Framework zum Vergleich verschiedener sozio-technischer Modelle von Wasserinfrastrukturen

Kurzfassung

Sauberes Trinkwasser ist eine existenzielle Grundlage menschlichen Lebens und menschlicher Aktivität. Urbane Wasserverteilungssysteme (WVS) haben die Aufgabe, die Stadtbevölkerung mit sauberem Trinkwasser zu versorgen. Krisen können die Funktion eines WVS gefährden und damit zu Schäden für die Bevölkerung führen. Das Krisenmanagement hat daher die Aufgabe, die Funktionalität eines WVS durch geeignete Interventionen im Krisenfall sicherzustellen. WVS sind sozio-technische Systeme mit einem komplexen Systemverhalten. Folglich sind die Auswirkungen einer Intervention des Krisenmanagements oftmals nur durch eine Computersimulation des Systemverhaltens abschätzbar. Insbesondere sekundäre Auswirkungen einer Intervention sind für die menschlichen Entscheidungsträger im Krisenmanagement ohne die Unterstützung durch Simulationen in der Regel nicht erkennbar. Die Simulation des Systemverhaltens durch ein Computermodell des WVS kann somit das Krisenmanagement bei der Auswahl geeigneter Interventionen unterstützen. Das Sparsamkeitsprinzip (Ockhams Rasiermesser) gilt als Leitbild der Modellbildung und sollte daher bei der Formulierung eines entsprechenden Computermodells berücksichtigt werden. Demnach sollte ein Modell nur diejenigen Annahmen beinhalten, die zur Abbildung der relevanten Realität notwendig sind. Solche Modelle werden als einfache Modelle bezeichnet. In dieser Arbeit wird ein Rahmenprozess (Framework) formuliert, welcher die Formulierung eines einfachen sozio-technischen Modells zur Unterstützung des Krisenmanagements von WVS ermöglicht. Dabei liegt der Fokus auf der Auswahl relevanter Annahmen zur Abbildung des sozialen Systems eines WVS. Diese Annahmen werden nach dem KIDS-Ansatz von Edmonds und Moss identifiziert, welcher auf dem Vergleich zweier Modelle basiert. Während das eine Modell die zu prüfenden sozialen Annahmen enthält, wird das andere Modell ohne diese Annahmen formuliert. Anschließend werden beide Modelle hinsichtlich der Abbildung der relevanten Realität im Krisenmanagement eines WVS verglichen. Dabei werden die untersuchten Modellannahmen als relevant bewertet, wenn sie zu einem signifikanten Unterschied in der Abbildung der relevanten Realität führen. Diese Annahmen können anschließend genutzt werden, um einfache sozio-technische Modelle für das modellgestützte Krisenmanagement eines WVS zu formulieren. Der Aufbau des Frameworks orientiert sich am Vergleichsprozess der ISO/IEC 25040:2011 (E). Dabei definiert das Framework ein Vorgehen für den quantitativen Vergleich zweier sozio-technischer Modelle von WVS, um die Anwendung des KIDS-Ansatzes zu ermöglichen. Die relevante Realität im Krisenmanagement wird durch eine ingenieurwissenschaftliche Betrachtung der funktionsgefährdenden Zustände des technischen Systems eines WVS identifiziert. Anschließend werden Kennzahlen definiert, um die relevante Realität quantitativ zu charakterisieren. Diese Kennzahlen werden aus den Simulationsergebnissen der beiden Modelle berechnet. Die quantitative Bewertung der Modelläquivalenz erfolgt durch einen statistischen Test bezüglich der distributionalen Äquivalenz der Kennzahlen. Die Anwendbarkeit des Frameworks wird am Vergleich zweier spezifischer sozio-technischer Modelle zur Unterstützung des Krisenmanagements eines WVS demonstriert. Dabei wird untersucht, ob die Mobilität der Stadtbewohner zur Beschreibung der Wassernachfrage eine relevante Modellannahme zur Abbildung des sozialen Systems des WVS darstellt. Die relevante Realität im Krisenmanagement eines WVS wird dabei durch 12 Kennzahlen charakterisiert. Durch Anwendung des KIDS-Ansatzes kann gezeigt werden, dass die Mobilität der Stadtbewohner einen signifikanten Einfluss auf die Abbildung der Wassernachfrage hat. Sie sollte somit in einem einfachen sozio-technischen Modell zur Unterstützung des Krisenmanagements des untersuchten WVS berücksichtigt werden.