Stadt Memmingen:Smart City

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Digitaler Zwilling

Ein digitaler Zwilling ist das digitale Abbild eines realen Gegenstandes. Für eine Stadt bedeutet dies, dass die Gebäude und Straßen digital nachgebildet werden. Ganz ähnlich wie die Stadt in einem Computerspiel. Der Unterschied ist jedoch, dass diese virtuelle Stadt über Sensoren mit der Wirklichkeit verbunden ist und sich dadurch an die Realität anpasst.

Warum braucht Memmingen einen digitalen Zwilling

Meist sind die Probleme und Herausforderungen für die Stadt auch ohne digitalen Zwilling klar. Dies können beispielsweise Verkehrsüberlastungen oder die Überhitzung der Stadt durch den Klimawandel sein. Der digitale Zwilling hilft in diesen Fällen, die Probleme zu konkretisieren. So kann erkannt werden, an wie vielen Tagen und zu welcher Uhrzeit es zu Problemen kommt. Im nächsten Schritt können die möglichen Lösungen im Digitalen Zwilling durchgespielt und auf Tauglichkeit untersucht werden. Dies führt im Idealfall zu besseren Entscheidungen und spart viel Geld.

Wie kommt Memmingen zu einem Digitalen Zwilling?

Im Rahmen des europäischen Förderprogramms REACT-EU zur Stärkung der Innenstädte wurden Mittel bereitgestellt um auch Auswirkungen der Corona Pandemie entgegenzuwirken. 

Hierbei hat sich Memmingen beworben und wurde mit 37 anderen bayerischen Kommunen ausgewählt. Bei einem Fördersatz bis zu 90% wurden folgende Projekte angemeldet:

  • Aufbau Digitaler Zwilling für die Altstadt
  • Aufbau LoRaWAN-Netzwerk in der Altstadt
  • städtebauliches Innenstadtmanagement

Die Firma RIWA aus Kempten hat die Ausschreibung für die ersten beiden Projekten gewonnen.. Bei der Erstellung des digitalen Zwillings wird RIWA von der Firma Roo.si aus Rosenheim unterstützt. Für den Aufbau des LORAWAN Netzwerks erhält RIWA Unterstützung von den Allgäuer Überlandwerken.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Ein digitaler Zwilling einer Kommune ist eine digitale Abbildung einer Kommune.

Er dient als Werkzeug um Geodaten darzustellen, Simulationen durchlaufen zu lassen, „Was Wäre Wenn-Cases“ zu ermöglichen.

Prinzipiell kann das städtische WEBGIS schon als digitaler Zwilling betrachtet werden. 

Im Vergleich zu einem Geoinformationssystem (GIS) ist der Digitale Zwilling als Plattform zu sehen welcher neben kommunalen Geodaten aber auch aktuelle Sensordaten darstellt und entsprechend aufbereitet als Service zu Verfügung stellt.

Bei der Stadt Memmingen soll dieser neue Digitale Zwilling folgende Vorteile und folgenden „Mehrwert“ gegenüber dem bestehenden GIS/WEBGIS haben:

  • Vorteil: Anbindung digitaler Zwilling an das vorhandene WEBGIS
  • Vorteil: Übernahme vorhandener Daten und Benutzerprofile ist möglich
  • Vorteil: Schulungsaufwand in der Verwaltung wird minimiert da bestehendes WEBGIS integriert ist
  • Mehrwert: Anzeige von „Live“-Daten wird möglich (Sensordaten)
  • Mehrwert: Zugriff für Bürger auf ausgewählte Geodaten wird möglich sein (evtl. als Ergänzung zum Online-Stadtplan maps.memmingen.de
  • Mehrwert: Zugriff für Stadträte auf ausgewählte Geodaten soll möglich sein
  • Mehrwert: Darstellung der Stadt wird in 3D erfolgen
  • Mehrwert: Soweit realisierbar soll eine Texturierung im 3D-Modell erfolgen (Fotorealistische Darstellung)
  • Mehrwert: Straßeneinrichtungen sollen aus einer Punktwolke abgeleitet und dargestellt werden
  • Mehrwert: Simulationen sollen zukünftig möglich sein (z.B. Verkehrsführung,  Starkwasser-Ereignisse, Hochwasser etc.)

Der digitale Zwilling soll zukünftig als Schnittstelle für interessante Sensorik-Daten dienen und diese miteinander in Verbindung bringen -  so könnten Grundwasser-Informationen, Wasserspiegel-Level, Parkplatz-Auslastung, Verkehrsströme etc. hier dargestellt werden.

Interessant ist dann die Möglichkeit mit diesen Werten zu arbeiten bzw.  Simulationen zu rechnen.

Möglichkeiten der Datenanalyse:

  • Descritive Analytics – Was ist passiert ?
  • Diagnostic Analytics – Warum ist etwas passiert ?
  • Predictive Analytics – Was wird in Zukunft passieren ?
  • Prescriptive Analytics – Welche Maßnahmen sind zu treffen ?

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Was kann man nun von dieser neuen Technik erwarten? Bisher wurde schon in anderen Bereichen (z.B. Hochwasserkontrolle) Sensorik installiert. Lampen- und Ampelschaltungen sind inzwischen digital- und cloudgesteuert. Die Parkhäuser haben Informationen bzgl. der Auslastung etc.

Der digitale Zwilling soll nun als kommunale Plattform Sensor-Daten zusammenfassen und intelligent verknüpfen. Geplant ist er somit als zukünftige „Zentrale Informationsplattform“ für digitale Live-Daten.

Diese Anforderung an den digitalen Zwilling ist vermutlich die identische Herangehensweise auch aller anderen 36 bayerischen Kommunen die im Rahmen der REACT-EU einen digitalen Zwilling aufbauen wollen. Memmingen hat zudem jedoch noch den Wunsch einer möglichst realistischen Darstellung. Diese soll über ein texturiertes 3D-Stadtmodell realisiert werden. Der Unterschied der verschiedenen Darstellungen ist hier ersichtlich:

Ebenfalls geplant ist im Rahmen des Digitalen Zwillings die Möglichkeit zukünftiger Bürger-Umfragen. 

Ein wesentlicher Bestandteil des digitalen Zwillings sind die enthaltenen Sensordaten.

Um diese zu gewinnen wurde im Rahmen des REACT-EU ein LORAWAN-Netzwerk aufgebaut.

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Es wurde speziell für IoT, dem „Internet der Dinge“ entwickelt um Sensoren in einem Netzwerk zu verwalten.

Das LoRaWAN ist ein funkschwaches Netzwerk. Warum funkschwach? Hauptziel ist eine möglichst wartungsarme Hardware welche über Jahre keinen Batteriewechsel benötigt. Je schwächer das Signal desto länger die Haltbarkeit.

Somit können Sensoren bis zu 10 Jahren ohne Batteriewechsel auskommen. Dieser theoretische Maximalwert der Laufzeit wird in der Praxis jedoch nicht erreicht. Die Dauer einer Batterieladung hängt ab vom 

  • Sende-Intervall - alle 15 Minuten bis 24 Stunden bzw.. wenn ein Ereignis eintritt -  nimmt der Sensor Kontakt zum Netzwerk auf und sendet seine Daten – je häufiger desto geringer die Laufzeit
  • Empfangsstärke – je dichter das Gateway-Netz ist umso schneller „wird der Sensor seine Daten los“, dies ist auch abhängig von der Entfernung zur Antenne und der Abschirmung (Mauerwerk etc.)
  • Datenmenge – da nur geringe Datenmengen übertragen werden denkt man das dies keinen Einfluss auf die Akku-Laufzeit hat. Allerdings ist auch hier eine 0 oder 1 schneller zu übertragen als ein Temperaturwert von 15°C. Auf lange Sicht macht auch dieser kleine Unterschied etwas aus

Ein LoRaWAN besteht aus drei Komponenten:

  • mindestens einem Sensor (Node)
  • einem Gateway (Antenne welche die Funksignale empfängt und weiterleitet)
  • einem LoRa-Server (welcher die Daten verarbeitet und visualisiert)

Der Sensor sendet seine Daten (Temperaturwert, Anzahl Fußgänger…) mittels LoRa an alle Gateways in seiner Umgebung bei welchen der Sender registriert ist. Diese nehmen die Signale auf und leiten sie verschlüsselt an den Server weiter.

Vorteile sind 

  • kaum entstehende „Funkbelastung“ 
  • relativ hohe Reichweite / Abdeckung
  • keine Lizenzkosten 
  • geringer Aufwand bei der Montage
  • keine Anmeldung (Bundesnetzagentur) bzw. Genehmigung nötig

Um die Altstadt abzudecken, werden voraussichtlich 5 Gateways benötigt. Gateways sind kleine Antennen vergleichbar mit privaten WLAN-Repeatern - nur etwas größer. Auf freiem Feld können hier Entfernungen bis mehrere km abgedeckt werden, in der Memminger Altstadt gehen wir von einer Reichweite von ungefähr 300m aus.

Wo die Gateways verbaut werden (städtisches Gebäude, denkmalschutzkonform, möglichst hoch, gute Montageposition, Stromanschluß) wurde bei einer Begehung am 5.7.22 beschlossen. Der Ausbau soll dann im Sommer 2022 erfolgen.

Das Bundesamt für Strahlenschutz legt einen Grenzwert von 2 Watt pro kg SAR (Spezifische Absorptionsrate) an Kopf und Rumpf für Mobilfunk fest. D.h., Kopf und Rumpf dürfen pro kg nicht mehr als 2 Watt Strahlung absorbieren. Als „gut“ gelten Handys, die am Kopf eine SAR von unter 0,5 und am Körper unter 1 bieten…

Mobilfunkmasten senden mit einem Vielfachen davon, nämlich mit 50 Watt…

LoRaWAN sendet mit 25 mW, sowohl die Gateways (=Router) als auch die Endgeräte (Sensoren). Das ist ein Viertel der Sendeleistung von WLAN, und die Sensoren sind meistens weiter weg als WLAN Empfangsgeräte. Es ist ein 80stel dessen, was mein Handy die ganze Zeit in meiner Hosentasche oder auf dem Schreibtisch tut.

Konkret bedeutet das, dass 80 LoRaWAN Sensoren oder Sendestationen die gleiche Sendeleistung haben wie ein Handy.

Zusätzlich senden LoRaWAN Sensoren nur in relativ seltenen Intervallen. Bei einer Raumklima-Überwachung und Heizungssteuerung könnten das z.B. alle 15 Minuten sein.

Hieraus ergibt sich Folgendes:

LoRaWAN Strahlung ist in jedem Umfeld vollkommen unbedenklich. Sowohl die ständige Nähe zu Sensoren als auch zu Sendestationen stellen keinerlei gesundheitliches Risiko dar.

Quelle: https://ecbm.me/2019/11/06/gefaehrdet-lorawan-strahlung-die-gesundheit/

Theoretisch beträgt die Reichweite von LoRaWAN in freier Natur bis zu 10km. In der Stadt dämpfen hingegen Gebäude und Bewuchs das Signal.

Quelle : smartmakers.io/lorawan-reichweite-teil-1-die-wichtigsten-faktoren-fuer-eine-gute-lorawan-funkreichweite/

Als Empfehlung wird deshalb angegeben, die Gateways in direkter Sichtverbindung zu den Sensoren aufzustellen. Dies bedeutet, dass die Montage der Antenne möglichst hoch und an einer Außenwand eines Gebäudes erfolgen soll. Da als Standorte nur städtische Gebäude in Frage kommen und in der Altstadt generell die Einschränkungen durch den Denkmalschutz bestehen, war die Standortfindung nicht einfach

Für die Memminger Altstadt gehen wir bei den gefundenen Standorten von einer Reichweite zwischen 300 und 800m aus –Erfahrungswerte können hier evtl. eine Nachverdichtung von Gateways nötig machen. 

Beispiele von LoRaWAN-Antennen auf dem Vöhlin-Gymnasium und im Ulmer Tor:

Der Datenschutz muss natürlich ebenfalls berücksichtigt werden!

Welche Daten werden über die Sensoren gesammelt: Es sind zum einen statistische Daten wie Anzahl KFZ, Anzahl Fahrräder, Anzahl Fußgänger in einem Bereich, oder Messwerte wie Temperatur, CO2, Luftfeuchte etc.

Es ist über LoRaWAN auch möglich bidirektional Signale vom Server über die Gateways zu einem Sensor zu senden. So kann ein Relais angesteuert werden der z.B. einen Brunnen einschaltet…

Auch hier werden keine personenbezogenen Daten verwendet.

All diese Daten haben keinen direkten Personenbezug! 

Um ein Abfangen der Daten und ein Auslesen dieser Informationen zu verhindern wird zudem schon im Sensor die zu übertragende Information verschlüsselt (encrypted). Das Gateway empfängt diese Information und reicht diese verschlüsselt an den Server weiter. Erst dieser kann die Information entschlüsseln und weiterverarbeiten.

Im LoRaWAN sind zwei Sicherheitsebenen integriert, auf Netzwerkebene wird sicher gestellt dass nur registrierte Sensoren im Netzwerk Daten austauschen, die Authentizität des Geräts im Netzwerk ist somit sicher.

Auf Anwendungsebene wird mit der Verschlüsselung sicher gestellt dass nur der Endnutzer Zugang zu den gesendeten Informationen hat. In unserem Fall der digitale Zwilling der Stadt Memmingen. 

Ein LORAWAN-Netzwerk lebt von seinen Sensoren, deshalb werden sogenannte USE-CASES, also Anwendungsfälle installiert. 

Im Rahmen des REACT-EU sollen diese als Einstieg in diese Thematik dienen, damit die Stadt Memmingen Erfahrungen sammeln und dem Digitalen Zwilling Daten zur Verfügung stellen kann.

Folgende Use-Cases sind dabei 2022/2023 geplant:

  • Fahrzeugzähler (Weinmarkt)
    - Weitergesendete Information: Anzahl der Fahrzeuge pro Stunde die eine definierte Linie überfahren, z.B. „130“
  • Passanten-Zähler (Fußgängerzone)
    - Weitergesendete Information: Anzahl der Fußgänger pro Stunde die eine definierte Linie übertreten, z.B. „25“
  • Parkplatz-Auslastung (Zangmeisterstraße)
    - Weitergesendete Information: Anzahl der belegten Parkplätze – z.B. „12“
  •  Smarte Mülleimer (Altstadtgebiet)
    - Weitergesendete Information: leer oder voll
  • Umweltmonitoring (CO2, Temperatur, Luftfeuchte, Feinstaub, Ozon…)
    - Weitergesendete Information: Messwerte, z.B. „1500ppm,25°C, 35%, 50 µg/m³, 97 µg/m³“ 
  • Grünflächenmanagement (Wasserhaushalt-Bäume - Altstadtbereich)
    - Weitergesendete Information: Feuchtigkeitswert
  • Temperatursensoren (Altstadtbereich) 
    -  Weitergesendete Information: Messwerte, z.B. „25°C“

Mit diesen anfänglichen Anwendungen wird Smart City starten. Weitere Sensoren können dann bei Bedarf in den kommenden Jahren ergänzt werden.

Wichtig:
Es werden hier nur statistische Daten bzw. Messwerte übermittelt, keine personenbezogenen Daten, keine Bilddaten!

Kamera und Datenschutz

Im Bereich der Parkraumüberwachung sowie bei der Fußgänger- und Fahrzeugzählung werden Kamerasysteme verwendet. Hier erfasst die Kamera vor Ort die Situation, ermittelt im Gerät (nicht in der Cloud!) die gewünschten Messwerte und sendet diese an das Gateway, das entstandene Bild wird in der Kamera wieder gelöscht – eine Bildansicht der Situation ist NICHT MÖGLICH oder gewollt – und erfüllt damit die Anforderungen des Datenschutzes.)

Der temporäre Videostream der Kamera wird in die Box neben der Kamera per Kabel überführt.

  • Die Box führt eine Echtzeitanalyse durch und speichert numerische Informationen
  • In diesem Schritt werden auf der Box die Bildinformationen entfernt.
  • Die Box-Plattform speichert und überträgt somit kein Bild- oder Videomaterial.

Es ist nicht möglich, Videostreams über die Plattform aufzuzeichnen.
(Angaben sind ein Auszug aus dem DSGVO Leitfaden des Kamera-Herstellers)