하이브리드 드론, 수직 이착륙으로 산불 감시·예방·추적

연구자 자오단 콩(Zhaodan Kong)과 팀은 로터크래프트처럼 수직 이착륙이 가능하면서도 고고도에서 수시간 순항 가능한 고정익 항공기 특성도 가진 하이브리드 항공기를 개발 중입니다. (이미지: UC 데이비스)

연기 나는 곳에 불이 없을 것입니다. 드론이 이미 현장에 있기 때문입니다. 적어도 캘리포니아 대학교 데이비스 기계항공공학과 교수 자오단 콩과 팀의 바람입니다.

이 그룹은 현재 방법이 소방관을 너무 늦게 현장에 데려다주는 잔혹한 캘리포니아 산불에 대한 선제적 솔루션을 연구 중입니다. 화재가 심한 연기 단계에 이르기 전에 감지하는 기술 통합 시스템입니다.

두 가지 주요 접근: 화재 위험 예측과 조기 감지·추적

"우리 솔루션은 두 주요 부분으로 구성됩니다: 초기 화재 위험 예측과 초기 화재 감지 및 추적," 콩 교수가 말했습니다. "조기 감지와 추적에 집중하는 이유는 조기 감지가 초기 진압 시 더 작은 화재 규모, 더 높은 진압 확률, 인명과 재산 손실 예방으로 이어지기 때문입니다."

알래스카에서 데이터 수집 중인 풍속 센서 프로토타입. (이미지: 로렌스 차이)

지상 센서망: 온도, 습도, 풍속 측정

콩 교수에 따르면 감지는 인터넷 연결 센서를 캘파이어(CalFire)가 지정한 위험 지역에 배치해 지상에서 시작됩니다. UC 데이비스 앤서니 웩슬러(Anthony Wexler) 개발 손바닥 크기 센서가 온도, 습도, 풍속을 측정합니다. 웩슬러에 따르면 이는 산불에 필요한 필수 요소들입니다.

정찰 임무용 로터크래프트: 양날개-멀티로터 구성

정찰 임무용으로 내비게이션 시스템, 센서, 카메라를 탑재한 로터크래프트를 제작 중입니다. "설계와 프로토타이핑을 완료했고 제작 및 테스트 중입니다. 양날개-멀티로터 구성입니다," 콩 교수가 말했습니다.

머신러닝 기반 화재 위험 예측 모델

화재 위험 예측 모델은 날씨, 연료(식생 등), 지형, 화재 이력 데이터를 기반으로 구축됩니다. 머신러닝으로 모델을 훈련시킬 수 있습니다. 그런 다음 지상 센서가 제공하는 실시간 날씨 정보, 연료, 지형 GIS 데이터를 입력해 실시간 배포 가능합니다.

다중 센서 탑재 UAV 그룹으로 화재 감지 및 추적

후자 모델은 고위험 지역만 식별할 수 있습니다. 팀은 화재 감지 및 추적 모듈로 잠재적 화재를 순찰하고 수색합니다. 모듈은 주로 다중 센서를 탑재한 무인 항공기(UAV) 그룹으로 구성되며, 각 UAV에는 전자광학(EO) 및 적외선(IR) 카메라, 화학 센서, 풍속 센서, 다중분광 카메라가 장착됩니다.

센서별 역할: EO/IR/화학 센서로 원거리 화재 감지, 풍속 센서로 바람장 분석

EO/IR/화학 센서가 함께 작동해 멀리서 화재를 감지합니다. 풍속 센서는 바람이 화재의 중요한 동인이며 바람장이 균일하지 않기 때문입니다(예: 산마루를 넘어 풍속과 방향이 꽤 다를 수 있음). 다중분광 카메라는 필요시 고해상도 식생 정보 제공 가능, GIS 데이터는 구식이거나 보통 저해상도입니다.

UAV 그룹 배치로 잠재적 화재 위치 파악 효율 증대

"그런 UAV 그룹을 배치하는 것은 잠재적 화재 위치 파악 효율을 높이기 위함입니다," 콩 교수가 말했습니다. "우리 EO/IR 카메라로 화재나 연기가 식별되거나 화학 센서로 산불 지표 화학물질이 식별되면 UAV 그룹이 추적 모드로 전환합니다. 예를 들어 연기와 탑재 센서를 사용해 발화 지점을 역추적할 수 있습니다. 마치 K9 개처럼 작동합니다."

딕시 화재 사례: 기존 방식보다 수시간 단축 가능

이 방법이 현재 방식보다 얼마나 더 일찍 화재를 감지할 수 있을까요? 발화 지점 위치에 따라 다릅니다.

"딕시 화재는 2021 캘리포니아 산불 시즌 최대이자 가장 파괴적인 화재였고, 미국 역사상 소방 비용 기준 가장 비싼 산불이었습니다," 콩 교수가 말했습니다. "발화는 오전 7시경, 화재가 70번 고속도로에서 늦은 오후에 보여 다수 911 신고, 소방차와 항공 탱커가 오후 5시경 배치됐습니다."

콩 교수에 따르면 그들의 방법은 감지 시간을 크게 단축할 수 있습니다. "우리 UAV 중 하나가 발화 지점 근처에 있었다면 몇 분 내 감지했어야 하지만, 적절한 장소와 시간에 있어야 합니다. 그래서 고위험 지역을 우선순위로 두는 선제적 접근을 취합니다. 구체적 숫자는 제공 못하지만, 평균적으로 화학 센서가 EO/IR 카메라보다 화재를 더 일찍 감지함을 발견했습니다."

퀘일 리지 보호구역에서 지상 센서 테스트 중

콩 교수는 팀이 UC 데이비스 관리 퀘일 리지 보호구역에서 지상 센서 테스트를 시작했다고 말했습니다. 주요 목표는 저렴한 센서가 거친 지형 혹독한 조건을 견딜 수 있음을 보이는 것입니다. 작년 11월 5개 설치, 1개는 홍수로 손상됐지만 나머지 4개는 여전히 작동 중입니다.

이 기사는 SAE 미디어 그룹 디지털 콘텐츠 에디터 앤드류 코르셀리(Andrew Corselli) 작성. 자세한 정보는 여기 방문.