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Seite: https://www.hochschule-ruhr-west.de//kiwasus/
Datum: 08.05.2021, 01:04Uhr

KI-basiertes Warnsystem vor Starkregen und urbanen Sturzfluten

Verbundprojekt entwickelt System für die zivile Sicherheit

Gelsenkirchen / Mülheim an der Ruhr, 04. Mai 2021:  Starkregen und Sturzfluten sind kein neues Phänomen. Doch die extremen Wetterereignisse, besonders in den Sommermonaten, nehmen in Folge des Klimawandels zu. Vor allem in urbanen Gebieten, also Ruhrgebietsstädten wie Gelsenkirchen, kommt es schnell zur Überlastung der Kanalnetze, zu Überflutungen von Straßen und Unterführungen. Damit sind Rettungswege, z. B. für die Feuerwehr, blockiert. Hinsichtlich Vorwarnzeit, geographisch genauer Verortung und zu erwartender Niederschlagsmenge sind Starkregenereignisse kaum adäquat vorherzusagen. Umso wichtiger ist eine technische und inhaltliche Weiterentwicklung der Vorhersagemodelle. Hier setzt das BMBF-Verbundforschungsprojekt „KIWaSuS“ an.

KIWaSuS steht für „KI-basiertes Warnsystem vor Starkregen und urbanen Sturzfluten“. Ziel des Projektes ist es, die Vorwarnzeiten vor Sturzfluten in den Städten signifikant zu erhöhen, diese besser zu lokalisieren und gleichzeitig wichtige Informationen für das kommunale Krisenmanagement bereitzustellen, um Bürger:innen besser zu schützen. Dazu soll eine intuitive, digitale Karte erstellt werden, die in Abhängigkeit des bevorstehenden Starkregenereignisses bereits Ort und Ausmaß der resultierenden Überflutung frühzeitig und zuverlässig darstellt. Damit können Akteure vor Ort sinnvoll unterstützt werden: Einsatzpläne für Feuerwehr, Katastrophenschutz und Kanalnetzbetreiber können so individuell an das Ereignis angepasst werden. Bürger können rechtzeitig gewarnt werden und eigene Schutzmaßnahmen einleiten.

Erschwerend in den Ruhrgebietsstädten kommt die Trennung ganzer Stadtteile durch Unterführungen aufgrund von zahlreichen Autobahnen und Bahntrassen hinzu. Vergangene Starkregenereignisse haben gezeigt, dass sich nicht nur Geländetiefpunkte wie Unterführungen zu Hindernissen entwickeln, sondern sich auch ganze Straßenzüge innerhalb kürzester Zeit in reißende Ströme verwandeln können. Der Bedarf für ein effizientes Echtzeitwarnsystem ist nicht auf Gelsenkirchen begrenzt, sondern deutschlandweit gegeben.

Im Projekt KIWaSuS soll ‚Künstliche Intelligenz‘ (KI) als zentrales Element eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um eine Technik, die normalerweise eher in modernen Smartphones, Autos oder Sprachassistenten zur Mustererkennung in Bildern und Sprache eingesetzt wird. In KIWaSuS soll KI dazu eingesetzt werden, Zusammenhänge und Muster bei der Entstehung von Starkregenzellen zu erlernen, um künftig die zeitliche und räumliche Entwicklung von Starkregenzellen besser vorhersagen zu können. Andererseits soll KI verwendet werden, um das Verhältnis zwischen Niederschlag und dem daraus resultierenden Abfluss zu erlernen. So sollen Überlastungen des Kanalnetzes und Überschwemmungen besser zu beschreiben sein.

Voraussetzung für den effizienten Einsatz von KI ist ein intensiver Trainingsprozess, der eine große Datenbasis benötigt. Die Daten werden aus verschiedenen Quellen erhoben: Für den Niederschlag werden Messdaten durch die Kommunen und Wasserverbände bereits seit mehreren Jahrzehnten erfasst. Für den niederschlagsbedingten Abfluss hingegen liegen derzeit kaum Daten vor. Hier werden physikalisch basierte Abflussmodelle genutzt, um künstliche Trainingsdaten zu generieren. Darüber hinaus soll ein innovatives Sensorsystem zur Nachverdichtung bzw. Ergänzung der Datenbasis errichtet werden. Sämtliche Datenströme sollen in einer zentralen Datenplattform zusammengefügt und durch entsprechende Transformationsprozesse in ein ML-geeignetes Format gebracht und für die Vorhersagemodelle zur Verfügung gestellt werden.

Beteiligt an diesem Verbundprojekt sind die Unternehmen neusta sd west, Gelsenwasser AG, Abwassergesellschaft Gelsenkirchen, das Institut Wasserbau- und Wasserwirtschaft der Universität Duisburg-Essen und die Institute Bauingenieurwesen sowie Mess- und Sensortechnik der Hochschule Ruhr West. Konsortialführer ist Prof. Dr. Markus Quirmbach vom Institut Bauingenieurwesen. Anforderungen und Daten liefern die Feuerwehr Gelsenkirchen, das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz und die Emschergenossenschaft. Das Projekt startete im April 2021 und läuft bis März 2024. Gefördert wird das Projekt mit ca. 1,5 Mio. Euro aus der BMBF Förderrichtlinie: „Künstliche Intelligenz in der zivilen Sicherheitsforschung“ im Programm „Forschung für die zivile Sicherheit 2018 bis 2023“.


Teilprojekte der Institute Bauingenieurwesen und Mess- und Sensortechnik

Das Teilvorhaben „Entwicklung von LowCost-Niederschlagssensorik und KI-basierter Vorhersagemodelle für Starkregen und urbane Sturzfluten“ wird von den beiden Instituten Bauingenieurwesen und Mess- und Sensortechnik an der Hochschule Ruhr West bearbeitet.

Ziel des Teilprojektes des Instituts Mess- und Sensortechnik ist es, einen energieautarken LowCost-Niederschlagssensor zu entwickeln, der in seinen technischen Eigenschaften den hohen Umweltanforderungen der Einsatzorte genügt. Eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Jörg Himmel untersuchte verschiedene Messprinzipien, die sich zur Entwicklung eines solchen Sensors eignen. Auf Basis des ausgewählten induktiven Messprinzips kann ein Sensor entworfen werden, der robust gegen Umwelteinflüsse ist und ein energiesparendes und kompaktes Design ermöglicht. Dadurch wird der Sensor ohne Verkabelung flexibel einsetzbar sein. Mit Hilfe des Sensors werden Tropfenhäufigkeit und -größe bestimmbar, wodurch Starkregenzellen erkannt werden. Vom Sensorsystem soll eine Kleinserie erstellt werden, um im Stadtgebiet von Gelsenkirchen ein engmaschiges Sensornetz zu installieren. Die Sensordaten werden an die zentrale Datenplattform im Projekt übermittelt.

Um Starkregenzellen zu erfassen, muss ein engmaschiges Sensornetz aufgebaut werden. Der zu entwickelnde Sensor bildet aufgrund der geringen Anschaffungskosten und des wartungsarmen Betriebs eine wichtige Grundlage für den wirtschaftlichen Aufbau und Betrieb solcher hochauflösenden Messnetze.

Das Institut für Bauingenieurwesen übernimmt die Entwicklung KI-basierter Vorhersagemodelle für Starkregen und urbane Sturzfluten. Ziel ist es, das Ausmaß von urbanen Sturzfluten vorherzusagen, um so ein aktives Krisenmanagement zu ermöglichen. Auslöser für urbane Sturzfluten sind konvektive Niederschlagsereignisse, die sich durch eine geringe räumliche Ausdehnung bei gleichzeitig hohen Intensitäten und einem hoch dynamischen Entstehungsprozess auszeichnen. Diese Ereignistypen lassen sich derzeit kaum vorhersagen und treffen so immer wieder auf eine unvorbereitete Zivilbevölkerung. Ein Ziel von KIWaSuS und dem Teilprojekt ist es, die Genauigkeit der Starkregenvorhersage zu erhöhen. Dabei soll Künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt werden, um zusätzlich zur räumlichen Verlagerung von Starkregenzellen auch Änderungen in deren Intensität und räumlichen Ausdehnung vorherzusagen. Aufgrund von Starkregen kommt es zu einer Überlastung des urbanen Entwässerungssystems, was bei außergewöhnlich starken Niederschlägen zu Überflutungen führen kann. Durch die räumlich detaillierte und quantitativ hochwertige Niederschlagsvorhersage wird eine frühzeitige und ebenfalls räumlich detaillierte Ausweisung von Überflutungsflächen erst ermöglicht. Durch KI soll das System den Zusammenhang zwischen Starkregen und Überflutungsausmaß erlernen. Gegenüber den derzeit eingesetzten physikalisch basierten Modellen zur Ermittlung von Überflutungsflächen soll die Rechenzeit minimiert werden, um so eine Echtzeitvorhersage zu ermöglichen.


Wissenschaftlicher Kontakt

Hochschule Ruhr West
Prof. Dr. Markus Quirmbach | Institut Bauingenieurwesen
Telefon: 0208/ 882 54 463
E-Mail: markus.quirmbach@hs-ruhrwest.de

Treffen der Projektgruppe Kiwasus auf dem Mülheimer HRW Campus
Auf dem Mülheimer HRW Campus: 1.v.l: Prof. Dr. Susanne Staude (Hochschulpräsidentin) 2.v.l.: Christoph Plogmeier (Gelsenwasser) 3.v.l.: Jan Erik Kunze (Universität Duisburg-Essen) 4.v.r.:Dennis Jörissen (Abwassergesellschaft Gelsenkirchen) 3.v.r.: Prof. Dr. Jörg Himmel (HRW Institut Mess- und Sensortechnik) 2.v.r.: Bernd Bäumler (neusta) 1.v.r.: Prof. Dr. Markus Quirmbach (HRW Bauingenieurwesen und Projektleitung)

Beatrice Liebeheim-Wotruba

Referat Hochschulmarketing & Kommunikation
Duisburger Str. 100, 45479 Mülheim an der Ruhr
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