Primjena RPA u znanstvenim i inženjerskim proračunima

Ulazak

U školi smo, kako bismo učvrstili svoje znanje, morali riješiti mnogo sličnih primjera. Cijelo vrijeme smo se živcirali: što je ovdje vrijedno? Zamijenite dvije ili tri vrijednosti u formulu i dobijte odgovor. Gdje je tu let misli? Stvarnost se pokazala surovijom od škole.

Sada radim kao IT analitičar. Prije nego što sam se pridružio informatičkom sektoru, radio sam kao inženjer grijanja, CNC programer i sudjelovao u istraživačkim projektima.

Iz vlastitog sam iskustva uvjeren da inženjeri i znanstvenici troše 95% svog radnog vremena na takve „istovrsne“ radnje. Izračunajte jednadžbe, provjerite, zabilježite rezultate, kopirajte specifikacije. Projekt za projektom, eksperiment za eksperimentom, dan za danom.

Evo par primjera iz mog prethodnog rada.

Do 2019. izrađivao sam tlocrte za termo vakumiranje. Ako je takav model prekriven grijanom plastikom, dobit ćemo proizvod koji točno ponavlja geometriju ovog modela. Opis tehnologije ovdje.

Ciklus proizvodnje maketa zahtijeva čitav niz visoko specijaliziranih aplikacija:

• Autodesk Inventor za 3D modeliranje;
• Excel za učitavanje dimenzija obratka;
• Excel za izračun cijene izgleda;
• HSM modul za izradu CNC upravljačkog programa;
• Računalni datotečni sustav za upravljanje programskim datotekama;
• Mach3 okruženje za upravljanje CNC strojem.

Podaci su se morali ručno prenositi iz okruženja u okruženje, a to je uključivalo cijele tablice i nizove vrijednosti. Proces je spor, a greške se često događaju.

Prije toga sam sudjelovao u razvoju i proizvodnji svjetlovoda (link). Tu je bilo puno istraživanja, dizajna i proračuna: specijalizirana okruženja za toplinske i svjetlosne proračune (Ansys, Dialux), plus proračuni isplativosti, plus Autocad i Inventor za modele i crteže. I ovdje iste poteškoće: rezultat izračuna iz jedne aplikacije potrebno je odvući u drugu aplikaciju za sljedeći izračun. I tako nekoliko puta u potrazi za optimalnim rješenjem.

Vrijeme inženjera i vrijeme znanstvenika je vrlo dragocjeno vrijeme. Ovdje ne govorimo o plaći. Iza inženjerovih proračuna stoji veliki projekt s timom. Iza istraživanja znanstvenika krije se perspektiva cijele industrije. Ali često visokokvalificirani stručnjak "glupo" prenosi vrijednosti iz jednog programa u drugi umjesto da razvija koncepte, modelira, tumači rezultate, raspravlja i razmišlja s kolegama.

Obilježje modernog poslovnog okruženja je brzina. Tržište stalno gura. U 2014. nam je trebalo 2-3 tjedna da napravimo model. U 2018. bila su to tri dana, a već se to činilo predugo. Sada dizajner mora proizvesti nekoliko opcija rješenja u istom vremenu koje je prethodno bilo dodijeljeno samo jednoj opciji.

I još jedna stvar – ulaganja i rizici. Kako bi se “uhvatilo” projekta, poduzeće mora uložiti ~6% troška tog projekta u konceptualni razvoj prije sklapanja ugovora s kupcem. Ova sredstva idu:

• za istraživanje;
• konceptualni dizajn;
• procjena troškova rada;
• izrada skica i sl.

Tvrtka ih uzima iz vlastitog džepa, to je vlastiti rizik. Pozornost prema konceptu zahtijeva vrijeme stručnjaka, a oni su zauzeti rutinom.

Nakon što sam se upoznao s alatima rada u IT tvrtki, zainteresirao sam se koje bi prakse automatizacije poslovnih procesa mogle biti korisne inženjerima. Stoga poduzeća već dugo koriste robotsku automatizaciju procesa (RPA) za borbu protiv rutine.

Proizvođači RPA tvrde sljedeće prednosti takvog alata za automatizaciju:

1. svestranost (robot može raditi s bilo kojom aplikacijom, s bilo kojim izvorom podataka);
2. jednostavnost učenja (nisu potrebne duboke kompetencije u programiranju i administraciji);
3. brzina razvoja (završeni algoritam traje manje vremena od tradicionalnog programiranja);
4. stvarno oslobađanje zaposlenika od rutinskih operacija.

Na temelju tih kriterija provjerit ćemo kakav je učinak korištenja RPA u inženjerskim/znanstvenim proračunima.

Opis primjera

Pogledajmo jednostavan primjer. Postoji konzolna greda s teretom.

Pogledajmo ovaj problem iz pozicije inženjera i iz pozicije znanstvenika.

Slučaj "Inženjer": postoji konzolna greda duljine 2 m. Mora držati teret težine 500 kg s 3-strukom sigurnosnom marginom. Greda je izrađena od pravokutne cijevi. Potrebno je odabrati presjek grede prema GOST katalogu.

Slučaj "znanstvenik": saznajte kako masa tereta, presjek i duljina grede utječu na nosivost ove grede. Izvedite regresijsku jednadžbu.

U oba slučaja uzima se u obzir sila teže koja djeluje na gredu razmjerno masi grede.

Proučimo detaljno prvi slučaj - "inženjer". Slučaj "znanstvenik" provodi se na sličan način.

Tehnički, naš primjer je vrlo jednostavan. A predmetni stručnjak moći će to jednostavno izračunati na kalkulatoru. Imamo još jedan cilj: pokazati kako RPA rješenje može pomoći kada zadatak postane velikih razmjera.

U pojednostavljenjima također napominjemo: poprečni presjek cijevi je idealan pravokutnik, bez zaokruživanja uglova, bez uzimanja u obzir zavara.

Zadatak inženjera

Opća shema slučaja "inženjera" je sljedeća:

1. Na Excel listu imamo tablicu s rasponom cijevi prema GOST-u.
2. Za svaki unos u ovoj tablici moramo izgraditi 3D model u Autodesk Inventoru.
3. Zatim, u okruženju Inventor Stress Analyses, izvodimo proračun čvrstoće i učitavamo rezultat proračuna u html.
4. Nalazimo vrijednost "Maksimalni von Misesov stres" u rezultirajućoj datoteci.
5. Zaustavljamo proračun ako je faktor sigurnosti (omjer granice tečenja materijala i maksimalnog von Misesovog naprezanja) manji od 3.

Vjerujemo da će greda odgovarajućeg poprečnog presjeka osigurati trostruku sigurnosnu marginu i biti minimalna u težini među ostalim opcijama.

Ukupno, u našem zadatku stručnjak radi s 3 aplikacije (vidi gornji dijagram). U stvarnoj situaciji broj prijava može biti i veći.

GOST 8645-68 "Pravokutne čelične cijevi" sadrži 300 unosa. U našem demo problemu, skratit ćemo popis: uzet ćemo po jednu stavku iz svake veličine obitelji. Ukupno ima 19 zapisa od kojih trebate odabrati jedan.

Okruženje za modeliranje Inventor, u kojem ćemo graditi model i raditi proračune čvrstoće, sadrži biblioteku gotovih materijala. Uzet ćemo materijal greda iz ove knjižnice:

Materijal - čelik
Gustoća 7,85 g/cu. cm;
Granica razvlačenja 207 MPa;
Vlačna čvrstoća 345 MPa;
Youngov modul 210 GPa;
Modul smicanja 80,7692 GPa.

Ovako izgleda trodimenzionalni model opterećene grede:

I evo rezultata proračuna čvrstoće. Sustav oboji osjetljiva područja snopa u crveno. To su mjesta gdje je najveća napetost. Skala lijevo pokazuje vrijednost maksimalnog naprezanja u materijalu grede.

 

Prenesimo sada dio posla na robota

Shema rada mijenja se kako slijedi:

Robota ćemo sastaviti u okruženju Automation Anywhere Community Edition (dalje u tekstu AA). Prijeđimo na kriterije ocjenjivanja i opišimo subjektivne dojmove.

mnogostranost

RPA rješenja (osobito ona komercijalna) ustrajno se pozicioniraju kao sredstvo automatizacije poslovnih procesa i automatizacije rada uredskih zaposlenika. Primjeri i tečajevi pokrivaju interakciju s ERP-om, ECM-om i webom. Sve je vrlo “uredski”.

Isprva smo sumnjali hoće li AA moći preuzeti sučelje i podatke našeg Autodesk Inventora. Ali sve je stvarno funkcioniralo: svaki element, svaka kontrola bila je definirana i snimljena. Čak iu uslužnim obrascima s tablicama parametara, robot je dobivao pristup željenoj ćeliji jednostavnim pokazivanjem miša.

Sljedeći je bio test s pokretanjem studija za proračun snage. I nema problema. U ovoj smo fazi morali pažljivo raditi s pauzama između radnji kada sustav čeka da se izračun završi.

Dohvaćanje dobivenih podataka s weba i njihovo umetanje u Excel prošlo je glatko.
U okviru ovog zadatka potvrđena je svestranost. Sudeći prema opisima drugih RPA dobavljača, svestranost je doista uobičajena značajka ove kategorije softvera.

Lako se uči

Bilo je potrebno nekoliko večeri za svladavanje: tečajevi, primjeri obuke - sve je tu. Mnogi dobavljači RPA nude besplatnu obuku. Jedina prepreka: sučelje okruženja i AA tečajevi samo su na engleskom.

Brzina razvoja

Navečer smo razvili i debugirali algoritam za "problem inženjera". Slijed radnji dovršen je u samo 44 upute. Ispod je fragment sučelja Automation Anywhere s gotovim robotom. Koncept niskog koda/bez koda - nije bilo potrebe za programiranjem: koristili smo snimače operacija ili drug'n'drop iz biblioteke naredbi. Zatim konfigurirajte parametre u prozoru svojstava.

Oslobađanje od rutine

Robot utroši 1 minutu 20 sekundi na obradu jednog zapisa. Otprilike isto toliko vremena potrošili smo na obradu jednog zapisa bez robota.

Ako govorimo o desecima i stotinama zapisa, tada će se osoba neizbježno umoriti i početi ometati. Specijalist može iznenada biti zaokupljen nekim drugim zadatkom. S osobom, proporcija u obliku "Ako zadatak traje A minuta, tada se N takvih zadataka može izvršiti za A * N minuta" ne funkcionira - uvijek je potrebno više vremena.

U našem primjeru, robot će sortirati zapise redom, počevši od najvećih odjeljaka. Na velikim nizovima ovo je spora metoda. Da biste ubrzali, možete implementirati uzastopne aproksimacije, na primjer, Newtonovu metodu ili poludijeljenje.
Rezultat izračuna:

Tablica 1. Rezultat odabira presjeka grede

Zadatak znanstvenika

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

Da bi regresijska jednadžba bila točna, znanstvenik mora obraditi veliku količinu podataka.

Za naš primjer, niz ulaznih varijabli je dodijeljen:

• visina profila cijevi;
• širina;
• Debljina zida;
• duljina grede;
• težinu tereta.

Ako moramo napraviti izračun za najmanje 3 vrijednosti svake varijable, onda je to ukupno 243 ponavljanja. Uz dvije minute trajanja jedne iteracije, ukupno vrijeme će biti 8 sati - cijeli radni dan! Za potpuniju studiju ne bismo trebali uzeti 3 vrijednosti, već 10 ili više.

Tijekom istraživanja sigurno će postati jasno da u model treba uključiti dodatne faktore. Na primjer, "vozite" različite vrste čelika. Obim izračuna se povećava desetke i stotine puta.

Na stvarnom zadatku, robot će moći osloboditi znanstvenika nekoliko dana, koje će stručnjak iskoristiti za pripremu publikacije, a to je glavni pokazatelj aktivnosti znanstvenika.

Rezime

Inženjerov "proizvod" je uređaj koji stvarno radi, dizajn. Robotizacija kalkulacija smanjit će rizike zbog dubljeg razvoja projekta (više kalkulacija, više modova, više opcija).

"Proizvod" znanstvenika je jednadžba, uzorak ili drugi sažeti opis. I što je točniji, to je više podataka uključeno u analizu. RPA rješenje pomoći će u stvaranju informacijske "hrane" za modele.

Generalizirajmo naš primjer.

Uloga proračunskog modela može biti bilo koji model: model mosta, model motora, model sustava grijanja. Specijalist je dužan osigurati da su sve komponente modela u ispravnoj međusobnoj interakciji i da model pruža "izvan" skup ključnih parametara-varijabli.

Ulogu računalnog okruženja igra svaka aplikacija koju stručnjak koristi u svom radu. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ili nešto što je razvijeno u tvrtki, na primjer, program za odabir ventilatora u proizvodnom pogonu (vidi programe odabira opreme Systemair).

Kao izvor podataka smatramo web stranicu, bazu podataka, Excel list i txt datoteku.
Konačni rezultat rada - izvješće - je Word dokument s automatski generiranim tekstom, Excel grafikon, skup screenshotova ili email newsletter.

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

• proračun čvrstoće i deformacije;
• hidro- i plinska dinamika;
• izmjena topline;
• elektromagnetizam;
• interdisciplinarna analiza;
• generativni dizajn;
• upravljački programi za CNC (na primjer, gniježđenje);
• medicinska i biološka istraživanja;
• u proračunima sustava s povratnom spregom ili nestacionarnih sustava (kada se konačni rezultat mora prenijeti na izvorne podatke i ponoviti proračun).

Danas se RPA rješenja aktivno koriste u poslovanju za automatizaciju procesa i rad s podacima. Rutina uredskog djelatnika, inženjera i znanstvenika ima mnogo toga zajedničkog. Pokazali smo da su roboti korisni u inženjerstvu i znanosti.

Da sumiramo dojmove.

1. Svestranost - da, RPA je univerzalni alat.
2. Lako se uči - da, jednostavno i pristupačno, ali potreban vam je jezik.
3. Brzina razvoja - da, algoritam se brzo sastavlja, pogotovo kada se naučite raditi sa snimačima.
4. Oslobađanje od rutine - da, to stvarno može donijeti dobrobiti u velikim zadacima.

Izvor: www.habr.com