Электромагнитный мониторинг мегаполиса

УДК 574

М.Ю. МАСЛОВ, начальник научно-образовательного центра «Технической электродинамики и антенных систем», филиал ФГУП НИИР – СОНИИР, к.т.н., доц.
М.Ю. СПОДОБАЕВ, директор филиала ФГУП НИИР – СОНИИР, к.т.н.
Ю.М. СПОДОБАЕВ, главный научный сотрудник научно-образовательного центра «Технической электродинамики и антенных систем», филиал ФГУП НИИР – СОНИИР, д.т.н.,проф.

Ключевые слова: электромагнитные поля, электромагнитное загрязнение, электромагнитный мониторинг, электромагнитное прогнозирование, геоэкологическое картографирование.

Статья опубликована в журнале «Труды НИИР» №4 от 2013 г.
Скачать статью в формате .doc

Введение

Реалии сегодняшнего дня диктуют необходимость учета последствий взаимодействия созданной человеком техносферы с окружающей природной средой при решении любых прикладных задач. Проблемы экологии и охраны окружающей среды становятся важнейшими и актуальнейшими как в научно-технической, так и в социально-экономической сферах, поскольку последствия хозяйственной деятельности человека все чаще и чаще приобретают глобальные масштабы.

Традиционно к задачам экологии относят следующие направления:

– изучение закономерностей развития экологических ситуаций и факторов, на них влияющих, в историко-социально-техническом аспекте в течение значительного временного интервала;
– анализ современного состояния экосистем и факторов, на него влияющих; здесь традиционно главенствующая роль отводится экологическому мониторингу с последующей системной обработкой его данных;
– прогнозирование развития экологических ситуаций разного уровня локализации (локальных, региональных, субглобальных, глобальных) с выработкой рекомендаций по предотвращению неблагоприятных экосистемных изменений.
При этом очевидно, что достаточно устойчивое состояние экосистем возможно только при непрерывном системном контроле состояния природной среды по всем существенным факторам антропогенного воздействия.

И в быту, и в процессе трудовой деятельности человека окружают разнообразные технические средства, создающие электромагнитные поля (ЭМП), которые обладают различными пространственно-временными характеристиками. Причем для одних технических средств генерация электромагнитной энергии является специфической особенностью, диктуемой их функциональным назначением, а для других – напротив, побочным явлением. Однако, в обоих случаях, генерируемые поля являются активным фактором загрязнения окружающей среды. Отмеченные вопросы относятся к специфической области знания – «электромагнитной экологии» [1-6] и традиционно, проблемы с ними связанные, решаются при помощи электромагнитного мониторинга, включающего в себя:

– расчетное прогнозирование ЭМП, что весьма важно для стадий разработки, проектирования и размещения технических средств города, являющихся источниками ЭМП;
– инструментальный контроль электромагнитной обстановки на стадии эксплуатации объектов и их комплексов;
– разработку мероприятий и рекомендаций по защите от ЭМП и нормализации городской электромагнитной обстановки.

Обеспечение работоспособности и, в то же время, безопасности с точки зрения электромагнитной экологии технических средств, создающих ЭМП, как на отдельной площадке, мачте или башне, так и в пределах района или города – это актуальная и важная народнохозяйственная проблема. От правильных подходов к этой проблеме зачастую зависят решения ответственных административных, хозяйственных, финансовых, инвестиционных и коммерческих управленческих задач. При этом экологическая безопасность и оптимальная топология размещения технических средств и объектов городской застройки должна обеспечиваться и при внедрении новых технологий, связанных, во-первых, с общим развитием энергетических и телекоммуникационных систем и появлением принципиально новых технологий, и, во-вторых, со значительным расширением предоставляемых услуг.

1. Разновидности электромагнитного мониторинга

В общем случае электромагнитный мониторинг должен включать наблюдение за воздействующим фактором, оценку состояния среды по соответствующим критериям, прогнозирование обстановки по этому фактору и создание информационных систем различного целевого назначения.

По целевой направленности можно различать несколько видов электромагнитного мониторинга: Электромагнитный мониторинг для оценки санитарно-гигиенического состояния окружающей среды, загрязненной ЭМП энергетических и телекоммуникационных технических средств. Его особенность – это строгое соответствие действующей в Российской Федерации нормативно-методической
документации [1-3].

Мониторинг электромагнитной обстановки, осуществляемый для целей санитарно-гигиенической экспертизы, проводится на этапах проектирования, строительства и эксплуатации излучающих технических средств. Основа такого мониторинга – это прогнозирование электромагнитной обстановки расчетными методами. Расчеты проводятся обычно на критические режимы работы – условия прямой видимости, предельные нагрузки, максимальные излучаемые мощности и прочее.

Результаты этого мониторинга оформляются в виде санитарно-гигиенического заключения на
излучающий объект и включают в себя материалы по санитарным зонам конкретного объекта. Для формирования обобщенной картины поля города они малопригодны.

Геоэкологический электромагнитный мониторинг состояния окружающей среды [2, 5, 7-9], охватывающий, как правило, значительно большие территории, чем анализируемые при санитарно- гигиенической оценке. Его особенность – большое количество разнородных технических средств, пространственная разнесенность излучающих объектов, влияние рельефа местности и застройки на электромагнитную обстановку. Для оценок электромагнитной обстановки целесообразно иметь систему обобщенных оценок, как размещенного на территориях оборудования, так и уровней создаваемой электромагнитной угрозы.

Результаты этого мониторинга должны допускать детальный анализ электромагнитной обстановки с оценкой вкладов различных излучающих технических средств и возможностью прогнозирования энергетических запасов оборудования.

Именно такой мониторинг должен сопровождать хозяйственную деятельность в современном мегаполисе.

Социально ориентированный электромагнитный мониторинг [6, 11]. На сегодняшний день развитие телекоммуникационных систем уже достигло такого уровня, что вопрос электромагнитной безопасности и мониторинга ЭМП на различных территориях встает все более остро. Часты случаи возникновения социальной напряженности при размещении излучающих объектов на селитебных территориях.

Возникает необходимость в своевременном и оперативном осуществлении информирования населения об уровне электромагнитного загрязнения той или иной территории, с наглядной визуализацией полученных данных. Предоставление доступной и достоверной информации о состоянии окружающей среды – это требование Конституции РФ (статья 42).

Результаты этого мониторинга должны быть доступны населению и могут непрерывно корректироваться с появлением новых проблем и вопросов по электромагнитной обстановке.

Оперативный электромагнитный мониторинг, осуществляемый операторами телекоммуникационных сетей на основе возможностей современного оборудования [12, 13]. Он является составной частью общего мониторинга работоспособности телекоммуникационных сетей.

К настоящему времени вопросы оценки санитарно-гигиенического состояния окружающей среды по электромагнитному фактору в Российской Федерации вообще и, в частности в Москве, решаются для средств телекоммуникаций достаточно успешно [1], благодаря существованию законченной нормативно-методической базы. «Белым пятном» области являются объекты энергетических систем, для которых создание подобной базы только начинается [2].

Существование такого «белого пятна» в электромагнитной экологии можно оправдать только тем обстоятельством, что строительство объектов энергоснабжения различного назначения и увеличение их характерных для современных городов энергетических нагрузок приняло широкомасштабный характер именно в последние годы, и только сегодня эти проблемы приобрели особенную актуальность и социальную значимость.

Проблемы оперативного мониторинга уровней электромагнитного излучения представляют интерес преимущественно для владельцев технических средств – компаний-операторов связи, организаций, занятых эксплуатацией энергосетевых объектов и т.п.

Предметом настоящей публикации является системный мониторинг ЭМП в городе, ориентированный на геоэкологическое картографирование – область информационных технологий, активно развиваемую во многих регионах России, а в крупных мегаполисах, таких как Москва и Санкт-Петербург, ставшую приоритетным стандартом представления экологической информации [7-10, 13-15].

Применение геоинформационных технологий при региональном экологическом контроле в последние годы стало стандартным решением. Вопросам, связанным с геоэкологическим картографированием, посвящены многие работы отечественных и зарубежных авторов. Общие подходы и примененные способы представления векторных и матричных данных на электронных картах могут быть с успехом применены для реализации целей геоэкологического мониторинга российских мегаполисов по электромагнитному фактору.

2. Основные технологические этапы мониторинга электромагнитной обстановки в городе

Безусловно, данные об электромагнитной обстановке в масштабах современного мегаполиса представляют собой массивы значительного объема. При этом весьма существенным обстоятельством, отличающим такие данные от результатов, получаемых в иных формах экологического мониторинга, является «генетическая» привязанность к географическим координатам. Действительно, области «сильного поля» оборудования, очевидно, оказываются локализованными вблизи мест расположения технических средств-источников, а результирующая электромагнитная обстановка образует сложную пространственную картину, привязанную к рельефу местности.

Иными словами, неотъемлемой частью технологии контроля электромагнитной обстановки является частная технология визуализации и графической обработки геоэкологической информации.

Использование геоэкологического картографирования электромагнитной обстановки весьма целесообразно еще и ввиду того обстоятельства, что практически во всех крупных регионах России в настоящее время созданы и развиваются комплексные геоинформационные системы, в том числе и экологической направленности. Присутствие в данных системах компонентов, содержащих информацию об экологической обстановке по фактору электромагнитного излучения, очевидно, крайне желательно.

Первым этапом геоэкологического мониторинга электромагнитной обстановки города является инвентаризация излучающих технических средств, которая должна выполняться при участии служб Госвязьнадзора, транспортного и энергетического хозяйства города. Результатом инвентаризации является создание базы данных параметров и характеристик излучающих технических средств, необходимых для дальнейших операций.

База данных должна сопрягаться с электронной картой местности, на которой в виде семантических вложений можно видеть характеристику и параметры объекта.
Основная сложность инвентаризации заключается в получении данных от их владельцев.

Результаты первого этапа позволяют получить исходные данные о размещении технических средств, обуславливающих результирующую электромагнитную обстановку в городе.

На втором этапе, на основании исходных данных, формируются данные мониторинга электромагнитной обстановки расчетными, экспериментальными или комбинированными методами, привязанные к конкретной географической локализации источников.

При формировании иерархии данных об источниках излучения целесообразно ввести некую систему классов, которая в дальнейшем определит унифицированные семантические структуры объектов.

В соответствии с вышеизложенными принципами излучающие технические средства города следует классифицировать и группировать, прежде всего, по пространственному критерию. При этом возникают две группы (подсистемы) в качестве объектов разрабатываемой технологии:

– группа распределенных источников ЭМП;
– группа локальных источников ЭМП.

В состав первой группы входят два типа распределенных источников: воздушные и подземные линии электропередач и цепи питания электротранспорта. При этом каждый источник вполне характеризуется набором параметров таких как, расстояние между проводниками, их пространственная ориентация, взаимное расположение, координаты концов участков, а так же некоторыми специфическими характеристиками, индивидуальными для каждого объекта. Перечисленные данные определяют форму семантики объектов.

Вторую группу образуют источники ЭМП, локализованные в пространстве, такие как технические средства радиовещания и телевидения, подвижной радиосвязи и т.п. Следует отметить, что реальный характер пространственной локализации объектов может существенно различаться. В качестве примера можно привести различие пространственной локализации технических средств (антенн) телевизионной башни (вертикальная топология) и передающего радиоцентра ВЧ, СЧ и НЧ-диапазонов (горизонтальная топология).

Для получения результатов мониторинга электромагнитной обстановки необходимо знать так же фоновые интенсивности ЭМП обусловленные иными причинами.

Кроме того, необходимо задавать критерии оценки электромагнитной обстановки. В качестве таковых могут приниматься предельно допустимые уровни интенсивностей (напряженностей электрического и магнитного полей, плотности потока энергии ЭМП) для каждого вида объекта.

Очевидно, что эквивалентный уровень ЭМП во многом зависит от энергетических нагрузок фрагмента городской инфраструктуры, которые определяются максимально возможными расчетными токами в линиях энергоснабжения. Величины этих токов ограничены системами блокировки и защиты, располагающимися на входе линий. Представляется весьма перспективным введение на основе данных соображений энергетического критерия предварительной оценки электромагнитной нагрузки на город.

3. Применение геоинформационных технологий к представлению результатов электромагнитного мониторинга

Остановимся подробнее на вопросах визуализации результатов электромагнитного мониторинга с привязкой к геодезической информации [5].

В последние годы довольно широкое распространение получила практика применения электронных карт и геоинформационных технологий к представлению результатов экологического мониторинга. В связи с этим появился специальный термин «геоэкологическое картографирование» [7, 16].

Проблемы геоэкологического картографирования административных районов, в первую очередь, индустриальных и урбанизированных и городских территорий очень схожи. Особенно это проявляется при крупномасштабном картографировании наиболее развитых в промышленном отношении и густонаселенных участков административных районов.

Но до настоящего времени не выработаны общие принципы и подходы к созданию крупномасштабных карт экологического содержания для таких сильно измененных хозяйственной деятельностью территорий. Возрастающие требования к материалам экологических исследований ведут к увеличению объемов исходной, обрабатываемой и выдаваемой потребителям геоэкологической информации.

Наряду с этим возрастает глубина и ответственность при решении проблем территориального взаимодействия природы и общества и поиска путей его оптимизации на принципах рационального природопользования. Потребителям для решения постоянно расширяющихся и усложняющихся задач управления территориями, развития экономики и охраны природы уже недостаточно иметь чисто констатационные информационные материалы. Возникает насущная необходимость выполнения разнообразных оценок и прогнозов, выдачи практических рекомендаций, что ведет к возрастанию сложности задач переработки данных, необходимости использования современных геоинформационных технологий. В настоящее время это, прежде всего, связывается с внедрением в процесс экологических исследований географических информационных систем и компьютерного картографирования.

Применение геоэкологического картографирования в электромагнитной экологии как никогда оправдано еще и тем обстоятельством, что информация об электромагнитном загрязнении окружающей среды изначально связана с данными о географическом положении источника ЭМП.

Рассмотрим технологические основы визуального представления результатов экологического мониторинга при помощи ГИС-технологий.
Первоначальным этапом решения поставленной практической задачи является создание базы данных, в которую заносятся все необходимые для дальнейших операций параметры излучающих технических средств.

Далее необходимо осуществить размещение объектов базы данных на электронной карте местности. Интеграция базы данных и электронной карты может проходить несколькими способами. Один из способов предполагает первоначальное создание базы данных технических средств и последующим формированием графического отображения на растре карты. Другой способ – создание базы данных ТС с использованием специальной информационной системы – геоинформационной.

Визуализация содержимого базы данных электронных карт производится в условных знаках, принятых для топографических, обзорно-географических, кадастровых и других видов карт. Широкие полномочия предоставляются для создания (добавления) пользовательских условных знаков с учетом специфики владельца информации или факторов внешнего воздействия. При этом система поддерживает без каких-либо дополнительных временных затрат различные системы координат и проекции.

Представление электронной карты на дисплее является многослойным и может создаваться путем комбинирования растрового вида карт и фотоматериала, векторных объектов местности, матриц свойств местности (матрица высот, матрица экологически опасных участков местности, матрица проходимости местности и т.д.) и пользовательских данных, выводимых на карту средствами интерфейса Windows.
Фрагмент электронной карты Москвы (Останкинский телецентр) с нанесенными линиями равного уровня эквивалентной плотности потока энергии (ППЭ) в диапазоне УВЧ (ЧМ-радиовещание и телевидение) приведен на рис. 1.

1

Заключение

В данной статье рассмотрены общие вопросы системного экологического мониторинга современного мегаполиса по фактору электромагнитного излучения.
Описан алгоритм технологии геоэкологического мониторинга с учетом зависимости излучения от режима работы источника, обеспечивающие прогнозирование пространственного распределения уровней ЭМП при типичных и экстремальных сочетаниях режимов работы источников.
Рассмотрены принципы визуализации данных экологического мониторинга с использованием геоинформационных технологий.
Приведен один из фрагментов электронных карт Москвы, иллюстрирующий этап геоэкологического мониторинга.

ЛИТЕРАТУРА

 1.     Сподобаев Ю.М., Кубанов В.П. Основы электромагнитной экологии. М.: Радио и связь, 2000. 239 с.

2.     Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем (монография). «ИПК «Содружество», Самара, 2009. 198 с.

3.     Григорьев Ю.Г., Степанов В.С., Григорьев О.А., Меркулов А.В. Электромагнитная безопасность человека. Справочно- информационное издание. М.: Российский национальный комитет по защите от неионизирующего излучения, 1999. 151 с.

4.     Довбыш В.Н., Сподобаев Ю.М., Маслов М.Ю. Электромагнитный мониторинг энергетических систем // Академия Энергетики. №1 (09), 2006. С. 4-7.

5.     Сподобаев  Ю.М.  Методы  прогнозирования  и  картографирования  электромагнитных  полей  технических  средств телекоммуникаций в окружающей среде (на рус. и англ. яз.) // Материалы Международного совещания «Электромагнитные поля. Биологическое действие и гигиеническое нормирование», Женева, 1999. С.22-25

6.     Борисов Б.М. К вопросу об оценке состояния здоровья населения в условиях антропогенного загрязнения окружающей среды // Экология промышленного производства. 1999. № 1. С.3-6.

7.     Жуков В.Т., Новаковский Б.А., Чумаченко А.Н. Компьютерное геоэкологическое картографирование. М., Научный Мир, 1999. 128 с.

8.     Берлянт А.М., Тикунов В.С. Геоинформационные системы: Сб. переводных статей – М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1994. 180 с.

9.     Довбыш   В.Н.,   Сивков   В.С.,   Сподобаев   Ю.М.   Визуализация   электромагнитной   обстановки,   создаваемой телекоммуникационными техническими средствами, расположенными на больших территориях // Антенны, №10 (113), 2006. С.58-62.

10.  Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н. Теоретические и методические основы технологии регионального контроля природной среды по данным экологического мониторинга. М.: Наука, 2004. 250 с.

11.  Ильин А.М., Сподобаев М.Ю. Разработка информационной системы социального электромагнитного мониторинга  // Инфокоммуникационные технологии. 2011. № 3. Том 9. С.102-105

12.  Моденов С.В., Сподобаев М.Ю. Принципы оперативного мониторинга электромагнитной обстановки в сети подвижной связи // Инфокоммуникационные технологии. 2010. № 2. Том 8. С.78-81.

13.  Сивков В.С., Сподобаев М.Ю. Геоинформационная система электромагнитной безопасности cредств инфокоммуникаций // T-Comm. Телекоммуникации и транспорт. Спецвыпуск: «Технологии информационного общества», часть III, август 2009. С. 85-87

14.  Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика / Под ред. Д.В. Лисицкого. М., 1993. – 200 с.

15.  Urban ecology // edited: J. Breuste, H. Feldmann, O. Uhlmann. Berlin et al.: Springer, 1998. XVIII. 714 p.

16.  Мамихин С.В. Компьютеризация экологических исследований //Вест. Российского университета дружбы народов. Экология и безопасность жизнедеятельности. 2000. № 4. С.150-157.