HN-Simulation

BiSiGeMi

Das Projekt „BiSiGeMi“ wird im Rahmen der Förderrichtlinie Modernitätsfonds („mFUND“) mit insgesamt 78.995,00 Euro durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) für 18 Monate gefördert (Förderlinie 1) und unter Leitung der  smile consult GmbH sowie Mitwirkung der Bundesanstalt für Wasserbau seit dem 01.10.2020 bearbeitet.

Veranlassung:

In der BAW am Standort Hamburg liegen umfangreiche und mehrjährige synoptische Ergebnisdatensätze aus hydrodynamisch-numerischen (HN)-Simulationsmodellen (z. B.: EasyGSH-DB http://mdi-de.baw.de/easygsh/index.html) vor. In der Regel wurden diese auf unstrukturierten Gebietszerlegungen und in hoher zeitlicher Auflösung erzeugt. Für die anwendungs­orien­tierte und nutzerfreundliche Bereitstellung dieser Daten im Sinne der Open-Data-Strategie des Bundes soll eine geeignete Softwareinfrastruktur, die einen transparenten Zugriff ermöglicht, entwickelt und erprobt werden.

Ziel:

Ziel des Vorhabens ist die Schaffung und prototypische Inbetriebnahme einer Big-Simu­lation- and Geodata-Middleware für unstrukturierte zeitvariante HN-Simulations­ergeb­nisse.                                                                                           

Hierzu werden folgende Schwerpunkte bearbeitet bzw. Teilziele verfolgt:

  • Entwurf und Implementierung einer performanten und transparenten daten­bank­basierten Verwaltung für große unstrukturierte zeitvariante HN-Simu­la­tions­­ergebnisse
  • Strukturierung und Dokumentation der HN-Simulation mit projektbezogenen Metadaten
  • Entwurf und Implementierung performanter orts- und zeitselektiver Zugriffsmechanismen und Interpolationen der Middleware
  • Testweiser Betrieb der Big-Simulation- and Geodata-Middleware bei der BAW am Standort Hamburg

Vorarbeiten:

BiSiGeMi kann bereits zum Projektstart auf eine umfangreiche und synoptische Simu­la­tions­datenbasis über einen Zeitraum von 20 Jahren und mit einem Datenvolumen von knapp 80 TB aus dem mFUND-Verbundprojekt „EasyGSH-DB“ zurück­greifen. Durch eine Rasterung der 10-minütigen Simulationsergebnisse auf Basis der unstrukturierten Be­rechnungsnetze auf ein 1×1-km-Raster in 20-minütigem Intervall wurden Dateigrößen von rd. 25 GB erzielt (siehe Abbildung 1). Diese reproduzieren aber die komplexen bathymetrischen und hydrodynamischen Verhältnisse im Küstennahbereich und in den Ästuarmündungen nur eingeschränkt.

Abbildung 1: Analyse der Kennwerte des Wasserstandes als Produkt

Eingesetzte Methoden:

Der Einsatz von HN-Simulationsmodellen (für Tide, Seegang und Transport) beruht der­zeit stark auf unstrukturierten numerischen Verfahren (UnTRIM², TELEMAC). Die so erzeugten Daten liegen in unstrukturierter Form vor, für die es keine Standard­lö­sun­gen zur Datenbereitstellung gibt.

Die zu entwickelnde prototypische Middleware wird Möglichkeiten eröffnen, auf diese Datenbasis von Simulationsergebnissen in ihrer hohen zeitlichen und räumlichen Auf­lösung transparent zugreifen und diese performant nutzen zu können.

Sowohl die Simulationsdaten als auch die Methodenbank sowie die verknüpfende Middleware werden bei der BAW gehostet und durch die Schaffung geeigneter Web-Schnittstellen in nationale und europäische Geodateninfrastrukturen sowie in die mCLOUD (https://www.mcloud.de/) eingebunden.

Nutzung – Mehrwert:

Der generische und anwenderfreundliche Zugriff auf die originalen unstrukturierten HN-Simulationsergebnisse ist derzeit aufgrund der Menge und Struktur der Daten mit Standardlösungen nicht möglich; diese Simulationsergebnisse können in der Regel nur von den Mitarbeiter*innen der BAW genutzt werden. Als Übergangs­lösung für die Ver­öffent­lichung in „EasyGSH-DB“ wurden diese auf ein 1×1-km-Raster übertragen und mit einem größeren Zeitschritt (20 Minuten) in eine ca. 25 GB große NetCDF-Datei gewan­delt.

Die zugrundeliegenden unstrukturierten Berechnungsnetze haben im Bereich der Rinnen Auflösungen von ca. 250 m und in den tieferen Bereichen der Deutschen Bucht Kantenlängen von ca. 4 km. Durch die 1×1-km-Rasterung wird beispielsweise in der inne­ren Deutschen Bucht eine höhere Genauigkeit „vorgegaukelt“ als berechnet wurde und in den interessanten Bereichen der Watten und Tiderinnen gehen Informationen verloren (siehe Abbildung 2). Es wäre ein großer Zugewinn, wenn die Nutzer trans­pa­rent, entsprechend ihrer Fragestellungen, direkt lesend auf diese Simulationsdaten zu­greifen könnten. Beispielsweise lassen sich für vorgegebene Polygonknoten Zeitreihen von gewünschten hydrodynamischen Kenngrößen exportieren, um mit diesen als Rand­werte eigene Detail­modelle betreiben zu können.

Abbildung 2: Rasterung von unstrukturierten Dreiecksgitternetzen

Mit dem Aufbau und dem testweisen Betrieb der Big-Simu­la­tion- and Geodata-Middle­ware bei der BAW wird die Machbarkeit des Ansatzes gezeigt, der einen Beitrag zur Digi­ta­li­sie­rung der Tätigkeiten der BAW im Rahmen von wasserbaulichen Planungs­auf­ga­ben liefert. Die aufzubauende Softwareinfrastruktur wird so flexibel umgesetzt, dass auch anders strukturierte Simulationsdaten zukünftig hier integriert werden können. Die Praxistauglichkeit u. a. für die WSV soll auf der Basis der 20-jährigen synoptischen Simulationsdaten aus „EasyGSH-DB“ und an den Anwendungsszenarien zur Zeitreihen-extraktion für Schiffsführungssimulatoren sowie zur Datenbereitstellung von Randwerten für HN-Modellen aufgezeigt werden (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Nutzung der Zeitreihen von Wasserstand und Strömungsgeschwindigkeit für Schiffsführungssimulationen und zur Randsteuerung von HN-Modellen