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Resilienz kritischer Verkehrsinfrastrukturen am Beispiel der Wasserstraßen

Erstellt am: 01.08.2019 | Stand des Wissens: 01.08.2019
Kurzname:   Preview
Rahmenprogramm / Rahmenprojekt:   Forschung für die zivile Sicherheit
Auftraggeber / Förderer:   Bundesministerium für Bildung und Forschung
Auftragnehmer:   Bundesanstalt für Wasserbau
Projektkoordination:   Dr. Francesca Marsili
Projektpartner:   Karlsruher Institut für Technologie
Hochschule Karlsruhe
antwortING
4Flow
Projektnummer:   B3951.04.04.70006
Projektvolumen:   < 1.000.000
Laufzeit:   2018/09 bis 2021/08
Projektstand:   laufend
Raumbezug:   Bundesrepublik Deutschland
Veröffentlichung:   [MaBö18] Applying Queuing Theory for Managing Waterways Systems subject to Service Interruptions
[MaBö19] Risk-based prioritization of urgent maintenance interventions on waterways infrastructures
Aufgabenstellung und Ziel
Bisherige Instandhaltungsstrategien für Infrastrukturbauwerke fokussieren in der Regel auf den Bauwerkszustand erst nach dem Auftreten von Schäden werden die Bauwerke instandgesetzt. Aufgrund des großen Investitionsstaus im Bereich der Infrastruktur, des hohen Bauwerksalters, und zunehmender Gefährdungsszenarien in Form von terroristischen Angriffen sowie extremen Naturereignissen wie Starkregenereignisse, daraus resultierende Hochwasser, Trockenheiten, etc. ist zukünftig eine risikobasierte Priorisierung von Instandhaltungsmaßnahmen notwendig. Für eine risikobasierte Instandhaltungsstrategie müssen die Versagenswahrscheinlichkeit und die Versagensfolgen berücksichtigt werden.

Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Im Rahmen des Projekts werden Lösungen für real existierende Bedrohungsszenarien erarbeitet, was sowohl die Sicherheit der Bevölkerung als auch der ansässigen Industrie nachhaltig verbessern wird. Die konsequente Einbindung relevanter Unternehmen und Behörden in das Projekt gewährleistet die Übertragbarkeit der Ergebnisse in die Praxis und untermauert die Anwendungsrelevanz der erarbeiteten Lösungen.
Die BAW ermöglicht aufgrund ihrer fachlichen Expertise und Erfahrungen wissenschaftliche und gleichwohl anwendungsorientierte Forschung auf internationalem Niveau. Sie kann damit einen Beitrag dazu leisten, den Stand der Wissenschaft wie auch den Forschungsstandort Deutschland weiterzuentwickeln.
Der WSV werden Werkzeuge für eine risiko-orientierte Instandhaltungsstrategie an die Hand gegeben, sodass Investitionsmaßnahmen bedarfsgerecht priorisiert werden können.
Untersuchungsmethoden
Das Forschungsprojekt ist interdisziplinär ausgerichtet und erfordert den Einsatz verschiedener Methoden und Daten. Das zugrundegelegte Konzept des Risikos besteht aus drei verschiedenen Elementen: der Definition eines Ausfallszenarios, der Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit und der Abschätzung des Ausmaßes der Au-sfallsfolgen.
Um das Ausfallszenario und das Ausmaß der Folgen zu definieren, werden die bereits in Datenbanken und Soft-waretools wie DVtU, WADABA, WSVPruf, Zustandsprognose, Elwis, TRAVIS erfassten Daten verwendet. Für die Extraktion relevanter Informationen werden die Daten mit verschiedenen Techniken analysiert. Beispiele sind Ansätze aus der Statistik, Clustering-Methoden oder Ähnlichkeitsanalysen. Zudem kommen GIS-basierte Methoden zum Einsatz, die die Visualisierung der Informationen und die Identifizierung besonderer Umstände, unter denen noch nicht erkannte Ausfallszenarien eintreten können, unterstützen.. Zudem werden Auswirkungen auf den Verkehr, sowohl auf lokal als auch auf Netzwerkebene, berücksichtigt. Um Netzwerk-Performance-Messungen zu entwickeln, werden Ansätze aus der Warteschlangentheorie herangezogen (Marsili et al. 2018), wodurch zeitaufwändige Simulationen vermieden werden können.
Für die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. die Beurteilung der Lebensdauer werden stochastische Prozesse wie Gamma-Prozesse betrachtet. Dafür werden Parameter definiert, die Expertenwissen und das Ergebnis aktueller Inspektionen nach dem Bayes-Satz kombinieren. Auf diese Weise werden individuelle Prognosen für jedes Element des Infrastruktursystems oder für Gruppen ähnlicher Elemente entwickelt. Auch Überlegungen zur Robustheit des zu untersuchenden Elements werden in den Ansatz einbezogen. Dies erfolgt insbesondere im Hinblick auf die Definition von tolerierbaren Grenzschäden.
Die oben genannte Analyse ermöglicht es, eine risikobasierte Priorisierung der Instandhaltungsmaßnahmen zu entwickeln (Marsili et al. 2019). Da das Risiko aus der Vernachlässigung der Instandhaltung von mehreren Faktoren abhängt, wird ein aggregiertes Risikomaß entwickelt, das mehrere Indikatoren mit verschiedenen Einheiten berücksichtigt. Dafür werden Multi Criteria Decision Methods wie z. B. das Weighted Sum Model, Promethee oder der Analytical Hierarchy Process verwendet.
Außerdem wird die Resilienz als Eigenschaft des Netzwerks berücksichtigt. Die Resilienz entspricht der Fähigkeit des Netzwerks, sich nach einem Systemausfall anzupassen und den ursprünglichen Zustand mit einer gezielten Auswahl der Reparaturmaßnahmen wieder herzustellen.

Ergebnisse
Die Ergebnisse werden in Form einer Risk Map visualisiert und in einem Leitfaden für potentielle Nutzer anwen-derbezogen dokumentiert. Die Risk Map veranschaulicht das aus Versagenswahrscheinlichkeit und Versagensfolgen gebildete Risiko im Bereich des Westdeutschen Kanalnetzes. Die Entwicklung erfolgt unter Beteiligung aller Kooperationspartner, wobei die im Bereich dieses Teilvorhabens ermittelten Versagensfolgen um die Folgen für die Bevölkerung und die Verkehrsfunktion ergänzt werden.
Der Leitfaden formuliert die generische Vorgehensweise für eine risikobasierte Instandhaltungsstrategie, wie sie am Beispiel des Westdeutschen Kanalnetzes entwickelt wurde, für potentielle Anwender.
Ansprechpartner
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Bundesanstalt für Wasserbau
Karlsruher Institut für Technologie
Literatur
[MaBö18] Marsili, F., Bödefeld, J. Applying Queuing Theory for Managing Waterways Systems subject to Service Interruptions, veröffentlicht in Beton- und Stahlbetonbau , Ausgabe/Auflage 113 (s2), 2018, Online-Referenz doi:10.1002/best.201800059
[MaBö19] Marsili, F., Bödefeld, J., Daduna, H., Croce, P. Risk-based prioritization of urgent maintenance interventions on waterways infrastructures, veröffentlicht in ASCE-ASME Journal of Risk and Uncer-tainty in Civil Engineering Systems Part B: Mechanical Engineering , 2019
Glossar
GIS Geographical Information System (GIS); geographisches Informationssystem. GIS sind IT-Anwendungen, die sich aus Computerkartographie, raumbezogenen Datenbanken und mathematischen Modellen zusammensetzen. Hierdurch wird es möglich, unterschiedliche raumbezogene Informationen zu überlagern, gemeinsam auszuwerten und darzustellen (z. B. Bevölkerungsdichte und Verkehrsinfrastruktur). Wesentliche Anwendungsfelder liegen in der Standortplanung, Einzugsbereichsanalyse, Routenfindung, Fahrweg- und Tourenplanung sowie Fahrzeugortung und Fahrzeugführung.
Warteschlangentheorie Die Warteschlangentheorie (auch Theorie der Wartesysteme) ist ein Teilgebiet der Wahrscheinlichkeitstheorie und ein Beispiel für Angewandte Mathematik. Sie findet unter anderem im Operations Research (Optimierung bestimmter Prozesse und Verfahren) Verwendung. Angewandt wird die Warteschlangentheorie in der Produktion und Logistik, dort wo Warteschlangen entstehen können. Einheiten warten auf die Abfertigung von parallel arbeitenden Bedieneinheiten wie bspw. an Flughäfen, wo Flugzeuge in definierte Warteschleifen dirigiert werden.
Instandhaltung Im Kontext des Erhaltungsmanagements bezeichnen die Begiffe "Instandhaltung" und "bauliche Unterhaltung" bauliche Maßnahmen kleineren Umfangs zur Substanzerhaltung von Verkehrsflächen, die mit geringem Aufwand in der Regel sofort nach Auftreten eines örtlich begrenzten Schadens ausgeführt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?501734

Gedruckt am Dienstag, 26. Mai 2020 14:51:08