Smart Cities and Communities Lab

Die Techniksysteme von Städten umfassen die Infrastruktur- und Verwaltungssysteme einer Stadt. Städtische Aufgabenfelder wie Mobilität, Ver- und Entsorgung, Sicherheit, die bisher eher getrennt waren, werden auf ihre gemeinsamen Schnittstellen und Wechselwirkungen untersucht und zum Vorteil der Stadt sinnvoll verknüpft.

Integrierte Infrastruktur- und Verwaltungssysteme heben die Stadt der Zukunft auf eine neue Qualitätsstufe: Sie erlauben Analysen, Absicherungen und Optimierungen über Fach-, Organisations- und Technologiegrenzen hinweg. Dabei ist frühzeitig die Interoperabilität, Leistungsfähigkeit, die funktionale und IT-Sicherheit dieser Lösungen zu konzipieren und zu realisieren.

Fraunhofer FOKUS entwickelt hierfür Methoden und Werkzeuge zur Erfassung der Anforderungen, zum Entwurf, der Spezifikation, Implementierung und Qualitätssicherung der IKT-basierten Lösungen.

Insbesondere im Bereich der modellbasierten Entwicklung von software-intensiven Systemen und unterstützenden Werkzeugketten für die Entwicklungs- und Qualitätssicherungsprozesse hat Fraunhofer FOKUS mit seinen Technologien wie ModelBus oder Fokus!MBT ein internationales Renommee erzielt.

Um den Herausforderungen der sich wandelnden Städten gerecht zu werden, bieten die Forscherinnen und Forscher von Fraunhofer FOKUS unter anderem folgende Testumgebungen und Lösungen:

• Open Data Research Portal
  
• iCity-Projekt und Plattform (EN)
  
• TRIANGULUM Projekt für intelligente Stadtquartiere

Future Application and Media

• FAMIUM: Future Web Technologies and Streaming Media Ecosystem (EN)

Softwarequalität

• Metrino: Qualitätssicherung von Modellen

Fraunhofer FOKUS forscht bereits seit Jahren gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Verwaltung an Lösungen für die intelligenten Städte von morgen. Aus verschiedenen Projekten entstanden anschauliche Referenzbeispiele, die auf der Expertise des Instituts im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien für Smart Cities aufbauen. 

Das Smart Cities and Communities Lab ist spezialisiert auf Informations- und Kommunikationstechnologien für smarte Städte. Es bietet unabhängige Forschungs- und Entwicklungsleistungen für Hersteller, Anbieter, Verwaltung und Institutionen des städtischen Managements. Im Rahmen von Studien, (Pilot-) Projekten oder Workshops erarbeiten wir anwendungsorientiert und interdisziplinär Lösungen.

Kompetenzen

• Beratung zu und Entwicklung von IKT-basierten Lösungen in urbanen Räumen
• Integration von Systemen in urbanen Räumen
• Konzeption der technischen und organisatorischen Umsetzung
• Unterstützung bei der Standardisierung

Workshops

• Anforderungs- und Organisationsanalysen
• Interviews und Studien
• Anpassung von Lösungen an individuelle Anforderungen

Referenzszenarien

• Demonstration und Präsentation IKT-basierter Lösungen
• Weiterentwicklung der Referenzszenarien
• Arbeitstreffen und Schulungen zur Anwendung der Referenzszenarien
• White Papers, Veröffentlichungen und Vorträge

Mobilität ist in Städten seit Beginn der Urbanisierung ein zentrales Thema und ein wichtiger Motor für Wachstum und Fortschritt. Wenn früher Mobilität die Freiheit der Menschen bedeutete, sich mittels neuer Verkehrsmittel in wachsenden Städten bewegen zu können, so wird heutzutage die Verknüpfung von Verkehr und Kommunikation immer wichtiger. Da die Verkehrsinfrastrukturen immer häufiger an ihre Grenzen stoßen, sind alternative Verkehrsmittel und -wege bzw. die optimierte Nutzung der vorhandenen Strukturen gefragt.

Intelligente Verkehrsplanung, Förderung des Nahverkehrs und eine bessere Vernetzung aller Verkehrsteilnehmenden in einer stadtweiten Kommunikationsinfrastruktur sind die Kennzeichen einer Smart City. Weniger Staus, weniger Autos in der Innenstadt und der Ausbau eines weitgehend emissionsfreien Nahverkehrsnetzes haben letztendlich positive Auswirkungen auf die Umwelt und die Lebensqualität in Städten.

Mobilität bedeutet nicht mehr nur sich innerhalb einer Stadt frei zu bewegen und sich darauf verlassen zu können, dass Waren an ihren Bestimmungsort gelangen. Mobilität bedeutet heute auch, dass die Smart City Verkehrsflüsse eigenständig aufrecht erhält und flexibel auf Probleme reagiert. Zudem sorgt die neue Kommunikationsinfrastruktur dafür, dass Mobilität individuell planbar ist. So werden Daten beispielsweise für eine barrierefreie Fortbewegung in der Stadt und zum Nutzen aller bereitgestellt und in der Masse geteilt und aktualisiert. So entsteht ein stadtweites, offenes Mobilitätsnetzwerk durch permanenten Austausch zwischen allen Beteiligten für eine höchstmögliche Effizienz.

Das öffentliche Verkehrsnetz stellt zentrale Lebensadern einer Smart City dar. Es versorgt durch einen kontinuierlichen und geregelten Menschen- und Warenstrom die Stadt mit Leben und bringt alle an ihr Ziel. Ein flächendeckendender und effizienter öffentlicher Personenverkehr kann erheblich zur Entlastung der Verkehrswege und zur Emissionsreduzierung beitragen.

Durch intelligente Verkehrslenkung trägt dann auch der Individualverkehr zu einem effektiveren und sicheren Verkehrsnetz bei. Bereits heute gibt es beispielsweise Smartphone-Apps, die Autofahrern Verkehrsinformationen in Echtzeit mitteilen. Andere Anwendungen nutzen die direkte Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Verkehrsinfrastruktur, um für mehr Effizienz und Sicherheit im Straßenverkehr zu sorgen. Die Bereiche Verkehrslenkung und Fahrerassistenz bieten für den Individualverkehr noch einige Entwicklungschancen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien.

Das Internet trägt auch darüber hinaus zunehmend zur Verkehrsberuhigung bei: Durch die Loslösung vom Konzept des statischen Büroplatzes hin zur steigenden Akzeptanz der Telearbeit oder aber von netzgestützter kooperativer Arbeit an verschiedenen Orten werden viele Wege überflüssig. Fahrten zum Arbeitsplatz oder zu Besprechungen entfallen, weil Arbeitnehmende und die wachsende Zahl der Selbstständigen von zu Hause oder in Co-Working-Spaces arbeiten. So wirkt sich auch der Siegeszug des Online-Shoppings auf die Mobilität in den Smart Cities aus: Wege für den Kunden entfallen, Warenlieferungen im Einzelhandel nehmen ab. Ob dies steigende Lieferaufkommen für Privatpersonen kompensiert, bleibt zu analysieren.

Information und Kommunikation, Datenaustausch und Vernetzung sind Schlüssel zur intelligenten Stadt von morgen. Sie bieten die Grundlage für weitere Kernkomponenten der Smart City: Energieversorgung, Mobilität und öffentliche Sicherheit. Kommunikationstechnologien in der Smart City beschränken sich nicht mehr nur auf Festnetztelefonie, Mobilfunk und Internet. Die moderne Stadt vereint die herkömmlichen, voneinander getrennten Kommunikationsinfrastrukturen zu einer vernetzten Plattform – angefangen von Sensornetzen über Informationsnetze bis hin zur Mobilkommunikation. Darüber hinaus kommen neue Akteure hinzu: Neben Nutzern mit Smartphones oder Notebooks werden beispielsweise Fahrzeuge, Straßen, Gebäude oder Haushaltsgeräte in die neue Infrastruktur eingebunden. Im Zentrum steht nicht mehr die einfache Verbindung zwischen zwei Personen oder Endgeräten, sondern die Vernetzung unzähliger Nutzer, Geräte und Systeme untereinander über das mobile Internet.

Die neu erschlossenen städtischen Informationsangebote bedeuten einen erheblichen Fortschritt, im Sinne der öffentlichen Verfügbarkeit und der allgemeinen Transparenz. Smart Cities erleichtern Bürgern, Institutionen und Unternehmen, an Informationen zu gelangen. Informationsfreiheit und Mitbestimmung in kommunalen Belangen lassen sich in einer Smart City viel besser umsetzen – selbstverständlich unter Berücksichtigung des Datenschutzes und der damit einhergehenden Übertragungssicherheit. Mit der Erschließung neuer Informationsquellen und dem ständigen Austausch zwischen den Nutzern und der öffentlichen Infrastruktur erreicht die Kommunikation eine neue Dimension.

Im Kommunikationsalltag nimmt das mobile Internet zunehmend den Hauptanteil der Internetnutzung ein. Das damit rapide ansteigende Datenaufkommen stellt neue Herausforderungen an die bestehenden Kommunikationsnetze. Die bestehenden Netze bieten nicht mehr die benötigten Kapazitäten für steigende Datenmengen und wachsende Qualitätsstandards. An neuartigen Breitbandnetzen, die diesen Ansprüchen Rechnung tragen sollen, wird weltweit geforscht – auch in Deutschland. Das sogenannte Internet der Zukunft (Future Internet) wird die Kommunikation, wie wir sie heute kennen, revolutionieren.

Zentral hierfür ist der neue Mobilfunkstandard 5G. Ziel ist es, verschiedene, bereits bestehende Kommunikationsnetze miteinander kompatibel und interoperabel zu gestalten. So kann eine flexible Kommunikationsinfrastruktur entstehen, die Datenübertragungen beim Netzwechsel nahtlos und ohne Qualitätseinbußen ermöglicht und sich selbst permanent kontrolliert und wartet, so dass stets das höchste Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit gewahrt bleibt.

Nicht nur die Kommunikationsinfrastruktur ist im Wandel, sondern auch Inhaltsangebote und die Verfügbarkeit von Informationen. Neben den derzeit gängigen kommerziellen Apps für Smartphones, die hauptsächlich Konsum und Unterhaltung dienen, sollen Smart Cities Daten von Kommunalverwaltungen für jedermann verfügbar machen. Sei es der aktuelle Verkehrsbericht, Umweltdaten wie Luft- und Wasserqualität, Pollenzahl oder der schnellere und effizientere Austausch zwischen Behörden − die Kommunikation im öffentlichen Sektor hat ein immenses Entwicklungspotenzial und bietet neue Möglichkeiten, den Alltag zu erleichtern.

Für die Verfügbarkeit öffentlicher und städtischer Informationen steht die Open-Data-Bewegung. Sie setzt sich dafür ein, dass nicht-sensible Daten einer Kommune in größerem Umfang als heute zum einen öffentlich über eine Data Cloud abrufbar, zum anderen interoperabel nutzbar sind. Das Sammeln solcher öffentlicher Daten in einer virtuellen City Data Cloud ermöglicht beispielsweise Unternehmen, neue Apps zu entwickeln, mit denen diffuse Datenmengen und Statistiken mit Hilfe einer praktischen Smartphone-Anwendung jedem Bürger zur Verfügung stehen. Die Anwendungsfelder sind zahlreich und auf nahezu alle Lebensbereiche anwendbar.

Prävention gehört zu den Schlüsselbegriffen der Smart City. Auch hier können Informations- und Kommunikationstechnologien helfen. Diese ermöglichen Simulationen von Krisensituationen, bei denen nicht nur das Verhalten der Menschen oder des Verkehrs im öffentlichen Raum analysiert wird, sondern auch die Abläufe innerhalb der Kommunikationsnetze vorab geprüft und verbessert werden können. Besonders wichtig sind in Krisenfällen die Schnittstellen und Kontrollinstanzen der Kommunikationsinfrastruktur, die dafür sorgen sollen, dass Probleme schnell behoben oder der Datenfluss flexibel umgeleitet werden kann. Dadurch erreichen die entscheidenden Informationen ihr Ziel, beispielsweise die Feuerwehr oder das Krankenhaus.

Prävention bedeutet konkret, dass alle Komponenten der Kommunikationsinfrastruktur der Smart City kontinuierlich kontrolliert werden und möglichst routinemäßig Fehler selbst beheben, um so im Krisenfall zuverlässig reagieren zu können. Zudem tragen Sensornetze zur Sicherheit bei: Sie helfen im Falle von Ausnahmesituationen die Lage räumlich zu erfassen und sorgen so dafür, dass Akteure wie Polizei, Feuerwehr oder Technisches Hilfswerk möglichst effektiv und schnell ihre Arbeit machen können.

Neben dem Not- oder Krisenfällen ist Sicherheit auch in alltäglichen Situationen, wie beim Online-Shopping oder bei virtuellen Behördengängen von großer Wichtigkeit. Mit der Ausweitung des eGovernments in Smart Cities gewinnt die Sicherheit des elektronischen Datenverkehrs und der Datenschutz an Bedeutung. In Ergänzung zu den Kontrollmechanismen erleichtert ein ausgeklügeltes Identitätsmanagement den Bürgern die Inanspruchnahme der elektronischen Verwaltungsdienste, ohne dass sie Sicherheitseinbußen befürchten müssen.

Der notwendige Ausbau der Stromnetze für die Einspeisung erneuerbarer Energien bringt Energieversorgung und Informations- und Kommunikationstechnologien näher zusammen: Stromnetze werden zu intelligenten Energieinformationsnetzen umgebaut. Über sie wird in Zukunft nicht nur die Energie transportiert, sondern auch Daten über Verbrauch und Verfügbarkeit.

Da die Stromerzeugung mit dem Anstieg erneuerbarer Energien größeren Schwankungen von Angebot und Nachfrage ausgesetzt ist, muss unter den Energieverbrauchenden ein größeres Bewusstsein für eine nachhaltige Nutzung der Ressourcen geschaffen werden. In Smart Cities tauschen Haushalte und Energieversorger für den Verbraucher transparent Daten und fördern so einen bewussten Stromverbrauch, welcher nicht nur zum gezielteren Umgang mit Ressourcen, sondern auch zur nachhaltigen Verbesserung der CO2-Bilanz beiträgt.

Anhand der Reduktion des Energieverbrauchs und des Aus- und Aufbaus der Energieinfrastruktur werden Konditionen geschaffen, die lange Zeit überdauern und sich durch ihre Anpassungsfähigkeit an wechselnde Gegebenheiten auszeichnen. Diese Energieinfrastruktur wird, wie auch die neuen Kommunikationsnetze, nicht mehr statisch auf eine Versorgungsart ausgerichtet sein. Dadurch entsteht in der Smart City eine Dynamik, die ein höchstmögliches Maß an Effizienz und damit Nachhaltigkeit erreichen möchte.

Durch die Förderung alternativer Energieversorgungssysteme und der Regionalisierung der Energieerzeugung entsteht größerer Wettbewerb. Dieser ermöglicht vielen Verbrauchern größere Unabhängigkeit und erhebliche Kostenersparnisse. Private Haushalte haben die Möglichkeit, durch das Einspeisen von selbst erzeugtem, überschüssigen Strom in das intelligente, europaweit vernetzte Stromnetz zu Energieproduzenten zu werden. Wie auch bei der Kommunikation, erlebt der Energiesektor somit einen Evolutionsschub durch die Einbeziehung der Bürger und regionalen Unternehmen.