Mit Quanten-inspiriertem Computing Lärm- und Schadstoffbelastung in Städten reduzieren.

Fast alle von uns leiden immer wieder darunter – auch während der Pandemie: Staus, Lärm und Schadstoffemissionen durch zu viele Autos auf den Straßen. Das geht nicht nur auf die Nerven, sondern auf Dauer ebenso zu Lasten der Gesundheit. Auch Anfang 2021 verbrachten deutsche Autofahrer*innen laut einer INRIX-Studie im Durchschnitt jährlich 26 Stunden im Stau – im Vorjahreszeitraum waren es sogar noch einmal 20 Stunden mehr. Und das, obwohl unter dem Strich Fahrten in Innenstädten während der Pandemie um 40% zurückgingen. Diese Belastung hat katastrophale Auswirkungen auf Mensch und Umwelt. Insbesondere Metropolen wie München, Stuttgart oder Berlin sind die unrühmlichen Vorreiter beim Thema Stau.

Solch riesige Herausforderungen brauchen disruptive Lösungen, die neue Wege eröffnen. Sie führen uns Probleme vor Augen, die bisher nicht gelöst werden konnten: Das Verkehrsaufkommen in einer Stadt oder Region als komplexes kombinatorisches Optimierungsproblem. Was das heißt? Der Verkehr in einer Stadt ist von vielen (Echtzeit-)Parametern gleichzeitig bestimmt: Sei es die Ampelschaltung, Verkehrsströme zu unterschiedlichen Uhrzeiten, Unfällen, dem Wetter oder Baustellen. Wer den Verkehrsfluss in einer Stadt als Ganzes im Sinne von Mensch und Umwelt optimieren möchte, sollte all diese Einflüsse in Echtzeit berücksichtigen, um zu guten Lösungen zu kommen. Für eine gleichzeitige Betrachtung und die Vielzahl an denkbaren Lösungsszenarien braucht es sehr viel Rechenpower.

Hier setzen QIOS – das steht für „Quantum-Inspired Optimization Service“ – und der Digital Annealer von Fujitsu an: Als Brückentechnologie zum Quantencomputing ermöglichen sie es, in Echtzeit solch rechenintensive Optimierungen vorzunehmen und das Gesamtsystem „Verkehr“ zu analysieren und zu optimieren. Das bedeutet nicht weniger als eine Revolution der Mobilität. Schauen wir uns dies an zwei konkreten Beispielen an.

Dynamische Ampelsteuerung am Hamburger Hafen mit dem Verkehrsprojekt MOZART

Die Hamburg Port Authority (HPA), die Technische Universität Graz und verschiedene Abteilungen von Fujitsu Central Europe arbeiten im Rahmen des Projektes MOZART daran, einen QIOS für intelligente und netzweite Ampelphasen-Schaltung mit der Rechenpower des Digital Annealers zu implementieren. Damit sollen der Verkehrsfluss am Hafen und die Fahrzeiten aller Fahrzeuge ganzheitlich optimiert werden – ein nie dagewesenes Vorhaben in Deutschland.

Bislang war es mit konventionellen Technologien nicht denkbar, solch einen komplexen Problemraum mit all den möglichen Kombinationen an Ampelschaltungen, deren Auswirkungen und weitere Parameter, überhaupt zu betrachten. Dafür mangelte es an Rechenkapazitäten und damit der Möglichkeit, gleichzeitig verschiedene Lösungsszenarien für die Berechnung einer idealen Ampelschaltung und der Einflüsse auf die Umgebung und vice versa zu betrachten. Durch den Einsatz von QIOS ist es möglich, in Echtzeit Optimierungen für solch ein kritisches Infrastrukturthema im notwendigen Maß bereitzustellen. Der extreme Mehrwert der dynamischen Ampelsteuerung für die Verkehrsteilnehmer*innen und folglich auch für die Anwohner*innen liegt darin, dass Staus, Lärm und Schadstoffemissionen insgesamt reduziert werden, und somit die Umwelt geschont wird.

Isabel Schwende, Fujitsu Scrum Master MOZART: „In diesem Innovationsprojekt gehen wir mit der HPA und der Universität Graz völlig neue Wege – wir lösen drängende Verkehrsprobleme mit QIOS, die wir vorher schlicht nicht betrachten konnten. Es ist für mich persönlich ein großes Erfolgserlebnis, nach jeder Projektphase neue Fortschritte verzeichnen zu können. Wir können es kaum erwarten, in weiteren Städten unsere Lösung zu erproben und so die Verkehrswende nachhaltig voranzutreiben!“

Optimierung von intermodalem Routing

QIOS bietet deutlich mehr Einsatzmöglichkeiten, die über den PKW- und LKW-Verkehr auf den Straßen hinausgehen. Denn die Verkehrswende und menschenzentrierte Städte können nur gelingen, wenn wir die Autos auf den Straßen reduzieren und den Bürger*innen bequeme, zuverlässige und nachhaltige Mobilitätsalternativen bieten. Intermodale Mobilität, also die smart kombinierte Nutzung unterschiedlicher Verkehrsmittel, ist hierbei ein wichtiger Lösungsansatz.

Die Berliner Verkehrsbetriebe (BVG) mit ihrem Projekt Jelbi und die Münchner Verkehrsgesellschaft (MVG) machen in Kooperation u. a. mit Trafi vor, wie es gehen kann. Für die Nutzer*innen der genannten Apps soll es möglich sein, die eigenen Wegeketten bzw. Reisewege problem- und nahtlos über verschiedene Verkehrsmittel hinweg in einer benutzerfreundlichen Umgebung zu planen. Zudem sollen die Routen an kurzfristige Unwägbarkeiten wie Unfälle angepasst werden. Um den Endnutzer*innen ideale Ergebnisse liefern zu können, ist es in diesem Fall notwendig, eine Vielzahl von (Echtzeit-)Parametern zu betrachten und zu orchestrieren – dazu gehören individuelle Präferenzen wie die „schnellste Route“, eine „barrierefreie Route“ oder die „nachhaltigste Route“ ebenso wie bevorzugte Verkehrsmittel und die aktuelle Verkehrslage.

Erneut braucht es hierfür viel Rechenpower. Damit lassen sich nicht nur die individuellen Routen der einzelnen Mobilitätsnutzer*innen verbessern, sondern das Gesamtsystem „intermodaler Verkehr“ in einer Stadt oder Region optimieren und eine bessere Auslastung und Verteilung der Reisenden erreichen. In der Praxis bedeutet dies, dass nicht alle Nutzer*innen durch eine intermodale App auf dieselbe Bus- oder Bahn-Linie dirigiert werden, sondern auf individuell verschiedenen Routen an ihr Ziel kommen.

Das gelingt durch die Aufteilung auf unterschiedliche Modi der Mobilität wie Shuttle-Services, Shared-Bikes, Bus, Bahn, e-Roller oder führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung des innerstädtischen Personennahverkehrs. In der Folge ist es möglich, dass einzelne Personen eine geringfügig längere Reisezeit in Kauf nehmen, insgesamt wird aber die Reisezeit und damit die Nutzung der Verkehrsmittel reduziert und die Belastung der Anwohner*innen und der Umwelt sinkt.

Gestalten Sie co-kreativ die Revolution!

Möchten auch Sie Teil dieser Revolution sein und den Verkehrsfluss in Ihrer Stadt optimieren? Sind Sie an dynamischer Ampelsteuerung interessiert? Oder arbeiten Sie an einem intermodalen Mobilitätsprojekt mit dem Ziel, das Reiseerlebnis für die Nutzer*innen noch besser zu machen?

Wir laden Sie herzlich ein, mit uns in den co-kreativen Austausch zu treten! Nehmen Sie dazu gerne Kontakt mit mir auf, entweder per e-mail oder auf LinkedIn.

Stefanie Horn, IT-Consultant & Business Developer Smart City bei Fujitsu.

Stefanie Horn

Stefanie Horn gehört zu den Gründungsmitgliedern des Smart City Geschäftsbereichs bei Fujitsu – sie war mehrere Jahre im Public Sector tätig und ist nun im Private Sector unterwegs. Ihre fachlichen Fokusthemen sind nachhaltiges Gebäude- und Energiemanagement und intermodale Mobilität & Logistik. Technologisch beschäftigt sie sich mit den Themen IoT, KI und dem Digital Annealer bzw. QIOS – einer Brückentechnologie zum Quantencomputing – und welche konkreten Mehrwerte sich daraus für unsere Kund*innen ergeben. Sie ist Teil eines sektorübergreifenden Scrum-Teams zum Thema „Sustainabilty Transformation“ und erarbeitet dort verschiedene Maßnahmen für unsere Mitarbeiter*innen und Kund*innen.

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