Новое инженерное мышление: от ватмана до трехмерной геологической модели месторождения
Что ждет студента технического вуза через 5-10 лет? На этот вопрос уже сегодня отвечает Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, когда формирует стратегию формирования прикладных цифровых компетенций у своих воспитанников.
Веками инженеры для расчетов и испытаний различных конструкций использовали черчение и макетирование проектируемых объектов. Но в современном мире, где цифровые двойники месторождений углеводородов определяют оптимальные стратегии их разработки, а модели оборудования отражают его текущее состояние, прогнозируют износ компонентов и предлагают оптимальные графики техобслуживания, кульман воспринимается как анахронизм.
Конструкторы и проектировщики работают с интеллектуальной 3D-средой, которая позволяет с использованием программного обеспечения и математических алгоритмов создавать виртуальные представления объектов, процессов или систем, оптимизировать их и повышать эффективность работы всей организации.
Главным вызовом на этом пути остается дефицит кадров, причем не «айтишников» широкого профиля, а инженеров, глубокие отраслевые знания которых сочетаются с навыками применения цифровых решений.
Санкт-Петербургский горный университет в рамках реализации пилотного проекта совершенствование системы высшего образования готовит подобных специалистов для геологии, горной промышленности, нефтегазовой отрасли и других профильных направлений вуза.
«Цифровые технологии стали частью повседневной профессиональной среды и применяются для решения реальных задач: анализ данных, автоматизация процессов, визуализация сложных систем и принятие обоснованных решений. Почти все процессы, от проектирования до производства и эксплуатации, происходят в цифровой среде: через CAD-системы, симуляции, облачные платформы. Поэтому мы говорим о необходимости не просто получения студентами отдельных навыков, а масштабной стратегии формирования прикладных цифровых компетенций, которая идет сквозь весь период обучения в университете. От классической начертательной геометрии и инженерной графики студент проходит путь через математическое и геометрическое моделирование к созданию реалистичных 3D-моделей объектов, релевантных его будущей профессии. Условно экологи моделируют очистительное оборудование, строителя – здания и сооружения, нефтяники – объекты промысловой инфраструктуры. Моделирование учит студентов думать системно, видеть связи между элементами, прогнозировать последствия решений, экспериментировать в безопасной среде, не рискуя ресурсами или временем. Это навык развивает пространственное мышление и аналитические способности», — отмечает заведующая кафедрой прикладных компетенций в области цифровых технологий Любовь Николайчук.
Компетенции интегрируются в обучение с первого курса и адаптируются под каждую специальность. Практико-ориентированная, междисциплинарная модель формирования цифровых навыков реализуется последовательно.
Семен Тихонов поступил в этом году на геологоразведочный факультет, и как более 2000 других первокурсников Горного изучает начертательную геометрию и техническое черчение.
«У кого-то из ребят возникает вопрос: зачем в цифровом мире получать эти знания и навыки? Проектировщики строят модели преимущественно в программах AutoCAD, Компас-3D или SolidWorks. С другой стороны, они настолько привыкают к автоматизированным инструментам, что иногда оказываются не в состоянии изобразить объект на бумаге в объеме, если их этому не учили изначально. А если ПО вдруг станет недоступным по каким-то причинам? В наши дни в школьной программе отсутствует такой предмет как черчение, изучение пространственных структур и их отношений ограничивается геометрией. Но я изначально понимал всю важность «начерталки» для инженерной специальности. Поэтому еще в 11 классе начал заниматься дополнительно с репетитором в онлайн-формате. Поступив в университет, я уже был знаком с такими понятиями как следы плоскости и геометрическая перспектива, что позволило чувствовать себя увереннее на первых занятиях. Сегодня мы учимся представлять статичные предметы и более сложные конструкции в понятной форме. Эти знания станут крепким фундаментом для освоения программ цифрового моделирования в перспективе», — поделился ожиданиями студент Семен Тихонов, обучающий по профилю подготовки «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания».
В течение первых двух лет будущие инженеры в обязательном порядке постигают модули Базовая и Прикладная цифровая компетенция, куда помимо лекций и практических занятий входят учебные практики и дополнительная профессиональная компетенция (ДПК) — «Программы цифрового моделирования объекта».
Итогом цикла становятся умение мыслить объемно, пользоваться программами и создавать цифровые решения с использованием профессиональных инструментов. Студенты выполняют типовые операции в цифровой среде, находят, визуализируют и анализируют информацию, оформляют техническую документацию и, главное, защищают собственный проект – 3D-модель сборочной единицы.
Начиная с третьего курса, молодые люди имеют возможность освоить программу ДПК «Анализ и моделирование инженерных систем», а также специализированную компетенцию по профилю – от цифрового бурения до моделирования горных массивов или автоматизированных систем управления производством.
«Моя специальность «Электрофикация и автоматизация горного производства» напрямую соприкасается с системами автоматизированного и цифрового проектирования, а конкретно: MATLAB, SIMULINK, Компас-3d, AutoCAD. В дальнейшем на производстве я столкнусь с этими программами, и обучение цифровым компетенциям в вузе поможет мне подготовиться к рабочим задачам, которые меня будут ждать. Например, в SIMULINK и AutoCAD производится построение электрических сетей, их проектирование, тестирование и разработка. Если бы я получал высшее образование в другом вузе, где такой образовательной программы не предусмотрено, эти знания пришлось бы получать в самостоятельном режиме по средствам покупки курса повышения квалификации. Это намного сложнее, чем изучать новые технологии планомерно в рамках ДПК. Предприятия же не тратят время и деньги на дополнительную подготовку потенциального сотрудника и выбирают того, кто уже владеет этими навыками. То есть цифровая грамотность является очень важным конкурентным преимуществом в отрасли, которое напрямую отражается даже не столько на заработной плате, сколько на самой возможности попасть в компанию. Придя на практике в отдел разработки в организацию, которая занимается релейной защитой, я столкнулся с тем, что без знания SIMULINK и AutoCAD в компании для инженера просто нет будущего», — объяснил студент 3 курса энергетического факультета Валерий Шехунов.
Подтверждает критическую важность фундаментальной подготовки в эпоху цифровой трансформации горной отрасли и главный эксперт по планированию подземных горных работ АО «СУЭК» (крупнейшей угледобывающей компании России), выпускник Санкт-Петербургского горного университета Андрей Сидоренко:
«Риски подземной угледобычи существенно превышают уровень других добывающих отраслей из-за уникального сочетания геологических, технологических и экономических факторов. Наше управление ежедневно решает задачи LOM-планирования (Life of Mine), где неопределенность является фундаментальной характеристикой.
Современное планирование горных работ невозможно представить без комплексного компьютерного моделирования. Цифровой инструментарий включает целый спектр специализированных систем. Мы создаем трехмерные геологические модели в горно-геологических информационных системах (ГГИС) Micromine и Vulcan, проводим геомеханическое моделирование в Fidesys для обоснования порядка отработки пластов, моделируем дегазацию в тНавигатор, оптимизируем вентиляционные сети в Вентиляция 2.0 и, наконец, осуществляем комплексное планирование в современных системах планирования XPAC и Micromine Spry.
Но парадокс цифровизации заключается в том, что чем сложнее становятся инструменты, тем важнее фундаментальное понимание физических процессов. Компьютерная модель – лишь инструмент в руках инженера. Без пространственного мышления, заложенного еще на занятиях по начертательной геометрии и инженерной графике, невозможно осуществить рациональную раскройку шахтного поля. Без глубокого понимания геомеханики — корректно интерпретировать результаты моделирования зон повышенного горного давления. Без знания аэрогазодинамики – оптимизировать схемы проветривания и дегазации. Цифровые технологии позволяют интегрировать эти знания в единую систему принятия решений.
Именно синтез классического образования и современных технологий делает выпускников Горного университета востребованными специалистами».
В практике планирования требуется слаженная работа кросс-функциональной команды, где каждый эксперт должен не только владеть специализированным ПО, но и понимать суть моделируемых процессов, видеть их взаимосвязь в масштабе всей технологической системы шахты. Знания, полученные в Горном университете, позволяют Андрею Сидоренко не просто координировать эту работу, но и постоянно совершенствовать методологические подходы, развивая компетенции всей команды.
«Цифровизация горного производства – это не замена инженерного мышления алгоритмами, а его усиление современными вычислительными возможностями. Поэтому путь от ватмана до трехмерной геологической модели месторождения, от кульмана до параметрического проектирования – это эволюция инструментов при сохранении фундаментальной роли инженерных компетенций, формируемых классическим горным образованием», — подчеркнул выпускник Горного.
В результате сквозного подхода к обучению формируется новая профессиональная компетенция (роль) – «Оператор прикладных цифровых систем», а к выпуску студент уже готов подтвердить владение дополнительной квалификацией «Инженер цифровых технологий в профессиональной деятельности». Общий объем образовательной программы за весь период обучения насчитывает 648 часов.