Über das Projekt

Hitzeinseln

Städte stehen vor vielerlei Herausforderungen. Einerseits verdichten sie sich durch den Ausbau der Verkehrsinfrastruktur und dem seit Jahren anhaltenden Zuzug immer mehr. Andererseits werden durch dichte Bebauung klimatisch wichtige Frei- und Grünflächen versiegelt und machen die Stadt dadurch noch anfälliger für die Folgen des Klimawandels. Große Beton-, Glas- und Asphaltflächen speichern Wärme weit mehr als Parks und andere Grünflächen. Die Folge sind Hitzeinseln, deren Temperaturunterschied im Vergleich zu ihrer Umgebung bis zu 10 Kelvin betragen kann. Hitzeinseln können für besonders gefährdete Teile der Bevölkerung zu gesundheitlichen Problemen führen und durch aufgeplatzte Asphaltdecken und verzogene Gleise außerdem hohe Schäden und Kosten an der Infrastruktur verursachen.

KLIPS (KI-basierte Informationsplattform für die Lokalisierung und Simulation von Hitzeinseln für eine innovative Stadt- und Verkehrsplanung) wird mithilfe einer Informationsplattform und einem Sensornetzwerk Hitzeinseln vermessen sowie über KI-Algorithmen die Auswirkungen möglicher Maßnahmen simulieren.

Der Nutzen liegt auf der Hand: Besser informierte und vorausschauende Planungen könnten Hitzeinseln verhindern oder zumindest minimieren. Gleichzeitig wäre es möglich, die Maßnahmen zur Eindämmung von Hitzeinseln im Vorhinein abzuschätzen und von allen Alternativen diejenige mit dem größten Effekt und/oder den geringsten Einschränkungen für Wohnen, Arbeiten und Verkehr auszuwählen.

Förderung

KLIPS wird vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI)  gefördert und gehört zu mFUND.  Im Rahmen dieser Forschungsinitiative  fördert das BMVI seit 2016 Forschungs- und Entwicklungsprojekte rund um digitale datenbasierte Anwendungen für die Mobilität 4.0.

Neben der finanziellen Förderung unterstützt der mFUND mit verschiedenen Veranstaltungsformaten die Vernetzung zwischen Akteuren aus Politik, Wirtschaft und Forschung sowie den Zugang zum Datenportal mCLOUD.

Ziele und Konzept

Ziel von KLIPS ist es, heterogene Datensätze in einer (prototypischen) Informationsplattform so zu bündeln, dass der raumbezogene Zielkonflikt (Klimawandel vs. Nachverdichtung vs. Verkehr) systematisch erfasst und simuliert werden kann. Gespeist aus einer Vielzahl verschiedenster Datenquellen liefert die Plattform dabei nicht nur in Echtzeit einen genauen Überblick über die aktuell im Stadtgebiet auftretenden Hitzeinseln, sondern bietet dank KI auch Prognosen bzw. Simulationen darüber, wo Hitzeinseln zukünftig auftreten werden. Während die Prognosen dazu genutzt werden können, die Bewohner kurzfristig vor Hitzeinseln zu warnen, ermöglichen es die Simulationen, die Auswirkungen baulicher oder planerischer Maßnahmen aufs Stadtklima im Vorhinein durchzuspielen. Dies erlaubt es zum einen, die Entstehung von Hitzeinseln durch Anpassungen oder Umplanungen proaktiv zu verhindern oder zumindest ihre Ausdehnung zu begrenzen. Zum anderen können Maßnahmen zur Bekämpfung von Hitzeinseln im Vorfeld auf ihre Effektivität geprüft und diese ggf. noch in der Planungsphase optimiert werden. Auch lassen sich Alternativen identifizieren, die bei gleicher Wirkung die geringsten Nebeneffekte an anderer Stelle haben. Zugleich schafft KLIPS ein besseres Verständnis des Raumkonflikts – durch räumlich wie zeitlich hochgenaue Daten und der Fähigkeit, aus diesen vielfältigen Daten die wechselseitigen Abhängigkeiten zu identifizieren und zu analysieren.

Mit diesem ganzheitlichen Raummanagement ermöglicht es KLIPS, der Stadt- und Entwicklungsplanung sowie dem Klimawandel zu begegnen, ohne darüber die vielfältigen Ansprüche der wachsenden Stadt vernachlässigen zu müssen – und auch umgekehrt. Die beiden Städte Dresden und Langenfeld sind aufgrund des besonders hohen Problemdrucks sowie der daraus resultierenden breiten Informations- und Datengrundlage als Pilotanwender prädestiniert. Doch KLIPS lässt sich auch auf weitere Kommunen übertragen. So sind sowohl die prototypisch realisierte Informationsplattform als auch angelernte KI-Algorithmen generisch. Sie können daher, die Existenz eines lokalen Sensornetzwerks vorausgesetzt, auch in anderen Städten eingesetzt werden. Die Beteiligung einer Großstadt sowie einer Mittelstadt am Projekt sichert dabei die Übertragbarkeit auf Kommunen verschiedener Größe.

Der Lösungsansatz

Durch den kombinierten Einsatz eines lokalen Sensornetzwerks („Schwarmsensorik“) mit künstlicher Intelligenz werden Hitzeinseln nicht nur in Echtzeit lokalisiert, sondern auch vorhergesagt.

Konsortium

Das Konsortium verfügt über alle Kompetenzen, KLIPS zum Erfolg zu führen. Die Software AG verantwortet als Konsortialführerin Konzeption und Entwicklung der prototypischen KLIPS-Plattform. Hierfür greift sie auf ihre IoT-Plattform „Cumulocity IoT“ zurück, die anwendungsspezifisch für KLIPS weiterentwickelt wird. Dabei arbeitet sie eng mit terrestris sowie ihrem Unterauftragnehmer meggsimum zusammen, deren Kernaufgaben im Aufbau der zentralen Geodateninfrastruktur sowie in der Entwicklung der KLIPS-Services liegen. Ergo konzipiert und entwickelt in Kooperation mit PIKOBYTES Technologie und Methoden für die hyperlokale meteorologische Datenerfassung mit Schwarmsensorik und installiert und betreut die Sensornetzwerke in Dresden sowie Langenfeld. Als akkreditiertes Prüflabor (DIN EN ISO/IEC 17025) verfügt Ergo über langjährige Erfahrungen mit meteorologischen Messungen nach DWD-Standard. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt bringt neben seiner Expertise in der Meteorologie seine weltweit führenden Kompetenzen in der Anbindung, Aufbereitung und Anreicherung von Satellitendaten in KLIPS ein. In der Datenanalyse wird es vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut unterstützt, das sich neben der visuellen Aufbereitung vorrangig mit der Adaption des Maschinellen Lernens für KLIPS beschäftigt. Hierbei wird es auf das tiefe Know-how des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung über das komplexe Wechselspiel zwischen Bebauung, Verkehr und Temperatur zurückgreifen können. Darüber hinaus bringt das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung eigene Daten ins Vorhaben ein.

Das Institut für Informationssysteme der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hof wird als Rechtsberater KLIPS intensiv begleiten und so für die datenschutzrechtskonforme Umsetzung sorgen. KLIPS wird in Dresden und Langenfeld pilotiert, beide Städte sind besonders stark von Hitzeinseln betroffen. Für die Informationsplattform greift KLIPS neben Umweltdaten des Erdbeobachtungsprogramms Copernicus auf Daten der Anwendungspartner zurück. So bringt die Landeshauptstadt Dresden existierende Daten und Unterlagen in das Vorhaben ein. Diese beziehen sich zum einen unmittelbar auf das Stadtklima zum anderen werden übergreifende Daten aus dem umfangreiche Geodaten-Bestand bereitgestellt.  Die Stadt Langenfeld stellt eine Klimaanalyse ihres Stadtgebiets im Raster von 100 x 100 (räumlich verfeinerte Klimaanalyse im Raster 10 x 10 Meter ist in Arbeit) zur Verfügung. Zur Verfeinerung dieser Daten wird in beiden Städten ein engmaschiges Sensornetzwerk aufgebaut, das hochaufgelöst die aktuellen Temperaturen misst.

Neben ihren individuellen Kompetenzen können einige der Partner – namentlich DLR, HHI, HSH, IÖR, die HSH, meggsimum sowie SAG – für KLIPS auch auf die im gemeinsamen mFUND-Projekt SAUBER gewonnenen Erfahrungen und Ergebnisse zurückgreifen. Ziel von SAUBER ist es, eine Informationsplattform zu entwickeln, die sowohl einen Überblick über die aktuelle als auch über die zukünftige Luftverschmutzung bietet.