Yhteentoimivuus digitaalisiin kaksosiin integroiduissa kyberfyysisissä järjestelmissä

Digitaalisiin kaksosiin integroidut kyberfyysiset järjestelmät (DT-CPS) laajentavat perinteisiä kyberfyysisiä järjestelmiä (CPS) siten, että digitaaliset kaksoset toimivat järjestelmän keskeisinä operatiivisina osina eivätkä pelkästään ulkoisina artefakteina. DT-CPS-ympäristössä kaksoset muodostavat pysyviä digitaalisia representaatioita, jotka osallistuvat ohjaussilmukoihin, tukevat sovelluskohtaisia integraatioita ja mahdollistavat monimutkaisten järjestelmien suunnittelun. Tällöin yhteentoimivuus ei rajaudu teknisiin rajapintoihin, vaan muodostuu moniulotteiseksi ilmiöksi. Väitöskirjassa tarkastellaan DT-CPS-järjestelmien yhteentoimivuuden toteutumispolkuja kerroksellisesta näkökulmasta ja yhdistetään käsitteellinen ymmärrys käytännön suunnitteluvalintoihin.

Työ jäsentyy kahteen vaiheeseen design science research (DSR)-lähestymistavan mukaisesti. Vaiheessa I osio A muodostaa kirjallisuussynteesin pohjalta kuusitasoisen viitekehyksen ja täsmentää kunkin tason tavoitteet ja soveltamisalan, kun taas osio B tuottaa empiirisiä havaintoja yhteentoimivuuden haasteista ja kerroksellisesta luonteesta teollisuuden digitaalisten kaksosten asiantuntijoilta. Vaihe II operationalisoi näkökulman kokeellisesti kahdella avoimen lähdekoodin työkalulla: Eclipse Arrowhead Frameworkilla (EAF) ja Eclipse Dittolla.

Tutkimuksen tulokset ovat nelijakoiset: ensinnäkin tunnistetaan 77 yhteentoimivuuden haastetta kuudella tasolla; toiseksi jäsennetään asiantuntijanäkemysten pohjalta seitsemän haastekategoriaa sekä kerrokselliseen DT-CPS-malliin liittyviä ajureita ja arvonmuodostuksen näkökulmia; kolmanneksi esitetään kolme käyttötapausta, jotka havainnollistavat tasokohtaista yhteentoimivuutta; ja neljänneksi kokeellinen toteutus osoittaa, kuinka kaksisuuntainen digitaalisen kaksosen silmukka ilmenee kaikilla kuudella tasolla. Tulosten tarkastelu osoittaa, että ylempien tasojen saavuttaminen edellyttää koordinointia, hallintaa ja toteutuksellista panostusta, kun taas avoimen lähdekoodin alustat tarjoavat läpinäkyviä ja toteuttamiskelpoisia integraatiopolkuja.

Kokonaisuutena väitöskirja edistää kerroksellista näkökulmaa DT-CPS-järjestelmien yhteentoimivuuteen ja tuottaa teoreettista, empiiristä ja operatiivista näyttöä, joka tukee digitaalisten kaksosten tutkijoita yhteentoimivuuden systemaattisessa suunnittelussa sekä DT-CPS-arkkitehtuurien kehittämisessä.