[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种基于区块链式机制的反馈驱动型分布式访问控制系统，用于限制智慧城市中车辆的通行，以应对轮胎磨损产生的PM2.5排放——该排放被认定为都柏林地区主要的健康风险，从而在内燃机车辆逐步被电动车取代的背景下，仍能将颗粒物浓度维持在世界卫生组织（WHO）规定的安全阈值以内。

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.

研究动机与目标

• 挑战仅通过禁止内燃机（ICE）车辆即可减少城市空气污染（尤其是非尾气来源如轮胎磨损产生的PM2.5）的假设。
• 利用都柏林地区的具体数据证明，仅轮胎磨损产生的PM2.5排放可能已超过世界卫生组织（WHO）推荐的安全水平。
• 设计一种公平、去中心化的访问控制机制，通过限制车辆数量以确保PM2.5浓度维持在安全阈值内。
• 将拼车激励机制整合进访问控制系统，以提升公平性并减少整体车辆使用量。

提出的方法

• 采用一种反馈驱动的分布式访问控制机制，根据实时PM2.5水平动态调整城市区域内允许通行的车辆最大数量。
• 通过拼车方案匹配用户，减少总行驶次数，从而降低整体PM2.5排放。
• 应用一种简化的空气扩散模型，假设PM在由道路网络长度、10米平均街道宽度和4米平均建筑高度所定义的体积内均匀分布。
• 设定每小时一次的空气交换率，以模拟持续的污染物扩散并维持稳态污染水平。
• 通过在360天内将允许通行的车辆最大数量在50,000至80,000之间动态变化，模拟动态访问控制。
• 量化单位立方米空气中PM2.5浓度与车辆数量及空间体积的关系，其中绿色区域表示世界卫生组织（WHO）规定的安全水平，红色区域表示超过安全阈值的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在都柏林，即使不考虑内燃机车辆，轮胎磨损产生的PM2.5排放在多大程度上已超过世界卫生组织（WHO）推荐的安全水平？
• RQ2 反馈驱动的去中心化访问控制系统是否能有效通过限制城市区域的车辆通行来调控PM2.5水平？
• RQ3 在动态的城市出行环境中，该系统如何维持公平性并确保用户遵守规则？
• RQ4 允许通行的车辆最大数量变化对PM2.5浓度随时间的稳定性有何影响？
• RQ5 空间扩散模型在不同城市布局下如何影响对安全PM2.5阈值的估算？

主要发现

• 在都柏林，仅轮胎磨损产生的PM2.5排放可能已超过世界卫生组织（WHO）推荐的安全水平，且尚未计入其他污染源的影响。
• 模拟结果表明，即使在空气扩散体积有限的城市中，将每日允许通行的车辆数量限制在100,000辆以内，也能使PM2.5浓度维持在安全范围内。
• 反馈控制系统在车辆数量允许值动态变化的情况下，仍能成功将允许通行的车辆数量平均维持在设定最大值附近。
• 当允许通行的车辆数量在40天内从50,000增加至80,000，随后又减少时，系统能有效稳定访问控制，防止超载。
• 图7(a)显示，随着车辆数量增加，PM2.5浓度急剧上升，但仅当车辆通行被限制在100,000辆及以下时，浓度才保持在安全范围（绿色）。
• 图7(b)证实，PM2.5浓度与空气扩散体积成反比，只要对车辆数量进行有效调控，无论城市规模大小，均可实现安全水平。