Anforderungen des Netzbetriebs bei einem Energieversorgungsunternehmen an mobile Geoinformationssysteme (GIS)

Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG
1.1. Motivation
1.2. Zielsetzung
1.3. Vorgehensweise

2. GRUNDLAGEN
2.1. Beschreibung der Systeme beim Netzbetrieb
2.1.1. Geoinformationssysteme (GIS)/ Netzinformationssysteme (NIS)
2.1.2. Enterprise-Resource-Planning (ERP) Systeme
2.1.3. Leitsysteme
2.2. Netzinformationssysteme (NIS) bei Energieversorgungsunternehmen
2.2.1. Nutzerkreis und Einsatz beim Betrieb
2.2.2. Charakterisierung der NIS-Pläne
2.2.3. Einsatz und Verwendung der Planwerke

3. BASISTECHNOLOGIEN FÜR MOBILE NIS
3.1. Hardwarekomponenten, Softwarekomponenten und Systemarchitektur
3.2. Datenhaltung und Datenzugriff
3.3. Mobile Datenübertragungstechnologien
3.4. Mobile Endgeräte

4. PROZESSUNTERSTÜTZUNG DURCH MOBILE GIS AM BEISPIEL DES ANWENDUNGSFALLS BEI DEN STADTWERKEN MÜNCHEN
4.1. Kernprozesse im Bereich des Netzbetriebs
4.2. Auswahl der zu optimierenden Teil-Prozesse
4.3. IST-Zustand (Darstellung des IST-Zustands)
4.3.1. Instandhaltung mit Fokus auf das Betriebsmittel KVS
4.3.2. Entstörung mit Fokus auf das Betriebsmittel KVS
4.3.3. Planen und Bauen
4.4. Bewertung des IST-Zustands
4.4.1. Datenaufnahme in nicht elektronischer Form
4.4.2. Mangelnde Qualität der Netzdaten

4.4.3. Datenbereitstellung in nicht elektronischer Form

5. SOLL-KONZEPT
5.1. Soll- Prozess, nicht-technisches Konzept
5.1.1. Austausch
5.1.2. Versetzen
5.1.3.ändern
5.1.4. Entfernen
5.1.5. Entstörung
5.1.6. Planen und Bauen
5.2. Technisches Konzept
5.2.1. Austausch
5.2.2. Versetzen
5.2.3.ändern
5.2.4. Entfernen
5.3. Risikobetrachtung

6. ERGEBNISSE UND EMPFEHLUNGEN

LITERATURVERZEICHNIS

INTERNETQUELLEN BILDER

GLOSSAR

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Vorwort

Die vorliegende Diplomarbeit wurde in Zusammenarbeit mit den Stadtwerken München geschrieben, an deren Beispiel untersucht wurde, ob mit Hilfe von mobilen Geoinformationssystemen Arbeitsprozesse im technischen Außendienst bei einem Energieversorgungsunternehmen unterstützt werden können und gleichzeitig die Datenqualität im NIS-Datenbestand erhöht werden kann.

Es hat mir große Freude bereitet, eine praxisnahe Diplomarbeit anzufertigen. Zu wissen, dass diese Arbeit nicht in der Bibliothek verstaubt, sondern die Ergebnisse tatsächlich Verwendung in einem Unternehmen finden, hat mich stets motiviert und gibt mir das Gefühl, dass sich die Mühe gelohnt hat.

Hiermit möchte ich mich bei Prof. Dr. Otfried Baume und Prof. Dr. Matthäus Schilcher für die Unterstützung bedanken. Insbesondere möchte ich mich bei Herrn Dr. Andreas Donaubauer (TU München) und Frau Dr. Simone Stürmer (Stadtwerke München) für die wissenschaftliche Betreuung, für die wertvollen Denkanstöße und für die jederzeitige Bereitschaft zu fachlichen Gesprächen während der Durchführung meiner Diplomarbeit bedanken.

Ebenso bin ich dankbar für die ständige Hilfsbereitschaft, die ich durch die Abteilung Netz-Instandhaltung und Netzdokumentation der Stadtwerke München erfahren habe. Dabei gilt mein Dank Herrn Nikola Jureta, Herrn Florian Engel, Herrn Harun Kaynar und Frau Silvia Riedel.

Zu guter Letzt geht mein Dank an meine Familie und meine Freunde. Dabei möchte ich mich herzlich bei meinen Eltern Dragan Misic und Andjelka Misic bedanken, die mir mein Studium ermöglicht und mich während der gesamten Zeit stets unterstützt haben.

München, 10. Juli 2012

1. EINLEITUNG

1.1. Motivation

In der Vergangenheit wurden Netzinformationssysteme bei Energieversorgungsunter- nehmen bzw. Netzbetreibern zur Leitungsdokumentation und Archivierung der Be- triebsmitteldaten verwendet. Die technische Entwicklung von Geo-/Netz- informationssystemen führte zur Erweiterung des Einsatzspektrums, sodass sie beim Netzbetrieb verwendet werden können. Durch das Aufkommen der neuen Informati- ons- und Internettechnologien kann das „Desktop-GIS“, das als stationärer Arbeits- platz ausgelegt ist, auch mobil genutzt werden. Das heutige Informationszeitalter ist gekennzeichnet durch die zeit- und ortsunabhängige Datenbereitstellung. Dabei kön- nen die für die Arbeitsprozesse benötigten Daten vor Ort abgefragt werden. Diese mo- bile Datennutzung ist durch die Weiterentwicklung von PCs zu mobilen Endgeräten, Internettechnologie und das Aufkommen von Mobilfunknetzen gegeben.

Im Bezug auf Arbeitsprozesse bei Energieversorgungsunternehmen, werden die Daten der technischen Betriebsmittel in analogen Formularen und Skizzen dokumentiert, bevor sie in einen digitalen Datenbestand übertragen werden. Oft wirkt sich diese Arbeitsweise nachteilig auf die Datenqualität und -verfügbarkeit aus.

1.2. Zielsetzung

Im technischen Außendienst beim Netzbetrieb in Energieversorgungsunternehmen werden gegenwärtig fehleranfällige und zeitaufwändige Arbeitsmethoden angewendet. Daneben besitzen relevante Daten für die Prozessdurchführung des technischen Au- ßendienstes (Monteure, Meister) keine ausreichende Qualität. Für die Außendienstmit- arbeiter verursachen diese Sachverhalte Schwierigkeiten bei der Durchführung der Ar- beitsaufgaben.

Vor diesem Hintergrund ist es Ziel der Diplomarbeit, zu untersuchen, ob mit Hilfe von mobilen Geoinformationssystemen Arbeitsprozesse im technischen Außendienst bei einem Energieversorgungsunternehmen unterstützt werden können und gleichzeitig die Datenqualität im NIS-Datenbestand erhöht werden kann. Auf Grundlage dieser Über- legungen wird ein Soll-Konzept für ausgewählte Teilprozesse beim Netzbetrieb in der Niederspannung, die das Betriebsmittel Kabelverteilerschrank betreffen, aufgestellt.

Im nachfolgenden Abschnitt 1.3 wird beschrieben, wie vorgegangen wurde, um ein Soll-Konzept für eine mobile Lösung zu erarbeiten.

1.3. Vorgehensweise

Kapitel 2 beschreibt die Systeme, die beim Netzbetrieb in Energieversorgungsunter- nehmen eingesetzt werden. Dabei wird die Verwendung von Netzinformationen be- schrieben. Speziell wird auf den Einsatz eines mobilen GIS beim Netzbetrieb einge- gangen.

Kapitel 3 geht auf die Basistechnologien von mobilen Netzinformationssystemen (NIS) ein, mit deren Hilfe der technische Außendienst des Netzbetriebs unterstützt werden soll. Dabei werden die einzelnen Systemkomponenten vorgestellt, die einen mobilen Einsatz eines NIS ermöglichen.

In Kapitel 4 erfolgt eine Darstellung des IST-Zustands der ausgewählten Teil-Prozesse beim Netzbetrieb mit Fokus auf das Betriebsmittel Kabelverteilerschrank. Die Stadtwerke München dienen als Anwendungsfall. Dabei werden die Kernprozesse im Bereich des Netzbetriebs und der Entstörung aufgezeigt. Nachfolgend wird die gegenwärtige Ausgangssituation bewertet.

Kapitel 5 zeigt das aus der Bewertung ableitende Soll-Konzept für den neuen Prozess- ablauf der einzelnen Teil-Prozesse auf. Dazu bedarf es zuvor folgender Überlegungen:

- Bei welchen Prozessen und Aufgaben kann ein mobiles GIS die Außendienstmitarbeiter des Netzbetriebs unterstützen?
- Welche Nutzenpotentiale bietet das mobile GIS bzw. welche Vorteile ergeben sich, wenn Prozesse im Außendienst durch ein mobiles GIS unterstützt werden?
- Welche Anforderungen sind an die mobile Lösung zu stellen und welche Systemkomponenten sind dafür notwendig?
- Welche Anforderungen sind an die Daten in Bezug auf die Qualität zu stellen? Zunächst wird das nicht technische Konzept beschrieben. Darauffolgend wird das technische Konzept vorgestellt. Dabei wird die technische Umsetzung der mobilen Lö- sung dargestellt. Abschließend werden diverse Risiken vorgestellt, die den mobilen Einsatz des GIS behindern bzw. verhindern können.

Im Kapitel 6 werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammen gefasst und eine Empfehlung ausgesprochen.

2. GRUNDLAGEN

2.1. Beschreibung der Systeme beim Netzbetrieb

Im Folgenden wird auf die IT-Systeme eingegangen, die beim Netzbetrieb eingesetzt werden.

2.1.1. Geoinformationssysteme (GIS)/ Netzinformationssysteme (NIS)

Beim Netzbetrieb in Energieversorgungsunternehmen werden verschiedene Systeme zur Unterstützung der Aufgaben eingesetzt. Neben den Leitsystemen und Enterprise Resource Planning Systemen (ERP) kommen die sogenannten „Geoinformationssys- teme bzw. Netzinformationssysteme“ zum Einsatz. Diese werden nun kurz vorgestellt.

Nach Ralf Bill 2010 ist ein Geoinformationssystem wie folgt definiert:

„ Ein Geo-Informationssystem (GIS) ist ein rechnergestütztes System, das aus Hard ware, Software, Daten und den Anwendungen besteht und mit dem sich raumbezogene Problemstellungen in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten modellieren und bearbeiten lassen. Die dafür benötigten raumbezogenen Daten/Informationen können digi tal erfasst, redigiert, verwaltet und reorganisiert, analysiert sowie alphanumerisch und graphisch präsentiert werden “ . [BILL, 2010, S. 8]

Geoinformationssysteme können nach Anwendungsgebieten diverse Ausprägungen besitzen. Dazu zählen Rauminformationssysteme (RIS), Umweltinformationssysteme (UIS), Landinformationssysteme(LIS), Fachinformationssysteme(FIS), Netz- Informationssysteme (NIS) und viele mehr. [BILL, 2010]

Die sogenannten Netzinformationssysteme (NIS) sind speziell auf die Bedürfnisse von Ver- und Entsorgungsunternehmen ausgerichtet. Kennzeichnend dafür sind die Netz- topologie und die Spartenausrichtung. Als Sparten bei EVU zählen Strom, Gas, Was- ser und Fernwärme. Ein NIS dient Netzbetreibern zur Verwaltung und Dokumentation ihrer Betriebsmitteldaten (BM-Daten). Zu den Netzbetreibern zählen die Kommunen mit ihren Stadtwerken, die Wasserverbände, Energieversorgungsunternehmen usw. [BILL, 2010]

Ralf Bill und Marco L. Zehner definieren ein Netzinformationssystem wie folgt:

„ Ein Netzinformationssystem ist ein Instrument zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Repräsentation von Betriebsmitteldaten. Diese beziehen sich auf die Netzwerkto- pologie, die in einem einheitlichen Bezugsrahmen gegeben sein muss( … . ) Hierbei steht in erster Linie die geometrische und graphische Dokumentation des Leitungsbe- standes im Vordergrund. Von daher fallen sie ebenso in die Kategorie der Betriebs- bzw. Betriebsmittelinformationssysteme (BIS). [BILL/ZEHNER, 2001,S.186]

Unter den Betriebsmitteldaten sind neben Anlagen (Umspannanlagen, Transformatorenstationen, Produktionsstätte, Verteiler, Armaturen etc.) auch Leitungen, die die Versorgung und Entsorgung der Kunden gewährleisten, zu verstehen. Diesen (geometrischen) Betriebsmitteldaten werden im NIS beschreibende Sachdaten wie etwa technische Informationen (technische Werte, Material, Querschnitt etc.) sowie Metadaten zugewiesen. Im Gegensatz dazu werden Kunden und Auftragsbestand mit Hilfe von ERP-Systemen verwaltet. [Bill, 2010]

2.1.2. Enterprise-Resource-Planning (ERP) Systeme

Der Begriff „ERP“ stammt aus dem Englischen und ist die Abkürzung für Enterprise Resource Planning. „ Ein ERP-System unterstützt sämtliche in einem Unternehmen ab- laufenden Geschäftsprozesse. Es enthält Module für die Bereiche Beschaffung, Pro- duktion, Vertrieb, Anlagenwirtschaft, Personalwesen, Finanzwesen und Rechnungswe- sen usw., dieüber eine gemeinsame Datenbasis miteinander verbunden sind “. [GWL, 2012]. Es kann zwischen technischen, betriebswirtschaftlichen und gemischten Syste- men unterschieden werden. [Hesseler, Görtz, 2008]. Die dabei verwendeten Daten werden als Stammdaten bezeichnet.

Das Gabler Wirtschaftslexikon beschreibt Sie wie folgt:

„ In der betrieblichen Datenverarbeitung werden Stammdaten als wichtige Grunddaten eines Betriebs bezeichnet, dieüber einen gewissen Zeitraum nicht verändert werden; z.B. Artikel-Stammdaten, Kunden-Stammdaten, Lieferanten-Stammdaten und Weitere. Stammdaten werden oft nicht permanent, sondern periodisch aktualisiert “

[GWL, 2012].

Beim Netzbetrieb werden Aufträge, Einsatzplanung und Materialbeschaffung damit unterstützt. Ein bekanntes ERP-System ist das von SAP. Für ausführlichere Informati- onen zu ERP-Systemen können bei Hesseler&Görtz 2008 nach gelesen werden.

2.1.3. Leitsysteme

Netzleitsysteme bzw. Netzmanagementsysteme werden bei Energieversorgungs- unternehmen, die auch als Transportnetzbetreiber fungieren zum Überwachen und Steuern der Hochspannungsnetze (HSP-Netze) eingesetzt. Damit kann ein konstanter Energiefluss und das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und dem Verbrauch kontrol- liert werden.

Das System besteht in der Regel aus zwei Grundfunktionen. Diese sind das SCADA- (Supervisory, control and data acquisition) und den HEO- (Höhere Entscheidungs- und optimierungsfunktionen) Funktionen. Mit SCADA werden Meldungen, Messwerte und Schaltzuständen erfasst, sowie der steuernden Eingriff in das Netz. Mit HEO werden z.B. Lastflussrechnungen, Spannungsberechnungen etc. durchgeführt, mit deren Hilfe der gegenwärtige Fluss der Energie errechnet wird. Mit diesem ist es Energieversor- gungsunternehmen möglich, ihre Übertragungs- und Verteilungsnetze zentral und in Echtzeit zu überwachen und zu kontrollieren. Dazu können auch Stromausfälle simu- liert und somit frühzeitig Engpässe erkannt werden. Netzmanagement ermöglicht im Falle eines Stromausfalles, dass sofortige Maßnahmen ergriffen werden können, um die Wiederversorgung herzustellen. Außerdem kann ein Zusammenbruch des Versor- gungsnetzes und damit ein kompletter Ausfall systematisch verhindert werden. [ABB, 2012]

2.2. Netzinformationssysteme (NIS) bei Energieversorgungsunternehmen

2.2.1. Nutzerkreis und Einsatz beim Betrieb

Das NIS wird beim Netzbetrieb für unterschiedliche Zwecke eingesetzt.

Aus betrieblicher Sicht kann eine Einteilung in interne NIS-Nutzer und externe DatenNutzer vorgenommen werden.

Zu den innerbetrieblichen NIS-Nutzern zählen:

- der Netzbetrieb
- die Entstörung und die Instandhaltung
- Planung, Projektierung und Bauausführung

Zum Netzbetrieb gehören außerdem die Netzsteuerung und die Netzüberwachung.

NIS werden im Bereich der Planung zur Projektierung und Bauausführung von Netzen verwendet. Damit können technische Planungen, die Bauüberwachung, die Netzdokumentation, und u.a. die Qualitätssicherung unterstützt werden.

Beim Entstörungsmanagement wird das NIS als mobiles GIS im Außendienst zur Unterstützung der Prozessdurchführung genutzt. Es kann z.B. als Navigationsinstrument eingesetzt werden. Beim Betreiben und Instandhalten von Netzen wird das NIS zu Auskunftszwecken über die Betriebsmittel (BM) herangezogen. Die Daten werden visuell in Form von Plänen, dargestellt. Zukünftig sollen mit Hilfe von NIS Netzanalysen, Netzsimulationen und Netzberechnungen durchgeführt werden.

Mit mobilem GIS können Netzinformationen vor Ort bereit gestellt werden, die einen verbesserten Prozessablauf gewährleisten, für eine höhere Betriebssicherheit der eigenen Mitarbeiter und zur verbesserten Versorgungssicherheit der Kunden beitragen. Darauf wird im Kapitel 6 näher eingegangen. Mit der Verknüpfung von kaufmännischen und betrieblichen Daten sind weitere Anwendungen für digitale Netzinformationen entstanden. Dies sind zum Beispiel:

- Strategische Netzplanung
- Netzverwaltung und Netzoptimierung

NIS werden zur Unterstützung bei der Netzentwicklung verwendet. Mit den Funktio- nalitäten die ein NIS bietet, können Netzberechnungen und Netzstatistiken durchge- führt werden.

Die externen Daten-Nutzer haben keinen direkten Zugang zum NIS. Sie erhalten die Daten in Form von Plänen.

Zu den externen Daten-Nutzern zählen:

- Bundes-, Landes-, kommunale Behörden und Institutionen
- Beteiligte Unternehmen bei Grabungstätigkeiten

Externe Nutzer von digitalen Netzinformationen können Bundes-, Landes- und kommunale Behörden sein. Da die Betrachtung für diese Arbeit nicht relevant ist, wird auch auf diesen Anwenderkreis nicht näher eingegangen.

Für beteiligte Unternehmen wie etwa Tiefbauunternehmen, die z.B. Grabungen im öf- fentlichen Grund durchführen sind digitale Netzinformationen zu den BM enorm wichtig. In den Planwerken sind die im Untergrund verlaufenden Leitungen, Muffen etc. dargestellt. [STÜRMER, 2008]

Die NIS- Sparte Strom verwaltet und bearbeitet alle relevanten Objekte von Nieder(NSP), Mittel-(MSP) und Hochspannungsnetzen (HSP). Dafür ist die Dokumentation des aktuellen Zustandes der BM zu führen. Dieser wird von den Mitarbeitern des Netzbetriebs in den Planwerken gepflegt. Gemäß DVGW GW 120a sind das die Planwerke Bestandsplan und Übersichtsplan. [DVGW, 2010]

2.2.2. Charakterisierung der NIS-Pläne

Die Planwerke im NIS sind nach Sparten und nach Maßstabsbereichen organisiert.

Im Folgenden werden die in der Sparte Strom in der Niederspannungsebene (NSP) eingesetzten Planwerke detaillierter beschrieben. Auf Grund verschiedener Einsatzzwecke beinhalten die Planwerke unterschiedliche Informationen. Alle genannten Planwerke haben die amtliche Liegenschafts- und Flurkarte der öffentlichen Vermessungsverwaltungen als Grundkarte. Die beim Netzbetrieb gebräuchlichen Planwerke werden nun kurz vorgestellt.

Übersichtsplanwerk Strom

Im digitalen Übersichtsplanwerk (Maßstab z.B. 1:5000 o.a.) wird auf Grund der Generalisierung nur das Versorgungsnetz dargestellt. (siehe Abbildung 1) Es wird i.d.R. auf die Abbildung der Anschlussleitungen verzichtet. Das Versorgungsnetz besteht aus den technischen Anlagen und Netzbestandteilen Umspannwerke (UW), Transformationsstationen (TS), Kabelverteilerschränken (KVS), Baustrom (BS), direkten Hausanschlüssen (HA), den Verbindungskabeln und Trennstellen. Die Darstellung der Netzgebiete erfolgt mittels einfacher farbiger Strichgrafik ohne Topologie. Aus diesem Grund ist die Netzlogik in diesen digitalen Plänen nicht prüfbar.

Eine Bemaßung der BM ist nicht enthalten. Dieses Planwerk dient hauptsächlich zur Übersicht von Netzstationsgebieten und deren Schaltzustand. Es unterstützt die Mitar- beiter des Netzbetriebs (operatives Planwerk) bei Abschaltungen bzw. Zusammen- schaltung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Übersichtsplan Niederspannung (NSP) - GE Smallworld GIS

Bestandsplanwerk Strom

Das Bestandsplanwerk (Maßstab 1:500) enthält im Gegensatz zum Übersichts- planwerk hoch detaillierte Informationen zu den BM. Dieses Planwerk ist in zwei Wel- ten unterteilt.

In der Trassenansicht ist der Lagebezug abgebildet (vgl. Abbildung 2). Es sind alle Betriebsmittel mit lagegenauer Position sowie die Netztopologie enthalten. Kabel, Rohre etc. werden als Trassenband dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Bestandsplan, Trassendarstellung Niederspannung (NSP) - GE Smallworld GIS

In der Schemaansicht ist die schematische Darstellung von BM dargestellt (siehe Abbildung 3). Diese Ansicht wird automatisch aus dem Trassenplan generiert. Die BM sind lagetreu abgebildet. Wesentlich ist die Abbildung der netzlogischen Zusammenhänge. Es sind die einzelnen Kabel, Muffen und die exakte Anbindung der Kabel an die Netzknoten veranschaulicht. Im Gegensatz zur Trassendarstellung sind hier die einzelnen Kabel sichtbar. Schemapläne werden oftmals zur Datenbereitstellung für Netzberechnungsprogramme genutzt. [STÜRMER, 2008]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Bestandsplan, Schemadarstellung Niederspannung (NSP) - GE Smallworld GIS

2.2.3. Einsatz und Verwendung der Planwerke

Als nächstes wird auf die Verwendung und den Einsatz der Planwerke in den einzelnen Bereichen eingegangen. Für die Netzführung, die geplante Maßnahmen durchführt, ist der Übersichtsplan zur Ausübung ihrer Tätigkeiten essentiell. Er dient den Mitarbeitern als übergeordneter Schaltplan. Die Abbildung des Gesamtnetzes sowie kleinere Netzbereiche des NSP-Netzes sind ersichtlich. Dabei spielt die genaue Lage der BM nur eine untergeordnete Rolle.

Bei der Instandhaltung, die geplante und ungeplante Maßnahmen durchführt, werden zwei Planwerke zur Ausführung der Kernaufgaben benötigt. Der Übersichtsplan gibt den Monteuren die Information über die Zusammenschaltung des Stromnetzes in der Netzebene (NSP) an. Bei Arbeiten im Stromnetz, kann an Hand dieses Planwerkes er- mittelt werden, welche Trennstellen gesetzt bzw. aufgehoben werden müssen, um die Versorgungssicherheit weiterhin aufrecht zu erhalten. Das zweite Planwerk, welches zur Arbeitsausführung hinzugezogen wird, ist der Bestandsplan. Dieser enthält Infor- mationen über die Position der Muffen, des Kabels und über die exakte Anbindung der Endverschlüsse an den KVS. Es wird z.B. bei Grabungen genutzt. Für die externen Nutzer der Pläne wie etwa die Mitarbeiter des Tiefbaus ist die Angabe der exakten Lage von Kabel, Kabeltrassen und Muffen, die sich hauptsächlich im Untergrund befinden wichtig. Deshalb wird zur Arbeitsausführung hauptsächlich die Trassenansicht herangezogen. Beide Präsentationen von digitalen Netzdaten sind für die Darstellung am Monitor und als Printausgabe geeignet.

3. BASISTECHNOLOGIEN FÜR MOBILE NIS

3.1. Hardwarekomponenten, Softwarekomponenten und Systemarchitektur

Endsprechend der Definition von Ralf Bill 2010 (siehe Kapitel 2.1.1) setzt sich ein GIS aus den vier Komponenten Hardware, Software, Daten und Anwendungen zusammen, die in Abbildung 4 dargestellt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Komponenten eines GIS - [BSTMF, 2003]

Zur Hardware zählen Geräte zur Datenerfassung, zur Verwaltung und Auswertung so- wie Geräte zur Datenausgabe und Präsentation. Das Herzstück eines GIS bilden die Daten. Erst in Kombination mit einem Datenbankmanagementsystems (DBMS) bilden sie eine Datenbank [BARTELME, 2005]. Das DBMS hat die Aufgabe, den Datenbe- stand zu ordnen, ihn zu schützen und verschiedenen Nutzern zugänglich zu machen. Die Daten werden über das DBMS in die Datenbank eingefügt. Dort werden sie gele- sen, geändert oder gelöscht [BRINKHOFF, 2008]. Die Daten werden entweder in der GIS-Anwendung selbst gespeichert oder von einem Server abgerufen. Die Basissoft- ware baut direkt auf die Datenbank auf. Es gibt viele Erweiterungen dieser Basissoft- ware, die spezielle Bedürfnisse der jeweiligen Fachanwendung in zusätzlichen Funkti- onen abdecken. Diese stellt alle GIS-Funktionen bereit, mit denen die Daten aus der Datenbank abgefragt, visualisiert, transformiert und weiteres werden können [BSTMF et al. 2003]. Als Geodaten werden jegliche raumrelevante Informationen mit einem geographischen Bezug bezeichnet. Geodaten lassen sich in die beiden Klassen der Ba- sisdaten und die thematischen Daten unterteilen [BSTMF et al. 2003]. Eine umfassende, grundlegende Definition der Geodaten gibt Ralf BILL 2010 mit:

„ Geodaten sind Datenüber Gegenstände, Geländeformen und Infrastrukturen an der Erdoberfläche wobei als wesentliches Element ein Raumbezug vorliegen muss. Sie be- schreiben die einzelnen Objekte der Landschaft und sind durch eine Position im Raum direkt (z.B. durch Koordinaten), oder indirekt (z.B. durch Beziehungen) referenzierbar.über diesen Raumbezug lassen sich diese raumbezogenen Daten mit- einander verknüpfen und durch Verwendung der GIS-Funktionalitäten können mithilfe von Abfragen, Analysen und Auswertungen neue Informationen gewonnen wer- den.[BILL, 2010, S.263-264]

Zum Einen können Geodaten in Geobasisdaten und Geofachdaten aufgeteilt werden. Zum Anderen kann zusätzlich zwischen Geometriedaten und Sachdaten differenziert werden [Kappas, 2001]. Geobasisdaten bilden eine Teilmenge von Geodaten, zu denen vorwiegend die Daten der Vermessungsverwaltung zählen und die somit vielen Anwendungen als Grundlage dienen. Sie beschreiben die Landschaft (Topographie) und die Liegenschaften der Erdoberfläche interessensneutral. Zu den Liegenschaften zählen Grundstücke, Flurstücke und Gebäude [PGG, 2005].

Dagegen sind unter Geofachdaten (Fachdaten), die in den jeweiligen Fachdisziplinen erhobenen Daten zu verstehen. Sie werden unter anderem aufgrund von Fachgesetzen für zum Beispiel statistische Auswertungen in Verwaltungen von Kommunen, der Länder, des Bundes etc. verwaltet. Bei Energieversorgungsunternehmen werden Geo- fachdaten in ihrer Ausprägung als Leitungsdaten geführt. Geometriedaten enthalten die Form und die Lage der Objekte. Ihre geometrische Darstellung räumlicher Objekte kann mittels Vektor- als auch Rasterdaten repräsentiert werden. Vektordaten be- schreiben raumbezogen Objekte anhand von Linien, Punkten, Polygonen und andreren geometrischen Phänomenen [PGG, 2005].

Im Gegensatz zu Vektordaten ist bei Rasterdaten das geometrische Grundelement ein Pixel (Bildelement), welches eine quadratische oder rechteckige Struktur hat und in- nerhalb eines Datensatzes von identischer Größe ist. Ihr homogener Aufbau lässt kei- ne logischen Verbindungen zwischen den einzelnen Bildelementen zu, da keine Unterscheidung in Punkt, Linie und Fläche erfolgt. Jedoch können topologische Informationen über Nachbarschaftsbeziehungen der Zellenanordnung entstehen. Der Vorteil hierbei ist, dass die Daten relativ leicht erfasst werden können. Der Nachteil, den diese Daten haben ist, dass eine logische Datenstrukturierung nur sehr eingeschränkt möglich ist. Die Ordnung geschieht nur nach Pixelposition. Sachdaten gehören zur Klasse der nicht geometrischen Daten. Sie geben den thematischen Inhalt eines raumbezogenen Objektes wider. Sämtliche nicht geometrische Elemente wie Texte, Nummern, Eigenschaften etc. werden aufgeführt.

Im Energieversorgungsbereich sind das zum Beispiel Daten zum Leitungsdurchmesser, zum Material etc.

Geodaten können in verschiedenen Formaten und an verschiedenen Orten gespeichert werden. Ebenso können sie Qualitätsunterschiede besitzen. Um ihnen beschreibende Eigenschaften zu verleihen, sind weitere Informationen notwendig. Diese werden als Metainformationen bezeichnet. Es handelt sich hier um systeminterne Daten, die Geodaten nach ihrer Erfassungsmethode der erstellten Person, Zeitpunkt, Genauigkeit etc. beschreiben. Dadurch gewährleisten sie eine Transparenz der Daten und verleihen den Daten ihren Informationswert [De Lange, 2005, S. 207].

Neben den erwähnten Datentypen kann auch ein Verhältnis zwischen den Daten beste- hen. Die Topologie bezeichnet den Bezug von Punkten und Linien, die in einer be- stimmten gegenseitigen Beziehung zueinander stehen [Bill, 2010]. Die Linien werden dabei als Kanten bezeichnet und sind die Träger der topologischen Information. Punk- te werden als Knoten bezeichnet. Die Verwaltung der Topologie erlaubt die Erweite- rung des Abfrageraumes eines Geoinformationssystems. Damit können verschiedene Analysemöglichkeiten im GIS angewendet werden. Mit der Topologie in einem NIS kann eine Netzverfolgung und die Prüfung der Daten auf Konsistenz vorgenommen werden. Außerdem können Doppelspeicherungen von Daten vermieden, Nachbar- schaftsbeziehungen auf ihre Vollständigkeit überprüft und thematische Daten auf ihre Verknüpfung untersucht werden [BILL, 2010].

Die GIS-Technologie hat sich in den letzten Jahren stark gewandelt. Durch die Ent- wicklung von Netzwerk und Internettechnologien haben sich Veränderungen in Sys- temarchitekturen bei Geoinformationssystemen ergeben. Neben dem früheren GIS-

Arbeitsplatz, das Desktop-GIS, sind mittlerweile zahlreiche Ausprägungen der GISArchitektur entstanden. Diese sollen hier kurz vorgestellt werden:

- Desktop-GIS
- Client/Server-GIS
- Internet GIS
- Mobiles GIS

Desktop-GIS

Ein Desktop-GIS ist in der Regel als Einzelarbeitsplatz (Stand-Alone-Rechner) ausge- legt. Der Funktionsumfang ist eingeschränkt. Daher wird es zur Bearbeitung kleinerer Datenmengen eingesetzt. Sie sind nicht für den Mehrbenutzerbetrieb konzipiert. Hauptsächlich werden sie zur Datenerfassung,- verwaltung und- auskunft eingesetzt [BSTMF et al. 2003].

Client/Server-GIS

Bei dieser Ausprägung werden Geodaten und zentrale Anwendungen auf einem Zent- ralrechner (Server) gespeichert. Auf diesen Server greifen Arbeitsplatzrechner (Clients) zu und werden vom Server mit Geodaten und GIS-Funktionalitäten versorgt. Der Vorteil des Desktop-GIS liegt darin, dass es von einer Vielzahl von Anwendern genutzt werden kann. Es kann als Bearbeitungs- sowie Auskunftsarbeitsplatz dienen. Ein High-End-GIS ist die leistungsstärkste Ausprägung dieser Kategorie. Es verfügt über umfangreiche Funktionalitäten, mit denen die Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation von Geodaten möglich ist. Zudem können große Datenmengen von verschiedenen Anwendern verwaltet und gespeichert werden, da sie auf einem Zentral- server mit hoher Speicherkapazität gehalten werden. Ein weiterer Vorteil dieser Sys- temarchitektur liegt in der individuellen Anpassung, welche durch ihren modularen Aufbau gegeben ist. High-End-GI-Systeme werden oft bei größeren Kommunen, Netzbetreibern zur Erfassung, zur Analyse, zur Fortführung und Präsentation von Geodaten eingesetzt [BSTMF et al. 2003].

Internet-GIS

Beim Internet-GIS wird das Internet für den Zugang zu und zur Verteilung von Geoin- formationen eingesetzt. Unter dem Oberbegriff Internet-GIS sind alle Anwendungen die in Zusammenhang mit der Nutzung von Internettechnologien stehen zu verstehen.

Dabei ist das Web-GIS der bekannteste Vertreter. Damit werden Web-Anwendungen bezeichnet, die GIS-Funktionalitäten beinhalten und diese dem Anwender über WebBrowser, Web-Server etc. zur Verfügung stellen.

Ein klassisches Web-GIS besteht aus Client, Web- und Datenbankserver. Dabei er- gänzt der GIS-Server den Web-Server um eine Komponente, die GIS-Funktionalitäten wie z.B. Analyse, Visualisierung etc. anbieten. Die Client-Komponente kann als einfa- cher Thin-Client in Form eines Web-Browsers ausgeprägt sein, der gerasterte Bilder darstellt. Meistens werden spezielle Map-Clients, die eine Erweiterung des Thin- Clients darstellen und zusätzliche Funktionen wie z.B. das Zoomen, die Stiftbedienung etc. ermöglichen. Darüber hinaus können damit Vektordaten dargestellt werden. Die dritte Komponente eines Web-GIS stellt die Datenbank dar, die Geodaten verwaltet. Sie wird als Geodatenbank-Server bezeichnet.

Web-GIS dienen hauptsächlich zur Darrstellung und Analyse von räumlichen Daten. Die Erfassung und Verwaltung spielt nur eine sekundäre Rolle [BLANKENBACH, 2007].

Die Daten und die GIS-Funktionalitäten liegen beim Internet-GIS wie beim Client/Server-Prinzip auf einem Zentralserver. Der Zugriff kann über das Intra- sowie auch Internet erfolgen. Dafür ist ein vorinstallierter Client nicht notwendig. Die Nut- zung eines Internet-GIS kann von einem stationären Rechner aber auch über ein mobi- les Endgerät erfolgen.

Mobiles GIS

Mobile GIS bezeichnet eine Vielzahl von Softwarelösungen, die für den mobilen Ein- satz auf Feldrechnern, PDAs, Smartphones, Tablets, Handheld-GPS-Empfängern etc. geeignet sind. (vgl. Kapitel 3.4) Sie können Erfassungs-, Aktualisierungs-, Auskunfts- und Visualisierungsfunktionalitäten bereitstellen. Sie lassen sich vielseitig einsetzen oder sind auf ganz spezielle Aufgaben reduziert [BILL, 2010]. Mobile GIS stellen eine besondere Ausprägung von standortbezogenen Diensten dar. Mit der Ausstattung einer Positionierungskomponente (GPS), die kennzeichnend für mobiles GIS ist, können bei einem Energieversorgungsunternehmen im Außendienst Location Based Services ge- nutzt werden. Damit kann Beispielsweise das Auffinden von Betriebsmitteln, Anlagen etc. unterstützt bzw. erleichtert werden. Ebenso können die benötigten digitalen Kar- tenausschnitte automatisch auf dem mobilen Endgerät generiert werden, ohne dass die Navigation über eine Eingabe der Lokation erfolgen muss. Ein mobiles GIS ist ein GIS, welches auf einem mobilen Endgerät betrieben wird [SCHILCHER, 2006]. Die- ses kann zeit- und ortsunabhängig eingesetzt werden. Mobile GIS können als mobile Clients, die über eine Mobilfunkverbindung mit dem Server verbunden sind oder au- tark genutzt werden. Bei letzterer Art werden die Daten und die Funktionalitäten lokal auf dem Rechner gehalten. Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten von mobilen GIS. Sie können im Bereich der öffentlichen Verwaltung als auch bei Unternehmen eingesetzt werden.

Exemplarisch für den Einsatz bei der öffentlichen Verwaltung kann genannt werden:

- Grünflächen und Baumkataster
- Immobilienverwaltung
- Erfassung von landwirtschaftlichen Flächen

Bei Unternehmen wie etwa einem Energieversorgungsunternehmen (EVU) kann ein mobiles GIS zu Inspektions- und Dokumentationsaufgaben dienen. Diese Anwendungen liegen zum Beispiel in:

- Betriebsmittel- und Anlageninspektion
- Änderungsdokumentation im Versorgungsnetz
- Störungsmanagement

[BLANKENBACH 2007]

Nachdem die Hardware-und Softwarekomponenten sowie auch die verschiedenen Systemarchitekturen von GIS beschrieben wurden, wird im Weiteren auf die Datenhaltung und den Datenzugriff in mobilen GIS eingegangen.

3.2. Datenhaltung und Datenzugriff

Bei der Datenhaltung auf mobilen Geräten kann nach dem Ort (lokal oder zentral) so- wie auch nach der Art (dateibasiert oder datenbankbasiert) unterschieden werden. Nach J. Blankenbach 2007 können folgende Formen bezüglich des Ortes differenziert werden:

- Lokale Datenhaltung

Daten werden nicht über das Internet bezogen sondern die Daten befinden sich lokal auf dem mobilen Endgerät.

- Zentrale Datenhaltung auf einem Daten(bank)server

[...]