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Umwelt
24.07.2024

Optimales Wasser­management mit Hilfe von KI

Probleme erkennen, bevor Schäden entstehen: Mit dem Projekt KI-WAZU beschreitet JOANNEUM RESEARCH innovative Wege in der Wasserversorgung.

JOANNEUM RESEARCH (JR), eine der größten Forschungseinrichtungen Österreichs mit Hauptsitz in Graz gehört zu den Big Playern in Sachen nationaler und internationaler Forschung. Zusammen mit einem breiten Netzwerk an Partner:innen und Kund:innen werden Lösungen und Technologien für Wirtschaft und Industrie entwickelt. Zu den Tätigkeitsfeldern gehören die Identifikation und Entwicklung von Lösungen für gesellschaftsrelevante Herausforderungen wie Klimawandel, Energieversorgung, Gesundheit und Pflege, digitale Transformation, Mobilität, aber auch von sozialen Veränderungen.

KI-WAZU

Wetterschwankungen, technische Gebrechen oder verändertes Nutzerverhalten. Die Bereitsteller von Trinkwasser stehen vor großen Herausforderungen. Ein neues, dreijährig angelegtes Projekt der JR, welches in Zusammenarbeit mit den Bundesländern Kärnten, Steiermark und Burgenland, sowie vier dort ansässigen Wasserversorgern gestartet wurde, soll die Sicherstellung eines optimalen Wassermanagements – unterstützt durch KI – gewährleisten. Mit KI-WAZU haben sich die Akteur:innen einiges vorgenommen. Sollen damit doch gleich mehrere Herausforderungen gemeistert werden.

Akustisches und visuelles Monitoring

KI-unterstütztes multimodales Monitoring der Wasserversorgungsanlagen soll künftig eine 24/7-Überwachung ermöglichen. Ziel ist, mittels akustischer und visueller Auswertungen (z. B. Geräuschveränderungen bei Pumpen und Motoren, Wasseraustritt oder kleine Teile auf der Wasseroberfläche), Störungen an Anlagenteilen noch vor deren Ausfall zuverlässig zu detektieren. Dadurch können rechtzeitig Gegenmaßnahmen (z. B. Beschaffung von Ersatzteilen, Austausch beschädigter Ventile ...) ergriffen und Totalausfälle von Anlagen vermieden werden. Projektleiter Stefan Grebien erklärt eine der Herausforderungen für die KI kurz und prägnant: „Die KI muss zunächst einmal lernen, was eine Anomalie ist“. Schwierig insofern, als Geräuschveränderungen, die auf diverse Schäden hinweisen nur selten auszumachen sind. Ist doch die Technologie im Bereich Wasserwirtschaft sehr stabil und wenig fehleranfällig.

KI­-basierte Steuerung

Ein weiteres Ziel von KI-WAZU ist die Implementierung neuer Managementformen für regionale und überregionale Wasserversorgungsunternehmen mittels daten- und modellbasierter Steuerung der Ressourcennutzung sowie der Trinkwasserverteilung. Der Betrieb von Wasserversorgungsanlagen soll künftig vorausschauend und in Abhängigkeit von prognostizierten Parametern durchgeführt werden können. KI-basierte Steuerungssysteme werden die Mitarbeiter:innen der Wassergewinnungs- und Versorgungsanlagen bei der Wasserbewirtschaftung unterstützen und Abläufe optimieren. Dazu ergänzt Grebien: „Wasserversorger können dank KI die Ressourcen besser verstehen. Die Einbindung der KI in die Leitstellen sorgt dafür, dass anhand der Daten und Erkenntnisse Vorschläge gemacht werden. Die Letztentscheidung trifft aber die zuständige Person“.

Trinkwasser­verbrauch und -gewinnung

On top bietet KI-WAZU einen weiteren Benefit. Aufgrund der Auswirkungen des Klimawandels zeigen sich Tendenzen sinkender Grundwasserstände bzw. nachlassender Quellschüttungen. Sie stehen gegenläufig zum zunehmenden Bedarf an Trinkwasser. Dies macht eine Erschließung neuer Wasserressourcen notwendig, die mit erheblichem Aufwand und hohen Kosten verbunden sind. Zur Unterstützung in diesem Bereich hat JR-AquaConSol, eine 100-%-Tochter der JR, Modelle des Oberflächenwassers und des Grundwassers erstellt und berechnet daraus die Konsequenzen für die Wasserversorger. Unter Nutzung meteorologischer Daten soll künftig modell-basiert vorausgesagt werden, wie sich der Wasserhaushalt entwickelt. In Kombination mit Erfahrungswerten zum Nutzerverhalten, soll somit eine adäquate Wasserversorgung erleichtert werden. Zudem können die Modelle von JR-AquaConSol, die sich auf vorliegende Daten von Oberflächenwasser und Grundwasser stützen, sowie aktuelle aber auch alte Wetter- und Hydrologiedaten nutzen, bei der optimalen Standortauswahl für neue Brunnenanlagen helfen.

„Das Besondere an diesem interdisziplinären Projekt ist, dass es bis dato noch keinen Einsatz von KI in der Wasserversorgung gegeben hat“.

Stefan Grebien

Laufende Forschungs­projekte

Die Komplexität der Aufgabenstellung und die Fütterung der KI (mit aktuellen, aber auch historischen Daten), benötigt Zeit. KI-WAZU wurde daher als mehrjähriges Forschungsprojekt angelegt, in welches die Erkenntnisse von vier Umsetzungsprojekten bei Wasserversorgern mit unterschiedlichen Arten der Wassergewinnung (seichtliegendes Grundwasser, Tiefengrundwasser, Quellen) einfließen. Umsetzungsbeteiligt sind der WV Leibnitzerfeld Süd (Steiermark), die Stadtgemeinde Gmünd (Kärnten), der WV Unteres Lafnitztal und der WV Südliches Burgenland (beide Burgenland).

Mit Unterstützung von …

KI-WAZU sowie die vier regionalen Umsetzungsprojekte werden vom Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, den beteiligten Bundesländern Steiermark, Kärnten und Burgenland sowie der KPC gefördert. Bei den Umsetzungsprojekten ist zudem als Spezialist im Bereich „Simulation Hydraulik – Verteilung“ die Klagenfurter Firma SETEC Engineering beteiligt. Wesentliche Unterstützung kommt auch von der DATAVIEW GmbH, die dafür sorgt, dass funktionierende Schnittstellen zu den Wasserversorgern geschaffen werden. Die Ergebnisse des durchwegs von österreichischen Unternehmen betriebenen Projektes mit seinen zahlreichen Nutzungsmöglichkeiten für regionale aber auch überregionale Wasserversorger dürfen also mit Spannung erwartet werden. Insbesondere, da die Auswirkungen des Klimawandels schnelles und intelligentes Handeln notwendig machen. Was könnte hier von größerem Vorteil sein, als sich KI zu Nutze zu machen, die dank Modellierung zukünftige Entwicklung voraussagt und entsprechend effiziente Steuerungsmaßnahmen vorschlägt?

KI in der Wasserversorgung: KI-WAZU, ein in der Entwicklungsphase befindliches Projekt der JOANNEUM RESEARCH, macht es möglich. © JOANNEUM RESEARCH / Raiser

WISSENSWERT

Das österreichische Trinkwasser wird fast zu 100% aus Grund- und Quellwasser gewonnen. Rund 5.500 Wasserversorgungsunternehmen (kommunale Anlagen, Wasserverbände, Genossenschaften) versorgen die Bevölkerung mit qualitativ hochwertigem Trinkwasser.

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