Virtuaalitodellisuus teollisuudessa – Lisätyn todellisuuden mahdollisuudet


2014-10-14, 09:16 Kirjoittanut Hannu Hakala

Vioittunut reaktorihalli ydinvoimalassa ei kuulosta kaikkein helpoimmalta paikalta suorittaa huolto- tai korjaustyötä. Ympäristön vaaratekijät sekä järjestelmien turvakriittisyys ja kompleksisuus asettavat suuria haasteita suoritettavalle työlle. Mitäpä jos huoltomies pystyykin harjoittelemaan etukäteen vaadittavan huoltotyön kaikkine vaiheineen ja harjoitusympäristönä on lähestulkoon identtinen reaktorihalli? Tai jos huoltotyötä paikan päällä suoritettaessa on mahdollista saada yksityiskohtaiset huolto-ohjeet kustakin korjattavasta laitteesta reaaliajassa esille huoltomiehen näkökenttään tavalla tai toisella? Huoltotyön suorittaminen tuntuukin nyt innostavalta ja mielekkäältä virtuaalisten taustajärjestelmien ansiosta. Juuri tästä on kyse virtuaalitodellisuudessa (Virtual Reality, VR) ja lisätyn todellisuuden (Augmented Reality, AR) käsitteistä puhuttaessa: ympärillä näkyvään reaalimaailmaan on lisätty digitaalista tietoa ja tietokonegrafiikalla tuotettuja elementtejä joita käyttäjä tarkastelee läpikatseltavien (see-through) näyttöjen kautta. Alla oleva video kertoo erittäin havainnollisesti mistä on kyse.

Teknologia

Tekniset ratkaisut virtuaalisuuden ja lisätyn todellisuuden tuomiseksi osaksi nykypäivän teollisuusympäristöä ovat jo olemassa. Virtuaalilaseja, -kypäriä, -hanskoja jne. on tarjolla useita malleja. Muun muassa Google lasitOculus Rift 2 headset tai Epson Moverio älylasit mahdollistavat virtuaalisen todellisuuden saavuttamisen kohtuullisella kustannustasolla, hinnat ovat luokkaa 500-1000 euroa. Yhä enenevässä määrin hyväksi käytetään myös jo kuluttajapuolelta tuttuja mobiililaitteita kuten älypuhelimia, tabletteja tai älykelloja. Älykkäät ohjelmistot yhdistävät laitteen videokuvaan lisätyn todellisuuden tietoa mm. geolokaation, kuvantunnistuksen ja esineiden anturoinnin avulla. Laitteiden laskentateho on kasvanut huikeasti, ne verkottuvat kiihtyvällä tahdilla sekä niiden hintataso on laskenut. Tämä kombinaatio, lisättynä sillä faktalla että dataa on yhä enemmän saatavilla ja se on edelleen yhdistettävissä toisiin dataan toisissa järjestelmissä, on aikaansaanut nopeaa kehitystä lisätyn todellisuuden hyödyntämisessä sekä teollisuudessa että kuluttajapuolella.

 

Virtuaaliset tehtaat

Laitteiden, koneiden, järjestelmien ja kokonaisten tehtaiden 3D-mallinnus onnistuu kehittyneiden työkalujen ja kehitysympäristöjen avulla. Malleista saadaan yhä vain realistisemman näköisiä ja valokuvantarkalla grafiikalla piirrettyinä. Laitteiden osia voidaan myös abstrahoida, selkeyttää, muuttaa läpinäkyviksi ja näyttää niiden väreissä näkymätöntä tietoa kuten lämpötilaa tai komponentin jäljellä olevaa laskennallista käyttöikää.

Virtuaalista todellisuutta hyödynnetään kiihtyvällä tahdilla tehdasympäristöissä. Nasan avaruusaluksien kokoonpanoa testataan 3D-simulaatiolaboratoriossa, jossa virtuaalimaailmaan siirrytään avatarien kautta ja ongelmakohdat kohdennetaan ennen varsinaista aluksen rakennusvaihetta. Ongelmien ratkaisu etukäteen tuo isot säästöt ja saattaa säästää ihmishenkiä. Airbusin visiona on mallintaa koko tulevaisuuden lentokonetehdas kaikkine vaiheineen. Tuotannon optimointi ja tehokas työvaiheiden suunnittelu ovat lähtökohtia joiden vuoksi asiaan panostetaan paljon.

Suomessa mm. teknologian tutkimuskeskus VTT tekee laajaa tutkimusta aihealueeseen liittyen. VTT keskittyy erityisesti tehostetun todellisuuden (Mixed Reality, MR) sovellutuksiin. Tehostetun todellisuuden käsite voidaan nähdä liukuvana jatkumona kevyesti lisätystä todellisuudesta kohti täydellisempää immersiota virtuaalitodellisuuteen. VTT tutkii mm. ihmisen ja koneen vuorovaikutusta, käyttöliittymien suunnittelua virtuaaliympäristöissä, ihmis-kone -vuorovaikutuksen simulointia sekä tuotehallintaa.

 

3D-mallinnus ja käyttöliittymät

Virtuaaliset ympäristöt vaativat ihan uudenlaista näkökulmaa realistisen ja helpon käyttäjäkokemuksen tuomiseksi käyttäjän näkemään käyttöliittymään. Nyt liikutaan paikasta toiseen kävellen ja katsetta kääntäen, ei enää hiirtä käyttäen. 3D-mallinnus ja grafiikan reaaliaikaisuus tuovat lisähaasteita ohjelmistojen suunnittelijoille. Huonolaatuinen kuva tai epärealistinen käyttökokemus saattavat vesittää koko idean ja tuottaa käyttäjälle huonon olon; teknologian mahdollistamaa lisäarvoa käyttökokemukseen ei pystytäkään täysimääräisesti hyödyntämään. 

Mallinnusta varten on olemassa 3D-käyttöliittymien ja -mallien suunnitteluun kehittyneitä työkaluja kuten Unity3D. Sen lisäksi, että Unity3D:llä saadaan aikaiseksi erittäin hienoja pelejä ja 3D-käyttöliittymiä, sen iso etu on mahdollisuus julkaista valmis työ lähestulkoon mille alustalle tahansa; PC:lle, tableteille, mobiililaitteisiin, kännyköihin ja selaimella käytettäväksi. Unity3D:n uusin versio 5.0 julkistetaan loppuvuonna 2014 ja siihen tulee useita parannuksia, mm. WebGL- ja HTML5-tuki, sekä entisestäänkin kasvava alustojen määrä joilla se toimii suoraan selaimessa, parannettu varjostuksien/valaistuksien mallinnus, 64-bittinen kehitysympäristö ja muita parannuksia. 

Unity3D Integrated Development Environment

Tämän päivän parhaimpina esimerkkeinä 3D-mallinnuksesta on koneiden ja laitteiden käyttämistä varten tehdyt virtuaalisimulaattorit joita käytetään opetus- ja koulutustarkoituksiin. Esim. metsäkoneiden ja kaivoskoneiden simulaattorit oikeine ohjauslaitteineen totuttaa kuljettajan oikeisiin ohjausliikkeisiin ja käyttämään laitetta sujuvasti ennen kuin siirrytään oikean laitteen ohjaksiin.

 

Huoltoliiketoiminta ja lisätty todellisuus

Yksi erittäin iso sovellusalue, johon lisättyä todellisuutta toden teolla ollaan tuomassa isojenkin pelureiden voimin, on koneiden ja laitteiden huoltoliiketoiminta. BMW on jo nyt tehnyt huoltomiehille sovelluksen, joka näyttää miten kyseinen automalli huolletaan yksityiskohtaisin huolto-ohjein annettuna virtuaalilasien kautta. Huoltoliikkeen diagnostiikkalukijan ruudulla ei enää lue pelkästään laitteen tiedonsiirtoväylältä luettu vikakoodi vaan huoltomies näkee suoraan diagnostisen kontekstin, joka vikakoodia havainnollisemmin näyttää missä vika on suhteessa ympäristöönsä. Tämä helpottaa syiden ymmärtämistä jotka vian ovat aiheuttaneet. Tämä todella havainnollinen esimerkki näyttää miten lisättyä todellisuutta voidaan käyttää huoltomiehen apuna pumpun huoltotyössä.

Lisättyä todellisuutta on myös se, että laite tai kone itse osaa havainnollistaa tavalla tai toisella käyttäjälle/huoltomiehelle missä vika on. Esimerkkinä ovat tulostimien tukkeutumiskäyttöliittymät ja havainnollistamiskuvat vikakohdasta käyttäjälle.

"Huoltokohteena" voi olla myös ihminen; virtuaalista kirurgiaa käytetään jo nyt helpottamaan esimerkiksi leikkaavan lääkärin työtä. Potilastiedot kuten röntgenkuvat, 3D-mallit sisäelimistä, hoitohistoria jne. ovat saatavilla ja nähtävissä tarpeen vaatiessa koko ajan leikkaavan kirurgin virtuaalilaseissa. Leikkauksen aikana kirurgit voivat olla yhteydessä kolleegoihinsa jotka voivat auttaa vaikeissa tilanteissa. Kirurgit voivat myös harjoitella operaatioita etukäteen virtuaalisessa operointihuoneessa samaan tyyliin kuin metsä- tai kaivoskoneen kuljettajat.

 

Science fiction

Parhaillaan Fox TV -kanavalla esitetään sarjaa Intelligence - Agentti 2.0. Siinä sarjan päätähden, CyberCom viraston huippuagentin aivoihin on istutettu mikrosiru. Mikrosirun avulla agentti voi yhdistää itsensä tietoverkkoihin ja tehdä huippunopeaa laskentaa saadun tiedon yhdistämiseksi reaalimaailmaan luoden siitä virtuaalisen todellisuuden 3D-mallin. Hän voi mennä ’sisälle’ luomaansa 3D-virtuaalimalliin ja liikkua siellä etsien johtolankoja rikosten selvittämiseksi.

Mikrosiru aivoissa ei itse asiassa ole edes tulevaisuuden science fictionia vaan esim. Cochlear-korvaimplantit ja näkökeskukseen yhdistettävät kamerat ja silmäimplantit ovat jo sellaisia. Israelilaiset tutkijat onnistuivat tekemään rotalle elektroniset pikkuaivot ja palauttivat aivovaurioista kärsivälle rotalle kyvyn liikkua normaalisti. Myös elektroninen hippokampus, joka tallentaa ihmisen muistot aivoissa, on menossa ensi vuonna ihmiskokeisiin. Kun ajatellaan näitä edellä mainittuja aivojen istutteita, niin eipä itse asiassa olla enää kovin kaukana TV -sarjan agentin tapauksesta.

Jos aivoihin istutettavat mikrosirut kuulostavat vähän liian suurelta harppaukselta ja hankalan kokoiset virtuaalilasit turhan kömpelöiltä käyttää, niin miksipä ei otettaisi käyttöön piilolasit joihin on implementoitu lisätyn todellisuuden teknologiaa. Sama toiminnallisuus saada integroitua paljon pienempään ja huomaamattomampaan tilaan.

 

Lisätyn todellisuuden hyödyt ja edut

Tarvittava teknologia ja data ovat jo olemassa lisätyn todellisuuden tuomiseksi teolliseen ympäristöön. Käyttömahdollisuudet ovat lähes rajattomat. Saatavat hyödyt erityisesti teollisiin sovelluksiin ovat:

  • Kustannussäästöt projektin suunnittelussa ja toteuttamisessa ensin virtuaalisena
  • Huollon ja ylläpidon toimintaprosessien nopeuttaminen sekä kustannuksien ja työvaiheisiin käytetyn ajan väheneminen
  • Vaativien huoltotehtävien suorittaminen ohjatusti vaihe vaiheelta ilman kattavaa erikoisosaamista
  • Turvakriittisten järjestelmien mallinnus ja testaus ennakolta
  • Erilaisten vaihtoehtojen kartoitus ja virtuaalinen testaus ennen tuotantoon menoa
  • Järjestelmän tai laitteen käytön kouluttaminen
  • Tuotekehityksen, myyjien, johdon ja asiakkaiden yhteistoiminta visualisoimalla asioita

 


comments powered by Disqus