流体力学用于铁路智能视觉机器的研究和实践

吕康，陈立，李胜玉

1.中国铁路西安局集团有限公司延安机务段，陕西延安，716001

2.西北铁道电子股份有限公司，陕西西安，710075

0 引言

成像设备在安防监控、交通管理、智能家居等领域有着广泛的应用，是现代社会必不可少的设备。然而，成像设备也经常遭到蚊虫的干扰，影响其正常工作[1]。蚊虫飞入镜头范围，会使图像模糊、抖动，甚至损坏。蚊虫停留在镜头表面，会遮挡视野，降低清晰度，还可能留下污渍，造成镜头污染。这些问题都会降低图像质量，影响设备对前方线路妨碍列车正常运行的非正常因素的监控效果[2]。现有机车顶部安装了一种智能视觉机器，用于智能识别列车运行前方线路上较远的侵线目标，对成像质量要求较高。夜间机车车灯容易吸引蚊虫，车辆高速运行过程中，蚊虫很容易轰击到视觉机器视窗，进而粘黏到视窗镜片表面，加之浮尘等脏污落到黏液上，很容易形成大片脏污，影响视觉机器的视线和降低机器捕捉线路前方妨碍物的成像质量，进而影响智能识别的精准度，降低信号输出指令的准确性。为了解决这一问题，本文设计了一种无动力视窗气动防蚊虫结构，该结构可以有效地驱赶蚊虫，保护视窗，延长清洗维护周期，间接强化机车乘务员运行途中遇线路非正常情况应急处置的超前预判能力，保障运输生产安全稳定。该设备的原理是：在现有视觉机器防护罩上安装一个特殊的导流结构，车辆运行过程中，在视窗表面形成一个气流屏障，将蚊虫吹走，防止其接近视窗镜片。与现有的物理隔离网和化学驱蚊剂相比，该设备具有以下优点：一是不影响视窗的视野；二是无环境污染和设备腐蚀的风险；三是适应性强，可以应用于各种环境。

1 相关技术与研究

1.1 气动防蚊虫技术的发展及其在各领域的应用

气动防蚊虫技术是一种利用气流形成屏障驱赶蚊虫的技术。该技术自20世纪70年代诞生以来，经过不断地改进和创新，已经在多个领域得到了广泛的应用[3-4]。在农业方面，气动防蚊虫技术可以有效地保护农作物[5]，提高农业生产的效率和质量。该技术可以在田间或大棚内设置气流屏障，阻止蝗虫、蚜虫等各种害虫的侵害，减少农药的使用，保护环境。在食品方面，气动防蚊虫技术可以有效地防止食品的虫害和污染。该技术可以在食品仓库、加工车间、烘焙车间等场所设置气流屏障，隔绝蚊蝇等病媒，保证食品的卫生和安全，延长食品的保质期。在生活方面，气动驱蚊技术可以有效地提高人们的生活质量和舒适度。该技术可以在室外活动场所设置气流壁或装置，形成无蚊区，避免人们被蚊虫叮咬，造成不适或感染。这对于户外婚礼、聚会、露营等活动非常有用[6]。在公共卫生方面，气动驱蚊技术可以有效地预防和控制疾病的传播。该技术可以在学校、医院、车站等人口密集的公共场所设置气流屏障，减少蚊蝇等病媒的活动，降低传染病的发生和蔓延的风险。总之，气动防蚊虫技术是一种环保、高效、智能的技术，它在农业、食品、生活和公共卫生等领域都有着重要的应用价值。

1.2 视窗气动防蚊虫结构的基本原理及其优势

第一，结构简单，无需动力。该设备只需要一个导流通道，无需电源或其他驱动装置，通过自然风即可工作，安装和使用都非常方便。

第二，无噪声污染，环保安全。该设备不会产生任何噪音或废气，对环境和人体无任何影响，是一种绿色环保的防蚊技术。

第三，适用范围广，效果显著。该设备可以应用于各种户外安防监控摄像头，有效地防止蚊虫对镜头的污损，提高监控系统的图像质量和使用寿命。

第四，成本低，易于推广。如果该技术研发成熟，批量生产的成本将大大降低，可以在智慧城市、交通系统等领域大规模部署，实现自动防蚊防尘，减少人工维护的成本和时间。

2 视窗气动防蚊虫结构的设计与仿真

2.1 倒锥体结构

如图1所示，结构1采用倒锥体结构，两个镜头对应两个并联的倒锥体，开口为方形，底部为2个长条型出风口。结构1利用进风口远大于出风口的特点，在镜头前方的空间形成正压，蚊虫等脏污很难靠近镜头，而且此种结构下倒锥体内壁及出风口空气流速高，很容易将偶然进入的蚊虫带走。

图1 倒锥体结构图

2.2 变径进气道结构

如图2所示，结构2采用变径进气道结构，进气道为长条形，类似于战斗机的进气道，前部长条口径较大，随着靠近镜头逐步缩小口径。结构2利用进气道和出气道之间较大的压缩腔输入输出比，实现视窗表面形成向下的高速倒锥体，将蚊虫等脏污吹走。

图2 变径进气道结构

2.3 参数设置及仿真

考虑最高迎风风速，应是最大车速+相向最大风速叠加的情况：已知试验机车车速最大120km/h，即33m/s，加上迎面风，最大按8级风速（17.2～20.7m/s），即实际结构最大迎风风速约为54m/s。热动力参数：压力101325Pa、温度293.2K。设计35km/h、45km/h、55km/h三种风速条件，对两种结构进行仿真，仿真结果如图3—图8所示。

图3 35km/h 下结构1 仿真结果

图4 35km/h 下结构2 仿真结果

图5 45km/h 下结构1 仿真结果

图6 45km/h 下结构2 仿真结果

图7 55km/h 下结构1 仿真结果

图8 55km/h 下结构2 仿真结果

对于结构1，从仿真图中可以看出气流很好地沿内壁导走，并且在视窗前形成正压，随着风速增加效果愈加明显。对于结构2，从仿真图中可以看出气流经过进气道后，形成向下的“风帘”，而且随着进气风速的增加，向下风速也增加，不过向下风速增加不明显。

3 实际性能评估

3.1 实验方法

为了验证结构1、2的仿真效果，本文设计了两种视窗气动防蚊虫结构，分别是倒锥体结构和变径进气道结构，并制作了相应的样品，安装在机车车载智能视觉机器的护罩上，进行了实地实验。实验期间，天气炎热，蚊虫较多，适合快速观察防蚊效果。

3.2 实验结果

3.2.1 不加装防蚊虫结构

无防护第7天视窗表面情况如图9所示。

图9 无防护第7 天视窗表面情况

3.2.2 加装防蚊虫结构后第9天

变径进气道结构下视窗表面蚊虫情况如图10所示，倒锥体结构下视窗表面蚊虫情况如图11所示。

图10 变径进气道结构下视窗表面蚊虫情况

图11 倒锥体结构下视窗表面蚊虫情况

3.2.3 加装防蚊虫结构后第24天

变径进气道结构下视窗表面蚊虫情况如图12所示，倒锥体结构下视窗表面蚊虫情况如图13所示。结果表明，两种结构都能有效地减少蚊虫对设备视窗的污染，提高线路妨碍物图像捕捉质量，其中倒锥体结构的效果更好。第一，不加装防蚊虫结构的情况下，经过7天的试验，设备视窗上的蚊虫非常多，几乎遮挡了整个设备窗口，严重影响了妨碍物图像捕捉质量，使图像模糊不清，乘务员无法准确判断运行前方线路状态，待妨碍物捕捉成像完整时机车与妨碍物距离过小，存在采取应急性安全措施不及时的隐患。第二，加装变径进气道的防蚊虫结构后，经过9天的试验，视窗上的蚊虫明显减少，只有少量的蚊虫停留在变径进气道边缘，对图像质量的影响较小，使妨碍物捕捉成像清晰度有所提高，满足列车最大有效制动距离要求。第三，加装倒锥体结构的防蚊虫结构后，经过9天的试验，设备视窗上的蚊虫几乎没有，倒锥体结构能够有效地将蚊虫吹离，对图像质量的影响可以忽略不计，使图像清晰度达到最佳，满足列车最大有效制动距离要求。第四，经过24天的试验，两种结构的防蚊效果都保持稳定，设备视窗上的蚊虫仍然很少，变径进气道结构上稍有增加，倒锥体结构仍然基本无蚊虫，对图像质量的影响仍然很小。

图12 变径进气道结构下视窗表面蚊虫情况

图13 倒锥体结构下视窗表面蚊虫情况

3.3 结果分析

未装设智能视觉机器前，列车在线路运行时机车乘务员严格执行立体瞭望标准，发现前方线路有异物、危及行车安全的突发状况时，通过采取应急性安全措施来降低行车安全风险。货物列车（货车轴重＜25t，快速货物班列除外）最高运行速度为90km/h，采取紧急制动措施后的最大有效制动距离为800m。如遇恶劣天气、曲线等客观因素影响瞭望距离时，存在线路前方异物发现不及时导致碰撞异物的风险隐患。装设智能视觉机器后，能有效向机车乘务员提示运行途中前方线路异物状态，接收信息后立即果断采取停车措施。

表1 蚊虫占比结果对比

4 结论

本文研究了气动防蚊虫的技术应用、视窗气动防蚊虫结构的基本原理及其优势，并设计了两种气动防蚊虫结构进行仿真，仿真结果显示结构有效。本文利用实物试验，对比了两种视窗气动防蚊虫结构的防蚊效果。结果表明，视窗气动防蚊虫结构能够显著降低蚊虫对视窗的污染，提高图像质量，其中倒锥体结构的效果最佳。本文认为，气动防蚊虫技术是一种环保、高效、智能的技术，该技术在成像防蚊虫袭扰等领域具有很好的应用前景。