[发明专利]一种基于生活区暴露限值的电器辐射电磁兼容性优化方法

摘要

本发明公开了一种基于生活区暴露限值的电器辐射电磁兼容性优化方法，在该方法中，依靠对电器在生活区内不同区域的短波频段辐射强度的测量，结合军标限值，采用加权矩阵策略完成生活区短波频段辐射电磁兼容平衡度的计算，采用单纯形法策略完成生活区短波频段辐射电磁兼容平衡度的数据处理，形成生活区短波频段辐射电磁兼容性调整方案的优选，解决了以往由于电器之间的辐射强耦合关系所导致的生活区短波频段辐射电磁兼容性难以准确预测，无法提出最佳优化方案的问题。考虑国军标生活区人员活动区域暴露限值要求，针对生活区辐射电磁兼容平衡度进行数据处理，提高了生活区短波频段电磁兼容性平衡状态优化的针对性和有效性。

主权项

1.一种基于生活区暴露限值的电器辐射电磁兼容性优化方法，所针对的短波频段是指3MHz～30MHz，方法包括以下几个步骤：第一步：划分生活区人员活动区域；根据居室布局、结构以及居室使用过程中作业人员的活动区域，采用军标GJB5313-2004《电磁辐射暴露限制和测量方法》对生活区进行划分，得到生活区人员活动区域，并分别命名为：区域1，区域2，区域3，……，区域n，n表示划分区域的数量；第二步：测量电器在不同区域内短波频段的辐射强度，得到电器短波频段辐射矩阵；测量平台包括计算机、测量接收机、衰减器和环形天线；计算机、测量接收机、衰减器、环形天线依次通过导线连接；环形天线放置在待测区域内，电器在工作时，环形天线对电器的短波频段电磁辐射进行接收，得到短波频段电磁辐射发射信号，衰减器对短波频段电磁辐射发射信号进行衰减，计算机控制测量接收机对衰减后的短波频段电磁辐射发射信号进行采集，得到电器在该区域内的短波频段电磁辐射强度，通过计算机记录短波频段电磁辐射强度；具体步骤为：步骤201：采用测量平台，测量电器在每个区域内的短波频段电磁辐射强度，设生活区共有m台电器，具体为：采用测量平台，在区域1内进行测量，开启第一台电器，测量得到第一台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_1，1，关闭第一台电器，开启第二台电器，测量得到第二台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_1，2，关闭第二台电器，……，同理，开启第m台电器，测量得到第m台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_1,m，关闭第m台电器；完成区域1的电器短波频段电磁辐射强度测量；采用测量平台，在区域2内进行测量，开启第一台电器，测量得到第一台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_2，1，关闭第一台电器，开启第二台电器，测量得到第二台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_2，2，关闭第二台电器，……，同理，开启第m台电器，测量得到第m台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_2,m，关闭第m台电器；完成区域2的电器短波频段电磁辐射强度测量；......同理，采用测量平台，在区域n内进行测量，开启第一台电器，测量得到第一台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_n，1，关闭第一台电器，开启第二台电器，测量得到第二台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_n，2，关闭第二台电器，……，同理，开启第m台电器，测量得到第m台电器的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_n，m，关闭第m台电器；完成区域n的电器短波频段电磁辐射强度测量；步骤202：根据步骤201中得到的测量结果，建立电器短波频段辐射矩阵T：第三步：获取m台电器的短波频段人员活动区域暴露限值，得到短波频段人员暴露限值矩阵；；短波频段的电磁辐射包括连续波、脉冲波两种辐射类型，确定m台电器的短波频段类型，获取电器的短波频段人员作业区域暴露限值，GJB5313-2004中对活动区域短波频段连续波、脉冲波暴露限值的确定方法为：（1）生活区人员活动区域短波频段连续波暴露的暴露限值为：（2）生活区人员活动区域短波频段脉冲波暴露的暴露限值为：其中，f表示电器的辐射频率，单位为MHz，得到m台电器的短波频段人员活动区域暴露限值为：第一台电器的短波频段人员活动区域暴露限值记为Expl₁；第二台电器的短波频段人员活动区域暴露限值记为Expl₂；......第m台电器的短波频段人员活动区域暴露限值记为Expl_m；建立短波频段人员暴露限值矩阵E：第四步：获取电器短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵；步骤401：步骤202中得到的电器短波频段辐射矩阵T和第三步中得到的短波频段人员暴露限值矩阵E均为n×m阶矩阵，进行矩阵相减S＝E-T，得到：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i，j其中，i表示矩阵的行，j表示矩阵的列，δ_i,j为矩阵S中对应的元素：步骤402：对矩阵S中的各元素进分别行归一化处理：δi,j′=δi,jExplj]]>其中，δ′_i，j表示δ_i,j归一化处理后的值，Expl_j表示矩阵E中第j列中任意元素的值，得到电器短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S'：若电器短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S′中出现负值元素，根据木桶原理，则令所有正值元素的值为0，矩阵S'中仅保留负值元素；第五步：获取短波频段各台电器辐射权值，并得到电器短波频段辐射权值矩阵；步骤501：根据GJB72A-2002《电磁干扰和电磁兼容术语》中对分系统和设备的关键性类别分类原则，得到m台电器电磁兼容分类指标EML＝{eml₁,eml₂,…,eml_m}，具体为：根据GJB72A-2002《电磁干扰和电磁兼容术语》，分系统和设备的关键性类别分为以下三类：（1）Ⅰ类这类电磁兼容问题可能导致寿命缩短、运载工具受损、任务中断、代价高昂的发射延迟或不可接受的系统效率下降；（2）Ⅱ类这类电磁兼容问题可能导致运载工具故障、系统效率下降，并导致任务无法完成；（3）Ⅲ类这类电磁兼容问题可能引起噪声、轻微不适或性能降级，但不会降低系统的预期有效性；采用层次分析法策略，获得满足Ⅰ类的电器的电磁兼容分类指标为AA；获得满足Ⅱ类的电器的电磁兼容分类指标为AB；获得满足Ⅲ类的电器的电磁兼容分类指标为AC，则m台电器的电磁兼容分类指标为emls=AAABAC,]]>且AA＞AB＞AC，1≤s≤m；步骤502：获取电磁兼容分类权重；对m台电器电磁兼容分类指标EML＝{eml₁,eml₂,…,eml_m}进行数据处理，获得电器电磁兼容分类权重EM＝{em₁,em₂,…,em_m}；其中：emr=emlrΣq=1memlq×100%,]]>1≤r≤m，1≤q≤m；em₁表示第一台电器的电磁兼容分类指标eml₁的权重；em₂表示第二台电器的电磁兼容分类指标eml₂的权重；......em_m表示第m台电器的电磁兼容分类指标eml_m的权重；步骤503：获取人员活动区域分类权重；n个人员活动区域的分类指标HAL＝{1,1,…,1}，得到人员活动区域分类权重HA={1n,1n,...,1n}T;]]>步骤504：采用赋权关系W＝HA×EM，对步骤502中得到的电器电磁兼容分类权重EM＝{em₁,em₂,…,em_m}和步骤503中得到的人员活动区域分类权重进行处理，获得电器短波频段辐射权值矩阵W，其中，w_i，j为矩阵W中对应的元素：第六步：获取生活区短波频段辐射电磁兼容平衡度；采用对应项加权求和策略对第四步中得到的短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S′和第五步中得到的电器短波频段辐射权值矩阵W中的元素进行数据处理，得到生活区短波频段辐射电磁兼容平衡度b；第七步：根据第六步得到的生活区短波频段辐射电磁兼容平衡度，判断是否对生活区辐射电磁兼容性进行整改或者优化；（1）若b≥0，表示生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态符合国军标要求，不会对生活区人员活动区域的人员辐射安全造成影响，则对生活区辐射电磁兼容性平衡状态进行优化；（2）若b＜0，表示生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态不符合国军标要求，将会对生活区人员活动区域的人员辐射安全造成影响，则对生活区辐射电磁兼容性进行整改；根据电器短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S′中负值元素的位置与大小，对电器进行电磁兼容整改，并对整改后的室内电器重复第二步到第六步，直至生活区短波频段辐射电磁兼容平衡度b≥0，即生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态满足国军标限值要求，然后，再对生活区辐射电磁兼容性平衡状态进行优化；第八步：获取短波频段电器理想辐射限值，得到短波频段人员理想暴露限值矩阵；具体包括：步骤801：采用电器模型蒙皮全金属化策略，完成最大衰减情况下短波频段电器理想辐射限值仿真计算；进行电器短波频段辐射发射仿真计算，步骤如下：（1）建立电器模型，并采用蒙皮全金属化策略进行优化，得到生活区短波频段理想限值求解模型；（2）建立电器模型，并针对电器正常工作状态进行馈源设置；（3）调整电器在室内的相对位置；（4）根据步骤一中划分的生活区人员活动区域，对仿真求解区域进行设定；（5）完成短波频段电器辐射发射仿真；步骤:802：采用步骤801中的仿真方法对m台电器进行短波频段辐射发射仿真，并将采集到的短波频段辐射发射仿真计算值，记作SExpl；对第一台电器进行仿真时，区域1的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_1，1，区域2的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_2，1，……，区域n的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_n,1；对第二台电器进行仿真时，区域1的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_1，2，区域2的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_2，2，……，区域n的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_n,2；......同理，对第m台电器进行仿真时，区域1的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_1,m，区域2的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_2,m，……，区域n的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_n,m；步骤803：根据802中采集到数据建立短波频段人员理想暴露限值矩阵SE：第九步：获取生活区短波频段辐射电磁兼容平衡度最优解；生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态优化问题可以归结为：以辐射电磁兼容平衡度为目标函数，短波频段人员暴露界限为求解域的最优化问题；当改变某台电器针对某个区域内的电磁兼容性时，导致矩阵T中对应元素发生变化，如果矩阵T中其他元素也发生变化，则矩阵T为强耦合矩阵，否则，矩阵T为弱耦合矩阵；具体包括：步骤901：当电器短波频段辐射矩阵T为弱耦合矩阵时，矩阵内的各元素之间相互独立；此时，生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态优化问题可以转换为求解以下形式的最优化问题：maxb=Σj=1mΣi=1nwi,j×δi,j′]]>SE＜T＜E其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i，j，SE＜T＜E表示边界条件，电器短波频段辐射矩阵T中元素的取值范围由矩阵SE和矩阵E中对应元素确定；步骤902：当电器短波频段辐射矩阵T为强耦合矩阵时，需要确定矩阵T中各元素之间的耦合关系，从而将该耦合关系转化为优化问题的约束条件；（1）当电器短波频段辐射矩阵T中元素的耦合关系为两两耦合时，即矩阵T中元素Tre_u,v和Tre_u′，_v′之间的关系式为其中u,u′∈[1,n]，v,v′∈[1,m]，f(·)表示某一函数关系，采用泰勒级数对关系式进行展开，可以得到：Treu,v=a0+a1·Treu′,v′+a2·Treu′,v′2+...+at·Treu′,v′t+...]]>其中：t表示泰勒级数对应阶数，为整数，t≥0，a₀、a₁、a₂、……、a_t、……表示t阶泰勒级数的系数；采用线性规划策略对生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态进行分析，去除二阶及二阶以上的高阶项，得到：Tre_u,v＝a₀+a₁·Tre_u′，_v′；则两两耦合条件下的电磁兼容优化问题可以转换为求解以下形式的最优化问题：maxb=Σj=1mΣi=1nwi,j×δi,j′]]>SE<T<ETreu,v=a0+a1·Treu′,v′]]>其中：δ_i，j＝Expl_j-Tre_i,j；采用线性规划理论实现短波频段辐射电磁兼容平衡度b的优化问题，需要对原优化求解域进行修订，令δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_i，j，则优化问题可以转变为：maxb=Σj=1mΣi=1nwi,j×δi,j′]]>δi,j′<δi,j′′Treu,v=a0+a1·Treu′,v′]]>其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i，j，δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_i，j；（2）当电器短波频段辐射矩阵T中元素的耦合关系为多元素相互耦合时，即矩阵T中的元素……，之间的关系为：Treu1,v1=f(Treu2,v2,Treu3,v3,...,Treuw,vw)]]>其中：u₁,u₂,u₃,…,u_w∈[1,n]，v₁,v₂,v₃,…,v_w∈[1,m]，w≤min{n,m}，采用泰勒级数对关系式进行展开可以得到：Treu1,v1=Σt=0∞[a1,t·(Treu2,v2)t]+Σt=0∞[a2,t·(Treu3,v3)t]+...+Σt=0∞[aw-1,t·(Treuw,vw)t];]]>其中，t表示泰勒级数对应阶数，为整数，t≥0，a_1,t、a_2，t、……、a_w-1，t表示各元素t阶泰勒级数的系数；采用线性规划策略对生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态进行分析，去除二阶及二阶以上的高阶项，得到：Treu1,v1=a1,0+a1,1·Treu2,v2+a2,0+a2,1·Treu3,v3+...+aw-1,0+aw-1,1·Treuw,vw]]>即可得到矩阵T中的元素……，之间的约束关系：a1,0+a1,1·Treu2,v2+a2,0+a2,1·Treu3,v3+...+aw-1,0+aw-1,1·Treuw,vw-Treu1,v1=0]]>分别令A＝[a_1，1,a_2，1，…,a_w-1，1]，X=[Treu2,v2,Treu3,v3,...,Treuw,vw,Treu1,v1]T,]]>c＝-a_1,0-a_2,0-…-a_w-1,0，则约束关系可以表示为A·X＝c，则多元素相互耦合条件下的电磁兼容优化问题可以转换为求解以下形式的最优化问题：maxb=Σj=1mΣi=1nwi,j×δi,j′]]>SE<T<EA·X=c]]>其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i,j；采用线性规划理论实现短波频段辐射电磁兼容平衡度b的优化问题，需要对原优化求解域进行修订，令δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_i，j，则优化问题可以转变为：maxb=Σj=1mΣi=1nwi,j×δi,j′]]>δi,j′<δi,j′′A·X=c]]>其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i，j，δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_j,j；步骤903：根据步骤901或步骤902中给出的目标函数以及求解域，采用单纯形法策略，完成目标函数的优化，得到短波频段辐射电磁兼容平衡度b的最大值，以及短波频段辐射电磁兼容平衡度b最大值时对应的电器短波频段辐射矩阵T′；令ΔT＝T-T′，得到生活区短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT：其中ΔTre_i,j为第j个电器在区域i电磁辐射强度调整值；第十步：根据生活区短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT，对生活区短波频段辐射电磁兼容性平衡状态进行优化；根据生活区短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT内元素ΔTre_i，j，确定电器在每个区域内需要降低的短波频段辐射强度，具体为：ΔTre_1，1，ΔTre_2，1，…,ΔTre_n，1，为第一台电器在区域1，区域2，……，区域n所需要降低的短波频段辐射强度；ΔTre_1，2，ΔTre_2，2，…,ΔTre_n，2，为第二台电器在区域1，区域2，……，区域n所需要降低的短波频段辐射强度；......同理，ΔTre_1，m，ΔTre_2，m，…,ΔTre_n，m，为第m台电器在区域1，区域2，……，区域n所需要降低的短波频段辐射强度；根据对生活区短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT中的各个元素的值分别对各台电器在各个区域的辐射强度进行调整，调整方法包括：（1）在满足电器功能性要求的前提下，更换不同辐射强度的电器；（2）在允许范围内，调整电器的位置；（3）提高或降低人员活动区域墙体的屏蔽效能；其中，ΔTre_i，j的绝对值越小，表示人员活动区域短波频段辐射电磁兼容性平衡状态越佳，人员活动时受到的辐射总体受到的辐射就越小；返回第二步，对调整后的电器再次进行优化，直到生活区短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT内元素值达到用户要求的设定值或者生活区的设计要求。