Giochiamo in modo sicuro ed equo

18 Dicembre 2024
In un mondo basato su infrastrutture condivise, come possiamo proteggere i più vulnerabili? Sophie Hall spiega perché è impegnata a trovare gli strumenti teorici per costruire sistemi che non lascino nessuno al freddo.
An aerial night view of Europe, showing the dense concentration of the electricity network.
La nostra infrastruttura elettrica è qualcosa su cui tutti facciamo affidamento senza pensarci, finché non si guasta. Ma quando le cose si guastano, alcune comunità fanno sempre più fatica di altre. 

Quando quest'autunno due uragani hanno colpito in rapida successione il sud-est degli Stati Uniti, le interruzioni di corrente che ne sono derivate hanno lasciato senza corrente milioni di famiglie e aziende, in alcuni casi per settimane e settimane. Purtroppo, problemi di questo tipo sono destinati a diventare sempre più frequenti nei prossimi anni e l'esperienza insegna che di solito le comunità più povere sono le più colpite.

Questo è un esempio di come le carenze dei sistemi si intrecciano con i problemi di equità sociale. Quando le infrastrutture si rompono, è probabile che le persone più colpite siano anche quelle che dispongono di meno risorse e sostegno per farvi fronte. Dobbiamo quindi aumentare la resilienza di questi sistemi per far fronte all'aumento degli eventi estremi e della domanda. Aumentando la robustezza, possiamo limitare i danni alle popolazioni vulnerabili, migliorando così l'equità.

Questo problema di equità ha un altro aspetto: la carenza di risorse è spesso causata da un uso eccessivo da parte dei singoli. È la famigerata tragedia dei beni comuni: quando le risorse sono condivise pubblicamente, le azioni dei singoli utenti interessati possono portare a un degrado che alla fine danneggia tutti. Questa tensione è alla base di problemi quotidiani che vanno dalla congestione del traffico alla pesca eccessiva. L'esempio più estremo è il cambiamento climatico, con i Paesi sottosviluppati che si fanno già carico di siccità e inondazioni pur avendo contribuito in misura minore alle emissioni che causano il problema.

Ma cosa c'entra tutto questo con l'automazione?

Prima le priorità, poi il controllo

L'iniqua distribuzione delle risorse impone compromessi e decisioni difficili. L'equità non è una metrica unidimensionale; gli studiosi e le studiose di varie discipline hanno sviluppato molte misure di equità, applicabili a diversi contesti culturali e a situazioni specifiche. Questa scelta filosofica non spetta all’ingegneria. Dobbiamo prima stabilire un minimo di equità e poi massimizzare l'efficienza del sistema? Oppure il contrario: è meglio massimizzare l'equità con un'efficienza minima stabilita? Queste domande vanno ben oltre le questioni pratiche!

Tuttavia, mentre le persone responsabili delle politiche sono quelle che devono affrontare le grandi questioni (ad esempio a chi dare la priorità, quale livello minimo di servizio è accettabile e come bilanciare il servizio minimo per gli individui con una fornitura affidabile per tutte le persone), gli ingegneri e le ingegnere - in particolare coloro che lavorano nel campo dell’automazione - hanno un ruolo da svolgere. Anche se questo ruolo è in gran parte invisibile, ha un grande impatto sulla vita reale.

I nostri sistemi di infrastrutture condivise sono enormi e devono essere regolati secondo per secondo, quindi abbiamo bisogno di algoritmi per gestirli. E se potessimo usare l'automazione per rendere il sistema più equo?

L’automazione è all'opera in ogni ambito, dall'instradamento automatico del traffico alla distribuzione dell'energia nei programmi di risposta alla domanda dall'instradamento automatico del traffico alla distribuzione di energia, dal controllo automatico della fornitura di acqua freatica all’agricoltura [1] [2]. In tutti questi sistemi, la matematica può essere utilizzata per rendere i risultati più equi.

Uno dei campi che affrontano tali questioni è la teoria dei giochi, che ha origine in economia e si occupa del conflitto e della cooperazione tra utenti interessati che accedono a risorse condivise. Nell'ambito dell'automazione, la teoria dei giochi viene introdotta con l'obiettivo di garantire un risultato efficace ed equo per tutti gli utenti.

Il controllo predittivo del modello, una metodologia di controllo ben consolidata per i sistemi complessi, aggiunge i vincoli del sistema: cosa è possibile fare dal lato dell'infrastruttura e quali limiti devono essere rispettati, incorporando le informazioni sugli stati futuri del sistema nel processo decisionale in tempo reale.

Combinando l'MPC (Model Predictive Control) con la teoria dei giochi si può garantire un funzionamento efficiente del sistema, soddisfacendo al contempo obiettivi sociali predefiniti, come la distribuzione equa e le misure di correttezza all'interno di un sistema automatizzato. Tuttavia, prima di poter utilizzare l'algoritmo nella vita reale, manca un passo importante: una rigorosa sicurezza e robustezza per evitare guasti al sistema. Ad esempio, in che modo la sicurezza e la robustezza saranno influenzate da disturbi del sistema (come errori di misurazione o guasti nei canali di comunicazione)? O da previsioni errate (previsioni meteo, disponibilità di risorse, ecc.), o da singoli utenti che entrano o escono dal sistema, o dalle loro preferenze? 

 

A schematised illustration showing a cyber-physical network over two layers: above is a community of houses with solar panels and batteries, below is the cyber network connecting them.
Negli schemi di gestione dell'energia, gli agenti autointeressati possiedono batterie e pannelli solari, ma sono accoppiati attraverso la rete elettrica. Con il controllo predittivo del modello teorico dei giochi, l'automazione può migliorare l'efficienza e la resilienza di tale rete.

Sto lavorando per colmare questa lacuna teorica, cercando in particolare di identificare paradigmi di progettazione che garantiscano un funzionamento stabile e risultati coerenti se installati in un sistema reale e fatti funzionare senza supervisione.

Molti modi possibili per gestire meglio le risorse

La ricerca di un percorso verso un utilizzo più sostenibile delle risorse non deve necessariamente comportare un MPC teorico. In un recente progetto con Google, ad esempio, abbiamo lavorato per massimizzare le quantità di carico computazionale eseguite con energia "verde", mentre in un altro abbiamo collaborato con tiko Energy per sviluppare controllori per la gestione dell'energia nelle case intelligenti. Entrambi i progetti dimostrano la capacità delle singole organizzazioni di ridurre le emissioni di anidride carbonica: in un caso, affrontando l'assegnazione automatizzata dei lavori all'interno di un'azienda; nell'altro, creando sistemi per ridurre i picchi di consumo energetico e aumentare l'uso di fonti di energia rinnovabili in un intero quartiere.

Anche se questi progetti ruotavano intorno alle soluzioni energetiche, non è questo il fulcro della mia ricerca. Si tratta piuttosto di creare strumenti che possano essere applicati a qualsiasi sistema complesso e su larga scala con risorse limitate. Soprattutto nei Paesi industrializzati, siamo abituati al comodo mondo della disponibilità infinita di risorse, ma i cambiamenti climatici e l'instabilità geopolitica dimostrano che questo modello è un'illusione. Dobbiamo pensare a come distribuire le risorse che abbiamo. Chi riceve quanto, quando e perché? E come possiamo affrontare le disuguaglianze razziali e di classe che si verificano nell'allocazione delle risorse? 

Se vogliamo garantire che la nostra infrastruttura condivisa sostenga l'equità sociale e le opportunità di equità, è urgente costruire una solida sicurezza nella progettazione di soluzioni automatizzate. È entusiasmante vedere come l'automazione possa essere parte della soluzione a questa sfida.