Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электромагнитная экология и электромагнитная безопасности радиопередающих средств 10
1.1 Современное состояние электромагнитной экологии и существующие проблемы обеспечения требований электромагнитной безопасности 10
1.2 Научно-техническое направление электромагнитной экологии 16
1.3 Классификация антропогенных источников электромагнитного поля 19
1.4 Проблемные и инструментальные ГИС для решения задач территориального планирования радиопередающих средств и прогнозирования электромагнитного загрязнения
1.5 Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов 34
1.6 Постановка задачи исследования 3 6
Глава 2. Модели расчета, методика их применения и методы оптимизации 39
2.1 Обзор методов и моделей расчета напряженности поля 40
2.2 Показатель эффективности планируемой сети 57
2.3 Методы оптимизации, используемые для решения поставленных задач 60
2.4 Выводы по второй главе 66
Глава 3. Решение задач электромагнитного прогнозирования и территориального планирования радиопередающих средств
3.1 Решения задач анализа 69
3.2 Территориальное планирование радиопередающего средства по критерию электромагнитной безопасности 89
3.3 Территориальное планирование сети радиопередающих средств по критерию электромагнитной безопасности 111
3.4 Выводы по третьей главе 117
Глава 4. Программный комплекс «Эколог-2008» 119
4.1. Основные характеристики электронной карты г. Казани и матрицы высот 119
4.2 Обобщенная структура и алгоритм решения задач оптимизации параметров и положения радиоипередающих средств на этапе территориального планирования в программном комплексе «Эколог-2008». 121
4.3 Верификация результатов по измеренным значения и ПК АЭМО 3.0.3 131
4.4. Выводы по четвертой главе 135
Заключение 136
Список литературы
- Классификация антропогенных источников электромагнитного поля
- Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов
- Методы оптимизации, используемые для решения поставленных задач
- Обобщенная структура и алгоритм решения задач оптимизации параметров и положения радиоипередающих средств на этапе территориального планирования в программном комплексе «Эколог-2008».
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современных технологий передачи информации (мобильной связи, широкополосного доступа, цифрового телевидения) привело к освоению новых частотных диапазонов, росту числа радиоканалов связи, теле- и радиовещания. Особенностью этих средств является создание пространственно-распределенной зоны радиопокрытия, что приводит к увеличению электромагнитного фона в окружающей среде. Как следствие, сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды -электромагнитный. В перспективе развития современных технологий следует ожидать роста количества технических средств, излучающих электромагнитную энергию в окружающую среду.
Многие технически развитые страны реализуют как свои национальные программы исследования биологического действия электромагнитного поля (ЭМП) и обеспечения безопасности человека и экосистем в условиях нового глобального фактора загрязнения окружающей среды (HPA-PDA, Англия; ARPANSA, Австралия), так и международные проекты (IEC, ICES, ICNIRP). Исследования проводятся и в рамках международного проекта Всемирной организации здравоохранения (WHO EMF project), включившей проблему глобального электромагнитного загрязнения (ЭМЗ) в перечень приоритетных для человечества.
Существующие методы контроля ЭМЗ имеют существенные недостатки: использование изолированного подхода, при котором не учитывается вклад функционирующих радиопередающих средств (РПС) при проведении санитарно-гигиенической экспертизы планирующегося к вводу в эксплуатацию РПС, невозможность проведения инструментального контроля уровня ЭМП на высотах зданий перспективной застройки и недоступность некоторых территорий. Указанные недостатки могут приводить к появлению зон, в которых превышается предельно допустимый уровень поля.
В таких условиях актуальной становится задача эффективного прогнозирования и размещения РПС с обеспечением необходимой зоны радиопокрытия и минимальной территории с превышением уровнем ЭМП предельно допустимого значения. Решение этой задачи на этапе территориального планирования радиопередающих телекоммуникационных сетей или отдельного технического излучающего средства поможет избежать дополнительных затрат на повторное планирование или демонтаж при выявлении недопустимых уровней ЭМП на этапе инструментального контроля полей вводимых в эксплуатацию объектов. Анализ существующих работ показывает, что.данным вопросам до настоящего времени не уделено достаточного внимания.
Решение такой задачи требует использования данных о рельефе местности, типе местности, застройке, промышленных объектах и других пространственно-распределенных данных. Для работы с пространственно-распределенными данными в настоящее время широко применяются геоинформационные системы (ГИС). Существующие специализированные ГИС территориального планирования телекоммуникационных сетей (САПР «Балтика», программный комплекс «Эксперт», программный комплекс проекти-
рования и анализа радиосетей ПИАР, программный комплекс «Ресурс» и другие) не учитывают существующей ЭМЗ или же не проводят оптимизацию размещения и параметров РПС с учетом ЭМЗ.
Следовательно, задача оптимизации размещения РПС и их параметров по критерию электромагнитной безопасности (ЭМБ) и технической эффективности на территориях, имеющих ЭМЗ, является актуальной.
Объект исследования - сети связи и вещания. Предметом исследования в настоящей работе является электромагнитная безопасность и техническая эффективность указанных объектов.
Состояние вопроса. Масштабные исследования в нашей стране в области электромагнитной экологии и обеспечения электромагнитной безопасности проводятся г. Самаре. Этой проблеме посвящены работы Сподобаева Ю.М., Маслова О.Н., Бузова А.Л., Шередько Е.Ю., Романова В.А. Практической реализацией исследований стало создание программного комплекса анализа электромагнитной обстановки (ПК АЭМО), применение которого обязательно при подготовке санитарно-эпидемиологического заключения на радиотехнический объект, и ГИС ЭМБ, позволяющая проводить мониторинг электромагнитной обстановки на больших территориях. Однако вопросы обеспечения ЭМБ далеки от разрешения.
Цели и задачи исследования. Целью работы является повышения ЭМБ территорий, на которых располагаются РПС телекоммуникационных сетей, средств теле- и радиовещания.
Для достижения поставленной цели в диссертации решена задача разработки моделей, показателей эффективности, методов, алгоритмов и программных средств, позволяющих оптимизировать размещение и параметры РПС по критерию ЭМБ и технической эффективности на базе геоинформационных технологий. Она включает следующие частные задачи:
разработка интегрированной модели расчета ЭМП РПС и методики ее применения;
развитие методики построения карт ЭМЗ территории от действующих РПС;
оптимизация размещения нового РПС на территории, имеющей ЭМЗ по критериям минимума площади с превышением предельно допустимого уровня (ПДУ) ЭМП и степени этого превышения, с учетом весовых объектов и радиопокрытия заданной области;
оптимизация размещения сети новых РПС на территории, имеющей ЭМЗ по критериям минимума площади с превышением ПДУ ЭМП и степени этого превышения, с учетом весовых объектов и обеспечения радиопокрытия заданной области;
" разработка алгоритмов и программных средств решения задач территориального планирования сетей связи, реализующих решение этих задач. Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе используются методы математического моделирования, численные методы расчета, методы оптимизации, организация структур и баз данных, объектно-ориентированное программирование, методы расчета напряженности элек-
тромагнитного поля. При проведении расчетов применены современные средства: среда визуального программирования Borland Delphi 7.0 и отечественная универсальная ГИС «Карта - 2005».
, Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
* предложена интегрированная модель расчета ЭМП и методика ее применения, основанная на управляющей последовательности применения (УПП);
показана необходимость построения трехмерных карт ЭМЗ территорий;
"задача размещения РПС телекоммуникационной сети на территории,
имеющей ЭМЗ, сформулирована как задача оптимизации;
предложены показатели эффективности оптимального размещения РПС на
обслуживаемой территории по условию радиопокрытия заданной террито
рии и критериям минимальной площади территории с превышением ПДУ
ЭМП и степени этого превышения;
разработаны и реализованы алгоритмы численного поиска оптимального решения поставленных задач.
Достоверность результатов работы определяется корректным использованием математического аппарата, разработкой интегрированной модели на базе международно-признанных моделей расчета ЭМП, подтверждается результатами верификации с ПК АЭМО 3.0.3, а также сравнением расчетных и экспериментальных данных.
Практическая ценность работы. Оптимизация размещения и параметров РПС на этапе проектирования с использованием ГИС по предложенным критериям позволяет повысить ЭМБ территорий без ухудшения технической эффективности телекоммуникационных систем, уменьшить затраты на проектирование и его доработки.
Разработанный программный комплекс «Эколог-2008», реализующий решение поставленных задач с применением электронной карты г. Казани, может применяться при решении практических инженерных задач.
Программный комплекс используется в курсовом и дипломном проектировании студентами КГТУ им.А.Н.Туполева, обучающимися по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации».
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международных НПК «Авиакосмические технологии и оборудование» в 2004, 2006 г.г., Международной НПК «Инфокоммуникаци-онные технологии глобального информационного общества» в 2008 г., VI.VII Международных НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» в 2007, 2008г.г., Международных НТК «Инноватика - 2004», «Иннова-тика - 2007», «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» в 2004, 2007 г.г., XI, XII Международных молодежных НТК «Туполевские чтения» в 2004,2005 г.г.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 8 - в трудах Международных и Российских научно-технических конференций, 3 - в виде статей в научно-технических журналах, в том числе 2
статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получено свидетельство о регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Она содержит 137 страниц текста, список использованных источников, включающий 104 наименования, в том числе 13 работ автора.
Научные положения, выносимые на защиту:
интегрированная модель расчета ЭМП и методика ее применения, основанная на УПП;
алгоритм перехода между моделями расчета ЭМП, входящими в УПП;
показатели эффективности оптимального размещения РПС на обслуживаемой территории по условию радиопокрытия заданной территории и критериям минимальной площади территории с превышением ПДУ ЭМП и степени этого превышения;
постановка задачи размещения РПС телекоммуникационной сети на территории, имеющей ЭМЗ, как задачи оптимизации по предложенным показателям эффективности сети;
алгоритмы и результаты численного решения задач оптимизация размещения одного и сети РПС на территории, имеющей ЭМЗ.
Классификация антропогенных источников электромагнитного поля
Электромагнитная экология - это раздел экологии, изучающий взаимодействие человека и окружающей среды с электромагнитными полями. Электромагнитная безопасность - часть электромагнитной экологии, исследующая действие ЭМП от источников электромагнитного излучения на здоровье человека. Электромагнитная экология как раздел науки возникла относительно недавно [15,67,72,80]. Ее возникновение обусловлено широким применением электромагнитных процессов в повседневной жизни, которое привело к тому, что к естественным электромагнитным ПОЛЯМ, присутствующим с момента возникновения жизни на Земле, добавились искусственные, создаваемые различными устройствами для нужд человека [67]. Интенсивное использование электромагнитной энергии формирует новый значимый фактор загрязнения окружающей среды -электромагнитный [81]. В итоге современный человек живет на пределе своих адаптационных возможностей, за счет включения резервов своего организма [61,82].
В 1995 году официально введен термин "глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды" Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ), включившей эту проблему в перечень приоритетных для человечества [95]. В рамках ВОЗ в 1996 г. среди немногих всемирных проектов был образован Международный проект по электромагнитным полям (WHO International EMF Project). Проект предназначен для исследования потенциальных рисков для здоровья, связанных с технологиями, излучающими ЭМП [18]. В планы проекта EMF, среди прочего, входит завершение работ по оценке существующих рисков к 2010 году и дальнейший контроль и оценка рисков новых технологий [86,92,99,102].
Многие технически развитые страны реализуют свои национальные программы исследования биологического действия ЭМП и обеспечения безопасности человека и экосистем в условиях нового глобального фактора -загрязнения окружающей среды [8,95,99]. Большинство исследований международных организаций, таких как ICNIRP, IARC, ILO, ECITU, ITU , ведутся по биофизическому и медико-биологическому направлению, о чем свидетельствую многочисленные публикации в отечественной и западной прессе [85,89,91]. Среди них можно выделить эксперименты русско-французского исследовательского проекта, работы отдела защиты от неионизирующего излучения Агентства здравоохранения Соединенного Королевства [95]. Происходит пересмотр предельно допустимых уровней с целью их изменения. Однако на направление изменения санитарных норм и правил влияют два взаимно противоположных аспекта - экономический и экологический [103]. Так, несмотря на то, что ЭМП действует на человека независимо от места его проживания, предельно допустимые уровни в разных странах отличаются и порой существенно [70].
Наша страна является одним из лидеров в области изучения и обеспечения санитарных норм и требований ЭМБ. ПДУ ЭМП в нашей стране в среднем в 10-20 раз ниже рекомендованных стандартами других стран [70]. Предельно допустимые уровни не менялись с 2003 года. Основным направлением деятельности является стандартизация безопасности [90].
Несмотря на серьезную работу как на национальном так и международном уровне экологическая ситуация продолжает ухудшаться [14]. Во многом это объясняется существующими тенденциями [67]. Во-первых, это увеличение количества излучающих средств за счет технического освоения и более плотного заполнения частотных диапазонов, освоение новых технологий передачи информации, расширение сети радиосвязи и радиовещания, увеличения каналов телевизионного вещания и других служб [35,49]. Во 12 вторых, увеличение энергетических потенциалов технических средств путем увеличения мощностей приборов и передатчиков, увеличение эффективности передающих антенн средств телекоммуникаций и их территориальной концентрации. В-третьих, внедрение сложной электронной бытовой техники, персональных компьютеров и других современных достижений техники. Еще одним фактором, усугубляющим экологическую ситуацию, является преобладание ведомственных, чисто коммерческих и потребительских подходов к вопросам использования ЭМП. Излучающие технические средства и объекты размещаются на крышах жилых домов и вблизи зон массового пребывания людей. При размещении излучающих средств, как правило, используются одни и те же удобные, с точки зрения массового обслуживания, места установки антенн (мачты, башни, высотные здания). Результатом таких действий стало попадание в границы городов телецентров и других мощных излучающих систем. Несмотря на регламентации и ограничения по использованию технических средств, излучающих в окружающую среду ЭМП, в коммерческих целях иногда реализуется не сертифицированная по гигиеническим параметрам аппаратура [67].
В настоящее время накоплен богатейший материал по биофизическому и медико-биологическому направлениям, которые занимаются вопросами исследования взаимодействия биологических тканей с ЭМП и нормированием воздействующего фактора на окружающую среду и человека соответственно [84,92,98]. Научно-техническое направление, целью которого является разработка методов и средств анализа и защиты от ЭМП, несколько отстает. В последние годы возникла острая необходимость анализа распределения в окружающей среде ЭМП различных технических средств, в первую очередь телекоммуникационных радиосредств, для решения вопросов безопасного размещения излучающих объектов [67].
Контроль соблюдения установленных нормативов ЭМП возложен на соответствующие органы [15]. Санитарно-эпидемиологическая экспертиза РПС осуществляется органами и учреждениями Госсанэпиднадзора, организациями, аккредитованными в установленном порядке, и экспертами [58].
Система защиты окружающей среды от ЭМП определяется комплексом задач электромагнитной экологии. Основными элементами этого комплекса являются - нормирование ЭМП, расчетное прогнозирование ЭМ обстановки, инструментальный контроль и защита от ЭМП [68].
Нормирование ЭМП заключается в установлении предельно допустимых уровней воздействующего фактора [67]. Оно производится в зависимости от частотного диапазона, вида излучающего технического средства, а также от контингента облучаемых лиц. ПДУ электромагнитных полей, а так же экспозиция определены в санитарных правилах и нормах [59]. Причем предельно допустимые уровни могут сильно меняться. Так, в 1968 году предельно допустимый уровень напряженности электрического ПОЛЯ ВЧ диапазоне был установлен на уровне 0,2 В/м, против 10 В/м в настоящее время [26]. Применение старых нормативов сегодня означило бы закрытие большей части излучающих радиотехнических средств. К тому же установленные предельно допустимые уровни на ЭМЗ в большинстве случаев носят санитарно-гигиенический характер, а не экологический. Многие компоненты окружающей среды более чувствительны к ЭМП, чем человек, и резко исчезают или деградируют при интенсивном воздействии [67].
Прогнозирование ЭМП состоит в определении электрической составляющей ЭМП исходя из аналитических выражений. Оно может проводиться следующими методами: методом моделирования, методом аналогий и экстраполяции, методом эвристического прогнозирования. Метод моделирования является основным при проведении санитарной электромагнитной экспертизы излучающих объектов [67]. Метод расчетного прогнозирования является достаточно сложной задачей, связанной с решением строгих электродинамических задач. Полученные результаты с высокой точностью определяют величину и характер электромагнитного поля вблизи радиоизлучающих средств. По мере удаления погрешность от неучтенных в электродинамических моделях объектов и параметров становится все более заметна.
Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов
Для решения поставленных задач необходимо проводить расчеты напряженности ЭМП, создаваемого РПС. Для этих целей могут использоваться как статистические, так и детерминированные методы расчета [35].
Детерминированные методы расчета учитывают влияние местных условий и препятствий на трассе распространение сигнала. Полностью детерминированные методы расчета практически нереализуемы. Это связано с большим объемом вычислений, а также отсутствием строгих электродинамических методов учета всех препятствий и локальных особенностей. Даже незначительное смещение точки наблюдения приводит к сильному изменению напряженности поля с квазипериодом порядка длины волны в силу того, что оно является результатом сложной интерференционной суммы множества волн с различными фазами и амплитудами [74]. Расчетное поле так же зависит от мелких деталей рельефа и конструкций зданий, которые весьма интенсивно меняются во времени. Данная информация не содержится в имеющихся цифровых картах. В большинстве практических случаев детерминированные методы применяют для одиночных точек или же аппроксимируют наиболее значимые препятствия телами правильной геометрической формы.
Для практической оценки величины ослабления поля с использованием ЭВМ часто применяют статистический подход. Он использует статистику множителя ослабления V на основе многочисленных экспериментальных данных. Статистические методы использовались длительное время и не теряют своей актуальности. Они находят широкое применение в существующих программных комплексах частотного и территориального планирования сетей радиовещания, широкополосного доступа и других. [63, 66].
Применяется также сочетания статистического и детерминистского подхода [35,65]. Хотя интерес поставленных в работе задач сосредотачивается в основном в пределах границ применимости статистических моделей, необходимо предусмотреть возможность расчета на расстояниях и высотах, которые выходят за существующие границы. Применение данного подхода является оптимальным.
Основными моделями расчета ЭМП, используемыми в настоящее время [35], являются модели: Хаты, Окамуры, Парсона, Уолфиша-Икегами, Сакагами-Кубои, НИИР, ГСПИ, Кся-Бертони, Рекомендации МСЭ 370-7, 529-2, 1145, 1146. Все модели имеют свои границы применимости и другие особенности, которые необходимо учитывать при их использовании в расчетах [35]:
1. Модель Хаты [87]. Область частот: 100-3000 МГц; высоты антенн БС: 30-300 м, АС: 1-3 м; расстояние между БС и АС: 1-100 км; плотность городской застройки: 3-50%; рельеф местности: село, пригород, крупный город; степень урбанизации: 0-1 (средний город и крупный город).
2. Модель Окамуры [96]. Область частот: 100-13000 МГц; высоты антенн БС: 20-1000м, АС: 1-10 м; расстояние между БС и АС: 1-100 км; рельеф местности: пригород, средний город, крупный город (мегаполис).
3. Модель Парсона [97]. Область частот: 150-1000 МГц; высоты антенн БС: 30-ЗООм, АС 3 м; расстояние между БС и АС: 10 км; плотность городской застройки: 3-50 %; степень урбанизации: 0-100% (средний и крупный город).
4. Модель Уолфиша-Икегами [88]. Область частот: 800-2000 МГц; высоты антенн БС: 4-50 м, АС: 1-3 м; расстояние между БС и АС: 0,02-5км; высота близлежащих к БС зданий: 80м; расстояние между домами: 20-50м; ширина улицы: 10-25 м; ориентация улицы относительно прихода сигнала: 0-90. 5. Модель Сакагами-Кубои [100]. Область частот: 450-2200 МГц.; разность высот антенн БС и АС: 20-100 м; расстояние между БС и АС: 0,5-10 км; средняя высота близлежащих к БС зданий: больше высоты антенны БС; средняя высота зданий вблизи АС: 5-50 м; ориентация улицы относительно направления прихода сигнала: 0-90.
6. Методика НИИР. Область частот 30-1000 МГц; расстояние до точки приема: 2-1000 км; высота антенны в точке приема: 3-10 м; неровность рельефа местности оценивается по топографической карте; плотность городской застройки: 0-45%; область применения: проектирование сетей телевизионного и ЧМ вещания.
7. Методика ГСПИ. Область частот: 150-1000 МГц; расстояние между БС и АС: 1-600 км; высота антенн БС: 50-600 м, АС: 1,5 и 3 м (с поправками); тип местности: село и город (с поправками на неровность рельефа); процент мест, где обеспечивается заданное качество связи: 50-99%; устойчивость связи: 50-99,9%.
8. Модель Кся-Бертони [104]. Данная модель представляет собой дифракционную аналитическую модель, разработанную для расчетов затуханий на трассах систем подвижной радиосвязи в городских и пригородных зонах. Область частот: 100-2200 МГц; высоты антенн БС: 20-1000м, АС: 1-10 м; расстояние между БС и АС: 1-100 км; рельеф местности: пригород, средний город, крупный город (мегаполис).
9. Рекомендации МСЭ-Р 370-7 [90], 529-2, 1145, 1146 , которые целесообразно применять для расчета напряженности поля служб радиовещания и телевидения (370-7) и для служб подвижной связи (529-2, 1145,1146).
Методы оптимизации, используемые для решения поставленных задач
Динамика изменения карты ЭМЗ наглядно демонстрирует, что при сосредоточении множества РПС на одной мачте, размеры санитарной зоны становятся значительными. В данном примере в санитарной зоне оказалось около 13 жилых кварталов. Среди объектов, попавших в санитарную зону, стоит отметить ясли, детский сад и школу. В непосредственной близости от границы санитарной зоны оказалась еще одна школа и детский сад. В зону риска ЭМЗ попали также еще одни ясли.
В условиях сосредоточения множества РПС, а также динамики к увеличению их количества на одной мачте, площади существующих СЗЗ оказываются значительно меньше санитарных зон. СЗЗ в данных условиях не могут обеспечить ЭМБ населения. Следовательно, такие объекты необходимо выносить за пределы города или же производить планирование застройки с учетом возможности увеличения количества РПС.
Так как направление максимума ДН, как правило, находится на высотах сравнимых с высотами установки антенн, целесообразно производить расчет матрицы ЭМЗ и построение карты ЭМЗ и на высотах существующих зданий. Таким образом, можно строить трехмерные матрицы ЭМЗ. В работе строились матрицы ЭМЗ для трех характерных высот: 1,5м, 15м. и 30м. Это обусловлено тем, что для г. Казани наиболее характеры 5 этажные здания, а также 9-10 этажные здания, которые имеют высоту порядка 15м. и 30 м. соответственно. Карты ЭМЗ на высотах зданий перспективной застройки необходимы для определения зоны ограничения застройки (ЗОЗ) и представлены на рис. 3.11,3.12.
Данный пример наглядно демонстрирует тот факт, что жилые дома вблизи (300-400 метров) модели РТПЦ могут оказаться в санитарной зоне. В силу небольшого КУ антенн средний радиус санитарной зоны на разных высотах отличается слабо. На высотах 15 м. и 30 м. форма границ санитарных зон и зон риска ЭМЗ оказываются близкими к окружности, что объясняется круговой ДН в горизонтальной плоскости и отсутствием значимых препятствий на пути распространения волны.
Размеры санитарных зон оказываются весьма значительными, поэтому по экономическим соображениям оборудование СЗЗ становится неоправданным. Таким образом, возможным решением в таком случае является перенос РТПЦ за пределы города, увеличение высоты мачты или же уменьшения мощности РПС. Однако уменьшение мощности неизбежно приведет к ухудшению приемного сигнала в наиболее удаленных районах.
Основной целью данной задачи являлось установление размеров возможной санитарной зоны модели реального РТПЦ, который находится в городской черте вблизи жилых строений, а также получения матрицы ЭМБ с целью ее использования для решения оптимизационных задач.
Задача 1.2 Мощные РПС ДВ и СВ диапазона (Троицкий лес), расположенные в черте города, в совокупности с радиостанцией FM вещания (здание ICL, ул. Сибирский тракт). Исходные данные приводятся в табл.3.2.
Из данной карты (рис.3.14) ЭМЗ видно, что, несмотря на большую мощность РПС ДВ и СВ диапазона, санитарная зона имеет относительно малые размеры. Так, размер санитарной зоны в наиболее широком месте оказывается около 400 м.
Радиус санитарной зоны от РПС FM радио составляет порядка 100 м. Относительно большие размеры объясняются малой высотой подвеса антенны. В зоны риска ЭМЗ попали весовые объекты (детский сад, ясли). Хотя и размещение FM станции в городской черте не является характерным, но бывают исключения. Так, в этом месте определенное время функционировала FM радиостанция.
Отмечается сильное изменение санитарной зоны с увеличением высоты для РПС ОВЧ диапазона и незначительное увеличения для СЧ и ВЧ диапазонов. На высоте 30 м. в зону риска ЭМЗ попали два объекта: больница и детский сад. Однако, высоты этих объектов меньше 30м., поэтому можно сделать вывод о зоне риска ЭМЗ только для зданий перспективной застройки большой этажности. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что технические средства СЧ и ВЧ диапазонов, хотя и имеют большие энергетические потенциалы, оказывают меньший вклад в карту ЭМЗ, чем РПС ОВЧ диапазона, особенно на высотах зданий. Существующие СЗЗ РПС СЧ и ВЧ диапазонов с достаточной степенью обеспечивают ЭМБ населения. Задача 1.3 Сеть сотовой связи стандарта GSM для территориальной
зоны, представленной на рис.3.18, площадью примерно 15км2. В этой территориальной зоне обеспечено сплошное покрытие при нахождении абонентов на улицах.
Обобщенная структура и алгоритм решения задач оптимизации параметров и положения радиоипередающих средств на этапе территориального планирования в программном комплексе «Эколог-2008».
Электронная карта Казани является многослойной картой. Использование многослойных электронных карт позволяет учитывать конкретные задачи различных потребителей, предоставляя им возможность работать с необходимыми слоями информации. Многослойная электронная карта — это карта, у которой содержание картографической базы разделено на информационные слои. Слой - это элемент проекта, состоящий из объектов, обладающих некоторыми общими признаками. ЭК Казани содержит такие слои как «Системный», «Рельеф суши», «Гидрография», «Грунты»,
«Растительность», «Населенные пункты», «Промышленные и социальные объекты», «Дорожная сеть» и другие. При решении задач планирования сетей телерадиовещания для хранения пользовательской информации был создан дополнительный слой, получивший название «Электромагнитная загрязненность», который включает в себя такие объекты, как радиопередающая станция, ЭМЗ РПС и общая ЭМЗ, территория анализа S, территория радипокрытия Snr, весовые объекты.
При расчете напряженности ЭМП РПС, являющейся основой остальных вычислений, существенное влияние оказывает рельеф местности, а также расположенные объекты на пути распространения электромагнитной волны.
При отображении матричной карты участки местности, отличающиеся по высоте, изображаются разными цветами [90]. Изображение матричной карты может быть цветным или полутоновым. Для получения цветного изображения используются разные цвета в диапазоне от тёмно-зелёного (участки местности с наименьшей высотой) до тёмно-коричневого (участки местности с наибольшей высотой). На рис 4.1 приведен фрагмент электронный карты. Цветное изображение карты Казани с подложенным растровым изображением снимка со спутника (сервис Google Earth) показано на рис.4.2.
Обобщенная структура и алгоритм решения задач оптимизации параметров и положения радиопередающих средств на этапе территориального планирования в программном комплексе «Эколог-2008» Обобщенная структурная схема программного комплекса представлена на рис.4.3. Программный комплекс разбит на 3 блока. Первый блок связан с использованием геоинформационных технологий, которые предоставляет ГИС «Карта-2005». При решении поставленных задач необходимая информация о действующих значениях предельно допустимых уровнях электромагнитного поля, диаграммах направленности и параметров существующих антенн, фидерах, пунктах установки и параметров действующих радиоизлучающих средств и др. хранится в соответствующих базах данных. Часть информации, которая необходима на начальном этапе расчетов, как например, диаграммы направленности и характеристики антенн, может храниться в текстовых файлах. Вся совокупность баз данных составляет второй блок.
ГИС технологии Ввод данных Манипулирование Управление Визуализация, вывод результатов (таблицы, файлы, графически) Запрос и анализ 1. Задача анализа. Построение карт \А-электромагнитной загряненности. V 2. Территориальное планирование РПС по критерию электромагнитной безопасности. 3. Территориальное планирование сети РПС по критерию электромагнитной безопасности.
В третий блок вынесены основные вычислительные функции программного комплекса «Эколог-2008», который разработан в интегрированной среде разработки программного обеспечения Borland Delphi 7.0. Он реализован как подключаемая динамическая библиотека к ГИС «Карта 2005». В его состав входят: в управляющая последовательность выбора моделей расчета ЭМП с их программной реализацией; показатель эффективности и соответствующие коэффициенты; в программная реализация методов оптимизации; программная реализация решения поставленных задач. Третий блок при работе использует функции первого блока и данные второго блока практически на каждом этапе решения задач.
Рассмотрим алгоритм решения задачи оптимизации положения РПС, так как он использует все компоненты программного комплекса, в отличие от первой задачи, а также требует меньшее время для решения, по сравнению с третьей задачей.
Начальным этапом работы с программным комплексом является ввод данных необходимых для расчетов. К таким данным относятся: территории анализа; » весовые объекты; существующая электромагнитная загрязненность; область радиопокрытия; положение и параметры радиопередающих средств. Исходя из описания ГИС «Карта 2005» [19] следует, что всю пользовательскую информацию можно наносить как на исходную карту, так и на пользовательскую карту местности. К основным преимуществам использования пользовательской векторной карты относятся: одна и та же пользовательская карта может одновременно отображаться на разных картах местности и редактироваться разными пользователями; совместно с одной картой местности может одновременно отображаться любое количество различных пользовательских карт со своими классификаторами; создание, обновление и распространение карт местности и пользовательских карт может выполняться независимо разными службами из разных источников; объекты пользовательской карты могут не иметь связи с пользовательским классификатором. Графическое представление объекта может храниться в записи объекта, что облегчает конвертирование данных из форматов DXF, MIF/MID и тому подобных. Такие объекты называются графическими. Атрибутивные данные могут храниться во внешней реляционной базе данных. Связь с базой данных выполняется по уникальному номеру объекта на карте.
Так как программный комплекс является подключаемой динамической библиотекой к ГИС «Карта-2005», то необходимо произвести запуск приложения. Запуск вызывается в ГИС «Карта-2005» путем подключения соответствующей DLL (рис. 4.4).
Добавление территории анализа обосновано большими размерами реальных цифровых карт местности и существенно сокращает время вычислений, что позволяет более эффективно использовать вычислительные ресурсы без потери точности вычислений и получаемых результатов. Форма территории анализа может быть произвольной, однако на практике наиболее удобно использовать прямоугольную форму (рис.4.5), которая является одновременно простой для задания и эффективной при решении конкретных задач. Х- SW8I» Y -8Б2т Н- 65,88» 1:50000 1Э-1 (обмято . 1869803)
Добавление территории анализа по точкам или же методом указания на карте мышью. В некоторых случаях является целесообразным локальное ужесточение требований электромагнитной безопасности. Примерами могут служить детские сады, школы, больницы. Задание таких объектов может производиться автоматически, путем их поиска на карте в пределах территории анализа. Однако предусмотрено и ручное задание таких объектов с указанием их веса (рис.4.6). Геометрической формой «весового объекта» является любой выпуклый многоугольник или совокупность выпуклых многоугольников.
