Matkaväylä 6-2002

15th IFAC World Congress, b’02, Barcelona, 22. – 26.7.2002
IFAC Milestone -raportti

Kauko Leiviskä, Oulun yliopisto, Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto

Milestone-raportit ovat uusi IFACin toimintatapa. Niiden tavoitteena on koota yhteen komiteakohtaisesti eri alojen nykytilannetta (keskeisiä ongelmia, viimeaikaisia teorian ja käytännön saavutuksia) ja tulevaisuuden trendejä (tarpeita ja haasteita, todennäköisiä uusia sovelluksia ja oletettuja kehityssuuntia). Kuusi tällaista raporttia esiteltiin IFACin maailmankongressissa Barcelonassa heinäkuun lopulla sangen kiinnostavissa paneelikeskusteluissa. Tosin ohjelman rakenteen takia kaikkia niitä ei ollut mahdollista kuunnella. Eri raporteista nousee esille hyvinkin samanlaisia asioita. Seuraavassa on lyhyesti esitelty raporttien keskeisiä löydöksiä.

Manufacturing and Instrumentation
Manufacturing and Instrumentation on yksi IFACin koordinoivista komiteoista, johon kuuluu seitsemän teknistä komiteaa (TC). Komitean alue on laaja – mittauksista yritystason järjestelmiin. Robotiikassa nähtiin pyrkimys autonomisiin järjestelmiin, joka edellyttää kehitystyötä ennen kaikkea komponenttiteknologiassa – esimerkiksi entistä luotettavampien antureiden osalta. Sensorifuusio nähtiin myös tärkeäksi kehityskohteeksi. Älykkäiden komponenttien hintojen laskemista pidettiin oleellisena asiana ennen kaikkea asiakastuotteiden osalta.

Verkottuneiden yritystoimintojen kannalta tietointensiiviset sovellukset ovat keskeisessä asemassa. Tarvitaan uusia mallintamistekniikoita dynamiikan ja vuorovaikutusten mallintamiseen sekä myös menetelmiä uudelleenkonfiguroitavuuden ja nopeiden vasteaikojen takaamiseksi. Säätötekniikan menetelmille on laajasti käyttöä myös yritysmalleissa. Raportissa esitellään runsaasti kenttäväylä-, robotiikka- ja liikenteen sovelluksia.

Design Methods
Tämänkin komitean kenttä on laaja ja kattaa useita teknologioita. Valtaosa teollisuuden säätötehtävistä ratkaistaan lineaarisilla yhden tulo- ja yhden lähtömuuttujan PI(D)-säätimillä. Näiden säätimien virittämiseksi on kehitetty erilaisia automaattisia viritysmenetelmiä, joita on saatavissa lähes kaikilta järjestelmätoimittajilta. Viritystehtävä tulee monimutkaisemmaksi muuttujien määrän lisääntyessä. Muuttujien valinta, säätimen rakenteen määrittely ja viritys tulevat silloin oleellisiksi. Näistä ainakin säätimen rakenteen valinta on edelleen teoreettisestikin avoin kysymys.

Lineaarinen malliprediktiivinen säätö (MPC) on yleinen menettelytapa teollisuuden monimuuttujasäätöongelmien ratkaisemiseksi. Kaupallisia sovelluksia on runsaasti. Milestone-paperissa pidetään stabiilien MPC-säätimien kehittämistä merkittävänä askeleena, mutta todetaan samalla, että teollisuudessa kehitystyö on keskittynyt tarkkojen mallien kehittämiseen. Myös epälineaarisen MPC:n sovelluksia on raportoitu.

Matemaattisten mallien kehittäminen on joissakin tapauksissa erittäin vaikeaa. Tämä on lisännyt niin sumean säädön kuin erilaisten neuroverkkosovellustenkin suosiota.

Uusia kehityskohteita nähdään dynaamisten hybridijärjestelmien, ts. järjestelmien, jotka sisältävät jatkuvia ja diskreettejä osia sekä kytkentälogiikkaa, kehittämisessä esimerkiksi autoteollisuuden tarpeisiin, mikromanipulaattoreiden kehittämisessä ja bioteknisissä järjestelmissä, joissa säätömekanismien ymmärtämistä voidaan hyödyntää bioprosessien hallinnassa. Yleisesti myös koneoppiminen (machine learning) koetaan tulevaisuuden alueeksi. Tulevaisuuden sovelluksia löytyy kommunikaatioverkkojen (kaistanjako-ongelmat), verkossa toimivien säätöjärjestelmien (stabiilisuusongelmat) ja virtuaalitodellisuuden sovellusten alueilta.

Bio-ecological Systems
Tämä alue jakaantuu selkeästi kolmeen erilaiseen osaan: maatalouden, biolääketieteen ja ympäristöalan sovellukset, vaikka koordinoivassa komiteassa onkin neljä teknistä komiteaa. Maataloudessa käytetään älykkäitä menetelmiä esimerkiksi kasvihuoneiden ohjauksessa ja kuvankäsittelytekniikoita erilaissa ainetta koskettamattomissa mittaustehtävissä. Mekatroniikkatyyppiset säätösovellukset ovat käyttökelpoisia tarkkuusviljelyssä. Tulevaisuuden haasteita nähdään tuotteiden laatu- ja turvallisuuskysymyksissä. Tieto- ja kommunikaatiojärjestelmät (sääennusteet, sopimuskumppanit, erilaiset palvelut) nähdään tulevaisuudessa entistä tärkeämpinä. Biolaskennan erilaiset sovellukset tulevat lisääntymään.

Raportti näkee tulevaisuudessa merkittävää kasvua säätötekniikan menetelmien soveltamisessa biolääketieteessä. Stokastista mallintamista voitaisiin käyttää solutason mallintamisessa ja farmakologisissa sovelluksissa. Mallipohjaisella käsittelyllä on sovellusmahdollisuuksia myös erilaissa lääketieteen kuvankäsittelysovelluksissa. Älykkäitä menetelmiä voidaan käyttää esimerkiksi tehohoidon sovelluksissa, signaalinkäsittelyssä ja lääketieteellisen tiedon analysoinnissa.

Ympäristösovelluksien merkittävä piirre on niiden monitieteisyys ja se, että ne käsittelevät monimutkaisia ja heterogeenisiä asioita, sisältävät sekä fysikaalisia, kemiallisia että biologisia ilmiöitä ja myös sosio-ekonomisia toimintoja. Mallintaminen on ilmeisesti säätötekniikan tärkein osa-alue ympäristösovellusten kannalta. Mallien avulla voidaan analysoida ympäristön nykytilaa, ennustaa tulevaa käyttäytymistä, arvioida muutosten vaikutusta ja tuottaa tietoa päätöksentekoa varten. Mallintamista luonnollisesti käytetään myös ympäristöön liittyvien teollisten ongelmien ratkaisemiseen.

Industrial Applications
Myös Industrial Applications on koordinoiva komitea, joka sisältää neljä teknistä komiteaa. Teollisten sovellusten alueella tulevaisuuden kehityskohteet jakaantuvat viidelle osa-alueelle:
* Tietotekniikka nähdään päämekanismina, jolla yritykset pyrkivät parantamaan kilpailukykyään ja joustavuuttaan sopeutua markkinoiden muutoksiin.
* Ympäristötekniikka tulee kehittymään merkittäväksi työkaluksi yritysten toiminnan parantamiseksi. Tämä tulee merkitsemään myös tiukempia vaatimuksia prosessien säädölle ja vaatii menetelmäkehitystä.
* Uutta mittaustekniikkaa tarvitaan, ja käyttöä löytyisi kemiallisten pitoisuuksien mittalaitteille, kuva-analyysille, jne. Suorien mittausten puuttuessa kehitetään älykkäitä antureita.
*  Bioinformatiikka / Metabolic Engineering tuovat uusia tehtäviä myös perinteisille säätötekniikan menetelmille, mutta ne edellyttävät myös uusien menetelmien kehittämistä.
* Mekatroniset järjestelmät nähdään lähinnä välineinä integroida mittauksia, toimilaitteita, mikroelektroniikkaa ja tietojen käsittelyä. Tällä on merkitystä ennen kaikkea prosessien luotettavuuden ja turvallisuuden kannalta.

Computer Control
Computer Control on koordinoiva komitea, joka koostuu useista teknisistä komiteoista. Raportissa tarkastellaan tietokonesäädön tulevia sovelluksia viidellä alueella:
* Älykkäiden järjestelmien sovellukset ovat toistaiseksi suhteellisen yksinkertaisia ja jatkossa kehitystyötä tarvittaisiinkin monimuuttujamenetelmien suuntaan. Vuorovaikutusten osittainen eliminointi on eräs tärkeä tutkimussuunta.
* Toinen on uudelleenkonfiguroitavat järjestelmät, josta on yhtymäkohtia vikojen ilmaisuun ja vikadiagnostiikkaan.
* Hajautettujen järjestelmien tutkimuksessa internet tulee olemaan tärkeä osa; verkkopohjaiset mittaukset, monitorointi ja hallinta. Myös avoimien säätöohjelmistojen arkkitehtuurien tutkimusta tarvitaan.
* Reaaliaikaisessa ohjelmistokehityksessä raportti toteaa akateemisen tutkimuksen ja käytännön välisen suuren eron. Tutkimusta kuitenkin tarvitaan etenkin laajojen järjestelmien sovelluksissa ja tehtävä- ja turvallisuuskriittisissä järjestelmissä. Koulutuskysymykset nähdään myös tärkeiksi. Turvallisuuskysymykset nähdään yleensäkin oleellisena tutkimuskohteena: "tavanomaisten" liikenteen, terveydenhoidon ja voimateollisuuden sovellusten lisäksi uusina turvallisuuden kannalta vaikeina sovelluksina pidetään esimerkiksi tietoliikenteen ja rahaliikenteen sovelluksia.
* Algoritmi- ja arkkitehtuurikehityksessä keskeinen alue on hajautettujen sulautettujen säätimien tutkiminen. Nämä ovat riittävän autonomisia niille määrättyjen säätötehtävien suorittamiseen, mutta pystyvät kommunikoimaan vuorovaikutusten huomioon ottamiseksi. Älykkäissä järjestelmistä ollaan siirtymässä tietämyksen hallinnan sovelluksiin, jossa tietämyksen esittäminen näyttää edelleenkin olevan keskeinen kehityskohde. Grid-laskenta nähdään seuraavana verkkotekniikan läpimurtona, joka takaa kaikille riittävästi laskentakapasiteettia, vaikka sen ongelmatkin täytyy tiedostaa.

Social Impact of Automation
TC Social Impact of Automation tarkastelee automaation vaikutuksia niin teknisestä, ihmiskeskeisestä kuin sosioteknisestäkin näkökulmasta. Heidänkin Milestone-raportissaan tulevaisuuden suunnitteluhaasteet on jaettu viiteen ryhmään:
* Monimutkaisten ja laajojen ihminen-kone-järjestelmien suunnittelu (pitkälle automatisoidut tuotantolaitokset, suuret risteilijät).
* Teknisesti pitkälle viedyt järjestelmät, jotka vaikuttavat suurten ihmisjoukkojen toimintaan (asejärjestelmät, sähkön ja tiedonsiirto).
* Ihmisten terveyteen, turvallisuuteen ja luonnolliseen ympäristöön vaikuttavat järjestelmät.
* Ei-asiantuntijoiden käyttöön suunnitellut älykkäät laitteet (liikennevälineet, kodin laitteet, kotirobotit).
* Turvallisuuskriittiset järjestelmät, joilla on laajoja alueellisia vaikutuksia vikaantuessaan (ydinvoimalat, myrkyllisten tai luonnolle ja ihmisille haitallisten aineiden tuotanto).
Raportin mukaan automaation sosiaaliset vaikutukset kasvavat kahteen suuntaan; toisaalta vaikutus muuttuu laajojen järjestelmien osalta globaaliksi ja runsaasti automaatiota sisältävien asiakastuotteiden lisääntyessä vaikutukset yksittäisiin ihmisiin lisääntyvät. Tämä lisää automaation vaikutusten tutkimisen tärkeyttä ja mikäli nämä asiat tunnetaan ja otetaan riittävästi huomioon, tulevaisuudessa automaation merkitys jokapäiväisessä elämässä lisääntyy.

Tiedustelut: kauko.leiviska@oulu.fi

Lisää säätöasiaa IFACista

Kai Zenger, Teknillinen korkeakoulu, Systeemitekniikan laboratorio
Raimo Ylinen, Oulun yliopisto, Systeemitekniikan laboratorio

Kansainvälisen automaatioalan kattojärjestön IFACin (International Federation of Automatic Control) maailmankongressi on eräänlainen "must" automaation ammattilaisille yliopisto- ja korkeakoulumaailmassa. Erityistä mielenkiintoa herättivät "milestone"-raportit, joissa arvioitiin säätö- ja systeemitekniikan eri alojen nykytilaa ja tavoitteita uudella vuosituhannella.

Omaa alaamme lähellä ovat säätöteorian ja säätösuunnittelun menetelmät, joihin liittyvän "milestone"-raportin olivat laatineet alan tunnetut nimet A Isidori, R. Bars, J-M Dion, S. Engell ja T. Glad. Automaation soveltamisen kannalta erityisen mielenkiintoinen oli teollisuussovelluksia käsittelevä raportti (laatijat T. McAvoy, S-L. Jämsä-Jounela, R. Patton, M. Perrier ja C. Georgatakis).

Säätöteorian haasteet voidaan nähdä kahdesta eri näkökulmasta. Toisaalta on kyettävä vastaamaan uusien teknologioiden säädölle asettamiin haasteisiin (esimerkiksi lääketieteen tekniikka, biologia, tietoliikenne, nanoteknologia jne.), ja toisaalta on pyrittävä säätämään perinteisiä komplekseja prosessikokonaisuuksia tehokkailla ja teoreettisesti pitävillä säätömenetelmillä ja -algoritmeilla. Vaikka PID-säätäjä onkin yleisesti käytetyin säädin ainakin prosessiteollisuuden sovelluksissa, niin tieto sen suorituskyvyn rajoituksista ei ole levinnyt soveltajille. Prosessin monimutkaistuessa, esimerkiksi tulo- ja lähtömuuttujien lisääntyessä tai epälineaarisuuden asteen kasvaessa, eivät aivan perinteiset ratkaisut enää riitä eivätkä ole hyvinä esimerkkeinä sovellettaessa säätötekniikan analyysi- ja synteesimenetelmiä uusilla teknologian alueilla. Esimerkkinä voidaan mainita malliprediktiiviset säätimet, joiden teoria on huimasti kehittynyt viime vuosina, mutta jotka yhä ovat hankalia käyttää lähinnä virityksen vaatiman suuren parametrijoukon takia.

Säädön alueella ns. "soft-computing"-menetelmät, siis sumeiden säätimien ja neuraaliverkkosäätimien käyttö, eivät ole täysin vastanneet niihin asetettuja odotuksia. Virittämisen vaikeus ja analyyttisten työkalujen puute ovat alkaneet käytännössä näkyä, ja selvästi on nähtävissä trendi, joka korostaa jälleen mallipohjaisia menetelmiä ja niihin liittyvää analyyttistä teoriaa, jonka mukaisesti säätimien toiminta voidaan tietyissä rajoissa myös todistaa. Toisaalta voidaan myös todeta, että viime vuosien aikana vallinnut kiinnostus mallin epävarmuuden huomioiviin, ns. robusteihin säätimiin on jossain määrin myös laantunut, mikä johtuu teorian ja käytännön implementointien vaikeudesta.

Edelleen säädön alalla siis vallitsee teorian ja käytännön välinen kuilu. Tämän perimmäinen syy on todennäköisesti varsin inhimillinen. Ihmiset vierastavat laitteita ja menetelmiä, joiden toimintaa he eivät ymmärrä edes jollakin makrotasolla, eivätkä näin ollen voi luottaa niihin. Valitettavasti nk. edistyneet säätömenetelmät ovat sellaisia, etteivät edes alan tutkijat aina ymmärrä niiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä, saati sitten prosessien käyttöhenkilöstö. Jotta soveltaminen laajenisi, tarvitaan kullekin menetelmään liittyvälle parametrille selkeitä viritys- ja käyttöohjeita ja kuvauksia niiden vaikutuksesta säädettävän prosessin toimintaan.

Menetelmäkehityksessä ei muuten ole tapahtunut mitään mullistavaa. Lineaaristen matriisiepäyhtälöiden ratkaisutekniikoita on kehitetty ja tätä myötä niiden soveltaminen on laajentunut mm. robustissa ja prediktiivisessä säädössä. Monimallimenetelmien avulla lineaariteoriaa voidaan soveltaa myös epälineaarisiin ja osittain tuntemattomiin järjestelmiin. Ongelmaksi jää kytkentälogiikan kehittäminen. Monimallimenetelmät johtavat nk. hybridijärjestelmiin, jotka koostuvat sekä loogisista ohjauksista että jatkuvista säätöpiireistä. Voidaanko hybridijärjestelmille kehittää omaa spesifistä teoriaa ja tarvitaanko sitä, on mielestämme avoin kysymys.

Tulevaisuuden kehitysnäkymistä ehkä tärkein on tarve kehittää säätöteoriaa todella laajoille, miljoonista toisiinsa epälineaarisesti vaikuttavista tiloista koostuville kompleksisille järjestelmille. Tällaisia probleemoja on noussut esiin nopeasti kehittyvässä materiaalitieteessä ja biotekniikassa, joissa materiaa pyritään manipuloimaan yksittäisten molekyylien, kvanttitietokoneissa jopa yksittäisten elektronien tasolla. Luotettavat ja robustit mallireduktiomenetelmät tulevat tällöin avainasemaan. Kaksi-kolmekymmentä vuotta sitten kehitetyt hierarkkiset säätö- ja ohjausmenetelmät tosin voisivat myös kokea uuden tulemisen tosin modernimmalta kuulostavalla nimellä "Networked Control Systems".

Tiedustelut: kai.zenger@hut.fi ja raimo.ylinen@oulu.fi

Artificial Intelligence and Applications 2002

Timo Ahvenlampi, Oulun yliopisto, systeemitekniikan laboratorio

2nd IASTED International Conference on Artificial Intelligence and Applications -konferenssi järjestettiin 9. – 12.9.2002 tällä kertaa Benalmadena-Costalla, Espanjassa. Paikkana oli hotelli Torrequebrada. Benalmadena-Costa sijaitsee Espanjan etelärannikolla Costa del Solilla, jonne on hyvät yhteydet Malagan lentokentän kautta.

Konferenssiin AIA 2002 osallistui tutkijoita ympäri maailman. Konferenssin kanssa rinnakkain järjestettiin myös kaksi muuta konferenssia: Visualization, Imaging, and Image Processsing (VIIP 2002) ja Communication Systems and Networks (CSN 2002). Myös näiden konferenssien esitelmiä oli mahdollista kuunnella. Itse keskityin kuitenkin konferenssin AIA 2002 seuraamiseen.

Konferenssin avainpuheenvuoron piti R. Lopez de Mantaras aiheesta ‘Towards artificial creativity’, jossa hän kävi läpi tietokoneen luovuutta. Hän esitteli muutamia esimerkkejä tietokoneen luovuudesta. Yleensä esitelmät pitivät sisällään mm. neuroverkkojen ja sumean logiikan soveltamista useisiin eri sovelluskohteisiin.

Omassa esityksessäni kerroin painelajittimen tuotannon identifioinnista sumean klusteroinnin avulla. Sumeassa klusteroinnissa datapisteet voivat kuulua osittain useampaan klusteriin, toisin kuin kovassa klusteroinnissa, jossa datapiste voi kuulua vain yhteen klusteriin. Sumealla klusteroinnilla klusterointitulos on lähempänä todellista tilannetta, jossa on usein hyvin vaikea vetää raja eri klusterien välille. Sumeaa klusterointia voidaan käyttää myös, jos tarkasteltavassa prosessissa on useita sisäänmenoja. Sumean klusteroinnin avulla lopullinen sääntökanta on huomattavasti pienempi kuin normaalilla Mamdani- tai Sugeno-tyyppisellä sumealla mallilla. Klusteroinnin avulla saadut tulokset ovat hyviä verrattuna perinteiseen pienimmän neliösumman menetelmään. Näiden menetelmien vertailu on toimivaa, koska myös Sugeno-tyyppisessä sumeassa mallissa ulostuloyhtälöt voidaan ratkaista pienimmän neliösumman menetelmällä. Tuloksena on, että painelajittimen tuotantoa voidaan kuvata hyvin kolmen sumean klusterin mallilla.

Eräs mielenkiintoisimmista esityksistä oli M. Cotsafliksen ja E. Keskisen esitys ‘High Precision Control of NIP Loading in Paper Manufactring Units’, jossa he esittivät fysikaalisiin malleihin perustuvan säätöratkaisun kalanterin telojen kosketuspinnan säätöön paperikoneella. Säädössä käytettiin hyväksi myös sumeaa logiikkaa. Esitys oli erittäin hyvä ja pääsimme näkemään myös videokuvaa säätöratkaisujen vertailukokeista laboratorio-olosuhteissa (laite noin puolet tehdasmittakaavasta). Videolla oli havaittavissa melun pieneneminen uuden menetelmän avulla. He toivat myös esille tutun asian miten vaikea teollisuutta on saada vakuuttumaan siitä, että nykyiselläänkin toimivan ratkaisun muuttaminen voi olla järkevää.

Konferenssin esitykset olivat mielestäni mielenkiintoisia ja antoisia, vaikka joidenkin esitelmien seuraaminen oli vaikeaa vieraiden sovelluskohteiden takia. Osaltaan seuraamista hankaloitti myös joidenkin esittäjien puuttuminen kokonaan, jolloin aikataulut menivät uusiksi.

Tiedustelut: timo.ahvenlampi@oulu.fi