Dynamische Systems-of-Systems für Smart Cities der Zukunft

Im Projekt DynaSoS beschäftigte sich das Fraunhofer IESE seit Anfang 2022 mit dynamischen Systems-of-Systems (SoS). Ein System von Systemen beschreibt eine Konstellation verschiedener Systeme, die ein gemeinsames Ziel erreichen wollen, das allerdings keines der Systeme alleine erreichen könnte. Im Bereich des Software Engineerings stellen komplexe Systemlandschaften eine Herausforderung dar, die wir bei uns am Institut im Rahmen des Anfang des Jahres 2023 abgeschlossenen Projekts DynaSoS untersuchten. Dazu identifizierten wir Herausforderungen an SoS in verschiedenen Domänen, zu denen auch Smart Cities gehören.

In der Smart City zählen ein starkes Bevölkerungswachstum, der demografische Wandel, die zunehmende Urbanisierung und der Klimawandel zu den Gründen, warum sich Städte mit den Themen »Digitalisierung« und »SoS« beschäftigen (müssen). Vernetzte Städte, die sich an dynamische Veränderungen anpassen können, um nachhaltiger und widerstandsfähiger zu werden, sind eine Zukunftsvision, die wir im Projekt DynaSoS erarbeiten konnten.

Dynamische Systems-of-Systems: Smart Cities als Anwendungsfall

Das Ziel, das Leben in der Stadt zu verbessern, lebenswerter und attraktiver zu machen, benötigt eine kontinuierliche Transformation von Städten. Dazu müssen vorhandene Strukturen und Bedarfe miteinbezogen werden und der Aspekt der Nachhaltigkeit muss stets mitgedacht werden. Der Fokus unseres Anwendungsfalls Smart City lag daher auf dem Aspekt »Nachhaltigkeit«, explizit auf blau-grünen Infrastrukturen, die sich an die Bedürfnisse der Stadt anpassen (https://dynasos.de/). Grüne und intelligente Städte erfordern ein ganzheitliches Denken im Sinne von »Systemen von Systemen«. Dass sich Städte bereits in einer sehr komplexen Systemlandschaft befinden und mit der zunehmenden Digitalisierung immer mehr den dynamischen SoS annähern, ist auf den ersten Blick oft nicht klar. Sie bieten jedoch das Potenzial, naturbasierte Lösungen neu zu denken und miteinander konkurrierende Flächennutzungen sowie begrenzte Ressourcen effizienter zu nutzen. Mehr Kommunikation zwischen den Beteiligten und eine vernetzte Zusammenarbeit mit innovativen Technologien sowie neue Möglichkeiten der Datenerfassung erlauben Nachhaltigkeit in Städten entsprechend neu zu denken.

Herausforderungen von Smart Cities

Bevor städtische Systeme vernetzt und verknüpft arbeiten können, müssen Städte zunächst ihre heutigen Herausforderungen überwinden. Dazu zählen u. a. das stete Auftreten von Datenbrüchen und starre und veraltete Strukturen innerhalb städtischer Systeme und Dienste. Denn für die meisten interdisziplinären Aufgaben in der Smart City ist die (im besten Fall problemlose) Integration verschiedener Daten und Dienste unerlässlich. Dies erfordert eine Symbiose zwischen technischen, sozialen und natürlichen Systemen sowie eine entsprechend gezielte Kommunikation, Koordination und Kooperation unter ebendiesen. Zentrale Herausforderungen spiegeln sich dabei auf mehreren Ebenen wider:

• Interoperabilität der Systeme (Informations- und Datenaustausch existiert wenig oder noch gar nicht; Datensilos entstehen)
• Strukturen und Arbeitsabläufe (Koordinierungsprobleme und Inkompatibilität der Arbeitsstrukturen)
• Kommunikation (unterschiedliche Interessengruppen kommunizieren mit ebenso unterschiedlichem Kommunikations- und Transparenzaufwand)

In wachsenden Städten kommen zudem Flächennutzungskonflikte als besonderes Hemmnis zum Tragen. Diese reichen vom Bedarf an mehr Wohnraum, Parkplätzen und Radwegen bis hin zu mehr Grünflächen und betreffen somit nicht nur den oberirdischen, sondern auch den unterirdischen Raum. Dabei lassen neben starren Arbeits- und Prozessstrukturen auch starre und robuste Infrastrukturen in Städten kaum dynamische Veränderungen zu. Um den aktuellen und zukünftigen Herausforderungen der Städte gerecht zu werden, bedürfen diese Strukturen jedoch einer enormen Anpassung.

Das System-of-Systems-Puzzle-Prinzip als Methode zur Gestaltung der Smart Cities von morgen

Der Ansatz der Systeme von Systemen kann als eine Art Puzzle-Prinzip verstanden werden, das alle Beteiligten sowie natürliche und technische Systeme miteinander verbindet. Als Beispiel dient hier die Anpassung von Städten an den Klimawandel. Dabei werden die folgenden Elemente häufig als wichtig erachtet, um die Entscheidungsfindung zu unterstützen:

• Geografische Informationssysteme, die Informationen über die Struktur der jeweiligen Stadt, ihre Landnutzung oder den Zustand der Grünflächen in der Stadt liefern;
• Wasserinfrastrukturen, die Informationen über den Wasserverbrauch oder den Zustand der Wasserreserven liefern;
• Wetterstationen und Vorhersagemodelle, die Informationen über die lokalen klimatischen Bedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Niederschlag liefern;
• Anlagen zur Messung der Luftqualität und verschiedener Arten von Verschmutzung

Die oben beschriebenen Grundelemente können sich weiterentwickeln. Neue Systeme und Informationsquellen lassen sich je nach den Bedürfnissen der Stadt integrieren. Dieses Puzzle-Prinzip lässt sich allerdings nur dann erreichen, wenn ein Austausch und eine Zur-Verfügung-Stellung aller relevanter Informationen und Daten über alle interagierenden Systeme und ihre Umgebung möglich ist. Ein Weg zur Verwirklichung dieser Vision ist die Nutzung einer dedizierten Infrastruktur, wie sie z. B. Digitale Ökosysteme bereitstellen können.

Virtuelles Testspiel für die Städte der Zukunft: Digitale Zwillinge als Planungstool für smarte Kommunen

Trotz zahlreicher innovativer Möglichkeiten des Datenaustauschs ist ein reiner Austausch von Informationen stellenweise unzureichend. Gerade in dynamischen SoS ist es häufig auch notwendig, in die betreffenden Systeme einwirken zu können. Digitale Zwillinge ermöglichen es, nicht nur Informationen zu erfassen, sondern bieten auch die Option, auf die digitalen Nachbildungen physischer Objekte (sogenannte Assets) aus der Ferne einzuwirken.

Fazit und Ausblick

Die zunehmende Verfügbarkeit von Daten und der Aufbau Digitaler Zwillinge und Digitaler Ökosysteme ermöglicht die Schaffung sogenannter Systems-of-Systems und bietet somit reichlich Potenzial für die innovative Gestaltung moderner Städte und Kommunen.

Dabei kommen jedoch zwei Fragen auf. Erstens: Warum sollten wir solche Systeme von Systemen einführen und nutzen – mit anderen Worten, was können wir mit ihnen tun und welchen Nutzen haben sie für uns? Zweitens: Wenn diese Art von Systemen notwendig und nützlich ist, wie können wir sie dann in den Städten einsetzen, sodass diese Systeme ihre Ziele erreichen und gleichzeitig die derzeitigen Beschränkungen in Bezug auf Datennutzung, Automatisierung von Entscheidungen und deren Auswirkungen berücksichtigen? Diese Fragen stehen im Mittelpunkt der Kompetenzen des Fraunhofer IESE im Bereich intelligente Städte. In diesem Zuge entstand u. a. eine Forschungsroadmap.