Das Förderprojekt KOMMUNAL 4.0 befasst sich als einziges interdisziplinäres FuE-Vorhaben mit der Digitalisierung kommunaler Infrastruktursysteme mit dem Schwerpunkt Wasserwirtschaft. Es hat zum Ziel, mit webbasierten Daten- und Serviceplattformen am Beispiel der Wasserwirtschaft für den öffentlichen Infrastruktursektor innovative Anwendungstools und Geschäftsmodelle zu entwickeln und diskutierte Anwendungsmöglichkeiten von Industrie 4.0 in den kommunalen Bereich zu übertragen.

Das Projekt ist aus 130 Bewerbern in dem reinen BMWi-Industrie 4.0 – Wettbewerb „Smart Service Welt“ als einer von 16 Siegern als einziger Vertreter der Wasserbranche in einer illustren Runde namhafter Konzerne und Unternehmen hervorgegangen (http://www.digitale-technologien.de/DT/Navigation/DE/Foerderprogramme/Smart_Service_Welt/Projekte/projekte.html).

Die 3 Unternehmen HST Systemtechnik GmbH & Co. KG (Konsortialleitung), Pegasys GmbH und Südwasser GmbH sowie die 3 Wissenschaftspartner ifak e.V. (Magdeburg), GECOC der Technischen Hochschule Köln sowie die IEEM gGmbH (Witten/Herdecke) werden in den kommenden 3 Jahren neben einer zentralen webbasierten Daten- und Serviceplattform zahlreiche Anwendungslösungen für die kommunale Wasserwirtschaft entwickeln (Laufzeit April 2016 - März 2019). Die dabei entstehende Datenbasisstruktur kann auch in anderen kommunalen Infrastrukturbereichen eingesetzt werden. Dieses Projekt ist derzeit das einzige streng praxisorientierte Projekt, welches eine „ganzheitliche“ Digitalisierung auf Basis einer technisch durchgängigen Lösung über alle Ebenen anstrebt (lokale Maschinen-/Anlagenebene (Smart Machines), Datenübertragung ins Web oder zentrale Server, webbasierte Softwareapplikationen zur Planung, Betrieb und Wartung technischer Einrichtungen auf einer cloudbasierten Plattformebene). Zudem werden 30-50 % der Entwicklungsideen am realen Objekt in Kooperation mit Kommunen installiert und über 9-12 Monate unter echten Bedingungen erprobt. Ein wesentlicher Bestandteil dabei ist die Integration einer webbasierten Niederschlagsplattform (z.B. www.nira-web.de), die lokale Regendaten bis auf 1 km² genau erfasst, archiviert und für 72 Stunden prognostiziert. Angesichts der vielen Starkregen mit den negativen Folgen im  Frühsommer 2016 ist die Fachwelt an vielen Stellen bemüht, mehr lokale Regendaten in Bemessungsprogramme und in Betriebskontrollen einzubeziehen, und dies nicht nur in der Wasserwirtschaft. Hierzu entwickeln wir entsprechende Lösungen im Projekt KOMMUNAL 4.0. Angesichts zunehmender Sicherheitsfragen wird außerdem der Erarbeitung erforderlicher IT-Sicherheitskonzepte als Voraussetzung für ein erfolgreiches ISMS besondere Aufmerksamkeit geschenkt, ebenso wie der Analyse von Rechtsaspekten zum Thema Cloud Computing.

In Summe erreichen wir damit den vom BMWi gewünschten Leuchtturmeffekt für unsere Branche sowie die Übertragbarkeit in weitere Bereiche. Die Wichtigkeit dieses Projektes für die kommunale Infrastruktur lässt sich daran erkennen, dass das BMWi dieses Projekt unter den vielen hochinnovativen Bewerberungsideen ausgewählt hat.

 

Sie interessieren Sich für die Hintergründe zu KOMMUNAL 4.0? Nachfolgend erhalten Sie genauere Informationen:

In Deutschland werden in der kommunalen Siedlungswasserwirtschaft jedes Jahr ca. 6-7 Milliarden EURO in die Sanierung oder in den Neubau von Bauwerken und Anlagetechnik investiert (Quelle: Flyer UBA „Wasserwirtschaft in Deutschland" - Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung, Stand April 2014, Zahlen für 2010). Davon entfallen alleine 4,5 Milliarden EURO auf die Abwasserentsorgung. Die deutsche Abwasserinfrastruktur hat sich in der Vergangenheit sozial und räumlich ausgewogen entwickelt und ist über viele Jahrzehnte als zentrales System gewachsen. Dies gewährleistet heutzutage eine flächendeckende Entsorgung mit hoher Entwässerungssicherheit. Damit einher geht eine extrem lange technische und ökonomische Lebensdauer. Die Folge hiervon ist eine mangelnde Flexibilität - ein Hindernis im Hinblick auf die einschneidenden Veränderungen (z.B. Industrialisierung, verändertes Konsumentenverhalten und demografische Umbrüche), vor denen Kanalnetz- und Kläranlagenbetreiber zukünftig stehen werden. Vergleichbares gilt auch für die Wasserversorgung und andere Infrastruktursektoren wie z.B. Energieversorgung und Verkehrssysteme. Gleichzeitig kommt es trotz zahlreicher Vorhersagemodelle immer wieder zu unerwarteten Niederschlagsereignissen und damit zu Kapazitätsproblemen in Kanalsystemen und peripheren Einrichtungen wie z.B. Straßenabläufen.

In der Vergangenheit wurde die Bereitstellung erforderlicher Kapazitäten ausschließlich nach dem maximalen Bedarf angenommen, entsprechend groß wurden die Basis-technologien wie Kraftwerke, Kanalsysteme, Wasserversorgungsanlagen etc. Allerdings waren die Schwankungen zwischen minimalem und maximalem Bedarf in der Vergangenheit geringer als dies heute und in Zukunft der Fall sein wird. In allen Infrastruktursystemen stellt man sich heute als erste die Frage, wie eine ausreichende und effiziente Speicherung aussehen muss, um Basistechnologien nicht mehr an den maximalen Bedarf ausrichten zu müssen und trotzdem den maximalen Bedarf abzudecken. Parallel sucht man Antworten darauf wie große, zentrale Verteilersysteme (Rohrleitungen, Stromnetze etc.) bei zumeist geringer Auslastung noch wirtschaftlich betrieben werden können, wenn gleichzeitig z.B. bei Mischwassersystemen witterungsbedingte Extremereignisse zunehmen und zu einer Überlastung führen. Eine diskutierte Lösung ist die Dezentralisierung wie dies beispielsweise die Stadt Lünen^1 in Erwägung zieht. Als Ergebnis einer Bedarfs- und Kapazitätsanalyse wird in Lünen in Betracht gezogen, „unwirtschaftliche“ Kanalabschnitte aus dem Netz zu nehmen und neue, kleine Kläranlagen für kleine Einzugsgebiete zu bauen und große Kläranlagen zu schließen. Andere Lösungen befassen sich mit einer Optimierung von Speicherbecken, Kanalstauräumen und Kläranlagenzuläufen durch bessere Datenauswertung.

Es zeichnet sich an vielen Stellen ab, dass unabhängig von der möglichen Lösung immer eine ausreichende Datenbasis vorliegen muss, um eine sichere Entscheidung für die nächsten Jahrzehnte treffen zu können. Das MUNLV (Umweltministerium) im Bundesland NRW sieht genau in diesem Punkt eine der wichtigsten Aufgaben der kommenden Jahre. Die Experten suchen nach Wegen, wie eine sichere Kalkulationsbasis für Zukunftsinvestitionen in der Wasserwirtschaft aussehen muss.

Ein abteilungs- oder bereichsübergreifender Austausch an Informationen oder sogar Betriebsdaten per Datenplattform bis hin zur Nutzung von Datendiensten im Internet für eine tatsächlich mögliche vorsorgende Betriebsführung existiert bislang nicht, obwohl dies eine enorme Unterstützung und Verbesserung der Betriebsführung bedeuten würde. In vielen Gemeinden und Städten stehen durch die bereits stattfindenden Messungen äußerst umfangreiche Datenmengen zu wasserwirtschaftlichen Fragestellungen zur Verfügung, die allerdings nicht ausreichend zielgerichtet genutzt werden. Selbst innerhalb der Gemeinden und Städte werden diese vorhandenen Daten kaum aufeinander bezogen erfasst, ausgewertet und dann für eine ganzheitliche Betriebsführung von Kanalnetz, Regenbecken und Kläranlagen bearbeitet und steuerungstechnisch genutzt. Insbesondere die wichtigste Eingangsgröße in der Wasserwirtschaft, der Niederschlag, findet oft nur als statistischer Mittelwert Eingang in Untersuchungen und Berechnungen, ohne ausreichende Berücksichtigung lokaler Besonderheiten, obwohl mittlerweile Dienste zur Verfügung, die z.B. per Internetzugriff Niederschlagsdaten als Archiv oder als Prognose für lokale Betrachtungen bereitstellen (z.B. www.niraweb.de).

Doch selbst wenn diese Daten zentral gesammelt würden, fehlen noch effiziente Dateninstrumente (Datenplattformen) und Anwendungssoftware, um die hohen Anforderungen an eine aussagekräftige Datenstrukturierung und -analyse zu erfüllen. Nur auf dieser Basis lassen sich neue und intelligente Steuerungswerkzeuge entwickeln, die, platziert auf Serviceplattformen, es dann ermöglichen, mehr Flexibilität und damit Effizienz bei der Planung und im Betrieb von Objekten der verschiedenen Infrastruktursysteme zu erzielen.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie hat das HST Projekt "KOMMUNAL 4.0 - Customized Services für die Wasserwirtschaft" zur Förderung im Technologieprogramm "Smart Service Welt - Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft" ausgewählt.

1 Vortrag im Rahmen Kick-Off Verbundprojekt TWIST++ am 03.06.2013 (http://www.twistplusplus.de/twist-de/inhalte/partner.php)


Das Kooperationsvorhaben strebt folgende wesentliche Ziele an:

  • Vereinheitlichung der Datenerfassung- und -übertragung aus heterogenen CPS (cyberphysischen Systemen) z.B. durch Entwicklung speziellen Konvertierungsgeräte im Feld oder per Softwarelösung auf der Datenplattform
  • Entwicklung einer flexiblen Plattformarchitektur zur wahlweisen Nutzung als Intra- oder Internetanwendung sowie zur späteren modularen Erweiterung für andere Infrastruktursektoren


Entwicklung Datenplattform

Verantwortliche Kooperationspartner: Ifak, Gecoc, Pegasys
∗ Datenerfassung, -übertragung und -strukturierung
∗ Plattformarchitektur
∗ Cloudsystem (offen, geschlossen, hybrid)
∗ IT-Sicherheit

Entwicklung Serviceplattform
Verantwortliche Kooperationspartner: Ifak, IEEM, Pegasys, HST
∗ Plattformarchitektur
∗ Cloudsystem (offen, geschlossen, hybrid)
∗ IT-Sicherheit
∗ Geschäftsmodelle

Entwicklung Anwendungstools
Verantwortliche Kooperationspartner: Ifak, Gecoc, IEEM, Pegasys, HST, Südwasser
∗ Cloudsystem (offen, geschlossen, hybrid)
∗ IT-Sicherheit
∗ Rechtsaspekte
∗ Anwendungsdefinition
∗ Geschäftsmodelle

Erprobung in Pilotprojekten
Verantwortliche Kooperationspartner: IEEM, HST, Südwasser
∗ Wahl Anwendungen, Standorte und assoziierte Partner
∗ IT-Sicherheit
∗ Geschäftsmodelle
∗ Projektdurchführung

Nutzen der digitalen Transformation in der Wasserwirtschaft

Aussagefähige Daten bilden das Grundgerüst zukunftsfähiger und effizienter Planungs- und Betriebsprozesse in kommunalen Infrastrukturen. Die digitale Transformation erzeugt neue und vorteilhafte Möglichkeiten der Datenerfassung und -auswertung. KOMMUNAL 4.0 bietet daher folgenden Nutzen:


KOMMUNAL 4.0 umfasst vier Schwerpunktthemen, mit denen alle Anwendungsfälle innerhalb des Projekts abgedeckt werden. Innerhalb dieser Schwerpunktthemen werden unterschiedlichste Lösungsansätze den Weg hin zu KOMMUNAL 4.0 ebnen.

Die digitale Transformation schreitet in allen Bereichen des Lebens unaufhaltsam voran – ob im Auto, im Beruf oder in der Freizeit. Begriffe wie Big Data, Industrie 4.0, Internet der Dinge oder das IT-Sicherheitsgesetz werden in diesem Zusammenhang auch zunehmend in der kommunalen Wasserwirtschaft genannt. Der richtige Weg zur digitalen Transformation in der kommunalen Wasserwirtschaft unterscheidet sich von dem Vorgehen in anderen Bereichen der Gesellschaft und Wirtschaft.

Für den erfolgreichen Einstieg und die Umsetzung von KOMMUNAL 4.0 empfehlen wir daher folgende 10 Schritte:

 

PLANUNGSPHASE

1. Schritt: Zieldefinition

2. Schritt: Bestandsanalyse

3. Schritt: Die digitale Strategie

4. Schritt: Handlungsfelder bestimmen

5. Schritt: KOMMUNAL 4.0-Beauftragten ernennen

 

REALISIERUNGSPHASE

6. Schritt: IT-Sicherheitskonzept und Isms erstellen

7. Schritt: Einzelmaßnahmen festlegen

8. Schritt: Einzelmaßnahmen realisieren

9. Schritt: Integration in Plattformebene

10. Schritt: KOMMUNAL 4.0 leben

 

Die Anwendungsbreite im Zuge der digitalen Transformation ist enorm. Betreiber wasserwirtschaftlicher Infrastrukturen müssen sich bereits zu Beginn überlegen, welchen übergeordneten Nutzen bzw. Wert die Digitalisierung von Technik und /o der Workflow-Prozessen für sie haben soll. Wollen sie der wachsenden Daten- und Dokumentenflut in der täglichen Arbeit Herr werden? Soll die Digitalisierung zu einem echten Condition- Monitoring der technischen Ausrüstung führen?

Werden lediglich intelligentere Maschinen gebraucht, um technische Aufgaben besser und günstiger zu lösen? Oder geht es am Ende um echte Big-Data-Analysen, um damit alle erforderlichen und möglichen Zustandsinformationen über das eigene Infrastrukturnetz zu erhalten und damit den Betriebsalltag effizienter zu managen und bessere Investitionsentscheidungen zu treffen?

In vielen Infrastruktursystemen gibt es bereits Automationstechnologien, die Daten erfassen, managen und Steuerungsimpulse auslösen. Diese Daten und Informationen laufen zunehmend auch zentral in SCADA-Systemen zusammen. Auch Betriebsführungslösungen kommen zum Einsatz, um den betrieblichen Alltag besser zu managen. Was ist im Infrastrukturnetz und auf Organisationsebene an digitaler Technik bereits vorhanden? Wer bzw. was operiert isoliert und was ist bereits wie und womit vernetzt? Welche Ausrüstung ist mechanisch, welche bereits intelligent oder sollte es sein? Welche Daten werden erfasst und welche sollen erfasst werden?

Aus der Zieldefinition und der Bestandsanalyse ergibt sich ein Soll-Ist-Vergleich. Daraus ist eine übergeordnete Strategie zu entwickeln, die alle weiteren Handlungen bestimmt und diese gleichzeitig in den Gesamtkontext des Handlungsumfeldes einbettet. Die bereits beantwortete Frage: Was wollen wir mit der Digitalisierung erreichen? wird nun um weitere Fragen ergänzt: Wie wollen wir unsere Ziele erreichen? Wer oder was ist wie betroffen? Wie sieht morgen das Arbeitsumfeld aus? Wen müssen wir einbinden? Welche Unterstützung brauchen wir? Was wollen wir wann wie erreichen?.

Als Ergebnis der Strategie kann nun festgelegt werden, wo, womit und wie die Digitalisierung umgesetzt werden soll. Dabei ist es wichtig, die richtigen Prioritäten zu setzen. Infrastruktursysteme sind über Jahrzehnte heterogen gewachsen. Eine einheitliche und nahezu gleichzeitige Umstellung auf eine übergeordnete Digitalisierung ist daher nicht realistisch. Viele kleine parallele Umsetzungen auf lokaler Objektebene als Bottom-up-Strategie führen schneller und nachhaltiger zum Erfolg als Top-down-Maßnahmen (z. B. durch Einführung einer neuen webbasierten Zentralsoftware).

KOMMUNAL 4.0 betrifft viele Fachdisziplinen, die sowohl technisch als auch organisatorisch miteinander in Einklang zu bringen sind. Wichtig ist ein einheitlicher Informationsfluss zwischen den Fachexperten. Alle erforderlichen Handlungen und Maßnahmen müssen mit den Zielen der übergeordneten Strategie abgeglichen werden. Beide Aufgaben muss ein zu benennender interner oder externer KOMMUNAL 4.0-Beauftragter als Koordinator sicherstellen.

Mit den Schritten eins bis vier werden die übergeordneten Ziele und die erforderlichen Maßnahmen definiert. Es steht nun fest, was KOMMUNAL 4.0 beinhaltet und wie es sich in die Infrastruktur und in die Betriebsorganisation einfügen soll. Dies ist die Voraussetzung, um das erforderliche IT-Sicherheitskonzept zu erstellen. Das IT-Sicherheitsgesetz und die ISO 27001 bilden die Grundlage hiefür. Neben der Definition der einzelnen Sicherheitsmaßnahmen (technisch und organisatorisch) ist ein sogenanntes ISMS (Informations-Sicherheits-Management-Systems) gemäß des IT-Sicherheitsgesetzes für kritische Infrastrukturen aufzubauen.

Ist entschieden, wo und womit die Bottom-up- Maßnahmen beginnen können, sind die erforderlichen technischen Maßnahmen unter Federführung des KOMMUNAL 4.0-Beauftragten im Detail zu planen und zu kalkulieren. Hierbei sind auch die Ergebnisse des IT-Sicherheitskonzepts einzubeziehen. Unter Beachtung der Ziele der übergeordneten Strategie und des zur Verfügung stehenden Finanzhaushaltes wird festgelegt, mit welchen Maßnahmen KOMMUNAL 4.0 in die Realisierungsphase geht. Als erste Maßnahme können z. B. in Pumpwerken, Regenbecken, Kläranlagen oder in Hochwasserrückhaltebecken bereits vorhandene teil- oder vollautomatisierte Ausrüstungslösungen mit Intelli-Systemen ertüchtigt werden. Damit werden KOMMUNAL 4.0-fähige Knotenpunkte bzw. SMART Objects erzeugt, auf der sich eine spätere, übergeordnete Digitalisierung sehr gut aufbauen lässt.

Je nach Priorität und Umfang der festgelegten Einzelmaßnahmen kann die Realisierung beginnen. Entweder als Betriebsausgabe im Rahmen betrieblicher Maßnahmen, als direkt zu beauftragende Kleininvestition oder bei größeren Investitionen, mittels Vergabeverfahren. Bei der Reihenfolge von Umsetzungsmaßnahmen im Bestand sollte berücksichtigt werden, dass zuerst SMART M achines entstehen und danach SMART Objects. Neubauten sind direkt als SMART Objects zu planen und auszuschreiben.

Parallel zu Schritt acht gilt es, die gewünschte Plattformlösung mit den erforderlichen Serviceund Anwendungstools auszuwählen, vorzubereiten und zu implementieren. Die Ergebnisse der Schritte eins bis vier dienen hierzu als eine Art Lastenheft. Zusammen mit dem festgelegten IT-Sicherheitskonzept und den Einzelmaßnahmen erfolgt die Definition von Datenaustausch zwischen SMART Machines bzw. SMART Objects und der Plattformlösung. Zudem wird bestimmt, welche übergeordneten Daten, wie beispielweise lokale Niederschlagswerte, Trinkwasserverbrauch, Fremdwasserdaten, Einwohnerzahlen etc. einzubinden sind und als Basis möglicher Steuerungsvorgaben dienen. So kann jedes fertig gestellte SMART Object in die Plattformebene integriert werden.

Bereits mit Aktivierung der ersten SMART Machines wird KOMMUNAL 4.0 Realität. Die Schritte eins bis neun verlaufen nicht linear, sondern als agiler Prozess, der bei Bedarf immer wieder neu zu durchlaufen ist. Die Ergebnisse eines Schrittes werfen möglicherweise neue Fragen auf, die in den Kontext anderer Schritte gehören, sodass diese Arbeitsschritte ggf. zu wiederholen sind. Aus diesem Grund empfiehlt sich die Bottom- up-Strategie. Rekursive Arbeitsschritte lassen sich leichter managen, wenn sich Rückkopplungen nur auf kleine Arbeitsfelder auswirken. Hierbei spielt der KOMMUNAL 4.0-Beauftragte als interdisziplinäre Schnittstelle eine entscheidende Rolle. Er hat ständig das Umfeld zu analysieren, um mögliche Rückkopplungen frühzeitig zu erkennen. Damit der KOMMUNAL 4.0-Prozess auch effizient und sicher verläuft, müssen zudem alle Mitarbeiter frühzeitig eingebunden und ausreichend geschult werden.


Ein großer Teil des Vermögens von Kommunen und Städten – unsere Wasser- und Abwasserinfrastruktur – ist für die Bürger nicht sichtbar in der Erde vergraben. Diese kommunalen Ver- und Entsorgungsanlagen wurden in der Vergangenheit für lange Zeithorizonte geplant und bemessen – entsprechend der erwarteten Bevölkerungsentwicklung, Annahmen zu Industrialisierung und zu Niederschlagseinflüssen. Allerdings zeigt sich, dass die spürbaren Folgen des Klimawandels, ein verändertes Konsumentenverhalten oder die demografische Entwicklung schon jetzt neue Anforderungen stellen, denen die bestehenden Systeme nicht mehr gerecht werden können.

Die Lösung: Ver- und Entsorgungssysteme müssen schnell und flexibel an die sich verändernden Rahmenbedingungen angepasst werden können. Dazu bedarf es neben einer guten Datengrundlage und entsprechenden IT-Werkzeugen auch intelligenter Maschinen und vernetzter Anlagensteuerungen, um sowohl bei Zukunftsinvestitionen als auch bei Betriebsaufgaben der Gegenwart auf der sicheren Seite zu sein.

Die intelligente Steuerung von Maschinen und Anlagen ist längst Stand der Technik. Angeregt durch die Entwicklungen im Umfeld von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge (IoT) werden Maschinen und Anlagen mit den aktuellen Möglichkeiten einer umfassenden webbasierten Datenerfassung und -Analyse noch intelligenter gemacht.

Eine darauf aufbauende, systemübergreifende Vernetzungsintegration in Infrastruktursystemen ermöglicht ein flexibleres, effizienteres Betriebsmanagement kommunaler Netzstrukturen, macht diese sicherer und damit zukunftsfähig.