地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)電磁環(huán)境安全評(píng)估

李 瑾

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

近年來(lái)，地鐵乘客的語(yǔ)音通信需求迅速增長(zhǎng)，地鐵民用通信系統(tǒng)采用天線實(shí)施無(wú)線信號(hào)覆蓋，確保滿足乘客的通信需求，在地鐵站臺(tái)形成了復(fù)雜的射頻電磁環(huán)境[1].地鐵站臺(tái)電磁環(huán)境是否對(duì)人體有健康影響，這一問(wèn)題成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn).

目前，科研工作者對(duì)軌道交通系統(tǒng)電磁現(xiàn)象開(kāi)展了大量研究，主要集中在列車供電系統(tǒng)、無(wú)線信號(hào)覆蓋、系統(tǒng)抗電磁干擾等方面.文獻(xiàn)[2]提出一種非對(duì)稱方式的高鐵列車無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，通過(guò)仿真分析及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了可行性.文獻(xiàn)[3]通過(guò)測(cè)量研究了地鐵環(huán)境下無(wú)線信號(hào)覆蓋性能.文獻(xiàn)[4]結(jié)合實(shí)例研究了信號(hào)系統(tǒng)電磁干擾與抗電磁干擾故障處理問(wèn)題.文獻(xiàn)[5]通過(guò)軌道交通站內(nèi)電磁輻射分布的仿真計(jì)算與測(cè)量，對(duì)地鐵站內(nèi)強(qiáng)、弱電設(shè)備電磁環(huán)境中電氣設(shè)備的合理布局提出建議.

人體暴露于射頻電磁場(chǎng)可能引發(fā)大腦、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等損害[6-7]，環(huán)境射頻電磁場(chǎng)作為一種潛在危險(xiǎn)因素，對(duì)生物體健康存在風(fēng)險(xiǎn)[8].國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)將射頻電磁輻射列為2B類致癌物[9].國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(international commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定了電磁輻射限值的導(dǎo)則[10].針對(duì)交通工具電磁環(huán)境的健康影響問(wèn)題，學(xué)者們開(kāi)展了電動(dòng)汽車無(wú)線充電環(huán)境的安全性研究[11-12]、高鐵車廂、地鐵司機(jī)室電磁暴露研究[13-14].乘客暴露于地鐵站臺(tái)高頻電磁環(huán)境中是否存在健康風(fēng)險(xiǎn)，這一研究課題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

城市公共區(qū)域的環(huán)境電磁暴露中900 MHz頻段輻射源暴露占比最高[15].本文選取地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)900 MHz工作頻段，采用有限元電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)天線，建立站臺(tái)模型，結(jié)合實(shí)地測(cè)量，得到了站臺(tái)候車區(qū)域不同位置的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并對(duì)站臺(tái)電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比.對(duì)比結(jié)果表明，測(cè)量值均低于ICNIRP導(dǎo)則公眾電磁暴露電場(chǎng)強(qiáng)度限值.

1 基于電磁仿真軟件HFSS的電磁場(chǎng)強(qiáng)度模擬方法

1.1 HFSS功能簡(jiǎn)介

HFSS是Ansys公司的全波三維電磁仿真軟件，該軟件采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，功能強(qiáng)大，界面友好.地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)電磁環(huán)境的研究實(shí)質(zhì)上是天線產(chǎn)生的時(shí)變電磁場(chǎng)分布問(wèn)題，即求解麥克

韋方程組的問(wèn)題，方程組的微分形式如式(1)～(4)所示.

(1)

(2)

·B=0,

(3)

·D=ρ.

(4)

式中：H為磁場(chǎng)密度，單位A/m；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m；B為磁通量密度，單位Wb/m2；D為電位移，單位C/m2；J為電流密度，單位A/m2；ρ為電荷密度，單位C/m3.

有限元法先將求解區(qū)域離散，對(duì)每個(gè)離散單元建立微分方程并線性化，再聯(lián)立整體的線性方程組，最后求解邊值問(wèn)題，得到地鐵站臺(tái)空間電場(chǎng)強(qiáng)度分布.HFSS軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，自動(dòng)剖分精確有效的網(wǎng)格，生成離散化模型，憑借其計(jì)算可靠、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，HFSS在天線設(shè)計(jì)、無(wú)線通信的仿真計(jì)算方面有廣泛應(yīng)用[16].

1.2 模擬過(guò)程

地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)吸頂天線安裝在站臺(tái)上方天花板處，如圖1所示.天線工作在806～960 MHz、1 710～2 700 MHz 2個(gè)頻段，性能參數(shù)見(jiàn)表1.吸頂天線結(jié)構(gòu)為雙錐天線的變形結(jié)構(gòu)[17]，具有小型化、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，多用于室內(nèi)信號(hào)覆蓋.

圖1 地鐵站臺(tái)天線Fig.1 Antenna of subway platform

表1 地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)天線性能參數(shù)

在HFSS軟件中建立民用通信系統(tǒng)天線的等效輻射源，天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用50 Ω同軸線饋電方式，設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足地鐵站臺(tái)的通信需求.

圖2 民用通信系統(tǒng)天線模型(單位：mm)Fig.2 Antenna model for civil communication system (units:mm)

圖3是地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)電磁環(huán)境的仿真模型.設(shè)置天花板為PVC材質(zhì)，地面為混凝土，厚度分別是20 mm、10 mm.天線距離地面4 m，站臺(tái)寬度6 m，考慮到數(shù)值計(jì)算過(guò)程中模型尺寸對(duì)計(jì)算機(jī)硬件需求的影響，簡(jiǎn)化仿真模型，站臺(tái)長(zhǎng)度選取7 m.乘客候車區(qū)域在站臺(tái)高度2 m范圍內(nèi)，在垂直地面的yz平面內(nèi)設(shè)置4條仿真線，依次標(biāo)記為a、b、c、d，高度間距0.5 m.在平行地面的xy平面內(nèi)設(shè)置6條仿真線，水平間距1 m，沿y軸依次標(biāo)記為e、f、g、h、i、j.計(jì)算仿真線上電場(chǎng)強(qiáng)度，以確定站臺(tái)乘客候車區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度分布.

圖3 地鐵站臺(tái)電磁環(huán)境仿真模型(單位：m)Fig.3 Electromagnetic environment simulation model of subway platform (units:m)

為了模擬開(kāi)放的自由空間，在HFSS中建立尺寸為6.4 m×7.4 m×4.5 m的長(zhǎng)方體模型，設(shè)置為空氣盒子，其邊界條件為輻射邊界，用以代替無(wú)限大空間.設(shè)置吸頂天線表面為理想電導(dǎo)體邊界條件.設(shè)置求解頻率為900 MHz，求解迭代精度為0.02，為了滿足求解效率與精度，選取二階基函數(shù)計(jì)算.

在HFSS軟件中剖分網(wǎng)格，得到地鐵站臺(tái)離散化模型如圖4所示，共剖分網(wǎng)格255 981個(gè)，其中站臺(tái)模型外的空氣盒子剖分網(wǎng)格223 337個(gè)，天花板剖分網(wǎng)格12 343個(gè)，地面剖分網(wǎng)格19 931個(gè)，天線剖分網(wǎng)格370個(gè).

圖4 地鐵站臺(tái)離散化模型Fig.4 Discretization models of subway platform

2 電磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)試儀器

根據(jù)地鐵電磁環(huán)境電磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量原理，采用頻段可選的天線與頻譜分析儀、電磁場(chǎng)強(qiáng)度分析儀組合的方法[18]進(jìn)行測(cè)量.在地鐵站臺(tái)乘客候車區(qū)域測(cè)量點(diǎn)的3個(gè)正交方向依次旋轉(zhuǎn)天線，選取電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為測(cè)量值.測(cè)試設(shè)備性能參數(shù)見(jiàn)表2，德國(guó)E73電磁場(chǎng)強(qiáng)度分析儀與RIGOL DSA832E頻譜分析儀相互獨(dú)立.電磁場(chǎng)強(qiáng)度分析儀采用均值檢波，頻譜分析儀采用峰值檢波測(cè)量.

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

選取運(yùn)營(yíng)中的國(guó)內(nèi)某地鐵地下站臺(tái)為測(cè)量地點(diǎn)，測(cè)量頻段為地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)806～960 MHz，在候車區(qū)域選取2個(gè)測(cè)量點(diǎn)實(shí)施測(cè)量，確定空間的電場(chǎng)強(qiáng)度，以評(píng)估乘客的健康風(fēng)險(xiǎn).地鐵站臺(tái)無(wú)線信號(hào)覆蓋采用吸頂天線，最小覆蓋半徑為7 m，示意圖如圖5所示.

表2 測(cè)試設(shè)備性能參數(shù)

圖5 地鐵站臺(tái)吸頂天線覆蓋示意圖(單位：m)Fig.5 Subway platform covered by ceiling antennas (units:m)

2.3 測(cè)試實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備如圖6所示.測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗為50 Ω，忽略接收天線與場(chǎng)強(qiáng)儀之間的電纜損耗，空間電場(chǎng)強(qiáng)度值的計(jì)算公式為

E=K+A+107,

(5)

式中：A為頻譜分析儀或場(chǎng)強(qiáng)儀的信號(hào)強(qiáng)度讀數(shù)，單位為dBm；K是天線系數(shù)，單位為dB，隨頻率變化，由天線設(shè)備商提供；50 Ω測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量電壓與系統(tǒng)讀數(shù)的差值為107.測(cè)量前實(shí)施設(shè)備校準(zhǔn).

3 結(jié)果對(duì)比

民用通信系統(tǒng)天線工作在900 MHz頻段時(shí)，具體分析仿真線上的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖7所示.由圖7(a)可知，垂直面電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為0.002～0.077 V/m，

最大值分布在仿真線d上，最小值分布在仿真線a上，隨著仿真線高度降低，電場(chǎng)強(qiáng)度衰減.圖7(a)水平距離為3.5 m的中心點(diǎn)位于天線正下方，4條仿真線的電場(chǎng)強(qiáng)度在此點(diǎn)都出現(xiàn)較小值，這是因?yàn)樵谔炀€正下方只有反射波或繞射波形式的電磁輻射存在，4條仿真線由橫軸3.5 m中心點(diǎn)向左右兩側(cè)方向延伸時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度先增大，再出現(xiàn)減小趨勢(shì).由圖7(b)可知，水平面電場(chǎng)強(qiáng)度在6條仿真線上的分布基本一致，范圍在0.003～0.072 V/m，說(shuō)明在站臺(tái)內(nèi)同一高度的平面上電場(chǎng)強(qiáng)度變化較小.

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備Fig.6 Measurement equipment

圖7 地鐵站臺(tái)仿真線電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.7 Electric field intensity distribution on simulation lines on subway platform

地鐵站臺(tái)候車區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度如圖8所示，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.082 V/m，電場(chǎng)強(qiáng)度主要分布在0.017～0.076 V/m.

圖8 地鐵站臺(tái)電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.8 Electric field intensity distribution on subway platform

為了分析距離天線更遠(yuǎn)的計(jì)算場(chǎng)域，將圖3中吸頂天線沿著y軸負(fù)方向移動(dòng)至(0,-3.5,4)，仿真分析站臺(tái)空間的電場(chǎng)強(qiáng)度分布變化.仿真可知，電場(chǎng)強(qiáng)度大小主要分布在0.003～0.064 V/m范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度沿著遠(yuǎn)離天線的方向衰減.

RIGOL DSA832E頻譜分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)截屏如圖9所示.E73電磁場(chǎng)強(qiáng)度分析儀與頻譜分析儀的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3，民用通信系統(tǒng)天線信號(hào)強(qiáng)度范圍為-59～-30 dBm，最大值與最小值相差倍數(shù)為1.97倍，電場(chǎng)強(qiáng)度為0.003～0.090 V/m，最大值與最小值相差倍數(shù)為30倍.

文獻(xiàn)[15]測(cè)量得到900 MHz的電場(chǎng)強(qiáng)度值為0.080 V/m，本文對(duì)應(yīng)頻率的測(cè)量值為0.023 V/m，在同一數(shù)量級(jí)，驗(yàn)證了測(cè)量的可靠性.電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果0.003～0.090 V/m與仿真結(jié)果0.017～0.076 V/m分布基本一致.

圖9 頻譜分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.9 Measurement data of spectrum analyzer

4 結(jié)果評(píng)價(jià)

與地鐵職業(yè)工作人員不同，普通人群在地鐵系統(tǒng)電磁環(huán)境的暴露下，對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)并未采取預(yù)防措施，乘客包括所有年齡段和不同健康情況的個(gè)體.針對(duì)公眾群體，ICNIRP導(dǎo)則制定了電磁環(huán)境中公眾電磁暴露限值，公眾暴露限值比職業(yè)暴露更加嚴(yán)格.ICNIRP導(dǎo)則規(guī)定當(dāng)頻率f為400～2 000 MHz時(shí)，公眾電磁暴露電場(chǎng)強(qiáng)度限值計(jì)算式為1.375f1/2.將測(cè)量結(jié)果與ICNIRP限值作比較，見(jiàn)表4.由表4可知，民用通信系統(tǒng)900 MHz頻段內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度均低于ICNIRP公眾電磁暴露限值，測(cè)量值與限值的比值在7.42e-05～2.22e-03倍之間，在此環(huán)境下，乘客在地鐵站臺(tái)候車不會(huì)遭受電磁暴露風(fēng)險(xiǎn).

對(duì)地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)天線900 MHz頻段輻射下的地鐵站臺(tái)電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)量和仿真計(jì)算，得到乘客候車區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度分布，結(jié)果表明：

表3 地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)天線測(cè)量值

表4 地鐵站臺(tái)民用通信系統(tǒng)天線測(cè)量值與ICNIRP限值對(duì)比

1) 在地鐵站臺(tái)乘客候車區(qū)域測(cè)量得到信號(hào)電平范圍為-59～-30 dBm，轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)強(qiáng)度為0.003～0.090 V/m.HFSS軟件仿真得到站臺(tái)候車區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度分布在0.017～0.082 V/m，測(cè)量與仿真結(jié)果基本一致.驗(yàn)證了測(cè)量方法與HFSS數(shù)值計(jì)算的一致性和可靠性.

2) 測(cè)量所得地鐵站臺(tái)候車區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度為0.003～0.090 V/m，低于ICNIRP導(dǎo)則制定的公眾電磁暴露限值，測(cè)量值所在頻段對(duì)應(yīng)的限值為40.440～42.358 V/m，測(cè)量值與限值的比值低于2.22e-03倍.

3) 地鐵站臺(tái)除了民用通信系統(tǒng)900 MHz頻段的電磁輻射源，還有其他頻段射頻電磁輻射源，有待進(jìn)一步完善測(cè)量與模擬數(shù)據(jù)，這是下一步地鐵站臺(tái)電磁環(huán)境安全性評(píng)估的工作方向.