachfolgende Löschsystem effizienter betreiben lassen. [...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen zur Deflagrationsdetektion
2.1 Begriffsklärung: Feuer und Deflagration
2.2 Aktuelle Methoden zur Detektion von Verbrennungsvorgängen
2.2.1 Deflagrationsdetektion mittels optischer Detektoren
2.2.2 Digitale Bildverarbeitung zur Erfassung von Feuern
2.3 Gefährdungsszenarien
2.3.1 Militärische Bedrohungsszenarien
2.3.2 Zivile Anwendungsgebiete am Beispiel der Munitionsproduktion
2.4 Konzept zur Deflagrationsdetektion
2.4.1 Allgemeine Anforderungen
2.4.2 Definition und Einordnung des Detektionskonzeptes
3 Versuchsaufbauten
3.1 Versuchsstand zur Simulation von Gasstrahlung
3.1.1 Einrichtungen zur Nachbildung von Gasstrahlung
3.1.2 Analytische Beschreibung der Strahlungsquellen
3.2 Kleinskalige Propangas-Deflagrationen
3.2.1 Bestimmung der physikalischen Randbedingungen
3.2.2 Aufbau und Wirkungsweise des Versuchsstandes
3.2.3 Charakterisierung der erzeugten Deflagrationen
3.3 Nachbildung von realitätsnahen Szenarien
3.3.1 Einrichtung zur Erzeugung von JP-8-basierten Deflagrationen
3.3.2 Simulation von Angriffen mit BKM
3.3.3 Simulation von Feuern definierter Größe
4 Bildverarbeitungsbasierte Detektion
4.1 Auswahl eines Detektionssystems
4.1.1 Untersuchung von aktuellen Detektions- und Sensorsystemen
4.1.2 Potential eines hochdynamischen Kamerasystems
4.1.3 Modifikation des Detektionskonzeptes
4.2 Strukturierung des Detektionsablaufes
4.3 Identifizierung deflagrations- und feuerähnlicher Bildpunkte
4.3.1 Chromatische Merkmale
4.3.2 Erfassung der Intensitätsdynamik
4.4 Parametrische Differenzierung von Verbrennungsvorgängen
4.4.1 Zweidimensionale Expansionserfassung
4.4.2 Niederfrequente Flammenbewegung
4.5 Fuzzylogikbasierte Klassifizierung der Kennzahlen
4.5.1 Klassifizierungsmodell zur Identifizierung von Bildpunkten
4.5.2 Klassifizierungsmodell zur Deflagrationsverifizierung
4.5.3 Klassifizierungsmodell zur Feuerverifizierung
4.6 Zusammenfassende Beschreibung des Detektionsalgorithmus
5 Verifikation des Detektionsalgorithmus
5.1 Bestimmung der Detektionsparameter
5.1.1 Grenzfrequenz Hochpassfilter
5.1.2 Belichtungszeit Kamera
5.1.3 Intervall Expansionsparameter
5.1.4 Intervall Gewichtungsfaktor
5.1.5 Schwellenwerte Wahrscheinlichkeiten
5.2 Kleinskalige Deflagrationen
5.3 Realitätsnahe Szenarien
5.3.1 Deflagrationen auf Basis von JP8
5.3.2 Brandkampfmittel Molotowcocktail
5.3.3 Feuer auf Basis bekannter Brennstoffe
5.4 Störquellenempfindlichkeit
5.4.1 Auswahl relevanter Störquellenszenarien
5.4.2 Charakterisierung der Störquellen
5.4.3 Optimierungsansätze
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themen
Das Hauptziel dieser Dissertation ist die Entwicklung eines neuartigen, bildverarbeitungsbasierten Konzepts zur Detektion von Deflagrationen. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie durch die Kombination von optischer Sensorik mit moderner Bildanalyse eine zuverlässige und echtzeitfähige Erkennung erreicht werden kann, um in gefährdeten Umgebungen, etwa in gepanzerten Fahrzeugen oder Industrieanlagen, die Reaktionszeit für Schutzmaßnahmen entscheidend zu verkürzen und gleichzeitig die Fehlalarmrate gegenüber bisherigen Systemen zu senken.
- Entwicklung bildverarbeitungsbasierter Algorithmen zur Deflagrations- und Feuererkennung
- Konzeption einer Sensorfusion zur Reduktion von Fehlalarmen durch Störquellen
- Experimentelle Verifikation mittels modularer Versuchsaufbauten für Kleinskalen- und Realtests
- Anwendung von Fuzzylogik zur Klassifizierung dynamischer Kennzahlen
Auszug aus dem Buch
2.1 Begriffsklärung: Feuer und Deflagration
Die in dieser Arbeit zu erfassenden Vorgänge werden allgemein als Verbrennung bezeichnet und sind als sich selbst erhaltende Oxidation von Brennstoffen, für gewöhnlich Kohlenwasserstoffe, unter Abgabe von Licht und Wärme definiert [Joos 06]. Das Gebiet, in dem diese chemische Umsetzung stattfindet, wird als Flamme bezeichnet. Die Eigenschaften der Flammen hängen direkt vom Brennstoff, der Versorgung mit Luft oder einem anderen gasförmigen Oxidationsmittel und weiteren physikalischen Umgebungsbedingungen ab.
Als Überbegriff für eine Verbrennung mit Flammenbildung wird üblicherweise Feuer verwendet. Bei dieser Art der Verbrennung wird davon ausgegangen, dass keine Vormischung der Verbrennungsedukte und ein konstanter Druckausgleich mit der Umgebung vorliegen. Dementsprechend treten nach Zündung der Verbrennung keine schlagartigen Druckanstiege auf, die eine Expansion der Edukte verursachen würden. Folglich kann diese Art der Verbrennung als ortsunveränderlich (stationär) angesehen werden. Eine Ausbreitung eines Feuers kann nur durch die Entzündung der in der Umgebung befindlichen Brennstoffe erfolgen. [DeBano 98] [Joos 06] [Warnatz 01]
Neben der Verbrennungsart Feuer existieren auch Verbrennungen mit vorgemischten Flammen. In diesem Fall sind Brennstoff und Oxidationsmittel bereits in einem zündfähigen Verhältnis vorhanden und können ohne weitere Stoffzufuhr von außen eine Reaktion aufrechterhalten. Nach Zündung des Gemisches kann es bei dieser Art der Verbrennung zu einem Anstieg des Verbrennungsdruckes kommen. Das wiederum führt zu einer Expansion der Flammenfront und der noch unbrannten Edukte. Diese ortsveränderliche (instationäre) Verbrennungsart wird auch als Deflagration bezeichnet. Als Unterart der Explosion wird die Deflagration angesehen. [Warnatz 01]
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Verbesserung der Deflagrationsdetektion in militärischen und zivilen Umgebungen zum Schutz von Personal und Infrastruktur.
2 Grundlagen zur Deflagrationsdetektion: Definiert die theoretischen Grundlagen von Verbrennungsvorgängen und analysiert bestehende Detektionsverfahren.
3 Versuchsaufbauten: Dokumentiert die Entwicklung modularer Versuchsstände zur Simulation realitätsnaher Deflagrationsszenarien für Forschungszwecke.
4 Bildverarbeitungsbasierte Detektion: Erläutert den entwickelten Algorithmus, die Identifizierung von Bildmerkmalen und die Klassifizierung mittels Fuzzylogik.
5 Verifikation des Detektionsalgorithmus: Präsentiert die experimentellen Ergebnisse und bewertet die Leistungsfähigkeit des Systems sowie dessen Störquellenempfindlichkeit.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die wissenschaftlichen Ergebnisse zusammen und diskutiert zukünftige Optimierungspotenziale sowie Erweiterungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Deflagrationsdetektion, Bildverarbeitung, Fuzzylogik, Brandschutz, Sensorfusion, militärische Fahrzeugsicherheit, Flammenidentifizierung, Verbrennungsvorgänge, Echtzeitsysteme, Bildanalyse, Explosionsschutz, industrielle Sicherheit, Infrarotdetektion, Fehleralarmreduktion.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Verifikation eines neuen, bildverarbeitungsbasierten Systems zur automatischen Erkennung von Deflagrationen, um schnellere Schutzmaßnahmen bei Verbrennungsvorfällen zu ermöglichen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die mathematische Beschreibung von Deflagrationsvorgängen, die Entwicklung bildverarbeitender Algorithmen sowie deren Anwendung in sicherheitskritischen Umgebungen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, ein Detektionssystem zu schaffen, das Deflagrationen in sehr frühen Stadien erkennt, eine zuverlässige Unterscheidung von harmlosen Störquellen ermöglicht und somit Schutzsysteme effizienter steuert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein hybrider Ansatz verfolgt, der hochfrequente optische Sensordaten mit bildverarbeitenden Verfahren verknüpft und die Entscheidungsgrundlage durch Fuzzylogik-Modelle optimiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Konzeption der Detektionsstrategie, die experimentelle Erzeugung von Deflagrationen in Versuchsständen und die detaillierte Auswertung der Bilddaten zur Unterscheidung zwischen Feuer und Deflagration.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist durch Begriffe wie Deflagrationsdetektion, Bildverarbeitung, Fuzzylogik, Sensorfusion und Sicherheitstechnik geprägt.
Wie wurde die Wirksamkeit des Algorithmus bewiesen?
Durch den Vergleich der algorithmischen Ergebnisse mit real erzeugten Deflagrations- und Störquellenszenarien in einem eigens dafür konstruierten Versuchsstand unter variierenden Randbedingungen.
Welche Rolle spielt die Fuzzylogik in der Anwendung?
Sie dient als intelligentes Klassifizierungsmodell, um die gewonnenen Bilddaten (Intensität, Expansionsraten, Frequenzen) zu bewerten und die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen einer echten Gefahr präzise zu bestimmen.
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- Thomas Schröder (Autor), 2016, Bilddatengestützte Erkennung von Deflagrationen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/349760
