Ülle Kotta: teadlane otsib parimat lahendust, tööstus töötavat lahendust

Ülle Kotta:

teadlane otsib parimat lahendust, tööstus töötavat lahendust

Juhtimisvaldkonna juhtivteadur Ülle Kotta on omal alal tegutsenud aastakümneid. Talle teeb muret, et juhtimisteooriat kiputakse alatähtsustama, kuid ta püsib lootusrikas, et olukord muutub. Uued ja ülikeerulised süsteemid vajaksid teoreetikute abi väga.

Nagu ütleb Kotta, kasutatakse juhtimisteooria tulemusi, muu hulgas juhtimisalgoritme, praktiliselt kõigis valdkondades – majandusest meditsiinini. Üha enam sõltub süsteemi töökindlus just kontrolleri korrasolekust. „Kontrolleriteta tänapäeva tehnoloogia ei toimiks,” selgitab ta.

Juhtimisinsenerid ei valmista seejuures asju, vaid teevad olemasolevaid paremaks ja nende tegevust efektiivsemaks. Protsesside järkjärguline parandamine juhtimisalgoritmide kujul ei too aga reeglina kaasa dramaatilisi muutusi.

Kus me kontrollereid kohtame? Lihtsate kontrolleritega oleme kõik kokku puutunud – näiteks termostaadiga soojaveeboileris või külmkapis, samamoodi liikumisanduritega. Ka inimkehas on kümneid juhtimissüsteeme, mis reguleerivad vereringet, kehatemperatuuri, biokeemilisi protsesse jms. Keerulisematest juhtimissüsteemi-

dest rääkides võib nimetada automaatpiloote ja isejuhtivaid autosid, suuri elektrisüsteeme, transporti, roboteid. „On ammu teada, et protsessid ja süsteemid oleksid hõlpsamalt ja väiksema energiakuluga juhitavad, kui juhtimisinsenerid osaleksid tehnoloogiliste protsesside või instrumentide väljatöötamisel. Nad oskaksid öelda, kuhu paigutada kontrollereid ja andureid, kui palju neid vaja oleks, kuidas tuleks süsteemi ümber seadistada, kui mõnes elemendis ilmneksid vead või element lakkaks töötamast. Kuidas konstrueerida heade juhitavusomadustega objektid ja nii oluliselt ressursse kokku hoida,” selgitab Kotta enda distsipliini olulisust.

Autonoomse allveesõiduki sündmuspõhise juhtimise skeem

Lamedusel põhinev kontroller

Soovitud trajektoor

u1 u2

u4

U-CAT U-CAT u3

Autonoomne allveesõiduk

Sidevõrk Sensorid

Sündmuste generaator

Juhtimisvaldkond ei ole nähtav

Juhtimismoodul ehk kontroller peaks niisiis olema iga töötava süsteemi loomulik osa. Süsteemiinsenerid mõistavad sügavuti dünaamikat – kuidas miski ajas muutub, levib, liigub. „Keeruliseks teeb olukorra see, et suurem osa inimesi ei taju kontrolleri olemasolu. Ta on peidus. Juhtimisvaldkond ei ole seega nähtav. Kontroller muutub nähtavaks, kui ta lakkab töötamast,” kirjeldab Kotta oma valdkonna olukorda. Tema töörühm tegeleb fundamentaalsete juhtimisprobleemidega, teooriaga. Tööstusega neil otsekontakt puudub, ehkki ideaalis võiks see olemas olla. Siin lööb aga välja Eesti ja meie tööstussektori väiksus. Samas meenub Kottale aeg, mil ka siinmail leidis suuremate ettevõtete juurest teadus- ja arendustiime, kes omakorda majaväliste teadlastega samas keeles suhelda oskasid. „Häda on selles, et kogu tähelepanu on koondunud teadmiste tehnoloogiasse viimise lõpplülile, teadlastelt oodatakse töötavat prototüüpi. Arendustegevuse varasemad etapid ei paku rahastajatele huvi. Sellise lähenemise mõjud on pikaajalised,” hoiatab Kotta. Ta ütleb, et tööstustel ja akadeemilisel teadusel on raske koostööd teha, sest huvid ja eesmärgid on erinevad. „Teadlane otsib parimat lahendust, tööstus enam-vähem toimivat. Mul on olnud järeldoktoreid, kes on läinud tööstusesse ja tulnud sealt tagasi. Kui nad soovisid tööstuses midagi parandada, siis öeldi, et ära raiska sellele aega, meile piisab. Teadlane ei rahuldu enamvähem toimivaga,” toob Kotta välja.

Koostöö robootikutega

EXCITE raames on Ülle Kottal ja tema noortel kolleegidel Arvo Kaldmäel, Vadim Kaparinil ning järeldoktor Ashutosh Simhal koostöö kahe rühmaga. Juhtimisvaldkond ongi selline, mis peab leidma koostöövõimalusi teistega.

Maarja Kruusmaa biorobootika rühmaga keskendutakse ühiselt bioloogiast inspireeritud allveerobotite mobiilsusprobleemidele. Sellised robotkalad on ohutumad ja potentsiaalselt ka keskkonda vähem mõjutavad. Ent mainitud eelistega kaasneb keerulisem juhtimisloogika, mille väljatöötamisega tegeleti. Uuriti asümmeetrilise liikumise rolli eesmärgiga parandada taoliste robotite manööverdusvõimet. See projekt on jõudnud nii kaugele, et tehiskala orientatsiooni juhtimist on testitud päris järves.

Asümmeetria printsiip leidis kasutamist ka roboti loibade uudsel lihtsal konstruktsioonil, mille tulemuseks on suurem efektiivsus jõu genereerimisel.

Kolmas projekt koos robootikutega uurib sündmuspõhise juhtimise kasutamist odavatel väikestel allveesõidukitel, mis võimaldab vähendada suhtlust andurite, juhtimismooduli ja täiturite vahel. Et poleks sellist infovahetust, mida parasjagu vaja pole. Infovahetus toimub vaid siis, kui midagi olulist süsteemis muutub. Suhtluse vähenedes on sidekanalite koormus väiksem ja hoitakse ka kokku süsteemi poolt kulutatavat energiat, mis on oluline, kui robot töötab näi-

teks akutoitel. Sündmuspõhisel juhtimisel kasutatakse allveerobotite lameduse omadust. See imeline omadus võimaldab kirjeldada süsteemi käitumist üheainsa muutuja, lameda väljundi kaudu.

Teine koostöö on Kotta rühmal olnud Alvo Aabloo meeskonnaga. Uuritaval teemal on keeruline nimi –ioonjuhitavad elektroaktiivsed polümeertäiturid. Kotta selgitab, et täitur on seade, mille kaudu juhtimist tehakse. Selliste täiturite juhtimismeetodite teemal publitseeriti ka valdkonna esimene ülevaateartikkel.

Materjalid, mis esitavad suure väljakutse

Ioonjuhitavad elektroaktiivsed täiturid on valmistatud huvitavatest ja moodsatest materjalidest. Seal tekib palju uudseid raskusi. Kui meie kasutada on rauatükk, siis see on teada-tuntud materjalist. Nutikad ioonjuhtivad kohvimasinad käituvad aga omamoodi. „Kui kohvimasinad tulevad liinilt, siis need on kõik ühesugused. Uuritud täituritel on aga dünaamiline varieeruvus. Iga eksemplar on mõnevõrra erinev,” kirjeldab Kotta ja lisab, et tillukeste täiturite puhul ei saa reaalelulistes rakendustes kasutada ka andureid. See tähendab, et jooksvalt ei saa mõõtmistulemusi kätte. „Viimased on aga juhtimise hapnik. Tagasiside on juhtimise põhimehhanism, mis võrdleb prognoositud trajektoori, seisundit, taset või asendit tegelikuga. Kui andurit ei ole võimalik külge panna, siis ei ole võimalik mõõta süsteemi olekuid. See viib juhtimise ebatäpsuseni,” räägib Ülle Kotta. Ka keerulisi mudeleid ei ole võimalik reaalajas kasutada, sest kontroller läheb siis keeruliseks. See on tema sõnul tohutu juhtimisprobleemide pundar, mis antud valdkonnas vastu vaatab. Neile probleemidele puuduvad praegu lahendused. Kui soovitakse perioodilist liikumist, korduvat tegevust, siis saab lihtsaid kontrollereid kasutada. Kui aga tuleb hoida fikseeritud asendit või energiataset, siis ei piisa lihtsast kontrollerist.

„Juhtimise seisukohast on valdkond põnev, aga embrüonaalses seisundis,” tõdeb ta.

Protsessid ja süsteemid oleksid hõlpsamalt ja väiksema energiakuluga juhitavad, kui juhtimisinsenerid osaleksid tehnoloogiliste protsesside või instrumentide väljatöötamisel.

Taastuvenergiaallikate mõju

Ülle Kotta räägib ka oma töörühma täiesti uuest teemast, millega tegeletakse koostöös Iisraeli tippülikooliga. See on äärmiselt uudne temaatika, mida veab tenuuriprofessor Juri Belikov. Kotta selgitab esmalt, et elektrivõrgud toimivad tänapäeval aegunud printsiipidel. Neil, mis on juba ligi sada aastat tagasi paika pandud. Samal ajal hakatakse aga üha enam kasutusele võtma taastuvenergiaallikaid. Sellega kaasnevad olulised probleemid. „Taastuvenergiaallikad toodavad energiat suure muutlikkusega – vahel on tuult, vahel on päikest, vahel ei ole. Tohutult on määramatust. Esimene probleem on aga see, kui palju taastuvenergiaallikaid on üldse võimalik integreerida praegustesse võrkudesse, et need töötaksid ja ei hakkaks aset leidma vigu, toimuma katkestusi,” mõtiskleb Kotta. Ei ole nii, et lisad aga muudkui energiat võrku ja midagi ei juhtu. Järgmine samm võiks olla töötada välja uus infrastruktuur, mis arvestab taastuvenergia suurt osakaalu. Sinna tuleb kaasata ka salvestustehnoloogiad. Viimased tulevad mängu, kui koormus on suurem ja taastuvenergiat ei suudeta hetkel piisavalt toota.

Kolmas asjaolu seisneb selles, et energia hind on ajas muutuv. Viimase kaudu saab koormust omakorda tasandada. Kasutada mingites kohtades energiat siis, kui see on odavam. „Uues paradigmas on palju määramatust, mida tuleks arvestada. Refereerin nüüd kolleegi – energeetikud on väga inertne seltskond. Nad ei ole uuele eriti avatud,” kirjeldab Kotta, et energeetikas on tegemist ikkagi n-ö vana tööstusega, mis ei võta uut lihtsalt omaks. Teine teema on siin raha, sest uued lahendused nõuavad palju ressurssi.

Siin tuleb taas mängu see, et juhtimisteooria kasulikkust ei tajuta. Ka insenerid ei tunneta seda. Süsteemid ja seadmed ju kuidagi toimivad, need ei vaja justkui kaasajastamist. Ollak-

Töörühma seminar.

se rahul olemasolevaga, ehkki saaks palju paremini.

Teineteisest arusaamine ja rahastamine

Ettevõtetesisesed uurimistiimid kadusid just siis, kui firmad hakkasid optimeerima kulusid. Loodeti, et tarka teadmist saab ülikoolidelt odavamalt osta. „Suurtes ettevõtetes peaksid olema uurimiskeskused, mis toimiksid vahelülina ülikoolide ja tööstuse vahel. Nendeta jäävad ettevõtlus ja teadus kaugeks ning teineteise jaoks arusaamatuks. See ei ole ainult Eesti probleem. Sama mure on Hispaanias, Itaalias, Prantsusmaal ja teistes meist suuremates riikides.”

Ülle Kotta lisab, et praegu ei anta Euroopast rahastust ülduuringuteks, mis on aga väga olulised. Eriti kui arvestada, et Euroopas on sihikul uued olulised suunad, nagu rohepööre, energeetika, meditsiin ja transpordisüsteemid. Ühe konkreetse firma jaoks töötamine ei anna tema sõnul palju ühiskonna hüvanguks, küll aga teeksid seda laiapõhjalised uuringud. „50 aastat tagasi panustasid teadlased rohkem ühiskonna kui terviku huvidele. Praegu on rakendus ettevõttekeskne. Miks nii? Teadlane ei pidanud siis rabama, et leida raha. Ülikoolis oli palk garanteeritud. Enam see alati nii ei ole. Teadlased peavad rahastust hankima ja ei saa mõelda üldistele probleemidele, nagu rohepööre, kliimaneutraalsus ja transpordisüsteemid,” toob ta välja. Tegelikult peaksid nende teemadega tegelema suured rühmad üle Euroopa.

Kliimaneutraalsuse on enda üheks sihiks võtnud ka Tallinna Tehnikaülikool. Kotta arutleb, et ehk hakkab raha fundamentaaluuringutesse tulema siis ülikooli enda kaudu. Teine äärmus on tema sõnul Prantsusmaa, kus teadlastele on ülikoolides töö garanteeritud. Sa pead ikka millegi väga halvaga hakkama saama, et sind vallandataks. Sa ei pea publitseerima ka eriti suures mahus teadustöid. „Teooria on seal samas väga heal tasemel. Mõnes mõttes ka Itaalias. Meie valdkonna fundamentaalteadus siis. Hea rakendusteaduse leiab aga Saksamaalt, Hollandist ja Rootsist. Soomes on palju juhtimisalaseid rakendusi puidu- ja keemiatööstuses. Eestis sellised suured tööstused puuduvad,” tõdeb Kotta.

Teadlane otsib parimat lahendust, tööstus enam-vähem toimivat. Teadlane ei rahuldu enam-vähem toimivaga.

Muutused juhtimisvaldkonnas endas

Ülle Kotta räägib ka muutustest valdkonnas endas. Alates algusaegadest kuni viimase ajani olid juhtimisobjektide mudelid suures osas teada ja läbi uuritud. Olid täpsed mudelid. Kui juhtimisalgoritm välja töötati, oli see täpne, töökindel ja põhjendatud. Ootamatusi ette ei tulnud. Nüüd on aga rakendusvaldkondade arv plahvatuslikult kasvanud. Enamikus neis puuduvad igasugused mudelid. Seda, mida tahetakse juhtida, ei tunta. Kasutatakse heuristilisi meetodeid. Neid on hakatud käsitlema suurandmete abil. „Siin on omad probleemid. Kui andmed muutuvad, siis ka kontroller peab muutuma. Kui töötame kontrolleri välja, rakendame ja olud muutuvad, siis see ei toimi. Ei ole tõestatud ja turvalist tulemust.”

Kotta selgitab, et tehakse vahet kolmel mudelitüübil. N-ö valge kast tähendab seda, et on teadmine, et kui teeme nii, siis juhtub see. Siis on musta kasti mudel, kus juhttoime läheb sisse, juhitav suurus tuleb teiselt poolt välja – samas ei tea me vahepealsest midagi. Viimaks on ka halli kasti mudelid, kus kasti sees toimuvast on üht-teist teada. „Praegu kasutatakse suurandme-

tepõhist juhtimist tihti ikkagi heuristiliselt. Puudub struktuurne lähenemine. Ei ole põhjalikult läbi uuritud, et tulemus jääks töökindel. Tänapäeva süsteemid lähevad aina keerulisemaks. Hierarhiaid on palju. Osatakse eri tasanditele kontrollereid ja juhtimisalgoritme teha, aga paljudel juhtudel ei ole need ühendatud. Andmed ei liigu abstraktsete valemite tasandile ja sealt programmide tasandile. Oleks tore, kui saaks integreeritud erinevate tasandite juhtimine. Sellest ollakse praegu suhteliselt kaugel,” tõdeb Kotta.

Juhtimisteadmise toomine poliitikasse

Ülle Kotta ütleb, et keeruliste süsteemide juhtimise põhitõed võiksid poliitikutel teada olla. Ühiskond on ikkagi komplekssüsteem. Seal on palju sellistele süsteemidele olemuslikult omast määramatust, mida andmekogumisega leevendada ei anna. Keerukas süsteem on aga ka haavatav. Juhtimisteooria järgi on kõige rumalam tegu optimeerimine ühe eesmärgi suhtes. See tähendab, et kui olukord muutub, siis süsteem või selle osa enam ei toimi. Päästa võiks mitmekesisuse arendamine, mitte lamedaks ja ühesuguseks tegemine. Süsteemi mitmekesisus muudab süsteemi robustsemaks, st aitab paremini keskkonna muutustega toime tulla. Igal elemendil on oma nõrkus ja väiksem mitmekesisus tähendab suuremat haavatavust. Robustsus saavutatakse aga süsteemi tõhususe arvelt. „Teoreetiku vaatepunktist on tõhusaks muutmine hukatuslik. Teine aspekt on see, et juhtimises on kahte tüüpi tagasisidet – positiivne ja negatiivne. Viimane on hea, sest vähendab viga soovitu ja tegeliku vahel. Positiivne tagasiside võimendab viga. Praegu on ühiskonnas palju protsesse, kus toimub positiivne tagasiside. Ei osata lõhkuda positiivse tagasiside ahelaid. Ma räägin näiteks pangamullidest ja aktsiarallidest,” toob ta välja.

Juhtimine ja isejuhtivad sõidukid

Tänapäeval räägitakse üha enam isejuhtivatest sõidukitest. Ülle Kotta räägib, et juhtimisteooriat rakendatakse seal madalamal tasandil. Auto liigub mööda vajalikku trajektoori, ette tuleb takistus ja ta möödub sellest – see on klassikaline juhtimisteooria praktiline väljund. Teine koht, kus teooria saab appi tulla, on mõõteandmetest süsteemi olekute prognoosimine. Seal käib kogu aeg täpsustamine. Nii saab tulevikku prognoosida. „Kus auto on mõne sekundi pärast?” toob Kotta näite ja lisab, et tõelised probleemid selles valdkonnas on seotud muuga. Ta on käinud seminaridel, kus isejuhtivate sõidukitega otseselt seotud inimesed on rääkinud, et praegused autod ei suuda liiklusmärke lugeda ja inimesi vihma korral märgata. „Need toimivad ainult ilusa ilmaga,” toob ta välja.

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE?

Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5)

Ülle Kotta ütleb, et kui juhtimisinsenere kaasataks juba protsesside ja instrumentide projekteerimise ning väljatöötamise algfaasis, siis oleks võimalik luua väga heade juhtimisomadustega süsteeme, mis kasutaksid samal ajal väga vähe ressursse. Ta loodab, et Toomas näeb, kuidas selline lähenemine saab 2050. aastaks valdavaks. Samuti loodab Kotta, et 2050. aastaks on matemaatiline juhtimisteooria tihedalt läbi põimunud andmepõhiste masinõppemeetoditega. Ta näeb ka, et tänapäeva tehnoloogia vajab üldiselt heakskiidetud formalismi, mis integreeriks erinevate hierarhiliste tasandite mudelid/juhtimisalgoritmid tervikuks nii, et juhtimistasandid (üldisem ja detailsem) suhtleksid omavahel ning toimiksid kooskõlas. Lähiminevikus on olnud ja praegugi on oluline veakindel juhtimine. Kuigi see on jätkuvalt oluline ka tulevikus, siis 2050. aastal on olulisem küberturve. Kui nüüd tööstus 4.0 raames automatiseeritakse enamiku tööstusprotsesside toimimine, siis on vaja ka tagada selle turvalisus. Kuigi veakindel juhtimine on mingil määral küberturvalisusega seotud, ei ole see tegelikult selleks mõeldud. Veakindel juhtimine ei hoia vigu ära, vaid leevendab nende tagajärgi. Samas on küberturvalisuse eesmärk just tuvastada ja hoida ära pahatahtlikke rünnakuid. „Seega, kui Toomas istub 2050. aastal isejuhtivasse autosse, siis ta soovib olla kindel, et auto juhtimissüsteem suudab tuvastada ja hoida ära olukordi, kus keegi üritab muuta või mõjutada juhtimisalgoritmi toimimist.” Emma võiks aga teada, et eksootiliste energiaallikate hiljutised uuringud lubavad fantaseerida, et saja aasta pärast on odava ja puhta energia probleem lõplikult lahendatud – olgu see siis taastuv või mõni muu energia (nt külm tuumasüntees). „Kui oletus on õige, annab see paljudes valdkondades kvalitatiivselt uue arenguringi koos täiesti uute juhtimisprobleemidega,” räägib Kotta. Ta loodab, et saja aasta pärast osatase käsitleda komplekssüsteeme. Keeruliste süsteemide modelleerimine, analüüs ja juhtimine nõuab uut tüüpi mudeleid ja intuitsiooni. Selliseid süsteeme ei saa uurida ositi, vaid kui tervikut. „Hetkel puuduvad kvantitatiivsed analüüsi ja sünteesi meetodid ning täpsed matemaatilised mudelid selliste süsteemide uurimiseks. Traditsioonilistes mudelites eristatakse oluline ebaolulisest, keerulistes süsteemides on see võimatu,” selgitab Kotta. Keerukad süsteemid vajavad nn evolutsioonilisi ehk muutuva struktuuriga mudeleid. Ülle Kotta teeb Emma jaoks asja põnevamaks. Ta mainib, et saja aasta pärast toimuvad kosmosereisid, käib kosmose koloniseerimine ja meie seas liiguvad küborgid.