Aplicação do RPA em cálculos científicos e de engenharia

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Para consolidar o conhecimento na escola, fomos solicitados a resolver muitos exemplos semelhantes. Sempre ficamos irritados: o que é tão valioso? Substitua dois ou três valores na fórmula e obtenha uma resposta. Onde está o vôo do pensamento? A realidade acabou sendo mais dura que a escola.

Agora eu trabalho como analista de TI. Antes de ingressar na área de TI, trabalhei como engenheiro de calor, programador CNC e participei de projetos de pesquisa.

Pela minha própria experiência, eu estava convencido de que engenheiros e cientistas gastam 95% de seu tempo de trabalho em tais "ações semelhantes". Cálculos de equações, verificações, resultados de gravação, especificações de cópia. Projeto por projeto, experimento por experimento, dia após dia.

Aqui estão alguns exemplos do meu trabalho passado.

Até 2019, fiz modelos para moldagem a vácuo térmico. Se esse modelo for embrulhado em plástico aquecido, obtemos um produto que repete exatamente a geometria desse modelo. Descrição da tecnologia aqui .

No ciclo de produção do layout, é necessário todo um conjunto de aplicativos altamente especializados:

• Autodesk Inventor para modelagem 3D;
• Excel para carregar tamanhos de peças de trabalho;
• Excel para calcular o custo do layout;
• Módulo HSM para compilar o programa de controle NC;
• Sistema de arquivos de computador para gerenciar arquivos de programas;
• Ambiente Mach3 para controle da máquina CNC.

Era necessário transferir dados de ambiente para ambiente manualmente, e essas são tabelas e matrizes de valores inteiras. O processo é lento, geralmente ocorrem erros.

Antes disso, participei do projeto e fabricação de fibras ópticas ( link ). Havia muita pesquisa, design e cálculos: ambientes especializados para cálculos de engenharia de calor e engenharia de iluminação (Ansys, Dialux), além de cálculos de custo-efetividade, além de Autocad e Inventor para modelos e desenhos. E aqui estão as mesmas dificuldades: o resultado do cálculo de um aplicativo deve ser arrastado para outro aplicativo para o próximo cálculo. E tantas vezes em busca da melhor solução.

O tempo de um engenheiro e o de um cientista são muito caros. Não se trata de salário. Por trás dos cálculos de um engenheiro, há um grande projeto com uma equipe. Por trás da pesquisa do cientista está a perspectiva de uma indústria inteira. Mas muitas vezes um especialista altamente qualificado "estupidamente" interrompe os valores de um programa para outro em vez de desenvolver conceitos, modelar, interpretar resultados, disputas e debater com os colegas.

Um recurso do ambiente de negócios atual é a velocidade. O mercado está constantemente pressionando. Em 2014, levamos 2-3 semanas para fazer o layout. Em 2018, três dias, e já parecia muito tempo. Agora, o designer deve emitir várias soluções ao mesmo tempo, que anteriormente se destacavam apenas por uma opção.

E mais uma coisa - investimentos e riscos. Para "enganchar" um projeto, uma empresa deve investir ~ 6% do custo desse projeto em desenvolvimento conceitual antes de concluir um contrato com um cliente. Esses fundos desaparecem:

• para pesquisa;
• projeto conceitual;
• avaliação de custos de mão-de-obra;
• preparação de esboços, etc.

A empresa os tira do bolso, esse é seu próprio risco. A atenção ao conceito leva tempo para especialistas, e eles estão ocupados com a rotina.

Depois de me familiarizar com as ferramentas de trabalho em uma empresa de TI, fiquei interessado em quais práticas da automação de processos de negócios poderiam ser úteis para os engenheiros. Portanto, há muito tempo a empresa usa a robótica de processo (RPA) para lidar com a rotina.

Os fabricantes de RPA reivindicam os seguintes benefícios desta ferramenta de automação:

1. universalidade (o robô é capaz de trabalhar com qualquer aplicativo, com qualquer fonte de dados);
2. facilidade de desenvolvimento (não são necessárias competências profundas em programação e administração);
3. velocidade de desenvolvimento (um algoritmo pronto leva menos tempo do que com a programação tradicional);
4. descarga real de um funcionário das operações de rotina.

Com base nesses critérios, verificaremos qual é o efeito do uso de RPA em cálculos de engenharia / científicos.

Descrição do exemplo

Vamos considerar um exemplo simples. Existe uma viga cantilever fixada com carga.

Vamos dar uma olhada neste problema da perspectiva de um engenheiro e da perspectiva de um cientista.

Caso "engenheiro": existe uma viga cantilever fixa a 2 m de comprimento e deve suportar uma carga de 500 kg com uma margem de segurança tripla. A viga é feita de um tubo retangular. É necessário escolher a seção da viga de acordo com o catálogo GOST.

Caso "cientista": descubra como a massa da carga, a seção transversal e o comprimento da viga afetam a capacidade de carga dessa viga. Derivar uma equação de regressão.

Nos dois casos, a gravidade é levada em consideração, que atua no feixe proporcionalmente à massa do feixe.

Estudaremos em detalhes o primeiro caso - o "engenheiro". O caso "cientista" é implementado de maneira semelhante.

Tecnicamente, nosso exemplo é muito simples. E o especialista do assunto poderá calculá-lo simplesmente em uma calculadora. Temos outro objetivo: mostrar como a solução RPA ajudará quando a tarefa se tornar em larga escala.

Nas simplificações, também observamos: a seção do tubo é um retângulo perfeito, sem cantos arredondados, sem levar em consideração a solda.

Tarefa do engenheiro

O esquema geral do caso "engenheiro" é o seguinte:

1. Na planilha do Excel, temos uma tabela com uma variedade de tubos de acordo com GOST.
2. Para cada entrada nesta tabela, precisamos construir um modelo 3D no Autodesk Inventor.
3. Em seguida, no ambiente de Análise de estresse do Inventor, realizamos um cálculo de força e carregamos o resultado do cálculo em html.
4. Encontramos no arquivo resultante o valor "Maximum Mises stress".
5. Paramos o cálculo se o fator de segurança (a razão entre a resistência ao escoamento do material e a tensão máxima de von Mises) for menor que 3.

Acreditamos que uma viga de uma seção adequada fornecerá uma margem de segurança três vezes e terá peso mínimo entre outras opções.



No total, em nossa tarefa, o especialista trabalha com 3 aplicativos (veja o diagrama acima). Em um ambiente real, o número de aplicativos pode ser maior.

GOST 8645-68 "Tubos retangulares de aço" contém 300 entradas. Em nossa tarefa de demonstração, encurtaremos a lista: tome uma posição de cada família de tamanhos. Total de 19 registros, dos quais você precisa escolher um.



O ambiente de modelagem do Inventor, no qual construiremos o modelo e faremos o cálculo da força, contém uma biblioteca de materiais acabados. Aceitamos o material de vigas desta biblioteca:

Material - Aço
Densidade 7,85 g / cu. cm;
Força de rendimento 207 MPa;
Resistência à Tração 345 MPa;
Módulo de Young 210 GPa;
Módulo de cisalhamento 80.7692 GPa.

É assim que um modelo tridimensional de uma viga carregada se parece:



E aqui está o resultado do cálculo da força. O sistema tinge as áreas vulneráveis ​​da viga com vermelho. Nesses lugares, a tensão é maior. A escala à esquerda mostra o valor máximo de tensão no material da viga.

Agora transferimos parte do trabalho para o robô

O esquema do trabalho é alterado da seguinte forma:



Montaremos o robô na edição da comunidade do Automation Anywhere (daqui em diante AA). Vamos revisar os critérios de avaliação e descrever as impressões subjetivas.

Versatilidade

As soluções RPA (especialmente as comerciais) são posicionadas persistentemente como um meio de automatizar processos de negócios e automatizar o trabalho dos funcionários do escritório. Em exemplos e cursos de treinamento, eles analisam a interação com ERP, ECM, Web. Tudo é muito "escritório".

No início, tínhamos dúvidas sobre se o AA poderia obter a interface e os dados do nosso Autodesk Inventor. Mas tudo realmente funcionou: cada elemento, cada controle foi determinado e registrado. Mesmo em formulários de serviço com tabelas de parâmetros, o robô teve acesso à célula desejada simplesmente na direção do mouse.

Em seguida, foi realizado um teste com o lançamento do estúdio de cálculo de força. E também não há problema. Nesta fase, tive que trabalhar cuidadosamente com pausas entre ações quando o sistema espera a conclusão do cálculo.

Obter os dados resumidos da Web e colá-los no Excel ocorreu sem problemas.
Como parte dessa tarefa, a universalidade foi confirmada. A julgar pelas descrições de outros fornecedores de RPA, a versatilidade é realmente uma propriedade comum dessa categoria de software.

Fácil de aprender

O desenvolvimento levou várias noites: cursos, estudos de caso - tudo isso existe. Muitos fornecedores de RPA têm treinamento gratuito. A única barreira: a interface do ambiente e os cursos AA são apenas em inglês.

Velocidade de desenvolvimento

Desenvolvemos e depuramos o algoritmo para a "tarefa de engenheiro" durante a noite. A sequência de ações se encaixa em apenas 44 instruções. Abaixo está um fragmento da interface do Automation Anywhere com um robô finalizado. O conceito de código baixo / sem código - não precisava ser programado: eles usavam gravadores de operações ou drogas na biblioteca de comandos. Em seguida, defina as configurações na janela de propriedades.

Descarga de rotina

O robô gasta 1 minuto e 20 segundos para processar um registro. Quase a mesma quantidade de tempo que gastamos processando um registro sem um robô.

Se estamos falando de dezenas e centenas de registros, a pessoa inevitavelmente se cansará, começará a se distrair. Os especialistas podem, de repente, realizar outra tarefa. Com uma pessoa, uma proporção do formulário “Se uma tarefa leva A minutos, N essas tarefas podem ser concluídas em A * N minutos” não funciona - sempre leva mais tempo.

Em nosso exemplo, o robô fará a iteração dos registros sequencialmente, começando pelas seções maiores. Em matrizes grandes, esse não é um método rápido. Para aceleração, é possível implementar aproximações sucessivas, por exemplo, o método de Newton ou meia divisão.
Resultado do cálculo:

Tabela 1. O resultado da seleção da seção de viga

A tarefa do cientista

A tarefa do cientista é realizar várias experiências numéricas para determinar a lei pela qual a capacidade de carga de uma viga muda dependendo de sua seção transversal, comprimento e massa da carga. A lei encontrada é formulada na forma de uma equação de regressão.

Para que a equação de regressão seja precisa, um cientista deve processar uma grande variedade de dados.

Para o nosso exemplo, uma matriz de variáveis ​​de entrada é alocada:

• altura do perfil do tubo;
• largura
• espessura da parede;
• comprimento do feixe;
• massa de carga.

Se precisarmos fazer um cálculo para pelo menos 3 valores de cada variável, no total, são 243 repetições. Com uma duração de dois minutos de uma iteração, o tempo total já é de 8 horas - um dia útil inteiro! Para um estudo mais completo, não devemos usar 3 valores, mas 10 ou mais.

No decorrer do estudo, ficará definitivamente claro que fatores adicionais precisam ser incluídos no modelo. Por exemplo, “conduza” vários tipos de aço. O volume de cálculos aumenta dezenas e centenas de vezes.

Em uma tarefa real, o robô poderá libertar o cientista por alguns dias, que o especialista usa para preparar a publicação, e este é o principal indicador da atividade do cientista.

Sumário

O "produto" de um engenheiro é um dispositivo realmente funcional, design. A robotização dos cálculos reduzirá os riscos devido a um estudo mais aprofundado do projeto (mais cálculos, mais modos, mais opções).

O "produto" de um cientista é uma equação, regularidade ou outra descrição compacta. E quanto mais preciso, mais dados estão envolvidos na análise. Uma solução RPA ajudará a moldar o "alimento" informativo para os modelos.

Resuma o nosso exemplo.

Qualquer modelo pode estar no papel do modelo de cálculo: modelo de ponte, modelo de motor, modelo de sistema de aquecimento. É exigido de um especialista que todos os componentes do modelo estejam na interação correta entre si e que o modelo forneça um conjunto "externo" de parâmetros variáveis-chave.

O papel do ambiente de cálculo é desempenhado por qualquer aplicativo que o especialista use no trabalho. Ansys, Autocad, Solidworks, FlowVision, Dialux, PowerMill, Archicad. Ou algo do seu próprio projeto, por exemplo, um programa para selecionar ventiladores na fábrica (consulte os programas de seleção de equipamentos da Systemair).

Como fonte de dados, consideramos um site, um banco de dados, uma planilha do Excel e um arquivo txt.
O resultado final do trabalho - o relatório é um documento do Word com texto gerado automaticamente, um gráfico do Excel, um conjunto de capturas de tela ou o envio de emails.

O RPA é aplicável sempre que a análise de engenharia for aplicável. Aqui estão algumas áreas:

• cálculos de força e deformação;
• dinâmica hidrelétrica e de gás;
• transferência de calor;
• eletromagnetismo;
• análise interdisciplinar;
• design generativo;
• Programas de controle NC (por exemplo, aninhamento);
• pesquisa médica e biológica;
• nos cálculos de sistemas com feedback ou sistemas não estacionários (quando o resultado final deve ser transferido para os dados de origem e repetir o cálculo).

Hoje, as soluções RPA são usadas ativamente nos negócios para automatizar processos e trabalhar com dados. A rotina de um funcionário, engenheiro e cientista do escritório tem muito em comum. Mostramos que os robôs são adequados para atividades científicas e de engenharia.

Para resumir nossas impressões.

1. Versatilidade - sim, o RPA é uma ferramenta universal.
2. Fácil de aprender - sim, simples e acessível, mas você precisa de um idioma.
3. Velocidade de desenvolvimento - sim, o algoritmo será rápido, especialmente quando você começar a trabalhar com gravadores.
4. Descarregando da rotina - sim, realmente pode ser útil em tarefas de larga escala.