화재 감지, 화재 진압
AI가 적용된 자동 산불 감지 시스템은 빠르고 효율적인 화재 진압을 가능하게 합니다
기후 변화로 인한 열파는, 또한, 현재 유럽 전역에 걸쳐 강하게 증가하고 있고, 산불과 관련된 위험이 엄청나게 증가하고 있습니다. 자연 재해로서의 화재는 가뭄과 강풍으로 인해 점점 더 통제 불능 상태가 되고 있으며, 사람, 동물, 자연, 및 기반 시설에 대한 위험이 증가하고 있습니다. 그러나, 심각한 피해를 최소화하거나 방지하기 위하여, 어떻게 화재를 초기 단계에 감지하고 국지화할 수 있을까요?
이러한 문제들은, 이미지 프로세싱과 인공 지능으로 극복될 수 있습니다. 솔루션을 정교하게 프로그래밍하는 대신에, 신경망과 딥 러닝 알고리즘은 이미지 프로세싱 시스템이 물체(이 경우 연기)를 보고, 인식하고, 확인하도록 학습시킬 수 있습니다. 더 나아가 AI는 해당 이미지 프로세싱 시스템이 학습한 것으로부터 결론을 도출하는 것을 가능하게 합니다.
프랑스 기업 Paratronic이 이 이슈를 다루었습니다. 자연 재해 모니터링과 같은 활동 분야의 범위 내에서, 솔루션 제공업체는 무엇보다도 화재 모니터링을 위한 지능형 제품들의 개발에 전념하고 있습니다. 산업용 이미지 프로세싱 및 인공 지능을 핵심 구성 요소로 하는 자동 산불 감지 시스템 ADELIE(Alert Detection Localisation of Forest Fires)는 실제로 그 유용성이 입증되었습니다. 독일 Obersulm에 위치한 IDS Imaging Development Systems GmbH의 산업용 카메라 4대가 각 시스템에 통합됩니다.
이들은 반경 20km 이내의 특정 산림 지역을 영구적으로 관찰합니다. 시스템에 따라, 카메라가 360° 반경을 모니터링하는데 최대 2분이 소요됩니다. Paratronic이 개발한 알고리즘을 통해, 시스템은 기록된 이미지를 기반으로 화재 원인을 인식 및 화재 원인의 위치를 파악하고, 적절한 조치 옵션에 관한 실시간 정보를 제공할 수 있습니다. 이러한 방식으로, ADELIE는 우리의 생활 공간을 보호하는 것뿐만 아니라, 건물, 전선, 통신선, 도로 또는 철도 기반 시설을 보호하기 위한 소방대의 효율적인 설계와 통제를 보장합니다.
어플리케이션
ADELIE 시스템은 네트워크로 서로 연결된 최소 두 개의 감시 포인트를 포함합니다. 각각의 감시 지점은 2개의 감지 카메라와 추가적인 카메라를 포함합니다. 4개의 IDS 기가비트 이더넷 카메라가 ADELIE 감지 카메라에 각각 통합됩니다. 따라서, 총 8대의 IDS 카메라가 각 감시 포인트에 사용됩니다. 이러한 모니터링 지점들은, 약 2분마다 시각화되는 각각의 방위각으로 360° 모니터링을 가능하게 합니다. 관찰된 지역의 자동 모니터링은 365일 24시간 내내 이루어집니다.
이 시스템은 소프트웨어가 인공 지능 기반 이미지 프로세싱 알고리즘을 가지는 프로세싱 유닛에 연결됩니다. Paratronic에서 개발한 프로그램은 카메라로부터 제공받은 이미지를 등록, 비교 및 분석합니다. 연기는 나무가 연소되기 훨씬 이전에 주변의 풀과 덤불에서 방출됩니다. 시스템은 이미지들을 비교하고 학습된 기능을 사용하여 연기가 상승하는 것을 감지합니다. 이 연기가 모니터링 지점에서 보이는 즉시 ADELIE는 경보를 울립니다. 이 단계는 화재, 산불 자동 감지라고 불립니다. 그러면, 근무 중인 작업자가 원격으로 추가 카메라를 제어하고 감지의 유형을 확인합니다. 작업자는 삼각 측량을 통해 지도에서 발화지점을 파악하여 제어 센터에 알리고, 화재 진압 조치가 개시됩니다.
동시에, AI가 획득한 모든 정보, 사진, 및 지식들은 지체 없이 화재 경보 센터나 화재 제어 센터로 전달됩니다. 사건의 실시간 시각화, 디지털 지도 상에서의 발화지점 파악, 다양한 증강 현실 기능을 통해 화재의 상황, 범위 및 진행 상황을 현장에서 즉시 시각화할 수 있으며, 적절한 진화 조치가 가능해집니다. 원격 제어 비디오 카메라가 이 시스템을 완성합니다. 이는 첫 번째 소방대가 도착할 때까지 화재의 확인과 모니터링을 위하여 사용되고, 화재가 발생 후 진화될 때까지 화재를 트래킹할 수 있습니다.
IDS 카메라는 ADELIE 시스템의 작동에서 중요한 역할을 합니다. 카메라는 방위각별로 숲을 지속적으로 촬영하고 이러한 이미지들을 실시간으로 소프트웨어에 제공하는 작업을 수행합니다.
자동 산불 감지 시스템에 적합한 모델을 선택할 때, IDS의 SE 시리즈의 기가비트 이더넷 카메라를 선택했습니다. "우리의 시스템은 UI-5240SE-NIR-GL 모델을 사용합니다"라고 Paratronic 엔지니어 Loïs Carrié가 설명합니다. 이 특히 강력한 산업용 카메라에는 e2v의 1.3 메가 픽셀 CMOS 센서가 장착되어 있습니다. 또한 Paratronic는 NIR 버전의 고감도 센서(EV76C661ABT)을 사용합니다. 뛰어난 광 감도 외에도, 이 센서는 동작 중에 바뀔 수 있는 2개의 글로벌 및 롤링 셔터 변형을 제공합니다. 이는 서로 다른 시간과 기상 조건으로 인해 발생되는 요구 사항 및 환경 조건의 변화에 대한 유연성을 허용합니다. 또한, 4개의 관심 영역(Areas of Interest; AOI)이 사용 가능합니다. 이를 통해 여러 특성들을 동시에 확인하거나, 다른 파라미터를 사용하여 AOI를 캡처할 수 있습니다.
따라서, Lois Carrie는 카메라가 모든 요구 사항들을 충족한다고 합니다. "우리는 세 가지 주요 이유로 이 모델을 선택했습니다. 첫째, 이것은 스펙트럼 감도를 통해 확신을 줍니다. 이 센서는 근적외선에서 특히 우수한 감도로 모든 가시 색상의 파장들을 포착합니다. 또한, 우리는 파장 필터를 센서에 가까운 C-마운트에 나사로 고정하는 옵션이 필요합니다. 셋째, 카메라는 증가하는 노출시간에 4장의 사진을 연속적으로 촬영하는 것에 대한 직접적인 가능성을 제공합니다. 연속 촬영은 매우 높은 동적 범위를 얻을 수 있도록 합니다."
소프트웨어
이미지 획득을 위하여, 시스템은 uEye SDK를 사용합니다. "그 이후에, 우리의 자체적인 이미지 프로세싱 시스템이 작동합니다"라고 Edouard BOUILLOT는 설명합니다. ADELIE 소프트웨어는 수풀 지붕 위로 연기의 존재를 감지하기 위하여 이미지 분석을 수행합니다. 분석은 어떠한 연기도 감지하기 위해 동일한 방향에서 촬영된 두 개의 이미지들을 비교함으로써 수행됩니다. 이것은 육안으로 볼 수 없는 많은 요소를 비교할 수 있는 PARATRONIC에서 개발한 여러 독점적인 알고리즘에 의해 가능합니다.
이 분석은 3단계에 걸쳐 수행됩니다. 우선, 50번째로 가까운 각도까지의 비교 이미지가 등록됩니다. 두번째로, 이 이미지들은 물체의 움직임, 변위 또는 연기 같은 변화를 표시하기 위하여 비교됩니다. 마지막으로, 다양한 알고리즘을 이용하여 고급 분석이 수행됩니다: 강조된 차이점은 가능한 한 연기 이외의 모든 요소를 제거하기 위해 모양, 크기, 거리 등의 측면에서만 검토되는 것은 아닙니다. 자동 분류기를 사용하고 한 개 이상의 이미지로부터 추출된 파라미터로 작업하는 다른 알고리즘들은 이 분석을 완료합니다.
이후 데이터는 광섬유와 같은 디지털 네트워크를 통해 컴퓨터 제어 시스템으로 전송됩니다. 개별적인 데이터 세트는, 카메라 번호, 화각, 촬영 날짜 및 시각, 방위각이 포함된 파일 뿐만 아니라 화면에 표시할 이미지의 JPEG 파일도 모두 포함합니다. 기상 관측소를 통합함으로써, 바람 세기나 강수량과 같은 기상 데이터도 기록하고 고려할 수 있습니다. 하나의 타워만 연기를 감지하였다면, 원격 측정에 표시된 거리가 사용됩니다. 2개 이상의 타워가 연기를 감지하였다면, 발화의 정확한 위치는 제어 센터에서 삼각 측량으로 결정됩니다.
다른 자동 시스템과 마찬가지로, 전송된 경보에 대한 사람의 검증은 ADELIE에서 필수적입니다. 제어 센터의 직원은, 화재 발생의 진위 여부를 확인하기 위하여, 강력한 광학 줌(30배, 광각 렌즈 포함)이 탑재된 고해상도 카메라를 사용합니다. 감시를 담당하는 사람은 이러한 카메라, 이른바 의심 제거 추가 카메라 덕분에, 탐지 시스템을 방해하지 않고 멀리서 상황을 관찰할 수 있습니다. 따라서, ADELIE 감지 시스템은 여러 화재들이 발생하는 경우에도 대비하기 위하여 완전한 활성 상태를 유지합니다.
이 시스템은 매우 강력합니다. 각 사이트마다, 감지의 포함 여부에 관계없이 13,500개의 이미지가 촬영되고, 30일 동안 24시간 이내에 전송되고 저장됩니다. 이러한 캡처된 이미지 외에도, 시스템은 사건을 관찰하고 검증하는 데 사용되었던 카메라의 영상도 저장하므로, 포괄적인 기록을 가능하게 합니다. 수집된 모든 데이터에 기초하여, ADELIE는 응급 서비스가 그 조치를 조정하고 최적화할 수 있는 기반이 되는 통계를 생성할 수 있습니다. "저장된 이미지를 통해 우리는 화재와 진화 과정을 분석할 수 있습니다. 데이터 양은 데이터베이스에 자료를 제공하는 각 이벤트와 함께 지속적으로 증가합니다. 그리고 예방 및 통제 조치의 지속적인 개선에 필요한 통계의 신뢰성을 증가시킵니다”라고 Edouard Bouillot는 요약합니다.
이 시스템은 프랑스 북서부 지역에서 가장 울창한 숲이 우거진 Sarthe 주에서 성공적으로 사용되었습니다. 특히 봄과 여름에 산불 발생이 증가하고 있습니다. 몇 년 동안 자연 서식지에서 점점 더 많은 화재가 발생했습니다. 2019년에 수많은 산불이 발생한 후, 2021년 초부터 자동 화재 감지 시스템 네트워크가 총 117,000 헥타르의 숲에 설치되었습니다. 현재 총 48대의 카메라는, 특히 멸종 위기 지역 근처의 주에 걸쳐 분포된 12개 지점에서 나무 꼭대기 위의 숲들을 모니터링합니다.
ADELIE 시스템은 화재 발생 위치의 정확도를 높이고 탐지 시간도 줄였습니다.
장점
- 일년 내내, 밤낮으로 가능한 지속적인 산불 모니터링:
- 시간 절약: 재난의 실시간 시각화, 즉각적인 경보 전송, 삼각 측량 시스템을 통한 발화지점의 정확한 위치 파악.
- 카메라, 특히 의심 제거 추가 카메라 덕분에, 확인 및 확정이 긴급 전화보다 훨씬 더 빠릅니다.
- 인적 위험 제거: 더 이상 감시탑에 사람이 고립되지 않습니다.
- 장기적인 모니터링: 데이터 저장은 산불 모니터링 및 감지의 지속적인 개선을 가능하게 합니다.
따라서, ADELIE는 화재 및 산불 자동 감지 시스템 이상의, 통합된 화재 및 산불 모니터링 및 정보 관리 시스템입니다. 따라서, 프랑스에서 개발된 이 이미지 프로세싱 솔루션은 피해 최소화에 결정적인 기여를 합니다. 화재의 조기 감지와 화재 발생의 정확한 위치 파악을 통하여, 이것은 확산 위험을 크게 줄이고 인명, 환경, 및 국가 경제에 연관된 피해를 최소화할 수 있습니다.
카메라
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인터페이스: 이더넷
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모델: UI 5240SE-NIR
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센서 타입: CMOS:
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제조사: e2v
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프레임률: 60.0 fps
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해상도 (h x v): 1280 x 1024
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셔터: 글로벌 셔터, 글로벌 스타트 셔터, 롤링 셔터
- 해상도: 1.31 MPixel
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치수: 34.0 x 44.0 x 47.0 mm
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무게: 107 g
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커넥터: GigE RJ45 나사식
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어플리케이션: 산업용 이미지 프로세싱, 기계 공학, 교통 & 운송, 품질 보증, 모니터링 시스템, 안전 기술, 품질 보증, 천문학 등
고객
PARATRONIC은 물, 환경, 자연 재해 관리를 위한 하드웨어, 소프트웨어, 및 통합 시스템 분야의 선도적인 프랑스 제조업체입니다. PARATRONIC의 전문 분야는, 물, 지하수, 및 지표수의 측정 장비의 생산, 유통 또는 복원에서부터, 화재 모니터링까지 다양합니다. 따라서, PARATRONIC은 현장 데이터의 수집, 전송, 처리, 및 관리를 위한 완벽한 솔루션을 제공합니다.