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Historisch, malerisch, weltoffen, verträumt oder auch einfach nur romantisch – so wird sie oft beschrieben: Heidelberg, die Schönheit am Neckar. Nun schickt sich ein weiteres Wort an, Einzug in die Liste dieser Attribute zu halten: „smart“! Denn trotz seiner so pittoresken Kulisse ist Heidelberg doch eine Großstadt – mit allen zugehörigen infrastrukturellen und administrativen Aufgaben. Diese sollen im Interesse von 160 000 Bürgern und fast zwölf Millionen Besuchern pro Jahr zukünftig möglichst smart, also stärker digitalisiert und vernetzt, gelöst werden.

„Wir müssen dahin kommen, dass die digitale Infrastruktur ein Bestandteil der kommunalen Daseinsvorsorge wird – genau wie bei Strom, Gas oder Wasser“, formuliert Heidelbergs Oberbürgermeister Prof. Dr. Eckart Würzner die Zielsetzung. Um die Entwicklung zu dieser, vom Konzept eines „Internet of Things“ inspirierten, „Smart City“ zu forcieren, schuf die Stadt Heidelberg 2017 mit der Digital-Agentur Heidelberg GmbH sogar eine eigene Institution. Sie treibt im aktiven Austausch mit Partnern aus Forschung und Wirtschaft nun diverse Projekte im Heidelberger Stadtgebiet voran.

SAP AppHaus Heidelberg
SAP AppHaus Heidelberg

In der kreativen Arbeitsumgebung des SAP AppHaus in Heidelberg wurden erste Smart-City-Szenarien diskutiert. (Bildquelle: SAP)


Für noch mehr Lebensqualität

Zur Identifizierung, Analyse und Bewertung erster konkreter Anwendungen arbeitete die Digital-Agentur eng mit den Experten der SAP Digital Business Services zusammen. In der kreativen Arbeitsumgebung des SAP AppHauses fand in Heidelberg ein Design-Thinking-Workshop statt, bei dem verschiedene Szenarien diskutiert und auf Komplexität und Machbarkeit hin analysiert wurden.


Im Ergebnis entschied sich die junge Agentur für ein Pilotprojekt zur Digitalisierung eines Bereichs der Abfallentsorgung. „Mit den Entsorgern REMONDIS und AVR Kommunal GmbH stehen uns zwei sehr zukunftsorientierte Dienstleister zur Seite, die das Gedankenspiel direkt mitgegangen sind. Wenn es uns gelingen würde, Daten wie den Füllstand aus dem Inneren von Entsorgungsbehältern zu gewinnen und zu interpretieren, könnten die Fahrtrouten von Entsorgungsfahrzeugen im Heidelberger Stadtgebiet wesentlich effizienter geplant werden. Das käme Bürger, Stadt und Entsorger zugute“, berichtet Sebastian Warkentin, Geschäftsführer der Digital-Agentur von den anfänglichen Überlegungen.


Sein Kollege Ruben Roque, zuständig für das Strategic Business Development der Agentur, führt die Vorteile eines Smart-Waste-Managements weiter aus: „Effizientere Fahrtrouten bedeuten eingesparte Fahrzeiten bei unseren Entsorgern und weniger Verschleiß an deren Fahrzeugen. Der gesamte Prozess kann wesentlich exakter vorausgeplant werden. Die Stadt Heidelberg und ihre Bürger profitieren von bedarfsorientierter Leerung, reduziertem Lärm, geringeren Abgasemissionen und weniger überfüllten Recyclingbehältern."

Gebündeltes Know-how aus Baden-Württemberg

Die gemeinsame Projektleitung der Digital-Agentur und der SAP Digital Business Services entschied sich bei der Umsetzung dieses ambitionierten Vorhabens für einen in Innovationsprojekten typischen agilen Ansatz. „Kennzeichnend für diese Projektmethode sind Iterationszyklen rund um das Prinzip ‚fail early and fail often‘, erklärt Pascal Matt, Solution Architect der SAP Digital Business Services. Auf der Suche nach weiteren für das Projekt benötigten Partnern wurden die umtriebigen Netzwerker der Digital-Agentur direkt in der Heidelberger Nachbarschaft fündig: „Für die Gewinnung von Zustandsdaten aus dem Inneren der Entsorgungsbehälter brauchten wir einen ausgewiesenen Spezialisten für Sensorik und sind mit Pepperl+Fuchs in Mannheim in Kontakt getreten. Diese Sensordaten werden über ein spezielles, neues Sensor-Funknetzwerk der Stadt Heidelberg transferiert. Die Smart City Solutions GmbH aus Karlsruhe hat ihre Praxiserfahrung bei der Integration solch versorgerspezifischer Anwendungsfälle in das Projekt eingebracht“, schildert Warkentin. Nach der Ausleitung über diesen Kanal werden die Daten schließlich in Softwarelösungen der Walldorfer SAP SE verarbeitet, interpretiert und den Anwendern aller beteiligten Partner zur Verfügung gestellt. „Diese Kooperation untermauert eindrucksvoll, welche hohe technische Lösungskompetenz beim Thema Internet of Things am Wirtschaftsstandort Baden-Württemberg beheimatet ist und wie unternehmensübergreifend im Interesse der Stadt zusammengearbeitet wird“, erläutert der Geschäftsführer der Digital-Agentur.

Wolfgang Weber und Till Hoffmeyer von Pepperl+Fuchs
Wolfgang Weber und Till Hoffmeyer von Pepperl+Fuchs

Global Industry Manager Wolfgang Weber und Produktmanager Till Hoffmeyer von Pepperl+Fuchs erarbeiteten im Zusammenspiel mit den Projektpartnern das Anforderungsprofil für die Sensoriklösung.


Leichte Integration dank flexibler Sensorik

Als „Testgelände“ dienen diesem interdisziplinären Team nun verschiedene Standorte sowohl im innerstädtischen Bereich als auch in den Außenbezirken der Stadt Heidelberg. Viele der dort ansässigen Bürger ahnen noch nicht, dass sie beim routinemäßigen Gang zum Altglasbehälter indirekt bei der Gestaltung des zukünftigen digitalen Heidelberg mitarbeiten. „Die in zehn Altglasbehältern eingesetzte Sensoriklösung bleibt dem Auge von außen völlig verborgen. Und wer nun neugierig wird und auf die Idee kommt, dort mal nach Verkabelung zu schauen, den muss ich leider enttäuschen: Sie arbeitet batteriebetrieben und somit völlig kabellos“, gibt Wolfgang Weber von Pepperl+Fuchs schmunzelnd zu Protokoll. Der erfahrene Global Industry Manager versteht sich darauf, die Anforderungen bestimmter Branchen und Anwendungen zu erfassen und sie dann gemeinsam mit seinen Kollegen aus Entwicklung und Produktmanagement bei Pepperl+Fuchs in spezifische Lösungen umzusetzen.


Im Falle der Altglascontainer ist deren Herzstück der UCC*-50GK. Dieser modulare, auf extrem flexible und einfache Integration ausgerichtete Ultraschallsensor wird durch weitere Komponenten flankiert, die passgenau für die Smart-Waste-Management-Anwendung ausgewählt wurden“, erläutert Till Hoffmeyer, Produktmanager im Bereich Ultraschallsensorik bei Pepperl+Fuchs. So ergänzen den UCC*-50GK unter anderem eine Batterieeinheit, ein energiesparsames Funkmodul und ein robustes Gehäuse. Diese Komplettlösung bezeichnet Pepperl+Fuchs als „IoT-Sensor“. „Der UCC*-50GK ist, im Gegensatz zu üblichen industriellen Sensoren, für den Einsatz im IT-Umfeld optimiert. Die Kollegen von Smart City Solutions aus Karlsruhe bewegen sich bei der Integration des Sensors in die Anwendung innerhalb der ihnen vertrauten Konfigurationsumgebung und können ihre Stärken voll ausspielen, ohne sich zusätzlich mit aufwändiger SPS-Programmierung auseinandersetzen zu müssen“, umreißt Weber den Vorteil für den Kooperationspartner. „Einmal parametrierte Sensoren können anschließend direkt ihre Daten über das Funkmodul in die IoT-Cloud senden“, ergänzt Hoffmeyer. Mit LIN Bus, UART und PWM stellten die Entwickler von Pepperl+Fuchs den Kollegen bei Smart City Solutions drei applikationsspezifische Schnittstellen für die Integration der Ultraschallsensoren bereit.

In-House-Entwicklung für Smart-City-Anwendung

Neben der Sensorintegration kamen weitere Faktoren zum Tragen, die den Marktführer für Ultraschallsensorik bei der Entwicklung beschäftigten. Schließlich ist das Innere eines Entsorgungsbehälters eine spezielle Umgebung. „Dass unsere Lösung für einen wirklich zuverlässigen Betrieb in dieser Anwendung Schutzart IP66/67 genügen muss, war uns schnell klar. Zusätzlich haben wir den Wandler des UCC*-50GK mit einer PTFE-Schutzfolie überzogen, wodurch er gegen chemisch aggressive Stoffe resistent ist, die in einem Entsorgungsbehälter entstehen können. Er lässt sich im Umgebungstemperaturbereich von -25 °C bis +70 °C einsetzen und eine eingebaute Temperaturkompensation verhindert eine Beeinflussung des Sensors durch Temperaturschwankungen. Zudem verlangt die undefinierbare Messumgebung in einem Entsorgungsbehälter dem Sensor eine hohe Flexibilität ab. Diese Herausforderung hat unser Projektleiter Ernst Luber mit seinem Team erfolgreich gemeistert. Der Sensor passt sich durch adaptive Messprofile an die Randbedingungen an, um innerhalb von wenigen Messzyklen einen stabilen Füllstandwert zu gewinnen“, berichtet Hoffmeyer über die neue Lösung aus dem in Amberg angesiedelten Ultraschall-Kompetenzzentrum von Pepperl+Fuchs.

LoRa-Logo
LoRa-Logo

Zur Übermittlung der Sensordaten setzt man in Heidelberg auf ein Long Range Wide Area Network (LorRaWAN). (Bildquelle: LoRa Alliance)


LoRa vernetzt Heidelberg

Doch die von den Ultraschallsensoren erfassten Füllstände sind nicht die einzigen Informationen, die der IoT-Sensor zur Verfügung stellt. Insgesamt acht Funktionen können genutzt werden, darunter zum Beispiel GPS-Daten und Temperaturwerte. Wie all diese Daten zur weiteren Analyse in die Software-Lösungen der SAP gelangen, erklärt Robert Koning, Geschäftsführer der Smart City Solutions GmbH: „Wir sind in Heidelberg dabei, ein Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) zu erproben, über das der Datentransfer digitalisierter kommunaler Dienste, wie hier im Pilotprojekt bei der Altglasentsorgung, abgewickelt werden kann.“ Der große Vorteil daran: LoRa-WAN-Netzwerke sind äußerst energieeffizient und günstig in Einrichtung und Betrieb, wie Koning ausführt: „Mit einem einzigen Gateway oder einer Basisstation können Sie einen enormen Bereich der Stadt abdecken. Das ist gar kein Vergleich zu konventioneller WiFi-Technologie. Damit ist LoRa bestens geeignet für solche IoT-Applikationen im öffentlichen Raum. Die gesendeten Datenmengen sind gering und der Energieaufwand auf Seiten des verbundenen Endgeräts fällt entsprechend niedrig aus.“ Tatsächlich kann ein IoT-Sensor von Pepperl+Fuchs dank der LoRa-WAN-Technologie und des intelligenten Energiemanagements des UCC*-50GK, bestehend aus Energiesparmodus, Bootloader und Sleep-Mode, jahrelang ohne einen einzigen Batteriewechsel und Wartungstechniker selbstständig auskommen.

SAP Connected Goods für Smart-Waste-Management
SAP Connected Goods für Smart-Waste-Management

In SAP Connected Goods werden die Füllstände aus Altglasbehältern sichtbar gemacht.


Intelligente Altglasabholung mit Cloud-Technologie

Als Empfänger der Daten aus dem LoRa-WAN-Netzwerk kommt die Cloud-basierte IoT-Standardlösung „SAP Connected Goods“ zum Einsatz, die hier genau für die Verwendung durch die Entsorgungsdisponenten der AVR Kommunal GmbH eingerichtet wird. „Die AVR ist ein langjähriger Kunde von SAP und nutzt bereits ‚SAP Waste and Recycling‘, unsere Branchenlösung für die Entsorgungswirtschaft. Das uns entgegengebrachte Vertrauen und die gemeinsame Neugier auf die Zukunft bilden eine ausgezeichnete Basis, um ein solches IoT-Projekt konsequent zu implementieren“, kommentiert Dr. Frank Rambo, Produktmanager für IoT-Lösungen bei der SAP, die Zusammenarbeit mit dem Entsorger.


Der Blick auf den Bildschirm zeigt dem Anwender eine klar aufbereitete Dashboard-Oberfläche, deren diverse Funktionalitäten Rambo gerne erklärt: „Nach dem Onboarding des Containers sehen wir in SAP Connected Goods den Füllstand der Behälter als Prozentwert dargestellt und über die GPS-Daten die genaue Lokation einzelner Container auf der Karte. Wir können Regeln definieren, nach denen Altglasbehälter als voll erkannt werden und durch Integration in unsere Branchenlösung SAP Waste and Recycling eine zeitnahe Entleerung durch den Entsorgungsdienstleister automatisiert veranlassen. So lassen sich die Fahrtrouten der Entsorgungsfahrzeuge dynamisch nach Bedarf festlegen.“ 


Des Weiteren erlaubt SAP Connected Goods, Trends und Spitzenphasen in der Container-Auslastung zu erkennen und zu bewerten, denn einzelne Messungen werden mit Zeitstempeln versehen dargestellt. „Wenn beispielsweise ein bestimmter Altglascontainer aufgrund eines regelmäßigen Sportereignisses immer an Samstagen übermäßig befüllt wird, bleibt das in SAP Connected Goods nicht verborgen. Die Entsorger sind dann in der Lage, entsprechende Maßnahmen zu ergreifen“, führt Rambo an und geht auch auf das Thema der Zuverlässigkeit eines solchen Systems ein. „Wir haben hier mit den Partnern ein äußerst belastbares Konstrukt geschaffen. Der IoT-Sensor von Pepperl+Fuchs ist robust ausgelegt und sorgt mit seinen erweiterten Features für mehr Sicherheit im Versorgungsablauf. Ein Brand in einem Container lässt sich zum Beispiel frühzeitig detektieren. Dafür sorgt der integrierte Temperaturfühler. In SAP Connected Goods können wir dementsprechend Grenzwerte für Temperaturen definieren und automatisierte Alarmmeldungen an hinterlegbare Ansprechpartner absetzen. Zudem stellen wir auch Batterieladezustände dar und zeigen mögliche, durch Verdeckungen des Ultraschallsensors bedingte Abweichungen an.“



Zitat Bild

Smart Waste ist eines unserer diversen Leuchtturmprojekte, mit denen wir das digitale Heidelberg sukzessive formen und weiterentwickeln werden.

Dr. Eckart Würzner, Oberbürgermeister Heidelberg

Grünes Licht in Sicht

Innerhalb von drei Monaten gelang es dem Projektteam, unter SAP-seitiger Leitung von Matt, den ersten Prototypen der Anwendung ins Leben zu rufen. Die Voraussetzungen für eine digitale und noch grünere Zukunft in Heidelberg sind also in vielerlei Hinsicht gut – nun arbeitet man mit Hochdruck an den nächsten Schritten. Digital-Agentur-Geschäftsführer Warkentin gibt einen Ausblick: „Nach Abschluss der Testphase evaluieren wir im Projektteam die Endergebnisse und Ableitungen und werden diese den diversen Stakeholdern aus Stadtverwaltung und Bürgerschaft präsentieren. Bereits jetzt lässt sich attestieren, dass wir hier die richtigen Mitspieler aus der Wirtschaft ins Boot geholt haben, um das Projekt Smart-Waste-Management in größerem Umfang auszurollen.“


Matt skizziert die zusätzlichen Einsatzmöglichkeiten: „Solche IoT-Lösungen zeigen, wie künftig auch weitere Behälter, wie zum Beispiel Presscontainer, über funk- und kabelgebundene Sensoren vernetzt und IoT-fähig gemacht werden können. Diese Daten lassen sich dann den verschiedenen Bereichen der digitalen Stadt und Dienstleistungspartnern zur Verfügung stellen.“ Bei Pepperl+Fuchs erwartet auch Weber mit Spannung die nächsten Schritte: „Als der Sensorik-Partner freuen wir uns, hier einen wichtigen Baustein für das Gelingen dieser smarten IoT-Lösung beigetragen zu haben und werden den Fortgang des Projekts weiterhin mit unserem Technologie-Know-how begleiten.“


Heidelbergs Oberbürgermeister Würzner zeigt sich jedenfalls angetan von den ersten Resultaten aus der Testphase: „Smart Waste ist eines unserer diversen Leuchtturmprojekte, mit denen wir das digitale Heidelberg sukzessive formen und weiterentwickeln werden. Dank der bisherigen, hervorragenden Zusammenarbeit aller Beteiligten machen wir bei der Füllstandüberwachung zügig Fortschritte.“


(Projektstatus: Dezember 2018)