Application de la RPA dans les calculs scientifiques et techniques

Entrée

À l'école, pour consolider nos connaissances, on nous demandait de résoudre de nombreux exemples similaires. Nous étions tout le temps ennuyés : qu'est-ce qui a de la valeur ici ? Remplacez deux ou trois valeurs dans la formule et obtenez la réponse. Où est la fuite de la pensée ici ? La réalité s'est avérée plus dure que l'école.

Maintenant, je travaille comme analyste informatique. Avant de rejoindre le domaine informatique, j'ai travaillé comme chauffagiste, programmeur CNC et participé à des projets de recherche.

D’après ma propre expérience, je suis convaincu que les ingénieurs et les scientifiques consacrent 95 % de leur temps de travail à des actions de ce type. Calculer des équations, vérifier, enregistrer les résultats, copier les spécifications. Projet après projet, expérience après expérience, jour après jour.

Voici quelques exemples de mes travaux précédents.

Jusqu'en 2019, je réalisais des tracés pour le moulage sous vide thermique. Si un tel modèle est recouvert de plastique chauffé, nous obtiendrons un produit qui reprend exactement la géométrie de ce modèle. Description de la technologie ici.

Le cycle de production de maquettes nécessite tout un ensemble d’applications très spécialisées :

• Autodesk Inventor pour la modélisation 3D ;
• Excel pour télécharger les dimensions de la pièce ;
• Excel pour calculer le coût de l'aménagement ;
• Module HSM pour créer un programme de contrôle CNC ;
• Système de fichiers informatiques pour la gestion de fichiers de programmes;
• Environnement Mach3 pour contrôler une machine CNC.

Les données devaient être transférées manuellement d'un environnement à l'autre, et celles-ci comprenaient des tables entières et des tableaux de valeurs. Le processus est lent et des erreurs se produisent souvent.

Avant cela, j'ai participé au développement et à la production de guides de lumière (lien). Il y a eu beaucoup de recherche, de conception et de calculs : des environnements spécialisés pour les calculs thermiques et d'éclairage (Ansys, Dialux), ainsi que des calculs de rentabilité, ainsi qu'Autocad et Inventor pour les modèles et les dessins. Et ici les mêmes difficultés : le résultat du calcul d'une application doit être glissé dans une autre application pour le calcul suivant. Et ainsi plusieurs fois à la recherche de la solution optimale.

Le temps d'un ingénieur et celui d'un scientifique sont des temps très précieux. Nous ne parlons pas ici de salaire. Derrière les calculs de l'ingénieur se cache un grand projet avec une équipe. Derrière les recherches du scientifique se cache la perspective de toute une industrie. Mais souvent, un spécialiste hautement qualifié transfère « bêtement » des valeurs d'un programme à un autre au lieu de développer des concepts, de modéliser, d'interpréter les résultats, de discuter et de réfléchir avec des collègues.

La rapidité est la caractéristique de l’environnement commercial moderne. Le marché est en constante évolution. En 2014, nous avons mis 2 à 3 semaines pour réaliser une maquette. En 2018, c’était trois jours, et cela paraissait déjà trop long. Désormais, le concepteur doit produire plusieurs options de solution dans le même temps qui était auparavant alloué à une seule option.

Et encore un point : les investissements et les risques. Afin de « saisir » un projet, une entreprise doit investir environ 6 % du coût de ce projet dans le développement conceptuel avant de conclure un accord avec le client. Ces fonds vont :

• pour la recherche;
• design conceptuel;
• évaluation du coût de la main-d'œuvre;
• préparation de croquis, etc.

L'entreprise les prend de sa poche, c'est à ses risques et périls. L'attention portée au concept nécessite du temps de spécialistes, et ils sont occupés par la routine.

Après m'être familiarisé avec les outils de travail dans une entreprise informatique, je me suis intéressé aux pratiques d'automatisation des processus métier qui pourraient être utiles aux ingénieurs. Ainsi, les entreprises utilisent depuis longtemps l’automatisation robotique des processus (RPA) pour lutter contre la routine.

Les fabricants de RPA revendiquent les avantages suivants d'un tel outil d'automatisation :

1. polyvalence (le robot est capable de travailler avec n'importe quelle application, avec n'importe quelle source de données) ;
2. facilité d'apprentissage (aucune compétence approfondie en programmation et en administration n'est requise) ;
3. rapidité de développement (l'algorithme fini prend moins de temps que la programmation traditionnelle) ;
4. véritable soulagement de l'employé des opérations courantes.

Sur la base de ces critères, nous vérifierons quel est l'effet de l'utilisation de la RPA dans les calculs techniques/scientifiques.

Description de l'exemple

Regardons un exemple simple. Il y a une poutre en porte-à-faux avec une charge.

Examinons ce problème du point de vue d'un ingénieur et du point de vue d'un scientifique.

Cas « ingénieur » : il s'agit d'une poutre en porte-à-faux de 2 m de long, elle doit supporter une charge de 500 kg avec une marge de sécurité de 3. La poutre est constituée d'un tuyau rectangulaire. Il est nécessaire de sélectionner la section de la poutre selon le catalogue GOST.

Cas "scientifique" : découvrez comment la masse de la charge, la section et la longueur de la poutre affectent la capacité portante de cette poutre. Dérivez l’équation de régression.

Dans les deux cas, on prend en compte la force de gravité, qui agit sur la poutre proportionnellement à la masse de la poutre.

Étudions en détail le premier cas - « ingénieur ». Le cas du « scientifique » est mis en œuvre de manière similaire.

Techniquement, notre exemple est très simple. Et un spécialiste du sujet pourra le calculer simplement sur une calculatrice. Nous avons un autre objectif : montrer comment une solution RPA peut aider lorsque la tâche devient de grande envergure.

En simplifications, on note également : la section transversale du tuyau est un rectangle idéal, sans arrondir les coins, sans tenir compte de la soudure.

Tâche de l'ingénieur

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

1. Sur une feuille Excel, nous avons un tableau avec la gamme de tuyaux selon GOST.
2. Pour chaque entrée de ce tableau, nous devons créer un modèle 3D dans Autodesk Inventor.
3. Ensuite, dans l'environnement Inventor Stress Analyses, nous effectuons un calcul de résistance et téléchargeons le résultat du calcul au format HTML.
4. On retrouve la valeur « Contrainte maximale de von Mises » dans le fichier résultant.
5. On arrête le calcul si le facteur de sécurité (le rapport entre la limite d'élasticité du matériau et la contrainte maximale de von Mises) est inférieur à 3.

Nous pensons qu'une poutre d'une section transversale appropriée offrira une marge de sécurité multipliée par 3 et aura un poids minimal parmi d'autres options.

Au total, dans notre tâche, le spécialiste travaille avec 3 applications (voir schéma ci-dessus). En situation réelle, le nombre de candidatures peut être encore plus important.

GOST 8645-68 « Tuyaux en acier rectangulaires » contient 300 entrées. Dans notre problème de démonstration, nous raccourcirons la liste : nous prendrons un élément de chaque famille de tailles. Il y a 19 enregistrements au total, parmi lesquels vous devez en choisir un.

L'environnement de modélisation Inventor, dans lequel nous allons créer le modèle et effectuer des calculs de résistance, contient une bibliothèque de matériaux prêts à l'emploi. Nous prendrons le matériau de la poutre dans cette bibliothèque :

Matériau - Acier
Densité 7,85 g/cu. cm;
Limite d'élasticité 207 MPa ;
Résistance à la traction 345 MPa ;
module de Young 210 GPa ;
Module de cisaillement 80,7692 GPa.

Voici à quoi ressemble un modèle tridimensionnel d’une poutre chargée :

Et voici le résultat du calcul de résistance. Le système teinte les zones vulnérables du faisceau en rouge. Ce sont les endroits où la tension est la plus forte. L'échelle de gauche indique la valeur de la contrainte maximale dans le matériau de la poutre.

 

Transférons maintenant une partie du travail au robot

Le plan de travail change comme suit :

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

Universalisme

Les solutions RPA (notamment commerciales) sont constamment positionnées comme un moyen d'automatiser les processus métiers et d'automatiser le travail des employés de bureau. Des exemples et des formations couvrent l'interaction avec l'ERP, l'ECM et le Web. Tout est très « bureautique ».

Au début, nous doutions que AA soit capable de récupérer l'interface et les données de notre Autodesk Inventor. Mais tout a vraiment fonctionné : chaque élément, chaque contrôle a été défini et enregistré. Même dans les formulaires de service avec tableaux de paramètres, le robot accédait à la cellule souhaitée simplement en pointant la souris.

Vient ensuite un test avec le lancement d'un studio de calcul de résistance. Et pas de problème non plus. À ce stade, nous avons dû travailler soigneusement avec des pauses entre les actions lorsque le système attend la fin du calcul.

La récupération des données résultantes sur le Web et leur insertion dans Excel se sont déroulées sans problème.
Dans le cadre de cette tâche, la polyvalence s'est confirmée. À en juger par les descriptions d’autres fournisseurs de RPA, la polyvalence est véritablement une caractéristique commune à cette catégorie de logiciels.

Facile à apprendre

Il a fallu plusieurs soirées pour maîtriser : cours, exemples de formations, tout est là. De nombreux fournisseurs de RPA proposent des formations gratuites. Seul frein : l'interface environnement et les cours AA sont uniquement en anglais.

Vitesse de développement

Nous avons développé et débogué l’algorithme pour le « problème de l’ingénieur » dans la soirée. La séquence d'actions a été réalisée en seulement 44 instructions. Vous trouverez ci-dessous un fragment de l'interface Automation Anywhere avec un robot fini. Concept Low Code/No Code - il n'y avait pas besoin de programmer : nous avons utilisé des enregistreurs d'opérations ou du drug'n'drop de la bibliothèque de commandes. Configurez ensuite les paramètres dans la fenêtre des propriétés.

Soulagement de la routine

Le robot passe 1 minute 20 secondes à traiter un enregistrement. Nous avons passé à peu près le même temps à traiter un enregistrement sans robot.

Si nous parlons de dizaines et de centaines de disques, une personne se fatiguera inévitablement et commencera à se laisser distraire. Un spécialiste peut soudainement être occupé à une autre tâche. Avec une personne, une proportion du formulaire « Si une tâche prend A minutes, alors N de telles tâches peuvent être accomplies en A * N minutes » ne fonctionne pas - cela prend toujours plus de temps.

Dans notre exemple, le robot triera les enregistrements de manière séquentielle, en commençant par les sections les plus grandes. Sur les grands tableaux, c'est une méthode lente. Pour accélérer, vous pouvez mettre en œuvre des approximations successives, par exemple la méthode de Newton ou la demi-division.
Résultat du calcul :

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

La tâche du scientifique

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

Pour qu’une équation de régression soit précise, un scientifique doit traiter une grande quantité de données.

Pour notre exemple, un tableau de variables d'entrée est alloué :

• hauteur du profil du tuyau ;
• largeur
• épaisseur du mur;
• longueur de la poutre ;
• poids de la charge.

Si nous devons faire le calcul pour au moins 3 valeurs de chaque variable, cela fait au total 243 répétitions. Avec une durée de deux minutes d'une itération, la durée totale sera de 8 heures - une journée de travail entière ! Pour une étude plus complète, il faut prendre non pas 3 valeurs, mais 10 ou plus.

Au cours de l’étude, il deviendra certainement évident que d’autres facteurs doivent être inclus dans le modèle. Par exemple, « conduisez » différentes qualités d’acier. Le volume des calculs augmente des dizaines et des centaines de fois.

Sur une tâche réelle, le robot pourra libérer le scientifique pendant plusieurs jours, que le spécialiste utilisera pour préparer la publication, et c'est le principal indicateur de l'activité du scientifique.

Résumé

Le « produit » d’un ingénieur est un appareil réellement fonctionnel, une conception. La robotisation des calculs réduira les risques dus à un développement plus approfondi du projet (plus de calculs, plus de modes, plus d'options).

Le « produit » d’un scientifique est une équation, un modèle ou une autre description compacte. Et plus elle est précise, plus l’analyse implique de données. Une solution RPA aidera à générer de la « nourriture » d’informations pour les modèles.

Généralisons notre exemple.

Le rôle du modèle de calcul peut être n'importe quel modèle : un modèle de pont, un modèle de moteur, un modèle de système de chauffage. Le spécialiste est tenu de s'assurer que tous les composants du modèle interagissent correctement les uns avec les autres et que le modèle fournit « à l'extérieur » un ensemble de paramètres-variables clés.

Le rôle de l'environnement informatique est joué par toute application qu'un spécialiste utilise dans son travail. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ou quelque chose de développé en interne, par exemple un programme de sélection de ventilateurs dans une usine de fabrication (voir Programmes de sélection d'équipement Systemair).

Nous considérons un site Web, une base de données, une feuille Excel et un fichier txt comme source de données.
Le résultat final du travail - un rapport - est un document Word avec du texte généré automatiquement, un graphique Excel, un ensemble de captures d'écran ou une newsletter par courrier électronique.

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

• calculs de résistance et de déformation ;
• dynamique de l'hydroélectricité et du gaz ;
• échange de chaleur;
• électromagnétisme;
• analyse interdisciplinaire;
• conception générative ;
• programmes de contrôle pour CNC (par exemple, imbrication);
• recherche médicale et biologique;
• dans les calculs de systèmes avec rétroaction ou de systèmes non stationnaires (lorsque le résultat final doit être transféré aux données source et le calcul répété).

Aujourd'hui, les solutions RPA sont activement utilisées dans les entreprises pour automatiser les processus et travailler avec les données. La routine d’un employé de bureau, d’un ingénieur et d’un scientifique a beaucoup en commun. Nous avons montré que les robots sont utiles en ingénierie et en science.

Résumons nos impressions.

1. Polyvalence : oui, la RPA est un outil universel.
2. Facile à apprendre – oui, simple et accessible, mais il faut une langue.
3. Vitesse de développement - oui, l'algorithme est assemblé rapidement, surtout lorsque vous maîtrisez le travail avec des enregistreurs.
4. Se libérer de la routine – oui, cela peut vraiment apporter des avantages dans les tâches à grande échelle.

Source: habr.com