Научная школа

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ

История создания школы. Период деятельности. В 60-х годах прошлого столетия бурное развитие химической промышленности в бывшем СССР требовал новых темпов внедрения достижений в практику. Единственной альтернативой ускорения этого процесса в тот период считалось использования вычислительной техники. Время подтвердило правильность этого направления в том, что растущие невиданными темпами возможности компьютеров одинаково требовали изучения их возможностей.

С другой стороны, возникла острая необходимость преобразования накопленных химиками-технологами знаний в виде, который нужен для решения различных оптимизационных задач - в виде математических моделей. Причем моделей самых разных, по всему жизненному циклу создаваемого продукта - поиска веществ, исследованию, проектированию и эксплуатации технологических систем.

Разрыв, образовавшийся между знаниями химиков-технологов о проектируемых объектах химической технологии и современными компьютерными возможностями, привело к очень глубокой, и как показало время, очень плодотворной идее создания нового направления научных исследований - моделирования технологических процессов и решения различных задач оптимизации на их основе.

Научные достижения в этом направлении привели к необходимости создания новой учебной специальности. Эту специальность в разное время называли по-разному, в том числе и кибернетика. Суть же всегда оставалась одна: подготовленные специалисты играли и играют роль мостика между химией, химической технологией и компьютерами.
Хорошая химическая подготовка и отличное знание компьютеров позволяли новорожденным специалистам быстро находить общий язык при решении прикладных задач химической технологии. Непрерывный консультационный режим постепенно накапливал драгоценный опыт сотрудничества. Прежде всего он отображался в разработанных математических моделях, в методах оптимизации, приспособленных к реалиям химической технологии, в разработанном программном обеспечении. До 80-х годов можно было уже уверенно говорить о новом научном направлении, имеющем свой предмет (математические модели процессов химической технологии) и свой инструментарий (компьютеры).

Несмотря на сложности в апробации научных трудов в силу их новизны, возникшая на стыке двух научных направлений, год за годом накапливалась мощь новой науки. Научные работы и докторские диссертации А.Г. Бондарь, Г.А. Статюхи, кандидатские диссертации Ю.А. Безносика, И.А. Потяженко, А.А. Квитки, Л.Н. Бугаевой, Т.В. Бойко, Р.Н. Колесниковой и многих других заложили основу уникальной научной школы "Математическое и компьютерное моделирование химических и технологических процессов и систем". Главным достижением научной школы является создание на базе системного подхода методологии построения математических моделей технологических систем различной природы, разного масштаба и для разных целей.

Характер Научной школы. Это единственная на Украине научная школа, объединяющая сейчас специалистов с различным профессиональным фундаментом, но связанных одним общим делом - построением математических моделей и их использованием в практике химической, пищевой, строительных материалов, фармацевтической, биотехнологической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Коллектив школы объединяет ученых-единомышленников Киева, Одессы, Львова, Харькова, Днепропетровска, Хмельницкого и других городов Украины. Научная школа способствует формированию ученых с мощной подготовкой в области математического моделирования. В орбиту нашей научной школы включены ученые таких стран как Англия, Германия, Польша, Словакия, Венгрия, Чехия, Россия, США и др.

Свои достижения мы регулярно представляем на международных конференциях ESCAPE (Европа), CHISA (Чехия), ECCE (Европа), ACHEMA (Германия) и во многих журналах. До 1990 года наша Научная школа перманентно проводила свою конференцию в г. Черкассы. Мы возобновили эту традицию как свидетельство острой необходимости показа наших достижений. Мы не только выжили, мы освоили новые научные направления, которые были одобрительно оценены научным сообществом на конференциях мирового уровня в Чехии, Испании, Венгрии, Бельгии, Германии, Польши, России, Словакии, Турции.

Теоретический фундамент научной школы "Математическое и компьютерное моделирование химических и технологических процессов и систем" позволил сформировать как минимум пять прикладных направлений математического моделирования экологического , рецептурно-продуктового , комбинаторно-химического, автоматизированных систем управления и систем устойчивого развития. Здесь решения оптимизационных задач дает существенный эффект и вызывает выдающийся научный резонанс.

Последние годы коллектив кафедры плодотворно занимается проблемами охраны окружающей среды в рамках различных научных программ, в частности в программах развития г. Киев. Этот опыт решено развить, для чего в Научно-Исследовательском Институте социально-экономических проблем г. Киев (КП НИИ СЭП) был создан отдел экологической политики и безопасности города во главе с д.т.н., профессором Статюха Г.А. Отдел функционировал как информационно-аналитический центр, который предоставлял населению и руководству города, а также другим заинтересованным структурам экологическую, эколого-технологическую и медико-биологическую информацию для обоснования и поддержки принятия решений, которые улучшают экологические условия в городе и способствуют повышению уровня жизни киевлян. Отдел проводил и координировал научные экологические программы Киевсовета, которые уменьшают экологическую нагрузку на город и способствуют рациональному использованию природных ресурсов.

Устойчивое развитие - это новое научное направление школы (основатель группы д.т.н. Статюха Г.А., заместитель - к.т.н. Джигирей И.Н.). Необходимость в разработке индикаторов устойчивого развития была отмечена в "Повестке дня на 21 век", принятом на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992. Контроль за достижением целей устойчивого развития, управления этим процессом, оценка эффективности используемых средств и уровня достижения поставленных целей требуют разработки соответствующих критериев и показателей - индикаторов устойчивого развития. Кафедрой кибернетики химико-технологических процессов с участием учебно-научного комплекса "Институт прикладного системного анализа» разработан программный комплекс оценки регионального индекса экологической устойчивости. Индекс учитывает национальные приоритеты в экологической политике, в частности радиационную и техногенную нагрузки. Предлагается использовать индекс для оценки экологического статуса в разрезе устойчивого развития отдельных регионов Украины вместе с региональными индексами оценки экономической, социальной и институциональной составляющей устойчивого развития региона. Использование индекса дает в руки лицам, принимающим решения, инструмент, прокладывает курс к выполнению национальных природоохранных показателей и облегчает сравнительный политический анализ; способствует внедрению количественного подхода в принятие решений на основе опыта.

К этому направлению присоединяется блок проблем техногенной безопасности, которые решаются в группе доцента, к.т.н. Бойко Т.В. Разработана программная система, которая реализует расчет показателей опасности промышленных объектов для предприятий, расположенных на территории Украины. База данных программной системы имеет сведения обо всех факторах природной опасности Украине, а также сведения о более чем 400 опасных веществах. Предложен подход к оценке опасных видов деятельности промышленных предприятий. В основу подхода положены понятия индексов риска, потенциального вреда, токсической опасности, пожаро- и взрывоопасности на основе которых определяется индекс относительной опасности, а также индекс региональной опасности. Индекс риска функционирования источника опасности - комбинированный показатель, учитывающий гарантийный срок эксплуатации оборудования, а также внутренние (эндогенные) и внешние (экзогенные) факторы, существенно влияющие на безопасность работы. Индекс потенциального ущерба определяет серьезность возможных последствий аварий и зависит от количества и свойств опасного вещества, находящегося на потенциально опасном объекте. Для облегчения использования методики разработанный программный комплекс предназначен для выявления промышленных объектов повышенной опасности среди потенциально опасных объектов и их ранжирования по категориям опасности по пятиступенчатой шкале.

Разработки экспериментально-статистического моделирования пригодились при освоении направлении "Продуктовая инженерия" (руководитель - к.т.н. Складанный Д.Н.). В рамках этого направления исследуются методы и подходы по разработке технологий и рецептур производства химических продуктов с заданными свойствами. Разработанный пакет программ для решения задач на базе экспериментально-статистических моделей STAT-SENS широко используется как в исследованиях технологических объектов, так и и в учебном процессе. Исследовательская работа ведется в тесном сотрудничестве как с другими кафедрами университета, так и с научными учреждениями, в том числе зарубежными. Научное сотрудничество с Вашингтонским Университетом в Сент-Луисе (США) в этом направлении оформлено соответствующим соглашением на уровне руководителей учебных заведений и уже дало определенные научные результаты, нашедшие отражение в совместных научных трудах.

Новое дыхание получило направление математическое моделирование технологических процессов (руководитель группы доцент, к.т.н. Безносик Ю.А.) с возможностью использования экспериментальной базы Института технической химии Технического Университета г. Дрездена, Германия. На кафедре разработана интеллектуальная система поддержки принятия решений для выбора и моделирования процессов очистки газовых выбросов предприятий химической и смежных отраслей промышленности проведен детальный анализ процессов и методов очистки выхлопных газов. По результатам этого анализа спроектированы и разработаны база данных и база знаний для процессов обезвреживания вредных выбросов. База данных включает методы промышленной очистки газов от оксидов серы и оксидов азота. Базы знаний созданы в результате формализации эвристических правил, которыми пользуются технологи для выбора методов очистки газов рассматриваемого класса. Работа системы показана на примерах решения задач выбора методов очистки газовых выбросов от оксидов серы и оксидов азота для различных значений параметров очищаемого газа и при различных требованиях к результатам очистки. Проводятся работы по минимизации выбросов вредных веществ в атмосферу и в сточные воды с использованием Пинч-анализа.

Применение методов искусственного интеллекта - экспертных систем, генетических алгоритмов, применение нейронных сетей, баз знаний для моделирования и оптимизации процессов и схем химической технологии. Работы проводятся с применением известных программных продуктов MATLAB, Genocop, Aspen Plus, HYSYS. Ведутся работы по применению нечеткой логики в процедурах принятия решений, работы по применению генетических алгоритмов для решения задач оптимизации (руководитель работ - доцент, к.т.н. Бугаева Л.Н.).

Новые перспективы в решении производственных проблем открылись с появлением проекта UNIDO "Более чистое производство". Упор на экологическую составляющую и устойчивое развитие дает возможность использовать накопленный большой опыт АСУТП (руководитель группы проф., к.т.н. Медведев Р.Б.). Проводится научно-исследовательская работа с целью использования достигнутых на кафедре результатов в области имитационного моделирования (моделирующая система STAR), управления и оптимизации для существенного улучшения основных показателей реакторного блока, а именно безопасности, технологических и экономических. Разработаны имитационные модели, с помощью которых можно осуществлять проверку правильности решений по управлению, принимаемых со стороны различных структур: обслуживающего персонала; существующего программного обеспечения; программных продуктов, созданных и могут быть применены при управлении. С фирмой Honeywell, г. Киев, проводится работа по применению программного продукта RMPCT (Robustness Modeling Predictable Control Technology), который предназначен для обработки результатов экспериментов, моделирования и оптимизации технологических процессов и внедрению контроллера Experion PKS для оперативного управления. В рамках сотрудничества с этой фирмой ведутся работы, связанные с моделированием, оптимизацией и автоматизацией объектов химической и нефтехимической промышленности.

В целом подобные работы для любой организации выполняются в современной виртуальной компьютерной лаборатории кафедры. Последняя предназначена эффективно поддерживать взаимодействие научных, инженерных и образовательных коллективов, а также информационных, инструментальных, индустриальных и других материальных, а главное - уникальных ресурсов в географически распределенной среде - г. Киев (а возможно и за его пределами). Очевидно, что ученые виртуальной лаборатории кафедры (между прочим, это воспитанники нашей Научной школы) и привлеченные к работе магистры и аспиранты кафедры, выполняя задания различных организаций Киева и других регионов Украины, одновременно обеспечивают научное сопровождение учебного процесса на кафедре. Как подтверждение высокого уровня работ кафедры, цикл работ в направлении охраны окружающей среды и устойчивого развития получил известный американский грант Fulbright (2005, профессор Статюха Г.А.). При кафедре работает Украинская инженерно-химическая ассоциация (УИХА), которая входит в Европейской Федерации Химической инженерии (European Federation of Chemical Engineering). Президентом этой Ассоциации много лет был проф. Статюха Г.А. Главная цель УИХА - организация сотрудничества между научными и образовательными учреждениями Украины и Европейского сообщества. Так, организация сотрудничества с Жешувской Политехникой (Польша) в рамках Программы ЕС - COMODEC (2003-2005), Center of Excellence - дала возможность активизировать научную работу в направлении синтеза сложных технологических и химических систем. Подготовлены к защите 2 диссертации (одна на нашей кафедре, а вторая - в Жешувской Политехнике) и еще 4 - готовятся.

Влияние научной школы на уровень высшего образования. Трудно переоценить влияние Научной школы на уровень высшего химико-технологического образования в Украине. В течение многих лет преподаватели кафедры проводят профессиональную подготовку студентов на химико-технологическом и инженерно-химическом факультетах НТУУ "КПИ". Это такие дисциплины как "Вычислительная математика и программирование" (1 и 2 курс), "Математическое моделирование и применение компьютеров в химической технологии" (4 курс). Практически каждые два года упомянутые курсы и лабораторные практикумы обновляются за счет введения новых достижений информационных технологий и новых пакетов прикладных программ.

Недавно кафедре КХТП было поручено чтение курсов "Матетатическое моделирования систем и процессов", "Математические методы оптимизации", "Основы научных исследований" для магистров трех факультетов - химико-технологического, инженерно химического и факультета биотехнологий. Насыщенные примерами научных исследований, проведенных нашей научной школой, а также зарубежными научными школами, в области математического моделирования, упомянутые дисциплины знакомят будущих технологов с современными методами исследования и проектирования химических и технологических систем.

Последняя учебная разработка Научной школы совместно с Институтом прикладного системного анализа (ИПСА) НТУУ "КПИ" - курс лекций "Основы устойчивого развития общества" для магистров ИПСА и всего университета.

Тесное сотрудничество с научными школами Англии (UMIST, Манчестер), Германии (Университеты Дортмунда и Дрездена), Польши (Политехника, Жешув), США (University of Utah, Salt Lake City; University of Minnesota, Duluth; Washington University in St.Louis) и других стран, а также с Инстититамы НАНУ (Институт физической химии, Институт сорбции и проблем эндоэкологии, Институт биоорганической химии и нефтехимии, Институт химии поверхности, Институт газа, Институт высокомолекулярных сполок, Институт кибернетики, Институт прикладного системного анализа и др.) позволяет постоянно знакомить студентов профильной специальности "Компьютерно-интегрированные технологические процессы и производства" с достижениями передовой научной мысли.

Привлечение студентов к современной методологии исследования и проектирования химических и технологических систем, их непосредственное участие в разработке тематики Научной школы, безусловно способствует повышению качества их образования, облегчает вхождение в современный рынок с высокими требованиями до инженеров и магистров, повышает их карьерные возможности. Об этом свидетельствует и постоянное стопроцентное распределение студентов. Постоянно поддерживаемые связи с выпускниками кафедры, работающими в Украине и многих странах мира, подтверждают высокий уровень подготовки профильных специалистов.