地铁高频电磁辐射的安全评估

周文颖 逯 迈（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室 兰州 730070）



地铁高频电磁辐射的安全评估

周文颖 逯 迈
（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室 兰州 730070）

摘要为有效评估B型地铁乘客信息系统天线(Passenger information system, PIS)对司机室高频电磁辐射的安全性，设计PIS系统所用的5.8 GHz八木天线和司机人体模型，利用三维电磁仿真软件构建在PIS系统天线辐射下的地铁司机室高频电磁环境模型，数值模拟天线在不同输入功率条件下对地铁司机人体模型的高频电磁辐射影响。仿真结果表明，当天线的输入功率达到最大值50 W时，人体模型的比吸收率最大值0.63 W/kg，低于国际非电离辐射委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)制定的职业电磁暴露基本限值10 W/kg；电场强度最大值为72.37 V/m，低于ICNIRP职业电磁暴露参考限值137 V/m；磁场强度最大值为0.74 A/m，高于ICNIRP职业电磁暴露参考限值0.36 A/m。当天线的输入功率降为10 W时，磁场强度最大值降为0.33 A/m，低于参考限值。因此，为了避免此高频电磁辐射对司机造成健康危害，地铁实际运行时，需要保证天线的输入功率低于10 W，使司机处于安全辐射范围内。

关键词高频电磁辐射，乘客信息系统天线，地铁司机室，司机职业电磁暴露，地铁天线辐射

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

轨道交通的普及有效缓解了城市日趋拥堵的交通状况。乘客信息系统(Passenger information systems, PIS)[1]用车载显示屏幕为媒介向地铁乘客提供各种出行和生活信息服务，是控制中心监测地铁实时运行情况和灾害事故的关键。国际上对PIS系统的电磁研究主要集中在车地无线通信[2]、乘客流量控制[3]和系统间的电磁干扰[4-5]。PIS车载设备通过安装在地铁司机室内的八木天线，双向传输车地间的视频和控制信息。地铁司机室时刻处于该天线的高频电磁辐射下。已证实电磁辐射会对生物体产生影响[6-8]，随着公众对电磁辐射问题的关注，评估地铁司机职业电磁暴露的安全性具有现实意义。

本研究以地铁司机室的高频电磁暴露为评估对象，PIS系统天线为高频辐射源，提出在此高频电磁环境下司机的职业电磁暴露问题。由于天线直接对司机进行高频电磁辐射，司机体内形成的辐射吸收剂量主要由比吸收率(Specific absorption rate, SAR)[9]衡量，但人体组织中的SAR很难直接通过实验测量获取，需要通过数值电磁剂量学[10]的方法来模拟，已有许多学者利用电磁数值模拟的方法来计算人体在时变电磁场中所吸收的辐射剂量[11-12]。

本研究利用三维电磁仿真软件HFSS (High Frequency Structure Simulator)[13]分别对地铁司机室、PIS系统天线和司机进行建模，计算司机人体模型的SAR、电场强度和磁场强度，通过与国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)制定的《限制时变电场、磁场和电磁暴露的导则》[14]中职业暴露限值进行对比，确认司机室内高频电磁环境的安全性。

1　建模

1.1HFSS软件的介绍

有限元方法(FEM)是近似求解数理边值问题的一种数值技术，由柯朗在1943年提出，六七十年代被引进到电磁场问题的求解中。HFSS是美国Ansoft公司开发的全波三维仿真软件，以有限元法为基础，通过求解偏微分方程组实现电磁场的仿真，是目前为数不多的以物理原型为基础的设计解决方案，已被广泛应用于天线的模拟仿真[15]、射频和微波部件的设计，电磁兼容特性的研究等领域，是公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS软件进行设计的流程及步骤功能如图1所示。

HFSS软件最大的特点是采用自适应网格剖分技术，可以按照设定的误差标准，自动生成精确、有效的网格来分析物体模型的电磁特性，与同类其他软件比较而言，计算结果更为精确可靠，且更适合复杂的电磁环境。该软件内置的生物电磁SAR值计算功能，也已被普遍使用于模拟仿真电磁场对生物组织的辐射影响[16]。

1.2PIS天线建模

PIS系统天线的型号为ANT 5015Y，如图2所示。天线的技术指标见表1。

按照表1的各项技术参数设计16单元微带八木天线[17]。选取介电常数εr=2.65，长 lsub=190 mm，宽Wsub=46 mm，厚h=0.8 mm的介质板。偶极子作为有源振子，臂长ldri，臂宽W。引向器的臂长分别为i1、i2、i3、i4、i5，臂宽与有源振子相同。反射器为介质板背面的矩形贴片，长lref，宽与介质板相同。有源振子与第1个引向器的距离为d1，其余13个引向器等距d2。共面带线两臂长度均为l4，相距0.3 mm。相位反相器的两臂宽度分别为W2、W1。阻抗变换器长度为l4，微带馈线为l1。采用微带线馈电方式，设置端口的输入阻抗为50 Ω。由于天线工作温度在−40～60℃之间，天线罩选用常规型天线罩材质[18]，介电常数εr=3.2，厚度为2 mm。按照表2中各项尺寸运用HFSS软件建模，结构尺寸如图3a所示，外观如图3b所示。置扫频范围5～6GHz，中心工作频率f=5.8 GHz，迭代精度为0.02，输入功率为50 W。仿真结果见表3。

表2　天线结构尺寸Table 2 Structure size of PIS antenna

表3中表明，设计的天线与PIS系统天线在同样的频率范围、单元数、输入功率、极化方式等条件下，天线的增益、驻波比、输入阻抗的值都符合表2中的各项性能指标，且辐射功率为48 W，说明设计的天线定向辐射性良好。

为了验证天线建模的可靠性，按照文献[19]中的各项参数，设计一个中心频率在5.6 GHz的7单元微带八木天线，仿真其增益峰值为10.1 dB，跟文献[19]中的实测的天线增益10.6 dB相差0.6 dB，误差仅为5％。

1.3司机室和司机人体模型建模

以B型地铁司机室尺寸为原型，车体材料为铝合金，介电参数为εr=1，电导率为3.3×107S/m。车窗玻璃的介电参数为εr=5.5，电导率为1S/m。车皮厚度为10 mm。

按照1.75 m成年人的身体比例，建立司机的人体模型。司机的人头模型是按照国际标准的三层球头模型[20]建立，由头皮、颅骨和大脑3层组织构成。该人体模型已被用于检验特高压交流输电线路对人体产生的电场效应[21]。1996年Gabriel[22]根据17种生物组织在10～20 GHz频段的相对介电常数和电导率，提出四阶Cole-Cole模型描述它们在该频段的介电特性，并预测20～100 GHz的相对介电常数和电导率。用此方法计算在天线中心频率5.8 GHz下人体各组织的介电参数，见表4。其中身体组织的介电参数和电导率是取皮肤、血液、肌肉和骨骼4种组织的平均值。

司机人体模型分为坐姿姿态，建立司机室高频电磁环境仿真模型图，如图4a所示，人体模型如4b所示。

表4　5.8 GHz人体组织和几何参数Table 4 Dimensions of the Spherical head model and the dielectric properties at 5.8 GHz

1.4司机室高频电磁环境计算模型

PIS天线是安装在地铁司机室的天花板上，故将辐射吸收层设计为在司机室内部环境的一个空气盒子，人体模型和天线的空间位置坐标如图5所示。

2　仿真结果分析

基于司机室高频电磁环境的计算模型，设置激励端口为天线的馈源端口，输入功率设置为50 W，将司机室内部的空气盒子设置为辐射边界，以迭代精度为0.05的混合阶基函数，利用HFSS软件的自适应剖分功能对天线和人体模型进行剖分，天线被剖分成16929个单元，如图6a所示。大脑被剖分成1 172个单元，颅骨被剖分成1 512个单元，头皮被剖分成1 543个单元，躯干被剖分为16 961个单元，如图6b所示。

通过离散扫频进行离散化矩阵方程求解后，用HFSS软件的后处理功能计算5.8 GHz频率下人体模型中各组织吸收的SAR。根据SAR值的大小评估此高频电磁环境中司机职业电磁暴露的安全性。

由于PIS系统天线的输入功率根据实际地铁运行情况进行调整，最大值为50 W，最小值为1 W。

对不同功率下司机人体模型的大脑、颅骨、头皮和躯干进行数值模拟计算，得到人体模型各组织随输入功率变化的SAR、电场强度(E)和磁场强度(H)。其趋势分布如图7～9所示。

图7说明，随着功率的降低，各组织的SAR呈线性下降趋势，即功率下降10倍，SAR也相应减少10倍。天线输入功率低于10 W后，各组织SAR下降幅度会增大。躯干吸收的SAR最大，因为躯干的生物体组织最多。由于头皮组织直接暴露在电磁场中，吸收的SAR大于大脑和颅骨，大脑吸收的SAR最少。图8说明，随着天线的输入功率的降低，各组织的电场强度呈下降趋势。躯干吸收的电场强度最多，是其他组织的3～4倍。头皮组织直接暴露在电磁场中，电场强度大于大脑和颅骨，大脑的电磁强度最小。图9说明，天线的输入功率大于10 W后，躯干的磁场强度逐步超出ICNIRP的暴露参考限值0.36 A/m，对司机的健康造成安全隐患。躯干的磁场强度最大，比头皮组织大2倍，比大脑和颅骨组织大4～6倍。头皮组织直接暴露在电磁场中，磁场强度大于大脑和颅骨，但与SAR和电场强度不同，大脑的磁场强度略高于颅骨。因此，需要采取必要的高频电磁防护措施，减少磁场强度对司机可能造成的危害。当天线输入功率达到最大值50 W时，人体模型各组织的SAR、E和H的仿真结果与ICNIRP职业暴露基本限值SAR，参考限值E和H的对比见表5。

表5　司机人体模型各组织的SAR、E和H与ICNIRP职业暴露限值对比表Table 5 Correlation table of different tissue’s SAR, E and H with ICNIRP occupation exposure limitation

由表5可知，人体模型的各组织的SAR值和E值都低于ICNIRP职业暴露限值，只有H值超出参考限值。

3　司机人体模型SAR值分布的讨论

在5.8 GHz频段下，SAR值的大小会直接影响人体的健康效应。这里重点讨论在天线输入功率为50 W时，SAR值在人体模型中的分布情况，如图10所示。由图10可知，人体模型的SAR最大值为0.63 W/kg，比最小值大10 000倍，说明SAR在人体模型中的衰落速度非常快。躯干中的SAR主要集中在前方和腿部，头部的SAR主要集中在正面，与PIS天线馈源最近的位置。对比大脑、颅骨和头皮分布图，SAR最大值分布区域逐渐增加，头皮组织的正面和顶面都会吸收较多的SAR。

虽然5.8 GHz频率的波长短，但由于头皮，颅骨和大脑的电导率高，且相对介电常数小，所以高频电磁波仍然可以穿透头皮和颅骨，进入到大脑。由于大脑的含水量高，更容易吸收SAR，如图10c的分布所示。因此，在此高频辐射环境中，为了避免电磁辐射对大脑中枢神经的伤害，需要加强司机的高频电磁辐射防护。

4　结论

本文通过对司机室高频电磁环境建模，在不同的天线输入功率下，数值模拟计算司机人体模型的SAR、电场强度和磁场强度分布。计算结果表明，在PIS系统天线输入功率为50 W的辐射下，司机室内司机人体模型SAR的最大值0.63 W/kg，比ICNIRP职业暴露限值低16倍；电场强度最大值为72.37 V/m，比ICNIRP职业暴露限值仅低1.9；磁场强度最大值为0.74 A/m，比ICNIRP职业暴露限值高出2倍。可见，长时间暴露在PIS系统天线辐射下的地铁司机，其健康可能面临潜在的高频电磁辐射的危害，需要采取必要的电磁防护措施。对比不同天线输入功率下，人体模型对辐射吸收情况，当天线的输入功率低于10 W时，人体模型的磁场强度为0.33 A/m，低于ICNIRP的参考限值，说明只要天线的输入功率不超过10 W，就可以保证司机的电磁职业暴露安全。评估更加复杂的高频电磁环境的安全性是我们下一步工作的重点。

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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

通讯作者：逯迈，博士，教授，博导，E-mail: mai.lu@hotmail.com

基金项目：国家自然科学基金(51267010, 51567015)、甘肃省杰出青年基金(1308RJDA013)和兰州交通大学青年基金(2015036)资助

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

中图分类号TL75+1，U285.21+1

第一作者：周文颖，女，1984年11月出生，2012年毕业于兰州理工大学，现为兰州交通大学在读博士研究生，研究方向为交通信息工程及控制，生物医学电磁学，讲师