Aplikace RPA ve vědeckých a technických výpočtech

Vstup

Ve škole, abychom si upevnili znalosti, jsme byli požádáni, abychom řešili mnoho podobných příkladů. Celou dobu jsme byli naštvaní: co je tady cenné? Dosaďte do vzorce dvě nebo tři hodnoty a získejte odpověď. Kde je tady myšlenkový úlet? Realita se ukázala být drsnější než škola.

Nyní pracuji jako IT analytik. Před nástupem do IT oboru jsem pracoval jako topenář, programátor CNC a podílel se na výzkumných projektech.

Z vlastní zkušenosti jsem přesvědčen, že inženýři a vědci tráví 95 % svého pracovního času podobnými akcemi „stejného typu“. Vypočítat rovnice, zkontrolovat, zaznamenat výsledky, zkopírovat specifikace. Projekt za projektem, experiment za experimentem, den za dnem.

Zde je několik příkladů z mé předchozí práce.

Do roku 2019 jsem dělal layouty pro tepelné vakuové lisování. Pokud je takový model pokryt vyhřívaným plastem, získáme produkt, který přesně opakuje geometrii tohoto modelu. Popis technologie zde.

Výrobní cyklus makety vyžaduje celou sadu vysoce specializovaných aplikací:

• Autodesk Inventor pro 3D modelování;
• Excel pro nahrání rozměrů obrobku;
• Excel pro výpočet nákladů na rozvržení;
• HSM modul pro tvorbu CNC řídicího programu;
• Počítačový souborový systém pro správu programových souborů;
• Prostředí Mach3 pro ovládání CNC stroje.

Data bylo nutné přenášet ručně z prostředí do prostředí, a to včetně celých tabulek a polí hodnot. Proces je pomalý a často dochází k chybám.

Předtím jsem se podílel na vývoji a výrobě světlovodů (odkaz). Probíhalo tam hodně výzkumu, návrhů a výpočtů: specializovaná prostředí pro tepelné a světelné výpočty (Ansys, Dialux), plus výpočty nákladové efektivity, plus Autocad a Inventor pro modely a výkresy. A zde stejné potíže: výsledek výpočtu z jedné aplikace je třeba pro další výpočet přetáhnout do jiné aplikace. A tak několikrát při hledání optimálního řešení.

Čas inženýra a čas vědce jsou velmi cenným časem. Tady se nebavíme o platu. Za inženýrovými výpočty je velký projekt s týmem. Za výzkumem vědce se skrývá perspektiva celého odvětví. Ale často vysoce kvalifikovaný specialista „hloupě“ přenáší hodnoty z jednoho programu do druhého, místo aby vyvíjel koncepty, modeloval, interpretoval výsledky, diskutoval a brainstorming s kolegy.

Charakteristickým znakem moderního podnikatelského prostředí je rychlost. Trh neustále tlačí. V roce 2014 nám výroba modelu trvala 2-3 týdny. V roce 2018 to byly tři dny, a to už se zdálo příliš dlouhé. Nyní musí návrhář vytvořit několik možností řešení ve stejnou dobu, která byla dříve přidělena pouze jedné možnosti.

A ještě jeden bod – investice a rizika. Aby se podnik „chytil“ projektu, musí před uzavřením smlouvy se zákazníkem investovat ~6 % nákladů na tento projekt do koncepčního rozvoje. Tyto prostředky jdou:

• pro výzkum;
• koncepční design;
• hodnocení mzdových nákladů;
• příprava skic atd.

Firma je bere z vlastní kapsy, jde na vlastní riziko. Pozornost na koncept vyžaduje čas specialistů, kteří jsou zaneprázdněni rutinou.

Po seznámení s nástroji práce v IT firmě jsem se začal zajímat o to, jaké postupy automatizace podnikových procesů by mohly být inženýrům užitečné. Firmy tedy již dlouho používají robotickou automatizaci procesů (RPA) k boji proti rutině.

Výrobci RPA uvádějí následující výhody takového automatizačního nástroje:

1. všestrannost (robot je schopen pracovat s jakoukoli aplikací, s jakýmkoli zdrojem dat);
2. snadnost učení (nejsou vyžadovány žádné hluboké kompetence v programování a správě);
3. rychlost vývoje (dokončený algoritmus zabere méně času než tradiční programování);
4. skutečné odlehčení zaměstnance od rutinních operací.

Na základě těchto kritérií ověříme, jaký je účinek použití RPA v inženýrských/vědeckých výpočtech.

Popis příkladu

Podívejme se na jednoduchý příklad. Je zde vykonzolovaný nosník se zátěží.

Podívejme se na tento problém z pozice inženýra a z pozice vědce.

Kufr „Engineer“: jedná se o konzolový nosník o délce 2 m. Musí unést náklad o hmotnosti 500 kg s 3násobnou bezpečnostní rezervou. Nosník je vyroben z obdélníkové trubky. Je nutné vybrat řez nosníku podle katalogu GOST.

Případ "vědec": zjistěte, jak hmotnost břemene, průřez a délka nosníku ovlivňuje nosnost tohoto nosníku. Odvoďte regresní rovnici.

V obou případech se bere v úvahu gravitační síla, která působí na nosník úměrně hmotnosti nosníku.

Podívejme se podrobně na první případ - „inženýr“. Případ „vědec“ je realizován podobným způsobem.

Technicky je náš příklad velmi jednoduchý. A oborový specialista si to bude moci spočítat jednoduše na kalkulačce. Máme další cíl: ukázat, jak může řešení RPA pomoci, když se úkol stane rozsáhlým.

Ve zjednodušení také poznamenáváme: průřez trubky je ideální obdélník, bez zaoblení rohů, bez zohlednění svaru.

Úkol inženýra

Obecné schéma případu „inženýr“ je následující:

1. Na listu Excel máme tabulku s rozsahem potrubí podle GOST.
2. Pro každou položku v této tabulce musíme vytvořit 3D model v aplikaci Autodesk Inventor.
3. Poté v prostředí Inventor Stress Analys provedeme pevnostní výpočet a výsledek výpočtu nahrajeme do html.
4. Ve výsledném souboru najdeme hodnotu „Maximum von Mises stress“.
5. Výpočet zastavíme, pokud je součinitel bezpečnosti (poměr meze kluzu materiálu k maximálnímu von Misesovu napětí) menší než 3.

Věříme, že nosník vhodného průřezu poskytne 3-násobnou bezpečnostní rezervu a bude mít mimo jiné minimální hmotnost.

Celkem v našem úkolu specialista pracuje se 3 aplikacemi (viz schéma výše). V reálné situaci může být počet aplikací ještě větší.

GOST 8645-68 „Obdélníkové ocelové trubky“ obsahuje 300 položek. V našem ukázkovém problému zkrátíme seznam: vezmeme jednu položku z každé skupiny velikostí. Celkem je k dispozici 19 záznamů, ze kterých si musíte vybrat jeden.

Modelovací prostředí Inventoru, ve kterém budeme model stavět a provádět pevnostní výpočty, obsahuje knihovnu hotových materiálů. Vezmeme materiál paprsku z této knihovny:

Materiál - ocel
Hustota 7,85 g/cu. cm;
Mez kluzu 207 MPa;
Pevnost v tahu 345 MPa;
Youngův modul 210 GPa;
Modul ve smyku 80,7692 GPa.

Takto vypadá trojrozměrný model zatíženého nosníku:

A zde je výsledek pevnostního výpočtu. Systém zabarví zranitelná místa paprsku červeně. To jsou místa, kde je napětí největší. Stupnice vlevo ukazuje hodnotu maximálního napětí v materiálu nosníku.

 

Nyní přeneseme část práce na robota

Pracovní schéma se mění takto:

Robota sestavíme v prostředí Automation Anywhere Community Edition (dále jen AA). Pojďme si projít hodnotící kritéria a popišme subjektivní dojmy.

všestrannost

RPA řešení (zejména komerční) se trvale umisťují jako prostředek automatizace obchodních procesů a automatizace práce kancelářských zaměstnanců. Příklady a školicí kurzy pokrývají interakci s ERP, ECM a Webem. Vše je velmi „kancelářské“.

Zpočátku jsme měli pochybnosti, zda bude AA schopno zachytit rozhraní a data našeho Autodesk Inventoru. Ale všechno opravdu fungovalo: každý prvek, každý ovládací prvek byl definován a zaznamenán. I v obslužných formulářích s tabulkami parametrů získal robot přístup k požadované buňce pouhým namířením myši.

Následovala zkouška se spuštěním studia pevnostních výpočtů. A taky žádný problém. V této fázi jsme museli pečlivě pracovat s pauzami mezi akcemi, kdy systém čeká na dokončení výpočtu.

Načtení výsledných dat z webu a jejich vložení do Excelu proběhlo hladce.
V rámci tohoto úkolu se potvrdila všestrannost. Soudě podle popisů jiných dodavatelů RPA je všestrannost skutečně běžným rysem této kategorie softwaru.

Jednoduché se naučit

Zvládnutí trvalo několik večerů: kurzy, příklady školení – to vše je tam. Mnoho prodejců RPA nabízí školení zdarma. Jediná překážka: rozhraní prostředí a kurzy AA jsou pouze v angličtině.

Rychlost vývoje

Večer jsme vyvinuli a odladili algoritmus pro „inženýrský problém“. Posloupnost akcí byla dokončena pouze ve 44 pokynech. Níže je fragment rozhraní Automation Anywhere s hotovým robotem. Koncept Low code/No code – nebylo potřeba programovat: použili jsme operační záznamníky nebo drug’n’drop z příkazové knihovny. Poté nakonfigurujte parametry v okně vlastností.

Úleva od rutiny

Robot stráví 1 minutu 20 sekund zpracováním jednoho záznamu. Zpracováním jednoho záznamu jsme bez robota strávili přibližně stejně času.

Pokud se bavíme o desítkách a stovkách záznamů, pak se člověk nevyhnutelně unaví a začne se rozptylovat. Specialista může být náhle zaměstnán nějakým jiným úkolem. U člověka část formuláře „Pokud úkol zabere A minut, pak N takových úkolů lze splnit za A * N minut“ nefunguje – vždy to zabere více času.

V našem příkladu bude robot řadit záznamy postupně, počínaje největšími sekcemi. Na velkých polích je to pomalá metoda. Pro urychlení můžete implementovat postupné aproximace, například Newtonovu metodu nebo poloviční dělení.
Výsledek výpočtu:

Tabulka 1. Výsledek výběru průřezu nosníku

Úkol vědce

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

Aby byla regresní rovnice přesná, musí vědec zpracovat velké množství dat.

Pro náš příklad je alokováno pole vstupních proměnných:

• výška profilu trubky;
• šířka;
• tloušťka stěny;
• délka paprsku;
• hmotnost nákladu.

Pokud musíme provést výpočet alespoň pro 3 hodnoty každé proměnné, pak je to celkem 243 opakování. Při dvouminutovém trvání jedné iterace bude celkový čas 8 hodin - celý pracovní den! Pro úplnější studii bychom neměli brát 3 hodnoty, ale 10 nebo více.

V průběhu studie bude jistě jasné, že do modelu je třeba zahrnout další faktory. Například „řídit“ různé třídy oceli. Objem výpočtů se zvyšuje desítky a stovkykrát.

Při skutečném úkolu bude robot schopen uvolnit vědce na několik dní, které specialista použije k přípravě publikace, a to je hlavní ukazatel činnosti vědce.

Shrnutí

Inženýrský „produkt“ je skutečně fungující zařízení, design. Robotizace výpočtů sníží rizika díky hlubšímu rozvoji projektu (více výpočtů, více režimů, více možností).

„Produktem“ vědce je rovnice, vzor nebo jiný kompaktní popis. A čím je přesnější, tím více dat je součástí analýzy. Řešení RPA pomůže generovat informační „jídlo“ pro modely.

Zobecněme náš příklad.

Úlohou výpočtového modelu může být jakýkoli model: model mostu, model motoru, model topného systému. Specialista musí zajistit, aby všechny komponenty modelu byly ve vzájemné správné interakci a aby model poskytoval „vně“ sadu klíčových parametrů-proměnných.

Roli výpočetního prostředí hraje jakákoliv aplikace, kterou specialista při své práci používá. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Nebo něco vyvinutého interně, například program pro výběr ventilátorů ve výrobním závodě (viz programy pro výběr zařízení Systemair).

Za zdroj dat považujeme web, databázi, excelový list a txt soubor.
Konečným výsledkem práce – reportem – je Word dokument s automaticky generovaným textem, excelový graf, sada screenshotů nebo emailový newsletter.

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

• pevnostní výpočty a deformace;
• hydro- a plynová dynamika;
• výměna tepla;
• elektromagnetismus;
• interdisciplinární analýza;
• generativní design;
• řídicí programy pro CNC (například nesting);
• lékařský a biologický výzkum;
• ve výpočtech systémů se zpětnou vazbou nebo nestacionárních systémů (kdy je nutné přenést konečný výsledek do zdrojových dat a výpočet opakovat).

Dnes jsou RPA řešení aktivně využívána v podnikání k automatizaci procesů a práci s daty. Rutina úředníka, inženýra a vědce má mnoho společného. Ukázali jsme, že roboti jsou užiteční v inženýrství a vědě.

Pojďme si shrnout naše dojmy.

1. Všestrannost – ano, RPA je univerzální nástroj.
2. Snadno se učí – ano, jednoduché a dostupné, ale potřebujete jazyk.
3. Rychlost vývoje – ano, algoritmus je sestaven rychle, zvláště když si osvojíte práci s rekordéry.
4. Uvolnění se od rutiny – ano, při rozsáhlých úkolech to může skutečně přinést výhody.

Zdroj: www.habr.com