ИИ помощник или соперник инженерным профессиям?

Автор: АО «Топ Системы»

Сегодня невозможно обойти вниманием тему искусственного интеллекта (ИИ). Эта технология активно внедряется практически во все сферы человеческой деятельности и по праву считается одной из ключевых тем настоящего времени. Применение искусственного интеллекта уже демонстрирует определенные результаты в различных областях, что стимулирует интерес к его освоению в решении прикладных задач. Одним из перспективных направлений становится внедрение систем ИИ в процессы, ранее полностью зависящие от человека: творчество, креативные профессии или замещение инженерного труда искусственным интеллектом. Автоматизация инженерной деятельности путем применения таких технологий обсуждается не первый год, и в эту сферу направлено немало усилий. Однако, несмотря на достижения, основная часть проектной работы по-прежнему выполняется человеком. Возможно ли с помощью ИИ заменить или существенно автоматизировать инженерный труд? Попробуем разобраться.

Он выясняет, как устроены вещи, и находит практическое применение научным законам и открытиям с целью создания изделия, выполняющего заданные функции и решающего проблему заказчика. Ключевое здесь – мышление инженера по принципу «для чего, какую решаем задачу»: независимо от внешнего вида конечного изделия, оно должно выполнять свою основную функцию и отвечать поставленным требованиям. Распространённое заблуждение заключается в том, что инженерная работа – это, прежде всего, подготовка и оформление технической документации в виде чертежей или 3D-моделей. На самом деле это завершающий этап проектирования, выраженный в конструкторском оформлении результатов процесса проектирования, которое включает различные способы моделирования и методы расчетов.

В совокупности, проработка решений единичных проблем (функций) каждым компонентом должна закрыть задачу заказчика. Системная инженерия – дисциплина, формализующая подход к созданию сложных систем, выделяет особое значение инжинирингу требований. Это процесс выявления более детальных требований нижестоящего уровня на основе требований текущего уровня, которые определяют, какие функции должно выполнять изделие в целом и его отдельные компоненты. Именно на этапе декомпозиции требований «сверху-внизу» происходит «инженерная магия»: преобразование обозначения потребности в конкретное техническое решение, которое будет отражено в инженерной документации.

Для поиска решений инженер использует разнообразные инструменты – схемы, эпюры, эскизы и методы расчетов влияния различных физических эффектов. Современные средства автоматизации инженерных задач позволяют конструировать механические, гидравлические, электрические системы и апробировать их работу, а приложения для 1D-моделирования – предоставляют возможности автоматизированного расчета моделей систем. Подобные аналитические способы моделирования и расчеты направлены на определение должного функционирования разрабатываемого компонента или всего изделия. Результатом является чётко сформулированный набор исходных технических требований к каждому компоненту, который будет отражать возможности и условия функционирования изделия – точное техническое задание для его реализации в физическом виде.

Следующий этап — переход от требований, отражающих функциональные особенности каждого элемента для создаваемого компонента к моделированию физических компонентов. Здесь инженер работает с функциональными элементами, из которых теперь можно собрать конструкцию изделия. Это еще один важный момент: несмотря на то, что в конечном счете, конструкция представлена как совокупность геометрических тел, для инженера это выглядит как набор функциональных элементов – бобышки, опоры, рычаги, кронштейны, кулисы, серьги, ребра жесткости, проушины, посадочные места подшипников, седла, кулачки и т.д.

Рассмотрим описанное выше на примере простейшей механической системы – чашки. Исходя из основной потребности (задачи) заказчика –удерживать сосуд в руке и употреблять жидкость – необходимо разработать техническое решение, обеспечивающее выполнение этих функций. Таким решением выступает стакан, форма которого может быть произвольной – цилиндрической, призматической, конической и т.д., – при условии, что он удобно размещается в ладони. Форма при этом не является критически важной, поскольку не влияет на основную функциональность. Если к исходной задаче добавляется новая потребность, например, безопасность при взаимодействии с горячей жидкостью, то требуется наличие новой функции – удерживать сосуд таким образом, чтобы не обжечь руку. В таком случае техническим решением может быть наличие ручки, форма которой не является важным фактором. Таким образом, при добавлении новых требований (например, удобство транспортировки в сумке, возможность пить жидкость, не намочив усы и т.п.), каждый раз появляется новая функция, реализация которой также не зависит от конкретной формы объекта. Анализируя формы, с которыми работает инженер, можно отметить, что они представляют собой рациональный способ достижения технического решения: наименьший вес, устойчивость и т.д. Эстетические аспекты также могут учитываться, однако их значимость определяется конкретной задачей.

Рис. 1 Варианты сосудов при добавлении новых требований к задаче.

При анализе различных механических систем, включая простейшие механизмы, можно обнаружить аналогичные подходы к решению задач. Например, перемещение поршня должно производится по определенной жесткой оси, поэтому это ограничивается наличием цилиндра. Увеличение передачи усилия продольного перемещения производится через коромысло с разной длиной плеч. Таким образом, можно уверенно утверждать: инженер в своей работе, в основном, сосредоточен на функциональных аспектах решения и уделяет меньше внимания геометрическому моделированию. Именно это часто становится причиной неудач в проектах обратного инжиниринга, когда по существующей геометрии восстанавливается какой-либо компонент, но он не обеспечивает характеристик, которыми обладал исходный предмет. Это объясняется отсутствием необходимых расчетов и несоблюдением технологий изготовления, которые напрямую связаны с контекстом применения этого компонента, хотя геометрическая форма и идентична.

В настоящее время активно развивается направление, связанное с развитием технологий ИИ для генерации геометрии на основе данных 3D-сканирования (облака точек), фотоизображений с разных ракурсов. Стоит отметить, что задачи подобного рода уже рассматривались разработчиками CAD-систем, так как для некоторых отраслей процесс разработки стилистики продукта подразумевает наличие физической модели, которую создают дизайнеры. Разработанные для этого приложения могли на основе облака точек достаточно успешно определять геометрические примитивы, из которых была получена итоговая форма, – что необходимо для воссоздания точного геометрического представления. Эти инструменты успешно решают задачу преобразования дизайнерских решений в конечный продукт. Однако распознавание функций, которые выполняет тот или иной геометрический набор, было за рамками поставленных задач.

Если представить процесс инжиниринга в целом, можно отметить следующие шаги:

• анализ потребности;
• принципиальная модель решения (схема, эскиз);
• расчеты (мультифизические модели);
• выработка детальных требований к реализации решения;
• сбор инженерных (функциональных) элементов для объединения в физическую модель решения;
• валидация.

На этапе формирования принципиальной модели решения существует обширный набор шаблонных вариантов, описанных в инженерной справочной литературе. Кроме того, для создания набора инженерных (функциональных) элементов также можно опираться на типовые конструкции и ассоциировать их с выполняемыми функциями. Что касается этапа валидации, в настоящее время существуют достаточно эффективные средства для проведения мультифизических инженерных расчетов и пространственного анализа. Таким образом, основной проблемой автоматизации инженерного труда является связывание перечисленных выше шагов в единую причинно-следственную цепочку и возможность отбрасывать неподходящие варианты.

С точки зрения перспективного развития основное внимание при обучении искусственного интеллекта стоит сосредоточить на установлении связи функций с инженерными решениями, а не на генерации конечной геометрии. Каждая деталь любого изделия – это набор функций и свойств, которые отвечают вполне конкретным потребностям. Другое направление может быть связано с использованием архивов промышленных предприятий, в которых содержится огромное количество различных инженерных решений, для создания новой продукции или развития существующей. Многие из них располагают обширными фондами чертежей, отражающих десятилетия инженерного опыта. В процессе внедрения систем управления данными об изделии или систем документооборота многие предприятия производили оцифровку архивов для ускорения поиска и получения скан-копий бумажных чертежей, но качественный эффект для заимствования технических решений при разработке изделий с применением 3D-моделирования был невелик. Характерно, что чертежи имеют достаточно четкие стандартизированные регламенты оформления, что делает их ценным источником данных для обучения ИИ и распознавания содержимого, на основе которого можно было бы восстановить 3D-модель компонентов в полностью автоматизированном режиме. Это не заменит труд инженера, но такая возможность даст существенный толчок компаниям для перехода на полномасштабное проектирование в 3D-пространстве и получения преимуществ этого подхода — от пространственного анализа и имитации поведения до валидации с помощью систем инженерных расчетов и выпуска интерактивных материалов для эксплуатации и обучения персонала. Безусловно, формирование обширного массива данных, дополненного информацией о функциях, ассоциированных с инженерными элементами, должно стать ключевой основой для обучения и развития технологий искусственного интеллекта в инженерной сфере. Это создаст предпосылки для построения интеллектуальных систем, которые, пусть и не заменят инженера полностью, но смогут выступать в роли его надёжного и незаменимого помощника, существенно повышая эффективность проектных решений.

Часть изображений сгенерирована при помощи отечественного ИИ.

Дополнительно