ADAFI: Adaptive Fidelity Digital Twins for Robust and Intelligent Control Systems

Luomme uusia laskennallisia menetelmiä digitaalisten kaksosten kehittämiseen

Projektin kesto

1.1.2021. – 31.12.2023

Rahoituslähde

Suomen Akatemia

Kokonaisrahoitus

857 196 €

Neljännen teollisen vallankumouksen keskeisiä osia ovat kyberfysikaaliset järjestelmät eli niin sanotut digitaaliset kaksoset. Niillä tarkoitetaan fyysisten järjestelmien rinnalla toimivia tarkkoja, numeerisia simulaatiomalleja. Digitaalisista kaksosista ennustetaankin modernin teollisuusautomaation kulmakiveä.

Tietokoneavusteinen suunnittelu on perinteisesti luvannut kustannus- ja aikasäästöjä tuotekehitykseen, mutta nykyään digitaaliset kaksoset ja kaikkialla saatavilla olevat langattomat yhteydet ovat laajentaneet simulaation mahdollisuudet myös tuotteen käyttöön sen koko elinkaaren ajalle. Juuri olosuhdeperusteisen optimoinnin ja ennakoivan huollon helpottamiseen käytetään nykyään digitaalisia kaksosia, jotka voidaan rakentaa input-output-datan pohjalta tai taustalla vaikuttavan fysiikan mukaisesti. Tulevaisuudessa digitaalisten kaksosten avulla tavoitellaan täysin autonomisia järjestelmiä.

Autonomisten järjestelmien kannalta digitaalisissa kaksosissa on kaksi keskeistä ratkaisematonta haastetta. Ensinnäkin digitaalisen kaksosen tarkkuuden tason tulisi olla optimaalinen suhteessa ohjausjärjestelmän arkkitehtuuriin ja tavoitteisiin, ja sen pitäisi adaptoitua järjestelmän käytön aikana. Toiseksi digitaalisen kaksosen sisältävän infrastruktuurin tulisi voida hallita suurta määrää reaaliaikaista dataa, jota saadaan simulaation tuloksista ja online-mittauksista. Digitaalisen kaksosen suorituslatenssin pitäisi myös olla riittävän matala.

Nämä haasteet on ratkaistava, jotta saavutetaan robust control ja autonomia erilaisissa käyttöolosuhteissa. ADAFI-tutkimushankkeessa ratkotaan juuri näitä haasteita.

Hanke etenee seuraavissa työkokonaisuuksissa:

Työpaketti 1: Tarkkuudeltaan adaptiiviset digitaaliset kaksoset robusteille ohjausjärjestelmille. Suunnitellaan uusia arkkitehtuuriltaan joustavia simulaatiomalleja ja -menetelmiä, joita voidaan käyttää määrätyllä suurella alueella, joka jää äärimmäisen laskennallisen yksinkertaisuuden ja mallin äärimmäisen tarkkuuden välille. Näitä malleja ovat fysiikkaa ja koneoppimista yhdistävät hybridimallit ja arkkitehtuuriltaan adaptiiviset reduced-order mallit. Myös automaattisia simulaatiomallin luomisen menetelmiä tutkitaan.

Työpaketti 2: Robustit ohjausjärjestelmät tarkkuudeltaan adaptiivisille digitaalisille kaksosille. Kehitetään uusia, robusteja ohjausalgoritmeja, -menetelmiä ja -periaatteita, jotka käyttävät hyväkseen simulaatiomallin tarkkuuden adaptiivisuutta. Tutkitaan myös laajennuksia moniagentti- ja monitavoiteohjausjärjestelmiin.

Työpaketti 3: Synteesi ja järjestelmäintegraatio. Tutkitaan työpakettien 1 ja 2 käytännön toteutukseen vaadittavaa infrastruktuuria. Otettava huomioon esimerkiksi seuraavat kysymykset: langaton anturifuusio, pilvi- ja/tai reunalaskentajärjestelmät, suurten datavirtojen hallinta sekä digitaalisten kaksosten ja fysikaalisten järjestelmien synkronoidun toteutuksen ultramatala latenssi.

Työpaketti 4: Teollisuuden käyttökohteet. Työpaketeissa 1–3 kehitettyjä menetelmiä, malleja ja algoritmeja sovelletaan teollisuuden käyttökohteisiin. Kiinnitetään eritystä huomiota Turun AMK:n eRallycross (eRx) -ralliauton voimalinjan sekä droonilentojen säätötehtäviin. eRx-ralliauton käyttöprofiilit vastaavat nykyaikaisten raskaiden, akkukäyttöisten liikkuvien työkoneiden käyttöprofiileja. Toisaalta robusti autonominen drooniohjaus on välttämätöntä useissa sellaisissa valmistustoiminnoissa, joissa on merkittävää autonomisaatiopotentiaalia, esimerkiksi hitsaamisessa.