VERKNÜPFUNG DER SYSTEME IN DER WASSERWIRTSCHAFT (WASSER 4.0) - CIO-Arbeitskreis Wassertechnologien 26. Mai 2020 Microsoft Teams - Webinar Prof ...
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CIO-Arbeitskreis Wassertechnologien 26. Mai 2020 • Microsoft Teams - Webinar VERKNÜPFUNG DER SYSTEME IN DER WASSERWIRTSCHAFT (WASSER 4.0) Prof. Dr. Robert Holländer IIRM - Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement
Im Auftrag des Umweltbundesamtes,
FKZ 3717 21 327 0
Autoren
Prof. Dr.-Ing. Robert Holländer,
M. Sc. Lukas Stumpf
Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM),
Universität Leipzig
Dr.-Ing. Sabine Lautenschläger,
InfraRes GmbH, Leipzig
Eduard Interwies, Stefan Görlitz
InterSus – Sustainability Services, Berlin
Prof. Dr. jur. Joh.-Christian Pielow,
Ruhr Universität Bochum
IIRM 2
Agenda
1. Was bedeutet Digitalisierung in der
Wasserwirtschaft ?
2. Beispiele
3. Potentiale
IIRM 3
1 Was bedeutet Digitalisierung
in der Wasserwirtschaft
IIRM 4
Digitalisierung
1. Integration von Prozessen
1. horizontal (z. B. in der Fläche, über den gesamten Bereich der
Wertschöpfung) oder/und
2. vertikal (z. B. unterschiedliche Hierarchieebenen vom physischen
Produktionsprozess bis hinein in die Strategieentwicklung).
2. Vernetzung virtueller und physischer Systeme (Cyber-
Physical-Systems) mit Sensoren und Aktoren in lokalen
autonomen Regelkreisen.
3. Hardware: Fähigkeit große Datenmengen schnell zu verarbeiten
(Big Data), zentrale Datenspeicher (Cloud), Datenübertragung
mit hoher Kapazität.
4. Software: komplexe Programme zur Entscheidung(s-
unterstützung): „Digitaler Zwilling“, augmented reality, KI
(Neuronale Netze, machine learning, …..)
IIRM 5
Digitalisierung - Wozu?
▪ Effizienzsteigerung von Prozessen,
▪ Erhöhung der Prozessqualität, Effektivität,
▪ Erhöhung der Sicherheit von Prozessabläufen,
▪ Integrierte Bewältigung unterschiedlicher Anforderungen
▪ bessere Entscheidungsgrundlagen durch eine breitere Datenbasis und
durch höhere Datenverfügbarkeit,
▪ Kosteneinsparungen durch bessere Steuerung, bessere Produkt- und
Umweltqualität,
▪ Verbesserte Kommunikationsfähigkeit mit den Kunden
IIRM 6
Ansatz der Bestandsaufnahme
▪ Bürgernutzen, neue Perspektiven für Natur und Umwelt,
▪ Effizienz- und Effektivitätsverbesserung bestehender Prozesse,
▪ Effizienz- und Effektivitätsverbesserung durch neue Prozesse,
▪ Nutzenstiftung durch Kopplung von Sektoren bzw. bisher nicht
gekoppelter Bereiche,
▪ Neue Perspektiven durch Nutzung bestehender oder neuer
Datenbestände,
▪ Schnittstellenprobleme, etwaige Eingriffsnotwendigkeiten, Förder- und
Regelungsbedarfe sowie Generelle Betrachtungen
IIRM 7
Digitalisierung in der Wasserwirtschaft
Aufsicht
Wasser-
wirtschaftl.
Planung
Trinkwasser
Hochwasser
Kommunales -schutz
Abwasser
Industrie Wasser-
Abwasser straßen
IIRM 8
Digitalisierung in der Wasserwirtschaft Technologie: Administration: Wasser-Industrie 4.0 Wasser-Verwaltung 4.0 IIRM 9
Effizienz- und Effektivitätsverbesserung
▪ (Wasser-) Industrie 4.0
– RAMI 4.0 (acatech, VDMA, ZVEI ).. …..
– Komponentenhersteller
– Systemintegratoren
– ………
→ Noch überwiegend Technologie getrieben,
→Schwerpunkt bisher Automatisierung und
horizontale Integration,
→ Weiterer Bedarf in der vertikalen Integration
(Nebeneinander vielfältiger Betriebssoftware,
Datenhaltungen und Modelle)
IIRM 10Effizienz- und Effektivitätsverbesserung
(Wasser-)
▪ ▪(Wasser-) Verwaltung
Industrie 4.0 4.0
– ……
Dynamisierung durch Rechtsvorschriften und politische Beschlüsse:
– RAMI
– EU: 4.0
UmweltinformationsRiLi (2003/4/EG) digitaler Binnenmarkt, ….
INSPIRE-RiLi,..
– acatech, VDMA, ZVEI PSI-RiLi,…..
..
…..
– D: Weiterverwendung von Inf. öff. Stellen (IWG 2006/2015)),
EGovG (2013/2017), Umweltinformationsgesetz (UIG 2014),
– Komponentenhersteller
Onlinezugangsgesetz – OZG (2017), IT-Strategie für die Bundesverw.
– Systemintegratoren
(2017) …….
– ………
→flächendeckender online Zugang zur öff. Verwaltung bis 31.12. 2022
– GWP Wasser
→BIM 4.0 Information Modeling BMVI: vollständig bis 2022 für die
(Building
Infrastruktur d. BMVI)
→FIM Föderales Informationsmgmt (für OZG → 2022 ) 575 Verw.Leistungen
IIRM 11Effizienz- und Effektivitätsverbesserung
▪ Folgerungen
– Viele Initiativen auf allen Ebenen,
– viele positive Beispiele (IT-Planungsrat, „Pegelonline“, Länderkoop., ...)
– noch ungleichmäßige Entwicklung in Bund und Ländern
sowie zwischen den Ländern
– noch bestehen Brüche an Organisationsgrenzen
▪ Zuständigkeitswechsel an Ländergrenzen (Flussgebiete)
▪ Kommunikation am Organigramm ausgerichtet und nicht am Kunden,
geprägt d. Behördenstruktur, Behördenorganisation („Silos“)
▪ Behördenkompetenz / Mitarbeiterqualifikation
IIRM 122 Beispiele IIRM 13
Digitalisierung in der Abwasserreinigung
▪ Pumpensteuerung durch Sensoren
(z.B. Sauerstoffgehalt, TOC,..)
▪ Pumpwartung nach Pumpenleistung
(Druckaufnehmer in der Pumpe)
(→ predictive maintenance)
▪ ….
▪ Kläranlagensteuerung mit KI
(neuronales Netz → BASF)
IIRM 14Horizontale Integration: Trinkwassernetz
(Energie sparen, Effizienz erhöhen)
In large cities:
Intelligent operation of pumps makes better use of
the storage capacity of the supply net and reduces
the need of reservoirs and water towers
IIRM 15Horizontale Integration: Trinkwassernetz
(Digitaler Zwilling, Qualitätssicherung)
Source DHI with permission: www.dhigroup.com/upload/publications/scribd/231387642-
IIRM The-Urban-On-Line-Water-UOW-System-for-Zurich-DHI-Case-Story.pdf
16Horizontale Integration: Kanalnetzsteuerung
Effectiveness and
efficiency:
▪ Radar storm water
prognosis
▪ Reduced combined sewer
overflow
▪ Bathing water modelling
Examples: Aarhus, Copenhagen,etc….
IIRMIIRM
▪ …..
Pegel …... (v)
Bundeswasserstraßen (h)
▪ Automatische Pegelsteuerung an
▪ Ausrüstung von Binnenschiffen mit
Brücken, Häfen, Wehre, Scheusen,
interaktiver Wassertiefenmessung (h)
▪ Building Information Modelling (BIM) für
Wasserstraßen, Wehre, Pegel
Bildquellen: commons.wikimedia.org/wiki/User:Gomera-b
commons.wikimedia.org/wiki/File:Brandy_Wharf_level_gauge_-_geograph.org.uk_-_1162421.jpg
commons.wikimedia.org/wiki/File:07182jfValdefuente_Gauging_Rain_River_Bridge_Mayapyap_Sur_Cabana
tuan_Ecijafvf_06.JPG
18Interaktive Information für
Bürger, Behörden, Unternehmen
▪ Interaktive Karten
– Niederschlagsdaten in Echtzeit
– Wasserstände in Echtzeit
– ….
▪ Planungsgrundlagen
– Geodaten / Karten
– Niederschlagszeitreihen
– Hochwasserrisikokarten
– ……..
▪ Antragsformulare
Quellen: www.lfu.bayern.de/wasser/index.htm
IIRM www.umwelt.sachsen.de/umwelt/wasser/15.htm
www.geofachdatenserver.de/de/lhw-hochwassergefahrenkarten.html
http://include-st.zfinder.de/215172123
19Digitalisierung - was noch nicht (bzw. wenig) ? ▪ Neue Prozesse ▪ Kopplung von Büro- und Produktions-Software ▪ Verknüpfung über Sektorgrenzen hinweg ▪ Künstliche Intelligenz für automatisierte Entscheidungen ▪ Neue Dienstleistungen IIRM 20
3 Perspektiven:
BIM
Landwirtschaft
IIRM 21Bsp: Building Information Modeling
▪ Arbeitsinstrument, kooperative Methodik
– kooperative Arbeitsmethodik: auf Grundlage digitaler Modelle eines Bauwerks
werden für den Lebenszyklus relevanten Informationen und Daten konsistent
erfasst, verwaltet und zwischen den Beteiligten ausgetauscht;
▪ Zielgruppe
– alle am Bau Beteiligten, von der Idee, über die Planung, die Bauausführung, die
Nutzungsphase bis zum Abriss;
▪ Stand
– Einführung für alle Infrastrukturbauwerke im Geschäftsbereich des
Bundesverkehrsministeriums; → ITZ Bund,https://www.itzbund.de/DE/Home/home_node.html
und GDWS, https://www.wsv.de/Wir_ueber_uns/Dienststellen/GDWS/Kontakt/index.html
– AGs zur Definition von Standards:
https://www.buildingsmart.de/buildingsmart/buildingsmart-fachgruppen-fg
https://docplayer.org/115634845-Building-information-modeling-bim-in-der-wasserwirtschaft.html
IIRM 22Bsp: Building Information Modeling
▪ Perspektiven Smart City
– „Facility + Asset Management“ für die SiWaWi
– Integriertes Monitoring aller Infrastrukturbereiche
– Koordinierung kommunaler Bauaufgaben
– Effizienzgewinne bei Bauteilverwendung und Lagerhaltung
▪ Perspektiven Doppik
– Anschlussfähig an die Bilanzierung der Kommunen
→ Umstellung von Kameralistik auf die Doppik (doppelte Buchführung in Konten)
– Abbildung des Werteverzehrs und der Reinvestitionserfordernisse
– Finanzielle Nachhaltigkeit
IIRM 23Bsp: Landwirtschaft und Wasserwirtschaft
▪ Digitalisierung in der Landwirtschaft (precision farming) nützt
wasserwirtschaftlichen Zielen
▪ Nutzung in der Landwirtschaft erzeugter Daten ermöglicht
– Die Vermeidung / Verringerung von Stoffeinträgen in Gewässer,
– eine bessere/effizientere Kontrolle von Stoffeinträgen,
– die vereinfachte Implementierung von gewässerschonenden (und anderen)
Agrarumweltmaßnahmen wie Gewässerrandstreifen, und
– eine allgemein verbesserte Transparenz von landwirtschaftlichen
Nutzungstechniken.
IIRM 24Bsp: Landwirtschaft und Wasserwirtschaft
▪ Digitalisierung in der Wasserwirtschaft nützt der Landwirtschaft
insbesondere im Klimawandel
▪ Sicherung und Optimierung landwirtschaftlicher Erträge in
Trockenphasen
– Mehr Daten, d.h. präziser Daten sowie größere räumliche und zeitliche
Datendichte ermöglichen bessere wasserwirtschaftlichen Prognosen;
– Daten aus Fernerkundung und intelligenten Bodensensoren ermöglichen
präzisere Bewässerungsgaben und damit effizientere Wassernutzung;
– Speicher- und Abflussmodelle ermöglichen bessere Bestimmung der für
die Bewässerung verfügbaren Ressourcen.
IIRM 25many thanks ! merci bien! dank u wel! muchas gracias! molte grazie! Большо́е спаси́бо! vielen Dank! hollaender@wifa.uni-leipzig.de
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