Projekt

Einführung

Die deutschen und internationalen Kanalnetzbetreiber betreiben hunderttausende Kanalkilometer mit weiter zunehmender Länge. Allerdings besteht keine oder wenig Kenntnis darüber, was täglich im Normalbetrieb oder bei Regenereignissen im Netz passiert. Daher besteht ein großes Interesse, mehr Informationen über den Zustand des Netzes zu erhalten, um weitere Planung, Betrieb und Wartung zu verbessern oder sogar neu zu strukturieren. Die vorhandenen Messeinrichtungen für eine Online-Überwachung und Zustandserkennung sind allerdings für einen flächendeckenden Einsatz zu groß und zu teuer. Weitere Probleme bestehen in der Verfügbarkeit ausreichender Energie- und Kommunikationsinfrastruktur innerhalb des Kanalnetzes, die nur zu erhöhten Kosten installiert werden kann. Durch verteilte Sensoren und skalierbare Datenverarbeitung wird eine intelligente Zustandsüberwachung des Abwassernetzes inkl. seiner Oberflächenwasserzuläufe ermöglicht. Hierdurch sind neben der Wartungs- und Betriebsoptimierung auch eine Vorkonditionierung des Netzes möglich, um beispielsweise bei angekündigten starken Regenfällen Teile des Abwassernetzes leer zu pumpen und dort ein Überlaufen des Mischwassers in Gewässer zu vermeiden. Damit lässt sich das geplante Vorhaben in die FONA Strategie Zukunftsstadt mit dem strategischen Leitthema (SLT 5) “Energie, Ressourcen und Infrastruktursysteme” eingruppieren.

Gesamtziel

Ziel der Entwicklung ist eine kleine, weitgehend energieautarke, drahtlos kommunizierende und einfach konfigurierbare Sensorplattform für den Einsatz in Regenwasser und Abwasser. Diese Plattform mit einer Grundfläche von ca 3cm x 5cm (“Streichholzschachtel”) soll je nach Einsatzszenario energieautark und mit verschiedenen Funkstandards betrieben werden können, und sowohl in stationären als auch floatierenden Umgebungen einsetzbar sein.
Es sind dabei 3 Einsatzszenarien angedacht:
● Der oberflächennahe Systemeinsatz in Regenwasserabläufen mit stationären aber manipulations- und wartungsrobusten Sensoren,
● der stationäre, energieversorgte Dauereinsatz im Kanalsystem an ausgewählten Stellen wie Pumpwerken und
● der mobile, energetisch selbstversorgte Sensor, der im Kanalsystem für temporäre Messkampagnen treiben (= “floatieren”) soll.
Hierzu ist eine Plattform zu entwickeln, die in kostenoptimierter Form die oben dargestellten Szenarien skalierbar abbilden kann.
Die Sensorplattform soll dazu in Abhängigkeit vom Einsatzszenario in dynamisch definierbaren Zeitbereichen Daten über den Zustand des Abwassernetzes per Funk z. B. über ein Star-Mesh-Netzwerk nach dem Multihopp-Prinzip zu Gateways in das Internet liefern. Hierdurch wird es auch möglich sein, Daten aus Bereichen mit geringer Funkabdeckung regelmäßig zu erfassen, sobald sich hierin eine ausreichende Anzahl von Sensoren befinden. Dies gilt sowohl für die schwimmenden Sensoren innerhalb des Abwassernetzes als auch für die verteilten oberflächennahen Sensoren ohne flächendeckende Netzzugangspunkte. Die sensorisch aufzunehmenden Daten sollen sich auf ein Minimum konzentrieren, so dass per Energiebilanz eine lange Betriebsdauer eine höhere Priorität als eine umfassende Datenaufnahme einnimmt.

Mit Hilfe verteilter, skalierbarer Verarbeitungssysteme werden die Sensordaten zusammengeführt und analysiert und es wird eine Betriebs- und Wartungsplattform entwickelt, die Statusindikationen und den aktuellen Zustand des Abwassersystems präsentiert. Dabei werden durch den Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens auch praktische Vorschläge zur optimierten Wartung ausgegeben.

Anwendungsfall 1 (Straßeneinlauf)

Filter in Straßeneinläufen und Straßeneinläufe, die selbstständig melden, wann sie gereinigt werden müssen: Damit können einerseits überflüssige und kostenintensive Arbeiten vermieden werden und andererseits dort häufiger Wartungen durchgeführt werden, wo dies besonders nötig ist. Aus den über längere Zeit gewonnenen Daten können neue Erkenntnisse über die Verbesserung von Filtersystemen gewonnen werden.

Anwendungsfall 2 (Kanal, stationär)

Stationäre Sensoren in den Schächten des Netzes zur Bestimmung von Volumenströmen und Wasserqualität. Eine Modellierung der Wasserflüsse wird möglich. Eine solche Modellierung bildet einen bekannten dringenden Bedarf großer Abwasserentsorger und Wasserversorger ab, da sie es gestattet, auch die Ausbreitung von Fremdwasser oder Fehleinleitungen zu bestimmen und ggf. Gegenmaßnahmen wie das Absperren von Teilnetzen zu ergreifen.

Anwendungsfall 3 (Kanal, treibend)

Sensorplattformen, die im Rohr oder Kanal mit der Strömung mitschwimmen oder gezogen werden. Hierdurch lassen sich Daten von Orten oder Rohrstrecken gewinnen, an denen normalerweise nicht gemessen werden kann. Die Lokalisierung erfolgt bei gezogenen Sensoren über die Seillänge und bei frei schwimmenden Sensoren über Triangulation fester und vermessener Empfangsstationen.Eine Erweiterung einer schwimmenden Sensorplattform ist ein miniaturisierter Probennehmer.

weiter zu AP1