Anwendung von RPA in wissenschaftlichen und technischen Berechnungen

Eintrag

Um unser Wissen zu festigen, wurden wir in der Schule gebeten, viele ähnliche Beispiele zu lösen. Wir haben uns ständig geärgert: Was ist hier wertvoll? Setzen Sie zwei oder drei Werte in die Formel ein und erhalten Sie die Antwort. Wo ist hier der Gedankenflug? Die Realität erwies sich als härter als die Schule.

Jetzt arbeite ich als IT-Analyst. Bevor ich in die IT-Branche kam, arbeitete ich als Heizungsbauer, CNC-Programmierer und nahm an Forschungsprojekten teil.

Aus eigener Erfahrung bin ich davon überzeugt, dass Ingenieure und Wissenschaftler 95 % ihrer Arbeitszeit mit solchen „gleichartigen“ Tätigkeiten verbringen. Gleichungen berechnen, prüfen, Ergebnisse protokollieren, Spezifikationen kopieren. Projekt für Projekt, Experiment für Experiment, Tag für Tag.

Hier ein paar Beispiele aus meiner bisherigen Arbeit.

Bis 2019 habe ich Layouts für das thermische Vakuumformen erstellt. Wird ein solches Modell mit erhitztem Kunststoff überzogen, erhalten wir ein Produkt, das die Geometrie dieses Modells exakt nachbildet. Beschreibung der Technologie hier.

Der Mock-up-Produktionszyklus erfordert eine ganze Reihe hochspezialisierter Anwendungen:

• Autodesk Inventor für 3D-Modellierung;
• Excel zum Hochladen von Werkstückabmessungen;
• Excel zur Berechnung der Layoutkosten;
• HSM-Modul zur Erstellung eines CNC-Steuerungsprogramms;
• Computerdateisystem zur Verwaltung von Programmdateien;
• Mach3-Umgebung zur Steuerung einer CNC-Maschine.

Daten mussten manuell von Umgebung zu Umgebung übertragen werden, und dazu gehörten ganze Tabellen und Wertefelder. Der Prozess ist langsam und es passieren häufig Fehler.

Davor war ich an der Entwicklung und Produktion von Lichtleitern beteiligt (Link). Dort wurde viel geforscht, entworfen und berechnet: spezielle Umgebungen für Wärme- und Lichtberechnungen (Ansys, Dialux), dazu Wirtschaftlichkeitsberechnungen, dazu Autocad und Inventor für Modelle und Zeichnungen. Und hier die gleichen Schwierigkeiten: Das Berechnungsergebnis einer Anwendung muss für die nächste Berechnung in eine andere Anwendung gezogen werden. Und so mehrmals auf der Suche nach der optimalen Lösung.

Die Zeit eines Ingenieurs und eines Wissenschaftlers ist sehr wertvolle Zeit. Wir reden hier nicht über das Gehalt. Hinter den Berechnungen des Ingenieurs steht ein großes Projekt mit einem Team. Hinter der Forschung des Wissenschaftlers verbirgt sich die Perspektive einer ganzen Branche. Aber oft überträgt ein hochqualifizierter Spezialist „dumm“ Werte von einem Programm auf ein anderes, anstatt Konzepte zu entwickeln, zu modellieren, Ergebnisse zu interpretieren, mit Kollegen zu diskutieren und ein Brainstorming durchzuführen.

Das Markenzeichen des modernen Geschäftsumfelds ist Geschwindigkeit. Der Markt drängt ständig. Im Jahr 2014 haben wir zwei bis drei Wochen gebraucht, um ein Layout zu erstellen. Im Jahr 2 waren es drei Tage, und das kam mir schon zu lang vor. Nun muss der Designer mehrere Lösungsoptionen in derselben Zeit erarbeiten, die zuvor nur einer Option zugewiesen war.

Und noch ein Punkt – Investitionen und Risiken. Um ein Projekt „anzufassen“, muss ein Unternehmen ca. 6 % der Kosten dieses Projekts in die konzeptionelle Entwicklung investieren, bevor es einen Vertrag mit dem Kunden abschließt. Diese Mittel gehen an:

• für die Forschung;
• konzeptionelles Design;
• Arbeitskostenbewertung;
• Anfertigung von Skizzen etc.

Das Unternehmen nimmt sie aus eigener Tasche, das ist sein eigenes Risiko. Die Aufmerksamkeit für das Konzept erfordert die Zeit von Spezialisten, und sie sind mit Routine beschäftigt.

Nachdem ich mich mit den Arbeitsinstrumenten eines IT-Unternehmens vertraut gemacht hatte, interessierte ich mich dafür, welche Praktiken zur Automatisierung von Geschäftsprozessen für Ingenieure nützlich sein könnten. Daher setzen Unternehmen schon seit langem auf Robotic Process Automation (RPA), um der Routine entgegenzuwirken.

RPA-Hersteller behaupten folgende Vorteile eines solchen Automatisierungstools:

1. Vielseitigkeit (der Roboter kann mit jeder Anwendung und jeder Datenquelle arbeiten);
2. einfache Erlernbarkeit (keine tiefgehenden Programmier- und Verwaltungskenntnisse erforderlich);
3. Entwicklungsgeschwindigkeit (der fertige Algorithmus benötigt weniger Zeit als herkömmliche Programmierung);
4. echte Entlastung des Mitarbeiters von Routineeinsätzen.

Anhand dieser Kriterien prüfen wir, welche Auswirkungen der Einsatz von RPA auf ingenieurwissenschaftliche Berechnungen hat.

Beschreibung des Beispiels

Schauen wir uns ein einfaches Beispiel an. Es gibt einen freitragenden Balken mit einer Last.

Betrachten wir dieses Problem aus der Position eines Ingenieurs und aus der Position eines Wissenschaftlers.

„Ingenieur“-Fall: Es handelt sich um einen auskragenden Balken mit einer Länge von 2 m. Er muss eine Last von 500 kg mit einem 3-fachen Sicherheitsabstand tragen. Der Balken besteht aus einem rechteckigen Rohr. Der Balkenabschnitt muss gemäß dem GOST-Katalog ausgewählt werden.

Fall „Wissenschaftler“: Finden Sie heraus, wie sich die Masse der Last, der Querschnitt und die Länge des Balkens auf die Tragfähigkeit dieses Balkens auswirken. Leiten Sie die Regressionsgleichung her.

In beiden Fällen wird die Schwerkraft berücksichtigt, die proportional zur Masse des Balkens auf den Balken wirkt.

Lassen Sie uns den ersten Fall im Detail untersuchen – „Ingenieur“. Der Fall „Wissenschaftler“ wird auf ähnliche Weise umgesetzt.

Technisch gesehen ist unser Beispiel sehr einfach. Und ein Fachspezialist kann es einfach mit einem Taschenrechner berechnen. Wir haben ein weiteres Ziel: zu zeigen, wie eine RPA-Lösung helfen kann, wenn die Aufgabe umfangreich wird.

Zur Vereinfachung stellen wir auch fest: Der Rohrquerschnitt ist ein ideales Rechteck, ohne Abrundung der Ecken, ohne Berücksichtigung der Schweißnaht.

Aufgabe des Ingenieurs

Das allgemeine Schema des Falles „Ingenieur“ ist wie folgt:

1. Auf einer Excel-Tabelle haben wir eine Tabelle mit dem Rohrsortiment nach GOST.
2. Für jeden Eintrag in dieser Tabelle müssen wir ein 3D-Modell in Autodesk Inventor erstellen.
3. Anschließend führen wir in der Inventor Stress Analyses-Umgebung eine Festigkeitsberechnung durch und laden das Berechnungsergebnis in HTML hoch.
4. In der resultierenden Datei finden wir den Wert „Maximale von Mises-Spannung“.
5. Wir brechen die Berechnung ab, wenn der Sicherheitsfaktor (das Verhältnis der Streckgrenze des Materials zur maximalen von Mises-Spannung) weniger als 3 beträgt.

Wir glauben, dass ein Träger mit geeignetem Querschnitt unter anderem einen dreifachen Sicherheitsspielraum bietet und ein minimales Gewicht aufweist.

Insgesamt arbeitet der Spezialist in unserer Aufgabe mit 3 Anwendungen (siehe Abbildung oben). In einer realen Situation kann die Anzahl der Anwendungen sogar noch größer sein.

GOST 8645-68 „Rechteckige Stahlrohre“ enthält 300 Einträge. In unserer Demo-Aufgabe kürzen wir die Liste: Wir nehmen aus jeder Größenfamilie einen Artikel. Insgesamt gibt es 19 Datensätze, aus denen Sie einen auswählen müssen.

Die Inventor-Modellierungsumgebung, in der wir das Modell erstellen und Festigkeitsberechnungen durchführen, enthält eine Bibliothek mit vorgefertigten Materialien. Wir werden das Balkenmaterial aus dieser Bibliothek übernehmen:

Material - Stahl
Dichte 7,85 g/cu. cm;
Streckgrenze 207 MPa;
Zugfestigkeit 345 MPa;
Elastizitätsmodul 210 GPa;
Schermodul 80,7692 GPa.

So sieht ein dreidimensionales Modell eines belasteten Balkens aus:

Und hier ist das Ergebnis der Festigkeitsberechnung. Das System färbt gefährdete Bereiche des Strahls rot. Das sind die Orte, an denen die Spannung am größten ist. Die Skala links zeigt den Wert der maximalen Spannung im Balkenmaterial.

 

Lassen Sie uns nun einen Teil der Arbeit auf den Roboter übertragen

Das Arbeitsschema ändert sich wie folgt:

Wir werden den Roboter in der Automation Anywhere Community Edition-Umgebung (im Folgenden als AA bezeichnet) zusammenbauen. Gehen wir die Bewertungskriterien durch und beschreiben subjektive Eindrücke.

Universalismus

RPA-Lösungen (insbesondere kommerzielle) werden hartnäckig als Mittel zur Automatisierung von Geschäftsprozessen und zur Automatisierung der Arbeit von Büromitarbeitern positioniert. Beispiele und Schulungen behandeln den Umgang mit ERP, ECM und Web. Alles ist sehr „büromäßig“.

Zunächst hatten wir Zweifel, ob AA die Schnittstelle und Daten unseres Autodesk Inventors übernehmen könnte. Aber es hat wirklich alles funktioniert: Jedes Element, jede Steuerung wurde definiert und aufgezeichnet. Auch bei Leistungsformularen mit Parametertabellen gelangte der Roboter durch einfaches Zeigen mit der Maus auf die gewünschte Zelle.

Als nächstes folgte ein Test mit der Einführung eines Festigkeitsberechnungsstudios. Und auch kein Problem. Zu diesem Zeitpunkt mussten wir sorgfältig mit Pausen zwischen den Aktionen arbeiten, wenn das System auf den Abschluss der Berechnung wartet.

Das Abrufen der resultierenden Daten aus dem Web und das Einfügen in Excel verlief reibungslos.
Bei dieser Aufgabe wurde die Vielseitigkeit bestätigt. Den Beschreibungen anderer RPA-Anbieter nach zu urteilen, ist Vielseitigkeit tatsächlich ein gemeinsames Merkmal dieser Softwarekategorie.

Leicht zu lernen

Es hat mehrere Abende gedauert, es zu meistern: Kurse, Trainingsbeispiele – es ist alles da. Viele RPA-Anbieter bieten kostenlose Schulungen an. Das einzige Hindernis: Die Umweltschnittstelle und die AA-Kurse sind nur auf Englisch.

Geschwindigkeit der Entwicklung

Am Abend haben wir den Algorithmus für das „Ingenieurproblem“ entwickelt und debuggt. Der Handlungsablauf wurde in nur 44 Anweisungen abgeschlossen. Unten sehen Sie einen Ausschnitt der Automation Anywhere-Schnittstelle mit einem fertigen Roboter. Low-Code/No-Code-Konzept – es war keine Programmierung erforderlich: Wir nutzten Operationsrekorder oder Drug’n’Drop aus der Befehlsbibliothek. Anschließend konfigurieren Sie die Parameter im Eigenschaftenfenster.

Befreiung von der Routine

Der Roboter verbringt 1 Minute und 20 Sekunden mit der Verarbeitung eines Datensatzes. Wir haben ungefähr genauso viel Zeit damit verbracht, einen Datensatz ohne Roboter zu verarbeiten.

Wenn wir über Dutzende und Hunderte von Datensätzen sprechen, wird eine Person unweigerlich müde und beginnt, abgelenkt zu werden. Ein Spezialist kann plötzlich mit einer anderen Aufgabe beschäftigt sein. Bei einer Person funktioniert ein Anteil der Form „Wenn eine Aufgabe A Minuten dauert, dann können N solcher Aufgaben in A * N Minuten erledigt werden“ nicht – es dauert immer mehr Zeit.

In unserem Beispiel sortiert der Roboter die Datensätze der Reihe nach, beginnend mit den größten Abschnitten. Bei großen Arrays ist dies eine langsame Methode. Zur Beschleunigung können Sie sukzessive Näherungen implementieren, beispielsweise die Newton-Methode oder die Halbdivision.
Berechnungsergebnis:

Tabelle 1. Ergebnis der Auswahl des Balkenabschnitts

Aufgabe des Wissenschaftlers

Die Aufgabe des Wissenschaftlers besteht darin, in mehreren numerischen Experimenten das Gesetz zu ermitteln, nach dem sich die Tragfähigkeit eines Balkens in Abhängigkeit von seinem Querschnitt, seiner Länge und der Masse der Last ändert. Das gefundene Gesetz wird in Form einer Regressionsgleichung formuliert.

Damit eine Regressionsgleichung korrekt ist, muss ein Wissenschaftler eine große Datenmenge verarbeiten.

Für unser Beispiel wird ein Array von Eingabevariablen zugewiesen:

• Rohrprofilhöhe;
• Breite;
• Wandstärke;
• Balkenlänge;
• Gewicht der Ladung.

Wenn wir die Berechnung für mindestens 3 Werte jeder Variablen durchführen müssen, sind das insgesamt 243 Wiederholungen. Bei einer zweiminütigen Dauer einer Iteration beträgt die Gesamtzeit 8 Stunden – ein ganzer Arbeitstag! Für eine umfassendere Studie sollten wir nicht 3 Werte, sondern 10 oder mehr nehmen.

Im Laufe der Studie wird sich sicherlich herausstellen, dass weitere Faktoren in das Modell einbezogen werden müssen. „Fahren“ Sie beispielsweise verschiedene Stahlsorten. Das Rechenvolumen erhöht sich um das Zehn- und Hundertfache.

Bei einer realen Aufgabe kann der Roboter dem Wissenschaftler mehrere Tage Zeit lassen, die der Spezialist für die Vorbereitung der Veröffentlichung nutzen kann, und dies ist der Hauptindikator für die Aktivität des Wissenschaftlers.

Zusammenfassung

Das „Produkt“ eines Ingenieurs ist ein wirklich funktionierendes Gerät, ein Design. Durch die Robotisierung von Berechnungen werden die Risiken aufgrund der tieferen Entwicklung des Projekts (mehr Berechnungen, mehr Modi, mehr Optionen) verringert.

Das „Produkt“ eines Wissenschaftlers ist eine Gleichung, ein Muster oder eine andere kompakte Beschreibung. Und je genauer es ist, desto mehr Daten fließen in die Analyse ein. Eine RPA-Lösung wird dabei helfen, Informationsnahrung für Modelle zu generieren.

Lassen Sie uns unser Beispiel verallgemeinern.

Die Rolle des Berechnungsmodells kann jedes beliebige Modell sein: ein Brückenmodell, ein Motormodell, ein Heizsystemmodell. Der Spezialist muss sicherstellen, dass alle Komponenten des Modells in korrekter Wechselwirkung miteinander stehen und dass das Modell „außerhalb“ eine Reihe wichtiger Parameter-Variablen bereitstellt.

Die Rolle der Computerumgebung spielt jede Anwendung, die ein Spezialist bei seiner Arbeit verwendet. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Oder etwas, das selbst entwickelt wurde, zum Beispiel ein Programm zur Auswahl von Ventilatoren in einer Produktionsanlage (siehe Geräteauswahlprogramme von Systemair).

Als Datenquelle betrachten wir eine Website, eine Datenbank, eine Excel-Tabelle und eine TXT-Datei.
Das Endergebnis der Arbeit – ein Bericht – ist ein Word-Dokument mit automatisch generiertem Text, ein Excel-Diagramm, eine Reihe von Screenshots oder ein E-Mail-Newsletter.

RPA ist überall dort anwendbar, wo technische Analysen anwendbar sind. Hier sind einige Bereiche:

• Festigkeitsberechnungen und Verformung;
• Hydro- und Gasdynamik;
• Wärmeaustausch;
• Elektromagnetismus;
• interdisziplinäre Analyse;
• generatives Design;
• Steuerungsprogramme für CNC (zum Beispiel Nesting);
• medizinische und biologische Forschung;
• bei Berechnungen von Systemen mit Rückkopplung oder instationären Systemen (wenn das Endergebnis auf die Quelldaten übertragen und die Berechnung wiederholt werden muss).

Heutzutage werden RPA-Lösungen in Unternehmen aktiv eingesetzt, um Prozesse zu automatisieren und mit Daten zu arbeiten. Der Alltag eines Büroangestellten, eines Ingenieurs und eines Wissenschaftlers hat viele Gemeinsamkeiten. Wir haben gezeigt, dass Roboter in Technik und Wissenschaft nützlich sind.

Fassen wir unsere Eindrücke zusammen.

1. Vielseitigkeit – ja, RPA ist ein universelles Werkzeug.
2. Leicht zu erlernen – ja, einfach und zugänglich, aber Sie brauchen eine Sprache.
3. Entwicklungsgeschwindigkeit – ja, der Algorithmus ist schnell zusammengestellt, insbesondere wenn Sie den Dreh raus haben, mit Rekordern zu arbeiten.
4. Sich von der Routine befreien – ja, das kann bei umfangreichen Aufgaben wirklich Vorteile bringen.

Source: habr.com