Digitaaliseen kaksoseen pohjautuva palvelu

(1)

DIGITAALISEEN KAKSOSEEN POHJAUTUVA PALVELU

Kandidaatintyö Informaatioteknologia ja viestintä Tarkastajat: Yliopisto-opettaja Marko Helenius Lokakuu 2020

(2)

TIIVISTELMÄ

Santeri Leppänen: Digitaaliseen kaksoseen pohjautuva palvelu Kandidaatintyö

Tampereen yliopisto Tietotekniikka Lokakuu 2020

Digitaalinen kaksonen on teknologia, jonka avulla fyysisestä entiteetistä luodaan digitaalinen malli, joka toimii kuten fyysinen entiteetti. Entiteettien välillä kulkeva tieto on oleellinen osa digitaalista kaksosta ja se erottaa digitaalisen kaksosen staattisesta mallista. Tässä kandidaatintyössä esitellään digitaalinen kaksonen, sekä siihen liittyvä palvelu, josta on toteutettu demo työn ohella.

Työn tavoitteena on selvittää, mitä hyötyä digitaalisesta kaksosesta, ja juuri tällaisesta palvelusta on yritykselle ja asiakkaalle, sekä miten tällainen palvelukokonaisuus voitaisiin esimerkiksi toteuttaa.

Työ on jaettu kolmeen osaan: digitaalisen kaksosen esittelemiseen, palvelukokonaisuuden, sekä demon kuvailemiseen ja yrityksen ja asiakkaan hyötyjen pohtimiseen. Digitaalisen kaksosen esittely rajataan käsittelemään historiaa, määritelmiä ja lyhyesti käyttökohteita. Palvelukoko- naisuudessa ja demossa painotutaan kuvailemaan rakennetta, komponenttien tarkoitusta ja mah- dollisia vaihtoehtoisia ratkaisuja.

Työn tuloksena havaitaan, että digitaalisella kaksosella ei ole vielä tarkkaa määritelmää ja se voi vaihdella alasta riippuen. Lisäksi huomataan, että digitaalisella kaksosella on lukuisia käyttö- kohteita, jotka käyttävät sen teknologiaa. Vaikka eri käyttökohteita on lukuisia, digitaalisen kaksosen tuottamat hyödyt ovat silti laajasti tiedostettuja ja ovat jokseenkin yleistettävissä. Huomioitava on kuitenkin, että tässä työssä esitetty palvelukokonaisuus ja siihen liittyen esitetyt tulokset eivät välttämättä päde yleisellä tasolla.

Avainsanat: Digital Twin, digitaalinen kaksonen, API, digitaalinen malli

Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck -ohjelmalla.

(3)

ALKUSANAT

Tämä kandidaatintyö on tehty Tampereen yliopiston Informaatioteknologian ja viestin- nän tiedekunnalle. Haluan kiittää Juuso Nänimäistä avusta työn aiheen valitsemisessa ja opastuksessa. Haluan myös kiittää ohjaajaani Marko Heleniusta opastuksesta työn kans- sa.

Tampereella, 14. lokakuuta 2020

Santeri Leppänen

(4)

SISÄLLYSLUETTELO

1 Johdanto . . . 1

2 Digitaalinen kaksonen . . . 2

2.1 Historia . . . 2

2.2 Määritelmät . . . 3

2.2.1 Grievesin ja Vickersin määritelmä . . . 3

2.2.2 Cabosin ja Rostockin määritelmä . . . 4

2.3 Käyttökohteet . . . 5

3 Toteutetun ohjelman komponentit ja kokonaisuus . . . 6

3.1 Laite . . . 8

3.2 Reuna . . . 8

3.3 Kuorma . . . 9

3.4 API . . . 10

3.5 Moduulit . . . 10

3.6 Tietokanta . . . 11

4 Yrityksen ja asiakkaan kokemat hyödyt . . . 12

4.1 Yrityksen hyödyt . . . 12

4.2 Asiakkaan hyödyt . . . 13

5 Yhteenveto ja johtopäätökset . . . 14

Lähteet . . . 15

(5)

LYHENTEET JA MERKINNÄT

API Ohjelmointirajapinta (engl. Application Programming Interface) DTA Digitaalisen kaksosen ryhmittymä (engl. Digital Twin Aggregate) DTE Digitaalisen kaksosen ympäristö (engl. Digital Twin Environment) DTI Digitaalisen kaksosen ilmentymä (engl. Digital Twin Instance) DTP Digitaalisen kaksosen prototyyppi (engl. Digital Twin Prototype) IoT Esineiden internet (engl. Internet of Things)

JSON Avoimen standardin tiedostotyyppi (engl. JavaScript Object Nota- tion)

Make or buy -päätös Strategia jonka avulla voidaan selvittää tehdäänkö tuote itse vai hankitaanko se toimittajalta

PLM Tuotteen elinkaaren hallinta (engl. Product Lifecycle Management) REST HTTP-protokollaan perustuva arkkitehtuurimalli verkkopalveluja

varten (engl. Representational State Transfer)

(6)

1 JOHDANTO

Nykypäivän erittäin kilpailluilla ja muuttuvilla markkinoilla ei ole enää aikaa vanhanaikai- seen fyysiseen tuotekehitykseen, tai fyysisten prototyyppien valmistamiseen [1, 2, 3]. Yri- tykset etsivät ja kehittävät jatkuvasti parempia keinoa pysyä mukana markkinoilla ja teknologian kehityksessä. Tämän takia digitaalinen tuotekehitys on yleistynyt huomattavasti [3].

Esineiden internetin (engl. Internet of Things, IoT) ja teollisuus 4.0:n kautta digitaalisen kaksosen käyttö on alkanut yleistyä IoT-yritysten parissa. Gartnerin teettämän tutkimuk- sen [4] mukaan noin 48% IoT-yrityksistä käytti jo, tai aikoi käyttää digitaalisia kaksosia vuoteen 2018 mennessä. Digitaalisen kaksosen merkitys IoT-yrityksissä on siis huomat- tava.

Digitaalinen kaksonen on virtuaalinen kopio jostain fyysisestä entiteetistä. Digitaalisen kaksosen avulla pyritään simuloimaan fyysisen entiteetin toimintaa keräämällä siitä dataa ja syöttämällä sitä digitaaliselle kaksoselle. Näin voidaan saavuttaa esimerkiksi huoltojen ennakointia. [5] Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan digitaalisen kaksosen konseptin kehitystä sen alkuvaiheilta tähän hetkeen asti. Työstä on toteutettu demo, jolla havainnol- listetaan työssä esitettävää palvelua. Palvelu pohjautuu digitaalisen kaksosen ympärille.

Tämän lisäksi työssä pohditaan yleisesti digitaaliseen kaksoseen, ja työssä esitettyyn palveluun liittyviä hyötyjä. Digitaalisen kaksosen osuus on rajattu niin, että keskitytään vain historiaan, määritelmiin ja lyhyesti käyttökohteisiin. Aiheesta on rajattu ulos digitaalisen kaksosen käyttö teollisuudessa sen laajan alan takia.

Työn toisessa luvussa esitellään digitaalinen kaksonen. Kolmannessa luvussa käsitel- lään demoa ja palvelua, sekä sen komponentteja. Neljännessä luvussa taas pohditaan yleisesti digitaalisen kaksosen ja esitetyn palvelun tuottamia hyötyjä. Lopuksi luvussa 5 tehdään yhteenveto työstä ja esitetään johtopäätökset.

Työstä toteutettu demo on pyritty tekemään EDR & Medeso Oy:n toiveiden mukaisesti.

Demo on tehty käyttämällä pääasiassa Pythonia ja Flaskia. Demon lähdekoodi, sekä lisää tietoa siitä löytyy lähteestä [6].

(7)

2 DIGITAALINEN KAKSONEN

Tässä luvussa tarkastellaan digitaalisen kaksosen konseptin ymmärtämisen kannalta merkittäviä tekijöitä. Aluksi esitellään digitaalisen kaksosen historiaa. Tämän jälkeen siir- rytään tarkastelemaan kahta erilaista digitaalisen kaksosen määritelmää. Lopuksi esitel- lään digitaalisen kaksosen käyttökohteita.

2.1 Historia

Digitaalisen kaksosen idea on ollut jo kauan olemassa, vaikka itse konsepti on vaihtunut vuosien kuluessa. Ensimmäistä kertaa digitaalisen kaksosen idean voidaan katsoa tul- leen esille Gelernterin kirjassaMirror Worlds. Kirjassaan Gelernter esittää konseptinpei- limaailmat, joiden avulla ihminen voi kontrolloida fyysisiä asioita virtuaalisesti tietokoneen välityksellä. [7]

Kymmenen vuotta myöhemmin Grieves [8] toi digitaalisen kaksosen idean ja konseptin julki vuonna 2002. Grieves esitteli digitaalisen kaksosen konseptia käytettäväksi teollisuudessa tuotteen elinkaaren hallitsemiseen (engl. Product Lifecycle Management, PLM).

Tässä vaiheessa digitaalinen kaksonen nimenä ei ollut vielä vakiintunut, vaan siitä käy- tettiin nimeäMirrored Spaces Model PLM:n yhteydessä.

(8)

Kuvassa 1 on esitetty Grievesin [8] esille tuoma alustava digitaalisen kaksosen malli PLM:ään. Vaikka tässä vaiheessa digitaalinen kaksonen ei vielä ollut muotoutunut sen nykymuotoon, kuvassa silti esiintyvät kaikki digitaaliseen kaksoseen kuuluvat elementit:

fyysinen tila, virtuaalinen tila ja tiedon kulku näiden kahden välillä. PLM-järjestelmä tar- koitti, että molemmat tilat olisivat yhdistetty koko järjestelmän elinajan, johon kuuluu luon- ti, valmistus, käyttö ja luopuminen. Myöhemmin PLM:n yhteydessä digitaalisen kaksosen nimi vaihtuiInformation Mirroring Modeliin.

Kuva 1.Konsepti PLM:ää varten. Muokattu lähteestä [8]

Digitaalisen kaksosen konsepti laajeni huomattavasti Grievesin teoksenVirtually Perfect:

Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management myötä.

Tässä teoksessa tuli esille nimi digitaalinen kaksonen. [9]

2.2 Määritelmät

Digitaalisella kaksosella ei ole mitään tarkkaa määritelmää, vaan määritelmä voi vaihdella alakohtaisesti [10]. Digitaalisella kaksosella on kuitenkin joitain piirteitä, joiden voidaan todeta olevan yleisesti siihen liittyviä [11].

Digitaalinen kaksonen on digitaalinen kopio jostain fyysisestä entiteetistä [12]. Digitaalis- ta kaksosta ei tule kuitenkaan sekoittaa digitaaliseen malliin, vaan voidaan ajatella, että digitaalisesta mallista tulee digitaalinen kaksonen, kun sille luodaan fyysinen vastakap- pale ja tiedon kulku alkaa mallien välillä [13, 14]. Esimerkiksi autoa suunniteltaessa ensin suunnitellaan auto digitaalisesti, minkä jälkeen autoa ruvetaan valmistamaan. Ensimmäi- sen auton valmistuttua, autolla on käytännössä digitaalinen kaksonen.

2.2.1 Grievesin ja Vickersin määritelmä

Grievesin ja Vickersin ehdottaman määritelmän mukaan “digitaalinen kaksonen on joukko virtuaalisia tietokonstrukteja, jotka kuvaavat potentiaalisesti tai tosiasiallisesti valmistettua tuotetta mikroatomitasolta makrogeometriselle tasolle. Optimaalisella tasolla kaikki tieto, joka voitaisiin hankkia tarkastelemalla fyysisesti valmistettua tuotetta, voitaisiin hankkia

(9)

vittavat tiedot fyysisen prototyypin kuvailemiseen ja valmistamiseen. Sen avulla voidaan valmistaa fyysinen versio, joka vastaa digitaalista versiota. Prototyypille tyypillisiä piirteitä voivat olla esimerkiksi 3D-malli tai materiaalilista. [8]

Digitaalisen kaksosen ilmentymä (engl. Digital Twin Instance, DTI) kuvaa fyysistä tuotetta, joka on yhdistetty digitaaliseen kaksoseen sen koko eliniän ajan. Ilmentymä pitää sisällään esimerkiksi tiedon fyysisen tuotteen komponenteista ja niiden historiasta, ilmen- tymään kohdistuvista testeistä ja tuotteen huoltohistorian. Nämä saattavat vaihdella käyt- tökohteesta riippuen. [8]

Digitaalisen kaksosen ryhmittymä (engl. Digital Twin Aggregate, DTA) pitää sisällään kaikki DTI:t. DTA:n tehtävänä on tuottaa laskelmia ja ennusteita ryhmittymään kuuluvil- le DTI:ille. Tähän voi esimerkiksi kuulua laskelma, jonka avulla selvitetään, milloin jokin tietty komponentti tarvitsee yleensä vaihtaa. [8]

Digitaalisen kaksosen ympäristö (engl. Digital Twin Environment, DTE) on digitaalisen kaksosen käyttämistä varten. Sen avulla voidaan esimerkiksi kerätä dataa digitaalisen kaksosen ilmentymistä ja pyrkiä ennustamaan fyysisten tuotteiden käyttäytymistä ja suo- rituskykyä. [8]

2.2.2 Cabosin ja Rostockin määritelmä

Cabos ja Rostock esittävät, että digitaalinen kaksonen koostuu tyypillisesti kolmesta eri komponentista: digitaalisesta esitysmuodosta, käytöksellisestä mallista ja tila- ja kokoon- panotiedosta [15].

Digitaalisen esitysmuodon tarkoituksena on liittää kerätty data johonkin fyysiseen esinee- seen. Tulee siis huomioida, että kyseessä ei ole malli, jonka avulla visualisoitaisiin fyysinen kappale. Tämä esitysmuoto voi kattaa esimerkiksi kappaleen mekaanisen puolen.

Digitaalinen esitysmuoto voi myös kuvata esineen ulkomuodon, mutta se ei ole esitysmuodon tärkein asia. Esimerkiksi laitteiston tapauksessa ei välttämättä ole tarpeellista kuvata kaikkia komponentteja. [15]

Käytökselliset mallit simuloivat joitain fyysiseen kappaleeseen liittyvää tekijää, ja tuottavat tämän perustella tuloksia. Käytöksellinen malli voi esimerkiksi tarkkailla, kuinka aluksen rungon kuluminen vaikuttaa aluksen suorituskykyyn. [15]

Tila- ja kokoonpanotiedot pitävät sisällään tiedon kaikesta järjestelmään liittyvästä tie- dosta. Tärkeää on tallentaa tietoa järjestelmän vanhoista ja nykyisistä tiloista. Tietojen kerääminen voidaan saavuttaa esimerkiksi erilaisilla sensoreilla ja manuaalisilla mittauk- silla. Tähän komponenttiin kuuluvat myös tiedot valmistuksesta asti, mikä voi auttaa ku- vaamaan fyysistä esinettä jo valmistusvaiheessa. [15]

(10)

2.3 Käyttökohteet

Digitaalinen kaksonen suunniteltiin alunperin teollisuuden tuontantoon, kuten kerrottiin luvussa 2.1. Digitaalisen kaksosen käyttökohteet ovat kuitenkin laajentuneet huomattavasti alkuperäisestä tarkoituksesta. Tätä tukee Gartnerin teettämä tutkimus, jonka perusteella digitaalinen kaksonen oli kymmenen trendikkäimmän teknologian joukossa vuonna 2017 [16].

Digitaalinen kaksonen on levinnyt myös merenkulkualalle. Esimerkiksi ABB on kehittänyt palvelun, jonka avulla merenkulkualukselle voidaan luoda digitaalinen kaksonen. Tämän avulla voidaan esimerkiksi tarkkailla ja parantaa aluksen polttoaineenkäyttöä. [17]

Digitaalisen kaksosen käyttö ei kuitenkaan tarvitse rajoittua vain elottomiin asioihin, kuten koneisiin tai laitteisiin. Digitaalisen kaksosen teknologian hyödyntämistä on pohdittu vanhusten sairaanhoidossa, missä pilvipalveluiden käyttöä on jo laajasti tutkittu. [18]

(11)

3 TOTEUTETUN OHJELMAN KOMPONENTIT JA KOKONAISUUS

Tässä luvussa käsitellään toteutetun järjestelmäkokonaisuuden komponentteja ja niiden tehtäviä. Aluksi käydään läpi komponenttien muodostamaa kokonaisuutta yleisesti, jonka jälkeen siirrytään tarkastelemaan jokaista komponenttia erikseen.

Ohjelman voidaan todeta muodostuvan pääasiallisesti kuudesta eri osasta: laitteesta, reunasta, kuormasta, API:sta (engl. Application Programming Interface, ohjelmointirajapinta), moduuleista ja tietokannasta. Seitsemänneksi osaksi voidaan ajatella kuuluvan asiakkaan oma tietojärjestelmä. Sillä ei kuitenkaan ole suurta merkitystä työn kannalta, vaikka se esiintyy kuvassa 2. Esiintymisen syynä on paremman kokonaiskuvan hahmot- taminen.

(12)

Kuvassa 2 on kuvattu koko järjestelmän rakenne. Järjestelmä on jaettu kahteen osaan:

asiakkaan puoleen ja yrityksen puoleen.

Kuva 2.Yleiskuva toiminnasta.

Kuvan ylempi osa, eli asiakkaan puoleen kuuluu laite, reuna ja kuorma. Asiakkaan puolen pääasiallisina tehtävinä ovat tiedon kerääminen laitteesta, ja sen lähettäminen yrityksen API:lle kuorman avulla. Alempaan osioon, eli yrityksen osioon kuuluu API, moduulit ja tietokanta. Yrityksen puolella käsitellään asiakkaalta saatu tieto ja tuotetaan sen perusteella muun muassa laskelmia, ennusteita ja ihmisluettavia raportteja.

Tässä työssä toteutetun demon on tarkoitus demonstroida luvussa kuvattua kokonaisuutta ja siihen kuuluvia komponentteja. Tämän luvun tarkoitus ei kuitenkaan ole keskittyä lähdekoodiin, vaan toteutettuun kokonaisuuteen.

(13)

nenttia. Koska laitteet voivat koostua useista eri komponenteista, on tärkeää huomioida, että nämä osakomponentit voidaan myös luokitella laitteiksi.

Esimerkiksi asiakkaalla voi olla käytössään jokin moottori, minkä toimintaa halutaan tarkkailla. Koska moottorit voivat koostua lukuisista eri osista, voi digitaalisen kaksosen luo- minen kokonaiselle moottorille osoittautua tarpeettomaksi, jos halutaan tarkastella vain jotain tiettyä moottorin osaa. Esimerkiksi tarkastellaan vierintälaakeria, joita käytetään moottoreissa. Vierintälaakerin, kuten muidenkin laakereiden tehtävä on muun muassa vähentää kitkaa liikkuvien osien välissä. Laakereihin kohdistuu siis huomattavasti eri- tyyppisistä kulumista, kuten väsymis- ja hiontakulumista. [19] Edellä mainittujen tekijöi- den avulla voidaan pyrkiä ennustamaan esimerkiksi laakerin käyttöikää.

Tämän työn ohella toteutetussa demossa laitetta ei ole toteutettu lainkaan, sillä se ei ole demon, tai työn kannalta oleellista. Laitetta kuitenkin simuloidaan demossa siten, että tuotetaan keinotekoista dataa, joka olisi muussa tapauksessa kerätty laitteesta.

3.2 Reuna

Yksi digitaalisen kaksosen tärkeimmistä tehtävistä on tiedon kerääminen ja sen vastaanottaminen, kuten on todettu aikaisemmin luvussa 2. Tätä varten osana jokaista laitetta tai laitekokonaisuutta tulee olla reuna. Reunan pääasiallinen tehtävä on tiedon jatkuva kerääminen laitteesta, sen eteenpäin lähettäminen ja mahdollisesti tiedon vastaanottaminen. Reunan toiminnan mahdollistamisessa on auttanut huomattavasti erilaisten re- aaliajassa toimivien sensorien yleistyminen ja parempi saatavuus teollisessa esineiden internetissä [20].

Jatketaan edellisessä luvussa 3.1 esiteltyä esimerkkiä laitteena toimivasta moottorista ja siihen kuuluvasta liukulaakerista. Moottorin toimiessa laakeriin kohdistuu monenlaisia eri tekijöitä, jotka vaikuttavat sen toimintaan. Näitä tekijöitä voivat olla esimerkiksi laakeriin kohdistuva lämpötila tai laakerin pyörimisnopeus. Reunan tehtävänä olisi tässä esimer- kissä lämpötilaero- ja pyörimisnopeusdatan kerääminen ja lähettäminen. Erittäin tärkeää digitaalisen kaksosen kannalta on datan laajuus ja oikeellisuus. Epätarkka tai muuten vir- heellinen data voi johtaa katastrofaalisiin tilanteisiin, joten datan oikeellisuus on taattava.

[21]

Reuna siis kerää tietoa laitteista ja lähettää sitä eteenpäin moduuleille, joissa suoritetaan pääasiallinen datan käsittely. Vaihtoehtoisesti tiedon käsittely voitaisiin suorittaa suoraan reunassa. Molemmissa tavoissa on omat etunsa ja niitä voidaan soveltaa erilaisissa ti- lanteissa.

Kuten aikaisemmin luvussa 2.3 kerrottiin, digitaalisia kaksosio on tehty esimerkiksi me- renkulkualuksille. Merenkulkuun liittyy kuitenkin tekijöitä, jotka voivat aiheuttaa ongelmia

(14)

reunalla, ja sen seurauksena digitaalisen kaksosen toiminnalle. Merialuksilla käytetään tyypillisesti satelliitti-internet-yhteyttä, jonka seurauksena yhteyden nopeus sekä vasteaika on heikko. Tyypillisesti satelliitti-internet-yhteyden vasteaika on noin 550ms, lähetys- nopeus noin 2Mbpsja latausnopeus noin 4Mbps. [22, 23] Yhteyden voidaan siis todeta olevan todella heikko verrattaessa esimerkiksi valokuituun [24]. Tästä johtuen laskenta olisi siis huomattavasti järkevämpää toteuttaa suoraan reunassa sellaisissa tapauksis- sa, joissa laitteet toimivat alueella, jossa internet-yhteys on rajallinen tai paikoin ei edes käytettävissä. Näin voidaan taata digitaalisen kaksosen jatkuva toiminta ilman vakaata internet-yhteyttä.

Verrattaessa jälleen moottoriesimerkkiin, kuten aikaisemmin on todettu moottori eli tässä tapauksessa laite voi koostua monista muista laitteista, mutta itse moottorille kokonaisuu- della saattaa olla vain yksi reuna. Tämän seurauksena ei todennäköisesti ole kannatta- vaa suorittaa laskentatehtäviä reunassa, sillä yksi reuna voi joutua käsittelemään monen laitteen tietoja. Näin saadaan siirrettyä tarpeeton reunan käyttö muualle, sillä reunalla ei välttämättä ole yhtä kattavia resursseja käytössä, kuin erillisellä analysointiin keskitetyllä moduulilla pilvessä. Tällä tavoin on myös toimittu demossa, eli laskenta on siirretty omil- le moduuleille pilveen. Kuten laitteenkin tapauksessa, reunaa ei ole toteutettu mitenkään erikseen demossa, koska se ei ole työn kannalta oleellista.

Laskennan siirtäminen pois reunasta tuo lisäksi huomattavasti etuja tietoturvan ja käytän- nöllisyyden suhteen. Yrityksen ei tarvitse aina päivittää jokaista asiakkaan reunaa erikseen uusien päivitysten tullessa, koska kaikki laskenta on keskitetty moduuleille. Näin asiakkaan tulee vain varmistaa tiedon oikeellisuus ja ajankohtaisuus. Tämän takia yrityksen, tai asiakkaan ei tarvitse myöskään kiinnittää niin suurta huomiota tietoturvaan, sillä kaikki laskenta ja itse digitaalisen kaksosen teknologia on tallennettu toisaalle, esimerkiksi pilveen. Toisaalta näitä seikkoja tulee huomioida, jos laskenta suoritetaan suoraan reunassa.

3.3 Kuorma

Kuorma (engl. payload) toimii tässä työssä asiakkaan järjestelmän, ja myyjäosapuolena olevan yrityksen järjestelmien pääasiallisena kommunikaatiovälineenä. Kuorman avulla reunan keräämät tiedot voidaan välittää yrityksen API:lle, ja tätä kautta moduuleille.

(15)

{

"token": "JSON Web Token",

"module_id": 1,

"data": {

"values": [1, 2, 3]

} }

Tässä kuormassa avaimina ovat token, module_id ja data. Avain token pitää sisällään varmenteen, jonka avulla käyttäjä tunnistautuu palvelussa. Avainmodule_id on tunniste, jonka avulla API osaa siirtäädatan, eli laitteelta kerätyn tiedon oikealle moduulille.

3.4 API

Osana kokonaisuutta toimii yrityksen tuottama ohjelmointirajapinta eli API. APIn tarkoituksena on mahdollistaa yrityksen asiakkaiden pääsy yrityksen tuottamiin palveluihin. APIn tärkeimpiin tehtäviin kuuluvat kuorman vastaanottaminen ja sen uudelleenlähettäminen moduuleille, joita kuvataan seuraavassa alaluvussa.

3.5 Moduulit

Moduulit ovat tämän työn ja demon kannalta erittäin keskeisessä osassa. Moduulit toimivat laskentayksikköinä, jotka tuottavat erilaisia laskelmia, simulointia ja ennustuksia API:lta saadun datan perusteella. Näin moduulit muodostavat digitaalisen kaksosen asiakkaan laitteelle.

Moduulit siis mallintavat asiakkaan laitteiden toimintaa, ja niihin vaikuttavia tekijöitä, kuten esimerkiksi kitkan vaikutusta laakerin käyttöikään. Jokaiselle laitteelle ei kuitenkaan muodosteta aivan täysin omaa digitaalista kaksosta moduulien avulla, vaan yksi moduuli muodostaa digitaalisen kaksosen yhdelle laitetyypille. Esimerkiksi moduuli, joka tuottaa laskentaa laakereista. Tämä moduuli tarvitsee vain tiedon laakerin mallista ja muus- ta datasta, joka asiakkaan pitää tarjota. Koska laakerien toimintaperiaatteet ovat samat laakerityypistä riippumatta, voidaan moduulia soveltaa monenlaisille eri laakereille. Näin saavutetaan huomattavasti skaalautuvuutta ja moduuleja ei tarvitse kustomoida erikseen jokaiselle asiakkaalle.

(16)

Ohjelmassa 3.1 on esitetty demossa toteutettu esimerkkimoduuli, jonka tehtävä on suorittaa yhteenlaskua. Moduulin toiminta on pidetty yksinkertaisena, sillä monimutkaisen moduulin toteuttaminen ei ole työn kannalta oleellista.

1 class A d d i t i o n ( BaseModule ) :

2 module_id = 1

3 def _ _ i n i t _ _ ( s e l f , v a l u e s ) :

4 s e l f . _data = v a l u e s # List 5

6 def _add ( s e l f ) :

7 t r y:

8 r e s u l t s = sum( s e l f . _data ) 9 r e t u r n { ’ data ’ : r e s u l t s }

10 except:

11 r a i s e ModuleArgError

12

13 def _run ( s e l f ) :

14 r e t u r n s e l f . _add ( )

Ohjelma 3.1.Yhteenlaskenta-moduulin toteutus

Ohjelmassa 3.1 luokkaAdditionon periytetty abstraktista kantaluokastaBaseModule, joka määrittää, että jokaisen siitä periytetun luokan pitää toteuttaa metodi_run. Jokaiselle moduulille on määritelty oma tunniste (rivi 2), jonka avulla asiakas voi viitata moduuliin.

Riveillä 3 ja 4 asetaan olion oliomuuttujat reunalta saatujen tietojen perusteella. Luokan metodin_add (rivit 6-11) avulla suoritetaan yhteenlasku, ja palautetaan summa tai heite- tään poikkeus. Aiemmin mainittu metodi_runsuorittaa moduulin laskennan ja palauttaa mahdollisen tuloksen. Kaikki luokan muuttujat (pois lukienmodule_id) ja metodit on tehty yksityisiksi, koska tämä mahdollistaa luokan toiminnan kommentoinnin paljastamatta luokan toteutusta, kun luokasta generoidaan dokumentaatio pdoc3-kirjastolla. Näin yritys voi ilmentää luokan toimintaa ja käyttöä asiakkaalle paljastamatta sen toteutusta.

3.6 Tietokanta

Tietokannat ovat melko tyypillinen osa kaikentyyppisten yritysten järjestelmiä, sillä tiedon säilöminen voi olla tarpeellista, tai jopa laissa säädettyä [25]. Tässä työssä tietokannan tarkoituksena on avustaa yrityksen koko järjestelmän toimintaa. Tietokantaan tallenne- taan pääasiassa moduulien tuottamat laskelmat ja tiedot laskelmien kohteina olevista laitteista. Tämän avulla moduulit voivat käyttää aikaisempien laskelmien tuloksia ja läh- töarvoja mukana laskelmissa, mikä on erittäin tärkeässä roolissa digitaalista kaksosta ajatellen. Lisäksi tämän takia asiakkaan ei tarvitse esittää yritykselle kaikkia tietoja esimerkiksi laakerista, kunhan yrityksellä on vain tiedossa, minkä tyyppinen laakeri on ky- seessä.

(17)

4 YRITYKSEN JA ASIAKKAAN KOKEMAT HYÖDYT

Tässä luvussa keskitytään käsittelemään digitaalisen kaksosen, sekä työssä esitetyn pal- velukonseptin tuottamaa arvoa yrityksen ja asiakkaan kannalta. Digitaalisen kaksosen hyödyissä keskitytään yleiseen tasoon, kun taas palvelukonseptissa hyötyjen käsittely ra- joittuu juuri tässä työssä esitettyyn palveluun.

4.1 Yrityksen hyödyt

Digitaalinen kaksonen voi tuottaa yritykselle arvoa monilla eri tavoin. Ensisijaisesti digitaalinen kaksonen tarjoaa uutta, skaalautuvaa liiketoimintaratkaisua jo olemassa olevan liiketoiminnan rinnalle [26]. Digitaalisen kaksosen ansiosta yrityksen ei tarvitse keskittyä vain yhden digitaalisen kaksosen kehittämiseen tietylle tuotteelle, suuren muokattavuu- den seurauksena [27].

Kuten aikaisemmin on tullut ilmi luvussa 2, digitaalinen kaksonen on todella lähellä fyy- sistä laitetta, mahdollisesti koko sen käyttöiän ajan. Tämän ansiosta yritys on tiukasti mukana asiakkaan prosesseissa, minkä ansiosta yritys voi saavuttaa kattavan ymmärryk- sen laitteesta ja sen käytöstä [5, 26]. Näin yritys voi turvata laitteeseen liittyvän huoltolii- ketoiminnan, sillä digitaalisen kaksosen tuottaja, ja mahdollisesti myös samanaikaisesti fyysisen laitteen valmistaja voi tarjota parasta huoltoa laitteelle [26].

Uusien ja nopeasti kehittyvien teknologioiden kohdalla tietoturvaan liittyvät seikat saate- taan sivuuttaa, mikä voi johtaa datan menettämiseen. Tärkeää on huomioida, että digitaalisen kaksosen kautta tietoturvaiskut voivat heijastua myös fyysiseen laitteeseen [28].

Digitaalinen kaksosen tarjoaa huomattavasti turvallisuutta liittyen esimerkiksi immateriaa- lioikeuksiin ja datan säilömiseen.Tässä työssä esitetyssä järjestelmässä yrityksen oma laskenta on täysin erillään asiakkaan järjestelmistä. Näin yritys voi turvata omat järjes- telmänsä keskitetysti, eikä yrityksen tarvitse luottaa siihen, että asiakas turvaisi yrityksen järjestelmät. Tässä on osin auttanut pilvipalveluiden parempi saatavuus ja niiden yleisty- vyys [29]. Toisaalta pilvipalvelut, tai yrityksen ohjelmistojen suojaaminen ei ole tyypillistä pelkästään digitaaliselle kaksoselle. Pilvipalveluiden ansiosta data voidaan myös siirtää pois fyysisestä laitteesta pilveen.

(18)

4.2 Asiakkaan hyödyt

Digitaalinen kaksonen, ja tässä työssä esitelty palvelukokonaisuus voi tuottaa asiakkaalle arvoa lukuisilla eri tavoilla. Huomattavasti suurin hyöty asiakkaalle tässä työssä esitetys- sä palvelussa on se, että palvelu mahdollistaa monimutkaisten järjestelmien integroin- nin asiakkaan järjestelmiin. Tämä ei välttämättä päde yleisesti digitaaliseen kaksoseen perustuviin palveluihin. Toisaalta asiakkaan tulee tässä vaiheessa pohtia make or buy -päätöstä, eli onko asiakkaalle kannattavampaa toteuttaa haluttu järjestelmä itse, vai hankkia sellainen joltain muulta yritykseltä. Erityisesti pienille yrityksille voi olla huomattavasti kannattavampaa ja helpompaa palvelun hankinta käyttämällä alihankintaa. Näin yritys voi keskittyä enemmän kehittämään omaan ydinliiketoimintaansa. [30]

Digitaaliseen kaksoseen on vahvasti liitetty tiedon kerääminen ja analysoiminen, kuten aikaisemmin on todettu luvussa 2. Digitaalisen kaksosen avulla asiakkaan on mahdollista arvioida entistä paremmin järjestelmien ja laitteiden nykyisiä ja tulevaisuudessa ilmeneviä tarpeita. Digitaalisella kaksosella on siis erittäin suuri vaikutus huoltoon ja siihen liittyviin tekijöihin [5, 27, 31]. Esimerkiksi laitteiston huollon ajoittaminen saattaa parantua huomattavasti, koska voidaan ennustaa laitteen komponenttien käyttöaikaa digitaalisen kaksosen avulla [27]. Näin asiakkas voi vaikuttaa enemmän yleisiin huoltokustannuksiin, ja laitteiden äkillisten rikkoutumisien aiheuttamiin kustannuksiin [5]. Muita digitaalisen kaksosen tuottamia hyötyjät asiakkaalle ovat muun muassa:

• Tuotantolinjojen luotettavuuden kasvu [27].

• Tehokkaampi hankita- ja toimitusketjut [27].

• Laatuvirheiden poistaminen tuotannosta [5].

• Uusien tuotteiden halvempi kehittäminen, ja nopeampi markkinoille pääsy näillä tuotteilla [5].

Voidaan siis todeta, että digitaalinen kaksonen voi tuottaa asiakkaalle arvoa lukuisilla eri tavoilla, joiden avulla voidaan saavuttaa kannattavampaa liiketoimintaa. Pääasiallisesti hyödyt keskittyvät laitteiston toiminnan parantamiseen ja käyttöajan arvioimiseen.

(19)

5 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET

Tämän työn tarkoituksena oli perehtyä digitaalisen kaksosen konseptiin ja esitellä palvelukokonaisuus, joka käyttää digitaalista kaksosta, sekä tarkastella digitaalisen kaksosen, ja palvelukokonaisuuden tuottamaa arvoa. Palvelukokonaisuudesta toteutettiin myös työn ohella demo.

Digitaalisen kaksosen osalta voidaan todeta, että sen konsepti tulee edelleen muuttu- maan, mutta perusperiaatteet pysyvät määritelmien välillä kuitenkin samoina. Digitaali- sen kaksosen teknologia on kuitenkin käyttövalmis ja monet yritykset ovat alkaneet soveltaa sitä. Tässä on toiminut apuna teollisuus 4.0, pilvipalveluiden ja sensoreiden yleis- tyvyys, sekä IoT.

Suurimmiksi hyödyiksi havaittiin yrityksen kannalta skaalautuvan liiketoiminnan saavutta- minen ja parempi ymmärrys laitteista asiakkaiden käytössä. Asiakkaan kannalta yliver- taisimmaksi hyödyksi todettiin monimutkaisten järjestelmien helpompi integrointi, mikä ei välttämättä päde yleisesti digitaaliselle kaksoselle. Toinen tärkeä havaittu seikka oli huol- totöiden huomattavasti parempi ennakointimahdollisuus.

Tässä työssä käytettiin melko paljon yritysten tuottamia artikkeleja ja muuta materiaalia.

Nämä julkaisut keskittyivät pääasiassa digitaalisen kaksosen tuottamiin hyötyihin, mitä ei tieteellisten julkaisuiden osalta käsitelty niin kattavasti. Kaikesta käytettävästä materiaa- lista tulee kuitenkin huomioida sen viimeaikaisuus, mikä osoittaa aiheen uutuuden. Moni aihe myös käsitteli jokseenkin samalla tavalla digitaalisen kaksosen konseptin käyttöä jossain palvelussa, kuten sairaanhoidossa [18].

Tätä työtä ja demoa voitaisiin kehittää tämän jälkeen lisää haluttaessa. Demosta puuttuu kokonaan laite- ja reunakomponentit, jotka kuitenkin muodostavat melko suuren osan palvelukokonaisuutta. Jatkoa ajatellen nämä komponentit voitaisiin liittää osaksi demoa, jolloin saavutettaisiin kattavampi kuva koko järjestelmän toiminnasta.

(20)

LÄHTEET

[1] Hitt, M. ja He, X. Firm strategies in a changing global competitive landscape.Busi- ness Horizons51 (2008), 363–369.

[2] Starita, L. Keep Business Strategy Current as Conditions Change. 2016. URL: https : / / gartner . com / smarterwithgartner / gartners - top - 10 - technology - trends-2017/(viitattu 13. 10. 2020).

[3] Ylänen, E. Ennen digitaalista tuotekehitystä kaikki #tuotekehitys piti tehdä fyysi- sellä testaamisella. 2020. URL: https : / / linkedin . com / posts / ellaylanen _ tuotekehitys- covid19- kestaeuvaeukehitys- activity- 6646090967130734593- n7Gu(viitattu 15. 05. 2020).

[4] Gartner. Gartner Survey Reveals Nearly Half of Organizations Implementing IoT Are Using or Plan to Use Digital Twin Initiatives in 2018. 2018. URL: https : / / gartner . com / en / newsroom / press - releases / 2018 - 03 - 13 - gartner - survey - reveals- nearly- half- of- organizations- implementing- iot- are- using- or- plan-to-use-digital-twin-initiatives-in-2018(viitattu 24. 05. 2020).

[5] Parrott, A. ja Warshaw, L. Industry 4.0 and the digital twin. 2017. URL: https : / / deloitte . com / us / en / insights / focus / industry - 4 - 0 / digital - twin - technology-smart-factory.html(viitattu 24. 05. 2020).

[6] Leppänen, S. digital-twin-palvelu. 2020. URL: https : / / github . com / SaneSL / digital-twin-palvelu(viitattu 19. 04. 2020).

[7] David, G. Mirror Worlds: or The Day Software Puts the Universe in a Shoebox...

How it Will Happen and What it Will Mean. Oxford University Press, 1991.

[8] Grieves, M. ja Vickers, J. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emer- gent Behavior in Complex Systems. Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems: New Findings and Approaches. Springer International Publishing, 2017, 85–113.

[9] Grieves, M.Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management. Space Coast Press, 2011.

[10] Koulamas, C. ja Kalogeras, A. Cyber-Physical Systems and Digital Twins in the Industrial Internet of Things [Cyber-Physical Systems]. Computer 51.11 (2018), 95–98.

[11] Negri, E., Fumagalli, L. ja Macchi, M. A Review of the Roles of Digital Twin in CPS- based Production Systems.Procedia Manufacturing11 (2017), 939–948.URL:https:

//doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.198(viitattu 21. 05. 2020).

[12] El Saddik, A. Digital twins: The convergence of multimedia technologies.IEEE Mul- tiMedia 25.2 (2018), 87–92. URL: https : / / ieeexplore . ieee . org / document / 8424832(viitattu 19. 04. 2020).

(21)

[14] Tao, F., Sui, F., Liu, A., Qi, Q., Zhang, M., Song, B., Guo, Z., Lu, S. C.-Y. ja Nee, A. Y. C. Digital twin-driven product design framework.International Journal of Pro- duction Research 57.12 (2019), 3935–3953. URL:https : / / doi . org / 10 . 1080 / 00207543.2018.1443229(viitattu 16. 03. 2020).

[15] Cabos, C. ja Rostock, C. Digital Model or Digital Twin?:17th Conference on Com- puter and IT Applications in the Maritime Industries. 2018, 403–411. URL: http : //compit.hiper-conf.info/?page_id=9(viitattu 24. 05. 2020).

[16] Gartner.Gartner’s Top 10 Strategic Technology Trends for 2017. 2016.URL:https:

/ / gartner . com / smarterwithgartner / gartners - top - 10 - technology - trends - 2017/(viitattu 16. 05. 2020).

[17] ABB. ABB’s digital business transformation for the maritime industry. 2020. URL: https://new.abb.com/marine/generations/technical- insight/integrated- operations(viitattu 19. 04. 2020).

[18] Liu, Y., Zhang, L., Yang, Y., Zhou, L., Ren, L., Wang, F., Liu, R., Pang, Z. ja Deen, M. J. A Novel Cloud-Based Framework for the Elderly Healthcare Services Using Digital Twin.IEEE Access 7 (2019), 49088–49101. URL: https : / / doi . org / 10 . 1109/ACCESS.2019.2909828(viitattu 07. 06. 2020).

[19] Pirkkanen, R. ja Lehtonen, J.Kulumismekanismit ja niiden merkitys vierintälaake- reiden eliniälle. 2000. URL: http://virtual.vtt.fi/virtual/proj3/prognos/

prognos/pdf/kulumismekf.pdf(viitattu 11. 05. 2020).

[20] DNV GL. Making your asset smarter with the digital twin. 2020. URL: https : / / dnvgl . com / article / making - your - asset - smarter - with - the - digital - twin - 63328(viitattu 30. 05. 2020).

[21] Scheibmeir, J. ja Malaiya, Y. An API Development Model for Digital Twins. 2019 IEEE 19th International Conference on Software Quality, Reliability and Security Companion (QRS-C). 2019, 518–519. URL: https : / / doi . org / 10 . 1109 / QRS - C.2019.00103(viitattu 11. 05. 2020).

[22] VSAT Systems. SPEED. 2020. URL: https : / / vsat - systems . com / satellite - internet/acceleration.html(viitattu 12. 05. 2020).

[23] VSAT Systems.LATENCY- WHY IS IT A BIG DEAL FOR SATELLITE INTERNET?

2020. URL: https : / / vsat - systems . com / satellite - internet - explained / latency.html(viitattu 12. 05. 2020).

[24] Elisa.Elisan kuituyhteydet. 2020.URL:https://elisa.fi/kuitu/(viitattu 15. 05. 2020).

[25] European Union. Data protection under GDPR. 2020. URL: https : / / europa . eu / youreurope / business / dealing - with - customers / data - protection / data - protection-gdpr/index_en.htm(viitattu 07. 06. 2020).

[26] EDRMedeso.The most challenging part of developing a Digital Twin - Digital Lab Cast EP 3. 2020.URL:https://youtu.be/b7Cqz6lA6g4(viitattu 13. 05. 2020).

(22)

[27] Murphy, C.What Is Digital Twin Technology And How Can It Benefit Manufacturing?

2018.URL:https://slcontrols.com/what-is-digital-twin-technology-and- how-can-it-benefit-manufacturing/(viitattu 13. 05. 2020).

[28] Cobb, M.With an IoT digital twin, security cannot be forgotten. 2019. URL:https:

//internetofthingsagenda.techtarget.com/tip/With-an-IoT-digital-twin- security-cannot-be-forgotten(viitattu 16. 05. 2020).

[29] Gartner.Gartner Forecasts Worldwide Public Cloud Revenue to Grow 17% in 2020.

2019.URL:https://gartner.com/en/newsroom/press- releases/2019- 11- 13- gartner-forecasts-worldwide-public-cloud-revenue- to-grow-17-percent- in-2020(viitattu 07. 06. 2020).

[30] Reference for Business.SUBCONTRACTING. 2020.URL:https://referenceforbusiness.

com/small/Sm-Z/Subcontracting.html(viitattu 13. 05. 2020).

[31] Leiva, C. Demystifying the Digital Thread and Digital Twin Concepts. 2016. URL: https : / / industryweek . com / technology - and - iiot / systems - integration / article / 22007865 / demystifying - the - digital - thread - and - digital - twin - concepts(viitattu 13. 05. 2020).