車載巡測在區(qū)域射頻電磁環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與表征中的應用分析

徐輝，李飛，李苗，佟晶，李雪貞，韓巧葉，孫偉通

(北京市輻射安全技術(shù)中心，北京 100089)

表征和評價環(huán)境質(zhì)量一直是生態(tài)環(huán)境部門的主要任務之一，水、氣、聲等主要環(huán)境要素均有環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和表征方法，而電磁輻射沒有相關(guān)的要求和技術(shù)規(guī)范。目前，全國各省市電磁輻射源的國控點點位少，且以每年1次瞬時監(jiān)測值的方式作為表征方法，與電磁環(huán)境時間、空間、頻譜三要素的表征維度有很大差距。

國內(nèi)外對區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量水平表征有不同的實踐方法，如我國現(xiàn)行的《輻射環(huán)境保護管理導則電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)中規(guī)定，用網(wǎng)格法手工監(jiān)測，并用電磁環(huán)境污染圖進行表征。目前，國內(nèi)不少城市開展了電磁輻射水平監(jiān)測和評價工作[1]；歐盟的幾個國家用射頻車載巡測監(jiān)測技術(shù)進行監(jiān)測，用電磁地圖進行表征[2-3]。

對于大型或特大型城市，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)格法監(jiān)測具有以下缺點：(1)網(wǎng)格尺寸大，空間代表性不足；(2)人、財、物投入大，成本過高；(3)測試周期長(至少需要半年)，很難開展時域間的對比監(jiān)測。隨著監(jiān)測儀器和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，自動監(jiān)測是必然的發(fā)展趨勢。因此，有必要利用快速、高效的車載巡測監(jiān)測技術(shù)進行區(qū)域電磁輻射環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和表征。

現(xiàn)對北京市中央電視塔周圍25 km2范圍區(qū)域進行傳統(tǒng)的網(wǎng)格法監(jiān)測與車載巡測監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，研究車載巡測監(jiān)測應用于區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和表征的可行性。考慮到工頻電磁場探頭架設易受畸變場影響，現(xiàn)只研究車載巡測監(jiān)測在射頻電磁環(huán)境表征(100 kHz～6 GHz)中的應用。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 車載巡測監(jiān)測

1.1.1 車載巡測監(jiān)測技術(shù)

國際電信聯(lián)盟(ITU)于2015年發(fā)布的《繪制射頻電磁地圖》認為，電磁地圖適用于對大尺度區(qū)域電磁輻射水平的評價，而生成電磁地圖的基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)由車載巡測監(jiān)測提供[4]。車載巡測監(jiān)測技術(shù)是傳統(tǒng)的手工監(jiān)測和定點自動監(jiān)測的有效補充手段[5-6]，指在小型機動車車頂架設射頻自動監(jiān)測設備的探頭，車輛運行中實時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于本地存儲器或遠程傳輸至控制中心的存儲器中，可以在地圖中實時繪制運行軌跡，顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以不同顏色表征不同的電磁輻射水平。

1.1.2 車載巡測監(jiān)測因子

在城市區(qū)域環(huán)境主要的電磁輻射源中，發(fā)射功率較大的是廣電發(fā)射設施，而移動通信基站雖然發(fā)射功率小，但數(shù)量多、分布廣，對區(qū)域電磁環(huán)境水平貢獻最大。目前中低頻段的5G基站已商用，因此車載巡測監(jiān)測因子為射頻段100 kHz～6 GHz的綜合電場強度，單位為V/m，可以涵蓋上述主要電磁輻射源的電磁輻射水平。

1.1.3 車載巡測監(jiān)測系統(tǒng)

車載巡測監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、GPS模塊、數(shù)據(jù)管理顯示模塊等構(gòu)成[7]，采用Narda AMB 8057射頻綜合場強自動監(jiān)測設備，將其探頭固定于車頂中央，通過光纖與置于車內(nèi)的主機、工控機等連接，內(nèi)置GPS定位系統(tǒng)。主要技術(shù)指標如下：

(1)頻率范圍：0.1 ～ 7 000 MHz；(2)分辨率：0.01 V/m；(3)靈敏度：0.2 V/m；(4)電平范圍：0.2 ～ 200 V/m；(5)監(jiān)測時間間隔：10 s，自動連續(xù)監(jiān)測；(6)監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄：包括監(jiān)測設備型號、探頭型號、監(jiān)測時間、每個監(jiān)測點位的經(jīng)緯度(WGS84地理坐標系)、綜合電場強度、監(jiān)測時的溫度等。

所用車輛為三廂索納塔2013款，車身長4.8 m、高1.5 m，探頭距車頂和地面分別為0.3和1.8 m。

1.2 網(wǎng)格法監(jiān)測

在指定區(qū)域，按一定的邊長尺寸劃定大小相等的網(wǎng)格，原則上在網(wǎng)格中心設點監(jiān)測?！遁椛洵h(huán)境保護管理導則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》中規(guī)定網(wǎng)格大小為1 km×1 km或2 km×2 km，也有人認為如果基站覆蓋范圍在1～2 km時，網(wǎng)格邊長應≤500 m[3]。網(wǎng)格尺寸越小，數(shù)據(jù)量越多，空間代表性就會越強。

1.3 研究內(nèi)容

研究對象：北京市中央電視塔周圍25 km2區(qū)域的射頻電磁環(huán)境水平。

研究內(nèi)容：(1)分析晝間、夜間監(jiān)測時段的代表性，確定晝間、夜間監(jiān)測時段；(2)分析車載巡測車速對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響；(3)分析區(qū)域電磁環(huán)境水平用車載巡測監(jiān)測法與網(wǎng)格法監(jiān)測的可比性，確定是否可以用車載巡測監(jiān)測法代替；(4)分析如何用車載巡測監(jiān)測法快速實現(xiàn)對晝間、夜間區(qū)域電磁環(huán)境水平進行表征。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 晝間、夜間監(jiān)測時段的代表性

晝間、夜間監(jiān)測時段分別為09：00—18：00和00：00—04：00，選取中央電視塔周圍臨時布設的2個射頻電磁輻射自動監(jiān)測站的24 h連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對晝間、夜間監(jiān)測時段的6 min 均方根值(RMS)的綜合電場強度進行了平均相對誤差等參數(shù)的計算分析，見表1。

表1 晝間、夜間監(jiān)測時段數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

從表1可見，兩個固定點位晝間監(jiān)測時段綜合場強的平均相對誤差分別為4.41%和1.00%，夜間的分別為1.05%和2.29%，表明晝間和夜間監(jiān)測時段的電磁輻射水平值波動較小，這兩個時段任意時刻的網(wǎng)格法監(jiān)測和車載巡測監(jiān)測數(shù)據(jù)可分別代表晝間和夜間的電磁輻射水平。

1.4.2 車速對車載巡測的影響

與固定點監(jiān)測不同，車載巡測可在移動中連續(xù)獲取測量數(shù)據(jù)，目前尚無國家技術(shù)規(guī)范。通常認為車載巡測對監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要影響因素是車速?，F(xiàn)針對可行的車速范圍，通過1～2 km的實地測量進行分析，將電磁輻射自動監(jiān)測探頭垂直架設于車頂，對比車體運動和靜止時測得的綜合電場強度的變化。

根據(jù)文獻[8-9]，城市地區(qū)和非城市地區(qū)測量樣品最大距離間隔分別為5 和10 m。如果車載監(jiān)測設備的測量時間間隔是1 s，根據(jù)公式v=s/t(v代表車速，s代表距離，t代表時間間隔)，可得車速為18 km/h。考慮到城市道路對車速的要求，以及運行中探頭的穩(wěn)定性，選擇18，36和60 km/h三種車速進行實驗。

基于監(jiān)測搭建的測試系統(tǒng)，保證在不同的車速下，測量起點位置和終點位置相同且間距為2 km。由于設備測量樣品的時間間隔固定為10 s，當車載巡測系統(tǒng)分別以60，36和18 km/h的速度勻速駛過該路段，兩個相鄰測量點之間的距離分別為(500/3)，100和50 m。對于不同速度下的測量數(shù)據(jù)，均選取每隔500 m的測量點作為電場強度對比點，以保證對比點的位置一致(圖1)。由圖1可見，當車速為60 km/h時，選取第1，4，7，10，13個測量點為對比點；當車速為36 km/h時，選取第1，6，11，16，21個測量點為對比點；當車速為18 km/h時，選取第1，11，21，31，41個測量點為對比點。將車輛停留在場強對比點處測量車輛靜止時的綜合電場強度，見表2。

圖1 不同車速下選取的電場強度對比點

表2 各測點在不同車速時的綜合電場強度

表3 各測點不同車速時與靜止狀態(tài)下綜合電場強度的偏差

在分別以60，36和18 km/h的車速進行測量時，所測得的電場強度與靜止時的測量值偏差均較小，而Narda AMB 8057型車載自動監(jiān)測場強儀的測量誤差為±1.5 dB，這3個不同速度下的測量值偏差均在設備技術(shù)參數(shù)允許的波動范圍內(nèi)，對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生的影響可以忽略，所以在車速為18～60 km/h時，均可作為車載巡測監(jiān)測系統(tǒng)的行駛速度。

上述實驗選取的環(huán)境空曠且無其他車輛路過，但在實際車流較多的主干路，電磁輻射電場強度會受到周圍車輛的擾動影響，其對電磁輻射水平的影響實驗在現(xiàn)場監(jiān)測中難以實現(xiàn)，需要進行仿真計算，有待進一步研究。

2 車載巡測用于區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的可行性

網(wǎng)格法手工監(jiān)測是《HJ/T 10.2—1996》中規(guī)定的區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測方法，但若測量區(qū)域面積大，該法需要投入大量人、物、財力，而車載巡測法快速、高效，可以解決上述問題，但目前尚未廣泛開展，應用時需要驗證其與網(wǎng)格法監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性。

2.1 測量方法

對北京市中央電視塔周圍25 km2區(qū)域的綜合電場強度進行了網(wǎng)格法晝間監(jiān)測和車載巡測的晝間、夜間監(jiān)測，其中網(wǎng)格大小為300 m×300 m，共計270個網(wǎng)格；車載巡測的晝間、夜間巡測里程分別為767 和185 km，分別獲取數(shù)據(jù)20萬和5萬條；巡測時車速基本保持在30～60 km/h。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

對上述3組數(shù)據(jù)進行SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計，因3組數(shù)據(jù)均為非正態(tài)分布，因此用中位值和四分位距分別代替平均值和標準偏差，表征每個數(shù)據(jù)組的綜合電場強度平均水平和數(shù)據(jù)的離散程度，見表4和圖2(各長方形箱體內(nèi)的橫線為中位值，箱體上、下邊緣分別為3/4值和1/4值，其往上、往下1.5倍四分位距達到的線分別為上緣值和下緣值，處于上緣值和下緣值之外的圓點為異常值，*為離群值)，并對各組數(shù)據(jù)繪制累積概率分布曲線，見圖3。

表4 不同監(jiān)測方式獲取的數(shù)據(jù)統(tǒng)計值

圖2 不同監(jiān)測方式監(jiān)測數(shù)據(jù)的箱式圖

圖3 不同監(jiān)測方式的綜合電場強度累積概率分布曲線

2.3 網(wǎng)格法與車載巡測監(jiān)測法對比分析結(jié)果

2.3.1 統(tǒng)計分析結(jié)果

(1)圖2中網(wǎng)格法(晝)和車載巡測法(晝)的中位值基本一致，分別為0.78和0.86 V/m，差值<0.1 V/m，相對誤差為10%；四分位距差別很小，分別為0.83和0.74 V/m，車載巡測法較網(wǎng)格法數(shù)據(jù)集中程度略好；(2)兩種方法晝間的算術(shù)平均值分別為0.96 和1.04 V/m，從總體水平看一致性較好；(3)車載巡測法(晝)與網(wǎng)格法(晝)相比，異常值明顯偏多，其原因是相對于網(wǎng)格法，車載巡測法能監(jiān)測較多的高測值點位；(4)車載巡測法監(jiān)測最大值為7.91 V/m，而網(wǎng)格法為3.86 V/m，說明由于網(wǎng)格法數(shù)據(jù)量相對較少，沒有測到高值點位，其空間代表性不足。據(jù)統(tǒng)計，車載巡測法(晝)測值>3.86 V/m的數(shù)據(jù)共458個，占總量的0.23%。對個別測值>6 V/m的點位進行了選頻監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)這些點位基本均在主路上，且周圍基站數(shù)≥3個，沒有樓房等遮擋，點位完全處于各基站天線主瓣疊加區(qū)域，因此測值較高；而網(wǎng)格法點位處基本建筑物等遮擋較多，因此鮮有高測值出現(xiàn)。

2.3.2 累積概率分布結(jié)果

由圖3可知，網(wǎng)格法和車載巡測法分別有64%和57%的測值<1 V/m，可見網(wǎng)格法測值總體偏小；兩種方法有80%的測值均<1.5 V/m，之后累積概率曲線基本重合。綜上分析，車載巡測法的數(shù)據(jù)總體水平及數(shù)值大小的分布特征與網(wǎng)格法監(jiān)測結(jié)果具有可比性，且能捕捉到高值點位，可真實地反映出電磁熱點區(qū)域，并且比網(wǎng)格法更加快速、高效，人力投入更少。因此，可用車載巡測法代替網(wǎng)格法進行區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測。

3 車載巡測監(jiān)測的應用

3.1 在時間維度中的應用

由于車載巡測監(jiān)測具有快速、高效的優(yōu)勢，對中央電視塔周圍區(qū)域除進行了晝間監(jiān)測外，短時間內(nèi)也開展了夜間監(jiān)測。與晝間監(jiān)測相比，夜間監(jiān)測雖只監(jiān)測了主干道，但數(shù)據(jù)量也達到了5萬條。

從表4和圖2可知，車載巡測晝間、夜間綜合電場強度的均值分別為1.04 和0.95 V/m，中位值分別為0.86 和0.84 V/m，四分位距分別為0.74 和0.58 V/m，均比較接近，但總體而言夜間測值略低于晝間測值。從圖3可知，79%的夜間測值<1 V/m，遠高于晝間57%的比例；99%的夜間測值<1.5 V/m，而晝間測值的比例只有80%。

3.2 在區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量表征中的應用

車載巡測監(jiān)測數(shù)據(jù)除了可用于描述區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量外，也可用可視化電磁地圖對其進行表征[3]。

3.2.1 實測道路電磁地圖

在晝間、夜間車載巡測實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件，結(jié)合監(jiān)測時每條數(shù)據(jù)記錄整合的GPS經(jīng)緯度信息，在地圖底圖上繪制了晝間和夜間的電磁地圖，見圖4(a)(b)。

由圖4可知，電磁地圖直觀地表征了中央電視塔周圍的電磁輻射水平，紅色為高測值點，表示電磁輻射熱點區(qū)域。圖4(a)為晝間電磁地圖，離中央電視塔較近的道路上測值較高，主要是受中央電視塔上電視調(diào)頻發(fā)射天線的影響；另外，其他主路顯示紅色的點位主要為多個基站疊加區(qū)域或離燈桿基站較近的路面。圖4(b)為夜間電磁地圖，與晝間地圖相比，高值顯著減少，這與中央電視塔上廣電發(fā)射天線夜間停止工作有關(guān)；其他區(qū)域從顏色區(qū)間看，低值明顯多于晝間測值，原因是遠離中央電視塔的區(qū)域其主要電磁輻射源為移動基站，一般夜間02：00—04：00是基站電磁輻射水平最低的時段。

圖4 中央電視塔周圍車載巡測實測數(shù)據(jù)電磁地圖

3.2.2 區(qū)域電磁地圖

車載巡測監(jiān)測采集的是行駛道路的電磁輻射測值，但對于道路間的區(qū)域，測值均為空白，為表征整個區(qū)域的電磁環(huán)境質(zhì)量，需要采用插值法，利用易測得的數(shù)據(jù)求取其他未知空間的電磁輻射值。

現(xiàn)選取普通Kriging(克里金)插值法，將巡測值看作區(qū)域化變量，研究巡測值空間變異特征及其規(guī)律。

對于區(qū)域化變量Z(x)，設其在一系列采樣點x1，x2，…，xn上的觀測值為Z(x1)，Z(x2)，…，Z(xn)。區(qū)域中某個網(wǎng)格點x0的估計值Z(x0)可用一個線性組合來計算，即

(1)

式中：λi——加權(quán)系數(shù)。

假設Z(x)滿足內(nèi)蘊假設，則有如下普通Kriging方程組：

式中：j——與采樣點xi相關(guān)的采樣點標號，j=1，2，…，n；γ(xi,xj)——采樣點xi與xj之間的變異函數(shù)值；μ——拉格朗日常數(shù)；r(xi,x0)——采樣點xi與x0之間的變異函數(shù)值。

由式(2)可得λi，將其代入式(1)即可求得網(wǎng)格點x0的估計值Z(x0)。

利用上述方法，求取中央電視塔巡測區(qū)域內(nèi)各未知點的綜合電場強度，繪制區(qū)域電磁地圖，見圖5。

由圖5可知，中央電視塔周圍區(qū)域電磁環(huán)境水平較高，個別小范圍也有高值點，主要是受多個移動基站覆蓋區(qū)域重疊的影響。其他區(qū)域整體電磁環(huán)境水平均較低，主要是受各點位周圍移動基站的影響。但由于區(qū)域環(huán)境中移動基站數(shù)量眾多，插值法并未考慮到實際基站的電磁輻射對點位的影響，因此每個具體點位的綜合電場強度準確性不足，需要進一步研究。

圖5 中央電視塔周圍區(qū)域射頻電磁地圖(晝間)

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

車載巡測監(jiān)測以自動監(jiān)測為基礎(chǔ)，適合大尺度的區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量的表征，在空間、時間代表性上優(yōu)勢突出。對北京市中央電視塔周圍25 km2區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，車載巡測監(jiān)測與網(wǎng)格法監(jiān)測所得的區(qū)域電磁環(huán)境水平結(jié)果在數(shù)據(jù)的總體水平和分布特征等方面具有可比性。在生態(tài)環(huán)境部要求發(fā)展自動監(jiān)測技術(shù)、提升監(jiān)測能力的大背景下，完全可以用車載巡測監(jiān)測替代網(wǎng)格法進行區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，并通過電磁地圖的方式進行表征。因此，用車載巡測開展區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與表征具有很好的應用前景。

4.2 建議

(1)加強時域表征，實時回應公眾關(guān)注。車載巡測監(jiān)測可獲取數(shù)萬至數(shù)十萬條監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有很強的統(tǒng)計學意義，空間代表性高，是網(wǎng)格法監(jiān)測無法比擬的；同時，車載巡測監(jiān)測測試周期短，可開展區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量的時域監(jiān)測，如晝/夜、工作日/節(jié)假日、季節(jié)等，因此可動態(tài)更新道路電磁地圖。由于區(qū)域環(huán)境中數(shù)量最多的電磁輻射源是移動通信基站，因此用拋開各個基站電磁輻射影響的插值法預測區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量還不夠準確，可通過移動基站電磁波傳播特性，利用機器學習等方法進行更精確的預測，或研究部署類似于PM2.5監(jiān)測的小型趨勢站，開發(fā)小型電磁輻射自動監(jiān)測設備，借助于鐵塔公司基站塔進行固定點布設，或放置于出租車等車頂進行移動布設，實時傳回數(shù)據(jù)，實時更新區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量電磁地圖?？勺龀墒謾CApp，便于實時查詢，應對投訴，回應公眾關(guān)注。

(2)加強頻域表征，為城市規(guī)劃提供依據(jù)。目前，車載巡測監(jiān)測架設的自動監(jiān)測設備是射頻綜合電場強度監(jiān)測設備，不能解析每個測點數(shù)據(jù)中不同電磁輻射源電磁輻射水平的貢獻?？稍诰C合電場強度自動監(jiān)測的同時，架設頻譜連續(xù)監(jiān)測設備，在獲取綜合場強值的同時，分析各測點的頻譜圖，并可根據(jù)業(yè)務類型，如移動基站、電視、調(diào)頻、中波等不同輻射源進行電磁輻射貢獻率的分析，掌握區(qū)域中各主要電磁輻射源的占比，并可在電磁地圖上反映出不同電磁輻射源的地域分布，為管理部門精細化規(guī)劃和管控電磁輻射源提供數(shù)據(jù)支撐。