Besserer Hochwasser-Schutz mit LoRaWAN® und der KWMSys

Starkregen- und Hochwasserschutz mit LoRaWAN und der KWMSys powered by Minol Zenner Connect
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Starkregen- und Hochwasser-Ereignisse werden leider immer häufiger, betreffen immer mehr Menschen und verursachen immer mehr Schäden. Wollt ihr die Mitmenschen in eurer Gemeinde, Stadt oder Region besser davor schützen und im Ernstfall ideal vorbereitet sein? Unser Partner, die KWMSys GmbH, hat mit seinem LoRaWAN® basierten Starkregen- und Hochwasser-Monitoring die passende Lösung für euch. Dieses stellen wir im Folgenden anhand des Umsetzungsbeispiels Echaztal/Reutlingen einmal genauer vor. Erfahrt aus welchen Bausteinen es besteht und wie diese zusammenspielen, warum dabei primär auf LoRaWAN® als Übertragungsstandard gesetzt wird, wer eigentlich die KWMSys GmbH ist und was das Ganze mit der Minol ZENNER Connect GmbH zu tun hat.

KWMSys Hochwasser-Monitoring am Beispiel Echaztal/Reutlingen

Das KWMSys Starkregen- und Hochwasser-Monitoring wurde im Echaztal bei Reutlingen nach einem schweren Hochwasser in Zusammenarbeit mit den Mitgliedern der Hochwasserpartnerschaft Echaztal als Teil eines ganzheitlichen Hochwasserschutz-Konzeptes etabliert. Im Grunde besteht es aus den folgenden Bausteinen:

Bevor wir auf diese und deren Zusammenspiel im Detail eingehen, hier ein kurzes Video, in dem die Feuerwehr Reutlingen das Projekt Echaztal aus Ihrer Sicht erläutert:

IoT-Sensoren zur Datenerfassung an den kritischen Messpunkten

Den ersten Baustein bilden LoRaWAN® basierte batteriebetriebene IoT-Sensoren. Mit ihnen werden die benötigten Daten an den kritischen Messpunkten erfasst. Im Echaztal bedeutet dies vor allem:

  1. Eine Überwachung der Pegelpunkte der Echaz mithilfe von mehr als 50 Sensoren zur Pegelmessung, Tendenz weiter steigend
  2. Eine Überwachung der kritischen Nebenflüsse der Echaz gemäß der vorhandenen Starkregengefahrenkarte

Die mithilfe der Sensoren gewonnen Daten entfalten ihre Wirksamkeit letztlich in allen Phasen eines (drohenden) Starkregen-/Hochwasser-Ereignisses:

In Phase 1, noch vor dem eigentlichen Ereignis, können mit ihrer Hilfe Abschätzungen bezüglich der drohenden Gefahr sowie des zu erwartenden Schadenpotenzials erfolgen, Einsatzkräfte frühzeitig alarmiert werden und erste Entscheidungen auf einer fundierten Grundlage getroffen werden.

In Phase 2, also während des Ereignisses, können die Einsatzkräfte Regen- und Flut-Hotspots identifizieren, diese mit Bürger-Notrufen abgleichen und so den weiteren Einsatz bestmöglich planen, koordinieren und überwachen.

In Phase 3, also nach dem Ereignis, unterstützen die Sensordaten zudem bei der Begutachtung von Schäden, bei der Einschätzung des weiteren Gefahrenpotenzials und bei der Koordination der Aufräumarbeiten.

LoRaWAN® als primärer Übertragungsstandard

Als primärer Funk-Übertragungsstandard wird für das Starkregen- und Hochwasser-Monitoring aufgrund diverser Vorteile LoRaWAN® eingesetzt. Zu diesen gehören vor allem die Folgenden:

  • Energieeffiziente Datenübertragung über große Entfernungen hinweg (unter Idealbedingungen bis zu 10 km) = sehr lange Betriebsdauer der eingesetzten Sensoren mit nur einer einzigen Akku-/Batterieladung (unter idealen Bedingungen und je nach Sensor sogar bis zu 10 Jahre) = geringer Wartungsaufwand und Kostenersparnis
  • Maximale Autarkie in der Messwertaufnahme durch akku-/batteriebetriebenen Geräte = keine Abhängigkeit von vorhandenen Infrastruktur an den Messpunkten = Möglichkeit
  • Kosteneffizienz der Sensoren und Unabhängigkeit von Infrastruktur = Etablierung eines dichteren Messnetzes möglich
  • Verschlüsselte Datenübertragung (AES128-Standard) sogar über empfangshemmende Hindernisse hinweg
  • Lizenzfreie Frequenzbänder für die Datenübertragung = keine Abhängigkeit von zusätzlichem Mobilfunkanbieter und vorhandenem Mobilfunk-Empfang = Kostenersparnis und Netzaufbau auch in sehr abgelegenen Gebieten
  • Einfache, schnelle und kostengünstige Netzerweiterung durch zusätzliche Gateways

Redundante Übertragungswege für maximale Verfügbarkeit

Mit LoRaWAN® wird in der Regel bereits eine sehr gute Verfügbarkeit für das Hochwasser-Monitoring erreicht. Dennoch ist es möglich, für besonders kritische Messpunkte zusätzlich weitere Übertragungsstandards wie zum Beispiel NB-IoT einzusetzen und unterschiedliche Sensortypen miteinander zu kombinieren. Dadurch werden Redundanzen geschaffen und so die Verfügbarkeit auf nahezu 100 % gesteigert. Das bedeutet: Ist die Übertragung an einem Messpunkt zum Beispiel gerade via LoRaWAN®-Sensoren nicht möglich, kann diese einfach über die redundanten NB-IoT-Sensoren erfolgen.

IoT-Gateways und LoRaWAN®-Netz zur Datenübertragung

Zur Übertragung der Sensordaten via LoRaWAN® braucht es geeignete Empfangseinheiten und ein entsprechendes Netz. Dieses wird durch die Aufstellung von ZENNER IoT-Gateways an den geeigneten Punkten im Einzugsgebiet realisiert. Die Gateways sind wiederum vorkonfiguriert und in das Minol ZENNER Connect LoRaWAN®-Netz EUROPE eingebunden. Sie benötigen zwar einen feste Stromquelle, durch ihre große Reichweite kann sich diese aber auch weit weg von den eigentlichen Messpunkten befinden. Die Gateways empfangen die Messdaten und leiten sie an die B.One Middleware, zentrale IoT-Plattform des Minol ZENNER Connect Netzes, weiter.

IoT-Plattformen zur Datenverarbeitung und -Weiterleitung

Die von den Gateways weitergeleiteten Daten müssen entsprechend weiterverarbeitet werden. Dazu werden sie von der B.One Middleware, die sozusagen als Datendrehscheibe dient, an die KWMSys Cloud weitergeleitet. Dort werden dann unter anderem noch die Messwerte berechnet, die sich aus den Einzelparametern mehrerer Sensoren zusammensetzen und es können individuelle Schwellenwerte für diese konfiguriert werden. Sofern kein weiteres Kundensystem wie in diesem Fall (siehe unten) verwendet wird, erfolgt hierüber auch das Einrichten von Benachrichtigungen bei Über-/Unterschreiten der gesetzten Schwellenwerte, zum Beispiel über SMS oder E-Mail. 

Endanwendungen zur Datenvisualisierung, -Auswertung und Alarmierung

Den vierten Baustein des Monitorings bilden die Endanwendungen, in denen die Daten ansprechend visualisiert und ausgewertet werden können. Dabei kann es sich wahlweise um das von KWMSys eigens entwickelte Frontend oder ein anderes Kundensystem von Drittanbietern handeln, wie in diesem Fall das weitverbreitete Flutinformations- und –Warnsystems „Fliwas 3“. Fliwas führt sämtliche Informationen zum Thema Hochwasser an einem zentralen Ort zusammen und ist das in ganz Baden-Württemberg übergreifend eingesetzte System. Die Integration ist allerdings auch in jedes andere beliebige Kundensystem möglich. Bei Bedarf kann zudem das von KWMSys eigens entwickelte Visualisierungs-Dashboard in diese mit integriert werden.

Hier zwei Beispiel-Ansichten aus dem Dashboard:

KWMSys Dashboard: Pegelstand-Anzeige der Echaz im Zeitverlauf inklusive Schwellenwert-Markierungen
Pegelstand-Anzeige der Echaz im Dashboard inklusive Schwellenwert-Markierungen (Quelle: KWMSys GmbH)
KWMSys Dashboard: Kartenansicht zur schnellen Identifikation von Regen- und Flut-Hotspots
Kartenansicht zur schnellen Identifikation von Regen- und Flut-Hotspots im Dashboard (Quelle: KWMSys GmbH)

Was die Einrichtung und den Versand von Alarmierungen bei kritischen Entwicklungen betrifft, so erfolgt diese abhängig von den eigenen Präferenzen und Anforderungen entweder wie bereits erwähnt direkt über die KWMSys Cloud, oder über ein Kundensystem wie Fliwas.  

Die nachfolgende Grafik zeigt die verschiedenen Bausteine des KWMSys Starkregen- und Hochwasser-Monitorings noch einmal im Überblick:

Bausteine des KWMSys Starkregen- und Hochwasser-Monitorings im Überblick
Bausteine des KWMSys Starkregen- und Hochwasser-Monitorings im Überblick (Quelle: KWMSys GmbH)

Komplett-Service der KWMSys

Die oben beschriebenen Bausteine sind letztlich Bestandteil des umfänglichen KWMSys Komplett-Service. Konkret heißt das: Verfügbar als Abonnement deckt das Service-Angebot der KWMSys den gesamten Prozess als Komplett-Lösung ab, von der individuellen Projektberatung und –Planung über die Installation und Einrichtung der Messpunkte bis hin zur Visualisierung der Messwerte sowie der Wartung des aufgesetzten Monitorings. Dank „Fall-Stack“ Ansatz wird dabei jederzeit die volle Kontrolle über alle kritischen Bausteine gewährleistet. Darüber hinaus unterstützt die KWMSys bei der Einbindung eines solchen Monitorings in ein ganzheitliches Hochwasserschutz-Konzept, wie in diesem Fall in das der bereits erwähnten Hochwasserpartnerschaft Echaztal. Denn ein Hochwasser- oder Starkregen-Monitoring stellt für sich noch keine Gesamtlösung dar, sondern liefert vielmehr die datenbasierte Grundlage, um Gefahrensituationen frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig zu handeln.

Mehr zur KWMSys GmbH

Falls ihr euch an dieser Stelle jetzt noch fragt, wer genau eigentlich die KWMSys ist: Die KWMSys GmbH ist ein junges und aufstrebendes Unternehmen mit Sitz in Remseck am Neckar, nordöstlich der baden-württembergischen Landeshauptstadt Stuttgart. Das 5-köpfige hoch spezialisierte Team bietet seinen Kunden intelligente Environment Monitoring Solutions als Komplett-Service an, also Überwachungs-Lösungen für Umweltdaten und kritische Infrastruktur. So ist ein zentrales Ziel der KWMSys, allen Städten und Gemeinden ein hochverfügbares, aber trotzdem kostengünstiges Starkregen- und Hochwasser-Monitoring zur Verfügung zu stellen und dabei ein Gesamt-Netzwerk zu realisieren. Denn Naturgewalten wie Starkregen oder Hochwasser kennen keine Städte- oder Gemeindegrenzen. Bisherige Einzugsgebiete der KWMSys sind: Deutschland, der Alpenraum DACH und Benelux.

Intelligentes KWMSys Hochwasser-Monitoring als Komplett-Lösung
(Bildquelle: KWMSys GmbH, Urheber: Matthew Feeney)
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