Primjena RPA u znanstvenim i inženjerskim proračunima

Uvod

U školi smo često zadavali da riješimo brojne slične zadatke kako bismo učvrstili znanje. Stalno smo se pitali: što je ovdje vrijedno? Umetnuti dvoje ili troje vrijednosti u formulu i dobiti odgovor. Gdje je tu kreativnost? Stvarnost se pokazala težom od škole.

Trenutno radim kao analitičar u IT-u. Prije dolaska u IT sektor radio sam kao inženjer termotehnike, CNC programer i sudjelovao sam u istraživačkim projektima.

Na vlastitom iskustvu uvjerio sam se da 95% radnog vremena inženjeri i znanstvenici troše na takve "slične" aktivnosti. Izračuni jednadžbi, provjere, registracija rezultata, kopiranje specifikacija. Projekt za projektom, eksperiment za eksperimentom, dan za danom.

Evo nekoliko primjera iz mog bivšeg posla.

Do 2019. godine radio sam makete za termo-vakuumsku formaciju. Ako takvu maketu pokrijemo zagrijanom plastikom, dobit ćemo proizvod koji točno ponavlja geometriju te makete. Opis tehnologije ovdje.

U ciklusu izrade makete potrebna je cijela serija specijaliziranih aplikacija:

• Autodesk Inventor za 3D modeliranje;
• Excel za izvođenje dimenzija materijala;
• Excel za izračun troškova makete;
• HSM modul za izradu upravljačkog programa za CNC;
• Datotečni sustav računala za upravljanje datotekama programa;
• Okruženje Mach3 za upravljanje CNC strojem.

Iz okruženja u okruženje podaci su se morali prenositi ručno, a to su cijele tablice i skupovi vrijednosti. Proces je bio spor, često su se javljale greške.

Prije toga sudjelovao sam u razvoju i proizvodnji svjetlovoda (link). Istraživanja, projektiranje i izračuni bili su brojni: specijalizirana okruženja za termotehničke i svjetlosne izračune (Ansys, Dialux), uz izračune ekonomske isplativosti, plus Autocad i Inventor za modele i crteže. I ovdje su bile iste poteškoće: rezultat izračuna iz jedne aplikacije treba prenijeti u drugu aplikaciju za sljedeći izračun. I tako nekoliko puta u potrazi za optimalnim rješenjem.

Vrijeme inženjera i vrijeme znanstvenika su vrlo skupi resursi. Ovdje se ne radi o plaći. Iza inženjerskih proračuna stoji velik projekt s timom. Iza istraživanja znanstvenika stoji perspektiva cijele industrije. No, često visoko kvalificirani stručnjak "samo" prebacuje vrijednosti iz jednog programa u drugi umjesto da razvija koncepcije, modelira, interpretira rezultate, sudjeluje u raspravama i kreativnim brainstorming sesijama s kolegama.

Karakteristika suvremenog poslovnog okruženja je brzina. Tržište stalno pritisne. Godine 2014. izrada maketa trajala je 2-3 tjedna. Godine 2018. - tri dana, što se već činilo predugo. Sada projektant mora ponuditi nekoliko varijanti rješenja u istom vremenu koje je ranije bilo odvojeno samo za jednu varijantu.

I još jedna stvar – ulaganja i rizici. Kako bi se "uhvatili" za projekt, tvrtka mora prije potpisivanja ugovora s naručiteljem uložiti oko 6% vrijednosti tog projekta u konceptualni razvoj. Ova sredstva odlaze:

• na istraživanje;
• konceptualno projektiranje;
• procjenu radne snage;
• pripremu skica itd.

Tvrtka pokriva te troškove iz vlastitog džepa, to je njihov vlastiti rizik. Pažnja posvećena konceptu zahtijeva vrijeme stručnjaka, a oni su zaposleni rutinskim poslovima.

Nakon upoznavanja s alatima rada u IT tvrtki, zanimalo me koje bi prakse iz automatizacije poslovnih procesa mogle biti korisne inženjerima. Tako se poslovanje već dugo koristi robotizacijom procesa (RPA) za borbu protiv rutine.

Proizvođači RPA ističu sljedeće prednosti alata za automatizaciju:

1. univerzalnost (robot može raditi s bilo kojom aplikacijom, s bilo kojim izvorom podataka);
2. jednostavnost usvajanja (ne zahtijeva duboka znanja iz programiranja i administracije);
3. brzina razvoja (na gotovi algoritam potrebno je manje vremena nego kod tradicionalnog programiranja);
4. stvarno oslobađanje zaposlenika od rutina.

Prema ovim kriterijima provjerit ćemo kakav je učinak korištenja RPA u inženjerskim/znanstvenim proračunima.

Opis primjera

Razmotrit ćemo jednostavan primjer. Postoji konzolno učvršćena grede s teretom.

Pogledajmo ovaj zadatak iz perspektive inženjera i iz perspektive znanstvenika.

Slučaj 'inženjer': postoji konzolno učvršćena greda dužine 2 m. Ona treba zadržati teret mase 500 kg uz trostruku sigurnosnu margine. Greda je izrađena od pravokutne cijevi. Potrebno je odabrati presjek grede prema katalogu GOST.

Slučaj 'znanstvenik': utvrditi kako masa tereta, presjek i dužina grede utječu na nosivost te grede. Izdati regresijsku jednadžbu.

U oba slučaja uzima se u obzir gravitacijska sila koja djeluje na gredu proporcionalno masi grede.

Detaljno ćemo proučiti upravo prvi slučaj — 'inženjer'. Slučaj 'znanstvenik' provodi se na sličan način.

Tehnički je naš primjer vrlo jednostavan. I stručnjak za predmet će ga moći izračunati jednostavno s kalkulatorom. Naš cilj je prikazati kako RPA rješenje može pomoći kad zadatak postane masivan.

U pojednostavljenjima također napominjemo: presjek cijevi — idealni pravokutnik, bez zaobljenja kutova, bez uzimanja u obzir zavarenih spojeva.

Zadatak inženjera

Opća shema slučaja 'inženjer' je sljedeća:

1. Na Excel listu imamo tablicu sa sortimentom cijevi prema GOST-u.
2. Za svaku stavku iz ove tablice moramo izraditi 3D model u Autodesk Inventoru.
3. Zatim u okruženju Inventor Stress Analyses izvodimo proračun čvrstoće i izvozimo rezultat proračuna u html.
4. U dobivenom datoteci pronalazimo vrijednost 'Maksimalno naprezanje prema Misesu'.
5. Prekidačemo proračun ako je sigurnosna margina (omjer granice tečenja materijala prema maksimalnom naprezanju prema Misesu) manja od 3.

Pretpostavljamo da će greda odgovarajućeg presjeka osigurati trostruku sigurnosnu margine i biti minimalna po masi među ostalim varijantama.

Zaključno, u našem zadatku stručnjak radi s 3 aplikacije (vidi shemu iznad). U stvarnim uvjetima obično ima više aplikacija.

GOST 8645-68 'Čelične pravokutne cijevi' sadrži 300 stavki. U svom demonstracijskom zadatku smanjit ćemo popis: uzet ćemo po jednu stavku iz svake obitelji dimenzija. Ukupno 19 stavki, od kojih treba odabrati jednu.

Okruženje modeliranja Inventor, u kojem ćemo izraditi model i provesti proračun čvrstoće, sadrži biblioteku gotovih materijala. Materijal grede prihvatit ćemo iz te biblioteke:

Materijal — Čelik
Gustoća 7,85 g/kub. cm;
Granica tečenja 207 MPa;
Granica lomljenja 345 MPa;
Youngov modul 210 GPa;
Modul smicanja 80,7692 GPa.

Ovako izgleda trodimenzionalni model opterećene grede:

Ovdje je rezultat proračuna čvrstoće. Sustav označava crvenom bojom ranjiva mjesta grede. Na ovim mjestima je napetost najveća. Skala s lijeve strane prikazuje vrijednost maksimalne napetosti u materijalu grede.

Sada ćemo prenijeti dio posla na robota

Shema rada mijenja se na sljedeći način:

Robota ćemo sastaviti u okruženju Automation Anywhere Community Edition (dalje AA). Proći ćemo kroz kriterije ocjenjivanja i opisati subjektivne doživljaje.

Svestranost

Rješenja RPA (posebno komercijalna) snažno se pozicioniraju kao sredstva za automatizaciju poslovnih procesa, automatizaciju rada uredskih zaposlenika. U primjerima i obrazovnim tečajevima razmatra se interakcija s ERP-om, ECM-om, webom. Sve je vrlo "uredski".

Isprva smo imali sumnje hoće li AA moći pohvatati sučelje i podatke našeg Autodesk Inventora. No, sve je stvarno funkcioniralo: svaki element, svaka kontrola je prepoznata i zabilježena. Čak je i u službenim obrascima s tablicama parametara robot dobio pristup potrebnoj ćeliji samo pomoću pokazivača miša.

Sljedeće je bilo ispitivanje pokretanja studija proračuna čvrstoće. I također bez problema. U ovoj fazi je bilo potrebno pažljivo raditi s pauzama između radnji, kada sustav čeka završetak proračuna.

Dobivanje konačnih podataka s weba i njihovo umetanje u Excel prošlo je glatko.
U okviru ovog zadatka univerzalnost se potvrdila. Sudeći prema opisima drugih pružatelja RPA, univerzalnost je doista zajednička karakteristika ove kategorije softvera.

Jednostavnost usvajanja

Usvajanju je trebalo nekoliko večeri: tečajevi, obrazovni primjeri – sve ovo postoji. Kod mnogih pružatelja RPA je obuka besplatna. Jedina prepreka: sučelje okruženja i tečajevi u AA su samo na engleskom.

Brzina razvoja

Algoritam za „inženjerski zadatak“ razvili smo i testirali za večer. Sekvenca radnji stala je u samo 44 instrukcije. Ispod na slici je fragment sučelja Automation Anywhere s gotovim robotom. Koncept Low code/No code – nije bilo potrebno programirati: koristili smo rekorder operacija ili drag’n’drop iz biblioteke komandi. Zatim postavljanje parametara u prozoru svojstava.

Oslobađanje od rutine

Robot troši 1 min 20 sekundi za obradu jednog unosa. Otprilike toliko vremena smo trošili na obradu jednog unosa bez robota.

Ako se radi o desecima ili stotinama zapisa, osoba će se neizbježno umoriti i početi gubiti fokus. Stručnjak se može iznenada odvratiti nekom drugom zadatku. Proporcija kod ljudi kao što je „Ako zadatak traje A minuta, onda se N takvih zadataka može obaviti za A*N minuta” ne funkcionira – uvijek se utroši više vremena.

U našem primjeru robot će redom prolaziti kroz zapise, počinjujući od najvećih presjeka. Na velikim skupovima podataka ovo nije brz metod. Za ubrzanje se mogu implementirati sekvencijalne aproximacije, kao što su Newtonova metoda ili metoda polu-dijeljenja.
Rezultat izračuna:

Tablica 1. Rezultat odabira presjeka grede

Zadatak znanstvenika

Zadatak znanstvenika je provesti nekoliko numeričkih eksperimenata kako bi odredio zakon prema kojem se mijenja nosivost grede ovisno o njenom presjeku, duljini i masi tereta. Pronađeni zakon se formulira u obliku regresijske jednadžbe.

Kako bi regresijska jednadžba imala točnost, znanstvenik mora obraditi veliki skup podataka.

Za naš primjer, izdvaja se skup ulaznih varijabli:

• visina profila cijevi;
• širina;
• debljina zida;
• duljina grede;
• masa tereta.

Ako moramo izvršiti izračun za barem 3 vrijednosti svake varijable, ukupno će to biti 243 ponavljanja. Pri dvominutnoj trajnosti jedne iteracije, ukupno vrijeme će već iznositi 8 sati – cijeli radni dan! Za detaljnije istraživanje trebali bismo uzeti ne 3 vrijednosti, već 10 ili više.

Tijekom istraživanja neizbježno će se pokazati da je potrebno uključiti dodatne faktore u model. Na primjer, ispitivanje različitih sorti čelika. Opseg izračuna se povećava desetak i stotine puta.

Na stvarnom zadatku robot će moći osloboditi znanstveniku nekoliko dana, koje stručnjak koristi za pripremu publikacije, a to je ključna mjera aktivnosti znanstvenika.

Sažetak

„Proizvod” inženjera je stvarni radni uređaj, konstrukcija. Robotizacija izračuna smanjit će rizike kroz dublje razrađivanje projekta (više izračuna, više režima, više opcija).

„Proizvod” znanstvenika je jednadžba, zakonitost ili neki drugi kompaktni opis. I što je ona preciznija, to više podataka je uključeno u analizu. RPA rješenje će pomoći u formiranju informativne „hrane” za modele.

Sažmimo naš primjer.

Kao računsku model može poslužiti bilo koja model: model mosta, model motora, model sustava grijanja. Od stručnjaka se očekuje da svi komponenti modela budu u pravilnoj interakciji jedni s drugima i da model pruža "van" skup ključnih parametara-variabli.

Uloga računalne sredine ima svaka aplikacija koju stručnjak koristi u svom radu. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ili nešto vlastite izrade, na primjer, program za odabir ventilatora u tvornici-proizvođaču (vidi Programi za odabir opreme Systemair).

U ulozi izvora podataka razmatramo i web-stranicu, i bazu podataka, i Excel tablicu, i txt datoteku.
Konačni rezultat rada – izvještaj – je Word dokument s automatski generiranim tekstom, Excel dijagram, skup snimaka ekrana ili slanje e-pošte.

RPA je primjenjiv svuda gdje je primjenjiva inženjerska analiza. Evo nekih područja:

• proračuni čvrstoće i deformacije;
• hidro- i plinodinamika;
• prijenos topline;
• elektromagnetizam;
• interdisciplinarna analiza;
• generativno projektiranje;
• kontrolni programi za CNC (na primjer, nesting);
• medicinska i biološka istraživanja;
• u proračunima sustava s povratnom informacijom ili nestiacjonarnih sustava (kada konačni rezultat treba prenijeti u izvorne podatke i ponoviti proračun).

Danas se RPA rješenja aktivno koriste u poslovanju za automatizaciju procesa, rada s podacima. U rutini uredskog radnika, inženjera i znanstvenika ima mnogo zajedničkog. Pokažemo da su roboti primjenjivi u inženjskom i znanstvenom radu.

Sažimo naše dojmove.

1. Svestranost — da, RPA je svestran alat.
2. Jednostavnost u radu — da, jednostavno je i dostupno, ali je potreban jezik.
3. Brzina razvoja — da, algoritam se brzo sastavlja, osobito kada "uloviš rukom" rad s rektorima.
4. Rasterećenje od rutine — da, doista može donijeti korist u zadacima velikih razmjera.

Izvor: habr.com