Sensorik für den urbanen Wandel

Städte wenden sich dem Internet der Dinge (IoT) zu.

Auf einen Blick

  • Als Teil ihrer Bemühungen, die Städte lebenswerter zu machen und besser auf die Zukunft vorbereitet zu sein, setzen London und Dublin vernetzte Sensoren ein.

  • Diese Städte gehören zu den ersten Orten, an denen die effiziente Implementierung von IoT-Systemen im gesamten Stadtbereich getestet wird.

  • Smart-City-Projekte weisen den Weg zum Verständnis der Anwendungsmöglichkeiten von Sensoren, des Potenzials des IoT sowie weiterer Faktoren.

author-image

An vier Tagen in der Woche steuert Duncan Wilson seine weiße Ducati 899 die 13 Kilometer durch den dichten Londoner Verkehr zu seinem Büro im Imperial College. Dabei kommt er am Hyde Park vorbei, wo ein Sensor, der an einem Verteilerkasten im Victoria Gate angebracht ist, die Stickoxid-, Schwefeloxid- und Feinstaubkonzentration erfasst. Es ist eines von fast 80 Geräten, die vor Kurzem in ganz London installiert wurden, um der Stadtverwaltung zu helfen, die am meisten belasteten Gebiete oder „Black Spots“ zu erkennen und bessere Methoden der Smogbekämpfung zu finden.

„Alle diese Black Spots befinden sich in der Umgebung stark befahrener Kreuzungen und Verkehrsstrecken“, sagt Wilson, Intel Research Director, der das Projekt „Sensing London“ leitet. „Wir überwachen Parks, um für die Erhaltung dieser Grünflächen zu werben.“

Sensing London – eine Kooperation des Intel Collaborative Research Institute (Intel CRI) for Sustainable Connected Cities mit dem Imperial College, dem University College, dem Future Cities Catapult und Mitgliedern des London City Council – ist eine von vielen Initiativen rund um den Erdball, bei denen das Internet der Dinge eingesetzt wird, um Probleme wie den Klimawandel und die Ressourcenknappheit anzugehen. Diese Projekte reichen von Basisaktionen der Bevölkerung bis zu sehr großen Vorhaben von Regierung, Wirtschaft, Universität und Gruppen aus der Zivilgesellschaft.

In Barcelona alarmieren Sensoren in Abfallbehältern die Müllabfuhr, sobald sie sind. Am Hafen von San Diego haben Techniker Sensoren in einer HLK-Anlage eingebaut, um den Energieverbrauch zu reduzieren und auf eine Verschärfung staatlicher Vorschriften vorbereitet zu sein.

Der rote Faden bei allen Smart-City-Projekten ist das Prinzip, dass Daten und die aus Daten gewonnenen Erkenntnisse zu besseren Ideen, Entscheidungen und Resultaten führen können.

Innerhalb eines Monats hatten wir ein Programm festgelegt.

Duncan Wilson, Intel Research Director

Londoner Luft

Auf den Straßen der Stadt London, die sich über 1572 Quadratkilometer erstreckt, sind annähernd 2,5 Millionen PKW und LKW unterwegs. Mehr als 30 Prozent dieser Automobile fahren mit Diesel, das weit mehr Stickoxide und Feinstaub hinterlässt als unverbleites Benzin. Diese Emissionen, bei denen einige Werte in London kürzlich höher waren als in Peking, wurden mit 9500 frühzeitigen Todesfällen in London im Jahr 2010 in Verbindung gebracht.

Gegenwärtig ist es nicht möglich, die gesamte Londoner Luft zu überwachen. Deshalb wurde bei Sensing London entschieden, sich auf drei strategische Bereiche zusätzlich zum Hyde Park zu konzentrieren: die Tower Bridge, wo die Autos dreimal am Tag mehrere Minuten lang stillstehen, wenn die Brücke für das Passieren von Schiffen hochgezogen wird, das Elephant and Castle, wo Forscher eine Stickoxide absorbierende Farbe untersuchen und der Norden von Enfield, der von zwei alten und überladenen Highways eingerahmt wird.

Für Enfield „hatten wir innerhalb eines Monats ein Programm festgelegt“, so Wilson. Die Sensoren erfassen Daten, die in Echtzeit von einem SoC-Gateway (System-on-a-Chip) vor Ort verarbeitet werden. Das Gateway schickt die Daten dann zur Cloud, die eine flexible und skalierbare Infrastruktur für Anwendungen bereitstellt, die Zahlen in bedeutsame, verwertbare Informationen transformieren.

Das funktioniert allerdings nicht ganz ohne Komplikationen. Die Platzierung des Sensors und seines Gehäuses, die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und der Wind gehören zu den vielen Dingen, die zu ungenauen Daten führen können.

Um dies teilweise zu kompensieren, kalibrierte das ICRI-Team seine Sensoren mithilfe der drei hochwertigen Luftmessstationen von London. Algorithmen, die diesen Gateways hinzugefügt wurden, halfen, die Zahlen anzupassen.

„Wir haben eine Menge über die Leistungsfähigkeit elektrochemischer Sensoren selbst gelernt und die Algorithmen für die Verarbeitung der Daten aktualisiert“, sagt Wilson. „Während ein Konzept für das IoT darin besteht, Daten direkt zur Cloud zu übertragen, untersuchen wir auch die Möglichkeit der Verarbeitung im Endgerät, wobei wir die transformierten Daten zur Cloud schicken.“

Der Vorteil dabei, das Rauschen von den erfassten Daten zu entfernen, besteht laut Wilson darin, dass die Cloud nicht mit bedeutungslosen Daten belastet wird. Sie werden herausgefiltert, bevor die Daten den Gatewayprozessor verlassen.

Überschwemmung in Dublin

Fast 500 km nordwestlich von London unterzeichnete Intel im letzten April eine Vereinbarung mit dem Dublin City Council über die Schaffung eines stadtweiten Netzwerks von Gateway-Sensoren und die Umsetzung einer ebensolchen IoT-Kooperation von Industrie, akademischer Welt und Regierung.

„Zu Beginn wendeten wir intern viel Zeit mit dem Betriebspersonal auf, um die Frage zu klären, welches die wichtigsten Bereiche sind, die wir uns anschauen könnten“, erinnert sich Jamie Cudden, der Smart-Cities-Koordinator des Dublin City Council. „Es lief schließlich auf das Problem von Überschwemmungen hinaus.“

Der warme Nordatlantikstrom hat Irland stets ein gemäßigtes Klima beschert. Ein viktorianischer Dichter beschrieb den Regen dort als „warm as an Irish welcome, and soft as an Irish smile“ (so warm wie ein irischer Willkommensgruß und so sanft wie ein irisches Lächeln).

Der Klimawandel bedeutet für Irland, dass die Luft nun 4 Prozent mehr Wasser enthält als noch 1890. Dies hat zu extremen Regenfällen beigetragen, die im ganzen Osten Irlands Verwüstungen anrichteten.

„Überschwemmungen durch Regen können Straßen in Flüsse verwandeln“, so Dr. David Prendergast, Intel-Anthropologe und Projektleiter für Dublin IoT Demonstrator. Es kann auch „dazu kommen, das Flüsse über die Ufer treten, Entwässerungssysteme überlastet und Kellerwohnungen überflutet werden“.

Laut dem Directorate for Fire and Emergency Management des Landes entstand Dublin durch Überschwemmungen allein zwischen Dezember 2012 und Januar 2013 ein Schaden in Höhe von 61 Millionen Euro.

Durch sein Smart-Cities-Programm will Dublin „die Schotten dichtmachen“.

„Wir stellten fest, dass viele [städtische] Techniker bereits sehr proaktiv in puncto Innovationen waren und, was Regen- und Flusspegel-Überwachungssensoren anbelangt, neue Lösungen fanden und testeten“, so Cudden. Dies waren jedoch isolierte Bemühungen. Die für die Verwaltung von Flüssen Verantwortlichen und jene, die das Abflusssystem managen, hatten laut Cudden sehr wenig Möglichkeiten der Zusammenarbeit.

Im Laufe des kommenden Jahres wird Intel Dublin dabei unterstützen, ein IoT-System aufzubauen, das Regen-, Fluss- und Abflussdaten von möglichst vielen Sensoren erfasst.

Dr. Prendergast kündigt an, dass Intel an strategischen Stellen der Stadt Niederschlagsmessgeräte und Wetterstationen einrichten will, darüber hinaus experimentelle Sensorik, wie Bojen und stromsparende Ultraschall-Wasserstandssensoren zur Flussbeobachtung, um Flutwellen zu messen oder Echtzeitdaten über Flüsse und Ströme bereitzustellen, die bei extremen Niederschlägen empfindlich reagieren.

Fachleute – von Technikern bis zu Datenmanagern – kooperieren mit örtlichen Colleges und Unternehmen, um Erfassungseinrichtungen zu entwickeln, erfasste Daten zusammenzuführen und letzten Endes Hochwasser-Überwachungspläne zu entwickeln und umzusetzen.

„Alle diese Datenströme sind nutzlos, solange man nicht effektiv reagieren kann“, sagt Cudden, der sich ein auf Sensoren basierendes System vorstellt, das Arbeiter bereits vor einem starken Sturm alarmiert, damit Abwasserkanäle frei gemachten, Autos weggestellt und Bewohner von Untergeschossen benachrichtigt werden können.

Die Zukunft von Smart Cities

Groß angelegte Initiativen in Dublin und London bringen den Aufbau einer IoT-Infrastruktur zwar voran, doch Anthony Townsend, Forschungsbeauftragter beim Rudin Center for Transportation Policy and Management an der New York University und Autor von Smart Cities, betrachtet diese Top-down-Fortschritte nur als einen Anfang.

Er erwartet eine urbane Infrastruktur, die möglicherweise von Bürgern geleitete Projekte unterstützt. Und er stellt sich vor, dass „diese smarten kleinen Geräte, die wir in unseren Taschen und unseren vier Wänden haben“, den Zugang zu Behörden, Bildung und Kinderbetreuung neu definieren werden.

Warum nicht? Nachdem Smartphones allgegenwärtig werden, haben die Menschen die Power für die Verarbeitung in Endgeräten in der Hand.

„Es wird komplizierter, und das ist gut so. Es geht nicht immer nur darum, die Welt einfacher zu machen“, meint Townsend. „Wie wäre es mit sozialer? Mit mehr Vergnügen?“