Künstliche Intelligenz Smarte Bäume rufen nach Wasser

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Das gerade im heißen Sommer so wichtige Stadtgrün vor dem Austrocknen schützen, ohne Wasser zu verschwenden – diese Herausforderung hat das Kölner Start-up Data-Matters gelöst. Grundlage bildet ein urbanes Bewässerungssystem, bei dem die Bäume per Funk mitteilen, wann sie wie viel Wasser benötigen.

In den Gemeinden und Städten Dormagen, Hürth, Nordkirchen und Köln hat Data-Matters, eine Ausgründung der RWTH Aachen, das Konzept „Urban Tree Intelligence“ gemeinsam mit lokalen Wirtschaftsförderungen oder Unternehmungen realisiert. Dort können nun gezielte Gießrouten gefahren werden, statt pauschal alles zu bewässern. Technische Basis bildet das Smart-City-Betriebssystem UbanOS.

Bäume mit Sensoren, Funkanbindung und KI

Um sich bemerkbar zu machen, werden die Bäume mit Sensoren versehen, die die Feuchtigkeit im Baumgewebe (Xylem) messen, das Wasser und Nährstoffe von den Wurzeln zu den Blättern transportiert. Die Messwerte werden per Funk an einen urbanen Datenraum übermittelt und dort mittels künstlicher Intelligenz (KI) im Smart-City-Betriebssystem Urban-OS ausgewertet.

Als Ergebnis erhalten die kommunalen Entscheidungsträger etwa bei den Stadtwerken einen stets aktuellen Überblick über die tatsächlichen Anforderungen des Stadtgrüns – auch der Bäume, die keine Sensoren haben, aber eben eine vergleichbare „Baumpersönlichkeit“ besitzen. Insgesamt 72 derartige „Persönlichkeiten“ gibt es. Auf Knopfdruck wirft die KI auch gleich eine optimierte Routenplanung für die Bewässerungsfahrzeuge aus. „Das schont die Umwelt und die Personalressourcen gleichermaßen“, heißt es bei Data-Matters.

KI bezieht auch Wettervorhersage mit ein

Der Clou: Die KI wertet nicht nur die aktuellen Messwerte der Bäume aus, sondern berücksichtigt auch den Wetterbericht. Wenn bald Regen angesagt ist, braucht schließlich nicht kurz zuvor gewässert werden. Neben den Wetterparametern werden auch die Bodenfeuchte und die Bodenbeschaffenheit an die urbane Datenplattform übermittelt, um so effizient und ressourcenschonend wie möglich für das Stadtgrün zu sorgen.

Für Data-Matters ist „Urban Tree Intelligence“ Teil eines umfassenden Konzepts einer Smart City auf Basis von Urban-OS. Geschäftsführer Dr. Daniel Trauth erklärt die Zusammenhänge: „Städte sind Brennpunkte des Klimawandels. Sie verbrauchen rund 80 Prozent der weltweiten Energie, verursachen mehr als 70 Prozent der CO₂-Emissionen – und leiden gleichzeitig am stärksten unter den Folgen: Hitzewellen, schlechte Luftqualität, überhitzte Plätze und ein zunehmender Verlust an Lebensqualität. In diesem Kontext sind Stadtbäume weit mehr als nur grüne Kulisse. Sie sind natürliche Klimaanlagen, CO₂-Speicher und Lebensraum in einem.“

Bäume „funktionieren“ – aber nur mit ausreichend Wasser

• So kann ein einziger, ausgewachsener Laubbaum an einem heißen Sommertag bis zu 400 Liter Wasser verdunsten; das entspricht einer Kühlleistung, die spürbar die Umgebungstemperatur senkt.

• Gleichzeitig bindet ein Baum über sein Leben hinweg mehrere Tonnen CO₂, filtert Feinstaub und bietet Schatten auf über 150 Quadratmetern Fläche.

„Doch all diese Leistungen stehen auf einem Fundament, das viel zu oft unterschätzt wird – Wasser“, erläutert Dr. Daniel Trauth die Bedeutung des datenbasierten und KI-gestützten Bewässerungssystems seines Unternehmens.

Was viele nicht wissen: Damit ein Baum CO₂ aufnehmen kann, müssen seine Spaltöffnungen – die sogenannten Stomata – geöffnet sein. Genau dort entweicht aber auch das Wasser. Gerät der Baum unter Trockenstress, schließt er diese Öffnungen. Die Folge: keine CO₂-Bindung, keine Kühlung, keine Wirkung.

„Ein Baum funktioniert nur, wenn er selbst gesund ist“, sagt Dr. Daniel Trauth. Er fährt fort: „Und genau das stellt die Stadtwerke vor eine bislang nahezu unlösbare Aufgabe. Sie sollen Tausende von Bäumen regelmäßig bewässern – doch oft fehlt es an präziser Information. Welcher Baum braucht wirklich Wasser? Wie viel? Und wann?“ In der Regel werden pauschale Gießrouten gefahren. Das bedeutet: Zu viel Wasser an Stellen, wo es nicht gebraucht wird – und zu wenig dort, wo es dringend nötig wäre. Dazu Dr. Daniel Trauth: „Wasser wird verschwendet, der Stress der Bäume steigt, ihre Wirkung sinkt – und am Ende verlieren alle.“

KI gibt jedem Baum eine Persönlichkeit

Damit nicht jeder einzelne Baum mit einem Sensor ausgestattet werden muss, arbeitet Data-Matters mit einem selbst entwickelten KI-Modell, das die Bäume mit Persönlichkeitsmerkmalen ausstattet. Die sogenannten Baumpersönlichkeiten basieren auf Art, Standort, Bodenprofil, Sonnenexposition und weiteren Umweltfaktoren. Das bedeutet: Selbst wenn nur ein kleiner Teil der Bäume mit Sensoren ausgestattet wird, lässt sich der Wasserbedarf aller anderen mit ähnlicher Persönlichkeit mit hoher Genauigkeit vorhersagen.

Dabei setzt Data-Matters auf sogenannte föderierte KI (Federated Learning). Das bedeutet, dass ein Gutteil der künstlichen Intelligenz bereits in Urban-OS steckt und die finale Auswertung der Messwerte im wahrsten Sinne des Wortes „am Baum“ stattfindet. Nur die Messwerte werden per Funk an den urbanen Datenraum übertragen. „Man kann also ohne weiteres von intelligenten Bäumen sprechen“, schmunzelt Dr. Daniel Trauth.

Lösungen für die smarte Stadt

Über „Urban Tree Intelligence“ weit hinausgehend konzipiert und realisiert Data-Matters zahlreiche weitere Projekte, die in Summe eine Smart City ausmachen. Als typische Anwendungsgebiete nennt das Kölner Start-up die Optimierung der Verkehrsführung, die Abfallwirtschaft, die Energieversorgung, den Öffentlichen Personennahverkehr, die Parkraumüberwachung und die Belebung der Innenstädte. Es gibt auch Projekte zur Temperaturmessung in Städten, um Hitzeinseln zu identifizieren und daraufhin die Bevölkerung durch gezielte Verschattungsmaßnahmen zu schützen.

Das Prinzip ist stets gleich:

• Sensoren erfassen die Lage vor Ort, übermitteln die Ergebnisse an eine urbane Datenplattform, wo sie mit Hilfe Künstlicher Intelligenz und unter Einbeziehung weiterer Parameter (Wetterbericht, Stadtfeste, Feiertage, Schulferien etc.) im Betriebssystem Urban-OS ausgewertet werden.

• So erhalten die kommunalen Entscheidungsträger am Smartphone oder PC auf einem Urban-Cockpit einen Überblick über ihre Stadt als Grundlage für Management und Planung.

• Der Clou: Dank KI erfasst Urban-OS nicht nur den Ist-Zustand, sondern hält auch fundierte Prognosen für die Zukunft parat – von der Entwicklung beim Wasserstress über die ÖPNV-Auslastung bis hin zu künftigen Überlastungen in der City etwa durch zu viele Feste gleichzeitig.

Der Data-Matters-Chef betont: „Wir entwerfen nicht nur die Konzepte und liefern die gesamte Technik für die Smartisierung von Städten und Landkreisen, sondern wir kümmern uns auch um die damit verbundene Bürokratie, finden die passenden Partner vor Ort und bringen die Handwerker-Crew mit, die alles installiert und in Betrieb nimmt.“ Im Rahmen von Pilotprojekten stellt das Kölner Start-up den Kommunen sogar die Ausrüstung leihweise und die Dienstleistungen kostenfrei zur Verfügung, so dass kein Budget benötigt wird.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal konstruktionspraxis.

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