ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И...

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Сивков В.С.

. Стремительное развитие телекоммуникационных систем за последние сто лет привело к серьезным изменениям электромагнитного фона планеты. Развитие телекоммуникационных систем порождает новые проблемы воздействия электромагнитных полей на человека и окружающую среду. Функционирование ряда систем телекоммуникаций основано на излучении электромагнитной энергии в окружающую среду. Некоторые технологии подразумевают равномерное распределение электромагнитного поля на большие территории. Вместе с тем человек не может отказаться от технологий, порождающих излучение электромагнитных полей. Следствием этого является возникновение проблем электромагнитной безопасности в отрасли «Связь». Сущность этих проблем в за-щите человека и окружающей среды от воздействия электромагнитных полей телекоммуникационных систем различных частотных диапазонов.

В условиях лавинообразного и часто неконтролируемого наращивания излучающих технических средств, когда человек практически всегда и везде находится под воздействием электромагнитного поля антропогенного происхождения, информация о возможных источниках и масштабах электромагнитного загрязнения связана с принятием ответственных административных, градостроительных и инвестиционных решений.

Основная проблема мониторинга электромагнитного поля на большой территории с помощью измерительной аппаратуры – невозможность получить достаточное количество информации. Измерениями на территории можно охватить только отдельные приземные участки местности. Получить полноценную картину электромагнитной обстановки мешает недоступность большинства участков территории. Причин такой недоступности множество – как естественных, так и искусственных. Существует так же проблема актуализации и обновления данных – чем больше контролируемая территория, тем меньше будет оперативность обновления информации. Альтернативой непосредственным измерениям на местности может стать расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки. В этом случае возможен подход, основанный на многофакторной оценке масштабов электромагнитного загрязнения.

Расчет электромагнитной обстановки на больших территориях должен проводиться с учетом множества факторов, характеризующих данную местность (рельеф, растительность, застройка и т. п.) – такая информация содержится в цифровых моделях местности и в цифровых картах. Основным инструментом для работы с такими картами и моделями являются геоинформационные системы (ГИС).Таким образом, актуальность темы необходимо обсуждать по нескольким на-правлениям.

Проблема электромагнитной безопасности и оценки состояния окружаю-щей среды по электромагнитному фактору. В теории и практике проектирования

(с) НИЛЭМ www.nilem.ru

телекоммуникационных систем сформировалось новое направление – обеспечение электромагнитной безопасности [6,10,12,14]. Начало работ в этом направлении относится к концу 70-х (Е.Ю. Шередько, Ю.М Сподобаев), началу 80-х годов (А.Л. Бузов, В.А. Романов). Различным направлениям электромагнитной безопасности посвящены труды таких ученых как Казанский Л.С., Кольчугин Ю.И., Кубанов В.П., Маслов О.Н., Минкин М.А , Юдин В.В. На основе исследований этих ученых была сформирована нормативно-методическая база РФ по электромагнитной безопасности. Особенностью разработанных методик расчета является исследование электромагнитных полей на открытой территории в ближней зоне излучающих технических средств без учета застройки и рельефа.

Проблема оценки состояния окружающей среды по электромагнитному фактору – здесь различают несколько направлений для исследований. Одно из направлений - оценку качества окружающей среды по электромагнитному фактору. Исследования в этом направлении проходят в рамках Международного проекта по изучению электромагнитных полей - International EMF Project – что подчеркивает особенную актуальность такой задачи [9,13].

Создание программных комплексов оценки электромагнитной безопасности. Главным инструментом мониторинга электромагнитной обстановки несомненно должен являться программно-аппаратный комплекс, позволяющий прогнозировать масштабы электромагнитного загрязнения и оценивающий состояние окружающей среды по электромагнитному фактору. Анализ программного обеспечения показал, что во всем мире существует около десятка программ, которые возможно адаптировать для решения задач электромагнитной безопасности. Самым мощным и широко используемым в России является ПК АЭМО - уникальный программный комплекс моделирования электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств, созданный в Самарском НИИ Радио (СОНИИР). Вместе с тем практически нет программ, позволяющих оценивать электромагнитную обстановку на больших территориях.

Геоинформационные технологии в телекоммуникациях. Любая телекоммуникационная система является пространственно - распределенным комплексом различных объектов. Применение ГИС в области телекоммуникаций позволяет решать множество различных задач – от инвентаризации объектов до визуализации электромагнитной обстановки [2,3,4,8]. Существуют ГИС, адаптированные для решения задач оптимизации телекоммуникационных сетей (программный комплекс «Ресурс» на базе ГИС «Карта 2000»), планирования систем подвижной радиосвязи (Alcatel 955 Radio Network Planning), проектирования телекоммуникационных сетей (ГИС ПИАР), анализа зон обслуживания систем подвижной радиосвязи (ПК RADIUS). Применение геоинформационных технологий для решения задач электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем – новое направление исследований в области телекоммуникаций и геоинформатики. В этом случае специализированная ГИС может быть использована как инструмент мониторинга электромагнитного загрязнения, как наглядная система инвентаризации источников электромагнитного поля и как система прогнозирования изменения качества экологической обстановки по электромагнитному фактору. Применение геоинформационных технологий позволит проводить геоэкологическое картографирование электромагнитной обстановки территории.

Анализ работ по данной тематике показывает, что комплексных систем электромагнитного мониторинга на базе геоинформационных технологий не существует. Есть немногочисленные узкоспециализированные программные


продукты для расчета зон покрытия в сетях подвижной связи. Информация по программам и методикам программного решения задач электромагнитной безопасности практически отсутствует. Следовательно, особенно актуальной является задача создания методик, алгоритмов и моделей, применимых к решению задач электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем с помощью ГИС.

Для решения данной задачи необходимо интегрировать электродинамические модели и геоинформационные технологии, а также разработать программный комплекс на базе геоинформационных технологий, позволяющий производить оценку электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем.

Данная задача включает в себя следующие этапы:– разработка методик инвентаризации и хранения данных о системах теле-

коммуникаций с использованием геоинформационных технологий;– разработка методов и алгоритмы анализа электромагнитной обстановки на

больших территориях;– разработка методик визуализации и геоэкологического картографирования

электромагнитной обстановки на больших территориях;– разработка геоинформационных технологий мониторинга и решения проблем

электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем.При этом важным этапом интеграции электродинамического моделирования и

геоинформационных технологий является подготовка пространственных данных для электродинамических моделей. На данном этапе решаются две основные задачи: инвентаризация излучателей и классификация территории по специальным критериям. Рассмотрим более подробно вторую задачу. Прежде чем приступать к расчету электромагнитного рельефа, необходимо выявить квазиоднородные участки территории – городская территория, лесопосадки, водоемы и. т. д. Кроме того, важное значение имеет критерий прямой видимости для данной точки относительно излучателей. Такая классификация позволяет использовать наиболее подходящие электродинамические модели для оценки электромагнитной обстановки на данном участке местности. Маневрирование моделями расчета, в свою очередь позволяет добиться оптимального соотношения скорости и точности вычислений.

Первоначальным этапом для классификации точек пространства является определение критериев классификации. Количество таких критериев определяется используемыми методиками электродинамического моделирования.

Одним из основных критериев при выборе электродинамической модели расчета является неравномерность рельефа. Каждая точка пространства может быть охарактеризована степенью неравномерности окружающего рельефа местности. Алгоритм определения данного критерия в конкретной точке основывается на анализе данных о рельефе на определенной территории окружающей данную точку. При этом выявляются характерные участки местности – равнины, холмистые участки местности, отдельные возвышенности, предгорья, горы и. т. д.

На рисунке 1 представлен обобщенный алгоритм подготовки цифровой модели неравномерности рельефа. Рассмотрим более подробно задачу определения площади анализа дисперсии (разброса) высот.

На первом этапе этой задачи необходимо классифицировать исследуемую


территорию по максимальной неравномерности рельефа. Автор данной статьи в своих работах использует три степени максимальной неравномерности рельефа – соответственно выделяются три типа территорий – «равнины», «возвышенности», «горы». Эти термины не совпадают по определениям со своими географическими аналогами, поэтому здесь они приводятся в кавычках. Для определения принадлежности территории к тому или иному классу, необходимо определить пороговые величины неравномерности рельефа.

Решая задачу по определению этих пороговых значений, автор статьи провел ряд экспериментов, которые позволили установить некую зависимость искомых величин от высот подвеса излучателей. Рассматривалась следующая задача: задана высота подвеса точечного излучателя, необходимо определить процент площади территории, находящейся в прямой видимости по отношению к излучателю. Задача решалась для участков территории одинаковой площади и различной максимальной неравномерностью рельефа. Процент прямой видимости рассчитывался для трех случаев размещения излучателя на территории: точка геометрического центра территории, точка максимальной высоты рельефа и точка минимальной высоты рельефа. Далее высчитывалось среднее значение между

полученными результатами, и строилась зависимость площади, находящейся в прямой видимости по отношению к точке излучения от максимальной неравномерности всего участка территории. Далее на рисунках представлены результаты определения процента площади прямой видимости в виде цифровых моделей. Темные области – это площадь находящаяся «в тени» по отношению к точке излучения. Высота подвеса излучателя – 50 м. Максимальная неравномерность рельефа – 25 м.

На рисунке 2 излучатель расположен в геометрическом центре территории, на рисунке 3 – в точке максимальной высоты рельефа, на рисунке 4 в точке минимума рельефа. Для максимальной неравномерности рельефа 100 метров:


Рисунок 1: Обобщенный алгоритм

Рисунок 2: Рисунок 3: Рисунок 4:

на рисунке 5 излучатель расположен в геометрическом центре территории, на рисунке 6 – в точке максимальной высоты рельефа, на рисунке 7 в точке минимума рельефа.

После обработки данных определялась зависимость Svis (%) от ΔH (м).

Svis (%) – процент площади территории, находящейся в прямой видимости относительно точки излучения, ΔH (м) – максимальная неравномерность рельефа.

По графику на рисунке 8 четко видно резкое уменьшение Svis в диапазоне ΔH 0 – 100 метров. После этого Svis постепенно убывает, и после ΔH=1000 метров практически остается неизменной.

В соответствии с полученной зависимостью территории с ΔH от 0 до 100 метров классифицируются как «равнины», территории с ΔH от 100 до 1000 метров как «возвышенности», а территории с максимальной неравномерностью рельефа больше 1000 метров классифицируются как «горы».

Необходимо отметить, что данные пороговые значения характерны для высоты подвеса излучателей 50 метров.

После классификации территории по максимальной неравномерности рельефа необходимо оценить разброс высот в данной точке. Для этого точка окружается прямоугольным контуром определенной площади Sадв. Эта площадь определяется по неравномерности рельефа равной одному проценту от максимальной. Для определения используются три контрольные точки – геометрический центр территории, точка максимума и минимума рельефа. Каждая точка охватывается прямоугольным контуром. Далее определяется зависимость процента неравномерности рельефа Δh (по отношению к максимальной) от площади контура Sадв.


Рисунок 5: Рисунок 6: Рисунок 7:

Рисунок 8:

На рисунке 9 представлена искомая зависимость для ΔH=25 метров, на рисунке 10 – для ΔH=600 метров.

Анализируя полученные графики можно выявить следующую зависимость площади анализа разброса высот от максимальной неравномерности рельефа территории:

(1)

Заключительным этапом задачи классификации рельефа местности по степени неравномерности должна стать цифровая модель неравномерности рельефа (ЦМНР).


Рисунок 9:

Рисунок 10:

>∆

≤∆<

∆

≤∆

≈

1000,300

1000100,31

100,30

2

2

2

H

HH

H

SАДВ

Рисунок 11: ЦМНР

Разработка геоинформационной системы электромагнитной безопасности (ГИС ЭМБ) проводится в несколько этапов.

Выбор платформы, на которой будет реализован данный программный комплекс. У разработчика подобных программных средств есть несколько вариантов реализации проекта:- разработка с «нуля», т. е. предполагается создание программы способ-ной выполнять базовые функции, характерные для ГИС – работа с цифровыми картами и моделями местности, организация баз данных семантик и т. д. Достоинства этого варианта – полный контроль над процессом создания проекта, возможность определить список необходимых функций программного ядра. Недостатки – очень большая трудоемкость – как правило, на подобные проекты уходит несколько лет труда большой группы специалистов;- использование встроенного в ГИС макроязыка программирования. Например, MapBasic в среде MapInfo. Алгоритмы решения прикладных задач кодируются в среде разработки макроязыка, собираются в модуль и запускаются в основной программе. Достоинства - достаточная простота и малое время, потраченное на разработку. Недостатки – сильные ограничения по возможностям, кроме того, такой способ не позволит разработчику модернизировать базовую программу (ядро ГИС); - использование так называемого «набора разработчика» или development toolkit. Большинство ГИС позволяют разработчику с помощью специального пакета программ получить доступ к так называемому «ядру» геоинформаци-онной системы посредством API функций. Достоинства - простота совмещен-ная с более богатыми (по сравнению с макроязыками) возможностями. Недос-татки – закрытый программный код ядра системы, высокая цена таких средств разработки; - использование геоинформационных систем с открытым исходным ко-дом – Open Source GIS. Достоинства – открытый и доступный исходный код системы, развитие проектов с помощью огромного числа специалистов по всему миру, некоммерческое распространение.

При разработке ГИС электромагнитной безопасности часто возникает необходимость модернизации исходного кода ядра ГИС. Для эффективного решения задач электромагнитного мониторинга на больших территориях нужна недорогая, быстрая и стабильная геоинформационная платформа, протестированная большим количеством специалистов. Таким образом, концепция Open Source как нельзя лучше подходит для создания программных комплексов любой степени сложности, в том числе и геоинформационной системы электромагнитной безопасности.

Рассмотрим обобщенную структурную схему программного комплекса ГИС ЭМБ.


«Три кита», составляющие основу ГИС ЭМБ показаны на рисунке 12 – это графический интерфейс пользователя, библиотеки модулей и интерфейс программирования (Application Programming Interface или сокращенно API).

Практическое применение ГИС ЭМБ для решения задач электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем.

Первый класс задач электромагнитной безопасности и электромагнитного мониторинга телекоммуникационных систем - оценка электромагнит-ной обстановки при изменении эксплуатационных параметров излучающих технических средств.

В качестве примера оценим изменение границы санитарно-защитной зоны для системы радиовещания НЧ диапазона с мощностью излучения 100 кВт (антенна-мачта нижнего питания), если излучаемая мощность увеличится до 200 кВт. Для решения данной задачи необходимо выполнить моделирование ЭМП для двух значений излучаемой мощности – 100 и 200 кВт, после чего полученные результаты совместить на одной цифровой карте и визуально оценить изменение границ СЗЗ. Результаты расчетов для мощности излучения 100 кВт представлены на рисунке 13. Для излучаемой мощности 200 кВт карта электромагнитной обстановки показана на рисунке 14. После вычислений необходимо из всей карты ЭМП выделить области с напряженностью электрического поля больше 25 В/м (область санитарно-защитной зоны для НЧ диапазона). Выделяя СЗЗ для каждой карты электромагнитной обстановки, совмещаем результаты на одной карте и получаем карту прогноза изменения СЗЗ при увеличении мощности излучения на 100 кВт (рисунок 15). На рисунке 15 синим цветом показана СЗЗ для мощности излучения 100 кВт, а красным – для 200 кВт. Для того чтобы точнее определить размеры защитных зон можно воспользоваться инструментами масштабирования и измерений по карте, входящих в ГИС ЭМБ.


Рисунок 12: Обобщенная структурная схема ГИС ЭМБ


Рисунок 13:


Рисунок 14:

Второй класс задач – электромагнитный мониторинг территорий по заданным критериям. В качестве примера определим границы СЗЗ для системы радиовещания СЧ диапазона с излучаемой мощностью 100 кВт (АМНП) и оценить размеры территории, на которой напряженность электрического поля больше 5 В/м.


Рисунок 15:

На рисунке 16 представлены результаты расчетов по условию задачи, а на рисунке 17 – цифровая карта на которой красным цветом выделены СЗЗ, а синим выделена территория с напряженностью электрического поля больше 5 В/м.

Еще один класс задач – определение предельно допустимых эксплуатационных параметров телекоммуникационных систем по критериям электромагнитной безопасности.

В качестве примера определим максимально возможную, с точки зрения электромагнитной безопасности, мощность излучения телевизионного пере-датчика метрового диапазона (ненаправленная антенна). Исходные данные задачи показаны на рисунке 18.

Территория телецентра (здания внутри зеленого контура) находится в непосредственной близости от жилых кварталов. Увеличение зоны обслуживания, зачастую связано с применением более мощного передающего оборудования – как следствие увеличиваются размеры СЗЗ. Необходимо определить граничную мощность излучения, при которой СЗЗ будет находиться в пределах территории телецентра.

На рисунке 19 показана цифровая карта границ СЗЗ при различных мощностях излучения. По легенде карты можно определить, что оптимальная мощность излучения (с точки зрения электромагнитной безопасности) составляет 1 кВт (зеленая область).


Рисунок 16:


Рисунок 17:

Рисунок 18:

В заключение нужно отметить, что геоэкологическое картографирование уже давно используется для составления карт загрязнения окружающей среды вредными химическими веществами. Применяя картографирование электромагнитного загрязнения автор используют термин геоэлектромагнитное картографирование - составление карт электромагнитной обстановки на больших территориях. Таким образом, проблема инструментария экологического контроля электромагнитной обстановки может быть решена посредством геоэкологического и геоэлектромагнитного картографирования, а экологические карты электромагнитной обстановкой помогут в принятии решений по проблемам электромагнитной безопасности.

Литература.

1. Берлянт А.М. Географические информационные системы в науках о земле // Соросовский образовательный журнал - №5, 1999. С. 66 – 73.

2. Берлянт А.М. Электронное картографирование в России // Соросов-ский образовательный журнал - №1, 2000. С. 60 – 74.

3. Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование. – М.: Астрея, 1997. – 64 с.


Рисунок 19:

4. Берлянт А.М., Аляутдинов А.Р., Мусин О.Р., Платонов А.П., Картографирование телекоммуникационных сетей России // ГИС – обозрение – 1995. Весна.

5. Бузов А.Л., Казанский Л.С., Красильников А.Д., Юдин В.В. и др. / Под ред. Бузова А.Л. Антенно-фидерные устройства: технологическое оборудование и экологическая безопасность. – М.: Радио и связь, 1998. – 221 с.

6. Бузов А.Л., Сподобаев Ю.М. Электромагнитная экология. Основные понятия и нормативная база. – М.: Радио и связь, 1999. – 78 с.

7. Варфоломеев И.В., Савельев А.С. Представление и обработка про-странственных данных в ГИС - Красноярск, КГТУ, 2001. – 31 с.

8. Довбыш В.Н., Сивков В.С., Сподобаев Ю.М. Визуализация электромагнитной обстановки, создаваемой телекоммуникационными техническими средствами, расположенными на больших территориях // Научно-технический и теоретический журнал «Антенны» № 10 (113) 2006 г., с 58-62

9. Довбыш В.Н., Сивков В.С. Цифровая электромагнитная модель местности // Научно-технический и информационно-аналитический журнал "Инфокоммуникационные технологии". № 1 2007 г.

10.Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Ружников В.А , Сивков В.С., Сподобаев Ю.М., ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ. Расчет электромагнитных полей распределительных и оконечных устройств сетей энергоснабжения (методические указания). // Министерство природных ресур-сов и охраны окружающей среды Самарской области. Утверждены 10 ноября 2005 года. 57 с.

11. Иванников А.Д., Кулагин В.П., Тихонов А.Н., Цветков В.Я. Геоинформатика – М.: МАКС Пресс, 2001 – 349 с.

12.Кубанов В.П., Маслов О.Н., Сподобаев Ю.М. Электромагнитная экспертиза – независимость и компетентность // Телекоммуникационное поле регионов, № 3, 1999. – С. 22-25.

13.Сподобаев Ю.М. Методы прогнозирования и картографирования электромагнитных полей технических средств телекоммуникаций в окружаю-щей среде (доклад – рус. и англ.) // Материалы Международного совещания «Электромагнитные поля. Биологическое действие и гигиеническое нормиро-вание», Женева, 1999. – С. 22-25.

14.Сподобаев Ю.М. Методики расчёта ближних полей в диапазонах ОНЧ, НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ, УВЧ. // Отчёт Куйбыш. Электротехнического института связи, научный руководитель Шередько Е.Ю. – 4/83, № ГР 0183.0067225, инв. № 0284.0054708, Куйбышев , 1983, – 163 с.


ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И...

Documents

Transcript of ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И...