Digitaaliset kaksoset – virtuaalista ja todellista elämää rinnakkain

Yksinkertaisesti sanottuna digitaalinen kaksonen on virtuaalimalli, joka yhdistää virtuaalisen ja fyysisen maailman. Digitaalinen kaksonen on täydellinen digitaalinen ja virtuaalinen kopio jostain fyysisestä asiasta.

Keskeistä mallin olemassaolon ja hyödynnettävyyden kannalta on erilaisin tekniikoin kerätty todellinen data, jonka avulla digitaalinen kaksonen voi kerätä reaaliaikaista tietoa fyysisestä vastineestaan ja mukauttaa oman tilansa vastaamaan fyysistä vastinetta.

Ideaalitilanteessa tieto kulkee kumpaankin suuntaan kaksosten välillä ja virtuaalikaksonen voi kokea samat reaalielämän tilanteet kuin todellinen reaalimaailman kaksonen. Virtuaalista mallia voidaan monistaa erilaisten skenaarioiden tekoa varten.

Mitä mallilla tehdään

Digitaalisten kaksosmallien teknologiset mahdollisuudet ovat lähes rajattomat. Esineiden internet, IoT, on tehnyt mahdolliseksi tiedon tehokkaan keräämisen, varastoinnin, käsittelyn ja välittämisen. Yritykset eri toimialoilla käyttävät digitaalisia kaksosmalleja moniin eri tarkoituksiin.

Virtuaalista kaksosmallia voidaan hyödyntää henkilöstön kouluttamiseen, uusien tuotteiden ja toimintatapojen testaamiseen ennen tuotteen virallista käyttöönottoa tai erilaisten vaihtoehtoisten skenaarioiden tuottamiseen ja testaamiseen.

Hitaasti testattavia toimenpiteitä ja niiden vaikutuksia voidaan tutkia mallin avulla nopeutettuna. Testaus voidaan tehdä kaukana todellisesta kaksosesta ja hyvissä ajoin ennen kuin toimenpiteitä on tarpeen toteuttaa oikeassa elämässä.

Mallia hyödyntämällä voidaan ennakoida mallinnetun fyysisen vastineen käyttäytymistä erilaisissa suhteissa. Nasa kehitti ensimmäiset digitaaliset kaksosmallit omiin tarpeisiinsa.

Heillä oli tarve huoltaa ja korjata avaruudessa sijaitsevaa omaisuuttaan ja avaruudessa tehtävien työsuoritusten haastavuudesta ja kriittisyydestä johtuen vaihtoehtoisia toimintamalleja haluttiin testata maasta käsin.

Täydellinen digitaalinen kaksonen voi tunnistaa reaalimaailmassa oleskelevan vastineensa huoltotarpeen sille välittyvän reaaliaikaisen datan avulla. Vaarallisissa tai vaikeissa olosuhteissa tehtävät huoltotoimenpiteet voidaan minimoida, kun tarvittava huoltotoimenpide voidaan tunnistaa datan avulla etävalvontakohteesta.

Huollon tekemiseen tarvittavat komponentit voidaan selvittää mallin piirustusten tai muun malliin tallennetun historiadatan avulla ja kohteessa tehtävään työsuoritukseen voi tutustua virtuaalisesti ennen työsuorituksen tekoa.

Öljyteollisuus hyödyntääkin digitaalista kaksosta esim. öljynporauslautoilla ja muussa öljyn jalostuksessa, kun tuotanto ja huoltotoimenpiteet tehdään vaativissa olosuhteissa. Alan toimijat arvioivat säästävänsä kaksosmallia hyödyntämällä miljoonia vuosittain.

Säästöpotentiaali perustuu lähes yksinomaan ennakoivaan kunnossapitoon. Virtuaalimallin käytöllä voidaan pienentää mm. tuotantoon, turvallisuuteen ja ympäristöön kohdistuvia riskejä.

Ympäristö digitalisoituu

Tulevaisuudessa on todennäköistä, että ympäristössämme olevat digitaaliset kaksosmallit muodostavat virtuaalisen ekosysteemin, jossa tiedot välittyvät eri järjestelmien välillä.

Digitaaliseen virtuaaliseen todellisuuteen ja sen reaalimaailmayhteyteen sisältyy yhtä paljon riskejä kuin mahdollisuuksia. Mahdollisuuksien hyödyntämisen tulisi mallien lisääntyessä sisältää myös vastuun riskien minimoimisesta.

Tien digitaalinen kaksonen

Tien digitaalista kaksosmallia hyödyntämällä voidaan tulevaisuudessa tarkastella liikennettä ja sitä palvelevaa väylä- tai tieinfraa. Toivottavaa on, että malli hyödyttää suunnittelijaa, rakentajaa, käyttäjää ja ylläpitäjää kaikissa tien elinkaarenvaiheissa.

Parhaassa tapauksessa virtuaalinen kaksonen mahdollistaa tietojen analysoinnin ja tienpidon järjestelmän ja/tai liikennejärjestelmän seurannan tavalla, jolla voidaan parantaa väylänpitoa ja käyttäjäkokemusta, vähentää verkon häiriöitä, vähentää ylläpitokustannuksia sekä jouhevoittaa ja automatisoida prosesseja koko väylän elinkaaren aikana.

Kaksosmalliin voidaan säilöä historiatietoa esimerkiksi tien rakenteesta, rakentamisen jälkeen tehdyistä toimenpiteistä ja kunnossapidosta sekä tietenkin siitä, miten liikenne kyseisellä hetkellä sujuu ja millaiset ovat vallitsevat olosuhteet tiestöllä.

Mallia voi kenties hyödyntää raportoimaan automaattisesti liikennetilanteesta, tien laatupoikkeamista, kuten tienpinnan vaurioista, liukkaudesta tai kerääntyneestä lumesta.

Virtuaalisella kaksosella voidaan myös nopeasti arvioida tulevia tilanteita tieverkolla ennen kuin tilanne realisoituu todeksi. Mallia voi ohjelmoida tiettyjen seurantatulosten perusteella toimimaan tietyllä tavalla, esim. muuttamaan nopeusrajoitusta tai varoittamaan liikkujia vallitsevista olosuhteista, tai se voi hälyttää kunnossapitäjiä toimimaan tien liikennöitävyyden säilyttämiseksi.

Tien digitaalisen kaksosmallin kaikkia hyödyntämistapoja ei ole vielä tunnistettu. Kaksosmallin hyötyjen ja käyttömahdollisuuksien tunnistamattomuus ja tieverkon laajuus vaikuttavat siihen, että tien täydellinen digitaalinen kaksonen ei ole vielä arkipäivää.

Yhteiskunnan muuttuessa nopeasti digitaalisemmaksi tulee kuitenkin huolehtia siitä, että liikkumisen alusta on päivitetty vastaamaan muun yhteiskunnan tasoa ja vaatimuksia, eikä tieverkolle synny perinteisen korjausvelan lisäksi myös digitaalista korjausvelkaa.

Mallin luomistyöstä

Ennen digitaalisen mallin luomista kannattaa olla rehellinen sille, mitä mallilta odotetaan, mihin kysymyksiin sen halutaan vastaavan? Ensimmäistä kertaa kehitettävää täydellistä kaksosmallia kannattaa kehittää iteroiden.

Tien digitaalisen kaksosmallin luomisessa ja datan hankinnassa pitää olla mukana aimo annos kärsivällisyyttä. Dataa tarvitaan pidemmältä ajanjaksolta, jotta sen luotettavuus paranee ja jotta siitä voidaan riittävällä̈ tarkkuudella tunnistaa tieinfran vaatimia tarpeita tai sillä kulkevan liikenteen tarpeita.

Lisäksi tarvitaan tietenkin toimiva automaattinen prosessi, jolla tietoa siirretään mallin ja fyysisen kaksosen välillä.

– Menestyäkseen digitaalisen kaksosmallin hyödyntämisessä, tulee varmistaa, että kaksonen on koko sen elinkaaren ajan luotettava kopio todellisuudesta, kiteyttää Mats Bayard (Triona).

Bayard näkee tähän kolme menestystekijää: hanki luotettava tieto todellisesta kaksosesta, tallenna tieto tunnetussa muodossa ja huolehdi, että tieto on käyttäjän saatavilla helposti.

Samalla on varmistettava, että:

· tiedolla on tarkka maantieteellinen sijainti

· käytössäsi on malli, jota voit hyödyntää nykyisiin ja tulevaisuuden tarpeisiin

· dynaaminen tietoluettelo on koko ajan hallinnassa (object type library)

· tieto on validia ja laatuvaatimusten mukaista

· tiedolla on aikaulottuvuus (menneisyys, nykyisyys ja tulevaisuus)

· tietojen vaihto muiden järjestelmien kanssa voidaan tehdä̈ käyttämällä avoimia rajapintoja ja kansainvälisiä standardeja

– Digitaaliset kaksoset lisäävät mahdollisuuksia menestyä tienpidossa antamalla oikeaa tietoa, oikealla hetkellä, oikeasta kohteesta ja oikealla tavalla sitä tarvitsevalle taholle, Mats Bayard tiivistää.

Norjassa on päätetty lähteä rakentamaan tien digitaalista kaksosta. Päätökselle on useita syitä, kertoo Jo Forren (Nye Veier). Nye Veierillä on tarve asioiden johdonmukaiselle luokittelulle ja identifioinnille, samalla kun halutaan pienentää dokumentaatioon ja laatuun liittyviä riskejä tien elinkaaren eri vaiheissa.

Norjan hankkeessa on keskeistä, että se noudattaa standardeja, kuten ISO 12006-2 ja IEC 81346. Kaikki todellisen kaksosen elinkaaren eri vaiheissa tehdyt toimenpiteet ja dokumentaatio tallennetaan digitaalisen virtuaalimallin tietoihin, jolloin tieto on kaikkien sitä tarvitsevien käytettävissä.

Lisäksi jatkossa tullaan tekemään töitä integroinnin parantamiseksi Norjan tieviranomaisten käyttämiin järjestelmiin.

Digitaalisen kaksosmallin hyödyntäminen tienpidossa ja kunnossapidossa mahdollistaa parhaimmillaan nopean ja tehokkaan tietojenvaihdon ja antaa luotettavan perustan päätöksille. Esimerkiksi tieverkon kunnossapitäjät voivat optimoida resurssien käyttöä parhaimman palvelutason aikaansaamiseksi ja minimoida samalla toimenpiteiden vasteaikaa.

– Kehitystyön tuloksena on toivottavasti ennustettavissa oleva tieverkko, joka mahdollistaa turvallisen liikkumisen kaikille, jotka käyttävät Norjan tieverkkoa, kiteyttää Jo Forren Nye Veieriltä.

Jo Forren (Nye Veier), Idar Kirkhorn (Trimble) ja Mats Bayard (Triona) ovat tarttuneet tien digitaalisen mallin kehitystyöhön Norjassa. Kolmikkoa kuullaan tien digitaalisen kaksosmallin kehitystyöstä ja mallin hyödyntämisen mahdollisuuksista tienpidossa Talvitiepäivillä Tampereella keskiviikkona 12.2.2020.

Lähteitä ja luettavaa aiheesta:

· Michael Grieves & John Vickers (2016) Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems;

· Bernard Marr (2019) Amazing examples of Digital Twin Technology in Practice, Forbes;

· Abe Eshkenazi (2018) Real Benefits from digital Twins, APICS Supply Chain Management Now at Association for Supply Chain Management;

· Sara Castellanos (2018) Digital Twins Concept Gains Traction Among Enterprises, The Wall Street Journal;

· Sarah Finch (2019) 5 Industries using Digital Twins, DistruptionHub;

· Carlos Miskinis (2018) Practical examples on how digital twin can be used, Challenge Advisory,

· Adrian Malone (2018) How a digital twin could transform road network delivery, WSP Insights

Teksti: Liisa-Maija Thompson

Tie & Liikenne 1/2020