Primena RPA u naučnim i inženjerskim proračunima

ulazak

U školi smo, radi učvršćivanja znanja, tražili da riješimo mnogo sličnih primjera. Stalno smo se nervirali: šta je tu vredno? Zamijenite dvije ili tri vrijednosti u formulu i dobijte odgovor. Gdje je ovdje let misli? Ispostavilo se da je stvarnost surovija od škole.

Sada radim kao IT analitičar. Prije nego što sam se pridružio IT području, radio sam kao inženjer grijanja, CNC programer i učestvovao u istraživačkim projektima.

Iz vlastitog iskustva, uvjeren sam da inženjeri i naučnici 95% svog radnog vremena troše na takve „istotipne“ radnje. Izračunajte jednačine, provjerite, zabilježite rezultate, kopirajte specifikacije. Projekt za projektom, eksperiment za eksperimentom, dan za danom.

Evo par primjera iz mog prethodnog rada.

Do 2019. radio sam rasporede za termo vakuumsko oblikovanje. Ako je takav model prekriven zagrijanom plastikom, dobićemo proizvod koji tačno ponavlja geometriju ovog modela. Opis tehnologije ovdje.

Ciklus proizvodnje makete zahtijeva čitav niz visoko specijaliziranih aplikacija:

• Autodesk Inventor za 3D modeliranje;
• Excel za učitavanje dimenzija obratka;
• Excel za izračun cijene izgleda;
• HSM modul za kreiranje CNC upravljačkog programa;
• Računalni datotečni sustav za upravljanje programskim datotekama;
• Mach3 okruženje za upravljanje CNC mašinom.

Podaci su se morali ručno prenositi iz okruženja u okruženje, a oni su uključivali čitave tabele i nizove vrijednosti. Proces je spor, a greške se često dešavaju.

Prije toga sam učestvovao u razvoju i proizvodnji svjetlosnih vodiča (link). Bilo je tu mnogo istraživanja, dizajna i proračuna: specijalizovana okruženja za proračune toplote i osvetljenja (Ansys, Dialux), plus proračuni isplativosti, plus Autocad i Inventor za modele i crteže. I ovdje iste poteškoće: rezultat izračuna iz jedne aplikacije treba prevući u drugu aplikaciju za sljedeći proračun. I tako nekoliko puta u potrazi za optimalnim rješenjem.

Vreme inženjera i vreme naučnika su veoma dragoceno vreme. Ovde ne govorimo o plati. Iza inženjerskih proračuna stoji veliki projekat sa timom. Iza naučnikovog istraživanja krije se perspektiva čitave industrije. Ali često visokokvalificirani stručnjak "glupo" prenosi vrijednosti iz jednog programa u drugi umjesto da razvija koncepte, modelira, tumači rezultate, raspravlja i razmišlja s kolegama.

Obilježje modernog poslovnog okruženja je brzina. Tržište konstantno gura. 2014. nam je trebalo 2-3 sedmice da napravimo layout. U 2018. bila su tri dana, a to se već činilo predugo. Sada dizajner mora proizvesti nekoliko opcija rješenja u isto vrijeme koje je prethodno bilo dodijeljeno samo jednoj opciji.

I još jedna stvar – ulaganja i rizici. Da bi „uhvatilo“ projekat, preduzeće mora da uloži oko 6% troškova ovog projekta u konceptualni razvoj pre nego što zaključi ugovor sa kupcem. Ova sredstva idu:

• za istraživanje;
• idejno rješenje;
• procjena troškova rada;
• priprema skica i sl.

Kompanija ih vadi iz svog džepa, to je na sopstveni rizik. Pažnja prema konceptu zahtijeva vrijeme stručnjaka, a oni su zauzeti rutinom.

Nakon što sam se upoznao sa alatima rada u IT kompaniji, zainteresovao sam se koje prakse automatizacije poslovnih procesa mogu biti korisne inženjerima. Stoga, preduzeća već dugo koriste robotsku automatizaciju procesa (RPA) za borbu protiv rutine.

Proizvođači RPA tvrde sljedeće prednosti takvog alata za automatizaciju:

1. svestranost (robot je u stanju da radi sa bilo kojom aplikacijom, sa bilo kojim izvorom podataka);
2. lakoća učenja (nisu potrebne duboke kompetencije u programiranju i administraciji);
3. brzina razvoja (gotovi algoritam traje manje vremena od tradicionalnog programiranja);
4. stvarno rasterećenje radnika od rutinskih operacija.

Na osnovu ovih kriterija provjerit ćemo kakav je učinak korištenja RPA u inženjerskim/naučnim proračunima.

Opis primjera

Pogledajmo jednostavan primjer. Postoji konzolna greda sa teretom.

Pogledajmo ovaj problem sa pozicije inženjera i sa pozicije naučnika.

„Inženjerski” slučaj: postoji konzolna greda dužine 2 m. Mora izdržati teret težine 500 kg sa trostrukom sigurnosnom marginom. Greda je napravljena od pravokutne cijevi. Potrebno je odabrati presjek grede prema GOST katalogu.

Slučaj "naučnik": saznajte kako masa tereta, poprečni presjek i dužina grede utječu na nosivost ove grede. Izvedite jednadžbu regresije.

U oba slučaja uzima se u obzir sila gravitacije koja djeluje na gredu proporcionalno masi grede.

Proučimo detaljno prvi slučaj - "inženjer". Slučaj „naučnik“ implementiran je na sličan način.

Tehnički, naš primjer je vrlo jednostavan. Stručnjak će to moći jednostavno izračunati na kalkulatoru. Imamo još jedan cilj: pokazati kako RPA rješenje može pomoći kada zadatak postane veliki.

U pojednostavljenju, također napominjemo: poprečni presjek cijevi je idealan pravougaonik, bez zaokruživanja uglova, bez uzimanja u obzir zavara.

Inženjerski zadatak

Opća shema "inženjerskog" slučaja je sljedeća:

1. Na Excel listu imamo tabelu s rasponom cijevi prema GOST-u.
2. Za svaki unos u ovoj tabeli, moramo da napravimo 3D model u Autodesk Inventoru.
3. Zatim, u okruženju Inventor Stress Analyses, vršimo proračun snage i učitavamo rezultat proračuna u html.
4. Pronalazimo vrijednost “Maksimalni von Misesov stres” u rezultirajućem fajlu.
5. Zaustavljamo proračun ako je faktor sigurnosti (odnos granice popuštanja materijala i maksimalnog von Misesovog naprezanja) manji od 3.

Vjerujemo da će greda odgovarajućeg poprečnog presjeka osigurati trostruku sigurnosnu marginu i da će imati minimalnu težinu među ostalim opcijama.

Ukupno, u našem zadatku stručnjak radi s 3 aplikacije (vidi dijagram iznad). U stvarnoj situaciji, broj aplikacija može biti i veći.

GOST 8645-68 "Pravokutne čelične cijevi" sadrži 300 unosa. U našem demo problemu, skratit ćemo listu: uzet ćemo po jednu stavku iz porodice svake veličine. Ukupno ima 19 zapisa, od kojih trebate odabrati jedan.

Inventor okruženje za modeliranje, u kojem ćemo graditi model i raditi proračune čvrstoće, sadrži biblioteku gotovih materijala. Preuzećemo materijal za gredu iz ove biblioteke:

Materijal - Čelik
Gustina 7,85 g/cu. cm;
Granica tečenja 207 MPa;
Vlačna čvrstoća 345 MPa;
Youngov modul 210 GPa;
Modul smicanja 80,7692 GPa.

Ovako izgleda trodimenzionalni model opterećene grede:

A evo i rezultata proračuna snage. Sistem zatamnjuje ugrožena područja snopa crvenom bojom. To su mjesta na kojima je napetost najveća. Skala na lijevoj strani pokazuje vrijednost maksimalnog naprezanja u materijalu grede.

 

Sada prebacimo dio posla na robota

Šema rada se mijenja na sljedeći način:

Mi ćemo sastaviti robota u Automation Anywhere Community Edition (u daljem tekstu AA) okruženju. Prođimo kroz kriterije ocjenjivanja i opišemo subjektivne utiske.

Svestranost

RPA rješenja (posebno komercijalna) se uporno pozicioniraju kao sredstvo za automatizaciju poslovnih procesa i automatizaciju rada kancelarijskih službenika. Primeri i kursevi obuke pokrivaju interakciju sa ERP-om, ECM-om i Webom. Sve je veoma “kancelarijsko”.

U početku smo sumnjali da li će AA moći da pokupi interfejs i podatke našeg Autodesk Inventora. Ali sve je zaista funkcioniralo: svaki element, svaka kontrola je definirana i snimljena. Čak iu uslužnim obrascima sa tabelama parametara, robot dobija pristup željenoj ćeliji jednostavnim pokazivanjem miša.

Sljedeći je bio test sa pokretanjem studija za proračun snage. I nema problema. U ovoj fazi morali smo pažljivo raditi sa pauzama između radnji kada sistem čeka da se proračun završi.

Preuzimanje rezultirajućih podataka sa Weba i njihovo umetanje u Excel prošlo je glatko.
U okviru ovog zadatka potvrđena je svestranost. Sudeći po opisima drugih RPA dobavljača, svestranost je zaista uobičajena karakteristika ove kategorije softvera.

Lako se uči

Bilo je potrebno nekoliko večeri za savladavanje: kursevi, primjeri obuke - sve je tu. Mnogi dobavljači RPA nude besplatnu obuku. Jedina prepreka: interfejs okruženja i AA kursevi su samo na engleskom.

Brzina razvoja

Uveče smo razvili i otklonili algoritam za "inženjerski problem". Slijed radnji je završen u samo 44 uputstva. Ispod je fragment interfejsa Automation Anywhere sa gotovim robotom. Koncept niskog koda/bez koda – nije bilo potrebe za programiranjem: koristili smo snimače operacija ili drug’n’drop iz biblioteke komandi. Zatim konfigurišite parametre u prozoru sa svojstvima.

Oslobađanje od rutine

Robot troši 1 minut i 20 sekundi na obradu jednog zapisa. Otprilike isto toliko vremena smo potrošili na obradu jednog zapisa bez robota.

Ako govorimo o desetinama i stotinama zapisa, onda će se osoba neizbježno umoriti i početi ometati. Specijalista može odjednom biti zaokupljen nekim drugim zadatkom. S osobom, proporcija obrasca "Ako zadatak traje A minuta, onda se N takvih zadataka može završiti za A * N minuta" ne funkcionira - uvijek je potrebno više vremena.

U našem primjeru, robot će sortirati zapise uzastopno, počevši od najvećih dijelova. Na velikim nizovima ovo je spora metoda. Da biste ubrzali, možete implementirati uzastopne aproksimacije, na primjer, Newtonov metod ili polovinu dijeljenja.
Rezultat izračuna:

Tabela 1. Rezultat odabira presjeka grede

Zadatak naučnika

Zadatak znanstvenika je provesti nekoliko numeričkih eksperimenata kako bi utvrdio zakon prema kojem se nosivost grede mijenja ovisno o njenom poprečnom presjeku, dužini i masi tereta. Pronađeni zakon se formuliše u obliku regresione jednačine.

Da bi jednačina regresije bila tačna, naučnik mora obraditi veliku količinu podataka.

Za naš primjer, dodijeljen je niz ulaznih varijabli:

• visina profila cijevi;
• width;
• debljina zida;
• dužina grede;
• težina tereta.

Ako moramo napraviti izračun za najmanje 3 vrijednosti svake varijable, onda je to ukupno 243 ponavljanja. Uz dvominutno trajanje jedne iteracije, ukupno vrijeme će biti 8 sati - cijeli radni dan! Za potpuniju studiju ne trebamo uzeti 3 vrijednosti, već 10 ili više.

U toku studije sigurno će postati jasno da u model treba uključiti dodatne faktore. Na primjer, "vozite" različite vrste čelika. Obim proračuna se povećava desetinama i stotinama puta.

Na stvarnom zadatku, robot će moći da oslobodi naučnika nekoliko dana, što će stručnjak koristiti za pripremu publikacije, a to je glavni pokazatelj aktivnosti naučnika.

Rezime

Inženjerski "proizvod" je stvarno funkcionalan uređaj, dizajn. Robotizacija proračuna će smanjiti rizike zbog dubljeg razvoja projekta (više kalkulacija, više modova, više opcija).

„Proizvod“ naučnika je jednačina, obrazac ili drugi kompaktni opis. I što je tačnija, to je više podataka uključeno u analizu. RPA rješenje će pomoći u generiranju informacijske "hrane" za modele.

Hajde da generalizujemo naš primer.

Uloga proračunskog modela može biti bilo koji model: model mosta, model motora, model sistema grijanja. Od stručnjaka se traži da osigura da su sve komponente modela u ispravnoj interakciji jedna s drugom i da model pruža „izvan“ skup ključnih parametara-varijabli.

Ulogu računarskog okruženja igra svaka aplikacija koju stručnjak koristi u svom radu. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ili nešto razvijeno u kući, na primjer, program za odabir ventilatora u proizvodnom pogonu (pogledajte Systemair programe za odabir opreme).

Kao izvor podataka smatramo web stranicu, bazu podataka, Excel list i txt datoteku.
Konačni rezultat rada - izvještaj - je Word dokument sa automatski generiranim tekstom, Excel grafikonom, skupom snimaka ekrana ili e-mail biltenom.

RPA je primenljiv svuda gde je primenljiva inženjerska analiza. Evo nekih oblasti:

• proračuni čvrstoće i deformacija;
• hidro- i gasna dinamika;
• izmjena topline;
• elektromagnetizam;
• interdisciplinarna analiza;
• generativni dizajn;
• upravljački programi za CNC (na primjer, gniježđenje);
• medicinska i biološka istraživanja;
• u proračunima sistema sa povratnom spregom ili nestacionarnih sistema (kada se konačni rezultat mora prenijeti na izvorne podatke i proračun ponoviti).

Danas se RPA rješenja aktivno koriste u poslovanju za automatizaciju procesa i rad s podacima. Rutina kancelarijskog radnika, inženjera i naučnika ima mnogo toga zajedničkog. Pokazali smo da su roboti korisni u inženjerstvu i nauci.

Hajde da sumiramo naše utiske.

1. Svestranost - da, RPA je univerzalno sredstvo.
2. Lako za učenje - da, jednostavno i pristupačno, ali vam je potreban jezik.
3. Brzina razvoja - da, algoritam se brzo sklapa, pogotovo kada se naviknete raditi sa snimačima.
4. Oslobađanje od rutine - da, to zaista može donijeti koristi u velikim zadacima.

izvor: www.habr.com