So gelingt die digitale Transformation in der heutigen Wasserwirtschaft

Autor: Jan Striewe

Auf dem Weg zur Wasserwirtschaft 4.0

„Industrie 4.0 –Wasserwirtschaft 4.0?“ –Deutschlands Wirtschaft erfährt in den letzten Jahren einen Boom an smarten Technologien aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI). Der Einsatz solcher Technologien offenbart nicht nur eine Vielzahl an Chancen für den Einsatz in der produzierenden Industrie, sondern auch für die Anlagen der Wasserindustrie: Predictive Maintenance erlaubt es zum Beispiel, Verschleiß und drohende Defekte von Pumpen in der Wasserversorgung frühzeitig und zuverlässig zu prognostizieren. Hiermit lassen sich Instandhaltungskosten senken, wodurch die Verfügbarkeit der Pumpen und die Wasserversorgung langfristig garantiert werden kann. Zusätzlich können Ausfallzeiten reduziert werden. Darüber hinaus trägt KI dazu bei die Trinkwassersicherheit auf Basis von Big Data Auswertungen in Echtzeit zu gewährleisten.

Komplexität der Herausforderung

Die Offenkundigkeit der genannten Potenziale wirft die Frage auf, warum derartige Lösungen nichtbereitsentwickelt wurden oder zumindest großflächig im Einsatz sind.Die Entwicklung der technischen Lösung selbst ist verhältnismäßig einfach –schließlich sind KI–Lösungen bereits flächendeckend in Verwendung und in der Industrie längst keine Seltenheit mehr. Wenn die technische Implementierung nicht das Problem ist –was ist es dann?

In Gesprächen mit Interessensvertretern der Wasserindustrie hat sich herausgestellt, dass es eine Vielzahl an Herausforderungen und offenen Fragen gibt, für die es mittelfristig klare Antworten braucht:

Ist die Information Technology (IT) und Operation Technology (OT) Infrastruktur vor Ort fortgeschritten genug für die erfolgreiche Implementierung von Smart Analytics?
Was kostet die Entwicklung der Lösung und wie können die Entwicklungskosten gedeckt werden?
Wer hilft dabei, die besten Use Cases unter Berücksichtigung der Cybersicherheit und DSGVO (Datenschutz Grundverordnung) Standards zu implementieren und deren Konformität zu gewährleisten?

Bei der ACOPA haben wir uns das Ziel gesetzt, die Digitalisierung der Wasserwirtschaft nachhaltig voranzutreiben. Im Fokus der Wasserwirtschaft steht die bestmögliche Nutzung vorhandener Potenziale und gleichzeitig die Flexibilität und Skalierbarkeit der Lösung für einen globalen Einsatz im Vordergrund. Um dies möglichst effizient zu erreichen, basiert unsere Lösung auf einer technischen Cloud-Plattform, welche bereits im vergangenen Jahr als Prototyp für den Energie-und Wassersektor entwickelt wurde.

Realtime Sensordashboard (Quelle: intern)

Von großer Bedeutung: Bestandsaufnahme & Bedarfsanalyse

Zu Beginn ist es von größter Wichtigkeit, die technische Infrastruktur im Wasserwerk vor Ort zu analysieren, Datenflüsse und Prozesse zu skizzieren und mögliche Stolpersteine (z.B. veraltete Hardware, ineffiziente Informationsflüsse, heterogene Datenlandschaft) frühzeitig zu identifizieren. Basierend auf den Erkenntnissen aus dieser Analyse und den Bedürfnissen des jeweiligen Werks wird gemeinsam eine langfristige Strategie bezüglich der Implementierung von smarten Lösungen ausgearbeitet. Abhängig vom Zustand der IT-Infrastruktur vor Ort kann für den vielversprechendsten Anwendungsfall bereits ein erster Prototyp samt Edge Devices und Sensoren aufgesetzt und angepasst werden. Nicht selten ist es jedoch notwendig, zuerst die technischen Voraussetzungen zu schaffen. So müssen beispielsweise vorhandene Sensoren mit der Datenplattform verbunden werden. Neue Sensoren müssen ebenfalls in die jeweilige IT-Landschaft z.B. per Festverkabelung oder Funkverbindung (z.B. 5G, WLAN) mittels einer geeigneten Schnittstelle integriert werden. Um den Erfolg zu gewährleisten, wird der Prozess von Beginn an von interdisziplinären Experten-Teams aus unserem Netzwerk begleitet.

Als größte Herausforderung sehen wir den hohen Zeit-und Kostenfaktor, den die Modernisierung der IT bei Organisationen in Anspruch nimmt. Erfahrungsgemäß müssen bis zu 80 Prozent der Projektdauer in die Modernisierung der IT-Landschaft investiert werden, während die Entwicklung von smarten Anwendungsfällen der KI in der Regel nur 20 Prozent der Projektdauer in Anspruch nimmt.

<< 80 Prozent der Projektdauer müssen in Modernisierung der IT-Landschaft investiert,während die Entwicklung von smarten Anwendungsfällen der KI nur 20 Prozent in Anspruch nimmt. >>

Technischer Aufbau der Lösung

In dem genannten Prototyp können alle relevanten Daten in die Cloud oder direkt vor Ort in einer On-Premise-Lösung eingespeist und verarbeitet werden. Die Erhebung der Daten erfolgt intern in einem Wasserwerk durch vorhandene oder zusätzliche Sensoren. Mittels Echtzeit-Verarbeitung werden die Daten anschließend in einer Analytics-Plattform ausgewertet.

Der Vorteil einer solchen OnPremise-Lösung liegt im Datenschutz. Kritischen Daten eines Wasserwerks bzw. einer Abwasseranlage können auf Servern vor Ort abgelegt werden und müssen nicht in einer fremden Cloud (Amazon, Microsoft) gespeichert werden. Gerade wenn man sich noch nicht für eine Cloud-Lösung entschieden hat, kann unsere Smart Analytics Lösung für Wasserwerke trotzdem implementiert werden. Die Verfügbarkeit des Wassers steht bei allen Überlegungen an erster Stelle. Das ACOPA-Expertennetzwerk gewährleistet dabei die Einhaltung aktueller Datenschutzstandards-und Cybersicherheitsnormen in allen Phasen der Entwicklung. Technisch wird die Lösung so an die jeweilige Zielumgebung angepasst, sodass sie unter anderem sämtlichen Informationssicherheitsstandards nach ISO/IEC 27001 sowie den Empfehlungen des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) entspricht.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde ein nutzerfreundliches Dashboard für die Darstellung der Daten entwickelt.Dieses kann mit jedem Webbrowser innerhalb des Wasserwerks aufgerufen werden, sodass keine zusätzliche Software beim Anwender installiert werden muss. Hier wird das Wassermanagement unter Berücksichtigung von Live-Daten wie Durchflussmengen, Füllgrad,Verunreinigung, chemische Auswertungen und vielen weitere Daten veranschaulicht. Anschließend können Rückschlüsse über die Optimierungspotenziale der Anlagegewonnen werden.Darüber hinaus bietet das Dashboard eine Echtzeiteinsicht für die Sensordaten. Durch diese Visualisierung, die einen detaillierten Ein-und Überblick über die gesamte Anlage bietet, können beispielsweise wartungsbedürftige Maschinen leicht identifiziert werden.

Das Dashboard bietet einen Überblick auf historische Daten, wodurch Tages-, Wochen-, Monats-und Jahresberichte in kurzer Zeit mit minimalem Aufwand erstellt werden können. Ein effizientes Monitoring der Anlage wird durch visualisierte Daten und einem automatisierten Vorgang sichergestellt. Mitarbeiter können sich in Zukunft auf die Interpretation der Daten fokussieren –der manuelle Aufwand für das Erstellen der Auswertung hingegen entfällt.

Die Bereitstellung der Daten in einem Data Lake ermöglicht es, jene zentral verfügbar zu machen und im Anschluss explorativ auszuwerten. Mittels Data Science werden neue Informationen aus den Daten gewonnen und ein konkreter Mehrwert generiert. So kann eine KI beispielsweise die Durchflussmengen über einen längeren Zeitraum automatisiert überwachen und bei unerwartetem Verhalten eine Warnmeldung an die zuständige Person übermitteln. All diese Informationen können direkt im Dashboard sichtbar gemacht werden, oder beispielsweise per E-Mail oder SMS an die zuständige Person übermittelt werden.

Fazit und Ausblick

Die Digitalisierung der Wasserwirtschaft bietet offenkundig eine Vielzahl an Chancen für die Betreiber von Wasserwerken. Mit Predictive Analytics ist es Betreibern möglich, Gefahren und wartungsbedürftige Maschinen frühzeitig zu erkennen, proaktiv zu handeln und dadurch den Betrieb langfristig sicherzustellen. Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich, dass KI in den kommenden Jahren neue Potenziale entfalten kann, die bisher nicht greifbar sind.

Demgegenüber steht die Herausforderung, KI gemäß dem neuesten Stand der Technik zu implementieren. Ein besonderes Augenmerk liegt darauf, dass eine jede digitale Lösung den Regularien des Datenschutzes sowie jenen der Cybersicherheit vollumfänglich entspricht. Unser Netzwerk macht sich dafür stark, dass das hierfür notwendige Wissen zum Beispiel in Form von kurzen Workshops an die Betreiber von Wasserwerken vermittelt wird. Schlussendlich ist es jedoch unerlässlich, dass erfahrene Experten die Umsetzung komplexer, digitaler Lösungen unterstützen, um so deren Integrität, Funktionalität und Sicherheit zu gewährleisten.

Unser Ziel ist es, gemeinsam mit den Interessensvertretern der Wasserwirtschaft auch weiterhin an effizienten und nachhaltigen Implementierungsansätzen und Lösungen zu forschen. Dadurch kann die Wasserwirtschaft zunehmend vom technologischen Fortschritt profitieren. Wir freuen uns, wenn die bestehenden Netzwerke und Interessensgemeinschaften in Zukunft fortan wachsen und weiterhin gestärkt werden, um die Digitalisierung der europäischen Wasserindustriebestmöglich voranzutreiben.