Mehrfachverschüttung
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Mehrfachverschüttung
Untersuchung des Zusammenwirkens verschiedener LVS-Sender bei Mehrfachverschüttung Laborstudie von M.Eck, R.Sackl und M.Schober Theoretische Betrachtung von E. Oeljeklaus und M.Schreilechner Sommer 2006 LVS-Geräte werden von Generation zu Generation komplexer - nicht zuletzt um die Problematik der Mehrfach-Verschüttung in den Griff zu bekommen. Mit dieser Studie wurde nun erstmals in einer Laborversuchsreihe und in einer kurzen theoretischen Betrachtung die Ursache der "Problematik Mehrfach-Verschüttung" untersucht und es konnte festgestellt werden, dass von den verschiedenen LVS-Herstellern – bewusst oder unbewusst - durchaus unterschiedliche Zugänge zu diesem Thema gewählt wurden. Hintergrund: Nachdem die Problematik mit Mehrfachmaxima durch die mittlerweile eingeführte 3-Antennentechnologie gelöst wurde bleibt letztlich noch immer die Problematik der Mehrfachverschüttung als „letzte große Herausforderung“ an die nächsten Generationen von LVS-Geräten. Physikalische und normative Grenzen sowie eine entsprechende Marktdurchdringung von „alten“ Geräten wirken einer zufrieden stellenden Lösung dieser Problematik entgegen. Fakt ist, dass das Vorkommen von Mehrfachverschüttungen von zumindest zwei nahe beieinander liegenden Verschütteten einen ernstzunehmend großen Anteil an den Gesamtverschüttungen darstellt. Vom SLF in Davos wurden Daten über Lawinenunfälle in den Schweizer Alpen von 1970-1999 zusammengestellt und in einer Studie im Jahr 2000 veröffentlicht. Zahlreiche Abhandlungen – auch zum Thema Mehrfachverschüttung – wurden auf Basis dieser Daten veröffentlicht. Für die vorliegende Studie interessant ist vor allen die Statistik von Mehrfachverschüttungen: Anzahl der Verschütteten 1 2 3 4 5 6 7 8 Gesamt Anzahl der Unfälle 339 72 27 15 7 4 1 1 466 Anzahl der verschütteten Personen 339 144 81 60 35 24 7 8 698 Anzahl der Unfälle [%] Verschüttete Personen [%] 72,75 15,45 5,79 3,22 1,50 0,86 0,21 0,21 100,00 48,57 20,63 11,60 8,60 5,01 3,44 1,00 1,15 100,00 Tabelle1: Anzahl und Prozentsätze von Unfällen und dabei beteiligten Opfern bei Mehrfach-Verschüttung (ganz - verschüttet ohne sichtbare Ausrüstung an der Oberfläche von 1970 bis 1999), Quelle: SLF Davos, 2000 Es zeigt ein klares Bild, dass Unfälle mit mehr als einem Verschütteten durchaus häufig (27,25%) vorkommen. Aus Basis der dabei verschütteten Personen sind dies sogar über 50%! Autoren und Adressen: Markus Eck, UIAGM Berg- und Schiführer, Mitglied des Bundeslehrteams der österr. Berg- u. Schiführerausbildung, Karolingerweg 5, A-8430 Leibnitz, Austria, [email protected] Rudolf Sackl, Elektroniker, Entwicklungsleiter, PIEPS GmbH, Frauentalerstraße 102, A-8530 Deutschlandsberg, Austria, [email protected] Ing. Michael Schober, Nachrichtentechniker, Geschäftsführer PIEPS GmbH, Frauentalerstraße 102, A-8530 Deutschlandsberg, Austria, [email protected] Dipl.-Ing. Marcellus Schreilechner, UIAGM Berg- und Schiführer, Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbH, Institut für WasserRessourcen-Management, Hydrogeologie und Geophysik, Roseggerstraße 17, A-8700 Leoben, Austria, [email protected] Prof. Dr. Eberhard Oeljeklaus, Universität Bremen, Fachbereich Mathematik/Informatik, Bibliothekstraße 1, D-28334 Bremen, Germany, [email protected] Seite 1 von 7 Normen und physikalische Grenzen Die geltenden Normen zwingen alle Hersteller dazu, dass LVS-Geräte beim Senden der Signale sich an diese halten. Abwärtskompatibilität scheint wie bei vielen Normen das Maß der Dinge zu sein und hat somit auch einen wesentlichen, größtenteils negativen Einfluss auf die Weiterentwicklung von LVS-Geräten. So erlaubt die Norm im Bezug auf das ausgesendete Signal hinsichtlich der Sendefrequenz, der Perioden- sowie der Pulsdauer derart große Toleranzen, die heute weit unter dem technisch möglichen liegen – erlaubt aber keine Art von zusätzlicher Signalkennung (Modulation). Bild1: Signal gemäß Norm EN 300718, Signalform 1A1, Pulslänge ≥70ms, Periodendauer 1000±300ms, Pause ≥400ms Letztlich reduziert sich das Problem „Mehrfachverschüttung“ ja auf zwei Sender, die in unmittelbarer Nähe liegen und von einem LVS-Gerät mit nahezu gleichen Signalstärken empfangen werden. Es kommt mehr oder weniger zu häufigen Signalüberlagerungen, die sich in Form von Signal-Schwebungen (wechselweises Anheben bzw. Auslöschen des Signales) niederschlagen und weder für Analoggeräte (akustische Signaltrennung durch das menschliche Gehirn) noch für hoch entwickelte Digitalgeräte mittels Signalanalysen immer eindeutig getrennt werden können. Signal A (dunkelblau) Signal B (cyan) Empfangenes Signal am Suchgerät Zoom (÷10) Bild 2: Links: Zwei unterschiedliche Sender, die im Moment der Aufnahme keine Überlagerung aufweisen. Der Empfänger kann die beiden Signale sauber und getrennt empfangen. Durch unterschiedliche Periodendauer kommt es aber zu regelmäßigen Überlagerungen. Rechts: Dieselben beiden Signale im Überlagerungszustand. Durch Signal-Schwebung bzw. –Auslöschung kann das Empfangssignal während der Überlagerung nicht richtig gemessen werden! Überlegung zur Studie: Bei dieser Laborstudie wurde von der Überlegung ausgegangen, dass eine Konstellation von zwei unmittelbar nebeneinander verschütteten Lawinen-Opfern den Worst-Case darstellt. Selbst wenn man davon ausgeht, dass bei Unfällen mit 3 oder mehr Verschütteten noch immer 30,8% der Personen Seite 2 von 7 betroffen sind – kann man davon ausgehen, dass es sich auch hierbei um Szenarien handelt, die aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung aus mehreren Einzelverschüttungen und höchstens Doppelverschüttungen angesehen werden können. Wir gehen davon aus, dass wir mit der Betrachtung von max. 2 Verschütteten in unmittelbarer Nähe (wir legen uns mit 10m fest) doch ca. 95% der Gesamtunfälle abdecken. Wie wurde getestet: Um die Sendesignale einfach aufzeichnen zu können wurde ein einfacher Direktempfänger mit nachgeschaltener Schmitt-Trigger gebaut. Diese Signale wurden an ein Speicheroszilloskop angeschlossen sowie über einen Datenlogger auf einem PC aufgezeichnet. Um die Testreihen zu beschleunigen wurden immer drei Signale gleichzeitig erfasst. Aus den Datenreihen (Sampling-Rate 10ms) wurden jeweils paarweise Phasen der Signalüberlagerung bzw. der Freistellung bestimmt! Die Berechnung wurde mittels eines kurzen Analyseprogramms durchgeführt. Es wurden die Zeitreihen dahingehend durchrechnete, dass jeweils der Beginn einer Überlagerung (sobald mehr als ein Signal zeitgleich empfangen wird) und das Ende der Überlagerung (wenn beide Signale wieder isoliert empfangen wurden) eine Phase der Signalüberdeckung markiert haben. Diese Phase der „Überdeckung“ bzw. daraus resultierend die Phase der „Freistellung“ wurde so rechnerisch ermittelt und in die Zeitreihe eingefügt. Bild4: Testaufbau mitt drei Empfängermodulen, einem Speicheroszilloskop (Tektronix TDS3014B) Es wurden zuerst jeweils Geräte gleichen Typs miteinander getestet, wobei jedem Versuch drei Testreihen zugrunde liegen um mögliche Zufallskonstellationen (Auswirkungen eines zufälligen Einschaltzeitpunktes) zu berücksichtigt. Zusätzlich wurden alle möglichen Kombinationen von Geräten verschiedener Hersteller getestet. Auch hier mit jeweils drei Testreihen. Die Aufzeichnungsdauer für jede einzelne Testreihe betrug immer exakt 10 Minuten. Zum einen, um sich wiederholende Überlagerungsphasen abdecken zu können, und zum anderen, um eine relevante Suchzeit zu repräsentieren. Welche Geräte wurden getestet: Aus einem umfangreichen Fundus an handelsüblichen Test- und Demogeräten wurde eine zufällige Auswahl von mindestens drei wahllos gewählten Geräten gleichen Typs herangezogen. Diese Geräte wurden zu Beginn alle einzeln vermessen und die Basisparameter der Sender ermittelt. Es wurden auch alle Testgeräte mit neuen Batterien ausgestattet. Testgerät Hersteller / Type Seriennummer A-1 A-2 A-3 B-1 B-2 B- 3 P-1 P-2 P-3 T-1 T-2 T-3 V-1 V-2 V-3 X-1 X-2 X-3 F-1 F-2 F-3 M-1 M-2 M-3 Arva / Advanced Arva / Advanced Arva / Evolution Barryvox / Opto3000 Barryvox / Opto3000 Barryvox / Opto3000 Pieps / DSP Pieps / DSP Pieps / DSP Tracker / DTS Tracker / DTS Tracker / DTS Pieps / 457 Pieps / 457 Pieps / 457 Ortovox / X1 Ortovox / X1 Ortovox / X1 Ortovox / F1 Ortovox / F1 Ortovox / F1 Ortovox / M2 Ortovox / M2 Ortovox / M2 1D-0052-1109 E-4604-1210 2260 M0122375 M0122797 M0049664 06048324620321 06048324620357 06048324620383 98618 52279 58767 98 99 10 06 25 06 444404 454547 347092 821072 443745 747747 033201 143766 132864 Frequenzabw. Norm: 457.000 ± 80 Hz Periodendauer Norm: 1000 ±300ms Pulsdauer Norm: ≥ 70ms Puls/Pause-Verhältnis +0 Hz -2 Hz +3 Hz -3 Hz -1 Hz +7 Hz -5 Hz -6 Hz -5 Hz +9 Hz +23 Hz +9 Hz -8 Hz 1 Hz -7 Hz -7 Hz +5 Hz +18 Hz -40 Hz -91 Hz -79 Hz -54 Hz -33 Hz -34 Hz 916 ms 890 ms 890 ms 996 ms 968 ms 1004 ms 960 ms 1020 ms 890 ms 804 ms 792 ms 776 ms 916 ms 890 ms 890 ms 868 ms 880 ms 804 ms 1180 ms 1210 ms 1190 ms 704 ms 872 ms 622 ms 74 ms 74 ms 76 ms 102 ms 102 ms 102 ms 100 ms 100 ms 100 ms 96 ms 94 ms 94 ms 100 ms 96 ms 94 ms 212 ms 220 ms 196 ms 366 ms 370 ms 388 ms 108 ms 104 ms 112 ms 8,8% 9,1% 9,3% 11,4% 11,8% 11,3% 11,6% 10,9% 12,7% 13,6% 13,5% 13,8% 12,3% 12,1% 11,8% 32,3% 33,3% 32,2% 45,0% 44,0% 48,4% 18,1% 13,5% 22,0% Tabelle2: Ausgewählte Testgeräte und deren ausgemessene Parameter Seite 3 von 7 Ergebnismatrix: Obgleich die Signalüberlagerung (Überlagerungsgrad in % der Gesamtzeit) ausschlaggebend für die Problematik des Suchenden ist, wurde als Ergebnis der Freistellungsgrad ausgewählt. Dieser sagt aus, wie viel der Testzeit war dieses Signal „freigestellt“, also eindeutig und ungestört empfangbar. Es wurden alle möglichen Konstellationen zueinander getestet und der Mittelwert von drei Messdurchläufen in der Ergebnismatrix (Tabelle 3) erfasst. Arva 68,15 73,62 72,17 71,90 74,40 61,25 41,93 62,50 Arva Barryvox Pieps DSP Tracker DTS Pieps 457 Ortovox X1 Ortovox F1 Ortovox M2 Barryvox 73,62 77,34 69,77 64,44 70,49 58,10 45,58 56,97 Pieps DSP Tracker DTS 72,17 71,90 69,77 64,44 66,64 63,88 63,88 72,41 70,93 69,03 54,98 56,90 41,68 30,88 58,47 62,87 Pieps 457 74,40 70,49 70,93 69,03 69,84 57,07 41,79 62,81 Ortovox X1 61,25 58,10 54,98 56,90 57,07 47,37 22,25 59,10 Ortovox F1 Ortovox M2 41,93 62,50 45,58 56,97 41,68 58,47 30,88 62,87 41,79 62,81 22,25 59,10 35,60 21,84 21,84 47,03 Tabelle 3: Eregebnismatrix: Freistellungsgrad[%] des Gesamtzeit als Mittelwert von jeweils 3 Messdurchläufen über je 10 Minuten Freistellungsgrad [%] der gesamten Messzeit (10 Minuten) Mittelwert aus jeweils 3 Messungen 100 Gleiches Modell Schlechtester Wert (mit Gerät ...) Bester Wert (mit Gerät ...) Mittelwert (aus allen Kombinationen) 90 65 62 Tracker DTS 62 Arva Arva 65 Arva 66 Tracker DTS 60 Barryvox Pieps 457 70 50 Ortovox F1 10 54 35 Ortovox M2 Ortovox F1 20 Barryvox Ortovox F1 Ortovox F1 30 Ortovox F1 40 Ortovox F1 52 Ortovox F1 Freistellungsgrad [%] 80 0 Arva Barryvox Pieps DSP Tracker DTS Pieps 457 Ortovox X1 Ortovox F1 Ortovox M2 Diagramm 1: Freistellungsgrad (% der anteiligen Zeit während die Signale frei und klar empfangen werden können) bei Konstellationen von jeweils zwei LVS-Sendern gleichen Typs (blau), schlechtestes und bestes Ergebnis (orange und grün), sowie Mittelwert aus allen möglichen Kombinationen Freistellungsgrad [% ] der Beobachtungszeit (10min) bei zwei LVS-Geräten gleichen Typs (Mittelwert von je drei Messdurchläufen) Freistellungsgrad [% ] der Beobachtungszeit (10min) bei zwei LVS-Geräten in allen möglichen Hersteller Konstellationen (Mittelwert von je drei Messdurchläufen) 80 80 Freistellungsgrad Freistellungsgrad Impuls:Pause [%] 60 Freistellungsgrad [%] 60 Freistellungsgrad [%] Impuls:Pause [%] 70 70 50 40 30 50 40 30 20 20 10 10 0 0 Arva Barryvox Pieps DSP Tracker DTS Pieps 457 Ortovox X1 Ortovox F1 Ortovox M2 Diagramm 2: Freistellungsgrad (% der anteiligen Zeit während die Signale frei und klar empfangen werden können) bei Konstellationen von jeweils zwei LVS-Sendern gleichen Typs Arva Barryvox Pieps DSP Tracker DTS Pieps 457 Ortovox X1 Ortovox F1 Ortovox M2 Diagramm 3: Freistellungsgrad (% der anteiligen Zeit während die Signale frei und klar empfangen werden können) aller möglichen Gerätekonstellationen (jeweils zwei LVSSender) Seite 4 von 7 Interpretation der Ergebnisse: Grundsätzlich stehe es jedem Hersteller frei, in welcher Form er sein Signal aussendet – solange er sich innerhalb der von der Norm vorgeschriebenen Grenzen bewegt. Aus den Ergebnissen lassen sich mehrere Grundstrategien der verschiedenen Hersteller erkennen, die auch auf den Überlagerungsgrad bzw. Freistellungsgrad maßgeblichen Einfluss haben. Haupteinflussfaktor ist letztendlich das Impuls/Pause-Verhältnis. Strategie 1: Sehr kurze Impulse bei möglichst konstanter und langer Periodendauer Bei kurzen Impulsen und langer Periodendauer ergibt sich schon rein rechnerisch ein günstiges Impuls/Pause-Verhältnis – was sich auch in einem höheren Grad der Signalfreistellung positiv niederschlägt. Bei einer Konstellation zweier Geräte mit annähern gleicher Periodendauer, gibt es sehr lange Phasen ohne Überlagerung aber auch entsprechend lange Phasen mit Überschneidungen! Strategie 2: Kurze Impulse bei möglichst unterschiedlicher und langer Periodendauer Diese Strategie scheint Standard bei modernen digitalen Geräten zu sein. Ob durch Fertigungsstreuung oder durch Zufallsgenerator beim Einschalten - es wird eine unterschiedliche lange Periodendauer vorgegeben. Dies hat zwar den Nachteil, dass Überlagerungen recht häufig auftreten, hat aber den entscheidenden Vorteil, dass diese Überlagerungen immer nur von kurzer Dauer sind. Strategie 3: kurze Periodendauer Diese verschlechtern das Impuls/Pause-Verhältnis und es ist auch mit einem höheren Überlagerungsgrad zu rechnen. Hat aber zumindest den Vorteil, dass bei Suchgeräten eine etwas schnellere Anzeige erfolgen kann. Strategie 4: Lange Impulse, lange Periodendauer Diese Strategie wurde offensichtlich ohne Berücksichtigung von Mehrfachverschüttungen gewählt. Neben möglichen Reichweitenvorteilen ergeben sich aber wesentliche Nachteile - schon aufgrund des ungünstigen Impuls/Pause-Verhältnisses. Zusammenfassung Status-Quo: In der Vergangenheit galt folgende These: Ob altes Analog-Gerät oder modernes Digital-Gerät – senden tun sie alle gleich! Diese These lässt sich durch diese Studie eindeutig widerlegen. Für den Verschütteten kommt es letztlich darauf an, wie sein Gerät sendet – mit der richtigen Frequenz und mit der richtigen Strategie. Dass sein Signal eindeutig und ungestört vom Suchenden wahrgenommen wird, hat doch maßgeblichen Einfluss darauf, dass leichter und somit auch schneller gefunden werden kann – unabhängig davon mit welcher Suchtechnologie die Retter ausgerüstet sind! Seite 5 von 7 Kurze theoretische Betrachtung: Es seien T1 und T2 die Periodendauern (1000+/-300ms) von zwei Sendern, und es sei T1≤T2. Mit P1 und P2 werden die Pulslängen (≥ 70ms) der beiden Sendeimpulse bezeichnet. Als Voraussetzungen für T und P gelten, dass es sich um positive natürliche Zahlen handelt und dass die Bedingungen P1< T1-q, P2<T1-q und P1+P2<T1 erfüllt sind. Mit q wird der größte gemeinsame Teiler (ggT) und mit K wird das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) von T1 und T2 bezeichnet, wobei dann K = T1.T2 ist. q Es wird für diese Rechnung angenommen, dass beide Signale zum selben Zeitpunkt mit einem Impuls beginnen. In der Praxis ist dies jedoch ein besonderer Fall, der vermutlich äußerst selten zustande kommt. Nach K Zeiteinheiten, also nach einem vollständigen Zyklus, befinden sich die Signale beider Geräte wieder in derselben Position zueinander. Starten die beiden Signale nicht zum gleichen Zeitpunkt sondern mit zeitlicher Verzögerung k.q+s, 0≤s<q so wird im Falle s=0 innerhalb von K-T1 Zeiteinheiten ein gemeinsamer Beginn eines Impulses erreicht. Ist s>0, so ändern sich die unten angegebenen Werte für A höchstens um ± 2. Die obige Annahme eines gleichzeitigen Starts bedeutet daher im Rahmen dieser Untersuchungen keine echte Einschränkung. Es sei P das Minimum und Q das Maximum der Zahlen P1 und P2 und ⎡P⎤ ⎡Q ⎤ r = ⎢ ⎥, R = ⎢ ⎥ wobei [a] die größte ganze Zahl bezeichnet, die kleiner oder gleich a ist. Der Quotient ⎣q⎦ ⎣q⎦ wird sozusagen abgerundet. Nun kann A als die Anzahl der Zeitintervalle der Länge ≥ 0 berechnet werden, in denen beide Geräte gleichzeitig senden. A=1+r+R, falls q die Zahlen P1 und P2 nicht teilt, A=2+r+R, falls q genau eine der beiden Zahlen P1 und P2 teilt, A=3+r+R, falls q die Zahlen P1 und P2 teilt. Bezeichnen wir mit U den Zeitraum innerhalb eines Zyklus, in dem die beiden Sender getrennt voneinander senden und damit auch getrennt empfangen werden können, so ergibt sich für U die einfache Beziehung U=K-(T1.A). Zum besseren Verständnis seien hier einige Beispiele durchgerechnet. Beispiel 1: Arva Advanced 1D-0052-1109 mit T1=916ms und P1=74ms Barryvox Opto M0122375 mit T2=996ms und P2=102ms Als K = kgV von 916 und 996 erhalten wir 228084ms (3,8 min), als q=ggT von 916 und 996 erhalten wir 4. r=[P/q]=18 und R=[Q/q]=25. Da q die Zahlen P1 und P2 nicht teilt, erhalten wir für A=44, das heißt, dass sich 44 Impulse der beiden Geräte überlagern. Nun kann die Zeit, in der die beiden Signale getrennt empfangen werden können, als U=K-(T1.A)= 187780 berechnet werden. Der Freistellungsgrad ergibt sich daher als Quotient von U und K. U/K=0,82, das heißt, dass der Freistellungsgrad 82% beträgt. Weitere Beispiele seinen nur kurz angegeben: Tracker DTS 52279 mit T1=972ms und P1=94ms und Tracker DTS 98618 mit T2=804ms und P2=96ms ÎFreistellungsgrad 74% Tracker DTS 52279 mit T1=972ms und P1=94ms und Ortovox F1 443745 mit T2=1210ms und P2=370ms ÎFreistellungsgrad 61% Ortovox F1 821072 mit T1=1180ms und P1=366ms und Ortovox F1 443745 mit T2=1210ms und P2=370ms ÎFreistellungsgrad 38% Bild 5: Graphische Darstellung des letzten Beispiels mit einer Zykluslänge (kgV) von 142780 ms (2,4 min) und einem Freistellungsgrad von nur 38%. Die roten und die schwarzen Striche stellen zwei verschiedene Geräte dar. Die Periodendauern und die Pulsdauern sind maßstabstreu dargestellt. Auch aus den durchgerechneten Beispielen ist ersichtlich, dass lange Periodendauern T und vor allem lange Pulsdauern P schlechte Voraussetzung für die Lösung von Mehrfachverschüttungen bringen. Seite 6 von 7 Zukunft: Völlig neue Wege werden wieder von PIEPS beschritten und eine revolutionäre, neue Sendestrategie eingeführt. Durch ein Update wird nunmehr auch „intelligent“ gesendet. Das Gerät empfängt und analysiert auch während des Sendebetriebes den Nachbarsender. Das eigene Signal wird dann so angeglichen und verschoben, dass es keine Überlagerungen mehr gibt – unabhängig um welches Nachbargerät es sich handelt! Dadurch hat der Verschüttete den Vorteil, dass sein Sendesignal bei einer Nahverschüttung mit einem weiteren Opfer „sauber“ empfangen werden kann – unabhängig vom Fabrikat des zweiten Sender! Bild 6: Signal A mit IS Funktion erkennt Signal B (hellblau) als Nachbarsender, anfänglich noch mit Überlagerungen! Bild 7: Signal A mit IS-Funktion hat sein Sendesignal angeglichen und so verschoben, dass es keine Überlagerungen mit Signal B (hellblau) mehr geben kann! Freistellungsgrad [% ] der Beobachtungszeit (10min) bei zwei LVS-Geräten gleichen Typs (Mittelwert von je drei Messdurchläufen) und Gegenüberstellung Konstellation mit PIEPS-DSP-IS Freistellungsgrad Konstel. mit PIEPS-IS 100 Freistellungsgrad [%] 80 60 40 20 0 Arva Barryvox Pieps DSP Tracker DTS Pieps 457 Ortovox X1 Ortovox F1 Ortovox M2 Seite 7 von 7 Pieps-DSPIS Diagramm 3: Freistellungsgrad (% der anteiligen Zeit während die Signale frei und klar empfangen werden können) bei unterschiedlichen Kombinationen mit einem PIEPSDSP mit IS-Option (jeweils zwei LVS-Sender) im Vergleich zu den Werten aus Diagramm 1