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Stand der Technik
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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.
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Die weiteren Informationen können dabei aus Immissionsmessungen gewonnen werden, beispielsweise zur Ergänzung, Verifizierung und/oder Plausibilisierung der errechneten Immissionskarte.
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Die Aufstellung und der Betrieb von Messstationen für derartige Immissionsmessungen, beispielsweise Messboxen, wie sie aus der
DE 10 2019 211 409 A1 der Anmelderin bekannt sind, sind allerdings mit Kosten verbunden, sodass in der Praxis lediglich eine vergleichsweise geringe räumliche Auflösung der durch Immissionsmessungen empfangenen Messdaten zur Verfügung gestellt werden kann.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2021 208 292 A1 der Anmelderin zeigt auf, wie das Erstellen einer Karte der Immissionen in dem geographischen Gebiet, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die Auflösung der von den Messboxen empfangenen Messdaten, aus den Messdaten und meteorologischen Daten unter Nutzung einer 3D-CFD-Simulation einfach und mit hoher Genauigkeit erfolgen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiterhin erkannt, dass, wenn die Messdaten durch Messungen an bestimmten fixen oder zeitlich variablen Orten, beispielsweise durch die oben erwähnten Messboxen, gewonnen werden, der Auswahl dieser Orte hinsichtlich ihrer Anzahl und/oder hinsichtlich ihrer Lage in dem geographischen Gebiet eine wichtige Bedeutung bezüglich der mit der Simulation erreichbaren Genauigkeit zukommt.
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Zur Identifikation einer optimalen Anordnung von Messboxen in dem geographischen Gebiet, umfasst die Erfindung zunächst einen Teil A), nämlich:
- Erstellung einer Karte der Immissionen für ein geografisches Gebiet, umfassend folgende Schritte:
- - Empfangen von Messdaten, die Immissionen an hinsichtlich ihrer Anzahl und ihrer Orte vorgegebenen 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.
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Die vorliegende Erfindung sieht im Teil A) ferner auch vor, dass außer der Karte selbst auch eine Varianz der Karte berechnet wird, die ein numerisches, beispielsweise stets positives Maß dafür angibt, welche Genauigkeit der Karte zu erwarten ist. Die Varianz kann beispielsweise berücksichtigen, im welchen Verhältnis sich eine unterstellte Schwankungsbreite der Messdaten auf eine errechnete und über die Karte gemittelte Schwankungsbreite der in der Karte repräsentierten Immissionen abbildet.
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Unter 3D-CFD Simulation (englisch: computational fluid dynamic) werden im Rahmen der Erfindung numerische Methoden zur Behandlung von räumlichen strömungsmechanischen Fragestellungen verstanden.
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Bei dem geografischen Gebiet handelt es sich insbesondere um einen tatsächlich existierenden Teil der Umwelt, beispielsweise umfassend die Oberfläche einer Stadt oder einer Region bis zu einer gewissen Höhe. Alternativ kann es sich auch um andersartige Teile der Umwelt handeln, beispielsweise um ein Seegebiet, um einen Luftraum. Es kann sich auch um eine lediglich virtuelle Umgebung handeln, zu der also kein tatsächlich existierendes analoges Gegenstück zugeordnet werden kann. Eine Karte eines geografischen Gebiets beschreibt beispielsweise in dem geographischen Gebiet angeordnete Stützstellen und/oder Rasterpunkte und ihnen zugeordnete zeitlich aufgelöste Werte von Immissionen.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß vorteilhafter Weiterbildungen des Teils A) 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.
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Beispielsweise kann dabei ein neuronales Netz darauf trainiert werden, die Messdaten insbesondere in Abhängigkeit von den meteorologischen Daten auf die Trainingsdaten abzubilden.
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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.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Erstellen der Karte auf der Methode der Gaußprozess-Regression (auch bekannt als Kriging-Methode) basiert.
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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. Anstelle der Pfade können auch äquivalente Pfade betrachtet werden, die nochmals weitere Informationen berücksichtigen, beispielsweise Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen, Topologie und Bebauung.
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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.
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Dabei können Informationen, die die Bebauung des geographischen Gebiets betreffen, beispielsweise ein Gebäudelayer beispielsweise in Form von Satellitenbildern, berücksichtigt werden, beispielsweise als Kovariate in den Trend integriert werden.
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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.
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Die vorliegende Erfindung sieht im Teil B) ferner vor, dass die Lage der Stützstellen in dem geographischen Gebiet optimiert wird, indem im Rahmen eines Algorithmus, der die Varianz der Karte optimiert, insbesondere minimiert, Teil A) mehrmals wiederholt und mit jeweils variierter Lage der Stützstellen in dem geographischen Gebiet durchgeführt wird. Bei dem Algorithmus kann es sich um einen aus dem Stand der Technik bekannten Algorithmus zum Auffinden von lokalen und/oder globalen Minima einer Funktionen handeln, deren Variablen vorliegend die Lage der Stützstellen sind.
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Ist ein/das Minimum der Varianz aufgefunden, werden die zugehörigen Stützstellen als Orte in dem geographischen Gebiet identifiziert, an denen Messboxen im Rahmen einer optimalen Anordnung vorzusehen sind (Teil C des Verfahrens).
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Die zu diesen Stützstellen gehörige Varianz ist dann die minimierte Varianz hinsichtlich der verwendeten Anzahl von Stützstellen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Teile A) B) und C) der Erfindung mit jeweils variierter Anzahl der Stützstellen in dem geographischen Gebiet wiederholt werden.
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Dabei wird insbesondere aus der jeweiligen Anzahl der Stützstellen und der jeweiligen minimierten Varianz eine Kosten-zu-Nutzen-Relation bestimmt. Im Rahmen eines Algorithmus, der die Kosten-zu-Nutzen-Relation optimiert, insbesondere minimiert, kann so die optimale Anzahl von Stützstellen bestimmt werden.
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Beispielsweise kann der Nutzen lediglich bestehen, also von Null verschieden sein, wenn eine vorgegebene Genauigkeit erreicht wird, eine zugehörige vorgegebene Varianz von der minimierten Varianz also unterschritten wird. Der Algorithmus findet dann beispielsweise zunächst die kleinste Anzahl von Stützstellen auf, mit der der Nutzen, also die vorgegebene Genauigkeit, erreicht werden kann. Ferner findet der Algorithmus die optimale Anordnung dieser optimalen Anzahl von Stützstellen bzw. Messboxen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem geographischen Gebiet Messboxen gemäß der optimalen Anordnung vorgesehen werden, beispielsweise montiert und/oder implementiert werden.
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Das Verfahren kann wiederholt oder mehrfach iteriert durchgeführt und die Messboxen jeweils relokalisiert werden, beispielsweise in gewissen zeitlichen Abständen oder in Reaktion auf bestimmte Änderungen in den meteorologischen Daten.
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Das Verfahren kann auch mit in die relativ zu seiner Durchführung in die Zukunft gerichteten Eingangsdaten, insbesondere für das geografische Gebiet betreffenden meteorologischen Daten und/oder weitere verwendete Daten, durchgeführt werden. Es identifiziert dann eine Prognose für eine zukünftig optimale Anordnung der Messboxen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen, einen nichtflüchtigen Speicher, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine Recheneinheit, die einen derartigen nichtflüchtigen Speicher umfasst.
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Figurenliste
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- 1 zeigt beispielhaft den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm.
- 2 zeigt exemplarisch ein geographisches Gebiet.
- 3 zeigt exemplarisch ein Zwischenergebnis des Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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3 zeigt exemplarisch entlang einer Ortskoordinate des geographischen Gebiets, mittels der Simulation gemäß Teil A) des Verfahrens bestimmte Wert der Immission. Sie sind als durchgezogene Linie dargestellt. Vertrauensbereiche der Simulation sind als grauer Bereich dargestellt, ihre gemittelte Erstreckung in Y-Richtung ist ein Beispiel für eine Varianz der Karte. Beispielsweise ist die Erstreckung der Vertrauensbereiche nahe von Messboxen kleiner als weiter von Messboxen entfernt.
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In diesem Beispiel wurden die tatsächlichen Werte der Immissionen entlang der Ortskoordinate des geographischen Gebiets zusätzlich zur Verifikation des Verfahrens gemessen. Diese Messwerte sind in der 3 als gepunktete Linien dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020205273 A1 [0001]
- DE 102019211409 A1 [0003]
- DE 102021208292 A1 [0004]
