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Smart Citys
Cognitive Computing für Städte
Prof. Edy Portmann: http://human-ist.unifr.ch/ , edy.portmann@unifr.ch.
The Future of Cities?
after Keiichi Matsuda, 2016
We live in exponential timesnach Kevin Kelly, 2016
• Die nächsten 10‘000 Start-Ups: nehmen irgendeine
Idee und reichern diese mit Künstlicher Intelligenz
(KI) an um diese smarter zu machen.
• Befeuert die digitale Transformation:
• Führt zu disruptiven Modellen.
• Alles wird in Frage gestellt.
• Mensch im Zentrum?
Das mooresche Gesetz als Treiber
• Formuliert von Gordon Moore im Jahr 1965; seither
(mehr oder weniger) gültig.
• Komplexität von Schaltkreise verdoppeln sich
regelmässig; je nach Quelle innerhalb von 12 bis 24
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• Diese technische Entwicklung bildet eine wesentliche
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Greifbare (digitale) Transformation
• Digitale Transformation: vierte Industrielle
Revolution, Zweite Moderne, Virtuelle Gesellschaft
• Rasante Entwicklung: tiefgreifender, sozialer,
politischer, kultureller und ökonomischer Wandel.
• Berührt alle Lebensbereiche: egal ob sozial oder
kommunikativ; nicht (mehr) umkehrbar.
• Überall zum Greifen nah: Transformation überall;
besonders gross aber in Städten
• Vervierfachung der Weltbevölkerung: seit 1900 auf
7.4 Milliarden im Jahr 2015.
• Beschleunigte Urbanisierung:
• 1950 lebten weniger als 30% der Weltbevölkerung in
Städten, 2007 erstmals mehr als 50%, 2014 54%.
• in Nord- und Lateinamerika sind es heute 84% und in
Europa 73 %.
• Anzahl der Mega-Cities: knappe Verdreifachung
seit 1990 von 10 auf 28.
Urbanisierung als globaler TrendUN-Berichte zur Bevölkerungsentwicklung 2014/15
• Wachstum der Wohnbevölkerung: von 3.3 Millionen Menschen um
1900 auf 8.4 Millionen im Jahr 2016.
• Urbanisierung:
• Um 1800 lebten 10% der Bevölkerung in Städten, um 1960
45%; im Jahr 2016 waren es 75%.
• Zählt man die sogenannten „Gemeinden mit städtischem
Charakter“ hinzu sogar 84%.
• Im Jahr 2016: 173 Städte und „Gemeinden mit städtischem
Charakter“.
• Agglomerationen:
• Verdopplung zwischen 1960 und 2000 von 24 auf 50.
• Davon waren 1960 155 und im Jahr 2000 1000 Gemeinden erfasst.
• Heute: Die ganze Schweiz als eine Mega-City?
Urbanisierung in der SchweizSchweizerischer Städteverband 2016
Herausforderung der Urbanisierung
• Fazit der vorherigen Folien: Immer mehr
Menschen leben in immer grösseren Städten.
• Wachsende Anforderungen an Städte:
• Benötigt mehr Ressourcen,
• Ausbau von Gesundheits-/Bildungssystem(en),
• Schaffung/Verdichtung von Wohnraum,
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• Infrastruktur gerät an Belastungsgrenze: es
müssen smarte Lösungen gefunden werden.
Soziotechnische Systeme in der City
• Smart Citys bieten Standortvorteile: besonders für
innovativen Bereich der Smart Economy.
• Smarte Menschen als Fundament der Smart City:
• Vermögen sich im Internet-/Web-Umfeld zu bewegen.
• Haben Interesse an Erwerb, Weiterentwicklung und Transfer
von Wissen.
• Tragen zum Wirtschaftswachstum bei und schaffen
Arbeitsplätze.
• Grundgedanke: mittels Technologie schönere,
lebenswertere Lebenswelten schaffen, dadurch Beitrag
zu Umwelt- und Klimaschutz leisten, um schlussendlich
nachhaltige Systeme zu schaffen.
• Ziel: Menschen-zentrierte Interaktion und Technologie.
Citizens: Menschen sind der
Hauptfokus der Smart City 3.0
(Bürgerzentrierte Technologie,
Design Thinking, etc.)
Technology: Wird für die
„Erweiterung“ der Menschen in
der Smart City 3.0 eingesetzt
(Künstliche Intelligenz,
Konnektivismus, Web- und
Internettechnologien, etc.)
Symbiose: von altgriechisch σύν sýn, deutsch „zusammen“ sowie altgriechisch βίος bíos,
deutsch „Leben“ bezeichnet die Vergesellschaftung von Typen unterschiedlicher Arten,
die für alle Partner vorteilhaft ist.
City: Jede Stadt hat individuelle
Charakteristiken, welche für die
Entwicklung zur Smart City 3.0
beachtet werden müssen
(Transdisziplinäre Beforschung,
etc.)
Erklärungsversuch von Smart Cities
• Smart City 1.0: Technologiegetrieben
• Technologieanbieter (wie Cisco und/oder IBM, etc.) “verkaufen“
Städte (wie PlanIT und Songdo) ihre IT-Lösungen (vgl. Apple-Jünger
vor Apple-Store)
• Smart City 2.0: Aktiviert durch Technologie, geleitet durch
die Stadt
• Stadtpräsidenten nähern sich den Technologieanbieter mit
speziellen Fragen an (wie Rio de Janeiro IBM wegen Erdrutschen um
IoT-Sensortechnologie anfragte)
• Smart City 3.0: Mitgestaltet durch Bürger
• Den Bürgern wird durch die Stadt partizipatorische Technologie zur
Verfügung gestellt, um demokratische Prozesse zu ermöglichen (wie
bspw. Wien mit den Bürgerkraftwerken experimentiert)
• Bürgerzentrierte bottom-up Demokratisierung der Städte
(Barcelona)
a la Cohen 2015
Generationen von Smart Citys
Engage-
ment
Städt.
IntelligenzVision
Eine Smart City sollte eine vitale Stadt sein und nachhaltige Stadtentwicklung mit
urbaner Intelligenz (d.h. kollektiver Intelligenz) kombinieren
Vision Markt-
studie
Mach-
barkeit
Tech-
nologie
Infra-
struktur
Bus.-
plan
Konsul-
tation
Soziale
Innovati
on
Engage-
ment
Tech-
nologie
Bus.-plan
Am besten adressiert man Smart Cities mit transdisziplinärem Action-Design-Research
nach Moyser et al. 2016
Entwicklung von Smart Citys
Transdisziplinärer Action-Design-Research?
• Was ist transdisziplinäre Forschung? Was ist ADR?
• Transdisziplinäre Forschung: über Disziplinen hinaus
• Action-Design-Research: Soziologie und Ingenieurswesen
• Organisiert über Konsortialforschung als Public
Private Partnerships (also Akademie, Gesellschaft,
Gouvernement und Wirtschaft)
• Ziel: Ontological-Design-Research (ODR)
Transdisziplinärer ADR/ODR für Smart Cities
IT kombiniert mit Infrastruktur, Architektur, Alltagsgegenständen
und mit unseren Körper, um soziale, ökonomische und
ökologische Herausforderungen anzugehen.
Sensor data
Natural language
communication
Decision-making
under uncertainty
Pattern-matching
Urban intelligence
Human-computer-
interaction
nach Anthony Townsend, 2014
Smart Cities und Soft Computing
• Das Ziel ist, die Lebensqualität zu verbessern, die
Umwelt zu schützen ohne die Bürger zu «überwältigen»
• Entscheidend sind die Bürger, die in natürlicher Sprache
kommunizieren und schlussfolgern
• Sensoren, Masseinheiten, Datenspeicher und Netzwerke
basieren auf «hartem» Computing, doch viele
städtischen Daten sind in Wirklichkeit «unscharf»
• Auswertungen von städtischen Daten mittels Analytics,
Mining, Klassifikation und Zusammenfassung werden am
besten mit Soft Computing adressiert
Was ist Soft Computing? Eine Übersicht
Soft Computing
Neural
Networks
Fuzzy
Logic
Evolutionary
Computing Probabilistic
Reasoning
Neuro
Fuzzy
Systems
Fuzzy
Neural
Networks
Genetic
Neural
Networks
Genetic
Fuzzy
Systems
Fuzzy
Evolutionary
Algorithms
Genetic
Bayesian
Networks
Lernen/Speichern von
Daten/Informationen
Lernen und multivariate
Optimierung
Rechnen mit Worten
und Wahrnehmungen
Schlussfolgerungen
mit deduktiver
Logik
Methodensammlung
mit Toleranz für
Ungenauigkeit,
Unsicherheit und
Halbwahrheiten haben
Big Data und das Internet der Dinge
• Eine Stadt kann durch Sammlung und Nutzung
qualitativ hochwertiger Daten smarter werden.
• Urban (Big) Data: Volume, Variety und Velocity wird
mit mit Value, Veracity und Verification angereichert.
• Mögliche Quelle von Big Data: das Internet der Dinge.
• Das Internet der Dinge:
• Netzwerk von Objekten, die mit Elektronik, Software,
Sensoren und Konnektivität ausgestattet sind.
• Objekte können kosten- und energieeffizient Daten sammeln
und weiterleiten, autonom untereinander austauschen, etc.
• Ermöglicht permanente Interaktion der Menschen mit ihrer
Stadt durch Technologie (vgl. Mensch-Stadt-Technologie-
Symbiose)
• Das sind soziotechnische Stadtsysteme in Action.
Von Big Data zu kognitiven Systemennach Monica Rogati, 2017
AI, Deep
Learning, etc.
A/B Tests, Experi-
mente, ML-Algorithmen
Analytics, Metriken,
Segmente, Aggregationen, etc.
Anomalien/Ausreisser entfernen, etc.
Datenfluss sicherstellen, Infrastruktur bauen,
ETL, (Un-)Strukturierte Daten speichern
Loggins, (IoT-)Sensoren, Social Media Daten, etc.1. Sammeln
2. Verschieben/Speichern
3. Erforschen/Transformieren
4. Aggregieren/Beschreiben
5. Lernen/Optimieren
«Humans-In-The-Loop»
(z.B. durch Augmented-
Reality?)
Von Smart zu Cognitive Cities
• Vision für die Zukunft: Erweiterung der Smart City
mit Cognitive Computing.
• Cognitive Computing:
• Systeme die sich menschenähnlich verhalten (können)
• Inspiriert vom Gehirn, imitiert diese Mensch-zentrierte
Künstliche Intelligenz kognitive Prozesse.
• Lässt sich mit Lern- und Kognitionstheorie des Konnek-
tivismus verbinden, um verteilte Kognition zu schaffen.
• Ermöglicht kollektive urbane Intelligenz.
• Cognitive Cities: Adressieren neben Effizienz auch
Nachhaltigkeit und Resillienz.
Wie gehen wir das am Besten an?

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  • 1. Smart Citys Cognitive Computing für Städte Prof. Edy Portmann: http://human-ist.unifr.ch/ , edy.portmann@unifr.ch.
  • 2. The Future of Cities? after Keiichi Matsuda, 2016
  • 3. We live in exponential timesnach Kevin Kelly, 2016 • Die nächsten 10‘000 Start-Ups: nehmen irgendeine Idee und reichern diese mit Künstlicher Intelligenz (KI) an um diese smarter zu machen. • Befeuert die digitale Transformation: • Führt zu disruptiven Modellen. • Alles wird in Frage gestellt. • Mensch im Zentrum?
  • 4. Das mooresche Gesetz als Treiber • Formuliert von Gordon Moore im Jahr 1965; seither (mehr oder weniger) gültig. • Komplexität von Schaltkreise verdoppeln sich regelmässig; je nach Quelle innerhalb von 12 bis 24 Monate. • Diese technische Entwicklung bildet eine wesentliche Grundlage der digitalen Transformation.
  • 5. Greifbare (digitale) Transformation • Digitale Transformation: vierte Industrielle Revolution, Zweite Moderne, Virtuelle Gesellschaft • Rasante Entwicklung: tiefgreifender, sozialer, politischer, kultureller und ökonomischer Wandel. • Berührt alle Lebensbereiche: egal ob sozial oder kommunikativ; nicht (mehr) umkehrbar. • Überall zum Greifen nah: Transformation überall; besonders gross aber in Städten
  • 6. • Vervierfachung der Weltbevölkerung: seit 1900 auf 7.4 Milliarden im Jahr 2015. • Beschleunigte Urbanisierung: • 1950 lebten weniger als 30% der Weltbevölkerung in Städten, 2007 erstmals mehr als 50%, 2014 54%. • in Nord- und Lateinamerika sind es heute 84% und in Europa 73 %. • Anzahl der Mega-Cities: knappe Verdreifachung seit 1990 von 10 auf 28. Urbanisierung als globaler TrendUN-Berichte zur Bevölkerungsentwicklung 2014/15
  • 7. • Wachstum der Wohnbevölkerung: von 3.3 Millionen Menschen um 1900 auf 8.4 Millionen im Jahr 2016. • Urbanisierung: • Um 1800 lebten 10% der Bevölkerung in Städten, um 1960 45%; im Jahr 2016 waren es 75%. • Zählt man die sogenannten „Gemeinden mit städtischem Charakter“ hinzu sogar 84%. • Im Jahr 2016: 173 Städte und „Gemeinden mit städtischem Charakter“. • Agglomerationen: • Verdopplung zwischen 1960 und 2000 von 24 auf 50. • Davon waren 1960 155 und im Jahr 2000 1000 Gemeinden erfasst. • Heute: Die ganze Schweiz als eine Mega-City? Urbanisierung in der SchweizSchweizerischer Städteverband 2016
  • 8. Herausforderung der Urbanisierung • Fazit der vorherigen Folien: Immer mehr Menschen leben in immer grösseren Städten. • Wachsende Anforderungen an Städte: • Benötigt mehr Ressourcen, • Ausbau von Gesundheits-/Bildungssystem(en), • Schaffung/Verdichtung von Wohnraum, • Abwendung des Verkehrskollaps, etc. • Infrastruktur gerät an Belastungsgrenze: es müssen smarte Lösungen gefunden werden.
  • 9. Soziotechnische Systeme in der City • Smart Citys bieten Standortvorteile: besonders für innovativen Bereich der Smart Economy. • Smarte Menschen als Fundament der Smart City: • Vermögen sich im Internet-/Web-Umfeld zu bewegen. • Haben Interesse an Erwerb, Weiterentwicklung und Transfer von Wissen. • Tragen zum Wirtschaftswachstum bei und schaffen Arbeitsplätze. • Grundgedanke: mittels Technologie schönere, lebenswertere Lebenswelten schaffen, dadurch Beitrag zu Umwelt- und Klimaschutz leisten, um schlussendlich nachhaltige Systeme zu schaffen. • Ziel: Menschen-zentrierte Interaktion und Technologie.
  • 10. Citizens: Menschen sind der Hauptfokus der Smart City 3.0 (Bürgerzentrierte Technologie, Design Thinking, etc.) Technology: Wird für die „Erweiterung“ der Menschen in der Smart City 3.0 eingesetzt (Künstliche Intelligenz, Konnektivismus, Web- und Internettechnologien, etc.) Symbiose: von altgriechisch σύν sýn, deutsch „zusammen“ sowie altgriechisch βίος bíos, deutsch „Leben“ bezeichnet die Vergesellschaftung von Typen unterschiedlicher Arten, die für alle Partner vorteilhaft ist. City: Jede Stadt hat individuelle Charakteristiken, welche für die Entwicklung zur Smart City 3.0 beachtet werden müssen (Transdisziplinäre Beforschung, etc.) Erklärungsversuch von Smart Cities
  • 11. • Smart City 1.0: Technologiegetrieben • Technologieanbieter (wie Cisco und/oder IBM, etc.) “verkaufen“ Städte (wie PlanIT und Songdo) ihre IT-Lösungen (vgl. Apple-Jünger vor Apple-Store) • Smart City 2.0: Aktiviert durch Technologie, geleitet durch die Stadt • Stadtpräsidenten nähern sich den Technologieanbieter mit speziellen Fragen an (wie Rio de Janeiro IBM wegen Erdrutschen um IoT-Sensortechnologie anfragte) • Smart City 3.0: Mitgestaltet durch Bürger • Den Bürgern wird durch die Stadt partizipatorische Technologie zur Verfügung gestellt, um demokratische Prozesse zu ermöglichen (wie bspw. Wien mit den Bürgerkraftwerken experimentiert) • Bürgerzentrierte bottom-up Demokratisierung der Städte (Barcelona) a la Cohen 2015 Generationen von Smart Citys
  • 12. Engage- ment Städt. IntelligenzVision Eine Smart City sollte eine vitale Stadt sein und nachhaltige Stadtentwicklung mit urbaner Intelligenz (d.h. kollektiver Intelligenz) kombinieren Vision Markt- studie Mach- barkeit Tech- nologie Infra- struktur Bus.- plan Konsul- tation Soziale Innovati on Engage- ment Tech- nologie Bus.-plan Am besten adressiert man Smart Cities mit transdisziplinärem Action-Design-Research nach Moyser et al. 2016 Entwicklung von Smart Citys
  • 13. Transdisziplinärer Action-Design-Research? • Was ist transdisziplinäre Forschung? Was ist ADR? • Transdisziplinäre Forschung: über Disziplinen hinaus • Action-Design-Research: Soziologie und Ingenieurswesen • Organisiert über Konsortialforschung als Public Private Partnerships (also Akademie, Gesellschaft, Gouvernement und Wirtschaft) • Ziel: Ontological-Design-Research (ODR)
  • 14. Transdisziplinärer ADR/ODR für Smart Cities IT kombiniert mit Infrastruktur, Architektur, Alltagsgegenständen und mit unseren Körper, um soziale, ökonomische und ökologische Herausforderungen anzugehen. Sensor data Natural language communication Decision-making under uncertainty Pattern-matching Urban intelligence Human-computer- interaction nach Anthony Townsend, 2014
  • 15. Smart Cities und Soft Computing • Das Ziel ist, die Lebensqualität zu verbessern, die Umwelt zu schützen ohne die Bürger zu «überwältigen» • Entscheidend sind die Bürger, die in natürlicher Sprache kommunizieren und schlussfolgern • Sensoren, Masseinheiten, Datenspeicher und Netzwerke basieren auf «hartem» Computing, doch viele städtischen Daten sind in Wirklichkeit «unscharf» • Auswertungen von städtischen Daten mittels Analytics, Mining, Klassifikation und Zusammenfassung werden am besten mit Soft Computing adressiert
  • 16. Was ist Soft Computing? Eine Übersicht Soft Computing Neural Networks Fuzzy Logic Evolutionary Computing Probabilistic Reasoning Neuro Fuzzy Systems Fuzzy Neural Networks Genetic Neural Networks Genetic Fuzzy Systems Fuzzy Evolutionary Algorithms Genetic Bayesian Networks Lernen/Speichern von Daten/Informationen Lernen und multivariate Optimierung Rechnen mit Worten und Wahrnehmungen Schlussfolgerungen mit deduktiver Logik Methodensammlung mit Toleranz für Ungenauigkeit, Unsicherheit und Halbwahrheiten haben
  • 17. Big Data und das Internet der Dinge • Eine Stadt kann durch Sammlung und Nutzung qualitativ hochwertiger Daten smarter werden. • Urban (Big) Data: Volume, Variety und Velocity wird mit mit Value, Veracity und Verification angereichert. • Mögliche Quelle von Big Data: das Internet der Dinge. • Das Internet der Dinge: • Netzwerk von Objekten, die mit Elektronik, Software, Sensoren und Konnektivität ausgestattet sind. • Objekte können kosten- und energieeffizient Daten sammeln und weiterleiten, autonom untereinander austauschen, etc. • Ermöglicht permanente Interaktion der Menschen mit ihrer Stadt durch Technologie (vgl. Mensch-Stadt-Technologie- Symbiose) • Das sind soziotechnische Stadtsysteme in Action.
  • 18. Von Big Data zu kognitiven Systemennach Monica Rogati, 2017 AI, Deep Learning, etc. A/B Tests, Experi- mente, ML-Algorithmen Analytics, Metriken, Segmente, Aggregationen, etc. Anomalien/Ausreisser entfernen, etc. Datenfluss sicherstellen, Infrastruktur bauen, ETL, (Un-)Strukturierte Daten speichern Loggins, (IoT-)Sensoren, Social Media Daten, etc.1. Sammeln 2. Verschieben/Speichern 3. Erforschen/Transformieren 4. Aggregieren/Beschreiben 5. Lernen/Optimieren «Humans-In-The-Loop» (z.B. durch Augmented- Reality?)
  • 19. Von Smart zu Cognitive Cities • Vision für die Zukunft: Erweiterung der Smart City mit Cognitive Computing. • Cognitive Computing: • Systeme die sich menschenähnlich verhalten (können) • Inspiriert vom Gehirn, imitiert diese Mensch-zentrierte Künstliche Intelligenz kognitive Prozesse. • Lässt sich mit Lern- und Kognitionstheorie des Konnek- tivismus verbinden, um verteilte Kognition zu schaffen. • Ermöglicht kollektive urbane Intelligenz. • Cognitive Cities: Adressieren neben Effizienz auch Nachhaltigkeit und Resillienz.
  • 20. Wie gehen wir das am Besten an?