[논문 리뷰] Developing Digital Twins for Earth Systems: Purpose, Requisites, and Benefits

Yuhan Rao, R. J. Redmon외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 19.

Digital Transformation in Industry인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 지구 시스템의 디지털 트윈(DT4ES)을 개발하기 위한 프레임워크를 제안하여, 인공지능 기반의 상호운용성 있는 지구의 통합된 자연 및 인류 시스템의 디지털 표현을 통해 거대한 사회적 과제를 해결하고자 한다. 이는 기초적 요구사항을 설정하고, 정의 중심 및 공동체 기반 개발을 촉진하며, 다양한 용도와 규모에서 신뢰할 수 있고 확장 가능한 DT4ES 애플리케이션 생태계를 구축하기 위한 실천 가능한 권고안을 수립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기후 변화, 식량 불안정성, 환경적 불공정성 등 인간 활동에 기인한 지구 환경 및 사회적 영향의 가속화를 해결한다.
• 다양한 이해관계자를 통합하여 상호운용성 있고 확장 가능한 디지털 트윈 시스템을 개발하는 데 기여하기 위해 DT4ES에 대한 공동의 공동체 비전을 수립한다.
• 다양한 척도에서 시나리오 탐색 및 의사결정을 지원하는 실현 가능한 DT4ES를 위한 기본 원칙과 기술적 요구사항을 설정한다.
• 다양한 공동체를 수용하고 체계적 격차를 줄이기 위해 정의 중심 및 포괄적인 용도 개발 전략을 보장한다.
• 신뢰 중심의 공동 개발과 공동체 실천 모델을 통해 협업 생태계를 조성하여 DT4ES의 상호운용성과 보급을 촉진한다.

제안 방법

• 약 100명의 전문가가 참석한 제4회 NOAA 인공지능 워크숍을 개최하여 공동의 공동체 비전을 함께 수립하였다.
• 자연적 및 인류 활동의 통합, 실시간 데이터 융합, 다중 척도 시뮬레이션 기능을 포함한 실현 가능한 DT4ES의 핵심 기능을 정의하였다.
• 공통 데이터 표준, 모듈식 설계, 개방형 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 기반으로 한 상호운용성 프레임워크를 제안하였다.
• 과학, 정책 및 소외된 공동체의 이해관계자들이 참여하는 신뢰 중심의 공동 개발을 지지하였다.
• 모델의 정밀도와 반응성 향상을 위해 인공지능, 엣지 컴퓨팅, 고성능 컴퓨팅과 같은 신기술의 활용을 강조하였다.
• 기관 및 학문 간 협업, 지식 공유, 표준화 노력 지속을 위해 공동체 실천 모델을 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 사회적 과제에 대응하기 위해 의사결정 지원 기능을 수행하는 실현 가능한 지구 시스템 디지털 트윈에 필수적인 기본 기능은 무엇인가?
• RQ2 다양한 기관에서 개발한 이질적인 DT4ES 시스템 간의 상호운용성은 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 소외되고 취약한 공동체를 위해 기여하는 지속 가능한 DT4ES 개발을 보장하기 위한 전략은 무엇인가?
• RQ4 과학자, 정책 입안자 및 일반 시민이 참여하는 공동 개발 과정에 신뢰를 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ5 장기적인 혁신과 표준화를 유지하기 위해 필요한 협업 모델과 공동체 실천 방식은 무엇인가?

주요 결과

• 실현 가능한 DT4ES는 공간적·시간적 척도에서 자연 지구 시스템 과정과 인간 활동을 통합하여 종합적인 시나리오 분석을 지원해야 한다.
• 공통 데이터 표준, 모듈식 아키텍처, 개방형 API를 통해 상호운용성이 달성 가능하며, 이는 다양한 시스템 간의 원활한 통합을 가능하게 한다.
• 정의 중심의 용도 개발은 환경 정의 문제를 해결하고 소외된 인구 집단을 지원하기 위해 필수적이다.
• 다양한 이해관계자가 참여하는 신뢰 중심의 공동 개발은 다양한 부문에서 DT4ES의 정당성과 보급을 향상시킨다.
• 협업 유지, 최선의 실천 방법 공유, 표준화 추진을 위해 공동체 실천 모델은 필수적이다.
• 워크숍 결과는 상호운용성 있고 확장 가능하며 사회적 책임을 다하는 미래의 DT4ES 생태계를 구축하기 위한 기초적 비전을 제공한다.