Entscheidungsfindung auf Basis von Daten: Frühe Erkennung von Hochwasserrisiken

Eine künstliche Intelligenz berechnet auf Basis von Sensordaten, ob und wann ein Hochwasser droht. Verantwortliche erhalten durch das Netilion Flood Monitoring von Endress+Hauser immer einen aktuellen Überblick über das lokale Risiko.

Hochwasser resultiert aus langanhaltenden, weiträumigen Niederschlägen, kurzfristigem intensivem Starkregen oder Schneeschmelze in Winter- und Frühjahrszeiten. Gebirgsregionen sind hierbei besonders gefährdet, ebenso wie Landschaften mit Tälern oder Schluchten. Oftmals sind es gerade die kleineren Gewässer und Bäche, die wenig überwacht werden und sich bei Starkregen schnell in gefährliche Ströme verwandeln können.

Wenn es regnet, wird ein Teil des Wassers vom Boden aufgenommen und trägt zur Neubildung des Grundwassers bei. Ein anderer Teil des Wassers bleibt im Boden gespeichert oder verdunstet, während der Rest oberflächlich zu den Gewässern fließt. Die Menge des abfließenden Wassers hängt von Bodeneigenschaften, dem Grad der Flächenversiegelung und der Topografie ab. Diese Faktoren können im ungünstigsten Fall zu schnellem Oberflächenabfluss und Überschwemmungen führen, bei denen schnelles Handeln gefragt ist.

Andreas Graf ist Bürgermeister der Gemeinde Lenzkirch, in der das Netilion Flood Monitoring von Endress+Hauser zum Einsatz kommt.

Zur Früherkennung und Abmilderung solcher Ereignisse trägt das Frühwarnsystem Netilion Flood Monitoring bei. Dieses System nutzt Sensorik und künstliche Intelligenz, um Hochwassergefahren vorherzusagen und frühzeitig Gegenmaßnahmen zu ermöglichen. Entwickelt wurde das System von Endress+Hauser in Kooperation mit Okeanos Smart Data Solutions, einem Start-up, das aus der Ruhr-Universität Bochum hervorgegangen ist.

Präzise Messungen mit Sensoren

Das Ziel des Frühwarnsystems besteht darin, Entscheidungsträger wie Behörden, kommunale Vertreter und Rettungskräfte rechtzeitig vor drohendem Hochwasser zu warnen. „Unser Ziel mit diesem System ist es, Nutzern eine präzise Einschätzung des Überschwemmungsrisikos für ihre Gebiete zu ermöglichen und ihnen zu helfen, gezielte Entscheidungen zu treffen“, erklärt Florian Falger, Market Manager bei Endress+Hauser. Die betroffenen Akteure – von Bürgermeistern und Feuerwehrleuten bis hin zu Mitarbeitern von Bauhöfen und Ingenieurbüros – erhalten über Smartphones oder Computer zeitnahe Informationen über die Entwicklungen der Gewässer in ihrer Umgebung und eventuell erreichte kritische Werte.

Die Basis für diese Warnungen bilden lokale Messwerte, die an Bächen und deren Umgebung erfasst werden. Durch den Einsatz von Pegelmessgeräten, Starkregensensoren und Bodenfeuchtsensoren wird ein detailliertes Verständnis für das jeweilige Gebiet aufgebaut. Diese Daten werden an die Cloud-Plattform Netilion von Endress+Hauser übermittelt, wo sie von einer künstlichen Intelligenz analysiert und verarbeitet werden. Unter Berücksichtigung weiterer Informationen, wie Wettervorhersagen und Geländebeschaffenheit, prognostiziert die KI, ob und wann Hochwasser droht und identifiziert die potenziellen Ursachen. Die Ergebnisse werden den Anwendern klar und deutlich kommuniziert, sodass keine eigenständige Interpretation der Messdaten erforderlich ist.

Die Sensoren von Endress+Hauser sind innerhalb von einem Tag installiert. Aufwendige Baumaßnahmen und Genehmigungen sind nicht nötig.

Der fortlaufende Einsatz des Systems und die kontinuierliche Sammlung von Daten führen zu tieferen Einblicken und verbesserten Vorhersagen. „Der große Vorteil der künstlichen Intelligenz besteht darin, dass sie sich kontinuierlich selbst optimiert. Der Algorithmus lernt hinzu und versteht das Gebiet im Laufe der Zeit immer besser“, betont Benjamin Mewes, Gründer von Okeanos. „Die Digitalisierung führt nicht nur zu schnelleren Entscheidungen, sondern auch zu langfristigen Verbesserungen in den Hochwasserschutzkonzepten.“ Durch das akkumulierte Wissen können besonders gefährdete Bereiche gezielter geschützt werden.

Schnell installiert und förderfähig

Sobald die Positionen der Messstellen festgelegt sind, lässt sich das Frühwarnsystem Netilion Flood Monitoring innerhalb eines Tages installieren. Die meisten Sensoren des Systems sind batteriebetrieben und benötigen keine spezielle Infrastruktur, wie etwa Eingriffe in die Gewässerstruktur, das Anlegen von Gewässerquerschnitten oder das Errichten von Pegelhäuschen. Somit entfallen umfangreiche Baumaßnahmen und die Notwendigkeit von Genehmigungen für die Installation. Die Sensoren können einfach an bestehenden Strukturen wie Rohrleitungen, Brücken, Unterführungen, Mauern oder Straßen montiert werden. Zudem wird das System so konzipiert, dass es bestehende Messstationen, wie staatliche Pegelmessstellen, in seine Analyse einbezieht.

Von Beginn an, direkt nach der Installation der Sensoren, liefert das Hochwasserschutzsystem verlässliche Daten. Darüber hinaus ist die Finanzierung des Systems förderfähig, was bedeutet, dass Kommunen staatliche Zuschüsse beantragen können, um die Effektivität ihres Hochwasserschutzes zu steigern.

Erfolgreicher Einsatz im Schwarzwald

In Lenzkirch ist Netilion Flood Monitoring bereits im Einsatz. Die Gemeinde im Schwarzwald wurde zuletzt 2018 von einer Überschwemmung überrascht, die Schäden in Höhe von mehreren hunderttausend Euro anrichtete. Die Ortschaft befindet sich in einer Kessellage, umgeben von Bergen und Hügeln. Zusätzlich fließen zwei Flüsse mitten durch den Ort. „Im Falle eines Starkregen ist die Gefahr groß und die Vorlaufzeit gering“, sagt Andreas Graf. Der Bürgermeister von Lenzkirch erinnert sich an das Hochwasser von 2018: „Damals ist das Wasser unheimlich schnell angestiegen, was an einem Unwetter mit gleichzeitiger Schneeschmelze lag.“

Innovative Frühwarnsysteme können dabei helfen, die Folgen durch Hochwasser zu minimieren.

Heute sind rund um Lenzkirch verschiedene Messstellen verteilt: In den Böden stecken sechs Bodenfeuchtesensoren und verraten, ob das Erdreich noch genügend Regenwasser aufnehmen kann oder bereits gesättigt ist. Am Dachgiebel des Bauhofs und an einem weiteren Standort ist jeweils ein Niederschlagsensor angebracht, sie messen die Regenintensität. Und an insgesamt neun Stellen entlang der Flüsse und Bäche der Gegend sind Radar-Pegelmessgeräte installiert, die den Stand der Gewässer anzeigen.

Die Mitglieder der Freiwilligen Feuerwehr von Lenzkirch sind vom Nutzen der digitalen Kontrollmöglichkeiten überzeugt. „Als im Februar 2021 kritische Hochwasserwerte erreicht wurden, konnten wir mit Flood Monitoring von unserer Leitwarte aus die Pegelstände überwachen und mussten nicht die einzelnen Stellen abfahren. Das spart nicht nur wertvolle Zeit, sondern erhöht auch die Sicherheit für die Einsatzkräfte“, sagt Gesamtfeuerwehrkommandant Thomas Raufer.

Nur die Technik – und somit frühe Warnungen vor einem drohenden Hochwasser – reicht natürlich nicht aus, um Katastrophen zu verhindern. Hier sind die Kommunen gefragt, entsprechende Krisenkonzepte mit konkreten Handlungen zu etablieren. „Für uns ist die technologische Unterstützung sehr willkommen“, sagt der Bürgermeister von Lenzkirch, Andreas Graf. „Das System kann ein Hochwasser natürlich nicht vermeiden, aber wir gewinnen durch die frühe Warnung wertvolle Zeit. Und bei einer Überschwemmung zählt schließlich jede Minute.“

Gutes Beispiel für den Nutzen des IIoT

„Netilion Flood Monitoring ist ein Beispiel dafür, wie wir bei Endress+Hauser durch das Internet of Things (IoT) konkrete Mehrwerte für die Nutzer schaffen. Das gelingt uns hier durch die Kombination von Messwerten, einer Cloud-Plattform und einer KI“, sagt Florian Falger. „Alle drei Zutaten dieser Kombination resultieren aus unserer eigenen Entwicklung und Forschung: Wir haben die Sensoren für die Pegelstände und die Bodenfeuchte sowie die Cloud-Plattform Netilion selbst entwickelt – und wir können dank der Skalierbarkeit unserer Cloud-Architektur den von Okeanos entwickelten KI-Algorithmus in unser digitales Ökosystem integrieren“, so Falger.

Der Forschungsaufwand für solche Innovationen ist beträchtlich. Beim Mittelständler Endress+Hauser, der seit fast 70 Jahren Messtechnologien für die industrielle Verfahrenstechnik entwickelt und produziert, beschäftigen sich gruppenweit von über 16.000 Mitarbeitenden allein 1.200 mit Forschung und Entwicklung. Das im Geschäftsbereich Level+Pressure frisch gegründete Innovation Lab dient als Keimzelle für neue Herangehensweisen und Geschäftsmodelle. Um Innovationen gezielt zu fördern, wurde das Innovationsmanagement direkt an die Geschäftsleitung angebunden.