DE102019213530A1 - Method and device for operating a water distribution system - Google Patents

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DE102019213530A1
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Ernst Kloppenburg
Kathrin Skubch
Nils Horstmeyer
Eric Sebastian Schmidt
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems (1), mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen (S1, S2) von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem (1);
- Ermitteln (S3) einer Stellgrößenangabe (S) zum Betreiben einer Pumpstation (3) mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten;
- Betreiben (S5) mindestens einer Pumpe der Pumpstation (3) abhängig von der Stellgrößenangabe (S), um eine Pumpleistung bereitzustellen;dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmodell ein datenbasiertes trainierbares Modell, insbesondere ein Gaußprozessmodell, umfasst, das trainiert ist, um die Stellgrößenangabe (S) abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass Druckschwankungen an Zapfstellen des Leitungsnetzes reduziert werden.

Figure DE102019213530A1_0000
The invention relates to a method for operating a water distribution system (1), with the following steps:
- Provision (S1, S2) of operating data and / or demand data for the water distribution system (1);
- Determination (S3) of a manipulated variable specification (S) for operating a pumping station (3) with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data;
- Operating (S5) at least one pump of the pumping station (3) as a function of the manipulated variable specification (S) in order to provide a pump power; characterized in that the operating model comprises a data-based trainable model, in particular a Gaussian process model, which is trained to provide the manipulated variable specification (S) to be provided as a function of the operating data and / or the demand data in such a way that pressure fluctuations at the tapping points of the pipeline network are reduced.
Figure DE102019213530A1_0000

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft Wasserverteilungssysteme, und insbesondere Maßnahmen für einen energie- und wasserverbrauchseffizienten Betrieb eines Wasserverteilungssystems.The invention relates to water distribution systems, and in particular to measures for an energy- and water-consumption-efficient operation of a water distribution system.

Technischer HintergrundTechnical background

Trinkwasser wird über verzweigte Wasserleitungssysteme in die Haushalte oder Produktionsstätten einer Stadt oder einer Ortschaft verteilt. Zu einem Wasserleitungssystem gehören in der Regel eine Wasserbereitstellungsstation, ein Wasserspeicher, eine oder mehrere Pumpstationen bzw. Druckerhöhungsstationen sowie ein Leitungsnetz mit Wasserleitungsrohren und Zapfstellen üblicherweise in den angeschlossenen Haushalten und Produktionsstätten. Um eine störungsfreie Versorgung mit Trinkwasser zu gewährleisten, ist es notwendig, dass jederzeit ein Wasserdruck vorliegt, der dafür sorgt, dass Wasser an den Zapfstellen entnommen werden kann. Gleichzeitig darf dieser Wasserdruck ein Maximum nicht übersteigen, so dass es zu keinen Schäden der Leitungen und/oder Energie- oder Wasserverlusten (Druckminderungsventile) kommt.Drinking water is distributed to households or production facilities in a city or town via branched water pipe systems. A water supply system usually includes a water supply station, a water storage tank, one or more pumping stations or pressure boosting stations and a network with water pipes and taps, usually in the connected households and production facilities. In order to ensure a trouble-free supply of drinking water, it is necessary that there is always a water pressure that ensures that water can be drawn from the taps. At the same time, this water pressure must not exceed a maximum so that there is no damage to the lines and / or energy or water losses (pressure reducing valves).

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems und ein Wasserverteilungssystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for operating a water distribution system according to claim 1 and a device for operating a water distribution system and a water distribution system according to the independent claims are provided.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements are given in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems vorgesehen, mit folgenden Schritten:

  • - Bereitstellen von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem ;
  • - Ermitteln einer Stellgrößenangabe zum Betreiben einer Pumpstation mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten;
  • - Betreiben mindestens einer Pumpe der Pumpstation abhängig von der Stellgrößenangabe, um eine Pumpleistung bereitzustellen;
dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmodell ein datenbasiertes trainierbares Modell, insbesondere ein Gaußprozessmodell, umfasst, das so trainiert ist, um die Stellgrößenangabe abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass Druckschwankungen an Zapfstellen des Leitungsnetzes reduziert werden.According to a first aspect, a method for operating a water distribution system is provided, comprising the following steps:
  • - Provision of operating data and / or demand data for the water distribution system;
  • Determination of a manipulated variable specification for operating a pumping station with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data;
  • - Operating at least one pump of the pumping station depending on the manipulated variable information in order to provide a pump output;
characterized in that the operating model comprises a data-based trainable model, in particular a Gaussian process model, which is trained to provide the manipulated variable information depending on the operating data and / or the demand data in such a way that pressure fluctuations at the tapping points of the pipeline network are reduced.

Um zu gewährleisten, dass in einem Wasserverteilungssystem zu jedem Zeitpunkt ein ausreichender Druck vorherrscht, sind herkömmlich zum einen Pumpstationen vorgesehen, die eine ausreichende Menge an Wasser in das Leitungsnetz fördern können, um auch bei einer hohen Wasserentnahme den notwendigen Leitungsdruck und Durchfluss aufrechtzuerhalten. Zum anderen sind ein oder mehrere Druckminderungsventile vorgesehen, die den Druck in dem Leitungsnetz beschränken, indem Wasser abgelassen wird.To ensure that there is sufficient pressure in a water distribution system at all times, pumping stations are conventionally provided on the one hand, which can convey a sufficient amount of water into the pipeline network in order to maintain the necessary pipeline pressure and flow even when there is a high water withdrawal. On the other hand, one or more pressure reducing valves are provided which limit the pressure in the pipe network by draining water.

Wasser, das über die Druckminderungsventile abgelassen wird, gegen einen hohen Druck in das Leitungsnetz zu pumpen, ist für die Bereitstellung von Wasser an den Zapfstellen ohne Nutzen. Der daraus aufgrund der aufzubringenden Pumpleistung resultierende Energieverlust ist bei herkömmlichen Wasserverteilungssystemen bereits sehr hoch, und es wäre daher wünschenswert, Wasserverteilungssysteme so zu betreiben, dass der Energieverlust reduziert ist.Pumping water, which is drained via the pressure reducing valves, into the pipe network against a high pressure is of no use for the provision of water at the draw-off points. The energy loss resulting therefrom due to the pump power to be applied is already very high in conventional water distribution systems, and it would therefore be desirable to operate water distribution systems in such a way that the energy loss is reduced.

Das Wasserverteilungssystem wird im Wesentlichen durch Steuerung der Pumpleistung mindestens einer Pumpstation betrieben. Die Pumpstation ermöglicht die Förderung einer Wassermenge, um einen bestimmten Druck in dem Leitungsnetz des Wasserverteilungssystems bereitzustellen. Üblicherweise bestehen in Wasserverteilungssystemen verschiedene Druckzonen, wobei üblicherweise an den Zapfstellen ein Druck von etwa 2 bar und 4 bis 6 bar an Übergangspunkten bereitgestellt werden soll. Ein Überdruck über beispielsweise 10 bar sollte dabei vermieden werden, um Schäden an dem Wasserleitungssystem (Leitungen) oder anderen Einrichtungen zu vermeiden. Der Wasserdruck in den Druckzonen wird über die Druckminderungsventile reguliert. 90% des Energieverbrauchs in einem Wasserverteilungssystem entfällt auf den Pumpverbrauch, wobei der durch das Ablassen von Wasser über die Druckminderungsventile bewirkte Energieverlust bei ungefähr 30 bis 40% liegt.The water distribution system is essentially operated by controlling the pumping power of at least one pumping station. The pumping station enables a quantity of water to be conveyed in order to provide a specific pressure in the pipe network of the water distribution system. There are usually different pressure zones in water distribution systems, with a pressure of around 2 bar and 4 to 6 bar at transition points usually being provided at the tapping points. An overpressure above 10 bar, for example, should be avoided in order to avoid damage to the water pipe system (pipes) or other facilities. The water pressure in the pressure zones is regulated via the pressure reducing valves. 90% of the energy consumption in a water distribution system is accounted for by pumping, with the energy loss caused by draining water through the pressure reducing valves being around 30 to 40%.

Ferner entstehen je nach Zapfverhalten in den Haushalten dynamische Druckschwankungen in dem Leitungsnetz, die durch bisherige Einrichtungen nicht ausreichend kompensiert werden können, da diese Einrichtungen nicht an Systemänderungen angepasst werden können.Furthermore, depending on the dispensing behavior in the household, dynamic pressure fluctuations arise in the line network, which cannot be sufficiently compensated by previous devices, since these devices cannot be adapted to changes in the system.

Das obige Verfahren sieht die Verwendung eines Prädiktionssystems vor, das mithilfe eines Betriebsmodells die Betriebsdaten und Bedarfsdaten bearbeitet, um eine bestmögliche Pumpleistung bereitzustellen. Diese Pumpleistung kann damit prädiktiv den zu erwartenden Wasserbedarf in einem Wasserverteilungssystem berücksichtigen, so dass hohe Wasserentnahmen nicht zu einer Unterschreitung eines geforderten Mindestdrucks an einer Stelle im Wasserverteilungssystem führen.The above method provides for the use of a prediction system that processes the operating data and demand data with the aid of an operating model in order to provide the best possible pump performance. This pump power can thus predictively take into account the expected water demand in a water distribution system, so that high water withdrawals do not lead to the pressure falling below the required minimum at one point in the water distribution system.

Das Betriebsmodell kann als ein trainierbares datenbasiertes Modell, insbesondere als ein Gauß-Prozess-Modell, ausgebildet sein, das mit den zur Verfügung stehenden Betriebsdaten und Bedarfsdaten eine Stellgrößenangabe, insbesondere als eine aktuell einzustellende Pumpleistung einer Pumpstation ermittelt. The operating model can be designed as a trainable, data-based model, in particular as a Gaussian process model, which uses the available operating data and demand data to determine a manipulated variable, in particular as a currently set pump output of a pumping station.

Durch die Nutzung der Bedarfsdaten wird das Betriebsmodell prädiktiv. Die Bedarfsdaten enthalten mit dem Wasserbedarf korrelierende Daten, wie z.B. Tageszeitdaten, Wochentags- und Jahreszeitinformationen (Kalenderdaten), die berücksichtigt werden können. Durch das Betriebsmodell kann in Erwartung einer verstärkten Wasserentnahme aus dem Wasserverteilungssystem die Pumpleistung erhöht werden und umgekehrt. Auf diese Weise kann ein Druckabfall unter einen vorgegebenen Mindestdruck an einer bestimmten Stelle im Wasserverteilungssystem vermieden werden. Weiterhin kann die Häufigkeit eines Überdrucks bzw. eines Ablassens von Wasser über die Druckminderungsventile bei einer Reduzierung der Wasserentnahme durch prädiktives Drosseln der Pumpleistung verringert werden, um das Ablassen von Wasser über ein Druckminderungsventil zu vermeiden.By using the demand data, the operating model becomes predictive. The demand data contain data that correlates with the water demand, such as time of day data, weekday and season information (calendar data), which can be taken into account. The operating model can increase the pumping capacity and vice versa in anticipation of increased water withdrawal from the water distribution system. In this way, a pressure drop below a predetermined minimum pressure at a specific point in the water distribution system can be avoided. Furthermore, the frequency of an overpressure or a drainage of water via the pressure reducing valves in the event of a reduction in the water withdrawal can be reduced by predictive throttling of the pump output in order to avoid draining water via a pressure reducing valve.

Durch die Nutzung des Betriebsmodells können also zum einen die Druckschwankungen innerhalb des Wasserverteilungssystems verringert werden und zum anderen kann das Unterschreiten eines Mindestdrucks verhindert und die Häufigkeit des Ablassens von Wasser über die Druckminderungsventile reduziert werden.By using the operating model, on the one hand, the pressure fluctuations within the water distribution system can be reduced and, on the other hand, falling below a minimum pressure can be prevented and the frequency of draining water via the pressure reducing valves can be reduced.

Weiterhin kann die mindestens eine Pumpe weiterhin abhängig von einer Unsicherheitsangabe zu der Stellgrößenangabe an dem durch die Betriebsdaten und/oder die Bedarfsdaten vorgegebenen Betriebspunkt betrieben werden.Furthermore, the at least one pump can continue to be operated at the operating point specified by the operating data and / or the demand data as a function of an uncertainty statement regarding the manipulated variable specification.

Es kann vorgesehen sein, dass die Betriebsdaten Drücke und/oder Durchflüsse und/oder Wassertemperaturen an mindestens einer Sensorposition in einem Leitungsnetz des Wasserverteilungssystems umfassen.It can be provided that the operating data include pressures and / or flow rates and / or water temperatures at at least one sensor position in a line network of the water distribution system.

Weiterhin können die Bedarfsdaten eine oder mehrere der folgenden Angaben über externe Bedingungen umfassen:

  • - die Tageszeit, den Wochentag und/oder die Jahreszeit,
  • - der Wetterdaten, insbesondere der Tages- und/oder Nachttemperatur und/oder einer Wolkensituation und/oder einer Regenwahrscheinlichkeit,
  • - eine Angabe über anstehende Ereignisse, die Einflüsse auf die Wasserentnahme aus dem Leitungsnetz haben.
Furthermore, the demand data can include one or more of the following information about external conditions:
  • - the time of day, the day of the week and / or the season,
  • - the weather data, in particular the day and / or night temperature and / or a cloud situation and / or a probability of rain,
  • - an indication of upcoming events that have an impact on water withdrawal from the pipeline network.

Weiterhin kann das datenbasierte trainierbare Modell trainiert sein, um die Stellgrößenangabe abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass ein geforderter Mindestdruck an einer Stelle im Wasserverteilungssystem nicht unterschritten wird und/oder dass ein vorbestimmter Maximaldruck nicht überschritten wird.Furthermore, the data-based trainable model can be trained to provide the manipulated variable information depending on the operating data and / or the demand data so that a required minimum pressure is not undershot at a point in the water distribution system and / or that a predetermined maximum pressure is not exceeded.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:

  • - Bereitstellen von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem ;
  • - Ermitteln einer Stellgrößenangabe zum Betreiben einer Pumpstation mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten;
  • - Betreiben mindestens einer Pumpe der Pumpstation abhängig von der Stellgrößenangabe, um eine Pumpleistung bereitzustellen;
wobei das Betriebsmodell ein datenbasiertes trainierbares Modell, insbesondere ein Gaußprozessmodell, umfasst, das so trainiert ist, um die Stellgrößenangabe abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass Druckschwankungen an Zapfstellen des Leitungsnetzes reduziert werden.According to a further aspect, a device, in particular a control unit, is provided for operating a water distribution system, the device being designed to:
  • - Provision of operating data and / or demand data for the water distribution system;
  • Determination of a manipulated variable specification for operating a pumping station with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data;
  • - Operating at least one pump of the pumping station depending on the manipulated variable information in order to provide a pump output;
wherein the operating model comprises a data-based trainable model, in particular a Gaussian process model, which is trained to provide the manipulated variable information depending on the operating data and / or the demand data in such a way that pressure fluctuations at tapping points of the pipeline network are reduced.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Wasserverteilungssystem mit einem Leitungsnetz, einer Pumpstation zum Bereitstellen von Wasser in das Leitungsnetz und der obigen Vorrichtung zum Ansteuern der Pumpstation zum Bereitstellen der Pumpleistung vorgesehen.According to a further aspect, a water distribution system is provided with a line network, a pumping station for providing water in the line network and the above device for controlling the pumping station for providing the pump power.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Wasserverteilungssystems;
  • 2 ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems der 1; und
  • 3 ein Verfahren zum Trainieren eines Betriebsmodells für ein Wasserverteilungssystem der 1.
Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of an exemplary water distribution system;
  • 2 a method for operating a water distribution system of the 1 ; and
  • 3 a method for training an operating model for a water distribution system of 1 .

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt ein Wasserverteilungssystem 1 mit einer Wasserbereitstellungsstation 2 zum Bereitstellen von Trinkwasser aus einem Wasserreservoir oder einer Wasseraufbereitung, einer Pumpstation 3 zum Pumpen von Trinkwasser unter einem vorbestimmten Druck, einem Leitungsnetz 4 zur Verteilung des Trinkwassers mit Wasserleitungen 41 und Zapfstellen 5 zur Entnahme von Trinkwasser durch Verbraucher. Ferner weist das Leitungsnetz Druckminderungsventile 6 auf, um an bestimmten Stellen des Leitungsnetzes den Druck in der betreffenden Wasserleitung 41 auf einen vorbestimmten Maximaldruck zu begrenzen. Das dargestellte Leitungsnetz ist nur beispielhaft für bestehende Wasserverteilungsnetze und in seiner Größe und Art der Verzweigungen beliebig erweiterbar. Die Topologie des Leitungsnetzes 4 kann vielfältig sein, und es kann ein herkömmliches, sich in Ästen verzweigendes Leitungsnetz, ein Ringleitungsnetz oder ein Maschenleitungsnetz sein. 1 shows a water distribution system 1 with a water supply station 2 for the provision of drinking water from a water reservoir or a water treatment, a pumping station 3 for pumping drinking water under a predetermined pressure, a pipe network 4th for the distribution of drinking water with water pipes 41 and taps 5 for the withdrawal of drinking water by consumers. The line network also has pressure reducing valves 6th to the pressure in the relevant water pipe at certain points in the pipe network 41 to limit to a predetermined maximum pressure. The pipeline network shown is only an example of existing water distribution networks and can be expanded as required in terms of its size and type of branches. The topology of the line network 4th can be diverse, and it can be a conventional line network branching into branches, a ring line network or a mesh line network.

Das Wasserverteilungssystem 1 wird betrieben, indem eine Pumpe in der Pumpstation 3 mit einer bestimmten Pumpleistung angesteuert wird, so dass Trinkwasser aus der Wasserbereitstellungsstation 2 in das Leitungsnetz 4 des Wasserverteilungssystems 1 gefördert wird. Dabei soll das Trinkwasser in dem Leitungsnetz 4 unter einem erhöhten Druck bereitgestellt werden, so dass an den Zapfstellen 5 das Trinkwasser mit einem Druck entnommen werden kann, der einen Mindestdruck nicht unterschreitet.The water distribution system 1 is operated by a pump in the pumping station 3 is controlled with a certain pump power, so that drinking water from the water supply station 2 in the pipeline network 4th the water distribution system 1 is promoted. The drinking water should be in the pipeline network 4th be provided under increased pressure so that at the tapping points 5 the drinking water can be withdrawn at a pressure that does not fall below a minimum pressure.

In dem Leitungsnetz 4 sind weiterhin Zustandssensoren 7 angeordnet, die Angaben zu den in dem Leitungsnetz 4 vorliegenden Drücken und/oder Durchflüssen an den Sensorpositionen der Zustandssensoren 7 angeben.In the pipeline network 4th are still condition sensors 7th arranged the information on the in the line network 4th existing pressures and / or flow rates at the sensor positions of the condition sensors 7th specify.

Üblicherweise sind für Leitungsnetze Sollleitungsdrücke von 2 bar an den Zapfstellen 5 und 4 bis 6 bar an Übergangsstellen optimal, wobei Leitungsdrücke von über 10 bar aus Gründen des Leitungsschutzes vermieden werden sollen. Zum Steuern der Druckverteilung in dem Leitungsnetz 4 wird die Pumpe der Pumpstation 3 mit einer vorbestimmten Pumpleistung angesteuert, die eine Sicherheitstoleranz aufweist, um zu erreichen, dass unabhängig von dem Zapfverhalten von Verbrauchern die Druckschwankungen minimiert sind und die Mindestdrücke nicht unterschritten werden. Die Pumpleistung bewirkt dann eine Regelung der Leitungsdrücke mit den Druckminderungsventilen 5, die zum Einstellen des Sollleitungsdrucks Trinkwasser aus dem Leitungsnetz 4 in das Abwassersystem ablassen.For pipeline networks, nominal line pressures of 2 bar are usually required at the tapping points 5 and 4th to 6th bar is optimal at transition points, whereby line pressures of over 10 bar should be avoided for reasons of line protection. For controlling the pressure distribution in the pipe network 4th becomes the pump of the pumping station 3 controlled with a predetermined pump power which has a safety tolerance in order to ensure that the pressure fluctuations are minimized and the minimum pressures are not undershot regardless of the dispensing behavior of consumers. The pump output then causes the line pressures to be regulated with the pressure reducing valves 5 that are used to set the nominal line pressure for drinking water from the mains 4th Drain into the sewer system.

Zum Schutz des Leitungsnetzes 4 sind Druckminderungsventile 6 verteilt vorgesehen, die bei einem Überdruck über den vorgegeben Sollleitungsdruck Trinkwasser aus dem Leitungsnetz 4 ablassen. Die Verteilung der Druckminderungsventile 6 sollte dabei so vorgesehen, dass in keinem Bereich des Leitungsnetzes 4 Leitungsdrücke über den vorgegebenen Sollleitungsdrücken entstehen können. Jedoch erfolgt die Verteilung der Druckminderungsventile 6 empirisch, so dass je nach Dynamik des Zapfverhaltens Druckschwankungen in dem Leitungsnetz 4 auftreten können.To protect the pipeline network 4th are pressure reducing valves 6th provided distributed, the drinking water from the mains at an excess pressure above the specified target line pressure 4th drain. The distribution of the pressure reducing valves 6th should be provided in such a way that in no area of the pipeline network 4th Line pressures above the specified nominal line pressures can arise. However, the pressure reducing valves are distributed 6th empirically, so that, depending on the dynamics of the dispensing behavior, pressure fluctuations in the pipeline network 4th may occur.

Je nach Zapfverhalten, d. h. je nach Wasserentnahme an den Zapfstellen 5, kommt es in dem Leitungsnetz 4 zu zeitlich variierenden Druckverteilungen, die gegebenenfalls zu für einen Verbraucher störenden Druckschwankungen führen. Zudem können aufgrund dynamischer Effekte Bereiche in dem Leitungsnetz 4 zeitweilig Wasserdrücke unter einem vorbestimmten Mindestdruck aufweisen, so dass eine Wasserentnahme an bestimmten Zapfstellen 5 verschlechtert ist, d. h. einen geringeren Durchfluss aufweist oder unter Umständen gar nicht mehr möglich ist.Depending on the tapping behavior, ie depending on the water drawn from the taps 5 , it comes in the pipeline network 4th to time-varying pressure distributions, which may lead to pressure fluctuations that are disruptive for a consumer. In addition, areas in the line network can be due to dynamic effects 4th temporarily have water pressures below a predetermined minimum pressure, so that water can be withdrawn from certain draw-off points 5 is deteriorated, ie has a lower flow rate or is no longer possible under certain circumstances.

Um dies zu vermeiden, können die Druckschwankungen in dem Leitungsnetz 4, insbesondere die Druckschwankungen an den Zapfstellen 5, durch Erhöhen der Pumpleistung reduziert werden, jedoch kann dies dazu führen, dass mehr Trinkwasser über die Druckminderungsventile 6 abgeleitet wird, was zu einem Energieverlust und Wasserverlust führt.To avoid this, the pressure fluctuations in the pipe network 4th , especially the pressure fluctuations at the tapping points 5 , can be reduced by increasing the pump output, however this can lead to more drinking water through the pressure reducing valves 6th which leads to a loss of energy and water.

Um den Betrieb des Wasserverteilungssystems 1 hinsichtlich Energieverbrauch und Druckschwankungen an den Zapfstellen 5 zu verbessern, wird eine Steuereinheit 10 so vorgesehen, dass diese mithilfe eines Betriebsmodells den Betrieb des Wasserverteilungssystems 1 prädiktiv steuert. Das Betriebsmodell ist dazu so ausgebildet, dass dieses abhängig von Betriebsdaten und Bedarfsdaten als Eingangsgrößen eine Stellgrößenangabe S bestimmt.To operate the water distribution system 1 with regard to energy consumption and pressure fluctuations at the draw-off points 5 to improve becomes a control unit 10 provided in such a way that they can operate the water distribution system using an operating model 1 predictive controls. For this purpose, the operating model is designed in such a way that it determines a manipulated variable specification S as input variables as a function of operating data and demand data.

Das Betriebsmodell ist als datenbasiertes trainierbares Modell ausgebildet, insbesondere als ein Gaußprozessmodell. Ein Gaußprozessmodell stellt einen universellen Funktionsapproximator dar. Verallgemeinert stellt ein Gaußprozessmodell eine Funktion dar, dessen Funktionswerte aufgrund unvollständiger Information nur mit Wahrscheinlichkeiten modelliert werden können. Mithilfe von Funktionen der Erwartungswerte, Varianzen und Kovarianzen beschreibt ein Gaußprozess die Funktionswerte als ein Kontinuum aus korrelierten Zufallsvariablen in Form einer Normalverteilung. Dies ermöglicht eine Regression auch bei fehler- oder toleranzbehafteten Eingangsgrößen und stochastisch verteilten Modellgrößen.The operating model is designed as a data-based trainable model, in particular as a Gaussian process model. A Gaussian process model represents a universal function approximator. In general, a Gaussian process model represents a function whose function values can only be modeled with probabilities due to incomplete information. With the help of functions of the expected values, variances and covariances, a Gaussian process describes the function values as a continuum of correlated random variables in the form of a normal distribution. This enables a regression even with input variables with errors or tolerances and stochastically distributed model variables.

Die Stellgrößenangabe S dient dazu, die Pumpleistung der Pumpe einzustellen. Dies kann direkt erfolgen, indem die Stellgrößenangabe S der Pumpleistung entspricht, oder indirekt, indem ein Solldruck für eine Leitungsposition unmittelbar stromabwärts der Pumpe angegeben wird, auf den die Pumpleistung geregelt wird.The manipulated variable specification S is used to set the pump output of the pump. This can be done directly by entering the manipulated variable specification S the Pump output corresponds, or indirectly, by specifying a setpoint pressure for a line position immediately downstream of the pump, to which the pump output is regulated.

Die Betriebsdaten umfassen dabei Drücke und/oder Durchflüsse, die von den Zustandssensoren 7 in dem Leitungsnetz 4 gemessen werden. Zudem können Wassertemperaturen an den Sensorpositionen der Zustandssensoren 7 erfasst und in den Betriebsdaten berücksichtigt werden.The operating data include pressures and / or flow rates from the state sensors 7th in the pipeline network 4th be measured. In addition, water temperatures can be measured at the sensor positions of the condition sensors 7th recorded and taken into account in the operating data.

Die Bedarfsdaten können eine oder mehrere der folgenden Angaben über externe Bedingungen umfassen:

  • - die Tageszeit, den Wochentag und/oder die Jahreszeit (in Form einer Angabe des Monats oder des Kalendertags),
  • - der Wetterdaten, wie z.B. der Tages und Nachttemperatur, Wolkensituation und dergleichen, einer Regenwahrscheinlichkeit,
  • - eine Angabe über anstehende Ereignisse, wie beispielsweise von Festen, Großveranstaltungen und dergleichen, die Einflüsse auf die Wasserentnahme aus dem Leitungsnetz 4 haben.
The demand data can include one or more of the following information about external conditions:
  • - the time of day, the day of the week and / or the season (in the form of an indication of the month or calendar day),
  • - the weather data, such as day and night temperature, cloud situation and the like, a rain probability,
  • - an indication of upcoming events, such as festivals, major events and the like, the influences on water abstraction from the pipeline network 4th to have.

So können anhand der Bedarfsdaten Schwankungen der Wasserverbräuche zugeordnet werden. Beispielsweise kann warmem Wetter ein höherer Wasserverbrauch zugeordnet werden.In this way, fluctuations in water consumption can be assigned on the basis of the demand data. For example, higher water consumption can be assigned to warm weather.

Durch das Berücksichtigen von Bedarfsdaten können zeit-, wetter- und ereignisabhängige Prädiktionen durchgeführt werden, so dass die Pumpleistung über die Stellgrößenangabe S entsprechend dem zu erwartenden Wasserbedarf angepasst werden kann. So kann beispielsweise der Wasserdruck in dem Leitungsnetz 4 vor einer zu erwartenden hohen Wasserentnahme im Rahmen des Zulässigen (ohne Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks) erhöht werden, um ein zu starkes Absinken des Wasserdrucks zum Zeitpunkt der hohen Wasserentnahme zu vermeiden.By taking into account demand data, time, weather and event-dependent predictions can be carried out so that the pump output can be adapted via the manipulated variable specification S in accordance with the expected water demand. For example, the water pressure in the pipe network 4th before a high water withdrawal is expected to be increased within the permissible range (without exceeding a specified maximum pressure) in order to avoid an excessive drop in the water pressure at the time of the high water withdrawal.

Zudem können bei einer zustandsbasierten Einstellung der Pumpleistung die kurzfristigen Schwankungen durch Überwachen der Drücke und Durchflüsse in dem Leitungsnetz 4 berücksichtigt werden und unmittelbar zu einem Eingriff in die Pumpleistung führen.In addition, with a state-based setting of the pump output, the short-term fluctuations can be avoided by monitoring the pressures and flow rates in the pipeline network 4th are taken into account and lead directly to an intervention in the pumping capacity.

Der Betrieb der Steuereinheit 10 erfolgt durch zyklisches Berechnen der Stellgrößenangabe S durch das Betriebsmodell. Eine Zykluszeit kann beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 20 s, vorzugsweise zwischen 1 und 10 s und insbesondere bei 1 s liegen. Alternativ kann das Betriebsmodell auch durch additives Beaufschlagen von mehreren Teilbetriebsmodellen ausgebildet sein. Die Teilbetriebsmodelle können beispielsweise die Betriebsdaten und die Bedarfsdaten separat verarbeiten und die entsprechenden Teilpumpleistungen zu einer gesamten Pumpleistung addieren. Dies hat den Vorteil, dass zum Training der Teilbetriebsmodelle insgesamt weniger Datenpunkte notwendig sind.Operation of the control unit 10 takes place by cyclically calculating the manipulated variable specification S by the operating model. A cycle time can, for example, be in the range from 0.1 to 20 s, preferably between 1 and 10 s and in particular 1 s. Alternatively, the operating model can also be formed by adding a number of partial operating models to it. The partial operating models can, for example, process the operating data and the demand data separately and add the corresponding partial pump outputs to a total pump output. This has the advantage that fewer data points are required to train the partial operating models.

Die Betriebsdaten dienen der Druckregelung in dem Leitungsnetz 4 und die Bedarfsdaten dem Bereitstellen einer ausreichenden Wassermenge an den Zapfstellen 5. Hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das die Betriebsdaten verarbeitende Teilbetriebsmodell als herkömmliche Steuerung bzw. Regelung ausgebildet wird und nur das prädizierende Teilbetriebsmodell, das die Bedarfsdaten verarbeitet, als ein datenbasiertes trainierbares Modell vorgesehen wird.The operating data are used to regulate the pressure in the pipeline network 4th and the demand data for providing a sufficient amount of water at the tapping points 5 . For this purpose, it can also be provided that the partial operating model processing the operating data is designed as a conventional control or regulation and only the predictive partial operating model that processes the demand data is provided as a data-based trainable model.

In Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 wird ein Verfahren zum Betreiben des Wasserverteilungssystems 1 beschrieben. Das Verfahren kann als ein Algorithmus in einem Mikroprozessor oder einer sonstigen Datenverarbeitungseinrichtung als Software und/oder in Hardware ausgebildet sein.In conjunction with the flow chart of the 2 becomes a method of operating the water distribution system 1 described. The method can be designed as an algorithm in a microprocessor or some other data processing device as software and / or in hardware.

In Schritt S1 werden Betriebsdaten über Drücke und/oder Durchflüsse und ggfs. der Wassertemperatur in dem Wasserverteilungssystem 1 bereitgestellt.In step S1 are operating data on pressures and / or flow rates and, if applicable, the water temperature in the water distribution system 1 provided.

In Schritt S2 werden Bedarfsdaten bereitgestellt, die Angaben über die Tageszeit, Wochentag, Jahreszeit, anstehende Ereignisse, Wetterbedingungen und sonstige den Wasserverbrauch beeinflussende Daten angeben.In step S2 demand data is provided, which provides information about the time of day, day of the week, season, upcoming events, weather conditions and other data affecting water consumption.

In Schritt S3 wird das Betriebsmodell basierend auf den Betriebsdaten und den Bedarfsdaten ausgewertet und eine Stellgrößenangabe S für die Ansteuerung der Pumpe der Pumpstation 3 ermittelt. Die Auswertung kann beispielsweise durch Bestimmen eines Erwartungswerts des als Gaußprozessmodell ausgebildeten Betriebsmodells erfolgen.In step S3 the operating model is evaluated based on the operating data and the demand data and a manipulated variable specification S for controlling the pump of the pumping station 3 determined. The evaluation can take place, for example, by determining an expected value of the operating model designed as a Gaussian process model.

In Schritt S4 wird eine Unsicherheitsangabe der Stellgrößenangabe S an dem Auswertungspunkt (Betriebsdaten und Bedarfsdaten) des Betriebsmodells ermittelt. Die Unsicherheitsangabe bzw. eine Varianz kann bei Nutzung eines Gaußprozessmodells für den betrachteten Auswertungspunkt in einfacher, an sich bekannter Weise mithilfe der Kovarianzmatrix ermittelt werden.In step S4 an uncertainty specification of the manipulated variable specification S is determined at the evaluation point (operating data and demand data) of the operating model. When using a Gaussian process model for the evaluation point under consideration, the uncertainty specification or a variance can be determined in a simple manner known per se with the aid of the covariance matrix.

In Schritt S5 wird basierend auf der Stellgrößenangabe S und der Unsicherheitsangabe die Pumpleistung direkt oder indirekt (durch eine Druckregelung) eingestellt. Die Unsicherheitsangabe kann dabei zu einer Erhöhung der einzustellenden Pumpleistung führen, um eine Unsicherheit der Modellvorhersage des Betriebsmodells zu berücksichtigen.In step S5 the pump power is set directly or indirectly (by pressure control) based on the manipulated variable specification S and the uncertainty specification. The uncertainty information can lead to an increase in the pump power to be set in order to take into account an uncertainty in the model prediction of the operating model.

Anschließend wird zu Schritt S1 zurückgesprungen, um einen zyklischen Betrieb des Wasserverteilungssystems 1 zu gewährleisten.Then becomes step S1 jumped back to a cyclical operation of the water distribution system 1 to ensure.

In dem Flussdiagramm der 3 wird ein Verfahren zum Training des Betriebsmodell dargestellt.In the flow chart of the 3 a method for training the operating model is presented.

In Schritt S11 werden die relevanten Eingangsgrößen aus den Betriebsdaten und Bedarfsdaten ausgewählt.In step S11 the relevant input variables are selected from the operating data and demand data.

Anschließend werden in Schritt S12 Trainingsdaten generiert, die die ausgewählten bzw. relevanten Eingangsgrößen einer möglichst optimalen Stellgrößenangabe zuordnen. Dazu wird beim Vermessen von einer bestimmten, zum momentanen Zeitpunkt auftretenden Entnahmesituation ausgegangen und eine dazu passende optimale Stellgrößenangabe ermittelt, z.B. durch manuelle oder automatische Variation der Stellgrößenangabe S bei gleichzeitiger Überwachung der Kontinuität des Wasserausflusses aus den geöffneten Zapfstellen und der Einhaltung der Druck- und Durchflussbedingungen innerhalb des Leitungsnetzes (mithilfe der Zustandssensoren).Then in step S12 Training data is generated which assign the selected or relevant input variables to the most optimal manipulated variable information possible. For this purpose, the measurement is based on a specific withdrawal situation occurring at the moment and a suitable, optimal control variable specification is determined, e.g. by manual or automatic variation of the manipulated variable specification S with simultaneous monitoring of the continuity of the water outflow from the open taps and compliance with the pressure and flow conditions within the pipeline network (with the aid of the condition sensors).

Insbesondere kann das Betriebsmodell dann basierend auf einem Druck an der Referenzstelle bzw. auf eine Pumpleistung trainiert werden, die an allen geöffneten Zapfstellen zu einem ausreichenden Druck bzw. Durchfluss führt. Dies kann durch adaptives Anpassen der Pumpleistung während eines bestimmten Zapfprofils erfolgen. Man erhält so Messpunkte, die zum Training des Betriebsmodells, das als Gauß-Prozess-Modell ausgebildet sein kann, verwendet werden können. Für das Abbilden eines prädiktiven Verhaltens können die Auswirkungen eines durch Betriebsdaten und Bedarfsdaten definierten Betriebspunktes auf eine Wasserbereitstellung für einen in der Zukunft liegenden Zeitraum ermittelt werden. Dieser Zeitraum kann beispielsweise zwischen 0,5 und 30 Sekunden betragen. Auf diese Weise können dynamische Effekte abgebildet werden.In particular, the operating model can then be trained based on a pressure at the reference point or on a pump power which leads to a sufficient pressure or flow rate at all open tapping points. This can be done by adaptively adjusting the pump output during a specific dispensing profile. In this way, measurement points are obtained that can be used to train the operating model, which can be designed as a Gaussian process model. For the mapping of a predictive behavior, the effects of an operating point defined by operating data and demand data on water supply can be determined for a period in the future. This period of time can be between 0.5 and 30 seconds, for example. In this way dynamic effects can be mapped.

In Schritt S13 wird das Gaußprozessmodell basierend auf den ermittelten Trainingsdaten trainiert und steht somit für die Anwendung zum Betreiben des Wasserverteilungssystems zur Verfügung.In step S13 the Gaussian process model is trained based on the determined training data and is thus available for use in operating the water distribution system.

Werden Teilbetriebsmodelle bezüglich der Betriebsdaten und bezüglich der Bedarfsdaten vorgesehen, so kann das Teilbetriebsmodell bezüglich der Bedarfsdaten des Verhaltensmodells verschiedene Tageszeiten, Wochentage, Jahreszeiten, Ereignisse und dergleichen Durchflüsse an der Referenzstelle bzw. Drücke an der Referenzstelle aufgezeichnet werden, wobei die Aufzeichnung bei einer vorgegebenen Pumpleistung erfolgen kann. Durch Schwankungen des Drucks an der Referenzstelle können die unterschiedlichen Entnahmeverhalten ermittelt werden und in einen entsprechenden additiven Beitrag zu dem Solldruck an der Referenzstelle bzw. der Pumpleistung mithilfe des ebenfalls als Gauß-Prozess-Modell ausgeführten Verhaltensmodells eingesetzt werden.If partial operating models are provided with regard to the operating data and with regard to the demand data, the partial operating model can be recorded with regard to the demand data of the behavior model, different times of the day, days of the week, seasons, events and the like flow rates at the reference point or pressures at the reference point, with the recording at a given pump capacity can be done. Due to fluctuations in the pressure at the reference point, the different withdrawal behaviors can be determined and used in a corresponding additive contribution to the target pressure at the reference point or the pumping capacity with the aid of the behavior model, which is also designed as a Gaussian process model.

Alternativ können ferner als Eingangsgrößen für das Betriebsmodell auch topographische Daten, wie Leitungslänge, Leitungsdurchmesser, Leitungsmaterial, Leitungsalter, Art des Leitungsnetzes und dergleichen, berücksichtigt werden, so dass auch Betriebsmodelle verwendet werden können, die für andere Leitungsnetze bestimmt worden sind. Die Übertragbarkeit der hier beschriebenen Erfindung auf andere Leitungsnetze (z.B. Verzweigte-, Ring- oder Maschenleitungsnetze) ist dabei durch die Sequentierung dieser Leitungsnetze in einfach aufgebaute Netze (wie beispielhaft in 1 dargestellt) durchführbar.Alternatively, topographical data such as line length, line diameter, line material, line age, type of line network and the like can also be taken into account as input variables for the operating model, so that operating models that have been determined for other line networks can also be used. The transferability of the invention described here to other line networks (e.g. branched, ring or mesh line networks) is made possible by the sequencing of these line networks in simply structured networks (as exemplified in 1 shown) feasible.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems (1), mit folgenden Schritten: - Bereitstellen (S1, S2) von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem (1); - Ermitteln (S3) einer Stellgrößenangabe (S) zum Betreiben einer Pumpstation (3) mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten; - Betreiben (S5) mindestens einer Pumpe der Pumpstation (3) abhängig von der Stellgrößenangabe (S), um eine Pumpleistung bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmodell ein datenbasiertes trainierbares Modell, insbesondere ein Gaußprozessmodell, umfasst, das trainiert ist, um die Stellgrößenangabe (S) abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass Druckschwankungen an Zapfstellen des Leitungsnetzes reduziert werden.Method for operating a water distribution system (1), comprising the following steps: - providing (S1, S2) operating data and / or demand data for the water distribution system (1); - Determination (S3) of a manipulated variable specification (S) for operating a pumping station (3) with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data; - Operating (S5) at least one pump of the pumping station (3) as a function of the manipulated variable specification (S) in order to provide a pump output; characterized in that the operating model comprises a data-based trainable model, in particular a Gaussian process model, which is trained to provide the manipulated variable information (S) as a function of the operating data and / or the demand data in such a way that pressure fluctuations at the tapping points of the pipeline network are reduced. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Pumpe weiterhin abhängig von einer Unsicherheitsangabe zu dem Erwartungswert der Stellgrößenangabe (S) an dem durch die Betriebsdaten und/oder die Bedarfsdaten vorgegebenen Betriebspunkt betrieben wird.Procedure according to Claim 1 wherein the at least one pump continues to be operated as a function of an uncertainty information about the expected value of the manipulated variable information (S) at the operating point specified by the operating data and / or the demand data. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Betriebsdaten Drücke und/oder Durchflüsse und/oder Wassertemperaturen an mindestens einer Sensorposition in einem Leitungsnetz (4) des Wasserverteilungssystems (1) umfassen.Method according to one of the Claims 1 and 2 , the operating data including pressures and / or flow rates and / or water temperatures at at least one sensor position in a line network (4) of the water distribution system (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bedarfsdaten eine oder mehrere der folgenden Angaben über externe Bedingungen umfassen: - die Tageszeit, den Wochentag und/oder die Jahreszeit, - der Wetterdaten, insbesondere der Tages- und/oder Nachttemperatur und/oder der Wolkensituation und/oder einer Regenwahrscheinlichkeit, - eine Angabe über anstehende Ereignisse, die Einflüsse auf die Wasserentnahme aus dem Leitungsnetz haben.Method according to one of the Claims 1 to 3 , where the demand data includes one or more of the following information about external conditions: the time of day, the day of the week and / or the season, - the weather data, in particular the daytime and / or nighttime temperature and / or the cloud situation and / or a probability of rain, - an indication of upcoming events that have an impact on water withdrawal from the pipeline network . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Betriebsmodell trainiert ist, um abhängig von den Bedarfsdaten prädiktiv eine Stellgrößenangabe (S) bereitzustellen, um einen zu erwartenden Wasserentnahmezustand zu berücksichtigen.Method according to one of the Claims 1 to 4th , the operating model being trained to provide a manipulated variable information (S) predictively as a function of the demand data, in order to take into account an expected water withdrawal state. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das datenbasierte trainierbare Modell trainiert ist, um die Stellgrößenangabe (S) abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass ein geforderter Mindestdruck an einer Stelle im Wasserverteilungssystem (1) nicht unterschritten wird und/oder dass ein vorbestimmter Maximaldruck nicht überschritten wird.Method according to one of the Claims 1 to 5 , the data-based trainable model being trained to provide the manipulated variable information (S) as a function of the operating data and / or the demand data in such a way that a required minimum pressure is not undershot at a point in the water distribution system (1) and / or that a predetermined maximum pressure is not exceeded is exceeded. Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit (10), zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems (1), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum: - Bereitstellen von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem (1); - Ermitteln einer Stellgrößenangabe (S) zum Betreiben einer Pumpstation (3) mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten; - Betreiben mindestens einer Pumpe der Pumpstation (3) abhängig von der Stellgrößenangabe (S), um eine Pumpleistung bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmodell ein datenbasiertes trainierbares Modell, insbesondere ein Gaußprozessmodell, umfasst, das so trainiert ist, um die Stellgrößenangabe (S) abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass Druckschwankungen an Zapfstellen des Leitungsnetzes reduziert werden.Device, in particular a control unit (10), for operating a water distribution system (1), the device being designed to: - provide operating data and / or demand data for the water distribution system (1); - Determination of a manipulated variable specification (S) for operating a pumping station (3) with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data; - Operating at least one pump of the pumping station (3) as a function of the manipulated variable specification (S) in order to provide a pump output; characterized in that the operating model comprises a data-based trainable model, in particular a Gaussian process model, which is trained to provide the manipulated variable information (S) as a function of the operating data and / or the demand data in such a way that pressure fluctuations at the tapping points of the pipeline network are reduced. Wasserverteilungssystem (1) mit einem Leitungsnetz (4), einer Pumpstation (3) zum Bereitstellen von Wasser in das Leitungsnetz (4) und einer Vorrichtung nach Anspruch 7 zum Ansteuern der Pumpstation zum Bereitstellen der Pumpleistung.Water distribution system (1) with a pipe network (4), a pumping station (3) for providing water in the pipe network (4) and a device according to Claim 7 to control the pumping station to provide the pumping power. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.Computer program which is set up to carry out all steps of a method according to one of the Claims 1 to 8th to execute. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.Electronic storage medium on which a computer program according to Claim 11 is stored.
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