[論文レビュー] The First IEEE UV2022 Mathematical Modelling Competition: Backgrounds and Problems

Juntao Jiang, Yuan Niu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Smart Cities and Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、第1回IEEE UV2022数学的モデリングコンテストの問題と背景を提示しており、杭州・ハルビンのスマートシティ開発インデックスの設計、パンデミック後の中国におけるワクチン分配の最適化、中国都市におけるLinkNYC風の公共情報キオスクの需要と収益モデルの推定という3つの現実世界の課題に焦点を当てている。コンテストは、データ駆動型の多基準評価および最適化技術を用いた持続可能な都市開発と公衆衛生ソリューションのための数学的モデリングを促進する。

ABSTRACT

Economic growth, people's health, and urban development face challenges in the post-epidemic era. How to promote high-quality and sustainable urban development, improve citizens' sense of happiness, and solve problems in city management have become a heated and crucial topic. Mathematical modeling is a research method that uses mathematical symbols to express practical problems, establish mathematical models, and then propose solutions. The 1$^{st}$ IEEE UV2022 Mathematical Modelling Competition is a satellite activity of the 6$^{th}$ IEEE International Conference on Universal Village, which expects participants to use mathematical modeling methods for practical problems and provide guidelines for sustainable social progress. This short paper introduces the background of the competition and publishes the problems to be solved.

研究の動機と目的

• 都市のデジタルトランスフォーメーションを評価するための8つのUVサブシステムを統合した包括的なスマートシティ開発インデックスの構築。
• 提案されたインデックスを用いて杭州およびハルビンの現在の開発水準を評価し、第三者の国際的都市と比較分析する。
• 現在のトレンドを基に、今後10年間におけるスマートシティサブシステムの将来の動向を予測する。
• 需要、コスト、アクセス性のバランスを考慮した、杭州およびハルビンの病院（中央病院および地域医療機関）向けの最適なワクチン配分計画の策定。
• 杭州およびハルビンの地域における、リンクNYC風の公共情報キオスクの設置数の推定と、中国における公共情報キオスクの持続可能な商業モデルの開発。

提案手法

• 重み付きスコア評価またはAHP（解析的層別法）を用いて、スマートエネルギー、医療、緊急対応など8つのUVサブシステムを統合した多基準評価モデルを構築する。
• 回帰分析、時系列予測、または機械学習モデルを用いて、各サブシステムの今後10年間における変化を予測する。
• 整数プログラミングまたは線形プログラミングを用いてワクチン配分を最適化し、輸送および保管コストを最小限に抑えながら需要とアクセス制約を満たす。
• 人口密度、医療従事者の数、輸送アクセス性などの制約条件をワクチン配分モデルに組み込む。
• 空間分析および人口密度指標を用いて、杭州およびハルビンの都市地域を対象にキオスクの需要を推定する。
• 無料の公共サービスと、ターゲット広告、有料サービス、地元企業との提携といった収益創出機能を組み合わせた、中国向けキオスクの収益モデルを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様なサブシステムにわたる都市のデジタル成熟度を公平に評価できる包括的かつ多次元的なスマートシティ開発インデックスをどのように構築できるか？
• RQ2 提案されたインデックスに基づき、杭州およびハルビンの現在の開発水準はどのようになっており、選定された国際的都市と比較してどう異なるか？
• RQ3 今後10年間で各スマートシティサブシステムのパフォーマンスはどのように変化すると予想され、その変化を引き起こす要因は何か？
• RQ4 コストを最小限に抑えつつ、カバー率とアクセス性を最大化する杭州およびハルビンの病院（中央病院および地域医療機関）向けの最適なワクチン配分戦略は何か？
• RQ5 市民の需要を満たすために杭州およびハルビンで必要な公共情報キオスクの数はどれくらいで、リソースの無駄遣いを避ける持続可能なビジネスモデルはどのようなものか？

主な発見

• スマートシティ開発インデックスは、8つのコアなUVサブシステムを統合することで、都市のデジタル成熟度を標準化して評価可能となる。
• コンテストでは参加者がインデックスを活用して杭州およびハルビンの評価を実施し、非中国都市を対象とした比較ケーススタディが求められる。
• 各サブシステムの将来トレンドは、データ駆動型モデリングを用いて予測され、10年先までの予測が行われる。
• ワクチン配分計画では、需要、保管コスト、輸送物流、人口分布のバランスを取る必要があり、特に杭州の拱墅区およびハルビンの道里区について明確な計算が求められる。
• キオスクの需要推定タスクでは、人口密度および都市インフラを基に地域レベルでの分析が求められ、リソースの無駄遣いを避けることが目標である。
• 中国向けキオスクの持続可能な収益モデルは、無料の公共サービスと、広告やプレミアムサービスなどの収益創出機能を組み合わせることで構築される。