Použití RPA v vědeckých a inženýrských výpočtech

Úvod

Ve škole jsme měli vyřešit mnoho podobných příkladů, abychom si upevnili znalosti. Neustále jsme si stěžovali: co je na tom cenného? Dosadit dvě nebo tři hodnoty do vzorce a dostat odpověď. Kde je zde prostor pro kreativity? Realita se ukázala být drsnější než škola.

Nyní pracuji jako analytik v IT. Před příchodem do oblasti IT jsem pracoval jako inženýr tepelné techniky, programátor CNC a podílel jsem se na výzkumných projektech.

Na vlastní zkušenosti jsem zjistil, že 95 % pracovního času inženýři a vědci tráví takovými "podobnými" činnostmi. Výpočty rovnic, kontroly, registrace výsledků, kopírování specifikací. Projekt za projektem, experiment za experimentem, den za dnem.

Zde je pár příkladů z mé bývalé práce.

Do roku 2019 jsem vyráběl modely pro termovakuové tvarování. Pokud takový model obalíte zahřátým plastem, vytvoříte produkt, který přesně reprodukuje geometrii tohoto modelu. Popis technologie tady.

V procesu výroby modelu je potřeba celá řada specializovaných aplikací:

• Autodesk Inventor pro 3D modelování;
• Excel pro export rozměrů polotovaru;
• Excel pro výpočet nákladů na model;
• modul HSM pro vytvoření řídícího programu CNC;
• soubory systému počítače pro správu souborů programů;
• prostředí Mach3 pro ovládání CNC stroje.

Data bylo nutné ručně přenášet z jednoho prostředí do druhého, což byly celé tabulky a pole hodnot. Proces byl pomalý a často docházelo k chybám.

Předtím jsem se účastnil vývoje a výroby optických vláken (odkaz). Bylo tam mnoho výzkumů, projektování a výpočtů: specializovaná prostředí pro tepelné a osvětlovací výpočty (Ansys, Dialux), plus výpočty ekonomické efektivity, plus Autocad a Inventor pro modely a výkresy. A zde byly stejné potíže: výsledky výpočtů z jedné aplikace je třeba přetáhnout do jiné aplikace pro další výpočet. A tak několikrát při hledání optimálního řešení.

Čas inženýra a čas vědce jsou velmi cenné. Nejde zde jen o mzdu. Za odhady inženýra stojí velký projekt s týmem. Za výzkumy vědce stojí perspektiva celého odvětví. Často se však vysoce kvalifikovaný odborník "pouze" přepisuje hodnoty z jednoho programu do druhého, místo aby vyvíjel koncepty, modeloval, interpretoval výsledky, vedl diskuse a brainstormingy s kolegy.

Zvláštností současného obchodního prostředí je rychlost. Trh neustále tlačí. V roce 2014 jsme potřebovali na vytvoření návrhu 2-3 týdny. V roce 2018 - tři dny, a to už se zdálo příliš dlouhé. Nyní musí projektant poskytnout několik variant řešení ve stejném čase, který se dříve vyhraňoval jen na jednu variantu.

A ještě jedna věc - investice a rizika. Aby se podnik "uchytil" projektu, musí před uzavřením smlouvy se zákazníkem investovat do konceptuálního vývoje přibližně 6 % nákladů tohoto projektu. Tyto prostředky zmizí:

• na výzkum;
• konceptuální projektování;
• ocenění pracovního úsilí;
• příprava skic atd.

Společnost je bere ze své kapsy, což je její vlastní riziko. Pozornost věnovaná konceptu vyžaduje čas specialistů, a ti jsou zaneprázdněni rutinou.

Po seznámení se s nástroji práce v IT společnosti jsem se začal zajímat, jaké praktiky z automatizace obchodních procesů by mohly být užitečné inženýrům. Takže podniky už dávno používají robotizaci procesů (RPA) k boji s rutinou.

Výrobci RPA uvádějí následující výhody tohoto nástroje automatizace:

1. univerzálnost (robot je schopen pracovat s jakoukoli aplikací, s jakýmkoli zdrojem dat);
2. snadnost osvojení (nevyžaduje hluboké znalosti programování a administrace);
3. rychlost vývoje (na připravený algoritmus je zapotřebí méně času než při tradičním programování);
4. skutečné odlehčení pracovníka od rutinních operací.

Na základě těchto kritérií zjistíme, jaký efekt má použití RPA v inženýrských/vědeckých výpočtech.

Popis příkladu

Budeme uvažovat jednoduchý příklad. Je zde konzolově upevněná nosná konstrukce s nákladem.

Podívejme se na tento úkol z perspektivy inženýra a z pohledu vědce.

Případ "inženýr": existuje konzolově upevněná trubka o délce 2 m. Ta musí unést náklad o hmotnosti 500 kg s trojnásobnou bezpečnostní rezervou. Trubka je vyrobena z obdélníkového profilu. Je třeba vybrat průřez trubky podle katalogu GOST.

Případ "vědec": zjistit, jak hmotnost nákladu, průřez a délka trubky ovlivňují nosnost této trubky. Vypracovat regresní rovnici.

V obou případech se zohledňuje gravitační síla, která působí na trubku úměrně hmotnosti trubky.

Podrobně prostudujeme právě první případ — "inženýr". Případ "vědec" se realizuje podobným způsobem.

Technicky je náš příklad velmi jednoduchý. A odborník na danou problematiku ho bude schopen snadno spočítat na kalkulačce. Mějme na paměti jiný cíl: ukázat, jak RPA řešení pomůže, když úkol nabývá na rozsahu.

Ve zjednodušení také poznamenáme: průřez trubky — ideální obdélník, bez zaoblení rohů, bez zohlednění sváru.

Úkol inženýra

Celkový schéma případu "inženýr" je následující:

1. Na listu Excel máme tabulku se sortimentem trubek podle GOST.
2. Pro každý záznam z této tabulky musíme vytvořit 3D model v Autodesk Inventor.
3. Poté ve prostředí Inventor Stress Analyses provádíme výpočet pevnosti a exportujeme výsledek výpočtu do formátu HTML.
4. V nalezeném souboru zjistíme hodnotu „Maximální napětí podle Misesa“.
5. Přerušujeme výpočet, pokud bude bezpečnostní faktor (poměr meze kluzu materiálu k maximálnímu napětí podle Misesa) menší než 3.

Předpokládáme, že trubka vhodného průřezu zajistí trojnásobnou bezpečnostní rezervu a bude minimální co do hmotnosti mezi ostatními variantami.

Celkem pracuje specialista v naší úloze se 3 aplikacemi (viz schéma výše). V reálném prostředí často bývá počet aplikací vyšší.

GOST 8645-68 „Ocelové trubky obdélníkové“ obsahuje 300 záznamů. V naší demonstrační úloze zkrátíme seznam: vezmeme jednu pozici z každé velikostní rodiny. Celkem 19 záznamů, z nichž je třeba vybrat jeden.

Prostředí modelování Inventor, ve kterém budeme stavět model a provádět výpočet pevnosti, obsahuje knihovnu hotových materiálů. Materiál trubky zvolíme z této knihovny:

Materiál — Ocel
Hustota 7,85 g/cm³;
Mez kluzu 207 MPa;
Mez pevnosti v tahu 345 MPa;
Youngův modul 210 GPa;
Modul pro střih 80,7692 GPa.

Takto vypadá trojrozměrný model zatížené trubky:

A zde je výsledek statického výpočtu. Systém zvýrazňuje červeně zranitelné oblasti nosníku. Na těchto místech je napětí nejvyšší. Měřítko vlevo ukazuje hodnotu maximálního napětí v materiálu nosníku.

Nyní přenecháme část práce robotovi

Schéma práce se mění následovně:

Robota sestavíme v prostředí Automation Anywhere Community Edition (dále AА). Projdeme si kritéria hodnocení a popíšeme subjektivní pocity.

Univerzálnost

Řešení RPA (zejména komerční) se důrazně prezentují jako prostředek automatizace obchodních procesů, automatizace práce kancelářských zaměstnanců. V příkladech a školeních se probírá interakce s ERP, ECM, Web. Všechno je velmi "kancelářské".

Na začátku jsme měli pochybnosti, zda AA dokáže zachytit rozhraní a data našeho Autodesk Inventoru. Ale vše skutečně fungovalo: každý prvek, každý ovládací prvek byl rozpoznán a zaznamenán. Dokonce i v pomocných formulářích s tabulkami parametrů robot získal přístup k potřebné buňce jednoduše podle pokynu myši.

Dále bylo testování spuštění studia statického výpočtu. A také bez problémů. V této fázi bylo potřeba pečlivě pracovat s pauzami mezi akcemi, kdy systém čeká na dokončení výpočtu.

S získáním závěrečných dat z Webu a jejich vložením do Excelu to proběhlo hladce.
V rámci tohoto úkolu se potvrdila univerzálnost. Soudě podle popisů jiných poskytovatelů RPA je univerzálnost skutečně obecnou vlastností této kategorie softwaru.

Jednoduchost osvojení

Osvojení nám zabralo několik večerů: kurzy, učební příklady – to vše je k dispozici. U mnoha poskytovatelů RPA je školení zdarma. Jedinou překážkou je, že rozhraní a kurzy u AА jsou pouze v angličtině.

Rychlost vývoje

Algoritmus pro "úkol inženýra" jsme vyvinuli a odladili během večera. Sekvence akcí se vešla do pouhých 44 instrukcí. Níže na obrázku je fragment rozhraní Automation Anywhere s hotovým robotem. Koncepce Low code/No code – programovat nebylo třeba: použili jsme rekordéry operací, nebo drag’n’drop z knihovny příkazů. Poté nastavení parametrů v okně vlastností.

Odpoutání od rutiny

Na zpracování jedné položky robot potřebuje 1 min 20 s. Přibližně stejnou dobu jsme potřebovali na zpracování jedné položky bez robota.

Pokud jde o desítky a stovky záznamů, člověk se nevyhnutelně unaví a začne se rozptylovat. Odborníka může nečekaně zaujmout nějaký jiný úkol. S člověkem neplatí pravidlo typu „Pokud úkol trvá A minut, za A*N minut lze vykonat N takových úkolů“ – vždy věnuje více času.

V našem příkladu robot bude procházet záznamy postupně, počínaje největšími průřezy. U velkých objemů dat to není rychlá metoda. Pro urychlení lze implementovat sekvenční aproximace, například Newtonovu metodu nebo metodu půlení.
Výsledek výpočtu:

Tabulka 1. Výsledek výběru průřezu nosníku

Úkol vědce

Úkolem vědce je provést několik numerických experimentů, aby určil zákon, podle kterého se mění nosnost nosníku v závislosti na jeho průřezu, délce a hmotnosti zatížení. Nalezený zákon se formuluje ve formě regresní rovnice.

Aby regresní rovnice byla přesná, musí vědec zpracovat velký objem dat.

Pro náš příklad se vyčlení objem vstupních proměnných:

• výška profilu trubky;
• šířka;
• tloušťka stěny;
• délka nosníku;
• hmotnost zatížení.

Pokud musíme provést výpočet alespoň pro 3 hodnoty každé proměnné, celkem to činí 243 opakování. Při dvouminutové délce jednoho cyklu bude celkový čas již 8 hodin - celý pracovní den! Pro důkladnější zkoumání bychom měli brát ne 3 hodnoty, ale 10 nebo více.

Během výzkumu se určitě ukáže, že do modelu je třeba zahrnout další faktory. Například „testovat“ různé typy ocelí. Objem výpočtů se násobí desetkrát a stokrát.

V reálném úkolu robot ušetří vědci několik dní, které odborník využije k přípravě publikace, což je hlavní ukazatel činnosti vědce.

Shrnutí

„Produkt“ inženýra je skutečně funkční zařízení, konstrukce. Robotizace výpočtů sníží rizika díky důkladnější práci na projektu (více výpočtů, více režimů, více variant).

„Produkt“ vědce je rovnice, zákonitost nebo jiné kompaktní vyjádření. A tím je přesnější, čím více dat bylo zapojeno do analýzy. RPA řešení pomůže vytvářet informační „potravu“ pro modely.

Shrňme náš příklad.

Ve role výpočtového modelu může být jakýkoli model: model mostu, model motoru, model topného systému. Odborníkovi se požaduje, aby všechny komponenty modelu byly ve správné interakci mezi sebou a aby model poskytoval venku soubor klíčových parametrů-proměnných.

Roli výpočtového prostředí hraje jakákoliv aplikace, kterou odborník používá ve své práci. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Nebo něco vlastního vývoje, například program pro výběr ventilátorů v továrně (viz programy pro výběr zařízení Systemair).

Za zdroj dat považujeme jak webovou stránku, tak databázi, list Excel a txt soubor.
Konečný výsledek práce – zpráva – je dokument Word s automaticky vytvořeným textem, diagram Excel, soubor snímků obrazovky nebo rozesílání e-mailů.

RPA je použitelná všude tam, kde je použitelná inženýrská analýza. Zde jsou některé oblasti:

• výpočty pevnosti a deformace;
• hydro- a aerodynamika;
• tepelné výměny;
• elektromagnetismus;
• mezioborová analýza;
• generativní návrh;
• řídicí programy pro CNC (například nesting);
• lékařské a biologické výzkumy;
• při výpočtech systémů s regresní vazbou nebo nestacionárních systémů (kdy je třeba finální výsledek předat do počátečních dat a výpočet zopakovat).

Dnes jsou RPA řešení aktivně používána v podnikání pro automatizaci procesů, práce s daty. V rutině kancelářského pracovníka, inženýra a vědce je toho hodně společného. Ukázali jsme, že roboti jsou vhodní v inženýrské a vědecké činnosti.

Shrňme naše dojmy.

1. Univerzálnost – ano, RPA je univerzální nástroj.
2. Snadnost osvojení – ano, jednoduché a dostupné, ale je potřeba jazyk.
3. Rychlost vývoje – ano, algoritmus se sestavuje rychle, zejména když „získáte rutinu“ v práci s rekordéry.
4. Uvolnění od rutiny – ano, skutečně může přinést užitek v úlohách velkého měřítka.

Zdroj: habr.com