Los navegadores GPS que utilizamos a diario dejan de estar disponibles cuando entramos en un edificio. Algunos espacios públicos están mapeados para ayudar a sus usuarios o a los servicios de emergencia. La tecnología Lidar, basada en láser, permite hacer Mapping Indoor y sustituir, por ejemplo, los planos con los que trabajan actualmente los bomberos. Pero también servirán para que un usuario encuentre un despacho remoto en un edificio público.

La persona promedio pasa el 87% de su tiempo en interiores (1) . Esto probablemente incluye una combinación de tiempo dentro de una residencia, como una casa privada, o en un edificio comercial o público, como un negocio, escuela, museo o centro comercial. Sin embargo, la tecnología GPS de la que hemos llegado a depender para una ubicación y navegación confiables y precisas en exteriores es completamente ineficaz en tales edificios debido a las obstrucciones de los techos, paredes y ventanas. Este problema, combinado con la falta de mapas interiores ampliamente disponibles, ha hecho que las capacidades de navegación interior sean un desafío importante. 

Para los bomberos, este desafío es especialmente crítico; La falta de mapas de edificios interiores precisos significa que los bomberos tienen muchas más probabilidades de perderse y desorientarse. 

Además de tratar de navegar por un edificio desconocido, los bomberos se mueven con visibilidad limitada, usan hasta 50 libras de equipo y respiran solo una cantidad finita de oxígeno. Los segundos cuentan. 

El mundo necesita mapas de interiores confiables no solo para ayudar en circunstancias normales, sino también para escenarios de emergencia en los que el mapeo de interiores podría prevenir lesiones o la muerte.

 

Los mapas de interiores no siempre están disponibles

El proceso actual para crear mapas interiores de edificios para la seguridad pública a menudo comienza con la planificación previa al incidente (2). La planificación previa al incidente implica la recopilación y el almacenamiento de datos y características críticas del sitio sobre los sitios de peligro objetivo por parte de los servicios de emergencia, y puede mejorar la efectividad de las respuestas a incidentes terroristas y de emergencia. En el proceso de planificación previo, tal vez durante la inspección del edificio, los bomberos caminarán por un edificio y pueden dibujar un mapa a mano a medida que avanzan. Están anotando todo, desde las dimensiones del edificio hasta la ubicación de los ascensores y bombas contra incendios, materiales peligrosos e información sobre el suministro de agua, y más. Este proceso manual consume mucho tiempo y es casi imposible de replicar cada vez que cambian las características de un edificio. Solo el espacio de construcción comercial comprende 5.6 millones de edificios comerciales y 87 mil millones de pies cuadrados de espacio de piso en los Estados Unidos (3), por lo que hay una enorme cantidad de terreno por recorrer. 

Si bien los escáneres tridimensionales (3D) podrían ayudar a automatizar el proceso de elaboración de mapas de interiores, aún se necesita un conjunto de datos debidamente anotado, uno adaptado a la seguridad pública. 

Es por eso que, en 2018, la División de Investigación de Comunicaciones de Seguridad Pública (PSCR) del NIST lanzó el premio Point Cloud City, destinado a acelerar la investigación relacionada con el mapeo de interiores para casos de uso de seguridad pública. El PSCR financió tres proyectos: la ciudad de Memphis (TN), el Departamento de Bomberos No. 1 de Enfield (CT) y el condado de Hancock (MS), con el objetivo de crear nubes de puntos anotadas y conjuntos de datos de imágenes de 360 grados recopilados de una variedad de edificios. tipos en el área local del destinatario del premio. A partir de finales de 2020, los conjuntos de datos de cada proyecto se pondrán a disposición del público para la comunidad de investigación y desarrollo (I + D) durante dos años. Obtenga más información sobre cómo acceder a los conjuntos de datos aquí.

Las nubes de puntos son una colección de puntos de datos 3D espaciales definidos por un sistema de coordenadas dado (generalmente coordenadas x, y, z) que se utilizan para representar objetos y espacios 3D. 

Se pueden crear utilizando escáneres 3D, que han sido eficaces para crear modelos con fines arquitectónicos o aplicaciones de realidad virtual (VR). Los tres proyectos premiados utilizaron tecnología LIDAR para escanear estructuras interiores en 3D. 

 

 

“La mayoría de los edificios en los Estados Unidos no están mapeados con precisión en el interior. Entonces, para un socorrista que se apresura a entrar en un edificio para apagar un incendio o salvar a la gente de un fuego activo, se está quedando ciego. No saben cómo es el interior del edificio ”, dice Joel Lawhead, director de información de NVision Solutions Inc. El Sr. Lawhead es un contratista del condado de Hancock, Mississippi, que recibió el premio Point Cloud City.

Creación de mapas 3D con LIDAR

«Lidar se ha utilizado para mapear el aire libre desde los años 90», dice Lawhead. “En realidad estás disparando un láser … y el tiempo que tarda [el láser] en regresar te da una distancia. Como el láser es luz y la luz es la constante universal, sabemos cómo de rápido viaja «. Continúa “trazando un mapa de un espacio al aire libre, combinas el GPS que te dice dónde estás en la Tierra y el punto exacto de donde regresa un disparo láser. Esto le da las coordenadas de latitud y longitud. Entonces, la distancia desde el avión desde el que está disparando el láser generalmente indica la elevación.

Hemos mapeado el exterior y el terreno al aire libre durante décadas de esa manera. La pregunta es, ¿podemos hacer lo mismo en el interior y utilizar LIDAR para mapear el interior de los edificios? » 

«En este proyecto, podemos caminar por el edificio con un dispositivo de escaneo de mano y podemos mapear el edificio en un par de horas«, dice el Dr. Jason Parent, profesor asistente de la Universidad de Rhode Island e investigador principal de el proyecto de Enfield Fire Dept. No. 1. “Por supuesto, tenemos que llevar los datos de vuelta a la computadora y analizarlos y procesarlos, lo que llevará una semana o dos más. Pero es mucho más eficiente que los métodos anteriores. Por lo tanto, será genial para los investigadores incorporar eso en otros proyectos «.

Además, la investigación sobre el uso de Lidar para la seguridad pública puede mejorar la eficiencia de la respuesta de emergencia.

En un escenario futuro, un jefe de bomberos podría tener acceso a un mapa de edificios en interiores en 3D, lo que les da visibilidad de espacios con los que no están familiarizados o que simplemente son difíciles de ver.

Estos mapas podrían usarse durante las verificaciones anuales de planificación previa al incidente para ayudar a identificar de manera eficiente objetos, obstáculos o cambios estructurales en el plano del piso. Imagínese si un bombero, arrastrándose sobre sus manos y rodillas a través del humo, tuviera un mapa de interiores en 3D proyectado en una pantalla de visualización frontal, ¡dándole vista y orientación donde antes no había nada!

Etiquetado de datos para casos de uso de seguridad pública

Hasta Point Cloud City, la investigación de conjuntos de datos 3D no estaba orientada a la seguridad pública. Gran parte de las imágenes disponibles excluyeron datos relevantes para los socorristas, como salidas de emergencia, extintores de incendios y cortes de servicios públicos. Los tres proyectos financiados por PSCR que tienen lugar en Enfield (CT), el condado de Hancock (MS) y Memphis (TN) se propusieron ser pioneros en casos de uso con la seguridad pública a la vanguardia de la I + D. 

«Aunque existen muchos conjuntos de datos de imágenes para entrenar el reconocimiento de objetos», explicó el Dr. Lan Wang de la Universidad de Memphis, «estos conjuntos de datos no contienen la mayoría de los objetos relacionados con la seguridad pública que nos interesan …»

Piense en una aplicación que usaría para identificar el tipo de planta que está mirando simplemente usando la cámara de su teléfono inteligente; no existe tal experiencia para la seguridad pública. «Esto significa que tenemos que recopilar y anotar estas imágenes nosotros mismos, lo cual es muy tedioso y requiere mucho tiempo, pero el conjunto de datos resultante puede ser de gran valor para la comunidad de investigadores».

La investigación futura sobre la automatización del proceso de anotación también puede estar en el horizonte. 

«Es muy difícil para nosotros utilizar los algoritmos existentes para detectar los objetos pequeños que necesita la seguridad pública«, dijo el Dr. Wang. “Elegimos los mejores entre los algoritmos existentes, pero aún no son perfectos. Por lo tanto, uno de nuestros objetivos de investigación futuros es desarrollar una mejor Inteligencia Artificial (AI) o algoritmos de Aprendizaje Automático para detectar o identificar estos objetos. Y esta es un área de investigación potencialmente innovadora para los investigadores de IA «. 

Además de la investigación y la planificación previa al incidente, esta tecnología tiene futuro para ayudar en los escenarios de formación. Por ejemplo, las nubes de puntos se pueden usar en simulaciones de realidad virtual para que los bomberos con gafas de realidad virtual puedan experimentar un recorrido por un edificio con un mapa 3D preciso y objetos y obstáculos etiquetados. Estas simulaciones también podrían proporcionar otros datos relevantes como señales direccionales para ayudar a los bomberos a navegar escaleras, cuartos de almacenamiento, etc.

La realidad virtual ayuda a los bomberos a entrenar en un ambiente seguro, controlado y repetible. 

Los proyectos de Point Cloud City pueden resultar en I + D destinado a integrar la tecnología de identificación de objetos con la Realidad Aumentada (AR), que podría servir como una superposición de datos intuitiva dentro del casco de un bombero, dándoles visión e inteligencia en entornos oscuros sin entrada de datos. El Dr. Parent, un ex bombero mismo explica, “podrán mostrar un plano de planta para ver dónde están ubicados dentro del edificio. Podría haber alguna característica que les diga la salida más cercana del edificio, la salida de emergencia, la forma en que entraron, cómo llegar del punto A al punto B, o realizar búsquedas en diferentes ubicaciones … podría hacer que su proceso sea más eficiente o ayúdelos a salir del edificio en caso de que tengan una emergencia «. Adicionalmente, el jefe de bomberos y los bomberos fuera del edificio podrían tener un dispositivo con un mapa en 3D que muestre dónde se encuentran los bomberos en el interior y en qué piso se encuentran. “Entonces, si algo les pasa a los bomberos y necesitan ser rescatados, el jefe podría saber a dónde enviar el equipo de intervención rápida. Esta es una tecnología potencialmente revolucionaria en términos de seguridad [de los bomberos] y su capacidad para realizar su trabajo «.

En un taller con el Departamento de Bomberos de Memphis, el Departamento de Policía de Memphis y el equipo del Sistema de Información Geográfica (GIS) de la ciudad, el equipo del Dr. Wang aprendió qué edificios y objetos priorizar para las necesidades de seguridad pública. “Estaban muy emocionados y de hecho les gustaría ver más edificios mapeados. Están muy interesados en obtener modelos de las escuelas, porque esa es una de las primeras cosas que quieren proteger ”. La colaboración con las partes interesadas de la seguridad pública local aseguró que el equipo del Dr. Wang procesara primero los datos de los edificios más importantes.

Impactando la seguridad pública y más allá

Cuando los socorristas pueden hacer su trabajo de manera más segura y eficiente, hay un gran beneficio para el resto de la sociedad. Los resultados del uso de modelos de construcción de nubes de puntos en 3D para mejorar el conocimiento de la situación de los primeros respondedores podrían incluir reducciones en daños, lesiones e incluso muertes. «Como ex bombero», dijo el Dr. Parent, «puedo apreciar mucho el objetivo del proyecto Point Cloud City de desarrollar sistemas de navegación en interiores y me complació mucho poder contribuir a esta importante investigación».

Además, los conjuntos de datos pueden ayudar a las comunidades a desarrollar mejor los modelos de información de edificios para garantizar que las características de seguridad estén estandarizadas. El equipo del Dr. Wang en Memphis presentó una propuesta a la National Science Foundation (NSF) sobre la estandarización de nuevos modelos de información de edificios, lo que podría afectar a los administradores de edificios, planificadores urbanos, inspectores y aquellos en construcción. 

Desde una perspectiva de I + D, también existen amplias aplicaciones de estos conjuntos de datos. Una de esas aplicaciones podría afectar a la robótica. 

Por ejemplo, ayudar a las aspiradoras robóticas autónomas o los automóviles autónomos a navegar por el espacio de manera más eficiente y efectiva. Aunque por ahora, el enfoque sigue siendo proporcionar modelos de construcción con anotaciones detalladas críticas para la seguridad pública y mejorar los algoritmos de localización / navegación en interiores para los investigadores de servicios basados en la ubicación. Los conjuntos de datos y algunos edificios estarán disponibles para el acceso a investigaciones futuras durante un período de hasta dos años después de que finalicen los proyectos. Obtenga más información sobre cómo solicitar acceso aquí.

En el futuro, quizás para su próxima visita a un nuevo edificio de oficinas o escuela, tal vez tenga un mapa interior en 3D que lo ayude a llegar a su destino final sin perderse. O tal vez, la cantidad de bomberos perdidos o heridos debido a la desorientación en incendios de estructuras grandes se reducirá considerablemente. Con la I + D de Point Cloud City y los conjuntos de datos de código abierto resultantes, esperamos que este futuro se pueda realizar. Este es solo el comienzo.

Si le interesó el tema, puede asistir a un seminario web de PSCR: Uso de láseres para salvar vidas 9 diciembre 2020 [Registro]

 

Notas:

(1) Neil E. Klepeis, William C. Nelson, Way R. Ott, John P. Robinson, Andy M. Tsang, Paul Switzer, Joseph V. Behar, Stephen C. Hern, William H. Engelmann. 2001. La Encuesta Nacional de Patrones de Actividad Humana (NHAPS): un recurso para evaluar la exposición a contaminantes ambientales. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11477521/ 

(2) Asociación Nacional de Protección contra Incendios. 2020. «Norma para la planificación previa a incidentes». Pub. No. NFPA 1620. https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-o…  

(3) Centro de Sistemas Sostenibles, Universidad de Michigan. 2020. “Ficha técnica de edificios comerciales”. Pub. No. CSS05-05. http://css.umich.edu/factsheets/commercial-buildings-factsheet 

 

Fuente: NIST