Stadtklima-Monitoring für die Klimafolgenanpassung

Integration in bestehende Systeme 

Die erfassten Daten fließen direkt in das bestehende Messdaten-Management System der Stadt Bochum ein. Das verbessert das städtische Monitoring.  

Akzeptanz und Implementierung technologischer Lösungen in der Stadtverwaltung 

Die positiven Erfahrungen während der Pilotierung der Lösung trugen dazu bei, Vorbehalte gegenüber neuen technischen Lösungen zu überwinden.  

Evidenzbasierte Entscheidungen in der Stadtentwicklung 

Die Maßnahme fördert effektiv und nachhaltig die Umsetzung stadtentwicklungspolitischer Ziele, vor allem im Bereich der Klimafolgenanpassung, indem sie fundierte Entscheidungen ermöglicht, Problembereiche identifiziert und eine langfristige Planung unterstützt. 

Quelloffene Backend-Software und Datenübertragungen über das LoRaWAN-Funknetz  

Das Stadtklima-Monitoring soll Bestandteil der Bochumer in Planung befindlichen urbanen Datenplattform, einer quelloffenen Backend-Software werden. Die verwendete Sensorik (unter anderem Messungen mit Bodenlanzen, Vitalitätsmessungen per elektrischen Widerstandssensor und Temperatur oder das Gewässermonitoring mit Messungen der Leitfähigkeit, pH- und Redoxwerte und des Sauerstoffgehalts) kann von anderen Kommunen auf gleiche Weise implementiert werden. Dabei können nach Abschluss der Umsetzungsphase Erkenntnisse aus der Bochumer Maßnahme in Bezug auf verwendete Sensorik (Fabrikate, sinnvolle Anpassungen, Art der Instrumentierung), Datenübertragungen über das LoRaWAN-Funknetz, die Verknüpfung von Klimamonitoring und urbaner digitaler Plattformen sowie geeignete Einsatzorte bei bodenphysikalischen Besonderheiten weitergegeben werden. In ähnlicher Weise nutzen aktuell die Städte Düsseldorf, Duisburg und Dortmund die Lösung.   

Städteübergreifende LoRaWAN-Netzwerkserver-Verbindung  

Darüber hinaus wird eine Verbindung mit den Sensornetzwerken der benachbarten Städte (unter anderem Witte und Herne) angestrebt, um insbesondere Extremwetterereignisse über die Stadtgrenzen hinaus verfolgen zu können und so auch zur Verbesserung des regionalen Risiko-Managements beizutragen. Die Städte müssen daher sicherstellen, dass ihre Netzwerke miteinander kompatibel sind, um eine reibungslose Kommunikation zwischen den LoRaWAN-Netzwerkservern zu ermöglichen.  

Es ist geplant, eine Netzwerkarchitektur zu entwickeln, die maximale Sicherheit garantiert. Die Kompatibilität der LoRaWAN-Netzwerke benachbarter Städte soll durch die Gestaltung der Netzwerkarchitektur zur Unterstützung der Interoperabilität erreicht werden. Dies umfasst die Implementierung von Gateways und Servern für den Datenaustausch zwischen den Städten sowie die Einrichtung von Routingmechanismen. Zusätzlich sollen geeignete Sicherheitsmaßnahmen eine wichtige Rolle spielen, um die Integrität, Vertraulichkeit und Authentizität der übertragenen Daten zu gewährleisten, darunter Verschlüsselung, Authentifizierung und Zugriffskontrollen.  

Auswahl geeigneter Sensoren 

Auf Basis technologischer Vorprüfungen und Testläufe wählte die Stadt geeignete Sensoren aus. Dabei wurde insbesondere die Übertragungszuverlässigkeit, die Robustheit der eingesetzten Sensoren sowie deren Messgenauigkeit überprüft. Dabei erwiesen sich Sensoren mit kurzen Bodenlanzen als wenig aussagekräftig und darüber hinaus als unzuverlässig in der Übertragung beziehungsweise der Erreichbarkeit via LoRaWAN. Die heute eingesetzten Sensoren sind 90cm lange Lanzen, die über drei Messpunkte in verschiedenen Tiefen eine gute Beurteilung des Feuchtezustands des Bodens, der Regenversickerung zulassen und auch speziell für die Evaluation von Rigolen-Systemen, also der Bewertung unterirdischer Rückhalteräume zur naturgetreuen Regenwasseraufnahme, -speicherung, -versickerung und -ableitung, wertvolle Hinweise liefern.

Langfristige Prozesskostenoptimierung  

Angeschaffte Sensorik bietet einen Mehrwert für die beteiligten Fachämter und bildet die Grundlage für die kostenoptimierte, digitale Weiterentwicklung städtischer Prozesse. Beispielsweise lässt sich durch die Optimierung von Baumgießzeiten durch stetes Monitoring mittels Bodenfeuchtesensoren die Anzahl notwendiger Gießfahrten so reduzieren, dass sich eine effektive Prozesskostenoptimierung erzielen lässt. Zudem hilft Sensorik, die Wirksamkeit von Investitionen in die Klimafolgenanpassung zu überprüfen. So gelingen der Fokus auf wirklich wirksame Maßnahmen und die Vermeidung teurer Fehlinvestitionen.  

Frühzeitige Einbindung der zuständigen Fachämter 

Die jeweils zuständigen Fachämter (Technischer Betrieb und Tiefbauamt) waren von Beginn an in die Umsetzung eingebunden. Gemeinsam vereinbarte man eine Verstetigung durch die Ämter bei positiver Beurteilung der Maßnahme.  

Integration technologischer Innovationen in städtische Verwaltungsabläufe 

Die enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Ämtern gewährleistet einerseits die frühe Übernahme technologischer Innovationen in die tägliche Verwaltungsarbeit und erleichtert hier die Akzeptanz solcher Lösungen. Andererseits berücksichtigt dieses Vorgehen die spezifischen Anforderungen in der Verwaltung, die häufig eine verbesserte Datengrundlage zur Effizienzsteigerung benötigt. Technologische Neuerungen erleichtern die Überführung in die Standardabläufe.  

Ein geplantes „administratives“ Dashboard berücksichtigt alle neuen sowie Bestandsdaten. Das Dashboard soll als Benutzeroberfläche der urbanen Datenplattform dienen und stellt gleichzeitig sicher, dass das Klima-Monitoring die Arbeit der Verwaltung effektiv und effizient unterstützt.  

Zusammenführung von Mess- und Sensordaten in der Datenplattform 

Über die Datenplattform werden zukünftig alle Mess- und Sensordaten zusammengeführt. Dadurch können die sensorisch erfassten Daten mit dem bestehenden Messdaten-Management-System (MDMS) der Stadt Bochum interagieren. Dies führt nicht nur zu einer Verbesserung des städtischen Monitorings, sondern macht die Daten auch für verschiedene städtische Fachämter, Fachabteilungen der Konzerntöchter sowie für die Öffentlichkeit zugänglich. Dies verbessert fachübergreifende Planungsprozesse und erhöht die Transparenz des Verwaltungshandelns.  

Lokale Herausforderungen

Der Klimawandel sorgt für eine deutliche Zunahme örtlicher Extremwetterereignisse wie Hitzewellen oder Starkregen. Auch in Bochum sind die Folgen des Klimawandels deutlich zu spüren. Die vermehrte Bildung von Hitzeinseln und die erhöhte Luftverschmutzung führen dazu, dass sich die Lebensqualität in der Stadt für die Bevölkerung verschlechtert. Hinzu kommen Mängel im städtischen Informations- und Klimadatennetz. Dies führt zu Unsicherheiten und Fehlern in Planungsprozessen. So können nicht zwangsläufig die bestpassenden Maßnahmen geplant und umgesetzt werden. Ausgehend davon setzt die Stadt Bochum das Stadtklima-Monitoring dafür ein, um Klimadaten zu erheben und nach deren Analyse Maßnahmen in Bereichen wie Grünflächenerweiterung und Hitzereduktion umzusetzen.  

Planungsziele 

Die Bekämpfung des Klimawandels und die Anpassung der Stadt an den Klimawandel sind für Bochum als drängend erkannte Aufgaben, die mit dem Ziel, Bochum bis 2035 zu einer klimaneutralen und erneuerbaren Schwammstadt (Stadtraum verfügt über viele Flächen, die Regen- und Oberflächenwasser aufnehmen und zwischenspeichern können) zu entwickeln, adressiert werden. Vor dem Hintergrund dieses kurzen Zeitraums ist eine verlässliche Echtzeit-Datenbasis zentral, um die Wirksamkeit von Maßnahmen zu maximieren. Das Stadtklima-Monitoring trägt dazu bei, das Schwammstadt-Prinzip messbar zu machen und gezielte Optimierungen zu ermöglichen. Der Citizen-Science-Ansatz stärkt die Bewusstseinsbildung für Klimawandelfolgen in der Bevölkerung.  

Als evidenzbasierte Steuerungsgrundlage für Klimafolgenanpassung trägt das Monitoring zum Erhalt der Lebensqualität der Bochumer Stadtgesellschaft, zur Sicherheit (beispielsweise hinsichtlich eines verbesserten Überflutungsschutzes durch die Echtzeitmessung von Pegelständen) sowie zur Erhöhung der Resilienz für Wirtschaft und Gesellschaft bei, indem basierend auf einer verbesserten Datenbasis Präventions-, Eindämmungs- und Anpassungsstrategien kontinuierlich weiterentwickelt werden. Zudem können planerische Entscheidungen auch im Nachhinein effektiv evaluiert werden. 

Ansatz zur Wirkungsmessung

Das Stadtklima-Monitoring ist erfolgreich, die neu geschaffene Datenbasis in Entscheidungsprozessen Anwendung findet, insbesondere bei der Umsetzung einer städtischen Strategie zur Förderung von Klimaresistenz beziehungsweise Resilienz (beispielsweise durch Steuerung der notwendigen Gießfahrten). Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die mögliche Steigerung der Datensouveränität der Bevölkerung durch einen transparenten Umgang mit den erhobenen Daten. 

Dazu ist der erste Meilenstein, dass ersten ein verdichtetes Sensor-Netzwerk gebildet wird, welches valide Messdaten erfasst. Im zweiten Schritt müssen diese Daten effektiv mit den Informationen von bestehenden Sensoren der Stadt, Unternehmen und anderen Quellen aggregiert und auf einer Plattform sinnvoll visualisiert werden.  

Der Erfolg der Maßnahme kann anhand mehrerer Schlüsselindikatoren nachgewiesen werden: 

• Anzahl ausgebrachter Sensoren 
• Abdeckungsgrad des Sensoren-Netzes im Stadtgebiet 
• Abrufzahlen des öffentlichen Klima-Dashboards 
• Nutzung des Dashboards in der Verwaltung und bei Planungsprozessen 
• Entwicklung des Air Quality Indexder Verwaltung und bei Planungsprozessen 
• Entwicklung des Air Quality Index

Prozessschritte

Zur erfolgreichen Umsetzung des Stadtklima-Monitorings waren mehrere Schritte notwendig: 

• Bedarfsabfrage bei den betreffenden Fachverwaltungen der Stadt, um die Bedarfe und Anforderungen der zukünftigen Nutzer zu kennen 
• Unter Einbezug der Stadtverwaltung: technologische Vorprüfung und Testlauf verschiedener Sensoren, um auf Basis dessen geeignete Sensoren auszuwählen 
• Implementierung einer kostengünstigen Übertragungslösung durch LoRaWAN  
• Ausbringung von 28 Bodenfeuchte-Sensoren  
• Instrumentierung von Gewässersensorik 

Detailschritte: 

• Konzeptionierung einer hochaufgelösten Wärmekarte 
• Aufbau eines Sensorik-Netzwerkes zur hochauflösenden Temperaturmessung 
• Aufstellung von Bodenfeuchte-Sensorik und Sensorik zur direkten Erfassung der Baumvitalität  
• Schnelle Umsetzung von in Testläufen erworbenen Lernerfahrungen, wie zum Beispiel Verbesserungen des LoRaWAN-Empfangs, Feststellung und Austausch defekter Geräte, notwendigen Änderungen beim Anbringen der Sensoren im Boden, um die Leitfähigkeit des Bodens sicherzustellen 
• Erhebung von Bodenfeuchtedaten als Grundlage für ein Wasserhaushalts-Modell des Bochumer Stadtgebiets 
• Erfassung von Temperaturdaten und wissenschaftliche Evaluierung von deren Genauigkeit 
• Optimierung von statistischen Modellen und Überführung auf eine grafische Oberfläche, um eine dynamische Hitzekarte für Bochum zu erzeugen

Governance

Innerhalb der Organisationsstruktur von Bochum ist die Smart City Innovation Unit für die Durchführung der Maßnahme zuständig. Die Smart City Innovation Unit ist eine gemeinsam von der Stadtverwaltung und den städtischen Unternehmen getragene Einheit und setzt sich entsprechend aus Mitarbeitenden der Konzerntöchter und der Stabsstelle Digitalisierung der Stadt Bochum zusammen. Darüber hinaus fand bei dieser Maßnahme eine Kooperation mit Mitarbeitenden relevanter städtischer Fachämter, insbesondere des Umwelt- und Grünflächenamts, des technischen Betriebs und des Tiefbauamts statt. 

Für eine erfolgreiche Umsetzung sind zudem Schnittstellen zu externen Kooperationspartnern zu berücksichtigen: Center for Advanced Internet Studies (CAIS) gGmbH, OKEANOS Smart Data Solutions GmbH, Zolitron GmbH.  

Kosten bei Beschaffung und Betrieb

Partizipation und Kommunikation

In Kooperation mit städtischen Klima-Initiativen wird die Bürgerschaft im Umgang mit der Sense-Box, einer Do-it-yourself- und Low-Cost-Sensorik geschult. Die Messboxen werden kostenlos an Schulen und Interessierte ausgegeben und die erfassten Daten auf einer öffentlichen Plattform dargestellt. Außerdem wurden im Rahmen mehrerer Beteiligungsformate „Stadtlabor zu Besuch“ das Klima-Monitoring und dessen technische Umsetzung erläutert und diskutiert.

Technische Infrastruktur

Die Schnittstellen der Bestandssysteme und -sensorik der Kommune werden auf den neuesten Stand der Schnittstellen- und Webtechnologie gebracht. Zudem wird bei allen neuen Datenerfassungen der Schnittstellen-Standard für die Kommunikation mit der Datenplattform und der Integrationsschicht sichergestellt. Dies umfasst die Implementierung von RESTful APIs, MQTT und CoAP für eine flexible und effiziente Datenübertragung. Protokolle wie LoRaWAN, NB-IoT und OPC UA werden eingesetzt, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Datenkommunikation zu gewährleisten. 

Neben dem Sensornetzwerk zur Erweiterung der bestehenden Messstellen sind weitere technische Komponenten notwendig, die gegebenenfalls zu implementieren sind: LoRaWAN-Infrastruktur, hydrologische Messinstrumente, Software zur Datenauswertung (Modellierung) und Darstellung (Klima-Dashboard) 

Datengrundlage

Das bestehende Messnetz (Regenmesser, Füllstandssensorik, Umweltsensorik etc.) wird durch neu installierte physische Sensorik ergänzt. Damit werden insbesondere Daten bezüglich Bodenfeuchte und städtischen Gewässern erhoben.  

Es kann auf Messdaten aus bereits bestehenden Sensoren sowie auf Bestandsdaten des Baumkatasters zurückgegriffen werden.