Uporaba RPA v znanstvenih in inženirskih izračunih

Začetek

V šoli so nas za utrjevanje znanja prosili, da rešimo veliko podobnih primerov. Ves čas smo se jezili: kaj je tukaj dragocenega? V formulo nadomestite dve ali tri vrednosti in dobite odgovor. Kje je tu polet misli? Resničnost se je izkazala za hujšo od šole.

Zdaj delam kot IT analitik. Preden sem se pridružil IT področju, sem delal kot ogrevalni inženir, CNC programer in sodeloval pri raziskovalnih projektih.

Iz lastnih izkušenj sem prepričan, da inženirji in znanstveniki porabijo 95% svojega delovnega časa za tovrstne »istovrstne« akcije. Izračunajte enačbe, preverite, zabeležite rezultate, kopirajte specifikacije. Projekt za projektom, eksperiment za eksperimentom, dan za dnem.

Tukaj je nekaj primerov iz mojega prejšnjega dela.

Do leta 2019 sem izdeloval postavitve za termo vakumiranje. Če je tak model prekrit z ogrevano plastiko, bomo dobili izdelek, ki natančno ponavlja geometrijo tega modela. Opis tehnologije tukaj.

Proizvodni cikel makete zahteva celo vrsto visoko specializiranih aplikacij:

• Autodesk Inventor za 3D modeliranje;
• Excel za nalaganje dimenzij obdelovanca;
• Excel za izračun stroškov postavitve;
• HSM modul za izdelavo CNC krmilnega programa;
• Računalniški datotečni sistem za upravljanje programskih datotek;
• Okolje Mach3 za krmiljenje CNC stroja.

Podatke je bilo treba ročno prenašati iz okolja v okolje, med njimi pa so bile cele tabele in nizi vrednosti. Postopek je počasen, pogosto prihaja do napak.

Pred tem sem sodeloval pri razvoju in proizvodnji svetlobnih vodnikov (povezava). Tam je bilo veliko raziskav, načrtovanja in izračunov: specializirana okolja za toplotne in svetlobne izračune (Ansys, Dialux), plus izračuni stroškovne učinkovitosti, plus Autocad in Inventor za modele in risbe. In tukaj so enake težave: rezultat izračuna iz ene aplikacije je treba povleči v drugo aplikacijo za naslednji izračun. In tako večkrat v iskanju optimalne rešitve.

Čas inženirja in čas znanstvenika sta zelo dragocena časa. Tukaj ne govorimo o plači. Za inženirjevimi izračuni je velik projekt z ekipo. Za znanstvenikovimi raziskavami se skriva perspektiva celotne industrije. Toda pogosto visokokvalificirani strokovnjak "neumno" prenaša vrednosti iz enega programa v drugega, namesto da bi razvil koncepte, modeliranje, interpretacijo rezultatov, razpravo in razmišljanje s kolegi.

Zaščitni znak sodobnega poslovnega okolja je hitrost. Trg nenehno pritiska. V letu 2014 smo si za izdelavo postavitve vzeli 2-3 tedne. Leta 2018 so bili trije dnevi in ​​že to se je zdelo predolgo. Zdaj mora projektant izdelati več možnosti rešitve v istem času, ki je bil prej dodeljen samo eni možnosti.

In še nekaj – naložbe in tveganja. Da bi podjetje »prijelo« na projekt, mora podjetje pred sklenitvijo pogodbe s stranko vložiti ~6 % stroškov tega projekta v idejni razvoj. Ta sredstva gredo:

• za raziskave;
• idejna zasnova;
• ocena stroškov dela;
• priprava skic itd.

Podjetje jih vzame iz svojega žepa, to je lastno tveganje. Pozornost na koncept zahteva čas strokovnjakov, ti pa so zaposleni z rutino.

Po seznanitvi z orodji dela v IT podjetju me je začelo zanimati, katere prakse avtomatizacije poslovnih procesov bi lahko koristile inženirjem. Tako podjetja že dolgo uporabljajo robotsko avtomatizacijo procesov (RPA) za boj proti rutini.

Proizvajalci RPA trdijo, da ima takšno orodje za avtomatizacijo naslednje prednosti:

1. vsestranskost (robot lahko dela s katero koli aplikacijo, s katerim koli virom podatkov);
2. enostavnost učenja (globlje kompetence v programiranju in administraciji niso potrebne);
3. hitrost razvoja (končni algoritem traja manj časa kot tradicionalno programiranje);
4. prava razbremenitev zaposlenega od rutinskih operacij.

Na podlagi teh kriterijev bomo preverili, kakšen je učinek uporabe RPA v inženirskih/znanstvenih izračunih.

Opis primera

Poglejmo preprost primer. Obstaja konzolni nosilec z obremenitvijo.

Poglejmo na ta problem s položaja inženirja in s položaja znanstvenika.

"Inženirski" primer: obstaja konzolni nosilec dolžine 2 m, ki mora držati breme, ki tehta 500 kg, s 3-kratno varnostno rezervo. Žarek je izdelan iz pravokotne cevi. Potrebno je izbrati prerez žarka v skladu s katalogom GOST.

Primer "znanstvenik": ugotovi, kako masa bremena, prerez in dolžina nosilca vplivajo na nosilnost tega nosilca. Izpeljite regresijsko enačbo.

V obeh primerih je upoštevana sila težnosti, ki deluje na nosilec sorazmerno z maso nosilca.

Podrobno preučimo prvi primer - "inženir". Primer "znanstvenik" se izvaja na podoben način.

Tehnično je naš primer zelo preprost. In strokovnjak za predmet bo lahko preprosto izračunal na kalkulatorju. Imamo še en cilj: pokazati, kako lahko rešitev RPA pomaga, ko naloga postane obsežna.

Pri poenostavitvah ugotavljamo tudi: prečni prerez cevi je idealen pravokotnik, brez zaokroževanja vogalov, brez upoštevanja zvara.

Naloga inženirja

Splošna shema primera "inženirja" je naslednja:

1. Na Excelovem listu imamo tabelo z razponom cevi po GOST.
2. Za vsak vnos v tej tabeli moramo zgraditi 3D model v programu Autodesk Inventor.
3. Nato v okolju Inventor Stress Analyses izvedemo izračun trdnosti in rezultat izračuna naložimo v html.
4. V nastali datoteki najdemo vrednost "Maximum von Mises stress".
5. Izračun ustavimo, če je varnostni faktor (razmerje med mejo tečenja materiala in največjo von Misesovo napetostjo) manjši od 3.

Verjamemo, da bo nosilec ustreznega prereza zagotovil 3-kratno varnostno rezervo in bo med drugimi možnostmi minimalne teže.

Skupaj v naši nalogi specialist dela s 3 aplikacijami (glej zgornji diagram). V realni situaciji je lahko število prijav še večje.

GOST 8645-68 "Pravokotne jeklene cevi" vsebuje 300 vnosov. V našem predstavitvenem problemu bomo skrajšali seznam: vzeli bomo en element iz vsake družine velikosti. Skupaj je 19 zapisov, med katerimi morate izbrati enega.

Modelirno okolje Inventor, v katerem bomo gradili model in delali trdnostne izračune, vsebuje knjižnico že pripravljenih materialov. Material žarka bomo vzeli iz te knjižnice:

Material - jeklo
Gostota 7,85 g/cu. cm;
Meja tečenja 207 MPa;
Natezna trdnost 345 MPa;
Youngov modul 210 GPa;
Strižni modul 80,7692 GPa.

Tako izgleda tridimenzionalni model obremenjenega nosilca:

In tukaj je rezultat izračuna trdnosti. Sistem obarva ranljiva področja žarka rdeče. To so mesta, kjer je napetost največja. Lestvica na levi prikazuje vrednost največje napetosti v materialu nosilca.

 

Zdaj pa prenesimo nekaj dela na robota

Shema dela se spremeni na naslednji način:

Robota bomo sestavili v okolju Automation Anywhere Community Edition (v nadaljevanju AA). Preletimo kriterije ocenjevanja in opišimo subjektivne vtise.

vsestranskost

Rešitve RPA (zlasti komercialne) se vztrajno pozicionirajo kot sredstvo za avtomatizacijo poslovnih procesov in avtomatizacijo dela zaposlenih v pisarnah. Primeri in tečaji usposabljanja zajemajo interakcijo z ERP, ECM in spletom. Vse je zelo “pisarniško”.

Sprva smo dvomili, ali bo AA lahko prevzel vmesnik in podatke našega Autodesk Inventorja. A vse je res delovalo: vsak element, vsaka kontrola je bila definirana in zabeležena. Tudi v servisnih obrazcih s tabelami parametrov je robot preprosto z miško dobil dostop do želene celice.

Sledil je test z zagonom studia za izračun moči. In tudi ni problema. Na tej stopnji smo morali skrbno delati s premori med dejanji, ko sistem čaka na dokončanje izračuna.

Pridobivanje nastalih podatkov iz spleta in vstavljanje v Excel je potekalo gladko.
V okviru te naloge se je potrdila vsestranskost. Sodeč po opisih drugih proizvajalcev RPA je vsestranskost resnično skupna lastnost te kategorije programske opreme.

Enostaven za učenje

Obvladovanje je trajalo več večerov: tečaji, primeri usposabljanja - vse je tam. Mnogi prodajalci RPA ponujajo brezplačno usposabljanje. Edina ovira: okoljski vmesnik in tečaji AA so samo v angleščini.

Hitrost razvoja

Zvečer smo razvili in odpravili napake v algoritmu za "inženirjevo težavo". Zaporedje dejanj je bilo dokončano v samo 44 navodilih. Spodaj je delček vmesnika Automation Anywhere s končnim robotom. Koncept nizke kode/brez kode – programiranje ni bilo potrebno: uporabili smo zapisovalnike operacij ali drug'n'drop iz knjižnice ukazov. Nato konfigurirajte parametre v oknu lastnosti.

Osvoboditev od rutine

Robot za obdelavo enega zapisa porabi 1 minuto 20 sekund. Približno toliko časa smo porabili za obdelavo enega zapisa brez robota.

Če govorimo o desetinah in stotinah zapisov, potem se bo oseba neizogibno utrudila in se bo začela motiti. Specialist je lahko nenadoma zaposlen s kakšno drugo nalogo. Pri osebi razmerje v obliki »Če naloga traja A minut, potem lahko N takih nalog opravimo v A * N minutah« ne deluje - vedno traja več časa.

V našem primeru bo robot zaporedno razvrstil zapise, začenši z največjimi deli. Pri velikih nizih je to počasna metoda. Če želite pospešiti, lahko uporabite zaporedne približke, na primer Newtonovo metodo ali polovično deljenje.
Rezultat izračuna:

Tabela 1. Rezultat izbire prereza žarka

Naloga znanstvenika

Naloga znanstvenika je izvesti več numeričnih eksperimentov, da bi ugotovili zakon, po katerem se nosilnost nosilca spreminja glede na njegov presek, dolžino in maso bremena. Ugotovljeni zakon je oblikovan v obliki regresijske enačbe.

Da bi bila regresijska enačba točna, mora znanstvenik obdelati veliko količino podatkov.

Za naš primer je dodeljen niz vhodnih spremenljivk:

• višina profila cevi;
• širina;
• debelina stene;
• dolžina žarka;
• težo tovora.

Če moramo narediti izračun za vsaj 3 vrednosti vsake spremenljivke, potem je to skupaj 243 ponovitev. Z dvominutnim trajanjem ene ponovitve bo skupni čas 8 ur – cel delovni dan! Za popolnejšo študijo ne bi smeli vzeti 3 vrednosti, ampak 10 ali več.

Med študijo bo zagotovo postalo jasno, da je treba v model vključiti dodatne dejavnike. Na primer, "vozite" različne vrste jekla. Obseg izračunov se poveča več deset in stokrat.

Pri resnični nalogi bo robot lahko znanstvenika sprostil za več dni, ki jih bo strokovnjak uporabil za pripravo publikacije, in to je glavni pokazatelj znanstvenikove dejavnosti.

Povzetek

Inženirjev »izdelek« je resnično delujoča naprava, dizajn. Robotizacija izračunov bo zmanjšala tveganja zaradi globljega razvoja projekta (več izračunov, več načinov, več možnosti).

»Produkt« znanstvenika je enačba, vzorec ali drug strnjen opis. In bolj kot je natančen, več podatkov je vključenih v analizo. Rešitev RPA bo pomagala ustvariti informacijsko "hrano" za modele.

Posplošimo naš primer.

Vloga računskega modela je lahko kateri koli model: model mostu, model motorja, model ogrevalnega sistema. Strokovnjak mora zagotoviti, da so vse komponente modela v pravilni interakciji med seboj in da model zagotavlja "zunaj" nabor ključnih parametrov-spremenljivk.

Vlogo računalniškega okolja igra vsaka aplikacija, ki jo specialist uporablja pri svojem delu. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ali nekaj, kar je bilo razvito v podjetju, na primer program za izbiro ventilatorjev v proizvodnem obratu (glejte Programi izbire opreme Systemair).

Kot vir podatkov upoštevamo spletno mesto, podatkovno bazo, Excelov list in txt datoteko.
Končni rezultat dela - poročilo - je Wordov dokument s samodejno generiranim besedilom, Excelov grafikon, niz posnetkov zaslona ali e-novica.

RPA se uporablja povsod, kjer je uporabna inženirska analiza. Tukaj je nekaj področij:

• trdnostni izračuni in deformacije;
• hidro- in plinska dinamika;
• izmenjava toplote;
• elektromagnetizem;
• interdisciplinarna analiza;
• generativno oblikovanje;
• krmilni programi za CNC (na primer gnezdenje);
• medicinske in biološke raziskave;
• pri izračunih sistemov s povratno zvezo ali nestacionarnih sistemov (ko je treba končni rezultat prenesti v izvorne podatke in izračun ponoviti).

Danes se rešitve RPA aktivno uporabljajo v poslovanju za avtomatizacijo procesov in delo s podatki. Rutina pisarniškega delavca, inženirja in znanstvenika ima veliko skupnega. Pokazali smo, da so roboti uporabni v tehniki in znanosti.

Strnimo vtise.

1. Vsestranskost - ja, RPA je univerzalno orodje.
2. Enostaven za učenje - da, preprost in dostopen, vendar potrebujete jezik.
3. Hitrost razvoja - da, algoritem se hitro sestavi, še posebej, ko se naučite delati s snemalniki.
4. Razbremenitev rutine - da, resnično lahko prinese koristi pri obsežnih opravilih.

Vir: www.habr.com