Yhteistyöllä kohti satamien autonomista kontinkäsittelyä

Satamalogistiikan autonomian kehittyminen avaa liiketoimintamahdollisuuksia, mutta samalla lisääntyvä automaatio herättää turvallisuuteen ja luotettavuuteen liittyviä kysymyksiä. AUTOPORT -projektissa kehitimme systeemisiä lähestymistapoja ja ratkaisuja automatisoitujen työkoneiden turvallisen ja luotettavan toiminnan varmistamiseksi sekä uusia, yhteistyöhön perustuvia liiketoimintamalleja.




Autonomiset laivat ja merenkulku ovat olleet otsikoissa jo muutaman vuoden. Konkreettisia askeleita tähän suuntaan on ottanut muun muassa norjalainen Yara International -yhtiö, jonka Yara Birkeland rahtialuksen liikennöinti on tarkoitus aloittaa vielä tämän vuoden kuluessa.

Yara Birkeland[1] on autonominen ja toimii täysin sähköllä. Vaikka rahtialukseen ei miehistöä tulekaan, sen lastaaminen ja purkaminen vaativat yhä työntekijöitä. Toimitusketjun täysi autonomisuus edellyttäisi myös täysin autonomisia satamatoimintoja. Suurimmat maailmanlaajuisesti toimivat konttisatamat ovat jo täysin tai erittäin pitkälle automatisoituja, mutta lukuisa joukko pieniä ja keskisuuria satamia – kuten Yaran käyttämät satamat – etsivät ratkaisuja, jotka nostavat automaation tasoa kestävällä tavalla.

AUTOPORT (Operational excellence and novel business concepts for autonomous logistic systems in ports) - hankkeessa tarkasteltiin kontinkäsittelyjärjestelmien automaatioon ja autonomiaan sekä digitalisaatioon liittyviä haasteita satamatoiminnoissa. AUTOPORT - projekti käynnistyi vuonna 2019 Business Finlandin tukemana tutkimusorganisaatioiden ja yritysten Co-innovation hankkeena, jossa pyrittiin edistämään myös yritysten välisen yhteistyön uusia muotoja ja toimintaa ekosysteeminä. Konsortion tutkimuslaitosten - Tampereen yliopiston ja VTT:n - lisäksi hankkeessa oli mukana eri toimialojen yrityksiä: Kalmar, Atostek, Exertus, Huld, Intopalo Digital ja Solita.


AUTOPORT -hankkeessa tutkimustyö keskittyi kolmeen osa-alueeseen, joita olivat kustannustehokas automaatio, uudet digitaaliset liiketoimintamahdollisuudet sekä järjestelmän suunnittelu ja validointimenetelmät.



Ekosysteemin toiminta edellyttää luottamusta


AUTOPORT -hankkeessa kehitettiin menettelytapoja, joiden avulla turvallinen ja tehokas kontinkäsittelyn automaatio voidaan toteuttaa pienissä ja keskisuurissa satamissa. Hankekumppanien yhdessä muodostama tiekartta auttoi kaikkia osapuolia paremmin ymmärtämään autonomisten järjestelmien kehittämisen kokonaisuuteen liittyviä haasteita. AUTOPORT -tiekartassa korostuu muutoksen systeeminen luonne. Ratkaisut, joiden avulla voidaan tukea satamaoperaattoreiden pyrkimyksiä automatisoida laitekantaansa, syntyvät vain yritysten osaamisia yhdistämällä ja tutkimuksen keinoin uutta osaamista kehittämällä.


Toiminta ekosysteeminä edellyttää luottamusta, ennakkoluulotonta teknologian kehittämistä ja uusia liiketoimintamalleja. Keskeisiä yhteisen kehittämisen kohteita ovat muun muassa uudet tavat toteuttaa ohjelmistokehitystä ja automatisoitujen toimintojen turvallisuussuunnittelua. Tiekartan muodostaminen edistää myös toiminnan kehittymistä ekosysteemin suuntaan: yhteiset työpajat ja keskustelu auttavat rakentamaan keskinäistä luottamusta sidosryhmien välillä ja sitoutumaan yhteisiin tavoitteisiin.


Toimintojen automatisointi satamaympäristössä nostaa esille uusia turvallisuuteen ja luotettavuuteen liittyviä kysymyksiä ja riskejä. Sataman työkoneiden pitää aina olla turvallisia ja luotettavia, mutta tämä ei enää yksin riitä, jos sataman liikennevirroissa kulkee sekä manuaalisia että automatisoituja työkoneita (ns. mixed traffic). Monimutkainen toimintaympäristö edellyttää myös turvallisuuteen ja luotettavuuteen liittyvien kysymysten tarkastelua sataman toimintojen kokonaisuuden näkökulmasta sekä innovatiivisia ja ennakoivia järjestelmätason turvallisuusratkaisuja.


AUTOPORT -projektissa kokosimme järjestelmäturvallisuuteen liittyviä näkökohtia hyperkirjaan ’Safety engineering guidelines for autonomous machinery in ports and terminals’. Hyperkirja käsittelee automatisoitujen liikkuvien työkoneiden turvallisuusriskejä, turvallisuusstrategioita, suojaustoimenpiteitä ja toiminnallisen turvallisuuden periaatteita sekä niihin liittyvää terminologiaa helposti hyödynnettävässä muodossa.



Monimutkaisten järjestelmien soveltamista


Logistiikkajärjestelmien automaatiosuunnittelun tueksi riskien arviointiin kehitettiin hybridimalli ja ontologia, joka kattaa luotettavuuteen, turvallisuuteen ja tietoturvaan liittyvät kysymykset. Aiemmin VTT:ssä kehitetty mallipohjainen turvallisuussuunnitteluntyökalu päivitettiin tällä ontologialla ja siihen liittyvillä tietomalleilla. Hybridimalliin perustuvassa riskien arviointimenetelmässä hyödynnetään vikapuumenetelmää (FTA) ja poikkeamatarkastelua (HAZOP), sekä uutta VTT:n kehittämää turvallisuusuhka -analyysimenetelmää (STA). Uuden hybridi -ontologian soveltuvuus ja kypsyys olivat testitulosten perusteella hyviä, mutta lisää testausta, erityisesti STA -menetelmän osalta, tarvitaan.


Autonomiset järjestelmät ovat monimutkaisia, ohjelmistointensiivisiä ja jatkuvassa vuorovaikutuksessa ympäristöönsä. AUTOPORT -projektissa sovelsimme STPA (System Theoretic Process Analysis) -menetelmää liikkuvien työkoneiden autonomiaan liittyvien uusien vaarojen tunnistamiseen. STPA:ssa laaditaan hierarkkinen järjestelmämalli, joka visualisoi ohjausrakenteet ja vuorovaikutukset järjestelmän eri toimijoiden välillä, mukaan lukien sekä tekniset ohjausjärjestelmät että järjestelmän käyttäjät.


Systeemilähtöisen prosessianalyysin avulla voidaan tunnistaa järjestelmässä mahdollisesti esiintyvät vaaralliset ohjaustoimenpiteet ja varmistaa, että mahdollisiin vaaratilanteisiin on varauduttu riittävillä turvallisuusratkaisuilla ja riskinhallintatoimenpiteillä. Menetelmän testitulokset olivat lupaavia ja ne esiteltiin arvostetussa MIT STAMP -työpajassa, jonka palaute rohkaisee jatkamaan menetelmän kehittämistä.


Investoinnit automaatioon ja digitalisointiin tuottavat pitkällä tähtäimellä realisoituvia hyötyjä, joita ovat muun muassa parantunut turvallisuus, suunnittelemattomien seisokkien väheneminen sekä työprosessin tehokkuuden ja koko terminaalin suorituskyvyn lisääntyminen. Automaatioratkaisujen tavanomaista ratkaisua korkeampi investointikustannus muodostaa kuitenkin kynnyksen, jonka ylittämiseen tarvitaan uusia tapoja kustannusten ja hyötyjen jakamiseen automaatiohankkeen eri osapuolten välillä. Eräs mahdollinen osa-alue kustannustehokkuutta parantavalle yhteistyölle toimittajaverkostossa löytyy ohjelmistokehityksen alueelta.



Satamatoimintojen tilankäyttö laajenee


Toinen AUTOPORT hankkeessa kehitetty lähestymistapa tarjoaa esimerkkejä siitä, miten erilaiset tavat jakaa investointi- ja käyttökustannuksia järjestelmän ostajan ja toimittajan välillä vaikuttavat eri toimijoiden tuottoihin ja riskeihin. Molemmat lähestymistavat voisivat omalta osaltaan tarjota yritysten yhteistyöhön perustuvia ratkaisuja, joiden avulla automaatio etenee myös pienissä ja keskisuurissa satamissa.


Satamatoimintojen kasvaessa tila rannikolla käy vähiin, ja operaattorit joutuvat hakemaan laajentumismahdollisuuksia myös sisämaasta. Logististen järjestelmien ulottaminen kauemmas sisämaahan ja jokivarsiin edellyttää sidosryhmien laajaa yhteistyötä ja ratkaisuja, joiden avulla maantie-, rautatie- ja sisävesiliikenne nivoutuu satamatoimintojen kanssa. Satamissa tapahtuva autonomisten kuljetusjärjestelmien kehitys voi ulottua myös sisämaan liikenteen solmukohtiin. Satamien ja sisämaan solmukohtien väliset kuljetusreitit tarjoavat kiinnostavan sovelluksen automatisoiduille ja jopa autonomisille konejärjestelmille.



AUTOPORT hankkeen tulokset on koottu yhteen hankkeen nettisivulle https://autoport.fi/dissemination/. Matkamme kohti AUTOPORT hankkeen tiekartan tavoitteena olevia autonomisia ratkaisuja on vasta alussa. Työmme kohti turvallisia ja luotettavia automaatioratkaisuja ja joustavia, kustannustehokkaita palveluita jatkuu SIX Liikkuvien työkoneiden klusterissa.



Risto Tiusanen & Helena Kortelainen


[1] https://edition.cnn.com/2021/08/25/world/yara-birkeland-norway-crewless-container-ship-spc-intl/index.html


Read in English here.