Приложение на RPA в научни и инженерни изчисления

Влизане

В училище, за да консолидираме знанията си, бяхме помолени да решим много подобни примери. През цялото време се дразнехме: какво е ценното тук? Заменете две или три стойности във формулата и получете отговора. Къде е тук полетът на мисълта? Реалността се оказа по-сурова от училището.

Сега работя като ИТ анализатор. Преди да се присъединя към IT сферата, работих като топлотехник, CNC програмист и участвах в изследователски проекти.

От собствен опит съм убеден, че инженерите и учените прекарват 95% от работното си време в подобни „еднотипни“ действия. Изчислете уравнения, проверете, запишете резултатите, копирайте спецификациите. Проект след проект, експеримент след експеримент, ден след ден.

Ето няколко примера от предишната ми работа.

До 2019 г. изработвах макети за термовакуум формоване. Ако такъв модел е покрит с нагрята пластмаса, ще получим продукт, който точно повтаря геометрията на този модел. Описание на технологията тук.

Цикълът на производство на макет изисква цял набор от високоспециализирани приложения:

• Autodesk Inventor за 3D моделиране;
• Excel за качване на размери на детайла;
• Excel за изчисляване на стойността на оформлението;
• HSM модул за създаване на CNC управляваща програма;
• Компютърна файлова система за управление на програмни файлове;
• Mach3 среда за управление на CNC машина.

Данните трябваше да се прехвърлят ръчно от среда в среда и те включваха цели таблици и масиви от стойности. Процесът е бавен и често се случват грешки.

Преди това участвах в разработването и производството на световоди (връзка). Имаше много изследвания, проектиране и изчисления: специализирани среди за топлинни и светлинни изчисления (Ansys, Dialux), плюс изчисления на рентабилността, плюс Autocad и Inventor за модели и чертежи. И тук същите трудности: резултатът от изчислението от едно приложение трябва да бъде преместен в друго приложение за следващото изчисление. И така няколко пъти в търсене на оптималното решение.

Времето на един инженер и времето на един учен са много ценно време. Тук не говорим за заплата. Зад изчисленията на инженера стои голям проект с екип. Зад изследванията на учения се крие перспективата на цяла индустрия. Но често висококвалифициран специалист „глупаво“ прехвърля стойности от една програма в друга, вместо да разработва концепции, моделиране, интерпретиране на резултати, обсъждане и мозъчна атака с колеги.

Отличителна черта на съвременната бизнес среда е бързината. Пазарът непрекъснато натиска. През 2014 г. отнехме 2-3 седмици, за да направим модел. През 2018 г. бяха три дни и това вече изглеждаше твърде дълго. Сега дизайнерът трябва да произведе няколко опции за решение за едно и също време, което преди е било разпределено само за една опция.

И още нещо – инвестиции и рискове. За да „хване“ даден проект, предприятието трябва да инвестира ~6% от стойността на този проект в концептуално развитие, преди да сключи споразумение с клиента. Тези средства отиват:

• за изследване;
• концептуален дизайн;
• оценка на разходите за труд;
• подготовка на скици и др.

Компанията ги взема от собствения си джоб, това е неин риск. Вниманието към концепцията изисква време на специалисти, а те са заети с рутина.

След като се запознах с инструментите на работа в ИТ компания, се заинтересувах какви практики за автоматизация на бизнес процеси могат да бъдат полезни на инженерите. Така фирмите отдавна използват роботизирана автоматизация на процеси (RPA) за борба с рутината.

Производителите на RPA твърдят следните предимства на такъв инструмент за автоматизация:

1. гъвкавост (роботът може да работи с всяко приложение, с всеки източник на данни);
2. лекота на учене (не са необходими дълбоки компетенции в програмирането и администрацията);
3. скорост на разработка (завършеният алгоритъм отнема по-малко време от традиционното програмиране);
4. реално освобождаване на служителя от рутинни операции.

Въз основа на тези критерии ще проверим какъв е ефектът от използването на RPA в инженерни/научни изчисления.

Описание на примера

Нека да разгледаме един прост пример. Има конзолна греда с товар.

Нека да разгледаме този проблем от позицията на инженер и от позицията на учен.

Случай „Инженер“: има конзолна греда с дължина 2 м. Тя трябва да издържи товар с тегло 500 кг с 3-кратна граница на безопасност. Гредата е направена от правоъгълна тръба. Необходимо е да изберете сечението на гредата според каталога на GOST.

Казус "учен": разберете как масата на товара, напречното сечение и дължината на гредата влияят върху носещата способност на тази греда. Изведете регресионното уравнение.

И в двата случая се взема предвид силата на гравитацията, която действа върху гредата пропорционално на масата на гредата.

Нека проучим подробно първия случай - „инженер“. Случаят „учен“ се прилага по подобен начин.

Технически нашият пример е много прост. И специалист по темата ще може да го изчисли просто на калкулатор. Имаме друга цел: да покажем как едно RPA решение може да помогне, когато задачата стане мащабна.

За опростяване отбелязваме също: напречното сечение на тръбата е идеален правоъгълник, без закръгляване на ъглите, без да се взема предвид заварката.

Задача на инженера

Общата схема на случая "инженер" е следната:

1. На лист в Excel имаме таблица с диапазона от тръби според GOST.
2. За всеки запис в тази таблица трябва да изградим 3D модел в Autodesk Inventor.
3. След това в средата Inventor Stress Analyses извършваме изчисление на якост и качваме резултата от изчислението в html.
4. Намираме стойността „Максимално напрежение на фон Мизес“ в получения файл.
5. Спираме изчислението, ако коефициентът на безопасност (отношението на границата на провлачване на материала към максималното напрежение на фон Мизес) е по-малко от 3.

Вярваме, че греда с подходящо напречно сечение ще осигури 3-кратна граница на безопасност и ще бъде с минимално тегло сред другите опции.

Общо в нашата задача специалистът работи с 3 приложения (вижте диаграмата по-горе). В реална ситуация броят на приложенията може да бъде дори по-голям.

GOST 8645-68 „Правоъгълни стоманени тръби“ съдържа 300 позиции. В нашия демонстрационен проблем ще съкратим списъка: ще вземем по един елемент от всяко семейство размери. Има общо 19 записа, от които трябва да изберете един.

Средата за моделиране на Inventor, в която ще изградим модела и ще направим якостни изчисления, съдържа библиотека от готови материали. Ще вземем материала на лъча от тази библиотека:

Материал - стомана
Плътност 7,85 g/cu. см;
Граница на провлачване 207 MPa;
Якост на опън 345 MPa;
Модул на Юнг 210 GPa;
Модул на срязване 80,7692 GPa.

Ето как изглежда триизмерен модел на натоварена греда:

И ето резултата от изчислението на якостта. Системата оцветява уязвимите зони на лъча в червено. Това са местата, където напрежението е най-голямо. Скалата отляво показва стойността на максималното напрежение в материала на гредата.

 

Сега нека прехвърлим част от работата на робота

Схемата на работа се променя, както следва:

Ние ще сглобим робота в среда Automation Anywhere Community Edition (наричана по-нататък AA). Нека да разгледаме критериите за оценка и да опишем субективните впечатления.

гъвкавост

RPA решенията (особено търговските) са упорито позиционирани като средство за автоматизиране на бизнес процеси и автоматизиране на работата на офис служителите. Примерите и курсовете за обучение обхващат взаимодействие с ERP, ECM и Web. Всичко е много „офисно“.

Първоначално имахме съмнения дали AA ще успее да вземе интерфейса и данните на нашия Autodesk Inventor. Но всичко наистина работеше: всеки елемент, всеки контрол беше дефиниран и записан. Дори в сервизни формуляри с таблици с параметри, роботът получаваше достъп до желаната клетка просто чрез посочване на мишката.

Следва тест с пускането на студио за изчисление на якост. И също няма проблем. На този етап трябваше внимателно да работим с паузи между действията, когато системата чака изчислението да завърши.

Извличането на получените данни от мрежата и вмъкването им в Excel мина гладко.
В рамките на тази задача беше потвърдена гъвкавостта. Съдейки по описанията на други доставчици на RPA, гъвкавостта е наистина обща характеристика на тази категория софтуер.

Лесен за научаване

Усвояването отне няколко вечери: курсове, примери за обучение - всичко е там. Много доставчици на RPA предлагат безплатно обучение. Единствената пречка: интерфейсът на околната среда и курсовете на АА са само на английски език.

Скорост на развитие

Вечерта разработихме и отстранихме грешки в алгоритъма за „проблема на инженера“. Последователността от действия е изпълнена само в 44 инструкции. По-долу е даден фрагмент от интерфейса Automation Anywhere с готов робот. Концепция с нисък код/без код – нямаше нужда от програмиране: използвахме устройства за записване на операции или drug’n’drop от библиотеката с команди. След това конфигурирайте параметрите в прозореца със свойства.

Освобождаване от рутината

Роботът прекарва 1 минута 20 секунди за обработка на един запис. Прекарахме приблизително същото време за обработка на един запис без робот.

Ако говорим за десетки и стотици записи, тогава човек неизбежно ще се умори и ще започне да се разсейва. Специалист може внезапно да бъде зает с друга задача. При човек пропорцията от формата „Ако една задача отнема A минути, тогава N такива задачи могат да бъдат изпълнени за A * N минути“ не работи - винаги отнема повече време.

В нашия пример роботът ще сортира записите последователно, започвайки с най-големите секции. При големи масиви това е бавен метод. За да ускорите, можете да приложите последователни приближения, например метод на Нютон или деление на половина.
Резултат от изчислението:

Таблица 1. Резултат от избора на сечението на лъча

Задачата на учения

Задачата на учения е да проведе няколко числени експеримента, за да определи закона, според който носещата способност на гредата се променя в зависимост от нейното напречно сечение, дължина и маса на товара. Намереният закон се формулира под формата на регресионно уравнение.

За да бъде точно регресионното уравнение, ученият трябва да обработи голямо количество данни.

За нашия пример се разпределя масив от входни променливи:

• височина на профила на тръбата;
• ширина;
• дебелина на стената;
• дължина на лъча;
• тегло на товара.

Ако трябва да направим изчислението за поне 3 стойности на всяка променлива, тогава общо това са 243 повторения. При двуминутна продължителност на една итерация, общото време ще бъде 8 часа - цял работен ден! За по-пълно изследване трябва да вземем не 3 стойности, а 10 или повече.

В хода на изследването със сигурност ще стане ясно, че в модела трябва да бъдат включени допълнителни фактори. Например, „карайте“ различни степени на стомана. Обемът на изчисленията нараства десетки и стотици пъти.

При реална задача роботът ще може да освободи учения за няколко дни, които специалистът ще използва за подготовка на публикацията, а това е основният показател за дейността на учения.

Обобщение

„Продуктът“ на инженера е наистина работещо устройство, дизайн. Роботизацията на изчисленията ще намали рисковете поради по-задълбочено развитие на проекта (повече изчисления, повече режими, повече опции).

„Продуктът“ на един учен е уравнение, модел или друго компактно описание. И колкото по-точна е тя, толкова повече данни участват в анализа. RPA решение ще помогне за генерирането на информационна „храна“ за моделите.

Нека обобщим нашия пример.

Ролята на изчислителния модел може да бъде всеки модел: модел на мост, модел на двигател, модел на отоплителна система. От специалиста се изисква да гарантира, че всички компоненти на модела са в правилно взаимодействие помежду си и че моделът предоставя „отвън“ набор от ключови параметри-променливи.

Ролята на изчислителната среда се играе от всяко приложение, което специалистът използва в работата си. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Или нещо вътрешно разработено, например програма за избор на вентилатори в производствено предприятие (вижте програмите за избор на оборудване на Systemair).

Ние считаме уебсайт, база данни, Excel лист и txt файл като източник на данни.
Крайният резултат от работата - отчет - е Word документ с автоматично генериран текст, Excel диаграма, набор от екранни снимки или имейл бюлетин.

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

• якостни изчисления и деформация;
• хидро- и газодинамика;
• топлообмен;
• електромагнетизъм;
• интердисциплинарен анализ;
• генеративен дизайн;
• управляващи програми за ЦПУ (например разкрояване);
• медицински и биологични изследвания;
• при изчисления на системи с обратна връзка или нестационарни системи (когато крайният резултат трябва да се прехвърли към изходните данни и изчислението да се повтори).

Днес RPA решенията се използват активно в бизнеса за автоматизиране на процеси и работа с данни. Рутината на офис служител, инженер и учен има много общи неща. Показахме, че роботите са полезни в инженерството и науката.

Да обобщим впечатленията си.

1. Универсалност - да, RPA е универсален инструмент.
2. Лесен за научаване - да, прост и достъпен, но трябва език.
3. Скорост на разработка - да, алгоритъмът се сглобява бързо, особено когато се научите да работите със записващи устройства.
4. Освобождаване от рутината - да, това наистина може да донесе ползи в мащабни задачи.

Източник: www.habr.com