DE102021208292A1

DE102021208292A1 - Verfahren zur Erstellung einer Karte der Immissionen in einer geographischen Gebiet

Info

Publication number: DE102021208292A1
Application number: DE102021208292.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Gerwinn; Maren Geisel; Bernd Stuke; Gabriel Braun; Nina Bretz; Barbara Rakitsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer Karte der Immissionen für ein geografisches Gebiet. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:- Empfangen von Messdaten, die Immissionen an Stützstellen in dem geografischen Gebiet mit einer ersten räumlichen und zeitlichen Auflösung repräsentieren;- Empfangen von das geografische Gebiet betreffenden meteorologischen Daten;- Erstellen der Karte durch Berechnung von Daten, die Immissionen in dem geografischen Gebiet mit einer zweiten räumlichen und zeitlichen Auflösung, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die erste Auflösung, repräsentieren, aus den Messdaten und den meteorologischen Daten unter Nutzung einer 3D-CFD-Simulation.

Description

Stand der Technik
Aus der DE 10 2020 205 273 A1 der Anmelderin ist bereits ein Verfahren zur Erstellung einer Karte der Immissionen in einem geographischen Gebiet bekannt, das auf der Weiterverrechnung von Emissionsdaten unter Nutzung weiterer Informationen basiert.
Die weiteren Informationen können dabei aus Immissionsmessungen gewonnen werden, beispielsweise zur Ergänzung, Verifizierung und/oder Plausibilisierung der errechneten Immissionskarte.
Messstationen für derartige Immissionsmessungen sind allerdings vergleichsweise teuer, sodass in der Praxis lediglich eine vergleichsweise geringe räumliche und zeitliche Auflösung der durch Immissionsmessungen empfangenen Messdaten zur Verfügung gestellt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Die Erfinder haben erkannt, dass das Erstellen einer Karte der Immissionen in dem geographischen Gebiet, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die Auflösung der empfangenen Messdaten, aus den Messdaten und den meteorologischen Daten unter Nutzung einer 3D-CFD-Simulation einfach und mit hoher Genauigkeit erhältlich ist.
Unter 3D-CFD Simulation (englisch: computational fluid dynamic) werden im Rahmen der Erfindung numerische Methoden zur Behandlung von räumlichen strömungsmechanischen Fragestellungen verstanden.
Bei dem geografischen Gebiet handelt es sich um einen tatsächlich existierenden Teil der Umwelt, beispielsweise umfassend die Oberfläche einer Stadt oder einer Regionen bis zu einer gewissen Höhe. Alternativ kann es sich auch um andersartige Teile der Umwelt handeln, beispielsweise um ein Seegebiet oder um einen Luftraum. Eine Karte eines geografischen Gebiets umfasst beispielsweise in dem Gebiet angeordnete Stützstellen und/oder Rasterpunkte und ihnen zugeordnete zeitlich aufgelöste Werte von Immissionen.
Bei der zeitlichen Auflösung dieser Daten, handelt es sich im Rahmen der Anmeldung vorzugsweise um eine zeitliche Auflösung, die beispielsweise mindestens einen Datensatz pro Stunde oder mehr repräsentiert.
Bei den Emissionen und/oder bei den Immissionen kann es sich beispielsweise um NO, NO2, CO, SO2, CO2, O3 und/oder Partikelmassen, z.B. PM2.5, PM10, handeln. Es kann sich grundsätzlich auch um flüchtige Stoffe handeln, mit denen Geruchsbelästigungen typischerweise einhergehen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Tierhaltung, Düngung landwirtschaftlich genutzten Flächen, Ausdünstungen und/oder dergleichen.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Erstellen der Karte unter Verwendung von Al-basierten Methoden (englisch: artificial intelligence) erfolgt. Dabei können die Al-basierten Methoden auf der Nutzung von Trainingsdaten basieren, die Immissionen in dem geografischen Gebiet mit einer dritten räumlichen und zeitlichen Auflösung repräsentieren, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die erste Auflösung. Beispielsweise können die Trainingsdaten mittels temporär verwendeter zusätzlicher Messeinrichtungen in einer Trainingsphase, die dem eigentlichen erfindungsgemäßen Verfahren zum Beispiel einmalig vorausgeht, gewonnen werden.
Beispielsweise kann dabei ein neuronales Netz darauf trainiert werden, die Messdaten insbesondere in Abhängigkeit von den meteorologischen Daten auf die Trainingsdaten abzubilden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Erstellen der Karte, insbesondere die 3D-CFD-Simulation, neben den Messdaten und den meteorologischen Daten Informationen über eine Geländetopographie und/oder Geländetopologie und/oder Informationen über eine Bebauung des geographischen Gebiets; und/oder Informationen über Emissionen in dem geographischen Gebiet nutzt. Der Empfang diese Größen repräsentierender Daten kann als Schritt des Verfahrens vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Erstellen der Karte auf der Methode der Gaußprozess-Regression (auch bekannt als Kriging-Methode) basiert.
In Weiterbildung dieser Methode kann vorgesehen sein, dass Informationen über die Bebauung des geographischen Gebiets genutzt werden, indem Abstände zwischen den Stützstellen in dem geographischen Gebiet unter Berücksichtigung der Bebauung ermittelt und weiterverrechnet werden. Beispielsweise werden statt geometrischen Abständen zwischen Stützstellen, die Pfadlängen entlang von Pfaden, die Stützstellen zwischen Elementen der Bebauung hindurch verbinden, ermittelt und weiter verrechnet.
Das Erstellen der Karte, insbesondere die 3D-CFD-Simulation, kann relativ zu dem Zeitraum, den die empfangen Daten repräsentieren, in die Zukunft gerichtet sein, also einen Trend (englisch: Forecast) wiedergeben.
Dabei können Informationen, die die Bebauung des geographischen Gebiets betreffen, beispielsweise ein Gebäudelayer, berücksichtigt werden, beispielsweise als Kovariate in den Trend integriert werden.
Zusätzlich oder alternativ können dabei Informationen über Emissionen in dem geographischen Gebiet berücksichtigt werden, beispielsweise in den Trend integriert werden. Der Empfang die Emissionen repräsentierender Daten kann als Schritt des Verfahrens vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise kann zusätzlich zu dem Erstellen der Karte eine Plausibilisierung der empfangenen Messdaten erfolgen, beispielsweise auf Basis einer „Lasse einzelne Boxen aus“-Methode. Letztere kann beispielsweise Hinweise auf die Notwendigkeit einer Überprüfung der Messdaten, zum Beispiel einer Messeinrichtung, auf die bestimmte Messdaten zurückgehen, liefern.
Basierend auf der erfindungsgemäß erstellten Immissionskarte können Immissionskarten geringerer zeitlicher Auflösung durch Mittelwertbildung erzeugt werden, beispielsweise ausgehend von einer stündlichen Auflösung zu täglicher, wöchentlicher oder monatlicher Auflösung.
Die dargestellte Methodik ist grundsätzlich auch auf die Schadstoff- und/oder Virenausbreitung innerhalb von Gebäuden anwendbar. Letztere stellen also insbesondere auch ein geographisches Gebiet im Sinne der Erfindung dar.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen, einen nichtflüchtiger Speicher, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine Recheneinheit, die einen derartigen nichtflüchtigen Speicher umfasst.
Figurenliste

1 zeigt beispielhaft den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm.
2 zeigt exemplarisch ein geographisches Gebiet.
3 zeigt exemplarisch zwei Methoden zur Abstandsbestimmung im Rahmen der Krigingmethode.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Anhand dem in der 1 dargestellten Flussdiagramm ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es handelt sich dabei beispielsweise um ein Verfahren, das auf Basis von Eingangsgrößen 1 mit Rechenmodellen 2 Ausgangsgrößen 3 generiert.
Die Eingangsgrößen 1 sind im Beispiel: Messdaten 1.0 und meteorologische Eingangsdaten 1.1, beispielsweise in Form von Transienten 1.1a oder Klassifikationen 1.1b, Topographiedaten 1.2, Daten, die eine landwirtschaftliche Nutzung betreffen 1.3; Daten, die die Erstreckung von Gebäuden in dem geographischen Gebiet betreffen 1.4, sowie hochaufgelösten Topographiedaten 1.5. Im Beispiel betreffen weitere Eingangsgrößen Emissionen 1.6, beispielsweise räumlich und zeitlich aufgelöst. Die Emissionen 1.6 können beispielsweise durch Verkehr, Industrie oder ähnliches generiert sein.
Im Beispiel sind als Rechenmodelle vorgesehen: Meteorologische Modelle 2.1, in die beispielsweise meteorologische Eingangsdaten 1.1, beispielsweise in Form von Transienten 1.1a oder Klassifikationen 1.1b, Topographiedaten 1.2 und Daten, die eine landwirtschaftliche Nutzung betreffen 1.3, eingehen; Flussmodelle 2.2, in die beispielsweise Daten, die die Erstreckung von Gebäuden in dem geographischen Gebiet betreffen 1.4, hochaufgelöste Topographiedaten 1.5, sowie die Ausgangsgrößen der meteorologische Modelle 2.1 eingehen; Dispersionsmodelle 2.3, in die beispielsweise die Ausgangsgrößen der Flussmodelle 2.2 eingehen sowie die Emissionen 1.6.
Die Ausgangsgrößen 3 der Rechenmodelle 2 sind im Beispiel gering aufgelöste (z.B. 50 - 300m) Flussfelder 3.1 als Ausgangsgrößen der meteorologische Modelle 2.1; hoch aufgelöste (z.B. 1- 5m) Flussfelder 3.2 als Ausgangsgrößen der Flussmodelle 2.2; und die Immissionskarte 3.3 als Ausgangsgröße des Dispersionsmodells 2.3.
2 veranschaulich beispielhaft ein geographisches Gebiet 100 mit darin eingezeichneter Bebauung 101, Strömungen 102 (Wind) und Messstellen 103. Ersichtlich ist eine Süd-West-Windsituation dargestellt, entsprechend einer vorherrschenden Strömung 102 von unten links nach oben rechts in der 2. Ersichtlich ist die vorherrschende Strömung zwischen den Elementen der Bebauung 101 (z.B Gebäuden) lokal mehr oder weniger stark abgelenkt und/oder abgeschwächt.
3 zeigt in den Teilen a und b jeweils einen Ausschnitt aus der in der 2 gezeigten Karte 100. Darin ist folgendes erkennbar: Die Berechnung der Abstände d zwischen den Messstellen 102 erfolgt im Teil a gemäß der geraden Luftlinie I als deren Länge, während sie im Teil b eine Funktion der Bebauung 101, der Windrichtung 102 und der Topologie ist und als Pfad p dargestellt und durch dessen Pfadlänge J dp gegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020205273 A1 [0001]

Claims

Verfahren zur Erstellung einer Karte (3.3) der Immissionen für ein geografisches Gebiet (100), umfassend folgende Schritte: - Empfangen von Messdaten (1.0), die Immissionen an Stützstellen (103) in dem geografischen Gebiet (100) mit einer ersten räumlichen und zeitlichen Auflösung repräsentieren; - Empfangen von das geografische Gebiet (100) betreffenden meteorologischen Daten (1.1); - Erstellen der Karte (3.3) durch Berechnung von Daten, die Immissionen in dem geografischen Gebiet (100) mit einer zweiten räumlichen und zeitlichen Auflösung, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die erste Auflösung, repräsentieren, aus den Messdaten (1.0) und den meteorologischen Daten (1.1) unter Nutzung einer 3D-CFD-Simulation.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen der Karte (100) unter Verwendung von Al-basierten Methoden erfolgt, wobei die Al-basierten Methoden auf der Nutzung von Trainingsdaten basieren, die Immissionen in dem geografischen Gebiet (100) mit einer dritten räumlichen und zeitlichen Auflösung repräsentieren, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die erste Auflösung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen der Karte (100), insbesondere die 3D-CFD-Simulation, neben den Messdaten (1.1) und den meteorologischen Daten (1.1) Informationen über eine Geländetopographie und/oder Geländetopologie (1.5) und/oder Informationen über eine Bebauung (102) des geographischen Gebiets (100) und/oder Informationen über Emissionen in dem geographischen Gebiet (100) nutzt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen der Karte (100) auf der Methode der Gaußprozess-Regression basiert.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Gaußprozess-Regression Informationen über die Bebauung (102) des geographischen Gebiets (103) genutzt werden, indem Abstände zwischen den Stützstellen (103) in dem geographischen Gebiet unter Berücksichtigung der Bebauung (102) ermittelt und weiterverrechnet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen der Karte (3.3) eine Trendvorhersage, insbesondere innerhalb der 3D-CFD-Simulation, umfasst.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trendvorhersage Gebrauch macht von: - Informationen über eine Bebauung (102) des geographischen Gebiets, insbesondere basierend auf einem Gebäudelayer als Kovariate und/oder - Informationen über Emissionen (1.6) in dem geographischen Gebiet (100).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Erstellen der Karte (3.3) eine Plausibilisierung der empfangenen Messdaten (1.0) erfolgt, insbesondere basierend auf einer „Lasse einzelne Boxen aus“-Methode.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.
Nichtflüchtiger Speicher, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronische Recheneinheit, welche einen nichtflüchtigen Speicher nach dem vorangehenden Anspruch umfasst.