Versorger setzen digitale Zwillinge und Entscheidungsintelligenz ein

Assistenzsysteme, die bei Wasser- und Abwasserversorgungsunternehmen eingesetzt werden, entwickeln sich durch neue Technologie und maschinelles Lernen weiter. Wir sprachen mit Luis Montestruque, Vice President Digital Solutions bei Xylem, um zu erfahren, wie digitale Zwillinge und Entscheidungsintelligenz Versorgungsunternehmen helfen, ihre Infrastruktur besser zu verstehen, um dadurch bessere Entscheidungen treffen zu können.

Aufgrund der zunehmenden Unvorhersehbarkeit des Wetters besteht die Gefahr, dass schwere Unwetter Wasserinfrastruktursysteme zerstören und Überläufe und Überschwemmungen verursachen. Trotz Vorkehrungen und Regenrückhaltebecken werden Städte und Wasserversorger von Unwettern getroffen, die sich mit gängigen hydrologischen und hydraulischen Modellen nicht vorhersagen lassen. Mittlerweile gibt es jedoch bessere Wege, wie Daten genutzt werden können, um zu steuern, wie Systeme auf Unwetter reagieren.

„Vor fünf Jahren begannen sich künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen als tragfähige Technologien für Wasser- und Abwasserversorger durchzusetzen, und seitdem ist viel passiert“, erklärt Luis Montestruque von Xylem. „Bislang gab es jedoch keine entsprechenden Rahmenbedingungen, um diese neuen Technologien so einzusetzen, dass Versorgungsunternehmen in vollem Umfang von ihnen profitieren können.“

Montestruque vergleicht die Entwicklung von Assistenzsystem bei Versorgungsunternehmen mit der Entwicklung intelligenter Technologien in der Automobilbranche.

„Es ist noch nicht lange her, dass sich GPS-gestützte Navigationssysteme als Standard etabliert haben“, fährt er fort. „Mittlerweile ist es praktisch unmöglich, ein Auto zu kaufen, das kein solches System hat. Wenn Sie ein Auto im mittleren Preissegment kaufen, ist es sogar höchstwahrscheinlich mit einem Spurhalteassistenten ausgestattet. Heute können viele Autos bereits autonom fahren. In einigen Jahren wird dies vermutlich zu den Standardfunktionen gehören. Diese Systeme gehören zur Kategorie der Assistenzsysteme.“

Wie Assistenzsysteme funktionieren

Assistenzsysteme sind computergestützte Systeme, die Menschen bei der Entscheidungsfindung unterstützen, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. In einigen Fällen können sie dies automatisch tun. Assistenzsysteme sind hilfreich, weil sie in der Lage sind, eine Vielzahl von Variablen zu berücksichtigen und können somit Menschen dabei helfen, ein Ziel schneller und günstiger zu erreichen. Sie verwenden hierzu ein einfaches System: Analysieren – Vorhersagen – Optimieren.

Als erstes verarbeitet das Assistenzsystem Sensordaten oder Daten von anderen Systemen, um den aktuellen Zustand des Zielsystems zu ermitteln. Anschließend nutzt das Assistenzsystem ein Modell, um mögliche Ergebnisse unter einer Vielzahl von Betriebsstrategien vorherzusagen. Zuletzt setzt das Assistenzsystem ein Analysemodul ein, das nach der optimalen Strategie zum Erreichen der gewünschten Ziele sucht.
 
„Die Verwendung von Assistenzsystemen, die das System Analysieren– Vorhersagen – Optimieren in Versorgungsunternehmen verwenden, ist nicht neu“, fährt Montestruque fort.

„Seit mindestens einem Jahrzehnt implementieren wir Echtzeit-Assistenzsystem in Abwasserkanälen, um Überläufe und Überflutungen zu vermeiden, in Kläranlagen, um den Energieverbrauch zu senken, und in Trinkwassernetzen, um Leckagen zu finden und den Energieverbrauch zu senken. Geändert hat sich, dass neue Technologien dazu beigetragen haben, die Kosten für die Implementierung von Assistenzsystemen zu senken. Mit den Technologien des ‚Internet der Dinge‘ können Unternehmen beispielsweise Hunderte von batteriebetriebenen Sensoren an schwer zugänglichen Standorten wirtschaftlich einsetzen.“

Einsatz digitaler Zwillinge zum Verständnis der Infrastruktur

„Es gibt jedoch eine Technologie, die die Art und Weise, wie Assistenzsysteme implementiert werden, wirklich verändert hat“, erklärt Montestruque. „Sie trägt die Bezeichnung digitale Zwillinge und ist eigentlich auch nicht neu. Digitale Zwillinge sind digitale Darstellungen der Infrastruktur. Wir kennen sie seit langem als Modelle und sie repräsentieren die Art und Weise, mit der wir verstehen, wie unsere Infrastruktur funktioniert.“
 
Traditionell wurden digitale Zwillinge mithilfe so genannter Differentialgleichungen erstellt. Diese Differentialgleichungen verwenden physikalische, chemische oder biologische Formeln, um die Infrastruktur zu simulieren. Das Erstellen und Kalibrieren von solchen Modellen kann ein langer und teurer Prozess sein. Assistenzsysteme, die auf Differentialgleichungen basieren, sind effizient, können jedoch nur dann aus früheren Erfahrungen lernen, wenn jemand ihre Modelle kalibriert.
 
„Vor kurzem haben wir unsere digitalen Zwillinge mit maschinellem Lernen ergänzt, damit sie kontinuierlich lernen können“, sagt Montestruque. „Dies ist wichtig, da diese digitalen Zwillinge in der Lage sind, historische Daten zu nutzen und automatisch zu ‚kalibrieren‘, um die Infrastruktur besser darzustellen. Dies bedeutet in der Regel eine erhebliche Reduzierung der Kosten für die Erstellung von Modellen, und resultiert in einem digitalen Zwilling, der kontinuierlich sehr präzise das wirkliche System abbildet.“

Der Paradigmenwechsel zur Entscheidungsintelligenz

Optimal funktionierende, digitale Zwillinge vereinen Modelle basierend auf Differentialgleichungen in Bereichen mit geringer Unsicherheit, wie z. B. Rohrhydraulik, mit maschinellem Lernen in Bereichen mit höherer Unsicherheit, wie z. B. die Abflussbildung bei Abwasserkanälen.

„Wenn wir Assistenzsysteme mit digitalen Zwillingen kombinieren, erhalten wir etwas Einzigartiges: ein Assistenzsystem, das lernfähig ist und sich kontinuierlich anpassen kann“, erklärt Montestruque.

„Wir nennen diesen neuen Paradigmenwechsel ‚Entscheidungsintelligenz‘. Mit Entscheidungsintelligenz können wir beispielsweise eine Kläranlage betreiben, indem wir das letzte Jahrzehnt der Betriebsgeschichte in einem digitalen Zwilling zusammenfassen. Und bei jedem neuen Ereignis lernt das System dazu und wird präziser. Wenn sich jetzt ein Unwetter am Horizont zusammenbraut, kann die Entscheidungsintelligenz einer Stadt automatisch nach Tausenden möglicher Strategien suchen, da sie vermutlich schon einmal etwas Ähnliches gesehen hat.“

Mithilfe von solchen Systemen für den Betrieb ihrer Abwassersysteme können Städte Überläufe und Überflutungen bedingt durch Überstausituationen im Kanalnetz zu einem Bruchteil der Kosten traditioneller Lösungen reduzieren, was Gemeinden weltweit nachhaltige Verbesserungen bringt. Um mehr über Entscheidungsintelligenz zu erfahren, laden Sie die Xylem-Broschüre herunter: The Power of Decision Intelligence.