Diapositiva 1 - ISPRA

Valutazioni modellistiche in alta
frequenza – modelli utilizzati dal sistema
agenziale
Ing. Maila Strappini
Servizio Aria e Agenti Fisici
Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale dell’Umbria
Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011
Sommario
• Caratteristiche di un tool di simulazione in alta frequenza
• La norma CEI 211-10
• Calcolo del campo elettrico in spazio libero
• Esempi
• Il tool WinEDT\Vicrem
• Conclusioni
Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011
Generalità sui programmi di calcolo
del campo EM
• Elementi fondamentali per idoneità del programma di calcolo:
– Dati di input
Dati di input
– Dati di output
– Algoritmo di calcolo
algoritmo
risoluzione
risultati
Visualizzazione
grafica
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Generalità sui programmi di calcolo
del campo EM
• L’implementazione di ogni blocco differenzia i programmi di calcolo
• Definite prescrizioni singole parti costituenti (CEI 211-10\G)
• Descritte le funzionalità minime per ciascun blocco
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La norma CEI 211-10 - appendice G
• La norma CEI 211-10 è una guida per coloro che sono interessati a
vario titolo alla installazione di sorgenti di tlc con riferimento alla tutela
della salute della popolazione in ambienti in cui possono essere
presenti altre sorgenti
• Indica i criteri affinché una SRB o un PMP non superi i limiti normativi
• L’appendice G alla CEI 211-10 introduce alcuni criteri per la
valutazione del software per il calcolo del campo EM definendo un
insieme di caratteristiche e prestazioni minime che i programmi
devono soddisfare per essere idonei ad eseguire il calcolo dei valori di
campo EM per le finalità di cui ai DPCM 08/07/2003
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Prescrizioni sull’algoritmo di calcolo
•
Definite sulla base delle relazioni matematiche derivanti dall’analisi della
propagazione dei campi EM nell’ambiente.
•
In input l’algoritmo riceve i dati necessari per il calcolo, genera i dati di
output che poi saranno visualizzati in maniera grafica.
•
Algoritmo cautelativo (pochi dati): propagazione in spazio libero
•
Algoritmi accurati (maggior numero di dati): propagazione in ambienti
complessi
•
Si distinguono in tre classi (almeno una deve essere implementata):
– (classe 1) Formulazioni di campo lontano in spazio libero
– (classe 2) Formulazioni di campo vicino in spazio libero
– (classe 3) Formulazioni in ambienti complessi
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Prescrizioni sull’algoritmo di calcolo
(classe 1)
• Gli algoritmi devono essere implementati in modo da consentire il
calcolo:
– In un punto o in un insieme di punti in un sistema di riferimento
assoluto
– Del campo in presenza di più sorgenti contemporaneamente
– Del volume di rispetto (2D o 3D) per una o più sorgenti
contemporaneamente
• Per il calcolo del guadagno si può utilizzare la formula approssimata
ma ne vanno bene anche altre purché documentate da letteratura
scientifica.
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Prescrizioni sull’algoritmo di calcolo
(classe 2)
• Se il programma di calcolo implementa “anche” algoritmi di campo
vicino in spazio libero, da usarsi in casi dubbi, deve essere riportato
anche il riferimento alla formulazione in letteratura scientifica e con
le stesse prescrizioni per il calcolo del campo lontano.
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Prescrizioni sull’algoritmo di calcolo
(classe 3)
• Le formulazioni della classe 3 possono essere usate in casi
particolari per diminuire il grado di approssimazione di classe 1,
introducendo l’effetto della presenza degli ostacoli, qualora il calcolo
di campo lontano faccia prevedere possibili non conformità.
• Devono essere specificati e documentati:
– L’algoritmo utilizzato con riferimento alla letteratura scientifica
– Numero di interazioni (riflessioni o diffrazioni) con gli ostacoli
• Devono garantire il calcolo come per la classe 1
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Risoluzione di calcolo
• E’ necessario che sia dichiarato a che distanza si debbano trovare
due punti al fine di non trascurare valori che potrebbero avere
importanza notevole.
• Deve essere dichiarata la risoluzione minima utilizzata dal proprio
algoritmo di calcolo.
• La risoluzione minima deve essere non superiore a 1 m.
• Per i diagrammi di radiazione la risoluzione minima deve essere non
superiore a 1 grado.
• L’arrotondamento sul campo in output deve essere alla prima cifra
decimale.
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Dati in input
• Si ritiene che la precisione e la risoluzione con cui sono inseriti i dati di
input deve essere compatibile con quella dell’algoritmo di calcolo e dei
risultati che si vogliono ottenere;
• Il software deve pertanto essere in grado di trattare senza perdita di
informazioni come input:
– Diagrammi di radiazione con passo non superiore a 2°
– Dati di impianto
– Coordinate spaziali
– Eventuale cartografia con risoluzione minore o uguale a 1 m
– Eventuale parametri dielettrici superfici (se implementano calcoli
complessi di classe 3)
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Dati in output
• Visualizzazione grafica mediante algoritmi numerici di interpolazione
(contour-plot o iso-surface): deve consentire l’interpretazione immediata
del risultato e senza ambiguità per la verifica della conformità ai limiti
normativi; in genere tale verifica coinvolge i volumi di rispetto.
• Un tool di simulazione deve avere una rappresentazione grafica di tipo:
– Bidimensionale: linee isocampo orizzontali e verticali identificabili
mediante colori differenti ottenute mediante interpolazione di valori o
mediante proiezione al suolo dei volumi di rispetto
– Tridimensionale: volumi di rispetto semplificati o volumi di rispetto a
isosuperfici o distribuzione 3D del campo
• Risoluzione spaziale: 1m
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Calcolo dei livelli di campo EM
• Valutazione teorica del campo EM risolvibile in modo esatto note le
condizioni al contorno
• Metodo semplificato:
– Condizioni di campo lontano
– Spazio libero
Nella maggior parte dei casi è un metodo cautelativo
In queste condizioni vale l’approssimazione di onda piana e
uniforme.
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Il modello propagativo in spazio
libero (FSL)
•
Obiettivo: calcolo del campo elettrico ricevuto a distanza r dal trasmettitore.
Ipotesi:
– Campo lontano
– Spazio libero
Vale la formula di Friis per lo spazio libero:
Pt Gt  , Gr  , 
Pr 
L fsl
 4r 
L fsl  

  
2
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Il modello propagativo in spazio
libero (FSL)
• Nell’ipotesi di onda localmente piana e uniforme il modulo del
vettore di Poynting esprime la densità superficiale di potenza
associata all’onda EM che in ogni punto si esprime come:


2
2
1
1 E
1 E
*
S r  Re E  H 

2
2 0 2 120
• Quindi al ricevitore:
Pr
4
Sr 
 Pr 2
Aeff ,r
 Gr
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Il modello propagativo in spazio
libero (FSL)
•
Da cui si ricava:
2
4
1 Er
Pr 2 
 Gr 2 120
60 Pt Gt  , 
2 120  Pt Gt Gr 2  4
2 120  Pr  4
Er 


2
2
2
 Gr
r
 Gr 4r 
Er eff
30 Pt Gt  , 

r
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Calcolo del guadagno
•
Diagramma di irradiazione delle antenne
•
Guadagno isotropico
•
Guadagno nella direzione (,):



G ,   Giso  Gor  ,  0  Gver   0,

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Limiti di applicabilità della formula
per il calcolo del guadagno
• L’equazione per il calcolo del guadagno presenta dei limiti di
applicabilità e dei margini d’errore per le direzioni esterne al lobo
principale
• Tuttavia il diagramma di radiazione (ddr) delle antenne è calcolato
senza tenere conto della reale installazione dell’antenna
• Nelle direzioni in cui il livello del segnale è basso, questo dipende dal
tipo di installazione e dai fenomeni di interferenza e diffrazione con
altri elementi (es. altre antenne e supporti metallici) che localmente ed
esternamente al lobo principale deformano il ddr.
• Considerando questi limiti, il modello utilizzato risulta una buona
approssimazione.
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Esempio di calcolo del guadagno
• Antenna Kathrein 742271
• Frequenza=900 MHz
• Giso=14.08 dBd
• Puntamento antenna=120°N
• Tilt elettrico=3°
• Tilt meccanico=2°
• Calcolare il guadagno nella direzione (=135°,=7°)
– Guadagno(dB)=Giso(dBi)-G(=135°,=0°)-G(=0°,=(2+7)°)
– Giso=(14.08 dBd+2.15)dBi=16.23dBi
– Da cui: Guadagno(dB)=16.23-27.47-5.40= -16.64 dB
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Esempio di calcolo del campo
elettrico in spazio libero
Considerando una potenza in trasmissione di 50 W, calcolare il campo
elettrico ricevuto, la potenza e l’attenuazione a 500 m di distanza
30 PT GT  , 
30  50 10
Er 

r
500
16.40
10
 0.011
PT (dBm)  10Log ( PT / 103 )  10Log (50 / 103 )  46.98dBm
L(dB)  20 Log (4r /  )  20 Log (4  500 / 0.33)  85.58dB
Pr (dBm)  PT (dBm)  GT T ,T   GR R ,R   L(dB) 
Pr (dBm)  46.98 -16.40  0 - 85.58  55dBm
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Calcolo dei livelli di campo EM con
più sorgenti
•
Nella maggior parte delle applicazioni il campo EM è prodotto da più
sorgenti (diversi puntamenti, diversi sistemi, diversi gestori,…)
•
Le sorgenti non sono fra loro correlate
•
I
contributi
di
campo
elettrico
per
le
n
sorgenti
sono
sommati
quadraticamente:
E
n
2
E
 i
i 1
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Calcolo del campo su sezioni
definite
• La norma CEI 211-10 indica anche la possibilità di calcolare il
campo su sezioni orizzontali o verticali definite.
• Il modello consiste nel generare curve isocampo 2D su piani
orizzontali o verticali (es. alle altezze dei piani degli edifici o nelle
direzioni di max. puntamento)
• Il calcolo viene poi integrato su base cartografica (es. ortofoto o
planimetria) per una immediata visualizzazione
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Calcolo del volume di rispetto
• Volume di rispetto: luogo dei punti in cui il campo EM è maggiore o
uguale ai valori di riferimento (es. 3, 6, 20 V/m)
• Tale volume si può ottenere come un’isosuperficie tramite le formule
per il calcolo del campo EM
• Metodo semplificato: mediante parallelepipedi o cilindri che
massimizzano il livello del campo EM calcolato
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Proprietà applicativo software
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Applicativi per il calcolo del campo
elettrico
• Più comuni:
– Aldena
– WinEDT\Vicrem
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Stima del campo elettrico con
sistemi GIS
ARCHIVIO
SORGENTI
ARCHIVIO
DATI TERRITORIALI
INTEROPERABILITA’
APPLICATIVO
DI CALCOLO EM
REPORT
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ARCHIVIO SORGENTI
• ARCHIVIO DEI SITI
• ARCHIVIO DEGLI ELEMENTI RADIANTI
• ARCHIVIO DEI DIAGRAMMI DI RADIAZIONE
• ARCHIVIO DEI GESTORI
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ARCHIVIO SITI
NOME CENTRO:
ID_CATASTO-COMUNE
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ARCHIVIO ELEMENTI RADIANTI
TRASMETTITORI:
X NOME GESTORE SITO
AL TRASMETTITORE SONO ASSOCIATE
LE INFORMAZIONI:
• SUL PUNTAMENTO
• SULLA POTENZA
• SULL’ALTEZZA DAL SUOLO
• SUL TIPO DI SISTEMA
• SULLA FREQUENZA
• SUL TIPO DI ANTENNA
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ARCHIVIO DIAGRAMMI DI
RADIAZIONE
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ARCHIVIO DATI TERRITORIALI
DEM TERRENO
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ARCHIVIO DATI TERRITORIALI
DEM 3D
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ARCHIVIO DATI TERRITORIALI ORTOFOTO
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Stima del campo elettrico
• WinEDT - VICREM® è un applicativo in grado di effettuare la
simulazione e l’analisi del campo elettromagnetico in zona di campo
lontano e vicino (radiativo) generato da un sistema di trasmettitori
anche non omogenei. Le valutazioni sono effettuate sopra modelli
territoriali reali estratti da rilevazioni cartografiche e georeferenziate
della regione.
• Nella maggior parte dei casi tali modelli tengono conto del solo
profilo altimetrico senza considerare la presenza di costruzioni o
fabbricati artificiali che è però possibile inserire manualmente.
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Stima del campo elettrico
• Esclusivamente per i Comuni di Perugia e Terni e alcune zone limitrofe
l’Agenzia è dotata di modelli territoriali più raffinati che implementano
anche le aree urbane con relativi edifici e abitazioni. Per la valutazione del
campo elettromagnetico il software impiega diversi modelli propagativi fra
cui quello di Okumura-Hata, il Cost 231-Hata, il CCIR, lo standard ITU
1546 e il più semplice modello in spazio libero eventualmente corretto per
visibilità ottica o radioelettrica. VICREM - WinEDT® lavora in ambiente
GIS (Geographical Information System) con un sistema interattivo che
consente
il
calcolo
dell’intensità
dei
campi
elettromagnetici
sia
puntualmente che in aree estese.
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Stima del campo elettrico
• Il software è in grado anche di estrarre e visualizzare i propri output
attraverso rappresentazioni grafiche in 3D e 2D utilizzando scale
colorate per individuare le zone a diverso valore di campo con la
possibilità di includere il modello territoriale dell’area in esame.
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Stima del campo elettrico
• Il campo elettrico è di solito valuto nei seguenti diagrammi:
– piano orizzontale (sopra al modello): il calcolo viene effettuato su
un piano a quota (definita dall’utente) costante rispetto alla
superficie descritta dal modello orografico;
– piano verticale: il calcolo viene effettuato su un piano verticale
perpendicolare al terreno, la cui posizione è definita attraverso un
indice che ha origine nel sito da valutare e si propaga, con un
angolo azimutale rispetto al nord, per una distanza definita di volta
in volta dall’utente. In questo tipo di rappresentazione vengono
utilizzati dei limiti di quota inferiore e superiore che consentono di
apprezzare a diverse risoluzioni il contributo dei lobi principali;
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Stima del campo elettrico
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Stima del campo elettrico
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Stima del campo elettrico
• spazio il calcolo viene effettuato nel volume delimitato dall’area di
interesse e dalle quote minima e massima specificate nel
diagramma verticale. La visualizzazione tridimensionale rappresenta
la superficie di inviluppo relativa al valore di soglia definito
dall’utente.
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Stima del campo elettrico
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GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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