Human-biometeorologisch angepasste Routenführungen durch mathematische Optimierung

Innerstädtische Freiflächen, aber auch Wälder und Waldfächen, werden zur Erholung, zur Bewegung und dem Aufenthalt im Freien von verschiedenen Bevölkerungs- und Nutzergruppen aufgesucht. Für den Aufenthalt im Freiraum spielen bioklimatische und lufthygienische Faktoren eine wichtige Rolle, die sich für verschiedene Altersgruppen unterscheiden. Tatsächlich können durch die grüne Infrastruktur nicht nur eine Vielzahl von Vorteilen verzeichnet werden, sondern es entstehen durchaus auch gesundheitliche Beeinträchtigungen durch sogenannte biologische Noxe. Ziel der Forschungskooperation ist es, möglichst lokalklimatisch, lufthygienisch und gesundheitlich optimierte Routen auszuweisen. Eine erste Untersuchung erfolgt am Beispiel von Waldflächen und der Ozonvorläufersubstanz Isopren. Isopren gehört zur Gruppe der biogenen Kohlenwasserstoffe und wird von verschiedenen Baumarten in unterschiedlicher Konzentration emittiert. Diese Emissionsrate hängt von unterschiedlichen Bedingungen ab, wie meteorologische Faktoren (z.B. Strahlungstemperatur und - intensität), aber auch dem Alter der Bäume sowie den Standort- und Bodeneigenschaften. Bei autochthonen Wetterlagen erreichen die Isoprenemissionen ihr Maximum. Nur sind dies auch die Zeitpunkte, an denen Menschen Grünflächen zur Erholung und Abkühlung aufsuchen. Hierzu gehören auch Waldflächen. Dort finden sich unterschiedliche Baumarten, respektive unterschiedliche Emissionspotenziale; allerdings sind dort aber auch viele Wanderrouten zu verzeichnen. Ziel ist es daher, diejenigen Bereiche, in denen ein erhöhtes Ozonbildungspotenzial vorhanden ist, durch eine angepasste Wegeführung zu meiden. Hierzu werden OpenStreetMap-Daten des betrachteten Wandergebiets in ein mathematisches Knoten-Kanten-Netzwerk transfomiert und jeder Kante deren Länge und deren Isoprenwert basierend auf dem Baumbestand entlang der Kante zugeordnet. In einer ersten Untersuchung wird dabei zwischen drei Isoprenwerten (niedrig, mittel, hoch) unterschieden. Der Isoprenwert eines Weges ergibt sich aus der Summe der Isoprenwerte aller Kanten entlang des Weges. Das zugrundeliegende Optimierungsproblem beschreibt die Aufgabe, zu einem gegebenen Wanderweg einen alternativen Weg geringeren Isoprenwerts zu ermitteln. Dabei soll der neue Weg den selben Start- und Endknoten wie der gegebene Weg haben und möglichst wenig von diesem abweichen. Das Problem wird mathematisch modelliert und mit Methoden der ganzzahligen Optimierung gelöst. Die beschriebene Technik liefert nachweislich gute Lösungen und ist auf jedes beliebige Wandergebiet durch Austauschen der Datengrundlage übertragbar. Gleichzeitig eröffnet die Problemstellung neue Forschungsrichtungen in der mathematischen Grundlagenforschung zu restringierten Kürzesten-Wege-Problemen. Die vorgestellte Arbeit bildet die Basis zur algorithmischen Berechenbarkeit gesundheitsfreundlicher Wanderwege und motiviert tiefergehende Forschung zukünftig auch tagesaktuelle Werte wie Wind oder Temperatur in die Berechnungen einfließen zu lassen und so tagesaktuelle Empfehlungen auszusprechen. Das Vorhaben ist in das Verbundprojekt „Ageing Smart – Räume intelligent gestalten“ eingebunden. Das Projekt wird durch die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert. Das Gesamtprojekt adressiert die geburtenstarken Jahrgänge 1955 bis 1969, die Babyboomer. Durch deren Eintritt in das Rentenalter sind Kommunen oftmals damit konfrontiert, altersgerechte Wohnstandorte, Versorgungs- sowie Freizeitstrukturen zu schaffen. Ziel des Gesamtprojektes ist es, ein datengestütztes Entscheidungsunterstützungssystem zu entwickeln, das öffentliche Akteure in ihren Planungsprozessen unterstützt