Tekniikkaa ja tietoa
Älynosturi

Koneiden digitaaliset kaksoset auttavat tuotekehitystä ja käyttäjää – Aalto-yliopiston älynosturi

Digital Twins eli digitaaliset kaksoset on päivän sana koneiden ja niiden ohjelmistojen kehityksessä. Aalto-yliopiston projektissa tutkimushallin siltanosturi on saanut digitaalisen vastineen – tämä digitaalinen kaksonen hyödyttää niin käyttäjää kuin valmistajaa.
Mikael Sammatti
Tohtorikoulutettava Juuso Autiosalo käyttää Ilmatar-älynosturia. Älykkään nosturin vakiotoimintoihin kuuluu heilunnanesto. Se estää kuorman heilahtelun kontrolloimalla sillan ja vaunun liikenopeuksien kiihtymisiä ja hidastumisia. Heilahtelua seurataan yhden vaijerin asentoa mittaamalla.

Digitaalisiin kaksosiin liittyvä tutkimus alkoi Aalto-yliopiston konetekniikan laitoksella vuoden 2017 alussa. Tällöin yliopisto sai Konecranesilta lahjoituksena tutkimuskäyttöön Ilmatar-nimisen siltanosturin. Projekteissa mukana oleva tohtorikoulutettava Juuso Autiosalo kertoo, että ihan aluksi piti selvittää, mitä digitaalinen kaksonen oikein tarkoittaa.

"Digitaalinen kaksonen on varsin tuore termi, sillä sitä on laajemmalti käytetty vasta kymmenisen vuotta. Sen tiukka määrittelykään ei ole helppoa, sillä digitaalisia kaksosia voi olla hyvin erilaisia. Pääidealtaan kyse on kuitenkin digitaalisessa muodossa olevasta mallista tietystä fyysisen maailman koneesta tai muusta objektista", selvittää Autiosalo. "Meidän tapauksessa kaksosta lähdettiin kehittämään siltanosturin kunnonvalvonnan ja käyttäjän opastamisen tarpeisiin."

Monta tehtävää

Tärkein tunnusmerkki digitaalisen kaksosen osalta on, että digitaalinen malli on jotenkin yhteydessä ja vuorovaikutuksessa fyysisen laitteen kanssa. Tiedonsiirrosta kaikkien osien – kuten koneessa olevien antureiden, tietokoneen ja internetin – välillä vastaa jokin keskitetty tietolinkki.

Yleensä kaksonen sisältää paljon muutakin kuin vain koneen anturoinnin ja etäseurannan. Ehkä yleisin lisäominaisuus on simulaatiomalli koneesta. Tämän avulla pystytään esimerkiksi seuraamaan reaaliaikaisesti koneen osien rasitusta käytön aikana.

Kaksosen avulla pystytään hallitsemaan koneeseen liittyviä suuria tietomassoja (ns. big dataa) ja tuottamaan tietoa koneen toiminnasta jopa ilman fyysisiä antureita. Simulaatiomalli ja tekoäly voivat esimerkiksi laskea ja tunnistaa muutaman anturin tuottaman mittausdatan perusteella monia asioita laitteesta ilman, että kaikkia osia tarvitsee erikseen anturoida.

Yksi esimerkki on isojen polttomoottoreiden antureiden vähentäminen. Monisylinterisissä moottoreissa kaikkien sylintereiden paineanturointi maksaa, ja antureiden suuresta määrästä johtuen vikamahdollisuuskin on suuri. Digitaalisen kaksosen avulla sylinterien erillinen anturointi voidaan unohtaa – koneäly saadaan tunnistamaan kampiakselin pyörimisnopeudesta samat asiat, esimerkiksi yksittäisen sylinterin käyntihäiriöt.

Usein digitaalinen kaksonen toimii myös käyttöliittymänä koneen toimintojen ohjaamiseen ja toiminnan monitorointiin. Digitaalisessa mallissa on esimerkiksi helppo visualisoida erilaisia anturitietoja, kuten vaikkapa kertoa koneen osien lämpötiloja eri väreillä.

Kaksonen valvoo

Aalto-yliopiston Ilmatar-nosturiin on kehitetty nostokoukun vaijeripyörien ja niiden laakereiden käyttöiän seuranta. Digitaalinen kaksonen seuraa vaijerirummun pyörimistä ja laskee kuormituksen sekä nostomatkojen perusteella rasituksen koukun laakereille ja ilmoittaa sen perusteella (ennustetun) jäljellä olevan käyttöiän.

Toinen toiminto on nosturin käytön seuranta koukkuun sijoitetulla langattomalla kiihtyvyysanturilla. Tietokone seuraa koukun liikkeitä ja osaa tunnistaa vääränlaisen käyttötyylin. Koukkuun välittyvät nopeat liikkeet ja rytkäisyt kertovat rakenteita rasittavasta nosturin käytöstä, ja nosturi osaa ilmoittaa tästä käyttäjälle.

Tärkeä osa tutkimusta on ollut kehittää anturointia, joka yhä useammin on toteutettu langattomasti. Ilmatar-nosturissa on esimerkiksi lukuisten paikka- ja asentoantureiden lisäksi ollut laserkeilauslaite, jonka muodostaman kuvan avulla voidaan estää tahattomat törmäykset esteisiin ja toteuttaa jopa automaattinen ajo.

Tulevaisuus näyttää

Digitaalisten kaksosten hyödyntäminen on vasta aluillaan, ja monessa yrityksessä pähkäillään mitä hyötyjä sen käyttöönotosta saataisiin. "Nosturin tapauksessa on nähty, että digitaalinen kaksonen tuottaa tietoa valmistajalle esimerkiksi komponenttien mitoitusta ja tulevia huoltotoimia varten. Käyttäjää se auttaa taas toimimaan nosturia säästäen", Autiosalo kertoo.

Tulevaisuudessa Aallossa on tarkoitus tehdä yritysten välistä yhteistyötä äskettäin julkaistun kaikille avoimen Ilmatar-kehitysympäristön puitteissa. Esimerkiksi halliin tulevan trukin digitaalinen kaksonen voisi sopia kuorman luovutuksesta nosturin digikaksosen kanssa.

Lopuksi Autiosalo vielä rauhoittelee niitä jotka pelkäävät koneiden syrjäyttävän ihmiset: "Jatkossakin tarvitaan aina ihmisiä suunnitteluun ja kehitystyöhön. Ihmisten kyky omaksua uutta tietoa ja kehittää sen perusteella jotain aivan uutta on ominaisuus, jolle koneet eivät pärjää vielä pitkään aikaan, jos koskaan."

Lue lisää