Содержание к диссертации
Введение
1. Пространственный анализ излучающих технических средств телекоммуникационных систем 17
1.1 Общая характеристика пространственного распределения излучающих технических средств 17
1.2 Параметры и критерии электромагнитной безопасности систем телекоммуникаций 25
1.3 Пространственно-временной анализ электромагнитной обстановки систем излучателей 29
1.4 Особенности, размещения излучающих технических средств 31
1.5 Выводы 38
2. Проектирование прикладных геоинформационных систем 39
2.1 Геоинформационные системы и телекоммуникации 39
2.1.1 Геоинформатика и телекоммуникации 39
2.1.2 Обзор программного обеспечения 41
2.2 Геоинформационные методики решения задач электромагнитной безопасности 54
2.2.1 Модели пространственных данных 54
2.2.2 Алгоритмы обработки пространственных данных 57
2.3. Принципы разработки геоинформационных приложений 60
2.4. Общая структура геоинформационной системы электромагнитной безопасности 66
2.5. Выводы 75
3. Обоснование методик расчета электромагнитной обстановки на больших территориях 76
3.1. Моделирование электромагнитной обстановки на больших территориях 76
3.1.1 Электродинамические модели НЧ и СЧ диапазонов 77
3.1.2 Электродинамические модели ВЧ диапазона 78
3.1.3 Электродинамические модели УВЧ и ОВЧ диапазонов 78
3.1.4 Электродинамические модели СВЧ и КВЧ диапазонов 89
3.2. Разработка методов формирования пространственных данных для систем электродинамического моделирования 90
3.3. Формирование методической базы электродинамических моделей для решения задач электромагнитной безопасности 98
3.4. Выводы 109
4. Разработка геоинформационной системы электромагнитной безопасности 111
4.1. Разработка программного комплекса ГИС ЭМБ 111
4.1.1 Графический интерфейс пользователя 113
4.1.2 Библиотеки модулей 119
4.1.3 Интерфейс программирования приложений 124
4.2. Разработка методик решения задач электромагнитной безопасности с применением ГИС ЭМБ 125
4.2.1 Интерфейс ГИС ЭМБ 125
4.2.2 Алгоритм работы с ГИС ЭМБ 129
4.3. Практическое применение ГИС ЭМБ для решения задач электромашитной безопасности телекоммуникационных систем 139
4.4. Выводы 154
Заключение 156
Литература 160
Приложение 1 179
Приложение 2 180
- Общая характеристика пространственного распределения излучающих технических средств
- Принципы разработки геоинформационных приложений
- Электродинамические модели УВЧ и ОВЧ диапазонов
- Графический интерфейс пользователя
Введение к работе
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. Масштабы электромагнитного загрязнения стали столь существенны, что Всемирная организация здравоохранения ввела термин глобального электромагнитного загрязнения и включила эту проблему в число наиболее значимых для человечества. По мнению её экспертов, уровень электромагнитного загрязнения окружающей среды выходит на уровень, характерный для нынешнего загрязнения ее вредными химическими веществами, и при таких же темпах роста количества и мощности источников электромагнитного излучения в самое ближайшее время может превзойти его.
Функционирование ряда систем телекоммуникаций основано на излучении электромагнитной энергии в окружающую среду. Некоторые технологии подразумевают равномерное распределение электромагнитного поля на большие территории. Параллельно увеличению количества электромагнитной энергии, излучающей в окружающую среду, проводятся многочисленные исследования, выявляющие многофакторное (в том числе и негативное) влияние электромагнитных полей на организм человека. Вместе с тем человек не может отказаться от технологий, порождающих излучение электромагнитных полей. Следствием этого является возникновение проблем электромагнитной безопасности в отрасли «Связь» [25, 149]. Сущность этих проблем в защите человека и окружающей среды от воздействия электромагнитных полей телекоммуникационных систем различных частотных диапазонов.
На территории крупных городов размещено большое количество различного рода излучающих технических средств. Телевидение, радиовещание, системы сотовой связи, а также многочисленные ведомственные средства свя-
зи и передачи информации - эти технические средства размещаются на территориях мегаполисов. Передающие антенны разнородного телекоммуникационного оборудования устанавливаются на удобных с точки зрения массового обслуживания местах (различные мачты, башни, крыши высотных зданий и прочее) [49, 50, 129, 132]. Некоторые технологии предполагают равномерное распределение электромагнитного поля в пространстве, в том числе и на селитебной территории. Так, например, в крупных городах количество базовых станций систем подвижной связи исчисляется сотнями.
В условиях лавинообразного и часто неконтролируемого наращивания излучающих технических средств, когда человека практически всегда и везде сопровождают электромагнитные поля антропогенного происхождения, информация о возможных источниках и масштабах электромагнитного загрязнения связана с принятием ответственных административных, градостроительных, финансовых, инвестиционных и коммерческих решений.
Для получения необходимой информации об электромагнитной обстановке на территории необходима система мониторинга электромагнитных полей излучающих систем. Контроль электромагнитной обстановки возможен при непосредственном измерении уровней электромагнитного поля на местности. При таком подходе возникает ряд проблем. Одна из таких проблем многофакторность электромагнитного загрязнения - в любом крупном городе на определенный участок территории могут воздействовать несколько десятков мощных электромагнитных источников с различным расположением и различными частотами излучения. Использование в данном случае специальной измерительной аппаратуры для оценки электромагнитного загрязнения весьма затруднительно - в случае многочастотного воздействия проведение достоверных измерений становится возможным лишь при отключении всех излучателей за исключением контролируемого, что в пределах мегаполиса практически невозможно. Другим немаловажным фактором является огромная трудоемкость процесса непосредственного мониторинга на местности.
Процесс измерений уровней электромагнитного поля даже на территории небольшого города может затянуться на неопределенный срок. Альтернативой непосредственным измерениям на местности может стать расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки. В этом случае возможен многофакторный подход при оценке масштабов электромагнитного загрязнения.
Расчет электромагнитной обстановки на больших территориях должен проводиться с учетом множества факторов, характеризующих данную местность (рельеф, растительность, застройка ...) -такая информация содержится в цифровых моделях местности и в цифровых картах. Основным инструментом для работы с такими картами и моделями являются геоинформационные системы (ГИС) [15,18, 57,133,134].
Таким образом, рассматриваемые проблемы необходимо обсуждать по нескольким направлениям.
Проблема электромагнитной безопасности и оценки состояния окружающей среды по электромагнитному фактору. Важным требованием к проектированию комплексов излучающих технических средств является электромагнитная безопасность. Этот параметр системы должен учитываться при определении структуры комплекса и параметров излучающих объектов. Электромагнитная безопасность может характеризоваться размерами санитарных зон, направленностью излучения, излучаемой мощностью, превышением предельно допустимых уровней поля. В теории и практике проектирования телекоммуникационных систем сформировалось новое направление - обеспечение электромагнитной безопасности.
Начало работ в этом направлении относится к концу 70-х (ЕЛО. Ше-редько, Ю.М Сподобаев) [25 - 27, 143 - 150] началу 80-х годов (А.Л. Бузов, В.А. Романов, В.П. Кубанов) [78 - 80, 19 - 23]. Различным направлениям электромагнитной безопасности посвящены труды таких ученых как Маслов О.Н., Минкин М.А , Юдин В.В., Казанский Л.С, Кольчугин Ю.И. [102 - 104, 163 -166, 62, 71]. На основе данных исследований была сформирована нормативно-
методическая база РФ по электромагнитной безопасности. Особенностью разработанных методик расчета является исследование электромагнитных полей на открытой территории в ближней зоне, без учета застройки и рельефа.
Первоначальным методом решения проблемы электромагнитной безопасности был метод анализа электромагнитной обстановки после построения системы излучающих технических средств. Долгое время это был единственный способ решения задач электромагнитной безопасности.
Следующим этапом в развитии методологии решения задач электромагнитной безопасности стало моделирование излучающей системы технических средств, с помощью ЭВМ. Исследуемая система - объект делилась на несколько подобъектов. Отдельно создавались математические модели для излучающих элементов системы и для топологии комплекса, создавалась электродинамическая модель, учитывающая особенности распространения электромагнитных волн. Решение задач электромагнитной безопасности в данном методе происходит посредством синтеза структуры и параметров системы излучающих технических средств в автоматизированном или интерактивном режиме. Фундаментом для создания программ моделирования электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств стали работы Сподобаева Ю.М. [143 - 150]. На основе созданных им алгоритмов был построен уникальный программный комплекс, позволяющий проводить расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств - САПР ЭО. В дальнейшем, этот программный комплекс стал основой для ПК АЭМО - уникальной программы для моделирования электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств - созданной в Самарском НИИ Радио (СОНИИР).
Проблема оценки состояния окружающей среды по электромагнитному фактору различают несколько направлений для исследований. Одно из направлений - оценку качества окружающей среды по электромагнитному фактору. Таким критерием является параметр, связанный с уровнем или интен-
сивностью поля. Наиболее часто в качестве такого критерия выбирают предельно допустимый уровень (ПДУ) электромагнитного поля или суммарную величину нормированных к ПДУ уровней воздействий (так называемый критерий безопасности - термин употребляемый в санитарно-гигиенической практике) [124 - 128]. Такой подход для изолированного воздействия является достаточным, однако для смешанного воздействия электромагнитных полей с различными частотами и видами модуляции простое суммирование не даст объективной картины воздействия. Многочисленные исследования в области влияния электромагнитных полей на биологические объекты доказывают важность учета не только источников поля большой интенсивности, но и излучателей с небольшой мощностью. Одно из решений проблемы выбора критерия - создание универсального критерия электромагнитной безопасности. Можно выделить несколько основных требований к такому критерию:
наличие единого безразмерного показателя для сравнения источников и уровней загрязнения в пространстве и времени;
независимость этого показателя от количества взаимодействующих источников;
количественная оценка степени опасности для здоровья и окружающей среды.
Созданием такого критерия занимаются исследователи в рамках Международного проекта по изучению электромагнитных полей - International EMF Project - что подчеркивает особенную актуальность такой задачи.
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. И практически нет программ, позволяющих оценивать электромагнитную обстановку на больших территориях. Такие системы как Numeric Electromagnetic Code (NEC), ANSYS, High-Frequency Structure Simulation (HFSS) и некоторые другие позволяют прогнозировать электромагнитную обстановку отдельных излучающих систем и не решают в комплексе всех задач, связанных с санитарно-гигиенической экспертизой и электромагнитной безопасностью. Программный комплекс оценки электромагнитной безопасности должен объединить в себе несколько подсистем, каждая из которых решает отдельно поставленную задачу в рамках электромагнитной безопасности. Все такие задачи разделяются по нескольким направлениям:
инвентаризация и паспортизация излучающих систем и технических средств;
расчет и прогнозирование электромагнитной обстановки на определенной территории;
визуализация электромагнитной обстановки и оценка состояния окружающей среды по электромагнитному фактору.
Инвентаризация технических средств является неотъемлемой частью программного комплекса электромагнитной безопасности. Паспортизация всех источников излучения - важная задача - от её успешного выполнения зависит достоверность полученных прогнозов о масштабах электромагнитного загрязнения. Сбор сведений об источниках электромагнитных полей возможен различными способами. Актуальной задачей является создание алгоритмов автоматической и полуавтоматической инвентаризации технических средств. Большинство программных продуктов, так или иначе связанных с инвентаризацией объектов, предполагают создание некоторой базы данных с определяющими эти объекты свойствами.
Расчет и прогнозирование электромагнитной обстановки на определенной территории важный этап в создании системы электромагнитной безопасности. Практически все программные комплексы, так или иначе связанные с
расчетом электромагнитных полей на территории решают задачи оценки зон обслуживания (например в системах подвижной радиосвязи). Часто для увеличения производительности таких программ методики расчета упрощают и не учитывают некоторых особенностей данной территории. Для комплексного учета особенностей местности и точного прогнозирования электромагнитного загрязнения необходимо создание синтезированной методики расчета электромагнитных полей, которая позволит наиболее точно оценить экологическую обстановку по электромагнитному фактору. Создание такой методики является актуальной задачей для решения проблем электромагнитной безопасности.
Визуализация электромагнитной обстановки на подконтрольной территории - заключительный этап в построении программного комплекса электромагнитной безопасности. Проектирование модуля визуализации необходимо проводить с учетом критериев оценки экологической обстановки по электромагнитному фактору. Система визуализации является связующим звеном между незримыми системами расчета и оператором программного комплекса. Большинство существующих программ, позволяющих создавать графическое отображение электромагнитной обстановки на территории, используют комбинированные векторно-растровые технологии компьютерной графики. Например, система визуализации электромагнитных полей программного комплекса ПК АЭМО построена на базе системы GnuPlot - мультиплат-форменной программы построения графиков.
Геоинформационные технологии в телекоммуникациях. Любая телекоммуникационная система является пространственно - распределенным комплексом различных объектов. Каждый объект в определенный момент времени имеет свои географические координаты и находится в определенной точке местности. Таким образом, структура любой телекоммуникационной системы в каждый момент времени может быть представлена в виде карты объектов этой системы. Соответственно любой комплекс телекоммуникаци-
онного оборудования может рассматриваться как часть цифровой модели или цифровой карты местности. Такой подход к анализу пространственно распределенных систем получил название геоинформационного. Геоинформационный подход предполагает использование специализированных программно-аппаратных комплексов для сбора, анализа, хранения и обработки пространственно распределенной информации. Такие комплексы называют геоинформационными системами (ГИС) [12 - 16,18].
В настоящее время ГИС - гигантская индустрия, в которую вовлечены миллионы людей во всём мире. Суммарная стоимость программного обеспечения ГИС превысила 1 миллиард долларов, а с учётом сопутствующих программных и аппаратных средств финансовый объём рынка геоинформационных систем приблизился к 10 миллиардам.
Применение ГИС в области телекоммуникаций позволяет решать множество различных задач - от инвентаризации объектов до визуализации электромагнитной обстановки. 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.
В Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (ПГАТИ) с 1979 г. проводятся теоретические и экспериментальные исследования в области электромагнитной безопасности [24, 148]. Некоторые исследования стали основой настоящей диссертационной работы, автор которой с 2001 г. работает над проблемами электромагнитного картографирования и электромагнитной безопасности [130,131].
Целью настоящей работы является разработка методов и инструментов оценки электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем на основе геоинформационных технологий.
Объектом исследований является территориально распределенная система излучающих технических средств телекоммуникаций.
В работе решаются следующие задачи:
Разрабатываются методы и алгоритмы инвентаризации излучающих технических средств телекоммуникаций с использованием цифровых моделей местности.
Разрабатывается структура хранения информации об излучающих технических средствах телекоммуникаций на базе цифрового картографирования.
Разрабатываются методы и алгоритмы анализа электромагнитной обстановки на больших территориях.
Разрабатываются алгоритмы интеграции электродинамических моделей и геоинформационных технологий.
Разрабатываются методики графического отображения и интерпретации суперпозиции электромагнитных полей излучающих объектов.
Разрабатывается геоинформационная компьютерная среда для анализа и визуализации электромагнитной обстановки на больших территориях.
Осуществляется апробация разработанных методов и средств путем решения практических задач.
В первом разделе диссертации приводится систематизация источников электромагнитных полей на территории мегаполиса. Производится классификация телекоммуникационных систем по степени влияния на качество экологической обстановки по электромагнитному фактору. Для каждой системы излучающих технических средств выделяются основные характеристики, необходимые для последующего анализа электромагнитной обстановки, а также определяется характер пространственно-временной картины электромагнитного поля системы.
Во втором разделе диссертации рассматриваются принципы разработки геоинформационных приложений. Производится анализ и сравнение программных продуктов, ориентированных на использование в области телекоммуникаций и связанных с цифровым картографированием и моделированием местности. Рассматривается геоинформационный подход к решению задач электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем. Разрабатываются методики и алгоритмы инвентаризации излучающих технических средств с использованием цифровых карт местности, интеграции электродинамических моделей в геоинформационную среду и формируется общая структура геоинформационной системы электромагнитной безопасности.
Третий раздел диссертации посвящен анализу и визуализации электромагнитной обстановки на больших территориях в рамках проблем электромагнитной безопасности. Методами геометрической оптики разрабатываются алгоритмы определения положения точки пространства, относительно системы излучающих технических средств (прямая видимость, затенение рельефом, затенение постройками ...). Разрабатываются интегральные методы оценки электромагнитной обстановки на больших территориях с применением геоинформационных технологий. Разрабатываются концепции анализа электромагнитного поля систем подвижной радиосвязи, на основе комбинации статистических и детерминистических методик расчета. Разрабатываются алгоритмы дополнения электродинамических моделей дифракционными эф-
фектами с применением геоинформационных технологий. Производится разработка методик и алгоритмов графического отображения и интерпретации электромагнитных полей излучающих объектов на больших территориях в рамках проблем электромагнитной безопасности.
Содержание четвертого раздела посвящено результатам разработки геоинформационной системы электромагнитной безопасности. Рассматривается обобщенная структура программного комплекса и его модулей. Приводятся примеры использования разработанных методик и средств для конкретных решений проблем электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем. Производится анализ внедрения результатов исследований.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
разработаны методики инвентаризации и хранения данных о системах телекоммуникаций с использованием геоинформационных технологий;
разработаны методы и алгоритмы анализа электромагнитной обстановки на больших территориях;
разработаны методики визуализации и геоэкологического картографирования электромагнитной обстановки на больших территориях;
разработаны геоинформационные технологии учета проблем электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем.
На защиту выносятся:
Геоинформационная организация структуры хранения и обработки данных об излучающих технических средствах телекоммуникационных систем.
Методики и алгоритмы визуализации и геоэкологического картографирования электромагнитных полей на больших территориях.
Геоинформационные технологии решения задач электромагнитной безопасности для комплексов телекоммуникационных систем.
Научные результаты диссертации выносятся на защиту как научно обоснованное решение важной задачи новых компьютерных технологий ана-
лиза электромагнитной обстановки на больших территориях, для решения проблем электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем.
Значимость работы определяется большим практическим востребованием результатов исследований. Материалы исследований воплотились в уникальный программный комплекс ГИС ЭМБ, с помощью которого была проведена оценка электромагнитной обстановки различных телекоммуникационных систем на территории г. Самары и Самарской области.
Общая характеристика пространственного распределения излучающих технических средств
В Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (ПГАТИ) с 1979 г. проводятся теоретические и экспериментальные исследования в области электромагнитной безопасности [24, 148]. Некоторые исследования стали основой настоящей диссертационной работы, автор которой с 2001 г. работает над проблемами электромагнитного картографирования и электромагнитной безопасности [130,131]. Целью настоящей работы является разработка методов и инструментов оценки электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем на основе геоинформационных технологий. Объектом исследований является территориально распределенная система излучающих технических средств телекоммуникаций. В работе решаются следующие задачи: 1. Разрабатываются методы и алгоритмы инвентаризации излучающих технических средств телекоммуникаций с использованием цифровых моделей местности. 2. Разрабатывается структура хранения информации об излучающих технических средствах телекоммуникаций на базе цифрового картографирования. 3. Разрабатываются методы и алгоритмы анализа электромагнитной обстановки на больших территориях. 4. Разрабатываются алгоритмы интеграции электродинамических моделей и геоинформационных технологий. 5. Разрабатываются методики графического отображения и интерпретации суперпозиции электромагнитных полей излучающих объектов. 6. Разрабатывается геоинформационная компьютерная среда для анализа и визуализации электромагнитной обстановки на больших территориях. 7. Осуществляется апробация разработанных методов и средств путем решения практических задач. В первом разделе диссертации приводится систематизация источников электромагнитных полей на территории мегаполиса. Производится классификация телекоммуникационных систем по степени влияния на качество экологической обстановки по электромагнитному фактору. Для каждой системы излучающих технических средств выделяются основные характеристики, необходимые для последующего анализа электромагнитной обстановки, а также определяется характер пространственно-временной картины электромагнитного поля системы.
Во втором разделе диссертации рассматриваются принципы разработки геоинформационных приложений. Производится анализ и сравнение программных продуктов, ориентированных на использование в области телекоммуникаций и связанных с цифровым картографированием и моделированием местности. Рассматривается геоинформационный подход к решению задач электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем. Разрабатываются методики и алгоритмы инвентаризации излучающих технических средств с использованием цифровых карт местности, интеграции электродинамических моделей в геоинформационную среду и формируется общая структура геоинформационной системы электромагнитной безопасности.
Третий раздел диссертации посвящен анализу и визуализации электромагнитной обстановки на больших территориях в рамках проблем электромагнитной безопасности. Методами геометрической оптики разрабатываются алгоритмы определения положения точки пространства, относительно системы излучающих технических средств (прямая видимость, затенение рельефом, затенение постройками ...). Разрабатываются интегральные методы оценки электромагнитной обстановки на больших территориях с применением геоинформационных технологий. Разрабатываются концепции анализа электромагнитного поля систем подвижной радиосвязи, на основе комбинации статистических и детерминистических методик расчета. Разрабатываются алгоритмы дополнения электродинамических моделей дифракционными эффектами с применением геоинформационных технологий. Производится разработка методик и алгоритмов графического отображения и интерпретации электромагнитных полей излучающих объектов на больших территориях в рамках проблем электромагнитной безопасности.
Содержание четвертого раздела посвящено результатам разработки геоинформационной системы электромагнитной безопасности. Рассматривается обобщенная структура программного комплекса и его модулей. Приводятся примеры использования разработанных методик и средств для конкретных решений проблем электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем. Производится анализ внедрения результатов исследований. Научная новизна исследований заключается в следующем: - разработаны методики инвентаризации и хранения данных о системах телекоммуникаций с использованием геоинформационных технологий; - разработаны методы и алгоритмы анализа электромагнитной обстановки на больших территориях; - разработаны методики визуализации и геоэкологического картографирования электромагнитной обстановки на больших территориях; - разработаны геоинформационные технологии учета проблем электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем. На защиту выносятся: 1. Геоинформационная организация структуры хранения и обработки данных об излучающих технических средствах телекоммуникационных систем. 2. Методики и алгоритмы визуализации и геоэкологического картографирования электромагнитных полей на больших территориях. 3. Геоинформационные технологии решения задач электромагнитной безопасности для комплексов телекоммуникационных систем.
Принципы разработки геоинформационных приложений
Специфика программирования в области геоинформатики состоит в разделении труда между разработчиками базовых компонент ГИС и прикладным программированием. Существующие де-факто стандарты представления векторных и матричных данных определяют вектор движения разработчиков платформ для геоинформационных приложений. Одновременно такие стандарты обеспечивают совместное использование одних и тех же структур данных в различных приложениях.
Разработка ГИС проекта можно представить в виде замкнутого цикла из нескольких основных этапов - рисунок 2.7.
Первым этапом является определение проблемы, которую необходимо решать посредством геоинформационных технологий. При этом определяется общая постановка задачи, с последующим разделением на частные подзадачи. Пример постановки общей задачи - «решение задач электромагнитной безопасности телекоммуникационных систем». Для этой задачи можно выделить ряд подзадач, например - «определение санитарно-защитных зон для излучающих технических средств СЧ диапазона».
Этап постановки общей задачи и подзадач является определяющим, для дальнейшего развития всего цикла разработки ГИС проекта. Формулировка общей задачи часто отображается в названии геоинформационного приложения, а из формулировок подзадач выстраивается структура модулей программы [133]. Например, если мы будем решать с помощью ГИС задачи электромагнитной безопасности, то и саму программу можно назвать «Геоинформационная система электромагнитной безопасности».
На этом этапе определяются общие направления математического и физического моделирования, которое будет использовано в системе, а также исходные данные для этих моделей. Для решения задач электромагнитной безопасности математической основой будут различные электродинамические модели, а информация о местоположении технических средств, параметрах излучения, рельефа, застройки и других особенностей территории будет использована в качестве исходных данных.
Так же на первом этапе определяются потенциальные пользователи и заказчики геоинформационного приложения. Так как система электромагнитной безопасности охватывает большие по площади территории, то заказчиками могут быть телекоммуникационные и энергетические предприятия, градостроительные компании и администрации города всех уровней, экологические и санитарные службы.
Поскольку ГИС могут применяться для решения различных задач, в разных организационных схемах и с разными требованиями, подходы к разработке системного проекта могут варьироваться в довольно широких пределах.
Наибольшее применение ГИС нашли в системах поддержки и принятия управленческих решений, или в информационно-управляющих системах.
Основные функции информационно-управляющих систем (ИУС) — это планирование и контроль, которые взаимосвязаны. И для планирования, и для контроля необходима своевременная, конкретная, точная информация, эффективная по отношению к затратам на ее получение. Для ГИС электромагнитной безопасности эффективная информация о электромагнитной обстановке на территории может быть получена с помощью математического моделирования - такое решение позволяет максимально снизить стоимость получения информации для больших территорий.
ИУС должна выдавать информацию о прошлом, настоящем и предполагаемом будущем. Она должна отслеживать все относящиеся к делу события внутри и вне организации. Общая цель ИУС — облегчение эффективного выполнения функций планирования, контроля и управления деятельности. Для системы электромагнитной безопасности планирование управление и мониторинг могут быть реализованы с помощью интерактивных цифровых карт местности с соответствующими данными об излучателях и электромагнитной обстановке.
ИУС не является единственной всеобъемлющей интегрированной системой для удовлетворения всех потребностей администрации в информации. Цель ИУС состоит не только в том, чтобы просто выдавать и обрабатывать некоторую информацию, но и в том, чтобы эта информация была ориентирована на пользователя, т.е. она должна служить потребностям тех управляющих, которые ее получают. Решение задач, поставленных пользователем системы электромагнитной безопасности, может быть представлено системой визуализации в виде тематических карт, с легендой составленной наиболее подходящим образом для данной задачи.
При проектировании информационной системы нужно иметь в виду, что информационные потребности управляющих различны в зависимости от их уровня в иерархии управления и от функциональных обязанностей. Виды управленческой деятельности принято делить на три категории: 1) стратегическое планирование — процесс принятия решений относительно целей и стратегий организации, изменения целей, использования ресурсов для достижения этих целей, выбора стратегий, обусловливающих получение, использование и размещение этих ресурсов (проектирование телекоммуникационных и энергосистем с учетом сложившейся электромагнитной обстановки, рельефа местности, селитебных территорий); 2) управленческий контроль — процесс, посредством которого управляющие обеспечивают получение ресурсов и их эффективное использование для достижения общих целей (контроль загруженности систем, перераспределение нагрузки); 3) оперативный контроль — процесс обеспечения эффективного и квалифицированного выполнения конкретных задач (мониторинг электромагнитной обстановки на территории, занимаемой системой).
Электродинамические модели УВЧ и ОВЧ диапазонов
Решение задач электромагнитной безопасности напрямую связано с расчетом компонент электромагнитного поля множества излучателей различных типа. Анализ электромагнитной обстановки на больших территориях требует формирования определенной методической базы электродинамических моделей. Интеграция таких моделей и геоинформационной среды - одна из важных задач проектировщика ГИС электромагнитной безопасности. На первоначальном этапе формирования методической базы электродинамических моделей необходимо классифицировать все методики расчета компонент электромагнитного поля. Рассмотрим три основных подгруппы методик расчета: детерминистические, статистические и комбинированные. Детерминистические методики расчета наиболее объемны по вычислениям, но позволяют получить наиболее точные данные об электромагнитной обстановке. Статистические методики чаще всего применяются в системах оценки зон обслуживания для комплексов подвижной радиосвязи. При относительной простоте и небольшой вычислительной нагрузке эти модели позволяют получить достаточно достоверные сведения.
Комбинированные методики представляют собой синтез статистических и детерминистических методов расчета. При этом в близлежащей к излучателю зоне компоненты электромагнитного поля рассчитываются детерминистическими методами, а на некотором расстоянии от излучателя -статистическими. Таким образом, можно учесть индивидуальные особенности застройки и рельефа местности, выявить локальные теневые зоны и т. д. Рассмотрим более подробно один из вариантов комбинированной методики прогнозирования электромагнитной обстановки для излучающих систем УВЧ и ОВЧ диапазонов. Традиционно в этих диапазонах используются эмпирико-статистические и аналитико-статистические подходы. Это работы Окамуры и модели, использующие апроксимацию кривых Окамуры, а также методики, основанные на теоретическом анализе электромагнитного поля при статистическом описании параметров застройки территории. Такие модели вполне подходят для определения зон уверенного приема, но не могут обеспечить учет индивидуальных особенностей радиотрассы. В противовес статистическим моделям появились детерминистические методики, позволяющие снизить величину дисперсии прогнозируемых величин. Однако полностью заменить статистические модели детерминистическими представляется неосуществимой задачей, из-за огромного объема вычислений, и что самое главное, отсутствие строгих электродинамических моделей для учета всех локальных особенностей. Интерференционная картина электромагнитного поля очень сложна, ее образуют множество волн с различными амплитудами и фазами. В этом случае даже небольшое смещение точки наблюдения (на расстояние соизмеримое с длиной волны) приведет к резкому изменению напряженности поля. Кроме того, на электромагнитную обстановку будут влиять различные подвижные объекты, погодные условия и т.д. Вот почему применение детерминистических методик возможно только на весьма ограниченных территориях, а полученные данные должны подвергаться последующей статистической обработке.
Самым простым способом учета индивидуальных особенностей городской застройки, особенностей рельефа и других факторов, является комбинация статистического и детерминистического моделирования. При этом влияние всего дальнего окружения, полный учет которого детерминистическими методами невозможен, оценивается статистически, а влияние близлежащих препятствий определяется детерминистической моделью. На рисунке ЗЛО показано характерное разделение всей исследуемой территории на две зоны. Зона 1 - это так называемая «зона ближнего окружения» - на этой территории работает детерминистическая часть комбинированной модели. Зона 2 - по площади значительно превышает предыдущую, а электромагнитное поле здесь оценивается статистически.
Такая организация зон расчета позволяет получить достаточно достоверные сведения о локальных затенениях от зданий (в зоне 1).
Основным недостатком такого зонального разделения является преобладание площади «зоны 2» над «зоной 1», и как следствие менее достоверные результаты прогнозирования электромагнитной обстановки на больших территориях. Кроме того применение такого зонального разделения возможно лишь в случае равнинного характера рельефа местности - на территории с неоднородным рельефом применение статистических моделей на основной площади расчетов приведет к сильному расхождению результатов прогнозирования и действительной электромагнитной обстановкой.
Автором настоящей работы предложена альтернативная методика зонального разделения больших территорий для комбинированного моделирования электромагнитной обстановки. Сущность предложенной методики состоит в более тесной интеграции геоинформационных технологий и электродинамического моделирования. Вся исследуемая территория классифицируется по нескольким признакам, в соответствии с которыми и выявляются однородные (по данному признаку) области. Далее каждой точке территории присваиваются определенные свойства, в соответствии с ее принадлежностью к той или иной однородной области. Выбор методики расчета (статистический или детерминистический) в данной точке осуществляется на основе анализа набора присвоенных точке свойств [137, 138].
Графический интерфейс пользователя
Разработка геоинформационной системы электромагнитной безопасности (ГИС ЭМБ) проводится в несколько этапов. 1. 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 способной 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 Maplnfo. 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» геоинформационной системы посредством API функций. Достоинства - простота совмещенная с более богатыми (по сравнению с макроязыками) возможностями. Недостатки - закрытый программный код ядра системы, высокая цена таких средств разработки; - использование геоинформационных систем с открытым исходным кодом - 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. Анализируя различные open source проекты геоинформационной тематики, а так же опираясь на свой семилетний опыт программирования ГИС приложений, автор данной работы выбрал в качестве исходной платформы проект SAGA (www.saga-gis.org). Open Source проект SAGA - System for Automated Geoscientific Analyses - существует уже больше пяти лет. Штаб проекта находится в Геттингенском Университете (Goettingen Univerisity) в Германии, главный разработчик и координатор проекта Олаф Конрад (Olaf Conrad). Взятый за основу исходный код программы был переработан, модернизации подверглись практически все компоненты SAGA, в результате чего на свет появилась Геоинформационная Система Электромагнитной Безопасности, или ГИС ЭМБ. Рассмотрим обобщенную структурную схему программного комплекса ГИС ЭМБ. «Три кита», составляющие основу ГИС ЭМБ показаны на рисунке 4.1 - это графический интерфейс пользователя, библиотеки модулей и интерфейс программирования (этот термин редко используется специалистами в области программирования, чаще всего применяют международный термин Application Programming Interface или сокращенно API). Рассмотрим более подробно эти компоненты программы. Или Graphical User Interface (GUI) является связующим звеном между пользователем и ядром системы. Две основные задачи, решаемые с помощью GUI, это управление ГИС и визуализация данных (рисунок 4.2). Рассмотрим общие принципы построения пользовательских интерфейсов программ, проецируя методологию научного конструирования GUI на интерфейс ГИС ЭМБ. Когда говорят о научных основах проектирования пользовательских интерфейсов, в первую очередь упоминают термин НСІ. HCI — это аббревиатура английского Human-Computer Interaction, что переводится как "взаимодействие человека и компьютера". Одними из самых цитируемых в книгах по HCI являются десять эвристических правил известнейшего американского специалиста в области проектирования интерфейсов Якоба Нильсена (Jakob Nielsen), разработанных им совместно с другим исследователем, Рольфом Моличем (Rolf Molich). Формулировку этих принципов в оригинале можно прочитать по адресу http://www.useit.com/papers/heuristic/heHristic_list.html. Это десять главных заповеден любого разработчика компьютерных интерфейсов, т. е. минимальные критерии, которым должен отвечать интерфейс любой программы. Рассмотрим эти правила и их реализацию в ГИС ЭМБ более подробно. Видимость состояния системы (правило обратной связи). Система (в данном случае — компьютерная программа) должна всегда информировать пользователя о состоянии своей работы с помощью соответствующих средств, в разумное время. При рассмотрении этого правила нужно учитывать несколько аспектов. Информированность пользователя. Пользователь всегда должен иметь информацию о текущем статусе работы программы - система электромагнитной безопасности предоставляет пользователю исчерпывающие сведения о процессе выполнения расчетов электромагнитной обстановки, текущих координатах курсора мыши на карте, списке доступных электродинамических моделей и т. д.
