Von Smart zu Cognitive Cities Wie KI unsere Städte intelligenter macht

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Während Smart Cities oft nur isolierte technische Lösungen implementieren, geht das Konzept der Cognitive City einen entscheidenden Schritt weiter: Als lernende Stadt und autonomes System schafft sie durch künstliche Intelligenz und vernetzte Systeme echten Mehrwert für Kommunen, Wirtschaft, Infrastrukturbetreiber und Menschen.

Cognitive Cities unterscheiden sich grundlegend von klassischen Smart Cities. Sie verarbeiten Informationen anders und treffen Entscheidungen autonom. Laut aktuellem Smart City Index 2024 des Digitalverbands Bitkom nutzen bereits 78 Prozent der Großstädte intelligente vernetzte Ampeln und jede zweite Stadt (50 Prozent) setzt digitale Verkehrsschilder ein. Doch während Smart Cities algorithmenbasiert handeln, lernen Cognitive Cities kontinuierlich dazu und optimieren ihre Prozesse selbstständig. Dabei fließen verschiedenste Datenströme zusammen: von Verkehrsaufkommen und Energieverbrauch bis hin zu industriellen Produktionsprozessen. Diese Vielzahl an Quellen erlaubt eine dynamische, kontextbezogene Entscheidungsfindung – in Echtzeit und auf lokaler Ebene.

Ein wichtiger Baustein dieser Entwicklung sind Edge Devices. Diese intelligenten Endgeräte analysieren Daten direkt vor Ort, ohne Umweg über zentrale Rechenzentren. Ob zur Verkehrssteuerung an neuralgischen Knotenpunkten oder zur Echtzeitüberwachung sensibler Industrieanlagen: Edge Computing bringt die Rechenleistung dorthin, wo sie gebraucht wird. Verwendet werden dabei robuste Industrie-PCs mit ARM- oder x86-Architektur, ausgestattet für die dezentrale Datenverarbeitung in Echtzeit.

Für eine reibungslose Kommunikation sorgen Protokolle wie MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) und OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Während MQTT insbesondere für leichtgewichtige IoT-Geräte geeignet ist, überzeugt OPC UA durch seine Fähigkeit, auch komplexe industrielle Datenmodelle aufzubauen.

Die ganzheitliche Vernetzung ermöglicht es, Muster zu erkennen und präzise Vorhersagen zu treffen. Ein zentrales Command & Control Center überwacht und steuert die vernetzten Systeme der Stadt in Echtzeit. Der digitale Zwilling – eine virtuelle Kopie der Stadt – ermöglicht Simulationen und Was-wäre-wenn-Szenarien, um die Wirkungen potenzieller Maßnahmen vorab zu testen.

Erste Anwendungen zeigen schon heute das Potenzial kognitiver Städte:

• Intelligente Verkehrslenkung: KI-Systeme analysieren live die Verkehrslage, priorisieren Rettungseinsätze und passen Ampelphasen dynamisch an. Dank V2X-Kommunikation (Vehicle-to-Everything) entsteht ein reaktionsschnelles, adaptives Verkehrsnetz.

• Industrielle Infrastruktur: In Industrieparks erkennen Sensoren Unregelmäßigkeiten in Energieverbrauch, Temperatur oder Vibrationen und stoßen frühzeitig Wartungsmaßnahmen an – lange bevor es zu Ausfällen kommt.

• Gebäudetechnik & Facility Management: Edge-basierte Steuerungssysteme regulieren Heizung, Licht und Belüftung adaptiv – je nach Nutzung und Tageszeit. Das spart Energie und Betriebskosten.

• Sicherheit: Mit Wärmebildkameras ausgestattete Drohnen orten Brände frühzeitig. In Kombination mit dem digitalen Zwilling lassen sich Einsatzpläne simulieren und präzise steuern.

Diese Anwendungen zahlen direkt auf betriebswirtschaftliche Ziele ein: Weniger Ausfallzeiten, geringere Betriebskosten und effizientere Ressourcennutzung.

Die technologischen Grundlagen von Cognitive Cities

Im Zentrum der Cognitive City steht eine leistungsfähige Datenplattform – das digitale „Gehirn“ der Stadt. Sie bildet nicht nur die technische Infrastruktur, sondern auch den strategischen Rahmen für Datenverarbeitung, -nutzung und -sicherheit. Ihr Erfolg hängt maßgeblich von einer klar definierten Datenstrategie ab, die moderne Technologien mit verbindlichen Governance-Prinzipien vereint. Vier Grundprinzipien prägen diesen technologischen Unterbau:

• Souveräne Cloud-Nutzung statt Abhängigkeit: Cloud-Technologien bieten Flexibilität und Skalierbarkeit – doch die Cognitive City darf sich nicht von einzelnen Anbietern abhängig machen. Eine hybride Architektur schafft hier den nötigen Spielraum: Sensible Informationen verbleiben in städtischen Rechenzentren, während weniger kritische Anwendungen in die Cloud ausgelagert werden können. Die Datenstrategie definiert dabei eindeutig, welche Daten wo verarbeitet und gespeichert werden – stets unter Berücksichtigung von Datenschutz, IT-Governance und wirtschaftlicher Effizienz.

• Anpassung ans Sicherheitskonzept: Mehrschichtige Authentifizierung und Zero-Trust-Architekturen schützen sensible Daten. Ein Security Operations Center (SOC) überwacht in Echtzeit alle Systeme auf Anomalien und potenzielle Bedrohungen. Ergänzt wird das Konzept durch regelmäßige Audits und klare Notfallpläne.

• Hohe Benutzerfreundlichkeit: Eine intuitive Bedienoberfläche ermöglicht die effiziente Integration in bestehende Prozesse – von der Stadtverwaltung über Entwicklerteams bis hin zu externen Industriepartnern. Gleichzeitig stehen leistungsfähige Schnittstellen und Analysewerkzeuge zur Verfügung, um Daten effizient auszuwerten und neue Anwendungsfälle zu erschließen.

• Kontinuierliche Skalierbarkeit: Die Systemarchitektur verarbeitet verschiedene Formate – von IoT-Sensordaten bis zu Videostreams. Eine containerbasierte Microservices-Architektur ermöglicht es, die Plattform schrittweise zu erweitern – etwa um neue Anwendungsfelder aus Mobilität, Industrie 4.0 oder intelligenter Gebäudetechnik. So wächst die Stadt digital mit – modular, flexibel und zukunftssicher.

Der Weg zur Umsetzung

Die erfolgreiche Implementierung einer Cognitive City ist weit mehr als ein technisches Projekt. Sie erfordert auch organisatorische Weichenstellungen und einen kulturellen Wandel – in Verwaltung, Stadtplanung und Industrie. Wer den digitalen Wandel aktiv gestalten will, sollte auf fünf zentrale Erfolgsfaktoren achten:

• 1. Strategie entwickeln: Am Anfang steht eine klare Vorstellung davon, wie die Stadt der Zukunft aussehen soll. Diese Vision darf sich nicht auf technische Innovationen beschränken – sie muss den gesellschaftlichen Nutzen, den wirtschaftlichen Effekt und den Mehrwert für die Menschen in den Mittelpunkt stellen. Datenschutz spielt dabei eine Schlüsselrolle: Privacy by Design und nutzerzentrierte Transparenz gehören von Beginn an zur strategischen Architektur.

• 2. Pragmatisch starten: Der Weg zur kognitiven Stadt gelingt am besten über konkrete, greifbare Projekte mit direktem Mehrwert – etwa automatisiertes Verkehrsmanagement oder intelligente Energie-Optimierung in Gewerbequartieren. Solche Projekte schaffen schnell Akzeptanz und liefern wichtige Lerneffekte. Sie sind das Sprungbrett für größere Transformationen.

• 3. Alle Stakeholder aktiv einbinden: Cognitive Cities entstehen nicht im Elfenbeinturm. Daher müssen Stadtwerke, Mobilitätsanbieter, Industrieunternehmen und Bürger*innen von Beginn an Teil des Prozesses sein. Offene Beteiligungsformate und Co-Creation-Ansätze helfen, Technologien in die Lebensrealität zu überführen – und Akzeptanz zu schaffen.

• 4. Kompetenzen aufbauen: Neue Technologien sind oft komplex und stellen eine Einstiegshürde dar. Umso wichtiger ist es, intern Kompetenzen zu fördern. Schulungen, Pilotprojekte und Partnerschaften mit erfahrenen Technologieanbietern helfen, das notwendige Know-how aufzubauen und dauerhaft im System zu verankern.

• 5. Neue Arbeitsweisen etablieren: Cognitive Cities brauchen flexible Entscheidungs- und Entwicklungsprozess, besonders an den Schnittstellen zwischen Verwaltung, IT und Industrie. Hier sind agile Methoden und cross-funktionale Teams gefragt.

Die Stadt der Zukunft gestalten

Cognitive Cities bieten enormes Potenzial, um Lebensqualität zu verbessern, Ressourcen smarter zu nutzen und nachhaltige Entwicklung voranzutreiben. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der intelligenten Vernetzung von Systemen, der gezielten Nutzung von KI und dem Fokus auf konkrete Use Cases mit messbarem Mehrwert.

Der Wandel muss nicht über Nacht gelingen, entscheidend ist, jetzt die Weichen zu stellen. Die technologischen Möglichkeiten sind vorhanden. Mit einer klaren Strategie, skalierbaren Plattformlösungen und branchenspezifischen Pilotprojekten können Städte den Sprung von "smart" zu "cognitive" meistern. Wer heute handelt, gestaltet aktiv die Grundlage für eine digitale, resiliente und lebenswerte Stadt von morgen. (mc)

Über den Autor
Dr. Hendrik Grosser ist Experte für Industrial IoT, digitale Zwillinge, Smart Cities und Cognitive Cities. Er berät Kunden in großen internationalen Projekten bei der Konzeption, Planung und Umsetzung digitaler Zwillinge aus der Perspektive eines ganzheitlichen Produktlebenszyklus-Managements. Als technischer Leiter treibt er zudem die Entwicklung von IoT-Showcases im Detecon Digital Engineering Center in Berlin voran. Seine Kenntnisse aus dem Studium der Informationstechnik im Maschinenwesen an der TU Berlin sowie seine zehnjährige Erfahrung am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik im Bereich der virtuellen Produktentwicklung unterstützen ihn dabei.

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