RPA在科学与工程计算中的应用

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在学校，为了巩固我们的知识，我们被要求解决许多类似的例子。 我们一直很恼火：这里有什么值钱的？ 将两个或三个值代入公式即可得出答案。 这里的思想飞翔在哪里？ 事实证明，现实比学校更残酷。

现在我担任 IT 分析师。 在加入IT领域之前，我曾担任过加热工程师、CNC程序员，并参与过研究项目。

根据我自己的经验，我确信工程师和科学家95%的工作时间都花在这种“同类”的行动上。 计算方程、检查、记录结果、复制规格。 一个又一个项目，一个又一个实验，日复一日。

这是我之前工作中的几个例子。

直到2019年，我都做了热真空成型的布局。 如果这样的模型被加热的塑料覆盖，我们将得到一个完全重复该模型几何形状的产品。 技术描述 这里.

模型生产周期需要一整套高度专业化的应用程序：

• 用于 3D 建模的 Autodesk Inventor；
• Excel用于上传工件尺寸；
• Excel用于计算布局成本；
• HSM模块用于创建CNC控制程序；
• 用于管理程序文件的计算机文件系统；
• 用于控制 CNC 机床的 Mach3 环境。

数据必须手动从一个环境传输到另一个环境，其中包括整个表和值数组。 这个过程很慢，而且经常出现错误。

在此之前，我参与过导光板的研发和生产（链接）。 那里有大量的研究、设计和计算：用于热和照明计算的专用环境（Ansys、Dialux），加上成本效益计算，加上用于模型和图纸的 Autocad 和 Inventor。 这里同样存在困难：一个应用程序的计算结果需要拖到另一个应用程序中进行下一次计算。 如此反复寻找最优解。

工程师的时间和科学家的时间都是非常宝贵的时间。 我们这里不是讨论工​​资。 工程师计算的背后是一个团队的大项目。 科学家研究的背后是整个行业的视角。 但高素质的专家通常会“愚蠢地”将价值从一个程序转移到另一个程序，而不是开发概念、建模、解释结果、与同事讨论和集思广益。

现代商业环境的标志是速度。 市场在不断推动。 2014年，我们花了2-3周的时间来进行布局。 2018年，三天，已经显得太长了。 现在，设计人员必须同时生成多个解决方案选项，而之前只分配给一个选项。

还有一点——投资和风险。 为了“赶上”一个项目，企业必须在与客户达成协议之前将项目成本的约6%投入到概念开发中。 这些资金流向：

• 用于研究；
• 概念设计;
• 劳动力成本评估；
• 草图的准备等

公司自掏腰包把它们拿出来，这是它自己的风险。 对这个概念的关注需要专家的时间，而且他们忙于日常事务。

在熟悉 IT 公司的工作工具后，我对哪些业务流程自动化实践对工程师有用产生了兴趣。 因此，企业长期以来一直在使用机器人流程自动化 (RPA) 来应对日常工作。

RPA 制造商声称这种自动化工具具有以下优势：

1. 多功能性（机器人能够与任何应用程序、任何数据源一起工作）；
2. 易于学习（不需要深厚的编程和管理能力）；
3. 开发速度（完成的算法比传统编程花费的时间更少）；
4. 真正将员工从日常操作中解放出来。

基于这些标准，我们将检查使用 RPA 在工程/科学计算中的效果。

示例描述

让我们看一个简单的例子。 有一根带有负载的悬臂梁。

我们分别从工程师的立场和科学家的立场来看这个问题。

“工程师”案例：有一根2m长的悬臂梁，必须承受500kg的负载，安全裕度为3倍。 梁由矩形管制成。 需要根据 GOST 目录选择梁的截面。

案例“科学家”：找出荷载质量、梁的横截面和长度如何影响该梁的承载能力。 推导出回归方程。

在这两种情况下，都会考虑重力，该重力与梁的质量成比例地作用在梁上。

我们来详细研究第一个案例——“工程师”。 “科学家”的案例也是以类似的方式实现的。

从技术上讲，我们的示例非常简单。 学科专家只需使用计算器即可计算出来。 我们还有另一个目标：展示 RPA 解决方案在任务规模扩大时如何提供帮助。

在简化中，我们还注意到：管道的横截面是理想的矩形，没有圆角，没有考虑焊缝。

工程师的任务

“工程师”案例的总体方案如下：

1. 在 Excel 工作表上，我们有一个表格，其中包含根据 GOST 的管道范围。
2. 对于此表中的每个条目，我们必须在 Autodesk Inventor 中构建 3D 模型。
3. 然后，在Inventor Stress Analysiss环境中，我们执行强度计算并将计算结果上传到html。
4. 我们在结果文件中找到“最大冯米塞斯应力”值。
5. 如果安全系数（材料的屈服强度与最大 von Mises 应力的比率）小于 3，我们将停止计算。

我们相信，在其他选择中，合适横截面的梁将提供 3 倍的安全裕度，并且重量最小。

在我们的任务中，专家总共使用 3 个应用程序（见上图）。 在实际情况下，申请的数量可能会更多。

GOST 8645-68“矩形钢管”包含 300 个条目。 在我们的演示问题中，我们将缩短列表：我们将从每个尺寸系列中选取一项。 共有 19 条记录，您需要从中选择一条。

我们将在 Inventor 建模环境中构建模型并进行强度计算，该环境包含一个现成的材料库。 我们将从该库中获取梁材料：

材质 - 钢
密度 7,85 克/立方米。 厘米;
屈服强度207MPa；
拉伸强度345兆帕；
杨氏模量210 GPa；
剪切模量 80,7692 GPa。

这是加载梁的三维模型的样子：

这是强度计算的结果。 系统将光束的脆弱区域染成红色。 这些是紧张局势最严重的地方。 左侧的刻度显示梁材料中的最大应力值。

 

现在让我们将一些工作转移给机器人

工作方案变更如下：

我们将在Automation Anywhere Community Edition（以下简称AA）环境中组装机器人。 让我们回顾一下评估标准并描述一下主观印象。

普遍

RPA 解决方案（尤其是商业解决方案）始终被定位为自动化业务流程和自动化办公室员工工作的一种手段。 示例和培训课程涵盖与 ERP、ECM 和 Web 的交互。 一切都非常“像办公室”。

起初我们怀疑 AA 是否能够获取 Autodesk Inventor 的界面和数据。 但一切都确实有效：每个元素、每个控件都被定义和记录。 即使在带有参数表的服务形式中，机器人也只需通过鼠标指向即可访问所需的单元格。

接下来是启动强度计算工作室的测试。 也没有问题。 在此阶段，当系统等待计算完成时，我们必须仔细处理操作之间的暂停。

从 Web 检索结果数据并将其插入 Excel 的过程很顺利。
在这项任务中，多功能性得到了证实。 从其他 RPA 供应商的描述来看，多功能性确实是此类软件的共同特征。

简单易学

花了几个晚上才掌握：课程、培训示例 - 一切都在那里。 许多 RPA 供应商提供免费培训。 唯一的障碍：环境界面和AA课程只有英文。

发展速度

晚上我们针对“工程师问题”开发并调试了算法。 仅用 44 条指令就完成了这一系列动作。 下面是 Automation Anywhere 界面与成品机器人的片段。 低代码/无代码概念 - 无需编程：我们使用命令库中的操作记录器或 drug'n'drop。 然后在属性窗口中配置参数。

从日常生活中解脱出来

机器人花费 1 分 20 秒处理一条记录。 我们在没有机器人的情况下处理一条记录花费了大约相同的时间。

如果我们谈论的是数十甚至数百条记录，那么一个人将不可避免地感到疲倦并开始分心。 专家可能会突然忙于其他任务。 对于一个人来说，“如果一项任务需要 A 分钟，那么 N 个这样的任务可以在 A * N 分钟内完成”的形式是行不通的——它总是需要更多的时间。

在我们的示例中，机器人将从最大的部分开始按顺序对记录进行排序。 在大型数组上，这是一种缓慢的方法。 为了加快速度，您可以实施逐次逼近，例如牛顿法或半除法。
计算结果：

表1 梁截面选择结果

科学家的任务

科学家的任务是进行多次数值实验，以确定梁的承载能力随其横截面、长度和负载质量而变化的规律。 所发现的规律以回归方程的形式表示。

为了使回归方程准确，科学家必须处理大量数据。

对于我们的示例，分配了一个输入变量数组：

• 管材轮廓高度；
• 宽度;
• 室壁厚度;
• 梁长；
• 负载的重量。

如果我们必须对每个变量至少 3 个值进行计算，那么总共需要重复 243 次。 如果一次迭代持续时间为两分钟，则总时间将是 8 小时——一整个工作日！ 为了进行更完整的研究，我们不应采用 3 个值，而应采用 10 个或更多。

在研究过程中，我们肯定会清楚模型中需要包含其他因素。 例如，“驱动”不同等级的钢材。 计算量增加数十倍、数百倍。

在实际任务中，机器人将能够让科学家腾出几天时间，专家将用这些时间来准备出版物，这是科学家活动的主要指标。

总结

工程师的“产品”是一个真正可以工作的设备，一个设计。 计算的自动化将降低由于项目的更深层次开发而带来的风险（更多的计算、更多的模式、更多的选择）。

科学家的“产品”是方程、模式或其他简洁的描述。 而且越准确，分析涉及的数据就越多。 RPA 解决方案将有助于为模型生成信息“食物”。

让我们概括一下我们的例子。

计算模型的角色可以是任何模型：桥梁模型、发动机模型、加热系统模型。 专家需要确保模型的所有组件彼此正确交互，并且模型在“外部”提供一组关键参数变量。

计算环境的角色由专家在其工作中使用的任何应用程序扮演。 Ansys、Autocad、Solidworks、FlowVision、Dialux、PowerMill、Archicad。 或者是内部开发的东西，例如在制造工厂选择风机的程序（请参阅 Systemair 设备选择程序）。

我们将网站、数据库、Excel 工作表和 txt 文件视为数据源。
工作的最终结果 - 报告 - 是一个带有自动生成文本的 Word 文档、一个 Excel 图表、一组屏幕截图或一封电子邮件通讯。

RPA 适用于任何适用工程分析的地方。 以下是一些领域：

• 强度计算和变形；
• 水力和气体动力学；
• 热交换；
• 电磁学；
• 跨学科分析；
• 生成设计；
• CNC 控制程序（例如嵌套）；
• 医学和生物学研究；
• 在具有反馈的系统或非平稳系统的计算中（当最终结果必须转移到源数据并重复计算时）。

如今，RPA 解决方案在企业中被积极使用，以实现流程自动化和数据处理。 办公室职员、工程师和科学家的日常工作有很多共同点。 我们已经证明机器人在工程和科学领域很有用。

让我们总结一下我们的印象。

1. 多功能性 - 是的，RPA 是一种通用工具。
2. 易于学习——是的，简单易懂，但你需要一门语言。
3. 开发速度 - 是的，算法的组装速度很快，尤其是当您掌握了使用记录器的窍门时。
4. 将自己从日常事务中解放出来——是的，它确实可以在大型任务中带来好处。

来源： habr.com