蒙特卡洛方法用于城镇5G基站电磁暴露安全评估

电磁暴露安全是当前5G通信在大规模商业化推广过程中需高度重视的问题.大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)和天线3D波束成形等技术在现有5G基站中已得到成熟应用,但以往传统确定性方法在评估该类基站时过于保守,很难得到准确可信的基站电磁暴露评估结果.本文在以往基于蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)统计方法的5G基站电磁暴露评估模型基础上,进一步模拟构建了城镇基站小区的三维用户场景,采用电磁暴露相对因子作为衡量指标实现了更真实用户场景下的5G基站电磁暴露水平评估.结果表明,在文中给定的两类基站配置参数下,5G基站小区在最坏情况下电磁暴露相对因子计算结果最大值仅有保守确定性方法给出的电磁暴露评估结果的25%左右,说明5G基站引入大规模MIMO和波束成形技术后不仅改善了用户通信质量,同时也使覆盖区域内电磁暴露量值分布更为均匀,得到了比传统基站更低的电磁暴露水平.

450MHz无线列调天线对车厢内佩戴心脏起搏器乘客的电磁暴露评估

目前,针对心脏起搏器电磁兼容的研究主要集中在医疗场景,高铁上450MHz无线列调天线产生的高频电磁波对佩戴心脏起搏器乘客的影响尚无定论。本文旨在对无线列调天线产生的电磁场对佩戴心脏起搏器乘客健康的影响进行评估,以确定其对人体健康的潜在作用。本文通过COMSOLMultiphysics软件分析乘客身体内和心脏的电场强度、比吸收率(SAR)分布,以及心脏和起搏器受天线辐射30min后的温度变化规律。研究结果表明,人体受到天线辐射后的电场强度最大值为25.9V/m,身体平均SAR值为0.00123W/kg,心脏平均SAR值为0.000223W/kg,心脏和人体的温升分别为0.00006K和0.0005K。结合国际标准进行对比,结果表明该电磁场的辐射水平低于国际标准限值,不会对佩戴心脏起搏器乘客的健康造成危害。

高速动车组动力电缆对车厢内乘客的低频电磁暴露水平仿真及其健康评估

为了有效评估低频电磁环境下高速动车组(EMUs)车厢内电磁暴露的安全性,利用基于有限元的多物理场仿真软件COMSOL5.1,构建了动力电缆对动车车厢内乘客的电磁暴露模型,研究了处于车厢内不同位置乘客的头部磁感应强度、感应电场强度和感应电流密度的分布。研究结果表明:位于车窗处的B乘客的人体头部磁感应强度、感应电场强度、感应电流密度最大,最大值分别为13.701μT、208.85μV/m、125.366μA/m2;位于1组动力电缆上方的C乘客的人体头部磁感应强度、感应电场强度、感应电流密度最小,最小值分别为0.59μT、8.806μV/m、5.225μA/m2;位于2组动力电缆之间的A乘客的人体头部磁感应强度、感应电场强度、感应电流密度的值在B乘客和C乘客之间。所有计算结果均小于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的公众电磁暴露推荐值,这说明位于动车车厢底部的动力电缆对乘客的电磁暴露不会构成健康威胁。

地铁列车司机室高频电磁暴露安全性评估

为了有效评估地铁列车司机室在高频电磁环境下的安全性,利用基于有限元法的三维电磁仿真软件(HFSS),构建B型地铁列车无线通信天线电磁辐射条件下的司机室高频电磁环境模型(其中人体模型为坐姿,由人头、躯干和四肢组成,人头模型由头皮、颅骨和大脑3层组织构成),研究地铁司机的职业电磁暴露问题。结果表明:当天线的输入功率达到其最大值50 W时,人体模型的比吸收率最大值为0.523mW·kg-1,电场强度为11.96V·m-1,磁场强度为0.23A·m-1,皆低于国际非电离辐射委员会制定的职业电磁暴露限值;说明在此电磁环境下,司机室内的高频电磁辐射不会对地铁司机的健康造成危害。

纯电动汽车典型无线充电线圈电磁暴露安全评估研究

为评估纯电动汽车无线充电时充电线圈电磁暴露的安全性,采用有限元仿真软件COMSOL构建了纯电动汽车使用无线充电线圈充电时对人体的电磁暴露模型。本文研究无线充电线圈频率为10.27MHz,对车体进行静态充电时在人体头部产生的磁感应强度、感应电场强度分布,并与国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的限值进行比较。结果表明,脑组织中磁感应强度的最大值为5.94×10^-3μT,占ICNIRP限值的6.46%;脑组织中感应电场强度最大值为24.3mV/m,占ICNIRP限值的0.09%。二者均远小于ICNIRP制定的公众电磁暴露推荐值。说明电动汽车在进行无线充电时,线圈对人体产生的高频电磁暴露不会对健康构成威胁。

对讲机使用产生的电磁暴露对Wif-1基因甲基化水平及血液中淋巴细胞构成的影响

有研究提示电磁暴露可能是白血病发病的潜在危险因素。为探讨对讲机产生的电磁暴露对Wif-1基因甲基化水平及血液中白细胞构成的影响,采用1:1配对设计,选择年龄匹配的60名男性作为研究对象,最终纳入分析的为对讲机使用组(暴露组)29名,非使用组(对照组)28名。采用自行设计的流行病学调查问卷收集研究对象的一般人口学特征及职业暴露情况等。采用美国SEQUENOM Mass Array?Epi TYPER技术平台检测Wif-1基因的甲基化水平。采用配对t检验和多因素混合效应模型分析对讲机使用和Wif-1基因甲基化水平,以及Wif-1基因甲基化水平和血液中白细胞构成的关系。研究结果显示:在Wif-1基因启动子区域的32个CpG位点中,7个位点(CpG7、CpG8、CpG12、CpG16、CpG21、CpG28和CpG31)的甲基化水平暴露组显著高于对照组;电磁暴露与Wif-1基因平均甲基化水平呈正相关(偏回归系数β=2.19,概率P=0.026)。而Wif-1基因甲基化水平与淋巴细胞百分比呈正相关(β=0.633,P=0.020),与嗜酸性粒细胞百分比呈负相关(β=-0.151,P=0.016)。结果表明电磁暴露可能通过调节Wif-1基因甲基化水平而影响血液中淋巴细胞的构成,因而遗传的改变可能是电磁暴露致癌的重要机制,但是还需要更大样本量的研究来进一步确认。

可控电磁暴露量的动物受照平台

设计了用于射频电磁场生物效应研究的活体辐照平台。该平台包括动物器官电磁暴露量控制和微波源2个子系统。器官电磁暴露量控制系统的主要功能是,根据实验要求合理控制辐照系统使被辐照对象体内重要器官的电磁暴露剂量达到实验设定值。微波源提供功率稳定可调的辐照场。该辐照系统的主要特点是能够根据对象体内电磁暴露剂量的要求自动控制辐照场以满足实验要求,无须辐照后再作剂量分析。该辐照平台在辐照时即可知动物器官的电磁辐照剂量并可以提供电磁场均匀度较好的电磁辐照空间,将为电磁生物效应剂量学研究提供了可靠、方便的电磁辐照设备。

高频电磁暴露环境对相关作业人员氧化应激水平的影响

目的分析高频电磁暴露环境对工作人员氧化应激水平的影响。方法招募连续从事至少1年以上与高频电磁辐射有关的工作人员228例纳入暴露组,同时招募该单位与高频电磁辐射工作无关的工作人员228例纳入对照组。多点监测工作环境的电磁强度;分别对2组人员丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、谷胱甘肽S转移酶(GST)、乳酸脱氢酶(LDH)等氧化应激指标进行检测。结果本研究暴露组工作人员的电磁环境频段为5.5 MHz~1.84 GHz,介于高频至特高频之间;氧化应激指标检测结果显示,暴露组工作人员的GSH水平高于对照组(P=0.049),MDA水平低于对照组(P=0.043),2组GSH-Px、GST、SOD、LDH水平比较,差异无统计学意义(P<0.05)。结论本研究中的高频电磁暴露环境并未诱导相关工作人员机体的氧化应激。

极低频电磁暴露对钙离子跨膜迁移的影响及机理分析

目的:研究极低频(ELF)电磁暴露对细胞钙离子跨膜迁移的影响。方法:以人体肝癌细胞为对象,激光扫描共聚焦显微镜为检测手段,研究细胞钙离子跨膜迁移对ELF电磁暴露的响应。结果:在磁场强度为1.78×10-7T条件下,与对照组对比,各暴露组均对不同频率和电场强度组合的外加电磁暴露环境有响应,其中f=16 Hz且EP=53 V m、f=45 Hz且EP=53 V m以及f=16 Hz且EP=80 V m的电磁暴露可使钙离子跨膜迁移量显著上升,而f=32 Hz且EP=53 V m、f=60 Hz且EP=53 V m、f=16 Hz且EP=26 V m以及f=16 Hz且EP=87 V m的电磁暴露未使钙离子跨膜迁移量显著上升。结论:不同频率和电场强度组合的ELF电磁暴露均会引起钙离子跨膜迁移量产生变化且呈现出明显差异,这可为ELF电磁环境下生物学应用提供实验依据;注重细胞膜离子通道物理、生物特性基础上探讨ELF电磁暴露对钙离子跨膜迁移影响的机理。

双波源同向交替入射下大鼠的电磁暴露仿真

利用电磁仿真研究了1.5 GHz和9.4 GHz双波源同向交替入射时,入射组合方式和交替时间间隔对大鼠全身平均比吸收率(SARw)和组织平均比吸收率(SARa)的影响,并与单波源入射时的SARw和SARa进行了比较。仿真结果表明:1.5 GHz与9.4 GHz双波源同方向交替入射时,大鼠模型的SARw值和SARa值均受到入射组合方式的影响,且随着交替时间间隔的增加呈现非线性升高趋势;入射总功率相同的情况下,双波源交替入射时的SARw值处于两个波源分别入射时的两个SARw值之间。而两交替入射波源均为背部入射短轴极化时睾丸组织SARa值比两个波源单独作用时的最大SARa值高出31.2%。脾脏的SARa值则在双波源交替背部入射(1.5 GHz,长轴极化;9.4 GHz,短轴极化)比单波源入射最大SARa值高出18.9%。

超导磁悬浮轨道磁场对乘客电磁暴露安全评估

因目前超导磁悬浮列车的新型磁悬浮对乘客的电磁暴露的相关研究较少,文中使用Comsol有限元仿真软件,以Halbach型轨道为暴露源,参考巴西里约热内卢联邦大学的超导磁悬浮列车和导轨进行建模,分别仿真分析列车在直线轨道上静止和环形轨道上运行两种状态下车内乘客的电磁暴露情况。结果表明:列车静止且悬浮高度为5 mm时,轨道上方坐姿、过道侧坐姿、过道中站姿三位乘客体内的磁通密度最大值分别为527μT,240μT和77.7μT,且乘客距离导轨越远,体内磁通密度有减小趋势;列车运动且悬浮高度为5 mm时,乘客头部磁通密度、感应电场强度最大值分别为0.9μT和21.4μV/m。文中所得数值均低于ICNIRP推荐的公众电磁暴露限值,说明超导磁悬浮永磁轨道所产生的磁场不会使车内乘客健康受到威胁。

1000 kV/500 kV同塔混压四回交流输电线路电磁暴露安全评估

利用有限元多物理场仿真软件COMSOL,分析了1000 kV/500 kV同塔混压四回交流输电线路下人体的磁感应强度和感应电场强度的分布情况。计算结果表明:在1000 kV与500 kV共同运行时人体中磁感应强度与感应电场强度最大值分别为8.02μT和13.4 mV/m;该结果与国际非电离辐射防护委员会规定的人体电磁暴露限值比较,均低于限值。分析了1000 kV或500 kV单独运行和9种典型相序排列时的情况,计算结果也低于限值。说明1000 kV/500 kV同塔混压四回交流输电线产生的电磁暴露不会给人体带来健康威胁。

地铁专用无线通信系统射频电磁暴露安全的评估

为了研究在地铁专用无线通信系统天线辐射下地铁司机射频电磁暴露的安全性,基于高频结构仿真软件(High frequency structure simulator,HFSS)构建该系统天线辐射下的地铁司机室射频电磁环境模型,模拟司机室内电场强度的分布范围为0.005~0.118 V/m。运用电场强度分析仪对地铁司机室内射频电磁环境进行实地测量,测得专用无线系统天线信号的功率电平为-54.91^-30.22 d Bm,对应的电场强度分布范围是0.006~0.109 V/m,与电场强度的模拟结果基本一致,验证了利用HFSS软件的计算可靠性。在此基础上分别模拟地铁司机站姿人体模型和坐姿人体模型的射频电磁暴露情况。仿真结果表明:司机坐姿和站姿人体模型中平均比吸收率峰值分别为3.838 3×10^(-7) W/kg和3.118 7×10^(-7) W/kg;电场强度峰值分别为0.12 V/m和0.11V/m;磁场强度峰值分别为7.586 8×10^(-4) A/m和7.276 7×10^(-4) A/m。模拟结果均低于由国际非电离辐射防护委员会制定的职业电磁暴露限值,说明在该射频电磁环境中地铁司机职业电磁暴露处于安全范围内。

电动汽车动力电缆低频电磁场中人体的电磁暴露水平

为了研究电动汽车动力电缆低频电流产生的电磁暴露对车厢内人员的安全问题,以该低频电流为激励源,采用Comsol Multiphysics有限元软件,对司机及副驾位置乘客躯干部分及中枢神经系统中磁感应强度、感应电流密度、感应电场强度值进行计算分析.结果表明:中枢神经系统中磁感应强度的最大值集中在头皮区域,分别为0.073×10^-2 μT(司机位)和0.055×10^-2 μT(副驾位);感应电流密度的最大值主要集中在大脑组织中,分别为11.300 μA/m^2(司机位)和0.616 μA/m^2(副驾位);感应电场的最大值也主要集中在大脑组织中,分别为0.426 mV/m(司机位)和0.013×10^-2 mV/m(副驾位).从感应场的分布趋势来看,距离动力电缆越近对应区域感应场的值越大,反之,感应场的值越小.通过将感应场的最大值与国际非电离辐射防护委员会制定的标准及国标(GB8702-2014)进行对比,中枢神经系统及躯干中感应场的最大值均远小于不同标准规定的最大暴露限值.因此,该低频电磁环境中司乘人员电磁暴露处于安全范围内.

典型地铁站台射频天线电磁暴露安全评估

为有效评估典型地铁站台射频天线对乘客电磁暴露的安全性,设计地铁站台无线通信系统吸顶天线和乘客人体模型,利用基于有限元的电磁仿真软件,构建吸顶天线辐射下的地铁站台乘客候车电磁环境模型,研究候车乘客的公众电磁暴露问题。结果表明:天线分别工作在900和2 440 MHz时,人体组织的平均比吸收率最大值分别为4.441×10-7和1.165×10^-6W·kg^-1,电场强度最大值分别为0.139和0.148V·m^-1,平均比吸收率在人体组织内的衰减均大于电场强度的衰减;2 440MHz时的射频电磁能量在颅内的穿透能力小于900MHz时;所有计算值均低于国际非电离辐射委员会制定的公众电磁暴露限值,说明地铁站台射频天线对乘客的电磁暴露不会构成健康威胁。

椭圆极化波对大鼠电磁暴露的数值模拟计算

以椭圆极化波作为波源进行大鼠电磁暴露数值模拟,比较了多个入射方向上大鼠电磁暴露的全身平均比吸收率(WBASAR)。结果发现,椭圆极化波的WBASAR随椭偏率的改变而变化,同时受到入射方向和旋向的影响。将此结果与同方向上线极化波的辐照结果比较发现:在入射功率相同的条件下,椭圆极化波和线极化波电磁暴露的WBASAR结果存在差异,且这种差异随着波源入射方向与大鼠体态的相对位置变化呈现出不同的特点。此外,波源的极化性质、辐照方式以及大鼠本身等因素,同样会使得大鼠重要组织的SAR分布规律产生较大的差异。因此,综合考虑线极化波与非线极化波的电磁暴露结果,可以对电磁暴露剂量进行更加全面的评估。本文的计算为动物电磁暴露剂量的评估提供了方法和数据上的补充。

纯电动汽车动力电缆电磁暴露安全评估

为有效评估纯电动汽车动力电缆直流侧在车厢内产生的磁通密度对人体健康造成的威胁,利用基于有限元的多物理场仿真软件COMSOL构建了动力电缆对驾驶员和乘员的电磁暴露模型,仿真分析了不同车速状态下驾驶员和副驾驶乘员人体模型磁通密度分布。结果表明,该汽车模型高速行驶状态下磁通密度最大,驾驶员和乘员人体模型中的感应磁通密度最大值分别为40.5μT和0.665μT,远低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)推荐的暴露限值,表明动力电缆直流侧电磁暴露不会对驾驶员和乘员构成健康威胁;人体组织中磁通密度大小与动力电缆的空间位置有关,越靠近电缆磁通密度越大。

基于实验测量的地铁站台电磁暴露安全评估

为了评估地铁站台电磁环境下工作人员和乘客的安全性,选取某条正在运行的地铁线路中的高架和地下两个地铁站台的电磁暴露为研究对象,站台电磁暴露源的选取具有一定的代表性,通过场强仪和频谱仪现场测量获取信号强度,得到地铁站台候车区域典型位置电场强度分布。结果表明:地铁站台主要电磁辐射源现场测量峰值频率在869～2 613 MHz内,地下站台电场强度测量值为0.010～0.044 V/m,高架站台电场强度为0.009～0.098 V/m,均远低于国际非电离辐射防护委员会制定标准中的职业和公众电磁暴露导出限值,说明地铁站台电磁环境对工作人员和乘客不会构成健康风险。

心脏起搏器无线充电电磁暴露安全评估

为准确地评估心脏起搏器无线充电工作过程中产生的电磁暴露安全性,使用基于有限元的COMSOL软件进行建模及仿真计算。构建人体头部组织、简易胸腔及心脏的模型,并且在无线充电系统工作频率设置为251 kHz时,得出了以上3个部位中产生的磁感应强度(B)、感应电场强度(E)分布,以及人体头部组织比吸收率(Specific absorptionrate,SAR)值的分布,将结果与国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的限值进行比较。结果显示:人体头部中B值最大为0.337μT,占ICNIRP阈值的9.26%;E值最大为0.393 V/m,占ICNIRP阈值的0.45%;心脏部位B值最大为3.118μT,占ICNIRP阈值的85.01%;E值最大为0.278 V/m,占ICNIRP阈值的0.32%;人体头部脑组织中SAR值为3.009×10^(−7)W/kg,远低于ICNIRP制定的公众电磁暴露推荐值。提示心脏起搏器无线充电过程对使用者的健康无明显影响。

电动汽车内不同位置乘客电磁暴露安全评估

为了有效评估电动汽车内直流动力电缆产生的磁场对车厢内乘客健康的影响,基于有限元软件Comsol Multiphysics,仿真计算了车厢内不同乘坐位置人体组织中的磁通密度分布.研究结果表明,不同乘坐位置人体各组织中磁通密度值均远小于IEEE C 95. 6-2002中规定的暴露限值118 m T,电动汽车内直流动力电缆产生的磁场不会对车厢内各位置乘客构成健康威胁.