Valutazioni modellistiche in alta frequenza modelli utilizzati dal

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 Win. EDTVicrem • 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 output – Algoritmo di calcolo algoritmo risoluzione risultati Visualizzazione grafica 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 • L’implementazione di ogni blocco differenzia i programmi di calcolo • Definite prescrizioni singole parti costituenti (CEI 211 -10G) • Descritte le funzionalità minime per ciascun blocco Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 (2 D o 3 D) 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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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) Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 3 D del campo • Risoluzione spaziale: 1 m Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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: Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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: • Quindi al ricevitore: Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Il modello propagativo in spazio libero (FSL) • Da cui si ricava: Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Calcolo del guadagno • Diagramma di irradiazione delle antenne • Guadagno isotropico • Guadagno nella direzione ( , ): Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Esempio di calcolo del guadagno • Antenna Kathrein 742271 • Frequenza=900 MHz • Giso=14. 08 d. Bd • Puntamento antenna=120°N • Tilt elettrico=3° • Tilt meccanico=2° • Calcolare il guadagno nella direzione ( =135°, =7°) – Guadagno(d. B)=Giso(d. Bi)-G( =135°, =0°)-G( =0°, =(2+7)°) – Giso=(14. 08 d. Bd+2. 15)d. Bi=16. 23 d. Bi – Da cui: Guadagno(d. B)=16. 23 -27. 47 -5. 40= -16. 64 d. B Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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: Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 2 D 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 Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Proprietà applicativo software Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Applicativi per il calcolo del campo elettrico • Più comuni: – Aldena – Win. EDTVicrem Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Stima del campo elettrico con sistemi GIS ARCHIVIO SORGENTI ARCHIVIO DATI TERRITORIALI INTEROPERABILITA’ APPLICATIVO DI CALCOLO EM REPORT Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

ARCHIVIO SORGENTI • ARCHIVIO DEI SITI • ARCHIVIO DEGLI ELEMENTI RADIANTI • ARCHIVIO DEI DIAGRAMMI DI RADIAZIONE • ARCHIVIO DEI GESTORI Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

ARCHIVIO SITI NOME CENTRO: ID_CATASTO-COMUNE Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

ARCHIVIO DIAGRAMMI DI RADIAZIONE Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

ARCHIVIO DATI TERRITORIALI DEM TERRENO Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

ARCHIVIO DATI TERRITORIALI DEM 3 D Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

ARCHIVIO DATI TERRITORIALI ORTOFOTO Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Stima del campo elettrico • Win. EDT - 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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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 - Win. EDT® 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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Stima del campo elettrico • Il software è in grado anche di estrarre e visualizzare i propri output attraverso rappresentazioni grafiche in 3 D e 2 D utilizzando scale colorate per individuare le zone a diverso valore di campo con la possibilità di includere il modello territoriale dell’area in esame. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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; Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Stima del campo elettrico Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Stima del campo elettrico Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

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. Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

Stima del campo elettrico Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011

GRAZIE PER L’ATTENZIONE Introduzione all’utilizzo dei modelli previsionali per la valutazione dei livelli di campo elettromagnetico – ISPRA 9 novembre 2011