Наукова школа

МАТЕМАТИЧНЕ ТА КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ХІМІЧНИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ТА СИСТЕМ

Історія створення школи. Період діяльності. У 60-х роках минулого сторіччя бурхливий розвиток хімічної промисловості в колишньому СРСР вимагав нових темпів впровадження досягнень у практику. Єдиною альтернативою прискорення цього процесу в той період вважалося використання обчислювальної техніки. Час підтвердив правильність цього напрямку тому, що зростаючі небаченими темпами можливості комп'ютерів однаково вимагали вивчення їх можливостей. 

З іншого боку, виникла гостра потреба перетворення накопичених хіміками-технологами знань у вигляді, який потрібен для розв'язування різних оптимізаційних задач - у вигляді математичних моделей. Причому моделей самих різних, по всьому життєвому циклу створюваного продукту - пошуку речовини, дослідженню, проектуванню й експлуатації технологічних систем.

Розрив, що утворився між знаннями хіміків-технологів з об'єктів хімічної технології, що проектуються, і сучасними комп'ютерними можливостями, призвело до дуже глибокої, і як показав час, дуже плідної ідеї створення нового напрямку наукових досліджень - моделювання технологічних процесів та вирішення різних задач оптимізації на їх основі.

Наукові здобутки в цьому напрямку призвели до необхідності створення нової навчальної спеціальності. Цю спеціальність у різний час називали по-різному, зокрема і кібернетика. Суть же завжди залишалася одна: підготовлені фахівці грали і грають роль містка між хімією, хімічною технологією і комп'ютерами.
Гарна хімічна підготовка та чудове знання комп'ютерів дозволяли новонародженим фахівцям швидко знаходити спільну мову при вирішенні прикладних задач хімічної технології. Безупинний консультаційний режим поступово накопичував дорогоцінний досвід співробітництва. Перш за все він відображався в розроблених математичних моделях, у методах оптимізації, пристосованих до реалій хімічної технології, у розробленому програмному забезпеченні. До 80-х років можна було вже впевнено говорити про новий науковий напрямок, що має свій предмет (математичні моделі процесів хімічної технології) і свій інструментарій (комп'ютери).

Незважаючи на складності в апробації наукових праць у силу їх новизни, що виникла на стику двох наукових напрямків, рік за роком накопичувалась міць нової науки. Наукові праці і докторські дисертації А.Г. Бондар, Г.О. Статюхи, Є.М. Земляка, кандидатські дисертації Ю.О. Безносика, О.С. Королева, І.О.Потяженко, О.О.Квітки, Л.М.Бугаєвої, Т.В. Бойко, Р.М.Колесникової, та багатьох інших заклали основу унікальної наукової школи "Математичне і комп'ютерне моделювання хімічних і технологічних процесів та систем". Головним досягненням наукової школи є створення на базі системного підходу методології побудови математичних моделей технологічних систем різної природи, різного масштабу і для різних цілей.

Характер Наукової школи. Це єдина в Україні Наукова школа, що поєднує зараз фахівців з різним професійним фундаментом, але пов'язаних однією загальною справою - побудовою математичних моделей і їх використанням у практиці хімічної, харчової, будівельних матеріалів, фармацевтичної, біотехнологічної, нафтохімічної та інших галузях промисловості. Колектив школи поєднує вчених-однодумців Києва, Одеси, Львова, Харкова, Дніпропетровська, Хмельницького та інших міст України. Наукова школа сприяє формуванню вчених з потужною підготовкою в області математичного моделювання. Тісне співробітництво вчених нашої школи і прихильників її методології привело до захисту докторських дисертацій Гогунським В.Д. і Морозюк Т.В. (Одеса), Камбургом В.Г. (Хмельницький), Півнем О.Н. і Мітченко Т.Е. (Київ). Співробітництво з науковою школою проф. Вознесенського В.А. (Одеська Академія архітектури і будівництва) сприяло появі д.т.н. Ляшенко Т.В. Наступна організація кафедр під керівництвом вищеназваних спеціалістів в Одеській Політехніці, Одеській Академії Холоду, Хмельницькому Технологічному Університеті та Університеті "Україна" (Київ) дає змогу впевнено говорити про визнання ідейної міцності школи.

В орбіту нашої наукової школи включені вчені таких країн як Англія, Німеччина, Польща, Словаччина, Угорщина, Чехія, Росія, США та ін.

Свої досягнення ми регулярно представляємо на Міжнародних Конференціях ММТТ (Росія), ESCAPE (Європа), CHISA (Чехія), ECCE (Європа), ACHEMA (Німеччина) та у багатьох журналах. До 1990 року наша Наукова школа перманентно проводила свою Конференцію в м. Черкаси. С цього року ми поновлюємо цю традицію як свідоцтво нагальної необхідності показу наших досягнень. Ми не тільки вижили, ми опанували нові наукові напрямки, які були схвально оцінені науковою спільнотою на конференціях світового рівня в Чехії, Іспанії, Угорщині, Бельгії, Німеччини, Польщі, Росії, Словакії, Туреччині.

Теоретичний фундамент наукової школи "Математичне і комп'ютерне моделювання хімічних і технологічних процесів та систем" дав змогу сформувати як мінімум п'ять прикладних напрямків математичного моделювання: екологічного, рецептурно-продуктового, комбінаторно-хімічного, автоматизованих систем керування та систем сталого розвитку. Тут розв'язування оптимізаційних задач дає істотний ефект і викликає визначний науковий резонанс.

Останні роки колектив кафедри плідно займається проблемами охорони навколишнього середовища в рамках різних наукових програм, зокрема в програмах розвитку м. Києва. Цей досвід вирішено розвинути, для чого в Науково-Дослідному Інституті соціально-економічних проблем м. Києва ("КП" НДІ СЕП) був створений відділ екологічної політики та безпеки міста на чолі з д.т.н., професором Статюхою Г.О. Відділ функціонував як інформаційно-аналітичний центр, який надавав населенню та керівництву міста, а також іншим зацікавленим структурам екологічну, еколого-технологічну та медико-біологічну інформацію для обґрунтування та підтримки прийняття рішень, які поліпшують екологічні умови в місті та сприяють підвищенню рівня життя киян. Відділ проводив та координував наукові екологічні програми Київради, які зменшують екологічне навантаження на місто та сприяють економному використанню природних ресурсів.

Сталий розвиток - це новий науковий напрямок школи (фундатор групи д.т.н. Статюха Г.О., замісник - к.т.н. Джигирей І.М.). Необхідність у розробці індикаторів сталого розвитку була відзначена в "Порядку денному на 21 століття", прийнятому на Конференції ООН по навколишньому середовищу та розвитку в Ріо-де-Жанейро у 1992 р. Контроль за досягненням цілей сталого розвитку, управління цим процесом, оцінка ефективності використовуваних засобів і рівня досягнення поставлених цілей вимагають розробки відповідних критеріїв і показників - індикаторів сталого розвитку. Кафедрою кібернетики хіміко-технологічних процесів за участі учбово-наукового комплексу "Інститут прикладного системного аналізу" розроблений програмний комплекс оцінювання регіонального індексу екологічної сталості. Індекс враховує національні пріоритети в екологічній політиці, зокрема радіаційне та техногенне навантаження. Пропонується використовувати індекс для оцінювання екологічного статусу у розрізі сталого розвитку окремих регіонів України разом із регіональними індексами оцінювання економічної, соціальної та інституціональної складової сталого розвитку регіону. Використання індексу дає в руки особам, що ухвалюють рішення, інструмент, що прокладає курс до виконання національних природоохоронних показників і полегшує порівняльний політичний аналіз; сприяє впровадженню кількісного підходу в ухвалюванні рішень на основі досвіду.

До цього напрямку приєднується блок проблем з техногенної безпеки, які вирішуються в групі доцента, к.т.н. Бойко Т.В. Розроблено програмну систему, яка реалізує розрахунок показників небезпечності промислових об'єктів для підприємств, розташованих на території України. База даних програмної системи має відомості про всі фактори природної небезпечності України, а також відомості про більш ніж 400 небезпечних речовин. Запропоновано підхід до оцінки небезпечних видів діяльності промислових підприємств. В основу підходу покладені поняття індексів ризику, потенційної шкоди, токсичної небезпечності, пожежо- та вибухонебезпечності на основі яких визначається індекс відносної небезпечності, а також індекс регіональної небезпечності. Індекс ризику функціонування джерела небезпеки це комбінований показник, що враховує гарантійний термін експлуатації устаткування, а також внутрішні (ендогенні) і зовнішні (екзогенні) фактори, що істотно впливають на безпеку роботи. Індекс потенційної шкоди визначає серйозність можливих наслідків аварій і залежить від кількості і властивостей небезпечної речовини, що знаходиться на потенційно небезпечному об'єкті. Для полегшення використання методики розроблюється програмний комплекс призначений для виявлення промислових об'єктів підвищеної небезпеки серед потенційно небезпечних об'єктів і їхнього ранжирування по категоріях небезпечності за п'ятиступеневою шкалою.

Розробки з експериментально-статистичного моделювання стали в великої нагоді при освоєнні напрямку "Продуктова інженерія" (керівник - к.т.н. Складанний Д.М.). В межах цього напрямку досліджуються методи і підходи по розробці технологій і рецептур виробництва хімічних продуктів з заданими властивостями. Розроблений пакет програм для вирішення задач на базі експериментально-статистичні моделей STAT-SENS широко використовується як в дослідженнях технологічних об'єктів так и і в навчальному процесі. Дослідницька робота ведеться в тісному співробітництві як з іншими кафедрами університету так і з науковими установами, в тому числі закордонними. Наукове співробітництво з Вашингтонським Університетом в Сент-Луїсі (США) в цьому напрямку оформлене відповідною угодою на рівні керівників навчальних закладів і вже дало певні наукові результати, що знайшли відображення в сумісних наукових працях.

Нове дихання отримав напрямок Математичне моделювання технологічних процесів (керівник групи доцент, к.т.н Безносик Ю.О.) з можливістю використовувати експериментальну базу Інституту технічної хімії Технічного Університету м. Дрездена, Німеччина. На кафедрі розроблена інтелектуальна система підтримки прийняття рішень для вибору й моделювання процесів очищення газових викидів підприємств хімічної та суміжних галузей промисловості проведено детальний аналіз процесів і методів очищення викидних газів. По результатах цього аналізу спроектовані та розроблені база даних та база знань для процесів знешкодження шкідливих викидів. База даних включає всі методи промислового очищення газів від оксидів сірки та оксидів азоту. Бази знань створено в результаті формалізації евристичних правил, якими користуються технологи для вибору методів очищення газів розглянутого класу. Роботу системи показано на прикладах розв'язування задач вибору методів очищення газових викидів від оксидів сірки та оксидів азоту для різних значень параметрів газу, що очищується та при різних вимогах до результатів очищення. Проводяться роботи з мінімізування викидів шкідливих речовин у повітря та у стічні води з використанням Пінч-аналізу.

Застосування методів штучного інтелекту - експертних систем, генетичних алгоритмів, застосування нейронних сіток, баз знань для моделювання та оптимізації процесів та схем хімічної технології. Роботи проводяться із застосуванням відомих програмних продуктів MATLAB, Genocop, Aspen Plus, HYSYS. Ведуться роботи по застосуванню нечіткої логіки до процедур прийняття рішень, роботи по застосуванню генетичних алгоритмів для рішення задач оптимізації (керівник робіт - доцент, к.т.н. Бугаєва Л.М.).

Нові перспективи в вирішенні виробничих проблем відкрились з появою проекту UNIDO "Більш чисте виробництво". Наголос на екологічну складову та сталий розвиток виробництва дає можливість використати накопичений великий досвід АСУТП (керівник групи проф., к.т.н. Медведєв Р.Б.). Проводиться науково-дослідницька робота з метою використання досягнутих на кафедрі результатів в галузях імітаційного моделювання (моделююча система STAR), керування та оптимізації для суттєвого поліпшення основних показників реакторного блоку, а саме безпеки, технологічних та економічних. Розроблені імітаційні моделі, за допомогою яких можна здійснювати перевірку правильності рішень по керуванню, що приймаються з боку різних структур: обслуговуючого персоналу; існуючого програмного забезпечення; програмних продуктів, що створені і можуть бути застосовані при керуванні. З фірмою Honeywell, м. Київ проводиться робота по застосуванню програмного продукту RMPCT (Robustness Modeling Predictable Control Technology), який призначений для обробки результатів експериментів, моделювання і оптимізації технологічних процесів та впровадженню контролера Experion PKS для оперативного управління. В рамках співпраці з цією фірмою ведуться роботи, пов'язані з моделюванням, оптимізацією і автоматизацією об'єктів хімічної і нафтохімічної промисловості.

В цілому подібні роботи для будь-якої організації будуть виконуватись у сучасній віртуальній комп'ютерній лабораторії кафедри. Остання призначена ефективно підтримувати взаємодію наукових, інженерних та освітянських колективів, а також інформаційних, інструментальних, індустріальних та інших матеріальних, а головне - унікальних ресурсів в географічно розподіленому середовищі - м. Києві (а можливо і за його межами). Очевидно, що вчені віртуальної лабораторії кафедри (між іншим, це вихованці нашої Наукової школи) та залучені до роботи магістри та аспіранти кафедри, виконуючи завдання різних організацій Києва та інших регіонів України, одночасно забезпечують наукове супроводження навчального процесу на кафедрі. Як підтвердження високого рівня робіт кафедри, цикл праць в напрямку охорони навколишнього середовища та стійкого розвитку отримав відомий американський грант Fulbright (2005, професор Статюха Г.О.). При кафедрі активно працює Українська Інженерно-хімічна Асоціація (УІХА), яка входить до Європейської Федерації Хімічної Інженерії (European Federation of Chemical Engineering). Президентом цієї Асоціації багато років був проф. Статюха Г.О. Головна мета УІХА - організація співробітництва між науковими та освітянськими установами України та Європейської спільноти. Так, організація співпраці з Жешувською Політехнікою (Польща) в рамках Програми ЕС - COMODEC (2003-2005), Center of Excellence - дала можливість активізувати наукову роботу в напрямку синтезу складних технологічних та хімічних систем. Підготовлені до захисту 2 дисертації (одна на нашій кафедрі, а друга - в Жешувській Політехніці) і ще 4 - готуються.

Вплив наукової школи на рівень вищої освіти. Важко переоцінити вплив Наукової школи на рівень вищої хіміко-технологічної освіти в Україні. Протягом багатьох років викладачі кафедри проводять загально-професійну підготовку студентів на хіміко-технологічному та інженерно-хімічному факультетах НТУУ "КПІ". Це такі дисципліни як "Обчислювальна математика і програмування" (1 і 2 курс), "Математичне моделювання і застосування комп'ютерів у хімічній технології" (4 курс). Практично кожні два роки згадані курси і лабораторні практикуми оновлюються за рахунок введення нових досягнень інформаційних технологій і нових пакетів прикладних програм.

Недавно кафедрі КХТП було доручене читання курсів "Матетатичне моделювання систем та процесів", "Математичні методи оптимізації", "Основи наукових досліджень" для магістрів трьох факультетів - хіміко-технологічного, інженерно-хімічного та факультету біотехнологій. Насичені прикладами наукових досліджень, проведених нашою науковою школою, а також зарубіжними науковими школами, в області математичного моделювання, згадані дисципліни знайомлять майбутніх технологів із сучасними методами дослідження і проектування хімічних і технологічних систем.

Остання навчальна розробка Наукової школи разом з Інститутом прикладного системного аналізу (ІПСА) НТУУ "КПІ" - курс лекцій "Основи сталого розвитку суспільства" для магістрів ІПСА та всього Університету.

Тісне співробітництво з науковими школами Росії (РХТУ, Москва ), Англії (UMIST, Манчестер), Німеччіни (Університети Дортмунда і Дрездена), Польщі (Політехніка, Жешув), США (University of Utah, Salt Lake City; University of Minnesota, Duluth; Washington University in St.Louis) та інших країн, а також з Інститітами НАНУ (Інститут фізичної хімії, Інститут сорбції та проблем ендоекології, Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії, Інститут хімії поверхні, Інститут газу, Інститут високомолекулярних сполок, Інститут кібернетики, Інститут прикладного системного аналізу та ін.) дозволяє постійно знайомити студентів профільної спеціальності "Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та виробництва" з досягненнями передової наукової думки. Так, на бурхливий розвиток компютерної хімії ми відгукнулися відкриттям нової спеціалізації "Комп'ютерно-комбінаторні хімічні системи". У фахівцях подібного профілю є гостра потреба в інститутах НАН України.

Залучення студентів до сучасної методології дослідження і проектування хімічних і технологічних систем, їх особиста участь у розробці тематики Наукової школи, безумовно сприяє підвищенню якості їх освіти, полегшує входження в сучасний ринок з високими вимогами до інженерів та магістрів, підвищує їх кар'єрні можливості. Про це свідчить і постійний стовідсотковий розподіл студентів. Постійно підтримувані зв'язки з випускниками кафедри, які працюють в Україні та багатоьх країнах світу, підтверджують високий рівень підготовки профільних фахівців.