Интеграция человека и искусственного интеллекта при проектировании конструкций

Процесс, в котором задействована обратная связь с человеческими специалистами, оказывается более эффективным для оптимизации, чем автоматизированные системы, работающие в одиночку.

Современные производственные инструменты, такие как 3D-принтеры, позволяют создавать из конструкционных материалов формы, которые было бы трудно или невозможно создать с помощью обычных инструментов. Между тем, новые системы генеративного проектирования могут использовать преимущества этой гибкости для создания инновационных конструкций частей нового здания, автомобиля или практически любого другого устройства.

Но такие автоматизированные системы "черного ящика" часто не позволяют создавать конструкции, полностью оптимизированные для своей цели, например, обеспечивающие наибольшую прочность пропорционально весу или минимизирующие количество материала, необходимого для поддержания заданной нагрузки. Полностью ручное проектирование, с другой стороны, требует много времени и сил.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ получить лучшее из этих двух подходов. Они использовали автоматизированную систему проектирования, но периодически останавливали процесс, чтобы дать возможность инженерам-людям оценить текущую работу и внести коррективы или поправки, прежде чем компьютер возобновит процесс проектирования. Внедрение нескольких таких итераций дало результаты, которые оказались лучше, чем те, которые были спроектированы только автоматизированной системой, и процесс был завершен быстрее по сравнению с полностью ручным подходом.

О результатах исследования сообщается на этой неделе в журнале "Структурная и многодисциплинарная оптимизация" в статье докторанта Массачусетского технологического института Дат Ха и доцента кафедры гражданского и экологического строительства Джозефин Карстенсен.

По словам Карстенсен, базовый подход может быть применен в широком диапазоне масштабов и областей применения для проектирования всего, начиная от биомедицинских устройств, наноразмерных материалов и заканчивая несущими элементами конструкции небоскреба. Системы автоматизированного проектирования уже нашли множество применений. "Если мы можем делать вещи лучше, если мы можем делать все, что захотим, почему бы не сделать это лучше?" - спрашивает она.

"Это способ использовать преимущества того, что мы можем делать вещи гораздо более сложными способами, чем раньше", - говорит Ха, добавляя, что за последнее десятилетие системы автоматизированного проектирования уже начали широко использоваться в автомобильной и аэрокосмической промышленности, где снижение веса при сохранении прочности конструкции является ключевой потребностью.

"Вы можете убрать много веса из компонентов, а в этих двух отраслях все упирается в вес", - говорит он. В некоторых случаях, например, для внутренних компонентов, которые не видны, внешний вид не имеет значения, но для других конструкций эстетика также может быть важна. Новая система позволяет оптимизировать конструкции как по визуальным, так и по механическим свойствам, и в таких решениях человеческий фактор очень важен".

В качестве демонстрации своего процесса в действии исследователи спроектировали несколько несущих балок, которые могут использоваться в зданиях или мостах. В ходе итераций они увидели, что в конструкции есть участок, который может преждевременно выйти из строя, поэтому они выбрали эту особенность и потребовали от программы устранить ее. Затем компьютерная система внесла соответствующие изменения в конструкцию, удалив выделенный раскос и усилив некоторые другие раскосы для компенсации, что привело к улучшению окончательной конструкции.

Процесс, который они называют оптимизацией топологии с учетом человеческого фактора, начинается с определения необходимых спецификаций - например, балка должна быть такой-то длины, опираться на две точки на своих концах и выдерживать такую-то нагрузку. "По мере того, как мы видим, как конструкция развивается на экране компьютера в ответ на первоначальные спецификации, - говорит Карстенсен, - мы прерываем проектирование и просим пользователя оценить его. Пользователь может выбрать, сказать: "Мне не нравится эта область, я бы хотел, чтобы вы увеличили или уменьшили это требование к размеру элемента". И тогда алгоритм принимает во внимание вклад пользователя".

Хотя результат не так идеален, как тот, который может быть получен с помощью полностью строгого, но значительно более медленного алгоритма проектирования, учитывающего физические основы, она говорит, что он может быть намного лучше, чем результат, полученный с помощью одной лишь системы быстрого автоматизированного проектирования. "Вы не получите что-то, что было бы так же хорошо, но это и не было целью. Мы можем показать, что вместо того, чтобы потратить несколько часов на получение чего-то, мы можем потратить 10 минут и получить что-то гораздо лучшее, чем то, с чего мы начали".

Система может быть использована для оптимизации конструкции на основе любых желаемых свойств, а не только прочности и веса. Например, ее можно использовать для минимизации разрушения или смятия, или для снижения напряжений в материале путем смягчения углов.

Карстенсен говорит: "Мы не стремимся заменить семичасовое решение. Если у вас есть все время и все ресурсы в мире, очевидно, вы можете запустить их, и это даст вам лучшее решение". Но для многих ситуаций, таких как разработка запасных частей для оборудования в зоне боевых действий или в зоне ликвидации последствий стихийных бедствий с ограниченными вычислительными мощностями, "такое решение, ориентированное непосредственно на ваши потребности, будет преобладать".