北京城區道路電磁環境監測及與人口熱力關聯分析

宋欣蔚,韓孟琦,陳依婕,岳云濤

北京建筑大學電氣與信息工程學院,北京 102616

生產生活中的諸多用電設備(如廣播電視塔、基站、無線路由器、工業和醫療用頻設備等)向環境中輻射電磁場,從而形成相應的電磁環境。超出控制限值的電磁環境對人體和電子系統都會產生不容忽視的影響。一方面,環境中長期過量的電磁輻射通過熱效應和非熱效應對人體的生殖系統、神經系統、免疫系統等造成傷害,可誘發皮膚病、心血管疾病、糖尿病、癌突變等[1]。另一方面,環境中的電磁場可能會成為電子系統的電磁干擾源,通過感應出非預期的電壓和電流而引發系統故障[2]。上述情況將隨無線應用的增多和系統復雜程度的增加而更加嚴重。因此,包括中國在內的諸多國家和組織參考國際非電離輻射防護委員會的推薦指南[3],制定了電磁環境控制限值,對電磁環境的監測也在不斷進行中[4-9]。以往報道中,鮮見電磁環境超出控制限值的情況。然而,該研究在北京城區道路上進行電磁環境監測時發現一處超出控制限值的區域,應予以關注。

此外,獲知電磁環境狀況需使用專業測試設備,而電磁環境具有時變性[10],導致實時獲取任意區域的電磁環境數據較為困難,如何根據其他易獲取的信息快速判別電磁環境風險是值得關注的問題。FOCKENS等[11]分析了電磁環境與房屋數量的相關性,得出兩者為正相關的結論。由于房屋數量信息需要借助專業地理信息軟件進行數據處理而得到,并非易事,因此該研究提出將電磁環境與人口熱力(部分手機軟件如百度地圖可實時顯示此信息)進行關聯分析,為電磁環境風險快速判別提供新的研究思路。

該研究于2021年在北京城區主要道路開展了電磁環境監測,共監測28 578個采樣點,覆蓋道路長度約407 km,監測結果顯示有一處路段的電磁環境超出控制限值。此外,該研究同時獲取了實時人口熱力數據,分析了電磁環境狀況與人口熱力的關聯性,以期為城市電磁環境污染控制、實時風險評估提供參考。

1 監測方法

該研究采用的電磁環境監測儀器為電磁輻射檢測儀(PRO2,意大利微納德),其性能指標符合中國現行的環境保護行業標準《輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)[12],監測頻率范圍為100 kHz～6.5 GHz。對于電磁環境超出控制限值的路段,該研究進一步采用便攜頻譜分析儀(RSA306B,美國泰克)進行掃頻測試,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置為1 kHz,檢波方式為峰值檢波。在實施測量前,對監測儀器進行了校準,并將儀器架設在小轎車頂部,儀器檢測部分距地面高度為1.7 m,每個采樣點測量5次,每次測量時間不少于15 s,并記錄穩定狀態的最大值。上述儀器高度和測量時間的設置符合《輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)。

電磁環境監測的時間段為11:00—14:00,該時間段屬于城市環境電磁輻射的高峰期。電磁環境監測的地理范圍為北京城區以下路段:二環路、三環路、四環路、五環路、奧林西路北端至槐房西路南五環端、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采樣監測一次,共設置28 578個采樣點,通過GPS模塊記錄各點的經緯度坐標。

2 結果與分析

2.1 電磁環境標準符合性分析

將電磁環境監測數據繪制為以經緯度坐標為橫縱坐標、綜合電場強度為灰度的二維圖,如圖1所示。監測數據的統計分析結果如圖2所示。可以看出,電磁環境水平主要(89%的采樣點)分布在3 V/m以內,但部分路段電磁環境水平較高,甚至超過12 V/m。

圖1 電磁環境監測數據及經緯度坐標Fig.1 Electromagnetic environment monitoring data and latitude and longitude coordinate map

圖2 電磁環境監測數據統計分析結果Fig.2 Statistical analysis results of electromagnetic environment monitoring data

中國現行的電磁環境水平控制標準為《電磁環境控制限值》(GB 8702—2014)[13],與該研究監測頻段相關的具體限值及說明如表1所示(該研究的監測屬于遠場區[14],只需關注電場強度控制限值,繪制于圖3中)。《電磁環境控制限值》(GB 8702—2014)標準中進一步規定,當公眾暴露在多個頻率的電磁場中時,電場強度在頻率為100 kHz～300 GHz范圍內應滿足以下關系式。

表1 電磁環境控制限值Table 1 Controlling limits for electromagnetic environment

圖3 100 kHz～6.5 GHz監測頻段所對應的電場強度控制限值(對數坐標系)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的電場強度,V/m;EL,j為表1中頻率j的電場強度限值,V/m。由于該研究監測頻段對應的電場強度限值最低為12 V/m,因此綜合電場強度低于12 V/m的采樣點符合標準;而對于綜合電場強度高于12 V/m的采樣點,需進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準。

在該研究的監測路段中,綜合電場強度高于12 V/m的情況出現在東四環四惠橋至慈云寺橋之間(地理坐標為116.48°E、39.91°N附近),通過頻譜掃描測試與計算,式(1)不成立。

(2)

因此,判別上述路段不符合標準,其電磁環境水平最高的2個頻段為通信頻段1 830～1 860、2 135～2 155 MHz,如圖4所示。經實地考察,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,為電磁環境不符合標準的主要原因。

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 電磁環境與人口熱力關聯性分析

該研究在監測電磁環境的同時,通過百度地圖的熱力圖功能記錄了北京五環路以內實時人口熱力狀況,圖5為其中一個示例。實時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(藍色)、低(靛色)、極低(紫色)。這樣,每個采樣點包含電磁環境水平和實時人口熱力等級2種數據。

圖5 北京五環路以內實時人口熱力示例Fig.5 Example of real-time population heat within Beijing’s Fifth Ring Road

對所有采樣點中同一種實時人口熱力等級下的電磁環境水平數據進行統計分析,得到如圖6所示的箱式圖[15]結果。箱式圖能夠方便地對比分析若干組數據的分布特性,箱式圖中每組數據對應的圖形由下至上分別表示最小值、第一四分位數、中位數、第三四分位數、最大值以及離群值(圖6中的“+”符號)。由于實時人口熱力等級為“低”(靛色)的采樣點非常少,故將其與“極低”(紫色)對應的采樣點合并分析。從箱式圖結果可以看出,隨著實時人口熱力等級依次從“極高”降至“極低”,對應的電磁環境水平數據的第一四分位數、中位數、第三四分位數、最大值、離群值均依次下降。這說明電磁環境與人口熱力具有關聯性,人口熱力偏低的區域傾向于具有較低的電磁環境水平,而電磁環境水平較高的采樣點傾向于出現在人口熱力偏高的區域。

圖6 不同實時人口熱力等級對應的電磁環境水平統計結果箱式圖Fig.6 Box chart of the statistical results of electromagnetic environment levels corresponding to different real-time population heat levels

為進一步明確電磁環境與人口熱力的關聯性,該研究采用經典關聯分析算法Apriori[16]進行關聯規則提取。首先將電磁環境水平與人口熱力等級二元化形成如表2所示的事務矩陣,其中“1”代表“是”,“0”代表“否”。由于圖2顯示電磁環境水平主要分布在3 V/m以內,因此電磁環境水平“較高”和“較低”的分界值設定為3 V/m。若某采樣點的電磁環境水平、人口熱力等級分別為1.5 V/m、中等,則它對應的事務表示為[0 1 0 0 0 1 0 0]。

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

接著設置關聯規則提取的閾值,即最小支持度、最小置信度、最小提升度,分別用以評估規則前項和后項同時出現在事務矩陣中的頻繁程度、規則后項在包含規則前項的事務中出現的頻繁程度、規則前項和后項的相關性。根據Apriori算法原理和該研究數據分布特性,最小支持度、最小置信度、最小提升度分別設置為5%、50%、1.05[17]。最終提取到的關聯規則如表3所示,即電磁環境水平較高的采樣點出現在人口熱力極高的區域(規則1),人口熱力低+極低、較低、中等的區域電磁環境水平較低(規則2、3、4)。上述關聯規則進一步闡述和佐證了圖6的結論。電磁環境與人口熱力的這種關聯性與電磁環境的構成要素是一致的:電磁環境主要由人類活動所使用的電子電氣設備有意和無意輻射的電磁場構成,某區域的電磁環境水平越高意味著正在輻射電磁場的設備越多,即設備的使用者越多,該區域的實時人口熱力越高,且有些設備在使用者增多的情況下會增大輻射功率(如通信基站),從而導致更高的電磁環境水平;反之,某區域的實時人口熱力越低,意味著所使用的正在輻射電磁場的設備越少,該區域的電磁環境水平越低。

3 建議

鑒于電磁環境的潛在風險,結合該研究的監測分析結果及現有文獻,對城市電磁環境監測提出3個建議。

1)縮小電磁環境監測采樣點間距。目前中國電磁環境監測的采樣點設置主要有2種方式,一種為按照《輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法》(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、市轄區等行政區域劃分,每個區域設置一個或幾個監測點的方式,如生態環境部在直轄市和省會(首府)城市各設置一個監測點。上述2種設置方式的采樣點間距在千米級或更大,這樣可能會遺漏極端情況,如該研究監測到的電磁環境超出標準限值路段的長度接近100 m,若采樣點間距大于100 m,則此路段可能會由于位于2個采樣點之間而未被監測到。因此,建議電磁環境監測采樣點間距設置在100 m以內。

2)重點加強對人口熱力極高區域的電磁環境監測。理論上,越精細的電磁環境監測所得出的結果越全面。然而中國面積遼闊,難以在所有城市開展精細電磁環境監測,且容易造成資源浪費。因此,可篩選出電磁環境風險較高的區域進行重點監測。該研究中對電磁環境與人口熱力的關聯性分析為篩選高風險區域提供了參考。電磁環境水平異常高的區域具有極高的實時人口熱力,即相較于人口熱力低的區域,人口熱力高的區域具有更大概率成為電磁環境高風險區域。因此,建議重點關注人口熱力極高區域的電磁環境,可根據人口熱力數據選取代表性區域進行精細的電磁環境監測,以及時發現是否存在超出標準限值的情況。

3)持續監測并關注電磁環境變化趨勢。電磁環境除隨空間距離變化劇烈外,還具有很強的時變特性。這種時變特性主要呈現為2種形式:一種為短期的波動性,由人類生產生活作息所致,主要以天為波動周期,每天不同時段所使用的電子電氣設備種類和數量不同,導致環境中的電磁場強度發生變化;一種為長期的趨勢性,由社會發展所致,電子電氣設備逐漸增加,特別是無線通信需求和服務大幅增長,導致電磁環境整體水平升高。對于第一種時變特性,國內外相關標準均已指出,應在城市電磁環境高峰時段進行監測;而對于第二種時變特性,建議部署長期監測計劃,并通過持續監測來把握城市電磁環境的整體趨勢,以實現對電磁環境風險的及早預警和處理。

4 結論

1)所監測的北京城區約407 km路段(二環至五環路以及南北走向、東西走向各3條路段)電磁環境水平主要分布在3 V/m以內,少數路段接近12 V/m的高水平,一處路段(116.48°E、39.91°N附近)超過12 V/m,此路段的電磁環境經進一步頻譜分析確認超出了國家標準《電磁環境控制限值》(GB 8702—2014)要求。超出標準限值的主要原因為存在距離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)城市電磁環境與實時人口熱力具有關聯性,電磁環境水平較高的區域往往具有極高等級的實時人口熱力,而實時人口熱力等級為中等、較低、低以及極低的區域往往具有較低的電磁環境水平。這一規律可用于篩選重點關注區域,同時為電磁環境風險的快速判別提供參考。

3)建議粗細結合地、持續性地開展城市電磁環境監測,對人口熱力極高的區域設置的監測采樣點間距不宜超過100 m,對人口熱力較低的區域可設置千米級間距的監測采樣點,同時在城市電磁環境高峰時段進行長期持續監測。上述建議一方面在合理節約人力物力的前提下,能盡量避免遺漏超出標準限值的區域,一方面可及時發現、預防城市發展帶來的電磁環境持續惡化問題。