Qualitätssicherung der Inspektions- und Bestandsdaten von Entwässerungssystemen durch analytische Plausibilitätsprüfungen

14.02.2005

Zur Feststellung und Beurteilung des Istzustandes von Entwässerungssystemen sind nach DIN EN 752-5 [1] alle verfügbaren relevanten Informationen heranzuziehen, da sie die Grundlage für die anschließende Planung aller weiteren Tätigkeiten bilden. Dabei empfiehlt ATV-DVWK-M 143-1 [2], alle diese Informationen bezüglich Aktualität, Plausibilität, Vollständigkeit, Aussagekraft usw. kritisch zu analysieren und zu beurteilen. Im vorliegenden Beitrag wird eine computergestützte Lösung vorgestellt, welche erstmals diese Anforderungen in bester Weise realisiert.

Grundlage zur Feststellung und Beurteilung des Istzustandes von Entwässerungssystemen und damit auch für die anschließende Planung aller weiteren Tätigkeiten (z.B. Budgetierungen, technische Planungen und Entscheidungen für Betrieb, Unterhalt und Sanierung) bilden nach DIN EN 752-5 [1] alle verfügbaren relevanten Informationen. Diese setzen sich zusammen aus den sogenannten Grunddaten, in DIN EN 752-5 [1] auch als Bestandsdaten bezeichnet und den Sachdaten. Letztere beinhalten Betriebsdaten, hydraulische Daten und Kostendaten und werden nachfolgend nicht weiter betrachtet. Die Grunddaten beinhalten Ordnungsdaten, Stammdaten und Zustandsdaten (nachfolgend auch als Inspektionsdaten bezeichnet) [3].

Nach ATV-DVWK-M 143-1 [2] sind sämtliche vorhandenen Informationen bezüglich Aktualität, Plausibilität, Vollständigkeit, Aussagekraft usw. kritisch zu analysieren und zu beurteilen. Vor Übernahme neuer Grunddaten in das Kanalkataster sind auch diese auf Plausibilität zu prüfen. Bei Abweichungen sind die neu ermittelten Grunddaten durch den Betreiber des Entwässerungssystems, ggf. nach einer erneuten Erfassung, zu bestätigen, so das immer die aktuellsten Informationen über das Entwässerungssystem verfügbar sind.
Die Zustands- oder auch Inspektionsdaten von Entwässerungssystemen basieren im Wesentlichen auf Ergebnissen der optischen Zustandserfassung. Sie wird direkt durch Inaugenscheinnahme bei Begehung oder Befahrung oder in nichtbegehbaren Abwasserleitungen und kanälen indirekt z.B. mit Hilfe von ferngesteuerten (Kanal-TV-Kameras) durchgeführt [3,4,5,6]. Die optische Inspektion ist seit 1991 im ATV-M 143-2 [7] und seit 2003 in DIN EN 13508-1 [8] geregelt.

Die Qualität der Inspektion und damit auch der Inspektionsergebnisse wird in vom technischen Standard des eingesetzten Kamerasystems und insbesondere der Qualifikation, Erfahrung und Motivation des Inspekteurs beeinflusst. Darüber hinaus sind die Gründlichkeit der vorbreitenden Reinigung sowie ggf. der witterungs- und tageszeitabhängige Füllstand des Kanals qualitätsbeeinflussend.

In Anbetracht dieser vielen Einflussfaktoren ist es nicht verwunderlich, dass, wie eigene Auswertungen ergeben haben, der Anteil unplausibler oder fehlerhafter Daten 10 % bis 20 % der Inspektionsdatenmenge betragen kann. Nach Untersuchungen an der RWTH Aachen kann diese Fehlerrate sogar 50 % erreichen [9]. Diese Situation wird sich auch in Zukunft kaum verändern, da der Inspekteur und damit der Mensch die Inspektionsqualität maßgeblich beeinflusst und auch bei Ausführung dieser Arbeiten einem erheblichen Kostendruck unterliegt.
Die regelmäßige Zustandserfassung bzw. Inspektion der öffentlichen Abwasserkanäle mit einer Gesamtlänge von über 445.000 km [10] ist in den einzelnen Bundesländern durch Eigenkontroll- bzw. Selbstüberwachungsverordnungen bzw. das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 147-1 [11] geregelt. So muss beispielsweise in NRW bis 2005 das gesamte Kanalnetz erstmalig erfasst werden (Erstinspektion), danach sind Wiederholungsinspektionen spätestens alle 15 Jahre durchzuführen [12].

Angesichts der dabei anfallenden großen Datenmengen, welche bei Kommunen und Entwässerungsbetrieben in der Regel digitalisiert in Kanaldatenbanken vorliegen, und der Tatsache, dass im Rahmen durchgeführter Erst- und Wiederholungsinspektionen laufend neue hinzukommen, sind die oben aufgeführten und im ATV-DVWK-M143-1 [2] geforderten Analysen und Beurteilungen, insbesondere unter Berücksichtigung ihrer systemimmanenten Komplexität, mit der gegenwärtig praktizierten manuellen Qualitätskontrolle nicht realisierbar.
Ein idealer Lösungsweg zur ständigen, systematischen und vollständigen Kontrolle und Analyse der Grunddaten von Entwässerungssystemen besteht in der Anwendung eines nun vorliegenden, software-gestützten Datenprüfungsmodells - StatusPP -. Es basiert auf dem vom Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MUNLV NRW) geförderten F+E-Projekt "Entwicklung eines computerbasierten Systems zur Kontrolle und Beurteilung der Plausibilität von Inspektions- und Bestandsdaten im Rahmen der Auswertung von Wiederholungsinspektionen" [13]. Das Modell wird zukünftig durch das Ingenieurbüro Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH in Bochum u.a. durch Regelergänzungen um weitere Kürzelsysteme, wie z.B. DIN EN 13508-2 [8], sowie der Entwicklung eines Regeleditors zur Anpassung und Erweiterung bestehender Regeln, weiterentwickelt. StatusPP ermöglicht es, durch analytische Plausibilitätsprüfungen, unplausible oder fehlerhafte neue Daten rechtzeitig zu identifizieren und mögliche Fehlerursachen auszugeben (Qualitätssicherung) sowie bereits vorhandene ("alte") zu integrieren und damit uneingeschränkt im Rahmen der Analyse von Wiederholungsinspektionen nutzbar zu machen.
Plausibilitätsprüfung
Ergebnis jeder optischen Zustandserfassung sind Inspektionsprotokolle, welche für jeden festgestellten Schaden die Art, die Position und gegebenenfalls das Ausmaß beschreiben. Diese Zustandsbeschreibungen [3, 6] liegen bei den Kommunen und Entwässerungsbetrieben digitalisiert vor und werden durch Kürzel- bzw. Kodiersysteme (z.B. nach Arbeitshilfen Abwasser [14], ATV-M 143-2 [7], DIN EN 13508-2 [8] oder hierauf aufbauende, individuell modifizierte bzw. eigene Zustandskürzel) dargestellt. Da in der Bundesrepublik Deutschland bisher kein einheitliches Kürzelsystem vorgeschrieben wurde und bestehende im Laufe der Zeit ergänzt und aktualisiert wurden, sind in einer Kanaldatenbank oft auch unterschiedliche Daten- und Kürzelformate anzutreffen.

Um auch diese wertvollen Inspektionsdaten mit hohem Informationsgehalt bezüglich des Alterungsverhaltens und der Schadensentwicklung der Kanäle insbesondere im Falle von Wiederholungsinspektionen nutzbar machen bzw. der Plausibilitätsprüfung zuführen zu können, müssen diese neu kodiert werden.

Die Plausibilitätsprüfung erfolgt bei StatusPP in drei Stufen:
  • Primäre Plausibilitätsprüfung von Inspektionsdaten: Formale Prüfung
  • Primäre Plausibilitätsprüfung von Inspektionsdaten: Logische Prüfung
  • Sekundäre Plausibilitätsprüfung, d.h. Abgleich von "neuen" und "alten" Inspektionsdaten im Rahmen von Wiederholungsinspektionen.
Primäre Plausibilitätsprüfung
Bei der primären Plausibilitätsprüfung werden die Inspektionsdaten einer fachlichen Kontrolle mittels einer formalen und logischen Plausibilitätsprüfung unterzogen.
  • Formale Plausibilitätsprüfung
In dieser 1. Stufe der Plausibilitätsprüfung wird die Syntax der Inspektionsdaten auf Zulässigkeit analysiert, d.h. es erfolgt eine formale Überprüfung der Inspektionskürzel auf Konformität mit dem ISYBAU-Austauschformat der Arbeitshilfen Abwasser [14]. Darunter ist sowohl eine Existenzprüfung eines einzelnen Kürzels für das gewählte Kürzelsystem als auch eine Kombinationsprüfung auf korrekte Gesamtheit von Schadenskürzeln und den entsprechenden numerischen und/oder textlichen Zusätzen zu verstehen.

Sollte beispielsweise in der in Tabelle 1 dargestellten Zustandsbeschreibung das Kürzel an der 3. Stelle F ("Feuchtigkeit sichtbar") durch D ("verstopft") vertauscht werden, würde dies als formaler Fehler ausgegeben werden.
Hauptkode Undichtigkeitsangabe Lage im Profil num. Zusatz
RQ F O 5,0 mm

Tabelle 1: Beispiel für die Zustandsbeschreibung RQFO (Querriss im Scheitel einer Haltung mit sichtbarem Feuchtigkeitseintritt und maximaler Rissbreite von 5 mm) nach [14]
  • Logische Plausibilitätsprüfung
In dieser 2. Stufe wird die Sinnhaftigkeit der jeweiligen Zustandsbeschreibung unter logischen Gesichtspunkten untersucht, da selbst formal korrekte Schadensbeschreibungen unter Zugrundelegung der Ordnungs-, Stamm- und Zustandsdaten sowie weiterer ortsüblicher Randbedingungen dennoch falsch bzw. nicht schlüssig sein können. Die logische Plausibilitätsprüfung unterteilt sich in die Abschnitte "haltungsspezifisch" und "schadensspezifisch".

Bei der logischen Plausibilitätsprüfung der haltungsspezifischen Angaben werden allgemein übliche Beziehungen kontrolliert. So ist z. B. ein Mauerwerkskanal in der Regel nur in Form eines Ei- oder Maulprofils üblich. Werden in den Kanalnetzdaten anders lautende Angaben gemacht, so ist zumindest dieser Sachverhalt genauer zu prüfen (Tabelle 2). Ergebnisse dieser Prüfung können daher nur Warnungen und nicht eindeutige Fehlerhinweise sein.
Nr. Beziehung / Kürzel Warnmeldung
1 Beziehung
zwischen:		 Werkstoff Profilart Bei Profilart 0:
Ein Meuerwerkskanal besitzt in der Regel ein Ei- oder Maulprofil. Bitte überprüfen Sie die Angabe!
Kürzel: MA 1, 2
Legende:Profilart:
0: Kreisprofil
1: Eiprofil
2: Maulprofil		Werkstoff:
MA: Mauerwerk
Tabelle 2: Beispiel für eine logische Beziehung zwischen haltungsspezifischen Angaben und entsprechende Warnmeldung
Im Gegensatz zu der haltungsspezifischen werden bei der schadensspezifischen logischen Prüfung direkte Fehler gesucht. So kann der Schaden "fehlender Klinker" (Hauptkode BK) nur bei einem Mauerwerkskanal auftreten (Tabelle 3).
Nr.Beziehung / KürzelFehlermeldung
1Beziehung
zwischen:		HauptkodeWerkstoffBei jeder anderen Kombination:
Dieser Schaden kann nur in Verbindung mit dem Werkstoff Steinzeug auftreten!
Kürzel:BSSTZ
2Beziehung
zwischen:		HauptkodeWerkstoffBei jeder anderen Kombination:
Dieser Schaden kann nur in Verbindung mit dem Werkstoff Mauerwerk auftreten!
Kürzel:BKMA
Legende:Hauptkode:
BK: fehlender Klinker
BS: fehlende Scherbe 		Werkstoff:
MA: Mauerwerk
STZ: Steinzeug
Tabelle 3: Beispiele für logische Beziehungen zwischen schadens- und haltungsspezifischen Angaben und entsprechende Fehlermeldungen
Sekundäre Plausibilitätsprüfung
Wenn für die untersuchten Haltungen durch Wiederholungsinspektionen mehrere Datensätze vorliegen, kann in der 3. Stufe eine erweiterte Plausibilitätsprüfung stattfinden. Dabei werden zwei oder mehr zeitlich aufeinander folgende Inspektionen einer Haltung miteinander verglichen und zusammengehörende Schadenspaare1 analysiert.

Ziel ist es, Zustandbezeichnungen zu finden, die in einer der beiden Inspektionen nicht vorkommen bzw. Schadensentwicklungen auszuschließen, die vom ingenieurtechnischen Standpunkt aus unmöglich sind. Abbildung 1 zeigt exemplarisch die Gegenüberstellung zweier Haltungsinspektionen.
Für die Analyse werden zuerst die in der älteren Inspektion existenten Schäden ihren Pendants bei der jüngeren Inspektion zugeordnet. Werden dabei potenziell korrespondierende Schadenspaare gefunden, wird für diese mit Hilfe der Fuzzy-Logik2 [15] ein Übereinstimmungsgrad ermittelt, der darüber Auskunft gibt, wie plausibel die beiden Schäden eines Schadenspaares zueinander sind. Die Einflussfaktoren für die Ermittlung des Übereinstimmungsgrades sind:
  • Lage in Längsrichtung
  • Lage im Profil
  • Schadensbeschreibung, gegliedert in
    • Hauptkodezugehörigkeit
    • Charakterisierung
    • Numerischer Zusatz.
Zur Suche nach potenziellen Schadenspaaren werden bestehende Algorithmen aus der Gruppe der sogenannten String-Matching-Algorithmen eingesetzt. Eine Untermenge dieser Algorithmen wird als "Sequence Alignment" bezeichnet. Nach eingehender Analyse dieser aus der Genforschung zum Vergleich von DNA-Strängen stammenden Algorithmen wurde die sogenannte "Levenshtein Distance" als geeignete Methode gewählt. Mit Hilfe dieser Methode werden nicht nur Zeichenketten auf Gleichheit geprüft, sondern weitere Differenzierungen zwischen eingefügten, gelöschten und veränderten Zeichen vorgenommen. Die "Levenshtein Distance" wurde für den vorliegenden Anwendungsfall der sekundären Plausibilitätsprüfung von Inspektionsdaten weiterentwickelt, um zusätzlich die Stationierung der Schäden berücksichtigen zu können. Die auf diese Weise mit hoher Genauigkeit vorgefundenen Schadenspaare werden den weiteren Analysen der oben erwähnten Einflussfaktoren unterzogen.
Das Ergebnis der Analyse eines Schadenspaares wird durch den Übereinstimmungsgrad dargestellt, der Aufschluss über die Übereinstimmungswahrscheinlichkeit der beiden zeitlich aufeinander folgenden Schäden gibt. Das unplausible "Verschwinden" von Schäden oder die aus ingenieurtechnischer Sicht unplausible Schadensentwicklung bei Wiederholungsinspektionen einer Haltung können damit zuverlässig entdeckt werden. Damit erlaubt die 3. Stufe die Identifizierung ggf. weiterer fehlerbehafteter Eingaben, die aufgrund der Fehlercharakteristika durch die primäre Plausibilitätsprüfung nicht berücksichtigt werden konnten.
Fazit
Grundvoraussetzung für alle Planungen und Entscheidungen für Betrieb, Unterhalt und Sanierung von Entwässerungssystemen sind aktuelle, plausible, vollständige und aussagekräftige Informationen. Einen besonderen Stellenwert nehmen dabei die im Rahmen der Inspektionen ermittelten Zustandsdaten ein. Sie sind maßgeblich für die Beurteilung des baulichen Istzustandes sowie des Substanzwertes und damit für die für das jeweilige Entwässerungssystem zu wählende, optimierte Instandhaltungsstrategie auf Basis der Analyse des Alterungsverhaltens und der Prognose der Schadensentwicklung.
Nach ATV-DVWK-M143-1 [2] sind alle neu erfassten Daten zu überprüfen und mit den im Kanalkataster hinterlegten Grunddaten abzugleichen. Diese als Plausibilitätsprüfung bezeichnete Maßnahme kann wegen der großen Datenmengen, der oftmals nicht einheitlichen Schadensbeschreibungen und der zeitlichen Inspektionsabstände nur mit Hilfe eines softwaregestützten Datenprüfungsmodells realisiert werden. Ein solches Modell ist StatusPP. Es ermöglicht,
  • den Anteil fehlerbehafteter und unplausibler Daten in den Kanalkatastern bzw. Kanaldatenbanken bei Kommunen und Entwässerungsbetrieben erheblich zu reduzieren, indem die Qualität neu gewonnener Inspektionsdaten überprüft und sichergestellt wird,
  • wertvolle "alte" Inspektionsdaten aus früheren Inspektionen nutzbar zu machen,
  • die Qualität von Wiederholungsinspektionen durch Vergleich mit "alten" Datenbeständen sofort zu beurteilen.
Mit der vorliegenden Plausibilitätsprüfung ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für einen konsistenten, das Netz möglichst präzise abbildenden Datenbestand und damit für sachlich richtige Datenanalysen gegeben. Dabei kann das zugrundeliegende Kürzelsystem nach den Wünschen des Kanalnetzbetreibers angepasst werden.

Plausibilitätsprüfungen im Sinne von StatusPP erfordern ein Datenbanksystem, dass eine ordnungsgemäße Datenverwaltung unterstützt. So ergibt das Rücksichern der geprüften Daten in das Kanalkataster nur dann Sinn, wenn die dort verwendete Software entsprechende Anforderungen an konsistente Datenverwendung unterstützt.
1 Schadenspaar meint die Beschreibung ein und desselben Schadens zu unterschiedlichen Inspektionszeitpunkten. Es werden also die Schadensbeschreibungen eines Schadens zu unterschiedlichen Inspektionszeitpunkten zueinander in Bezug gesetzt und damit eine Verknüpfung der Schadensbeschreibung mit einer zeitlich versetzten Instanz seiner selbst erreicht.

2 Eine Form der Entscheidungsmodellierung ist mit Hilfe von Fuzzy-Systemen möglich. Fuzzy-Logik und Fuzzy-Mengen basieren auf einer Erweiterung klassischer Logik bzw. klassischer Mengenlehre. Während dort Wahrheitswerte bzw. Mengenzugehörigkeiten entweder 0 oder 1 sind, lässt der Fuzzy Ansatz das komplette Intervall [0; 1] zu. Dadurch wird die mathematische Beschreibung einer nicht-exakten, unsicheren Realität möglich. Mit recht einfachen Mitteln können dann komplizierte Abhängigkeiten und Wechselwirkungen innerhalb eines Problems in Form linguistischer "wenn......dann..."-Regeln gefasst werden. Damit werden Fuzzy-Entscheidungssysteme konstruiert, die direkt als Kontrolleinheit fungieren können. Für die Erzeugung eines Fuzzy-Entscheidungssystems und die Formulierung der linguistischen Regeln ist gutes Fachwissen bezüglich des Problems notwendig.
Literatur
[1] DIN EN 752-5 (1996): Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden - Teil 1: Grundlagen.

[2] Merkblatt ATV-DVWK-M 143-1 (2004): Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden - Teil 1: Grundlagen.

[3] Stein, D. (1998): Instandhaltung von Kanalisationen. 3., überarbeitete und erweiterte Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin.

[4] Stein, D., Körkemeyer, K. (2003): Entwicklungen bei der TV-Inspektion von Abwasserkanälen. Beitrag zur 36. Essener Tagung vom 26. bis 28. März 2003 in Aachen.

[5] Stein, D., Körkemeyer, K., Brauer, A. (2004): Vergleichende Analyse des neuartigen PANORAMO-Inspektionssystems mit den Standardverfahren zur Inspektion von Abwasserleitungen und kanälen am Beispiel des ARGUS 4-Kamerasystems. Unveröffentlichte Expertise der Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH, Bochum im Auftrag der IBAK Helmut Hunger GmbH & Co. KG, Kiel. Bochum.

[6] Stein, R. (2004): Trends und Entwicklungen der Zustandserfassung. bi umweltbau, H. 3, S. 64-72.

[7] Merkblatt ATV-M 143-2 (1999): Inspektion/ Instandsetzung/ Sanierung/ Erneuer-ung. Teil 2: Optische Inspektion.

[8] DIN EN 13508: Zustand von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden. Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2004). Teil 2: Kodiersystem für die optische Inspektion (2003).
[9] Müller, K. (2004): Strategien der Zustandserfassung von Abwasserkanälen. In: Schriftliche Fassungen der Vorträge zur 5. Tagung "Entwicklungen in der Kanalisationstechnik" am 22. und 23. Juni 2004 im Maternushaus, Köln. S. 7/1-7/16.

[10] Berger, C., Lohaus, J., Wittner, A., Schäfer, R. (2002): Zustand der Kanalisation in Deutschland - Ergebnis der ATV-DVWK-Umfrage 2001. KA - Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall 49, H. 3, S. 302-311.

[11] Arbeitsblatt ATV-A 147-1: Betriebsaufwand für die Kanalisation. Teil 1: Betriebsaufgaben und Häufigkeiten, Entwurf April 2003.

[12] SüwVKan (1995): Gesetz- und Verordnungsblatt für das Land Nordrhein-Westfalen - Nr. 10 vom 10. Februar 1995, "Verordnung zur Selbstüberwachung von Kanalisationen und Einleitungen von Abwasser aus Kanalisationen im Mischsystem und im Trennsystem (Selbstüberwachungsverordnung Kanal - SüwVKan)", vom 16. Januar 1995, S. 64-67.

[13] Stein, D., Ghaderi, S. (2004): Entwicklung eines computerbasierten Systems zur Kontrolle und Beurteilung der Plausibilität von Inspektions- und Bestandsdaten im Rahmen der Auswertung von Wiederholungsinspektionen. Unveröffentlichter Forschungsbericht der "Arbeitsgruppe Leitungsbau und Leitungsinstandhaltung" der Ruhr-Universität Bochum, im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MUNLV NRW). Bochum.
[14] Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen / Bundesministerium der Verteidigung (Hrsg.) (2004): Arbeitshilfen Abwasser - Planung, Bau und Betrieb von abwassertechnischen Anlagen in Liegenschaften des Bundes. Berlin/Bonn.

[15] Traeger, D. H. (1993): Einführung in die Fuzzy-Logik. Teubner, Stuttgart, S. 128 f.

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