Kommentar von Boris Shiklo, ScienceSoft

So werden Smart Cities mit dem IoT smart

| Autor / Redakteur: Boris Shiklo / Nico Litzel

Der Autor: Boris Shiklo ist CTO von ScienceSoft
Der Autor: Boris Shiklo ist CTO von ScienceSoft (Bild: ScienceSoft)

IoT-basierte Smart Cities gibt es in allen Größen. In diesem Artikel untersuchen wir intelligente Apps für große, mittlere und kleine Städte und erläutern die Besonderheiten bei ihrer Implementierung.

Im Rahmen einer Forschungsarbeit von USCM (Unified Smart City Model) wurde festgestellt, dass 69 von 335 in den USA durchgeführten Smart-City-Projekten in großen Städten, 168 in mittelgroßen und 98 in kleinen Städten stattfanden. Diese Zahlen reichen aus, um zu das Folgende zu beweisen: Wenn eine Stadt als „smart“ (deutsch „intelligent“) bezeichnet wird, geht es nicht um die Größe, sondern eher um die Wahl eines richtigen Ansatzes.

In diesem Beitrag untersuchen wir Besonderheiten bei der Implementierung von IoT-Lösungen in Smart Cities verschiedener Größen und listen mögliche IoT-Anwendungen für große, mittlere und kleine Städte auf.

IoT-Anwendungen für Smart Cities verschiedener Größe
IoT-Anwendungen für Smart Cities verschiedener Größe (Bild: ScienceSoft)

Städte IoT-freundlich klassifizieren

Es gibt keine universelle Klassifizierung von Städten nach Größe. Die auf der geografischen Fläche basierende Aufteilung scheint für die Implementierung von IoT-Lösungen irrelevant zu sein. Um eine „IoT-freundliche“ Klassifizierung zu erstellen, haben wir Städte nach Bevölkerungszahl klassifiziert und folgende Zahlen ermittelt:

  • Große Städte: Städte mit mindestens 500.000 Einwohnern.
  • Mittelgroße Städte: Städte mit einer Einwohnerzahl zwischen 100.000 und 500.000 Menschen.
  • Kleine Städte: Städte mit einer Einwohnerzahl weniger als 100.000 Menschen.

Im Zusammenhang mit dem IoT ordnet nicht nur die Bevölkerungszahl eine Stadt einer bestimmten Gruppe zu. Auch andere Faktoren sollten berücksichtigt werden, um eine Stadt intelligent zu machen. Hierher gehören solche Faktoren wie Haushaltsmittel, verfügbare Ausrüstung und Infrastruktur sowie die Fähigkeit, unterschiedliche Dienstleistungsniveaus bereitzustellen.

Für jede Gruppe werden wir einige IoT-Beispiele anführen. Aber warum haben wir sie in erster Linie ausgewählt? Basierend auf dem Bericht von State of the Cities haben wir die häufigsten Herausforderungen herausgegriffen, mit denen große, mittlere und kleine Städte konfrontiert sind. Wir haben auch dabei IoT-Lösungen ausgewählt, die diese Herausforderungen bewältigen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Verwendung der unten aufgelisteten Lösungen auf nur eine bestimmte Gruppe beschränkt ist. Einige davon können in größeren und kleineren Städten mit gleicher Effektivität angewendet werden. Zum Beispiel können intelligente Parklösungen für Berlin und Bochum gleichermaßen relevant sein. Der Umfang und die Tiefe der Implementierung werden unterschiedlich sein, aber der Ansatz bleibt derselbe.

Übersicht

Um Missverständnisse zu vermeiden, haben wir eine Tabelle erstellt, die die Relevanz von Apps für eine bestimmte Gruppe anzeigt. In der Tabelle:

  • Stehen +++ für den hohen Grad an Relevanz für eine bestimmte Gruppe.
  • + bedeutet, dass eine App mit bestimmten Einschränkungen implementiert werden kann. Ganz gleich, ob diese Einschränkungen mit den Investitionen oder dem Umfang der Implementierung verbunden sind.
  • - bedeutet, dass der Wert einer App für eine bestimmte Gruppe fraglich ist.

Die Relevanz intelligenter Apps für verschiedene Stadtgrößen
Die Relevanz intelligenter Apps für verschiedene Stadtgrößen (Bild: ScienceSoft)

Große Smart Cities

Große Städte verfügen über große Infrastrukturmöglichkeiten und technologische Mittel (umfangreiche Mobilfunknetze, Netzwerkknoten, lokale Datenzentren) sowie größere Investitionsbudgets. Das ermöglicht ihnen, die Kraft intelligenter Technologien wirksam einzusetzen und die Daten für sinnvolle Veränderungen zu nutzen.

Auf der anderen Seite gibt es einige Herausforderungen, die die Einführung von IoT-basierten Lösungen für Smart Cities behindern, z. B. der Umfang der Implementierung. Zusätzlich zum Einsatz von Sensoren müssen die Städte solche Lösungen bereitstellen, die in der Lage sind, mit enormen Mengen von kontinuierlich strömenden Daten zu arbeiten. Je größer die Stadt ist, desto mehr Daten werden gesammelt, gespeichert und verarbeitet. Je mehr Daten gibt es, desto effizienter sollte die IoT-Lösung der Stadt sein.

Basierend auf unserer Erfahrung schlagen wir vor, bei der Entwicklung einer ausgereiften Lösung einen iterativen Ansatz zu verwenden. Das heißt, dass zuerst eine Kernplattform erstellt und dann sowohl vertikal als auch horizontal erweitert wird. Bei der vertikalen Erweiterung geht es darum, die Plattformarchitektur zu verbessern. Die horizontale Erweiterung bedeutet, dass mehr Services integriert werden. So können Sie schrittweise eine abgerundete Smart-City-Infrastruktur aufbauen.

Die folgenden Anwendungen scheinen für große Smart Cities besonders relevant zu sein:

Verkehrsmanagement

Eine der größten Herausforderungen für große Smart Cities besteht darin, den Verkehr zu optimieren. Warum denn nicht dem Beispiel von Los Angeles zu folgen? Als eine der verkehrsreichsten Städte der Welt hat die Stadt eine intelligente Verkehrslösung implementiert, um den Verkehrsfluss zu kontrollieren. Die in den Straßenbelag integrierten Sensoren senden Echtzeit-Aktualisierungen des Verkehrsflusses an eine zentrale Verkehrsmanagement-Plattform. Die Plattform analysiert die Daten und passt automatisch sekundenschnelle Ampelanlagen der Verkehrslage an. Sie wird dabei den sich verändernden Bedingungen entsprechend eingestellt und verwendet historische Daten, um vorherzusagen, wohin der Verkehr fließen kann – alles ohne menschliche Mitwirkung.

Überwachung der Luftqualität

Die Luftverschmutzung ist eine der größten Gefahren für das Wohlergehen von Einwohnern einer Großstadt. Zur Kontrolle der Luftqualität können Städte ein Netzwerk von Sensoren entlang stark befahrener Straßen und auch in Fabriken einsetzen, um die Menge schädlicher Gase in der Luft zu überwachen. Auf diese Weise messen die hochentwickelten Sensoren Emissionen von Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxiden (NOx) und Schwefeldioxid (SO2). Eine zentrale Cloud-Plattform aggregiert, analysiert und visualisiert die Sensormesswerte, sodass Plattformbenutzer die Karte der Luftqualität einsehen und anhand dieser Daten auf die Bereiche hinweisen können, wo die Luftverschmutzung einen kritischen Grenzwert erreicht. Darauf basierend kann man Empfehlungen für die Bürger erarbeiten.

Mittelgroße Smart Cities

Mittelgroße Städte stehen wie auch größere Städte vor ähnlichen Herausforderungen. Aber sie haben eingeschränkte Infrastrukturressourcen, kleinere Budgets sowie eine begrenzte Konnektivität zwischen Dingen und Cloud. Und dadurch sind sie weniger dafür gerüstet, auf diese Herausforderungen effektiv zu reagieren. Zur gleichen Zeit ermöglicht ihre Größe mehr Mobilität und eine schnellere Implementierung. Die Lösungen für Smart Cities können deutliche Auswirkungen auf das Ökosystem einer mittelgroßen Stadt haben, was in einer größeren Stadt in gewisser Hinsicht nicht der Fall ist.

Zu den Anwendungen, die für mittelgroße Städte relevant sind, gehören:

Lösungen für die öffentliche Sicherheit

Der Bericht „State of the Cities“ beweist, dass mittelgroße Städte stark mit Fragen der öffentlichen Sicherheit beschäftigt sind. Zur Bereitstellung der öffentlichen Sicherheit bieten die IoT-basierten Smart-City-Technologien Echtzeit-Überwachung-, Analytics- und Entscheidungsfindung-Tools.

Man kann zum Beispiel die Daten von Sensoren mit den Daten aus sozialen Medien kombinieren und in Echtzeit analysieren. Dadurch können Lösungen für öffentliche Sicherheit potenzielle Tatorte prognostizieren und Meldungen an die Polizeistreife in diesem Bezirk senden. Dadurch kann die Polizei potenzielle Straftäter stoppen oder sie erfolgreich verfolgen.

Intelligentes Parken

Intelligente Parklösungen identifizieren, wann ein Fahrzeug die Parkfläche verlassen hat. Die Sensoren im Boden melden per Smartphone der Autofahrer, wo sie einen freien Parkplatz finden können. Intelligente Parklösungen sind heute Realität. Und diese Lösungen erfordern keine komplizierte Infrastruktur und hohe Investitionen und eignen sich daher ideal für eine mittelgroße Smart City.

Kleine Smart Cities

Auf dem Weg zur Intelligenz stoßen sich kleine Städte auf viele Hindernisse: eine unzureichende IT-Infrastruktur, Stadthaushalts- und Beschaffungsengpässe, begrenzte Ressourcen für öffentliche Dienstleistungen. Das bedeutet aber nicht, dass eine kleine Stadt smart nicht werden kann. Hier kommt ein Beweis dafür: Die Stadt Vail (Colorado) hat weniger als 6.000 Einwohner, aber sie verfügt über eine umfangreiche intelligente Infrastruktur. Die Stadt begann ihre intelligente Stadtentwicklung mit vernetzter Straßenbeleuchtung. Später nutzten sie die bestehende Infrastruktur, um neue Dienste wie intelligente Park- und Bewässerungssysteme zu implementieren. Für kleine Städte ist es sinnvoll, dem Beispiel von Vail zu folgen und die Entwicklung der Smart City mit solchen Projekten zu beginnen, die kleine Budgets erfordern und einen messbaren ROI liefern, wie z. B.:

Intelligente Beleuchtung

Die mit Sensoren ausgestatteten Straßenlaternen werden mit einer zentralen Management-Lösung vernetzt und tragen dazu bei, die Lichtintensität im öffentlichen Raum an die individuellen Veränderungen des Umfelds anzupassen. Die Sensoren erfassen Daten über Lichtstärke und Bewegungen, um sie zur Analyse in die Cloud zu übertragen. Die Cloud kombiniert Sensordaten mit historischen und kontextabhängigen Daten (z. B. Jahreszeit, besondere Ereignisse, Fahrplan für öffentliche Verkehrsmittel usw.) und „befiehlt“ einer Straßenlaterne, wann die Lampen, abhängig von den Bedingungen, zu dimmen, aufzuhellen, einzuschalten oder auszuschalten sind. Intelligente Lichtlösungen tragen dazu bei, Energiekosten zu senken. So schätzte beispielsweise die Stadt Schenectady (65.000 Einwohner), dass vernetzte Straßenlaternen in nur einem Jahr mehr als 370.000 Dollar einsparten.

Intelligente Abfallsammlung

Die Lösungen für das Abfallmanagement tragen dazu bei, die Effizienz der Müllabfuhr zu optimieren, Autoabgasen bedeutend zu verringern und Kraftstoffkosten zu reduzieren. Die Lösung ist einfach zu implementieren, und der schnelle Rückfluss lässt auf sich nicht lange warten. Jeder Abfallbehälter erhält einen Füllstandsensor. Wenn ein bestimmter Schwellenwert bald erreicht wird, erhält die Management-Plattform eine Sensorlesung, verarbeitet sie. Und auf dem Smartphone eines LKW-Fahrers erscheint die Meldung, einen vollen Behälter zu entleeren, was halbvolle Entleerungen vermeidet.

Lösungen teilen

Smart Cities können eine gemeinsame Smart-City-Plattform teilen, was besonders für kleine Städte sinnvoll ist. Die cloudbasierte Natur von IoT-Lösungen für Smart Cities ist dafür geeignet. Durch die gemeinsame Nutzung einer Plattform, die auf offenen Daten basiert ist, können kleine Städte ein gemeinsames städtisches Ökosystem bilden. Das hilft, begrenzte Ressourcen effizienter zu nutzen und Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit intelligenter Apps zu verbessern. Kleine Städte können auch eine Plattform mit mittelgroßen und großen Städten teilen und ein Netzwerk aus mehreren Städten bilden. Auf diese Weise werden Lösungen von kleinen und großen Smart Cities über die zentrale Cloud-Plattform vernetzt und gesteuert. Ein Beispiel dafür ist das iberische Smart-Cities-Netzwerk in Spanien, das derzeit aus 111 Städten besteht. Das Netzwerk umfasst Städte unterschiedlicher Größe, die über Beleuchtungsstärke und Bewegungen in verschiedenen Bereichen kooperieren: intelligente Energie, Mobilität, Umwelt und Verkehr.

Zusammenfassung

Die Größe einer Stadt ist kein Hindernis auf dem Weg, „smart“ zu werden. Die Städte aus jeder Gruppe können von intelligenten Technologien profitieren. Es gibt jedoch einige Punkte zu beachten.

  • Wenn Sie die Entwicklung der Smart City in einer Großstadt starten, wenden Sie einen iterativen Ansatz an: Das wird Ihnen helfen, die Implementierung zu beschleunigen und übermäßige Investitionen zu vermeiden.
  • In mittelgroßen und kleinen Städten ist es sinnvoll, mit kleinen Projekten zu beginnen, die keine großen Investitionen erfordern und sich schnell rentieren können. Zum Beispiel wie folgende intelligenten Lösungen: Abfallsammlung, Beleuchtung und Parken. Später wird es möglich sein, die Smart-City-Infrastruktur zu erweitern, sei es durch die Integration von mehreren Dienstleistungen mit der bestehenden Plattform oder (was für kleine Städte profitabler ist) durch die gemeinsame Nutzung einer Plattform mit anderen Städten.

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