Wejście
W szkole, aby utrwalić naszą wiedzę, proszono nas o rozwiązanie wielu podobnych przykładów. Cały czas nas denerwowało: co tu jest wartościowego? Zastąp dwie lub trzy wartości we wzorze i uzyskaj odpowiedź. Gdzie tu bieg myśli? Rzeczywistość okazała się trudniejsza niż szkoła.
Teraz pracuję jako analityk IT. Przed dołączeniem do branży IT pracowałem jako inżynier ogrzewania, programista CNC i brałem udział w projektach badawczych.
Z własnego doświadczenia jestem przekonany, że inżynierowie i naukowcy spędzają 95% swojego czasu pracy na tego typu działaniach. Oblicz równania, sprawdź, zapisz wyniki, skopiuj specyfikacje. Projekt po projekcie, eksperyment po eksperymencie, dzień po dniu.
Oto kilka przykładów z moich poprzednich prac.
Do 2019 roku wykonywałem układy do termoformowania próżniowego. Jeśli taki model zostanie pokryty podgrzewanym tworzywem sztucznym, otrzymamy produkt dokładnie powtarzający geometrię tego modelu. Opis technologii .
Cykl produkcyjny makiety wymaga całego zestawu wysoce wyspecjalizowanych aplikacji:
- Autodesk Inventor do modelowania 3D;
- Excel do przesyłania wymiarów detalu;
- Excel do obliczania kosztu układu;
- Moduł HSM do tworzenia programu sterującego CNC;
- Komputerowy system plików do zarządzania plikami programów;
- Środowisko Mach3 do sterowania maszyną CNC.
Dane musiały być przesyłane ręcznie ze środowiska do środowiska, a dotyczyło to całych tabel i tablic wartości. Proces jest powolny i często zdarzają się błędy.
Wcześniej brałem udział w opracowywaniu i produkcji światłowodów (). Było tam mnóstwo badań, projektowania i obliczeń: specjalistyczne środowiska do obliczeń termicznych i oświetleniowych (Ansys, Dialux), do tego obliczenia opłacalności, plus Autocad i Inventor do modeli i rysunków. I tu te same trudności: wynik obliczeń z jednej aplikacji trzeba przeciągnąć do innej aplikacji w celu wykonania kolejnych obliczeń. I tak kilka razy w poszukiwaniu optymalnego rozwiązania.
Czas inżyniera i czas naukowca to czas bardzo cenny. Nie mówimy tu o zarobkach. Za wyliczeniami inżyniera stoi duży projekt z zespołem. Za badaniami naukowca kryje się perspektywa całej branży. Często jednak wysoko wykwalifikowany specjalista „głupio” przenosi wartości z jednego programu do drugiego, zamiast opracowywać koncepcje, modelować, interpretować wyniki, dyskutować i przeprowadzać burzę mózgów ze współpracownikami.
Cechą charakterystyczną współczesnego środowiska biznesowego jest szybkość. Rynek nieustannie naciska. W 2014 roku wykonanie modelu zajęło nam 2-3 tygodnie. W 2018 roku były to trzy dni, a to już wydawało się za długie. Teraz projektant musi wyprodukować kilka opcji rozwiązania w tym samym czasie, który wcześniej był przeznaczony tylko dla jednej opcji.
I jeszcze jedna kwestia – inwestycje i ryzyko. Aby „złapać” projekt, przedsiębiorstwo musi zainwestować ~6% kosztów tego projektu w rozwój koncepcyjny przed zawarciem umowy z klientem. Fundusze te idą:
- na badania;
- projekt koncepcyjny;
- ocena kosztów pracy;
- przygotowanie szkiców itp.
Firma wyciąga je z własnej kieszeni, jest to na własne ryzyko. Dbałość o koncepcję wymaga czasu specjalistów, a oni są zajęci rutyną.
Po zapoznaniu się z narzędziami pracy w firmie IT zainteresowałem się, jakie praktyki automatyzacji procesów biznesowych mogą przydać się inżynierom. Dlatego firmy od dawna wykorzystują robotyzację procesów (RPA) do zwalczania rutyny.
Producenci RPA podają następujące zalety takiego narzędzia do automatyzacji:
- wszechstronność (robot może pracować z dowolną aplikacją, z dowolnym źródłem danych);
- łatwość nauki (nie są wymagane głębokie kompetencje z zakresu programowania i administracji);
- szybkość opracowania (gotowy algorytm zajmuje mniej czasu niż tradycyjne programowanie);
- realne odciążenie pracownika od rutynowych czynności.
Na podstawie tych kryteriów sprawdzimy, jaki jest efekt zastosowania RPA w obliczeniach inżynierskich/naukowych.
Opis przykładu
Spójrzmy na prosty przykład. Znajduje się tam belka wspornikowa z obciążeniem.
Spójrzmy na ten problem z pozycji inżyniera i naukowca.
Skrzynia „inżynierska”: jest to belka wspornikowa o długości 2 m. Musi ona utrzymać ładunek o masie 500 kg z 3-krotnym marginesem bezpieczeństwa. Belka wykonana jest z prostokątnej rury. Konieczne jest wybranie przekroju belki zgodnie z katalogiem GOST.
Przypadek „naukowca”: dowiedz się, jak masa ładunku, przekrój i długość belki wpływają na nośność tej belki. Wyprowadź równanie regresji.
W obu przypadkach brana jest pod uwagę siła ciężkości, która działa na belkę proporcjonalnie do masy belki.
Przeanalizujmy szczegółowo pierwszy przypadek - „inżynier”. Sprawę „naukowca” realizuje się w podobny sposób.
Technicznie rzecz biorąc, nasz przykład jest bardzo prosty. A specjalista z danej dziedziny będzie w stanie to po prostu obliczyć na kalkulatorze. Mamy inny cel: pokazać, jak rozwiązanie RPA może pomóc, gdy zadanie staje się duże.
W uproszczeniu zauważamy również: przekrój rury jest idealnym prostokątem, bez zaokrągleń narożników, bez uwzględnienia spoiny.
Zadanie inżyniera
Ogólny schemat przypadku „inżyniera” jest następujący:
- W arkuszu Excel mamy tabelę z asortymentem rur wg GOST.
- Dla każdego wpisu w tej tabeli musimy zbudować model 3D w programie Autodesk Inventor.
- Następnie w środowisku Inventor Stress Analyses wykonujemy obliczenia wytrzymałościowe i przesyłamy wynik obliczeń do pliku HTML.
- W pliku wynikowym znajdujemy wartość „Maksymalne naprężenie von Misesa”.
- Zatrzymujemy obliczenia, jeśli współczynnik bezpieczeństwa (stosunek granicy plastyczności materiału do maksymalnego naprężenia von Misesa) jest mniejszy niż 3.
Wierzymy, że belka o odpowiednim przekroju zapewni 3-krotny margines bezpieczeństwa i będzie między innymi minimalna pod względem masy.
Łącznie w naszym zadaniu specjalista pracuje z 3 aplikacjami (patrz schemat powyżej). W rzeczywistej sytuacji liczba zastosowań może być jeszcze większa.
GOST 8645-68 „Rury stalowe prostokątne” zawiera 300 wpisów. W naszym problemie demonstracyjnym skrócimy listę: weźmiemy po jednej pozycji z każdej rodziny wielkości. W sumie jest 19 rekordów, z których musisz wybrać jeden.
Środowisko modelarskie Inventor, w którym zbudujemy model i wykonamy obliczenia wytrzymałościowe, zawiera bibliotekę gotowych materiałów. Pobierzemy materiał belki z tej biblioteki:
Materiał - stal
Gęstość 7,85 g/mXNUMX cm;
Granica plastyczności 207 MPa;
Wytrzymałość na rozciąganie 345 MPa;
moduł Younga 210 GPa;
Moduł ścinania 80,7692 GPa.
Tak wygląda trójwymiarowy model obciążonej belki:
A oto wynik obliczeń wytrzymałościowych. System zabarwia wrażliwe obszary wiązki na czerwono. To właśnie w tych miejscach napięcie jest największe. Skala po lewej stronie pokazuje wartość maksymalnego naprężenia w materiale belki.
Teraz przenieśmy część pracy na robota
Schemat pracy zmienia się w następujący sposób:
Robota zmontujemy w środowisku Automation Anywhere Community Edition (zwanym dalej AA). Przejdźmy do kryteriów oceny i opiszmy subiektywne wrażenia.
wszechstronność
Rozwiązania RPA (zwłaszcza komercyjne) niezmiennie pozycjonowane są jako narzędzia automatyzujące procesy biznesowe i automatyzujące pracę pracowników biurowych. Przykłady i szkolenia obejmują interakcję z ERP, ECM i siecią. Wszystko jest bardzo „biurowe”.
Na początku mieliśmy wątpliwości, czy AA będzie w stanie przechwycić interfejs i dane naszego Autodesk Inventora. Ale wszystko naprawdę zadziałało: każdy element, każda kontrola została zdefiniowana i zarejestrowana. Nawet w formularzach usług z tabelami parametrów robot uzyskiwał dostęp do żądanej komórki po prostu poprzez wskazanie myszą.
Następny był test wraz z uruchomieniem studia obliczeń wytrzymałościowych. I też nie ma problemu. Na tym etapie musieliśmy bardzo dokładnie pracować z przerwami pomiędzy akcjami, gdy system czekał na zakończenie obliczeń.
Pobranie uzyskanych danych z Internetu i wstawienie ich do Excela przebiegło bezproblemowo.
W ramach tego zadania potwierdzono wszechstronność. Sądząc po opisach innych dostawców RPA, wszechstronność jest naprawdę wspólną cechą tej kategorii oprogramowania.
Łatwe do nauki
Opanowanie zajęło kilka wieczorów: kursy, przykłady szkoleń – wszystko tam jest. Wielu dostawców RPA oferuje bezpłatne szkolenia. Jedyna bariera: interfejs środowiska i kursy AA są tylko w języku angielskim.
Szybkość rozwoju
Wieczorem opracowaliśmy i debugowaliśmy algorytm dla „problemu inżyniera”. Sekwencja działań została zakończona w zaledwie 44 instrukcjach. Poniżej fragment interfejsu Automation Anywhere z gotowym robotem. Koncepcja niskiego kodu/braku kodu - nie było potrzeby programowania: korzystaliśmy z rejestratorów operacji lub narkotyków z biblioteki poleceń. Następnie skonfiguruj parametry w oknie właściwości.
Uwolnienie od rutyny
Robot spędza 1 minutę i 20 sekund na przetwarzaniu jednego rekordu. Mniej więcej tyle samo czasu spędziliśmy na przetwarzaniu jednego rekordu bez użycia robota.
Jeśli mówimy o dziesiątkach i setkach rekordów, osoba nieuchronnie się zmęczy i zacznie się rozpraszać. Specjalista może nagle zająć się czymś innym. W przypadku osoby proporcja postaci „Jeśli zadanie zajmuje A minut, to N takich zadań można wykonać w A * N minut” nie działa - zawsze zajmuje więcej czasu.
W naszym przykładzie robot będzie sortował rekordy sekwencyjnie, zaczynając od największych sekcji. W przypadku dużych tablic jest to powolna metoda. Aby przyspieszyć, można zastosować kolejne przybliżenia, na przykład metodę Newtona lub dzielenie połówkowe.
Wynik obliczeń:
Tabela 1. Wynik wyboru przekroju belki
Zadanie naukowca
Zadaniem naukowca jest przeprowadzenie kilku eksperymentów numerycznych w celu ustalenia prawa, według którego nośność belki zmienia się w zależności od jej przekroju poprzecznego, długości i masy ładunku. Otrzymane prawo formułuje się w postaci równania regresji.
Aby równanie regresji było dokładne, naukowiec musi przetworzyć dużą ilość danych.
W naszym przykładzie przydzielana jest tablica zmiennych wejściowych:
- wysokość profilu rury;
- szerokość;
- grubość ściany;
- długość belki;
- ciężar ładunku.
Jeśli musimy wykonać obliczenia dla co najmniej 3 wartości każdej zmiennej, to w sumie będzie to 243 powtórzenia. Przy dwuminutowym czasie trwania jednej iteracji całkowity czas wyniesie 8 godzin – cały dzień roboczy! Aby uzyskać pełniejsze badanie, powinniśmy przyjąć nie 3 wartości, ale 10 lub więcej.
W trakcie badania z pewnością stanie się jasne, że w modelu należy uwzględnić dodatkowe czynniki. Na przykład „prowadź” różne gatunki stali. Objętość obliczeń wzrasta dziesiątki i setki razy.
Przy realnym zadaniu robot będzie w stanie uwolnić naukowca na kilka dni, które specjalista wykorzysta do przygotowania publikacji, a to jest główny wyznacznik aktywności naukowca.
Streszczenie
„Produktem” inżyniera jest naprawdę działające urządzenie, projekt. Robotyzacja obliczeń zmniejszy ryzyko w związku z głębszym rozwojem projektu (więcej obliczeń, więcej trybów, więcej opcji).
„Produktem” naukowca jest równanie, wzór lub inny zwięzły opis. Im dokładniejszy, tym więcej danych bierze się pod uwagę w analizie. Rozwiązanie RPA pomoże wygenerować informacyjne „pożywienie” dla modeli.
Uogólnijmy nasz przykład.
Rolą modelu obliczeniowego może być dowolny model: model mostu, model silnika, model układu grzewczego. Specjalista ma obowiązek zadbać o to, aby wszystkie elementy modelu prawidłowo ze sobą współdziałały oraz aby model dostarczał „zewnętrznego” zestawu kluczowych parametrów-zmiennych.
Rolę środowiska obliczeniowego pełni dowolna aplikacja, z której korzysta specjalista w swojej pracy. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Lub coś opracowanego wewnętrznie, na przykład program doboru wentylatorów w zakładzie produkcyjnym (patrz programy doboru sprzętu Systemair).
Za źródło danych uważamy stronę internetową, bazę danych, arkusz Excel i plik txt.
Końcowym efektem pracy – raportem – jest dokument Word z automatycznie wygenerowanym tekstem, wykres w Excelu, zestaw zrzutów ekranu lub newsletter e-mailowy.
RPA ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie stosowana jest analiza inżynierska. Oto niektóre obszary:
- obliczenia wytrzymałościowe i odkształcenia;
- dynamika wody i gazu;
- wymiana ciepła;
- elektromagnetyzm;
- analiza interdyscyplinarna;
- projektowanie generatywne;
- programy sterujące dla CNC (np. zagnieżdżanie);
- badania medyczne i biologiczne;
- w obliczeniach układów ze sprzężeniem zwrotnym lub układów niestacjonarnych (kiedy należy przenieść wynik końcowy na dane źródłowe i powtórzyć obliczenia).
Dziś rozwiązania RPA są aktywnie wykorzystywane w biznesie do automatyzacji procesów i pracy z danymi. Rutyna pracownika biurowego, inżyniera i naukowca ma ze sobą wiele wspólnego. Pokazaliśmy, że roboty są przydatne w inżynierii i nauce.
Podsumujmy nasze wrażenia.
- Wszechstronność – tak, RPA to narzędzie uniwersalne.
- Łatwy do nauczenia - tak, prosty i przystępny, ale potrzebujesz języka.
- Szybkość rozwoju - tak, algorytm składa się szybko, szczególnie gdy opanujesz pracę z rejestratorami.
- Oderwanie się od rutyny – tak, to naprawdę może przynieść korzyści przy zadaniach o dużej skali.
Źródło: www.habr.com