Smarter Pfosten 

Intelligente Lichtmasten und Ladepunkte an Straßenbeleuchtungen – für neue Masten und als Retrofitting

Oliver Norkus, Torsten Wedler und Peter Klement

Der Smarte Pfosten bezeichnet eine komplette Straßenleuchte, in welche insbesondere auch nachträglich ein intelligentes Modul eingesetzt wird. „Smart“ bezieht sich dabei auf eine Vielzahl von Eigenschaften, die je nach Bedarf kundenspezifisch programmiert werden können wie Schalten und Dimmen der Mastleuchte, Laden von eMobilen, Parkraumüberwachung und Verkehrszählung, Umweltdaten-Messung und Ausbringung akustischer Hinweise sowie Anzeigen beispielsweise von Busfahrplänen oder freien Parkplätzen in einem Parkhaus. Dabei erfolgt die externe Kommunikation mit der Elektronik wahlweise über LTE oder ähnliches, so dass eine Anbindung an die übergeordnete Plattform erfolgen kann. Neben Analysen, Vorhersagen und Visualisierungen bietet die Plattform auch weitere Funktionen an wie Topologie-Erkennung.

Der Smarte Pfosten ist in einem Forschungsprojekt [1] aus dem Kooperationsnetzwerk „Bauen 4.0“ [2] unter Koordination der embeteco GmbH & Co. KG mit Projektbeteiligung der Electric-Special Photronicsysteme GmbH, dem DLR Institut für vernetzte Energiesysteme, der Quantumfrog GmbH und der BillX GmbH entstanden.

Innerhalb dieses Forschungsprojektes wurde in einem gemischten, interdisziplinären Kreis aus Praktikern und Wissenschaftlern folgende Forschungsfrage in einem iterativ-inkrementiellen Vorgehen mit mehreren Zyklen von Analyse, Aktions- und Evaluationsschritten erarbeitet und gelöst: Wie kann die digitale Transformation von Leuchtenmasten insbesondere vor dem Hintergrund der Elektromobilität und intelligenten Straßenbeleuchtung erfolgen?“

Bild 1: Blockschaltbild des Smarten Pfosten

Das Ergebnis ist der sogenannte „Smarte Pfosten“. Im Rahmen des Neuaufbaus von Leuchtenmasten kann das im Projekt entwickelte und von Electric-Special zur Marktreife gebrachte intelligente Modul eingesetzt werden. Spannend für das Forschungskonsortium war die Frage der Nachrüstbarkeit. Mit dem entstandenen Retrofitting-Modul können bestehende Leuchtenmasten nachträglich ausgerüstet werden. Somit kann die bestehende Straßen-Leuchten-
Infrastruktur intelligent gemacht werden. Dabei können vielfältige Sensoren und Aktoren an das intelligente Hardware-Modul angeschlossen werden. Die Messdaten der Sensoren laufen in der übergeordneten Plattform zusammen und können für die Fernsteuerung und zu Analysezwecken verwendet werden. 


Intelligente Beleuchtung

Klassische Straßenbeleuchtungen sind in Leuchtensträngen mit zentralem Schaltschrank organisiert und werden häufig tagsüber strangweise stromlos geschaltet. Die Besonderheiten der Verkabelung sowie die Verfügbarkeit von Standfläche für Schaltschränke und neue Technik sind insbesondere bei der Restaurierung bestehender Leuchtenstränge zu berücksichtigen. Bei der Umrüstung bestehender Infrastruktur ist es oft erstrebenswert, dass etablierte Erscheinungsbild möglichst zu erhalten und nicht durch externe Anbauten an die existierenden Masten zu verfremden. 

Um die Bedürfnisse intelligenter Straßenbeleuchtung zu befrieden und bestehende sowie neue Leuchtenstränge bedarfsgerecht zu schalten, wurde ein kommunikationsfähiges sowie intelligentes Hardwaremodul entwickelt. Dieses übernimmt die Schaltung der Beleuchtung auf Basis von externen Steuersignalen und internen Regeln und übermittelt die erfassten Sensorsignale an die übergeordnete Softwareplattform. 

Durch Messung des Energieverbrauchs und der Nutzungsdauer können unterschiedliche Energie-Dienstleistungen (z. B. Nacht-Lade-Säule, Werbe- und Weihnachtsbeleuchtung) verschiedener Anbieter auf Grundlage des Smarten Pfosten erbracht und im Zusammenspiel mit der übergeordneten Plattform abgerechnet werden. 


Technologische Entwicklung des Smarten Pfosten

Der Smarte Pfosten ist eine erweiterbare Hardware-Plattform, an die für den jeweiligen Anwendungsfall spezifische Sensoren und auch Aktoren angebunden werden können. Die Eingänge des Smarten Pfosten sind z. B. Sensoren über die Standardschnittstelle
MODBUS, daneben sind auch Freigabesignale für Revisionsklappen als Kontakt möglich genauso wie eine freie Datenkommunikation über das Kommunikations- und Steuermodul. 

Bild 2: Ansicht von Helligkeitssensoren in einer Stadtkarte

Neben der Zuleitung zur Mastleuchte werden die Ladesteckdose und ein weiterer 230 V-Ausgang als mögliche Beschaltung überwacht. Anderseits kann das System auch als dreiphasiges System genutzt werden. Die über die Leitungen abgenommene Leistung wird protokolliert und steht über das Kommunikationsmodul in der übergeordneten Plattform zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung, beispielsweise für Lastmanagement sowie Last- und Erzeugungsprognose. 

Die gesamte Elektronik befindet sich in einem spritzwassergeschützten Gehäuse, das über die Wartungsklappe in den Mast eingeführt und dort verankert wird. Somit ist größtmöglicher Schutz vor Umwelteinflüssen und Vandalismus gewährleistet.

Durch die erweiterbare Gestaltung des Smarten Pfosten können beliebige Sensoren und Aktoren angeschlossen werden (Bild 1). Die Spannungs- und Strommessung geht auch über den Neutralleiter, der im Bild nicht als überwacht dargestellt ist. Für die Beleuchtungssteuerung sind Helligkeitssensoren angeschlossen. Weiterhin angeschlossen sind Kameras für eine Parkraumüberwachung oder Licht-Schranken-Sensoren für die Zufahrtsmessung z. B. in ein Smart City Quartier [3]. Integraler Baustein des Gesamtkonzept ist die Erweiterbarkeit. So können beliebige Hardware-Komponenten (Sensoren und Aktoren) an den Smarten Pfosten angeschlossen werden sowie auch spezifische Software-Module von Dritten auf dem intelligenten Modul des Smarten Pfosten vor Ort eingebettet ausgeführt werden.

Die Anbindung der angeschlossenen Komponenten an übergeordnete Steuersysteme wird über eine quelloffene – aber datentechnisch abgesicherte Datenschnittstelle – realisiert. Durch die Softwareplattform wird außerdem die Nutzung derselben Sen-
sordaten durch unterschiedliche Dienstleister ermöglicht sowie Zugangsbeschränkungen zu Datensätzen durchgesetzt. Die Kommunikation mit der übergeordneten Plattform erfolgt dabei wahlweise über LAN, WLAN, LTE oder ähnlichem.


Übergeordnete Plattform

Die Sensorsignale der Smarten Pfosten werden an die übergeordnete Softwareplattform übertragen. Dort werden die Daten gespeichert und Auswertungen, Prognosen und Visualisierungen können erfolgen. Die übergeordnete Plattform steuert die intelligente Beleuchtung der Leuchtenmasten. Ein Beleuchtungsmodul innerhalb der Software ermöglicht die Umsetzung von Schaltregeln mit Hysterese durch nicht-technische Mitarbeiter in Form einer einfach zu bedienenden Benutzungsmaske, in der die Werte für Schaltregel eingestellt werden können. So können beispielsweise Mitarbeiter einer städtischen Verwaltung (Stadt-Beleuchter) die Beleuchtungssteuerung vom Schreibtisch vornehmen, pro Leuchtenmast oder pro Straßenstrang spezifische Schalt- und Dimm-Regeln einpflegen und den Status der Leuchten überwachen. Bild 2 zeigt die beispielhafte Ansicht von Helligkeitssensoren in einer digitalen Stadtkarte als Benutzungsoberfläche der übergeordneten Plattform. In Bild 3 ist für einen ausgewählten Sensor der Verlauf der Helligkeitswerte für einen Zeitraum gezeigt. Damit kann das operative Beleuchtungsmanagement einer Stadt oder Kommune innovativ und modern gestaltet werden.

Als Grundlage für die Beleuchtungssteuerung dienen die Messwerte der Smarten Pfosten. Aktoren am Smarten Pfosten können neben der Leuchte beispielsweise ein Ladepunkt, der ein eMobil laden kann, ein Lautsprecher zur Ausbringung bestimmter Akustik am Standort oder eine Schranke, die eine Durchfahrt regelt, sein. Die Modularität und die Erweiterbarkeit lassen eine für den Anwendungsfall spezifische Ausgestaltung des Smarten Pfosten zu.

Alle Sensoren liefern ihre Daten in die übergeordnete Plattform. Selbstverständlich sind Rückfall-
ebenen vorhanden, z.  B. falls die Kommunikation abbricht. So werden die Leuchtenmasten durch eine in das Hardware-Modul des Smarten Pfosten integrierte astronomische Uhr notgeschaltet. Auf Basis der Messwerte können – automatisiert auf Basis von hinterlegten Regeln und manuell durch Aktionen in der Leitwarte – Schalt- und Aktionsbefehle erzeugt werden, welche an den Smarten Pfosten gesendet werden und dort zur Ausführung kommen. Einfachstes Beispiel ist die Beleuchtungssteuerung. Komplexer ist die Reservierung eines Parkplatzes und einer Ladekapazität am Smarten Pfosten. Dies wurde im Projekt erforscht und ist durch die übergeordnete Plattform mit zentralen Funktionen und einer entsprechenden Web-Schnittstelle zum Endkunden zusammen mit dem Smarten Pfosten realisiert und einsetzbar. 

Bild 3: Verlauf der Helligkeitswerte für einen Sensor

Durch ein Verfahren zur Energieverbrauchsprognose können intelligente Straßenbeleuchtungen und insbesondere die Ladesteuerung mit eMobilen intensiver in Energiebeschaffungsprozesse zukünftig immer dynamischer agierender Energiemärkte eingebunden werden. 

Die in Städten und Kommunen vorhandenen Leuchtenmasten stehen zum Teil schon seit längerer Zeit. Durch die hier erforschte und zum Produkt gestaltete Nachrüst-Lösung können insbesondere auch Bestands-Leuchtenmasten smart und intelligent werden und somit einen Beitrag zur Elektromobilität als Ladepunkt liefern und die Dynamik der Energiewende unterstützen. 


Topologie-Erkennung

Bestands-Leuchtenmaste wurden häufig in wachsenden Umgebungen aufgestellt und verkabelt. Es ist nach gesammelter Erfahrung im Projekt oftmals der Fall, dass die Dokumentation der Leitungsführung in keinem wünschenswerten Zustand ist. Um die Verschaltung der Beleuchtung nachträglich nachzuvollziehen, die Lokation und die Verbindungs-Geographie nachträglich festzustellen, wurde in dem Projekt ein Algorithmus zur Topologie-Erkennung erforscht.

Durch temporäre Anbringung von definierten Lasten und der Leistungsmessung an allen Smarten Pfosten – also an Masten, die mit dem intelligenten Hardware-Modulen aus- bzw. nachgerüstetet sind – eines Strangs, werden Leistungsdaten erfasst und mit dem Algorithmus zur Topologie-Erkennung auf Basis von Data Science Methoden derart ausgewertet, dass geographische und anordnungsspezifische Erkenntnisse der betrachteten Smarten Pfosten gewonnen werden können. Durch diese Topologie-Erkennung kann nachträglich Wissen über die Verkabelung der Bestands-Leuchtenmasten und entsprechende Verkabelungs-Dokumentationen entstehen, ohne Straßen oder Geländeabschnitte aufreißen zu müssen. 

Ein Smarter Pfosten verfügt im Inneren und im Zusammenspiel mit der übergeordneten Plattform über die Möglichkeit, verschiedene Zusatznutzen zu realisieren, z.  B. Ladepunkte für Elektromobile, W-Lan, Parkraumüberwachung, Kameras, Mikrophone oder Lautsprecher sowie Umweltsensorik wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Feinstaub. Leuchtenmasten stehen ohnehin überall. Durch Retrofitting kann die Technik im Inneren mit diesem Baukastenprinzip anwendungsbereit für unterschiedliche Verwendungszwecke gemacht werden. Mit der übergeordneten Steuerung kann vom Büro aus, die Steuerung und das Management erfolgen.  Durch mobile Anwendungen kann der Anwender einen Lade-
Parkplatz reservieren, vor Ort laden und es erfolgt eine automatische Abrechnung. Dieses Potenzial kann dank des Forschungsprojektes jetzt genutzt werden.

Schlüsselwörter:

Intelligente Leuchtenmasten, Retrofitting, Stadtbeleuchtung, Smart City, Ladesäulen

Literatur:

[1] ZIM Kooperationsprojekt, Konsortialführer ELECTRIC-SPECIAL Photronicsysteme GmbH, Förderkennzeichen: 16KN062821 
[2] ZIM Kooperationsnetzwerk „Bauen 4.0.“, Förderkennzeichen: 16KN062802, siehe auch https://www.bauen40.de/
[3] Diese konkrete Anwendung findet im Oldenburger Smart City Projekt „ENaQ“ statt, siehe https://www.enaq-fliegerhorst.de/