Arbeitspakete
Das Projekt ZwillE ist in verschiedene Arbeitspakete mit unterschiedlichen Arbeitsschwerpunkten aufgeteilt.
AP 1: Anforderungsanalyse und Definition von Extremwetter-Szenarien
Im Rahmen des AP 1 erfolgt die Beschreibung der Anforderungen an das Gesamtsystem des Digitalen Zwillings sowie die Definition und Analyse verschiedener Extremwetter-Szenarien. Die vorgenannten Ausarbeitungen finden dabei für den Anwendungsfall in Hannover unter Berücksichtigung der Übertragbarkeit auf andere Städte bzw. Anforderungen statt.
AP 2: Systemarchitektur und Umsetzung der Daten- und Kommunikationsinfrastruktur
In AP 2 wird die Systemarchitektur für das Gesamtsystem Digitaler Zwilling definiert. Des Weiteren erfolgt die Spezifikation und anschließende technische Umsetzung einer geeigneten, auf Standards basierenden Daten- und Kommunikationsinfrastruktur unter Berücksichtigung der vorhandenen Bestandsdateninfrastruktur.
AP 3: Datenerfassung und Messdatenverarbeitung
In AP 3 werden für exemplarisch ausgewählte Untersuchungsgebiete in Hannover Messprogramme durchgeführt, die kontinuierlich Daten zu Wasserhaushalt und -beschaffenheit in den Teileinzugsgebieten sowie Prozessdaten auf den Klärwerken online erfassen, um das Verhalten des Gesamtwassersystems während Wasser-Extremereignissen analysieren zu können. Vorab erfolgt eine Datenrecherche zu bisher durchgeführten Messkampagnen und anderen Datenerhebungen in Hannover und Umland sowie bei anderen niedersächsischen Kommunen, die alle Wasserkompartimente berücksichtigt.
AP 4: Hochauflösende Prognosemodelle für extreme Niederschlagsereignisse
In AP 4 werden meteorologische Messdaten und Modelldaten aufbereitet und im Hinblick auf Wasser-Extremereignisse ausgewertet. Die Auswertungen erfolgen sowohl auf Basis von historischen Daten als auch auf Basis von Klimaprojektionsdaten, um eine Abschätzung der Effekte des Klimawandels auf die betrachteten Wasser-Extremereignisse und des daraus resultierenden Überschwemmungsrisikos im urbanen Raum zu ermöglichen. In einem Echtzeitsystem werden Niederschlagsmessdaten verarbeitet und Niederschlagsprognosen erzeugt und in Nahezu-Echtzeit für den Online-Dienst im Digitalen Zwilling bereitgestellt.
AP 5: Entwicklung des integrierten Simulationsmodells
AP 5 dient der Entwicklung des integrierten Simulationsmodells als Basis für den Digitalen Zwilling. Dazu werden zunächst die einzelnen Teilmodelle aufgebaut unter Nutzung und Weiterentwicklung der Simulationssoftware SIMBA#. Die Teilmodelle umfassen dabei die vorgelagerten Einzugsgebiete, das Kanalnetz, den Kläranlagenverbund sowie die oberirdischen Einleitungsgewässern von Hannover. Die Teilmodelle werden sodann in ein Gesamtmodell integriert, das anschließend für die Szenario-Analyse und Ableitung resultierender Schwachstellen und Risiken genutzt wird.
AP 6: Formalisierung von Erfahrungswissen zur Bewältigung von Extremwasser-Szenarien
AP 6 hat das Ziel, die maschinelle Nutzung von Erfahrungswissen zur Bewältigung von Extremwasser-Szenarien zu ermöglichen. Hierzu werden zunächst geeignete Wissensrepräsentationsmodelle entwickelt. Im Anschluss wird explizites und implizites Erfahrungs- und Dokumentenwissen (z.B. Strategievorschläge für mittel- und langfristige Anpassungen der Wasserinfrastruktur sowie für kurzfristige Maßnahmen) erhoben und formalisiert. Diese Gegenmaßnahmen fließen später in die Simulationen im Digitalen Zwilling ein und werden dort hinsichtlich ihrer Wirksamkeit bewertet.
AP 7: Entscheidungsassistenz für Extremwasser-Szenarien mit nachvollziehbaren KI-Methoden
AP 7 entwickelt unter Nutzung der Wissensbasis (AP 6) eine Entscheidungsassistenz mit wirksamen Handlungsempfehlungen für den Umgang mit Extremwasser-Szenarien. Dazu kombiniert die Assistenz in Simulationen prognostizierte Schwachstellen mit dem formalisierten Erfahrungswissen über erfolgversprechende Gegenstrategien in ähnlichen Situationen. Mittels nachvollziehbarer KI-Methoden werden Entscheidungsträger bei der Auswahl geeigneter schwachstellenbezogener Gegenmaßnahmen unterstützt.
AP 8: Prototypische Entwicklung des Digitalen Zwillings
AP 8 dient als Integrationsarbeitspaket und fügt die in den vorangegangenen Arbeitspaketen entwickelten Teilkomponenten zu einem Gesamtsystem Digitaler Zwilling zusammen. Dabei werden drei Use Cases realisiert: (a) die Abbildung des aktuellen Ist-Zustands des Entwässerungssystems, (b) die kurzfristige Planung von Maßnahmen zur Bewältigung von Wasser-Extremereignissen und (c) die langfristige Planung der Entwässerungsinfrastruktur zur Bewältigung zukünftiger Anforderungen in Folge klimatischer Veränderungen.
AP 9: Umsetzung des Realsystems und Evaluation des Digitalen Zwillings im Praxistest
In AP 9 wird der Digitale Zwilling prototypisch getestet, validiert und optimiert. Dafür wird eine technische Infrastruktur aufgebaut und in Probebetrieb genommen. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen zur Validierung der Simulationsmodelle, Optimierung der Datenflüsse und Bestimmung von Randbedingungen für die Kopplung mit realen Systemen. Ergebnisse werden projektbegleitend kommuniziert, insbesondere im Austausch mit anderen Betreibern der Abwasserreinigung.