Приложението на RPA в научни и инженерни изчисления

Въведение

В училището, за да затвърдим знанията, ни задължаваха да решаваме множество едноподобни примери. Постоянно се оплаквахме: каква полза има в това? Да се подставят две-три стойности във формулата и да се получи отговор. Къде е тук творческият процес? Реалността се оказа по-студена, отколкото училището.

В момента работя като анализатор в ИТ сектора. Преди да навляза в ИТ, работих като инженер по топлотехника, программист на числово управляеми машини и участвовать в изследователски проекти.

На база на моето преживяване, установих, че 95% от работното време инженерите и учените губят за подобни "едноподобни" действия. Изчисления на уравнения, проверки, регистрация на резултати, копиране на спецификации. Проект след проект, експеримент след експеримент, ден след ден.

Ето и няколко примера от предишната ми работа.

До 2019 г. правих модели за термовакумен формовъчен процес. Ако такъв модел се покрие с нагрят пластик, получаваме изделие, което точно повторява геометрията на този модел. Описание на технологията тук.

В цикъла на изработване на модела е необходим цял набор от тясно специализирани приложения:

• Autodesk Inventor за 3D моделиране;
• Excel за извеждане на размерите на заготовката;
• Excel за изчисляване на разходите за модела;
• модул HSM за съставяне на управляваща програма за CNC;
• Файловата система на компютъра за управление на файловете на програмите;
• Среда Mach3 за управление на CNC машината.

От среда в среда данните трябваше да се прехвърлят ръчно, а това са цели таблици и масиви от стойности. Процесът е бавен, често се случваха грешки.

Преди това участвах в разработката и производството на оптични влакна (линк). Имаше много изследвания, проектиране и изчисления: специализирани среди за топлотехнически и светлотехнически изчисления (Ansys, Dialux), плюс изчисления за икономическа ефективност, плюс Autocad и Inventor за модели и чертежи. И тук същите трудности: резултатът от изчислението от едно приложение трябва да се пренесе в друго приложение за следващото изчисление. И така няколко пъти в търсене на оптимално решение.

Времето на инженерите и учените е много ценно. Тук не става въпрос за заплата. Зад изчисленията на инженера стои голям проект с екип. Зад изследванията на ученика стои перспективата на цяло изследователско поле. Но често висококвалифицираният специалист "просто" прехвърля стойности от една програма в друга вместо да разработва концепции, моделира, интерпретира резултатите, води диспути и мозъчни щурмове с колегите си.

Характеристиката на съвременната бизнес среда е скоростта. Пазарът все време напредва. През 2014 година за направата на макет ни бяха нужни 2-3 седмици. През 2018 година - три дни, и това вече изглеждаше прекалено дълго. Сега проектантът трябва да предостави няколко варианта на решение за същото време, което преди се отделяше само за един вариант.

И още един момент - инвестиции и рискове. За да "улови" проекта, предприятието преди подписването на договора с клиента трябва да вложи в концептуалната разработка около 6% от стойността на проекта. Тези средства отиват:

• за изследване;
• концептуално проектиране;
• оценка на трудозатратата;
• подготовка на скици и т.н.

Компанията ги взема от собствения си джоб, това е собствен риск. Вниманието към концепцията изисква времето на специалистите, а те са заети с рутинни задачи.

След запознаването с инструментите за работа в ИТ компания, се заинтересувах какви практики от автоматизацията на бизнес процесите биха могли да бъдат полезни за инженерите. Така бизнесът отдавна прилага роботизация на процесите (RPA) за борба с рутината.

Производителите на RPA заявяват следните предимства на този инструмент за автоматизация:

1. универсалност (роботът може да работи с всяко приложение, с всеки източник на данни);
2. простота на усвояване (не изисква дълбоки компетенции в програмирането и администрирането);
3. бързина на разработване (за готов алгоритъм е необходимо по-малко време, отколкото при традиционното програмиране);
4. реално освобождаване на служителя от рутинни операции.

По тези критерии ще проверим какъв е ефектът от използването на RPA в инженерните/научните изчисления.

Описание на примера

Ще разгледаме прост пример. Има конзолно закрепена греда с товар.

Нека погледнем на тази задача от позицията на инженера и от позицията на ученика.

Кейс «инженер»: има конзолно прикрепена греда с дължина 2 м. Тя трябва да държи товар с маса 500 кг с 3-кратен запас устойчивост. Гредата е изработена от правоъгълна тръба. Нужно е да подберем сечението на гредата от каталога ГОСТ.

Кейс «ученый»: да се установи как масата на товара, сечението и дължината на гредата влияят на носимоспособността на гредата. Да се изведе регресионно уравнение.

В двата случая се взима предвид силата на тежестта, която действа на гредата пропорционално на масата на гредата.

Подробно ще разгледаме именно първия случай — «инженер». Кейс «ученый» се реализира по подобен начин.

Технически нашият пример е много прост. И специалистът ще може да го изчисли само с калкулатор. Ние преследваме друга цел: да покажем как RPA-решението ще помогне, когато задачата стане мащабна.

В опростяванията ще отбележим също: сечението на тръбата — идеален правоъгълник, без закръглени ъгли, без да се взема предвид заваръчния шев.

Задача на инженера

Общата схема на кейса «инженер» е такава:

1. На листа Excel имаме таблица с асортимента на тръбите по ГОСТ.
2. За всяка записа от тази таблица трябва да изградим 3D модел в Autodesk Inventor.
3. След това в средата на Inventor Stress Analyses извършваме изчисление на устойчивостта и изнасяме резултата в html.
4. Намираме в получения файл стойността «Максимално напрежение по Мизес».
5. Спрете изчисленията, ако запасът на устойчивост (съотношението на границата на текучество на материала към максималното напрежение по Мизес) е по-малък от 3.

Смятаме, че гредата с подходящо сечение ще осигури 3-кратен запас устойчивост и ще бъде минимална по маса сред другите варианти.

И така, в нашата задача специалистът работи с 3 приложения (виж схемата по-горе). В реалната обстановка количеството приложения може да е и повече.

ГОСТ 8645-68 «Стални правоъгълни тръби» съдържа 300 записа. В нашата демонстрационна задача ще съкратим списъка: ще вземем по една позиция от всяко семейство размери. И така, 19 записа, от които нужно е да изберем един.

Средата на моделиране Inventor, в която ще изградим модела и ще направим изчисление на устойчивостта, съдържа библиотека от готови материали. Материалът на гредата ще приемем от тази библиотека:

Материал — Стомана
Плътност 7,85 г/куб. см;
Граница на текучество 207 MPa;
Граница на счупване 345 MPa;
Модул на Юнг 210 GPa;
Модул на срязване 80,7692 GPa.

Така изглежда триизмерният модел на натоварената греда:

Тук е резултатът от изчисленията за якост. Системата маркира уязвимите области на гредата в червено. В тези места напрежението е най-високо. Лентата отляво показва стойността на максималното напрежение в материала на гредата.

Сега ще предадем част от работата на робота.

Схемата на работа се променя по следния начин:

Робота ще съберем в средата на Automation Anywhere Community Edition (наричана по-нататък АА). Ще преминем през критериите за оценяване и ще опишем субективните впечатления.

Универсалност

RPA решенията (особено търговските) настоятелно се позиционират като средство за автоматизация на бизнес процеси и на работата на офис служители. В примерите и учебните курсове се разглеждат взаимодействия с ERP, ECM, Web. Всичко е много "офисно".

В началото имахме съмнения дали АА ще може да захване интерфейса и данните на нашия Autodesk Inventor. Но всичко наистина проработи: всеки елемент, всеки контрол беше разпознат и записан. Дори в служебните форми с таблици с параметри, роботът получи достъп до нужната клетка просто с указание на мишката.

След това имаше тест с пускането на студията за изчисленията на якост. И отново без проблеми. На този етап трябваше внимателно да работим с паузите между действията, когато системата очаква да завърши изчисленията.

Получаването на окончателни данни от Web и тяхното вставяне в Excel мина гладко.
В рамките на тази задача универсалността бе потвърдена. Съдя по описанията на други доставчици на RPA, универсалността е наистина общо свойство на тази категория софтуер.

Леснота на усвояване

За усвояването минаха няколко вечера: курсове, учебни примери – всичко това го има. При много доставчици на RPA обучението е безплатно. Единственият бариер: интерфейсът на средата и курсовете в АА са само на английски.

Бързина на разработване

Алгоритъмът за "задача на инженера" разработихме и отладихме за вечер. Последователността на действията се събра само в 44 инструкции. По-долу на изображението има фрагмент от интерфейса на Automation Anywhere с готовия робот. Концепцията Low code/No code – не се наложи да програмираме: използвахме рекодери на операции или др Drag’n’drop от библиотеката с команди. След това настройката на параметрите в прозореца със свойства.

Разгрузка от рутинни задачи

Роботът отделя 1 минута и 20 секунди за обработка на една запис. Приблизително толкова време ни отнемаше за обработката на една запис без робот.

Ако става дума за десетки и стотици записи, човекът неминуемо ще се умори и ще започне да се разсейва. Специалистът може внезапно да се заеме с друга задача. С човек пропорцията „Ако задачата отнема A минути, то N такива задачи могат да се изпълнят за A*N минути“ не работи – времето винаги е повече.

В нашия пример роботът ще обходи записите последователно, започвайки от най-големите сечения. При голям обем от данни това не е бърз метод. За да се ускори, могат да се реализират последователни приближения, например, методът на Нютон или половинно деление.
Резултат от изчисленията:

Таблица 1. Резултат от подбора на сечение на гредата

Задача на учените

Задачата на учените е да проведат няколко числени експеримента, за да определят закономерността, по която се променя носимата способност на гредата в зависимост от нейно сечение, дължина и маса на товара. Откритият закон се формулира под формата на регресионно уравнение.

За да бъде регресионното уравнение точно, учените трябва да обработят голям обем данни.

За нашия пример се отделя обем от входни променливи:

• височина на профила на тръбата;
• ширина;
• дебелина на стената;
• дължина на гредата;
• маса на товара.

Ако трябва да направим изчисление за поне 3 стойности на всяка променлива, то общо това е 243 повторения. При продължителност от две минути на една итерация общото време вече ще е 8 часа — един работен ден! За по-пълно проучване трябва да вземем не по 3 стойности, а по 10 или повече.

По време на изследването непременно ще стане ясно, че в модела трябва да бъдат включени допълнителни фактори. Например, да „тества“ различни видове стомана. Обемът на изчисленията нараства десетки и стотици пъти.

В реална задача роботът ще успее да освободи на учените няколко дни, които специалистът ще използва за подготовка на публикация, а това е основен показател за дейността на учените.

Резюме

„Продуктът“ на инженера е реално работещо устройство, конструкция. Роботизацията на изчисленията ще намали рисковете благодарение на по-дълбочинната работа по проекта (повече изчисления, повече режими, повече варианти).

„Продуктът“ на учените е уравнение, закономерност или друго компактно описание. И е толкова по-точно, колкото повече данни са включени в анализа. RPA-решението ще помогне за формирането на информационна „храна“ за моделите.

Обобщаваме нашия пример.

В ролята на изчислителен модел може да бъде всякакъв модел: модел на мост, модел на двигател, модел на отоплителна система. От специалиста се изисква всички компоненти на модела да бъдат в правилното взаимодействие помежду си и моделът да предоставя "навън" набор от ключови параметри-променливи.

Ролята на изчислителната среда играе всяко приложение, което специалистът използва в работата. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Или нещо, разработено самостоятелно, например, програма за подбиране на вентилатори в производствен завод (вж. Програми за подбиране на оборудване Systemair).

В ролята на източник на данни разглеждаме както уебсайт, така и база данни, и Excel лист, и txt файл.
Крайният резултат от работата – доклад – е документ Word с автоматично генериран текст, Excel диаграма, набор от скрийншотов или разпращане на имейли.

RPA е приложимо навсякъде, където е приложим инженерният анализ. Ето някои области:

• оптимизационни изчисления и деформация;
• хидро- и газодинамика;
• топлообмен;
• електромагнетизъм;
• междисциплинарен анализ;
• генеративно проектиране;
• управляващи програми за CNC (например, ностиране);
• медицински и биологични изследвания;
• в изчисления на системи с обратна връзка или нестационарни системи (когато крайният резултат трябва да бъде предаден в входните данни и да се повтори изчислението).

Днес RPA решенията активно се използват в бизнеса за автоматизация на процеси, работа с данни. В рутината на офис служителя, инженера и ученото има много общо. Показахме, че роботите са полезни в инженерната и научна дейност.

Нека обобщим впечатленията ни.

1. Универсалност — да, RPA е универсален инструмент.
2. Лесно усвояване — да, лесно и достъпно, но е необходим език.
3. Бързина на разработка — да, алгоритъмът се сглобява бързо, особено след като "научиш рутината" с рекордерите.
4. Разтоварване от рутината — да, наистина е способен да донесе полза в задачи с голям мащаб.

Източник: habr.com