Raskaiden materiaalien käsittelyssä yleisesti käytetyt hydraulisesti ohjatut työkoneet, kuten kuormaimet ja nosturit, halutaan automatisoida. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että ihmistä ei enää tulevaisuudessa tarvittaisi tällaisten raskaiden työkoneiden ohjaamiseen.

Työkoneiden automaatio herättää kuitenkin monia kysymyksiä. Ensinnäkin, mitä näiden koneiden automaatio tarkalleen ottaen tarkoittaa; toiseksi, miksi nämä koneet pitäisi automatisoida; ja kolmanneksi, miten näiden koneiden automaatio toteutetaan. 

Lisää työn tuottavuutta ja parempaa laatua

Miksi kuormaaja kannattaa automatisoida? Merkittävin syy on tuottavuuden parantuminen, koska kone ei tunne väsymystä ja tekee tasalaatuista työtä. Toiseksi automatisointi saattaa alentaa käyttökustannuksia. Tämä on seurausta siitä, että ihmistä ei tarvita koneen ohjaamiseen. Kolmanneksi automaatio poistaa inhimillisten virheiden mahdollisuuden. Tämä on tärkeää, koska raskaisiin koneisiin liittyvät vakavat onnettomuudet johtuvat tutkimusten mukaan erityisesti inhimillisistä virheistä. Täten automatisointi saattaa vähentää vakavien onnettomuuksien riskiä. 

Miten työkone pitäisi sitten automatisoida, koska on olemassa eritasoista automaatiota? Aluksi pyritään kehittämään puoliautomaattisia toimintoja, sillä puoliautomaattinen työkone on merkittävä askel kohti autonomista konetta. Tässä käyttötapauksessa kuljettaja saattaa itse ohjata konetta, mutta hänen roolinsa on aiempaa pienempi. Tämä johtuu siitä, että tietokonealgoritmit toteuttavat koneen lopulliset liikkeet kuljettajan antamien käskyjen perusteella.

Tulevan kehityksen kannalta on myönteistä, että kaupallisilla markkinoilla on jo puoliautomaattisia raskaan materiaalin kuormaimia. Näihin kuormaimiin toteutetut puoliautomaattiset ohjausjärjestelmät auttavat erityisesti noviisikuljettajia, koska kuormaimen ohjaaminen on aiempaa yksinkertaisempaa. Tämän lisäksi tutkimuslaitoksissa kehitetään parhaillaan tekniikkaa, jolla voidaan automatisoida raskaiden kuormainten usein toistuvat rutiiniliikkeet.

Toisena merkkipaaluna kohti autonomista työkonetta on etäkäyttö. Etäkäytössä työkoneen ohjaamiseen tarvitaan ihmiskoneenkäyttäjä, mutta hänen ei tarvitse olla näköyhteydessä koneeseen. Esimerkiksi eräässä kaupallisessa sovelluksessa kuljettaja voi ohjata kuorma-auton kuormaajaa hytistä. Tässä sovelluksessa kuormaajaa ohjataan virtuaalilasien tuottaman kuvan perusteella, jolloin kuvankäsittelyalgoritmeilla saatetaan minimoida esimerkiksi sateen vaikutus kuljettajan työskentelynäkyvyyteen. Sovelluksen merkittävämpänä lisäarvona koneen ohjaaminen hytistä on turvallista ja usein miellyttävämpää kuin ulkoa käsin ohjaaminen.

Sekä puoliautomatisointi että etäkäyttöiset työkoneet vievät kohti työkoneen automatisointia, ihmisestä riippumattomaksi itsenäiseksi koneeksi. Tällä hetkellä emme ole kuitenkaan vielä lähellä tämän vaikean tavoitteen saavuttamista.

Kunnonvalvonta autonomisessa työkoneessa

Työkoneiden automatisoituessa tulee yhä tärkeämmäksi siirtää työkoneen kunnon arvioiminen tietokoneen vastuulle. Tämä johtuu siitä, että autonomisissa työkoneissa ei ole enää ihmiskuljettajaa. Työkoneiden automaation lisääntyessä kunnonvalvonnasta tulee kuitenkin helpompaa toteuttaa, koska esimerkiksi useisiin puoliautomaattisiin työkoneisiin asennetaan runsaasti erilaisia mitta-antureita.

Kunnonvalvonnan suorittaa työkoneessa oleva paikallinen tai etätietokoneelle keskitetty kunnonvalvontaohjelmisto, jonka päätehtävänä on tunnistaa työkoneen eri järjestelmien komponenttien vikatilanteet ja arvioida komponenttien jäljellä olevaa käyttöikää. Erityisesti tulevaisuudessa kunnonvalvontaohjelmisto saatetaan keskittää etätietokoneelle, jolloin kentän autonomisten työkoneiden kuntoa voidaan valvoa kätevästi yhdestä paikasta.

Kunnonvalvontaohjelmiston suurin mahdollinen hyöty on, että järjestelmäkomponentit voidaan vaihtaa nopeasti ja oikea-aikaisesti, todellisen huoltotarpeen mukaan. Tämä tarkoittaisi vähemmän turhia konehuoltoja ja toisaalta vähemmän odottamattomien konerikkojen aiheuttamia huoltotaukoja.

Kunnonvalvontaohjelmiston tärkein vaatimus on, että ohjelmiston pitää olla täysin luotettava. Vain tällöin viat pystytään ennakoimaan ja huoltokutsut voidaan lähettää korjaajille oikea-aikaisesti. Mikäli kunnonvalvonnan ohjelmisto on yhtään epäluotettava, ohjelmisto voi tuottaa vääriä vikahälytyksiä eikä kaikkia vikatilanteita havaita. Kunnonvalvonnan yleistyessä työkoneilta kerätystä datasta voitaneen kuitenkin koostaa kattavia vikatilastoja, joiden pohjalta kunnonvalvontaohjelmistojen luotettavuutta voidaan parantaa.

Työkoneautomaation muita teknisiä edellytyksiä

Automatisoitavan järjestelmän toiminnan mittaaminen on yksi automatisoinnin perimmäisistä edellytyksistä.  Tämä liittyy siihen, että mittauksilla korvataan ihmiskoneenkäyttäjän läsnäolon ja aistien puute automaattisissa koneissa. Esimerkiksi puukuormaajan liiketilasta ja muuttuvasta ympäristöstä tarvitaan useita mittauksia. Tarvittavien mittausten lukumäärä saattaa aiheuttaa ongelmia, koska monet mitta-anturit ovat kalliita, mahdollisesti vikaherkkiä ja hankalia asentaa.

Kuormaimen liikkeiden suunnittelu ja hallinta ovat myös automaation olennaisimpia vaatimuksia. Asiaa on tutkittu runsaasti, ja näihin vaatimuksiin on löydetty kuitenkin useita vakaita ja mukautumiskykyisiä sekä optimaalisia ohjausratkaisuja viime vuosikymmenten aikana. Esimerkiksi kuormaajan autonomisten liikkeiden suunnittelemiseksi on tarjolla optimaalisia ohjausratkaisuja, jotka pystyvät maksimoimaan kuormaimen liikenopeuden ja energiatehokkuuden.

Liikkeen suunnitteluvaiheessa määritellään kuormaimen tehtävä. Puukuormaimen saatetaan esimerkiksi haluta nostavan tukkeja maasta. Puukuormaajan tietokoneen on täten ensiksi opittava tunnistamaan nostettavat tukit, minkä jälkeen reitti, jota pitkin kuormaaja voi liikkua lähtöpisteestään kohti tukkeja, lasketaan etukäteen tai reaaliaikaisesti. Suunniteltua reittiä pitää muuttaa, kun reitille ilmestyy esteitä.

Seuraavaksi kuormaajan tietokoneen pitää toteuttaa suunniteltu liike tukkikuorman luo mahdollisimman tarkasti ja mieluiten energiatehokkaasti ja nopeasti. Kuormaajan on myös osattava tarttua haluttuun puukuormaan. 

Näiden perimmäisten edellytysten lisäksi autonomisen kuormaajan kehittämisen teknisiin edellytyksiin kuuluvat myös autonomian mahdollistavan tekoälyn kehittäminen sekä autonomisen järjestelmän ohjelmointi. Esimerkiksi itsenäisesti oppivan tekoälyn kehittäminen kuormaustehtäviin on merkittävä ongelmavyyhti. 

Eräs kuormauksen haaste, johon tällä hetkellä paras tekoäly saattaa pystyä, on nostettavien tukkien tunnistaminen. Tämä johtuu siitä, että tällä hetkellä tekoäly toimii parhaiten erilaisissa tekstin, äänen, kuvan ja toiminnan tunnistustehtävissä. Paljon tätä haastavampi vaatimus on tekoälyn opettaminen täysin itsenäiseen työhön, varsinkin vaativassa metsäympäristössä.

Työkoneiden automaatio on tätä päivää ja osa tulevaisuuttamme. Yllä oleva pohdiskelu osoittaa, että työkone voidaan automatisoida monin eri tavoin ja, että automatisointiin liittyy useita monitahoisia vaatimuksia, kunnonvalvonnasta tekoälyyn. Vaikka osaan teknisistä vaatimuksista on olemassa kelpo ratkaisuja, niin yhä vaaditaan paljon tutkimus- ja kehitystyötä ennen kuin voidaan kehittää työkone, joka osaa toimia tehtävässään yhtä hyvin itsenäisesti kuin nyt ihmisen kanssa.

Teksti: Jarmo Nurmi, Tampereen teknillinen yliopisto, jarmo.nurmi@tut.fi