Introducción
En la escuela, para afianzar el conocimiento, nos asignaban resolver numerosos ejemplos similares. Siempre nos frustrábamos: ¿qué valor tiene esto? Sustituir dos o tres valores en una fórmula y obtener una respuesta. ¿Dónde está el vuelo de la mente? La realidad resultó ser más dura que la escuela.
Actualmente trabajo como analista en TI. Antes de entrar en el sector de TI, trabajé como ingeniero térmico, programador de CNC y participé en proyectos de investigación.
A partir de mi experiencia, he comprobado que el 95% del tiempo laboral los ingenieros y científicos dedican a estas acciones «similares». Cálculos de ecuaciones, verificaciones, registro de resultados, copiado de especificaciones. Proyecto tras proyecto, experimento tras experimento, día tras día.
Aquí hay un par de ejemplos de mi trabajo anterior.
Hasta 2019, hice maquetas para la conformación termo-vacuum. Si recubrimos esta maqueta con plástico calentado, obtendremos un producto que replica exactamente la geometría de esa maqueta. Descripción de la tecnología .
En el ciclo de fabricación de la maqueta se necesita todo un conjunto de aplicaciones altamente especializadas:
- Autodesk Inventor para modelado 3D;
- Excel para exportar las dimensiones de la pieza;
- Excel para calcular el costo de la maqueta;
- módulo HSM para crear el programa de control para CNC;
- Sistema de archivos del ordenador para gestionar los archivos de los programas;
- Entorno Mach3 para controlar la máquina CNC.
De un entorno a otro, los datos tenían que ser transferidos manualmente, lo que implicaba tablas completas y grandes cantidades de valores. El proceso era lento, y frecuentemente ocurrían errores.
Antes de esto, participé en el desarrollo y producción de guías de luz (). Hubo muchas investigaciones, diseños y cálculos: entornos especializados para cálculos térmicos y fotométricos (Ansys, Dialux), además de cálculos de rentabilidad, más Autocad e Inventor para modelos y planos. Y aquí las mismas dificultades: el resultado de un cálculo de una aplicación debe ser trasladado a otra aplicación para el siguiente cálculo. Y así varias veces en busca de la solución óptima.
El tiempo de un ingeniero y el tiempo de un investigador son tiempos muy valiosos. No se trata solo de salario. Detrás de los cálculos de un ingeniero hay un gran proyecto con un equipo. Detrás de las investigaciones de un científico está la perspectiva de toda una industria. Pero a menudo, un especialista altamente calificado simplemente transfiere datos de un programa a otro, en lugar de desarrollar conceptos, modelar, interpretar resultados, discutir y hacer lluvias de ideas con colegas.
Una característica del entorno empresarial actual es la velocidad. El mercado siempre está presionando. En 2014, tomar un modelo nos llevaba de 2 a 3 semanas. En 2018, eran tres días, y eso ya parecía demasiado tiempo. Actualmente, un diseñador debe presentar varias opciones de solución en el mismo tiempo que antes solo se dedicaba a una opción.
Y otro punto: inversión y riesgos. Para engancharse a un proyecto, una empresa debe invertir aproximadamente el 6% del costo del proyecto en el desarrollo conceptual antes de firmar un contrato con el cliente. Estos fondos se destinan a:
- investigación;
- diseño conceptual;
- evaluación de la carga de trabajo;
- preparación de bocetos, etc.
La empresa asume este costo, es un riesgo propio. La atención a la concepción requiere tiempo de los especialistas, y ellos están ocupados en la rutina.
Después de familiarizarme con las herramientas de trabajo en una empresa de TI, me interesé por qué prácticas de automatización de procesos de negocio podrían ser útiles para los ingenieros. Así, el negocio ha estado utilizando la robotización de procesos (RPA) desde hace tiempo para combatir la rutina.
Los fabricantes de RPA afirman las siguientes ventajas de esta herramienta de automatización:
- versatilidad (el robot puede trabajar con cualquier aplicación, con cualquier fuente de datos);
- facilidad de aprendizaje (no se requieren profundos conocimientos en programación y administración);
- rapidez en el desarrollo (se necesita menos tiempo para un algoritmo listo que en la programación tradicional);
- desahogo real del empleado de operaciones rutinarias.
Con estos criterios, evaluaremos cuál es el efecto del uso de RPA en cálculos de ingeniería/científicos.
Descripción del ejemplo
Consideraremos un ejemplo simple. Hay una viga asegurada en consola con carga.
Veamos este problema desde la perspectiva del ingeniero y desde la del científico.
Caso «ingeniero»: hay una viga de 2 m de longitud fijada por consola. Debe soportar una carga de 500 kg con un factor de seguridad de 3. La viga está hecha de un tubo rectangular. Necesitamos seleccionar la sección de la viga del catálogo GOST.
Caso «científico»: averiguar cómo influyen la masa de la carga, la sección y la longitud de la viga en la capacidad de carga de esta viga. Presentar la ecuación de regresión.
En ambos casos se considera la fuerza de gravedad, que actúa sobre la viga en proporción a la masa de la viga.
Estudiaremos en detalle el primer caso — «ingeniero». El caso «científico» se implementa de manera similar.
Técnicamente, nuestro ejemplo es muy simple. Y un especialista en la materia podrá calcularlo fácilmente con una calculadora. Nuestro objetivo es otro: mostrar cómo una solución RPA puede ayudar cuando la tarea se vuelve escalable.
En las simplificaciones, también anotaremos que: la sección del tubo es un rectángulo perfecto, sin esquinas redondeadas y sin considerar la costura de soldadura.
La tarea del ingeniero
El esquema general del caso «ingeniero» es el siguiente:
- En una hoja de Excel tenemos una tabla con el surtido de tubos según GOST.
- Para cada entrada de esta tabla, debemos construir un modelo 3D en Autodesk Inventor.
- Luego, en el entorno de Inventor Stress Analyses, realizamos el cálculo de resistencia y exportamos el resultado del cálculo en formato html.
- Buscamos en el archivo obtenido el valor de «Máxima tensión según von Mises».
- Detenemos el cálculo si el factor de seguridad (la relación entre el límite de fluencia del material y la máxima tensión según von Mises) es menor a 3.
Consideramos que una viga con la sección adecuada proporcionará un factor de seguridad de 3 y será la más mínima en masa entre otras opciones.
En total, en nuestra tarea, el especialista trabaja con 3 aplicaciones (ver el esquema anterior). En un entorno real, el número de aplicaciones puede ser aún mayor.
GOST 8645-68 «Tuberías de acero rectangulares» contiene 300 entradas. En nuestra tarea de demostración, reduciremos la lista: tomaremos una posición de cada familia de tamaños. En total, 19 entradas, de las cuales hay que seleccionar una.
El entorno de modelado Inventor, en el que construiremos el modelo y realizaremos el cálculo de resistencia, contiene una biblioteca de materiales listos. Aceptaremos el material de la viga de esta biblioteca:
Material — Acero
Densidad 7,85 g/cm³;
Límite de fluencia 207 MPa;
Límite de ruptura 345 MPa;
Módulo de Young 210 GPa;
Módulo de corte 80,7692 GPa.
Así se ve el modelo tridimensional de la viga cargada:
Y aquí está el resultado del cálculo de resistencia. El sistema resalta en rojo las áreas vulnerables de la viga. En estos puntos, la tensión es la más alta. La escala a la izquierda muestra el valor de la tensión máxima en el material de la viga.
Ahora transferiremos parte del trabajo al robot.
El esquema de trabajo cambia de la siguiente manera:
Vamos a construir el robot en el entorno de Automation Anywhere Community Edition (en adelante AA). Revisaremos los criterios de evaluación y describiremos las impresiones subjetivas.
Versatilidad
Las soluciones RPA (especialmente las comerciales) se posicionan insistentemente como herramientas para la automatización de procesos empresariales y el trabajo de los empleados de oficina. En los ejemplos y cursos, se abordan interacciones con ERP, ECM, Web. Todo es muy 'oficinal'.
Al principio tuvimos dudas sobre si AA podría captar la interfaz y los datos de nuestro Autodesk Inventor. Pero realmente todo funcionó: cada elemento, cada control se identificó y se registró. Incluso en los formularios de servicio con tablas de parámetros, el robot tuvo acceso a la celda necesaria simplemente señalando con el ratón.
Luego hubo una prueba con el lanzamiento del estudio de cálculo de resistencia. Y tampoco hubo problemas. En esta etapa, fue necesario trabajar cuidadosamente con las pausas entre acciones, cuando el sistema espera que se complete el cálculo.
La obtención de los datos finales de la Web y su inserción en Excel fue fluida.
En el marco de esta tarea, se confirmó la versatilidad. Según las descripciones de otros proveedores de RPA, la versatilidad es realmente una propiedad común de esta categoría de software.
Facilidad de aprendizaje.
Se necesitaron varias noches para aprender: hay cursos y ejemplos de aprendizaje. Muchos proveedores de RPA ofrecen formación gratuita. El único obstáculo: la interfaz del entorno y los cursos de AA están solo en inglés.
Rapidez de desarrollo.
El algoritmo para la 'tarea del ingeniero' lo desarrollamos y depuramos en una noche. La secuencia de acciones se redujo a solo 44 instrucciones. A continuación, en la imagen, se muestra un fragmento de la interfaz de Automation Anywhere con el robot listo. La concepción de Low code/No code implicó que no fue necesario programar: utilizamos grabadores de operaciones y arrastrar y soltar de la biblioteca de comandos. Luego, la configuración de parámetros en la ventana de propiedades.
Descarga de la rutina.
El robot tarda 1 minuto y 20 segundos en procesar un registro. Más o menos el mismo tiempo que nos llevábamos para procesar un registro sin el robot.
Sin embargo, cuando se trata de decenas o cientos de registros, una persona inevitablemente se cansará y comenzará a distraerse. Un especialista puede verse repentinamente ocupado con otra tarea. La proporción del tipo "Si la tarea toma A minutos, entonces N tales tareas se pueden completar en A*N minutos" no funciona: siempre se necesita más tiempo.
En nuestro ejemplo, el robot examinará los registros de manera secuencial, comenzando con las secciones más grandes. Con grandes volúmenes, este no es un método rápido. Para acelerarlo, se pueden implementar aproximaciones secuenciales, como el método de Newton o de bisección.
Resultado del cálculo:
Tabla 1. Resultado de la selección de la sección de la viga
Tarea del científico
La tarea del científico es realizar varios experimentos numéricos para determinar la ley según la cual cambia la capacidad portante de la viga en función de su sección, longitud y peso de la carga. La ley encontrada se formula en forma de una ecuación de regresión.
Para que la ecuación de regresión tenga precisión, el científico debe procesar un gran volumen de datos.
Para nuestro ejemplo, se destaca un conjunto de variables de entrada:
- altura del perfil del tubo;
- ancho;
- espesor de la pared;
- longitud de la viga;
- peso de la carga.
Si debemos hacer el cálculo para al menos 3 valores de cada variable, en total esto implica 243 repeticiones. Con una duración de dos minutos por iteración, el tiempo total será ya de 8 horas — ¡un día laboral completo! Para un estudio más completo, deberíamos considerar no 3 valores, sino 10 o más.
En el transcurso de la investigación, se descubrirá necesariamente que es necesario incluir factores adicionales en el modelo. Por ejemplo, "probar" diferentes tipos de acero. El volumen de cálculos aumenta decenas y cientos de veces.
En una tarea real, el robot podrá liberar al científico algunos días, los cuales el especialista utilizará para preparar una publicación, y este es el principal indicador de la actividad del científico.
Currículum
El "producto" del ingeniero es un dispositivo o construcción que realmente funciona. La robotización de los cálculos reducirá los riesgos gracias a una mayor profundidad en el desarrollo del proyecto (más cálculos, más modos, más variantes).
El "producto" del científico es una ecuación, una regularidad u otra descripción compacta. Y cuanto más precisa sea, más datos se involucren en el análisis. Una solución RPA ayudará a generar "alimento" informativo para los modelos.
Resumamos nuestro ejemplo.
Cualquier modelo puede servir como modelo de cálculo: un modelo de puente, un modelo de motor, un modelo de sistema de calefacción. Se requiere del especialista que todos los componentes del modelo interactúen correctamente entre sí y que el modelo ofrezca un conjunto de parámetros-variables clave hacia el exterior.
Cualquier aplicación que el especialista use en su trabajo juega el rol de entorno de cálculo. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. O algo de desarrollo propio, como un programa para seleccionar ventiladores en una planta manufacturera (ver Programas de selección de equipos Systemair).
Consideramos que la fuente de datos puede ser un sitio web, una base de datos, una hoja de Excel o un archivo txt.
El resultado final del trabajo – el informe – es un documento de Word con texto generado automáticamente, un gráfico de Excel, un conjunto de capturas de pantalla o el envío de correos electrónicos.
RPA es aplicable en todas partes donde se usa análisis de ingeniería. Estas son algunas áreas:
- cálculos de resistencia y deformación;
- hidro- y gasdinámica;
- intercambio térmico;
- electromagnetismo;
- análisis interdisciplinario;
- diseño generativo;
- programas de control para CNC (por ejemplo, nesting);
- investigaciones médicas y biológicas;
- en cálculos de sistemas con retroalimentación o sistemas no estacionarios (cuando es necesario enviar el resultado final de vuelta a los datos originales y repetir el cálculo).
Hoy en día, las soluciones de RPA se utilizan activamente en los negocios para automatizar procesos y manejar datos. Hay muchas similitudes en la rutina de un empleado de oficina, ingeniero y científico. Hemos demostrado que los robots son adecuados para actividades de ingeniería y de investigación.
Resumamos nuestras impresiones.
- Versatilidad — sí, RPA es una herramienta versátil.
- Facilidad de aprendizaje — sí, es simple y accesible, pero se necesita un lenguaje.
- Rapidez en el desarrollo — sí, el algoritmo se reúne rápidamente, especialmente cuando se obtiene experiencia trabajando con grabadores.
- Alivio de la rutina — sí, realmente puede aportar beneficios en tareas de gran escala.
Fuente: habr.com
