Smart Cities ICT Reference Architecture
Smart Cities IKT Referenzarchitektur Fraunhofer FOKUS

Smart Cities IKT Referenzarchitektur

Referenzarchitekturen stellen Anleitungen und abstrakte Standardmodelle in Form von Handlungsempfehlungen oder formalisierten Engineering-Prozessen dar. Sie enthalten grundlegende Komponenten (z. B. Schnittstellen und Dienste), die für die Konzeption und Implementierung komplexer technischer Systeme und verteilter Architekturen eingesetzt werden.

Mit der Entwicklung einer Smart Cities IKT (Informations- und Kommunikationstechnologie) Referenzarchitektur soll ein zentrales Element für die Umsetzung standardisierter Smart City-Konzepte im urbanen Raum geschaffen werden. Als Vorbilder dienen erfolgreiche Referenzmodelle aus dem Internet- und Telekommunikationsbereich, wie die Schichtenmodelle TCP/IP und ISO/OSI.

Als Grundlage für die Forschungsarbeit an einer IKT Referenzarchitektur haben Wissenschaftler von Fraunhofer FOKUS einen Katalog mit wichtigen Erkenntnissen sowie zentralen Herausforderungen erstellt. Dabei kooperierten sie mit Experten verschiedener IT-Unternehmen und nutzten die Erfahrungen aus erfolgreichen EU-Projekten wie Triangulum oder Open Cities.

Ziele der IKT Referenzarchitektur

Der wohl wichtigste Beitrag der IKT Referenzarchitektur ist die Förderung der Interoperabilität zwischen Komponenten, Modulen, Schichten und allgemeinen Artefakten von IKT-Systemen für Smart Cities. Dafür identifizieren und analysieren die Wissenschaftler von FOKUS Schnittstellen zwischen den einzelnen Elementen und diskutieren diese im Rahmen von Standardisierungsaktivitäten mit namhaften Industriepartnern und Marktteilnehmern.

Ein hoher Grad an Interoperabilität vereinfacht die Replikation IKT-basierter Lösungen auf verschiedene Städte. Der Fokus liegt auf der Übertragbarkeit von Konzepten und Komponenten zwischen europäischen Ballungsräumen.

Weiterhin soll die IKT Referenzarchitektur:

  • die Grundlage für ein einheitliches und leichtes Verständnis von IK-Technologie für den urbanen Raum sowie für bestehende IKT-Strategien von (europäischen) Städten schaffen,
  • Standard-Datenquellen sowie die Nutzer der jeweiligen Daten identifizieren und beschreiben,
  • Schnittstellen identifizieren, an denen die Untersuchung der Formate (z. B. XML/JSON-Schema, RDF- und Ontologie-Vokabular) und Protokolle (HTTP(S), REST, 6LowPan, ZigBee, COAP, Real-Time-Publish-Subscribe Protocol) zur Kommunikation zwischen den beteiligten Komponenten notwendig ist,
  • erforderliche Sicherheitsmaßnahmen (z. B. in den Bereichen Privatsphäre, Integrität, Verfügbarkeit, Autorisierung sowie Anonymisierung) beschreiben,
  • existierende Konzepte und Implementierungen von städtischen IT-Systemen integrieren,
  • durch entsprechende Gestaltung der Referenzarchitektur die Verwendung von Open Source-Komponenten ermöglichen und dadurch Städten sowie Gemeinden Unabhängigkeit von einzelnen Anbietern garantieren (Vermeidung von lock-in-Effekten),
  • Open Data als zentrales Element berücksichtigen, um dem Konzept der gemeinsamen Nutzung von Daten und Informationen zu folgen,
  • einen Beitrag zur Smart Cities Standardisierung (z. B. ISO, DIN, ETSI) leisten, indem Normierungsgremien Bestandteile der Referenzarchitektur (z. B. APIs) vorgelegt werden.

Zugehörige Standardisierungsaktivitäten

Fraunhofer FOKUS nimmt mit seiner Arbeit an zentralen Forschungsaktivitäten zum Thema Standardisierung teil. Bedeutende Initiativen sind das „Memorandum of Understanding – Offene städtische Plattformen für intelligente Städte und Gemeinden“ des EIP-SCC sowie das DIN SPEC 91357-Referenzarchitekturmodell "Open Urban Platform" (OUP). Die Experten von FOKUS gewähren Einblicke in die eigene Forschung und beteiligen sich mit ihrer Erfahrung und Expertise in den Bereichen IT und Telekommunikation sowie städtischer IKT.

Wichtige Herausforderungen für die IKT Referenzarchitektur

Vielfalt bestehender Smart City-Architekture

Bisherige Smart City-Implementierungsprojekte weisen eine breite Vielfalt von IKT-Lösungen, Spezifikationen und Designs auf. Diese Einzel- und Teillösungen stellen noch keine normierte Basis dar, die für die Beschreibung einer generischen IKT Referenzarchitektur geeignet ist. Sie sind vielmehr Ausgangspunkte für die Identifizierung relevanter IKT-Architekturkomponenten und -ansätze. Die Forschungsarbeit von Fraunhofer FOKUS zielt darauf ab, die Erkenntnisse aus bestehenden Smart City-Architekturen und bestehenden architektonischen Rahmenbedingungen (z. B. TOGAF und GWAC) mit akademischen Forschungsergebnissen zu kombinieren.

Komplexität von Smart City-Systemen

Eine Smart Cities IKT Referenzarchitektur sollte eine ganzheitliche Sicht auf Smart City-Systeme verfolgen. Aus der Komplexität der Systeme ergeben sich jedoch verschiedene Herausforderungen. Die Systeme stellen komplexe Betriebs- und Instandhaltungsprozesse dar und werden in unterschiedlichsten Anwendungsdomänen eingesetzt – z. B. Transport, Energie, Gesundheitswesen, Öffentliche Sicherheit, Bildung. Darüber hinaus müssen die Bedürfnisse von Interessengruppen aus verschiedenen Disziplinen und Domänen berücksichtig werden. Neben der betrieblichen Komplexität müssen Smart City-Systeme strenge Qualitätsanforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit, Sicherheit und Privatsphäre erfüllen.

Identifizierung von geeigneten und fehlenden Standards

Um sowohl geeignete als auch bisher fehlende Smart City Standards zu identifizieren, wurde eine klar definierte Methode zur Durchführung einer Gap-Analyse etabliert und durchgeführt.

Identifizierung und Spezifikation von abstrakten, offenen Schnittstellen

Die Smart Cities IKT Referenzarchitektur soll Leitlinien für klar definierte, offene Schnittstellen zwischen den verschiedenen IKT-Komponenten festlegen. Ermöglicht wird:

  • die Interoperabilität verschiedener Lösungen in verschiedenen Bereichen und städtischen Umgebungen,
  • die Replikation und Wiederverwendung von Smart City-Lösungen über mehrere Städte hinweg,
  • die Möglichkeit der Beteiligung von kleineren und mittleren Unternehmen, der Einsatz von Open Source und die Vermeidung von Lock-in-Effekten (Herstellerabhängigkeit), sowie
  • die Vermeidung von Lieferantensperren in städtischen IKT-Ökosystemen.