Smart City
Künstliche Intelligenz kann die kommunale Planung und den Betrieb effizienter, nachhaltiger und auch transparenter machen.
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Digitalisierung

Künstliche Intelligenz und Big Data im kommunalen Alltag

5. Juli 2022
Corona hat bereits existierende Trends massiv beschleunigt. Im Bereich der Digitalisierung waren die direkten Effekte sicherlich am größten was sich etwa an der Entwicklung von E-Commerce oder der Nutzung von Videokonferenzen zeigt. Bereits vor der Pandemie wurde unser Alltag maßgeblich durch neue digitale Angebote und Technologien beeinflusst. Nun wurde in kürzester Zeit branchen- und altersunabhängig ein neues Level der Digitalisierung erreicht. Dieser Trend ist weder aufhaltbar noch reversibel. Die Grenze zwischen Digitalem und Analogem verschwinden entsprechend zunehmend. Damit wird sich auch die kommunale Handlungspraxis sowie die Geografie und Beschaffenheit unserer Lebensorte verändern. Doch was erwarten wir von der digitalen Gemeinde und ihren Technologien?

Kommunen müssen sich mit damit auseinandersetzen, wie sich der digitale Wandel auf die lokale Gesellschaft und auf das politisch-administrativen System auswirkt. Im Fokus stehen dabei die sich ergebenden Chancen, aber auch die Auswirkungen der digitalen Transformation auf die Lebenswelten der Bevölkerung sowie auf die kommunale Aufgabenerfüllung.

Getrieben durch den Klimawandel und die voranschreitende Digitalisierung waren Stadtforscher sowie IT- und Sozialwissenschaftler in den letzten zehn Jahren Pioniere, wenn es darum ging, neue Datenanalyse-Methoden und digitale Planungswerkzeuge für Kommunen zu gestalten. Neben dem Klimawandel und der nachhaltigen Gestaltung von Lebensräumen hat auch das Thema „Well-Being“ einen höheren Stellwert erhalten.

Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) oder die Analyse großer digitaler Datensätze sind längst kein reines Forschungsthema mehr. Mittlerweile wurde eine Vielzahl von Pilotprojekten in die Praxis überführt. So kommen diese Ansätze bereits bei verschiedenen Aufgaben des kommunalen Managements wie auch der kommunalen Entwicklungsplanung zum Einsatz. Eine kurze Übersicht zu den prominentesten Anwendungsdimensionen:

Kommunale Quartiersplanung

KI-gestützte Methoden kommen zum Teil schon in sehr frühen Planungsphasen von neuen Wohnvierteln zum Einsatz. Die neuen Methoden ermöglichen es, nachhaltige Quartiere und Nachbarschaften zu planen, die unter anderem die körperliche Aktivität und soziale Kontakte der Bewohner fördern.

Die Entwicklung solcher Methoden sowie die Einführung in den kommunalen Planungsprozess und die Einbindung von Entscheidungsträgern wird seit einigen Jahren unter anderem von City Intelligence Labs (CIL), einem interaktiven Stadtplanungslabor am Austrian Institute of Technology (AIT) in Wien, national und international umgesetzt und vorangetrieben.

Partizipative Bürgerbeteiligungen

Mit digital-unterstützten partizipativen Prozessen wird die Bevölkerung vermehrt in Planungsprozess eingebunden. Per Smartphone-App können Bürgerinnen und Bürger zum Beispiel bei der Umgestaltung eines Platzes mitplanen und ihre Anregung einbringen. Diese Feedback-Daten können von der Gemeinde gesammelt werden und erlauben es den Entscheidungsträgern stärker auf die Bedürfnisse der Bevölkerung einzugehen.

Die Digitalisierung erhöht die Transparenz des Prozesses und ermöglicht es der Gemeinde auch das Bewusstsein für Probleme (Stichwort urbane Hitzeinseln) zu erhöhen. So können zum Beispiel bei der Platzumgestaltung den Bürgerinnen und Bürgern die Klimaeffekte ihrer Anregungen, aber auch die Kosten dargelegt werden.

Mobilität & Verkehr

Die stetig wachsende Nutzung digitaler Methoden und Technologien in unserer Gesellschaft führt dazu, dass Unmengen generierter und geo-referenzierter Daten mittels Big-Data-Analyse und KI neue Einblicke in die Dynamiken einer Gemeinde erlauben.

Verkehrssteuerung
Mobilfunkdaten können dahingehend analysiert werden, wo Engpässe im Verkehrsgeschehen zu erwarten sind. Foto: CCastilla - stock.adobe.com

Mit diesen Einblicken bieten sich Stadt- und Gemeindeverwaltungen neue Möglichkeiten, ihre Aufgaben (von der Ver- und Entsorgung bis zur dynamischen Verkehrslenkung) zu optimieren und flexibel auf Herausforderungen zu reagieren. So können etwa Mobilfunkdaten dahingehend analysiert werden, wo Engpässe im Verkehrsgeschehen zu erwarten sind.

Soziale & ökonomische Entwicklung

Das Analysieren von großen Datenmengen wie zum Beispiel aus Social Media oder Zensusdaten kann auch Zusammenhänge und Kausalitäten von kommunalen Dynamiken sichtbar machen. Das reicht von der frühen Erkenntnis krimineller Aktivitäten bis zur Entwicklung des Grund- oder Immobilienwertes. Ein solcher datenbasierter Ansatz bietet Gemeinden und deren Verwaltungen die Möglichkeit, Entscheidungen zu treffen und maßgeschneiderte Strategien zu erarbeiten.

Energie

Ein weiterer Anwendungsbereich liegt im Bereich des Ressourcenmanagements. So kann etwa der Energieverbrauch einer Gemeinde räumlich-zeitlich festgehalten und analysiert werden. Die Ergebnisse können anschaulich visualisiert werden.

Auf dieser Basis kann der Energiebedarf optimiert werden und ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz erreicht werden. Durch die Visualisierung von Verbrauchsdaten können auch Initiativen gesetzt werden, die zu einer Änderung des Verhaltens (Behaviour-Change) führen oder die Bevölkerung zu einer Verhaltensänderung (Nudging-Strategien) animieren. Damit werden die Verbraucherinnen und Verbraucher aktiv in Klimaschutzstrategien eingebunden.

Wasser

Der wachsende Zugang zu immer günstiger werdender Hardware wie Sensoren und Prozessoren eröffnet Start-ups und Kleinunternehmen eine flexible Entwicklung von Technologien, die auch abseits finanziell geförderter Leuchtturmprojekte der Großstädte eingesetzt werden können. So entwickelt beispielsweise ein Start-up eine KI-unterstützte Plattform, die in der Lage ist, die Qualität von Trinkwasserquellen kostengünstig zu bestimmen.

Entsorgung

Ein weiteres Beispiel einer dynamischen „Low-cost“-Lösung gibt es für das Problem von illegalen Müllablagerungen. Algorithmen können genutzt werden, um öffentlich zugängliches Fotomaterial - wie zum Beispiel aus den sozialen Netzwerken - zu analysieren und auf Müllablagerungen im Foto zu prüfen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse können zum einen von lokalen Verwaltungen zur Effizienzsteigerung der Müllbeseitigung genutzt werden, zum anderen können sie dazu dienen, um Maßnahmen zu setzen, die dem Problem entgegenwirken.

KI für kleine Gemeinden

Bei der Übersicht dieser Dimensionen wird klar, dass digitale Technologien eine Vielzahl an Möglichkeiten bieten, kommunale Herausforderungen zu meistern, um die Lebensqualität für die Bevölkerung zu verbessern.

In den vergangenen Jahren lag der Fokus der Smart-City-Diskussion stark auf Großstädten. Bei genauerer Betrachtung wird jedoch klar, dass viele der erprobten Anwendungen auch für kleinere Kommunen relevant und hilfreich sind.

Die besonderen Herausforderungen liegen dabei darin, dass die Ressourcen in kleineren Gemeinden limitiert sind und oft nicht klar ist, welche Chancen die Anwendung von KI-gestützten Methoden bieten. Eines ist dabei klar, die Digitalisierung wird kommen – auch in kleineren Gemeinden. Die Schlüsselfrage wird sein wie

Damit sich Investitionen langfristig auszahlen und finanzielle Risiken minimiert werden, ist es wichtig, die individuellen Bedürfnisse herauszufinden und Ziele zu definieren. Das AIT begleitet Kommunen in Österreich und weltweit dabei, neue digitale Zugänge für die kommunale Planung und für die Praxis zu finden.

Wie diese Zugänge und auch die Anwendungsfälle aussehen und wie Gemeinden und deren Bevölkerung in Ihrer Gesundheit und Lebensqualität unterstützt werden können, soll anhand von Beispielen aufgezeigt werden.

Eine Blaupause für digitale Raumentwicklung

Bei der Nutzung von Daten und künstlicher Intelligenz die richtigen Weichen zu stellen, ist sicherlich eine der anspruchsvollsten Aufgaben, wenn man sich des Themas als Kommune verantwortungsvoll und ressourceneffizient annehmen möchte.

Im Rahmen der Internationalen Baustellung (IBA) 2022 hat man sich der Frage angenommen, wie eine alte US-Kaserne, das Patrick Henry Village (PHV) in Heidelberg, zu einem neuen digitalen Quartier entwickelt werden kann.

Das ca. 100 Hektar große Areal liegt als bebauter Archipel im Landschaftsraum der ländlich bis hoch-urbanisierten Rhein-Neckar-Region. Ziel des Projektes war es, eine Blaupause zur Gestaltung der „Europäischen Smart City“ zu schaffen und damit den Weg einer zukunftsorientierten digitalen Stadtentwicklung zu beschreiben.

Zusammen mit der Stadtverwaltung von Heidelberg erarbeitet das AIT die Leitgedanken der zukünftigen Digitalisierung sowie die Ziele. Ein erster wichtiger Schritt dazu war eine Bedarfserhebung, die in enger Zusammenarbeit zwischen den Expertinnen und Experten des AIT und der Kommunalverwaltung durchgeführt wurde. Durch diese wurde erfasst, welche kommunalen Aufgaben und Themen sich für eine Digitalisierung eignen.

Darüber hinaus wurden die vorhandenen Ressourcen und Prozesse beleuchtet, um eine umsetzungsorientierte und realistische Roadmap zu entwerfen. Daraus entstand durch Foren mit der Stadtverwaltung und mit der Öffentlichkeit ein Bild, welche Themen prioritär behandelt werden sollen.

Das Ergebnis war ein Konzept, wie die Kommune das PHV in Zukunft digital betreiben soll. Dabei stand der Komfort der Bewohnerinnen und Bewohner sowie die Nachhaltigkeit im Vordergrund. Ein so genanntes Regiebuch beschreibt die Umsetzungsschritte für die Stadt.

Neben der digital gemanagementen Konversion des PHV anhand eines sogenannten digitalen Zwillings steht der Komfort der Bewohnerinnen und Bewohner im Vordergrund. So wurden in Zusammenarbeit mit den städtischen Betrieben neue Service-Abomodelle erarbeitet, die die Bereiche Energie, Mobilität und Entsorgung vereinen und in neuen On-demand-Modellen bündeln, die von den Bürgerinnen und Bürgern per App gebucht werden können.

Der Diskurs via öffentlichen Foren hat gezeigt, dass die Bewohnerinnen und Bewohner in die Diskussion eingebunden sein müssen, um eine Akzeptanz und Vertrauen zum kommunalen Umgang mit neuen Technologien und den Daten aufzubauen.

Ein Beispiel dazu ist der Einsatz von Daten z. B. beim städtischen Management der Verkehrsmittel: Ob die Zahlen zur Fahrgastauslastung eines Verkehrsmittels aus einer kommunalen Smart-Phone-App oder aus in den Fahrzeugen verbauten Sensoren kommen, macht für die Bürgerinnen und Bürger im Sinne der Anonymität einen maßgeblichen Unterschied.

Insgesamt konnte für das PHV ein gesamthaftes Vorgehen erarbeitet werden, bei dem für die Stadt die Schlüsselthemen für die nächsten Jahre definiert wurden. So wurde das Bild geschärft, wo Heidelberg mit dem Einsatz von Daten und von künstlicher Intelligenz etc. im Alltag ansetzen möchte und wie die Stadt mit den Chancen und Risiken dieser Entwicklung umgeht.

KI-unterstützte Flächenwidmung

Das im Zusammenhang mit Digitalisierung wohl prominenteste Beispiel der Digitalisierung ist die digitale Baueinreichung. Aus Sicht der Planungspraxis stellt sie jedoch nur einen sehr kleinen Teil des gesamten Planungsprozesses dar. Dessen Digitalisierung ist eine weitreichende Aufgabe, die neue Standards für die gesamte Branche erfordert.

Eines ist jedoch klar, es entstehen eine Vielzahl von Chancen. Für Gemeinden ergeben sich diese vor allem bei planerischen Alltagsaufgaben wie der Flächenwidmung. Diese kann durch intelligente Planungsinstrumente beschleunigt werden. Das AIT unterstützt Gemeinden zum Beispiel dabei, verschiedene Planungsszenarien zu erstellen und diese unterstützt durch KI zu optimieren.

Die Besonderheit dieser Szenarien beruht auf zwei Neuerungen. Zum einen werden die Szenarien nicht mehr wie üblich in rein-händischer Arbeit (CAD Programme o. Ä.) ausgearbeitet, sondern parametrisch erstellt. So lassen sich Pläne und Modelle ohne großen Aufwand sofort verändern. Als Beispiel sei die Anpassung von Straßengrößen, Baublöcken etc. genannt.

Zum anderen werden die Auswirkung der Planung auf den Dimensionen Verkehr, Energie, Klima, Umwelt, Ökonomie bereits während des Entwerfens dargestellt. Somit kann bei der Planerstellung sofort festgestellt werden, inwieweit sich eine Planung zum Beispiel auf das übergeordnet Verkehrsnetz auswirkt oder ob sich das lokale Klima maßgeblich verschlechtern wird. Dafür kommt künstliche Intelligenz zum Einsatz. Sie kann die Auswirkung der Planung auf lokalem und auch regionalem Maßstab vorhersagen. Im Gegensatz zu aufwendigen Simulationen (z. B. für den Level of Service im Verkehrsbereich oder Mikroklimasimulationen) sind die Ergebnisse auf Anhieb verfügbar.

Aufzonung in Wien-Meidling

Ein Beispiel für eben solche Planung ist ein Projekt zur Aufzonung im 12. Wiener Gemeindebezirk. Zur Vorbereitung der neuen Flächenwidmung wurden verschiedene Entwicklungsszenarien untersucht. Maßgeblich waren die politisch festgelegten Vorgaben zur Schaffung neuer Wohn- und Arbeitsflächen. Durch die Darstellung der Auswirkung auf den verschiedenen Dimensionen konnten die Zielkonflikte genau analysiert werden und die jeweiligen optimalen Planungslösungen gefunden werden.

So konnten auch gezielte Aufzonung verfolgt werden, um zum Beispiel einer Lärmbelästigung durch Zugverkehr entgegenzuwirken. Zudem wurden wichtige Hinweise für den städtischen Betrieb aus dieser hoch-informierten Planung abgeleitet. So konnten Takterhöhungen und Haltestellen Verlegungen im öffentlichen Nahverkehr mitgeplant werden, die der Bewohnerdichte Rechnung tragen.

Dieser Planungszugang unterstützt die Planerinnen und Planer durch einen sonst nicht verfügbaren Informationsgehalt und entlastet sie, da manuelle Arbeiten reduziert werden können. Entscheidungsträgern aus Politik können solide und hoch-informierte Grundlagen vorgelegt werden auf dessen Basis fundiert und nicht ideologisch getriebene Diskussionen geführt werden können.

Künstliche Intelligenz gegen den Klimawandel

Auch wenn die Aufmerksamkeit der letzten zwei Jahre auf der Pandemiebekämpfung lag, ist die Anpassung an den Klimawandel das bestimmende Zukunftsthema. Denn eines ist klar, der Klimawandel kann die soziale und wirtschaftliche Stabilität einer Gemeinde nachhaltig verändern.

Bereits vor der Pandemie stieg die Erwartungshaltung der Bevölkerung an Politik und Verwaltung, lokale Antworten auf den Klimawandel zu finden. Doch wie gestaltet man eine Kommune in Zeiten von Klimawandel? Wie sieht resiliente Stadt aus und wie erklärt man den Bürgern, welche Maßnahmen wirken?

Ein Beispiel für einen neuen Ansatz bietet die Stadt Wiesbaden mit der Entwicklung des Ostfeldes. Es gilt nicht nur als das größte Erweiterungsgebiet der Stadt, sondern auch ein lokal und regional klimatisch wichtiges Areal. Daher entschied man sich, nicht nur klassische Klimagutachten, die den Status-quo darstellen, zu beauftragen und dann mit den üblichen städtebaulichen Wettbewerben fortzufahren, sondern dem Areal von vornherein eine Klima-DNA einzuschreiben.

Diese soll die klimaverträgliche Entwicklung des Areals garantieren und zum anderen die lokale Lebensqualität als einen angenehmen Wohnort gewährleisten. Die DNA definiert fakten-basiert den klimaverträglichen städtebaulichen Rahmen für die Entwicklung des Areals und gilt als Richtlinie für die weiteren städtebaulichen und architektonischen Wettbewerbe.

Für die Erstellung der Richtlinie wurde ein digitaler Zwilling, ein digitales Abbild des Areals und der weiteren Umgebung aufgelegt. Anhand dessen wurden die Klimaauswirkungen bei verschiedenen Bebauungsvarianten festgestellt und neben den Rahmengebenden städtebaulichen Parametern auch konkrete Handlungsanweisungen für die weitere Entwicklung abgeleitet.

Im nächsten Schritt ist es so möglich, ein digitales datenbasiertes Klima-Qualitätsmanagement aufzulegen. Das heißt konkret, dass in der nächsten Entwicklungsphase des Areals die Wettbewerbsteilnehmer digitale Modelle einreichen müssen. Diese werden auf ihre Klimaauswirkungen evaluiert. So kann sichergestellt werden, dass der Sieger nicht nur einen städtebaulich-architektonisch guten Entwurf vorlegt, sondern dieser auch dazu beiträgt, negative Klimaauswirkungen wie lokale Überhitzung oder Starkregenschäden zu vermeiden. Mit diesem Vorgehen ist es Wiesbaden möglich, das komplexe Thema Klima für die breite Öffentlichkeit greifbar zu machen und ideologischen Diskussionen mit Fakten zu begegnen.

Ausblick

Die Digitalisierung und mit ihr die Möglichkeiten, Daten und künstliche Intelligenz für kommunale Management und Planungsaufgaben einzusetzen, schreitet in einem hohen Tempo voran. Es gibt eine Vielzahl an Anwendungsfällen, die bereits heute in vielen Gemeinden eingesetzt werden.

Diese Anwendungen werden die kommunale Planung und den Betrieb effizienter, nachhaltiger und auch transparenter machen. Den Bewohnerinnen und Bewohnern einer Stadt bringen sie die Möglichkeit, die Lebensumgebung gesünder und komfortabler zu machen.

Mittelfristig wird der voranschreitende Einsatz aber nicht nur unser Handeln, sondern auch das Erscheinungsbild unserer Städte und Gemeinden beeinflussen, zum Beispiel wenn der lokale Hauptplatz nicht mehr nur aus der Architektenhand kommt, sondern anhand der kommunalen Klimabewertung und dem Feedback der Bürger zukunftsfit gestaltet wird.

Das Ausmaß und die Herangehensweise wie Kommunen mit dem Thema umgehen, ist sehr unterschiedlich. Die Praxis zeigt, dass es keine Lösungsschablonen gibt, die von Gemeinde zu Gemeinde kopiert werden können.

Die wahrscheinlich größte Herausforderung ist es, die grundsätzlichen Themen, um Zielsetzung, Ressourcenaufwand, Prozessanpassungen, rechtliche Einschränkungen, Datenschutz und Kompetenzen zu klären. Dafür braucht es Bedarfserhebungen entlang der kommunalen Aufgabenbereiche, die zu klaren Zielperspektiven führen. Nur so können teure Ausflüge oder Digitalisierungsmosaike, im Sinne von sich konterkarierenden Initiativen, vermieden werden.

Eine Schlüsselfrage wird sein, wie der Umgang mit Daten und KI in Zukunft aussehen wird. Welche Charakteristika hat die smarte Kommune in Österreich und Europa?

In diesem Sinne gilt es auch, die Bevölkerung frühzeitig mitzunehmen, denn die Ausgangslage ist denkbar komplex. Große Technologiekonzerne besitzen bereits weit mehr Detailwissen über die Bürgerinnen und Bürge als lokale Verwaltungen. Nutzer teilen bereitwillig ihre persönlichen Daten mit den Konzernen im Tausch gegen zumeist kostenfreie Serviceangebote. Bei städtischen Digitalisierungsabsichten stellt sich die Lage hingegen schwieriger dar. Befürchtungen zu Überwachung oder Datenverlust sind immens.

Wie können Kommunen das Vertrauen der Bürgerinnen und Bürger in puncto Datenmanagement und Sicherheit gewinnen? Dafür braucht es eine klare Haltung der Kommune, einen Diskurs der Transparenz herstellt und die klare Darstellung welchen Mehrwert die neuen Anwendungen für die Bürger darstellen. Auch wenn der Aufwand teilweise groß erscheint, die Chance, die Digitalisierung für das Gemeinwohl und somit für die Bürgerschaft zu nutzen, darf nicht verpasst werden.

Der Artikel beruht auf einen Beitrag von Nikolas Neubert und Martin Traunmüller vom AIT Austrian Institute of Technology im Zukunftsbericht 2022 des Österreichischen Gemeindebundes.