Une équipe de recherche de l'ORNL a démontré que des capteurs d'imagerie thermique montés sur des drones peuvent détecter la présence d'un feu sous le couvert forestier et indiquer sa taille, même lorsqu'il y a peu ou pas de fumée. Crédit :ORNL, Département américain de l'énergie
Alors que le changement climatique entraîne des incendies de forêt plus importants et plus fréquents, les chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie utilisent des capteurs, des drones et l'apprentissage automatique pour à la fois prévenir les incendies et réduire leurs dommages au réseau électrique. Les ingénieurs perfectionnent la technologie pour détecter à distance les arcs électriques et les équipements défectueux, ainsi que la direction de propagation des incendies.
Le besoin est urgent. Les plus grandes années de feux de forêt enregistrées se sont produites depuis 2004, coïncidant avec bon nombre des années les plus chaudes jamais enregistrées, selon les données du National Interagency Fire Center. Les services publics d'électricité ont un grand intérêt à résoudre la crise, étant donné que de nombreux incendies de forêt sont déclenchés par des lignes électriques et qu'ils peuvent provoquer des pannes d'électricité généralisées.
La dernière saison des incendies, le DOE a ciblé le financement d'une poignée de projets d'incendie de forêt, dont deux à l'ORNL. "Nous avons choisi d'accélérer cette recherche parce que nous reconnaissons à quel point les incendies de forêt sont devenus critiques et dangereux en raison du changement climatique et d'autres facteurs", a déclaré Stewart Cedres, responsable technique et stratège principal du DOE. Les dommages causés par les incendies de forêt aux lignes de transmission peuvent provoquer des baisses de tension et des pannes de plusieurs États, a-t-il noté.
"Le travail que fait l'ORNL avec la technologie des capteurs sur les drones qui peuvent aller au-delà de la ligne de mire est unique et très critique car il nous permet d'avoir plusieurs longueurs d'avance sur les problèmes qui peuvent mettre le réseau en danger, le rendant peu fiable et moins résilient", dit Cèdres.
Le Cedres a déclaré que le DOE a un double intérêt :empêcher les incendies d'être déclenchés par le réseau électrique et protéger le réseau des incendies. Une équipe de l'ORNL dirigée par Peter Fuhr, responsable du Grid Communications and Security Group de l'ORNL, travaille sur ces deux problèmes. Il perfectionne également la détection des incendies pour le U.S. Forest Service, le principal organisme de lutte contre les incendies de forêt.
En juillet, la Maison Blanche a souligné les recherches sur les incendies de forêt menées par l'équipe de Fuhr pour expliquer comment l'administration Biden s'attaque à la menace des incendies de forêt.
Prévention
Les capteurs placés à proximité de lignes électriques ou dans des équipements électroniques de puissance peuvent enregistrer des variations de flux de puissance qui conduisent à des étincelles surchauffées. Le chercheur de l'ORNL Ali Ekti développe un algorithme pour reconnaître et classer rapidement ces événements d'arc électrique, qui se produisent lorsque l'électricité saute dans l'air entre deux conducteurs.
Ekti utilise une bibliothèque de « signatures » de formes d'onde fournies par les services publics et les universités, qui montrent des pics de tension ou de courant causés par des anomalies telles que des arcs électriques. Son algorithme détecte ces régions d'anomalies. Les prochaines étapes impliqueront la formation d'un logiciel pour reconnaître des signatures similaires et identifier où l'arc se produit. L'algorithme, qui pourrait être déployé dans l'équipement électronique de puissance, alerterait le centre de commande du service public afin que le personnel puisse vérifier l'emplacement, s'il est accessible.
C'est là qu'interviennent les drones :les arcs électriques se produisent souvent dans des zones accidentées difficiles à atteindre. Les avions et les hélicoptères ne peuvent parfois pas descendre suffisamment bas ou s'approcher suffisamment pour trouver de petits arcs. Ils sont également beaucoup plus chers à voler et difficiles à programmer rapidement, a déclaré Fuhr.
Une alternative prometteuse consiste à utiliser des drones équipés de capteurs qui enregistrent la vidéo et détectent les émissions audio, de chaleur et de radiofréquence des petits arcs. Ces capacités sensorielles combinées peuvent confirmer les problèmes détectés et surmonter les interférences.
Les drones aident à identifier les besoins de maintenance avant le début des incendies. L'expérience de l'ORNL dans l'exploitation de drones au-delà de la ligne de visée visuelle permet d'inspecter les lignes de transmission sur de longues distances. La Federal Aviation Administration a récemment accordé à l'équipe de Fuhr une autorisation inhabituelle de faire voler des drones à travers les États-Unis, et jusqu'à 1 500 pieds avec une autorisation spéciale.
"Les drones sont déjà là pour gérer la végétation. Alors pourquoi n'utilisons-nous pas une technologie supplémentaire sur la même plate-forme pour vérifier les arcs électriques en même temps ?" dit Fuhr. "Nous organisons des démonstrations au cours de l'année à venir dans les services publics, grands et petits, à travers le pays."
Les capteurs audio montés sur drone ont du mal à distinguer le bruit de crépitement de l'arc électrique du bourdonnement de l'hélice du drone. Mais Ekti a développé une nouvelle technique utilisant les mathématiques pour extraire la signature audio des arcs à partir du bruit de fond.
Direction de la lutte contre l'incendie
L'équipe de Fuhr pourrait tester cela sur le terrain lors d'une autre démonstration en octobre pour le Service forestier. Autour de la forêt nationale de Kootenai dans le Montana, les chercheurs de l'ORNL montreront comment ils peuvent utiliser des drones pour détecter thermiquement les étincelles avant un grand incendie.
Les chercheurs de l'ORNL perfectionnent les moyens d'utiliser des drones pour vérifier les parties éloignées du réseau électrique à la recherche d'arcs électriques dangereux qui pourraient déclencher des incendies de forêt. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge/États-Unis Département de l'énergie
L'équipe a testé la technique cet été dans une ferme voisine en allumant un feu de joie confiné parmi de petites boîtes dispersées de gel combustible brûlant. Ils ont fait des expériences pour savoir à quelle hauteur un capteur monté sur un drone pouvait identifier les minuscules flammes en dessous.
Cette capacité pourrait changer la donne dans la lutte contre les incendies de forêt, a déclaré Marva Willey, spécialiste des carburants du US Forest Service qui fait partie de l'équipe des outils et de la technologie de l'agence. "Les capteurs de détection de chaleur ont tellement d'applications qui peuvent augmenter notre conscience de la situation et notre connaissance de l'endroit où se trouvent la chaleur et le feu", a-t-elle déclaré. "Il s'agit de savoir ce qui se passe avant de mettre les gens là-bas."
Des capteurs montés sur drone pourraient aider à détecter de nouveaux incendies causés par des braises pouvant souffler jusqu'à un mile de l'incendie principal, a déclaré Willey. Rien d'autre ne peut sentir la chaleur sous un dais d'arbres où la fumée n'est pas visible. Les drones pourraient également être utilisés pour localiser les points chauds restants dans une zone incendiée, une tâche désormais effectuée à la main lorsque les pompiers passent au crible les cendres.
Les chercheurs de l'ORNL fournissent des capteurs pour une autre expérience du Service forestier, liée à la détection de la chaleur à des altitudes extrêmement élevées. Les capteurs pourraient être transportés soit par un ballon, soit par un véhicule solaire à longue endurance volant au-dessus des orages pour détecter les incendies déclenchés par la foudre. Cette technologie devrait être testée plus tard cette année. Willey a déclaré que cela pourrait réduire le besoin de vols pilotés de détection des incendies, éliminant ainsi les risques humains tout en utilisant judicieusement les ressources limitées.
L'équipe de Fuhr a commencé à étudier d'autres moyens de prévenir les incendies électriques à l'aide de capteurs montés sur drone, par exemple en détectant si les épissures ou les transformateurs génèrent un excès de chaleur.
En 2021, lorsqu'un incendie de forêt causé par des lignes électriques tombées brûlait dans la vallée voisine de Wears, dans le Tennessee, Fuhr et son équipe ont reçu l'autorisation des pompiers d'utiliser des drones pour surveiller la chaleur dans les lignes de transmission et les transformateurs au milieu de l'incendie. Même s'ils survivent à l'incendie, les transformateurs pourraient être compromis par une exposition à des températures supérieures à leurs limites de fonctionnement, a déclaré Fuhr. Cela pourrait aider à identifier où l'équipement doit être remplacé.
"Le Nouveau-Mexique était en feu plus tôt cette année, et quand vous voyez la dévastation qui s'est produite avec le feu de camp (2018) et la faillite du service public qui en a résulté, si nos activités peuvent réduire ce genre de résultats, c'est bon pour tout le monde", a déclaré Fuhr. a dit. Détection des feux de forêt :drones couplés à des capteurs au sol
