RPA rakendamine teaduslikes ja inseneritehnilistes arvutustes

Sissejuhatus

Koolis paluti meil sageli lahendada hulganisti sarnaseid ülesandeid, et teadmisi kinnistada. Me kõik imestasime: mis siin väärtuslikku on? Asendada valemisse kaks-kolm väärtust ja saada tulemus. Kus on siin loovuse lend? Tõde oli karmim kui kool.

Praegu töötan IT-analüütikuna. Enne IT valdkonda tulekut töötasin soojusinsenerina, CNC-programmeerijana ja osalesin teadusuuringute projektides.

Oma kogemuste põhjal olen ma veendunud, et 95% oma tööajast kulutavad insenerid ja teadlased sellistele 'sarnastele' tegevustele. Võrrandite arvutamine, kontrollimine, tulemuste registreerimine, spetsifikatsioonide kopeerimine. Projekt projektide järel, eksperiment eksperimendi järel, päev päevalt.

Siin on paar näidet minu eelmise töö kohta.

Enne 2019. aastat valmistasin ma vorme termovakuumvormimiseks. Kui selline vorm kaetakse kuumutatud plastikuga, saame toote, mis kordab täpselt selle vormi geomeetriat. Tehnoloogia kirjeldus siin.

Vormi valmistamise protsessis on vajalik terve rida kitsastele spetsialiseerunud rakendusi:

• Autodesk Inventor 3D-modelleerimiseks;
• Excel, etteme nende mõõtmete väljavõtmiseks;
• Excel, et arvutada maketi hinda;
• HSM moodul CNC juhtimise programmi koostamiseks;
• Arvuti failisüsteem programmifailide haldamiseks;
• Mach3 keskkond CNC masinate juhtimiseks.

Andmete edastamine keskkondade vahel toimus enne käsitsi, mis tähendab, et see hõlmas terveid tabelid ja väärtuste massi. Protsess oli aeglane ning tihti esines vigu.

Olen varem osalenud valguskaablite arenduses ja tootmises (link). Seal oli palju uurimistööd, projekteerimist ja arvutusi: spetsialiseeritud keskkonnad termotehniliste ja valgusvalgustuse arvutuste jaoks (Ansys, Dialux), pluss majanduslikus efektiivsuses, pluss Autocad ja Inventor mudelite ja jooniste jaoks. Ning siin on sama probleem: ühe rakenduse arvutustulemus tuleb teisaldada teise rakendusse järgmise arvutuse jaoks. Ja nii mitu korda, otsides parimat lahendust.

Inseneri ja teadlase aeg on äärmiselt väärtuslik. Siin ei ole tegemist palgaga. Inseneri arvutuste taga on suur projekt meeskonnaga. Teadlase uurimistöö taga on terve tööstuse tulevik. Kuid sageli vahetavad kõrgelt kvalifitseeritud spetsialistid lihtsalt väärtusi ühe programmi vahel teise jaoks, mitte ei arenda kontseptsioone, ei modelleeri, ei tõlgenda tulemusi, ei aruta ega osale kolleegidega ajurünnakutes.

Kaasaegse äri keskkonna eripära on kiirus. Turg on pidevalt surve all. 2014. aastal võttis prototüübi valmistamine aega 2–3 nädalat. 2018. aastal – kolm päeva, ja see näis juba liiga pikalt. Nüüd peab projekteerija selle aja jooksul esitama mitu lahenduse varianti, kui varem kulus sama aeg vaid ühe variandi jaoks.

Ja veel üks asi – investeeringud ja riskid. Et projektiga ‘kinni jääda’, peab ettevõte enne lepingu sõlmimist tellijaga investeerima ligikaudu 6% projekti maksumusest kontseptuaalsesse arendusse. Need vahendid kuluvad:

• uurimisele;
• kontseptuaalseks projekteerimiseks;
• töökoormuse hindamiseks;
• eskitsite ettevalmistamiseks jne.

Ettevõte katab need kulud oma rahakotist, see on nende enda risk. Kontseptsiooni rakendamine nõuab spetsialistide aega, samas on nad hõivatud igapäevaste ülesannetega.

Pärast tutvumist IT-ettevõtte tööriistadega tekkis mul huvi, milliseid äriprotsesside automatiseerimise praktikaid võiksid insenerid kasutada. Seega on äri juba pikalt kasutanud protsesside robotiseerimist (RPA) rutiiniga võitlemiseks.

RPA tootjad väidavad, et selle automatiseerimise tööriista eelised on järgmised:

1. universaalsus (robot suudab töötada mis tahes rakendusega, igasuguste andmeallikatega);
2. lihtsus (ei nõuta sügavaid teadmisi programmeerimisest ja haldamisest);
3. kiirus (valmis algoritmi arendamiseks kulub vähem aega kui traditsioonilise programmeerimise puhul);
4. töötaja tõeline vabastamine rutiinsetest toimingutest.

Neid kriteeriume kasutades kontrollime, milline on RPA mõju inseneritehnilistes/teaduslikes arvutustes.

Näite kirjeldus

Vaatleme lihtsat näidet. On konsolideeritud tald koormaga.

Vaatame seda ülesannet inseneri ja teadlase vaatepunktist.

Juhtum «insener»: konsolil on 2 m pikkune riba, mis peab hoidma 500 kg kaalu koormust kolme korda suurema tugevusvaru tõttu. Riba on valmistatud ristkülikukujulisest torust. Peame valima riba lõike vastavalt GOSTi kataloogile.

Juhtum «teadlane»: uurida, kuidas koorma mass, riba lõige ja pikkus mõjutavad selle riba kandevõimet. Edastada regressioonivõrrand.

Mõlemas juhus arvestatakse gravitatsioonijõud, mis mõjub ribale proportsionaalselt riba massiga.

Keskendume täpsemalt esimesel juhtumile — «insener». Juhtum «teadlane» rakendatakse sarnaselt.

Tehniliselt on meie näide väga lihtne. Ameti inimene saab seda lihtsalt kalkulaatoriga arvutada. Meie eesmärk on aga näidata, kuidas RPA-lahendus aitab, kui ülesanne muutub mahukaks.

Lihtsustustes märkime: toru lõige on ideaalne ristkülik, ilma nurkade ümaruseta, arvestamata keevitusõmblust.

Inseneri ülesanne

Juhtumi «insener» üldine skeem on järgmine:

1. Exceli lehel on meil GOSTi järgi torude sortimendi tabel.
2. Iga kirje jaoks sellest tabelist peame koostama 3D mudeli Autodesk Inventoris.
3. Seejärel teeme Inventor Stress Analyses keskkonnas tugevusarvutuse ja salvestame arvutuse tulemuse HTML-formaadis.
4. Leidke saadud failist väärtus «Maksimaalne pinge von Mises».
5. Peatame arvutuse, kui ohutusvara (materjali voolavuse piiri ja Mises'i maksimaalse pinge suhe) on vähem kui 3.

Arvame, et sobiva ristlõikega tala tagab 3-kordse ohutusvara ja on teiste variantide seas kaalult minimaalne.

Kokku töötab meie ülesandes spetsialist 3 rakendusega (vt ülalolevat skeemi). Tegelikes tingimustes võib rakenduste arv olla suurem.

GOST 8645-68 «Terased ristkülikukujulised torud» sisaldab 300 kirjet. Oma demonstreerimisülesandes lühendame nimekirja: võtame igast suuruste perekonnast ühe positsiooni. Kokku 19 kirjet, millest tuleb valida üks.

Modelleerimiskeskkond Inventor, kus me loome mudeli ja teeme tugevusarvutuse, sisaldab valmis materjalide raamatukogu. Talu materjali võtame sellest raamatukogust:

Materjal — Teras
Tihedus 7,85 g/kuup. cm;
Voolavuse piir 207 MPa;
Purunemispunkt 345 MPa;
Youngi moodul 210 GPa;
Lõike moodul 80,7692 GPa.

Nii näeb välja kolmemõõtmelise koormatud talade mudel:

Ja siin on tugevusarvutuse tulemus. Süsteem värvib punasega talade haavatavad piirkonnad. Nendes kohtades on pinge kõige suurem. Vasakul asuv skaala näitab maksimaalse pinge väärtust tala materjalis.

Nüüd anname osa tööst robotile

Töö skeem muutub järgmiselt:

Kogume roboti Automation Anywhere Community Edition keskkonnas (edaspidi AA). Vaatame hindamisnäitajaid ja kirjeldame subjektiivseid muljeid.

Universaalsus

RPA lahendusi (eriti kommertslikke) positsioneeritakse järjekindlalt kui vahend, et automatiseerida äri protsesse ja bürootöötajate tööd. Näidetes ja õpikutes käsitletakse koostööd ERP, ECM, Webiga. Kõik on väga “büroolik”.

Alguses kõhklesime, kas AA suudab meie Autodesk Inventor'i liidese ja andmed haarata. Kuid kõik tõepoolest töötas: iga element, iga kontroll määrati kindlaks ja salvestati. Ieven ka teenusvormides koos parameetrite tabelitega pääses robot vajalikku lahtrisse lihtsalt hiireklõpsuga.

Järgnevalt toimus tugevusarvutuste stuudio käivitamise katse. Ka see sujus probleemideta. Sel etapil tuli tähelepanelikult jälgida tegevuste vahelisi pause, kui süsteem ootas arvutuste valmimist.

Lõppandmete saamine veebist ja nende sisestamine Excelisse läks sujuvalt.
Selle ülesande raames tõestati mitmekesisust. Teiste RPA pakkujate kirjeldustest lähtuvalt on mitmekesisus tõepoolest selle tarkvarakategooria ühine omadus.

Lihtsus omandamisel

Omandamine võttis paar õhtut: kursused, harjutusnäited – kõik see on saadaval. Paljude RPA pakkujate juures on koolitus tasuta. Ainuke takistus: keskkonna liides ja kursused Automation Anywhere’s on ainult inglise keeles.

Arenduse kiirekus

Inseneri ülesande jaoks välja töötatud algoritm valmisime ja häälestasime ühe õhtuga. Toimingute järjestus mahtus vaid 44 juhisesse. Allpool olev pildil on Automation Anywhere'i liidese fragment valmis robotiga. Low code/No code kontseptsiooni tõttu ei pidanud programmeerima: kasutasime operatsioonide rekoodereid või drag-and-drop käsurikka raamatukogust. Seejärel häälestasime parameetreid omaduste aknas.

Rutiinist vabastamine

Ühe kirje töötlemiseks kulub robotil 1 minut ja 20 sekundit. Umbes sama palju aega kulus meil ühe kirje töötlemiseks ilma robotita.

Kui jutt käib kümnetest ja sadadest kirjetest, väsib inimene paratamatult ja hakkab tähelepanu hajutama. Spetsialisti võib ootamatult teise ülesandega hõivata. Inimese puhul ei toimi suhe „Kui ülesanne kestab A minutit, siis N sellist ülesannet saab teha A*N minuti jooksul” – aega kulub alati rohkem.

Meie näites hakkab robot kirjeid järjestikku läbi töötama, alustades suurimatest sektsioonidest. Suurte koguste puhul ei ole see kiire meetod. Kiirendamiseks saab rakendada järkjärgulisi lähendusi, näiteks Newtoni meetodit või poole jagamise meetodit.
Arvutuse tulemus:

Tabel 1. Ristlõike valimise tulemus

Teadlase ülesanne

Teadlase ülesanne on läbi viia mitmeid numbrilisi eksperimente, et määrata seadus, mille kohaselt muutub tala kandevõime tema ristlõike, pikkuse ja koormuse massi sõltuvalt. Leitud seadus sõnastatakse regressioonvõrrandina.

Ettevalmistatud regressioonivõrrand peab olema täpne, seetõttu peab teadlane töötlema suurt andmekogumit.

Meie näite jaoks toome välja sisendmuutujate kogumi:

• toru profiili kõrgus;
• laius;
• seina paksus;
• talade pikkus;
• koormuse massa.

Kui me peame arvutama vähemalt 3 väärtust iga muutuja jaoks, on kokku 243 kordust. Kui iga iteratsiooni kestus on kaks minutit, on kogu aeg juba 8 tundi - terve tööpäev! Täiendavaks uurimiseks peaksime võtma mitte 3 väärtust, vaid 10 või rohkem.

Uurimise käigus selgub kindlasti, et mudelisse tuleb lisada täiendavad tegurid. Näiteks erinevate terasetüüpide testimine. Arvutuste hulk suureneb kümneid ja sadu kordi.

Reaalses ülesandes suudab robot vabastada teadlasele mitu päeva, mida spetsialist kasutab publikatsiooni ettevalmistamiseks, mis on teadlase tegevuse peamine näitaja.

Kokkuvõte

Inseneri 'toode' on reaalselt töötav seade või konstruktsioon. Arvutuste automatiseerimine vähendab riske läbi projekti sügavamalt läbimõeldud teostamise (rohkem arvutusi, rohkem režiime, rohkem variante).

Teadlasest tulenev toode on võrrand, seaduspära või muu kompaktne kirjeldus. Mida rohkem andmeid analüüsi kaasatakse, seda täpsem see on. RPA-lahendus aitab luua mudelite jaoks vajalikku teavet.

Kokkuvõttes meie näide.

Arvutusmudeliks võib olla ükskõik milline mudel: silla mudel, mootori mudel, küttesüsteemi mudel. Spetsialistilt nõutakse, et mudeli kõik komponendid oleksid omavahel õigesti seotud ja et mudel annaks "välja" komplekti võtmeparameetreid-muutujaid.

Arvutuslik keskkond võib olla mis tahes rakendus, mida spetsialist töös kasutab. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Või midagi iseseisvalt välja töötatud, näiteks valmistaja fännide valimise programm (vt varustuse valiku programmid Systemair).

Andmeallikaks võib olla nii veebisait, andmebaas, Exceli leht kui ka txt-fail.
Töö lõpptulemus – aruanne – on Wordi dokument automaatselt genereeritud tekstiga, Exceli diagramm, hulga ekraanipilte või e-kiri.

RPA on rakendatav igal pool, kus on vajalik insenerianalüüs. Siin on mõned valdkonnad:

• jõudlus- ja deformatsiooniarvutused;
• hüdro- ja gaasidünaamika;
• soojusvahetus;
• elektromagnetism;
• interdistsiplinaarne analüüs;
• CNC (näiteks nestimise) juhtimisprogrammid;
• meditsiinilised ja bioloogilised uuringud;
• tagasiside või mittejaotatud süsteemide arvutustes (kui lõppresultaat on vajalik algandmetesse tagasi edastada ja arvutust korrata).
• Tänapäeval kasutatakse RPA-lahendusi aktiivselt äris protsesside automatiseerimiseks ja andmetega töötamiseks. Kontoritöötaja, inseneri ja teadlase rutiinis on palju ühist. Oleme näidanud, et robotid on sobilikud inseneri- ja teadustegevuseks.

Kokkuvõtteks meie muljed.

Universaalsus — jah, RPA on universaalne tööriist.

1. Lihtsus omandamisel — jah, lihtne ja kergesti arusaadav, kuid vajalik on keel.
2. Arenduse kiirus — jah, algoritmi kokkupanek on kiire, eriti kui oled harjunud rekorderitega töötama.
3. Rutiinist vabastamine — jah, tõepoolest suudab tuua kasu suure mahuga ülesannetes.
4. Rutiinist vabastamine — jah, see tõepoolest suudab tuua kasu suurtes ulatustes ülesannetes.

Allikas: habr.com