Frage 1: Welche Bedeutung hat das Förderprojekt KOMMUNAL 4.0 für Ihr Institut?

Antwort Prof. Dr. mult. Karl-Ulrich Rudolph vom IEEM Witten:

In der Wassertechnik gibt es in Deutschland kaum Wachstum, die Musik spielt in den Schwellenländern und in Industrieländern mit hohem Nachholbedarf. Für uns kommt es darauf an, die Kompetenz „am Heimatmarkt“ zu erhalten. Gleichzeitig erkennen wir bei Kommunen einen riesigen Bedarf, ihre Infrastrukturleistungen bei stetig steigenden Anforderungen intelligent zu rationalisieren.

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Das ifak ist als anwendungsorientiertes Forschungsinstitut sowohl mit mehreren Geschäftsfeldern in der Industrie als auch im Bereich der Wasserwirtschaft tätig. Die Verknüpfung unserer Expertise zur industriellen Automation mit unserem speziellen Branchenwissen im Wasser-/Abwassersektor im Vorhaben KOMMUNAL 4.0 ist daher eine logische Konsequenz unserer Forschungsaktivitäten.

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Ein Beweggrund für die Teilnahme an Kommunal 4.0 ist, den Schritt der digitalen Transformation auch in der kommunalen Wasserwirtschaft durchzuführen und dabei Optimierungspotentiale ausfindig zu machen und umzusetzen. Hierdurch könnte der Energieverbrauch weiter optimiert werden oder auch Arbeitserleichterungen für die Betreiber und Mitarbeiter entstehen, wie zum Beispiel durch optimierte Fehlererkennung, Früherkennung von Auffälligkeiten durch die Vernetzung verschiedenster Sensoren – und das bedeutet Fehlervermeidung.

Frage 2: Welchen Stellenwert räumen Sie dem Förderprojekt KOMMUNAL 4.0 ein im Zusammenhang mit der digitalen Transformation in der kommunalen Wasserwirtschaft?

Antwort Prof. Dr. mult. Karl-Ulrich Rudolph vom IEEM Witten:

Dank des holistischen, also ganzheitlichen Ansatzes im Bereich der Digitalisierung kommt dem Projekt eine Pionierrolle mit sehr hohem Stellenwert zu. Unser Ziel muss es sein, mit diesem Projekt eine gute Basis für eine erfolgreiche und sichere digitale Transformation der Wasserver- und -entsorgung als Teil der kritischen Infrastruktur in Deutschland zu schaffen, die im besten Falle eine Leuchtturmwirkung besitzt.

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Wenn es den Partnern gelingt, das Projekt in den folgenden Jahren gemeinsam erfolgreich zu entwickeln, wird eine Referenz für die Nutzung der Konzepte von Industrie 4.0 in der Wasserwirtschaft geschaffen. Schließlich ist der Gedanke der IT-Vernetzung auch – und vielleicht sogar besonders ausgeprägt – für die Wasserwirtschaft relevant. Man denke nur an die vielen dezentralen Pumpstationen, Regenbecken und Messstationen.

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Das Projekt wird viele Prozesse in der Wasserwirtschaft verbessern. Wir wissen aus Erfahrung, wie viel unnötiger Aufwand eigentlich heute noch erforderlich ist, da zwischen einzelnen Prozessen oder Arbeitsschritten die durchgängigen Daten- Schnittstellen noch fehlen.

Frage 3: Auf welchem Entwicklungsniveau sehen Sie die angestrebten Entwicklungsideen im Vergleich zu den Ihnen bekannten Vorhaben in der Wasserbranche?

Antwort Prof. Dr. mult. Karl-Ulrich Rudolph vom IEEM Witten:

Obwohl fast alles, was mit dem Kürzel „4.0“ agiert, auf prinzipiell bereits Erfundenes zurückgreift, ist die Umsetzung in der Praxis noch von vielen Schwierigkeiten geprägt. Wenig ist genormt, noch weniger passt zusammen. Um das zu ändern, muss man kommunal und wasserfachlich verstehen, „wie es wirklich läuft“ – technisch, wirtschaftlich und institutionell. Eines ist klar: 4.0 ist dem Bisherigen so überlegen, wie seinerzeit der Motorwagen dem Pferdewagen. Das Potenzial ist riesig. Wer zu spät kommt, den bestraft das Leben.

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Die Zusammenführung bisheriger Insellösungen und die damit einhergehende Datenintegration befinden sich gemäß der Bewertungssystematik TRL (Technology Readiness Level) auf einem Reifegrad der Stufe 2. Für die Modellierung und Simulation haben wir in der Wasserwirtschaft bereits die höchste Stufe 9 erreicht. Für die Ebene der Steuerung liegen wir zwischen Stufe 5 und 8, neue Aspekte wie Sicherheitsfunktionen oder die virtuelle Inbetriebnahme befinden sich noch am Anfang auf Stufe 3.

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Es werden neue Konzepte aus dem Bereich Industrie 4.0 in die Wasserwirtschaft übertragen. Dies ist in diesem Bereich bisher noch nicht erfolgt.

Frage 4: Welche Motive hatten Sie, am Förderprojekt KOMMUNAL 4.0 teilzunehmen?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Modellierung und Simulation haben im Bereich der Wasserwirtschaft eine reife Phase erreicht, die eine breite Anwendung in der Ingenieurpraxis erlaubt, aber auch besondere Anforderungen an die verwendeten Modelle, Methoden und Softwarewerkzeuge stellt. Dabei erstrecken sich die Anwendungsmöglichkeiten von Simulationssystemen über den gesamten Lebenszyklus wasserwirtschaftlicher Anlagen. Diese Potentiale wollen wir im Rahmen von Kommunal 4.0 nutzen, um den Service- und Cloud-Gedanken in die Welt der Modellierung und Simulation von abwassertechnischen Systemen zu transportieren und für den Planungs- bzw. Optimierungseinsatz dem jeweiligen Anwender eine auf seine Anforderungen und seinen Informationsbedarf zugeschnittene Werkzeugkette auf Basis der Serviceplattform zur Verfügung zu stellen.

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Smart Cities, Industrie 4.0 und IoT sind die aktuellen Themen der digitalen Transformation, die sich im vollen Gange befindet. Smart Homes, Smart Grids und Smart Factorys, sind nur einige Bereiche, die die ersten Schritte der Transformation bereits gegangen sind und sich in der Entwicklung befinden. Ein Beweggrund für die Teilnahme an Kommunal 4.0 ist, den Schritt der digitalen Transformation auch in der kommunalen Wasserwirtschaft durchzuführen und dabei Optimierungspotentiale ausfindig zu machen und umzusetzen, hierdurch könnte der Energieverbrauch weiter optimiert werden oder auch Arbeitserleichterungen für die Betreiber und Mitarbeiter entstehen, wie zum Beispiel durch optimierte Fehlererkennung, Früherkennung von Auffälligkeiten durch die Vernetzung verschiedenster Sensoren, und damit Fehlervermeidung.

Frage 5: Das Projekt KOMMUNAL 4.0 hatte sich in einem reinen Industriewettbewerb als einzige Idee aus dem kommunalen Umfeld durchgesetzt. Was glauben Sie, waren die Gründe für die Auswahl?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Ich denke die Kernideen des Projektes decken sich gut mit den förderpolitischen Zielen der Ausschreibung und den angestrebten Pilot-Anwendungsszenarien:

  • Gute wirtschaftliche Potenziale
  • Prototypische, bereichsübergreifenden Lösungen mit Leuchtturmcharakter
  • Digitalisierung als Chance für die kommunale Wasserwirtschaft
  • Adressierte Technologien: Offene Cloud-Plattform, Sicherheitsfunktionen, Datenanalyse, IoT, M2M

Frage 6: Was unterscheidet das Projekt KOMMUNAL 4.0 von anderen Vorhaben?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Zu anderen Vorhaben im Rahmen der Ausschreibung:

  • Fokus auf die Branche Wasserwirtschaft
  • Allgemeiner Entwicklungsstand bzgl. IT-Sicherheit in der Wasserwirtschaft
  • Umfangreiche geplante Pilotprojekte
  • Trotz Anwendungsfeld getriebener Thematik existiert ein starker Fokus auf die IT-Sicherheit
  • Neue Aspekte für die Modellierung und Simulation
  • Übertragbarkeit modellbasierter Steuerungskonzepte in die Automatisierungstechnik der nächsten Generation
  • Laufzeitumgebung für ein intelligentes und datenintensives Steuerungssystem
  • universelle Beobachtermodelle und Modelle für die virtuelle Inbetriebnahme
  • Modelle zur Veredlung von Prozessinformationen
  • Zusammenführung von Onlinedaten mit Simulationsdaten
  • Integration der Prozesssimulation in den IT-Sicherheitsprozess

Frage 7: Kennen Sie ein Vorhaben oder eine Initiative, die einen ähnlichen Umfang an Aufgaben und Entwicklungen aufweist bezüglich der digitalen Transformation in der kommunalen Wasserwirtschaft?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Unter Überschriften wie Industrie 4.0, Industrial Internet und Internet of Things werden aktuell weltweit vielfältige umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten entfaltet. Ein Überblick ist kaum möglich. Wichtig ist aus unserer Sicht zweierlei: Zügig positive Referenzen zu schaffen und gleichzeitig Fragen der Standardisierung nicht zu vernachlässigen. Es gilt, Nutzen und Erfolg der Konzepte zu belegen und es gilt, Lösungen zu vermeiden, die auf den Einzelfall beschränkt und später nicht übertragbar sind. Diesem Anspruch stellt sich unser Vorhaben, selbst wenn es nicht das einzige sein sollte.

Frage 8: Den deutschen Unternehmen wird in Sachen Industrie 4.0 vorgeworfen, sich nicht genug zu engagieren. Wie schätzen Sie die Bereitschaft der Kommunen und Städte ein, die digitale Transformation in der kommunalen Wasserwirtschaft aktiv zu fördern?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Das kommt auf das Ergebnis der Evaluierung der Ideen in der Erprobung an. Momentan ist hier die Bereitschaft aktiv etwas zu tun noch verhalten. Das Projektteam wird daran arbeiten, mit Ergebnissen zu überzeugen und ein Stück der eigenen Begeisterung auf die Anwender im kommunalen Bereich zu übertragen. Schließlich ist das Projekt ein hervorragendes Beispiel dafür, wie eng Verfahrenstechnik, IT und Automatisierung verzahnt sind und welches Potenzial in einer gesamtheitlichen Betrachtung steckt.

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Die Bereitschaft der Kommunen und Städte für die digitale Transformation wird am Anfang zunächst sehr zurückhaltend aber Interessiert sein. Die Einführung von „neuen“ Systemen führt zu einem Investitionsaufwand, der erstmal gerechtfertigt werden muss. Langfristige Fragen über den Nutzen und die Sicherheit werden diesen Weg begleiten. Kommunal 4.0 kann hier eine wichtige Vorreiterrolle einnehmen und mit seinen Ergebnissen den Weg ebnen und erste offene Fragen beantworten. Damit wird die Bereitschaft zur aktiven Förderung der digitalen Transformation und somit in Sachen Industrie 4.0 auch im Bereich der kommunalen Wasserwirtschaft steigen.

Frage 9: Worauf führen Sie das hohe Interesse der Kommunen und Städte zurück, als sogenannte assoziierte Partner an der Erprobung der Entwicklungsideen teilzunehmen?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Das Thema Industrie 4.0 ist in aller Munde. So ist es mehr als verständlich, dass viele Partner von dieser Dynamik profitieren möchten. Auch als Wissenschaftler auf dem Gebiet der Automation teilen wir diese positive Sicht. Mag Manches übertrieben wirken, richtig ist, dass Themen wie die Automation, die vorher häufig als „versteckte Technologie" firmierten, jetzt die gebührende Aufmerksamkeit erfahren.

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Die Kommunen und Städte sehen in KOMMUNAL 4.0 mögliche Entwicklungs-, Optimierungs- und Einsparungspotenziale. Eine Vorreiterrolle für neue Technologien einzunehmen sowie einen finanziellen als auch einen Imagegewinn zu erzielen, spielt eine große Rolle. Etwaige Sorgen bzgl. der Sicherheit und des Nutzen können durch die Ergebnisse der Entwicklungen ausgeräumt werden.

Frage 10: Ein wichtiges Thema ist das IT-Sicherheitsgesetz. Was müssen Kommunen und Städte nach Ihrer Ansicht hierbei als wichtigste Aufgabe zuerst angehen?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Ich denke eine Bestandsaufnahme und die Analyse der Ist-Situation ist hier in vielen Fällen einer der ersten und dringendsten Schritte. Darauf aufbauend sollte dann über die Einführung eines ISMS nachgedacht werden. Bei allem muss im Blick bleiben, dass zur IT-Sicherheit eben nicht nur technische Aspekte gehören.

Frage 11: Wo gliedern Sie die Ziele und Ideen zu KOMMUNAL 4.0 in den Kontext der Smart Cities ein?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Insbesondere der Vernetzungsaspekt im kommunalen Umfeld ist einer der Hauptpunkte im Smart City Umfeld. Das Projekt kann mit Erfassung kommunaler Daten (z.B. aus der Wasserwirtschaft) und der Bereitstellung von Diensten auf Basis dieser Daten einen entscheidenden Beitrag zur Interaktion zwischen Stadtbewohner und der kommunalen Infrastruktur leisten.

Frage 12: Wie gelingt Kommunen und Städten der ideale Einstieg in die digitale Transformation wasserwirtschaftlicher Objekte und Infrastrukturen?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Hierzu muss als erstes ein Umdenken bzgl. der kommunalen Strukturen hin zu vernetzten Organisationen stattfinden.

Frage 13: Welche Treiber sehen Sie bei Kommunen, sich dem Thema KOMMUNAL 4.0 zu widmen (z.B. Gesetze, Kosten, Effizienz, Demografischer Wandel)?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Insbesondere in Hinblick auf die Notwendigkeit des Struktur- und Denkwandels in den Kommunen bietet das Projekt interessante Ansätze. Aber auch gesetzlich werden im Moment Rahmenvorgaben geschaffen (z.B. ITSG), für die wir im Projekt Herangehensweisen und teilweise Lösungen entwickeln, die es den Kommunen ermöglichen, auch mit geringen Kosten und der Einfachheit in der Handhabung, innovative und sichere kommunale Dienste zu nutzen und auch selber anzubieten.

Frage 14: Simulationen stellen einen Schwerpunkt im Förderprojekt KOMMUNAL 4.0 dar. Welche Rolle spielen Simulationen zukünftig bei Planung und Betriebsoptimierungen für Kommunen und Städten zur Lösung wasserwirtschaftlicher Aufgaben?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Modellierung und Simulation haben im Bereich der Wasserwirtschaft eine reife Phase erreicht, die eine breite Anwendung in der Ingenieurpraxis erlaubt, aber auch besondere Anforderungen an die verwendeten Modelle, Methoden und Softwarewerkzeuge stellt. Dabei erstrecken sich die Anwendungsmöglichkeiten von Simulationssystemen über den gesamten Lebenszyklus wasserwirtschaftlicher Anlagen. Diese Potenziale wollen wir im Rahmen von Kommunal 4.0 nutzen, um den Service- und Cloud-Gedanken in die Welt der Modellierung und Simulation von abwassertechnischen Systemen zu transportieren und für den Planungs- bzw. Optimierungseinsatz dem jeweiligen Anwender eine auf seine Anforderungen und seinen Informationsbedarf zugeschnittene Werkzeugkette auf Basis der Serviceplattform zur Verfügung zu stellen.

Frage 15: Wie wichtig schätzen Sie Maßnahmen zur IT-Sicherheit auch für kleine und mittlere Kommunen zum Schutz wasserwirtschaftlicher Objekte ein?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Auch hier gilt es eine Bestandsaufnahme und entsprechende Analyse zu machen. Die Definition des Referentenentwurfs zur Bemessung kritischer Infrastrukturen ist hier zu kurz gefasst und die Zahl der 500.000 EW für wasserwirtschaftliche Objekte wirkt willkürlich. Standortbedingt können auch kleinere wasserwirtschaftliche Anlagen zu einer Bedrohung von Gesundheit und Leben führen. Hier gilt es dann dem Risiko angepasste Sicherheitsmaßnahmen zu installieren und diese auch zu überwachen.

Frage 16: Welche Unterstützung kann das Projektkonsortium Verbänden wie der DWA oder dem VKU bei Fragen zur digitalen Transformation in der kommunalen Wasserwirtschaft geben?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Den Gremien kommt gerade im kommunalen Bereich eine große Bedeutung zu. Sie stehen für eine firmenübergreifende, herstellerneutrale Sicht. Vertreter des Projektteams sind in mehreren solcher Gremien ehrenamtlich tätig und bringen dort ihre Expertise ein. Dabei gilt es, die Herausforderung der Erarbeitung eines längerfristig gültigen Regelwerkes mit der hochdynamischen Technologieentwicklung in Einklang zu bringen.

Frage 17: Bearbeiten Sie aktuell weitere Forschungsvorhaben, die sich mit der digitalen Transformation beschäftigen?

Antwort Prof. Dr. Ulrich Jumar vom ifak Magdeburg:

Das Forschungsinstitut ifak mit seinen 52 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bearbeitet jährlich rund 75 Forschungs- und Entwicklungsvorhaben. Ich schätze, dass mindestens die Hälfte der Überschrift der digitalen Transformation eingeordnet werden können.

Frage 18: Welches Entwicklungspotenzial sehen Sie in der kommunalen Wasserwirtschaft, um aus einfachen Maschinen intelligente CPS-Maschinen zu machen?

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Einfache Maschinen können nur in Ihrem begrenzten Raum interagieren, sodass schnell Limitationen entstehen. Einfache SPS beschränken sich normalerweise auf den simplen Ansatz des Einstellens bestimmter Zustände der Aktoren bei bestimmten Werten an den Sensoren. Diese einfachen Algorithmen werden zunehmend unzureichender in der Zukunft, da durch die Erweiterung der Systeme mehr Daten zur Verfügung stehen und aus den einfachen Maschinen durch CPS-Maschinen intelligent reagiert werden kann. So kann der Betrieb in einer Anlage energetisch optimiert werden, wenn Umwelteinflüsse wie Trockenperioden oder auch Starkregenphasen mit in den Anlagenbetrieb einfließen können. Weiterhin können Abläufe und der Betrieb weiter automatisiert und durch Fehlervermeidung bzw. frühzeitiges Erkennen von Fehlern unterstützt werden.

Frage 19: Welche Rolle spielen Sensoren beim Einsatz von CPS-Maschinen in der kommunalen Wasserwirtschaft?

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Die Abwasserbehandlung ist zunehmend angewiesen auf kabellose und automatisierte Systeme zur Steuerung und Überwachung des Betriebs. Die Überwachung verschiedenster Paramater wie Temperatur, gelöster Sauerstoff, Durchflussrate, Trübung, Leitfähigkeit, ph-Wert, sowie chemische oder biologische Verschmutzung, sind zumindest in Teilen Standardparameter der kontinuierlichen Überwachung von Kläranlagen. Online-Sensoren sind die Voraussetzungen für den Betrieb eines Cyber-physikalischen Systems. Sensoren sind Datenquellen für die in den CPS-Maschinen generierten Informationen. Auf Basis der gesammelten Daten aus der physikalischen Welt werden die Grundlagen für alle weiterführenden CI und Agentensystemen gebildet.

Frage 20: Wie wichtig sind Standards bei der Datenerfassung und -übertragung?

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

Die Verwendung von CPS umfasst den Einsatz von vielen verschiedenen Geräten, wie Sensoren, Aktoren, Sensornetzwerken und Datenbanksystemen. Das führt zu einer umfangreichen Datensammlung (Big Data), welche aus den verschiedensten Quellen gespeist wird. Big Data in CPS ermöglicht die Analyse von großen, schnellen und heterogenen Datenströmen aus der physikalischen Umwelt. Nur über einen definierten Standard zur Übertragung von Daten können diese Systeme mit vertretbaren Aufwand aufgebaut werden. Alle weiteren Vorgänge, wie Berechnungen, Analysen und Erkennungen, greifen auf die gemeinsame Datenbasis zu, um Informationen zu generieren und passende Aktionen durchzuführen.

Frage 21: Bearbeiten Sie aktuell weitere Forschungsvorhaben, die sich mit der digitalen Transformation beschäftigen?

Antwort Prof. Dr. Michael Bongards vom GECOC Gummersbach:

IMProvT und ENERWATER sind zwei Projekte, die Bausteine für die digitale Transformation entwickeln. Im Projekt IMProvT werden intelligente Messverfahren zu Prozessoptimierung von Trinkwasserbereitstellung und Veteilung untersucht und dabei Prozessanalysen und –optimierung mittels Computational Intelligence durchgeführt. Hierzu werden verschiedenste Sensoren zur Überwachung der Trinkwasserqualität als Messnetzwerk online genutzt und mithilfe von mehrdimensionalen CI-Verfahren moderne zukunftsweisende Auswerteverfahren erprobt. Mit den generierten bzw. zu generierenden Daten (Big Data) können deutlich bessere Analysen, Simulationen und Prognosen über die gesamte Prozesskette ermöglicht. Die bildet die Grundlage des energieoptimierten Betriebs des Gesamtsystems. ENERWATER beschäftigt sich mit Energiebenchmarks für Kläranlagen in Europa. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer innovativen Methodik zur kontinuierlichen Bewertung, Kennzeichnung und Verbesserung der gesamten Energiebilanz von Kläranlagen mithilfe von Online-Messsensorik (www.enerwater.eu).