Die Smart City

Eine Smart City ist technologisch gesehen die digitale Erweiterung der Stadt. Sie misst Zustandsdaten und führt Analysen durch. Aufgrund dieser Analysen werden Entscheidungen getroffen. Natürlich nicht von der Smart City selbst, sondern von den jeweiligen Stadtentwicklern.

Ziel der Smart City ist es, die Infrastruktur und alle Dienstleistungen so zu gestalten, dass das Leben in der Smart City komfortabler, nachhaltiger, sicherer und letztlich lebenswerter wird. Die Organisationsstruktur einer Smart City umfasst daher zahlreiche Aufgaben- und Verantwortungsbereiche. Entscheidend ist dabei, dass die einzelnen Anwendungsfelder nicht als Insellösungen für sich funktionieren, sondern miteinander vernetzt sind. In einer Smart City sollten die Prozesse interoperabel aufeinander abgestimmt sein. Ein Leitsatz ist die Connectivity der Daten in der Smart City zu erzeugen.

Zu diesem Bereich gehören alle planerischen Aufgabenfelder, die den Wohnraum, Gewerbegebiete, Parks und Grünanlagen, Öffentliche Plätze, Spielplätze, Fußgängerwege und Verkehrskonzepte betreffen.

Der Bereich Verkehr umfasst Planungen zum Personen- und Güterverkehr, zum Straßenverkehr, zu verkehrsberuhigten Zonen, zur Infrastruktur für Radfahrer (Radwege, Fahrradabstellanlagen, Fahrradverleihstationen). Im Mittelpunkt steht die Optimierung des gesamten Verkehrssystems im städtischen Umfeld. Dazu werden intelligente Verkehrsleitsysteme und innovative Mobilitätslösungen umgesetzt. Dazu gehören zukünftig auch Sicherheitskonzepte für das autonome Fahren und zunehmend Ladezonen für Elektrofahrzeuge.

Das Handlungsfeld Energiemanagement in der Smart City befasst sich mit allen Themen rund um den Energieverbrauch und die Ressourcennutzung. Smart Grids, nachhaltige Energielösungen, Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs in Gebäuden, intelligente Bewässerungslösungen, Wassermanagementlösungen für private und gewerbliche Haushalte und Abfallmanagement sind Themen dieses Handlungsfeldes.

Ein neues Aufgabenfeld in der Smart City betrifft die Überwachung von Umweltparametern. Aufgrund der steigenden Luftverschmutzung, insbesondere der Ozonwerte im Sommer, ist es notwendig geworden, bestimmte Parameter in der Smart City zu messen. Neben der Überwachung der Luftqualität werden auch Lärmmesssysteme betrieben und die Wasserqualität von Brunnen oder Kanälen regelmäßig kontrolliert.

Zusammengefasst dienen diese Messungen der Sicherheit der Bewohner einer Smart City. Im Vordergrund steht die Aufgabe, die Folgen des Klimawandels in der Smart City für die Bewohner abzumildern. Aus diesem Grund werden neuerdings auch Beschattungsmaßnahmen und Wasserinstallationen sowie die verstärkte Anlage von Grünflächen und Windschneisen in das Handlungsfeld aufgenommen.

Die Gewährleistung von Sicherheit spielt in der Smart City eine besondere Rolle, da innovative Wireless IoT Lösungen neue Möglichkeiten der Sicherheit, Risikoerkennung und Präventionsmaßnahmen ermöglichen. Dazu gehören beispielsweise die bereits bekannten Videosysteme, aber auch Smart Lighting und Smart Safety für die Mitarbeiter der Smart City.

Damit Bürger sich an Entscheidungen in der Smart City beteiligen können und alle Entwicklungen in der Smart City aktiv mit unterstützen, werden digitale Dienste und Plattform geschaffen, die Partizipation ermöglichen. Diese mobilen Apps oder Bürgerportale bieten Möglichkeiten zur Antragstellung, die Möglichkeit an einer E-Wahl teilzunehmen und Verbesserungsvorschläge einzureichen. Beispielsweise weisen Bürger die Verwaltung auf Missstände hin, die in Echtzeit den zuständigen Mitarbeitern zur Kenntnis gebracht werden.

Gebäude sind sowohl Teil der städtischen Infrastruktur als auch Bestandteil der Thematik Gebäudemanagement. In Smart Cities ist eine intelligente Überwachung von Gebäudeparametern möglich. Das betrifft Raumparameter in Gebäuden, Predictive Maintenance von Personenaufzügen, Feuerlöschern oder Fensterschließanlagen, Parksysteme sowie Zugangslösungen. Das Gebäude funktioniert als Smart Building innerhalb einer Smart City.

Der gesamte Freizeitsektor ist in den meisten Fällen privatwirtschaftlich organisiert, profitiert aber dennoch von den technischen Möglichkeiten der Smart City, indem kooperative technologische Ansätze verfolgt werden. Dies betrifft die Nutzung von IoT-Sensornetzwerken. Der Freizeitsektor schließt innovative drahtlose IoT-Lösungen in Museen, Freizeitparks, Bildungseinrichtungen, Restaurants und Sportstadien ein.

Immer mehr Menschen leben in städtischen Infrastrukturen. Bis 2050 werden laut Schätzung der Vereinten Nationen 68 Prozent der Weltbevölkerung in Städten leben. Bereits heute gibt es 34 Megastädte mit mehr als 10 Millionen Einwohnern und Einwohner vier von ihnen liegenden Asien. Aktuell ist die größte Stadt Tokio in Japan mit 37,2 Millionen Einwohner. Die zweitgrößte Stadt ist Delhi in Indien. In Deutschland ist Berlin die größte Stadt und Ziel von 3,6 Millionen Einwohner. Die Vereinten Nationen erwarten, dass bis 2023 auf der Welt 43 Megastädte Mit über 10.000 Millionen Einwohnern vertreten sein werden. Zu dem Zeitpunkt werden Deli die Stadt Tokio überholt haben und mit knapp 39 Millionen Einwohnern die größte Stadt der Welt sein.

Die zunehmende Urbanisierung unseres Lebens ist ein Treiber für die Integration von Wireless IoT Technologien. Das ‚Institute for Management Development‘ der Universität Singapore (SUTD) gibt jedes Jahr den globalen Smart City Index heraus. Dieser Index klassifiziert wie intelligent Städte sind auf der Basis von Befragung der Bürger. Diese Themen werden in den Mittelpunkt gerückt: Gesundheit, Sicherheit, Mobilität, Freizeit und Beruf. Die Anzahl der Smart Citys steigt jedes Jahr. Die möglichen Einsatzfelder von Wireless IoT Technologien Sind in Smart Cities immens. Der gesamte Makro und Mikrokosmos einer Stadt kann digital erfasst, ausgewertet, analysiert und zentral gesteuert werden.

Es ist daher verständlich, dass die Pilotprojekte in intelligenten Städten in den vergangenen Jahren rasant zugenommen haben. Das Ergebnis: Big-Data. Verständlich dass einige Bewohner von Smart Citys und auch Städteplaner vor allem den Datenschutz, die Vermeidung von Bewegungsprofile und die Integrität von Persönlichkeitsdaten absichern möchten. Es gibt aber auch andere Beispiele. In chinesischen Städten sorgen tausende Kameras für die Überwachung der Bürger.

Einem ReportLinker-Bericht zufolge wird der globale IoT-Markt für intelligente Städte bis 2022 auf 159,21 Mrd. USD geschätzt. Bis 2027 wird ein Marktwert von 402,48 Mrd. USD erreicht. Der asiatisch-pazifische Raum ist 2022 führend auf dem IoT-Markt für intelligente Städte.Die zunehmende Einführung der 5G-Technologie treibt das Wachstum weiter voran.

Beispiele wie das intelligente Straßenbeleuchtungsnetz in San Diego und die Wi-Fi-fähigen öffentlichen Telefone in New York City zeigen das Einsparpotenzial intelligenter Infrastrukturen. In den USA geben Unternehmen jährlich rund 100 Milliarden US-Dollar für Büroenergie aus. Intelligente Gebäude könnten 20 bis 25 Milliarden Dollar einsparen und damit einen erheblichen Teil des Energieverbrauchs und der Betriebskosten des Landes decken. Städte wie Barcelona nutzen ein intelligentes Abfallmanagement und sparen dadurch bis zu 10 Prozent ihrer Kosten. Bis 2020 soll es weltweit mehr als 26,3 Milliarden IoT-Geräte und -Verbindungen geben.

Das rasante Wegwachstum von steten und die zunehmende Globalisierung bedeutet, dass der Markt für Technologien, die das Internet der Dinge (IoT) möglich machen rasant wächst. Prognosen zufolge soll der weltweite Markt in smarten Cities von 300 Milliarden USD in 2021 auf 650 Milliarden USD in 2026 angewachsen. Insgesamt sollen 41 Billionen USD investiert werden um digitale Technologien in Städte möglich zu machen.

Dazu gehören die künstliche Intelligenz, IoT, Big-Data-Lösungen, Robotik und Drohnen sowie für die dazugehörigen Breitbandnetze. Eine enorme Menge an Echtzeitdaten muss abgesichert werden. Mit zunehmendem dynamischen Wachstum von Risiken in Bezug auf Datensicherheit, müssen die Kapazitäten zur Erhöhung der Datensicherheit ausgebaut werden. Nur 2 Prozent der in 2020 erzeugten Daten wurden tatsächlich gespeichert. Laut Schätzungen werden sogar nur 1 Prozent der im Internet der Dinge erzeugten Daten wirklich genutzt.

Zukunftsforscher gehen davon aus, dass um die Mitte des Jahrhunderts fast 70 Prozent der gesamten Weltbevölkerung in urbanen Infrastrukturen leben wird. Das sind enorme Herausforderungen für Verkehrssysteme, die Versorgung mit Lebensmitteln, die Aufrechterhaltung von kritischen Infrastrukturen und Mobilitätskonzepte. Vor allem Emissionen und Auswirkungen der Umweltveränderungen werden Einfluss haben auf das Leben in Städten.

Die zukünftigen Einsatzszenarien muten heute möglicherweise futuristisch an, Werden in den nächsten Jahrzehnten das Leben in Städten aber entscheidend absichern. Die folgenden Beispiele zeigen exemplarisch wie Wireless IoT Technologie in Verbindung mit IoT Plattformen Prozesse die Prozesse in der Smart City zentral steuern, neue Applikationen ermöglichen und die Konnektivität der Geräte erleichtern.

Obwohl die Bedeutung von Smart Cities in den letzten zehn Jahren bereits deutlich zugenommen hat, stehen den Entscheidungsträgern in Städten und Kommunen noch immense strukturelle Veränderungen der Stadtentwicklungskonzepte und Transformationsprozesse bevor. Das starke Wachstum der Städte wird dazu führen, dass künftig vor allem vier Themen das Leben in der Stadt erleichtern werden. Dazu gehört ein effizientes Energiemanagement mit drahtlosen IoT-Sensoren.

Wichtig ist auch die Optimierung von Verkehrssystemen. Berührungslose IoT-Sensoren können in Ampeln, Parkhäusern und öffentlichen Verkehrsmitteln installiert werden, um den Verkehrsfluss zu optimieren und Staus zu reduzieren. Dies trägt dazu bei, den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen CO2-Emissionen zu senken. Für das friedliche Zusammenleben in Mega Cities ist das Thema Abfallmanagement von großer Bedeutung. Drahtlose IoT-Technologien können dabei helfen, Müllcontainer nur dann zu leeren, wenn sie tatsächlich voll sind. Dazu werden die Mülltonnen mit Füllstandssensoren ausgestattet. Auf diese Weise wird der Kraftstoffverbrauch der Müllfahrzeuge reduziert. Der vierte Schwerpunkt ist die Mobilität in der Smart City.

Leitlinien und Handlungsempfehlungen zur Reduzierung von CO2-Emissionen sollen Städten helfen, nachhaltiger und ökologischer zu werden. Nur auf der Basis intelligenter Leitlinien kann das Ökosystem Stadt ein lebenswertes Miteinander für alle Bürgerinnen und Bürger ermöglichen. Dazu müssen sich alle Akteure an einen Tisch setzen und diskutieren, welche Modellprojekte das Leben in der Stadt maßgeblich verändern können. Sharing-Systeme, die auf kontaktlosen Technologien basieren, stehen für Komfort, Spontaneität, intelligente Parkplatzlösungen sowie die Reduzierung von Luftverschmutzung und CO2-Emissionen.

Insbesondere drahtlose Sensornetzwerke und IoT-Geräte sind Teil der digitalen Infrastruktur in Smart Cities. Sie messen Umweltparameter, Verbrauchsdaten von Strom, Wasser oder Gas, den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens, den Wasserstand in Kanälen, die Fließgeschwindigkeit in der Kanalisation, das Verkehrsaufkommen, die Auslastung von Parkplätzen und den Lärmpegel. Dies sind nur einige Beispiele, die bereits zeigen, dass die Integration von Sensoren in Smart Cities enorme Datenmengen erzeugt.

Diese Daten werden über LPWAN-Gateways empfangen und an IoT-Plattformen weitergeleitet. Im Idealfall erfolgt die Steuerung der Prozesse in der Smart City zentral. Ergänzt werden die LPWAN-Lösungen durch RFID- und Bluetooth LE-Systeme. RFID wird beispielsweise für den Zutritt zu Gebäuden, die Authentifizierung von Personen oder die Identifikation von Assets und Containern eingesetzt. Darüber hinaus werden RFID-Tags an Fahrzeugen eingesetzt, um Fahrzeuge in Parkhäusern zu identifizieren und den Zugang zum Parkplatz zu ermöglichen. Bluetooth LE-Sensoren und -Gateways benötigen nur wenig Energie. Sie eignen sich daher für Beleuchtungssysteme, Heizungs- oder Klimasteuerung in Gebäuden. Die Beispiele zeigen, dass in der Smart City vor allem Sensoren zur Steuerung von Prozessen beitragen. Je nach Einsatzgebiet wird das jeweilige Sensornetzwerk durch weitere drahtlose IoT-Technologien wie Kamerasysteme, Smart Cards oder WLAN ergänzt. Neben der Hardware spielt die Software eine zentrale Rolle in Smart Cities. Die zentrale Steuerung aller Prozesse ist ohne eine Managementsoftware nicht möglich.

Im vorherigen Abschnitt wurde bereits der Schwerpunkt auf die CO2-Emissionen gelegt. Durch die Integration von Wireless-IoT-Technologien in eine Smart City können Ressourcen effizienter genutzt und nachhaltige Nutzungsbereiche gefördert werden, was letztendlich zu einer Verringerung des CO2-Fußabdrucks führt. Neben den Softskills Komfort, Bürgerbeteiligung, lebenswertes Leben, kindergerechtes Leben, intelligente Arbeitskonzepte, intelligente Gebäude sind es vor allem die ökologischen Faktoren, die das Leben in Städten zukunftssicher machen.

Megacities sind vor allem auf Technologien angewiesen, die Ressourcen schonen, automatisierte Prozesse ermöglichen, Transparenz in der Kommunikation bieten, die Bürgerinnen und Bürger an Entscheidungen beteiligen und eben, wie bereits mehrfach erwähnt, das Ökosystem schützen. Wenn Stadtentwickler diese Faktoren in den Mittelpunkt ihrer städtebaulichen Konzepte stellen, kann die Smart City eine echte Chance für das zukünftige Leben auf der Erde sein.Wenn in den nächsten Jahrzehnten mehr als 60 Prozent aller Menschen in Megastädten leben werden, wird es unvermeidlich sein, dass die gesamte Infrastruktur mit intelligenten und technologisch ausgereiften Systemen verbunden ist.

Datenplattformen und die Vernetzung von Daten werden dazu beitragen, dass Städte immer digitaler werden und die Digitalisierung für Unternehmen alle Prozesse durchdringt.

Wie bei allen großflächigen Konzepten, die sich über große Gebiete erstrecken, wie dies zum Beispiel in Städten der Fall ist, und die für eine beträchtliche Anzahl von Menschen gelten sollen, hängt der Erfolg auch vom monetären Einsatz ab.

Und genau hier liegt die Herausforderung. Allerdings bieten Wireless IoT Technologien wie RFID, Bluetooth LE oder LPWAN bereits heute ausgereifte Systeme, Produkte und Software an, so dass die Amortisierung in einem überschaubaren Zeitfenster erfolgen kann. Ein LoRaWAN-Netz und die entsprechende Sensorik sind schnell installiert und ermöglichen über Jahre hinweg eine bedarfsgerechte Abfallentsorgung. Müllfahrzeuge werden bedarfsgerecht eingesetzt, eine Route wird nur dann gefahren, wenn tatsächlich Müll abgeholt werden muss und der CO2-Fußabdruck wird reduziert. Zudem werden Anreize zur Abfallvermeidung geschaffen, da die Abfallgebühren genau an das Abfallaufkommen gekoppelt sind.

In den vorangegangenen Abschnitten wurden zahlreiche Lösungen in Smart Cities beschrieben und deren Vorteile und Herausforderungen aufgezeigt. Es ist deutlich geworden, dass intelligente Lösungen einen enormen Beitrag zur optimalen Organisation einer Stadt leisten können. Nun liegt es an den Stadtplanern, sich auf moderne und innovative Technologien einzulassen und gemeinsam mit allen Entscheidungsträgern und Akteuren Modellprojekte zu starten.