Hiljuti TalTechis tähtajatule kaasprofessori ametikohale valitud liginullenergiahoonete uurimisrühma liige Raimo Simson tajub uue ametiga kaasnevat vastutust, eriti tehisaru ülikiire arengu tõttu. Hoonejuhtimises tuleb tema sõnul “musta kasti” tüüpi tehisarulahendustelt liikuda läbipaistvate lahenduste juurde ning anda masinale kontroll alles siis, kui usaldus on tõendatud.

Teid valiti juunis TalTechi hooneautomaatika ja tehisaru tenuurikohaga kaasprofessoriks. Mida see ametikoht teie jaoks tähendab?

Eelkõige võimalust ühendada kaks asja, mida olen seni teinud paralleelselt: teadustööd ülikoolis ja üle kahekümne aasta praktilist tööd kütte-, ventilatsiooni- ja jahutussüsteemidega. Alustasin tehnosüsteemide paigaldajana, hiljem olen mitmes ettevõttes töötanud objektijuhi, projekteerija, projektijuhi ja konsultandina ning teinud omanikujärelevalvet. Võib öelda, et olen inseneriredeli kõik astmed läbi käinud ja seetõttu on mul küllaltki hea ettekujutus sellest, kuidas hooneid tavaliselt projekteeritakse, ehitatakse ja hiljem käitatakse.

Ametikoha eesmärk on koondada ja tugevdada TalTechis hooneautomaatikat ja tehisaru ühendavat pädevust. Selle juurde kuulub nii teadustöö kui ka õpe. Valmistame ette uut hooneautomaatika peaeriala, sest tööturul napib just inseneritasemel spetsialiste, kes mõistaksid korraga tehnosüsteeme ja nende juhtimist, energiatõhusust, sisekliimat ja andmeid ning oskaksid lahendusi tuleviku muutustega kohandada.

Teadustöö ja õppe kõrval on kolmas oluline osa ülikoolilinnak. TalTechi hooned ulatuvad renoveerimata nõukogudeaegsetest korpustest liginullenergiahooneteni. See on suurepärane katseplatvorm. Uusi juhtimislahendusi saab proovida väga erinevatel seadmetel ja automaatikasüsteemidel ning eri otstarbega ruumides, klassi- ja kontoriruumidest laboriteni.

Minu jaoks isiklikult tähendab see ka vastutust. Kui valdkond areneb nii kiiresti kui tehisaru praegu, peab keegi aitama eristada, mis päriselt töötab ja mis on müügijutt.

Teie teadustöö on seni keskendunud hoonete soojuslikule käitumisele, ülekuumenemisele, sisekliimale ja küttejuhtimisele. Kuidas jõudsite sealt hooneautomaatika ja tehisaruni?

Üsna loomulikku teed pidi. Nii doktorantuuri ajal TalTechis kui ka järeldoktorantuuris Aalto ülikoolis tegelesin eri teadusprojektides väga eri tüüpi tehnosüsteemide simuleerimise ja analüüsiga, alates ujulate tehnosüsteemidest kuni energiavaiade ja kombineeritud soojusallikatega soojuspumbasüsteemideni. Selleks tuli süveneda nii soojus- ja massilevisse, süsteemide hüdraulikasse kui ka juhtimisloogikasse. Eesmärk oli tegelikku süsteemi võimalikult täpselt jäljendada, sealhulgas automaatikat, mis on süsteemi üks olulisemaid osi – sellest sõltuvad nii toimimine kui ka tõhusus.

Viimaste aastate tehisaru kiire areng, eriti suurte keelemudelite läbimurre, tegi selgeks, et tehisarul on palju rakendusvõimalusi ka hooneautomaatikas. Tehisarutööriistad olid selleks ajaks minu igapäevatöös juba tavalised ja nende valdkondade ühisosas olevad uurimissuunad tundusid loogilise jätkuna. Andmeid on hoonetes selleks küllaga. Nüüdisaegne hoone mõõdab tuhandeid näitajaid, kuid neid andmeid kasutatakse peamiselt alarmideks ja arvete kontrollimiseks ning hoone kohta õpitakse neist vähe.

Millised on teie praegused uurimisteemad ja suurimad käsilolevad projektid?

Teemasid, millega liginullenergiahoonete uurimisrühmas tegeleme, seob üks eesmärk: hoone, mis on energiatõhus, kasutajakeskne ja paindlik. See tähendab väiksemat energiakulu, inimese tegelikest vajadustest lähtuvat sisekliimat, seadmete paremat kasutamist ning hoonet, mis kohaneb nii muutuva kasutuse kui ka energiaturu muutustega.

Suur osa tööst puudutab hooneandmeid ning nende kasutamist rikete tuvastamiseks ja ennetamiseks. Projektis HARMONISE jälgime ja optimeerime ühise energiasüsteemiga hoonepiirkondi Hispaanias, Itaalias, Šveitsis ja ka Tallinnas. Juba see projekt on näidanud, kui palju eeltööd on vaja, enne kui saab tehisaru kasutamisest rääkima hakata: hoonete automaatikasüsteemide andmepunktid tuleb korrastada ning siduda nii projektlahenduse kui ka tegeliku olukorraga. Põhiküsimus on, mida tehisarupõhised meetodid päris hoonetes tegelikult suudavad.

Ventilatsiooni ja sisekliima vallas otsime juhtimisviise, mis parandaksid õhukvaliteeti energiakulu kasvatamata, ning uurime koolide ja lasteaedade tegelikku sisekliimat ja energiakasutust. Septembris alustasime kolmeaastase programmiga “Heitevabade hoonete jätkusuutlikud tehnoloogiad”, milles arendame koos ettevõtetega vajaduspõhiseid sisekliimasüsteeme, hoonete energiapaindlikkust ja võimsuse juhtimist ning lahendusi hoonete kliimakindluse ja jahutuse jaoks.

Regulatsiooni poolel osaleme liikmesriikide koostöövõrgustikus EPBD Concerted Action, mis toetab hoonete energiatõhususe direktiivi rakendamist. Eestis analüüsime uusi nõudeid ja nende ülevõtmise võimalusi, näiteks mitteeluhoonete energiatõhususe miinimumnõudeid ja energiakandjate kaalumistegureid. Nii püsib teadustöö seotud sellega, mida hoonetelt praktikas nõutakse.

Kvaliteetsed hooneautomaatikalahendused on praegu reeglina nüüdisaegsete hoonete lahutamatu osa. Kui palju neis praegu tehisaru kasutatakse ja milline on selle potentsiaal tulevikus?

Vähem, kui reklaamist võiks arvata. Peaaegu iga suurem automaatikatootja pakub mõnda “AI-põhist” lahendust. Paljud neist on aga musta kasti tüüpi: kasutaja ei tea, mida tehisaru seal teeb, ja sageli pole andmeid, millega lubatud tulemust kontrollida.

Viimase aja uuringud kinnitavad sama. Hoonete juhtimiseks arendatakse palju tehisarulahendusi, kuid enamik tulemusi on saadud simulatsioonides või laboris. Pikaajalisi katseid päris hoonetes on veel vähe.

See ei tähenda, et potentsiaal oleks väike. Suur osa hoonete energiaraiskamisest ei tulene halbadest seadmetest, vaid halvast juhtimisest. USA-s hinnati, et juhtimise korrastamisega saaks ärihoonete energiakasutust vähendada ligi 30%. Paljud juhtimisprobleemid lahenduvad ka hästi seadistatud tavaautomaatikaga. Tehisaru lisaväärtus tekib seal, kus tuleb õppida muutuvatest kasutusmustritest või leida suurest andmehulgast seoseid, mida etteantud reeglitega on raske kirjeldada.

Samal ajal on oluline muutus toimunud riistvaras. Väikesed ja odavad seadmed, nii kontrollerid kui ka andurid, on muutunud piisavalt võimekaks ja energiatõhusaks, et väiksemad tehisarumudelid saavad töötada otse neis. Analüüs ei pea enam toimuma pilves. Andmeid saab töödelda hoones kohapeal, mis on kiirem, odavam ja privaatsuse mõttes turvalisem.

Lähiaastate suurim potentsiaal on minu hinnangul kolmes valdkonnas: rikete ja ebatõhusa töö varajane avastamine; ennustav juhtimine, mis arvestab ilmaprognoosi, hoone kasutust ja elektri hinda; ning halduri tööriistad, mis teevad hoone andmed inimesele arusaadavaks. Hooneautomaatika peab arenema jälgimissüsteemist andmepõhiseks otsustuskihiks. Auto armatuurlaua näidikud ei ole omaette eesmärk, eesmärk on ohutu ja sujuv sõit. Hoonega on samamoodi: eesmärk ei ole automaatika ise, vaid hästi toimiv hoone.

Hoonete juhtimisel räägitakse peamiselt saavutatavast energiasäästust. Kuidas saab tehisaru aidata tagada ka paremat sisekliimat ning kas need kaks eesmärki on mõnikord omavahel vastuolus?

Traditsiooniliselt nähakse neid vastandlikena: kui parandame sisekliimat, kasvab energiakulu; kui säästame energiat, tuleb mugavuses järele anda. Minu kogemus näitab, et see vastuolu ei ole alati vältimatu.

Võtame tavalise kevadpäeva koolis või kontoris. Hommikul on jahe ja radiaatorid kütavad. Lõunaks paistab päike aknast sisse, ruum läheb liiga soojaks ja inimesed avavad akna, samal ajal kui küte töötab edasi. Energiat raisatakse ja inimestel on ebamugav. Tavaline automaatika reageerib alles siis, kui temperatuur on juba tõusnud, kuid küttesüsteem ja hoone konstruktsioonid annavad salvestunud soojust veel mõnda aega edasi. Tehisaru saab õppida, kuidas iga ruum päikesele ja kasutusele reageerib, ning ilmaprognoosi põhjal kütet aegsasti vähendada. Tulemuseks on mugavam sisekliima ja väiksem kulu.

Vastuolud on siiski olemas. Talvel tähendab iga lisakuupmeeter värsket õhku suuremat küttekulu, suvel nõuab mugav temperatuur jahutust ning kallis elektritund võib langeda just suurima vajaduse ajale. Siin ei ole tehisaru ülesanne vastuolu kaotada, vaid leida iga tunni jaoks parim tasakaal: kui palju õhku anda, kas hoonet öösel ette jahutada ja kui palju võib temperatuur mugavusvahemiku piires kõikuda. Fikseeritud seadeväärtustega seda ei saavuta.

Oluline on, et sisekliima oleks juhtimise eesmärk, mitte kõrvalmõju. Kui algoritmi õpetada ainult energiat säästma, leiab see kõige lihtsama tee: vähendab ventilatsiooni ja langetab talvel temperatuuri. Seetõttu peavad sisekliimanõuded olema algoritmi sisse kirjutatud piiranguna, mida ei tohi rikkuda. Lisaks saab tehisaru siduda omavahel mõõtetulemused ja kasutajate tagasiside. Kui samas ruumis korduvad kaebused umbse õhu või ülekuumenemise kohta, saab süsteem leida põhjuse, näiteks vale ajagraafiku või ebapiisava õhuhulga, ja pakkuda välja lahenduse.

Kuidas mõjutavad uuendatud hoonete energiatõhususe direktiiv ja energiamärgise muudatused hooneautomaatikale esitatavaid nõudeid? Kas need muudatused on teie hinnangul piisavad?

Uuendatud direktiiv paneb hooneautomaatikale selgelt suurema rõhu. Seni kehtis automaatikanõue mitteeluhoonetele, mille kütte-, jahutus- või ventilatsioonisüsteemi nimivõimsus on üle 290 kW. Hiljemalt 2029. aasta lõpuks laieneb nõue mitteeluhoonetele, mille süsteemide võimsus on üle 70 kW, ja see puudutab suurt hulka ärihooneid. Lisanduvad sisekliima seire ja valgustuse automaatjuhtimine. Eestis on direktiivi ülevõtmine praegu pooleli. Energiamärgise poolel on juba tehtud hea samm: mitteeluhoone märgisel saab nüüd eraldi mõõdetud protsessienergia maha arvata, mis annab alamarvestitele tegeliku väärtuse.

Kas see on piisav? Suund on õige, kuid rõhk on endiselt liiga palju sellel, kas süsteem on olemas, ja liiga vähe sellel, kas see töötab hästi. Meie ehitusseadustik nõuab juba praegu, et automaatikasüsteem suudaks energiatarbimist analüüsida ja tuvastada tehnosüsteemide tõhususe langust. Sisuliselt aga ei kontrollita, kas see ka päriselt toimub.

Huvitav on ka see, et nõuetele vastav automaatikasüsteem vabastab hoone kütte- või jahutussüsteemi energiatõhususe ülevaatuse kohustusest. Põhimõte on õige, sest see annab omanikule majandusliku ajendi automaatikasse investeerida. Vabastuse aluseks on aga süsteemi olemasolu ja võimekus, mitte tõend, et süsteem seda tööd päriselt ka teeb.

Millised on praegu tehisaru toel juhitava hoone suurimad riskid? Milline võiks olla hea hoonejuhtimine kümne aasta pärast?

Esimene risk on musta kasti usaldamine. Kui keegi ei saa aru, miks süsteem midagi teeb, ei märka keegi ka seda, kui see eksib. Ja tehisaru paraku eksib. Kui õpetasime välja mudeli, mis ennustab õhutöötlusseadme normaalset käitumist, osutus selle 19 hoiatusest päriselt probleemiks vaid kolm ning needki tulenesid samast rikkest.

Seetõttu on mõistlik alustada nõustaja rollist, kus tehisaru analüüsib, tuvastab ja soovitab, aga otsuse teeb inimene. Masin peab teadma ka seda, millal ta midagi ei tea. Meie katsetes suunab süsteem hoones, mida ta varem näinud pole, peaaegu kõik juhtumid koos võimalike põhjustega inimesele ja nii see praegu peabki olema. Iseseisvust saab süsteemile anda samm-sammult, kui usaldus on tõendatud.

Esimene risk on musta kasti usaldamine. Kui keegi ei saa aru, miks süsteem midagi teeb, ei märka keegi ka seda, kui see eksib. Ja tehisaru paraku eksib.

Teine risk on küberturve. Hooneautomaatika oli pikka aega suletud võrk, nüüd on see ühendatud pilvega ja sellel on kaugligipääs. Iga uus liides on ka uus ründepind.

Kolmas risk on privaatsus, sest kohalolekuandmed näitavad, kus ja millal inimesed viibivad. Lahendus on töödelda toorandmeid kohapeal, anduris või ruumis, ja edastada automaatikasüsteemile ainult anonüümne teave ruumi oleku kohta.

Neljas risk on oskuste puudus. Kui haldurid ei mõista, mida süsteem teeb, lülitavad nad selle kas välja või usaldavad seda pimesi. Mõlemad variandid on halvad.

Täpne ennustus kümne aasta peale oleks praeguse arengutempo juures spekulatsioon, kuid eeldan, et hoonefond ei muutu ühtlaselt, vaid kujuneb kolmekihiliseks. Osa hooneid töötab ka siis samasuguste süsteemide najal nagu praegu: ajagraafikud, seadeväärtused ja alarmid. Teises otsas on hooned, mis juhivad, diagnoosivad ja optimeerivad end suures osas ise. Kolmas ja ilmselt suurim rühm jääb nende kahe vahele: osa funktsioone on automatiseeritud ja andmepõhised, osa toetub endiselt inimese kogemusele.

Kui kiiresti see nihe toimub, sõltub minu hinnangul vähem tehnoloogiast ja rohkem valdkonna kohanemisvõimest. Ehitus- ja kinnisvarasektor liigub IT-valdkonnaga võrreldes märksa aeglasemalt. Hoone ja selle tehnosüsteemide elutsüklit mõõdetakse aastakümnetes, investeerimisotsused on ettevaatlikud ja vastutus jaguneb paljude osapoolte vahel. Tehnoloogia poolest ei ole täielikult autonoomne hoone minu hinnangul kauge tulevik. Küsimus on pigem selles, kui kiiresti suudavad tellijad, projekteerijad, haldurid ja ka õigusruum nende võimalustega kaasa tulla.