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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Handlungsempfehlungen für einen kommunalen Bauhof, wobei die Handlungsempfehlungen die Bewirtschaftung einer kommunalen Infrastruktur betreffen.
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STAND DER TECHNIK
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Kommunale Bauhöfe, auch Stadtpflegebetriebe genannt, dienen als ständige Einrichtungen von kommunalen Gebietskörperschaften der Bewirtschaftung der kommunalen Infrastruktur, beispielsweise der Reinigung und Erhaltung von Straßen und Gehwegen inklusive dem entsprechenden Winterdienst, der Grünpflege öffentlicher Anlagen oder auch der Wartung von Kanalisation und Versorgungsleitungen. Bauhöfe stellen Lager- und Betriebsstätten für Baumaterialien, Baumaschinen und weitere Gerätschaften dar und umfassen zudem typischerweise auch Büro, Umkleide- und Aufenthaltsräume für Mitarbeiter.
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Auf der Wetterlage oder der Witterung basierende Tätigkeiten kommunaler Bauhöfe werden in der Regel durch das Einsehen eines Wetterberichts durch zuständige Mitarbeiter und, bei gegebener Gefahr, durch die manuelle Überwachung gefährdeter Sektoren des zugeordneten räumlichen Bereichs der Infrastruktur gesteuert. Wird dabei ein Handlungsbedarf festgestellt, so ist beispielsweise Salz bei Schnee oder Glatteisgefahr zu streuen, oder es sind Maßnahmen zur Vermeidung von Sturmschäden zu treffen oder Grünanlagen bei anhaltender Hitze zu bewässern.
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Das manuelle Monitoring von Wetterberichten und das Überwachen von gefährdeten Bereichen sowie die anschließende Bewertung und die darauf basierende Bereitstellung von Handlungsempfehlungen sind zeitaufwändige Vorgänge, welche personelle Ressourcen binden und potentiell fehleranfällig sind.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bereitstellen von Handlungsempfehlungen für einen kommunalen Bauhof zu schaffen, welches eine ökonomisch effektive und verlässliche Alternative zum Stand der Technik darstellt.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- - Empfangen von Daten betreffend das Wetter und/oder die Witterung aus wenigstens einer Datenquelle,
- - Zuführen der Daten zu einem Auswerteprogramm auf einer Recheneinheit,
- - Verarbeiten der Daten mit dem Auswerteprogramm, insbesondere unter Verwendung eines auf Wahrscheinlichkeiten basierenden Algorithmus, eines künstlichen neuronalen Netzes, eines genetischen Algorithmus oder Fuzzy Logik, und
- - Bereitstellen der Handlungsempfehlungen durch das Auswerteprogramm.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die zeitaufwändige und fehleranfällige manuelle Sichtung und Beurteilung von Wetter- und Witterungsdaten zu ersetzen durch einen automatisierten, computergestützten Bewertungsprozess, welcher eine weitaus größere Vielzahl an relevanten Daten berücksichtigen kann und eine robuste und reproduzierbare Datenanalyse gewährleistet.
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Eine algorithmische Bewertung kann derart aufgebaut sein, dass aus Sensordaten, beispielsweise der Temperatur in Bodennähe, Eintrittswahrscheinlichkeiten für ein bestimmtes Ereignis, beispielsweise das Eintreten von Glatteis, errechnet werden. Durch die Kombination unterschiedlicher, aus Sensordaten errechneter Wahrscheinlichkeiten kann dann eine Gesamteintrittswahrscheinlichkeit für ein Ereignis, beispielsweise Glatteis, bestimmt werden.
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Neben einer algorithmischen Bewertung bieten aber vor allem auch die Möglichkeiten der künstlichen Intelligenz vielversprechende Lösungen. So ermöglicht eine Bewertung mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze, genetischer Algorithmen oder aber von Fuzzy Logik eine Anpassung der Bewertung an sich ändernde Bedingungen zur Systemlaufzeit. Diese Herangehensweisen ermöglichen zudem auch bei großen Datenmengen, die algorithmisch nur schwer oder nicht handhabbar sind, gute Prognosen.
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Die Datenverarbeitung in künstlichen neuronalen Netzen basiert, in Anlehnung an die menschliche Informationsverarbeitung, auf der Modellierung künstlicher Neuronen. Aus solchen Neuronen werden in Schichten aufgeteilte Netzwerke gebildet. Dabei sind Neuronen einer Schicht mit allen Neuronen der Nachbarschicht verbunden. In einer Eingabeschicht empfangene Daten werden über die Verbindungen gewichtet und durch das Netzwerk zu einer Ausgabeschicht geleitet, wobei die Daten innerhalb eines Neurons aufsummiert und in einer Funktion verarbeitet werden. Die Gewichte der Verbindungen werden dabei mithilfe eines Trainingsalgorithmus unter Verwendung von Trainingsdaten an eine Aufgabe angepasst, um das Netzwerk zu optimieren.
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Die Datenverarbeitung mittels genetischer Algorithmen basiert, in Anlehnung an die natürliche Evolution, auf der Definition einer Funktion, welche durch Variablen gekennzeichnet ist, die über einen Trainingsalgorithmus unter Verwendung von Trainingsdaten an eine Aufgabe angepasst werden. Der Trainingsalgorithmus nutzt dazu eine Population von Lösungsmöglichkeiten, die untereinander zufällig kombiniert und über eine Bewertungsfunktion bewertet werden. Die besten Lösungen werden ausgewählt und der Vorgang wird solange iteriert, bis eine optimale Lösung entsteht.
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Grundlage der Datenverarbeitung mithilfe der Fuzzy Logik sind unscharfe Mengen, welchen ein Element zu einem bestimmten Grad angehört und nicht wie in traditionellen Mengen zugehörig oder nicht zugehörig ist. Über ein solches Vorgehen ist beispielsweise ein Messwert mit unscharfen menschlichen Begriffen, wie z. B. „warm“ oder „kalt“ im Falle einer Temperaturmessung verknüpfbar.
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Auf die beschriebene Weise entsteht ein Verfahren, welches bei der Generierung von lokalen Witterungsprognosen und Handlungsempfehlungen für kommunale Bauhöfe betreffend ein zu überwachendes Gebiet wesentlich zuverlässiger arbeitet als aus dem Stand der Technik bekannt.
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In vorteilhafter Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zudem folgenden vorangehenden Verfahrensschritt: Installieren von wenigstens einer, insbesondere autark betreibbaren, Messstation zur Erfassung von Wetterdaten innerhalb eines örtlichen Bereichs der kommunalen Infrastruktur zur Bildung der Datenquelle. Zur Aufnahme der Messdaten können dabei modular unterschiedliche Sensoren an einer Messstation angeordnet sein. Vorzugsweise wird ein ganzes Netzwerk an Messstationen zur Datenerfassung aufgebaut, welche eine sektorweise Überwachung des gesamten Zuständigkeitsbereichs des Bauhofs ermöglicht und/oder die gezielte Überwachung von ausgezeichneten Teilbereichen, beispielsweise vielbefahrenen Straßenkreuzungen. Die Energieversorgung der wenigstens einen Messstation geschieht dabei über Batteriebetrieb, oder Energy Harvesting, z.B. Photovoltaik, oder über das Energieversorgungsnetz.
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Vorzugsweise wird die Messstation mit einer Drahtlosübertragungsschnittstelle bereitgestellt, wobei das Empfangen der Daten aus der Messstation als Datenquelle mittels Drahtlosübertragung ausgeführt wird.
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Die Messdaten werden beispielsweise über Funk, etwa WLAN, Bluetooth oder Mobilfunk, oder optische Freiraumkommunikation übermittelt. Insbesondere bei Verwendung einer Vielzahl an Messstationen dient vorzugsweise ein separater Server zur Sammlung und zentralen Weitergabe der Messdaten der unterschiedlichen Messstationen.
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Mit weiterem Vorteil wird die Messstation als eine mobile Einheit bereitgestellt. Dadurch kann eine bedarfsangepasste Positionierung der Messstation erfolgen, beispielsweise bei jahreszeitlich unterschiedlichen Messaufgaben oder bei Verwendung einer Vielzahl an Messstationen zum kurzfristigen Ersatz von defekten Messstationen.
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In vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Datenquelle als eine Messstation vorbeschriebener Art und/oder als eine offene Datenquelle bereitgestellt. Durch die Kombination von Daten aus lokalen, bedarfsgerecht positionierten Messstationen und von zusätzlichen Daten aus offenen Datenquellen wird die Bewertungsgrundlage für das Bereitstellen von Handlungsempfehlungen erweitert und die Handlungsempfehlungen somit belastbarer und zuverlässiger. Insbesondere sind die mittels der Messstationen erhobenen und die aus der offenen Datenquelle bezogenen Daten komplementär zueinander. Es stellt einen wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, dass die Menge an verarbeitbaren Eingangsdaten signifikant größer gewählt werden kann als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten, manuellen Bewertungsverfahren.
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Insbesondere wird die offene Datenquelle vorteilhaft als eine Onlineplattform bereitgestellt. Über das Internet stehen potentiell relevante Wetter-, Witterungs- und Klimadaten von einer Vielzahl an Wetterdiensten zur Verfügung.
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Die von den Datenquellen empfangenen Daten betreffend das Wetter und/oder die Witterung umfassen vorzugsweise wenigstens einen Temperaturwert und/oder einen Windgeschwindigkeitswert und/oder einen Luftfeuchtigkeitswert und/oder einen Luftdruckwert und/oder einen Niederschlagsmengenwert und/oder einen Gewässerpegelstand und/oder einen Helligkeitswert. Das Wetter beschreibt dabei den jeweils aktuellen Zustand der Atmosphäre, während der Wetterverlauf in einem bestimmten Zeitabschnitt als die Witterung bezeichnet wird.
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In vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Auswerteprogramm als ein künstliches neuronales Netz bereitgestellt. Ein solches künstliches neuronales Netz umfasst eine Eingabeschicht, eine oder mehrere Zwischenschichten (Hiddenlayer) sowie eine Ausgabeschicht. In der Eingabeschicht wird je eine Messgröße auf ein Neuron gegeben. Die Messwerte werden innerhalb eines Neurons in einer Funktion weiterverarbeitet und in den Zwischenschichten weiterverarbeitet. Dabei werden die Werte zwischen den einzelnen Neuronen gewichtet und in den Neuronen der Folgeschicht aufsummiert. An den Neuronen der Ausgabeschicht können die fertig verarbeiteten Ausgabedaten abgegriffen werden. Dabei steht im Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Ausgabeneuron für eine Witterungsbedingung bzw. eine Wetterwarnung, z. B. eine Glatteiswarnung, und der im Neuron gespeicherte Wert für das Vorhandensein einer solchen Warnung. Aus den vom künstlichen neuronalen Netz generierten lokalen Witterungsprognosen werden im folgenden Schritt in einem Verarbeitungsmodul die Handlungsempfehlungen generiert.
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Solche künstlichen neuronalen Netze werden bereits in vielen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise können mit Hilfe solcher Netze Gefahren im Straßenverkehr durch Autos erkannt und darauf reagiert werden. Sie eignen sich dabei vor allem bei komplexen Problemstellungen die durch herkömmliche Algorithmen nur schwer oder nicht zufriedenstellend bearbeitet werden können.
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Zudem müssen solche Netze anhand bestehender Daten trainiert werden, was aber zugleich die Anpassungsfähigkeit des Netzes an sich ändernde Daten ermöglicht. Eine solche Anpassung geschieht bei dem vorliegenden, erfindungsgemäßen Verfahren durch fortlaufendes Einpflegen kürzlich vergangener Daten in eine entsprechende Datenbank, in der sie als Lerndatensätze abgelegt sind. Durch Verwendung dieser Lerndatensätze in einem Lernalgorithmus trainiert und verbessert sich das künstliche neuronale Netz fortlaufend.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten Handlungsempfehlungen umfassen beispielsweise wenigstens den Winterdienst und/oder die Straßenreinigung und/oder die Straßenerhaltung und/oder die Grünpflege öffentlicher Flächen und/oder Räumarbeiten und/oder Kontrollmaßnahmen und/oder Schutzmaßnahmen.
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In vorteilhafter Ausführungsform schließen folgende Verfahrensschritte an die vorgenannten Schritte an:
- - Erstellen von Aufgaben basierend auf den Handlungsempfehlungen, und
- - Zuordnen der Aufgaben zu Mitarbeitern des Bauhofs.
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Beim Zuordnen der generierten Aufgaben zu einem Mitarbeiter wird sich beispielsweise an in einer Datenbank hinterlegten Zuständigkeiten orientiert. Eine solche Aufgabe kann im Fall einer Glatteisgefahr dann beispielsweise das Streuen von Salz durch den entsprechenden Mitarbeiter des Bereitschaftsdienstes des kommunalen Bauhofs sein. Die erstellte und zugeordnete Aufgabe bekommt der Mitarbeiter beispielsweise an seinem PC oder Handy über einen Webbrowser bzw. über eine App in einem Kanbanboard angezeigt. In diesem kann er die Aufgabe bis zur Erledigung abarbeiten. Das Backend für die entsprechende Webapp und Handyapp wird von einem entsprechenden Webserver zur Verfügung gestellt.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Darstellung umfasst den kommunalen Bauhof 1 mit einem Mitarbeiter 11 in einem Betriebsfahrzeug sowie den örtlichen Bereich 3, welcher den Zuständigkeitsbereich des Bauhofs 1 darstellt, insbesondere ein Gemeindegebiet mitsamt seiner kommunalen Infrastruktur.
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Zur Erfassung von lokalen Wetter- und Witterungsdaten aus dem örtlichen Bereich 3 dienen die Messstationen 21, welche als Datenquellen 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens fungieren. Der örtliche Bereich 3 ist in die Sektoren 30 unterteilt, welche beispielsweise unterschiedliche Zonen einer Gemeinde, etwa Wohngebiete oder Grünanlagen, repräsentieren können, welchen jeweils andere Tätigkeiten des Bauhofs 1 zugeordnet sind. Die Messstationen 21 sind vorzugsweise als autarke und mobile Einheiten ausgebildet und verfügen über geeignete Schnittstellen zur Drahtloskommunikation 4, beispielsweise WLAN, Mobilfunk oder Bluetooth.
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Die offene Datenquelle 22 stellt eine komplementäre Datenquelle 2 für das erfindungsgemäße Verfahren dar, insbesondere repräsentiert die offene Datenquelle 22 internetbasierte Angebote von Wetterdiensten.
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Der erste Verfahrensschritt besteht im Empfangen 100 der Wetter- und Witterungsdaten aus den vorgenannten Datenquellen 2. Diese Daten stellen die Grundlage zur Einschätzung des Handlungsbedarfes für den Bauhof 1 dar. Das Zuführen 200 der Daten zu dem erfindungsgemäßen Auswerteprogramm auf einer Recheneinheit erfolgt beispielsweise kontinuierlich oder zu festgesetzten Zeitpunkten, etwa zu Beginn einer Mitarbeiterschicht. Das Verarbeiten 300 der Daten mit dem Auswerteprogramm resultiert in detaillierten und zuverlässigen Witterungsprognosen für die einzelnen Sektoren 30 des örtlichen Bereichs 3, woraus das Bereitstellen 400 der Handlungsempfehlungen durch das Auswerteprogramm folgt.
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Vorzugsweise werden Temperaturen in Bodennähe sowie höheren Lagen, Luftfeuchtigkeiten, Luftdrücke, Helligkeitswerte, Flusspegelstände und Regenmengen über die Messstationen 21 sowie Wetterwarnungen aus einer Internetdatenquelle 22 erfasst. Diese Daten dienen als Eingangswerte für die Eingabeschicht eines künstlichen neuronalen Netztes, welches die Daten in mehreren Zwischenschichten weiterverarbeitet und in einer Ausgabeschicht Wetterwarnungen ausgibt. Basierend auf den Wetterwarnungen werden algorithmisch Handlungsempfehlungen ermittelt.
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Die bereitgestellten Handlungsempfehlungen ermöglichen das Erstellen 500 von entsprechenden Aufgaben und deren anschließendes Zuordnen 600 zu verfügbaren Mitarbeitern 11 des Bauhofs 1. Das Zuordnen 600 der Aufgaben wird vorzugsweise ebenfalls automatisiert und computergestützt durchgeführt, und berücksichtigt beispielsweise in einer Datenbank hinterlegte Zuständigkeiten und/oder Fähigkeiten der diversen Mitarbeiter, etwa das Vorhandensein eines Führerscheins zum Betrieb von speziellen Baufahrzeugen. Nach vollständigem Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewirtschaftung der kommunalen Infrastruktur innerhalb des örtlichen Bereichs 3 durch das Durchführen 700 der erteilten Aufgaben dargestellt.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen oder Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Empfangen von Daten
- 200
- Zuführen der Daten
- 300
- Verarbeiten der Daten
- 400
- Bereitstellen der Handlungsempfehlungen
- 500
- Erstellen von Aufgaben
- 600
- Zuordnen der Aufgaben
- 700
- Durchführen der Aufgaben
- 1
- Bauhof
- 11
- Mitarbeiter
- 2
- Datenquelle
- 21
- Messstation
- 22
- offene Datenquelle
- 3
- örtlicher Bereich
- 30
- Sektor
- 4
- Drahtlosübertragung
