Компьютерное моделирование в нефтегазохимической сфере

Усложнение задач моделирования приводит к существенному увеличению их размерности [28]. Вскоре задача исследования химико-технологических процессов будет нуждаться в моделировании схем с тысячами элементов [22].

Модели математического характера, такие как символические или иконографические – характеризуют систему и позволяют проводить анализ математическими методами.

Символические модели есть отражение функционирования системы в формализованном виде.

Иконографические модели характеризуют качественные и количественные свойства системы и отношений между ее параметрами.

Современные автоматизированные управляющие комплексы химико-технологическими процессами представляют собой сложные иерархические человеко-машинные системы, поэтому их дальнейшее развитие связано с усовершенствованием всех компонентов системы, в том числе повышением качества образования изучающих данные процессы [42].

Математическое моделирование являет собой способ изображения процессов с количественной и качественной стороны методом математических моделей. Базой для построения модели служит упрощенное, схематичное реальное явление, и полученная схема приводится с помощью того или иного математического метода. Успех исследования и результат заключается в изначальном удачном выборе модели, отражающей характерные черты изучаемой системы [54].

Структура самой модели состоит из математического описания, которое в зависимости от процесса приводится в виде системы конечных или дифференциальных уравнений, отражающих взаимосвязь между различными параметрами, где наличие в математическом описании конечных уравнений не исключает возможности присутствия уравнений и дифференциальных, и наоборот.

Определение зависимости между входными и выходными параметрами математической модели в виде уравнений математического описания методом использования алгоритма для любой совокупности значений параметров происходит путем расчета выходных параметров. Самое важное, чтобы модель была адекватна моделируемому процессу, то есть необходимо достаточно точно описать качественно и количественно свойства моделируемого процесса[55].

Соответственно, модель, характеризующая реальный физико-химический процесс, изображается в виде определенной математической структуры, объединяет опытные факты и показывает связи между входными и выходными параметрами исследуемого математического процесса. В данном случае уместно использование экспериментальных данных и теоретических методов. В итоге, основной целью использования математических моделей является предвидение результатов функционирования процесса и разработка рекомендаций по возможным проблемам во время работы. Если информации об исследуемом объекте недостаточно, изучение происходит начиная от простейших моделей, но не влияя на качественные характеристики исследуемого процесса. Само по себе компьютерное моделирование помогает воссоздать как графическое изображение схемы технологического объекта, так и процессы, протекающие в нем. Данные технологии компьютерного моделирования используются в разнообразных сферах деятельности.

Применение моделей в большей части встречается на лекциях, при работе студентов на практических и лабораторных занятиях, а также во время самостоятельной работы и подготовки студентов технологических специальностей, а также для обучения персонала предприятий нефтегазоперерабатывающего комплекса с целью повышения уровня профессиональной подготовки. Невозможность применения реального нефтегазопромыслового оборудования из-за его габаритов и стоимости, а также ограниченность во времени на проводимые занятия отрицательно сказываются на полноценном изучении материала, особенно затруднителен процесс при дистанционном обучении. Те более, множество технологических процессов протекают в условиях, воссоздание которых в аудиториях не является возможным, а без освоения азов работы оборудования в реальных условиях усвоение материала считается неполноценным [3].

Развитие образования в России провоцирует государство поставить на первый план задачу создания современной индустрии образования, соответствующей новейшим тенденциям в данной сфере. На данный момент разработано множество концептуальных решений в области преобразований сферы образования, где в первую очередь выдвинут вопрос полного реформирования системы образования и его качества.

Постоянное уменьшение количества часов на изучение дисциплин и рост объема информации провоцируют создание и освоение новых методов обучения. В связи с этим вырос интерес к проблеме повышения качества обучения и подготовки профессионалов на различных уровнях, путем создания новой научно-педагогической методики: внедрения новейших информационных технологий в образовательный процесс, создания интерактивных учебных форм изучения предметных дисциплин в информационной среде.

«Новые информационные технологии» – способ получения, сбора, хранения, обработки, поиска и передачи информации в электронном виде, с помощью мультимедийных средств для создания новых разработок в интеллектуальных сферах деятельности человека, в том числе и в сфере обучения студентов.

Применение новейших информационных технологий в процессе обучения предоставляет студентам возможность наиболее глубокого освоения дисциплины.

Первоочередная задача образовательного процесса – передача информации обучаемым. На лекции происходит процесс передачи информации устно, либо путем изображения материала. Использование данных методов значительно мешают полной передаче информации, следовательно, снижают эффективность основной задачи.

Практические занятия – решение определенных заданий, построение схем, или создание чертежей – все это методики отработки навыков. Однако присутствие компьютерной техники и программного обеспечения позволяет обойтись без таких манипуляций как, например, устный счет или черчение карандашом на бумаге, когда есть специализированные информационные системы проектирования.

При лабораторной работе также производится отработка практических навыков, но организация современных систем, ее сложность и стоимость лабораторного оборудования не всегда позволяют смоделировать процесс в лаборатории.

Из опыта эксплуатации электронных учебников выяснилось, что это довольно эффективная форма преподавания различных предметов по специальности. Использование информационных технологий обучения повышает интерес обучаемых к изучаемой дисциплине, что приводит к росту качества подготовки нынешних специалистов, повышает объективность контроля знаний студентов, сужает грани между обучаемыми и новыми областями знаний. Обучение оперативного персонала для нефтеперерабатывающих производств на предприятиях осуществляется за счет в аудиторных занятий с изучением технологических регламентов, систем автоматизации производств, правил техники безопасности при управлении производством, прохождения производственной практики на реальном объекте с применением знаний в деле [22]. Применении метода обучения с использованием информационных технологий позволяет получить желаемый уровень подготовки у операторов-технологов в короткие сроки [22]. Наиболее оптимальным методом является подготовка и переподготовка персонала на программно-моделирующих информационно-технических комплексах обучения и интеллектуальных системах обучения.

Наиболее эффективным методом обучения студентов являются компьютерные информационные модели. Применение данных моделей для обучения персонала в опасных отраслях промышленности, таких как химическая, нефтеперерабатывающая и газовая, прописывается в законодательных нормах и стандартах многих развитых стран. Компьютерные модели позволяют обучить студентов работе с информационной системой менеджмента и овладеть навыками оптимальных действий в аварийно-опасных ситуациях.

В нынешнее время использование персональных компьютеров и специального программного обеспечения виртуализации обеспечивает решение многих задач, таких как рациональное использование аппаратных ресурсов персональных компьютеров, расширение функционала инструмента тренажа и одновременный запуск нескольких информационных моделей на одной аппаратной платформе для тренировки студентов. В общем случае информационные модели представляют собой определенный комплекс технических средств, обеспечивающий виртуальное воспроизведение условий и факторов, соответствующих тем, которые имеют место в процессе работы специалиста по управлению реальным объектом, а также целенаправленное обучение в выбранной отрасли с постоянным контролем над действиями обучаемого. Основной задачей таких тренажерных моделей является создание возможностей для освоения принципа функционирования технологического процесса в различных периодах эксплуатации, определение опасных ситуаций, нахождения причинно-следственных связей, принятия решений по управлению системой.

Явная проблема при обучении студентов – сложность использования системы управления в купе с рабочим производственным процессом. Важно, что при обучении персонала неопытные специалисты своими действиями в лучшем случае могут причинить вред рабочему технологическому процессу (ТП) без значительных последствий, а в худшем это приведет к тяжелой аварии, которая может повлечь за собой человеческие жертвы. Именно поэтому, использование информационных моделей и методов обучения являются эффективными, так как позволят наиболее точно имитировать условия рабочего технологического процесса.

Данные универсальные информационные модели могут быть использованы как обобщенный программный комплекс, позволяющий обучать студентов алгоритму действий в аварийных ситуациях без вреда для технологического процесса. Компьютерные информационные модели должны обеспечивать возможность моделирования технологического оборудования и протекающих в них технологических процессов, имитировать процесс управления, обучать действиям в различных режимах, ускорять и замедлять моделирование, создавать и запускать сценарии обучения.

Эффективность использования компьютерных информационных моделей зависит от мудрости и опыта специалистов в области технологии, управления технологическим производством, подготовки персонала, а также от реализации, эксплуатации и сопровождения тренажерных комплексов.

Решением проблемы является использование современных образовательных технологий, важное место среди которых занимают интерактивные лабораторные работы. Обычно, они являют собой компьютерные программные пакеты, зачастую web-ориентированные, что позволяет эксплуатировать их на различных компьютерах и даже мобильных устройствах.

Использование виртуальных компьютерных моделей позволяет заменить наглядные пособия (в виде плакатов и схем), и выступают в качестве иллюстраций к презентациям. В нынешнее время наиболее активно используются модели с анимационными элементами. Разработка чертежей и проектов составляются применением трехмерного пространственного моделирования. Помимо этого, в процессе обучения используются компьютерные программы, воссоздающие различные нефтегазовые и химико-технологические системы.

Таким образом, в нынешнее время применяются следующие технические средства обучения. Помимо собственно средств визуализации, таких как ЭВМ с заблаговременно установленными автоматизированными системами обучения, сетей, проекторов, наиболее важными техническими обучающими средствами являются физические модели и измерительные стенды с датчиками и реальным оборудованием, нынедействующие учебные пособия и макеты, моделирующие тот или иной технологический процесс, математические модели и построенные на их основе компьютерные модели, виртуальные 3D-модели технологического процесса.

Объединение перечисленных выше методов обучения специалистов с удалением присущих им недостатков возможно с помощью интеграции в едином комплексе элементов и свойств физических и виртуальных моделей. Такая интегрированная система обучения включает в себя интеграцию и взаимопроникновение подсистем, обеспечивающих как за внутреннее содержание обучающего процесса, удовлетворяющее требованиям полноты, адекватности, гибкости и т. д., так и за внешние средства представления информации студенту, среди которых отметим стенды, действующие макеты, мнемосхемы, автоматизированные системы обучения, тесты и т. д.

Следует подчеркнуть, что нефтегазовая отрасль в сравнении с отраслями, использующими тренажеры постоянно (авиация, морской транспорт, АЭС), отличается большим количеством и разнообразием оборудования объектов с специфичной топографической привязкой. В связи с этим, индивидуальная цепь развития аварии, воспроизводимая на определенном тренажере, зачастую, редка и даже уникальна. Сами по себе модели на тренажере и схема опасного объекта, как правило, различаются, если не использовать для каждого потенциально опасного объекта специфическую настройку или тренажер.

Прикладное использование компьютерного моделирование встречается в проектировании новых технологических систем, а также для В качестве прикладных направлений использования компьютерных моделей является их применение при проектировании, например, новых технологических объектов, а также для предупреждения опасных ситуаций на производстве. На данный момент при моделировании и анализе технологических процессов ведется разработка и апробация технологических и интеллектуальных информационных систем, которые создаются на базе физических, физико-химических и др. принципов моделируемой системы. Помимо приведенных аспектов моделирования в нынешнее время на производствах используются системы визуализации информации, возмещающие собой схемы и аппаратуру специалистов.

При проектировании технологических объектов нефтеперерабатывающих производств применяют модели, разработанные при помощи стандартных компьютерных пакетов систем информационного моделирования, зачастую, с широким графическим интерфейсом, а также программы узконаправленные, разработанные с применением общепринятых языков программирования.

Большинство моделирующих программ дают возможность, после проведения инженерного расчета технологической схемы или отдельной ее части, производить расчеты специфических конструктивных характеристик сепарационного оборудования, емкостей, тарельчатых и насадочных ректификационных колонн, теплообменников, а также производить оценку стоимости производства каждого аппарата. Данный аспект немаловажен в вопросе выполнения проектных работ, предпроектных исследований, кроме того, это дает возможность оптимизировать капиталоемкость разрабатываемой системы.

На данном этапе развития компьютерных технологий функционируют большое количество пакетов компьютерного моделирования общего назначения, зачастую, зарубежных разработчиков, применяемых с целью проведения технологических расчетов при проектировании и инженерном анализе. Отличаются они тем, что сочетают в себе широкую базу данных и богатый графический интерфейс. Но наряду с этим, существуют недостатки, такие как стоимость приобретения данных программ, их поддержка, ограниченный комплект аппаратов и методик расчета, которые представлены в типовых или идеализированных видах.