车载巡测在区域射频电磁环境质量监测与表征中的应用分析

徐辉，李飞，李苗，佟晶，李雪贞，韩巧叶，孙伟通

(北京市辐射安全技术中心，北京 100089)

表征和评价环境质量一直是生态环境部门的主要任务之一，水、气、声等主要环境要素均有环境质量监测和表征方法，而电磁辐射没有相关的要求和技术规范。目前，全国各省市电磁辐射源的国控点点位少，且以每年1次瞬时监测值的方式作为表征方法，与电磁环境时间、空间、频谱三要素的表征维度有很大差距。

国内外对区域电磁环境质量水平表征有不同的实践方法，如我国现行的《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T 10.2—1996)中规定，用网格法手工监测，并用电磁环境污染图进行表征。目前，国内不少城市开展了电磁辐射水平监测和评价工作[1]；欧盟的几个国家用射频车载巡测监测技术进行监测，用电磁地图进行表征[2-3]。

对于大型或特大型城市，采用传统的网格法监测具有以下缺点：(1)网格尺寸大，空间代表性不足；(2)人、财、物投入大，成本过高；(3)测试周期长(至少需要半年)，很难开展时域间的对比监测。随着监测仪器和监测技术的发展，自动监测是必然的发展趋势。因此，有必要利用快速、高效的车载巡测监测技术进行区域电磁辐射环境质量的监测和表征。

现对北京市中央电视塔周围25 km2范围区域进行传统的网格法监测与车载巡测监测，通过数据统计与分析，研究车载巡测监测应用于区域电磁环境质量监测和表征的可行性。考虑到工频电磁场探头架设易受畸变场影响，现只研究车载巡测监测在射频电磁环境表征(100 kHz～6 GHz)中的应用。

1 研究基础

1.1 车载巡测监测

1.1.1 车载巡测监测技术

国际电信联盟(ITU)于2015年发布的《绘制射频电磁地图》认为，电磁地图适用于对大尺度区域电磁辐射水平的评价，而生成电磁地图的基础监测数据由车载巡测监测提供[4]。车载巡测监测技术是传统的手工监测和定点自动监测的有效补充手段[5-6]，指在小型机动车车顶架设射频自动监测设备的探头，车辆运行中实时获取监测数据存储于本地存储器或远程传输至控制中心的存储器中，可以在地图中实时绘制运行轨迹，显示监测数据，并以不同颜色表征不同的电磁辐射水平。

1.1.2 车载巡测监测因子

在城市区域环境主要的电磁辐射源中，发射功率较大的是广电发射设施，而移动通信基站虽然发射功率小，但数量多、分布广，对区域电磁环境水平贡献最大。目前中低频段的5G基站已商用，因此车载巡测监测因子为射频段100 kHz～6 GHz的综合电场强度，单位为V/m，可以涵盖上述主要电磁辐射源的电磁辐射水平。

1.1.3 车载巡测监测系统

车载巡测监测系统主要由监测模块、数据采集传输模块、GPS模块、数据管理显示模块等构成[7]，采用Narda AMB 8057射频综合场强自动监测设备，将其探头固定于车顶中央，通过光纤与置于车内的主机、工控机等连接，内置GPS定位系统。主要技术指标如下：

(1)频率范围：0.1 ～ 7 000 MHz；(2)分辨率：0.01 V/m；(3)灵敏度：0.2 V/m；(4)电平范围：0.2 ～ 200 V/m；(5)监测时间间隔：10 s，自动连续监测；(6)监测数据记录：包括监测设备型号、探头型号、监测时间、每个监测点位的经纬度(WGS84地理坐标系)、综合电场强度、监测时的温度等。

所用车辆为三厢索纳塔2013款，车身长4.8 m、高1.5 m，探头距车顶和地面分别为0.3和1.8 m。

1.2 网格法监测

在指定区域，按一定的边长尺寸划定大小相等的网格，原则上在网格中心设点监测。《辐射环境保护管理导则 电磁辐射监测仪器和方法》中规定网格大小为1 km×1 km或2 km×2 km，也有人认为如果基站覆盖范围在1～2 km时，网格边长应≤500 m[3]。网格尺寸越小，数据量越多，空间代表性就会越强。

1.3 研究内容

研究对象：北京市中央电视塔周围25 km2区域的射频电磁环境水平。

研究内容：(1)分析昼间、夜间监测时段的代表性，确定昼间、夜间监测时段；(2)分析车载巡测车速对监测数据的影响；(3)分析区域电磁环境水平用车载巡测监测法与网格法监测的可比性，确定是否可以用车载巡测监测法代替；(4)分析如何用车载巡测监测法快速实现对昼间、夜间区域电磁环境水平进行表征。

1.4 数据分析

1.4.1 昼间、夜间监测时段的代表性

昼间、夜间监测时段分别为09：00—18：00和00：00—04：00，选取中央电视塔周围临时布设的2个射频电磁辐射自动监测站的24 h连续监测数据，对昼间、夜间监测时段的6 min 均方根值(RMS)的综合电场强度进行了平均相对误差等参数的计算分析，见表1。

表1 昼间、夜间监测时段数据统计结果

从表1可见，两个固定点位昼间监测时段综合场强的平均相对误差分别为4.41%和1.00%，夜间的分别为1.05%和2.29%，表明昼间和夜间监测时段的电磁辐射水平值波动较小，这两个时段任意时刻的网格法监测和车载巡测监测数据可分别代表昼间和夜间的电磁辐射水平。

1.4.2 车速对车载巡测的影响

与固定点监测不同，车载巡测可在移动中连续获取测量数据，目前尚无国家技术规范。通常认为车载巡测对监测数据质量的主要影响因素是车速。现针对可行的车速范围，通过1～2 km的实地测量进行分析，将电磁辐射自动监测探头垂直架设于车顶，对比车体运动和静止时测得的综合电场强度的变化。

根据文献[8-9]，城市地区和非城市地区测量样品最大距离间隔分别为5 和10 m。如果车载监测设备的测量时间间隔是1 s，根据公式v=s/t(v代表车速，s代表距离，t代表时间间隔)，可得车速为18 km/h。考虑到城市道路对车速的要求，以及运行中探头的稳定性，选择18，36和60 km/h三种车速进行实验。

基于监测搭建的测试系统，保证在不同的车速下，测量起点位置和终点位置相同且间距为2 km。由于设备测量样品的时间间隔固定为10 s，当车载巡测系统分别以60，36和18 km/h的速度匀速驶过该路段，两个相邻测量点之间的距离分别为(500/3)，100和50 m。对于不同速度下的测量数据，均选取每隔500 m的测量点作为电场强度对比点，以保证对比点的位置一致(图1)。由图1可见，当车速为60 km/h时，选取第1，4，7，10，13个测量点为对比点；当车速为36 km/h时，选取第1，6，11，16，21个测量点为对比点；当车速为18 km/h时，选取第1，11，21，31，41个测量点为对比点。将车辆停留在场强对比点处测量车辆静止时的综合电场强度，见表2。

图1 不同车速下选取的电场强度对比点

表2 各测点在不同车速时的综合电场强度

表3 各测点不同车速时与静止状态下综合电场强度的偏差

在分别以60，36和18 km/h的车速进行测量时，所测得的电场强度与静止时的测量值偏差均较小，而Narda AMB 8057型车载自动监测场强仪的测量误差为±1.5 dB，这3个不同速度下的测量值偏差均在设备技术参数允许的波动范围内，对监测结果产生的影响可以忽略，所以在车速为18～60 km/h时，均可作为车载巡测监测系统的行驶速度。

上述实验选取的环境空旷且无其他车辆路过，但在实际车流较多的主干路，电磁辐射电场强度会受到周围车辆的扰动影响，其对电磁辐射水平的影响实验在现场监测中难以实现，需要进行仿真计算，有待进一步研究。

2 车载巡测用于区域电磁环境质量监测的可行性

网格法手工监测是《HJ/T 10.2—1996》中规定的区域电磁环境监测方法，但若测量区域面积大，该法需要投入大量人、物、财力，而车载巡测法快速、高效，可以解决上述问题，但目前尚未广泛开展，应用时需要验证其与网格法监测数据的可比性。

2.1 测量方法

对北京市中央电视塔周围25 km2区域的综合电场强度进行了网格法昼间监测和车载巡测的昼间、夜间监测，其中网格大小为300 m×300 m，共计270个网格；车载巡测的昼间、夜间巡测里程分别为767 和185 km，分别获取数据20万和5万条；巡测时车速基本保持在30～60 km/h。

2.2 数据分析方法

对上述3组数据进行SPSS数据统计，因3组数据均为非正态分布，因此用中位值和四分位距分别代替平均值和标准偏差，表征每个数据组的综合电场强度平均水平和数据的离散程度，见表4和图2(各长方形箱体内的横线为中位值，箱体上、下边缘分别为3/4值和1/4值，其往上、往下1.5倍四分位距达到的线分别为上缘值和下缘值，处于上缘值和下缘值之外的圆点为异常值，*为离群值)，并对各组数据绘制累积概率分布曲线，见图3。

表4 不同监测方式获取的数据统计值

图2 不同监测方式监测数据的箱式图

图3 不同监测方式的综合电场强度累积概率分布曲线

2.3 网格法与车载巡测监测法对比分析结果

2.3.1 统计分析结果

(1)图2中网格法(昼)和车载巡测法(昼)的中位值基本一致，分别为0.78和0.86 V/m，差值<0.1 V/m，相对误差为10%；四分位距差别很小，分别为0.83和0.74 V/m，车载巡测法较网格法数据集中程度略好；(2)两种方法昼间的算术平均值分别为0.96 和1.04 V/m，从总体水平看一致性较好；(3)车载巡测法(昼)与网格法(昼)相比，异常值明显偏多，其原因是相对于网格法，车载巡测法能监测较多的高测值点位；(4)车载巡测法监测最大值为7.91 V/m，而网格法为3.86 V/m，说明由于网格法数据量相对较少，没有测到高值点位，其空间代表性不足。据统计，车载巡测法(昼)测值>3.86 V/m的数据共458个，占总量的0.23%。对个别测值>6 V/m的点位进行了选频监测，发现这些点位基本均在主路上，且周围基站数≥3个，没有楼房等遮挡，点位完全处于各基站天线主瓣叠加区域，因此测值较高；而网格法点位处基本建筑物等遮挡较多，因此鲜有高测值出现。

2.3.2 累积概率分布结果

由图3可知，网格法和车载巡测法分别有64%和57%的测值<1 V/m，可见网格法测值总体偏小；两种方法有80%的测值均<1.5 V/m，之后累积概率曲线基本重合。综上分析，车载巡测法的数据总体水平及数值大小的分布特征与网格法监测结果具有可比性，且能捕捉到高值点位，可真实地反映出电磁热点区域，并且比网格法更加快速、高效，人力投入更少。因此，可用车载巡测法代替网格法进行区域电磁环境质量的监测。

3 车载巡测监测的应用

3.1 在时间维度中的应用

由于车载巡测监测具有快速、高效的优势，对中央电视塔周围区域除进行了昼间监测外，短时间内也开展了夜间监测。与昼间监测相比，夜间监测虽只监测了主干道，但数据量也达到了5万条。

从表4和图2可知，车载巡测昼间、夜间综合电场强度的均值分别为1.04 和0.95 V/m，中位值分别为0.86 和0.84 V/m，四分位距分别为0.74 和0.58 V/m，均比较接近，但总体而言夜间测值略低于昼间测值。从图3可知，79%的夜间测值<1 V/m，远高于昼间57%的比例；99%的夜间测值<1.5 V/m，而昼间测值的比例只有80%。

3.2 在区域电磁环境质量表征中的应用

车载巡测监测数据除了可用于描述区域电磁环境质量外，也可用可视化电磁地图对其进行表征[3]。

3.2.1 实测道路电磁地图

在昼间、夜间车载巡测实测数据基础上，利用ArcGIS软件，结合监测时每条数据记录整合的GPS经纬度信息，在地图底图上绘制了昼间和夜间的电磁地图，见图4(a)(b)。

由图4可知，电磁地图直观地表征了中央电视塔周围的电磁辐射水平，红色为高测值点，表示电磁辐射热点区域。图4(a)为昼间电磁地图，离中央电视塔较近的道路上测值较高，主要是受中央电视塔上电视调频发射天线的影响；另外，其他主路显示红色的点位主要为多个基站叠加区域或离灯杆基站较近的路面。图4(b)为夜间电磁地图，与昼间地图相比，高值显著减少，这与中央电视塔上广电发射天线夜间停止工作有关；其他区域从颜色区间看，低值明显多于昼间测值，原因是远离中央电视塔的区域其主要电磁辐射源为移动基站，一般夜间02：00—04：00是基站电磁辐射水平最低的时段。

图4 中央电视塔周围车载巡测实测数据电磁地图

3.2.2 区域电磁地图

车载巡测监测采集的是行驶道路的电磁辐射测值，但对于道路间的区域，测值均为空白，为表征整个区域的电磁环境质量，需要采用插值法，利用易测得的数据求取其他未知空间的电磁辐射值。

现选取普通Kriging(克里金)插值法，将巡测值看作区域化变量，研究巡测值空间变异特征及其规律。

对于区域化变量Z(x)，设其在一系列采样点x1，x2，…，xn上的观测值为Z(x1)，Z(x2)，…，Z(xn)。区域中某个网格点x0的估计值Z(x0)可用一个线性组合来计算，即

(1)

式中：λi——加权系数。

假设Z(x)满足内蕴假设，则有如下普通Kriging方程组：

式中：j——与采样点xi相关的采样点标号，j=1，2，…，n；γ(xi,xj)——采样点xi与xj之间的变异函数值；μ——拉格朗日常数；r(xi,x0)——采样点xi与x0之间的变异函数值。

由式(2)可得λi，将其代入式(1)即可求得网格点x0的估计值Z(x0)。

利用上述方法，求取中央电视塔巡测区域内各未知点的综合电场强度，绘制区域电磁地图，见图5。

由图5可知，中央电视塔周围区域电磁环境水平较高，个别小范围也有高值点，主要是受多个移动基站覆盖区域重叠的影响。其他区域整体电磁环境水平均较低，主要是受各点位周围移动基站的影响。但由于区域环境中移动基站数量众多，插值法并未考虑到实际基站的电磁辐射对点位的影响，因此每个具体点位的综合电场强度准确性不足，需要进一步研究。

图5 中央电视塔周围区域射频电磁地图(昼间)

4 结论与建议

4.1 结论

车载巡测监测以自动监测为基础，适合大尺度的区域电磁环境质量的表征，在空间、时间代表性上优势突出。对北京市中央电视塔周围25 km2区域内的数据进行分析发现，车载巡测监测与网格法监测所得的区域电磁环境水平结果在数据的总体水平和分布特征等方面具有可比性。在生态环境部要求发展自动监测技术、提升监测能力的大背景下，完全可以用车载巡测监测替代网格法进行区域电磁环境质量监测，并通过电磁地图的方式进行表征。因此，用车载巡测开展区域电磁环境质量监测与表征具有很好的应用前景。

4.2 建议

(1)加强时域表征，实时回应公众关注。车载巡测监测可获取数万至数十万条监测数据，具有很强的统计学意义，空间代表性高，是网格法监测无法比拟的；同时，车载巡测监测测试周期短，可开展区域电磁环境质量的时域监测，如昼/夜、工作日/节假日、季节等，因此可动态更新道路电磁地图。由于区域环境中数量最多的电磁辐射源是移动通信基站，因此用抛开各个基站电磁辐射影响的插值法预测区域电磁环境质量还不够准确，可通过移动基站电磁波传播特性，利用机器学习等方法进行更精确的预测，或研究部署类似于PM2.5监测的小型趋势站，开发小型电磁辐射自动监测设备，借助于铁塔公司基站塔进行固定点布设，或放置于出租车等车顶进行移动布设，实时传回数据，实时更新区域电磁环境质量电磁地图。可做成手机App，便于实时查询，应对投诉，回应公众关注。

(2)加强频域表征，为城市规划提供依据。目前，车载巡测监测架设的自动监测设备是射频综合电场强度监测设备，不能解析每个测点数据中不同电磁辐射源电磁辐射水平的贡献。可在综合电场强度自动监测的同时，架设频谱连续监测设备，在获取综合场强值的同时，分析各测点的频谱图，并可根据业务类型，如移动基站、电视、调频、中波等不同辐射源进行电磁辐射贡献率的分析，掌握区域中各主要电磁辐射源的占比，并可在电磁地图上反映出不同电磁辐射源的地域分布，为管理部门精细化规划和管控电磁辐射源提供数据支撑。