RPA在科學與工程計算的應用

條目

在學校，為了鞏固我們的知識，我們被要求解決許多類似的例子。我們一直很惱火：這裡有什麼值錢的？將兩個或三個值代入公式即可得出答案。這裡的思想飛翔在哪裡？事實證明，現實比學校更殘酷。

現在我擔任 IT 分析師。在加入 IT 領域之前，我曾擔任過加熱工程師、CNC 程式設計師，並參與研究專案。

根據我自己的經驗，我確信工程師和科學家95%的工作時間都花在這種「同類」的行動上。計算方程式、檢查、記錄結果、複製規格。一個又一個項目，一個又一個實驗，日復一日。

這是我之前工作中的幾個例子。

直到2019年，我都做了熱真空成型的佈置。如果這樣的模型被加熱的塑膠覆蓋，我們將得到一個完全重複該模型幾何形狀的產品。技術描述 這裡.

模型生產週期需要一整套高度專業化的應用程式：

• 用於 3D 建模的 Autodesk Inventor；
• Excel用於上傳工件尺寸；
• 用於計算佈局成本的Excel；
• HSM模組用於建立CNC控製程式；
• 用於管理程式檔案的電腦檔案系統；
• 用於控制 CNC 工具機的 Mach3 環境。

資料必須手動從一個環境傳輸到另一個環境，​​其中包括整個表和值數組。這個過程很慢，而且經常出現錯誤。

在此之前，我參與過導光板的研發和生產（鏈接）。那裡有大量的研究、設計和計算：用於熱和照明計算的專用環境（Ansys、Dialux）、成本效益計算、以及用於模型和圖紙的 Autocad 和 Inventor。這裡同樣存在困難：一個應用程式的計算結果需要拖曳到另一個應用程式中進行下一次計算。如此反覆尋找最優解。

工程師的時間和科學家的時間都是非常寶貴的時間。我們這裡不是討論工作。工程師計算的背後是一個團隊的大專案。科學家研究的背後是整個產業的視角。但高素質的專家通常會「愚蠢地」將價值從一個程序轉移到另一個程序，而不是開發概念、建模、解釋結果、與同事討論和集思廣益。

現代商業環境的標誌是速度。市場在不斷推動。 2014年，我們花了2-3週的時間來進行佈置。 2018年，三天，已經顯得太長了。現在，設計人員必須同時產生多個解決方案選項，而之前只指派給一個選項。

還有一點——投資和風險。為了「趕上」一個項目，企業必須在與客戶達成協議之前將項目成本的約6%投入概念開發。這些資金流向：

• 用於研究；
• 概念設計;
• 勞動成本評估；
• 草圖的準備等

公司自掏腰包，這是它自己的風險。對這個概念的關注需要專家的時間，而且他們忙於日常事務。

在熟悉 IT 公司的工作工具後，我對哪些業務流程自動化實務對工程師有用產生了興趣。因此，企業長期以來一直在使用機器人流程自動化 (RPA) 來應對日常工作。

RPA 製造商聲稱這種自動化工具具有以下優勢：

1. 多功能性（機器人能夠與任何應用程式、任何資料來源一起工作）；
2. 易於學習（不需要深厚的程式設計和管理能力）；
3. 開發速度（完成的演算法比傳統程式設計花費的時間更少）；
4. 真正將員工從日常操作中解放出來。

基於這些標準，我們將檢查使用 RPA 在工程/科學計算中的效果。

範例描述

讓我們來看一個簡單的例子。有一根帶有負載的懸臂梁。

我們從工程師的立場和科學家的立場來看這個問題。

「工程師」案例：有一根2m長的懸臂梁，必須承受500kg的負載，安全裕度為3倍。梁由矩形管製成。需要根據 GOST 目錄選擇樑的截面。

案例「科學家」：找出荷載質量、樑的橫截面和長度如何影響該樑的承載能力。推導出回歸方程式。

在這兩種情況下，都會考慮重力，該重力與樑的質量成比例地作用在樑上。

我們來詳細研究第一個案例—「工程師」。 「科學家」的案例也是以類似的方式實現的。

從技術上講，我們的範例非常簡單。學科專家只需使用計算機即可計算出來。我們還有另一個目標：展示 RPA 解決方案在任務規模擴大時如何提供協助。

在簡化中，我們也注意到：管道的橫截面是理想的矩形，沒有圓角，沒有考慮焊接。

工程師的任務

「工程師」案例的總體方案如下：

1. 在 Excel 工作表上，我們有一個表格，其中包含根據 GOST 的管道範圍。
2. 對於此表中的每個條目，我們必須在 Autodesk Inventor 中建立 3D 模型。
3. 然後，在Inventor Stress Analysiss環境中，我們執行強度計算並將計算結果上傳到html。
4. 我們在結果檔中找到「最大馮米塞斯應力」值。
5. 如果安全係數（材料的屈服強度與最大 von Mises 應力的比率）小於 3，我們將停止計算。

我們相信，在其他選擇中，合適橫截面的梁將提供 3 倍的安全裕度，並且重量最小。

在我們的任務中，專家總共使用 3 個應用程式（見上圖）。在實際情況下，申請的數量可能會更多。

GOST 8645-68「矩形鋼管」包含 300 個條目。在我們的簡報問題中，我們將縮短清單：我們將從每個尺寸系列中選取一項。共有 19 筆記錄，您需要從中選擇一筆。

我們將在 Inventor 建模環境中建立模型並進行強度計算，該環境包含現成的材料庫。我們將從該庫中取得梁材料：

材質 - 鋼
密度 7,85 克/立方米。厘米;
屈服強度207MPa；
拉伸強度345兆帕；
楊氏模量210 GPa；
剪切模量 80,7692 GPa。

這是加載樑的三維模型的樣子：

這是強度計算的結果。系統將光束的脆弱區域染成紅色。這些是緊張局勢最嚴重的地方。左側的刻度顯示梁材料中的最大應力值。

 

現在讓我們將一些工作轉移給機器人

工作方案變更如下：

我們將在Automation Anywhere Community Edition（以下簡稱AA）環境中組裝機器人。讓我們回顧一下評估標準並描述一下主觀印象。

多功能性

RPA 解決方案（尤其是商業解決方案）始終被定位為自動化業務流程和自動化辦公室員工工作的一種手段。範例和培訓課程涵蓋與 ERP、ECM 和 Web 的交互。一切都非常「像辦公室」。

起初我們懷疑 AA 是否能夠取得 Autodesk Inventor 的介面和資料。但一切都確實有效：每個元素、每個控制項都被定義和記錄。即使在具有參數表的服務形式中，機器人也只需透過滑鼠指向即可存取所需的單元格。

接下來是啟動強度計算工作室的測試。也沒有問題。在此階段，當系統等待計算完成時，我們必須仔細處理操作之間的暫停。

從 Web 檢索結果資料並將其插入 Excel 的過程很順利。
在這項任務中，多功能性得到了證實。從其他 RPA 供應商的描述來看，多功能性確實是此類軟體的共同特徵。

簡單易學

花了幾個晚上才掌握：課程、培訓範例 - 一切都在那裡。許多 RPA 供應商提供免費培訓。唯一的障礙：環境介面和AA課程只有英文。

發展速度

晚上我們針對「工程師問題」開發並調試了演算法。僅用 44 條指令就完成了這一系列動作。以下是 Automation Anywhere 介面與成品機器人的片段。低程式碼/無程式碼概念 - 無需程式設計：我們使用命令庫中的操作記錄器或 drug'n'drop。然後在屬性視窗中配置參數。

從日常生活中解脫出來

機器人花費 1 分 20 秒處理一筆記錄。我們在沒有機器人的情況下處理一筆記錄花費了大約相同的時間。

如果我們談論的是數十甚至數百筆記錄，那麼一個人將不可避免地感到疲倦並開始分心。專家可能會突然忙於其他任務。對於一個人來說，「如果一項任務需要 A 分鐘，那麼 N 個這樣的任務可以在 A * N 分鐘內完成」的形式是行不通的——它總是需要更多的時間。

在我們的範例中，機器人將從最大的部分開始按順序對記錄進行排序。在大型數組上，這是一種緩慢的方法。為了加快速度，您可以實施逐次逼近，例如牛頓法或半除法。
計算結果：

表1 梁截面選擇結果

科學家的任務

科學家的任務是進行多次數值實驗，以確定樑的承載能力隨其橫截面、長度和負載品質而變化的規律。所發現的規律以迴歸方程式的形式表示。

為了使迴歸方程式準確，科學家必須處理大量數據。

對於我們的範例，分配了一個輸入變數數組：

• 管材輪廓高度；
• 寬度;
• 室壁厚度;
• 梁長；
• 負載的重量。

如果我們必須對每個變數至少 3 個值進行計算，那麼總共需要重複 243 次。如果一次迭代持續時間為兩分鐘，則總時間將是 8 小時——一整個工作日！為了進行更完整的研究，我們不應採用 3 個值，而應採用 10 個或更多。

在研究過程中，我們肯定會清楚模型中需要包含其他因素。例如，「驅動」不同等級的鋼材。計算量增加數十倍、數百倍。

在實際任務中，機器人將能夠讓科學家騰出幾天時間，專家將用這些時間來準備出版物，這是科學家活動的主要指標。

總結

工程師的「產品」是一個真正可以工作的設備，一個設計。計算的自動化將降低因專案的更深層開發而帶來的風險（更多的計算、更多的模式、更多的選擇）。

科學家的「產品」是方程式、模式或其他簡潔的描述。而且越準確，分析涉及的數據就越多。 RPA 解決方案將有助於為模型產生資訊「食物」。

讓我們概括一下我們的例子。

計算模型的角色可以是任何模型：橋樑模型、引擎模型、加熱系統模型。專家需要確保模型的所有組件彼此正確交互，並且模型在「外部」提供一組關鍵參數變數。

計算環境的角色由專家在其工作中使用的任何應用程式扮演。 Ansys、Autocad、Solidworks、FlowVision、Dialux、PowerMill、Archicad。或內部開發的東西，例如在製造工廠選擇風扇的程序（請參閱 Systemair 設備選擇程序）。

我們將網站、資料庫、Excel 工作表和 txt 檔案視為資料來源。
工作的最終結果 - 報告 - 是一個帶有自動生成文字的 Word 文件、一個 Excel 圖表、一組螢幕截圖或一封電子郵件通訊。

RPA 適用於任何適用工程分析的地方。以下是一些領域：

• 強度計算和變形；
• 水力和氣體動力學；
• 熱交換；
• 電磁學；
• 跨學科分析；
• 生成設計；
• CNC 控製程式（例如嵌套）；
• 醫學和生物學研究；
• 在具有回饋的系統或非平穩系統的計算中（當最終結果必須轉移到來源資料並重複計算時）。

如今，RPA 解決方案在企業中被積極使用，以實現流程自動化和資料處理。辦公室職員、工程師和科學家的日常工作有許多共通點。我們已經證明機器人在工程和科學領域很有用。

讓我們總結一下我們的印象。

1. 多功能性 - 是的，RPA 是一種通用工具。
2. 易於學習－是的，簡單易懂，但你需要一門語言。
3. 開發速度 - 是的，演算法的組裝速度很快，尤其是當您掌握了使用記錄器的竅門時。
4. 將自己從日常事務中解放出來——是的，它確實可以在大型任務中帶來好處。

來源： www.habr.com