宋欣蔚,韓孟琦,陳依婕,岳云濤

北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,北京 102616

生產(chǎn)生活中的諸多用電設(shè)備(如廣播電視塔、基站、無線路由器、工業(yè)和醫(yī)療用頻設(shè)備等)向環(huán)境中輻射電磁場,從而形成相應(yīng)的電磁環(huán)境。超出控制限值的電磁環(huán)境對人體和電子系統(tǒng)都會產(chǎn)生不容忽視的影響。一方面,環(huán)境中長期過量的電磁輻射通過熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)對人體的生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等造成傷害,可誘發(fā)皮膚病、心血管疾病、糖尿病、癌突變等[1]。另一方面,環(huán)境中的電磁場可能會成為電子系統(tǒng)的電磁干擾源,通過感應(yīng)出非預(yù)期的電壓和電流而引發(fā)系統(tǒng)故障[2]。上述情況將隨無線應(yīng)用的增多和系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加而更加嚴(yán)重。因此,包括中國在內(nèi)的諸多國家和組織參考國際非電離輻射防護(hù)委員會的推薦指南[3],制定了電磁環(huán)境控制限值,對電磁環(huán)境的監(jiān)測也在不斷進(jìn)行中[4-9]。以往報(bào)道中,鮮見電磁環(huán)境超出控制限值的情況。然而,該研究在北京城區(qū)道路上進(jìn)行電磁環(huán)境監(jiān)測時(shí)發(fā)現(xiàn)一處超出控制限值的區(qū)域,應(yīng)予以關(guān)注。

此外,獲知電磁環(huán)境狀況需使用專業(yè)測試設(shè)備,而電磁環(huán)境具有時(shí)變性[10],導(dǎo)致實(shí)時(shí)獲取任意區(qū)域的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)較為困難,如何根據(jù)其他易獲取的信息快速判別電磁環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是值得關(guān)注的問題。FOCKENS等[11]分析了電磁環(huán)境與房屋數(shù)量的相關(guān)性,得出兩者為正相關(guān)的結(jié)論。由于房屋數(shù)量信息需要借助專業(yè)地理信息軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而得到,并非易事,因此該研究提出將電磁環(huán)境與人口熱力(部分手機(jī)軟件如百度地圖可實(shí)時(shí)顯示此信息)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,為電磁環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)快速判別提供新的研究思路。

該研究于2021年在北京城區(qū)主要道路開展了電磁環(huán)境監(jiān)測,共監(jiān)測28 578個采樣點(diǎn),覆蓋道路長度約407 km,監(jiān)測結(jié)果顯示有一處路段的電磁環(huán)境超出控制限值。此外,該研究同時(shí)獲取了實(shí)時(shí)人口熱力數(shù)據(jù),分析了電磁環(huán)境狀況與人口熱力的關(guān)聯(lián)性,以期為城市電磁環(huán)境污染控制、實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考。

1 監(jiān)測方法

該研究采用的電磁環(huán)境監(jiān)測儀器為電磁輻射檢測儀(PRO2,意大利微納德),其性能指標(biāo)符合中國現(xiàn)行的環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)[12],監(jiān)測頻率范圍為100 kHz～6.5 GHz。對于電磁環(huán)境超出控制限值的路段,該研究進(jìn)一步采用便攜頻譜分析儀(RSA306B,美國泰克)進(jìn)行掃頻測試,以確定超出控制限值的具體頻段,掃頻測試的分辨率帶寬設(shè)置為1 kHz,檢波方式為峰值檢波。在實(shí)施測量前,對監(jiān)測儀器進(jìn)行了校準(zhǔn),并將儀器架設(shè)在小轎車頂部,儀器檢測部分距地面高度為1.7 m,每個采樣點(diǎn)測量5次,每次測量時(shí)間不少于15 s,并記錄穩(wěn)定狀態(tài)的最大值。上述儀器高度和測量時(shí)間的設(shè)置符合《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)。

電磁環(huán)境監(jiān)測的時(shí)間段為11:00—14:00,該時(shí)間段屬于城市環(huán)境電磁輻射的高峰期。電磁環(huán)境監(jiān)測的地理范圍為北京城區(qū)以下路段:二環(huán)路、三環(huán)路、四環(huán)路、五環(huán)路、奧林西路北端至槐房西路南五環(huán)端、北辰路北辰橋口至南苑路南端、北苑路北苑橋口至德賢路南端、玲瓏路西端至姚家園路與黃杉木店路交叉口、石景山路西端至建國路遠(yuǎn)通橋口、京港澳高速宛平橋口至廣渠路東端。上述路段總長度約407 km,每間隔約15 m采樣監(jiān)測一次,共設(shè)置28 578個采樣點(diǎn),通過GPS模塊記錄各點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)符合性分析

將電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制為以經(jīng)緯度坐標(biāo)為橫縱坐標(biāo)、綜合電場強(qiáng)度為灰度的二維圖,如圖1所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?電磁環(huán)境水平主要(89%的采樣點(diǎn))分布在3 V/m以內(nèi),但部分路段電磁環(huán)境水平較高,甚至超過12 V/m。

圖1 電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及經(jīng)緯度坐標(biāo)Fig.1 Electromagnetic environment monitoring data and latitude and longitude coordinate map

圖2 電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Fig.2 Statistical analysis results of electromagnetic environment monitoring data

中國現(xiàn)行的電磁環(huán)境水平控制標(biāo)準(zhǔn)為《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)[13],與該研究監(jiān)測頻段相關(guān)的具體限值及說明如表1所示(該研究的監(jiān)測屬于遠(yuǎn)場區(qū)[14],只需關(guān)注電場強(qiáng)度控制限值,繪制于圖3中)?！峨姶怒h(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步規(guī)定,當(dāng)公眾暴露在多個頻率的電磁場中時(shí),電場強(qiáng)度在頻率為100 kHz～300 GHz范圍內(nèi)應(yīng)滿足以下關(guān)系式。

表1 電磁環(huán)境控制限值Table 1 Controlling limits for electromagnetic environment

圖3 100 kHz～6.5 GHz監(jiān)測頻段所對應(yīng)的電場強(qiáng)度控制限值(對數(shù)坐標(biāo)系)Fig.3 The electric field intensity control limits corresponding to the measured frequency band 100 kHz-6.5 GHz (logarithmic coordinate system)

(1)

式中:Ej為頻率j的電場強(qiáng)度,V/m;EL,j為表1中頻率j的電場強(qiáng)度限值,V/m。由于該研究監(jiān)測頻段對應(yīng)的電場強(qiáng)度限值最低為12 V/m,因此綜合電場強(qiáng)度低于12 V/m的采樣點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn);而對于綜合電場強(qiáng)度高于12 V/m的采樣點(diǎn),需進(jìn)一步通過頻譜分析以確定是否滿足公式(1),從而判別是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

在該研究的監(jiān)測路段中,綜合電場強(qiáng)度高于12 V/m的情況出現(xiàn)在東四環(huán)四惠橋至慈云寺橋之間(地理坐標(biāo)為116.48°E、39.91°N附近),通過頻譜掃描測試與計(jì)算,式(1)不成立。

(2)

因此,判別上述路段不符合標(biāo)準(zhǔn),其電磁環(huán)境水平最高的2個頻段為通信頻段1 830～1 860、2 135～2 155 MHz,如圖4所示。經(jīng)實(shí)地考察,上述路段存在距離較近的多個通信基站,在人口流動高峰期電磁輻射功率較大,為電磁環(huán)境不符合標(biāo)準(zhǔn)的主要原因。

圖4 超出控制限值路段1 830～2 155 MHz范圍的電磁環(huán)境頻譜Fig.4 Electromagnetic environment spectrum in the range of 1830-2155 MHz on the road section beyond the control limits

2.2 電磁環(huán)境與人口熱力關(guān)聯(lián)性分析

該研究在監(jiān)測電磁環(huán)境的同時(shí),通過百度地圖的熱力圖功能記錄了北京五環(huán)路以內(nèi)實(shí)時(shí)人口熱力狀況,圖5為其中一個示例。實(shí)時(shí)人口熱力將人群密度分為7個等級:極高(紅色)、高(橙色)、較高(黃色)、中等(綠色)、較低(藍(lán)色)、低(靛色)、極低(紫色)。這樣,每個采樣點(diǎn)包含電磁環(huán)境水平和實(shí)時(shí)人口熱力等級2種數(shù)據(jù)。

圖5 北京五環(huán)路以內(nèi)實(shí)時(shí)人口熱力示例Fig.5 Example of real-time population heat within Beijing’s Fifth Ring Road

對所有采樣點(diǎn)中同一種實(shí)時(shí)人口熱力等級下的電磁環(huán)境水平數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到如圖6所示的箱式圖[15]結(jié)果。箱式圖能夠方便地對比分析若干組數(shù)據(jù)的分布特性,箱式圖中每組數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖形由下至上分別表示最小值、第一四分位數(shù)、中位數(shù)、第三四分位數(shù)、最大值以及離群值(圖6中的“+”符號)。由于實(shí)時(shí)人口熱力等級為“低”(靛色)的采樣點(diǎn)非常少,故將其與“極低”(紫色)對應(yīng)的采樣點(diǎn)合并分析。從箱式圖結(jié)果可以看出,隨著實(shí)時(shí)人口熱力等級依次從“極高”降至“極低”,對應(yīng)的電磁環(huán)境水平數(shù)據(jù)的第一四分位數(shù)、中位數(shù)、第三四分位數(shù)、最大值、離群值均依次下降。這說明電磁環(huán)境與人口熱力具有關(guān)聯(lián)性,人口熱力偏低的區(qū)域傾向于具有較低的電磁環(huán)境水平,而電磁環(huán)境水平較高的采樣點(diǎn)傾向于出現(xiàn)在人口熱力偏高的區(qū)域。

圖6 不同實(shí)時(shí)人口熱力等級對應(yīng)的電磁環(huán)境水平統(tǒng)計(jì)結(jié)果箱式圖Fig.6 Box chart of the statistical results of electromagnetic environment levels corresponding to different real-time population heat levels

為進(jìn)一步明確電磁環(huán)境與人口熱力的關(guān)聯(lián)性,該研究采用經(jīng)典關(guān)聯(lián)分析算法Apriori[16]進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則提取。首先將電磁環(huán)境水平與人口熱力等級二元化形成如表2所示的事務(wù)矩陣,其中“1”代表“是”,“0”代表“否”。由于圖2顯示電磁環(huán)境水平主要分布在3 V/m以內(nèi),因此電磁環(huán)境水平“較高”和“較低”的分界值設(shè)定為3 V/m。若某采樣點(diǎn)的電磁環(huán)境水平、人口熱力等級分別為1.5 V/m、中等,則它對應(yīng)的事務(wù)表示為[0 1 0 0 0 1 0 0]。

表2 電磁環(huán)境水平與人口熱力等級的事務(wù)矩陣Table 2 Transaction matrix of electromagnetic environment levels and population heat levels

接著設(shè)置關(guān)聯(lián)規(guī)則提取的閾值,即最小支持度、最小置信度、最小提升度,分別用以評估規(guī)則前項(xiàng)和后項(xiàng)同時(shí)出現(xiàn)在事務(wù)矩陣中的頻繁程度、規(guī)則后項(xiàng)在包含規(guī)則前項(xiàng)的事務(wù)中出現(xiàn)的頻繁程度、規(guī)則前項(xiàng)和后項(xiàng)的相關(guān)性。根據(jù)Apriori算法原理和該研究數(shù)據(jù)分布特性,最小支持度、最小置信度、最小提升度分別設(shè)置為5%、50%、1.05[17]。最終提取到的關(guān)聯(lián)規(guī)則如表3所示,即電磁環(huán)境水平較高的采樣點(diǎn)出現(xiàn)在人口熱力極高的區(qū)域(規(guī)則1),人口熱力低+極低、較低、中等的區(qū)域電磁環(huán)境水平較低(規(guī)則2、3、4)。上述關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)一步闡述和佐證了圖6的結(jié)論。電磁環(huán)境與人口熱力的這種關(guān)聯(lián)性與電磁環(huán)境的構(gòu)成要素是一致的:電磁環(huán)境主要由人類活動所使用的電子電氣設(shè)備有意和無意輻射的電磁場構(gòu)成,某區(qū)域的電磁環(huán)境水平越高意味著正在輻射電磁場的設(shè)備越多,即設(shè)備的使用者越多,該區(qū)域的實(shí)時(shí)人口熱力越高,且有些設(shè)備在使用者增多的情況下會增大輻射功率(如通信基站),從而導(dǎo)致更高的電磁環(huán)境水平;反之,某區(qū)域的實(shí)時(shí)人口熱力越低,意味著所使用的正在輻射電磁場的設(shè)備越少,該區(qū)域的電磁環(huán)境水平越低。

3 建議

鑒于電磁環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn),結(jié)合該研究的監(jiān)測分析結(jié)果及現(xiàn)有文獻(xiàn),對城市電磁環(huán)境監(jiān)測提出3個建議。

1)縮小電磁環(huán)境監(jiān)測采樣點(diǎn)間距。目前中國電磁環(huán)境監(jiān)測的采樣點(diǎn)設(shè)置主要有2種方式,一種為按照《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)將城市劃分為1 km×1 km或2 km×2 km方格,取方格中心測量的方式;一種為按照省、市、市轄區(qū)等行政區(qū)域劃分,每個區(qū)域設(shè)置一個或幾個監(jiān)測點(diǎn)的方式,如生態(tài)環(huán)境部在直轄市和省會(首府)城市各設(shè)置一個監(jiān)測點(diǎn)。上述2種設(shè)置方式的采樣點(diǎn)間距在千米級或更大,這樣可能會遺漏極端情況,如該研究監(jiān)測到的電磁環(huán)境超出標(biāo)準(zhǔn)限值路段的長度接近100 m,若采樣點(diǎn)間距大于100 m,則此路段可能會由于位于2個采樣點(diǎn)之間而未被監(jiān)測到。因此,建議電磁環(huán)境監(jiān)測采樣點(diǎn)間距設(shè)置在100 m以內(nèi)。

2)重點(diǎn)加強(qiáng)對人口熱力極高區(qū)域的電磁環(huán)境監(jiān)測。理論上,越精細(xì)的電磁環(huán)境監(jiān)測所得出的結(jié)果越全面。然而中國面積遼闊,難以在所有城市開展精細(xì)電磁環(huán)境監(jiān)測,且容易造成資源浪費(fèi)。因此,可篩選出電磁環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。該研究中對電磁環(huán)境與人口熱力的關(guān)聯(lián)性分析為篩選高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域提供了參考。電磁環(huán)境水平異常高的區(qū)域具有極高的實(shí)時(shí)人口熱力,即相較于人口熱力低的區(qū)域,人口熱力高的區(qū)域具有更大概率成為電磁環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。因此,建議重點(diǎn)關(guān)注人口熱力極高區(qū)域的電磁環(huán)境,可根據(jù)人口熱力數(shù)據(jù)選取代表性區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的電磁環(huán)境監(jiān)測,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否存在超出標(biāo)準(zhǔn)限值的情況。

3)持續(xù)監(jiān)測并關(guān)注電磁環(huán)境變化趨勢。電磁環(huán)境除隨空間距離變化劇烈外,還具有很強(qiáng)的時(shí)變特性。這種時(shí)變特性主要呈現(xiàn)為2種形式:一種為短期的波動性,由人類生產(chǎn)生活作息所致,主要以天為波動周期,每天不同時(shí)段所使用的電子電氣設(shè)備種類和數(shù)量不同,導(dǎo)致環(huán)境中的電磁場強(qiáng)度發(fā)生變化;一種為長期的趨勢性,由社會發(fā)展所致,電子電氣設(shè)備逐漸增加,特別是無線通信需求和服務(wù)大幅增長,導(dǎo)致電磁環(huán)境整體水平升高。對于第一種時(shí)變特性,國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均已指出,應(yīng)在城市電磁環(huán)境高峰時(shí)段進(jìn)行監(jiān)測;而對于第二種時(shí)變特性,建議部署長期監(jiān)測計(jì)劃,并通過持續(xù)監(jiān)測來把握城市電磁環(huán)境的整體趨勢,以實(shí)現(xiàn)對電磁環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的及早預(yù)警和處理。

4 結(jié)論

1)所監(jiān)測的北京城區(qū)約407 km路段(二環(huán)至五環(huán)路以及南北走向、東西走向各3條路段)電磁環(huán)境水平主要分布在3 V/m以內(nèi),少數(shù)路段接近12 V/m的高水平,一處路段(116.48°E、39.91°N附近)超過12 V/m,此路段的電磁環(huán)境經(jīng)進(jìn)一步頻譜分析確認(rèn)超出了國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)要求。超出標(biāo)準(zhǔn)限值的主要原因?yàn)榇嬖诰嚯x較近的多個通信基站,最突出的2個電磁輻射頻段為1 830～1 860、2 135～2 155 MHz。

2)城市電磁環(huán)境與實(shí)時(shí)人口熱力具有關(guān)聯(lián)性,電磁環(huán)境水平較高的區(qū)域往往具有極高等級的實(shí)時(shí)人口熱力,而實(shí)時(shí)人口熱力等級為中等、較低、低以及極低的區(qū)域往往具有較低的電磁環(huán)境水平。這一規(guī)律可用于篩選重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域,同時(shí)為電磁環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的快速判別提供參考。

3)建議粗細(xì)結(jié)合地、持續(xù)性地開展城市電磁環(huán)境監(jiān)測,對人口熱力極高的區(qū)域設(shè)置的監(jiān)測采樣點(diǎn)間距不宜超過100 m,對人口熱力較低的區(qū)域可設(shè)置千米級間距的監(jiān)測采樣點(diǎn),同時(shí)在城市電磁環(huán)境高峰時(shí)段進(jìn)行長期持續(xù)監(jiān)測。上述建議一方面在合理節(jié)約人力物力的前提下,能盡量避免遺漏超出標(biāo)準(zhǔn)限值的區(qū)域,一方面可及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)防城市發(fā)展帶來的電磁環(huán)境持續(xù)惡化問題。