DE102024102480B4 - Determining the blockage status of a roof gutter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Ermitteln eines Verstopfungszustands einer Dachrinne (1), mit folgenden Verfahrensschritten:
S1) in einer Trainingsphase unter Sicherstellung einer vollständig unverstopften Dachrinne (1):
S1a) zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen eines den Füllstand der Dachrinne (1) beschreibenden Füllstandswertes und Abspeichern des jeweils erfassten Füllstandswertes, so dass sich eine Füllstandswerte-Referenzzeitreihe ergibt, und
S1b) zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen eines Niederschlagswertes, der die Niederschlagsmenge pro Zeit und Fläche am Ort der Dachrinne (1) angibt, und Abspeichern des jeweils erfassten Niederschlagswertes, so dass sich eine Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe ergibt, und
S2) in einer der Trainingsphase zeitlich nachgelagerten Überwachungsphase ohne Sicherstellung einer vollständig unverstopften Dachrinne (1):
S2a) zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen des Füllstandswertes und Abspeichern des jeweils erfassten Füllstandswertes, so dass sich eine Füllstandswerte-Istzeitreihe ergibt,
S2b) zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen des Niederschlagswertes und Abspeichern des jeweils erfassten Niederschlagswertes, so dass sich eine Niederschlagswerte-Istzeitreihe ergibt, und
S3) Abgleichen der Füllstandswerte-Istzeitreihe und der Niederschlagswerte-Istzeitreihe mit der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe und der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe und Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne (1) auf der Grundlage dieses Abgleichs.
Method for determining the blockage state of a roof gutter (1), comprising the following procedure steps:
S1) in a training phase ensuring a completely unobstructed gutter (1):
S1a) time-sequential recording of a fill level value describing the fill level of the roof gutter (1) and storage of each recorded fill level value, so that a fill level value reference time series results, and
S1b) recording a precipitation value over time, indicating the amount of precipitation per unit time and area at the location of the gutter (1), and storing each recorded precipitation value, so that a precipitation value reference time series is obtained, and
S2) in a monitoring phase following the training phase without ensuring a completely unobstructed gutter (1):
S2a) Recording the fill level value sequentially over time and saving each recorded fill level value, so that a time series of actual fill level values is obtained,
S2b) recording and storing the precipitation value over time, so that a precipitation value time series is obtained, and
S3) Comparing the actual time series of fill levels and the actual time series of precipitation with the reference time series of fill levels and the reference time series of precipitation and determining the state of obstruction of the gutter (1) on the basis of this comparison.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Verstopfungszustands einer Dachrinne.The invention relates to a method for determining a blockage state of a roof gutter.
Dachrinnen sind meistens an einem Dachrand eines Gebäudes angeordnet und dienen dazu Regenwasser aufzufangen und gezielt abzuleiten. Eine Dachrinne besteht in der Regel aus witterungsbeständigen Materialien wie Metall oder Kunststoff. Die Hauptfunktion besteht darin, das auf dem Dach anfallende Regenwasser zu sammeln und sicher zu Fallrohren oder Gullys zu leiten. Dies ermöglicht eine kontrollierte Ableitung des Wassers und trägt dazu bei, Wasserschäden an Bausubstanz, Fundamenten und Mauerwerk des Gebäudes zu vermeiden. Darüber hinaus minimieren Dachrinnen die Gefahr von Bodenerosion, da das Wasser gezielt und kontrolliert abgeleitet wird. Für eine optimale Funktion ist eine regelmäßige Wartung wichtig, um sicherzustellen, dass die Dachrinne frei von Ablagerungen wie Laub und Ästen ist, damit der Abfluss des Regenwassers nicht durch Verstopfungen in der Dachrinne behindert wird.Gutters are typically located along the roof edge of a building and serve to collect and channel rainwater. A gutter is usually made of weather-resistant materials such as metal or plastic. Its main function is to collect rainwater falling on the roof and safely direct it to downpipes or drains. This allows for controlled water drainage and helps prevent water damage to the building structure, foundations, and masonry. Furthermore, gutters minimize the risk of soil erosion because the water is channeled in a controlled manner. Regular maintenance is important for optimal performance to ensure that the gutter is free of debris such as leaves and twigs, preventing blockages that could impede the flow of rainwater.
Die
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Ausgehend davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein zuverlässiges und effizientes Verfahren zum Ermitteln eines Verstopfungszustands einer Dachrinne bereitzustellen.Based on this, the object of the present invention is to provide a reliable and efficient method for determining a blockage state of a roof gutter.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This problem is solved by the subject matter of claim 1. Preferred embodiments are found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zum Ermitteln eines Verstopfungszustands einer Dachrinne mit den folgenden Verfahrensschritten bereitgestellt: (1) in einer Trainingsphase unter Sicherstellung einer vollständig unverstopften Dachrinne: zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen eines den Füllstand der Dachrinne beschreibenden Füllstandswertes und Abspeichern des jeweils erfassten Füllstandswertes, so dass sich eine Füllstandswerte-Referenzzeitreihe ergibt, und zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen eines Niederschlagswertes, der die Niederschlagsmenge pro Zeit und Fläche am Ort der Dachrinne angibt, und Abspeichern des jeweils erfassten Niederschlagswertes, so dass sich eine Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe ergibt, und (2) in einer an die Trainingsphase zeitlich nachgelagerten Überwachungsphase ohne Sicherstellung einer vollständig unverstopften Dachrinne: zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen des Füllstandswertes und Abspeichern des jeweils erfassten Füllstandswertes, so dass sich eine Füllstandswerte-Istzeitreihe ergibt, zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen des Niederschlagswertes und Abspeichern des jeweils erfassten Niederschlagswertes, so dass sich eine Niederschlagswerte-Istzeitreihe ergibt, und Abgleichen der Füllstandswerte-Istzeitreihe und der Niederschlagswerte-Istzeitreihe mit der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe und der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe und Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne auf der Grundlage dieses Abgleichs.According to the invention, a method for determining the blockage status of a gutter is provided, comprising the following process steps: (1) in a training phase, ensuring a completely unblocked gutter: successive recording and storage of a fill level value describing the gutter's fill level, resulting in a fill level reference time series; successive recording and storage of a precipitation value indicating the amount of precipitation per unit of time and area at the gutter's location, resulting in a precipitation reference time series; and (2) in a monitoring phase following the training phase, without ensuring a completely unblocked gutter: successive recording and storage of the fill level value, resulting in an actual fill level time series; successive recording and storage of the precipitation value, resulting in a precipitation reference time series. a precipitation value actual time series is obtained, and comparison of the level value actual time series and the precipitation value actual time series with the level value reference time series and the precipitation Value reference time series and determining the blockage status of the gutter based on this comparison.
Die Erfindung sieht vor, dass in der Trainingsphase eine bestimmte Anzahl von Niederschlagsereignissen stattgefunden haben muss, bevor in die Überwachungsphase übergegangen werden kann. Dadurch sind in der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe eine gewisse Anzahl möglicher Füllstandswerte der vollständig unverstopften Dachrinne enthalten, die dann entsprechend Niederschlagswerten der vollständig unverstopften Dachrinne in der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe zugeordnet werden können. Die Niederschlagswerte sind in Form der Niederschlagsmenge pro Zeit und Fläche am Ort der Dachrinne enthalten. Die Zeitreihen zeigen somit im Allgemeinen die Füllstände der Dachrinne bzw. Niederschlagswerte in einer bestimmten zeitlichen Abfolge. Dabei sind Zeiträume der Trainingsphasen für die Füllstandswerte-Referenzzeitreihe und die Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe vorzugsweise identisch, so dass die Werte direkt miteinander korrelierbar sind. In diesem Kontext bevorzugt ist, dass die Zeitreihenwerte während eines Niederschlagereignisses sukzessive in Intervallen von 5 Minuten erfasst werden und danach in Intervallen von 15 Minuten.The invention provides that a certain number of precipitation events must have occurred during the training phase before the monitoring phase can begin. This ensures that the fill level reference time series contains a certain number of possible fill level values for a completely unobstructed gutter, which can then be assigned to corresponding precipitation values for a completely unobstructed gutter in the precipitation value reference time series. The precipitation values are represented as the amount of precipitation per unit time and area at the location of the gutter. The time series thus generally show the fill levels of the gutter or the precipitation values in a specific temporal sequence. Preferably, the training phase periods for the fill level reference time series and the precipitation value reference time series are identical, allowing for direct correlation of the values. In this context, it is preferred that the time series values are recorded successively at 5-minute intervals during a precipitation event and subsequently at 15-minute intervals.
Weiter bevorzugt ist, dass die Füllstandswerte der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe unter Berücksichtigung von Abmessungen der Dachrinne, wie der Dachrinnenbreite, -länge, -höhe und/oder -neigung ermittelt werden. Die Füllstandswerte können dazu mit einem Füllstandssensor erfasst werden, der beispielsweise einen Wasserstandsensor in einem Steigrohr aufweist. Alternativ können auch Sensoren verwendet werden, die kapazitive Pads zur Messung der Füllstandshöhe verwenden. Das Berücksichtigen der Abmessungen der Dachrinne ermöglicht dabei eine genauere Einschätzung des Füllstandes der Dachrinne.Die aktuellen Niederschlagswerte können entsprechend mit einem Niederschlagssensor und/oder mit Wetterdaten vor Ort über GPS-Lokalisation erhalten werden.It is further preferred that the fill level values of the fill level reference time series are determined taking into account the dimensions of the gutter, such as its width, length, height, and/or slope. The fill level values can be recorded using a fill level sensor, which, for example, incorporates a water level sensor in a riser pipe. Alternatively, sensors using capacitive pads to measure the fill level can also be used. Considering the gutter dimensions allows for a more accurate assessment of the fill level. Current precipitation values can be obtained using a rain gauge and/or local weather data via GPS location.
Erfindungswesentlich ist nun, dass die in der Trainingsphase erfasste Füllstandswerte-Referenzzeitreihe sowie die Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe mit der Füllstandswerte-Istzeitreihe und der Niederschlagswerte-Istzeitreihe in der Überwachungsphase abgeglichen werden. Die Referenzzeitreihen liefern eine genaue Kenntnis des Verhaltens der Dachrinne bei und kurz nach einem Niederschlagsereignis, so dass ein Verstopfungszustand der Dachrinne auf der Grundlage des Abgleichs der Referenzzeitreihen mit den Istzeitreihen ermöglicht ist. Ergibt der Abgleich der Füllstandswerte der Füllstandswerte-Istzeitreihe mit den Füllstandswerten der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe bei einem vergleichbaren Niederschlagsereignis, dass die Füllstandswerte der Füllstandswerte Istzeitreihe während und nach dem Niederschlagsereignis generell höher oder oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes sind als diejenigen der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe während und nach dem vergleichbaren Niederschlagsereignis, ist die Dachrinne verstopft. Hierbei wird das vergleichbare Niederschlagsereignis durch den Abgleich der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe mit der Niederschlagswerte-Istzeitreihe ermittelt. Nur anhand der in der Trainingsphase ermittelten Referenzzeitreihen ist es also möglich, für die konkrete Dachrinne einen Verstopfungszustand zu ermitteln. Vorteilhafterweise kann die Genauigkeit der Ermittlung des Verstopfungszustands bedarfsfallabhängig durch entsprechend ausführliche Trainingsphasen erhöht werden.The essential aspect of the invention is that the reference time series for fill levels and precipitation recorded during the training phase are compared with the actual time series for fill levels and precipitation during the monitoring phase. The reference time series provide precise knowledge of the gutter's behavior during and shortly after a precipitation event, thus enabling the detection of gutter blockage based on this comparison. If, during a comparable precipitation event, the comparison of the actual level values with the reference time series reveals that the actual level values during and after the event are generally higher than or above a predetermined threshold, then the gutter is considered blocked. The comparable precipitation event is determined by comparing the reference precipitation time series with the actual precipitation time series. Only using the reference time series determined during the training phase is it possible to determine the blockage status for a specific gutter. Advantageously, the accuracy of the blockage determination can be increased as needed through appropriately detailed training phases.
Generell kann der Verstopfungszustand auf verschiedene Arten angegeben werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Verstopfungszustand ein Zustand aus einer endlichen Anzahl von Zuständen ist, die ein Maß für die Verstopfung der Dachrinne im Hinblick auf den Ablauf von Niederschlagswasser angeben. Beispielsweise kann die Verstopfung einer Dachrinne mit vier verschiedenen Zuständen gemessen werden: „nicht verstopft“, „leicht verstopft“, „stark verstopft“ und „vollständig verstopft“. So kann sofort nach Bekanntwerden des Zustandes auf eine einheitliche und verlässliche Art und Weise festgestellt werden, ob und wann Handlungsbedarf besteht bzw. die Dachrinne gereinigt werden sollte. In diesem Kontext kann der Verstopfungszustand gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung allerdings auch angeben, in welchem Maß der Abfluss von Niederschlagswasser aus der Dachrinne gehemmt ist. Diese Angabe kann dann z.B. prozentual erfolgen: 0 % = keine Hemmung bis 100 % = kein Abfluss mehr. Die prozentuale Angabe ermöglicht hier eine genauere Dosierung der Wartungsintervalle bzw. Reinigungsintervalle und gibt dem Anwender einen genaueren Einblick in die Entwicklung der Verstopfungszustände.In general, the degree of blockage can be indicated in various ways. However, according to a preferred embodiment of the invention, the degree of blockage is defined as a finite number of states that indicate the degree of blockage in the gutter with regard to the drainage of rainwater. For example, the blockage of a gutter can be measured using four different states: "not blocked," "slightly blocked," "severely blocked," and "completely blocked." This allows for a uniform and reliable determination of whether and when action is required or the gutter should be cleaned immediately after the condition is identified. In this context, according to a further preferred embodiment of the invention, the degree of blockage can also indicate the extent to which the drainage of rainwater from the gutter is impeded. This can then be expressed, for example, as a percentage: 0% = no impediment to 100% = no drainage. The percentage specification allows for a more precise dosage of maintenance or cleaning intervals and gives the user a more accurate insight into the development of blockage conditions.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren zum Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne den folgenden weiteren Schritt: in der Trainingsphase, wobei die Dachrinne in verschiedene Verstopfungszustände gebracht wird: zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen und Abspeichern der Füllstandswerte in der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe und der Niederschlagswerte in der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe für den jeweiligen Verstopfungszustand der Dachrinne. Es ist vorgesehen, dass die einzelnen Verstopfungszustände in der Dachrinne absichtlich herbeigeführt werden, um entsprechende Füllstandswerte und Niederschlagswerte zu erhalten. Dadurch, dass diese Verstopfungszustände bereits in der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe und in der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe enthalten sind, können die entsprechenden Verstopfungszustände beim Vergleich der Istzeitreihen mit den Referenzzeitreihen mit höherer Genauigkeit erkannt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the method for determining the blockage state of the gutter comprises the following further step: in the training phase, wherein the gutter is brought into various blockage states, the following steps are taken: the fill level values are successively recorded and stored in the fill level reference time series, and the precipitation values are recorded in the precipitation reference time series for the respective blockage state of the gutter. It is provided that the individual blockage states in the gutter are intentionally induced in order to obtain corresponding fill level and precipitation values. ten. Because these blockage conditions are already included in the level value reference time series and in the precipitation value reference time series, the corresponding blockage conditions can be identified with higher accuracy when comparing the actual time series with the reference time series.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren zum Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne die folgenden weiteren Schritte aufweist: in der Trainingsphase unter Sicherstellung der vollständig unverstopften Dachrinne: zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen wenigstens eines meteorologischen Wertes, wobei der wenigstens eine meteorologische Wert eine Luftfeuchtigkeit und/oder einer Temperatur und/oder einer Windrichtung und/oder eine Windstärke ist, und Abspeichern des jeweils erfassten meteorologischen Wertes, so dass sich eine meteorologische Werte-Referenzzeitreihe ergibt, und in der Überwachungsphase ohne Sicherstellung der vollständig unverstopften Dachrinne: zeitlich aufeinanderfolgendes Erfassen des meteorologischen Wertes, und Abspeichern des jeweils erfassten meteorologischen Wertes, so dass sich eine meteorologische Werte-Istzeitreihe ergibt, und Abgleichen der Füllstandswerte-Istzeitreihe, der Niederschlagswerte-Istzeitreihe und der meteorologischen Werte-Istzeitreihe mit der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe, der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe und der meteorologischen Werte-Referenzzeitreihe und Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne auf der Grundlage dieses Abgleichs. Durch das Einbeziehen der meteorologischen Werte, die mit den Füllstandswerten abgeglichen werden, kann die Genauigkeit bei dem Ermitteln von Verstopfungszuständen weiter erhöht werden. Gleichzeitig können so auch Fehlalarme wie z.B. Verstopfungen durch Schnee o.ä. erkannt werden. Darüber hinaus können zusätzliche meteorologische Werte, wie z. B. die Windgeschwindigkeit, oder allgemein meteorologische Daten, die von einem Wetterdienst erhältlich sind, einbezogen werden. Auf diese Weise kann das Niederschlagsereignis besser beschrieben werden. Diese Werte können von einem externen Dienst, der Einheit selber aber auch von einem weiteren technischen System, wie einer SmartHome-Wetterstation, stammen.According to a further preferred embodiment of the invention, the method for determining the blockage status of the gutter comprises the following additional steps: in the training phase, ensuring that the gutter is completely unblocked: successive recording of at least one meteorological value, wherein the at least one meteorological value is humidity and/or temperature and/or wind direction and/or wind speed, and storage of each recorded meteorological value, resulting in a meteorological value reference time series; and in the monitoring phase, without ensuring that the gutter is completely unblocked: successive recording of the meteorological value, and storage of each recorded meteorological value, resulting in an actual meteorological value time series, and comparison of the actual fill level value series, the actual precipitation value series, and the actual meteorological value series with the fill level value reference time series, the precipitation value reference time series, and the meteorological value reference time series, and determination of the The system determines the blockage status of the gutter based on this comparison. By incorporating meteorological data, which is compared with the fill level readings, the accuracy of blockage detection can be further increased. This also allows for the detection of false alarms, such as blockages caused by snow or similar obstructions. Furthermore, additional meteorological data, such as wind speed, or general meteorological data from a weather service can be included. This allows for a more accurate description of the precipitation event. These values can originate from an external service, the unit itself, or another technical system, such as a smart home weather station.
Prinzipiell kann der Verstopfungszustand in regelmäßigen Intervallen gemeldet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass in der Überwachungsphase bei Überschreiten eines vorbestimmten Verstopfungszustandes automatisch eine Meldung erfolgt. Diese Meldung kann dann von einem Wartungsdienst, z. B. einer Dachdeckerfirma, und/oder dem Nutzer, z. B. einem Hausbesitzer, empfangen werden, der dann die Verstopfung entsprechend der Meldung beseitigen kann. Dadurch, dass die Meldung nur bei Überschreiten eines vordefinierten Verstopfungszustandes erfolgt, werden unnötige Wartungsarbeiten an der Dachrinne vermieden. Die Dachrinne wird effizient gewartet.In principle, the blockage status can be reported at regular intervals. However, according to a preferred embodiment of the invention, a notification is automatically sent during the monitoring phase if a predetermined blockage level is exceeded. This notification can then be received by a maintenance service, e.g., a roofing company, and/or the user, e.g., a homeowner, who can then clear the blockage accordingly. Because the notification is only sent when a predefined blockage level is exceeded, unnecessary maintenance work on the gutter is avoided. The gutter is maintained efficiently.
Grundsätzlich können die Trainingsphase und die Überwachungsphase beliebig lang sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass in der Trainingsphase und in der Überwachungsphase das Erfassen der Füllstandswerte nicht beendet wird, bevor ein Füllstand von Null erfasst worden ist. Dadurch kann auch eine Verstopfung erkannt werden, die erst unmittelbar nach einem Niederschlagsereignis auftritt. Zum Beispiel, wenn Laub in ein fluidtechnisch mit der Dachrinne verbundenes Fallrohr gespült wird und das Fallrohr verstopft, so dass kleine Restmengen an Niederschlag in der Dachrinne verbleiben. Diese werden erkannt und können entsprechend gemeldet werden.In principle, the training and monitoring phases can be of any length. However, according to a preferred embodiment of the invention, the acquisition of fill level values is not terminated during the training and monitoring phases until a fill level of zero has been recorded. This allows for the detection of blockages that occur immediately after a rainfall event. For example, if leaves are washed into a downpipe connected to the gutter via a fluid system and the downpipe becomes blocked, leaving small residual amounts of precipitation in the gutter, these are detected and can be reported accordingly.
Es ist möglich den Verstopfungszustand auf verschiedene Arten zu ermitteln. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist jedoch vorgesehen, dass das Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzwerks erfolgt. Bevorzugt ist das neuronale Netzwerk ein rekurrentes neuronales Netzwerk. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass das Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne mit Hilfe eines Zeitreihenvorhersagemodells erfolgt. Dadurch ist es dann möglich zukünftige Verstopfungen in Form der Verstopfungszustände mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorherzusagen und entsprechend eine Meldung noch vor Eintritt eines Verstopfungszustands auszugeben. Noch weiter bevorzugt ist, dass das Zeitreihenvorhersagemodell ein Long Short-Term Memory Modell ist.It is possible to determine the blockage state in various ways. However, according to a preferred embodiment, the determination of the gutter blockage state is carried out using an artificial neural network. Preferably, the neural network is a recurrent neural network. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the determination of the gutter blockage state is further carried out using a time series prediction model. This makes it possible to predict future blockages in the form of blockage states with a certain probability and to issue a notification accordingly before a blockage state occurs. It is even more preferred that the time series prediction model is a long short-term memory model.
Das Long Short-Term Memory (LSTM) ist eine Art rekurrentes neuronales Netzwerk (RNN), das entwickelt wurde, um das Problem des verschwindenden Gradienten in herkömmlichen rekurrentes neuronales Netzwerk zu lösen. LSTMs sind im Vergleich zu anderen RNNs und Sequenz-Lernverfahren wie Hidden Markov Modellen weniger empfindlich gegenüber der Länge der Lücken zwischen relevanten Informationen. Sie werden in verschiedenen Anwendungen wie Handschrifterkennung, Spracherkennung, maschinelle Übersetzung und im Gesundheitswesen eingesetzt. Ein typisches LSTM besteht aus einer Zelle und drei Toren: dem Eingabe-, dem Ausgabe- und dem Vergesstor. Diese Tore regeln den Informationsfluss in die Zelle hinein und aus ihr heraus. Das Vergesstor entscheidet, welche Informationen aus dem vorherigen Zustand verworfen werden, während das Eingangstor bestimmt, welche neuen Informationen gespeichert werden. Das Ausgangstor wiederum steuert, welche Informationen aus dem aktuellen Zustand ausgegeben werden. Durch diese Mechanismen kann das LSTM-Netzwerk nützliche langfristige Abhängigkeiten für Vorhersagen sowohl in aktuellen als auch in zukünftigen Zeitschritten aufrechterhalten.Long Short-Term Memory (LSTM) is a type of recurrent neural network (RNN) designed to overcome the vanishing gradient problem in conventional recurrent neural networks. Compared to other RNNs and sequence learning methods like Hidden Markov models, LSTMs are less sensitive to the length of gaps between relevant information. They are used in various applications, including handwriting recognition, speech recognition, machine translation, and healthcare. A typical LSTM consists of a cell and three gates: the input gate, the output gate, and the forget gate. These gates control the flow of information into and out of the cell. The forget gate determines which information from the previous state is discarded, while the input gate determines which new information is stored. The output gate, in turn, controls which information from the current state is output. Through these mechanisms, the LSTM network can maintain useful long-term dependencies for predictions in both current and future time steps.
Das LSTM-Modell ist besonders geeignet für das Erstellen von Zeitreihenvorhersagen aufgrund seiner Fähigkeit, lange Abhängigkeiten zu erfassen und Informationen über einen längeren Zeitraum für die Verarbeitung von Zeitreihenwerten zu speichern.The LSTM model is particularly suitable for creating time series forecasts due to its ability to capture long dependencies and store information over a longer period for processing time series values.
Dem LSTM-Modell werden entsprechend die Referenzzeitreihen der Trainingsphase als Eingabe zur Verfügung gestellt, woraufhin das LSTM-Modell auf die Eingabe Muster und Zusammenhänge erkennt, die in der Überwachungsphase zusammen mit dem Abgleich mit den Istzeitreihen eine Verstopfung, bzw. eine bevorstehende Verstopfung erkennen lassen. Werden dem LSTM-Modell in der Trainingsphase zusätzlich Füllstandswerte-Referenzzeitreihen, Niederschlagswerte-Referenzzeitreihen und meteorologische Werte-Referenzzeitreihen zur Verfügung gestellt, die Füllstandswerte, Niederschlagswerte und meteorologische Werte für die Verstopfungszustände enthalten, kann mit dem LSTM-Modell eine hohe Genauigkeit bei der Vorhersage und Ermittlung des Verstopfungszustandes der Dachrinne erreicht werden. In diesem Kontext ist in einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass Informationen zu Störobjekten wie Photovoltaik-Anlagen, Gauben und Satellitenschüsseln in dem Long Short-Term Memory Modell eingefügt sind. Zusammen mit den Abmessungen der Dachrinne ist das LSTM-Modell so personalisiert auf die Dachrinne angepasst. Das Ermitteln des Verstopfungszustands der Dachrinne kann dabei periodisch und/oder auf Abruf erfolgen. Dadurch kann im Bedarfsfall flexibel entschieden werden, wie oft die Ermittlung des Verstopfungszustandes entweder unter Berücksichtigung eines Energieeinsparungsaspekts oder eines Sicherheitsaspekts durchgeführt werden soll.The LSTM model is provided with the reference time series from the training phase as input. The LSTM model then recognizes patterns and correlations in this input, which, together with comparisons to actual time series, indicate a blockage or an impending blockage during the monitoring phase. If the LSTM model is additionally provided with reference time series for fill levels, precipitation, and meteorological values during the training phase—containing fill levels, precipitation, and meteorological data relevant to blockage conditions—it can achieve high accuracy in predicting and determining the blockage status of the gutter. In a further, preferred enhancement, information on obstructions such as photovoltaic systems, dormers, and satellite dishes is incorporated into the Long Short-Term Memory model. Combined with the gutter dimensions, this allows the LSTM model to be personalized to the specific gutter. Determining the blockage status of the gutter can be done periodically and/or on demand. This allows for flexible decisions, as needed, on how often the blockage status should be determined, either taking energy-saving or safety aspects into account.
Erfindungsgemäß ist darüber hinaus ein nichtflüchtiges, computerlesbares Speichermedium mit darauf abgespeicherten Befehlen, die bei ihrer Ausführung auf einem Prozessor das oben beschriebene Verfahren bewirken.According to the invention, a non-volatile, computer-readable storage medium with instructions stored on it is also provided, which, when executed on a processor, effect the method described above.
Die Erfindung betrifft weiter ein System mit einem Füllstandssensor, einer mit dem Füllstandssensor zur Signalübertragung verbundene Kommunikationsschnittstelle und einer Recheneinheit, wobei die Kommunikationsschnittstelle dazu ausgebildet ist einen mit dem Füllstandssensor gemessenen Füllstandswert an die Recheneinheit zu übertragen, und die Recheneinheit dazu ausgebildet ist das Verfahren zum Ermitteln des Verstopfungszustandes der Dachrinne, wie oben beschrieben, auszuführen. Die Signalübertragung kann dabei kabellos oder kabelgebunden sein. Der Füllstandssensor ist magnetisch oder mittels einer Schnappvorrichtung in oder an der Dachrinne angeordnet. Zur Kommunikation mit der Recheneinheit weist die Kommunikationsschnittstelle einen Mikrocontroller mit einer Sendeeinheit auf. Wie bereits erwähnt können die Niederschlagswerte vor Ort mit einem Niederschlagswertesensor gemessen und/oder über eine GPS-Lokalisation der Dachrinne abgerufen werden. Gleiches gilt für die meteorologischen Werte. Die entsprechenden Sensoren sind dann ebenfalls zur Signalübertragung mit der Kommunikationsschnittstelle verbunden. Die Sensoren und die Kommunikationsschnittstelle können mit Batterie, Akku, Photovoltaik oder einem Anschluss an ein Hausstromnetz betrieben werden.The invention further relates to a system comprising a level sensor, a communication interface connected to the level sensor for signal transmission, and a processing unit. The communication interface is configured to transmit a level value measured by the level sensor to the processing unit, and the processing unit is configured to execute the method for determining the blockage status of the gutter, as described above. Signal transmission can be wireless or wired. The level sensor is magnetically attached to or mounted on the gutter by means of a snap-in device. For communication with the processing unit, the communication interface includes a microcontroller with a transmitter. As already mentioned, precipitation values can be measured locally using a precipitation sensor and/or retrieved via GPS tracking of the gutter. The same applies to meteorological data. The corresponding sensors are also connected to the communication interface for signal transmission. The sensors and the communication interface can be powered by a battery, rechargeable battery, photovoltaic system, or a connection to a household electrical grid.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter im Detail beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the drawings and preferred embodiments.
In der Zeichnung zeigen
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1 schematisch ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Ermitteln eines Verstopfungszustandes einer Dachrinne gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und -
2 schematisch ein System zum Ermitteln eines Verstopfungszustandes gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 schematically a flowchart for a method for determining a blockage state of a roof gutter according to a preferred embodiment of the invention and -
2 schematically a system for determining a blockage state according to a preferred embodiment of the invention.
Aus
Parallel dazu ist in Schritt S1b das zeitlich aufeinanderfolgende Erfassen eines Niederschlagswertes, der die Niederschlagsmenge pro Zeit und Fläche am Ort der Dachrinne 1 angibt, und das Abspeichern des jeweils erfassten Niederschlagswertes in einer Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe vorgesehen. Darüber hinaus erfolgt in Schritt S1d das zeitlich aufeinanderfolgende Erfassen meteorologischer Werte. Die meteorologischen Werte sind dabei eine Luftfeuchtigkeit, eine Temperatur eine Windstärke und eine Windrichtung am Ort der Dachrinne. Diese meteorologischen Werte werden in einer meteorologischen Werte-Referenzzeitreihe abgespeichert.In parallel, step S1b involves the sequential recording of a precipitation value, indicating the amount of precipitation per unit time and area at the location of gutter 1, and the storage of each recorded precipitation value in a precipitation value reference time series. Furthermore, step S1d involves the sequential recording of... Meteorological values. These meteorological values include humidity, temperature, wind speed, and wind direction at the location of the gutter. These meteorological values are stored in a meteorological reference time series.
Die Trainingsphase beinhaltet außerdem das Einbringen verschiedener Verstopfungszustände in die Dachrinne. Der Verstopfungszustand gibt dabei prozentual an, in welchem Maß der Abfluss von Niederschlagswasser aus der Dachrinne 1 gehemmt ist. Die Füllstandswerte und die Niederschlagswerte werden in Schritt S1c für den jeweiligen Verstopfungszustand der Dachrinne in der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe und der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe erfasst und abgespeichert. Dabei ist sichergestellt, dass während der Trainingsphase mehrere Niederschlagsereignisse stattgefunden haben.The training phase also includes introducing various blockage conditions into the gutter. The blockage condition indicates, as a percentage, the degree to which the flow of rainwater from gutter 1 is impeded. In step S1c, the fill level and precipitation values are recorded and stored for each gutter blockage condition in the fill level and precipitation reference time series, respectively. This ensures that several precipitation events occur during the training phase.
Die Füllstandswerte-Referenzzeitreihe, die Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe und die meteorologische Werte-Referenzzeitreihe werden als Eingabewerte zum Trainieren an ein Long Short-Term Memory Modell (LSTM-Modell) übergeben. Mit dem trainierten LSTM-Modell erfolgt in einer der Trainingsphase zeitlich nachgelagerten Überwachungsphase in Schritt S2 ohne Sicherstellung einer vollständig unverstopften Dachrinne 1 in den Schritten S2a bis S2c das zeitlich aufeinanderfolgende Erfassen des Füllstandswertes und Abspeichern des jeweils erfassten Füllstandswertes, so dass sich eine Füllstandswerte-Istzeitreihe ergibt, das zeitlich aufeinanderfolgende Erfassen und Abspeichern des Niederschlagswertes, so dass sich eine Niederschlagswerte-Istzeitreihe ergibt, und das zeitlich aufeinanderfolgende Erfassen des meteorologischen Wertes, und Abspeichern des jeweils erfassten meteorologischen Wertes, so dass sich eine meteorologische Werte-Istzeitreihe ergibt.The reference series of fill levels, precipitation values, and meteorological values are passed as input values to a Long Short-Term Memory (LSTM) model for training. In a monitoring phase following the training phase, step S2, without ensuring that the gutter 1 is completely unobstructed, the trained LSTM model performs the following steps (S2a to S2c): sequentially recording and storing the fill level value, resulting in an actual fill level value time series; sequentially recording and storing the precipitation value, resulting in an actual precipitation value time series; and sequentially recording and storing the meteorological value, resulting in an actual meteorological value time series.
In einem dritten Schritt S3 werden mit Hilfe des LSTM-Modells die Füllstandswerte-Istzeitreihe, die Niederschlagswerte-Istzeitreihe und die meteorologischen Werte-Istzeitreihe mit der Füllstandswerte-Referenzzeitreihe, der Niederschlagswerte-Referenzzeitreihe und der meteorologischen Werte-Referenzzeitreihe abgeglichen. Auf der Grundlage dieses Abgleichs wird mit dem LSTM-Modell dann der Verstopfungszustand der Dachrinne ermittelt. Gleichzeitig kann mit dem LSTM-Modell eine zukünftige Verstopfung in Form eines zukünftigen Verstopfungszustandes der Dachrinne, auf die Vorhersage der Zeitreihenwerte, hin prognostiziert werden. Der Verstopfungszustand des Dachrinne 1 bzw. die Prognose einer zukünftigen Verstopfung der Dachrinne 1 wird in regelmäßigen Intervallen durchgeführt. Diese Intervalle können von einem Anwender festgelegt werden.In a third step (S3), the LSTM model is used to compare the actual time series of water level values, precipitation values, and meteorological values with the reference time series of water level values, precipitation values, and meteorological values. Based on this comparison, the LSTM model then determines the blockage status of the gutter. Simultaneously, the LSTM model can predict future blockages based on the time series values. The blockage status of gutter 1, or the prediction of future blockages, is performed at regular intervals. These intervals can be defined by the user.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Dachrinnegutter
- 22
- FüllstandssensorLevel sensor
- 33
- KommunikationsschnittstelleCommunication interface
- 44
- Recheneinheitcomputing unit
- 55
- SendeeinheitTransmitter unit
- 66
- EmpfangseinheitReceiving unit
- 77
- NiederschlagssensorRainfall sensor
- 88
- Thermometerthermometer
- 99
- Hygrometerhygrometer
- 1010
- WindmesserAnemometer
Claims (13)
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|---|---|---|---|
| DE102024102480.1A DE102024102480B4 (en) | 2024-01-29 | 2024-01-29 | Determining the blockage status of a roof gutter |
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| DE102024102480.1A DE102024102480B4 (en) | 2024-01-29 | 2024-01-29 | Determining the blockage status of a roof gutter |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102024102480A1 (en) | 2025-07-31 |
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