9/23/2015
ENE-C3001 Energiasysteemit
Systeemiajattelu ja mallintaminen
© Kari Alanne
Miksi systeemiajattelua?
Robotiikka
Tavoite nro 1: Kestävä kehitys
Osaoptimointi Kokonaisoptimointi
”Palikkaäly”
Systeemiäly
Tekoäly
Digitalisaatio Energiatehokkuus
Uusiutuva energia
1
9/23/2015
Systeemiajattelu – ”think bigger”
•
•
Ongelma: lokeroitunut ja
erikoistunut ajattelumalli
maailman monimutkaistuessa
Ratkaisu: Systeemiajattelu
– edesauttaa”ison kuvan”
hahmottamista
– rohkaisee ajattelemaan
monipuolisemmin ja
etsimään yhteyksiä ja
vuorovaikutussuhteita
– antaa tilaa
subjektiivisuudelle ja
luovuudelle
Systeemiajattelu on ymmärtämisen
apuväline, jolla voidaan kuvata
monimutkaisten järjestelmien
vaikuttavia osia ja näiden toiminnan
yhteistulosta.
Systeemiajattelu ei pyri jakamaan
tutkittavaa kohdetta osiin, vaan pyrkii
ymmärtämään, miten eri osaset
vaikuttavat kokonaisuuteen.
Systeemiajattelun avulla pyritään
ymmärtämään todellisuutta
rakentamalla vuorovaikutusmalleja
niistä asioista, jotka vaikuttavat
tutkittavaan asiaan.
Lähde: Metodix-tietokanta
Systeeminen
vuorovaikutusmalli
•
•
•
•
Vuorovaikutusmalli on kaavio,
joka kuvaa yksikköprosessien
välisiä vaikutussuhteita
systeemiajattelussa.
Vaikutussuhteet ovat
luonteeltaan vahvistavia (+),
neutraaleja tai heikentäviä (-).
Vuorovaikutusmalli voidaan
laatia vapaamuotoisesti, mutta
muistaen, että sen tehtävä on
auttaa ymmärtämään
systeemin toimintaa.
Esimerkki:
vuorovaikutusmallin käyttö
voimakäsitteen opetuksessa
(Mäkynen, 2014)
2
9/23/2015
Vuorovaikutusmalli & energiasysteemit
•
•
•
Insinöörisovelluksissa
energiasysteemit voidaan
useimmiten tulkita avoimiksi
virtaussysteemeiksi.
Vuorovaikutusmallista on
eniten hyötyä, kun systeemi on
monimutkainen. Se auttaa
tällöin hahmottamaan
esimerkiksi, mitä tapahtuu, kun
systeemin toimintatilaa
muutetaan (”osakuorma”).
Esimerkki: Ilmanvaihtokoje,
jossa neljä (4)
yksikköprosessia:
– 2 puhallinta
– lämmityspatteri
– lämmön talteenotto (LTO)
Tulopuhallin
Poistopuhallin
p+, qV+, T+
p+, qV+, T+
Pohdi, miten vuorovaikutusmalli
muuttuisi, jos järjestelmään otettaisiin
mukaan huonetila, jota
ilmanvaihtojärjestelmä palvelee.
pLTO
pp-, TT+
LämmitysT+ patteri
Mallintaminen
•
Mallintaminen on systeemin
toiminnan kuvaus:
– matemaattinen malli
– pienoismalli
– toimintamalli (vuokaavio tai algoritmi)
•
•
•
Mallintamisen pääasiallinen
tarkoitus on ennustaa systeemin
käyttäytyminen muuttuvissa
olosuhteissa (= simulointi).
Mallintamalla saadaan (yleensä)
tuloksia nopeammin kuin todellista
systeemiä tutkimalla, jolloin
oppiminen nopeutuu.
”Kartta ei ole maasto” eli malli on
aina approksimaatio.
Esimerkki:
Rakennuksen
lämmitysjärjestelmän
mallintaminen TRNSYSsimulointiohjelman avulla.
3
9/23/2015
Yksinkertaistettu malli eli ”grey box”
•
Yksinkertaistettu malli voi olla
tarpeen, kun
– monimutkaista yksikköprosessia tai
järjestelmää mallinnetaan osana
isompaa kokonaisuutta
– tarvitaan yleiskuva järjestelmän
toiminnasta hyvin nopeasti
kohtuullisella tarkkuudella
– laskentateho ja –resurssit ovat
rajalliset
•
•
Malli muodostetaan keräämällä
riittävä määrä dataa todellisesta
systeemistä (mittauksin) tai
systeemistä, jonka fysikaaliset
ilmiöt on mallinnettu tarkasti
(simuloimalla).
Keinoja
– sovitemalli
– graafinen kuvaus (karakteristika)
Esimerkki: Kuivauspyörä (Onnela, 2013)
Mallin topologia eli rakenne:
Soviteyhtälö:   av21  bv11  cL  d
missä vi 
4 q m ,i
D 2 
4