评估社会技术系统的性能以提高可靠性

学位论文 MUHAMMADJALALAWAN 评估社会技术系统的性能以提高可靠性 来自传感器和人类网络的证据 该文件于2023年9月作为论文提交，部分满足了PardeeRAND研究生院公共政策分析博士学位的要求。监督和批准论文的教师委员会由BenPreston（主席），KellyKlima（联合主席）和JeffreyGeddes（外部成员）组成。 兰德大学毕业生学校 有关此出版物的更多信息，请访问www.rand.org/t/RGSDA3127-1. 关于兰德 兰德公司是一家研究机构，致力于为公共政策挑战开发解决方案，以帮助世界各地的社区更安全，更安全，更健康，更繁荣。兰德是非营利组织，无党派，致力于公共利益。要了解有关兰德的更多信息，请访问www.rand.org。 研究完整性 我们通过研究和分析帮助改善政策和决策的使命是通过我们的质量和客观性的核心价值观，以及我们对最高水平的诚信和道德行为的坚定承诺。为了帮助确保我们的研究和分析是严格，客观和无党派的，我们的研究出版物受到强大和严格的质量保证过程;通过员工培训避免财务和其他利益冲突的出现和现实，项目筛选和强制性披露政策；并通过我们致力于公开发表我们的研究结果和建议，披露已发表研究的资金来源以及确保知识独立性的政策，来追求研究活动的透明度。有关更多信息，请访问www.rad.org/abot/research-itegrity. 兰德的出版物不一定反映其研究客户和赞助商的意见。由兰德公司出版，加利福尼亚州圣莫尼卡。是注册商标。 有限的印刷和电子发行权 本出版物和此处包含的商标受法律保护。RAND知识产权的这种表示仅供非商业使用。禁止未经授权在网上发布本出版物；直接链接到其在rad上的网页。org是鼓励的。为了商业目的，需要RAND的许可才能复制或以另一种形式重复使用其任何研究产品。有关重印和重复使用权限的信息，请访问www。rad.org/pbs/permissios。 Abstract 空气污染，尤其是PM2.5（气溶胶直径<2.5μm），每年导致8-10万例早期死亡。世卫组织2021年PM指南2.5暴露表明，全球97.3%的人生活在安全暴露水平之外，全球平均预期寿命减少了2.2年。本文研究了基于物联网的低成本传感器在提供可信的、本地化的污染数据和促进公共环境宣传方面的功效。三篇文章构建了探索 : 论文1回顾了低成本PM传感器的发展和性能（从2012年到2022年），并强调了适当的校准模型对提高性能的功效。 论文2使用来自圣莫尼卡和匹兹堡的传感器的时间序列数据，定量评估了PurpleAirPA-II传感器的校准前后性能。 论文3探讨了公民科学在空气监测中的潜在作用，突出挑战并根据部署经验和测量传感器主机提出指导方针。 总的来说，这些论文支持空气质量监测，混合技术，科学调查和社区参与的综合战略，其愿景是普遍获得清洁空气。 Acknowledgments 这项工作得到了Cazier家庭基金会，美国国家科学院，工程与医学学院和PardeeRAND研究生院学生的RogerLevien奖学金的资助。部分研究是在2023年维也纳国际应用系统分析研究所（IIASA）青年科学家夏季计划 （YSSP）期间进行的。 我向兰德公司的本杰明·李·普雷斯顿博士和联席主席凯利·克里玛博士以及波士顿大学地球与环境系的杰弗里·盖德斯博士领导的委员会表示最深切的感谢。他们的信心，指导和坚定的支持有助于确保我在整个论文旅程中从未感到负担。 更不用说我的六年级英语老师ShaniMuhammad女士了，她向我灌输了对写作的热情，使这种经历对我来说不那么令人生畏，更令人愉快。我也感谢富布赖特导师，教育家和亲爱的朋友AnnKerr鼓励我雄心勃勃的想法，并在我需要休息时在她的Palisades家中提供庇护所。 此外，我对导师（GeridHager，InianMoorthy和IanMcCallum）以及IIASAYSSP计划的研究员表示感谢 ，他们的勤奋，职业道德和友情促使我比我预期的更早完成了这个项目。 最后，也是最重要的是，对我的伴侣安娜表示衷心的感谢。她坚定的支持和鼓励不断激励我尽力而为，超越自己的界限。 专用于Ammi： 我的指导之星，在每一步，近或远，阿米，你是我的光。 ﻩﺭﺎﺎﻤﻨﺮﻣ ﺭﻭﺎﺐﯾﺮﺭﺮﺪ ﮟﮨﯿﯽﻨﺷﯼﺮﯿ،ﯽﺁﻣ 缩写 缩写完整形式 AR 增强现实 ATMCAACACBPRCF1COVID-19CVEPAFFNNFRMIEEEIoTIPCCLCSNNAAQSNSIMNRMSEOSHAOPCPA-IIPMS5003PMPM1PM2.5PM10 大气校正清洁空气法案加利福尼亚州基于社区的参与式研究修正系数1冠状病毒病2019变异系数环境保护局前馈神经网络联邦参考方法电气和电子工程师协会物联网政府间气候变化专门委员会低成本传感器网络国家环境空气质量标准非监管、补充和信息监控归一化均方根误差职业安全与健康管理光学粒子计数PurpleAirPA-II监测器PlantowerPMS5003激光光学粒子计数器传感器颗粒物直径为1微米或更小的颗粒物细颗粒物（2.5微米或更小）直径为10微米或更小的粗颗粒物 系统评价和荟萃分析的首选报告项目确定系数随机森林均方根误差标准偏差国家实施计划超细颗粒联合国环境规划署美国环境保护局无线保真世界卫生组织 PRISMA R²RF RMSESDSIP UFPUNEP 美国EPAWi-FiWHO Introduction “所有你需要的，你呼吸的空气。 -摘自美国说唱歌手肯德里克·拉马尔和普利策奖得主的“多少美元” （1988年至今） 颗粒物(PM)污染，特别是PM2.5，构成重大的健康风险，每年导致8-10万人过早死亡。随着越来越多的证据表明PM的不利生理和认知影响2.5污染，世卫组织修订了其颗粒污染安全暴露指南(PM2.5）到2021年的5µg/m3（从10µg/mm3），表明全球97.3％的人口处于危险之中。空气污染使全球平均预期寿命减少2.2年 。这一比率与吸烟相当，是饮酒的三倍多，是冲突和恐怖主义的89倍。南亚和东南亚面临最严重的影响，居民分别损失了5年和4年。中非和西非污染对健康的影响与艾滋病毒/艾滋病的区域影响相当。 PM最高的地区2.5污染往往缺乏足够的监管监测，突显了全球的不平等，因为那些面临颗粒物最严重健康风险的人得不到充分的保护。在美国和全球范围内，这些差异反映了更广泛的不平等模式，即边缘化社区承担着不成比例的污染暴露负担，而对其产生的影响往往较小。在美国，不到80％的县拥有监管PM监控器，这表明在空气污染测量和缓解工作方面存在差距。 我的论文旨在通过探索低成本传感器提供细粒度数据的能力来解决这一差距。这些传感器由物联网（IoT）的发展增强，为邻里级监控创造了潜力，并可以推动公民参与环境倡导。但是，有效部署它们的关键在于建立其可靠性并赢得利益相关者的信任。以下三篇文章探讨了通过低成本传感器和公民科学进行空气质量监测的新兴领域。 论文1：“感知变化：负担得起的颗粒物(PM2.5)全球空气质量研究中的传感器“:本文探讨了2012年至2022年 负担得起的PM传感器的可靠性。全面的文献综述评估了这些传感器与参考监测器的关系。调查结果突出了传感器的潜力，但强调了定期校准和进一步研究以证明有效性的必要性。 论文2：“清除空气：圣莫尼卡和匹兹堡低成本颗粒物传感器的长期性能分析”：本文着眼于广泛使用的PurpleAirPA-II环境污染传感器，回顾了其在圣莫尼卡和匹兹堡的15个月性能。该分析基于与监管 级设备的比较，指出了PA-II传感器的优势和局限性，强调了区域校准和扩展评估的重要性。 论文3：“工作中的公民科学：利用人群来源的空气污染数据推进政策变革的四阶段框架”：这篇文章强调了公民科学在空气污染监测和干预中的作用。它深入研究了在技术支持下的社区参与如何彻底改变监控。虽然潜力巨大，但数据质量和科学严谨与公众参与之间的平衡等挑战依然存在。本文从已发表的文献和部署经验中提供了克服这些挑战的指南。 总的来说，这些论文为空气污染监测的新范式提供了一个视角，结合了技术，科学审查和社区活动，并可能补充了稀疏的监管监测网络。通过将这些元素交织在一起，论文强调了一条防治空气污染的道路，旨在实现每一次呼吸都是纯净和安全的未来。 Contents .......................................................................................................................................................................iii .......................................................................................................................................................................iv ......................................................................................................................................................................vii .......................................................................................................................................................................ix .......................................................................................................................................................................xi 感知变化：经济适用的颗粒物(PM2.5）全球空气质量研究中的传感器1 ....................................................................................................................................................................1 ....................................................................................................................................................................2 ....................................................................................................................................................................6 .....................................................................................................