Ausgangssituation und Ziele
Stadtentwicklungsprojekte erfordern eine frühzeitige Bewertung ihrer Auswirkungen auf Verkehrslärm- und Windverhältnisse im Kontext der Bestandsbebauung. Bisher fehlen niedrigschwellige Werkzeuge zur Integration solcher Simulationen in frühen Phasen des Planungsprozesses.
Das primäre fachliche Ziel von CUS besteht darin, eine bessere Entscheidungsfindung durch frühzeitige Erkennung potenzieller Umweltauswirkungen zu ermöglichen. Durch präzise Planung von Schutzmaßnahmen können Kosten reduziert und überdimensionierte bauliche Vorkehrungen vermieden werden. Die Anwendung unterstützt damit eine wirtschaftliche und nachhaltige Planung ohne Beeinträchtigung der Umwelt- und Nutzungsqualität.
Mit der Erreichung des fachlichen Ziels soll ein Beitrag zur Planungsbeschleunigung geleistet werden. Die niedrigschwellige Bereitstellung von Simulationswerkzeugen in frühen Planungsphasen soll schnellere Iterationszyklen in der Planung ermöglichen und dazu beitragen, Planungs- und Genehmigungsverfahren deutlich zu beschleunigen.
Funktionsumfang
Workflow
Zunächst können die Nutzerinnen und Nutzer das zu untersuchende Areal räumlich definieren und Anpassungen der baulichen / verkehrlichen Situation vornehmen. Bauvorhaben können als 2D-Geometrien mit entsprechenden Attributen versehen und räumlich verortet werden. Straßenattribute wie bspw. Höchstgeschwindigkeiten oder Verkehrsmengen können angepasst werden. Wenn das Planungsszenario hergestellt wurde, können Nutzerinnen und Nutzer die gewünschte Simulation wählen und die Parameter definieren. Bei Windsimulationen werden beispielsweise spezifische Höhenangaben eingegeben. Die eingegebenen Daten werden automatisch in simulationskompatible Formate transformiert. Die Steuerung und Ausführung der Verkehrslärm- und Windsimulationen erfolgt über den Scenario Explorer, während die eigentliche Berechnung auf externen Modellservern über die Urban Model Platform durchgeführt wird. Die Ergebnisse der Lärm- und Windsimulation werden im Masterportal als Punkt- bzw. Polygon-Geometrien (Isophone) visualisiert. Einzelne Werte können abgerufen und verschiedene Höhenschichten / Tagesperioden umgeschaltet werden.
Verkehrslärmsimulationen
Für die Ausführung der Verkehrslärmsimulation ist eine Vielzahl an Datensätzen erforderlich. Der Gebäudebestand, die Bodenbeschaffenheit und das Digitale Geländemodell können aus der Urban Data Platform über Schnittstellen und Downloaddienste bezogen und für die Simulation prozessiert und bereitgestellt werden. Zudem ist ein Straßendatensatz mit einer Vielzahl an Parametern notwendig, die aus verschiedenen Datensätzen gewonnen werden. Er enthält unter anderem Verkehrsmengen zu unterschiedlichen Perioden, differenziert nach Fahrzeugklassen gemäß CNOSSOS-EU, die aus dem Hamburger Verkehrsmodell gewonnen werden können. Alle für die Erstellung eines einheitlichen Straßendatensatzes erforderlichen Datensätze wurden aus den verschiedenen Quellen homogenisiert und auf die Straßengeometrie abgestimmt, um eine konsistente und präzise Simulationsgrundlage zu schaffen.
Als Simulationsmodell wurde NoiseModelling in der Version 4 eingesetzt. NoiseModelling ist eine Open-Source-Software zur Erstellung von Lärmkarten, die vom Joint Research Unit in Environmental Acoustics (UMRAE) der Université Gustave Eiffel und dem Cerema in Frankreich entwickelt wird. Die Software implementiert den europäischen CNOSSOS-EU-Standard für Lärmemissionen im Straßenverkehr und für die Schallausbreitung. Das Tool wird unter der GPL-3-Lizenz frei verteilt und kann sowohl für Forschung und Lehre als auch von Fachleuten in der professionellen Praxis verwendet werden.
NoiseModelling wurde für den Einsatz in Hamburg aufgesetzt und über einen Wrapper an die Urban Model Platform angebunden. Dies ermöglicht die standardisierte Nutzung der Verkehrslärmsimulation über die OGC API Processes-Schnittstelle und die nahtlose Integration in den Planungsworkflow des Masterportals.
Erprobung kommerzieller Windsimulation
Als ergänzender Baustein wurden im Projekt Erfahrungen mit der Anbindung des kommerziellen Simulationsanbieters infrared.city für Windsimulation gesammelt. infrared.city ist eine Ausgründung des City Intelligence Lab des AIT Austrian Institute of Technology in Wien und nutzt KI-gesteuerte Modelle für Mikroklimaanalysen. Die proof-of-concept-hafte Anbindung zeigt Möglichkeiten auf, wie kommerzielle Anbieter ihre Dienste über offene Schnittstellen in öffentliche Planungsprozesse einbringen können. Dieser Ansatz könnte neue Geschäftsmöglichkeiten für private Unternehmen bieten und zugleich die Möglichkeiten für öffentliche Verwaltungen erweitern, ohne die Unabhängigkeit der Plattform zu gefährden.
Experimentelle Funktionen
Im Rahmen der Weiterentwicklung wird ein Scenario-Discovery-Modul zur Analyse verschiedener Szenarien und zur Identifikation von Optimierungsmöglichkeiten entwickelt.
Technische Umsetzung
Open Source als Grundprinzip
Die Anwendung basiert konsequent auf Open-Source-Prinzipien. Sowohl das Masterportal als auch die Urban Model Platform und das Simulationsmodell NoiseModelling sind als Open-Source-Produkte konzipiert und frei verfügbar. Die Urban Model Platform basiert auf offenen Standards der OGC API Processes und ermöglicht die herstellerunabhängige Integration verschiedener Simulationsmodelle.
Dieser Open-Source-Charakter ermöglicht es anderen Städten und Kommunen, die entwickelten Lösungen nachzunutzen, anzupassen und weiterzuentwickeln. Die offene Architektur macht die Werkzeuge unabhängig von einzelnen Anbietern. Gleichzeitig bietet die offene Plattform die Möglichkeit, sowohl Open-Source- als auch kommerzielle Dienste zu integrieren, was ein vielfältiges Ökosystem aus öffentlichen und privaten Akteuren ermöglicht.
Komponenten und Architektur
Das Masterportal dient als Frontend für die Anwendung. Die Urban Model Platform fungiert als “System von Systemen” für Analyse- und Simulationsmodelle und ermöglicht die Verknüpfung von Simulationsmodellen über standardisierte Schnittstellen. Der Scenario Explorer ist ein Masterportal-Add-On, das die Verbindung mit der Urban Model Platform herstellt. Für die Durchführung der Verkehrslärmsimulationen wird NoiseModelling v4 eingesetzt.
Die technische Architektur ist dezentral aufgebaut. Die Simulationsmodelle verbleiben auf den Servern der jeweiligen Institutionen wie Behörden, Forschungseinrichtungen und Unternehmen und werden über offene Schnittstellen zentral über die Urban Model Platform angesprochen.
Projektkonsortium
Das Besondere dieses Anwendungsfalls liegt in der breiten Zusammenarbeit verschiedener Stakeholder aus der gesamten Stadt Hamburg: von der Forschung in die praktische Anwendung. Dies ermöglichte es, wissenschaftliche Innovationen mit konkreten Planungsprozessen in der Verwaltung zu verbinden und dabei unterschiedliche Perspektiven und Kompetenzen einfließen zu lassen.
Die Behörde für Stadtentwicklung und Wohnen (BSW) verantwortete als Gesamtleitung das Projektmanagement und die fachlichen Anforderungen des Anwendungsfalls. Der Landesbetrieb Geoinformation und Vermessung (LGV) Hamburg war technischer Umsetzungspartner und verantwortete die Weiterentwicklung und Bereitstellung des Masterportals sowie der Urban Model Platform und der Verkehrslärmsimulation. Darüber hinaus hatte der LGV die erforderlichen Datentransformationsprozesse umgesetzt. Die Hamburg Port Authority (HPA) erprobte die 3D-Visualisierung von Simulationsergebnissen in Game Engines und verantwortete die technische Steuerung und Integration des privaten Windsimulationsanbieters infrared.city. Das City Science Lab (CSL) der HafenCity Universität Hamburg hatte die Urban Model Platform und den Scenario Explorer mitentwickelt und im Rahmen des Projektes das experimentelle Scenario Discovery Modul zur Analyse und Optimierung verschiedener Planungsszenarien hergestellt. Dataport AöR wirkte an der Weiterentwicklung des Scenario Explorers mit.
Status und Ausblick
Das Vorhaben wird im Rahmen des Connected Urban Twins (CUT)-Projekts als MVP entwickelt. Alle Kernkomponenten sind als Open Source konzipiert und für die Nachnutzung in anderen Projekten und Kommunen auf OpenCoDE bereitgestellt. Die offene Architektur ermöglicht es, die Plattform kontinuierlich, um weitere Simulationsmodelle und Funktionen zu erweitern und dabei sowohl Open-Source- als auch kommerzielle Anbieter einzubinden.
Nach Projektende wird die Pilotierung mit Stakeholdern aus der Hamburger Verwaltung und Stadtgesellschaft fortgeführt, um die entwickelten Werkzeuge in realen Planungsszenarien zu qualifizieren und zu validieren. Dabei werden praktische Erfahrungen zur Nutzbarkeit, Funktionalität und zum tatsächlichen Mehrwert für Planungsprozesse gesammelt. Die Urban Model Platform wird darüber hinaus als dauerhafte städtische Infrastruktur verstetigt, um über das Projektende hinaus eine offene Plattform für urbane Simulationen bereitzustellen. Dies schafft die Grundlage für kontinuierliche Weiterentwicklung und ermöglicht es, zukünftige Simulationsmodelle und Dienste in ein bestehendes, stabiles System zu integrieren.
