Innovatives Deichschutzsystem mit KI - Unterstützung
Ausgangslage und Berechnung
Um die Anzahl der Bodensensoren entlang eines Deichs für den Hochwasserschutz zu berechnen, gehen wir davon aus, dass alle 200 Meter im Querschnitt 6 Sensoren installiert werden müssen (gemäß TU-Aachen). Das bedeutet, dass pro Kilometer Deich, 5 Querschnitte (siehe grafische Darstellung unten) mit jeweils 6 Sensoren benötigt werden (PD1 – PD6).
Wenn wir dies umsetzen, ergibt sich folgende Berechnung:
Jeder Querschnitt hat 6 Sensoren, also benötigen wir insgesamt 5 Querschnitte * 6 Sensoren = 30 Sensoren pro Kilometer Deich.
Die Sensoren werden mit Batterien betrieben, die aufgrund unserer eingesetzten Technologie (Low Power Management), eine zu erwartende Lebensdauer von bis zu 20 Jahren besitzen.
Diese Berechnung berücksichtigt die regelmäßige Verteilung der Sensoren entlang des Deichs, um eine rechtzeitige Erkennung von potenziellen Bruchstellen zu ermöglichen.
Nach Angaben des dt. Bundesamtes für Naturschutz betrug die Gesamtlänge der Deiche und des Küstenschutzes in Deutschland 2020 ca. 7.300 km.
Das ergibt mathematisch eine Stückzahl von 219.000 eingesetzten Sensoren.
Tatsache ist!
Professor Holger Schüttrumpf von der TU-Aachen, beklagt Umsetzungs-Problem beim Hochwasserschutz!
Die Diskussionen beim 54. Internationalen Wasserbau-Symposium in Aachen drehten sich um die Lehren, die aus der Hochwasser-Katastrophe von 2021 gezogen wurden. Trotz der entwickelten Konzepte und Lehren aus der Tragödie besteht ein deutliches Umsetzungsproblem, so Professor Holger Schüttrumpf vom Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen. Von den geplanten Hochwasserschutzmaßnahmen, die seit 2014 in Nordrhein-Westfalen und national aufgestellt wurden, sind nur wenige umgesetzt worden. Diese Unterlassungen werden als potenzielle Schwachstellen angesehen, die die Bevölkerung weiterhin gefährden könnten.
Am ersten Tag des Symposiums standen Frühwarnsysteme und Risikokommunikation im Fokus, gefolgt von Diskussionen zur Hochwasservorsorge. Obwohl Fortschritte bei der Frühwarnung mit der Einführung von Cell Broadcasting gemacht wurden, besteht die Sorge, dass die Bevölkerung bei einer erneuten Katastrophe unvorbereitet sein könnte. Es mangelt an Erfahrung im Umgang mit Fluten im Gegensatz zu Bränden, bei denen das Verhalten klar definiert ist. Es wird dringend empfohlen, in die Infrastruktur für Hochwasserschutz zu investieren, ähnlich wie in Straßen und Brücken. Der Experte betont, dass Hochwasser nicht vermieden werden können, daher sei es entscheidend, sich darauf vorzubereiten und entsprechende Infrastrukturmaßnahmen zu ergreifen.
Deichschutz in Dinslaken (NRW)
Bildbeschreibung: Auf dem Bild ist eine Echtzeitansicht aus Google Earth zu sehen, die den Querschnitt der einzelnen Sensoren darstellt. Die Sensoren sind durch ein Ampelsystem gekennzeichnet. Dabei kommen folgende Sensor-Messkriterien zur Anwendung:
Grün: Deichstelle ist intakt, keine Beeinträchtigung, störungsfrei.
Gelb: Leicht beeinträchtigte Deichstelle, eine Kontrolle sollte durchgeführt werden.
Rot: Stark beeinträchtigte Deichstelle, eine Reparatur ist zwingend notwendig.
Diese visuelle Darstellung ermöglicht eine einfache und verständliche Einschätzung des Zustands des Deiches und die Priorisierung von Reparaturmaßnahmen.
Querschnitt eines Musterdeiches in der TU Aachen (Testhalle)
In diesem Querschnitt sieht man die präzise Anbringung von insgesamt 6 Sensoren (PD1 … PD6), die durch 20 mm Bohrungen von oben auf dem Deichboden positioniert bzw. fix installiert sind. Unsere sensible Sensortechnologie ermöglicht eine frühzeitige Erkennung von Wassereintritt oder -durchbruch in diesem Querschnitt des Deiches. Die Sensoren bieten eine zuverlässige Überwachung und rechtzeitige Warnung vor potenziellen Überflutungsgefahren.
Sensor - Endpoint - Basisstation - KI - dezentrales Mikronetzwerk
Boden – Sensor
Endpoint mit Sensor
Sensor System im Einsatz
Basisstation
Künstliche Inteligenz
Dezentrales Netzwerk
Welche Daten kommen vom Sensor?
– Bewegungsdaten in 3 Achsen x, y, z durch Erdbewegungen
– Temperatur
– Wassersäule (mit Drucksensor)
– Barometer
– Wassertrübheit (nur an umspülten Umgebungen)
KI - Neuronales Netzwerk für Berechnungen (mit integrierter Kettenregel)
KI-basierte Prognosen
Unser Deichschutzsystem geht weit über die reine Datenerfassung hinaus. Durch den Einsatz unserer KI-Technologie, sind wir in der Lage, die Wahrscheinlichkeit eines bevorstehenden Dammbruchs präzise zu prognostizieren. Unsere KI analysiert historische und aktuelle Daten und berücksichtigt dabei eine Vielzahl von Faktoren, um Anomalien rechtzeitig zu erkennen und darauf basierend mögliche Szenarien zu berechnen.
Ablauf
– Einzelne Daten werden in einem Archiv gespeichert
– Kopien der Daten werden bereinigt (Duplikate entfernen, Umlaute umwandeln, usw.)
– Daten werden normalisiert und in eine Datenbank gespeichert
– neuronales Netzwerk wird mit den aufbereiteten Datensätzen trainiert
– Jetzt ist es möglich, live Anomalien zu erkennen
– Damit können Prognosen erstellt werden
Office Dashboard
Die Daten werden in einem Dashboard angezeigt. Warnungen und Alarme können ebenso auf einem Handy dargestellt werden.
Ein Dashboard im Office ist ein visuelles Instrument, das Echtzeitdaten und -informationen auf einer einzigen Oberfläche darstellt, um die Entscheidungsfindung und Überwachung von Objekten zu erleichtern.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein leichtgewichtiges Protokoll für die Kommunikation zwischen unseren Sensoren und dem Deichschutzsystem.
Eine Notification ist eine Benachrichtigung, die auf einem Gerät oder einem Schutzsystem angezeigt wird, um den Benutzer über Ereignisse oder Aktivitäten zu informieren.
Technische Daten, Reichweiten, Stromverbrauch
- Frequenzband: Sub1GHz (868 MHz) frei verfügbares Band ohne Lizenzkosten
- Reichweite der Sensoren zur Basisstation, sind bei Line of Sight bis zu 10 km möglich
- Stromverbrauch bei den Sensoren ist sehr gering (Batterielebensdauer bis zu 20 Jahre)
Überwachung des Rheindeichs mit innovativer Sensortechnologie
Sensoren im Deich
Entlang des Rheindeichs sind zwei Querschnitte mit unseren Sensoren ausgestattet. Diese Sensoren sind strategisch im Deich platziert, um kontinuierlich wichtige Daten zu erfassen und die Stabilität des Deiches zu überwachen.
Basisstation
Am rechten Bildrand erkennt man eine installierte Basisstation (blau markiert), die in einer Entfernung von 2-3 km vom Deich positioniert ist. Diese Basisstation spielt eine entscheidende Rolle in unserem Überwachungssystem.
Effiziente und sichere Datenübertragung
Dank unserer Technologie erfolgt die Datenübertragung durch die von den Sensoren erfassten Daten effizient und in Echtzeit zur Basisstation, um eine frühzeitige Erkennung potenzieller Gefahren zu ermöglichen.
Abschließend möchten wir betonen, dass die vorgestellten Messungen und Eigenschaften nur einen kleinen Einblick in die Vielfalt dessen bieten, was mit unserem Ansatz realisiert werden kann.
Unser Unternehmen ist bestrebt, durch innovative Sensoren und ein einfach zu installierendes Funknetzwerk eine Revolution in der Branche herbeizuführen. Wir sind uns jedoch bewusst, dass wir keine ausgebildeten Bauingenieure sind. Daher setzen wir auf die Zusammenarbeit mit erfahrenen Bauunternehmen, um wichtige und realisierbare Messtechniken unter Berücksichtigung der richtigen Sensorauswahl gemeinsam zu entwickeln. Mit unserer technischen Expertise und ihrem Branchenwissen sind wir zuversichtlich, bahnbrechende Fortschritte im Bereich der autonomen Bauüberwachung, Baudokumentation und -sicherheit zu erzielen.
