Überwachung von Naturgefahren

Mit Funküberwachung vor Naturkatastrophen warnen

Gerölllawinen, Felsstürze oder Flutwellen sind im alpinen Raum keine Seltenheit. Oft bleibt nur wenig Zeit, um gefährdete Personen vor den Naturgewalten zu warnen. An der ZHAW School of Engineering hat das Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik (ZSN) ein Funksystem entwickelt, welches sicherstellt, dass der Alarm ankommt.

Gerade in den Alpen geniesst der Schutz vor Naturgefahren hohe Priorität. Eine Alternative zu teuren Schutzverbauungen sind Überwachungsanlagen, wie sie die Firma Geopraevent aus Zürich entwickelt. Das Unternehmen hat sich darauf spezialisiert, Sensoren so einzusetzen, dass sie in Echtzeit vor Naturgefahren wie beispielsweise Hangstürzen oder überlaufenden Gletscherseen warnen können. Wenn unmittelbare Gefahr droht, läuft eine Alarmierungskette ab. Strassen und Tunnels werden automatisch gesperrt, in bewohnten Gebieten ertönt eine Sirene. Dies passiert alles innerhalb weniger Sekunden.

Funksystem statt Mobilfunknetz

Allerdings lauern Naturgefahren auch oder gerade dort, wo Stromversorgung und Mobilfunknetzabdeckung nicht mehr gewährleistet sind. Im Rahmen eines von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) geförderten Projekts hat das Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik (ZSN) der ZHAW School of Engineering deshalb zusammen mit der Firma Geopraevent ein sicheres Funksystem erarbeitet. „Das Mobilfunknetz ist häufig zu schwach oder von der Funktion einer einzigen Basisstation abhängig, und Satellitenverbindungen sind sehr teuer“, erklärt Roland Küng vom ZSN. „Auch kilometerlange Kabel sind teuer und könnten unterbrochen werden.“ Eine sichere Funkverbindung mit eigenem konzessioniertem Kanal ist ein für sich allein stehendes System und damit für Störungen durch Dritte weniger anfällig.

„Unsere Lösung versteht sich als redundantes Stafetten-System. Es übergibt die Information sicher und effizient von Station zu Station in vordefinierter Reihenfolge“, erklärt Küng. „Unsere Lösung versteht sich als redundantes Stafetten-System. Es übergibt die Information sicher und effizient von Station zu Station in vordefinierter Reihenfolge.“

Prof. Roland Küng, Projektleiter, Zentrum für Signal- und Nachrichtentechnik (ZSN)

Kette von mehreren Funkstationen

Anstatt die Daten über lange Distanzen mit grossem Leistungsaufwand zu übertragen, setzt das ZSN auf ein System mit vielen kleinen Distanzen. „Unsere Lösung versteht sich als redundantes Stafetten-System. Es übergibt die Information sicher und effizient von Station zu Station in vordefinierter Reihenfolge“, erklärt Küng. Diese Methode bringt auch den grossen Vorteil, dass die einzelnen Funkstationen weniger Energie benötigen. „Um genügend Leistung für ein ganzes Jahr zu haben, brauchen Lösungen über weite Distanzen entsprechend grosse Batterien, welche jedoch bei Temperaturen unterhalb minus 20 Grad nicht mehr einsetzbar sind“, so Küng. Die Stationen des ZSN benötigen dank der kurzen Distanzen und des optimierten Funkprotokolls nur wenig Strom aus einer einzigen Lithiumzelle, obwohl sie alle fünf Sekunden ein Keep Alive Signal senden müssen. Dabei melden sie ihren Status sowie Informationen wie Batteriestand und Temperatur an die Basisstation.

Fliegende Ingenieure

Am ZSN haben zwei Absolventen des Masterstudiums sowohl das Funkprotokoll als auch die Software sowie die Hardware-Module für das Funknetzwerk entwickelt. Dabei berücksichtigten sie diverse Randbedingungen wie beispielsweise die extreme Kälte in den Bergen auf 3000 Metern Höhe und die optimale Inbetriebnahme, da im abgelegenen Gelände jede Installation und Wartung einen grossen logistischen Aufwand bedeutet. Für die Installation des Testsystems flogen die beiden Ingenieure mit dem Helikopter zu den einzelnen Standorten. Als Härtetest im Gelände hat man sich für einen Wintereinsatz mit extremen Bedingungen entschieden. Zudem wurden die Funkstrecken bewusst mit wenig Reserve ausgelegt, um auch den zeitweiligen Ausfall einzelner Stationen und deren automatische Wiedereinsetzung ins Netzwerk überprüfen zu können.

„Wir sind sehr zufrieden mit den Resultaten und mit der angenehmen und professionellen Zusammenarbeit mit dem ZSN.“

Lorenz Meier, Geschäftsführer Geopraevent

Testphase erfolgreich verlaufen

Das System des ZSN steht seit Januar 2013 als Testanlage auf dem Gletscher Plaine Morte oberhalb von Lenk. Wenn Schnee und Eis schmelzen, füllen sich Seen und können unter dem Gletscher auslaufen. Innerhalb kurzer Zeit stark anschwellende Wasserpegel im Tal sind die Folge. Sensoren messen deshalb den Pegelstand und lösen Alarm aus, wenn dieser plötzlich rasch absinkt. Die Testphase in Lenk ist erfolgreich verlaufen und konnte unter Beweis stellen, dass die Anlage im echten Gelände funktioniert. „Wir sind sehr zufrieden mit den Resultaten und mit der angenehmen und professionellen Zusammenarbeit mit dem ZSN“, betont Geopraevent-Geschäftsführer Lorenz Meier. Seine Kunden sind beispielsweise Gemeinden und Kantone oder auch Stromerzeuger und Pipelinebetreiber weltweit.

Artikel zum Projekt "Überwachung von Naturgefahren"

Artikel im ZHAW Impact Dezember 2013

Artikel ZHAW Infoservice

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Beteiligter Studiengang:

Projektpartner:

Finanzierung: Kommission für Technologie und Innovation (KTI)

Projektstatus: beendet