Missiona poistaa ihminen liikkuvasta työkoneesta – miksi terminaattorin kaltainen kaivinkone on tavoittelemisen arvoinen?

Kun liikkuvat koneet voidaan rakentaa autonomisiksi eli itsestään toimiviksi, avautuu monella toimialalla aivan uudenlaisia mahdollisuuksia energiatehokkuuden parantamiseen ja tuottavuuden kasvattamiseen. Ihmisestä koneen hytissä olisi tarpeen päästä eroon – mitä nopeammin, sitä parempi.

Kaivinkone

Toiminnalliset työkoneet ovat olleet automaation kehittäjille haaste, eikä matka kohti itsenäisiä koneita ole ollut yhtä nopea kuin tekoälyn yleinen kehitys olisi ehkä antanut odottaa. Raskaat työkoneet esimerkiksi metsätaloudessa tai kaivosteollisuudessa toimivat tyypillisesti monimutkaisessa maastossa, joka lisäksi muokkaantuu koneen toiminnan seurauksena.

Nykyisellään liikkuvien työkoneiden automaattiohjaus perustuu reaaliaikaisen simuloinnin, koneen tekemien mittausten takaisinkytkennän ja ennalta ohjelmoitujen ohjauskäytäntöjen yhdistelmään. Tulevaisuuden työkoneelle tämä ei missään nimessä riitä. Jotta koneiden hyötysuhteet pystytään optimoimaan puhtaasti niiden tekemän työn suorittamiseen, ja energiatehokkuus saadaan maksimaaliseksi, on koneen automaatiotasoa nostettava merkittävästi.

Itsestään ja ympäristöstään tietoinen, ennustamiseen kykenevä työkone

Tekoälyn ja teholaskennan yhdistelmällä on mahdollista luoda uudenlainen tapa ohjailla koneita. Teholaskennassa hyödynnetään merkittävästi reaaliaikaa nopeampaa simulointia, joka mahdollistaa käyttäytymisen ennakoinnin suurelle määrälle liikeskenaarioita.

Jopa 500-kertaisesti reaaliaikaa nopeammalla simuloinnilla voidaan analysoida joukko mahdollisia toimintoja ja valita niistä optimaalisin. Sopivimman toiminnan ja liikkeen valinta toteutetaan tekoälyn avulla. Näin koneille luodaan tietoisuus, jonka avulla se pystyy ymmärtämään liikkeisiin ja toimintaan liittyviä syy-seuraussuhteita.

"Simulointimallit ovat sulautettuna koneen sisälle, aivan kuten esimerkiksi henkilöautojen ajovakausjärjestelmät. Merkittävä ero syntyy kuitenkin siitä, että koneelle luodaan valtavan nopealla laskennalla kyky ennustaa tulevia tapahtumia ja valita omat liikkeensä optimaalisesti suhteessa niihin", virtuaalisuunnittelun professori Aki Mikkola taustoittaa.

Tarkka ja yksityiskohtainen simulointi sekä tekoälyyn perustuva mukautuva ohjausmenetelmä eivät vielä ole arkipäivää koneiden ohjauksessa. Vastaavanlaisia menetelmiä on onnistuttu soveltamaan peliteollisuudessa, mutta Aki Mikkola ja Aalto-yliopiston pelitekniikan professori Perttu Hämäläinen ryhmineen ovat lähdössä viemään yhdistelmää työkoneiden ohjaukseen.

Mikkola kertoo, että yhteistutkimuksessa professori Hämäläisen kehittämää tekoälyyn pohjautuvaa ennustavaa liikealgoritmia sovelletaan koneiden autonomisten liikkeiden kehittämiseen. Tätä varten pelimoottoreihin perustava simulointi korvataan fysiikkaperustaisella simuloinnilla, joka pystyy ennustamaan tarkasti ja laskentatehokkaasti monimutkaisten koneiden toimintaa.

Käytännössä fysiikkaperustainen simulointi toteutetaan reaaliaikaa nopeamman monikappaledynamiikan avulla. Mikkola itse on monikappaledynamiikan kansainvälisesti meritoituneimpia tutkijoita.

Pilottina automatisoitu kaivinkone

Liikkuvien työkoneiden teknologian uudistumiskyky on kansalliselle kilpailukyvylle merkittävä. Mikkola arvioi toiminnallisten laitteiden valmistuksen olevan noin neljännes koko suomalaisesta metalliteollisuudesta.

"Voimme auttaa tuloksillamme monia toimialoja. Yrityspartnereiden verkosto kattaa käytännössä toiminnallisten laitteiden valmistajien koko kirjon."

Mikkola kertoo, että yhteistyön niin kutsuttuna lippulaivaprojektina demonstroidaan automaattista, terminaattorin tavoin itsenäisiä päätöksiä tekevää kaivinkonetta virtuaalisesti. Kaivinkone toimii autonomisesti ja pystyy sopeutumaan muuttuvaan ympäristöön. Virtuaalinen testaus toteutetaan LUTin SIM studiossa Lappeenrannassa.

Kun koneet voidaan suunnitella toiminnallisuus edellä, putoavat energiankulutus ja päästöt usein radikaalisti.

Kehityskaari täysin autonomisiin koneisiin kulkee todennäköisesti monilla teollisuuden aloilla etäohjattavien koneiden kautta. Merkittäviä hyötyjä realisoituu kuitenkin jo murroksen ensimmäisessä vaiheessa.

"Kun ihminen koneen ohjaamossa ei ole enää tarpeen, voidaan koneet suunnitella puhtaasti toiminnallisuus edellä. Koneen fyysiset ulkomitat ja sen myötä kokonaispaino, polttoaineen kulutus ja päästöt voidaan parhaimmillaan tiputtaa radikaalisti entisestä."

LUTin ja Aalto-yliopiston yhteinen, Aki Mikkolan johtama tutkimus "Liikkuvien koneiden ennustava simulointi ja säätö" sai 230 000 euron suuruisen rahoituksen Tulevaisuuden tekijät –ohjelmassa. Ohjelma on Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön ja Jane ja Aatos Erkon säätiön yhteisesti rahoittama, ja siinä tuetaan yhteensä 3,2 miljoonalla eurolla seitsemää tutkimushanketta, jotka ratkaisevat ihmiskunnan tulevaisuuteen vaikuttavia kysymyksiä.

Lue seuraavaksi