CC BY
41
УДК 612.06
Т. Д. Власов, А. В. Рубинский
Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова (Санкт-Петербург, Россия)
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ «РОССИЙСКИЙ МАГЛЕВ» И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ
Дата поступления 30.05.2017 Решение о публикации 26.10.2017
Аннотация. В статье проведен анализ медико-биологической безопасности результатов работы по проектированию и модельно-лабораторным экспериментам транспортной системы «Российский Маглев».
Цель: Установление локации и уровня полевых физических характеристик вокруг отечественной магнитолевитационной системы «Российский Маглев», разработка научно обоснованных предложений и рекомендаций санитарно-профилактического профиля, необходимых при проектировании и эксплуатации систем защиты, контроля и мониторинга опасного воздействия нерадиационных физических полей на пассажиров, обслуживающий персонал, перемещаемый груз и экологию.
Методы: Выполнен обзор современных представлений о воздействии постоянных и низкочастотных магнитных полей на человека. Изучены и представлены характеристики основных источников воздействия ЭМП на человека при эксплуатации технологии «Российский Маглев». Полученные данные сопоставлены с нормативно-техническими документами по обеспечению электромагнитной безопасности.
Результаты: Были выявлены гигиенические требования по абсолютным величинам и продолжительности действия неблагоприятных факторов на железнодорожном транспорте, неотраженные в действующих инструкциях и СанПиНах, в связи с этим даны рекомендации по наиболее безопасному для человека размещению источников МП, а также защитных средств в салоне экипажа.
Практическая значимость: Проведена необходимая подготовительная работа для проведения медико-биологических исследований в условиях полноразмерной модели.
Ключевые слова: магнитолевитационный транспорт, постоянное и переменное магнитное поле, электромагнитная безопасность.
Введение
В настоящее время в России развитием магнитолевитационных (Маглев) технологий занимаются коллективы нескольких российских организаций (НИИЭФА, ПГУПС, НИУ МАИ, МИИТ, др.), но до сих пор отечественные разработки не вышли из стадий проектирования и модельно-лабораторных экспериментов.
Причин такого положения несколько, отметим на наш взгляд наиболее существенные: на ведомственном и регионально-правительственном уровне нет согласованных действий и документов по перспективам развития Маглев транспорта, не определен рейтинг Маглев технологий, намеченных к реализации, не разработана нормативная база по большинству позиций, необходимых для коммерческой эксплуатации проектов, не определены исходные данные по скоростному режиму движения подвижного состава, не проводятся научно-технические исследования по изучению влияния опасных и вредоносных физических факторов, действующих на пассажиров, обслуживающий персонал в экипаже, работников инфраструктурных подразделений, населения в селитебных зонах пролегания Маглев трасс.
В литературе, посвященной разработкам различных отечественных технологий и проблем Маглева, мы не нашли убедительных оценок соответствия расчетных показателей эксплуатационных характеристик этого вида транспорта действующим в стране санитарно-гигиеническим правилам и нормам (СанПиН), стандартам (ГОСТ), предельно допустимым уровням (ПДУ) по энергетическим и силовым физическим параметрам, другим санитарно-техническим показателям, прописанным в нормативно-технических документах. Так, в работе [2], как и в большинстве ей подобных, с целью констатации эксплуатационной безопасности Маглев транспорта представлены сравнительные оценки расчетных интенсивностей магнитных (МП) и электромагнитных (ЭМП) полей в средах, окружающих будущую отечественную Маглев трассу с существующей полевой обстановкой в большом современном городе на улицах, в городском транспорте, метро, жилых и производственных помещениях. Без ссылок на источники приведены значения интенсивностей излучения ЭМП различными работающими приборами и индукция фонового геомагнитного поля Земли (ГМП). В работе много неточностей, например, приведено значение ГМП, равное 0,5 мкТл, хотя известно, что величина ГМП не постоянный параметр, а пространственно-временная функция, зависящая от положения точки измерения на поверхности Земли, её значения изменяются в пределах от 42 до 70 мкТл [5]. Далее, ссылаясь на мнение «русских ученых» (не указано, кого?), сообщается, что ПДУ МП (постоянного и переменного) для пассажиров Маглева равно 2 мкТл. Эта информация также недостоверна, т.к. до сих пор отсутствуют отечественные регламентарные нормы ПДУ МП, ЭМП на транспортных средствах, а в зарубежных нормативных регламентах указаны совсем другие значения обеспечения магнитной и электромагнитной безопасности [6,7]. Подобные разночтения в оценках эколого-гигиенического влияния Маглев транспорта на организм человека присутствуют в работах и других авторов.
В большинстве отечественных публикаций авторы, для оценки ПДУ на транспорте, применяют нормы, изложенные в СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах», в которых подтверждено известное положение о том, что воздействие постоянных и переменных физических полей на человеческий организм не равноценно и в связи с этим ПДУ для различных видов МП отличаются по градациям зоны облучения и энергетической дозы: для постоянного МП максимальный порог общего облучения организма ограничен величиной 10 мТл, а индукция магнитной составляющей ЭМП низкой частоты, когда электрическую и магнитную составляющие можно рассматривать независимо, на два порядка меньшей, равной 0,2 мТл.
Конечно, при проектировании Маглев транспорта приоритетны энергетический анализ и оптимальные конструктивные и технологические решения, но без корректных эколого-гигиенических расчётов и экспериментальной практики, накладывающей определенные функциональные и конструктивные ограничения на технологию, внедрение нового вида транспорта в эксплуатацию невозможно.
На предыдущих конференциях по магнитолевитационным транспортным системам и технологиям (СПб, ПГУПС) и в литературе [1-4] отмечалась универсальность и перспективность внедрения в эксплуатацию результатов отечественного технологического проекта «Российский Маглев» - разработки транспортной технологии, рассчитанной для применения на междугородных скоростных пассажирских магистралях со скоростным режимом до 600 км/час и для грузовых контейнерных перевозок со скоростью до 400 км/час.
В этой транспортной технологии предложена левитационная конструкция в виде путевой структуры, состоящей из магнитных рельсов (МР), изготовленных из блоков постоянных магнитов КёБеВ, собранных по схеме Хальбаха, и уложенных вдоль всей трассы, Маглев тележек, содержащих аналогичные бортовые блоки Хальбаха (возможен вариант -вместо блоков постоянных магнитов использовать блоки объемных высокотемпературных сверхпроводников 2-ого поколения) и тяговой системы, построенной на базе линейного синхронного двигателя (ЛСД) с рабочими элементами, размещенными в путевой структуре вдоль трассы и в экипаже. Предлагаемая система действия магнитного подвеса основана на взаимодействии потоков магнитных полей от постоянных магнитов (массивов Хальбаха), размещенных на борту экипажа и в МР. Известны вариации этой технологии с использованием вместо МР разгонных систем и «реактивной» полосы из высокопроводящего металла, вмонтированной в путевую структуру.
В работах по проекту «Российский Маглев» сообщается о технических разработках и экспериментально-модельных исследованиях в области поиска оптимальных конструктивных решений, но отсутствуют
подходы и планы проведения эколого-гигиенических исследований для оценки полевой безопасности предлагаемых конструктивных вариантов. Нет конкретных результатов подобных исследований и в зарубежных изданиях, содержащих анализ и итоги коммерческой эксплуатации различных технологий Маглева [6,7].
Целью настоящей работы является установление локации и уровня полевых физических характеристик вокруг отечественной магнитолевитационной системы «Российский Маглев», разработка научно обоснованных предложений и рекомендаций санитарно-профилактического профиля, необходимых при проектировании и эксплуатации систем защиты, контроля и мониторинга опасного воздействия нерадиационных физических полей на пассажиров, обслуживающий персонал, перемещаемый груз и экологию.
Современные представления о методологии изучения воздействия постоянных и низкочастотных магнитных полей на человека
Отсутствие полноценных эколого-медицинских исследований безопасной эксплуатации Маглева можно объяснить распространенным стереотипом об адаптации человека к воздействию магнитного поля: за долгое время эволюции физиологические функции организма человека приспособились к воздействию ГМП, солнечным и земным магнитным аномалиям, техногенным МП и пр. Кроме того, в ранних работах по исследованию влияния МП и ЭМП на живые организмы, из-за несовершенства инструментальной базы, были получены данные, что уровни постоянного МП индукцией до 2 Тл. не оказывают существенного влияния на основные показатели функциональных систем организма животных и человека. В связи с этим долгое время считали, что искусственные МП, применяемые в промышленном производстве, науке и технике, медицинской физиотерапевтической практике и диагностических исследованиях ЯМР, МРТ безвредны [9,10].
Однако в других, более современных литературных источниках [11,12] сообщается, что патологическое действие на человека оказывают не только сильные (В > 1,5 Тл.) постоянные МП, но и средние (5*10-2- 1,5)Тл., а также слабые (10-2 - 5*10-5 ) Тл., соизмеримые с ГМП, и даже сверхслабые (В<10-5 Тл), одним из механизмов действия которых считают усиление или ослабление ГМП в рассматриваемой биосистеме.
Нет согласованных данных и в исследованиях влияния структурно разнообразных видов МП (постоянное, переменное, однородное, дискретное, градиентное, комбинированное) на организм человека и животных.
Современные представления о влиянии МП на человека состоят в следующем: несмотря на то, что в человеческом организме нет
специализированных магниторецепторов - образований, непосредственно реагирующих на МП, - физиологические системы живого организма чрезвычайно чувствительны к воздействию постоянных и переменных МП в весьма широком диапазоне амплитуд и частот.
К настоящему времени известно большое количество публикаций с оценкой и трактовкой результатов биологических исследований по вопросам функционального влияния и механизмов действия МП на различные физиологические процессы. В них содержится огромный экспериментальный материал, доказывающий воздействие МП на человека в широком диапазоне интенсивностей и частот, предложены правдоподобные объяснения наблюдаемых явлений на организменном уровне, с привлечением информационной, биомембранной и др. гипотез, но общепринятого, окончательного ответа на вопрос о механизмах воздействия МП на человека до сих пор нет.
В заключение данного раздела перечислим интегрированные основные результаты медико-биологических исследований, полученных на большом контингенте работников, занятых в средах, нагруженных постоянным/переменным МП средней интенсивности (10-1 - 1) Тл.
Считается, что наиболее чувствительны к воздействию МП этого диапазона регуляторные системы организма - нервная, нейроэндокринная и сердечно-сосудистая. Формы проявления синдромов - разные, наиболее часто - неврастенический синдром с вегетативными дисфункциями и нейроциркуляторными расстройствами, глубина и стойкость которых определяется поглощенной экспозиционной дозой. Ряд авторов-кардиологов наблюдали увеличение систолического и диастолического артериального давления, вариабельность частоты сердечных сокращений, изменения в минутного объема крови, патологические нарушения в диаграммах ЭКГ, клинических анализах крови (снижение концентрации эритроцитов, гемоглобина, умеренный лейкоцитоз).
В области симптоматики преобладали жалобы на головные боли, повышенную утомляемость, раздражительность, снижение работоспособности. В числе латентных последствий - развитие онкологических новообразований, лейкозы, гормональные патологии.
В ряде работ, посвященных сравнительному исследованию воздействия низкочастотного и постоянного МП на организм человека, сообщается о большем риске развития отмеченных патологий при действии сравнительно менее интенсивного переменного МП.
Результаты исследования характеристик основных источников электромагнитных полей в технологии «Российский Маглев»
Практически все современные транспортные средства оснащены сложным системным энергетическим и информационным оборудованием, потребляющем и излучающим электромагнитную энергию.
На магнитолевитационном транспорте, помимо
высокоэнергетических установок магнитного подвеса и тягового двигателя широко применимы устройства с электронными и электротехническими элементами связи, управления, автоматики, работа которых сопряжена с излучением ЭМП различной интенсивности, частоты, направленности в окружающее пространство.
Таким образом, пассажиры Маглева, обслуживающий персонал в экипажах, технические работники, выполняющие ремонтные и профилактические работы на трассе, в инфраструктурных подразделениях, подвергаются воздействию неионизирующих электромагнитных излучений, величина и воздействия которых может существенно превышать ПДУ и критичную для организма человека дозу пребывания в неблагоприятной зоне, наносить вред его здоровью.
Основными источниками постоянных МП в салоне «Российского Маглева» являются массивы Хальбаха, конструктивно входящие в состав левитационной системы, размещенные под днищем экипажа и в путевой структуре магнитного рельса (МР).
Кроме них, большой вклад в полевую нагрузку салона экипажа и пространства, окружающего трассу, вносит работа мощной тяговой системы ЛСД, включающая статор - активную путевую обмотку, размещенную по всей длине трассы и ротор (бегун) - магнитную систему, составленную из блоков Хальбаха, размещенную на борту экипажа.
Путевая обмотка представляет собой систему контуров, уложенных в путевую структуру с периодом т, со сдвинутыми относительно друг друга фазными токами. Эта система контуров создает периодическое синусоидальное распределение тока вдоль трассы (или участков трассы), а в итоге - бегущее МП.
Ротор - бортовая магнитная система Хальбаха - собран из магнитных блоков КёБеВ, размером 50х50х500 мм, и за счет взаимодействия с бегущим МП статора обеспечивает движение экипажа со скоростью, зависящей от частоты питания путевой обмотки: V = 2 • / • т.
Другими источниками неблагоприятных нагрузочных ЭМП в экипаже и в зоне прохождения Маглева являются излучения, создаваемые в салоне аппаратурой управления и связи, кабелями с током, шинами распределительных щитов, мониторами ПК, прочим оборудованием. В нашем исследовании ограничимся изучением полевой топографии постоянных и переменных магнитных полей, образуемых левитационной и тяговой системами.
Уровни индукции постоянного МП в экипаже (таблица 1) оценивали по экспериментальным данным, полученным в результате замера индукции
в окружении блока Хальбаха прибором Ф 4354/1 (погрешность измерений до 2,5%). Уровни индукции переменного МП статора (таблица 2) рассчитывали теоретически по модели ЛСД, описанной в [2]. При этом в расчет закладывали оптимальные конструкционно-энергетические параметры проектируемого ЛСД:
1. изменение скорости экипажа от 0 до 111 м/с (400 км/час);
2. полюсное деление т = 0.5 • п • h = 0.2м., соответствующее получению максимальной тяги двигателя и оптимального по величине левитационного клиренса h = 0,13 м.;
3. частота бегущего МП f = ^ = 2.5 • V (Гц).
4. размещение и электропитание системы трехфазных контуров обмотки статора соответствует эффективному режиму генерации гармонического бегущего МП при оптимальном тяговом усилии ЛСД (фазная сила тока I = 2.5 • 103A. , напряжение U = 2.85 • 103В).
Таблица 1. Экспериментальные значения Bz - составляющей индукции постоянного МП, окаймляющего блок Хальбаха.
Z , м B, мТл
0 800
0,1 40
0,2 5
Ъ - ось, ортогональная поверхности массива Хальбаха, направлена в сторону салона экипажа
Таблица 2. Расчётные значения В2 - составляющей индукции переменного МП статора.
Z , м B, мТл
0,1 300
0,2 180
0,3 61
0,4 13
0,5 3
0,7 <1
Ъ - ось, ортогональная путевой структуре статора, направлена в сторону салона
экипажа
Анализируя экспериментально-расчётные результаты,
представленные в таблицах 1,2, приходим к выводу, что во время движения состава пассажирский салон вагона «нагружается» комбинированным (постоянным и переменным) МП индукцией существенно превышающей действующие в настоящее время санитарно-эпидемические нормы по постоянным и переменным МП в местах нахождения людей (СанПиН 2.2.4.3359-16).
Кроме того очевидно, что по эксплуатационным, технологическим и др. обстоятельствам Маглев поезд будет двигаться по трассе неравномерно, т.е. его мгновенная скорость будет переменной величиной. Выше было указано, что скорость ЛСД связана прямо пропорциональной зависимостью с частотой питания обмоток статора, следовательно, проникающее в салон неблагоприятное комбинированное МП, будет иметь нестационарный (стохастический) характер. В действующем регламенте СанПиН пронормированы допустимые параметры индукции переменных МП.
В модернизированной нами Таблице 3 показаны допустимые значения магнитной индукции переменного МП в зависимости от частоты питания статорной обмотки (скорости движения экипажа).
Таблица 3. Контрольные (допустимые) уровни переменных магнитных полей
(среднеквадратичные значения магнитного поля).
Диапазон частот, f (Гц) Скорость , V (м/с) Магнитная индукция, B (мТл)
<1 <0,4 40
1-8 0,4 - 3,2 40-5
8-25 3,2 - 10 5-0,2
25-280 10 - 112 0,2-0,02
Таким образом, сравнивая экспериментальные данные, результаты расчётов и ПДУ, представленные в таблицах 1,2,3, получаем, что проникающее в виртуальный салон экипажа «Российского Маглева» комбинированное нестационарное МП, на несколько порядков превышено по абсолютной величине индукции и интенсивности.
Однако до настоящего времени не решен вопрос об уровне переносимости и адаптационных возможностях организма человека при попадании в зону стохастической изменчивости переменного магнитного поля. Для его решения необходимо провести полевые модельные эксперименты в экипажах с ЛСД, работающих в режиме разгона, поддержания скорости, торможения. Из известных нам профессий, в подобном антураже магнитной нестабильности с длительной экспозицией работают машинисты (водители) транспортных средств в конструкции которых предусмотрен электродвигатель. Для такой категории работников предусмотрены плановые медицинские осмотры, реабилитационные мероприятия и др.
С учетом конструктивных особенностей Маглева (малое расстояние от днища вагона до магнитного рельса, специфика магнитного двигателя, конструктивные особенности ЛСД и пр.) можно предполагать, что в таких же и даже более неблагоприятных условиях будут находиться пассажиры и обслуживающий персонал рассматриваемой технологии Маглева. Поэтому, даже на стадии проектирования, необходимо предусмотреть один из вариантов или комбинацию технической защиты, сочетающую
конструктивные методы, компенсацию, экранирование. Рекомендовать наиболее эффективный метод можно будет после проведения экспериментальных исследований, так как в настоящее время публикаций по влиянию на человека нестационарных, комбинационных МП мало, а регламентирующие документы вообще отсутствуют.
Практическая значимость работы по совершенствованию нормативно-технических документов для обеспечения электромагнитной безопасности
В России традиционно гигиеническое нормирование МП и ЭМП регламентируют по пороговому принципу, согласно которому в качестве вредоносного действия принимают минимальную интенсивность полевого физического фактора, при воздействии которого в организме происходят изменения морфологического или функционального характера, выходящие за рамки адаптационно-компенсационных реакций гомеостаза. Наличие этих изменений устанавливают инструментальными и клинико-лабораторными методами при проведении комплексных наблюдений за изменением функционального состояния различных систем живого организма испытуемых (человека, лабораторных животных) как непосредственно, в процессе воздействия потенциально вредоносного фактора, так и в отдаленном периоде. В таблице 4 приведены допустимые дозы воздействия постоянных МП на рабочих местах, согласно действующему в настоящее СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах», которые, из-за отсутствия регламента по дозам облучения МП, пассажиров и обслуживающий персонал на транспорте необходимо учитывать при проектировании и строительстве пассажирского Маглев поезда.
Таблица 4. ПДУ постоянного магнитного поля на рабочих местах
Время воздействия за рабочий день, мин Условия воздействия
общее локальное
ПДУ напряженности, кА/м ПДУ магнитной индукции, мТл ПДУ напряженности, кА/м ПДУ магнитной индукции, мТл
10 24 30 40 50
11-60 16 20 24 30
61-80 8 10 12 15
Сопоставив данные в таблицах 1 - 4, приходим к выводу: чтобы воздействие МП на персонал, обслуживающий Маглев трассу в экипаже и на инфраструктурных объектах, соответствовало действующему регламенту при длительности нахождения в засоренной среде до 1 часа, источники постоянного МП (массивы Хальбаха) должны находится на расстоянии более 20 см от человека, а источник переменного МП (активная путевая обмотка статора) на расстоянии более 40 см. И это - требования для работников, проходящих регулярный осмотр и плановую диспансеризацию, а не для пассажиров! Люди, незадействованные в производстве, должны находиться на большем расстоянии и для них экспозиционная доза должна быть меньше.
Многие гигиенисты считают применение порогового критерия для обоснования гигиенических нормативов дискуссионным, так как физиологическая чувствительность отдельных элементов структуры исследуемой функциональной системы на внешнее воздействие может существенно различаться. Так, например, в дифференциальных исследованиях поведения центральной и вегетативной нервной системы (ЦНС и ВНС) организма в слабых и сверхслабых МП и ЭМП, интенсивность которых была на несколько порядков ниже установленных ПДУ, наблюдали функциональные и полиморфные изменения в регуляторной и информационной системах на фоне благополучного интегративного показателя физиологической нормы гомеостаза.
В связи с этим, на наш взгляд, для выявления расстройств в деятельности ВНС, наиболее чувствительной к воздействию неблагоприятных для организма внешних факторов, целесообразно использовать апробированные методики определения функционального состояния организма на полисистемном уровне для выявления возможных индивидуальных реакций организма на МП. Для этого используют мониторные системы физиологических (спироартериокардиоритмография), психофизиологических (устройство для исследования психомоторной деятельности человека) и биохимических (лазерная корреляционная спектроскопия) показателей [13,14]. Это позволит составить более точные рекомендации для проектирования Маглев поезда с точки зрения медико-биологической безопасности, как обслуживающего персонала, так и пассажиров.
Заключение
Результаты представленной работы позволили сформулировать следующие выводы по медико-биологической безопасности человека:
1. В исследовании продемонстрировано, что наибольшую нагрузку на нервную систему оказывает переменное магнитное поле, изменяющееся случайным образом.
2. Необходимо проведение экспериментального исследования влияния на живой организм стохастического переменного ЭМП соответствующего расчетным характеристикам движения Маглев транспорта.
3. Провести полевые эксперименты и на основе их результатов разработать СанПиН воздействия нерадиционных полевых характеристик на транспорте для пассажиров и обслуживающего персонала.
4. Рекомендовать применение защитных средств в салоне экипажа, используя конструктивные, компенсационные и экранирующие средства и технологии.
Библиографический список
1. Антонов Ю. Ф. Магнитолевитационная транспортная технология / Ю. Ф. Антонов, А. А. Зайцев; под ред. В.А. Гапановича - М.: Физматлит, 2014. - 476 с.
2. Антонов Ю. Ф. Магнитолевитационный транспорт: научные проблемы и технические решения: сб. статей / под ред. Ю. Ф. Антонова, А. А. Зайцева. - М.:Физматлит, 2015. - 611с.
3. Зайцев А. А. Транспорт на магнитном подвесе: монография / А. А. Зайцев, Г. Н. Талашкин, Я. В. Соколова; - СПб, ПГУПС. - 2010. -160 с.
4. Земной магнетизм: Физическая энциклопедия, т. 2. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - 81 с.
5. Electriciti and Magnetism in Biology and Medicine /Dietrich F.M. et. а1, еd. M.Blank. - San Francisco: Press Inc., 1993. - 267 р.
6. Васильев С. В. Системы магнитной левитации отталкивающего типа для высокоскоростного транспорта (обзор зарубежных исследований) / С. В. Васильев, В. И. Матин, А. А. Микиртичев, К. И. Ким // Известия вузов. Электромеханика. - 1977. - №8. - С. 882-888.
7. Птицына Н. Г. Естественные и техногенные низкочастотные магнитные поля, как факторы потенциально опасные для здоровья / Н. Г. Птицына, Дж. Виллорези, Л. И. Дорман, Н. Юччи, М. И. Тясто // Успехи физических наук. - 1998. - т. 168. - №7. - С. 767-791.
8. Пальцев Ю. П. Гигиеническая оценка постоянных магнитных полей как фактора производственной среды / Ю. П. Пальцев, В. А. Рощин// Медицина и здравоохранение. Серия гигиена. - 1987. - вып.2. - С. 1-65.
9. Мокоян Б. О. Гигиенические факторы риска здоровью медицинского персонала при работе с магнито-резонансными томографами: автореферат дис. канд. мед.наук: спец.14.02.01/ Мокоян Бэлла Оганесовна: [Федер. НЦГ им. Ф. Ф. Эрисмана]. - М., 2013 - 24 с.
10. Сборник избранных трудов 4 Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине», симпозиум В.
- СПб, 2006.
11. Космическая погода: её влияние на человека и биологические объекты: Материалы Международной конференции. Москва, 2005г.
- М., 2006.
12. Пономаренко В. А. Магнитное поле как эпигенетический фактор: теоретические и медицинские аспекты / В. А. Пономаренко, В. Н. Запорожан, Л. А. Носкин, В. И. Кресюн, Ю. И. Бажора, А. П. Романчук; под ред. В. Н. Запорожана // Факторы и механизмы саногенеза: монография
- Одесса: ОНМедУ. - 2014. - С. 100-29.
13. Рубинский А. В. Медико-биологические подходы к проблемам безопасной эксплуатации магнитолевитационного транспорта / А. В. Рубинский, Л. А. Носкин // Транспортные системы и технологии.
- СПб.: ПГУПС, 2016. - № 4 (6). - С. 114-127. - URL: http://www.transsyst.ru/vypusk-46-2016.html (26.04.2017).
14. Герасимова Л. С. Спиро-артерио-кардио-ритмография как дифференциатор индивидуального адаптогенеза при медитации / Л. С. Герасимова, Н. Д. Шандыбина, Л. А. Носкин, А. В. Рубинский, К. Павлидис // Системный анализ и управление в биомедицинских системах.
- 2016. - №1(15). - С. 22-27.
Сведения об авторах:
ВЛАСОВ Тимур Дмитриевич, доктор медицинских наук, профессор, декан лечебного факультета ФГБОУ ВО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И.П. Павлова» Минздрава РФ. E-mail: tvlasov@yandex.ru
РУБИНСКИИ Артемий Владимирович, кандидат медицинских наук, доцент, доцент кафедры медицинской реабилитации и адаптивной физической культуры, ФГБОУ ВО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова» Минздрава РФ. E-mail: rubinskiyav@1spbgmu.ru
© ВЛАСОВ Т. Д., РУБИНСКИЙ А. В., 2017
UDC 612.06
T. D. Vlasov, A. V. Rubinskiy
Pavlov First Saint Petersburg State Medical University (St. Petersburg, Russia)
OPERATION OF "RUSSIAN MAGLEV" TRANSPORT SYSTEM AND MEDICAL-BIOLOGICAL SAFETY ASPECTS
Date of receipt 30.05.2017 Decision to publish on 26.10.2017
Abstract. The article deals with the analysis of medical and biological safety of the results of work on the design and model-laboratory experiments of "Russian maglev" transport system.
Purpose. The purpose of the work is determination of location and level of field physical characteristics of national magnetic levitation system "Russian maglev", development of scientifically justified preventive-sanitary suggestions and recommendations necessary for design and application of the systems for protection, control and monitoring of hazardous effects of non-radiation physical fields on passengers, personnel and transported cargo and ecology.
Methodology. To achieve the set purpose a review of modern ideas on the influence of constant and low frequency magnetic fields on people was carried out, characteristics of main sources of EMF influence on people during "Russian maglev" technologies operation were studied and described. The obtained results were compared with technical documents on electromagnetic safety.
Results. As a result of this work, hygienic requirements for absolute levels and length of unfavourable factors impact on railway transport were determined, which are not mentioned in the active Sanitary Regulations and Instructions. Considering this, recommendations for the most safety placement of MF for people and safety means in crew vehicle were given.
Practical significance. The significance of this work is that the preliminary work for medical-biological studies in conditions of full-size model was carried out.
Keywords. magnetic levitation transport, permanent and alternating magnetic field, electromagnetic safety
Introduction
Now, in Russia several organisations are engaged in development of magnetic levitation (maglev) technologies: NIIEFA, PGUPS, St. Petersburg Polytechnic University, National Research Institute of Moscow Aviation Institute, and MIIT. But still, national elaborations have not left the stage of design and laboratory experiments.
There are several reasons for that. Let us highlight the most substantial ones. on the administrative and governmental regional levels, there are no confirmed actions and documents on development of maglev technologies, no maglev technologies have been singled out for realisation, no technical
requirements base for most aspects has been worked out which are needed for commercial operation of projects, no source data on speed regimes of rolling stock have been determined, no technical and scientific studies are being carried out aimed at studying hazardous effects on passengers, staff and infrastructure workers, population in residential areas with where maglev lines are supposed to be lain.
In the books devoted to elaborations of national technologies and problems of Maglev, we did not succeed in finding convincing evaluations of compliance of calculated data of operation properties of this mode of transport with Russia's active Sanitary Regulations and Instructions, National Standards (GOST), Maximum permissible levels of power and physical parameters, other sanitary and technical data, prescribed in normative and technical documents. Thus, in the studies (2), just like in most similar ones, with the aim to prove operation safety of maglev transport, comparative evaluations of calculated intensities of magnetic fields (MF) and electromagnetic fields (EMF) in environments surrounding the future line of maglev with the current situation in big modern city's streets, urban transport, metro, residential houses and production buildings were presented. Without proper references, the values of intensities of emission of EMF by different working equipment and induction of the Earth's geomagnetic field (GMF). The work is abundant in inaccuracies, for example: the value of GMF is given which is equal to 0.5 ^T, though it is a known fact that GMF value is not a constant parameter, but a space and time function, which depends on location of point of measurement on the surface of the Earth, and its value therefore varies from 42 to 70 ^T (5). Further in the text, referring to the viewpoint of "Russian scientists" (without actually giving the names), it is maintained that maximum permissible levels of MF (permanent and alternating) for passengers equals 2 ^T. This is also an unreliable statement because there are still no national requirements of maximum permissible levels of MF and EMF on transport, whereas in other country's requirements one could see different values of magnetic and electromagnetic safety provision (6, 7). This conflict of information about maglev transport ecological and hygienic impact on human organism is also seen in the works of other authors.
In most national publications, when estimating maximum permissible levels of MF on transport authors apply norms, specified in Russia's Sanitary Regulations and Instructions 2.2.4.3359-16 "Sanitary and epidemiological requirements to physical factors in working places", in which the confirmation of statement is seen, that impact of permanent and alternating physical fields on human organism is unequal and hence maximum permissible levels for different kinds of MF differ by gradation of zone of exposure and exposure dose are: for permanent MF the maximum threshold of exposure is limited to 10 ^T, and the induction of EMF magnetic component of lower frequency (when electric and magnetic components are regard independently) is by two orders of magnitude smaller and equal to 0.2 ^T.
Of course, during design of maglev transport in terms of power aspect, it would be based on energy-related analysis and calculation of electromagnetic phenomenon, but without correct ecological and hygienic calculations, which impose certain functional and constructive limits on the technology, the implementation of the new mode of transport is impossible.
During the previous maglev transport and systems-related conferences (Saint Petersburg, PGUPS) and in the literature (1 - 4), it was pointed at diversity of application and benefits of implementation of results of national project "Russian Maglev" - the elaborations of the technology designed for intercity passenger mainlines with speeds up to 600 km/h and for freight containers transportation with speeds up to 400 km/h.
For this transport technology, the levitation construction in the form of guideway was proposed. It consists of magnetic rails (MR), made of NdFeB permanent magnet blocks, assembled according to Halbach array and lain along the entire track; maglev bogies with similar onboard Halbach blocks (instead of permanent magnet blocks high-temperature superconductor blocks of 2nd generation can also be used); and traction system based on synchronous linear motor (SLM) with its working elements deployed in the guideway structure along the track and in the vehicle. The proposed system of EMS is based on interaction of currents of magnetic fields from permanent magnets (Halbach array), deployed onboard of vehicles and in MR. There are known variations of application of this technology, when instead of MR the acceleration systems and "reactive" elements of highly-conductive metals were used, deployed in the guideway structure.
In the works within the project "Russian Maglev" it is said about technical developments and experimental researches finding optimal constructive solutions, but approaches and plans of ecological and hygienic researches for evaluation of danger of the proposed constructive options are absent. There are also no specific results of this kind of researches in other countries' publications, dealing with analysis and results of commercial operations of different maglev technologies (6, 7).
The purpose of this work is determination of location and level of field physical characteristics of national magnetic levitation system "Russian maglev", development of scientifically justified preventive-sanitary suggestions and recommendations necessary for design and application of the systems for protection, control and monitoring of hazardous effects of non-radiation physical fields on passengers, personnel and transported cargo and ecology.
Today's ideas about methods of research of permanent and low-frequency
magnetic fields on human organism
The lack of full-fledged ecological and medical researches of safe operation of maglev can be explained by a popular stereotype of adaptation of people to magnetic field impact: during the long course of evolution physiological functions of human body have adapted to GMF impact, sun and Earth's magnetic anomalies, man-caused MF, etc. Besides, in the early studies of MF and EMF impacts on living organisms, due to insufficiently developed instruments, the data were received, which stated that levels of permanent MF with induction of less than 2 T do not affect significantly functional systems of humans and animals. Therefore, it has been assumed for a long time, that artificial MF applied in industrial production, science and machinery, medical sphere and NMR and MRI diagnoses do not have any harmful effect (9, 10).
However, in other more modern sources (11, 12) it is said that pathological impact on humans is made not only by intense permanent (B > 1,5 T) magnetic fields, but also medium ones (5*10-2- 1,5 T), weak ones (10-2 - 5*10-5 T), comparable to GMF, and superweak ones (B<10-5 T), one of the mechanisms of performance of which is considered to be weakening of GMF in the biosystem considered.
There are also no common data in the studies of impact of structurally different types of MF (permanent, alternating, uniform, discrete, and gradient) on human and animal organisms.
Today's ideas of MF impact on humans consist in the following: despite human organism having no special magnetic receptors, sensors which react to MF, physiological systems of living organisms are extremely sensitive to permanent variables of MF in quite a wide range of amplitudes and frequencies.
As of today, we are aware of large number of publications with estimation and understanding of results of biological studies of functional impact and mechanisms of performance of MF on different physiological processes. They contain huge experimental material, which proves MF impact on humans in a wide range of intensities and frequencies, suggest reliable explanations of the phenomena surveyed on the level of organism, including informational, biomembrane and other hypotheses, but there is still no a widely accepted answer to the question of mechanisms of impact of MF on humans.
In this chapter, we will dwell upon intergrated results of the studies, carried out at large number of workers who operated in environment with magnetic fields of medium intensity (10-1- 1 T).
It is assumed that, the most sensitive systems to this diapason are regulatory systems - neural, endocrine and cardiovascular. The syndromes of the exposure manifest themselves differently. Among them, the most frequent are: neurasthenic syndrome with autonomic dysfunctions and neurocirculatory disorders, the depth and duration of which are dependent upon exposure dose. A number of author-
cardiologists have detected increase of systolic and diastolic blood pressures, heart rate variability, cardiac output, changes in ECG diagram, in full blood exam - decrease of concentration of erythrocytes, haemoglobin, and moderate leukocytosis.
As for the symptoms, headaches, increased fatigability, irritability, decrease of workability were most widespread. Among the latent consequences, there were development of oncological neoplasms, leukaemia, hormonal pathologies.
In several works, devoted to comparative study of low-frequency and permanent MF impact on human body, it is reported on high risk of development of above-mentioned pathologies under exposure of relatively less intense permanent MF.
Results of studies of properties of basic EMF sources in the technology
"Russian Maglev"
Almost all modern transport systems are equipped with complex power supply and information equipment that consumes and radiates electromagnetic energy.
On maglev transport apart from high-energy magnetic suspension facilities and traction motor, devices with electronic and electrotechnical elements of communication, control, automatics are widely used. Their operation is bound with EMF radiation of different intensity, frequency, and direction to the environment.
Thus, passengers, staff, technicians of maglev transport, who do repairs and preventive works on the line and infrastructure facilities, are exposed to non-ionising electromagnetic radiation, whose value and dose of exposure may significantly exceed maximum permissible level and dose of presence in hazardous zone, thus damaging human health.
General sources of permanent MF in "Russian Maglev" trains are Halbach arrays, which are part of the construction of levitation system. The arrays are located under bottom of vehicles and in guideway structure (MR).
Apart from them, work of powerful traction system of LSM, including active stator track winding located along the entire line, and rotor, magnet system made of Halbach blocks located in the vehicles, greatly contribute to the field load of vehicles and environment.
Track winding is a system of contours with phase currents shifted relatively to each other, lain in the track structure with a period t. This system of contours creates a periodic sinusoidal distribution of currents along the track or track sections, finally resulting in a running MF.
Rotor, the onboard Halbach magnetic system, is assembled of NdFeB magnet blocks of size 50x50x500 mm and owing to interaction with running MF
of stator ensures movement of vehicle at speed dependent on frequency of track winding power supply: V = 2 • f • t.
Other sources of EMF in the zone of maglev trains operation are radiations, created by vehicle equipment of control and communication, cables, switchboard buses, PC screens, and other devices. In our work, we would like to limit ourselves with studying field topography of permanent and alternating MF, generated by levitation and traction systems.
Levels of induction of permanent MF in a vehicle (Table 1) were evaluated in accordance with experimental data obtained during measurement of induction around Halbach blocks by virtue of Teslaampermeter F4354/1 (inaccuracy is from 2.5% till 10 %). Levels of induction of stator alternating MF (Table 2) were calculated theoretically by model of LSM, described in (2). At the same time, optimal constructive and power parameters of the LSM under design were set as follows:
change of velocity of vehicles from 0 till 111 m/s (400 km/h);
polar pitch t = 0.5 • n • h = 0.2 m, corresponds to obtaining maximum
traction of motor and optimal levitation clearance h = 0.13 m;
frequency of running MF f = — = 2.5 • V (Hz);
location and power supply of the system of three-phase contours of stator winding (phase current power is I = 2.5 • 103A) ensured sinusoidal running MF.
Table 1. Levels of induction of permanent MF dependent on the distance to the surface
of Halbach block
z *, M B, |T
0 800
0.1 40
0.2 5
*z - distance to the surface of Halbach blocks Table 2. Levels of induction of alternating MF dependent on the distance to stator
Z, m B, |T
0.1 300
0.2 180
0.3 61
0.4 13
0.5 3
0.7 ~1
Comparing these two options, we come to conclusion that a more remote action of MF will be produced as a result of work of LSM. At the same time, if a
maglev train runs in rapidly changing conditions (wind, falls, etc.) the work of the motor will not be the same. Consequently, the properties of MF will also vary.
The Table 3 shows changes of induction of MF dependent on current frequency.
Table 3. Control levels of alternating MF (root mean square values of MF)
Frequency range, Hz Approximate velocity Magnetic induction, |iT
<1 <0,4 m/s 40
1-8 0,4 - 3,2 m/s 40-5
8-25 3,2 - 10 m/s 5-0,2
25-280 10 - 112 m/s 0,2-0,02
However, till nowadays the question of levels of human body tolerance and adaptation capabilities when placed in a zone of stochastic fickleness of alternating MF has not been solved yet. To solve this problem, experiments with characteristics similar to calculated characteristics of LSM for acceleration, maintenance of speed and braking are needed. Today, such "magnetic storm" have long-term exposure only drivers of transport with electric motors. For this category of workers, regular medical examinations, rehabilitation activities, etc. are envisaged. Bearing in mind construction features of maglev trains (small gap between MR and vehicle, construction of motor, etc.) we could assume that all passengers of these trains might be placed in these conditions. One of options of technical protection should be taken: construction methods, compensation, shielding, etc. It will become possible to recommend the most efficient method, when experimental studies have been carried out, since as of today there are few publications on MF impact on humans.
Practical significance of the work on improvement of normative and technical documents of electromagnetic safety provision
In Russia, usually hygienic regulation of MF and EMF is carried out according to threshold principle. According to this principle, the minimum intensity of field physical factor is taken as a harmful factor. When this factor occurs, organism suffers morphological and functional changes, going beyond limits of adaptation and compensation reactions of homeostasis. The presence of these changes is detected instrumentally or by means of laboratory and clinical methods while examining changes of functional changes of living organisms' systems (humans and animals) both during exposure of the factor and after it. The Table 4 gives maximum permissible levels of permanent MF stipulated in the active Sanitary Regulations and Instructions 2.2.4.3359-16 "Sanitary and epidemiological requirements to physical factors in working places", which should be abided by when constructing maglev trains.
Time of exposure per one working day, min Conditions of exposure
Common Local
MPL of excitation, kA/m MPL of magnetic induction, |iT MPL of excitation, kA/m MPL of magnetic induction, ^T
10 24 30 40 50
11-60 16 20 24 30
61-480 8 10 12 15
Thus, comparing data of tables 1, 2 and 4 we come to conclusion that if the impact of a permanent magnet field on a passenger is supposed to meet the Sanitary Regulations and Instructions at time travel no less than one hour , the source of permanent magnetic field should be placed at a distance of at least 20 cm from a human. While the source of alternating magnetic field (stator) should be placed more than 40 cm away from human beings. And these are MPL for workers, not for passengers! People who are not engaged in production processes should be located at bigger distances with less time of exposure.
Plenty of hygienists consider the application of the threshold principle for the justification of hygienic standards as disputable, since the physiological sensitivity of individual elements of the structure of the functional system under study to external influences can vary significantly. Thus, for instance, in separate studies of behaviour of the central nervous system (CNS) and the autonomic nervous system (ANS) in weak and superweak MF and EMF with intensities of several orders of magnitude lower than those set by MPL, functional and polymorphic changes of regulatory and informational systems in the background of a favourable integrative index of the physiological norm of homeostasis were seen.
In this regard, in our opinion, in order to identify the disorders in the activity of the ANS, which is most sensitive to impact of unfavourable external factors, it is reasonable to use approved methods for determination of functional state of organism on a polysystematic level for identifying possible individual reactions to MF. To achieve this, monitoring systems of physiological, psychophysiological (a device for studying human psychomotor activity) and biochemical (laser correlation spectroscopy) indexes (13, 14) are used. This will make it possible to make more accurate recommendations for the design of the Maglev train in terms of medical and biological safety of both the staff and passengers.
Conclusion
The results of the works enabled making the following conclusions on medical and biological safety of people:
• The studies have demonstrated that the most severe impact on the nervous system is made by alternating magnetic field, which changed in a stochastic way.
• It is necessary to carry out experiments on impact of alternating EMF with calculated characteristics of maglev for different phases of traffic.
• Basing on the conducted studies, Sanitary Regulations and Instructions of impacts of non-radiation field characteristics on transport for passengers and staff should be worked out.
• Placement of means of protection from electromagnetic field in vehicles (construction, compensation, and shielding methods) should be recommended.
Reference
1. Antonov Y. F. & Zaitsev A. A. Magnitolevitatsyonnaya transportnaya tehnologiya [Magnetic levitation transport technology]. Moscow, 2014. 476 p.
2. Antonov Y. F. & Zaitsev A. A. Magnitolevitatsyonnyi transport: nauchnye problemy i tekhnicheskie resheniya [Magnetic levitation transport: scientific issues and technical solutions]. Moscow, 2016. 611 p.
3. Zaitsev A. A., Talashkin G. N. & Sokolova Y. V. Transport na magnitnompodvese [Transport on the magnetic suspension]. St. Petersburg, 2010. 160 p.
4. Fizicheskaya entsiklopediya [Physical encyclopedia]. Moscow, 1990, vol. 2, 81 p.
5. Dietrich F.M. Electricity and Magnetism in Biology and Medicine. San Francisco, 1993. 267 p.
6. Vasil'ev S. V., Matin V. I., Mikirtichev A. A. & Kim K. I. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika - Izvestiya vuzov. Electrician, 1977, no.8, pp.882-888.
7. Ptitsyna N. G., Villorezi Dzh., Dorman L. I., Yuchchi N. & Tyasto M. I. Uspekhi fizicheskikh nauk - Advances in physical Sciences, 1998, vol.168, no.7, pp.767-791.
8. Pal'cev Y. P. & Roshchin V. A. Medicina i zdravookhranenie. Seriya gigiena - Medicine and health care, 1987, no.2, pp.1-65.
9. Mokoyan B. O. Gigienicheskie faktory riska zdorov'yu meditsinskogo personala pri rabote s magnito-rezonansnymi tomografami [Hygiene factors of health risk for medical personnel working with magnetic resonance tomography]. Moscow, 2013. 24 p.
10. Sbornik izbrannykh trudov (Collection of selected works). 4 Mezhdunarodnyi kongress "Slabye i sverkhslabye polya i izlucheniya v biologii i medicine ", simpozium B [4 International Congress "Weak and superweak fields and radiations in biology and medicine", symposium B]. St. Petersburg, 2006.
11. Materialy Mezhdunarodnoi konferentsyi (Proceedings of the International Conference). Mezhdunarodnaya konferentsiya "Kosmicheskaya pogoda" [International conference "Space weather"]. Moscow, 2006. 208 p.
12. Zaporozhan V. N., Noskin L. A., Kresyun V. I., Bazhora Yu.I. & Romanchuk A.P. Faktory i mekhanizmy sanogeneza [Factors and mechanisms of sanogenesis]. Odessa, 2014. pp. 100-129.
13. Rubinsky A. V. & Noskin L. A. Transportnye sistemy i tekhnologii -Transport systems and technologies, 2016, no. 4, vol. 6. pp. 114-127. URL: http://www.transsyst.ru/vypusk-46-2016.html (26/04/2017).
14. Gerasimova L. S., Shandybina N. D., Noskin L. A., Rubinsky A. V. & Pavlidis K. Sistemnyj analiz i upravlenie v biomeditsinskikh sistemah - System analysis and management in biomedical systems, 2016, no. 1, vol. 15, pp. 22-27.
Information about authors:
Timur D. VLASOV, MD, PhD, Dean of the medical faculty, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University (St. Petersburg, Russia) E-mail: tvlasov@yandex.ru
Artemiy V. RUBINSKIY, PhD, Associate Professor of the chair of medical rehabilitation and adaptive physical training, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University (St. Petersburg, Russia) E-mail: rubinskiyav@1spbgmu.ru
© VLASOV T. D., RUBINSKIY A. V., 2017
