Геоинформационная система как интеграционная платформа электромагнитного мониторинга

Глобальный характер электромагнитного загрязнения окружающей среды и связанные с ним экологические проблемы требуют создания новых инструментов электромагнитного мониторинга и систем оперативного доступа к данным об электромагнитной обстановке на территории [1].

Оценка распределения электромагнитной обстановки с помощью картографирования компонент электромагнитного поля накладывает определенные ограничения на размеры исследуемых территорий и точность представления данных. Эти ограничения связаны прежде всего с возможностями вычислительной техники. С увеличением площади исследуемой территории возрастает объем обрабатываемых данных и время вычислений. Традиционным способом снижения вычислительной нагрузки является уменьшение точности предоставляемой информации.

Другой проблемой, возникающей при оценке электромагнитной обстановки, является наглядная визуализация очагов электромагнитного загрязнения. Сконцентрированная в мегаполисах масса излучающих технических средств телекоммуникаций образует сложнейшее пространственно-временное распределение электромагнитного поля. Различные энергетические и телекоммуникационные системы составляют значительную часть инфраструктуры любого большого города. Этот сегмент инфраструктуры мегаполиса наиболее проблемный с точки зрения электромагнитной экологии, и актуальность экологических проблем все время возрастает в связи с постоянным процессом развития энергетических и инфокоммуникационных систем.

Еще одна проблема возникает при комплексной оценке электромагнитной безопасности на территории – проблема интеграции ресурсов и данных. На настоящий момент времени можно выделить несколько групп источников данных об электромагнитной обстановке на местности: системы расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки для отдельных излучающих объектов (ПК АЭМО), системы расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки для групп излучателей (ГИС ЭМБ), данные инструментального контроля объектов, данные контрольной аппаратуры операторов связи.

Соответственно для объединения всех источников данных об электромагнитной обстановке на местности необходима интеграционная платформа, которая позволит создать единую информационную систему электромагнитного мониторинга.

Таким образом, основная задача, решение которой необходимо для комплексного мониторинга электромагнитной обстановки и обеспечения электромагнитной безопасности: создание интеграционной платформы для информационной системы доступа к данным о пространственновременном распределении очагов электромагнитного излучения – информационной системы электромагнитной безопасности (ИС ЭМБ).

Затраты на создание такой системы более чем оправданны – информация об электромагнитной обстановке необходима как административным предприятиям и санитарным службам регионов, так и коммерческим организациям. Кроме того, нужно отметить, что такая информация востребована и частными лицами. Рассмотрим подробнее структурную схему ИС ЭМБ.

Необходимость решать проблемы контроля очагов электромагнитного загрязнения требует эффективных инструментов мониторинга, которые на сегодняшний день практически отсутствуют. Многофакторный учет электромагнитной обстановки, огромное количество излучателей электромагнитного поля ставит сложную задачу по созданию системы, способной контролировать электромагнитную обстановку как на территориях отдельных населенных пунктов, так и на территории целых регионов.

В качестве инструментов решения задачи и создания информационной системы электромагнитной безопасности могут быть использованы технологии удаленного доступа к данным в сочетании с геоинформационными технологиями и электродинамическим моделированием, что дает возможность получить практически неограниченное количество информации о пространственно-временном распределении очагов электромагнитного излучения на территории.

Основными источниками данных в случае расчетного прогнозирования могут стать результаты расчетов, полученные с помощью специализированных программных комплексов. Это могут быть программы, предназначенные для моделирования электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств телекоммуникационных систем (ПК АЭМО). Для моделирования электромагнитной обстановки на больших территориях могут быть использованы геоинформационные системы с подключаемыми модулями расчета компонент электромагнитного поля (ГИС ЭМБ).

Рис. 1. Источники данных ИС ЭМБ

Рис. 2. Контроль данных

Для оперативного контроля за состоянием излучающих технических средств телекоммуникационных систем в ИС ЭМБ могут быть использованы

данные контрольного оборудования (например для контроля за состоянием базовых станций систем подвижной радиосвязи можно использовать информацию, полученную от контрольно-измерительного оборудования оператора).

Для контроля данных, полученных методом расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки, в системе должны быть предусмотрены механизмы проверки результатов на основе контрольных измерений. Данные контрольных измерений могут быть получены от контролирующих организаций (санитарные паспорта). Кроме того, для постоянного измерительного контроля электромагнитной обстановки возможно создание сенсорной системы, позволяющей измерять компоненты электромагнитного поля в заданных координатах и передавать данные в ИС ЭМБ.

Ключевым элементом ИС ЭМБ может стать специализированная геоинформационная система (ГИС), которая позволит интегрировать данные, полученные от различных источников, в единую базу данных электромагнитной безопасности. Рассмотрим основные этапы создания ИС ЭМБ.

Определение ключевых элементов системы. Модель on-line системы электромагнитной безопасности состоит из трех основных взаимоувязанных процессов: подготовка данных, обработка данных, визуализация данных. Основными внешними объектами такой системы будут пользователи системы и администрация системы. Пользователи системы являются потребителями результатов обработки и визуализации данных, они могут влиять на состав отображаемых данных и на процесс их подготовки. Администрация системы определяет механизмы подготовки данных, методы обработки и визуализации информации, контролирует степень доступа к данным и системе в целом. Рассмотрим более подробно основные процессы системы.

Процесс подготовки данных обеспечивает сбор и обработку первичных данных для дальнейшей обработки в системе. Основной алгоритм функционирования процесса связан с периодической проверкой источников данных и преобразованием полученной информации для процесса обработки. При этом можно выделить две большие группы источников данных для процесса подготовки: источники с периодическим обновлением и источники данных с нерегулярным обновлением. Источниками с периодическим обновлением могут быть внешние, по отношению к системе, базы данных с информацией о пространственно- распределенных объектах и их свойствах, результаты расчетов и измерений. Основное свойство таких источников — доступность для системы в автономном режиме. То есть с помощью стандартных интерфейсов доступа к данным процесс подготовки с определенной периодичностью инициирует обновление информации. Другим видом источников информации являются так называемые нерегулярные источники. Обновление информации с помощью таких источников инициируется администрацией системы или при возникновении определенного события.

Процесс обработки данных запускается по запросу процесса подготовки данных, либо по запросу администрации, либо по запросу пользователя системы. Функции процесса — управление методами моделирования, расчет электромагнитной обстановки и запись полученных результатов в базу данных системы.

Процесс визуализации данных инициируется пользователем системы. Алгоритм работы процесса состоит из выборки запрошенных данных и создании на основе запроса цифровой карты электромагнитной безопасности участка территории.

Рис. 3. Основные элементы ИС ЭМБ

На основе построенной модели процессов можно определить ключевые элементы on-line системы электромагнитной безопасности. Условно все элементы можно разделить на несколько уровней: уровень ядра, уровень сервисов и уровень серверов. Центральным элементом системы является ядро. Ядро системы составляют три основных процесса, которые были рассмотрены выше. На уровне сервисов основными элементами будут геоинформационные и интерфейсные сервисы. Геоинформационный сервис реализует взаимосвязь между ядром системы, пространственными данными и уровнем серверов. Сервис интерфейсов также связывает уровень ядра и уровень серверный. На уровне серверов ключевыми элементами системы будут web серверы и серверы баз данных. Рассмотрим возможные варианты практической реализации компонентов web системы электромагнитной безопасности.

Уровень серверов. В качестве основы для компонента «web-сервер» системы может стать web сервер Apache. Ядро Apache включает в себя основные функциональные возможности, такие как обработка конфигурационных файлов, протокол HTTP и система загрузки модулей. Модульная структура позволяет неограниченно расширять функционал сервера. Apache имеет различные механизмы обеспечения безопасности и разграничения доступа к данным: ограничение доступа к определенным директориям или файлам, механизм авторизации пользователей для доступа к директории по методу HTTP-авторизации, ограничение доступа к определенным директориям или всему серверу, основанное на IP-адресах пользователей, запрет доступа к определенным типам файлов для всех или части пользователей, например запрет доступа к конфигурационным файлам и файлам баз данных.

Основные задачи web-сервера: ожидание и обработка запросов к системе, обеспечение интерфейса между уровнем сервисов и пользователями системы, обеспечение базовых функций безопасности системы. В качестве компонента системы «сервер баз данных» может быть использован MySQL. Основные задачи сервера баз данных: хранение различного вида данных (служебные данные, данные об излучателях, данные об электромагнитной обстановке), индексация данных.

Уровень сервисов. Геоинформационный сервис является одним из основных компонент системы. В качестве геосервиса может быть использован MapServer. Основная задачи геосервиса: подготовка пространственных данных для отображения с помощью web-сервера, обес- печение функций навигации по цифровым on-line картам, обеспечение функций взаимодействия карт и пользователей системы.

Ядро системы. Ядро системы может быть монолитным или иметь модульную структуру. Для обеспечения более гибкой структуры ядро может быть реализовано с помощью отдельных программных модулей.

Следующим важным этапом создания on-line системы электромагнитной безопасности является классификация источников электромагнитного излучения. Разнородность излучающего оборудования, различие санитарно-гигиенических требований, специфика размещения требует предварительной классификации технических средств по различным признакам [2].

Электромагнитная обстановка на территории формируется за счет источников, которые можно условно разделить на две группы.

Системы, технологический процесс которых предполагает преднамеренное излучение электромагнитной энергии. В первую очередь это инфокоммуникационные системы, большинство которых характеризуется невозможностью изъятия из них процесса создания электромагнитных полей. К ним относятся как традиционные, так и самые современные телекоммуникационные системы – эфирное телевидение, радиовещание, системы сотовой и транкинговой связи, радиорелейные и спутниковые системы передачи.

Необходимо заметить, что некоторые технические средства обеспечивают доставку населению массовых услуг телекоммуникаций (телевидение, радиовещание, связь). Эти источники излучения (передающие антенны) устанавливаются на удобных с точки зрения массового обслуживания местах – различные мачты, башни, а также крыши высотных зданий. Кроме того, некоторые технологии предполагают равномерное размещение в пространстве излучающих технических средств, в том числе и на селитебной территории. При этом принимаются специальные меры, чтобы основная часть электромагнитной энергии была направлена на зоны обслуживания.

Также существует множество излучающих технических средств, целью которых является передача сигнала между отдельными пунктами (станциями). К ним относятся радиорелейные и спутниковые системы передачи. Как правило, на селитебные территории попадает лишь незначительная часть электромагнитной энергии. Электромагнитные поля этих систем, как правило, незначительны по величине и не представляют экологической опасности. Очевидно, что технические средства, обеспечивающие доставку населению массовых услуг телекоммуникаций, с точки зрения воздействия на окружающую среду и человека значительно опаснее.

Системы непреднамеренного излучения электромагнитных полей. В первую очередь это системы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии – электростанции (ГЭС, АЭС, ТЭЦ), линии электропередачи (ЛЭП), трансформаторные подстанции, системы распределения электроэнергии, оконечное электрооборудование. Кроме того, в каждом городе существует сложнейшая система энергопитания электротранспорта и осветительная сеть. Развитие информационного общества сопровождается резким возрастанием потребления электрической энергии и, соответственно, увеличением количества источников и объектов энергоснабжения, которые в условиях городов объединены в рамках единой энергетической инфраструктуры. Электромагнитные поля промышленной частоты, создаваемые энергетическим оборудованием, вносят существенный, а зачастую и определяющий вклад в общую электромагнитную обстановку города.

Обостряет электромагнитную обстановку на селитебной территории широкомасштабный характер строительства зданий и объектов различного назначения, непосредственно в которых размещаются силовые трансформаторы распределительных сетей. Это обстоятельство также должно учитываться при инвентаризации объектов таких систем.

После проведения классификации и инвентаризации для каждой подгруппы необходимо создать соответствующий слой цифровой карты. Далее необходимо наполнить объекты карт содержанием, то есть присвоить определенные семантики [3]. На этом этапе необходимо для каждой подгруппы технических средств составить перечень обязательных для заполнения семантик, учитывая особенности дальнейшей обработки цифровых карт излучателей.

Следующий важный этап создания on-line системы электромагнитной безопасности – картографирование электромагнитной обстановки. На основе данных, полученных на предыдущем этапе, проводится моделирование компонент электромагнитного поля на территории. При этом система должна позволять комбинировать расчетные данные и результаты полевых измерений. Инициализация расчетов может происходить как с определенным периодом (задаваемым ядром системы), так и по запросу пользователя системы. Заключительным этапом работы системы является визуализация данных. По запросу пользователя строится цифровая карта, состоящая из базовых слоев (рельеф, застройка), слоев с компонентами электромагнитного поля, слоев с отмеченными санитарными зонами. Полученная цифровая карта в зависимости от настроек, заданных пользователем, отображается с помощью web интерфейса системы.

Таким образом, проблема инструментария экологического контроля электромагнитной обстановки для широкого спектра потребителей может быть решена посредством геоэкологического и геоэлектромагнитного картографирования [3], а экологические карты электромагнитной обстановки, доступные on-line с помощью web техно- логий, помогут в принятии решений по проблемам электромагнитной безопасности.