Digitaalinen kaksonen – fyysistä veljeään fiksumpi?

Digitaalinen kaksonen on digitaalinen malli tai virtuaalinen kopio jostain fyysisen maailman esineestä, prosessista tai ilmiöstä. Digitaalisten kaksosten esiinmarssin taustalla on useita teknologisen kehityksen suuntauksia. IoT (Internet of Things) ja mobiiliverkot mahdollistavat esineiden liittämisen internetiin ja massiivisen datan keräämisen, jonka hyödyntämistä kehittyneet ohjelmistot ja tietokoneiden kasvanut laskentateho tukevat.

– Digitaalisen kaksosen avulla voidaan mallintaa eri suunnitteluvaihtoehtoja, jolloin kaikkia vaihtoehtoja ei tarvitse testata yrityksen ja erehdyksen kautta. Simulointi on usein nopeampaa ja halvempaa kuin fyysisen maailman testit ja siten ehkäistään suunnitteluvirheiden lisäksi tuotantovirheitä.

Digitaalinen versio on myös helppo jakaa niin oman organisaation, asiakkaan kuin yhteistyökumppaneidenkin tarkasteltavaksi ja hyödynnettäväksi.

Digitaalinen kaksonen jäljittelee ja ennustaa

Professori Tarmo Lippingin mukaan digitaalisella kaksosella on kolme ominaisuutta, jotka erottavat sen niin sanotusta tavanomaisesta digitaalisesta mallista. Kyse on edustavuudesta, tutkittavuudesta ja elinkaarianalyysistä (representativiness, inspectability ja life cycle analysis). Digitaalisen kaksosen avulla suunnittelusta tulee virheettömämpää ja valmistettujen tuotteiden käyttäytymistä on yhä helpompi ennustaa.

– Digitaalisen kaksosen täytyy edustaa jotain fyysisen maailman artefaktia, esimerkiksi tuotetta tai tuotantolinjaa, jota halutaan testata tai tutkia. Digitaaliseen kaksoseen luodaan testaamisen kannalta oleellisia ominaisuuksia ja sillä on aina tietty konteksti tai ympäristö, jota mallinnus koskee, Lipping selvittää perusteet.

Digitaalisen kaksosen täytyy myös olla tutkittavissa. Kaksosella on merkitystä vain silloin, kun siihen voidaan liittää erilaisia sisäisiä ja ulkoisia muuttujia, joita voidaan muutella ja joiden vaikutusta sekä malliin että fyysisen kaksosen käyttäytymiseen voidaan simuloida. Parametrien avulla jäljitellään todellisuutta tai ennustetaan tulevaisuutta suunnitelmien tai toiminnan testaamiseksi.

– Simulaation kannalta pelkästä mallista ei ole juurikaan hyötyä, jos parametrejä ei voi muuttaa. Simulaation tai skenaarion tarkkuus vaihtelee sen mukaan, kuinka paljon ja miten oleellisia muuttujia digitaaliseen kaksoseen luodaan fyysiseen vastineeseen verrattuna.

Data lisää ymmärrystä elinkaaren aikana

Lipping käyttää esimerkkinä työstökonetta, jonka teriä ja niiden kulumista voidaan seurata ja mallintaa digitaalisen kaksosen avulla.  Sisäisiä muuttujia ovat tässä tapauksessa terän ominaisuudet ja ulkoisia esimerkiksi työstettävän materiaalin ominaisuudet sekä koneen toimintaympäristö.

Parametrien vaikutusta voidaan tutkia joko fyysisestä maailmasta kerätyn datan tai teoreettisen tiedon perusteella. Niiden avulla voidaan ennustaa fyysisen vastineen ominaisuuksien muuttumista tai vaikutusta lopputuotteeseen. Tästä tullaankin digitaalisen kaksosen kolmanteen ominaisuuteen, nimittäin elinkaarianalyysiin, joka Lippingin mukaan usein unohtuu. Jotta digitaalisesta kaksosesta saataisiin täysi hyöty irti, sen avulla olisi voitava sekä seurata että mallintaa tuotteen koko elinkaaren aikana tapahtuvia muutoksia sen fyysisen vastineen rinnalla.

– Fyysisestä vastineesta kerätyn datan avulla voidaan ennustaa yhä tarkemmin, milloin esimerkiksi on optimaalinen hetki vaihtaa terä ennen kuin se aiheuttaa vahinkoa tai heikentää lopputuotteen laatua. Tämä parantaa myös resurssitehokkuutta ja varaosavaraston hallintaa.

Lipping on ollut mukana erilaisissa teollisuusyritysten hankkeissa. Parhaillaan hänen ryhmänsä kuitenkin tutkii, miten viljapellolle voidaan luoda digitaalinen kaksonen, kun anturit tuottavat dataa erilaisista muuttujista virtuaaliseen vastineeseen.

Lipping arvioi, että digitaalisia kaksosia luodaan yhä suuremmista kokonaisuuksista ja niillä mallinnetaan eri järjestelmien vuorovaikutusta ja optimoidaan esimerkiksi erilaisia häiriötilanteita. Tekoäly tulee mukaan, mitä datalähtöisemmin asioita aletaan mallintaa.

Jos kiinnostuit aiheesta, ota yhteyttä. Mietitään yhdessä miten voisimme parantaa teidän yrityksenne tuottavuutta nykyaikaisilla työkaluilla.

Timo Peura
Vertex-asiantuntija
040 860 0940