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Wasserverbrauch- und Bedarfsprognose während der COVID-19-Krise

Wasserverbrauch- und Bedarfsprognose während der COVID-19-Krise

Dieser Artikel zeigt eine kurze Analyse der Veränderung des Wasserverbrauchsmusters und der Zuverlässigkeit des Trinkwasserbedarfsprognosesystems der WatEner-Plattform in der Stadt Karlsruhe (Deutschland) während der aktuellen COVID-19-Krise.

Die Stadtwerke Karlsruhe (SWKA) sind ein kommunales Wasserversorgungsunternehmen, das eine Region mit mehr als 400.000 Einwohnern im Bundesland Baden-Württemberg versorgt. Die SWKA nutzen die WatEner-Plattform, um den Betrieb und das Management ihres Trinkwasserversorgungssystems zu unterstützen. Die Plattform integriert gemessene und simulierte Daten aus verschiedenen Quellen und wandelt sie in Echtzeit in nützliche und verfügbare Informationen um. Außerdem liefert WatEner eine sehr genaue und dynamische Wasserbedarfsprognose (Abbildung 1), die es ermöglicht, Daten für weitere Netzstudien herunterzuladen, wie es in dieser Analyse geschehen ist.

Abbildung 1: Gemessene und prognostizierte Nachfrage am Dienstag, 3. März, extrahiert von der SWKA-internen WatEner-Plattform

Wie die Medien berichteten, wurden in den letzten Wochen fast weltweit drastische Maßnahmen ergriffen, um die Verbreitung von COVID-19 einzudämmen. In Deutschland begann der Anstieg der Zahl der Neuinfektionen in den ersten Märztagen mit über 100 Fällen und überschritt nach der ersten Märzwoche 1.000 Fälle [1], was die Regierung veranlasste, in den folgenden Tagen weitere Maßnahmen zu ergreifen. Im Bundesland Baden-Württemberg schlossen die Bildungseinrichtungen am 17. März [2] ihre Türen, und die Maßnahmen wurden schrittweise verschärft, um noch mehr soziale Aktivitäten und das öffentliche Leben einzuschränken.

Es wurde beobachtet, wie der Wasserverbrauch nach der Anwendung dieser Maßnahmen Änderungen unterlag, verursacht durch die Schließung von Schulen und nicht lebensnotwendigen Aktivitäten, die Zunahme von Heimarbeit und weitere soziale Einschränkungen. Ein Vergleich von vier aufeinanderfolgenden Dienstagen, die normalerweise ein ähnliches Verhalten hätten zeigen müssen, zeigt, wie sich der Verbrauch im März 2020 aufgrund der Sperrmaßnahmen verändert hat, wie in der folgenden Grafik dargestellt:

Abbildung 2: Vergleichende Grafik des Wasserbedarfs unter Berücksichtigung von vier aufeinander folgenden Dienstagen im März.

Eine Veränderung des Konsumverhaltens ist vor Eindämmungsmaßnahmen (blaue Linien) und nach Schulschließung und sozialen Einschränkungen (grüne Linien) zu beobachten (Abbildung 2). Die Steigung der Verbrauchskurve zu Beginn des Tages ist unter normalen Umständen (vor den COVID-19-Maßnahmen) höher und nach der Verabschiedung der Maßnahmen niedriger, mit einer Nachfragespitze, die etwa zwei Stunden später eintritt.

Abbildung 3: Vergleichende Grafik des Wasserbedarfs unter Berücksichtigung des ersten (3. März) und des letzten analysierten Tages (24. März).

Wie aus der zweiten Vergleichsgrafik (Abbildung 3) zwischen dem 3. und dem 24. März (entsprechend dem ersten und dem letzten analysierten Tag) ersichtlich ist, tritt die Nachfragespitze im ersten Fall um etwa 7:10 Uhr (wenn die Schule bei normalem Verhalten geöffnet ist) und im zweiten Fall um etwa 9:40 Uhr (unter Sperrmaßnahmen) auf. In ähnlicher Weise sinkt der Konsum Anfang März nach 8:00 Uhr oder 8:30 Uhr bis zum späten Nachmittag rapide ab, während in einer Situation mit Beschränkungen, der Konsum morgens langsamer verteilt wird und bis zum Nachmittag langsam abnimmt. Es ist zu beobachten, dass zwischen 17.00 Uhr und Mitternacht keine signifikanten Unterschiede im Konsum vor und nach den Eindämmungsmaßnahmen auftreten, was darauf hindeutet, dass die Bevölkerung während dieser Zeit normalerweise zu Hause ist und das Konsumverhalten nicht verändert wird.

WatEner betreibt ein Nachfragevorhersagesystem (DFS), das Techniken der künstlichen Intelligenz und Mustererkennung anwendet und sich dynamisch nicht nur an metereologische Parameter (Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit usw.), sondern auch an Veränderungen im Verbraucherverhalten anpasst, die mit traditionellen mathematischen Modellen schwer vorherzusagen sind.

Für SWKA bietet die DFS eine 24-Stunden-Bedarfsprognose mit einem Zeitschritt von 10 Minuten für die versorgten Distriktgebiete an. Der DFS-Prozess beginnt jeden Tag automatisch um 3:00 Uhr morgens nach der Bewertung des Nachtmindestverbrauchs und liefert eine neue aktualisierte Prognose für die nächsten 24 Stunden in einem Zeitschritt von 10 Minuten, wobei die Wissensdatenbank nach ähnlichen Tagen durchsucht wird.

Unter Berücksichtigung des Zeitraums zwischen dem 1. März und dem 24. März wurde beobachtet, wie sich die dynamische DFS von WatEner an das durch den COVID-19-Notfall veränderte Muster im Verbrauchsverhalten anpasst, wie die folgenden Grafiken zeigen (Abbildung 4):

Abbildung 4: DFS-Anpassungsfortschritt unter Berücksichtigung von drei aufeinander folgenden Tagen am Dienstag (10., 17. und 24. März)

Es wird der Anpassungsfortschritt der DFS vom 10. März bis zu einer Kurve beobachtet, die eine enge Übereinstimmung zwischen prognostiziertem und gemessenem Verbrauch am letzten analysierten Tag (24. März) aufweist. Der erste Tag der Schulschließungs- und Sperrmaßnahmen (17. März) zeigt einen steileren Anstieg der prognostizierten Nachfrage (wie an einem typischen Dienstag im März erwartet) als die reale Nachfrage. Nach einer Woche (Dienstag, 24. März) verfügt die DFS über mehr Informationen, um die Prognose automatisch an das neue Verbraucherverhalten anzupassen, und zeigt eine glattere Steigung und Kurvenform ähnlich der realen Nachfrage. Es scheint jedoch, dass die reale Gesamtnachfrage immer noch leicht unter den prognostizierten Werten liegt.

Die Diagramme zeigen auch die Ergebnisse der Standardabweichung (SD), der Unterschiede zwischen gemessenen und prognostizierten Daten (in m3/h) alle 10 Minuten. Die Standardabweichung von Dienstag, dem 10. März (SD=55) verdoppelt sich am Dienstag, dem 17. März (SD= 114), erholt sich aber signifikant in der Vorhersage vom 24. März (SD=72), was auf eine korrekte Anpassung der DFS und eine angemessene Übereinstimmung der Steigung und Form der Verbrauchskurve hinweist.

“WatEner kann sich schnell an neue Verbrauchsmuster anpassen und bietet eine präzise Nachfrageprognose durch Nutzung von Algorithmen, ohne dass manuelle Eingaben erforderlich sind”

Die DFS zeigt eine schnelle und genaue Anpassung an Veränderungen im Verbraucherverhalten, wenn man nur einen ähnlichen Tag (Dienstag, 17. März) berücksichtigt, der in der Wissensdatenbank gespeichert ist (das vorhergesagte Muster wird normalerweise aus vier ähnlichen Tagen gebildet). Wahrscheinlich sind eine eingehendere Analyse und mehr Daten erforderlich, um umfassendere Schlussfolgerungen zu Nachfrageänderungen im Zusammenhang mit der COVID19-Sperrsituation zu ziehen.

Das Trinkwasserbedarfs-Vorhersagesystem von WatEner hat bei SWKA mit einem absoluten relativen Durchschnittsfehler von 2,5% laut der neuesten Studie[3] genau funktioniert. In einem solchen Kontext kann es sich schnell an neue Verbrauchsmuster anpassen und liefert eine präzise Nachfrageprognose mit Algorithmen, ohne dass manuelle Eingaben erforderlich sind.

Danksagungen: Wir danken Dr. Dirk Kühlers (Stellvertretender Leiter der Abteilung Trinkwassergewinnung/Qualitätssicherung), Stadtwerke Karlsruhe und Inclam IT Teams.


[1] https://www.worldometers.info/

[2] https://www.baden-wuerttemberg.de

[3] (2019) “Anthropogener und meteorologischer Einfluss bei der Kalibrierung des Nachfragevorhersagesystems” im XXXV. Kongress der AEAS (Spanische Vereinigung für Wasserversorgung und Abwasserentsorgung, AEAS)


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