Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

"Дальневосточный федеральный университет"

Департамент нефтегазовых технологий и нефтехимии

Системы и оборудование экологической безопасности на объектах нефтегазового комплекса

Отчет

по практическому занятию

на тему

"Цифровые системы ЭБ ОНГО. Квантовые технологии"

Выполнили студенты

О.Е. Смолякова, Мартыненко В.А.

Серпов А.И.

Проверила ст. преподаватель

Н.А. Самко

Владивосток 2022

Введение

В настоящее время цифровая трансформация нефтегазовой отрасли предполагает новую парадигму развития, предусматривающую переход к малолюдным, а в перспективе и к безлюдным технологиям добычи и переработки углеводородов на основе цифровизации и роботизации рабочих процессов, особенно в опасных зонах. А также обеспечение безопасности с помощью цифровых технологий на объектах нефтегазового комплекса.

Квантовые технологии

Квантовые технологии - это технологии, позволяющие управлять коллективными квантовыми явлениями, подразумевающими взаимодействие на уровне потоков частиц, полей и различных сред (основаны на квантовой механике).

Квантовые технологии способны вывести на новый уровень обработку больших данных и повысить скорость работы алгоритмов машинного обучения, что простимулирует развитие искусственного интеллекта.

Субтехнологии группы "Квантовые технологии":

1) квантовые вычисления;

2) квантовые коммуникации;

3) квантовые сенсоры и метрология.

Развитие квантовых вычислений связывается с созданием квантовых компьютеров как устройств, использующих явления квантовой механики для передачи и обработки данных. В отличие от обычного компьютера квантовый компьютер оперирует не битами (способны принимать значение "0" или "1"), а кубитами (одновременно "0" и "1"), что позволяет ему обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами. Квантовый компьютер будет способен дать многократное ускорение по сравнению с уже существующими суперкомпьютерными технологиями, что принципиально для сферы кибербезопасности, искусственного интеллекта.

Квантовые коммуникации - это технологии криптографической защиты информации, использующие для передачи ключей индивидуальные квантовые частицы.

Квантовые сенсоры и метрология включают совокупность технологий по созданию и функционированию высокоточных измерительных приборов, основанных на квантовых эффектах. Высокая степень контроля над состоянием отдельных микроскопических систем позволяет создавать сверхточные квантовые сенсоры с пространственной разрешающей способностью, сравнимой с размером одиночных атомов.

Квантовые технологии в НГК

Квантовые вычисления. Ажиотаж вокруг квантовых вычислений настолько велик, что некоторые люди думают о них как о замене традиционных компьютеров. Однако это заблуждение. Свойство суперпозиции кубитов, о котором упоминалось выше, действительно дает квантовым вычислениям некоторые уникальные преимущества, которых нет у традиционных вычислений. Проще говоря, оно позволяет квантовым компьютерам быстро решать определенные классы задач, на решение которых классическим компьютерам потребовались бы годы.

В настоящее время с их помощью решаются отдельные классы задач, в частности, проблемы оптимизации, одной из которых является решение классической "задачи коммивояжера". Это важная задача транспортной логистики, отрасли, занимающейся планированием транспортных перевозок. Коммивояжеру, чтобы распродать нужные в хозяйстве товары, следует объехать n пунктов и в конце концов вернуться в исходный пункт. Требуется определить наиболее выгодный маршрут объезда. В качестве меры выгодности маршрута может служить суммарное время в пути, суммарная стоимость дороги или, в простейшем случае, длина маршрута.

Число нефтегазовых предприятий, для которых эта проблема актуальна, продолжает расти и классическим компьютерам все труднее найти оптимальное решение. Квантовые компьютеры оказались очень полезными для этих классов задач, что делает целесообразным их применение в таких областях, как анализ рисков, моделирование погодных условий, новые типы шифрования, неструктурированный поиск и модернизация глубоких залежей нефти и газа.

Сегодня для квантовых вычислений применяется два типа машин: схемотехнические компьютеры (они же универсальные квантовые компьютеры) и адиабатические компьютеры. Универсальные квантовые компьютеры состоят из логических схем и работают по тем же принципам логики, что и классические компьютеры. Следовательно, их применяют для решения вычислительных задач, которые пополняют общую базу знаний.

В настоящее время квантовые вычисления только ведряются в нефтегазовый сектор, но можно сказать что, высокую эффективность в решении производственных задач предприятий ТЭК демонстрирует цифровой продукт Росатома для инженерного анализа и суперкомпьютерного моделирования. Он создан ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (входит в состав Госкорпорации "Росатом") и в настоящее время состоит из пяти модулей: "Логос Аэро-Гидро" (предназначен для моделирования процессов в воздушной и водной средах), "Логос Тепло" (используется для оценки тепловых характеристик и режимов деталей и узлов), "Логос Прочность" (применяется для решения статических и динамических прочностных задач), "Логос Гидрогеология" (предназначен для решения задач водного баланса территорий и моделирования экологических процессов в сложной геологической среде) и "Логос Платформа" (обеспечивает интеграцию на единую платформу вычислительных модулей "Логос" и ПО класса САЕ от различных российских разработчиков).

Примером соединения цифровых решений Росатома с прикладной и инженерной экспертизой нефтегазовых компаний является внедрение программно-вычислительного комплекса "ВОЛНА" (создан "РФЯЦ ВНИИТФ" в сотрудничестве с ПАО "Газпром") на газотранспортных предприятиях Газпрома.

Новые возможности Росатома, связанные с реализацией дорожной карты развития высокотехнологичной области "Квантовые вычисления", позволяют применять квантовые вычисления для решения задач нефтегазовой отрасли, в том числе - оптимизационные задачи, задачи моделирования новых материалов и сложных физических процессов, а также задачи искусственного интеллекта. И Росатом предлагает следующие ПО.

САЕ-системами (Computer-Aided Engineering) называется программное обеспечение, предназначенное для расчётов, анализа и симуляции физических процессов в решении инженерных задач. Они позволяют при помощи расчётных методов моделировать "поведение" промышленных изделий в реальных условиях эксплуатации.

CAD-системами (Computer-Aided Design) называется программное обеспечение, предназначенное для автоматизированного проектирования. Представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.

Квантовые сенсоры и метрология

Квантовые технологии также привлекательны в области датчиков и измерений. В отличие от квантовых вычислений, где практические примеры использования все еще находятся на стадии исследования, в этих областях есть готовые промышленные продукты. В квантовой связи применяются потоковые фотоны. Технология позволяет убедиться, достигли ли получателя потоки одиночных фотонов, которые подаются в непрерывном режиме. Их невозможно разделить, измерить, скопировать или незаметно убрать. Из-за подобных действий фотон просто разрушается и не может дойти до своего получателя, что позволяет обеспечить безопасную связь.

Кроме того, квантовые датчики могут применяться в областях, где существует необходимость в высокоточных измерениях гравитации, электрических полей, времени, положения и магнитного поля.

Одним из лидеров внедрения информационных технологий и автоматизации процессов нефтепереработки в России является компания "Газпром нефть". В частности, на НПЗ компании активно используются виртуальные анализаторы качества - математические модели, позволяющие прогнозировать качественные показатели без их фактического замера, на основании ранее выполненных лабораторных тестов. Качественно новым уровнем автоматизации станет переход на централизованное управление производством

Омский нефтеперерабатывающий завод, которым владеет "Газпром нефть", внедряет систему цифрового управления производством, позволяющую в автоматическом режиме с помощью более 4 тыс. датчиков собирать и обрабатывать информацию обо всех параметрах работы комплекса, отслеживать изменения и предотвращать нештатные ситуации, что минимизирует риски возникновения аварий и нештатных ситуаций.

Также QLM Technology (Великобритания) разработала сверхчувствительный атмосферный лидар с квантовым однофотонным детектором, способный визуализировать и количественно определять утечки метана при добыче и использовании нефти и природного газа, что позволит избежать аварий на объектах нефтегазовой отрасли.

Проект поддерживается компаниями BP, National Grid, AMETEK Land и правительством Великобритании, а лидар стал одним из первых коммерческих продуктов в рамках национальной программы квантовых технологий Великобритании. Первая версия лидара доступна для коммерческих испытаний уже в этом году, а тесты камер, установленных на беспилотных летательных аппаратах, начнутся в 2022 году.

Использование IT-технологий на трубопроводном транспорте позволяет повысить безопасность, оптимизировать логистику и уменьшить эксплуатационные затраты. Моделирование процессов, оперативная диагностика состояния магистралей расширяют возможности принятия и реализации упреждающих и точных решений.

Квантовые коммуникации

В условиях технологической революции хакеры развиваются параллельно с инновационными решениями в кибербезопасности. Однако инженеры, математики и физики активно работают над новыми способами квантового шифрования. Разбираем основные достоинства и трудности в реализации такой защиты.

Существует два метода, позволяющие крупномасштабным квантовым и классическим компьютерам скрыть конфиденциальную информацию.

· Метод №1: восстановление ключа, сгенерированного на этапе согласования ключей.

· Метод №2: прерывание алгоритма шифрования.

Квантовое распределение ключей (КРК) - это квантовый криптографический низкоуровневый алгоритм, предназначенный для генерации неразрывных ключей. КРК обеспечивает согласование ключей, включая известные протоколы BB84 и E91. В 2017 году китайская команда доказала возможность безопасной передачи данных между спутниками с помощью симметричной криптографии и КРК.

Тем не менее, КРК самостоятельно не может удовлетворить все требования защиты. Однако существуют и другие механизмы повышения безопасности за счет использования "квантово-безопасных" алгоритмов шифрования. Они основываются на решении математических задач, а не на законах квантовой физики. квантовый безопасность алгоритм

Исследователи и аналитики стремятся к разработке безопасного квантового шифрования. По данным American Scientist, Национальный институт стандартов и технологий США в настоящее время исследует 69 новых методов, известных как постквантовая криптография.

Современные квантовые технологии все еще очень эффективны в повышении конфиденциальности и безопасности связи. Что позволяет многим нефтегазовым компаниям защитить свои данные, тем самым ограничить ее утечку и минимизировать риски возникновений аварий.

Заключение

Квантовые технологии все чаще находят практическое применение не только в финансах, логистике и медицине, но и в нефтегазовом секторе. В нефтегазовой отрасли, играющей ключевую роль в экономике страны и обладающей колоссальными, но не реализованными пока возможностями, объединение традиционного багажа опыта, навыков и знаний с новыми инновационными решениями на базе современных информационных технологий способно обеспечить колоссальный синергетический эффект и повысит безопасность и экологичность данного сектора.

Список литературы

1. А.Н. Дмитриевский, Н.А. Еремин. Цифровая модернизация нефтегазовой экосистемы. 2018. // Актуальные проблемы нефти и газа, 2018, №2 (21), с.1-12.;

2. Zaini, M. Z., Du, K., Zhu, M., Feng, L. J., Yang, H. H., Wei, L., & Liu, Y. (2019, March 22). Yanbei-Unlocking the Tight Gas Green Field Development Potential Through Integrated Technology Application. International Petroleum Technology Conference.;

3. Еремин Н.А., Дмитриевский А.Н., Тихомиров Л.И. Настоящее и будущее интеллектуальных месторождений. // Нефть. Газ. Новации. 2015. № 12. С. 44-49.;

4. Yang, X., Bello, O., Yang, L., Bale, D., & Failla, R. (2019, March 22). Intelligent Oilfield - Cloud Based Big Data Service in Upstream Oil and Gas. International Petroleum Technology Conference.

5. Еремин Н.А., Еремин Ал. Н. Цифровой двойник в нефтегазовом производстве. // Нефть. Газ. Новации. 2018. № 12 (217). С. 14-17.

6. Филипова И.А., Влияние цифровых технологий на труд: ориентиры для трудового права: монография - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского, 2021. - 106 с.

Размещено на Allbest.ru