[論文レビュー] Developing Digital Twins for Earth Systems: Purpose, Requisites, and Benefits

Yuhan Rao, R. J. Redmon+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Digital Transformation in Industry被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、地球の統合的自然・人間システムのAI駆動型で相互運用可能なデジタル表現を通じて、グランド・サーキュラー・チャレンジに取り組むためのデジタルツイン地球システム（DT4ES）のフレームワークを提唱する。基礎的要件を提示し、公平性を重視したコミュニティ主導の開発を推進し、多様なユースケースとスケールにわたる信頼性がありスケーラブルなDT4ESアプリケーションエコシステムを構築するための実行可能な提言を確立する。

ABSTRACT

The accelerated change in our planet due to human activities has led to grand societal challenges including health crises, intensified extreme weather events, food security, environmental injustice, etc. Digital twin systems combined with emerging technologies such as artificial intelligence and edge computing provide opportunities to support planning and decision-making to address these challenges. Digital twins for Earth systems (DT4ESs) are defined as the digital representation of the complex integrated Earth system including both natural processes and human activities. They have the potential to enable a diverse range of users to explore what-if scenarios across spatial and temporal scales to improve our understanding, prediction, mitigation, and adaptation to grand societal challenges. The 4th NOAA AI Workshop convened around 100 members who are developing or interested in participating in the development of DT4ES to discuss a shared community vision and path forward on fostering a future ecosystem of interoperable DT4ES. This paper summarizes the workshop discussions around DT4ES. We first defined the foundational features of a viable digital twins for Earth system that can be used to guide the development of various use cases of DT4ES. Finally, we made practical recommendations for the community on different aspects of collaboration in order to enable a future ecosystem of interoperable DT4ES, including equity-centered use case development, community-driven investigation of interoperability for DT4ES, trust-oriented co-development, and developing a community of practice.

研究の動機と目的

• 気候変動に起因する極端な気象、食料不安、環境的不正義を含む、人間活動に起因する地球規模の変化に伴う環境的・社会的影響の加速を対処する。
• 多様なステークホルダーを統合し、相互運用可能でスケーラブルなデジタルツインシステムを構築するための、共通のコミュニティビジョンを策定する。
• 多スケールのシナリオ分析と意思決定を支援する、実現可能なDT4ESを支える基盤的原則と技術的要件を確立する。
• 多様なコミュニティが支援を受け、システム的格差を低減するため、公平で包摂的なユースケース開発を促進する。
• 信頼を基盤とする共同開発と、コミュニティ・オブ・プラクティスを通じて、DT4ESの相互運用性と採用を促進する協働エコシステムを構築する。

提案手法

• 約100名の専門家が参加した第4回NOAA AIワークショップを実施し、DT4ESのコミュニティビジョンを共同で開発した。
• 自然的・人間的プロセスの統合、リアルタイムのデータ統合、マルチスケールのシミュレーション機能を含む、実現可能なDT4ESのコア機能を定義した。
• 共通のデータ標準、モジュラー設計、オープンAPIに基づく相互運用性フレームワークを提唱した。
• 科学者、政策立案者、弱い立場のコミュニティからのステークホルダーを含む、信頼を基盤とする共同開発を推進した。
• AI、エッジコンピューティング、ハイパフォーマンスコンピューティングなどの新技術の活用を強調し、モデルの正確性と反応性を向上させた。
• 機関や学問分野を越えて協働を維持し、知識共有と標準化作業を促進するため、コミュニティ・オブ・プラクティスを確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な社会的課題に対応する意思決定を支援するための、実現可能な地球システムのデジタルツインに不可欠な基礎的特徴は何か？
• RQ2 異なる機関が開発した、異なるユースケースを想定した異種のDT4ESシステム間で、どのように相互運用性を達成できるか？
• RQ3 無視されがちなコミュニティや脆弱な集団を的確に支援するため、DT4ESの開発をどのように公平かつ包摂的に行えるか？
• RQ4 科学者、政策立案者、一般市民を含むステークホルダーが関与するDT4ESの共同開発プロセスに、信頼をどのように組み込むか？
• RQ5 DT4ES開発における長期的イノベーションと標準化を維持するための、どのような共同モデルとコミュニティ・プラクティスが必要か？

主な発見

• 実現可能なDT4ESは、空間的・時間的スケールを越えて自然の地球システムプロセスと人間活動を統合し、包括的なシナリオ分析を支援する必要がある。
• 共通のデータ標準、モジュラー・アーキテクチャ、オープンAPIを通じて、相互運用性を達成でき、システム間のシームレスな統合が可能になる。
• 環境正義を実現し、弱い立場の人口を支援するため、公平性を重視したユースケース開発が不可欠である。
• 多様なステークホルダーが関与する信頼を基盤とする共同開発は、セクターを越えたDT4ESの正当性と採用を高める。
• 協働を維持し、ベストプラクティスを共有し、標準化を推進するため、コミュニティ・オブ・プラクティスは不可欠である。
• ワークショップの成果は、相互運用可能でスケーラブルかつ社会的責任を果たすDT4ESの未来エコシステムを構築する基盤的ロードマップを提供する。