СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

Дворецкий Станислав Иванович (topt@topt.tstu.ru)
д.т.н., профессор, проректор по научной работе
Майстренко Александр Владимирович (dsi@topt1.tstu.ru)
к.т.н., доцент, зам. директора Технологического института ТГТУ
Майстренко Наталья Владимировна (dsi@topt1.tstu.ru)
к.т.н., ассистент кафедры САПР
Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов

Аннотация
Рассматриваются проблемы преподавания IT-технологий, возникающие в процессе обучения студентов непрофильных специальностей в ТамбГТУ, а также дидактические проблемы использования разрабатываемой информационной системы интерактивного моделирования и оптимизации БХТС в курсовом и дипломном проектировании.

Разрабатываемые в настоящее время Государственные образовательные стандарты третьего поколения подготовки специалистов в области техники и технологии предусматривают изучение в качестве базовой дисциплины "Информатику". Содержание этой дисциплины охватывает практически все направления развития информационных технологий, однако, за отводимое в стандарте время навряд ли можно сформировать требуемые компетенции специалиста в этой области. В связи с этим необходимо усиление информационно-технологической подготовки студентов неинформационных специальностей за счет непрерывности, преемственности и достаточности информатизации учебного процесса, интеграции специальных и информационных дисциплин, формирования профессионально-ориентированной среды и единого информационного пространства. Система подготовки в ТамбГТУ бакалавров, инженеров и магистров представляет собой единый интегрированный комплекс, учитывающий особенности контингента обучаемых, целью которого является практическая реализация возможностей информатизации, компьютерных технологий и телекоммуникаций, компьютерного моделирования и оптимизации при подготовке квалификационной работы (дипломного проекта, бакалаврской и магистерской диссертации) и в профессиональной деятельности специалиста.

Компьютерное моделирование и оптимизация, в частности, биотехнологических и химико-технологических систем (БХТС) в условиях неопределенности к настоящему времени полностью доказали свою актуальность и перспективность. С их помощью удается проводить анализ и повысить эффективность действующих БХТС, сократить сроки их реконструкции и перепрофилирования, проектирования нового поколения гибких автоматизированных БХТС.

Первый этап в развитии компьютерного моделирования был связан с расчетом материальных и тепловых балансов, использованием наиболее полных и совершенных модулей для расчета технологических аппаратов и банка физико-химических свойств, отвечающего последним достижениям в химической технологии [1]. Была выработана общая концепция универсальной моделирующей программы для расчета БХТС, состоящей из организующей программы, библиотеки модулей для расчета химико-технологических аппаратов, банка физико-химических свойств и библиотеки математических модулей. В результате длительного процесса (1960-1980 гг.) из общего числа разработанных программ выделились четыре универсальные моделирующие программы, которые заняли лидирующее положение в мире: ASPEN PLUS, HYSIS, CHEMCAD и PRO/II. Указанные программы обладают обширными библиотеками технологических модулей, объемными банками физико-химических свойств и удобным для пользователя интерфейсом, что позволяет их широко использовать при проектировании новых и реконструкции действующих БХТС.

Начало второго этапа можно условно отнести ко второй половине 1980-х гг., когда в универсальные моделирующие программы были введены оптимизационные процедуры, и их стали применять не только для расчета материальных и тепловых балансов, но и для оптимизации стационарных режимов БХТС. Однако их использование для оптимизации носило редкий, в основном, исследовательский характер. Причина здесь кроется в значительно большей математической трудности оптимизационного расчета по сравнению с балансовым и в непривычности целевой функции оптимизации для разработчиков новых технологий и проектировщиков БХТС. Но главное принципиальное затруднение связано с наличием неопределенности в исходных данных, с которыми мы должны решать задачу оптимизации. Неопределенности практически всегда имеют место на этапе проектирования и часто - на этапе эксплуатации ХТС. Учет неопределенности информации требует как разработки новых математических постановок задач, так и новых подходов и методов их решения.

В настоящее время мы находимся в преддверии третьего этапа в развитии компьютерного моделирования, который отличается от первых двух тем, что при моделировании и оптимизации учитывается неполнота (неопределенность) информации о БХТС. Кроме того, на этом этапе приобретают решающее значение задачи автоматизации процесса подготовки, сбора и обработки больших объемов информации, в том числе графической, и максимального использования накопленных инженерных знаний при оптимизации и проектировании БХТС. Решение этих задач требует создания компьютерной среды для формализации профессиональных знаний и инструментальных средств, облегчающих и ускоряющих исследователям и проектировщикам процессы подготовки, сбора и анализа исходных данных, а также интерактивного моделирования, оптимизации и проектирования БХТС в условиях неопределенности. В традиционной схеме компьютерного моделирования компьютерная поддержка осуществляется только на стадии проведения вычислительного эксперимента, оставляя в стороне такие наиважнейшие стадии как построение математической модели функционирования БХТС, выбор экономичного алгоритма и составление программы, формализация и решение задач оптимизации, анализ и обработка результатов компьютерного моделирования и оптимизации БХТС.

На кафедре "Технологическое оборудование и прогрессивные технологии" разрабатывается информационная система интерактивного моделирования, оптимизации и проектирования БХТС с учетом неполноты и неточности (неопределенности) исходной физико-химической, технологической и экономической информации. Информационная система представляет собой электронную энциклопедию по процессам, машинам и аппаратам БХТС. Математическое обеспечение системы включает современные эффективные (быстродействующие) и надежные алгоритмы и программы: 1) моделирования, расчета и анализа гидродинамики потоков в технологических аппаратах, статических и динамических режимов и характеристик БХТС; 2) параметрической оптимизации режимных и конструктивных параметров БХТС в условиях неопределенности; 3) расчета прочности, показателей надежности и износостойкости деталей и узлов машин и аппаратов химических производств; 4) оптимального проектирования как отдельных технологических машин и аппаратов, так и сложных БХТС (синтез технологической схемы, выбор площадки строительства, компоновка технологического оборудования, трассировка трубопроводных и электрических коммуникаций и т.п.).

В докладе обсуждаются дидактические проблемы использования разрабатываемой информационной системы интерактивного моделирования и оптимизации БХТС в курсовом и дипломном проектировании Технологического института ТГТУ, при организации лекционных, лабораторных, практические занятий и самостоятельной работы студентов по таким традиционно сложным дисциплинам, как "Процессы и аппараты химических и пищевых технологий", "Машины и аппараты химических и пищевых производств", "Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования", "САПР", "Основы проектирования химических и пищевых производств" и др.