Simulaatiot ovat vuosikymmenten ajan mahdollistaneet prosessien mallintamisen ja optimoinnin virtuaalisesti. Nykyään ohjelmistojen kehittyminen, sekä tekoälyn tarjoamat mahdollisuudet vievät mallintamisen ja optimoinnin menetelmät uudelle tasolle vastaten yhä paremmin ja tehokkaammin tulevaisuuden haasteisiin. Simulaatiomallit ja niiden hyödyntäminen avaavat uusia mahdollisuuksia ja tarjoavat ratkaisuja Pohjois-Savon teollisuuden tarpeisiin.

Savonialla on keväällä 2024 alkanut Simulaatiomallit teollisissa prosesseissa -hanke, jonka tarkoituksena on edistää simulaatiomallien käyttöä ja hyödyntämistä Pohjois-Savon alueella erityisesti teknologiateollisuudessa, sekä alueen tutkimus-, kehitys ja innovaatiotoiminnassa. Hankkeen tavoitteena on luoda ja kehittää simulaatiomalleja konkreettisten ja työelämälähtöisten case-aineistojen pohjalta. Luotavat mallit voivat liittyä esimerkiksi liiketoimintaprosesseihin, tuotantoon tai toiminnan vastuullisuuteen tarjoten mahdollisuuden testata erilaisia skenaarioita, sekä ennakoida tulevaisuuden kehityssuuntia. Case-aineiston ja geneeristen simulointimallien perusteella muodostetaan toimintamalleja simulaatiomallien käyttöön ja hyödyntämiseen teknologiateollisuuden yrityksissä.

Hankkeen yhtenä tavoitteena on lisäksi verkostoitua ja muodostaa kumppanuuksia simulaatioiden ja simuloinnin saralla. Kansalliset ja kansainväliset verkostot sekä yhteistyökumppanuudet muodostavat merkittävän tuen simulaatiomallien kehittämiselle ja hyödyntämiselle Pohjois-Savossa. Hankkeelle on myönnetty rahoitus Euroopan Unionin alue- ja rakennepolitiikan, ”Uudistuva ja osaava Suomi 2021–2027” -ohjelmasta (EAKR), Pohjois-Savon liiton toimesta ajalle 1.3.2024-30.9.2026. Hankkeessa on mukana osarahoittajana kuusi pohjoissavolaista teollisuuden alan yritystä.

Yleisesti voidaan kuvata simulaatioiden olevan jäljitelmiä jostakin todellisen maailman tapahtumasta, järjestelmästä tai systeemistä. Nykyisin simulointiin on olemassa paljon erilaisia menetelmiä ja ohjelmistoja, joista valita tutkittavan kohteen tarpeisiin ja tavoitteisiin sopivin. Osa ohjelmistoista sekä simulointimenetelmistä soveltuu paremmin kokonaisuuksia kuvaavaan ja abstraktimpaan simulointiin, kuten esimerkiksi päätöksenteon työkaluiksi. Osa ohjelmistoista ja simuloinnin eri menetelmistä on taas puolestaan tarkoitettu fyysistä maailmaa tarkemmalla tasolla kuvaavaa simulointia varten. Tarkemman tason simuloinnin kohteena voi olla esimerkiksi robotiikka ja tuotekehitys.

Liiketoiminnan kehittämisen ja päätöksenteon apuväline

Karkean tason simulaatiomallit ovat hyviä, konkretisoivia aputyökaluja liiketoiminnan analysoinnin ja päätöksenteon tukena. Niiden avulla voidaan hallita riskejä, testata uusia liiketoimintamalleja, investointeja tai erilaisten skenaarioiden vaikutuksia ilman liiketoiminnan altistamista todellisille riskeille. Nämä mallit ovat yksinkertaistettuja versioita todellisista järjestelmistä, jotka sisältävät olennaisimmat elementit järjestelmästä. Ne kuvaavat toimintaa yleisellä tasolla ilman tarkkoja yksityiskohtia. Tällaisten simulaatiomallien etuna on kyky tarjota nopea yleiskuvaus järjestelmän toiminnasta ja auttaa tunnistamaan keskeiset tekijät, jotka vaikuttavat olennaisesti järjestelmän toimivuuteen. Tämä tekee karkeamman tason simulaatiomalleista erityisen hyödyllisiä strategisessa suunnittelussa ja päätöksenteossa. Kaikkein yksinkertaisimpia malleja voidaan tehdä Excelillä, mutta monimutkaisemmissa tapauksissa toimivia työkaluja ovat esimerkiksi Matlab tai Anylogic.

Kokonaisuuksien simulointi on hyödyllistä, kun analysoidaan päätösten ja toimenpiteiden vaikutuksia eri tasoilla. Esimerkiksi kansainvälinen logistiikkayritys, joka hallinnoi toimitusketjujaan ympäri maailmaa, voi simuloida kuljetusajoneuvojen, varastotyöntekijöiden, asiakkaiden ja tuotantoyksiköiden toimintaa (kuva 3). Tällöin simulaatio antaa havainnollistavan kuvan toimitusketjun eri toimijoiden käyttäytymisestä ja reagointitavoista erilaisissa skenaariotilanteissa, kuten esimerkiksi toimitusviiveissä ja kysynnän muutoksissa. Tämänkaltaisen mallin rakentamisen mahdollistaa agenttipohjainen simulointi (ABS), joka mallintaa itsenäisten ”agenttien” toimintaa ja vuorovaikutusta, tarjoten yritykselle arvokasta tietoa päätöksenteon tueksi. Tämän avulla yritys voi parantaa toimintaansa ja tehdä oikeaan tietoon pohjautuvia päätöksiä.

Simuloinnin hyödyntäminen suunnittelussa

Tarkan tason simulaatiomallit ovat olleet pitkään tärkeä osa koneen suunnittelua esimerkiksi lujuuslaskennassa ja suunniteltavan tuotteen toimivuuden arvioinnissa ennen konkreettisen tuotteen valmistusta. Tuotantolaitoksia ja niiden prosesseja voidaan simuloida erittäin tarkasti ja visuaalisesti, jolloin saadaan kuvattua todellinen fyysinen maailma, johon koneet ja laitteet sijoittuvat.

Visuaalisuudesta on paljon hyötyä esimerkiksi myynnissä, jolloin voidaan esitellä laitteen, koneen, tuotantolinjan tai jopa kokonaisen tehtaan toimintaa. Tuotannon ja tehtaan suunnittelun yhteydessä voidaan tutkia muun muassa muutosten vaikutuksia, varastojen tarvetta ja sijainteja, layoutin toimivuutta sekä materiaalivirtoja. Kaiken tarkimmalla tasolla digitaaliset kaksoset kuvaavat lähes täydellisesti todellista konetta tai laitetta, joka mahdollistaa esimerkiksi robottien toimintojen ja liikeratojen tarkastelut sekä ohjelmoinnin tuotantoa häiritsemättä.

Vastuullista simulointia

Vastuullisuus ja siihen liittyvät eri osa-alueet ovat nykypäivänä välttämättömiä asioita, jotka yritysten tulee huomioida toiminnassaan. Siitä on tullut edellytys toiminnan jatkuvuudelle, kasvulle ja kehitykselle. Simulointia voidaan hyödyntää molemmilla vihreän siirtymän ja kestävien innovaatioiden kehityksen tukena. Sen avulla saadaan rakennettua konkreettinen tarkastelumalli, josta nähdään suoraan vastuullisempien valintojen vaikutukset ja kannattavuus. Toisaalta simuloinnin avulla voidaan tunnistaa vastuullisuustavoitteita ja –strategiaa uhkaavat riskit. Vastuullisuus on moniulotteinen aihe, jolloin simulointimallia rakentaessa se on pidettävä mukana koko ajan prosessin sekä päätöksenteon aikana (kuva 5).

Hankkeessa on tavoitteena simuloida vastuullisuuden osa-alueita esimerkiksi osana tuotantoprosessien kehittämistä ja optimointia. Yleisimmin simuloinnin avulla tutkitaan materiaali- ja energiatehokkuutta parantavia vaihtoehtoja, tuotteiden pakkausta sekä jätteiden synnyn ja käsittelyn hallintaa. Kiertotaloutta tehostavina keinoja, kuten sivuvirtojen hyödyntämistä ja suljettujen kiertojen toimintaa voidaan myös tutkia simuloinnin avulla. Lisäksi voidaan simuloida esimerkiksi miten erilaiset ratkaisut vaikuttavat hiilijalanjälkeen ja elinkaarikustannuksiin, koko elinkaaren tai elinkaaren osan, kuten kehdosta portille, aikana. Malleja toimitusketjun kestävyyteen ja sosiaalisen vastuun osalta esimerkiksi työturvallisuuteen on myös mahdollista tehdä eri menetelmillä.

Tuotekehityksen saralla on paljon mahdollisuuksia hyödyntää simulointia kestävämpien innovaatioiden kehityksessä; tuotteen eliniän pidentäminen ja siihen vaikuttavat valinnat suunnitteluvaiheessa, materiaalivalinnat sekä valmistusmenetelmien väliset erot vastuullisuuden osalta laadun ja muiden tarkasteltavien mittareiden ohella. Vastuullisuuden simuloinnissa on hyvä hyödyntää systeemiajattelua (kuva 6). Useampi ohjelmistotarjoaja on ottanut vastuullisuuden huomioon tuotteidensa toiminnoissa, kuten Visual Components, Anylogic, Ansys ja Resolvent.

Hankkeessa luodaan julkisia simulaatiomalleja, joista koostetaan hankkeen nettisivuille (https://sitepro.savonia.fi) materiaalipankki. Nämä simulaatiomallit ovat kaikkien vapaasti hyödynnettävissä. Lisäksi hanke tuottaa niihin liittyviä toimintamalleja. Toimintamallit toimivat simulaatiomallien tukena, avaten kyseisen case-aiheen ongelman tai tutkimuskysymyksen tarkemmin sisältäen tarvittavia lähtötietoja ja simulaatiomallien tuomia hyötyjä.

Toimintamallit tehdään julkaisujen muodossa, joten kannattaa seurata hankkeen nettisivuja!

Kirjoittajat

Ari Tanskanen, Sonja Kattainen, Henri Juntunen & Markus Kauppinen