Проектирование системы видеоконференцсвязи в корпоративной сети АО "Цеснабанк"

4.6.2 Интеграция протокола SIP с IP сетями

Одной из важнейших особенностей протокола SIP является его независимость от транспортных технологий. В качестве транспорта могут использоваться протоколы Х.25, Frame Relay, AAL5/ATM, IPX и другие. Структура сообщений SIP не зависит от выбранной транспортной технологии. Но, в то же время, предпочтение отдается технологии маршрутизации пакетов IP и протоколу UDP. При этом, правда, необходимо создать дополнительные механизмы для надежной доставки сигнальной информации. К таким механизмам относятся повторная передача информации при ее потере, подтверждение приема и другое.

Здесь же следует отметить то, что сигнальные сообщения могут переноситься не только протоколом транспортного уровня UDP, но и протоколом ТСР. Протокол UDP позволяет быстрее, чем TCP, доставлять сигнальную информацию (даже с учетом повторной передачи неподтвержденных сообщений), а также вести параллельный поиск местоположения пользователей и передавать приглашения к участию в сеансе связи в режиме многоадресной рассылки. В свою очередь, протокол ТСР упрощает работу с межсетевыми экранами (firewall), а также гарантирует надежную доставку данных. При использовании протокола ТСР разные сообщения, относящиеся к одному вызову, либо могут передаваться по одному TCP-соединению, либо для каждого запроса и ответа на него может открываться отдельное TCP-соединение. На рисунке 4.3 показано место, занимаемое протоколом SIP в стеке протоколов TCP/IP.

По сети с маршрутизацией пакетов IP может передаваться пользовательская информация практически любого вида: речь, видео и данные, а также любая их комбинация, называемая мультимедийной информацией. При организации связи между терминалами пользователей необходимо известить встречную сторону, какого рода информация может приниматься (передаваться), алгоритм ее кодирования и адрес, на который следует передавать информацию. Таким образом, одним из обязательных условий организации связи при помощи протокола SIP является обмен между сторонами данными об их функциональных возможностях. Для этой цели чаще всего используется протокол описания сеансов связи - SDP (Session Description Protocol). Поскольку в течение сеанса связи может производиться его модификация, предусмотрена передача сообщений SIP с новыми описаниями сеанса средствами SDP.

Рисунок 4.3 - Место протокола SIP в стеке протоколов TCP/IP

Для передачи речевой информации комитет IETF предлагает использовать протокол RTP, но сам протокол SIP не исключает возможность применения для этих целей других протоколов.

В протоколе SIP не реализованы механизмы управления потока, ми информации и предоставления гарантированного качества обслуживания. Кроме того, протокол SIP не предназначен для передачи пользовательской информации, в его сообщениях может переноситься информация лишь ограниченного объема. При переносе через сеть слишком большого сообщения SIP не исключена его фрагментация на уровне IP, что может повлиять на качество передачи информации.

В глобальной информационной сети Интернет уже довольно давно функционирует экспериментальный участок Mbone, который образован из сетевых узлов, поддерживающих режим многоадресной рассылки мультимедийной информации. Важнейшей функцией Mbone является поддержка мультимедийных конференций, а основным способом приглашения участников к конференции стал протокол SIP.

Протокол SIP предусматривает организацию конференций трех видов:

- в режиме многоадресной рассылки (multicasting), когда информация передается на один multicast, адрес, а затем доставляется сетью конечным адресатам;

- при помощи устройства управления конференции (MCU), к которому участники конференции передают информацию в режиме точка-точка, а оно, в свою очередь, обрабатывает ее (т.е. смешивает или коммутирует) и рассылает участникам конференции;

- путем соединения каждого пользователя с каждым в режиме точка-точка.

Протокол SIP дает возможность присоединения новых участников к уже существующему сеансу связи, т.е. двусторонний сеанс может перейти в конференцию.

В заключение об интеграции протокола SIP c IP-сетями, следует отметить то, что разработаны методы совместной работы этого протокола с преобразователем сетевых адресов - Network Address Translator (NAT).

4.6.3 Адресация SIP

Для организации взаимодействия с существующими приложениями IP-сетей и для обеспечения мобильности пользователей протокол SIP использует адрес, подобный адресу электронной почты. В качестве адресов рабочих станций используются специальные универсальные указатели ресурсов - URL (Universal Resource Locators), так называемые SIP URL.

SIP-адреса бывают четырех типов:

* имя@домен;

* имя@хост;

* имя@IP)адрес;

* № телефона@шлюз.

Таким образом, адрес состоит из двух частей. Первая часть - это имя пользователя, зарегистрированного в домене или на рабочей станции. Если вторая часть адреса идентифицирует какой-либо шлюз, то в первой указывается телефонный номер абонента.

Во второй части адреса указывается имя домена, рабочей станции или шлюза. Для определения IP-адреса устройства необходимо обратиться к службе доменных имен - Domain Name Service (DNS). Если же во второй части SIP-адреса размещается IP-адрес, то с рабочей станцией можно связаться напрямую.

В начале SIP-адреса ставится слово «sip:», указывающее, что это именно SIP-адрес, так как бывают и другие (например, «mailto:»). Ниже приводятся примеры SIP-адресов:

sip: als@rts.loniis.ru

sip: user1@192.168.100.152

sip: 294,75,47@gateway.ru

4.6.4 Архитектура сети SIP

В некотором смысле прародителем протокола SIP является протокол переноса гипертекста - НТТР (Hypertext Transfer Protocol, RFC 2068). Протокол SIP унаследовал от него синтаксис и архитектуру «клиент-сервер», которую иллюстрирует рисунок 4.4.

Клиент выдает запросы, в которых указывает, что он желает получить от сервера. Сервер принимает запрос, обрабатывает его и выдает ответ, который может содержать уведомление об успешном выполнении запроса, уведомление об ошибке или информацию, затребованную клиентом.

Рисунок 4.4 - Архитектура "клиент-сервер"

Управление процессом обслуживания вызова распределено между разными элементами сети SIP. Основным функциональным элементом, реализующим функции управления соединением, является терминал. Остальные элементы сети отвечают за маршрутизацию вызовов, а в некоторых случаях предоставляют дополнительные услуги.

Пример SIP-сети

Сети SIP строятся из элементов трех основных типов: терминалов, прокси-серверов и серверов переадресации. На рисунке 4.5 приведен пример возможного построения сети SIP.



Рисунок 4.5 - Пример построения сети SIP

Стоит обратить внимание на то что, что SIP-серверы, представленные на рисунке 4.5, являются отдельными функциональными сетевыми элементами. Физически они могут быть реализованы на базе серверов локальной сети, которые, помимо выполнения своих основных функций, будут также обрабатывать SIP-сообщения. Терминалы же могут быть двух типов: персональный компьютер со звуковой платой и программным обеспечением SIP-клиента (UA) или SIP-телефон, подключающийся непосредственно к ЛВС Ethernet (SIP-телефоны, производимые компанией Cisco Systems, недавно появились на российском рынке). Таким образом, пользователь локальной вычислительной сети передает все запросы к своему SIP-серверу, а тот обрабатывает их и обеспечивает установление соединений. Путем программирования сервер можно настроить на разные алгоритмы работы: он может обслуживать часть пользователей (например, руководство предприятия или особо важных лиц) по одним правилам, а другую часть - по иным. Возможно также, что сервер будет учитывать категорию и срочность вызовов, а также вести начисление платы за разговоры.

Структурная схема организации услуг SIP-сервера представлена на рисунке 4.6.



Рисунок 4.6 - Структурная схема организации услуг SIP-сервера

Модуль управления услугами отвечает за предоставление услуг и за общее управление сервером. Принятые сервером запросы и ответы поступают в модуль управления услугами и обрабатываются им, на основании чего определяется реакция на полученные сообщения.

Интерфейс человек-машина позволяет гибко менять настройки сервера и вести мониторинг сети.

5. Основные расчеты

5.1 Расчет пропускной способности сети

Наиболее узкое место информационного потока между двумя удаленными друг от друга локальными сетями - канал связи глобальной сети, пропускная способность которого обычно существенно меньше скорости работы локальной сети.

Представим себе, что рабочая станция сети передает кадр данных в сеть Ethernet. Передаваемый кадр вначале “путешествует” из сегмента сети к мосту или маршрутизатору с той скоростью, на которой работает сеть (10, 100 или 1000 Мбит/с). Попав в маршрутизатор или мост, кадр копируется из сети в буфер устройства, преобразуется в другой формат, а затем (при наличии свободного канала) передается через глобальную сеть со скоростью, гораздо меньшей, чем та, с которой кадр передавался из локальной сети на устройство маршрутизации. Если непосредственно перед текущим кадром на сетевое устройство попал другой кадр, то нашему кадру придется подождать (в буфере), до тех пор, пока предыдущий кадр не будет обслужен. Время обслуживания текущего кадра зависит от того, сколько кадров пришло на сетевое устройство непосредственно перед текущим: чем больше таких кадров, тем дольше время ожидания.

Рассмотрим теперь, как выполняется обслуживание кадра на противоположном конце канала глобальной сети. Поступая из глобальной сети на мост/маршрутизатор, кадр преобразуется и передается в локальную сеть. Поскольку скорость передачи информации по глобальной сети всегда ниже скоростей передачи кадров в локальной, никаких очередей при таком обслуживании не возникает. Следовательно, основной вклад во время обслуживания кадра на втором мосте/маршрутизаторе вносит само устройство. И это лишь малая доля от времени задержки кадров на первом мосте/маршрутизаторе. Отсюда следует, что для описания двухточечных линий связи между локальными сетями можно спокойно использовать одноканальную однофазную модель.

Используя математический аппарат теории массового обслуживания, можно вычислить зависимость времени передачи кадров от скорости работы глобальной сети без подключения к реальным каналам. Такие вычисления, позволяют ответить на множество вопросов относительно производительности сети. Исходя из расчётов, становится понятным, каково среднее время задержки кадров на мосте/маршрутизаторе, как может повлиять на величину этих задержек рост скорости работы канала связи глобальной сети и при каких условиях рост скорости обмена информацией по каналам глобальной сети не приводит к существенному увеличению производительности моста/маршрутизатора.

Число станций - 20.

Число транзакций (кадров) от одной станции - 900.

Режим работы круглосуточный (24 часа). В час наибольшей нагрузки передается 20% от всего числа передаваемых кадров.

Размер кадра 64 байт.

Итого в час через HUB проходит:

при Гауссовском распределении N = 900 * 20 * 0.2 = 3600 кадров;

при нормальном распределении N = 900 * 20 / 24 = 750 кадров.

Скорость поступления кадров получается делением полученных чисел на 3600 (переводим часы в секунды):

при Гауссовском распределении 3600 / 3600 = 1 кадр в сек,

при нормальном распределении 750 / 3600 = 0.21 кадра в сек.

Для подсчета скорости обслуживания следует задаться определенным значением скорости работы глобальной сети. При этом неважно, насколько близка к оптимальной, взятая в качестве начального приближения, скорость обмена информацией по глобальной сети. Поскольку все вычисления легко повторить для другого значения скорости. Для начала примем скорость обмена информацией равной 10000000 бит/с. Тогда время, необходимое для передачи одного кадра длиной 64 байт, составит 0.0000512 секунды.

Ожидаемое время обслуживания равно 0.0000512 секунды, откуда получаем, что средняя скорость обслуживания (величина, обратная к ожидаемому времени обслуживания) составляет 19531.25 кадра в секунду.

Из расчетов видно, что скорость обслуживания выше чем скорость поступления кадров, то есть данный канал справляется с приходящим трафиком.

Степень использования технических возможностей обслуживающего устройства (P) в одноканальной однофазной системе можно определить, поделив среднюю скорость поступления заказов на среднюю скорость обслуживания по формулам 5.1 и 5.1:

при Гауссовском распределении:

Р=1/19531.25 = 0,0000512= 0.0051% (5.1)

при нормальном распределении:

Р=0.21/19531.25= 0,000010752= 0,00107% (5.2)

Зная степень использования обслуживающего устройства, довольно легко определить вероятность отсутствия заказов (обслуживаемых кадров) в данный момент времени. Эта вероятность, обозначенная нами как P₀, равна единице минус степень использования канала определяем по формулам 5.3 и 5.4:

при Гауссовском распределении:

Р₀ =1- 0,0000512=0,9999488= 99.994% (5.3)

при нормальном распределении:

Р₀ =1- 0,000010752 = 0,9999892= 99.998% (5.4)

Получив некоторые сведения относительно степени использования обслуживающего устройства, выясним теперь, каким образом кадры скапливаются в очередях и как влияют связанные с этими очередями задержки на процесс передачи кадров от одной локальной сети к другой.

В теории массового обслуживания среднее число объектов в системе обычно обозначается L, а среднее число объектов в очереди - Lq. Для одноканальной однофазной системы, L равняется средней скорости поступления заказов, деленной на разность между средней скоростью обслуживания и скоростью поступления заказов (формулы 5.5 и 5.6):

при Гауссовском распределении:

L = 1/(19531.25 - 1) = 5.12026*10^-5 (5.5)

при нормальном распределении:

L = 0.21/(19531.25 - 0.21) = 5.12005*10^-5 (5.6)

Таким образом, в буфере маршрутизатора и линии связи, в любой момент, находится чуть больше 0.00512005 - 0.00512026% одного кадра. Чтобы определить среднее число объектов в очереди (Lq), перемножим степень использования обслуживающего устройства (P) на число объектов в системе (L) формулы 5.7 и 5.8:

при Гауссовском распределении:

Lq = 0.00512026 * 5.12026*10^-5= 2.6217*10^-7 (5.7)

при нормальном распределении:

Lq = 0.00512005 * 5.12005*10^-5= 2.6214*10^-7 (5.8)

Теория массового обслуживания позволяет рассчитать среднее время нахождения объекта в системе (W) и среднее время ожидания в очереди (Wq).

Среднее время нахождения в системе представляет собой величину, обратную разнице между скоростью обслуживания и скоростью поступления заказов. Подставив числа из нашего примера, найдем, что в данном случае каждый кадр проводит в системе в среднем (формулы 5.1.9 и 5.1.10):

при Гауссовском распределении:

W = 1 / (19531.25 - 1) = 5.12026*10^-5 с (5.9)

при нормальном распределении:

W = 1 / (19531.25 - 0.21) = 5.12005*10 ^-5 с (5.10)

Очереди в системе можно охарактеризовать еще одним параметром, а именно временем ожидания. В нашем случае значение Wq равно произведению времени ожидания в системе на степень использования обслуживающего устройства (формулы 5.11 и 5.12). Таким образом, для нашей сети:

при Гауссовском распределении:

Wq = 5.12026*10^-5 * 5.12026*10^-5 = 2.6217*10^-7с (5.11)

при нормальном распределении:

Wq = 5.12005*10^-5 * 5.12005*10^-5 =2.6214*10^-9с (5.12)

Далее проводим аналогичные расчеты для каналов различной пропускной способности, и всё полученные данные заносим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1- Варьирование пропускной способности сети

Число абонентов	20	20	20
1	2	3	4
Скорость линии, Мбит/с	10	100	1000
Время передачи пакета, с	5.12*10-5	5.12*10-6	5.12*10-7
Средняя скорость обслуживания	19531.25	195312.5	1953125
Степень использования канала при Гауссовском распределении P	0.020%	0.0020%	0.00020%
Степень использования канала при нормальном распределении Pн	0.00425%	0.000425%	0.0000425%
Вероятность отсутствия пакетов в системе при Гауссовском распределении P0=1-P	99.97%	99.997%	99.9997%
Вероятность отсутствия пакетов в системе при нормальном распределении P0н=1-Pн	99.995%	99.9995%	99.99995%
Среднее число объектов всего при Гауссовском распределении L	2.05*10-4	2.05*10-5	2.05*10-6
Среднее число объектов всего при нормальном распределении Lн	4.24*10-5	4.24*10-6	4.24*10-7
Среднее число объектов в очередях при Гауссовском	4.2*10-8	4.2*10-10	4.2*10-12
распределении Lq=L*P
Среднее число объектов в очередях при нормальном распределении Lqн=Lн*Pн	1.8*10-9	1.8*10-11	1.8*10-13
Полное время ожидания при Гауссовском распределении W, с	5.12*10-5	5.12*10-6	5.12*10-7
Полное время ожидания при нормальном распределении Wн, с	5.12*10-5	5.12*10-6	5.12*10-7
Время ожидания в очереди при нормальном распределении Wqн=Wн*Pн, с	2.2*10-9	2.2*10-11	2.2*10-13

На рисунке 5.1 изображен график зависимости степени использования канала и вероятность отсутствия кадров в системе от скорости сети.

Рисунок 5.1 - Степень использования канала и вероятность отсутствия кадров в системе

Закономерное уменьшение выигрыша во времени ожидания, по мере роста пропускной способности, особенно хорошо видно при сравнении производительности глобальной сети для каналов с разной пропускной способностью.

Используя данный метод, мы определили, что при Гауссовском распределении нагрузки, на скорости 10 Мбит/с время ожидания в очереди составит: 5.12026*10^-7 сек, а время передачи по каналу связи в одну сторону 2.6217*10^-7 сек.

5.2 Расчет максимального допустимого затухания кабеля

При распространении электромагнитного сигнала по витой паре он постепенно теряет свою энергию. Этот эффект называется ослаблением или затуханием (attenuation, insertion loss). Затухание принято оценивать в децибелах как разность между уровнями сигналов на выходе передатчика и входе приемника. 1 дБ соответствует изменению мощности в 1.26 раза или напряжения в 1.12 раза.

В кабельной технике различают собственное и рабочее затухание кабеля. Под собственным затуханием кабеля понимается его затухание при работе в идеальных условиях. Под идеальными условиями в данном случае подразумевается строгое равенство выходного сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки волновому сопротивлению кабеля во всем рабочем диапазоне частот.

Экспериментально собственное затухание кабеля можно найти на основании его определения как разности уровней входного и выходного сигналов в том случае, если сопротивление источника сигнала и нагрузки равны между собой и волновому сопротивлению кабеля. В процессе реальной эксплуатации это условие выполняется не во всех случаях, что обычно сопровождается увеличением затухания. Такое затухание называется рабочим.

Чем меньше величина затухания, тем более мощным является сигнал на входе приемника, и тем устойчивее при прочих равных условиях оказывается связь. Затухание вызывается в первую очередь активным сопротивлением и потерями в диэлектрической изоляции. Определенным образом на затухание также влияют излучение электромагнитной энергии и отражения.

На длине 100 метров и при температуре 20°C частотная характеристика A(f) максимально допустимого затухания, начиная с 0.772 МГц, для кабеля категории 5 определяется по формуле 5.13, следующим образом:

[дБ] (5.13)

где A - максимально допустимое затухание;

f [МГц] - частота сигнала (0.772);

k₁, k₂, k₃ - константы, определяемые в зависимости от категории кабеля (k₁ - 1.967, k₂ - 0.023, k₃ - 0.05).

= =

= 1,7•10³ дБ.

Любой проводник, по которому течет переменный ток, является источником излучения в окружающее пространство. Оно отбирает у сигнала энергию и ведет к возрастанию затухания сигнала. Это явление резко возрастает с увеличением частоты сигнала. С ростом частоты потери на электромагнитное излучение возрастает. Для минимизации потерь на излучение применяют балансную передачу и скрутку проводников пары.

5.3 Расчет переходного затухания

При передаче сигнала часть его энергии вследствие неидеальности балансировки витой пары переходит в электромагнитное излучение, которое вызывает наведенные токи в соседних парах. Этот эффект называется переходными наводками. Наводки, накладываясь на полезные сигналы, передаваемые по соседним парам, играют роль помех, при значительном уровне могут приводить к ошибкам приема, и в конечном итоге снижают качество связи.

Разность между уровнями передаваемого сигнала и создаваемой им помехи на соседней паре называется переходным затуханием. В технике СКС переходное затухание имеет заимствованное из англоязычной технической литературы обозначение NEXT (Near End Crosstalk).

Чем выше значения NEXT, тем меньший уровень имеет наводка в соседних парах, и, следовательно, тем более качественным является кабель. С практической точки зрения, представляет интерес частотная зависимость переходного затухания от длины линии.

Влияющая пара и пара подверженная влиянию, прокладываются параллельно друг другу под общей защитной оболочкой. За счет этого их проводники могут рассматриваться как обкладки конденсатора. Это означает, что с ростом частоты переходное затухание падает. Характеристики кабеля по затуханию, перекрестным наводкам и импедансу приведены в таблице 5.2:

Сопротивление - 9.38 Ом/100 м, Емкость - 4.59 нФ/100 м на частоте 1 кГц.

Таблица 5.2 - Характеристики кабеля UTP

Частота МГц	Затухание дБ/100 м	NEXT, ДБ	Импеданс, Ом
1	2	3	4
0.064	-	-	125+15
0.128	-	-	115+15
0.256	-	-	110+15
0.772	1.8	64	100+15
1.0	2.0	62	100+15
4.0	4.1	53	100+15
8.0	5.8	48	100+15
10.0	6.5	47	100+15
16.0	8.2	44	100+15
20.0	9.3	42	100+15
25.0	10.4	41	100+15
31.25	11.7	40	100+15
62.5	17.0	36	100+15
100	22.0	32	100+15

Дополнительно стандарт фиксирует минимально допустимое значение NEXT на частотах менее 0.772 МГц, что бывает необходимо для некоторых приложений. Нормируемые значения в этом случае представляются в табличной форме. Стандарты нормируют только минимальную величину параметра NEXT.

5.4 Расчет ширины полосы частот по стандарту H.264

Рассчитаем зависимость полосы частот в зависимости от количества участников участвующих в видеоконференции при передачи и приёме.

Таблица 5.3 - Зависимость полосы частот от участников видеоконференции

Количество участников в видеоконференции	Качество полосы (Svideo Мб/с)
	Высокое	Среднее	Низкое	Очень низкое
2-участника	3	1,5	0,768	0,128
3- участника	2,25	1,125	0,6	0,128
4- участника		0,937	0,45	0,128
….
20 - участников	1,875	1,875	0,45	0,128

Скорость передачи аудио для высокого, среднего и низкого качества: S_audio = 0,064 Мб/с. Скорость передачи аудио для очень низкого качества: S_audio = 0,016 Мб/с. Скорость передачи видео с высоким разрешением (LR Video): S_LRvideo = 0,192 Мб/с

Рассчитаем ширину полосы частот при передачи аудио и видео при различном качестве, когда в видеоконференции 2, 3, 4 и 20 участников по формулам 5.14 и 5.15 соответственно:

S_Пер2,3,4 = S_video + S_audio (5.14)

S_Пер5…20 = S_video + S_audio + S_LRvideo (5.15)

Рассчитаем зависимость при стандартной конференции (Большой вид + аудио).

При 2-ух, 3-х и 4-х участниках по формуле 5.14 на высоком качестве:

S_Пер2 = 3 + 0,064 = 3,6 Мб/с;

S_Пер3 = 2,25 + 0,064 = 2,31 Мб/с;

S_Пер4 = 1,875 + 0,064 = 1,94 Мб/с;

Расчёт зависимости при расширенной конференции (большой вид + уменьшенный вид + аудио).

При 5-ти и более участниках по формуле 5.15 на высоком качестве:

S_{Пер5,6…20} = 1,875 + 0,064 + 0,192 = 2,13 Мб/с;

Провидим аналогичный расчет при других качествах полосы частот и результаты сведём в таблицу.

Рассчитаем ширину полосы частот при приёме аудио и видео при различном качестве, когда в видеоконференции 2, 3, 4 и 20 участников по формулам 5.16, 5.17 и 5.18:

S_Пр2 = S_Пер2 (5.16)

S_Пр3,4 = S_Пер3,4•(N-1) (5.17)

S_Пр5…20 = 3•S_video + ((N-4)•S_LRvideo) + ((N-1)•S_audio) (5.18)

где N - количество участников видеоконференции.

Рассчитаем зависимость при стандартной конференции (Большой вид + аудио).

При 2-ух, 3-х и 4-х участниках на высоком качестве:

S_Пр2 = 3,6 Мб/с;

S_Пр3 = 2,31• (3-1) = 4,62 Мб/с;

S_Пр4 = 1,94 • (4-1) = 5,82 Мб/с;

Расчёт зависимости при расширенной конференции (большой вид + уменьшенный вид + аудио).

При 5-ти и более участниках по формуле 5.18 на высоком качестве:

S_Пр5 = 3•1,875 + ((5-4)•0,192) + ((5-1)•0,064) = 6,07 Мб/с;

S_Пр20 = 3•1,875 + ((20-4)•0,192) + ((20-1)•0,064) = 9,91 Мб/с;

Провидим аналогичный расчет при других качествах полосы частот и результаты сведём в таблицу. На основании таблицы строим графики зависимости.

6. Охрана труда

6.1 Общие требования к организации и оборудованию рабочих мест

Рабочие места по отношению к световым проемам должна располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно слева.

Схемы размещения рабочих мест должны учитывать расстояние между рабочими столами и видеомониторами, которое должно быть не менее 2,0 м, а расстояние между боковыми поверхностями не менее 1,2 м. Высота рабочей поверхности стола должна регулироваться в пределах 680-8 мм.

Для инженеров, обслуживающих учебный процесс в кабинетах в ВДТ, продолжительность работы не должна превышать 6 часов в день.

Нормируемые визуальные параметры видеодисплейных терминалов сведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Нормируемые визуальные параметры ВДТ

№ п/п	Наименование товаров	Значение параметров
1	2	3
1	Контрастность	От 3:1 до 1,5:1
2	Неравномерность яркости2 /элементов знаков, %	Не более- 25
3	Неравномерность яркости2 / рабочего поля экрана, %	Не более +-20
4	Формат матрицы знака. Для прописных букв и цифр, (для отображения диэлектрических знаков и строчных букв с нижними выносными элементами формат матрицы должен быть увеличен сверху или снизу на 2 элемента изображения	Не менее 7*9 элементов изображения не менее 5*8 элементов изображения
5	Отношение ширины знака к его высоте для прописных букв	От 0,7 до 0,9 (допускается от 0,5 до 1,0)
6	Размер минимального элемента отображения (пикселя), мм	0,3
7	Угол наклона линии наблюдения, град	Не более 60 град. Ниже горизонтали
8	Угол наблюдения, град	Не более 40 град. От нормали к любой точке экрана дисплея
9	Допустимое горизонтальное смещение однотипных знаков, % от ширины знака	Не более 5
10	Допустимое вертикальное смещение однотипных знаков, % от высоты матрицы	Не более 5
11	Отклонение формы рабочего поля экрана ВДТ от правильного прямоугольника не должно превышать: по горизонтали по вертикал по диагонали где В1 и В2 - значение длин верхней и нижней строк текста на рабочем поле экрана, мм; Н1 и Н2 - значение длин крайних столбцов на рабочем поле экрана, мм; D1 и D2 - значение длин диагоналей рабочего поля экрана, мм.	DВ= 2(В1-В2)/(В1+В2) <0,02 DН=2(Н1-Н2)/(Н1+Н2) <0,02 DD=2(D1-D2)/(D1+D2) << 0.04(Н1-Н2)
12	Допустимая пространственная нестабильность изображения (дрожание по амплитуде изображения) при частоте колебаний в диапазоне от 0,5 до 30 Гц, мм	Не более 2*L10 e-4
13	Допустимая временная нестабильность изображение (мерцание)	Не должна быть зафиксирована 90% наблюдателей
14	Отражательная способность, зеркальное и смешанное отражение (блики), % (допускается выполнение требований при использования приэкранного фильтра	Не более 1

6.2 Защита от вредного действия шума

Шум - это совокупность звуков различной частоты и интенсивности (силы), возникающих в результате колебательного движения частиц в упругих средах (твердых, жидких, газообразных).

Звуки, распространяющиеся в воздухе, вызывают воздушный шум.

Процесс распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой распространяются звуковые волны, - звуковым полем.

По происхождению шум делят на ударный, механический, аэродинамический, гидродинамический и электромагнитный.

Основные физические характеристики звука - частота f (Гц), звуковое давление Р (Па), интенсивность или сила звука I (Вт/), звуковая мощность W (Вт) и длина волны (м).

Длина волны зависит от скорости распространения звука и частоты колебаний.

Возникающее в среде изменение давления при прохождении через нее звуковых волн называют звуковым давлением - Р, Н/ (Па).

Звуковая волна переносит энергию в направление своего движения. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, ориентированной перпендикулярно к направлению распространения звука, называется интенсивностью звука в данной точке - I, Вт/.

В зависимости от частоты звуковые волны разделяют ультразвуковые - с частотой меньше 16-20 Гц, звуковые, или слышимые звуки, - с частотой 20-20000 Гц, ультразвуковые - с частотой свыше 20000 Гц.

По характеру спектра шум подразделяется на широкополосный и тональный. Широкополосный шум имеет непрерывный спектр шириной более одной октавы. Такой тип шума характерен для работы вентиляторов. Тональный шум имеет в своем составе слышимые тона с превышением уровня звукового давления над соседними не менее чем на 10 дБ. Подобный спектр имеет, например, шум, создаваемый при работе дисковой пилой. [12]

Для оценки и сравнения непостоянных по времени шумов применяют уровни звука. Уровень звука - это общий уровень звукового давления во всем диапазоне среднеоктановых частот. Измеряют уровень звука шумомером в децибелах А (дБА). Уровень звука характеризует шум одной величиной, а не восьмью значениями уровней звукового давления в соответствующих октавных полосах.

6.3 Действие шума на организм человека

Звуковые сигналы доставляют человеку значительную часть информации. Они могут служить для передачи сигналов опасности. В свою очередь, акустическая обстановка в известной мере определяет и условия безопасности труда.

Шум определяют как звук, оцениваемый негативно и наносящий вред здоровью. Проявление вредного действия шум на организм человека весьма разнообразно.

Длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБА) приводит к частичной или полной потери слуха человека. В зависимости от длительности и интенсивности воздействия шума происходит большее или меньшее снижение чувствительности органов слуха, выражающееся временным смещением порога слышимости, которое исчезает после окончания воздействия шума. С увеличением времени воздействия и ростом уровня шума повышается временный сдвиг порога и удлиняется период восстановления.

Степень повреждения органов слуха зависит не только от уровня звука и его продолжительности, но и от индивидуальной чувствительности человека. Люди неодинаково реагируют на шум. Одна и та же доза шумового воздействия у одних вызывает повреждение слуха, у других - нет. Различается и степень повреждения в зависимости от индивидуальных особенностей человека.

Воздействие шума на вегетативную нервную систему проявляется даже при небольших уровнях звука (40-70 дБА) и не зависит от субъективного восприятия шума человеком. Из вегетативных реакций наиболее выраженными являются нарушение периферического кровообращения за счет сужения капилляров кожного покрова и слизистых оболочек, а также повышение артериального давления (при уровнях звука выше 85 дБА). Установлено, что выраженные психические реакции появляются уже начиная с уровней звука 30 дБА. При этом решающую роль в психической оценке неприятности шума играет личное отношение человека к этому шуму.[12]

Таким образом, психофизиологическом и поликлиническим обследованиям работающих, а также экспериментальными исследованиями установлено на предельно допустимом уровни каждого изолированного фактора их сочетание вызывает функциональные сдвиги, изменение состояния здоровья и снижение надежности «человеческого звена» в системе «человек-машина»., что при сочетанном действии на организм происходит взаимное усиление химических и физических факторов производственной среды.

6.4 Защита от электромагнитных излучений

Согласно [13] нормируемыми параметрами в диапазоне частот 60 кГц - 300 МГц являются напряженности Е и Н электромагнитного поля. При частоте от 60 кГц до 3 МГц напряженность электрического поля может составлять до 50 В/м, а напряженность магнитного поля до 5 А/м.

При работе монитора генерируется электромагнитное излучение очень низкой частоты. Вблизи монитора напряженность электромагнитного поля составляет от 4 до 7 миллигаусс. Напряженность магнитного поля выше 4 миллигаусс является вредной для человека. Такое излучение является причиной аномалий при беременности и вызывает изменение на клеточном уровне. Отрицательно сказывается на человеческом организме увеличение количества положительно заряженных ионов в воздухе, вблизи работающего монитора. Медицинские исследования, проведенные в США, показывают, что долговременное пребывание в деионизированной атмосфере воздействуют на метаболизм и приводит к изменению биохимической реакции в крови на клеточном уровне, что нередко приводит к стрессам. При работе с монитором на нем накапливается заряд статического электричества, приводящий к возникновению электростатического разряда.

Защита от электромагнитного воздействия обеспечивается экранами с электропроводящей поверхностью. В конструкции этих экранов, как правило, предусмотрена возможность заземления. Эти экраны обеспечивают надежную защиту от электромагнитных излучений. Существуют следующие типы экранов:

- экраны типа "поляроид";

- экраны пленочного типа;

- стеклянные экраны;

- сетчатые экраны.

Среди представителей всех перечисленных типов есть экраны с проводящей поверхностью и возможностью заземления. Эти экраны защищают владельца от электростатического и электромагнитного излучения монитора.

6.5 Защита от ионизирующих излучений

Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разного типа. Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны. Энергию частиц ионизирующего излучения измеряют во внесистемных единицах электрон - вольтах. Источник ионизирующего излучения - устройство, испускающее ионизирующее излучение.

С началом применения дисплейной, техники, в которой используется электронно-лучевые трубки, возникла проблема защиты оператора от вредного рентгеновского излучения, источником которого она является. При разработке современных дисплеев учитываются безопасные дозы излучения и делается все, чтобы обезопасить человека от вредного воздействия радиации.

6.6 Защита от воздействия электростатического поля

Причиной возникновения электростатического заряда является то, что электронно-лучевая трубка в мониторе заряжена отрицательно, что приводит к накоплению положительных аэроионов. При избытке положительных аэроионов их положительных заряд начинает отталкивать микрочастицы, всегда присутствующие в воздухе. Они разгоняются и бомбардируют лицо и глаза человека, находящегося перед монитором. Это производит очень негативное действие (раздражение нервной системы и кожи).

Напряженность электростатического поля не должна превышать значений, допустимых [13].

Содержание легких аэроионов обоих знаков в зоне дыхания работающего человека практически может колебаться в пределах от 1,5-10 до 5-10 в 1 см воздуха. Для защиты от воздействия электростатического заряда предпочтительнее всего, применяясь, заземленный защитный фильтр.

Так же в качестве защиты от статического электричества в помещениях с терминалами видеоконференцсвязи можно использовать нейтрализаторы и увлажнители, а полы должны иметь антистатическое покрытие.

Для поддержания нормированных значений концентрации положительных и отрицательных, ионов в помещениях с терминалами видеоконференцсвязи рекомендуется устанавливать кондиционеры, устройства ионизации воздуха или проводить естественное проветривание длительностью не менее 10 минут после каждых 2 часов работы.

В целях предотвращения вредного влияния на организм работающих людей пылинок с аэроионами необходимо ежедневно проводить влажную уборку помещений и не реже 1 раза в смену удалять пыль с экранов при выключенном терминале.

6.7 Производственный микроклимат

Наиболее значительным физическим фактором является производственный микроклимат, который характеризуется уровнем температуры и влажности воздуха, а также интенсивностью уровня радиации. Используемые терминалы видеоконференцсвязи не требуют создания особых микроклиматических условий для работы и нормально функционируют в пределах допустимых для человека значений температуры и влажности.

В виду того, что терминалы видеоконференцсвязи являются источниками тепловыделений, существует возможность повышения температуры и снижения влажности воздуха на рабочих местах, способствующих раздражению кожи. Микроклиматические условия в помещении с терминалами видеоконференцсвязи должны удовлетворять требованиям в соответствии [15]:

- температура окружающей среды в холодный период года 20 - 22оC, в теплый период 22 - 25оС;

- относительную влажность воздуха 30 - 60%;

- содержание пыли - макс. 0.0001 кг/м при размере частиц max 3 мкм.

Одним из условий здорового и высокопроизводительного труда является обеспечение чистоты воздуха. Атмосферный воздух в своем составе содержит в процентном отношении:

- азот 78,8%;

- кислород 20,25%;

- аргон, неон и другие инертные газы 0,93%;

- углекислый газ 0,03%.

Воздух такого состава наиболее благоприятен для дыхания человека.

Оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений нормируются [15] и приведены, в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Оптимальные нормы микроклимата помещений

Период года	Температура воздуха, С	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	21...23	40…60	0,1
Теплый	22...24	40…60	0,2

Рассматриваемое в данной дипломной работе оборудование в процессе работы не вырабатывают никаких вредных веществ.

Таким образом, воздушная среда в помещении, где они используется, вредных воздействий на организм человека не оказывает и удовлетворяет требованиям категории работ, согласно [15].

6.8 Создание рационального освещения

Рациональное освещение в помещении, предназначенном для работы с ВДТ создается при наличии как естественного, так и искусственного освещения. Недостаточное освещение приводит к сильному напряжению глаз, быстрой утомляемости, близорукости, снижению качества работы, увеличению брака. Яркое освещение раздражает сетчатку глаза, ослепляет, глаза быстро устают, растёт производственный травматизм.

В данном дипломном проекте необходимо привести фактические уровни освещенности в сопоставлении с нормируемыми и создать оптимальную систему искусственного освещения помещения. В соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96 освещенность на поверхности стола должно быть 300-500 лк. Местное освещение не должно увеличивать освещенность экрана более 300 лк.

6.9 Расчет искусственной освещенности помещения

Для создания нормальных условий, на рабочем месте проводят нормирование освещенности в зависимости от размеров объекта различения, контраста объекта с фоном. Определение нормированной освещенности ведется по разрядам и подразрядам выполняемых работ. Для работ, выполняемых операторам, отводится четвертый разряд и подразряд “Б”. Минимальное значение нормированной освещенности согласно СНиП 23-05-95 E_min=200 Лк для общей системы освещения.

Для расчета общего освещения воспользуемся методом коэффициента использования светового потока. Расчетная формула 6.1 для вычисления светового потока для создания нужного освещения:

(6.1)

где Е_нор - нормируемая минимальная освещенность 200 Лк;

К_з - коэффициент запаса, учитывающий запыленность светильников и износ источников света в процессе эксплуатации;

S - освещаемая площадь;

z - коэффициент неравномерности освещенности (отношение средней освещенности к минимальной) = 1,1;

q - коэффициент использования потока;

f - коэффициент затемнения, принимается равным 0,9;

К_з = 1,5 при условии чистки светильников не реже четырех раз в год.

Длина помещения А=8 м.

Ширина помещения В=6 м.

Высота Н_пом=3,5 м.

Рассчитаем площадь помещения по формуле 6.2:

(6.2)

Высота подвеса светильников над рабочей поверхностью h = 3 м.

Определяем индекс помещения по формуле 6.3:

(6.3)

Коэффициенты отражения стен и потолка примем равными R_ст=30, R_п=50.

Для индекса i=1, коэффициентов R_ст=30, R_п=50, коэффициент использования q=0,28.

Следовательно, получаем:

Выбираем в качестве источника света люминесцентную лампу ЛБ - 65, которая имеет номинальное значение светового потока Ф_н = 4800 Лм. Тогда для создания необходимого светового потока (уровня освещенности) потребуется формула 6.4:

(6.4)

Так как в светильнике стоит по две лампы, то необходимо 7 светильников (примем число 8 для удобства), расположенных в два ряда (по четыре в каждом).

Эффективность осветительной установки определяют также и качественные показатели освещенности: цветопередача, пульсация освещенности, показатель ослепляемости, равномерность распределения яркости, индексом цветопередачи 50-55 и цветовой температурой 3500-3600 К (невысокие требования к цветоразличению). Таким характеристикам соответствуют лампы типа ЛБ. Допустимая пульсация освещенности регламентируется в СНиП 23-05-95 коэффициентом пульсации. Для 4-го разряда зрительной работы его значение не должно превышать 20%. Поэтому лампы типа ЛБ необходимо включать по схеме с искусственным сдвигом фаз для снижения коэффициента пульсации с 24% до 10,5%.

Цветопередача определяет влияние спектрального состава излучения искусственного источника света на воспринимаемый цвет объектов по сравнению с цветом этих объектов, при освещении этих объектов стандартным источником света. Оценка цветопередачи источника производится по цветовой температуре и индексу цветопередачи. Согласно СНиП 23-05-95 при освещенности 300 Лк и более рекомендуется источник света с индексом цветопередачи 50-55 и цветовой температурой 3500-3600 К (невысокие требования к цветоразличению). Таким характеристикам соответствуют лампы типа ЛБ. План расположения осветительных приборов изображён на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - План расположения осветительных приборов

В этой части дипломного проекта были произведены расчеты по священности помещения, изложены требования к рабочему месту оператора. Созданные условия должны обеспечивать комфортную работу.

7. Экология и охрана окружающей среды

7.1 «Концепция экологической безопасности РК на 2004-2015 годы»

3 декабря 2003 года по указанию Президента Республики Казахстан была разработана "Концепция экологической безопасности Республики Казахстан на 2004-2015 годы", которая дала новые импульсы в развитии законотворческого процесса в сфере экологического права Республики Казахстан, на базе которой произошла коренная перестройка решения проблем касающихся рационального и охранительного природопользования.

Экологическая безопасность как естественно - историческая основа и составная часть национальной безопасности Республики Казахстан определяется степенью защищенности личности, общества и государства от последствий чрезмерного антропогенного воздействия на окружающую среду, а также стихийных бедствий, промышленных аварий и катастроф. Основными субъектами обеспечения экологической безопасности, являются государство, а также юридические и физические лица.

Концепция экологической безопасности представляет собой систему признанных государством принципов и приоритетов, на основании которых формируется внешняя и внутренняя политика, правовые и экономические механизмы, а также направления деятельности, необходимые для обеспечения и сохранения благоприятной окружающей среды и устойчивого экономического и человеческого развития, предупреждение стихийных бедствий и промышленных аварий.

Складывающиеся в Республике рыночные отношения вызывают необходимость в правовом регулировании права природопользования в контексте с концепцией экологической безопасности в целях сохранения окружающей среды во благо настоящего и будущего поколения граждан нашей Республики, так как только путем рационального природопользования возложено сохранение окружающей природной среды.

Государственная политика экологической безопасности базируется на:

- введении принципа "платит природопользователь и загрязнитель", обязательности компенсации ущерба, нанесенного здоровья человека и окружающей ущерба, нанесенного здоровью человека и окружающей среде и социальной защиты пострадавших по экологическим причинам;

- разрешительном порядке осуществления производственной и иной деятельности, способный создать угрозу экологической безопасности населения;

- своевременном выявлении и восстановлении нарушенных территории, экосистем и природных комплексов;

- обеспечение полной, достоверной и своевременной информацией граждан и организаций об экологической опасности и осуществляемой деятельности в области экологической безопасности;

- соблюдении норм международного права, выполнении международных договоров Республики Казахстан, регламентирующих охрану окружающей среды и природопользование;

- обязательном участии в международной деятельности в области обеспечения экологической безопасности.

Стратегические цели и задачи экологической безопасности включают:

- введение единой системы мониторинга за состоянием окружающей среды;

- оценку состояния качества природной среды, экологическое районирование и специальное картографирование территории Республики Казахстан;

- создание системы природоохранного законодательства, регламентирующего охрану окружающей среды и управление природопользованием;

- совершение системы экологического контроля и нормирования;

- планирование природопользования, разработка экологических программ охраны окружающей среды и устойчивого природопользования;

- развитие системы экологического преобразования и воспитания;

- создание экономического механизма охраны окружающей среды и природопользования;

- разработку программ международного сотрудничества по проблемам охраны окружающей среды, природопользования и защиты от стихийных бедствий.

Основные стратегические направления реализации настоящей Концепции

- обеспечение устойчивого социально-экономического и человеческого развития республики путем создания и внедрения, ресурсосберегающих экологически чистых технологий, модернизации и совершенствования существующих производственных процессов.

Основными источниками, загрязняющими окружающую среду и вызывающими деградацию природных систем, являются промышленность, сельское хозяйство, автомобильный транспорт и другие антропогенные факторы.

Основными направлениями обеспечения экологической безопасности является экологизация экономики, законодательства и общества.

Экологизация экономики заключается в обеспечении устойчивого экологически безопасного природопользования и сохранении ресурсно-экологического равновесия через снижение природоемкости производства и уменьшение воздействия экономики на биосферные процессы обмена веществ и энергии. Для осуществления экологизации экономики необходимы развитие ресурсосберегающих технологий и снижение доли экологически «грязных» производств, внедрение экологических условий и требований во все разрабатываемые государственные, региональные и отраслевые программы путем совершенствования экономических механизмов природопользования, государственного экологического контроля, экологического мониторинга и статистики, оптимизации разрешительной системы природопользования и экологической экспертизы.[7]

Экологизация законодательства Республики Казахстан заключается в учете экосистемного принципа в правовом регулировании общественных отношений и достигается путем совершенствования и систематизации законодательства Республики Казахстан. Казахстан обладает развитым экологическим законодательством, в состав которого входят около 10 законов и более 200 подзаконных нормативных правовых документов. В области совершенствования экологического законодательства, прежде всего, взят курс на сближение с экологическим законодательством развитых стран и внедрение международных стандартов. На первом этапе необходимо внедрить природоохранные нормы во все другие законодательные акты Республики Казахстан, действие которых может сказаться на состоянии окружающей среды. В 2004 году будут подготовлены законодательные акты по внедрению обязательного экологического страхования и по вопросам отходов производства и потребления, а до 2006 года обеспечено внедрение экологического аудита.

Экологизация общества - это процесс формирования системы взглядов общества, направленных на достижение гармонии человека с природой. Его осуществление производиться путем развития экологического образования и воспитания, научного обеспечения, экологической пропаганды и участия общественности. Для развития экологического образования как основы формирования экологической культуры общества необходимо: формирование системы непрерывного экологического образования путем внедрения вопросов экологии и устойчивого развития в учебные программы всех уровней образования; подготовка специалистов, переподготовка и повышение квалификации кадров в области экологии для всех уровней системы обязательного и дополнительного образования, а также государственная поддержка экологического образования.

Мировой опыт показывает, что основой успешного решения экологических проблем и предотвращение экологических катастроф является экологизация социально-экономической системы любого государства. Таким образом, экологическая безопасность как составная часть национальной безопасности является обязательным условием устойчивого развития и выступает основой сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды.

7.2 Государственное регулирование экологопользования и охраны окружающей среды

Государственное регулирование экологопользования и охраны окружающей осуществляется через регулирование экономической и экологической систем РК. Органы государственного регулирования в зависимости от их компетенции можно подразделить на органы общей межотраслевой и отраслевой компетенции. Органы регулирования межотраслевой компетенции: служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Казгидромет), Министерство здравоохранения РК, Комитет по стандартизации, метрологии и сертификации РК, Министерство внутренних дел РК и другие классифицированы в самостоятельную группу. В силу того, что акты, принимаемые этими министерствами и ведомствами, имеют обязательную силу для всех иных предприятий, министерств и ведомств. Особое место среди органов государства, занимающихся охраной окружающей среды, занимает Министерство РК по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий - Министерство РК по чрезвычайным ситуациям (МЧС). МЧС принимает чрезвычайные меры в случае возникновения катастроф, вызванных авариями на производстве, стихийными бедствиями и другие. Большую роль в решении экологических проблем играет государство и право. Можно выделить следующие направления государственного правового воздействия на решение экологических проблем.