[論文レビュー] On DICE-free Smart Cities, Particulate Matter, and Feedback-Enabled Access Control

Panagiota Katsikouli, Pietro Ferraro+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2019

Air Quality Monitoring and Forecasting参考文献 34被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スマートシティにおける車両のアクセス制御を可能にするブロックチェーンに類似したメカニズムを用いたフィードバック制御付き分散型アクセス制御システムを提案する。このシステムは、ダブリンで深刻な健康リスクとされているタイヤ由来のPM2.5排出を制限することを目的としており、電気自動車への移行が進んでも、WHOが定める安全基準内に particulate matter（微粒子状物質）の濃度を維持する。

ABSTRACT

The link between transport related emissions and human health is a major issue for city municipalities worldwide. PM emissions from exhaust and non-exhaust sources are one of the main worrying contributors to air-pollution. In this paper, we challenge the notion that a ban on internal combustion engine vehicles will result in clean and safe air in our cities, since emissions from tyres and other non-exhaust sources are expected to increase in the near future. To this end, we present data from the city of Dublin that document that the current amount of tyre-related PM emissions in the city might already be above or close to the levels deemed safe by the World Health Organization. As a solution to this problem, we present a feedback-enabled distributed access control mechanism and ride-sharing scheme to limit the number of vehicles in a city and therefore maintain the amount of transport-related PM to safe levels.

研究の動機と目的

• 内燃機関（ICE）車両の禁止のみで都市部の大気汚染、特に非排出源由来（タイヤ摩耗など）のPM2.5が低減するという仮定に挑戦すること。
• ダブリンの実データを用いて、タイヤ由来のPM2.5排出が、すでにWHOが推奨する安全基準を超えており得ることを示すこと。
• 安全なPM2.5濃度を維持するために、車両数を制限する公平で分散型のアクセス制御メカニズムを設計すること。
• アクセス制御システムにライドシェアインcentive（インcentive）を統合し、公平性を高めるとともに、総合的な車両使用量を削減すること。

提案手法

• リアルタイムのPM2.5濃度に基づいて、都市地域に許可される車両数の上限を動的に調整するフィードバック制御付き分散型アクセス制御メカニズムを採用する。
• ユーザーをマッチングするライドシェア制度を導入し、総合的な車両移動回数を減らすことで、全体のPM2.5排出量を低減する。
• 道路網の長さ、平均10mの街路幅、平均4mの建物高さによって定義される体積内にPMが均一に分布すると仮定した簡略化された大気拡散モデルを適用する。
• 連続的な拡散を模擬し、安定状態の汚染レベルを維持するために、1時間に1回の空気置換率を設定する。
• 360日間の期間にわたり、許可可能な車両数を50,000から80,000へ、再び元に戻すように変化させることで、動的アクセス制御をシミュレートする。
• 車両数と空間体積を関数としてPM2.5濃度（m³あたり）を定量化し、WHOが定める安全基準を満たす領域（緑色）と超過する領域（赤色）を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダブリンにおいて、ICE車両が存在しない状況下でも、タイヤ由来のPM2.5排出がWHOが推奨する安全基準を超える程度はどの程度か？
• RQ2 フィードバック制御付きで分散型のアクセス制御システムは、都市部の地域における車両アクセス制限を通じてPM2.5濃度を効果的に制御できるか？
• RQ3 動的な都市移動環境において、このシステムはどのように公平性と利用者の準拠を維持するか？
• RQ4 許可可能な車両数を変化させた場合、PM2.5濃度の安定性に時間経過とともにどのような影響が生じるか？
• RQ5 空間的拡散モデルの違いが、異なる都市構造下での安全PM2.5基準の推定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ダブリンでは、他の汚染源を考慮しない状況下でも、タイヤ摩耗に起因するPM2.5排出が、すでにWHOが推奨する安全基準を超えており得る。
• シミュレーションの結果、1日あたりの許可車両数を100,000台に制限することで、空気拡散体積が限られている都市においても、PM2.5濃度を安全範囲内に維持できることが示された。
• フィードバック制御システムは、許可車両数の上限が変動する動的な状況下でも、平均して設定された最大値に近いレベルで許可車両数を維持できた。
• 許可車両数が40日間にわたり50,000台から80,000台に増加し、その後減少する場合でも、システムはアクセスを安定化させ、過剰容量を防いだ。
• 図7(a)は、車両数が増加するに従いPM2.5濃度が急激に上昇するが、車両アクセスが100,000台以下に制限されている場合にのみ、安全基準内（緑色）に保たれることを示している。
• 図7(b)は、PM2.5濃度が大気拡散体積に反比例することを確認しており、都市の規模に関わらず、車両数を適切に管理することで、効果的なアクセス制御により安全基準を達成可能であることを示している。