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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prognose der Alterung von Kanalobjekten in einem Abwasser-Kanal sowie ein System zur Datenverarbeitung und ein Computerprogrammprodukt, welche zum Ausführen eines solchen Verfahrens ausgebildet sind.
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Beim Betrieb von Kanalnetzen, d.h. Netzen von Abwasserkanälen, stellt sich aus ökonomischer und personeller Sicht das Problem, die Erneuerung, Sanierung und Renovierung der Kanalobjekte effizient zu planen, insbesondere vorauszuplanen. Um Kanalobjekte dann, wenn es wirklich erforderlich ist, zu sanieren und langfristig auf einem qualitativ gleichbleibenden Niveau halten oder sogar verbessern zu können, ist eine vorausschauende Planung erforderlich. D.h. es ist wünschenswert, zu wissen, wie solche Kanalnetze in Zukunft altern werden, um eine umfassende Planung durchzuführen.
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Hierzu existieren bereits Prognosemodelle, welche versuchen, die Alterung solcher Systeme vorherzusagen. Diese Modelle versuchen bislang, Vorhersagen für ganze Teilnetze bestehend aus einer Vielzahl von Haltungen zu machen. Objektscharfe Aussagen, welche konkrete einzelne Kanalobjekte oder einzelne Haltungen betreffen, sind mit diesen Modellen nicht möglich.
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Aus
DE 10 2010 022 608 A1 sind ein Verfahren und Robotersystem zur innenseitigen Inspektion eines rohrförmigen Objektes bekannt. Um die zeitliche Entwicklung von Schäden abschätzen zu können, werden Bilder oder Daten, die zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen wurden, miteinander verglichen.
DE 10 2012 022 489 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kanalinspektion mit Hilfe einer Stereokamera.
DE 100 48 826 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung alterungsbedingter Veränderungen von technischen Systemen wie Elektromotoren, bei welchen auf Grundlage eines Verschleißmodells und unter Berücksichtigung nutzungsabhängiger Betriebsgrößen beispielsweise eine verbleibende Restlebensdauer oder Ausfallwahrscheinlichkeit berechnet wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Prognose der Alterung von Kanalobjekten bereitzustellen, welches es ermöglicht, präzisere Vorhersagen für einzelne Kanalobjekte bzw. Haltungen zu treffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, durch ein System zur Datenverarbeitung mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Computerprogrammprodukt mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erstellung eines verbesserten Modells bzw. einer verbesserten Funktion zur Vorhersage der Alterung bzw. Zustandsentwicklung von einzelnen Kanalobjekten in einem Kanalnetz bzw. Kanalrohrsystem, d.h. von Abwasser-Kanalobjekten in einem Abwasser-Kanalnetz bzw. -Kanalrohrsystem. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Untersuchung einer Vielzahl von Kanalobjekten, wobei jedes Kanalobjekt zu jeweils mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten untersucht wird. Bei jeder dieser Untersuchungen wird zumindest ein den technischen Zustand, d.h. den Alterungszustand des jeweiligen Kanalobjektes repräsentierender Kennwert gebildet. Ein solcher Kennwert kann nach bekannten standardisierten Verfahren gebildet werden, welche es ermöglichen, durch einen oder mehrere Kennwerte vorzugsweise den Gesamtzustand, d.h. den Gesamtalterungszustand des Kanalobjektes auszudrücken bzw. zu definieren. Bei jeder Untersuchung wird somit der Abnutzungsgrad des jeweiligen Objektes betrachtet und ein diesen repräsentierender Kennwert gebildet. Dabei wird vorzugsweise der Gesamtzustand des jeweiligen Kanalobjektes durch den einen oder die mehreren Kennwerte beschrieben.
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Gemäß der Erfindung werden einzelne Kanalobjekte anstelle größerer Netze oder Teilnetze betrachtet und Kennwerte für den Alterungszustand einzelner Kanalobjekte bestimmt. Derartige Kanalobjekte können zum Beispiel Kanalbauwerke, Schächte, einzelne Haltungen, Leitungen oder auch Abschnitte/Teilbereiche solcher Bauwerke, Schächte, Haltungen oder Leitungen sein. Ebenso lässt sich auch ein Teilnetz, welches aus einer Vielzahl von Kanalobjekten besteht, betrachten. Als Haltung wird dabei im Bereich der Abwasserkanaltechnik ein Kanalabschnitt zwischen zwei Schächten verstanden.
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Basierend auf diesen ermittelten Kennwerten werden für einzelne Kanalobjekte Alterungsfaktoren bestimmt. Ein solcher Alterungsfaktor kann die Alterung in einem bestimmten Zeitintervall, z.B. innerhalb eines Jahres repräsentieren. Dabei werden zur Bildung eines Alterungsfaktors jeweils die beiden zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten Kennwerte und der zeitliche Abstand zwischen diesen zumindest zwei Zeitpunkten berücksichtigt. So kann der Alterungsfaktor die zeitliche Zustandsveränderung, d.h. die Veränderung des Abnutzungsgrades, zwischen diesen beiden Zeitpunkten abbilden. Ein solcher Alterungsfaktor kann beispielsweise gemäß der nachfolgenden Formel gebildet werden:
wobei ZST
i,t der Zustand des i-ten Kanalobjektes zum Zeitpunkt t ist.
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Basierend auf einer Vielzahl von so bestimmten Alterungsfaktoren wird erfindungsgemäß eine generalisierte Alterungsfunktion erstellt. Diese Alterungsfunktion kann dann nachfolgend dazu genutzt werden, um in einem Kanalsystem für bestimmte Kanalobjekte die Alterung bzw. Zustandsänderungen im Laufe der Zeit zu prognostizieren. Den Alterungsfunktionen werden somit die Alterungsfaktoren einzelner Kanalobjekte zugrunde gelegt, sodass das durchschnittliche Altern eines Kanalobjektes bestimmt und vorausgesagt werden kann.
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Vorzugsweise wird nachfolgend basierend auf der so gebildeten generalisierten Alterungsfunktion eine Alterungsprognose für ein oder mehrere Kanalobjekte durchgeführt. Diese Schritte müssen nicht unmittelbar aufeinander folgen. Die Erzeugung der Alterungsfunktion kann in einem vorgelagerten Schritt erfolgen und die so gebildete Alterungsfunktion kann dann nachfolgend wiederholt und unabhängig von dem System zum Erstellen der Alterungsfunktion zur Anwendung gebracht werden. Dabei kann die Alterungsprognose, wie unten beschrieben, auf Grundlage einer Inspektion des Kanalobjektes erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, eine Alterungsprognose eines oder mehrerer Kanalobjekte ohne eine Untersuchung des oder der Kanalobjekte zu erstellen, beispielsweise auf Grundlage eines anderweitig bestimmten Kennwertes. Anstatt diesen Kennwert aus einer erfolgten Untersuchung abzuleiten, kann beispielsweise ein gemittelter Kennwert eines oder mehrerer Kanalobjekte zugrunde gelegt werden.
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Besonders bevorzugt werden zum Bilden der Alterungsfunktion Kanalobjekte verschiedenen Alters jeweils zu zumindest zwei verschiedenen Zeitpunkten untersucht. D.h. jedes Kanalobjekt wird zu verschiedenen Zeitpunkten untersucht, wobei bei der Vielzahl von Kanalobjekten unterschiedlich alte Kanalobjekte jeweils mindestens zwei Mal untersucht werden. Damit werden anschließend Alterungsfaktoren für Kanalobjekte unterschiedlichen Alters bestimmt und basierend auf diesen Alterungsfunktionen wird eine generalisierte Alterungsfunktion in Abhängigkeit des Alters der Kanalobjekte und/oder weiterer Faktoren erstellt. Das heißt, es wird eine Alterungsfunktion erstellt, welche eine Abhängigkeit der Alterung vom bereits erreichten Alter eines Kanalobjektes darstellt. Dies ermöglicht es, dass bei anschließender Anwendung der Alterungsfunktion unter Berücksichtigung des bereits erreichten Alters eines einzelnen Kanalobjektes die zukünftige Alterung bzw. Verschlechterung des Zustandes prognostiziert werden kann. So können die Alterungsfaktoren vieler Kanalobjekte in Abhängigkeit des Alters der Kanalobjekte eine Datenwolke bilden, aus der die generalisierte, die Altersabhängigkeit berücksichtigende Alterungsfunktion gebildet werden kann. Diese bildet dann das durchschnittliche Altern eines Kanalobjektes eines bestimmten Alters ab. Dies kann beispielsweise in Weiterentwicklung der oben genannten Formel auf Grundlage der folgenden Formel erfolgen:
mit GR
a= {i : ALT
i =a}, wobei ALT
i das Alter der i-ten Haltung darstellt.
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Zum Erstellen der Alterungsprognose werden für das betrachtete einzelne Kanalobjekt vorzugsweise ein Ausgangsalter und ein Ausgangs-Alterungszustand bzw. ein diesen repräsentierender Kennwert herangezogen und auf deren Grundlage mit Hilfe der zuvor erstellten Alterungsfunktion eine Alterungsprognose erstellt. Das Ausgangsalter und der Ausgangs-Alterungszustand können vorzugsweise das aktuelle Alter und der aktuelle Alterungszustand, d.h. ein den aktuellen Alterungszustand repräsentierender Kennwert sein.
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Der Vorteil eines solchen Modells bzw. einer solcher Alterungsfunktion ist, dass sich objektscharf Alterungsprognosen, d.h. Alterungsprognosen für einzelne Kanalobjekte machen lassen und zu jedem Zeitpunkt die Veränderung des Zustandes des Kanalobjektes nachvollzogen werden kann. Auf Grundlage der Alterungsprognose für die einzelnen Objekte eines Kanalsystems kann dann auch eine Prognose für ein Teilnetz oder das gesamte Kanalnetz erstellt werden.
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Die Alterungsfunktion, wie sie vorangehend beschrieben wurde, kann beispielsweise durch Kurvenpassung (Fitting) einer Vielzahl von Alterungsfaktoren, d.h. beispielsweise auf Grundlage einer von den Alterungsfaktoren gebildeten Datenwolke erfolgen. Ein solches Fitting der Funktion kann besonders bevorzugt unter Zuhilfenahme eines Systems künstlicher Intelligenz oder mit Hilfe von maschinellem Lernen (Supervised-Machine-Learning bzw. SML) erfolgen. Hierzu können übliche Verfahren, z.B. eine Regression verwendet werden. Bei einem solchen Funktionsfitting können weitere Daten bzw. Metadaten herangezogen werden, welche beispielsweise aus Inspektions-, Stamm- und Zustandsdaten der Kanalobjekte oder eines Kanalsystems stammen können. Solche weiteren Daten bzw. Zustandsdaten können beispielsweise die Bodenart des Bodens, welcher das Kanalobjekt umgibt, die Art des durchgeleiteten Abwassers, die Verkehrsbelastung oberhalb des Kanalobjektes, Geoinformationsdaten, Wetterdaten, seismologische Daten oder ähnliches sein.
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Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Alterungsfaktoren für verschiedene Typen, Klassen und/oder Eigenschaften von Kanalobjekten bestimmt und es werden basierend auf diesen jeweils Alterungsfunktionen für die verschiedenen Kanalobjekte bzw. Typen oder Klassen von Kanalobjekten erstellt. Bei den einzelnen Kanalobjekten oder Typen von Kanalobjekten kann es sich beispielsweise um Abschnitte, bestimmte Bauteile und/oder einzelne Haltungen oder auch Abschnitte derartiger eines Kanalsystems handeln. Bei der nachfolgenden Anwendung der Alterungsfunktion, wird eine passende Alterungsfunktion für das jeweilige Kanalobjekt ausgewählt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Alterungsfunktion derart generell oder multidimensional zu gestalten, dass sie auf eine Vielzahl unterschiedlicher Kanalobjekte oder Typen bzw. ergänzender Daten oder Zustandsdaten von Kanalobjekten passt bzw. diese abbildet, wobei dann vorzugsweise innerhalb der Alterungsfunktion bzw. innerhalb des Modells der Alterungsfunktion bei der Prognose der Typ oder die Art des Kanalobjektes bzw. dessen weitere Daten oder Zustandsdaten, wie sie vorangehend beschrieben wurden, Berücksichtigung finden können. Eine multidimensionale Alterungsfunktion kann mit Hilfe multidimensionaler Fitting-Methoden im Training erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens können die verschiedenen Typen, Klassen und/oder Eigenschaften von Kanalobjekten verschiedene Geometrien, Dimensionen, Profile, Materialien, Nutzungen, Arten des durchgeleiteten Abwassers und/oder Arten des umgebenden Bodens berücksichtigen. Das bedeutet, dass vorzugsweise für solche verschiedenen Typen, Klassen und/oder Eigenschaften jeweils individuelle oder angepasste Alterungsfunktionen oder aber multidimensionale Alterungsfunktionen erstellt werden. Bei der Alterungsprognose für ein bestimmtes Kanalobjekt kann z.B. eine passende Alterungsfunktion ausgewählt werden, deren zugrunde gelegter Typ, zugrunde gelegte Klasse und/oder Eigenschaft demjenigen/derjenigen des aktuell zu begutachtenden Kanalobjektes entspricht oder möglichst nahe kommt. Alternativ können diese Faktoren bei der Alterungsprognose über eine multidimensionale Alterungsfunktion Berücksichtigung finden.
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Die genannten Kennwerte der Kanalobjekte beschreiben den technischen Zustand, d.h. den Alterungszustand oder Abnutzungsgrad des jeweiligen Kanalobjektes, wobei bevorzugt der Gesamtzustand über einen solchen Kennwert abgebildet wird. Bei den Kennwerten handelt es sich vorzugsweise um numerische Kennwerte, welche in den beschriebenen Verfahrensschritten zum Berechnen eines Alterungsfaktors und zum Bilden einer Alterungsfunktion mathematisch verarbeitet werden können. Derartige Kennwerte können mit bekannten standardisierten Verfahren, beispielsweise nach dem SubKans-Verfahren bzw. der SubKans-Methodik, dem DWA-Standard DWA-M 149-3, der BFR Abwasser oder einem anderen geeigneten Verfahren bestimmt werden. Derartige Verfahren sind bekannt und ermöglichen es, durch kategorisierte Fragestellungen oder Betrachtungen vergleichbare Kennwerte, welche den Alterungszustand eines Kanalrohres repräsentieren, zu bilden.
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Die Alterungsprognose eines Kanalobjektes kann auf Grundlage einer in der Vergangenheit oder zuvor erfolgten Inspektion und/oder Sanierung des Kanalobjektes erfolgen. In einer speziellen Variante des Verfahrens kann die Alterungsprognose auch direkt während der Inspektion/Sanierung oder unmittelbar nach der Inspektion oder Sanierung erfolgen. Bei einer Sanierung können für die Alterungsprognose die erfolgten Sanierungsmaßnahmen berücksichtigt werden, um eine Alterungsprognose für das sanierte Kanalobjekt zu erstellen. Es können beispielsweise Inspektionsdaten an ein externes, zum Beispiel cloud-basiertes Rechnersystem übertragen werden, in welchem auf Grundlage der Inspektionsdaten die erforderlichen Kennwerte gebildet, eventuell erforderliche weitere Daten wie Bestandsdaten bereitgestellt und die Alterungsprognose basierend auf einer zuvor gebildeten und hinterlegten Alterungsfunktion durchgeführt wird. Alternativ könnte die Alterungsprognose auch ganz oder teileweise in einer Recheneinheit eines Inspektionsgerätes während der Inspektion des Kanalobjektes durchgeführt werden. Dazu können erforderliche Daten über das inspizierte Kanalobjekt und/oder benötigte Alterungsfunktionen zuvor in der Recheneinheit gespeichert sein und/oder von dieser über eine Datenverbindung von einem externen Rechensystem bezogen werden. So kann eine Alterungsprognose gemäß einer Variante des Verfahrens im Wesentlichen in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit während der Inspektion erfolgen.
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Die Kennwerte für den technischen Zustand der Kanalobjekte werden weiter bevorzugt durch Bildauswertung von Bildern und/oder Videos, welche in dem Kanalobjekt aufgenommen werden bzw. aufgenommen worden sind, bestimmt. Dies kann weiter bevorzugt durch eine automatisierte Bildauswertung erfolgen. Bei einer solchen automatisierten Bildauswertung können Module künstlicher Intelligenz zum Einsatz kommen, welche bestimmte Schäden oder Alterungszustände eines Kanalrohres im Bild erkennen und automatisiert zugehörige Kennwerte bestimmen oder zuordnen. Auf diese Weise ist es möglich, sehr schnell große Mengen von Bildern oder Videoaufnahmen auszuwerten und diesen entsprechende Kennwerte zuzuordnen. Diese Kennwertbildung kann in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit während der Kanalrohrinspektion mit einem Kanalrohrinspektionsmodul, d.h. einem Kameramodul, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist eine nachgelagerte Bildauswertung möglich, bei welcher insbesondere auch ältere Bilder und Videos, welche zu früheren Zeitpunkten aufgenommen wurden, berücksichtigt bzw. ausgewertet werden können.
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Vorzugsweise wird zumindest ein Teil der Kennwerte auf Grundlage von der in der Vergangenheit aufgenommenen Untersuchungsdaten, vorzugsweise Bilddaten, bestimmt. So ist es möglich, archivierte Untersuchungsdaten aus der Vergangenheit dazu zu nutzen, das Alterungsmodell bzw. die Alterungsfunktion oder Alterungsfunktionen in der oben beschriebenen Weise zu generieren. Wesentlich ist dabei, dass für einzelne Kanalobjekte, welche dieser Funktions- bzw. Modellbildung zugrunde gelegt werden, stets zumindest zwei Untersuchungen zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen bzw. ausgewertet werden.
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Neben dem vorangehend beschriebenen Verfahren ist Gegenstand der Erfindung ein System zur Datenverarbeitung, welches Mittel zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorangehenden Beschreibung aufweist. Dieses System zur Datenverarbeitung kann mehrere, auch unabhängige Computersysteme aufweisen. Insbesondere kann es ein erstes Computersystem geben, welches dazu genutzt wird, die beschriebene Alterungsfunktion zu bestimmen bzw. zu generieren. Dabei handelt es sich somit um ein Modellbildungssystem. Nach dem Erzeugen bzw. der Bildung der Funktion kann diese in einem zweiten Computersystem zur Alterungsprognose zur Anwendung gebracht werden. Dies ist somit ein Anwendungssystem, welches dann auch gleichzeitig auf einer Vielzahl von Computersystemen zur Ausführung gebracht werden kann. Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung ein Computerprogrammprodukt, welches Befehle aufweist, die bei der Ausführung dieses Computerprogrammproduktes in einem System zur Datenverarbeitung dieses veranlassen, ein Verfahren, wie es vorangehend beschrieben wurde, auszuführen. Dabei kann das Computerprogrammprodukt zwei Teilprodukte aufweisen, ein Modellbildungsprogramm, welches dazu vorgesehen ist, in der oben beschriebenen Weise auf einem Modellbildungssystem die Alterungsfunktion in der beschriebenen Weise zu generieren. Das zweite Teilprodukt kann ein Computerprogrammprodukt sein, in welchem die so generierte Alterungsfunktion implementiert ist, sodass beim Ausführen dieses Computerprogrammproduktes auf einem Anwendungssystem die zuvor generierte Alterungsfunktion zur Anwendung kommt, um Alterungsprognosen zu erstellen.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug zu den beigefügten Figuren beispielhaft beschrieben. In den Figuren zeigt:
- 1 schematisch ein Kanal-Netz und
- 2 ein Diagramm mit einer Vielzahl von ermittelten Alterungsfaktoren und einer gebildeten Alterungsfunktion.
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Die 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Kanalrohr-Netzes, das heißt eines Abwasser-Kanalnetzes. Der gezeigte Ausschnitt weist mehrere Schächte 2 und 4 auf, wobei an den Schächten 4 Einmündungen vorgesehen sind. Die Schächte 2 und 4 stellen Kanalobjekte bzw. Kanalbauwerke dar. Zwischen den Schächten 2 und 4 befinden sich einzelne Haltungen 6. Diese Haltungen 6 und Schächte 2 bzw. 4 können in üblicher Weise mit Inspektionssystemen inspiziert werden, um den Alterungszustand zu ermitteln. Basierend auf den gängigen Standards kann dabei ein Kennwert gebildet werden, welcher den aktuellen Alterungszustand beschreibt, beziehungsweise repräsentiert.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die einzelnen Haltungen 6 beziehungsweise Kanalobjekte 2, 4, 6 jeweils zu zwei Zeitpunkten inspiziert werden und jeweils ein den Alterungszustand zu dem jeweiligen Zeitpunkt repräsentierender Kennwert gebildet wird. Zur Ermittlung der Alterungskennwerten zu verschiedenen Zeitpunkten können historische Daten herangezogen werden. Wie oben beschrieben, wird aus den jeweils zwei ermittelten Kennwerten für die einzelnen Kanalobjekte 2, 4, 6 jeweils ein Alterungsfaktor bestimmt.
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Die 2 zeigt eine Vielzahl der so bestimmten Alterungsfaktoren 2 für unterschiedlich alte Kanalobjekte in ein Diagramm eingetragen. In dem Diagramm sind die Alterungsfaktoren exemplarisch über das Alter aufgetragen. Die Alterungsfaktoren stellen die Alterung in einem bestimmten Zeitintervall, hier zum Beispiel innerhalb eines Jahres dar. Aus der so gebildeten Daten- bzw. Punktewolke wird eine Alterungsfunktion 8 erstellt. Dabei kann die Alterungsfunktion 8 durch Kurvenanpassung (Fitting) der Vielzahl von Alterungsfaktoren erfolgen. So wird eine generalisierte Alterungsfunktion 8 gebildet, welche den Alterungsfaktor in Abhängigkeit vom aktuellen Alter eines Kanalobjektes darstellt. Derartige generalisierte Alterungsfunktionen 8 werden für verschiedene Typen und Arten von Kanalobjekten, beispielsweise für Haltungen 6 und Schächte 2, 4 bei verschiedenen Einsatzbedingungen gebildet. Wenn nun ein vergleichbares Kanalobjekt erneut inspiziert wird, kann in Kenntnis des aktuellen Alters dieses Kanalobjektes 2, 4, 6 unter Heranziehung einer zuvor definierten generalisierten Alterungsfunktion 8 eine Alterungsprognose für das jeweilige Kanalobjekt 2, 4, 6 erstellt werden. Auf Grundlage der Vielzahl von Daten ist es möglich, Alterungsprognosen für einzelne Haltungen 6 oder andere einzelne Kanalobjekte 2, 4, beziehungsweise Abschnitte von Kanalobjekten zu erstellen. Es muss lediglich eine zu dem Kanalobjekt passende Alterungsfunktion herangezogen werden und vorzugsweise das aktuelle Alter des Kanalobjektes bekannt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 2,4
- Schächte
- 6
- Haltungen
- 8
- Alterungsfunktion