Introduzione
A scuola, per consolidare le conoscenze, ci venivano assegnati molti esercizi simili. Ci lamentavamo sempre: cosa c'è di valore in questo? Inserire due-tre valori in una formula e ottenere una risposta. Dove sta la creatività? La realtà si è rivelata più dura di quanto pensassi a scuola.
Adesso lavoro come analista IT. Prima di entrare nel settore IT, ho lavorato come ingegnere termotecnico e programmatore CNC, partecipando a progetti di ricerca.
Dalla mia esperienza, ho constatato che il 95% del tempo lavorativo di ingegneri e scienziati è speso in queste azioni "simili". Calcoli di equazioni, verifiche, registrazione dei risultati, copia delle specifiche. Progetto dopo progetto, esperimento dopo esperimento, giorno dopo giorno.
Ecco un paio di esempi dal mio lavoro precedente.
Fino al 2019, realizzavo modelli per la formatura termovaccumica. Se si riveste un modello con plastica riscaldata, otteniamo un prodotto che riproduce esattamente la geometria di quel modello. Descrizione della tecnologia .
Nel ciclo di produzione di un modello, è necessario un intero insieme di applicativi altamente specializzati:
- Autodesk Inventor per la modellazione 3D;
- Excel per l'estrazione delle dimensioni del pezzo;
- Excel per il calcolo del costo del modello;
- il modulo HSM per la creazione del programma di controllo CNC;
- Il sistema di file del computer per la gestione dei file dei programmi;
- Ambiente Mach3 per il controllo della macchina CNC.
Da un ambiente all'altro, i dati dovevano essere trasferiti manualmente, e ciò comportava intere tabelle e array di valori. Il processo era lento e frequentemente si verificavano errori.
Prima di questo, ho partecipato allo sviluppo e alla produzione di fibre ottiche (). Ci sono stati molte ricerche, progettazioni e calcoli: ambienti specializzati per calcoli termotecnici e fotometrici (Ansys, Dialux), oltre a calcoli di redditività economica, più Autocad e Inventor per modelli e disegni. E qui ci sono le stesse difficoltà: il risultato di un calcolo in un'applicazione deve essere trasferito in un'altra applicazione per il successivo calcolo. E così diverse volte nella ricerca della soluzione ottimale.
Il tempo degli ingegneri e quello degli scienziati è molto prezioso. Non si tratta solo di stipendio. Dietro ai calcoli di un ingegnere c'è un grande progetto con un team. Dietro alle ricerche di uno scienziato c'è una prospettiva per un intero settore. Ma spesso un esperto altamente qualificato si limita a copiare valori da un programma a un altro, invece di sviluppare concetti, modellare, interpretare risultati, discutere e fare brainstorming con i colleghi.
Una caratteristica dell'ambiente aziendale moderno è la velocità. Il mercato esercita una continua pressione. Nel 2014 ci volevano 2-3 settimane per realizzare un prototipo. Nel 2018, tre giorni, e già ci sembrava troppo. Oggi, un progettista deve fornire diverse opzioni in quello che prima era il tempo necessario per una sola soluzione.
Un altro aspetto riguarda gli investimenti e i rischi. Per «catturare» un progetto, l'azienda deve investire circa il 6% del costo del progetto stesso nello sviluppo concettuale prima di concludere un contratto con il cliente. Questi fondi vengono destinati a:
- ricerca;
- progettazione concettuale;
- valutazione del carico di lavoro;
- preparazione di schizzi, ecc.
L'azienda li ottiene dalle proprie risorse, assumendosi un rischio. L'attenzione alla concezione richiede tempo ai professionisti, e loro sono impegnati nella routine.
Dopo aver conosciuto gli strumenti di lavoro in un'azienda IT, mi sono interessato a quali pratiche di automazione dei processi aziendali potessero essere utili agli ingegneri. Così, il business da tempo utilizza la robotizzazione dei processi (RPA) per combattere la routine.
I produttori di RPA dichiarano i seguenti vantaggi di questo strumento di automazione:
- versatilità (il robot può lavorare con qualsiasi applicazione, con qualsiasi sorgente di dati);
- facilità di apprendimento (non sono necessarie competenze approfondite in programmazione e amministrazione);
- rapidità di sviluppo (ci vuole meno tempo per un algoritmo già pronto rispetto alla programmazione tradizionale);
- una reale liberazione del dipendente dalle operazioni routinarie.
Su questi criteri verificheremo quale sia l'effetto dell'uso dell'RPA nei calcoli ingegneristici/scientifici.
Descrizione dell'esempio
Considereremo un semplice esempio. C'è una trave fissata in console con un carico.
Esaminiamo questo problema dalla prospettiva dell'ingegnere e da quella dello scienziato.
Caso "ingegnere": c'è una trave lunga 2 m fissata in modo console. Deve sostenere un carico di 500 kg con un fattore di sicurezza di 3. La trave è realizzata in tubo rettangolare. Occorre scegliere la sezione della trave dal catalogo GOST.
Caso "studioso": determinare come influiscono la massa del carico, la sezione e la lunghezza della trave sulla capacità portante di questa trave. Fornire l'equazione di regressione.
In entrambi i casi si tiene conto della forza di gravità, che agisce sulla trave in proporzione alla massa della trave.
Esamineremo in dettaglio il primo caso — "ingegnere". Il caso "studioso" viene realizzato in modo simile.
Tecnicamente il nostro esempio è molto semplice. E un esperto del settore potrebbe calcolarlo facilmente con una calcolatrice. Stiamo perseguendo un altro obiettivo: mostrare come la soluzione RPA possa aiutare quando il compito diventa su larga scala.
In semplificazioni notiamo anche: la sezione del tubo è un rettangolo perfetto, senza angoli arrotondati, senza tener conto della saldatura.
Il compito dell'ingegnere
Il diagramma generale del caso "ingegnere" è il seguente:
- Nel foglio Excel abbiamo una tabella con i campioni di tubi secondo il GOST.
- Per ogni voce di questa tabella dobbiamo costruire un modello 3D in Autodesk Inventor.
- Poi, nell'ambiente Inventor Stress Analyses, eseguiamo il calcolo della resistenza e esportiamo il risultato del calcolo in html.
- Troviamo nel file risultante il valore "Massima tensione secondo von Mises".
- Interrompiamo il calcolo se il fattore di sicurezza (rapporto tra il limite di snervamento del materiale e la massima tensione secondo von Mises) è inferiore a 3.
Si assume che la trave con la sezione appropriata garantirà un fattore di sicurezza di 3 e sarà la più leggera tra le altre opzioni.
In totale, nel nostro compito, lo specialista lavora con 3 applicazioni (vedi schema sopra). In una situazione reale, il numero di applicazioni può essere anche maggiore.
GOST 8645-68 "Tubi in acciaio rettangolari" contiene 300 voci. Nella nostra dimostrazione ridurremo l'elenco: prenderemo una posizione da ciascuna famiglia di dimensioni. In totale, 19 record, da cui è necessario scegliere uno.
L'ambiente di modellazione Inventor, in cui costruiremo il modello e faremo il calcolo della resistenza, contiene una libreria di materiali già pronti. Il materiale della trave prenderemo da questa libreria:
Materiale — Acciaio
Densità 7,85 g/cmc;
Limite di snervamento 207 MPa;
Limite di rottura 345 MPa;
Modulo di Young 210 GPa;
Modulo di taglio 80,7692 GPa.
Questo è l'aspetto del modello tridimensionale della trave sotto carico:
E qui c'è il risultato del calcolo di resistenza. Il sistema evidenzia in rosso le aree vulnerabili della trave. In questi punti la tensione è massima. La scala a sinistra mostra il valore massimo della tensione nel materiale della trave.
Ora affideremo parte del lavoro a un robot.
Lo schema di lavoro viene modificato nel seguente modo:
Costruiremo il robot nell'ambiente Automation Anywhere Community Edition (di seguito AA). Esamineremo i criteri di valutazione e descriveremo le impressioni soggettive.
Versatilità
Le soluzioni RPA (soprattutto quelle commerciali) vengono sempre più frequentemente posizionate come mezzi per automatizzare i processi aziendali e il lavoro degli impiegati. Negli esempi e nei corsi vengono trattati gli interfacciamenti con ERP, ECM, Web. Tutto è molto "da ufficio".
Inizialmente avevamo dei dubbi su se AA sarebbe stato in grado di gestire l'interfaccia e i dati del nostro Autodesk Inventor. Ma tutto ha funzionato davvero: ogni elemento, ogni controllo è stato riconosciuto e registrato. Anche nei moduli di servizio con tabelle di parametri, il robot ha avuto accesso alla cella necessaria semplicemente puntando con il mouse.
Successivamente, abbiamo avuto la prova con il lancio dello studio di calcolo della resistenza. E anche in questo caso senza problemi. A questo punto, è stato necessario lavorare attentamente con le pause tra le azioni, quando il sistema attende il completamento del calcolo.
L'acquisizione dei dati finali dal Web e l'inserimento in Excel è avvenuta senza intoppi.
Nel contesto di questo compito, la versatilità è stata confermata. A giudicare dalle descrizioni di altri fornitori di RPA, la versatilità è davvero una caratteristica comune di questa categoria di software.
Semplicità di apprendimento
L'apprendimento ha richiesto diverse serate: corsi, esempi pratici – tutto questo è disponibile. Molti fornitori di RPA offrono formazione gratuita. L'unico ostacolo: l'interfaccia dell'ambiente e i corsi di AA sono disponibili solo in inglese.
Rapidità di sviluppo
Abbiamo sviluppato e testato l'algoritmo per il "compito dell'ingegnere" in una sola serata. La sequenza di azioni si è ridotta a sole 44 istruzioni. Di seguito, nell'immagine, un frammento dell'interfaccia di Automation Anywhere con il robot finito. Il concetto di Low code/No code – non è stato necessario programmare: sono stati utilizzati i registratori di operazioni o il drag’n’drop dalla libreria dei comandi. Successivamente, la configurazione dei parametri nella finestra delle proprietà.
Alleggerimento dalla routine
Il robot impiega 1 minuto e 20 secondi per elaborare una registrazione. Circa lo stesso tempo che impiegavamo per elaborare una registrazione senza robot.
Se si parla di decine o centinaia di registrazioni, la persona inevitabilmente si stancherà e inizierà a distrarsi. Un esperto potrebbe essere improvvisamente impegnato in un'altra attività. Nel caso di una persona, la proporzione del tipo "Se un compito richiede A minuti, allora N di tali compiti possono essere completati in A*N minuti" non funziona: il tempo impiegato è sempre maggiore.
Nel nostro esempio, il robot elaborerà le registrazioni in modo sequenziale, iniziando dalle sezioni più grandi. Su grandi insiemi, questo non è un metodo rapido. Per velocizzare, si possono implementare approcci sequenziali, come il metodo di Newton o la bisezione.
Risultato del calcolo:
Tabella 1. Risultato della selezione della sezione della trave
Compito dello scienziato
Il compito dello scienziato è condurre diversi esperimenti numerici per determinare la legge secondo cui cambia la capacità portante della trave in funzione della sua sezione, lunghezza e massa del carico. La legge trovata viene formulata sotto forma di equazione di regressione.
Affinché l'equazione di regressione abbia precisione, lo scienziato deve elaborare un grande insieme di dati.
Per il nostro esempio, viene evidenziato un insieme di variabili di input:
- altezza del profilo del tubo;
- larghezza;
- spessore della parete;
- lunghezza della trave;
- massa del carico.
Se dobbiamo effettuare il calcolo per almeno 3 valori di ciascuna variabile, complessivamente sono 243 ripetizioni. Con una durata di due minuti per ogni iterazione, il tempo totale sarà già di 8 ore — un'intera giornata lavorativa! Per uno studio più completo, dobbiamo considerare non 3 valori, ma 10 o più.
Durante la ricerca, sarà inevitabile scoprire che nel modello devono essere inclusi fattori aggiuntivi. Ad esempio, esaminare diversi tipi di acciaio. Il volume dei calcoli aumenta di decine e centinaia di volte.
Nella situazione reale, il robot potrà liberare alcuni giorni allo scienziato, che il professionista utilizzerà per preparare una pubblicazione, il che è il principale indicatore dell'attività dello scienziato.
Riepilogo
Il "prodotto" dell'ingegnere è un dispositivo funzionante reale, una costruzione. L'automazione dei calcoli ridurrà i rischi grazie a una maggiore elaborazione del progetto (più calcoli, più modalità, più opzioni).
Il "prodotto" dello scienziato è un'equazione, una regolarità o un'altra descrizione compatta. E tanto più precisa è, quanto più dati sono stati coinvolti nell'analisi. La soluzione RPA aiuterà a formare "nutrimento" informativo per i modelli.
Riassumiamo il nostro esempio.
Qualsiasi modello può fungere da modello di calcolo: modello di ponte, modello di motore, modello di sistema di riscaldamento. È richiesto al professionista che tutti i componenti del modello interagiscano correttamente tra loro e che il modello fornisca all'esterno un insieme di parametri-variabili chiave.
Qualsiasi applicazione utilizzata dal professionista per lavorare svolge il ruolo di ambiente di calcolo. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. O qualcosa di sviluppato internamente, ad esempio, un programma per la selezione di ventilatori in un impianto di produzione (vedi Programmi per la selezione dell'attrezzatura Systemair).
Consideriamo come fonte di dati sia il sito web che il database, il foglio Excel e il file txt.
Il risultato finale del lavoro – un rapporto – è un documento Word con testo generato automaticamente, un diagramma Excel, un insieme di screenshot o l'invio di email.
L'RPA è applicabile ovunque venga effettuata un'analisi ingegneristica. Ecco alcuni settori:
- calcoli di resistenza e deformazione;
- idro- e gasodinamica;
- scambio termico;
- elettromagnetismo;
- analisi interdisciplinare;
- progettazione generativa;
- programmi di controllo per CNC (ad esempio, nesting);
- ricerche mediche e biologiche;
- nei calcoli di sistemi con retroazione o sistemi non stazionari (quando il risultato finale deve essere riinserito nei dati di input e il calcolo ripetuto).
Oggi le soluzioni RPA sono attivamente utilizzate nelle aziende per automatizzare i processi e lavorare con i dati. Nella routine di un impiegato d'ufficio, ingegnere e scienziato c'è molto in comune. Abbiamo dimostrato che i robot sono utili nelle attività ingegneristiche e scientifiche.
Riassumiamo le nostre impressioni.
- Versatilità — sì, l'RPA è uno strumento versatile.
- Facilità d'uso — sì, è semplice e accessibile, ma è richiesta una lingua.
- Velocità di sviluppo — sì, l'algoritmo si assembla rapidamente, specialmente quando si ha 'pratica' con i registratori.
- Decompressione dalla routine — sì, è davvero capace di portare benefici in compiti di grande scala.
Fonte: habr.com
