流體力學(xué)用于鐵路智能視覺機器的研究和實踐

呂康，陳立，李勝玉

1.中國鐵路西安局集團有限公司延安機務(wù)段，陜西延安，716001

2.西北鐵道電子股份有限公司，陜西西安，710075

0 引言

成像設(shè)備在安防監(jiān)控、交通管理、智能家居等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代社會必不可少的設(shè)備。然而，成像設(shè)備也經(jīng)常遭到蚊蟲的干擾，影響其正常工作[1]。蚊蟲飛入鏡頭范圍，會使圖像模糊、抖動，甚至損壞。蚊蟲停留在鏡頭表面，會遮擋視野，降低清晰度，還可能留下污漬，造成鏡頭污染。這些問題都會降低圖像質(zhì)量，影響設(shè)備對前方線路妨礙列車正常運行的非正常因素的監(jiān)控效果[2]。現(xiàn)有機車頂部安裝了一種智能視覺機器，用于智能識別列車運行前方線路上較遠(yuǎn)的侵線目標(biāo)，對成像質(zhì)量要求較高。夜間機車車燈容易吸引蚊蟲，車輛高速運行過程中，蚊蟲很容易轟擊到視覺機器視窗，進而粘黏到視窗鏡片表面，加之浮塵等臟污落到黏液上，很容易形成大片臟污，影響視覺機器的視線和降低機器捕捉線路前方妨礙物的成像質(zhì)量，進而影響智能識別的精準(zhǔn)度，降低信號輸出指令的準(zhǔn)確性。為了解決這一問題，本文設(shè)計了一種無動力視窗氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效地驅(qū)趕蚊蟲，保護視窗，延長清洗維護周期，間接強化機車乘務(wù)員運行途中遇線路非正常情況應(yīng)急處置的超前預(yù)判能力，保障運輸生產(chǎn)安全穩(wěn)定。該設(shè)備的原理是：在現(xiàn)有視覺機器防護罩上安裝一個特殊的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，車輛運行過程中，在視窗表面形成一個氣流屏障，將蚊蟲吹走，防止其接近視窗鏡片。與現(xiàn)有的物理隔離網(wǎng)和化學(xué)驅(qū)蚊劑相比，該設(shè)備具有以下優(yōu)點：一是不影響視窗的視野；二是無環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕的風(fēng)險；三是適應(yīng)性強，可以應(yīng)用于各種環(huán)境。

1 相關(guān)技術(shù)與研究

1.1 氣動防蚊蟲技術(shù)的發(fā)展及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用

氣動防蚊蟲技術(shù)是一種利用氣流形成屏障驅(qū)趕蚊蟲的技術(shù)。該技術(shù)自20世紀(jì)70年代誕生以來，經(jīng)過不斷地改進和創(chuàng)新，已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。在農(nóng)業(yè)方面，氣動防蚊蟲技術(shù)可以有效地保護農(nóng)作物[5]，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。該技術(shù)可以在田間或大棚內(nèi)設(shè)置氣流屏障，阻止蝗蟲、蚜蟲等各種害蟲的侵害，減少農(nóng)藥的使用，保護環(huán)境。在食品方面，氣動防蚊蟲技術(shù)可以有效地防止食品的蟲害和污染。該技術(shù)可以在食品倉庫、加工車間、烘焙車間等場所設(shè)置氣流屏障，隔絕蚊蠅等病媒，保證食品的衛(wèi)生和安全，延長食品的保質(zhì)期。在生活方面，氣動驅(qū)蚊技術(shù)可以有效地提高人們的生活質(zhì)量和舒適度。該技術(shù)可以在室外活動場所設(shè)置氣流壁或裝置，形成無蚊區(qū)，避免人們被蚊蟲叮咬，造成不適或感染。這對于戶外婚禮、聚會、露營等活動非常有用[6]。在公共衛(wèi)生方面，氣動驅(qū)蚊技術(shù)可以有效地預(yù)防和控制疾病的傳播。該技術(shù)可以在學(xué)校、醫(yī)院、車站等人口密集的公共場所設(shè)置氣流屏障，減少蚊蠅等病媒的活動，降低傳染病的發(fā)生和蔓延的風(fēng)險。總之，氣動防蚊蟲技術(shù)是一種環(huán)保、高效、智能的技術(shù)，它在農(nóng)業(yè)、食品、生活和公共衛(wèi)生等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值。

1.2 視窗氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)的基本原理及其優(yōu)勢

第一，結(jié)構(gòu)簡單，無需動力。該設(shè)備只需要一個導(dǎo)流通道，無需電源或其他驅(qū)動裝置，通過自然風(fēng)即可工作，安裝和使用都非常方便。

第二，無噪聲污染，環(huán)保安全。該設(shè)備不會產(chǎn)生任何噪音或廢氣，對環(huán)境和人體無任何影響，是一種綠色環(huán)保的防蚊技術(shù)。

第三，適用范圍廣，效果顯著。該設(shè)備可以應(yīng)用于各種戶外安防監(jiān)控攝像頭，有效地防止蚊蟲對鏡頭的污損，提高監(jiān)控系統(tǒng)的圖像質(zhì)量和使用壽命。

第四，成本低，易于推廣。如果該技術(shù)研發(fā)成熟，批量生產(chǎn)的成本將大大降低，可以在智慧城市、交通系統(tǒng)等領(lǐng)域大規(guī)模部署，實現(xiàn)自動防蚊防塵，減少人工維護的成本和時間。

2 視窗氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)的設(shè)計與仿真

2.1 倒錐體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，結(jié)構(gòu)1采用倒錐體結(jié)構(gòu)，兩個鏡頭對應(yīng)兩個并聯(lián)的倒錐體，開口為方形，底部為2個長條型出風(fēng)口。結(jié)構(gòu)1利用進風(fēng)口遠(yuǎn)大于出風(fēng)口的特點，在鏡頭前方的空間形成正壓，蚊蟲等臟污很難靠近鏡頭，而且此種結(jié)構(gòu)下倒錐體內(nèi)壁及出風(fēng)口空氣流速高，很容易將偶然進入的蚊蟲帶走。

圖1 倒錐體結(jié)構(gòu)圖

2.2 變徑進氣道結(jié)構(gòu)

如圖2所示，結(jié)構(gòu)2采用變徑進氣道結(jié)構(gòu)，進氣道為長條形，類似于戰(zhàn)斗機的進氣道，前部長條口徑較大，隨著靠近鏡頭逐步縮小口徑。結(jié)構(gòu)2利用進氣道和出氣道之間較大的壓縮腔輸入輸出比，實現(xiàn)視窗表面形成向下的高速倒錐體，將蚊蟲等臟污吹走。

圖2 變徑進氣道結(jié)構(gòu)

2.3 參數(shù)設(shè)置及仿真

考慮最高迎風(fēng)風(fēng)速，應(yīng)是最大車速+相向最大風(fēng)速疊加的情況：已知試驗機車車速最大120km/h，即33m/s，加上迎面風(fēng)，最大按8級風(fēng)速（17.2～20.7m/s），即實際結(jié)構(gòu)最大迎風(fēng)風(fēng)速約為54m/s。熱動力參數(shù)：壓力101325Pa、溫度293.2K。設(shè)計35km/h、45km/h、55km/h三種風(fēng)速條件，對兩種結(jié)構(gòu)進行仿真，仿真結(jié)果如圖3—圖8所示。

圖3 35km/h 下結(jié)構(gòu)1 仿真結(jié)果

圖4 35km/h 下結(jié)構(gòu)2 仿真結(jié)果

圖5 45km/h 下結(jié)構(gòu)1 仿真結(jié)果

圖6 45km/h 下結(jié)構(gòu)2 仿真結(jié)果

圖7 55km/h 下結(jié)構(gòu)1 仿真結(jié)果

圖8 55km/h 下結(jié)構(gòu)2 仿真結(jié)果

對于結(jié)構(gòu)1，從仿真圖中可以看出氣流很好地沿內(nèi)壁導(dǎo)走，并且在視窗前形成正壓，隨著風(fēng)速增加效果愈加明顯。對于結(jié)構(gòu)2，從仿真圖中可以看出氣流經(jīng)過進氣道后，形成向下的“風(fēng)簾”，而且隨著進氣風(fēng)速的增加，向下風(fēng)速也增加，不過向下風(fēng)速增加不明顯。

3 實際性能評估

3.1 實驗方法

為了驗證結(jié)構(gòu)1、2的仿真效果，本文設(shè)計了兩種視窗氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)，分別是倒錐體結(jié)構(gòu)和變徑進氣道結(jié)構(gòu)，并制作了相應(yīng)的樣品，安裝在機車車載智能視覺機器的護罩上，進行了實地實驗。實驗期間，天氣炎熱，蚊蟲較多，適合快速觀察防蚊效果。

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1 不加裝防蚊蟲結(jié)構(gòu)

無防護第7天視窗表面情況如圖9所示。

圖9 無防護第7 天視窗表面情況

3.2.2 加裝防蚊蟲結(jié)構(gòu)后第9天

變徑進氣道結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況如圖10所示，倒錐體結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況如圖11所示。

圖10 變徑進氣道結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況

圖11 倒錐體結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況

3.2.3 加裝防蚊蟲結(jié)構(gòu)后第24天

變徑進氣道結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況如圖12所示，倒錐體結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況如圖13所示。結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)都能有效地減少蚊蟲對設(shè)備視窗的污染，提高線路妨礙物圖像捕捉質(zhì)量，其中倒錐體結(jié)構(gòu)的效果更好。第一，不加裝防蚊蟲結(jié)構(gòu)的情況下，經(jīng)過7天的試驗，設(shè)備視窗上的蚊蟲非常多，幾乎遮擋了整個設(shè)備窗口，嚴(yán)重影響了妨礙物圖像捕捉質(zhì)量，使圖像模糊不清，乘務(wù)員無法準(zhǔn)確判斷運行前方線路狀態(tài)，待妨礙物捕捉成像完整時機車與妨礙物距離過小，存在采取應(yīng)急性安全措施不及時的隱患。第二，加裝變徑進氣道的防蚊蟲結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過9天的試驗，視窗上的蚊蟲明顯減少，只有少量的蚊蟲停留在變徑進氣道邊緣，對圖像質(zhì)量的影響較小，使妨礙物捕捉成像清晰度有所提高，滿足列車最大有效制動距離要求。第三，加裝倒錐體結(jié)構(gòu)的防蚊蟲結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過9天的試驗，設(shè)備視窗上的蚊蟲幾乎沒有，倒錐體結(jié)構(gòu)能夠有效地將蚊蟲吹離，對圖像質(zhì)量的影響可以忽略不計，使圖像清晰度達(dá)到最佳，滿足列車最大有效制動距離要求。第四，經(jīng)過24天的試驗，兩種結(jié)構(gòu)的防蚊效果都保持穩(wěn)定，設(shè)備視窗上的蚊蟲仍然很少，變徑進氣道結(jié)構(gòu)上稍有增加，倒錐體結(jié)構(gòu)仍然基本無蚊蟲，對圖像質(zhì)量的影響仍然很小。

圖12 變徑進氣道結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況

圖13 倒錐體結(jié)構(gòu)下視窗表面蚊蟲情況

3.3 結(jié)果分析

未裝設(shè)智能視覺機器前，列車在線路運行時機車乘務(wù)員嚴(yán)格執(zhí)行立體瞭望標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)前方線路有異物、危及行車安全的突發(fā)狀況時，通過采取應(yīng)急性安全措施來降低行車安全風(fēng)險。貨物列車（貨車軸重＜25t，快速貨物班列除外）最高運行速度為90km/h，采取緊急制動措施后的最大有效制動距離為800m。如遇惡劣天氣、曲線等客觀因素影響瞭望距離時，存在線路前方異物發(fā)現(xiàn)不及時導(dǎo)致碰撞異物的風(fēng)險隱患。裝設(shè)智能視覺機器后，能有效向機車乘務(wù)員提示運行途中前方線路異物狀態(tài)，接收信息后立即果斷采取停車措施。

表1 蚊蟲占比結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文研究了氣動防蚊蟲的技術(shù)應(yīng)用、視窗氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)的基本原理及其優(yōu)勢，并設(shè)計了兩種氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)進行仿真，仿真結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)有效。本文利用實物試驗，對比了兩種視窗氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)的防蚊效果。結(jié)果表明，視窗氣動防蚊蟲結(jié)構(gòu)能夠顯著降低蚊蟲對視窗的污染，提高圖像質(zhì)量，其中倒錐體結(jié)構(gòu)的效果最佳。本文認(rèn)為，氣動防蚊蟲技術(shù)是一種環(huán)保、高效、智能的技術(shù)，該技術(shù)在成像防蚊蟲襲擾等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。