Electromagnetic Safety of Workplaces Equipped with Computer Hardware

Full Text

Экспертиза эколого-эргономической безопасности по фактору электромагнитного поля (ЭМП) помещений с рабочими местами (включая автоматизированные рабочие места - далее для краткости АРМ), оснащенными ЭВМ (вычислительные залы, офисы, лабораторные помещения, учебные классы и др.) имеет непреходящее значение по следующим причинам [1-3]. Во-первых, обновляется парк ЭВМ, меняются условия их размещения и монтажа, в связи с чем подлежащие экспертной оценке ЭМП существенно отличаются друг от друга по составу и структуре. Во-вторых, наряду с ЭВМ в помещениях располагаются другие источники ЭМП, воздействующие на внешнюю среду через так называемые «случайные антенны» (сосредоточенные и распределенные) фактически непредсказуемым образом [4-6]. В-третьих, совершенствуются инструментарий и система нормативных документов, регламентирующих порядок проведения экспертизы, которая как у нас в стране, так и за рубежом попрежнему нуждается в гармонизации (публикации на эту тему [7; 8], судя по откликам в Internet, вызывают живой интерес у представителей самых разных специальностей). В-четвертых, итогом комплексных исследований в сфере метрологии и стандартизации за период 1978-2008 гг. явились два концептуальных документа: международное руководство ИСО/МЭК 98:2008 и идентичный ему национальный стандарт ГОСТ Р 54500-2011 [9], которые необходимо учитывать при проведении экспертизы. Цель статьи - обсуждение возможности использовать отечественные нормы [3] и инструментарий для проведения экспертизы АРМ, оснащенных ЭВМ, в соответствии с требованиями ИСО/МЭК 98:2008 и ГОСТ Р 54500-2011 [9]. Предметная область исследования При экспертизе безопасности ЭМП, согласно [3], на рабочих местах пользователей ЭВМ нормируются предельнодопустимые уровни напряженности электрического поля Е и плотности магнитного потока В: - на частотах 5 Гц...2 кГц: Í× ÏÄÓ Å = 25 В/м; Í× ÏÄÓ Â = 250 нТл; - на частотах 2...400 кГц: Â× ÏÄÓ Å = 2,5 В/м; Â× ÏÄÓ Â = 25 нТл; (1) Норма для напряженности электростатического поля UПДУ = 15 кВ/м изжила себя ввиду того, что экраны современных дисплеев электрические заряды практически не накапливают. Наиболее интенсивные ЭМП создают мониторы в виде электронно-лучевых трубок, которые сегодня также становятся редкостью. Жидкокристаллический монитор с люминесцентной подсветкой, используемый в ЭВМ прежних лет выпуска, за счет работы высоковольтного преобразователя напряжения подсветки газоразрядных ламп холодного свечения сопоставим по уровню ЭМП с электронно-лучевыми трубками. Напротив, жидкокристаллический монитор со светодиодной подсветкой, в котором высоковольтные источники для подсветки отсутствуют, создает наименьшие по интенсивности ЭМП. При выключенном мониторе источниками ЭМП являются элементы основного блока ЭВМ (видеокарта, процессор и др.), а также межблочные кабельные соединения с недостаточно эффективным экранированием. Важное значение имеют особенности (способ, параметры, качество контактов) подключения ЭВМ к периферийным устройствам и другим компонентам компьютерной сети, а также к системам электропитания и заземления аппаратуры, защитным экранам. «Система земель» [6] образует пассивную распределенную случайную антенну (РСА), сеть электропитания 220 В; 50 Гц - активную РСА, которые при правильном их исполнении не должны быть источниками ЭМП. Однако за счет несимметричности и нелинейности, погрешности исполнения, неправильной эксплуатации и т. п. указанных цепей в них могут протекать непредусмотренные токи, значительные по величине. При отключенных ЭВМ в данных РСА возникают стоячие волны, при подключенных ЭВМ - бегущие волны напряжений и токов; наличие нелинейных элементов ведет к появлению гармоник, комбинационных и интермодуляционных составляющих частоты 50 Гц. Необходимость перемещения блоков аппаратуры с места на место ведет к ухудшению заземляющих соединений и нарушению герметичности экранов, для обеспечения информационной безопасности АРМ часто оснащают средствами активной защиты [7; 8] - все это существенно усложняет ситуацию и в 5-10 % случаев делает АРМ небезопасными для пользователей в эколого-эргономическом отношении. Онтологическая модель ситуации Онтологией (от греч. ontos - «сущее») именуется совокупность понятий (концептов) и отношений между ними в рассматриваемой предметной области. Персональные онтологии основаны на личных знаниях специалистов, групповые онто- логии формируются путем договоренности между ними и представляют собой онтологическую модель ситуации (ОМС), куда входят как общепризнанные верифицированные знания, так и аксиологические знания в виде убеждений, жизненного опыта, гипотез и др., остающиеся предметом дискуссии между ними. Руководство ИСО/МЭК 98:2008 и стандарт ГОСТ Р 54500-2011 стимулируют разработку ОМС, основой которой является проблема взаимодействия биорецепторов и ЭМП, создаваемых ЭВМ, а также методология организации и проведения экспертизы по электромагнитному фактору. Математической основой ОМС при этом служит теория вероятности - как объективная Лапласа - Колмогорова, так и субъективная Бернулли - Сэвиджа. Целью измерения считается получение максимально точной и достоверной информации об измеряемой величине Х на основании показаний приборов, которые рассматриваются как ее случайные реализации. Важным является отказ от понятий «истинное значение» (true value) и «погрешность измерения» (error of measurement) Х в пользу понятий «действительное значение» (conventional true value) и «неопределенность измерения» (uncertainty of measurement). Неопределенность отражает неполноту знаний экспертов об Х и степень уверенности в том, что она им известна - что «перемещает метрологию в сферу, где результат измерения должен рассматриваться и численно определяться в терминах вероятностей, которые выражают степень доверия», и полностью соответствует субъективной идеологии Бернулли - Сэвиджа. Для экспертов это заметно усложняет ОМС, поскольку им необходимо теперь как-то учитывать и оценивать неопределенность своих знаний (верифицированных, аксиологических) об условиях работы и характере взаимодействия источников ЭМП в составе ЭВМ с биорецепторами и других условиях проведения экспертизы. Не претендуя на полноценную разработку ОМС, ограничимся описанием ее фрагмента, который был сформирован в интересах экспертизы безопасности АРМ. Согласно ИСО/МЭК 98:2008 и ГОСТ Р 54500-2011, неопределенность измеряемой величины Х есть неотрицательный параметр, характеризующий рассеяние значений измеряемой величины на основании имеющейся информации о ней. Правило преобразования первичных показаний измерителей в итоговые результаты с оценкой их неопределенности именуется моделью измерений. Рекомендации ИСО/МЭК 98:2008 и ГОСТ Р 54500-2011 [9] имеют ввиду возможность выразить результат измерения как наилучшую оценку измеряемой величины вместе с соответствующей ей неопределенностью. Оценка неопределенности действительного значения Х может быть произведена двумя способами: по типу А - путем ее повторных N-кратных измерений, по типу В - получена из обоснованных суждений на основе имеющихся данных о ее возможных значениях. Интервал, содержащий Х с заданной вероятностью Р, называется интервалом охвата, который соответствует вероятности охвата Р = 0,95 или 0,99. При N-кратном определении Х действительным значением измеряемой величины является оценка математического ожидания 1 () / , N n n ñð MX X N X = = = ∑ где n [1; N], (2) то есть, по терминологии [1; 2], это оценка среднего значения Хср. Стандартная неопределенность данной оценки представляет собой оценку стандартного отклонения в виде положительного квадратного корня из дисперсии 2 1 1 2 ( ) ( ) /( ) N nN n ñð DX X X N = = - -=s ∑ (3) - это оценка среднеквадратического отклонения (СКО) . N s Интервал охвата (байесовский интервал, интервал неопределенности) содержит значения Х, соответствующие вероятности Р = 0,95 при коэффициенте расширения w = 2 и вероятности Р = 0,99 при w = 3, где ширина интервала охвата равняется ΔXР = wσN. При однократном измерении Х возможна оценка неопределенности только по типу В, в нашем случае - на основании известной по паспортным данным относительной погрешности δ,% измерителя серии В&Е-метр, полностью соответству- ющего требованиям [3] и нормам (1). Методика расчета неопределенности типа В измеренного значения Х предусматривает проведение следующих действий: - расчета абсолютной погрешности ΔХ = δХ, где значения δ переведены из процентов в десятичные доли единицы; - определения нижней и верхней границ отклонения Х от результата измерения, найденных, соответственно, как XMIN = Х - ΔХ и XMAX = Х + ΔХ; - расчета неопределенности типа В по формуле UB(X) = (XMAX - XMIN) / 23; - расчета расширенной неопределенности (ширины охвата) для вероятности охвата 0,95 как ΔX0,95 = 2UB(X); - записи конечного результата в виде X ± ΔХ0,95 с указанием, что Р = 0,95. При N-кратном измерении Х оценка неопределенности, в соответствии с принятыми обозначениями, сводится к следующим действиям: - расчету неопределенности типа А по формуле 1 1 2 ( ) ( ) / ( ), N An n ñð U X X X NN = =-- ∑ (4) где Хср = М(Х) согласно (2); - расчету основной абсолютной погрешности ΔХ = δХср с определением XMIN; XMAX и вычислением UB(X) аналогично предыдущему случаю; - расчету суммарной неопределенности 22 () () (); C AB UX UX UX = + (5) - расчету коэффициента охвата KC для заданной вероятности охвата Р и числа измерений N; вычислению расширенной неопределенности по формуле ΔXР = KC UС (X); - записи конечного результата в виде X ± ΔХР с указанием значения Р. Приведенные соотношения соответствуют ОМС, где распределения основной абсолютной погрешностей считается симметричным относительно действительного значения Х, а дополнительными погрешностями (ввиду стохастич- ности природной среды, влияния человеческого фактора и других неучтенных условий) считается возможным пренебречь. Результаты измерений Согласно данным руководства по эксплуатации прибора B&E-метр АТ-002, допустимая основная погрешность в режиме измерения среднеквадратических значений напряженности электрического поля Е и плотности магнитного потока В в обеих частотных полосах излучения видеодисплейного терминала составляет 20 %; дополнительная относительная погрешность не определена. Следовательно, при выполненных однократных измерениях δ = 0,20, и тогда XMIN = 0,8Х; XMAX = 1,2Х. Отсюда неопределенность UB(X) = = 0,4Х / 23 ≈ 0,1155Х, а расширенная неопределенность для вероятности охвата Р = 0,95 есть ΔX0,95 = 0,231X. В таблице 1 представлены уровни Í× Å и , Â× Å В/м; Í× Â и , Â× Â нТл; соответствующие системе нормативов (1), на 10 АРМ, объединенных в локальную сеть учебно-производственной лаборатории (помещение № 1), полученные при выполнении волонтерского проекта «Безопасный компьютер». В последней строке для сравнения приведены данные, соответствующие автономному компьютеру Note book в том же помещении - все результаты с учетом неопределенности охвата ΔX0,95 для Р = 0,95. Таблица 2 содержит аналогичные результаты для 7 АРМ, размещенных в соседнем помещении № 2. Таблица 1. Результаты экспертизы АРМ в помещении № 1 Полоса частот 5 Гц…2 кГц 2…400 кГц Характеристика Е, В/м В, нТл Е, В/м В, нТл АРМ № 1 33 ± 7,6 490 ± 110 0,26 ± 6·10-2 3 ± 0,69 АРМ № 2 30 ± 6,9 270 ± 60 0,01 ± 2·10-3 1 ± 0,23 АРМ № 3 26 ± 6,0 230 ± 50 0,15 ± 3·10-2 1 ± 0,23 АРМ № 4 55 ± 12,7 180 ± 42 0,26 ± 6·10-2 1 ± 0,23 АРМ № 5 69 ± 15,9 150 ± 35 0,32 ± 7·10-2 1 ± 0,23 АРМ № 6 35 ± 8,1 140 ± 32 0,17 ± 4·10-2 1 ± 0,23 АРМ № 7 31 ± 7,2 130 ± 30 0,12 ± 3·10-2 1 ± 0,23 АРМ № 8 22 ± 5,1 160 ± 37 0,01 ± 2·10-3 1 ± 0,23 АРМ № 9 31 ± 7,2 150 ± 35 0,14 ± 3·10-2 1 ± 0,23 АРМ № 10 45 ± 10,4 110 ± 25 0,36 ± 8·10-2 1 ± 0,23 Note book 1 ± 0,23 530 ± 122 0,19 ± 4·10-2 2 ± 0,46 Таблица 2. Результаты экспертизы АРМ в помещении № 2 Полоса частот 5 Гц…2 кГц 2…400 кГц Характеристика Е, В/м В, нТл Е, В/м В, нТл АРМ № 11 6 ± 1,4 710 ± 164 0,21 ± 5·10-2 5 ± 1,15 АРМ № 12 4 ± 0,9 360 ± 83 0,21 ± 5·10-2 2 ± 0,46 АРМ № 13 6 ± 1,4 240 ± 55 0,26 ± 6·10-2 2 ± 0,46 АРМ № 14 6 ± 1,4 150 ± 35 0,25 ± 6·10-2 2 ± 0,46 АРМ № 15 8 ± 1,85 290 ± 67 0,23 ± 5·10-2 2 ± 0,46 АРМ № 16 9 ± 2,1 210 ± 48,5 0,22 ± 5·10-2 1 ± 0,23 АРМ № 17 7 ± 1,6 240 ± 55 0,28 ± 6·10-2 1 ± 0,23 Предварительный анализ показывает, что измеренные на рабочих местах уровни , Â× Å В/м; и , Â× Â нТл, соответствующие полосе частот 2…400 кГц, пренебрежимо малы по сравнению с Â× ÏÄÓ Å и Â× ÏÄÓ Â согласно (1) - даже с учетом расширенной неопределенности типа В. Уровни , Í× Å В/м; а особенно , Í× Â нТл, соответствующие полосе частот 5 Гц … 2 кГц, напротив, не только соизмеримы, но в большинстве случаев превышают значения Í× ÏÄÓ Å и Í× ÏÄÓ Â согласно (1). Однако превышение Í× ÏÄÓ Â на АРМ, оснащенных автономным Note book, наводит на мысль о том, что помещения № 1 и № 2 сами про себе небезопасны по фактору ЭМП за счет повышенного техногенного фона. Чтобы проверить это предположение, в помещении № 2 прибором B&E-метр АТ-002 были измерены уровни электромагнитного фона в 2 рядах по 4 точки, что соответствует N = 8 и позволяет получить, помимо UB(X), оценки неопределенности UА(X) и UС(X) согласно ИСО/МЭК 98:2008 и ГОСТ Р 54500-2011. Характеристики фона по ЭМП в помещении № 2 представлены в таблице 3. Отчетливо видно, что уровни фона по Í× Â действительно превышают норматив Í× ÏÄÓ Â согласно (1), что может быть связано как с неправильным монтажом локальной компьютерной сети, объединяющей АРМ, так и с некачественным выполнением сети электропитания 220 В, поскольку ее частота 50 Гц входит в диапазон 5 Гц…2 кГц. Получение теоретически недопустимой неопределенности охвата ΔX0,95 > Хср применительно к , Â× Å В/м, которая отмечена звездочкой в таблице 3, объясняется тем, что модель неопределенности типа А при малых действительных значениях Х, по-видимому, работает неудовлетворительно, так как условия ее применимости не выполняются. Однако ввиду Â× Å << Â× ÏÄÓ Å для экспертизы это обстоятельство практического значения не имеет. В период активной компьютеризации России на рубеже веков данная ошибка при оборудовании АРМ, наряду с отсутствием эффективного заземления, была распространена достаточно широко - однако затем ее удалось изжить почти полностью, особенно в школах и вузах. Сегодня, по-видимому, из-за отсутствия должного контроля она возвращается в качестве нежелательного рецидива и вновь требует к себе внимания. Это подтверждает актуальность реализации волонтерского проекта «Безопасный компьютер» не только в рамках проекта «Интернет вещей» [10], но и в более приземленных, практических целях. Таблица 3. Результаты определения уровней фона по ЭМП в помещении № 2 Полоса частот 5 Гц…2 кГц 2…400 кГц Характеристика Е, В/м В, нТл Е, В/м В, нТл Средние уровни 4,5 280 2·10-2 2,1 UА(X) 1,27 24 1,25·10-2 0,23 UВ(X) 0,52 32 2·10-3 0,24 UС(X) 1,37 40 1,25·10-2 2 ± 0,33 Уровень фона 4,5 ± 2,7 280 ± 80 2·10-2 ± 2,5·10-2 * 2,1 ± 0,66 Норматив согласно (1) 25 250 2,5 25 Заключение Подход к проведению экспертизы согласно ИСО/МЭК 98:2008 и ГОСТ Р 54500-2011 [9] требует учета неопределенности знаний об условиях работы и характере взаимодействия источников ЭМП с биорецепторами (персонал, личный состав, пользователи ЭВМ, клиенты, абоненты, учащиеся и т. п.). Небезопасность ЭМП, создаваемых оборудованием АРМ, подтверждается их близостью к действующим нормативам (1). Поэтому необходимо, во-первых, при разработке ОМС исследовать условия формирования ЭМП на реальных АРМ с учетом требований ИСО/МЭК 98:2008 и ГОСТ Р 54500-2011.Во-вторых, при проведении экспертизы безопасности АРМ использовать модели типа РСА, а также другие методы и средства теории случайных антенн, что представляется особенно важным при выполнении инновационных проектов типа «Интернет вещей» [10]. В-третьих, гармонизировать требования [3] к компьютерным элементам и другому оборудованию АРМ, подключенному к общей сети электропитания 220 В, 50 Гц и системе земель [6]. Возможности участников программы «Безопасный компьютер» позволяют решать все поставленные перед ними в этой связи научно-технологические задачи.

About the authors

O. N Maslov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: maslov@psuti.ru
Samara, Russian Federation

S. A Maslov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: maslov@psuti.ru
Samara, Russian Federation

M. A Frolova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: maslov@psuti.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files