[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一套用于地球系统数字孪生（DT4ES）的框架，旨在通过人工智能驱动的、可互操作的地球综合自然与人类系统数字表示，应对重大的社会挑战。该框架阐明了基础要求，倡导以公平为中心并由社区主导的开发模式，并为在不同应用场景和尺度下构建可信、可扩展的DT4ES应用生态系统，提出了可操作的建议。

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.

研究动机与目标

• 应对人类驱动的地球系统变化带来的加速环境与社会影响，包括极端天气、粮食不安全以及环境不公。
• 制定DT4ES的共同社区愿景，统一多元利益相关方，推动构建可互操作、可扩展的数字孪生系统。
• 确立可行DT4ES的基础原则与技术要求，以支持跨尺度的情景探索与决策制定。
• 推动公平且包容的场景开发，确保DT4ES服务于多样化社区并减少系统性差异。
• 通过以信任为导向的共同开发与实践社区，促进协作生态系统的发展，推动DT4ES的互操作性与采纳。

提出的方法

• 召集了约100名专家参加第四届NOAA人工智能研讨会，共同制定DT4ES的社区愿景。
• 定义了可行DT4ES的核心特征，包括自然与人类过程的整合、实时数据同化能力，以及多尺度模拟能力。
• 提出基于共享数据标准、模块化设计和开放应用程序编程接口（API）的互操作性框架。
• 倡导涉及科学、政策及边缘化社区利益相关者的以信任为导向的共同开发模式。
• 强调利用人工智能、边缘计算和高性能计算等新兴技术，以提升模型保真度与响应速度。
• 建立实践社区，以持续推动机构与学科之间的协作、知识共享与标准化工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些基础特征对于可行的地球系统数字孪生至关重要，以支持应对多样化社会挑战的决策？
• RQ2 如何在不同机构开发、面向不同应用场景的异构DT4ES系统之间实现互操作性？
• RQ3 哪些策略可确保DT4ES的公平与包容性发展，使其服务于代表性不足和脆弱的社区？
• RQ4 如何在涉及科学家、政策制定者与公众的共同开发过程中嵌入信任机制？
• RQ5 需要哪些协作模式与社区实践，以持续推动DT4ES开发中的长期创新与标准化？

主要发现

• 可行的DT4ES必须在空间与时间尺度上整合自然地球系统过程与人类活动，以支持全面的情景分析。
• 通过共享数据标准、模块化架构与开放API，可实现互操作性，从而实现系统间的无缝集成。
• 以公平为中心的场景开发至关重要，可确保DT4ES解决环境正义问题，并服务于边缘化人群。
• 通过多元利益相关者参与的以信任为导向的共同开发，可增强DT4ES在各行业中的合法性与采纳度。
• 实践社区对于持续推动协作、共享最佳实践并推动DT4ES开发中的标准化至关重要。
• 研讨会成果为构建一个可互操作、可扩展且具有社会责任感的未来DT4ES生态系统，提供了基础路线图。