InSchuKa 4.0 – Kombinierter Infrastruktur- und Umwelt-Schutz durch KI-basierte Kanalnetzbewirtschaftung

© Quellenangabe

Kurzbeschreibung

Überschwemmungen infolge von Starkregenereignissen treten in Deutschland immer häufiger auf und verursachen in Verbindung mit schweren Unwettern oft große Schäden und erhebliche Umweltbelastungen durch die unkontrollierte Einleitung ungeklärter Abwässer in die Fließgewässer. Erschwerend kommt hinzu, dass die Kanalisationsrohre die anfallenden Wassermassen nicht mehr aufnehmen können, obwohl in der Kanalisation selbst und in den angeschlossenen Regenbecken noch Speicherkapazität vorhanden ist. Außerdem deuten die Beobachtungen darauf hin, dass in Zukunft mehr extreme Trockenperioden zu erwarten sind. Ort und Zeitpunkt solcher Ereignisse lassen sich nur schwer vorhersagen, so dass die Kanalisationsbetreiber mit teilweise gegensätzlichen Herausforderungen konfrontiert sind, auf die sie vorbereitet sein müssen.

Die angestrebte Lösung fokussiert daher auf die Umsetzung eines dynamischen, flexiblen Kanalnetzmanagements durch intelligente Datenerfassung, -auswertung und -überwachung, um das vorhandene Kanalnetzvolumen bei Starkregen optimal zu nutzen und möglichen negativen Auswirkungen auch in Trockenperioden entgegenzuwirken, wie z. B. verstärkte Sedimentation, Geruchsbildung und Korrosion oder unkontrollierte Einleitung von Schadstoffen in Gewässer bei kurzzeitigen Starkregenereignissen nach einer längeren Trockenperiode. 

Ziel

Das Projekt fokussiert auf ein integriertes und transdisziplinäres Management (in Bezug auf Risiken) von gegensätzlichen hydrologischen und urbanen wasserbezogenen Ereignissen in städtischen Wasserversorgungsinfrastrukturen unter Verwendung digitaler Tools für Monitoring, Analyse, Prognose und Kommunikation.

Im Projekt wird eine auf künstlicher Intelligenz basierende Kanalnetzmanagement-Lösung entwickelt, die innovative Kanalsensorik, cyberphysischer Ausrüstungselemente zur Wasserstands- und mengenkontrolle sowie historische und Prognosedaten aus Betrieb und Wetterereignissen einbezieht. 

Darüber hinaus soll mit dem neu entwickelten System dem Bedürfnis von Kommunen/Städte Rechnung getragen werden, automatisch vorbeugende Spülungen von Kanalabschnitten zu ermöglichen und eine unkontrollierte Ausschwemmung von Schadstoffen bei kurzen, starken Regenschauern durch einen besseren Rückhalt im Kanalsystem zu verhindern. 

Arbeitspakete (AP)

Auf Basis der im Detail zu ermittelnden Rahmenbedingungen der urbanen Abwas-serinfrastruktur von Jena werden die allgemeinen und besonderen Anforderungen an eine dynamische Kanalnetzbewirtschaftung für einen resilienten Umgang mit Wasserextremereignissen unter Einbezug des Stands der Technik und Wissenschaft  ermittelt. Dabei werden sowohl die für Jena spezifischen Aufgaben definiert, als auch eine erste Ableitung allgemein formulierbarer Aufgaben vorgenommen.

Zur Ermittlung der kritischen Knotenpunkte/Bauwerke/Kanalabschnitte für eine dynamische Kanalnetzbewirtschaftung in Jena erfolgt sowohl eine hydraulische als auch eine Schmutzfrachtsimulation der in AP 1 festgelegten Kanalsystemabschnitte.

Mithilfe einer kombinierten Durchfluss- und AFS-Messeinrichtung sollen bislang fehlende Daten zu tatsächlichen Sedimenteigenschaften im Kanal ermittelt werden, um anwendbare Berechnungsergebnisse  für eine Kanalnetzbewirtschaftung zur Abschätzung des Ablagerungsverhaltens und Sulfidentwicklung bei Wetterextremereignissen bzw. langen Aufenthaltszeiten des Abwassers zu erhalten. 

Ermittlung der Anforderungen an die erforderliche technische Ausrüstung im Pilotabschnitt. Bemessung und Konstruktion der maschinen- und EMSR-bezogenen Komponenten und Leistungen.

Hier erfolgt unter Hinzunahme und Bewertung aller Ergebnisse aus vorhergehenden AP  die Entwicklung der Softwarekomponenten zur vorgesehenen dynamischen Kanalnetzbewirtschaftung unter Einbezug der KI-basierten Methodik des CBR (Cased Based Reasoning) sowie der kombinierten Durchfluss- und AFS-Messeinrichtung.

In AP  6 erfolgt die reale Erprobung des dynamischen Kanalnetzbewirtschaftungssystems, der eingesetzten technischen Ausrüstung gemäß AP 4 sowie der kombinierten Durchfluss- und AFS-Messeinrichtung in den in AP 2 ermittelten kritischen Knoten-punkten/Bauwerken/Kanalabschnitten des Kanalsystems Jena. 

Auf Basis einer Literaturauswertung erfolgt die Akzeptanz- und Transferforschung mit Hilfe einer Befragung sowohl der assoziierten Partner als auch der Verantwortlichen ausgewählter Mittel- und Großstädte. Hierbei gilt es herauszufinden, welche technischen, organisationskulturellen sowie entscheidungspsychologischen Kriterien zu erfüllen sind, damit kommunale Entscheider Interesse an einer dynamischen Kanalnetzbewirtschaftung haben und diese auch in die Realität umsetzen. 

Das Projektmanagement gewährleistet den Projektfortschritt durch projektinterne Kommunikation, externe Koordinierung, Vorbereitung, Moderation und Auswertung regelmäßiger Projektverbundtreffen und Berichtslegung, Controlling des Mittelverbrauchs und Kommunikation mit dem Mittelgeber.