Teollisten prosessien autonomisuutta kehitetään Oulun yliopistossa

Hankkeissa kehitetään mittaustekniikan luotettavuutta ja laajuutta koneoppimisen sovelluksien mahdollistamiseksi (APASSI-hanke) sekä tavoitellaan teollisen tuotannon vähähiilisyyttä hyödyntämällä digitalisaation mahdollisuuksia (MAJAKKA-hanke). Oulun yliopiston osuus näissä hankkeissa on lähes 900 000 euroa.

Teollisuuden neljännen vallankumouksen ja ICT-teknologioiden kehittymisen myötä suuret datamassat, tekoäly ja koneoppiminen sekä kyberfysikaaliset järjestelmät ja niiden sisältämät digitaaliset kaksoset ovat ajankohtaisempia kuin koskaan. Teollisuudenalasta ja sovelluskohteesta riippuen niiden käytönaikainen rakentaminen ja hyödyntäminen voi perustua pitkälti datapohjaisiin ratkaisuihin.

Laitteiden, yksikköprosessien ja prosessikokonaisuuksien mallintaminen ja simulointi on ollut jo pitkään arkipäivää mm. prosessisuunnittelussa, optimoinnissa ja tuotannonsuunnittelussa. Nämä fysikaalisiin ja kemiallisiin ilmiöihin ja riippuvuuksiin perustuvat simulointimallit voidaan nähdä keskeisenä osana olemassa olevaa informaatiota, joka kannattaa pitää mukana rakennettaessa digitaalisia kaksosia ja kyberfysikaalisia järjestelmiä.

Prosessiautomaation kannalta digitaalisten kaksosten tulee pystyä kuvaamaan reaalimaailman vastinettaan riittävän tarkasti niin, että siitä saatavaa tietoa voidaan hyödyntää dynaamisesti esimerkiksi prosessin säädössä, monitoroinnissa, optimoinnissa ja diagnostiikassa. Tätä varten simulointimalleja on ylläpidettävä ja päivitettävä reaaliaikaisesti kohteista kerättävän datan ja tehokkaiden laskenta-algoritmien avulla.

Säätötekniikan tutkimusryhmän vetäjä, biojalostamon mittausten professori Mika Ruusunen kertoo, että fysikaalisiin malleihin perustuva näkökulma digitaalisten kaksosten rakentamiseen yhdistettynä niiden automaattiseen ylläpitoon on jo herättänyt paljon kiinnostusta. Esimerkiksi tohtorikoulutettava Riku-Pekka Nikula palkittiin keväällä parhaan esityksen palkinnolla tähän tutkimusaiheeseen liittyen kansallisesti tärkeässä prosessi-, tehdas- ja tuotantoautomaatiota ja digitalisaatiota käsittelevässä Automaatiopäivät23-seminaarissa.

Säätötekniikan tutkimusryhmässä digitaalisten kaksosten ja simulointimallien adaptointiin liittyvää tutkimus- ja kehitystyötä on tehty jo pitkään. Aiheet ovat ulottuneet aina yksittäisten virtuaaliantureiden ja ennustavan säädön jatkuvasta ylläpidosta monimutkaisten, teollisuusprosesseja kuvaavien mallien reaaliaikaiseen adaptaatioon. Nyt alkaneet hankkeet muodostavat luonnollisen jatkumon tälle kehitystyölle.

APASSI -hankekokonaisuudessa tavoitteena on ottaa askel kohti teollisuuden prosessien muuttamista autonomisiksi kehittämällä mittaustekniikan luotettavuutta ja laajuutta uusien koneoppimisen sovelluksien mahdollistamiseksi. Keväällä käynnistynyt APASSI on Business Finlandin rahoittama ns. Co-innovation -hanke, jossa on mukana seitsemän yritystä ja kolme tutkimustahoa, Valmet, Outotec, Senfit, Head Recycle Systems, Gasera, Oplatek ja Spectral Engines sekä VTT, Tampereen yliopisto ja Oulun yliopisto. Hankkeen kokonaisvolyymi on noin 10 miljoonaa euroa. APASSI-ekosysteemiin kuuluu lisäksi noin 50 alihankkija- ja yhteistyökumppaniyritystä sekä loppukäyttäjää.

Oulun yliopiston tutkimus APASSI-hankkeessa keskittyy adaptiivisten mallinnusmenetelmien tutkimukseen, mittausaineiston analysointiin ja älyn lisäämiseen mittalaitteeseen sekä näiden muodostamien järjestelmien tehokkaaseen hyödyntämiseen prosessiteollisuudessa.

Syyskuussa EAKR-rahoituspäätöksen saaneessa MAJAKKA-hankkeessa tavoitellaan teollisen tuotannon vähähiilisyyttä hyödyntämällä digitalisaation mahdollisuuksia. Esimerkiksi digitaalisten tiedonkäsittelymenetelmien avulla olemassa olevasta informaatiosta voidaan mm. tuottaa uusia laskennallisia suureita ja arvioida mittaustiedon luotettavuutta. Parantuneen ymmärryksen pohjalta prosesseja voidaan ohjata optimaalisissa olosuhteissa. Hyödyt realisoituvat laitteiden pidempänä elinkaarena, energia- ja resurssitehokkuutena ja näin vähähiilisyytenä.

MAJAKKA-hankkeessa hyödynnetään toisen projektin toteuttajan Centria-ammattikorkeakoulun Chemplant-tutkimusympäristöä ja Oulu Mining Schoolin Minipilot-rikastamoympäristöä. Hanketta on tukemassa toistakymmentä Keski-Pohjanmaan ja Pohjois-Pohjanmaan yritystä sekä Kokkolanseudun Kehitys Oy KOSEK ja Business Oulu.

Professori Mika Ruususen mukaan seuraavana tavoitteena on hyödyntää laajemmin yhteistyötä Oulun yliopistossa olevan ICT-osaamisen ja prosessitekniikan sovellustutkimuksen välillä. Samalla laajennetaan sovelluksia esimerkiksi biojalostamoympäristöihin yhdessä Kainuun ja Oulun seutujen yritysten kanssa.

Säätötekniikan tutkimusryhmä kuuluu Oulun yliopiston teknillisen tiedekunnan Ympäristö- ja kemiantekniikan tutkimusyksikköön.