Quelle: Xylem
Hintergrund
Xylem (ehemals ITT- Group) ist ein US-amerikanischer Konzern mit weltweit mehr als 16.000 Mitarbeiter:innen. Durch den Zukauf verschiedenster Unternehmen, bietet Xylem ganzheitliche Lösungen für alle Wertschöpfungsstufen entlang des Wasserkreislaufs an. Dazu zählen am deutschen Markt etablierte Unternehmen wie Flygt, Lowara und Wedeco. In den vergangenen Jahren tätigte Xylem weitere Unternehmenskäufe im Bereich der auf Digital Water spezialisierten Unternehmen, wie z.B. Sensus, aquatune und emnet.
Problem
Starkregenereignisse werden immer häufiger und sorgen in Großstädten mit einem großen Anteil an versiegelten Flächen für hohe Belastungen im Kanalnetz und anschließende Überflutungen. Operativ werden die gefüllten Kanalnetze durch eine hohe Abschlagsmenge entlastet und kapitalintensive Staumöglichkeiten wie z.B. RRB entlang des Netzes ausgebaut. Um verfrühte Mischwasserabschläge zu reduzieren und die gesamte Kapazität des Kanalnetzes effektiv zu nutzen, bedarf es einer datengetriebenen Lösung, welche die Korrelation zwischen gem. Durchflussmenge und Strakregenereignissen in verschiednen Haltungen erkennt und steuerbar macht.
BLU-X Kanalnetzsteuerung
Als Alternative zum kapitalintensiven Ausbau der Infrastruktur, bietet Xylem ein cloud-basiertes Echtzeit-Assistenzsystem. In einem dreistufigen Prozess aus Analyse, Vorhersage und Optimierung lassen sich korrelierende Daten aus Sensorik, Wetter und PLS zusammenführen und zu einer dynamischen Regelung der Gewerke im Kanalnetz nutzen. Zudem lassen sich anhand eines digitalen Zwillings des hydraulischen Modells, Fremdwassereinflüsse erkennen und Belastungsspitzen vorhersagen.
Anwendung in Cincinatti
Die 300.000 Einwohner Stadt im mittlerem Osten der USA beklagte hohe Abschlagsmengen von bis zu 42 Mio. m3 pro Jahr. Um diese Abschläge zu reduzieren wurde vor 20 Jahren ein Plan aufgestellt, der große Erweiterungen der Infrastruktur vorsah und mehr als 3 Mrd. EUR kosten würde. Aufbauend auf der Erfahrung ihrer Schwesterstadt Columbus hat Cincinnati ebenfalls eine Partnerschaft mit Xylem gestartet, um neue und kostengünstige Lösungen zur Reduzierung der Abschläge zu finden. In Zusammenarbeit wurde ein Echtzeit-Assistenzsystem aufgebaut, welches die Gewerke im Kanalnetz ansteuert, um die vorhandenen Stauvolumina optimiert zu nutzen. Alle Datenpunkte laufen hier auf einer Plattform zusammen. Unter anderem werden künstliche neuronale Netze zur Vorhersage der Durchflüsse an bestimmten Positionen im Kanalnetz genutzt als auch die „Händlerbasierte Optimierungsstrategie“ eingesetzt. Hierbei
lassen sich bei Kapazitätsengpässen Handlungsempfehlungen generieren, um das Wasser möglichst ,,kostengünstig’’ in eine andere geeignete Haltung zu transportieren, bevor man es alternativ abschlagen müsste. Anhand des händlerbasierten Ansatzes, lässt sich in einem Trade-off zwischen den Kosten pro Füllstand und dem Risiko einer Überlastung der Haltung, eine Steuerstrategie der Gewerke im Netz herleiten. Dabei müssen die unterschiedlichen Rahmenbedingungen des Kanalnetzes individuell berücksichtigt werden. Hiermit konnten im Fall von Cincinatti Kosteneinsparungen in Höhe von 35 Mio. €, sowie Abschlagsreduzierungen von ca. 1 Mio. m3 pro Jahr erzielt werden.
Aktuelles
Die Implementierung eines Echtzeitassistenzsystems ist komplex. Aus diesem Grund möchte Xylem sichergehen, dass der Mehrwert eines solchen Systems deutlich höher ist als die Kosten. Hierfür bietet Xylem eine Discovery Phase an, in der genau dieser mögliche Mehrwert für eine bestimmte Zielsetzung für den Kunden analysiert wird. Diese Discovery Phase hat Xylem unter anderem auch für die Stadt Herford durchgeführt. Das Ergebnis: durch eine optimierte Steuerung von fünf Gewerken wird eine Reduzierung des Mischwasserabschlags um 20% erwartet.
Diskussion
- Frage: Gibt es eine vorgeschaltete Überprüfung der Daten, bevor sie für die KI genutzt werden ?
Ja, es gibt eine automatisierte Qualitätssicherung der Daten um valide Vorhersagen treffen zu können. Je nach Anwendungsfall laufen dafür vorgeschaltete Tests.
- Frage: Findet die Steuerung, neben der hydraulischen Auslegung, auch frachtbasiert mit Zielwerten für Trübung oder AFS-Messung statt ?
Momentan noch keine Anwendung. Wenn Interesse besteht, sind wir gerne offen und flexible für ein Modell mit frachtbasierter Ausrichtung.
- Frage: Ist die Steuerung der Gewerke automatisiert oder steuern die Mitarbeitenden auf Handlungsempfehlung des Systems ?
Beides ist möglich. Wir bieten ein reines Dashboard als Unterstützungssystem als auch eine automatisierte Steuerung über einen Autopiloten.
- Frage: Auf Basis welcher Werte werden die neuronalen Netze trainiert ?
Hierzu wird eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt – die wichtigsten hierbei sind die Werte der Regenschreiber oder der Wetterdienste.
Am 19.05.2022 wurde das Projekt im Rahmen unserer Early-Birds-Reihe vorgestellt. Eine Zusammenfassung, die Vortragsfolien und eine Aufzeichnung finden Sie Hier.