Digitaaliset kaksoset (Digital Twin, DT) ovat fyysisten kohteiden, prosessien tai järjestelmien virtuaalisia malleja, jotka mahdollistavat tiedonkeruun, analyysin ja simuloinnin reaaliajassa. Niiden avulla voidaan parantaa suunnittelua, ennakoida toimintahäiriöitä ja kehittää palveluja käyttäjälähtöisesti. Tältä sivulta löydät digitaalisten kaksosten keskeiset periaatteet, käyttötarkoitukset sekä esimerkkejä siitä, miten digitaaliset kaksoset voivat auttaa meitä ymmärtämään ja hallitsemaan fyysistä maailmaa.
DIGI2-hankkeen DT-julkaisuja
Katsaus digitaalisten kaksosten suunnittelun ja toteutuksen teknologioihin
Kirjallisuuskatsaus ”Katsaus digitaalisten kaksosten suunnittelun ja toteutuksen teknologioihin” on osa EAKR-rahoitteista, ja Tampereen yliopiston Porin yksikön SEIntS-tutkimusryhmän toteuttamaa DIGI2-hanketta. Satakunnan alueen tulevaisuuden vientiä ja kilpailukykyä sekä työvoiman kiinnostusta Satakunnasta on mahdollista vahvistaa digitalisaatioon perustuvalla osaamisella, ja siinä digitaaliset kaksoset, eli Digital Twins (DTs), tarjoavat potentiaalisia kehityskohteita toimialasta riippumatta. Keskittymällä kevyempiin ja siten investointikuluiltaan edullisempiin vaihtoehtoihin, ja jakamalla hankintaselvityksiin tarvittavaa tietoa, voidaan digitaalisten kaksosten käyttöä edistää myös PK-sektorilla. Modernien DT-järjestelmien käyttö ja kehittäminen myös osaltaan lisää alueen vetovoimaa potentiaalisten työntekijöiden ja yritysten silmissä. Hankkeen tavoitteena on tuoda yhteiskehittämisen kautta tutkimustietoa ja teknistä osaamista digitaalisten kaksosten hyödyntämiseen Satakunnan elinkeinoelämän käyttöön. Tämä teknologiakatsaus kartoittaa digitaalisten kaksosten suunnittelun ja implementaation teknologioita. Teknologiakatsauksen pohjana hyödynnetään DIGI2-hankkeessa aiemmin suoritetun digitaalisiin kaksosiin keskittyneen kirjallisuuskatsauksen (Grönman et al., 2023) tuloksia, jossa luokiteltiin alan tieteellisiä artikkeleita. Kirjallisuuskatsaus on tarkoitettu yritysten ja organisaatioiden johdolle tai kehitystyöstä vastaaville tahoille. Katsauksen tarkoitus on tarjota lukijalleen perustietoa ja ideoita digitaalisen kaksosen käyttö- ja hyödyntämistavoista.
Digitaalisiin kaksosiin keskittyvä kirjallisuuskatsaus tarjoaa teemaan liittyviä tietoja, käsitteitä ja teknologioita ja esimerkkejä
Categorization of Digital Twins: A Literature Review of IoT and Industry
Artikkelin Categorization of Digital Twins: A Literature Review of IoT and Industry tiivistelmä (käännetty englannista): ”Viime vuosina digitaalisen kaksosen käsite on saanut jalansijaa sekä akateemisessa maailmassa että teollisuudessa. Mutta mitä digitaalinen kaksonen oikeastaan on? On varsin yleistä, että tieteellisistä tutkimuksista uutisartikkeleihin ulottuvat julkaisut mainitsevat, ettei termille ole olemassa tarkkaa määritelmää. Tässä tutkimuksessa käymme läpi IEEE Xplore -tietokannan julkaisuja pyrkiäksemme selvittämään, kuinka niissä käytetään digitaalisen kaksosen käsitettä ja kuinka kaksoset voitaisiin luokitella ja määritellä selkeämmin. Keskitymme kirjallisuuteen, joka käsittelee digitaalisia kaksosia esineiden internetin (IoT) ja teollisuuden kontekstissa. Tutkimuksemme osoittaa, että termille on todellakin tarvetta yhtenäisemmälle määritelmälle ja että digitaalista kaksosta käytetään usein yleiskäsitteenä, joka kattaa monia järjestelmiä, prototyyppejä ja toteutuksia, jotka eivät välttämättä ole varsinaisia digitaalisia kaksosia.”
Artikkeli paljastaa, että digitaaliseen kaksoseen liittyvillä termille olisi tarvetta yhtenäisemmälle määritelmälle, ”digitaalista kaksosta” käytetään usein yleiskäsitteenä, kattaen monenlaisia järjestelmiä
Digital Twin Coffee Room Application – Kahvibotti
Artikkeli ”Digital Twin Coffee Room Application – Kahvibotti” tutki digitaalisten kaksosten ja tekoälyn (AI) hyödyntämistä kotitalouslaitteiden energiatehokkuuden parantamiseksi, erityisesti ei-älykkäiden laitteiden osalta. Tutkimus esittelee IoT-ominaisuuksilla varustetun kotitalouslaitteen prototyypin, joka käyttää digitaalista kaksosta ja tekoälyä analysoimaan laitteen toimintaa ja käyttäjän käyttäytymistä. Tämän avulla pyritään vaikuttamaan käyttäjän päätöksiin ja edistämään energiatehokasta toimintaa.
Digitaalinen kaksonen voi olla helposti lähestyttävä ja ymmärrettävä, kuten tässä artikkelissa esitettävä kahvinkeittimen digitaalinen kaksonen
Lehtiartikkeli: Pelimaailma näkyy rakentamisessa – Käyttäjä pääsee kokemaan, miltä kohde näyttää täysin valmiina
Lehtiartikkeli, julkaistu Satakunnan Viikon paino- ja verkkojulkaisuissa 26.9.2024: ”Digi2-hankkeen pilotti osoittaa, että digitaalinen kaksonen sopii hyvin uudisrakennusten ennakkomarkkinointiin. Tämä virtuaalinen kopio näyttää, millainen kohde on valmiina.”
DIGI2-hanke ja UC4D Unlimited Creations loivat digitaalisen kaksosen Pori Building Oy:n kohteesta
Digitaalinen kaksonen – määritelmiä ja malleja
Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems
Artikkelissa ”Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems” Michael Grieves ja John Vickers käsittelevät digitaalisten kaksosten (Digital Twin) roolia monimutkaisten järjestelmien ennakoimattomien ja ei-toivottujen käyttäytymismallien hallinnassa. Artikkelissa kehitettävän digitaalisen kaksosen merkittävimmät ominaisuudet ovat helppo valmistus, suorituskyky ja ylläpidettävyys.
Artikkelissa esitetty digitaalisen kaksosen toteutusmalli
Dimensions of Digital Twin Applications – A Literature Review
Artikkelissa ”Dimensions of Digital Twin Applications – A Literature Review” tarkastellaan digitaalisten kaksosten (Digital Twin) sovelluksia eri toimialoilla. Tekoäly (AI) integroituu digitaalisiin kaksosiin analysoimalla kerättyä dataa, ennakoimalla mahdollisia ongelmia ja optimoimalla järjestelmien toimintaa. Tutkimus analysoi 87 digitaalisen kaksosen sovellusta ja esittää kuusi ulottuvuutta niiden luokittelemiseksi.
Tutkimuksessa löydetyt digitaalisten kaksosten kategoriat
Digitaalisen kaksosen elinkaari
Digital Twin in the IoT Context: A Survey on Technical Features, Scenarios, and Architectural Models
Artikkeli ”Digital Twin in the IoT Context: A Survey on Technical Features, Scenarios, and Architectural Models” käsittelee digitaalisten kaksosten (Digital Twin, DT) konseptia ja sen roolia IoT-ympäristössä. Digitaalisten kaksosten (DT) keskeisiä teemoja ovat tekoäly (AI), IoT-integraatio, monipuoliset sovelluskohteet ja järjestelmien arkkitehtuurit. Tekoäly analysoi sensoreista kerättyä dataa, ennustaa ongelmia ja optimoi järjestelmien toimintaa, mikä parantaa tehokkuutta ja auttaa ehkäisemään häiriöitä. IoT-sensorit puolestaan keräävät dataa fyysisistä objekteista ja välittävät sen digitaalisiin kaksosiin, mahdollistaen reaaliaikaisen tiedonvaihdon ja järjestelmien simuloinnin. DT-teknologiaa hyödynnetään laajasti esimerkiksi teollisuusprosesseissa, älykaupunkien hallinnassa, energiatehokkuuden parantamisessa ja terveydenhuollon seurannassa. Artikkeli kuvaa myös DT-järjestelmien arkkitehtuuria, mukaan lukien tiedonkeruun, analyysin ja synkronoinnin ratkaisuja pilvipalveluissa. Kuvassa on esitetty artikkelin pohjalta digitaalisen kaksosen elinkaari. Elinkaaren eri vaiheisiin on liitetty niihin soveltuvat työkalukategoriat.
Digitaalisen kaksosen elinkaarenhallinta vaatii panostusta suunnitteluun, jotta sen elinkaari suunnittelusta käytöstäpoistoon on ennakoitu mahdollisuuksien mukaan varhaisessa asemassa
Digital Twin Perspective of Fourth Industrial and Healthcare Revolution
Artikkeli ”Digital Twin Perspective of Fourth Industrial and Healthcare Revolution” tarkastelee digitaalisten kaksosten (Digital Twin, DT) merkitystä neljännessä teollisessa ja terveydenhuollon vallankumouksessa. DT:t yhdistävät fyysisen ja digitaalisen maailman, mahdollistaen järjestelmien reaaliaikaisen seurannan, simuloinnin ja optimoinnin. Niiden kehitys perustuu teknologioihin, kuten IoT, tekoäly (AI), koneoppiminen (ML), reunalaskenta ja suuri data.
Taulukossa on esitetty artikkelin kirjoittajien valikoimien työkalujen soveltuvuutta digitaalisen kaksosen eri vaiheisiin. Digitaalisen kaksosen laajat sovellusmahdollisuudet eri aloille ilmenevät käyttäjien valikoitaville työkaluille kohdistuvissa vaatimuksissa.
Digitaalinen kaksonen (DT) on olennainen osa Teollisuus 4.0 -kehitystä, joka edistää teollisuuden digitalisaatiota parantamalla tehokkuutta, resurssienhallintaa ja tuotannon optimointia reaaliaikaisen datan avulla. Tekoälyn (AI) ja koneoppimisen (ML) avulla DT:t pystyvät ennakoimaan ongelmia, optimoimaan toimintoja ja tekemään päätöksiä analysoimalla suuria tietomääriä. Terveydenhuollossa DT-teknologia mahdollistaa potilaiden monitoroinnin, diagnostiikan ja hoitomenetelmien simuloinnin, mikä tukee myös personoitujen terveydenhuollon ratkaisujen kehittämistä. Sovelluskohteita löytyy erityisesti älykkäistä tehtaista, joissa DT:t tehostavat tuotannon automatisointia ja prosessien hallintaa, vähentävät seisokkiaikoja ja parantavat tuottavuutta. Terveydenhuollossa DT:t simuloivat ihmiskehon toimintaa, mikä edistää diagnostiikkaa, hoidon suunnittelua ja lääketieteellistä koulutusta.
Haasteina ja avainkysymyksinä DT-teknologian kehityksessä artikkelissa nostetaan esiin dataturvallisuus, synkronointi fyysisten ja digitaalisten mallien välillä sekä standardien puute.
Kuvassa on esitetty ote artikkelin taulukosta, jossa on esitetty digitaaliseen kaksoseen liittyviä suunnittelun ja käytön vaiheita sekä eri työkalujen soveltuvuutta näihin vaiheisiin
Käsitteitä ja sovelluskohteita
Digital Twin: A Survey on Enabling Technologies, Challenges, Trends and Future Prospects
Artikkelissa ”Digital Twin: A Survey on Enabling Technologies, Challenges, Trends and Future Prospects” käsitellään laajasti digitaalisten kaksosten merkitystä, erityisesti teollisuuden sovelluskohteissa ja teknologisissa mahdollistajissa. Digital Twin -teknologia tarjoaa kyvyn reaaliaikaisesti seurata, analysoida ja optimoida monimutkaisia järjestelmiä, mikä tuo merkittäviä etuja erityisesti valmistusteollisuudessa. Artikkelissa esitetään, että digitaalisten kaksosten ja tekoälyn yhdistelmä mahdollistaa muun muassa ennakoivan kunnossapidon, jossa järjestelmät tunnistavat potentiaaliset ongelmat ennen niiden ilmenemistä, sekä prosessien optimoinnin reaaliaikaisesti tuotantokustannusten ja seisokkien vähentämiseksi.
Teollisuudessa digitaalisten kaksosten käyttö on erityisen hyödyllistä älykkäiden tuotantolinjojen suunnittelussa ja hallinnassa. Ne mahdollistavat valmistusprosessien simuloinnin ja optimoinnin ilman fyysisten prototyyppien rakentamista, mikä vähentää kustannuksia ja nopeuttaa innovaatioiden käyttöönottoa. Artikkelissa korostetaan myös koneoppimisen roolia, erityisesti tuotannon laadunvalvonnassa ja prosessien parantamisessa kerätyn datan pohjalta. Tekoälyn avulla digitaaliset kaksoset voivat mukautua ympäristömuutoksiin ja tarjota tarkkaa analytiikkaa esimerkiksi tuotantolinjojen kapasiteetista tai tuotteiden elinkaaren hallinnasta. Tämä tekee teknologiasta keskeisen tekijän teollisuuden neljännen vallankumouksen (Industry 4.0) edistämisessä.
Digitaalista kaksosta voidaan soveltaa monilla eri aloilla, mutta niihin liittyvät teknologiat voivat soveltuvat useammalle alalle
Digital Twins in Industrial IoT: A Survey of the State of the Art and of Relevant Standards
Artikkeli ”Digital Twins in Industrial IoT: A Survey of the State of the Art and of Relevant Standards” käsittelee digitaalisten kaksosten merkitystä teollisessa IoT:ssa (Industrial Internet of Things, I-IoT) sekä niiden roolia Industry 4.0:n periaatteiden edistämisessä. Digitaaliset kaksoset yhdistävät teollisuuslaitteiden operatiivisen teknologian (OT) ja tietoteknologian (IT), mahdollistavat reaaliaikaisen tiedonkeruun ja tarjoavat välineen analysointiin, optimointiin ja päätöksentekoon. Artikkelissa korostetaan digitaalisten kaksosten kykyä parantaa tuotannon tehokkuutta esimerkiksi ennakoivan kunnossapidon ja resurssien käytön optimoinnin avulla. IoT-sensoreiden tarjoama reaaliaikainen data on keskeisessä roolissa kaksosten toiminnassa, mutta vanhojen, niin sanottujen ”mykkien” koneiden integrointi on edelleen haaste.
Teollisuuden näkökulmasta digitaalisten kaksosten käyttö mahdollistaa vanhempien koneiden liittämisen moderniin IoT-ekosysteemiin esimerkiksi uusien rajapintateknologioiden ja avoimien standardien avulla. Tämä lisää laitteiden käyttöikää ja alentaa modernisoinnin kustannuksia. Artikkeli esittää myös, että skaalautuvuus, kyberturvallisuus ja yhteentoimivuus ovat avainasemassa digitaalisten kaksosten kehittämisessä ja käyttöönotossa. Näiden ominaisuuksien avulla voidaan varmistaa, että järjestelmät ovat paitsi tehokkaita myös turvallisia ja mukautuvia muuttuvissa teollisuusympäristöissä. Näin digitaaliset kaksoset toimivat teollisuuden neljännen vallankumouksen keskeisenä teknologisena mahdollistajana.
Erilaisia teknologioita hyödyntäviä digitaalisia kaksosia varten on tunnettava ja sovellettava laajaa kirjoa standardeja, protokollia ja teknologioita
Laajojen järjestelmien digitaaliset kaksoset
Digitaalisten kaksosten toteuttaminen laajoille, monimutkaisille järjestelmille, kuten koko maapallon ilmastolle, ekosysteemeille tai arktisille alueille, asettaa erityisiä vaatimuksia suunnittelulle ja tekniselle toteutukselle. Tarvitaan suurta laskentatehoa, luotettavaa ja monimuotoista dataa sekä skaalautuvia ohjelmistoalustoja, jotka mahdollistavat reaaliaikaisen simuloinnin ja ennustamisen. Tällaiset digitaaliset kaksoset ovat aina laajojen kansainvälisten konsortioiden yhteistyön tulosta ja ne kytkeytyvät suoraan päätöksenteon ja tutkimuksen tarpeisiin. CSC on keskeinen toimija useissa huipputason hankkeissa, joissa kehitetään laajoihin järjestelmiin kohdistuvia digitaalisia kaksosia. Näissä projekteissa yhdistyvät superlaskenta, tekoäly, ennustavat mallit ja monitieteinen tutkimus. Alla on listattu osa näistä projekteista, jotka liittyvät DestinE:hen, digitaaliseen kaksoseen koko maapallosta.
Destination Earth (DestinE)
Destination Earth ( (https://destination-earth.eu/) on Euroopan komission lippulaivahanke, jonka tavoitteena on luoda erittäin tarkka digitaalinen kaksonen maapallosta. DestinE:n avulla voidaan mallintaa, seurata ja simuloida luonnonilmiöitä sekä ihmisen toiminnan vaikutuksia. Tavoitteena on tarjota päätöksenteon tueksi välineitä ilmastonmuutokseen sopeutumiseen ja vihreän siirtymän toteuttamiseen. DestinE-alustan verkkosivusto tarjoaa käyttäjille pääsyn digitaalisten kaksosten dataan ja palveluihin.
Climate DT
Climate Change Adaptation Digital Twin (Climate DT)](https://destine.ecmwf.int/climate-change-adaptation-digital-twin-climate-dt/) on DestinE-hankkeen osa, jota koordinoi CSC. Se yhdistää korkean resoluution ilmastomalleja ja sektorikohtaisia vaikutusarvioita tuottaen tietoa ilmastonmuutoksen vaikutuksista eri aloille. Ensimmäiset ilmastoprojektiot ovat jo saatavilla DestinE-alustan kautta.
BioDT
BioDT (https://biodt.eu/) -projekti kehitti prototyyppisiä digitaalisia kaksosia biodiversiteetin tutkimukseen. CSC:n johtaman 22 kumppanin konsortion tavoitteena oli mallintaa lajien levinneisyyttä, elinympäristöjä ja ekosysteemien muutoksia. Digitaaliset kaksoset tukevat luonnon monimuotoisuuden suojelua ja ennallistamista yhdistämällä suurteholaskentaa, tekoälyä ja avoimen datan periaatteita.
TerraDT
TerraDT (https://terradt.eu/) laajentaa DestinE:n mallinnusta tarkentamalla ilmastojärjestelmän osa-alueiden, kuten kryösfäärin, maanpinnan ja metsien, kuvausta. Projektissa kehitetään digitaalisia kaksosia, joilla voidaan arvioida esimerkiksi merijään muutosten vaikutusta laivaliikenteeseen, urbaanien lämpöaaltojen riskejä tai metsien kasvua muuttuvassa ilmastossa.
NOCOS DT
Nordic Cryosphere Digital Twin (NOCOS DT)] (https://www.norden.org/en/project/nordic-cryosphere-digital-twin-nocos-dt) keskittyy Pohjoismaiden ja Itämeren alueen meri- ja jääolosuhteisiin. CSC koordinoi hanketta, jossa pilotoidaan digitaalikaksosteknologian soveltamista arktisilla alueilla ja tutkitaan, miten DestinE Climate DT\:n kaltaisia ratkaisuja voidaan hyödyntää esimerkiksi merenkulun turvallisuudessa.
Laajojen järjestelmien digitaalisten kaksosten kehitystyö vaatii runsaasti dataa, merkittävästi laskentatehoa ja kehitettävään digitaaliseen kaksoseen soveltuvaa alustaa ja ohjelmistoja. Panostus kuitenkin voi kannattaa, esimerkiksi DestinE ja siihen liittyvät muut digitaaliset kaksoset tarjoavat ennnusteita, joiden pohjalta voidaan voidaan tehdä tutkimustuloksiin perustuvia poliittisia päätöksiä.