От математической модели – к идеальному производству

Дальневосточный исследователь совершенствует управление технологическими процессами

     Светлана Александровна Шевлягина – старший научный сотрудник лаборатории систем управления технологическими процессами (№62) Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук, кандидат технических наук. Занимается идентификацией сложных нелинейных объектов, моделированием технологических объектов и разработкой программно-алгоритмических комплексов для систем управления непрерывными технологическими процессами. Лауреат стипендии Правительства Российской Федерации для студентов и аспирантов, обучающихся по приоритетным направлениям подготовки (2018), лауреат стипендии нефтегазовой компании British Petroleum (2017, 2018).

Путь в академическую науку

Изначально профессионально заниматься чистой наукой не входило в её планы, было интересно решать задачи, имеющие практическое значение. Так выпускная бакалаврская квалификационная работа Светланы, выполненная в Дальневосточном федеральном университете под руководством старшего преподавателя Анны Михайловны Заболотной, решала один из вопросов использования отходов сельскохозяйственных культур.

– Она многому меня научила: начиная от планирования, подготовки и проведения экспериментов, заканчивая написанием тезисов, подготовкой докладов и выступлений на конференциях.

Во время подготовки выпускной квалификационной работы в магистратуре ДВФУ, а затем диссертационной работы «Разработка виртуальных анализаторов для системы управления массообменными технологическими процессами производства метил-трет-бутилового эфира», моим руководителем стал доктор технических наук, доцент Андрей Юрьевич Торгашов, заведующий лабораторией, в которой я сейчас работаю, открывший для меня интересные задачи, решения которых востребованы на производстве», – рассказывает о себе Светлана Александровна.

Как построить модель процесса

Особый интерес Светланы вызывает моделирование технологических объектов со сложными нелинейными процессами, в нём нашли применение и технологии машинного обучения. В планах – поработать в области цифровых двойников – создавать цифровые копии физических объектов или процессов, помогающие предприятиям оптимизировать технологии, быстрее обнаруживать проблемы, точнее предсказывать результаты процессов, производить более качественные продукты.

– Для построения моделей мы используем данные, которые не всегда информативны из-за сбоев в датчиках или из-за недостаточной ширины их рабочего диапазона. Использование некорректных данных приводит к ошибкам при построении математических моделей. Для улучшения возможностей модели, независимо от метода её построения, нами был предложен гибридный подход, основанный на интеграции фундаментальных знаний о процессе с данными рабочих измерений. Сначала осуществляется моделирование исследуемого объекта, определяются условия использования имитационной модели объекта, и генерируется новый набор данных, который объединяется с исходным, и используется для машинного обучения. Использование гибридного подхода позволяет получить математическую модель, демонстрирующую лучшее прогнозирование, – говорит о своих исследованиях Светлана Шевлягина.

С.А. ШЕВЛЯГИНА выступает с докладом – 5th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency, 8-10 ноября 2023 год

Какие модели нужны предприятию?

Одно из основных направлений исследований лаборатории, где трудится Светлана, – анализ и синтез систем усовершенствованного управления технологическими процессами (СУУТП), теории оптимального управления. Каждый сотрудник: программист, математик или технолог находит применение своим компетенциям в решении задач, стоящих перед коллективом лаборатории.

– Я занимаюсь моделированием технологических объектов; построением прогнозирующих моделей, которые могут быть интегрированы в системы усовершенствованного управления на производствах. Эти системы позволяют оценивать качество выходных продуктов, своевременно реагировать на технические сбои оборудования и оперативно настраивать режимы функционирования установки оптимальным образом для достижения наилучшей производительности и сокращения затрат сырья, энергии.

Сотрудники лаборатории систем управления технологическими процессами (№62) (слева направо): к.т.н. С.А. ШЕВЛЯГИНА, д.т.н., доцент А.Ю. ТОРГАШОВ, к.т.н. И.С. МОЖАРОВСКИЙ, Д.А. РЫЧКОВ, к.т.н. О.Ю. СНЕГИРЁВ, 2021 год

Зачем СУУТП в производстве МТБЭ?

Почему и насколько важна автоматизация технологического процесса, Светлана поясняет на примере производства метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ).

– Метил-трет-бутиловый эфир является высокооктановым компонентом присадки, то есть его смешивают с бензинами для повышения или корректировки октанового числа топлива. В готовом продукте марки А, согласно техническим условиям производства, массовая доля МТБЭ должна быть не менее 98%. Процесс производства МТБЭ осуществляется за счёт взаимодействия метанола и изобутилена в реакторе с катализатором. При его производстве особое внимание уделяется выбору соотношения изобутилен-метанол. Неправильно заданный расход метанола относительно расхода изобутилена приводит к перерасходу исходного сырья, получению побочных продуктов, недополучению конечной продукции и снижению её качества.

Производственников выручит использование системы усовершенствованного управления технологическими процессами (СУУТП), которая позволяет снизить риск получения брака, более точно подавать на синтез требуемое количество метанола, достичь более качественной стабилизации содержания МТБЭ марки А, избежать необоснованных затрат.

 На защите диссертационной работы «Разработка виртуальных анализаторов для системы управления массообменными технологическими процессами производства метил-трет-бутилового эфира», 25 сентября 2020 год

С какими трудностями пока не удалось справиться?

Одна из основных проблем при моделировании технологических процессов, о которых было упомянуто выше – это описание кинетических параметров побочных реакций, сведений о потере свойств катализатора. Светлана надеется, что рекомендации и помощь научного руководителя Андрея Юрьевича Торгашова позволят успешно справиться и с этими задачами.

Подготовка кадров и общественная работа

Помимо основной работы в институте, Светлана Александровна ведёт в ДВФУ две дисциплины: «Современная теория управления» и «Средства автоматизации и управления». Помогает студентам развивать творческое мышление, сформировать у них исследовательскую и проектную компетенции. Руководит магистерскими работами студентов, рецензирует выпускные квалификационные работы в ДВФУ, связанные с теорией управления и средствами автоматизации.

Времени и сил Светлане хватает и на общественную деятельность. Она руководит работой Совета молодых учёных ИАПУ ДВО РАН, в частности, организует экскурсии для школьников с целью популяризации науки и вовлечения в научно-техническую деятельность, оказывает содействие молодым учёным в решении жилищных и других вопросов.

Награждение лауреатов стипендии и грантодержателей крупнейшей нефтегазовой компании мира ВР (Brirtish Petroleum), 14 мая 2018 год

Заглядывая в будущее

В планах Светланы, – преподавая в университете, заинтересовать способных и талантливых студентов в работе по тематикам и в стенах ИАПУ. А ещё хотелось бы стать грантодержателем РНФ, решить большую научную проблему и защитить докторскую диссертацию.

И в завершение истории о Светлане, – традиционное пожелание накануне весеннего праздника:

– В первую очередь – это, конечно, здоровья. Опубликования работ в высокорейтинговых журналах, хороших цитирований, высокого Хирша, поддержанных грантов и хоздоговоров.

Фото из личного архива Светланы ШЕВЛЯГИНОЙ

Высокий результат, к которому пришли дальневосточные учёные

В научных подразделениях ДВО РАН

О новом пути воспроизводства ценнейшего ресурса – камчатских крабов было рассказано на международной конференции в Китае

В начале года в китайском городе Санья, на южном острове Хайнань, прошла третья Международная конференция семеноводческой отрасли – индустрии производства посадочного материала. Китайские и зарубежные специалисты, учёные обсудили трансформацию агропродовольственной системы, сложившуюся ситуацию в семеноводческой отрасли, применение цифровых технологий, результаты исследований по созданию зародышевой плазмы и другие первостепенные задачи.

Конференция была организована Муниципальным народным правительством города Санья, Китайской ассоциацией содействия международному сельскохозяйственному сотрудничеству, Китайским обществом растениеводства, Ассоциацией науки и технологий провинции Хайнань и Международной конгрессно-выставочной группой World Letter. В престижном форуме приняли участие более 1000 китайских и зарубежных учёных – представителей семеноводческой отрасли. Выступавшие сосредоточили внимание на инновациях в области зародышевой плазмы, биологической селекции, высокопродуктивном генном анализе и ряде других актуальных направлений.

Большая часть докладов была посвящена сельскохозяйственным культурам, таким, как рис, пшеница, кукуруза, фасоль, используемым в пищу людьми и широко применяемым в животноводстве. Так же речь шла о птицеводстве и аквакультуре, получении молоди, мальков. Российские участники, представляющие морские исследования, участвовали в такой конференции впервые. На секции по получению молоди животных выступил Сергей Иванович Масленников, руководитель Центра аквакультуры и прибрежных биоресурсов ННЦМБ ДВО РАН, кандидат биологических наук. Он прочитал доклад о получении и подращивании молоди камчатского краба, заинтересовавший многих участников конференции. Почему? – отвечает на наши вопросы и делится своими впечатлениями от конференции Сергей Иванович.

Воспроизводство камчатского краба крайне важно

– В Китае, в том числе и на острове Хайнань, в морских ресторанчиках представлены блюда из таких ракообразных, как креветки, омары, крабы-плавунцы, лангусты. Можно встретить даже живых камчатских крабов, но заказывают еду из них редко. Для китайцев это очень дорогой продукт.

Мой доклад вызвал большой интерес, поскольку исследования оказались успешны и направлены на воспроизводство столь ценного пищевого ресурса. Участники конференции подходили с вопросами по организации наших работ, говорили, что могут посодействовать продвижению наших достижений, например, в публикациях результатов исследований, их представлении на своих площадках.

Реакция на доклад была положительной, высказан интерес и намерения к сотрудничеству, и это не может не радовать.

Чем отличалась эта конференция от предыдущих?

В выступлениях докладчиков был продемонстрирован высочайший уровень развития биотехнологий по управлению геномом свиньи, коровы, в части исследований ряда заболеваний, в клонировании – получении клеточных культур. Например, сейчас научились получать мясо свинины «в пробирке».

В основном, докладывали китайские исследователи, также были приглашены иностранные участники. Некоторые из них делали доклады, другие были экспертами, почётными гостями.

Поскольку исследования и производство в данной отрасли тесно связаны, на конференции было заметно повышенное внимание бизнеса к научным достижениям. Крупные корпорации не только проводят собственные исследования, но также плотно сотрудничают с научными институтами, университетами. Хорошо налажена система подготовки и непрерывного повышения квалификации кадров. Всё положительное, что уже было в СССР, и мы пытаемся восстановить, в Китае своевременно переняли и активно используют в интересах развития страны.

«Применяем подход, отработанный на марикультуре»

В 2023 году коллеги Сергея Ивановича Масленникова выпустили наибольшее за последние годы количество молоди краба. Жизнестойкость мальков изучают в аквариальной, исследования идут постоянно, ставятся новые задачи.

– О каких результатах вы рассказали в своём докладе на конференции в Санье?

– Интересно, что подход, отработанный на марикультуре, моллюсках и водорослях оказался очень полезен при работе с крабами, – рассказывает Сергей Иванович. – Речь об опыте, накопленном ещё с начала моей научной деятельности в Институте биологии моря ДВО РАН и успешно применённом сейчас. Проект по воспроизводству камчатских крабов интегрировал результаты многолетних гидробиологических исследований. И, в первую очередь, это, конечно, результаты, изложенные ещё в кандидатской диссертации. Сейчас видно, что эти данные, например, по температурному режиму водной массы оказались очень востребованы. Без их использования не было бы успешного понимания результатов исследований с крабами.

Что происходит с природными запасами крабов?

Недавно, в издательстве Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (Москва, 2023), вышла книга коллег из ВНИРО: А.И. Буяновский, Д.О. Алексеев, Д.О. Сологуб, В.А. Бизиков «Динамика запасов и регулирование промысла крабов в морях России», где авторы обобщили опыт прогнозирования запасов краба. Эта монография основана на новейшей истории добычи краба в России в 1990-е, 2000-е, 2010-е годы. В ней рассказано о снижении запасов крабов под воздействием промысла в Японском море, на юге Охотского моря, а также и о депрессиях самых мощных скоплений крабов в центрах воспроизводства на Западной Камчатке.

В книге для повышения надёжности оценок допустимого изъятия крабов предложена новая методология оценки состояния запасов, основанная на индикаторном подходе с использованием скорректированного индекса запаса. Представлена динамика промысловой биомассы эксплуатируемых единиц запаса с 2013 по 2021 год. Полученные данные должны способствовать совершенствованию правил регулирования промысла крабов. В качестве дополнительных мер регулирования предлагается использовать критические и опорные уровни допустимого изъятия, а также долю вылова от доступного запаса. Таким образом, поддерживание запасов крабов не предусматривает их искусственного воспроизводства.

– Насколько эффективны исключительно запретные меры для поддержания и восстановления морских запасов?

– Спустя более 30-ти лет запретов выяснилось, что их недостаточно. Запреты не позволяют восстановиться промыслу в прежних объёмах. Я это отмечал и в докладе на конференции: запрет промыслов не привёл к восстановлению запасов. Под действием промысловых усилий они просто рухнули – произошла депрессия. Одни только запреты уже не работают.

Что же делать?

– Необходимо активное воспроизводство крабов. Наши результаты показывают: это вполне возможно, выгодно, этому нет непреодолимых технологических препятствий. Я об этом писал ещё в 1996 году. Тогда же была получена премия губернатора Приморского края за проект, интегрированный в развитие марикультуры, – констатирует Сергей Иванович. – К сожалению, системных мер поддержки развития марикультуры таких, как в сельском хозяйстве, например, пока что нет.

В ННЦМБ ДВО РАН ведётся системная непрерывная работа на двух площадках. Уточняются режимы кормления, содержания, доращивания крабов, повышается выживаемость молоди, процесс воспроизводства «подопечных» становится эффективнее и продуктивнее. В группу «крабоводов» вливаются талантливые энергичные специалисты, работа по проекту выходит на новый уровень.

Проект воспроизводства крабов, анонсированный Сергеем Ивановичем Масленниковым тридцатилетие назад, доказал, что он имеет под собой реальную основу. Сегодня его можно внедрять, масштабировать и получать отдачу в виде роста промысловых запасов.

Фото из личного архива Сергея МАСЛЕННИКОВА