Introduzione
A scuola ci assegnavano molti esercizi simili per consolidare le conoscenze. Ci lamentavamo sempre: cosa c'è di valore in questo? Sostituire due o tre valori nella formula e ottenere una risposta. Dove sta qui il volo della fantasia? La realtà si è rivelata più dura della scuola.
Attualmente lavoro come analista nel settore IT. Prima di entrare nel mondo 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 viene speso in 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, progettavo modelli per lo stampaggio a vuoto. Se avvolgiamo 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 insieme di applicazioni altamente specializzate:
- Autodesk Inventor per la modellazione 3D;
- Excel per l'estrazione delle dimensioni del pezzo;
- Excel per il calcolo del costo del modello;
- modulo HSM per la creazione di un programma di controllo CNC;
- File system del computer per la gestione dei file dei programmi;
- Ambiente Mach3 per il controllo della macchina CNC.
Tra un ambiente e l'altro, i dati dovevano essere trasferiti manualmente, il che comportava tabelle intere e insiemi di valori. Il processo era lento e frequentemente si verificavano errori.
In precedenza ho partecipato allo sviluppo e alla produzione di fibre ottiche (). Sono stati necessari molti studi, progettazioni e calcoli: ambienti specializzati per calcoli termotecnici e fotometrici (Ansys, Dialux), oltre ai calcoli di fattibilità economica, e Autocad e Inventor per modelli e disegni. Anche qui ci sono le stesse difficoltà: il risultato del calcolo da un'applicazione deve essere trasferito in un'altra applicazione per il successivo calcolo. E così via, più volte in cerca della soluzione ottimale.
Il tempo degli ingegneri e degli scienziati è estremamente prezioso. Non si tratta solo di stipendio. Dietro le analisi di un ingegnere c'è un grande progetto con un team. Dietro la ricerca di uno scienziato c'è il futuro di un'intera industria. Tuttavia, spesso un esperto altamente qualificato si limita a trascrivere valori da un programma all'altro invece di sviluppare concetti, modellare, interpretare risultati, discutere e fare brainstorming con i colleghi.
Una caratteristica dell'attuale ambiente business è la velocità. Il mercato spinge costantemente. Nel 2014, ci volevano 2-3 settimane per realizzare un modello. Nel 2018, tre giorni sembravano già troppi. Ora, il progettista deve presentare diverse soluzioni nello stesso tempo che in precedenza era dedicato a una sola opzione.
E un altro aspetto – investimenti e rischi. Affinché un'impresa possa impegnarsi in un progetto, deve investire circa il 6% del costo del progetto nella fase di sviluppo concettuale prima di firmare il contratto con il cliente. Questi fondi vengono spesi per:
- ricerca;
- progettazione concettuale;
- valutazione delle ore lavorative;
- preparazione di schizzi, ecc.
L'azienda ne assume il rischio, coprendo i costi di tasca propria. L'attenzione alla concettualizzazione richiede tempo da parte degli specialisti, che sono impegnati in attività routinarie.
Dopo aver appreso degli strumenti di lavoro in un'azienda IT, ho iniziato a chiedermi quali pratiche di automazione dei processi aziendali potessero essere utili agli ingegneri. Già da tempo, le aziende stanno implementando l'automazione dei processi robotizzati (RPA) per affrontare la routine.
I produttori di RPA dichiarano i seguenti vantaggi di questo strumento di automazione:
- versatilità (il robot può lavorare con qualsiasi applicazione e qualsiasi fonte di dati);
- facilità di apprendimento (non sono richieste competenze approfondite in programmazione e amministrazione);
- velocità di sviluppo (il tempo necessario per un algoritmo pronto è inferiore rispetto alla programmazione tradizionale);
- una reale alleggerimento dei dipendenti dalle operazioni routinarie.
Su questi criteri verificheremo quale sia l'effetto dell'uso della RPA nei calcoli ingegneristici/scientifici.
Descrizione dell'esempio
Considereremo un esempio semplice. C'è un trave fissato a una console con un carico.
Esaminiamo questa problematica dal punto di vista di un ingegnere e di uno scienziato.
Caso «ingegnere»: c'è un travetto fissato a muro lungo 2 m. Deve sostenere un carico di 500 kg con un fattore di sicurezza di 3. Il travetto è realizzato in tubo rettangolare. Bisogna scegliere la sezione del travetto dal catalogo GOST.
Caso «scienziato»: determinare come influenzano la massa del carico, la sezione e la lunghezza del travetto la capacità portante di quest'ultimo. Produciamo un'equazione di regressione.
In entrambi i casi si considera la forza di gravità che agisce sul travetto in proporzione alla massa del travetto.
Analizzeremo dettagliatamente il primo caso — «ingegnere». Il caso «scienziato» viene realizzato in modo simile.
Tecnicamente, il nostro esempio è molto semplice. E lo specialista del settore può calcolarlo semplicemente con una calcolatrice. Abbiamo un obiettivo diverso: mostrare come una soluzione RPA può aiutare quando il compito diventa su larga scala.
Nelle semplificazioni, notiamo anche: la sezione del tubo è un rettangolo ideale, senza angoli arrotondati, senza considerare la saldatura.
Compito dell'ingegnere
Lo schema generale del caso «ingegnere» è il seguente:
- Nella scheda Excel abbiamo una tabella con le specifiche dei tubi secondo GOST.
- Per ogni voce di questa tabella dobbiamo costruire un modello 3D in Autodesk Inventor.
- Successivamente, nell'ambiente di Inventor Stress Analyses, eseguiamo il calcolo della resistenza e esportiamo il risultato in formato html.
- Troviamo nel file ottenuto il valore "Massima tensione secondo von Mises".
- Interrompiamo il calcolo se il margine di sicurezza (rapporto tra il limite di elasticità del materiale e la massima tensione secondo von Mises) è inferiore a 3.
Consideriamo che una trave con sezione adeguata garantirà un margine di sicurezza di 3 volte e sarà la più leggera tra le altre opzioni.
In totale, nel nostro compito, il tecnico lavora con 3 applicazioni (vedi schema sopra). In situazioni reali, il numero di applicazioni può essere maggiore.
La norma GOST 8645-68 "Tubi in acciaio rettangolari" contiene 300 registrazioni. Nel nostro compito dimostrativo ridurremo l'elenco: prenderemo una voce da ciascuna famiglia di dimensioni. Totale 19 registrazioni, da cui selezionare una.
L'ambiente di modellazione Inventor, in cui costruiremo il modello e faremo il calcolo della resistenza, contiene una libreria di materiali pronti. Il materiale della trave sarà preso da questa libreria:
Materiale — Acciaio
Densità 7,85 g/cm³;
Limite di scorrimento 207 MPa;
Limite di rottura 345 MPa;
Modulo di Young 210 GPa;
Modulo di taglio 80,7692 GPa.
Ecco come appare un modello 3D di una trave sotto carico:
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 la più alta. La scala a sinistra mostra il valore massimo di tensione nel materiale della trave.
Ora trasferiamo parte del lavoro a un robot
Lo schema di lavoro cambia nel seguente modo:
Costruiremo il robot nell'ambiente Automation Anywhere Community Edition (di seguito AA). Passiamo in rassegna i criteri di valutazione e descriviamo le impressioni soggettive.
Versatilità
Le soluzioni RPA (soprattutto quelle commerciali) sono costantemente posizionate come strumenti per l'automazione dei processi aziendali, automatizzando il lavoro degli impiegati d'ufficio. Negli esempi e nei corsi di formazione, si esplora l'interazione con ERP, ECM, Web. Tutto molto 'ufficio'.
All'inizio avevamo dei dubbi su quanto AA potesse gestire l'interfaccia e i dati del nostro Autodesk Inventor. Ma tutto ha funzionato davvero: ogni elemento, ogni controllo è stato rilevato e registrato. Anche nei moduli di servizio con tabelle dei parametri, il robot ha avuto accesso alla cella necessaria semplicemente puntando con il mouse.
Successivamente, c'è stata una prova con il lancio dello studio di calcolo delle sollecitazioni. E anche questo è andato senza problemi. A questo punto, è stato necessario prestare attenzione alle pause tra le azioni, quando il sistema attendeva il completamento del calcolo.
Il trasferimento dei dati finali dal Web a Excel è avvenuto senza intoppi.
Nel contesto di questo compito, è stata confermata la versatilità. A giudicare dalle descrizioni di altri fornitori di RPA, la versatilità è davvero una caratteristica comune a questa categoria di software.
Facilità di apprendimento
La formazione ha richiesto alcune sere: 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.
Velocità di sviluppo
L'algoritmo per il "compito dell'ingegnere" è stato sviluppato e testato in una sera. La sequenza di azioni si è ridotta a sole 44 istruzioni. Qui sotto è un frammento dell'interfaccia di Automation Anywhere con il robot pronto. Il concetto Low code/No code – non è stato necessario programmare: abbiamo utilizzato registratori di operazioni, oppure drag’n’drop dalla libreria dei comandi. Successivamente, configurazione dei parametri nella finestra delle proprietà.
Alleggerimento dalle attività ripetitive
Un robot impiega 1 minuto e 20 secondi per elaborare una singola registrazione. Circa lo stesso tempo che impiegavamo per elaborare una registrazione senza robot.
Se si parla di decine o centinaia di registrazioni, una persona inevitabilmente si stancherà e comincerà a distrarsi. Un esperto potrebbe essere improvvisamente impegnato in un'altra attività. Con una persona, la proporzione del tipo "Se un compito richiede A minuti, allora N di quei compiti possono essere completati in A*N minuti" non funziona: il tempo impiegato è sempre maggiore.
Nel nostro esempio, il robot esaminerà le registrazioni in modo sequenziale, partendo dalle sezioni più grandi. Su grandi volumi, questo metodo non è veloce. Per accelerare, si possono implementare approssimazioni 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 eseguire diversi esperimenti numerici per determinare la legge secondo cui cambia la capacità portante della trave in base alla sua sezione, lunghezza e massa del carico. La legge trovata è formulata come un'equazione di regressione.
Affinché l'equazione di regressione sia precisa, il ricercatore deve elaborare un ampio volume di dati.
Per il nostro esempio, vengono identificati un insieme di variabili in ingresso:
- 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, si tratta di un totale di 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 dovremmo prendere non 3 valori, ma 10 o più.
Durante la ricerca emergerà inevitabilmente la necessità di includere fattori aggiuntivi nel modello. Ad esempio, testare diverse qualità di acciaio. Il volume di calcoli aumenta di decine e centinaia di volte.
In un compito reale, un robot potrebbe liberare il ricercatore da diversi giorni, che lo specialista può utilizzare per preparare una pubblicazione, il che è il principale indicatore dell'attività del ricercatore.
Riepilogo
Il "prodotto" dell'ingegnere è un dispositivo funzionante e una costruzione. L'automazione dei calcoli ridurrà i rischi grazie a una progettazione più approfondita del progetto (più calcoli, più modalità, più varianti).
Il «prodotto» di uno scienziato è un'equazione, una legge o una descrizione compatta. E tanto più preciso è, quanto più dati sono stati coinvolti nell'analisi. La soluzione RPA aiuterà a formare il «nutrimento» informativo per i modelli.
Riassumiamo il nostro esempio.
Qualsiasi modello può fungere da modello di calcolo: modello di un ponte, modello di un motore, modello di un sistema di riscaldamento. È richiesto allo specialista che tutti i componenti del modello siano in corretta interazione tra loro e che il modello fornisca «all'esterno» un insieme di parametri chiave variabili.
Qualsiasi applicazione utilizzata dallo specialista nel lavoro svolge il ruolo di ambiente di calcolo. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. O qualcosa di sviluppo proprio, come un programma per la selezione di ventilatori in uno stabilimento (vedi Programmi per la selezione delle attrezzature Systemair).
Come fonte di dati consideriamo sia un sito web, che un database, un foglio Excel e un 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 sia pertinente l'analisi ingegneristica. Ecco alcune aree:
- calcoli di resistenza e deformazione;
- idrodinamica e gasodinamica;
- scambio termico;
- elettromagnetismo;
- analisi interdisciplinare;
- programmi di controllo per CNC (ad esempio, nesting);
- ricerche mediche e biologiche;
- nei calcoli di sistemi a feedback o sistemi non stazionari (quando il risultato finale deve essere restituito ai dati iniziali e ripetere il calcolo).
- Oggi le soluzioni RPA sono ampiamente utilizzate nel business per l'automazione dei processi e la gestione dei dati. Nella routine di un dipendente 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 di apprendimento — sì, è semplice e accessibile, ma è necessario un linguaggio.
- Rapidità di sviluppo — sì, l'algoritmo si compila rapidamente, soprattutto quando si acquisisce esperienza con i registratori.
- Alleggerimento dalle routine — sì, è davvero in grado di portare benefici in compiti di grande scala.
- Alleggerimento dalla routine — sì, è veramente in grado di portare benefici in compiti di grande scala.
Fonte: habr.com
