УДК:355.237/628.113/328
НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОБУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ЖКХ: АКВАТРОНИКА КАК КИБЕРФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
О.Ф. Долгов1,2.4,5, д.т.н., проф., Е.В. Шалобаев1-4, д.т.н., проф.
Т.А. Нигматулин1,4, к.т.н., доц., В.В. Артемьев1,5, к.т.н., доц.,
Н.Ю. Королев1,2, магистр,
1 International Academy of Fundamental Education (IAFE, Russia, St. Petersburg)
2 Академия жизнеобеспечения населения (АЖН, Россия, Санкт-Петербург)
3 Санкт-Петербургский университет информационных технологий, механики и оптики (Россия, Университет ИТМО)
4 Российский гидрометеорологический университет (Россия, Санкт-Петербург)
5 Институт повышения квалификации государственных и муниципальных служащих (Россия, Москва)
6 Инженерный центр «Технокон» (Россия, Санкт-Петербург)
В настоящее время происходит появление сложных технических систем обобщенного типа – киберфизических систем (КФС). Одной из таких систем является «акватроника», которая продолжает развитие таких систем как мехатроника, ее развития в микро- и наномасштабах, а также в направлениях авионики (мехатроника в аэрокосмической технике), автотроника (мехатроника в автомобильной технике) и т. п. При этом «акватроника» опирается на опыт развития указанных направлений и вместе с ними может быть рассмотрена частный случай обобщенной КФС. Методологические разработки и научные исследования, как в выполненные в частных системах могут быть использованы как при создании обобщенной КФС, так и при разработке частных систем, с другим физическим наполнением.
Ключевые слова: акватроника, киберфизическая система, обобщенная КФС, Индустрия 4.0; интернет вещей; большие данные; цифровизация, «умные» объекты (дом, город; электро- и теплоснабжение; производство и т.п.).
Введение. В настоящее время насущным требованием к подготовке и переподготовке специалистов в области ЖКХ является использование перспективных, прорывных технологий. Так до недавнего времени это были BIM-технологии управления технологическими процессами в строительстве и FIM-технологии для работ по эксплуатации жилого фонда, полученного от строителей [1], которые впервые базировались на цифровые платформы. В формулировках Градостроительного кодекса РФ используется аббревиатура ТИМ, т.е. технологии информационного моделирования. В цифровой модели, спроектированной с применением ТИМ, содержится информация о геометрии конструкций, включая сметы и документацию, для последующих этапов объекта, таких, например, как возведение и эксплуатация.
В середине 2010-х годах появилась такая технология управления процессами систем водоснабжения и водоотведения (СВВ), как «акватроника», которая касалась не только энергетики, промышленных предприятий, сельского хозяйства (в частности мелиорации, ирригации), но и ЖКХ. В принципе этим вопросам отводилось в последние годы большое внимание, в частности, при внедрении инновационных технологий в водоснабжения и водоотведения [2].
Впервые концепция «акватроники» была сформулирована в таких странах как Германия, Израиль и Бразилия. И это не случайно, так как именно в указанных странах уже давно есть ограничения в потреблении воды для населения. В России пионером в рассматриваемом направлении стал Крымский федеральный университет им. В.А. Вернадского из-за того, что именно здесь на полуострове проблемы водоснабжения, хотя были и ранее, но особенно обострились в 2014 году в связи с геополитическими проблемами [3].
Авторы публикации занимаются вопросами переподготовки и повышения квалификации в сфере ЖКХ [4,5], а также созданием ряда контрольно-измерительных приборов для определения параметров потоков жидкостей в системе очистки стоков [5], в которой используется некоторые технологии из систем «акватроника».
Основная часть. Процесс формирования КФС, в частности последней его модификации в виде «акватроники», происходил как продолжение таких технических систем как например, мехатронных систем (в том числе ее развития в микро- и наномасштабах). По мере развития своей предметной области мехатроника в аэрокосмической технике превратилась в авионику, в автомобилестроении – в автонику. При этом «акватроника» [2,3], естественно, опирается на опыт развития указанных направлений и вместе с ними представляет один из видов обобщенной КФС.
Киберфизическая система — информационно-технологическая концепция, подразумевающая интеграцию вычислительных ресурсов в физические сущности любого вида, включая биологические и рукотворные объекты. В киберфизических системах вычислительная компонента распределена по всей физической системе, которая является её носителем, и синергетически увязана с её составляющими элементами.
В 2006 г. термин «киберфизические системы» введен для обозначения комплексов, состоящих из природных объектов (вода), искусственных подсистем (трубопроводы, вентили, резервуары, насосное оборудование, сенсоры) и контроллеров (управляющих элементов) [7]. Отсюда КФС, связанные с водой и сточными водами как, собственно, для жилищно-коммунального хозяйства, так и для энергетики, промышленности и сельского хозяйства в целом (в частности, мелиорации, ирригации), стали именовать общим названием – «акватроника».
Именно с такими обобщёнными системами связана важнейшая проблема модернизации производства и экономики. Внедряемые информационные технологии и встроенные системы сами по себе, непосредственно, не производят материальные объекты. Изменив организацию управления, они дали возможность вынести производство в развивающиеся страны, но не повлияли кардинально на технологии создания продукта.
В итоге возникла зависимость Европы и США от стран Азии, на территории которых расположены основные производства, освобождение от которых стало одной из наиболее обсуждаемых тем в последнее время. Все чаще звучит идея обратного аутсорсинга, т.е. возвращения производства в западные страны (что частично было осуществлено в президентство Д.Трампа), но уже в новом виде экологичных автоматизированных фабрик, сводящих к минимуму тяжелый физический труд и способных работать при участии всего нескольких человек. Однако геополитика вновь вмешалась и возвращающиеся производства несколько изменили свою траекторию и предпочитают сейчас северную Америку.
Концептуальная модель киберфизической системы состоит из пяти уровней: физического, сетевого, хранилища данных, обработки и аналитики, уровня приложений.
Физический уровень. Этот слой состоит из датчиков, приводов, отслеживающих устройств и вычислительных элементов. В реальном времени контроллер собирает с датчиков данные и обрабатывает локально и/или передает их в облачное хранилище для дальнейшей обработки.
Сетевой уровень. Киберфизические системы могут получать доступ к киберпространству по различным сетевым протоколам (например, Wi-Fi, WiMAX, GPRS и технологиям 3G/4G/LTE), а также по облегченным протоколам (MQTT, CoAP, AMQP, Websocket, Node), которые используются для передачи данных с периферийных устройств в облако для дальнейшего хранения и обработки. Каждый протокол имеет свои преимущества перед другими в зависимости от скорости, задержки, пропускной способности, надежности, безопасности и масштабируемости.
Хранилище данных. Киберфизические системы (КФС/CFS) собирают много данных с объектов, расположенных на физическом уровне. Эти данные могут храниться как на локальном сервере, так и в облачном хранилище. Распределенное хранилище данных-это компьютерная сеть, в которой информация хранится на нескольких узлах, часто реплицируясь. обычно она специально используется для обозначения либо распределенной базы данных, в которой пользователи хранят информацию на нескольких узлах, либо компьютерной сети, в которой пользователи хранят информацию на нескольких узлах одноранговой сети.
Уровень обработки и аналитики. Уровень обработки и аналитики используется для обработки данных, используя имитационные модели (например, размерное моделирование). Используя SQL-запросы, можно генерировать отчеты, графики и дашборды, осуществляя мониторинг в режиме реального времени. Такие методы интеллектуального анализа данных, как кластеризация данных, классификация и регрессия могут использоваться для прогнозов и планирования. Также на этом уровне процессы мониторинга и управления могут быть направлены обратно на физический уровень для приведения в действие некоторых устройств и машин.
Уровень приложений. Этот уровень является пользовательским интерфейсом для конечных потребителей (операторов, производителей, сторонних поставщиков и поставщиков других услуг).
Приложения могут относиться к «умной сети», «умной фабрике», «умному зданию» или «умному городу», «умному транспорту» и «умному здравоохранению». Также они имеют удобный интерфейс, дающий возможность взаимодействовать с уровнями КФС на основе привилегированного доступа и приоритета.
КФС необходимо понимать в целом, как промышленные программно-продуктово-сервисные системы. Подобное представление говорит о том внимании к теоретическому формулированию проблем и к использованию системного подхода. К сожалению, до последнего времени еще зарубежные ученые задают определенную планку (в т.ч. стандарты, к которым необходимо двигаться).
Концепция КФС активно развивается и продолжает расширять области использования. В качестве относительно небольших объектов могут быть автоматизированы умные дома, офисы, транспорт, но также есть и крупные проекты, такие как умные города, промышленность. Все эти секторы имеют большое значение для общества. На сегодняшний день стоит задача не отставать от современных технологий, таких как Интернет вещей (в том числе киберфизические системы), большие данные, облачные вычисления, искусственный интеллект и др., поскольку эти технологии повышают качество жизни людей, их работы и производства.
КФС охватывают множество различных отраслей, сотрудничество с которыми позволит сделать их важной производственной силой. Эти системы имеют огромный потенциал и способны изменить каждый аспект жизни людей, помочь решить критически важные проблемы общества, превзойти современные распределенные системы по таким критериям, как производительность, безопасность, надежность, эффективность, удобство использования.
Несмотря на потенциал, существующие КФС несовершенны и предстоит решить еще множество задач по устранению существующих в них проблем, таких как разнородность данных, надежность, конфиденциальность, безопасность и др. Устранив неполадки в этих аспектах, киберфизические системы выйдут на новый принципиально уровень полезности и эффективности.
Рассматривая степень влияния КФС на жизнь людей, можно смело сказать, что именно эта концепция вкупе с используемыми вместе с ней технологиями связана с переходом России к индустрии 4.0.
Пример частичной реализации концепции «акватроники». Имеется опыт участия в разработке мониторинговой системы, контролирующей состав воды, в дождевой ливневой канализации группы аэродромов, на которых используются противообледенительные жидкости (ПОЖ). Если требуется, то проводить обезвреживание ПОЖ через инсенерацию с использованием технологий, разработанными рядом отечественных предприятий и организаций (например, ассоциацией «Социальное сотрудничество», «Социальная экология» и его партерами), что позволяет производит вторичное использование указанного выше водного ресурса в качестве «технической» воды.
Инженерный центр «Технокон», созданный специалистами Санкт-Петербургского Государственного университета информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) с целью внедрения на промышленных предприятиях современных оптических и оптико-электронных приборов для систем контроля и управления технологическими процессами.
Одним из главных направлений деятельности Инженерного центра «Технокон» являются промышленные рефрактометры для контроля концентрации жидких растворов в технологических процессах. Обладая большим опытом в области высокоэффективных рефрактометрических методов измерения концентрации жидких растворов, специалисты «Технокон» создали серию поточных промышленных рефрактометров, которые сочетают в себе высокую точность и универсальность лабораторных приборов с новым качеством — возможностью контроля концентрации в реальном времени непосредственно в технологических установках [6].
Внедряемые Инженерным центром «Технокон» передовые технологии контроля позволяют организовать эффективное управление жидкими технологическими потоками в пищевой, химической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности. Результатом является стабилизация качества продукции, снижение расхода сырья и энергии. Более 200 промышленных рефрактометров «Технокон», установленных на российских и зарубежных предприятиях, успешно помогают решать задачи повышения эффективности производства.
Поставляемые Инженерным центром «Технокон» анализаторы мутности жидких сред (мутномеры) применяются для непрерывного контроля мутности технических и сточных вод, а также измерения концентрации взвешенных частиц в жидкостях в целлюлозно-бумажной, химической, пищевой промышленности.
Проблема образования. В Крымском федеральном университете уже начали готовить специалистов по акватронике – науке об использовании компьютерной техники для решения проблем с водоснабжением. Прием абитуриентов для получения первичного образования по направлению «акватроника» начался уже осенью 2021 года. Ученые КФУ разработали и утвердили новый для России профессиональный стандарт «Специалист по акватронике» с учетом актуальных потребностей Крыма в обеспечении водой.
Сегодня остро встает проблема угасания существующих профессий в сфере водоснабжения и появления новых, соответствующих передовым технологиям и организации деятельности предприятий водопроводно-канализационного хозяйства. Последнее может быть очень привлекательным для молодого поколения, так как «акватроника» связана с IT-технологиями и с цифровизацией, с такими технологиями как аддитивные.
Акватроника как новое направление кадрового обеспечения водохозяйственного комплекса. Для понимания сути специальности в Таблице 1 приведен перечень основных дисциплин по специальности «акватроника» и их соотношение между собой.
Таблица 1. Перечень основных дисциплин по специальности «акватроника» и их соотношение между собой [3].
| Название учебной дисциплины | Удельный вес в % |
| Автоматизация и IT-технологии | 25 |
| Механика и строительство | 20 |
| Электротехника и электроника | 20 |
| Физика и химия (в т.ч. материаловедение) | 15 |
| Охрана окружающей среды, здоровья и управление безопасностью | 10 |
| Биология | 7,5 |
| Коммерция и экономика | 2,5 |
С точки зрения авторов доклада среди основных дисциплин должны присутствовать отдельной позицией — гидравлика, и насосная техника, а также дисциплины технологического цикла.
Конечно, переподготовку необходимо вести на основе первичного образования по какой-то специальности, однако, пока таких формально нет, то необходимо готовиться уже сейчас. В этой ситуации на помощь может прийти система повышения квалификации. Ведь в ЖКХ система водоканала существует и функционирует, поэтому основные понятия новых технологий необходимо доводить уже сейчас на понятийно-качественном уровне, как это было сделано при внедрении технологий информационного моделирования.
Заключение. Основной целью этой статьи является показать, что основные принципы проектирования киберфизических систем применимы к многим областям науки и техники, появившимся в последние 30 лет.
Важным выводом является и то, что в каждой из указанных выше частных (отраслевых) системах, разработанные ранее методические аспекты и научные наработки могут использоваться при дальнейших разработках. Иначе говоря, показана возможности идти как от частного к общему, так и от одного частного к другому частному.
Показан пример реализация КФС на примере «Акватроники» с использованием методологии и общих подходов как от общего к частному, так и от методических подходов, научных наработок из такой области науки и техники как «мехатроника». Именно такая постановка вопроса отличает фундаментальную науку от отраслевой.
Литература
1.Долгов О.В. BIM-технологии для жилищно-коммунального хозяйства / О.В.Долгов, [и др.] // Материалы 1-й Международной конференции «Научно-технический прогресс в жилищно-коммунальном хозяйстве. В 3-х ч. Ч.1. 3-4 октября 2019 г. Минск: изд-во БГТУ С.13-24.
2.Чернышев Л.Н. Эксплуатация интеллектуальных зданий требует профессиональной трансформации // Коммунальный комплекс России. 2021. № 11 (209), С.40-45.
3.Николенко И.В. Акватроника — новое направление кадрового обеспечения водохозяйственного комплекса // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2017. №11. С.4-13.
4.Долгов О.В., Шалобаев Е.В. Жилищное хозяйство и кадровый кризис Материалы 1-й Международной конференции «Научно-технический прогресс в жилищно-коммунальном хозяйстве. В 3-х чч. Ч.1. 3-4 октября 2019 г. Минск: изд-во БГТУ С.84-90.
5.Супранюк С.П. Стратегия кадрового обеспечения ЖКХ / С.П.Супранюк [и др.], // Коммунальный комплекс России. 2019. № 1. С.32-35.
6.Оптико-электронный измеритель скорости с инвариантными характеристиками помехоустойчивости / В.В. Артемьев, А.В. Смирнов, Е.В. Шалобаев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2009. № 3-2. С.77-81.
7.Ястреб Н.А. Индустрия 4.0: киберфизические системы, разумное окружение, Интернет вещей // Человек в технической среде. Сборник научных статей. Вологда: ВоГУ. 2015. С.136-141.
Статья рекомендована редакцией журнала.
Оригинал статьи опубликован:
Долгов О.В., Шалобаев Е.В. Новые направления обучения специалистов в области жилищно-коммунального хозяйства как киберфизическая система // Материалы 4-й Международной конференции «Научно-технический прогресс в жилищно-коммунальном хозяйстве». 3-4 октября 2022 г. Минск: изд-во БГТУ С.72-79.