鐵路實名制核驗閘機熱設(shè)計優(yōu)化方案研究

李 宏

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

我國鐵路從2011年6月1日開始實施實名制售票，經(jīng)過10 多年的發(fā)展，有效遏制了“黃牛黨”非法販賣火車票行為，對于預(yù)防鐵路沿線犯罪、保障旅客安全具有積極意義。實名制售票初期，鐵路車站為核驗票、證、人的一致性，不得不投入大量的人力和物力，直至2017年鐵路實名制核驗閘機（簡稱：核驗閘機）的使用[1-2]，該狀況才得以緩解。這些核驗閘機極大地減輕了客運車站工作人員的勞動強度，為提高鐵路旅客服務(wù)質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。

我國幅員遼闊，南方車站與北方車站的使用場景，諸如溫度、濕度、使用地點等，千差萬別，使得核驗閘機在使用過程中存在著諸多問題。本文分析核驗閘機的使用環(huán)境，調(diào)研使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，以車站核驗閘機為研究對象，在核驗閘機內(nèi)部設(shè)置專門的散熱裝置，利用FloEFD 軟件進行溫度場仿真，得出室內(nèi)溫度50℃以下時核驗閘機穩(wěn)定工作的優(yōu)化方案。

1 核驗閘機使用場景及故障分析

1.1 核驗閘機使用場景

通常，核驗閘機一般放置在候車室入口，據(jù)統(tǒng)計一般分為以下2 種布局。

（1）先安檢后實名制核驗，其布局如圖1所示。目前，我國90%以上的高速鐵路車站和既有車站，受車站空間限制，一般選用這種布局。

圖1 先安檢后實名制核驗

（2）先實名制核驗后安檢，其布局如圖2所示。部分大型車站采用這種布局，如北京南站、上海虹橋站等，核驗閘機布置在鐵路與公共交通交接處，旅客需進行票、證、人的實名制核驗成功后，才能乘坐升降電梯進入候車區(qū)，其優(yōu)點是可快速疏散旅客，缺點是需要站房面積足夠大[3]。

圖2 先實名制核驗后安檢

1.2 故障分析

在上述兩種布局中，核驗閘機均離候車室室外或地下廣場較近，受地區(qū)環(huán)境溫度影響較大。通過對典型車站核驗閘機故障的統(tǒng)計，造成核驗閘機故障的原因主要有以下3 種。

（1）網(wǎng)絡(luò)故障。核驗閘機需要將旅客信息發(fā)送至鐵路實名信息公安核驗系統(tǒng)進行核驗，閘機上線初期，由于網(wǎng)絡(luò)堵塞造成查詢失敗的情況經(jīng)常發(fā)生，隨著網(wǎng)絡(luò)性能的提高，該故障率明顯下降。

（2）人臉識別率問題。據(jù)統(tǒng)計，97%的旅客使用二代居民身份證，由于證件芯片內(nèi)采用早期照片或旅客外貌變化過大，給人臉識別帶來一定難度。

（3）硬件故障。在硬件故障統(tǒng)計中，南方地區(qū)的夏季，閘機發(fā)生故障的概率最高，越靠近室外的機器，越容易發(fā)生故障。通過對現(xiàn)場在線閘機的故障分析可知，高溫是導(dǎo)致故障頻發(fā)的主要原因。

本文主要研究熱設(shè)計優(yōu)化方案，解決由于核驗閘機內(nèi)部局部溫度過高導(dǎo)致的硬件故障問題。

2 熱設(shè)計需求分析

2.1 溫度對電子設(shè)備的影響

根據(jù)現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)，在線核驗閘機均以TJ/KH024-2018 技術(shù)條件為設(shè)計依據(jù)，該技術(shù)條件要求核驗閘機工作溫度為-5℃～45℃。核驗閘機中，受溫度影響較大的電子設(shè)備有：工控機、證卡識讀模塊、人臉識別模塊、液晶顯示屏、中控電路板、電源箱等。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的集成度越來越高，造成核驗閘機局部熱流密度急劇上升，據(jù)統(tǒng)計，高溫引起的電子設(shè)備失效率高達55%[4]，成為核驗閘機發(fā)生故障的直接誘因。

2.2 熱設(shè)計必要性分析

熱能傳遞是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，通常分為傳導(dǎo)、對流和輻射3 種基本方式[5]，核驗閘機的核心模塊一般安裝在機器內(nèi)表面，模塊熱能可以通過機器內(nèi)壁向外傳導(dǎo)一部分，但極端天氣時，室內(nèi)溫度也會傳遞到機器內(nèi)部。由于技術(shù)不斷更新，使得核驗閘機內(nèi)部模塊越來越多，越來越密集，僅靠機器壁傳導(dǎo)、內(nèi)部空氣對流和輻射等方式已無法滿足散熱需要，必須設(shè)置專門的散熱裝置，以減少因為溫度過高而造成的核心模塊故障。

3 熱設(shè)計理論與仿真軟件

3.1 導(dǎo)熱基本定律

熱分析中，根據(jù)N-S 方程建立微分方程，使用解析法進行逼近求解，得到對應(yīng)的溫度場分布。在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過給定截面所傳遞的熱量與垂直于該界面方向上的溫度變化率成正比，而熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反，這就是導(dǎo)熱基本定律[6]。其表達式為

式（1）中：

負號表示熱量傳遞與溫度升高方向相反；

λ—材料的導(dǎo)熱系數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)是用來表示物體導(dǎo)熱能力的參數(shù)，數(shù)值上等于在單位溫度梯度作用下物體內(nèi)產(chǎn)生的熱流密度矢量的模；

?—熱流量；

S—垂直于熱流目的地面積大?。?/p>

由熱平衡方程可得到整機的通風量為

式（2）中：

ρ—空氣密度（kg/m3）；

Cp—空氣中的比定壓熱容（J/kg℃）；

?總—電子設(shè)備的總熱功耗（W）；目標熱功耗為總熱功耗減去功率模塊的熱功耗；

Δt—冷卻空氣出口與進口的溫差（℃）。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們開始了溫度場數(shù)值仿真的研究工作，通過選擇恰當?shù)臄?shù)值計算方法，進行溫度場仿真。數(shù)值計算方法主要分為有限差分法、有限元法和有限體積法3 種。本文選用的FLoEFD軟件，采用有限體積法，其積分形式為：

式中：qv—單位體積發(fā)熱功率；

v—微元體體積；

A—微元體的截面面積；

n—微元體接口外法線方向的單位向量；

k—熱導(dǎo)系數(shù)；

gradt—空間某點的溫度梯度。

數(shù)值計算法是求解穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的有效方法，導(dǎo)熱問題數(shù)值計算法基本思路如下：

（1）簡化分析，建立物理模型；

（2）完善數(shù)學描述，包括導(dǎo)熱微分方程、邊界條件和初始條件；

（3）將求解目標離散成各個微元體，采用網(wǎng)格劃分技術(shù)；

（4）根據(jù)能量守恒定律，針對每個微元體建立微分方程；

（5）確定熱流暢，將微分方程在時間和空間上離散；

（6）求解，得到數(shù)據(jù)。

3.2 FloEFD 熱仿真軟件

在眾多熱設(shè)計軟件中，F(xiàn)loEFD 可無縫嵌入到于主流三維軟件，如Creo、Catia、Solidworks、UGSNX 等，可自動劃分網(wǎng)格，對層流、過渡流及湍流進行自動識別和求解，并具有自動求解、收斂控制等優(yōu)點，極大地縮減整個產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)流程。另外，F(xiàn)loEFD 適合計算量大的熱分析任務(wù)，軟件中提供了多種可視化分析應(yīng)用，適用于壓降分析、流暢分析、傳熱分析、應(yīng)力預(yù)測、電子散熱等，針對核驗閘機，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、核心模塊多、計算量大，需要對結(jié)果進行分析，所以本文選擇FloEFD 軟件進行仿真。

4 核驗閘機熱設(shè)計優(yōu)化方案

4.1 核驗閘機分析

核驗閘機前端結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中的1～4 為核心模塊；液晶顯屏和人臉識別模塊裸露在核驗閘機外表面，其余部件均安裝在核驗閘機內(nèi)部；工業(yè)控制機為核驗閘機的控制單元，內(nèi)含CPU、芯片、電路板等，溫度過高或過低，將直接影響核心模塊的性能，因此需要在核驗閘機內(nèi)部設(shè)計散熱裝置。

圖3 鐵路實名制核驗閘機前端結(jié)構(gòu)

核驗閘機內(nèi)部功耗統(tǒng)計及相關(guān)功能如表1所示。

表1 核驗閘機內(nèi)部功耗統(tǒng)計及相關(guān)功能

4.2 仿真模型構(gòu)建與求解

（1）利用Pro/Engineer 軟件對核驗閘機外殼和內(nèi)部核心模塊進行三維建模。核驗閘機外殼厚度為2 mm，材質(zhì)為304 不銹鋼，內(nèi)部核心模塊按照實際造型裝配成組件圖。根據(jù)軟件要求對仿真部件進行簡化，忽略所有開孔、螺釘?shù)?，略去線纜、走線槽，略去機內(nèi)加強筋等，將模型封閉；將模塊簡化為實體。先將散熱裝置放置在核驗設(shè)備的右下角，即圖3的序號5 處，進行溫度場仿真分析。

（2）設(shè)置仿真邊界條件。選用的散熱裝置功率為 2.4 W；冷卻介質(zhì)為空氣；熱交換系數(shù)為5 W/m2·k-1。據(jù)調(diào)研，全國各地有記錄的最高氣溫是49.6℃，為驗證極端環(huán)境下的閘機運行狀態(tài)，本文設(shè)定外部流體溫度為50℃；初始溫度30℃；粗糙度20 μm；閘機所處的環(huán)境中會有不同程度的空氣湍流，設(shè)空氣導(dǎo)熱率為10 W/m2℃，停滯空氣的導(dǎo)熱率為5 W/m2℃。

（3）采用FloEFD 軟件，根據(jù)數(shù)值計算法的步驟進行仿真，計算結(jié)果的精度設(shè)置為4 級，迭代400次后結(jié)果收斂，完成計算[7]。溫度場分布如圖4所示。

圖4 溫度場分布

從仿真結(jié)果上查出各部位溫度，如表2。由表2可知，工控機部位的溫度為68.31℃，超出正常工作溫度，需要優(yōu)化散熱模塊放置的位置。

表2 熱仿真各部位溫度

（4）將散熱裝置放置核驗設(shè)備的左上角，即圖3的序號6 處，其他條件不變，再進行溫度場仿真分析，得到的溫度場分布，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后溫度場分布

從仿真結(jié)果上查出各部位溫度，如表3所示，在極端天氣下，核驗閘機內(nèi)部所有模塊均在正常工作溫度范圍內(nèi)，達到優(yōu)化目的。

表3 優(yōu)化后的熱仿真各部位溫度

4.3 仿真結(jié)果分析

本文在不同位置加裝散熱裝置，通過強化空氣流動速度，達到對核心模塊散熱目的。其中，散熱位置1 距離工控機較遠，在環(huán)境溫度 為50℃時，無法降到工作溫度范圍內(nèi)；散熱位置2 距離工控機相對較近，降溫能力加強，滿足優(yōu)化目的。在核驗閘機散熱方面，除了傳統(tǒng)的傳導(dǎo)、輻射和強化風冷外，還可采用液體循環(huán)或幾種方式綜合的方法降溫，以滿足快速降溫的目的。

5 結(jié)束語

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路自助票務(wù)設(shè)備批量投入使用，極大地提高了我國鐵路旅客服務(wù)的質(zhì)量。文章將在軍工、小型電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用較多的熱設(shè)計理論[8]應(yīng)用到鐵路實名制核驗閘機中，優(yōu)化核驗閘機的熱設(shè)計方案，并將優(yōu)化后核驗閘機投入到多個鐵路車站使用?，F(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)表明，核驗閘機的故障率降低了40%，熱設(shè)計方案顯著提高了核驗閘機的使用效率[9]，這對提高核驗設(shè)備的設(shè)計質(zhì)量、降低成本支出具有重要意義。