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10.01.1992 - 

COMPUTER UND UMWELT

Mit Bits und Bytes gegen Gift und Dreck

Von CW-Mitarbeiter Egon Schmidt

Zu den drängendsten Notwendigkeiten nicht nur in hochgezüchteten Industriestaaten, sondern längst schon weltweit, gehört heute der Schutz der Umwelt vor Belastungen aller Art. Das ist eine Aufgabe, die zum einen exakte Meßtechnik zur Feststellung bereits eingetretener Gefährdungen oder gar Schädigungen erfordert, zum anderen ausgefeilte Technik, die dem Vermeiden überflüssiger Emissionen dient. Mithin ist auch dies eine Aufgabe, in der Computer Jahr für Jahr eine größere Rolle spielen.

Mag es in früheren Jahren vielfach noch ausgereicht haben, beispielsweise die Folgen des berüchtigten sauren Regens einfach durch optischen Farbvergleich eines Lackmus-Papierstreifens mit einer bunten Referenzskala zu quantifizieren, so geht in der Umweltanalytik von heute fast nichts mehr ohne Elektronik und Computer. Die gesuchten Meßdaten müssen von höchster Präzision sein und zu ihrer Bestimmung sind überaus empfindliche elektrophysikalische beziehungsweise elektrochemische Sensoren erforderlich. Die gewonnenen Daten müssen ja auch vor Gericht Bestand haben, will man einen Umweltsünder überführen und seiner gerechten Strafe zuführen.

Besucht man heute ein leistungsfähiges Labor für Umweltanalysen, so könnte man fast schon den Computer für das Hauptinstrument der Analytiker halten. Denn ein solches Labor kommt ohne ausgereiftes Labordaten-Computersystem heute ebensowenig aus wie ohne seine vollautomatischen Analyseroboter mit interner Mikroprozessorsteuerung. Dieses Labordatensystem wiederum übernimmt heute praktisch alle Routineaufgaben, die von der einfachen Verwaltung der eingehenden und der zu archivierenden Proben bis hin zur internen Qualitätsüberwachung der täglichen Laborarbeit reichen inklusive Verfassen der einzelnen oft mit Computergrafiken versehenen Laborberichte.

Im Bereich der Umweltlabor-Automation geht die Tendenz, wie Fachleute erläutern, eindeutig in Richtung CIL, sprich: Computer Integrated Laboratory. Von den Rechnern wird beispielsweise gefordert, sie sollten die verschiedenen Teilbereiche wie etwa Entnahme und Vorbereitung der Proben sowie die eigentliche Detektion automatisieren und dadurch auch verbilligen. Damit nicht genug: Sie sollten dann ferner die mühsam gewonnenen, relevanten Zahlenwerte in ein umfassend angelegtes Umwelt-Datensystem übernehmen, dort speichern, sie auf standardisierte, exakt vorgegebene Weise überschaubar machen und die wichtigsten Kenngrößen schließlich automatisch an ein höherrangiges Datenbanksystem weiterreichen.

Umwelt-Computersysteme erlauben inzwischen dank intensiver Datenaufbereitung sehr klare, grafisch eingängige und aussagestarke Darstellungen der aktuellen Umweltbelastungen. Additiv können sie Landkarten mit symbolischen Darstellungen der einzelnen Meßwerte überlagern. Außerdem werden moderne CIL-Rechner demnächst helfen, die Kosten der Umweltüberwachung zu senken bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität der Resultate, die dann zusätzlich noch besser als bisher zwischen den verschiedenen Labors vergleichbar sein dürften. Was allerdings noch eines voraussetzt: Die relevanten Protokolle und Schnittststellen für den nahtlosen Datenaustausch innerhalb eines Umwelt-Informationsnetzes müssen dringend genormt werden.

Waren in der Vergangenheit Analyseautomaten beliebt, die versteckt einen komfortsteigernden Computer mit eingebaut hatten, so kann man heute eher den gegenläufigen Trend beobachten. Der rasante Preisverfall bei PCs hat bewirkt, daß moderne Analysegeräte intern jetzt nur noch die wichtigsten Grundfunktionen bieten, während das eigentliche Bedienen der Analyseanlage sowie das Auswerten der Daten getrennt davon im PC erfolgen.

Der einzelne Meßfühler kann billig sein

Dieser Extrarechner kann dadurch in vollem Umfang allen modernen Komfort wie beispielsweise Fenstertechnik, grafische Bedienerführung sowie Netzkoppelungen an andere Computer bieten und darüber hinaus Textprogramme, Datenbanken, Grafiksoftware und weitere Programme unterschiedlichster Art betreiben. Zudem erlauben derartige Rechner bei entsprechender Ausstattung, via Online-Datenbank auf relevante Literatur zuzugreifen oder auch frühere Chromatogramme, Histogramme und Spektren-Datenbanken zu Vergleichen heranzuziehen.

Überall, wo die Behörden Industriebetrieben und anderen Produzenten von Abwässern und Abgasen auf die Finger schauen müssen, kann man heute sehen, daß die einzelnen Meßcomputer der Überwachungssysteme immer dichter vernetzt sind und daß das Ganze von der Zentrale überwacht und gesteuert wird. Dies geschieht über automatisch ablaufende Eich- und Prüfzyklen sowie über die automatische Ausgabe der summarischen Emissionsberichte. Einerseits helfen die Rechner, Personal und Kosten einzusparen, andererseits tragen sie gleichzeitig zur immer strikteren Überwachung der potentiellen Umweltsünder bei.

Physisch zwar klein, doch von ihrer Arbeitsweise her umso interessanter werden künftig speziell jene Rechner sein, die man in den kommenden Multisensoranordnungen einsetzen wird. Bei Installationen kann der einzelne Meßfühler dank Rechnereinsatz vergleichsweise ungenau arbeiten und billig sein. Die Computer sorgen mit Hilfe vielfältiger Algorithmen automatisch für den wechselseitigen Abgleich der anfallenden Meßresultate. Da diese Einzelsignale obendrein oft noch nach verschiedenen Meßprinzipien gewonnen werden, erarbeitet das System auf erstaunlich billige Weise ein Summen-Meßsignal höchster Exaktheit.

Längst unverzichtbar sind heute schnelle, leistungsstarke Rechner auch in der sogenannten Fernerkundung, wie sie insbesondere zur großflächig-übersichtlichen Diagnose des Waldsterbens von Satelliten beziehungsweise Flugzeugen aus erprobt wird. Dabei zeigten die bisherigen Versuche, daß man nur von weitgehend automatisch arbeitenden Verfahren der Gewinnung und Auswertung von Meßdaten auf Basis von Infrarot- und Normallicht-Aufnahmen erwarten kann, Landschaft und Biosphäre auch wirklich konsistent und flächendeckend zu überwachen, Resultate zu gewinnen, die erstens exakt und zweitens mit anderen vergleichbar sind.

Bei der hier angesprochenen, vollautomatischen Computerauswertung von zahllosen Einzelbilddaten setzen Fachleute auf zweierlei: zum einen darauf, die Biologen möchten hoffentlich schon bald brauchbare Methoden der Definition und Extraktion jener speziellen Bildmerkmale erarbeiten, die etwas Konkretes über den aktuellen Schaden auszusagen vermögen, und zum anderen auf die rasche Verbesserung der heute bekannten Expertensysteme sowie auf die zügige Entwicklung noch schnellerer Super- und Parallelcomputer. Die heutigen leisten immer noch nicht das, was im Interesse der Umwelt wünschenswert wäre.

Nicht nur beim nachträglichen Feststellen, wie stark unsere Umwelt belastet ist, leisten Computer oft ganz Hervorragendes. Noch nützlicher scheinen sie dort eingesetzt, wo mit ihrer Hilfe gleich von vornherein für mehr Sauberkeit gesorgt werden kann, beispielsweise überall dort, wo aufwendige Rechnersysteme zur Minimierung des Konsums von hochwertigem elektrischen Strom eingesetzt werden, oder auch dort, wo man mit Computerhilfe Feuerungen aller Art in komplizierten Regelkreisen exakt so steuert, daß die gleiche Wärme wie früher mit besonders geringem Einsatz an Kohle, Öl, Gas oder anderen Brennmaterialien erzeugt wird.

Eine wichtige Rolle bei der Entlastung unserer Umwelt von schädlichen Gasen spielen heute Computer-Prozeßleitsysteme zur Reinigung der Rauchgase industrieller Feuerungen. Hier werden schon jetzt ausgesprochen leistungsfähige Prozessoren, Rechner, Speichersysteme etc. eingesetzt. Dabei gilt es nämlich, überaus komplexe Regelkreise und Regelalgorithmen fortlaufend in Echtzeit zu bearbeiten - und auf diese Weise Größen, etwa Drücke, Temperaturen, Durchflußmengen, kontinuierlich miteinander zu verknüpfen.

Schädliche Staubteilchen werden heute vielfach in den bekannten Abgas-Elektrofiltern aufgefangen, die allerdings nicht ganz problemlos arbeiten und die deshalb dringend verbessert werden müßten. Denn diese Filter beziehungsweise ihre sogenannten Niederschlagselektroden werden regelmäßig durch hartes, mechanisches Klopfen vom anhaftenden Staub befreit, der dabei großteils nach unten in eine Staubkammer fällt. Dieses Klopfen nun stellt datentechnisch ein typisches Optimierungsproblem dar, denn es kann ja einerseits zu selten erfolgen - doch dann entweicht jeweils während einer gewissen Zeit vor dem nächsten Klopfen vermeidbar viel Staub in die Luft. Klopft man andererseits zu häufig, so entweicht wiederum mehr Schadstoff, als wirklich unvermeidlich wäre. Das ist nämlich die logische Folge der beim Klopfen stets gleichzeitig auftretenden Staubaufwirbelung.

Da aber nun immerhin bis zu sieben Zehntel allen emittierten Staubs infolge zu frühen beziehungsweise zu späten Klopfens entweichen, ist klar: Ein modernes, selbstoptimierendes Computerprogramm zum Steuern dieses kritischen Elektroden-Reinigungsvorgangs ist dringend erwünscht. So ein Programm könnte dann direkt während des Betriebs der Anlage die optimale Kombination jener Parameter ermitteln, anhand derer das eigentliche Regelungsmodell arbeitet, und die entsprechenden Werte dann gegebenenfalls nachführen. Doch leider ist trotz aller Fortschritte der heutigen Technik hier noch kein Durchbruch gelungen, was nicht zuletzt auch an Problemen mit den jeweiligen Sensoren zu liegen scheint.

Modellhaft für eine Fülle weiterer Bereiche, in denen Computer heute ebenso unbeachtet wie wirksam dazu beitragen, die Umwelt wenigstens teilweise von jenen Belastungen zu befreien, die wir Menschen verursachen, sind auch moderne industrielle wie kommunale Abwasser-Kläranlagen. Im Bereich dieser vielfach schon hochkomplexen Systeme sind heute oft zahlreiche Einzel-Prozeßschritte verfahrenstechnisch untereinander verkettet, und zwar so, daß man mit inselhaften Regelungen der einzelnen Prozesse schon längst nicht mehr auskommt. Vielmehr müssen die Computer fähig sein, alle Regelungen der Einzelprozesse aufeinander abzustimmen und sie letztlich in eine umfassende Regelung des Gesamt-Reinigungsvorgangs zu integrieren.

Kommunikation per Datenbus häufiger

Bisher arbeiteten in größeren Kläranlagen leistungsfähige Zentralrechner an diesen Problemstellungen, was aber häufig ausgedehnte und kostspielige Kabelsysteme bedingte. Denn nur so konnte die Rechenzentrale alle Sensorsignale selbst aus den entferntesten Ecken des großen Geländes erhalten. Und neben den teuren Kabeln dieser Zentralinstallationen störte obendrein, daß so ein traditionsgeprägtes System ausgesprochen unflexibel ist, wenn es später ergänzt beziehungsweise erweitert werden soll. Ganz zu schweigen davon, daß bei Ausfall der Rechenzentrale die gesamte Anlage prompt ihren Dienst versagt.

Heute indes stehen dezentrale Rechnerinstallationen, die miteinander sowie mit dem - eventuell noch verbliebenen - Zentralrechner über einen Datenbus kommunizieren, im Vordergrund. Sie können bei Ausfall anderer Einheiten zumindest die wichtigsten Funktionen autonom weiter wahrnehmen. Für die Zukunft ist überdies schon absehbar, daß die lokale Intelligenz dieser Rechner immer weiter wachsen und auch das Maß an Dezentralisierung weiter zunehmen wird. Es ist vorhersehbar, daß die einzelnen Regelkreise, die von den verschiedenen Computern gesteuert werden, bald auch noch "lernen" werden, sich selbsttätig zu optimieren und aktuelle Daten gleich vor Ort erstens auf Plausibilität zu prüfen und auf ihre wichtigsten Kennzahlen hin zu komprimieren.

Viele Kenngrößen des komplexen Prozesses Gewässerreinigung können heute noch nicht hinreichend genau gemessen werden, doch soll auch da der Computer bald weiterhelfen. Die Fachwelt arbeitet bereits an neuartigen, mathematischen Modellen des realen Geschehens in diesen komplexen Anlagen beziehungsweise an innovativen Algorithmen zur rekursiven Parameterschätzung, mit deren Hilfe die nicht direkt meßbaren Kenngrößen indirekt per Computer errechnet und zur exakten Regelung des Verfahrensablaufs benutzt werden können.

In Zukunft verstärkt Expertensysteme

Außerdem dürften in Zukunft verstärkt Expertensysteme eingesetzt werden. Sie könnten dem Personal helfen, Fehler von vornherein zu vermeiden beziehungsweise sie retrospektiv deutlicher zu diagnostizieren.

Ganz erheblich zur Verbesserung der Umwelt wie auch zum Sparen können Computersysteme beitragen, überantwortet man ihnen die gemeinsame Steuerung mehrerer großer Kläranlagen-Komplexe ein ausgedehnten Bereichs mit Industrieanlagen und Wohnbezirken.

Das zeigt ein Beispiel aus Colorado, USA, wo Rechner im Rahmen eines umfangreichen Management-Systems ein mathematisches Modell der ganzen komplexen Abwasserstruktur bearbeiten - ein Modell übrigens, das sich logisch in mehrere Teilmodelle gliedert, die dann wiederum einzelne Komponenten wie etwa Kläranlagen, Kanäle etc. simulieren.

Dieses US-System auf Basis verteilter PCs optimiert aber nicht nur den Betrieb mit dem Ziel besseren Umweltschutzes und geringerer Kosten. Es hilft entscheidend mit, den weiteren Bedarf beziehungsweise Ausbau der Struktur zu planen, bei Katastrophen für rasche Abhilfe zu sorgen, die laufende Wartung und Instandhaltung zu koordinieren und außerdem das Personal zu schulen. Zusätzlich dient es der Archivierung und Dokumentation.

Allein anhand dieser wenigen ausgewählten Beispiele wird deutlich, daß die Hilfe, die Rechner beim Schutz der Umwelt heute leisten, gar nicht hoch genug eingeschätzt werden kann.