THEMA Urbane Kommunikation 63 3 · 2017 TR ANSFORMING CITIES Urbane Daten sind Grundlage für die Kommunikation der Smart City. Die Vielschichtigkeit einer Stadt und deren Kommunikationsströme führt zu einer Vielzahl verschiedener Daten. Heute bereits in großen Mengen vorhanden, werden diese Daten im Zuge der Digitalisierung von Wirtschaft, Gesellschaft und Städten in den nächsten Jahren erheblich zunehmen. Urbane Daten, die den Städten schon heute zur Verfügung stehen, sind zum Beispiel Verkehrsdaten aus Verkehrsleitzentralen, Signalschaltzeiten von Ampelkreuzungen, Energieverbräuche der Stadtwerke, Sensordaten, Baustelleninformationen, angemeldete Veranstaltungen, Umwelt-Messwerte von Luft und Emissionen - um nur einige zu nennen. Diese „Daten sind die Rohstoffe des 21. Jahrhunderts“, sagte Angela Merkel am 2. November 2015 auf einer Veranstaltung in Berlin. Für Städte bedeutet dies, dass sie einen Schatz wertvoller Ressourcen halten. Nun sind aber die originären Daten eben Rohstoffe und erst die Verarbeitung von Rohstoffen zu Endprodukten - wie bei Rohöl zu Benzin oder Heizöl - erzeugt die Wertschöpfung und den Nutzen für den Verbraucher. Übertragen gesehen, muss es den Städten gelingen, ihre Daten so zu integrierten und zu strukturieren, dass Bürger, Unternehmen oder Verwaltungen sie nutzen können. Aus Big Data müssen Smart Data werden. Urbane Daten als Kommunikationswerkzeuge zu nutzen Eine Herausforderung für die neue Nutzung vorhandener urbaner Daten ist die Heterogenität der Daten und die verteilte Zuständigkeit über verschiedene Ämter einer Stadt. So ist für die Anmeldung einer Veranstaltung das Ordnungsamt zuständig, die Informationen zu Staus oder zu erhöhtem Verkehrsaufkommen durch parkplatzsuchende Teilnehmer dieser Veranstaltung kommen im Verkehrsamt an. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass offen ist, wie die Technologie für Kommunikationsströme in den nächsten Jahrzehnten aussehen wird. Ebenfalls ist offen, wie sich das Kommunikationsverhalten der Bürger oder der Unternehmen entwickeln wird. Welche technischen Informationsplattform für urbane Daten Datenmanagement über offene urbane Plattformen sichern die Managementfähigkeit und Nachhaltigkeit der komplexen Datenstruktur einer Smart City Smart City, Urban Data, Kommunikationsinfrastruktur, Datenplattform, Sensordaten, UrbanPulse, Bad Hersfeld, Köln, Darmstadt Lutz Heuser Mit UrbanPulse hat [ui! ] - the urban institute ® eine Echtzeit-Sensor-Datenplattform entwickelt, die der Vision von offenen städtischen Plattformen folgt, wie sie von der Europäischen Innovationspartnerschaft Smart Cities and Communities (EIP-SCC) zum Ausdruck gebracht wird. UrbanPulse ist eine auf Basis von Microsoft Azure entwickelte Informationsplattform für urbane Daten. Sie verfügt über eine hoch skalierbare Architektur für Datenverarbeitung und Analyse für die einfache Integration von Sensoren und anderen urbanen Managementsystemen. Praxisbeispiele unter anderem aus Bad Hersfeld, Köln und Darmstadt zeigen den konkreten Nutzen für Bürger und Verwaltung. © pixabay 64 3 · 2017 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Kommunikation Systeme werden sich durchsetzen? Welche Endgeräte werden verwendet, um sich über die Verkehrssteuerung einer Stadt zu informieren? Werden es die Navigationsgeräte von Individualfahrzeugen sein oder individuelle Navigation auf dem Smartphone unabhängig vom Fahrzeug? Werden sich Smart Meter zur Steuerung der Energieverbräuche und Haushaltsgeräte durchsetzen? Welche Daten werden zukünftig die intelligenten Straßenlaternen an die Stadt liefern? Durch solche Unwägbarkeiten ist es schwierig für Kommunen, Investitionsentscheidungen für eine Kommunikationsinfrastruktur oder für Systeme zu treffen, die zwei und mehr Jahrzehnte Bestand haben sollen. Die Lösung liegt daher in dem Ansatz, alle Informationen so zu digitalisieren, dass die heterogenen Daten je nach Bedarf neu strukturiert und verwendet werden können. Die Art der Hardware oder der Endgeräte darf keine Rolle spielen. Wie die urbane Kommunikation im Jahr 2030 genau aussehen wird, ist offen. Sicher ist, dass Daten und Informationen den Puls einer Stadt bestimmen werden und offene urbane Daten-Plattformen die Basis der digitalen Stadt bilden werden. Die offene urbane Echtzeitplattform Mit UrbanPulse hat [ui! ] - the urban institute ® in der stetigen Zusammenarbeit mit städtischen Partnern eine Echtzeit-Sensor-Datenplattform entwickelt, die der Vision von offenen städtischen Plattformen folgt, wie sie von der Europäischen Innovationspartnerschaft Smart Cities and Communities (EIP) zum Ausdruck gebracht wird. UrbanPulse wurde auf Basis von Microsoft Azure als Informationsplattform für urbane Daten entwickelt. Sie verfügt über eine hoch skalierbare Architektur für Datenverarbeitung und Analyse, mit einem speziellen Konnektor-Framework für die einfache Integration von Sensoren und anderen urbanen Managementsystemen. Letztendlich bietet UrbanPulse auf Basis von Smart-Services einen vollständig integrierten Zugang zu urbanen Sensordaten aus den unterschiedlichen städtischen Domänen. So kombiniert UrbanPulse die vielfältigen Datenquellen einer Stadt, um diese besser visualisieren und verstehen und so besser auf die Bedürfnisse einer Stadt reagieren zu können. Städtische Verwaltung, Unternehmen und Einzelpersonen können die von UrbanPulse gesammelten, erzeugten und bereitgestellten Informationen nutzen, um ihre individuellen Entscheidungen zu optimieren und ihre digitalisierten Dienste und Prozesse zu verbessern. Als Plattformlösung stellt UrbanPulse Schnittstellen zu mehreren Kommunikationsstandards bereit. Auf diese Weise können neue Datenquellen einfach und wirtschaftlich integriert werden und damit Echtzeitinformationen von unterschiedlichen Sensoren und Managementsystemen geteilt werden. Bild 2 gibt einen Überblick über die Architektur von UrbanPulse. Die Datenquellenschicht zeigt exemplarisch die verschiedenen Arten von Datenquellen, die mit der Plattform verbunden werden könnten. Die Schnittstellen von UrbanPulse sind hoch skalierbar und unterstützen mehrere gleichzeitige Verbindungen. Ein Messaging-System verteilt die empfangenen Nachrichten an die Verarbeitungsschicht, welche die Kernmodule der Plattform Die digitalen Werkzeuge für Smart Cities werden urbane offene Datenplattformen sein Die von der EU-Kommission unterstützte „European Innovation Partnership for Smart Cities and Communities (EIP SCC)” ist eine Initiative in der unterschiedliche kommunale Vertreter zusammenarbeiten und spezielle Themen der Smart City diskutieren. Ein wesentliches Zwischenergebnis im Bereich „Integrierte Infrastrukturen und Open Data“ ist die Forderung nach offenen urbanen Datenplattformen als wichtige Voraussetzung für die schnelle Umsetzung von Smart City-Lösungen, die für jeden in der Stadt zugänglich sind. Der erste Schritt in diese Richtung ist die „Urban Platforms Initiative”, in der drei Gruppen mitarbeiten: die Angebotsseite, hauptsächlich Städte, die Anbieterseite und die Standardisierungsinstanzen. Mit der Absichtserklärung „Offene Urbane Plattformen für Smart Cities und Regionen”, will die Initiative offene urbane Datenplattformen fördern. Aktuell haben über 40 Unternehmen und rund 25 Städte die Erklärung unterzeichnet. Gemeinsam sollen Anforderungen an offene Schnittstellen für offene urbane Plattformen definiert werden. Die Datenplattform Urban Pulse des Urban Software Instituts ist eine der ersten urbanen Datenplattformen, die diese Anforderungen in der Architektur umgesetzt hat. Bild 1: Schematische Darstellung einer „Open Urban Plattform“ in ihrem Ecosystem. © [ui! ] EU-INITIATIVE THEMA Urbane Kommunikation 65 3 · 2017 TR ANSFORMING CITIES enthält. Diese bestehen aus mehreren Speicher-, Analyse- und sogenannten Complex Event Processing-Modulen. Die Module der Integrations-Schicht (Outbound Interfaces) sind verantwortlich für die Datenverteilung und Bereitstellung, zum Beispiel über die Standards HTTPS, Secure Websocket oder AMQP. Auf dieser Schicht aufbauend können alle Arten von Anwendungen, Verwaltungstools und Dienstleistungen betrieben werden, die in Echtzeit Ereignisse oder historische Datensätze verwenden. Jedes der UrbanPulse Module fungiert als sogenannter Mikro-Service, der dem Gesamtsystem spezielle Funktionen anbietet. Die Interaktion zwischen den Modulen wird durch ein Bussystem realisiert, das asynchrone Kommunikation ermöglicht. Dieser Ansatz erlaubt es, die Plattform über mehrere Instanzen zu verteilen und damit zu skalieren, abhängig von den erforderlichen Ressourcen. Damit eignet sich UrbanPulse für kleine Pilotprojekte genauso wie für die Echtzeit-Verarbeitung von Sensordaten aus eine gesamten Stadt. Integration heterogener Datenquellen Für die Integration der unterschiedlichen heterogenen städtischen Datenquellen, bietet [ui! ] eine Reihe von Konnektoren für verschiedene offene sowie proprietäre Schnittstellen an. Mit Konnektoren können die häufig innerhalb einer Domäne verschlossenen heterogenen Datenquellen in die Lage versetzt werden, Daten an UrbanPulse zu senden. Jeder [ui! ] CONNECTOR ist eine modulare Anwendung, die es ermöglicht, selbst Datenquellen mit spezifischen Schnittstellenanforderungen oder auch bestehende gewachsene Systeme, sogenannte Legacy-Systeme, an UrbanPulse anzubinden. Eine bidirektionale Verbindung ist dabei nicht erforderlich. Die Konnektoren ermöglichen es somit, urbane Daten in Echtzeit von einer großen Anzahl von Informations-, Management- und Sensorsystemen an UrbanPulse zu übermitteln. Von den UrbanPulse Schnittstellen empfangene Ereignisdaten werden zunächst geprüft und anschließend an den Eventspeicher, die Event Prozessoren sowie an die Analytics Module weitergeleitet. Das gesamte System ist eventgetrieben und das Complex Event Processing-Modul wird zur Analyse, zur Aggregation und zur Erzeugung von Ereignissen auf Basis der städtischen Daten verwendet. Diese Eventanalyse erfolgt durch die Definition sogenannter virtueller Sensoren. Virtuelle Sensoren können automatisch auf Basis von vordefinierten Operationen erstellt oder manuell registriert werden. Die vordefinierten Operationen umfassen Standardoperationen wie zum Beispiel Minimum, Maximum und den Durchschnitt der betrachteten Messwerte von verschiedenen Sensoren einer Kategorie. Ebenfalls ist es möglich, Grenzwerte für mehrere Bereiche und unterschiedliche Zeitfenster zu definieren, aus denen Ereignisse betrachtet werden sollen. Das Speichermodul sammelt die unterschiedlichen Daten und nutzt den Microsoft Azure Storage Cloud Service, um diesen in einem sogenannten Dokumentenspeicher zu persistieren. Der Dokumentenspeicher ist so eingerichtet, dass er zum einen erlaubt, große Datenmengen zu speichern und zum anderen schnelle Antwortzeiten zu erzielen, wenn größere Zeiträume historischer Daten abgefragt werden. Im Analytics-Modul können mittels Big Data- Auswertungen Analysen aufgrund historischer und Echtzeitdaten entwickelt werden. Auch eine Einbindung eigener Analysemodule ist möglich. Bild 2: Integration heterogener Datenquellen mittels Connector- Architektur. © [ui! ] 66 3 · 2017 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Kommunikation Die Outbound-Schnittstellen verbinden die Anwendungen mit den Plattform-Services. Damit eine Wiederverwendbarkeit der empfangenen Daten ermöglicht werden kann, werden alle Daten in offenen standardisierten Formaten verarbeitet und übermittelt. Zudem werden sämtliche Analysefunktionen als Service entwickelt. Aus diesem Grund kann die UrbanPulse Schnittstelle (API) auch als Fassade für die städtischen Datenquellen und Analyse Services angesehen werden. Die Kommunikation zwischen den Plattform-Services und den Applikationen wird durch eine Kombination aus Pub-/ Sub- Systemen für Ereignisdaten und REST-Schnittstellen für persistente Daten realisiert. Die Management-Module verwalten die Konfiguration des gesamten Systems und steuern die einzelnen Komponenten der Plattform. Eine Reihe von REST-APIs ermöglicht es Benutzern, Sensoren, Konnektoren sowie Abonnements für Ereignisse zu verwalten. Die Architektur ist in ihren unterschiedlichen Ebenen darauf ausgerichtet, die Realität von städtischen Akteuren widerzuspiegeln: Smart Cities die auf dem Reißbrett entstehen, wird es in Europa kaum geben, stattdessen sind Städte und ihre (Daten)-Infrastruktur gewachsene Systeme, mit vielen unterschiedlichen vorhandenen Systemen und Formaten. Mit der Konnektor-Architektur können diese bestehenden Systeme einbezogen werden, ohne ganze Systeme auszutauschen oder sich auf bestimmte Systeme festzulegen. Wenn in einer Stadt oder einem städtischen Unternehmen neue Systeme oder Datenquellen hinzukommen, können diese kurzzeitig eingebunden werden. Datensicherheit - urbane Plattformen als Teil der digitalen Infrastruktur Urbane Daten werden zunehmend zu einer entscheidenden Ressource. Die Nachfrage steigt. Das Beispiel Verkehr zeigt, dass auch wenn Städte nicht selbst aktiv werden, andere Akteure ins Spiel kommen, beispielsweise um als Verkehrsteilnehmer zu erfahren: „Wo ist gerade Stau in der Stadt? “ Städte, wie Darmstadt verwenden hier ihre Verkehrsdaten wieder, die von Sensoren und Radarsystemen an Ampeln stammen und kontinuierlich auf dem Verkehrsleitrechner eingehen. Diese werden über die Plattform UrbanPulse Bürgern in einer Kartenansicht zur aktuellen Verkehrslage zur Verfügung gestellt. Aber auch in anderen Städten kennt man Kartenansichten zu Staus in der Stadt, nur werden hier oft Daten indirekt über die Nutzungsprofile von mobilen Endgeräten gesammelt und ausgewertet - zum Teil ohne dass dies den Nutzern bewusst ist. Dabei sind Städte grundsätzlich im Vorteil und könnten ihr vorhandenes Wissen in Form von Daten und Diensten Bürgern und Unternehmen in geeigneter Form zur Verfügung stellen. Viele Daten in einer Stadt, wie Füllstände von öffentlichen Mülleimern, oder die Meldung eines Umweltsensors über schädliche Klimagase sind nicht personenbezogen. Andere, wie die Nutzung von Radarsystemen für die Verkehrsüberwachung, könnten auf einzelne Fahrzeughalter zurückverfolgt werden. Kamerasysteme integrieren deshalb die Unkenntlichmachung von Nummernschildern in ihren Managementsystemen. Kritische Infrastrukturen wie die Beleuchtung von Straßen unterliegen strengen Auflagen, um ihre Einsatzfähigkeit sicherzustellen - losgelöst davon, ob Daten zur Helligkeit oder von Bewegungssensoren zur Lichtsteuerung später an eine urbane Plattform weitergeleitet werden. Im Kontext der Wiederverwendung von Daten ist die Sicherheit der verwendeten Daten entscheidend. Daten können entweder direkt, etwa von einem Sensor, an die Plattform gesendet werden oder, wie es meistens der Fall ist, erst in einem eigenen Managementsystem vorverarbeitet werden. Eine Magnetspule in der Fahrbahn vor einer Ampel meldet etwa, ob sie in diesem Moment belegt ist oder frei. Das übergeordnete Managementsystem verarbeitet diese einzelne Daten dann zu Aussagen über den Verkehr an dieser speziellen Ampel: Ist gerade Stau, Stop-and-go oder fließender Verkehr. Aus dem Managementsystem heraus wird auch entschieden, welche Daten an die offene urbane Plattform weitergeleitet werden: Rohdaten, zusammengefasste, aggregierte Daten oder im Fall von personenbezogenen Daten nur in anonymisierter Form. Die Datenplattform im Einsatz in Bad Hersfeld Die Datenplattform UrbanPulse ist ein zentraler Punkt der Smart City-Strategie von Bad Hersfeld als eine umfassende und offene Datenplattform, in der Daten und Ergebnisse ganz unterschiedlichster Formate verarbeitet werden können. Auf der CeBIT 2017 hat Bad Hersfelds Bürgermeister Thomas Fehling die Installierung der Datenplattform Urban- Pulse bekannt gegeben. Anwendung Stadtbus-System Konkreter Anlass der Kooperation für die Kreisstadt war zunächst die Optimierung des lokalen Stadtbus-Systems, das sie durch ihre Tochter Wirtschaftsbetriebe Bad Hersfeld GmbH betreibt. Der Bereich Nahverkehr der Wirtschaftsbetriebe Bad Hersfeld erwirtschaftet jedes Jahr einen Fehl- THEMA Urbane Kommunikation 67 3 · 2017 TR ANSFORMING CITIES betrag von 300 000 bis 400 000 EUR. Ziel war, den Stadtbus ab 2022 ohne Defizit zu betreiben. Bei dieser deutlichen Kostenoptimierung soll aber das bisher bestehende Beförderungsniveau in Bad Hersfeld mindestens erhalten bleiben. Dazu sollen Daten aller heutigen und zukünftigen technischen Innovationen im Bereich der Fahrzeug- und Verkehrsentwicklung aufbereitet werden. Es müssen somit für wesentliche Kostenfaktoren des Busbetriebs die Einsparpotenziale und Lösungen bis zur geplanten Ausschreibung im Jahr 2021 gefunden werden. Dabei wird die Plattform von [ui! ] das Echtzeit- Datenzentrum darstellen. Informationsquellen, die für ein innovatives autonomes Stadtbussystem benötigt werden, sind zum Beispiel:  Ampeldaten zur Kommunikation der autonomen Fahrzeuge  Daten über lang- und kurzfristige Straßensperrungen (etwa Baustellen und aktuelle Feuerwehreinsätze)  Wetterdaten (verkehrsbezogene Wetterdaten wie Glatteis etc.)  Daten der Routenplanung inklusive Fahrtwünschen  Daten über die Fahrtreichweite mit der vorhandenen Energie oder  Fahrzeugstörungsmeldungen Anwendung Hessentag 2019 Mit dem Hessentag 2019 findet in Bad Hersfeld ein Großereignis mit mehreren Hunderttausend Besuchern statt. In Bad Hersfeld sind die Herausforderungen dabei aufgrund der topografischen Lage besonders stark ausgeprägt. Die Shuttlebuskosten von den Parkplätzen zu den Veranstaltungsorten werden derzeit auf 500 000 bis 600 000 EUR geschätzt. Die für einen Hessentag üblichen Kosten in diesem Bereich belaufen sich auf 250 000 bis 300 000 EUR. Ziel ist es, die Shuttlebuskosten auch in Bad Hersfeld auf diese Größenordnung zu beschränken. Dies erfordert ein neues Modell zum Betrieb der Shuttlebusse. Vorgesehen ist, den Shuttle-Service mit Kooperationspartnern durch autonome Bussysteme betreiben zu lassen und den Hessentag als Showcase für diese Technologie zu nutzen. Auch hier soll das Datenmanagement über die Plattform UrbanPulse abgewickelt werden. Weitere künftige Anwendungsbereiche Schließlich ist UrbanPulse durch die offene Architektur geeignet, auch weitere Datenmengen aus dem Verkehrs-, Umwelt- oder Energiebereich zu verarbeiten. Bürgermeister Fehling rechnet im Bereich der Datenplattformen in den nächsten eineinhalb Jahren mit der Durchsetzung eines technischen Standards. Bild 3: Kartenansicht der Datenplattform im Einsatz. © [ui! ] 68 3 · 2017 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Kommunikation Die Urbane Datenplattform Urban Pulse als Service aus der (Microsoft Azure ® ) Cloud  Darmstadt Verkehrsverflüssigung mittels Bereitstellung von Echtzeit-Verkehrsdaten des Verkehrsmanagementsystems an Fahrer und Fahrzeuge. Technologie: [ui! ] TRAFFIC  Köln Bereitstellung von Umweltdaten, Verkehrsdaten und Energieverbräuchen als offene Sensordatenplattform  Innsbruck Erweiterung des Service-Portfolios eines lokalen Energieversorgers in Richtung Energieeffizienz- Management von Gewerbeflächen, Wohnkomplexen und Quartieren  Wiesloch Bereitstellung intelligenter Beleuchtung in Kombination mit öffentlichem WiFi und Umweltanalytik Das Cockpit für den Bürgermeister Bürger und Unternehmen erwarten von der Smart City konkrete Vorteile, die es ohne Digitalisierung nicht gegeben hätte. Datenplattformen als Kommunikationsinfrastruktur für Städte müssen Informationen in Echtzeit und geeignete Handlungsempfehlungen ausgeben. In Bad Hersfeld nutzt der Bürgermeister das [ui! ] COCKPIT. In einer komprimierten graphischen Oberfläche zeigen Kacheln individuell gewählte Indikatoren in Echtzeit wie freie Parkplätze, Lärmbelastung, Witterungsbedingungen an der Freilichtbühne und Feinstaubwerte. Die Datenplattform ermöglicht es, die Daten nicht nur für eine grafische Darstellung aufzubereiten, sondern auch verschiedene Messwerte miteinander zu kombinieren. Auch eine analytische Auswertung der Daten erfolgt: So werden Lärmmessungen, die von Bürgern über eine App vorgenommen werden können, auf einer Karte dargestellt und sensibilisieren damit für Gegenden mit hoher gefühlter Lärmbeeinträchtigung. Eine Auswertung der Messdaten erfolgt in der sogenannten „Eventstream“- Komponente: Die Daten werden bewertet, und zum schnellen Überblick farblich markiert dargestellt. Auch eigene Regeln können definiert werden - so kann beispielsweise die Stadtverwaltung über einen Anstieg der Feinstaubwerte alarmiert werden. Im Zusammenspiel der unterschiedlichen Messungen werden Zusammenhänge in der Stadt schneller deutlich und laufende Smart City-Maßnahmen werden zentral erläutert. Erreichbar ist das [ui! ] COCK- PIT für jedermann in der Stadt in Internet unter: https: / / badhersfeld.urbanpulse.de/ Bild 4: [ui! ] Cockpit zur Visualisierung der Datenplattform in Bad Hersfeld. © [ui! ] AUTOR Prof. Dr. Lutz Heuser CEO Urban Software Institute GmbH [ui! ] Kontakt: info@the-urban-institute.de