Wasserbewirtschaftung von Binnenschiffahrtsgewässern auf Basis einer modellgestützten Vorhersage des Systemverhaltens (PDF)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz eines modellbasierten prädiktiven Regelungsverfahrens zur optimierten Bewirtschaftung von Binnenwasserstraßen. Das primäre Ziel der Wasserbewirtschaftung besteht darin, die Sicherheit und Leichtigkeit der Schifffahrt zu garantieren. Dies erfordert die Beachtung zum Teil sehr restriktiver Grenzwerte für den lokalen Wasserstand (Untiefen, Durchfahrtshöhe unter Brücken). Im Gegensatz zu typischen regelungstechnischen Problemstellungen besteht die Aufgabe der Wasserbewirtschaftung nicht in der Einhaltung eines Sollwertes für den Wasserstand, sondern in der gezielten Ausnutzung des durch die Wasserstandsgrenzwerte definieren Sollwertbereiches zur Umsetzung zusätzlicher Bewirtschaftungsanforderungen (Minimierung der Betriebskosten, Wasserkraftnutzung, Hochwasserschutz, Ökologie). Das Verfahren der modellbasierten prädiktiven Regelung ist für das betrachtete Anwendungsgebiet besonders geeignet, da der zulässige Bereich für die Prozessgrößen bei diesem Verfahren mittels Beschränkungen auf eine sehr direkte Weise zu berücksichtigen ist. Die Ableitung der Steuerentscheidungen erfolgt durch Lösen eines Optimalsteuerungsproblems auf Basis einer modellgestützten Vorhersage des zukünftigen Prozeßverhaltens. In Erweiterung bestehender optimierungsbasierter Ansätze zur Wasserbewirtschaftung wird zur Beschreibung der Prozeßdynamik ein strukturtreues Modell auf Basis der Saint-Venant- Gleichungen eingesetzt. Zur numerischen Lösung dieses hyperbolischen partiellen Differentialgleichungssystems wird ein Finite-Volumen-Verfahren (Godunov-Methode) genutzt. Mit diesem Modellansatz sind hochdimensionale Optimierungsprobleme verbunden, deren Lösung unter Echtzeitbedingungen mit einem speziell angepaßten Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung (SQP) erfolgt. In der Arbeit werden weitere Realisierungsaspekte wie die Kalibrierung des Prozeßmodells, die Bestimmung des aktuellen Zustandes sowie die Auswirkungen einer direkten Berücksichtigung ökonomischer Kriterien im Gütefunktional (z.B. Pumpkosten) auf die im geschlossenen Kreis entstehende Bewirtschaftungsstrategie angesprochen.