Ihmisen ja tekoälyn yhteisohjaama digitaalinen kaksonen hiilensidonnan ja jätevesiprosessien toimintavarmuuteen sekä optimointiin

CO2CoControl – ihmisen ja tekoälyn yhteisohjaama digitaalinen kaksonen hiilensidonnan ja jätevesiprosessien toimintavarmuuteen sekä optimointiin
Ihminen ja tekoäly yhdessä ennakoimassa häiriöitä ja kehittämässä toimintavarmempia prosesseja


Miten teollinen prosessi voidaan pitää hallinnassa, kun lämpötila, kuormitus tai veden laatu muuttuu odottamatta?

CO2CoControl-hankkeessa kehitetään pilotointi- ja testiympäristöä, jossa tutkija, tekoäly ja digitaalinen kaksonen toimivat yhdessä bio-, hiilensidonta- ja jätevesiprosessien hallinnan tukena. Tavoitteena on ennakoida häiriöitä, arvioida muutosten vaikutuksia ja testata sopivia toimintatapoja ennen niiden viemistä käytännön prosessiin.

Kehitystyötä tehdään mikroleväbioreaktoriin perustuvassa pilotointiympäristössä. Jatkuva mittaus, IoT-ratkaisut, prosessidata, tutkimustieto ja tekoäly yhdistetään digitaaliseen kaksoseen, joka auttaa muodostamaan kokonaiskuvan prosessin tilanteesta.

Keskeinen ajatus on, että tekoäly ei korvaa ihmistä päätöksenteossa. Tutkija arvioi tekoälyn ehdotukset ja hyväksyy prosessiin tehtävät muutokset. Näin voidaan tutkia käytännössä, kuinka ihmisen asiantuntemus ja tekoälyn kyky käsitellä suuria tietomääriä voivat täydentää toisiaan.


Miksi tätä tutkitaan?

Ilmastonmuutos lisää lämpötilan, kuormituksen ja veden laadun vaihtelua bio-, vesi- ja jätevesiprosesseissa. Muutokset voivat heikentää prosessin toimintavarmuutta ja lisätä energian, veden ja raaka-aineiden kulutusta.

Haasteena on myös se, että prosessin mittausdata, tutkimustieto, prosessimallit ja henkilöstön kokemus ovat usein erillään toisistaan. Tällöin muutoksiin voidaan havahtua vasta myöhään ja sopivan toimenpiteen löytäminen voi vaatia useita koe- tai säätöajoja.

CO2CoControlissa näitä tietolähteitä pyritään tuomaan yhteen, jotta muutoksia voidaan tunnistaa aikaisemmin ja niiden vaikutuksia arvioida jo ennen käytännön toimenpiteitä.


Näin kokonaisuus toimii

CO2CoControlissa tutkittava toimintamalli perustuu jatkuvaan mittaamisen, arvioinnin ja oppimisen kierrokseen.

Mikroleväbioreaktorin sensorit ja IoT-laitteet tuottavat tietoa prosessin tilasta. Mittaustiedot tallennetaan tietokantaan ja yhdistetään muuhun tietoon, kuten tutkimusjulkaisuihin, patentteihin ja avoimeen dataan.

Näiden tietojen avulla tutkija ja tekoäly arvioivat prosessin tilannetta ja suunnittelevat seuraavan koeasetelman. Digitaalisen kaksosen avulla voidaan tarkastella etukäteen esimerkiksi sitä, mitä lämpötilan nousu, kuormituspiikki tai veden laadun muutos voisi aiheuttaa.

Tutkijan hyväksynnän jälkeen sovittu koeasetelma voidaan viedä pilottilaitteistoon. Prosessia mitataan jatkuvasti ja uuden kokeen tulokset palautuvat tietokantaan seuraavan arviointi- ja kehittämiskierroksen pohjaksi.


Digitaalinen kaksonen auttaa testaamaan muutoksia ennen käytännön prosessia

Digitaalinen kaksonen on todellista prosessia kuvaava digitaalinen malli.

CO2CoControlissa digitaalinen kaksonen kuvaa mikroleväbioreaktoria ja siihen liittyvää kokeellista toimintaympäristöä. Sen avulla voidaan seurata prosessin tilaa, arvioida muutoksia ja simuloida erilaisia tilanteita ennen kuin muutoksia tehdään varsinaiseen laitteistoon.

Esimerkiksi lämpötilan nousun tai muuttuvan kuormituksen vaikutuksia voidaan ensin tarkastella mallin avulla. Näin voidaan vähentää tarpeettomia koeajoja ja parantaa mahdollisuuksia tehdä perusteltuja päätöksiä muuttuvissa olosuhteissa.


Tekoäly toimii tutkijan keskustelukumppanina

Hankkeessa kehitetään ihmisen ja tekoälyn yhteisohjausta. Tätä varten hyödynnetään Raven-nimistä tekoälypohjaista ympäristöä.

Raven voi tuoda tutkijan käyttöön tietoa prosessin mittauksista, uusista tutkimusjulkaisuista, patenteista ja avoimista tietolähteistä. Tutkija voi käydä tekoälyn kanssa vuoropuhelua seuraavan kokeen suunnittelusta, mahdollisista riskeistä ja sopivista prosessiparametreista.

Tavoitteena ei ole rakentaa itsenäisesti toimivaa autopilottia. Ihminen säilyy päätöksentekijänä: tekoälyn ehdotukset, niiden perustelut ja tutkijan hyväksyntä tallennetaan niin, että päätöksenteko on jäljitettävää ja mahdollisimman läpinäkyvää.


Mikroleväbioreaktori toimii turvallisena testiympäristönä

Ihmisen ja tekoälyn yhteistyötä testataan mikroleväbioreaktoriin perustuvassa pilotointiympäristössä.

Mikroleväprosessi soveltuu tähän hyvin, koska todellista biologista prosessia voidaan seurata jatkuvasti ja erilaisia muutostilanteita voidaan toteuttaa hallitusti rajatussa mittakaavassa. Samalla voidaan tutkia muun muassa hiilensidontaan, ravinteiden hyödyntämiseen ja veden käsittelyyn liittyviä ilmiöitä.

Mikroleväbioreaktori toimii hankkeessa ennen kaikkea testiympäristönä. Tavoitteena on kehittää toimintamalli, jota voidaan myöhemmin soveltaa myös muihin bio-, vesi-, kiertotalous- ja teollisiin prosesseihin.


Häiriöihin varaudutaan ennen kuin ne tapahtuvat

Hankkeessa testataan vähintään kolmea muuttuvaan toimintaympäristöön liittyvää häiriö- tai muutosskenaariota.

Tällaisia tilanteita voivat olla esimerkiksi:

• lämpötilan nousu
• prosessin kuormituksen muuttuminen
• veden laadun vaihtelu.

Tavoitteena on selvittää, kuinka digitaalinen kaksonen sekä tutkijan ja tekoälyn yhteistyö auttavat ennakoimaan muutoksia, valitsemaan sopivia toimenpiteitä ja palauttamaan prosessin hallittuun tilaan häiriön jälkeen.


Missä vaiheessa hanke on nyt?

CO2CoControl käynnistyi syyskuussa 2026 ja jatkuu elokuun 2029 loppuun.

Hankesuunnitelman mukaisesti työ alkaa pilotointiympäristön mittaus- ja datainfrastruktuurin rakentamisesta. Tämän jälkeen kehitetään digitaalista kaksosta sekä tutkijan ja Raven-tekoälyn yhteisohjausta. Seuraavissa vaiheissa kokonaisuutta testataan käytännön piloteissa ja arvioidaan, miten ratkaisut ovat siirrettävissä yritysten omiin prosesseihin.


Ratkaisuja yritysten käyttöön

Hankkeen tavoitteena ei ole kehittää vain yksittäistä laboratoriokokeilua. Kehitettävistä ratkaisuista pyritään tekemään mahdollisimman hyvin myös yritysten ja muiden TKI-toimijoiden hyödynnettäviä.

Hankkeen tuloksena tavoitellaan toimivaa pilotointi- ja testiympäristöä, digitaalisen kaksosen skenaariomallia, tekoälyn ehdotusten hyväksyntä- ja jäljitettävyysmenettelyä sekä yrityksille siirrettävää käyttöönotto- ja testauspakettia.

Yrityksille tarkoitettavassa kokonaisuudessa kuvataan muun muassa tekninen rakenne, tarvittava data, hyväksyntätestit ja eteneminen pilotoinnista myöhempään soveltamiseen.

Hankkeeseen kootaan myös vähintään kahdeksan yrityksen yhteistyöryhmä tukemaan pilotoinnin tavoitteiden, testattavien riskiskenaarioiden ja tulosten hyödyntämisen suunnittelua.


Mitä hankkeessa tavoitellaan?

CO2CoControl-hankkeen tavoitteena on kehittää ja pilotoida toimintamalli, jossa ihminen, tekoäly ja digitaalinen kaksonen tukevat yhdessä dynaamisen prosessin hallintaa.

Hankkeessa kehitetään erityisesti:

• mikroleväbioreaktorin mittaus- ja datainfrastruktuuria
• reaaliaikaista tilannekuvaa tukevaa digitaalista kaksosta
• muutosten ja häiriöiden ennakointia ja skenaariotestausta
• tutkijan ja Raven-tekoälyn yhteistä päätöksentekoa
• tekoälyn ehdotusten läpinäkyvää hyväksyntää ja jäljitettävyyttä
• ilmastoon liittyvien häiriö- ja muutostilanteiden pilotointia
• yrityksille siirrettävää käyttöönotto- ja testausmallia.