Smarte Städte entwickeln sich durch technologische Innovationen und die Verbreitung des Internet der Dinge in fast allen Bereichen des städtischen Lebens rasch weiter. Vor zehn Jahren gab es in den Städten nur wenige eingebettete Sensoren, heute sind sie überall zu finden - von den Straßen über Thermostate bis hin zu den Mülleimern. Diese Fähigkeit, eine Vielzahl von Geräten miteinander zu verbinden, zu kommunizieren und aus der Ferne zu verwalten, führte zu einem neuen Trend - dem Nebel-Computing in intelligenten Städten.
Was ist Fog Computing?
Der Begriff "Fog Computing" wurde von Cisco kreiert und bezieht sich auf eine Erweiterung des Cloud Computing auf den Rand des Netzwerks. Anstatt alle gesammelten Daten in die Cloud zu schicken, impliziert Fog Computing, dass die Daten stattdessen lokal auf Edge-Geräten verarbeitet werden, weshalb es manchmal auch "Edge Computing" genannt wird. Das städtebauliche System, das dies nutzen würde, würde als "Edge Computing Smart City" bezeichnet.
Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Fog Computing das Cloud Computing ersetzen soll, da diese beiden Konzepte sich gegenseitig ergänzen. Fog Computing kann als eine Variante des hybriden Cloud Computing betrachtet werden, da beide ihren Endnutzern Speicher, Anwendungen und Daten zur Verfügung stellen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Konzepten besteht darin, dass beim Fog Computing die Daten in Fog Nodes - dezentralen Geräten wie Industriesteuerungen, Switches, Routern und Videoüberwachungskameras und vielen anderen - verarbeitet und analysiert werden. Sie befinden sich strukturell zwischen der Cloud und der Datenquelle - sozusagen in Bodennähe. Aus diesem Grund wird der Begriff „Nebel“ im Namen verwendet.
Der globale Nebelmarkt hat das Potenzial, bis zum Jahr 2025 weltweit 768 Millionen US-Dollar zu erreichen, so die Daten von Zion Market Research. Andere aktuelle Zahlen, z. B. von Statista, zeigen, dass Unternehmen in diesem Jahr im Durchschnitt ein 42 % höheres Budget für Cloud Computing haben als noch 2017. Dieser Trend spiegelt die Tatsache wider, dass die Nutzung und Bedeutung von Fog Computing in Smart Cities weltweit weiter zunehmen wird und sich in allen gesellschaftlichen Bereichen wie Energie- und Versorgungsunternehmen, Gesundheitswesen, Transportwesen, Fertigung sowie intelligenten Büros und Städten, neben vielen anderen, ausbreitet.
Fog Computing bietet eine Art Entlastung für Netzwerke, indem es sie zuverlässiger und schneller macht. Jede intelligente Stadt, die auf der Höhe der Zeit bleiben will, muss in die nächste Generation von IoT-Netzwerken einsteigen, was bedeutet, dass sie umfassend in Fog Computing investieren muss. Das bedeutet, dass man gründlich in Fog Computing investieren muss. Es hilft nicht nur bei der Verwaltung der Datenverarbeitung und bietet viele Vorteile für die Cybersicherheit von Unternehmen, sondern ermöglicht auch solide finanzielle Einsparungen.
Die Verlagerung der Entscheidungsfindung dieser Systeme auf die Geräte in der Umgebung bedeutet, dass das Cloud-Netzwerk von der Verwaltung einer Flut überschüssiger Daten entlastet wird. Einerseits werden so die Kosten für die Datenspeicherung minimiert, andererseits wird sichergestellt, dass nur die wichtigsten Informationen verarbeitet werden und nicht riesige Mengen von Straßenlaternen oder Bahnhofsscans.
Auch die Sicherheitsvorteile, die sich aus unabhängigen Sensoren ergeben, dürfen nicht vergessen werden. Der Schaden, der durch Netzwerkangriffe oder -ausfälle entsteht, kann minimiert werden, wenn die Arbeit von vielen verschiedenen Knotenpunkten im System erledigt wird. Da die 5G-Konnektivität noch etwas weiter in der Zukunft liegt, ist Fog Computing schon heute ein spannendes Feature für Smart Cities.
Warum wird Fog Computing in intelligenten Städten so häufig eingesetzt?
Eine der größten Herausforderungen, denen sich Smart Cities stellen müssen, ist die enorme Fülle an Informationen, die täglich generiert, erfasst und analysiert werden. In Verbindung mit der ständig steigenden Anzahl von IoT-Automatisierungsgeräten wird die Menge der gesammelten Daten überwältigend und erfordert leistungsstarke Rechenressourcen, um sie zu verarbeiten. Die Übertragung dieses unglaublich großen Datenvolumens zwischen der Cloud und den Datenquellen ist ebenfalls zeitaufwändig und teuer.
Fog Computing ermöglicht es, die Datenmenge, die zur Verarbeitung in die Cloud geschickt werden muss, zu reduzieren und so die Effizienz zu steigern. Smart Cities können durch Fog Computing die folgenden Vorteile nutzen:
- Eine minimale Datenmenge, die an die Cloud gesendet wird
Das zentrale Ziel von Fog Computing ist es, Big Data kleiner und handhabbarer zu machen. Laut der IDC-Prognose für 2019 wird das von vernetzten Geräten erfasste Datenvolumen bis 2025 schätzungsweise 79 Zettabyte überschreiten. Fog Computing ist in der Lage, diese riesige Datenmenge durch die Anwendung intelligenter Erkennung und Filterung zu reduzieren, die die Übertragung nur nützlicher Informationen auf der Grundlage des lokal auf einem bestimmten Fog-Gerät verfügbaren Wissens ermöglichen.
- Niedrige Datenlatenz
Nebelknoten sind in der Lage, Daten zu verarbeiten und an Bord zu nehmen, ohne sie an entfernte Cloud-Server zu senden und die Ergebnisse zurückzuliefern. Dies ermöglicht eine erhebliche Zeitersparnis, wenn die Daten unterwegs sind, und den Erhalt von Antworten in Echtzeit. Die sofortige Datenverarbeitung wird für intelligente Stadtsysteme immer wichtiger werden, vor allem, wenn Entscheidungen oder Maßnahmen schnell getroffen werden müssen: So könnten beispielsweise Leben gerettet werden, wenn Ampeln plötzlich auf Grün geschaltet werden können, wenn Einsatzfahrzeuge durch die Stadt fahren.
- Reduzierte Bandbreite
Die Übertragung und Verarbeitung von Daten erfordert eine enorme Bandbreite, die im Falle von Cloud Computing begrenzt sein kann. Beim Fog Computing ist dies jedoch kein Problem, da alle Daten auf lokale Geräte verteilt sind und nicht drahtlos übertragen werden. Dadurch kann der Bandbreitenverbrauch des Netzes erheblich gesenkt werden.
- Verbesserte Datensicherheit
Datensicherheit ist ein weiterer wichtiger Grund, warum Smart Cities ihre Ressourcen auf Fog Computing umstellen. Die sensiblen und vertraulichen Daten werden von den anfälligen öffentlichen Netzen ferngehalten, so dass Cyberkriminelle nicht so leicht an sie herankommen können. Fog Computing ermöglicht es, Malware und infizierte Dateien in einem frühen Stadium ihres Zyklus auf der Geräteebene zu finden, lange bevor sie überhaupt die Möglichkeit haben, das gesamte Netzwerk zu infizieren.
Welche Beispiele gibt es für Smart City Edge Computing?
Smart Cities sind eine der besten Umgebungen für die umfassende Implementierung von Fog Computing, da Zehntausende oder vielleicht sogar Millionen von Dingen in einer vernetzten Stadt heterogene Daten über den Straßenverkehr, die öffentliche Sicherheit, die Abfallwirtschaft, die Luftqualität und vieles mehr erzeugen.
Fog Computing ermöglicht es, alle Daten schnell zu verarbeiten und zu analysieren, um diese Systeme noch effektiver zu betreiben. Im Folgenden haben wir einige Beispiele für Smart City Edge Computing für Sie zusammengestellt.
Straßenverkehrsregelung
Smarte Städte nutzen eine Vielzahl von Sensoren, um den Straßenverkehr zu überwachen und zu regeln. In intelligente Ampeln eingebettete Sensoren können vorbeifahrende Fußgänger, Radfahrer und Autofahrer erkennen, ihre Geschwindigkeit und die relativen Abstände zwischen ihnen messen, alle gesammelten Verkehrsdaten analysieren und datengestützte Entscheidungen in Echtzeit treffen, um die Ampelschaltung zu ändern oder die Routen eines Teils des Verkehrs neu zu organisieren, wenn dies erforderlich ist.
Dies trägt dazu bei, den Verkehrsfluss insgesamt zu verbessern und die Zahl der Verkehrsunfälle und Unfallopfer zu verringern. Außerdem können sich Autofahrer und Fußgänger so in Notsituationen auf autonome Fahrzeuge verlassen. Die gesammelten Daten können später für längerfristige und tiefer gehende Analysen in die Cloud übertragen werden.
Die Kombination aus Fog Computing und intelligenten Ampeln hat sich bereits als äußerst effektiv erwiesen, um Verkehrsstaus zu entschärfen und aufzulösen. So hat beispielsweise eine Gemeinde in Bellevue, Washington, intelligente Ampeln installiert, die in Echtzeit auf die Verkehrsbedingungen reagieren: Die grünen Ampeln bleiben während der Hauptverkehrszeiten länger eingeschaltet. Die Stadtverwaltung schätzt, dass dies zu einer Verkürzung der Fahrzeiten auf der Hauptstraße der Stadt um 36 % geführt und den Autofahrern jährlich zwischen 9 und 12 Millionen Dollar gespart hat.
San Leandro, Kalifornien, ist eine weitere Stadt, die ein Projekt für intelligente Verkehrssignale gestartet hat, das eine umfassende Integration von Ampeln mit vernetzten Fahrzeugen ermöglicht. Das Projekt begann 2017 und hat die Zeitsteuerung der Ampeln bereits erheblich verbessert.
Abfallwirtschaft
Die Abfallentsorgung ist für die Städte eine große Herausforderung, da dieser Prozess ständig viel Zeit, Geld und Ressourcen erfordert. Die Müllabfuhr leert die Mülltonnen routinemäßig an bestimmten Tagen im Monat, ohne dabei zu berücksichtigen, wie viel Abfall sich in der Tonne befindet. Das Einsammeln von Abfall aus fast leeren Behältern ist äußerst ineffizient, da es zu unnötigem Kraftstoffverbrauch und einer Verschwendung von Arbeitskräften führt, während überfüllte Behälter, die nicht abgeholt werden, die Straßen schmutzig aussehen lassen. Das macht die Abfallwirtschaft zu einem der praktikabelsten IoT-Anwendungsfälle.
Die Anwendung von intelligenten Sensoren und Fog Computing wird eine Echtzeitüberwachung der Müllmengen in der gesamten Stadt ermöglichen und eine Methode für ein effizienteres Abfallmanagement bieten. An den Mülltonnen installierte Sensoren könnten erkennen, wann der Füllstand fast erreicht ist und die Müllabfuhr alarmieren, sobald dies der Fall ist. Die Füllstandsdaten könnten dann zur genaueren Analyse an die Cloud gesendet werden, um die Routen und Fahrpläne der Müllwagen zu optimieren.
Umgebungskontrolle
Fog Computing ermöglicht die Überwachung und Analyse relevanter Umweltparameter und der natürlichen Ressourcen einer Stadt in Echtzeit. So kann das intelligente Wassersystem beispielsweise die Wasserqualität analysieren und Abweichungen von der Norm, wie hohe Nitrat- oder Eisenwerte, erkennen. Darüber hinaus ermöglicht es die Erkennung von Wasserlecks und die sofortige Benachrichtigung von Wartungsteams über die Notwendigkeit, diese Lecks zu stopfen oder zu reparieren.
Die Kontrolle und Regulierung von Treibhausgasen ist ein weiterer Bereich, in dem eine Verbindung zwischen Technologie und Fog Computing eingesetzt werden könnte, um die ökologische Nachhaltigkeit zu verbessern. Die Sammlung und Analyse von verwertbaren Daten in Echtzeit könnte es einer Stadtverwaltung ermöglichen, den Gesamtzusammenhang der Treibhausgasemissionen zu erkennen und so rechtzeitig geeignete Maßnahmen zu deren Reduzierung zu ergreifen. Auf der Grundlage dieser Überwachungsergebnisse könnten sie die Bürger daran erinnern, zu bestimmten Zeiten weniger zu heizen oder heißes Wasser zu verbrauchen, um die Treibhausgasemissionen zu verringern.
Überwachungssysteme
Videoüberwachungssysteme, die mit intelligenten Sensoren ausgestattet sind, leisten einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit auf den Straßen der Städte. Allerdings erzeugen diese Systeme ständig eine große Menge an Informationen, die in Echtzeit gesammelt und analysiert werden müssen, um eine effektive Überwachung des öffentlichen Raums zu gewährleisten. Herkömmliche Cloud-basierte Modelle sind für diese Zwecke aufgrund der riesigen Datenmengen, der damit verbundenen Latenzprobleme, der Netzwerkverfügbarkeit und der enormen Kosten, die für die kontinuierliche Übertragung der Daten in die Cloud und zurück erforderlich sind, kaum geeignet. An dieser Stelle kommt das Fog Computing ins Spiel.
Fog Computing ermöglicht die Speicherung und Verarbeitung von Daten, die von Videoüberwachungskameras gesammelt werden, in Fog Nodes, die sich in der Nähe der Edge Computing Smart City befinden. Die geringe Latenzzeit ermöglicht eine effektive Überwachung und Erkennung von Gewalttaten an öffentlichen Plätzen, z. B. an belebten Flughäfen oder in Einkaufszentren. Sobald ein Vorfall eintritt, erhalten die Sicherheitsdienste eine Warnung, die es ihnen ermöglicht, schnell zu handeln oder sogar einen flüchtigen Verbrecher zu verfolgen.
Fog Computing: die Zukunft der intelligenten Städte?
Fog Computing hat das enorme Potenzial, der nächste große Trend in der Entwicklung intelligenter Städte zu werden, da es in der Lage ist, schnell und sicher eine Vielzahl von Daten zu verarbeiten. Es hilft bei der Erfassung von Daten zu vielen städtischen Aktivitäten, vom Verkehr bis zu den Versorgungseinrichtungen, und sorgt so für einen effizienten Betrieb und für Nachhaltigkeit im städtischen Leben. Sich zu sehr auf Fog Computing zu verlassen, ist jedoch ein unrealistischer Ansatz für die Bewältigung dieser riesigen Datenmengen. Daher wird die Cloud weiterhin eine entscheidende Rolle im gesamten IoT-Ökosystem spielen.
Außerdem bedeutet Fog Computing nicht unbedingt das Ende für die normalisierten IoT-Netzwerke, die in der Cloud angesiedelt sind. Zentralisierte Daten sind fast immer leichter verfügbar, was wiederum dem privaten und öffentlichen Sektor mehr Möglichkeiten bietet, offene Datenvereinbarungen zu treffen. Dies kann zu einer stärker entwickelten Form der Innovation und digitalen Kreativität führen. Gleichzeitig ermöglichen die in der Cloud gespeicherten Daten eine breitere Streuung ihrer Nutzung.
Endlich wird Fog Computing unweigerlich eine wichtige Rolle bei den nächsten Wellen der Smart-City-Entwicklung spielen. Mit dem kontinuierlichen Voranschreiten der Technologie hin zu einem System, in dem Computer in der Lage sein müssen, sich wie Menschen zu verhalten, wird die Entscheidungsfindung innerhalb der Geräte für jede intelligente Stadt, die auf dem neuesten Stand bleiben will, immer wichtiger werden.
