Smarte Bäume rufen nach Wasser

Das schützt das Stadtgrün vor dem Austrocknen und die Kommunen können gezielte Gießrouten fahren, statt pauschal alles zu bewässern. In den Gemeinden und Städten Dormagen, Hürth, Nordkirchen und Köln hat das Kölner Unternehmen dataMatters dieses Konzept „Urban Tree Intelligence“ gemeinsam mit lokalen Wirtschaftsförderungen oder Unternehmungen realisiert. Technische Basis bildet das Smart-City-Betriebssystem urbanOS.

Bäume mit Sensoren, Funkanbindung und KI

Die Bäume erhalten Sensoren, die die Feuchtig­keit im Baumgewebe (Xylem) messen, das Wasser und Nährstoffe von den Wurzeln zu den Blättern transportiert. Die Messwerte werden per Funk an einen urbanen Datenraum übermittelt und dort mittels Künstlicher Intelligenz (KI) im Smart-City-Betriebssystem urbanOS ausgewertet. Als Ergebnis erhalten die kommunalen Ent­scheidungsträger (Beispielsweise Stadtwerke) einen stets aktuellen Überblick über die tatsächlichen Anforderungen des Stadtgrüns – auch der Bäume, die keine Sensoren haben, aber eben eine vergleichbare „Baumpersönlichkeit“ besitzen. Insgesamt 72 derartige Referenztypen gibt es. Auf Knopfdruck wirft die KI auch gleich eine optimierte Routen­planung für die Bewässerungsfahrzeuge aus. „Das schont die Umwelt und die Personalressourcen gleichermaßen“, heißt es bei dataMatters.

Der Clou: Die KI wertet nicht nur die aktuellen Messwerte der Bäume aus, sondern berücksichtigt auch den Wetterbericht. Wird Regen angesagt, braucht nicht kurz zuvor gewässert werden. Neben den Wetterparametern übermitteln Sensoren auch die Bodenfeuchte und die Bodenbeschaffenheit an die urbane Datenplattform, um so effizient und ressourcenschonend wie möglich für das Stadtgrün zu sorgen.

Bäume „funktionieren“ – aber nur mit ausreichend Wasser

Ein ausgewachsener Laubbaum kann an einem heißen Sommertag bis zu 400 l Wasser verdunsten; das entspricht einer Kühlleistung, die spürbar die Umgebungstemperatur senkt. Gleichzeitig bindet ein Baum über sein Leben hinweg mehrere Tonnen CO₂, filtert Feinstaub und bietet Schatten auf über 150?m² Fläche. „Doch all diese Leistungen stehen auf einem Fundament, das viel zu oft unterschätzt wird – Wasser“, erläutert Daniel Trauth, Geschäftsführer dataMatters, die Bedeutung des datenbasierten und KI-gestützten Bewässerungssystems seines Unternehmens.

Was viele nicht wissen: Damit ein Baum CO2 aufnehmen kann, müssen seine Spaltöffnungen – die sogenannten Stomata – geöffnet sein. Genau dort entweicht aber auch das Wasser. Gerät der Baum unter Trockenstress, schließt er diese Öffnungen. Die Folge: keine CO2-Bindung, keine Kühlung, keine Wirkung. „Ein Baum funktioniert nur, wenn er selbst gesund ist“, sagt Dr. Daniel Trauth. Er fährt fort: „Und genau das stellt die Stadtwerke vor eine bislang nahezu unlösbare Aufgabe. Sie sollen Tausende von Bäumen regelmäßig bewässern – doch oft fehlt es an präziser Information. Welcher Baum braucht wirklich Wasser? Wie viel? Und wann?“ In der Regel werden pauschale Gießrouten gefahren. Das bedeutet: Zu viel Wasser an Stellen, wo es nicht gebraucht wird – und zu wenig dort, wo es dringend nötig wäre. Dazu Dr. Daniel Trauth: „Wasser wird verschwendet, der Stress der Bäume steigt, ihre Wirkung sinkt – und am Ende verlieren alle.“

KI gibt jedem Baum eine Persönlichkeit

Damit nicht jeder einzelne Baum mit einem Sensor ausgestattet werden muss, arbeitet dataMatters mit einem selbst entwickelten KI-Modell, das die Bäume mit Persönlichkeits­merkmalen ausstattet. Die sogenannten Baumpersönlichkeiten basieren auf Art, Standort, Bodenprofil, Sonnenexposition und weiteren Umweltfaktoren. Das bedeutet: Selbst wenn nur ein kleiner Teil der Bäume mit Sensoren ausgestattet wird, lässt sich der Wasser­bedarf aller anderen mit ähnlichen Basisfaktoren hoher Genauigkeit vorhersagen.

Dabei setzt dataMatters auf sogenannte föderierte KI (Federated Learning). Das bedeutet, dass ein Gutteil der Künstlichen Intelligenz bereits in urbanOS steckt und die finale Auswertung der Mess­werte im wahrsten Sinne des Wortes „am Baum“ stattfindet. Nur die Messwerte werden per Funk an den urbanen Datenraum übertragen. „Man kann also ohne weiteres von intelligenten Bäumen sprechen“, so Daniel Trauth.

Ist-Zustand und Prognosen für die Zukunft

Über „Urban Tree Intelligence“ weit hinausgehend konzipiert und realisiert dataMatters zahlreiche weitere Projekte, die in Summe eine Smart City ausmachen. Als typische Anwendungsgebiete nennt das Kölner Startup die Optimierung der Verkehrsführung, die Abfallwirtschaft, die Energie­versorgung, den Öffentlichen Personennahverkehr, die Parkraumüberwachung und die Belebung der Innenstädte. Es gibt auch Projekte zur Temperaturmessung in Städten, um Hitzeinseln zu identifizieren und daraufhin die Bevölkerung durch gezielte Verschattungsmaßnahmen zu schützen.

Das Prinzip ist stets gleich: Sensoren erfassen die Lage vor Ort, übermitteln die Ergebnisse an eine urbane Datenplattform, wo sie mit Hilfe Künstlicher Intelligenz und unter Einbeziehung weiterer Parameter (Wetterbericht, Stadt­feste, Feiertage, Schulferien etc.) im Betriebssystem urbanOS ausgewertet werden. So erhalten die kommunalen Entscheidungsträger am Smartphone oder PC auf einem urbanCockpit einen Überblick über ihre Stadt als Grundlage für Management und Planung. Der Clou: Dank KI erfasst urbanOS nicht nur den Ist-Zustand, sondern hält auch fundierte Prognosen für die Zukunft parat – von der Entwick­lung beim Wasserstress über die ÖPNV-Auslastung bis hin zu künftigen Überlastungen in der City etwa durch zu viele Feste gleichzeitig.

„Eine Smart City ist wie ein großes Puzzle“

Trauth zieht einen Vergleich: „Eine Smart City ist wie ein großes Puzzle und jede Kommune entscheidet selbst, mit welchem Teil sie anfängt. Nach und nach können weitere Puzzle­teile hinzukommen, die alle an das städtische Betriebssystem urbanOS angeschlossen werden. Dadurch ist gewährleistet, dass sich am Ende alle Teile in das Gesamtbild des Puzzles einfügen.“

Der dataMatters-Chef betont: „Wir entwerfen nicht nur die Konzepte und liefern die gesamte Technik für die Smartisierung von Städten und Landkreisen, sondern wir kümmern uns auch um die damit verbundene Bürokratie, finden die passenden Partner vor Ort und bringen die Handwerker-Crew mit, die alles installiert und in Betrieb nimmt.“ Im Rahmen von Pilotprojekten stellt das Unternehmen den Kommunen leihweise die Ausrüstung und die Dienstleistungen kostenfrei zur Verfügung, sodass kein Budget benötigt wird.

Zum Unternehmen

dataMatters ist auf die Nutzung Künstlicher Intelligenz in der Realwirtschaft spezialisiert. Ein­satzgebiete: Smart City, Smart Factory, Industrie 4.0, Smart Building, IoT, Maschinen- und Anlagenbau, Gesundheits­wesen, Agrarwirtschaft u.v.a.m.

Anwendungs­­beispiele: Park­raum­bewirt­schaftung, Frühwarnsysteme für Anomalien wie beispielsweise Extrem­wetter, Maschinen­verschleiß oder Rohrbruch, Heizungs-/Beleuchtungs­automatisierung in Gebäuden, CO₂-Footprint-Erfassung.

Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Daniel Trauth hat dataMatters aus der RWTH Aachen aus­gegründet und zu einem inter­nationalen Player an der Schnitt­stelle zwischen Realwirtschaft und KI geführt. Er wurde hierfür mit über 20 Ehrungen (u.a. RWTH Spin-off Award 2019, digitalPioneer 2020) ausgezeichnet und zum Co-Chairman des „Real World AI Forum“ des Diplomatic Council mit Beraterstatus bei den Vereinten Nationen ernannt.

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