IFAC 2008 maailmankongressi

Kai Zenger, TKK

6.-12.7.2008 Soul, Etelä-Korea

Heinäkuun alkupäivinä pidettiin kansainvälisen automaatio- ja säätöalan kattojärjestön IFACin (International Federation of Automatic Control) maailmankongressi. Kolmen vuoden välein pidettävä viisipäiväinen tapahtuma kokoaa yhteen suuren määrän tutkijoita ja teollisuuuden edustajia tutustumaan alan tutkimuksen nykytrendeihin, esittelemään omaa tutkimustaan ja tapaamaan kollegoja eri maista. Edelliset maailmankongressit olivat  2005 Prahassa ja  2002 Barcelonassa.

Kongressi pidettiin Soulin messukeskuksessa (COEX), jonka laajuutta on vaikea sanoin kuvata. Muutaman tuhannen henkilön konferenssi vei tiloista pienen murto-osan; samanaikaisesti COEX:issa järjestettiin muitakin konferensseja. Pohjakerroksesta avautui oma valtakuntansa, täydellinen kauppakeskus satoine liikkeineen. 

Ennen konferenssia ja sen aikana IFACin eri toimielimet ja komiteat pitävät kokouksiaan, opetussessioita ja spesifisiä työpajoja järjestettiin. Maailmankongressiin osallistuminen antaa nykypäivän tutkijoille selkeän kuvan siitä, miten laajalle alalle automaatio- ja säätöalan tutkimus nykyään ulottuu. 

Kongressiin oli lähetetty 3700 tutkimuspaperia arvioitaviksi. Näistä 2700 hyväksyttiin esitettäviksi 397:ssä luento- ja 7 posterisessiossa. Päivä alkoi aina kahdella laajemmalla plenary-esityksellä, jota sitten seurasivat koko päivän kestävät tekniset sessiot. Näiden joukkoon oli sijoitettu kuusi ”Milestone”-sessiota sekä kaksi paneelikeskustelua. Rinnakkaisia sessioita oli koko ajan 30-31 kappaletta, mikä kuvastaa ohjelman laajuutta, mutta on toisaalta osallistujan kannalta turhauttavaa: mihin sessioon osallistua, mitkä esitykset haluan kuulla?

Eniten papereita oli Kiinasta, Ranskasta, Etelä-Koreasta ja Japanista. Suomesta oli 28 paperia, osallistujia 25. Rakkaan naapurin Ruotsin vastaavat luvut olivat 76 ja 76. 

Kutsutuista Plenary-esityksistä mielenkiintoisia kuultavia olivat erityisesti Francis Doyle III:n esitys ”Robust Control of Biology: From Genes to Cells to Systems” sekä Hidenori Kimuran ”A Control-Theoretic Approach to Model-Based Medicine”. Systeemibiologia on tällä hetkellä tärkeä tutkimuskohde, johon takaisinkytkettyjen säätöjärjestelmien teoria näyttää sopivan hyvin.  Ihmisen genomin ja laajemmin fysiologian kuvaaminen on tietysti perinteisesti kuulunut biologian ja lääketieteen tutkimuskenttään, mutta synteesimahdollisuuksien (esim. sairauksien hoito) kehittämisen vaikeus on tuonut tilaa uudelle säätöteoreettiselle ajattelulle tässä. Molemmissa esitelmissä käytettiin samaa esimerkkiä: ihmisen glukoosiaineenvaihduntaa, joka on merkittävä tekijä ns. metabolisen oireyhtymän ja diabeteksen synnyn kannalta. Ns. 2-tyypin diabetes on ilmeisesti koko ihmiskunnan mitassa laajimmin leviävä sairaus, jonka synty on hämärän peitossa ja joka aiheuttaa ennusteiden mukaan valtavan terveydellisen katastrofin lähitulevaisuudessa.  Aineenvaihdunnan mallintaminen ja sokeritasapainon ohjaaminen olisivat siten merkittävä lääketieteellinen läpimurto. Tätä aihepiiriä sivuttiin itse asiassa monissa muissakin konferenssin esityksissä.

Kokonaan toisentyyppinen plenaryesitys oli johtaja Keh Sik Minin ”Automation and Control Systems Technology in Korean Shipbuilding Industry: The State of the Art and the Future Perspectives”. Esitys antoi mielenkiintoisen kuvan Korean laivanrakennusteollisuuden historiasta, kehityksestä, automaation menetelmistä, nykytilasta ja tulevaisuuden näkymistä. Kansainvälisesti katsoen laivanrakennusteollisuuden vaiheet jaettiin syntyviin, nopeasti laajeneviin ja kasvaviin, tasapainotilassa kasvaviin tai vähitellen heikkeneviin ja kuoleviin. Korean laivanrakennusteollisuus on edelleen huimassa kasvussa ja sen modernisointi nopeata. Se, missä vaiheessa Euroopan laivanrakennusteollisuus esitelmän pitäjän mielestä on edellä mainitussa jaottelussa, ei jäänyt esityksen kuulijoille epäselväksi.

Erityisen maininnan ansaitsevat Milestone-raportit, jotka liittyvät IFACin eri aloja edustavien teknisten komiteoiden työhön. Raportit ovat eräänlainen ”state of the art”-esitys siitä, missä kullakin alalla nyt mennään ja mitkä ovat lähitulevaisuuden haasteet. Säätösuunnittelun menetelmissä käytetään jakoa teoria, numeeriset tekniikat, teknologia ja sovellukset ja sitten hieman eri kannalta ajateltuna säätö-laskenta-kommunikaatio. Esimerkkinä säätöteorian ja laskennan kohtaamisesta kompleksisten systeemien yhteydessä on nyt jo klassinen robusti säätöteoria. ”Robusti säätö on kuollut” – sanoi eräs konferenssiedustaja vallitsevasta käsityksestä USA:ssa. Kuitenkin robustisuuden ja säädön suorituskyvyn välinen suhde hajautetuissa järjestelmissä ja hybridijärjestelmissä (joissa on siis sekä jatkuvia että diskreettejä osia) oli konferenssissa monessa kohdin esillä oleva asia.  Sensori- ja toimilaiteverkkoihin liittyvä laskenta ja algoritmit sekä optimointi nähdään tärkeinä nykyisessä ja tulevassa säädön tutkimuksessa. Erityisesti ns. monitavoiteoptimointi näyttää valtaavan ajattelussa tilaa, ja usein kuultu ajatus, että useat kriteerit voidaan painottamalla muuntaa perinteiseksi yhden kustannusfunktion optimointiongelmaksi on osoittautumassa kevyeksi. Esimerkkinä säätöteorian alalta voidaan ottaa ns. Q-parametrisointi (Youla-parametrisointi), joihin liittyviä tehtäviä voidaan kuvata ja ratkaista monitavoiteoptimoinnin menetelmillä.

Yksi uusi tapa käsitellä monimutkaisia järjestelmiä on neokybernetiikka. Se käsittelee matalan tason toimijoiden verkostoja sekä niiden itseorganisoituvuutta ja itsesäätelevyyttä käyttäen hyväksi takaisinkytkettyjen dynaamisten järjestelmien teoriaa sekä usean muuttujan tilastollisia malleja.  Lähtökohta ei ole perinteinen fysikaalinen malliajattelu, vaan eräänlainen voimatasapaino, joka muodostuu takaisinkytkentöjen kautta aiheuttaen verkoston itseorganisoituvuuden. Systeemi säätää itse itseään ilman ulkopuolista ohjausta.

Mikrosysteemien ja -robottien sekä nanosysteemien ja -robottien tutkimus oli konferenssissa vahvasti läsnä niin kuin tietysti kuuluukin. Teorian puolelta ottaisin vielä erillisenä esiin lineaariset epäyhtälömallit (LMI = Linear Matrix Inequality), jotka tarjoavat uudenlaisen tavan muotoilla ja ratkaista numeerisesti säätöteorian lukuisissa yhteyksissä esiin tulevia optimointiongelmia. LMI:t ovat ehkä vielä tutkijapiirien ulkopuolella heikohkosti tunnettuja, mutta olen vakuuttunut, että ne tulevat väkisin alan insinöörien opiskeltaviksi lähitulevaisuudessa. Raskasta numeerista laskentaa vaativien säätöongelmien määrällinen kasvu edellyttää useissa tapauksissa tätä.

Minulla oli konferenssissa kaksi esitystä. Ensimmäinen niistä ”Parallel Disturbance Force Compensator for Electrical Machines” liittyy Suomen Akatemian rahoittamaan tutkimusprojektiin, jossa tutkitaan sähkökoneen roottorivärähtelyjen aktiivista vaimentamisesta uuden toimilaitteen (staattoriin asennettava lisäkäämitys) avulla. Laatimalla roottorin ja lisäkäämin sähködynamiikkaa ja -mekaniikkaa kuvaavat dynaamiset mallit voidaan suunnitella adaptiivinen säätöalgoritmi, joka ohjaa lisäkäämin virtoja siten, että roottorin pyörimisnopeuden lähestyessä ns. kriittistä nopeutta syntyvä vastavoima eliminoi muuten hallitsemattomaksi menevän mekaanisen värähtelyn. Mallit ja niihin liittyvät identifioinnit on jo raportoitu aikaisemmin. Nyt käsillä oleva raportti esittää yhden uuden algoritmin perusteorian sekä kokeissa saatuja tuloksia.

Toisen raportin otsikko ” Representations With Constant System Matrices of Linear Time-Periodic Dynamical Systems” liittyy systeemiteorian perustutkimukseen, jota olen alun perin tutkinut Prof. (em) Antti J. Niemen ja sittemmin TkT Jussi Oravan ja Prof. Raimo Ylisen kanssa. Tutkimuksen aihe liittyy lineaaristen aikavarianttien, erityisesti aikaperiodisten differentiaalisysteemien teoriaan, joka sovellusprosessien kautta on ollut kiinnostuksen kohteeni jo pitkään. Työssä käytetään aikavariantteja muunnoksia tila-, tulo- ja lähtömuuttujissa, joilla pyritään muuntamaan systeemiyhtälöt helpompaan (esimerkiksi vakiokertoimiseen) muotoon analyysiä ja säätösuunnittelua varten.  Tutkimuksessa esitellään ja analysoidaan itse muunnosmenettely sekä stabiilisuus-, ohjattavuus- ja tarkkailtavuusominaisuuksien siirtyminen muunnoksessa. Tutkittavan prosessin aikaperiodisuus tarjoaa useita kiinnostavia sovelluskohteita, ja on itse asiassa kiinnostavaa, että menetelmät soveltuvat myös toisen esitelmäni aihealueeseen.

Seuraava IFACin maailmankonferenssi pidetään v. 2011 Milanossa, Italiassa. Kokousta isännöi triennaalin 2008 – 2011 IFAC presidentti Alberto Isidori, joka on erityisesti epälineaaristen järjestelmien säätöteorian tutkijana ja kehittäjänä tunnettu ja arvostettu tutkija.