Масштабируемая модель цифрового химического предприятия
Цель проекта: Повышение качества подготовки инженеров по направлениям химии и химической технологии для соответствия новым общемировым требованиям и стандартам обучения, с учетом современных методов проектирования сложных химико-технологических систем, принципов обоснования и разработки ресурсо- и энергосберегающих, экологически безопасных процессов и схем производства, планирования производственных ресурсов и управления предприятием, с получением профессиональных навыков в области цифровых и сквозных технологий, а также защиты информации в системах автоматизированного управления химико-технологическими процессами.
Многие отрасли на современном уровня развития позволяют прогнозировать свойства продукта и контролируя все стадии его производства, начиная с этапа проектирования, заканчивая этапом утилизации. В качестве примера можно привести например машиностроение, где понятие «жизненный цикл продукта» используется широко. Программное обеспечение в машиностроении имеет хорошую интеграцию и зачастую вся линейка продуктов разрабатывается единой компанией.
В химической промышленности данный подход достаточно сложно внедряется. Отчасти это связано с тем, что в процессе производства меняются составы и соответственно свойства веществ. И в силу различных причин спектр используемого программного обеспечения намного шире.
На рисунке 1 представлена схема в которой показаны различные уровни проектирования и эксплуатации химического предприятия. На данной схеме не указана научная составляющая проекта, когда объектом исследования зачастую являются объекты уровня молекул. Проектирование начинается с уровня отдельных узлов аппарата и право перетекает на уровень целого завода, где происходит текущее управление предприятием и стратегическое планирование.
На схеме представлены называния кафедр в области интересов которых входят представленные блоки. Различные составляющие данной схемы реализуются в рамках различных проектов: Приоритет 2030, Передовых инженерных школ и др. и тесно связаны.
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
www.kstu.ru
страница ФИПРуководитель проекта: Анашкин Иван Петрович
Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Области затрагивающие задачи федеральной инновационной площадки выделены красным цветом. В рамках данной площадки создаются лаборатории на базе 6 кафедр. Вуз не является химическим предприятием, однако присутствуют элементы из представленной схемы, будь то физические лабораторные установки или программные продукты. Задача проекта связать эти элементы в единую систему.
Подробнее лаборатории и их взаимодействие представлено на рисунке 2.
Задачи
1) Создание и модернизация существующих учебных лабораторных установок по изучению тепло-массообмена. Разработка программного обеспечения для моделирования тепло-массообменных процессов, на основе данных в реальных физических установок, получаемых в режиме реального времени.
2) Создание базы данных технологических характеристик процессов тепло и массообмена с последующей передачей в лабораторию «Моделирование и разработка цифровых двойников» для создания нейросетевых моделей процесса.
Создание учебных лабораторий для освоения инженерных дисциплин, позволяющит «заглянуть» в суть изучаемого процесса за счет создания цифровых расширений физических установок. С помощью современных цифровых технологий появляется возможность вывести визуализацию и информированность о процессе, протекающем в промышленном аппарате на новый уровень восприятия, расширяя горизонты познания и повышая эффективность образования.
Решаемые задачи
1) Создание проекта по интеграции данных между лабораториями проекта и техническая документация описания и применения данного проекта.
2) Изучение взаимосвязи технологических процессов в рамках химического производства, подходов построения сетевой инфраструктуры предприятия, основ внедрения систем информационной безопасности, основ построения промышленных баз данных реального времени, клиент-серверных архитектур на основе технологий «тонкий», «толстый» клиент.
3) Построение систем диспетчеризации производства, Web интерфейсов.
Лаборатории «Промышленный интернет вещей (IIoT)» и «Моделирование и разработка цифровых двойников» кафедры «Автоматизированных систем сбора и обработки информации»
Решаемые задачи:
1) Создание цифровой лаборатории, включающей комплект оборудования: набор проводных и беспроводных цифровых датчиков, регистрирующие значения различных физических величин; интерфейсы для подключения датчиков к компьютеру и программное обеспечение, позволяющее собирать, анализировать и визуализировать изучаемые процессы.
2) В рамках лаборатории «Моделирование и разработка цифровых двойников» собранные данные из других лабораторий будут использованы для создания цифровых двойников изучаемых объектов, которые в дальнейшем можно использовать как платформу для исследования, моделирования и анализа процессов и систем, для прогнозирования состояния ключевых технологических параметров систем и процессов на определенном временном горизонте, оптимизации алгоритмов управления технологическими процессами, а также исследования возможностей повышения качества продукции, безопасности и экономической эффективности производства.
Класс компьютерных тренажерных комплексов кафедры «Технологии синтетического каучука»
Решаемые задачи:
1) Внедрение класса компьютерных тренажерных комплексов, с целью формирования навыков управления, представления об общем характере и особенностях технологического процесса; формирование знаний о возможных нештатных и аварийных ситуациях.
2) Сбор данных с компьютерных тренажеров в единую базу данных.
Лаборатория «Автоматизированная система управления предприятием» кафедры «Логистики и управления»
Решаемые задачи:
1) Агрегация ряда подсистем управления предприятием: управление основными фондами, продуктом, логистикой, заказами, системой защиты производственных и автоматизированных систем. На основе анализа совокупности данных, поступающих из лаборатории «Цифровое химическое предприятие» должны приниматься управленческие решения для достижения рационализации ресурсообеспечения производства.
Лаборатория «Киберполигон» кафедры «Информационная безопасность»
Решаемые задачи:
1) Организация лаборатории «Киберполигон технической и сетевой безопасности», в которой планируется проведение обучения основам информационной безопасности критических информационных инфраструктур.
2) Разработка сценариев проведения киберучений для включения в программы подготовки бакалавров и магистров, а также в учебные планы дополнительного профессионального образования и профессиональной переподготовки.
3) Подготовка электронных курсов отработки профессиональных навыков в области цифровых и сквозных технологий, с учетом принципов защиты информации в системах автоматизированного управления химико-технологическими процессами.
4) Организация участия студентов старших курсов во внедрении и испытании программных решений в области обеспечения безопасности промышленных сетей, автоматизированных систем управления и интернета вещей (IoT).
5) Сотрудничество с ведущими компаниями-разработчиками (Astra Linux, Код безопасности, Атом безопасность) в области информационной безопасности для тестирования и апробации их решений на базе лаборатории “Киберполигон технической и сетевой безопасности” с перспективой последующего внедрения успешных решений.
Общие задачи для всех лабораторий проекта:
1) Опережающая подготовка научно-технических кадров химической промышленности, обладающих компетенциями мирового уровня на основе интеграции образовательного процесса с исследованиями и разработками по приоритетным направлениям развития с целью обеспечения конкурентоспособности и в интересах высокотехнологичных отраслей национальной экономики.
2) Создание благоприятных условий и инфраструктуры для подготовки кадрового обеспечения, формирования востребованных рынком цифровых компетенций, адекватных разным уровням управления промышленным предприятием.
3) Разработка учебно-методического обеспечения и организация учебного процесса бакалавров и магистров, позволяющие получить комплексное представление о работе автоматизированных систем предприятия (от настройки полевых датчиков до аналитики).
4) Организация межкафедральных проектных работ для студентов старших курсов.
5) Проведение межкафедральных исследований в области автоматизации и моделирования
технологических процессов, машинного обучения с использованием нейронных сетей.
6) Формирование на базе ФГБОУ ВО «КНИТУ» целостной системы подготовки и профессионального роста научных и научно-педагогических кадров, обеспечивающей условия для осуществления молодыми учеными научных исследований и разработок, создания научных лабораторий и конкурентоспособных коллективов.
7) Стимулирование НИОКР в востребованных рынком областях химической промышленности, связанных с вопросами цифровизации и информационной безопасности.
8) Импортозамещение программных продуктов
9) Проведение совместных хакатонов, позволяющих решать вопросы эффективного и экологичного производства современными цифровыми методами.
Результаты
Лаборатория «Цифровое химическое предприятие».
Достигнутые результаты: Подготовлен компьютерный класс, оборудованный новыми ПК, проведена отладка специального программного обеспечения для интеграции данных со всех лабораторий. Созданы технические условия для интеграции лабораторий “Автоматизированная система управления предприятием”, “Моделирование и разработка цифровых двойников”, “Промышленный интернет вещей”, “Масштабируемый цифровой двойник предприятия”, “Киберполигон технической и сетевой безопасности”, “Изучение тепло-массообменных процессов”
Лаборатория «Автоматизированная система управления предприятием»
В период с 21 по 24 сентября проведена Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные тренды цифровой трансформации промышленных предприятий» [https://www.kstu.ru/event.jsp?id=136094], в рамках которой российскими учеными, аспирантами, студентами апробированы результаты научно-исследовательской деятельности по теме конференции Число докладов - 85, участников - более 140. Сборник статей по итогам конференции размещен в базе РИНЦ [https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49906673&selid=49907211]
Разработан электронный учебный курс «Автоматизация промышленного предприятия на основе цифровых технологий» (3 з.е., 144 ч.), размещенный в среде Moodle КНИТУ [https://moodle.kstu.ru/course/view.php?id=7647]
Лаборатории «Промышленный интернет вещей (IIoT)» и «Моделирование и разработка цифровых двойников»
Достигнутые результаты: Подготовлены материалы для разработки методических указаний для лаборатории "Промышленный интернет вещей", с учетом поданной заявки на закупку. Изданы 2 пособия по дисциплине "Введение в искусственный интеллект", которую планируется проводить в классе "Моделирование и разработка цифровых двойников"
- Введение в искусственный интеллект. Том 1/ Староверова Н.А., Чигвинцева И.Р; Казань: ООО «Риц «Школа»», 2021 – 94 с., . 2. Введение в искусственный интеллект. Т.2 Нейронные сети. /Староверова Н.А., Чигвинцева И.Р.; Казань: ООО «Риц «Школа»», 2021 – 95 с.
В 2022 году изданы пособия и лабораторный практикум по дисциплине «Искусственный Интеллект в профессиональной сфере»
- Искусственный интеллект в профессиональной сфере. Часть 1: учебное пособие/ Н. А. Староверова, М.Л. Шустрова; Минобрнауки России, Казань: Изд-во «Школа», 2022. – 85 с
- Искусственный интеллект в профессиональной сфере. Часть 2: учебное пособие/ Н. А. Староверова, М.Л. Шустрова, М.Н.Томилова; Минобрнауки России, Казань: Изд-во «Школа», 2022. – 96 с
- Искусственный интеллект в профессиональной сфере: лабораторный практикум / Н.А. Староверова, М.Л. Шустрова, М.Н. Томилова – Казань: РИЦ «Школа», 2022– 88 с.
Лаборатории «Изучение тепло-массообменных процессов» и «Вычислительная лаборатория»
Достигнутые результаты: С использованием датчиков температуры, расхода и контролера arduino была модифицирована лабораторная установка по изучению теплообмена в теплообменника типа труба в трубе. Создано программное обеспечение для визуализации данных с датчиков, а также распределения температуры вдоль длины теплообменника. На разработанную программу получено свидетельство о регистрации программы ЭВМ № RU 2022662450 [https://elibrary.ru/item.asp?id=49197861]
Класс компьютерных тренажерных комплексов.
Достигнутые результаты: Издано учебно-методическое пособие по выполнению практических работ на тренажере операторов НПС:
1.) Ибрагимов М.А., Самуилов А.Я., Янов В.В., Сазонов О.О., А.А. Фалалеев А.А. Выполнение практических работ на тренажере операторов НПС: Учебно-методическое пособие / Сост.: М.А. Ибрагимов и др.; М-во науки и высшего образования Российской Федерации, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Изд-во Академии наук РТ, 2022. – 84 с. ISBN 978-5-9690-1055-0.
Подготовлено к изданию методические указания для выполнения практических заданий на программном продукте РТСИМ.Карьера:
2.) Цифровое управление технологическими процессами нефтегазохимического комплекса : методические указания / М.А. Ибрагимов, А.Я. Самуилов, В.В. Янов, О.О. Сазонов, М.Ю. Охотников, О.И. Сапаев; М-во науки и высшего образ. РФ, Казан, нац. исслед. технол. ун-т. - Казань; Изд-во КНИТУ, 2022. - 43 с.
Лаборатория «Киберполигон технической и сетевой безопасности».
Достигнутые результаты: Открыт Киберполигон на базе отечественного программного комплекса «AMPIRE». «AMPIRE» предоставляет пользователю специализированное ПО для обнаружения следов компьютерных атак и инструменты для повышения уровня защищённости информационной системы, на которой проходит тренировка.
Отработка навыков выявления компьютерных атак. Киберполигон помогает решать различные задачи по выявлению угроз и разработке методов обеспечения информационной безопасности. Возможности киберполигона:
- Отработка навыков расследования инцидентов ИБ.
- Отработка навыков оценки защищённости элементов информационных сетей.
- Отработка взаимодействия между подразделениями.
- Отработка методических рекомендаций по нейтрализации компьютерных атак.
- Отработка превентивных мер по предупреждению компьютерных атак и инцидентов.
- Ampire позволяет моделировать типовые и специализированные информационные системы, активировать векторы компьютерных атак, характерные для внешнего и внутреннего нарушителей. Возможно использование базовых сценариев компьютерных атак, разработанных на основе реальных инцидентов, так создание собственных сценариев, для отработки действий различных подразделений промышленного предприятия.
- Отличительной особенностью киберполигона является его интеграция в сети с реальным оборудованием Yokogawa и Emerson.
Киберполигон используется для обучения студентов по программам
- 10.03.01. Информационная безопасность (бакалавриат)
- 10.05.05. Безопасность информационных технологий в правоохранительной сфере (специалитет)
- 10.04.01 Информационная безопасность (магистратура)
«Компьютерные сети» - в рамках проекта «Цифровые кафедры» - Сетевая образовательная программа с ФГБОУ ВО СибГУ им. М.Ф. Решетнева
Планируется разработка курсов повышения квалификации и переподготовки ИТ специалистов:
- Программа повышения квалификации «Повышения квалификации специалистов, работающих в области обеспечения безопасности значимых объектов критической информационной инфраструктуры».
- Профессиональная переподготовка "Информационная безопасность. Техническая защита конфиденциальной информации".
- "Работа с Astra Linux CE и SE. Администрирование Astra Linux CE и SE".
- Курсы Авторизованного учебного центра "АО «Лаборатории Касперского»
