Benchmark von dynamischer virtueller Infrastruktur - DynaVIBe

Fallstudien sind ein bewährtes Instrument der Forschung, um Probleme und Interaktionen von Prozessen zu identifizieren. In der Siedlungswasserwirtschaft können Fallstudien zur Bewertung neuer Technologien, Strategien oder Maßnahmen herangezogen werden. Solche Untersuchungen sind jedoch, aufgrund der kosten- und zeitintensiver Datensammlung bzw. -auswertung meist auf einige wenige Fallstudien beschränkt. So kann der Zeitaufwand für die Erstellung eines detaillierten Modells der Wasserinfrastruktur einer mittelgroßen Stadt mit mehreren Mannmonaten veranschlagt werden. Die ermittelten Untersuchungsergebnisse sind daher auf spezifische Randbedingungen beschränkt und können nur schwer generalisiert oder auf andere Situationen umgelegt werden. Am Arbeitsbereich Umwelttechnik (IUT) der Universität Innsbruck wurde kürzlich ein Werkzeug zur algorithmischen Generierung virtueller Fallstudien für Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssysteme entwickelt (VIBe - Virtual Infrastructure Benchmarking). Mittels computerbasierten Methoden (Agent based models, cellular automata, etc.) werden hierbei virtuelle Wasserinfrastrukturen und nachfolgend die Eingabedaten für die fachspezifische Simulationssoftware der Siedlungswasserwirtschaft (EPANET, SWMM etc.) erstellt. Die Resultate der Simulationsläufe können anschließend einem Benchmarking unterzogen, beziehungsweise stochastisch ausgewertet werden. Dadurch kann das Systemverständnis erweitert und die Potentiale von Maßnahmen an Wasserinfrastruktureinrichtungen beurteilt werden. Während dieser Ansatz in Wissenschaftskreisen bereits sehr begrüßt wird, können damit dennoch nur Untersuchungen an stationären Systemen erfolgen. Das beantragte Projekt DynaVIBe (Dynamic Virtual Infrastructure Benchmarking) basiert auf diesen Vorarbeiten, stellt jedoch nicht eine bloße Erweiterung des Ansatzes dar, sondern bringt den Aspekt der zeitlichen Entwicklung der Systeme als grundlegend, gänzlich neu und innovativ ein. In DynaVIBe ist geplant alle Prozesse mit einer zeitlichen Entwicklung zu versehen, welche reale Stadtentwicklungsprozesse (technische und sozioökonomische) und somit auch die zeitliche Veränderung der Infrastruktureinrichtung abbilden. Diese Veränderungen in den urbanen Strukturen können durch Bevölkerungswachstum oder Bevölkerungsrückgang, Veränderungen bezüglich der zu entwässernden Flächen oder neue Bauordnungen initiiert werden. Dieser integrierte Ansatz, welcher darüber hinaus sozioökonomische Aspekte sowie dynamische Wechselwirkungen zwischen urbaner Struktur und Infrastruktur abbilden kann, stellt eine wissenschaftliche Novität dar. Mit DynaVIBe können jedoch auch Untersuchungen an realen Fallstudien durchgeführt werden (z.B. unterschiedliche zukünftige Entwicklungsszenarien oder Klimawandeladaptionsstrategien). Es ist zu erwarten, dass mit DynaVIBe optimale Mechanismen hinsichtlich der Änderung und Steuerung der Wasserinfrastruktur ermittelt werden können. Die Kooperation mit der Monash University in Melbourne, Australien zielt auf diesen Aspekt ab.

Fallstudien sind ein bewährtes Instrument der Forschung, um Probleme und Interaktionen von Prozessen zu identifizieren. In der Siedlungswasserwirtschaft können Fallstudien zur Bewertung neuer Technologien, Strategien oder Maßnahmen herangezogen werden. Solche Untersuchungen sind jedoch, aufgrund der kosten- und zeitintensiver Datensammlung bzw. -auswertung meist auf einige wenige Fallstudien beschränkt. So kann der Zeitaufwand für die Erstellung eines detaillierten Modells der Wasserinfrastruktur einer mittelgroßen Stadt mit mehreren Mannmonaten veranschlagt werden. Die ermittelten Untersuchungsergebnisse sind daher auf spezifische Randbedingungen beschränkt und können nur schwer generalisiert oder auf andere Situationen umgelegt werden. Am Arbeitsbereich Umwelttechnik (IUT) der Universität Innsbruck wurde im Rahmen des Projektes "DynaVIBe" ein Werkzeug zur automatischen Erstellung virtueller Fallstudien für Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssysteme samt Siedlungsstruktur entwickelt. Neben der Generierung und Simulation von räumlich aufgelösten Infrastruktursystemen wurde eine neue Modellierungs-Dimension - nämlich die der Zeit - eingeführt. Somit wurde es möglich die Dynamik der urbanen Wasserinfrastruktur in computergestützten Modellen abzubilden und zu simulieren. Die Umsetzung der entwickelten Methoden und den daraus resultierenden Algorithmen erfolgte dabei in der Open Source Software namens "DynaMind". Die Besonderheit der Algorithmen liegt in der Flexibilität von der Verwendung von Eingabedaten mit unterschiedlicher Detailliertheit. Virtuelle Fallstudien können zum einen mit nur wenigen Eingabeparametern generiert werden bis hin zur Verwendung von bereits detaillierten aber unvollständigen Datensätzen (semi-virtuelle Fallstudien). Durch die unterschiedliche Detailliertheit der Datensätzen kann die Aussagekraft von Modellsimulationen gezielt gesteuert und damit auch verschiedenste Fragestellungen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft untersucht werden. Die Flexibilität der Generierungsalgorithmen ermöglichte es auch Surrogatdaten als Eingabedaten zu verwenden. Insbesondere wurde dies am Beispiel von Straßennetzwerkinformationen gezeigt, welche von guter Qualität und frei zugänglich sind (z.B.: OpenStreetMap). Des Weiteren kann dadurch auch die Historie eines städtischen Infrastrukturnetzwerks durch das Ableiten von Straßennetzwerkdaten aus historischen Orthophotos nachgebildet werden. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass mit DynaVIBe auch Untersuchungen an realen Fallstudien durchgeführt und in weiterer Folge fallspezifisch optimale Mechanismen hinsichtlich der Änderung und Steuerung der Wasserinfrastruktur ermittelt werden können.