Digital twin eli digitaalinen kaksonen on juuri nyt hypetermi vailla vertaa. Tosimaailman esineiden virtuaalisille vastinpareille visioidaan kilvan erilaista käyttöä. Joidenkin mielestä tämä on jopa uusimman teollisen vallankumouksen tukijalka, jonka seurauksena fyysisen ja digitaalisen maailman rajat lopullisesti sekoittuvat.
Aalto-yliopiston konetekniikan tutkija Riku Ala-Laurinaho paloitteli väitöskirjassaan hypetermin teollisuusympäristöön istuvaksi modulaariseksi arkkitehtuuriksi, jonka osaset kommunikoivat keskenään ohjelmointirajapintojen välityksellä.
Pisimmällä digitaalisten kaksosten hyödyntäjänä lienee autovalmistaja Tesla. Lehtitietojen mukaan yrityksellä on digitaalinen kaksonen jokaisesta myymästään autosta. Autot lähettävät sensoreiltaan tulevaa datavirtaa APIn välityksellä digitaaliselle kaksoselleen.
Kun huoltotoimintakin on yrityksen omissa käsissä, tallentuu digitaaliseen kaksoseen vuosien kuluessa kunkin autoyksilön koko elinkaari, huollot ja internetin yli tehdyt ohjelmistopäivitykset.
Valmistajan koko globaalin Tesla-kannan tuottamaa datavirtaa analysoivat tekoälysovellukset voivat jopa ennakoida yksittäisten autojen lähestyvää huoltotarvetta ja tilata varaosat valmiiksi huoltopisteelle.
Myös uudet tietokoneet ja puhelimet kysyvät poikkeuksetta käyttäjältä luvan käyttötietojen lähettämiseen valmistajalle. Laitteiden tallentamaa dataa hyödynnetään uusien tuotesukupolvien suunnittelussa.
– Facebookilla on varmaan aika tarkka digitaalinen kaksonen meistä ihmisistä, Ala-Laurinaho pohtii.
Ala-Laurinahon mukaan Tesla on hyvä, joskin epätyypillinen esimerkki digitaalisten kaksosten mahdollisuuksista. Tesla hoitaa itse niin autojen valmistuksen, myynnin kuin huollon.
– He ovat voineet rakentaa arkkitehtuurin vapaammin, kun ei ole tarvinnut ottaa eri osapuolten toiveita huomioon.
Digitaalinen kaksonen on kelpo koekaniini
Ala-Laurinahon oman digitaalisia kaksosia käsittelevän väitöstyön koekaniiniksi päätyi Aalto Industrial Internet Campuksen Ilmatar-teollisuusnosturi.
Konecranesin yliopistolle lahjoittama nosturi on vuosien varrella saanut paljon lisää älyä. Ala-Laurinaho ja hänen tutkijakollegansa Juuso Autiosalo ovat rakentaneet yhdessä yrityskumppanien kanssa sille pala palalta digitaalista vastinetta.
Nyt Ilmatar ja sen avoimen lähdekoodin työkaluin rakennettu digitaalinen kaksonen muodostavat kokonaisen avoimen tutkimusympäristön. Nosturia voi ohjata VR-laseilla, kuljettaja saa palautetta suorituksestaan ja historiatieto automaattisesti kerätään talteen.
Mihin koneen digikaksosta oikein tarvitaan? Riku Ala-Laurinaho esittelee väitöstilaisuutensa lektioluennossa pitkän listan potentiaalisia käyttökohteita.
– Uutta laitetta voidaan esimerkiksi testata digitaalisella kaksosella jo ennen kuin se on olemassa, Ala-Laurinaho selvittää.
Simulointimalleilla voidaan koeponnistaa vaikka kokonainen tehdas jo sen suunnitteluvaiheessa.
– Digitaaliseen kaksoseen voidaan säilöä tuotteeseen liittyvää tietoa, ja sensorien tuottamaa mittaus- ja historiadataa. Kun laite lopulta kierrätetään, voidaan esimerkiksi katsoa mitä materiaaleja se sisältää.
Käy selväksi, että käyttökohteita olisi, mutta sen sijaan standardit ja hyvät käytännöt digitaalisen kaksosen rakentamiseksi loistavat poissaolollaan.
– Digitaalisen kaksosen tärkein tehtävä on tuoda kaikki tuotteeseen liittyvä tieto saataville, Ala-Laurinaho pohtii.
Tutkijoiden tavoitteena datan jakamiseen oli yhden luukun periaate. Kollega Juuso Autiosalo esitteli paljon viittauksia saaneessa tutkimuspaperissaan konseptin datalinkistä, joka toimii koko digitaalisen kaksosen ytimenä. Datalinkki koostuu käytännössä tietokoneesta ja erilaisista ohjelmistoista.
– Minun väitöstyöni taas ehdottaa, miten tämä datalinkki käytännössä toteutetaan.
Ilmatar-nosturissa oli valmiina useita eri tietojärjestelmiä. Konecranesilla on oma etämonitorointiohjelmistonsa, Siemensin MindSphere-ohjelmisto kerää nosturin sijaintitietoa, kolmannella ohjelmistolla tutkijat voivat analysoida esimerkiksi sitä, miten rajusti nosturia on ajettu.
– Ei olisi mitään järkeä lähteä rakentamaan näitä palveluita uudelleen digitaalista kaksosta varten, Ala-Laurinaho toteaa.
Ongelma on, että ohjelmistoilla on omat käyttöliittymänsä, eivätkä ne osaa vaihtaa tietoa keskenään.
Valmiit palikat helpottavat
Väitöstyössä Ala-Laurinaho ratkaisi ongelman modulaarisella arkkitehtuurilla. Nosturin digitaalinen kaksonen muodostuu olemassa olevista järjestelmistä, jotka datalinkki ja siihen rakennettu yhteinen ohjelmointirajapinta eli API kytkee toisiinsa.
Datalinkki reitittää rajapintaan tulleet kyselyt oikealle tietojärjestelmälle, ja välittää pyydetyn datan takaisin kysyjälle.
Yksi digitaalisen kaksosen tärkeimmistä ominaisuuksista on kuvastaa fyysisen vastinkappaleensa tilaa. Tätä varten Ala-Laurinaho rakensi väitöskirjassaan avoimen anturienhallintajärjestelmän, johon on voi helposti kytkeä uusia nosturia tarkkailevia mittalaitteita, kuten kiihtyvyysantureita tai laserskannerin.
Väitöstyössä syntyi myös web-käyttöliittymä, jossa kuvataan digitaalisen kaksosen sisältämä tieto ja palvelut.
– Väitöskirjan uutuusarvo on siinä, että se integroi nämä digitaalisen kaksosen palaset yhdeksi kokonaisuudeksi.
Aallon digital twin -tutkijoiden toive on sysätä samanlainen kehitys liikkeelle myös perinteisessä teollisuudessa, jossa tuotteiden valmistuksesta, myynnistä ja huollosta vastaavat eri osapuolet. Juuri tällaiseen ympäristöön tutkijan esittämä modulaarinen API-arkkitehtuuri istuu hyvin.
– Vastuunjako helpottuu, kun käytetään valmiita palikoita.
API-pohjaisella mikropalveluarkkitehtuurilla uusien ominaisuuksien ja toimijoiden lisääminen digitaaliseen kaksoseen on helppoa. Ala-Laurinaho käyttää esimerkkinä pilvipalveluna toimivaa ennakoivaa huoltomallia, joka voisi olla yksi modulaarisen digikaksosen järjestelmistä.
– Koneen tiedot voitaisiin lähettää APIn välityksellä simulaatiomallia pyörittävään pilvipalveluun.
Isoa datamassaa pureskeleva järjestelmä taas palauttaa API:n kautta ennusteen siitä, mikä koneen komponenteista tulee vaatimaan huoltoa lähitulevaisuudessa.
Data vielä hajallaan
Suurin jarru digitaalisten kaksosten yleistymiselle on käytännön toteutus. Digitaalisen kaksosen tarvitsema data on suljetuissa järjestelmissä, tai pahimmassa tapauksessa pelkästään paperimuodossa koneen huoltokansiossa.
Digitaalisen kaksoselle ei ole edes mitään yleispätevää määritelmää. Viime vuosina digitaalisen kaksosen käsite on laajentunut tarkoittamaan melkein mitä tahansa.
– Se voi olla mikä vain virtuaalinen entiteetti, joka on linkattu fyysiseen koneeseen, tai vaikka organisaatioon.
Ala-Laurinaho loi väitöstyössä nosturin digitaaliselle kaksoselle koneluettavan digital twin -mallidokumentin. Tällaista standardoitua tapaa kuvata digitaalinen kaksonen ovat laatimassa niin Microsoft kuin WWW:n standardeja kehittävä World Wide Web Consortium.
Digitaalisten kaksosten kantaisänä pidetään Nasan 1960-luvun kuulento-ohjelma kuualusten fyysisiä kaksoiskappaleita. Esimerkiksi epäonnisen Apollo 13 -lennon astronautit saatiin hengissä takaisin maan pinnalle, kun käytössä oli kopio avaruudessa vaurioituneesta aluksesta.
2000-luvun alkaessa tietotekniikka oli edennyt jo siihen pisteeseen, että fyysinen kopio voitiin korvata tarkalla digitaalisella simulaatiomallilla. Viime vuosina digitaalisen kaksosen määritelmä on laventunut entisestään.
Tänä päivänä suurtenkin datamassojen liikuttelu on niin helppoa ja halpaa, että digitaalisia kaksosista on tullut käyttökelpoisia esimerkiksi teollisuuden laitteiden reaaliaikaisessa ohjauksessa.
Jos digikaksosille onnistutaan luomaan yhteiset standardit, saattaa yllättävän monella fyysisen maailman esineellä tulevaisuudessa olla digitaalinen vastinparinsa.
Tällöin tarvitaan nykyistä WWW:tä vastaava Digital Twin Web.
– Jos jokaisella fyysisellä laitteella on digitaalinen kaksonen ja ne verkottuvat, siitä voi tulla seuraava internet, Ala-Laurinaho visioi.
Tällaista maailmanlaajuista digikaksosten verkkoa hahmotteli tutkijakollega Juuso Autiosalo omassa väitöstilaisuudessaan vain viikkoa Ala-Laurinahon väitöksen jälkeen.
Tutkijaksi vanhempien jalanjäljillä
Pari viikkoa aiemmin väitöskirjaansa puolustanut Riku Ala-Laurinaho saa mieluisan joululahjan juuri ennen joulua tehdyn Teams-haastattelun aikana. Ala-Laurinahon sähköpostiin tupsahtaa postdoc-tutkijan työsopimus, joka kestää elokuuhun 2024.
Tuoreen tekniikan tohtorin lähivuodet taitavat kulua digitaalisten kaksosten tutkimuksen parissa. Väitöskirjan datalinkissä voisi olla kaupallistakin potentiaalia, mutta juuri nyt houkuttaa tutkijan vapaus.
Postdoc-tutkijan kaksi ensimmäistä kuukautta menevät kurssin pääassistenttina, ja yksi sumeaa logiikkaa käsittelevä tutkimusartikkeli pitäisi vielä viimeistellä.
–Sitten meillä alkaa iso tutkimusprojekti, johon olen lupautunut tekemään kännykkäsovellusta huoltohenkilöstölle.
Tämä on yliopistomaailmassa parasta: pääsee sukeltamaan uusiin asioihin, kuten mobiilisovellusten kehitykseen.
Päätyminen Aalto-yliopiston tutkijaksi ei ole suuri yllätys. Ala-Laurinahon isä tutkii millimetriaaltoja Aallossa, äiti taas toimii Työterveyslaitoksen tutkijana. Molemmat vanhemmat ovat TKK:n kasvatteja hekin.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Ainahan sitä haluaisi parantaa maailmaa kehittämällä uutta teknologiaa.
Suosikkileikkikalu?
Oculus Quest 2 -virtuaalitodellisuuslasit
– Sellaiset tulivat ensin laboratorioon. Ne olivat niin pätevät, että tilasin itselleni samanlaiset.
Lempiharrastus?
Retkeily. – Tänä syksynä aloin myös pelaamaan padelia.
Riku Ala-Laurinahon tie tekniikan tohtoriksi
1995. Riku Ala-Laurinaho syntyy Espoossa.
2014. Ylioppilaaksi Olarin lukion luonnontiedelinjalta.
– Professori kysyi saman tien kiinnostaako väitöskirjan teko.
2015. Ala-Laurinaho aloittaa konetekniikan opinnot Aalto-yliopistossa. – Se oli aika selvä valinta, piti vain arpoa linja.
2018. Ala-Laurinaho aloittaa mekatroniikan tutkimusapulaisena ja valmistuu kandidaatiksi.
2019. Valmistuu DI:ksi, aloittaa väitöskirjaopinnot.
2021. Riku Ala-Laurinahon väitöstyö ”API-based Digital Twins” hyväksytään Aallon konetekniikan laitoksella.