77 3 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Luft, Boden, Wasser In Folge des Klimawandels häufen sich die Extremwetterereignisse weltweit, auch in Deutschland. Seit Beginn der Wetteraufzeichnungen im Jahr 1881 wurde in Deutschland ein durchschnittlicher Temperaturanstieg von 1,6 Grad Celsius aufgezeichnet, wodurch die Anzahl der Hitzewellen und Sturmereignisse gestiegen ist; diese werden auch in den kommenden Jahren vermehrt auftreten. Für die Bewertung von Naturgefahren ist insbesondere das Schadensausmaß relevant [1]. Besonders die Hochwasserereignisse in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz zeigen, welches Ausmaß derartige Naturkatastrophen annehmen können. Darauf folgte deutliche Kritik an der Frühwarnung, da die Extremwetterfrühwarnung und das Internet der Dinge Frühwarnung, Extremwetterereignisse, Naturkatastrophen, Internet der Dinge Pia Eckert, Denise Kindsvater Frühwarnsysteme in Form von Sirenen wurden bereits im zweiten Weltkrieg eingesetzt. Aktuell sind Frühwarnsysteme bei Extremwetterereignissen von Bedeutung, um rechtzeitig Schutzmaßnahmen einzuleiten. Basierend auf einer Literaturrecherche soll die unterstützende Wirkung des Internets der Dinge aufgezeigt werden. Der Beitrag zeigt die Entwicklung der Frühwarnung im Verlauf der Jahre sowie verschiedene Anwendungsmöglichkeiten des Internets der Dinge. Daraus geht hervor, dass das Internet der Dinge zur Optimierung von Frühwarnsystemen beitragen kann, jedoch nicht als alleiniges Mittel. © Markus Distelrath auf Pixabay 78 3 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Luft, Boden, Wasser entscheidenden Evakuierungsaufrufe die Anwohnenden zu spät erreichten. Aktuell wird die Frühwarnung in Deutschland über verschiedene Medien durchgeführt. Zusätzliche Forderungen nach einer Modernisierung des Sirenennetzes und die Einführung des Cell-Broadcastings werden stärker. Ein Lösungsansatz für eine präzisere und sicherere Vorhersage von Extremwetterereignissen ist das Internet der Dinge, indem Umweltsensoren und Kommunikationssysteme verbunden werden [2]. Der folgende Artikel hat das Ziel, basierend auf einer Literaturrecherche herauszustellen, inwiefern das Internet der Dinge bei einer präziseren und schnelleren Frühwarnung für Extremwetterereignisse unterstützen kann. Dafür wird zunächst aufgezeigt, wie sich die Frühwarn- und Zivilschutzsignale im Verlauf der Jahre weiterentwickelt haben. Anschließend werden Frühwarnsysteme im Detail betrachtet und der Aufbau eines solchen Systems verdeutlicht. Zudem wird dargestellt, welche Möglichkeiten die zusätzliche Verwendung des Internets der Dinge bietet und welche Anwendungen sich dadurch eröffnen. Zuletzt sollen aktuelle Praxisbeispiele die Integration des Internets der Dinge veranschaulichen. Frühwarnsysteme im Verlauf der Zeit Die Geschichte der Frühwarnsysteme in Deutschland reicht bis zu den Anfängen des zweiten Weltkriegs zurück. Während des Krieges wurden sogenannte Zivilschutzsignale in Form von Sirenen genutzt, um die Bevölkerung bei drohenden Gefahren zu warnen. Es existierte ein flächendeckendes Sirenensystem, das nach der Wiedervereinigung aus Kostengründen immer weiter abgebaut wurde. Dadurch gibt es inzwischen nur noch in wenigen Städten und Gemeinden Sirenen, die größtenteils bei Feueralarm genutzt werden [3]. Die heutigen Warnsysteme unterscheiden sich regional, da der Katastrophenschutz den jeweiligen Bundesländern obliegt. Zudem gibt es Behörden, wie den Deutschen Wetterdienst (DWD), die bei spezifischen Gefahren warnen. Im Verteidigungsfall übernimmt das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) die Warnung der Bevölkerung und das Modulare Warnsystem des Bundes (MoWaS) greift. Dieses überträgt die Warnmeldung via Satellit und löst verschiedene Warnmittel aus. Hierzu zählen Radio, Fernsehen, Internet, digitale Stadtinformationstafeln sowie Fahrgastinformationssysteme. Seit einigen Jahren werden zusätzlich Warn-Apps wie NINA, BIWAPP und KATWARN verwendet. Die NINA Warn-App bündelt verschiedene Warnmeldungen und versendet Push-Benachrichtigungen für zuvor ausgewählte Orte oder den aktuellen Standort [4]. Durch die Push-Benachrichtigungen können jedoch nur Personen, die ein Smartphone besitzen, auf dem die App installiert ist, erreicht werden [5]. Ein weiterer Warnkanal, den das BBK derzeit erforscht, ist der sogenannte „Cell Broadcast“. Mithilfe dessen können Warnmeldungen in Form von Textnachrichten an alle Mobilfunkendgeräte versendet werden, die sich in einem bestimmten Bereich des Mobilfunknetzes befinden. Im Gegensatz zu einer SMS, handelt es sich hierbei um ein anonymes, von der Mobilfunknummer unabhängiges Verfahren [6]. Auf diese Weise können mehr Personen gewarnt werden als durch Warn-Apps, jedoch ist der Informationsgehalt reduziert. Ein zusätzlicher Hyperlink in der Warnmeldung würde bei der großen Anzahl von Empfängern schnell zu einem Netzzusammenbruch führen [5]. Die meisten der genannten Warnmittel versagen im Fall eines Stromausfalls oder einer Netzüberlastung. Sirenen hingegen verfügen oftmals über eigene Strom-Aggregate, sodass diese auch bei einem Stromausfall funktionieren. Aus diesem Grund läuft aktuell ein Förderprogramm für den Ausbau eines flächendeckenden Sirenennetzes in Deutschland. Gleichzeitig sollen bestehende Sirenen modernisiert werden, damit diese mit dem Modularen Warnsystem (MoWaS) verbunden werden können. Weitere Ansätze finden sich in „Smart City“-Systemen, die zukünftig unter anderem für die Katastrophenvorsorge eingesetzt werden sollen. Hierbei erkennt ein Netz von Wettersensoren beispielsweise starken Wind oder Regen und löst daraufhin automatisch Schutzmaßnahmen, wie das Schließen von Schranken an Unterführungen, aus. Der Zusammenhang von automatisierten Frühwarnsystemen zu einem Internet der Dinge mit Sensoren, Kommunikationssystemen und Aktoren wird hierdurch deutlich [7]. Aufbau und Funktionsweise von Frühwarnsystemen Je nach Naturereignis unterscheiden sich die Frühwarnsysteme voneinander. Bei Flusshochwasser werden mithilfe von ELWIS, dem „Elektronischen Wasserstraßen-Informationssystem“, steigende Pegel frühzeitig erkannt und Schutzmaßnahmen können meistens rechtzeitig eingeleitet werden. Im Allgemeinen nutzt der Deutsche Wetterdienst (DWD) ein dreistufiges Warnsystem, um die Warnungen mit fortschreitender Zeit zu präzisieren. Zunächst greift das Frühwarnsystem einige Tage vor dem bevorstehenden Wetterereignis, 12 bis 48 Stunden vorher werden konkrete Vorwarnungen ausge- 79 3 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Luft, Boden, Wasser sprochen und spätestens zwölf Stunden vor dem Ereignis erscheinen die detaillierten, ortsbezogenen Warnungen. Ein gutes Frühwarnsystem muss bestimmte Komponenten enthalten. Hierzu zählen unter anderem ein Messsystem, das die entsprechenden Daten ermittelt, Kommunikationssysteme zur Übermittlung der Daten und der Warnungen, ein Vorhersagemodell für das jeweilige Ereignis und die sogenannte „letzte Meile“ worunter die Schulung der Bevölkerung zum korrekten Verhalten im Ernstfall zu verstehen ist. Damit ein Frühwarnsystem effektiv funktioniert, müssen die einzelnen Komponenten verbunden sein und miteinander interagieren [8]. Frühwarnung im Ausland Für die Überwachung und Vorhersage von grenzüberschreitenden Flüssen, wie dem Rhein oder der Donau, ist das European Flood Awareness System (EFAS) zuständig. Das europaweite Warnsystem arbeitet unter anderem mit dem DWD zusammen und unterstützt die nationalen und regionalen Behörden bei bevorstehenden Hochwasserereignissen [9]. Im Gegensatz zu Deutschland nutzen viele Länder seit einigen Jahren die bereits erwähnten „Cell Broadcast“ basierten Warnsysteme, die beispielsweise über den Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service (eMBMS) laufen [5]. Frühwarnsysteme sind auch außerhalb von Europa verbreitet und werden für verschiedene Naturereignisse, wie Vulkanausbrüche oder Tsunamis, eingesetzt. Nach dem verheerenden Tsunami im indischen Ozean im Jahr 2004, entwickelten deutsche Forscher ein hochmodernes Frühwarnsystem, das heute bekannt ist als German Indonesian Tsunami Early Warning System (GITEWS). Da es maximal 20 Minuten dauert, bis die Welle das Festland erreicht, werden Tsunami-Simulationen durchgeführt, sodass im Ernstfall auf Basis eines vorberechneten Szenarios Entscheidungen getroffen werden können. Für die Warnung der betroffenen Regionen werden neben SMS verschiedene Warnmittel wie Fernsehen, Radio, Sirenen und Lautsprecher an öffentlichen Plätzen eingesetzt, da Internet und Handys nicht selbstverständlich sind [8]. Das Internet der Dinge als Basis Die Idee des Internets der Dinge gibt es bereits seit 1999 und wurde von Kevin Ashton geprägt, der diese, basierend auf der von Mark Weiser stammenden Vorstellung eines allgegenwärtigen Computing, entwickelte. Das Internet der Dinge verknüpft dabei physische Objekte untereinander und diese zusätzlich mit Nutzenden mittels einer internetähnlichen Struktur. Die Strukturen gliedern sich in mehrere Schichten bzw. Ebenen, entlang derer der Datenfluss von der Datenerfassung bis hin zur Anwendung verläuft [10]. Durch Eigenschaften wie Interoperabilität, Heterogenität und Flexibilität findet das Internet der Dinge bei den unterschiedlichsten Themenbereichen Anwendung. Die Alliance for Internet of Things Innovation (AIOTI) sieht bei zehn Anwendungsgebieten eine besondere Relevanz und zählt auch das Themenfeld Umwelt dazu. Hierbei dient das Internet der Dinge mithilfe von Sensoren zur Umweltüberwachung für beispielsweise Luft-, Wasser- oder Bodenqualität [11]. Themen wie Benachrichtigung, Datenanalysen, Fernüberwachung, Echtzeitanalysen und Opferlokalisierung können durch das Internet der Dinge im Bereich Katastrophenmanagement erweitert werden [12]. Das Internet der Dinge und Extremwetterfrühwarnsysteme Die Weiterentwicklung von Frühwarnsystemen ist insbesondere für eine wirksamere und schnellere Reaktion bei Naturkatastrophen von Bedeutung. Internet-of-Things (IoT) basierte Technologien können für Naturereignisse jeder Art eingesetzt werden. Im Folgenden werden Anwendungen für Hochwasserereignisse und Erdbeben genauer betrachtet. Flutkatastrophen verursachen weltweit große Schäden. Aktuelle Frühwarnsysteme und Apps sind häufig fehleranfällig und bieten nicht die gewünschte Sicherheit. Das Internet der Dinge kann hierbei mit dem bereits bestehenden Frühwarnvorgehen kooperativ zur Überwachung und Früherkennung eingesetzt werden. Wasserstandsensoren, die an den Flussufern angebracht sind, messen den aktuellen Wasserstand und geben diese Informationen über lokale Netzwerke an Wetterdienste oder Endgeräte weiter. Auch Closed-Circuit Television (CCTV) Kameras sind unterstützende IoT-Anwendungen. Sie können Echtzeitbilder aufnehmen und diese an dezentrale Rechner senden, wodurch der Wasserstand der Flüsse laufend bewertet wird. Überschreitet der Wasserstand den Schwellenwert, wird ein Alarm ausgelöst und Benachrichtigungen an Endgeräte versendet [12]. Erdbeben können weltweit auftreten und nehmen in einigen Teilen der Welt schwerwiegende Ausmaße an [13]. Ein Netzwerk, das durch die Verwendung von Internet, Satelliten, Ethernet und unbemannten Flugobjekten ein Gebiet von mehreren Kilometern überwacht, ermöglicht die Steuerung der Lokal- und Fernkommunikation. Auch die Verwendung von Microcontrollern und Beschleunigungssensoren unterstützt bei der Erdbebenfrühwarnung. Die 80 3 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Luft, Boden, Wasser Sensoren nehmen Vibrationsdaten auf und werden auf einem Server zusammengeführt. Bei Schwellenwertüberschreitung wird die Bevölkerung in der Umgebung über die mögliche Erdbebengefahr direkt benachrichtigt [12]. Anwendungen aus der Praxis IoT-basierte Frühwarnsysteme finden in der Praxis bereits Anwendung. Projekte hierfür sind jedoch noch nicht weit verbreitet und oftmals noch in der Erforschung. Eine der neuesten Entwicklungen in Deutschland ist das Projekt „EarlyDike“. Dabei handelt es sich um ein sensor- und risikobasiertes Frühwarnsystem, das zusätzliche Risikofaktoren, wie Wind und Wellen einbezieht. Bild 1 zeigt die Struktur der Funktionsweise des EarlyDike-Projekts. Der Ablauf untergliedert sich dabei in fünf Teile, die jeweils parallel zueinander verlaufen. Sturmflutmonitoring (AP1), Wellenmonitoring (AP2) und Deichmonitoring (AP3) ermöglichen genaueste Prognosen von Sturmflutwasserständen, die Ermittlung von Echtzeitdaten für aktuelle Seegangsbedingungen sowie die Überwachung des Zustands eines Deichs. Mittels der gesammelten Daten und der zusätzlichen Nutzung der marinen Dateninfrastruktur können Überschwemmungssimulationen (AP4) durchgeführt und Vorhersagen frühzeitig getätigt werden. Über ein GeoPortal (AP5) können die Echtzeitdaten von Endgerätnutzenden jederzeit abgerufen werden [14]. Neben großen Projekten wie diesen gibt es auch einige Projekte für den Eigengebrauch. Ein Beispiel hierfür ist das Produkt von „Brinco“, eine IoT-fähige Signalanlage, die ihrem Nutzenden eine persönliche Warnung für Erdbeben und Tsunamis zukommen lässt. Wenn der enthaltene Beschleunigungsmesser eine Erschütterung des Bodens wahrnimmt, werden diese Informationen an einen Datenserver gesendet. Dieser vergleicht die Informationen mit denen anderer seismischer Netze, um die Korrektheit der Werte zu beurteilen. Bei Übereinstimmung der Informationen, gibt das System einen Signalton aus und sendet sofort Push-Benachrichtigungen an das Smartphone des Nutzenden. Außerdem können diese Informationen über soziale Netzwerke mit der lokalen und globalen Gemeinschaft geteilt werden [12]. Die dargestellten Projekte belegen die Nutzbarkeit von IoT-Technologien. Es wird deutlich, dass keine einheitliche Frühwarnlösung vorhanden ist. Stattdessen existieren unterschiedlichste, nicht durchgängig vernetzte Lösungsansätze. Kann das Internet der Dinge die Extremwetterfrühwarnung vorantreiben? Das Internet der Dinge ist keine Technologie der Zukunft - es finden sich schon heute viele Anwendungen. Dies ist auch daran zu erkennen, dass in immer mehr Bereichen Forschungen zur Integration der Technologie getätigt werden. Besonders für den Umweltschutz kann das Internet der Dinge in den nächsten Jahren eine große Rolle spielen. Schon jetzt werden Projekte für IoT-basierte Frühwarnsysteme entwickelt und eingesetzt, um so auf die zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels vorbereitet zu sein. Entwicklungen, wie beispielsweise das EarlyDike-Frühwarnsystem, basierend auf Sensordaten, können als Referenzprojekt gesehen werden, damit diese auch bei Binnengewässern Anwendung finden können. Dennoch sollte das Internet der Dinge nicht als alleiniges Mittel zur Frühwarnung verwendet werden. Besonders in Katastrophensituationen kann es zu unvorhersehbaren Komplikationen und zu Internet-, Netzwerk- und Mobilfunkausfällen kommen. Schlussendlich zeigt sich, dass die Frühwarnung für Extremwetterereignisse durch das Internet der Dinge stark modernisiert und weiterentwickelt werden kann, jedoch können auch etablierte Technologien, wie Sirenen, einen wesentlichen Beitrag zu einer zuverlässigen Frühwarnung leisten. Die Autoren bedanken sich an dieser Stelle bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Dieter Uckelmann von der Hochschule für Technik Stuttgart, der die Erstellung dieses Artikels unterstützend begleitet hat. AP1: Sturmflutmonitoring und Simulator AP5: Sensor- und Geodateninfrastruktur AP2: Wellenmonitoring und Simulator AP3: Deichmonitoring und Simulator AP4: Überflutungssimulator GeoPortal Bild 1: Entwicklung eines sensor- und risikobasierten Frühwarnsystems für Seedeiche. © Eigendarstellung in Anlehnung an [14] 81 3 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Luft, Boden, Wasser LITERATUR + QUELLEN [1] Deutscher Wetterdienst: Extremwetterkongress - Was wir heute über das Extremwetter in Deutschland wissen. Offenbach am Main, Deutschland, 2021. [2] Bundeszentrale für politische Bildung (Hrsg.): Jahrhunderthochwasser 2021 in Deutschland, 2021. Elektronisch veröffentlicht unter der URL: https: / / www. bpb.de/ kurz-knapp/ hintergrund-aktuell/ 337277/ jahrhunder thochwa s s er-2021in deut s chland/ , 07.05.2022. [3] Redaktion Mitteldeutscher Rundfunk: Die Geschichte der Sirene, 2021. Elektronisch veröffentlicht unter der URL: https: / / www.mdr.de/ geschichte/ zivilschutzsirenen-ddr-bundesrepublik-100.html, 28.04.2022. [4] BBK: An MoWaS angeschlossene Warnmittel, 2022. Elektronisch veröffentlicht unter der URL: https: / / w w w.bbk .bund.de / D E / Warnung- Vor sorge / Warnung-in- Deutschland/ Warnmittel/ MoWaS/ Ange schlossene-Warnmittel/ angeschlossene-warnmittel_node.html; jsessionid=B8073F9FA95BE1828CCB3 5047C7B819E.live132, 04.05.2022. [5] Freitag, U., Fuchs-Kittowski, F., Abecker, A., Hosenfeld, F. (Hrsg.): Umweltinformationssysteme - wie verändert die Digitalisierung unsere Gesellschaft? , Wiesbaden, 2021. [6] BBK: Cell Broadcast, 2022. Elektronisch veröffentlicht unter der URL: https: / / www.bbk.bund.de/ DE/ Warnung-Vorsorge/ Warnung-in-Deutschland/ Warnmittel/ Cell-Broadcast/ cell-broadcast _ node.html, 26.04.2022. [7] Deutschlandfunk: Zivil- und Katastrophenschutz - Wie die Menschen bei einer Katastrophe gewarnt werden, 2022. Elektronisch veröffentlicht unter der URL: https: / / www.deutschlandfunk.de/ zivil-und-katastrophenschutz-wie-die-menschen-bei-einer-100. html, 27.04.2022. [8] Schwanke, K., Podbregar, N., Lohmann, D., Frater, H. (Hrsg.): Naturkatastrophen. Wirbelstürme, Beben, Vulkanausbrüche - Entfesselte Gewalten und ihre Folgen, 2009. [9] EFAS (2022): European Flood Awareness System, 2022. Elektronisch veröffentlicht unter der URL: https: / / www.efas.eu/ en, 17.05.2022. [10] Kaufmann, T., Servatius, H.-G. (Hrsg.): Das Internet der Dinge und Künstliche Intelligenz als Game Changer - Wege zu einem Management 4.0 und einer digitalen Architektur, Wiesbaden, 2020. [11] Alliance for Internet of Things Innovations (AIOTI) (Hrsg.): Internet of Things Applications, 2015. [12] Ray, P. P., Mukherjee, M., Shu, L.: Internet of Things for Disaster Management - State-of-the-Art and Prospects, IEEE Access, 2017. [13] AON (Hrsg.): Weather, Climate & Catastrophe Insight, 2020. [14] Becker, R., Blankenbach, J., Dreier, N., Fröhle, P., Gries, T., Herle, S., Jensen, J., Krebs, V., Lehfeldt, R., Mulckau, A., Niehüser, Sebastian., Quadflieg, T., Schüttrumpf, H., Schwab, M.: EarlyDike - Entwicklung eines sensor- und risikobasierten Frühwarnsystems für Seedeiche, 2021. All you can read Alles zusammen zum Superpreis: Die Papierausgabe in hochwertigem Druck, das ePaper zum Blättern am Bildschirm und auf dem Smartphone, dazu alle bisher erschienenen Ausgaben im elektronischen Archiv - so haben Sie Ihre Fachzeitschrift für den urbanen Wandel immer und überall griffbereit. AboPlus: Print + ePaper + Archiv www.transforming-cities.de/ magazin-abonnieren Neue Mobilitätskonzepte für lebenswerte Städte Neue Mobilitätskonzepte für lebenswerte Städte Elektromobilität | Luftmobilität | Seilbahnen | Radfahren | Parkraum | Urbane Logistik | Geodaten Elektromobilität | Luftmobilität | Seilbahnen | Radfahren | Parkraum | Urbane Logistik | Geodaten 1 · 2022 SYSTEME IM WANDEL. DAS TECHNISCH-WISSENSCHAFTLICHE FACHMAGAZIN URBANE SYSTEME IM WANDEL. DAS TECHNISCH-WISSENSCHAFTLICHE FACHMAGAZIN Urbane Mobilität URBA URBBA Städtische Räume und Flächen: Gemeingut oder Wirtschaftsgut? 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