Papiergestützte Befahrungsprotokolle als Datengrundlage der Kanalsanierungsplanung auf Netzebene

Der Wasseraufbereitungswagen der Stadtentwässerung Goslar bei der Arbeit

Netzbezogene Sanierungsstrategien im Sinne des DWA-Merkblatts 143-14 erfordern als Datengrundlage eine flächendeckende Zustandsbeschreibung des Gesamtnetzes. Relevant ist neben der Zustandsklassifizierung (z.B. nach ATV) auch eine Substanzklassifizierung, welche den Abnutzungsvorrat beschreibt und – mit Hilfe eines Alterungsmodells – eine Prognose der Restnutzungsdauer erlaubt. Relevant ist dieses Thema auch im Zuge der geforderten Inspektion und Sanierung von Hausanschlüssen. Aus technisch-wirtschaftlicher Sicht ist es im Regelfall zweckmäßig den Zeitplan der Hausanschlusssanierung auf den Erneuerungsbedarf der Haltungen abzustimmen.

Für das von der Eurawasser Betriebsführungsgesellschaf mbH betriebene Kanalnetz der Stadtentwässerung Goslar GmbH lag ein flächendeckender flächendeckender Zustandsbefund aller Haltungen in Form von ausgedruckten Befahrungsprotokollen vor. Diese Datenlage ist nicht ungewöhnlich und führt häufig dazu, dass die Zustandsbefunde zwar für die projektbezogene Sanierungsplanung herangezogen werden, in der netzbezogenen Planung aber unberücksichtigt bleiben. Diese stützt sich dann auf grobe Anhaltspunkt für den Netzzustand, wie z.B. die Altersverteilung, und erfordert aufwändige gebietsbezogene Wiederholungsbefahrungen. In Goslar wurden stattdessen die ausgedruckten Befahrungsprotokolle verlustfrei in die Kanaldatenbank importiert. Auf diese Weise wurde zeitnah und kostengünstig ein flächendeckender detaillierter Zustandsbefund bereitgestellt, dessen Qualität nach rechnerischer Aktualisierung eine fundierte netzbezogene Sanierungs- und Inspektionsplanung ermöglicht. Der Bedarf an Wiederholungsbefahrungen beschränkt sich auf die projektbezogene Vorbereitung von Sanierungsmaßnahmen sowie die turnusmäßige Befahrung von ca. 10% des Kanal netzes pro Jahr.

Sanierungsstrategien für das Kanalnetz Goslar

Die Eurawasser Betriebsführungsgesellschaft mbH, Niederlassung Goslar, ist ein privater Umweltdienstleiter mit dem Kerngeschäft Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung. Neben dem Kerngeschäft zeichnet die Eurawasser am Standort Goslar zusätzlich für das Hausanschlussmanagement sowie für die Straßenreinigung und Teile des Winterdienstes Verantwortung. Investitionen in das Abwassernetz sowie in die technischen Anlagen werden in Goslar durch die Stadtentwässerung Goslar GmbH (SGG) finanziert und umgesetzt. Die SGG setzt sich aus den Gesellschaftern Stadt Goslar (51%) und der Eurawasser Aufbereitungs- und Entsorgungsgesellschaft mbH (49%) zusammen.

Die Unesco-Welterbestadt Goslar verfügt über ein ca. 433 km langes öffentliches Kanalnetz. Durch die enge Bebauung der historischen Altstadt mit ihren zum Teil 400 Jahre alten Gebäuden ist die Sanierung der Kanäle enorm anspruchsvoll. Um auch den kommenden Generationen ein leistungsfähiges Abwassernetz zu hinterlassen, investiert die Stadtentwässerung Goslar GmbH im erheblichen Umfang in die Werterhaltung der Anlagen und Netze. Abb. 1 zeigt einen modernen Wasseraufbereitungswagen der SGG. Dabei verfolgt die SGG die Mehrspartenstrategie, um Synergieeffekte mit den verschiedensten Straßenbaulast- und Versorgungsträgern zu nutzen. Zum anderen wird die Substanzwertstrategie verfolgt, um durch Festlegung mittelfristiger Budgets den Erhalt des Wirtschaftsgutes Kanal zu gewährleisten. Durch die Verfügbarkeit digitaler Zustand- und Bestandsdaten innerhalb eines geographischen Informationssystems ist es der Eurawasser Betriebsführungsgesellschaft möglich, Sanierungen plausibel, bedarfsgerecht und transparent zu planen und umzusetzen.

Verfügbare Befahrungsprotokolle

Zur flächendeckenden Dokumentation des Erhaltungszustands eines größeren Kanalnetzes müssen Befahrungsbefunde mehrerer Jahre ausgewertet werden, die zum Teil bis zu zehn Jahre alt sein können. Maßgeblich für die Auswertbarkeit der Protokolle ist die Qualität der Inspektionen, die – örtlich unterschiedlich – etwa ab der Jahrtausendwende den damals beobachteten Haltungszustand realistisch abbildet. Auch bei ausreichender Abbildungsqualität weisen ältere Befahrungsprotokolle in der Regel mehrere der folgenden Defizite auf, die einen Import der Daten in eine Kanaldatenbank erschweren:

a) Papierausdrucke ohne DV-lesbare Dokumentation in unterschiedlicher Druckqualität

b) ungenormte (TV-firmenspezifische) Blattformatierungen

c) ungenormte Zeilenformate

d) Lesefehler bei der Schrifterkennung

e) inkonsistente Straßennamen (Inspektionsname abweichend von Bestandsname)

f) Straßenbezogene Schachtnummern

(meist zweistellig)

g) inkonsistent dokumentierte Endstränge und Zwischenschächte

h) ungenormte Zustandskürzel oder

i) fehlende Zustandskürzel (nur Langtexte)

j) Schadensmaße im Langtext

Die genannten Defizite konnten im Ingenieurbüro Hochstrate durch eine computergestützte halbautomatische Bearbeitung unter Verwendung hauseigener Software wirtschaftlich effizient behoben werden. Der Inhalt der Protokolle wurde im ISYBAU’96-Format an den Netzbetreiber übergeben.

Datentransformation

Die Datentransformation dient dazu, die o.g. Defizite der ausgedruckten Befahrungsprotokolle zu beheben.

a) Scannen und Schrifterkennung

Scannersoftware: Befahrungsprotokolle sind teilweise schräg ausgedruckt. Dies kann dazu führen, dass beim Auslesen die linke Hälfte einer Zeile fehlerhaft mit der rechten der Folgezeile kombiniert wird. Eingesetzt wird deshalb eine Scannersoftware welche eine Schräglage korrigiert. Schrifterkennung (OCR): Die Schrifterkennung erfolgt mit Standardsoftware. Diese speichert den Text zusammen mit dem Bild des Protokolls in die eine PDF-Datei. Textdatei: Aus der PDF-Datei wird eine zeilentreue Textdatei extrahiert. Kontrast: Die Schrift des Originaldokuments muss einen Mindestkontrast aufweisen. Diese Bedingung wurde von nur fünf (von 4.000) Blättern nicht erfüllt.

b) Blattformate

Jede TV-Firma hat ihr eigenes Blattformat, das sich etwa alle zwei Jahre ändert. Es kann also in einem Netz bis zu zwei Dutzend Blattformate geben, die sich nicht alle in der ersten Zeile unterscheiden. Die Identifikation des Blattformats erfolgt anhand von bis zu drei Suchstrings in drei vorgegebenen Zeilen. In Goslar gab es nur sieben fundamental unterschiedliche Blattformate mit insgesamt 72 Varianten (bei 4000 Blättern). Die Erfassung dieser Blattformate in einer Tabelle erforderte etwa ½ Manntag einer EDV-Hilfskraft.

c) Zeilenformate

Abweichend von EDV-Standards (z.B. ISYBAU’96) sind die Datenfelder nicht durch eindeutige Spaltenpositionen verortet, insbesondere weil die Schrifterkennung willkürlich Leerzeichen einfügt. So können z.B. die Auslesespalten für die Positionierung durch den Suchstring „#.##“ gefunden werden (Ziffer, Punkt, Ziffer, Ziffer). Da es auch 100 m lange Haltungen gibt, werden die beiden vorangehenden Spalten mitgelesen. Im Datensatz Goslar mussten 317 Zeilenformate definiert werden. Die große Zahl erforderlicher Zeilenformate resultiert daraus, dass kleine Variationen (z.B. Zeile mit und ohne Bildnummer) mit unterschiedlichen Zeilenformaten auszulesen sind. Die Definition der Zeilenformate erforderte 5 Manntage einer EDV-Hilfskraft.

d) Lesefehler bei der Schrifterkennung

Im Durchschnitt treten auf jedem Blatt mehrere Lesefehler auf, diese lassen sich nach Übertragung der Daten in Tabellenform durch softwaregestützte Plausibilitätsprüfung z.B. anhand von Referenztabellen weitestgehend ermitteln:

– Kürzel → Kürzelkatalog

– Straßennamen → Kanaldatenbank

– Positionierungen – aufsteigende

Ordnung

– Freitext → Rechtschreibprüfung

– Leerzeichen: Die Schrifterkennung
(OCR) fügt ohne erkennbare Regel zusätzliche Leerzeichen ein (z.B. zwischen Position, Kürzel und Lang text, aber auch zwischen den Wör tern des Freitextes) diese werden softwaregestützt ignoriert. Das Sel be gilt für Leerzeilen im ASCII-Text.

e) Inkonsistente Straßennamen

(z.B. Bestandsname „Sesamstraße“, Inspektionsname „B6“).

f) Straßenbezogene Schacht- und Haltungsnummern (z.B. „R03“)

Vor dem Import der Befahrungsdaten in die Kanaldatenbank werden den Befahrungen eindeutige Haltungs- und Schachtnummern (in Goslar 9-stellig), zugeordnet. Datengrundlage dafür waren Planausschnitte mit straßenbezogenen Schachtnummern. Diese wurden zusammen mit den Befahrungs-Straßennamen am Bildschirm den Bestands-Schächten zugeordnet. Diese Planausschnitte müssen nicht maßstäblich sein, da die Schachtnummern visuell übertragen werden.

g) In Einzelfällen gibt es Endstränge und Zwischenschächte in den Befahrungsdaten, die im Bestand nicht dokumentiert sind und umgekehrt. Hier wurde die Kongruenz vom Netzbetreiber hergestellt.

h) Ungenormte Zustandskürzel wurden zunächst als Lesefehler erkannt und dann durch Suchen-Ersetzen aktualisiert.

i) Fehlende Zustandskürzel

Es gibt ältere Befahrungsprotokolle, mit ausschließlich verbaler Schadensbeschreibung ohne Kürzel. Hier wurden die Texte in die Spalte einer Access-Tabelle geschrieben, die eindeutig indiziert ist und Duplikate nicht zulässt (in Goslar 472. unterschiedliche Langtexte). Den Langtexten werden in einer zweiten Spalte manuell die entsprechenden Kürzel zugeordnet, die dann in das Protokoll eingefügt werden.

j) Schadensmaße (z.B. Rissbreite und Position/Uhr) stehen im Befahrungsprotokoll häufig nur im Langtext, der bei der Transformation in das ISYBAU’96-Format nicht ausgewertet wird. Sie wurden aus dem Langtext extrahiert und in ein separates Datenfeld geschrieben.

Fazit:

Als Ergebnis der Datentransformation lag der Inhalt der Befahrungsprotokolle – ergänzt um bestandsorientierte Haltungs- und Schachtnummern – in Form von zwei Tabellen vor (Haltungs- und positionsbezogene Daten) die durch eindeutige Schlüssel verknüpft waren. Die Umwandlung in das gewünschtes Ausgabeformat ISYBAU’96 war trivial.

Zeitaufwand, Kosten und Nutzen im Vergleich zu einer Neubefahrung

Der Zeitaufwand der Protokollauswertung beträgt – je nach Netzgröße – einige Monate, während die Neubefahrung in der Praxis (auch aus Kostengründen) einige Jahre erfordert. Als grober Richtwert liegt der Zeitaufwand also bei 1/12 der Neubefahrung.
Die Kosten sind pro Haltung etwa so hoch wie eine Neubefahrung pro Meter. Daraus resultieren Kosten von etwa 1/40 im Verhältnis zur Neubefahrung.
Der Nutzen der Protokollauswertung ist für die projektbezogene und die netzbezogene Sanierungsplanung unterschiedlich. Für die projektbezogene Sanierungsplanung einzelner Straßenzüge sind 10 Jahre alte Zustandsdaten wenig hilfreich. Bereits nach 8 Jahren ist zu erwarten, dass der Zustand von 2/3 der Haltung aktuell um mindestens eine Klasse schlechter ist als im Befahrungsprotokoll dokumentiert (Abb. 2). Für die netzbezogene Sanierungsplanung ist ein veraltetes Zustandsbild etwas informativer als vollständig fehlende Zustandsdaten, allerdings verfälschen Zustandsdaten mit stark unterschiedlichem Alter die räumliche Schadenverteilung im Netz (Dies Problem besteht natürlich auch, wenn alle Zustandsdaten originär digital erfasst wurden.).
Wirklich aussagekräftig werden die aus der Protokollauswertung gewonnenen Zustandsdaten durch rechnerische Alterung, d.h. Aktualisierung auf das aktuelle Betrachtungsjahr. Mit dem Selben Alterungsmodell kann natürlich auch die zukünftige Zustandsverschlechterung beschrieben werden. Die Qualität der Zustandsprognose ist hoch. In einem untersuchten Fallbeispiel wurde der Zuwachs der (schlechtesten) Prioritätsklasse PK1 von 1995 bis 2004 von 11% auf 21% prognostiziert. Tatsächlich stieg er von 11% auf 25% (Quelle: Bürogemeinschaft Stein/Hochstrate (2004), S. 191 -198). Die hohe Prognosequalität gilt für große Stichproben (ab ca. 100 Haltungen) und ist damit relevant für die Auswahl von Sanierungsgebieten und die Budgetplanung. Haltungsbezogen ist ein aufgrund von Alterung errechneter vordringlicher Schaden nicht als Sanierungsbedarf, sondern als Informationsdefizit und ggf. als Inspektionsbedarf zu interpretieren.

Fazit

Die Auswertung der ausgedruckten Befahrungsprotokolle kann eine Neubefahrung nicht ersetzen. Andererseits liefert sie in Verbindung mit einer Zustandsprognose zeitnah und kostengünstig ein flächendeckendes Zustandsbild, welches für die Netz- und gebietsbezogene Sanierungsplanung hinreichend aussagekräftig ist und eine am Informationsdefizit orientierte Festlegung zukünftiger Inspektionsgebiete ermöglicht.

Aktualisierung der Zustandsbefunde durch rechnerische Alterung

Das DWA-Merkblatt 143(14) „Sanierungsstrategien“ empfiehlt Alterungsmodelle für die „Substanzwertstrategie“, die der Bestandswertsicherung des Kanalnetzes und der damit verbundenen Budgetplanung dient. Für derartige Planungen auf Netzebene ist der behebbare Ausfall (= vordringlicher Reparaturschaden) vom endgültigen Ausfall (= vordringlicher Substanzschaden) zu unterscheiden. Zur Prognose dieser beiden Ereignisse werden zwei Zustandsklassen verwendet, die Prioritätsklasse PK und die Substanzklasse ZK, deren Berechnung in Abb. 3 und Abb. 4 anhand eines Zahlenbeispiels erläutert wird.

Die rechnerische Alterung wird auf der Grundlage des haltungsbezogenen Inspektionsbefunds (PK, ZK) und des Alters der Haltung im Inspektionsjahr mit Hilfe netzspezifischer Zustandsübergangsfunktionen bestimmt. Ergebnis dieser Prognose sind die geschätzten Zustandsübergangsjahre zwischen den ganzzahligen Prioritäts- und Substanzklassen, die zum Teil in der Vergangenheit und zum Teil in der Zukunft liegen. Diese Zahlen erlauben für das aktuelle und jedes gewählte Prognosejahr eine flächendeckende haltungsscharfe Beschreibung des geschätzten Netzzustands, sowie des Reparatur- und Erneuerungsbedarfs. Diese Datengrundlage ist z.B. auch hilfreich bei der gebietsbezogenen zeitlichen Staffelung der Inspektion und Sanierung privater Hausanschlüsse.

Fazit

Flächendeckende Inspektionsbefunde – die nur als Papierausdruck vorliegen – werden häufig nicht digital aufbereitet, so dass das in der Kanaldatenbank dokumentierte Zustandsbild des Netzes bis zur nächsten Wiederholungsbefahrung über Jahre hinweg unvollständig bleibt. Damit fehlt eine wichtige Planungsgrundlage für gesamtnetzbezogene Sanierungsplanungen, wie z.B. die gebietsbezogene zeitliche Staffelung der Inspektion und Sanierung privater Hausanschlüsse. Ursächlich ist die Überschätzung der Schwierigkeiten und Kosten der Aufbereitung ausgedruckter Dokumente. Tatsächlich ermöglicht die Kombination von Datenaufbereitung und rechnerischer Aktualisierung die zeitnahe und kostengünstige Erstellung eines flächendeckenden Zustandsbilds des Kanalnetzes (einschließlich Zustandsprognose), dessen Qualität für Gebiets- und budgetbezogene Planungen ausreicht. Wiederholungsinspektionen können dann auf den gesetzlich vorgegebenen Mindestumfang beschränkt und für Zwecke der objektbezogenen Sanierungsplanung und der Behebung erkannter Informationsdefizite genutzt werden.n

Klaus Hochstrate, Lippstadt und Marco Zeyen, Goslar