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Eine solide Dateninfrastruktur für die smarte Region

Mit dem umfassenden, praxisnahen Konzept zum Aufbau eines LoRaWAN- und IoT-Netzes kann jede Kommune Schritt für Schritt die Grundlage für smarte Anwendungen im Gemeindegebiet schaffen.

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Wie lassen sich smarte Anwendungen in Kommunen effizient umsetzen? Die fünf Städte Arnsberg, Bad Berleburg, Menden, Olpe und Soest setzen hierfür auf eine leistungsfähige, energiesparende Datenübertragung in Form eines Long Range Wide Area Network (LoRaWAN). Dieses Netz ist der Schlüssel, um verschiedene Anwendungen – von Luftqualitätsmessungen in Schulen über Leckage-Erkennung bis hin zum Energiemonitoring – zu realisieren und die Ressourceneffizienz in den Kommunen zu verbessern. Wichtigstes Ziel des Kommunalverbundes ist es, mit dem LoRaWAN- und IoT-Konzept eine Grundlage für den Ausbau des Netzwerkes und angeschlossener Sensoren zu schaffen, das über die Kommunen hinaus übertragbar ist. Jede Kommune innerhalb des Konsortiums betreibt dabei ein eigenes LoRaWAN-Netz, während die Daten auf einer gemeinsamen Datenplattform verarbeitet werden.

Unter Federführung von Bad Berleburg entwickelte der Verbund ein Konzept zur Implementierung des Netzes, welches die Kommunen nun für den sukzessiven Ausbau nutzen. Ein entscheidender Vorteil ist, dass standardisierte Schnittstellen und Protokolle verwendet werden und die Interoperabilität innerhalb des Verbundes somit gewährleistet ist. Das Konzept bietet außerdem grundlegende Informationen zu den einzelnen Komponenten des LoRaWAN, zur Auswahl und Konfiguration der Hardware, zum Mapping der Netzabdeckung und weiteren Spezifikationen, die im Implementierungsprozess entscheidend sind.

Die „Fünf für Südwestfalen“ ergänzen in ihrem Konzept sukzessive Erkenntnisse, die sie im Ausbau des LoRaWANs und der angebundenen Sensoren sammeln, um diese so anderen Kommunen leicht zugänglich zu machen. 

Was macht die Smart City Lösung besonders wirkungsvoll? Wie kann Ihre Kommune davon profitieren, die Lösung übertragen und nachhaltig nutzen? Entdecken Sie hier die Schlüsselfaktoren für den Erfolg dieser Lösung.

Erfolgsfaktoren zur Zielerreichung

Strategische Planung für eine skalierbare IoT-Infrastruktur:

Die erfolgreiche Umsetzung des LoRaWANs im interkommunalen Verbund basiert auf einem umfassenden Konzept, das die Implementierung des Netzes in Verbindung mit einer urbanen Datenplattform und – perspektivisch – einem urbanen digitalen Zwilling beschreibt. Ziel ist es, eine skalierbare, interoperable und nachhaltig betreibbare Infrastruktur aufzubauen, die als Grundlage für verschiedene Smart-City-Anwendungen dient.

Schrittweise Tests als Basis für eine erfolgreiche Skalierung:

Ein zentraler Erfolgsfaktor ist der schrittweise Ausbau: Die ersten Gateways wurden getestet, um die Netzabdeckung zu prüfen und Optimierungen vorzunehmen. Gleichzeitig wurden Sensoren unterschiedlicher Hersteller evaluiert, um Kompatibilität und Datenqualität sicherzustellen. Die aus diesen Tests gewonnenen Erkenntnisse werden systematisch dokumentiert und an andere Kommunen weitergegeben, um ihnen die Einführung eines eigenen LoRaWANs zu erleichtern.

Technisches Know-how innerhalb der Kommunen als Schlüssel zur erfolgreichen Implementierung:

Ein weiterer Erfolgsfaktor ist die technische Expertise innerhalb der Verwaltung. Die Kommunen im Konsortium setzen auf technisch versierte Mitarbeitende, die sich aktiv mit der Installation, Konfiguration und Wartung der Gateways beschäftigen. Da es im regionalen Umfeld keine spezialisierten Dienstleister gibt, war es essenziell, internes Know-how zu nutzen und aufzubauen. 

Erfolgsfaktoren zur Übertragbarkeit

Übertragung innerhalb des kommunalen Verbundes:

Innerhalb des Verbundes „Fünf für Südwestfalen“ ist nicht nur in Bad Berleburg, sondern auch in Olpe, Soest und Menden die LoRaWAN-Technologie im Einsatz. Auf Basis des gemeinsamen Konzeptes konnte sie nach der Pilotierung in Bad Berleburg erfolgreich in die anderen Kommunen übertragen werden. Die vier Kommunen greifen auf eine gemeinsame Datenplattform zurück, auf der Datenverarbeitung, Speicherung, Visualisierung und ggf. die standardisierte Weitergabe an Drittsysteme erfolgt.

Übertragbarkeit auf weitere Kommunen:

Die Übertragbarkeit der Lösungen über den kommunalen Verbund hinaus ist ein zentrales Ziel des Projekts. Dafür wurde ein umfassendes LoRaWAN-Konzept erarbeitet, das als „Übertragbarkeitsleitfaden“ für andere Kommunen dient. Es enthält Best Practices, Empfehlungen für gemeinsame Technologiestandards sowie Leitlinien für die technische Integration in eine urbane Datenplattform. Unterstützt wird die Adaption durch einen gemeinsamen Stackfield-Raum für den Wissensaustausch, regelmäßige Vernetzungstreffen und die Bereitstellung von Open-Source-Softwaremodulen.

Wichtige Erkenntnisse aus der Testphase in Bad Berleburg:

Die ersten Tests in Bad Berleburg haben gezeigt, dass eine sorgfältige Planung entscheidend ist. Ein bewährtes Vorgehen besteht darin, zunächst mit ein oder zwei Gateways an städtischen Gebäuden zu starten, die Netzabdeckung zu prüfen und dann schrittweise einzelne Sensoren zu testen. Die Konfiguration der Sensoren kann herausfordernd sein, weshalb der Austausch mit anderen Städten der MPSC-Community wertvolle Erfahrungswerte liefert. Besonders in Kellerräumen oder abgeschirmten Gebäudebereichen ist die Installation eines Indoor-Gateways oft notwendig. Für die Auswahl geeigneter Sensoren hat sich die Zusammenarbeit mit Dienstleistern bewährt, die verschiedene Sensortypen anbieten und aus der Praxis Erfahrungen zu deren Einsatzbedingungen haben. 

Erfolgsfaktoren zur Verstetigung

Vielfältige zukünftige Anwendungsfälle:

Die per LoRaWAN erfassten Sensordaten der „Fünf für Südwestfalen“” sollen gezielt für digitale Stadtplanungszwecke eingesetzt werden. Die beteiligten Kommunen erhalten die Möglichkeit, datenbasierte Entscheidungen in der Stadtentwicklung zu treffen. Durch die Integration in die urbane Datenplattform und perspektivisch in einen urbanen digitalen Zwilling wird sichergestellt, dass die erhobenen Daten visuell aufbereitet, analysiert und direkt in städtebauliche Prozesse einfließen können.

Investition in langfristig nutzbare Basistechnologie:

LoRaWAN ist eine zentrale Basistechnologie für Smart-City-Anwendungen. Die Funktechnologie ermöglicht eine energieeffiziente Übertragung sensorbasierter Daten über weite Distanzen, wodurch sie sich ideal für eine ressourcenschonende und nachhaltige Stadtentwicklung eignet. Die Implementierung schafft nicht nur eine konkrete Lösung für bestehende Herausforderungen, sondern legt auch eine technologische Grundlage, auf der zukünftige Anwendungen, zum Beispiel in den Bereichen Umweltmonitoring, Verkehrssteuerung oder Energiemanagement, aufbauen können.

Aufbau von technischem Wissen:

In der Konzepterstellung und bisherigen Implementierung wurde ein umfangreiches technisches Wissen im Smart-City-Team aufgebaut, das erhalten bleibt. Dies ist besonders relevant, da mit dem kontinuierlichen Ausbau der Gateways und Sensoren auch die Anforderungen an Wartung und Netzwerkmanagement steigen. Der Aufbau von internem Know-how reduziert externe Abhängigkeiten und sichert die langfristige Nutzbarkeit der Infrastruktur. Durch die aktive Einbindung der Fachabteilungen und den praktischen Betrieb der Infrastruktur erwerben zusätzlich weitere Mitarbeitende die notwendigen Kompetenzen, um das System eigenständig zu verwalten und weiterzuentwickeln. 

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Creative Climate Cities

Weitere Informationen

Ausgangsbedingungen und Ziele

Lokale Herausforderungen

Der interkommunale Verbund „Fünf für Südwestfalen“ definierte den Aufbau eines LoRaWAN-Netzes von Beginn an als wichtige technologische Grundlage für smarte Anwendungen in der Region, mit denen unterschiedliche Herausforderungen adressiert werden, so zum Beispiel in den Bereichen Energiemonitoring, Gebäudeüberwachung, Abfall- und Wasserwirtschaft. Ziel ist es, Kosten- und Zeitersparnisse zu erreichen und ressourceneffizientere sowie energiesparende Prozesse zu schaffen. Ein konkreter Anwendungsfall ist der „Energiezwilling“ in Bad Berleburg, der Strom- und Gasverbräuche visualisiert und auswertet, um Optimierungspotenziale zu identifizieren. Energieverbräuche und Anomalien müssen nicht mehr durch manuelle Kontrollen vor Ort festgestellt werden, sondern können direkt über das Sensorensystem analysiert und dadurch Einsparmaßnahmen abgeleitet werden.

Während die meisten Herausforderungen zunächst auf der Ebene einzelner Kommunen im Verbund behandelt wurden, spielen interkommunale Datenströme perspektivisch eine wichtige Rolle – insbesondere in Verbindung mit einer gemeinsamen urbanen Datenplattform. Diese Plattform ist daher mandantenfähig konzipiert, sodass die fünf Kommunen ihre jeweiligen Daten in standardisierten Formaten speichern und verarbeiten können. Während einige Informationen, wie die Parkplatzbelegung einer Nachbarstadt über die einzelne Kommune hinaus wenig relevant ist, gibt es Datenbereiche, die über kommunale Grenzen hinweg von Bedeutung sein könnten. Ein Beispiel hierfür sind Pegelstände von Flüssen, die für Hochwasserfrühwarnsysteme überregional von Interesse sind sowie die Überwachung von Mikroklimadaten. Ein entsprechender Aufbau von Fachwissen auf regionaler Ebene in Verbindung mit der Datenplattform ist ebenfalls ein wichtiges Ziel. 

Planungsziele

Die Konzeption und der Ausbau der LoRaWAN- und IoT-Technologien stehen in der Smart-City-Strategie des Verbundes unter dem Ziel „Gemeinsame Technologien und Plattform schaffen“. Die Maßnahme berührt dabei eine Vielzahl von Handlungsfeldern der Smart-City-Strategie und soll auf diese einzahlen:

  • Stadtgestaltung und öffentlicher Raum
  • Umwelt und Klima
  • Energie
  • Mobilität
  • Verwaltung und Teilhabe
  • Kultur und Tourismus
  • Bildung
  • Wertschöpfung und Innovation 

Die LoRaWAN-Infrastruktur bildet als „Datenrückgrat“ zur Übertragung von Sensordaten eine wesentliche Grundlage für weitere Smart-City-Projekte des Verbundes – allen voran für die gemeinsame urbane Datenplattform und die darauf aufbauenden Anwendungsfälle wie zum Beispiel den Energiezwilling oder ein Raumklimamonitoring. Sie basiert auf einem einheitlichen Technologiestandard, der LoRaWAN als grundlegende Smart-City-Infrastruktur etabliert und in die regionale Datenplattform integriert. So lassen sich Anwendungsfälle und Einzellösungen nicht nur innerhalb der Kommunen, sondern auch überregional übertragen.

Mit der Entwicklung des LoRaWAN-Konzeptes im interkommunalen Verbund erfolgt außerdem der Kompetenzaufbau auf regionaler Ebene – eine zentrale Zielstellung des interkommunalen Smart-City-Projektes der „Fünf für Südwestfalen“. 

Ansatz zur Wirkungsmessung

Die reine Bereitstellung der LoRaWAN-Infrastruktur führt nicht automatisch zu messbaren Erfolgen – entscheidend ist, welche Anwendungsfälle darauf aufbauen. Daher wird die Wirkung der Maßnahme vorrangig anhand der Effekte der angebundenen Lösungen bewertet, zu denen der Verbund jeweils Indikatoren entwickelt.

Der erste Anwendungsfall in der Stadt waren die sogenannten CO2-Ampeln, welche die Stadt während der Corona-Pandemie als Hilfestellung zum korrekten Lüften in den Gebäuden eines städtischen Gymnasiums, im Stadtarchiv sowie im Rathausgebäude installiert hatte. Es handelt sich um ein Bundle von Sensoren zur Messung von CO2-Konzentration, Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit und Taupunkt. Da die Sensoren LoRaWAN-fähig waren, konnten sie für einen risikoarmen Test der Netzabdeckung und der Datenübertragung genutzt werden. Mithilfe der CO2-Ampeln konnte die Schule schon jetzt ineffizientes Heizverhalten reduzieren.

Ein weiterer Anwendungsfall ist ein sogenannter Leckage-Sensor, der erkennt, ob Wasser auf dem Boden eines Raumes (zum Beispiel Kellerr- oder Heizungsraum verursacht durch einen Rohrbruch oder drückendes Wasser von außen beispielsweise bei Hochwasser) steht und dann einen Haustechniker benachrichtigt. So kann eine Pumpe frühzeitig aktiviert oder weitere Maßnahmen eingeleitet werden, um Gebäudeschäden zu vermeiden.

Mit der Einführung des Energiezwillings wird die Wirkung von LoRaWAN noch umfassender messbar: Sensoren erfassen Gas- und Stromverbräuche in Echtzeit, sodass nicht nur Verbrauchsdaten zentral ausgewertet werden können, sondern auch potenzielle Einsparmaßnahmen frühzeitig sichtbar werden. In Kombination mit weiteren Daten wie Wetterdaten oder Daten aus dem Raumklimamonitoring lassen sich so weitere Rückschlüsse auf das Heizverhalten ziehen.

Entwicklung und Umsetzung

Prozessschritte

  1. Aufbau eines technologischen Grundverständnisses; Abschätzen der Möglichkeiten in der eigenen Kommune (abhängig von zur Verfügung stehenden Ressourcen und Zielsetzungen)
  2. individuelle Konzepterstellung für die Kommune:
    1. Bedarfs- und Potenzialanalyse
    2. Machbarkeitsstudie
  3. Testung anhand ausgewählter Anwendungsfälle → Proof of Concept (bestenfalls können bestehende Sensoren angebunden werden, um kostensparend zu testen)
  4. Testausbau des LoRaWANs (Gateways zur Weiterleitung der Sensordaten an einen zentralen Server); in Bad Berleburg beispielsweise ein Outdoor- und drei Indoor-Gateways
  5. Mapping der resultierenden Netzabdeckung; in Bad Berleburg über einen Feldtester an einem Stadtwerkefahrzeug
  6. Einbindung weiterer Sensoren
  7. Integration der Anwendungsfälle in die urbane Datenplattform

Governance

Die Stadt Bad Berleburg übernahm die Federführung bei der Entwicklung des LoRaWAN-Konzepts für den interkommunalen Verbund. Die Anforderungen wurden mit allen fünf Kommunen gemeinsam definiert. Die Hypertegrity AG, die bereits für die urbane Datenplattform zuständig ist, erhielt den Auftrag zur Erstellung des Konzeptes. 

Den Ausbau des LoRaWAN-Netzes setzen verschiedene Stadtwerke und Dienstleister in den beteiligten Kommunen um. Gleichzeitig sorgen die Hypertegrity AG und Südwestfalen IT für die technische Integration in die urbane Datenplattform. Für die Nutzung der erhobenen Daten sind die Fachabteilungen der Kommunen maßgeblich verantwortlich. Das Immobilienmanagement oder andere zuständige Akteure in Ortschaften sind eingebunden, wenn es um die Implementierung von Energiesensoren in öffentlichen Gebäuden geht.

Perspektivisch werden die Fachabteilungen der Kommunen eigene Bedarfe entwickeln und neue Daten in ihre Abläufe integrieren, ohne selbst die technische Wartung des Netzes übernehmen zu müssen. Dies stellt das Smart-City-Team von zentraler Seite aus sicher. 

Kosten bei Beschaffung

Personalkosten / alternativ Personentage Sachkosten investive Kosten
Anschaffung

18.000€ (Erarbeitung des Konzeptes)

400 Std 

4.000€ (Sensoren)

65.000€ (30 Outdoor- und 20 Indoor-Gateways)
Betrieb  4 Std. pro Jahr und Gerät (Wartung Geräte)

2.500 € jährlich (LoRaWAN-Netzwerkserver)

20€ jährlich pro Gerät (Stromkosten)

Die Kosten für die Erarbeitung des Konzeptes betrugen circa 18.000 €. Weitere Kosten in Höhe von circa 4.000 € sind für die Beschaffung und Installation erster Gateways und Sensoren angefallen. Für den geplanten flächendeckenden Ausbau im gesamten Stadtgebiet von Bad Berleburg gehen wir derzeit von weiteren 30 Outdoor-Gateways (teilweise mit Solarbetrieb) sowie 20 Indoor-Gateways aus. Die Kosten dafür inklusive Montage belaufen sich auf circa 65.000 €. Im laufenden Betrieb fallen Kosten für die Nutzung des LoRaWAN-Netzwerkservers (circa 2.500 € jährlich) sowie für IoT-SIM-Karten an, sofern die Gateways darüber betrieben werden.

Zusätzlich sollten der interne personelle Aufwand für die Auswahl von Gateway-Standorten und die Betreuung beziehungsweise Begleitung der Montage (Vor-Ort-Termine) durch ein externes Unternehmen berücksichtigt werden. Außerdem müssen der Wartungsaufwand für Anpassungen in der Konfiguration der Gateways oder das Einspielen von Firmware-Updates betrachtet werden. Hier gehen wir derzeit von vier Stunden pro Jahr und Gerät aus (rein theoretische Annahme). Zusätzlich sollte auch der Stromverbrauch der Gateways berücksichtigt werden: Auch wenn dieser mit einer rein rechnerischen Annahme von circa 20 € pro Jahr und Gerät relativ gering ist, gilt es doch, dies langfristig und vor allem bei einer Vielzahl von Geräten einzuplanen und auch bei der Standortauswahl (je nachdem, ob es sich dabei um eine städtische Liegenschaft oder um ein mischgenutztes Gebäude handelt) hinsichtlich der geteilten Stromkostenabrechnung zu bedenken.
Der finanzielle und personelle Aufwand für den Betrieb ist stark von der Anzahl der Gateways abhängig. Dieser wiederum ist abhängig von der gewünschten Netzabdeckung sowie den landschaftlichen oder urbanen Gegebenheiten (Bebauungsdichte, Flachland versus Bergland). (Alle Kosten netto.)

Partizipation und Kommunikation

Von Beginn an arbeiteten die fünf beteiligten Kommunen – vertreten durch ihre Smart-City-Managerinnen und -Manager und IT-Abteilungen – eng zusammen, um zentrale Anforderungen und Anwendungsfälle für das LoRaWAN zu definieren. Gemeinsam sammelten sie relevante Anforderungen und priorisierten sie für die Umsetzung. Nach der ersten Erstellung prüften die anderen Kommunen das Konzept und ergänzten es mit ihren Erkenntnissen.

Technische Infrastruktur

Das LoRaWAN besteht aus folgenden Komponenten:

  • Sensoren zur Erfassung der Messwerte
  • Gateways zum Empfang der Sensordaten und Weiterleitung an den LoRaWAN-Netzwerk-Server (LNS)
  • LoRaWAN-Netzwerk-Server (LNS) zur Implementierung des LoRaWAN-Protokolls; Ent- und Verschlüsselung der Daten; MQTT-Server zum Abruf von Daten durch Clients
  • Packet Broker zum Austausch von LoRaWAN-Daten zwischen verschiedenen Mandanten oder Netzwerken
  • Payload Decoder zur Umwandlung der binären Sensordaten in ein lesbares Format (zum Beispiel JSON)
  • LoRa-Adapter zur Anpassung der Sensordaten an standardisierte Datenmodelle für die Weiterverarbeitung
  • Management-Adapter zur Verwaltung und zum Abruf von Sensormetadaten aus dem LNS (zum Beispiel Name, Beschreibung, Attribute)
  • Context Broker zur Speicherung und Bereitstellung aktueller Sensordaten für Dashboards, Geoportale und APIs
  • Historisierung zur Speicherung vergangener Messwerte in Zeitreihendatenbanken für Analysen und Berichte

Detaillierte Spezifikationen zu genutzten Standards, Verschlüsselungen und verwendeter Hardware sind dem Konzeptpapier zu entnehmen: https://smartcities-suedwestfalen.com/wp-content/uploads/2024/05/LoRaWAN-Konzept-BLB_v1.0-1.pdf

Datengrundlagen

Für die urbane Datenplattform wurde die Nutzung der FIWARE-Standards (Future Internet Core Platforms and Services) für das Kontextmanagement festgelegt, die sich nach der Referenzarchitektur der DIN SPEC 91357 (Referenzarchitekturmodell Offene Urbane Plattform (OUP)) richten. Darauf sind entsprechend die LoRa-Adapter ausgelegt. Als Schnittstellenstandard wird das offene Netzwerkprotokoll MQTT (MQ Telemetry Transport) genutzt. 

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