2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 133 Straßenzustandserfassung: Geocodiert oder Netzknoten- Kanten-bezogen, was benötigen wir morgen? Dr.-Ing. Ute Stöckner Steinbeis-Transferzentren GmbH an der Hochschule Karlsruhe Prof. Dr.-Ing. Markus Stöckner Steinbeis-Transferzentren GmbH an der Hochschule Karlsruhe Zusammenfassung Der Zustand kommunaler Verkehrsflächen kann nach Regelwerk mit unterschiedlichen Verfahren ermittelt werden, die sich auf ein stationiertes Netzknoten-Kanten-System (NKS-System) beziehen. Darauf auf bauend greifen eingeführte ingenieurtechnische Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung von Erhaltungsabschnitten sowie Verfahren zur Prognose des Finanzbedarfs bei ihren Berechnungen auf diese Beschreibungsmethode zurück. Die resultierenden Ergebnistabellen werden in der Regel in webgestützten Fachsystemen visualisiert oder in statischen Kartenwerken dargestellt. Darüber hinaus sind seit etlichen Jahren weitere Verfahren am Markt, die mit Laserpunktwolken arbeiten und zunächst auf eine Bestandsdatenerfassung abzielen. Sie werden jedoch auch für die Straßenzustandserfassung eingesetzt mittels Messungen in den geokodierten Punktwolken, die mit Bilddaten der gescannten Umgebung verbunden sind. Auf dieser Basis ermittelte Bewertungen des Straßenzustandes können regelmäßig nicht direkt mit den eingangs o.g. Methoden des technischen Regelwerkes weiter ausgewertet und für die Zukunftsvorsorge im Sinne eines prognostischen Asset Managements genutzt werden. Ihr Vorzug besteht gegenüber dem NKS-System vor allem in der einfachen Visualisierung der Schäden in kommunalen GIS-Systemen. Beide Erfassungsmethoden werden auch zukünftig für ein kommunales Asset Management der Straßeninfrastruktur und ihres Inventars weiterhin ihre Berechtigung haben. Die verstärkte Nutzung der Straßenzustandserfassung und ihrer Ergebnisse wird nicht zuletzt aufgrund sinkender Personalressourcen kommunal jedoch weiter an Bedeutung gewinnen. Eine einfache Nutzung der Ergebnisse ist hierbei von erheblicher Bedeutung. Die Zusammenführung der Bestandssowie Straßenzustandsdaten in einer gemeinsamen Datenumgebung ist daher nicht allein aus wirtschaftlichen Gründen, sondern auch aus gesellschaftspolitischer Sicht von Bedeutung. Der Beitrag zeigt auf, wie diese Anforderung auch perspektivisch umgesetzt werden kann. 1. Einführung Vor dem Hintergrund knapper werdender Personalressourcen in Verbindung mit weiterhin limitierten Finanzmitteln kommt der vorausschauenden Planung auch in Bezug auf die kommunale Straßenerhaltung zunehmende Bedeutung zu. Die Notwendigkeit der Koordination gewerkeübergreifender Erhaltungsmaßnahmen spielt dabei ebenso eine wachsende Rolle, nicht zuletzt um die Verfügbarkeit des Verkehrsnetzes hoch und die Einschränkungen für die Nutzer möglichst gering zu halten. Die Darstellung von Bestandsdaten, der Erfassung und Zustandsbewertung der Infrastrukturen sowie die Nutzung der Bewertungsergebnisse sind daher in vielen Kommunen übliche Arbeitsroutinen. Aufgrund verschiedener Herangehensweisen, die in Verbindung mit dem kommunalen Regelwerk der Straßenzustandserfassung- und -bewertung stehen, ist der technische Umsetzungsstand auf kommunaler Ebene jedoch sehr unterschiedlich. Dies ist nicht allein auf die unterschiedlichen Verfahren der Straßenzustandserfassung und -bewertung nach Regelwerk zurückzuführen, sondern steht auch in Verbindung mit dem jeweiligen kommunal gewählten Ordnungssystem. 2. Ordnungssysteme bei der Straßenzustandserfassung Nach dem geltenden Regelwerk kann der Zustand kommunaler Verkehrsflächen mit unterschiedlichen Verfahren ermittelt werden. Mit der Verfahrenswahl bei der Zustandserfassung sind in der Praxis unterschiedliche Dokumentationsarten in Verbindung mit unterschiedlichen Ordnungssystemen verbunden, die auf die Datennutzung zurückwirken. Die angewandten Verfahren werden in der Fachwelt daher teilweise kontrovers diskutiert. 2.1 Realflächenmodell Kommunen., welche die Zustandserfassung auf Basis eines Realflächenmodells umsetzen, bedienen sich in vielen Fällen der geografischen Schadenscodierung nach [1]. Daraus ergibt sich eine Bandbreite unterschiedlicher Vorgehensweisen. Diese reicht von der Darstellung der Schäden (vgl. Abbildung 1) nach lokaler Auftretenshäufigkeit ohne weitere systematische flächendeckende und richtungsbezogene Auswertung bis hin zur durch wechselnde Flächeninhalte der Bezugsflächen zwischen zwei Kreuzungen verzerrenden Auswertung von Schadensanteilen. Wird die Bezugsfläche von Schäden nach [2] zur Bestimmung des Straßenzustandes verwendet, so weist 134 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Straßenzustandserfassung: Geocodiert oder Netzknoten-Kanten-bezogen, was benötigen wir morgen? das Regelwerk selbst auf den Einfluss hin, den die Schadenslage auf das Ergebnis der Zustandsbewertung nimmt (vgl. Abbildung 2). Abbildung 1: Beispiel einer lagebezogenen Schadenscodierung im Fahrbahnbereich [Bild 3 in [1]] Abbildung 2: Darstellung des Verhältnisses der Ist- Schadensfläche zu der Bezugsfläche (relative Ausdehnung) bei unterschiedlicher Lage einer Schädigung [Bild 5 in [2]] Darüber hinaus setzt dasselbe Regelwerk die Beschreibungsmöglichkeiten eines Netzknoten-Kanten-Systems (NKS-System) für die Bezugsflächen nach [2] voraus. Ohne Verbindung der lagegetreuen Schäden bzw. der resultierenden Bezugsflächen zum NKS-System können in der Folge die eingeführten ingenieurtechnische Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung von Erhaltungsabschnitten sowie Verfahren zur Prognose des Finanzbedarfs nicht eingesetzt werden Ersatzweise wird mit Erfahrungswerten aus der Vergangenheit gearbeitet oder mit einer Abschätzung der wirtschaftlichen Lebensdauer aufgrund festgesetzter Abschreibungszeiträume. Damit verbunden ist zunehmend Unsicherheit zur Abschätzung der Alterung der technischen Infrastruktur und der damit verbundenen Kosten; Unsicherheit, die bislang auch aufgrund der Erfahrung des Verwaltungspersonals kompensiert werden kann, bei personellen Wechseln dann aber zu einem erheblichen Informationsverlust führt. 2.2 Netzknoten-Kanten-System Kommunen, welche ein Netzknoten-Kanten-System (NKS-System) als Ordnungssystem verwenden, haben bei netzweiter Anwendung der stationierten Beschreibung der Straßenzustandserfassung und -bewertung (ZEB) sowohl in der qualitätsgesicherten Beschreibung und Durchführung der Erfassungsleistungen bis hin zur Erstellung von Finanzbedarfsprognosen keine Schwierigkeiten zu erwarten. Eine Darstellung der ZEB-Ergebnisse erfolgt jedenfalls tabellarisch oder auch als statisches Kartenwerk. Informationen, die mit Bezug zum NKS- System vorliegen, können tabellarisch verknüpft werden. Nicht NK-bezogene Daten, wie sie z. B. aufgrund der Anforderungen anderer Infrastrukturen (Kanal) vorliegen, müssen zur Koordination und Priorisierung von Maßnahmen im Sinne einer traditionellen analogen Arbeitsweise aufwändig und quasi händisch verknüpft werden. 2.3 Vorliegen beider Ordnungssysteme In der kommunalen Praxis ist häufig der dritte Fall anzutreffen, bei dem beide Ordnungssysteme genutzt werden, aber zwischen ihnen hinsichtlich der Darstellung nur eine statische Verbindung besteht: Zwar wird das NKS- System in der kommunalen GIS-Darstellung zusammen mit den Realflächen abgebildet, die automatisierte Darstellung stationierter Informationen ist jedoch nicht originärer Systembestandteil von GIS. Damit können die tabellarischen Ergebnisse der ZEB trotz Vorliegen beider Ordnungssysteme nicht dargestellt werden. Die Darstellung der ZEB-Ergebnisse im kommunalen GIS-System ist dennoch möglich. Üblicherweise werden von Seiten messtechnischer Zustandserfasser die ZEB- Ergebnisse zur Darstellung in GIS jedoch abstrahiert als einfache Liniendarstellungen und ohne Realflächenbezug abgegeben. Beim Regelfall einer nicht vollständigen Befahrung aller Fahrstreifen entstehen daher gerade bei den Hauptverkehrsstraßen Zuordnungsprobleme, die allein über räumliche Abfragen i n GIS nicht gelöst werden können. Damit ist eine Verknüpfung der ZEB-Ergebnisse mit nicht NK-bezogenen Daten, wie sie z. B. aufgrund der Anforderungen anderer Infrastrukturen (Kanal) oder aus Gründen der Praktikabilität (Buslinien etc.) vorliegen, über einfache räumliche Verknüpfungen nicht ohne weiteres möglich. 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 135 Straßenzustandserfassung: Geocodiert oder Netzknoten-Kanten-bezogen, was benötigen wir morgen? Die bisherigen Erfahrungen zeigen auch in diesem Fall sowohl den Bedarf, kommunale Daten zu Zwecken der Priorisierung von Maßnahmen sowie zur Koordination mit anderen Infrastrukturen zu verknüpfen, als auch den Bedarf, den damit verbundenen Aufwand zu minimieren. 3. Verknüpfung der Ordnungssysteme Nach dem Regelwerk der FGSV ist eine Verknüpfung der Ordnungssysteme Flächengeometrie und NKS-System angedacht und wird dort auch beispielhaft dargestellt [3]. Dabei ergeben sich jedoch Probleme bei der Flächenbeschreibung durch Überlagerung in Kurveninnenbereichen bzw. undefinierte Flächen in Kurvenau ß enbereichen. Mit der Einführung der BIM-Methode wird das Problem der Überlagerung durch die Alignement-Definition seit der Einführung des IfC-Standards 4.1 angegangen, die auch im vorliegenden Fall einen Lösungsansatz darstellen kann. Derzeit aktuell ist die Version IfC 4.3 aus dem Jahr 2022, die bereits straßenbaubezogene Erweiterungen des Datenschemas wie Schichten und Fahrbahnmarkierungen enthält. Da die Möglichkeiten zur Überführung der Datenmodelle aus Autorensoftware, welche diesen IfC 4.3-Export noch nicht anbieten, noch eingeschränkt sind, wurde die Umsetzung in aktuellen Forschungsprojekten anhand von Referenzpunkten auf Basis des IfC 4.1 aufgezeigt [4], [5]. In den genannten Forschungsprojekten wurde zur Darstellung der Angaben aus der Zustandserfassung und -bewertung eine „virtuelle Schicht“ nach Abbildung 3 umgesetzt. Abbildung 3: Abbildung von ZEB-Daten in virtueller BIM-Modellschicht [[4]: 156] Dieses Konzept beruht auf der fahrstreifenfeinen abschnittsweisen Unterteilung der Bestandsoberfläche zur Darstellung der ZEB-Erfassungsabschnitte, ohne in die Darstellung des Straßenmodells selbst einzugreifen. Dieses Vorgehen der Modellierung der Projektionsschicht des BIM-Modells lässt sich auf die o.g. Problemstellung anwenden. Ausgehend vom Fall des Vorliegens sowohl von Straßenflächengeometrie als Realflächendarstellung als auch Netzknoten-Kanten-Stationierungssystem ergibt sich folgendes Vorgehen zur Verbindung der beiden Systeme: Durch die einmalig herzustellende -quasi virtuelle- Unterteilung der Verkehrsflächen z. B. in einem eigenen GIS-Layer wird die Möglichkeit zur Projektion der ZEB-Daten hergestellt. Kommunal werden i.d.R. 20m- Abschnitte für die ZEB genutzt, so dass ausgehend von der Station Null eine Unterteilung der Verkehrsfläche in entsprechend 20m lange Abschnitte erfolgt. Dabei werden ggf. unvollständige 20m-Abschnitte als sogenannte „Restflächen“ zwischen zwei Kreuzungsbereichen nach ihrer Lage definiert und nachvollziehbar dargestellt. Regeln zu deren eigenständiger Abbildung oder der Zuordnung zum letzten vollständigen Erfassungsabschnitt können dabei ebenso festgelegt werden wie die Flächenaufteilung in Kreuzungsbereichen. Über die Attribuierung der „virtuellen“ Flächen muss eine eindeutige ID festgelegt werden, welche als Verknüpfungsidentifikator für die ZEB-Daten dient; hierzu kann die eindeutige Abschnittsdefinition nach Netzknoten-Kanten-Stationierungssystem genutzt werden. Werden bei der Herstellung der ZEB-Projektionsflächen die Fahrstreifen mitberücksichtigt, lässt sich später leicht erkennen, ob die Zustandserfassung für die beauftragten Fahrstreifen durchgeführt wurde oder ob Abweichungen vorliegen. Ebenso kann durch die räumliche Lokalisierung eine schnelle Prüfung der Zulässigkeit bei Datenausfall z. B. aufgrund von Baustellen erkannt werden. Ausgehend vom Netzknoten-Kanten-Stationierungssystem für die messtechnische Straßenzustandserfassung ergeben sich bei der Herstellung der 20m-Abschnitte der Projektionsflächen im Realflächenmodell nicht automatisch Rechtecke und auch deren Flächeninhalte weichen z. B. mit der Straßenkrümmung naturgemäß voneinander ab. Da die Flächen jedoch allein zur grafischen Darstellung der ZEB-Ergebnisse genutzt werden, hat dies keinen negativen Einfluss auf weitere Auswertungen. Mit dieser Darstellung der ZEB-Projektionsflächen kann im Fall der Schadenskartierung in Anlehnung an die messtechnische ZEB eine erste vergleichende flächendeckende Einschätzung zum Straßenzustand getroffen werden. Unschärfen ergeben sich hierbei durch veränderliche Flächeninhalte der Schadensbezugsflächen z. B. aufgrund wechselnder Fahrbahnbreiten. Die Güte der ZEB hängt darüber hinaus von der Definition und Genauigkeit der Kartierung der Schäden ab. Unabhängig von der ID-Benennung der Flächen ist eine attributive Angabe der Abschnittsbeschreibung nach NKS zu empfehlen, die eine reibungslose Übernahme der flächenbezogenen Angaben ermöglicht: Die erfassten Schäden können damit in die NKS-basierten eingeführten ingenieurtechnischen Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung von Erhaltungsabschnitten sowie Verfahren zur Prognose des Finanzbedarfs überführt und genutzt werden. In beiden Fällen stehen die Ergebnisse der ZEB damit zur Maßnahmenplanung, Koordination und Priorisierung zur Verfügung und können auch zur Darstellung im kommunalen GIS verwendet werden. 4. Fazit Die Nutzung vorhandener Fachsysteme und Fachanwendungen ist nicht in Frage zu stellen. Deren Verknüpfung 136 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Straßenzustandserfassung: Geocodiert oder Netzknoten-Kanten-bezogen, was benötigen wir morgen? und gemeinsame Nutzung ist im Sinne der Datensparsamkeit sowie der inhaltlichen Sinnhaftigkeit weiter voranzutreiben. Das Zusammenführen kommunaler Daten durch Verknüpfung der Ordnungssysteme Flächengeometrie und NKS-System liefert ein Beitrag hierzu: Wie aufgezeigt wurde, kann zum einen durch Visualisierung der ZEB- Ergebnisse deren praktische Nutzung erleichtert werden; zum anderen können die Ergebnisse zusammen mit weiteren kommunalen Daten für Priorisierung und Koordination von Erhaltungsmaßnahmen genutzt werden. Darüber hinaus ergeben sich durch die Darstellung fahrstreifenfeiner Zustandsabschnitte Vorteile bei der Qualitätssicherung von ZEB-Ergebnissen, die umgekehrt auch für die Ausschreibung zu befahrender Fahrstreifen für die ZEB genutzt werden können. Nicht zuletzt kann mit der „virtuellen“ Schicht im Hinblick auf eine zukünftige 3D-Modellierung im Sinne der BIM-Nutzung [6] ein erster Schritt in Richtung der Erstellung kommunaler Modelle unternommen werden. Literatur [1] FGSV (2015): Arbeitspapiere zur systematischen Straßenerhaltung, AP 9, Reihe K „kommunale Straßen“, Unterabschnitt 2.2 „Vorbereitung und Durchführung der visuellen Zustandserfassung für innerörtliche Verkehrsflächen“. [2] FGSV (2018): Arbeitspapiere zur systematischen Straßenerhaltung, AP 9, Reihe K „kommunale Straßen“, Unterabschnitt K 3.2: Zustandsbewertung bei visueller Zustandserfassung. Stand 2019. [3] FGSV (2008): Arbeitspapiere zur systematischen Straßenerhaltung, AP 9, Reihe K „kommunale Straßen“, Unterabschnitt K 1.3: Bestandsdatenerfassung. [4] Hajdin, R.; Blumenfeld, T.; Grossauer, K.; König, M.; Liu, L.; Schiffmann, F.; Stöckner, M.; Stöckner-U. (2022): BIM-Erweiterung durch Implementierung der Nutzung baustofftechnischer Daten von Straßen und Brücken im AMS (BIM4AMS). Österreichische Forschungsförderungs-Gesellschaft (FFG). Wien. Österreich. [5] Stöckner, M. Hajdin, R., König, M., Gavin, K., Schiffmann, F., Blumenfeld, T., Brow, I., Liu, L. (2022). Exchange and exploitation of data from Asset Management Systems using vendor free format (AMSFree). Final Report. CEDR Call 2018. [6] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI, 2021): Masterplan BIM Bundesfernstraßen. Digitalisierung des Planens, Bauens, Erhaltens und Betreibens im Bundesfernstraßenbau mit der Methode Building Information Modeling (BIM). Zuletzt abgerufen am 30.04.2023 unter https: / / bmdv.bund.de/ SharedDocs/ DE/ Anlage/ StB/ bim-rd-masterplan-bundesfernstrassen.pdf? __ blob=publicationFile