周文穎 逯 邁（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）

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地鐵高頻電磁輻射的安全評(píng)估

周文穎 逯 邁
（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）

摘要為有效評(píng)估B型地鐵乘客信息系統(tǒng)天線(Passenger information system, PIS)對(duì)司機(jī)室高頻電磁輻射的安全性，設(shè)計(jì)PIS系統(tǒng)所用的5.8 GHz八木天線和司機(jī)人體模型，利用三維電磁仿真軟件構(gòu)建在PIS系統(tǒng)天線輻射下的地鐵司機(jī)室高頻電磁環(huán)境模型，數(shù)值模擬天線在不同輸入功率條件下對(duì)地鐵司機(jī)人體模型的高頻電磁輻射影響。仿真結(jié)果表明，當(dāng)天線的輸入功率達(dá)到最大值50 W時(shí)，人體模型的比吸收率最大值0.63 W/kg，低于國(guó)際非電離輻射委員會(huì)(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)制定的職業(yè)電磁暴露基本限值10 W/kg；電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為72.37 V/m，低于ICNIRP職業(yè)電磁暴露參考限值137 V/m；磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.74 A/m，高于ICNIRP職業(yè)電磁暴露參考限值0.36 A/m。當(dāng)天線的輸入功率降為10 W時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值降為0.33 A/m，低于參考限值。因此，為了避免此高頻電磁輻射對(duì)司機(jī)造成健康危害，地鐵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需要保證天線的輸入功率低于10 W，使司機(jī)處于安全輻射范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞高頻電磁輻射，乘客信息系統(tǒng)天線，地鐵司機(jī)室，司機(jī)職業(yè)電磁暴露，地鐵天線輻射

Supported by National Nature Science Foundation of China (51267010, 51567015), Gansu Science Fund for Distinguished Young

Scholars (1308RJDA013), and Lanzhou Jiaotong University Fund for Distinguished Young Scholars (2015036)

First author: ZHOU Wenying, female, was born in November 1984 and graduated from Lanzhou University of Technology in 2012.

Now she is a doctor candidate in Lanzhou Jiaotong University, focusing on traffic information engineering and control, biomedical electromagnetism, lecturer

Received 21 September 2015; accepted 08 November 2015

Safety evaluation of high frequency electromagnetic radiation in subway train

ZHOU Wenying LU Mai
(Key Laboratory of Opt-Electronic Technology and Intelligent Control, Lanzhou Jiaotong University, Ministry of Education, Lanzhou 730070, China)

ABSTRACT In order to effectively evaluate the safety in high frequency electromagnetic environment radiated by antenna of passenger information system (PIS) of subway train, the 5.8 GHz frequency Yagi-antenna and the human body model was designed. By using the three-dimensional electromagnetic simulation software, the high frequency electromagnetic environment model of the driver’s cab of B-type subway train under the electromagnetic exposure of antenna was established while the occupational electromagnetic exposure of subway train driver was simulated. The results showed that when the input power of the antenna reached its maximum value of 50 W, compared with the limit values for electromagnetic occupational exposure constituted by International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), the specific absorption rate of human body model was 0.63 mW/kg, which was lowerthan the basic limitation 10 W/kg; the strength of electric field was 72.37 V/m, which was lower than the reference limitation 137 W/kg; the intensity of magnetic field was 0.72 A/m, which was higher than the reference limitation 0.36 A/m. The intensity of magnetic field would be 0.33 A/m, which was lower than the reference limitation when antenna’s input power was 10 W. It demonstrates that in such electromagnetic environment, the high frequency electromagnetic radiation in driver’s cab would be harmful to subway train driver’s health. Therefore, the input power of antenna should be lower than 10 W to ensure that the driver is in the safety electromagnetic exposure environment.

KEYWORDS High frequency electromagnetic environment, Antenna of passenger information systems (PIS), The subway’s cab, Occupational electromagnetic exposure of subway train driver, Antenna’s radiation of subway train

CLC TL75+1, U285.21+1

軌道交通的普及有效緩解了城市日趨擁堵的交通狀況。乘客信息系統(tǒng)(Passenger information systems, PIS)[1]用車載顯示屏幕為媒介向地鐵乘客提供各種出行和生活信息服務(wù)，是控制中心監(jiān)測(cè)地鐵實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和災(zāi)害事故的關(guān)鍵。國(guó)際上對(duì)PIS系統(tǒng)的電磁研究主要集中在車地?zé)o線通信[2]、乘客流量控制[3]和系統(tǒng)間的電磁干擾[4-5]。PIS車載設(shè)備通過(guò)安裝在地鐵司機(jī)室內(nèi)的八木天線，雙向傳輸車地間的視頻和控制信息。地鐵司機(jī)室時(shí)刻處于該天線的高頻電磁輻射下。已證實(shí)電磁輻射會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生影響[6-8]，隨著公眾對(duì)電磁輻射問(wèn)題的關(guān)注，評(píng)估地鐵司機(jī)職業(yè)電磁暴露的安全性具有現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以地鐵司機(jī)室的高頻電磁暴露為評(píng)估對(duì)象，PIS系統(tǒng)天線為高頻輻射源，提出在此高頻電磁環(huán)境下司機(jī)的職業(yè)電磁暴露問(wèn)題。由于天線直接對(duì)司機(jī)進(jìn)行高頻電磁輻射，司機(jī)體內(nèi)形成的輻射吸收劑量主要由比吸收率(Specific absorption rate, SAR)[9]衡量，但人體組織中的SAR很難直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取，需要通過(guò)數(shù)值電磁劑量學(xué)[10]的方法來(lái)模擬，已有許多學(xué)者利用電磁數(shù)值模擬的方法來(lái)計(jì)算人體在時(shí)變電磁場(chǎng)中所吸收的輻射劑量[11-12]。

本研究利用三維電磁仿真軟件HFSS (High Frequency Structure Simulator)[13]分別對(duì)地鐵司機(jī)室、PIS系統(tǒng)天線和司機(jī)進(jìn)行建模，計(jì)算司機(jī)人體模型的SAR、電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)與國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)制定的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁暴露的導(dǎo)則》[14]中職業(yè)暴露限值進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)司機(jī)室內(nèi)高頻電磁環(huán)境的安全性。

1　建模

1.1HFSS軟件的介紹

有限元方法(FEM)是近似求解數(shù)理邊值問(wèn)題的一種數(shù)值技術(shù)，由柯朗在1943年提出，六七十年代被引進(jìn)到電磁場(chǎng)問(wèn)題的求解中。HFSS是美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的全波三維仿真軟件，以有限元法為基礎(chǔ)，通過(guò)求解偏微分方程組實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)的仿真，是目前為數(shù)不多的以物理原型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)解決方案，已被廣泛應(yīng)用于天線的模擬仿真[15]、射頻和微波部件的設(shè)計(jì)，電磁兼容特性的研究等領(lǐng)域，是公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程及步驟功能如圖1所示。

HFSS軟件最大的特點(diǎn)是采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，可以按照設(shè)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)生成精確、有效的網(wǎng)格來(lái)分析物體模型的電磁特性，與同類其他軟件比較而言，計(jì)算結(jié)果更為精確可靠，且更適合復(fù)雜的電磁環(huán)境。該軟件內(nèi)置的生物電磁SAR值計(jì)算功能，也已被普遍使用于模擬仿真電磁場(chǎng)對(duì)生物組織的輻射影響[16]。

1.2PIS天線建模

PIS系統(tǒng)天線的型號(hào)為ANT 5015Y，如圖2所示。天線的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

按照表1的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)16單元微帶八木天線[17]。選取介電常數(shù)εr=2.65，長(zhǎng) lsub=190 mm，寬Wsub=46 mm，厚h=0.8 mm的介質(zhì)板。偶極子作為有源振子，臂長(zhǎng)ldri，臂寬W。引向器的臂長(zhǎng)分別為i1、i2、i3、i4、i5，臂寬與有源振子相同。反射器為介質(zhì)板背面的矩形貼片，長(zhǎng)lref，寬與介質(zhì)板相同。有源振子與第1個(gè)引向器的距離為d1，其余13個(gè)引向器等距d2。共面帶線兩臂長(zhǎng)度均為l4，相距0.3 mm。相位反相器的兩臂寬度分別為W2、W1。阻抗變換器長(zhǎng)度為l4，微帶饋線為l1。采用微帶線饋電方式，設(shè)置端口的輸入阻抗為50 ?。由于天線工作溫度在?40～60℃之間，天線罩選用常規(guī)型天線罩材質(zhì)[18]，介電常數(shù)εr=3.2，厚度為2 mm。按照表2中各項(xiàng)尺寸運(yùn)用HFSS軟件建模，結(jié)構(gòu)尺寸如圖3a所示，外觀如圖3b所示。置掃頻范圍5～6GHz，中心工作頻率f=5.8 GHz，迭代精度為0.02，輸入功率為50 W。仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　天線結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 Structure size of PIS antenna

表3中表明，設(shè)計(jì)的天線與PIS系統(tǒng)天線在同樣的頻率范圍、單元數(shù)、輸入功率、極化方式等條件下，天線的增益、駐波比、輸入阻抗的值都符合表2中的各項(xiàng)性能指標(biāo)，且輻射功率為48 W，說(shuō)明設(shè)計(jì)的天線定向輻射性良好。

為了驗(yàn)證天線建模的可靠性，按照文獻(xiàn)[19]中的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率在5.6 GHz的7單元微帶八木天線，仿真其增益峰值為10.1 dB，跟文獻(xiàn)[19]中的實(shí)測(cè)的天線增益10.6 dB相差0.6 dB，誤差僅為5％。

1.3司機(jī)室和司機(jī)人體模型建模

以B型地鐵司機(jī)室尺寸為原型，車體材料為鋁合金，介電參數(shù)為εr=1，電導(dǎo)率為3.3×107S/m。車窗玻璃的介電參數(shù)為εr=5.5，電導(dǎo)率為1S/m。車皮厚度為10 mm。

按照1.75 m成年人的身體比例，建立司機(jī)的人體模型。司機(jī)的人頭模型是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的三層球頭模型[20]建立，由頭皮、顱骨和大腦3層組織構(gòu)成。該人體模型已被用于檢驗(yàn)特高壓交流輸電線路對(duì)人體產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)[21]。1996年Gabriel[22]根據(jù)17種生物組織在10～20 GHz頻段的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率，提出四階Cole-Cole模型描述它們?cè)谠擃l段的介電特性，并預(yù)測(cè)20～100 GHz的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。用此方法計(jì)算在天線中心頻率5.8 GHz下人體各組織的介電參數(shù)，見(jiàn)表4。其中身體組織的介電參數(shù)和電導(dǎo)率是取皮膚、血液、肌肉和骨骼4種組織的平均值。

司機(jī)人體模型分為坐姿姿態(tài)，建立司機(jī)室高頻電磁環(huán)境仿真模型圖，如圖4a所示，人體模型如4b所示。

表4　5.8 GHz人體組織和幾何參數(shù)Table 4 Dimensions of the Spherical head model and the dielectric properties at 5.8 GHz

1.4司機(jī)室高頻電磁環(huán)境計(jì)算模型

PIS天線是安裝在地鐵司機(jī)室的天花板上，故將輻射吸收層設(shè)計(jì)為在司機(jī)室內(nèi)部環(huán)境的一個(gè)空氣盒子，人體模型和天線的空間位置坐標(biāo)如圖5所示。

2　仿真結(jié)果分析

基于司機(jī)室高頻電磁環(huán)境的計(jì)算模型，設(shè)置激勵(lì)端口為天線的饋源端口，輸入功率設(shè)置為50 W，將司機(jī)室內(nèi)部的空氣盒子設(shè)置為輻射邊界，以迭代精度為0.05的混合階基函數(shù)，利用HFSS軟件的自適應(yīng)剖分功能對(duì)天線和人體模型進(jìn)行剖分，天線被剖分成16929個(gè)單元，如圖6a所示。大腦被剖分成1 172個(gè)單元，顱骨被剖分成1 512個(gè)單元，頭皮被剖分成1 543個(gè)單元，軀干被剖分為16 961個(gè)單元，如圖6b所示。

通過(guò)離散掃頻進(jìn)行離散化矩陣方程求解后，用HFSS軟件的后處理功能計(jì)算5.8 GHz頻率下人體模型中各組織吸收的SAR。根據(jù)SAR值的大小評(píng)估此高頻電磁環(huán)境中司機(jī)職業(yè)電磁暴露的安全性。

由于PIS系統(tǒng)天線的輸入功率根據(jù)實(shí)際地鐵運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，最大值為50 W，最小值為1 W。

對(duì)不同功率下司機(jī)人體模型的大腦、顱骨、頭皮和軀干進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到人體模型各組織隨輸入功率變化的SAR、電場(chǎng)強(qiáng)度(E)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)。其趨勢(shì)分布如圖7～9所示。

圖7說(shuō)明，隨著功率的降低，各組織的SAR呈線性下降趨勢(shì)，即功率下降10倍，SAR也相應(yīng)減少10倍。天線輸入功率低于10 W后，各組織SAR下降幅度會(huì)增大。軀干吸收的SAR最大，因?yàn)檐|干的生物體組織最多。由于頭皮組織直接暴露在電磁場(chǎng)中，吸收的SAR大于大腦和顱骨，大腦吸收的SAR最少。圖8說(shuō)明，隨著天線的輸入功率的降低，各組織的電場(chǎng)強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。軀干吸收的電場(chǎng)強(qiáng)度最多，是其他組織的3～4倍。頭皮組織直接暴露在電磁場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度大于大腦和顱骨，大腦的電磁強(qiáng)度最小。圖9說(shuō)明，天線的輸入功率大于10 W后，軀干的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐步超出ICNIRP的暴露參考限值0.36 A/m，對(duì)司機(jī)的健康造成安全隱患。軀干的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，比頭皮組織大2倍，比大腦和顱骨組織大4～6倍。頭皮組織直接暴露在電磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度大于大腦和顱骨，但與SAR和電場(chǎng)強(qiáng)度不同，大腦的磁場(chǎng)強(qiáng)度略高于顱骨。因此，需要采取必要的高頻電磁防護(hù)措施，減少磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)司機(jī)可能造成的危害。當(dāng)天線輸入功率達(dá)到最大值50 W時(shí)，人體模型各組織的SAR、E和H的仿真結(jié)果與ICNIRP職業(yè)暴露基本限值SAR，參考限值E和H的對(duì)比見(jiàn)表5。

表5　司機(jī)人體模型各組織的SAR、E和H與ICNIRP職業(yè)暴露限值對(duì)比表Table 5 Correlation table of different tissue’s SAR, E and H with ICNIRP occupation exposure limitation

由表5可知，人體模型的各組織的SAR值和E值都低于ICNIRP職業(yè)暴露限值，只有H值超出參考限值。

3　司機(jī)人體模型SAR值分布的討論

在5.8 GHz頻段下，SAR值的大小會(huì)直接影響人體的健康效應(yīng)。這里重點(diǎn)討論在天線輸入功率為50 W時(shí)，SAR值在人體模型中的分布情況，如圖10所示。由圖10可知，人體模型的SAR最大值為0.63 W/kg，比最小值大10 000倍，說(shuō)明SAR在人體模型中的衰落速度非?？?。軀干中的SAR主要集中在前方和腿部，頭部的SAR主要集中在正面，與PIS天線饋源最近的位置。對(duì)比大腦、顱骨和頭皮分布圖，SAR最大值分布區(qū)域逐漸增加，頭皮組織的正面和頂面都會(huì)吸收較多的SAR。

雖然5.8 GHz頻率的波長(zhǎng)短，但由于頭皮，顱骨和大腦的電導(dǎo)率高，且相對(duì)介電常數(shù)小，所以高頻電磁波仍然可以穿透頭皮和顱骨，進(jìn)入到大腦。由于大腦的含水量高，更容易吸收SAR，如圖10c的分布所示。因此，在此高頻輻射環(huán)境中，為了避免電磁輻射對(duì)大腦中樞神經(jīng)的傷害，需要加強(qiáng)司機(jī)的高頻電磁輻射防護(hù)。

4　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)司機(jī)室高頻電磁環(huán)境建模，在不同的天線輸入功率下，數(shù)值模擬計(jì)算司機(jī)人體模型的SAR、電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。計(jì)算結(jié)果表明，在PIS系統(tǒng)天線輸入功率為50 W的輻射下，司機(jī)室內(nèi)司機(jī)人體模型SAR的最大值0.63 W/kg，比ICNIRP職業(yè)暴露限值低16倍；電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為72.37 V/m，比ICNIRP職業(yè)暴露限值僅低1.9；磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.74 A/m，比ICNIRP職業(yè)暴露限值高出2倍?？梢?jiàn)，長(zhǎng)時(shí)間暴露在PIS系統(tǒng)天線輻射下的地鐵司機(jī)，其健康可能面臨潛在的高頻電磁輻射的危害，需要采取必要的電磁防護(hù)措施。對(duì)比不同天線輸入功率下，人體模型對(duì)輻射吸收情況，當(dāng)天線的輸入功率低于10 W時(shí)，人體模型的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.33 A/m，低于ICNIRP的參考限值，說(shuō)明只要天線的輸入功率不超過(guò)10 W，就可以保證司機(jī)的電磁職業(yè)暴露安全。評(píng)估更加復(fù)雜的高頻電磁環(huán)境的安全性是我們下一步工作的重點(diǎn)。

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Corresponding author:Ph.D. LU Mai, professor, doctoral tutor, E-mail: mai.lu@hotmail.com

收稿日期：初稿2015-09-21；修回2015-11-08

通訊作者：逯邁，博士，教授，博導(dǎo)，E-mail: mai.lu@hotmail.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51267010, 51567015)、甘肅省杰出青年基金(1308RJDA013)和蘭州交通大學(xué)青年基金(2015036)資助

DOI:10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.010601

中圖分類號(hào)TL75+1，U285.21+1

第一作者：周文穎，女，1984年11月出生，2012年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)，現(xiàn)為蘭州交通大學(xué)在讀博士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂?，生物醫(yī)學(xué)電磁學(xué)，講師