Cyper-Physical Systems Sind wir bereit für das vernetzte Heim und die vernetzte Stadt?

Autor / Redakteur: Alexander Matheus * / Hendrik Härter

Smart Home und Smart Cities sollen künftig unseren Alltag erleichtern und den Kommunen neue Möglichkeiten eröffnen. Zuvor müssen allerdings noch zahlreiche Fragen zu technischen Standards geklärt werden, ebenso wie rechtliche, organisatorische und regulatorische Rahmenbedingungen.

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Smart Home: Das Licht steuern, die Heizung oder die Jalousien – im intelligenten Haus kein Problem. Grundlage sind einheitliche Standards und Regulatorien.
Smart Home: Das Licht steuern, die Heizung oder die Jalousien – im intelligenten Haus kein Problem. Grundlage sind einheitliche Standards und Regulatorien.
(VDE)

Gerade das Thema Energie zeigt sehr deutlich, wie eng Smart Home und Smart City zusammenhängen. So kann der Energie-Consumer im Smart Home auch zum Prosumer werden, also Energie ins Netz einspeisen, zumindest aber den Energieverbrauch so regeln lassen, dass Lastspitzen im Netz ausgeglichen und besonders günstige Tarife genutzt werden. Neben energieeffizienten Anwendungen bietet Smart Home auch eine Vielzahl von Lösungen, die mehr Komfort und Sicherheit bringen – von der automatischen Klimatisierung über die komplette zentrale Gebäudesteuerung bis zu Alarmsystemen.

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Eine große Herausforderung bei den smarten Systemthemen besteht in der Integration der verschiedenen Technologiebereiche und Anwendungen in der Normung und Standardisierung. Beispiel Smart Home: In der VDE|DKE-Normungs-Roadmap „Smart Home + Building“ werden allein 30 vorhandene Technologien, Frameworks und Kommunikationssysteme besprochen - von bekannteren wie Bluetooth, DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) und WLAN (Wi-Fi) bis zu IP500 und verschiedenen M2M-Technologien.

Der Wildwuchs an zum Teil herstellerspezifischen Standards wirkt für Smart Home insgesamt als Hürde bei der Markterschließung. Denn die Kommunikation von Komponenten unterschiedlicher Hersteller ist längst noch nicht selbstverständlich, und Smart Home erscheint vielen möglichen Anwendern noch zu undurchsichtig und zu kompliziert. Kooperationen wie Connected Living, EEBus oder Vernetzungsplattformen wie beispielsweise Qivicon der Telekom versuchen das zu ändern.

Mit dem EEBus wird beispielsweise ein offenes, standardisiertes und konsensorientiertes Vernetzungskonzept beschrieben, das ganzheitlich ausgerichtet und in die Energiewende eingebettet ist, angefangen von der Verbindung zwischen Smart Grid und Smart Consumern bis hin zu nahezu allen Smart Devices im Bereich Smart Home und Smart Building.

Dabei dient der EEBus als Framework für einen Customer Manager (CM) dem Zweck, die Lücke zwischen High-Level-(Energie-)Management-Systemen und Low-Level-Kommunikationstechnologien zu überbrücken, indem er eine einheitliche Schnittstelle für die Einbeziehung von Geräten mit unterschiedlichen Kommunikationstechnologien bietet.

Mit der zunehmenden Vernetzung steigen neben den Anforderungen an Interoperabilität aber auch die Anforderungen an Informationssicherheit, Datenschutz und die Performance-Eigenschaften der eingesetzten Technologien. Dazu entwickelt beispielsweise das VDE-Institut in seinem Testlab Smart Home in Offenbach in Abstimmung mit den Kunden Prüfleitfäden, die als Grundlage für Technische Richtlinien und eine Standardisierung der Prüfverfahren dienen.

Die Konformität und Interoperabilität wird dabei auf Basis von Use Cases überprüft. Andere Prüfmethoden richten sich auf die Informationssicherheit und die funktionale Gesamtsystemsicherheit. Grundlegend für die Prüfung der Elektromagnetischen Verträglichkeit EMV ist die Normenreihe DIN EN 50491-5-1ff. (VDE 0849-5-1ff.): 2010-11 Allgemeine Anforderungen an die Elektrische Systemtechnik für Heim und Gebäude (ESHG) und an Systeme der Gebäudeautomation (GA).

Die Systemintegration im großen Maßstab

Nicht minder komplex und in wesentlich größerem Maßstab angelegt ist das System „Smart City“, das in der ersten deutschen Normungs-Roadmap Smart City der Normungsorganisationen DIN und VDE|DKE definiert wird als ein „Siedlungsraum, in dem systemisch (ökologisch, sozial und ökonomisch) nachhaltige Produkte, Dienstleistungen, Technologien, Prozesse und Infrastrukturen eingesetzt werden“. In vielen relevanten Normungsbereichen wurde schon Vorarbeit geleistet, so in den deutschen Normungs-Roadmaps zu den Themen AAL, E-Mobility, E-Energy/ Smart Grids, Smart Home + Building, Industrie 4.0 sowie IT-Security.

Die Normungs-Roadmap „Smart City“ beschreibt vor allem den aktuellen Stand in acht zentralen Themenbereichen. Da es sich bei dem Konzept einer Smart City um ein äußerst komplexes System von interagierenden Subsystemen handelt, werden in den Anwendungsfällen die einzelnen Funktionen und deren Interaktionen beschrieben, die von dem System realisiert beziehungsweise unterstützt werden, denn sie bilden die Basis zur Festlegung der Anforderungen an das System.

Echte Echtzeit-Kommunikation für die Städte der Zukunft

Eine weitere Herausforderung besteht in den unterschiedlichen Innovations- und Lebenszyklen von zentralen Bereichen wie IT, Energietechnik und Produktionstechnik. Gerade die IKT und Mikroelektronik zeichnen sich durch ein rasantes Innovationstempo aus. Aktuell wird an der fünften Mobilfunkgeneration geforscht, die ab 2020 die vierte Generation (LTE) ablösen und Geschwindigkeiten von über 10 GBit/s bieten soll.

Darüber hinaus soll vor allem die Kapazität der Mobilfunknetze hinsichtlich der Anzahl der miteinander verbundenen Geräte steigen – mit dem Ziel, Konzepte wie die Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation, das Internet der Dinge oder auch Sensornetzwerke zu realisieren. Dieses mobile Echtzeit-Internet wird auch „Taktiles Internet“ genannt. Ziel ist eine sehr kurze und idealerweise für den Menschen nicht wahrnehmbare Reaktionszeit der Anwendung im Bereich einer Millisekunde. Dies geht weit über die bisherigen Anforderungen an das Echtzeit-Internet hinaus und erleichtert „smarte“ Anwendungen von erweiterten e-Learning-Angeboten über die Telemedizin bis hin zum autonomen Fahren über Car-to-Car-Kommunikation immens.

Zurzeit wird in vielen Forschungsprojekten an dem Thema geforscht, in deutschen Projekten (FAST), in zahlreichen europäischen Projekten und im Rahmen der europäischen 5G Infrastructure Public-Privat-Partnership (5G-PPP) sowie international.

Smarte Lösungen erfordern neue Rahmenbedingungen

Um den neuen Standard marktfähig zu machen, müssen in den kommenden Jahren entsprechende Normen und Standards erarbeitet werden. Von deutscher Seite wurde das Thema bereits im Juni 2014 auf der 150. Sitzung des Standardisation Management Boards (SMB) der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) vorgestellt.

Die Umsetzung von Smart-City-Konzepten betrifft nicht nur Technik und Standards, sondern auch rechtliche Aspekte. So greifen bei Smart Cities unterschiedliche Kompetenzen und Zuständigkeiten ineinander – von Gemeinden, Ländern und Bund, aber auch von unterschiedlichen Stakeholdern. Bei Konzepten wie dem automatischen Fahren sind auch versicherungsrechtliche Fragen zu klären.

Darüber hinaus sind geeignete Rahmenbedingungen für neue Geschäftsmodelle etwa zur Nutzung multimodaler Mobilität zu schaffen. Beim Thema Big Data sind ebenfalls einige datenschutzrechtliche Fragen offen, zum Beispiel: Wer darf wann zu welchem Zweck in welchem Umfang über welche Nutzerdaten verfügen?

Und auch im Bereich Smart Grid, einer zentralen Komponente der deutschen Energiewende, ist von Seiten des Gesetzgebers noch einiges zu tun. So ist noch nicht geklärt, welche Aufgaben die Verteilnetzbetreiber, die nunmehr zunehmend auch als Einspeiser von Energie auftreten, zukünftig übernehmen sollen und wie die erforderliche Sicherheit für Investitionen gewährleistet werden kann. Um neue Geschäftsmodelle zu ermöglichen, sind Anpassungen der derzeitigen gesetzlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen dringend erforderlich.

Die Städte wachsen in Smart-City-Rolle hinein

Auch wenn noch einige Hürden zu nehmen sind: Smart Cities werden kommen. VDE-Experten rechnen damit, dass Smart Cities in volkswirtschaftlich relevantem Umfang bis 2030 kommen werden. Allerdings werden sie– anders als in einem Schwellenland, in dem eine Stadt „auf der grünen Wiese“ komplett aufgesetzt werden kann oder Infrastrukturen neu geschaffen werden müssen – hierzulande in die neue Rolle hineinwachsen und sehr individuelle Lösungen mit sich bringen.

Sicher ist aber auch, dass Smart Cities nicht nur viele Vorteile für Menschen mit sich bringen, sondern aufgrund der ausgeprägten Kompetenz zur Systemintegration auch eine große Chance für die deutsche Industrie bieten wird. Die beteiligte Technik und Normung liefern eine Steilvorlage dafür, dass sie genutzt wird.

* Alexander Matheus ist Produktmanager Smarte Technologien, Smart-Home-Testplattform und Informationssicherheit am VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut.

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