4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 83 Ganzheitliche Straßeninstandhaltung durch KI - Erfassung, Analyse und Prognose von Straßenzuständen unter Berücksichtigung externer Einflussfaktoren Die Kommune als Entwicklungspartner Winona Grimsehl-Schmitz Stadt Herne, Fachbereich Tiefbau und Verkehr Zusammenfassung Der Zustand der kommunalen Straßeninfrastruktur wirkt sich auf jede*n Bürger*in aus, unabhängig davon, ob mit dem Fahrrad, PKW, zu Fuß, mit einem Rollstuhl oder im Rahmen eines Gewerbes am Verkehr teilgenommen wird. Auch wer zuhause bleibt: durch den Alterungsprozess und den wesentlichen Anteil der baulichen Anlagen am kommunalen Vermögen betrifft die Straßeninstandhaltung alle Mitglieder einer Gemeinde und insbesondere die Stadtverwaltungen. Hinzu kommen multidimensionale Aufgaben wie Klima- und Ressourcenschutz und Klimaanpassung, steigende Verkehrsbelastung und soziale Faktoren z. B. der demografische Wandel und Fachkräftemangel in den Behörden. Durch das Training geeigneter KI können große und komplexe Daten ausgewertet und Entscheidungsgrundlagen für diese multidimensionalen Aufgabenfelder geschaffen werden. Seit 2023 ist die Stadt Herne Teil der Innovationspartnerschaft „Forschung und Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Simulation von Handlungsempfehlungen auf Basis der Straßensubstanz unter Berücksichtigung externer Parameter“, die auf KI-prozessierten Daten basiert. Dabei wird die Forschung und langjährige Kompetenz in der Bauinformatik und Straßenerhaltung der EDGITAL GmbH durch die praktischen Einblicke und Anforderungen der kommunalen Straßenerhaltung ergänzt. Vorgestellt werden die Erfahrungen des kommunalen Praxispartners. Abb. 1: Projektlogo Innovationspartnerschaft „Forschung und Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Simulation von Handlungsempfehlungen auf Basis der Straßensubstanz unter Berücksichtigung externer Parameter“, S.-Dogan, EDGITAL GmbH 84 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Ganzheitliche Straßeninstandhaltung durch KI 1. Hintergrund der Innovationspartnerschaft Der Beitrag beschreibt das Verfahren der Innovationspartnerschaft, den Entwicklungsprozess, sowie Aspekte der Ganzheitlichkeit der Straßeninstandhaltung aus Sicht des kommunalen Auftraggebers. Im Tagungsband des 2. Kolloquiums Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur wurde das Projekt im Beitrag BIM und Künstliche Intelligenz für den kommunalen Straßen- und Ingenieurbau bereits vorgestellt. Aus diesem Beitrag entnommene Passagen sind kursiv markiert und im Quellenverzeichnis ausgewiesen. Aktuell befindet sich das Projekt in der Entwicklungsphase. Zum Schutz des geistigen Eigentums des Projektpartners wird der Fokus auf die Vergabe und die Arbeitsmethoden in der Entwicklungsphase gelegt, während ganzheitliche Aspekte anhand allgemeiner kommunaler Anforderungen beschrieben werden. Im Jahr 2023, dem Anfangsjahr der Herner Innovationspartnerschaft, wurde eine Studie veröffentlicht, die den Investitionsbedarf in die bauliche Infrastruktur der Kommunen sichtbar macht. Für den Erhalt und teilweise den Ausbau von Brücken, Straßen, Wegen und Schienen müssten bis 2030 370 Milliarden Euro investiert werden. [1] Zum Vergleich: 370 Milliarden sind zwischen 8 und 10 % des jährlichen Bruttoinlandsprodukts der letzten Jahre der Bundesrepublik Deutschland. Die, durch das Deutsche Institut für Urbanistik im Auftrag des Hauptverbands der Deutschen Bauindustrie, des Verbands Deutscher Verkehrsunternehmen (VDV) und des ADAC erstellte, Studie nennt allein 283 Milliarden Euro als notwendige Investition in die Straßeninfrastruktur. In der Vergangenheit wurden in den Kämmereien der deutschen Kommunen nach dem Prinzip der Kameralistik hauptsächlich getätigte Investitionen verbucht. Seit der Einführung der Doppik werden Anlagevermögen und Investitionen genauer über die Nutzungsdauer unter Zuordnung zum einzelnen Vermögensgegenstand abgeschrieben. Der Vermögensverlust durch den Zustand der baulichen Anlagen der Städte und Kreise wird dadurch besonders deutlich. [2] Für eine ressourceneffiziente Sanierungsplanung der Straßeninfrastruktur wünschen sich viele Kommunen eine transparente und vergleichbare Erfassung des Straßenzustands und die Berücksichtigung externer Einflüsse auf die Infrastruktur und auf die Prognose des Straßenzustands. Der Verkehrsverband Westfalen e. V. hat bereits 2017 in einer Studie u. a. auf die Notwendigkeit der „Einführung einer sachgerechten Zustandserfassung der Verkehrsinfrastruktur in den Kommunen unter Zugrundelegung landesweiter Qualitätsstandards und der Steigerung der Transparenz hinsichtlich der Zustände und der aufgewendeten Mittel“ hingewiesen [3]. Auch die Stadt Herne gehörte zu damaligen Untersuchungsgebiet. Eine Marktrecherche ergab 2019, dass keine Lösung, die die in der Studie aufgestellten Forderungen erfüllt, am Markt vorliegt. Gemeinsam mit dem Verkehrsverband Westfalen e. V. und sechs bezugsberechtigten Kommunen, hat die Stadt Herne daher die Innovationspartnerschaft „Forschung und Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Simulation von Handlungsempfehlungen auf Basis der Straßensubstanz unter Berücksichtigung externer Parameter“ ausgeschrieben. Entwicklungspartner ist die HOCHTIEF-Tochter EDGITAL GmbH. Die Innovationspartnerschaft erarbeitet in der Entwicklungsphase eine Hard- und Softwarelösung für die drei Leistungsbereiche Zustandserfassung und -bewertung von Fahrbahnen und Nebenflächen, Zustandsprognose unter Berücksichtigung externer Faktoren und Lebenszyklusbewertung. Unter der Lebenszyklusbewertung wird insbesondere die Identifikation von Erhaltungsmaßnahmen zum wirksamsten Zeitpunkt und die langfristige und bedarfsorientierte Planung des Straßen- und Wegekonzeptes verstanden. Das visuelle Zustandserfassungssystem orientiert sich an den Empfehlungen für das Erhaltungsmanagement von Innerortsstraßen (E-EMI 2012). Abb. 2: Projektplan, W. Grimsehl-Schmitz, Stadt Herne, Vorlage PoweredTemplate Da die gesellschaftliche Anerkennung für den Wert funktionsfähiger Verkehrswege in den letzten Jahren gestiegen ist und der höchste Nachholbedarf nach wie vor im kommunalen Straßennetz besteht, konnte das Ministerium für Heimat, Kommunales, Bau und Gleichstellung des Landes NRW als Zuwendungsgeber des Projektes „Forschung und Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Simulation von Handlungsempfehlungen auf Basis der Straßensubstanz unter Berücksichtigung externer Parameter“ gewonnen werden. [4] 2. Entwicklungspartnerschaft zwischen Privatwirtschaft und öffentlicher Hand Innovationspartnerschaften wurde bislang nur selten ausgeschrieben. In dem komplexen Verfahren wurde die Stadt Herne durch eine auf Vergaberecht spezialisierte Rechtsberatung begleitet. In das Verfahren wurden Kolleg: innen der Vermessung, Digitalisierung und Straßenunterhaltung einbezogen. Das Vorgehen war aufwendig, doch die lange Verfahrensdauer gab Gelegenheit, die möglichen Partner für die Zusammenarbeit gründlich kennenzulernen. Die gemeinsame Projektvision ist von besonderer Bedeutung, da für einen Zeitraum von insgesamt drei Jahren zusammengearbeitet wird. [4] 2.1 Vergabeverfahren Innovationspartnerschaft Die Innovationspartnerschaft ist ein vergleichsweise neues Ausschreibungsverfahren zur Vergabe von Dienstleistungen oder Produkten, die besonders innovativ, d. h. ohne Entsprechung am Markt sind. Besonderes Kennzeichen ist, dass eine öffentliche Einrichtung eine Entwicklungspartnerschaft mit einem (oder mehreren) Unternehmen eingeht. Das innovative Produkt wird gemeinsam 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 85 Ganzheitliche Straßeninstandhaltung durch KI entwickelt. Das Verfahren liegt oberhalb der Schwellenwerte der Europäischen Union (EU). [5] Die Innovationspartnerschaft wurde 2016 in Deutschland auf der Basis der Richtlinie 2014/ 24/ EU des europäischen Parlaments und des Rates vom 26.02.2014 über die öffentliche Auftragsvergabe und zur Auf hebung der Richtlinie 2004/ 18/ EG eingeführt. [6] National ist die Innovationspartnerschaft in §19 der-Vergabeverordnung-und in §18 der-Sektorenverordnung-geregelt. [7] Das Ausschreibungsverfahren kommt aktuell noch selten zur Anwendung. Zwischen 2016 und 2021, stellte die Europäische Kommission in einer Studie fest, wurden 125 Innovationspartnerschaften in der EU ausgeschrieben. Im Jahr 2019 stieg die Zahl der Innovationspartnerschaften auf einen Höchstwert von 35. Im Vergleich dazu wurden 2021 lediglich 15 ausgeschrieben. [8] Die Ausschreibung der Innovationspartnerschaft durch die Stadt Herne fiel in die Covid-19-Jahre und konnte trotzdem erfolgreich durchgeführt werden. Die damals etablierten digitalen Kommunikationsmethoden, zunächst eine Notwendigkeit, sind nun fester Bestandteil der Innovationspartnerschaft und des kommunalen Arbeitsalltags. Die Ausschreibungsunterlagen setzten sich aus folgenden Dokumenten zusammen: Bewerbungsbedingungen, Leistungsbeschreibung, Organigramm der Stadt Herne, Phasenplan Innovationspartnerschaft, Unternehmerbogen, Nachunternehmererklärung, Kriterienkatalog, Preisblatt, Entwurf Innovationspartnerschafts- und Entwicklungsvertrag, Formblatt Verhandlungsbedarf und einer Sammlung von beispielhaften User Stories. Nach der Veröffentlichung der Vergabe und dem Eingang der Angebote, folgte ein Teilnahmewettbewerb und die Prüfung der Eignung der Unternehmen. Daran schloss der Angebotswettbewerb mit den verbliebenen Unternehmen und bzw. Bietergemeinschaften an. Bis zu diesem Schritt unterscheidet sich die Innovationspartnerschaft nur wenig von einem Verhandlungsverfahren, das ebenfalls bei der Beschaffung von individuellen Lösungen zum Einsatz kommen kann. In den Verhandlungen mit den Bietern steht bei der Innovationspartnerschaft die geplante gemeinsame Zusammenarbeit im Fokus, denn es gibt zwei Phasen. Die Zeit der kooperativen Zusammenarbeit, die Entwicklungsphase und eine anschließende Leistungsphase. In der Leistungsphase kann die gemeinsame Entwicklung durch den Auftraggeber beschafft werden. Der Auftraggeber ist nicht verpflichtet, das Produkt zu erwerben. Bei der Innovationspartnerschaft bringen beide Partner Ressourcen in das Projekt ein, das Risiko zum Gelingen einer Entwicklung liegt daher nicht nur beim Auftraggeber. Zusammen mit komplexen Abstimmungen zum Schutz geistigen Eigentums und Rechten an Daten sind die Verhandlungen im Rahmen einer Innovationspartnerschaft nicht optional und aufwendig. Eine Übersicht über die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen einem Verhandlungsverfahren und der Innovationspartnerschaft beschreibt R. Ortner für den Vergabeblog (Tabelle 1). [9] Tab. 1: Verhandlungsverfahren und Innovationspartnerschaft (nach R. Ortner, Vergabeblog 2018) Verhandlungsverfahren Innovationspartnerschaft Teilnahmewettbewerb - Prüfung der Eignung der Bieter(-gemeinschaften) Angebotswettbewerb - Prüfung der Konzepte, der Projektvision und des Preis-Leistungs-Verhältnisses Verhandlungen optional Verhandlungen obligatorisch Vertrag kann stets nur mit einem Unternehmen geschlossen werden Vertrag kann mit mehreren Unternehmen geschlossen werden Dienstleistung oder Produkt existiert i. d. R. bereits Zusammenarbeit zwischen öffentlichem Auftraggeber und Unternehmen in der Entwicklungsphase Nach Vertragsabschluss und ist der Abkauf der Leistung verpflichtend Die Leistungsphase ist getrennt von der Entwicklungsphase, d. h. Abkauf der entwickelten Leistung nur, wenn das festgelegte Leistungsniveau und die Kostenobergrenze eingehalten werden 2.2 Bezugsberechtigte Kommunen In der Stadt Herne lebten im Oktober 2024 162.393 Einwohner [10]. Herne grenzt an Recklinghausen, Herten, Castrop-Rauxel, Bochum und Gelsenkirchen. Herne gehört zu den am dichtesten besiedelten Gebieten in Deutschland [11], und der geografische Mittelpunkt des Ruhrgebietes wird hier verortet. Durch das Herner Stadtgebiet führen die Autobahnen A42 und A43. Mehrere Logistikzentren sind in der Stadt ansässig. Diese und weitere Rahmenbedingungen wirken sich auf die Verkehrswege in Herne aus. Die Geschichte des Kohleabbaus im Ruhrgebiet spiegelt sich beispielsweise in Form überasphaltierter Zechenstraßen wider. Wirtschaftswege oder wassergebundene Decken kommen dagegen im Stadtgebiet selten vor. In der Vorbereitung der Ausschreibung der Innovationspartnerschaft wurden weitere kommunale Partner gesucht, um die spezifischen Anforderungen aus Herne zu ergänzen und die zu entwickelnde Lösung einem breiten kommunalen Anwenderkreis anzupassen. Daher sind sechs bezugsberechtigte Kommunen in der Entwicklungsphase beteiligt. Die bezugsberechtigten Kommunen im Projekt, versehen mit der Einwohnerzahl nach Zensus 2011, sind: Dortmund (595.471), Münster (322.904), Paderborn (155.749), Castrop-Rauxel (74.370), Bergkamen (49.475 Einwohner), Datteln (35.200) [11]. In Bergkamen wurden ebenfalls bereits einige Straßen mit dem entwickelten Kamera-Hardware-System befahren und ausgewertet. In Münster ist für das kommende Jahr die Befahrung der Nebenflächen im Gespräch. Die Stadt Dortmund arbeitet außerdem in dem separaten, aber verwandten 86 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Ganzheitliche Straßeninstandhaltung durch KI Projekt Smart City Ecosystem (SCitE). mit der Fachhochschule Dortmund und der EDGITAL GmbH an einer Lösung zur Überwachung von Aufgrabungen. Die bezugsberechtigten Kommunen haben nicht nur den Gewinn, dass sie die Entwicklungsphase begleiten können, sondern sie haben auch die Möglichkeit Module oder die Gesamtlösung in der Leistungsphase ohne eigene Ausschreibung zu beziehen. Seit diesem Jahr ergänzt außerdem der projektbegleitende Expertenkreis das Projekt um Perspektiven der Wissenschaft und der Aufsichtsbehörden. 2.3 Scrum-Methode Im Entwicklungsvertrag wurde die Scrum-Methode für die gemeinsame Arbeitsphase vorgesehen. Scrum versteht sich als agiles Entwicklungsverfahren. Besonders gut zum Konzept der Innovationspartnerschaft passt dabei, dass in kurzen Entwicklungszeiträumen entwickelte einzelne Lösungsmodule abgenommen werden. Jeder Entwicklungszeitraum, Sprint, wird vorher durch die Partner geplant. Im Sprint Planning werden die User Stories, die Entwicklungsideen, für den kommenden Sprint ausgesucht und der Zeitaufwand für die Softwareentwickler wird geschätzt. User Stories, die nicht im aktuellen Sprint bearbeitet werden, kommen in das sogenannte Backlog. Neben den Entwicklern gibt es die Rolle des Scrum Masters, der für die Einhaltung des Scrum Frameworks, z. B. die Terminplanung und Meetingstruktur verantwortlich ist. Der Product Owner konzentriert sich auf die Entwicklungsqualität und die Eignung der Weiterentwicklungen (sog. Inkremente) für die angestrebte Lösung. In der Innovationspartnerschaft zur Straßenerhaltung ist die Stadt Herne in der Rolle des Product Owners. Wie alle Beteiligten des Scrum-Prozesses beschreibt der Product Owner die Entwicklungsanforderungen in der spezifischen Struktur der User Story: „Als Sachbearbeiter: in möchte ich die erfassten Daten aus der Software in gängige Formate exportieren können, um diese in eine Straßendatenbank/ QGIS importieren zu können oder in gängigen Office-Programmen aufarbeiten zu können.“ In der gemeinsamen Entwicklungsumgebung wird die User Story dann um eine Beschreibung und Abnahmekriterien ergänzt. Durch den Product Owner werden die inhaltlichen Vorgaben für die Entwicklung definiert, dazu werden die sogenannten Anforderungen der Stakeholder z. B. zukünftige Softwarenutzer: innen, die bezugsberechtigten Kommunen und Perspektiven aus dem Expertenkreis berücksichtigt. Das Entwicklerteam übersetzt diese Vorgaben in Programmierung. Die Abstimmung zwischen Entwicklerteam und Product Owner ist essenziell für den Projekterfolg. Im Backlog Refinement wird daher sichergestellt, dass die Vorgaben des Product Owners richtig erfasst und für das Entwicklerteam konsistent und verständlich beschrieben wurden. Die User Storys werden in den täglichen Dailys des Entwicklerteams in kleineren Arbeitsaufträge an die Mitglieder des Entwicklungsteams verteilt. Am Ende des Sprints, im Herner Projekt i. d. R. nach vier Wochen, werden die fertigen User Storys im Sprint Review durch den Product Owner abgenommen. Im Sprint Retrospective wird über die gemeinsame Zusammenarbeit während des letzten Sprints reflektiert. Der Ablauf einer Produktentwicklung nach Scrum ist in Abbildung 3 dargestellt. Abb. 3: Ablaufschema Scrum nach Bild, Vorlage PoweredTemplate.com [12] 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 87 Ganzheitliche Straßeninstandhaltung durch KI Das agile Entwicklungsverfahren unterscheidet sich von vielen herkömmlichen Verwaltungsprozessen, an deren Anfang häufig eine intensive Phase der Lastenhefterstellung steht (Wasserfallmethodik). In Vorbereitung auf das Projekt haben Mitarbeiterinnen der Stadt Herne daher Schulungen im Bereich der agilen Entwicklung belegt und dann gemeinsam mit dem Projektpartner einen gemeinsamen Workflow etabliert. Es hat sich gezeigt, dass die Scrum-Methode bei der Entwicklung der Hard- und Softwarelösung im Rahmen der Innovationspartnerschaft besonders gut geeignet ist, Transparenz und Klarheit hinsichtlich der Anforderungen zu schaffen. sehr gut geeignet ist. Der Auftraggeber verfeinert in der Rolle des Product Owners kontinuierlich die inhaltlichen Anforderungen und kann durch die kurzen Sprints immer wieder kurzfristig auf die Weichenstellung im Projekt Einfluss nehmen. Softwareentwickler und Praxispartner betrachten die Entwicklungsschritte aus unterschiedlichen Perspektiven. Die Softwareentwicklung konzentriert sich z. B. auf das Back End, die Datenbankstruktur und die Programmierung des Front Ends, während die Betreiberseite konkrete Anwendungsfälle aus der Straßenerhaltung und Nutzerperspektive beschreibt. Scrum betont die Zusammenarbeit im Team. Das ist entscheidend für die Innovationspartnerschaft um unterschiedliche Kompetenzen und Perspektiven zusammenzubringen. Nicht zuletzt wird durch die regelmäßigen Reviews und Retrospectives die Qualität und Praxisfähigkeit der gemeinsam entwickelten Lösung kontrolliert und gewährleistet. Es wurde ein cloudbasierter Data Hub entwickelt, der die erfassten Bilder der Fahrbahnen und Nebenflächen darstellt, sowie die, qualitätsgesichert durch KI ermittelten, Schadensflächen und Zustandsnoten nach E-EMI angibt. Der Zustand zu verschiedenen Zeitpunkten kann verglichen werden. Folgend wird die Datenerfassung im Herner Stadtgebiet beschrieben. 3. Ganzheitliche Straßeninstandhaltung - Berücksichtigung kommunaler Anforderungen In Herne befahren aktuell vier Fahrzeuge das Stadtgebiet. Drei Fahrzeuge der Wertstoffrecycling eh GmbH, einem Tochterunternehmen der Entsorgung Herne, wurden mit dem Kamera-Hardwaresystem ausgestattet. Diese Fahrzeuge befahren fast alle Straßen in Herne, um die gelben Tonnen zu leeren. Innerhalb von rund drei Wochen können für den Großteil des Straßennetzes (ca. 350km) Daten generiert werden. Für schmale Straßen oder andere Straßen, die nicht von der Entsorgung angefahren werden (können), ist ein Elektrofahrzeug im Einsatz. Das System ist vollständig automatisiert. Die Mitarbeiter der Entsorgung fahren wie gewohnt ihre Touren, während die Datenerhebung parallel erfolgt. Alle 10 Meter wird ein Foto aufgenommen, sobald die entsprechenden Randbedingungen von Helligkeit und Wetter mit den festgelegten Parametern übereinstimmen. Außerdem wird auf redundante Aufnahmen geprüft. Anforderungen Beteiligungsverfahren und Datenschutz Bildaufnahmen im öffentlichen Raum erfordern eine sorgfältige Vorbereitung. Die Stadtgemeinschaft hat ein großes Interesse an den Aktivitäten der Stadtverwaltung und Bürger: innen, Presse und Politik achten genau auf die Einhaltung von Datenschutzstandards und schätzen transparente Projektkommunikation. Die Stadt Herne hat gute Erfahrungen mit dem frühzeitigen Einbezug von internen und externen Datenschutzbeauftragten gesammelt. Gemeinsam wurde eine Datenschutzfolgenabschätzung erstellt, die alle Auflagen der beteiligten Datenschutzexpert: innen erfüllt. Auf allen Bildaufnahmen werden die Umrisse von Personen und Fahrzeugen, sowie alle Fahrzeugkennzeichen, bereits während der Befahrung anonymisiert. Außerdem werden die Bürger: innen durch ein Schild am Fahrzeug auf die Kamerabefahrung aufmerksam gemacht. Die Herner Öffentlichkeit wurde über Informationen auf der Internetseite und Presseberichte über das Vorhaben informiert. [13] Die persönlichen Daten der Fahrer: innen der Entsorgungsfahrzeuge sind ebenfalls im Datenschutzkonzept berücksichtigt worden. So wurde beispielsweise bei den Bildaufnahmen der gespeicherte Zeitstempel auf das Datum und die Stunde gekürzt. Zusätzlich sind die zeitlichen Befahrungsdaten niemals im gleichen System gespeichert bzw. liegen nicht dem Personenkreis vor, der über Daten zur Kolonnenbesetzung verfügt, sodass keine Arbeitszeitüberwachung einzelner Mitarbeitenden erfolgen kann. Die Vorbereitung der Ausschreibung, die Weiterbildung zu agiler Entwicklung und Abstimmungen zum Datenschutz sind exemplarisch für die zeitlichen und personellen Ressourcen, die die Stadt Herne in das Projekt gibt. Die gelungene Kooperation mit kommunalen Partnern, wie der Entsorgung Herne, und der proaktive und sensible Umgang mit Herausforderungen des Datenschutzes zeigen der Stadtgemeinschaft die erfolgreiche Effizienzsteigerung durch Synergienfindung. Es zeigt sich auch die Leistungsfähigkeit der Stadtverwaltung und erhöht somit die Akzeptanz für ressourcenintensive Innovationsprojekte. Deshalb ist diese ganzheitliche Projektbetrachtung für Kommunen von besonderer Bedeutung. 3.1 Ganzheitlichkeit in der Erfassung Der Großteil der kommunalen Fahrbahnen ist in Asphaltbauweise hergestellt. Neben den Fahrbahnen sind die Kommunen für den Bau und die Unterhaltung der Nebenflächen, darunter Geh- und Radwege, Park- und Grünflächen, sowie Verkehrsflächen für den Öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) zuständig. Hinzu kommen insbesondere bei ländlichen Kommunen Wirtschafts- und Forstwege. Zu Flächen aus Asphalt kommen folglich u. a. Flächen in Pflaster- oder Plattenbauweise, Betonflächen und wassergebundene Decken. Aufgrund der vielfältigen Bauarten, Belastungen und Einflüsse auf kommunale Straßen, gibt es verschiedene Schadensbilder. I. d. R. wird die Systematik der E-EMI verwendet. In der KI-unterstützten Zustandserfassung erkennt 88 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Ganzheitliche Straßeninstandhaltung durch KI eine vorgeschaltete KI zunächst den Belag (z. B. Asphalt oder Pflaster) bevor eine speziell trainierte KI für Asphalt- oder Pflasterschäden die aufgenommenen Bilder auswertet. Aus der Zustandsbewertung wird ein Vermögenswert für Fahrbahnen und Nebenflächen abgeleitet. In Herne wird für einen Straßenabschnitt ein Anlagenwert gebildet, der Fahrbahn und Detaileinrichtungsflächen (z. B. Gehwege oder Busbuchten) beinhaltet. Die Informationen zu dem Zustand und dem Anlagenwert eines Straßenabschnitts sind üblicherweise mit dem Knoten-Kanten-Modell (KKM) des Straßennetzes einer Kommune verknüpft. Da die steigenden Automobilzahlen die Städte zunehmend vor Probleme stellt [14], werden Verkehrsflächen für den Fuß- und Radverkehr, sowie für den ÖPNV für die innerstädtische Mobilität zunehmend als wichtig erkannt. Das Interesse der Bürgerschaft und Politik an dem Zustand der Nebenflächen wächst. In der Innovationspartnerschaft der EDGITAL GmbH und der Stadt Herne wird deshalb eine App-basierte Erfassungsmethodik für die Zustandserfassung der Nebenflächen entwickelt. Dazu wurde aus dem KKM der Fahrbahnen ein KKM für die straßenbegleitenden Nebenflächen generiert. 3.2 Ganzheitlichkeit in der informationstechnischen Darstellung Das KKM des Herner Netzes basiert ursprünglich auf dem Modell der Herner Feuerwehr. In vielen Städten sind die informationstechnischen Basisdaten historisch gewachsen. Die Pflege von KKMs und Straßendatenbanken ist für Kommunen bereits jetzt personalintensiv. Trotzdem stellen diese Daten die Grundlage für eine Zustandserfassung kommunaler Verkehrsflächen dar. Das KKM teilt das Straßennetz in Knoten und dazwischen liegende Straßensegmente und hält beispielsweise Informationen über die Detaileinrichtungsflächen, den Straßenschlüssel, Straßentyp, Bezirk und die Baulastträgerschaft vor. Hintergrund ist z. B., dass häufig Bezirks- oder Quartierskonzepte für Straßeninstandhaltungsmaßnahmen ausgearbeitet werden. Ein Beispiel für Ganzheitlichkeit in der informationstechnischen Darstellung, sind daher auf Kommunen zugeschnittene Filterfunktionen. In der Innovationspartnerschaft wird die Datenbankstruktur folglich diese Attribute berücksichtigen, um die anwendungsorientierte Nutzung erzeugter Straßenzustandsdaten zu ermöglichen. Abb. 4: UML-Diagramm, EDGITAL GmbH Abb. 5: Attribute KKM Herne, Stadt Herne, VIA VIS 3.3 Ganzheitlichkeit der Prognose Erfahrene Techniker: innen und Ingenieur: innen in der Straßenerhaltung stellen in der Praxis immer wieder fest, dass Verkehrsflächen nicht immer die erwartete Zustandsveränderung über die Zeit zeigen. Auch unter scheinbar gleichen Bedingungen können sich stark unterschiedliche Schadensbilder zeigen. Die Wirkung externer Faktoren auf die Straßenzustandsentwicklung gehört deswegen zu der ganzheitlichen Betrachtung der Straßenzustandsprognose. Jede bauliche Infrastruktur unterliegt der Witterung, z. B. Frost-Tau-Wechseln und der steigenden Verkehrsbelastung, wobei der Schwerverkehr hier eine tragende Rolle einnimmt. Im Gegensatz zu den Autobahnen kommen bei den kommunalen Straßen die Folgen der Erschließung der Gebäude in der Stadt hinzu. Versorgungsleitungen von Abwasser, Regenwasser, Trinkwasser, Gas, Fernwärme, Strom oder Telekommunikation führen zu einem inhomogenen Untergrund. Es zeigt sich der starke Einfluss durch Aufgrabungen, Flickstellen und Baumaßnahmen Dritter. Abb. 6: 3D-Modell Leitungen Bielefelder Straße Herne, BBI Ingenieure/ Stadt Herne 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 89 Ganzheitliche Straßeninstandhaltung durch KI In der Innovationspartnerschaft werden gemeinsam relevante Einflussgrößen identifiziert und in maschinenles- und auswertbare Daten übersetzt, um die Prognose geeigneter Erhaltungsmaßnahmen zum richtigen Zeitpunkt, sowie Synergieeffekte zwischen Baulastträgern im Stadtgebiet zu fördern. 4. Fazit und Ausblick Die Innovationspartnerschaft kann ein Instrument für Städte und Gemeinden sein, innovative Lösungen für kommunale Problemstellungen zu fördern und selbst zielgerichtet bei der Entwicklung mitzuwirken. Kommunen können dabei Erfahrungen mit agilen Entwicklungsmethoden, wie dem Scrum Framework auf bauen. Wenn sich öffentliche Auftraggeber in Entwicklungsprozesse einbringen, erleichtert dies die ganzheitliche Berücksichtigung komplexer kommunaler Anforderungen - in diesem Projekt beispielsweise hinsichtlich der Verkehrswende, der kommunalen Datenstrukturen oder dem vielschichtigen Zusammenspiel externer Einflüsse auf den Straßenzustand. Wie eingangs beschrieben, müssen die kommunalen Baulastträger mit einem erheblichen Sanierungsstau der Verkehrsflächen und Ingenieurbauwerke umgehen. In vielen Kommunen wird erwartet, dass mit einem Stellenplan aus Zeiten, in denen die Infrastruktur in einem besseren Zustand war, heutige und zukünftige Herausforderungen bewältigt werden. Hinzu kommt, dass u. a. durch Pensionierung und Verrentung weniger Fachpersonal vorhanden ist. KI-unterstütztes Straßenmanagement kann ein Baustein für eine mögliche Entlastung für verbleibendes Personal sein. Trotz aller Bemühungen wird in den meisten Kommunen die Netzqualität der Straßen und das kommunale Anlagevermögen in Form der baulichen Anlagen vermutlich absinken. KI-generierte Prognosen, die den Zustand der Verkehrsflächen in verschiedenen Erhaltungsszenarien zeigen, können ein Weg sein, um durch Transparenz das Vertrauen der Stadtgemeinschaft, politischen Vertretungen und Aufsichtsbehörden in die kommunalen Baulastträger zu fördern. Abb. 7: Entsorgungsfahrzeug in Herne, sichtbare Fahrbahnschäden, W. Grimsehl-Schmitz Literatur [1] Arndt, W.-H. & Schneider, S. (2023). Investitionsbedarfe für ein nachhaltiges Verkehrssystem: Schwerpunkt kommunale Netze (Difu Impulse 7/ 2023). Berlin. 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