IT v automobilismu
Použití výpočetní techniky je dnes v tak progresivním oboru, jako je automobilismus, naprostou nutností. V moderním automobilu je už samotné ústrojí pro řízení chodu motoru a tvorby směsi poměrně značně složitým real-time systémem s mikropočítačem, snímači a speciálními periferními jednotkami propojenými sítí.

Počítač samozřejmě nenajdeme jen zde – zmiňme se například o palubní diagnostice, ABS systémech, aktivních podvozcích i takové banalitě, jako je takzvaný palubní počítač, který řidiče informuje o spoustě různých parametrů a hlavně uspokojuje hrdost majitele vozu nad tím, jak je technicky pokrokový. Ale připojíme-li k němu navigační systém (nejlépe i s GPS přístrojem na určování zeměpisné polohy), nejde už jen o technickou hračku, ale o značně sofistikovaný a užitečný systém.
Automobilismus neznamená jen samotný vůz. Počítače (a dnes samozřejmě i internet) slouží v evidenci vozidel i k jejich zabezpečení proti krádežím, ve vyšetřování i v prevenci nehod, řídí chod opraven, provádění diagnostiky, zásobování náhradními díly a usnadňují prodej vozů. Slouží k výuce řidičů v dopravních předpisech i v praktické jízdě – srdcem pořádného trenažéru je opět počítač, a ne jen tak ledajaký. S příchodem internetu se do výpočetní techniky dostává fenomén neomezené komunikace každého s každým a nástup digitálních audio- a videoformátů spojuje svět výpočetní techniky s tím, čemu říkáme spotřební elektronika, samozřejmě také i v automobilismu. Nejstarší a také nejpokročilejší je však použití výpočetní techniky při navrhování a výrobě automobilů.

Pravěký CAD – 2D CAD
První ulehčení práce konstruktérům přinesly počítače tím, že nahradily logaritmická pravítka ve “výpočtařině” a kreslicí prkna v konstrukci. Ten pravěk CAD (Computer Aided Design) systémů však není tak vzdálený, jejich první základ položil Ivan Sutherland v roce 1957, když na MIT demonstroval interaktivní grafický systém Sketchpad. Grafické a CAD systémy se pak vyvíjely na sálových počítačích a minipočítačích, ale jejich skutečně masové použití nastalo až v roce 1983, kdy se objevil první CAD pro osobní počítač, AutoCAD firmy Autodesk.
Dvojrozměrné (2D) systémy, pracující pouze v rovině, se efektivně používají dodnes a moduly pro 2D kreslení jsou nezbytnou součástí i těch nejmodernějších CAD systémů. Jejich užití přináší snadnost a přesnost kreslení, možnost jednoduchého vytváření složitých objektů, nebo dokonce pouhého umístění už hotového prvku (například výkresu ložiska nebo i celého motoru) do vytvářeného výkresu. Hlavními přínosy jsou však snadné provádění oprav či modifikací a možnost opětovného užití už jednou zpracovaných detailů či výkresů.
2D systémy jsou však jen pouhou náhradou kreslicích prken, která téměř zcela vystěhovaly z konstrukčních kanceláří nebo je odsoudily do role nástěnky či pracovní plochy pro prohlížení výkresů. Jen ti nejzkušenější konstruktéři totiž dokážou bezchybně převést ze svých představ do 2D či naopak z 2D interpretovat do názorné představy tak složitou součást, jako je například hlava motoru s příslušnými kanály a odpovídajícími řezy. Konstruktér pochopitelně myslí a konstruuje v prostoru a je přirozené, že tomu by měl odpovídat i jeho hlavní tvůrčí nástroj – prostorový čili 3D CAD systém.

3D CAD
3D modeláře dnes už vládnou světu CAD i modelovacích systémů v umění a zábavě. Ve strojařině většinou vyhovuje, když se modelované těleso skládá z elementů, které se dají popsat jako základní geometrická tělesa, primitiva (hranol, válec, kužel, koule, příp. toroid). I ty nejmodernější CAD systémy tak pracují – pomocí tzv. booleovských operací (logické operace v prostoru – sjednocení, odčítání, průnik) vytvářejí složitější tělesa “slepováním” a “odečítáním” primitiv. Doplňují je jen některými obecnějšími prvky, které se dají snadno sestrojit – většinou “tažením” nějakého profilu po dané dráze (i prostorové křivce), proložením plochy několika křivkami či vytvořením přechodové plochy mezi objekty. Pouze málo systémů zvládá i tvorbu zcela obecných ploch a přesnou práci s kontrolou všech potřebných parametrů takových ploch umožňuje opravdu jen pár programů, určených speciálně pro designéry.
“Správný konstruktér má mít gumu jako cihlu,” říkával náš učitel technického kreslení a tento bonmot skvěle vystihuje hlavní činnost konstruktéra – zkusmé hledání optimálního řešení. CAD tento postup usnadňuje, ale existuje řada technik, které jeho efektivnost ještě zvyšují. Aby se součást snadno opakovaně upravovala až k dosažení uspokojivého řešení, lze její rozměr(y) definovat pomocí parametru(ů). Vztah mezi parametry lze určit matematickým výrazem – potom stačí měnit třeba jen jeden parametr, a například délka je stále dvojnásobná než šířka, otvory jsou úměrné velikosti dílu apod. Aby se při modifikacích neměnily některé důležité vztahy či rozměry, můžeme předepsat, že dané plochy budou stále na sebe kolmé, přímková hrana bude tečná k navazující kruhové části nebo otvor bude mít určitou vzdálenost od hrany. V tomto smyslu může systém konstruktérovi i pomáhat, například když nakreslí přibližně kolmé hrany, systém vytvoří přesnou kolmici (tečnu, rovnoběžku, ...) a tyto vztahy zachovává i při dalších modifikacích.
Moderní systémy jdou ještě dále, mohou konstruktérovi radit a vést jej při konstrukčním postupu – nejde jen o normalizované rozměry či tvary, ale i o postupy při konstruování určitých typů výrobků nebo jen lokální zvyklosti. Tato pravidla konstruování mohou být předem definována, ale systém je může i “odpozorovat” s využitím prvků umělé inteligence (AI) z postupů, které už dříve prováděl. Velmi efektivní je optimalizace (neboli behavioral modeling, jak tuto techniku nazývá její průkopník). Stačí stanovit geometrické podmínky (např. délku hřídele a základní tvar) a optimalizační kritérium (např. dosažení minimální hmotnosti při daném zatížení), a systém už sám nalezne optimální tvar, který zadání vyhovuje. Další “finta” usnadňuje konstrukci rozsáhlých sestav. Celý výrobek se nejprve definuje jako soustava hrubých bloků (hranolů, “koleček”, ...), do nichž se vestaví všechny “vnitřnosti” detailů i s příslušnými vazbami (místy dotyku, otáčení apod.). Je-li pak třeba změnit celkový rozměr výrobku, stačí změnit velikosti hrubých bloků a systém všechny detaily se zachováním vazeb přepočítá sám.
Progresivním trendem v CAD je týmová spolupráce. Ta je nejefektivnější, je-li založena na jediném sdíleném modelu celého výrobku, digitální maketě, k níž mají podle určitých pravidel přístup všichni pracovníci, kteří se na výrobku něčím podílejí. To zajišťuje systém, který se stará i o ukládání a vyhledávání datových souborů, sledování průběhu změn či o průběh schvalování a potvrzování konečných dat. Tyto PDM (Production Data Management) systémy zpočátku pracovaly v klasickém síťovém prostředí, dnes ale používají technologii internetu. PDM systém pak není jen záležitostí specialistů – prostřednictvím běžného internetového prohlížeče snadno dokážou s daty o výrobku pracovat i příslušníci obecnějších profesí než vývoje a výroby (například nákupu, marketingu či účtárny), ale i pracovníci povýrobních fází (například prodeje nebo i údržby výrobku).
Internet umožnil vznik zvláštních internetových serverů – portálů, nabízených specializovanými firmami jako služby pro výrobce. Z nich lze CAD systém buď stáhnout a pracovat na něm lokálně, nebo dokonce jen řídit zpracování úkolů na vzdáleném CAD systému umístěném na centrálním serveru. V obou případech však poskytují služby správy dat a souborů, tedy v podstatě PDM systémů, navíc doplněné i o internetu vlastní snadnou dostupnost relevantních dat, například knihoven dílů nebo informací o dodavatelích a cenách. CAD získal na internetu ve velmi krátkém čase silnou pozici. Předpokladem k tomu byl samozřejmě také vznik speciálních datových formátů vhodných k tomuto použití.
V automobilu je nezanedbatelným prvkem také karoserie a zejména její vzhled – tím se zabývají designéři. O designérských systémech už byla řeč, rád bych však připomněl jedno speciální užití IT v této oblasti. Kvalita konečného návrhu karoserie se zkouší na hliněné maketě ve skutečné velikosti a s dokonalým povrchovým finišem, která se umístí do světelné komory. V ní se natáčí a pozoruje pod intenzivními světly trubicových zářivek. Ty na lesklý povrch “házejí” podlouhlá “prasátka”, která nemilosrdně odhalí všechny nedokonalosti v plynulosti ploch. Aby se vyloučily drahé sádrové makety, bylo logickým řešením nasvítit odpovídajícím způsobem 3D model v počítači. Problém je však v tom, že model musí být dostatečně přesný, a tedy i značně rozsáhlý, a že pro dokonalé modelování odrazů a zrcadlení je nutné použít techniku raytracingu – důsledkem je dlouhá doba zpracování i na grafickém superpočítači. S unikátní technikou ClearCoat (její autor technické detaily tají, ví se jen, že jde o speciální postup reflexního texturování) však lze tuto úlohu provádět téměř interaktivně, což umožňuje její praktické použití.

CAD, CAM, CAE
Máme-li 3D model výrobku, máme i informaci, podle níž lze řídit pohyb nástrojů při obrábění. Tu využívají CAM (Computer Aided Manufacturing) systémy. Záležitost je kapku složitější, protože 3D reprezentace, která stačí pro znázornění výrobku, nestačí pro řízení nástroje – nepřesnosti a zjednodušení, které se připouštějí v CAD, nejsou přípustné v CAM, nehledě na nepozorovatelné chyby v konstrukci modelu (objekty nulové nebo mizivé velikosti, neznatelné nespojitosti apod.). CAD modely se proto, pokud nemají vlastní výstup v CAM formátu, musejí ošetřit a převést do formátu pro CAM. 3D zobrazení také dokáže ještě před spuštěním zobrazit postup obrábění, odebírání třísky a pohybu nástroje, a tak umožní vizuální kontrolu postupu. Je samozřejmé, že možnosti výpočetní techniky v této oblasti nabízejí i jiná uplatnění, například v technologii (optimalizace výrobních postupů či nástřihových plánů, simulace deformací při tváření či toku a chladnutí materiálu) nebo v organizaci práce.
Základem rozvoje CAE (Computer Aided Engineering) byla kromě 3D techniky zejména metoda konečných prvků (FEM či MKP) převádějící řešení složitých fyzikálních problémů do velkého množství vzájemně vázaných jednoduchých případů, tedy ideální úloha pro počítač. Tak lze zvládnout i dříve prakticky neřešitelné případy mechanického namáhání včetně nelineárních případů, kontaktní úlohy (otlačení na styku dílů), kmitání, sdílení tepla a teplotního namáhání, proudění tekutin včetně nestacionárního a vlivu spalování, tvoření směsi kapalin (paliv) a plynů a řadu dalších, zkrátka je to přímo poklad pro nejen automobilové výzkumníky. A jako v CAM, i zde je důležitá hladká návaznost na CAD.

Simulace a virtuální realita
Práce s CAE, ale i s CAD a CAM, je vlastně simulací skutečnosti. Ta už začíná přecházet do oblasti virtuální reality. Přední automobilky vytvářejí realistické digitální makety celých vozů, na nichž lze již v rané fázi přípravy výroby (a tedy ještě s nesrovnatelně nižšími náklady než v pozdějších fázích) odhalovat řadu chyb konstrukce (např. omezení pohyblivosti dílů nebo jejich smontovatelnosti), optimalizovat tvar či vzhled i mnohé jiné parametry výrobku. Ti nejprogresivnější už začínají simulovat i celý výrobní proces včetně strojů, prostor, odpovídajícího toku materiálu i modelování lidských postaviček (k posouzení ergonomie výroby). Jistě, vyžaduje to obrovské výpočetní a systémové kapacity, ale zřejmě se to vyplácí. Důležitá je také spolupráce výrobních systémů s obecným systémem řízení podniku, ale to už je jiná a také obsáhlá problematika.
Modelování člověka však jde ještě dále. Ve výzkumných střediscích NASA se zúročují data, která se získala virtuálním “rozkrájením” dvou mrtvých těl, mužského a ženského, na plátky po 1, resp. 0,33 mm tloušťky. Na jejich základě (a s modifikacemi získanými antropologicko-statistickými výzkumy) se vytvářejí co nejvěrnější prostorové modely, které nejen vypadají, ale i chovají se jako lidé. V cévách proudí krev, svaly reagují na podněty nervů, stahují se a dokonce trpí únavou či se poškozují přetížením, zkrátka cílem je naprostý realismus v modelování. Navíc je možné použít všechna kouzla počítačové grafiky, například zobrazit jen samotné cévy, a tak lépe pozorovat jejich chování.
A k čemu je taková hračka dobrá? Byla využita už i v automobilismu. Při bariérových testech si loutka, tzv. Oskar, “láme kosti” místo skutečné posádky, a tak se zjišťuje, jakým způsobem lze zvýšit bezpečnost konstrukce. Jenže Oskar je bezvládná hromada pospojovaných dílů, která se při nárazu chová zcela pasivně. Loutka simulující skutečného člověka je však aktivní, instinktivně se vzepře proti nárazu, chrání se rukama apod. Také díly jejího “těla” mají správnou pružnost a hmotnost – tyto rozdíly mají podstatný vliv na následky nárazu. Zajímavé je i to, k čemu ji prvně použila NASA – k vývoji nového typu skafandru, který bude nejen chránit, ale také pohodlně vyhovovat fyziologii člověka.
V dokonalé simulaci vidím hlavní směr vývoje výpočetní techniky ve všech oborech – modelovat vnější svět tak realisticky, aby práce člověka s počítačem byla stejně přirozená jako jeho působení na reálný svět a aby se tak efektivně využilo maximum z možností spolupráce člověka a stroje.
Josef Chládek