Digitaalisia kaksosia pelimoottoreilla

Digitaalinen kaksonen (Digital Twin) on virtuaalinen malli tuotteesta, prosessista tai palvelusta. Sen avulla voidaan visualisoida kohteen toimintaa ja siihen liittyvää informaatiota. Lapin ammattikorkeakoulun ja Lapin koulutuskeskus REDUn yhdessä toteuttamalla ja Lapin liiton rahoittamalla Digitaalisilla kaksosilla vipuvoimaa uusiutuvalle energialle (DUKE) -hankkeen ensimmäinen pilottikohde on valmistumassa. Pilottikohde on REDUn opetuslämpölaitos Jänkätiellä Rovaniemellä. Opetuslämpölaitoksen digitaalinen kaksonen toteutetaan Unity 3D pelimoottorilla.

Pelimoottori on tehokas

Pelimoottoreiden vahvuus on tehokas ja nopea visuaalisen ympäristön toteuttaminen. Erityisen hyvin ne soveltuvat 3D mallintamiseen. Digitaalinen kaksonen sisältää visuaalisen mallin lisäksi toiminnallisuuksia, joita myös reaalimaailman vastineesta löytyy. Suoraviivaisimmat mallinnettavat toiminnallisuudet ovat esimerkiksi mallinnettavan järjestelmän mekaanisiin ominaisuuksiin liittyviä yksityiskohtia. Lämpölaitoksen visuaalisessa mallissa mekaanisia mallinnettavia kohteita on esimerkiksi rakennusten ovien, tarkastusluukkujen, manuaalisesti säädettävien venttiilien kahvojen ja sähkökytkimien mallintaminen. Ovien ja tarkastusluukkujen mallintamiseen liittyy visuaalinen efekti, jonka havainnoija näkee sen jälkeen, kun joku oven aukaisun laukaiseva syötetieto on annettu. Syötetieto voi olla käyttäjän virtuaalinen oven avaamisen toimenpide tai joku käyttäjän suorittama kohdistimen siirtäminen sopivan visuaalisen avainelementin läheisyyteen.

Toiminnallinen malli voidaan toteuttaa pelimoottorilla

Vaihtoehtoja avainelementin tai toimenpiteen toteuttamiseksi on lukuisia erilaisia. Oven takaa avautuu näkymä toiseen tilaan ja tarkastusluukun kautta näkymä esimerkiksi lämmityskattilan sisälle. Lämmityskattila voi olla järjestelmän toimintatilasta riippuen passiivinen tai se tuottaa lämmitystehoa. Lämmityksen ollessa aktiivinen, luukun aukaisemisen jälkeinen visuaalinen efekti voi olla esimerkiksi sisällä näkyvä palamisen reaktio, eli tulenliekit. Todellisessa reaalimaailman tapauksessa tarkastusluukun aukaisemiseen saattaa liittyä myös vaaratilanteesta varoittava hälytys tai muu vastaava prosessiin liittyvä toiminne. Reaalimaailman tilanteessa myös ristikkäisvaikutus esimerkiksi tulipesän paine-erosta huolehtivan imurin toimintahäiriöön voi tuottaa savuntuprahtamisen tarkastusluukusta ulos.

Digitaalisen mallin toiminnallisten skenaarioiden yhdistelmänä syntyy prosessin kuvaus, joka joudutaan pelimoottoreiden tapauksessa mallintamaan ja ohjelmoimaan sillä tarkkuudella ja siinä laajuudessa kuin malli edellyttää. Visuaalisen efektin lisäksi riittävä realistisuus voi edellyttää myös todellisuutta vastaavan äänimaailman luomista. Oven aukaisemiseen liittyvä ääni itsessään ja toisesta tilasta kantautuva äänimaailma parantaa mallin immersiota eli käyttäjän tuntemaa läsnäolon tai realistisuuden tunnetta. Immersion käsite tulee peliteollisuudesta ja etenkin virtuaalitodellisuuden kokemisesta.

Toiminnallisen mallin tuottaminen vaatii prosessin mallintamista

Toiminnallisen mallin tuottaminen monimutkaisesta prosessista vaatii prosessien mallintamisen perusteiden ymmärtämistä. Järjestelmät, joissa yhdistyy mekaanisia, termodynaamisia, hydraulisia ja esimerkiksi sähköisiä osajärjestelmiä on tyypillisesti mallinnettu kuvaamalla osajärjestelmät erikseen tai prosessin mallinnukseen soveltuvilla työkaluilla, kuten Matlab Simulink, Labview tai Ptolemy II. Näissä simulointiohjelmissa on mahdollista toteuttaa prosessien vaatima aikamalli. 

Prosessin toiminnallinen malli kuvaa prosessin etenemistä reaaliajassa

Aikamallissa prosessin aika etenee reaaliaikaisesti tai jopa todellista tapahtumisnopeutta nopeammin. Osaprosessit tapahtuvat järjestyksessä ja todellisen prosessin tapahtumaketjua jäljitellen siten, että riippuvuussuhteet eli kausaalisuus on realistinen. Tällöin esimerkiksi lämmityskattilaan tuleva polttoaine palaa ja palamisen seurauksena lämpöenergiaa siirtyy järjestelmässä kiertävään nesteeseen. Kaukolämpölaitoksessa kiertävä neste on vesi ja esimerkiksi maalämpöpumpuissa vesi-etanoli-seos. Aikamallin ja prosessin etenemisen mallintaminen voidaan yksinkertaisimmillaan toteuttaa siten, että ajatellaan järjestelmälle jokin stabiili toimintapiste, jossa kaikki järjestelmän mallinnettavat toiminnalliset elementit ovat asettuneet vakaaseen tilaan.

Esimerkiksi lämpölaitoksen mallinnuksessa stabiilitila on sellainen, jossa kiertävän nesteen lämpötila, piirissä kiertävän veden tilavuusvirta ja paine-erot putkistoissa ja kattilajärjestelmissä ovat vakaassa tilassa. Lämpölaitoksen mallissa on kaksi erillistä vedenkiertopiiriä, joita yhdistää lämmönsiirrin. Lämmönsiirtimen kautta primääri eli kattilapiirissä lämmitetyn veden lämpöenergia siirtyy sekundääripiiriin eli kaukolämpöverkkoon.

Prosessin eteneminen ajassa kannattaa tehdä yksinkertaisesti

Esimerkkilämpölaitoksen toiminnallisuus mallinnettiin siten, että simuloinnin käynnistyessä kaikki muuttujat, siis lämpötilat, paine-erot ja virtaamat ovat alkuarvoltaan nollia. Stabiilin toimintatilan laskenta alkaa primääri- eli kattilapiirin pumpusta ja ensimmäiseksi lasketaan pumpulle asetetun tehon perusteella paine-ero jonka kyseinen teho tuottaa. Paine-eron laskeminen aloitetaan lukuarvosta nolla ja pienin askelin lasketaan piirin kaikkien elementtien paine-erot ja joka kierroksella nostetaan painetta tilaan, jossa paine-ero pumpussa ja pumpun asetettu teho vastaavat teoreettisesti laskettuna toisiaan. Pumpun tuottama painetieto siirretään joka kierroksella seuraavalle primääripiirin elementille joka on putki. Yksinkertaisimmassa mallissa putket siirtävät paine-eron suoraan eteenpäin seuraavalle mallille sellaisenaan, joten putkissa ei tapahdu painehäviöitä. Painehäviö voidaan putkille toki asettaa parametriksi, mutta kaikkein yksinkertaisimmassa mallissa se ei ole tarpeen.

Ensiksi selvitetään prosessin staattinen tila

Laskenta etenee elementti kerrallaan ja paine-ero siirtyy jokaisen piirielementin kohdalla eteenpäin. Elementit muodostavat järjestelmän, jossa kiertosuunnassa katsoen niillä on sisäänmenotietona paine-ero ja lähtötietona paine-ero elementin jälkeen. Jos elementti on venttiili, tarkistetaan syötetietona oleva venttiilin asennon lukuarvo ja sen perusteella lasketaan venttiilin tuottama paineenmuutos ja se siirtyy seuraavalle elementille syötetiedoksi. Kun koko piiri on elementti kerrallaan laskennallisesti kierretty, siirtyy laskenta toiseen vaiheeseen, jossa elementti kerrallaan lasketaan paine-eron perusteella piirissä kulkevan veden virtaama ja lämpötilahäviöt, jos ne on kyseiselle piirielementille määritelty. Piirissä kiertävän nesteen lämpötila määräytyy lämmityskattilan tehotiedon ja virtaavan veden tilavuusvirran perusteella. Vastaavalla tavalla lasketaan toisiopiirin elementtien paine-erot, virtaamat ja lämpötilat. Toisiopiirissä laskenta aloitetaan vastaavalla tavalla kuin ensiöpiirissä paine-eron tuottavan pumpun kohdalta. Toisio- eli kaukolämpöpiirissä lämmityskattilaa ei ole mutta sitä vastaa lämmönvaihtimen lähtöliityntä joka tuottaa ensiöpiirin tehon verran lämmitystehoa toisiopiiriin.

Staattinen malli on riittävä joihinkin yksinkertaisimpiin mallinnuksiin. Realistisempi malli sisältää myös järjestelmän dynaamisten ominaisuuksien mallintamisen. Dynaamisia ominaisuuksia ovat ne muutosilmiöt joita järjestelmässä esiintyy. Tällaisia dynaamisia ominaisuuksia on esimerkiksi kattilatehon nostamiset ja laskemiset sekä toisio- eli kaukolämpöpiirissä tapahtuvat virtausmuutokset. Dynaamisien ominaisuuksien mallintaminen johtaa järjestelmää kuvaavien differentiaaliyhtälöiden ratkaisemiseen. Yksinkertaisin differentiaaliyhtälömalli on niin sanottu ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö, jonka matemaattinen ratkaisu on eksponentiaalisesti laskeva tai nouseva kuvaaja. Esimerkiksi kattilapiirin tehonnostoa voidaan mallintaa ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöllä, jos tehonnoston seurauksena kiertävän veden lämpötila nousee johonkin uuteen lämpötila-arvoon ilman, että lämpötila käyttäytyy epästabiilisti. Esimerkiksi lämpötilan värähtely on esimerkki epästabiiliudesta. Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on usein riittävä malli järjestelmän dynaamisille ominaisuuksille.

Muutosilmiöitä eli dynaamisia ominaisuuksia mallinnetaan differentiaaliyhtälöillä

Yksinkertaisen dynaamisen mallin toiminnallisuus voidaan selvittää esimerkiksi määrittämällä askelvastekokeella aika, jonka kuluessa lämpötilan nousu tapahtuu eli lämpötilan nousunopeuden aikavakio.  Aikavakion, tehon nostoa vastaavan lämpötilan nousun ja järjestelmässä esiintyvän viiveen eli niin sanotun kuolleen ajan määrittämisellä voidaan toteuttaa useimpiin käytännön tapauksiin riittävä dynaaminen malli. Esimerkkilämpölaitoksen dynaamiset ominaisuudet mallinnettiin suorittamalla lämpölaitoksen testiajoja 25.5. – 27.5.2020. Testiajoissa suoritettiin mm. askelmaisia kattilapiirin tehonnostoja ja kaukolämpöpiirin virtauksen muutoksia. Muutosten aikana mitattiin ensiö- eli kattilapiirin ja toisio- eli kaukolämpöpiirin lämpötilojen ja virtaamien, sekä paine-erojen muutoksia. Testimittausten perusteella määritettiin lämpökeskuksen dynaamisia ominaisuuksia regressioanalyysin menetelmiä käyttäen. Testiajojen ja mittausten perusteella lasketut dynaamisien ominaisuuksien mallit siirretään järjestelmän ominaisuuksia kuvaavaan toiminnalliseen malliin ohjelmoimalla ne pelimoottorissa mallin ohjelmakoodiin. Ohjelmointikieli on Unity 3D pelimoottorissa C#.

Visuaalinen ja toiminnallinen malli yhdistyy digitaaliseksi kaksoseksi

Lopullisessa digitaalisessa kaksosessa on yhdistettynä visuaalinen malli ja lämpölaitoksen prosessin toiminnallisuutta kuvaava toiminnallinen malli yhdeksi kokonaisuudeksi. Tavoitteena on tuottaa haluttuja toiminnallisuuksia ominaisuus kerrallaan. Jokainen toiminnallisuuden lisäys kehittää järjestelmää käyttökelpoisempaan ja reaalimaailmaa paremmin vastaavaan suuntaan. Digitaalinen kaksonen voi kehittyneemmässä muodossaan olla fyysisen vastineensa kanssa reaaliaikaisessa tiedonsiirrossa siten, että digitaalisen kaksosen kautta tehdyillä käyttötoimenpiteillä voidaan jopa ohjata reaalimaailman vastinettaan tai vaihtoehtoisesti reaalimaailman lämpölaitoksen toiminnallinen muutos näkyy digitaalisen kaksosen virtuaalimaailmassa realistisesti. Vaikkapa siten, että savun tuprahdus reaalimaailmassa kuuluu ja näkyy myös virtuaalimaailmassa. Savun tuoksu virtuaalimallissa on vielä toistaiseksi fiktiivinen ominaisuus, mutta tulevaisuudessa ehkä sekin voidaan toteuttaa.

Hankkeen virallinen nimi: Digitaalisilla Kaksosilla Vipuvoimaa Uusiutuvalle Energialle
Hankkeen aikataulu: 01/01/2020 – 31/12/2022
Kokonaisbudjetti: 761 732 €
Rahoituslähteet: EAKR 2014-2020
Hankkeen yhteyshenkilö: Tauno Tepsa (+358 40 821 6865)


Kirjoittanut Tauno Tepsa | 20/10/2020