我国铁路从2011年6月1日开始实施实名制售票，经过10多年的发展，有效遏制了“黄牛党”非法贩卖火车票行为，对于预防铁路沿线犯罪、保障旅客安全具有积极意义。实名制售票初期，铁路车站为核验票、证、人的一致性，不得不投入大量的人力和物力，直至2017年铁路实名制核验闸机（简称：核验闸机）的使用^[1-2]，该状况才得以缓解。这些核验闸机极大地减轻了客运车站工作人员的劳动强度，为提高铁路旅客服务质量发挥了重要作用。

我国幅员辽阔，南方车站与北方车站的使用场景，诸如温度、湿度、使用地点等，千差万别，使得核验闸机在使用过程中存在着诸多问题。本文分析核验闸机的使用环境，调研使用过程中发现的问题，以车站核验闸机为研究对象，在核验闸机内部设置专门的散热装置，利用FloEFD软件进行温度场仿真，得出室内温度50℃以下时核验闸机稳定工作的优化方案。

1   核验闸机使用场景及故障分析

1.1   核验闸机使用场景

通常，核验闸机一般放置在候车室入口，据统计一般分为以下2种布局。

（1）先安检后实名制核验，其布局如图1所示。目前，我国90%以上的高速铁路车站和既有车站，受车站空间限制，一般选用这种布局。

图  1  先安检后实名制核验

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（2）先实名制核验后安检，其布局如图2所示。部分大型车站采用这种布局，如北京南站、上海虹桥站等，核验闸机布置在铁路与公共交通交接处，旅客需进行票、证、人的实名制核验成功后，才能乘坐升降电梯进入候车区，其优点是可快速疏散旅客，缺点是需要站房面积足够大 ^[3]。

图  2  先实名制核验后安检

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1.2   故障分析

在上述两种布局中，核验闸机均离候车室室外或地下广场较近，受地区环境温度影响较大。通过对典型车站核验闸机故障的统计，造成核验闸机故障的原因主要有以下3种。

（1） 网络故障。核验闸机需要将旅客信息发送至铁路实名信息公安核验系统进行核验，闸机上线初期，由于网络堵塞造成查询失败的情况经常发生，随着网络性能的提高，该故障率明显下降。

（2）人脸识别率问题。据统计，97%的旅客使用二代居民身份证，由于证件芯片内采用早期照片或旅客外貌变化过大，给人脸识别带来一定难度。

（3）硬件故障。在硬件故障统计中，南方地区的夏季，闸机发生故障的概率最高，越靠近室外的机器，越容易发生故障。通过对现场在线闸机的故障分析可知，高温是导致故障频发的主要原因。

本文主要研究热设计优化方案，解决由于核验闸机内部局部温度过高导致的硬件故障问题。

2   热设计需求分析

2.1   温度对电子设备的影响

根据现场收集的数据，在线核验闸机均以TJ/KH024-2018技术条件为设计依据，该技术条件要求核验闸机工作温度为−5℃～45℃。核验闸机中，受温度影响较大的电子设备有：工控机、证卡识读模块、人脸识别模块、液晶显示屏、中控电路板、电源箱等。随着集成电路技术的快速发展，电子设备的集成度越来越高，造成核验闸机局部热流密度急剧上升，据统计，高温引起的电子设备失效率高达55%^[4]，成为核验闸机发生故障的直接诱因。

2.2   热设计必要性分析

热能传递是一种复杂的现象，通常分为传导、对流和辐射3种基本方式^[5]，核验闸机的核心模块一般安装在机器内表面，模块热能可以通过机器内壁向外传导一部分，但极端天气时，室内温度也会传递到机器内部。由于技术不断更新，使得核验闸机内部模块越来越多，越来越密集，仅靠机器壁传导、内部空气对流和辐射等方式已无法满足散热需要，必须设置专门的散热装置，以减少因为温度过高而造成的核心模块故障。

3   热设计理论与仿真软件

3.1   导热基本定律

热分析中，根据N-S方程建立微分方程，使用解析法进行逼近求解，得到对应的温度场分布。在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量与垂直于该界面方向上的温度变化率成正比，而热量传递方向与温度升高的方向相反，这就是导热基本定律^[6]。其表达式为

式（1）中：

负号表示热量传递与温度升高方向相反；

$ \lambda $—材料的导热系数；导热系数是用来表示物体导热能力的参数，数值上等于在单位温度梯度作用下物体内产生的热流密度矢量的模；

$ \varnothing $—热流量；

S—垂直于热流目的地面积大小；

$\dfrac{\partial t}{\partial {\mathop {{\boldsymbol{n}}} \limits^{\rightharpoonup}}}$ —温度 t 在${\mathop {{\boldsymbol{n}}} \limits^{\rightharpoonup}}$方向上的变化率。

由热平衡方程可得到整机的通风量为

式（2）中：

$ \rho $—空气密度（kg/m³）；

$ {C}_{p} $—空气中的比定压热容（J/kg℃）；

$\varnothing_{总}$—电子设备的总热功耗（W）；目标热功耗为总热功耗减去功率模块的热功耗；

$ \Delta t $—冷却空气出口与进口的温差（℃）。

随着计算机技术的发展，人们开始了温度场数值仿真的研究工作，通过选择恰当的数值计算方法，进行温度场仿真。数值计算方法主要分为有限差分法、有限元法和有限体积法3种。本文选用的FLoEFD软件，采用有限体积法，其积分形式为：

式中：q_v—单位体积发热功率；

v—微元体体积；

A—微元体的截面面积；

n—微元体接口外法线方向的单位向量；

k—热导系数；

gradt—空间某点的温度梯度。

数值计算法是求解稳态和非稳态导热问题的有效方法，导热问题数值计算法基本思路如下：

（1） 简化分析，建立物理模型；

（2） 完善数学描述，包括导热微分方程、边界条件和初始条件；

（3） 将求解目标离散成各个微元体，采用网格划分技术；

（4） 根据能量守恒定律，针对每个微元体建立微分方程；

（5） 确定热流畅，将微分方程在时间和空间上离散；

（6）求解，得到数据。

3.2   FloEFD热仿真软件

在众多热设计软件中，FloEFD可无缝嵌入到于主流三维软件，如Creo、 Catia、Solidworks、UGS-NX等，可自动划分网格，对层流、过渡流及湍流进行自动识别和求解，并具有自动求解、收敛控制等优点，极大地缩减整个产品设计研发流程。另外，FloEFD适合计算量大的热分析任务，软件中提供了多种可视化分析应用，适用于压降分析、流畅分析、传热分析、应力预测、电子散热等，针对核验闸机，其结构复杂、核心模块多、计算量大，需要对结果进行分析，所以本文选择FloEFD软件进行仿真。

4   核验闸机热设计优化方案

4.1   核验闸机分析

核验闸机前端结构如图3所示。图中的1~4为核心模块；液晶显屏和人脸识别模块裸露在核验闸机外表面，其余部件均安装在核验闸机内部；工业控制机为核验闸机的控制单元，内含CPU、芯片、电路板等，温度过高或过低，将直接影响核心模块的性能，因此需要在核验闸机内部设计散热装置。

图  3  铁路实名制核验闸机前端结构

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核验闸机内部功耗统计及相关功能如表1所示。

表  1  核验闸机内部功耗统计及相关功能

序号	部件名称	功率/W	功能说明
1	液晶显示屏和人脸模块	≤28	信息显示
2	工控机	≤65	软件交互、信息下发等
3	中控板	≤10	外设集中控制
4	电源箱	≤20	电源转换供给
5	散热模块位置1	2.4	高温时散热
6	散热模块位置2	2.4	高温时散热

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4.2   仿真模型构建与求解

（1） 利用Pro/Engineer软件对核验闸机外壳和内部核心模块进行三维建模。核验闸机外壳厚度为2 mm，材质为304不锈钢，内部核心模块按照实际造型装配成组件图。根据软件要求对仿真部件进行简化，忽略所有开孔、螺钉等，略去线缆、走线槽，略去机内加强筋等，将模型封闭；将模块简化为实体。先将散热装置放置在核验设备的右下角，即图3的序号5处，进行温度场仿真分析。

（2） 设置仿真边界条件。选用的散热装置功率为 2.4 W；冷却介质为空气；热交换系数为5 W/m²·k^-1。据调研，全国各地有记录的最高气温是49.6℃，为验证极端环境下的闸机运行状态，本文设定外部流体温度为50℃；初始温度30℃；粗糙度20 μm；闸机所处的环境中会有不同程度的空气湍流，设空气导热率为10 W/m²℃，停滞空气的导热率为5 W/m²℃。

（3） 采用FloEFD软件，根据数值计算法的步骤进行仿真，计算结果的精度设置为4级，迭代400次后结果收敛，完成计算^[7]。温度场分布如图4所示。

图  4  温度场分布

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从仿真结果上查出各部位温度，如表2。由表2可知，工控机部位的温度为68.31℃，超出正常工作温度，需要优化散热模块放置的位置。

表  2  热仿真各部位温度

序号	部件名称	热分析温度/℃	工作温度范围/℃
1	液晶显示屏和人脸模块	56.25	0～+60
2	工控机	68.31	0～+60
3	中控板	54.33	0～+85
4	电源箱	52.16	0～+85

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（4）将散热装置放置核验设备的左上角，即图3的序号6处，其他条件不变，再进行温度场仿真分析，得到的温度场分布，如图5所示。

图  5  优化后温度场分布

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从仿真结果上查出各部位温度，如表3所示，在极端天气下，核验闸机内部所有模块均在正常工作温度范围内，达到优化目的。

表  3  优化后的热仿真各部位温度

序号	部件名称	热分析温度/℃	工作温度范围/℃
1	液晶显示屏和人脸模块	52.38	0～+60
2	工控机	57.74	0～+60
3	中控板	62.52	0～+85
4	电源箱	69.16	0～+85

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4.3   仿真结果分析

本文在不同位置加装散热装置，通过强化空气流动速度，达到对核心模块散热目的。其中，散热位置1距离工控机较远，在环境温度 为50℃时，无法降到工作温度范围内；散热位置2距离工控机相对较近，降温能力加强，满足优化目的。在核验闸机散热方面，除了传统的传导、辐射和强化风冷外，还可采用液体循环或几种方式综合的方法降温，以满足快速降温的目的。

5   结束语

随着我国高速铁路的快速发展，铁路自助票务设备批量投入使用，极大地提高了我国铁路旅客服务的质量。文章将在军工、小型电子设备领域应用较多的热设计理论 ^[8]应用到铁路实名制核验闸机中，优化核验闸机的热设计方案，并将优化后核验闸机投入到多个铁路车站使用。现场反馈数据表明，核验闸机的故障率降低了40%，热设计方案显著提高了核验闸机的使用效率^[9]，这对提高核验设备的设计质量、降低成本支出具有重要意义。