Das Kölner Startup dataMatters, eine Ausgründung der RWTH Aachen, hat unter dem Namen urbanOS das nach eigenen Angaben weltweit erste Betriebssystem für Smart Cities vorgestellt. Das kommunale Operating System arbeitet ähnlich wie Computer- oder Smartphone-Betriebssysteme, ist aber für die „Smartisierung“ städtischer Infrastrukturen optimiert, von der Verkehrsführung über die Abfallwirtschaft und die Energieversorgung bis zur öffentlichen Sicherheit. Das „digitale Bürgerhaus“ ist laut Angaben hochskalierbar – es deckt die Anforderungen von Städten, Bezirken und Landkreisen ab, von kleinen Kommunen über Mittelstädte bis hin zu Millionenmetropolen.
Ähnlich wie moderne Smartphone-Betriebssystem wie iOS für das iPhone ist auch urbanOS mit einem AppStore ausgestattet. Kommunale Versorgungsbetriebe und privatwirtschaftliche Unternehmen können ihre Services im urbanOS AppStore anbieten, so dass diese von Leistungsträgern gegen Entgelt in Anspruch genommen werden können.
urbanCockpit erlaubt den Blick in die Zukunft
Das neue kommunale Betriebssystem basiert auf einem Mehr-Schichten-Modell: Sensorik, kommunaler Datenraum, Künstliche Intelligenz (KI), datenbasierte Entscheidungsfindung und optimierte Dienstleistungen für Bürgerschaft und Verwaltung. Dr. Daniel Traut, Firmengründer und Geschäftsführer der dataMatters GmbH, erklärt das Prinzip: „Ein breites Spektrum an Sensoren erfasst, was in der Stadt vor sich geht. Diese Informationen werden in einen kommunalen Datenraum übertragen und dort mittels KI verarbeitet. Die Ergebnisse werden in einem urbanCockpit angezeigt, so dass die Entscheidungsträger erstmals einen minutenaktuellen Überblick erhalten, was in ihrer Stadt tatsächlich vor sich geht, vergleichbar einem Piloten, der ein Flugzeug steuert.“
Der Clou: Die KI blickt sogar in die Zukunft, so dass am urbanCockpit nicht nur die aktuelle, sondern auch die künftige Lage detailliert dargestellt wird. „Das verschafft der Kommune eine nie dagewesene faktische Grundlage für urbane Entscheidungen“, erklärt Dr. Daniel Trauth einen wesentlichen Vorteil des neuen Betriebssystems für Smart Cities. Er gibt ein Beispiel: „Durch Kameras in Bussen und Bahnen lässt sich genau erfassen, wie viele Sitz- und Stehplätze zu welchen Zeiten auf welchen Linien belegt sind. Die KI kann darauf basierend Empfehlungen zur Optimierung des ÖPNV erarbeiten, die auch Ereignisse wie etwa Stadtfeste, Fußballspiele, Kulturveranstaltungen oder verkaufsoffene Sonntage berücksichtigt. Im Ergebnis führt das zu einer höheren ÖPNV-Akzeptanz bei den Bürgern, einem zielgenaueren Personaleinsatz und Reduzierungen bei den Kosten und der Umweltbelastung.“
Erstes Betriebssystem mit Föderierter KI
Nach Recherchen von dataMatters handelt es sich bei urbanOS um das weltweit erste Operating System, in das von Anfang an eine sogenannte Föderierte KI (Federated Learning) integriert ist. Föderiertes Maschinelles Lernen bedeutet, dass ein KI-Modell über zahlreiche Geräte hinweg trainiert wird, ohne dass sensible Daten zentralisiert werden.
Ebenfalls ein Novum: urbanOS setzt neben Federated Learning durchgängig auf sogenanntes Edge Computing. Das bedeutet, dass alle Daten bereits bei der Erfassung von jedwedem Personenbezug bereinigt werden. Beispiel: Kameras, die Fußgänger, Radfahrer und Fahrzeuge zählen, um anhand der Ergebnisse die Verkehrsströme zu optimieren, löschen bereits vor Ort alle Gesichter und Kfz-Kennzeichen. Es werden also keinerlei Informationen an den kommunalen Datenraum übertragen, die direkt oder indirekt Rückschlüsse auf Personen zulassen.
„Entpersonalisierung der Daten am Punkt der Erfassung“ durch die Kombination aus Föderierter KI und Edge Computing nennt dataMatters dieses neue Paradigma des konzeptionell integrierten Datenschutzes. „Die Kommunen wollen eine Smart City, aber keine Überwachungsstadt schaffen“, erklärt dataMatters-Geschäftsführer Dr. Daniel Trauth, „dem Schutz der sensiblen Daten der Bürgerinnen und Bürger kommt daher höchste Priorität zu.“ Somit versteht es sich beinahe von selbst, dass alle Daten durchweg in Rechenzentren verarbeitet werden, die sich in Deutschland befinden und ausschließlich dem deutschen Rechtssystem unterliegen. Eine Übertragung in ausländische Datenclouds findet nicht statt – ein wichtiger Aspekt angesichts des löcherigen Datenschutzes etwa in den USA, wo viele gängige Cloudanbieter ansässig sind. „Die viel geforderte Autarkie bei der Digitalisierung ist bei urbanOS auf kommunaler Ebene rundum gewährleistet“, versichert Dr. Daniel Trauth.
Künstliche Intelligenz aus dem Smart-Kraftwerk
Welche Künstliche Intelligenz im Rahmen von urbanOS zum Einsatz kommt, kann jede Gemeinde bzw. jede Stadt frei entscheiden. „Wir können jedes Large Language Modell anbinden“, zeigt sich Dr. Daniel Trauth flexibel. Ebenso liegt es im Entscheidungsbereich der städtischen Gremien – Gemeinde- bzw. Stadt- oder Landrat resp. (Ober-)Bürgermeister –, ob die KI in einem kommunalen Rechenzentrum betrieben werden soll oder extern über einen Cloudservice bezogen wird. Gleiches gilt für den Datenraum, in dem alle städtischen Informationen zusammenfließen, um zur KI-Auswertung bereitzustehen. „Bei Bedarf liefern wir Datenraum und Künstliche Intelligenz komplett mit“, sagt Dr. Daniel Trauth, „die Kommune bezieht in diesem Fall die gesamte Funktionalität einschließlich KI-Analysen von uns wie aus einem Smart-Kraftwerk.“ Auf Wunsch kann die Gemeinde Datenraum und KI-System aber auch eigenständig betreiben und nur das Betriebssystem von dataMatters für die „Smartisierung“ nutzen.
Nach Angaben von dataMatters unterschützt urbanOS heute schon alle gängigen KI-Modelle und IT-Systeme, so dass diese nahtlos an das kommunale Betriebssysteme angedockt werden können. Technisch handelt es sich dabei um ein „Application Programming Interface“ (API), das alle marktüblichen Schnittstellen umfasst. „Wir unterstützen unzählige Konnektoren zu Sensoren, Funknetzen, Datenbanksystemen sowie Drittanbietersoftware und OpenData-Portalen“, sagt Dr. Daniel Trauth. Er versichert zugleich: „Eventuelle Spezialwünsche einer Kommune oder auch eines Bundeslandes werden im Rahmen eines Smart-City-Projekts von uns gerne erfüllt“.
Für die Funkanbindung der Sensoren setzt dataMatters auf sogenannte „Long Range Wide Area Networks“ (LoRaWAN). Diese ermöglichen die Datenübermittlung über lange Strecken mit minimalem Energieaufwand. Der Funkstandard LoRa wurde speziell für das „Internet der Dinge“ (Internet of Things, IoT) entwickelt, wozu die in Smart Cities eingesetzten Sensoren aller Art gehören. Schätzungen zufolge sind weit über zehn Milliarden IoT-Geräte weltweit im Einsatz.
In konkreten Projekten bereits im Einsatz
Dr. Daniel Trauth legt Wert darauf, „dass urbanOS im Rahmen konkreter Projekte in Zusammenarbeit mit mehreren Städten und Gemeinden entstanden ist und nicht etwa am grünen Tisch entwickelt wurde.“ Er nennt Beispiele: In der Stadt Dormagen, zwischen Köln und Düsseldorf gelegen, sind zahlreiche Straßenlaternen mit Sensorboxen in etwa drei Metern Höhe ausgestattet. Die darin untergebrachten Sensoren messen Umweltwerte wie Luftfeuchtigkeit, CO2-Belastung, Feinstaub und Lautstärke und zählen zugleich die Anzahl der vorbeikommenden Fußgänger, Radfahrer und Autos. Das städtische Sensornetz erlaubt es, Stellen mit starker Verkehrsbelastung herauszufinden, gibt den Einzelhändlern und Gastronomen wertvolle Einblicke in die Kundenströme und hilft Stadtfeste zielgenauer zu planen und auszuwerten. Durch „intelligente“ Parkraumbewirtschaftung lässt sich die Balance zwischen dem Ziel autofreier Zonen einerseits und dem Wunsch des stationären Handels andererseits, Kunden zum Einkaufen in der City zu bewegen, um nicht noch weitere Umsätze an den Online-Handel zu verlieren, herstellen. Zudem lassen sich Stellen mit übermäßiger Hitzebelastung identifizieren, um die Bevölkerung im Sommer durch Verschattungsmaßnahmen vor den Folgen der Erderwärmung zu schützen. Alle Daten fließen im kommunalen Datenzentrum zusammen, das mit urbanOS arbeitet.
Ebenso hat die bei Köln gelegene Stadt Hürth die Abfallentsorgung mittels urbanOS optimiert. Dazu wurden die öffentlichen Abfallbehälter mit Ultraschallsensoren ausgestattet, die den Füllstand messen und ihn mittels Funk an das Smart-City-Betriebssystem übertragen. Dort wird mit Künstlicher Intelligenz ermittelt, welche Route die Müllwagen zum Leeren der Behälter am besten nehmen sollten. Durch die Dynamisierung der zuvor festen Route werden Leerfahrten vermieden, was rund 20 Prozent Kosten einspart und die CO2-Emissionen um etwa 30 Prozent verringert, während gleichzeitig gewährleistet ist, dass die Abfallbehälter nicht überquellen. „Kosten sparen, Umweltbelastung reduzieren und besserer Bürgerservice sind die typischen Merkmale einer Smart City“, sagt Dr. Daniel Trauth.
Im Landkreis Coesfeld im Münsterland, der elf Städte und Gemeinden mit einer Viertelmillion Einwohner umfasst, befinden sich derzeit zahlreiche Anwendungsfälle in der Pilotphase. Dazu gehören: permanente Überprüfung der Wasserqualität von Seen und Flüssen, Luftqualitätsüberwachung (Feinstaub, CO2, Temperatur), Stärkung des Einzelhandels durch stets aktuelle Informationen über Passantenströme, Energie- und Ressourcenüberwachung (Strom, Gas, Wasser), Parkraum-Verwaltung (Steuerung des Verkehrs zu freien Parkplätzen/-häusern), Wildmüll-Vermeidung, automatische Bewässerung von Bäumen und Grünflächen zur Vermeidung von Trockenstress.
Insgesamt befindet sich urbanOS nach Angaben von dataMatters in über 20 Städten in einer frühen Startphase, nicht nur in Deutschland, sondern auch in Belgien, Frankreich und den Niederlanden. „Die meisten Kommunen wollen verständlicherweise aber erst an die Öffentlichkeit treten, wenn die Projekte deutlich weiter fortgeschritten sind“, sagt Dr. Daniel Trauth.
Weitere Informationen, Hintergründe, Anwendungsbereiche: www.urbanos.datamatters.io
