Städte in digitaler Transformation

City 4.0: Vernetzung mit Daten aus dem Internet der Dinge

Jan Schönig

© Shuttertsock/ Dahabian /AliseFox

Digitalisierung ist eins der Top-Themen, nicht nur in der Wirtschaft, sondern auch im privaten Leben. Viele Industrien stellen bereits auf die neuen Möglichkeiten um, aber wie können Städte die Vorteile der Digitalisierung nutzen? Durch die nahtlose Integration von Daten aus dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) kann die der Stadt zugrundeliegende Infrastrukturebene verwaltet und optimiert werden.

Im Zuge der zunehmenden Vernetzung der Welt ist die Digitalisierung der Infrastruktur ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung der Städte. Die Digitalisierung verspricht weniger Kosten, Flexibilität und Effizienz, sie verbessert den Alltag der Bürger und eröffnet neue und innovative Infrastrukturlösungen. Städte können ihre Herausforderungen mit intelligenten digitalen Technologien lösen – sie haben allerdings oft noch Schwierigkeiten, damit umzugehen. Das belegen die bestehenden digitalen Lösungen in Städten, die die Vorteile und Chancen der digitalen Transformation bereits nutzen. Digitalisierung ermöglicht es ihnen, Big Data nahtlos in die Infrastruktur zu integrieren. Initiativen wie das Internet der Dinge und Industrie 4.0 werden von Milliarden intelligenter Geräte angetrieben, die riesige Datenmengen generieren. Die Umwandlung der Daten in Informationen ist ein kritischer Erfolgsfaktor.

Mit den bedeutenden Fortschritten in den Bereichen Computing, IoT und anderen Technologien können Städte nun Big Data in Echtzeit sammeln und analysieren, um verwertbare Informationen zu erhalten, die das städtische Leben verbessern. Prognosen des McKinsey Global Institutes zufolge werden die Smart-City-Anwendungen für die Städte künftig zu Einsparungen führen, die bis 2025 weltweit zwischen 930 Milliarden und 1,7 Billionen US-Dollar betragen werden.

Städte stehen unter enormem Druck. Auf der ganzen Welt wird es für urbane Zentren zunehmend schwerer, die stark steigenden Bevölkerungszahlen zu bewältigen und deren stetig wachsenden Bedarf an Ressourcen zu decken wie Energie, sauberes Wasser und gesunde Luft. Sie suchen nach innovativen Wegen im Umgang mit Emissionen, dem zunehmenden Stadtverkehr und den Auswirkungen des Klimawandels – und setzen dabei verstärkt auf intelligente Technologien. Die Frage ist längst nicht mehr, ob Städte auf Digitalisierung setzen und zu intelligenten Städten werden, sondern wann Smart-City-Projekte auf globaler Ebene umgesetzt werden.

Jetzt steht der nächste Schritt an

In den letzten Jahrzehnten haben sich die Städte bemüht, die zugrunde liegenden Infrastrukturen zu optimieren – allerdings in hohem Maße in vertikalen Silos, also jeder Bereich für sich: Planung und Bau vieler Gebäude basiert schon heute auf einer standardisierten Building-Information-Management-(BIM-)Software; fahrerlose Züge operieren mit höherer Kapazitätsauslastung; aus einfachen Stromnetzen werden intelligente Stromnetze, sogenannte Smart Grids, die sich schnell an neue Anforderungen anpassen können. Jetzt steht der nächste Schritt an: die Vernetzung dieser unterschiedlichen Infrastrukturen. Sie wird weitere Verbesserungen und Effizienzsteigerungen im Stadtbetrieb bringen.

Analog zum Begriff „Industrie 4.0“, der die Auswirkungen von Automatisierung und Datenaustausch auf die industrielle Fertigung beschreibt, wird dieses Modell auch als „City 4.0“ bezeichnet. Was heißt das konkret? Im Kontext der Stadt kann sich der Begriff beispielsweise auf Gebäude beziehen, die sich aktiv mit dem Energienetz verbinden und über Schnittstellen Mobilitätsanforderungen ermitteln. Ebenso können selbstlernende Systeme gemeint sein, die nützliche Informationen für die Verbesserung der Luftqualität bereitstellen.

Es gibt Firmen wie Siemens, die bereits bewiesen haben, dass man Hardware mit Software verbinden kann – einschließlich Automatisierungslösungen in der Produktion, dem Bahnmanagement, dem Verkehrsmanagement und dezentralen Energieversorgungssystemen. Das sind komplexe Systeme, die Überwachung und Kontrolle erfordern. Sie beinhalten Systeme mit Komponenten sowohl aus der realen als auch der digitalen Welt, die häufig kritische Infrastrukturen und große Datenmengen umfassen. Stadtverwaltungen und Bürger haben sehr hohe Erwartungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Schutz ihrer Daten. Sie wollen ihre bestehenden Anlagen zudem mit den Vorteilen der Digitalisierung anreichern, ohne ihre bestehenden Systeme zu gefährden. Deshalb hat Siemens das Konzept des Internets der Dinge für urbane Anwendungen weiter konkretisiert und erweitert. Bei diesem Ansatz stehen von Siemens entwickelte Geräte, Maschinen und Gebäude sowie deren Systeminteraktionen im Mittelpunkt einer digital vernetzten Industrielandschaft. Siemens verwendet diesen Ansatz in vielen Projekten. Beispiele beinhalten:

  • Ladesysteme für Elektrobusse, die in Hamburg, Göteborg und Stockholm in Betrieb sind. Die Elektronik in den Bussen, die Schnellladestationen und die Stromabnehmer kommunizieren über das Internet, um den Ladevorgang zu koordinieren.
  • Optimierung der Wasserversorgungsnetze der russischen Metropole Sankt Petersburg mit einem intelligenten Sensornetzwerk, das Leckagen erkennt und den Energieverbrauch in Pumpen minimiert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Integration bestehender Steuerungssysteme.
  • Neue, intelligente Transformatoren im Rahmen eines Smart Grids, wie sie bereits in Wien in Österreich im Projektentwicklungsprojekt Seestadt Aspern realisiert wurden. Das Internet der Dinge ist ein Eckpfeiler der Digitalisierungsstrategie von Siemens. Technologisch ist es bereits machbar und weil der Ansatz übertragbar ist, eröffnen sich hier neue Geschäftsmöglichkeiten in Städten oder Branchen.

Studie: Bis 2020 rund 50 Milliarden Geräte vernetzt

Eine im Jahr 2015 von der Consultingfirma McKinsey erhobene Studie bescheinigt der Digitalisierung eine enorme Innovationskraft im städtischen Raum. Das Potenzial der Digitalisierung als Hebel für Produktionssteigerung in städtischen Infrastrukturen wird nur noch durch ihre Auswirkungen auf die Industrie und das Produktionsgewerbe übertroffen, wo sie bereits in ganzen Branchen von kleinen und mittleren Unternehmen bis hin zu Großunternehmen weit verbreitet ist.

Das Aufkommen der Digitalisierung traf zusammen mit dem Rückgang der Transistorpreise, die in den letzten 25 Jahren dramatisch gefallen sind. Inzwischen sind immer mehr Geräte vernetzt; aller Voraussicht nach werden bis 2025 mehr als 50 Milliarden Geräte aktiv kommunizieren. Serviceleistungen, wie sie heute in allen Bereichen des städtischen Lebens präsent sind, werden digital verbessert und weiterentwickelt. Wichtiger ist jedoch, dass es dank der Verfügbarkeit und Analyse der Daten immer neue Serviceleistungen geben wird.

Allerdings haben Städte oft Mühe, aus den immer größeren Datenmengen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen. Hohe Vorlaufkosten, mangelnde Fähigkeiten oder fehlende gemeinsame Datenstandards machen es schwierig, Big Data in Echtzeit zu analysieren, um entscheidungsrelevante Informationen zu gewinnen. Aus diesem Grund bietet Siemens mit MindSphere (Abb. 1) ein Cloud-basiertes, offenes IoT-Betriebssystem, das reale Dinge mit der digitalen Welt verbindet und leistungsstarke Stadtanwendungen und digitale Dienste zur Weiterentwicklung der Infrastruktur ermöglicht. Die offene Platform as a Service (PaaS) von MindSphere ermöglicht einem großen Partnerökosystem die Entwicklung und Bereitstellung neuer Anwendungen.

Abb. 1: Das IoT-Betriebssystem MindSphere zur Verknüpfung realer Dinge mit der digitalen Welt

Abb. 1: Das IoT-Betriebssystem MindSphere zur Verknüpfung realer Dinge mit der digitalen Welt

Die Digitalisierung und Transformation von IoT-Daten in produktive Geschäftsergebnisse sind zentrale Treiber von MindSphere. Wertvolle stadtspezifische Anwendungen, die auf MindSphere basieren, liefern messbare Ergebnisse und ermöglichen digitale Services, die auf Best-Practice-Lösungen basieren. Darüber hinaus können Städte MindSphere nutzen, um Daten nahtlos in die gesamte Infrastruktur zu integrieren – nicht nur um die betriebliche Effizienz zu steigern, sondern auch, um Simulations- und Testergebnisse mit realen Beobachtungen zu vergleichen.

Um die durchgängige Integration ihrer Daten zu erreichen, müssen Städte zunächst den grundlegenden Schritt gehen und ihre Infrastruktureinheiten mit der digitalen Welt verbinden. Die von Energieanlagen, Zügen, Verkehrssystemen, intelligenten Gebäuden und anderen städtischen Infrastruktureinheiten erzeugten Rohdaten können nicht umfassend analysiert werden, ohne vorher verknüpft, erfasst und verwaltet zu werden. Konnektivität ist eines der Hauptthemen im IoT.

Siemens hat weltweit Systeme mit Millionen von Geräten installiert, darunter Anlagen und Automatisierungssysteme aus den Bereichen Energieerzeugung, -management, Transport, Industrieproduktion und Gebäudetechnik. In den meisten Fällen sind Daten bereits in kontextabhängiger Form verfügbar, werden jedoch nicht mit dem Maximum an potenziellen Vorteilen genutzt. Siemens bietet Add-ons und Erweiterungen für bestehende Systeme, sodass MindSphere problemlos eine Verbindung herstellen kann, um diese Daten zu nutzen. MindSphere hat eine einfache und klare Struktur, die es Städten ermöglicht, ihre Assets schnell mit der Cloud zu verbinden und Wert aus ihren IoT-Daten zu ziehen. Durch offene Kommunikationsstandards können Geräte, Anlagen und Automatisierungssysteme (auch anderer Anbieter) Daten an MindSphere übertragen. Das gewährleistet einen homogenen Ansatz und ermöglicht Kombinationen von Datenanalysen.

Crashtests sind nicht mehr nötig

Was bedeutet Digitalisierung in der Praxis? Sie ermöglicht Planern beispielsweise, einen digitalen Zwilling der physischen Arbeitsumgebung zu schaffen und beide miteinander zu vernetzen, um die Gestaltung, Steuerung und Automatisierung von Prozessen zu verbessern, aber auch um Informationen fürs End-to-end-Reporting und Analysen zu liefern. Simulationen und vorausschauende Wartung werden zunehmend einfacher und lassen sich immer leichter in den täglichen Betrieb integrieren.

Ein Beispiel aus der Autoindustrie: Früher haben die Entwickler einen neuen Prototyp gebaut, dann einen Crashtest gemacht und schließlich analysiert, was funktioniert hat und was schiefgelaufen ist; dann wurde der nächste Prototyp gebaut und gegen die Wand gefahren – und so ging das endlos weiter. Man kann sich leicht vorstellen, um wie viel schneller und effizienter dieser Prozess dank Simulationssoftware inzwischen geworden ist.

Helsinki entwickelt eine digitale Zwillingsstadt

Im Kontext der Stadt kann die Digitalisierung nicht nur die Effizienz steigern, indem sie die Zeit- und Ressourcenverschwendung minimiert, sondern gleichzeitig die Produktivität einer Stadt verbessern, das Wachstum sichern und wirtschaftliche Aktivitäten fördern. Die finnische Hauptstadt Helsinki will das beweisen. Als Stadt, die schon frühzeitig Smart-City-Technologie und Modellierung nutzte, startete sie das Helsinki-3D+-Projekt zur Erstellung eines dreidimensionalen Modells von Helsinki. Zum Einsatz kam eine vom Softwareunternehmen Bentley Systems entwickelte Reality-Capture-Technologie zur Geokoordination, Optionsbewertung, Modellierung und Visualisierung. Ziel des Projekts ist, die stadtinternen Serviceleistungen und Prozesse zu verbessern und Daten für den weiteren Ausbau des Smart-City-Projekts bereitzustellen. Nach seiner Fertigstellung soll das 3-D-Stadtmodell von Helsinki als offene Datenquelle dienen und auf diese Weise die kommerzielle und wissenschaftliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit fördern. Dank der verfügbaren Daten und Analysen wird es der Stadt möglich sein, ihre grüne Agenda voranzutreiben und noch deutlich stärker als bisher auf eine nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen und eine gesunde Umwelt auszurichten.

Ein erster Schritt zu einer digitalen verwalteten Stadt

Aus der visuellen 3-D-Darstellung lässt sich eine Fülle von Daten extrahieren – ein erster Schritt in Richtung einer digital verwalteten Stadt. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die vernetzten Infrastrukturkomponenten miteinander kommunizieren und verstanden werden können. Bentley Systems ist ein Pionier in der Entwicklung von Realitätsmodellierungssoftware für die Infrastrukturbranche. Bentley und Siemens sind seit vielen Jahren Technologiepartner und haben ihre Zusammenarbeit kürzlich zu einer strategischen Allianz ausgebaut, was die nahtlose Integration der Technologien beider Unternehmen zur Folge hatte.

Wie funktioniert das? Das von Bentleys Realitätsmodellierungssoftware erstellte dreidimensionale Netz ist über das offene, Cloud-basierte IoT-Betriebssystem MindSphere mit den IoT-fähigen Infrastrukturkomponenten verbunden. Die der Stadt zugrundeliegende Infrastrukturebene – Wohnen, Sicherheit, Energieversorgung, Wasserversorgung, Verkehrs- und Gesundheitswesen – liefert auf diese Weise Daten, die in eine gemeinsame Datenebene eingespeist werden, um Analysen und sowohl präventive als auch präskriptive Maßnahmen zu ermöglichen. MindSphere ist in der Lage, riesige Datenmengen zu verwalten. Stehen diese Daten einmal zur Verfügung, können innovative Unternehmen und Stadtverwaltungen über offene Programmierschnittstellen weitere Anwendungsfälle schaffen und auf Basis der verfügbaren Daten Apps zum Nutzen der Bürger, der städtischen Behörden und der lokalen Wirtschaft entwickeln.

Eine digitale Vision für die ganze Welt

Helsinki ist nicht die einzige Stadt, die offene Daten erhebt, um Forschung und Entwicklung im Rahmen des City-4.0-Konzepts zu fördern und stetig zu verbessern. Ein weiteres Beispiel ist Columbus, die Hauptstadt des US-Bundesstaats Ohio, die 2016 die landesweite Smart City Challenge gewann. Die Smart-Columbus-Kampagne zielt darauf ab, die Lebensqualität der Menschen zu verbessern, ihnen bessere Chancen zu bieten, das Wirtschaftswachstum voranzutreiben, eine führende Rolle in der Logistik zu übernehmen und die Nachhaltigkeit zu fördern. Wie? Durch die Verknüpfung von infrastrukturellen Angeboten – angefangen bei den Bereichen Wohnen, Verkehr und Gesundheit – kann man abbilden, wie neue Technologien in einer realen Stadt funktionieren. Die Antwortet auf die Frage, wann intelligente städtische Projekte auch auf globaler Ebene an Bedeutung gewinnen werden, lautet deshalb: jetzt.

Geschrieben von
Jan Schönig

Jan Schönig ist Direktor für Urban Development & Smart Cities im Siemens Global Center of Competence Cities. In dieser Funktion ist er verantwortlich für die Strategie, das Partner- und Programmmanagement sowie die Geschäftsentwicklung von Infrastrukturlösungen mit Fokus auf intelligente Stadtentwicklung.

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