Uso de RPA em cálculos científicos e de engenharia

Introdução

Na escola, para consolidar o conhecimento, éramos convidados a resolver muitos exemplos idênticos. Ficávamos sempre frustrados: qual é o valor disso? Substituir dois ou três valores na fórmula e obter uma resposta. Onde está a criatividade? A realidade acabou sendo mais dura do que a escola.

Atualmente, trabalho como analista em TI. Antes de entrar na área de tecnologia da informação, trabalhei como engenheiro termotécnico, programador de CNC e participei de projetos de pesquisa.

Pela minha experiência, percebi que 95% do tempo de trabalho dos engenheiros e cientistas é gasto em ações 'idênticas'. Cálculos de equações, verificações, registro de resultados, cópia de especificações. Projeto após projeto, experimento após experimento, dia após dia.

Aqui estão alguns exemplos do meu trabalho anterior.

Até 2019, eu fazia modelos para moldagem termo-vacuum. Se um modelo desse tipo for coberto com plástico aquecido, obteremos um produto que replica perfeitamente a geometria desse modelo. Descrição da tecnologia. aqui.

No ciclo de fabricação do modelo, é necessário um conjunto completo de aplicações altamente especializadas:

• Autodesk Inventor para modelagem 3D;
• Excel para exportação das dimensões da peça;
• Excel para cálculo do custo do modelo;
• módulo HSM para elaboração do programa de controle de CNC;
• Sistema de arquivos do computador para gerenciamento dos arquivos do programa;
• Ambiente Mach3 para controle da máquina CNC.

Entre os ambientes, os dados precisavam ser transferidos manualmente, e isso envolvia tabelas inteiras e conjuntos de valores. O processo era lento e frequentemente ocorriam erros.

Antes disso, participei do desenvolvimento e fabricação de guias de luz (link). Houve muitas pesquisas, projetos e cálculos: ambientes especializados para cálculos térmicos e de iluminação (Ansys, Dialux), além de cálculos de eficiência econômica, e Autocad e Inventor para modelos e desenhos. E aqui as mesmas dificuldades: o resultado do cálculo de uma aplicação precisa ser transferido para outra aplicação para o próximo cálculo. E assim várias vezes em busca da solução otimizada.

O tempo do engenheiro e o tempo do cientista são extremamente valiosos. Não se trata apenas do salário. Por trás dos cálculos do engenheiro está um grande projeto com uma equipe. Por trás das pesquisas do cientista há a perspectiva de um setor inteiro. Mas muitas vezes, o especialista altamente qualificado "simplesmente" transfere valores de um programa para outro, ao invés de desenvolver conceitos, modelar, interpretar resultados, discutir e fazer brainstorming com colegas.

Uma característica do ambiente de negócios moderno é a velocidade. O mercado está sempre pressionando. Em 2014, levávamos de 2 a 3 semanas para criar um modelo. Em 2018, eram três dias, e isso já parecia muito longo. Agora, o projetista deve apresentar várias opções de solução no mesmo tempo que antes era reservado apenas para uma opção.

E mais um ponto – investimentos e riscos. Para "se firmar" em um projeto, a empresa precisa investir cerca de 6% do custo total do projeto em desenvolvimento conceitual antes de fechar o contrato com o cliente. Esses recursos são utilizados:

• para pesquisa;
• para design conceitual;
• para avaliação de custos de trabalho;
• para a preparação de esboços, etc.

A empresa arca com esses custos, assumindo o risco. A atenção ao conceito exige o tempo dos especialistas, que estão ocupados com tarefas rotineiras.

Após conhecer as ferramentas de trabalho em uma empresa de TI, fiquei interessado em quais práticas de automação de processos de negócios poderiam ser úteis para os engenheiros. Assim, o setor já utiliza a automação de processos robóticos (RPA) para combater a rotina.

Os fabricantes de RPA afirmam as seguintes vantagens dessa ferramenta de automação:

1. versatilidade (o robô pode trabalhar com qualquer aplicativo, com qualquer fonte de dados);
2. facilidade de aprendizado (não é necessário ter competências profundas em programação e administração);
3. rapidez no desenvolvimento (o tempo necessário para um algoritmo pronto é menor do que na programação tradicional);
4. real alívio do funcionário de operações rotineiras.

Com base nesses critérios, vamos avaliar qual é o efeito do uso de RPA em cálculos de engenharia/científicos.

Descrição do exemplo

Vamos considerar um exemplo simples. Há uma viga fixada em console com uma carga.

Vamos analisar essa tarefa sob a perspectiva de um engenheiro e de um cientista.

Caso «engenheiro»: há uma viga de 2 m presa de forma console. Ela deve suportar uma carga de 500 kg com um fator de segurança de 3. A viga é feita de um tubo retangular. Precisamos selecionar a seção da viga do catálogo GOST.

Caso «cientista»: descobrir como a massa da carga, a seção e o comprimento da viga afetam a capacidade de carga dessa viga. Produzir a equação de regressão.

Em ambos os casos, leva-se em consideração a força da gravidade que atua na viga proporcionalmente à massa da viga.

Vamos examinar detalhadamente o primeiro caso — «engenheiro». O caso «cientista» é implementado de forma semelhante.

Tecnicamente, nosso exemplo é muito simples. E um especialista no assunto poderá calculá-lo facilmente em uma calculadora. Nosso objetivo é diferente: mostrar como a solução RPA ajudará quando a tarefa se tornar escalável.

Em simplificações, também devemos notar: a seção do tubo é um retângulo perfeito, sem cantos arredondados, sem considerar a solda.

Tarefa do engenheiro

O esquema geral do caso «engenheiro» é o seguinte:

1. Na planilha do Excel, temos uma tabela com a seleção de tubos de acordo com o GOST.
2. Para cada registro dessa tabela, devemos construir um modelo 3D no Autodesk Inventor.
3. Em seguida, no ambiente do Inventor Stress Analyses, realizamos o cálculo de resistência e exportamos o resultado do cálculo em html.
4. Encontramos no arquivo obtido o valor «Máxima tensão de von Mises».
5. Paramos o cálculo se o fator de segurança (a razão entre o limite de escoamento do material e a máxima tensão de von Mises) for menor que 3.

Consideramos que a viga de seção adequada garantirá um fator de segurança de 3 e será a mínima em massa entre outras opções.

Em suma, em nossa tarefa, o especialista trabalha com 3 aplicativos (veja o esquema acima). Em situações reais, o número de aplicativos pode ser maior.

O GOST 8645-68 «Tubos de aço retangulares» contém 300 registros. Na nossa tarefa de demonstração, iremos encurtar a lista: pegaremos uma posição de cada família de tamanhos. No total, 19 registros, dos quais precisamos escolher um.

O ambiente de modelagem Inventor, onde construímos o modelo e realizamos o cálculo de resistência, contém uma biblioteca de materiais prontos. Aceitaremos o material da viga desta biblioteca:

Material — Aço
Densidade 7,85 g/cm³;
Limite de escoamento 207 MPa;
Limite de ruptura 345 MPa;
Módulo de Young 210 GPa;
Módulo de cisalhamento 80,7692 GPa.

Assim se parece o modelo tridimensional da viga carregada:

Aqui está o resultado do cálculo de resistência. O sistema destaca em vermelho as áreas vulneráveis da viga. Nesses pontos, a tensão é a mais alta. A escala à esquerda mostra o valor da tensão máxima no material da viga.

Agora vamos delegar parte do trabalho para o robô.

O fluxo de trabalho muda da seguinte forma:

Vamos montar o robô no ambiente Automation Anywhere Community Edition (daqui em diante, AA). Vamos percorrer os critérios de avaliação e descrever as impressões subjetivas.

Versatilidade

As soluções RPA (especialmente as comerciais) são insistentemente posicionadas como ferramentas para automatizar processos de negócios e o trabalho de funcionários de escritório. Nos exemplos e cursos, analisam a interação com ERP, ECM, Web. Tudo é muito “de escritório”.

Inicialmente, tínhamos dúvidas se o AA conseguiria captar a interface e os dados do nosso Autodesk Inventor. Mas tudo realmente funcionou: cada elemento, cada controle foi identificado e registrado. Até mesmo em formulários de serviço com tabelas de parâmetros, o robô teve acesso à célula necessária apenas com um clique do mouse.

Em seguida, houve o teste de iniciar o estúdio de cálculo de resistência. E também sem problemas. Nesse estágio, foi necessário trabalhar atentamente com as pausas entre as ações, quando o sistema aguarda a conclusão do cálculo.

A obtenção dos dados finais da Web e sua inserção no Excel ocorreu sem problemas.
Dentro deste projeto, a versatilidade foi confirmada. Judando pelas descrições de outros fornecedores de RPA, a versatilidade é realmente uma característica comum dessa categoria de software.

Facilidade de aprendizado

Levei algumas noites para aprender: cursos, exemplos práticos – tudo isso está disponível. Muitos fornecedores de RPA oferecem treinamento gratuito. O único obstáculo: a interface do ambiente e os cursos da AA estão apenas em inglês.

Rapidez de desenvolvimento

O algoritmo para a “tarefa do engenheiro” foi desenvolvido e ajustado em uma noite. A sequência de ações consistiu em apenas 44 instruções. Abaixo, na imagem, um fragmento da interface do Automation Anywhere com o robô pronto. O conceito Low code/No code – não foi necessário programar: utilizamos gravadores de operações ou arrastar e soltar da biblioteca de comandos. Em seguida, configuração dos parâmetros na janela de propriedades.

Alívio da rotina

O robô leva 1 minuto e 20 segundos para processar um registro. Mais ou menos o mesmo tempo que gastávamos para processar um registro sem o robô.

Se a questão for sobre dezenas ou centenas de registros, a pessoa inevitavelmente se cansará e começará a se distrair. Um especialista pode repentinamente ser ocupado com outra tarefa. A relação do tipo "Se a tarefa leva A minutos, então N dessas tarefas podem ser realizadas em A*N minutos" não funciona – o tempo sempre acaba sendo maior.

No nosso exemplo, o robô irá percorrer os registros sequencialmente, começando pelas seções maiores. Em grandes volumes, este não é um método rápido. Para acelerar, é possível implementar aproximações sequenciais, como o método de Newton ou a divisão ao meio.
Resultado do cálculo:

Tabela 1. Resultado da escolha da seção da viga

Tarefa do pesquisador

A tarefa do pesquisador é realizar vários experimentos numéricos para determinar a lei pela qual a capacidade de carga da viga muda em função de sua seção, comprimento e massa da carga. A lei encontrada é formulada na forma de uma equação de regressão.

Para que a equação de regressão tenha precisão, o pesquisador deve processar um grande conjunto de dados.

Para o nosso exemplo, destaca-se um conjunto de variáveis de entrada:

• altura do perfil do tubo;
• largura;
• espessura da parede;
• comprimento da viga;
• massa da carga.

Se precisarmos fazer o cálculo para pelo menos 3 valores de cada variável, isso totaliza 243 repetições. Com um tempo de dois minutos por iteração, o tempo total será de 8 horas — um dia inteiro de trabalho! Para uma investigação mais completa, devemos considerar não 3 valores, mas 10 ou mais.

Durante a pesquisa, ficará evidente que o modelo precisa incluir fatores adicionais. Por exemplo, testar diferentes tipos de aço. O volume de cálculos aumenta em dezenas e centenas de vezes.

Na tarefa real, o robô conseguirá liberar vários dias para o pesquisador, que o especialista utiliza para preparar publicações, sendo este o principal indicador da atividade do pesquisador.

Resumo

"Produto" do engenheiro — um dispositivo funcional, uma construção. A robotização dos cálculos reduzirá os riscos devido a um planejamento mais profundo do projeto (mais cálculos, mais modos, mais opções).

"Produto" do pesquisador — uma equação, uma regularidade ou outra descrição compacta. E quanto mais precisa, mais dados foram envolvidos na análise. A solução RPA ajudará a gerar "alimento" informativo para os modelos.

Vamos resumir nosso exemplo.

Qualquer modelo pode atuar como modelo de cálculo: modelo de ponte, modelo de motor, modelo de sistema de aquecimento. O especialista deve garantir que todos os componentes do modelo estejam em interação correta entre si e que o modelo forneça um conjunto de parâmetros variáveis-chave "externos".

Qualquer aplicativo que o especialista utiliza no trabalho desempenha o papel de ambiente de cálculo. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ou algo desenvolvido internamente, por exemplo, um programa para seleção de ventiladores em uma fábrica (consulte os Programas de seleção de equipamentos Systemair).

Consideramos como fonte de dados tanto o site, quanto o banco de dados, a planilha Excel e o arquivo txt.
O resultado final do trabalho – o relatório – é um documento Word com texto automaticamente gerado, um gráfico Excel, um conjunto de capturas de tela ou o envio de e-mails.

RPA é aplicável em qualquer lugar onde a análise de engenharia é necessária. Aqui estão algumas áreas:

• cálculos de resistência e deformação;
• hidro- e gasodinâmica;
• troca de calor;
• eletromagnetismo;
• análise interdisciplinar;
• design generativo;
• programas de controle para CNC (por exemplo, nesting);
• pesquisas médicas e biológicas;
• em cálculos de sistemas com feedback ou sistemas não estacionários (quando o resultado final precisa ser transferido para os dados de entrada e o cálculo repetido).

Hoje, soluções RPA estão sendo ativamente utilizadas nos negócios para automação de processos e trabalho com dados. A rotina de um funcionário de escritório, engenheiro e cientista tem muito em comum. Mostramos que os robôs são adequados para atividades de engenharia e científicas.

Vamos resumir nossas impressões.

1. Versatilidade — sim, RPA é uma ferramenta versátil.
2. Facilidade de aprendizado — sim, é simples e acessível, mas é necessário um idioma.
3. Rapidez no desenvolvimento — sim, o algoritmo é montado rapidamente, especialmente quando você "pega o jeito" de trabalhar com gravadores.
4. Descarregar da rotina — sim, realmente pode trazer benefícios em tarefas de grande escala.

Fonte: habr.com