Application de la RPA dans les calculs scientifiques et techniques

Introduction

À l'école, pour renforcer nos connaissances, nous étions souvent chargés de résoudre de nombreux exercices similaires. Nous ressentions toujours de la frustration : quel en est l'intérêt ? Il suffit de substituer deux ou trois valeurs dans une formule pour obtenir une réponse. Où est l'élan créatif ? La réalité s'est révélée plus dure que l'école.

Aujourd'hui, je travaille en tant qu'analyste dans le domaine IT. Avant de rejoindre le secteur IT, j'ai été ingénieur en thermique, programmeur CNC et j'ai participé à des projets de recherche.

Par mon expérience, j'ai réalisé que 95 % du temps de travail des ingénieurs et des scientifiques est consacré à ces actions "similaires". Calculs d'équations, vérifications, enregistrement des résultats, copy-paste de spécifications. Projet après projet, expérience après expérience, jour après jour.

Voici quelques exemples de mon ancien travail.

Jusqu'en 2019, je réalisais des modèles pour le thermoformage sous vide. Si un tel modèle est recouvert d'un plastique chauffé, nous obtenons un produit qui reproduit exactement la géométrie de ce modèle. Description de la technologie ici.

Dans le processus de fabrication du modèle, un ensemble complet d'applications spécialisées est nécessaire :

• Autodesk Inventor pour la modélisation 3D ;
• Excel pour l'extraction des dimensions de la pièce ;
• Excel pour le calcul du coût du modèle ;
• module HSM pour l'élaboration du programme de commande CNC ;
• système de fichiers de l'ordinateur pour gérer les fichiers des programmes ;
• environnement Mach3 pour contrôler la machine CNC.

D'un environnement à l'autre, les données devaient être transférées manuellement, ce qui représentait des tableaux entiers et des ensembles de valeurs. Le processus était lent, et des erreurs se produisaient fréquemment.

Avant cela, j'ai participé au développement et à la production de fibres optiques (lien). Il y avait beaucoup de recherches, de conception et de calculs : des environnements spécialisés pour des calculs thermiques et photométriques (Ansys, Dialux), plus des calculs de rentabilité économique, plus Autocad et Inventor pour les modèles et les dessins. Et ici, les mêmes difficultés : il faut tirer le résultat d'un calcul d'une application vers une autre application pour le calcul suivant. Et ce, plusieurs fois à la recherche de la solution optimale.

Le temps d'un ingénieur et le temps d'un chercheur sont des ressources très précieuses. Il ne s'agit pas du salaire. Derrière les calculs d'un ingénieur se cache un grand projet avec une équipe. Derrière les recherches d'un chercheur se trouve l'avenir de toute une industrie. Pourtant, souvent un spécialiste hautement qualifié se contente de copier des valeurs d'un programme à un autre au lieu de développer des concepts, modéliser, interpréter des résultats, débattre et brainstormer avec ses collègues.

Une caractéristique de l'environnement commercial moderne est la rapidité. Le marché ne cesse d'accélérer. En 2014, il nous fallait 2-3 semaines pour réaliser un prototype. En 2018, trois jours, ce qui semblait déjà trop long. Aujourd'hui, un concepteur doit fournir plusieurs options de solutions dans le même délai qui n'était auparavant alloué qu'à une seule option.

Un autre point est celui des investissements et des risques. Pour 's'accrocher' à un projet, une entreprise doit investir environ 6 % du coût total du projet dans le développement conceptuel avant de signer un contrat avec le client. Ces fonds sont alloués à :

• la recherche ;
• la conception conceptuelle ;
• l'évaluation des efforts requis ;
• la préparation de croquis, etc.

L'entreprise les tire de ses propres ressources, cela représente un risque personnel. L'attention portée à la conception nécessite du temps des spécialistes, qui sont souvent occupés par des tâches routinières.

Après avoir découvert les outils de travail dans une entreprise IT, je me suis intéressé aux pratiques d'automatisation des processus d'affaires qui pourraient être utiles aux ingénieurs. Ainsi, les entreprises utilisent déjà depuis longtemps l'automatisation des processus robotisés (RPA) pour réduire les tâches routinières.

Les fournisseurs de RPA annoncent les avantages suivants pour cet outil d'automatisation :

1. polyvalence (un robot peut travailler avec n'importe quelle application, avec n'importe quelle source de données) ;
2. simplicité d'apprentissage (aucune compétence approfondie en programmation et en administration n'est requise) ;
3. rapidité de développement (un algorithme prêt prend moins de temps à mettre en œuvre qu'en programmation traditionnelle) ;
4. réelle décharge des collaborateurs des opérations routinières.

Nous allons évaluer l'effet de l'utilisation de la RPA dans les calculs techniques/scientifiques selon ces critères.

Description de l'exemple

Nous allons considérer un exemple simple. Il s'agit d'une poutre fixée par le bas avec une charge.

Examinons ce problème du point de vue de l'ingénieur et du chercheur.

Cas «ingénieur» : il y a une poutre fixée par console de 2 m de long. Elle doit supporter une charge de 500 kg avec un coefficient de sécurité de 3. La poutre est en tube rectangulaire. Il faut choisir la section de la poutre d'après le catalogue GOST.

Cas «scientifique» : déterminer comment la masse de la charge, la section et la longueur de la poutre influencent la capacité portante de celle-ci. Afficher l'équation de régression.

Dans les deux cas, on considère la force de gravité agissant sur la poutre en proportion de la masse de la poutre.

Nous allons examiner en détail le premier cas — «ingénieur». Le cas «scientifique» est réalisé de manière similaire.

Sur le plan technique, notre exemple est très simple. Un spécialiste pourrait le calculer facilement avec une calculatrice. Notre objectif est différent : montrer comment une solution RPA pourra aider lorsque le problème devient de grande envergure.

En simplifiant, notons aussi que : la section du tube est un rectangle idéal, sans arrondis, sans tenir compte de la soudure.

La tâche de l'ingénieur

Le schéma général du cas «ingénieur» est le suivant :

1. Sur une feuille Excel, nous avons un tableau avec le répertoire des tubes selon GOST.
2. Pour chaque entrée de ce tableau, nous devons construire un modèle 3D dans Autodesk Inventor.
3. Ensuite, dans l'environnement Inventor Stress Analyses, nous effectuons le calcul de résistance et exportons le résultat du calcul en HTML.
4. Nous trouvons dans le fichier obtenu la valeur «Tension Maximale selon von Mises».
5. Nous arrêtons le calcul si le coefficient de sécurité (le rapport entre la limite d'élasticité du matériau et la tension maximale selon von Mises) est inférieur à 3.

Nous considérons qu'une poutre de section appropriée garantira un coefficient de sécurité de 3 et sera minimale en masse par rapport aux autres options.

En résumé, dans notre tâche, le spécialiste travaille avec 3 applications (voir le schéma ci-dessus). Dans une situation réelle, le nombre d'applications peut être plus élevé.

La norme GOST 8645-68 «Tubes en acier rectangulaires» contient 300 enregistrements. Dans notre tâche de démonstration, nous allons simplifier la liste : nous prendrons une position de chaque famille de dimensions. En tout, 19 enregistrements, parmi lesquels il faut en choisir un.

L’environnement de modélisation Inventor, dans lequel nous construirons le modèle et effectuerons le calcul de résistance, contient une bibliothèque de matériaux prêts à l'emploi. Nous choisirons le matériau de la poutre dans cette bibliothèque :

Matériau — Acier
Densité 7,85 g/cm³ ;
Limite d'élasticité 207 MPa ;
Limite de rupture 345 MPa ;
Module d'Young 210 GPa ;
Module de cisaillement 80,7692 GPa.

Voici à quoi ressemble le modèle 3D de la poutre chargée :

Voici le résultat du calcul de résistance. Le système colore en rouge les zones vulnérables de la poutre. C'est à ces endroits que la contrainte est la plus élevée. L'échelle à gauche indique la valeur de la contrainte maximale dans le matériau de la poutre.

Nous allons maintenant confier une partie du travail à un robot.

Le schéma de travail change comme suit :

Nous allons assembler le robot dans l'environnement Automation Anywhere Community Edition (ci-après AA). Passons en revue les critères d'évaluation et décrivons les impressions subjectives.

Polyvalence

Les solutions RPA (en particulier commerciales) se positionnent fermement comme un moyen d'automatiser les processus commerciaux et le travail des employés de bureau. Dans les exemples et les cours d'apprentissage, on analyse l'interaction avec l'ERP, l'ECM, le Web. C'est très « bureau ».

Au début, nous avions des doutes sur la capacité de AA à prendre en charge l'interface et les données de notre Autodesk Inventor. Mais tout a réellement fonctionné : chaque élément, chaque contrôle a été identifié et enregistré. Même dans les formulaires de service avec des tableaux de paramètres, le robot a pu accéder à la cellule requise simplement en pointant avec la souris.

Ensuite, il y a eu l'épreuve du lancement de l'interface de calcul de résistance. Et là encore, sans problème. À ce stade, nous avons dû prêter attention aux pauses entre les actions, lorsque le système attend la fin du calcul.

L'obtention des données finales à partir du Web et leur insertion dans Excel s'est faite sans accroc.
Dans le cadre de cette tâche, l'universalité a été confirmée. D'après les descriptions d'autres fournisseurs de RPA, l'universalité est vraiment une caractéristique commune de cette catégorie de logiciels.

Simplicité d'apprentissage

Il a fallu quelques soirées pour apprendre : des cours, des exemples pratiques – tout cela existe. De nombreux fournisseurs de RPA proposent une formation gratuite. Le seul obstacle : l'interface de l'environnement et les cours d'AA ne sont disponibles qu'en anglais.

Rapidité de développement

Nous avons développé et testé l'algorithme pour la 'tâche d'ingénieur' en une soirée. La séquence des actions s'est limitée à seulement 44 instructions. Ci-dessous, une capture d'écran de l'interface Automation Anywhere avec le robot prêt. Le concept Low code/No code – il n'était pas nécessaire de programmer : nous avons utilisé des enregistreurs d'opérations ou fait du glisser-déposer à partir de la bibliothèque de commandes. Ensuite, configuration des paramètres dans la fenêtre des propriétés.

Décharge de routine

Pour traiter un enregistrement, le robot met 1 min 20 s. À peu près le même temps que nous mettions pour traiter un enregistrement sans robot.

Cependant, lorsqu'il s'agit de dizaines ou de centaines d'enregistrements, une personne finira inévitablement par se fatiguer et commencera à se distraire. Un spécialiste peut soudainement être occupé par une autre tâche. La proportion avec une personne du type « Si une tâche prend A minutes, alors N de ces tâches peuvent être effectuées en A * N minutes » ne fonctionne pas – il faut toujours plus de temps.

Dans notre exemple, le robot parcourra les enregistrements de manière séquentielle, en commençant par les sections les plus grandes. Pour de grands ensembles, ce n'est pas une méthode rapide. Pour accélérer, on peut mettre en œuvre des approximations successives, par exemple, la méthode de Newton ou la méthode de la dichotomie.
Résultat du calcul :

Tableau 1. Résultat de la sélection de la section de la poutre

La tâche du scientifique

La tâche du scientifique est de mener plusieurs expériences numériques pour déterminer la loi selon laquelle la capacité portante de la poutre varie en fonction de sa section, de sa longueur et de la masse de la charge. La loi trouvée est formulée sous forme d'équation de régression.

Pour que l'équation de régression soit précise, le scientifique doit traiter un grand ensemble de données.

Pour notre exemple, un ensemble de variables d'entrée est défini :

• hauteur du profil de la tube;
• largeur;
• épaisseur de la paroi;
• longueur de la poutre;
• masse de la charge.

Si nous devons effectuer le calcul pour au moins 3 valeurs de chaque variable, cela représente au total 243 répétitions. Avec une durée d'itération de deux minutes, le temps total s'élèvera déjà à 8 heures – une journée de travail entière ! Pour une étude plus complète, nous devons prendre plus de 3 valeurs, mais 10 ou plus.

Au cours de l'étude, il deviendra nécessaire d'inclure des facteurs supplémentaires dans le modèle. Par exemple, « tester » différents types d'acier. Le volume des calculs augmente de dizaines et de centaines de fois.

Dans une tâche réelle, le robot pourra libérer quelques jours pour le scientifique, que le spécialiste utilisera pour préparer une publication, ce qui est le principal indicateur de l'activité d'un scientifique.

Résumé

Le « produit » de l'ingénieur est un appareil fonctionnel, une construction. L'automatisation des calculs réduira les risques grâce à une approche plus approfondie du projet (plus de calculs, plus de modes, plus de variantes).

Le « produit » du scientifique est une équation, une régularité ou une autre description compacte. Et plus elle est précise, plus on a impliqué de données dans l'analyse. La solution RPA aidera à générer des « nutriments » d'information pour les modèles.

Résumons notre exemple.

Tout type de modèle peut servir de modèle calculatoire : un modèle de pont, un modèle de moteur, un modèle de système de chauffage. Le spécialiste doit s'assurer que tous les composants du modèle interagissent correctement et que le modèle fournit à l'extérieur un ensemble de paramètres-clés variables.

Tout logiciel utilisé par le spécialiste joue le rôle d'environnement de calcul. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ou quelque chose développé en interne, par exemple, un programme pour le choix des ventilateurs dans une usine (voir les programmes de sélection d'équipement Systemair).

Nous considérons comme source de données un site Web, une base de données, un fichier Excel ou un fichier txt.
Le résultat final du travail – un rapport – peut être un document Word avec un texte généré automatiquement, un diagramme Excel, un ensemble de captures d'écran ou un envoi d'e-mails.

La RPA est applicable partout où l'analyse technique l'est également. Voici quelques domaines :

• calculs de résistance et déformation ;
• hydro- et gazodynamique ;
• transfert de chaleur ;
• électromagnétisme ;
• analyse interdisciplinaire ;
• conception générative ;
• programmes de contrôle pour CNC (par exemple, nesting) ;
• recherches médicales et biologiques ;
• dans les calculs de systèmes avec rétroaction ou systèmes non stationnaires (lorsque le résultat final doit être transmis aux données d'entrée pour répéter le calcul).

Aujourd'hui, les solutions RPA sont activement utilisées dans les entreprises pour automatiser les processus et travailler avec des données. Il y a beaucoup de points communs entre la routine d'un employé de bureau, d'un ingénieur et d'un scientifique. Nous avons montré que les robots sont adaptés aux activités d'ingénierie et scientifiques.

Récapitulons nos impressions.

1. Universalité – oui, la RPA est un outil universel.
2. Simplicité d'apprentissage – oui, c'est simple et accessible, mais cela nécessite un langage.
3. Rapidité de développement – oui, l'algorithme se construit rapidement, surtout lorsqu'on maîtrise l'utilisation des enregistreurs.
4. Délestage de la routine – oui, elle peut vraiment apporter des bénéfices dans des tâches à grande échelle.

Source : habr.com