Digitaaliset kaksoset ovat teollisuusyrityksille muutakin kuin muodikas iskusana. Fyysisten laitteiden virtuaaliset mallit voivat parantaa tehokkuutta ja leikata kustannuksia tuotekehityksen ja tuotteen elinkaaren kaikissa vaiheissa. Digitaaliset kaksoset voivat muuttaa yritysten toimintatapoja – ehkä jopa kokonaisia toimialoja.
Tässä artikkelissa kerromme
- Mitä digitaaliset kaksoset ja prototyypit ovat, ja kuinka niitä käytetään teollisuusyrityksissä.
- Mitä etuja yritykset voivat saada viemällä fyysisen maailman digitaaliseen ympäristöön.
- Kuinka teollisuus 5.0 voi avata yrityksille uusia liiketoimintamahdollisuuksia.
Tehtävä on simppeli: ajaa traktorilla pihan poikki ja poimia heinäpaali. Moottori käynnistyy avainta kääntämällä, ja pian traktori rullaa kohti paaleja.
Testikuljettaja yrittää käyttää trukkipiikkejä, mutta etsiessään oikeaa painiketta kojelaudasta hän tulee kääntäneeksi vahingossa ohjauspyörää. Traktori kääntyy vasemmalle, suoraan ojaan, minne se myös jää moottori yhä käyden. Trukkipiikit työntyvät maahan nostaen ohjaamon ylös. Maatilan kanat parveilevat ympäriinsä ymmärtämättä onnettomuudesta tuon taivaallista.
Olli Kauppinen seuraa kokemattoman testikuljettajan toilailuja huvittunut ilme kasvoillaan. Kauppisen reaktio olisi saattanut ollut toisenlainen, jos kone olisi ollut oikea, suunnitteluvaiheessa oleva satojen tuhansien eurojen hintainen uusi versio Valtran traktorista.
Maatila heinäpaaleineen, kanoineen ja kohtalokkaine ojineen on kuitenkin olemassa vain digitaalisessa maailmassa.
Traktori, jossa on penkki, oikeat ohjaimet ja polkimet, on todellisuudessa AGCO:n toimistolla Jyväskylässä. Olemme noin 45 kilometrin päässä tehtaasta, jossa uusinta tekniikkaa edustava traktori tullaan rakentamaan. Penkin vieressä on kolme valtavaa serveriä, joista yksi pyörittää simulaatiota.
Software validation engineer Olli Kauppinen ja hänen tiiminsä ovat käyttäneet melkein kaksi vuotta traktorin digitaalisen prototyypin rakentamiseen. Prosessin aikana tiimi on kasvanut kahdesta henkilöstä lähes kymmeneen. Virtuaalisen mallin ansiosta tiimi voi testata traktorin ohjelmistoa ilman fyysistä prototyyppiä.
Maatila heinäpaaleineen, kanoineen ja kohtalokkaine ojineen on olemassa vain digitaalisessa maailmassa.
Digitaalinen prototyyppi kattaa suurimman osan koneen toiminnoista aina hydrauliikasta ja pneumatiikasta moottoriin, vaihteistoon ja ohjaimistoon. Se myös imitoi niitä monia tapoja, joilla kone on vuorovaikutuksessa maailman kanssa: esimerkiksi kuinka maaperän muoto tai kuorman paino vaikuttavat järjestelmiin.
”Voimme testata senhetkistä ohjelmistoa ja kokeilla erilaisia ratkaisuja, kuten uudenlaisia sensoreita ketterällä tavalla. Erilaisia vikoja, kuten sensorien toimintahäiriöitä, on myös helpompi simuloida digitaalisessa ympäristössä fyysisen sijaan. Tämä säästää aikaa tuotekehityksessä”, Kauppinen sanoo silmin nähden ylpeänä tiiminsä saavutuksesta.
Tervetuloa digitaalisten kaksosten valtakaudelle
Pähkinänkuoressa ilmaistuna digitaaliset kaksoset ovat fyysisten laitteiden virtuaalisia malleja. Digitaalinen kaksonen voidaan rakentaa yksittäisestä järjestelmästä, valmiista tuotteesta tai kokonaisesta prosessista, kuten tehtaasta. Joillakin on visuaalinen esitysmuoto, kuten Valtran uudella traktorilla AGCO:n toimiston näytöllä, mutta usein ne ovat vain dataa. Kun tuotteesta on olemassa oikea fyysinen vastinkappale, puhutaan digitaalisesta kaksosesta. Digitaalinen prototyyppi voi olla myös vain virtuaalinen versio.
Konsepti on erityisen houkutteleva valmistavassa teollisuudessa, jossa digitaalisten kaksosten globaali markkina yltää 6 miljardiin dollariin (5,5 miljardiin euroon) 2020-luvun puoliväliin mennessä, yli kymmenkertaistuen vuosikymmenen alusta. Luvut käyvät ilmi saksalaisen tietoportaalin Statistan tiedoista.
Digitaalisten kaksosten vetovoima on helppo ymmärtää: monimutkaisten fyysisten laitteiden virtuaaliversiot voivat säästää arvokkaita resursseja kehitys-, tuotanto- ja testivaiheissa, koska mahdolliset ongelmat mekaniikassa tai ohjelmistossa voidaan havaita jo ennen kuin laitteen fyysinen versio on olemassa.
Monimutkaisten fyysisten laitteiden virtuaaliversiot voivat säästää arvokkaita resursseja tuotekehityksessä, tuotannossa ja testauksessa.
Digitaalisten kaksosten ja prototyyppien suurimpia etuja teollisessa tuotekehityksessä ja -testauksessa on, että ne tuovat useita tieteenaloja yhden digitaalisen katon alle, parantaen ja jouduttaen kehitysprosessia, sanoo teollisuuden digitalisaatioliiketoiminnan johtaja Harri Laukkanen Goforelta, joka on AGCO:n pitkäaikainen kumppani.
Laukkanen on työskennellyt pitkään älykkään teollisuuden ja raskaan kaluston ohjelmistojen parissa. Hänellä on ensikäden kokemusta siitä, millaisia sudenkuoppia organisaatioiden siiloutuminen voi aiheuttaa, ja kuinka hidasta ja jäykkää tavanomainen tuotekehitys voi olla.
”Aiemmin jos kone ei toiminut, syy saattoi olla mekaniikassa, hydrauliikassa tai koodissa. Ongelman paikallistamisessa meni aikaa. Kun tämä tehdään virtuaalisessa ympäristössä, voimme mallintaa ja testata hydrauliikan ja mekaniikan kaltaisia asioita yhteistyössä rajat ylittävässä tiimissä. Näin ongelmat voidaan havaita välittömästi.”
Digitaalista kaksosta voi käyttää myös koulutuksessa. Niiden avulla kehittyneitä laitteita voi oppia käyttämään helpommin, intuitiivisemmin ja turvallisemmin – sekä verrattain edullisesti, koska kalliit koneet päätyvät ojaan vain virtuaalitodellisuudessa. Kaksonen on arvokas apu myös huoltotarpeiden havaitsemisessa ja tuotannon valvomisessa niin tehtaalla kuin pellolla.
Laukkanen uskoo, että digitaaliset kaksoset voivat tuoda helpotusta moniin teollisuusyritysten nykyongelmiin, kuten nouseviin kustannuksiin sekä paineeseen päästä markkinoille nopeasti – mutta riittävän laadukkaalla tuotteella. Yksi digitaalisten kaksosten suurimmista mahdollisuuksista piilee siinä, että ne voivat auttaa yrityksiä navigoimaan yhä monimutkaisemmassa toimintaympäristössä, jossa asiakkaat ja päättäjät asettavat entistä korkeampia vaatimuksia käytettävyydelle, energiatehokkuudelle ja vastuullisuudelle.
”Tuotteet, raskas koneisto mukaan lukien, sähköistyvät ja automatisoituvat vauhdilla. Tulemme näkemään lisää hybridiratkaisuja sekä autonomisia konekantoja, jotka toimivat yhdessä ilman ohjaajia.”
Digitaaliset kaksoset voivat auttaa yrityksiä navigoimaan yhä monimutkaisemmassa toimintaympäristössä, jossa vaatimukset käytettävyydelle, energiatehokkuudelle ja vastuullisuudelle kiristyvät.
Kohti elinkaariajattelua – pelkkä digitaalinen kuorrutus ei riitä
Teollisuuden piirissä digitaalinen kaksonen ja siihen liittyvät teknologiat, kuten tekoäly, esineiden internet, pilvipalvelut ja metaversumi ovat jo paljon muutakin kuin muodikkaita iskusanoja. Yritykset ympäri maailman investoivat voimakkaasti älykkäisiin tuotteisiin ja palveluihin, yhdistäen digitaalisen ja fyysisen maailman.
Capgeminin raportin mukaan 88 prosenttia organisaatioista tulee tarjoamaan älykkäitä palveluita seuraavan viiden vuoden aikana. Lähes puolet uskoo, että älykkäät palvelut tulevat muodostamaan merkittävän osan niiden tuloista.
Fyysisen maailman vieminen digitaaliseen ympäristöön avaa huikeita mahdollisuuksia yrityksille. Kun yritykset sisällyttävät digitaaliset kaksoset strategiseen suunnitteluunsa, ne voivat parantaa tuottavuuttaan, optimoida toimintojaan ja tarjota samalla uudenlaisia kokemuksia, sanoo apulaisprofessori, tohtori Zhihan Lyu Uppsalan yliopistosta Ruotsista.
”Digitalisoimalla rakennetun maailman digitaalisten kaksosten avulla yritykset voivat hyödyntää kaiken omaisuutensa, synnyttäen potentiaalisesti rajattoman määrän metaversumipalveluita.”
Digitaalisia kaksosia voidaan käyttää rakennuspalikoina metaversumissa, jaetussa ja immersiivisessä virtuaalisessa kokemuksessa. Metaversumissa yritykset voivat esimerkiksi järjestää etätyöpajoja koulutus- ja huoltotarkoituksiin tai tarkastella tuotantolaitoksiaan. Konsulttiyhtiö McKinseyn mukaan ”yritysmetaversumi” voisi lopulta olla täysin digitaalinen versio yrityksestä aina toimitusketjusta ja raaka-aineista myyntiin ja huoltoon.
Jotta yritykset voivat saada parhaan mahdollisen hyödyn digitaalisista kaksosista tai mistä tahansa muusta älykkäästä ratkaisusta, ei riitä, että ne lisäävät digitaalisen kerroksen fyysisen maailman päälle. Goforen Laukkanen kannustaakin yrityksiä tarkastelemaan tuotteiden koko digitaalista elinkaarta ja integroimaan digitalisaation aina liiketoimintamalliin asti.
Jos yritykset haluavat saada parhaan mahdollisen hyödyn älykkäistä ratkaisuista, ei riitä, että ne lisäävät digitaalisen kerroksen fyysisen maailman päälle.
”Jo tuotekehityksen alussa on mahdollista ajatella suunnittelua ja sitä, kuinka konetta tullaan käyttämään, tai kuinka tehokkuuden ja vastuullisuuden vaatimukset täytetään. Voimme siis simuloida hyvin varhaisessa vaiheessa, onko kone mahdollista luoda niillä rakennuspalikoilla, joita haluamme käyttää.”
Kun tuotteet muuttuvat yhä monimutkaisemmiksi ja lähes jokaisella koneella on digitaalinen, pilviohjattu sydän, konfiguraationhallinnasta tulee keskeistä. Traktorien kaltaiset raskaat koneet räätälöidään yleensä kunkin asiakkaan toiveiden mukaan. Digitaalisten prototyyppien avulla erilaisia variaatioita voidaan testata hyvissä ajoin ennen koneiden rakentamista.
Digitaalisen elinkaariajattelun tuominen kiinteäksi osaksi organisaation päivittäistä toimintaa vie aikaa ja vaatii strategista suunnittelua sekä muutosjohtamista, Laukkanen sanoo. Teollisuuden digitalisaation kumppanina Gofore auttaa yrityksiä navigoimaan tässä muutoksessa.
”Digitaalisen elinkaariajattelun jalkauttaminen tuotekehitykseen ja prosesseihin voi olla suhteellisen yksinkertaista yritysten toiminnan ollessa murroksessa. Mutta kun alamme muuttaa suuria organisaatioita, nämä ovat hyvin pitkiä projekteja, jotka ulottuvat koko liiketoiminnan ytimeen asti ja vaativat uudenlaista ajattelua ja työtapoja.”
Digitaalinen elinkaariajattelu ulottuu koko liiketoiminnan ytimeen asti.
Seuraavan teollisen murroksen siemenet on kylvetty
Tällä hetkellä digitaalisia kaksosia ja prototyyppejä hyödynnetään pääasiassa kalliissa laitteissa, kuten traktoreissa. Tulevaisuudessa niiden käyttö liikenteessä, energia- ja ilmailusektorilla, koneissa, sairaanhoidossa ja älykkäissä kaupungeissa tulee kuitenkin lisääntymään nopeasti. Allied Market Researchin mukaan digitaalisten kaksosten globaalit markkinat kasvavat hämmästyttävällä, lähes 40 prosentin vuotuisella tahdilla vuosina 2022–2030.
”Seuraavan kymmenen vuoden aikana digitaalisten kaksosten rooli on vähentää henkisen ja fyysisen inhimillisen työn intensiteettiä ja parantaa merkittävästi tuotannon turvallisuutta ja tehokkuutta. Niitä tullaan käyttämään kaikilla tuotannon ja elämän osa-alueilla”, apulaisprofessori Luy sanoo.
Digitaalisia kaksosia tullaan käyttämään kaikilla tuotannon ja elämän osa-alueilla.
Olemme siirtymässä teollisuus 5.0:aan: teollistumisen uuteen vaiheeseen, joka asettaa ihmiset takaisin prosessien keskiöön, työskentelemään rinnakkain teknologian, tekoälyn ja robottien kanssa. Digitaaliset kaksoset voivat helpottaa koneiden käyttöä ja tehdä teollisista prosesseista inklusiivisempia. Konetta tai prosessia voidaan esimerkiksi ohjata etäyhteydellä riippumatta käyttäjän fyysisistä kyvyistä.
Digitaaliset kaksoset voivat myös omalta osaltaan tehdä teollisesta työstä houkuttelevampaa, Laukkanen huomauttaa.
”Teollisia projekteja suunnitellessa meidän tulee ajatella ihmisiä, jotka näissä projekteissa työskentelevät. Työvoiman tarve on kova, joten meidän on luotava ympäristöjä, joissa ihmisillä on hyvä olo ja mahdollisuus käyttää vahvuuksiaan. Juuri tästä teollisuus 5.0:ssa on kyse”, Laukkanen sanoo.
Digitaaliset kaksoset voivat tehdä teollisuudesta houkuttelevamman alan.
Seuraavaksi: virtuaalinen maanviljelijä?
AGCO:n toimistolla traktorin digitaalinen prototyyppi on käynnistetty uudelleen, tällä kertaa Software validation engineer Asko Kämäräinen ohjaksissa. Häneltä koneen käyttäminen sujuu paljon paremmin: hän on tehnyt lukuisia tunteja vastaavia simulaatioita. Toisekseen Kämäräinen työskenteli perheensä maatilalla ennen kuin hänestä tuli ohjelmistoinsinööri. Tuohon aikaan traktoreissa ei tosin ollut kehittyneitä ohjelmistoja ja pilveen yhdistettyjä älykkäitä ratkaisuja, kuten GPS-pohjaista automaattiohjausta tai ratkaisuja, joiden avulla peltoja voidaan käyttää tehokkaammin.
”Kunpa minulla olisi ollut tällainen traktori, kun vielä työskentelin maatilalla. Näistä digitaalisista ominaisuuksista olisi todella ollut hyötyä”, Kämäräinen sanoo hymyillen.
Haastattelun jälkeinen päivä on suuri merkkipaalu AGCO:n digitaaliselle prototyypille: tiimi tekee ensimmäisen täydellisen testisyklin tulevan traktorin nykyiselle ohjelmistoversiolle nähdäkseen mikä toimii ja löytääkseen mahdolliset bugit.
Olli Kauppisen mukaan digitaalinen prototyyppi ei ole erillinen projekti yhtä traktoriversiota varten vaan työkalu, jolla voidaan testata erilaisia ratkaisuja ja integroida digitaalisia työtapoja koko tuotekehitysprosessiin. Kenties tulevaisuudessa ohjelmiston validointitiimiin liittyy virtuaalinen maanviljelijä, joka väsymättä simuloi kaikkia niitä erilaisia tapoja, joilla tosielämän maanviljelijät koneita käyttävät, tarjoten vieläkin tarkempia simulaatioita.
Jonkin ajan kuluttua uudet traktorit rullaavat ulos Valtran tehtaalta. Siihen asti digitaalinen prototyyppi edustaa fyysistä laitetta. Ja sittenkin, kun koneet uurastavat oikeilla maatiloilla, digitaalinen kaksonen tulee tekemään arvokasta työtä keräämällä dataa toiminnallisuuden analysoimiseksi ja uusien traktorisukupolvien suunnittelemiseksi.
”Pidän itse digitaalisten kaksosten tarjoamia mahdollisuuksia loogisena askeleena kohti parempaa tulevaisuutta. Se, mitä kaikkea voimme saavuttaa, ei ole mitä luultavimmin käynyt edes mielessä”, Kauppinen sanoo.
