Vstup
V škole, aby sme si upevnili vedomosti, nás žiadali vyriešiť veľa podobných príkladov. Celý čas sme boli naštvaní: čo je tu cenné? Nahraďte dve alebo tri hodnoty do vzorca a získajte odpoveď. Kde je tu myšlienkový let? Realita sa ukázala byť tvrdšia ako škola.
Teraz pracujem ako IT analytik. Pred nástupom do IT oblasti som pracoval ako kúrenár, CNC programátor a podieľal som sa na výskumných projektoch.
Z vlastnej skúsenosti som presvedčený, že inžinieri a vedci venujú 95 % svojho pracovného času takýmto akciám „rovnakého typu“. Vypočítajte rovnice, skontrolujte, zaznamenajte výsledky, skopírujte špecifikácie. Projekt za projektom, experiment za experimentom, deň za dňom.
Tu je pár príkladov z mojej predchádzajúcej práce.
Do roku 2019 som robil layouty pre tepelné vákuové formovanie. Ak je takýto model pokrytý vyhrievaným plastom, dostaneme produkt, ktorý presne opakuje geometriu tohto modelu. Popis technológie .
Výrobný cyklus makety vyžaduje celý rad vysoko špecializovaných aplikácií:
- Autodesk Inventor pre 3D modelovanie;
- Excel na nahrávanie rozmerov obrobku;
- Excel na výpočet nákladov na rozloženie;
- HSM modul pre tvorbu CNC riadiaceho programu;
- Počítačový súborový systém na správu programových súborov;
- Prostredie Mach3 na ovládanie CNC stroja.
Dáta museli byť prenášané manuálne z prostredia do prostredia a tieto zahŕňali celé tabuľky a polia hodnôt. Proces je pomalý a často sa vyskytujú chyby.
Predtým som sa podieľal na vývoji a výrobe svetlovodov (). Bolo tam veľa výskumov, návrhov a výpočtov: špecializované prostredia pre tepelné a svetelné výpočty (Ansys, Dialux), plus výpočty efektívnosti nákladov, plus Autocad a Inventor pre modely a výkresy. A tu sú rovnaké ťažkosti: výsledok výpočtu z jednej aplikácie je potrebné pretiahnuť do inej aplikácie pre ďalší výpočet. A tak niekoľkokrát pri hľadaní optimálneho riešenia.
Čas inžiniera a čas vedca sú veľmi cenným časom. Nehovoríme tu o plate. Za výpočtami inžiniera je veľký projekt s tímom. Za výskumom vedca sa skrýva perspektíva celého odvetvia. Vysokokvalifikovaný špecialista však často „hlúpo“ prenáša hodnoty z jedného programu do druhého namiesto vývoja konceptov, modelovania, interpretácie výsledkov, diskusií a brainstormingu s kolegami.
Charakteristickým znakom moderného podnikateľského prostredia je rýchlosť. Trh neustále tlačí. V roku 2014 nám príprava layoutu trvala 2-3 týždne. V roku 2018 to boli tri dni a to sa už zdalo príliš dlhé. Teraz musí dizajnér vytvoriť niekoľko možností riešenia v rovnakom čase, ktorý bol predtým pridelený iba jednej možnosti.
A ešte jeden bod – investície a riziká. Aby podnik „chytil“ projekt, musí investovať ~6% nákladov na tento projekt do koncepčného rozvoja pred uzavretím zmluvy so zákazníkom. Tieto prostriedky idú:
- pre výskum;
- koncepčný návrh;
- hodnotenie nákladov práce;
- príprava náčrtov atď.
Firma ich vyťahuje z vlastného vrecka, ide na vlastné riziko. Pozornosť na koncept si vyžaduje čas špecialistov, ktorí sú zaneprázdnení rutinou.
Po oboznámení sa s nástrojmi práce v IT spoločnosti som sa začal zaujímať o to, aké postupy automatizácie podnikových procesov by mohli byť inžinierom užitočné. Firmy teda už dlho používajú robotickú automatizáciu procesov (RPA) na boj proti rutine.
Výrobcovia RPA uvádzajú nasledujúce výhody takéhoto automatizačného nástroja:
- všestrannosť (robot je schopný pracovať s akoukoľvek aplikáciou, s akýmkoľvek zdrojom údajov);
- jednoduchosť učenia (nie sú potrebné žiadne hlboké kompetencie v oblasti programovania a správy);
- rýchlosť vývoja (dokončený algoritmus trvá menej času ako tradičné programovanie);
- skutočné odbremenenie zamestnanca od bežných operácií.
Na základe týchto kritérií skontrolujeme, aký je účinok použitia RPA v inžinierskych/vedeckých výpočtoch.
Popis príkladu
Pozrime sa na jednoduchý príklad. Je tam vykonzolovaný nosník so záťažou.
Pozrime sa na tento problém z pozície inžiniera a z pozície vedca.
Kufor „Engineer“: ide o konzolový nosník s dĺžkou 2 m. Musí uniesť bremeno s hmotnosťou 500 kg s 3-násobnou bezpečnostnou rezervou. Nosník je vyrobený z obdĺžnikového potrubia. Je potrebné vybrať časť lúča podľa katalógu GOST.
Prípad „vedec“: zistite, ako hmotnosť bremena, prierez a dĺžka nosníka ovplyvňuje nosnosť tohto nosníka. Odvoďte regresnú rovnicu.
V oboch prípadoch sa berie do úvahy sila gravitácie, ktorá pôsobí na nosník úmerne k hmotnosti nosníka.
Pozrime sa podrobne na prvý prípad - „inžinier“. Prípad „vedca“ sa realizuje podobným spôsobom.
Technicky je náš príklad veľmi jednoduchý. A špecialista si to bude vedieť vypočítať jednoducho na kalkulačke. Máme ďalší cieľ: ukázať, ako môže riešenie RPA pomôcť, keď sa úloha stane rozsiahlou.
Pri zjednodušeniach tiež poznamenávame: prierez potrubia je ideálny obdĺžnik, bez zaoblenia rohov, bez zohľadnenia zvaru.
Úloha inžiniera
Všeobecná schéma prípadu „inžinier“ je nasledovná:
- Na hárku programu Excel máme tabuľku s rozsahom potrubí podľa GOST.
- Pre každý záznam v tejto tabuľke musíme vytvoriť 3D model v aplikácii Autodesk Inventor.
- Potom v prostredí Inventor Stress Analyses vykonáme pevnostný výpočet a výsledok výpočtu nahráme do html.
- Vo výslednom súbore nájdeme hodnotu „Maximum von Mises stress“.
- Výpočet zastavíme, ak je bezpečnostný faktor (pomer medze klzu materiálu k maximálnemu von Misesovmu napätiu) menší ako 3.
Veríme, že nosník vhodného prierezu poskytne 3-násobnú bezpečnostnú rezervu a bude mať medzi inými možnosťami minimálnu hmotnosť.
Celkovo v našej úlohe špecialista pracuje s 3 aplikáciami (pozri obrázok vyššie). V reálnej situácii môže byť počet aplikácií ešte väčší.
GOST 8645-68 „Obdĺžnikové oceľové rúry“ obsahuje 300 položiek. V našom demo probléme skrátime zoznam: vezmeme jednu položku z každej veľkosti. Celkovo existuje 19 záznamov, z ktorých si musíte vybrať jeden.
Modelovacie prostredie Inventor, v ktorom budeme model zostavovať a robiť pevnostné výpočty, obsahuje knižnicu hotových materiálov. Vezmeme materiál lúča z tejto knižnice:
Materiál - Oceľ
Hustota 7,85 g/cu. cm;
medza klzu 207 MPa;
Pevnosť v ťahu 345 MPa;
Youngov modul 210 GPa;
Modul pružnosti v šmyku 80,7692 GPa.
Takto vyzerá trojrozmerný model zaťaženého nosníka:
A tu je výsledok výpočtu pevnosti. Systém zafarbí zraniteľné oblasti lúča na červeno. To sú miesta, kde je napätie najväčšie. Stupnica vľavo ukazuje hodnotu maximálneho napätia v materiáli nosníka.
Teraz prenesme časť práce do robota
Pracovná schéma sa mení takto:
Robota zostavíme v prostredí Automation Anywhere Community Edition (ďalej len AA). Prejdime si kritériá hodnotenia a popíšme subjektívne dojmy.
všestrannosť
Riešenia RPA (najmä komerčné) sú trvalo umiestňované ako prostriedok automatizácie obchodných procesov a automatizácie práce zamestnancov kancelárie. Príklady a školenia pokrývajú interakciu s ERP, ECM a webom. Všetko je veľmi „kancelárske“.
Najprv sme mali pochybnosti, či AA dokáže zachytiť rozhranie a dáta nášho Autodesk Inventoru. Ale všetko naozaj fungovalo: každý prvok, každý ovládací prvok bol definovaný a zaznamenaný. Dokonca aj v servisných formulároch s tabuľkami parametrov robot získal prístup k požadovanej bunke jednoduchým ukazovaním myši.
Nasledovala skúška so spustením štúdia pevnostných výpočtov. A tiež žiadny problém. V tejto fáze sme museli opatrne pracovať s prestávkami medzi akciami, keď systém čaká na dokončenie výpočtu.
Získanie výsledných údajov z webu a ich vloženie do Excelu prebehlo hladko.
V rámci tejto úlohy sa potvrdila všestrannosť. Súdiac podľa opisov iných predajcov RPA, všestrannosť je skutočne bežnou vlastnosťou tejto kategórie softvéru.
Ľahko sa učí
Zvládnutie trvalo niekoľko večerov: kurzy, príklady školení - to všetko je tam. Mnoho predajcov RPA ponúka bezplatné školenie. Jediná bariéra: rozhranie prostredia a kurzy AA sú len v angličtine.
Rýchlosť vývoja
Večer sme vyvinuli a odladili algoritmus pre „problém inžiniera“. Postupnosť akcií bola dokončená iba v 44 pokynoch. Nižšie je fragment rozhrania Automation Anywhere s hotovým robotom. Koncept s nízkym kódom/bez kódu – nebolo potrebné programovať: použili sme operačné záznamníky alebo drug'n'drop z príkazovej knižnice. Potom nakonfigurujte parametre v okne vlastností.
Úľava od rutiny
Robot strávi 1 minútu 20 sekúnd spracovaním jedného záznamu. Pri spracovaní jedného záznamu sme bez robota strávili približne rovnaký čas.
Ak hovoríme o desiatkach a stovkách záznamov, potom sa človek nevyhnutne unaví a začne sa rozptyľovať. Špecialista môže byť zrazu zamestnaný nejakou inou úlohou. S osobou časť formulára „Ak úloha trvá A minút, potom N takýchto úloh možno dokončiť za A * N minút“ nefunguje - vždy to trvá dlhšie.
V našom príklade bude robot triediť záznamy postupne, počnúc najväčšími sekciami. Na veľkých poliach je to pomalá metóda. Na urýchlenie môžete implementovať postupné aproximácie, napríklad Newtonovu metódu alebo polovičné delenie.
Výsledok výpočtu:
Tabuľka 1. Výsledok výberu časti nosníka
Úloha vedca
Úlohou vedca je vykonať niekoľko numerických experimentov, aby určil zákon, podľa ktorého sa nosnosť lúča mení v závislosti od jeho prierezu, dĺžky a hmotnosti bremena. Nájdený zákon je formulovaný vo forme regresnej rovnice.
Aby bola regresná rovnica presná, vedec musí spracovať veľké množstvo údajov.
V našom príklade je alokované pole vstupných premenných:
- výška profilu potrubia;
- šírka;
- hrúbka steny;
- dĺžka lúča;
- hmotnosť nákladu.
Ak musíme urobiť výpočet aspoň pre 3 hodnoty každej premennej, tak je to celkovo 243 opakovaní. Pri dvojminútovom trvaní jednej iterácie bude celkový čas 8 hodín – celý pracovný deň! Pre úplnejšiu štúdiu by sme nemali brať 3 hodnoty, ale 10 alebo viac.
V priebehu štúdie bude určite jasné, že do modelu je potrebné zahrnúť ďalšie faktory. Napríklad „riadiť“ rôzne druhy ocele. Objem výpočtov sa zvyšuje desiatky a stovky krát.
Pri skutočnej úlohe bude robot schopný uvoľniť vedca na niekoľko dní, ktoré špecialista použije na prípravu publikácie, a to je hlavný ukazovateľ činnosti vedca.
Zhrnutie
„Produkt“ inžiniera je skutočne fungujúce zariadenie, dizajn. Robotizácia výpočtov zníži riziká vďaka hlbšiemu rozvoju projektu (viac výpočtov, viac režimov, viac možností).
„Produktom“ vedca je rovnica, vzor alebo iný kompaktný opis. A čím je presnejšia, tým viac údajov je zahrnutých do analýzy. Riešenie RPA pomôže vytvoriť informačné „jedlo“ pre modely.
Zovšeobecnme náš príklad.
Úlohou výpočtového modelu môže byť akýkoľvek model: model mosta, model motora, model vykurovacieho systému. Od špecialistu sa vyžaduje, aby zabezpečil, že všetky komponenty modelu sú vo vzájomnej správnej interakcii a že model poskytuje „vonku“ súbor kľúčových parametrov-premenných.
Úlohu výpočtového prostredia zohráva každá aplikácia, ktorú špecialista používa pri svojej práci. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Alebo niečo vyvinuté interne, napríklad program na výber ventilátorov vo výrobnom závode (pozri programy výberu zariadení Systemair).
Za zdroj údajov považujeme webovú stránku, databázu, hárok programu Excel a súbor txt.
Konečným výsledkom práce – report – je Word dokument s automaticky generovaným textom, excelovský graf, sada screenshotov alebo emailový newsletter.
RPA je použiteľná všade tam, kde je použiteľná technická analýza. Tu sú niektoré oblasti:
- výpočty pevnosti a deformácie;
- hydro- a plynová dynamika;
- výmena tepla;
- elektromagnetizmus;
- interdisciplinárna analýza;
- generatívny dizajn;
- riadiace programy pre CNC (napríklad nesting);
- lekársky a biologický výskum;
- pri výpočtoch systémov so spätnou väzbou alebo nestacionárnych systémov (keď je potrebné preniesť konečný výsledok do zdrojových údajov a výpočet zopakovať).
Dnes sa RPA riešenia aktívne využívajú v biznise na automatizáciu procesov a prácu s dátami. Rutina administratívneho pracovníka, inžiniera a vedca má veľa spoločného. Ukázali sme, že roboty sú užitočné v inžinierstve a vede.
Zhrňme si naše dojmy.
- Všestrannosť – áno, RPA je univerzálny nástroj.
- Ľahko sa učí - áno, jednoduché a prístupné, ale potrebujete jazyk.
- Rýchlosť vývoja - áno, algoritmus je zostavený rýchlo, najmä keď sa naučíte pracovať s rekordérmi.
- Odbremenenie od rutiny – áno, pri rozsiahlych úlohách to môže skutočne priniesť výhody.
Zdroj: hab.com