Paderborn

Die Herausforderungen werden im Rahmen des Modellprojekts Smart City durch fünf Arbeitspakete adressiert, die sich unterschiedlichen Schwerpunkten widmen. Alle zusammen bilden die Smart-City-Infrastruktur unter Einbeziehung eines Digitalen Zwillings. 

Arbeitspaket 1 beschäftigt sich mit der Entwicklung einer urbanen Datenplattform. Diese ist die  Basis für das City-Information-Modell, auf der der Digitale Zwilling abgebildet wird. Der Digitale Zwilling fungiert als Simulationsmodell für die Entscheidungsfindung und Partizipation im Hinblick auf die Stadtentwicklung. Das Modellprojekt ist über die Westfalen Weser Netz GmbH am Verein CIVITAS CONNECT beteiligt und bringt sich in die daraus entstandene CIVITAS/CORE-Community ein. Gemeinsames Ziel der Zusammenarbeit der Kooperationspartner in der Entwicklungsgemeinschaft ist die Weiterentwicklung, Pflege und Wartung einer bestehenden Kernsoftware für urbane Datenplattformen. CIVITAS/CORE wurde unter Open-Source-Lizenz veröffentlicht, wodurch eine uneingeschränkte, kostenfreie Nachnutzung in weiteren Kommunen und eine flexible Anpassung an individuelle Bedürfnisse ermöglicht wird. Die Software dient als interoperable Dateninfrastruktur zur effizienten und effektiven Umsetzung der kommunalen Daseinsvorsorge. Sie ermöglicht die Erfassung, Verarbeitung, anforderungsgerechte und datenschutzkonforme Bereitstellung, das Management sowie die Analyse unterschiedlichster Daten im kommunalen Kontext für verschiedenste Anwendungsfälle im öffentlichen Sektor.

In den Arbeitspaketen 2 und 3 wird für die Stadtplanung ein City Information Model (CIM) bzw. ein digitaler Zwilling aufgebaut und anhand von Anwendungsfällen erprobt. Dadurch erfolgt eine schrittweise Annäherung an die Komplexität des Gesamtkonstrukts eines CIM sowie eines digitalen Zwillings. Der Schwerpunkt liegt auf der Erprobung von einzelnen Komponenten (Schnittstellen, Softwarearchitektur, Anwenderfreundlichkeit für die Nutzer*innen, Vereinfachung von Prozessen zwischen verschiedenen Ämtern).

Bei der Neuplanung von städtebaulichen Projekten muss eine Vielzahl an Aspekten mitgedacht werden. In erster Linie werden Varianten von Planungsszenarien und ihre Auswirkungen auf den Raum und die Umgebung erarbeitet. Diese Szenarien werden zurzeit vor allem durch Planwerke, Gutachten und Zeichnungen entwickelt, was sehr ressourcenintensiv in Form von Zeit und Materialien ist. Durch die Funktionen des Anwendungsfalls „Städtebauliche Simulationen“ im Rahmen des MPSC wird es ermöglicht, schnell und genau erste Planungsvarianten von Gebäuden im 2D und 3D Modus zu erproben und erste Erkenntnisse zu den räumlichen Beziehungen und Auswirkungen auf den Raum zu erhalten. In diesem Kontext ist auch die Bevölkerungsanalyse und -entwicklung von Interesse. Informationen zu Bevölkerungszahlen und -strukturen sind bisher nur in tabellarischer Form vorhanden. In der Planung wird jedoch meist ein räumlicher Bezug benötigt. Eine räumliche Darstellung, zum Beispiel auf Quartiere oder Stadtteile bezogen, ist hier hilfreich, um diese in der Planung im Zusammenspiel mit anderen räumlichen Daten zu sehen. Ein weiterer Anwendungsfall ermöglicht deshalb die Verknüpfung von statistischen Bevölkerungsdaten mit räumlichen Gebietseinheiten und bietet eine Abfragemöglichkeit von Bevölkerungsdaten basierend auf individuellen räumlichen Abgrenzungen (z.B. Umkreis um einen konkret zu planenden Bereich).

Die Stadt Paderborn bewegt sich mit dem Klima Aktionsplan (KAP) in Richtung Klimaneutralität und hin zu einer strategischen Anpassung an die Folgen des Klimawandels. So hat der Stadtrat bereits im Jahr 2019 die CO2-Neutralität des Stadtkonzerns bis 2035 beschlossen. Die gesamtstädtische Klimaneutralität bis 2040 wurde im Jahr 2021 beschlossen. 

Die Digitalisierung kann hier insbesondere beim Zusammenführen von Daten in den Bereichen Wärmeplanung, Grünblaue Infrastruktur und Klimafolgenanpassung helfen. 

Um die gesteckten Klimaziele zu erreichen, werden im MPSC verschiedene Anwendungsfälle realisiert:

Vor dem Hintergrund des Klimawandels müssen die Einflüsse der steigenden Temperaturen im Rahmen der städtebaulichen Planung reduziert werden, um die mit Hitze verbundenen gesundheitlichen Risiken für die Bevölkerung zu reduzieren. Dabei spielt die Vegetation durch Verdunstung und Schatten eine wichtige Rolle. Sie kann so gezielt als Maßnahme zur Hitzereduktion angebracht werden. Dabei ist entscheidend, dass die Vegetation vital und ausreichend mit Wasser versorgt ist. Um dies sicherzustellen, existieren momentan noch keine kostengünstigen Lösungen. Der zu entwickelnde digitale Zwilling liefert ein Monitoring der Vegetation im Hinblick auf Vitalität und Wasserversorgung, sodass bei akuter Trockenheit gezielt gegossen werden kann. Ferner kann damit der Einfluss von gezielten Pflanzungen zur Reduktion von Hitzeinseln überprüft und evaluiert werden.

Neben der Vegetation ist auch das nächtliche Einströmen von Kaltluft wichtig. Kaltluft entsteht potenziell auf Flächen mit einer negativen Strahlungsbilanz. Dies sind vor allem wenig bis nicht bewachsene unversiegelte Flächen wie Äcker und Wiesen. Hier entsteht aufgrund der negativen Strahlungsbilanz in der Nacht kalte Luft, die sich aufgrund ihrer höheren Dichte am Boden sammelt und hangabwärts fließt. Aus diesen Abflussrichtungen, die sich anhand eines Geländemodells ableiten lassen, ergeben sich Einströmschneisen in die Stadt. Diese können einen Beitrag zur Minderung von Hitzeinseln leisten. Zur Identifikation von potenziellen Kaltluftentstehungsgebieten und von Abflussrichtungen und damit Einströmungsbereichen von Kaltluft vom Umland in die Stadt hinein werden verschiedene frei zugängliche Daten zur Oberflächenbeschaffenheit zusammengeführt und die Berechnung der Hangneigung und Hangrichtung mit Hilfe eines digitalen Geländemodells realisiert.

Ein weiterer Anwendungsfall ermöglicht es, Entwürfe von Neubauflächen einfacher auf deren klimatischen Einfluss im Quartier (aber auch gesamtstädtisch) hin zu analysieren, um Masterpläne und Bebauungspläne im Sinne einer lebenswerten, gesunden, klimaresilienten Stadt zu gestalten. Zudem ist der Aspekt des Monitorings von Maßnahmen im Bestand zur Anpassung an den Klimawandel entscheidend, um Stadtentwicklung zukünftig resilienter zu gestalten und negative Folgen von Hitze auf die Bevölkerung zu vermeiden. Langfristig soll der im Projekt zu entwickelnde digitale Zwilling Szenarien zu unterschiedlichen Entwürfen und ihren Auswirkungen der Bauplanung auf städtischen Wärmeinseln liefern, um Planer*innen in ihren Entscheidungen zu unterstützen.

Um der Stadtentwicklung eine ganzheitliche Betrachtung zu ermöglichen, beziehen die Arbeitspakete 4 und 5 die Aspekte aus den wichtigen Lebensbereichen Energie und Verkehr mit ein. 

So wird im Arbeitspaket 4 von der Westfalen Weser Netz GmbH eine Energiedatenplattform entwickelt, die es ermöglicht verteilte Datensätze zusammenzuführen, zu speichern und auszuwerten. Durch die Implementierung auf Plattformebene ergeben sich zahlreiche Mehrwerte, die neben den energiespezifischen Anwendungsfällen darüber hinaus Synergien erzeugen. Insbesondere im Kontext kommunal agierender Akteur*innen werden Möglichkeiten des Datenaustauschs zur domänenübergreifenden Zusammenarbeit geschaffen. 

Im Arbeitspaket 5 werden erste Ansätze zur dauerhaften, zentralen Speicherung sowohl statischer (z.B. Position von Verkehrsschildern, Parkzonen) als auch dynamischer Daten (z.B. Radverkehrsdaten) mit dem Ziel einer Verkehrsdatenplattform geschaffen.

Auf dieser Grundlage kann perspektivisch ein digitaler Zwilling für die Verkehrsdateninfrastruktur entwickelt werden. Dieser unterstützt die Verwaltung im Bereich der Verkehrsentwicklungsplanung, der ÖPNV-Planung, der Immissions- und Emissionsbetrachtung, von Unterhaltungsstrategien für die Verkehrsinfrastruktur und Verkehrssteuerung durch Visualisierung, Verknüpfung sowie Analyse von Daten und in der letzten Ausbaustufe durch Simulationen. 

Zur Datenerfassung dient unter anderem schon vorhandene Hardware aus dem bereits abgeschlossenen Pilotprojekt Schlosskreuzung. Diese soll auf das Stadtgebiet skaliert werden. Ausgewählte Verkehrsdaten werden über die Open Data Plattform bereitgestellt, so dass diese zur Entwicklung von Mobilitätsdienstleistungen durch Dritte genutzt werden können. Das Arbeitspaket unterstützt damit direkt die Ziele des integrierten Mobilitätskonzepts (IMOK), mit dem eine langfristige strategische Rahmenplanung für die Entwicklung und Ausgestaltung der Mobilität der Stadt Paderborn geschaffen wurde.