Anwendung von RPA in wissenschaftlichen und technischen Berechnungen

Eintrag

Um das Wissen in der Schule zu festigen, wurden wir gebeten, viele ähnliche Beispiele zu lösen. Wir haben uns immer geärgert: Was ist so wertvoll? Ersetzen Sie zwei oder drei Werte in der Formel und erhalten Sie eine Antwort. Wo ist der Gedankenflug? Die Realität erwies sich als härter als die Schule.

Jetzt arbeite ich als IT-Analyst. Bevor ich zum IT-Bereich kam, arbeitete ich als Wärmetechniker, CNC-Programmierer und nahm an Forschungsprojekten teil.

Aus eigener Erfahrung war ich überzeugt, dass Ingenieure und Wissenschaftler 95% ihrer Arbeitszeit für solche „ähnlichen Aktionen“ aufwenden. Berechnungen von Gleichungen, Überprüfungen, Aufzeichnen von Ergebnissen, Kopieren von Spezifikationen. Projekt für Projekt, Experiment für Experiment, Tag für Tag.

Hier einige Beispiele aus meiner Vergangenheit.

Bis 2019 habe ich Modelle für das thermische Vakuumformen hergestellt. Wenn ein solches Modell in beheizten Kunststoff eingewickelt wird, erhalten wir ein Produkt, das die Geometrie dieses Modells genau wiedergibt. Beschreibung der Technologie hier .

Im Produktionszyklus des Layouts wird eine ganze Reihe hochspezialisierter Anwendungen benötigt:

• Autodesk Inventor für die 3D-Modellierung;
• Excel zum Hochladen von Werkstückgrößen;
• Excel, um die Kosten des Layouts zu berechnen;
• HSM-Modul zum Übersetzen des NC-Steuerungsprogramms;
• Computerdateisystem zur Verwaltung von Programmdateien;
• Mach3-Umgebung zur Steuerung der CNC-Maschine.

Es war erforderlich, Daten manuell von Umgebung zu Umgebung zu übertragen. Dabei handelt es sich um vollständige Tabellen und Wertearrays. Der Prozess ist langsam, häufig sind Fehler aufgetreten.

Zuvor war ich an der Entwicklung und Herstellung von Lichtwellenleitern ( Link ) beteiligt. Dort wurde viel geforscht, konstruiert und gerechnet: Fachumgebungen für wärmetechnische und lichttechnische Berechnungen (Ansys, Dialux) sowie Wirtschaftlichkeitsberechnungen sowie Autocad und Inventor für Modelle und Zeichnungen. Und hier die gleichen Schwierigkeiten: Das Berechnungsergebnis einer Anwendung muss für die nächste Berechnung in eine andere Anwendung gezogen werden. Und so mehrmals auf der Suche nach der besten Lösung.

Die Zeit eines Ingenieurs und die Zeit eines Wissenschaftlers ist eine sehr teure Zeit. Hier geht es nicht um Gehalt. Hinter den Berechnungen eines Ingenieurs steht ein großes Projekt mit einem Team. Hinter der Forschung des Wissenschaftlers steht die Perspektive einer ganzen Branche. Aber oftmals unterbricht ein hochqualifizierter Spezialist "dumm" die Werte von einem Programm zum anderen, anstatt Konzepte zu entwickeln, Ergebnisse zu modellieren, zu interpretieren, Streitigkeiten zu führen und mit Kollegen ein Brainstorming durchzuführen.

Ein Merkmal des heutigen Geschäftsumfelds ist die Geschwindigkeit. Der Markt drängt ständig. 2014 haben wir 2-3 Wochen gebraucht, um das Layout zu erstellen. Im Jahr 2018, drei Tage, und es schien schon zu lang. Jetzt muss der Konstrukteur mehrere Lösungen zur gleichen Zeit ausstellen, die bisher nur für eine Option aufgefallen sind.

Und noch etwas - Investitionen und Risiken. Um ein Projekt zu „binden“, muss ein Unternehmen ~ 6% der Kosten dieses Projekts in die Konzeptentwicklung investieren, bevor es einen Vertrag mit einem Kunden abschließt. Diese Mittel gehen weg:

• für die Forschung;
• Konzeption;
• Einschätzung der Arbeitskosten;
• Erstellung von Skizzen etc.

Das Unternehmen nimmt sie aus der Tasche, dies ist sein eigenes Risiko. Die Beachtung des Konzepts erfordert Zeit von Spezialisten und sie sind mit Routine beschäftigt.

Nachdem ich mich mit den Arbeitsmitteln in einem IT-Unternehmen vertraut gemacht hatte, interessierte ich mich dafür, welche Praktiken aus der Automatisierung von Geschäftsprozessen für Ingenieure nützlich sein könnten. Daher setzt das Unternehmen seit langem Prozessrobotik (Process Robotics, RPA) ein, um mit Routine umzugehen.

RPA-Hersteller beanspruchen die folgenden Vorteile dieses Automatisierungstools:

1. Universalität (der Roboter kann mit jeder Anwendung und mit jeder Datenquelle arbeiten);
2. einfache Entwicklung (keine umfassenden Programmier- und Verwaltungskompetenzen erforderlich);
3. Entwicklungsgeschwindigkeit (ein fertiger Algorithmus benötigt weniger Zeit als bei der herkömmlichen Programmierung);
4. echte Entladung eines Mitarbeiters aus dem Routinebetrieb.

Anhand dieser Kriterien prüfen wir, wie sich die Verwendung von RPA in technischen / wissenschaftlichen Berechnungen auswirkt.

Beispielbeschreibung

Wir werden ein einfaches Beispiel betrachten. Es ist ein Kragträger mit Ladung befestigt.

Betrachten wir dieses Problem aus der Sicht eines Ingenieurs und aus der Sicht eines Wissenschaftlers.

Fall "Ingenieur": Es gibt einen Ausleger mit einer Länge von 2 m, der eine Last von 500 kg mit einem 3-fachen Sicherheitsabstand aufnehmen soll. Der Balken besteht aus einem rechteckigen Rohr. Es ist notwendig, den Balkenquerschnitt gemäß dem GOST-Katalog zu wählen.

Fall "Wissenschaftler": Finden Sie heraus, wie sich die Masse der Last, der Querschnitt und die Länge des Trägers auf die Tragfähigkeit dieses Trägers auswirken. Leiten Sie eine Regressionsgleichung ab.

In beiden Fällen wird die Schwerkraft berücksichtigt, die proportional zur Masse des Strahls auf den Strahl einwirkt.

Wir werden den ersten Fall - den "Ingenieur" - im Detail untersuchen. Fall "Wissenschaftler" ist in ähnlicher Weise umgesetzt.

Technisch ist unser Beispiel sehr einfach. Und der Fachspezialist kann es einfach auf einem Taschenrechner berechnen. Wir haben ein weiteres Ziel: zu zeigen, wie die RPA-Lösung bei großen Aufgaben hilft.

Zur Vereinfachung stellen wir auch fest: Der Rohrabschnitt ist ein perfektes Rechteck, ohne Ecken abzurunden, ohne die Schweißnaht zu berücksichtigen.

Aufgabe des Ingenieurs

Das allgemeine Schema des Falls "Ingenieur" lautet wie folgt:

1. Auf dem Excel-Blatt haben wir eine Tabelle mit einem Rohrsortiment nach GOST.
2. Für jeden Eintrag in dieser Tabelle müssen wir in Autodesk Inventor ein 3D-Modell erstellen.
3. Anschließend führen wir in der Umgebung von Inventor Stress Analyzes eine Festigkeitsberechnung durch und laden das Berechnungsergebnis in HTML hoch.
4. In der resultierenden Datei finden wir den Wert "Maximum Mises stress".
5. Wir stoppen die Berechnung, wenn der Sicherheitsfaktor (das Verhältnis der Streckgrenze des Materials zur maximalen von Mises-Spannung) kleiner als 3 ist.

Wir glauben, dass ein Balken eines geeigneten Abschnitts einen dreifachen Sicherheitsspielraum bietet und unter anderem ein minimales Gewicht aufweist.



Insgesamt arbeitet der Spezialist in unserer Aufgabe mit 3 Anwendungen (siehe Abbildung oben). In einer realen Umgebung kann die Anzahl der Anwendungen höher sein.

GOST 8645-68 "Rechteckige Stahlrohre" enthält 300 Einträge. In unserer Demonstrationsaufgabe werden wir die Liste verkürzen: Nehmen Sie eine Position von jeder Größenfamilie. Insgesamt 19 Datensätze, aus denen Sie einen auswählen müssen.



Die Inventor-Modellierungsumgebung, in der das Modell erstellt und die Festigkeitsberechnung durchgeführt wird, enthält eine Bibliothek mit fertigen Materialien. Wir akzeptieren das Trägermaterial aus dieser Bibliothek:

Material - Stahl
Dichte 7,85 g / cu. cm;
Streckgrenze 207 MPa;
Zugfestigkeit 345 MPa;
Young-Modul 210 GPa;
Schermodul 80,7692 GPa.

So sieht ein dreidimensionales Modell eines belasteten Strahls aus:



Und hier ist das Ergebnis der Festigkeitsberechnung. Das System färbt gefährdete Bereiche des Strahls rot. An diesen Orten ist die Spannung am größten. Die Skala links zeigt den maximalen Spannungswert im Trägermaterial.

Jetzt übertragen wir einen Teil der Arbeit auf den Roboter

Das Arbeitsschema wird wie folgt geändert:



Wir werden den Roboter in der Automation Anywhere Community Edition (im Folgenden AA) zusammenbauen. Lassen Sie uns die Bewertungskriterien durchgehen und die subjektiven Eindrücke beschreiben.

Vielseitigkeit

RPA-Lösungen (insbesondere kommerzielle) sind permanent positioniert, um Geschäftsprozesse zu automatisieren und die Arbeit der Büroangestellten zu automatisieren. In Beispielen und Schulungen analysieren sie die Interaktion mit ERP, ECM, Web. Alles ist sehr "Büro".

Zunächst hatten wir Zweifel, ob AA die Schnittstelle und Daten von unserem Autodesk Inventor abrufen kann. Aber es hat wirklich alles geklappt: Jedes Element, jede Kontrolle wurde ermittelt und aufgezeichnet. Selbst in Serviceformularen mit Parametertabellen konnte der Roboter einfach mit der Maus auf die gewünschte Zelle zugreifen.

Als nächstes folgte ein Test mit dem Start des Kraftberechnungsstudios. Und auch kein Problem. Zu diesem Zeitpunkt musste ich sorgfältig mit Pausen zwischen den Aktionen arbeiten, wenn das System den Abschluss der Berechnung erwartet.

Das Abrufen der Übersichtsdaten aus dem Web und das Einfügen in Excel verlief reibungslos.
Im Rahmen dieser Aufgabe wurde die Universalität bestätigt. Nach den Beschreibungen anderer RPA-Anbieter zu urteilen, ist Vielseitigkeit eine gemeinsame Eigenschaft dieser Kategorie von Software.

Leicht zu erlernen

Die Entwicklung dauerte mehrere Abende: Kurse, Fallstudien - all das ist da. Viele RPA-Anbieter bieten kostenlose Schulungen an. Einziges Hindernis: Die Benutzeroberfläche und die AA-Kurse sind nur in englischer Sprache verfügbar.

Entwicklungsgeschwindigkeit

Wir haben den Algorithmus für die "Ingenieuraufgabe" im Laufe des Abends entwickelt und getestet. Die Abfolge der Aktionen passt in nur 44 Anweisungen. Unten sehen Sie ein Fragment der Automation Anywhere-Schnittstelle mit einem fertigen Roboter. Das Konzept von Low Code / No Code - musste nicht programmiert werden: Sie verwendeten Operationsschreiber oder Drug'n'Drop aus der Befehlsbibliothek. Konfigurieren Sie dann die Einstellungen im Eigenschaftenfenster.

Routinemäßiges Entladen

Der Roboter benötigt 1 Minute bis 20 Sekunden, um einen Datensatz zu verarbeiten. Ungefähr genauso viel Zeit haben wir damit verbracht, einen Datensatz ohne Roboter zu verarbeiten.

Wenn es sich um Dutzende und Hunderte von Aufzeichnungen handelt, wird die Person unweigerlich müde und beginnt abgelenkt zu werden. Spezialisten können plötzlich eine andere Aufgabe übernehmen. Bei einer Person funktioniert ein Teil des Formulars „Wenn eine Aufgabe A Minuten dauert, können N solche Aufgaben in A * N Minuten erledigt werden“ nicht - es dauert immer länger.

In unserem Beispiel durchläuft der Roboter die Datensätze nacheinander, beginnend mit den größten Abschnitten. Bei großen Arrays ist dies keine schnelle Methode. Für die Beschleunigung können sukzessive Approximationen implementiert werden, beispielsweise die Newton-Methode oder die Halbdivision.
Berechnungsergebnis:

Tabelle 1. Das Ergebnis der Auswahl des Trägerquerschnitts

Die Aufgabe des Wissenschaftlers

Die Aufgabe des Wissenschaftlers besteht darin, mehrere numerische Experimente durchzuführen, um das Gesetz zu bestimmen, nach dem sich die Tragfähigkeit eines Trägers in Abhängigkeit von seinem Querschnitt, seiner Länge und seiner Masse ändert. Das gefundene Gesetz wird in Form einer Regressionsgleichung formuliert.

Damit die Regressionsgleichung genau ist, muss ein Wissenschaftler eine Vielzahl von Daten verarbeiten.

In unserem Beispiel wird ein Array von Eingabevariablen zugewiesen:

• Rohrprofilhöhe;
• Breite
• Wandstärke;
• Strahllänge;
• Masse der Ladung.

Wenn wir für jede Variable mindestens 3 Werte berechnen müssen, sind dies insgesamt 243 Wiederholungen. Bei einer Iterationsdauer von zwei Minuten beträgt die Gesamtzeit bereits 8 Stunden - ein ganzer Arbeitstag! Für eine vollständigere Studie sollten wir nicht 3 Werte verwenden, sondern 10 oder mehr.

Im Verlauf der Studie wird deutlich, dass zusätzliche Faktoren in das Modell einbezogen werden müssen. Zum Beispiel verschiedene Stahlsorten „fahren“. Das Berechnungsvolumen erhöht sich um das Zehn- und Hundertefache.

In einer realen Aufgabe kann der Roboter den Wissenschaftler für einige Tage befreien, die der Spezialist zur Vorbereitung der Veröffentlichung verwendet. Dies ist der Hauptindikator für die Aktivität des Wissenschaftlers.

Zusammenfassung

Das „Produkt“ eines Ingenieurs ist ein wirklich funktionierendes Gerät, Design. Durch die Robotisierung von Berechnungen werden die Risiken aufgrund einer eingehenderen Untersuchung des Projekts verringert (mehr Berechnungen, mehr Modi, mehr Optionen).

Das „Produkt“ eines Wissenschaftlers ist eine Gleichung, Regelmäßigkeit oder eine andere kompakte Beschreibung. Und je genauer es ist, desto mehr Daten werden in die Analyse einbezogen. Eine RPA-Lösung hilft dabei, informative „Lebensmittel“ für Modelle zu formen.

Fassen Sie unser Beispiel zusammen.

Jedes Modell kann die Rolle des Berechnungsmodells übernehmen: Brückenmodell, Motormodell, Heizsystemmodell. Von einem Spezialisten wird verlangt, dass alle Komponenten des Modells in der richtigen Wechselwirkung miteinander stehen und dass das Modell einen „äußeren“ Satz von Schlüsselvariablenparametern bereitstellt.

Die Rolle der Berechnungsumgebung wird von jeder Anwendung gespielt, die der Fachmann in der Arbeit verwendet. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Oder etwas Eigenes, zum Beispiel ein Programm zur Auswahl von Ventilatoren im Werk (siehe Systemair-Ausrüstungsauswahlprogramme).

Als Datenquelle betrachten wir eine Website, eine Datenbank, ein Excel-Arbeitsblatt und eine txt-Datei.
Das Endergebnis der Arbeit - der Bericht ist ein Word-Dokument mit automatisch generiertem Text, einem Excel-Diagramm, einer Reihe von Screenshots oder dem Versenden von E-Mails.

RPA ist überall dort anwendbar, wo technische Analysen anwendbar sind. Hier sind einige Bereiche:

• Festigkeitsberechnungen und Verformungen;
• Wasser- und Gasdynamik;
• Wärmeübertragung;
• Elektromagnetismus;
• interdisziplinäre Analyse;
• generatives Design;
• NC-Steuerungsprogramme (zB Schachteln);
• medizinische und biologische Forschung;
• bei Berechnungen von Systemen mit Rückkopplung oder instationären Systemen (wenn das Endergebnis in die Quelldaten übertragen werden muss und die Berechnung wiederholt werden muss).

Heutzutage werden RPA-Lösungen aktiv in Unternehmen eingesetzt, um Prozesse zu automatisieren und mit Daten zu arbeiten. Die Routine eines Büroangestellten, Ingenieurs und Wissenschaftlers hat vieles gemeinsam. Wir haben gezeigt, dass Roboter für technische und wissenschaftliche Tätigkeiten geeignet sind.

Um unsere Eindrücke zusammenzufassen.

1. Vielseitigkeit - ja, RPA ist ein universelles Werkzeug.
2. Einfach zu erlernen - ja, einfach und erschwinglich, aber Sie brauchen eine Sprache.
3. Entwicklungsgeschwindigkeit - ja, der Algorithmus wird schnell sein, besonders wenn Sie sich mit der Arbeit mit Rekordern befassen.
4. Entladen aus der Routine - ja, es kann bei umfangreichen Aufgaben wirklich nützlich sein.