[논문 리뷰] On DICE-free Smart Cities, Particulate Matter, and Feedback-Enabled Access Control

Panagiota Katsikouli, Pietro Ferraro외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 24.

Air Quality Monitoring and Forecasting참고 문헌 34인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 유사 메커니즘을 활용해 차량 접근을 분산 제어하는 피드백 기반 시스템을 제안하며, 스마트 시티 내에서 타이어 유래 PM2.5 배출을 제한함으로써 도르트문에서 심각한 건강 위험으로 지적된 타이어 마모에 기인한 PM2.5 배출을 관리하고, 전기차로의 차량 보급 전환에도 불구하고 WHO 기준 안전 수준 이내로 미세먼지 농도를 유지하고자 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 내연기관 차량 금지만으로 도시 대기 오염이 감소할 것이라는 가정에 도전하며, 특히 타이어 마모 등 비배기 원인에 기인한 PM2.5에 초점을 맞춘다.
• 더빙에 특화된 데이터를 바탕으로, 타이어 유래 PM2.5 배출이 이미 WHO 권고 기준을 초과할 수 있음을 입증한다.
• 안정된 PM2.5 농도를 유지하기 위해 차량 수를 제한하는 공정하고 탈중앙화된 접근 제어 메커니즘을 설계한다.
• 이동 공유 인centives를 접근 제어 시스템에 통합하여 공정성과 전체 차량 이용 감소를 증진한다.

제안 방법

• 실시간 PM2.5 농도에 따라 도시 구역 내 허용 차량 수를 동적으로 조정하는 피드백 기반 분산 접근 제어 메커니즘을 적용한다.
• 사용자 간 매칭을 통해 이동 공유를 촉진하고 총 차량 이동 수를 줄여 전체 PM2.5 배출을 감소시킨다.
• 도로망 길이, 평균 도로 폭 10m, 평균 건물 높이 4m로 정의된 부피 내에서 미세먼지가 균일하게 분포된다고 가정한 단순화된 대기 확산 모델을 적용한다.
• 지속적인 확산을 시뮬레이션하고 안정 상태 오염 수준을 유지하기 위해 매시간 1회 공기 교환율을 적용한다.
• 360일 동안 허용 차량 수를 50,000에서 80,000으로 증가시키고 다시 감소시키는 방식으로 동적 접근 제어를 시뮬레이션한다.
• 차량 수와 공간 부피에 따른 m³당 PM2.5 농도를 정량화하며, WHO 기준 안전 수준은 초록색 영역으로, 기준 초과는 빨간색 영역으로 표시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내연기관 차량이 없는 상황에서도 더빙에서 타이어 유래 PM2.5 배출이 WHO 권고 기준을 초과하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 피드백 기반 탈중앙화 접근 제어 시스템이 도시 지역 내 차량 접근 제한을 통해 PM2.5 수준을 효과적으로 규제할 수 있는가?
• RQ3 다이나믹한 도시 이동 환경에서 공정성과 사용자 준수를 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ4 허용 차량 수를 변화시킬 경우, PM2.5 농도 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 공간적 확산 모델이 다양한 도시 구성 조건에서 안전한 PM2.5 기준을 추정하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 더빙에서는 내연기관 차량이 없더라도 타이어 마모에 기인한 PM2.5 배출만으로도 이미 WHO 권고 기준을 초과할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과, 하루 최대 100,000대의 차량 접근 제한이 가능하면, 공기 확산 부피가 제한된 도시에서도 PM2.5 수준을 안전 범위 내로 유지할 수 있다.
• 피드백 제어 시스템은 허용 차량 수가 변동하는 동안에도 평균적으로 설정된 최대치 근처로 허용 차량 수를 유지하는 데 성공했다.
• 40일 간 허용 차량 수를 50,000에서 80,000으로 증가시킨 후 다시 감소시키는 상황에서도 시스템은 접근을 안정화시키고 과잉 용량을 방지했다.
• 그림 7(a)는 차량 수가 증가함에 따라 PM2.5 수준이 급격히 상승하지만, 차량 접근이 100,000대 이하로 제한될 경우에만 안전 수준(초록색)을 유지함을 보여준다.
• 그림 7(b)는 PM2.5 농도가 대기 확산 부피에 반비례하며, 차량 수를 규제하는 효과적인 접근 제어가 도시 크기에 관계없이 안전 수준을 달성할 수 있음을 확인한다.